DK165603B - Servostyret ekspansionsventil for en let fordampelig vaeske - Google Patents

Description

DK 165603 B

Opfindelsen angår en servostyret ekspansionsventil for en let-.fordampelig væske, især til anvendelse ved en elektronisk styret indsprøjtning af kølemiddel i fordampere i køleanlæg, med en hovedventil, som over en servoanordning, ved 5 hvilken væsken tjener som trykmiddel, kan aktiveres af en styret pilotventilanordning.

En let fordampelig væske er herved en væske, som ved de givne driftsbetingelser ganske vist befinder sig i væskefasen, men dog i nærheden af kogepunktet.

10 Ved en kendt ekspansionsventil (DE-PS 27 49 250, fig. 3) styres pilotventilen over en membran, som på sin side begrænser et rum, i hvilket et medium med en væske- og en dampfase befinder sig. Dette medium opvarmes ved hjælp af et i væsken anbragt elektrisk varmelegeme, således at der opnås 15 et styret tryk, som åbner pilotventilen mod en fjeders kraft. Når pilotventilen åbner, strømmer flydende kølemiddel fra ekspansionsventilens indgang over en drosselåbning til et af et servostempel, som aktiverer hovedventilens lukkestykke, begrænset arbejdsrum og fra dér over en drosselåb-20 ning i servostempiet og over pilotventilåbningen til fordamperen. Det herved af kølemidlet over servostemplet dannede differenstryk indstiller servostemplets position og dermed positionen af hovedventilens lukkestykke, dvs. hovedventilens åbningsgrad.

25 Under bestemte betingelser kan det nu forekomme, at kølemidlet fordamper i arbejdsrummet. På grund af kølemiddeldampens kompressibilitet kan det komme til svingninger af servostemplet, hvad der fører til tilsvarende svingninger af hoved-ventil-lukkestykket. Problemet forstørres ved, at der også 30 kan dannes kølemiddeldamp over servostemplet, når kølemidlets temperatur ligger i nærheden af kogepunktet, og der er fremkaldt et trykfald gennem drosselåbningen i servostemplet, saledes at servostemplet støder på en damppude i begge bevægelsesretninger.

2

DK 165603 B

I DE-AS 26 06 167 er beskrevet en selvstyrende dampventil, som har en over en vandbeholder dampstyret indstillingsmotor. Indstillingsmotoren har til aktivering af en hovedventil en ventilspindel, som bevæges ved hjælp af en membran.

5 Membranen er på den ene side påvirket af trykket i vandbeholderen, på den anden side er den udsat for trykket på udgangssiden af ventilen og kraften af en fjeder. Da vandet ved den givne regulering ikke befinder sig i nærheden af kogepunktet, fremkommer der et hele tiden fuldstændigt med væ-10 ske fyldt rum, som ikke indeholder gas, der kan komprimeres. Membranens stilling bestemmes derfor entydigt ved hjælp af vandbeholderens vand.

Formålet med opfindelsen er at angive en servostyret ekspansionsventil, som i mindre grad har tilbøjelighed til sving-15 ninger.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at servoanordnin-gen er forbundet termisk med hovedventilens udgangsside, hvorved servoanordningen er anbragt i et i strømningsretning bag hovedventilen liggende kammer, som gennemstrømmes af 20 ekspanderet og dermed kølet væske.

På hovedventilens udgangsside hersker der lavere temperaturer på grund af ekspansionen. Ved hjælp af disse lave temperaturer afkøles væsken i servoanordningen, således at der her ikke kan ske nogen dampdannelse, men væsken foreligger i 25 flydende form. Trykopbygningen og dermed styringen sker udelukkende over denne væske, som ikke er kompressibel. Derved reduceres tilbøjeligheden af hovedventilens lukkestykke til svingninger ganske betydeligt. Kammeret gennemstrømmes af væsken, som er strømmet gennem hovedventilen. Da der på ho-30 vedventilens udgangsside, altså i strømningsretning bag hovedventilen, hersker en lavere temperatur end på indgangssiden, hersker på grund af den termiske forbindelse i kammeret ligeledes den lavere temperatur, som afkøler servoanordningen .

3

DK 165603 B

Ved en foretrukken udførelsesform har servoanordningen en seryocylinder, i hvilken et med et ventilelement af noved-ventilen forbundet stempel begrænser et arbejdsrum, som er påvirket af et tryk, der kan styres af pilotventilanordnin-3 gen. I en anden foretrukken udførelses form har servoanord-ningen en med hovedventilens ventilelement forbundet membran, som begrænser et arbejdsrum, som er påvirket af et tryk, der kan styres af pilotventilanordningen. Ved membran forstås derved hver deformerbar begrænsningsvæg af arbejds-10 rummet, arbejdsrummet kan altså også begrænses af en bælg.

Da servoanordningen er forbundet termisk med hovedventilens udgangsside, altså med den kolde side, afkøles arbejdsrummet udefra. Der kan ikke oannes damp i arbejdsrummet. Derved undgås, at det her kommer til svingninger.

15 Med fordel har pilotventilanordningen mellem ekspansionsventilens indgang og udgang i serie en fast og en styret variabel drossel, mellem hvilke det tryk, der kan styres af pilotventilanordningen, kan udtages. Derved kan den variable drossel i en udførelsesform i strømningsretning være anbragt 20 foran den faste drossel, og i en anden udførelsesform kan den faste drossel være anbragt foran den variable drossel.

Ved ændring af åbningsgraden af den variable drossel, som kan dannes af en ventil, der kan styres, kan trykket indstilles i et stort værdiområde mellem indgangstrykket og ud-25 gangstrykket.

I en alternativ udførelsesform har pilotventilanordningen mellem ekspansionsventilens indgang og udgang i serie to styrede variable drosler, mellem hvilke det tryk, der kan styres af pilotventilanordningen, kan udtages. Denne udfø-30 relsesform af pilotventilanordningen er ganske vist en mere kostbar konstruktion, det af pilotventilanordningen frembragte styretryk kan derved imidlertid praktisk taget indstilles på enhver værdi mellem ekspansionsventilens indgangs- og udgangstryk.

DK 165603 B

n I et tredie alternativ er pilotventilanordningen udformet som.styret tre-vejs-ventil, som står i forbindelse med ekspansionsventilens indgang og udgang og servoanordningens arbejdsrum. Indgangen står altså i forbindelse med væsken, fx 5 med kølemidlet, foran ekspansionsventilen, hvor der hersker en højere temperatur end på udgangen af ekspansionsventilen, med hvilken en udgang af tre-vejs-ventilen er forbundet. Tre-vejs-ventilens anden udgang er forbundet med servoanordningens arbejdsrum. Derved opnår man også en gunstig tempe-10 raturpåvirkning af tre-vejs-ventilen, således at der heller ikke her, fx ved drosselvirkningen af den til arbejdsrummet førende udgang, kan optræde nogen dampblæredannelse.

Med fordel kan pilotventilanordningen styres elektrisk. Til dette formål kan de variable drosler være udformet som elek-15 trisk eller elektromagnetisk aktiverbare ventiler. På samme måde kan tre-vejs-ventilen have en eller to elektrisk aktiverbare ventiler på henholdsvis sine ind- og udgange. Ventilerne kan, for at opnå en drosselvirkning, også åbnes og lukkes taktvis. En direkte elektrisk styring er hurtig og 20 kan let gennemføres ved hjælp af kendte styreindretninger.

Fortrinsvis er kammeret og hovedventilens udgang anoragt i et metallisk hus. Da der på hovedventilens udgangsside hersker en lav temperatur, og metal er henholdsvis en god varme- og køleleder, opnås derved, at kammeret afkøles umiddel-25 bart af væsken på udgangssiden. Naturligvis skal også hovedventilens indgang på en eller anden måde udmunde i huset.

Ved hjælp af en egnet ledningsføring kan der dog opnås, at temperaturpåvirkningen gennem udgangen er større.

Derved foretrækkes, at pilotventilanordningen i huset er an-30 bragt ved kammeret begrænsende husdele. Derved opnås, at pilotventilanordningen ikke kun afkøles af den omkring den strømmende væske, men også af kølestrømningen over det metalliske hus.

DK 165603B

5

Opfindelsen beskrives nedenstående ved hjælp af foretrukne udførelseseksempler i forbindelse med tegningen, der viser i fig. 1 en første udførelsesform af en ekspansionsventil, fig. 2 en anden udførelsesform af en ekspansionsventil, 5 fig. 3 forskellige udførelsesformer af en pilotventilan-ordning, fig. 4 et symbol for pilotventilanordningen og fig. 5 et tryk-entalpi-diagram.

En ekspansionsventil 20 har en indgangstilslutning 1 og en 10 udgangstilslutning 2 for en let fordampelig væske, som er adskilt ved hjælp af en hovedventil 21. Hovedventilen 21 shuntes af en sidestrømvej 3. Sidestrømvejen 3 afgrener med sin sidestrømindgang 4 fra indgangstilslutningen 1. Side-strømvejen frigiver væsken over sin sidestrømudgang 3 til 15 udgangstilslutningen 2. I sidestrømvejen 3 er en pilotven-tilanordning 6 anbragt.

Pilotventilanordningen 6 kan være opbygget på forskellige måder, sådan som det forklares nedenstående i sammenhæng med fig. 3 og 4. Mellem sidestrømindgangen 4 og sidestrømudgan-20 gen 5 er anbragt to drosselsteder i serie. Ifølge fig. 3a drejer det sig derved om en fast drossel 7 og en variabel, indstillelig drossel 8, som fx kan dannes af en magnetventil. Mellem de to drosselsteder kan et styretryk Pg udtages på en styretrykudgang 12. Dette tryk kan indstilles mel-25 lem kondensatortrykket P« på sidestrømindgangen 4 og fordampertrykket Py på sidestrømudgangen 5. Lukkes den variable drossel 8, er trykket Pg på styretrykudgangen lig med trykket på sidestrømindgangen. Åbnes derimod den indstillelige drossel 8 fuldstændigt, retter trykket Pg på styre- 6

DK 165603 B

trykudgangen 12 sig efter mængden af den gennemstrømmende væskQ..

I fig. 3b er rækkefølgen af fast og variabel drossel byttet om. I dette tilfælde er der bag sidestrømindgangen 4 først 5 anbragt en variabel drossel 8' og i strømningsretning så yderligere en fast drossel 7'. Lukkes den variable drossel 8', indstilles fordampertrykket Py på styretrykudgangen 12. Åbnes den variable drossel 8', afhænger trykket Pg på styretrykudgangen 12 af mængden af den gennemstrømmende væ-10 ske.

I fig. 3c er begge drosler udformet som variable drosler 9, 10. Derved opnås, at trykket på styretrykudgangen 12 savel kan indtage trykkets P« værdi på sidestrømindgangen 4 som trykkets Py værdi på sidestrømudgangen 5. Begge drosler, 15 som kan være udformet som elektrisk aktiverbare ventiler, kan styres uafhængigt af hinanden.

Fig. 3d viser en fjerde udførelsesform, ved hvilken pilot-ventilanordningen i det væsentlige består af en tre-vejsventil 11. Denne tre-vejs-ventils funktion svarer derved 20 til, alt efter opbygning, funktionen af en af de i fig.

3a-3c viste anordninger. Der kan også være planlagt, at trevejs-ventilen uden trykfald på sin indgang inddeler indgangstrykket til styretrykudgangen 12 og sidestrømudgangen 5.

25 Fig. 4 viser et fælles symbol for alle pilotventilanordnin-ger i fig. 3, hvor styretrykket P5 på styretrykudgangen 12 på grund af et signal på en styreindgang 13, fx en elektrisk tilslutning, kan indstilles mellem værdien Ρχ på sidestrømindgangen 4 og værdien Py på sidestrømudgangen 5.

30 Dette symbol er anvendt i fig. 1 og 2 for at vise pilotven-tilanordningen dér.

7

DK 165603 B

Ekspansionsventilens 20 hovedventil 21 har i et hus 34 et ventilsæde 22, mod hvilket et lukkestykke 23 kan bevæges.

Når lukkestykket 23 ligger an mod ventilsædet 22, er hovedventilen 21 lukket. Lukkestykkets 23 bevægelse styres af en 5 servoanordning 24 over en stang 23,

Servoanordningen 24 i fig. 1 har en bælg 26, som begrænser et arbejdsrum 27. Bælgen trykkes sammen af kraften af en fjeder 28, som understøttes på et husfast anslag 38, hvorved lukkestykket 23 bevæges i hovedventilens 21 åbningsstilling.

10 Arbejdsrummet 27 påvirkes med styretrykket P5 fra pilot-ventilanordningens 6 styretrykudgang 12. Styretrykket P5 virker altså mod fjederens 28 kraft for at bringe hovedventilen 21 i lukkestilling. Servoanordningen 24 er anbragt i et kammer 33, som befinder sig på hovedventilens 21 udgangs-15 side, dvs. er gennemstrømmet af ekspanderet og dermed afkølet væske. Kammeret 33 står i direkte forbindelse med udgangstilslutningen 2. Derved sikres, at væsken, som er strømmet gennem hovedventilen 21, også strømmer omkring servoanordningen, før den forlader ekspansionsventilen 20 gen-20 nem udgangstilslutningen 2. Da væsken på hovedventilens 21 udgangsside, dvs. i kammeret 33, har en lavere temperatur end på indgangstilslutningen 1, sikres dermed, at der i arbejdsrummet 27, som over pilotventilanordningen 6 ligeledes er fyldt med væske, ikke kan optræde nogen dampdannelse. Væ-25 sken i arbejdsrummet 27 holdes ved afkøling udefra i det væsentlige på den samme temperatur som væsken i kammeret 33.

Ved denne temperatur er væsken imidlertid i sin flydende fase. Da væsken ikke kan komprimeres, kan der ikke opstå svingninger, som ville gøre sig forstyrrende bemærket som 30 svingning af lukkestykket 23.

Til endnu bedre termisk tilkobling af servoanordningen til den kolde væske på ekspansionsventilens udgangsside er huset 34 udført af metal. Servoanordningen 24 er fastgjort på det metalliske hus. Metal er som bekendt en god varmeleder, så- 8

DK 165603 B

ledes at huset 34 og dermed også servoanordningen 24 ikke kan.oplagre varme. Varmen strømmer tværtimod straks bort. Naturligvis skal den relativt varme væske tilføres ekspansionsventilen 20 over en indgangsstuds 35. Indgangsstudsen 35 5 bør derfor være termisk frakoblet huset 34, fx ved hjælp af et ikke vist mellemlæg af en termisk isolator. Derimod kan en udgangsstuds 36, som danner udgangstilslutningen 2, være forbundet i ét stykke med det metalliske hus 34, da udgangsstudsen 36 afkøles af væsken på ekspansionsventilens 20 ud-10 gangsside. Man kan konstruktivt anbringe ledningsføringen således, at det metalliske hus over et større område kommer i berøring med den koldere væske på ekspansionsventilens 20 udgangsside end med den varmere væske på indgangssiden. Der-vea sikres, at ikke kun en mere afkølende effekt virker på 15 servoanordningen 24 over kammeret 33, men også over det metalliske hus 34. Skønt servoanordningen 24 i det foreliggende udførelseseksempel er vist som bælg, kan arbejdsrummet også omsluttes af et fast legeme, fx en cylinder, som på en endeside er lukket af en membran. Hovedventilens 21 lukke-20 stykke 23 skal kun gennemføre relativt små bevægelser, som også kan frembringes af en membran.

Fig. 2 viser et andet udførelseseksempel af en servoanord-ning. Dele, som svarer til de i fig. 1, er forsynet med samme henvisningsbetegnelser. Servoanordningen 24' har en cy-25 linder 29, som sammen med et stempel 30 begrænser et arbejdsrum 37. Stemplet 30 er forbundet med lukkestykkets 23 stang 25. Stemplet 30 arbejder mod kraften af en fjeder 31, som understøttes på et cylinderfast anslag 32. Servoanord-ningens 24' arbejdsrum 37 står i forbindelse med pilotven-30 tilanordningens 6 styretrykudgang 12. Væske, som kommer ind i pilotventilanordningen 6 gennem sidestrømindgangen 4, kommer derfra for det første ind i sidestrømudgangen 5 og for det andet gennem styretrykudgangen 12 ind i arbejdsrummet 37. Denne væske befinder sig ganske vist i den flydende fa-35 se, dog i nærheden af kogepunktet. Ved hjælp af drosselvirk- 9

DK 165603 B

ningen i pilotventilanordningen 6 kan der derfor ske en dampdannelse. Da cylinderen 29 imidlertid er anbragt i kammeret 33, som er gennemstrømmet af den koldere væske, afkøles væsken også i arbejdsrummet 37 således, at temperaturen 5 falder langt under kogepunktet. Faren for en dampblæredan-nelse er derved manet i jorden. Arbejdsrummet 37 forbliver derved fuldstændigt fyldt med væske i den flydende fase, hvorved svingninger undgås.

Fig. 5 viser i et tryk-entalpi-diagram den viste servostyre-10 de ekspansionsventils virkemåde. Derved viser kurven E afhængigheden mellem entalpi og tryk, ved hvilken væsken er på kogepunktet. Under kurven E foreligger kølemidlet som mættet damp. Langs pilen A sker en kompression af den mættede kølemiddeldamp fra et tryk Py til et højere tryk P|<. Ved 15 konstant tryk Ρχ sker kondensationen langs pilen B til punktet I, som viser kølemidlets tilstand på kondensatorens udgang og dermed på ekspansionsventilens 20 indgang 1. Fra punktet I sker der gennem ekspansionsventilen 20 en afspænding af kølemidlet til punktet V langs pilen C, hvorved 20 trykket falder fra kondensatortrykket P« til fordamper-trykket Py. Derved aftager entalpien også tilsvarende.

Punktet IV svarer til kølemidlets tilstand i servoanordnin-gen 24, 24', som har et tryk P5 og på grund af afkølingen ved hjælp af den termiske forbindelse med udgangen den til 25 punktet V svarende entalpi. Da dette punkt er over grænsen mellem kølemidlets flydende fase og gasfase, er det sikret, at kølemidlet i servoanordningen 24, 24' altid befinder sig i den flydende fase. Fra punktet V sker ved konstant kølemiddeltryk Py opvarmningen ved hjælp af varmeoptagelsen 30 fra omgivelsen i fordamperen langs pilen D, hvorved kredsløbet er lukket. Man ser, at, når kølemidlet holdes underafkølet i servoanordningen, dampdannelsen her kan undertrykkes sikkert, hvorved der opnås et "stift” reguleringssystem.

Det af pilotventilanordningen 6 mellem de to drosselsteder 35 indstillede tryk P5 bestemmes ud fra den følgende ligning:

DK 165603B

10 fjederkraft 1 -.^5 bælgflade I det nær udgangen 5 liggende drosselsted, fx den anden drossel 7', 8 eller 10 drosles væsken fra punkt IV (Ps) til punkt V (Py), som sker uden dampdannelse, da såvel 5 servoanordningen 24, 24' som de tilhørende ledninger samt henholdsvis bælgen 26 og cylinderen 29 termisk er tilsluttet 1 den lavere temperatur.

Claims (9)

11 DK 165603 B

1. Servostyret ekspansionsventil (20) for en let fordampelig væske, især til anvendelse ved en elektronisk styret indsprøjtning af kølemiddel i fordampere i køleanlæg, med en hovedventil (21), som over en servoanord- 5 ning (24, 24'), ved hvilken væsken tjener som trykmid del, kan aktiveres af en styret pilotventilanordning (6), kendetegnet ved, at servoanordningen (24, 24') er forbundet termisk med hovedventilens (21) udgangsside (2), hvorved servoanordningen (24, 24') er 10 anbragt i et i strømningsretning bag hovedventilen (21) liggende kammer (33), som gennemstrømmes af ekspanderet og dermed kølet væske.

2. Ekspansionsventil ifølge krav 1, kendetegnet v e d, at servoanordningen (24') har en servocylinder 15 (29), i hvilken et med et ventilelement (23) af hoved ventilen (21) forbundet stempel (30) begrænser et arbejdsrum (37), som er påvirket af et tryk, der kan styres af pilotventilanordningen (6).

3. Ekspansionsventil ifølge krav 1, kendetegnet 20 ved, at servoanordningen (24) har en med hovedventi lens (21) ventilelement (23) forbundet membran (26), som begrænser et arbejdsrum (27), som er påvirket af et tryk, der kan styres af pilotventilanordningen (6).

4. Ekspansionsventil ifølge et af kravene 1-3, kende- 25. e g n e t v e d, at pilotventilanordningen (6) mel lem ekspansionsventilens (20) indgang (1) og udgang (2) i serie har en fast (7, 7’) og en styret variabel (8, 8. drossel, mellem hvilke det tryk (Ps)> der kan styres af pilotventilanordningen (6), kan udtages. 12 DK 165603 B

5. Ekspansionsventil ifølge et af kravene 1-3, kende-„.^tegnet v e d, at pilotventilanordningen (6) mellem ekspansionsventilens (20) indgang (1) og udgang (2) i serie har to styrede variable drosler (9, 10), mellem 5 hvilke det tryk (Ps), der kan styres af pilotventil anordningen (6), kan udtages.

6. Ekspansionsventil ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at pilotventilanordningen er udformet som styret tre-vejs-ventil (11), som står i forbin- 10 delse med ekspansionsventilens (20) indgang (1) og ud gang (2) og servoanordningens (24, 24') arbejdsrum (27, 37).

7. Ekspansionsventil ifølge et af kravene 4-6, kendetegnet ved, at pilotventilanordningen (6) kan 15 styres elektrisk.

8. Ekspansionsventil ifølge et af kravene 1-7, kendetegnet ved, at kammeret (33) og hovedventilens (21) udgang (2) er anbragt i et metallisk hus (34).

9. Ekspansionsventil ifølge krav 8, kendetegnet 20 ved, at pilotventilanordningen (6) i huset (34) er anbragt ved kammeret (33) begrænsende husdele.