DE69722276T2 - Kälteanlage mit Drucksteuerventil - Google Patents

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Yuichi Shimohasumi-cho Nishio-shi Sakajo
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem eines Dampfkompressionstyps, das mit einem Druckregelventil zum Steuern eines Drucks eines Kältemittels an einer Ausgangsseite eines Wärmestrahlers versehen ist. Die vorliegende Erfindung wird geeigneterweise für ein Kühlsystem verwendet, bei dem Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel in einem überkritischen Bereich benutzt wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Das Dokument von Y. Nakashima, H. Lijima, M. Umehara, F. Matsuoka: „Reversibleflow-type linear expansion valves for heat pumps", Ashrae Trans (US), Vol. 91 (Teil 2b), 1985, Seiten 1555–1568, offenbart ein Kühlsystem eines Dampflcompressionstyps mit einem Kompressor zum Komprimieren des Kältemittels, einem Wärmestrahler zum Kühlen des in dem Kompressor komprimierten Kältemittels, einem Druckregelventil zum Steuern des Drucks des Kältemittels am Ausgang des Wärmestrahlers zum Verringern des Drucks des Kältemittels und einem Verdampfapparat zum Verdampfen des Kältemittels des verringerten Drucks aus dem Druckregelventil.
  • Die EP-A-0 279 622 zeigt ein Druckregelventil zur Verwendung in einem Durchgang für ein Kältemittel eines Dampfkompressions-Kühlsystems, wobei das Druckregelventil eine Trennwand zum Aufteilen des Durchgangs in eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kammer aufweist.
  • In letzter Zeit wurde gefordert, die Verwendung von Freon als Kältemittel in Kühlsystemen zu vermeiden. Somit offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 7-18602 ein Dampflcompressions-Kühlsystem, bei dem Kohlendioxid (CO2) anstelle von Freon als Kältemittel verwendet wird.
  • Das Kohlendioxid hat eine kritische Temperatur von nur 31°C, was es für die Temperatur des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers möglich macht, höher als die kritische Temperatur zu sein, sodass eine Kondensation des Kohlendioxids selbst am Ausgang des Wärmestrahlers verhindert wird. Mit anderen Worten kann eine erhöhte Enthalpiedifferenz durch Kondensieren des Kältemittels nicht erzielt werden, wie dies in dem herkömmlichen Kühlsystem unter Verwendung von Freon der Fall ist. Daher ist, um eine Enthalpiedifferenz zu vergrößern, eine Erhöhung des Drucks des Kohlendioxids am Ausgang des Kompressors, d.h. des Drucks am Eingang des Wärmestrahlers, wesentlich. Eine Erhöhung des Ausgangsdrucks des Kompressors kann jedoch eine Verschlechterung des Leistungskoeffizienten bewirken.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem vorzusehen, welches als Kältemittel Kohlendioxid verwendet und in einem kritischen Bereich arbeitet, wobei ein erhöhtes Leistungsvermögen erzielt werden kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem vorzusehen, welches als Kältemittel Kohlendioxid verwendet und in einem kritischen Bereich arbeitet, welches die Temperatur und den Druck an einem Ausgang eines Wärmestrahlers steuern kann, um eine Funktion im wesentlichen entlang einer optimalen Arbeitslinie zu erzielen.
  • Gemäß der Erfindung in Anspruch 1 beginnt ein Deflektor seine Wölbung, wenn der Druck in einer stromaufwärtigen Kammer um einen vorgegebenen Wert höher als der Druck in einer dicht verschlossenen Kammer ist, was ein Ventilelement die Ventilöffnung öffnen lässt. Ferner ist ein Kältemittel in ein Volumen der dicht verschlossenen Kammer gefüllt, das man erhält, wenn das Ventilelement die Ventilöffnung mit einer Dichte in einem Bereich zwischen einem Dichtewert eines gesättigten flüssigen Kältemittels einer Temperatur von 0°C und einem Dichtewert eines gesättigten flüssigen Kältemittels am kritischen Punkt schließt. In diesem Zustand stimmt die Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur des Kältemittels in der geschlossenen Kammer im wesentlichen mit einer optimalen Steuerlinie überein. Somit öffnet das Druckregelventil seine Ventilöffnung, wenn der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers auf einen Druck entlang der optimalen Steuerlinie erhöht wird. Mit anderen Worten werden der Ausgangsdruck und die Ausgangstemperatur des Wärmestrahlers im wesentlichen entlang der optimalen Steuerlinie gesteuert. Somit erhält man beim Ausführen des Kühlkreislaufs eines Dampfkompressionstyps selbst in dem überkritischen Bereich ein erhöhtes Leistungsvermögen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einem Druckregelventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Mollier-Diagramm eines durch das Kühlsystem mit Kohlendioxid als Kältemittel ausgeführten Kühlkreislaufs.
  • 3 zeigt Beziehungen zwischen einem Druck am Ausgang des Wärmestrahlers und einem Wirkungsgrad (COP).
  • 4 ist eine Querschnittsdarstellung des Druckregelventils in 1.
  • 5 ist ein Mollier-Diagramm, welches das gleiche wie 2, aber mit Linien gleicher Dichte ist.
  • 6 zeigt Beziehungen zwischen dem Volumen der geschlossenen Kammer und einer Menge Kohlendioxid in der geschlossenen Kammer.
  • 7 ist eine Querschnittsdarstellung eines Druckregelventils in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 8 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 9 ist eine Querschnittsdarstellung eines Druckschalters in einem Druckregelventil in B.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt schematisch ein Kühlsystem eines Dampflcompressionstyps, welches aus einem Kompressor 1, einem Wärmestrahler 2, einem Druckregelventil (Expansionsventil) 3, einem Wärmeaufnehmer (Verdampfapparat) 4, und einem Speicher 5 aufgebaut ist, die miteinander durch Rohre 6 verbunden sind, sodass ein geschlossener Kreislauf für ein Kältemittel (CO2) aufgebaut wird. In wohlbekannter Weise ist der Wärmestrahler 2 an einem Frontabschnitt des Fahrzeugs angeordnet, sodass man eine große Temperaturdifferenz zwischen der den Wärmestrahler kontaktierenden Außenluft und dem in dem Wärmestrahler strömenden Kohlendioxid erhält, wodurch eine Wärmetauschleistung verbessert wird. Ferner ist ein Lüfter 2-1 zum Erzeugen einer Luftströmung für eine effektive Wärmeabstrahlung von dem Wärmestrahler angeordnet. Der Wärmeaufnehmer 4 ist so angeordnet, dass er einem Lüfter 4-1 zugewandt ist, der eine mit dem Wärmeaufnehmer 4 kontaktierte und in eine Kabine eines Fahrzeugs eingeleitete Luftströmung erzeugt. Als Ergebnis tritt ein Wärmeaustausch zwischen dem Kohlendioxid in einem kombinierten Gas/Flüssigkeit-Zustand und der Luftströmung auf, was eine Abkühlung der Luftströmung aufgrund der Tatsache bewirkt, dass Wärme entsprechend einer Verdampfungswärme entfernt wird. In dem Speicher 5 tritt in dem Kohlendioxid eine Trennung einer gasförmigen Phase ein, sodass eine flüssige Phase in dem Speicher 5 gespeichert wird. Außerdem ist der Kompressor 1 mit einer Antriebseinrichtung wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor verbunden, sodass eine Drehbewegung auf den Kompressor übertragen wird.
  • Es wird nun ein Kühlkreislauf erläutert, wie er durch das System in 1 bei Verwendung des Kohlendioxids als Kältemittel ausgeführt wird. Insbesondere zeigt in einem Mollier-Diagramm in 2 eine Abszisse eine Enthalpie, während die Ordinate einen Druck des Kältemittels zeigt. Eine Kurve SL ist eine Sättigungslinie, auf der das Kältemittel in einem Gleichgewichtszustand ist. Am Eingang des Kompressors 1 ist das Kohlendioxid in einem durch einen Punkt A in dem Mollier-Diagramm in 2 angegebenen Zustand. Dann wird das Kohlendioxid der gasförmigen Phase der Kompression in dem Kompressor 1 unterzogen, sodass der Zustand des Kältemittels zu dem an einem Punkt B bewegt wird. Das Kohlendioxid des gasförmigen Zustands wird einer Kühlung in dem Wärmestrahler (Gaskühler) 2 unterzogen, sodass die abgestrahlte Wärme durch eine den Strahler kontaktierende Luftströmung aufgenommen wird, während das Kohlendioxid zu einem durch einen Punkt C in dem Mollier-Diagramm gekennzeichneten Zustand bewegt wird. Dann wird das Kohlendioxid einer Druckverminderung in dem Druckverminderer 3 unterzogen, sodass ein kombinierter Gas/Flüssigkeit-Zustand erzielt wird, wie durch einen Punkt D in dem Mollier-Diagramm gekennzeichnet. Schließlich wird das Kohlendioxid des kombinierten Gas/Flüssigkeit-Zustands einer Verdampfung in dem Verdampfapparat 4 unterzogen, sodass eine den Verdampfapparat 4 kontaktierende Luftströmung gekühlt wird, während das Kohlendioxid für eine Wiederholung des Kreislaufs in einen gasförmigen Zustand bewegt wird, wie er durch den Punkt A gekennzeichnet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Phasenwechsel von dem gasförmigen Zustand zu dem kombinierten Gas/Flüssigkeit-Zustand eintritt, wenn der Druck des Kohlendioxids unter den einen auf der Sättigungskurve SL, d.h. den Druck am Kreuzungspunkt der Kurve SL mit der Linie CD reduziert wird.
  • Das Kohlendioxid hat jedoch eine kritische Temperatur (eine Temperatur an dem kritischen Punkt X) von etwa 31°C, welche niedriger als die kritische Temperatur von Freon, wie beispielsweise R12, von etwa 112°C ist. Somit kann während einer Sommerzeit eine Situation eintreten, in der die Temperatur des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers 2 höher als seine kritische Temperatur ist, was eine Kondensation des Kohlendioxids verhindert. Mit anderen Worten tritt eine Kreuzung der Linie BC mit der Sättigungskurve SL nicht auf, wie in 2 dargestellt. In 2 sind Kurven mit Ziffern Isothermen einer durch die jeweiligen Ziffern bezeichneten Temperatur.
  • Ferner wird ein Zustand am Ausgang des Wärmestrahlers 2, wie er durch den Punkt C bestimmt wird, durch den Ausgangsdruck des Kompressors 1 und die Temperatur des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers 2 bestimmt. Die Temperatur des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers 2 wird durch die Wärmestrahlkapazität an dem Wärmestrahler 2 und die Temperatur der Außenluft bestimmt. Es ist klar, dass die Außenlufttemperatur nicht steuerbar ist, was die Temperatur des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers unkontrollierbar macht.
  • In Anbetracht der obigen Ausführungen ist, um den durch den Punkt C in 2 gekennzeichneten Zustand am Ausgang des Wärmestrahlers zu steuern, eine Steuerung des Ausgangsdrucks des Kompressors wesentlich, welcher auch dem Druck am Ausgang des Wärmestrahlers entspricht. Insbesondere ist es, um eine gewünschte Kühlkapazität, d.h. eine erhöhte Enthalpiedifferenz in einem Zustand einer erhöhten Außenlufttemperatur in einer Sommerzeit zu erzielen, wesentlich, dass ein Ausgangsdruck des Kompressors auf einen Wert wie durch einen Punkt F in 2 gekennzeichnet, erhöht wird. Mit anderen Worten wird der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 auf den Wert erhöht, wie er durch einen Punkt G in 2 gekennzeichnet ist, sodass der Kühlkreislauf in der Reihenfolge E-F-G-H-E ausgeführt wird.
  • Um einen erhöhten Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 zu erzielen, ist eine Erhöhung eines Drucks am Ausgang des Kompressors 1 notwendig, was eine vergrößerte Arbeit durch den Kompressor erfordert, was einer Veränderung ΔL in der Enthalpie während des Kompressionsvorgangs entspricht. Jedoch kann ein solcher Anstieg der Enthalpie eine Reduzierung eines Wirkungsgrades in einer Situation bewirken, in der die Veränderung ΔL in der Enthalpie während der Kompressionsphase von dem Punkt A zu dem Punkt B größer als ein Anstieg Δi der Veränderung in der Enthalpie während der Verdampfungsphase von dem Punkt D zu A ist. Der Wirkungsgrad COP wird durch Δi/ΔL berechnet.
  • Es wird nun ein Berechnungsergebnis des COP unter Verwendung des Drucks des Kohlendioxids am Ausgang des Wärmestrahlers erläutert. Eine durchgezogene Kurve in 3 zeigt eine Beziehung zwischen dem Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 und dem Wert des COP, wenn die Temperatur des Kohlendioxids 40°C beträgt. Der Maximalwert des COP wird bei einem Druck P, von etwa 10 MPa erzielt. Eine gestrichelte Kurve in 3 zeigt eine ähnliche Beziehung, wenn die Temperatur des Kohlendioxids 35°C beträgt. Der Maximalwert des COP wird bei einem Druck P2 von etwa 8,0 MPa erzielt.
  • Der obige Prozess zum Erzielen des Maximalwerts des COP wird entlang des gesamten Bereichs der Temperatur des Kohlendioxids durchgeführt. Als Ergebnis erhält man eine Kurve ηmax, welche durch eine dicke Linie in 2 dargestellt ist und welche nachfolgend als die optimale Steuerlinie bezeichnet wird, welche den COP in bestimmten Zuständen maximal werden lässt. Mit anderen Worten ist es, um eine effektive Funktion des Kühlsystems mit Kohlendioxid als Kältemittel zu erzielen, wesentlich, eine Steuereinrichtung zum Steuern des Drucks sowie der Temperatur des Kohlendioxids vorzusehen, sodass sie auf der optimalen Steuerlinie ηmax am Ausgang des Wärmestrahlers 2 liegen.
  • Beachte: Das Mollier-Diagramm in 2 ist aus dem Fundamentals Handbook, veröffentlicht von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers entnommen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung des Druckregelventils 3 derart, dass eine gewünschte Steuerung des Drucks des Kohlendioxids durchgeführt wird. Es wird nun unter Bezugnahme auf 4 ein Aufbau des Druckregelventils 3 erläutert. Das Druckregelventil 3 enthält einen Ventildeckel 10, ein Diaphragma 11 und eine Ventilkammer 13. Das Diaphragma 11 ist an seinem Außenumfang zwischen den Deckel 10 und die Kammer 13 eingelegt, sodass eine geschlossene Kammer 12 über dem Diaphragma 11 gebildet wird und eine offene Kammer 12' unter dem Diaphragma gebildet wird. In der Diaphragmakammer 12 ist das Kohlendioxid dicht gespeichert, während das Volumen des Kohlendioxids bezüglich des Volumens der Kammer 12 im geschlossenen Zustand des Ventilelements 20 des Ventils 1 derart ist, dass eine Dichte des Kohlendioxids von etwa 600 kg/m3 erzielt wird.
  • Die Ventilkammer 13 ist in einem Abschnitt 6-1 des Umlaufrohres 6 angeordnet, sodass eine Kammer 14 in Verbindung mit dem Wärmestrahler 2 zum Aufnehmen des Kohlendioxids davon in dem Abschnitt 6-1 des Rohres 6 an der oberen (stromaufwärtigen) Seite der Kammer 13 gebildet wird, während eine Kammer 15 in Verbindung mit dem Wärmeaufnehmer 4 zum Abgeben des Kohlendioxids dahin in dem Abschnitt 6-1 des Rohres 6 an der unteren (stromabwärtigen) Seite des Gehäuses 13 gebildet wird. Das Ventilgehäuse ist mit einer Mittelbohrung 13-1 und einer Platte 16 ausgebildet. Das Gehäuse 6 ist mit einer zu der unteren Kammer 15 offenen Ventilöffnung 17 und mit einem diametral gegenüberliegenden Paar von zu der oberen Kammer 14 offenen Verbindungslöchern 18 versehen.
  • Das Druckregelventil 3 ist ferner mit einem Ventilelement 20, einer Ventilfeder 21 und einem Abstandhalter 22 versehen. Das Ventilelement 20 besitzt ein der Ventilöffnung 17 zugewandtes unteres kugelförmiges Ende und ein mit dem Diaphragma 11 durch eine geeignete Verbindungseinrichtung, wie beispielsweise eine Nut (nicht dargestellt), verbundenes oberes Ende. Die Feder 21 erzeugt eine Federkraft zum Drücken des Ventilelements 20, sodass es an der Ventilkammer 13 sitzt, wodurch die Ventilöffnung 17 verschlossen wird. Der Abstandhalter 22 dient dem Steuern einer eingestellten Kraft der Feder 21 auf zum Beispiel 1 MPa. Schließlich ist eine Anordnung des Abstandhalters 22 derart, dass der Druck in der Mittelbohrung 13-1 in Verbindung mit der oberen Kammer 14 zu der unteren Diaphragmakammer 12' geöffnet ist. Als Ergebnis dieser Anordnung wird auf das Diaphragma 11 eine Kraft entsprechend dem Druckunterschied zwischen der oberen und der unteren Diaphragmakammer 12 und 12' ausgeübt. Insbesondere drückt der Druck in der oberen (geschlossenen) Kammer 12 das Diaphragma nach unten, während der Druck in der zu der Kammer 14 offenen unteren Kammer 12' das Diaphragma 11 nach oben drückt. Daher wird die Funktion des Ventilelements 20 entsprechend der Differenz zwischen der Federkraft und der Kraft aufgrund der Druckdifferenz gesteuert.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des Druckregelventils 3 erläutert. 5 ist ein Mollier-Diagramm, wenn das Kohlendioxid (CO2) verwendet wird, und es ist das gleiche wie jenes in 2. In S sind zusätzlich zu den Isothermen mit die jeweiligen Temperaturen von CO2 angebenden Ziffern Linien gleicher Dichte mit die jeweilige Dichte von CO2 bezeichnenden Ziffern dargestellt. In der geschlossenen oberen Diaphragmakammer 12 ist das Kohlendioxid mit einer Dichte von 600 kg/m3 dicht gespeichert, bei einer Messung durch das Volumen der Kammer 12, wie es unter dem geschlossenen Zustand des Ventilelements in der Ventilöffnung 17 erhalten wird. Daher werden der Druck und die Temperatur des Kohlendioxids in der geschlossenen Kammer 12 entlang der Linie gleicher Dichte mit der Ziffer 600 verändert. Wenn die Temperatur von CO2 in der Kammer 12 zum Beispiel 20°C beträgt, beträgt der Druck in der Kammer 12 5,8 MPa, welchen man als den Druck am Kreuzungspunkt zwischen der Isotherme von 20°C und der Linie gleicher Dichte von 600 kg/m3 erhält, welcher eine Kraft erzeugt, die das Ventilelement 20 auf den Ventilsitz drückt. Ferner beträgt die eingestellte Kraft der Feder 21 etwa 1,0 MPa, welche ebenfalls eine das Ventilelement 20 auf den Ventilsitz drückende Kraft erzeugt. Insgesamt wird das Ventilelement 20 so gedrückt, dass es auf dem Ventilsitz mit der Kraft von etwa 5,8 + 1,0 = 6,8 MPa sitzt. Dies bedeutet, dass, wenn der Druck in der unteren Kammer 12', welcher das Diaphragma 11 nach oben drückt, d.h. das Ventilelement 20 von dem Ventilsitz löst, niedriger als 6,8 MPa ist, das Ventilelement 20 seine geschlossene Position beibehält, in der es auf dem Ventilsitz sitzt, was ein Strömen des Kohlendioxids aus der Kammer 14 in die Kammer 15 verhindert. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Druck in der Kammer 12' höher als 6,8 MPa ist, das Diaphragma 11 nach oben bewegt, was das Ventilelement 20 von dem Ventilsitz lösen lässt, was das Kohlendioxid von der Kammer 14 über die Ventilöffnung 17 zu der Kammer 15 strömen lässt.
  • In ähnlicher Weise beträgt, wenn die Temperatur in dem oberen (geschlossenen) Raum 12 40°C beträgt, der Druck, welcher derjenige an dem Kreuzungspunkt zwischen der Isotherme von 40°C und der Linie gleicher Dichte von 600 kg/m3 ist, 9,7 MPa. Daher beträgt die Gesamtkraft zum Bewegen des Ventilelements 20 zu dem Ventilsitz 9,7 + 1 = 10,7 MPa. Als Ergebnis bewirkt ein Druck der unteren Diaphragmakammer 12' niedriger als 10,7 MPa, dass die Ventilplatte 20 auf dem Ventilsitz sitzt, um die Ventilöffnung 17 zu verschließen, während der Druck der unteren Diaphragmakammer 12' höher als 10,7 MPa ein Lösen der Ventilplatte 20 von dem Ventilsitz zum Öffnen der Ventilöffnung 17 bewirkt.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Wenn das System in einem solchen Zustand ist, dass die Temperatur am Ausgang des Wärmestrahlers 2 zum Beispiel 40°C beträgt und der Druck niedriger als 10,7 MPa ist, befindet sich das Druckregelventil 3 in dem geschlossenen Zustand, in dem das Ventilelement 20 auf dem Ventilsitz sitzt, was eine Strömung des CO2 in der stromaufwärtigen Kammer 14 in die stromabwärtige Kammer 15 verhindert. Als Ergebnis wird das in dem Speicher 5 gespeicherte CO2 durch den Kompressor 1 angesaugt, was eine Erhöhung des Drucks am Ausgang des Wärmestrahlers 2 von dem einen, wie er aufgrund eines Zustands einer Zustandsveränderung von Punkt b' zu c' erhalten wird, zu dem einen, wie er aufgrund einer Zustandsveränderung von Punkt b" zu c" erhalten wird, erlaubt.
  • Wenn der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 10,7 MPa übersteigt, d.h. eine Veränderung des Zustands von Punkt B zu C in 5 eintritt, wird das Diaphragma 11 nach oben verschoben und das Ventilelement 20 wird von dem Ventilsitz gegen die Kraft der Feder 21 nach oben bewegt, wodurch das CO2 in der stromaufwärtigen Kammer 14 in die stromabwärtige Kammer 15 strömen kann. Das CO2 wird einer Verdampfung in dem Verdampfapparat 4 unterzogen, während die den Verdampfapparat 4 kontaktierende Luftströmung einer Abkühlung unterzogen wird. Das CO2 wird in den Speicher 5 zurück gebracht, was den Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 unter 10,7 MPa sinken lässt, was das Druckregelventil wieder die geschlossene Position einnehmen lässt.
  • Kurz gesagt bewirkt das Schließen des Druckregelventils, dass der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 auf einen vorgegebenen Wert steigt, woraufhin die Verringerung des Drucks von CO2 und die Verdampfung zum Kühlen der Luft folgt.
  • Falls die Temperatur am Ausgang des Wärmestrahlers 2 zum Beispiel 20°C beträgt, ist das Druckregelventil in einem geschlossenen Zustand, wenn der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 unter etwa 6,8 MPa ist. Wenn der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers den Wert von etwa 6,8 MPa übersteigt, lässt dies das Druckregelventil öffnen.
  • Das Druckregelventil in dem Ausführungsbeispiel in 1 hat eine derartige Arbeitskennlinie, dass es geöffnet wird, wenn der Druck am Ausgang des Wärmestrahlers 2 auf einen vorgegebenen Wert ansteigt. Die Arbeitskennlinie wird entsprechend der Druckkennlinie in der geschlossenen Kammer 12 des Druckregelventils bestimmt. Wie aus 1 und 4 hervorgeht, stimmt die Kurve gleicher Dichte bei 600 kg/m3 in dem überkritischen Bereich im wesentlichen mit der optimalen Steuerlinie ηmax überein. Daher arbeitet das Druckregelventil in 4 zum Steuern des Drucks entlang der optimalen Steuerlinie ηmax, sodass mittels des Kühlsystems ein erhöhtes Leistungsvermögen der Ausführung des Kühlkreislaufs erzielt wird.
  • In dem kondensierten Bereich unter dem Druck an dem kritischen Punkt (X) in 2, ist eine Abweichung der Linie gleicher Dichte von 600 kg/m' von der optimalen Steuerlinie ηmax erhöht. In dem kondensierten Bereich ist jedoch der Druck in der Kammer 12 angrenzend an die Sättigungslinie SL positioniert. Jedoch lässt eine auf das Ventilelement 20 durch die Schraubenfeder 21 ausgeübte eingestellte Kraft das System auf einen unterkühlten Zustand von etwa 10°C steuern, was das System selbst in einem Bereich eines Drucks unter dem kritischen Druck mit einem hohen Leistungsvermögen arbeiten lässt.
  • Aus Sicht der Praxis ist es wünschenswert, dass der Einschluss des CO2 in der Kammer 12 derart ist, dass die Dichte des CO2 in einem Bereich zwischen der Dichte des gesättigten flüssigen CO2 bei einer Temperatur von 0°C und der Dichte der gesättigten Flüssigkeit von CO2, wenn die Temperatur diejenige von CO2 am kritischen Punkt ist, ist. Insbesondere ist es wünschenswert, dass die Dichte in einem Bereich zwischen der Linie gleicher Dichte D2 von 450 kg/m3 und der Linie gleicher Dichte D1 von 950 kg/m3 ist. Dieser Bereich der Dichte von CO2 entspricht dem schraffierten Bereich der Menge CO2 in 6, welche Beziehungen zwischen dem Volumen der geschlossenen Kammer 12 und der Menge des eingeschlossenen CO2 zeigt.
  • Aus der Funktionsweise des Druckregelventils ist es selbstverständlich wünschenswert, dass als Reaktion auf die Temperatur am Ausgang des Wärmestrahlers 2, d.h. die Temperatur in dem Raum 14, die Temperatur in der Kammer 12 ohne Verzögerung variiert. Daher ist es wünschenswert, dass der Ventildeckel und die Ventilkammer 13 aus einem Material einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit zum Erzielen einer Wärmeleitungsmenge so groß wie möglich gemacht sind. In Anbetracht dessen sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der Ventildeckel und das Ventilgehäuse aus Messing gemacht, während das Diaphragma 11, das Ventilelement 20 und die Schraubenfeder 21 aus einem rostfreien Stahl gemacht sind.
  • Schließlich ist in dem ersten Ausführungsbeispiel der Ventildeckel 10 vorteilhafterweise mit Kühlrippen oder einer Ausnehmung zum Erhöhen eines Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Kohlendioxid in dem Raum 14 und dem Ventildeckel 10 ausgebildet.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • 7 zeigt eine Modifikation eines Druckregelventils 3 mit einem Balgelement 23, in dem das Kohlendioxid mit einer vorgegebenen Dichte dicht gespeichert wird. Das Balgelement ist aus einem Messingmaterial einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit gemacht. Ein Ventilelement 20 ist mit dem Balgelement 23 verbunden, sodass das Ventilelement 20 einer Ventilöffnung 17 der Ventilsitzplatte 16 zugewandt ist. Eine Feder 21 zum Drücken des Ventilelements 20 zu der Ventilsitzplatte 16 ist in der geschlossenen Kammer 12 in dem Balgelement angeordnet. Eine Funktionsweise des Druckregelventils 3 in 7 ist ähnlich zu derjenigen des Druckregelventils 3 in 4. Insbesondere drückt eine Kraft aufgrund des Drucks des in der Kammer 12 gespeicherten CO2 plus der Kraft der Feder 21 das Ventilelement 20 an den Ventilsitz 16. Dagegen lässt der Druck des CO2 in dem Leitungsabschnitt 6 das Ventilelement 20 von dem Ventilsitz 16 lösen. Als Ergebnis wird der Druck des CO2 in der Leitung 6 auf den Druck des CO2 in der Kammer 12 plus der eingestellten Kraft der Feder 21 gesteuert werden, ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel in 4.
  • Drittes Ausführunggbeispiel
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist auf das Bereitstellen eines Druckregelventils 3 gerichtet, welches elektrisch betrieben wird. Insbesondere ist, wie in 8 dargestellt, das Druckregelventil 3 im wesentlichen aus einem Sensor 24 zum Erfassen einer Differenz des Drucks des umgelaufenen Kohlendioxids zu dem eingeschlossenen Referenzdruck und einem elektrisch betätigten Expansionsventil 25, welches durch ein elektrisches Betriebssignal betätigt wird, aufgebaut. Es ist wünschenswert, dass der Sensorabschnitt 24 an einer Stelle auf einer Seite des Expansionsventils 25 angrenzend an den Wärmestrahler 2 ist.
  • 9 zeigt einen Aufbau des Sensorteils. Insbesondere enthält der Sensorabschnitt 9 einen Balg 23, in dem das Kohlendioxid mit einer vorgegebenen Dichte dicht gespeichert wird, und eine Kontakteinheit 26, die aus einem fest mit der Leitung 6 verbundenen festen Kontakt 26-1 und einem mit dem Balgelement 23 verbundenen und dem festen Kontakt 26-1 zugewandten beweglichen Kontakt 26-2 aufgebaut ist. Die Kontakteinheit 26 dient dem Steuern der Funktionsweise des Expansionsventils 25 über einen Verstärker (nicht dargestellt). Ein Druck des CO2 in der Kammer 14 unter dem Druck in der geschlossenen Kammer 12 in dem Balgelement 23 plus der eingestellten Kraft der Feder 21 lässt den Balg 23 ausblasen, wodurch bewirkt wird, dass sich die Kontakte 26-1 und 26-2 einander berühren. Als Ergebnis wird das Expansionsventil 25 so gesteuert, dass es geschlossen wird, wodurch der Druck an einer Stelle stromauf des Druckregelventils 3 erhöht wird. Im Gegensatz dazu lässt ein Druck des COZ an der Stelle stromauf des Druckregelventils höher als der Druck in der geschlossenen Kammer 12 in dem Balgelement 23 plus der eingestellten Kraft der Feder 21 den Balg 23 entleeren, wodurch bewirkt wird, dass die Kontakte 26-1 und 26-2 voneinander gelöst werden. Als Ergebnis wird das Expansionsventil 25 so gesteuert, dass es geöffnet wird, wodurch der Druck an der Stelle stromauf des Druckregelventils reduziert wird.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen wird die Feder 21 zum Erzeugen einer Anfangsstellkraft verwendet. Jedoch kann anstelle der Feder 21 eine elastische Kraft des Diaphragmas oder des Balgs zum Erzeugen der Anfangsstellkraft verwendet werden. Außerdem kann anstelle der Schraubenfeder ein nicht kondensierbares Gas zusammen mit dem Kältemittel (CO2) in dem Raum 12 eingeschlossen werden.
  • Außerdem kann eine integrale Konstruktion des Druckregelventils mit dem Wärmestrahler eingesetzt werden.

Claims (5)

  1. Druckregelventil zur Verwendung in einem Durchgang für ein Kältemittel eines Dampfkompressions-Kühlsystems mit einem Kompressor (1), einem Wärmestrahler (2) und einem Verdampfapparat (4) zusätzlich zu dem Druckregelventil (3), wobei das Druckregelventil an einer Stelle zwischen dem Wärmestrahler (2) und dem Verdampfapparat (4) angeordnet ist; wobei das Druckregelventil aufweist: eine Trennwand zum Aufteilen des Durchgangs in eine stromaufwärtige Kammer (14) zum Aufnehmen des Kältemittels von dem Wärmestrahler und eine stromabwärtige Kammer (15) zum Abgeben des Kältemittels an den Verdampfapparat; wobei die Trennwand eine Ventilöffnung (17) zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Kammer definiert; einen Deflektor (11) mit einer dicht verschlossenen Kammer (12) darin, der als Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen der dicht verschlossenen Kammer (12) und der stromaufwärtigen Kammer (14) eine Wölbung durchführt; und ein Ventilelement (20) zum Steuern einer Verbindung der stromaufwärtigen Kammer (14) mit der stromabwärtigen Kammer (15) über die Ventilöffnung (17), wobei der Deflektor seine Wölbung beginnt, wenn ein Druck in der stromaufwärtigen Kammer um einen vorgegebenen Wert höher als ein Druck in der dicht verschlossenen Kammer ist; wobei der Deflektor (11) mit dem Ventilelement (20) in einer solchen Weise verbunden ist, dass der Beginn der Wölbung des Deflektors das Ventilelement von der Ventilöffnung lösen lässt; wobei die dicht verschlossene Kammer (12) mit einem Volumen des Kältemittels gefüllt ist, welches einen Dichtebereich des Kältemittels, wenn das Ventilelement (20) die Ventilöffnung (17) schließt, zwischen einem Kältemittel im gesättigten flüssigen Zustand bei einer Temperatur von 0°C und einem Kältemittel in einem gesättigten flüssigen Zustand bei seinem kritischen Punkt gibt; und wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist und die Dichte in einem Bereich zwischen 450 kg/m3 und 950 kg/m3 liegt.
  2. Druckregelventil nach Anspruch 1, bei welchem der Deflektor ein mit dem Ventilelement (20) verbundenes Diaphragma (11), ein Gehäuse (10) zum Aufnehmen des Diaphragmas darin, sodass die dicht verschlossene Kammer (12) auf einer Seite des Diaphragmas gebildet wird, während das Diaphragma zu der stromaufwärtigen Kammer (14) auf der Seite entfernt von der dicht verschlossenen Kammer geöffnet ist, und eine Feder (21) zum Drücken des Ventilelements, sodass das letztgenannte die Ventilöffnung (17) verschließt, aufweist.
  3. Druckregelventil nach Anspruch 1, bei welchem der Deflektor einen Balg (23) mit einer Kammer darin als die dicht verschlossene Kammer (12), welcher mit dem Ventilelement verbunden ist, ein Halteelement zum Festhalten des Balgs an dem dem Ventilelement abgewandten Ende und eine Feder (21) zum Drücken des Ventilelements (20), sodass das letztgenannte die Ventilöffnung (17) verschließt, aufweist.
  4. Druckregelventil nach Anspruch 1, bei welchem das Ventilelement von einer elektrisch betätigten Art ist, und bei welchem der Deflektor ein Balgelement (23), welches darin eine Kammer als dicht verschlossene Kammer (12) definiert, einen mit dem Balgelement verbundenen beweglichen Kontakt (26-2), einen dem beweglichen Kontakt zugewandten festen Kontakt (26-1) und eine Feder zum Drücken der Kontakte in Kontakt zueinander, wodurch ein elektrisches Signal zum Schließen der Ventilöffnung durch das Ventilelement erzeugt wird, aufweist, wobei der Druck der stromaufwärtigen Kammer höher als derjenige in der dicht verschlossenen Kammer den beweglichen Kontakt von dem festen Kontakt lösen lässt, was das Ventilelement die Ventilöffnung öffnen lässt.
  5. Kühlsystem, mit einem Durchgang für ein Kältemittel; einem Kompressor (1) zum Komprimieren des Kältemittels; einem Wärmestrahler (2) zum Kühlen des in dem Kompressor komprimierten Kältemittels; einem Druckregelventil (3) zum Vermindern des Drucks des Kältemittels an einem Ausgang des Wärmestrahlers; und einem Verdampfapparat (4) zum Verdampfen des Kältemittels des verminderten Drucks aus dem Druckregelventil, wobei das Kühlsystem ein Druckregelventil nach Anspruch 1 aufweist.
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