EP2174079B1

EP2174079B1 - Kühlanlage

Info

Publication number: EP2174079B1
Application number: EP08758231A
Authority: EP
Inventors: Hans Kurt Petersen; Allan Juhl Moustgaard; Jorgen Holst
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: CN101784849A; MX2009013754A; ATE505697T1; DE102007028562B4; DE502008003184D1; JP2010530519A; US8794028B2; DE102007028562A1; JP5185376B2; WO2008154922A1; US20100307190A1; EP2174079A1; RU2415353C1; CN101784849B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der mehrere Verdampferstrecken und einen eine Verteilung von Kältemittel auf die Verdampferstrecken bewirkenden Verteiler aufweist, der für jede Verdampferstrecke ein ansteuerbares Ventil aufweist.
Eine derartige Kühlanlage ist aus DE 195 47 744 A1 bekannt. Die bekannte Kühlanlage weist einen einzelnen Verdichter und einen einzelnen Kondensator, jedoch zwei voneinander getrennt ausgebildete Verdampfer auf. Der vom Kompressor geförderte Kältemittelstrom wird nach dem Kondensator und vor den Expansionsventilen mit Hilfe eines 3/2-Wegeventils in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei die Stellung des 3/2-Wegeventils von einer Reglereinheit gesteuert wird. Mit dieser Ausbildung ist allerdings nur eine Aufteilung des Kältemittelstromes auf zwei Verdampfungsstrecken möglich.
Um mehrere Verdampfungsstrecken versorgen zu können, ist aus US 5,832,744 eine Kühlanlage bekannt, bei der der Verteiler zwischen einem Kältemitteleinlass und mehreren Kältemittelauslässen ein Ventil aufweist, dem eine rotierende Turbinenscheibe nachgeschaltet ist. Die Turbinenscheibe soll dafür sorgen, dass das Kältemittel gleichmäßig auf alle Ausgänge des Verteilers und damit auch gleichmäßig auf alle Verdampfer verteilt wird.
Ein derartiger Verteiler sichert zwar theoretisch eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Verdampfer. Allerdings bewirken bereits kleine Unterschiede in Abmessungen, die sich beispielsweise bei der Herstellung ergeben können, dass das Kältemittel ungleichförmig auf die einzelnen Verdampfer verteilt wird. Darüber hinaus ist es bei derartigen Verteilern erforderlich, dass die einzelnen Verdampfer im Grunde die gleiche thermische Belastung und auch den gleichen Strömungswiderstand haben. Wenn dies nicht der Fall ist, kann der Fall auftreten, dass ein Verdampfer zu viel Kältemittel erhält, so dass das Kältemittel nicht vollständig verdampft wird, bevor es durch den Verdampfer hindurch gelaufen ist. Ein anderer Verdampfer, der an den gleichen Verteiler angeschlossen ist, kann zu wenig Kältemittel erhalten, so dass der Verdampfer die gewünschte Kälteleistung nicht erbringen kann. Die Überversorgung bzw. die Unterversorgung der Verdampfer kann vor allem dann zu Schwierigkeiten führen, wenn Temperatursensoren, die an den Verdampfern oder anderen Stellen der Kühlanlage angeordnet sind, ein Expansionsventil steuern. Das Expansionsventil kann unter ungünstigen Umständen in Eigenschwingungen versetzt werden, was die Kapazität und die Effektivität der Kühlanlage weiter verschlechtert. JP-A-2003 00 4340 offenbart eine Kühlanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen gewünschten Betrieb der Kühlanlage zu erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Kühlanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Verteiler ein Gehäuse und einen im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor aufweist, dessen Umfang nur einen radial gerichteten Vorsprung aufweist, der mit jeweils einem Ventilelement eines Ventils zusammen wirkt, und der Verteiler nur einen Versprung aufweist, der die verschiedenen Ventile abwechselnd öffset.
Wenn im Folgenden von einer "Kühlanlage" die Rede ist, dann ist dieser Begriff weit zu verstehen. Er umfasst insbesondere Kühlsysteme, Gefriersysteme, Klimaanlagen und Wärmepumpen. Der Begriff "Kühlanlage" wurde lediglich zur Vereinfachung verwendet. Die Verdampferstrecken können in unterschiedlichen Verdampfern angeordnet sein. Die Erfindung wird aus Gründen der Einfachheit im Zusammenhang mit mehreren Verdampfern erläutert. Die Erfindung ist aber auch anwendbar, wenn ein Verdampfer mehrere einzeln oder gruppenweise ansteuerbare Verdampferstrecken aufweist.
Der Verteiler weist also für jede Verdampferstrecke ein ansteuerbares Ventil auf, dass durch den radial gerichteten Vorsprung des Rotors gesteuert werden kann. Damit ist es möglich, die einzelnen Verdampferstrecken individuell zu steuern, d.h. es ist möglich, jedem Verdampfer die Menge an Kältemittel zuzuführen, die er benötigt. Man muss keine Rücksicht mehr darauf nehmen, dass die Verdampfer alle den gleichen Strömungswiderstand haben. Auch ist es von untergeordneter Bedeutung, wenn die Verdampfer unterschiedliche Kälteleistung abgeben müssen. Ein Verdampfer, bei dem eine größere Kälteleistung erforderlich ist, bekommt entsprechend mehr Kältemittel als ein Verdampfer, der wenig Kälteleistung erbringen muss. Man muss lediglich dafür sorgen, dass das Ventil des Verdampfers, der mehr Kältemittel benötigt, bei einer Umdrehung des Rotors für eine längere Zeit geöffnet bleibt als bei einem Verdampfer, der weniger Kältemittel benötigt. Da der Rotor einen radial gerichteten Vorsprung aufweist, reicht es aus, wenn der Rotor in radialer Richtung stabil genug abgestützt ist. Alle anderen Lagerungen können dann relativ einfach ausgebildet werden, weil die hier wirkenden Kräfte klein sind. Ein radial gerichteter Vorsprung lässt sich auch relativ einfach fertigen, beispielsweise in Form eines Nockens. Man kann mehr als zwei Verdampferstrecken mit geringem Aufwand versorgen.
Vorzugsweise sind die Ventilelemente bezogen auf die Rotationsachse des Rotors radial bewegbar. Damit kann die Wirkung des radial gerichteten Vorsprungs unmittelbar in eine Bewegung des Ventilelements umgesetzt werden. Dies vereinfacht den Aufbau des Verteilers. Wenn die Ventilelemente radial bewegbar sind, dann steht ausreichend Platz für die Anordnung der Ventilelemente zur Verfügung.
Vorzugsweise weist jedes Ventilelement eine Rückstellfeder auf, die das Ventilelement in Richtung auf einen Ventilsitz drückt. Das Ventil bleibt also ohne die Wirkung des Nockens oder radialen Vorsprungs am Rotor geschlossen. Erst, wenn der Vorsprung auf das Ventilelement wirkt, wird es gegen die Kraft der Rückstellfeder vom Ventilsitz abgehoben und öffnet damit das Ventil.
Vorzugsweise ist die Rückstellfeder in einem Käfigeinsatz abgestützt, der in einer Auslassöffnung des Gehäuses angeordnet ist. Der Käfigeinsatz ist einerseits in der Lage, die Rückstellfeder so zu unterstützen, dass sie die notwendige Schließkraft auf das Ventilelement ausüben kann. Andererseits weist der Käfigeinsatz auch eine oder mehrere ausreichend groß dimensionierte Durchlassöffnungen auf, so dass Kältemittel, das durch einen Spalt zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz strömt, auch durch den Käfigeinsatz hindurch in den entsprechenden Auslass des Verteilers strömen kann.
Bevorzugterweise weist der Käfigeinsatz eine Führungsöffnung für das Ventilelement auf, in der ein Schaft des Ventilelements geführt ist. Der Käfigeinsatz stützt also nicht nur die Rückstellfeder ab, sondern er führt das Ventilelement auch linear, so dass das Ventilelement gegenüber dem Ventilsitz nicht oder nur in einem zulässigen Maße kippen kann. Damit wird sichergestellt, dass das Ventil dicht schließen kann.
Vorzugsweise ist der Käfigeinsatz mit Presssitz in der Auslassöffnung angeordnet. Dies ermöglicht eine relativ einfache Herstellung. Der vormontierte Käfigeinsatz mit Rückstellfeder und Ventilelement wird einfach in die Auslassöffnung des Gehäuses eingepresst. Die dabei entstehenden Reibungskräfte reichen aus, um den Käfigeinsatz im Gehäuse festzuhalten. Die auf den Käfigeinsatz wirkenden Kräfte sind ohnehin relativ gering. Sie setzen sich bei geöffnetem Ventilelement zusammen aus der Kraft der Rückstellfeder und dem Druck, der vom Kältemittel auf das Ventilelement ausgeübt wird
Vorzugsweise ist zwischen dem Rotor und jedem Ventilelement ein Stößel angeordnet. Der Stößel bildet ein Übertragungselement zwischen dem Rotor und dem Ventilelement. Dies ermöglicht es, bei einem relativ kleinen Rotor auch Ventile dann zu betätigen, wenn sie auf einem größeren Radius angeordnet sind. Damit schafft man die Möglichkeit, eine ausreichende Anzahl von Ventilen unterzubringen. Darüber hinaus hat man größere konstruktive Freiheiten.
Hierbei ist bevorzugt, dass der Stößel eine Länge aufweist, die kürzer ist als eine Entfernung zwischen einem Ventilelement, das am Ventilsitz anliegt, und dem Rotor außerhalb des Vorsprungs. Bei geschlossenem Ventil besteht also ein Spiel zwischen dem Stößel und dem Rotor. Damit kann man sicherstellen, dass das Ventil auf jeden Fall geschlossen bleibt, wenn der Stößel nicht von dem radialen Vorsprung am Rotor beaufschlagt ist. Das Spiel kann so dimensioniert werden, dass im gesamten Temperaturbereich, für den der Verteiler zugelassen ist, sichergestellt ist, dass die Ventile sicher schließen.
Vorzugsweise weist das Gehäuse in einer Kammer, die einen Verteilereinlass mit den Ventilen verbindet, einen umlaufenden Vorsprung auf, durch den die Stößel hindurch geführt sind. Der Vorsprung kann in Umfangsrichtung auch unterbrochen sein, solange sichergestellt ist, dass für jedes Ventil eine Bohrung oder ein Durchlass vorhanden ist, durch den der Stößel geführt ist. Durch die Kammer wird die Verteilung von Kältemittel auf die einzelnen Ventile bewirkt.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Stößel in einem Stößel-Haltering gehalten sind. Der Stößel-Haltering ist in das Gehäuse eingesetzt. Wenn er zusammen mit dem umlaufenden Vorsprung verwendet wird, dann ist sichergestellt, dass die Stößel an zwei in Bewegungsrichtung einen Abstand aufweisenden Stellen abgestützt sind. Damit lässt sich auf Dauer sicherstellen, dass die Stößel und die Ventilelemente immer eine vorbestimmte Ausrichtung zueinander behalten.
Vorzugsweise weisen die Stößel an ihren dem jeweiligen Ventilelement zugewandten Ende eine Durchmesserverringerung auf. Der Stößel kann also über den größten Teil seiner Länge mit einem ausreichend großen Durchmesser versehen sein, so dass er die Druckkräfte, die vom Vorsprung des Rotors auf das jeweilige Ventilelement übertragen werden, aufnehmen kann. Wenn er an seiner Spitze eine Verjüngung aufweist, dann ist er in der Lage, weit genug durch die Öffnung hindurch zu treten, an deren Außenseite der Ventilsitz gebildet ist. Damit ist es möglich, die Ventile ausreichend weit zu öffnen, so dass der Strömungswiderstand für das Kältemittel klein gehalten werden kann.
Bevorzugterweise ist jedes Ventilelement konusförmig ausgebildet. Damit lässt sich auf einfache Weise eine Abdichtung zwischen Ventilsitz und Ventilelement erreichen. Das Ventilelement kann darüber hinaus ein Stück weit durch die Öffnung geführt werden, an deren Außenseite der Ventilsitz ausgebildet ist, so dass es leicht von dem Stößel erreicht werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Kühlanlage mit mehre- ren Verdampfern,
Fig. 2: einen Verteiler in perspektivischer Darstellung von außen,
Fig. 3: den Verteiler in Draufsicht ohne Motor,
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung des Rotors mit Vorsprung,
Fig. 5: eine Schnittdarstellung eines Ventils,
Fig. 6: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5 und
Fig. 7: eine perspektivische Darstellung eines Ventilelements in ei- nem Käfigeinsatz.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Kühlanlage 1, bei der ein Verdichter 2, ein Kondensator 3, ein Sammler 4, ein Verteiler 5 und eine Verdampferanordnung 6 mit mehreren parallel angeordneten Verdampfern 7a - 7d in einem Kreislauf zusammengeschaltet sind. Die Verdampferanordnung 6 kann auch einen einzelnen Verdampfer aufweisen, der mehrere Verdampferstrecken aufweist, die einzeln oder gruppenweise angesteuert werden sollen. Es ist auch möglich, die Verdampferanordnung 6 mit mehreren Verdampfern vorzusehen, von denen mindestens einer mehrere Verdampferstrecken aufweist.
In an sich bekannter Weise verdampft flüssiges Kältemittel in den Verdampfern 7a - 7d, wird durch den Verdichter 2 komprimiert, im Kondensator 3 verflüssigt und im Sammler 4 gesammelt. Der Verteiler 5 ist dafür vorgesehen, das flüssige Kältemittel auf die einzelnen Verdampfer 7a - 7d zu verteilen.
Am Ausgang eines jeden Verdampfers 7a - 7d ist ein Temperatursensor 8a - 8d angeordnet. Der Temperatursensor 8a - 8d ermittelt die Temperatur des den Verdampfer 7a - 7d verlassenden Kältemittels. Diese Temperatur-Information wird an eine Steuereinheit 9 weiter geleitet, die in Abhängigkeit von den Temperatursignalen der Temperatursensoren 8a - 8d den Verteiler 5 steuert.
Die Fig. 2 bis 7 zeigen nun den Verteiler 5 in teilweise schematisierter Darstellung. Der Verteiler 5 weist einen Antriebsmotor 10 auf, der beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet ist. Der Antriebsmotor 10 ist auf ein Gehäuse 11 aufgesetzt, das einen in Fig. 2 nicht sichtbaren Eingang und mehrere Ausgänge 12 aufweist. Im Motor 10 kann die Steuereinheit 9 integriert sein. Es ist aber auch möglich, die Steuereinheit 9 getrennt vom Motor 10 anzuordnen und den Motor 10 lediglich mit Signalen von der Steuereinheit 9 zu versorgen.
Fig. 3 zeigt den Verteiler 5 von oben, wobei der Motor 10 entfernt worden ist, so dass man in das Innere des Verteilers hinein sehen kann. Der Motor 10 dient, wie dies in Fig. 2 zu erkennen ist, gleichzeitig als Deckel für das Gehäuse. Zwischen dem Motor 10 und dem Gehäuse 11 ist eine Dichtung 13 angeordnet, die verhindert, dass Kältemittel aus dem Gehäuse 11 entweichen kann.
Der Motor 10 treibt einen Rotor 14 an, der im Gehäuse 11 angeordnet ist. Der Rotor 14 weist einen radialen Vorsprung 15 auf, der die Form eines Nockens mit zwei abgeschrägten Flanken 16, 17 hat. Wenn sich der Rotor 14 dreht, dann wirkt der Vorsprung 15 jeweils auf einen Stößel 18 und lenkt diesen radial nach außen aus. Die Stößel 18 sind in einem Stößel-Haltering 19 gehalten. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weist das Gehäuse 11 einen Vorsprung 20 auf, der in eine Verteilerkammer 21 ragt. Die Stößel 18 sind in dem Vorsprung 20 ein weiteres Mal gehalten.
Die Verteilerkammer 21 verbindet den Eingang mit den Ventilen 22, von denen jeweils eines für jeden Ausgang 12 vorgesehen ist. Bei einem Vor sprung 15 am Rotor 14 kann also eines der sechs Ventile 22 geöffnet sein. Die Öffnungsdauer bestimmt die Menge an Kältemittel, die durch das entsprechende Ventil und damit den entsprechenden Ausgang 12 abströmen kann.
Die Ventile 22 sind untereinander gleich aufgebaut. Jedes Ventil 22 weist ein Ventilelement 23 auf, das mit einem Ventilsitz 24 zusammen wirkt. Das Ventilelement 23 weist einen konusförmig ausgebildeten Kopf 25 auf, der durch eine Gehäusewand 26 hindurch geführt ist, an deren radialer Außenseite der Ventilsitz 24 angeordnet ist.
Das Ventilelement 23 wird mit seinem Kopf 25 durch die Kraft einer Rückstellfeder 27 in Richtung auf den Ventilsitz 24 gedrückt. Die Rückstellfeder 27 greift an der radial äußeren Seite des Kopfes 25 an. Von dort erstreckt sich auch ein Schaft 28 des Ventilelements 23 radial nach außen. Der Schaft 28 hat einen geringeren Durchmesser als der Kopf 25, so dass die Rückstellfeder 27 eine ausreichende Anlagefläche hat.
Die Rückstellfeder 27 ist mit ihrem anderen Ende an einem Käfigeinsatz 29 abgestützt, der in eine Auslassöffnung 30 eingepresst ist. Der Käfigeinsatz 29 sitzt also mit einer Presspassung im Gehäuse 11. Wie aus Fig. 7 zu erkennen ist, weist der Käfigeinsatz 29 mehrere Beine 31 auf, mit denen er im Gehäuse 11 gehalten ist. Dazwischen befinden sich Zwischenräume, durch die Kältemittel bei geöffnetem Ventil 22, also vom Ventilsitz 24 abgehobenen Ventilelement 23, in den entsprechenden Ausgang 12 strömen kann.
Der Käfigeinsatz 29 weist eine Führungsöffnung 34 auf und führt den Schaft 28 des Ventilelements 23 damit so, dass das Ventilelement 23 in ausreichendem Maße gegen ein Kippen gesichert ist. Damit wird ein Verkanten des Ventilelements 23 gegenüber dem Ventilsitz 24 vermieden, sofern es über ein vorbestimmtes Maß hinaus geht.
Die Stößel 18 sind kürzer als eine Entfernung zwischen dem Ventilelement 23 und dem Rotor 14 in den Bereichen außerhalb des radialen Vor sprungs 15. Damit ergibt sich immer ein gewisses Spiel zwischen dem Rotor 14 und dem Stößel 18, der mit einem geschlossenen Ventil zusammen wirkt bzw. zwischen dem Stößel 18 und dem Ventilelement 23. Damit kann man auf einfache Weise sicherstellen, dass dann, wenn der Vorsprung 15 am Rotor 14 das entsprechende Ventil 22 gerade nicht bewusst öffnen soll, das Ventil geschlossen ist.
Der Stößel 18 weist an seinem Ende, das mit dem Ventilelement 23 zusammenwirkt, eine Durchmesserverringerung 32 auf. Damit lässt sich einerseits gewährleisten, dass der Stößel 18 einen ausreichenden Querschnitt aufweist, um die vom Vorsprung 15 ausgeübten Druckkräfte ohne Verformung aufnehmen zu können. Andererseits ist er in dem Bereich, in dem er mit dem Ventilelement 23 zusammenwirkt, dünn genug, um durch die Öffnung 33 in der Wand 26 des Gehäuses zu passen, an deren radialer Außenseite der Ventilsitz 24 angeordnet ist. Man kann also sicherstellen, dass auch dann, wenn der Stößel 18 mit seiner Durchmesserverringerung 32 in die Öffnung 33 hinein ragt, ein ausreichender Strömungsquerschnitt für das Kältemittel durch das entsprechende Ventil 22 gegeben ist.

Claims

Kühlanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der mehrere Verdampferstrecken und einen eine Verteilung von Kältemittel auf die Verdampferstrecken bewirkenden Verteiler aufweist, der für jede Verdampferstrecke ein ansteuerbares Ventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (5) ein Gehäuse (11) und einen im Gehäuse (11) drehbar gelagerten Rotor (14) aufweist, dessen Umfang nur einen radial gerichteten Vorsprung (15) aufweist, der mit einem Ventilelement (23) eines Ventils (22) zusammen wirkt, und der Verteiler nur den Vorsprung aufweist (15), der die verschiedenen Ventile abwechselnd öffnet.
Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (23) bezogen auf die Rotationsachse des Rotors (14) radial bewegbar sind.
Kühlanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventilelement (23) eine Rückstellfeder (27) aufweist, die das Ventilelement (23) in Richtung auf einen Ventilsitz (24) drückt.
Kühlanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (27) in einem Käfigeinsatz (29) abgestützt ist, der in einer Auslassöffnung (30) des Gehäuses (11) angeordnet ist.
Kühlanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfigeinsatz (29) eine Führungsöffnung (34) für das Ventilelement (23) aufweist, in der ein Schaft (28) des Ventilelements (23) geführt ist.
Kühlanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfigeinsatz (29) mit Presssitz in der Auslassöffnung (30) angeordnet ist.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (14) und jedem Ventilelement (23) ein Stößel (18) angeordnet ist.
Kühlanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (18) eine Länge aufweist, die kürzer ist als eine Entfernung zwischen einem Ventilelement (23), das am Ventilsitz (24) anliegt, und dem Rotor (14) außerhalb des Vorsprungs (15).
Kühlanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) in einer Kammer (21), die einen Verteilereinlass mit den Ventilen (22) verbindet, einen umlaufenden Vorsprung (20) aufweist, durch den die Stößel (18) hindurch geführt sind.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößel (18) in einem Stößel-Haltering (19) gehalten sind.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößel (18) an ihren dem jeweiligen Ventilelement (23) zugewandten Ende eine Durchmesserverringerung (32) aufweisen.
Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventilelement (23) konusförmig ausgebildet ist.