CZ2007830A3

CZ2007830A3 - Termostatický expanzní ventil pro okruhy s chladicím, poprípade tepelným cerpadlem s tepelne rízenou bezpecnostní funkcí

Info

Publication number: CZ2007830A3
Application number: CZ20070830A
Authority: CZ
Inventors: Aquilar@Joan; Mauer@Rainer
Original assignee: Otto Egelhof Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-06-11
Also published as: US20080127664A1; DE102006057131B3; ITGE20070115A1; CN101245961A; JP2008139013A

Abstract

Termostatický expanzní ventil je vytvorený pro regulaci vysokého tlaku jak transkriticky, tak i podkriticky provozovatelného okruhu (11) s chladicím poprípade tepelným cerpadlem, s ventilovým pouzdrem (26), na jehož vstupu pusobí v prívodním otvoru (27) vysoký tlak a na jehož výstupu pusobí v odvádecím otvoru (31) nízký tlak, s ventilovým prvkem (33), který ventilové sedlo (32) pruchozího otvoru (29), který je usporádán mezi prívodním otvorem (27) a odvádecím otvorem (31), pro pruchod chladicího prostredku uzavírá a pohybuje ve smeru otevíránía je prirazen k prvnímu stavecímu clenu (36), pricemž první stavecí clen (36) zahrnuje první úcinnou plochou (37) omezenou komoru (38), která obsahuje regulacní nápln (41). Termostatický expanzní ventil obsahuje na vysokém tlaku nezávislý tepelne nastavitelný stavecí clen (46), jehož stavecí pohyb je pohybove spražen s první úcinnou plochou (37) prvního stavecího clenu (36), když pusobí na teplote závislý stavecí pohyb tepelne nastavitelného stavecího clenu (46) proti stavecímu pohybu první úcinné plochy (37) prvního stavecího clenu (36), pricemž hodnota teploty nasazení tepelne nastavitelného stavecího clenu (46) pro stavecí pohyb je nastavena na stejnou hodnotu jako MOT (maximum operationtemperature) regulacní náplne (41) prvního stavecího clenu (36), která má hustotu naplnení, která leží po její kritickou hustotou.

Description

Termostatický expanzní ventil pro okruhy s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem s tepelně řízenou bezpečnostní funkcí (57) Anotace:

Termostatický expanzní ventil je vytvořený pro regulaci vysokého tlaku jak transkriticky, tak i podkriticky provozovatelného okruhu (11) s chladicím popřípadě tepelným čerpadlem, s ventilovým pouzdrem (26), na jehož vstupu působí v přívodním otvoru (27) vysoký tlak a na jehož výstupu působí v odváděcím otvoru (31) nízký tlak, s ventilovým prvkem (33), který ventilové sedlo (32) průchozího otvoru (29), který je uspořádán mezi přívodním otvorem (27) a odváděcím otvorem (31), pro průchod chladicího prostředku uzavírá a pohybuje ve směru otevírání a je přiřazen k prvnímu stavěcímu členu (36), přičemž první stavěči člen (36) zahrnuje první účinnou plochou (37) omezenou komoru (38), která obsahuje regulační náplň (41). Termostatický expanzní ventil obsahuje na vysokém tlaku nezávislý tepelně nastavitelný stavěči člen (46), jehož stavěči pohyb je pohybově spřažen s první účinnou plochou (37) prvního stavěcího členu (36), když působí na teplotě závislý stavěči pohyb tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) proti stavěcímu pohybu první účinné plochy (37) prvního stavěcího členu (36), přičemž hodnota teploty nasazení tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) pro stavěči pohyb je nastavena na stejnou hodnotu jako MOT (maximum operation temperature) regulační náplně (41) prvního stavěcího členu (36), která má hustotu naplnění, která leží po její kritickou hustotou.

·· ··♦·

·· ·· • · · • · · · • · · • · · ·♦·· ··

Termostatický expanzní ventil pro okruhy s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem s tepelně řízenou bezpečnostní funkcí

Oblast techniky

Vynález se týká termostatického expanzního ventilu pro regulaci vysokého tlaku jak transkriticky, tak i podkriticky provozovatelného okruhu s chladicím, čerpadlem, s ventilovým pouzdrem, v přívodním otvoru vysoký v odváděcím otvoru nízký ventilové sedlo průchozího přívodním otvorem a odváděcím otvorem, pro průchod chladicího prostředku uzavírá a pohybuje ve směru otevírání a je přiřazen k prvnímu stavěcímu členu, přičemž první stavěči člen zahrnuje první účinnou plochou omezenou náplň.

tlak a tlak, s otvoru, na na popřípadě jehož jehož ventilovým který je vstupu výstupu prvkem, uspořádán tepelným působí působí který mezi komoru, která obsahuje regulační

Dosavadní stav techniky

U transkritických okruhů s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem probíhá odevzdávání tepla na straně vysokého tlaku většinou nad kritickým tlakem použitého chladicího prostředku. V důsledku z toho přitom vyplývajícího klouzavého teplotního gradientu v plynovém chladiči je tlak na výstupu plynového chladiče stupněm volnosti v provozu okruhu. Speciálně u okruhů, ve kterých se jako chladicí prostředek používá oxid uhličitý CO2, má velký význam, aby se vysoký tlak v závislosti na teplotě okolí, popřípadě na teplotě na výstupu plynového chladiče, reguloval v oblasti, která je optimální z hlediska účinnosti. U klimatizačních zařízení, která jsou provozována s oxidem • · ··♦ ·

- 2 uhličitým CO2, se pro regulaci chladicího okruhu nejčastěji používají jen pevně nastavené škrticí prvky nebo externě řízené expanzní orgány. Pevné škrticí prvky neumožňují za provozu žádné přizpůsobeni vysokého tlaku okrajovým podmínkám procesu. Externě řízené expanzní orgány musí být za tím účelem řízeny elektronickými regulačními prvky, jejichž schopnost reakce není dostatečná zejména pro použití v automobilech. Z toho vyplývá, že nemohou nabídnout dostatečnou provozní jistotu. Další nevýhody vyplývají z vysoké náchylnosti k poruchám a vysokých nákladů na vývoj a pořizovacích nákladů.

Dokument DE 102 49 950 B4 popisuje expanzní ventil pro vysokotlaká chladicí zařízení s ventilovým sedlem a ventilovým prvkem, který spolupůsobí s ventilovým sedlem, a se soustavou pružin, která působí na ventilový prvek, a s přestavovacím zařízením pro soustavu pružin, přičemž soustava pružin obsahuje nejméně jednu první pružinu a druhou pružinu, které působí na ventilový prvek. První pružina určuje pracovní oblast a druhá pružina má přestavovacím zařízením proměnnou pružící sílu.

Z dokumentu US 6,012,300 se stal známým expanzní ventil, který obsahuje komoru, ve které je uzavřen chladicí prostředek. Komora je vymezena membránou, která bezprostředně působí na ventilový prvek. Membrána je však vystavena také chladicímu prostředku na straně vysokého tlaku. Zejména jsou identické účinné plochy, na které působí v komoře uzavřený chladicí prostředek, a další účinná plocha, na kterou působí od plynového chladiče přicházející chladicí prostředek na straně vysokého tlaku. Popsaným expanzním ventilem není možné žádné zabezpečení proti vysokým tlakům nad maximálně přípustnou hodnotou, například 120 bar. Kromě toho není možné spolehlivé najíždění při vstupních teplotách na expanzním ventilu nad kritickou teplotou chladicího • Φ ··«· prostředku. S tímto expanzním ventilem tudíž nelze realizovat provozně spolehlivou aplikaci.

Z dokumentu DE 10 2005 034 709.6 je znám termický expanzní ventil, který je opatřen první a druhou účinnou plochou, které jsou pohybově spřaženy s ventilovým prvkem. První účinná plocha je součástí protažitelného oddělovacího zařízení, které obsahuje komoru s regulační náplní v termohlavě. Zásluhou toho může být snímána teplota chladicího prostředku na straně vysokého tlaku. Pomocí tohoto protažitelného oddělovacího zařízení termohlavy je na teplotě závislý tlak regulační náplně v komoře přenášen na na teplotě nezávislý pružný prvek, který je spojen s druhou účinnou plochou, na kterou působí také vysoký tlak. Zásluhou tohoto provedení se má dosáhnout vysoký tlak omezující funkce v nadkritické regulační oblasti.

Úkolem vynálezu je tudíž další zdokonalení expanzního ventilu, který bude schopen zregulovat vysoký tlak jak nadkritického, tak i podkriticky provozovatelného okruhu s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem do optimální oblasti a automaticky zabránit překročeni maximálně přípustné hodnoty.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol je vyřešen znaky termostatického expanzního ventilu podle nároku 1. Podstata termostatického expanzního ventilu pro regulaci vysokého tlaku jak transkriticky, tak i podkriticky provozovatelného okruhu s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem, s ventilovým pouzdrem, na jehož vstupu působí v přívodním otvoru vysoký tlak a na jehož výstupu působí v odváděcím otvoru nízký tlak, s ventilovým prvkem, který ventilové sedlo průchozího otvoru, který je uspořádán mezi

• 4 4 «	«4 4	• ··	4 4 4	44 ·♦·· • 4 · 4 4 4
4 4 • ·!··	• M 4 · ♦ 4 4 4 ·	4 • 4··	4 4 4*4	4 4 · · 4 · · 4 4 ’

přívodním otvorem a odváděcím otvorem, pro průchod chladicího prostředku uzavírá a pohybuje ve směru otevírání a je přiřazen k prvnímu stavěcímu členu, přičemž první stavěči člen zahrnuje první účinnou plochou omezenou komoru, která obsahuje regulační náplň, spočívá podle vynálezu v tom, že termostatický expanzní ventil obsahuje na vysokém tlaku nezávislý tepelně nastavitelný stavěči člen, jehož stavěči pohyb je pohybově spřažen s první účinnou plochou prvního stavěcího členu, když působí na teplotě závislý stavěči pohyb tepelně nastavitelného stavěcího členu proti stavěcímu pohybu první účinné plochy prvního stavěcího členu, přičemž hodnota teploty nasazení tepelně nastavitelného stavěcího členu pro stavěči pohyb je nastavena na stejnou hodnotu jako MOT (maximum operation temperature) regulační náplně prvního stavěcího členu, která má hustotu naplnění, která leží po její kritickou hustotou.

Pomocí tepelně nastavitelného stavěcího členu, jehož stavěči pohyb je pohybově spřažen s první účinnou plochou prvního stavěcího členu jen tehdy, když působí na teplotě závislý stavěči pohyb tepelně nastavitelného stavěcího členu proti stavěcímu pohybu první účinné plochy prvního stavěcího členu, je umožněno, že se dosáhne funkce omezeni tlaku, popřípadě bezpečnostní funkce proti příliš vysokým provozním tlaků, které nevyžadují žádnou externí regulaci.

Hodnota teploty nasazení tepelně nastavitelného stavěcího členu pro stavěči pohyb je přitom volena tak, že odpovídá hodnotě teploty MOT (maximum operation temperature) regulační náplně. Hodnota teploty nasazení je teplota, při které tepelně nastavitelný stavěči Člen vykoná stavěči nebo zdvihový pohyb. Pracovní křivka tepelně nastavitelného stavěcího členu má stejný gradient jako pracovní křivky regulační náplně v přehřátém parním «· ·· > · · • ·»· » * » * • · · ····

stavu, avšak v opačném směru. Tím se dosáhne bezpečnostní funkce. Kromě toho je na všech úrovních teploty umožněno omezení absolutní hodnoty tlaku, tedy dosažení MOP-funkce (maximum operation pressure). Zatímco první stavěči člen je svou první účinnou plochou tlakově vystaven chladicímu prostředku na straně vysokého tlaku, který přichází z vnitřního tepelného výměníku, a přijímá jeho teplotu, je pracovní chování tepelně nastavitelného stavěcího členu na tlaku chladicího prostředku nezávislé.

V jednom dalším výhodném provedení vynálezu je použito opatření spočívající v tom, že mezi prvním stavěcím členem a druhým, tepelně nastavitelným stavěcím členem je uspořádána rozebíratelná mechanická vazba a tepelně nastavitelný stavěči člen je v záběru s první účinnou plochou prvního stavěcího členu nebo s ventilovým prvkem, spojeným s prvním stavěcím členem. Tato mechanická vazba, která se projeví od předem stanovitelné hodnoty teploty, umožňuje, že za normálního provozu při obvyklé oblasti teploty nasazení pracuje první stavěči člen nezávisle na tepelně nastavitelném stavěcím členu a první stavěči člen je s ventilovým prvkem pohybově spřažen jen tehdy, když následuje další nárůst teploty, který vyžaduje nasazení bezpečnostní funkce.

Regulační náplň prvního stavěcího členu je s výhodou uspořádána v komoře, která je provedena jako membrána nebo skládaný měch a je tepelně vodivá, aby mohla přejímat teplotu chladicího prostředku na straně vysokého tlaku. Na účinnou plochu prvního stavěcího členu působí na teplotě závislý tlak regulační náplně v komoře stavěcího členu, jakož i vysoký tlak. Z toho vyplývajícího diferenčního tlaku pak vyplývá přestavovací síla, která uvádí do pohybu ventilový prvek a v závislosti na škrticích vlastnostech příslušného ventilového sedla uvolní předem zadaný průtočný průřez.

l · « ......

« ·♦♦ · · · · *«·· · ····· ( · · · · ··· ·· · · ·· *·· ··· ·· ·

- 6 ·· ··· ·

S výhodou může být ještě použit přídavný, zejména předepnutý pružný prvek, který působeni proti vysokému tlaku posiluje. Toto má za násleoek, že otevírací pohyb ventilového prvku nastane tehdy, když na teplotě nezávislý, na účinnou plochu vysokým tlakem zařízení s chladicím prostředkem vyvozovaný přebytek síly postačuje k tomu, aby se překonalo předepnutí zejména předepnutého pružného prvku a silové působení komory, čímž se uvolní průchod mezi ventilovým sedlem a ventilovým prvkem, popřípadě zvětší se průřez průchozího otvoru.

Regulační náplň komory prvního stavěcího členu má s výhodou hustotu naplnění, která leží pod její kritickou hustotou. S výhodou je dále použito opatření spočívající v tom, že se pro regulační náplň volí taková směs látek, jejíž kritická teplota leží na kritickou teplotou regulovaného chladicího prostředku. Zásluhou toho je regulační náplň ve většině oblastí teplot nasazení ve dvoufázovém stavu s vysokým podílem páry. Teprve tehdy, když regulační náplní přijatá energie postačuje k tomu, aby úplně odpařila v závislosti na panující hustotě plnění přítomnou kapalnou fázi, přejde regulační náplň do přehřátého parního stavu. Za těchto okolností se regulační tlak při dalším nárůstu teploty vyvíjí dále jen s nižším gradientem než v předchozím dvoufázové stavu regulační náplně, který není roven nule. Hodnota teploty, od které tento fyzikální jev nastává, se označuje jako MOT (Maximum Operating Temperature). K tomu příslušející hodnota tlaku regulační náplně se označuje jako MOP (Maximum Operation Pressure). Dále je s výhodou použito opatření spočívající v tom, že na teplotě závislá síla tepelně nastavitelného stavěcího členu odpovídá stoupání regulační náplně prvního stavěcího členu v přehřátém stavu. Při dalším nárůstu teploty v přehřátém parním stavu stoupá tlak s jen znatelně nižším gradientem než v předchozím dvoufázovém stavu. Zásluhou • · · ♦ • · • · • · ·· · ··· ·· *· • · · • · · · • · • · • ·· · ··

- 7 «· ···· • ·· • ·· • ·· ·* · k tomuto tepelně přizpůsobení tepelně nastavitelného stavěcího členu gradientu je docílena bezpečnostní funkce, kdy nastavitelný a na vysokém tlaku nezávislý stavěči člen působí se stejným gradientem v opačném směru, takže lze nastavit maximální provozní tlak, který žádoucím způsobem odpovídá vodorovnému průběhu tlaku na MOP-úrovni.

Výše zmíněná hodnota teploty, popřípadě hodnota teploty nasazení je s výhodou určena konstrukčním provedením tepelně nastavitelného stavěcího Členu. V prvním výhodném provedení tepelně nastavitelného stavěcího členu je použito řešení spočívající v tom, že tento je proveden ve tvaru na sobě navzájem navrstvených bimetalových prvků, zejména bimetalových disků. Tyto navzájem navrstvené bimetalové disky jsou provedeny například ve tvaru skládaného měchu. V závislosti na jejich výchozím nastavení vyvozují tyto bimetalové prvky stavěči pohyb teprve od určité teploty.

Druhé alternativní provedení tepelně nastavitelného stavěcího členu spočívá v tom, že membrána, skládaný měch nebo pružný prvek, zejména spirálová pružina nebo spirálový měch, jsou vyrobeny ze slitiny s tvarovou pamětí. Tím je opět umožněno nastavování v závislosti na teplotě.

Další alternativní provedení stavěcího členu spočívá v tom, že tento tepelně nastavitelný stavěči člen je proveden ve tvaru naplněného, měchu podobného pružícího prvku, zejména ve tvaru médiem naplněného, skládanému měchu podobného pružícího prvku. Médium se přitom nad tlakem svých par, popřípadě pod teplotou svého nasycení nachází v pracovní oblasti v kapalném skupenství.

• · · ·· ·· • · · · ♦ · • · · » · * • · · · · ···· · · · · · · ♦♦

Vhodným plnicím médiem jsou například oleje nebo obecně uhlovodíky s vysokým bodem varu. Tyto převodníky teploty na dráhu jsou s výhodou tvořeny hermeticky těsně uzavřenými membránami, vlnovci, skládanými měchy nebo také soustavami válec-píst, které zásluhou tepelného rozpínání jejich kapalinové náplně vyvozují vysoké stavěči síly. Tyto prvky mohou být provedeny tak, že jejich charakteristika zdvih-teplota začíná teprve od určité teploty.

S výhodou je použito opatření spočívající v tom, že tepelně nastavitelný stavěči člen je předepnut na tlaku nezávislým zařízením. Takto je umožněno, že hodnota teploty, při které nastává tepelné bezpečnostní funkce ventilu, je nastavitelná. Předepnutí tepelně nastavitelného stavěcího členu je tedy na tlaku nezávislým zařízením nastavitelné na hodnotu teploty nasazení, při které nastává bezpečnostní funkce. Je výhodné, jestliže na tlaku nezávislé zařízení je justovatelné, zejména manuálně zvenčí justovatelné. Alternativně se může použít také elektronické, popřípadě motorické nastavování.

Dále je výhodné, jestliže komora prvního stavěcího členu, zejména vnitřní kontura této komory, je vedena skrze pouzdro nebo můstky. Tím je umožněno, že se zabrání deformacím působeným účinky regulační náplně.

V klidové poloze ventilového prvku je výhodné, jestliže je mezi ventilovým prvkem a ventilovým sedlem uvolněn předem zadaný minimální průchozí otvor. To znamená, že jestliže na teplotě a tlaku závislý přebytek síly na spodní straně tepelně nastavitelného stavěcího členu nepostačuje k překonání jeho předepnutí, uvolní se s výhodou pouze předem definovaný škrticí průřez a termostatický expanzní ventil pracuje jako pevný škrticí * · ······ ·· ·· · » · φ · · · · • · · · · · • · ♦ · · ··· ·<· ·· · « · · · • · · • · « · • · · • · ·

- 9 prvek, čímž se v okruhu samotném nastaví vysoký tlak. Zmíněný minimální příchozí otvor je při montáži zvenčí justovatelný.

Do rámce předloženého vynálezu takto spadá transkritický nebo podkritický okruh s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem a vnitřním cepelným výměníkem, který obsahuje termostatický expanzní ventil s automaticky nastavitelnou nadproudovou funkcí, popřípadě bezpečnostní funkcí, aniž by se například muselo pokládat přídavné potrubí na vstupu výparníku. Současně může být zachována možnost termostatické regulace COP-optimálního vysokého tlaku.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález a jeho další výhodná provedení a zdokonalení jsou v následujícím blíže popsány a vysvětleny na základě příkladů, které jsou znázorněny na připojených výkresech. Znaky patrné z popisu a výkresů mohou být podle vynálezu použity jednotlivě samy o sobě nebo více v libovolné kombinaci. Výkresy znázorňují na:

- obr. 1 schematické vyobrazení okruhu chladicího prostředku,

- obr. 2 stavový diagram, který popisuje funkci okruhu chladicího prostředku s v úvodu zmíněným termostatickým expanzním ventilem,

- obr. 3 první provedení termostatického expanzního ventilu,

- obr. 4a, 4b schematické vyobrazení charakteristiky regulační náplně a účinku tepelně ovládaného stavěcího členu na charakteristiku otevírání ventilu,

- 10 ·· ·· « * · • · ·· • · · · • · · • · · · · ·

- obr. 5 stavový diagram zdvihových charakteristik ventilu při různých provozních tlacích,

- obr. 6 druhé provedení termostatického expanzního ventilu a

- obr. 7 třetí provedení termostatického expanzního ventilu.

Příklady provedeni vynálezu

Obr. 1 znázorňuje chladicí a/nebo topný čerpadlový okruh 11 klimatizačního zařízení. V kompresoru 12 chladicího prostředku je stlačován plynný chladicí prostředek, zejména oxid uhličitý CO2. Zkomprimovaný chladicí prostředek je přiváděn do plynového chladiče 13, kde probíhá výměna tepla mezi zkomprimováným chladicím prostředkem a okolím, aby se chladicí prostředek ochladil. Chladiči prostředek, který opouští plynový chladič 13, přichází do vnitřního tepelného výměníku 14, který je spojen s expanzním ventilem 15. Tento expanzní ventil 15 slouží jednak k omezení tlaku chladicího prostředku, jednak k regulaci tlaku chladicího prostředku na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14. Z expanzního ventilu 15 přichází chladicí prostředek do výparníku

16. V tomto výparníku 16 odebírá chladicí prostředek teplo z okolí. Za výparníkem 16 je zařazen akumulátor 17, aby se oddělila plynná a kapalná fáze chladicího prostředku a současně se shromáždil kapalný oxid uhličitý CO₂. Akumulátor 17 je opět propojen s vnitřním tepelným výměníkem 14.

Na základě stavového diagramu na obr. 2, kde je vynesen tlak p v závislosti na specifické entalpii H, bude nyní vysvětlena funkce klimatizačního zařízeni. Chladicí prostředek, například oxid uhličitý CO2, v plynné fázi je komprimován v kompresoru 12 chladicího prostředku - úsek A-B. Poté je horký, pod vysokým

- 11 « · ··· · tlakem se nacházející transkritický chladicí prostředek ochlazen v plynovém chladiči 13 a vnitřním tepelném výměníku 14 - úsek BC, popřípadě C-D. Tlak je redukován v expanzním ventilu 15 - úsek D-E, aby se r.yní dvoufázový chladicí prostředek, to jest plynná a kapalná fáze, odpařil ve výparniku 16 - úsek E-F - a tím se odebralo teplo z okolí. Hodnota COP je dána poměrem změny entalpie Ai v kroku E-F a změny entalpie AL v kroku A-B, tedy COP = Ai/AL.

Kritická teplota oxidu uhličitého C0₂ leží přibližně u 31 °C, což je níže než je kritická teplota, často vyšší než 100 °C, fluorovaných uhlovodíků, které se dosud v klimatizačních zařízeních používají. Toto vede k tomu, že teplota oxidu uhličitého C0₂ na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14 může být vyšší než je kritická teplota oxidu uhličitého CO₂. V tomto stavu oxid uhličitý CO₂ samotný na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14 nekondenzuje. Tlak na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14 se tudíž musí regulovat. Když je tedy venkovní teplota, například v létě, vysoká, je třeba na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14 nastavit vysoký tlak, aby se dosáhlo dostatečného chladicího výkonu. Výstupní teplota na vnitřním tepelném výměníku 14 závisí mimo jiné na teplotě na straně chladicího prostředku na výstupu plynového chladiče 13, která zase závisí na teplotě okolí. To znamená, že teplota oxidu uhličitého C0₂ na výstupu vnitřního tepelného výměníku 14 může být použita také pro regulaci jinak na výstupní teplotě plynového chladiče 13 na straně chladicího prostředku závislého podle COP optimalizovaného vysokého tlaku.

V diagramu podle obr. 2 je charakteristikami 21' a 21'^λznázorněna COP-optimalizovaná regulační oblast. Mezi nimi se nacházející obousměrná šipka 22 označuje oblast zdvihu ventilu ·· ·· • · · • · · · • · ♦ · • · · • · · · · ·

- 12 ·· ··· · v rozsahu od 0 do přibližně 75 % zdvihu ventilu. Mezi charakteristikami 21'' a 21''' je znázorněna přetlaková regulační oblast. Dalším zvětšením zdvihu ventilu přes přibližně 75 % může být převýšení tlaku odstraněno. Charakteristika 21' představuje nastavitelnou hranici vysokého tlaku pro regulovaný okruh 11 chladicího prostředku. Tento může být proveden variabilně.

Na obr. 3 je znázorněno první provedení termostatického expanzního ventilu 15 podle vynálezu, který umožňuje provoz zařízení s chladicím prostředkem podle stavového diagramu z obr.

2. Expanzní ventil 15 obsahuje ventilové pouzdro 26, které je opatřeno vysokotlakým přívodním otvorem 27, který vede do vysokotlakého prostoru 28. Vysokotlaký prostor 28 je průchozím otvorem 29 spojen s nízkotlakým odváděcím otvorem 31. Průchozí otvor 29 je opatřen ventilovým sedlem 32, ve kterém se v uzavírací poloze nachází ventilový prvek 33 a odděluje přívodní otvor 27 od odváděcího otvoru 31.

Ve vysokotlakém prostoru 28 je uspořádán první stavěči člen 36, který je opatřen první účinnou plochou 37, u které je uspořádán ventilový prvek 33. Na tuto první účinnou plochu 37 působí ve směru uzavírání ventilového prvku 33 komora 38, která je provedena na způsob membrány nebo skládaného měchu.

Dále je použit pružící prvek 39, který například obklopuje komoru 38 a je s výhodou předepnut a působí na účinnou plochu 37 ve stejném směru jako komora .38. Dimenzováním velikosti ventilového prvku 33, popřípadě délky jeho dříku nebo ve vysokotlakém prostoru 28 uspořádaného dosedacího prvku je umožněno předpětí pružícího prvku 39 a/nebo komory 38.

Komora 38 je s výhodou provedena z dobře tepelně vodivého *· ·φ • · · • · · · • ·· • ·· • β · ·· · ·· ·· ·· • · ·· • · · · · • · ·· ··· ·«· ·· materiálu. V komoře 38 se nachází regulační náplň 41, jejíž tlak v komoře 38 je závislý na teplotě. Jakmile je na vysokotlaké straně vysoký tlak, působí tento proti účinné ploše 37 a otevře průchozí otvor 29, pokud má působící vysoký tlak přebytek sily vůči předepnutému pružícímu prvku 39 a tlaku regulační náplně £1 v komoře 38. Otvírací a uzavírací pohyb v COP-optimalizované regulační oblasti je nezávislý na tepelně nastavitelném stavěcím členu 46, který je rovněž uspořádán ve vysokotlakém prostoru 28.

V přikladu provedení podle obr. 3 působí tepelně nastavitelný stavěči člen 46 na první účinné ploše 37 proti komoře 38 a případně přítomnému pružícímu členu 39. Alternativně může tepelně nastavitelný stavěči člen 46 být v záběru také s ventilovým prvkem 21· Tepelně nastavitelný stavěči člen 46 je proveden z bimetalových disků, které jsou na způsob měchu uspořádány ve stohu nad sebou navzájem. Bimetalové disky mohou být předepnuty blíže neznázorněným, na tlaku nezávislým zařízením, takže provádějí stavěči pohyb, popřípadě zdvih teprve tehdy, když je zapotřebí bezpečnostní funkce. Tento případ nastane tehdy, když teplota chladicího prostředku přesáhne MOT. Předepnutí bimetalových disků nebo jejich materiálové složení je tudíž přizpůsobeno takové hodnotě teploty nasazení.

Při dostatečném přebytku síly se vysokým tlakem proti tlačné síle komory 38 a případně přítomného pružícího prvku 39 podle předem definované charakteristiky uvolní optimální průřez otvoru a tím se nastaví optimální vysoký tlak - COP-optimalizovaná oblast - v závislosti na výstupní teplotě chladicího prostředku na straně vysokého tlaku ve vnitřním tepelném výměníku.

Zásluhou expanzního ventilu 15 podle vynálezu je umožněna samostatně nastavitelná přetlaková a bezpečnostní funkce, takže

- 14 ·· ·· * ♦ · • · ·· • · ♦ · • · • ·· · ·· okruh chladicího prostředku může pracovat s COP-optimálním tlakem. Z obr. 4a vyplývá schematické znázorněni charakteristiky 19 pro regulační náplň v komoře 38 prvního stavěcího členu 36, ve které je vynesen tlak v závislosti na teplotě až ke kritickému bodu. Protože dosud ve dvou fázích přítomná regulační náplň nad MOT-hodnotou 20 pro okruh 11 přechází do jednofázového, přehřátého plynného stavu, stoupá tlak regulační náplně dále s jen znatelně nižším gradientem. Bezpečnostní funkce lze ale dosáhnout jer. vodorovným průběhem tlak od MOT-hodnoty 20. Tento další nevýhodný nárůst je ve výhodném provedení předloženého vynálezu kompenzován použitím tepelně nastavitelného stavěcího členu 46, jehož charakteristika 4_6' je znázorněna na obr. 4a. Zásluhou toho se dosahuje charakteristiky 22 otvírání otvoru, která je znázorněna na obr. 4b. Tato charakteristika 22 otvírání otvoru s vodorovnými průběhem tlaku na MOP-úrovni vede k maximálnímu vývoji proudění hmoty, když se vysoký tlak okruhu 11 nachází nad ní, takže dochází k samočinně se brzdícímu vývoji vysokého tlaku, protože je kompenzována ve směru uzavírání ventilového prvku 33 působící, na teplotě závislá tlačná síla komory 38. Tepelně nastavitelný stavěči člen 46 může na průřez otvoru průchozího otvoru 29 působit také předčasně, takže se zabrání nárůstu vysokého tlaku nad MOP-hodnotu.

Dále je třeba zmínit, že ačkoliv výhodnou regulační teplotou v okruhu je s ohledem na COP-optimalizaci výstupní teplota plynového chladiče na straně chladicího prostředku, může být k účelům regulace vysokého tlaku v COP-optimální oblasti použita také výstupní teplota na vnitřním tepelném výměníku 14 na straně vysokého tlaku. Za tím účelem se buď cestou simulace nebo cestou pokusů pro okruh, ve kterém se použije v tomto vynálezu popsaný termostatický expanzní ventil 15, stanoví ke každému COPoptimálnímu stavu na výstupu plynového chladiče odpovídající

- 15 výstupní stavy na vnitřním tepelném výměníku 14. K výstupní teplotě na straně vysokého tlaku na vnitřním tepelném výměníku 14 se takto zjistí COP-optimalizovaný průběh tlaku, na který se nasměruje oprimální zdvihová charakteristika 22 ventilu podle stavového diagramu na obr. 5, kde je vyneseno proudění hmoty v závislosti na teplotě. Tato COP-optimální zdvihová charakteristika 22 ventilu se omezuje na pro aplikaci určovanou část celé oblasti zdvihu ventilu, například mezi 0 a 75 %. Toto je v obr. 2 znázorněno charakteristikami 21' a 21. Oboustranná šipka 22 znázorňuje COP-optimalizovanou regulační oblast. Na její horní hranici navazuje funkce nadměrného proudění. Jestliže charakteristika 23 proudění hmoty škrticího prvku probíhá nad zmíněnou hranicí, to znamená až do dosažení 100 % celkové zdvihu ventilu, dostatečně strmě, od vysokotlaké k nízkotlaké straně odtéká mnoho hmoty a tím se může zabránit dalšímu stoupání vysokého tlaku v zařízení, takže se u předloženého vynálezu dosáhne vytčené bezpečnostní funkce proti vysokým tlakům v systému.

Uspořádáním takového termostatického expanzního ventilu 15 na vstupu výparníku se předejde pokládání složitých soustav potrubí, které jsou zapotřebí například při použití termostatického expanzního ventilu podle patentu US 6,012,300, protože tam popsaný ventil musí snímat výstupní teplotu na straně chladicího prostředku na plynovém chladiči - buď lokálním uspořádáním na výstupu plynového chladiče nebo položením kapilárního potrubí mezi ventilem a výstupem plynového chladiče.

Na obr. 6 je znázorněno alternativní provedení k obr. 3. Odlišně od tohoto je tepelně nastavitelný stavěči člen 46 proveden jako pružící prvek ze slitiny s tvarovou pamětí. Tento tepelně nastavitelný stavěči člen 46 může být nastaven tak, že

- 16 zdvihový pohyb nastane až od předem stanovené hodnoty nárůstu teploty. Přitom může být přídavně také určena síla působící na průřez pružizího prvku. Doplňkově by také bylo možné elektrické ovládání tohoto tepelně nastavitelného stavěcího členu 46 ze slitiny s tvarovou pamětí. Další v souvislosti s obr. 3 popsané funkce a varianty platí rovněž pro toto provedení.

Na obr. 7 je znázorněno další, k obr. 3 alternativní provedení tepelně nastavitelného stavěcího členu 46. V tomto provedení je použit hydraulicky naplněný, skládanému měchu podobný pružící prvek, který umožňuje funkci nadměrného proudění, popřípadě bezpečnostní funkci. Náplně tepelně nastavitelného stavěcího členu 46 zahrnují například různé oleje a uhlovodíky.

Všechny výše uvedené znaky jsou pro vynález podstatné samy o sobě a mohou být libovolně navzájem kombinovány.

«4 ·· • 4 4

4 4 4

4 ·

4 · 4444 »♦

-py

- 17 PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Termostatický expanzní ventil pro regulaci vysokého tlaku jak transkriticky, tak i podkriticky provozovatelného okruhu (11) s chladicím popřípadě tepelným čerpadlem, s ventilovým pouzdrem (26), na jehož vstupu působí v přívodním otvoru (27) vysoký tlak a na jehož výstupu působí v odváděcím otvoru (31) nízký tlak, s ventilovým prvkem '33), který ventilové sedlo (32) průchozího otvoru (29), kzerý je uspořádán mezi přívodním otvorem (27) a odváděcím otvorem (31), pro průchod chladicího prostředku uzavírá a pohybuje ve směru otevíráni a je přiřazen k prvnímu stavěcímu členu (36), přičemž první stavěči člen (36) zahrnuje první účinnou plochou (37) omezenou komoru (38), která obsahuje regulační náplň (41), vyznačující se tim, že obsahuje na vysokém tlaku nezávislý tepelně nastavitelný stavěči člen (46), jehož stavěči pohyb je pohybově spřažen s první účinnou plochou (37) prvního stavěcího členu (36), když působí na teplotě závislý stavěči pohyb tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) proti stavěcímu pohybu první účinné plochy (37) prvního stavěcího členu (36), přičemž hodnota teploty nasazení tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) pro stavěči pohyb je nastavena na stejnou hodnotu jako MOT (maximum operation temperature) regulační náplně (41) prvního stavěcího členu (36), která má hustotu naplnění, která leží po její kritickou hustotou.

2. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi prvním stavěcím členem (36) a tepelně nastavitelným stavěcím členem (46) je uspořádána rozebíratelná mechanická vazba a tepelně nastavitelný stavěči člen (46) je v záběru s první ·» ··· · účinnou plochou (37) prvního stavěcího členu (36) nebo s ventilovým prvkem (33), spojeným s prvním stavěcím členem (36) .

3/5

Obr. 5

T>y Jnof*.4iQ.

.**· · ····?!

·· · ·

I

3. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že komora (38) je provedena jako membrána nebo skládaný měch a je tepelně vodivá, aby mohla přejímat teplotu chladicího prostředku na straně vysokého tlaku.

4. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že kritická teplota regulační náplně (41) prvního stavěcího členu (36) leží na kritickou teplotou chladicího prostředku.

5. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že na teplotě závislá síla tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) odpovídá stoupání regulační náplně (41) prvního stavěcího členu (36) v přehřátém stavu.

6. Ventil podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že tepelně nastavitelný stavěči člen (46) je proveden ve tvaru na sobě navzájem navrstvených bimetalových prvků, zejména bimetalových disků.

7. Ventil podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že tepelně nastavitelný stavěči člen (46) je proveden ve tvaru pružícího prvku, který sestává ze slitiny s tvarovou pamětí.

8. Ventil podle některého nebo z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že tepelně nastavitelný stavěči člen (46) je proveden ve tvaru naplněného, skládanému měchu podobného pružícího prvku, zejména ve tvaru kapalinou naplněného, skládanému měchu podobného pružícího prvku.

·« ··»·

9. Ventil podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že tepelně nastavitelný stavěči člen (46) je předepnut na tlaku nezávislým zařízením.

10. Ventil podle nároku 9, vyznačující se tím, že předepnutí tepelně nastavitelného stavěcího členu (46) je na tlaku nezávislým zařízením nastavitelné na hodnotu teploty nasazení, při které nastává bezpečnostní funkce.

11. Ventil podle nároku 9 nebo 10, vyznačující se tím, že na tlaku nezávislé zařízeni je justovatelné, zejména zvenčí j ustovauelné.

12. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že komora (38), zejména vnitřní kontura komory (38), je vedena skrze pouzdro nebo můstky.

13. Ventil podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v klidové poloze ventilového prvku (33) je mezi ventilovým prvkem (33) a ventilovým sedlem (32) uvolněn předen zadaný minimální průchozí otvor (29), který je při montáži zvenčí justovatelný.

14. Transkritický nebo podkritický okruh (11) s chladicím, popřípadě tepelným čerpadlem a vnitřním tepelným výměníkem (14), vyznačující se tím, že obsahuje expanzní ventil (15) podle některého z předchozích nároků.

4 / 5 |mot............................... V(k] i

P I [bar] i