DE69328663T2

DE69328663T2 - Thermisches Expansionsventil mit zwei Strömungsleistungen

Info

Publication number: DE69328663T2
Application number: DE69328663T
Authority: DE
Inventors: David C. Dorste; Joseph H. Heffner
Original assignee: Sporlan Valve Co
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2013-12-18
Also published as: DK0602996T3; US5423480A; EP0602996A1; EP0602996B1; DE69328663D1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Expansionsventile, wie sie in Kühlsystemen eingesetzt werden, und insbesondere ein Expansionsventil, das den zusätzlichen Fluß von Kältemittel unter den Bedingungen des Herunterkühlens ermöglicht.
Bei jedem Klimatisierungssystem oder Kühlsystem, beispielsweise einer Gefriertheke, einem begehbaren Kühlraum, einer Gefrieranlage oder einem Kühler, ist die Last auf den Verdampfer unter den Bedingungen des Herunterkühlens immer am größten. Die Bedingungen des Herunterkühlens treten beispielsweise dann auf, wenn eine Gefriertheke abgetaut worden ist oder wenn die Theke mit einem relativ warmen Lebensmittelerzeugnis gefüllt worden ist. Nachdem die anfängliche Periode des Herunterkühlens vorüber und die Abluft vom Verdampfer für das spezielle, zu klimatisierende Erzeugnis normal ist, ist die Last auf den Verdampfer viel niedriger als während des Herunterkühlens.
US-A-4750334 beschreibt ein thermostatisches Expansionsventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Das in US-A-4750334 gezeigte Ventil schließt eine Membran und Stößelstangen zur Modulation eines Ventilstiftes ein. Ein Kolben, dessen eines Ende sich in der Einlaßkammer befindet und dessen anderes Ende mit einer Membranpufferplatte in Kontakt ist, hält den Fluß durch die Stiftöffnung des Ventils im Gleichgewicht.
In der Praxis kann die Last beim Herunterkühlen um das 3- bis 3,5fache größer als die Normallast sein. Infolgedessen wurde in der Vergangenheit ein Kompromiß als notwendig erachtet, wenn ein thermostatisches Expansionsventil, beispielsweise für eine Gefriertheke, bemessen wurde, wobei das Ventil so bemessen wurde, daß eine möglichst kurze Periode des Herunterkühlens erreicht wurde, was zur Folge hatte, daß ein unverhältnismäßig überbemessenes Ventil für normale Haltelasten geschaffen wurde. Überbemessene Ventile führen im typischen Fall zu Steuerungsproblemen und beeinflussen die Effektivität des Kühlsystems.
Ein Herunterkühlen kann auch bei einem Klimatisierungsystem auftreten, bei dem der klimatisierte Raum nicht überwacht wird und sich der äußeren Umgebungstemperatur annähern kann. In der Vergangenheit wurden, vor allem bei großen Systemen, oft Entladungsmerkmale als notwendig in den Kompressor einbezogen, um den Kapazitätsunterschieden Rechnung zu tragen.
Die vorliegende Erfindung wird im beigefügten Anspruch 1 dargelegt.
Dieses verbesserte Expansionsventil überwindet diese und andere Probleme auf eine Weise, wie sie im bekannten technischen Stand nicht aufgezeigt worden ist.
Dieses verbesserte thermostatische Expansionsventil weist zwei unabhängige Kapazitäten auf, eine für normale Betriebsbedingungen und die andere, die erhöhte Kapazität zur Bewältigung der Bedingungen des Herunterkühlens.
Das verbesserte Ventil stellt innerhalb desselben Ventilgehäuses eine Öffnung für die Steuerung des Kältemittelflusses während normaler Betriebsbedingungen und eine andere Öffnung bereit, die während der Bedingungen des Herunterkühlens oder unter Überlastbedingungen geöffnet wird, um eine zusätzliche Flußbahn für das Kältemittel bereitzustellen. Durch diese Anordnung entfällt die Notwendigkeit, eine einzige Ventilöffnung mit einer Kompromißgröße bereitzustellen, die sowohl während des Herunterkühlens als auch unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet.
Eine modifizierte Form des Ventils schließt einen Ablaß und insbesondere ein Ablaßsteuerelement ein, die ein Ablassen nur während des Normalbetriebs des Ventils auftreten lassen und den Fluß ausschließen, wenn das Ventil geschlossen ist, beispielsweise bei einem Systemausfall. Durch diese Herangehensweise ist es möglich, daß bei größeren Haltelasten mit derselben kleinen Öffnung gearbeitet werden kann, wie sie vorher für die Steuerung des Kältemittelflusses unter normalen Betriebsbedingungen beschrieben worden ist.
Im einzelnen weist das Expansionsventil folgendes auf ein Ventilgehäuse, das einen Einlaßdurchgang, einen Auslaßdurchgang, einen Kolbendurchgang, einschließlich einer Kolbenkammer, und eine Ventilkammer einschließt, wobei die Kolbenkammer mit dem Einlaßdurchgang in Verbindung steht und eine Kolbenöffnung hat, die mit der Ventilkammer in Verbindung steht, und wobei die Ventilkammer mit dem Auslaßdurchgang in Verbindung steht, Kolbenmittel, die beweglich in der Kolbenkammer angeordnet sind und selektiv den Fluß durch die Kolbenöffnung steuern, wobei die Kolbenmittel einen inneren Durchgang, der mit dem Einlaßdurchgang in Verbindung steht, und eine Stiftöffnung haben, die mit der Ventilkammer in Verbindung steht, wobei die Kolbenmittel Mittel zum Vorspannen der Stiftmittel in die geschlossene Position haben, Ventilstiftmittel, die beweglich in der Ventilkammer angebracht sind und den Fluß durch die Stiftöffnung steuern, wobei die Ventilstiftmittel Mittel zum Vorspannen der Stiftmittel in die geschlossene Position haben, auf die Temperatur ansprechende Mittel an einem Ende des Ventilgehäuses, Mittel, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel mit den Ventilstiftmitteln verbinden, die dazu tendieren, die Stiftmittel unter normalen Lastbedingungen in eine geöffnete Position zu bewegen, und Mittel, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel mit dem Kolbenmittel verbinden, die dazu tendieren, die Kolbenmittel unter Überlastbedingungen in die geöffnete Position zu bewegen.
Das Ventilgehäuse schließt vorzugsweise ein Widerlager ein, und die Kolbenmittel schließen ein erstes Ende, das mit Zwischenraum zu dem Widerlager angeordnet ist, und ein zweites Ende ein, das mit der Ventilöffnung ineinandergreifen kann, und die Kolbenvorspannmittel schließen Federmittel zwischen dem Widerlager und dem ersten Ende der Kolbenmittel ein, die dazu tendieren, das zweite Ende der Kolbenmittel in die geschlossene Position zu drucken.
Das Ventilgehäuse schließt vorzugsweise einen Axialdurchgang ein, der ein oberes Ende und ein unteres Ende hat, und die Kolbenmittel schließen ein oberes Ende, das in einem Gleitverhältnis im oberen Ende des Axialdurchgangs aufgenommen wird, und ein unteres Ende ein, das diametral mit Zwischenraum zum unteren Ende des Axialdurchgangs angeordnet ist, um die Kolbenkammer zu bilden.
Vorzugsweise wird zwischen dem oberen Ende der Kolbenmittel und dem oberen Ende des Axialdurchgangs eine ringförmige Dichtung bereitgestellt.
Die auf die Temperatur ansprechenden Mittel schließen vorzugsweise Membranmittel ein, und die Mittel, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel mit den Stiftmitteln verbinden, schließen Stößelmittel ein, die sich zwischen den Membranmitteln und den Stiftmitteln erstrecken.
Die auf die Temperatur ansprechenden Mittel schließen vorzugsweise Membranmittel ein, und die Kolbenmittel schließen ein oberes Ende ein, und die Mittel, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel mit den Kolbenmitteln verbinden, schließen eine Pufferplatte ein, die selektiv mit dem oberen Ende der Kolbenmittel ineinandergreifen kann.
Das Ventilgehäuse schließt vorzugsweise Anschlagmittel ein, und die Membranmittel schließen eine Pufferplatte ein, die mit den Anschlagmitteln ineinandergreifen kann, um die Bewegung der Kolbenmittel zu begrenzen.
Bei einer modifizierten Form des Ventils schließt das Ventil Ablaßmittel ein, die den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang und dem Auslaßdurchgang zulassen.
Die Kolbenmittel schließen vorzugsweise Ablaßsteuermittel ein, die den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang und dem Auslaßdurchgang während des Betreibens zulassen und den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang und dem Auslaßdurchgang ausschließen, wenn das Ventil geschlossen ist.
Vorzugsweise schließen die Kolbenmittel einen inneren Durchgang, der eine Ablaßöffnung definiert, und ein Widerlager, das in Längsrichtung in einem Abstandsverhältnis zur Ablaßöffnung angeordnet ist, und ein Ablaßsteuerelement ein, das ein oberes Ende, das funktionell mit der Ablaßöffnung ineinandergreifen kann, und ein unteres Ende hat, das funktionell mit dem Widerlager ineinandergreifen kann und zur Bewegung in dem Durchgang zwischen der Ablaßöffnung und dem Widerlager angebracht ist, wobei das Ablaßsteuerelement einen Durchgang einschließt, der die Ventilstiftöffnung bereitstellt.
Vorzugsweise ist der Längsabstand zwischen der Eingriffsstelle der Ablaßöffnung mit dem Ablaßsteuerelement und dem Widerlager größer als die Länge des Ablaßsteuerelements, gemessen von dessen Eingriffsstelle mit der Ablaßöffnung bis zu dessen Eingriffsstelle mit dem Widerlager, um den Takt des Ablaßsteuerelements zu definieren.
Vorzugsweise wird das Widerlager durch einen kreisförmigen Ring bereitgestellt.
Das thermostatische Expansionsventil dieser Erfindung ist verhältnismäßig einfach und kostengünstig in der Fertigung und arbeitet mit einem höheren Wirkungsgrad.
Die Erfindung wird weiter in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Längsschnitt durch das Ventil ist, der das Ventil in der vollständig geschlossenen Position zeigt;
Fig. 2 eine Schnittteilansicht ist, die das Ventil unter normalen Strömungsbedingungen zeigt,
Fig. 3 eine Schnittteilansicht ist, die das Ventil unter Überlastbedingungen zeigt,
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittteilansicht ist, welche die Ventilöffnungen unter den Überlastbedingungen von Fig. 3 zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Ventilflusses unter normalen und Überlastbedingungen ist,
Fig. 6 eine vergrößerte Schnittteilansicht durch den Kolben eines modifizierten Ventils ist, das ein Ablaßsteuerelement hat, wobei sich das Ventil in der vollständig geschlossenen Position befindet,
Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 ist, bei der sich das Ablaßsteuerelement in einer geöffneten Position befindet,
Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 ist, bei der sich das Ablaßsteuerelement und der Ventilstift in einer geöffneten Position befinden,
Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 ist, bei der sich das Ablaßsteuerelement, der Ventilstift und der Kolben in einer geöffneten Position befinden,
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Ventilflusses unter Ablaß-, normalen und Überlastbedingungen ist.
Durch Bezugszahlen wird nun auf die Zeichnungen und zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei ersichtlich wird, daß das Expansionsventil 10 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Kühlsystem 1 eingesetzt wird, das einen Kompressor 2, einen Verdampfer 3 und einen Kondensator 4 einschließt, wobei mit dem Ventil 10 Einlaß- und Auslaßleitungen 5 bzw. 6 verbunden sind.
Das Ventil 10 schließt ein Ventilgehäuse 12 ein, das einen oberen Abschnitt 14 mit einer Membranbaugruppe 16, die durch Gewindeanschluß mit dem oberen Ende verbunden ist, und eine Überhitzungsfeder-Baugruppe 18 am unteren Ende hat.
Der obere Abschnitt 14 des Ventilgehäuses schließt eine Einlaßarmatur 20 mit einem gelöteten Anschluß 22, einer Filterbaugruppe 24 und einem Einlaßdurchgang ein, der einen senkrechten Durchgang 25 einschließt, einen schrägen Durchgang 26, der zu einem Kolbenaxialdurchgang 28 führt, der am unteren Ende eine Kolbenöffnung 30 hat, die mit einer Ventilkammer 32 in Verbindung steht, die eine obere Wand 33 hat, welche die Kolbenöffnung 30 definiert. Außerdem schließt der obere Abschnitt 14 eine Auslaßarmatur 34 ein, die einen gelöteten Anschluß 36 und einen Auslaßdurchgang 38 hat, der mit der Ventilkammer 32 in Verbindung steht. Der obere Abschnitt 14 des Ventilgehäuses schließt außerdem einen Ausgleichsdurchgang 39 ein, wie das unten ausgeführt werden wird.
Im Kolbendurchgang 28 ist ein Kolben 40 beweglich angebracht, und der Durchgang ist so bemessen, daß er das obere Ende 42 des Kolbens in einem Gleitverhältnis aufnimmt. Der Kolbendurchgang 28 ist gerillt, um eine Dichtung in Form einer Ringdichtung 43 aufzunehmen, um die Migration des Kältemittels aus dem schrägen Durchgang 26 zu verhindern. Das untere Ende 44 des Kolbens ist diametral in der Größe reduziert, um eine Kolbenkammer 46 zu definieren, die mit Hilfe der Kolbenöffnung 30 mit der Ventilkammer 32 in Verbindung steht. Der obere Abschnitt 14 des Ventilgehäuses ist ausgespart, um eine Widerlagerfläche 48 bereitzustellen, und das untere Ende des Kolbens schließt eine Unterlegscheibe 50 ein, die beispielsweise durch einen Sicherungsring an ihrem Platz gehalten wird, um einen Halter für eine Vorspannfeder 52 bereitzustellen, die zwischen dem Widerlager 48 und der Unterlegscheibe 52 angeordnet ist und dazu tendiert, den Kolben 40 nach oben zu drücken. Wie am besten in Fig. 4 gezeigt wird, ist das untere Ende des Kolbens vergrößert, um eine konische Fläche 54 bereitzustellen, die unter Normallastbedingungen durch die Vorspannfeder 52 im Verhältnis zur Kolbenöffnung 30 in eine geschlossen Position gedrückt wird. Der Kolben 40 schließt einen inneren Axialdurchgang 60 ein, der eine Ventilstiftöffnung 62, die mit der Ventilkammer 32 in Verbindung steht, und Querdurchgänge 64 hat, die mit dem schrägen Einlaßdurchgang 26 in Verbindung stehen.
Der Fluß des flüssigen Kältemittels durch die Ventilstiftöffnung 62 wird durch einen Ventilstift 70 gesteuert, der auf einem Stiftträger 72 angebracht ist, der durch einen Gleithalter bereitgestellt wird, der eine Überhitzungsfeder 74 aufnimmt. Die Feder 74 erstreckt sich zwischen dem oberen Ende des Stiftträgers 72 und einem gleitenden Federteller 76, der durch eine Stellschraube 78 eingestellt wird, die von einem Ventilverschlußelement 19 getragen wird, das durch Gewindeanschluß mit dem Ventilgehäuse 12 verbunden ist. Die Überhitzungsfeder 74 tendiert dazu, den Ventilstift 70 in die geschlossene Position zu drucken, und der Ventilstift tendiert dazu, in Reaktion auf Druck auf die Membranbaugruppe 16 in die geöffnete Position gedrückt zu werden.
Die Membranbaugruppe 16, die auf die Temperatur ansprechende Mittel darstellt, schließt ein Membrangehäuse 80, eine Membran 82, die eine obere und eine untere Kammer 81 und 83 definiert, und eine Kolbenbaugruppe 84 ein, die in einem auf Wärme ansprechenden Verhältnis zu einem ausgewählten Teil des Kühlsystems, beispielsweise zum Auslaß des Verdampfers 3, angeordnet ist. Die Membranbaugruppe 16 schließt eine Pufferplatte 86 ein, die durch ein Paar Stößelstangen 90 mit dem Ventilstiftträger 72 verbunden ist. Die Pufferplatte 86 kann auch mit dem oberen Ende des Kolbens 40 ineinandergreifen und kann, wenn der Membrandruck ausreichend hoch ist, eine ausreichende Kraft auf den Kolben 40 ausüben, um die Kolbenöffnung 30 zu öffnen. Die Pufferplatte 86 schließt einen ringförmigen Widerlagerabschnitt 88 ein, und das Membrangehäuse 80 schließt ein ringförmiges inneres Widerlager 92 ein, das Anschlagmittel darstellt, mit denen der Pufferplattenabschnitt 88 ineinandergreifen kann, um die Bewegung des Kolbens 40 zu begrenzen. Außerdem werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die untere Membrankammer 83 und die Ventilkammer 32 durch den Ausgleichsdurchgang 39 miteinander verbunden.
Es wird davon ausgegangen, daß die baulichen Merkmale dieses Expansionsventils aus der vorhergehenden Beschreibung der Teile vollkommen ersichtlich geworden sind, zur Vervollständigung der Offenlegung wird jedoch noch kurz die Arbeitsweise des Ventils unter verschiedenen Lastbedingungen beschrieben.
Unter normalen Strömungsbedingungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt werden, entspricht die Kolbentemperatur der Temperatur des Verdampferauslasses, und der Druck auf die Membran 80 bewegt die Membran und, auf Grund der Pufferplatte 86, die Stößelstangen 90 und den Stiftträger 72, diese Membranbewegung bewegt den Stift 70 im Verhältnis zur Ventilöffnung 62 am unteren Ende des Kolbens 40. Unter diesen normalen Strömungsbedingungen reicht der Druck auf den Kolben 40 nicht aus, um die Aufwärtskraft zu überwinden, die durch die Kolbenfeder 52 ausgeübt wird, die dadurch den Kolben in die geschlossene Position drückt, die in Fig. 2 gezeigt wird. Tatsächlich wirkt der Kolben so, als ob er ein Teil des Ventilgehäuses wäre, und der Kältemittelfluß ist nur vom Takt des Ventilstiftes abhängig. Wie grafisch in Fig. 5 gezeigt wird, folgt der Fluß während der ersten (0,635 mm) (0,025 Zoll) des Taktes einer relativ gleichmäßigen, niedrigen Kurve.
Fig. 3 und 4 veranschaulichen, daß unter Hochtemperaturbedingungen, wie sie während des Herunterkühlens auftreten, eine radikale Änderung eintritt. Unter Überlastbedingungen beim Herunterkühlen reicht der Druck auf die Membran 80 aus, um die Aufwärtskraft der Feder 52 zu überwinden, was zur Folge hat, daß sich der Kolben 40 von der Kolbenöffnung 30 weg bewegt, so daß die Kolbenkammer 46 direkt mit der Ventilkammer 32 in Verbindung steht und eine sekundäre Flußbahn und einen ringförmigen Raum bietet, der zusätzlich zu dem durch die Ventilstiftöffnung 62 bereitgestellten durch die Kolbenöffnung 30 bereitgestellt wird. Der Fluß steigt während dieses Vorgangs drastisch an, wie das durch die steile Kurve in Fig. 5 gezeigt wird. Wie gezeigt wird, erfolgt der Anstieg des Flusses für die ersten siebzig Prozent (0,635 mm) (0,025 Zoll) des Taktes von 0 auf 1,14 kg (0 auf 2,5 Pfund) Kältemittel je Minute. Dagegen steigt der Fluß für die nächsten dreißig Prozent (0,254 mm) (0,01 Zoll) des Taktes von 1,14 kg (2,5 Pfund) auf 4,55 kg (10,0 Pfund) Kältemittel je Minute. Folglich ermöglicht der Aufbau des Ventils einen Anstieg des Flusses um etwa dreihundert Prozent bei einer Zunahme des Taktes um vierzig Prozent.
Wenn die Periode des Herunterkühlens vorüber ist und die Kolbentemperatur fällt, verringert sich der Druck auf die Membran 80, und der Kolben 40 wird in die geschlossene Position gedrückt, in welcher der Ventilstift 70 wiederum das einzige Flußsteuerungselement ist. Die Abdichtung des Gleitkolbens 40 durch die Ringdichtung 43 verhindert, daß das unter hohem Druck stehende, flüssige Kältemittel nach oben in die Niederdruckseite des Systems leckt. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wirkt die Dichtung 43 auch dahingehend, den Kolben 40 auszugleichen, so daß die Kräfte, die durch den Druckabfall von der Hochdruckseite des Systems (P1) zur Niederdruckseite des Systems (P2) erzeugt werden, die Position der Kolbenöffnung 30 nicht beeinflussen. Der Druck (P2) wird von der Ventilkammer 32 über den Ausgleichsdurchgang 39 der unteren Membrankammer 83 mitgeteilt. Die Kolbenöffnung 30 kann nur durch eine Kraft geöffnet werden, die über die Pufferplatte 86 von der Membran 82 ausgeht. Der Kontakt zwischen der Pufferplatte 86 und dem Kolben 40 wird durch die Kolbenfeder 52 aufrechterhalten.
Es versteht sich von selbst, daß sich der Ventilstift 70 schließt und kein Kältemittelfluß durch die Ventilöffnung 62 oder die Kolbenöffnung 30 erfolgt und das Expansionsventils effektiv ausgeschaltet ist, wenn die Temperatur des Kolbens 84 ausreichend tief fällt.
Ein modifiziertes Ventil 10a wird in Fig. 6 bis 10 veranschaulicht, das mit dem oben beschriebenen Ventil 10 identisch ist, mit der Ausnahme, daß der Kolben mit einem zylindrischen Ablaßsteuerelement 100 versehen ist. Da das Ventil mit Ausnahme des modifizierten unteren Endes des Kolbens unverändert ist, werden identische Teile mit derselben Zahl bezeichnet und werden ähnliche Teile mit derselben Zahl unter Zusatz des Suffixes "a" bezeichnet.
Wie in Fig. 6 deutlich gezeigt wird, ist der Kolben 40a an seinem unteren Ende 44a koaxial ausgespart, um den Axialdurchgang 60a mit einem vergrößerten unteren Durchgangsabschnitt 102, der das Ablaßsteuerelement 100 im Gleitverhältnis aufzunehmen, und einen dazwischenliegenden Durchgangsabschnitt 104 bereitzustellen, der die Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt des Axialdurchgangs 60a und dem unteren Durchgangsabschnitt 102 herstellt und eine dazwischenliegende Ablaßöffnung 106 definiert. Der untere Durchgangsabschnitt 102 ist gerillt, um einen bearbeiteten Ring 108 aus Messing oder einem ähnlichen Material aufzunehmen, der beispielsweise durch Prägung und die Bereitstellung eines Auflagers in Position gehalten wird, und der untere Durchgangsabschnitt 102 steht über Querdurchgänge 110 mit der Ventilkammer 32 in Verbindung.
Das Ablaßsteuerelement 100 schließt einen Axialdurchgang 112 ein, der mit dem Axialdurchgang 60a am oberen Ende in Verbindung steht und am unteren Ende eine konische Öffnung 114 bildet, die den Ventilstift 70 aufnimmt. Das Ablaßsteuerelement 100 schließt am oberen Ende eine konische Oberfläche 116, die mit der Ablaßöffnung 106 ineinandergreifen kann, und am unteren Ende eine ebene ringförmige Oberfläche 118 ein, die mit dem Ring 108 ineinandergreifen kann. Der Längsabstand zwischen der Eingriffsstelle der Ablaßöffnung 106 mit der konischen Oberfläche 116 des Ablaßsteuerelements und dem Ring 108 ist größer als die Länge des Ablaßsteuerelements, gemessen von dessen Eingriffsstelle mit der Ablaßöffnung 106 bis zu dessen Fläche 118 am unteren Ende, um das Ablaßsteuerelement mit einem Takt bereitzustellen, der unter 5b angegeben wird.
Die Arbeitsweise des Ventils 10a ist der des Ventils 10 ähnlich, mit der Ausnahme, daß sowohl unter normalen Strömungs- als auch unter Überlastbedingungen ein konstanter Ablaßfluß durch das Ventil erfolgt. Wenn jedoch die Temperatur des Kolbens 84 ausreichend tief fällt, schließt sich der Ventilstift 70 und schließt sich das Ablaßsteuerelement 100 im Ergebnis des Aufwärtsdrucks von der Überhitzungsfeder 74, und es erfolgt kein Kältemittelfluß durch die Ventilstiftöffnung 62, die Ablaßöffnung 106 oder die Kolbenöffnung 30, und das Ventil ist effektiv ausgeschaltet. Das Ablaßsteuerelement 100 wirkt als ein Stift, der die Ablaßöffnung 106 schließt.
Wenn die Kolbentemperatur ansteigt, beginnen die Stößelstangen 90, den Ventilstift 70 nach unten zu bewegen. Das Ablaßsteuerelement 100 folgt dem Ventilstift 70, bis das Ablaßsteuerelement am Ring 108 aufsitzt. In dieser Position wird durch die Ablaßöffnung 106 und die Querdurchgänge 110 eine Ablaßbahn geschaffen, wie das durch die Pfeile in Fig. 7 gezeigt wird, die zur Ventilkammer 32 führt und mit dem Auslaßdurchgang 38 in Verbindung steht. Effektiv wirkt das Ablaßsteuerelement 100 mit der Ablaßöffnung 106 und den Querdurchgängen 110 zusammen, um Ablaßmittel für das Ventil unter Betriebsbedingungen zu schaffen.
Wenn der Takt Sb des Ablaßelements 100 erreicht ist, bewegt sich der Stift 70 weiter nach unten, um die Stiftöffnung 62 zu öffnen und einen Haltelastfluß durch die Ventilöffnung 62, zusätzlich zum konstanten Fluß durch die Ablaßöffnung 106, zu ermöglichen, wie das in Fig. 8 gezeigt wird.
Wenn die Temperatur des Kolbens 84 ausreichend ansteigt, so daß die Membran eine Kraft auf den Kolben 40a ausübt, öffnet sich die Kolbenöffnung 30, wodurch ein Überlastfluß durch die Kolbenöffnung 30, zusätzlich zum Haltelastfluß durch die Ventilöffnung 62 und zusätzlich zum konstanten Fluß durch die Ablaßöffnung 106, bereitgestellt wird, wie das in Fig. 9 gezeigt wird.
Die Flußkurve für das modifizierte Ventil wird in Fig. 10 gezeigt, in der zu Vergleichszwecken auch die Kurve aus Fig. 5 in einer unterbrochenen Linie gezeigt wird. Wie grafisch gezeigt wird, tritt das Ablassen während der ersten 0,089 mm (0,0035 Zoll) des Taktes (Sb) auf, der Haltelastfluß tritt zwischen 0,089 mm (0,0035 Zoll) und 0,635 mm (0,025 Zoll) des Taktes auf, und der Überlastfluß tritt zwischen 0,635 mm (0,025 Zoll) und 0,889 mm (0,035 Zoll) des Taktes auf. Effektiv stellt der Ablaßfluß unter normalen und Überlast-Betriebsbedingungen einen konstanten Fluß bereit, wird aber ausgeschaltet, wenn die Ventilöffnung 62 und die Kolbenöffnung 30 geschlossen werden. Wie in Fig. 10 gezeigt wird, erhöht sich der Ablaßfluß von 0 auf 0,91 kg (0 auf 2,0 Pfund) Kältemittel je Minute für die ersten zehn Prozent (0,089 mm) (0,0035 Zoll) des Taktes, von 0,91 auf 2,27 kg (2,0 auf 5,0 Pfund) Kältemittel je Minute für die nächsten zweiundsechzig Prozent (0,546 mm) (0,0215 Zoll) des Taktes und von 2,27 auf 5,45 kg (5,0 auf 12,0 Pfund) Kältemittel je Minute für die abschließenden achtundzwanzig Prozent (0,254 mm) (0,010 Zoll) des Taktes. Es versteht sich von selbst, daß die Ablaßrate eine Funktion der Öffnungsgröße, des Winkels des Ablaßsteuerelements und des Taktes ist und durch Abstimmung dieser Elemente berechnet werden kann.
Es wurde festgestellt, daß das im ersten Ausführungsbeispiel offengelegte Ventil gut bei Haltelasten von verhältnismäßig geringer Kapazität arbeitet, bei größeren Haltelasten aber weniger zufriedenstellend ist. Fig. 5 zeigt eine Flußkurve mit einem maximalen Haltefluß im Bereich von 1,136 kg (2,5 Pfund) Kältemittel je Minute mit einer maximalen Abkühllast von 4,55 kg (10,0 Pfund) je Minute.
Das im zweiten Ausführungsbeispiel offengelegte Ventil arbeitet auf Grund der Bereitstellung eines beweglichen Ablaßsteuerelements gut bei größeren Haltelasten. Fig. 10 zeigt eine Flußkurve mit einem maximalen Haltefluß im Bereich von 2,27 kg (5 Pfund) Kältemittel je Minute mit einer maximalen Abkühllast vom 5,45 kg (12 Pfund) je Minute, und der Aufbau des Ablaßsteuerelements gewährleistet, daß kein Ablassen erfolgt, wenn das Ventil ausgeschaltet ist. Der Ablaßfluß ermöglicht es effektiv, den Anstieg der Kurve des Haltelastflusses gleich zu halten, unabhängig vom tatsächlichen Haltelastfluß. Allein durch Veränderung der Ablaßrate kann eine Reihe von Flußkurven geschaffen werden. Eine mögliche Alternative zu dem hier beschriebenen Ablaßsteuersystem ist die Einbeziehung eines permanenten Flußablasses in das Ventil, der beispielsweise auf 0,91 kg (2 Pfund) Kältemittel je Minute festgelegt wird. Dadurch wird zwar die Leistung des Verdampfers verbessert, es hat aber den Nachteil, daß im Ventil nichts vorhanden ist, um während des Ausschaltzyklusses oder während des Abtauens zu verhindern, daß Kältemittel weiterhin die Verdampferschlange füllt. Das konstante Ablassen wird in Fig. 10 durch den Abschnitt der Ablaßkurve bezeichnet, der mit der Bezeichnung KONSTANTES ABLASSEN gekennzeichnet und als eine Strichlinie dargestellt wird. Beim Anfahren, nach dem Ausschaltzyklus oder nach dem Abtauen, könnte die Flüssigkeit in der Verdampferschlange zum Ausfall des Kompressors führen. Ein weiteres Problem besteht beim permanenten, unkontrollierten Ablassen darin, daß es unterhalb der permanenten Ablaßrate keine Steuerung des Kältemittels gibt. Wenn die Verdampferschlange durch Frost blockiert (gebunkert) wird oder wenn der Verdampferlüfter ausfällt und die Last drastisch abfällt, wird das Ventil geflutet und füllt die Verdampferschlange wiederum mit Flüssigkeit. Durch das gesteuerte Ablassen werden diese Probleme vermieden.
Obwohl das verbesserte Expansionsventil unter besonderer Bezugnahme auf eine bevorzugte Bauweise beschrieben worden ist, sind die Details der Beschreibung nicht als restriktiv zu betrachten, da im Rahmen der hier angefügten Ansprüche zahlreiche Varianten möglich sind.

Claims

1. Expansionsventil (10) für ein Kühlsystem, wobei das Expansionsventil folgende Komponenten aufweist: einen Einlaß (20) für die Aufnahme eines Kältemittels von einem Kondensator (4) und einen Auslaß (34) für die Abgabe des Kältemittels an einen Verdampfer (3), und Steuermittel (16, 40, 70), die auf ein Signal von einem Temperaturmeßfühler (84) ansprechen, um den Fluß des Kältemittels durch das Ventil (10) zu steuern, wobei die Steuermittel (16, 40, 70) eine erste Öffnung (62) haben, die sich öffnen kann, um den Durchfluß des Kältemittels in Reaktion auf ein Signal in einem ersten, unteren Bereich des Temperaturmeßfühlers (84) zu erlauben, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (16, 40, 70) eine zweite Öffnung (30) einschließen, die sich zusätzlich zu der ersten Öffnung öffnen kann, um den Durchfluß des Kältemittels in Reaktion auf ein Signal in einem zweiten, höheren Bereich des Temperaturmeßfühlers (84) zu erlauben.

2. Expansionsventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein Ventilgehäuse (12), ein Einlaßdurchgangsmittel (25, 26), um bei der Nutzung ein Kältemittel aufzunehmen, wobei der Auslaß (34) Auslaßdurchgangsmittel (38) aufweist, um bei der Nutzung das Kältemittel abzugeben, wobei der Einlaß (20) ersten Durchgangsmittel (28) aufweist die Verbindung zwischen den Einlaßdurchgangsmitteln (25, 26) und den Auslaßdurchgangsmitteln (38) herstellen und die zweite Öffnung (30) definieren,

wobei die Steuermittel (16, 40, 70) folgendes aufweisen:

erste bewegliche Mittel (40), die in den ersten Durchgangsmitteln (28) angebracht sind und selektiv den Fluß durch die zweite Öffnung (30) in Reaktion auf das Signal im zweiten, höheren Temperaturbereich steuern,

und die ersten beweglichen Mittel (40) zweite Durchgangsmittel (60) einschließen, welche die Verbindung zwischen den Einlaßdurchgangsmitteln (25, 26) und den Auslaßdurchgangsmitteln (38) herstellen und die erste Öffnung (62) definieren, wobei die zweiten beweglichen Mittel (70) in dem Ventilgehäuse (12) angebracht sind und selektiv den Fluß durch die zweiten Durchgangsmittel (60) in Reaktion auf das Signal im ersten, unteren Temperaturbereich steuern,

wobei der Temperaturmeßfühler auf die Temperatur ansprechende Mittel (84, 16) aufweist, welche die Bewegung der ersten beweglichen Mittel (40) und der zweiten beweglichen Mittel (70) steuern.

3. Expansionsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beweglichen Mittel (40) Kolbenmittel (40) sind und die ersten Durchgangsmittel (28) einen Kolbenschlitz (30) einschließen und daß die zweiten Durchgangsmittel (60) einen inneren Durchgang (60) durch den Kolben (40) und eine Stiftöffnung (62, 114) einschließen und die zweiten beweglichen Mittel (70) Ventilstiftmittel (70) einschließen.

4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmittel (40) Mittel (52) einschließen, welche die Kolbenmittel in eine geschlossene Position vorspannen, und die Ventilstiftmittel (70) Mittel (74) einschließen, welche die Stiftmittel (70) in eine geschlossene Position vorspannen.

5. Expansionsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) an einem Ende des Ventilgehäuses (12) angebracht sind,

Mittel (90) vorhanden sind, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) mit den Ventilstiftmitteln (70) verbinden, die dazu tendieren, die Stiftmittel (70) unter normalen Lastbedingungen in eine offene Position zu bewegen, und

Mittel (86) vorhanden sind, welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) mit den Kolbenmitteln (40) verbinden, die dazu tendieren, die Kolbenmittel (40) unter Überlastbedingungen in die offene Position zu bewegen.

6. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

das Ventilgehäuse (12) ein Widerlager (48) einschließt und die Kolbenmittel (40) ein erstes Ende (42), das mit Zwischenraum zum Widerlager (48) angeordnet ist, und ein zweites Ende (44) einschließen, das mit dem Kolbenschlitz (30) ineinandergreifen kann, und

die Kolbenvorspannmittel (52) Federmittel (52) zwischen dem Widerlager (48) und dem ersten Ende (42) der Kolbenmittel (40) einschließen, die dazu tendieren, das zweite Ende (44) der Kolbenmittel (40) in die mit dem Kolbenschlitz geschlossene Position zu drücken.

7. Expansionsventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten Durchgangsmittel ein Axialdurchgang (28) mit einem oberen Ende und einem unteren Ende sind und

die Kolbenmittel (40) ein oberes Ende (42), das in einem Gleitverhältnis im oberen Ende des Axialdurchgangs (28) aufgenommen wird, und ein unteres Ende (44) einschließen, das diametral mit Zwischenraum zum unteren Ende des Axialdurchgangs (28) angeordnet ist, um eine Kolbenkammer (46) zu definieren.

8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Ende (42) der Kolbenmittel (40) und dem oberen Ende des Axialdurchgangs (28) eine Ringdichtung (43) bereitgestellt wird.

9. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) Membranmittel (82) einschließen und

die Mittel (90), welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) mit den Stiftmitteln (70) verbinden, Ventilstößelmittel (90) einschließen, die sich zwischen den Membranmitteln (82) und den Stiftmitteln (70) erstrecken.

10. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) Membranmittel (82) einschließen, die Kolbenmittel (40) ein oberes Ende (42) einschließen und die Mittel (86), welche die auf die Temperatur ansprechenden Mittel (16) mit den Kolbenmitteln (40) verbinden, eine Pufferplatte (86) einschließen, die selektiv mit dem oberen Ende (42) der Kolbenmittel (40) ineinandergreifen kann.

11. Expansionsventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (12) Anschlagmittel (92) einschließt und die Pufferplatte (86) mit den Anschlagmitteln (92) ineinandergreifen kann, um die Bewegung der Kolbenmittel (40) zu begrenzen.

12. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (10) Ablaßmittel (100) einschließt, die den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang (26) und dem Auslaßdurchgang (38) zulassen.

13. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmittel (40) Ablaßsteuermittel (100) einschließen, die während des Betriebs den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang (26) und dem Auslaßdurchgang (38) zulassen und den Fluß zwischen dem Einlaßdurchgang (26) und dem Auslaßdurchgang (38) ausschließen, wenn das Ventil (10) geschlossen ist.

14. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmittel (40) folgendes einschließen: einen inneren Durchgang (112), der eine Ablaßöffnung (106) definiert, und ein Widerlager (108), das in Längsrichtung in einem Abstandsverhältnis zur Ablaßöffnung (106) angeordnet ist, und ein Ablaßsteuerelement (100), das ein oberes Ende (104), das funktionell mit der Ablaßöffnung (106) ineinandergreifen kann, und ein unteres Ende (108) hat, das funktionell mit dem Widerlager (108) ineinandergreifen kann und zur Bewegung in dem Durchgang zwischen der Ablaßöffnung (106) und dem Widerlager (108) angebracht ist, wobei das Ablaßsteuerelement (100) einen Durchgang einschließt, der die Ventilstiftöffnung (114) bereitstellt.

15. Expansionsventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsabstand zwischen der Eingriffsstelle der Ablaßöffnung (106) und des Ablaßsteuerelements (100) und dem Widerlager (108) größer als die Länge des Ablaßsteuerelements (100) ist, gemessen von dessen Eingriffsstelle mit der Ablaßöffnung (106) bis zu dessen Eingriffstelle mit dem Widerlager (108), um den Takt des Ablaßsteuerelements (100) zu definieren.

16. Expansionsventil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager durch einen kreisförmigen Ring (108) bereitgestellt wird.