DE102006007756A1

DE102006007756A1 - Dekompressionsvorrichtung für einen Kühlkreis

Info

Publication number: DE102006007756A1
Application number: DE102006007756A
Authority: DE
Inventors: Nobuharu Kariya Kakehashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2006-08-24
Also published as: FR2893399A1; JP2006234207A

Abstract

Eine Dekompressionsvorrichtung (130) enthält einen Ventilkörperabschnitt (134), der entsprechend einer Druckdifferenz (DELTAP) zwischen einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite des Ventilkörperabschnitts (134) geöffnet wird, und einen festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b), durch den die stromaufwärtige Seite immer mit der stromabwärtigen Seite in Verbindung steht, um einen vorbestimmten Strömungswiderstand dazwischen zu erzeugen. Der Ventilkörperabschnitt (134) wird in einem geschlossenen Zustand gehalten und das Kältemittel aus einem Kältemittelkühler (120) wird durch den festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b) dekomprimiert, wenn der Druck des Kältemittels aus dem Kältemittelkühler (120) niedriger als der kritische Druck ist. Demgemäß kann in dem Kühlkreis (100), der den Druck des Hochdruck-Kältemittels höher als den kritischen Druck des Kältemittels einstellen kann, der Kühlkreis effektiv betrieben werden, selbst wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels niedriger als der kritische Druck eingestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dekompressionsvorrichtung zum Dekomprimieren eines Kältemittels, die einen Druck des Kältemittels auf einer Hochdruckseite eines Kühlkreises steuert. In dem Kühlkreis kann der Druck des Kältemittels gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels erhöht sein, und zum Beispiel kann Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel verwendet werden.

In einem in der JP-A-10-9719 beschriebenen Kühlkreis wird CO₂ als Kältemittel verwendet und der Druck des Kältemittels in einem Kältemittelkühler ist gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels eingestellt. Eine Dekompressionsvorrichtung ist vorgesehen, um das aus dem Kältemittelkühler strömende Kältemittel zu dekomprimieren, und das dekomprimierte Kältemittel aus der Dekompressionsvorrichtung wird zu einem Verdampfapparat geleitet. Die Dekompressionsvorrichtung hat einen in einem Gehäuse vorgesehenen Ventilkörper, und ein Öffnungsgrad des Ventilkörpers wird entsprechend einem Druck in dem Verdampfapparat so gesteuert, dass ein Druckunterschied zwischen dem Druck in dem Kältemittelkühler und dem Druck in dem Verdampfapparat zu einer vorbestimmten Druckdifferenz ΔP (z.B. 5,5 – 7 MPa) wird.

Hierbei ist die vorbestimmte Druckdifferenz ΔP (5,5 – 7 MPa) basierend auf dem Druck im Kältemittelkühler entsprechend dem Druck, bei dem der Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises den Maximalwert erreicht, und dem Druck ohne Erzeugen von Kondenswasser am Verdampfapparat eingestellt. Falls jedoch der Kühlkreis arbeitet, während der Druck im Kältemittelkühler niedriger als der kritische Druck eingestellt ist, wird der Wirkungsgrad des Kühlkreises verschlechtert, wenn der Druckunterschied zwischen dem Kältemittelkühler und dem Verdampfapparat immer auf die vorbestimmte Druckdifferenz geregelt wird.

Wenn zum Beispiel CO₂ als Kältemittel bei einer niedrigen Außenlufttemperatur (z.B. 10°C) verwendet wird, wird, falls der Druck im Verdampfapparat 3,8 MPa beträgt, der Druck im Kältemittelkühler unabhängig von einem Fall, bei dem der Kühlkreis mit einem Druck niedriger als der kritische Druck betreibbar ist, auf einen hohen Wert (3,8 + 5,5 = 9,3 MPa) höher als der kritische Druck (7,4 MPa) eingestellt. In diesem Fall wird die Kompressionsarbeit des Kompressors unnötig erhöht, und der Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises wird verschlechtert.

In Anbetracht der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dekompressionsvorrichtung für einen Kühlkreis vorzusehen, die mit einem geeigneten Wirkungsgrad betreibbar ist, selbst wenn der Druck auf einer Hochdruckseite des Kühlkreises höher als der kritische Druck des Kältemittels oder niedriger als der kritische Druck ist.

Eine Dekompressionsvorrichtung (130) der vorliegenden Erfindung kann geeigneterweise für einen Kühlkreis (100) verwendet werden, der einen Kompressor (110), der ein Kältemittel auf einen Druck höher als der kritische Druck des Kältemittels komprimieren kann, einen Kältemittelkühler (120) zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kompressor (110) und einen Verdampfapparat (140) zum Verdampfen des Kältemittels enthält. In diesem Kühlkreis (100) ist die Dekompressionsvorrichtung (130) zwischen dem Kältemittelkühler (120) und dem Verdampfapparat (140) angeordnet.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Dekompressionsvorrichtung (130) einen Ventilkörperabschnitt (134), der entsprechend einer Druckdifferenz (ΔP) zwischen einer mit dem Kühler (120) verbundenen stromaufwärtigen Seite des Ventilkörperabschnitts (134) und einer mit dem Verdampfapparat 1140) verbundenen stromabwärtigen Seite des Ventilkörperabschnitts (134) geöffnet wird, und einen festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b), durch den die stromaufwärtige Seite immer mit der stromabwärtigen Seite in Verbindung steht, um einen vorbestimmten Strömungswiderstand zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite zu erzeugen. Ferner wird der Ventilkörperabschnitt (134) in einem geschlossenen Zustand gehalten und das Kältemittel aus dem Kühler (120) wird durch den festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b) dekomprimiert, wenn der Druck des Kältemittels aus dem Kühler (120) niedriger als der kritische Druck ist.

Weil nur die feste Drossel (136, 136a, 136b) der Dekompressionsvorrichtung (130) als Dekompressionseinrichtung in der Dekompressionsvorrichtung (130) funktioniert, kann, wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels des Kühlkreises auf einen Druck niedriger als der kritische Druck gesetzt ist, ein unnötiger Betrieb des Kompressors (110) verhindert werden und der Wirkungsgrad des Kühlkreises (100) effektiv verbessert werden.

Die Dekompressionsvorrichtung (130) kann in geeigneter Weise für einen Kühlkreis (100) mit einem Speicher (150) verwendet werden. In diesem Fall kann der Wirkungsgrad des Kühlkreises (100) effektiv verbessert werden, indem eine Selbstregelungsfunktion des festen Drosselabschnitts (136) und des Speichers (150) genutzt wird.

Der Ventilkörperabschnitt (134) kann geöffnet werden, wenn die Druckdifferenz (ΔP) größer als ein vorbestimmter Wert ist, während der Druck des Kältemittels aus dem Kühler (120) höher als der kritische Druck ist.

Die Dekompressionsvorrichtung kann mit einem Gehäuse (131) versehen sein, das einen an der stromaufwärtigen Seite vorgesehenen Einlassabschnitt (132) und einen an der stromabwärtigen Seite vorgesehenen Auslassabschnitt (133) aufweist. In diesem Fall kann der Ventilkörperabschnitt (134) in dem Gehäuse (131) angeordnet sein, um den Einlassabschnitt (132) zu öffnen und zu schließen. Zum Beispiel kann der feste Drosselabschnitt eine Öffnung (136) sein, die so in dem Ventilkörperabschnitt (134) vorgesehen ist, dass sie direkt mit dem Einlassabschnitt (132) in Verbindung steht. Alternativ kann der feste Drosselabschnitt eine Öffnung (136a) sein, die in dem Gehäuse (131) an einer von dem Einlassabschnitt (132) verschiedenen Position vorgesehen ist. Ferner kann der feste Drosselabschnitt (136b) außerhalb des Gehäuses (131) vorgesehen sein.

Die Dekompressionsvorrichtung (130) kann so eingestellt sein, dass das Kältemittel an einem Auslassabschnitt des Kühlers (120) eine Trockenheit gleich oder niedriger als 0,25 besitzt, wenn der Kühlkreis (100) in Betrieb ist. Weiter kann der Kühlkreis (100) mit einem Innenwärmetauscher (160) versehen sein, in dem das Kältemittel aus dem Kühler (120) zur Dekompressionsvorrichtung (130) mit dem Kältemittel aus dem Verdampfapparat (140) zum Kompressor (110) in Wärmeaustausch steht.

Zum Beispiel kann der Ventilkörperabschnitt (134) geöffnet werden, wenn die Druckdifferenz (ΔP) gleich oder größer als 3,6 MPa ist, wenn Kohlendioxid als Kältemittel verwendet wird. Ferner kann der feste Drosselabschnitt eine Öffnung (136, 136a, 136b) mit einem Öffnungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 0,7 mm sein, und die Öffnung (136, 136a, 136b) kann eingestellt sein, um den Strömungswiderstand zu erzeugen.

Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht einer Dekompressionsvorrichtung des Kühlkreises in 1;
3 ein Diagramm der Beziehungen zwischen einem Öffnungsdurchmesser (Innendurchmesser) und einem Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises, wenn sich eine Außenlufttemperatur (TAM) ändert;
4 ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Verschiebemaß eines Ventilkörperabschnitts und einer Druckdifferenz (P1-P2) der Dekompressionsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein Diagramm der Beziehung zwischen einer durch die Dekompressionsvorrichtung strömenden Kältemittelmenge und der Druckdifferenz (P1-P2) der Dekompressionsvorrichtung, wenn sich der Ventilkörperabschnitt in einem offenen Zustand und in einem geschlossenen Zustand befindet, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
6 ein Diagramm der Beziehung zwischen einer Trockenheit des Kältemittels an einem Einlassabschnitt der Dekompressionsvorrichtung und der durch die Dekompressionsvorrichtung strömenden Kältemittelmenge, wenn sich der Ventilkörperabschnitt in dem geschlossenen Zustand befindet;
7 ein Mollier-Diagramm eines Betriebszustandes des Kühlkreises, wenn Kohlendioxid als Kältemittel verwendet wird;
8 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 1 bis 7 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Dekompressionsvorrichtung 130 typischerweise für einen Kühlkreis für eine Fahrzeug-Klimaanlage verwendet. Ferner ist der Kühlkreis mit einem Druck höher als der kritische Druck und einem Druck niedriger als der kritische Druck betreibbar. In diesem Ausführungsbeispiel wird zum Beispiel Kohlendioxid als Kältemittel verwendet.
Wie in 1 dargestellt, enthält der Kühlkreis einen Kompressor 110, einen Kältemittelkühler 120, die Dekompressionsvorrichtung 130, einen Verdampfapparat 140 und einen Speicher 150 (Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung), die in dieser Reihenfolge in einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind.
Der Kompressor 110 wird durch eine Antriebskraft von zum Beispiel einem Fahrzeugmotor angetrieben und betätigt. Der Kompressor 110 komprimiert ein gas förmiges Kältemittel aus dem Speicher 150 auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur. Der Kältemittelkühler 120 ist an einem vorderen Abschnitt in einem Fahrzeugmotorraum angeordnet und wird als ein Wärmetauscher (Gaskühler) zum Kühlen eines Kältemittels durch Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem im Kompressor 110 komprimierten Kältemittel und einer von einem Kühlergrill eingeleiteten Außenluft (d.h. Luft außerhalb eines Fahrgastraums) verwendet. Die Dekompressionsvorrichtung 130 dekomprimiert das aus dem Kältemittelkühler 120 strömende Hochdruck-Kältemittel. Im Allgemeinen wird das Kältemittel in der Dekompressionsvorrichtung 130 in einem Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert, und das dekomprimierte Kältemittel wird zu dem Verdampfapparat 140 geleitet. Der Aufbau der Dekompressionsvorrichtung 130 wird später im Detail beschrieben.
Der Verdampfapparat 140 ist ein Wärmetauscher, in dem das aus der Dekompressionsvorrichtung 130 strömende Kältemittel durch Durchführen eines Wärmeaustausches mit einer in den Fahrgastraum zu blasenden Luft verdampft wird. Das niederdruckseitige Kältemittel nach der Dekompression in der Dekompressionsvorrichtung 130 wird durch Absorbieren von Wärme aus der Luft verdampft. Deshalb wird die in dem Fahrgastraum zu blasende Luft durch Verdampfungswärme des Niederdruck-Kältemittels gekühlt, während das Niederdruck-Kältemittel in dem Verdampfapparat 140 verdampft. Das aus dem Verdampfapparat 140 strömende Kältemittel wird in dem Speicher 150 in ein gasförmiges Kältemittel und ein flüssiges Kältemittel getrennt, sodass das flüssige Kältemittel vorübergehend in dem Speicher 150 als überschüssiges Kältemittel gespeichert wird, und das gasförmige Kältemittel wird dem Kompressor 110 zugeführt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 eine Konstruktion der Dekompressionsvorrichtung 130 im Detail beschrieben. Wie in 2 dargestellt, enthält die Dekompressionsvorrichtung 130 ein Gehäuse 131, einen Ventilkörperabschnitt 134 mit einer festen Öffnung 136 und eine Feder 135. Der Ventilkörperabschnitt 134 und die Feder 135 sind in dem Gehäuse 131 angeordnet.
Das Gehäuse 131 ist aus Metall, zum Beispiel rostfreiem Stahl oder Messing gemacht. Das Gehäuse 131 ist in eine Zylinderform mit zwei kreisförmigen End abschnitten geformt. Ein kreisförmiger Einlassabschnitt 132 ist in einem Endabschnitt des zylindrischen Gehäuses 131 geöffnet, um mit dem Kältemittelkühler 120 in Verbindung zu stehen, und ein Auslassabschnitt 133 ist in dem anderen Endabschnitt des zylindrischen Gehäuses 131 geöffnet, um mit dem Verdampfapparat 140 in Verbindung zu stehen. Ein kreisförmiger Umfangsabschnitt des Einlassabschnitts 132 wird als ein Ventilsitz 132a benutzt, und der Ventilsitz 132a ist so eingestellt, dass der Ventilkörperabschnitt 134 den Ventilsitz 132 in einem geschlossenen Zustand des Ventils kontaktiert.
Der Ventilkörperabschnitt 134 ist etwa in eine zylindrische Form mit einem zum Einlassabschnitt 132 ragenden Kreiskegelabschnitt geformt. Der Ventilkörperabschnitt 134 ist gegenüber dem Ventilsitz 132a angeordnet, um einen Öffnungsgrad des Einlassabschnitts 132 einzustellen. Ein Führungsabschnitt 134a, der in einer axialen Richtung zum Auslassabschnitt 133 verläuft, ist an einem Außenumfangsabschnitt des Ventilkörperabschnitts 134 vorgesehen. Der Führungsabschnitt 134a ist so vorgesehen, dass er etwa eine Innenwandfläche des Gehäuses 131 kontaktiert, um eine Bewegung des Ventilkörperabschnitts 134 zu führen. Mehrere Durchgangslöcher 134b sind in einer Umfangsrichtung in einem kreisförmigen Abschnitt zwischen dem Ventilkörperabschnitt 134 und dem Führungsabschnitt 134a vorgesehen und angeordnet. Ein Innenraum des Gehäuses 131 kann durch den Ventilkörper 134 und den Führungsabschnitt 134a in einen ersten Raumteil auf der Seite des Einlassabschnitts 132 und einen zweiten Raumteil auf der Seite des Auslassabschnitts 133 aufgeteilt werden. Der erste Raumteil und der zweite Raumteil, die durch den Ventilkörperabschnitt 134 und den Führungsabschnitt 134a in dem Gehäuse 131 getrennt sind, stehen durch die Durchgangslöcher 134b miteinander in Verbindung.
Die Feder 135 ist ein metallisches elastisches Element. Die Feder 135 ist in dem Gehäuse 131 zwischen dem Endabschnitt mit dem Auslassabschnitt 133 und dem Ventilkörperabschnitt 134 angeordnet, sodass eine elastische Kraft der Feder 135 auf den Ventilkörperabschnitt 134 zum Einlassabschnitt 132 ausgeübt wird.
Die feste Öffnung 136 ist ein Drosselabschnitt, der so eingestellt ist, dass er einen bestimmten Strömungswiderstand erzeugt. Die feste Öffnung 136 ist in dem Ventil körperabschnitt 134 so vorgesehen, dass sie den Mittelabschnitt des Ventilkörperabschnitts 134 in der axialen Richtung durchdringt. Deshalb stehen der mit dem Kältemittelkühler 120 verbundene Einlassabschnitt 132 und der mit dem Verdampfapparat 140 verbundene Auslassabschnitt 133 durch die feste Öffnung 136 immer miteinander in Verbindung.
3 zeigt die Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises 100 und einem Innendurchmesser (Öffnungsdurchmesser) der festen Öffnung 136, wenn sich eine Außenlufttemperatur (TAM) ändert. Wie in 3 dargestellt, kann, wenn der Durchmesser der festen Öffnung 136 in einem Bereich zwischen 0,3 und 07 mm eingestellt ist, der Wirkungsgrad ausreichend effektiv erhöht werden, selbst wenn sich die Außenlufttemperatur TAM ändert. Wenn der Durchmesser der festen Öffnung auf einen speziellen Wert entsprechend dem maximalen Wirkungsgrad bei einer Außenlufttemperatur gesetzt ist, kann man den maximalen Wirkungsgrad bei dieser Außenlufttemperatur erzielen.
Das Gehäuse 131 kann mit einem mit dem einen Endabschnitt integrierten Zylinderkörperabschnitt und dem von dem Zylinderkörperabschnitt separat ausgebildeten und als ein Deckelabschnitt des Zylinderkörperabschnitts verwendeten anderen Endabschnitt versehen sein. In diesem Fall sind der Ventilkörperabschnitt 134 und die Feder 135 in dem Zylinderkörperabschnitt des Gehäuses 131 aufgenommen, und dann wird der Deckelabschnitt mit dem Hauptkörperabschnitt mittels einer Verbindungseinrichtung wie beispielsweise Schweißen oder Verschrauben verbunden.
Falls der auf den Einlassabschnitt 132 ausgeübte Druck des Hochdruck-Kältemittels P1 ist, der auf den Auslassabschnitt 133 ausgeübte Druck des Niederdruck-Kältemittels P2 ist und eine durch die Elastizität der Feder 135 ausgeübte Kraft F ist, wird eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = P1 – P2) zwischen dem Druck P1 und dem Druck P2 entgegen der Kraft F der Feder 135 ausgeübt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind, wie in 4 dargestellt, die Federkennlinien der Feder 135 so eingestellt, dass die Kraft F größer als die Druckdifferenz ΔP ist, bis die Druckdifferenz ΔP auf 3,6 MPa erhöht ist. In diesem Fall wird der Ventilkörperabschnitt 134 in einem geschlossenen Zustand gehalten, und ein Verschiebemaß des Ventilkörperabschnitts 134 wird zu Null. Wenn dagegen die Druckdifferenz ΔP größer als 3,6 MPa wird, wird die Druckdifferenz ΔP größer als die Kraft F, und der Ventilkörperabschnitt 134 wird verschoben, um den Einlassabschnitt 132 zu öffnen. Wenn die Druckdifferenz ΔP größer wird, wird das Verschiebemaß des Ventilkörperabschnitts 134 größer und ein Öffnungsgrad des Einlassabschnitts 132 wird größer.
Wie in 5 dargestellt, strömt das Kältemittel nur durch die feste Öffnung 136, um einen bestimmten Strömungswiderstand zu erzeugen, bis der Ventilkörperabschnitt 134 geöffnet wird, d.h. bis die Druckdifferenz ΔP auf 3,6 MPa erhöht ist. Deshalb gelangt eine Kältemittelströmungsmenge entsprechend dem Strömungswiderstand durch die feste Öffnung 136. Wenn der Ventilkörperabschnitt 134 geöffnet ist, nachdem die Druckdifferenz ΔP auf mehr als 3,6 MPa erhöht ist, gelangt eine Kältemittelströmungsmenge entsprechend dem Verschiebemaß des Ventilkörperabschnitts 134 und der festen Öffnung 136 durch die feste Öffnung 136.
Der Strömungswiderstand der festen Öffnung 136 wird durch Einstellen des Durchmessers und einer Strömungslänge der Öffnung eingestellt, sodass eine Trockenheit des Kältemittels aus dem Kältemittelkühler 120 zur festen Öffnung 136 der Dekompressionsvorrichtung 130 gleich oder kleiner als 0,25 wird, wie in 6 dargestellt. Die Kältemittelströmungsmenge ändert sich stark, wenn sich der Phasenzustand des Kältemittels verändert, wie durch G in 6 angedeutet.
Die Trockenheit bedeutet einen Gewichtsanteil von Dampf in einem Dampf/Flüssigkeits-Gemisch, die auch als Trockendampfanteil oder Trockenqualität bekannt ist.
Als nächstes wird nun die Funktionsweise des Kühlkreises 100 und der Dekompressionsvorrichtung 130 unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Wenn der Kompressor 110 entsprechend einer Kühlanforderung arbeitet, zirkuliert das Kältemittel in dem Kühlkreis 100, und die durch den Verdampfapparat 140 strömende Luft wird durch die Verdampfungswärme des Kältemittels gekühlt. In diesem Fall kondensiert das in der Luft enthaltene Wasser an der Oberfläche des Verdampfapparats 140 und haftet an dem Verdampfapparat 140 an. Deshalb wird die Temperatur des Niederdruck-Kältemittels in dem Verdampfapparat 140 so ein gestellt, dass sie nicht gleich oder niedriger als 0°C (Gefriertemperatur) ist, wobei die Kühlleistung des Verdampfapparats 140 beibehalten wird.
Falls zum Beispiel eine Sicherheitstemperatur des Kältemittels auf 3°C eingestellt ist, um eine Erzeugung einer Reifbildung zu verhindern, beträgt der Druck des Niederdruck-Kältemittels nach einer Dekompression durch die Dekompressionsvorrichtung 130 3,8 MPa, wenn Kohlendioxid verwendet wird. Zum Beispiel wird die Lufttemperatur an einer luftstromabwärtigen Seite des Verdampfapparats 140 durch einen Temperatursensor erfasst und die Ausgabemenge des Kältemittels aus dem Kompressor 110 so gesteuert, dass der Druck (z.B. 3,8 MPa) des Niederdruck-Kältemittels beibehalten werden kann.
Der Ventilkörperabschnitt 134 der Dekompressionsvorrichtung 130 wird im geschlossenen Ventilzustand gehalten, bis die Druckdifferenz ΔP zu 3,6 MPa wird und der Druck des Hochdruck-Kältemittels 7,4 MPa (d.h. den kritischen Druck) erreicht, wie in 7 dargestellt. In diesem Fall arbeitet nur die feste Öffnung 136 als Dekompressionseinrichtung. Weiter ist der Strömungswiderstand des Kältemittels in der festen Öffnung 136 so eingestellt, dass die Trockenheit des Kältemittels an der Auslassseite des Kältemittelkühlers 120 gleich oder niedriger als 0,25 wird. Deshalb kann der Betrieb des Kühlkreises 100 durch effektives Nutzen des Selbstregelungsbetriebs aufgrund der festen Öffnung 136 und des Speichers 150 effektiv durchgeführt werden.
Während des Betriebs des Kühlkreises 100 in dem geschlossenen Ventilzustand des Ventilkörperabschnitts 134 wird, wenn das Kältemittel nach Durchströmen des Kältemittelkühlers 120 in die Dekompressionsvorrichtung 130 strömt und durch die Dekompressionsvorrichtung 130 in einen Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert wird, der in dem Kältemittel enthaltene Gasphasenanteil größer und die Trockenheit des Kältemittels wird erhöht. In diesem Fall wird die in den Verdampfapparat 140 strömende Kältemittelmenge durch das vergrößerte Maß der Trockenheit im Kältemittel verringert, wodurch ein Überhitzungsgrad im Verdampfapparat 140 vergrößert wird. Als Ergebnis wird das flüssige Kältemittel im Speicher 150 zum Kältemittelkühler 120 bewegt und ein Flüssigkältemittelanteil (Unterkühlungsgrad) an der Auslassseite des Kältemittelkühlers 120 wird erhöht. Das heißt, die Trockenheit des Kältemittels an der Auslassseite des Kältemittelkühlers 120 wird erhöht.
Dagegen strömt das Kältemittel nach Durchströmen des Kältemittelkühlers 120 in einem flüssigen Zustand (Unterkühlungsbereich) in die Dekompressionsvorrichtung 130, die in die Dekompressionsvorrichtung 130 strömende Kältemittelströmungsmenge wird im Vergleich zu einem Fall, wenn gasförmiges Kältemittel im Kältemittel enthalten ist, größer, wodurch der Überhitzungsgrad im Verdampfapparat 140 reduziert wird. Als Ergebnis wird die in dem Speicher 150 gespeicherte Menge des flüssigen Kältemittels erhöht, und die Menge des flüssigen Kältemittels im Kältemittelkühler 120 wird verringert, wodurch der Flüssigkältemittelanteil (Unterkühlungsgrad) an der Auslassseite des Kältemittelkühlers 120 reduziert wird. Das heißt, die Trockenheit des Kältemittels an der Auslassseite des Kältemittelkühlers 120 wird verringert.
Durch Wiederholen des obigen Kreisbetriebs wird das Kältemittel nach Durchströmen des Kältemittelkühlers 120 in der Nähe einer geeigneten Unterkühlungslinie (Linie maximalen Wirkungsgrades) in 7 geregelt, wodurch ein Betrieb des Kühlkreises 100 effektiv durchgeführt wird.
Andererseits wird der Ventilkörperabschnitt 134 geöffnet, wenn die Druckdifferenz ΔP in der Dekompressionsvorrichtung 130 gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert (z.B. 3,6 MPa) wird und der Druck des Hochdruck-Kältemittels gleich oder höher als der kritische Druck (z.B. 7,4 MPa) steigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Druckdifferenz ΔP anstelle einer Schwankung der Wärmelast (Kühlleistung) in dem Verdampfapparat 140 benutzt, und der Ventilöffnungsgrad in dem Ventilkörperabschnitt 134 wird basierend auf der Druckdifferenz ΔP eingestellt. Durch Einstellen des Ventilöffnungsgrades des Ventilkörperabschnitts 134 basierend auf der Druckdifferenz ΔP kann eine notwendige Strömungsmenge erzielt werden, während verhindert werden kann, dass der Druck in dem Kältemittelkühler 120 übermäßig ansteigt. Als Ergebnis kann der Betrieb des Kühlkreises 100 effektiv durchgeführt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der Betrieb des Kühlkreises 100 unter Verwendung der Dekompressionsvorrichtung 130 auch in einem Fall effektiv durchgeführt werden, wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels ist oder wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels niedriger als der kritische Druck des Kältemittels ist.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
8 zeigt einen Kühlkreis 100 des zweiten Ausführungsbeispiels. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist im Vergleich zu dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel eine Anordnungsposition der festen Drossel in der Dekompressionsvorrichtung 130 geändert und ein Innenwärmetauscher 160 in dem Kühlkreis 100 vorgesehen.
In der Dekompressionsvorrichtung 130 ist eine feste Öffnung 136a als die feste Drossel in dem Gehäuse 131 an einer von der Einlassöffnung 132 verschiedenen Position vorgesehen, sodass das Kältemittel durch die feste Öffnung 136a parallel zum Einlassabschnitt 132 strömen kann. Die feste Öffnung 136a ist mit dem Kältemittelkühler 120 verbunden, um mit dem Kältemittelkühler 120 in Verbindung zu stehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörperabschnitt 134 ohne eine Öffnung vorgesehen, um so nur den Öffnungsgrad des Einlassabschnitts 132 einzustellen. Weiter besitzt der Innenwärmetauscher 160 darin einen ersten Kanalabschnitt und einen zweiten Kanalabschnitt, die voneinander getrennt sind. Das Kältemittel aus dem Kältemittelkühler 120 strömt durch den ersten Kanalabschnitt des Innenwärmetauschers 160 in die Dekompressionsvorrichtung 130, und das Kältemittel aus dem Verdampfapparat 140 (dem Speicher 150) strömt durch den zweiten Kanalabschnitt des Innenwärmetauschers 160 zu dem Kompressor 110, um so zwischen diesen einen Wärmeaustausch durchzuführen.
Im Kühlkreis des zweiten Ausführungsbeispiels wird, wenn die Druckdifferenz ΔP gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert (z.B. 3,6 MPa) ist, der Ventilkörperabschnitt 134 in den geschlossenen Ventilzustand gesetzt, und das Kältemittel aus dem Kältemittelkühler 120 wird durch die feste Öffnung 136a der Dekompressions vorrichtung 130 dekomprimiert, sodass das dekomprimierte Kältemittel durch das Durchgangsloch 134b und den Auslassabschnitt 133 zum Verdampfapparat 140 geleitet wird.
Wenn dagegen die Druckdifferenz ΔP größer als der vorbestimmte Wert (z.B. 3,6 MPa) ist, öffnet der Ventilkörperabschnitt 134 den Einlassabschnitt 132, sodass das Kältemittel durch den Einlassabschnitt 132 und die feste Öffnung 136a in die Dekompressionsvorrichtung 130 eingeleitet wird. Deshalb wird die Strömungsmenge des Kältemittels durch die Dekompressionsvorrichtung 130 eingestellt, während das Kältemittel in der Dekompressionsvorrichtung 130 dekomprimiert wird.
Weil das Kältemittel aus dem Kältemittelkühler 120 zur Dekompressionsvorrichtung 130 durch das Kältemittel von dem Verdampfapparat 140 zum Kompressor 110 gekühlt werden kann, kann eine in dem Verdampfapparat 140 angenommene Enthalpiedifferenz größer gemacht werden, und die Kühlleistung im Verdampfapparat 140 kann verbessert werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
9 zeigt einen Kühlkreis 100 des dritten Ausführungsbeispiels. Im Kühlkreis 100 des dritten Ausführungsbeispiels ist die Konstruktion der festen Drossel in der Dekompressionsvorrichtung 130 geändert.
Im dritten Ausführungsbeispiel ist ein Kapillarrohr (Bypasskanal) mit einer festen Drossel 136b vorgesehen, durch welchen das Kältemittel aus dem Kältemittelkühler 120 an einem Innenkanal der Dekompressionsvorrichtung 130, die den Einlassabschnitt 132 und den Auslassabschnitt 133 enthält, vorbei strömt. Der Bypasskanal mit der festen Drossel 136b ist so vorgesehen, dass das Kältemittel durch den Bypasskanal parallel zu dem den Einlassabschnitt 132 und den Auslassabschnitt 133 verbindenden Innenkanal strömen kann.
Im dritten Ausführungsbeispiel kann ähnlich dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Innenwärmetauscher 160 vorgesehen sein.
Im Kühlkreis des dritten Ausführungsbeispiels wird, wenn die Druckdifferenz ΔP gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert (z.B. 3,6 MPa) ist, das Kältemittel aus dem Kältemittelkühler 120 in der festen Öffnung 136b der Dekompressionsvorrichtung 130 dekomprimiert, und das dekomprimierte Kältemittel wird durch den Bypasskanal mit der festen Drossel 136b zum Verdampfapparat 140 geleitet.
Wenn dagegen die Druckdifferenz ΔP größer als der vorbestimmte Wert (z.B. 3,6 MPa) ist, öffnet der Ventilkörperabschnitt 134 den Einlassabschnitt 132, sodass das Kältemittel durch den Einlassabschnitt 132 in die Dekompressionsvorrichtung 130 und in den Bypasskanal mit der festen Öffnung 136b eingeleitet wird. Deshalb kann die Strömungsmenge des Kältemittels durch die Dekompressionsvorrichtung 130 eingestellt werden, während das Kältemittel in der Dekompressionsvorrichtung 130 dekomprimiert wird.
Demgemäß können die in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorteile erzielt werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
10 zeigt einen Kühlkreis des vierten Ausführungsbeispiels. Im vierten Ausführungsbeispiel sind die Teile ähnlich jenen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
Im Kühlkreis 100 des vierten Ausführungsbeispiels sind eine variable Drossel 130c und eine feste Drossel 136c als Dekompressionsvorrichtung vorgesehen. Die feste Drossel 136c kann mit einer Öffnung oder einem Kapillarrohr aufgebaut sein.
Die variable Drossel 130c enthält ein zylindrisches Gehäuse 131c, ein bewegbares Ventil 134c, das so angeordnet ist, dass es in dem Gehäuse 131c bewegbar ist, und eine Schraubenfeder 135 zum Ausüben einer Vorspannkraft (Federkraft) auf das bewegbare Ventil 134c. Das bewegbare Ventil 134c kann einen Innenraum des Gehäuses 131c in eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer trennen. Deshalb wird das bewegbare Ventil 134c gegen die Federkraft der Schraubenfeder 135 entsprechend einer Druckdifferenz zwischen der Hochdruckkammer und der Niederdruckkammer bewegt.
Das Gehäuse 131c hat eine mit der Hochdruckkammer des Gehäuses 131c in Verbindung stehende Einlassöffnung 132c, eine mit der Niederdruckkammer des Gehäuses 131c in Verbindung stehende Auslassöffnung 133c und eine variable Öffnung 137. Das Hochdruck-Kältemittel aus dem Innenwärmetauscher 16 strömt durch die Einlassöffnung 132c in die Hochdruckkammer des Gehäuses 131c, und das in der variablen Drossel 130c dekomprimierte Niederdruck-Kältemittel strömt durch die Auslassöffnung 133c in den Verdampfapparat 140. Die variable Öffnung 137 kann zusammen mit dem bewegbaren Ventil 134c eine bewegbare Drosseleinrichtung wie beispielsweise eine Gleitventilvorrichtung oder eine Durchgangsventilvorrichtung vorsehen. Die Öffnung 137 ist in dem Gehäuse 131c einer Seitenfläche des bewegbaren Ventils 134c zugewandt geöffnet. Ferner ist die Öffnung 137 so vorgesehen, dass sie durch die Seitenfläche des bewegbaren Ventils 134c geschlossen wird, wenn ein Bewegungsmaß des bewegbaren Ventils 134c Null ist. Das heißt, wenn das bewegbare Ventil 134c durch die Federkraft der Schraubenfeder 135 an einer vorbestimmten Position in dem Gehäuse 131c positioniert ist, ist die Öffnung 137 durch die Seitenfläche des bewegbaren Ventils 134c geschlossen.
Eine Öffnungsfläche der mit der Hochdruckkammer in dem Gehäuse 131c in Verbindung stehenden Öffnung 137 wird größer, wenn ein Bewegungsmaß des bewegbaren Ventils 134c gegen die Schraubenfeder 135 größer wird. Wie in 10 dargestellt, ist die variable Drossel 130c in dem Kühlkreis 100 zwischen dem Innenwärmetauscher 160 und dem Verdampfapparat 140 angeordnet. Ferner ist die bewegbare Drossel 130c so eingestellt, dass sie die Öffnung 137 öffnet, wenn eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruckkammer (hochdruckseitiger Kältemitteldruck) und der Niederdruckkammer (niederdruckseitiger Kältemitteldruck) größer als ein vorbestimmter Wert wird. Die variable Drossel 130c wird so bewegt, dass die Öffnungsfläche der mit der Hochdruckkammer in Verbindung stehenden Öffnung 137 mit größer werdender Druckdifferenz größer wird.
Die variable Drossel 130c kann so konstruiert sein, dass sie die Öffnung 137 schließt, wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels vor seiner Dekompression niedriger als der kritische Druck des Kältemittels ist. Diese Eigenschaft kann durch Einstellen der Federkraft der Schraubenfeder 135 und einer Druckempfangsfläche des bewegbaren Ventils 134c eingestellt werden. Alternativ kann die variable Drossel 130c so konstruiert sein, dass sie die variable Öffnung 137 schließt, wenn der Druck des Hochdruck-Kältemittels niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
Im vierten Ausführungsbeispiel ist die feste Drossel 136c außerhalb des Gehäuses 131c vorgesehen. Zum Beispiel kann die feste Drossel 136c so eingestellt sein, dass sie im Allgemeinen offen ist, um so das Kältemittel immer zu dekomprimieren. Die feste Drossel 136c kann jedoch auch in dem Gehäuse 131c oder dem bewegbaren Ventil 134c vorgesehen sein. Wenn die feste Drossel 136c mit der bewegbaren Drossel 130c kombiniert ist, kann der Strömungswiderstand der festen Drossel 136c derart eingestellt sein, dass das Kältemittel durch die feste Drossel 136c als ein kleinster Öffnungsgrad der kombinierten bewegbaren Drossel 130c dekomprimiert werden kann.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sein werden.
In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel kann der Innenwärmetauscher 160 ähnlich dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Alternativ kann der Innenwärmetauscher 160 im Kühlkreis 100 des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels weggelassen sein.
In den oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen ist die Druckdifferenz ΔP zum Öffnen des Ventilkörperabschnitts 134 auf 3,6 MPa eingestellt, wenn der Druck des Niederdruck-Kältemittels auf 3,8 MPa (Kältemitteltemperatur 3°C) eingestellt ist. Jedoch kann die Druckdifferenz ΔP in der Dekompressionsvorrichtung 130 auch auf einen Wert gleich oder größer als ein Unterschied zwischen dem kritischen Druck des Kältemittels und dem Druck des Niederdruck-Kältemittels eingestellt werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Kohlendioxid als Kältemittel verwendet. Jedoch kann irgendeine Art eines Kältemittels, das in dem kritischen Bereich verwendbar ist, wie beispielsweise Ethylen, Ethan, Stickoxid, verwendet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Dekompressionsvorrichtung 130 für einen Kühlkreis ohne den Speicher 150 verwendet werden und kann auch für einen Kühlkreis für eine andere Nutzung verwendet werden.
Solche Änderungen und Modifikationen liegen selbstverständlich im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Dekompressionsvorrichtung (130) für einen Kühlkreis (100), der einen Kompressor (110), der ein Kältemittel auf einen Druck höher als der kritische Druck des Kältemittels komprimieren kann, einen Kältemittelkühler (120) zum Kühlen des Kältemittels aus dem Kompressor (110), und einen Verdampfapparat (140) zum Verdampfen des Kältemittels enthält, wobei die Dekompressionsvorrichtung (130) zwischen dem Kältemittelkühler (120) und dem Verdampfapparat (140) angeordnet ist, mit einem Ventilkörperabschnitt (134), der entsprechend einer Druckdifferenz (ΔP) zwischen einer mit dem Kältemittelkühler (120) verbundenen stromaufwärtigen Seite des Ventilkörperabschnitts (134) und einer mit dem Verdampfapparat (140) verbundenen stromabwärtigen Seite des Ventilkörperabschnitts (134) geöffnet wird; und einem festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b), durch den die stromaufwärtige Seite immer mit der stromabwärtigen Seite in Verbindung steht, um einen vorbestimmten Strömungswiderstand zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite zu erzeugen, wobei der Ventilkörperabschnitt (134) in einem geschlossenen Zustand gehalten wird und das Kältemittel aus dem Kühler (120) durch den festen Drosselabschnitt (136, 136a, 136b) dekomprimiert wird, wenn der Druck des Kältemittels aus dem Kühler (120) niedriger als der kritische Druck ist.
Dekompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Ventilkörperabschnitt (134) geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz (ΔP) größer als ein vorbestimmter Wert ist, wobei der Druck des Kältemittels aus dem Kühler (120) höher als der kritische Druck ist.
Dekompressionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter mit einem Gehäuse (131) mit einem an der stromaufwärtigen Seite vorgesehenen Einlassabschnitt (132) und einem an der stromabwärtigen Seite vorgesehenen Aus lassabschnitt (133), wobei der Ventilkörperabschnitt (134) in dem Gehäuse (131) zum Öffnen und Schließen des Einlassabschnitts (132) angeordnet ist.
Dekompressionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der feste Drosselabschnitt eine in dem Ventilkörperabschnitt (134) so vorgesehene Öffnung (136) ist, dass sie direkt mit dem Einlassabschnitt (132) in Verbindung steht.
Dekompressionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der feste Drosselabschnitt eine in dem Gehäuse (131) an einer von dem Einlassabschnitt (132) verschiedenen Position vorgesehene Öffnung (136a) ist.
Dekompressionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der feste Drosselabschnitt (136b) außerhalb des Gehäuses (131) vorgesehen ist.
Dekompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Kältemittel an einem Auslassabschnitt des Kühlers (120) eine Trockenheit gleich oder niedriger als 0,25 besitzt, wenn der Kühlkreis arbeitet.
Dekompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Kühlkreis (100) einen Innenwärmetauscher (160) enthält, in dem das Kältemittel von dem Kühler (120) zur Dekompressionsvorrichtung (130) mit dem Kältemittel vom Verdampfapparat (140) zum Kompressor (110) in Wärmeaustausch steht.
Dekompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Ventilkörperabschnitt (134) geöffnet wird, wenn die Druckdifferenz (ΔP) gleich oder größer als 3,6 MPa ist, wenn Kohlendioxid als das Kältemittel verwendet wird.
Dekompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der feste Drosselabschnitt eine Öffnung (136, 136a, 136b) mit einem Öffnungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 0,7 mm ist und die Öffnung (136, 136a, 136b) zum Erzeugen des Strömungswiderstandes eingestellt ist.
Dekompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche ist bis 10, bei welcher der Kühlkreis (100) einen Speicher (150) zwischen dem Verdampfapparat (140) und dem Kompressor (110) enthält.