DE2429009A1

DE2429009A1 - Expansionsvorrichtung

Info

Publication number: DE2429009A1
Application number: DE2429009A
Authority: DE
Inventors: Harold H Hopkinson
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1974-06-18
Publication date: 1975-01-09
Also published as: FR2233574A1; ZA743563B; AU6979474A; AR201775A1; IT1015151B; JPS5037049A; BR7404931D0; ES427319A1

Description

Expansionsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung für Kältemittel, insbesondere zur Verwendung mit Wärmepumpen und zur Verwendung in Klimaanlagen, welche zur Kühlung oder zur Heizung von Räumen dienen.

Wärmepumpen sind umkehrbare Kühlvorrichtungen, welche wahlweise zum Heizen oder zum Kühlen verwendet werden. Die in Klimaanlagen verwendeten Wärmepumpen weisen im allgemeinen einen Kompressor, im Gebäude liegende Wärmeaustauscher und außerhalb des Gebäudes angeordnete Wärmeaustauscher sowie eine zwischen den Wärmeaustauschern angeordnete Expansionsvorrichtung auf, welche alle in einem Kältemittelkreislauf zusammengeschaltet sind. Soll das Innere des Gebäudes gekühlt werden, so wird das Kältemittel in einer Richtung umgewälzt, so daß der im Inneren des Gebäudes gelegene Wärmeaustauscher als Verdampfer arbeitet; soll das Innere des Gebäudes geheizt werden, so wird das Kältemittel in umgekehrter Richtung umgewälzt, so daß der im Inneren des Gebäudes gelegene Wärmeaus- - 2 -

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tauscher als· Kondensor arbeitet. Der außerhalb des Gebäudes angeordnete Wärmeaustauscher arbeitet entgegengesetzt zu dem im Inneren des Gebäudes gelegenen Wärmeaustauscher. Da sich die Belastung der Anlage beim Übergang vom Heizen auf Kühlen ändert (hauptsächlich wegen der von der Konstruktion her gegebenen Kenndaten der Anlage), ist es wünschenswert, die Einstellung der Expansionsvorrichtung zu verändern, um bei jeder der beiden Betriebsarten ideale Durchsatz-

werte zu erhalten.

Wärmepumpen verwenden häufig feste Verengungen zur Entspannung des ^: Kältemittels,welches aus dem Kondensor austritt und zu dem Verdampfer strömt. Würde während des Heizens und des Kühlens dieselbe Verengung verwendet, so wäre normalerweise nur in einer der beiden Betriebsarten ein Betrieb mit optimaler Wirksamkeit möglich.' In der Tat wäre die Verminderung der Wirksamkeit für die andere Betriebsart so beträchtlich, daß gängigerweise verschiedene, eine Verengung bildende Vorrichtungen zum Heizen bzw. zum Kühlen verwendet werden. Bei einer in der US-PS 2,720,756 beschriebenen

Anlage ist eine Mehrzahl ausgestreckter Kapillarrohre in Reihe ' angeordnet, und mindestens eines der Kapillarrohre weist einen , Bypass auf, so daß die Länge der Kapillarrohre, durch welche Kälte-

mittel strömt, gemäß der Betriebsart der Wärmepumpe geändert werden kann. Es ist auch bekannt, Kapillarrohre parallel anzuordnen und

ein Rohr zu umgehen, während/Kältemittel in einer vorgegebenen ^; Richtung strömt. Eine weitere Anordnung ist in der US-PS 3,029,614

: beschrieben, wobei ein getre'nntes Kapillarrohr für jede Richtung ' ;

: des Kältemittelstromes vorgesehen ist. Diese Anordnungen von [ Kapillarrohren haben den Nachteil, daß Einrichtungen vorgesehen

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werden müssen, um das Kältemittel sowohl während des Strömens in Vorwärtsrichtung als.auch während des Strömens in Rückwärtsrich- ^: tung zu filtern. Diese Anordnungen haben auch den Nachteil, daß Ventile notwendig sind, um das/Kältemittel in die richtigen Rohre , zu leiten.. In der US-PS 2,694,296 ist eine umkehrbare Kühlanlage

beschrieben, welche eine in Reihe mit einem Kapillärrohr angeord- ^; : nete zusätzliche Verengung aufweist. Die zusätzliche Verengung weist einen keilförmig gestalteten Kanal für/Kältemittel auf, durch welchen das Strömen von Kältemittel in einer Richtung behindert

• wird, in der anderen jedoch nicht. Diese Anordnung erfordert zwei , getrennte Verengungen, das Kapillarrohr und die zusätzliche Ver-

; engung. . i

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Expansionsvorrichtung

• für "eine Wärmepumpe geschaffen werden.

¹ Insbesondere soll durch die Erfindung eine Expansionsvorrichtung

: für eine Wärmepumpe geschaffen werden, in welcher durch sie strö-ί _ -

mendes^ältemittel so weit expandiert wird, daß der Wirkungsgrad j der Wärmepumpe für jede Richtung des Strömens von^ältemittel opti-

I miert wird.

j " ■

j Ferner soll durch die Erfindung eine Expansions vorrichtung für '■ eine Wärmepumpe geschaffen werden, welche mit gutem Wirkungsgrad arbeitet und verläßlich und wirtschaftlich ist.

Eine solche Expansionsvorrichtung weist erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruches 1 auf.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Expansionsvorrichtung geschaffen wird, welche in eine Wärmepumpe eingebaut werden kann, welche zusätzlich zur Expansionsvorrichtung ein Paar von Wärmeaustauscher^ welche wahlweise als Kondensor und als Verdampfer arbeiten, einen Kompressor und ein Ventil zur Steuerung der Richtung des Kältemittelstromes durch die Anlage aufweist. Je nach der Richtung der Strömung des^Kältemittels weist die Expansionsvorrichtung verschieden" starke Verengungen für das durchströmendeKältemittel auf. Die Expansionsvorrichtung weist einen Ventilkörper mit einem verengten Durchgang für^ältemittel auf, durch welchen durch ihn strömendes Kältemittel expandiert wird, und sie weist eine Kammer auf, in welcher ein bewegbarer Ventilschaft angeordnet ist, welcher einen zweiten verengten Durchgang für Kältemittel aufweist. Der Ventilschaft wird an den Ventilkörper angedrückt, um die beiden Verengungen in Reihe zu schalten, so daß in Richtung der Vorspannung strömendes Kältemittel beide Verengungen durchqueren muß, so daß es verhältnismäßig stark gedrosselt wird. Entgegen der Vorspannung strömendes Kältemittel überwindet die Vorspannung und umgeht daher die in dem Ventilschaft vorgesehene Verengung, so daß eine Drosselung geringeren Ausmaßes erfolgt. Die Abmessungen der Verengungen sind so gewählt, daß je nach Richtung des Strömens von Kältemittel durch die Anlage eine Expansion optimalen Ausmaßes herbeigeführt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Expansionsvorrichtung einen Ventilkörper mit einer Verengung zum Expandieren des durchströmenden Kältemittels und einen durch eine Feder vorgespanri-

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ten Ventilschaft auf, welcher eine zweite Verengung aufweist, um ebenfalls durchströmendes Kältemittel zu expandieren. Die Expansionsvorrichtung kann in eine Wärmepumpe eingebaut werden, welche heizt, wenn das Kältemittel in einer Richtung strömt, und kühlt, wenn das Kältemittel in der anderen Richtung strömt. Während des Heizens ist zum Erreichen des bestmöglichen Wirkungsgrades der Anlage ein starkes Drosseln erforderlich, während ein verhältnismäßig schwaches Drosseln erforderlich ist, wenn die Wärmepumpe zur Kühlung betrieben wird. Demgemäß ist der Ventilschaft so vorgespannt, daß die durch ihn hindurchlaufende Verengung in Reihe mit der im Ventilkörper vorgesehenen Verengung geschaltet ist, wenn die Anlage als Heizung betrieben wird, so daß das durch die Expansionsvorrichtung strömende Kältemittel beide Verengungen durchsetzen muß und' in starkem Ausmaße gedrosselt wird. Wird, die Anlage zum Kühlen verwendet, so überwindet das Kältemittel die Vorspannung für den Ventilschaft und trennt die im Ventilschaft vorgesehene Verengung von der im Ventilkörper vorgesehenen Verengung, so daß das Kältemittel die in dem Ventilschaft vorgesehene Verengung im wesentlichen umgeht und nur von der in dem Ventilkörper vorgesehenen Verengung expandiert wird. Im letzteren Fall ist daher das Ausmaß der Drosselung klein verglichen mit dem Ausmaß der Drosselung beim Heizen. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 eine Wärmepumpe mit der erfindungsgemäßen Expansionsvor- · richtung (schematisch) in der Betriebsstellung "Heizen";

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Pig. 2 die Anlage von Pig. 1 in der Betriebsstellung "Kühlen";

Pig. 3 Einzelheiten· der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebszustand "Heizen";

Fig. 4 die erfindungsgemäße Expansionsvorrichtung im Betriebszustand "Kühlen".

Die Fig. 1 und 3 zeigen eine Wärmepumpe und die in ihr verwendete Expansionsvorrichtung in der Betriebsstellung "Heizen". Die Wärmepumpe weist einen ersten, außerhalb des Gebäudes angeordneten Wärmeaustauscher 2 und einen zweiten, innerhalb des Gebäudes angeordneten Wärmeaustauscher 4, einen Kompressor 6, ein Steuerventil 8 und eine beidseitig beaufschlagbare Expansionsvorrichtung IC auf. Wird die Wärmepumpe zum Heizen verwendet, so dient der Wärmeaustauscher 4 als Kondensor und gibt Hitze an seine Umgebung ab. Das Steuerventil 8 weist einen in einem Zylinder 14 angeordneten Schieber 12 auf, wobei der Schieber und der Zylinder zusammenarbeitende Kältemittelkanäle aufweisen, um je nach den beiden Stellungen des Steuerventiles Kältemittel in einen von zwei Kältemittelkreisläufen zu leiten. Wird der Wärmeaustauscher 2 als Verdampfer betrieben, so nimmt der Schieber 12 im Zylinder 14 seine am weitesten links gelegene Lage ein, und Kältemitteldampf, welcher den Wärmeaustauscher 2 durch eine Leitung 16 verläßt, wird in eine Leitung 18 geleitet, welche zum Kompressor 6 führt, und der komprimierte Kältemitteldampf wird dann zu einer Leitung 20 geführt, die zu dem Wärmeaustauscher 4 führt, welcher als Kondensor arbeitet. Arbeitet

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andererseits wie in Fig. 2 gezeigt die Wärmepumpe zur Kühlung, so befindet sich der Schieber 12 in der am weitesten rechts gelegenen Lage, und den Wärmeaustauscher 4, welcher als Verdampfer arbeitet, verlasserL-der Kältemitteldampf wird zu der zum Kompressor 6 führenden Leitung18 geleitet und von dort zur Leitung l6, welche zum Wärmeaustauscher 2 führt, der nun als Kondensor arbeitet. Das Steuerventil 8 steuert damit die 'Strömungsrichtung des Kältemittels in der Wärmepumpe und die Betriebsart der Anlage.

Die Expansionsvorrichtung 10 weist einen im wesentlichen zylindrischen Ventilkörper 22 auf, der einen Kältemittelkanal aufweist, welcher sich längs der Längsachse der Vorrichtung erstreckt. Dieser Kältemittelkanal weist an einem,Ende einen ersten Abschnitt in Form einer Kammer 24 mit verhältnismäßig großem Durchmesser auf und verläuft, wie in der Zeichnung gezeigt, vom rechten Ende des Ventilkörpers nach links, er weist einen zweiten Abschnitt auf, welcher von einer ersten Drossel 2β in Form einer Verengung für durchströmendes Kältemittel gebildet .wird und verhältnismäßig geringen Durchmesser aufweist, und er weist einen dritten Abschnitt 28 auf mit einem Durchmesser, v/elcher zwischen dem der Kammer 24 und dem der Drossel 26 liegt. . Das durch die erste Drossel 26hindurchge- ^: hende Kältemittel wird infolge des kleinen Durchmessers derselben expandiert. Zwischen der Kammer 24 und der Drossel 26 wird ein Ventilsitz 51 für einen unten beschriebenen Ventilschaft J52 gebildet. Am in der Zeichnung links gelegenen Ende endet der Ventilkörper 22 in einem außen mit Gewinde versehenen Abschnitt 30, welcher der Verbindung mit einer vom Wärmeaustauscher 2 herkommenden

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Leitung für Kältemittel dient. Die Expansionsvorrichtung 10 weist ferner eine Kappe 34 auf, welche am rechts gelegenen Ende des Ventilkörpers 22 befestigt ist und mit dem Ventilkörper zusammen die Kammer 24 begrenzt. Die Kappe 34 weist einen Kältemittelkanal 36 auf, welcher durch sie hindurch zur Kammer 24 verläuft, und endet in einem außen mit Gewinde versehenen Abschnitt 37, über den eine Verbindung mit der von dem Wärmeaustauscher 4 herkommenden Kältemittelleitung hergestellt werden kann.

Der Ventilschaft 32 ist im Innern der Kammer 24 in axialer Richtung in ihr bewegbar angeordnet. Der Ventilschaft 32 hat im wesentlichen zylindrische Gestalt und endet in einem konischen Abschnitt 38, der so gestaltet ist, daß er auf dem Ventilsitz 3I zur Auflage gebracht werden kann. Längs der Längsachse des Ventilschaftes 32 verläuft ein Kältemittelkanal in Form einer zweiten Drossel 4o. Sitzt der Ventilschaft 32 auf dem Ventilsitz 31, so sind die Drosseln 26 und 4o in Reihe angeordnet, so daß durch die Expansionsvorrichtung Io strömendes Kältemittel beide Drosseln

: durchqueren muß und demeitsprechend expandiert werden muß. Die Drossel 4o endet an ihrem rechts gelegenen Ende in einem aufgeweiteten Abschnitt 42, der einen größeren Durchmesser als den der Drossel aufweist, und der mit einer Mehrzahl von in radialer

l Richtung verlaufenden Kältemittelkanälen 44 versehen ist, welche von diesem zur äußeren Oberfläche des Ventilschaftes verlaufen. Der Ventilschaft 32 weist weiter einen Satz radial verlaufender Rippen 46 auf, welche den Ventilschaft 32 in der Kammer 24 zen-

, trieren. Die Längsausdehnung des Ventilschaftes 32 ist kleiner als die der Kammer 24, und der Ventilschaft ist in axialer - 9 _

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Richtung in der Kammer beweglich. Zwischen dem Ventilschaft 32 und der von der inneren Oberfläche der Kappe 34 gebildeten Stirnwand der Kammer 24 ist eine Feder 48 in der Kammer 24 angeordnet. Die Feder 48 drückt den Ventilschaft 32 auf den Ventilsitz 31, so daß bei Abwesenheit einer entgegengerichteten Kraft die Drosseln 26 und 4o in Reihe angeordnet sind. Die Feder 48 hat jedoch keine ausreichende Stärke, um den Ventilschaft 32 weiterhin auf den Ventilsitz 31 zu drücken, wenn die Strömungsrichtung des Kältemittels der Vorspannung der Feder entgegengesetzt ist (in FIg-. 2 von links nach rechts). Anders gesagt wird die Feder 48 so gewählt, daß der von dem strömenden Kältemittel ausgeübte Druck dazu ausreicht, die Kraft der Feder zu überwinden.

Beim Betrieb der Anordnung zum Heizen, wobei der Wärmeaustauscher 4 als Kondensor arbeitet, nimmt der Schieber 12 die in Fig. 1 gezeigte Lage ein, so daß - wie dort dargestellt - ein Kältemittelstrom im Uhrzeigersinne' erzeugt wird. Heißes, komprimiertes Kältemittel wird dem Wärmeaustauscher 4 zugeführt, wo es seine Wärme abgibt und kondensiert. Das flüssige Kältemittel fließt von dem Wärmeaustauscher 4 in die Expansionsvorrichtung Io. Das flüssige Kältemittel tritt bei dem in der Kappe 34 vorgesehenen Kältemitbelkanal 36 in die Expans ions vorrichtung Io ein und fließt in die Kammer 24. Infolge der Vorspannung durch die Feder 48 sitzt der Ventilschaft 32 auf dem Ventilsitz 31 auf, und Kältemittel fließt durch den aufgeweiteten Abschnitt 42 in die Drossel . 4o, wo es teilweise expandiert wird, und dann durch die Drossel 26, wo die Expansion abgeschlossen wird. Das expandierte Kälte-

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mittel verläßt die Expansionsvorrichtung Io durch deren dritten Abschnitt 28 und fließt in den Wärmeaustauscher 2. Das unter geringem Druck stehende Kältemittel absorbiert Wärme aus der von dem Wärmeaustauscher 2 gebildeten Umgebung und verdampft. Der Kältemitteldampf strömt dann in den Kompressor 6 zurück.

Arbeitet die Anordnung in der Betriebsart "Kühlen", so befindet sich der Schieber 12 wie Fig. 2 zeigt.zur Rechten im Inneren des Zylinders 14, so daß der Wärmeaustauscher 4 als Verdampfer arbeitet. Heißer, komprimierter Kältemitteldampf tritt^vom Kompressor 6 her kommend in den Wärmeaustauscher 2 ein, wo er Wärme an die Umgebung abgibt und kondensiert. Das flüssige Kältemittel tritt wie in den Figuren 2 und 4 gezeigt in die Expansionsvorrichtung Io ein. Das Kältemittel fließt in den Abschnitt 2δ und durch die Drossel 26, wo es expandiert wird. Der von dem fließenden Kältemittel auf den Ventilschaft 32 ausgeübte Druck reicht dazu aus, die Kraft der Feder 48 zu überwinden, und daher wird der Ventilschaft 32 von dem Ventilsitz 31 abgehoben. Der größere Teil des die Drossel 26 verlassenden Kältemittels fließt zwischen den Rippen 46 um den Ventilschaft 32 herum, durchquert die Kältemittelkanäle 44 und den aufgeweiteten Abschnitt 42 und fließt aus dem Kanal 36 hinaus und auf den Wärmeaustauscher 4 zu.

Eine kleine Menge Kältemittels wird durch die im Ventilschaft 32 angeordnete Drossel 4o fließen, dieser Anteil ist jedoch so klein, daß das Kältemittel praktisch diese Drossel umgeht. Die statt-

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findende Expansion ist daher ausschließlich auf das Fließen durch die Drossel 26 zurückzuführen. Das expandierte Kältemittel tritt in den Wärmeaustauscher 4 ein, wo es Wärme aus der Umgebung absorbiert und verdampft; und der Kältemitteldampf strömt dann zu dem Kompressor β zurück.

Die Expansionsvorrichtung Io enthält nur eine geringe Anzahl leicht herzustellender und zusammenzubauender Bauteile. Die Expansionsvorrichtung drosselt durch sie hindurchfließendes Kältemittel in einem Ausmaße., welches von der Richtung des Durchflusses durch die Vorrichtung abhängt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist verläßlich und arbeitet mit gutem Wirkungsgrad.

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Claims

Patentansprüche

l) Expansionsvorrichtung für eine reversible Kühlanlage, gekennzeichnet durch einen Ventilkörper (22) mit einer ersten Drossel (26), in welcher durch sie fließendes Kältemittel expandiert wird, und mit einer mit der ersten Drossel (26) in Verbindung stehenden Kammer (24); und durch einen in der Kammer (24) angeordneten Ventilschaft (32), welcher eine zweite Drossel (4o) aufweist, in der durch sie fließendes Kältemittel expandiert

(32)
wird, wobei der Ventilschaft'bei Strömen des Kältemittels in einer Richtung so bewegt wird, daß er zusammen mit dem Ventilkörper (21) einen ersten Weg für Kältemittel bildet, damit Kältemittel in der ersten (26) und der zweiten (4o) Drossel expandiert wird, und bei Strömen des Strömungsmittels in umgekehrter Richtung so bewegt wird, daß ein zweiter Strömungsweg geschaffen wird, damit Kältemittel nur in einer (26) der Drosseln (26, 4o) expandiert wird.

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Expansionsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen der Kammer (24) und der ersten Drossel (26) angeordneten Ventilsitz (31), auf welchem der Ventilschaft (32) bei Fließen des Kältemittels in der einen Richtung aufsitzt, um die erste (26) und die zweite (4o) Drossel in Reihe zu schalten, und von welchem der Ventilschaft (32) bei Fließen des Kältemittels in der umgekehrten Richtung abgehoben wird, um die erste (26) und die. zweite (4o) Drossel voneinander zu trennen.

3. ExpansionsVorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorspannfeder (48) zum Andrücken und Aufsetzen des Ventilschaftes (32) auf den Ventilsitz (31), wobei die Vorspannfeder (48) keine ausreichende Stärke aufweist, um der vom Kältemittelfluß in umgekehrter Richtung auf den Ventilschaft (32) ausgeübten Kraft standzuhalten, so daß die Kraft des Kältemittelflusses in der umgekehrten Richtung die Vorspannfeder (48) überwindet, um den Ventilschaft (32) vom Ventilsitz (31) abzuheben.

4. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (24) einen Weg bildet, auf welchem Kältemittel um den Ventilschaft (32) herumfließt, wenn der Ventilschaft (32) von dem Ventilsitz (31) abgehoben ist, wobei dieser Weg ein Fließen des Kältemittels in der zweiten Richtung bewirkt, bei dem die zweite Drossel (4o) im wesentlichen umgangen wird.

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