DE3340736A1

DE3340736A1 - Regeleinrichtung fuer einen kuehlkreislauf

Info

Publication number: DE3340736A1
Application number: DE19833340736
Authority: DE
Inventors: Matsuoka Kamakura Kanagawa Fumio; Hitoshi Chigasaki Kangawa Iijima; Hiroshi Chigasaki Kanagawa Kasagi; Yasuo Shizuoka Nakashima; Kiyoshi Fujieda Shizuoka Sakuma; Mitsuo Toride Ibaraki Umehara; Kisuke Kamakura Kanagawa Yamazaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-05-30
Also published as: MY8700635A; GB2130747B; GB2130747A; DE3340736C2; HK72887A; AU547326B2; GB8324678D0; AU1912883A

Description

Dr.-lng. Roland Liesegang --- Patentanwalt

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Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensor bzw. Verflüssiger, einem elektrisch betätigbaren Expansionsventil, einem Verdampfer und anderen Baugruppen, die sämtlich in Reihe geschaltet sind.

Bisher wurde ein temperaturgesteuertes Ventil der Selbst-Expansions-Bauart als Druckreduziervorrichtung bei einem derartigen Kühlkreislauf eingesetzt. Da ein derartiges Ventil durch Wandeln von Temperaturänderungen in Druckänderungen mittels eines Temperatur-Meßzylinders betätigt wird, der in Kontakt mit einem Teil des Rohres ist, in dem die Überhitzungswärme gemessen werden soll, ist seine Ansprechempflindlichkeit gering mit der Folge, daß das Ventil nicht einer abrupten Laständerung folgen kann. Infolgedessen hat ein Ventil dieser Bauart verschiedene Nachteile, so die Neigung , ein "Flüssigkeits-Rückstau-Phänomen", ("liquid back phenomenon"), das heißt eine abnorme Druckerhöhung und dadurch eventuelle Beschädigungen von Kompressor-Bauteilen aufgrund des plötzlichen Verdampfens von flüssigem Kühlmedium, das aufgrund eines abnormen Betriebszustandes oder Kompressorstarts im Verdampfer oder am Kompressoreinlaß steht, und ein "Schwingungs-Phänomen" (hunting phenomenon), das heißt periodische Druck- und/oder Temperaturschwankungen im Kühlmediumstrom aufgrund schneller Außentemperaturänderungen, welchen die Regelung des Expansionsventils nicht folgen kann, oder aufgrund der schnellen Volumenverringerung bei der Verflüssigung, zu erzeugen.

' BAD ORIGINAL

Da ferner ein teirperaturbetätigtes Ventil der beschriebenen Bauart nicht unmittelbar die Überhitzungswärme mißt, war es ausgeschlossen, willkürlich die Überhitzungswärme auf eine optimale Wärmemenge im Hinblick auf einen jeweiligen Betriebszustand einer Klimaanlage zu regeln.

Weiterhin wird bei einem konventionellen, elektrisch betätigten Expansionsventil, bei welchem die Überhitzungsv/ärme als Regelgröße zum Regeln des Expansionsventils •jο verwendet wird, die Überhitzungswärme SH- einfach aus der Gleichung SH=Ts-Te ermittelt, worin Te die Temperatur am Eintritt oder in einem Zwischenabschnitt eines Verdampfers und Ts die Temperatur am Eintritt des Kompressors sind. In diesem Fall findet unvermeidlich ein Druckabfall am Eintritt oder im Zwischenabschnitt des Verdampfers sowie am Eintritt des Kompressors statt. Da die Größe dieses Druckabfalls von dem Betriebszustand der Regeleinrichtung abhängt, ist es unmöglich, genau die

Überhitzungswärme zu messen.
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Davon abgesehen gibt es eine Bauart einer Regeleinrichtung, bei welcher ein Druckaufnehmer und ein Temperaturaufnehmer am Eintritt des Kompressors zum Messen der Überhitzungswärme ^angeordnet sind. Eine solche Regeleinrichtung wird jedoch deshalb unangemessen teuer, weil der Druckaufnehmer kostspielig ist.

ferner existiert eine Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf gemäß Fig. 1. In dieser Fig. bezeichnen die Bezugszahlen 21 bis 24 Rückschlagventile und 25 einen Temperaturmeßzylinder für das Expansionsventil.

Zum Zeitpunkt des Abtauens bzw. Defrostens wird ein Kreislauf in Gang gesetzt, derart, daß das Kühlmedium mit hohen Temperaturen und hohem Druck nach dem Auslassen aus dem Kompressor 1 über ein Vier-Wege-Ventil 2 zu einem Wärmetauscher 3 außerhalb der Kühlkammer strömt, wo das Kühlmittel einem Defrosten und einem Wärmeaustausch unterzogen wird, um in einen flüssigen

Zustand bei hoher Temperatur und hohem Druck zu gelangen. Dann strömt die Flüssigkeit über Verteiler 4a, 4b und ein Rückschlagventil 21 zu einem Expansionsventil 5, wo sein Druck reduziert wird, worauf das Kühlmedium wieder über das Rückschlagventil 24, einen Wärmeaustauscher 6 in der Kühlkammer, das Vier-Wege-Ventil 2, einen Speicher und ein Einlaßrohr 8 in den Kompressor 1 gelangt.

Zu diesem Zeitpunkt wird ein Ventilator (nicht gezeigt) des Wärmeaustauschers 6 in der Kühlkammer zum Anhalten veranlaßt, weil während seines Laufes Kühlluft ausgeblasen wird. Infolgedessen wird das Kühlmittel niederer Temperatur und niederen Druckes im Zwei-Phasen-Strom aufgrund der Druckreduzierung über das Expansionsventil 5 nicht vom Wärmeaustauscher 6 im Kühlkammerinneren einem Wärmeaustauschvorgang unterworfen sondern in den Speicher 7 so wie es ist eingeleitet, wo das flüssige Kühlmedium mit nachfolgendem Abnehmen des Umlaufstromes des Kühlmediums sowie des Eingangstromes in den Kompressor stockt, um die Defrosterzeit zu verlängern, wobei alle diese Vorgänge nachteilig für die korrekte Regelung des Kühlkreislaufes sind.

Während des normalen Betriebs der Regeleinrichtung wird andererseits das temperaturbetätigte Expansionsventil 5 eingesetzt,und der Temperaturmeßzylinder wird am Einlaßrohr 8 des Kompressors 1 verwendet, um die Überhitzungswärme zu regeln. In diesem Fall nimmt jedoch die Ansprechempfindlichkeit des Ventiles aufgrund der Tatsache, daß die vom Temperaturmeßzylinder 25 gemessenen Temperaturänderungen in Druckänderungen gewandelt werden, in einer Weise ab, so daß das Ventil nicht einem abrupten Lastwechsel und Variationen der Betriebskapazität des Kompressors folgen kann, so daß Rückstrom der Flüssigkeit, Schwingvorgänge und andere Erscheinungen auftreten und darüberhinaus wegen der nur indirekten Erfassung der über-

BAD ORK3INAL

hitzungswärme willkürliche Regelung des Kreislaufes nicht möglich ist, um den Kühlkreislauf optimal auf den Betriebszustand abzustimmen. Da ferner die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Kühlmediums aufgrund des Umschaltens zwischen Kühlen und Heizen sich umkehren, sind die Rückschlagventile 21 bis 24 erforderlich, um eine definierte Strömungsrichtung des Kühlmediums zu dem temperaturbetatxgten Expansionsventil 5 aufrecht zu erhalten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf zu schaffen, mit dem die absolute Größe der Überhitzungswärme des Kühlmediums exakt gemessen werden kann, das in den Kompressor zu leiten ist, und die ein genaues Regeln des Expansionsventils gestattet. Hierdurch soll ein energiesparendes Arbeiten mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Regeleinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung ein Bypass, der vom

Einlaß und/oder Auslaß des Expansionsventils zu einem Einlaß des Kompressors führt und ein Kapillarrohr enthält; ein erster Temperaturaufnehmer zum Messen der Temperatur eines Kühlmediums an dem zum Einlaß des Kompressors hin offenen Ende des Bypasses; ein zweiter Temperaturaufnehmer zum Messen der Temperatur des Kühlmediums in einem Einlaßrohr, durch welches das Kühlmedium über den Einlaß in den Kompressor eingeleitet wird; und ein Regler vorgesehen, welcher die Überhitzungs-Wärmemenge des in den Kompressor eingeleiteten Kühlmediums ausgehend von der Differenz der Meßwerte der beiden Temperaturaufnehmer ermittelt und davon abhängig die öffnung des Expansionsventils entsprechend regelt.

Mit einer Regeleinrichtung nach der Erfindung kann das

Öffnungsmaß des Expansionsventils so geregelt werden, daß die Überhitzungswärme willkürlich zur Zeit der Kapazitätsregelung des Kompressors -durch Messen der Überhitzungswärme bzw. -temperatur (Temperaturdifferenz) geregelt werden, und es kann das Expansionsventil selbst dann gedrosselt werden, wenn die Strömungsrichtung des Kühlmediums umgekehrt wird.

Mit der Regeleinrichtung nach der Erfindung läßt sich ferner eine optimale überhitzungswärme erreichen und der Kompressor vor unerwarteten Schwierigkeiten schützen, indem ein elektrisches Signal zur Regeleinrichtung derart abgegeben wird, daß das Schließen des elektrisch betätigten Expansxonsventxles schneller und wirksamer als dessen öffnen erzielbar ist, wobei außer dem Schutz des Kompressors eine unerwartete Verbesserung der Betriebssicherheit und des Wirkungsgrades erzielt wirld.

Schließlich läßt sich aufgrund der genaueren Betriebsregelung der Regeleinrichtung nach der Erfindung eine Verbesserung hinsichtlich des Komforts der klimatisierten Umgebung und außerdem eine Energieersparnis erzielen, indem das Öffnungsmaß des elektrisch betätigten Expansionsventils basierend auf der überhitzungswärme des Kühlmediums, das in den Kompressor zu überführen ist, geregelt wird und indem die überhitzungswärme zum Zeitpunkt der. Ventilregelung angehoben wird, wenn die Außentemperatur und ferner Druck und Temperatur auf der Niederdruckseite unterhalb vorbestimmter Werte liegen. Die ünteransprüche betreffen vorteilhafte i'feiteTbildmnaen der Erfindung.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf gemäß einer Ausführung

der Erfindung;

BAD ORIGINAL

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführung

eines elektrisch betätigbaren Expansionsventils gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild eines Inverters gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführung

einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 6 ein Diagramm, welches eine Zeit-/Druck-Kurve

bei einem temperaturgesteuerten Expansionsventil der konventionellen Bauart sowie eine

Zeit-/Druck-Kurve bei einer Regeleinrichtung nach der Erfindung darstellt; Fig. 7 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus

Fig. 2, in welchem das Gebiet um den Bypass der Regeleinrichtung nach der Erfindung darge

stellt ist;

Fig. 8 ein Flußdiagramm zum Erläutern der Betriebsschritte und Bestimmungsfunktionen der Regeleinrichtung zum Steuern des elektrisch betätigten Expansionsventils in einem Kühlkreis

lauf gemäß der Erfindung;

Fig. 9 ein Flußdiagramm, welches die Betriebsschritte und Bestimmungsfunktionen bei einem anderen Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung zum Regeln eines elektrisch betätigten Expansions

ventils eines Kühlkreislaufes darstellt;

Fig. 10 ein Diagramm, in welchem die Beziehung zwischen den Außentemperaturen der Uberhitzungs-Wärmemenge und der Heizfähigkeit dargestellt sind, und

Fig. 11 ein Flußdiagramm, welches die Betriebsschritte und Bestimmungsfunktionen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Regeleinrichtung zum ^: Regeln eines Elektromagnetventils darstellt. 35

Im folgenden ist eine Regeleinrichtung eines Kühlkreislaufs

gemäß der Erfindung anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei die Regeleinrichtung in einer Luftklimatisierungsanlage vorgesehen ist.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für den Kühlmediumstrom gemäß der Erfindung. Bezugszahl 1 bezeichnet einen Kompressor der Bauart mit regelbarer Kapazität. Ein vom Kompressor 1 verdichtetes Hochtemperatur-Hochdruckkühlgas strömt durch ein Vier-Wege-Ventil 2, wird verflüssigt und in einem Wärmetauscher 3 außerhalb der Kühlkammer, der als Kondensor eingesetzt ist, kondensiert. Darauf wird das Kühlgas über Verteiler 4a, 4b zu einem elektrisch betätigbaren Expansionsventil 5 geleitet, worauf es in einem anderen Wärmetauscher 6 innerhalb der Kühlkammer verdampft und vergast wird. Darauf gelangt das Kühlgas in einen Speicher 7 über das Vier-Wege-Ventil 2.

Der Kühlkreislauf ist ferner so gestaltet, daß Kühlmedium von der Hochdruckseite des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5 kommend durch ein Kapillarrohr 17 strömt, und darauf teilweise zur stromabwärts gelegenen Seite des Expansionsventils 5 über ein Kapillarrohr 16 und teilweise über einen Bypass 18 und ein Kapillarrohr 15 zum Verringern seines Druckes in ein Einlaßrohr 8 gelangt.

■ Temperaturaufnehmer 14 und 13, die beide von Thermistoren bzw. Heißleitern gebildet sind, sind nahe dem Eiiilaßrohr 8 im Bypass 18 bzw. im Einlaßrohr selbst angeordnet. Die Ausgänge dieser beiden Temperaturaufnehmer 13 und 14 sind einer Regeleinrichtung 12 zugeführt. Die Regeleinrichtung ist wie in Fig. 5 gezeigt aufgebaut und mit einem Mikrocomputer M 8748 der Anmelderin mit einem einzigen chip als Hauptbauteil ausgerüstet und regelt das Öffnungsmaß des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5.

Der Mikrocomputer hat ein einziges LSI einschließlich eines

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CPU zum Durchführen logischer Operationen, eines RAM zum zeitweiligen Speichern von Daten, eines ROM zum Speichern von Programmen, einen I/O-Anschluß zum Austauschen digitaler Signale zwischen dem Mikrocomputer und eines A/D-Wandlers zum Wandeln analoger in digitale Signale.

Eingabedaten für den Mikrocomputer sind die Raumtemperatur, welche von einem Heißleiter 40 vorgegeben"ist, eine an einem variablen Widerstand 41 vorgegebene Solltemperatur, welche die Kapazität des Kompressors, d. h. die Steuerfrequenz eines Konverters 11 variiert, die von den Thermistoren 13,14 ermittelte Überhitzungswärme und die Frequenz des Inverters, welcher zum Steuern des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5 dient, sowie die vom Thermistor 14 übermittelte Sättigungstemperatur zum Steuern eines Elektromagnetventils 10 in einem Bypass 9. Alle mittels der genannten Elemente gemessenen Daten werden in den A/D-Wandler eingegeben, in digitale Signale umgewandelt und zeitweilig im RAM über den I/O-Anschluß gespeichert. Der CPU verarbeitet die Daten in dem RAM gemäß einem im ROM gespeicherten Programm zum Regeln der Zunahme und Abnahme der Frequenz des Inverters 11 abhängig von der Differenz zwischen der mittels des Thermistors 40 erfaßten Raumtemperatur und der mittels des variablen Widerstandes 41 vorgegebenen Solltemperatur, um das elektrisch betätigbare Expansionsventil 5 so zu öffnen und zu schließen, daß die Überhitzungswärme in einem vorbestimmten Bereich bleibt, und ferner das Elektromagnetventil 10 im Bypass 9 abhängig vom Vergleich zwischen der durch den Thermistor 14 erfaßten Sättigungstemperatur und dem vom variablen Widerstand 41 vorgegebenen Sollniveau zu regeln. Der Bypass 9 verbindet die Auslässe des Kompressors · 1 und des Speichers 7.

Fig. 3 zeigt eine Konstruktion des elektrisch betätigbaren

*+ V-I / yj

Expansionsventils 5 mit einer elektromagnetischen Wicklung 31, einem Plunger 32 und einem Zylinder 33₇ der einen Schlitz 34 aufweist. Ferner sind ein Kolben 35, Federn 36 und 37, ein Kabel 38 und Rohre 39 und 40 für Kühlmittel vorgesehen.

Wenn elektrischer Strom in das Kabel 38 von der Regeleinrichtung 12 eingespeist wird, wird eine Kraft erzeugt, welche den Plunger 32 in Pfeilrichtung in Abhängigkeit von dem durch die Wicklung 31 geführten Strom bewegt. Der Plunger 32 hält in einer Lage, in welcher die Kraft der Federn 36 und 37 gerade ausgeglichen wird. Wenn folglich der Stromfluß sich vergrößert, verlagert sich der Haltepunkt des Plungers 32 und des Kolbens in Pfeilrichtung, so daß sich eine Öffnungsfläche des Schlitzes 34 im Zylinder 33 vergrößert.

Da das elektrisch betätigte Ventil 5 wie oben beschrieben aufgebaut ist, arbeitet es in exakt gleicher Weise als Expansionsventil selbst dann, wenn sich die Strömungsrichtung des Kühlmediums umkehrt. Der Inverter 11 ist gemäß Fig. 4 aufgebaut und arbeitet wie folgt.

Der Inverter 11 ist von der als Frequenzumformer bekannten Bauart zum Schaffen einer Energiequelle mit einer Frequenz von wenigen Herz bis zu zwischen 100 und 20O)Hz von einer kommerziellen Spannungsquelle (50 Hz oder 60 Hz). Der Inverter umfaßt allgemein einen Umformer (Konverter) 11a zum Umformen eines Wechselstroms in einen Gleichstrom mittels einer Brückenschaltung von Dioden, eine Filterschaltung 11b zum Glätten des Stroms aus einer Spule und einem Kondensator, einen Inverter 11c zum Rückformen des Gleichstroms in einen Wechselstrom mittels sehr schnellen Hochleistungs-Schalttransistoren und einen Regler 11d zum Regeln und Antreiben des Transistors. Bei einem so aufgebauten Inverter wird ein Einphasen- oder Dreiphasen-Wechsel-

BAD ORIGINAL

strom mittels des Umformers 11a, welcher aus sechs Dioden mit einer Brückenschaltung zum Bilden eines pulsierenden Gleichstroms besteht, umgeformt. Der sich ergebende Gleichstrom wird einer Filterschaltung 11b zugeführt, um die pulsierende Komponente zu entfernen, und anschließend zu drei Sätzen von Transistorgruppen gespeist, von denen jede aus einer"Reihenschaltung von zwei Transistoren besteht, wobei drei Leitungen eines anzutreibenden Dreiphasen-Motors 1¹jeweils mit einem Anschluß der in Reihe geschalteten Transistoren verbunden ist. Der Steuerkreis 11d läßt drei Impulswellen jeweils mit 120 ° Phasendifferenz nacheinander zu den Basen der Leistungstransistoren gelangen.

Im folgenden wird der Betrieb der Regeleinrichtung zum Steuern der Kapazität des Kühlkreislaufes anhand der oben erläuterten Konstruktion beschrieben. Zum Zeitpunkt des Defrostens befindet sich das Vier-Wege-Ventil 2 in einer Schaltstellung gemäß Fig. 2, wobei die Regeleinrichtung 12 eine Instruktion maximaler Frequenz an'.den Inverter 11 des Kompressors 1 und ferner ein Signal zum öffnen-des Elektromagnetventils 10 im Bypass 9 abgibt, wodurch der Durchfluß aus dem Auslaß des Kompressors 1 wächst.

Ferner strömt über den Bypass 9 Kühlmedium hoher Temperatur und Druckes.„in den Speicher 7 ein, wodurch das gasförmige Kühlmedium niederen Druckes, welches in den Speicher 7 über das Vier-Wege-Ventil 2 aus dem Wärmetauscher 6 im Kühlkammerinneren gelangt ist, seinen Druck erhöht. Als Folge davon wird ein Zustand kleineren spezifischen Volumens und größerer.umlaufender Strömungsmenge geschaffen, wodurch am Wärmetauscher 3 außerhalb der !Kühlkammer anhaftendes Eis in einem kurzen Zeitraum abgetaut werden kann.

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Wenn die Verdampfungstemperatur Te mittels des Temperaturaufnehmers 14 gemessen werden kann und diese Verdampfungstemperatur Te niedriger als eine Solltemperatur T₁ wird, dann wird damit erfaßt, daß sich Eis auf dem Wärmetauscher ablagert. Um die Frosterscheinung bzw. den Niederschlag von Eis zu vermeiden, wird erneut ein Signal in das Elektromagnetventil 10 und den Inverter 11 von der Regeleinrichtung 12 abgegeben, wodurch das Elektromagnetventil und damit der Bypass 9 sich öffnen und ein· Teil des aus dem Kompressor abgelassenen Gases über den Bypass in den Speicher 7 zugemischt wird, wodurch die Wärmekapazität bei niedrigem Temperaturzustand erhöht werden kann.

Zur Zeit der Betätigung des Kompressors befindet sich das Expansionsventil 5 in geschlossenem Zustand und öffnet mit einer Verzögerung einer bestimmten Zeit Ts in Sekunden, wodurch sich das Anstiegsverhalten des Kühlkreislaufes gemäß Fig. 6 verbessert. Die Abszisse t in Fig. 6 bezeichnet die Zeit und die Ordinate P den Druck. Die Druckkurve P₁ -, zeigt die Schwankungen mit der Zeit in dem Ablaßdruck des konventionellen temperaturbetäüigten Expansionsventiles an, während die Kurve P₁ den Einlaßdruck im Ver-

ι s

lauf über der Zeit des konventionellen temperaturbetätigten Expansionsventils darstellt.

Demgegenüber bezeichnest P₃, einen Kurvenverlauf des Ablaßdruckes über der Zeit* wenn das elektrisch betätigte Expansionsventil 5 für eine bestimmte Zeitdauer Ts in Sekunden mittels der Regeleinrichtung 12 gemäß der Erfindung geschlossen gehalten wird und anschließend zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, der später als der Betätigungszeitpunkt des Kompressors liegt, während P_2s den Kurvenverlauf des Eingangsdruckes über der Zeit darstellt.

Es liegt auf der Hand, daß mit dem konventionellen,

BAD ORIG,,..

temperaturbetätigten automatischen Expansionsventil, es nicht möglich ist, ein elektrisches Signal aus einem Wert für die überhitzungswärme für das in den Kompressor einströmende gasförmige Kühlmedium zu formen, was mit den Temperaturaufnehmern 13 und 14 gemäß der Erfindung möglich wird. Fig. 7 zeigt den Aufbau im einzelnen eines Ausschnittes im Gebiet des Bypasses 18 der Einrichtung nach Fig. 2.

In.Fig. 7 sind Ph der Druck des unter hohem Druck stehenden flüssigen Kühlmittels und Pi der Druck des unter niedrigem Druck stehenden flüssigen Kühlmittels. Das Hochdruck-Kühlmittel strömt durch die Kapillarröhren 17 und 15 und senken ihren Druck in Kammer 19 auf den Einlaßdruck Pi ab, so daß das Kühlmedium in der Kammer 19 bezüglich des Einlaßdruckes Pi eine Sättigungstemperatur Ts haben muß. Durch Messen dieser Temperatur mittels des Temperaturaufnehmers 14 und der Temperatur des Einlaß-Kühlmediums mittels des Temperaturaufnehmers 13 im Einlaßrohr 8 kann die Überhitzungs-Wärmemenge SH von der Regeleinrichtung aus der Gleichung.SH=Ti-Ts berechnet werden. Auf diese Weise kann die Überhitzungs-Wärmemenge stets genau gemessen werden, so auch dann, wenn der Kompressor seine Drehzahl ändert, wodurch der Kompressor vor unerwarteten Regellosigkeiten geschützt und gleichzeitig ein Betrieb mit hohem Wirkungsgrad des Kompressors ermöglicht werden können.

Im folgenden wird anhand des Flußdiagramms nach Fig. 8 eine Ausführung der Betriebs- und Diskriminierungsfunktionen in der Regeleinrichtung 12 erläutert. In Fig. 8 bedeuten Ti die Einlaßtemperatur des gasförmigen Kühlmediums in den Kompressor 1,Ts die Sättigungstemperatur, SH eine Überhitzungswärme , SH1 und SH2 erstellte Werte der Überhitzungswärme , ·. E ein Öffnungsmaß des elektrisch betätigten Expansionsventils zum Zeitpunkt der Messung, E* ein öffnuiagsmaß des elektrisch betätigbaren Expansions-

ventils zum Zeitpunkt der nachfolgenden Instruktion, ΔΕ ein 'öff-nungsweitenschritt der Ventilöffnung und K feine Konstante.

Gemäß Fig. 8 werden die mittels des Temperaturaufnehmers gemessene Sattigungstemperatur Ts und die mittels des Temperaturaufnehmers 13 gemessene Temperatur Ti des Einlaß-Kühlmediums (gemäß Fig. 2) zu jeder definierten Zeit At eingelesen/ was einem Schritt A entspricht.

Anschließend werden in einem Schritt B die Differenz zwischen der Temperatur Ti des Einlaß-Kühlmediums und der Sattigungstemperatur Ts als die überhitzungswärme SH errechnet.■

Darauf wird im nachfolgenden Schritt C für den Fall, daß die berechnete überhitzungs-Wärmemenge SH größer als der vorgegebene Wert SH1 aber kleiner als der vorgegebene Wert SH2 ist, zum Schritt A zurückgekehrt, wobei das Öffnungsmaß des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5 nach dem Zeitabschnitt At zu gleichj gebliebener öffnungsweite E* des Ventils gemessen wird.

Wenn jedoch beim Schritt C die überhitzungswärme größer ä.s der vorgegebene Wert SH2 wird, schaltet der Regelbetrieb vom Schritt C zum Schritt F, wodurch das Öffnungsmaß E* des Ventils 5 um das Signal ΔΕ für eine weitere öffnung vergrößert wird. Wenn umgekehrt die errechnete Überhitzungswärme SH kleiner als der vor- ^! gegebene Wert SH1 ist (Abfrage D), dann wird das Öffnungsmaß E* des Expansionsventils 5 um eine Größe -Κ-ΔΕ in Schließrichtung verändert.

Charakteristisch ist, daß das Erhöhungssignal ΔΕ zum Vergrößern der öffnungsweite des Ventils 5 unterschiedlich vom Verkleinerungssignal -Κ·ΔΕ(Κ>1) für eine Veränderung in Schließrichtung des Ventils 5 ist, genauergesagt

BAD ORiQINAt

das Verkleinerungssignal größer als das Zuwachssignal ist. Dies ist so eingerichtet, um eine Verdichtung des flüssigen Kühlmediums soweit wie möglich zum Schutz des Kompressors zu vermeiden, wozu die Schließgeschwindigkeit oder der Schließdurchfluß durch das Ventil größer als die Öffnungsgeschwindigkeit oder der Öffnungsdurchfluß gemacht werden.

Als nächstes wird anhand des Flußdiagramms nach Fig. 9 die Regelung, der Überhitzurigswärme des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5 mit den von den Temperaturaufnehmern 13 und 14 stammenden Signalen her gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung beschrieben.

In den Zeichnungen bedeuten Ti eine Einlaßtemperatur und Ts eine Sättigungstemperatur, wobei beide Temperaturen in bestimmten Zeitabständen gemessen und in die Regeleinrichtung 12 eingegeben werden. Wenn diese beiden Signale in die Regeleinrichtung 12 im Schritt A eingegeben werden, kann die überhitzungs-Wärmemenge SH in der Regeleinrichtung 12 im Schritt B nach der Gleichung SH=Ti-Ts berechnet werden.

Wenn im nachfolgenden Schritt C die Sättigungstemperatur Ts unterhalb eines bestimmten vorgegebenen Wertes T₀ liegt, entspricht sie einer niedrigen Temperatur in der äußeren Atmosphäre, und die Heizkapazität muß steil abgefallen sein. In diesem Fall wird zum Durchführen eines die Heizkapazität bevorzugenden Schrittes selbst unter dem Opfer von schlechter .Energienutzung . (EER =■ Energy Efficient Ratio) die überhitzungswärme SH vorzugsweise auf einen Wert zwischen einem vorgegebenen ifert Ts und -T. gebracht (in Schritt D). Wenn andererseits die Sättigungstemperatur Ts größer als der vorgegebene Wert T_n ist, ist es wünschenswert, die EER begünstigende Schritte durchzuführen anstatt

diejenigen Schritte, welche die Heizkapazität begünstigen. 35

Hinsichtlich des oben Beschriebenen ist.besonders wichtig, daß

wie es aus dem Diagramm gemäß Fig. 10 mit den Parametern Überhitzungswärme SH, Heizfähigkeit Q und Außentemperatur (T₀₁>T₂) gezeigt ist, die Regeleinrichtung ihre überhitzungs-Wärmemenge SH vergrößert, wenn die Außentemperatur niedriger, nämlich bei T_„,liegt im Gegensatz zu dem Fall, wenn die Außentemperatur so groß wie T_Q1 ist. Hieraus ergibt sich, daß die Solltemperatur in dem Flußdiagramm nach Fig. 9 die Beziehung T₁<T_<T <T₄ gemäß den Schritten G, H und I befriedigen sollte.

Wenn die Überhitzungswärme SH unterhalb des vorgegebenen Bereiches liegt, wird ein Signal abgegeben, um das Expansionsventil 5 weiter als die öffnung E in Richtung +ΔΕ zu öffnen; wenn dagegen die Überhitzungs-Wärmemenge SH oberhalb des vorbestimmten Bereiches liegt, wird ein Signal abgegeben, um das Expansionsventil 5 aus der vorliegenden öffnung E im Schritt F in Richtung -Κ-ΔΕ auf einen Wert E* zu verkleinern.

Eine Ausführung der Betriebs- und Diskriminierungs-Funktionsschritte in der Regeleinrichtung 12 und die Regelung des elektrisch betätigbaren Expansionsventils 5 wurdenoben anhand des Flußdiagramms gemäß Fig. 8 beschrieben. Es soll nun eine Ausführung für die Regelung des Elektromagnetventils 10 des Inverter-Bypasses in der Regelvorrichtung 12 anhand des Flußdiägramms nach Fig. 11 beschrieben werden, wobei dieses Flußdiagramm einen Heizarbeitsgang beschreibt.

Ein Defrostungs-Vorgang startet nach Betätigen des Kompressors und wenn die Betriebszeit te des Kompressors sechzig Minuten lang oder mehr gedauert hat und die vom Temperaturaufnehmer 14 gemessene Verdampfungstemperatur Te niedriger als -5 ⁰C ist. Dann gibt die Regeleinrichtung 12 an den Kompressor 1 ein Signal maximaler Frequenz sowie " ein Signal zum öffnen des Elektromagnetventils 10 im Bypass 9 ab.

BAD ORIGINAL

Wenn die Verdampfungstemperatur Te 8 ⁰C oder höher wird oder die Defrosterzeit fünfzehn Minuten übersteigt, hört der Defrostungsvorgang auf, die Regeleinrichtung 12 erzeugt ein Signal zum Schließen des Magnetventils 10 im Bypass 9. Wenn andererseitstvdie vom Temperaturaufnehmer gemessene Verdampfungstemperatur Te niedriger als -5 ⁰C wird, kann eine Vereisungserscheinung auftreten. Um dies zu vermeiden,gibt die Regeleinrichtung 12 ein Signal maximaler Frequenz an den Kompressor ab sowie ein Signal zum öffnen des Elektromagnetventils 10, so daß der Betrieb erneut gestartet wird. Wenn die Verdampfungstemperatur Te 1 ⁰C oder höher wird, was einer keine Vereisungserscheinung hervorrufenden Temperatur gleichkommt, wird erneut ein Signal zum Schließen des Elektromagnetventils 10 abgegeben.

Die Betriebsfrequenz des Kompressors wird durch die vom Temperaturaufnehmer 40 zum Messen der Raumtemperatur erfaßte Temperatur T_R bestimmt, während der Ausgang Ts des variablen Widerstandes 4 eine Soll-Raumtemperatur gemäß Fig. 5 angibt. Ein Signal wird in der Weise erzeugt, daß die Frequenz bei Raumtemperatur in einem Bereich von Ts - 0,5 ⁰C S T₁, < Ts für zwei Minuten um einen vorbestimmten Wert angehoben wird, während bei Raumtemperatur

T-. in einem Bereich Ts < T_ < Ts + 0,5 ⁰C für zwei κ κ

Minuten die Frequenz um einen vorbestimmten Wert abnimmt, so daß die Raumtemperatur nahe der Solltemperatur Ts kommt. In Fig. 11 repräsentiert das Symbol t die Zeit, und At repräsentiert ein Meßzeitintervall zum Eingeben des Signals aus den Aufnehmern.

Wie vorstehend festgestellt ist das Überhitzungs-Wärme-Meßsystem für einen Kühlkreislauf gemäß der Erfindung so aufgebaut, daß ein Bypass zwischen der Verbindung des elektrisch betätigten Expansionsventils und des Wärmetauschers im Kammerinneren und der Einlaßseite des Kompressors vorgesehen ist, durch welchen Bypass eine Richtwirkung auf eine Temperatur ausgeübt wirid, welche

einem Einlaßdruck des Kühlgases am offenen Ende dieses Bypasses entspricht, und auf eine Temperatur des in den Kompressor einzuleitenden Kühlgases, welches von dem Wärmetauscher im Kammerinneren in den Speicher eingeleitet und danach in den Kompressor eingelassen wird, worauf die Überhitzungswärme des in den Kompressor eingeleiteten Kühlgases mittels einer Regeleinrichtung auf der Basis der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturen berechnet wird, um dadurch das elektrisch betätigte Expansionsventil zu regeln. Bei einem solchen Aufbau des Überhitzungswärme-Meßsystems kann der absolute Wert der Überhitzungswärme bzw. -temperatur gemessen werden, was ermöglicht, das elektrisch betätigte Expansionsventil genau zu regeln, selbst dann, wenn der Druckabfall im Abschnitt zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Wärmetauschers im Kammerinneren (d. h. des Verdampfers) stattfindet, wodurch der Schutz und die Leistungsausbeute des Kompressors verbessert und ein energiesparender Betrieb in präziser Weise durchgeführt werden kann.

Das überhitzungswärms-Ifeßsystem nach <3er Erfindung ist ferner so aufgebaut, daß das Öffnungsmaß des elektrisch betätigbaren, reversibel betreibbaren Expansionsventils durch die Überhitzungswärme bzw. -temperatur geregelt, und das Hochdruck-, Hochtemperatur-Kühlgas, das vom Kompressor verdichtet worden ist, wird zur Zeit des Heizbetriebes in den Wärmetauscher im Kammerinneren eingeführt, um das Kühlgas in eine Nieder^temperatur-Hochdruck-Kühlflüssigkeit umzuformen und diese aus der entgegengesetzten Richtung in das reversibel betreibbare Expansionsventil einzuleiten, so daß sie in ein Zwei-Phasen-Kühlmedium hoher Temperatur und niedrigen Druckes umgewandelt wird. Folglich wird die Leistungsregelung der Regeleinrichtung hinsichtlich eines energiesparenden Betriebes und anderer Betriebsfaktoren verbessert, wobei auch der Grad an Komfort der klimatisierten Luft in Betracht gezogen ist.

BAD ORfGINAL

Da ferner das Überhitzungs-Meßsystem nach der Erfindung so aufgebaut ist, daß das öffnungsmaß des elektrisch betätigbaren Expansionsventils auf der Basis der Überhitzungswärme geregelt und vergrößert wird, wenn die Außentemperatur, der Druck auf der Niederdruckseite und die Temperatur auf der Niederdruckseite wahlweise unterhalb der Sollwerte liegen,kann die Regelung des Öffnungsmaßes des Expansionsventils in der EER-Vorzugs-Betriebsweise bei Standard-Temperaturbedingungen vorgenommen werden, während eine. Öffnungsregelung des Ventils inmeiner Betriebsweise, welche der Heizfähigkeit den Vorzug gibt, durchgeführt werden kann, wenn die Heizfähigkeit bei niedriger Temperatur unzureichend ist, wodurch eine genaue Regelung im Beirieb unter Berücksichtigung des Komforts der klimatisierten Luft und unter Berücksichtigung eines energiesparenden Betriebs erzielt werden kann.

Da ferner das Überhitzungs-Meßsystem gemäß der Erfindung so aufgebaut ist, daß durch die Regeleinrichtung externer Betrieb und externe Bestimmung in solcher Weise durchgeführt werden, daß der Absolutwert der Überhitzungswärme

während der Messung einen vorbestimmten Wert erreichen kann und daß das elektrisch betätigbare Expansionsventil durch die Regeleinrichtung betrieben und geregelt wird, sind die Vorteile gegeben, daß der Kompressor sicher geschützt werden kann, während die Über hit zungswärme beibehalten wird,und daß Verläßlichkeit und Wirkungsgrad im Betrieb des Kühlkreislaufes verbessert sind.

Darüberhinaus ist das Überhitzungs-Meßsystem nach der Erfindung so aufgebaut, daß zur Zeit der Defrostung das vom Wärmetauscher auf der Seite des Kammerinneren abgegebene Niedertemperatur-Niederdruck-Kühlmedium und das von

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dem Kompressor abgegebene Hochtemperatur-Hochdruck^Kühlmedium in den Speicher über den Bypass zu einer Vermischung eingegeben werden, wonach das gemischte Gas in den Kompressor zurückgeführt wird. Dadurch wird das spezifische Volumen des in den Kompressor eingeleiteten gasförmigen Kühlmediums klein und der zirkulierende Durchfluß des Kühlmediums bleibt selbst nach Abzug des durch den Bypass strömenden Anteils reichlich, so daß der vereiste Wärmetauscher außerhalb der Kammer auf schnellstmögliche Weise abgetaut werden kann, was im Gegensatz zu den konventio- nellen Defrostersystemen mit reversiblem Kreislauf steht. Somit besitzt die Regeleinrichtung nach der Erfindung rlen bedeutenden Vorteil ', daß sie schnell -den Defrostungsvorgang zur Zeit des Aufwärmbetriebes im Hinblick auf den Komfort im ,Innenraum- beendet und danach wieder den Kühlbetrieb aufnimmt. · ·

Zusammengefaßt kann mit der Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf nach der Erfindung Überhitzung wie gewünscht durch externe Signale geregelt werden; die Sättigungstemperatur entsprechend einem Sättigungsdruck kann unabhängig vom Druckverlust eines Kühlmediums in einem Verdampfer und einer Rohrleitung gemessen werden; die .Herstellkosten sind aufgrund der Verwendung von Temperaturaufnehmern niedrig; und der Aufbau der Einrichtung ist einfach, weil Einlaß und Auslaß eines linearen Expansionsventiles vertauschbar bzw. reversibel sind.

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Claims

Ansprüche

17) Regeleinrichtung für einen Kühlkreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensor, einem elektrisch betätigbaren Expansionsventil, einem Verdampfer und anderen Baugruppen, die sämtlich in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch einen Bypass (18 ) , der vom Einlaß und/oder Auslaß des Expansionsventile (5) zu einem Einlaß des Kompressors (1) führt und ein Kapillarrohr (15) enthält; einen ersten Temperaturaufnehmer (14) zum Messen der Temperar _ tür eines Kühlmediums an dem zum Einlaß des Kompressors hin offenen Ende des Bypasses; einen zweiten Temperaturaufnehmer (13) zum Messen der Temperatur des Kühlmediums in einem Einlaßrohr (8), durch welches das Kühlmedium über den Einlaß in den Kompressor (1) eingeleitet wird; und einen Regler (12), welcher die Überhitzungswärme des in den Kompressor (1) eingeleiteten Kühlmediums ausgehend von der Differenz der Meßwerte der beiden Temperaturaufnehmer (14,13) ermittelt und davon abhängig die Öffnung des -Expansionsventil (5) entsprechend regelt.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vier-Wege-Ventil (2) zum Umschalten des Kühlmediums vorgesehen ist, derart, daß die Funktionen des Kondensors (3) und des Verdampfers (6) umkehrbar sind.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnungsmaß des Expansionsventils (5) auf der Basis der über-ο hitzungswärme geregelt wird und daß eine Schließgföße oder eine Schließgeschwindigkeit des Expansionsventils größer als eine Öffnungsgröße oder eine Öffnungsgeschwindigkeit des Expansionsven-r tils gemacht werden.
4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Verwendung des Kühlkreislaufes für den Heizbetrieb einer .Klimaanlage erste Aufnehmer (41) zum Messen der Überhitzungs-Wärmemenge des Kühlmediums am Einlaßhdes Kompressors (1) und zweite Aufnehmer (40) zum Messen einer Außentemperatur oder eines Druckes auf der Niederdruckseite oder einer Temperatur auf der Niederdruckseite vorgesehen sind, mit deren Hilfe das öffnungsmaß des Expansionsventils (5) so regelbar ist, daß die Überhitzungswärme des Kühlmediums erhöht wird, wenn die Außentemperatur, der Druck auf der Niederdruckseite und/oder die Temperatur auf der Niederdruckseite unterhalb eines Sollwertes festgestellt werden, und zwar auf der Basis der. mittels der ersten und zweiten Aufnehmer erhaltenen Meßwerte.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn ze ichnet, daß ein Speicher (7) auf der Kühlmittel-Einlaßseite des Kompressors sowie

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ein gesonderter Bypass (9) mit einem Elektromagnetventil (10) vorgesehen sind, wobei der Bypass Kühlmittel mit hoher Temperatur und hohem Druck von der Auslaßseite des Kompressors (1) zur Zeit des Defrostungs- oder Aufwärmbetriebs der Klimaanlage zur Erhöhung des Druckes des Kühlmittels auf der Niederdruckseite den Wärmetauscher im Kühlkammerinneren umgehen läßt.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η nzeichnet, daß zur Zeit des Defrostungs-Betriebes

das Elektromagnetventil (10) zum Betätigen des Kompressors j(1) mit maximaler Leistung geöffnet ist, um dadurch das Vier-Wege-Ventil (2) zum Steuern eines Defroster-Rückstromes im Kühlkreislauf umzuschalten. 15
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zeit des Anwärmbetriebes bei niedriger Temperatur das Elektromagnetventil (10) geöffnet ist, um den Kompressor (1) mit maximaler Leistung zu betreiben.
8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der Betätigungsdauer des Kompressors (1 ) das Expansionsventil (5) geschlossen gehalten und nach einer bestimmten Verzögerungszeit wieder geöffnet wird.

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