Ventile steuern als Drossel- und Umschaltorgan in Kältekreisläufen über lange Betriebsdauern hinweg den Kältemittelstrom. Die in geschraubten Systemen eingesetzten Komponenten sind häufig schwer und benötigen viel Platz beim Einbau. Ebenso erzeugen sie einen manchmal störenden Geräuschpegel. Bei komplexeren Systemen sind oft mehrere Ventile nötig, um unterschiedliche Druckniveaus zu regeln oder eine Vielzahl von Verbrauchern zu bedienen. Diese erfordern die Installation zusätzlicher Leitungen und erhöhen aufgrund der Vielzahl an Schnittstellen das Risiko für externe Leckagen. Hermetische Anlagen mit gelöteten oder geschweißten Leitungen haben die Gewichts- und Dichtheitsprobleme in der Regel nicht, jedoch ist der Installationsaufwand oft deutlich höher. Um diesen Nachteilen zu begegnen, hat die OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG zwei verschiedene Ventiltypen für den Einsatz in Gewerbekältesystemen entwickelt. Die Expansions- und Mehrwegeventile lassen sich universell entweder analog oder über LIN-Bus anbinden und können individuell für den jeweiligen Bedarf ausgelegt werden. Durch ihre leichte und kompakte Konstruktion lassen sie sich nicht nur ohne großen Aufwand in bestehende Systeme integrieren, sondern verringern im Fall eines Mehrwegeventils auch die Anzahl der insgesamt benötigten Ventile und somit das Risiko möglicher externer Leckagen. Gleichzeitig erzeugen die Ventile beim Umschalten kaum Geräusche und sorgen auch bei hoher Auslastung für einen leisen Betrieb.
„Das elektronische Expansionsventil sorgt in einem Kältekreislauf dafür, dass sich das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel kontrolliert entspannt. Das entspannte zweiphasige Kältemittel wird im nachgeschalteten Verdampfer zur Kühlung verwendet“, erklärt Dr.-Ing. Stephan Wild, Geschäftsführer der OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG. Was in der Theorie einfach klingt, bringt in der Praxis erhebliche Herausforderungen mit sich: „Die über Schraubverbindungen in die Kälteanlage integrierbaren Ventile sind oft relativ schwer und benötigen viel Platz, was den Ressourcen- und damit Energieverbrauch erhöht und die Installation erheblich behindern kann. Außerdem besteht die Gefahr eines hohen Körperschalls und störender Geräusche beim Umschalten“, so Wild weiter. Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, sind Lösungen gefragt, die eine unkomplizierte Installation in unterschiedlichen Systemen erlauben, gleichzeitig aber ein möglichst niedriges Risiko für Leckagen und Betriebsausfälle darstellen.
Hohe Anforderungen
Die OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG mit Sitz in Fellbach bei Stuttgart hat jahrzehntelange Erfahrung im Fluidmanagement und entwickelt seit der Unternehmensgründung Ventile für verschiedene Anforderungen, die bislang vor allem in der Automobilbranche zum Einsatz kommen. Die hohen Ansprüche an flexible Montagefähigkeit, Kompaktheit, Gewichtsreduktion und Langlebigkeit, welche die Ventile für den Einsatz in Fahrzeugen erfüllen müssen, gelten aber genauso für Kältekreisläufe in anderen Anwendungen. Das elektronische Expansionsventil von OTTO EGELHOF eignet sich für eine Vielzahl von Kältemitteln wie R744, R290, R1234yf und etliche mehr. Um den Anforderungen gerecht zu werden, verfügt das Ventil über einen Formgedächtnis-Aktuator, der auf einer Nickel-Titan-Legierung (Shape-Memory-Alloy (SMA)) basiert. „Wenn der SMA-Aktuator erwärmt wird, ändert er beim reversiblen Übergang vom martensitischen zum austenitischen Gitter sein Volumen. Dabei zieht er sich – anders als bei der Erwärmung gewöhnlicher Materialien – zusammen“, erläutert Dr. Eike Willers, Leiter Entwicklung und Innovation bei der OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG. „Beim Abkühlen längt eine Rückstellfeder den Draht wieder und bringt das Gitter damit in den martensitischen Ausgangszustand. Diese Rückstellung findet verschleißfrei statt; der Ventilhub benötigte keine zusätzlichen Elektromotoren oder Getriebe.“
Durch diese Konstruktion arbeitet das Ventil auch während der Regelung absolut geräuschlos, ein Verstellgeräusch ist nicht messbar. Da sämtliche Bewegungen des Ventilkörpers lediglich im kaum wahrnehmbaren Mikrometerbereich auftreten, erzeugt es außerdem so gut wie keinen Körperschall. Bei richtiger Auslegung findet während des Betriebs keinerlei Verschleiß statt, was eine lange Lebensdauer garantiert. In das Ventil kann optional ein Hall-Sensor integriert werden, welcher permanent den Hub und damit die exakte Position über einen magnetbasierten Schieber erfasst. Das System kommt dadurch ohne Referenzläufe zur Kalibrierung aus, was den Betrieb sehr erleichtert. Neben den Ventilen mit Schraubverbindungen sind die Expansionsventile auch mit einem gelöteten hermetischen Konzept herstellbar.
Individuell anpassbar
In Fahrzeugen wie auch in Kälteanlagen können sich die Anforderungen an den Kältekreislauf jedoch erheblich unterscheiden. Deshalb basieren die Ventile von EGELHOF auf einem Baukastenprinzip, das es ermöglicht, die Komponenten individuell auf die jeweilige Kälteanlage abzustimmen. Realisierbar sind neben elektronischen Expansionsventilen mit einer integrierten Steuerelektronik auch elektronisch ansteuerbare Expansionsventile, die sich mit einer externen Steuerung wie der in vielen Kühlmöbeln integrierten Control-Box betreiben lassen.
Das Unternehmen konstruiert daneben individuell gestaltete Mehrwegeventile, die beispielsweise bis zu vier gewöhnliche Zweiwegeventile ersetzen können. „Dadurch lässt sich der Aufwand beim Einbau einerseits deutlich reduzieren, da die Anzahl der benötigten Leitungen und Schnittstellen verringert wird“, berichtet Willers. „Weiterhin ergibt sich daraus eine Platz- und Gewichtsersparnis und in der Folge ein niedriger Energie- und Ressourcenverbrauch.“ Zusätzlich verringert sich durch die Schnittstellenreduktion auch das Risiko für Leckagen, sodass im Betrieb weniger Kühlmittel verloren geht. Auch für diesen Ventiltyp sind vollhermetische Lösungen mit eingelöteten Leitungen möglich.
Keramikscheiben verringern Verschleißerscheinungen
EGELHOF setzt bei der Anpassung der Mehrwegeventile für Anwendungen in Kälteanlagen noch auf weitere Erfahrungen aus der Industrie: Die Mehrwegventile sind für den Öffnungs- und Schließvorgang mit robusten Keramikscheiben ausgestattet, die sich schon seit vielen Jahren in unzähligen Fluidanwendungen bewähren. „Anders als bei gewöhnlichen Kälteanlagen im stationären oder auch mobilen Bereich sind Ventile im Automobilsektor viel stärkeren Vibrationen ausgesetzt“, berichtet Willers. „Die speziell an den jeweiligen Einsatzzweck angepassten Keramikscheiben sorgen trotz widriger Bedingungen und regelmäßig wechselnden Temperaturen auch nach vielen tausend Zyklen noch für eine einwandfreie Funktion und Dichtheit. Dieses Prinzip bewährt sich nun umso mehr in Kältekreisläufen in gewöhnlichen Gewerbekälteanlagen.“
Je nach Anforderung können die Expansions- und Mehrwegeventile auch gemeinsam in komplexen Kälte- oder kombinierten Kälte-Wärme-Kreisläufen mit Umschaltfunktion verbaut werden, um beispielsweise mehrere Kühlmöbel oder Anlagen mit integrierter Kühl- und Heizfunktion zu steuern. Dabei lässt sich das Mehrwegeventil auch so gestalten, dass es nicht nur als Umschaltventil, sondern auch als Expansionsventil fungiert. Die OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG bietet dabei eine besonders flexible Anpassung der Komponenten an wechselnde Randbedingungen bei mittleren bis höheren Jahresstückzahlen an – angefangen bei einigen Tausend Stück bis hin zu mehreren Millionen Bauteilen.
Die Expansionsventile lassen sich außerdem extrem präzise steuern, sodass sie bereits ab einer sehr geringen Teillast bei einer Leistung von lediglich ein Prozent der erreichbaren Maximalleistung effizient und mit niedrigem Energieeinsatz arbeiten können. Realisierbar ist dabei eine Kälteleistung zwischen 0 und 20 kW. Von diesen Vorteilen und den Erfahrungen der anspruchsvollen Automobilbranche profitiert bereits ein Kunde von EGELHOF aus der Wärmepumpenbranche: Die in einer Kälteanlage eingesetzten Expansionsventile arbeiten auch nach mehr als 700.000 Zyklen verschleiß- und leckagefrei.
