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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem
mit einem Heizbetrieb zum Heizen eines Fluids (z.B. Luft) mittels
eines Kältemittelkühlers, in
welchem ein Innendruck höher
als der kritische Druck des Kältemittels
ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerung
einer Dekompressionsvorrichtung im Heizbetrieb.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
einem überkritischen
Wärmepumpenkreissystem,
das in der WO 93/06423 (JP-B2-2931668)
beschrieben ist, wird eine Kältemitteltemperatur
an einem Kältemittelauslass
eines Kältemittelkühlers erfasst.
Ferner wird ein Öffnungsgrad einer
Dekompressionsvorrichtung basierend auf der Kältemitteltemperatur gesteuert,
um den Druck des Hochdruckkältemittels
so zu steuern, dass ein Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises maximal wird.
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Im
Allgemeinen wirken sich in einem Heizbetrieb zum Heizen von Luft
(Fluid) mittels eines Kältemittelkühlers eine
durch den Kältemittelkühler geheizte
Lufttemperatur, eine Temperaturschwankung der aus dem Kältemittelkühler strömenden Luft
sowie eine Lufttemperaturverteilung stark auf eine angenehme Durchführung des
Heizens aus. Weiter ändert sich
die Kältemitteltemperatur
am Auslass des Kältemittelkühlers basierend
auf einer in dem Kältemittelkühler strömenden Luftmenge,
einer in den Kältemittelkühler gesaugten
Lufttemperatur und einer Drehzahl des Kompressors stark. Deshalb ändert sich
im Heizbetrieb auch die Temperatur der aus dem Kältemittelkühler strömenden Luft stark.
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Die
zum Kältemittelkühler strömende Luftmenge
kann mittels eines Verstellkompressors gesteuert werden. Wenn jedoch
die Temperatur der Saugluft im Heizbetrieb niedrig ist (z.B. 0°C), ist es schwierig,
die Kapazität
des Verstellkompressors stabil zu steuern. Wenn zum Beispiel die
vom Kompressor ausgegebene Kältemittelmenge
mittels des Verstellkompressors kleiner geregelt wird, sinkt der Hochdruck- Kältemitteldruck. In diesem Fall
wird, falls der Öffnungsgrad
der Dekompressionsvorrichtung kleiner geregelt wird, um den Hochdruck-Kältemitteldruck
aufrechtzuerhalten, die Kältemittelzirkulationsmenge
und auch die Kältemittelausgabekapazität verändert. Demgemäß können der
Hochdruck-Kältemitteldruck
oder die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors
nicht stabil geregelt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein überkritisches
Wärmepumpenkreissystem vorzusehen,
das einen Heizbetrieb mittels eines Kältemittelkühlers stabil durchführt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches
Wärmepumpenkreissystem
vorzusehen, das einen Heizbetrieb mittels eines Kältemittelkühlers stabil
durchführt
und gleichzeitig eine Schwankung der durch den Kältemittelkühler geheizten Fluidtemperatur
beschränkt.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches
Wärmepumpenkreissystem
vorzusehen, das eine Heizleistung des Kältemittelkühlers effektiv erhöht.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem
einen Kompressor zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kältemittelkühler mit
einem höheren
Innendruck als ein kritischer Druck des Kältemittels, eine Dekompressionseinheit,
die das aus dem Kältemittelkühler strömende Kältemittel
dekomprimiert, und einen Kältemittelverdampfapparat
zum Verdampfen des Kältemittels
aus der Dekompressionseinheit. Im Kältemittelkühler steht das vom Kompressor
ausgegebene Kältemittel
mit einem durch den Kältemittelkühler strömenden Fluid
in Wärmeaustausch,
um das Fluid in einem Heizbetrieb zu heizen. Im Kreissystem bestimmt
eine Niederdruckbestimmungseinheit einen Druck eines Niederdruckkältemittels
nach der Dekompression in der Dekompressionseinheit, eine Solltemperatureinstelleinheit
stellt eine Solltemperatur des Fluids ein, und eine Solldruckbestimmungseinheit
bestimmt einen Heiz-Sollsteuerdruck im Kältemittelkühler basierend auf dem Solldruck
des Kältemittels
oder der Solltemperatur des Fluids oder basierend auf sowohl dem
Druck des Niederdruckkältemittels
als auch der Soll temperatur des Fluids während des Heizbetriebs. Ferner
wird die Dekompressionseinheit so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck
im Kältemittelkühler zum
Sollsteuerdruck wird.
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Deshalb
wird die Temperatur des durch den Kältemittelkühler geheizten Fluids einfach
auf die Solltemperatur erhöht,
während
das Kreissystem stabil gesteuert werden kann. Als ein Beispiel ist
das Fluid eine durch den Kältemittelkühler strömende Luft.
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Vorzugsweise
enthält
die Solldruckbestimmungseinheit eine Speichereinrichtung zum Speichern
einer Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels
und einer Heizkapazität
zum Erhalten der Solltemperatur des Fluids und bestimmt den Heiz-Sollsteuerdruck
mittels der Beziehung.
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Das überkritische
Wärmepumpenkreissystem
kann mit einer Schalteinheit zum Schalten zwischen dem Heizbetrieb
und einem Kühlbetrieb
zum Kühlen
eines Fluids versehen sein. In diesem Fall bestimmt die Solldruckbestimmungseinheit
einen Kühl-Sollsteuerdruck,
bei dem ein Wirkungsgrad (COP) während
des Kühlbetriebs
maximal wird, wobei die Solldruckbestimmungseinheit den Heiz-Sollsteuerdruck
basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur
des Fluids bestimmt. Deshalb können
sowohl die Kühlfunktion im
Kühlbetrieb
als auch die Heizfunktion im Heizbetrieb verbessert werden.
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Alternativ
enthält
ein überkritisches
Kühlkreissystem
eine erste Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines ersten Sollsteuerdrucks,
der ein Druck des Hochdruckkältemittels
vor der Dekompression ist, bei dem eine Temperatur des mit dem Kältemittel
im Kältemittelkühler in
Wärmeaustausch stehenden
Fluids eine Solltemperatur erreicht, und eine zweite Berechnungseinrichtung
zum Berechnen eines zweiten Sollsteuerdrucks, der ein Druck des Hochdruckkältemittels
vor der Dekompression durch die Dekompressionseinheit ist, bei dem
der Kältemittelkühler eine
maximale Heizleistung hat, entsprechend einem Druck des Niederdruckkältemittels nach
der Dekompression durch die Dekompressionseinheit. In diesem Fall
wird ein Öffnungsgrad
der Dekompressionseinheit so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck
im Kältemittelkühler zu
einem kleineren Druck zwischen dem ersten und dem zweiten Sollsteuerdruck
wird. In diesem Fall kann die Temperatur des Fluids schnell geheizt
werden, und die Heizleistung des Kältemittelkühlers kann effektiv erhöht werden,
während
das Kreissystem stabil betrieben werden kann.
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Zum
Beispiel berechnet die Berechnungseinrichtung den Sollsteuerdruck
zu einem oberen Grenzwert, bei dem der Kältemittelkühler eine maximale Heizleistung
besitzt. Alternativ berechnet die Berechnungseinrichtung den Sollsteuerdruck
auf einen oberen Grenzwert, bei dem eine Kältemitteltemperatur des Kompressors
niedriger als eine zulässige Ausgabetemperatur
des Kompressors wird.
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Ferner
kann die Ausgabekapazität
des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels so gesteuert werden,
dass ein Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur des im
Kältemittelkühler in
Wärmeaustausch
stehenden Fluids und einer Kältemitteltemperatur
an einem Kältemittelauslass
des Kältemittelkühlers eine
Solltemperaturdifferenz erreicht.
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Alternativ
kann die Ausgabekapazität
des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels so gesteuert werden,
dass eine Kältemitteltemperatur
am Kältemittelauslass
des Kältemittelkühlers zu
einer Sollkältemitteltemperatur
wird, bei welcher ein Wirkungsgrad des Kreissystems bezüglich des
Innendrucks des Kältemittelkühlers maximal
wird. Ferner kann die Ausgabekapazität des vom Kompressor ausgegebenen
Kältemittels
so gesteuert werden, dass eine Kältemitteltemperatur
an einem Kältemittelauslass
des Kältemittelkühlers zu
einer Sollkältemitteltemperatur
wird, die bezüglich
des Innendrucks des Kältemittelkühlers eingestellt
ist. Die Ausgabekapazität
des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels wird auf 100% gesetzt,
wenn eine Strömungsmenge
des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels
kleiner als ein Wert ist oder wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist.
In diesem Fall kann der Druck des Hochdruckkältemittels stabil gesteuert werden,
selbst wenn die Außenlufttemperatur
niedrig ist oder die Strömungsmenge
des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels
klein ist.
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Zum
Beispiel kann die Strömungsmenge
des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels
basierend auf einer Temperatur der Außenluft und einer Drehzahl
des Kompressors geschätzt
werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Obige
sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften
Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Darin zeigen:
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1A eine
schematische Darstellung eines überkritischen
Wärmepumpenkreissystems
gemäß einem
ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1B ein
Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems
in 1A;
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2 ein
Flussdiagramm eines Steuerprozesses einer Klimasteuerung gemäß dem ersten
beispielhaften Ausführungsbeispiel;
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3 ein
Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Hochdruckkältemitteldruck, einer
Heizkapazität
HC eines Innenwärmetauschers und
einer Ausgabetemperatur eines von einem Kompressor ausgegebenen
Kältemittels,
wenn sich eine Außenlufttemperatur
als Parameter ändert;
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4 ein
Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Sollsteuerhochdruck
(Ph) eines Hochdruckkältemittels
und einer Solltemperatur (Tout) des Kältemittels an einem Auslass
des Innenwärmetauschers
auf Steuerlinien A, B, C;
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5 ein
Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Hochdruckkältemitteldruck und
einem Wirkungsgrad (COP), wenn sich eine Kältemitteltemperatur am Auslass
eines Kältemittelkühlers verändert;
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6A eine
schematische Darstellung eines überkritischen
Wärmepumpenkreissystems
in einem Kühlbetrieb
gemäß einem
zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6B ein
Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems
in 6A;
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7 eine
schematische Darstellung eines überkritischen
Wärmepumpenkreissystems
in einem Heizbetrieb gemäß dem zweiten
beispielhaften Ausführungsbeispiel;
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8A eine
schematische Darstellung eines überkritischen
Wärmepumpenkreissystems
gemäß einem
weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung; und
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8B ein
Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems
in 8A.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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(Erstes beispielhaftes
Ausführungsbeispiel)
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird ein in 1A und 1B dargestelltes überkritisches Wärmepumpenkreissystem
typischerweise für
eine Fahrzeug-Klimaanlage verwendet.
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Wie
in 1A dargestellt, enthält das überkritische Wärmepumpenkreissystem
einen Kompressor 11 zum Komprimieren eines Kältemittels,
einen Innenwärmetauscher 12 (Innengaskühler), der
als ein Kältemittelkühler in
einem Heizbetrieb benutzt wird, ein elektrisches Expansionsventil 13,
das als eine Dekompressionseinheit benutzt wird, einen Außenwärmetauscher 14,
der als ein Kältemittelverdampfapparat
im Heizbetrieb benutzt wird, und einen Sammler 15. Diese
Komponenten des Wärmepumpenkreissystems
sind verbunden, um einen geschlossenen Kühlkreis zu bilden. Als ein
Beispiel wird Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel
in dem überkritischen
Kühlkreissystem
verwendet.
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Der
Kompressor 11 saugt ein Niedertemperatur- und Niederdruck-Gaskältemittel
an und komprimiert das angesaugte Kältemittel zu einem überkritischen
Zustand mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck. Der Kompressor 11 wird
mittels eines Fahrzeugmotors als Antriebsquelle durch eine aus einer
Riemenscheibe und einem V-Riemen aufgebauten Kraftübertragungseinheit
angetrieben. Der Kompressor 11 ist mit der Antriebsquelle über eine Kupplung
verbunden.
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Ein
Verstellmechanismus 11a steuert eine Kapazität eines
Zylinders und dergleichen in dem Kompressor 11 von außen, um
so eine Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 zu
verändern.
Der Verstellmechanismus 11a ist elektrisch mit einer Klimasteuervorrichtung
(ECU) 30 verbunden und wird durch die Klimasteuervorrichtung 30 gesteuert.
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Der
Innenwärmetauscher 12 ist
ein Kältemittelkühler in
einem Heizbetrieb zum Abstrahlen eines in dem Kompressor 11 komprimierten
Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittels.
Im Heizbetrieb steht durch ein Gebläse 12a geblasene Luft
mit dem im Innenwärmetauscher 12 strömenden Hochtemperaturkältemittel
in Wärmeaustausch
und wird geheizt, um zu warmer Luft zu werden. Der Innenwärmetauscher 12 und
das Gebläse 12a sind
in einem Klimagehäuse mit
einem Luftkanal, durch welchen Luft in eine Fahrgastzelle strömt, angeordnet.
Das Klimagehäuse
ist in einem an einem vorderen Teil in der Fahrgastzelle montierten
Armaturenbrett angeordnet. Weiter ist in diesem Ausführungsbeispiel
der Innendruck des Innenwärmetauschers 12 auf
einen Druck höher
als der überkritische
Druck des Kältemittels
eingestellt.
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Das
elektrische Expansionsventil 13 ist ein Druckregelventil
zum Dekomprimieren eines Kältemittels
nach dem Kühlen
im Innenwärmetauscher 12. Ein Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 wird so gesteuert,
dass der Innendruck des Innenwärmetauschers
einen Sollsteuerhochdruck erreicht. Hierbei kann der Sollsteuerhochdruck
aus einem Hochdruck berechnet werden, bei dem die Heizleistung des
Innenwärmetauschers 12 maximal
wird. Das elektrische Expansionsventil 13 ist elektrisch
mit der Klimasteuervorrichtung 30 verbunden und wird durch
die Klimasteuervorrichtung 30 gesteuert.
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Der
Außenwärmetauscher 14 ist
ein Kältemittelverdampfapparat
im Heizbetrieb, in dem das in dem elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimierte
Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel
mit einer durch ein Außengebläse 14a geblasene
Außenluft
in Wärmeaustausch
steht und verdampft wird. Der Sammler 15 ist eine Gas /
Flüssigkeit-Trennvorrichtung,
in der das im Außenwärmetauscher 14 verdampfte
Kältemittel
in ein flüssiges
Kältemittel
und ein gasförmiges
Kältemittel
getrennt wird. Der Sammler 15 ist mit einer Saugseite des
Kompressors 11 verbunden, sodass das im Sammler 15 getrennte gasförmige Kältemittel
zum Kompressor 11 gesaugt wird.
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Ein
Kältemitteltemperatursensor 16 ist
an einer Ausgabeseite des Kompressors 11 angeordnet, um
eine vom Kompressor 11 ausgegebene Kältemitteltemperatur (Kältemittelausgabetemperatur)
zu erfassen. Ferner ist ein Kältemitteltemperatursensor 17 an
einer Kältemittelauslassseite
des Innenwärmetauschers 12 angeordnet,
um eine Kältemitteltemperatur (Kältemittelauslasstemperatur)
an einem Auslass des Innenwärmetauschers 12 zu
erfassen. Zusätzlich
ist ein Drucksensor 18 an einer Kältemittelauslassseite des Innenwärmetauschers 12 angeordnet, um
den Innendruck des Innenwärmetauschers 12 zu erfassen.
Das heißt,
der Drucksensor 18 erfasst den Druck des Hochdruckkältemittels
vor seiner Dekompression im elektrischen Expansionsventil 13.
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Ein
Lufttemperatursensor 19 ist an einer luftstromabwärtigen Seite
des Innenwärmetauschers 12 im
Klimagehäuse
angeordnet, um eine Lufttemperatur nach dem Wärmeaustausch mit dem Kältemittel im
Innenwärmetauscher 12 zu
erfassen. Ferner ist ein Außenlufttemperatursensor 21 angeordnet,
um eine Temperatur einer in den Außenwärmetauscher 14 eingeleiteten
Außenluft
zu erfassen. Allgemein ist der Außenwärmetauscher 14 vorne
am Fahrzeug positioniert, und der Außenlufttemperatursensor 21 ist um
einen Frontkühler
an einer Vorderseite des Außenwärmetauschers 14 in
einem Fahrzeug angeordnet.
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Diese
Sensoren 16 – 19 und 21 sind
elektrisch mit der Klimasteuervorrichtung 30 verbunden, um
der Steuervorrichtung 30 Sensorsignale einzugeben. Zusätzlich zu
den Sensorsignalen von diesen Sensoren 16 – 19 und 21 werden
der Klimasteuervorrichtung 30 auch Sensorsignale von weiteren
Sensoren, wie beispielsweise einem Innenlufttemperatursensor und
einem Sonnenlichtsensor eingegeben. Ferner werden der Klimasteuervorrichtung 30 auch Schaltsignale
von einer Bedientafel eingegeben. Die Klimasteuervorrichtung 30 steuert
den Verstellmechanismus 11a, das elektrische Expansionsventil 13 und
die Gebläse 12a, 14a gemäß einem
Steuerprogramm basierend auf den Sensorsignalen und den Schaltsignalen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird der Heizbetrieb zum Heizen der in die Fahrgastzelle zu blasenden
Luft mittels des Innenwärmetauschers 12 durchgeführt. 2 zeigt
einen Steuerprozess der Klimasteuervorrichtung 30 im Heizbetrieb.
Wenn ein Schalter des Heizbetriebs eingeschaltet wird, startet der
in 2 dargestellte Steuerprozess.
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Zuerst
wird in Schritt 310 das elektrische Expansionsventil 13 um
einen vorbestimmten Startöffnungsgrad
geöffnet,
die Kupplung wird betätigt,
um den Kompressor 11 anzutreiben, und das Außengebläse 14a wird
betätigt.
Hierbei wird ein Timer gestartet, sodass das elektrische Expansionsventil 13 für eine Zeitdauer
um den Startöffnungsgrad
geöffnet wird.
Deshalb strömt
ein vom Kompressor 11 ausgegebenes Hochtemperatur- und
Hochdruck-Gaskältemittel
in den Innenwärmetauscher 12.
In Schritt 320 wird der Betrieb des Innengebläses 12a gestartet, wenn
die durch den Kältemitteltemperatursensor 16 erfasste
Kältemitteltemperatur
eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Dann wird die Luftblasmenge des
Innengebläses 12a entsprechend
einem Temperaturanstieg der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten
Luft erhöht.
Zum Beispiel kann die Luftblasmenge des Innengebläses 12a entsprechend dem
Temperaturanstieg der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten
Luft allmählich
oder stufenweise erhöht
werden. Die im Innenwärmetauscher 12 geheizte
Luft wird in die Fahrgastzelle geblasen.
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Als
nächstes
wird in Schritt 330 bestimmt, ob eine Haltezeit „t" vorüber ist,
für welche
das elektrische Expansionsventil 13 kontinuierlich um den
vorbestimmten Startöffnungsgrad
geöffnet
ist. In Schritt 330 kann jedoch auch bestimmt werden, ob
ein durch den Kältemitteldrucksensor 18 erfasster
Hochdruckkältemitteldruck
oder eine durch den Kältemittelausgabetemperatursensor 16 erfasste
Kältemitteltemperatur
höher als
ein bestimmter Wert wird. In diesem Fall wird, wenn der durch den
Kältemitteldrucksensor 18 erfasste
Kältemitteldruck
oder die durch den Kältemittelausgabetemperatursensor 16 erfasste
Kältemitteltemperatur
höher als
ein vorbestimmter Wert wird, der Öffnungsgrad des elektrischen
Expansionsventil 13 um einen Öffnungsgrad in einer normalen Heizsteuerung
gesteuert.
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Wenn
die Haltezeit „t" verstreicht, nachdem das
elektrische Expansionsventil 13 um den Startöffnungsgrad
in Schritt 310 geöffnet
wird, wird der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventil 13 in Schritt 340 um
einen Öffnungsgrad
in der normalen Heizsteuerung gesteuert. Außerdem werden in Schritt 340 Sensorsignale
von den Sensoren 16 – 19 und 21,
usw. sowie Schaltsignale wie beispielsweise eine Einstelltemperatur
der Luft als Eingangsdaten gelesen.
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Dann
werden in Schritt 350 Sollsteuerhochdrücke Pa, Pb, Pc und Pd basierend
auf den Eingangsdaten berechnet. Als nächstes wird in Schritt 360 der
kleinste von den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb, Pc und Pd als
Endsollsteuerhochdruck Ph bestimmt. Der Öffnungsgrad des elektrischen
Expansionsventils 13 wird in Schritt 370 so gesteuert,
dass der durch den Kältemitteldrucksensor 18 erfasste Hochdruckkältemitteldruck
zum Sollsteuerhochdruck Ph wird.
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In
Schritt 350 kann der kleinere von wenigstens zweien von
den Sollsteuerhochdrücken
Pa, Pb, Pc und Pd als Endsollsteuerhochdruck Ph gesetzt werden.
Ferner kann einer des Sollsteuerhochdrucks Pa, Pb als Sollsteuerhochdruck
Ph gesetzt werden. Ferner kann ein kleinerer zwischen den Sollsteuerhochdrücke Pa,
Pb als der Sollsteuerhochdruck Ph gesetzt werden.
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Es
werden nun die Sollsteuerhochdrücke
Pa, Pb, Pc und Pd im Detail beschrieben. Der Sollsteuerhochdruck
Pa ist ein Hochdruckkältemitteldruck,
bei dem die durch den Lufttemperatursensor 19 erfasste Lufttemperatur
zu einer aus dem Innenwärmetauscher 12 geblasenen
Solllufttemperatur TAO wird. Die Solllufttemperatur TAO wird durch
die Klimasteuervorrichtung 30 basierend auf einer Außenlufttemperatur
Tam, einer Innenlufttemperatur, einer in die Fahrgastzelle gelangenden
Sonnenlichtmenge und einer Einstelltemperatur der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten
Luft berechnet. Wenn der Hochdruckkältemitteldruck entsprechend
dem Sollsteuerhochdruck Pa gesteuert wird, kann eine Lufttemperatur
entsprechend der Solllufttemperatur TAO erzielt werden, und ein
angenehmes Heizen kann erreicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel
kann die Klimasteuervorrichtung 30 den Druck des im elektrischen
Expansionsventil 13 dekomprimierten Niederdruckkältemittels
basierend auf der durch den Außenlufttemperatursensor 21 erfassten
Außenlufttemperatur abschätzen. In
diesem Fall bestimmt die Klimasteuervorrichtung 30 den
Sollsteuerhochdruck Pa basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels
und der Solllufttemperatur TAO entsprechend in der Steuervorrichtung 30 gespeicherter
Heizkennlinien. Hierbei zeigen die Heizkennlinien die Beziehung zwischen
dem Druck des Niederdruckkältemittels und
einer Heizleistung zum Erzielen der Solllufttemperatur TAO.
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Der
Sollsteuerhochdruck Pb ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die
Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 maximal
wird. Der Sollsteuerhochdruck Pb kann basierend auf dem Kennliniendiagramm
von 3 berechnet werden. 3 zeigt
Beziehungen zwischen einer Heizleistung HC des Innenwärmetauschers 12,
einem Hochdruckkältemitteldruck
im Innenwärmetauscher 12 und
einer Ausgabekältemitteltemperatur
Td aus dem Kompressor 11. In diesem Ausführungsbeispiel
werden der Hochdruckkältemitteldruck
Ph und die Kältemittelausgabetemperatur
Td durch einen Niederdruckkältemitteldruck
bestimmt, und der Niederdruckkältemitteldruck
kann basierend auf der Außenlufttemperatur Tam
bestimmt werden.
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In 3 zeigt
die durchgezogene Linie X die Beziehung zwischen der Kältemittelausgabetemperatur
Td und dem Hochdruckkältemitteldruck,
wenn die Außenlufttemperatur
Tam –20°C beträgt, und
die durchgezogene Linie Y zeigt die Beziehung zwischen der Kältemittelausgabetemperatur
Td und dem Hochdruckkältemitteldruck,
wenn die Außenlufttemperatur
Tam 0°C
beträgt.
Weiter zeigt in 3 die gestrichelte Linie X1
die Beziehung zwischen der Heizleistung HC und dem Hochdruckkältemitteldruck, wenn
die Außenlufttemperatur
Tam –20°C beträgt, und
die gestrichelte Linie Y1 zeigt die Beziehung zwischen der Heizleistung
HC und dem Hochdruckkältemitteldruck
Ph, wenn die Außenlufttemperatur
Tam 0°C
beträgt.
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Der
Sollsteuerhochdruck Pb ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die
maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 bezüglich der Außenlufttemperatur
Tam erzielt werden kann. Das heißt, in der gestrichelten Linie
Y1 beträgt
der Hochdruckkältemitteldruck,
bei dem die maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 erzielt
werden kann, 14 MPa, wenn die Außenlufttemperatur 0°C beträgt. Dagegen
beträgt
in der gestrichelten Linie X1 der Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die maximale
Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 erzielt werden
kann, 10 MPa, wenn die Außenlufttemperatur
0°C beträgt.
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Die
durchgezogenen Linien X und Y in 3 können durch
einen Niederdruckkältemitteldruck
berechnet werden, der basierend auf der Außenlufttemperatur Tam bestimmt
wird. In diesem Ausführungsbeispiel
ist kein Drucksensor zum Erfassen eines Niederdruckkältemitteldrucks
vorgesehen. Als ein Beispiel kann ein Schätzwert des Niederdruckkältemitteldrucks
unter Verwendung einer durch den Außenlufttemperatursensor 21 erfassten
Außenlufttemperatur
Tam berechnet werden, weil der Niederdruckkältemitteldruck ein Sättigungsdruck
bei der Außenlufttemperatur
Tam ist.
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Der
Sollsteuerhochdruck Pc ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die
Kältemittelausgabetemperatur
Td gleich oder niedriger als eine zulässige Kältemittelausgabetemperatur
im Kreissystem gesteuert werden kann. Wenn zum Beispiel die zulässige Kältemittelausgabetemperatur
des Kompressors 11 auf 120°C gesetzt ist, wird der Sollsteuerhochdruck
Pc so eingestellt, dass die Kältemittelausgabetemperatur
Td gleich oder niedriger als 120°C wird.
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Zum
Beispiel beträgt
in der durchgezogenen Linie Y von 3 der Sollsteuerhochdruck
Pc 13,6 MPa, wenn die Außenlufttemperatur
0°C beträgt. In der
durchgezogenen Linie X von 3 beträgt der Sollsteuerhochdruck
Pc 10,0 MPa, wenn die Außenlufttemperatur –20°C beträgt. Außerdem ist
der Sollsteuerhochdruck Pd ein Hochdruck kleiner als ein zulässiger oberer
Grenzdruck.
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In
einem Heizbetrieb, in dem der Kompressor 11 mit dem Verstellmechanismus 11a zum
Verändern
der Heizleistung benutzt wird, können
die Sollsteuerhochdrücke
Pa, Pb, Pc und Pd durch eine Veränderung
der Ausgabekapazität
des Kompressors 11 verändert
werden. Als ein Beispiel wird, wenn die Außenlufttemperatur Tam gleich
oder niedriger als 0°C ist,
ein Verdampfungsdruck des außen
vorgesehenen Außenwärmetauschers 14 verringert,
und ein Saugkältemitteldruck
des Kompressors 11 wird verringert. In diesem Fall sinkt
die Kältemittelströmungsmenge
im Kreissystem im Heizbetrieb im Vergleich zu jener im Kühlbetrieb.
In diesem Zustand wird, falls der Hochdruckkältemitteldruck steigt, um eine
hohe Lufttemperatur zu erzielen, ein Kompressionsverhältnis des
Kompressors im Vergleich zu jenem in einem Kühlbetrieb größer.
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Außerdem wird,
falls die Kältemittelausgabekapazität mittels
des Verstellkompressors 11 kleiner gemacht wird, die Kältemittelströmungsmenge
geringer und der Hochdruckkältemitteldruck
geringer. In diesem Fall wird, falls der Öffnungsgrad des elektrischen
Expansionsventils 13 kleiner gesteuert wird, um den Hochdruckkältemitteldruck
zu halten, die Kältemittelströmungsmenge
geringer und die Kältemittelausgabekapazität wird verändert. Demgemäß wird eine
Größe des Hochdruckkältemitteldrucks
oder der Kältemittelausgabekapazität nicht
stabil. In diesem Ausführungsbeispiel
können,
selbst wenn die Kältemittelströmungsmenge
klein ist oder die Außenlufttemperatur
niedrig ist, die Kältemittelströmungsmenge
und der Hochdruckkältemitteldruck
stabil gesteuert werden.
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Insbesondere
wird in Schritt S390 bestimmt, ob eine Kältemittelströmungsmenge
F höher
als eine stabile Grenzströmungsmenge
Fs ist, und in Schritt 400 wird bestimmt, ob eine Außenlufttemperatur
Tam höher
als eine vorbestimmte Temperatur Tam1 ist oder nicht.
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Als
ein Beispiel wird ein Niederdruckkältemitteldruck basierend auf
der Außenlufttemperatur
geschätzt,
und die Kältemittelströmungsmenge
wird basierend auf der Drehzahl des Kompressors 11 und dem
Niederdruckkältemitteldruck
berechnet und geschätzt.
In diesem Fall wird bestimmt, ob der Schätzwert der Kältemittelströmungsmenge
F größer als
die Strömungsmenge
Fs ist oder nicht. Wenn der Schätzwert
der Kältemittelströmungsmenge
F kleiner als die Strömungsmenge
Fs ist, wird die Kompressorkapazität in Schritt 430 auf
100% festgelegt, ohne geändert
zu werden.
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Wenn
der Schätzwert
der Kältemittelströmungsmenge
F größer als
die Strömungsmenge
Fs ist, wird bestimmt, ob die Außenlufttemperatur Tam gleich
oder höher
als eine vorbestimmte Temperatur Tam1 ist oder nicht. Wenn die Außenlufttemperatur Tam
gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur Tam1 ist,
wird die Kompressorkapazität
in Schritt 430 auf 100% festgelegt, ohne geändert zu werden.
Wenn die Außenlufttemperatur
Tam höher als
die vorbestimmte Temperatur Tam1 ist, wird eine Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout nach Durchführen
eines Wärmeaustausches
im Innenwärmetauscher 12 basierend
auf dem Sollsteuerhochdruck Ph berechnet.
-
Dann
wird in Schritt 420 der Verstellmechanismus 11a so
gesteuert, dass die durch den Kältemitteltemperatursensor 17 erfasste
Kältemittelauslasstemperatur
die in Schritt 410 berechnete Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout erreicht. In Schritt 420 kann der Öffnungsgrad des elektrischen
Expansionsventils 13 so gesteuert werden, dass der Sollsteuerhochdruck
Ph erzielt werden kann, während die
Kapazität
des Kompressors 11 verändert
wird. In diesem Fall kann auch die Kältemittelströmungsmenge
verändert
werden.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
kann die Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout relativ zum Sollsteuerhochdruck Ph basierend auf den Diagrammen in 4 berechnet
werden.
-
In 4 ist
die Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout basierend auf irgendeiner der Steuerlinien B und C im Heizbetrieb
eingestellt. Die Steuerlinie C ist so eingestellt, dass sich die
Kältemittelströmungsmenge
im Vergleich zu einer Veränderung
durch die Öffnungsgradänderung
nach der Ausgabekapazitätssteuerung
des Kompressors 11 stark verändert. Die Steuerlinie B ist
so eingestellt, dass sich die Kältemittelströmungsmenge
im Vergleich zu einer Änderung
durch die Öffnungsgradveränderung
nach der Kapazitätssteuerung
des Kompressors 11 relativ weniger ändert. Ferner ist, wie in 4 dargestellt,
beim gleichen Sollsteuerhochdruck Ph die Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout auf der Steuerlinie T höher als
jene auf der Steuerlinie B.
-
Wenn
die Kältemittelströmungsmenge
auf der Steuerlinie C größer wird,
steigt der Energieverbrauch im Kompressor 11. In diesem
Fall kann jedoch, weil ein Lufttemperaturunterschied zwischen dem
Einlass und dem Auslass des Innenwärmetauschers 12 reduziert
wird, die vom Innenwärmetauscher 12 zu
blasende Lufttemperatur in einem kleinen Temperaturbereich verteilt
werden. Demgemäß wird,
wenn ein Temperaturunterschied zwischen einer tatsächlichen
Luftblastemperatur und der Solllufttemperatur TAO größer als
ein Wert ist, in Schritt 420 die Ausgabe kapazität des Kompressors 11 so
gesteuert, dass eine tatsächliche
Kältemittelauslasstemperatur
des Innenwärmetauschers 12 eine
Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout erreicht, die basierend auf dem Sollsteuerhochdruck Ph unter
Verwendung der Steuerlinie C in 4 eingestellt
ist.
-
In
diesem Fall wird eine Schwankung des Hochdruckkältemitteldrucks bezüglich einer
Veränderung
des Öffnungsgrades
des elektrischen Expansionsventils 13 kleiner. Deshalb
kann eine Schwankung der Luftblastemperatur kleiner gemacht werden.
-
Im
Gegensatz dazu ist die Steuerlinie B so eingestellt, dass die Kältemittelströmungsmenge
im Vergleich zur Veränderung
durch die Öffnungsgradveränderung
nach der Kapazitätssteuerung
des Kompressors 11 kleiner verändert wird. Das heißt, in der
Steuerlinie B wird der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass
die tatsächliche
Kältemittelauslasstemperatur
die Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout erreicht, die eingestellt ist, um COP relativ zum Sollsteuerhochdruck
Ph zu erhöhen.
Zum Beispiel wird die Steuerlinie B verwendet, wenn das Heizen durchgeführt wird
und die Luftblastemperatur nahe der Solllufttemperatur TAO ist.
-
In 4 zeigt
die Steuerlinie A die Beziehung zwischen einer Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout und einem Sollsteuerhochdruck Ph, wenn der Kühlbetrieb
mittels des Innenwärmetauschers 12 als
ein Kältemittelverdampfapparat
durchgeführt wird.
-
5 zeigt
die Beziehung zwischen COP und einem Hochdruckkältemitteldruck, wenn die Kältemitteltemperatur
am Auslass des Innenwärmetauschers 12 auf
35°C, 37°C und 41°C verändert wird.
In einem Steuerbeispiel A wird ein Kühlbetrieb durchgeführt, vorausgesetzt,
dass der Innenwärmetauscher 12 als
ein Verdampfapparat benutzt wird und der Außengaskühler 14 als ein Kältemittelkühler benutzt wird.
Im Steuerbeispiel A des Kühlbetriebs
kann COP in einem Hochdruckbereich von 8 – 10 MPa in einer Größenordnung
der Kältemittelauslasstemperatur einfach
erhöht
werden. Allgemein kann ein Außenwärmetauscher
einfach größer als
der Innenwärmetauscher
eingestellt werden. Deshalb kann das Kreissystem, falls der Sollsteuerdruck
basierend auf der Kältemittelauslasstemperatur
des Außenwärme tauschers
(Kältemittelkühler) im
Kühlbetrieb
eingestellt wird, mit einem hohen COP betrieben werden.
-
Dagegen
ist im Heizbetrieb der Innenwärmetauscher 12 in
einem begrenzten Raum des Armaturenbretts in der Fahrgastzelle angeordnet,
die Größe des Innenwärmetauschers 12 ist
begrenzt. Demgemäß ändert sich
die Kältemitteltemperatur
am Auslass des Innenwärmetauschers 12 bezüglich der
Kältemittelströmungsmenge
stark.
-
Im
Steuerbeispiel B des Heizbetriebs in 5 kann jedoch
COP erhöht
werden, wenn die Kompressorkapazität von einem ersten Zustand,
in dem der Hochdruckkältemitteldruck
10 MPa beträgt, die
Kältemittelauslasstemperatur
41°C beträgt und die
Ausgabekapazität
des Kompressors 11 100% beträgt, zu einem zweiten Zustand,
in dem der Hochdruckkältemitteldruck
12 MPa beträgt,
die Kältemittelauslasstemperatur
35°C beträgt und die
Ausgabekapazität
des Kompressors 11 80% beträgt, verändert werden. Demgemäß wird in
einem Fall, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Luftblastemperatur
und Solllufttemperatur TAO in einem vorbestimmten Bereich liegt,
die Ausgabekapazität
des Kompressors 11 so gesteuert, dass die Kältemittelauslasstemperatur
des Innenwärmetauschers 12 eine
Sollkältemittelauslasstemperatur
erreicht, bei welcher COP bezüglich
des Sollsteuerhochdrucks maximal wird.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert werden,
dass der Hochdruckkältemitteldruck
zu einem Sollsteuerhochdruck Pa wird. Der Sollsteuerhochdruck Pa
kann basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Solllufttemperatur
TAO bestimmt werden. In diesem Fall kann die Solllufttemperatur
TAO im Heizbetrieb selbst bei einer niedrigen Außenlufttemperatur erzielt werden.
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Alternativ
wird der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass
das Hochdruckkältemittel
zu einem Sollsteuerhochdruck Pb wird, bei dem im Heizbetrieb die
maximale Heizleistung erzielt werden kann. Demgemäß kann, selbst
wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der in den Innenwärmetauscher 12 strömenden Lufttemperatur
und der durch den Innenwärmetauscher 12 zu
heizenden Solllufttemperatur TAO größer ist, die durch den Innenwärmetauscher 12 strömende Luft mittels
des Innenwärmetauschers 12 schnell
geheizt werden. Ferner kann die Heizleistung, selbst wenn die Heizleistung
des Wärmepumpenkreissystems bezüglich der
aus dem Innenwärmetauscher 12 geblasenen
Solllufttemperatur TAO klein ist, maximal erhöht werden, während eine übermäßige Erhöhung des
Hochdruckkältemitteldrucks
verhindert wird.
-
Wenn
die tatsächliche
Luftblastemperatur die Solllufttemperatur TAO erreicht, d.h. wenn
eine Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen Luftblastemperatur
und der Solllufttemperatur TAO kleiner als ein Wert wird, kann der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 größer eingestellt werden.
In diesem Fall wird der Sollsteuerhochdruck Ph kleiner und eine
Temperaturdifferenz zwischen der Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout und einer tatsächlichen
Kältemittelauslasstemperatur
nach Durchführen
eines Wärmeaustausches
im Innenwärmetauscher 12 wird
kleiner. Weil jedoch die Kompressorkapazität entlang der Steuerlinie B
von 4 gesteuert wird, kann COP im Kreissystem relativ
erhöht
werden.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wird als Sollsteuerhochdruck Pa ein Hochdruckkältemitteldruck derart berechnet,
dass die Lufttemperatur nach dem Wärmeaustausch im Innenwärmetauscher 12 im
Heizbetrieb zur Solllufttemperatur TAO wird. Dann wird der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass
der Druck des Kältemittels
im Innenwärmetauscher 12 den
Sollsteuerhochdruck Pa erreicht. In diesem Fall kann die durch den Innenwärmetauscher 12 geheizte
Lufttemperatur schnell die Solllufttemperatur TAO erreichen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
kann eine Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels
und einer Heizleistung zum Erzielen der Solllufttemperatur in einer
Speichereinheit der Steuervorrichtung 30 gespeichert werden,
und der Sollsteuerhochdruck Ph kann unter Verwendung der Beziehung
bestimmt werden.
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Als
Sollsteuerhochdruck Pb wird ein Hochdruckkältemitteldruck so berechnet,
dass die maximale Heizleistung im Innenwärmetauscher 12 entsprechend
dem Niederdruckkältemitteldruck
erzielt werden kann. Dann wird der Öffnungsgrad des elektrischen
Expansionsventils 13 so gesteuert, dass der Druck des Kältemittels
im Innen wärmetauscher 12 den
Sollsteuerhochdruck Pb erreicht. In diesem Fall kann die Heizleistung
des Innenwärmetauschers 12 effektiv
verbessert werden.
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Alternativ
kann ein kleinerer Wert von den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb als Hochdruckkältemitteldruck
verwendet werden, und der Öffnungsgrad des
elektrischen Expansionsventils 13 wird so gesteuert, dass
der Druck des Kältemittels
im Innenwärmetauscher 12 den
kleineren zwischen den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb erreicht. In diesem
Fall kann die Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 effektiver
verbessert werden.
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Die
obere Grenze jedes Sollsteuerhochdrucks Pa, Pb ist so eingeschränkt, dass
die Kältemittelausgabetemperatur
des Kompressors 11 niedriger als die zulässige Kältemittelausgabetemperatur des
Kompressors 11 wird. Demgemäß kann der Kompressor 11 normal
betrieben werden, während
er geschützt
ist.
-
Ferner
gibt es, falls ein Verstellkompressor als Kompressor 11 verwendet
wird, wenn die Ausgabekapazität
des Kompressors 11 geregelt wird, einen Fall, dass eine
tatsächliche
Kältemittelauslasstemperatur
des Innenwärmetauschers 12 nicht
die Sollkältemitteltemperatur
Tout erreicht, die basierend auf dem Druck im Innenwärmetauscher 12 eingestellt wird.
In diesem Fall wird die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf
100% gehalten.
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Falls
die Luftblastemperatur des Innenwärmetauschers 12 die
Solllufttemperatur TAO erreicht und die Heizlast des Innenwärmetauschers 12 klein wird,
wird die Ausgabekapazität
des Kompressors 11 reduziert, sodass die Sollkältemittelauslasstemperatur
entsprechend dem Sollsteuerhochdruck sinkt und COP größer wird.
Deshalb ist es möglich,
COP kontinuierlich zu erhöhen,
wenn die Luftblastemperatur des Innenwärmetauschers 12 die
Solllufttemperatur erreicht.
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Wenn
die durch den Innenwärmetauscher 12 strömende Kältemittelströmungsmenge
niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf
100% gesetzt, sodass verhindert werden kann, dass sich der Hochdruckkältemitteldruck
stark ändert.
Außerdem
wird, wenn die Außenluft temperatur
niedriger als eine vorbestimmte niedrige Temperatur ist, die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf
100% gesetzt.
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Zum
Beispiel kann die Kältemittelströmungsmenge
basierend auf der Saugkältemitteltemperatur des
Kompressors 11 und der Drehzahl des Kompressors 11 berechnet
werden. Ferner kann, weil die Kältemittelsaugtemperatur
des Kompressors 11 in Beziehung zur Außenlufttemperatur steht, die
Kältemittelströmungsmenge
basierend auf der Außenlufttemperatur
und der Drehzahl des Kompressors 11 berechnet werden.
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In
diesem Beispiel ist kein Drucksensor zum Erfassen eines Niederdruckkältemitteldrucks
vorgesehen, und der Niederdruckkältemitteldruck
wird basierend auf der Außenlufttemperatur
abgeschätzt. Demgemäß kann der
Sollsteuerhochdruck Ph durch Abschätzen des Niederdruckkältemitteldrucks
basierend auf der erfassten Außenlufttemperatur
berechnet werden.
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(Zweites beispielhaftes
Ausführungsbeispiel)
-
Im
oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
wird der Innenwärmetauscher 12 während eines
Heizbetriebs als Kältemittelkühler zum
Heizen eines Fluids (z.B. Luft) in dem überkritischen Kühlkreissystem
verwendet. Im zweiten Ausführungsbeispiel
ist die vorliegende Erfindung auf ein überkritisches Kühlkreissystem
angewendet, bei dem ein Kühlbetrieb
und ein Heizbetrieb selektiv geschaltet werden können.
-
6A zeigt
den Kühlbetrieb
des Kreissystems, und 7 zeigt den Heizbetrieb des
Kreissystems. In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Schaltventil 25 zum Schalten zwischen einer Kältemittelsaugseite
und einer Kältemittelausgabeseite
des Kompressors 11 vorgesehen, und ein Kältemitteltemperatursensor 22 zum
Erfassen einer Kältemitteltemperatur
an einem Auslass des Innenwärmetauschers 14 ist
vorgesehen. Im Kühlbetrieb
strömt
das Hochdruckkältemittel
in den Außenwärmetauscher 14.
-
Weiter
ist ein Innenwärmetauscher 24 vorgesehen.
Im Kühlbetrieb
stehen ein in den Kompressor 11 zu saugendes gasförmiges Kältemittel
und ein im Außenwärmetauscher 14 abgestrahltes
Hochdruckkältemittel
in Wärmeaustausch.
In diesem Aus führungsbeispiel
ist ein Drucksensor 18 an einer Ausgabeseite des Kompressors 11 vorgesehen,
um einen Hochdruckkältemitteldruck
sowohl im Kühlbetrieb
als auch im Heizbetrieb zu erfassen.
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Im
Kühlbetrieb
strömt
das vom Kompressor 11 ausgegebene Hochdruck / Hochtemperatur-Kältemittel
in den Außenwärmetauscher 14 und
strahlt im Außenwärmetauscher 14 Wärme ab.
Das Hochdruckkältemittel
aus dem Außenwärmetauscher 14 steht
mit dem Niederdruckkältemittel
im Innenwärmetauscher 24 in
Wärmeaustausch
und wird im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimiert.
Das Niederdruck- und Niedertemperatur-Kältemittel wird in einem Innenwärmetauscher 12 verdampft,
sodass ein Fluid wie beispielsweise Luft im Innenwärmetauscher 12 gekühlt wird.
Das Kältemittel
aus dem Innenwärmetauscher 12 wird
einer Saugseite des Kompressors 11 durch den Sammler 15 und
einen Niederdruckkanal im Innenwärmetauscher 24 zugeleitet.
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Im
Kühlbetrieb
wird der Öffnungsgrad
des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass die
durch den Kältemitteltemperatursensor 22 erfasste
Kältemittelauslasstemperatur
einen Sollsteuerhochdruck erreicht, bei dem COP maximal wird. Außerdem wird
die Ausgabekapazität
des Kompressors 11 so gesteuert, dass die durch den Lufttemperatursensor 19 erfasste
Lufttemperatur zu einer Solllufttemperatur TAO wird.
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Dagegen
strömt
im Heizbetrieb das vom Kompressor 11 ausgegebene Hochdruck
/ Hochtemperatur-Kältemittel
in den Innenwärmetauscher 12 (Kältemittelkühler) und
wird im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimiert.
Dann strömt
das Kältemittel
aus dem elektrischen Expansionsventil 13 zum Außenwärmetauscher 14,
um verdampft zu werden, und wird durch den Sammler 15 und
den Niederdruckkanal des Innenwärmetauschers 24 zur
Saugseite des Kompressors 11 geleitet. Im Heizbetrieb ist, obwohl
das im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimierte
Kältemittel
mit dem zum Kompressor 11 zu saugenden gasförmigen Kältemittel
im Innenwärmetauscher 24 in
Wärmeaustausch
steht, die Wärmetauschleistung
im Innenwärmetauscher 24 im Heizbetrieb
klein.
-
Der
Heizbetrieb kann ähnlich
dem in 2 dargestellten Steuerprozess gesteuert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel
kann, weil der Kältemitteltemperatursensor 22 vorgesehen
ist, der Druck des zum Kompressor 11 gesaugten Niederdruckkältemittels
im Heizbetrieb exakt bestimmt werden. In diesem Fall ist es unnötig, den
Druck des Niederdruckkältemittels
basierend auf der Außenlufttemperatur
abzuschätzen.
-
(Weitere beispielhafte
Ausführungsbeispiele)
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einigen beispielhaften
Ausführungsbeispielen
davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben
worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen
für den
Fachmann offensichtlich sind.
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Zum
Beispiel wird im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Niederdruckkältemitteldruck
aus der Außenlufttemperatur
abgeschätzt. Jedoch
kann ein Kältemitteltemperatursensor 22 zum
Erfassen einer Kältemitteltemperatur
am Kältemittelauslass
des Außenwärmetauschers 14 vorgesehen
sein, wie in 8A und 8B dargestellt.
In diesem Fall kann der Niederdruckkältemitteldruck basierend auf
der durch den Kältemitteltemperatursensor 22 erfassten
Kältemitteltemperatur
exakt berechnet werden. Ferner kann, wie in 8A und 8B dargestellt,
ein Drucksensor 23 zum Erfassen des Drucks des Niederdruckkältemittels
vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Druck des Niederdruckkältemittels
noch genauer erfasst werden.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird in Schritt 420 der Verstellmechanismus 11a so
gesteuert, dass die durch den Kältemitteltemperatursensor 17 erfasste
Kältemitteltemperatur
zur Sollkältemittelauslasstemperatur
Tout wird. In Schritt 420 kann der Verstellmechanismus 11a jedoch
auch so gesteuert werden, dass die aus dem Innenwärmetauscher 12 strömende Lufttemperatur
und die Kältemitteltemperatur
am Auslass des Innenwärmetauschers 12 zu
einer Solltemperaturdifferenz werden.
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Im
Heizbetrieb werden die Steuerlinien B, C in 4 benutzt.
Jedoch können
auch andere Steuerlinien, wie beispielsweise die Steuerlinie A im
Kühlbetrieb
verwendet werden. Ferner kann anstelle des Kompressors 11 ein
elektrischer Kompressor ver wendet werden, bei dem die Kältemittelausgabekapazität durch
eine Wechselrichtersteuerung verändert
werden kann. Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Innenwärmetauscher 12 des überkritischen
Wärmepumpenkreissystems
für eine
Fahrzeug-Klimaanlage verwendet. Der Innenwärmetauscher 12 kann
jedoch auch zum Durchführen
eines Wärmeaustausches
mit einem Fluid in einer Vorrichtung verwendet werden.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsbeispiele
davon beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung
nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und Konstruktionen
beschränkt
ist. Die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen abdecken. Außerdem
liegen, während
die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele in verschiedenen
Kombinationen und Konfigurationen, welche beispielhaft sind, dargestellt
sind, weitere Kombinationen und Konfigurationen mit mehr, weniger
oder nur einem einzelnen Element ebenfalls im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.