DE102006057584A1 - Überkritischer Kühlkreis - Google Patents

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Abstract

Ein überkritischer Kühlkreis enthält einen Kompressor (1), einen Kühler (2) zum Kühlen eines vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels, eine Dekompressionseinheit (4) zum Dekomprimieren des Kältemittels auf einer Auslassseite des Kühlers (2) und einen Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des durch die Dekompressionseinheit (4) dekomprimierten Niederdruckkältemittels. Das durch den Verdampfapparat (5) geströmte Kältemittel wird in den Kompressor (1) gesaugt, und der Kompressor ist aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet, dessen Ausgabevolumen konstant ist. Weiter enthält der überkritische Kühlkreis eine Temperaturerfassungseinheit (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels sowie eine Steuereinheit (10), in welche ein Messsignal der Temperaturerfassungseinrichtung (11) eingegeben wird. Die Steuereinrichtung (10) steuert das elektrische Expansionsventil (4) derart, dass der Öffnungsgrad des Ventils größer wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen überkritischen Kühlkreis, in dem ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels ist. Der überkritische Kühlkreis ist zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet.
  • In einem überkritischen Kühlkreis, wie er im Patentdokument 1 offenbart ist, wird ein Öffnungsgrad eines als Dekompressionseinrichtung dienenden Druckregelventils so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite zu einem Soll-Hochdruck wird, und ein Überdruckventil ist parallel zum Druckregelventil geschaltet. Wenn der Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ansteigt, wird das Überdruckventil geöffnet, um einen übermäßigen Anstieg des hochdruckseitigen Kältemitteldrucks zu verhindern.
  • Das Patentdokument 2 offenbart einen überkritischen Kühlkreis, der einen Verstellkompressor einsetzt, um die Kapazität des Kreises zu steuern (die Strömungsrate des Kältemittels zu steuern).
  • Das in dem überkritischen Kühlkreis verwendete typische Kältemittel ist Kohlendioxid CO2. Dieses Kohlendioxid-Kältemittel kann ein Problem einer Ozonverarmung durch ein Lösemittel auf Flon-Basis (R134a oder dergleichen) lösen. Der überkritische Kühlkreis mit dem CO2-Kältemittel kann jedoch einen niedrigen theoretischen Wirkungsgrad aufgrund der Unterschiede in den Eigenschaften zwischen diesen Kältemitteln im Vergleich zum normalen Kühlkreis mit dem Kältemittel auf Flon-Basis haben.
  • Um den Wirkungsgrad zu verbessern, war es bekannt, dass ein Innenwärmetauscher vorgesehen wird, um Wärme zwischen einem in einen Kompressor gesaugten niederdruckseitigen Kältemittel und einem hochdruckseitigem Kältemittel am Auslass eines Kühlers auszutauschen, wodurch eine Enthalpiedifferenz des Kältemittels zwischen einem Einlass und einem Auslass eines Verdampfapparats erhöht wird (siehe zum Beispiel das Patentdokument 3).
    • Patentdokument 1: JP-A-11-248272
    • Patentdokument 2: JP-A-8-110104
    • Patentdokument 3: JP-A-2003-74996
  • Wenn jedoch der Innenwärmetauscher im überkritischen Kühlkreis vorgesehen ist, wird das in den Kompressor gesaugte Kältemittel durch das Kältemittel am Auslass des Kühlers geheizt, um einen gewissen Überhitzungsgrad zu haben, wodurch ein Problem bewirkt wird, dass die Temperatur des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels übermäßig ansteigen kann.
  • Keines der Patentdokumente 1 bis 3 beschreibt Maßnahmen zum Verhindern des ungewöhnlich starken Temperaturanstiegs des ausgegebenen Kältemittels. Aber im überkritischen Kühlkreis mit dem Verstellkompressor, wie er im Patentdokument 2 beschrieben wird, wird folgendes in Betracht gezogen. D.h. wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels des Kompressors eine Grenztemperatur des Kompressors übersteigt, wird ein Temperaturanstieg bestimmt, um dadurch die Kapazität des Verstellkompressors zwangsweise zu verringern. Dies senkt den hochdruckseitigen Kältemitteldruck, um die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels des Kompressors zu verringern.
  • Im überkritischen Kühlkreis mit dem CO2-Kältemittel muss der Kreis, weil der hochdruckseitige Kältemitteldruck dazu neigt, etwa 8 mal höher als jener im normalen Kühlkreis mit dem Kältemittel auf Flon-Basis zu sein, als eine hochdruckfeste Konstruktion ausgebildet sein, die ein dickwandiges Element als Kompressor verwendet. Dies kann einen Anstieg in Größe und Gewicht eines Körpers des Kompressors nicht vermeiden.
  • Außerdem führt die Verwendung des Verstellkompressors zu einem weiteren Anstieg in Größe sowie Gewicht des Kompressorkörpers durch Hinzufügen eines Verstellmechanismus. Als Ergebnis macht es ein Fahrzeug, dessen Bauraum stark ein geschränkt ist, wie beispielsweise ein leichter Wagen oder ein Kompaktauto, schwierig, eine Montierbarkeit des Kompressors zu gewährleisten.
    •
  • In Anbetracht der oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine überkritischen Kühlkreis vorzusehen, der einen ungewöhnlich starken Anstieg der Temperatur des von einem Kompressor ausgegebenen Kältemittels und des Drucks des hochdruckseitigen Kältemittels in einer geeigneten Weise ohne Verwenden eines Verstellkompressors verhindern kann.
  • Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in einem überkritischen Kühlkreis, in dem ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, ein Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet, dessen Ausgabevolumen konstant ist, und eine Dekompressionseinrichtung (4) ist aus einem elektrischen Expansionsventil (4) gebildet, dessen Öffnungsgrad elektrisch steuerbar ist. Ferner enthält der überkritische Kühlkreis einen Bypasskanal (9) zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem hochdruckseitigen Kältemittelkanal von einer Ausgabeseite des Kompressors (1) zu einer Einlassseite des elektrischen Expansionsventils (4) mit einem niederdruckseitigem Kältemittelkanal von einer Auslassseite des elektrischen Expansionsventils (4) zu einer Ansaugseite des Kompressors (1); ein im Bypasskanal (9) vorgesehenes mechanisches, auf Druck reagierendes Ventil (9a), das geöffnet wird, wenn der Druck des hochdruckseitigen Kältemittelkanals gleich oder höher als ein vorbestimmter Druck ansteigt; eine Temperaturerfassungseinrichtung (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10), in welche ein Messsignal der Temperaturerfassungseinrichtung (11) eingegeben wird, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um das elektrische Expansionsventil (4) zu steuern. Außerdem steuert die Steuereinrichtung (10) das elektrische Expansionsventil (4) derart, dass der Öffnungsgrad des Ventils größer wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt. Demgemäß kann sie einen ungewöhnlich starken Anstieg der Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels durch die Steuerung des Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils (4) verhindern.
  • Der hochdruckseitige Kältemitteldruck variiert schneller als eine Schwankung der Kältemitteltemperatur bezüglich Änderungen in den Kreisbetriebsbedingungen. Das auf Druck reagierende Ventil (9a) reagiert jedoch direkt auf eine Änderung im Druck, um Öffnungs- und Schließvorgänge durchzuführen, sodass die Reaktion der Öffnungs- und Schließvorgänge auf die Änderung im Druck des hochdruckseitigen Kältemittels im Vergleich zum Fall des Verwendens eines elektrischen Drucksensors hoch ist. Daher führt das auf Druck reagierende Ventil (9a) den Öffnungsvorgang sehr schnell als Reaktion auf den ungewöhnlich starken Anstieg im Druck des hochdruckseitigen Kältemittels durch, wodurch ein ungewöhnlich starker Anstieg im Druck des hochdruckseitigen Kältemittels vermieden wird. Deshalb kann, selbst wenn der Kompressor mit fester Verdrängung (1) als Kompressor des überkritischen Kühlreises benutzt wird, die Steuerung des Kreisschutzes in geeigneter Weise durchgeführt werden.
  • Die Benutzung des Kompressors mit fester Verdrängung (1) kann eine Reduzierung in Größe und Gewicht des Kompressorkörpers erzielen, wodurch eine Montierbarkeit des Kompressors (1) am Fahrzeug oder dergleichen einfach sichergestellt werden kann.
  • Insbesondere kann im obigen ersten Beispiel das auf Druck reagierende Ventil (9a) parallel zum elektrischen Expansionsventil (4) geschaltet sein.
  • Gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in einem überkritischen Kühlkreis, in dem ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, ein Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) aufgebaut, dessen Ausgabevolumen konstant ist, und eine Dekompressionseinrichtung (4) ist aus einem elektrischen Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) ausgebildet, das einen Drosselkanal (43) zum Dekomprimieren und Ausdehnen des hochdruckseitigen Kältemittels, einen Ventilkörper (44) zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Drosselkanals (43) und eine elektromagnetische Spule (44) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Anziehungskraft und zum linearen Verschieben einer Position des Ventilkörpers (44) enthält. Ferner wirkt eine Kraft entsprechend einem Differenzdruck zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittel auf einer stromaufwärtigen Seite des Drosselkanals (43) und einem niederdruckseitigen Kältemittel auf einer stromabwärtigen Seite des Drosselkanals (43) auf den Ventilkörper (44) als eine Kraft in einer Öffnungsrichtung des Ventils. Der überkritische Kühlkreis enthält ferner eine Temperaturerfassungseinrichtung (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10), in welche ein Messsignal der Temperaturerfassungseinrichtung (11) eingegeben wird. Außerdem steuert die Steuereinrichtung (10) das elektrische Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) derart, dass der Öffnungsgrad des Ventils vergrößert wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels des Kompressors gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt.
  • Gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung kann das elektrische Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) selbst auch als das auf Druck reagierende Ventil (9a) des ersten Beispiels dienen.
  • Mit anderen Worten wird im elektrischen Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) des zweiten Beispiels der Ventilkörper (44) einer Kraft entsprechend dem Differenzdruck zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittel stromauf des Drosselkanals (43) und dem niederdruckseitigen Kältemittel stromab des Drosselkanals (43) als der Kraft in der Öffnungsrichtung des Ventils unterzogen. Daher wird, wenn der hochdruckseitige Kältemitteldruck größer wird, die obige Kraft entsprechend dem Differenzdruck größer, um den Ventilkörper (44) in der Ventilöffnungsrichtung verschieben zu lassen. Die Verschiebung des Ventilkörpers (44) in der Ventilöffnungsrichtung wird direkt als Reaktion auf den Druckanstieg des hochdruckseitigen Kältemittels schnell ausgeführt. Daher wird der Öffnungsgrad des Drosselkanals (43) mit dem Druckanstieg des hochdruckseitigen Kältemittels schnell vergrößert, wodurch ein ungewöhnlich starker Druckanstieg des hochdruckseitigen Kältemittels vermieden wird.
  • Gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung können die gleiche Wirkung und der gleiche Effekt wie beim ersten Beispiel ohne die Notwendigkeit des auf Druck reagierenden Ventils (9a) und des Bypasskanals (9) des ersten Beispiels gezeigt werden.
  • Im zweiten Beispiel kann der Ventilkörper (44) stromab des Drosselkanals (43) angeordnet sein, sodass ein dynamischer Druck eines durch den Drosselkanal (43) strömenden Kältemittelstroms auf den Ventilkörper (44) als die Kraft entsprechend dem Differenzdruck wirkt. Alternativ kann die elektromagnetische Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule (44) größer werden, um den Ventilkörper (44) in einer Schließrichtung des Ventils verschieben zu lassen.
  • Mit dieser Anordnung wird zum Beispiel, selbst wenn eine Störung einer Erregerschaltung der elektromagnetischen Spule (44) aufgrund einer Trennung von Drähten auftritt, der Ventilkörper (44) durch die Eliminierung einer elektromagnetischen Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule (44) in der Ventilöffnungsrichtung verschoben, wodurch ein Ventilöffnungszustand des elektrischen Expansionsventils (4) sichergestellt wird. Daher kann, wenn die Störung durch die Trennung von Drähten oder dergleichen auftritt, das Problem des Auftretens eines ungewöhnlich hohen Drucks oder dergleichen, was durch das geschlossene elektrische Expansionsventil (4) verursacht werden könnte, vermieden werden.
  • Ferner kann die Steuereinrichtung (10), wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels bis auf die vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt, den Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils (4) um einen kleinen Öffnungsgrad erhöhen, bis die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels des Kompressors (1) um ein bestimmtes Temperaturmaß sinkt. Daher wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) so gesteuert, dass er nach und nach etwas größer wird, um ein Nachlaufphänomen zu vermeiden, bei dem die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels stark schwankt.
  • Zum Beispiel hat das elektrische Expansionsventil (4) im normalen Betrieb, in dem die Temperatur des ausgegeben Kältemittels nicht bis zu einer vorbestimmten hohen Temperatur ansteigt, seinen Öffnungsgrad so gesteuert, dass der aktuelle hochdruckseitige Kältemitteldruck zum Soll-Hochdruck wird, der basierend auf der Temperatur des Kältemittels am Auslass eines Kühlers (2) bestimmt wird.
  • Gemäß einem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein überkritischer Kühlkreis einen Kompressor (1) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels; einen Kühler (2) zum Kühlen des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; eine Dekompressionseinrichtung (4) zum Dekomprimieren des Kältemittels auf einer Auslassseite des Kühlers (2); und einen Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des durch die Dekompressionseinrichtung (4) dekomprimierten Niederdruckkältemittels. Hierbei wird das durch den Verdampfapparat (5) gelangte Kältemittel in den Kompressor (1) gesaugt, und ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression ist gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels. Weiter ist der Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet, dessen Ausgabevolumen konstant ist. Außerdem enthält der überkritische Kühlkreis eine Temperaturerfassungseinrichtung (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10), in die ein Messsignal der Temperaturerfassungseinrichtung (11) eingegeben wird. Die Steuereinrichtung (10) steuert das elektrische Expansionsventil (4) derart, dass der Öffnungsgrad des Ventils größer wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt. Demgemäß kann sie in geeigneter Weise einen ungewöhnlich starken Anstieg der Temperatur des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels und des Drucks des hochdruckseitigen Kältemittels verhindern.
    •
  • (Kurzbeschreibung der Zeichnungen)
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises für ein Fahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm einer Funktionssteuerung des Kühlkreises gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine Schnittansicht eines elektrischen Expansionsventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus eines Kühlkreises für ein Fahrzeug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Nachfolgend werden nun bevorzugt Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • 1 ist eine Darstellung des Aufbaus eines Kühlkreises für eine Fahrzeug-Klimaanlage gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kühlkreis verwendet Kohlendioxid CO2 als Kältemittel, dessen Hochdruck gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels in einem überkritischen Zustand ist. Daher bildet der Kühlkreis einen überkritischen Kühlkreis.
  • Ein Kompressor 1 ist vorgesehen, um das Kältemittel durch eine über einen Riemen und eine Riemenscheibe von einem Fahrzeugmotor (nicht dargestellt) übertragene Antriebskraft anzusaugen und zu komprimieren. Die Übertragung der Antriebskraft auf den Kompressor 1 findet durch eine als Kupplungseinrichtung dienende elektromagnetische Kupplung 1a intermittierend statt.
  • Der Kompressor 1 ist ein Kompressor mit fester Verdrängung, bei dem das Ausgabevolumen (geometrisches Volumen) des Kältemittels immer konstant ist. So wird die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 1 (die Strömungsrate des im Kreis zirkulierenden Kältemittels) durch Einstellen der Betriebsrate eines intermittierenden Betriebs des Kompressors 1, der durch den intermittierenden Betrieb der elektromagnetischen Kupplung 1a bewirkt wird, eingestellt.
  • Ein Kühler 2 ist auf einer Ausgabeseite des Kompressors 1 vorgesehen. Der Kühler 2 tauscht Wärme zwischen dem vom Kompressor 1 ausgegebenen Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel im überkritischen Zustand und der Außenluft (d.h. Luft außerhalb eines Raums) aus, um das Kältemittel zu kühlen. Die Außenluft wird durch einen elektrischen Kühllüfter 2a zum Kühler 2 geblasen.
  • Ein hochdruckseitiger Strömungspfad 3a eines Innenwärmetauschers 3 ist auf einer Kältemittelauslassseite des Kühlers 2 vorgesehen, und ein als Dekompressionseinrichtung dienendes elektrisches Expansionsventil 4 ist an einer Kältemittelauslassseite des hochdruckseitigen Strömungspfades 3a vorgesehen. Das elektrische Expansionsventil 4 dient als Druckregelventil, dessen Öffnungsgrad elektrisch so ge steuert wird, dass ein hochdruckseitiger Druck des Kreises zu einem Soll-Hochdruck in einem normalen Kreisbetrieb wird. Das elektrische Expansionsventil 4 dient auch als ein Regelventil zum Drücken der Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels, wenn die Temperatur des vom Kompressor 1 ausgegebenen Kältemittels ungewöhnlich stark ansteigen kann, wie später erläutert.
  • Insbesondere ist das elektrische Expansionsventil 4 aus einem elektrischen Stellantriebsmechanismus, wie beispielsweise einem Schrittmotor, und einem durch den elektrischen Stellantriebsmechanismus angetriebenen Ventilmechanismus aufgebaut. Ein Öffnungsgrad des Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils 4 kann mittels eines Betriebswinkels des elektrischen Stellantriebsmechanismus in kleinen Schritten genau eingestellt werden.
  • Ein Verdampfapparat 5 ist auf einer Kältemittelauslassseite des elektrischen Expansionsventils 4 vorgesehen. Der Verdampfapparat 5 ist in einem Gehäuse 6 angeordnet, das einen Luftkanal einer Innenklimaeinheit einer Klimaanlage für ein Fahrzeug bildet, und dient als Kühleinrichtung zum Kühlen von Luft im Gehäuse 6. Ein elektrisches Gebläse 7 ist luftstromauf des Verdampfapparats 5 angeordnet, und durch einen Innenluft/Außenluft-Wechselkasten (nicht dargestellt) eingeleitete Innenluft und Außenluft werden in das Gehäuse 6 geblasen, um so durch den Verdampfapparat 5 gekühlt zu werden.
  • Ein als Heizeinrichtung dienender Heizkern (nicht dargestellt) zum Heizen der Luft aus dem Verdampfapparat 5 ist luftstromab des Verdampfapparats 5 im Gehäuse 6 angeordnet. Die klimatisierte Luft, deren Temperatur durch den Heizgrad des Heizkerns eingestellt wird, wird von einer Luftauslassöffnung (nicht dargestellt) am Ende der luftstromabwärtigen Seite des Gehäuses 6 in den Fahrzeugraum geblasen.
  • Ein Speicher 8 ist auf einer Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 5 vorgesehen. Der Speicher 8 ist eine Dampf/Flüssigkeit-Trenneinrichtung zum Trennen des Kältemittels am Auslass des Verdampfapparats 5 in flüssiges Kältemittel (gesättigtes Flüssigphasenkältemittel) und gasförmiges Kältemittel (gesättigtes Dampfphasenkältemittel), um überschüssiges Kältemittel im Kreis zu speichern. Das im Speicher 8 getrennte gasförmige Kältemittel wird zu einer Ansaugseite des Kompressors 1 ausgeleitet.
  • Ein niederdruckseitiger Strömungspfad 3b des Innenwärmetauschers 3 ist auf der Kältemittelauslassseite des Speichers 8 vorgesehen. So ist eine Rohrleitung am Auslass des Speichers 8 über den niederdruckseitigen Strömungspfad 3b mit der Ansaugseite des Kompressors 1 verbunden.
  • Der Innenwärmetauscher 3 tauscht Wärme zwischen dem aus dem Speicher 8 strömenden Kältemittel (d.h. dem in den Kompressor 1 zu saugenden Kältemittel) und dem Hochdruckkältemittel auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2 aus. Und der Innenwärmetauscher 3 vermindert die Enthalpie des in den Verdampfapparat 5 strömenden Kältemittels, um so eine Enthalpiedifferenz des Kältemittels zwischen Kältemitteleinlass und -auslass des Verdampfapparats 5 (Kühlkapazität) zu vergrößern, während ein Ansaugen des flüssigen Kältemittels in den Kompressor 1 verhindert wird.
  • Ein Bypasskanal 9 ist parallel zum elektrischen Expansionsventil 4 geschaltet. Der Bypasskanal 9 stellt eine direkte Verbindung zwischen einem hochdruckseitigen Kältemittelkanal und einem niederdruckseitigen Kältemittelkanal her. Der hochdruckseitige Kältemittelkanal ist ein Kanal, der von der Ausgabeseite des Kompressors 1 zur Kältemitteleinlassseite des elektrischen Expansionsventils 4 verläuft. Der niederdruckseitige Kältemittelkanal ist ein Kanal, der von der Kältemittelauslassseite des elektrischen Expansionsventils 4 zur Kältemittelansaugseite des Kompressors 1 verläuft.
  • Ein mechanisches, auf Druck reagierendes Ventil 9a ist im Bypasskanal 9 angeordnet. Durch das auf Druck reagierende Ventil 9a wird der Bypasskanal 9 geöffnet und geschlossen.
  • Das auf Druck reagierende Ventil 9a ist ein normalerweise geschlossener Ventilmechanismus (Überdruckventil), der zu normalen Zeiten im Ventilschließzustand gehalten wird. Wenn der einlassseitige Druck des elektrischen Expansionsventils 4, d.h. der hochdruckseitige Kältemitteldruck, ungewöhnlich stark gleich oder über einen vorbestimmten Wert, der zum Schutz des Kreises eingestellt ist, ansteigt, wird das auf Druck reagierende Ventil 9a geöffnet, um den Druckanstieg des hochdruckseitigen Kältemittels zu verhindern. Deshalb ist die Durchgangsfläche des auf Druck reagierenden Ventils 9a in der Ventilöffnung ausreichend größer als jene des elektrischen Expansionsventils 4.
  • Das auf Druck reagierende Ventil 9a ist ein Ein/Aus-Ventil mit einem rein mechanischen, auf Druck reagierenden Mechanismus, der als Reaktion auf den hochdruckseitigen Kältemitteldruck betrieben wird. Insbesondere kann das auf Druck reagierende Ventil 9a aus einem druckempfindlichen Element, wie beispielsweise einer Federplatte, die als Reaktion auf den hochdruckseitigen Kältemitteldruck verschoben werden kann, einer Federeinrichtung wie beispielsweise einer Schraubenfeder zum Ausüben einer Federlast in der Richtung entgegen dem hochdruckseitigen Kältemitteldruck auf das druckempfindliche Element und einem Ventilmechanismus, der mit dem druckempfindlichen Element verbunden ist und entsprechend der Verschiebung des druckempfindlichen Elements verschoben werden kann, zusammengesetzt sein.
  • Als nächstes wird der Aufbau einer elektrischen Steuerung im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine Klimasteuereinheit 10 ist eine Steuereinrichtung, die aus einem Mikrocomputer, seiner Peripherieschaltung und dergleichen aufgebaut ist. Die Klimasteuereinheit 10 führt eine vorbestimmte Berechnung entsprechend einem voreingestellten Programm durch, um dadurch eine Funktionsweise der Klimaanlage zu steuern.
  • Insbesondere sind mit der Ausgabeseite der Klimasteuereinheit 10 die Klimaelemente einschließlich der elektromagnetischen Kupplung 1a des Kompressors 1, des Kühllüfters 2a des Kühlers 2, des elektrischen Expansionsventils 4 und des elektrischen Gebläses 7 verbunden. Die Klimasteuereinheit 10 steuert die Funktionsweisen dieser Klimaelemente.
  • Mit der Eingangsseite der Klimasteuereinheit 10 sind ein Ausgabekältemitteltemperatursensor 11 des Kompressors 1, ein Kältemitteltemperatursensor 12 auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2, ein Kältemitteldrucksensor 13 auf der Kälte mittelauslassseite des Kühlers 2, ein Blaslufttemperatursensor 14 des Verdampfapparats 5 und dergleichen verbunden.
  • Messsignale werden der Klimasteuereinheit 10 von einer Gruppe von Sensoren 50 mit einem Außenlufttemperatursensor, einem Innenlufttemperatursensor, einem Sonnenstrahlungssensor und dergleichen, die wohlbekannt sind, eingegeben. Diese verschiedenen Sensoren 11 bis 15 bilden verschiedene Messeinrichtungen dieses Ausführungsbeispiels. Ebenso werden verschiedene Klimabetriebssignale der Klimasteuereinheiten 10 von einem Bedienelement einer Klimabedientafel 16, die nahe eines Armaturenbretts (Instrumententafel) im Fahrzeugraum angeordnet ist, eingegeben.
  • Insbesondere werden von der Klimabedientafel 6 Klimabetriebssignale eingegeben, einschließlich eines Einstelltemperatursignals des Fahrzeugraums durch einen Temperatureinstellschalter, eines Kompressorbetriebsbefehlssignals durch einen Klimaanlagenschalter, eines Luftvolumenschaltsignals des elektrischen Gebläses 7 durch einen Luftvolumenauswahlschalter, eines Ausblasmodusschaltsignals einer Innenklimaeinheit durch einen Ausblasmodusauswahlschalter, eines Innenluft/Außenluft-Einleitungsmodusschaltsignals eines Innenluft/Außenluft-Wechselkastens durch einen Innenluft/Außenluft-Auswahlschalter oder dergleichen.
  • Ferner ist die Klimasteuereinheit 10 elektrisch mit einer Motorsteuereinheit 17 verbunden und zum Kommunizieren elektrischer Signale mit der Motorsteuereinheit 17 ausgebildet. Messsignale auf der Fahrzeugseite, die die Drehzahl des Motors, eine Motorwassertemperatur, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen angeben, werden von der Motorsteuereinheit 17 der Klimasteuereinheit 10 eingegeben.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels mit dem obigen Aufbau beschrieben. Zuerst wird eine Grundfunktion des Kühlkreises beschrieben. Wenn ein Klimaanlagenschalter der Klimabedientafel 16 eingeschaltet wird, wird die elektromagnetische Kupplung 1a durch die Klimasteuereinheit 10 in einen Verbindungszustand erregt. Daher wird eine Antriebskraft des Fahrzeugmotors über die elektromagnetische Kupplung 1a auf den Kompressor 1 übertragen, um den Kompressor 1 anzutreiben. Das durch den Kompressor 1 komprimierte Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel strömt in den Kühler 2 in einem überkritischen Zustand, wobei der Druck des Kältemittels höher als der kritische Druck ist. Das Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel im überkritischen Zustand tauscht Wärme mit der durch den Kühllüfter 2a geblasenen Außenluft aus, um seine Wärme in die Außenluft abzustrahlen, was in einem Enthalpieabfall des Kältemittels resultiert.
  • Das Kältemittel vom Kältemittelauslass des Kühlers 2 gelangt durch den hochdruckseitigen Strömungspfad 3a des Innenwärmetauschers 3, um zum Expansionsventil 4 geleitet zu werden. Während dieser Zeit tauscht das Kältemittel aus dem Kältemittelauslass des Kühlers 2 Wärme mit dem Niedertemperatur- und Niederdruckkältemittel des niederdruckseitigen Strömungspfades 3b aus, um Wärme auf die Niederdruckkältemittelseite abzustrahlen, wenn es durch den hochdruckseitigen Strömungspfad 3a des Innenwärmetauschers 3 gelangt.
  • Das Kältemittel nach Durchströmen des hochdruckseitigen Strömungspfades 3a des Innenwärmetauschers 3 und weiter Abstrahlen der Wärme wird dann durch einen Drosselkanal des Expansionsventils 4 dekomprimiert, um in einen Niedertemperatur/Niederdruck-Dampf/Füssigkeit-Zweiphasenzustand gebracht zu werden. Das Niedertemperatur/Niederdruck-Dampf/Füssigkeit-Zweiphasenkältemittel strömt dann in den Verdampfapparat 5, um die Wärme von der geblasenen Luft des elektrischen Gebläses 7 zu absorbieren und verdampft zu werden. Dies kann die geblasene Luft des elektrischen Gebläses 7 durch den Verdampfapparat 5 kühlen, wodurch die gekühlte Luft in den Fahrzeugraum geblasen wird.
  • Das Niederdruckkältemittel nach Durchströmen des Verdampfapparats 5 strömt in den Speicher 8 und wird in flüssiges Niederdruckkältemittel und gasförmiges Kältemittel geteilt. Das flüssige Kältemittel wird an der Unterseite des Speichers 8 gespeichert, wohingegen das gasförmige Kältemittel im oberen Bereich des Speichers 8 gesammelt wird, um von einem Auslass im oberen Teil des Speichers 8 zur Ansaugseite des Kompressors 1 geleitet zu werden.
  • Da das gasförmige Niederdruckkältemittel (d.h. das durch den Kompressor anzusaugende Kältemittel) aus dem Auslass des Speichers 8 Wärme von dem Kältemittel aus dem Kältemittelauslass des Kühlers 2 im niederdruckseitigen Strömungspfad 3b des Innenwärmetauschers 3 absorbiert, wird das Kältemittel aus dem Kältemittelauslass des Kühlers 2 gekühlt, was in einem Enthalpieabfall des Kältemittels resultiert. Das überhitzte gasförmige Kältemittel, das Wärme am Innenwärmetauscher 3 absorbiert, wird in den Kompressor 1 angesaugt und durch ihn wieder komprimiert.
  • Als nächstes wird die automatische Steuerung des Kühlkreises basierend auf dem Messsignal eines Kühlzustands an jeder Komponente des Kreises unter Bezug auf 2 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm einer durch die Klimasteuereinheit 10 auszuführenden Steuerroutine. Diese Steuerroutine wird durch Aktivierung des Kühlkreises (d.h. des Kompressors 1) gestartet.
  • Zuerst wird bestimmt, ob eine durch den Temperatursensor 11 erfasste Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td gleich oder höher als eine voreingestellte, vorbestimmte hohe Temperatur T0 ist (Schritt S10). Die vorbestimmte hohe Temperatur T0 ist eine Grenztemperatur, die unter Berücksichtigung der Wärmebeständigkeitstemperatur des Kompressors 1, der Wärmebeständigkeitstemperatur eines Gummischlauchs einer ausgabeseitigen Rohrleitung des Kompressors 1 und dergleichen eingestellt ist und zum Beispiel 150 Grad beträgt.
  • Im normalen Betrieb ist die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td niedriger als die vorbestimmte hohe Temperatur T0. Daher ist die Bestimmung in Schritt S10 im normalen Betrieb „N", und daher wird der Hochdruck Pd durch Steuerung eines Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils 4 geregelt (Schritt S20).
  • Insbesondere beinhaltet die Steuerung des Hochdrucks Pd das Berechnen des Soll-Hochdrucks P0, der den Kreiswirkungsgrad maximal macht, mittels der Kältemitteltemperatur Tf auf der Kühlerauslassseite, die durch den Kältemitteltemperatursensor auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2 erfasst wird, und das Steuern des Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils 4 derart, dass der durch den Kältemitteldrucksensor 13 auf der Auslassseite des Kühlers 2 erfasste aktuelle hochdruckseitige Druck Pd zum Soll-Hochdruck P0 wird.
  • Mit anderen Worten wird, wenn der aktuelle hochdruckseitige Druck Pd gleich oder höher als der Soll-Hochdruck P0 ist, der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 4 erhöht. Wenn dagegen der aktuelle hochdruckseitige Druck Pd niedriger als der Soll-Hochdruck P0 ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 verkleinert.
  • Dann wird die Verdampfapparattemperatur durch eine intermittierende Steuerung des Betriebs des Kompressors 1 gesteuert (Schritt S30). Insbesondere beinhaltet die Steuerung der Verdampfapparattemperatur das Berechnen eine Soll-Temperatur TEO der durch den Verdampfapparat 5 geblasenen Luft mittels einer Soll-Temperatur TAO der in den Fahrzeugraum ausgeblasenen Luft, einer Außenlufttemperatur Tam und dergleichen sowie das intermittierende Steuern des Betriebs des Kompressors 1 derart, das eine durch den Temperatursensor erfasste aktuelle Verdampfapparatblastemperatur Te zur Soll-Verdampfapparattemperatur TEO wird.
  • Wenn die Verdampfapparatblastemperatur Te höher als die Soll-Verdampfapparattemperatur TEO wird, wird der Kompressor 1 betrieben. Wenn dagegen die Verdampfapparatblastemperatur Te niedriger als die Soll-Verdampfapparattemperatur TEO ist, wird der Kompressor 1 abgeschaltet. Eine solche intermittierende Steuerung des Kompressors 1 steuert eine relative Einschaltdauer des Kompressors 1, wodurch die Strömungsrate des in den Verdampfapparat 5 zirkulierenden Kältemittels eingestellt wird. Als Ergebnis wird die Kühlleistung des Verdampfapparats 5 so eingestellt, dass die Verdampfapparatblastemperatur Te so gesteuert werden kann, dass sie zur Soll-Verdampfapparattemperatur TEO wird. Die niedrigste Temperatur der Soll-Verdampfapparattemperatur TEO wird zu einer Temperatur (z.B. etwa 3 Grad) bestimmt, die etwas höher als 0 Grad ist, um so den Verdampfapparat 5 vor Frost zu schützen.
  • Wenn dagegen die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td gleich oder höher als die vorbestimmte Temperatur T0 ist, ist die Bestimmung in Schritt S10 „Y", sodass der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 4 um ein vorbestimmtes Maß vergrößert wird (Schritt S40). Insbesondere wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 4 im Vergleich zu jenem des Ventils vor der Bestimmung in Schritt S40 um das vorbestimmt Maß vergrößert. In diesem Aus führungsbeispiel wird ein Hub eines Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils um 0,01 mm erhöht, um den Öffnungsgrad des Ventilmechanismus um das vorbestimmte Maß zu vergrößern. Da der Gesamthub des Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils 4 2,0 mm beträgt, entspricht eine Erhöhung des Hubs um 0,01 mm einer Vergrößerung des Öffnungsgrades um 1/200.
  • Dann wird die Verdampfapparattemperatur durch die intermittierende Steuerung des Kompressors 1 gesteuert (Schritt S50). Die Steuerung der Verdampfapparattemperatur beinhaltet den gleichen Vorgang wie im obigen Schritt S30, und daher wird auf ihre spezielle Beschreibung verzichtet.
  • Danach wird bestimmt, ob eine verstrichene Zeit t nach Vergrößern des Öffnungsgrades des Expansionsventils 4 gleich oder größer als eine vorbestimmte Zeit t0 ist oder nicht (Schritt S60). Wenn die verstrichene Zeit t kürzer als die vorbestimmte Zeit t0 ist, wird der Betrieb beibehalten. Wenn die verstrichene Zeit t gleich oder größer als die vorbestimmte Zeit t0 ist, geht der Betrieb weiter zu Schritt S70. In diesem Schritt S70 wird bestimmt, ob die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td auf einen Wert (T0 – α) oder weniger, den man durch Subtrahieren einer vorbestimmten Temperatur α von der vorbestimmten hohen Temperatur T0 erhält, gesunken ist oder nicht.
  • Die vorbestimmte Zeit t0 ist eine Zeitdauer, die für die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td erforderlich ist, um nach der Vergrößerung des Öffnungsgrades des Expansionsventils 4 tatsächlich zu fallen. Ferner beträgt die vorbestimmte Temperatur α etwa 1 bis 3 Grad, um ein Nachlaufen des Öffnungs- und Schließvorgangs des elektrischen Expansionsventils 4 zu verhindern.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt S70 „N" ist, kehrt der Betrieb zu Schritt S40 zurück, und dann wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 4 um das vorbestimmte Maß vergrößert. Deshalb wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 4 um das vorbestimmte Maß vergrößert, bis die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td auf die Temperatur (T0 – α) oder weniger gefallen ist. Wenn die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td auf die Temperatur (T0 – α) oder weniger gefallen ist, kehrt der Betrieb zu Schritt S10 zurück, und so wird die Bestimmung in Schritt S10 zu „Y", sodass wieder die Steuervorgänge in den Schritten S20 und S30 im normalen Betrieb ausgeführt werden.
  • Wie oben erläutert, kann durch Steuern des Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils 4 die Kompressorausgabekältemitteltemperatur Td auf die vorbestimmte hohe Temperatur T0 oder weniger geregelt werden, und so kann ein Kompressor mit fester Verdrängung als Kompressor 1 benutzt werden. Der Kompressor mit fester Verdrängung 1 hat im Vergleich zu einem Verstellkompressor keinen Verstellmechanismus, wodurch eine Reduzierung in Größe und Gewicht eines Kompressorkörpers ermöglicht wird, sodass ein Bauraum des Kompressors an einem Fahrzeug verkleinert werden kann.
  • Ferner reagiert, wenn der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Kreises gleich oder höher als ein voreingestellter vorbestimmter Druck ansteigt, das auf Druck reagierende Ventil 9a schnell auf einen Anstieg im Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite, um so geöffnet zu werden. Dies lässt den Bypasskanal 9 direkt eine Verbindung zwischen dem einlassseitigen Kanal (hochdruckseitigen Kältemittelkanal) des elektrischen Expansionsventils 4 und dem auslassseitigen Kanal (niederdruckseitigen Kältemittelkanal) des elektrischen Expansionsventils 4 herstellen.
  • Da die Durchgangsfläche des auf Druck reagierenden Ventils 9a beim Öffnen des Ventils ausreichend größer als jene der Seite des elektrischen Expansionsventils 4 ist, wird der Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite durch Öffnen des auf Druck reagierenden Ventils 9a vermindert. Dies kann den anormalen Zustand eliminieren, in dem der hochdruckseitige Kältemitteldruck gleich oder höher als der voreingestellte vorbestimmte Druck ansteigt.
  • Da die Änderung im Kältemitteldruck anders als eine Änderung in der Kältemitteltemperatur nicht von einem Wärmeübergang begleitet wird, verändert sich der Kältemitteldruck im Vergleich zur Veränderung in der Kältemitteltemperatur drastisch. Daher ist, um den ungewöhnlich starken Anstieg im Kältemitteldruck sicher zu vermeiden, die schnelle Reaktion des Ventilmechanismus sehr wichtig.
  • Wenn der Anstieg im Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite durch einen Drucksensor elektrisch erfasst wird, um einen Ventilöffnungsvorgang des Ventilmechanismus elektrisch zu steuern, kann die Ansprechverzögerung des Drucksensors problematisch werden, sodass die schnelle Ansprechkennlinie des Ventilmechanismus verschlechtert wird. In diesem Ausführungsbeispiel reagiert jedoch das auf Druck reagierende Ventil 9a direkt auf die Veränderung im Kältemitteldruck, um den Ventilmechanismus durch das druckempfindliche Element, wie beispielsweise eine Federplatte oder dergleichen zu öffnen, wodurch die schnelle Ansprechkennlinie des Ventilmechanismus ausgezeichnet wird und der ungewöhnlich starke Anstieg im Kältemitteldruck sicher vermieden werden kann.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Im obigen ersten Ausführungsbeispiel wird als elektrisches Expansionsventils 4 ein elektrisches Expansionsventil eines Typs genutzt, das den Öffnungsgrad des Ventilmechanismus durch den elektrischen Stellantriebsmechanismus wie beispielsweise einen Schrittmotor in kleinen Schritten genau einstellt. Der Bypasskanal 9 ist parallel zu diesem elektrischen Expansionsventils 4 geschaltet, und das auf Druck reagierende Ventil 9a ist in diesem Bypasskanal 9 angeordnet. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird jedoch als elektrisches Expansionsventil 4 ein elektrisches Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps, das in 3 dargestellt ist, verwendet, und es hat ebenso selbst die gleiche Funktion wie jene des auf Druck reagierenden Ventils 9a.
  • Demgemäß kann auf den Bypasskanal 9 und das auf Druck reagierende Ventil 9a des ersten Ausführungsbeispiels im zweiten Ausführungsbeispiel verzichtet werden, wie in 4 dargestellt.
  • Ein elektrisches Expansionsventils des linearen Elektromagnettyps 4 des zweiten Ausführungsbeispiels wird nun speziell unter Bezug auf 3 beschrieben. Bezugsziffer 40 bezeichnet ein Gehäuse des Expansionsventils 4, welches insgesamt eine zylindrische Form besitzt. In dem Gehäuse 40 enthält eine Stirnseite der zylindrischen Form in der axialen Richtung (die obere Seite von 4) einen darin vorgesehenen Kältemitteldurchgang.
  • Insbesondere sind eine Hochdruckkältemittelkammer 41, die mit der Auslassseite des hochdruckseitigen Strömungspfades 3a des in 4 dargestellten Innenwärmetauschers 3 verbunden ist, eine Niederdruckkältemittelkammer 42, um das Niederdruckkältemittel nach seiner Dekompression zur Einlassseite des Verdampfapparats 5 strömen zu lassen, und ein zwischen beiden Kammern 41 und 42 positionierter Drosselkanal 43 an einer Stirnseite des Gehäuses 40 in der axialen Richtung ausgebildet. Man beachte, dass Bezugsziffer 41a ein Einlassloch der Hochdruckkältemittelkammer 41 bezeichnet und Bezugsziffer 42a ein Auslassloch der Niederdruckkältemittelkammer 42 bezeichnet.
  • Der Drosselkanal 43 besteht aus einem kreisförmigen Loch mit einem kleinen Durchmesser, wobei die Durchgangsfläche im Vergleich zu beiden Kältemittelkammern 41 und 42 extrem klein ist, wodurch das Hochdruckkältemittel in der Hochdruckkältemittelkammer 41 dekomprimiert und ausgedehnt wird.
  • Ein Ventilkörper 44 zum Einstellen des Öffnungsgrades des Drosselkanals 43 ist gegenüber der stromabwärtigen Seite des Drosselkanals 43, d.h. auf einer Seite der Niederdruckkältemittelkammer 42 angeordnet. Der Ventilkörper 44 hat eine längliche zylindrische Form, die sich in der axialen Richtung des Gehäuses 40 erstreckt. 3 zeigt einen Zustand, in dem der Ventilkörper 44 in der maximalen Öffnungsgradstellung (ganz geöffnete Stellung), die eine Stellung am entferntesten vom Drosselkanal 43 (eine niedrigste Stellung in 3) ist, positioniert.
  • Eine elektromagnetische Spule 45 ist in einer zylindrischen Form am anderen Ende der zylindrischen Form des Gehäuses 40 in der axialen Richtung angeordnet. Ein Bereich des Gehäuses 40, der durch die Bezugsziffer 40a gekennzeichnet und um die elektromagnetische Spule 45 angeordnet ist, ist ein Teil aus magnetischem Material, das eine magnetische Schaltung bildet.
  • Ein Abschnitt großen Durchmessers 44a mit einem großen Durchmesser im Ventilkörper 44 ist am anderen Endteil des Gehäuses 40 in der axialen Richtung ausgebildet. Dieser Abschnitt großen Durchmessers 44a ist aus einem magnetischen Material gemacht und dient als ein bewegbarer Eisenkern. Der Abschnitt großen Durchmessers (magnetischer Abschnitt) 44a hat seine Stirnseite gegenüber einer Stirnseite eines inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 über einen Freiraum 46 mit einer vorbestimmten Größe.
  • Wenn die elektromagnetische Spule 45 erregt wird, wirkt eine elektromagnetische Anziehungskraft zwischen der Stirnseite des inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 und der Stirnseite des Abschnitts großen Durchmessers 44a des Ventilkörpers 44, um den Ventilkörper 44 in der axialen Richtung zu der Seite zu verschieben, sodass er sich dem Drosselkanal 43 nähert (nach oben in 3). So wird der Abstand zwischen dem obersten Ende des Ventilkörpers 44 und dem Drosselkanal 43 variiert, um den Öffnungsgrad (die Durchgangsfläche) des Drosselkanals 43 zu verändern.
  • Als nächstes wird eine Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben. Im elektrischen Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps 4 des zweiten Ausführungsbeispiels wirkt die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen der Stirnfläche des inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 und der Stirnfläche des Abschnitts großen Durchmessers 44a des Ventilkörpers 44 als eine Kraft zum Verschieben des Ventilkörpers zur Seite des Drosselkanals 43 (nach oben in 3) in der Schließrichtung des Ventils.
  • Im Gegensatz dazu wirkt eine Kraft durch einen Differenzdruck zwischen der Hochdruckkältemittelkammer 41 und der Niederdruckkältemittelkammer 42, d.h. einen dynamischen Druck eines durch den Drosselkanal 43 in die Niederdruckkältemittelkammer 42 ausgestoßenen Kältemittelstroms, als eine Kraft zum Verschieben des Ventilkörpers 44 weg vom Drosselkanal 43 in der Öffnungsrichtung des Ventils.
  • Aus diesem Grund wird, wenn der elektrische Strom in die elektromagnetische Spule 45 vergrößert wird, die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen der Stirnfläche des inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 und der Stirnfläche des Abschnitts großen Durchmessers 44a des Ventilkörpers 44 größer, um den Ventilkörper 44 zur Seite des Drosselkanals 43 (nach oben in 3) zu verschieben. Dies resultiert in einer Verkleinerung des Öffnungsgrades des Drosselkanals 43 (der Durchgangsfläche).
  • Wenn dagegen der elektrische Strom in die elektromagnetische Spule 45 verringert wird, wird die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen der Stirnfläche des inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 und der Stirnfläche des Abschnitts großen Durchmessers 44a des Ventilkörpers 44 kleiner, um den Ventilkörper 44 durch eine Kraft auf der Ventilöffnungsseite, die durch den obigen dynamischen Druck erzeugt wird, weg vom Drosselkanal 43 (nach unten in 3) zu verschieben. Dies vergrößert den Öffnungsgrad (die Durchgangsfläche) des Drosselkanals 43.
  • Die spezielle Steuerung des Ventilöffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils des linearen Elektromagnettyps 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann grundsätzlich gleich der in 2 dargestellten des ersten Ausführungsbeispiels sein. Deshalb wird nun auf die spezielle Beschreibung der Ventilöffnungsgradsteuerung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verzichtet.
  • Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist, wenn das elektrische Expansionsventil 4 aus dem aus dem Schrittmotor gebildeten elektrischen Stellantriebsmechanismus und einem durch den elektrischen Stellantriebsmechanismus angetriebenen Ventilmechanismus aufgebaut ist, die Stellung des Ventilmechanismus durch den aus dem Schrittmotor oder dergleichen gemachten elektrischen Stellantriebsmechanismus auf eine vorbestimmte Steuerposition fixiert.
  • Daher ist, solange sich ein Steuersignal des elektrischen Stellantriebsmechanismus nicht ändert, die Stellung des Ventilmechanismus auf eine bestimmte Stellung fixiert. Deshalb kann gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das elektrische Expansionsventil 4 selbst nicht auch als ein auf Druck reagierendes Ventil dienen.
  • Im Gegensatz dazu wird in dem elektrischen Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Stellung des Ventilkörpers 44 durch die durch den Strom in die elektromagnetische Spule 4 und durch die Kraft in der Ventilöffnungsrichtung, die durch den auf den Ventilkörper 44 wirkenden obigen dynamischen Druck erzeugt wird, bestimmte elektromagnetische Anziehungskraft bestimmt.
  • Daher bewirkt, wenn der hochdruckseitige Kältemitteldruck aus irgendwelchen Gründen in einem Zustand, in dem die Stellung des Ventilkörpers 44 in einer vorbestimmten Stellung gesteuert wird, die durch den Strom in die elektromagnetische Spule 45 bestimmt wird, drastisch ansteigt, dieser drastische Anstieg des Kältemitteldrucks, dass die Kraft auf der Ventilöffnungsseite durch den dynamischen Druck drastisch größer wird. Dies lässt den Ventilkörper 44 schnell weg vom Drosselkanal 43 (nach unten in 3) verschieben, wodurch der Öffnungsgrad des Ventils schnell vergrößert wird.
  • Als Ergebnis kann der ungewöhnlich starke Anstieg im hochdruckseitigen Kältemitteldruck durch Vergrößern des Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils des linearen Elektromagnettyps 4 selbst vermieden werden. Demgemäß kann das elektrische Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps 4 selbst die gleiche Funktion wie jene des auf Druck reagierenden Ventils 9a des ersten Ausführungsbeispiels haben.
  • Im obigen zweiten Ausführungsbeispiel wird der Ventilkörper 44 durch die elektromagnetische Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule 45 zu der Seite verschoben, die sich dem Drosselkanal 43 annähert (zur Ventilschließseite). Beim Trennen der elektromagnetischen Spule 45 oder dergleichen wird die elektromagnetische Anziehungskraft eliminiert, um den Ventilkörper 44 zur Seite weg vom Drosselkanal 43 (zur Ventilöffnungsseite) zu verschieben. Daher kann der geöffnete Zustand des Ventilkörpers 44 selbst beim Trennen der elektromagnetischen Spule 45 oder dergleichen gesichert werden. Demgemäß kann der ungewöhnlich starke Anstieg im hochdruckseitigen Kältemitteldruck im Voraus durch Öffnen des Ventilkörpers 44 verhindert werden, was sicher ist.
  • (Weitere Ausführungsbeispiele)
  • Obwohl das obige zweite Ausführungsbeispiel das Beispiel zeigt, in dem keine Federkraft auf den Ventilkörper 44 ausgeübt wird, kann im Freiraum 46 zwischen der Stirnfläche des inneren magnetischen Abschnitts 40b des Gehäuses 40 und der Stirnfläche des Abschnitts großen Durchmessers 44a des Ventilkörpers 44 eine Feder angeordnet werden und diese Feder kann eine weg von dem Drosselkanal 43 (zur Ventilöffnungsseite) gerichtete Kraft auf den Ventilkörper 44 ausüben.
  • Im oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper 44 ausgebildet, um durch die elektromagnetische Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule 45 zu der Seite verschoben zu werden, die sich dem Drosselkanal 43 annähert (zur Ventilschließseite). Im Gegensatz dazu kann der Ventilkörper 44 auch so konstruiert sein, dass er durch die elektromagnetische Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule 45 zur Seite weg vom Drosselkanal 43 (zur Ventilöffnungsseite) verschoben wird. Auch in diesem Fall ist eine Feder zum Erzeugen einer Federkraft notwendig, um den Ventilkörper 44 zu der sich dem Drosselkanal 43 annähernden Seite (d.h. zur Ventilschließseite) verschieben zu lassen.
  • Außerdem ist im obigen ersten Ausführungsbeispiel der Bypasskanal 9 zum Verbinden des auf Druck reagierenden Ventils 9a parallel zum elektrischen Expansionsventil 4 vorgesehen, und das auf Druck reagierende Ventil 9a ist im Bypasskanal 9 vorgesehen. Jedoch kann auch irgendein Bypasskanal zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittelkanal und dem niederdruckseitigen Kältemittelkanal des Kreises mit dem auf Druck reagierenden Ventil 9a versehen werden.
  • Zum Beispiel kann das auf Druck reagierende Ventil 9a in einem Bypasskanal zum Einrichten einer Verbindung zwischen der Ausgabeseite und der Ansaugseite des Kompressors 1 vorgesehen werden. In diesem Fall können der Bypasskanal und das auf Druck reagierende Ventil 9a zusammen in den Kompressor 1 integriert werden.
  • Ferner können, wenn der parallel zum elektrischen Expansionsventil 4 geschaltete Bypasskanal 9 mit dem auf Druck reagierenden Ventil 9a versehen ist, das elektrische Expansionsventil 4, der Bypasskanal 9 und das auf Druck reagierende Ventil 9a als eine kombinierte Konstruktion aufgebaut werden.
  • Außerdem wird im obigen ersten Ausführungsbeispiel Kohlendioxid CO2 als Kältemittel verwendet, um den überkritischen Kühlkreis zu bilden. Als Kältemittel kann jedoch auch irgendein Kältemittel außer CO2, zum Beispiel Ethylen, Ethan, Stickoxid oder dergleichen, verwendet werden, um den überkritischen Kühlkreis zu bilden. Das zweite Ausführungsbeispiel hat ebenfalls diese Merkmale.
  • In den obigen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen wird der hochdruckseitige Druck durch den auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2 angeordneten Kältemitteldrucksensor 13 erfasst. Da der Kältemitteldruck im hochdruckseitigen Kanal von der Ausgabeseite des Kompressors 1 zur Einlassseite des Expansionsventils 4 im Wesentlichen konstant ist, kann jedoch der Kältemitteldrucksensor 13 nicht nur auf der Kältemittelauslassseite des Kühlers 2, sondern auch an irgendeiner Position des hochdruckseitigen Kanals angeordnet werden.
  • Obwohl in den obigen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen die Anwendung des Kreises speziell auf den Kühlvorgang beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch auf einen Wärmepumpenkreis angewendet werden, der einen Heizvorgang oder einen Entfeuchtungsvorgang ermöglicht. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch auf irgendeine andere Anwendung als für das Fahrzeug anwendbar.
  • Obwohl im obigen ersten Ausführungsbeispiel die Durchgangsfläche des auf Druck reagierenden Ventils 9a beim Öffnen des Ventils ausreichend größer als jene des elektrischen Expansionsventils 4 eingestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Falls das auf Druck reagierende Ventil 9a geöffnet werden kann, um den Anstieg im hochdruckseitigen Kältemitteldruck zu verhindern, kann die Durchgangsfläche des auf Druck reagierenden Ventils 9a beim Öffnen des Ventils auch nicht größer als die Durchgangsfläche des elektrischen Expansionsventils 4 eingestellt werden.
  • Obwohl in den vorangegangenen Beispielen das elektrische Expansionsventil 4 als Dekompressionseinrichtung benutzt wird, ist die Dekompressionseinrichtung nicht auf die obige Konstruktion des elektrischen Expansionsventils 4 beschränkt. Als Dekompressionseinrichtung kann auch irgendeine andere Expansionsventilkonstruktion verwendet werden.

Claims (8)

  1. Überkritischer Kühlkreis, mit einem Kompressor (1) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels; einem Kühler (2) zum Kühlen des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; einer Dekompressionseinrichtung (4) zum Dekomprimieren des Kältemittels auf einer Auslassseite des Kühlers (2); und einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des durch die Dekompressionseinrichtung (4) dekomprimierten Niederdruckkältemittels, wobei das durch den Verdampfapparat (5) geströmte Kältemittel in den Kompressor (1) gesaugt wird und ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet ist, dessen Ausgabevolumen konstant ist, dass die Dekompressionseinrichtung (4) aus einem elektrischen Expansionsventil (4) gebildet ist, dessen Öffnungsgrad elektrisch steuerbar ist, dass der überkritische Kühlkreis ferner aufweist: einen Bypasskanal (9) zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem hochdruckseitigen Kältemittelkanal von einer Ausgabeseite des Kompressors (1) zu einer Einlassseite des elektrischen Expansionsventils (4) mit einem niederdruckseitigen Kältemittelkanal von einer Auslassseite des elektrischen Expansionsventils (4) zu einer Ansaugseite des Kompressors (1); ein im Bypasskanal (9) vorgesehenes mechanisches, auf Druck reagierendes Ventil (9a), wobei das auf Druck reagierende Ventil so ausgebildet ist, dass es geöffnet wird, wenn der Druck des hochdruckseitigen Kältemittelkanals gleich oder höher als ein vorbestimmter Druck ansteigt; eine Temperaturerfassungseinrichtung (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10), in welche ein Messsignal der Temperatur erfassungseinrichtung (11) eingegeben wird, wobei die Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Expansionsventils (4) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) das elektrische Expansionsventils (4) derart steuert, dass der Öffnungsgrad des Ventils vergrößert wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt.
  2. Überkritischer Kühlkreis nach Anspruch 1, bei welchem das auf Druck reagierende Ventil (9a) parallel zum elektrischen Expansionsventil (4) geschaltet ist.
  3. Überkritischer Kühlkreis, mit einem Kompressor (1) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels; einem Kühler (2) zum Kühlen des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; einer Dekompressionseinrichtung (4) zum Dekomprimieren des Kältemittels auf einer Auslassseite des Kühlers (2); und einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des durch die Dekompressionseinrichtung (4) dekomprimierten Niederdruckkältemittels, wobei das durch den Verdampfapparat (5) geströmte Kältemittel in den Kompressor (1) gesaugt wird und ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet ist, dessen Ausgabevolumen konstant ist, dass die Dekompressionseinrichtung (4) aus einem elektrischen Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) gebildet ist, das einen Drosselkanal (43) zum Dekomprimieren und Ausdehnen des hochdruckseitigen Kältemittels, einen Ventilkörper (44) zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Drosselkanals (43) und eine elektromagnetische Spule (44) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Anziehungskraft und zum linearen Verschieben einer Stellung des Ventilkörpers (44) enthält, und dass eine Kraft entsprechend einem Differenzdruck zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittel stromauf des Drosselkanals (43) und einem niederdruck seitigen Kältemittel stromab des Drosselkanals (43) auf den Ventilkörper (44) als eine Kraft in einer Öffnungsrichtung des Ventils wirkt, wobei der überkritische Kühlkreis aufweist: eine Temperaturerfassungseinrichtung (11) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10), in welche ein Messsignal der Temperatureinstelleinrichtung (11) eingegeben wird, wobei die Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Expansionsventils des linearen Elektromagnettyps (4) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) das elektrische Expansionsventil des linearen Elektromagnettyps (4) derart steuert, dass der Öffnungsgrad des Ventils vergrößert wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels des Kompressors (1) gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt.
  4. Überkritischer Kühlkreis nach Anspruch 3, bei welchem der Ventilkörper (44) stromab des Drosselkanals (43) angeordnet ist und ein dynamischer Druck eines durch den Drosselkanal (43) strömenden Kältemittelstroms auf den Ventilkörper (44) als die Kraft entsprechend dem Differenzdruck wirkt.
  5. Überkritischer Kühlkreis nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die elektromagnetische Anziehungskraft der elektromagnetischen Spule (44) größer wird, um den Ventilkörper (44) in einer Schließrichtung des Ventils verschieben zu lassen.
  6. Überkritischer Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem, wenn die Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels bis zur vorbestimmten hohen Temperatur ansteigt, die Steuereinrichtung (10) den Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils (4) um ein kleines Öffnungsmaß vergrößert, bis die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels um eine bestimmte Temperatur fällt.
  7. Überkritischer Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem in einem normalen Betrieb, in dem die Temperatur des vom Kompressor (1) aus gegebenen Kältemittels nicht bis auf die vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt, die Steuereinrichtung (10) den Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils (4) derart steuert, dass ein aktueller hochdruckseitiger Kältemitteldruck zu einem Soll-Hochdruck wird, der basierend auf der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Kühlers (2) bestimmt wird.
  8. Überkritischer Kühlkreis, mit einem Kompressor (1) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kältemittels; einem Kühler (2) zum Kühlen des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; einer Dekompressionseinrichtung (4) zum Dekomprimieren des Kältemittels auf einer Auslassseite des Kühlers (2); und einem Verdampfapparat (5) zum Verdampfen des durch die Dekompressionseinrichtung (4) dekomprimierten Niederdruckkältemittels, wobei das durch den Verdampfapparat (5) geströmte Kältemittel in den Kompressor (1) gesaugt wird und ein Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite vor der Dekompression gleich oder höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) aus einem Kompressor mit fester Verdrängung (1) gebildet ist, dessen Ausgabevolumen konstant ist, und dass der überkritische Kühlkreis weiter aufweist: eine Temperaturerfassungseinrichtung (r) zum Erfassen einer Temperatur des vom Kompressor (1) ausgegebenen Kältemittels; und eine Steuereinrichtung (10) in welche ein Messsignal der Temperaturerfassungseinrichtung (11) eingegeben wird, wobei die Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Expansionsventils (4) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) das elektrische Expansionsventil (4) derart steuert, dass der Öffnungsgrad des Ventils vergrößert wird, wenn die Temperatur des ausgegebenen Kältemittels gleich oder höher als eine vorbestimmte hohe Temperatur ansteigt.
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