DE3718490C2 - Kälteerzeugungskreis für Kühlanlagen mit mehreren Kühlräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kälteerzeugungskreis für eine Kühlanlage mit mehreren Kühlräumen
mit einem Kompressor,
mit einem Kondensator,
mit mehreren Verdampfern, die jeweils einem der Kühl­ räume zugeordnet sind,
sowie mit wenigstens einem Umsteuer-Elektroventil zur Verbindung des Kondensators mit einem oder mehreren der Verdampfer entsprechend vorbestimmten Betriebsmodalitäten.

Aus der DE-OS-30 02 059 ist ein Kälteerzeugungskreis für mit z. B. zwei Kühlräumen ausgestattete Kühlschränke bekannt, bei dem die beiden in den beiden Kühlräumen vorgesehenen Verdampfer mittels eines Umsteuer-Elektroventils an einen einzigen Kompressor ange­ koppelt werden können. Das Umsteuer-Elektroventil ermöglicht es insbesondere, beispielsweise den Ausgang des Kondensators mit den beiden Verdampfern in Reihenschaltung oder wahlweise mit nur einem von ihnen zu verbinden.

Das dabei verwendete Umsteuer-Elektroventil besitzt eine Erregerspule oder einen Erregersolenoid und kann wahlweise eine erste oder eine zweite Position annehmen, die dem erregten bzw. dem nicht erregten Zustand der Spule entspre­ chen. Bei erregter Spule hat das Umsteuer-Elektroventil einen nicht unbeträchtlichen Stromverbrauch. Es kann sich außerdem durch den Joule-Effekt erheblich erwarmen, was sich nachteilig auf die Lebensdauer der Spule auswirkt.

Aus der US-PS 4 577 658 ist ein bistabiles Elektroventil bekannt, bei dem jeweils im Bereich seiner beiden Polschuhe Permanentmagneteinrichtungen angeordnet sind. Die beiden Permanentmagneteinrichtungen sind jeweils im Bereich der Hubenden eines durch magnetische Einwirkung bewegbaren Elements angeordnet. Jeder der Permanentmagnetanordnungen ist eine elektrische Spule zugeordnet, und durch entsprechendes Bestro­ men der beiden Spulen kann das bewegbare Element zwischen zwei Arbeitsstellungen hin- und herbewegt werden. Dabei ist das bewegbare Element durch einen Stab mit einem Ventilelement verbunden, welches Ventilelement dann in einer der beiden Arbeitsstellungen des bewegbaren Elements einen Flüssigkeits­ flußweg freigibt und in der anderen Arbeitsstellung diesen Flußweg blockiert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kälte­ erzeugungskreis für eine Kühlanlage vorzusehen, bei welchem eine andauernde Stromzufuhr zu einem Umschaltventil vermieden werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Kälteerzeugungskreis gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Kälte­ erzeugungskreises gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kälte­ erzeugungskreis gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein bistabiles Umsteuer-Elektroventil gemäß der Erfindung,

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer elektri­ schen Schaltung zur Steuerung eines bistabilen Umsteuer-Elektroventils gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage umfaßt einen Kompres­ sor 1, der mit einem Kondensator 2 verbunden ist, an dessen Ausgang ein insgesamt mit 3 bezeichnetes Umsteuer-Elektro­ ventil angeschlossen ist. Dieses Ventil ist erfindungsgemäß als bistabiles Ventil ausgebildet, d. h. es benötigt Erreger­ impulse lediglich für die Umschaltung, während seine Steuer­ spule in beiden stabilen Zuständen keine Erregung benötigt.

Das Umsteuer-Elektroventil 3 wird von einer Steuerschaltung 4 gesteuert. Eine Ausführungsform dieser Steuerschaltung wird weiter unten anhand von Fig. 3 näher beschrieben.

Die Ausgänge 3a und 3b des Umsteuer-Elektroventil 3 sind über Kapillar-Leitungen 7 bzw. 8 mit einem ersten bzw. einem zweiten Verdampfer 5 bzw. 6 verbunden.

Der Ausgang des Verdampfers 5 ist mit dem Eingang des Verdampfers 6 verbunden.

In einer ersten Position verbindet das Umsteuer-Elektroven­ til 3 den Kondensator 2 über die Kapillar-Leitung 7 mit dem Verdampfer 5. In einer zweiten Position verbindet es den Kondensator 2 nur mit dem Verdampfer 6. In der ersten Position sind die beiden Verdampfer 5 und 6 zueinander in Reihe geschaltet. Die Verdampfer sind beispielsweise die Verdampfer des normalen Kühlfachs eines Kühlschranks bzw. eines sogenannten "Frosters".

Die Umschaltung des Umsteuer-Elektroventils 3 aus der ersten in die zweite Position (und umgekehrt) wird durch die Steuerschaltung 4 bewirkt, die ihrerseits von einem Thermo­ staten der Kühlanlage gesteuert wird.

In Fig. 2 ist ein bistabiles Umsteuer-Elektroventil gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt.

Dieses mit 3 bezeichnete Umsteuer-Elektroventil besitzt einen Magnetkreis, der über ein im wesentlichen U-förmiges Blechteil 10 verläuft und durch eine Platte 50 vervollstän­ digt wird. An dieser Platte und an dem mittleren Teil des Elements 10 sind zwei Elemente 11 bzw. 12 aus magnetischem Werkstoff befestigt, die koaxial zur Achse des U-förmigen Blechteils 10 angeordnet sind und deren einander zugewandte Enden Abstand voneinander halten.

Mit 13 ist ein rohrförmiges Element aus nichtmagnetischem Werkstoff, z. B. aus nichtrostendem Stahl, Messing oder Bron­ ze, bezeichnet, dessen Endbereiche unter Abdichtung gegen die Endbereiche der Elemente 11 und 12 aus magnetischem Werkstoff gepreßt sind. Das rohrförmige Element 13 begrenzt zusammen mit den Elementen 11 und 12 eine Kammer 14.

In dem der Kammer 14 gegenüberliegenden Endbereich des Elements 11 aus magnetischem Werkstoff ist eine Öffnung 15 angebracht, deren Rand als Ventilsitz dienen kann. Diese Öffnung mündet in einer radialen Bohrung 16 des Elements 11, an die eine z. B. von einem Kupferröhrchen gebildete Aus­ gangsleitung 17 angeschlossen ist.

In dem Element 12 aus magnetischem Werkstoff befindet sich eine axiale Bohrung 18, die im Bereich der Kammer 14 in einer verjüngten Öffnung 19 mündet, deren Rand ebenfalls als Ventilsitz dienen kann. Die Wandung der Bohrung 18 ist mit dem Ende einer z. B. ebenfalls von einem Kupferröhrchen gebildeten Ausgangsleitung verbunden.

Mit 21 ist eine Bohrung bezeichnet, die in dem Element 12 aus magnetischem Werkstoff angebracht ist und in der Kammer 14 mündet. Eine Leitung 22, die z. B. ebenfalls aus einem Kupferröhrchen besteht, ist fest mit der Wandung der Bohrung 21 verbunden. Die Leitung 22 bildet den Eingang des Umsteuer-Elektroventils, während die Leitungen 20 und 17 die Ausgänge bilden.

In der Kammer 14 ist ein Ventilglied 23 aus ferromagneti­ schem Werkstoff beweglich angeordnet. Es hat im wesentli­ chen zylindrische Form und besitzt eine durchgehende axiale Bohrung 24, in der zwei Ventilkugeln 25 und 26 angeordnet sind, zwischen denen sich eine Schraubenfeder 27 befindet.

Die Ränder der ausgangsseitigen Öffnung der in dem Ventil­ glied 23 vorgesehenen durchgehenden Bohrung 24 sind plastisch kaltverformt und derart abgedreht, daß sie Ansätze bilden, die die Kugeln 25 und 26 in der Bohrung 24 halten. Die Kugeln 25 und 26 dienen als Ventilelemente und arbeiten mit den Öffnungen 15 bzw. 19 der beiden Elemente 11 und 12 aus magnetischem Werkstoff zusammen.

Im Innern des U-förmigen Elements 10 sind auf entgegen­ gesetzten Seiten des rohrförmigen Elements 13 zwei Perma­ nentmagnete 30 und 31 derart angeordnet, daß dem Innern des rohrförmigen Elements jeweils der gleiche Pol (z. B. der Nordpol) zugewandt ist. Die Permanentmagnete 30 und 31 erzeugen einen ersten magnetischen Fluß, der den unteren Teil des rohrförmigen Elements 13, das magnetische Element 12, den unteren Teil des U-förmigen Elements 10 und den unteren Abschnitt der Seitenschenkel dieses Elements durch­ dringt. Durch die Wirkung dieses magnetischen Flusses wirkt das Element 12 aus magnetischem Werkstoff als Polschuh, der auf das Ventilglied 23 eine Anzugskraft ausübt.

In analoger Weise erzeugen die Permanentmagnete 30 und 31 einen magnetischen Fluß, der durch den oberen Teil des magnetischen Elements 13, das Element 11 aus magnetischem Werkstoff, die oberen Abschnitte der Schenkel des Elements 10 und die Platte 50 verläuft. Aufgrund dieses magnetischen Flusses wirkt das Element 11 aus magnetischem Werkstoff als Polschuh, der auf das Ventilglied 23 eine Anzugskraft aus­ übt. Mit 35 ist die Wicklung zur Umschaltung des Umsteuer-Elek­ troventils bezeichnet. Diese Wicklung ist - wie aus Fig. 2 hervorgeht - um das Element 11 aus magnetischem Werk­ stoff angeordnet. Wenn in ihr ein entsprechender Strom fließt, wird ein starker magnetischer Fluß erzeugt, der durch das Element 11 aus magnetischem Werkstoff, das Ventil­ glied 23, das Element 12 aus magnetischem Werkstoff und das U-förmige Element 10 verläuft.

Das vorangehend beschriebene Umsteuer-Elektroventil arbeitet in folgender Weise:
Es sei angenommen, daß die Wicklung 35 zunächst nicht erregt ist und das Ventilglied 23 sich in der in der Zeichnung dar­ gestellten Position befindet, in der es das Element 12 aus magnetischem Werkstoff berührt, wobei die Kugel 26 die Öff­ nung 19 verschließt. In diesem Zustand steht die Eingangs­ leitung 22 mit der Kammer 14 in Verbindung, und letztere ist über die freie Öffnung 15 mit der Ausgangsleitung 17 verbun­ den. Durch die Wirkung der Anzugskraft, die der von den Permanentmagneten 30 und 31 verursachte magnetische Fluß erzeugt, verbleibt das Ventilglied 23 unter diesen Umständen in der dargestellten Position. Der von den Permanentmagneten erzeugte Fluß ist zwar so gerichtet, daß auch das Element 11 aus magnetischem Werkstoff eine Anzugskraft auf das Ventil­ glied 23 ausübt, das Vorhandensein eines Luftspalts zwischen dem Element 11 dem Ventilglied 23 und der daraus resultie­ rende größere magnetische Widerstand haben jedoch zur Folge, daß das Ventilglied 23 stabil in der dargestellten Position gehalten wird.

Wenn in dieser Situation auf die Wicklung 35 ein Erreger­ impuls gegeben wird, der so gerichtet ist, daß er ein Magnetfeld erzeugt, das stark genug ist, um das Ventilglied 23 zu dem Element 11 aus magnetischem Werkstoff zu führen, verschließt die Kugel 25 die Öffnung 15, während die Kugel 26 die Öffnung 19 freigibt. Dadurch wird die Kammer 14 mit der Ausgangsleitung 20 verbunden, während ihre Verbindung mit der Ausgangsleitung 17 unterbrochen wird. Um diese Umschaltung herbeizuführen, genügt ein sehr kurzer Strom­ impuls. Wenn dieser beendet ist, wird das Ventilglied 23 durch die Wirkung des von den Permanentmagneten 30 und 31 erzeugten magnetischen Flusses in seiner Position gehalten, in der es an dem Element 12 aus magnetischem Werkstoff anliegt. In diesem Zustand verläuft derjenige Teil des von den Permanentmagneten 30 und 31 erzeugten magnetischen Flusses, der mit dem Element 12 aus magnetischem Werkstoff verkettet ist, über einen vergleichsweise großen magneti­ schen Widerstand, der durch den Luftspalt zwischen dem Element 12 und Ventilglied 23 verursacht wird, so daß letzteres stabil mit dem Element II aus magnetischem Werk­ stoff in Beruhrung gehalten wird.

Um eine erneute Umschaltung des Umsteuer-Elektroventils herbeizuführen, muß die Wicklung 35 mit einem neuen Erreger­ impuls beaufschlagt werden, dessen Stromrichtung derjenigen des vorangehenden Impulses entgegengesetzt sein muß.

Fig. 3 zeigt eine einfache Schaltung für die Steuerung der Wicklung 35 des Umsteuer-Elektroventils gemäß der Erfindung. Diese Schaltung besitzt zwei Eingangsanschlüsse 40 und 41, die mit dem Wechselstromnetz zu verbinden sind. Der Anschluß 41 ist direkt mit der Wicklung 35 verbunden, während der Anschluß 40 zu einem Umschalter 42 führt, dessen Schaltstellung durch einen Thermostaten 43 der Kühlanlage gesteuert wird.

Der Umschalter 42 kann zwei Schaltstellungen einnehmen, die in Fig. 3 in durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien einge­ zeichnet sind. In der ersten Schaltstellung verbindet er den Anschluß 40 mit einem ersten Stromzweig, der eine Diode 44 und ein mit dieser in Reihe geschaltetes RC-Glied enthält, das aus einem Kondensator 45 und einem Widerstand 46 mit sehr hohem Widerstandswert besteht. In der in gestrichelter Linie eingezeichneten Schaltstellung verbindet der Umschal­ ter den Anschluß 40 mit einem anderen Stromzweig, der eine Diode 47 mit zur Polung der Diode 44 entgegengesetzter Polung und ein mit dieser in Reihe geschaltetes RC-Glied enthält, das aus einem Kondensator 48 und einem Widerstand 49 mit sehr hohem Widerstandswert besteht, die zueinander parallel geschaltet sind. Die beiden Stromzweige sind in der in Fig. 3 dargestellten Weise miteinander und mit der Spulenwicklung 35 verbunden.

Die vorangehend beschriebene Schaltung arbeitet in folgender Weise:
Wenn die Anschlüsse 40 und 41 mit dem Wechselstromnetz verbunden werden und der Umschalter 42 sich in der in durchgezogenen Linien gezeichneten Schaltstellung befindet, läßt die Diode 44 die positiven Halbwellen des Wechselstroms zu dem RC-Glied 45-46 passieren. Die erste dieser Halbwellen durchläuft den Kondensator, der sich in diesem Zustand wie ein Kurzschluß verhält, und gelangt zu der Spule 35 und bewirkt die Umschaltung des Umsteuer-Elektroventils. Wenn die erste Halbwelle beendet ist, wird die Spule 35 aberregt. Die nachfolgenden Halbwellen laden den Kondensator 45 auf und halten ihn geladen. Dieser verhält sich daraufhin nicht mehr wie ein Kurzschluß, so daß die Spule 35 aberregt bleibt. Um die nächste Umschaltung herbeizuführen, muß der Thermostat 43 den Umschalter 42 in die in gestrichelter Linie gezeich­ nete Schaltstellung führen. In dieser Schaltstellung läßt die Diode 47 nur die negativen Halbwellen zu der Spule 35 passieren. Die erste dieser negativen Halbwellen bewirkt eine Erregung der Spule und das Umschalten des Umsteuer-Elek­ troventils. Die nachfolgenden Halbwellen haben wieder keinerlei Einfluß auf die Spule 35.

Statt der RC-Glieder 45-46 und 48-49 können in der in Fig. 3 dargestellten Schaltung auch Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) verwendet werden.

Anstelle der vorangehend beschriebenen kann zur Steuerung des bistabilen Umsteuer-Elektroventils gemäß der Erfindung auch ein elektromechanischer oder elektronischer Wechsel­ schalter verwendet werden. Solche Anordnungen sind jedoch aufwendiger.

Ein wesentlicher Vorteil des Kälteerzeugungskreises gemäß der Erfindung besteht in einer erheblichen Verringerung des Energieverbrauchs. Außerdem wird die Lebensdauer der Spule beträchtlich verlängert, da ihre mittlere Erregungsdauer sehr viel kürzer ist. Da die Spule überdies mit wesentlich kürzeren Impulsen beaufschlagt wird und dadurch eventuelle Überhitzungen aufgrund von Unterdimensionierung toleriert werden können, kann die Spule außerdem kleiner sein als die Spulen von Umsteuer-Elektroventilen ohne bistabile Arbeitsweise.

Die Konstruktion des vorangehend beschriebenen bistabilen Umsteuer-Elektroventils ist besonders einfach und damit kostengünstiger als einschlägige Umsteuer-Elektroventile herkömmlicher Bauart.

Claims (5)

1. Kälteerzeugungskreis für eine Kühlanlage mit mehreren Kühlräumen
mit einem Kompressor (1),
mit einem Kondensator (2),
mit mehreren Verdampfern (5, 6), die jeweils einem der Kühlräume zugeordnet sind,
sowie mit wenigstens einem elektrischen Umsteuerventil (3) zur Verbindung des Kondensators (2) mit einem oder mehreren der Verdampfer (5, 6) entsprechend vorbestimmten Betriebsmodalitäten,
dadurch gekennzeichnet,
daß das wenigstens eine elektrische Umsteuerventil (3) ein bistabiles Elektroventil ist, umfassend:

• - eine Ventilkammer (14) mit einer Einlaßöffnung (21) und einer ersten (15) und einer zweiten (17) Auslaß­ öffnung (15, 17),
• - ein Ventilelement (23), welches wenigstens teilweise aus magmetischen Material besteht und welches in der Ventilkammer (14) zwischen einer ersten Arbeitsstel­ lung und einer zweiten Arbeitsstellung im wesentli­ chen entlang einer Ventilelementachse bewegbar ist, wobei in der ersten Arbeitsstellung das Ventilele­ ment (23) die erste Auslaßöffnung (15) verschließt und eine Verbindung zwischen der Einlaßöffnung (21) und der zweiten Auslaßöffnung (19) vorsieht und wobei in der zweiten Arbeitsstellung das Ventilele­ ment (23) die zweite Auslaßöffnung (19) verschließt und eine Verbindung zwischen der Einlaßöffnung (21) und der ersten Auslaßöffnung (15) vorsieht,
• - Mittel (30, 31, 11, 12, 10, 50) zum Erzeugen eines Permanentmagnetfeldes zum Halten des Ventilelements (23) in der ersten Arbeitsstellung bzw. in der zwei­ ten Arbeitsstellung, die entlang der Ventilelement­ achse im Abstand zueinander angeordnete erste und zweite Polschuhe (11, 12) aus magnetischem Material aufweisen, wobei das Ventilelement (23) durch mit den Polschuhen (11, 12) jeweils magnetisch gekoppelten Permanentmagneten (30, 31), welche nahe der Ventilkam­ mer (14) in Richtung der Ventilelementachse zwischen dem ersten und dem zweiten Polschuh (11, 12) angeord­ net sind und der Ventilkammer den gleichen Pol zu­ wenden, in der ersten Arbeitsstellung auf den ersten Polschuh (11) zu gedrängt ist und in der zweiten Arbeitsstellung auf den zweiten Polschuh (12) zu gedrängt ist,

eine Steuerspule (35) zur Erzeugung eines Steuermag­ netfeldes zum wahlweisen Bewegen des Ventilelements (23) zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsstel­ lung.

2. Kälteerzeugungskreis für eine Kühlanlage nach Anspruch 1, insbesondere für eine Kühlanlage
mit zwei Kühlräumen, die jeweils mit einem Verdampfer (5, 6) ausgestattet sind, ferner umfassend
wenigstens eine thermostatische Vorrichtung (43),
wobei dem bistabilen Elektroventil (3) eine Steuerschal­ tung (4) zugeordnet ist mit
einem ersten und einem zweiten Stromzweig (44 bis 46; 47 bis 59), die mit einem Ende mit der Steuerspule (35) des Elektroventils (3) verbunden sind und die jeweils ein Parallel-RC-Clied (45, 46; 48, 49) enthalten, das mit einer Gleichrichterdiode (44; 47) in Reihe geschaltet ist, wobei diese Gleichrichterdioden (44, 47) derart angeordnet sind, daß sie den Durchgang der positiven bzw. negativen Halbwel­ len des ihnen zugeführten Stroms zu dem einen bzw. dem anderen Stromzweig ermöglichen,
und einem elektrischen Umschalter (42), der mit dem Wechselstromnetz verbindbar ist und einen ersten bzw. einen zweiten Schaltzustand annehmen kann, in denen er den ersten bzw. den zweiten Stromzweig (44 bis 46; 47 bis 49) mit dem Netz verbindet, wobei der Schaltzustand des Umschalters (42) durch die thermostatische Vorrichtung (43) steuerbar ist.

3. Käteerzeugungskreis für eine Kühlanlage nach Anspruch 1, insbesondere für eine Kühlanlage
mit zwei Kühlräumen, die jeweils mit einem Verdampfer (5, 6) ausgestattet sind, ferner umfassend
wenigstens eine thermostatische Vorrichtung (43),
dem bistabilen Elektroventil (3) eine Steuerschal­ tung (4) zugeordnet ist mit
einem ersten und einem zweiten Stromzweig (44 bis 46; 47 bis 59), die mit einem Ende mit der Steuerspule (35) des Elektroventils (3) verbunden sind und die jeweils einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) enthalten, der mit einer Gleichrichterdiode (44; 47) in Reihe geschaltet ist, wobei diese Gleichrichterdioden (44, 47) derart angeordnet sind, daß sie den Durchgang der positiven bzw. negativen Halbwellen des ihnen zugeführten Stroms zu dem einen bzw. dem anderen Stromzweig ermöglichen,
und einem elektrischen Umschalter (42), der mit dem Wechselstromnetz verbindbar ist und einen ersten bzw. einen zweiten Schaltzustand annehmen kann, in denen er den ersten bzw. den zweiten Stromzweig (44 bis 46; 47 bis 49) mit dem Netz verbindet, wobei der Schaltzustand des Umschalters (42) durch die thermostatische Vorrichtung (43) steuerbar ist.

4 Kälteerzeugungskreis für eine Kühlanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend wenigstens eine thermostatische Vorrichtung (43), wobei dem bistabilen Elektroventil (3) eine Steuervorrichtung mit einem elektromechanischen oder elektronischen Wechsel­ schalter zugeordnet ist.