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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältekreislauf, beispielsweise zur Verwendung in einer Fahrzeugklimaanlage oder einem elektrischen Wasserheizgerät. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Kältekreislauf mit einem Ejektor mit einer Düse, die bezüglich ihres Drosselgrads geändert werden kann.
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EP 1 160 522 A1 beschreibt ein Ejektorsystem für einen Kältekreis, wobei der Ejektor im Austrittsbereich einen Mischabschnitt aufweist, bei dem ein Verhältnis der Länge zu einem äquivalenten Durchmesser des Mischabschnitts ≤ 120 ist. Weiterhin ist ein Verhältnis des äquivalenten Durchmessers des Mischabschnitts zu einem äquivalenten Durchmesser des Düsenauslasses des Ejektors im einem Bereich von 1,05 bis 10 vorgesehen, damit das Ejektorsystem mit einem hohen Ejektorwirkungsgrad arbeitet.
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EP 1 134 517 A2 beschreibt ein Ejektorsystem für Kohlendioxid als Kältemittel, wobei der Ejektor das von einem Radiator kommende Kältemittel dekomprimiert und expandiert und gasförmiges Kältemittel von einem Verdampfer ansaugt. Die Expansionsenergie wird in einem Mischabschnitt anschließend an die Düse des Ejektors in Druckenergie umgewandelt, damit der Druck des vom Verdichter angesaugten Kältemittels erhöht wird.
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7 zeigt einen herkömmlichen Ejektorkreislauf (Kältemittelkreislauf), der in der
JP-A-11-37577 erläutert ist. Der Ejektorkreislauf umfasst einen Verdichter
101, einen Gaskühler
102, einen Ejektor
103 und einen Gas-/Flüssigkeitsseparator
104, die im Kreis angeordnet verbunden sind. Der Ejektorkreislauf weist außerdem eine feststehende bzw. unveränderliche Drossel
105 auf, die als Dekompressionseinrichtung dient, und einen Verdampfer
106 in einem Umgehungsdurchlass. In dem Umgehungsdurchlass fließt durch den Gas-/Flüssigkeitsseparator
104 abgetrenntes flüssiges Kältemittel in einen Niederdruckkältemitteleinlass
109 des Ejektors
103 über die feststehende Drossel
105 und den Verdampfer
106. Der Ejektor
104 umfasst eine bezüglich eines Drosselgrads nicht änderbare Düse
107 mit feststehendem Drosselgrad, die ungeachtet einer Kältemittelumwälzmenge in dem Ejektorkreislauf nicht änderbar ist. Wenn der Ejektorkreislauf beispielsweise für eine Fahrzeugklimaanlage verwendet wird, kann die Klimaanlage genutzt werden, um eine Fahrgastzelle in der sommerlichen Jahreszeit unter hoher Last zu kühlen, und sie kann verwendet werden, um die Fahrgastzelle in der winterlichen Jahreszeit unter geringer Last zu entfeuchten. D. h., der Ejektorkreislauf kommt unter verschiedenen Einsatzbedingungen zum Einsatz. Die bezüglich des Drosselgrads nicht änderbare Düse
107 des Ejektors
103 ist jedoch nicht in der Lage, die verschiedenen Lasten zu bewältigen, die durch unterschiedliche Nutzungsbedingungen hervorgerufen sind.
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8 zeigt einen Ejektor
110, der eine änderbare Düse
112 aufweist und der in der
JP-A-5-312421 erläutert ist. Die änderbare Düse
112 weist ein Nadelventil
111 auf, das geeignet ist, den Drosselöffnungsgrad (Austrittsöffnungsabmessung) der bezüglich des Drosselgrads änderbaren Düse
112 zu steuern. Wenn ein Ejektorkreislauf mit einer bezüglich ihres Drosselgrads änderbaren Duse
112 jedoch so hergestellt wird, dass er in der Lage ist, verschiedene Lasten zu bewältigen, muss der Hubbereich des Nadelventils
111 größer sein. Das Ventilsteuersystem zum Steuern des Nadelventils
111 muss deshalb größer ausgelegt werden.
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Im Hinblick auf die vorstehend angesprochenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kältemittelkreislauf mit einem Ejektor mit einer bezüglich ihres Drosselgrads änderbaren Düse zu schaffen, die bzw. der kleinere Bauformen aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kältemittelkreislauf mit einem Ejektor zu schaffen, der eine bezüglich ihres Drosselgrads änderbare Düse aufweist, deren Drosselöffnungsgrad in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit einer Laständerung geändert werden kann, während die Baugröße des Ejektors (insgesamt) minimal ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bezüglich eines den erfindungsgemäßen Ejektor umfassenden Kältemittelkreislaufs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kältemittelkreislauf einen Gas-/Flüssigkeitsseparator zum Trennen von Kältemittel in gasförmiges und flüssiges Kältemittel, einen Verdampfer, in dem das flüssige Kältemittel, das aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator ausströmt, verdampft wird, nachdem es dekomprimiert worden ist, einen Verdichter zum komprimieren des gasförmigen Kältemittels aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator, einen Radiator, der das aus dem Verdichter ausgetragenen Kältemittel kühlt, einen Ejektor und ein Drosselsteuersystem. Der Ejektor umfasst eine Hochdruckkältemitteleinlassöffnung, aus der Kältemittel von dem Radiator zugeführt wird, eine Niederdruckkältemitteleinlassöffnung, aus der Kältemittel von dem Verdampfer angesaugt wird, eine Düse zum Dekomprimieren von Kältemittel, das aus der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung zugeführt wird, und einen Druckerhöhungsabschnitt, in dem Kältemittel aus dem Verdampfer durch die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung durch einen Kältemittelstrom angesaugt wird, der aus der Düse ausgestrahlt wird, und mit dem Kältemittel gemischt wird, das aus der Düse ausgestrahlt wird. Der Druckerhöhungsabschnitt des Ejektors weist einen Kältemittelauslass auf, aus dem Kältemittel zu dem Gas-/Flüssigkeitsseparator ausgetragen wird. In dem Kältemittelkreislauf umfasst das Drosselsteuersystem einen Umgehungsdurchlass, der von dem Kältemitteldurchlass an einem Abzweigpunkt abgezweigt ist, der stromaufwarts von der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung zu liegen kommt und mit dem Kältemitteldurchlass an einem Verbindungspunkt verbunden ist, der stromabwärts von dem Abzweigpunkt gelegen ist, ein Steuerventil zum Steuern eines Drucks des Kältemittels, das durch den Umgehungsdurchlass strömt, und ein Steuerventil, das einen Drosselöffnungsgrad der Düse in Übereinstimmung mit einer Druckdifferenz zwischen dem Kältemittel in dem Umgehungsdurchlass und dem Kältemittel in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung des Ejektors steuert. Der Drosselöffnungsgrad der Düse kann dadurch in Übereinstimmung mit einer Laständerung, wie etwa einer Veränderung des Hochdruckkältemitteldrucks bzw. der Hochdruckkältemitteltemperatur in dem Kältekreislauf gesteuert werden. Das Steuerventil steuert den Druck des Kältemittels in dem Umgehungsdurchlass in Übereinstimmung mit der Laständerung des Kältemittelkreislaufs, und der Drosselöffnungsgrad der Düse wird durch das Steuerventil in Übereinstimmung mit dem Druck gesteuert. In dem Drosselsteuersystem ist deshalb ein Mechanismus für einen großen Hub des Steuerventils nicht erforderlich. Die Größe des Drosselsteuersystems kann deshalb verringert werden.
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Bevorzugt umfasst das Drosselsteuersystem außerdem ein feststehendes bzw. unveränderliches Ventil, das in dem Umgehungsdurchlass angeordnet ist, um ein Mitteldruckkältemittel unter Verwendung einer Druckdifferenz zwischen Kältemittel stromaufwärts von dem feststehenden Ventil und Kältemittel stromabwärts von dem feststehenden Ventil zu erzeugen, und ein Pilot- bzw. Steuerventil steuert den Drosselöffnungsgrad der Düse in Übereinstimmung mit einer Druckdifferenz zwischen dem Mitteldruckkältemittel in dem Umgehungsdurchlass und dem Kältemittel in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung des Ejektors. In diesem Fall kann das feststehende Ventil in dem Umgehungsdurchlass stromaufwärts von dem Steuerventil bzw. stromabwärts von dem Steuerventil zu liegen kommen. Beispielsweise ist der Abzweigpunkt des Umgehungsdurchlasses in einem Hachdruckkältemitteldurchlass vorgesehen, durch den die Hochdruckkältemitteleinlassöffnung des Ejektors mit einem Auslass des Radiators verbunden ist. Andererseits ist der Verbindungspunkt des Umgehungsdurchlasses in einem Niederdruckkältemitteldurchlass vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Niederdruckkältemitteldurchlass um einen Durchlass zum Verbinden der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung des Ejektors mit dem Auslass des Verdampfers, um einen Durchlass zum Verbinden eines Flüssigkältemittelauslasses des Gas-/Flüssigkeitsseparators mit einem Einlass des Verdampfers bzw. um einen Durchlass zum Verbinden des Auslasses des Druckerhöhungsabschnitts mit dem Einlass des Gas-/Flussigkeitsseparators.
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Andererseits ist ein Druckregulierelement in dem Drosselsteuersystem stromaufwärts von der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung des Ejektors angeordnet, um Mitteldruckkältemittel in dem Umgehungsdurchlass zu erzeugen, aufweisend einen Druck zwischen dem Druck des Kältemittels stromaufwärts von dem Druckregulierelement und dem Druck des Kältemittels stromabwärts von dem Druckregulierelement. In diesem Fall steuert das Pilot- bzw. Steuerventil den Drosselöffnungsgrad der Düse in Übereinstimmung mit der Druckdifferenz zwischen dem Mitteldruckkältemittel in dem Umgehungsdurchlass und dem Kältemitteldruck in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung. Beispielsweise handelt es sich bei dem Druckregulierelement um ein Ventil, das die Druckdifferenz auf einem vorbestimmten festen Wert hält.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beispielhaft naher erläutert; in dieser zeigen:
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1 schematischen einen Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Querschnittsansicht eines Ejektors des Kältemittelkreislaufs in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 schematischen einen Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 schematisch einen Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 schematisch einen Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine Querschnittsansicht eines Ejektors des Kältemittelkreislaufs in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7 schematisch einen Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik, und
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8 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Ejektors des Kältemittelkreislaufs.
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Nunmehr wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Ein Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform bildet einen Ejektorkreislauf für eine Fahrzeugklimaanlage. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Verdichter 1, einen Gaskühler 2 (Radiator), einen Ejektor 3 und einen Gas-/Flüssigkeitsseparator 4, die im Kreis geschaltet miteinander verbunden sind. Außerdem sind in dem Kältekreislauf eine Flüssigkältemittelauslassöffnung des Gas-/Flüssigkeitsseparators 4 und eine Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 des Ejektors 3 durch einen niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 34 verbunden. In dem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 34 sind außerdem ein Dekompressor (Druckfreimacheinrichtung) 5 und ein Verdampfer 6 vorgesehen.
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Bei dem Kältemittelkreislauf handelt es sich um einen superkritischen Dampfverdichtungsejektorkreislauf beispielsweise unter Verwendung von Kältemittel, das Kohlendioxid als Hauptbestandteil enthält. Die kritische Temperatur des Kohlendioxids ist niedrig. In dem superkritischen Dampfverdichtungsejektorkreislauf wird das Kältemittel in dem Verdichter 1 verdichtet, um auf einem höheren als dem kritischen Druck zu liegen zu kommen. Die Temperatur des Kältemittels, das in den Gaskühler 2 strömt, d. h., des Kältemittels, das aus dem Verdichter 1 ausgetragen wird, wird dadurch auf 120°C erhöht. Selbst dann, wenn die Wärme des Kältemittels in dem Gaskühler 2 abgestrahlt wird, wird deshalb das Kältemittel nicht verflüssigt.
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Der Verdichter 1 wird durch einen (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor bzw. einen (nicht gezeigten) Elektromotor in dem Motorraum angetrieben. Der Verdichter 1 verdichtet gasförmiges Kältemittel, das aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 angesaugt wird, und trägt daraufhin dieses verdichtete Kältemittel zu dem Gaskühler 2 aus. Insbesondere verdichtet der Verdichter 1 vorübergehend das gasförmige Kältemittel auf einen höheren als den kritischen Druck unter einer vorbestimmten Nutzungsbedingung.
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Der Gaskühler 2 ist zum Abstrahlen der Wärme des gasförmigen Kältemittels ausgehend von Verdichter 1 in einen gut gekühlten Teil des Motorsraums angeordnet. In dem Gaskühler 2 wird die Wärme des gasförmigen Kältemittels durch Luft absorbiert, die von außerhalb der Fahrgastzelle durch einen (nicht gezeigten) Kühllüfter geblasen wird.
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Der Ejektor 3 umfasst eine Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11, eine Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12, eine Düse 13, einen Mischabschnitt 14 und einen Diffusor 15. Der Ejektor 3 saugt Hochdruckkältemittel aus der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 und strahlt es aus der Austrittsöffnung der Düse 13 mit hoher Geschwindigkeit. In diesem Prozess fällt der Druck im Bereich dieses gestrahlten Kältemittels in dem Ejektor 3 und dadurch (d. h., durch Mitreißen des gestrahlten Kältemittels) wird das Niederdruckkältemittel aus der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 gesaugt. Daraufhin werden das Kältemittel, das aus der Düse 13 gestrahlt wird, und das Niederdruckkältemittel, das aus der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 angesaugt wird, in dem Mischabschnitt 14 gemischt und in dem Diffusor 15 diffundiert. In der ersten Ausführungsform werden das Hochgeschwindigkeitskältemittel, das aus der Düse 13 ausgestrahlt wird, und das Niederdruckkältemittel, das aus der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 angesaugt wird, derart gemischt, dass der Druck des gemischten Kältemittels sowohl im Mischabschnitt 14 wie im Diffusor 15 erhöht wird. In dem Ejektor 3 ist deshalb ein Druckerhöhungsabschnitt mit dem Mischabschnitt 14 und dem Diffusor 15 erstellt. Das Kältemittel wird daraufhin aus dem Auslass des Diffusors 15 des Ejektors 3 in den Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 ausgetragen. Der Ejektor 3 ist integral mit einem Drosselsteuersystem 7 versehen, das einen Drosselöffnungsgrad (Austrittsöffnungsradialabmessung) der Düse 13 in Übereinstimmung mit der Last zu ändern vermag.
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Der Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 ist ein Akkumulator, der das Kältemittel, das aus dem Ejektor 3 ausgetragen wird, in das gasförmige Kältemittel und das flüssige Kältemittel trennt.
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Der Dekompressor 5 ist eine feststehende bzw. unveränderliche Drossel, wie etwa eine Kapillarröhre und eine Düsenöffnung, die das flüssige Kältemittel, das aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 strömt, in ein Zweiphasen-Gas-Flüssigkeits-Kältemittel dekomprimieren kann.
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Bei dem Verdampfer 6 handelt es sich um eine endotherme Vorrichtung, in der Kältemittel Wärme aus Luft absorbiert, die von einem (nicht gezeigten) Gebläselüfter geblasen wird, wodurch das Kältemittel verdampft wird. Das in dem Verdampfer 6 verdampfte Kältemittel wird in den Ejektor 3 durch die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 gesaugt.
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Das Drosselsteuersystem 7 umfasst einen Umgehungsdurchlass 21, eine Öffnung 22, ein Steuerventil 23 und ein Pilot- bzw. Steuerventil 9. Der Umgehungsdurchlass 21 ist von dem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 33 zwischen dem Gaskühler 2 und dem Ejektor 3 an einem Trennpunkt abzweigt und mit dem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 34 zwischen dem Verdampfer 6 und der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 des Ejektors 3 an einem Verbindungspunkt verbunden, der stromabwärts vom Trennpunkt zu liegen kommt. Die Öffnung 22 ist in dem Umgehungsdurchlass 21 auf der Seite des Trennpunkts vorgesehen. Bei dem Steuerventil 23 handelt es sich um ein elektromagnetisches Stellorgan und es ist in dem Umgehungsdurchlass 21 auf der Seite des Verbindungspunkts im Gegensatz zu der Position der Öffnung 22 angeordnet. Das Steuerventil 9 (Pilotventil, vorliegend als Steuerventil 9 bezeichnet) ändert den Drosselöffnungsgrad der Düse 13 in Übereinstimmung mit einem Unterschied zwischen dem Druck des Kältemittels im Umgehungsdurchlass 21 und dem Druck des Kältemittels in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11. Bei der Öffnung 22 handelt es sich um eine feststehende bzw. unveränderliche Drossel zum Erzeugen eines Mitteldruckkältemittels zwischen der Öffnung 22 und dem Steuerventil 23. Der Druck des Mitteldruckkältemittels liegt zwischen dem Druck des Hochdruckkältemittels, bevor es in der Düse 13 dekomprimiert wird, und dem Druck des Niederdruckkältemittels, nachdem es in dem Dekompressor 5 dekomprimiert wurde.
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Der Umgehungsdurchlass 21 umfasst einen Hochdruckkältemitteldurchlass 25, der mit dem Abzweigpunkt verbunden ist und sich ausgehend von dem Abzweigpunkt zu der Öffnung 22 erstreckt, einen Mitteldruckdurchlass 27 zwischen der Öffnung 22 und dem Steuerventil 23, und einen Niederdruckkältemitteldurchlass 26 zwischen dem Steuerventil 23 und dem Verbindungspunkt, wobei sämtliche in Gehäusen 16, 17 des Ejektors 3 gebildet sind, wie in 2 gezeigt. Außerdem ist die Öffnung 22 in einem Teil des Hochdruckkältemitteldurchlasses 25 oder insgesamt im Hochdruckkältemitteldurchlass 25 gebildet.
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In der ersten Ausführungsform ist der Umgehungsdurchlass 21 durch Abzweigen vom Abzweigpunkt des hochdruckseitigen Kältemitteldurchlasses 33 gebildet. Der Umgehungsdurchlass 21 ist außerdem mit dem Verbindungspunkt des niederdruckseitigen Kältemitteldurchlasses 34 verbunden. Der Druck des Kältemittels in dem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 33 entspricht demnach dem Druck des Kältemittels in dem Hochdruckkältemitteldurchlass 25 und der Druck des Kältemittels in dem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 34 entspricht dem Druck des Kältemittels in dem Niederdruckkältemitteldurchlass 26.
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Das Steuerventil 23 dient als Stellorgan zum Antreiben des Steuerventils 9 in axialer Richtung. Wie in 2 gezeigt, umfasst das Steuerventil 23 ein Nadelventil 23a, eine elektromagnetische Wicklung 23b und eine Nadelvorspanneinrichtung (nicht gezeigt). Das Nadelventil 23a steuert den Öffnungsquerschnitt (den Ventilöffnungsgrad) des Niederdruckkältemitteldurchlasses 26. Die elektromagnetische Wicklung 23b treibt das Nadelventil 23a in der Ventilschließrichtung an. Die Nadelvorspanneinrichtung ist beispielsweise eine Feder, die das Nadelventil 23a in Ventilöffnungsrichtung vorspannt. In dem Steuerventil 23 wird der Ventilöffnungsgrad des Nadelventils 23a beispielsweise in Übereinstimmung mit einem elektrischen Signal gesteuert, das von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit in der elektromagnetischen Wicklung 23b angelegt wird.
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Das Pilotventil bzw. Steuerventil 9 steuert den Drosselöffnungsgrad der Düse 13 derart, dass die Düse 13 als bezüglich ihres Drosselgrads änderbare Düse dienen kann. Insbesondere steuert das Steuerventil 9 den Drosselöffnungsgrad in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen dem Druck des Kältemittels in einem ersten unter Druck gesetzten Abteil 31 und dem Druck des Mitteldruckkältemittels in einem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32. Der Druck des Kältemittels in dem ersten unter Druck gesetzten Abteil 31 ist derselbe wie der Druck des Kältemittels in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11. Der Druck des Kältemittels in dem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32 ist derselbe wie der Druck des Kältemittels in dem Mitteldruckkältemitteldurchlass 27.
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Wie in 2 gezeigt, weist das Pilot- bzw. Steuerventil 9 außerdem einen Stangenabschnitt mit kleinem Radialdurchmesser und einen Flanschabschnitt mit einem großen Radialdurchmesser auf. Die Öffnung 22 ist in dem Steuerventil 9 vorgesehen und eine Durchlassöffnung 35 auf der Seite der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 und das zweite unter Druck gesetzte Abteil 32 stehen miteinander durch die Öffnung 22 in Verbindung. Außerdem sind die unter Druck gesetzten Abteile 31, 32 in einem Teil eines im Wesentlichen U-förmigen Durchlasses in dem Gehäuse 16 gebildet und durch den Flanschabschnitt des Steuerventils 9 in das erste unter Druck gesetzte Abteil 31 unter dem Flanschabschnitt des Steuerventils 9 und das zweite unter Druck gesetzte Abteil 32 über dem Flanschabschnitt des Pilotventils 9 unterteilt.
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Das Pilot- bzw. Steuerventil 9 ist in seiner axialen Richtung innerhalb der Gehäuse 16, 17 durch die Differenz zwischen dem Druck der Abteile 31, 32 und der Vorspannkraft einer Rückstellfeder 10 gleitend beweglich, die das Steuerventil 9 derart vorspannt, dass es den Drosselöffnungsgrad der Düse 13 verringert. In Übereinstimmung mit der Position des Steuerventils 9 in axialer Richtung wird der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 gesteuert.
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Jedes Kältemittelbestandteil in dem Kältemittelkreislauf, insbesondere die elektromagnetische Wicklung 23b des Steuerventils 23, wird elektronisch durch die elektronische Steuereinheit (ECU) gesteuert. Die ECU umfasst eine CPU, einen ROM und I/O-Anschlüsse sowie einen Mikrocomputer. Darüber hinaus ist eine Kältemittelwärmesensor (nicht gezeigt) zum Ermitteln der Temperatur des Kältemittels vorgesehen, das aus der Auslassöffnung des Gaskühlers 2 strömt (d. h., hochdruckseitiges Kältemittel), und ein (nicht gezeigter) Kältemitteldrucksensor ist zum Ermitteln des Drucks des Kältemittels vorgesehen, das aus der Auslassöffnung des Gaskühlers 2 strömt. Sensorsignale von dem Kältemittelwärmesensor und dem Kältemitteldrucksensor werden von analog in digital durch eine Eingangsschaltung umgesetzt, d. h. durch eine A/D-Wandlerschaltung (nicht gezeigt), und daraufhin werden sie in den Mikrocomputer eingegeben.
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Die ECU berechnet eine Lastveränderung bzw. einen Lastzustand des Kältemittelkreislaufs auf Grundlage der ermittelten Kältemitteltemperatur und des ermittelten Kältemitteldrucks, woraufhin sie Treibersignale zu der elektromagnetischen Wicklung 23b in Übereinstimmung mit der Lastveränderung bzw. der Lastbedingung überträgt. Die ECU ermittelt, dass die Last hoch ist in einem Fall, in dem die Kältemitteltemperatur als hoch ermittelt wird, oder in einem Fall, in dem der Kältemitteldruck als hoch ermittelt wird. Wenn die ECU ermittelt, dass die Last hoch ist, werden die Treibersignale an die elektromagnetische Wicklung 23b derart angelegt, dass der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 größer wird, d. h., das Nadelventil 23a wird in Aufwärtsrichtung derart angetrieben, dass der Druck des Mitteldruckkältemittels in dem Mittelkältemitteldurchlass 27 des Umgehungsdurchlasses 21 verringert wird.
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Nunmehr wird die Arbeitsweise des Kältemittelkreislaufs unter Bezug auf 1 und 2 erläutert. Das Kältemittelgas bzw. das gasförmige Kältemittel, das durch den Verdichter 1 verdichtet wird und dadurch hohen Druck und hohe Temperatur aufweist, strömt in den Gaskühler 2 (Radiator) durch dessen Einlassöffnung. Während das Kältemittelgas den Gaskühler 2 durchsetzt, wird die Wärme des Kältemittelgases in die Außenluft derart abgestrahlt, dass das Kältemittel gekühlt wird. Außerdem strömt das aus der Auslassöffnung des Gaskühlers 2 ausgetragene Kältemittel in die Düse 13 durch den hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 33, die Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 und die Durchlassöffnung 35. Das in die Düse 13 gesaugte Kältemittel wird dekomprimiert, während es die Düse 13 durchsetzt, und daraufhin aus dem Austritt bzw. Ausgang der Düse 13 in den Mischabschnitt 14 gestrahlt.
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Unter Verwendung der Druckverringerungskraft im Bereich der Strömung des Kältemittels, das unter hoher Geschwindigkeit aus der Düse 13 gestrahlt wird (d. h., der Mitreißkraft), wird zu diesem Zeitpunkt das Niederdruckkältemittel aus dem Verdampfer 6 in die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 des Ejektors 3 gesaugt. Nachdem das aus der Düse 13 gestrahlte Kältemittel und das aus dem Verdampfer 6 gesaugte Kältemittel in dem Mischabschnitt 13 wirksam gemischt worden sind, wird dieses gemischte Kältemittel in dem Diffusor 15 zur zusätzlichen Mischung diffundiert. Dieses aus dem Diffusor 15 ausgetragene Gas-/Flüssigkeits-Kältemittel strömt in den Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 und wird in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel getrennt.
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Das abgetrennte gasförmige Kältemittel wird in den Verdichter 1 gesaugt und das abgetrennte flüssige Kältemittel wird in den Dekompressor 5 mittels Saugkraft des Ejektors 3 gesaugt, und zwar aus dessen Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12. Außerdem wird das flüssige Kältemittel aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 in einem Gas-/Flüssigkeits-Zweiphasenzustand dekomprimiert und expandiert, während es den Dekompressor 5 durchsetzt, woraufhin es in den Verdampfer 6 strömt. Das Gas-/Flüssigkeitskältemittel absorbiert aus der Luft Wärme, die in den Klimatisierungskanal strömt, während es den Verdampfer 6 durchsetzt, so dass das Gas-/Flüssigkeitskältemittel in dem Verdampfer 6 verdampft und in Niederdruckkältemittelgas geändert wird. Daraufhin wird das Niederdruckkältemittelgas durch den Ejektor 3 durch die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 gesaugt und mit dem Kältemittel gemischt, das aus der Düse 13 in dem Mischabschnitt 14 gemischt wird.
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Ein Teil des Kältemittels, das aus dem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 33 strömt, wird in den Umgehungsdurchlass 21 gesaugt und durch die Öffnung 22 dekomprimiert. Das in dem Hochdruckkältemitteldurchlass 25 eingeleitete Kältemittel kann auf denselben Druck dekomprimiert werden wie denjenigen des Kältemittels in der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 in Übereinstimmung mit der Einstellposition des Nadelventils 23a, und daraufhin wird es in die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 durch die Verbindungsöffnung zugeführt. In diesem Zusammenhang weist das Kältemittel, das in dem Mitteldruckkältemitteldurchlass 27 des Umgehungsdurchlasses 21 strömt, einen mittleren Druck entsprechend dem Druck des Kältemittels in dem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32 auf. Der Druck des Mitteldruckkältemittels liegt zwischen demjenigen des Kältemittels in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 und demjenigen des Kältemittels in der Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12.
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Wenn der Drosselöffnungsgrad des Nadelventils 23a kleiner wird, d. h., wenn das Nadelventil 23a in eine tiefere Position angetrieben wird, wird der Druck des Mitteldruckkältemittels, das in das zweite unter Druck gesetzte Abteil 32 zugeführt wird, stärker erhöht. Wenn andererseits der Drosselöffnungsgrad des Nadelventils 23a größer wird, d. h., wenn das Nadelventil 23a in eine obere Stellung angetrieben wird, wird der Druck des Mitteldruckkältemittels, das in das zweite unter Druck gesetzte Abteil zugeführt wird, starker abgesenkt. Das Hochdruckkältemittel in dem ersten unter Druck gesetzten Abteil 31 wird an das Steuerventil 9 angelegt und das Mitteldruckkältemittel in dem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32 wird ebenfalls an das Steuerventil 9 angelegt. Eine Druckdifferenz wird hierdurch zwischen den Ober- und Unterseiten des Flanschabschnitts des Steuerventils 9 in seiner axialen Richtung hervorgerufen. Durch die Druckdifferenz und die Vorspannkraft der Rückstellfeder wird die Position des Steuerventils 9 gesteuert, d. h., der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 wird gesteuert. Wenn der Ventilöffnungsgrad des Nadelventils 23a in Übereinstimmung mit der Lastveränderung bzw. dem Lastzustand geändert wird, wird der Druck des Mitteldruckkältemittels in dem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32 geändert und die Position des Steuerventils 9 kann gesteuert werden.
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Wenn deshalb der Kältemittelkreislauf in einem Abkühlbetrieb im Sommer unter hoher Last steht, wird das Nadelventil 23a in Aufwärtsrichtung bewegt, so dass sein Öffnungsgrad groß wird. Der Druck des Mitteldruckkältemittels in dem zweiten Druckabteil 32 wird dadurch verringert, wodurch das Steuerventil 9 in Aufwärtsrichtung bewegt wird, so dass der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 groß wird. In diesem Fall kann die Umwälzmenge des Kältemittels in dem Kältekreislauf vergrößert werden. Wenn andererseits der Kältemittelkreislauf in einem Entfeuchtungsbetrieb im Winter unter geringer Last steht, wird das Nadelventil 23a in Abwärtsrichtung bewegt, so dass sein Öffnungsgrad klein wird. Der Druck des Mitteldruckkältemittels in dem zweiten Druckabteil 32 wird dadurch erhöht, wodurch das Steuerventil 9 in Abwärtsrichtung bewegt wird, so dass der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 klein wird. In diesem Fall kann die Umwälzmenge des Kältemittels in dem Kältekreislauf verringert werden.
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In dem Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform wird der Druck des Mitteldruckkältemittels in Übereinstimmung mit dem Öffnungsgrad des Nadelventils 23a derart gesteuert, dass die Bewegungsposition des Steuerventils 9 willkürlich gesteuert werden kann. Da außerdem das Steuerventil 9 nicht direkt bewegt wird, d. h., das Steuerventil 9 wird unter Verwendung des Nadelventils 23a bewegt, kann der Hubbereich des Steuerventils 9 größer gemacht werden als derjenige des Nadelventils 23a.
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Selbst dann, wenn der Hubbereich des Nadelventils 23a nicht groß ist, kann deshalb der Ejektor 3 in einer beliebigen Nutzungsbedingung mit großer Laständerung eingesetzt werden. Obwohl der Hubbereich des Steuerventils 9 groß sein muss, kann außerdem das Steuerventil 23 zum Antreiben des Steuerventils 9 kompakt gemacht werden. D. h., das Drosselsteuerventil 7 kann kompakter gemacht werden.
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Wenn die Drehzahl des Verdichters 1 schlagartig erhöht wird, beispielsweise beim Beschleunigen, wird dadurch die Menge des Kältemittels, die in die Düse 13 aus der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 gesaugt wird, schlagartig vergrößert, oder wenn der Druck des Hochdruckkältemittels, das aus dem Gaskühler 2 ausgetragen wird, erhöht wird, kann das Steuerventil 9 in Aufwärtsrichtung schneller verschoben werden als die Öffnungsgradänderung des Nadelventils 23a. Der Drosselöffnungsgrad der Düse 13 kann dadurch rasch exakt in Reaktion auf ein schlagartiges Druckinkrement gesteuert werden.
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Da das Steuerventil 9 zum Einsatz kommt, kann außerdem das Stellorgan zum Antreiben des Steuerventils 9 exakt in Reaktion auf die Druckänderung gebracht werden. D. h., das Reaktionsvermögen des Drosselsteuerventils 7 kann gegenüber der schlagartigen Druckänderung verbessert werden. Ein übermäßiges Druckinkrement kann dadurch in dem Kältemittelkreislauf verhindert werden und es kann verhindert werden, dass Kältemittelbestandteile des Kältemittelkreislaufs zu Bruch gehen.
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In dem Drosselsteuerventil 7 sind ferner der Hochdruckkältemitteldurchlass 25, die (Düsen-)Öffnung 22 und der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 in dem Gehäuse 17 dort gebildet, wo die Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 und die Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 12 gebildet sind. D. h., der Hochdruckkältemitteldurchlass 25, die Öffnung 22 und der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 können relativ zueinander angeordnet werden. Das Drosselsteuersystem 7 kann deshalb problemlos vereinfacht und integriert werden.
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Nunmehr wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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In der ersten Ausführungsform steht der Hochdruckkältemitteldurchlass 25 des Umgehungsdurchlasses 21 in Verbindung mit dem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 33 in einer Position stromaufwärts von der Hochdruckeinlassöffnung 11 des Ejektors 3. Außerdem steht der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 in Verbindung mit dem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 34 in einer Position stromabwärts von dem Verdampfer 6.
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In der zweiten Ausführungsform steht der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 in Verbindung mit dem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 36, durch den der Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 mit dem Kältemitteleinlass des Verdampfers 6 in Verbindung steht.
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In dem Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform strömt demnach das Kältemittel durch den Mitteldruckdurchlass 27 in den niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 36 durch den Niederdruckkältemitteleinlassöffnung 26 und wird zum Wärmetausch in dem Verdampfer 6 mit Luft gebracht, die in dem Klimatisierungskanal strömt. Das Kühlvermögen des Kältemittelkreislaufs kann dadurch stärker verbessert werden als bei der ersten Ausführungsform.
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Nunmehr wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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Wie in 4 gezeigt, steht in dem Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 in Verbindung mit einem niederdruckseitigen Kältemitteldurchlass 37, durch den der Ejektor 3 und der Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 miteinander in Verbindung stehen.
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Während der Kältemittelkreislauf betrieben wird, wird der Druck des Kältemittels, das aus dem Ejektor 3 ausgetragen wird, üblicherweise höher als der Druck des Kältemittels in den niederdruckseitigen Kältemitteldurchlässen 34, 36, wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen erläutert. In dem Kältemittelkreislauf in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform ist deshalb der Druck des Kältemittels, das in den Niederdruckkältemitteldurchlass 26 übergeführt wird, hoher. Das Kühlvermögen des Kältemittelkreislaufs kann dadurch zusätzlich verbessert werden.
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Nunmehr wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Wie in 5 und 6 gezeigt, enthält in der vierten Ausführungsform das Drosselsteuersystem 7 einen Umgehungsdurchlass 21, eine (Düsen-)Öffnung 22, ein Steuerventil 23 und ein Steuerventil 9. Der Umgehungsdurchlass 21 ist abgezweigt von einem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 50, durch den das Kältemittel aus dem Gaskühler 2 strömt, und an einem Abzweigpunkt stromaufwärts von der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 des Ejektors 3. Die Öffnung 22 ist in dem Umgehungsdurchlass 21 benachtbart zu einem Verbindungspunkt angeordnet und das Steuerventil 23 ist in dem Umgehungsdurchlass 21 benachbart zu dem Trennpunkt angeordnet. Das Steuerventil 9 ändert den Drosselöffnungsgrad der Düse 13 in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen dem Druck des Kältemittels im Umgehungsdurchlass 21 (d. h., dem Druck des Kältemittels im zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32) und dem Druck des Kältemittels in der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 (d. h., dem Druck des Kältemittels in dem ersten unter Druck gesetzten Abteil 31). Der Druck des Kältemittels in dem zweiten unter Druck gesetzten Abteil 32 entspricht dem Druck des Mitteldruckkältemittels zwischen der Öffnung 22 und dem Steuerventil 23.
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Der Umgehungsdurchlass 21 umfasst einen Hochdruckkältemitteldurchlass 25, einen Niederdruckkältemitteldurchlass 26 und einen Mitterdruckkältemitteldurchlass 27 zwischen den Durchlässen 25, 26. Sämtliche der Durchlässe 25 bis 27 sind in den Gehäusen 16, 17 des Ejektors 3 gebildet (siehe 6). Der Hochdruckkältemitteldurchlasses 25 ist von dem hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 50 am Abzweigpunkt abgezweigt. Der Niederdruckkältemitteldurchlass 26 ist mit dem Verbindungspunkt verbunden. Der Mitteldruckdurchlass 27 liegt zwischen dem Steuerventil 23 und der Öffnung 22. Außerdem ist das zweite unter Druck gesetzte Abteil 32 so vorgesehen, dass es mit dem Mitteldruckdurchlass 27 in Verbindung steht.
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In der vierten Ausführungsform ist der hochdruckseitige Kältemitteldurchlass 50 in einem ersten hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 41 und einem zweiten hochdruckseitigen Kältemitteldurchlass 42 getrennt (den Umgehungsdurchlass 21). Das Druckregulierventil 24 ist in dem Kältemitteldurchlass 41 vorgesehen. Das Druckregulierventil 24 ist ein feststehendes bzw. unveränderliches Druckregulierventil zum Erzeugen eines Mitteldrucks auf Grundlage der Druckdifferenz zwischen seinem stromaufwärtigen Kältemittel und seinem stromabwärtigen Kältemittel. Das Druckregulierventil 24 umfasst eine Ventilbohrung 43, einen Ventilkörper 44 und eine Rückstellfeder 45. Der Ventilkörper 44 dient zum Regeln des Öffnungsgrads der Ventilbohrung 43, die mit dem Kältemitteldurchlass 33 in Verbindung steht. Die Rückstellfeder 45 spannt den Ventilkörper 44 in einer Öffnungsrichtung der Ventilbohrung 43 vor.
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In der vierten Ausführungsform durchsetzt das gesamte Kaltemittel ausgehend vom Mitteldruckdurchlass 27 die Düse 13 des Ejektors 3, so dass der Ejektorwirkungsgrad verbessert werden kann. Außerdem steht das Kältemittel, das durch andere Kältemittelbestandteile als die Düse 13 dekomprimiert wird, nicht in Beziehung zur Tätigkeit des Ejektors 3. Je mehr von dem Kältemittel in die Düse 13 strömt, desto höher ist deshalb die Saugkraft des Kältemittels aus bzw. von der Auslassöffnung des Verdampfers 6.
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Nunmehr werden weitere Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht zur Anwendung auf einen superkritischen Kohlendioxidkreislauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Ejektorkreislauf unter Verwendung von Freon als Kältemittel angewendet werden. Der Kältemittelkreislauf gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem für andere Systeme als die Klimaanlage des Fahrzeugs verwendet werden, beispielsweise für das elektrische Wasserheizgerät.
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In diesem Fall wird der Gaskühler 2 (d. h., der Radiator, der Kondensator) zum Heizen von zuzuführendem Wasser verwendet und das Kältemittel wird in dem Verdampfer 6 durch Absorbieren von Wärme aus der Außenluft verdampft.
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In den ersten bis dritten Ausführungsformen ist das Steuerventil 23 stromabwärts von der Öffnung 22 im Umgehungsdurchlass 21 derart angeordnet, dass das Mitteldruckkältemittel zwischen der Öffnung 22 und dem Steuerventil 23 gebildet wird. Das Steuerventil 23 kann jedoch stromaufwärts von der Öffnung 22 im Umgehungsdurchlass 21 angeordnet sein, so dass das Mitteldruckkältemittel zwischen dem Steuerventil 23 und der Öffnung 22 gebildet ist.
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In der vierten Ausführungsform sind die Auslassöffnung des Gaskühlers 2 und die Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 des Ejektors 3 direkt durch den Kältemitteldurchlass verbunden. In dem Kältemitteldurchlass zwischen der Auslassoffnung des Gaskühlers 2 und der Hochdruckkältemitteleinlassöffnung 11 des Ejektors 3 kann jedoch ein innerer Wärmetauscher angeordnet sein. Ein derartiger innerer bzw. interner Wärmetauscher dient als Kältemittel/Kältemittel-Wärmetauscher, der einen Wärmetausch zwischen dem gasförmigen Kältemittel, das aus dem Gaskühler 2 ausgetragen wird, und dem gasförmigen Kältemittel durchführen kann, das aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator 4 ausgetragen wird. In diesem Fall kann das in Richtung auf die Einlassöffnung des Verdichters 1 strömende Kältemittel unter Verwendung von Hochtemperaturkältemittel erwärmt werden, das aus dem Gaskühler 2 strömt.
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In den vorstehend erläuterten Ausführungsformen umfasst außerdem das elektromagnetische Steuerventil 23, das als Stellorgan zum Antreiben des Pilotventils bzw. Steuerventils 9 dient, das Nadelventil 23a, die elektromagnetische Wicklung 23b und die Nadelvorspanneinrichtung, wie etwa die Feder. Ein motorisiertes Steuerventil, angetrieben durch einen Schrittmotor, ein Drucksteuerventil bzw. ein mechanisches Steuerventil kann jedoch beispielsweise als Stellorgan verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend erläuterten und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr kann sie in anderer Weise implementiert sein, ohne von der Erfindung abzuweichen, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.
