DE102007006993B4

DE102007006993B4 - Mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage für Fahrzeuge und Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage

Info

Publication number: DE102007006993B4
Application number: DE102007006993.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Heyl Peter
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP2007263552A; US20070220915A1; US7650763B2; DE102007006993A1; JP4879806B2

Abstract

Mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage (1,10) für Fahrzeuge mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer zweiten Verdichtungsstufe dient, enthaltend zumindest einen Hauptverdichter (2) zur Verdichtung von Nieder- auf Mitteldruck in Form einer ersten Verdichtungsstufe, einen ersten Außen-Wärmeübertrager (3), einen Nebenverdichter (4,40) zur Verdichtung von Mittel- auf Hochdruck in Form der zweiten Verdichtungsstufe, einen zweiten AußenWärmeübertrager (5), eine Expansionsmaschine (6,60) und einen Innen-Wärmeübertrager (7), die in dieser Reihenfolge zu einem im Kühlungsbetrieb arbeitenden Kreislauf (8,80) miteinander verbunden sind, wobei die Expansionsmaschine (6,60) und der Nebenverdichter (4,40) eine Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) bilden, wobei die Klimaanlage (1,10) bezüglich von mit Kohlendioxid entgegengesetzt durchströmten Kreisläufen - des Kühlungs-Kreislaufs (8,80) und eines Wärmepumpen-Kreislaufs (81) - umschaltbar ausgebildet ist, wobei- der Expansionsmaschine (6,60) eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom jeweilig festgelegten Kreislauf (8,80,81) zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind,- dem von der Expansionsmaschine (6,60) angetriebenen Nebenverdichter (4,40) eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom festgelegten Kreislauf (8,80,81) zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind, und- den Außen-Wärmeübertragern (3,5) je nach festgelegtem Kreislauf (8,80,81) ein unterschiedliches Druckniveau zugeordnet ist und wobei ein zugeordnetes Volumen-/Dichte-Verhältnis der Verdichtung zur Expansion innerhalb der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) vorgegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage für Fahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids.
Ein für PKW-Klimaanwendungen herkömmlicher transkritischer Prozess (durchgängige Linien, Prozeß A) ist in einem Druck-Enthalpie-Diagramm in 2 angegeben, der durch eine Verdichtung (Zustand 1'- Zustand 2'), eine Wärmeabgabe in einem Außen-Wärmeübertrager (Zustand 2'-Zustand 3'), der Hochdruckseite eines inneren Wärmeübertragers (Zustand 3'- Zustand 4'), einer irreversiblen isenthalpen Entspannung (Zustand 4'- Zustand 5'), einem Innen-Wärmeübertrager (Zustand 5'- Zustand 6'), und der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers (Zustand 6'- Zustand 1') beschrieben wird.
Ein Problem besteht darin, dass bei hohen Umgebungstemperaturen die Leistungszahl des Prozesses im Vergleich zu aktuellen Kältemitteln bzw. deren Alternativen relativ deutlich abnimmt.
Die thermodynamische Analyse des Prozesses zeigt, dass eine arbeitsleistende Entspannung des Kohlendioxids den Nachteil, je nach Ausführung, mindestens ausgleichen kann. Dafür wird die irreversible Entspannung 4'-5' durch eine reversible arbeitsleistende Entspannung ersetzt.
Eine derartige mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage 1 für mobile Anwendungen ist in der DE 19841686 C2 , DE 10013191 C1 und DE 10220391 A1 beschrieben, wobei Kälte-/Klimaanlagen mit einer Expansionsmaschine in Form einer Zahnradmaschine angegeben werden. Bei den Ausgestaltungen handelt es um einstufige Kältemittelprozesse, wobei die Klimaanlage einen Kältemittelkreislauf unter Verwendung von Kohlendioxid umfasst, der in Strömungsrichtung gerichtet einen Verdichter, einen Gaskühler oder Verflüssiger, eine Expansionsmaschine in Form einer Zahnradmaschine (außenverzahnt, schrägverzahnt) und einen Verdampfer umfasst, wobei die Elemente über Leitungen miteinander verbunden sind. Das Kohlendioxid wird im Kältemittelkreislauf arbeitsleistend in das Zweiphasengebiet entspannt, wobei der Ausgangspunkt der Entspannung überkritisch oder unterkritisch sein wird. Die Anlage kann in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur im Klima- oder Wärmepumpenbetrieb betrieben werden. Die beim Expansionsvorgang der Zahnradmaschine durch die arbeitsleistende Entspannung gewonnene Energie wird z.B als mechanische oder elektrische Energie für den Antrieb des Verdichters eingesetzt. Die mechanische Einbindung in den Hauptverdichter ist relativ aufwendig und bei der Wandlung in elektrische Energie ist die Wirkungsgradkette entscheidend.
Eine weiterer für stationäre Kälte-/Klimaanwendungen herkömmlicher und dem stand der technik entsprechender transkritischer Prozess (gestrichelte Linien, Prozeß B) ist in einem Druck-Enthalpie-Diagramm in 2 angegeben, der durch eine Verdichtung (Zustand 1"- Zustand 2"), eine Wärmeabgabe in einem ersten Außen-Wärmeübertrager (Zustand 2"-Zustand 3"), einer Nebenverdichterstufe (Zustand 3" nach 4"), einem zweiten Außenwärmeübertrager (Zustand 4" nach 5"), einer Expansionsstufe 5" nach 6" welche die Nebenverdichterstufe direkt antreibt und einem Innen-Wärmeübertrager (Zustand 6"- Zustand 1") beschrieben wird.
Eine derartige mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage 1 ist für stationäre Anwendungen in der Druckschrift DE19813220 C2 gemäß 1 beschrieben, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Expansions-Kompressions-Maschine vorgesehen ist, die als Freikolbenmaschine ausgeführt ist. Die darin angegebene Expansions-Kompressions-Maschine wird, wie in der Druckschrift DE10242271 B3 beschrieben ist, weiterentwickelt, wobei die Entspannung mehrstufig ausgeführt und die Ausbildung der Freikolbenmaschine beibehalten wird. Die Klimaanlage 1 enthält einen Hauptverdichter 2, einen ersten Außen-Wärmeübertrager 3, einen Nebenverdichter 4, einen zweiten Außen-Wärmeübertrager 5, eine Expansionsmaschine 6 und einen Innen-Wärmeübertrager 7. Sie sind in dieser Reihenfolge zu einem Kreislauf 8 für das Kohlendioxid miteinander verbunden. Die Expansionsmaschine 6 und der Nebenverdichter 4 sind als eine Expansions-Kompressions-Maschine 9 ausgebildet. Die Expansions-Kompressions-Maschine 9 ist eine Kolbenexpansionsmaschine nach dem Freikolbenprinzip mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, deren Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in der Hochdruckstufe der Expansions-Kompressions-Maschine 9 benutzt wird. Dabei ist eine mehrstufige Entspannung vorgesehen, wobei die Entspannung mittels mehrerer Expansionsmaschinen mit doppeltwirkenden Zylindern bewerkstelligt werden kann, wobei deren Kolben mit einer Kolbenstange mechanisch mit dem Kolben des Nebenverdichters 4 gekoppelt sind. Die arbeitsleistende Entspannung erfolgt in der Expansionsmaschine 6 und die Verdichtung in der Hochdruckstufe des vorgesehenen Nebenverdichters 4.
Die Funktionsweise der Kälteanlage 1 besteht darin, dass das Kohlendioxid eine gleichzeitige arbeitsleistende Entspannung in den Expansionsmaschine 6 und eine Verdichtung im Nebenverdichter 4 erfährt.
Ein Problem besteht darin, dass der Einsatz der darin beschriebenen Expansions-Kompressions-Maschine in mobilen Anwendungen, z.B. PKW, auf Grund der Ausbildung und der daraus resultierenden Größe infolge des Miniaturbestrebens der Automobilindustrie bezüglich der Bauteile für Personenkraftwagen zu Montage- und Betreibungskomplikationen führt.
Eine Kältemaschine mit einer zweiten Verdichterstufe ist in der Druckschrift Lorentzen, G.: The use of natural refrigerants - a complete solution to the CFC/HCFC predament, Proceedings of conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning, Hannover, 10-13.5.94, 23/36 beschrieben, wobei die Klimaanlage einen ersten Verdichter, einen ersten Gaskühler, einen zweiten Verdichter, einen zweiten Gaskühler, eine Expansionsmaschine und einen Verdampfer enthält, die in Reihe verbunden sind und einen geschlossenen Kältekreislauf bilden. Die jeweils als Kolbenmaschinen ausgebildeten Verdichter und Expansionsmaschine sind mit einem Antriebsmotor verbunden und werden durch diesen angetrieben.
In der Druckschrift DE 102005017623 A1 wird nur die Zunahme der spezifischen Kälteleistung bei einer arbeitsleistenden Entspannung genutzt. Die zur Verfügung stehende mechanische Expansionsarbeit wird in Reibwärme umgesetzt und der Kühlmittelkreislauf erwärmt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird die Leistungszahl im Klimabetrieb erhöht, jedoch das hohe Potential der arbeitsleistenden Entspannung nicht ausgenutzt.
Aus der JP 2000-234 814 A und der JP 2006 138 613 A gehen weitere Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben einer mit Kohlendioxid betreibbaren Klimaanlage hervor, welche arbeitsleistende Entspannung realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage für Fahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine kompakte Ausbildung einer Expansions-Kompressions-Maschine für die Klimaanlage der Fahrzeuge erreicht und eine Anpassung an die thermodynamischen Gegebenheiten eines Kälte- und eines Wärmepumpen-Kreislaufes sichergestellt werden. Es sollen dabei die bestehenden Betriebsdrücke ausgeführter Klimaanlagen nicht überschritten werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 19 gelöst. Gemäß dem Patentanspruch 1 enthält die mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage für Fahrzeuge mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer zweiten Verdichtungsstufe dient, zumindest einen Hauptverdichter zur Verdichtung von Nieder- auf Mitteldruck in Form einer ersten Verdichtungsstufe, einen ersten Außen-Wärmeübertrager, einen Nebenverdichter zur Verdichtung von Mittel- auf Hochdruck in Form der zweiten Verdichtungsstufe, einen zweiten Außen-Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine und einen Innen-Wärmeübertrager, die in dieser Reihenfolge zu einem im Kühlungsbetrieb arbeitenden Kreislauf miteinander verbunden sind, wobei die Expansionsmaschine und der Nebenverdichter eine Expansions-Kompressions-Maschine bilden,
wobei die Klimaanlage bezüglich von mit Kohlendioxid entgegengesetzt durchströmten Kreisläufen - des Kühlungs-Kreislaufs und eines Wärmepumpen-Kreislaufs - umschaltbar ausgebildet ist, und

- der Expansionsmaschine eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom jeweilig festgelegten Kreislauf zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind,
- dem von der Expansionsmaschine angetriebenen Nebenverdichter eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom festgelegten Kreislauf zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind, und
- den Außen-Wärmeübertragern je nach festgelegtem Kreislauf ein unterschiedliches Druckniveau zugeordnet ist, und

Die Expansions-Kompressions-Maschine wird an den Hauptverdichter der Klimaanlage des Fahrzeuges (Massenstrom) sowie an die Betriebsparameter (max. Hochdruck von ca. 140 bar) dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden CO2-PKW-Kältemittelkreisläufen angepasst. Die Berechnungen der maximalen möglichen Leistungszahlen ergaben Hochdrücke, die deutlich über dem aktueller Systeme liegen wird. Ziel ist es, die Expansions-Kompressions-Maschine derart anzupassen, dass diese festgelegten Betriebsdrücke nicht überschritten werden.
Dabei kann mindestens eine weitere Expansions-Kompressions-Maschine oder Expansionsmaschine in die Klimaanlage eingebracht sein.
Der Innen-Wärmeübertrager stellt im Kühlungs-Kreislauf einen Verdampfer und im Wärmepumpen-Kreislauf einen Heizer dar.
Die Expansionsmaschine und der Nebenverdichter können als Volldruckmaschinen ausgebildet sein, wobei

- die Expansionsmaschine mit Volldruck arbeitet und der Nebenverdichter mit einer Volumenänderungsarbeit beaufschlagt ist oder
- die Expansionsmaschine mit einer Volumenänderungsarbeit beaufschlagt ist und der Nebenverdichter mit Volldruck arbeitet oder
- die Expansionsmaschine und der Nebenverdichter gleichermaßen mit einer Volumenänderungsarbeit beaufschlagt sind.

Bei der an die Klimaanlage des Fahrzeuges angepassten Expansions-Kompressions-Maschine können folgende Dichteverhältnisse

- im Bereich von 0,4 bis 0,54 oder
- im Bereich von 0,55 bis 0,8 oder
- im Bereich von 0,6 bis 0,675 bei einer dichten Expansions-Kompressions-Maschine mit einem Liefergrad (volumetrischer Wirkungsgrad) A = 1 und dementsprechend korrigiert, wenn der Liefergrad von A = 1 abweicht,

Der Nebenverdichter und die Expansionsmaschine können als rotierende oder oszillierende Verdrängungsmaschinen, vorzugsweise als innenachisge Rotationskolbenmaschine ausgebildet sein, die jeweils der vorgegebenen Strömungsrichtung des Kohlendioxids entsprechend eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen, wobei die Expansionsmaschine und der Nebenverdichter bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen kohlendioxidströmungsgerichtet umschaltbar ausgebildet sind und entweder zur umschaltbaren Durchführung von einem Kühlungs-Kreislauf in einen Wärmepumpen-Kreislauf und umgekehrt vorgesehen sind, wobei das Verhältnis von Dichte und Volumen zwischen der Expansionsmaschine und dem Nebenverdichter festgelegt ist.
Die rotierende Verdrängungsmaschine, vorzugsweise eine innenachsige Rotationskolbenmaschine kann die Form von jeweils verdrängenden Geometrien in einem Gehäuse aufweisen, mit denen die entgegengesetzte Drehrichtung je nach vorgesehener Durchströmungsrichtung im Kreislauf erreichbar ist.
Die in der Expansions-Kompressions-Maschine vorhandene Expansionsmaschine und Nebenverdichter können über eine gemeinsame Welle in Verbindung stehen.
Die Expansions-Kompressions-Maschine aus der Expansionsmaschine und aus dem Nebenverdichter kann in einem Gehäuse ausgebildet sein.
Dem Hauptverdichter und dem Nebenverdichter sind Zuführungsleitungen zugeordnet, die mit Ventilen, wahlweise mit steuerbaren Ventilen versehen sind, so dass je nach Kühlungs-Kreislauf oder Wärmepumpen-Kreislauf eine Durchströmung des Hauptverdichters und des Nebenverdichters durchführbar ist, wobei die Ventile wahlweise mit einer Steuer-/Regeleinrichtung zumindest signaltechnisch in Verbindung stehen.
Im Wärmepumpen-Kreislauf kann neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine wahlweise mindestens eine zusätzliche Nebenverdichtungsstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine vorgesehen sein, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist.
Andererseits kann auch Im Wärmepumpen-Kreislauf neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine wahlweise mindestens eine zusätzliche Expansionsstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine vorgesehen sein, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist.
Schließlich können im Wärmepumpen-Kreislauf neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine wahlweise zusätzliche Drosselquerschnitte parallel zur Expansions- oder Nebenverdichterstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine eingesetzt sein, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist.
Während des jeweiligen Betriebs kann der Außen-Wärmeübertrager in einen Mittel- und Hochdruckteil aufgeteilt sein.
Aus der Beschreibung ergibt sich für den Außenwärmeübertrager eine kompaktes Modul, welches sich aus Mittel- und/oder Hochdruckteil des Außenwärmeübertragers, der Expansions-Kompressions-Maschine sowie einem innerem Wärmeübertrager (später erläutert) zusammensetzen kann und mit Luft bzw. dem Kühlkreislauf des Fahrzeugs beaufschlagt ist.
Auf Grund der Entspannung am Außenwärmeübertrager muß das entspannte kalte Kältemittel möglichst ohne signifikanten Wärmeeintrag zum Verdampfer transportiert werden. Dies wird dadurch realisiert, das ein Doppelrohr (Koaxialrohr) eingesetzt wird, welches zwei Kältemittelströme auf Niederdruck beinhaltet und das entspannte Kältemittel vom Außenwärmeübertrager bevorzugt im inneren strömt und das vom Verdampfer kommenden Kältemittel umhüllt wird. Das Koaxialrohr hat nicht primär die Aufgabe Wärme zwischen beiden Kältemittelströmen zu übertragen, sondern den Wärmeeintrag von außen möglichst gering zu halten.
Für den Außenwärmeübertrager ergibt sich weiterhin, dass auf Grund der geringen Verdichtungsendtemperaturen speziell nach der zweiten Verdichtungsstufe, die Wärme nicht an die Umgebungsluft sondern in zukünftigen PKW vorgesehenen Nieder- bzw. Hochtemperaturkühlkreisläufen eingebunden wird. Folgende Szenarien sind für den Betrieb des ersten Außenwärmeübertragers 3 und den zweiten Außenwärmeübertrager 5 denkbar:

a) 3 im Hochtemperaturkreislauf und 5 im Niedertemperaturkreislauf
b) 3 und 5 im Niedertemperaturkreislauf
c) 3 und 5 im Hochtemperaturkreislauf
d) 3 im Niedertemperaturkreislauf und 5 im Hochtemperaturkreislauf

3

5

3

Für die Ausführung der Expansions-Kompressions-Maschine ergibt sich daraus, das diese in einer kompakten Einheit nur mit dem Hochdruckwärmeübertrager kombiniert und relativ unabhängig im Motorraum platziert werden kann, bevorzugt in der Nähe der Verdampfereinheit.
Der Hauptverdichter kann wahlweise mit einem mechanischen und/oder elektrischen Antrieb versehen sein.
Die Klimaanlage kann mit einem inneren Wärmeübertrager (engl. internal heat exchanger - ihx) versehen sein, der einerseits in den Leitungsstrang zwischen dem Hauptverdichter und dem Innen-Wärmeübertrager und andererseits in den Leitungsstrang zwischen dem zweiten Außen-Wärmeübertrager und der Expansionsmaschine eingebunden ist. Wobei eine Effizienz des ihx von 5 bis 50% angestrebt wird und deutlich unter der Effizienz aktueller CO2-Anlagen liegt. Der innere Wärmeübertrager hat im Vergleich zum Prozeß B in diesem Fall vorrangig die Aufgabe den Massenstrom etwas zu reduzieren. Im Prozeß A hat der ihx die Aufgabe bei hohen Umgebungstemperaturen die erforderliche Kälteleistung zur Verfügung zu stellen und den optimalen Hochdruck bei maximaler Leistungszahl signifikant zu senken.
Im Verfahren zum Betreiben einer mit Kohlendioxid betreibbaren Klimaanlage für Fahrzeuge für einen Prozess mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer Hochdruckstufe dient,
wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 19 der Wärmepumpen-Kreislauf bezüglich des Strömungsverlaufs des Kohlendioxids in folgenden Schritten durchgeführt:

- Verdichtung des Kohlendioxids mittels des Antriebs des Hauptverdichters, der als Teil der ersten Verdichterstufe die gleiche Funktion wie im Kühlungsbetrieb hat und in dem die gleiche Strömungsrichtung des Kohlendioxids wie im Kühlungsbetrieb vorhanden ist,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den Innen-Wärmeübertrager in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Kühlungs-Kreislauf, der als Heizer arbeitet,
- Durchgang des Kohlendioxids durch die Expansionsmaschine in entgegengesetzter Richtung, wobei Einlass und Auslass gewechselt sind und wobei in der Expansionsmaschine ebenso eine Entspannung erfolgt, die arbeitsleistend direkt zum Antrieb des Nebenverdichters genutzt wird,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den zweiten Außen-Wärmeübertrager, der als Niederdruck-Verdampfer arbeitet und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den Nebenverdichter, der als Vorverdichter für die erste Stufe im Zweiphasengebiet arbeitet, und
- Durchgang des verdichteten Kohlendioxids durch den ersten AußenWärmeübertrager, der als Mitteldruck-Verdampfer arbeitet und auch Wärme aus der Umgebung aufnimmt,

In einigen dem Stand der Technik ausgeführten Beispielen wird für den Wärmepumpenkreislauf zusätzlich zum Innen-Wärmeübertrager ein Heizer angeordnet. Der Innen-Wärmeübertrager ist in diesem Fall stets ein Verdampfer. Auf diese spezielle Ausführung wird nicht eingegangen ist jedoch grundsätzlich mit dieser erfindung realisierbar.
Dabei kann auch ein innerer Wärmeübertrager - kurz: ihx - einerseits in den Leitungsstrang zwischen dem Hauptverdichter und dem Innen-Wärmeübertrager und andererseits in den Leitungsstrang zwischen dem zweiten Außen-Wärmeübertrager und der Expansionsmaschine eingebunden werden.
In den beiden Kreisläufen können der Einlass und der Auslass der Expansionsmachine wegen des Wechsels der Richtung der Kohlendioxid-Strömung wechseln, wobei die beiden Außen-Wärmeübertrager in den beiden Kreisläufen auf verschiedenen Druckniveaus arbeiten, wobei der erste AußenWärmeübertrager im Kühlungs-Kreislauf als Mitteldruck-Gaskühler, der Wärme an die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpen-Kreislauf als Mitteldruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet, während der zweite Außen-Wärmeübertrager im Kühlungsbetrieb als Hochdruck-Gaskühler, der Wärme in die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpen-Kreislauf als Niederdruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet.
Die Expansions-Kompressions-Maschine wird dabei an die Prozessparameter - Temperatur und Kältemittelstrom - der Klimaanlage des Fahrzeugs angepasst.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Volumen-/Dichte-Verhältnis zwischen der Verdichtung und der Expansion festgelegt, wobei die erreichbare Leistungszahl oder deren Abweichung zu einer maximal möglichen Leistungszahl - COPmax - sowie ein akzeptierbarer Hochdruck, der im Bereich des maximalen Hochdruckes der Klimaanlage des Fahrzeugs liegt, tragende Parameter sind, wobei als COP-Wert der Wert des Verhältnisses von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer und/oder mechanischer Antriebsleistung einschließlich der Hilfsenergie unter bestimmten Umgebungstemperaturen zu festgesetzten Zeitpunkten definiert wird.
Die Dichteänderung kann als Verhältnis der Auslass- zur Einlassdichte des Kohlendioxids im Nebenverdichter im Verhältnis von 1,0 bis 1,3, insbesondere zwischen 1,05 und 1,20 sowie im Detail zwischen 1,08 und 1,15 betragen, das insbesondere für den Nebenverdichter mit und ohne Änderung des inneren Volumens gilt.
Das Dichteverhältnis zwischen Verdichtung/Expansion kann bei Werten von 0,40 bis 0,54 und 0,55 bis 0,8 für einen überkritischen Betrieb von 30° bis 70°C Gaskühleraustrittstemperatur, insbesondere bei Werten von 0,6 bis 0,675 eingestellt werden, wobei die Werte bei einer dichten Expansions-Kompressions-Maschine mit einem Liefergrad von A = 1 oder mit einem volumetrischen Wirkungsgrad und dementsprechend korrigiert, wenn die Expansions-Kompressions-Maschine angepasst ist, vorgesehen werden.
Die zweite Verdichtungsstufe kann wahlweise auch im Zweiphasengebiet betrieben werden.
Im unterkritischen Kühlungs-Kreislauf kann das Dichteverhältnis vom überkritischen Prozessverlauf übernommen werden.
Die arbeitsleistende Entspannung kann wahlweise vollständig, unvollständig oder nach dem Volldruckprinzip durchgeführt werden.
Durch die Vertauschung von Ein- und Auslass der Expansions-Kompressions-Maschine kann die Expansions-Kompressions-Maschine derart ausgelegt sein, dass der Nebenverdichter der Expansions-Kompressions-Maschine wahlweise als Verdichter oder Expansionsmaschine betrieben wird, wobei Gleiches für die Expansionsmaschine gilt, die sowohl als Expansionsmaschine oder auch als Verdichter arbeitet, was entweder mittels einer kombinierten Zahnradmaschine oder mittels anderer rotierender/oszillierender Maschinen, die den Arbeitsraum durch Drehen bzw. durch Oszillieren absperren, und mittels eines eingebrachten Dichteverhältnisses zwischen Verdichter und Expansionsmaschine durchgeführt wird, wobei das Dichteverhältnis so abgestimmt wird, dass wahlweise der Kühlungs-Kreislauf oder der Wärmepumpen-Kreislauf einstellbar ist und wobei als Arbeitsraum bei den Zahnradmaschinen das jeweilige Volumen der Zahnräder definiert wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage mit einer Expansions-Kompressions-Maschine,
2 zwei Hochdruck-Enthalphie-Diagramme A, B für eine Klimaanlage nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung der Klimaanlage mit einer erfindungsgemäßen Expansions-Kompressions-Maschine im Kühlungs-Kreislauf,
4 eine schematische Darstellung der Klimaanlage mit einer erfindungsgemäßen Expansions-Kompressions-Maschine im Wärm epum pen-Kreislauf,
5 eine schematische Darstellung der Klimaanlage nach 1 mit einem inneren Wärmeübertrager (ihx).
6 ein Leistungszahl(COP)-Gaskühleraustrittstemperatur-Diagramm für eine Klimaanlage und
7 ein Hochdruck-Gaskühleraustrittstemperatur-Diagramm für die Klimaanlage.

Im Folgenden werden die 1,3,4 weitgehend gemeinsam betrachtet, wobei in 1 die erfindungsgemäße Klimaanlage 1 dargestellt und in den 3,4 ein Einsatz von Zahnradmaschinen vorgesehen ist.
Die mit Kohlendioxid betreibbaren Klimaanlagen 1,10 mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer zweiten Verdichtungsstufe dient, enthalten zumindest einen Hauptverdichter 2 zur Verdichtung von Nieder- auf Mitteldruck in Form einer ersten Verdichtungsstufe, einen ersten Außen-Wärmeübertrager 3, einen Nebenverdichter 4,40 zur Verdichtung von Mittel- auf Hochdruck in Form der zweiten Verdichtungsstufe, einen zweiten Außen-Wärmeübertrager 5, eine Expansionsmaschine 6,60 und einen Innen-Wärmeübertrager 7, die in dieser Reihenfolge zu einem im Kühlungsbetrieb arbeitenden Kreislauf 8,80 miteinander verbunden sind, wobei die Expansionsmaschine 6,60 und der Nebenverdichter 4,40 eine Expansions-Kompressions-Maschine 9,90 bilden,
wobei die Klimaanlage 1,10 bezüglich von mit Kohlendioxid entgegengesetzt durchströmten Kreisläufen - des Kühlungs-Kreislaufs 8,80 und eines Wärmepumpen-Kreislaufs 81 - umschaltbar ausgebildet ist, wobei

- der Expansionsmaschine 6,60 eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom jeweilig festgelegten Kreislauf 8,80,81 zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind,
- dem von der Expansionsmaschine 6,60 angetriebenen Nebenverdichter 4,40 eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom festgelegten Kreislauf 8,80,81 zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind,
- den Außen-Wärmeübertragern 3,5 je nach festgelegtem Kreislauf ein unterschiedliches Druckniveau zugeordnet ist und

9

90

In 2 sind die Vorgänge in einem Kühlungs-Kreislauf 8,80 mittels eines ersten Druck-Enthalpie-Diagramms Prozeß B (gestrichelte Linien) beispielhaft dargestellt. Der Punkt 1" befindet sich beim dargestellten Prozessverlauf auf der Sättigungslinie (x=1) des Zweiphasengebietes. Von Punkt 1" zum Punkt 2" wird das Kohlendioxid unter Zuführung von mechanischer und/oder elektrischer Antriebsleistung im Hauptverdichter 2 verdichtet. Beim Punkt 2" befindet sich das Kohlendioxid im überkritischen Bereich, den es auch nicht verlässt, wenn es durch den Gaskühler/Verflüssiger 3 strömt und in diesem Beispiel eine isobare Zustandsänderung bis zum Erreichen des Punktes 3" erfährt und einen Wärmestrom abgibt. Vom Punkt 3" zum Punkt 4" wird durch die zweite Verdichterstufe, aus Nebenverdichter 4 und Expansionsmaschine 6 bestehend, weiter im überkritischen Bereich verdichtet. In der Zustandsänderung von Punkt 4" nach 5" wird wiederum ein Wärmestrom abgegeben. Vom Punkt 5" aus wird das Kohlendioxid in einer beispielhaft ausgeführten Zahnradmaschine 6 (es sind auch rotierende/oszilierende Kolbenmaschinen denkbar, speziell eine innenachsige Rotationskolbenmaschine) in den Nassdampfbereich bis zum Punkt 6" entspannt, und zwar unter Abgabe von mechanischer Energie. Vom Punkt 6" zum Punkt 1" durchläuft das Kohlendioxid den Innen-Wärmeübertrager 7 in Form eines Verdampfers, in dem das Kohlendioxid Wärmeenergie aufnimmt.
Die Expansionsmaschine 60 und der Nebenverdichter 40 sind in den 3 und 4 als zweiwellige Expansions-Kompressions-Maschine 90 mit den Wellen 64,65 und 44,45 ausgebildet, wobei sowohl die Expansionsmaschine 60 als auch der Nebenverdichter 40 die Form von jeweils zwei zahnineinandergreifenden Zahnrädern 61,62 und 41,42 in einem Gehäuse 63 und 43 aufweisen, mit denen eine entgegengesetzte Drehrichtung je nach vorgesehener Durchströmungsrichtung im Kreislauf erreichbar ist, wobei die Zahnräder 61,62 und 41,42 in Teilzylinderräumen 66,67 und 46,47 der Gehäuse 63 und 43 enthalten sind.
Weiterhin ist auch eine innenachsige Rotationskolbenmaschine denkbar (Bild wird nachgereicht und vorab intern abgestimmt, ob dies so speziell ausgeführt wird)
Alle weiteren Beschreibungen sind auf andere Bauarten von Maschinen anwendbar.
Die in der Expansions-Kompressions-Maschine 90 vorhandenen Expansionsmaschine 60 und Nebenverdichter 40 können vorzugsweise über eine gemeinsame Welle 91 in Verbindung stehen.
Bezüglich der Dimensionierungen und der Volumenverhältnisse weisen die Expansionsmaschine 60 und der Nebenverdichter 40 mehrere Möglichkeiten der Volumen-Konstruktion auf:

1. Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 zwischen der Expansionsmaschine 60 und dem Nebenverdichter 40 kann als eine Kombination aus einer Expansionsmaschine 60 mit Volldruckprinzip (ausschließlich Verschiebearbeit) und aus einem Nebenverdichter 40 ebenfalls nach dem Volldruckprinzip funktionierend, wie in den 3 und 4 gezeigt ist, ausgebildet sein.
2. Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 zwischen der Expansionsmaschine 60 und dem Nebenverdichter 40 kann als eine Kombination aus einer nach dem Volldruckprinzip und zusätzlicher Verschiebearbeit nutzenden Expansionsmaschine 60 bzw. Nebenverdichter 40 ausgebildet sein.
3. Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 zwischen der Expansionsmaschine 60 und dem Nebenverdichter 40 kann als eine Kombination aus einer Expansionsmaschine 60 nach dem Volldruckprinzip funktionierend und aus einem nach dem Volldruckprinzip und zusätzlicher Verschiebearbeit nutzenden Nebenverdichter 40 ausgebildet sein.
4. Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 zwischen der Expansionsmaschine 60 und dem Nebenverdichter 40 kann als eine Kombination aus einer Expansionsmaschine 60 nach dem Volldruck und aus einem nach dem Volldruckprinzip und zusätzlicher Verschiebearbeit nutzenden Nebenverdichter 40 ausgebildet sein.

Dabei kann die Expansions-Kompressions-Maschine 90 zwischen der Expansionsmaschine 60 und dem Nebenverdichter 40 als eine gemeinsame Maschine mit einem einzigen, beide Baugruppen 60 und 40 umfassenden Gehäuse ausgebildet sein.
Zwischen dem Innen-Wärmeübertrager 7, dem Hauptverdichter 2 und dem ersten Außen-Wärmeübertrager 3 sind Zuführungsleitungen 96,97 vorgesehen, die je nach Ausbildung und vorgesehenem Einsatz - Kühlungs-Kreislauf 80 und/oder Wärmepumpen-Kreislauf 81 - mit Ventilen, wahlweise mit steuerbaren Ventilen 92,93,94,95 versehen sein können, so dass je nach Kühlungs-Kreislauf 80 oder Wärmepumpen-Kreislauf 81 der Klimaanlage 10 eine kreislaufbezogene gerichtete Durchströmung des Hauptverdichters 2 einstellbar ist, wobei die Ventile 92,93,94,95 wahlweise mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 99 zur Umschaltung der Kreisläufe, wie in 1 gezeigt ist, zumindest signaltechnisch in Verbindung stehen.
Die in 1 angegebenen Ventile 11,12,13,14 können für den WärmepumpenKreislauf 81 dem Nebenverdichter 4 zur Umschaltung vom Kühlungs-Kreislauf 80 auf den Wärmepumpen-Kreislauf 81 zugeordnet und insbesondere dann vorgesehen sein, wenn die Expansions-Kompressions-Maschine 9,90 nicht aus Zahnradmaschinen aufgebaut ist. Alle Ventile 11,12,13,14; 92,93,94,95 können wahlweise von der Steuer-/Regeleinrichtung 99 unterstützt werden.
Im Kühlungs-Kreislauf 80 der Klimaanlage 10, wie in 3 gezeigt ist, besitzen die Zahnradmaschine des Nebenverdichters 40 einen Einlass 481 und einen Auslass 491 und die Zahnradmaschine der Expansionsmaschine 60 einen Einlass 681 und einen Auslass 691.
Dagegen besitzen im Wärmepumpen-Kreislauf 81 der Klimaanlage 10, wie in 4 gezeigt ist, die Zahnradmaschine des Nebenverdichters 40 den Einlass 492 und den Auslass 482 und die Zahnradmaschine der Expansionsmaschine 60 den Einlass 692 und den Auslass 682, wobei die ursprünglichen Einlässe und die ursprünglichen Auslässe je Zahnradmaschine 43,63 ihre Funktionen gewechselt haben.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Klimaanlage 10 im Kühlungs-Kreislauf 80 gemäß 3 und im Wärmepumpen-Kreislauf 81 gemäß 4 näher erläutert:

Dazu wird zuerst der Strömungsverlauf des Kohlendioxid-Kältemittels im Kreislauf 80 im Kühlungs-Kreislauf gemäß 3 dargestellt, wobei das Kohlendioxid in Pfeilrichtung 51 strömt und folgende Schritte durchgeführt werden:
- - Verdichtung des Kohlendioxids mittels eines Antriebs des Hauptverdichters 2,
- - Durchgang des verdichteten Kohlendioxids durch den ersten AußenWärmeübertrager 3, der als Mitteldruck-Gaskühler arbeitet, unter Abgabe von Wärme,
- - Durchgang des Kohlendioxids durch den Nebenverdichter 40, der durch die Expansionsmaschine 60 mechanisch angetrieben wird und in der zweiten Verdichterstufe als Verdichter arbeitet,
- - Durchgang des Kohlendioxids durch den zweiten Außen-Wärmeübertrager 5, der als Hochdruck-Gaskühler arbeitet,
- - Durchgang des Kohlendioxids durch die Expansionsmaschine 60, in der die Entspannung erfolgt, die arbeitsleistend direkt zum Antrieb des Nebenverdichters 40 genutzt wird,
- - Durchgang des Kohlendioxids durch den Innen-Wärmeübertrager 7, der als Verdampfer arbeitet.

Im Wärmepumpen-Kreislauf der Klimaanlage 10 ist der Strömungsverlauf des Kohlendioxids gemäß der angegebenen Pfeilrichtung 52 im Kreislauf 81 gemäß 4 dargestellt, wobei die Strömungsrichtung der Strömungsrichtung des Kühlungs-Kreislauf entgegengesetzt gerichtet ist. Im Wärmepumpen-Kreislauf ist die Klimaanlage 10 als Wärmepumpe geschaltet. Folgende Schritte werden dabei durchgeführt:

- Verdichtung des Kohlendioxids mittels des Antriebs des Hauptverdichters 2, der als Teil der ersten Verdichterstufe die gleiche Funktion wie im Kühlungs-Kreislauf hat und in dem die gleiche Strömungsrichtung des Kohlendioxids wie im Kühlungs-Kreislauf vorhanden ist,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den Innen-Wärmeübertrager 7 in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Kühlungs-Kreislauf, der als Heizer arbeitet,
- Durchgang des Kohlendioxids durch die Expansionsmaschine 60 in entgegengesetzter Richtung, wobei Einlass und Auslass gewechselt sind und wobei in der Expansionsmaschine 60 ebenso eine Entspannung erfolgt, die arbeitsleistend direkt zum Antrieb des Nebenverdichters 40 genutzt wird,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den zweiten Außen-Wärmeübertrager 5, der als Niederdruck-Verdampfer arbeitet und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt,
- Durchgang des Kohlendioxids durch den Nebenverdichter 40, der als Vorverdichter für die erste Stufe im Zweiphasengebiet arbeitet,
- Durchgang des verdichteten Kohlendioxids durch den ersten AußenWärmeübertrager 3, der als Mitteldruck-Verdampfer arbeitet und auch Wärme aus der Umgebung aufnimmt.

In den beiden Kreisläufen 8,80 und 81 wechseln der Einlass und der Auslass der Expansionsmachine 60 wegen des Wechsels der Richtung der Kohlendioxid-Strömung. Auch die beiden Außen-Wärmeübertrager 3,5 arbeiten in den beiden Betrieben auf verschiedenen Druckniveaus, wobei der erste Außenwärmeübertrager 3 im Kühlungs-Kreislauf 8,80 als Mitteldruck-Gaskühler, der Wärme an die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpenbetrieb als Mitteldruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet, während der zweite Außen-Wärmeübertrager 5 im Kühlungs-Kreislauf 8,80 als Hochdruck-Gaskühler, der Wärme in die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpen-Kreislauf 81 als Niederdruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet.
Zusammenfassend wird die Expansions-Kompressions-Maschine 90 wechselseitig in Abhängigkeit je nach vorgesehenem Kreislauf 80 oder 81 durchströmt, wobei je nach Betriebsmodus die betreffenden Einlässe und Auslässe umfunktioniert werden, die beiden Außen-Wärmeübertrager 3,5 je nach Betriebsmodus auf unterschiedlichen Druckniveaus eingestellt und der Nebenverdichter 40 wechselseitig durchströmt in Abhängigkeit vom Kreislauf 80,81, wobei je nach Betriebsmodus auch Einlass und Auslass umfunktioniert werden.
Bei einer Ausführung einer Expansions-Kompressions-Maschine 90, wie in 3 und 4 dargestellt, ist das Zahnrad 61 mit dem Zahnrad 42 mit Hilfe einer Welle verbunden, um eine entgegengesetzte Drehrichtung realisieren zu können.
Der Klimaanlage kann wahlweise, wie in 5 gezeigt ist, ein innerer Wärmeübertrager - ihx - 15 beigefügt sein, der einerseits in den Leitungsstrang 16 zwischen dem Hauptverdichter 2 und dem Innen-Wärmeübertrager 7 und andererseits in den Leitungsstrang 17 zwischen dem zweiten Außen-Wärmeübertrager 5 und der Expansionsmaschine 6,60 eingebunden sein kann. Wobei eine Effizienz des ihx von 5 bis 50% angestrebt wird und deutlich unter der Effizienz aktueller CO2-Anlagen liegt. Der innere Wärmeübertrager hat im Vergleich zum Prozeß B in diesem Fall vorrangig die Aufgabe den Massenstrom etwas zu reduzieren. Im Prozeß B hat der ihx die Aufgabe bei hohen Umgebungstemperaturen die erforderliche Kälteleistung zur Verfügung zu stellen und den optimalen Hochdruck bei maximaler Leistungszahl signifikant zu senken.
Um die Funktionsweise der Klimaanlage 1,10 zu gewährleisten, wird die Expansions-Kompressions-Maschine 90 an die Prozessparameter - Temperatur und Kältemittelstrom - angepasst. Diese Parameter unterscheiden sich deutlich, wenn man PKW-Klimaanlagen und stationäre Anlagen unterscheidet. Zum Beispiel kann die Umgebungstemperatur für Klimaanlagen in einem Bereich von 5 bis 70°C schwanken.
Deshalb ist es für den gesamten Betriebsbereich der Klimaanlage 10 eines Fahrzeuges zweckmäßig, ein Volumen-/Dichte-Verhältnis zwischen der Verdichtung und der Expansion zu finden / festzulegen, die einen effizienten Betrieb bei akzeptierbaren Betriebsbedingungen zulassen. Maßgebende Parameter sind dabei die erreichbare Leistungszahl (engl. coefficient of performance - COP) bzw. deren Abweichung zur maximal möglichen Leistungszahl COPmax sowie ein akzeptierbarer Hochdruck, der im Bereich des maximalen Hochdruckes von Fahrzeug-Klimaanlagen liegt, vgl. 5 und 6.
In einem experimentellen Beispiel sind die Berechnungen für eine Verdampfungstemperatur von 0 und 10°C durchgeführt worden. Der Wirkungsgrad der Verdichtung der ersten Verdichterstufe 2 und zweiten Verdichterstufe 90 sowie der Expansionsmaschine 60 beträgt 70%. Zusätzlich ist auf der Expansionsseite der Wirkungsgrad des Volldruckprinzips im Verhältnis zu einer vollständigen isentropen Expansion beachtet worden. Die gewonnene technische Arbeit der Expansionsmaschine 60 entspricht der benötigten technischen Arbeit für die Verdichtung der zweiten Stufe 90. Der optimale Mittel- und Hochdruck in den Außen-Wärmeübertragern 3,5 wird so gewählt, dass die maximal mögliche Leistungszahl bei dem gewählten Volumen-/Dichte-Verhältnis berechnet werden kann.
Als Basis ist in 6 die Leistungszahl und in 7 der optimale Hochdruck des einstufigen Prozesses (COPKM (innerer Wärmeübertrager, Drossel)) mit Innen-Wärmeübertrager 7 in den 6 und 7 aufgetragen. Als COP-Wert wird der Wert des Verhältnisses von Kälteleistung zu aufgenommener mechanischer und/oder elektrischer Arbeitsleistung einschließlich der Hilfsenergie unter bestimmten Umgebungstemperaturverhältnissen definiert.
Im überkritischen Teil des Kühlungs-Kreislaufs ist Folgendes gegeben:

Für den Expansions-Kompressions-Prozess ist die maximal mögliche Leistungszahl (COPKM (max.)) in 6 aufgetragen. Das Dichteverhältnis von Expansion zur Verdichtung ist nicht konstant (Bereich 0,69 bis 0,78). Für eine auszuführende Expansions-Kompressions-Maschine ist ein konstantes Dichteverhältnis für die gewählten Betriebsparameter zu finden, mit der Voraussetzung eines effizienten und sicheren Betriebes. Für ein konstantes Dichteverhältnis sind weitere Kurven angegeben (COPKM (0,6); (0,625) und (0,8)). Die berechneten Hochdrücke des Dichteverhältnisses 0,6 bis 0,675 liegen deutlich unter den optimalen Hochdrücken bei maximaler Leistungszahl, wie in 7 im Hochdruck-Gaskühleraustrittstemperatur-Diagramm gezeigt ist. Die berechneten Hochdrücke des Dichteverhältnisses 0,8 liegen darüber. Die Abweichungen in der Leistungszahl im Vergleich zur maximal erreichbaren Leistungszahl liegen in einem akzeptablen Bereich. Für einen Betrieb der Expansions-Kompressions-Maschine 90 bei Hochdrücken in Fahrzeug-Klimaanlagen 10 sind die Dichteverhältnisse unterhalb der maximalen Leistungszahl, und insbesondere für das Dichteverhältnis von 0,6 bis 0,675, da in diesem Bereich stabile Betriebspunkte berechnet werden konnten, zu berücksichtigen.

Im unterkritischen Klimatisierungsbetrieb wird das Dichteverhältnis für den überkritischen Betrieb übernommen. Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 (Expansion und/oder Verdichtung) kann bei unterkritischem Betrieb Betriebspunkte haben, die im Zweiphasengebiet liegen.
Im unterkritischen oder überkritischen Wärmepumpen-Kreislauf 81 kann bei vollständiger Kondensation mit/ohne Unterkühlung des Kohlendioxids das gewählte Dichteverhältnis auf Grund der Dichte des Kohlendioxids nicht erreicht werden. Mit einer zweiten Expansions- und/oder Verdichtungsstufe können auftretende die Kohlendioxidstromschwankungen abgefangen werden. Auch die Anordnung von Drosselquerschnitten ist denkbar.
Vorzugsweise kann die Dichteänderung (Verhältnis von Auslass- zur Einlassdichte) des Kohlendioxids im Nebenverdichter 40 im Verhältnis 1,0 bis 1,3; speziell zwischen 1,05 und 1,20 und insbesondere 1,08 und 1,15 betragen, das insbesondere für den Nebenverdichter 40 mit und speziell ohne Änderung des inneren Volumens gilt.
Das Dichteverhältnis zwischen Verdichtung/Expansion kann bei Werten von 0,40 bis 0,54 und 0,55 bis 0,8 für einen überkritischen Betrieb von 30° bis 70°C Gaskühleraustrittstemperatur, insbesondere 0,6 bis 0,675 liegen.
Dabei kann die zweite Verdichtungsstufe 90 auch im Zweiphasengebiet arbeiten.
Im Allgemeinen arbeitet die zweite Verdichterstufe mit der erfindungsgemäßen Expansions-Kompressions-Maschine 90 wie im Hochdruck-Enthalpie-Diagramm B in 2 angegeben ist.
Auch kann im unterkritischen Kühlungs-Kreislauf 8,80 das Dichteverhältnis vom überkritischen Prozessverlauf übernommen werden,
Im Wärmepumpen-Kreislauf 81 kann neben der bestehenden Expansions-Kompressionsstufe 60 eine zweite Expansion- bzw. Kompressionsstufe oder beides zweckmäßig sein, diese Maßnahme ist auch für den unterkritischen Betrieb eine Option, wobei die Optionen Reihen- oder Parallelschaltungen für eine bessere Regelung bzw. Leistungszahl auch im überkritischen Betrieb sind.
Des Weiteren kann die Regelung des Kohlendioxid-Kältemittelzu- bzw. -abflusses durch ein vor- oder nachgeschaltetes Zulaufventil (nicht eingezeichnet) durchgeführt werden.
Die Expansions-Kompressions-Maschine 90 kann so ausgebildet sein, dass sie auch unabhängig vom Hauptverdichter 2 funktionieren kann.
Während des jeweiligen Betriebs kann der Außen-Wärmeübertrager 3,5 in einen Mittel- und Hochdruckteil aufgeteilt sein.
Die Erfindung ermöglicht es, dass bei der Entspannung am Gaskühler 5 eine Geräuschentwicklung im Fahrzeuginnenraum vermieden wird. Bei etwaiger Geräuschentwicklung kann ein Schlauch oder eine entsprechende Rohrleitungsführung für eine Entkopplung sorgen.
Der Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass die erfindungsgemäße Expansions-Kompressions-Maschine 90 sowohl im Kühlungs-Kreislauf 80 als auch im Wärmepumpen-Kreislauf 81 funktionieren kann.
Es kann die Bauform der Verdichtung gleich bzw. verschieden zur Bauform der Expansion vorgesehen sein.
Innerhalb des Prozesses ist auch eine Innenwärmeübertragung möglich.
Die Erfindung ermöglicht es, dass die arbeitsleistende Entspannung vollständig, unvollständig und nach dem Volldruckprinzip arbeiten kann.
Für die Kombination von Nebenverdichter 40 und Expansionsmaschine 60 in einer Expansions-Kompressions-Maschine 90 können folgende Vorteile eintreten: Da die Ein- und Auslässe der Expansions-Kompressions-Maschine 90 jeweils vertauscht werden können und die Maschine 90 trotzdem arbeitet, kann der Nebenverdichter 40 sowohl als Verdichter als auch als Expansionsmaschine arbeiten, wobei Gleiches für die Expansionsmaschine 60 gelten kann, die sowohl als Expansionsmaschine als auch als Verdichter arbeiten kann, was durch eine Realisierung z.B. mittels einer kombinierten Zahnradmaschine 40-60 oder mittels anderer rotierender/oszillierender Maschinen, die den Arbeitsraum - Teilzylinderraum - (bei der Zahnradmaschine ist das die Zahnräder umgebende Volumen) durch Drehen bzw. durch Oszillieren absperren, und durch ein festgelegtes Dichteverhältnis zwischen Verdichter/Expansionsmaschine, so abgestimmt ist, dass der Betrieb wie eben beschrieben, erfolgen kann.
Während des jeweiligen Betriebs kann der Außen-Wärmeübertrager in einen Mittel- und Hochdruckteil aufgeteilt sein.
Für den Außenwärmeübertrager ergibt sich weiterhin, dass auf Grund der geringen Verdichtungsendtemperaturen speziell nach der zweiten Verdichtungsstufe die Wärme nicht an die Umgebungsluft sondern in zukünftigen PKW vorgesehenen Nieder- bzw. Hochtemperaturkühlkreisläufen eingebunden wird. Folgende Szenarien sind für den Betrieb des ersten Außenwärmeübertragers 3 und den zweiten Außenwärmeübertrager 5 denkbar:

3

5

3

Für die Ausführung der Expansions-Kompressions-Maschine ergibt sich daraus, das diese in einer kompakten Einheit nur mit dem Hochdruckwärmeübertrager kombiniert und relativ unabhängig im Motorraum platziert werden kann, bevorzugt in der Nähe der Verdampfereinheit.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, die Leistungszahl der Klimaanlage 10 zu verbessern sowie den Kohlendioxid-Ausstoß zu verringern, wobei gleichzeitig die Klimaanlage 10 kostengünstiger und kompakt ausgebildet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Klimaanlage
10: erfindungsgemäße Klimaanlage
11: Ventil
12: Ventil
13: Ventil
14: Ventil
15: Innerer Wärmeübertrager (ihx)
16: Erster Leitungsstrang
17: Zweiter Leitungsstrang
2: Hauptverdichter
3: Erster Außen-Wärmeübertrager
4: Nebenverdichter
40: Nebenverdichter
41: Zahnrad
42: Zahnrad
43: Gehäuse
44: Welle
45: Welle
46: Teilzylinderraum
47: Teilzylinderraum
481: Einlass
482: Auslass
491: Auslass
492: Einlass
5: zweiter Außen-Wärmeübertrager
51: Pfeilrichtung Kühlungs-Kreislauf
52: Pfeilrichtung Wärmepumpen-Kreislauf
6: Expansionsmaschine
60: Expansionsmaschine
61: Zahnrad
62: Zahnrad
63: Gehäuse
64: Welle
65: Welle
66: Teilzylinderraum
67: Teilzylinderraum
681: Einlass
682: Auslass
691: Auslass
692: Einlass
7: Innen-Wärmeübertrager
8: Kreislauf
80: Kühlungs-Kreislauf
81: Wärmepumpen-Kreislauf
90: Expansions-Kompressions-Maschine
91: gemeinsame Welle
92: Ventil
93: Ventil
94: Ventil
95: Ventil
96: Zuführungsleitung
97: Zuführungsleitung
99: Steuer-/Regeleinrichtung
1': Druck-Enthalpie-Punkt
2': Druck-Enthalpie-Punkt
3': Druck-Enthalpie-Punkt
4': Druck-Enthalpie-Punkt
5': Druck-Enthalpie-Punkt
6': Druck-Enthalpie-Punkt
1": Druck-Enthalpie-Punkt
2": Druck-Enthalpie-Punkt
3": Druck-Enthalpie-Punkt
4": Druck-Enthalpie-Punkt
5": Druck-Enthalpie-Punkt
6": Druck-Enthalpie-Punkt
A: Liefergrad
COP: Leistungszahl

Claims

Mit Kohlendioxid betreibbare Klimaanlage (1,10) für Fahrzeuge mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer zweiten Verdichtungsstufe dient, enthaltend zumindest einen Hauptverdichter (2) zur Verdichtung von Nieder- auf Mitteldruck in Form einer ersten Verdichtungsstufe, einen ersten Außen-Wärmeübertrager (3), einen Nebenverdichter (4,40) zur Verdichtung von Mittel- auf Hochdruck in Form der zweiten Verdichtungsstufe, einen zweiten AußenWärmeübertrager (5), eine Expansionsmaschine (6,60) und einen Innen-Wärmeübertrager (7), die in dieser Reihenfolge zu einem im Kühlungsbetrieb arbeitenden Kreislauf (8,80) miteinander verbunden sind, wobei die Expansionsmaschine (6,60) und der Nebenverdichter (4,40) eine Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) bilden, wobei die Klimaanlage (1,10) bezüglich von mit Kohlendioxid entgegengesetzt durchströmten Kreisläufen - des Kühlungs-Kreislaufs (8,80) und eines Wärmepumpen-Kreislaufs (81) - umschaltbar ausgebildet ist, wobei - der Expansionsmaschine (6,60) eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom jeweilig festgelegten Kreislauf (8,80,81) zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind, - dem von der Expansionsmaschine (6,60) angetriebenen Nebenverdichter (4,40) eine wechselseitige Durchströmung in Abhängigkeit vom festgelegten Kreislauf (8,80,81) zugeordnet ist, von dem abhängig jeweils Eintritt und Austritt vertauscht sind, und - den Außen-Wärmeübertragern (3,5) je nach festgelegtem Kreislauf (8,80,81) ein unterschiedliches Druckniveau zugeordnet ist und wobei ein zugeordnetes Volumen-/Dichte-Verhältnis der Verdichtung zur Expansion innerhalb der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) vorgegeben ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) an den Hauptverdichter (2) der Klimaanlage des Fahrzeuges angepasst ist, indem der jeweils eingestellte Hochdruck im Bereich des maximalen Hochdrucks von 140 bar der Klimaanlage des Fahrzeuges liegt.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Expansions-Kompressions-Maschine oder Expansionsmaschine in die Klimaanlage eingebracht ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innen-Wärmeübertrager (7) im Kühlungs-Kreislauf (8,80) einen Verdampfer und im Wärmepumpen-Kreislauf (81) einen Heizer darstellt.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innen-Wärmeübertrager (7) im Kühlungs- (8,80) und im Wärmepumpen-Kreislauf (81) einen Verdampfer darstellt und für den Wärmepumpenkreislauf parallel zum Verdampfer ein zusätzlicher Heizer vorgesehen ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die Expansionsmaschine (6,60) mit Volldruck arbeitet und der Nebenverdichter (4,40) neben der Verschiebearbeit zusätzlich mit einer Volumenänderungsarbeit beaufschlagt ist oder - die Expansionsmaschine (6,60) mit einer Verschiebe- und Volumenänderungsarbeit beaufschlagt ist und der Nebenverdichter (4,40) mit Volldruck arbeitet oder - die Expansionsmaschine (6,60) und der Nebenverdichter (4,40) gleichermaßen nach dem Volldruckprinzip (Verschiebearbeit) arbeitet oder - die Expansionsmaschine (6,60) und der Nebenverdichter (4,40) gleichermaßen mit Verschiebe- und Volumenänderungsarbeit beaufschlagt sind.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der an die Klimaanlage des Fahrzeuges angepassten Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) die Dichteverhältnisse - im Bereich von 0,4 bis 0,54 oder - im Bereich von 0,55 bis 0,8 oder - im Bereich von 0,6 bis 0,675 eingestellt sind, wobei diese Verhältnisse für dichte Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) mit einem Liefergrad A = 1 gelten und dementsprechend korrigiert werden müssen, wenn der Liefergrad von A = 1 abweicht.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenverdichter (4,40) und die Expansionsmaschine (6,60) als rotierende oder oszillierende Verdrängungsmaschinen, vorzugsweise als innenachsige Rotationskolbenmaschine oder zweiwellige Zahnradmaschine ausgebildet sind, die jeweils der vorgegebenen Strömungsrichtung des Kohlendioxids entsprechend eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen, wobei die Expansionsmaschine (6,60) und der Nebenverdichter (4,40) bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen kohlendioxidströmungsgerichtet umschaltbar ausgebildet sind und entweder zur umschaltbaren Durchführung von einem Kühlungs-Kreislauf (80) in einen Wärmepumpen-Kreislauf (81) und umgekehrt vorgesehen sind, wobei das Verhältnis von Dichte und Volumen zwischen der Expansionsmaschine (6,60) und dem Nebenverdichter (4,40) festgelegt ist.
Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Verdrängungsmaschine, vorzugsweise eine innenachsige Rotationskolbenmaschine oder Zahnradmaschine die Form von jeweils verdrängenden Geometrien in einem Gehäuse aufweisen, mit denen die entgegengesetzte Drehrichtung je nach vorgesehener Durchströmungsrichtung im Kreislauf (8,80,81) erreichbar ist.
Klimaanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) vorhandene Expansionsmaschine (6,60) und Nebenverdichter (4,40) über eine gemeinsame Welle (91) in Verbindung stehen.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) aus der Expansionsmaschine (6,60) und aus dem Nebenverdichter (4,40) in einem Gehäuse ausgebildet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptverdichter (2) und dem Nebenverdichter (4,40) Zuführungsleitungen zugeordnet sind, die mit Ventilen, wahlweise mit steuerbaren Ventilen (11,12,13,14;92,93,94,95) versehen sind, so dass je nach Kühlungs-Kreislauf (8,80) oder Wärmepumpen-Kreislauf (81) eine kreislaufbezogene Durchströmung (51,52) des Hauptverdichters (2) und des Nebenverdichters (4,40) einstellbar ist, wobei die Ventile (11,12,13,14;92,93,94,95) wahlweise mit einer Steuer-/Regeleinrichtung (99) zumindest signaltechnisch in Verbindung stehen.
Klimaanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmepumpen-Kreislauf (81) neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) wahlweise mindestens eine zusätzliche Nebenverdichtungsstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) vorgesehen ist, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist.
Klimaanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmepumpen-Kreislauf (81) neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine (90) wahlweise mindestens eine zusätzliche Expansionsstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) vorgesehen ist, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist, wobei die beiden Expansions-Kompressions-Maschinen eine Reihen- oder Parallelschaltung bilden.
Klimaanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmepumpen-Kreislauf (81) neben der bestehenden Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) wahlweise zusätzliche Drosselquerschnitte parallel zur Expansions- oder Nebenverdichterstufe in der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) eingesetzt sind, die sowohl für den überkritischen als auch wahlweise für den unterkritischen Betrieb eingesetzt ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des jeweiligen Betriebs der Außen-Wärmeübertrager (3,5) in einen Mittel- und Hochdruckteil aufgeteilt ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter (2) mit einem mechanischen und/oder elektrischen Antrieb versehen ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem inneren Wärmeübertrager -ihx- (15) versehen ist, der einerseits in den Leitungsstrang (16) zwischen dem Hauptverdichter (2) und dem Innen-Wärmeübertrager (7) und andererseits in den Leitungsstrang (17) zwischen dem zweiten Außen-Wärmeübertrager (5) und der Expansionsmaschine (6,60) eingebunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer mit Kohlendioxid betreibbaren Klimaanlage (1) für Fahrzeuge für einen Prozess mit arbeitsleistender Entspannung des Kohlendioxids, dessen Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids in einer Hochdruckstufe dient, nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpen-Kreislauf (81) bezüglich des Strömungsverlaufs des Kohlendioxids in folgenden Schritten durchgeführt wird: - Verdichtung des Kohlendioxids mittels des Antriebs des Hauptverdichters (2), der als Teil der ersten Verdichterstufe die gleiche Funktion wie im Kühlungs-Kreislauf (8,80) hat und in dem die gleiche Strömungsrichtung des Kohlendioxids wie im Kühlungs-Kreislauf vorhanden ist, - Durchgang des Kohlendioxids durch den Innen-Wärmeübertrager (7) in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Kühlungs-Kreislauf, der als Heizer arbeitet, - Durchgang des Kohlendioxids durch die Expansionsmaschine (6,60) in entgegengesetzter Richtung, wobei Einlass und Auslass gewechselt sind und wobei in der Expansionsmaschine (6,60) ebenso eine Entspannung erfolgt, die arbeitsleistend direkt zum Antrieb des Nebenverdichters (4,40) genutzt wird, - Durchgang des Kohlendioxids durch den zweiten Außen-Wärmeübertrager (5), der als Mitteldruck-Verdampfer arbeitet und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt, - Durchgang des Kohlendioxids durch den Nebenverdichter (4,40), der als Vorverdichter für die erste Stufe im Zweiphasengebiet arbeitet, und - Durchgang des verdichteten Kohlendioxids durch den ersten AußenWärmeübertrager (3), der als Niederdruck-Verdampfer arbeitet und auch Wärme aus der Umgebung aufnimmt, wobei Hauptverdichter (2), Innen-Wärmeübertrager (7), Expansionsmaschine (6,60), zweiter Außen-Wärmeübertrager (3), Nebenverdichter (4,40) und erster Außen-Wärmeübertrager (5) in dieser Reihenfolge geschaltet und durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 19 , dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Wärmeübertrager (ihx) (15) einerseits in den Leitungsstrang zwischen dem Hauptverdichter (2) und dem Innen-Wärmeübertrager (7) und andererseits in den Leitungsstrang zwischen dem zweiten Außen-Wärmeübertrager (5) und der Expansionsmaschine (6,60) eingebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Kreisläufen (80,81) der Einlass und der Auslass der Expansionsmachine (6,60) wegen des Wechsels der Richtung der Kohlendioxid-Strömung wechseln, wobei die beiden Außen-Wärmeübertrager (3,5) in den beiden Kreisläufen (8,80;81) auf verschiedenen Druckniveaus arbeiten, wobei der erste Außen-Wärmeübertrager (3) im Kühlungs-Kreislauf (8,80) als Mitteldruck-Gaskühler, der Wärme an die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpen-Kreislauf (81) als Mitteldruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet, während der zweite Außen-Wärmeübertrager (5) im Kühlungs-Kreislauf (8,80) als Hochdruck-Gaskühler, der Wärme in die Umgebung abgibt, und im Wärmepumpen-Kreislauf (81) als Niederdruck-Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) an die Prozessparameter - Temperatur und Kältemittelstrom - der Klimaanlage des Fahrzeugs angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen-/Dichte-Verhältnis zwischen der Verdichtung und der Expansion festgelegt wird, wobei die erreichbare Leistungszahl oder deren Abweichung zu einer maximal möglichen Leistungszahl - COPmax - sowie ein akzeptierbarer Hochdruck, der im Bereich des maximalen Hochdruckes der Klimaanlage des Fahrzeugs liegt, tragende Parameter sind, wobei als COP-Wert der Wert des Verhältnisses von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Arbeitsleistung einschließlich der Hilfsenergie unter bestimmten Umgebungstemperaturen zu festgesetzten Zeitpunkten definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteänderung als Verhältnis der Auslass- zur Einlassdichte des Kohlendioxids im Nebenverdichter (40) im Verhältnis von 1,0 bis 1,3, insbesondere zwischen 1,05 und 1,20 sowie im Detail zwischen 1,08 und 1,15 betragen, das insbesondere für den Nebenverdichter (4,40) mit und ohne Änderung des inneren Volumens gilt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichte- oder Volumen-Verhältnis zwischen Verdichtung/Expansion bei Werten von 0,40 bis 0,54 und 0,55 bis 0,8 für einen überkritischen Betrieb von 30° bis 70°C Gaskühleraustrittstemperatur, insbesondere bei Werten von 0,6 bis 0,675 eingestellt wird, wobei die Werte bei einer dichten Expansions-Kompressions-Maschine mit einem Liefergrad von A = 1 oder mit einem volumetrischen Wirkungsgrad und dementsprechend korrigiert, wenn die Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) angepasst ist, vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichtungsstufe (90) wahlweise auch im Zweiphasengebiet betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass im unterkritischen Kühlungsbetrieb das Dichteverhältnis vom überkritischen Prozessverlauf übernommen wird,
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die arbeitsleistende Entspannung wahlweise vollständig, unvollständig oder nach dem Volldruckprinzip durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vertauschung von Ein- und Auslass der Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) die Expansions-Kompressions-Maschine (9,90) derart ausgelegt ist, dass der Nebenverdichter (4,40) der Maschine (9,90) wahlweise als Verdichter oder Expansionsmaschine betrieben wird, wobei Gleiches für die Expansionsmaschine (6,60) gilt, die sowohl als Expansionsmaschine oder auch als Verdichter arbeitet, was entweder mittels einer kombinierten Zahnradmaschine oder mittels anderer rotierender/oszillierender Maschinen, die den Arbeitsraum durch Drehen bzw. durch Oszillieren absperren, und mittels eines eingebrachten Dichteverhältnisses zwischen Verdichter und Expansionsmaschine durchgeführt wird, wobei das Dichteverhältnis so abgestimmt wird, dass wahlweise der Kühlungs-Kreislauf oder der Wärmepumpen-Kreislauf einstellbar ist und wobei als Arbeitsraum bei den Zahnradmaschinen das jeweilige die Zahnräder umgebende Volumen definiert wird.