DE4439365A1 - Luftkonditionier- und Kühlsystem und Verfahren zur Verwendung eines kryogenen Mittels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Luftkonditionier- und Kühlsys­ teme und insbesondere auf die Verwendung einer kryogenen Mischung bzw. eines Mittels zur Steuerung bzw. Regelung der Temperatur eines konditio­ nierten Raums in Anwendungen eines stationären und transportablen Typs von Luftkonditionier- und Kühlsystemen.

Stationäre und transportable Anwendungen von Luftkonditionier- und Trans­ portkühlsystemen regeln die Temperatur eines konditionierten Raums auf einen vorgegebenen Temperaturbereich in der Nähe einer vorgegebenen Ein­ stellpunkt- bzw. Sollwerttemperatur, wobei solche Transportanwendungen diejenigen umfassen, die in Verbindung mit Lastkraftwagen, Zugma­ schinen-Anhänger-Kombinationen, gekühlten Containern und dergleichen verwendet werden. Solche Luftkonditionier- und Kühlsysteme verwenden herkömmlich Chlorfluorkohlenstoff (CFC) als Kühlmittel in einem mecha­ nischen Kühlzyklus. Der mechanische Kühlzyklus erfordert einen Kühlkom­ pressor, der durch eine primäre Bewegungseinrichtung angetrieben wird, die oftmals eine Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einen Dieselmo­ tor, umfaßt. Aufgrund des vermuteten Abbau-Effekts von CFC's an dem stra­ tosphärischen Ozon (O₃) werden praktische Alternativen für die Verwen­ dung von CFC's in Luftkonditionier- und Kühlsystemen gesucht.

Die Verwendung eines kryogenen Mittels, d. h. eines Gases, das auf einen sehr kalten, flüssigen Zustand komprimiert worden ist, wie zum Beispiel Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂), in Luftkonditionier- und Kühlsystemen ist besonders interessant, da zusätzlich zu der Vermeidung des Erfordernisses von CFC es auch das Erfordernis eines Kompressors und der zugeordneten primären Antriebseinrichtung vermeidet.

Kühlsysteme, die uns bekannt sind, die ein kryogenes Mittel verwenden, setzen einen Kühlzyklus zur Zirkulation des kryogenen Mittels durch einen Fluidströmungsdurchgangsweg oder Strömungsdurchgangswege, eines Wärme­ tauschers ein, der in wärmeaustauschender Beziehung zu Luft aus dem Raum, der konditioniert werden soll, steht. Wenn ein Heizzyklus erforderlich ist, um eine Sollwerttemperatur zu halten, oder um einen Enteisungszyklus vorzunehmen, wird das kryogene Mittel durch einen Brenner erwärmt, der mit einem brennbaren Kraftstoff in Verbindung steht, und das erwärmte kryogene Mittel wird durch den Strömungsdurchgangsweg oder die -wege des Wärmetauschers für den konditionierten Raum zirkuliert. Demzufolge wird das kryogene Mittel sowohl während der Kühl- als auch der Heizzyklen expandiert.

Es wäre erwünscht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes, auf einem kryogenen Mittel basierendes Luftkon­ ditionier- und Kühlsystem zu schaffen, das sowohl für Transport- als auch stationäre Anwendungen geeignet ist, was effektiver und effizienter das kryogene Mittel verwendet, für einen Betrieb unter niedrigeren Kosten und für eine verlängerte Betriebszeit in einer Transportanwendung für einen vorgegebenen, fest installierten Versorgungsbehälter mit kryogenem Mittel geeignet ist.

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Verringerung der Menge eines kryo­ genen Mittels, das während eines Heizzyklus eines Kühlsystems verbraucht wird, das eine Versorgung eines unter Druck gesetzten, kryogenen Mittels verwendet, einschließlich eines kryogenen Mittels in einem flüssigen Zustand. Das kryogene Mittel wird durch einen aktiven Strömungsdurch­ gangsweg für das aktive kryogene Mittel zirkuliert, der eine Wärmetau­ schereinrichtung umfaßt, die so angeordnet ist, um die Temperatur eines konditionierten Raums auf ein vorgegebenes Temperaturband benachbart einer vorgegebenen Sollwerttemperatur über Kühl- und Heizzyklen zu re­ geln. Der Heizzyklus umfaßt die Schritte einer Aufheizung des kryogenen Mittels in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zustands ein erstes Mal, die Durchführung des aufgeheizten, kryogenen Mittels durch die Wärmetauscher­ einrichtung ein erstes Mal und Wiederholung der Schritte des Aufheizens des kryogenen Mittels und des Hindurchführens des wieder aufgeheizten, kryogenen Mittels durch die Wärmetauschereinrichtung, bis der Druck des kryogenen Mittels unterhalb eines vorgegebenen Werts abfällt.

Die Erfindung umfaßt auch ein Kühlsystem zur Regelung der Temperatur eines konditionierten Raums auf ein vorgegebenes Temperaturband benach­ bart einer vorgegebenen Sollwerttemperatur über Aufheiz- und Kühlzyklen, bei dem eine Zuführung eines unter Druck gesetzten kryogenen Mittels verwendet wird, das kryogenes Mittel in einem flüssigen Zustand umfaßt. Ein Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel umfaßt eine Wärmetau­ schereinrichtung in dem Strömungsdurchgangsweg, die dem konditionierten Raum zugeordnet ist. Eine Reglereinrichtung konfiguriert selektiv den Strömungsdurchgangsweg, um Kühl- und Heizzyklus-Strömungsdurchgangswege zu schaffen, wobei die Heizeinrichtung in dem Heizzyklus-Strömungsdurch­ gangsweg liegt. Die Heizeinrichtung und die Wärmetauschereinrichtung besitzen jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Strömungs­ durchgangsweg. Die Reglereinrichtung konfiguriert den aktiven Strömungs­ durchgangsweg während eines Heizzyklus, um darauffolgend kryogenes Mittel in einem ersten und einem zweiten Durchgang durch die Heizeinrichtung und die Wärmetauschereinrichtung über den ersten und den zweiten Strömungs­ durchgangsweg der Heizeinrichtung und den ersten und den zweiten Strö­ mungsdurchgangsweg der Wärmetauschereinrichtung hindurchzuführen.

Das kryogene Mittel kann wieder aufgeheizt und durch die Wärmetauscher­ einrichtung so viele Male hindurchgeführt werden, wie dies praktikabel ist, d. h. bis die Druckenergie in dem kryogenen Mittel verbraucht ist. Demzufolge wird eine vorgegebene Kühleinheit mindestens zwei und mög­ licherweise drei, oder mehr Durchgänge durch die Heizeinrichtung und die Wärmetauschereinrichtung während eines Heizzyklus umfassen. Die Erfindung erhöht die Menge der Wärmekapazität, die aus einem vorgegebenen Volumen eines kryogenen Mittels durch Aufheizen des kryogenen Mittels in Mehr­ fachdurchgangswegen erreichbar ist, gefolgt durch die Hindurchführung des aufgeheizten, kryogenen Mittels durch die Wärmetauschereinrichtung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird unter Berücksichtigung der nachfolgenden, detaillier­ ten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich, die nur beispielhaft dargestellt sind, wobei

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems zeigt, das gemäß den Lehren einer ersten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems zeigt, das gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems zeigt, das gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems zeigt, das gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist; und

Fig. 4A eine schematische Darstellung eines Kühlsystems zeigt, das eine Modifikation des Kühlsystems, das in Fig. 4 darstellt, zeigt.

Der Ausdruck "konditionierter Raum", wie er in der nachfolgenden Be­ schreibung und den Ansprüchen verwendet wird, umfaßt irgendeinen Raum, der in der Temperatur/oder der Feuchtigkeit gesteuert bzw. geregelt wer­ den soll, einschließlich stationärer und transportabler Anwendungen zur Aufbewahrung bzw. Konservierung von Nahrungsmitteln und anderen leicht verderblichen Waren, der Aufrechterhaltung einer geeigneten Atmosphäre zum Verschicken von industriellen Produkten, der Raumkonditionierung für den menschlichen Komfort und dergleichen. Der Ausdruck "Kühlsystem" wird allgemein dazu verwendet, Luftkonditioniersysteme für den menschlichen Komfort und Kühlsysteme zur Konservierung von verderblichen Waren und zum Verschicken von industriellen Produkten einzuschließen. Auch wenn es ausgeführt wird, daß die Temperatur eines konditionierten Raums auf eine ausgewählte Sollwerttemperatur geregelt werden soll, ist verständlich, daß die Temperatur des konditionierten Raums auf ein vorgegebenes Tempe­ raturband oder einen -bereich benachbart der ausgewählten Sollwerttempe­ ratur geregelt wird. In den Figuren zeigt ein Pfeil, der an einem Ventil angesetzt ist, an, daß das Ventil mittels einer Thermostattemperatur-Re­ glereinrichtung geregelt wird oder geregelt werden kann.

Die Erfindung ist zum Einsatz dann geeignet, wenn ein Kühlsystem einem einzelnen, konditionierten Raum, der auf eine ausgewählte Sollwerttempe­ ratur geregelt werden soll, zugeordnet ist; und die Erfindung ist auch zum Einsatz dann geeignet, wenn ein Kühlsystem bei einer in Räume unter­ teilten Anwendung eingesetzt wird, d. h. ein konditionierter Raum wird in mindestens einen ersten und einen zweiten, gesonderten, konditionierten Raum unterteilt, die einzeln auf ausgewählte Sollwerttemperaturen gere­ gelt werden sollen. In raummäßig unterteilten Anwendungen zum Beispiel kann ein konditionierter Raum dazu verwendet werden, eine gefrorene La­ dung, und der andere, um eine frische Ladung, oder Kombinationen davon, zu konditionieren, wie dies erforderlich ist. Wie nun die Zeichnungen und insbesondere Fig. 1 zeigen, ist dort ein Kühlsystem 10 dargestellt, das in Verbindung mit irgendeinem konditionierten Raum geeignet ist, und insbesondere gut zur Verwendung an Lastkraftwagen, Zugmaschinen-An­ hänger-Kombinationen, Containern, und dergleichen, geeignet ist, wobei der Begriff "Fahrzeug" dazu verwendet wird, allgemein verschiedene Trans­ portfahrzeuge zu bezeichnen, die Kühlsysteme verwenden.

Das Kühlsystem 10 kann in stationären und transportablen Anwendungen verwendet werden, wobei das Bezugszeichen 12 allgemein ein Fahrzeug in einer Transportanwendung und eine Gehäusewand in einer stationären Anwen­ dung bezeichnet.

Das Kühlsystem 10 kann dazu verwendet werden, einen einzelnen, konditio­ nierten Raum 14, der auf eine vorbestimmte Sollwerttemperatur konditio­ niert werden soll, und auch, um zwei oder mehrere separate, konditio­ nierte Räume auf ausgewählte Sollwerttemperaturen zu konditionieren. Nur zum Zwecke eines Beispiels stellen die Ausführungsformen der Erfindung, die in den Figuren angegeben sind, ein Kühlsystem 10 dar, um die Tempera­ tur eines einzelnen, konditionierten Raums 14 zu steuern bzw. zu regeln.

Insbesondere umfaßt das Kühlsystem 10 einen Behälter 16, der ein geeig­ netes, unter Druck stehendes, kryogenes Mittel, wie beispielsweise Stick­ stoff (N₂) oder Kohlendioxid (CO₂), enthält, wobei eine flüssige Phase davon bei 18 angegeben ist, und mit einer Dampfphase, die oberhalb des Flüssigkeitspegels angeordnet ist, die bei 20 angezeigt ist. Der Behälter 16 kann zum Beispiel durch Verbindung eines stationären bzw. Bodengeräts, das allgemein bei 22 angegeben ist, über eine Zuführleitung oder einen -kanal 24, der ein Ventil 26 umfaßt, gefüllt werden.

Dampfdruck in dem Kessel 16 wird oberhalb eines vorgegebenen Drucks durch eine Druckregulieranordnung 28 aufrechterhalten, die zwischen unteren und oberen Stellen des Kessels 16 über Kanäle 30 und 31 jeweils verbunden sind. Wenn das kryogene Mittel, das verwendet wird, zum Beispiel CO₂ ist, muß der Druck in dem Kessel 16 oberhalb des Triple-Punkts für CO₂, d. h. 75,13 psia, gehalten werden. Eine Verdampfungsspirale 34 und ein Druckregulierventil 36 sind zwischen den Kanälen 30 und 31 verbunden. Das Druckregulierventil 36 öffnet sich, wenn der Druck in dem Kessel 16 auf einen vorgegebenen Wert abfällt, wodurch flüssiges, kryogenes Mittel in die Verdampfungsspirale 34 eingelassen wird. Die Verdampfungsspirale 34 wird der Umgebungstemperatur außerhalb des Fahrzeugs 12 ausgesetzt. Das Druckregulierventil 36 hält den Dampfdruck in dem Behälter 16 auf einem vorgegebenen Pegel, der für einen optimalen Systembetrieb und/oder um die Bildung von CO₂-Schlammeis in dem Behälter 16 zu verhindern, ausgewählt wird, wenn das kryogene Mittel CO₂ ist.

Ein Druckanzeige-Sicherheitsventil 38 ist in dem Kanal 31 an einer Stelle vorgesehen, wo der Dampfdruck in dem Behälter 16 direkt ermittelt werden kann. Ein Entlüftungsventil 40 ist auch vorgesehen, um das Behälterfüll­ verfahren zu erleichtern. Unter Verwendung von beispielsweise CO₂ für das kryogene Mittel kann der Behälter 16 mit CO₂ unter einem Anfangs­ druck von ungefähr 100 psia und einer Anfangstemperatur von ungefähr -58°F (-50°C) gefüllt werden. Natürlich können andere Drücke und Tempera­ turen als in diesem Beispiel verwendet werden, wie beispielsweise ein Anfangsdruck von ungefähr 300 psia und eine Anfangstemperatur von etwa 0°F (-17,8°C).

Ein erster Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Fluid ist vorge­ sehen, der flüssiges, kryogenes Mittel 18 von dem Behälter 16 über einen Kanal 44 zieht. Der Kanal 44 erstreckt sich von einem niedrigen Punkt des Behälters 16 zu einem T-Stück 46 und der Kanal 44 kann ein steuerbares Ventil 48 umfassen. Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 führt von einer ersten Strömungsverzweigung des T-Stücks 46 zu einer Wärmetauscherein­ richtung 50. Die Wärmetauschereinrichtung 50 umfaßt mindestens jeweils eine erste und eine zweite Wärmetauscherspirale 52 und 54, wobei die erste Strömungsverzweigung des T-Stücks 46 mit der Einlaßseite der ersten Wärmetauscherspirale 52 über einen Kanal 56 verbunden ist, der ein steu­ erbares Durchgangsweg-Auswahlventil 58 und ein T-Stück 60 umfaßt. Das Ventil 58 und andere, steuerbare Ventile in den Figuren werden durch eine Thermostattemperatur-Reglereinheit 80, die nachfolgend als Reglerein­ heit 80 bezeichnet wird, gesteuert.

Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 führt von der Auslaßseite der ersten Wärmetauscherspirale 52 zu einer Luftbewegungs- bzw. Umwälzungseinrich­ tung 62. Die Luftumwälzungseinrichtung 62 zieht Luft 64, sogenannte Rück­ führluft, von dem konditionierten Raum 14 in eine Luftkonditionierein­ richtung oder ein Gerät 66, das die erste und die zweite Wärmetauscher­ spirale 52 und 54 umfaßt, an. Konditionierte Luft 68, die als Auslaßluft bezeichnet wird, wird zurück in den konditionierten Raum 14 durch die Luftumwälzungseinrichtung 62 abgegeben. Die Luftumwälzungseinrichtung 62 umfaßt einen Lüfter oder ein Gebläse 70, das durch das verdampfte, kryo­ gene Mittel in einem geeigneten, dampfgetriebenen Motor oder einer Tur­ bine 72 angetrieben wird, die nachfolgend als dampfgetriebener Motor 72 bezeichnet wird.

Die erste Wärmetauscherspirale 52 ist so dimensioniert und konfiguriert und die Strömungsrate des kryogenen Mittels, wird so über das steuerbare Ventil 48 oder über das steuerbare Ventil 58 eingestellt wird, um die Verdampfung des flüssigen, kryogenen Mittels 18 abzuschließen, und demzu­ folge wird das verdampfte, kryogene Mittel an dem Auslaßende der Wärme­ tauscherspirale 52 abgegeben. Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 führt von der Wärmetauscherspirale 52 zu einem Einlaß des dampfgetriebenen Motors 72 über einen Kanal 74, der ein Rückstaudruck-Regulierventil 76 umfaßt. Der dampfgetriebene Motor 72 expandiert isentropisch das ver­ dampfte, kryogene Mittel, wodurch der Lüfter 70 angetrieben wird, während der Druck und die Temperatur des kryogenen Mittels verringert wird.

Ein Auslaß des dampfgetriebenen Motors 72 ist mit einem Einlaß der zwei­ ten Wärmetauscherspirale 54 verbunden, die dem Luftkonditioniergerät 66 über einen Kanal 82 zugeordnet ist, der ein T-Stück 83, ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 84 und ein T-Stück 86 aufweist. Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel führt dann von einem Auslaß der zweiten Wärmetauscherspirale 54 über einen Kanal 88 fort, der ein T-Stück 90 umfaßt. Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 führt von einer ersten Verzweigung des T-Stücks 90 zu einem Auslaßkanal 92, der ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 94 umfaßt. Bei in Fächern unter­ teilten Anwendungen kann der zweite Wärmetauscher 54 einem zweiten, kon­ ditionierten Raum zugeordnet werden, der eine Sollwerttemperatur oberhalb der Sollwerttemperatur des konditionierten Raums 14 beispielsweise be­ sitzt.

Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel wird an die­ ser Stelle der Beschreibung dazu verwendet, einen Kühlzyklus für den konditionierten Raum 14 zu schaffen, wenn sich die Temperatur des kondi­ tionierten Raums 14 oberhalb eines vorgegebenen, engen Temperaturbands relativ zu einer Sollwerttemperatur befindet, die über eine Sollwerttem­ peratur-Auswahleinrichtung 96 ausgewählt wird. Ein Strömungsregulier-Zu­ führventil 48, oder ein Ventil 58, wird durch die Reglereinheit 80 als Funktion von Systemzuständen unter irgendeinem Zeitpunkt gesteuert. Zum Beispiel können die Strömungsregulierventile 48 oder 58 als Funktion der erwünschten Sollwerttemperatur, der tatsächlichen Temperatur des kondi­ tionierten Raums 14 und der Umgebungstemperatur, wie sie durch einen Umgebungslufttemperaturfühler 98 ermittelt wird, gesteuert werden.

Die Temperatur des konditionierten Raums 14 wird durch irgendeinen, oder beide, Rückführluft- und Auslaßluft-Temperatursensoren 100 und 102 er­ mittelt. Der Temperatursensor 100 ermittelt die Temperatur der Luft 64, die zu dem Luftkonditioniergerät 66 zurückkehrt. Der Temperatursensor 102 ermittelt die Temperatur der Luft 68, die von dem Luftkonditionierge­ rät 66 abgegeben wird. Die konditionierte Luft 68, die aus der Wärmeaus­ tauschbeziehung zwischen der Rückführluft 64 und den Wärmetauscherspira­ len 52 und 54 resultiert, wird zurück in den konditionierten Raum 14 abgegeben.

Luft von dem konditionierten Raum 14 vermischt sich nicht mit dem kryo­ genen Mittel an irgendeiner Stelle in den Kühlsystemen der Erfindung. Demzufolge ist dort niemals irgendeine Kontamination des konditionierten Raums 14 mit dem kryogenen Mittel vorhanden. Das Kühlsystem 10 kann allerdings in Verbindung mit Anordnungen verwendet werden, die ein kryo­ genes Mittel, wie beispielsweise CO₂, in einem konditionierten Raum für eine schnelle Temperaturherabsetzung und/oder für eine Überbelastungsvor­ beugung einspritzen. In solchen kombinierten Anwendungen kann der Behäl­ ter 16 als Vorratsquelle für das kryogene Mittel verwendet werden.

Ein Temperaturfühler 104 ist so angeordnet, um die Oberflächentemperatur der Wärmetauscherspirale 52 an einer Stelle an oder nahe dem Ausgangsende der Wärmetauscherspirale 52 zu fühlen, um zu ermitteln, wenn die Ver­ dampfung nicht 100% sein kann, wie beispielsweise dann, wenn sich eine Oberflächenvereisung an der Wärmetauscherspirale 52 aufbaut. Demzufolge kann der Temperaturfühler 104 dazu verwendet werden, der Reglereinheit 80 zu ermöglichen, einen Heizzyklus zum Enteisen der Wärmetauscherspira­ len 52 und 54 zu triggern. Andere Fühler können dazu verwendet werden, um zu fühlen, wenn ein Aufheizzyklus zu Enteisungszwecken notwendig ist, wie beispielsweise durch Anordnung eines Luftströmungsfühlers 106 in dem Auslaßluftdurchgangsweg, mit einer Geschwindigkeit unterhalb eines vor­ bestimmten Werts, der anzeigt, daß Wassereis die Luftströmung zu einem Punkt reduziert hat, wo ein Aufwärmzyklus für Enteisungszwecke notwendig ist.

Die Reglereinheit 80 zieht die Temperatur des konditionierten Raums 14, wie sie durch den Rückführluftfühler 100 zum Beispiel angezeigt wird, von der Sollwerttemperatur, die über die Sollwert-Auswahleinrichtung 96 aus­ gewählt wird, ab, um ein T zu schaffen, das negativ ist, wenn sich die Temperatur des konditionierten Raums 14 oberhalb des Sollwerts befindet, und positiv ist, wenn sie sich unterhalb des Sollwerts befindet. Ein negatives T triggert einen Kühlzyklus, der zu einer Steuerung der Strö­ mung des flüssigen, kryogenen Mittels 18 von dem Behälter 16 durch den ersten Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel, das die erste und die zweite Wärmetauscherspirale 52 und 54 umfaßt, führt.

Ein positives T triggert einen Heizzyklus und, wie gerade erwähnt wurde, kann ein Heizzyklus auch durch eine Enteisungsfühleinrichtung getriggert werden, wie beispielsweise den Spiraltemperaturfühler 104, den Luftströ­ mungsfühler 106 oder einen Zeitgeber, um Eiswasser zu schmelzen, das sich an den Wärmetauscherspiralen 52 und 54 während eines Kühlzyklus aufgebaut haben könnte. In der Ausführungsform der Fig. 1 wird ein Heizzyklus durch einen zweiten Strömungsdurchgangsweg 108 für ein kryogenes Mittel verwirklicht, die den zuvor beschriebenen Versorgungsbehälter 16 für das kryogene Mittel, den Kanal 44, das steuerbare Ventil 48 und eine zweite Verzweigung des T-Stücks 46 umfaßt. Wenn der Strömungsdurchgangsweg 108 für das zweite, kryogene Mittel der aktive Strömungsdurchgangsweg ist, schließt die Reglereinheit 80 das Ventil 58.

Der zweite Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel umfaßt eine Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel und eine Heizeinrich­ tung 112 für das kryogene Mittel. Die Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel umfaßt eine Vorheizspirale 114, wie beispielsweise eine Umgebungsschleife, die der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Die Heiz­ einrichtung 112 für das kryogene Mittel umfaßt mindestens eine erste und eine zweite Heizeinrichtungsspirale 116 und 118. Ein Kanal 120, der ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 122 umfaßt, verbindet eine Ver­ zweigung des T-Stücks 46 mit einem Einlaß der Vorheizspule 114. Die Reg­ lereinheit 80 öffnet ein Ventil 122, wenn der zweite Strömungsdurchgangs­ weg 108 für das kryogene Mittel als der aktive Strömungsdurchgangsweg ausgewählt wird. Ein Kanal 124 verbindet einen Auslaß der Vorheizspira­ le 114 mit einem Einlaß der ersten Heizeinrichtungsspirale 116. Ein Ka­ nal 126 verbindet einen Auslaß der ersten Heizeinrichtungsspirale 116 mit einer Verzweigung des T-Stücks 60.

Der zweite Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel folgt dann dem ersten Strömungsdurchgangsweg 42 von dem T-Stück 60 durch die erste Wärmetauscherspirale 52 und den dampfgetriebenen Motor 72 zu dem T-Stück 83. Wenn der zweite Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel der aktive Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel ist, schließt die Reglereinheit 80 das Ventil 84. Der zweite Strömungsdurch­ gangsweg 108 für das kryogene Mittel folgt dann einer Verzweigung des T-Stücks 83 zu einem Einlaß der zweiten Wärmetauscherspirale 118 über einen Kanal 127, der ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 128 um­ faßt, das durch die Reglereinheit 80 geöffnet wird. Ein Auslaß der zwei­ ten Wärmetauscherspirale 118 wird mit dem T-Stück 86 über einen Kanal 130 verbunden und der zweite Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel ist gemeinsam mit dem ersten Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel von dem T-Stück 86 zu dem T-Stück 90. Die Reglerein­ heit 80 schließt das Ventil 94, wenn der zweite Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel aktiv ist, was das kryogene Mittel dazu zwingt, von dem T-Stück 90 zu der Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel zu strömen.

Zum Beispiel kann die Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel ein Gehäuse 132 um die Vorheizspirale 114 umfassen und das kryogene Mittel kann von dem T-Stück 90 in das Gehäuse 132 und in eine Wärmetauscherbe­ ziehung mit der Vorheizspirale 114 über einen Kanal 134 eingeführt wer­ den. Der Kanal 134 umfaßt ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 136, das durch die Reglereinheit 80 geöffnet wird, wenn der zweite Strömungs­ durchgangsweg für das kryogene Mittel als der aktive Strömungsdurchgangs­ weg für das kryogene Mittel ausgewählt wird. Demzufolge wird Wärme, die in dem expandierten, kryogenen Mittel verbleibt, dazu verwendet, Wärme zu der Vorheizspirale 114 hinzuzuaddieren.

Die Heizeinrichtung 112 für das kryogene Mittel umfaßt eine Einrich­ tung 138 zum Hinzufügen von Wärme zu dem kryogenen Mittel, das durch die Vorheizeinrichtung 110 verdampft wird, wenn das kryogene Mittel durch die zwei Durchführungen durch die Heizeinrichtung 112 strömt, die durch die erste und die zweite Heizeinrichtungsspirale 116 und 118 festgelegt wer­ den. Zum Beispiel kann die Einrichtung 138 eine Kraftstoffzuführung 140 umfassen, die mit einem Brenner 142 über einen Kanal 144 verbunden ist, die ein steuerbares Ventil 146 umfaßt. Der Kraftstoff von dem Kraftstoff­ vorrat 140 kann zum Beispiel verflüssigtes, natürliches Gas, Propan, Dieselkraftstoff und dergleichen umfassen. In einer stationären Anwendung können andere Heizquellen verwendet werden, um das kryogene Mittel aufzu­ heizen, einschließlich elektrischer, heißer Flüssigkeiten, Dampf, Abgase, und dergleichen. Wenn ein Heizzyklus erforderlich ist, um die Sollwert­ temperatur zu erreichen und zu erhalten oder um Wärmetauscherspiralen 52 und 54 zu enteisen, öffnet die Reglereinheit 80 das Ventil 146, während gleichzeitig der Brenner 142 gezündet wird. Heizspiralen 116 und 118 heizen das kryogene Mittel auf eine erhöhte Temperatur auf, wie bei­ spielsweise eine Temperatur in dem Bereich von 500°F bis 600°F (260°C bis 316°C).

Ein steuerbarer Enteisungsdämpfer (nicht dargestellt) kann an dem Aus­ laßanschluß eines Luftkonditioniergeräts 66 vorgesehen werden, wobei der Enteisungsdämpfer während eines Enteisungszyklus geschlossen wird, um zu verhindern, daß warme Luft in den konditionierten Raum 14 abgegeben wird. Alternativ kann der angetriebene Motor 72 im Bypass während eines Ent­ eisungszyklus durch ein geeignetes, steuerbares Ventil und eine Rohrlei­ tungsanordnung umgangen werden.

Das Konzept der Erfindung ist, Druckenergie zu verwenden, die in dem unter Druck gesetzten kryogenen Mittel gespeichert ist, um aufgeheiztes, kryogenes Mittel durch die Heizeinrichtung 112 für das kryogene Mittel mit dem Mehrfachdurchlauf während eines Aufheizzyklus zu "pumpen", um einen Sollwert zu halten oder eine Spiralenenteisung durchzuführen. Nach jedem Durchgang durch die Heizeinrichtung 112 für das kryogene Mittel wird das verdampfte, kryogene Mittel wieder aufgeheizt und durch eine Wärmetauscherspirale zurückgeführt, die in einer wärmetauschenden Be­ ziehung mit der Luft aus einem Raum, der konditioniert werden soll, ange­ ordnet ist, z. B. durch Wärmetauscherspiralen 52 und 54, die in wärmeaus­ tauschender Beziehung mit Luft von dem konditionierten Raum 14 stehen. Diese Schleifenführung durch die Heizeinrichtungsspiralen, die der Heiz­ einrichtung 112 für das kryogene Mittel zugeordnet sind, und den Wärme­ tauscherspiralen, die dem Luftkonditioniergerät 66 zugeordnet sind, wird fortgeführt, bis die Druckenergie in dem kryogenen Mittel verbraucht ist, d. h. bis der Druck unterhalb eines vorgegebenen, minimalen Druckwerts abfällt, wie beispielsweise 18 bis 20 psia, wobei zu dieser Zeit das noch warme, kryogene Mittel zu einer Vorheizeinrichtung 110 geführt wird. Die Hauptaufgabe besteht darin, die Verwendung eines kryogenen Mittels während eines Aufheizzyklus zu minimieren.

Für ein vorgegebenes Kühlsystem 10, das mit einem kryogenen Mittel unter einem bekannten, angehobenen Druck startet, wie beispielsweise 100 psia, oder 300 psia, wird bekannt sein, wieviele Schleifenführungen oder Durch­ gänge durch eine Wärmetauschereinrichtung 112 und eine Luftkonditionier­ einrichtung 66 erforderlich sind, um die Verwendung der gespeicherten Druckenergie abzuschließen. Wenn das System 10 kryogenes Mittel unter unterschiedlichen Anfangsdrücken verwenden wird, kann der Druck des kryo­ genen Mittels an dem Ausgang von jeder, oder bestimmten, Wärmetauscher­ spiralen ermittelt werden, die dem Luftkonditioniergerät 66 zugeordnet sind, und die Reglereinheit 80 kann bestimmen, wieviele Schleifen­ führungen oder Durchgänge erforderlich sind und den aktiven Strömungs­ durchgangsweg des kryogenen Mittels in dem Aufheizzyklus konfigurieren. Eine einen Druck ermittelnde Ausführungsform der Erfindung wird in bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Während die Auswahl eines oder zweier alternativer, auswählbarer Strö­ mungsdurchgangswege für das kryogene Mittel in Fig. 1 und den anderen Figuren dargestellt ist, und zwar unter Verwendung eines T-Stücks und zweier Ventile, sollte verständlich werden, daß das T-Stück und die Zwei-Ventilkonfiguration durch ein einzelnes Dreiwegeventil ersetzt wer­ den kann. Zum Beispiel können in Fig. 1 das T-Stück 46 und die Ven­ tile 58 und 122; das T-Stück 83 und die Ventile 84 und 128; und das T-Stück 90 und die Ventile 94 und 136 durch ein Dreiwegeventil ersetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 148, das primär von dem Gefriersystem 10 in der Art und Weise sich unterscheidet, daß zusätzliche Wärme zu der Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel hinzugefügt wird. Da der zweite Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel und die Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel modifiziert sind, sind sie mit den Bezugszeichen 108′ und 110′ jeweils in Fig. 2 bezeichnet. Der Kühlzyklus, der durch den Strömungsdurchgangs­ weg 42 für das kryogene Mittel festgelegt wird, ist derselbe wie in Fig. 1. Ähnliche Komponenten werden durch entsprechende Bezugszeichen in allen Figuren bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben werden.

Insbesondere wird anstelle der Verwendung eines expandierten, kryogenen Mittels, um Wärme zu der Vorheizeinrichtung 110′ hinzuzufügen, eine an­ dere Vorheizspirale 150 innerhalb des Gehäuses 132 angeordnet, und der Auslaß der ersten Wärmetauscherspirale 52, der dem Luftkonditionlerge­ rät 66 zugeordnet ist, wird mit einem T-Stück 152 über einen Kanal 74 und das Rückstaudruckregulierventil 76 verbunden. Während eines Kühlzyklus wird das T-Stück 152 mit dem Einlaß des dampfgetriebenen Motors 72 über einen Kanal 154, ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 156, das durch die Reglereinheit 80 geöffnet wird, und ein T-Stück 158 verbunden und demzufolge verbleibt der erste Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 unverändert.

Während eines Aufheizzyklus wird, um eine Sollwerttemperatur zu halten oder um eine Enteisungsfunktion durchzuführen, das T-Stück 152 mit einem Einlaß der Vorheizspirale 150 über einen Kanal 160 verbunden, der ein steuerbares Durchgangswegauswahlventil 162 umfaßt. Die Reglereinrich­ tung 80 öffnet das Ventil 162 und schließt das Ventil 156 während eines Aufheizzyklus. Der Auslaß der zweiten Vorheizspirale 150 wird mit dem T-Stück 158 verbunden und demzufolge mit dem Einlaß des dampfgetriebenen Motors 72 über einen Kanal 164. Der Rest des zweiten Strömungsdurchgangs­ wegs 108′ für das kryogene Mittel ist ähnlich zu demjenigen, der in bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 beschrieben ist. Das kryogene Mittel, das die Wärmetauscherspirale 54 über den Kanal 88 verläßt, kann zu dem Gehäuse 132 der Vorheizeinrichtung 110′ gerichtet werden, wie in der Ausführungsform der Fig. 1, oder ausgestoßen werden, je nachdem, wie dies erwünscht ist.

Fig. 2 stellt auch eine andere Ausführungsform zur Hinzufügung von zu­ sätzlicher Wärme zu den Vorheizspiralen 114 und 150 auf, wobei diese Anordnung auch in der Ausführungsform der Fig. 1 verwendet werden kann, falls dies erwünscht ist. Ein Gehäuse 166 ist um die Heizeinrichtungs­ spiralen 116 und 118 vorgesehen, um heiße Gase zu sammeln, die durch ein Nebenprodukt der Verbrennung in der Heizeinrichtung 142 gebildet werden, und diese heißen Nebenproduktgase werden in einer wärmeaustauschenden Beziehung mit den Vorheizspiralen 114 und 150 über eine Rohrleitung oder einen Kanal 168 eingeführt, der in das Vorheizeinrichtungsgehäuse 132 eintritt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 170, das sich von dem Kühlsystem 10 und 148, wie in den Fig. 1 und 2 jeweils dargestellt, durch Vorsehung einer dynamischen Zahl von Durchgängen oder Schleifenführungen durch die kryogene Heizeinrichtung 112 für das kryo­ gene Mittel und durch das Luftkonditioniergerät 66, das mit den Bezugs­ zeichen 112′′ und 66′ in Fig. 3 angegeben ist, um Modifikationen dazu anzuzeigen, unterscheidet. Eine dritte Heizeinrichtungsspirale 172 wird zu der Heizeinrichtung 112′′ hinzugefügt und eine dritte Wärmetauscher­ spirale 174 wird zu dem Luftkonditioniergerät 66′ hinzugefügt. Der erste Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel ist ähnlich zu den Ausführungsformen der Fig. 1 und der Fig. 2, der die Wärmetauscher­ spiralen 52 und 54 überquert. Der zweite Strömungsdurchgangsweg 108′′ für das kryogene Mittel ist durch Veränderung der Anordnung des dampfgetrie­ benen Motors 72 und durch Vorsehung einer Option eines dritten Durchgangs durch die Heizeinrichtung 112′′ für das kryogene Mittel und das Luftkon­ ditioniergerät 66′ modifiziert worden.

Der zweite Strömungsdurchgangsweg 108′′ für das kryogene Mittel ist der­ selbe wie der Strömungsdurchgangsweg 108′ der Fig. 2 von dem T-Stück 46 zu dem T-Stück 152, der die Vorheizspirale 114, die Heizeinrichtungs­ spirale 116 und die erste Heizeinrichtungsspirale 52 überquert. Ein Ka­ nal 160 mit einem T-Stück 152, der mit 160′ in Fig. 3 bezeichnet ist, wobei der Kanal ein steuerbares Ventil 162 umfaßt, erstreckt sich von dem Einlaß der zweiten Heizeinrichtungsspirale 118 anstelle von der Vorheiz­ spirale 150, wie in der Ausführungsform der Fig. 2. Der Auslaß der zwei­ ten Heizeinrichtungsspirale 118 erstreckt sich zu einem Einlaß der zu­ sätzlichen Wärmetauscherspirale 174, die zu dem Luftkonditioniergerät 66′ hinzugefügt ist, und zwar über einen Kanal 130′, wobei der hochgesetzte Strich hinzugefügt ist, um anzuzeigen, daß der Kanal 130 zu einer unter­ schiedlichen Wärmetauscherspirale in Fig. 3 gegenüber den Ausführungs­ formen der Fig. 1 und der Fig. 2 führt. Der Auslaß der Wärmetauscher­ spirale 174 erstreckt sich zu dem Einlaß der Vorheizspirale 150 über einen Kanal 175. Der Auslaß der Vorheizspirale 150 erstreckt sich zu einem T-Stück 158 über einen Kanal 164 und zu dem Einlaß des dampfge­ triebenen Motors 72, wie in der Ausführungsform der Fig. 2.

Der Auslaß des dampfgetriebenen Motors 72 wird mit dem Kanal 82 verbun­ den, der T-Stücke 176 und 178 und das steuerbare Ventil 84 umfaßt. Ein Drucksensor 180 wird angeordnet, um den Druck des kryogenen Mittels in dem Kanal 82 zu messen. Wenn der Druck, der durch den Sensor 180 gemessen wird, unterhalb eines vorgegebenen, minimalen Werts liegt, kann die Reg­ lereinrichtung 80 ein Ventil 182 öffnen, das mit einer Verzweigung des T-Stücks 176 verbunden ist, um das expandierte, kryogene Mittel auszu­ stoßen; oder das T-Stück 176 und das Ventil 182 können eliminiert werden, wobei in diesem Fall die Reglereinrichtung 80 das Ventil 84 öffnen kann und das kryogene Mittel durch die Wärmetauscherspirale 54 ausstoßen kann.

Wenn der Drucksensor 180 herausfindet, daß der Druck des kryogenen Mit­ tels oberhalb des vorgegebenen Werts liegt, verbindet die Reglereinrich­ tung 80 eine Verzweigung des T-Stücks 178 mit einem Einlaß der zusätz­ lichen Heizeinrichtungsspirale 172 über einen Kanal 184 und ein steuer­ bares Durchgangswegauswahlventil 186, das durch die Reglereinheit 80 geöffnet ist. Ein Auslaß der Heizeinrichtungsspirale 172 wird mit dem T-Stück 86 verbunden, und das T-Stück 86 richtet das kryogene Mittel, das zum dritten Mal in die Heizeinrichtung 112′′ für das kryogene Mittel aufgeheizt ist, zu dem Einlaß der Wärmetauscherspirale 54 für einen drit­ ten Durchgang durch das Luftkonditioniergerät 66′.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 190, das gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist, die insbesondere dann nützlich ist, wenn das kryogene Mittel flüssiges CO₂ ist.

Das Kühlsystem 190 unterscheidet sich von dem Kühlsystem 10, das in Fig. 1 dargestellt ist, durch Hinzufügung einer Heizeinrichtung 192 für das kryogene Mittel, die eine Heizeinrichtungsspirale 194 besitzt, die in dem Kanal 74, zwischen dem Rückstaudruckregulierventil 76 und dem Eingang des dampfgetriebenen Motors 72 verbunden ist. Eine Einrichtung 138′ zur Hinzufügung von Wärme zu dem kryogenen Mittel, das durch die Heizeinrich­ tungsspirale 194 strömt, ist ähnlich der Einrichtung 112 zur Hinzufügung von Wärme zu den Heizeinrichtungsspiralen 116 und 118. Anstelle von dem Vorliegen von zwei Kraftstoffvorräten 140 und 140′ kann ein einzelner Kraftstoffvorrat 140 dazu verwendet werden, beide Brenner 142 und 142′ mit Kraftstoff zu versorgen. Zusätzlich zu der Heizeinrichtung 192 für das kryogene Mittel ist das T-Stück 86 der Fig. 1 beseitigt worden, mit dem steuerbaren Ventil 84, das, wenn es sich öffnet, kryogenes Mittel an die Atmosphäre abgibt. Die optionale Vorheizeinrichtung 110 für das kryo­ gene Mittel der Fig. 1 ist nicht in Fig. 4 dargestellt, sondern kann, falls es erwünscht ist, mit Abgasen von irgendeiner der Heizeinrichtungen für das kryogene Mittel verwendet werden, die dazu verwendet wird, flüs­ siges CO₂ zu verdampfen.

Während eines Kühlzyklus würde das Ventil 58 durch die Reglereinrich­ tung 80 geöffnet werden, um den ersten Strömungsdurchgangsweg 42 für das kryogene Mittel auszuwählen, während das Ventil 122 geschlossen verblei­ ben würde. Flüssiges, kryogenes Mittel würde durch die erste Wärme­ tauscherspirale 52 strömen, wie es durch das Strömungsregulierventil 48 für das kryogene Mittel dosiert wird, und zwar mit dem flüssigen, kryo­ genen Mittel, das in der Wärmetauscherspirale 52 aufgrund von Wärme in der Rückführluft 64 verdampft. Das verdampfte, kryogene Mittel würde dann durch die Rückstaudruckreguliereinrichtung 76 und die Heizeinrichtungs­ spirale 194 gerichtet werden. Das Ventil 146′ würde normalerweise während eines Kühlzyklus geschlossen sein, allerdings kann die Heizeinrich­ tung 192 während eines Kühlzyklus durch Öffnung des Ventils 146′ und Zündung des Brenners 142′ eingeschaltet werden, um die Bildung von CO₂-"Schnee" in dem dampfgetriebenen Motor 72 zu verhindern. Zum Bei­ spiel kann die Heizeinrichtung 192 durch die Reglereinrichtung 80 in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur des verdampften, kryogenen Mittels, das in die Heizeinrichtungsspirale 194 eintritt, und/oder der Umgebungstemperatur eingeschaltet werden. Zum Beispiel kann die Heizein­ richtung 192 während eines Kühlzyklus eingeschaltet werden, wenn die Umgebungstemperatur, wie sie durch den Umgebungslufttemperatursensor 98 ermittelt wird, unterhalb einer gewissen, vorbestimmten Temperatur liegt, z. B. 45°F (7,2°C).

Wenn der Dampf des kryogenen Mittels den dampfgetriebenen Motor 72 ver­ läßt, nimmt die Reglereinrichtung 80 eine Entscheidung basierend auf der Temperatur des Dampfs des kryogenen Mittels, das den dampfgetriebenen Motor 72 verläßt, und der Sollwerttemperatur, wie sie durch die Sollwert­ temperaturauswahleinrichtung 96 angezeigt wird, vor, ob das Ventil 84 zu öffnen ist, und stößt das verdampfte, kryogene Mittel aus, oder ob das Ventil 128 zu öffnen ist, und richtet das kryogene Mittel durch die zwei­ te Wärmetauscherspirale 54. Wenn die Temperatur des kryogenen Mittels und die Sollwerttemperatur der Art sind, daß das kryogene Mittel zusätzliche Wärme von der Rückführluft 64 wegnehmen wird, würde das Ventil 128 geöff­ net. Andernfalls wird das Ventil 84 geöffnet.

Während eines Aufheizzyklus öffnet, um die Sollwerttemperatur in dem konditionierten Raum 14 zu halten, oder um die Wärmetauscherspiralen 52 und 54 zu enteisen, die Reglereinrichtung 80 das Ventil 122, um den zwei­ ten Strömungsdurchgangsweg 108 für das kryogene Mittel auszuwählen, und die Heizeinrichtung 112 wird eingeschaltet, um das kryogene Mittel zu verdampfen und zu überhitzen. Die Aufheizeinrichtung 192 dient primär zur Verhindern von "Schnee" in dem dampfgetriebenen Motor 72 während eines Kühlzyklus und würde normalerweise ausgeschaltet sein. Allerdings kann die Heizeinrichtung 192 während eines Aufheizzyklus, falls dies erwünscht ist, eingeschaltet werden, um zusätzliche Wärme zu dem kryogenen Mittel hinzuzufügen, bevor es in den dampfgetriebenen Motor 72 eintritt. Die Reglereinrichtung 80 öffnet auch das Ventil 128, um kryogenes Mittel, das aus dem dampfgetriebenen Motor 62 austritt, durch die Heizeinrichtungs­ spirale 118 für einen zweiten Durchgang durch die Heizeinrichtung 112 für das kryogene Mittel zu richten. Das wieder aufgeheizte, kryogene Mittel wird dann durch die zweite Wärmetauscherspirale 54 gerichtet und an die Atmosphäre durch den Kanal 88 ausgestoßen.

Während die Anordnung, die in Fig. 4 dargestellt ist, in einem System bevorzugt ist, wo eine Verhinderung von "Schnee" in dem Motor 72 während eines Kühlzyklus erwünscht ist, würde es in bestimmten Kühlsystemen auch praktikabel sein, die Heizeinrichtung 192 für das kryogene Mittel wegzu­ lassen und noch eine Verhinderung von "Schnee" für den dampfgetriebenen Motor 72 während eines Kühlzyklus zu erreichen. In diesem Fall wird, wie in Fig. 4A dargestellt ist, der Ausgang des Rückstaudruckregulierven­ tils 76 direkt in den Eingang der zweiten Heizeinrichtungsspirale 118 der Heizeinrichtung für das kryogene Mittel über den Kanal 74 verbunden. Der Ausgang der zweiten Heizeinrichtungsspirale 118 wird mit dem Eingang des dampfgetriebenen Motors 72 über einen Kanal 198 verbunden. Der Ausgang des steuerbaren Ventils 128 wird mit dem Eingang der zweiten Wärme­ tauscherspirale 54 verbunden.

Während eines Kühlzyklus würde das Ventil 58 offen sein und das kryogene Mittel würde durch die erste Wärmetauscherspirale 52, das Rückstaudruck­ regulierventil 76, die zweite Heizeinrichtungsspirale 188, den dampfge­ triebenen Motor 72 und entweder das Ventil 84 oder 128 strömen. Wenn die Reglereinrichtung 80 das Ventil 84 auswählt, wird der Dampf des kryogenen Mittels an die Atmosphäre abgegeben, und wenn die Reglereinrichtung 80 das Ventil 128 auswählt, wird der Dampf durch die zweite Wärmetauscher­ spirale 54 gerichtet. Die Reglereinrichtung 80 nimmt eine Entscheidung vor, ob das Ventil 146 geöffnet und der Brenner 142 während eines Kühl­ zyklus gezündet wird oder nicht, und zwar basierend auf der Notwendig­ keit, die Bildung von CO₂-"Schnee" in dem dampfgetriebenen Motor 72 zu verhindern, wie dies zuvor in bezug auf Fig. 4 beschrieben ist.

Während eines Aufheizzyklus öffnet die Reglereinrichtung Ventile 122, 128 und 146 und zündet den Brenner 142. Das kryogene Mittel wird demzufolge in der ersten Heizeinrichtungsspirale 116 aufgeheizt, durch die erste Wämeaustauscherspirale 52 geführt, wieder in der zweiten Heizeinrich­ tungsspirale 118 aufgeheizt, durch den dampfgetriebenen Motor 72 hin­ durchgeführt und dann durch die zweite Wärmetauscherspirale 54 gerichtet. Wie zuvor ausgeführt ist, kann die Heizeinrichtung 112 zusätzliche Heiz­ einrichtungsspiralen besitzen, und das Luftkonditioniergerät 66 kann zusätzliche Wärmetauscherspiralen besitzen, um mehr als zwei Durchgänge durch die Heizeinrichtung 112 und das Gerät 66 während eines Aufheiz­ zyklus zu führen, wenn die Anordnung, die verwendet wird, noch nutzbare Druckenergie in dem kryogenen Mittel besitzt, um zusätzliche Durchgänge durch die Heizeinrichtung 112 und das Gerät 66 zu unterstützen bzw. zu tragen.

Zusammenfassend verringert die Erfindung die Menge des kryogenen Mittels, die erforderlich ist, um einen Heizzyklus in einem auf ein kryogenes Mittel basierenden Kühlsystem durchzuführen, um eine vorbestimmte Soll­ werttemperatur in einem konditionierten Raum zu halten oder um einen Enteisungszyklus in einer vereisten Wärmetauscherspirale in einem Luft­ konditioniergerät 66′ einzuleiten. Druckenergie in dem unter Druck ge­ setzten kryogenen Mittel wird als motorische Einrichtung für eine Mehr­ zahl von Durchgängen durch die Heizeinrichtung 112′′ für das kryogene Mittel und das Luftkonditioniergerät 66′ verwendet, die das aufgeheizte, kryogene Mittel nur dann ausstößt, wenn die Druckenergie zu niedrig ist, um einen anderen wirksamen Durchgang durchzuführen. Gerade dann kann das expandierte, kryogene Mittel noch dazu verwendet werden, Wärme zu der Vorheizeinrichtung 110 für das kryogene Mittel zuzuführen, falls dies erforderlich ist, wie dies in der Ausführungsform der Fig. 1 dargestellt ist.

Claims (16)

1. Verfahren zur Verringerung der Menge eines kryogenen Mittels, das während eines Heizzyklus eines Kühlsystems verbraucht wird, das eine unter Druck gesetzte Zuführung eines kryogenen Mittels liefert, das ein kryogenes Mittel in einem flüssigen Zustand umfaßt, das einen Fluidströmungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel schafft, das eine Wärmetauschereinrichtung in dem Strömungsdurchgangsweg schafft, die einen Kühlzyklus durch Hindurchführung des kryogenen Mittels durch die Wärmetauschereinrichtung schafft und das einen Heizzyklus schafft, gekennzeichnet durch die Schritte der Aufheizung des kryo­ genen Mittels in Abhängigkeit eines vorgegebenen Zustands, Hindurch­ führen des aufgeheizten, kryogenen Mittels durch die Wärmetauscher­ einrichtung und Wiederholung der Schritte der Aufheizung des kryo­ genen Mittels und der Hindurchführung des aufgeheizten, kryogenen Mittels durch die Wärmetauschereinrichtung, bis der Druck des kryo­ genen Mittels unterhalb eines vorgegebenen Werts abfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung eines Heiz­ zyklus weiterhin den Schritt einer Voraufheizung des flüssigen, kryo­ genen Mittels vor dem Aufheizschritt umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Voraufheizung des flüssigen, kryogenen Mittels den Schritt der Verwendung eines kryo­ genen Mittels umfaßt, das durch einen Heizschritt aufgeheizt ist, um Wärme zu dem flüssigen, kryogenen Mittel hinzuzufügen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schritte der Aufheizung des kryogenen Mittels das erste und das zweite Mal den Schritt der Er­ zeugung aufgeheizter Gase als Nebenprodukt umfaßt und der Schritt der Voraufheizung des flüssigen, kryogenen Mittels den Schritt der Ver­ wendung der aufgeheizten Gase, um Wärme zu dem flüssigen, kryogenen Mittel hinzuzufügen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kryogene Mittel CO₂ ist, und das weiterhin gekennzeichnet ist durch die Schritte der Bewegung von Luft von dem konditionierten Raum in einer wärmeaustauschenden Be­ ziehung mit der Wärmetauschereinrichtung, Schaffung einer Motorein­ richtung in dem Strömungsdurchgangsweg des kryogenen Mittels, das durch verdampftes, kryogenes Mittel angetrieben wird, um den Schritt der Bewegung von Luft von dem konditionierten Raum in einer wärmeaus­ tauschenden Beziehung mit der Wärmetauschereinrichtung durchzuführen, Ermittlung, wenn eine Verhinderung von CO₂-Schnee bzw. Reif in der Motoreinrichtung während eines Kühlzyklus erforderlich ist, und Auf­ heizung des kryogenen Mittels einlaufseitig der Motoreinrichtung, wenn der Ermittlungsschritt das Erfordernis ermittelt, eine CO₂-Schneebildung in der Motoreinrichtung zu verhindern.

6. Kühlsystem zur Regelung der Temperatur eines konditionierten Raums auf ein vorbestimmtes Temperaturband benachbart einer vorgegebenen Sollwerttemperatur über Heiz- und Kühlzyklen, das eine Versorgung von unter Druck gesetztem, kryogenen Mittel umfaßt, das kryogenes Mittel in einem flüssigen Zustand umfaßt, einen Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel, die Wärmeaustauschereinrichtung in dem Strö­ mungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel, die dem konditionierten Raum zugeordnet ist, eine Reglereinrichtung zum selektiven Konfi­ gurieren des Strömungsdurchgangswegs des kryogenen Mittels, um Kühl- und Heizströmungsdurchgangswege für das kryogene Mittel zu schaffen, und eine Heizeinrichtung für das kryogene Mittel in dem Heizzyklus-Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel umfaßt, wobei das Kühlsystem dadurch gekennzeichnet ist, daß die Heizeinrich­ tung und die Wärmetauschereinrichtung jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel besitzen, wobei die Reglereinrichtung den Strömungsdurchgang für das kryogene Mittel während eines Heizzyklus konfiguriert, um darauffol­ gend direkt ein kryogenes Mittel in den ersten und zweiten Durch­ gangsweg durch die Heizeinrichtung für die kryogene Mischung und die Wärmetauschereinrichtung über den ersten und den zweiten Strömungs­ durchgangsweg für das kryogene Mittel der Heizeinrichtung und dem ersten und zweiten Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel der Wärmetauschereinrichtung hindurchführen.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Heizeinrichtung und die Wärmeaustauschereinrichtung jeweils einen dritten Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel besitzen und wobei die Reglereinrichtung den Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel während eines Heizzyklus konfiguriert, um kryogenes Mittel in einem dritten Durchgang durch die Heizeinrichtung für das kryogene Mittel und die Wärmetauschereinrichtung über die dritten Strömungsdurchgangswege für das kryogene Mittel der Heizeinrichtung für das kryogene Mittel und die Wärmeaustauschereinrichtung zu rich­ ten.

8. Kühlsystem nach Anspruch 6, das eine Vorheizeinrichtung für das kryo­ gene Mittel und Einrichtungen, die die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel in dem Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel während eines Heizzyklus vor der Heizeinrichtung für das kryogene Mittel zur Verdampfung flüssigen, kryogenen Mittels verbindet, umfaßt.

9. Kühlsystem nach Anspruch 8, das eine Einrichtung umfaßt, die kryo­ genes Mittel, das durch die Heizeinrichtung für das kryogene Mittel in einer wärmeaustauschenden Beziehung zu dem kryogenen Mittel, das durch die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel strömt, aufge­ heizt ist, um die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel bei der Hinzufügung von Wärme zu dem kryogenen Mittel zu unterstützen.

10. Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung, die das aufge­ heizte, kryogene Mittel so richtet, um die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel zu unterstützen, kryogenes Mittel von einer Stelle im Strömungsdurchgangsweg des Heizzyklus für das kryogene Mittel, der ausströmseitig der Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist, aus rich­ tet.

11. Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung, die das aufge­ heizte, kryogene Mittel richtet, um die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel zu unterstützen, kryogenes Mittel von einer Stelle in dem Strömungsdurchgangsweg des Heizzyklus für das kryogene Mittel, der zwischen dem ersten und dem zweiten Durchgang durch die Wärme­ tauschereinrichtung angeordnet ist, aus richtet.

12. Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung, die das aufge­ heizte, kryogene Mittel richtet, um die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel zu unterstützen, kryogenes Mittel von einer Stelle in dem Strömungsdurchgangsweg des Vorheizzyklus für das kryogene Mittel, der nach dem zweiten Durchgang durch die Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist, aus richtet.

13. Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei die Heizeinrichtung für das kryo­ gene Mittel aufgeheizte Gase als Nebenprodukt erzeugt und eine Vor­ heizeinrichtung für das kryogene Mittel in dem Strömungsdurchgangsweg für den Heizzyklus des kryogenen Mittels zum Aufheizen eines flüs­ sigen, kryogenen Mittels an einer Stelle einströmseitig der Heizein­ richtung für das kryogene Mittel umfaßt, wobei die Vorheizeinrichtung für das kryogene Mittel Einrichtungen umfaßt, um aufgeheizte Gase, die durch den Heizschritt für das kryogene Mittel in einer wärmeaus­ tauschenden Beziehung mit dem kryogenen Mittel, das durch die Vor­ heizeinrichtung für das kryogene Mittel strömt, zu richten.

14. Kühlsystem nach Anspruch 6, das Einrichtungen zum Bewegen von Luft von dem konditionierten Raum in einer wärmetauschenden Beziehung mit der Wärmetauschereinrichtung, die dem konditionierten Raum zugeordnet ist, umfaßt, wobei die Luftbewegungseinrichtung eine dampfgetriebene Motoreinrichtung in dem Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mit­ tel umfaßt, die ausströmseitig des zweiten Strömungsdurchgangswegs für das kryogene Mittel durch die Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist.

15. Kühlsystem nach Anspruch 6, das Einrichtungen zur Bewegung von Luft von dem konditionierten Raum in einer wärmetauschenden Beziehung mit der Wärmetauschereinrichtung umfaßt, die dem konditionierten Raum zugeordnet ist, wobei die Luft Bewegungseinrichtungen einer dampfge­ triebenen Motoreinrichtung in dem Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel umfaßt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Strö­ mungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel der Wärmetauschereinrich­ tung angeordnet ist.

16. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6-15, wobei das kryogene Mittel CO₂ ist und weiterhin gekennzeichnet ist durch eine Luftbewegungs­ einrichtung, die Luft von dem konditionierten Raum in einer wärme­ tauschenden Beziehung mit der Wärmetauschereinrichtung bewegt, wobei die Luftbewegungseinrichtung eine dampfgetriebene Motororeinrichtung in einem Strömungsdurchgangsweg für das kryogene Mittel während so­ wohl des Kühl- als auch des Heizzyklus umfaßt, das weiterhin Einrich­ tungen umfaßt, die ermitteln, wenn eine Verhinderung von CO₂-Schnee in der dampfgetriebenen Motoreinrichtung während eines Kühlzyklus erwünscht ist, und Heizeinrichtungen umfaßt, die in dem Strömungs­ durchgangsweg für den Kühlzyklus für das kryogene Mittel einströmsei­ tig der Motoreinrichtung angeordnet sind, wobei die Heizeinrichtungen das kryogene Mittel aufheizen, wenn die Ermittlungseinrichtung das Erfordernis ermittelt, CO₂-Schnee in der Motoreinrichtung zu ver­ hindern.