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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
wesentlicher Teil von den meisten Kühlanlagen ist eine Expansionseinrichtung,
welche den Strom des flüssigen
Kühlmittels
in den Verdampfer steuert, und den Druck des Kühlmittels von dem Kondensatordruck
auf den Verdampferdruck reduziert. Expansionseinrichtungen umfassen
in typischer Weise thermostatische Expansionsventile, Magnetventile
mit Impulsbreitenmodulation und passive Einrichtungen, wie Kapillarröhrchen oder
Kapillaröffnungen.
Kühlanlagen
mit kleiner Leistung, wie Haushaltskühlanlagen, setzen in typischer
Weise ein Kapillarrohr ein, welches derart bemessen sein kann, daß man eine
optimale Kühlmittelströmung in
nur einem Betriebszustand erzielt. Bei anderen Betriebsbedingungen
als dem Nennbetriebszustand führt ein
Kapillarrohr dazu, daß das
Kühlmittel
bei hohen Belastungsbedingungen aus dem Verdampfer abströmt, oder
den Verdampfer bei niedrigen Belastungszuständen überflutet. Sowohl das Leerlaufen
als auch das Überfluten
des Verdampfers führen
zu einer Herabsetzung der Leistungsfähigkeit der Kühlanlage.
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Ferner
ist auf diesem Fachgebiet eine aktive Expansionseinrichtung bekannt,
welche die geeignete Menge an Kühlmittel
in dem Verdampfer bei allen Belastungszuständen aufrecht erhält, wodurch
sich das Leistungsvermögen
einer solchen Anlage steigern läßt. Aktive
Expansionseinrichtungen, wie thermostatische Expansionsventile,
jedoch arbeiten nicht immer gut bei kleinen Kühlanlagen, da diese nicht mit
so ausreichend klein bemessenen Öffnungen
ausgelegt werden können,
daß sich
die niedrigen Durchflussgeschwindigkeiten regulieren lassen. Es
ist unpraktisch, derartige Öffnungen
herzustellen, und zudem neigen sie auch stark zum Zusetzen. Es besteht
daher ein Bedürfnis
nach einem thermostatischen Expansionsventil, welches die Steuerung
von niedrigen Kühlmittelströmungsgeschwindigkeiten
bzw. – durchflußgeschwindigkeiten
gestattet, ohne daß man
kleine Öffnungen
benötigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
Steuerventil nach der Erfindung stellt eine genaue Kühlmittelströmungssteuerung
bei Durchflussgeschwindigkeiten in der Größenordnung von einigen Gramm
pro Stunde bereit, ohne daß man
kleine Öffnungen
benötigt.
Das Ventil kann auch eingesetzt werden, um die Strömung oder
den Druck auf kleine Werte bei anderen Anwendungsfällen als
einer Kühlmittelexpansion
zu steuern. Das Steuerventil nach der Erfindung ist insbesondere
für klein
bemessene Dampfkompressor-Kühlanlagen
sowie für
Kühlmittelabsorptionskühlanlagen,
beispielsweise bei Kühl/Gefrier-Anlagen
geeignet, welche ein kleines Leistungsvermögen von kleiner as etwa 200
Watt, und insbesondere ein Leistungsvermögen von etwa 10 bis 100 Watt
hinsichtlich der Kühlleistung
haben. Nach der Erfindung weist ein thermostatisches Expansionsventil
(TXV) für
Kleinkühlanlagen
eine Einlaßöffnung für das flüssige Kühlmittel
und eine Auslaßöffnung auf,
welche eine Drosseleinrichtung zwischen dem Ventil und dem Verdampfer
hat. Die mit einer Drosseleinrichtung versehene Auslaßöffnung hat
einen Strömungsquerschnitt,
welcher kleiner als der Strömungsquerschnitt
der Einlaßöffnung ist.
Das Ventil umfaßt
einen Hohlraum, welcher ein begrenztes Volumen zwischen der Ventileinlaß- und -auslaßöffnung hat,
wobei das Volumen kleiner als das Volumen des Anlagenverdampfers
ist. Das Ventil umfaßt
auch eine Einrichtung, welche auf den Druck im Ventilhohlraum zum Öffnen und
Schließen
der Einlaßöffnung anspricht.
Die Größe der größeren Einlassöffnungsströmung relativ
zu der gedrosselten Auslassöffnungsströmung stellt
einen schnellen Druckanstieg in dem Ventilhohlraum bereit, wenn
die Einlaßöffnung geöffnet ist.
Die Drosseleinrichtung am Auslaß ermöglicht,
daß der
Druck in dem Hohlraum über
dem Verdampferdruck so ausreichend lange bleibt, daß bewirkt
wird, daß das
Ventil die offene Einlaßöffnung schnell
schließt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein kugelförmiges
Gefäß oder eine
andere Einrichtung vorgesehen, um die Verdampferüberhitzung zu erkennen, und
einen Druck für
das Ventil zum Öffnen
und Schließen
der Einlaßöffnung bereit zu
stellen. Eine Membrane, die dem Druck in dem kugelförmigen Gefäß ausgesetzt
ist, steuert das Öffnen
und Schließen
der Einlaßöffnung in
Abhängigkeit
von dem Kräftegleichgewicht
auf den beiden Seiten der Membrane. Bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
sind Füllungen
aus Ammoniak mit Propylenglykol, Ethylenglykol oder Wasser, insbesondere
bei Kühlanlagen
mit Ammoniak-Gefriermittel, zweckmäßig, während Dymethyläther mit
Propylenglykol oder Ethylenglykol bei Kühlanlagen mit Fluorkohlenstoff-Kühlmitteln zweckmäßig ist,
um ein membrangesteuertes thermostatisches Expansionsventil nach
der Erfindung zu betreiben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Schnittansicht
eines Verdampfersteuerventils nach der Erfindung; und
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2 ist eine schematische
Darstellung zur Verdeutlichung eines Verdampfers und eines Ventils
nach der Erfindung zur Steuerung der Verdampferüberhitzung.
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Detailliere
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Das
thermostatische Expansionsventil (TXV) nach der Erfindung ist insbesondere
geeignet für
Kühlanlagen,
Wärmepumpen,
Kühlgeräte und/oder
Gefriergeräte
mit relativ niedrigem Leistungsvermögen. Das Ventil hat eine Einlaßöffnung für das flüssige Kühlmittel,
eine Auslaßöffnung und
einen Ventilhohlraum zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung.
Der Druckabfall wird durch eine Drosseleinrichtung in der Auslaßöffnung oder
dieser zugeordnet erzeugt. Das Ventil umfaßt eine Einrichtung zum Öffnen und
Schließen der
Einlaßöffnung in
Abhängigkeit
von dem Druckventilhohlraum, wobei ein höherer Druck dazu neigt, die
Einlaßöffnung zu
schließen,
und ein niedriger Druck dazu neigt, die Einlaßöffnung zu öffnen. Weitere Einzelheiten umfassen
beispielsweise Komponenten und Einrichtungen zum Öffnen und
Schließen
des Ventils in Abhängigkeit
von dem Druck in dem Hohlraum, und diese Einzelheiten sind in der
Zeichnung verdeutlicht und werden nachstehend näher erörtert. Ein wesentliches Merkmal
und eine wesentliche Funktion des Ventils ist das Vermögen, schnell
einen Druck in dem Ventilhohlraum in Anschluß an ein schnelles Schließen der
Einlaßöffnung aufzubauen.
Diese Funktion wird durch einen Einlassströmungsquerschnitt erzielt, welcher
relativ zu dem Auslassströmungsdurchtrittsquerschnitt
so ausreichend groß bemessen
ist, daß in
dem Hohlraum schnell ein Druck aufgebaut wird. In Abhängigkeit
von dem hohen Druck wird bewirkt, daß die Einlaßöffnung schnell nach dem jeweiligen Öffnen geschlossen
wird. Effektive und bevorzugte Durchtrittsquerschnitte einlassseitig
und auslassseitig werden nachstehend näher beschrieben. Ferner zeichnet
sich das Ventil durch ein im Innern liegendes Hohlraumvolumen aus,
welches kleiner als das Volumen des Verdampfers ist, welchem das
Kühlmittel zugeleitet
wird.
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1 verdeutlicht ein thermostatisches
Expansionsventil, welches insbesondere für Adsorptions- oder Dampfkompressions-Gefriergeräte oder
Kühlgeräte geeignet
ist, welche ein geringes Leistungsvermögen haben. Das gezeigte Ventil
weist einen Ventilkörper 10 auf,
welcher einen inneren Hohlraum 24 hat. Ein Ventilsitz 20 begrenzt
eine Ventilöffnung 28,
die sich öffnen
und schließen
läßt, wenn
eine Dichtung 16, welche zur Sitzanlage gegen das Ventilschließelement 17 kommt,
in Abhängigkeit
von der Bewegung der Membrane 12 gegenüber dem Teil 22 und
dem Kolben 13 nach oben und unten bewegt wird, wobei diese
Teile in Richtung auf die Membrane mittels einer Feder 14 vorbelastet
sind. Die Anordnung umfaßt
eine Kolbenverbindungsöffnung
oder eine Drucköffnung 11,
eine Einlassleitung 18 und eine Auslassleitung 19.
Die Membrane wird gegen die obere Fläche des Teils 22 durch
den Druck von einem kugelförmigen
Gefäß gedrückt, welches
nicht dargestellt ist, und zwar über
den Gefäßverbindungsanschluß 11.
Die Einlassleitung 8 steht in kommunizierender Verbindung
mit einem Kondensator oder einem Vorratsraum (nicht gezeigt) für ein flüssiges Kühlmittel,
und die Auslassleitung 19 steht in kommunizierender Verbindung
mit dem Verdampfer der Kühlanlage.
Eine Drosseleinrichtung oder eine gedrosselte Öffnung 15 ist zwischen
dem inneren Ventilhohlraum 24 und der Auslassleitung 19 angeordnet.
Ein Ventilschaft oder eine Ventilstange 23 verbindet den
Kolben mit dem Ventilschließelement 17,
und die Feder 14 drückt
den Kolben in Richtung zu der Membrane nach oben, um die Einlaßöffnung zu
schließen.
Der Druck in einem kugelförmigen
Gefäß auf der
Seite des kugelförmigen
Gefäßes bezüglich der Membrane
beaufschlagt über
die Drucköffnung 11 die
Membrane gegen das Teil 22, und der Kolben 13 drückt die
Feder 14 zusammen, und drückt die Dichtung 16 nach
unten, um die Ventileinlassöffnung 28 zu öffnen. Der Druck
in dem Hohlraum drückt
auch gegen das Ventilschließteil 17 zum Öffnen der
Ventilöffnung 28.
Die Kräfte, welche
das Ventil zu schließen
versuchen, sind folgende: Der Druck gegen die Verdampfer(Boden)-Seite
der Membrane 12, d. h. die Druck in dem Ventilhohlraum,
die Kraft der Feder 14 und der Kondensatordruck auf das
Ventilschließteil 17 einwirkend über die
Einlassleitung 18. Wenn die Summe aus diesen Kräften, die
das Ventil zu öffnen
versuchen, die Summe der Kräfte überschreitet,
welche das Ventil zu schließen
versuchen, öffnet
das Ventil. Ansonsten ist das Ventil derart beschaffen und ausgelegt,
daß es
geschlossen bleibt. Alternativ kann das Ventil derart beschaffen
und ausgelegt sein, daß der
Kondensatordruck das Ventil zu öffnen versucht.
Bei der Ventilauslegung bei dem dargestellten Beispiel) jedoch wird
ein Kondensatordruck zum Schließen
des Ventils bei relativ hohen Kondensatordrücken eingesetzt, welche beispielsweise
bei solchen Geräten
auftreten, bei denen Ammoniak als Kühlmittel eingesetzt wird.
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Das
Ventil steuert den Kühlmittelstrom
zu dem Verdampfer durch zyklisches Öffnen und Schließen anstelle
einer kontinuierlichen Modulierung der Durchströmungsgeschwindigkeit. Um ein
geeignetes Arbeiten des Ventils nach der Erfindung zu ermöglichen,
muß die
Einlaßöffnung 20 so
ausreichend groß bemessen sein,
daß der
Druck im Innern des Ventilhohlraums schnell über den Druck in dem kugelförmigen Gefäß ansteigt,
und das Ventil schließt.
Beim Einschalten hat das kugelförmige
Gefäß im wesentlichen
Umgebungstemperatur und der Druck in dem kugelförmigen Gefäß liegt nahe an dem Kondensatordruck.
Die Einlaßöffnung muß so ausreichend
groß bemessen
sein, daß sich
der Ventilhohlraum bis nahezu zum Kondensatordruck auffüllen kann,
während
das Kühlmittel
ebenfalls durch den Auslaß durchgeht.
Als Minimum muß daher
die Einlaßöffnung einen
geringeren Druckabfall als am Auslaß bereitstellen.
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Ein
wesentliches Merkmal des thermostatischen Expansionsventils nach
der Erfindung ist in der Strömungsdrosseleinrichtung
zwischen dem Ventil und dem Verdampfer der Anlage und dem kleinen
Volumen des Ventilinnenraums zwischen Einlaßöffnung, dem Ventilsitz der
Drosseleinrichtung zu sehen. Nach 1 liegt die
Strömungsdrosseleinrichtung 15 zwischen
dem Ventilhohlraum 24 und dem Verdampfer, mit dem die Auslassleitung 19 in
kommunizierender Verbindung zur Weiterleitung des kondensierten
Kühlmittels
steht. Die spezielle Lage der Drosseleinrichtung 15 ist
nicht kritisch, vorausgesetzt, daß sie stromab von dem Ventilraum 24 liegt.
Die Drosseleinrichtung 15 sowie die Lage zwischen dem Ventilhohlraum
oder dem Ventilinnenraum und dem Verdampfer stellt sicher, daß die Verdampferseite
der Membrane 12 den Drücken ausgesetzt
ist, die gleich oder höher
als die Verdampfereinlassdrücke
sind. Wenn daher der Druck auf die Gefäßseite der Membrane 12 größer wird,
oder der Verdampferdruck auf einen Gleichgewichtswert abnimmt, öffnet das
Ventil, und der Druck baut sich unter der Membrane auf, d. h. in
dem Ventil, wodurch bewirkt wird, daß das Ventil schnell wieder
geschlossen wird. Der Druck nimmt mit dem Strömen des Fluids durch die Drosseleinrichtung 15 zu dem
Verdampfer ab, bis der Druck in dem Ventilkörper und dem Ventilhohlraum 24 und
auf der Verdampferseite der Membrane 12 so ausreichend
abfällt,
daß sich
das Ventil wiederum öffnet.
Bei offenem Ventil wird eine kleine Menge des flüssigen Kühlmittels in den Ventilhohlraum
durch die offene Einlaßöffnung eingeleitet, das
Ventil schließt
dann wiederum schnell, und zusätzliches
flüssiges
Kühlmittel
wird nicht eingeleitet, bis die vorangehende "Menge" des Kühlmittels zu dem Verdampfer
ausgetreten ist. Dieser Ventilbetrieb kann als pulsierender Betrieb
an Stelle einer Modulation bezeichnet werden, und dieser gestattet
eine verbesserte Steuerung der Kühlanlage
mit kleinen Kühlmitteldurchflussraten.
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Infolge
der relativen Abmessungen von Einlaßöffnung und Auslaßöffnung hört der Druckaufbau
in dem Ventilraum schnell auf, und führt zu einem Schließen der
Einlaßöffnung innerhalb
etwa ½ Sekunden
oder weniger, gerechnet von dem Zeitpunkt des Öffnens der Einlaßöffnung.
Der Druckaufbau und das Schließen
der Einlaßöffnung können auch
schneller erfolgen, und das Ventil kann Perioden von bis zu 60 mal
pro Sekunde für
das Öffnen
und Schließen
verwirklichen. Gegebenenfalls jedoch kann der periodische Ablauf
bedarfsabhängig
beispielsweise mit einem Zyklusvorgang pro Stunde gesteuert werden.
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Die
minimalen Abmessungen der Auslassdrosseleinrichtung können derart
bemessen sein, daß man einen
Strom des Kühlmitteldampfes
bei einem maximalen Nenndurchsatz mit einem Druckabfall gleich der
maximalen Zunahme des Druckes in dem kugelähnlichen Gefäß bei der
maximal zulässigen
Durchsatzleistung verwirklichen kann. Es sollten jedoch keine zu
kleinen Abmessungen gewählt
werden. Die Ventileinlassöffnung muß einen Durchtrittsquerschnitt
haben, welcher größer als
der Durchtrittsquerschnitt der Auslassdrosseleinrichtung ist. Unabhängig von
den Abmessungen für
den Durchtrittsquerschnitt der Auslassdrosseleinrichtung sollte
der Ventilsitzströmungswiderstand
kleiner als der Verdampferströmungswiderstand
sein, wobei die Widerstände
auf einem Flüssigkeitsstrom
basieren. Im Gebrauchszustand sind die Strömungen um den Ventilsitz größtenteils
in flüssiger
Form vorhanden, und im Verdampfer ist eine Zweiphasenströmung verwirklicht.
Wenn daher das Ventil offen ist, ist die Massengeschwindigkeit in
das Ventil größer als
die Massengeschwindigkeit des das Ventil verlassenden Stroms, und
der Druck in dem Hohlraum steigt an, mit dem Ergebnis eines schnellen
Fließens.
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Das
effektive Volumen des Ventilhohlraums zwischen Einlaßöffnung und
der Auslassöffnungsdrosseleinrichtung
ist kleiner als das Verdampfervolumen. Das Volumen des Ventilhohlraums 24 zwischen
dem Ventilsitz 20 und der Drosseleinrichtung 15 sollte
so ausreichend groß bemessen
sein, daß das
Ventil nicht versucht, schneller als die Grundfrequenz bei der Kühlleistung
zu arbeiten, und das Volumen sollte so klein bemessen sein, daß nicht
so viel Flüssigkeit
aufgenommen wird, um den Verdampfer zu fluten. Die Ventilkomponenten
in dem Ventilhohlraum setzen das effektive Volumen herab. Die Abmessung
oder der Querschnitt der Drosseleinrichtung 15 sollte so
ausreichend groß sein,
daß ein
Zusetzen der Drosseleinrichtung kein Problem darstellt, sie sollte
aber auch so klein sein, daß das
Kühlmittel
durch diese Drosseleinrichtung zu dem Verdampfer durchgehen kann,
wie dies zuvor beschrieben worden ist. Ferner sind bei den Abmessungen
der Ventileinlassöffnung
und der Ventilauslassöffnung
noch Temperaturansprechzeiten des Systems aus Verdampfer und kugelförmigem Gefäß zu berücksichtigen.
Ein bevorzugtes Verhältnis
von Öffnungsfläche der
Drosseleinrichtung 15 ergibt sich beispielsweise wie folgt:
Die effektive Querschnittsfläche
der Einlaßöffnung 28 beträgt wenigstens
etwa 1 : 2, vorzugsweise 1 : 4, insbesondere ist sie größer als
1 : 20, und am zweckmäßigsten
liegt sie etwa zwischen 1 : 10 bis 1 : 20. Die bevorzugte Querschnittsfläche oder
der effektive Einlassbereich der Ventileinlaßöffnung 28 beläuft sich
somit auf das wenigstens 2- oder mehrfache des Öffnungsbereiches der Auslaßöffnung oder
der Drosseleinrichtung 15, und insbesondere auf vorzugsweise
das 10- bis 20igfache, um sicher zu stellen, daß sich der Druck schnell unter
der Membrane aufbaut, um ein schnelles Schließen des Ventils zu erreichen.
Es ist noch zu erwähnen,
daß der
effektive Einlassquerschnitt der Einlaßöffnung um alte jene Komponenten
verkleinert wird, welche in dem Raum aufgenommen sind, oder sich
in dem Einlassbereich befinden, durch die das Kühlmittel strömen muß. Beispielsweise
müssen
daher die Flächen
oder Räume,
die durch das Stangenteil 23 oder andere Komponenten in
der Einlaßöffnung oder
der Auslaßöffnung eingenommen
werden, oder längs
des kritischen Kühlmittelströmungsbereiches
liegt, mit in die Ermittlungen der vorstehend angegebenen Verhältniswerte
einbezogen werden.
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2 verdeutlicht einen Verdampfer 30,
bei dem ein kugelförmiges
Gefäß 32 am Überhitzungsbereich des
Verdampferrohrs angeordnet ist. Das kugelförmige Gefäß ist in Kontakt mit dem Ventil 10 über eine
Druckleitung 31, welche die Ventilmembrane (1) mit dem Druck in dem
kugelförmigen
Gefäß an dem
Druckanschluß 11 beaufschlagt.
Wie gezeigt, tritt ein Sieden des Kühlmittels größtenteils
unter Durchgang durch den Verdampfer auf, welcher als Zwei-Phasen(Siede)-Bereich
bezeichnet ist, und ein relativ kurzer Abschnitt des Verdampferrohrs
dient zur Wärmeübertragung
zur Überhitzung
des Kühlmitteldampfes
in dem Überhitzungsbereich.
Die Ansprechzeit für
den Druck in dem kugelförmigen
Gefäß und die
Temperatur in Abhängigkeit
von einem größeren Kühlmittelstrom
hängt von
dem Fassungsvermögen
des kugelförmigen
Gefäßes, dem
Kühlmittel,
den Ventilkomponenten, Abmessungen usw. ab. Auch ist eine Ansprechzeit
vom Zeitpunkt des Schließens
des Ventils und der Abnahme des Drucks im Innern des Ventilhohlraums
vorhanden, wenn das Kühlmittel zu
dem Verdampfer über
die Auslassdrosseleinrichtung strömt, bis das Ventil wiederum öffnet. Sobald
das Ventil schließt,
beginnt der Druck im Hohlraum zu fallen, und in Abhängigkeit
von der Temperatur und dem Druck in dem kugelförmigen Gefäß kann der Ventileinlaß wiederum
geöffnet
werden, wenn der Druck im Hohlraum über dem Verdampferdruck liegt.
Im Grenzbereich jedoch befindet sich das kugelförmige Gefäß nahezu auf der genauen Temperatur
für die
gewünschte Überhitzung,
und der Druck im Hohlraum nimmt auf nahezu den Verdampferdruck ab.
Das Ventil öffnet
nur, wenn ein Anstieg bei der Temperatur und des Drucks in dem kugelförmigen Gefäß auftritt.
Im normalen Betrieb verschiebt sich die Stelle, an der das Sieden
aufhört
und die Überhitzung
beginnt (F1) geringfügig
von dem kugelförmigen
Gefäß in Richtung
zu dem Verdampfereinlaß. Wenn
die Siedelinie sich zurück
bewegt, wird der Dampf mehr und mehr überhitzt, bevor er das kugelförmige Gefäß erreicht.
Eventuell kann der Druck in dem kugelförmigen Gefäß zum Öffnen des Ventils ausreichend ansteigen,
und die Siedelinie nähert
sich dem kugelförmigen
Gefäß weiter.
Die Temperatur und der Druck in dem kugelförmigen Gefäß fallen ab. Nach dem jeweiligen Öffnen des
Ventils schließt
sich das Ventil wiederum, so bald der Druck im Hohlraum beträchtlich über den
Verdampferdruck ansteigt. Nachdem der Druck im Ventilhohlraum abgenommen
hat, wird das Ventil wiederum geöffnet,
es sei denn, daß sich
das kugelförmige
Gefäß unterhalb
der vorbestimmten Überhitzungstemperatur
abgekühlt
hat. Normalerweise ist die Ansprechzeit von Verdampfer-Gefäßdruck bezogen
auf den Zeitpunkt des Beginns des Einströmens des Kühlmittels in den Verdampfer
relativ klein im Vergleich zu der Ansprechzeit der Druckabnahme
im Ventilhohlraum. Das Ventil öffnet
somit mehr als ein Mal, bevor das kugelförmige Gefäß sich auf (oder unterhalb)
der gewünschten Überhitzungstemperatur
abgekühlt
hat. Somit ist die Druckabnahmeansprechzeit in dem Ventilhohlraum
kleiner als die Zeit, die man benötigt, bis der Druck im kugelförmigen Gefäß im Anschluß an die
Zuleitung des Kühlmittels zu
dem Verdampfer ansteigt. Vorzugsweise ist die Ventildruckabnahmeansprechzeit
kleiner als 1/3 der Druckansprechzeit des kugelförmigen Gefäßes. Um jedoch ein Fluten zu
vermeiden, sollte ein mehrfaches Öffnen des Ventils nicht ermöglichen,
daß ausreichend
Kühlmittel
zum vollständigen
Befüllen
des Verdampfers einschließlich
des Überhitzungsbereiches
stromauf im kugelförmigen
Gefäß vorhanden
sein kann (und in dem Überhitzungsbereich
hinter dem kugelförmigen
Gefäß, falls
ein solcher Abschnitt vorhanden ist). Der Ventilhohlraum braucht
nicht vollständig
bei jedem Öffnen
des Ventils gefüllt
zu werden, sondern das Ventil sollte derart ausgelegt sein, daß ein Fluten
des Verdampfers selbst dann nicht auftritt, wenn der Hohlraum nicht
vollständig
gefüllt
ist. Zu diesem Zweck beläuft
sich das effektive Volumen des Ventilhohlraums vorzugsweise auf weniger
als etwa 30% des Volumens des Überhitzungsbereiches
des Verdampfers.
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Zur
Reduzierung der Anlaufschwierigkeiten mit einem warmen Verdampfer
sollte die Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes in geeigneter
Weise gewählt
werden. Wenn das kugelförmige
Gefäß mit demselben Kühlmittel
wie das Systemkühlmittel
gefüllt
ist, wird der Überhitzungsdruck
durch den Federdruck vorgegeben, welcher versucht, das Ventil zu
schließen
plus resultierender Kraft, die auf das Ventilschließteil durch
den Kondensatordruck wirkt. Wenn der Überhitzungsdruck derart eingestellt
ist, daß man
eine gewisse Überhitzung
bei normalen Verdampferbetriebstemperaturen erhält, führt ein und dieselbe Druckdifferenz
zu einer wesentlich niedrigeren Überhitzungstemperatur,
wenn der Verdampfer unter Umgebungstemperaturen/-druck steht. Eine niedrigere Überhitzungstemperatur
beim Anlaufzustand bedeutet, daß ein übermäßiges Fluten
auftritt, bis sich der Verdampfer in nennenswerter Weise abgekühlt hat.
Bei den meisten Dampfkompressionssystemen führt dies zu einem Leistungsverlust,
aber nicht zu Betriebsschwierigkeiten. Bei Sorptionskühlsystemen
mit kleiner Leistung jedoch, insbesondere bei periodisch betriebenen
Systemen, kann der Verdampfer nicht gekühlt werden, da er während des
Desorptionszyklusses wiederum aufgewärmt wird. Eine übliche Lösung ist
dann zu sehen, das kugelförmige
Gefäß bis zu
einem gewissen festen Druck nur mit Dampf zu füllen. Mit einer Dampffüllung steuert
das Ventil den Verdampfer auf einen fest vorgegebenen Druck, bis
das kugelförmige
Gefäß ausreichend
zur Kondensation gekühlt
wird, und unterhalb der Kondensationstemperatur arbeitet das Ventil
exakt als ein TXV-Ventil. Bei einer begrenzten Füllmenge des kugelförmigen Gefäßes jedoch
wird jegliche Kondensation an einer kälteren Stelle in dem Schaltkreis
des kugelförmigen
Gefäßes, wie
an der Membrane, in dem kugelförmigen
Gefäß verhindert,
und die Temperatur in dem kugelförmigen
Gefäß steuert
das Ventil nicht. Das kugelförmige
Gefäß muß die kälteste Stelle
im Kreislauf sein, oder es muß eine
ausreichende Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes vorhanden
sein, um den Membranhohlraum und das Kapillarrohr auszufüllen, und dennoch
den flüssigen
Zustand im kugelförmigen
Gefäß beizubehalten.
Eine Kondensation an der Membrane kann dadurch vermieden werden,
daß man
das Ventil an einer relativ warmen Stelle anordnet. Dies führt jedoch
zu zusätzlichen
störenden
Kühlverlusten,
wodurch das Leistungsvermögen
herabgesetzt wird. Bei kleinen Kühlanlagen
kann dies zu einer beträchtlichen
Herabsetzung der verfügbaren
Kühlleistung
führen.
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Die
zuvor beschriebenen Ventilsteuerschwierigkeiten lassen sich dadurch überwinden,
daß man
eine Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes mit
einem unterschiedlichen Dampfdruck vornimmt, und eine Abnahme des
Dampfdrucks gegenüber
der Temperaturlinie im Vergleich zu dem Kühlmittel des Systems auftritt.
Diese Vorgehensweise wird als Querbeschickung bezeichnet. Reine
Substanzen für
die Querbeschickung, durch welche das gewünschte Ventil auf die unterschiedlichen
Dampftemperaturen anspricht, gibt es häufig nicht, oder sie sind aufgrund
ihrer Toxizität,
ihrer Gefährlichkeit
oder der Kosten nicht geeignet. Sorptionsmengen oder Mischungen
werden als eine Alternative zur Querbeschickung mit reinen Substanzen
eingesetzt. Sorptionsbefüllungen
weisen ein Gemisch aus dem im Verdampfer eingesetzten Kühlmittel
und einem Dampfdruckunterdrückungsmittel
auf. Derartige Sorptionsmittel arbeiten zufrieden stellend. Um jedoch
eine schnelle Absorption von Gas in der Befüllungslösung des kugelförmigen Gefäßes zu erreichen,
ist es zweckmäßig, polare Substanzen
einzusetzen. Insbesondere sind Substanzen aus diesen Gründen erwünscht, welche
Wasserstoffbindungen eingehen können.
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Eine
bevorzugte Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes führt zu einer
relativ konstanten Überhitzung bei
allen zu erwartenden Verdampfertemperaturen. Wenn beispielsweise
Ammoniak als Füllung
für das
kugelförmige
Gefäß in einem
System mit Ammoniak als Kühlmittel
eingesetzt wird, führt
die Einstellung einer Federkraft auf 10°C bei 35°C typischerweise zu einer Überhitzung
von nur 1 oder 2°C
bei +20°C
Dampftemperatur, so daß das
Anlassen der Anlage bei einem warmen kugelförmigen Gefäß schwierig wird. Wenn man
jedoch ein Gemisch aus Ammoniak und einer geeigneten Substanz mit
niedriger Dampftemperatur, wie Wasser oder Propylenglykol, einsetzt,
so erhält
man eine nahezu konstante Überhitzung
bei jeglicher Verdampfertemperatur, und man benötigt eine wesentlich geringere
Federkraft.
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Sorptionsmittelbefüllungen
für das
kugelförmige
Gefäß insbesondere
zum Einsatz in Verbindung mit Ammoniak als Kühlmittel umfassen Ammoniak-Wasser-Gemische,
Ammoniak-Alkohol-Gemische und Ammoniak-Glykol-Gemische. Ammoniak
mit Mengen zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 70 Gew.-% werden bevorzugt. Äther, Glykoläther, Polyäther, Amide,
Polyamide, Ester und Polyester sind auch geeignete Sorptionsmittel
für Ammoniak
und können
als eine Komponente für
die Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes eingesetzt werden.
Mischungen unter Einsatz von niederwertigen Glykolen (Ethylenglykol,
Propylenglykol) mit 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% Ammoniak haben sich
als bevorzugt zweckmäßig erwiesen,
da (1) keine der Komponenten bei den erwarteten Dampftemperaturen
im Falle einer Separation zum Gefrieren kommt, (2) die Sorptionsmittel polar
sind und Wasserstoffbindungen eingehen können, wodurch sie eine starke
Tendenz zur Absorption von Ammoniak haben, (3) da sie billig und
gar nicht toxisch sind, (4) nicht korrosiv sind, und (5) die Konzentration des
Gemisches derart eingestellt werden kann, daß man das gewünschte Temperaturansprechverhalten
und die Überhitzung
erhält.
Dimethyläther
mit Propylenglykol und/oder Ethylglykol als Gemische zwischen etwa 40%
bis 95% Dimethyläther
sind auch bevorzugte geeignet zum Einsatz bei Ammoniak als Kühlmittel.
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Die
meisten Fluorkohlenstoff-Kühlmittel
sind nicht polar und können
auch keine Wasserstoffbindungen eingehen. Wenn daher das Kühlmittel
ein Fluorkohlenstoff ist, und eine Befüllung des kugelförmigen Gefäßes mit
einem Sorptionsmittel gewünscht
wird, sollte die Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes derart
gewählt
werden, daß man
ein polares Gas mit einem Dampfdruck in der Nähe jenes der Kühlanlage
einsetzt, und ein polares Sorptionsmittel zugibt, um den Dampfdruck
herabzusetzen, wodurch sich Schwierigkeiten hinsichtlich des Kondensierens
an der Membrane, usw. vermeiden lassen. Wenn beispielsweise R134a
(Tetrafluorethan) als Kühlmittel
eingesetzt wird, umfassen geeignete Füllungen des kugelförmigen Gefäßes umfassend
die zuvor angegebenen Wasser-Ammoniak-Gemische, welche zwischen
etwa 5% und 85% Ammoniak und Diethylätherpropylenglykol enthalten,
oder Ethylenglykolgemische, insbesondere solche, welche zwischen
etwa 40 Gew.-% und 95 Gew.-% Dimethyläther enthalten. Ammoniakpropylenglykol
und/oder Ethylenglykolgemische, welche zwischen etwa 10% und 70%
Ammoniak enthalten, können
insbesondere mit Tetrafluorethan eingesetzt werden.
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Zweckmäßige Gas-Sorptionsgemische
für die
Beschickung des kugelförmigen
Behälters
ist bei Systemkühlmitteln
nicht ideal für
die betreffende Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes, da
diese nicht polar sind, und sie umfassen Gase, die aus der Gruppe
gewählt
sind, welche Dimethyläther,
niederwertige Äther(C1-C6), niederwertige alphatische tertiäre Amine(C1-C6), und niederwertige
alphatische Ketone(C1-C6)
umfassen, und Absorptionsmittel hierzu sollten dann aus der Gruppe
gewählt
werden, welche Propylenglykol, Ethylenglykol, Alkohole, Glykolether,
Polyether, Ester, Polyester, Di-, Tri- und Polyalkohole, Di-, Tri-
und Polyamine, Amide, Polyamide und Wasser umfaßt. Ammoniak, Methylamin und
weitere niederwertige Amine(C1-C6) werden mit Absorptionsmitteln eingesetzt,
welche aus der Gruppe gewählt
sind, die Alkohole, Glykole, Di-, Tri- und Polyalkohole, Ether,
Glykolether, Polyether, Amide, Polyamide, Ester, Polyester und Wasser
umfaßt.
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Nach
dem Auswählen
einer Befüllung
des kugelförmigen
Gefäßes sollte
ein maximal zulässiger
Anstieg der Überhitzung
bei maximalem Kühlmittelstrom
bestimmt werden, und dieser Überhitzungsanstieg
sollte auf den Druck im kugelförmigen
Gefäß konvertiert
werden. Bei einem mit Ammoniak betriebenen Verdampfer beispielsweise,
welcher bei –35°C und 10°C bezüglich der Überhitzung
in Betrieb ausgelegt, und einem Gemisch aus 66 Masseprozent Ammoniak
und 34% Ethylenglykol in dem kugelförmigen Gefäß ergeben sich bei einem zulässigen Anstieg
bei der Überhitzung
bei einem maximalen Durchsatz von relevanten Druckwerten folgende
Einzelheiten:
| Dampfdruck | 13,5
psia bei –35°C |
| Druck
im kugelförmigen
Gefäß | 14,4
psia @ –25°C (10°C SH) |
| Druck
im kugelförmigen
Gefäß | 15,1
psia @ –24°C (11°C SH) |
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Die
Drosseleinrichtung am Ventilauslaß ist derart bemessen, daß man einen
Druckabfall von o,7 psi bei maximalem Druckmitteldurchsatz erhält.
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Als
ein spezielles Beispiel wurde ein Ventil mit den folgenden Komponentenabmessungen
als eine kleine Ammoniaksorptionskühlanlage eingesetzt, welche
bei 15–25
Watt bei –32°C Verdampfertemperatur
und 50°C–60°C Kondensatortemperatur
betrieben wird:
| Außendurchmesser
am Auslaß | 0,054
cm (0,021 in.) |
| Einlassöffnungsdurchmesser | 0,20
cm (0,08 in.) |
| Inneres
Ventilvolumen (Ventilhohlraum) | 1
cc (0,06 cu. in.) |
| Systemverdampfervolumen | ≈ 15 cc |
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Das
zuvor beschriebene thermostatische Expansionsventil nach der Erfindung
kann eingesetzt werden, um die Überhitzung
zu steuern, wenn ein Kühlmittel
auf der Seite des kugelförmigen
Gefäßes eingesetzt wird,
und als ein Druckregler, um die Verdampferdrücke dadurch zu steuern, daß der feste
Gasdruck oder die Federkraft auf der Seite des kugelförmigen Gefäßes der
Membrane zur Einwirkung gebracht wird. Der Effekt des Kondensatordrucks
auf den Steuerdruck kann dadurch aufgehoben werden, daß eine Gasbefüllung auf der
Seite des kugelförmigen
Gefäßes in thermischem
Kontakt mit dem Kondensator vorgesehen wird. Wenn man ein geeignetes
Verhältnis
von Membranfläche
und Ventilöffnungsfläche wählt, läßt sich
der Effekt des Kondensatordrucks auf das Kräftegleichgewicht bei den normalen
Betriebsbedingungen vollkommen abgleichen.
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Das
Ventil nach der Erfindung kann bei beliebigen Kühl/Gefriergeräten oder
anderen Kühleinrichtungen
zum Einsatz kommen, bei denen es erforderlich ist, den Strom des
flüssigen
Kühlmittels
zu einem Verdampfer zu steuern. Das Ventil ist insbesondere geeignet
für Anlagen
mit relativ geringem Leistungsvermögen, welche einen Kühlmitteldurchsatz
von weniger als 12 kg/h haben. Der Einsatz eines derartigen Ventils
wird noch vorteilhafter bei Systemen, welche einen Kühlmitteldurchsatz
von weniger als 6 kg/h haben, und insbesondere dann, wenn das Kühlmittel
einen Durchsatz von weniger als 3 kg/h hat. Selbst wenn die Kühlmitteldurchsätze noch
niedriger sind, beispielsweise zwischen etwa 5 und etwa 75 g/h,
was es beispielsweise bei mit Ammoniak betriebenen Kühlanlagen
der zuvor beschriebenen Art gibt, ist das Ventil nach der Erfindung besonders
geeignet. Als eine Funktion der Kühlleistung kommt das Ventil
nach der Erfindung insbesondere bei solchen Kühlanlagen in Betracht, die
typischerweise eine Leistung von weniger 1.000 Watt, vorzugsweise
von weniger als 500 Watt, und insbesondere von weniger als 250 Watt
haben. Als bevorzugte Leistung sind solche von weniger als 100 Watt
von hervorzuhebender Bedeutung. Ammoniakkühl- oder -gefrieranlagen mit
sehr kleinem Leistungsvermögen,
bei denen das Ventil äußerst effektiv
und vorteilhaft eingesetzt werden kann, arbeiten in einem Leistungsbereich
von 10–100
Watt.
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Das
Ventil kann bei irgendeiner beliebigen Kühlanlage eingesetzt werden,
die auch jene umfassen, bei denen Fluorkohlenstoffe als Kühlmittel,
wie CFC, HFC und HCFC, nicht polare Kühlmittel, wie Propan oder Butan,
sowie polare Kühlmittel
zum Einsatz kommen, die beispielsweise in den amerikanischen Patenten 5,441,995
und 5,477,706 beschreiben sind. Das Ventil ist auch effektiv bei
Dampfkompressionssystem unter Einsatz von mechanischen Einrichtungen,
einem Kompressor, sowie bei thermischen Kompressorsorptions-Kühlgeräten mit
kleinem Leistungsvermögen,
die beispielsweise in dem amerikanischen Patent 5,628,205 beschrieben
sind. Diese Vorrichtungen haben ein oder mehrere Sorptionsmittel,
die eine Feststoffsorptionszusammensetzung enthalten, die alternativ
ein gasförmiges
Kühlmittel
absorbieren und desorbieren kann. Das Feststoffsorptionsmittel kann
irgendeine Zusammensetzung haben, welche auch an sich bekannte Zusammensetzungen
einschließen,
wie ein Zeolit, aktiviertes Aluminiumoxid, Aktivkohle, Siliziumgel
oder ein Metallhydrid. Bevorzugte Sorptionsmittel sind komplexe
Verbindungen, die durch Absorbieren eines polaren, gasförmigen Kühlmittels
in einem Metallsalz gebildet werden, wie dies in der amerikanischen
Patentschrift 4,848,994 angegeben ist. Insbesondere werden komplexe
Verbindungen bevorzugt, die man durch eine Verfahrensweise erhält, bei
der die Dichte dadurch optimiert wird, daß die volumetrische Expansion
der komplexen Verbindung begrenzt wird, wie dies in den amerikanischen
Patentschriften 5,298.231 und 5,328,671 angegeben ist.
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Derartige
komplexe Verbindungen können
Reaktionsgeschwindigkeiten bereitstellen, welche wesentlich größer im Vergleich
zu Reaktionsgeschwindigkeiten von komplexen Verbindungen sind, weiche
ohne derartige volumetrische Expansionsbegrenzungen und eine Dichtebeeinflussung
erstellt sind. Derartige Sorptionsmittel umfassen Metallsalze, komplexe
Verbindungen sowie Mischungen hiervon unter Einschluß von den vorstehend
näher bezeichneten
Verbindungen. Die bevorzugtesten komplexen Verbindungen sind jene,
bei denen Ammoniak das Kühlmittel
ist.
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Obgleich
die Erfindung voranstehend hauptsächlich in Verbindung mit Kühlanlagen
beschrieben worden ist, läßt sich
die Verbindung auch zweckmäßigerweise
als ein Drucksteuerventil auf anderen Anwendungsgebieten als auf
dem Gebiet der Kühltechnik
einsetzen. Als ein Druckregler ist das Ventil zweckmäßig, wenn kleine
Durchflussmengen vorhanden sind, und wenn modulierende Druckregulatoren
keine ausreichende Steuerung gestatten. Die Druckvorbelastung, die
gegenüber
dem Druck im Ventilhohlraum eingesetzt wird, kann mit Hilfe von
mechanischen Mittel, einem Federdruck oder einem Fluiddruck (Flüssigkeit
oder Gas) bereitgestellt werden.