DE102016123299A1

DE102016123299A1 - Dynamisch gesteuertes Dampfkompressionskühlsystem mit Radialverdichter

Info

Publication number: DE102016123299A1
Application number: DE102016123299.8A
Authority: DE
Inventors: Jing He; William Stewart Johnston; Loren John Lohmeyer III
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US20170174049A1; TR201616851A2; MX2016017035A; RU2016149100A3; RU2016149100A; CN106891697A

Abstract

Ein Dampfkompressionskühlsystem umfasst einen (mehrere) Radialverdichter zum Verdichten eines Primärfluids in einem Zyklus mit mindestens zwei Verdichtungen, und ein Steuermodul zum Steuern des Radialverdichters abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids. Das Modul steuert eine Leistung des Radialverdichters durch Einstellen einer Drehzahl des den Verdichter antreibenden Motors und/oder einer Öffnung von Leitschaufeln, die mit mindestens einem Verdichterrad verbunden sind. Das Modul kann auch einen Druckabfall eines durch mindestens eine Expansionsvorrichtung strömenden Primärfluids steuern. Die mindestens zwei Verdichtungen können parallel oder hintereinander erfolgen. Ein zugehöriges Verfahren umfasst das Verdichten eines Primärfluids in einem ersten und einem zweiten Verdichtungszyklus und das Einstellen eines Parameters des Verdichters abhängig von einer berechneten gewünschten Leistung des Verdichters.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Dieses Dokument bezieht sich allgemein auf Dampfkompressionskühlsysteme, insbesondere auf ein dynamisch gesteuertes Dampfkompressionskühlsystem, das einen Radialverdichter nutzt.
HINTERGRUND
Progressive Gesetzgebung zu globaler Erwärmung treibt die Industrie für Heizung, Ventilation, Klimatisierung und Kühlung (HVAC&R – Heating, Ventilation, Air-Conditioning and Refrigeration) ständig an, umweltfreundliche Kältemittel ausfindig zu machen und zu benutzen. In der Automobilbranche beispielsweise ist das traditionell verwendete Kältemittel R134a ein fluoriertes Treibhausgas (F-Gas) mit einem hohen Treibhauspotenzial (GWP – Global Warming Potential) von 1.430. Die EU-Richtlinie 2006/40/EG fordert eine zwingende Abschaffung von R134a bis zum 1. Januar 2017 für Personen- und leichte Nutzfahrzeuge. In den USA haben die Umweltschutzbehörde (EPA – Environmental Protection Agency) und die Bundesbehörde für Fahrzeug- und Straßensicherheit (NHTSA – National Highway Traffic Safety Administration) gleichermaßen das „One National Program“ entwickelt, um Treibhausgasemissionen zu verringern und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, und kürzlich hat die EPA das Kältemittel R134a als inakzeptabel für den Einsatz in neu hergestellten Leichtfahrzeugen ab dem Modelljahr 2021 mit begrenzten Ausnahmen aufgeführt. Das synthetische Kältemittel R1234yf wird als Beinahe-Alternative für R134a mit einem relativ niedrigen GWP von 4 und ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften vorgestellt. Ein begrenztes Angebot und der hohe Preis von R1234yf haben jedoch Bedenken ausgelöst, und einige Erstausrüster betrachten R1234yf als einen einstweiligen Ersatz, während sie weiterhin nach alternativen Lösungen suchen. Eine alternative Lösung ist die Verwendung von R744 (Kohlendioxid). R744 bietet niedrige Kosten, Nichtentflammbarkeit, hohe volumetrische Wärmekapazität und, vielleicht am wichtigsten, Umweltfreundlichkeit. R744 ist eine natürlich vorkommende Substanz mit einem Ozonabbaupotenzial (ODP) von 0 und einem Treibhauspotenzial (GWP) von 1.
Zusätzlich zu der Nutzung umweltfreundlicher Kältemittel ist es für neue Klimaregelsysteme auch erstrebenswert, die allgemeine Systemleistung in Bezug auf Energieeffizienz und Effektivität zu verbessern. Ein Nachteil der Nutzung von R744 in diesen Klimaregelsystemen ist eine Reduzierung der Effizienz, wenn die Temperatur des zum Kühlen des Kältemittels im System verwendeten Fluids steigt. Wenn beispielsweise ein Gaskühler mit Luft gekühlt wird, werden die Systeme im Allgemeinen unterhalb von 35–40 Grad Celsius als effektiver betrachtet. Dementsprechend besteht ein Bedarf an Klimaregelsystemen, die diese bekannten Einschränkungen überwinden und in warmen Regionen effizient arbeiten. Genauer gesagt, solche Systeme würden ein Primärfluid mit niedrigen GWP-Werten, wie z. B. das natürliche Kältemittel R744, nutzen und seine Effektivität über den gesamten Betriebsbereich beibehalten. Mit anderen Worten, die Systeme sollten bei hohen Umgebungstemperaturbedingungen oberhalb von 35–40 Grad Celsius effizient arbeiten.
Eine mögliche Lösung ist die Nutzung von Radialverdichtereinheiten innerhalb des Klimaregelsystems. Radialverdichtereinheiten sind in kommerziellen und industriellen Anwendungen weit verbreitet und dafür bekannt, Motoren mit variabler Drehzahl, Magnetlager, Steuerungen der Leistungselektronik und Sensoren an jedem Magnetlager zu nutzen, um eine genaue Positionierung der Welle zu gewährleisten. Jedes dieser Merkmale verbessert die Leistung. Das Kombinieren derartiger Merkmale mit modernen Verdichtungstechniken, wie z. B. parallele oder mehrstufige Verdichtung und Nutzung von Expandern für Arbeitsrückgewinnung, kann die gewünschte hocheffiziente, umweltfreundliche Lösung bereitstellen, welche die bekannten Einschränkungen überwindet und über den gesamten Betriebsbereich effizient arbeitet.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den hier beschriebenen Zwecken und Vorteilen wird ein Dampfkompressionskühlsystem bereitgestellt. Das Kühlsystem umfasst, grob gesehen, einen Radialverdichter zum Verdichten eines Primärfluids in einem Zyklus mit mindestens zwei Verdichtungen und ein Steuermodul zum Steuern des Radialverdichters abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids.
In einer möglichen Ausführungsform steuert das Steuermodul eine Leistung des Radialverdichters. In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Radialverdichter ein von einem Motor angetriebener elektrischer Verdichter, und das Steuermodul steuert die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Drehzahl des Motors. In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst der Radialverdichter ein von dem Motor angetriebenes erstes und zweites Verdichterrad, und das Steuermodul steuert die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Öffnung von Leitschaufeln, die mit dem ersten und/oder dem zweiten Verdichterrad verbunden sind.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst der Radialverdichter ein erstes und zweites Verdichterrad und einen von einem Motor angetriebenen Expander. In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform arbeiten das erste und zweite Verdichterrad parallel. In einer weiteren möglichen Ausführungsform arbeiten das erste und zweite Verdichterrad stufenweise. In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst der Radialverdichter eine einzelne Welle, die von dem Motor angetrieben und von dem ersten und zweiten Verdichterrad sowie dem Expander gemeinsam genutzt wird.
In einer anderen möglichen Ausführungsform umfasst das Dampfkompressionskühlsystem ferner eine erste und zweite Expansionsvorrichtung, und das Steuermodul steuert ferner die erste und zweite Expansionsvorrichtung abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das Dampfkompressionskühlsystem ferner einen ersten Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des aus dem ersten Wärmetauscher ausströmenden Primärfluids, und einen zweiten Temperatursensor sowie einen ersten Druckmesswandler zum Erfassen einer Temperatur und eines Drucks des aus einem Akkumulator ausströmenden Primärfluids, wobei das Steuermodul den Radialverdichter abhängig von dem Zustand des Sekundärfluids, der ersten erfassten Temperatur, der zweiten erfassten Temperatur und dem ersten erfassten Druck steuert.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform sind die erste und zweite Expansionsvorrichtung elektronische Expansionsvorrichtungen, und das Steuermodul steuert einen Druckabfall des Primärfluids, das durch die erste und zweite Expansionsvorrichtung fließt.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das Sekundärfluid Luft und/oder Wasser und/oder Kühlmittel und/oder Kältemittel, und der Zustand des Sekundärfluids umfasst eine Temperatur des Sekundärfluids und/oder eine Feuchtigkeit des Sekundärfluids und/oder eine Umgebungssolarbelastung.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform steuert das Steuermodul eine Leistung des Radialverdichters, und der Radialverdichter ist ein von einem Motor angetriebener elektrischer Verdichter, und das Steuermodul steuert die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Drehzahl des Motors und/oder einer Öffnung von Leitschaufeln im Radialverdichter.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst ein Dampfkompressionskühlsystem einen Radialverdichter, der mindestens zwei Verdichterräder zum Verdichten eines Primärfluids in einem mindestens zwei Verdichtungen umfassenden Zyklus aufweist, einen ersten Wärmetauscher, durch den das Primärfluid fließt, eine erste Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid fließt, einen Abscheider zum Abscheiden von Dampf und Flüssigkeit des Primärfluids, eine zweite Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid fließt, einen zweiten Wärmetauscher zum Kochen des Primärfluids, einen Akkumulator, der das flüssige Primärfluid speichert und dem dampfförmigen Primärfluid gestattet, in den Radialverdichter einzutreten, und ein Steuermodul zum Steuern des Radialverdichters und der ersten und zweiten Expansionsvorrichtung abhängig von einem Zustand des Sekundärfluids. In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das Kühlsystem ferner ein Bypassventil zum Einstellen eines Saugdrucks des ersten und/oder zweiten Verdichterrads.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform steuert das Steuermodul ferner den Verdichter und die erste und zweite Expansionsvorrichtung abhängig von einer ersten Temperatur des Primärfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher und der ersten Expansionsvorrichtung und/oder einer zweiten Temperatur des Primärfluids zwischen einem Akkumulator und dem Verdichter und/oder einem Druck des Primärfluids zwischen dem Akkumulator und dem Verdichter.
Gemäß den hier beschriebenen Zwecken und Vorteilen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfkompressionskühlsystems bereitgestellt. Das Verfahren kann im weitesten Sinne beschrieben werden als folgende Schritte umfassend: (a) Verdichten eines Primärfluids in einem ersten und einem zweiten Verdichtungszyklus eines Radialverdichters mit einem ersten und zweiten Verdichterrad; (b) Bestimmen eines Zustands eines Sekundärfluids; (c) Erfassen einer Temperatur des aus einem ersten Wärmetauscher ausströmenden Primärfluids; (d) Erfassen einer Temperatur und eines Drucks des aus einem Akkumulator ausströmenden Primärfluids; (e) Berechnen einer gewünschten Leistung des Radialverdichters anhand des Zustands des Sekundärfluids, der erfassten Temperatur am Auslass des ersten Wärmetauschers und der erfassten Temperatur und des Drucks des aus dem Akkumulator ausströmenden Fluids sowie (f) Einstellen eines Parameters des Radialverdichters abhängig von der berechneten gewünschten Leistung des Radialverdichters.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst der Schritt des Einstellens eines Parameters des Radialverdichters das Einstellen einer Drehzahl eines Motors, der den Radialverdichter antreibt, und/oder einer Öffnung von Leitschaufeln im Radialverdichter.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Berechnens eines gewünschten Druckabfalls auf der Basis des Zustands des Sekundärfluids, der erfassten Temperatur am Auslass des ersten Wärmetauschers und der erfassten Temperatur und des Drucks am Auslass des Akkumulators sowie das Ändern eines Drucks des Primärfluids abhängig von dem berechneten gewünschten Druckabfall.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst der Schritt des Änderns des Primärfluiddrucks das Einstellen einer Öffnungsgröße von mindestens einer Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid fließt.
In der folgenden Beschreibung werden mehrere Ausführungsformen eines Dampfkompressionskühlsystems und zugehörige Verfahren zum Betreiben des Systems gezeigt und beschrieben. Wie zu erkennen sein sollte, sind andere unterschiedliche Ausführungsformen der Verfahren und Systeme möglich, und ihre mehreren Details sind in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifizierbar, ohne von den Verfahren und den Anordnungen, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt und beschrieben sind, abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als beispielhaft und nicht als einschränkend zu verstehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Die beigefügten Zeichnungsfiguren, die hier aufgenommen werden und ein Teil der Beschreibung sind, stellen diverse Aspekte des Dampfkompressionskühlsystems und der zugehörigen Verfahren dar und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung gewisser Grundgedanken der Erfindung. In den Zeichnungsfiguren:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Dampfkompressionskühlsystems mit einem Radialverdichter; und
2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Dampfkompressionskühlsystems mit einem Radialverdichter, der parallele Verdichtungen nutzt;
3 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform eines Dampfkompressionskühlsystems mit einem Radialverdichter, der in einer mehrstufigen Verdichtungsauslegung arbeitet; und
4 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Dampfkompressionskühlsystems mit einem Radialverdichter, der mehrstufige Verdichtungen nutzt.
Jetzt wird ausführlich auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen des Dampfkompressionskühlsystems und zugehörige Verfahren zum Betreiben des Systems, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt sind, Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Jetzt wird Bezug genommen auf 1, die ein schematisches Diagramm eines Dampfkompressionskühlsystems 10 mit einem Verdichter 12 darstellt. In der beschriebenen Ausführungsform ist das Kühlsystem 10 eine R744-Klimaanlage, die parallele Verdichtungen mit einem dynamisch gesteuerten Einwellenradialverdichter 12 verwendet. Das beschriebene System stellt eine geräuscharme, ölfreie, hocheffiziente, umweltfreundliche Kühlungslösung sowohl für warme als auch kalte Regionen bereit. Bei Anwendung auf Automobilklimaregelung wird das System als bestens geeignet für Hybrid- und Elektrofahrzeuge betrachtet, die von einem Motor mit variabler Drehzahl angetriebene elektrische Verdichter verwenden. In Hybrid- und Elektrofahrzeugen vergrößert das System, wenn auch nicht wesentlich, die Reichweiten. Darüber hinaus laufen Radialverdichter dank der Verwendung von axialen und radialen Magnetlagern 100 % ölfrei. Die ölfreie Technologie eliminiert Ölkompatibilitätsprobleme, ölbezogene Verdichterausfälle, die Notwendigkeit zum Recyceln und Warten von Öl sowie die Leistungsminderung anderer Komponenten, zum Beispiel geringere Wärmeübertragung in Wärmetauschern und höhere Druckabfälle in Klimaanlagenleitungen.
In den beschriebenen Ausführungsformen umfasst der Verdichter zwei Verdichterräder und einen von einer einzelnen Welle angetriebenen Expander. Wie in 1 gezeigt, wird die einzelne Welle 14 von einem Motor mit variabler Drehzahl (nicht gezeigt) angetrieben. Darüber hinaus verwendet der beschriebene Verdichter 12 magnetische Radial- und Axiallager, die hohe Verdichterraddrehzahlen mit minimaler Reibung, reduzierter Größe und reduziertem Energieverlust ermöglichen.
Ein Steuermodul 16 ist mit dem Verdichter 12 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und stellt eine Drehzahl des ersten und zweiten Verdichterrads 18, 20 und der Welle 14 und/oder Öffnungen der Leitschaufeln innerhalb des ersten und zweiten Verdichterrads abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids, das Wärme für ein Primärfluid (z. B. ein Kältemittel) liefert, ein. Der Zustand des Sekundärfluids kann beispielsweise eine Temperatur des Fluids an verschiedenen Positionen umfassen, die mit dem Kühlsystem 10 verbunden sind, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Wenn das beschriebene Kühlsystem zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, kann das Steuermodul 16 ein über einen CAN-Bus verbundenes Antriebsstrangsteuermodul (PCM – Powertrain Control Module) sein. Das Steuermodul reagiert auf einen Schalter (oder andere Eingabemittel), der von einem Insassen im Fahrzeug betätigt wird. Natürlich könnte in alternativen Ausführungsformen ein beliebiges Steuermodul im Fahrzeug zum Steuern des Systems verwendet werden.
Zu der in 1 beschriebenen Ausführungsform zurückkehrend, arbeiten das erste Verdichterrad 18 und das zweite Verdichterrad 20 des Verdichters 12 parallel. In dieser Anordnung tritt ein erstes Fluid (z. B. ein R744-Kältemittel) in Form eines Gases oder Dampfes in den ersten und zweiten Saugkanal 22, 24 ein und wird vom ersten und zweiten Verdichterrad 18, 20 verdichtet. Dieser Zyklus umfasst zwei Verdichtungen, die im Wesentlichen zur selben Zeit auftreten, d. h. parallel, und verdichten das dampfförmige Kältemittel zu einem unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden dampfförmigen Kältemittel. In einer nachstehend beschriebenen alternativen Ausführungsform kann ein Zyklus zwei Verdichtungen umfassen, die in mehreren Etappen auftreten, d. h. seriell, oder mehr als zwei gestufte oder parallele Verdichtungen.
Das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende dampfförmige Kältemittel, das vom ersten Verdichterrad 18 verdichtet wird, verlässt den Verdichter 12 über einen ersten Austrittskanal 26, wie durch den Aktionspfeil 28 dargestellt. Gleichermaßen verlässt ein unter hohem Druck und hoher Temperatur stehendes dampfförmiges Kältemittel, das bei der zweiten Verdichtung vom zweiten Verdichterrad 20 verdichtet wird, den Verdichter 12 über einen zweiten Austrittskanal 30, wie durch den Aktionspfeil 32 dargestellt. Das erste und zweite unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende dampfförmige Kältemittel werden am Fusionspunkt 33 kombiniert und einem ersten Wärmetauscher 34 zugeführt. In der beschriebenen Ausführungsform, bei der das erste Fluid ein R744-Kältemittel ist, ist der erste Wärmetauscher 34 ein Gaskühler. Innerhalb des Gaskühlers wird das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende dampfförmige Kältemittel durch ein Kühlfluid, zum Beispiel Umgebungsluft oder Wasser, zu einem unter hohem Druck und niedriger Temperatur stehenden Dampf abgekühlt. Der Fluidstrom über den ersten Wärmetauscher 34 kann von Lüftern für Luft oder Pumpen für Wasser erzeugt und reguliert werden.
Das gekühlte, unter hohem Druck stehende Kältemittel wird zu einer ersten Expansionsvorrichtung 44 geleitet, wie durch den Aktionspfeil 46 dargestellt. Ein Thermoelement 48 erfasst eine Temperatur (T₁) des Kältemittelauslasses vom ersten Wärmetauscher 34 vor dem Eintritt in die erste Expansionsvorrichtung 44. Obgleich das Thermoelement 48 in 1 an einen Auslass des ersten Wärmetauschers 34 angrenzend dargestellt ist, könnte das Thermoelement oder eine andere Art von Temperatursensor in einer alternativen Ausführungsform in der Nähe eines Einlasses der ersten Expansionsvorrichtung 44 oder irgendwo zwischen den beiden Vorrichtungen positioniert sein. Das Thermoelement 48 ist mit dem Steuermodul 16 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt), das die erfasste Temperatur (T₁) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung einer gewünschten Leistung des Verdichters 12 empfängt.
Die gewünschte Leistung wird anhand der erfassten Temperatur (T₁), einer zweiten erfassten Temperatur (T₂) und eines erfassten Drucks (P₁) des Kältemittels sowie des Zustands des Sekundärfluids (z. B. einer Temperatur des Sekundärfluids an einem Einlass oder Auslass eines zweiten Wärmetauschers 62), das dem Kältemittel Wärme zuführt, berechnet. In der beschriebenen Ausführungsform erfasst ein Temperatursensor (nicht gezeigt) die Temperatur (T_A) des Sekundärfluids, und das Resultat ist der Zustand des Sekundärfluids, der dem Steuermodul 16 bereitgestellt wird. Die zweite erfasste Temperatur (T₂) und der erfasste Druck (P₁) werden ebenso dem Steuermodul 16 bereitgestellt, was nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Abhängig von der berechneten gewünschten Leistung kann ein Parameter des Verdichters 12 eingestellt werden. Beispielsweise können eine Drehzahl des Motors oder der Welle des Verdichters 12 und/oder Leitschaufelöffnungen der Verdichterräder eingestellt werden, um optimale Leistung zu gewährleisten.
In der ersten Expansionsvorrichtung 44 wird das aus dem ersten Wärmetauscher 34 ausströmende Kältemittel expandiert und einem Expander 50 des Verdichters 12 zugeführt, wie durch den Aktionspfeil 52 dargestellt. Der Expander 50 expandiert das Kältemittel, um Arbeit zu erzeugen, die zum Antreiben der Welle 14 des Radialverdichters 12 verwendet wird. Die Rückgewinnung der Expansionsarbeit reduziert die Verdichterlast und verbessert den Systemwirkungsgrad.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das Steuermodul 16 elektrisch mit der Expansionsvorrichtung 44 verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und arbeitet, um einen Druckabfall des durch die Expansionsvorrichtung strömenden Kältemittels zu steuern und optimale Leistung zu gewährleisten. In der beschriebenen Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 44 eine elektronische Expansionsvorrichtung mit einer darin befindlichen Öffnung, durch die das Kältemittel strömt. Das Steuermodul 16 steuert eine Größe der Öffnung innerhalb der Expansionsvorrichtung 44. Die Größe der Öffnung bestimmt den Druckabfall des durch die Vorrichtung 44 strömenden Kältemittels. Der Druckabfall wird abhängig von denselben Eingaben, die zum Berechnen der gewünschten Leistung des Verdichters durch das Steuermodul 16 verwendet werden, eingestellt. In alternativen Ausführungsformen könnte die Expansionsvorrichtung aus feststehenden Kapillarrohren mit zugehörigen Bypassvorrichtungen bestehen, die zusammen einen bestimmten Druckabfall liefern.
Ein dampfförmiges und flüssiges Kältemittelgemisch mit mittlerer Temperatur und mittlerem Druck verlässt den Expander 50, wie durch den Aktionspfeil 54 dargestellt, und wird in einem Abscheider 56 aufgenommen. Ein dampfförmiges Kältemittel mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur verlässt den Abscheider 56, wie durch den Aktionspfeil 57 dargestellt, und wird im zweiten Verdichterrad 20 des Verdichters 12 aufgenommen, wo das dampfförmige Kältemittel erneut verdichtet und durch das System 10 in Umlauf gebracht wird. Das abgeschiedene flüssige Kältemittel innerhalb des Abscheiders 50 wird dann als flüssiges Kältemittel mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur zu einer zweiten Expansionsvorrichtung 58 gesendet, wie durch den Aktionspfeil 60 dargestellt.
In der zweiten Expansionsvorrichtung 58 wird das aus dem Abscheider 50 ausströmende flüssige Kältemittel zu einem dampfförmigen und flüssigen Kältemittelgemisch mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur expandiert, das einem zweiten Wärmetauscher 62 zugeführt wird, wie durch den Aktionspfeil 64 dargestellt. Durch Regulierung oder Drosselung des Kältemittelstroms durch die Expansionsvorrichtung 58 wird eine Temperatur des Kältemittels innerhalb des zweiten Wärmetauschers 62 gesteuert. Durch Erhöhen des Druckabfalls wird die Temperatur des Kältemittels innerhalb des zweiten Wärmetauschers 62 zwangsläufig gesenkt.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das Steuermodul 16 elektrisch mit der zweiten Expansionsvorrichtung 58 verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und arbeitet, um einen Druckabfall des durch die Expansionsvorrichtung strömenden Kältemittels zu steuern und optimale Leistung zu gewährleisten. In der beschriebenen Ausführungsform ist die zweite Expansionsvorrichtung 58 eine elektronische Expansionsvorrichtung mit einer darin befindlichen Öffnung, durch die das Kältemittel strömt. Das Steuermodul 16 steuert eine Größe der Öffnung innerhalb der Expansionsvorrichtung 58. Die Größe der Öffnung bestimmt einen Druckabfall des durch die Vorrichtung 58 strömenden Kältemittels. Der Druckabfall wird abhängig von demselben Eingang, der zum Berechnen der gewünschten Leistung des Verdichters durch das Steuermodul 16 verwendet wird, eingestellt. In alternativen Ausführungsformen könnte die Expansionsvorrichtung aus feststehenden Kapillarrohren mit zugehörigen Bypassvorrichtungen bestehen, die zusammen einen bestimmten Druckabfall liefern.
In der beschriebenen Ausführungsform fungiert der zweite Wärmetauscher 62 als Verdampfer. Wenn die beschriebene Ausführungsform zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, kann der Verdampfer 62 innerhalb eines Gehäuses des Fahrzeugs für Heizung, Belüftung und Klimatisierung (HVAC – Heating, Ventilation, and Air Conditioning) oder anderswo positioniert sein. Über den Verdampfer 62 strömende warme, feuchte Luft überträgt ihre Wärme auf das Kühlerkältemittel innerhalb des Verdampfers. Die Nebenprodukte sind Luft mit einer gesenkten Temperatur und mögliche Kondensation von der Luft, die vom Verdampfer 62 nach außerhalb des Fahrzeugs geleitet werden. Obgleich nicht dargestellt, bläst ein Gebläse Luft über den Verdampfer und durch eine Lüftungsöffnung zu dem Fahrgastraum, wie im Fachgebiet bekannt ist. Dieser Prozess führt dazu, dass der Fahrgastraum eine kühlere, trockenere Luft enthält.
Das dampfförmige und flüssige Kältemittelgemisch mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur innerhalb des Verdampfers 62 absorbiert Wärme vom Sekundärfluid (z. B. Luft oder Wasser), das über den Verdampfer 62 strömt, wie durch die Pfeile 76 und 78 dargestellt. Das dampfförmige Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur bzw. das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch verlässt den Verdampfer 62, wie durch den Aktionspfeil 66 dargestellt, und wird in einem Akkumulator 68 aufgenommen, wo jegliche Flüssigkeit gespeichert wird. Nur ein dampfförmiges Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur verlässt den Akkumulator 68, wie durch den Aktionspfeil 70 dargestellt. Das dampfförmige Kältemittel wird am ersten Saugkanal 22 des ersten Verdichterrads 18 des Verdichters 12 aufgenommen, wo das dampfförmige Kältemittel erneut verdichtet und durch das System 10 in Umlauf gebracht wird.
Ein Thermoelement 72 erfasst eine Temperatur (T₂) des aus dem Akkumulator 68 ausströmenden Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdichter 12. Obgleich das Thermoelement 72 in 1 in der Nähe eines Auslasses des Akkumulators 68 dargestellt ist, könnte das Thermoelement oder eine andere Art von Temperatursensor in einer alternativen Ausführungsform irgendwo zwischen dem Verdichter 12 und dem Akkumulator 68 positioniert sein. Das Thermoelement 72 ist mit dem Steuermodul 16 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt), das die erfasste Temperatur (T₂) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung der gewünschten Leistung des Verdichters 12 empfängt.
Gleichermaßen erfasst ein Wandler 74 einen Druck (P₂) des aus dem Akkumulator 68 ausströmenden Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdichter 12. Obgleich der Wandler 74 in 1 an das Thermoelement 72 angrenzend dargestellt ist, könnte der Wandler oder eine andere Art von Drucksensor in einer alternativen Ausführungsform in der Nähe eines Auslasses des Akkumulators 68 oder irgendwo zwischen dem Verdichter 12 und dem Akkumulator 68 positioniert sein. Der Wandler 74 ist mit dem Steuermodul 16 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt), das den erfassten Druck (P₂) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung der gewünschten Leistung des Verdichters 12 empfängt.
Im Verdichter 12 wird das Kältemittel erneut verdichtet und durch das System 10 in Umlauf gebracht. Genauer gesagt, treten die Verdichtung des Dampfes mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur vom Akkumulator 68 innerhalb des ersten Verdichterrads 18 und die Verdichtung des Dampfes mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur vom Abscheider 56 innerhalb des zweiten Verdichterrads 20 gleichzeitig auf. Wie oben angegeben, werden die verdichteten Kältemittel vom ersten und zweiten Verdichterrad des Verdichters 12 zusammengeführt, bevor sie zum Gaskühler 34 geleitet werden.
2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Kühlsystems 10, bei dem sich der Verdichter 12 mit zwei parallel laufenden Verdichterrädern in einem Kühlmodus befindet. Die Referenzbuchstaben im Diagramm entsprechen Positionen innerhalb des Systems 10, wie in 1 gezeigt. So ist der Referenzbuchstabe A beispielsweise an einem Punkt positioniert, wo die verdichteten Kältemittel vom ersten und zweiten Verdichterrad des Verdichters 12 zusammengeführt werden, bevor sie in den Gaskühler 34 eintreten. Darüber hinaus bezieht sich I-J auf die Verdichtung innerhalb des ersten Verdichterrads 18, E-K bezieht sich auf die Verdichtung innerhalb des zweiten Verdichterrads 20, B-C bezieht sich auf die Expansion innerhalb der ersten Expansionsvorrichtung 44, und F-G bezieht sich auf die Expansion innerhalb der zweiten Expansionsvorrichtung 58.
Wie oben angegeben, stellt das Steuermodul 16 in der beschriebenen Ausführungsform eine Drehzahl der Motor-/Verdichterwelle 14 und/oder Leitschaufelöffnungen abhängig von gewissen Faktoren ein. Diese Faktoren umfassen mindestens einen Zustand des Sekundärfluids und die erfassten Temperaturen (T₁ und T₂) sowie den erfassten Druck (P₁) des Primärfluids ein. Wie oben beschrieben, werden die erfassten Temperaturen T₁ und T₂ und der erfasste Druck P₁ an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Systems bestimmt. Der Zustand des Sekundärfluids kann seine Temperatur (T_A) (z. B. am Einlass oder Auslass des zweiten Wärmetauschers 62) sein. Abhängig von der berechneten gewünschten Leistung kann ein Parameter des Verdichters 12 (z. B. die Öffnung der Verdichterradschaufeln) eingestellt werden, und/oder ein Druckabfall des Kältemittels innerhalb der Expansionsvorrichtung(en) kann geändert werden. Während das Steuermodul über alle Temperaturen des Sekundärfluids hinweg effektiv ist und versucht, den Systemwirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich zu verbessern, schwankt der Grad der Verbesserung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Beispielsweise reagieren Algorithmen innerhalb des Steuermoduls auf die Temperatur (T_A) des Sekundärfluids. Allgemein auf das Druck-Enthalpie-(p-h)-Diagramm in 2 Bezug nehmend, ist bei einer gewissen Sekundärfluid-Einlasstemperatur eine entsprechende Verdampfungstemperatur T₁ und ein Verdampfungsdruck P₁ vorhanden (es ist zu beachten, dass T/P auf der Linie G-H konstant sind). Je höher die Temperatur (T_A) des Sekundärfluids ist, desto höher sind Verdampfungstemperatur und Verdampfungsdruck. Für vorgegebene T₁, P₁ und T₂ besteht ein optimaler Auslassdruck (P_d = P_B = P_K = P_A = P_J) und Mitteldruck (P_m = P_F = P_D = P_E), der eine maximale Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) erbringt. Dann wird die Verdichterleistung, die erforderlich ist, um solche optimalen Betriebsbedingungen zu erzielen, berechnet, d. h. eine Verdichtungswärme, Verdichterarbeit oder Verdichterleistung wird berechnet.
Bezug nehmend auf 1, werden die Kälteleistung und Verdichterarbeit als Q_e = (1 – x_D)(h_H – h_F) und W_c = x_D(h_K – h_E) + (1 – x_D)(h_J – h_I) berechnet, wobei x_D = (h_D – h_F)/(h_E – h_F). Bei dem vorgegebenen Verdampferkältemittelauslassdruck und den Kältemittelauslasstemperaturen des Wärmetauschers (z. B. Verdampfer und Gaskühler) besteht ein optimaler Mitteldruck und Auslassdruck für den maximalen COP (= Q_e/W_c). Bei einer vorgegebenen Verdampfungstemperatur von 4 Grad Celsius (gesättigter Dampf am Verdampferauslass angenommen), einer Gaskühlerausgangstemperatur von 38 Grad Celsius und einem isentropen Verdichterwirkungsgrad von 80 % ergeben sich ein optimaler Mittel- und Auslassdruck von jeweils 94,2 bar und 52,1 bar, die einen maximalen COP von 3,14 erbringen. Durch die Nutzung von paralleler Verdichtung, wie in Bezug auf die Ausführungsform in 1 beschrieben, wird der Systemwirkungsgrad um ca. 14,3 % über einen Zyklus mit einfacher Verdichtung verbessert.
Die Korrelation von optimalem Auslassdruck (P_d) und Mitteldruck (P_m) als eine Funktion von T₁, P₁ und T₂ ist als Teil der Algorithmen in das Steuermodul eingebaut. Das Steuermodul stellt dann den Verdichter ein, zum Beispiel eine Motor-/Wellendrehzahl und/oder eine Öffnung von Leitschaufeln für elektrische Radialverdichter, um die erforderliche Leistung (W_c) zu produzieren. Das Steuermodul steuert auch die Öffnungsgröße der Expansionsvorrichtung(en) in der beschriebenen Ausführungsform, um die Druckabfälle von P_B – Pc oder P_F – P_G zu liefern.
Jetzt wird Bezug genommen auf 3, die ein schematisches Diagramm eines Dampfkompressionskühlsystems 80 mit einem Verdichter 82 darstellt. Das Kühlsystem 80 ist im Allgemeinen das gleiche wie das mit Bezug auf 1 beschriebene System mit der Ausnahme, dass der Verdichter 82 mehrstufige Verdichtung innerhalb des ersten und zweiten Verdichterrads 84, 86 verwendet. Mit anderen Worten, das erste Verdichterrad 84 und das zweite Verdichterrad 86 des Verdichters 82 arbeiten in Folge, um das Fluid in einem Zyklus mit einer ersten Verdichtung und einer zweiten Verdichtung zu verdichten. Genauer gesagt, umfasst der Verdichter 82 eine einzelne Welle 88, die vom ersten und zweiten Verdichterrad 84, 86 gemeinsam genutzt und von einem Motor mit variabler Drehzahl (nicht gezeigt) angetrieben wird. Ein Steuermodul 90 ist mit dem Verdichter 82 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und stellt einen Parameter des Verdichters abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids, das Wärme für ein Primärfluid (z. B. ein Kältemittel) liefert, wie oben beschrieben, ein.
In der beschriebenen Ausführungsform verlässt ein unter hohem Druck und hoher Temperatur stehendes dampfförmiges Kältemittel den Verdichter 82 über einen ersten Austrittskanal 92, wie durch den Aktionspfeil 94 dargestellt, und wird einem ersten Wärmetauscher 96 zugeführt. In der beschriebenen Ausführungsform, bei der das Kältemittel R744 verwendet wird, ist der erste Wärmetauscher 96 ein Gaskühler. Innerhalb des Gaskühlers wird das unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende dampfförmige Kältemittel durch ein Kühlfluid, zum Beispiel Umgebungsluft oder Wasser, zu einem unter hohem Druck und niedriger Temperatur stehenden Dampf abgekühlt. Der Fluidstrom über den ersten Wärmetauscher 96 kann von Lüftern für Luft oder Pumpen für Wasser erzeugt und reguliert werden.
Das gekühlte, unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel wird zu einer ersten Expansionsvorrichtung 98 geleitet, wie durch den Aktionspfeil 100 dargestellt. Ein Thermoelement 102 erfasst eine Temperatur (T₁) des aus dem ersten Wärmetauscher 96 ausströmenden Kältemittels vor dem Eintritt in die erste Expansionsvorrichtung 98. Das Thermoelement 102 ist mit dem Steuermodul 90 elektrisch verbunden, das die erfasste Temperatur (T₁) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung einer gewünschten Leistung des Verdichters 82 empfängt. Die gewünschte Leistung wird anhand der erfassten Temperatur (T₁), einer zweiten erfassten Temperatur (T₂) und eines erfassten Drucks (P₁) des Kältemittels sowie des Zustands des Sekundärfluids (z. B. einer Temperatur (T_A) des Sekundärfluids an einem Einlass eines zweiten Wärmetauschers 116) berechnet, wie oben für die in 1 gezeigte Ausführungsform beschrieben. Abhängig von der berechneten gewünschten Leistung wird ein Parameter des Verdichters 82 eingestellt. Beispielsweise können die Motordrehzahl und/oder Leitschaufelöffnungen der Verdichterräder des Verdichters 82 eingestellt werden.
In der ersten Expansionsvorrichtung 98 wird das aus dem ersten Wärmetauscher 96 ausströmende Kältemittel expandiert und einem Expander 104 des Verdichters 82 zugeführt, wie durch den Aktionspfeil 106 dargestellt. Der Expander 104 expandiert das Kältemittel, um Arbeit zu erzeugen, die zum Antreiben der Welle 88 des Radialverdichters 82 verwendet wird. Die Rückgewinnung der Expansionsarbeit reduziert die Verdichterlast und verbessert den Systemwirkungsgrad.
Das Steuermodul 90 ist mit der Expansionsvorrichtung 98 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und arbeitet, um einen Druckabfall des durch die Expansionsvorrichtung strömenden Kältemittels zu steuern und optimale Leistung zu gewährleisten. In der beschriebenen Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 98 eine elektronische Expansionsvorrichtung mit einer darin befindlichen Öffnung, durch die das Kältemittel strömt. Das Steuermodul 90 steuert eine Größe der Öffnung innerhalb der Expansionsvorrichtung 98, die den Druckabfall des durch die Vorrichtung strömenden Kältemittels bestimmt. Der Druckabfall wird abhängig von denselben Eingaben, die zum Berechnen der gewünschten Leistung des Verdichters durch das Steuermodul 90 verwendet werden, eingestellt. In alternativen Ausführungsformen könnte die Expansionsvorrichtung aus feststehenden Kapillarrohren mit zugehörigen Bypassvorrichtungen bestehen, die zusammen einen bestimmten Druckabfall liefern.
Ein dampfförmiges und flüssiges Kältemittelgemisch mit mittlerer Temperatur und mittlerem Druck verlässt den Expander 104, wie durch den Aktionspfeil 108 dargestellt, und wird in einem Abscheider 110 aufgenommen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, verlässt ein unter mittlerem Druck und mittlerer Temperatur stehendes dampfförmiges Kältemittel den Abscheider 110, wie durch den Aktionspfeil 111 dargestellt, und wird im zweiten Verdichterrad 86 des Verdichters 82 aufgenommen.
Das abgeschiedene flüssige Kältemittel innerhalb des Abscheiders 110 wird als flüssiges Kältemittel mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur zu einer zweiten Expansionsvorrichtung 112 gesendet, wie durch den Aktionspfeil 114 dargestellt. In der zweiten Expansionsvorrichtung 112 wird das flüssige Kältemittel mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur zu einem flüssigen und dampfförmigen Kältemittelgemisch mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur expandiert, das einem zweiten Wärmetauscher 116 zugeführt wird, wie durch den Aktionspfeil 118 dargestellt. Durch Regulierung oder Drosselung des Kältemittelstroms durch die Expansionsvorrichtung 112 wird eine Temperatur des Kältemittels innerhalb des zweiten Wärmetauschers 116 gesteuert. Durch Erhöhen des Druckabfalls wird die Temperatur des Kältemittels innerhalb des zweiten Wärmetauschers 116 zwangsläufig gesenkt.
Auch hier ist das Steuermodul 90 elektrisch mit der Expansionsvorrichtung 112 verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt) und arbeitet, um einen Druckabfall des durch die Expansionsvorrichtung strömenden Kältemittels zu steuern und optimale Leistung zu gewährleisten. In der beschriebenen Ausführungsform ist die zweite Expansionsvorrichtung 112 eine elektronische Expansionsvorrichtung mit einer Öffnung, durch die das Kältemittel strömt. Das Steuermodul 90 steuert eine Größe der Öffnung innerhalb der Expansionsvorrichtung 112, die einen Druckabfall des durch die Vorrichtung strömenden Kältemittels bestimmt. Der Druckabfall wird abhängig von denselben Eingaben, die zum Berechnen der gewünschten Leistung des Verdichters durch das Steuermodul 90 verwendet werden, eingestellt.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform fungiert der zweite Wärmetauscher 116 als Verdampfer. Wenn die beschriebene Ausführungsform zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, wird der Verdampfer 116 zum Kühlen eines Fahrgastraums (nicht gezeigt) verwendet. Über den Verdampfer 116 strömende warme, feuchte Luft überträgt ihre Wärme auf das Kühlerkältemittel innerhalb des Verdampfers. Die Nebenprodukte sind Luft mit einer gesenkten Temperatur und mögliche Kondensation von der Luft, die vom Verdampfer 116 nach außerhalb des Fahrzeugs geleitet werden. Obgleich nicht dargestellt, bläst ein Gebläse Luft über den Verdampfer und durch eine Lüftungsöffnung zu dem Fahrgastraum, wie im Fachgebiet bekannt ist. Dieser Prozess führt dazu, dass der Fahrgastraum eine kühlere, trockenere Luft enthält.
Das dampfförmige und flüssige Kältemittelgemisch mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur innerhalb des Verdampfers 116 absorbiert Wärme vom Sekundärfluid (z. B. Luft oder Wasser), das über den Verdampfer strömt, wie durch die Aktionspfeile 144 und 146 dargestellt. Das dampfförmige Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur verlässt den Verdampfer 116, wie durch den Aktionspfeil 120 dargestellt, und wird in einem Akkumulator 122 aufgenommen, wo jegliche Flüssigkeit gespeichert wird. Nur ein dampfförmiges Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur verlässt den Akkumulator 122, wie durch den Aktionspfeil 124 dargestellt. Das dampfförmige Kältemittel wird am ersten Saugkanal 126 des ersten Verdichterrads 84 des Verdichters 82 aufgenommen, wo das dampfförmige Kältemittel erneut verdichtet wird.
Ein Thermoelement 128 erfasst eine Temperatur (T₂) des aus dem Akkumulator 122 ausströmenden Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdichter 82. Obgleich das Thermoelement 128 in 3 in der Nähe eines Auslasses des Akkumulators 122 dargestellt ist, könnte das Thermoelement oder eine andere Art von Temperatursensor in einer alternativen Ausführungsform irgendwo zwischen dem Verdichter 82 und dem Akkumulator 122 positioniert sein. Das Thermoelement 128 ist mit dem Steuermodul 90 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt), das die erfasste Temperatur (T₂) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung der gewünschten Leistung des Verdichters 82 empfängt.
Gleichermaßen erfasst ein Wandler 130 einen Druck (P₂) des aus dem Akkumulator 122 ausströmenden Kältemittels vor dem Eintritt in den Verdichter 82. Obgleich der Wandler 130 in 3 an das Thermoelement 128 angrenzend dargestellt ist, könnte der Wandler oder eine andere Art von Drucksensor in einer alternativen Ausführungsform in der Nähe eines Auslasses des Akkumulators 122 oder irgendwo zwischen dem Verdichter 82 und dem Akkumulator 122 positioniert sein. Der Wandler 130 ist mit dem Steuermodul 90 elektrisch verbunden (durch gestrichelte Linie dargestellt), das den erfassten Druck (P₂) des Kältemittels zur Verwendung bei der Berechnung der gewünschten Leistung des Verdichters 82 empfängt.
Im ersten Verdichterrad 84 wird das dampfförmige Kältemittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur in einer ersten Stufe eines Zyklus verdichtet. Das resultierende dampfförmige Kältemittel mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur wird dann mit dem vom Abscheider 110 kommenden Dampf mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur am Fusionspunkt 132 vereinigt. Die vereinigten Kältemitteldämpfe werden an einem ersten Saugkanal 134 des zweiten Verdichterrads 86 aufgenommen, wo das vereinigte Kältemittel in einer zweiten Stufe des Zyklus erneut zu einem dampfförmigen Kältemittel mit hohem Druck und hoher Temperatur verdichtet und durch das System 80 in Umlauf gebracht wird.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren zum Betreiben eines Dampfkompressionskühlsystems wird ein erstes Fluid in einem ersten und zweiten Verdichtungszyklus eines Verdichters 12 verdichtet. In einer Ausführungsform treten der erste und zweite Verdichtungszyklus im ersten und zweiten Verdichterrad 18, 20 des Verdichters im Parallelbetrieb auf.
In anderen Schritten wird eine Temperatur eines Sekundärfluids an einem Einlass eines zweiten Wärmetauschers bestimmt, und eine Temperatur des Primärfluids wird erfasst. In der beschriebenen Ausführungsform wird die Temperatur des aus dem ersten Wärmetauscher ausströmenden Primärfluids ebenfalls erfasst. In einem weiteren Schritt werden eine zweite Temperatur und ein Druck des Primärfluids erfasst. In der beschriebenen Ausführungsform werden die zweite Temperatur und der Druck des aus einem Akkumulator ausströmenden Primärfluids erfasst. In einem weiteren Schritt wird eine gewünschte Leistung des Verdichters 12 anhand der bestimmten Temperatur des Sekundärfluids und der erfassten Temperaturen und des Drucks des Primärfluids berechnet. Die zum Berechnen der gewünschten Leistung innerhalb des Steuermoduls genutzten Algorithmen sind oben allgemein beschrieben und können sich auf zusätzliche Betriebsbedingungen des Systems (z. B. erforderliche Temperatur des Sekundärfluids an einem Auslass des zweiten Wärmetauschers) stützen. Abhängig von der berechneten gewünschten Leistung des Verdichters wird ein Parameter des Verdichters eingestellt. In der beschriebenen Ausführungsform können eine Drehzahl des Motors/der Welle, der/die den Verdichter antreibt, oder Leitschaufelöffnungen der Verdichterräder des Verdichters eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren den Schritt des Änderns eines Drucks des Primärfluids abhängig von dem berechneten gewünschten Druckabfall P_B – P_C und/oder P_F – P_G umfassen. Dieser Schritt kann durch Einstellen einer Größe einer Öffnung von mindestens einer der Expansionsvorrichtungen, durch die das Primärfluid strömt, durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform kühlt der erste Wärmetauscher den verdichteten Dampf des Hochtemperatur-Primärfluids, und der zweite Wärmetauscher fungiert als Verdampfer, der das Niedertemperatur-Primärfluid erwärmt.
Zusammenfassend resultieren zahlreiche Vorteile aus den Dampfkompressionskühlsystemen 10, 80 und dem zugehörigen Verfahren zum Betreiben der Systeme, wie in diesem Dokument dargestellt. Die Systeme sind in der Lage, einen Verdichter abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids, das einem Primärfluid Wärme zuführt, und anderen Parametern einzustellen, um optimale Bedingungen zu erzielen und den Systemwirkungsgrad zu verbessern.
Das Vorstehende dient Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken. Es soll nicht erschöpfend sein oder die Ausführungsformen auf die präzise offenbarte Form einschränken. Im Licht der obigen Lehren sind offenkundige Modifikationen und Variationen möglich. Beispielsweise könnten die Vorrichtungen, die in der beschriebenen Ausführungsform durch das Steuermodul 16 gesteuert werden, von mehreren Steuermodulen oder ähnlichen Vorrichtungen gesteuert werden. Mehrere Steuermodule könnten jeweils eine oder mehrere Vorrichtungen innerhalb des Systems steuern und über ein Netzwerk (z. B. einen in Fahrzeugen allgemein üblichen Controller Area Network(CAN)-Bus) miteinander kommunizieren. Darüber hinaus könnte der Verdichter mehr als zwei Verdichterräder nutzen und ohne einen Expander funktionieren, wenn auch in einer weniger effizienten Weise. All diese Modifikationen und Variationen liegen im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche, wenn sie entsprechend der Breite, zu der sie den Regeln entsprechend, juristisch und gerechterweise berechtigt sind, interpretiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

EU-Richtlinie 2006/40/EG [0002]

Claims

Dampfkompressionskühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Radialverdichter zum Verdichten eines Primärfluids in einem Zyklus mit mindestens zwei Verdichtungen; und ein Steuermodul zum Steuern des Radialverdichters abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul eine Leistung des Radialverdichters steuert.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 2, wobei der Radialverdichter ein von einem Motor angetriebener elektrischer Radialverdichter ist und das Steuermodul die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Drehzahl des Motors steuert.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 2, wobei der Radialverdichter ein elektrischer Radialverdichter ist, der ein von einem Motor angetriebenes erstes und zweites Verdichterrad umfasst, und das Steuermodul die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Öffnung von Leitschaufeln steuert, die mit dem ersten und/oder dem zweiten Verdichterrad verbunden sind.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Radialverdichter ein elektrischer Radialverdichter ist, der ein von einem Motor angetriebenes erstes und zweites Verdichterrad und einen Expander umfasst.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 5, wobei das erste und zweite Verdichterrad parallel arbeiten.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 5, wobei das erste und zweite Verdichterrad stufenweise arbeiten.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 5, wobei der Radialverdichter eine einzelne Welle umfasst, die von dem ersten und zweiten Verdichterrad und dem Expander gemeinsam genutzt und von dem Motor angetrieben wird.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 1, das ferner eine erste und zweite Expansionsvorrichtung umfasst, und wobei das Steuermodul ferner die erste und zweite Expansionsvorrichtung abhängig von mindestens einem Zustand eines Sekundärfluids steuert.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 9, das ferner einen ersten Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des aus einem ersten Wärmetauscher ausströmenden Primärfluids und einen zweiten Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur und einen ersten Druckwandler zum Erfassen eines Drucks des aus einem Akkumulator ausströmenden Primärfluids umfasst, wobei das Steuermodul den Radialverdichter abhängig von dem Zustand des Sekundärfluids, der ersten erfassten Temperatur, der zweiten erfassten Temperatur und dem ersten erfassten Druck steuert.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 10, wobei die erste und zweite Expansionsvorrichtung elektronische Expansionsvorrichtungen sind, und das Steuermodul einen Druckabfall des durch die erste und zweite Expansionsvorrichtung strömenden Primärfluids steuert.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Sekundärfluid Luft und/oder Wasser und/oder Kühlmittel und/oder Kältemittel ist und der Zustand des Sekundärfluids eine Temperatur des Sekundärfluids und/oder eine Feuchtigkeit des Sekundärfluids und/oder eine Umgebungssolarbelastung umfasst.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 9, wobei das Steuermodul eine Leistung des Radialverdichters steuert und wobei der Radialverdichter ein von einem Motor angetriebener elektrischer Radialverdichter ist und das Steuermodul die Leistung des elektrischen Radialverdichters durch Einstellen einer Drehzahl des Motors und/oder einer Öffnung von Leitschaufeln im Radialverdichter steuert.
Dampfkompressionskühlsystem, das Folgendes umfasst: einen Radialverdichter mit mindestens zwei Verdichterrädern zum Verdichten eines Primärfluids in einem Zyklus mit mindestens zwei Verdichtungen; einen ersten Wärmetauscher, durch den das Primärfluid strömt; eine erste Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid strömt; einen Abscheider zum Abscheiden von Dampf und Flüssigkeit des Primärfluids; eine zweite Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid strömt; einen zweiten Wärmetauscher zum Kochen des Primärfluids; einen Akkumulator, der flüssiges Primärfluid speichert und nur dampfförmiges Primärfluid in den Radialverdichter eintreten lässt; und ein Steuermodul zum Steuern des Radialverdichters und der ersten und zweiten Expansionsvorrichtung abhängig von einem Zustand des Sekundärfluids.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 14, das ferner ein Bypassventil umfasst, das zum Einstellen eines Saugdrucks des ersten und/oder des zweiten Verdichterrads verwendet werden kann.
Dampfkompressionskühlsystem nach Anspruch 14, wobei das Steuermodul ferner den Verdichter und die erste und zweite Expansionsvorrichtung steuert, abhängig von einer ersten Temperatur des Primärfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher und der ersten Expansionsvorrichtung und/oder einer zweiten Temperatur des Primärfluids zwischen einem Akkumulator und dem Verdichter und/oder einem Druck des Primärfluids zwischen dem Akkumulator und dem Verdichter.
Verfahren des Betreibens eines Dampfkompressionskühlsystems, das die folgenden Schritte umfasst: Verdichten eines Primärfluids in einem ersten und zweiten Verdichtungszyklus eines Radialverdichters, der ein erstes und zweites Verdichterrad aufweist; Bestimmen eines Zustands eines Sekundärfluids; Erfassen einer Temperatur des aus einem ersten Wärmetauscher ausströmenden Primärfluids; Erfassen einer Temperatur und eines Drucks des aus einem Akkumulator ausströmenden Primärfluids; Berechnen einer gewünschten Leistung des Radialverdichters anhand des Zustands des Sekundärfluids und der erfassten Temperatur am Auslass des ersten Wärmetauschers und der erfassten Temperatur und des erfassten Drucks am Auslass des Akkumulators; und Einstellen eines Parameters des Radialverdichters abhängig von der berechneten gewünschten Leistung des Radialverdichters.
Verfahren des Betreibens eines Dampfkompressionskühlsystems nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Einstellens eines Parameters des Radialverdichters das Einstellen einer Drehzahl eines den Radialverdichter antreibenden Motors und/oder einer Öffnung von Leitschaufeln im Radialverdichter umfasst.
Verfahren des Betreibens eines Dampfkompressionskühlsystems nach Anspruch 17, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Berechnen eines gewünschten Druckabfalls auf der Basis des Zustands des Sekundärfluids, der erfassten Temperatur am Auslass des ersten Wärmetauschers und der erfassten Temperatur und des erfassten Drucks am Auslass des Akkumulators sowie Ändern eines Drucks des Primärfluids abhängig vom berechneten gewünschten Druckabfall.
Verfahren des Betreibens eines Dampfkompressionskühlsystems nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Änderns des Drucks des Primärfluids das Einstellen einer Öffnungsgröße von mindestens einer Expansionsvorrichtung, durch die das Primärfluid strömt, umfasst.