-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Klimaanlagen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreis, in welchem
ein Kältemittel
durch einen Kompressor, einen Kondensator, einen unterkühlenden
Wärmetauscher
zum Kühlen
des Kältemittels,
einen Expansionsmechanismus und einen Verdampfer in dieser Reihenfolge
strömt.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Unter Bezugnahme auf 10 ist als ein Kältemittelkreis 301 einer
Klimaanlage des obigen Typs ein solcher bekannt, der einen Hauptkreis 306 mit
einen Kompressor 302, einen Kondensator 303, einen
Wärmetauscher 310 vom
Doppelrohrtyp zum Unterkühlen,
einem Hauptexpansionsmechanismus 304, einen Verdampfer 305,
ein Vierwege-Umschaltventil 309 und einen Akkumulator 308,
die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und einen Bypasskreis (durch
gestrichelte Linien gezeigt) 313, der von dem Hauptkreis 306 an
einer Verbindungsstelle 321 zwischen dem Kondensator 303 und
dem Wärmetauscher 310 vom
Doppelrohrtyp abzweigt, durch einen Bypass-Expansionsmechanismus 312 und
den Wärmetauscher 310 vom
Doppelrohrtyp passiert und sich mit dem Hauptkreis 306 an
einer Verbindungsstelle 322 in der Nähe des Einlasses des Akkumulators 308 verbindet,
aufweist. Ein einzelnes Kältemittel
wie HCFC (Hydrochlorfluorkohlenstoff) 22 wurde herkömmlich als
Kältemittel
verwendet. Das von dem Kompressor 302 ausgestoßene Kältemittel
wird durch den Kondensator 303 (der Wärme beispielsweise zu der Außenluft
ausstößt) kondensiert
und teilt sich an der Verbindungsstelle 321 in ein Hauptstromkältemittel,
das durch den Hauptkreis 306 strömt, und ein Bypass-Stromkältemittel,
das durch den Bypasskreis 313 strömt. Das Hauptstromkältemittel
wird durch Wärmetausch
mit dem Bypass-Strömungskältemittel,
das durch den Bypass-Expansionsmechanismus 312 in dem Wärmetauscher 310 vom
Doppelrohrtyp passiert hat, unterkühlt, und erfährt danach
eine Druckverminderung durch den Hauptexpansionsmechanismus 304.
Dann wird das Hauptstromkältemittel
durch den Verdampfer 305 (der Wärme beispielsweise von der
Innenluft absorbiert) verdampft und in den Kompressor 302 durch das
Vierwege-Umschaltventil 309 und den Akkumulator 308 zum
Ausführen
eines Gas-Flüssigkeits-Trennvorganges eingesaugt.
Andererseits erfährt
das Bypass-Stromkältemittel
eine Druckverminderung durch den Bypass-Expansionsmechanismus 312 und
wird danach durch Wärmetausch
mit dem Hauptstromkältemittel
in den Wärmetauscher
310 vom Doppelrohrtyp verdampft. Anschließend verbindet sich das Bypass-Stromkältemittel
mit dem Hauptstromkältemittel
an der Verbindungsstelle 322 in der Nähe des Einlasses des Akkumulators 308.
-
Durch derartiges Unterkühlen des
Hauptstromkältemittels
in dem Wärmetauscher 310 vom Doppelrohrtyp
kann eine durch das Hauptstromkältemittel
zu erzeugende Kühlwirkung
im Vergleich zu dem Fall, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird, erhöht werden.
Ferner kann durch Abzweigen des Bypassstroms von dem Kältemittelstrom
die volumetrische Strömungsrate
des Hauptstromkältemittels
vermindert werden. Daher kann, wie durch einen Druck in einem in 11B gezeigten spezifischen Enthalpie-Diagramm
(nachfolgend als "Ph-Diagramm" bezeichnet) angegeben,
ein Druckverlust ΔP innerhalb
des Verdampfers 305 und in dem einlassseitigen Rohr des
Kompressors 302 vermindert werden (zu Zwecken des Vergleichs
ist in 11A ein Druckverlust ΔPo in dem Fall gezeigt, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird).
Dementsprechend kann die Kühlkapazität des Systems
verbessert werden. Es ist zu beachten, dass die mit A, B und C in 11B bezeichneten Abschnitte
den Zuständen
an den Punkten A, B und C in der Nähe der Verbindungsstelle 322 des
in 10 gezeigten Kältemittelkreises 301 entsprechen.
Wie in 11C deutlich gezeigt
ist, die eine vergrößerte Ansicht
eines Teils aus 11B ist,
vereinen sich das Bypass-Stromkältemittel,
welches den Punkt A erreicht, und das Hauptstromkältemittel,
welches den Punkt B erreicht, miteinander, wodurch der Zustand im
Punkt C erhalten wird.
-
Es gibt einen konstanten Bedarf zum
Erhöhen
der Kühlkapazität der Klimaanlage,
und es gibt keine Begrenzung bei dem Bedarf bzw. der Nachfrage nach
einer Erhöhung
der Kühlkapazität.
-
EP 0 685 692 A offenbart ein Kältemittelkreislaufsystem.
Das System umfasst einen Kompressor, einen Kondensator, einen unterkühlenden Wärmetauscher,
Expansionsmechanismen und einen Verdampfer. Ferner sind ein Hochdruckreceiver und
ein Niederdruckreceiver vorgesehen. Das Kältemittel strömt von dem
Kompressor zu dem Kondensator, dem unterkühlenden Wärmetauscher, dem ersten Expansionsmechanismus
und dem Verdampfer. Ein zweiter Expansionsmechanismus ist zwischen
dem Kondensator und dem unterkühlenden Wärmetauscher
vorgesehen. Der unterkühlende Wärmetauscher
ist in zwei Teile aufgeteilt, welche durch den Hochdruckreceiver
getrennt sind, der als Verbindungsstelle zwischen dem Hauptkreis
und dem Bypasskreis dient. Der Bypasskreis zweigt von dem Hauptkreis
und dem Hochdruckreceiver ab, führt
zu einer Drosselvorrichtung, dem unterkühlenden Wärmetauscher und dem Niederdruckreceiver, von
welchem das Kältemittel
zusammen mit dem Kältemittel
des Hauptkreises erneut zu dem Kompressor zugeführt wird. Ein nicht-azeotropes
Kältemittel
wird verwendet. Das Hauptstromkältemittel
und das Bypass-Stromkältemittel
strömen
innerhalb des unterkühlenden
Wärmetauschers
in entgegengesetzten Richtungen, zumindest teilweise.
-
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Kühlkapazität weiter
als der Stand der Technik zu verbessern.
-
Um obige Aufgabe zu lösen stellt
die vorliegende Erfindung eine Klimaanlage mit den Merkmalen von
Anspruch 1 bereit.
-
In dieser Klimaanlage unterscheiden
sich die Siedepunkte von Kältemitteln,
welche das nicht-azeotrope Kältemittel
bilden, voneinander, und daher wird eine Gradiente (Neigung der
spezifischen Enthalpieachse, nachfolgend als "Temperaturgradiente" bezeichnet) an der isothermischen Linie
in einer Dualphasenregion (Nassdampfbereich) eines den Zustand des
Kältemittels
darstellenden Ph-Diagramms erzeugt. Infolge der Temperaturgradiente
in dieser Dualphasenregion wird die Einlasstemperatur des Verdampfers
im Vergleich zu dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel
verwendet wird, vermindert. Daher wird ein Temperaturunterschied
zwischen dem Fluid (beispielsweise Innenluft), dessen Wärme durch
den Verdampfer absorbiert wird, und dem durch den Verdampfer passierenden
Kältemittel groß, wodurch
die Wärmetauschfähigkeit
des Verdampfers erhöht
wird. Als Ergebnis hieraus wird die die Kühlkapazität verbessernde Wirkung infolge
des Unterkühlens
durch die Menge des Anstiegs der Wärmetauschfähigkeit des Verdampfers verglichen mit
dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel verwendet wird, weiter
erhöht.
-
Der Kältemittelkreis besitzt einen
Bypasskreis, der von einem Hauptkreis zwischen dem Kondensator und
dem ersten Expansionsmechanismus abzweigt und sich mit dem Hauptkreis
auf der Einlassseite des Kompressors vereint und einen zweiten Expansionsmechanismus
in dem Bypasskreis aufweist, und der unterkühlende Wärmetauscher führt einen
Wärmetausch
zwischen einem durch den Hauptkreis strömenden Hauptstromkältemittel
und einem Bypass-Stromkältemittel,
das durch den zweiten Expansionsmechanismus passiert ist und durch den
Bypasskreis strömt,
aus.
-
In dieser Klimaanlage kann das Hauptstromkältemittel
mit einer einfachen Kreiskonstruktion unter Einsatz des Bypass-Stromkältemittels
gekühlt werden,
das durch den zweiten Expansionsmechanismus passiert hat. Der Bypasskreis
zweigt von dem Hauptkreis zwischen dem unterkühlenden Wärmetauscher und dem ersten
Expansionsmechanismus ab.
-
In dieser Klimaanlage tritt das Bypass-Stromkältemittel,
das durch den unterkühlenden
Wärmetauscher
passiert hat und danach von dem Hauptstromkältemittel abzweigt, in den
zweiten Expansionsmechanismus ein und dies vermindert die Möglichkeit
eines Eintretens des Dualphasenstroms in den zweiten Expansionsmechanismus.
Daher besitzt der zweite Expansionsmechanismus keine Möglichkeit,
ein Pendeln zu verursachen und arbeitet daher stabil.
-
In einer Klimaanlage einer Ausführungsform ist
der unterkühlende
Wärmetauscher
ein Wärmetauscher
vom Gegenstromtyp, in welchem das Hauptstromkältemittel und das Gegenstromkältemittel
in entgegengesetzten Richtungen strömen, wobei eine Wand mit einer
hohen Wärmeübertragungseigenschaften
eingelegt ist.
-
In dieser Klimaanlage wird ein Temperaturunterschied
zwischen dem Hauptstromkältemittel und
dem Bypass-Stromkältemittel,
die durch das nicht-azeotrope Kältemittel
bereitgestellt sind, auf beiden Seiten der Wand, die zu dem unterkühlten Wärmetauscher
gehört
und eine Wärmeübertragungseigenschaft
besitzt, relativ groß.
Beispielsweise wird der Temperaturunterschied größer als der durchschnittliche
Temperaturunterschied in dem Fall eines Wärmetauschers vom Parallelstromtyp.
Als Ergebnis wird die Kapazität
des unterkühlenden
Wärmetauschers
verbessert.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1A ist
ein Diagramm, welches die Konstruktion eines Kältemittelkreises einer Klimaanlage gemäß einer
Ausführungsform
zeigt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
-
1B ist
ein Diagramm, welches ein modifiziertes Beispiel des obigen Kältemittelkreises
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 ist
ein Ph-Diagramm, das einen Kühlzyklus
des Kältemittelkreises
aus 1A zeigt;
-
3 ist
ein Graph zum Erläutern
der Wärmetauschfähigkeit
eines Verdampfers in dem Kältemittelkreis
aus 1A;
-
4A ist
ein Diagramm, welches die Konstruktion eines Wärmetauschers vom Doppelrohrtyp des
Kältemittelkreises
aus 1 zeigt;
-
4B ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer Kältemitteltemperatur
in einem Wärmetauscher
vom Gegenstromtyp;
-
4C ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer Kältemitteltemperatur
in einem Wärmetauscher vom
Parallelstromtyp;
-
5 ist
ein Diagramm, welches die Konstruktion eines Kältemittelkreises zeigt, in
welchem der Wärmetauscher
vom Doppelrohrtyp als Gas-Flüssigkeitswärmetauscher
verwendet wird, zum Vergleich mit dem Kältemittelkreis aus 1A;
-
6 ist
ein Ph-Diagramm, das einen Kühlzyklus
des Kältemittelkreises
aus 5 zeigt;
-
7A und 7B sind Graphen, die einen
Vergleich zwischen dem Kühlzyklus
des Kältemittelkreises
aus 1A und dem Kühlzyklus
des Kältemittelkreises
aus 5 zeigen;
-
8 ist
ein Diagramm, das die Konstruktion eines Kältemittelkreises einer Klimaanlage
gemäß einer
Ausführungsform
zeigt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
-
9 ist
ein Diagramm, welches die Konstruktion eines Kältemittelkreises einer Klimaanlage gemäß einer
Ausführungsform
zeigt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
-
10 ist
ein Diagramm, welches die Konstruktion eines Kältemittelkreises einer Klimaanlage gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
-
11A ist
ein Ph-Diagramm, welches den normalen Kühlzyklus zeigt, in welchem
kein Unterkühlen
ausgeführt
wird;
-
11B ist
ein Ph-Diagramm, welches den Kühlzyklus
des Kältemittelkreises
aus 10 zeigt; und
-
11C ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teil des Kühlzyklus
aus 11B.
-
BESTE FORM
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
-
Ausführungsformen der Klimaanlage
(air conditioner) der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
ausführlich
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
-
Unter Bezugnahme auf 1A besitzt eine Klimaanlage, die nicht
Teil der vorliegenden Erfindung ist, einen Kältemittelkreis 1 mit
einem Hauptkreis 6 und einem Bypasskreis 13 (gezeigt
durch gestrichelte Linien). Als ein durch den Kältemittelkreis 1 zu
zirkulierendes Kältemittel
wird ein nicht-azeotropes Kältemittel,
das aus R-32/134a oder R-407C besteht, verwendet.
-
Der Hauptkreis 6 besitzt
einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, einen
Wärmetauscher 10 vom
Doppelrohrtyp, der als unterkühlender
Wärmetauscher
dient, einen Hauptexpansionsmechanismus 4, der als erster
Expansionsmechanismus dient, einen Verdampfer 5, ein Vierwege-Umschaltventil 9 und
einen Akkumulator, in dieser Reihenfolge. Der Bypasskreis 13 zweigt
von dem Hauptkreis 6 an einer Verbindungsstelle 21 zwischen
dem Kondensator 3 und dem Wärmetauscher 10 vom
Doppelrohrtyp ab, passiert durch den Bypass-Expansionsmechanismus 12,
der als zweiter Expansionsmechanismus dient, und den Wärmetauscher 10 vom
Doppelrohrtyp, und vereint sich mit dem Hauptkreis 6 an
einer Verbindungsstelle 22 in der Nähe des Akkumulators 8.
Der Wärmetauscher 10 vom
Doppelrohrtyp führt
einen Wärmetausch
zwischen dem Hauptstromkältemittel, welches
durch den Hauptkreis 6 strömt, und dem Bypassstromkältemittel,
das durch den Bypass-Expansionsmechanismus passiert hat, und durch
den Bypasskreis 13 strömt,
aus. Das heißt,
das Hauptstromkältemittel
wird mit einer einfachen Kreiskonstruktion unter Einsatz des Bypassstromkältemittels
gekühlt, das
durch den Bypass-Expansionsmechanismus 12 passiert hat.
Genauer gesagt, wie schematisch in 4A gezeigt,
besitzt der Wärmetauscher 10 vom Doppelrohrtyp
ein inneres Rohr 10a und ein äußeres Rohr 10b, das
konzentrisch um dieses innere Rohr 10a vorgesehen ist.
Die Richtungen, in welchen die Kältemittel
strömen,
sind derart eingestellt, dass das durch das innere Rohr 10a strömende Bypassstromkältemittel
und das durch den ringförmigen
Raum 10c zwischen dem inneren Rohr 10a und dem äußeren Rohr 10b strömende Hauptstromkältemittel
in den entgegengesetzten Richtungen strömen, wobei die Rohrwand des
inneren Rohrs 10a eingelegt ist, die eine Wärmeübertragungseigenschaft
besitzt (Wärmetauscher
vom Gegenstromtyp). Wenn ein derartiger Wärmetauscher 10 vom
Gegenstromtyp verwendet wird, wie in 4B gezeigt,
wird ein durchschnittlicher Temperaturunterschied, der für die Strömungsrichtung
zwischen dem Hauptstromkältemittel
und dem Bypassstromkältemittel
relevant ist, relativ groß auf
beiden Seiten der Rohrwand des inneren Rohrs 10a, das eine
Wärmeübertragungseigenschaft
besitzt. Beispielsweise wird der Temperaturunterschied größer als
der durchschnittliche Temperaturunterschied in dem Fall des in 4C gezeigten Wärmetauschers
vom Parallelstromtyp. Als Ergebnis hieraus kann die Kapazität des Wärmetauschers 10 verbessert
werden.
-
Das von dem in 1A gezeigten Kompressor 2 ausgestoßene Kältemittel
wird durch den Kondensator 3 (der Wärme beispielsweise zur Außenluft ausstößt) kondensiert
und verzweigt sich an der Verbindungsstelle 21 in das Hauptstromkältemittel,
das durch den Hauptkreis 6 strömt, und das Bypassstromkältemittel,
das durch den Bypasskreis 13 strömt. Dieses Hauptstromkältemittel
wird durch Wärmetausch
mit dem Bypassstromkältemittel,
das durch den Bypass-Expansionsmechanismus 12 in dem
Wärmetauscher 10 passiert
hat, unterkühlt,
und erfährt
dann eine Verminderung des Drucks in dem Hauptexpansionsmechanismus 4.
Dann wird das Hauptstromkältemittel
durch den Verdampfer 5 (der Wärme beispielsweise von der
Innenluft absorbiert) verdampft und in den Kompressor 2 durch
das Vierwege-Umschaltventil 9 und in den Akkumulator 8 zum
Ausführen
eines Gas- Flüssigkeitstrennvorganges
eingesaugt. Andererseits erfährt
das Bypassstromkältemittel
durch den Bypass-Expansionsmechanismus 12 eine
Verminderung des Drucks und wird danach durch Wärmetausch mit dem Hauptstromkältemittel
in dem Wärmetauscher 10 verdampft.
Anschließend
vereint sich das Bypassstromkältemittel
mit dem Hauptstromkältemittel
an der Verbindungsstelle 22 in der Nähe des Akkumulators 8.
-
Durch derartiges Unterkühlen des
Hauptstromkältemittels
in dem Wärmetauscher 10 kann
die Kühlwirkung
des Hauptstromkältemittels
verglichen mit dem Fall, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird, verbessert werden.
Ferner kann durch Abzweigen des Bypassstroms von dem Kältemittelstrom
die volumetrische Strömungsrate
des Hauptstromkältemittels
vermindert werden. Daher, wie in dem in 2 gezeigten, spezifischen Enthalpiediagramm
(Ph-Diagramm) durch
einen Druck angegeben, kann ein Druckverlust ΔP innerhalb des Verdampfers 5 und
an dem einlassseitigen Rohr des Kompressors 2 verglichen
mit dem Fall vermindert werden, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird
(siehe 11A). Dementsprechend
kann die Kühlkapazität des Systems
verbessert werden. Es ist zu beachten, dass die mit A, B und C in 2 bezeichneten Abschnitte
den Zuständen
an den Punkten A, B und C in der Nähe der Verbindungsstelle 22 des
in 1A gezeigten Kältemittelkreises 1 entsprechen.
-
Ferner unterscheiden sich die Siedepunkte der
Kältemittel,
welche das durch den Kältemittelkreis 1 strömende, nicht-azeotrope Kältemittel
bilden, voneinander, und daher wird eine Gradiente (Neigung gegenüber der
Achse der spezifischen Enthalpie, nachfolgend als "Temperaturgradiente" bezeichnet) an isothermischen
Linien in der Dualphasenregion (Nassdampfbereich) des in 2 gezeigten Ph-Diagramms
erzeugt. Infolge der Temperaturgradiente in dieser Dualphasenregion
wird die Einlasstemperatur des Verdampfers 5 verglichen
mit dem Fall vermindert, in welchem ein einzelnes Kältemittel
verwendet wird. Daher wird ein Temperaturunterschied zwischen dem
Fluid (beispielsweise der in Kontakt mit den Rippen des Verdampfers
passierenden Innenluft), dessen Wärme durch den Verdampfer 5 absorbiert
wird, und dem durch den Verdampfer 5 passierenden Kältemittel
groß,
wodurch die Wärmetauschfähigkeit
des Verdampfers 5 erhöht
wird. Falls beispielsweise, wie in 3 gezeigt,
die Einlasstemperatur des Verdampfers 5 um 2 Grad vermindert wird,
steigt die Wärmetauschfähigkeit
des Verdampfers 5 um etwa 15% an. Als Ergebnis hieraus
kann die die Kühlkapazität verbessernde
Wirkung infolge der Unterkühlung
durch die Menge der Erhöhung
der Wärmetauschfähigkeit
des Verdampfers 5 verglichen mit dem Fall, in welchem ein
einzelnes Kältemittel verwendet
wird, weiter erhöht
werden. Ferner zweigt, wie in 1A gezeigt,
der Bypasskreis 13 von dem Hauptkreis 6 zwischen
dem Kondensator 3 und dem Wärmetauscher 10 ab,
und daher wird der durch den Wärmetauscher 10 zu
unterkühlende
Gegenstand nur das Hauptstromkältemittel.
Daher wird ermöglicht,
dass die Abmessungen des Wärmetauschers 10 relativ
klein sind.
-
Gemäß der Erfindung zweigt, wie
in 1B gezeigt, der Bypasskreis 13 von
dem Hauptkreis 6 zwischen dem Wärmetauscher 10 und
dem Hauptexpansionsmechanismus 4 (an einer Verbindungsstelle 21A)
ab. In diesem Falle tritt das von dem Hauptstromkältemittel
abzweigende Bypassstromkältemittel
nach einem Passieren durch den Wärmetauscher 10 in
den Bypass-Expansionsmechanismus 12 ein, und dies vermindert
die Möglichkeit
des Eintretens des Zweiphasenstroms in den Bypass-Expansionsmechanismus.
Daher besitzt der Bypass-Expansionsmechanismus 12 keine
Möglichkeit,
ein Pendeln zu verursachen und arbeitet daher stabil.
-
Wie oben beschrieben führt der
Wärmetauscher 10 einen
Wärmetausch
zwischen dem durch den Hauptkreis 6 strömenden Hauptstromkältemittel in
einem Zustand, in welchem dieses durch den Kondensator 3 kondensiert
ist, und dem Bypassstromkältemittel,
das durch den Bypass-Expansionsmechanismus 12 passiert
hat, aus. Das heißt,
der Wärmetauscher 10 arbeitet
im Prinzip als ein Flüssigkeits-Flüssigkeitswärmetauscher
zum Ausführen
eines Wärmetausches
zwischen dem Hauptstromkältemittel,
das durch den Kondensator 3 passiert hat und nun durch
den Verdampfer 5 passieren soll, und dem Bypassstromkältemittel.
Im Gegensatz hierzu, wie in 5 gezeigt,
ist es akzeptabel, den Wärmetauscher 10 als
Gas-Flüssigkeitswärmetauscher
mittels eines Hauptstromkältemittels
einer gasförmigen Phase,
das durch den Verdampfer 5 (auf der Einlassseite des Kompressors)
passiert hat, zu betreiben, um das Hauptstromkältemittel zu unterkühlen, das durch
den Verdampfer 5 passiert hat. Falls allerdings ein Wärmetauscher 10,
wie in 1A gezeigt als
ein Flüssigkeits-Flüssigkeitswärmetauscher
betrieben wird, dann wird ein durchschnittlicher Temperaturunterschied ΔTm, der für die Strömungsrichtung
in dem Wärmetauscher 10 relevant
ist, wie durch das Ph-Diagramm in 7A gezeigt,
infolge der Temperaturgradiente in der Dualphasenregion größer als ΔTm (in 7B gezeigt) in dem Fall,
in welchem der Wärmetauscher
als Gas-Flüssigkeitswärmetauscher
betrieben wird. Daher wird ermöglicht,
dass die Abmessungen des Wärmetauschers 10 relativ
klein sind, was nicht derartige Probleme verursacht, dass der Grad
des Aufheizens (superheating) auf der Einlassseite des Kompressors
ansteigt (siehe 6).
Als Ergebnis hieraus kann die die Kühlkapazität verbessernde Wirkung mittels
der Verwendung des nicht-azeotropen Kältemittels wirksamer erzeugt werden.
-
8 zeigt
eine Klimaanlage gemäß einer weiteren
Ausführungsform,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist und einen Kältemittelkreis 101 zum
Unterkühlen
eines Kältemittels
mittels einer in Eis gespeicherten Niedertemperaturwärme besitzt. Dieser
Kältemittelkreis 101 umfasst
einen Hauptkreis 106 und einen Kurzschlusskreis 113.
Als durch den Kältemittelkreis 101 zu
zirkulierendes Kältemittel
wird ein nicht-azeotropes Kältemittel
verwendet, das aus R-32/134a oder R-407C besteht.
-
Der Hauptkreis 106 besitzt
einen Kompressor 102, einen Außenwärmetauscher 103, der
als Kondensator dient, einen Receiver 107 zum vorübergehenden
Speichern des Kältemittels,
ein zweites elektronisches Expansionsventil 112, ein erstes
elektronisches Expansionsventil 104, das als erster Expansionsmechanismus
dient, einen Innenwärmetauscher 105,
der als Verdampfer dient, und einen Akkumulator 108, angeordnet
in dieser Reihenfolge. Ein wärmespeichernder
Wärmetauscher 110,
der als unterkühlender
Wärmetauscher
dient, ist parallel zu dem zweiten elektronischen Expansionsventil 112 über ein
außenseitiges
Verbindungsende 110b und ein innenseitiges Verbindungsende 110c des
wärmespeichernden
Wärmetauschers 110 verbunden.
Der wärmespeichernde
Wärmetauscher 110 ist
mit einem Kühlrohr 10a ausgestattet,
das sich meanderartige in einer senkrechten Richtung innerhalb eines
Wärmespeicherbehälters 109 erstreckt,
der mit Wasser W gefüllt
ist, das als Wärmespeichermedium
dient. In der Rohrleitung zwischen dem Hauptkörper 109 des wärmespeichernden
Wärmetauschers 110 und
dem außenseitigen
Verbindungsende 110b ist ein erstes Ein-/Ausventil 111 eingefügt. Der
Kurzschlusskreis 113 zweigt zwischen dem Hauptkörper 109 des
wärmespeichernden
Wärmetauschers 110 und
dem ersten Ein-/Ausventil 111 ab und vereint sich mit dem Hauptkreis 106 in
der Nähe
des Akkumulators 8. Ein zweites Ein-/Ausventil 114 ist
in diesem Kurzschlusskreis 113 eingefügt. Öffnungs-/Schließvorgänge des ersten
Ein-/Ausventils 111 und des zweiten Ein-/Ausventils 114 und
die Öffnungsgrade
des ersten elektronischen Expansionsventils 104 und des
zweiten elektronischen Expansionsventils 112 werden durch
ein Ein-/Aussteuereinrichtung 116 entsprechend
dem Betriebszustand dieser Klimaanlage und Signalen von Thermistoren
Th1 und Th2 und einem Drucksensor Ps gesteuert.
-
In einem Wärmespeichervorgang bringt die Ein-/Aussteuereinrichtung 116 das
erste Ein-/Ausventil 111 in einen geschlossenen Zustand,
bringt das zweite Ein-/Ausventil 114 in einen geöffneten
Zustand und bringt das erste elektronische Expansionsventil 104 in
einen vollständig
geschlossenen Zustand, während
der Öffnungsgrad
des zweiten elektronischen Expansionsventils 112 entsprechend
den Signalen von dem Thermistor Th1 und dem Drucksensor Ps gesteuert
wird. In dieser Phase wird das von dem Kompressor 102 ausgestoßene Kältemittel (dessen
Strömungsrichtung
durch die durchgezogene Linie in 8 angegeben
ist) durch den Außenwärmetauscher 103 kondensiert
und veranlasst, durch den Receiver 107 und das zweite elektronische Expansionsventil 112 zu
passieren. Nachdem es durch Wärmetausch
mit dem Wasser W in dem wärmespeichernden
Wärmetauscher 110 verdampft
ist, wird das Kältemittel
veranlasst, durch das zweite Ein-/Ausventil 114 des
Kurzschlusskreises 113 zu passieren und wird in den Kompressor 102 durch
den Akkumulator 108 des Hauptkreises 106 eingesaugt. Das
Wasser W innerhalb des Wärmespeicherbehälters 109 wird
durch Wärmetausch
mit dem Kältemittel gekühlt, das
durch ein Kühlrohr 110a passiert
und in der Form von Eis an der Oberfläche des Kühlrohrs 110a anhaftet.
Durch diese Vorgänge
wird Niedertemperaturwärme
in dem Wärmespeicherbehälter 109 gespeichert.
-
In einem Kühlvorgang zum Sammeln der gespeicherten
Niedertemperaturwärme
bringt die Ein-/Aussteuereinrichtung 116 das erste Ein-/Ausventil 111 in
den geöffneten
Zustand und bringt das zweite Ein-/Ausventil 114 in den
geschlossenen Zustand, und die Öffnungsgrade
des elektronischen Expansionsventils 104 und des zweiten
elektronischen Expansionsventils 112 werden gemäß den Signalen von
dem Thermistor Th2 und dem Drucksensor Ps gesteuert. In dieser Phase
wird das von dem Kompressor 102 ausgestoßene Kältemittel
(dessen Strömungsrichtung
durch gestrichelte Linien in 8 angegeben
ist) durch den Außenwärmetauscher 103 kondensiert
und veranlasst, durch den Receiver 107 zu passieren. Anschließend passiert
ein Teil des Kältemittels
durch das zweite elektronische Expansionsventil 112 und
erreicht die Verbindungsstelle 110c, während das übrige Kältemittel veranlasst wird,
von der Verbindungsstelle 110b durch das erste Ein-/Ausventil 111 zu
passieren durch Wärmetausch mit
dem während
des Wärmespeichervorgangs
in dem wärmespeichernden
Wärmetauscher 110 erzeugten
Eis unterkühlt
wird und danach veranlasst wird, die Verbindungsstelle 110c zu
erreichen. In dieser Phase wird eine Strömungsrate des Kältemittels, welches
durch das zweite elektronische Expansionsventil 112 passiert,
zu dem Kältemittel,
welches durch den wärmespeichernden
Wärmetauscher 110 passiert,
in Abhängigkeit
vom Öffnungsgrad
des zweiten elektronischen Expansionsventils 112 bestimmt.
Der wärmespeichernde
Wärmetauscher 110 unterkühlt das
Kältemittel
unter Einsatz von Niedertemperaturwärme, die in dem Eis gespeichert
ist, und daher kann das Kältemittel,
welches durch das Kühlrohr 110a passiert,
wirksam unterkühlt
werden. Das Kältemittel,
welches an der Verbindungsstelle 110c hinzukommt, wird
in seinem Druck durch das erste elektronische Expansionsventil 104 vermindert,
danach durch Wärmetausch
mit der Innenluft in dem Innenwärmetauscher 105 verdampft
und in den Kompressor 2 durch den Akkumulator 8 angesaugt.
-
Durch derartiges Unterkühlen des
Kältemittels
in dem wärmespeichernden
Wärmetauscher 110 kann
die kühlende
Wirkung verglichen mit dem Fall, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird,
erhöht werden.
Ferner unterscheiden sich die Siedepunkte der Kältemittel, welche das in dem
Innenwärmetauscher 105 strömende, nicht-azeotrope
Kältemittel
bilden, voneinander, und daher wird eine Gradiente (Neigung zu der
spezifischen Enthalpieachse, nachfolgend als "Temperaturgradiente" bezeichnet) an der isothermischen Linie
in der Dualphasenregion (Nassdampfbereich) des in 2 gezeigten Ph-Diagramms erzeugt. Infolge
der Temperaturgradiente in dieser Dualphasenregion wird die Einlasstemperatur des
Innenwärmetauschers 105 verglichen
mit dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel verwendet wird, vermindert.
Daher wird ein Temperaturunterschied zwischen der Innenluft, deren
Wärme durch den
Innenwärmetauscher 105 absorbiert
wird, und dem durch den Innenwärmetauscher 105 passierende
Kältemittel
groß,
wodurch die Wärmetauschfähigkeit
des Innenwärmetauschers 105 erhöht wird.
Als Ergebnis kann die die Kühlkapazität verbessernde Wirkung
infolge des Unterkühlens
durch die Menge des Anstieges der Wärmetauschfähigkeit des Innenwärmetauschers 105 verglichen
mit dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel verwendet wird, weiter
erhöht
werden.
-
Um den normalen Kühlvorgang ohne Sammeln der
gespeicherten Wärme
auszuführen,
ist es geeignet, das erste Ein-/Ausventil 111 und das zweite Ein-/Ausventil 114 in
den geschlossenen Zustand zu bringen, das zweite elektronische Expansionsventil 112 in
den vollständig
geöffneten
Zustand durch die Ein-/Aussteuereinrichtung 116 zu
bringen, und den Öffnungsgrad
des ersten elektronischen Expansionsventils 104 gemäß den Signalen
von dem Thermistor Th2 und dem Drucksensor Ps zu steuern. In dieser Phase
wird das von dem Kompressor 102 ausgestoßene Kältemittel
durch Außenwärmetauscher 103 kondensiert,
wird veranlasst, durch den Receiver 107 und das zweite
elektronische Expansionsventil 112 zu passieren, wird durch
den Innenwärmetauscher 105 verdampft
und in den Kompressor 102 durch Akkumulator 108 eingesaugt.
-
9 zeigt
eine Klimaanlage gemäß einer weiteren
Ausführungsform,
die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist und einen Kältemittelkreis
zum Unterkühlen
eines Kältemittels
mittels Niedertemperaturwärme,
die von einem anderen Kältemittelkreis zugeführt wird,
besitzt.
-
Diese Klimaanlage besitzt eine Außeneinheit A
mit zwei Vorrichtungen H und I, die eine identische Konstruktion
besitzen, zwei Inneneinheiten B und C, die mit einer Vorrichtung
H der Außeneinheit
A verbunden sind, und zwei Inneneinheiten D und E, die mit der anderen
Vorrichtung I der Außeneinheit
A verbunden sind.
-
Die eine Vorrichtung H der Außeneinheit
A besitzt einen Aufbau, in welchem ein Akkumulator 208,
ein durch einen Wandler 207 eingetriebener Kompressor 201,
ein Vierwege-Umschaltventil 202, ein
Außenwärmetauscher 203,
ein unterkühlender Wärmetauscher 225,
ein Rückschlagventil 209,
welches es dem Kältemittel
erlaubt, nur in einer Richtung (der durch die durchgezogenen Linien
in der Figur gezeigten Richtung) in einem Kühlvorgang zu passieren, und
ein Expansionsmechanismus 204 für einen Wärmevorgang, der parallel mit
diesem Rückschlagventil 209 verbunden
ist, miteinander mittels eines Kühlmittelrohrs 205 verbunden.
In ähnlicher Weise
besitzt die andere Vorrichtung I einen Aufbau, in welchem ein Akkumulator 208,
ein durch einen Wandler 207 angetriebener Kompressor 201,
ein Vierwege-Umschaltventil 202,
ein Außenwärmetauscher 203,
ein unterkühlender
Wärmetauscher 225B, ein
Rückschlagventil 209,
welches es dem Kältemittel
erlaubt, in nur in einer Richtung in einem Kühlvorgang zu passieren, und
einen Expansionsmechanismus 204 für einen Erwärmungsvorgang, der parallel mit
diesem Rückschlagventil 209 verbunden
ist, miteinander mittels eines Kältemittelrohrs 205 verbunden
sind. Die Inneneinheiten B, C, D und E besitzen identische innere
Aufbauten, in welchen ein Innenwärmetauscher 210,
ein Rückschlagventil 213,
welches es dem Kältemittel
erlaubt, den Erwärmungsvorgang
nur in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des Kühlvorganges
zu passieren, und ein Expansionsmechanismus 211 für den Kühlvorgang, der
parallel mit diesem Rückschlagventil 213 verbunden
ist, miteinander mittels eines Kältemittelrohrs 212 verbunden
sind. Das nachfolgende wird den Kühlvorgang beschreiben.
-
Die Inneneinheiten B und C sind parallel
miteinander mittels Kältemittelrohren 215 und 215 verbunden,
und sind mit der einen Vorrichtung H der Außeneinheit A mittels anderer Kältemittelleitungen 216 und 216 verbunden,
während
sie es dem Kältemittel erlauben
zu zirkulieren, wodurch ein Kältemittelkreis 217 gebildet
wird. In ähnlicher
Weise sind die Inneneinheiten D und E parallel miteinander mittels
Kältemittelrohren 218 und 218 verbunden,
und sind mit der anderen Vorrichtung I der Außeneinheit A mittels anderer
Kältemittelrohre 219 und 219 verbunden,
während
sie es dem Kältemittel
erlauben, zu zirkulieren, wodurch ein anderer Kältemittelkreis 220 gebildet wird.
Auf einer Einlassseite (in der Nähe
des Kältemitteleinlasses
der Außeneinheit
A) des Kompressors 201 der Kältemittelkreise 217 und 220 sind Drucksensoren 235 bzw. 236 zum
Erfassen der Betriebszustände
der jeweiligen Kältemittelkreise
vorgesehen.
-
Als durch diese Kältemittelkreise 217 und 220 zu
zirkulierendes Kältemittel
wird ein nicht-azeotropes Kältemittel
verwendet, das aus R-32/134a oder R-407C besteht.
-
Zwischen dem Kältemittelkreis 217 auf
der Seite der Vorrichtung H und dem Kältemittelkreis 220 auf
der Seite der Vorrichtung I sind Bypasskreise 230 und 230B vorgesehen.
Der Bypasskreis 230 (der Kältemittelrohre 227 und 228 besitzt)
zweigt von der stromabwärts
gelegenen Seite (in der Nähe
des Auslasses in dem Kühlvorgang)
des Außenwärmetauschers 203 des
Kältemittelkreises 220 ab,
passiert durch das Ein-/Ausventil 231, einen Expansionsmechanismus 226 und
einen unterkühlenden
Wärmetauscher 225 des
Kältemittelkreises 217 und
vereint sich mit dem Kältemittelkreis 220 in
der Nähe
des Einlasses des Akkumulators 208 des Kältemittelkreises 220.
Der Bypasskreis 230B (der Kältemittelrohre 227B und 228B besitzt)
zweigt von der stromabwärts gelegenen
Seite (in der Nähe
des Auslasses des Kühlvorganges)
des Außenwärmetauschers 203 des Kältemittelkreises 217 ab,
passiert durch das Ein-/Ausventil 231B, einen Expansionsmechanismus 226B und
einen unterkühlenden
Wärmetauscher 225B des
Kältemittelkreises 220 und
vereint sich mit dem Kältemittelkreis 217 in
der Nähe
des Einlasses des Akkumulators 208 des Kältemittelkreises 217.
-
Der unterkühlende Wärmetauscher 225 ist beispielsweise ähnlich zu
dem Wärmetauscher 10 vom
Doppelrohrtyp, der in 4A gezeigt
ist, aufgebaut, und führt
einen Wärmetausch
zwischen dem Hauptstromkältemittel,
welches durch den Kältemittelkreis 217 strömt, und
den Bypassstromkältemittel, welches
durch den Bypasskreis 230 strömt, der von dem Kältemittelkreis 220 abzweigt,
aus. Andererseits führt
der unterkühlende
Wärmetauscher 225B einen Wärmetausch
zwischen dem Hauptstromkältemittel, welches
durch den Kältemittelkreis 220 strömt, und dem
Bypassstromkältemittel,
welches durch den Bypasskreis 230B strömt, der von dem Kältemittelkreis 217 abzweigt,
aus.
-
In dem normalen Kühlbetrieb, in welchem kein
Unterkühlen
ausgeführt
wird, sind die Ein-/Ausventile 231 und 231B der
Bypasskreise 230 und 230B durch eine Steuereinrichtung
(nicht gezeigt) in den geschlossenen Zustand gebracht. In diesem
Zustand führen
der Kältemittelkreis 217 und
der Kältemittelkreis 230 unabhängig voneinander
Kühlvorgänge aus.
Beispielsweise in dem Kältemittelkreis 220 wird
das von dem Kompressor 201 ausgestoßene Kältemittel (dessen Strömungsrichtung
durch die durchgezogenen Linien in 9 angegeben
ist) durch den Außenwärmetauscher 203 kondensiert, der
als Kondensator arbeitet, und wird veranlasst, durch den Wärmetauscher 225B in
dem Zustand, in welchem dieser keine Wärme tauscht, ausführt, um das
Rückschlagventil 209 zu
passieren. Anschließend
erfährt
das Kältemittel
eine Verminderung des Drucks durch den Expansionsmechanismus 211 der Inneneinheiten
D und E, wird durch den Innenwärmetauscher 210,
der als Verdampfer arbeitet, verdampft und in den Kompressor 201 durch
den Akkumulator 208 der Außeneinheit A eingesaugt. Derselbe
Vorgang wird in dem Kältemittelkreis 217 ausgeführt.
-
Es wird nun angenommen, dass eine
Entscheidung getroffen wurde, dass es einen Überschuss an Niedertemperaturwärme beispielsweise seitens
des Kältemittelkreises 217 gibt,
und dass es einen Mangel an Niedertemperaturwärme seitens des Kältemittelkreises 220 gibt,
basierend auf den Ausgaben der Drucksensoren 235 und 236,
während die
Kältemittelkreise 217 und 220 den
Kühlbetrieb ausführen. Entsprechend
diesem Ergebnis der Entscheidung bringt die Steuereinrichtung das
Ein-/Ausventil 231 in den geschlossenen Zustand und bringt das
Ein-/Ausventil 231B in den geöffneten Zustand, wodurch der
Betrieb des Kältemittelkreises 220 in den
Kühlbetrieb
zum Ausführen
von Unterkühlen
umgeschaltet wird. In dieser Phase zweigt ein Teil des durch den
Kältemittelkreis 217 strömenden Kältemittels
ab, um als Bypassstromkältemittel
(dessen Strömungsrichtung
durch gestrichelte Linien in 9 angegeben
ist) durch den Bypasskreis 230B zu strömen. Als Ergebnis hieraus führt der
unterkühlende Wärmetauscher 225B einen
Wärmetausch
zwischen dem durch den Kältemittelkreis 220 strömenden Hauptstromkältemittel
und dem durch den Bypasskreis 230B strömenden Bypassstromkältemittel
aus. Das heißt
das von dem Kompressor 201 ausgestoßene Kältemittel in dem Kältemittelkreis 220 wird
durch den Außenwärmetauscher 203 kondensiert,
der als Kondensator arbeitet, und wird durch den Wärmetauscher 225B unterkühlt. Dann
passiert das Kältemittel durch
das Rückschlagventil 209.
Anschließend
erfährt
das Kältemittel
eine Verminderung des Drucks durch den Expansionsmechanismus 211 der
Inneneinheiten D und E, wird durch den Innenwärmetauscher 210 verdampft,
der als Verdampfer arbeitet, und dann in den Kompressor 201 durch
den Akkumulator 208 der Außeneinheit A eingesaugt.
-
Wie oben beschrieben kann durch Unterkühlen des
Kältemittels
in dem Wärmetauscher 225B die kühlende Wirkung
verglichen mit dem Fall, in welchem kein Unterkühlen ausgeführt wird, erhöht werden.
Darüber
hinaus unterscheiden sich die Siedepunkte der Kältemittel, welche das nicht-azeotrope Kältemittel,
welches in dem Innenwärmetauscher 210 strömt, bilden,
voneinander, und daher wird eine Gradiente (Neigung) der Achse der
spezifischen Enthalpie, nachfolgend als "Temperaturgradiente" bezeichnet) an der isothermischen Linie
in einer Dualphasenregion (Nassdampfbereich) des in 2 gezeigten Ph-Diagramms erzeugt. Infolge
der Temperaturgradiente in dieser Dualphasenregion wird die Einlasstemperatur
des Innenwärmetauschers 210 verglichen
mit dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel verwendet wird, vermindert.
Daher wird ein Temperaturunterschied zwischen der Innenluft, deren
Wärme durch
den Innenwärmetauscher 210 absorbiert
wird, und den durch den Innenwärmetauscher 210 passierenden
Kältemittel
groß,
wodurch die Wärmetauschfähigkeit
des Innenwärmetauschers 210 erhöht wird.
Als Ergebnis hieraus kann die die Kühlkapazität verbessernde Wirkung infolge des
Unterkühlens
weiter verbessert werden, und zwar durch die Menge des Anstiegs
der Wärmetauschfähigkeit
des Innenwärmetauschers 210 verglichen
mit dem Fall, in welchem ein einzelnes Kältemittel verwendet wird.
-
Falls entschieden wird, dass es einen Überschuss
von Niedertemperaturwärme
seitens des Kältemittelskreises 220 gibt,
und dass es einen Mangel an Niedertemperaturwärme seitens Kältemittelkreises 217 gibt,
umgekehrt zu dem obigen Fall, basierend auf den Ausgaben der Drucksensoren 235 und 236,
während
die Kältemittelkreise 217 und 220 den Kühlbetrieb
ausführen,
dann setzt gemäß diesem
Ergebnis der Entscheidung die Steuereinrichtung das Ein-/Ausventil 231 in
den geöffneten
Zustand und setzt das Ein-/Ausventil 231B in den geschlossenen Zustand,
wodurch der Betrieb des Kältemittelkreises 217 in
den Kühlbetrieb
zum Ausführen
von Unterkühlen
umgeschaltet wird.
-
GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
-
Die vorliegende Erfindung kann auf
eine Klimaanlage angewendet werden, die einen Kältemittelkreis besitzt, der
ein Unterkühlen
ausführt,
und ist nützlich
zum Verbessern der Kühlkapazität der Klimaanlage.