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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor.
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Herkömmlicherweise
ist eine Kältemittelkreislaufvorrichtung mit einem Ejektor
zum Beispiel in
JP
2005-308380A bekannt. In der Kältemittelkreislaufvorrichtung
ist ein Verzweigungsabschnitt auf einer stromaufwärtigen
Seite des Düsenabschnitts des Ejektors bereitgestellt,
um Kältemittel, das aus einem Strahler strömt,
in einen Kältemittelstrahl der in Richtung des Düsenabschnitts
strömt, und einen Kältemittelstrahl, der in Richtung
einer Kältemittelansaugöffnung des Ejektors strömt,
zu verzweigen.
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In
der in
JP 2005-308380A beschriebenen Kältekreislaufvorrichtung
befindet sich ein erster Verdampfer stromabwärtig von einem
Diffusorabschnitt des Ejektors, um das aus dem Diffusorabschnitt
des Ejektors strömende Kältemittel zu verdampfen,
und eine feste Drossel und ein zweiter Verdampfer befinden sich
zwischen dem Verzweigungsabschnitt und der Kältemittelansaugöffnung
des Ejektors, so dass das in der festen Drossel dekomprimierte und
expandierte Kältemittel in dem zweiten Verdampfer verdampft
wird. Auf diese Weise können sowohl der erste Verdampfer
als auch der zweite Verdampfer derart betrieben werden, dass sie
jeweils die gleiche Kühlkapazität haben.
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In
dem Ejektor dekomprimiert und expandiert der Düsenabschnitt
Hochdruckkältemittel, das von dem Strahler strömt
und an dem Verzweigungsabschnitt getrennt wird. Der Ejektor ist
aufgebaut, um das Kältemittel von der Kältemittelansaugöffnung durch
eine Saugwirkung der Strahlströmung des Hochgeschwindigkeitskältemittels,
das von dem Düsenabschnitt ausgestoßen wird, anzusaugen.
In dem Ejektor werden das Strahlkältemittel von dem Düsenabschnitt
und das Ansaugkältemittel von der Kältemittelansaugöffnung
in einem Mischabschnitt vermischt, und der Druck des vermischten
Kältemittels wird in dem Diffusorabschnitt erhöht,
indem die kinetische Energie des vermischten Kältemittel
in die Druckenergie des vermischten Kältemittels umgewandelt
wird. Daher wird der Druck des aus dem Auslass des Ejektors strömenden
Kältemittels weiter erhöht als der Druck des Ansaugkältemittels.
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Folglich
werden der Kältemittelverdampfungsdruck und die Kältemittelverdampfungstemperatur
in dem ersten Verdampfer, der sich stromabwärtig von dem
Diffusorabschnitt des Ejektors befindet, jeweils stärker
erhöht als der Kältemittelverdampfungsdruck und
die Kältemittelverdampfungstemperatur in dem zweiten Verdampfer,
der sich auf einer stromaufwärtigen Seite der Kältemittelansaugöffnung
des Ejektors befindet. Folglich kann das Kältemittel sowohl
in den ersten als auch zweiten Verdampfern in verschiedenen Temperaturbereichen verdampft
werden. Da außerdem eine kältemittelstromabwärtige
Seite des ersten Verdampfers mit einer Kältemittelansaugseite
des Kompressors verbunden ist, kann der Druck des Kältemittels,
das in den Kompressor gesaugt werden soll, erhöht werden, wodurch
die in dem Kompressor verbrauchte Energie verringert wird und der
Leistungskoeffizient (COP) eines Kältemittelkreislaufs
in der Kältemittelkreislaufvorrichtung verbessert wird.
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In
der in
JP 2005-308380A beschriebenen Kältemittelkreislaufvorrichtung
wird das verzweigte Kältemittel, das in Richtung der Kältemittelansaugöffnung
des Ejektors strömt, in der festen Drossel dekomprimiert
und wird dann in dem zweiten Verdampfer verdampft. Der Energieverlust
wird im Allgemeinen erzeugt, während das Kältemittel
in der festen Drossel dekomprimiert und expandiert wird. Jedoch wird
in der Kältemittelkreislaufvorrichtung, die in
JP 2005-308380A beschrieben
ist, der in der Kältemitteldekompression und Expansion
erzeugte Energieverlust nicht wirksam genutzt.
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Angesichts
der vorangehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Kältemittelkreislaufvorrichtung mit einem
Ejektor bereitzustellen, die Energieverluste, die in der Kältemitteldekompression
und Expansion verursacht werden, wirksam zu nutzen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor bereitzustellen, in der die in der Kältemitteldekompression
und Expansion verursachten Energieverluste wirksam als mechanische
Energie wieder gewonnen werden können, während
der COP eines Kältemittelkreislaufs verbessert werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kältemittelkreislaufvorrichtung einen
Kompressor (11), der aufgebaut ist, um Kältemittel
zu komprimieren und das komprimierte Kältemittel auszustoßen,
einen Strahler (12), der aufgebaut ist, um von dem Kompressor
(11) ausgestoßenes Hochdruckkältemittel
zu kühlen, einen Verzweigungsabschnitt (13), der
aufgebaut ist, um das aus dem Strahler (12) strömende
Kältemittel in erste und zweite Strahlen zu trennen, und
einen Ejektor (16). Der Ejektor (16) umfasst einen
Düsenabschnitt (16a), der aufgebaut ist, um das
Kältemittel des ersten Strahls, das von dem Verzweigungsabschnitt
(13) strömt, zu dekomprimieren, eine Kältemittelansaugöffnung
(16b), von der das Kältemittel durch eine Hochgeschwindigkeitsstrahlströmung
des aus dem Düsenabschnitt (16a) ausgestoßenen
Kältemittels gesaugt wird, und einen Druckerhöhungsabschnitt (16c, 16d),
in dem das von dem Düsenabschnitt (16a) ausgestoßene
Kältemittel und das von der Kältemittelansaugöffnung
(16b) angesaugte Kältemittel vermischt werden
und der Druck des vermischten Kältemittels erhöht
wird. In der Kältemittelkreislaufvorrichtung ist eine Expansionseinheit
(20) angeordnet, um das Kältemittel des zweiten
Strahls zu expandieren und unter Nutzung der Expansion mechanische
Energie auszugeben, und ein Verdampfer (21) mit einem Kältemittelauslass,
der mit der Kältemittelansaugöffnung (16b)
des Ejektors (16) verbunden ist, ist angeordnet, um das
aus der Expansionseinheit (20) strömende Kältemittel
zu verdampfen.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung dekomprimiert und expandiert
die Expansionseinheit (20) das Kältemittel des
an dem Verzweigungsabschnitt (13) verzweigten zweiten Strahls
und gewinnt die in der Dekompression und Expansion erzeugten Energieverluste
als mechanische Energie zurück. Da die mechanische Energie,
die von der Expansionseinheit (20) ausgegeben werden soll,
durch die Dekompression und Expansion des Kältemittels
erhalten wird, werden die Kältemittelströmungsmenge,
die in der Expansionseinheit (20) expandiert werden soll,
und der Druck des Kältemittels, das aus der Expansionseinheit
(20) strömt, entsprechend einer Änderung des
ausgegebenen mechanischen Energiebetrags geändert. Folglich
ist es möglich, den Druck des zu dem Verdampfer (21)
strömenden Kältemittels hinreichend zu verringern,
wodurch die Kühlkapazität in dem Verdampfer (21)
verbessert wird.
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Zum
Beispiel kann eine Dekompressionseinheit (19) an einer
Position stromaufwärtig von dem Verdampfer (21)
in dem Kältemittelstrom angeordnet sein, um das Kältemittel
des an dem Verzweigungsabschnitt (13) verzweigten zweiten
Strahls zu dekomprimieren.
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Der
Ejektor (16) und die Expansionseinheit (20) können
derart aufgebaut sein, dass eine erste Kältemittelströmungsmenge
(G1) und eine zweite Kältemittelströmungsmenge
(G2) unterschiedlich voneinander gemacht werden, wobei die erste
Kältemittelströmungsmenge (G1) eine Kältemittelströmungsmenge
ist, die von dem Kompressor (11) ausgestoßen wird,
wenn der Ejektorwirkungsgrad (ηej) in dem Ejektor (16)
maximal wird, und die zweite Kältemittelströmungsmenge
(G2) eine Kältemittelströmungsmenge ist, die von
dem Kompressor (11) ausgestoßen wird, wenn der
Expansionswirkungsgrad (ηex) in der Expansionseinheit (20)
maximal wird. Zum Beispiel kann die erste Kältemittelströmungsmenge
(G1) kleiner als die zweite Kältemittelströmungsmenge
(G2) sein oder kann größer als die zweite Kältemittelströmungsmenge
(G2) sein.
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Außerdem
kann ein Strömungsmengeneinstellabschnitt (15)
in der Kältemittelkreislaufvorrichtung bereitgestellt sein,
um ein Strömungsmengenverhältnis (Ge/Gdüs)
einer Strömungsmenge (Ge) des Kältemittels, das
von dem Verzweigungsabschnitt (13) in Richtung der Expansionseinheit
(20) strömt, zu einer Strömungsmenge
(Gdüs) des Kältemittels, das von dem Verzweigungsabschnitt
(13) in Richtung des Düsenabschnitts (16a)
strömt, einzustellen. In diesem Falle ist der Strömungsmengeneinstellabschnitt
(15) aufgebaut, um die Strömungsmenge (Ge) des
Kältemittels des zweiten Strahls, der von dem Verzweigungsabschnitt
(13) in Richtung der Expansionseinheit (20) strömt,
zu erhöhen, wenn die Strömungsmenge des von dem
Kompressor (11) ausgestoßenen Kältemittels
zunimmt.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung kann ein anderer Verdampfer
(17) angeordnet sein, um das aus dem Ejektor (16)
strömende Kältemittel zu verdampfen, oder/und
ein Zusatzkompressionsmechanismus (18) kann auf der Kältemittelansaugseite des
Kompressors (11) angeordnet sein, um das Kältemittel
unter Verwendung von mechanischer Energie, die von der Expansionseinheit
(20) ausgegeben wird, als eine Antriebsquelle zu komprimieren, oder/und
ein Innenwärmetauscher (23) kann angeordnet sein,
um den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel,
das von dem Strahler (12) strömt, und dem Kältemittel,
das in den Kompressor (11) gesaugt werden soll, durchzuführen,
oder/und ein Zusatzstrahler (24) kann stromaufwärtig
von der Expansionseinheit (20) in dem Kältemittelstrom
angeordnet sein, um das Kältemittel des an dem Verzweigungsabschnitt
(13) verzweigten zweiten Strahls zu kühlen. Außerdem
kann die Expansionseinheit (20) aufgebaut sein, um mechanische
Energie auszugeben und die ausgegebene mechanische Energie an eine
externe Komponente (22) auszugeben. Folglich können in
der Kältemittelkreislaufvorrichtung, Energieverluste, die
in der Kältemitteldekompression und Expansion verursacht
werden, wirksam als mechanische Energie zurück gewonnen
werden, während der COP in einem Kältemittelkreislauf
verbessert werden kann.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres
aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
offensichtlich, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen
genommen wird, wobei:
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1 ein
Kältemittelkreisdiagramm einer Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Kältemittelkreisdiagramm einer Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein
Kältemittelkreisdiagramm einer Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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4 ein
Kältemittelkreisdiagramm einer Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem Ejektor gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben
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(Erste Ausführungsform)
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Eine
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf 1 beschrieben.
In der ersten Ausführungsform wird die Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 typischerweise
für eine feste Klimaanlage für ein Zimmer verwendet.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der vorliegenden
Ausführungsform ist ein Kompressor 11 aufgebaut,
um Kältemittel anzusaugen, das angesaugte Kältemittel
zu komprimieren und das komprimierte Kältemittel auszustoßen.
Zum Beispiel ist der Kompressor 11 ein elektrischer Kompressor
mit einem Kompressionsmechanismus 11a und einem Elektromotor 11b.
Der Kompressionsmechanismus 11a hat eine feste Verdrängung
und wird von dem Elektromotor 11b angetrieben. Als der
Kompressionsmechanismus 11a kann eine bekannte Art von Kompressionsmechanismus,
wie etwa ein Spiralkompressionsmechanismus, ein Drehschieberkompressionsmechanismus
oder ein Drehkolbenkompressionsmechanismus, verwendet werden.
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Der
Betrieb (z. B. die Drehzahl) des Elektromotors 11b wird
unter Verwendung von Steuersignalen gesteuert, die von einer Klimatisierungssteuerung ausgegeben
werden. Als der Elektromotor 11b kann ein Wechselstrommotor
oder ein Gleichstrommotor verwendet werden. Durch Steuern der Drehzahl
des Elektromotors 11b kann die Kältemittelausstoßkapazität
des Kompressionsmechanismus 11a geändert werden.
Folglich kann der Elektromotor 11b in der vorliegenden
Ausführungsform als ein Ausstoßkapazitätsänderungsabschnitt
zum Ändern der Ausstoßkapazität des Kompressionsmechanismus 11a verwendet
werden.
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Ein
Kältemittelstrahler 12 ist auf einer Kältemittelausstoßseite
des Kompressors 11 angeordnet. Der Strahler 12 tauscht
Wärme zwischen Hochdruckkältemittel, das von dem
Kompressor 11 ausgestoßen wird, und Außenluft
(d. h. Luft außerhalb des Zimmers), die von einem Kühlventilator 12a geblasen wird,
aus, um das Hochdruckkältemittel zu kühlen. Die
Drehzahl des Kühlventilators 12a wird durch eine Steuerspannung
gesteuert, die von der Klimatisierungssteuerung ausgegeben wird,
um eine Luftblasmenge von dem Kühlventilator 12a zu
steuern.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird ein Flon-basiertes
Kältemittel oder ein HC-basiertes Kältemittel
als das Kältemittel für einen Kältemittelkreislauf
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 verwendet,
um einen unterkritischen Dampfkompressionskältemittelkreislauf
zu bilden, in dem ein Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite
vor dem Dekomprimieren den kritischen Druck des Kältemittels
nicht übersteigt. Auf diese Weise dient der Strahler 12 als ein
Kondensator zum Kühlen und Kondensieren des Kältemittels.
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Ein
Flüssigkeitssammler 12b ist auf einer Kältemittelauslassseite
des Strahlers 12 bereitgestellt. Der Sammler 12b hat
eine vertikal ausgerichtete Behälterform, die wohlbekannt
ist, und dient als ein Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden
des aus dem Strahler 12 strömenden Kältemittels 12 in gasförmige
und flüssige Phasen, um das überschüssige
flüssige Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf zu
lagern. Das flüssige Kältemittel wird geleitet,
um aus dem unteren Teil des Inneren der Behälterform des
Sammlers 12b zu strömen. Der Sammler 12b kann
in der vorliegenden Ausführungsform integral mit dem Strahler 12 ausgebildet
sein oder kann getrennt von dem Strahler 12 ausgebildet
sein.
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Der
Strahler 12 kann eine bekannte Struktur mit einem ersten
Wärmeaustauschabschnitt für die Kondensation haben,
der auf der stromaufwärtigen Seite des Kältemittelstroms
angeordnet ist, wobei der Sammler 12b zum Sammeln des Kältemittels,
das von dem ersten Wärmeaustauschabschnitt zur Kondensation
eingeleitet wird, dient, um das Kältemittel in gasförmige
und flüssige Phasen abzuscheiden, und einen zweiten Wärmeaustauschabschnitt
zum Unterkühlen des gesättigten flüssigen
Kältemittels von dem Sammler 12b. Alternativ kann
der Sammler 12b von der in 1 gezeigten
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 weggelassen
werden.
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Ein
Verzweigungsabschnitt 13 ist mit dem Auslass für
flüssiges Kältemittel des Sammlers 12b verbunden
und ist aufgebaut, um das von dem Sammler 12b strömende
Kältemittel in zwei Strahle zu teilen. Zum Beispiel ist
der Verzweigungsabschnitt 13 ein Dreiwegverbindungselement
mit einem Kältemitteleinlass und ersten und zweiten Kältemittelauslässen.
Das als der Verzweigungsabschnitt 13 verwendete Dreiwegverbindungselement
kann durch Verbinden von Rohrleitungen mit verschiedenen Rohrleitungsdurchmessern
aufgebaut werden oder kann durch Bereitstellen mehrerer Kältemitteldurchgänge
in einem Metallblockelement oder einem Harzblockelement aufgebaut
werden.
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Einer
der an dem Verzweigungsabschnitt 13 verzweigten Kältemittelstrahlen
strömt in einen ersten Kältemitteldurchgang 14 (d.
h. düsenseitigen Kältemitteldurchgang), und der
andere der an dem Verzweigungsabschnitt 13 verzweigten
Kältemittelstrahlen strömt in einen zweiten Kältemitteldurchgang 14b (d.
h. Verzweigungsdurchgang). Ein Ende des ersten Kältemitteldurchgangs 14a ist
mit dem ersten Kältemittelauslass des Verzweigungsdurchgangs 13 verbunden,
und das andere Ende des ersten Kältemitteldurchgangs 14a ist
mit einem Einlass eines Düsenabschnitts 16a des
Ejektors 16 verbunden, so dass einer der an dem Verzweigungsabschnitt 13 verzweigten
Kältemittelstrahle durch den ersten Kältemitteldurchgang 14a in
den Düsenabschnitt 16a strömt. Ein Ende
des zweiten Kältemitteldurchgangs 14b ist mit
dem zweiten Kältemittelauslass des Verzweigungsabschnitts 13 verbunden,
und das andere Ende des zweiten Kältemitteldurchgangs 14b ist
mit einer Kältemittelansaugöffnung 16b des
Ejektors 16 verbunden, so dass der andere der an dem Verzweigungsabschnitt 13 verzweigten
Kältemittelstrahle durch den zweiten Kältemitteldurchgang 14b in
die Kältemittelansaugöffnung 16b strömt.
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Ein
elektrisches Expansionsventil 15 befindet sich in dem ersten
Kältemitteldurchgang 14a auf einer stromaufwärtigen
Seite des Düsenabschnitts 16a des Ejektors 16 in
einem Kältemittelstrom des ersten Kältemitteldurchgangs 14a.
Das Expansionsventil 15 wird als ein Dekompressionsabschnitt
verwendet, der aufgebaut ist, um flüssiges Hochdruckkältemittel
zu dekomprimieren, das aus dem Sammler 12b zu dem ersten
Kältemitteldurchgang 14a strömt, um in
einem gasförmig-flüssigen Zweiphasenzustand mit
einem mittleren Druck zu sein. Das Expansionsventil 15 wird
auch als ein Strömungsmengeneinstellabschnitt zum Einstellen
einer Strömungsmenge des in den Düsenabschnitt 16a strömenden
Kältemittels verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform
ist das Expansionsventil 15 eine variable Drosselvorrichtung,
die durch einen elektrischen Aktuatormechanismus und einen von dem elektrischen
Aktuatormechanismus angetriebenen Ventilmechanismus aufgebaut ist.
Zum Beispiel kann der elektrische Aktuatormechanismus ein Schrittmotor
sein.
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Der
Betrieb des elektrischen Aktuatormechanismus des elektrischen Expansionsventils 15 wird unter
Verwendung eines Steuersignals, das von der Klimatisierungssteuerung
ausgegeben wird, etwas und allmählich geändert,
so dass der Öffnungsgrad (z. B. die Drosseldurchgangsfläche)
des Ventilmechanismus geändert wird. Auf diese Weise kann
das Expansionsventil 15 das Hochdruckkältemittel,
das in den ersten Kältemitteldurchgang 14a strömt,
auf einen mittleren Druck dekomprimieren und expandieren und kann
die Strömungsmenge des Kältemittels, das aus dem
Expansionsventil 15 in stromabwärtige Richtung
strömt, einstellen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform kann das Expansionsventil 15 als
ein Strömungsverhältniseinstellabschnitt verwendet
werden, der ein Strömungsverhältnis Ge/Gdüs
zwischen einer Strömungsmenge Gdüs des Kältemittels,
das von dem Verzweigungsabschnitt 13 durch den ersten Kältemitteldurchgang 14a strömt,
und einer Strömungsmenge Ge des Kältemittels,
das von dem Verzweigungsabschnitt 13 durch den zweiten
Kältemitteldurchgang 14b strömt, einstellt.
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Der
Ejektor 16 befindet sich auf einer Kältemittelauslassseite
des Expansionsventils 15. Der Ejektor 16 ist als
ein Dekompressionsabschnitt zum weiteren Dekomprimieren des aus
dem Expansionsventil 15 strömenden Kältemittels
und als ein Kältemittelzirkulationsabschnitt zum Zirkulieren
des Kältemittels durch die Saugwirkung eines von dem Düsenabschnitt 16a ausgestoßenen
Hochgeschwindigkeitskältemittelstroms, geeignet.
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Der
Ejektor 16 umfasst den Düsenabschnitt 16a,
die Kältemittelansaugöffnung 16b, einen Mischabschnitt 16c und
einen Diffusorabschnitt 16d. Die Kältemitteldurchgangsschnittfläche
des Düsenabschnitts 16a ist in der Kältemittelströmungsrichtung
geändert, so dass das aus dem Expansionsventil 15 in
den Düsenabschnitt 16a strömende Kältemittel
isentrop dekomprimiert und expandiert wird. Die Kältemittelansaugöffnung 16b ist
in dem Ejektor 16 bereitgestellt, um mit einem Raum in
dem Ejektor 16 in Verbindung zu stehen, wo die Strahlöffnung
des Düsenabschnitts 16a bereitgestellt ist.
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Die
Kältemittelansaugöffnung 16b ist mit
einem Kältemittelauslass eines zweiten Verdampfers 21 verbunden,
so dass das Kältemittel von dem zweiten Verdampfer 21 von
der Kältemittelansaugöffnung 16b in den
Ejektor 16 gesaugt wird.
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In
dem Ejektor 16 ist der Mischabschnitt 16c auf
einer stromabwärtigen Seite des Düsenabschnitts 16a und
der Kältemittelansaugöffnung 16b in dem
Kältemittelstrom bereitgestellt, um den Hochgeschwindigkeitskältemittelstrom,
der von dem Düsenabschnitt 16a ausgestoßen
wird, mit dem Ansaugkältemittel zu vermischen, das von
der Kältemittelansaugöffnung 16b angesaugt
wird. Außerdem ist der Diffusorabschnitt 16d in
dem Ejektor 16 auf einer stromabwärtigen Seite
der Kältemittelströmung des Mischabschnitts 16c bereitgestellt.
Der Mischabschnitt 16c und der Diffusorabschnitt 16d werden
in dem Ejektor 16 als ein Druckerhöhungsabschnitt
verwendet, in dem das Kältemittel von dem Düsenabschnitt 16a und
das von der Kältemittelansaugöffnung 16b angesaugte
Kältemittel vermischt werden und der Druck des vermischten
Kältemittels erhöht wird.
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Der
Diffusorabschnitt 16d ist in dem Ejektor 16 in
einer derartigen Form ausgebildet, dass die Durchgangsschnittfläche
des Kältemittels allmählich zunimmt, und hat eine
Wirkung, die Geschwindigkeit des Kältemittelstroms zu erhöhen,
um den Kältemitteldruck zu erhöhen, das heißt,
eine Wirkung, die Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels
in dessen Druckenergie umzuwandeln. Ein erster Verdampfer 17 ist
mit einer Kältemittelauslassseite des Diffusorabschnitts 16d des
Ejektors 16 verbunden, um darin das Kältemittel
zu, verdampfen, das aus dem Diffusorabschnitt 16d strömt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform sind die verschiedenen
Aufbauten des Ejektors 61 derart festgelegt, dass ein Ejektorwirkungsgrad ηej,
wie in der folgenden Formel F1 definiert, selbst in einem Niederlastbetrieb,
in dem die Klimatisierungslast im Vergleich zu einem Normalbetrieb
relativ niedrig ist, erhalten wird.
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Der
Ejektorwirkungsgrad ηej ist wie in der folgenden Formel
(F1) definiert. ηej = (1
+ Ge/Gdüs) × (ΔP/ρ)/Δi (F1)
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Hier
ist Ge die Strömungsmenge des Ansaugkältemittels,
das in die Kältemittelansaugöffnung 16b angesaugt
wird, Gdüs ist die Strömungsmenge des Strahlkältemittels,
das von dem Düsenabschnitt 16a ausgestoßen
wird, ΔP ist der Druckerhöhungsbetrag in dem Diffusorabschnitt 16d, ρ ist
die Dichte des Ansaugkältemittels, und Δi ist
eine Enthalpiedifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des
Düsenabschnitts 16a. In der folgenden Erklärung ist
die von dem Kompressor 11 ausgestoßene Kältemittelströmungsmenge,
wenn der Ejektorwirkungsgrad ηej maximal wird, als eine
erste Kältemittelströmungsmenge G1 definiert.
Hier entspricht die von dem Kompressor 11 ausgestoßene
Kältemittelströmungsmenge einer Kältemittelströmungsmenge,
die von dem Kompressor 11 in dem Kältemittelkreislauf zirkuliert
wird.
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Hier
bedeutet der Normalbetrieb eine Betriebsart in einer mittleren Klimatisierungslast,
wenn das Kühlen für das Zimmer im Sommer durchgeführt wird.
Der Niederlastbetrieb bedeutet eine Betriebsart, die durchgeführt
wird, um nur die Entfeuchtung für das Zimmer im Sommer,
zum Beispiel in einem Fall durchzuführen, in dem die Außenlufttemperatur
im Sommer relativ niedrig ist. Andererseits bedeutet der Hochlastbetrieb
eine Betriebsart, die notwendig ist, um eine schnelle Kühlung,
zum Beispiel in einem Fall, in dem die Klimaanlage im Sommer ihren
Betrieb beginnt, durchzuführen.
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Der
erste Verdampfer 17 ist ein Wärmetauscher, in
dem das aus dem Diffusorabschnitt 16d des Ejektors 16 strömende
Kältemittel mit von einem Gebläseventilator 17a geblasener
Luft Wärme austauscht und verdampft wird, indem es Wärme
aus Luft aufnimmt, die den ersten Verdampfer 17 durchläuft.
Der Gebläseventilator 17a kann ein elektrisches
Gebläse sein, in dem eine Ventilatordrehzahl von einer
Steuerspannung gesteuert wird, die von einer Klimatisierungssteuerung
ausgegeben wird, um eine Luftblasmenge zu steuern.
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Ein
Kältemittelauslass des ersten Verdampfers 17 ist
mit einer Kältemittelansaugöffnung eines Zusatzkompressionsmechanismus 18 verbunden, der
unter Verwendung mechanischer Energie betrieben wird, die von einer
Expansionseinheit 20 als einer Antriebsquelle ausgegeben
wird. In der vorliegenden Ausführungsform kann als der
Zusatzkompressionsmechanismus 18, ein Spiral-, ein Drehschieber-
oder ein Rotationskompressionsmechanismus verwendet werden. Eine
Drehwelle des Zusatzkompressionsmechanismus 18 ist direkt
mit einer Drehwelle der Expansionseinheit 20 verbunden,
so dass der Zusatzkompressionsmechanismus 18 durch die
mechanische Energie betrieben wird, die von der Expansionseinheit 20 ausgegeben
wird. Außerdem ist eine Kältemittelausstoßöffnung
des Zusatzkompressionsmechanismus 18 mit einer Kältemittelansaugöffnung
des Kompressors 11 verbunden, so dass das von dem Zusatzkompressionsmechanismus 18 ausgestoßene
Kältemittel in die Kältemittelansaugöffnung
des Kompressors 11 gesaugt wird.
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Der
zweite Kältemitteldurchgang 14b hat das eine Ende
von dem ersten Kältemitteldurchgang 14a an dem
Verzweigungsabschnitt 13 verzweigt und das andere Ende
mit der Kältemittelansaugöffnung 16b des
Ejektors 16 verbunden. Eine feste Drossel 19, die
Expansionseinheit 20 und der zweite Verdampfer 21 sind
in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite des
Kältemittelstroms in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b angeordnet.
Die feste Drossel 19 ist aufgebaut, um das durch den zweiten
Kältemitteldurchgang 14b strömende Kältemittel
zu dekomprimieren und zu expandieren. Als die feste Drossel 19,
kann eine Kapillarröhre, eine Mündung oder ähnliches
verwendet werden.
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Die
Expansionseinheit 20 ist aufgebaut, um das Kältemittel,
das aus der festen Drossel 19 strömt, zu expandieren,
so dass die Druckenergie des Kältemittels in der Expansionseinheit 20 in
die mechanische Energie umgewandelt wird. Als die Expansionseinheit 20 kann
ein Volumenkompressionsmechanismus, wie etwa ein Spiral-, Drehschieber-
oder ein Drehkolbenmechanismus verwendet werden.
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In
der Expansionseinheit 20 wird der Kältemittelstrom
im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Volumenkompressionsmechanismus
als ein Kompressor verwendet wird, entgegengesetzt zu einem Kältemittelstrom
gemacht, so dass die mechanische Energie ausgegeben werden kann.
Zum Beispiel kann in der Expansionseinheit 20 der vorliegenden
Ausführungsform ein Rotationskapazitätskompressionsmechanismus
verwendet werden, so dass Rotationsenergie als die mechanische Energie
ausgegeben wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform sind die verschiedenen
Aufbauten der Expansionseinheit 20 derart festgelegt, dass
selbst in dem Hochlastbetrieb, in dem die Klimatisierungslast im
Vergleich zu dem Normalbetrieb relativ hoch ist, ein Expansionswirkungsgrad ηex,
der wie in der folgenden Formel F2 definiert ist, erhalten wird.
Der Expansionswirkungsgrad ηex ist wie in der folgenden
Formel (F2) definiert. ηex
= (N × T)/(ΔP2 × ΔQe) (F2)
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In
der Formel F2 ist N die Drehzahl der Expansionseinheit 20,
T ist das von der Expansionseinheit 20 ausgegebene Drehmoment, ΔP2
ist eine Druckdifferenz des Kältemittels zwischen dem Auslass
und dem Einlass der Expansionseinheit 20, und ΔQe
ist eine Strömungsmengendifferenz des Kältemittels
zwischen dem Auslass und dem Einlass der Expansionseinheit 20.
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In
der folgenden Erklärung ist die von dem Kompressor 11 ausgestoßene
Kältemittelströmungsmenge, wenn der Expansionswirkungsgrad ηex
maximal wird, als eine zweite Kältemittelströmungsmenge
G2 definiert. Folglich ist die erste Kältemittelströmungsmenge
G1 in der vorliegenden Ausführungsform kleiner als die
zweite Kältemittelströmungsmenge G2.
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Der
zweite Verdampfer 21 befindet sich in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b auf
einer stromabwärtigen Seite der Expansionseinheit 20 in dem
Kältemittelstrom, so dass das sowohl in der festen Drossel 19 als
auch in der Expansionseinheit 20 dekomprimierte Kältemittel
in den zweiten Verdampfer 21 strömt. Der zweite
Verdampfer 21 ist ein Wärmetrauscher, in dem das
von der festen Drossel 19 und der Expansionseinheit 20 dekomprimierte
Kältemittel mit Luft Wärme austauscht, nachdem
sie durch den Gebläseventilator 17a den ersten
Verdampfer 17 durchlaufen hat, und durch Aufnehmen von
Wärme aus Luft, die den zweiten Verdampfer 21 durchläuft, verdampft
wird. Der zweite Verdampfer 21 befindet sich auf einer
luftstromabwärtigen Seite des ersten Verdampfers 17,
so dass Luft, die den ersten Verdampfer 17 durchlaufen
hat, durch den zweiten Verdampfer 21 strömt. Eine
Kältemittelauslassseite des zweiten Verdampfers 21 ist
mit der Kältemittelansaugöffnung 16b des
Ejektors 16 verbunden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform sind der erste Verdampfer 17 und
der zweite Verdampfer 21 aus einem Wärmetauscher
mit Lamellen- und Rohrstruktur aufgebaut. Zum Beispiel sind sowohl der
erste Verdampfer 17 als auch der zweite Verdampfer 21 derart
aufgebaut, dass sie gemeinsame Wärmeaustauschlamellen haben,
während sie unabhängige Rohrstrukturen dazwischen
haben. Der erste Verdampfer 17 und der zweite Verdampfer 21 sind integriert,
so dass die Rohrstruktur, in der das Kältemittel aus dem
Ejektor 16 strömt, unabhängig von der Rohrstruktur
bereitgestellt wird, in der das aus der Expansionseinheit 20 strömende
Kältemittel strömt.
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Folglich
strömt von dem Gebläseventilator 17a geblasene
Luft wie in dem Pfeil 100 in 1 gezeigt,
und wird von dem ersten Verdampfer 17 gekühlt
und wird dann von dem zweiten Verdampfer 21 gekühlt.
In diesem Beispiel sind der erste Verdampfer 17 und der
zweite Verdampfer 21 angeordnet, um Luft zu kühlen,
die in den Raum des Zimmers geblasen werden soll.
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Die
Klimatisierungssteuerung ist durch einen wohlbekannten Mikrocomputer
mit CPU, ROM und RAM und seine peripheren Schaltungen aufgebaut. Die
Klimatisierungssteuerung führt verschiedene Berechnungen
und Verfahren basierend auf dem in dem ROM gespeicherten Steuerprogramm
durch und steuert den Betrieb verschiedener elektrischer Aktuatoren
(11b, 12a, 15, 17a).
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Erfassungssignale
verschiedener Sensoren, Bediensignale von Bedienschaltern, die auf
einem Bedienfeld bereitgestellt sind, und ähnliches wird
in die Klimatisierungssteuerung eingegeben. Zum Beispiel umfassen
die verschiedenen Sensoren einen Außenlufttemperatursensor
zum Erfassen einer Außenlufttemperatur, einen Innenlufttemperatursensor zum
Erfassen einer Innenlufttemperatur und ähnliches. Die Bedienschalter
umfassen einen Klimaanlagenbedienschalter zum Bedienen der Klimaanlage.
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Als
nächstes wird der Betrieb der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10,
die für eine Klimaanlage verwendet wird, beschrieben. Wenn
der Bedienschalter des Bedienfelds eingeschaltet wird, liest die
Klimatisierungssteuerung Erfassungssignale von den verschiedenen
Sensoren, bestimmt Steuerzustände der verschiedenen Aktuatoren
(11b, 12a, 15, 17a) und gibt
Steuersignale an die verschiedenen Aktuatoren (11b, 12a, 15, 17a)
aus, um die bestimmten Steuerzustände zu erhalten.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10, die als
die Klimaanlage der vorliegenden Ausführungsform verwendet
wird, saugt der Kompressor 11 Kältemittel an und
komprimiert es und stößt das komprimierte Kältemittel
aus. Von dem Kompressor 11 ausgestoßenes Hochtemperatur-
und Hochdruckgaskältemittel strömt in den Strahler 12 und
wird in dem Strahler 12 gekühlt, indem es einen
Wärmeaustausch mit Außenluft (z. B. Luft außerhalb
des Zimmers), die von dem Kühlventilator 12a geblasen
wird, durchführt. Das aus dem Strahler 12 strömende Hochdruckkältemittel
strömt in den Sammler 12b und wird in dem Sammler 12b in
gasförmiges und flüssiges Kältemittel
abgeschieden.
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Das
von dem gasförmigen Kältemittel abgeschiedene
flüssige Kältemittel in dem Sammler 12b strömt
in den Verzweigungsabschnitt 13 und wird an dem Verzweigungsabschnitt 13 in
den Kältemittelstrahl (ersten Strahl), der durch den ersten
Kältemitteldurchgang 14a strömt, und
den Kältemittelstrahl (zweiten Strahl), der durch den zweiten
Kältemitteldurchgang 14b strömt, getrennt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Strömungsmengenverhältnis
Ge/Gdüs der Kältemittelströmungsmenge
Ge, die durch den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
zu der Kältemittelströmungsmenge Gdüs,
die durch den ersten Kältemitteldurchgang 14a strömt, festgelegt,
indem der Öffnungsgrad (d. h. die Drosseldurchgangsfläche)
des Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils 15 gesteuert
wird.
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Zum
Beispiel verringert die Klimatisierungssteuerung den Öffnungsgrad
des Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils 15 entsprechend einer
Zunahme der Drehzahl des Elektromotors 11b des Kompressors 11,
um das Strömungsmengenverhältnis Ge/Gdüs
und die Kältemittelströmungsmenge Ge zu erhöhen.
Das heißt, die Klimatisierungssteuerung verringert den Öffnungsgrad
des Ventilmechanismus des elektrischen Expansionsventils 15 entsprechend
einer Zunahme der von dem Kompressor 11 ausgestoßenen
Kältemittelströmungsmenge, um das Strömungsmengenverhältnis
Ge/Gdüs und die Kältemittelströmungsmenge
Ge zu erhöhen. Das Strömungsmengenverhältnis
Ge/Gdüs wird derart eingestellt, dass ein Überhitzungsgrad
des Kältemittels auf der Kältemittelauslassseite
des ersten Verdampfers 17 in einem vorbestimmten Überhitzungsgradbereich
ist.
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Nachdem
das Kältemittel in dem Expansionsventil 15 komprimiert
wurde, wird es in dem Düsenabschnitt 16a im Wesentlichen
isentrop weiter dekomprimiert. Die Druckenergie des Kältemittels
wird in dem Düsenabschnitt 16a in die Geschwindigkeitsenergie
des Kältemittels umgewandelt, so dass das Kältemittel
von der Kältemittelstrahlöffnung des Düsenabschnitts 16a mit
hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Durch den Hochgeschwindigkeitskältemittelstrahl
von der Kältemittelstrahlöffnung des Düsenabschnitts 16a wird
das in dem zweiten Verdampfer 21 verdampfte Kältemittel
von der Kältemittelansaugöffnung 16b in
den Ejektor 16 gesaugt.
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Das
von dem Düsenabschnitt 16a ausgestoßene
Kältemittel und das von der Kältemittelansaugöffnung 16b gesaugte
Kältemittel werden in dem Mischabschnitt 16c,
der stromabwärtig von dem Düsenabschnitt 16a positioniert
ist, vermischt, und das vermischte Kältemittel strömt
in den Diffusorabschnitt 16d. Da die Durchgangsschnittfläche
des Diffusorabschnitts 16d in dem Kältemittelstrom
in stromabwärtiger Richtung vergrößert
ist, wird die Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels
in dem Diffusorabschnitt 16d in die Druckenergie umgewandelt,
wodurch der Kältemitteldruck in dem Diffusorabschnitt 16d erhöht
wird.
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Das
aus dem Diffusorabschnitt 16d strömende Kältemittel
strömt in den ersten Verdampfer 17. In dem ersten
Verdampfer 17 wird das Niederdruckkältemittel
verdampft, indem es Wärme aus Luft aufnimmt, die von dem
Gebläseventilator 17a geblasen wird, so dass Luft,
die in das Zimmer geblasen werden soll, gekühlt wird. Das
aus dem ersten Verdampfer 17 strömende verdampfte
gasförmige Kältemittel wird in den Zusatzkompressionsmechanismus 18 gesaugt
und wird in dem Zusatzkompressionsmechanismus 18 unter
Druck gesetzt. Das von dem Zusatzkompressionsmechanismus 18 ausgestoßene
Kältemittel wird in den Kompressor 11 gesaugt
und wird in dem Kompressor 11 erneut komprimiert.
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Das
von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömende Kältemittel
wird in der festen Drossel 19 isenthalp dekomprimiert und
expandiert und strömt in die Expansionseinheit 20.
Das Volumen des in die Expansionseinheit 20 strömenden
Kältemittels wird expandiert, um dekomprimiert zu werden,
während die Drehachse der Expansionseinheit 20 gedreht
wird. Das heißt, in der Expansionseinheit 20 wird
die Druckenergie des Kältemittels in die mechanische Energie
(Rotationsenergie) umgewandelt.
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Das
aus der Expansionseinheit 20 strömende Niederdruckkältemittel
strömt in den zweiten Verdampfer 21 und wird verdampft,
indem es Wärme aus Luft aufnimmt, die unter Verwendung
des Gebläseventilators 17a den ersten Verdampfer 17 durchlaufen
hat. Auf diese Weise wird die Luft, die in das Zimmer geblasen werden
soll, sowohl von dem ersten Verdampfer 17 als auch dem
zweiten Verdampfer 21 gekühlt. Das aus dem zweiten
Verdampfer 21 strömende Kältemittel wird
von der Kältemittelansaugöffnung 16b in
den Ejektor 16 gesaugt.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann die Kühlkapazität
in den verschiedenen Temperaturbereichen sowohl in dem ersten Verdampfer 17 als auch
dem zweiten Verdampfer 21 verschieden festgelegt werden,
und dabei können die folgenden Vorteile erzielt werden.
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In
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der vorliegenden
Ausführungsform wird das aus dem ersten Verdampfer 17 strömende
Kältemittel in dem Zusatzkompressionsmechanismus 18 unter
Druck gesetzt und wird dann in den Kompressor 11 gesaugt.
Auf diese Weise kann der Druck des Kältemittels, das in
den Kompressor 11 gesaugt werden soll, im Vergleich zu
einem Fall, in dem das Kältemittel, bevor das Kältemittel
in den Kompressor 11 gesaugt wird, nur durch den Diffusorabschnitt 16d des
Ejektors 16 unter Druck gesetzt wird, erhöht werden,
und die Saugkraft des Kompressors 11 kann stark verringert
werden.
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Der
Zusatzkompressionsmechanismus 18 wird unter Verwendung
der Rückgewinnungsenergie der Expansionseinheit 20 als
Antriebsquelle, die erzeugt wird, während das durch den
zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömende
Kältemittel in der Expansionseinheit 20 dekomprimiert
und expandiert wird, betrieben. Daher kann der Zusatzkompressionsmechanismus 18 ohne
Verwendung einer äußeren Antriebskraft betrieben
werden. Als ein Ergebnis kann der COP des Kältemittelkreislaufs
in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 wirksam
verbessert werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden die Energieverluste in der Dekompression
und Expansion des von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den
zweiten Kältemitteldurchgangs 14b strömenden Kältemittels
von der Expansionseinheit 20 als mechanische Energie zurück
gewonnen, und die Antriebsleistung des Kompressors 11 wird
durch die zurück gewonnene mechanische Energie verringert. Daher
können die Energieverluste in dem Kältemittelkreislauf
wirksam verwendet werden.
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Wenn
der Rotationsvolumenkompressionsmechanismus als die Expansionseinheit 20 verwendet
wird, wird der Expansionsbetrag des Kältemittels in der
Expansionseinheit 20 entsprechend einer Änderung
der Drehzahl der Drehwelle der Expansionseinheit 20 geändert
und dadurch wird auch der Druck des aus der Expansionseinheit 20 strömenden
Kältemittels entsprechend der Drehzahl der Drehwelle der Expansionseinheit 20 geändert.
Daher kann der Druck des in den zweiten Verdampfer 21 strömenden Kältemittels
nicht hinreichend verringert sein.
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Da
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
die feste Drossel 19 in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b angeordnet
ist, kann der Druck des in den zweiten Verdampfer 21 strömenden
Kältemittels auf einen gewünschten Druck verkleinert
werden. Folglich kann der Kältemittelverdampfungsdruck
in dem zweiten Verdampfer 21 hinreichend verringert werden,
und in dem zweiten Verdampfer 21 kann eine gewünschte
Kühlkapazität erhalten werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist die erste Kältemittelströmungsmenge
G1 in dem Kältemittelkreislauf, wenn der Ejektorwirkungsgrad ηej des
Ejektors 16 maximal wird, kleiner als die zweite Kältemittelströmungsmenge
G2 in dem Kältemittelkreislauf, wenn der Expansionswirkungsgrad ηex
der Expansionseinheit 20 maximal wird, festgelegt. Folglich
kann der Kältemittelkreislauf während des Niederlastbetriebs
mit einem hohen Wirkungsgrad in dem Ejektor 16 betrieben
werden und kann während des Hochlastbetriebs mit einem
hohen Wirkungsgrad in der Expansionseinheit 20 betrieben
werden.
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Außerdem
ist das elektrische Expansionsventil 15 aufgebaut, um das
Strömungsmengenverhältnis Ge/Gdüs entsprechend
der Strömungsmenge des von dem Kompressor 11 ausgestoßenen
Kältemittels einzustellen. Zum Beispiel stellt das elektrische
Expansionsventil 15 das Strömungsmengenverhältnis
Ge/Gdüs ein, um die Kältemittelströmungsmenge
Ge, die durch den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
entsprechend einer Zunahme der von dem Kompressor 11 ausgestoßenen
Kältemittelmenge zu erhöhen. Auf diese Weise können
die Energieverluste in dem Kältemittelkreislauf wirksamer
zurück gewonnen werden.
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Im
Allgemeinen ist ein Änderungsgrad des Ejektorwirkungsgrads ηej
in Bezug auf eine Änderung der Kältemittelströmungsmenge
Gdüs größer als ein Änderungsgrad
des Expansionswirkungsgrads ηex in Bezug auf eine Änderung
der Kältemittelströmungsmenge Ge. Folglich kann
die Energie in einem Fall, in dem das Strömungsmengenverhältnis Ge/Gdüs
in dem Kältemittelkreislauf geändert wird, wirksamer
zurück gewonnen werden, indem lediglich die Kältemittelströmungsmenge
Ge auf der Seite der Expansionseinheit 20 geändert wird,
während die Kältemittelströmungsmenge
Gdüs auf der Seite des Düsenabschnitts 16a nicht
geändert wird.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform wird der Ejektor 16 derart
betrieben, dass er in dem Niederlastbetrieb einen hohen Wirkungsgrad
hat. Außerdem wird das Strömungsmengenverhältnis Ge/Gdüs
eingestellt, ohne die Kältemittelströmungsmenge
Gdüs zu ändern, während die durch den
zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömende
Kältemittelströmungsmenge Ge entsprechend der
Zunahme der von dem Kompressor 11 ausgestoßenen
Kältemittelmenge erhöht wird. Auf diese Weise
ist es möglich, den Expansionswirkungsgrad ηex
zu erhöhen, ohne den Ejektorwirkungsgrad ηej in
dem Kältemittelkreislauf der Kältemittelkreislaufvorrichtung
zu verringern. Als ein Ergebnis können die Energieverluste in
dem Kältemittelkreislauf wirksamer zurück gewonnen
werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 2 beschrieben.
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In
der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird
die von der Expansionseinheit 20 ausgegebene mechanische
Energie verwendet, um den Zusatzkompressionsmechanismus 18 anzutreiben.
In der zweiten Ausführungsform ist der in 1 gezeigte
Zusatzkompressionsmechanismus 18, wie in 2 gezeigt,
weggelassen, und die von der Expansionseinheit 20 ausgegebene
mechanische Energie wird an einem Generator 22 in elektrische
Energie umgewandelt. In dem Beispiel von 2 sind die
Teile, die ähnlich denen in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 von 1 sind
oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugsnummern angezeigt,
und ihre detaillierte Erklärung wird weggelassen.
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Der
Generator 22 ist aufgebaut, um die zurück gewonnene
mechanische Energie in die elektrische Energie umzuwandeln und die
elektrische Energie auszugeben. Zum Beispiel ist die Drehwelle des Generators 22 direkt
mit der Drehwelle der Expansionseinheit 20 verbunden, so
dass die Drehwelle des Generators 22 direkt durch die von
der Expansionseinheit 20 ausgegebene mechanische Energie
(Rotationsenergie) gedreht wird, wodurch die elektrische Energie
ausgegeben wird.
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Die
Kältemittelauslassseite des ersten Verdampfers 17 ist
direkt mit der Kältemittelansaugseite des Kompressors 11 verbunden,
so dass das aus dem ersten Verdampfer 17 strömende
Kältemittel in den Kompressor 11 gesaugt wird.
In der zweiten Ausführungsform sind die anderen Teile ähnlich
denen in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der
ersten Ausführungsform.
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Gemäß der
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der zweiten
Ausführungsform werden die Energieverluste, die in der
Dekompression und Expansion des Kältemittels verursacht
werden, das von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den zweiten
Kältemitteldurchgang 14b strömt, in der
Expansionseinheit 20 als mechanische Energie zurück
gewonnen, und die zurück gewonnene mechanische Energie
wird in dem Generator 22 in die elektrische Energie umgewandelt.
Auf diese Weise können die Energieverluste in dem Kältemittelkreislauf
wirksam verwendet werden.
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In
der zweiten Ausführungsform wird die von dem Generator 22 ausgegebene
elektrische Energie als ein Beispiel in der Batterie gespeichert.
Die elektrische Energie von dem Generator 22 kann jedoch für
verschiedene Aktuatoren in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 verwendet
werden oder kann als ein elektrischer Verbraucher, außer
den Komponenten der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 verwendet werden.
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Der
Generator 22 ist keine Komponente in dem Kältemittelkreislauf
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10, sondern
eine andere Komponente als der Kältemittelkreislauf der
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10. In der zweiten
Ausführungsform kann der Generator 22 zum Antreiben
des Kompressors 11 verwendet werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 3 beschrieben. In der dritten
Ausführungsform ist, wie in 3 gezeigt,
ein Innenwärmetauscher 23 in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 von 1 hinzugefügt.
Der Innenwärmetauscher 23 umfasst einen hochdruckseitigen
Kältemitteldurchgang 23a, in dem Hochdruckkältemittel,
das den Strahler 12 durchlaufen hat, strömt, und
einen niederdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23b,
in dem Niederdruckkältemittel strömt, das zu dem
Kompressor 1 gesaugt werden soll, strömt. Auf
diese Weise tauscht in dem Innenwärmetauscher 23 das
Hochdruckkältemittel, das den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a durchläuft,
Wärme mit dem Niederdruckkältemittel, das den
niederdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23b durchläuft,
aus, so dass die Enthalpie des aus dem Strahler 12 strömenden
Kältemittels verringert werden kann, während es
den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a durchläuft.
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In
dem Beispiel von 3 befindet sich der hochdruckseitige
Kältemitteldurchgang 23a des Innenwärmetauschers 23 in
dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b zwischen
dem Verzweigungsabschnitt 13 und der festen Drossel 19.
Daher läuft ein Teil des aus dem Sammler 12b strömenden
Kältemittels über den Verzweigungsdurchgang 13 und
den zweiten Kältemitteldurchgang 14b durch den
hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a des
Innenwärmetauschers 23, während das aus
dem ersten Verdampfer 17 strömende Niederdruckkältemittel den
niederdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23b durchläuft.
Das Hochdruckkältemittel, das den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a durchlaufen hat,
wird von der festen Drossel 19 dekomprimiert und wird dann
wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
in die Expansionseinheit 20 gesaugt. Andererseits strömt
das Niederdruckkältemittel nach dem Durchlaufen des niederdruckseitigen Kältemitteldurchgangs 23b über
den Zusatzkompressionsmechanismus 18 in Richtung der Kältemittelansaugseite
des Kompressors 11. Das heißt, das Niederdruckkältemittel
stromabwärtig von dem ersten Verdampfer 17 und
stromaufwärtig von dem Zusatzkompressionsmechanismus 18 strömt
durch den niederdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23b des Innenwärmetauschers 23 und
tauscht Wärme mit dem Hochdruckkältemittel aus,
das durch den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a strömt.
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Der
Innenwärmetauscher 23 kann ein Doppelrohrleitungswärmetauscher
sein, in dem der niederdruckseitige Kältemitteldurchgang 23b im
Inneren des hochdruckseitigen Kältemitteldurchgangs 23a bereitgestellt
ist. Alternativ können zwei Kältemittelrohrleitungen
einfach miteinander verbunden werden, um den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a und
den niederdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23b des
Innenwärmetauschers 23 zu bilden. In der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der
dritten Ausführungsform können die anderen Teile ähnlich
denen der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der ersten
Ausführungsform sein.
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Gemäß der
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der dritten
Ausführungsform können die vorstehend beschriebenen
Wirkungen der ersten Ausführungsform erzielt werden. Außerdem
kann unter Verwendung des Innenwärmetauschers 23 eine
Enthalpiedifferenz zwischen einem Kältemitteleinlass und einem
Kältemittelauslass des zweiten Verdampfers 21 vergrößert
werden, wodurch die Kühlkapazität in dem zweiten
Verdampfer 21 verbessert werden kann.
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Da
in der vorliegenden Ausführungsform das Hochdruckkältemittel,
das von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a durchläuft,
wird die Enthalpie des Kältemittels, das von dem Verzweigungsabschnitt 13 in
den ersten Kältemitteldurchgang 14a strömt,
nicht durch den Innenwärmtauscher 23 verringert.
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Folglich
kann die Enthalpiedifferenz (entspricht Δi in der Formel
F1) zwischen dem Kältemittelauslass und dem Kältemitteleinlass
des Düsenabschnitts 16a des Ejektors 16 vergrößert
werden, während das Kältemittel isentrop expandiert
wird, und dadurch kann die Rückgewinnungsenergie des Ejektors 16 erhöht
werden. Auf diese Weise kann der Druckerhöhungsbetrag in
dem Diffusorabschnitt 16d des Ejektors 16 erhöht
werden, und der COP in dem Kältemittelkreislauf der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 kann
verbessert werden.
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Der
hochdruckseitige Kältemitteldurchgang 23a kann
stromaufwärtig von dem Verzweigungsabschnitt 13 bereitgestellt
werden, so dass das aus dem Strahler 12 (z. B. dem Sammler 12b)
strömende Kältemittel den hochdruckseitigen Kältemitteldurchgang 23a durchläuft.
In diesem Fall kann die Kühlkapazität nicht nur
in dem zweiten Verdampfer 21, sondern auch in dem ersten
Verdampfer 17 verbessert werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine
vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 4 beschrieben. In der vierten
Ausführungsform ist, wie in 4 gezeigt,
ein Zusatzstrahler 24 zu der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 von 1 hinzugefügt.
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Der
Zusatzstrahler 24 ist ein Unterkühlungswärmetauscher,
in dem das gesättigte flüssige Kältemittel,
das von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
mit Außenluft, die von dem Kühlventilator 24a geblasen
wird, Wärme austauscht, um das flüssige Kältemittel
weiter zu kühlen. Wie in 4 gezeigt,
befindet sich der Zusatzstrahler 24 in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b zwischen
dem Verzweigungsabschnitt 13 und der festen Drossel 19,
so dass das an dem Verzweigungsabschnitt 13 verzweigte
flüssige Kältemittel, das in den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
den Zusatzstrahler 24 durchläuft. Der Kühlventilator 24a kann
eine ähnliche Struktur wie die des Kühlventilators 12a haben.
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Da
gemäß der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der
vierten Ausführungsform die Enthalpie des Kältemittels
auf der Einlassseite des zweiten Verdampfers 21 unter Verwendung
des Zusatzstrahlers 24 verringert werden kann, kann die
Kühlkapazität des zweiten Verdampfers 21 weiter
erhöht werden.
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Der
Zusatzstrahler 24 ist in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b angeordnet,
um das von dem Verzweigungsabschnitt 13 in den zweiten
Kältemitteldurchgang 14b strömende Kältemittel
weiter zu kühlen. Daher wird die Enthalpie des von dem
Verzweigungsabschnitt 13 in den ersten Kältemitteldurchgang 14a strömenden
Kältemittels nicht von dem Zusatzstrahler 24 verringert.
Als ein Ergebnis kann der Druckerhöhungsbetrag in dem Diffusorabschnitt 16d des
Ejektors 16 erhöht werden, wodurch der Ejektorwirkungsgrad
und der COP in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 verbessert
werden.
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Der
Kühlventilator 24a kann weggelassen werden. In
diesem Fall kann Außenluft unter Verwendung des einen Kühlventilators 12a in
Richtung des Ventilators 12 und des Zusatzventilators 24 geblasen werden.
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(Andere Ausführungsformen)
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Die
Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt, und vielfältige Modifikationen können
wie folgt an den Ausführungsformen vorgenommen werden.
- (1) In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
befindet sich die feste Drossel 19 in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14bg an
einer Position stromaufwärtig von der Expansionseinheit 20.
Die Anordnungsposition der festen Drossel 19 ist jedoch
nicht auf die in 1 bis 4 gezeigten
Beispiele beschränkt. Zum Beispiel kann die feste Drossel 19 in
dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b zwischen
stromabwärtig von der Expansionseinheit 20 und
dem Kältemitteleinlass des zweiten Verdampfers 21 in
dem Kältemittelstrom des zweiten Kältemitteldurchgangs 14b angeordnet
werden. Außerdem kann die feste Drossel 19 in
einem Fall, in dem das Kältemittel an der Expansionseinheit 20 hinreichend
dekomprimiert werden kann, weggelassen werden. In diesem Fall wird
das Hochdruckkältemittel, das von dem Strahler 12 in
den zweiten Kältemitteldurchgang 14b strömt,
durch die Expansionseinheit 20 dekomprimiert und expandiert,
während die Energieverluste aufgrund der Kältemitteldekompression
und Expansion in der Expansionseinheit 20 als die mechanische
Energie zurück gewonnen werden können.
- (2) In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
sind verschiedene Komponenten des Ejektors 16 und der Expansionseinheit 20 derart
festgelegt, dass die erste Kältemittelströmungsmenge
G1 kleiner als die zweite Kältemittelströmungsmenge
G2 ist. Jedoch können verschiedene Komponenten des Ejektors 16 und
der Expansionseinheit 20 derart festgelegt werden, dass
die erste Kältemittelströmungsmenge G1 größer
als die zweite Kältemittelströmungsmenge G2 ist.
In diesem Fall kann der Kältemittelkreislauf während
des Hochlastbetriebs mit einem hohen Wirkungsgrad in dem Ejektor 16 betrieben
werden und kann während des Niederlastbetriebs mit einem
hohen Wirkungsgrad in der Expansionseinheit 20 betrieben
werden.
-
Da
der Ejektor 16 in diesem Fall außerdem mit dem
hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann, wenn die Kältemittelzirkulationsmenge
des Kältemittelkreislaufs erhöht wird, kann die
Kältemitteldurchgangsschnittfläche des Düsenabschnitts 16a vergrößert
werden, wodurch der Düsenabschnitt 16a leicht
ausgebildet wird. Als ein Ergebnis kann der Düsenabschnitt 16a leicht
hergestellt werden, und die Produktkosten des Ejektors 16 können
gesenkt werden.
- (3) Zum Beispiel wird in den
vorliegenden Ausführungsformen Kältemittel, dessen
hochdruckseitiger Druck den kritischen Druck nicht übersteigt, wie
etwa ein Flon-basiertes oder HC-basiertes Kältemittel,
als das Kältemittel für den Kältemittelkreislauf
der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 verwendet,
um einen unterkritischen Dampfkompressionskreislauf zu bilden. Jedoch
kann die vorliegende Erfindung auf eine Kältemittelkreislaufvorrichtung
mit einem überkritischen Dampfkompressionskreislauf angewendet
werden, in welcher der Kältemitteldruck auf einer Hochdruckseite
höher als der kritische Druck des Kältemittels wird.
Zum Beispiel kann in einem überkritischen Kältemittelkreislauf
Kohlendioxid als das Kältemittel verwendet werden.
-
In
der überkritischen Kältemittelkreislaufvorrichtung
wird das von dem Kompressor 11 ausgestoßene Kältemittel
gekühlt und abgestrahlt, ohne kondensiert zu werden. Da
es in diesem Fall unnötig ist, den Sammler 12b bereitzustellen,
kann der Sammler 12b weggelassen werden. In der überkritischen
Kältemittelkreislaufvorrichtung kann ein Akkumulator, der
als ein niederdruckseitiger Gas-Flüssigkeitsabscheider
verwendet wird, auf einer Kältemittelauslassseite des ersten
Verdampfers 17 angeordnet sein kann, während der
Sammler 12b weggelassen wird.
- (4)
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird
ein elektrischer Kompressor als der Kompressor 11 verwendet.
Jedoch kann eine andere Art von Kompressor als der Kompressor 11 verwendet
werden. Zum Beispiel kann ein von einem Motor angetriebener Kompressor
als der Kompressor 11 verwendet werden. Außerdem können
als der Kompressionsmechanismus ein Kompressionsmechanismus mit
fester Verdrängung oder ein Kompressionsmechanismus mit
variabler Verdrängung verwendet werden.
- (5) In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
wird das elektrische Expansionsventil 15 als eine Strömungsmengeneinstelleinrichtung
zum Einstellen des Strömungsmengenverhältnisses
Ge/Gdüs verwendet. Jedoch kann als die Strömungsmengeneinstelleinrichtung
eine andere bekannte Struktur verwendet werden. Zum Beispiel kann
der Verzweigungsabschnitt 13 durch ein Dreiwegeflussmengenventil
aufgebaut werden, um das Strömungsmengenverhältnis Ge/Gdüs
einzustellen. Alternativ kann ein Strömungsmengeneinstellventil
in dem zweiten Kältemitteldurchgang 14b angeordnet
sein.
- (6) In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
sind die Drehwelle der Expansionseinheit 20 und die Drehwelle
des Zusatzkompressionsmechanismus 18 direkt miteinander
verbunden, oder die Drehwelle der Expansionseinheit 20 und
die Drehwelle des Generators 22 sind direkt miteinander
verbunden. Jedoch kann die Drehwelle der Expansionseinheit 20 mit
der Drehwelle des Zusatzkompressionsmechanismus 18 oder der
Drehwelle des Generators 22 über ein Getriebe
verbunden werden oder kann mit der Drehwelle des Zusatzkompressionsmechanismus 18 oder der
Drehwelle des Generators 22 verbunden sein, um dazwischen
durch eine elektromagnetische Kupplung unterbrochen zu werden.
- (7) In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
wird die Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 typischerweise
für eine feste Klimaanlage für ein Zimmer verwendet.
Jedoch kann die Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 für
eine Fahrzeugklimaanlage verwendet werden. In diesem Fall kann Luft,
die in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs geblasen werden soll, unter
Verwendung der ersten und zweiten Verdampfer 17 und 21 gekühlt werden.
Alternativ kann die Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 für
eine Wasserheizung zum Heizen von Wasser verwendet werden. In diesem Fall
wird Wasser geheizt, indem der Wärmeaustausch mit dem Hochdruckkältemittel
in dem Strahler 12 durchgeführt wird und das Niederdruckkältemittel
zum Beispiel durch Aufnehmen von Wärme aus der Außenluft
verdampft wird.
- (8) Ion der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen sind der erste Verdampfer 17 und
der zweite Verdampfer 21 angeordnet, um den gleichen Raum, der
gekühlt werden soll, zu kühlen. Der erste Verdampfer 17 und
der zweite Verdampfer 21 können jedoch angeordnet
werden, um verschiedene Räume, die voneinander abgeteilt
oder getrennt sind, zu kühlen. Alternativ kann der erste
Verdampfer 17 in der Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 weggelassen
werden, und der zweite Verdampfer kann allein als ein Verdampfer
verwendet werden. In diesem Fall ist der Auslass des Ejektors 16 direkt
mit der Kältemittelansaugseite des Zusatzkompressionsmechanismus 18 oder
des Kompressors 11 verbunden.
-
In
der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wird
der Generator 22 als eine äußere Komponente
zum Speichern der zurück gewonnenen Energie verwendet.
Jedoch kann ein Schwungrad als die äußere Komponente
verwendet werden, um die von der Expansionseinheit 20 ausgegebene
mechanische Energie als kinetische Energie zu speichern. Alternativ
kann eine Federvorrichtung als die äußere Komponente
verwendet werden, so dass die von der Expansionseinheit 20 ausgegebene mechanische
Energie als elastische Energie gespeichert wird.
-
In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die
Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 derart betrieben,
dass die ersten und zweiten Verdampfer 17, 21 als
ein nutzungsseitiger Wärmetauscher (d. h. Innenwärmetauscher)
verwendet werden und der Strahler 12 als ein Außenwärmetauscher verwendet
wird. Jedoch kann die Kältemittelkreislaufvorrichtung 10 als
ein Wärmepumpenkreislauf verwendet werden, in dem der erste
Verdampfer 17 und der zweite Verdampfer 21 als
der Außenwärmetauscher verwendet werden, und der
Strahler 12 als der nutzungsseitige Wärmetauscher
(d. h. Innenwärmetauscher) zum Heizen eines Fluids, wie
etwa Wasser oder Luft, verwendet wird.
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Es
versteht sich, dass derartige Änderungen und Modifikationen
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, wie durch die
beigefügten Patentansprüche definiert, liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-308380
A [0002, 0003, 0006, 0006]