CH634401A5

CH634401A5 - Regelschaltung fuer das ventil einer kaelteanlage.

Info

Publication number: CH634401A5
Application number: CH1058478A
Authority: CH
Inventors: Jakob Steen Jakobsen
Original assignee: Danfoss As
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1978-10-12
Publication date: 1983-01-31
Also published as: CA1139398A; DD139894A5; US4347976A; FR2408102A1; DK145765B; DE2749240C3; SE437425B; IT1160904B; DE2749240B2; GB2009457B; JPS5474547A; AU522996B2; FR2408102B1; DK145765C; DE2749240A1; SE7811361L; JPS589910B2; AU4128678A; DK481978A; GB2009457A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhängigkeit von einer mittels eines äusseren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt wird.

Ventile von Kälteanlagen werden auf sehr einfache Weise geregelt. Bei einem als Saugdruckregler wirkenden Ventil wirkt beispielsweise der Verdampferdruck gegen eine einstellbare Feder, so dass durch Verstellung der Feder ein bestimmter Verdampferdruck aufrechterhalten werden kann. Bei thermischen Expansionsventilen wird in einem am Verdampferaustritt anliegenden Fühler, der teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt ist, ein temperaturabhängiger Dampfdruck erzeugt, der im Ventil gegen die Kraft einer einstellbaren Feder und gegebenenfalls gegen den Verdampferdruck wirkt. Mit diesen Anordnungen lassen sich jedoch nur verhältnismässig einfache

Regelprobleme lösen. Beispielsweise ist es nicht möglich, die in einer Kälteanlage vorhandenen Verzögerungszeiten zu berücksichtigen oder die Regelung in Abhängigkeit von mehreren Kenngrössen oder von ausserhalb der Kälteanlage auftretenden 5 Kenngrössen durchzuführen. Auch eine Fernbedienung stösst auf Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Ventil der eingangs beschriebenen Art eine Regelschaltung anzugeben, auf deren Grundlage es möglich ist, bei Kälteanlagen neue io Regelungsarten durchzuführen und/oder die Regelung der Kälteanlage besser anzupassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst a) durch einen das Stellglied des Ventils beeinflussenden 15 Bezugsdruckgeber, der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefällten Druckbehälter eine Heiz- oder Kühlvorrichtung und einen Rückmeldetemperaturfühler aufweist,

b) durch eine erste Brückenschaltung mit einem als äusserer Temperaturfühler dienenden, ersten Fühlerelement, das ein mit

20 der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einen Sollwert-Einstellwiderstand sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,

c) durch eine zweite Brückenschaltung mit einem als Rückmeldetemperaturfühler dienenden, zweiten Fühlerelement, das

25 ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,

d) durch eine Summationsschaltung, in der die Ausgangssig-30 naie beider Verstärker gemischt werden,

e) und durch einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker mit nachgeschaltetem Stromregler, der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.

Bei dieser Regelschaltung wird das Ventil mit Hilfe eines 35 Bezugsdruckes eingestellt, der gleich dem Dampfdruck der verdampfbaren Flüssigkeit ist und durch eine Temperaturregelung im Bezugsdruckgeber genau kontrolliert wird. Hierbei bildet die Heiz- oder Kühlvorrichtung, der Rückmeldetemperaturfühler, die zweite Brückenschaltung, die Summationsschaltung und der 40 dritte Verstärker mit Stromregler eine kleine Regelschleife, während das Ventil, zumindest ein Teil der Kälteanlage, eventuell ein von der Kälteanlage beeinflusster Teil der Regelstrecke, der äussere Temperaturfühler, die erste Brückenschaltung, die Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Stromregler 45 eine grosse Regelschleife bilden. Mit Hilfe der kleinen Regelschleife wird der Bezugsdruck auf einem bestimmten Wert konstant gehalten, der unter dem Einf luss der äusseren Regelschleife geändert werden kann. In der ersten Brückenschaltung können die verschiedenartigsten äusseren Temperaturfühler ange-50 bracht werden, z.B. für einen Saugdruckregler ein in dem gekühlten Medium angebrachter Fühler, für ein Expansionsventil ein an der Überhitzungsstrecke anliegender Fühler. Es können auch mehrere Temperaturfühler vorgesehen werden, beispielsweise für ein Expansionsventil ein erster Fühler am Verdamp-55 fereintritt und ein zweiter Fühler am Ende der Überhitzungsstrecke. Weitere Einflussmöglichkeiten können über die Summationsschaltung eingeführt werden, beispielsweise indem das Ausgangssignal einer weiteren Brückenschaltung zugemischt wird. Darüber hinaus kann durch Eingriffe an zahlreichen Stel-60 len, insbesondere durch Verwendimg von Einstellwiderständen, P-, I- und D-Gliedern eine optimale Anpassung der Regelschaltung an die jeweilige Kälteanlage erfolgen, sei es bezüglich der Nachstellzeiten, der Düsengrösse des Ventils oder des verwendeten Kältemittels.

65 Die Summationsschaltung kann für j edes der Brückenver-stärker-Ausgangssignale einen einstellbaren Eingangswiderstand aufweisen, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers verbunden sind. Dies ergibt eine sehr einfache Strom-

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Summenbildung, wobei der jeweilige Einfluss des ersten und zweiten Verstärkers optimal einstellbar ist.

Des weiteren sollte der erste Verstärker mit Einstellmitteln für ein P- oder PI-Verhalten versehen sein. Während in der kleinen Regelschleife ein verhältnismässig rasches Ansprechen erwünscht ist, kann in der grösseren Regelschleife das Trägheitsverhalten der Kälteanlage optimal berücksichtigt werden. Dies geschieht am besten in Verbindung mit dem ersten Verstärker.

Besonders günstig ist es hierbei, wenn ein mittels eines Potentiometers wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers über einen Kondensator an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers gelegt ist. Bei dieser Schaltung kommt man auch bei verhältnismässig grossen Nachstellzeiten mit einem vergleichsweise kleinen Integrationskondensator aus. Die beiden Einstellwiderstände erlauben eine genaue Anpassung des P- und I-Verhaltens der Regelschaltung an die Kälteanlage.

Für das erste bzw. zweite Fühlerelement kommt insbesondere ein NTC-Widerstand in Betracht. Es kann aber auch ein Thermoelement verwendet werden. Manchmal eignet sich hierfür auch ein Ni- oder Pt-Fühler.

Mit besonderem Vorteil wird das zweite Fühlerelement durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden Leistungstransitors gebildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines als Verdampferdruckregler in einer Kälteanlage angeordneten Ventils, das mit einer Regelschaltung gemäss der Erfindung betätigt wird,

Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform der Regelschaltung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Regelschaltung.

Fig. 1 zeigt ein Ventil 1, das in der Saugleitung 2 einer Kälteanlage angeordnet werden kann. Die Kälteanlage weist einen Verdichter 3 mit einer Druckleitung 4, einen Verflüssiger 5, einen Sammler 6 und einen Verdampfer 7 auf. Ein Expansionsventil 8 wird von einem Fühler 9 in Abhängigkeit von der Sauggastemperatur gesteuert.

Das Ventil 1 weist ein Gehäuse 10 mit einem ringförmigen Einlasskanal 11 und einem zentrischen Auslasskanal 12 auf, die durch einen Ventilsitz 13 voneinander getrennt sind. Eine auch als Verschlussstück dienende Membrane 14 ist zwischen einem Flansch 15 am Gehäuse 10 und einem Flansch 16 einer Kapsel 17 befestigt, die oben durch einen schalenförmigen Deckel 18 abgeschlossen ist. Die Kapsel 17, der Deckel 18, eine Ringscheibe 19 und ein Balg 20 bilden einen Druckbehälter oder Bezugsdruckgeber 21. Dieser ist über ein Füllrohr 22 mit einem zweiphasigen Medium 23 gefüllt, das im unteren Teil in der Flüssigkeitsphase und dem oberen Teil in der Dampfphase vorliegt. Der Boden 24 des Balges 20 hat die Querschnittsgrösse des Ventilsitzes 4 und liegt auf der Membran 14 auf. Durch den Deckel 18 gehen drei Stifte 25,26 und 27. Eine Glasisolation 28 dient gleichzeitig als Dichtung. In der Flüssigkeitsphase ist ein Heizwiderstand 29 in der Form eines Wendeis aus Widerstandsdraht und ein NTC-Temperaturfühler 30 angeordnet. Diese Teile sind mittels Stützdrähten 31 gehalten. Der Heizwiderstand 29 ist mit dem Stift 26 und der Masse 32 des Druckbehälters 21, der Temperaturfühler 30 mit den Stiften 25 und 27 verbunden. Durch vier Leitungen 33,34,35 und 36 sind die genannten Stifte und Masse mit einer Reglereinheit 37 verbunden. Mit deren Hilfe kann im Druckbehälter 21 ein bestimmter Dampfdruck pf erzeugt werden, der auf die zweite Druckfläche F2 wirkt und mit Hilfe eines Drehknopfes 38 justiert werden kann. In entgegengesetzter Richtung drückt der Verdampferdruck p0 auf die erste Druckfläche F0 und — wesentlich weniger wirksam - der Saugdruck ps auf eine Fläche Fj. Hierbei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

In der Strömung 39 des vom Verdampfer 7 gekühlten Mediums liegt ein äusserer Temperaturfühler 40, der über Signal-s leitungen 41 ein elektrisches Temperatursignal an die Reglereinheit 37 abgibt. Diese weist einen weiteren Drehknopf 42 auf, mit dessen Hilfe der Sollwert der Temperatur des gekühlten Mediums eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck pf im Druckbehälter 21 derart geregelt werden, dass die loTemperatur des gekühlten Mediums den eingestellten Sollwert beibehält.

Das Medium 23 ist so gewählt, dass es beim Gleichgewichtszustand eine höhere Temperatur hat als das Kältemittel und als die Umgebungstemperatur. Wenn der Verdampferdruck erhöht werden soll, wird durch stärkere Beheizung die Temperatur des Mediums 23 erhöht. Soll dagegen der Verdampferdruck gesenkt werden, kann das Medium 23 durch Wärmeabgabe an das Kältemittel und die Umgebungsluft eine geringere Temperatur annehmen. Der Dampfdruck bleibt dann immer derselbe, gleich-20 gültig wie weit das Ventil öffnen muss, um den gewünschten Verdampferdruck aufrechtzuerhalten.

Eine in diesem Zusammenhang verwendbare Regelschaltung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Eine erste Brücke B1 ist unter Verwendung von Vorschaltwiderständen R1 und R2 zwischen 25 die Klemmen V + und V— für die positive und negative Spannung gelegt. Die Brücke weist in ihrem einen Zweig einen festen Widerstand R3, ein Potentiometer R4, das mittels des Knopfes 42 verstellbar ist, und einem temperaturabhängigen Widerstand R5, der im Fühler 40 angeordnet ist, auf. Der andere Zweig 30 besteht aus zwei festen Widerständen R6 und R7, welche den geerdeten Bezugspunkt der Brücke B1 festlegen.

Die beiden Diagonalspannungen werden über je einen Widerstand R8 und R9 an die beiden Eingänge eines ersten Verstärkers AI gelegt. Der invertierende Eingang ist über einen 3S Widerstand RIO, einem Einstellwiderstand Rll und einen festen Widerstand R12 mit dem geerdeten Bezugspunkt verbunden ; diese Widerstände bilden daher einen von der Eingangsspannung gespeisten Spannungsteiler. Am Abgriff zwischen den Widerständen RIO und Rll ist eine Elektrode eines Kondensa-40 tors Cl angeschlossen, dessen andere Elektrode am Abgriff eines Potentiometers R13 liegt. Dieses bildet zusammen mit einem festen Widerstand R14 einen von der Ausgangsspannung gespeisten Spannungsteiler.

Eine zweite Brücke B2 liegt unter Verwendung von Vorwi-45 derständen R15 und R16 zwischen den Spannungsquellen V+ und V —. Sie weist in dem einen Zweig einen temperaturabhän-gigen Widerstand R16 auf, der dem Fühlerwiderstand 30 entspricht, ferner ein Potentiometer R17, mit dem eine Justierung möglich ist, und einen festen Widerstand R18. Der andere 50 Zweig besteht aus zwei Widerständen R19 und R20, zwischen denen sich ein geerdeter Bezugspunkt ergibt. Die Diagonalpunkte sind über die Widerstände R21 und R22 mit den Eingängen eines zweiten Verstärkers A2 verbunden, der mit einem Gegenkopplungswiderstand R23 versehen ist.

55 In einer Summationsschaltung S, die zwei einstellbare Widerstände R24 und R25 aufweist, über die die Ausgangssignale der beiden Verstärker AI und A2 einem dritten Verstärker A3 zugeführt werden, dessen anderer Eingang über einen Widerstand R26 an dem geerdeten Bezugspunkt liegt. Der Ausgang 6o dieses Verstärkers ist über einen Widerstand R27 mit einem aus zwei Transistoren Tri und Tr2 in Darlington-Schaltung bestehenden Transistorverstärker verbunden. In Reihe mit der Kol-lektor-Emitter-Strecke des Transistors Tr2 liegt ein Heizwiderstand R28, der dem Widerstand 29 entspricht. Das Emitterpo-65 tential wird über einen Widerstand R29 an den invertierenden Eingang des Verstärkers A3 rückgeführt.

Diese Schaltung ermöglicht eine proportionale Leistungsverstärkung der am nicht-invertierenden Eingang des Verstär-

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kers A3 addierten Spannungen aus den beiden Operationsverstärkern AI und A2. Mit Hilfe der veränderbaren Widerstände R24 und R25 ist es möglich, die Einflüsse aus den beiden Brük-ken B1 und B2 mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen. Mit Hilfe der Widerstände RI 1 und R13 Iässt sich der Proportionalitätsfaktor und die Integrationskonstante beim Verstärker AI einstellen. Insgesamt lässt sich auf diese Weise eine Regelung erreichen, bei der der Integrationskondensator Cl keine sehr grossen Werte annehmen muss.

Die Regelschaltung der Fig. 2 ergibt zwei Regelschleifen, die kaskadenartig zusammenwirken, nämlich eine kleine Regelschleife I und eine grössere Regelschleife II (Fig. 3). Die kleinere Regelschleife umfasst die Summationsschaltung S, in der die Ausgangssignale der beiden Regelschleifen summiert werden, den Verstärker A3, in dem die Summe mit einer festen Spannung verglichen wird, die Heizvorrichtung 29 bzw. den Heizwiderstand R28, die eine quadratische Überführungsfunktion hat, den Bezugsdruckgeber 21, in welchem von der zugeführten Wärmeleistung die an das Kältemittel und die Umgebung abgeführte Wärmeleistung abgezogen wird, das zweiphasige Medium 23, dessen Temperatur sich mit einer gewissen Verzögerung ändert, den Rückmeldetemperaturfühler 30 bzw. R16, dessen Temperatur und damit dessen Ausgangssignal sich ebenfalls mit einer gewissen Zeitverzögerung ändert, die zweite Brückenschaltung B2, in der das Temperatursignal mit dem Sollwert verglichen wird, den zweiten Verstärker A2 und dem Widerstand R25 der Summationsschaltung, die beide lediglich eine proportionale Änderung hervorrufen. In die grössere Regelschleife geht zwischen dem Ventil 1 und dem äusseren Fühler 40 bzw. R3 die aus der Kälteanlage und der von ihr gekühlten Luft bestehende Regelstrecke 43 ein, wobei eine Störgrösse 44, z.B., unterschiedliche Eintrittstemperaturen der zu kühlenden Luft,

Einfluss nimmt. Des weiteren gehören zur grösseren Regelschleife die erste Brücke Bl, wo das Temperatursignal des Fühlers 40 mit dem am Potentiometer R4 eingestellten Sollwert verglichen wird, der Verstärker AI, der P- und I-Verhalten 5 aufweist, der Widerstand R24 und dann die mit der kleineren Schleife gemeinsamen Teile S, A3,29,21 und 23.

Es ist ersichtlich, dass die kleinere Regelschleife für sich optimal abgeglichen werden kann, dass die grossen Verzögerungszeiten in der Regelschleife II gut von den P- und I-Ein-lo Stellmöglichkeiten des Verstärkers AI berücksichtigt werden können und dass die Anpassung der Schleifen aneinander mit Hilfe der Einstellwiderstände der Summationsschaltung möglich ist.

Weitere Einflussmöglichkeiten sind gegeben, wenn in der 15 Brücke Bl noch weitere Fühlerwiderstände vorgesehen werden. Beispielsweise können bei einem Expansionsventil der Fühlerwiderstand R5 am Ende der Überhitzungsstrecke und ein zweiter Fühlerwiderstand R3 am Verdampfereintritt angeordnet werden. Es ist ferner möglich, das Integrationsverhalten tempe-20 raturabhängig zu steuern, beispielsweise wenn der Widerstand R14 temperaturabhängig gemacht wird. Auch andere Widerstände können einstellbar gemacht werden oder als Fühler wirken.

Es bedarf nur geringfügiger Modifikationen, wenn als Tem-25 peraturfühler 30 ein Thermoelement eingesetzt wird oder wenn der Heizwiderstand 29 durch einen Leistungstransistor ersetzt wird. Auch wenn statt einer Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung verwendet wird, erfordert dies nur geringfügige Änderungen an der gesamten Schaltung. Als Kühlvorrichtung eignet sich 30 beispielsweise ein Peltier-Element. Die Temperatur der Flüssigkeit 23 muss dann allerdings unterhalb derjenigen des Kältemittels oder der Umgebungsluft liegen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

634 401 PATENTANSPRÜCHE

1. Regelschaltung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhängigkeit von einer mittels eines äusseren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt wird, gekennzeichnet a) durch einen das Stellglied des Ventils (1) beeinflussenden Bezugsdruckgeber (21), der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit (23) gefüllten Druckbehälter eine Heizoder Kühlvorrichtung (29 ; R28) und einen Rückmelde-Tempe-raturfühler (30) aufweist,

b) durch eine erste Brückenschaltung (Bl) mit einem als äusserer Temperaturfühler (40) dienenden, ersten Fühlerelement (R5), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Sollwert-Einstellwi-derstand (R4) sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (AI),

c) durch eine zweite Brückenschaltung (B2) mit einem als Rückmelde-Temperaturfühler dienenden zweiten Fühlerelement (R16), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwi-derstand (R17) sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (A2),

d) durch eine Summationsschaltung (S), in der die Ausgangssignale beider Verstärker gemischt werden,

e) und durch einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker (A3) mit nachgeschaltetem Stromregler (Tri, Tr2), der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summationsschaltung (S) für jedes der Brücken-verstärker-Ausgangssignale einen einstellbaren Eingangswiderstand (R24, R25) aufweist, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers (A3) verbunden sind.

3. Regelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker (AI) mit Einstellmitteln (RH, R13) für ein P- oder PI-Verhalten versehen ist.

4. Regelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels eines Potentiometers (R13) wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (AI) über einen Kondensator (Cl) an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers (RIO, Rll, R12) gelegt ist.

5. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bzw. Fühlerelement (30, 40) durch einen NTC-Widerstand (R5, R16) gebildet ist.

6. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bzw. zweite Fühlerelement (30,40) durch ein Thermoelement gebildet ist.

7. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fühlerelement (30) durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden Leistungstransistors gebildet ist.