DE60016837T2 - Überkritischer Dampfkompressionskreislauf - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dampfkompressionszyklus, der auf verschiedene Vorrichtungen angewandt wird, wie z.B. auf Klimaanlagen, Kühlgeräte und Wärmepumpen, die ein Kühlmittel (insbesondere CO2) verwenden, das unter überkritischen Bedingungen auf einer Hochdruckseite in einem geschlossenen System angetrieben wird.
  • Stand der Technik
  • Bei dem Kompressionszyklus überkritischen Dampfs sind einige Techniken zum Steuern der Hochdruckseite durch Anpassen bzw. Einstellen des zirkulierenden Kühlmittels vorgeschlagen worden. Ein Beispiel ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 7-18602 gezeigt. Dieser Kompressionszyklus überkritischen Dampfs umfaßt gemäß 6 einen Kompressor 100, der in Reihe mit dem Radiator 110, einem Gegenstrom-Wärmetauscher 120 und einem Drosselventil 130 verbunden ist. Ein Verdampfer 140, ein Flüssigkeitsseparator (ein Empfänger) 160 und die Niederdruckseite des Gegenstrom-Wärmetauschers 120 sind so miteinander verbunden, dass sie an einem Zwischenpunkt zwischen dem Drosselventil 130 und einem Einlass 190 des Kompressors 100 miteinander kommunizieren. Der Empfänger 160 ist mit dem Auslass 150 des Verdampfers 140 verbunden, und der Gasphaseneinlass des Empfängers ist mit dem Gegenstrom-Wärmetauscher 120 verbunden. Eine Flüssigphasenleitung (durch eine unterbrochene Linie dargestellt) von dem Empfänger 160 ist mit einer Saugleitung an einem optionalen Punkt zwischen einem sich an der Vorderseite des Gegenstrom-Wärmetauschers 120 befindlichen Punkt 170 und einem an der Rückseite des Wärmetauschers 120 befindlichen Punkt 180 verbunden. Das oben beschriebene Drosselventil 130 ändert die Restmenge der Flüssigkeit im Empfänger 160 zum Anpassen des hochdruckseitigen überkritischen Dampfdrucks. Ein in 7 gezeigtes herkömmliches Beispiel umfaßt statt dem Empfänger ein Zwischenflüssigkeitsreservoir 250, das mit jeweiligen Ventilen an Ein- und Auslassseiten versehen ist, und ein Drosselventil 130, das parallel zum Reservoir 250 geschaltet ist.
  • Seit kurzem wird ein neuer Dampfkompressions-Kühlzyklus mittels CO2 (nachstehend als CO2-Zyklus bezeichnet) als eine Alternative zum Eliminieren von Kühlmitteln des Freon-Typs vorgeschlagen. Der Betrieb dieses CO2-Zyklus ist der gleiche wie der des herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlzyklus mit Freon. Das heißt die Arbeitsgänge umfassen, wie durch A-B-C-D-A in 3 (einem CO2-Mollier-Diagramm) gezeigt ist, das Komprimieren von CO2 in der Dampfphase (A-B) und das Abkühlen der komprimierten und Hochtemperatur-Dampfphase von CO2 durch den Kühler (Gaskühler) (B-C). Anschließend setzt sich der Arbeitsgang zum Reduzieren des Drucks der Dampfphase CO2 durch die Druckminderungsvorrichtung (C-D), das Verdampfen von CO2, das in zwei Gas-Flüssigkeitsphasen (D-A) getrennt ist, und das Abkühlen des außen befindlichen Fluids durch Abführen der latenten Verdampfungswärme von dem äußeren Fluid fort.
  • Die kritische Temperatur von CO2 beträgt 31°C, die niedriger ist als die von herkömmlichem Freon. Somit wird in warmen Jahreszeiten wie im Sommer die Temperatur von CO2 nahe dem Kühler höher als die kritische Temperatur von CO2. CO2-Gas kondensiert hierbei nicht (das Liniensegment B-C kreuzt die gesättigte Flüssigkeitslinie nicht). Da der Zustand des Auslasspunkts des Kühlers (Punkt C) durch den Austragungsdruck des Kompressors und die Temperatur von CO2 am Kühlerauslass bestimmt ist, und da die CO2-Temperatur am Kühlerauslass durch die Wärmeableitkapazität und die Temperatur der Umgebungsluft bestimmt ist (dies ist nicht steuerbar), ist die Temperatur am Kühlerauslass im wesentlichen nicht steuerbar. Der Zustand am Kühlerauslass (Punkt C) wird durch Steuern des Austragungsdrucks (des Drucks am Kühlerauslass) des Kompressors steuerbar. Das heißt, um eine ausreichende Kühlkapazität (die Enthalpie-Differenz) zu bewahren, wenn die Temperatur der Außenluft wie im Sommer hoch ist, ist es nötig, den Druck des Kühlerauslasses hoch zu halten, wie durch E-F-G-H-E in 4 gezeigt ist.
  • Da jedoch der Auslassdruck des Kompressors angehoben werden muß, um den Kühlerauslassdruck zu steigern, erhöht sich die vom Kompressor verrichtete Kompressionsarbeit (eine Enthalpie-Abweichung ΔL beim Kompressionsvorgang). Somit sinkt der Leistungsfaktor des CO2-Zyklus (COP = ΔI/ΔL), wenn die Enthalpie-Abweichung ΔL beim Kompressionsvorgang (A-B) größer ist als die Enthalpie-Abweichung ΔI des Verdampfungsprozesses (D-A).
  • Wenn die Beziehung zwischen dem CO2-Druck am Kühlerauslass und dem Leistungsfaktor gemäß 3 berechnet wird, wird unter der Annahme, dass die Temperatur von CO2 am Kühlerauslass 40°C beträgt, der maximale Leistungsfaktor bei dem Druck P erhalten, wie durch die durchgezogene Linie in 5 gezeigt ist. Desgleichen wird, wenn die Temperatur des CO2-Gases auf der Kühlerauslassseite mit 30°C angenommen wird, der maximale Leistungsfaktor bei einem Druck P2 (etwa 8,0 MPa) erhalten.
  • Wie oben dargestellt wurde, ergibt sich, wenn die CO2-Temperaturen am Kühlerauslass und der Druck zum Erhalt des maximalen Leistungsfaktors berechnet und aufgetragen werden, die fette durchgezogene Linie ηmax (nachstehend als optimale Steuerlinie bezeichnet). Daher ist es zum Steuern des CO2 notwendig, sowohl den Kühlerauslassdruck als auch die CO2-Temperatur am Kühlerauslass zu steuern, damit sie korreliert werden, wie durch die optimale Steuerlinie ηmax gezeigt ist.
  • Da jedoch der oben beschriebene überkritische Dampfkompressionszyklus (6 und 7) nicht das System ist, bei dem der Kühlerauslassdruck (hoher Seitendruck) entsprechend der Kühlmitteltemperatur am Kühlerauslass gesteuert wird, und die Kühlwirkung am Kühler nicht ausreichend hoch ist, besteht Spielraum zur Verbesserung der Kühlwirkung.
  • Ein weiteres Problem entsteht, wenn die Menge des zirkulierenden Kühlmittels gesteuert werden muß, um der Steuerung der Hochdruckseite zu entsprechen (eine größere Menge an zirkulierendem Kühlmittel ist notwendig, wenn der hohe Seitendruck zunimmt), muß die Öffnung des Drosselventils manuell immer dann eingestellt werden, wenn es nötig ist, was ein zeitraubender Arbeitsgang ist und viel Erfahrung erfordert.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist getätigt worden, um die obigen Probleme zu überwinden, und somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kompressionszyklus überkritischen Dampfs bereitzustellen, der mit einem Gaskühler (Radiator) mit verbesserter Kühlwirkung versehen ist und in der Lage ist, automatisch die notwendige zirkulierende Kühlmittelmenge gemäß einer Einstellung der Hochdruckseite zu steuern.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kompressionszyklus überkritischen Dampfs durch Verbinden eines Kompressors, eines Gaskühlers, einer Membranvorrichtung und eines Verdampfers durch ein Rohr bereitgestellt, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, der mit überkritischem Druck an der Hochdruckseite im Dampfkompressionszyklus zu betreiben ist, der umfaßt: ein Drucksteuerventil, das zwischen dem Gaskühler und der Membranvorrichtung vorgesehen ist, zum Steuern eines Drucks an einem Auslass des Gaskühlers, ein Reservoir, durch das ein Rohr vom Auslass des Verdampfers hindurchgeht, zum Speichern eines flüssigen Kühlmittels, und ein Verbindungsrohr zum Verbinden zwischen dem Boden des Reservoirs und dem das Drucksteuerventil mit der Membranvorrichtung verbindenden Rohr.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt umfaßt der Kompressionszyklus überkritischen Dampfs gemäß dem ersten Aspekt einen Zwischenkühler zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen dem flüssigen Kühlmittel, das den Verdampfer durchlaufen hat, und dem Gaskühlmittel, das den Verdampfer durchlaufen hat, wobei das Drucksteuerventil an einem Rohr vom Auslass des Zwischenkühlers angeordnet ist.
  • Gemäß dem dritten und vierten Aspekt ist das in einem überkritischen Dampfkompressionszyklus gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt in dem Zyklus verwendete Kühlmittel Kohlendioxid.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus eines Dampfkompressions-Kühlzyklus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Schnittansicht zur Darstellung des Details des Drucksteuerventils gemäß 1,
  • 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines Arbeitsgangs des Dampfkompressions-Kühlzyklus,
  • 4 ein Mollier-Ablaufdiagramm für CO2,
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Leistungsfaktor (COP) und dem Druck am Kühlerauslass,
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung eines Aufbaus eines Beispiels des herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlzyklus, und
  • 7 ein Diagramm zur Darstellung eines Aufbaus eines weiteren Beispiels des herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlzyklus.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus eines Dampfkompressions-Kühlzyklus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Schnittansicht zur Darstellung des Details des Drucksteuerventils gemäß 1.
  • Zunächst ist gemäß 1 der Dampfkompressions-Kühlzyklus, der ein Drucksteuerventil gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet, ein CO2-Zyklus, der beispielsweise auf eine Fahrzeug-Klimaanlage anwendbar ist, wobei die Bezugsziffer 1 einen Kompressor zum Komprimieren der CO2-Dampfphase bezeichnet. Der Kompressor 1 wird durch eine Antriebsquelle wie z.B. einen Motor (nicht dargestellt) angetrieben. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen Gaskühler (einen Radiator) zum Kühlen des CO2-Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem CO2-Gas und der Außenluft, und die Bezugsziffer 3 bezeichnet ein Drucksteuerventil, das an der Auslassleitung eines Zwischenkühlers 7, der später beschrieben wird, angeordnet ist. Das Drucksteuerventil 3 steuert den Druck am Auslass des Gaskühlers 2 (in dieser Ausführungsform der Hochdruckseite am Auslass des Zwischenkühlers) in Reaktion auf die CO2-Temperatur (Kühlmitteltemperatur), die durch einen temperaturempfindlichen Zylinder 11 vom Auslass des Gaskühlers 2 erfaßt wird. Das Drucksteuerventil 3 steuert nicht nur die Hochdruckseite, sondern arbeitet auch als die Druckminderungsvorrichtung, wobei Aufbau und Funktionsweise des Drucksteuerventils 3 später im Detail beschrieben werden. Die CO2-Gasphase ist einer Druckminderung durch das Drucksteuerventil 3 ausgesetzt und wird zu einem Niedertemperatur- und Niederdruck- CO2 in dem zweiphasigen Gas-Flüssigkeitszustand umgewandelt. Das so umgewandelte CO2 wird einer weiteren Druckminderung durch einen Membranwiderstand (eine Membranvorrichtung) 4a unterzogen.
  • Die Bezugsziffer 4 bezeichnet einen Verdampfer, der eine Kühlvorrichtung in einem Fahrzeugabteil bildet. Während das zweiphasige Gas-Flüssigkeits-CO2 in dem Verdampfer 4 verdampft, absorbiert das CO2 die latente Verdampfungswärme aus Luft in dem Fahrzeugabteil und kühlt das Abteil. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet ein Flüssigkeitsreservoir zum Speichern des flüssigen Kühlmittels 5a, und ein mit dem Auslass des Verdampfers 4 verbundenes Rohr 6 ist so aufgebaut, dass es vertikal das Flüssigkeitsreservoir 5 durchsetzt, so dass das flüssige Kühlmittel 5a in dem Flüssigkeitsreservoir 5 einem Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kühlmittel im Rohr 6 unterzogen werden kann. Der von dem Rohr 6 durchsetzte Abschnitt des Flüssigkeitsreservoirs 5 ist derart abgedichtet (nicht dargestellt), dass das Flüssigkeitsreservoir luftdicht wird. Es ist anzumerken, dass es zum Erhöhen des Wirkungsgrads des Wärmeaustauschs zwar vorzuziehen ist, dass das Rohr 6 von dem Verdampferauslass 4 das Flüssigkeitsreservoir 5 durchsetzt, so dass es in Kontakt mit dem flüssigen Kühlmittel 5a im Flüssigkeitsreservoir 5 steht, der Aufbau ist jedoch nicht auf einen solchen beschränkt. Der Boden des Flüssigkeitsreservoirs 5 ist mit einem Abschnitt des Rohrs 6 verbunden, welcher das Drucksteuerventil 3 mit dem Membranwiderstand 4a über ein Verbindungsrohr 5b verbindet. Der Zwischenkühler 7, obwohl er nicht notwendigerweise bereitgestellt werden muß, ist ein Gegenstrom-Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen dem durch den Gaskühler 2 hindurchströmenden flüssigen Kühlmittel und dem durch den Verdampfer strömenden Gaskühlmittel, und dieser Zwischenkühler 7 wird zum Verbessern der Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend der erhöhten Kapazitätsanforderung des Dampfkompressions-Kühlzyklus verwendet. Es ist vorzuziehen, das Drucksteuerventil 3 angrenzend an den Auslass des Gaskühlers 2 vorzusehen, wenn der Zwischenkühler 7 nicht vorgesehen ist. Der Kompressor 1, der Gaskühler 2, der Zwischenkühler 7, das Drucksteuerventil 3, der Membranwiderstand 4a und der Verdampfer 4 sind jeweils über ein Rohr 6 verbunden, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden (CO2-Zyklus). Die Bezugsziffer 8 bezeichnet einen Ölseparator zum Ausspülen eines Schmieröls aus dem von dem Kompressor 1 ausgetragenen Kühlgas, wobei das Schmieröl nach seiner Ausspülung über ein Ölrückführrohr 9 zum Kompressor zurückgeführt wird.
  • Im folgenden wird ein Beispiel des Drucksteuerventils beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Ventilkörper 12 (ein Ventilgehäuse) des Drucksteuerventils 3 in einem Kühlweg (bei diesem Beispiel dem CO2-Weg) angeordnet, der durch ein Rohr 6 an einer Stelle zwischen dem Zwischenkühler 7 und dem Restriktorwiderstand 4a ausgebildet ist. Der Ventilkörper 12 ist so angeordnet, dass er den Kühlweg 7 in den stromaufwärtigen Raum 7a und den stromabwärtigen Raum 7b unterteilt, und an beiden Enden des Ventilkörpers 12, die sich unter einem rechten Winkel kreuzen, ist eine erste Trennwand 13, die eine Grenze zum Festlegen des stromaufwärtigen Raums 7a des Kühlwegs 7 bildet, und eine zweite Trennwand 14, die eine Grenze zum Festlegen des stromabwärtigen Raums 7b bildet, angeordnet. Eine erste Mündung 13a (eine Öffnung) und eine zweite Mündung 14a (eine Öffnung) sind jeweils in der ersten Trennwand 13 und der zweiten Trennwand 14 ausgebildet.
  • In dem Zwischenraum 12a des Ventilkörpers 12 ist ein durch Blasebalg dehnbares Gefäß 17 so konfiguriert, dass es den abgedichteten Raum 17a bildet, und dieses dehnbare Gefäß 17 expandiert und kontrahiert in der Axialrichtung (in der durch den Pfeil A in 2 gezeigten Vertikalrichtung). Das Basisende (das obere Ende in 2) des dehnbaren Gefäßes 17 ist an der Innenwand des Ventilkörpers 12 befestigt, eine Ventilstange 16a mit einem Ventil 16 an seinem oberen Ende ist beweglich durch den hohlen Abschnitt 17b in das Achszentrum des dehnbaren Gefäßes 17 eingesetzt. Dieses Ventil 16 ist am oberen Ende des dehnbaren Gefäßes 17 befestigt, und das Ventil ist der zweiten Mündung 14a in der zweiten Trennwand 14 zugewandt. Die Ventilstange 16a bewegt sich in mechanischer Verblockung mit der Dehnung und Kontraktion des dehnbaren Gefäßes 17. Wenn das Druckgefälle zwischen der Innenseite und Außenseite des abgedichteten Raums 17a des dehnbaren Gefäßes 17 entsteht und wenn das dehnbare Gefäß 17 sich in einem unbelasteten Zustand befindet, schließt das Ventil 16 die zweite Mündung 14a.
  • Die Bezugsziffer 15 bezeichnet ein Rückschlagventil, das innerhalb des Ventilkörpers 12 zum Öffnen und Schließen der ersten Mündung 13a vorgesehen ist. Dieses Rückschlagventil 15 wird zum Öffnen der ersten Mündung 13a verwendet, wenn der Innendruck des stromaufwärtigen Raums 7a um einen vorbestimmten Wert höher wird als der Innendruck des Ventilkörpers 12. Das Rückschlagventil 21 wird gegen die erste Mündung 13a durch ein Vorspannmittel (z.B. eine Spiralfeder) gedrückt, und eine vorbestimmte Initiallast betätigt das Rückschlagventil 15 immer. Diese Initiallast bildet den oben beschriebenen vorbestimmten Wert.
  • Der abgedichtete Raum des dehnbaren Gefäßes 17 steht in Verbindung mit dem temperaturempfindlichen Zylinder 11 über ein Kapillarrohr 10 (ein Rohrelement). Dieser temperaturempfindliche Zylinder 11 ist in einen Abschnitt großen Durchmessers 6a des Rohrs 6 nahe dem Auslass des Gaskühlers 2 aufgenommen, und der temperaturempfindliche Zylinder 11 wird zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels im Rohr 6 und zum Übermitteln des Ergebnisses an das dehnbare Gefäß 17 verwendet. In dieser Ausführungsform ist der temperaturempfindliche Zylinder 11 in einem Rohr 6 zum Erhalt einer guten Wärmereaktion vorgesehen, es ist aber auch möglich, ihn an der Außenseite des Rohrs 6 vorzusehen.
  • Ein Verbindungsrohr 19 (ein feines Rohr) wird zum Verbinden des Innenraums 12a des Ventilkörpers 12 und des Zwischenabschnitts eines Kapillarrohrs 10 (eines Röhrenelements) verwendet, und dieses Verbindungsrohr 19 umfaßt ein Absperrventil 18. Wenn dieses Absperrventil 18 geschlossen wird, werden der Innenraum 12a des Ventilkörpers 12 und der abgedichtete Raum 17a des dehnbaren Gefäßes 17 abgesperrt und es werden unabhängige Räume gebildet.
  • Der vorliegende Dampfkompressions-Kühlzyklus ist ein CO2 verwendender Zyklus, wobei das Kühlgas (CO2-Gas) den Ventilkörper 12, das dehnbare Gefäß 17, den temperaturempfindlichen Zylinder 11 und die Kapillarröhre 10 mit einer Dichte innerhalb eines vorbestimmten Dichtebereichs von der gesättigten Flüssigkeitsdichte bei der Gastemperatur von 0°C bis zur gesättigten Flüssigkeitsdichte bei der kritischen Temperatur des Kühlmittels füllt, wenn das Ventil 16 und das Rückschlagventil geschlossen sind.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Einsatz des Drucksteuerventils 3 und ein Betrieb des Drucksteuerventils 3 beschrieben.
  • Zunächst wird bei der Initialeinstellung das CO2-Gas in den abgedichteten Raum 17a des dehnbaren Gefäßes 17 und des temperaturempfindlichen Zylinders 11 eingeleitet, nachdem es das Verbindungsrohr 19 und das Kapillarrohr 10 durchströmt hat, indem das CO2-Gas in dem Ventilkörper 12 über die erste Mündung bzw. Öffnung 13a eingeleitet wird, während das Absperrventil offen gehalten wird. Wenn das Einleiten des CO2-Gases abgeschlossen ist, werden der Innenraum 12a des Ventilkörpers 12 und der abgedichtete Raum 17a des dehnbaren Gefäßes 17 abgesperrt und voneinander isoliert, um jeweils individuelle Räume ohne interne Druckunterschiede durch automatisches Schließen des Rückschlagventils und durch Schließen des Absperrventils zu bilden. Dadurch ist der Druck in dem abgedichteten Raum 17a des dehnbaren Gefäßes 17 ein Druck, der der Temperatur des druckempfindlichen Zylinders 11 entspricht, und der Außendruck des dehnbaren Gefäßes 17 entspricht demjenigen des Ventilkörpers 12, so dass das Druckgefälle zwischen dem Außendruck und dem Innendruck des dehnbaren Gefäßes 17 nicht zunimmt, so lange keine starke Temperaturdifferenz auftritt. Demgemäß wird das dehnbare Gefäß keiner übermäßigen Verformung ausgesetzt, so dass es möglich ist, eine Verschlechterung der elastischen Rückstellkraft und einen Bruch des dehnbaren Gefäßes 17 zu vermeiden. Wenn davon ausgegangen wird, dass die CO2-Temperatur am Auslass des Zwischenkühlers 7 40±1°C ist, ist es vorzuziehen, den Druck des Füllgases CO2 auf 10,5±0,5 MPa einzustellen, um einen maximalen Leistungsfaktor zu erhalten.
  • Wenn die Initialeinstellung abgeschlossen ist, werden die erste Öffnung 13a und die zweite Öffnung 14a mittels des Rückschlagventils 15 bzw. des Ventils 16 geschlossen.
  • Wenn der CO2-Zyklus durch Aktivieren des Kompressors 1 durchgeführt wird und wenn der Druck in dem stromaufwärtigen Raum 7a des Drucksteuerventils 3 den Innendruck des Ventilkörpers 12 übersteigt, wird die erste Öffnung durch die Bewegung des Rückschlagventils 15 geöffnet, wodurch das CO2-Gas in den Ventilkörper 12 eintritt. Wenn der Innendruck des Ventilkörpers den Innendruck des dehnbaren Gefäßes 17 übersteigt, öffnet sich die zweite Öffnung durch die Bewegung des Ventils 16, und das CO2-Gas zirkuliert im Rohr 6. Hierbei wird die Temperatur in dem dehnbaren Gefäß 17 identisch mit der Auslasstemperatur des Gaskühlers 2 durch die Temperatur des temperaturempfindlichen Zylinders 11 über die Wärmeleitung des eingeleiteten CO2-Gases. Somit ist der Innendruck des dehnbaren Gefäßes 17 ein Ausgleichsdruck, der von der Temperatur des zirkulierenden CO2-Gases bestimmt ist. Wenn der Innendruck des Ventilkörpers 12 größer ist als dieser Ausgleichsdruck, wird die zweite Öffnung geöffnet, während die zweite Öffnung geschlossen gehalten wird, wenn der Innendruck des Ventilkörpers 12 kleiner ist als der Ausgleichsdruck. Dadurch wird der Ausgleichsdruck automatisch auf dem Innendruck des Ventilkörpers 12 gehalten. Das heißt, der Auslassdruck des Zwischenkühlers 7 wird durch Steuern der CO2-Gastemperatur am Auslass des Gaskühlers 2 gesteuert.
  • Wenn in der Praxis beispielsweise die Auslasstemperatur des Gaskühlers 2 40°C beträgt und der Auslassdruck des Gaskühlers 2 weniger als 0,7 MPa ist, absorbiert der Kompressor 1 das CO2-Gas aus dem Zwischenkühler 7 und trägt das CO2-Gas zum Gaskühler 2 aus. Dadurch erhöht sich der Auslassdruck des Gaskühlers 2 (wie durch b'→c'→b"→c" in 3 gezeigt ist). Wenn der Auslassdruck des Gaskühlers 2 etwa 10,7 MPa (B – C) übersteigt, öffnet sich das Drucksteuerventil 3, so dass das CO2-Gas in die Gas-Flüssigkeits-Doppelphase CO2 verwandelt wird (C – D), und das so umgewandelte Gas-Flüssigkeits- CO2 in den Verdampfer 4 strömt. Das CO2 wird im Verdampfer 4 verdampft (D – A) und kehrt nach dem Kühlen von Luft wieder zum Zwischenkühler zurück. In dieser Zeitspanne wird das Drucksteuerventil 3 wieder geschlossen, da der Auslassdruck des Gaskühlers 2 wieder reduziert ist.
  • Das heißt, der CO2-Zyklus ist das System, das zum Kühlen von Luft durch Reduzieren des Drucks und Verdampfen von CO2 verwendet wird, nachdem der Auslassdruck des Gaskühlers 2 durch Schließen des Drucksteuerventils 3 auf einen vorbestimmten Druck angehoben wurde.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird das Hochdrucksteuerventil 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so betrieben, dass es sich nach Anheben des Auslassdrucks des Gaskühlers 3 um einen vorbestimmten Betrag öffnet, wobei die Steuercharakteristik des Hochdrucksteuerventils 3 weitgehend von der Druckcharakteristik des abgedichteten Raums des Hochdrucksteuerventils 3 abhängt.
  • Wie in 3 gezeigt ist, koinzidiert die isopyknische Linie bei 600 kg/cm2 in der überkritischen Zone annähernd mit der oben beschriebenen optimalen Steuerlinie ηmax. Da das Drucksteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung den Druck am Auslaß des Gaskühlers 2 in etwa entlang der optimalen Steuerlinie ηmax anhebt, ist es möglich, den CO2-Zyklus wirksam auch in der überkritischen Zone zu betreiben. Wenn der Druck niedriger ist als in der überkritischen Zone, obwohl die isopyknische Linie bei 600 kg/cm2 merklich von der optimalen Steuerlinie ηmax abweicht, befindet sich der Druck außerdem in der Kondensationszone, und der Innendruck des abgedichteten Raums variiert mit der gesättigten Flüssigkeitslinie SL. Außerdem ist es in der Praxis vorzuziehen, CO2 in den abgedichteten Raum innerhalb eines Druckbereichs von der gesättigten Flüssigkeitsdichte bei 0°C bis zur gesättigten Flüssigkeitsdichte an dem kritischen Punkt von CO2 zu füllen.
  • Als nächstes wird eine automatische Steuerung einer zirkulierenden Kühlmittelmenge, d.h. eines der Merkmale der vorliegenden Ausführungsform, beschrieben.
  • Wenn zunächst die Kühltemperatur am Auslaß des Gaskühlers 2 gesenkt wird, erhöht sich der Druck des Kühlmittels zwischen dem Drucksteuerventil 3 und dem Membranwiderstand 4a um die Zunahme der Öffnung des Drucksteuerventils 3, um den hochdruckseitigen Druck zu reduzieren, um so den maximalen Leistungsfaktor des überkritischen Dampfkompressionszyklus zu erhalten. Dadurch strömt ein Teil des Kühlmittels im Rohr 6 zwischen dem Drucksteuerventil 3 und dem Membranwiderstand 4a in das Flüssigkeitsreservoir 5 über das Verbindungsrohr 5b, und infolgedessen reduziert sich die zirkulierende Kühlmittelmenge in dem Zyklus.
  • Wenn die Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Gaskühlers 2 zunimmt, nimmt andererseits der Kühlmitteldruck im Rohr 6 zwischen dem Drucksteuerventil 3 und dem Membranwiderstand 4a durch Verkleinern der Öffnung des Drucksteuerventils 3 ab, um die Hochdruckseite so zu erhöhen, dass der maximale Leistungsfaktor des Kompressionszyklus überkritischen Dampfs erreicht wird. Dadurch strömt das Kühlmittel in dem Flüssigkeitsreservoir in das Rohr 6 zwischen dem Drucksteuerventil 3 und dem Membranwiderstand 4a über das Verbindungsrohr 5b, und infolgedessen erhöht sich automatisch die zirkulierende Kühlmittelmenge in dem Zyklus.
  • Wenn die Kapazität des Zyklus infolge der verringerten Menge des Kühlmittelausstoßes vom Verdampfer 4 mangelhaft ist, tritt das Kühlmittel, das aus dem Verdampfer 4 ausströmt, in einem überhitzten Zustand ein. Der Durchgang eines solchen überhitzten Kühlmittels durch das Flüssigkeitsreservoir 5 ermöglicht die Erwärmung des Kühlmittels im Reservoir 5, und wenn der Druck des flüssigen Kühlmittels den Sättigungsdruck übersteigt, strömt das flüssige Kühlmittel in das Rohr 6 zwischen dem Drucksteuerventil 3 und dem Membranwiderstand 4a über das Verbindungsrohr 5, was eine Zunahme der zirkulierenden Kühlmittelmenge im Zyklus und eine Steigerung der Kapazität des Zyklus ergibt.
  • Wenn die von dem Verdampfer 4 ausgestoßene Kühlmittelmenge zunimmt und die Kapazität des Zyklus übermäßig groß wird, kühlt das Kühlmittel von dem Verdampfer 4 das flüssige Kühlmittel im Reservoir 5 beim Durchströmen, und das so gekühlte Kühlmittel, weist einen reduzierten Druck im Vergleich mit dem in das Reservoir 5 über das Verbindungsrohr 5b eingegebenen gesättigten Druck auf, was eine Reduzierung der zirkulierenden Kühlmittelmenge im Zyklus und eine Reduzierung der Kapazität des Zyklus ergibt.
  • Da der Kompressionszyklus überkritischen Dampfs der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben aufgebaut ist, und da der Auslassdruck des Gaskühlers (Hochdruckseite) entsprechend der Kühltemperatur am Auslass des Gaskühlers gesteuert wird, kann die Kühlwirkung des Gaskühlers verbessert werden. Die Menge des zirkulierenden Kühlmittels kann außerdem entsprechend der Steuerung der Hochdruckseite (erforderliche Menge des zirkulierenden Kühlmittels nimmt zu, wenn die Hochdruckseite zunimmt) automatisch gesteuert werden, so dass es möglich ist, sich die Mühe des Einstellens der Öffnung des Drosselventils zu ersparen.
  • Wie im zweiten Aspekt beschrieben wurde, ermöglicht das Bereitstellen des Zwischenkühlers zur Ausführung eines Wärmeaustauschs zwischen dem flüssigen Kühlmittel und dem gasförmigen Kühlmittel nach dem Verdampfen durch den Verdampfer eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend einer Anforderung, die Kapazität des Dampfkompressions-Kühlzyklus zu erhöhen.
  • Wie im dritten Aspekt beschrieben wurde, wird der vorliegende Zyklus vorzugsweise auf den Kompressionszyklus überkritischen Dampfs mit Kohlendioxid angewandt.

Claims (4)

  1. Kompressionszyklus überkritischen Dampfs, versehen mit einem Kompressor, einem Gaskühler, einer Membranvorrichtung und einem Verdampfer, die in Reihe mit einer Rohrleitung verbunden sind, um so einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, der mit überkritischem Dampf an der Hochdruckseite in dem Dampfkompressionszyklus zu betreiben ist, mit: einem Drucksteuerventil, das zwischen dem Gaskühler und der Membranvorrichtung vorgesehen ist, um einen Druck an einem Auslaß des Gaskühlers zu steuern, einem Reservoir, das eine Rohrleitung vom Auslaß des Verdampfers durchsetzt, zum Speichern eines flüssigen Kühlmittels, und einer Verbindungsrohrleitung zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem Boden des Reservoirs und der das Drucksteuerventil mit der Membranvorrichtung verbindenden Rohrleitung.
  2. Kompressionszyklus überkritischen Dampfs nach Anspruch 1, wobei der Kompressionszyklus überkritischen Dampfs ferner einen Zwischenkühler zur Durchführung eines Wärmeaustauschs zwischen dem flüssigen Kühlmittel, das den Verdampfer durchströmt hat, und dem Gaskühlmittel, das den Verdampfer durchströmt hat, aufweist, wobei das Drucksteuerventil an einem Rohrleitungsauslaß von dem Auslaß des Zwischenkühlers angeordnet ist.
  3. Kompressionszyklus überkritischen Dampfs nach Anspruch 1, wobei das in dem Zyklus verwendete Kühlmittel Kohlendioxid ist.
  4. Kompressionszyklus überkritischen Dampfs nach Anspruch 2, wobei das in dem Zyklus verwendete Kühlmittel Kohlendioxid ist.
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