DE19932468B4

DE19932468B4 - Überkritischer Kühlzyklus und Klimaanlage mit überkritischem Kühlkreis

Info

Publication number: DE19932468B4
Application number: DE19932468.9A
Authority: DE
Inventors: Shin Nishida; Naruhide Kimura; Yukikatsu Ozaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: JP4045654B2; JP2000035250A; DE19932468A1; US6092379A

Abstract

Überkritischer Kühlzyklus, umfassend: einen Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels; einen Gaskühler (2) zum Kühlen des von dem Kompressor abgegebenen Kältemittels, wobei der Gaskühler einen inneren Druck besitzt, der den kritischen Druck des Kältemittels übersteigt; ein erstes und ein zweites Druckreduzierungselement (3, 4, 300, 400, 420), die parallel zu dem Auslaß des Gaskühlers (2) angeschlossen sind, zum Reduzieren des Kältemitteldrucks des Kältemittels, das von dem Gaskühler (2) aus ausströmt; einen ersten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem ersten Druckreduzierungselement (3, 300) aus ausströmt; und einen zweiten Verdampfer (7) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem zweiten Druckreduzierungselement (4, 400, 420) aus ausströmt, wobei der Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers (2) mittels des ersten Druckreduzierungselements (3, 300) derart geregelt wird, dass der Kältemitteldruck an dem Auslaß ein bestimmter Druck wird, der durch die Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers (2) bestimmt ist, und wobei das zweite Druckreduzierungselement (4, 400, 420) derart geregelt ist, daß der Grad der Überhitzung des Kältemittels an dem Auslaß des zweiten Verdampfers (7) zu einem vorbestimmten Wert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfkompressions-Kühlvorrichtung (einen überkritischen Kühlzyklus), bei dem der Druck innerhalb eines Kühlers (Hochdruck-Seite) den kritischen Druck eines Kühl- bzw. Kältemittels übersteigt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage.
Eine Art einer bekannten überkritischen Kühlvorrichtung ist in JP H10 115 470 A ( US 6 044 655 A ) offenbart.
Diese herkömmliche Vorrichtung weist ein erstes Druckregelungsventil, das den Druck des Kühl- bzw. Kältemittels, das von einem Kühler aus ausströmt, zum Regeln des Drucks an einem Kühlerauslaß entsprechend der Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Kühlerauslaß auf und weist einen Aufnahmebehälter zur Speicherung des Kühl- bzw. Kältemittels, das von dem ersten Druckregelungsventil aus ausströmt, durch Aufteilen des flüssigen Kühl- bzw. Kältemittels und des gasförmigen Kühl- bzw. Kältemittels auf. Sie weist auch ein zweites Druckregelungsventil, das den Druck des Kühl- bzw. Kältemittels, das von dem Aufnahmebehälter aus ausströmt, zum Regeln der Kühl- bzw. Kältemittelstrom-Geschwindigkeit derart auf, daß die Überhitzung des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Kompressoreinlaß konstant gehalten ist.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung wird jedoch der überkritische Kühlzyklus unter Verwendung von zwei Druckregelungsventilen für einen Verdampfer geregelt. Somit ist es, wenn die herkömmliche Vorrichtung in einfacher Weise bei einem überkritischen Kühlzyklus mit zwei Verdampfern Anwendung findet, notwendig, ein Druckregelungsventil zum Regeln des Kühl- bzw. Kältemitteldrucks an dem Kühlerauslaß vorzusehen und zwei Druckregelungsventil zum Regeln der Überhitzung des Kühl- bzw. Kältemittels an den jeweiligen Verdampferauslässen vorzusehen. Mit anderen Worten nimmt die Zahl der Ventile zu, wenn die Zahl der Verdampfer zunimmt.
EP 0 786 632 A2 ist eine frühere Anmeldung der Anmelderin und zeigt einen überkritischen Kühlkreis mit einem einzigen Verdampfer. Im Betrieb öffnet und schließt ein Drucksteuerventil den Kreis auf der Grundlage von Temperatur und Druck von Kältemittel an dem Auslass eines Kondensors.
DE 196 44 583 A1 zeigt einen Kühlkreis mit zwei Verdampfern, wobei ein Überhitzungsgrad des Kältemittels nicht durch Druckreduzierungsmittel gesteuert wird.
Die Erfindung ist in Hinblick auf das vorstehend angegebene Problem gemacht worden, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen überkritischen Kühlkreis zu schaffen, bei dem die Zahl der Ventile verkleinert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Gemäß dem überkritischen Kühlkreis der Erfindung besitzt dieser überkritische Kühlkreis ein erstes Druckreduzierungselement zum Reduzieren des Drucks der Kühl- bzw. Kühlmittelströme in einen ersten Verdampfer und ein zweites Druckreduzierungselement zum Reduzieren des Druck der Kühl- bzw. Kältemittelströme in einen zweiten Verdampfer. Das erste Druckreduzierungsventil regelt des weiteren den Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Auslaß eines Gaskühlers derart, daß der Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Auslaß ein bestimmter Druck wird, der durch die Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers bestimmt ist.
Entsprechend wird der überkritische Kühlkreis ohne Vergrößerung der Zahl der Druckreduzierungselemente geregelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie Verfahren der Arbeitsweise und die Funktion der betroffenen Teilen ergeben sich aus einem Studium der nachfolgenden Detailbeschreibung, der beigefügten Ansprüche und der Zeichnungen, die alle ein Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kühl- bzw. Kältemitteldruck und der Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Kühlerauslaß gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des ersten Druck regelungsventils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfin dung;
4 das Mollier-Diagramm für CO₂ gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Leistungskoeffizienten und dem Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Kühlerauslaß gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Schnittansicht mit der Darstellung des ersten Druckregelungsventils gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 einen vergrößerten Membranbereich des Ventils mit der Darstellung des Ventilöffnungzustandes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 einen vergrößerten Membranbereich des Ventils mit der Darstellung des Ventilschließzustandes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10A eine Seitenansicht gesehen aus der Richtung des Pfeils XA in 7 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10B eine Ansicht von unten gesehen aus der Richtung des Pfeils XB in 10A gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
12 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
13 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß einer Modifikation der Erfindung; und
14 eine schematische Ansicht mit der Darstellung des CO₂-Zyklus gemäß einer Modifikation der Erfindung.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Die erste Ausführungsform der Erfindung ist ein überkritischer Kühlkreis, der bei einer Klimaanlage für ein Fahrzeug Anwendung findet.
Gemäß 1 ist ein Kompressor 1 angetrieben, um CO₂-Kühl- bzw. Kältemittel einzusaugen und zu komprimieren. Ein Gaskühler 2, der als Radiator fungiert, kühlt das komprimierte und von dem Kompressor 1 abgegebene CO₂. Der innere Druck des Gaskühlers 2 übersteigt den kritischen Druck von CO₂. In dieser Beschreibung wird ein überkritischer Kühlzyklus, der von CO₂ als Kühl- bzw. Kältemittel Gebrauch macht, als CO₂-Zyklus bezeichnet.
Ein erstes Druckreduzierungsventil 3 und ein zweites Druckreduzierungsventil 4 reduzieren den Druck des Kühl- bzw. Kältemittels (des Hochdruck-Kühl- bzw. Kältemittels), das von dem Gaskühler 2 aus strömt.
Ein erster Verdampfer 6 verdampft das Niederdruck-Kühl- bzw. Kältemittel, das von dem ersten Druckreduzierungsventil 3 aus strömt. Ein zweiter Verdampfer 7 verdampft das Niederdruck-Kühl- bzw. Kältemittel, das von dem zweiten Druckreduzierungsventil 4 aus strömt. Der erste Verdampfer 6 kühlt die in Richtung zu einem vorderen Fahrgastraum zu blasende Luft, und der zweite Verdampfer 7 kühlt die in Richtung zu einem hinteren Fahrgastraum zu blasende Luft.
Das erste Druckreduzierungsventil 3 ist durch eine elektronische Regelungseinheit (ECU) 12 elektrisch geregelt. Ein Temperatursensor 13 stellt die Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers 2 fest. Ein Drucksensor 14 stellt den Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers 2 fest. Diese festgestellte Temperatur und dieser festgestellte Druck werden an der ECU 12 eingegeben.
Die ECU 12 regelt den Öffnungsgrad des ersten Druckreduzierungsventils 3 derart, daß der festgestellte Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers 2 zu einem bestimmten Druck wird, der auf der Grundlage der festgestellten Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers 2, wie in 2 dargestellt ist, bestimmt wird. Insbesondere wird der Kühl- bzw. Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers 2 durch Verkleinern des Öffnungsgrades des ersten Druckreduzierungsventils 3 erhöht, wenn die festgestellte Temperatur ansteigt, und durch Vergrößern des Öffnungsgrades des ersten Druckreduzierungsventils 3 reduziert, wenn die festgestellte Temperatur abnimmt.
Wie in 3 dargestellt ist, besitzt das Gehäuse 31 des ersten Druckreduzierungsventils 3 einen Einlaßanschluß 32, der mit dem Auslaß des Gaskühlers 2 verbunden ist, und einen Auslaßanschluß 33, der mit dem Einlaß des ersten Verdampfers 6 verbunden ist. Eine Ventilöffnung 34 zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Raum 32a des Einlaßanschlusses 32 mit dem Raum 33a des Auslaßanschlusses 33 ist in dem Gehäuse 31 ausgebildet. Das Gehäuse 31 besitzt auch einen Ventilkörper 35 zur Veränderung des Öffnungsgrades der Ventilöffnung 34.
Ein Schrittmotor 36 regelt den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 34, d. h. des Öffnungsgrades des ersten Druckreduzierungsventils 3, durch Verschieben des Ventilkörpers 35. Ein Innengewinde 36b ist an einem Magnetrotor 36a des Schrittmotors 36 ausgebildet. Ein Außengewinde 35a, das mit dem Innengewinde 36b im Eingriff steht, ist an dem Ventilkörper 35 ausgebildet.
Die ECU 12 regelt den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 34 von dem vollständig geschlossenen Zustand zu dem vollständig geöffneten Zustand linear durch die Umlaufbewegung des Schrittmotors 36 und durch das Verschieben des Ventilkörpers 35 in der in der axialen Richtung des Ventilkörpers 35.
Eine Druckglocke bzw. Druckbirne 15 verändert ihren inneren Druck entsprechend der Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des zweiten Verdampfers 7. Das zweite Druckreduzierungsventil 4 ist ein sogenanntes thermisches Expansionsventil zur Regelung seines Öffnungsgrades durch die Druckbirne 15 derart, daß das Überhitzen des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des zweiten Verdampfers 7 zu einem bestimmten Wert wird.
Ein Sammelbehälter (Gas/Flüssigkeits-Abscheider) 8 teilt das zweiphasige gasförmige/flüssige CO₂ in eine gasförmige CO₂-Phase und in eine flüssige CO₂-Phase auf und sammelt vorübergehend die flüssige CO₂-Phase. Die abgeschiedene gasförmige CO₂-Phase wird von dem Sammelbehälter 8 zu der Ansaugseite des Kompressors 1 hin abgegeben.
Das in flüssiger Phase vorliegende Kühl- bzw. Kältemittel wird an dem Einsaugen in den Kompressor durch den Sammelbehälter 8 und das zweite Druckreduzierungsventil 4 für das Kühl- bzw. Kältemittel gehindert, das von dem ersten Verdampfer 6 bzw. den zweiten Verdampfer 7 aus strömt.
Ein elektromagnetisches Ventil 5 wird durch die ECU 12 geregelt, um zwischen der Zulässigkeit eines Stroms in das zweite Druckreduzierungsventil 4 oder in den zweiten Verdampfer 7 und der Unterbindung dieses Stroms des Kühl- bzw. Kältemittel umzuschalten, das von dem Gaskühler 2 aus ausströmt.
Gebläse 9, 10 und 11 werden durch die ECU 12 zum Blasen von Luft zu dem Gaskühler 2 und den Verdampfern 6 bzw. 7 hin geregelt.
Nachfolgend wird der Ablauf der Arbeit des überkritischen Kühlzyklus gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Arbeit des CO₂-Zyklus ist theoretisch dieselbe wie diejenige eines herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlzyklus, der von Flon Gebrauch macht.
Wie insbesondere mittels der Pfeile A-B-C-D-A in 4 dargestellt ist, wird das in flüssiger Phase vorliegende CO₂ komprimiert (A-B), und wird das komprimierte CO₂ in überkritischem Zustand gekühlt (B-C). CO₂ mit hoher Temperatur und hohem Druck wird dekomprimiert (C-D), und das zweiphasige gasförmige/flüssige CO₂ wird in dem Verdampfer verdampft (D-A), um die zu dem Fahrgastraum hin zu blasende Luft zu kühlen.
Es ist zu beachten, daß das CO₂ seinen Phasenübergang in den gasförmigen/flüssigen zweiphasigen Zustand beginnt, wenn sein Druck niedriger als der flüssige Sättigungsdruck ist, d. h. der Druck an dem Schnittpunkt zwischen der Linie C-D und der Flüssigkeits-Sättigungskurve SL. Insbesondere wenn das CO₂ seine Phase von dem Zustand C zu dem Zustand D langsam verändert, verändert das CO₂ seine Phase von dem überkritischen Zustand zu dem zweiphasigen gasförmigen/flüssigen Zustand über die flüssige Phase.
In dieser Beschreibung bedeutet der überkritische Zustand einen Zustand, bei dem sich die Kühl- bzw. Kältemittelmoleküle verhalten, als würden sie in sich in der gasförmigen Phase befinden, obwohl ihre Dichte im wesentlichen die dieselbe wie die flüssige Dichte ist.
Die kritische Temperatur von CO₂, die bei etwa 31°C liegt, ist niedriger als diejenige von herkömmlichem Flon (beispielsweise liegt die kritische Temperatur von R 12 bei 112°C). Entsprechend kann die Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Gaskühler 2 die kritische Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur im Sommer übersteigen. Mit anderen Worten wird das CO₂ an dem Auslaß des Gaskühlers 2 nicht kondensiert, d. h. die Linie B-C schneidet die Flüssigkeits-Sättigungskurve nicht.
Der Zustand an dem Auslaß des Gaskühlers 2 (an dem Punkt C) wird durch den Abgabedruck des Kompressors 1 und die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 bestimmt. Die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 wird durch die Temperatur der Atmosphäre und die Strahlungsleistung des Gaskühlers 2 bestimmt. Da die Temperatur der Atmosphäre nicht regelbar ist, ist die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 im wesentlichen nicht regelbar.
Somit ist der Zustand an dem Auslaß des Gaskühlers 2 (an dem Punkt C) regelbar, indem der Abgabedruck des Kompressors 1 geregelt wird, das ist der Auslaßdruck des Gaskühlers 2. Mit anderen Worten ist es, um eine ausreichende Kühlleistung (eine ausreichende Enthalpie-Differenz) unter den Bedingungen einer hohen Temperatur, wie beispielsweise im Sommer, aufrechtzuerhalten, notwendig, den Druck an dem Auslaß des Gaskühlers 2 gemäß Darstellung mittels der Pfeile E-F-G-H-E in 4 zu erhöhen.
Um den Druck an dem Auslaß des Gaskühlers 2 zu erhöhen, muß jedoch der Abgabedruck des Kompressors 1 erhöht werden. Daher wird die Arbeit der Kompression, das ist die Größe der Enthalpie-Änderung ΔL, bei dem Kompressionsvorgang A-B, vergrößert. Entsprechend wird der Koeffizient der Leistung des CO₂-Zyklus (COP = Δi/ΔL) beeinträchtigt, wobei die vergrößerte Größe von ΔL größer als diejenigen von Δi ist, wobei Δi die Größe der Enthalpie-Änderung bei dem Verdampfungsvorgang D-A darstellt.
Entsprechend der Beziehung zwischen dem Druck des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 und dem Leistungskoeffizienten COP, der unter der Bedingung berechnet wird, daß die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 40°C mißt, wird unter Verwendung von 4 der Leistungskoeffizient COP bei dem Druck P1 (etwa 10 MPa) maximiert, wie mittels der ausgezogenen Kurve in 5 dargestellt ist. In gleicher Weise wird der Leistungskoeffizient COP bei dem Druck P2 (etwa 9,0 MPa) maximiert, wie mittels der gestrichelten Kurve in 5 dargestellt ist, wenn die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 35°C mißt.
Entsprechend dieser Berechnung zur Bestimmung des Drucks, der den Leistungskoeffizienten COP unter Bezugnahme auf die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 maximiert, wird die günstigste Regelungslinie η_max, die mittels der ausgezogenen, fetten Linie in 4 dargestellt ist, erreicht. Des weiteren ist die Beziehung zwischen der Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels und dem Druck des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 im wesentlichen die gleiche wie die in 2 dargestellte.
Somit ist es notwendig, die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels und den Druck des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 entsprechend der günstigsten Regelungslinie η_max zu regeln, um den CO₂-Zyklus wirksam zu betreiben.
Bei der ersten Ausführungsform wird der CO₂-Zyklus wirksam geregelt, weil die Temperatur des Kühl- bzw. Kältemittels und der Druck des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2 entsprechend der günstigsten Regelungslinie η_max, die in 2 dargestellt ist, mittels des ersten Druckreduzierungsventils 3 geregelt werden.
Das elektromagnetische Ventil 5 wird geschlossen, wenn das Kühlen der zu dem hinteren Fahrgastraum hin zu blasenden Luft angehalten wird.
Entsprechend dem herkömmlichen Kühl- bzw. Kältemittelzyklus, der von Flon Gebrauch macht und mehrere Verdampfer aufweist, wird die gleiche Zahl von Druckreduzierungsventilen für die betroffenen Verdampfer benötigt, um die jeweiligen Verdampfer unabhängig zu regeln. Andererseits benötigt der herkömmliche Kühl- bzw. Kältemittelzyklus, der von zwei Druckreduzierungsventilen Gebrauch macht, zwei Druckreduzierungsventile, um einen Verdampfer zu regeln.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung regelt jedoch das erste Druckreduzierungsventil 3 den Druck des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des Gaskühlers 2, und reduziert es den Druck der Kühl- bzw. Kältemittelströme in den ersten Verdampfer 6, und reduziert das zweite Druckreduzierungsventil 4 den Druck der Kühl- bzw. Kältemittelströme in den zweiten Verdampfer 7. Somit wird der CO₂-Zyklus durch eine gleiche Zahl von Druckreduzierungsventilen 3 und 4 für die jeweiligen Verdampfer 6 und 7 geregelt.
Entsprechend wird der CO₂-Zyklus, der die Verdampfer 6 und 7 aufweist, wirksam gekühlt, ohne die Zahl der Druckreduzierungsventile zu vergrößern.
(Zweite Ausführungsform)
Bei dieser Ausführungsform und bei den nachfolgenden Ausführungsformen sind Teile, die im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 6 dargestellt ist, ist das erste Druckreduzierungsventil 3 bei der ersten Ausführungsform durch ein erstes mechanisches Druckreduzierungsventil 300 bei der zweiten Ausführungsform ersetzt, um den CO₂-Zyklus zu vereinfachen. Das erste Druckreduzierungsventil 300 wird jetzt unter Bezugnahme auf 7 bis 9 beschrieben.
Wie in 7 dargestellt ist, bildet ein Gehäuse 301 zur Aufnahme eines Elementgehäuses 315 einen Teil eines Kühl- bzw. Kältemitteldurchtritts von dem Gaskühler 2 aus zu dem ersten Verdampfer 6 hin. Eine obere Abdeckung 301a besitzt einen Einlaßanschluß 301b, der mit dem Gaskühler 2 verbunden ist. Ein Hauptbereich 301c des Gehäuses 301 besitzt einen Auslaßanschluß 301d, der mit dem ersten Verdampfer 6 verbunden ist.
Das Gehäuse 301 besitzt eine Trennwand 302, um den Kühl- bzw. Kältemitteldurchtritt in einen stromaufwärtigen Raum 301e und einen stromabwärtigen Raum 301f aufzuteilen. Eine Ventilöffnung 303 zur Herstellung einer Verbindung des stromaufwärtigen Raums 301e mit dem stromabwärtigen Raum 301f ist in der Trennwand 302 ausgebildet.
Die Ventilöffnung 303 wird mittels eines nadelförmigen Ventilkörpers 304 geöffnet bzw. geschlossen. Der Ventilkörper 304 und eine Membran der 306 besitzen eine Struktur, um die Ventilöffnung 303, wenn die Membran 306 in Richtung zu dem Ventilkörper 304 hin aus ihrer neutralen Stellung verschoben wird, entsprechend der Verschiebung der Membran 306 zu schließen und um den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 303 zu maximieren, wenn die Membran 306 in Richtung der dem Ventilkörper 304 entgegengesetzten Richtung hin verschoben wird.
In dieser Beschreibung bedeutet die neutrale Position der Membran 306 einen Zustand, bei dem die Verschiebungsbeanspruchung ohne Verschiebung der Membran 306 im wesentlichen Null ist.
Ein abgedichteter Raum (eine abgedichtete Gaskammer) 305 ist in dem stromaufwärtigen Raum 301e ausgebildet. Der abgedichtete Raum 305 weist die Membran 306 und ein oberes Abstützelement 307 auf, das an der oberen Seite der Membran 306 angeordnet ist. Die Membran 306 ist aus einer dünnen rostfreien Folie hergestellt, die sich entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck des abgedichteten Raums 305 deformiert.
An der unteren Seite der Membran 306 ist ein unteres Abstützelement 308 zum Abstützen der Membran 306 zusammen mit dem oberen Abstützelement 307 vorgesehen. Ein Deformationsbereich 306a ist an der Membran 306 ausgebildet, um die Deformation der Membran 306 leichter zu machen.
Wie in 8 und 9 dargestellt ist, ist ein konkaver Bereich 308a, der dem Deformationsbereich 306a gegenüberliegend angeordnet ist, um mit dem Deformationsbereich 306a zusammenzupassen, an dem unteren Abstützelement 308 ausgebildet.
Der Deformationsbereich 306a ist ein wellenförmiger Bereich, der an einem Teil der Membran 306 an deren radial äußerem Bereich ausgebildet ist, um die Membran 306 im wesentlichen proportional zu der Druckdifferenz zwischen dem inneren Druck und dem äußeren Druck des abgedichteten Raums 305 zu deformieren.
Das untere Abstützelement 308 weist einen unteren seitlichen, flachen Bereich 308b derart auf, daß er in der im wesentlichen gleichen Ebene einer Fläche 304a des Ventilkörpers 304 angeordnet ist, die die Membran 306 in dem Zustand bildet, daß die Ventilöffnung 303 durch den Ventilkörper 304 geschlossen ist.
Wie in 7 dargestellt ist, ist eine erste Schraubenfeder 309 zum Aufbringen einer Federkraft zum Schließen der Ventilöffnung 303 mit dem Ventilkörper 304 über die Membran 306 in dem abgedichteten Raum 305, nämlich an der oberen Seite der Membran 306, eingebaut. In gleicher Weise ist eine zweite Schraubenfeder 310 zum Aufbringen einer Federkraft zum Öffnen der Ventilöffnung 303 mit dem Ventilkörper 304 an der unteren Seite der Membran 306 eingebaut.
Eine Metallplatte 311 als Federsitz für die erste Schraubenfeder 309 ist ein steifer Körper, der eine gewisse Dicke besitzt, um eine größere Steifigkeit als die Membran 306 zu erreichen. Wie in 8 und 9 dargestellt ist, schränkt die Platte 311 die Deformation der Membran 306 in die obere Richtung (in die Richtung zu dem abgedichteten Raum 305) ein, indem ein abgestufter Bereich (Anschlag) 307a berührt wird, der an dem oberen Abstützelement 307 ausgebildet ist.
Das obere Abstützelement 307 weist einen oberen, seitlichen, flachen Bereich 307b derart auf, daß dieser in im wesentlichen derselben Ebene einer Fläche 311a der Platte 311 angeordnet ist, die die Membran 306 berührt, wenn die Platte 311 eine Berührung mit dem abgestuften Bereich 307a herstellt.
Die Innenwand eines zylindrischen Bereichs 307c des oberen Abstützelements 307 fungiert auch als Führungselement zum Führen der ersten Schraubenfeder 309.
Da die Platte 311 und der Ventilkörper 304 zu der Membran 306 mittels der Schraubenfeder 309 bzw. 310 gedrückt werden, deformieren sich die Platte 311, der Ventilkörper 304 und die Membran 306 zusammen (bzw. bewegen diese sich zusammen), wobei der Berührungszustand aufrecht erhalten wird.
Gemäß 7 stellt eine Einstellschraube 312 die Federkraft der zweiten Schraubenfeder 310 ein, die auf den Ventilkörper 304 einwirkt, und fungiert diese Schraube auch als eine Platte für die zweite Schraubenfeder 310. Die Einstellschraube 312 steht mit einem Innengewinde 302a im Eingriff, das an der Trennwand 302 ausgebildet ist.
Die Ausgangsleistung der Schraubenfedern 309 und 310, die eine elastische Kraft ist, beträgt unter der Bedingung, daß die Ventilöffnung 303 geschlossen ist, etwa 1 MPa durch Druckumwandlung an der Membran 306.
Ein Füllrohr 313 zum Einführen von CO₂ in den abgedichteten Raum 305 dringt in den abgedichteten Raum 305 ein. Das Füllrohr 313 ist aus Kupfer oder dergleichen hergestellt, das eine größere Wärmeleitfähigkeit als das obere Abstützelement 307 aufweist, das aus rostfreien Stahl hergestellt ist. Das untere Abstützelement 308 ist ebenfalls aus rostfreien Stahl hergestellt.
Ein Ende des Füllrohrs 313 ist durch Verschweißen oder dergleichen nach dem Einfüllen von CO₂ in dem abgedichteten Raum 305 mit einer Dichte von etwa 600 kg/m³ abgedichtet.
Eine Kegelfeder 314 fixiert ein Elementgehäuse 315 in dem Hauptbereich 301c des Gehäuses 301. Das Elementgehäuse 315 weist die Trennwand 302 zu dem Füllrohr 313 hin auf. Ein O-Ring 316 dichtet einen Spalt zwischen der Trennwand 302 des Elementgehäuses 315 und dem Hauptbereich 301c des Gehäuses 301 ab.
Aus 10A und 10B ist ersichtlich, daß die Ventilöffnung 303 eine Verbindung mit dem stromaufwärtigen Raum 301e an einer Seite der Trennwand 302 herstellt.
Nachfolgend werden die Arbeitsvorgänge des ersten mechanischen Druckreduzierungsventils 300 (Druckregelungsventils) bei der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Der innere Druck und die Temperatur des abgedichteten Raums 305 verändern sich entsprechend der isochoren Linie mit 600 kg/m³, die in 4 dargestellt ist, weil der abgedichtete Raum 305 mit CO₂ bei 600 kg/m³ aufgefüllt ist. Entsprechend beträgt beispielsweise der innere Druck des abgedichteten Raums 305 etwa 5,8 MPa, wenn die innere Temperatur desselben 20°C mißt.
Da der innere Druck des abgedichteten Raums 305 und die Ausgangslast der Schraubenfeder 309, 310 gleichzeitig auf den Ventilkörper 304 einwirken, liegt der Einwirkungsdruck bei etwa 6,8 MPa.
Somit ist die Ventilöffnung 303 mittels des Ventilkörpers 304 geschlossen, wenn der Druck an dem stromaufwärtigen Raum 301e, das ist die Gaskühlerseite, gleich 6,8 MPa oder niedriger ist. Die Ventilöffnung 303 ist geöffnet, wenn der Druck an dem stromaufwärtigen Raum 301e höher als 6,8 MPa ist.
In gleicher Weise mißt beispielsweise der innere Druck des abgedichteten Raums 305 etwa 9,7 MPa, wenn die innere Temperatur desselben 40°C mißt (siehe 4), und der Einwirkungsdruck, der auf den Ventilkörper 304 einwirkt, mißt etwa 10,7 MPa. Entsprechend ist die Ventilöffnung 303 durch den Ventilkörper 304 geschlossen, wenn der Druck an dem stromaufwärtigen Raum 301e 10,7 MPa beträgt oder niedriger ist. Die Ventilöffnung 303 ist geöffnet, wenn der Druck an dem stromaufwärtigen Raum 301e höher als 10,7 MPa ist.
Wie obenbeschrieben werden der Kühl- bzw. Kältemitteldruck und die Kühl- bzw. Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers 2 entsprechend der isochoren Linie mit 600 kg/m³ geregelt, das ist die günstigste Regelungslinie η_max, die in 4 dargestellt ist.
(Dritte Ausführungsform)
Entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung strömt das Kühl- bzw. Kältemittel, das von den zweiten Verdampfer 7 aus ausströmt, auch in den Sammelbehälter 8 ein, wie in 11 dargestellt ist.
Entsprechend wird sicher verhindert, daß das in flüssiger Phase befindliche Kühl- bzw. Kältemittel in den Kompressor 1 eingesaugt wird. Daher ist eine Beschädigung des Kompressors 1 verhindert, und ist die Zuverlässigkeit des CO₂-Zyklus verbessert.
(Vierte Ausführungsform)
Entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist das mechanische zweite Druckreduzierungsventil 4 bei der ersten Ausführungsform durch ein elektrisches zweites Druckreduzierungsventil 400 ersetzt, das eine ähnliche Struktur wie das erste Druckreduzierungsventil 3 aufweist, und ist das elektromagnetische Ventil 5 weggelassen.
Eine elektronische Regeleinheit 413 bestimmt den Grad der Überhitzung des Kühl- bzw. Kältemittels an dem Auslaß des zweiten Verdampfers 7 aus der Kühl- bzw. Kältemitteltemperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an dem Einlaß und dem Auslaß des zweiten Verdampfers 7, die mit Hilfe von Temperatursensoren 411 bzw. 412 festgestellt wird, und regelt den Öffnungsgrad des zweiten Druckreduzierungsventils 400 auf der Grundlage des bestimmten Überhitzungsgrades.
Wenn das Kühlen mittels des zweiten Verdampfers 7, das ist das Kühlen für den hinteren Fahrgastraum, angehalten wird, wird die Zuführung von Kühl- bzw. Kältemittel zu dem zweiten Verdampfer 7 durch vollständiges Schließen des zweiten Druckreduzierungsventils 400 angehalten.
Entsprechend ist das elektromagnetische Ventil 5 weggelassen, und ist der CO₂-Zyklus vereinfacht. Somit können die Herstellungskosten für die Klimaanlage entsprechend verringert sein.
Bei dieser Ausführungsform wird nur ein zweiter Verdampfer 7 zum Kühlen des hinteren Fahrgastraums verwendet. Jedoch können mehrere zweite Verdampfer 7 verwendet werden, wie in 13 dargestellt ist. Bei der in 13 dargestellten Modifikation besitzt diese zweite Druckreduzierungsventile 4 und elektromagnetische Ventile 5 für jeden zweiten Verdampfer 7.
Obwohl ein thermisches Expansionsventil als zweites Druckreduzierungsventil 4 bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, kann statt dessen einen zweites Druckreduzierungsventil 420 mit einem festgelegten Öffnungsgrad, beispielsweise ein Kapillarrohr oder eine festgelegte Öffnung, verwendet werden, wie in 14 dargestellt ist. In diesem Fall sollte sich der Öffnungsgrad des zweiten Druckreduzierungsventils 420 dazu eignen, daß das in flüssiger Phase befindliche Kühl- bzw. Kältemittel nicht von dem zweiten Verdampfer 7 aus ausströmt.
Des weiteren können andere Kühl- bzw. Kältemittel, die unter den überkritischen Zuständen verwendet werden, beispielsweise Ethylen, Ethan oder Stickoxid, anstelle von CO₂ bei allen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kühlt der erste Verdampfer 6 die zu dem vorderen Fahrgastraum hin zu blasende Luft, und kühlt der zweite Verdampfer 7 die zu dem hinteren Fahrgastraum hin zu blasende Luft. Jedoch ist es möglich, die Struktur derart zu verändern, daß der erste Verdampfer 6 die zu dem hinteren Fahrgastraum hin zu blasende Luft kühlt und der zweite Verdampfer 7 die zu dem vorderen Fahrgastraum hin zu blasende Luft kühlt.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, ist zu beachten, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen für den Fachmann ersichtlich sein werden. Solche Änderungen und Modifikationen sind als innerhalb des Umfangs der Erfindung gemäß deren Definition in den beigefügten Ansprüchen liegend zu verstehen.

Claims

Überkritischer Kühlzyklus, umfassend: einen Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels; einen Gaskühler (2) zum Kühlen des von dem Kompressor abgegebenen Kältemittels, wobei der Gaskühler einen inneren Druck besitzt, der den kritischen Druck des Kältemittels übersteigt; ein erstes und ein zweites Druckreduzierungselement (3, 4, 300, 400, 420), die parallel zu dem Auslaß des Gaskühlers (2) angeschlossen sind, zum Reduzieren des Kältemitteldrucks des Kältemittels, das von dem Gaskühler (2) aus ausströmt; einen ersten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem ersten Druckreduzierungselement (3, 300) aus ausströmt; und einen zweiten Verdampfer (7) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem zweiten Druckreduzierungselement (4, 400, 420) aus ausströmt, wobei der Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers (2) mittels des ersten Druckreduzierungselements (3, 300) derart geregelt wird, dass der Kältemitteldruck an dem Auslaß ein bestimmter Druck wird, der durch die Kältemitteltemperatur an dem Auslaß des Gaskühlers (2) bestimmt ist, und wobei das zweite Druckreduzierungselement (4, 400, 420) derart geregelt ist, daß der Grad der Überhitzung des Kältemittels an dem Auslaß des zweiten Verdampfers (7) zu einem vorbestimmten Wert wird.
Überkritischer Kühlzyklus nach Anspruch 1, wobei der Zyklus einen Sammelbehälter (8) aufweist, der an der stromabwärtigen Seite des ersten Verdampfers (6) zum Aufteilen des in gasförmiger Phase vorliegenden Kältemittels und des in flüssiger Phase vorliegenden Kältemittels zum Einführen des in gasförmiger Phase vorliegenden Kältemittels zu dem Kompressor (1) vorgesehen ist.
Klimaanlage für ein Fahrzeug mit überkritischem Kühlkreis, umfassend: einen Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels; einen Gaskühler (2) zum Kühlen des von dem Kompressor (1) abgegebenen Kältemittels, wobei der Gaskühler (2) einen inneren Druck aufweist, der den kritischen Druck des Kältemittels übersteigt; ein erstes und ein zweites Druckreduzierungselement (3, 4, 300, 400, 420), die parallel mit dem Auslaß des Gaskühlers (2) zum Reduzieren des Kältemitteldrucks des Kältemittels verbunden sind, das von dem Gaskühler (2) aus ausströmt; einen ersten Verdampfer (6) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem ersten Druckreduzierungselement (3, 300) aus ausgeströmt ist; einen zweiten Verdampfer (7) zum Verdampfen des Kältemittels, das von dem zweiten Druckreduzierungselement (4, 400, 420) aus ausgeströmt ist; und einem Ventil (5) zum Verhindern des Einströmens des Kältemittels, das von dem Gaskühler aus ausgeströmt ist, in das zweite Druckreduzierungselement (4, 400, 420), wobei: der Kältemitteldruck an dem Auslaß des Gaskühlers (2) durch das erste Druckreduzierungselement (3, 300) derart geregelt ist, daß der Kältemitteldruck an diesem Auslaß zu einem bestimmten Druck wird, der durch die Kältemitteltemperatur an diesem Auslaß des Gaskühlers (2) bestimmt ist; der erste Verdampfer (6) die zu einem Fahrgastraum von vorderem Fahrgastraum und hinterem Fahrgastraum des Fahrzeugs hin zu blasende Luft kühlt; und der zweite Verdampfer (7) die zu dem anderen Fahrgastraum von vorderem Fahrgastraum und hinterem Fahrgastraum des Fahrzeugs hin zu blasende Luft kühlt, wobei das zweite Druckreduzierungselement (4, 400, 420) derart geregelt ist, daß der Grad der Überhitzung des Kältemittels an dem Auslaß des zweiten Verdampfers (7) zu einem vorbestimmten Wert wird.
Klimaanlage nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung einen Sammelbehälter (8) aufweist, der an der stromabwärtigen Seite des ersten Verdampfers (6) zum Aufteilen des in gasförmiger Phase vorliegenden Kältemittels und des in flüssiger Phase vorliegenden Kältemittels zum Einführen des in gasförmiger Phase vorliegenden Kältemittels zu dem Kompressor (1) vorgesehen ist.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, wobei der Sammelbehälter (8) stromabwärts des ersten Verdampfers (6) angeschlossen ist, und der Einlass des Kompressors (1) direkt stromabwärts des zweiten Verdampfers (7) angeschlossen ist.