DE69634942T2

DE69634942T2 - Regelkreis für Latenzkühlmittel für Klimaanlage

Info

Publication number: DE69634942T2
Application number: DE69634942T
Authority: DE
Inventors: Ruddy C. Chittenango Bussjager; James M. Pompey McKallip; Lester N. East Syracuse Miller
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2016-08-24
Also published as: BR9603558A; CN1120336C; DE69634942D1; DK0760452T3; NZ286955A; MX9603239A; KR100222625B1; EP0760452A3; AU706129B2; EP0760452A2; DE760452T1; MY112519A; SG90011A1; KR970011768A; CN1149694A; US5622057A; AR003394A1; JP2761379B2; JPH09119748A; AU6428796A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdichtungs-/Entspannungskühlung, und betrifft insbesondere Klimaanlagensysteme, bei denen ein Unterkühler verwendet wird, die relative Feuchtigkeit zu reduzieren, d.h. das Maß an latenter Kühlung in der Luft, die den Innenraumluft-Verdampfer verläßt, zu vergrößern.
Ein-Fluid-zwei-Phasen-Klima- und Kälteanlagensysteme verwenden in der Regel einen Verdichter, der das Zweiphasen-Arbeitsfluid als Dampf mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck erhält und es als Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck abgibt. Das Arbeitsfluid wird dann einer Verflüssiger-Rohrschlange oder einem Wärmetauscher im Außenbereich zugeleitet, in der oder dem von dem Arbeitsfluid die Kompressionswärme an die Außenluft abgegeben wird, und das Arbeitsfluid von Dampf zu Flüssigkeit kondensiert wird. Diese unter hohem Druck stehende Flüssigkeit wird dann durch eine Entspannungsvorrichtung, z.B. über ein festes oder ein einstellbares Expansionsventil oder über eine Öffnung zur Druckminderung, geführt und gelangt dann in eine Innenraum-Verdampfer-Rohrschlange bei niedrigem Druck. An diesem Punkt liegt das Arbeitsfluid als Zweiphasengemisch vor (und enthält sowohl eine Flüssigkeits- als auch eine Dampfphase) und nimmt Wärme aus der Innenraumluft, der Luft der Komfortzone, auf, so dass die flüssige Phase in Dampf umgewandelt wird. Das schließt den Kreis, und der Dampf kehrt zur Saugseite des Verdichters zurück.
Wenn warme Innenraumluft durch die Verdampfer-Rohrschlange strömt, wird ihre Temperatur erniedrigt, während sie Wärme an die kalte Verdampfer-Rohrschlange abgibt. Wenn die Lufttemperatur auf oder unter den Taupunkt reduziert wird, kondensiert Feuchtigkeit an der Verdampfer-Rohrschlange und wird der Innenraumluft entzogen. Die tatsächliche Temperatur der ausströmenden Luft wird gesenkt (d.h. fühlbare Abkühlung), und der Luft wird auch Feuchtigkeit entzogen (d.h. latente Kühlung). Das Maß der latenten Kühlung, oder Entfeuchtung, hängt davon ab, ob die Feuchtigkeit in der Innenraumluft die Luft verläßt und an der Verdampfer-Rohrschlange kondensiert.
Die Kondensation von Wasserdampf in der Innenraumluft findet nur statt, wenn die Temperatur der Verdampfer-Rohrschlange unterhalb dem Taupunkt der durchströmenden Luft liegt, wobei der Taupunkt als die Temperatur verstanden werden soll, bei der das Wasser in der Luft kondensiert.
Derzeit übliche Standards für die Innenraumluftqualität betonen den Bedarf für kontrollierte Feuchte in Räumen, in denen sich Menschen aufhalten. Hoher Feuchte wird ein entscheidender Beitrag zum Wachstum von patogenen oder allergenen Organismen zugeschrieben. Vorzugsweise sollte die relative Feuchte in einem Raum auf 30% bis 60% gehalten werden. Zusätzlich zu nachteiligen Effekten auf das menschliche Wohlbefinden und die menschliche Gesundheit kann eine hohe Feuchte zu einer schlechte Produktqualität in vielen Produktionsprozessen beitragen und viele Kühlsysteme, wie offene Gefriertruhen in Supermärkten, ineffizient machen. Eine hohe Feuchte kann auch wertvolle Kunstwerke, Bibliotheks-Bücher oder Archiv-Dokumente zerstören.
Unter sehr warmen, feuchten Bedingungen kann eine konventionelle Klimaanlage wie soeben beschrieben das meiste ihrer Kühlkapazität dafür aufbrauchen, die Luft bis auf den Taupunkt abzukühlen (fühlbare Abkühlung), und sie wird wenig verbleibende Kapazität für Entfeuchtung haben (latente Kühlung).
Es war die herkömmliche Herangehensweise an das Problem, große Mengen an Feuchte in einer heißen, feuchten Umgebung zu entfernen, die Klimaanlage länger zu betreiben, durch Heruntersetzen der Thermostat-Sollwert-Einstellung und Weiter-herunter-Kühlen der Luft. Dies bedeutet natürlich, dass die Klimaanlage länger in Betrieb sein muß und mehr Energie verbraucht. Zusätzlich führt diese Praxis dazu, dass unangenehm kalte Luft auf die Personen in der Innenraum-Komfortzone geblasen wird. Im Ergebnis senkt ein zu weites Herunterkühlen die Temperatur der Verdampfer-Rohrschlange, um mehr Kondensation an der Rohrschlange zu erlauben. Jedoch macht dies die Zuführluft zu kalt für menschliches Wohlbefinden. Um eine angenehme Temperatur der Innenraumluft wiederherzustellen, ist es manchmal die Praxis, die ausstretende Zuführluft wieder aufzuwärmen, bevor sie in die Komfortzone zurückgeführt wird. Die Innenraumluft-Temperatur wird auf ein angenehmes Niveau angehoben, indem entweder ein Heizelement oder eine Rohrschlange benutzt wird, die den heißen verdichteten Dampf aus dem Verdichter führt, um die Temperatur der zu weit abgekühlten Luft zu erhöhen (und die relative Feuchte zu reduzieren). Sowohl im Falle des Heizelements als auch der heißen Dampf führenden Rohrschlange, wird mehr Energie benötigt.
Zur Erhöhung der latenten Kühlung eines Klimaanlagensystems bei niedrigen Energiekosten wurde kürzlich ein Wärmerohr vorgeschlagen. Ein Wärmerohr ist eine einfache, passive Anordnung von untereinander verbundenen Wärmetauscher-Rohrschlangen, die ein Wärmeübertragungsmedium enthalten (üblicherweise ein Kältemittel wie R-22). Ein Wärmerohrsystem kann die Entfeuchtungskapazität eines Klimaanlagensystems erhöhen und den Energieverbrauch im Vergleich zu der vorstehend beschriebenen Praxis der zu weiten Abkühlung und Wiedererwärmung reduzieren. Das Wärmerohrsystem ist attraktiv, weil es Wärme von einem Punkt zu einem anderen übertragen kann, ohne Notwendigkeit einer Energiezufuhr. Ein Wärmetauscher des Wärmerohrs wird in der war men Luft plaziert, die in den Verdampfer eintritt, und der andere Wärmetauscher wird in der kalten Luft plaziert, die den Verdampfer verläßt. Die eintretende Luft erwärmt das Kühlmittel am einlaßseitigen Wärmetauscher des Wärmerohrsystems, und der Kühlmitteldampf bewegt sich zum auslaßseitigen Wärmetauscher, wo er seine Wärme an die austretende Luft abgibt und kondensiert. Dann wird das kondensierte Kühlmittel zurückgeführt, durch Gravitation oder Kapillarkräfte, zurück zum einlaßseitigen Wärmetauscher, und der Kreislauf wird fortgesetzt.
Das in eine Klimaanlage eingebaute Wärmerohrsystem kann das Maß an latenter Kühlung erhöhen und dabei die fühlbare Abkühlung bei dem bevorzugten angenehmen Thermostat-Sollwert halten. Unter Umständen, bei denen der Bedarf für Feuchtigkeitsentfernung hoch ist, oder wo es entscheidend ist, die relative Feuchte unter einem bestimmten Wert zu halten, kann eine Standardklimaanlage möglicherweise nicht in der Lage sein, hohe Temperatur- und hohe Feuchtekühllasten effektiv zu bewältigen. Eine um ein Wärmerohr erweiterte Klimaanlage kühlt jedoch die eintretende Luft bevor diese die Verdampfer-Rohrschlange der Klimaanlage erreicht. Der Wärmetauscher an der Eingangsseite des Wärmerohrs kühlt die eintretende Luft vor, so dass weniger fühlbare Abkühlung für die Verdampfer-Rohrschlange erforderlich ist, wodurch eine größere Kapazität für die latente Kühlung bzw. für die Entfeuchtung übrig bleibt. Die Innenraum-Zuführluft, die den Verdampfer verläßt und kälter ist als die gewünschte Temperatur, kondensiert den Dampf in dem Wärmetauscher an der Ausgangsseite des Wärmerohrs, wodurch die Temperatur der Zuführluft auf die gewünschte Komforttemperatur zurück gebracht wird.
Obwohl die Wärmerohr-Anordung bestimmte Vorteile hat, wie Passivität und Einfachheit, hat sie auch Nachteile. Zum Beispiel ist das Wärmerohr immer Teil des Kreislaufs und kann nicht einfach abgeschaltet werden, auch nicht wenn eine erhöhte fühlbare Abkühlung ohne Entfeuchtung angefordert wird. Außer dem kann der Innenraumluft-Durchfluß signifikant beschränkt sein, weil zwei Wärmetauscher-Rohrschlangen des Wärmerohrs zusätzlich zur Verdampfer-Rohrschlange in dem Weg der Innenraumluft angeordnet sind. Auch kann es schwierig sein, eine existierende Klimaanlage nachzurüsten, dass die beiden zusätzlichen Rohrschlangen im gleichen Gehäuse wie der Verdampfer Platz finden, und verhältnismäßig oft muß eine beachtliche Menge der Ausrüstung neu positioniert werden und das Gehäuse vergrößert werden, um das Wärmerohr aufzunehmen.
WO-A-95/10742 beschreibt ein Klimaanlagensystem, welches die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Klimaanlagensystem mit einem kontrollierbaren Mechanismus zur Erhöhung der Latent-Kühl-Kapazität einer Klimaanlage zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Unterkühler-Wärmetauscher an der Ausgangsseite der Innenraum-Verdampfer-Rohrschlange positioniert. Der Unterkühler-Wärmetauscher weist einen Einlaß auf, der mit der Auslaßseite des Verdampfer-Wärmetauschers verbunden ist, so dass das flüssige Kühlmittel unter hohem Druck in den Unterkühler-Wärmetauscher einströmt. Letzterer weist auch einen Auslaß auf, der über einen Durchflussbegrenzer und dann über die Expansionsvorrichtung mit der Verdampfer-Rohrschlange verbunden ist. Eine Bypass-Flüssigkeitsleitung verbindet den Kondensator mit der Expansionsvorrichtung direkt mit der Verdampfer-Rohrschlange und es gibt ein Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil, das in der Bypass-Flüssigkeitsleitung zwischengeschaltet ist. Wenn normales Kühlen angefordert wird (d.h. Entfeuchten ist nicht nötig), ist das Flüssigkeitsleitungs-Solenoidven til geöffnet und das Kühlmittel strömt über den Bypass am Unterkühler vorbei. Wenn jedoch beides gefragt ist, Kühlen und Entfeuchten, z.B. wenn ein Hygrostat eine hohe relative Feuchte anzeigt, wird das Solenoidventil geschlossen und das flüssige Kühlmittel wird durch den Unterkühler geführt. In diesem Fall hat dies den Effekt, dass das flüssige Kühlmittel in der kalten ausströmenden Luft unterkühlt wird, wodurch die Kühlkapazität des Kühlmittels erhöht wird. Danach wird das unterkühlte Kühlmittel in den Verdampfer eingespeist, der die Innenraumluft auf eine gewünschte Verdunstungsthermometer-Temperatur abkühlt und Feuchtigkeit bis zu dieser Temperatur kondensiert. Dann wird die ausströmende Luft durch den Unterkühler geleitet, wodurch die ausströmende Innenraumluft oder Zuführluft auf die gewünscht Innenraum-Komforttemperatur gebracht wird.
Wenn der Unterkühler in dem Kreislauf ist, gibt es einen ersten Druckabfall über die Durchflussbegrenzer-Vorrichtung für die unterkühlte Flüssigkeit, die den Unterkühler verläßt, und dann einen zweiten Druckabfall über die Expansionsvorrichtung für die Flüssigkeit, die in die Verdampfer-Rohrschlange eintritt. Wenn das Solenoid angesteuert wird, um das flüssige Kühlmittel über den Bypass am Unterkühler vorbei zu leiten, erzeugt die Durchflussbegrenzer-Vorrichtung einen Strömungsweg mit einem viel höheren Strömungswiderstand für die unterkühlte Flüssigkeit, so dass der überwiegende Anteil des flüssigen Kühlmittels direkt vom Kondensator durch die Expansionsvorrichtung in die Verdampfer-Rohrschlange strömt. Bevorzugt ist das Solenoid so konfiguriert, dass sich im Falle eines Ausfalls der Flüssigkeitsstrom im Bypass-Modus befindet. Das Solenoidventil kann über Netzstrom versorgt werden (z.B. 120 V Wechselstrom) oder über eine Thermostat mit Energie versorgt werden (z.B. 24 V Wechselstrom).
Die Klimaanlageneinrichtung wird über ein Thermostat mit einer Kühlleitung kontrolliert, welche jedesmal, wenn ein Soll-Temperaturwert für das Kühlen er reicht oder überschritten wird, ein Signal liefert, um den Verdichter anzusteuern. Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung ist eine Feuchtekontrolleitung mit der Thermostat-Kühlleitung gekoppelt, und beinhaltet ein Hygrostat in Reihe mit dem Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil oder mit einem Steuer-Relay, welches das Solenoidventil ansteuert. Die Feuchtekontrolleitung kann auch einen Niederdruck-Schalter aufweisen, der in Strömungsverbindung mit der Saugseite des Verdichters steht, um einen Niederdruck-Zustand an der Saugseite des Verdichters zu erfassen, der ein Indikator für Reif oder Eis am Verdampfer sein könnte.
Die Klimaanlage kann ein Zweistufen-Thermostat aufweisen, wobei eine zweite Kühlleitung energiebeaufschlagt wird, wenn ein zweiter, höherer Sollwert erreicht wird. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die Steuerung für die Feuchtereduktion ein Steuer-Relay umfassen, das mit der zweiten Kühlleitung verbunden ist und Stromleitungen für die Energieversorgung aufweist, die mit der Feuchte-Kontrolleitung in Reihe geschaltet sind. Bei einer anderen möglichen Ausführungsform kann die Klimaanlage zwei separate Klimaanlagensysteme umfassen, wobei jedes seinen eigenen Verdichter, Kondensator, seine eigene Expansionsvorrichtung, seinen eigenen Verdampfer und Unterkühler hat, wobei ein Klimaanlagensystem von der ersten Kühlleitung und das andere Klimaanlagensystem von der zweiten Kühlleitung angesteuert wird.
Die obigen und eine Reihe weiterer Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden durch die nun folgende Beschreibung ausgewählter bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren zu betrachten sind.
1 ist eine schematische Ansicht eines Klimaanlagensystems, das eine Wärmerohr-Erweiterung entsprechend dem Stand der Technik verwendet.
2 ist eine schematische Ansicht eines Klimaanlagensystems, das einen Unterkühler entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung verwendet.
3 zeigt einen Thermostat-Kontrollkreis, der in Verbindung mit einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
4 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise dieser Ausführungsform.
5 zeigt einen Thermostat-Kontrollkreis, der in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
6 ist eine schematische Ansicht eines Klimaanlagensystems, das einen Unterkühler entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet.
Es wird auf die Figuren und beginnend mit der 1 Bezug genommen. Ein Klimaanlagensystem 10 ist konfiguriert, damit es eine Klimatisierung und eine Entfeuchtung für eine Innenraum-Komfortzone zur Verfügung stellt. Das System 10 könnte mit einigen Veränderungen, die einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, auch als Wärmepumpe konfiguriert sein, um die Innenraum-Komfortzone zu heizen und auch heißes Wasser zu liefern. Hier in diesem Klimaanlagensystem 10 erhält ein Verdichter 12 einen Kühlmitteldampf mit niedrigem Druck an einem saugseitigen Einlaß S und gibt den Kühlmitteldampf mit hohem Druck über einen Auslaß oder Druckanschluss D ab. Der verdichtete Kühlmitteldampf gelangt vom Verdichter entlang einer Druckleitung 14 zu einem Kondensator-Wärmetauscher 16 im Außenbereich. In dem Kondenator gibt der Kühlmitteldampf seine Wärme an die Außenluft ab und kondensiert zu einer Flüssigkeit. Das flüssige Kühlmittel gelangt vom Kondensator-Wärmetauscher 16 unter hohem Druck stehend über eine Flüssigkeitsleitung 18 zu einer Expansionsvor richtung 20 und dann in eine Innenraumluft-Kühl-Rohrschlange oder einen Verdampfer-Wärmetauscher 22. Die Expansionsvorrichtung kann irgendeine geeignete Drosselvorrichtung sein, die dem Verdampfer 22 das Kühlmittel als Zwei-Phasen-Fluid (sowohl Flüssigkeit als auch Dampf) unter niedrigem Druck liefert. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform kann die Expansionsvorrichtung 20 ein Paar von voneinander beabstandeten Öffnungsplatten sein (z.B. sog. „Dixie cups"), die in den Einlaß zum Verdampfer gelötet sind. Der Verdampfer-Wärmetauscher ist eine Rohrschlange, in der das Kühlmittel Wärme aus einem Strom 24 der Innenraumluft aufnimmt, der über die Rohrschlange strömt und in die Innenraum-Komfortzone des Gebäudes zurückgeführt wird. Eine Dampfleitung 26 führt den Dampf vom Verdampfer-Wärmetauscher 22 zurück zur saugseitigen Öffnung S des Verdichters, von wo aus der Verdichtungs-Kondensations-Expansions-Verdampfungs- Kreislauf von neuem beginnt.
Bei dem Klimaanlagensystem der 1 wird das Entfeuchten durch die Verwendung einer aus Wärmerohranordnung 30 gemäß dem Stand der Technik erreicht. Die Wärmerohranordnung steht mit der Kühlrohrschlange oder mit dem Verdampfer-Wärmetauscher 22 in Verbindung und weist ein Paar von Wärmetauscher-Rohrschlangen und Verbindungsleitungen auf, wobei eine Eintrittsluft-Rohrschlange 32 an dem Innenraumluftstrom 24 an der Eintritts- oder der Rückflussseite der Verdampferrohrschlange 22 angeordnet ist, und wobei eine Austrittsluft-Rohrschlange 34 an der Austrittsluft- oder Zuführseite der Rohrschlange 22 vorgesehen ist. Verbindungsleitungen 36 erlauben die Überleitung eines Arbeitsfluids (üblicherweise ein Kühlmittel) zwischen den beiden Rohrschlangen 32 und 34. Die Wärmerohranordnung 30 absorbiert Wärme aus der eintretenden Raumluft bei relativ hoher Feuchte und verringert ein wenig die Kühllast der Verdampfer-Rohrschlange 22 und überträgt die Wärme an die austretende Luft. Zum Beispiel kann die eintretende Raumluft im Luftstrom 24 eine Temperatur von 78 Grad (Fahrenheit) aufweisen und die Wärmerohr-Rohrschlange 32 reduziert die fühlbare Temperatur der eintretenden Luft auf ca. 69 Grad. Dies erniedrigt die Trockentemperatur (dry-bulb temperature) der eintretenden Luft und bringt die eintretende Luft ihrem Taupunkt näher. Der Verdampfer-Wärmetauscher 22 kühlt den Luftstrom auf eine Temperatur von 49 Grad ab und kondensiert die Feuchtigkeit, die sich in einer Auffangwanne sammelt (nicht dargestellt). Dann wird die zu weit abgekühlte austretende Luft durch die Wärmerohr-Rohrschlange 34 geführt und ihre fühlbare Temperatur wird auf ein angenehmeres Niveau zurückgebracht, z.B. auf 59 Grad. Die Verdunstungsthermometer-Temperatur (wet-bulb temperature) bleibt bei 49 Grad, womit die relative Feuchte der Innenraumluft weit unter den Wert gebracht wird, der ohne die Wärmerohranordnung 30 erreicht worden wäre.
Die hier beschriebene Wärmerohranordnung hat die attraktive Eigenschaft der Einfachheit, dass sie keine beweglichen Teile benötigt, relativ niedrige Kosten und geringen Wartungsaufwand. Wärmerohranordnungen können in bestehende Anlagen nachgerüstet werden, auch wenn in den meisten Fällen manche Veränderung an der Anlage notwendig ist, um die Rohrschlangen 32 und 34 in den vorgesehenen Raum der existierenden Anlage einzupassen. Andererseits ist die Wärmerohranordnung fest in den Kreislauf integriert und kann nicht abgeschaltet werden, z.B. wenn zusätzliche fühlbare Abkühlung gebraucht wird, jedoch eine Entfeuchtung nicht nötig oder nicht wichtig ist. Es gibt keine elektrischen oder mechanischen Steuerungen bei der Wärmerohranordnung. Auch kann tatsächlich unter bestimmten Umständen Feuchte an der Wärmerohr-Rohrschlange 32 für einströmende Luft kondensieren, was zur Folge hat, dass das Kondensat in das Gehäuse der Anlage tropft. Auch ist es offensichtlich, dass der Innenraumluftstrom durch drei Rohrschlangen passieren muss, namentlich durch die Wärmerohr-Rohrschlangen 32 und 34 zusätzlich zur Verdampfer-Rohrschlange 22, wodurch die Last am Innenraumluft-Gebläse erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den Problemen, die Wärmerohrsysteme mit sich bringen und erlaubt, dass das Klimaanlagensystem eine zusätzliche Feuchteentfernung erzielt, wenn diese gebraucht wird, aber auch ein Standardmaß an latenter Kühlung, d.h. mehr fühlbare Abkühlung, wenn die Feuchtekontrolle weniger wichtig ist, erreicht.
Ein Klimaanlagensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt, in der die Elemente oder Teile, die bereits vorangehend mit Bezugnahme auf die 1 beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Entsprechend ist es nicht nötig, eine detaillierte Beschreibung des Basis-Klimaanlagensystems zu wiederholen. Bei dieser Ausführungsform weist das Klimaanlagensystem statt einer Wärmerohranordnung eine Unterkühleranordnung 40 zur Unterkühlung des flüssigen Kühlmittels in der aus dem Verdampfer 22 austretenden Innenraumluft auf. Die Hochdruck-Flüssigkeitsleitung 18 ist mit einer Unterkühler-Abzweigleitung 42 verbunden, die das flüssige Kühlmittel einer Unterkühler-Wärmetauscherrohrschlange 44 zuführt, die im Innenraumluftstrom 24 an der Auslaßseite der Verdampfer-Rohrschlange 22 positioniert ist. Diese Rohrschlange 44 kühlt das kondensierte flüssige Kühlmittel und führt die unterkühlte Flüssigkeit durch eine Leitung 46 für unterkühlte Flüssigkeit dem Verdampfer zu. Die Leitung 46 enthält einen Durchflussbegrenzer 48, in diesem Fall ein fester Durchflussbegrenzer. Die unterkühlte Flüssigkeit passiert nacheinander den Durchflussbegrenzer 48 und dann die Expansionsvorrichtung 20, um dann in die Verdampfer-Rohrschlange 22 als Zwei-Phasen-Gemisch einzutreten. Ein mögliches Beispiel für einen Durchflussbegrenzer ist bei Honnold, Jr., U.S. Pat. No. 3,877,248 beschrieben, obwohl auch eine Reihe anderer Vorrichtungen zur Durchflussbegrenzung zu diesem Zweck verwendet werden können. Solch ein fester Durchflussbegrenzer kann ein sog. Accurator sein, worunter man eine bearbeitete Messing-Schnecke von ca. einem halben Inch (1,2 cm) Länge mit einer Durchbohrung von festgelegtem Durchmesser versteht. Der Durchmesser der Bohrung ist so gewählt, dass er zu einem vorgegebenen Kühlmittel und einem vorgegebenen Druckabfall passt, die zu einer vorgegebenen Betriebsbedingung korrespondieren. Der Körper des Accurators kann verändert sein, um den typischen Betriebsbedingungen für eine vorgegebene Klimaanlageninstallation zu entsprechen. Der Accurator muss sicherstellen, dass das Kühlmittel, das die Expansionsvorrichtung 20 erreicht, genügend verbleibenden Druck aufweist, um flüssig und nicht ein Zweiphasengemisch zu sein. Eine Flüssigkeits-Bypass-Leitung 50 verbindet die Flüssigkeitsleitung 18 mit der Expansionsvorrichtung 20 und der Verdampfer-Rohrschlange 22, und schafft einen Bypass an der der Unterkühler-Wärmetauscher-Rohrschlange 44 und am Durchflussbegrenzer 48 vorbei. In der Bypass-Leitung 50 ist ein Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil 52 vorgesehen, das angesteuert wird, um die Bypass-Leitung zu schließen, wenn Entfeuchten angefordert wird (zusätzliche latente Kühlung), und um sie zu öffnen, wenn normales Kühlen angefordert wird. Der feste Durchflussbegrenzer erzeugt einen reinen Druckabfall, um den Druck des flüssigen Kühlmittels auf einen Druck abzusenken, der für die bestehende Expansionsvorrichtung 20 akzeptabel ist. Dadurch ist es möglich, die Unterkühleranordnung 40 als „drop-in"-Erweiterung oder Zubehör mit wenig körperlicher Auswirkung auf das bestehende System 10 vorzusehen. Die Bypass-Leitung 50 und das Solenoid 52 werden dazu benutzt, die Kühlmittelflüssigkeit um den Unterkühler herum zu leiten, was es möglich macht, dass die Unterkühleranordnung 40 entweder in dem Kreislauf oder "außerhalb" des Kreislaufs ist. Wenn das Flüssigkeitsleitungs-Solenoid 52 offen ist, ist die Unterkühler-Rohrschlange 44 effektiv außerhalb des Kreislaufs. Der Kühlmittelstrom nimmt den Weg des geringsten Widerstandes entlang der Bypass-Leitung 50, während der Durchflussbegrenzer 46 einen Widerstand erzeugt, der den Durchfluss durch die Unterkühler-Rohrschlange 44 auf einem nicht-signifikanten Maß hält. Andererseits wird das gesamte flüssige Kühlmittel durch die Unterkühler-Rohrschlange 44 geleitet, wenn das Solenoidventil 52 geschlossen ist. Wenn das Bypass-Solenoidventil 52 offen ist und die Unterkühler-Rohrschlange außerhalb des Kreislaufs ist, ist es dem System möglich, seinen vol len Effekt der fühlbaren Abkühlung zu erreichen, ohne zusätzlichen latenten Kühleffekt. Dann wird das Bypass-Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil 52 geschlossen, das Kühlmittel fließt durch die Unterkühler-Rohrschlange 44, und die Verdampfer-Rohrschlange 22 und die Unterkühler-Rohrschlange 44 erzeugen den vollen Entfeuchtungseffekt.
Wenn die Unterkühleranordnung 40 "in" dem Kreislauf ist, wärmt die Unterkühler-Rohrschlange 44 die Luft, die die Verdampfer-Rohrschlange 22 verläßt und unterkühlt das flüssige Kühlmittel, das von der Kondensator-Rohrschlange 16 zugeführt wird. Die unterkühlte Kühlmittelflüssigkeit erfährt einen Druckabfall durch den Durchflussbegrenzer 48 und strömt dann durch die Drosselvorichtung oder durch die Expansionsvorrichtung 20 und tritt in die Verdampfer- oder Kühlrohrschlange 22 ein. Der Innenraumluftstrom wird auf eine passende niedrige Temperatur, z.B. 49 Grad Fahrenheit, gekühlt, wie vorstehend besprochen, und Feuchtigkeit wird aus der Innenraumluft auskondensiert. Dann erwärmt die Unterkühler-Rohrschlange 44 die austretende Luft, um die fühlbare Temperatur auf ein angenehmes Niveau zurück zu bringen, z.B. auf 59 Grad.
Das Klimaanlagensystem 10 verwendet hier auch einen Verdichter-Niederdruckschalter 54, der mit der Dampfrückleitung 26 in Wirkverbindung steht und erfasst, wenn der Saugdruck des Verdichers zu niedrig ist, um vor Anfrierungen am Verdampfer zu schützen.
Die Thermostat-Kontrollanordnung für eine hoch latente Kühlmittelsteuerung kann anhand von 3 erläutert werden. Eine Thermostatvorrichtung 60, die in der Komfortzone des Gebäudes angebracht ist, wird in Verbindung mit einem Umwandler 62 benutzt, der eine 24 Volt-Wechselstrom-Umwandlerspannung bereitstellt. Die Netzspannung von 120 Volt Wechselstrom ist auch verfügbar und versorgt den Umwandler 62. Das Thermostat weist eine Rückleitung R zum Umwandler 62, eine Gebläseleitung G zum Relay des Innenraumgebläses (nicht dargestellt) und eine Kühlleitung Y₁, die den Verdichter und den Kontaktgeber für das Gebläse im Außenbereich (nicht dargestellt) kontrolliert, wobei der Verdichter 12 angesteuert wird, wenn ein vorher bestimmter Kühl-Sollwert erreicht oder überschritten wird und Kühlen angefordert wird. Eine Feuchtekontrolleitung 64 ist mit der Kühlleitung Y₁ verknüpft und verbindet in Reihe den Niederdruck-Schalter 54 und ein in dem Komfortraum an der Wand befestigten Hygrostat 66. In dieser Ausführungsform ist ferner ein Kontroll-Relay 68 in Reihe in der Feuchtekontrolleitung 64 angebracht, das AusgangsStromleitungen aufweist, die das Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil 52 mit Netzspannung versorgen. Wenn jedoch der 24 Volt-Umwandler 62 genügend Leistung hat, kann das Solenoid-Relay 52 direkt von der Feuchtekontrolleitung mit Strom versorgt werden.
Der an der Wand befestigte Hygrostat 66 steuert das Bypass-Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil 52 direkt an und unterbricht die Ansteuerung, wodurch die Unterkühler-Rohrschlange 44 in den Kühlkreislauf eingebunden bzw. aus dem Kühlkreislauf herausgenommen wird. Wenn der Ansaugdruck des Verdichters sehr niedrig ist, wird der Niederdruckschalter diesen Zustand erkennen und die Unterkühler-Rohrschlange 44 aus dem Kreislauf herausnehmen, was dabei hilft Anfrierungen an der Verdampfer-Rohrschlange zu verhindern.
3 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Systems zur Erläuterung des Kühlmittel-Wärmeflusses im System, wobei generelle Systemverluste nicht berücksichtigt werden. Der Druck ist hier entlang der vertikalen Achse oder Ordinate aufgetragen und die Enthalpie ist entlang der horizontalen Achse oder Abszisse aufgetragen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel-Arbeitsmittel R22, wobei die Bereiche von Flüssigkeit, Dampf und Zweiphasengemisch generell so wie eingetragen bezeichnet sind. Die durchgezogene Linie repräsentiert den Betriebszustand der Klimaanlage mit der im Kreislauf eingebundenen Unterkühler-Rohrschlange 44 (hohe latente Kühlung), während die gestrichelte Li nie den Bypass-Betriebszustand darstellt (normale Kühlung). Der Punkt A steht für den Zustand des Kühlmittels beim Verlassen der Verdampfer-Rohrschlange 22 und beim Eintritt in den Verdichter 12. Der Punkt B steht für den Zustand des Kühlmittels beim Verlassen des Verdichters und beim Eintritt in den Kondensator 14. Im Kondensator wird die Enthalpie vermindert, zum Großteil durch die Kondensation in den flüssigen Zustand durch Abgabe von Wärme an die Außenluft. Am Punkt C verlässt das kondensierte Kühlmittel den Kondensator 14 und tritt in die Unterkühlers-Rohrschlange 44 ein. Im Unterkühler wird die Enthalpie des Kühlmittels durch die Verminderung der Temperatur der Flüssigkeit links von der Flüssigkeitssättigunglinie reduziert. Dann am Punkt D strömt die unterkühlte Kühlmittelflüssigkeit zum Druckbegrenzer 48 und erfährt eine Druckverminderung bis Punkt E, an dem die Flüssigkeit in die Drosselvorrichtung oder in die Expansionsvorrichtung 20 eintritt. Am Punkt F tritt das Kühlmittel in die Verdampfer-Rohrschlange 22 als Gemisch aus flüssiger Phase und dampfförmiger Phase bei niedrigem Druck ein. Beim Durchgang des Kühlmittels durch die Rohrschlange 22 verdampft das flüssige Kühlmittel bis nur Dampf die Rohrschlange verläßt und zur Saugseite des Verdichters (Punkt A) zurückkehrt.
Wenn das Bypass-Solenoid 52 offen ist und die Unterkühler-Rohrschlange 44 aus dem Kreislauf herausgenommen ist, dann folgt das Kühlmittel der Druck-Enthalpie-Kurve, die in der 4 gestrichelten Linie gezeichnet ist. Der Kühlmitteldampf tritt am Punkt A' in die Saugöffnung des Verdichters 12 ein und verläßt die Auslaßöffnung P des Verdichters am Punkt B' und tritt in den Kondensator 16 ein. Weil der Kreislauf nun die Unterkühler-Rohrschlange 44 und den Durchflussbegrenzer 48 umströmt, tritt das flüssige Kühlmittel am Punkt E' in die Expansionsvorrichtung 20 ein und wird am Punkt F' mit vermindertem Druck in die Verdampfer-Rohrschlange 22 abgegeben. Hier sollte man erkennen, dass an der Expansionsvorrichtung 20 in etwa der gleiche Druckabfall sowohl im Unterkühler-Betrieb (hohe latente Kühlung) (E bis F) als auch im Bypass-Betrieb (normale Abkühlung) (E' bis F') auftritt. Im Unterkühler-Betrieb ist das Kühlmittelfluid im Verdampfer und an der Saugöffnung des Verdichters bei einem etwas geringeren Druck als im Bypass-Betrieb. Das bedeutet, dass die Verdampfer-Rohrschlange im Kühlbetrieb mit hoher latenter Kühlung ein paar Grad kälter ist als im normalen Kühlbetrieb und so mehr Feuchte kondensiert wird und die Verdunstungsthermometer-Temperatur (wet-bulb temperature) der ausströmenden Luft auf einen niedrigeren Wert verringert wird, als der, der im Bypass-Betrieb erreicht wird.
In der 5 ist eine Thermostatsteuerung für ein Zwei-Stufen-System gezeigt. Elemente, die zu den in Zusammenhang mit der 3 beschriebenen Elementen korrespondieren, sind hier mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung dieser Elemente wird nicht wiederholt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Zwei-Stufen-Thermostat 160 einem Thermostat-Umformer zugeordnet und weist eine Rückleitung R, eine Gebläseleitung G und eine Kühlleitung Y₁ auf, wie vorstehend beschrieben. Zusätzlich gibt es eine zweite Kühlleitung Y₂, die angesteuert wird, wenn ein zweiter Temperatur-Sollwert erreicht oder überschritten wird, der höher liegt als der Sollwert für die Kühlleitung Y₁. Der Niederdruckschalter 54, der Hygrostat 66 und das Kontroll-Relay sind wie vorher an der Feuchtekontrolleitung 64 verbunden, die an die Kühlleitung Y₁ angebunden ist. Zusätzlich ist der Aktuator eines zweiten Kontroll-Relays 170 mit der zweiten Kühlleitung Y2 verbunden und seine Ausgangs-Stromleitungen sind in Reihe in der Feuchtekontrolleitung 64 verbunden.
Sollte in diesem Ausführungsbeispiel die Temperatur in den belegten Komfortraum über den zweiten, höheren Sollwert hinaus weiter ansteigen, wird der zweite Kühlzustand den hoch latenten Unterkühler überfahren und diesen außer Betrieb nehmen. Dies erlaubt es dem Klimaanlagensystem 10 seinen vollen fühlbaren Abkühleffekt zu erreichen. Dann, wenn der klimatisierte Raum auf eine akzeptable Temperatur unter dem oberen Sollwert zurückkehrt, ist dem zweiten Kühlzustand genüge getan und der Unterkühler darf wieder in den Kreislauf zurück kommen, sobald der Hygrostat 66 ein Entfeuchten anfordert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des verbesserten hoch latenten Kühlsystems ist in der 6 gezeigt. Hier sind die Elemente, die dieses Beispiel mit den Klimaanlagensystemen der 1 und 2 gemein hat, mit den gleichen Bezugszzeichen bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung wird weggelassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der operative Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2, dass der feste Durchflussbegrenzer 48 durch ein thermostatisches Expansionsventil 148 ersetzt ist. Das thermostatische Expansionsventil, oder TXV, ist ein bekanntes Bauteil, welches häufig als Entspannungsventil am Einlaß eines Verdampfers verwendet wird, wenngleich das TXV 148 in diesem Ausführungsbeispiel dazu benutzt wird, den Druck der kondensierten Flüssigkeit, die die Unterkühler-Rohrschlange 44 verläßt, zu reduzieren, bevor diese die Expansionsvorrichtung 20 erreicht, die mit der Verdampfer-Rohrschlange 22 in Verbindung steht. Das TXV 148 weist eine Ausgleichsleitung 150 auf, die mit der Niederdruck-Dampfleitung 26 gekoppelt ist, und eine Temperatur-Messeinrichtung 152, die in der Leitung 26 stromabwärts von der Verdampfer-Rohrschlange 22 und vor der Saugöffnung S des Verdichters 12 angebracht ist. Das TXV verändert die Strömung der unterkühlten Kühlmittelflüssigkeit in Übereinstimmung mit der Kühlmitteltemperatur und dem Saugdruck. Diese Anordnung stellt sicher, dass eine konstante Überhitzung in der Verdichteransaugung gegeben ist, so dass keine Verdichter-Flutung auftritt. Das TXV 148 senkt den Druck des Kühlmittels, hält jedoch den Druck über dem Punkt, an dem ein Zweiphasengemisch (Flüssigkeit und Dampf) existiert, d.h. in etwa auf dem Punkt E der 4. Die stromabwärts angeordnete Expansionsvorrichtung 20 dient dann dazu, den Druck des Kühlmittelfluids, welches in die Verdampfer-Rohrschlange eintritt, in den Punkt einer Zweiphasenströmung oder einer gedrosselten Strömung zu senken. Das erlaubt es der Unterkühleranordnung ein breites Spektrum von Lastfällen zur Klimatisierung und Entfeuchtung abzudecken, wobei akzeptable Betriebsbedingungen eingehalten werden.
Die Unterkühleranordnung 40 gemäß einer der Ausführungsformen dieser Erfindung kann als Zusatzmodifikation des Systems („drop-in"-Modifikation) vorgesehen sein, die einen sehr geringen Installationsaufwand benötigt und die leicht in einen verfügbaren Raum in existierenden Klimaanlagensystemen einzupassen ist. Da Feuchtekondensation lediglich an der vorhandenen Verdampfer-Rohrschlange auftritt, ist kein zusätzlicher Apparat zum Sammeln des Kondensats erforderlich. Die Unterkühleranordnung benötigt lediglich ein Anschrauben an der Unterkühler-Rohrschlange 44, ein Installieren der Rohrleitungen, die durch die Abzweige 42, 50 und 46 dargestellt sind, und die ziemlich einfachen elektrischen Verbindungen zum Thermostat wie in den 3 und 5 gezeigt.
Da lediglich die eine zusätzliche Rohrschlange 44 in den Strömungsweg 24 der Innenraumluft angebracht ist, ist die Last am Innenraumgebläse nicht nennenswert erhöht.

Claims

Klimaanlage mit kontrollierter latenter Kühlung, die Folgendes aufweist: einen Verdichter (12) mit einer Saugseite, dem ein Arbeitsfluid als Dampf bei niedriger Temperatur zugeführt wird, und einer Auslaßseite, an der das Arbeitsfluid als Hochdruck-Dampf mit erhöhter Temperatur abgegeben wird; einen Außen-Kondensator-Wärmetauscher (16), dem der Hochdruck-Dampf zur Abfuhr von Wärme von dem Arbeitsfluid an die Außenluft und zur Abgabe des Arbeitsfluids als eine Flüssigkeit unter hohem Druck zugeführt wird; eine Innenraum-Verdampfer-Rohrschlange (22), der über eine Flüssigkeitsleitung (18) von dem Kondensator-Wärmetauscher (16) das Arbeitsfluid unter hohem Druck zugeführt wird, aufweisend eine Expansionsventileinrichtung (20) zur Reduzierung des Drucks des Arbeitsfluids zu einer Flüssigkeit bei dem niedrigen Druck und eine Wärmetauschereinrichtung, in der von der Flüssigkeit bei niedrigem Druck Wärme aus einem Innenraumluftstrom absorbiert wird, so dass das Arbeitsfluid in einen Niederdruck-Dampf umgewandelt wird und der Niederdruck-Dampf zur Saugseite des genannten Verdichters (12) geleitet wird, und eine Einrichtung zum Reduzieren der relativen Feuchte der Innenraumluft, die die genannte Innenraum-Rohrschlange verläßt, aufweisend einen Unterkühler-Wärmetauscher (44), der einen Einlaß, der mit dem Kondensator-Wärmetauscher (16) in Verbindung steht, um die Flüssigkeit unter hohem Druck zu erhalten, und einen Auslaß aufweist, der mit der Expansionsventileinrichtung (20) des Innenraum-Verdampfers (22) in Verbindung steht, wobei der Unterkühler-Wärmetauscher (44) im Innenraumluftstrom positioniert ist, der die Innenraum-Verdampfer-Wärmetau scher-Einrichtung (22) verläßt, um das Arbeitsfluid zu unterkühlen und die Temperatur des ausströmenden Innenraumluftstroms zu erhöhen, und eine Kontrolleinrichtung, die arbeitsfähig ist, wenn Kühlen und Entfeuchten angefordert werden, das unter hohem Druck stehende flüssige Arbeitsfluid zuerst durch den Unterkühler-Wärmetauscher (44) und dann zur Innenraum-Verdampfer-Rohrschlange (22) zu leiten, und wenn lediglich Kühlen angefordert wird, den Unterkühler-Wärmetauscher (44) zu umgehen und das unter hohem Druck stehende flüssige Arbeitsfluid von dem Kondensator-Wärmetauscher (16) direkt zu der Verdampfer-Rohrschlange (22) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung (18) einen ersten Abzweig (50), der mit der Expansionsventileinrichtung (20) der Verdampfer-Rohrschlange in Verbindung steht, und einen zweiten Abzweig (42), der mit dem Einlaß des Unterkühler-Wärmetauschers (44) in Verbindung steht, hat, und eine zweite Flüssigkeitsleitung (46) den Auslaß des (genannten) Unterkühler-Wärmetauschers (44) mit der Expansionsventileinrichtung (20) der Verdampfer-Rohrschlange (22) verbindet, wobei die zweite Flüssigkeitsleitung eine Durchflussbegrenzervorrichtung (48; '48) beinhaltet und die Kontrolleinrichtung ein Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil (52) aufweist, das in dem ersten Abzweig (50) angeordnet ist und eine Kontrollkreiseinrichtung, die mit dem Solenoidventil (52) in Verbindung steht, um das Solenoidventil (52) zu öffnen, wenn lediglich die Kühlen angefordert wird, und das genannte Solenoidventil (52) zu schließen, wenn Kühlen und Entfeuchten angefordert werden, und, dass der Kontrollkreis ein Thermostat aufweist, das eine Kühlleitung (Y₁) aufweist, die ein Signal zum Ansteuern des Verdichters (12) liefert, wenn eine Sollwert-Temperatur für Kühlen erreicht wird, und eine Feuchtekontrolleitung (64), die mit der Kühlleitung (Y₁) in Verbindung steht und einen Hygrostat (66) in Reihe mit der Kontrolleitungseinrichtung zum Ansteuern des Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventils (52) aufweist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, wobei der Kontrollkreis einen Niederdruck-Schalter (54) in Reihe mit der Feuchtekontrolleitung (64) und in Strömungsverbindung mit der Saugseite des Verdichters (12) zum Erfassen eines Niederdruck-Zustands an der Saugseite des Verdichters (12) aufweist.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Solenoidventil (52) im Normalzustand geschlossen ist und aufmacht, wenn es angesteuert wird.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Solenoidventil (52) im Normalzustand geöffnet ist und schließt, wenn es angesteuert wird.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Thermostat (160) ein Zwei-Stufen-Thermostat ist, das eine zweite Kühlleitung (Y₂) aufweist, die aktiviert wird, wenn ein zweiter, höherer Sollwert erreicht wird, und der Kontrollkreis ferner ein Kontroll-Relay aufweist, das mit der zweiten Kühlleitung in Verbindung steht und von dieser angesteuert wird, und StromStromleitungen in Reihe mit der genannten Feuchtekontrolleitung (64) aufweist.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil (52) eine Vorrichtung für Leitungsstrom ist und die genannten Kontrolleitungen ein Kontroll-Relay (68) aufweisen, das einen Aktuator in Reihe mit der Feuchtekontrolleitung und StromStromleitungen aufweist, die mit einer Quelle für Leitungsstrom und mit dem Flüssigkeitsleitungs-Solenoidventil (52) verbunden sind.