DE69732206T2 - Kälteanlage des Dampfkompressionstyps - Google Patents

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Yuichi Nishio-shi Sakajo
Hisayoshi Kariya-city Sakakibara
Kazuhide Nishio-shi Uchida
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem eines Dampfkompressionstyps gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, und ist für ein Kühlsystem geeignet, bei dem ein Kühlmedium wie beispielsweise Kohlendioxid (CO2) in einem überkritischen Zustand benutzt wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der WO-A-90/07683 bekannt.
  • Es wird seit kurzem streng gefordert, dass ein anderes Kältemittel als Fluorkohlenstoff (Flon) in einem Kühlsystem verwendet wird. Daher wurde ein Dampfkompressions-Kühlsystem vorgeschlagen, in dem Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel verwendet wird, um einen Kühlkreis auszuführen. Siehe zum Beispiel die geprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 7-18602. Dieser Typ eines Kühlsystems wird nachfolgend als ein CO2-Kühlsystem bezeichnet.
  • Dieses CO2-Kühlsystem arbeitet grundsätzlich in der gleichen Weise wie es ein Flon als Kältemittel verwendendes herkömmliches Kühlsystem tut. Das CO2-Kühlsystem ist jedoch dahingehend mangelhaft, dass ein Druck am Auslass des Wärmestrahlers auf einen Wert von bis zum Zehnfachen desjenigen in dem Flon verwendenden herkömmlichen Kühlsystem erhöht ist, wenn eine Kühlleistung aufgrund einer erhöhten Außenlufttemperatur wie beispielsweise im Sommer hoch ist. Ein solcher Anstieg des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers bedeutet, dass die Festigkeit der den Kompressor bildenden Teile entsprechend gegenüber jener in dem Flon verwendenden herkömmlichen Kühlsystem erhöht werden muss, was in einem Anstieg der Größe des Systems resultiert.
  • Außerdem werden in dem CO2-Kühlsystem der Druck und die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers entlang einer so genannten optimalen Steuerlinie gesteuert, die den Leistungsgrad des Systems den Maximalwert erzielen lässt. Jedoch wird der Leistungsgrad als ein Verhältnis der Veränderung einer Enthalpie in dem Verdampfapparat zu einer Kompressionsarbeit in dem Kompressor berechnet. Daher garantiert eine solche Steuerung entlang der optimalen Steuerlinie nicht notwendigerweise eine gewünschte Kühlleistung in einem speziellen Zustand wie beispielsweise einem Abkühlvorgang.
  • Außerdem wird in dem CO2-Kühlsystem der Druckverminderer in einer solchen Weise gesteuert, dass der Druck am Auslass des Wärmestrahlers entsprechend der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers variiert wird. Jedoch kann eine solche Steuerung den Überhitzungsgrad des Kältemittels am Auslass des Verdampfapparats unzureichend werden lassen, was das Ansaugen eines Kältemittels im flüssigen Zustand durch den Kompressor verursachen kann, wodurch der Kompressor beschädigt wird. Falls dagegen der Öffnungsgrad des Druckverminderers derart gesteuert wird, dass ein gewünschter Überhitzungsgrad am Auslass des Verdampfapparats erzielt wird, weicht eine Beziehung zwischen dem Druck am Auslass des Wärmestrahlers und der Temperatur am Auslass des Wärmestrahlers von der optimalen Steuerlinie ab, wodurch eine Wirksamkeit eines Kühlkreises mit CO2 vermindert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dampfkompressions-Kühlsystem vorzusehen, bei dem ein Druck des Kältemittels an dem Wärmestrahler größer als ein kritischer Druck ist, wobei ein Anstieg der Größe des Systems verhindert und gleichzeitig eine gewünschte Kühlleistung gehalten werden kann.
  • Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dampfkompressions-Kühlsystem vorzusehen, das eine gewünschte Kühlleistung selbst in einem Zustand wie beispielsweise einem Abkühlen, bei dem eine Wärmelast hoch ist, erzielen kann.
  • Es ist eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dampfkompressions-Kühlsystem vorzusehen, das eine erhöhte Wirksamkeit während der Ausführung des Kühlsystems halten kann, wobei eine Beschädigung des Kompressors verhindert wird.
  • Diese Aufgaben werden durch die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebene Merkmale gelöst.
  • In einem ersten Beispiel wird das Kältemittel aus dem Wärmestrahler in einen ersten Strom zu einem ersten Druckverminderer und zu einem Verdampfapparat und einen zweiten Strom zu einem zweiten Druckverminderer zur Gaseinspritzung in den Kompressor geteilt, und ein Wärmeaustausch wird zwischen dem ersten und dem zweiten Strom des Kältemittels erzeugt. Als Ergebnis wird der erste Strom zu dem ersten Druckverminderer und dem Verdampfapparat durch den zweiten Strom zum Einspritzen gekühlt.
  • Das obige Verfahren erlaubt eine Reduzierung der spezifischen Enthalpie des Kältemittels am Einlass des ersten Druckverminderers ohne Erhöhen des Drucks des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers. Somit wird eine Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats erhöht. Daher wird ein minimaler Arbeitsdruck während der Ausführung des Kühlkreises unter Halten einer gewünschten Kühlleistung vermindert, wodurch ein Anstieg der Größe des Systems verhindert wird. Mit anderen Worten wird eine kleine Größe von Teilen zum Auftauen des Kompressionssystems erzielt.
  • Außerdem wird der zweite Strom des Kältemittels in den Kompressor eingeleitet oder eingespritzt. Wenn der erste Strom des Kältemittels in den Kompressor eingeleitet wird, bewirkt der eingespritzte zweite Strom des Kältemittels eine Verminderung der Temperatur (spezifische Enthalpie) des Kältemittels im Kompressor. So wird der Zustand des Kältemittels nach dem Einspritzen durch eine isentropische Linie bei einer reduzierten Temperatur bestimmt. Nach Beendigung des Einspritzens hat die isentropische Linie einen erhöhten Gradienten gegenüber der isentropischen Linie vor dem Einspritzen. So wird in einem Fall, bei dem ein Einspritzen während eines Kompressionshubes in dem Kompressor erfolgt, im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Kompression ohne ein Gaseinspritzen erfolgt, ein Abfall der Kompressionsarbeit erzielt. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Anstieg des Leistungsgrades während der Ausführung des Kühlkreises erzielt.
  • In einem Beispiel ist vorzugsweise eine Einrichtung zum Variieren einer Kühlleistung an dem Kühler durch Steuern eines Öffnungsgrades des zweiten Druckverminderers vorgesehen. Insbesondere lässt die Steuerung des zweiten Druckverminderers die spezifische Enthalpie des Kältemittels am Einlass des Verdampfapparats steuern. Mit anderen Worten wird eine Steuerung der Kühlleistung des Systems ohne Steuern eines Betriebszustandes des Kompressors ausgeführt.
  • Vorzugsweise ist die Steuerung der Kühlleistung durch die Kühleinrichtung derart, dass der Öffnungsgrad des zweiten Druckverminderers vergrößert wird, wenn bestimmt wird, dass ein Anstieg des Kühlvermögens notwendig ist, und dass der Öffnungsgrad des zweiten Druckverminderers verkleinert wird, wenn bestimmt wird, dass ein Abfall des Kühlvermögens notwendig ist.
  • Vorzugsweise ist eine Einstellung des Öffnungsgrades des ersten Druckverminderers derart, dass der Druck des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers auf einen vorbestimmten Sollwert gesteuert wird, der entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt wird.
  • Vorzugsweise wird für das Kältemittel Kohlendioxid verwendet.
  • Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Druckdifferenz ΔPs zwischen dem Druck Pi des in die Stelle des Kompressors, bei dem das Kältemittel teilweise komprimiert ist, eingeleiteten Kältemittels, nachdem es einer Druckverminderung durch die erste Druckverminderungseinrichtung unterzogen ist, und einem Druck Ps des aus dem Verdampfapparat in den Kompressor gesaugten Kältemittels zu der Druckdifferenz ΔPd zwischen dem Druck Pd des aus dem Kompressor ausgegebenen Kältemittels und einem Druck Pi des in die Stelle des Kompressors, bei der das Kältemittel teilweise komprimiert ist, eingeleiteten Kältemittels, nachdem es einer Druckverminderung durch die erste Druckverminderungseinrichtung unterzogen ist, in einem Bereich zwischen 0,6 bis 0,9. Durch diese Konstruktion erzielt man einen Anstieg eines Leistungsgrades bei einer Ausführung des Kühlkreises in dem Dampfkompressions-Kühlsystem.
  • In einem weiteren Beispiel wird der Öffnungsgrad des Druckverminderers zuerst in einer solchen Weise gesteuert, dass ein Verhältnis der Kühlleistung am Verdampfapparat zu der Kompressionsarbeit am Kompressor erhöht wird, wenn eine Wärmelast am Verdampfapparat kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Der Öffnungsgrad des Druckverminderers wird zweitens in einer solchen Weise gesteuert, dass ein Öffnungsgrad des Druckverminderers entsprechend dem Anstieg der Wärmelast reduziert wird, wenn eine Wärmelast am Verdampfapparat den vorbestimmten Wert übersteigt.
  • Aufgrund des ersten Merkmals wird der Dampfkompressions-Kühlkreis unter Beibehaltung eines erhöhten Leistungsgrades ausgeführt, wenn die Wärmelast kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
  • In dem zweiten Merkmal wird ein Beginn eines schnellen Kühlvorgangs durch das Übersteigen des vorbestimmten Werts durch die Wärmelast des Verdampfapparats erfasst. In diesem Fall wird der Öffnungsgrad des Druckverminderers entsprechend dem Anstieg der Wärmelast des Verdampfapparats reduziert, wodurch man eine gewünschte Kühlleistung selbst bei einem Zustand einer erhöhten Wärmelast während der Ausführung des schnellen Kühlmodus erzielt. So erfolgt eine Ausführung des Kühlkreises mit einer hohen Wirksamkeit, während man eine ausreichende Kühlleistung selbst bei einer großen Wärmelast aufgrund der Ausführung eines schnellen Kühlmodus erzielt.
  • In dem Dampfkompressions-Kühlsystem, bei dem das Kältemittel wie beispielsweise Flon bei einem Druck niedriger als der kritische Druck verwendet wird, ist eine Schwankung des von dem Kompressor ausgegebenen Drucks im Vergleich zu einem Dampfkompressions-Kühlsystem, bei dem das Kältemittel wie beispielsweise CO2 bei einem Druck höher als der kritische Druck betrieben wird, klein. So erfolgt in dem Flon verwendenden herkömmlichen Kühlsystem eine Steuerung einer Kühlleistung durch Steuern eines Massendurchsatzes des in dem System zirkulierten Kältemittels. Mit anderen Worten wird die Kühlleistung nur durch den maximalen Massendurchsatz bestimmt. Daher bewirkt eine Bestimmung der Kompressionsleistung allein durch den maximalen Massendurchsatz einen Anstieg der Größe des Kompressors. Im Gegensatz dazu erfolgt in dem Dampfkompressions-Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Steuerung der Kühlleistung hauptsächlich durch Steuern des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers. So kann die Leistung des Kompressors basierend auf dem Massendurchsatz des Kältemittels bestimmt werden, wenn die Wärmelast zu dem Verdampfapparat niedrig ist, d. h. das System in einem stabilen Zustand ist. So wird ein Anstieg der Größe des Kompressors verhindert.
  • Vorzugsweise steuert die erste Steuereinrichtung den Öffnungsgrad des Druckverminderers so, dass der Druck des Kältemittels an dem Wärmestrahler auf einen ersten Sollwert gesteuert wird, der entsprechend einer Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt wird, und die zweite Steuereinrichtung steuert den Öffnungsgrad des Druckverminderers so, dass der Druck des Kältemittels am Wärmestrahler auf einen zweiten Sollwert gesteuert wird, der entsprechend einem Wert der Wärmelast und der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt wird.
  • Vorzugsweise erfolgt die Steuerung des Druckverminderers derart, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Auslass des Wärmestrahlers und dem Einlass des Verdampfapparats gleich einer Soll-Druckdifferenz ist, die entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt wird.
  • Der Druck des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers wird entsprechend dem Anstieg oder Abfall der Wärmelast erhöht oder verringert. So wird, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats steigt, der Druck des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers erhöht, wodurch die Kühlleistung erhöht wird. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats sinkt, der Druck am Auslass des Wärmestrahlers verringert, was eine Reduzierung der Kühlleistung bewirkt. In diesem Fall wird die Druckdifferenz auf einen Sollwert gesteuert, der entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt wird, was eine Ausführung des Kühlkreises bei einer erhöhten Wirksamkeit erlaubt. So erhält man ohne Vorsehen einer separaten Einrichtung zum Erfassen einer Wärmelast des Verdampfapparats einen ähnlichen Effekt, wodurch der Aufbau des Systems vereinfacht wird und die Fertigungskosten reduziert werden.
  • Vorzugsweise wird in dem weiteren Beispiel als Kältemittel Kohlendioxid verwendet.
  • Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, ist eine Reihe eines ersten und eines zweiten Druckverminderers vorgesehen. Der erste Druckverminderer dient dem Reduzieren des Drucks des Kältemittels aus dem Wärmestrahler, wobei der erste Druckverminderer den Druck am Auslass des Wärmestrahlers entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers steuert. Der zweite Druckverminderer dient dem Reduzieren des Drucks aus der Trenneinrichtung, wobei der zweite Druckverminderer die Strömungsmenge des Kältemittels in einer solchen Weise steuert, dass ein Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird. Ferner ist eine Trennvorrichtung zur Phasentrennung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase des Kältemittels vorgesehen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Druckverminderer angeordnet ist.
  • In der vorliegenden Erfindung ist durch das Vorsehen des ersten Druckverminderers eine Steuerung des Kältemitteldrucks entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers möglich, was eine Erhöhung der Wirksamkeit des Kühlsystems erlaubt. Ferner erlaubt der zweite Druckverminderer das Halten des Überhitzungsgrades auf einem vorbestimmten Wert am Einlass des Kompressors, wodurch ein Ansaugen eines Flüssigphasen-Kältemittels zu dem Kompressor verhindert wird, was sonst den Kompressor beschädigen würde.
  • Außerdem wird der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors auf einen vorbestimmten Wert gesteuert, was sonst einen Speicher am Auslass des Verdampfapparats für eine Phasentrennung der gasförmigen Phase von der flüssigen Phase notwendig machen würde. Aufgrund des Weglassens des Speichers wird eine Speicherung eines in dem Kältemittel enthaltenen Schmiermittels in dem Speicher verhindert. Mit anderen Worten wird das Schmiermittel, das von einer verringerten Fließfähigkeit ist, durch einen in den Kompressor gesaugten Hochgeschwindigkeitsstrom eines gasförmigen Kältemittels mitgerissen, was die Zuführung einer großen Menge des Schmiermittels zu dem Kompressor erlaubt. So wird gemäß der vorliegenden Erfindung dem Kompressor eine ausreichende Menge Schmiermittel zugeführt, wodurch einerseits ein Fressen des Kompressors verhindert und andererseits ein Betrieb des Kühlsystems mit einer erhöhten Wirksamkeit ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise ist ein dritter Druckverminderer zum Reduzieren des Drucks des zweiten Stroms des Kältemittels vorgesehen, und eine Kühleinrichtung zum Erzielen eines Wärmeaustausches zwischen dem zu dem ersten Druckverminderer gerichteten ersten Strom des Kältemittels und dem zweiten Strom, nachdem er einer Druckverminderung durch den dritten Druckverminderer unterzogen ist, ist vorgesehen, wodurch der erste Strom des Kältemittels gekühlt wird. Das aus dem Wärmestrahler ausgegebene Kältemittel wird der Kühlung durch den Kühler unterzogen, was eine Reduzierung einer spezifischen Enthalpie am Einlass des ersten Druckverminderers erlaubt, wodurch eine Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats vergrößert wird. So erhält man einen Anstieg der Kühlleistung des Dampfkompressions-Kühlsystems.
  • Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung mit wenigstens einem des ersten, des zweiten und des dritten Druckverminderers integriert. Als Ergebnis dieser Konstruktion wird eine Reduzierung der Anzahl der das System bildenden Teile erzielt, und eine Anzahl Arbeitsschritte zum Zusammenbauen des Systems wird reduziert. So erzielt man eine Reduzierung von Herstellungskosten.
  • Vorzugsweise ist eine Leitung zum Einleiten einer Gasphase des Kältemittels, die an der Trenneinrichtung getrennt wird, bei einem Druck zwischen einem Druck in dem Wärmestrahler und einem Druck in dem Verdampfapparat in den Kompressor vorgesehen. Aufgrund dieses Aufbaus wird in den Kompressor eine Flüssigphase des Kältemittels, die von der Trenneinrichtung getrennt wird und einen Druck zwischen dem Wärmestrahler und dem Verdampfapparat hat, eingeleitet. Als Ergebnis wird eine Flüssigphase des Kältemittels mit einer Enthalpie niedriger als jene einer gesättigten Flüssigkeit in den zweiten Druckverminderer eingeleitet, was eine Vergrößerung der Enthalpiedifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats erlaubt. Außerdem wird eine Gasphase des Kältemittels mit einem mittleren Druck in den Kompressor eingeleitet, wodurch die Kompressionsarbeit am Kompressor reduziert wird.
  • Kurz gesagt wird in der vorliegenden Erfindung eine Vergrößerung einer Enthalpiedifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats erzielt, während eine Kompressionsarbeit am Kompressor verringert und ein Leistungsgrad des Kühlkreises mit CO2 erhöht wird.
  • Schließlich kann auch in diesem Aspekt für das Kältemittel Kohlendioxid verwendet werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ANHÄNGENDEN ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Mollier-Diagramm für CO2.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines ersten beispielhaften Beispiels.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Druckvermindererventils in 2.
  • 4 ist eine Längsschnittansicht eines Kühlers (Wärmetauschers) in 2.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie V-V in 4.
  • 6 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs eines Nebendruckverminderers in 2.
  • 7 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs eines Hauptdruckverminderers in 2.
  • 8 zeigt eine Beziehung zwischen einer Temperatur am Einlass eines Druckverminderers und einem Solldruck.
  • 9 zeigt Beziehungen zwischen dem Druck am Auslass eines Wärmestrahlers und einem Leistungsgrad (COP).
  • 10 zeigt ein schematisches Mollier-Diagramm zur Veranschaulichung einer Funktionsweise des ersten Beispiels.
  • 11 zeigt Beziehungen zwischen einem eingespritzten Druck und einem Leistungsgrad (COP).
  • 12 zeigt einen mechanischen Druckverminderer in dem zweiten beispielhaften Beispiel.
  • 13 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem dritten beispielhaften Beispiel.
  • 14 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem vierten beispielhaften Beispiel.
  • 15 ist eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines Nebendruckverminderers in 14.
  • 16 ist eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines Hauptdruckverminderers in 14.
  • 17 zeigt eine Querschnittsansicht eines Druckvermindererventils in einem fünften beispielhaften Beispiel.
  • 18 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem sechsten beispielhaften Beispiel.
  • 19 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs des Beispiels in 18.
  • 20 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz δT zwischen der Raumtemperatur Tr und der eingestellten Temperatur Tset und dem Druckanstieg δT.
  • 21 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem siebten beispielhaften Beispiel.
  • 22 ist ein Detail des Druckverminderers in 21.
  • 23 zeigt schematisch ein Mollier-Diagramm des Systems in 21.
  • 24 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperatur am Verdampfapparat und einer Druckdifferenz.
  • 25 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem achten beispielhaften Beispiel.
  • 26 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 27 zeigt einen Aufbau eines Speichers in 26.
  • 28 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs des Systems in 26.
  • 29 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 30 ist eine Längsschnittansicht des Kühlers in einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 31 ist eine Querschnittsansicht eines Kühlers in 29 entlang einer Linie XXXI-XXXI in 30.
  • 32 und 33 zeigen, wie die Konstruktion des Kühlers in 30 und 31 hergestellt wird.
  • 34 und 35 zeigen einen mit einem Druckverminderer integrierten Kühler in einem vierten bzw. einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • 36 zeigt einen mit einem Haupt- und einem Nebendruckverminderer integrierten Kühler in einem sechsten Ausführungsbeispiel.
  • 37 zeigt einen mit einem Haupt- und einem Nebendruckverminderer integrierten Kühler eines mechanisch betriebenen Typs in einem siebten Ausführungsbeispiel.
  • 38 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem achten Ausführungsbeispiel.
  • 39 ist ein Mollier-Diagramm in dem System von 38.
  • 40 ist eine Querschnittsansicht einer Trennvorrichtung in 38 entlang einer Linie XXXX-XXXX in 41.
  • 41 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Linie XXXXI-XXXXI in 40. 42 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem neunten Ausführungsbeispiel.
  • 43 ist eine Längsschnittansicht eines Druckverminderers in 42. 44 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in einem zehnten Ausführungsbeispiel.
  • DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Erster Aspekt
  • Erstes Beispiel
  • 1 ist ein Mollier-Diagramm, das eine Funktionsweise des Kühlsystems mit CO2 als Kältemittel veranschaulicht. In einem Kompressor erfolgt eine Kompression des Kältemittels (CO2) eines gasförmigen Zustands, sodass eine Zustandsänderung von einem Punkt A zu einem Punkt B stattfindet. Am Punkt B ist das CO2-Gas in einem Zustand einer hohen Temperatur und eines hohen Drucks, d. h. in einem überkritischen Zustand. Das komprimierte Kältemittel aus dem Kompressor 1 wird einer Kühlung an dem Heizer (Gaskühler) unterzogen, sodass eine Zustandsänderung zwischen einem Punkt B und einem Punkt C erzielt wird. So ist das CO2 am Punkt D in einem Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustand. Dann wird das Kältemittel des Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustandes an einem Verdampfapparat einer Verdampfung unterzogen, sodass eine Zustandsänderung zwischen den Punkten D und A stattfindet. Während der Verdampfungsstufe an dem Verdampfapparat wird eine Wärme entsprechend einer Verdampfungswärme aus der den Verdampfapparat kontaktierenden Außenluft entfernt, wodurch die Außenluft gekühlt wird. In einer wohlbekannten Weise wird während einer Druckverminderung an dem Druckverminderer, d. h. einer Phasenänderung zwischen den Punkten C und D ein Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustand erzielt, wenn der Druck unter den Druck der gesättigten Flüssigkeit, d. h. den Druck am Schnittpunkt zwischen der Linie CD und der Linie SL der gesättigten Flüssigkeit abgesenkt wird. Falls eine Änderung zwischen dem Zustand C und dem Zustand D langsam stattfindet, geschieht eine Phasenänderung von dem überkritischen Zustand zu einem Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustand über den flüssigen Zustand des CO2. In dem obigen Vorgang bezieht sich der überkritische Zustand auf einen Zustand des CO2, in dem unabhängig von der Dichte des CO2, die etwa gleich der Dichte in einem flüssigen Zustand ist, Teilchen von CO2 sich wie in dem gasförmigen Zustand bewegen.
  • Kohlendioxid besitzt jedoch eine kritische Temperatur von etwa 31°C, was niedriger als jene eines Flon wie beispielsweise HFC-134a bei 101°C ist, sodass es möglich sein kann, dass die Temperatur am Auslass des Wärmestrahlers größer als die kritische Temperatur des CO2 ist, was eine Kondensation des Letztgenannten am Auslass des Wärmestrahlers verhindert. Dies bedeutet, dass ein Schneiden der Linie BC in 1 mit der Sättigungslinie SL verhindert wird. Andererseits wird der Zustand am Auslass des Wärmestrahlers, d. h. der Punkt C in 1 durch den Ausgabedruck des Kompressor sowie die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers bestimmt. Die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers wird durch die Wärmestrahlleistung am Wärmestrahler sowie die Umgebungslufttemperatur bestimmt. Es ist sicher, dass eine Steuerung der Umgebungslufttemperatur unmöglich ist, und deshalb ist eine Steuerung des Zustandes am Auslass des Wärmestrahlers mittels der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers im Wesentlichen unmöglich.
  • In Anbetracht der obigen Ausführungen erfolgt eine Steuerung des Zustandes am Auslass des Wärmestrahlers, d. h, des Zustandes des Punktes C in 1 allein durch Steuern des Ausgabedrucks des Kompressors, d. h. des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers. Das heißt, während eines Zustandes einer erhöhten Umgebungslufttemperatur, d. h. einer erhöhten Wärmelast wie beispielsweise im Sommer wird ein Kühlkreis ausgeführt, wie er durch E-F-G-H in 1 veranschaulicht ist, um so einen erhöhten Druck am Auslass des Wärmestrahlers zu erzielen. Aufgrund eines erhöhten Drucks am Auslass des Wärmestrahlers (eines Drucks am Punkt G) hält man eine gewünschte Kühlleistung, die der Enthalpieänderung Δi = Δi1 während einer Verdampfungsphase H-E entspricht. Im Gegensatz dazu wird während eines Zustandes einer verringerten Umgebungslufttemperatur im Vergleich zu jener im Sommer ein Kühlkreis ausgeführt, wie er durch A-B-C-D in 1 veranschaulicht ist, um so am Auslass des Wärmestrahlers einen reduzierten Druck zu erzielen. Durch einen reduzierten Druck am Auslass des Wärmestrahlers (eines Drucks am Punkt C) wird eine Kühlleistung, die der Enthalpieänderung Δi = Δi2 während der Verdampfungsphase D-A entspricht, reduziert.
  • Es ist allgemein bekannt, dass im Vergleich zum kritischen Druck von CO2 von 7,4 MPa Flon einen niedrigeren kritischen Druck besitzt. Zum Beispiel besitzt HFC-134a einen kritischen Druck von 4,07 MPa. Außerdem übersteigt in dem herkömmlichen Kühlsystem mit Flon als Kältemittel der maximale Druck während der Ausführung des Kühlkreises nicht den kritischen Druck des Flon.
  • Im Gegensatz dazu muss in dem Kühlkreis mit CO2, um eine Kühlleistung während eines Zustandes einer erhöhten Außenumgebungslufttemperatur (Wärmelast), wie er im Sommer auftritt, zu erhöhen, der Druck am Auslass des Wärmestrahlers so groß wie etwa des Zehnfache des maximalen Drucks des Kühlsystems mit Flon sein. Ein derart hoch erhöhter Druck in dem Kühlsystem mit CO2 erfordert, dass die Festigkeit von verschiedenen, das System bildenden Teilen größer als jene des herkömmlichen Systems ist. Dies ist der Grund, warum eine Größe des Kühlsystems mit CO2 größer als jene mit Flon ist.
  • 2 veranschaulicht allgemein und schematisch als erstes Beispiel ein Klimagerät für ein Fahrzeug, das mit einem CO2-Kühlsystem versehen ist, bei dem ein Kühlkreis unter Verwendung des Kohlendioxids als Kältemittel ausgeführt ist.
  • Das Kühlsystem enthält einen Kompressor 1, einen Wärmestrahler 2, einen Hauptdruckverminderer 3, einen Nebendruckverminderer 4, einen Kühler 5, einen Verdampfapparat 7 und einen Speicher 8. Der Wärmestrahler 2, der Kühler 5, der Druckverminderer 3, der Verdampfapparat 7 und der Speicher 8 sind an einer Hauptzirkulationsleitung 27 angeordnet. Der Kompressor 1 ist kinematisch mit einer Drehbewegungsquelle wie beispielsweise einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden. In einer wohlbekannten Weise ist eine elektromagnetische Kupplung für eine wahlweise Übertragung der Drehbewegung auf den Kompressor 1 vorgesehen. Insbesondere bewirkt ein Eingriff der Kupplung eine Übertragung einer Drehbewegung von dem Motor auf den Kompressor 1, sodass ein von einem Verdampfapparat 7 ausgegebenes Kältemittel in den Kompressor 1 gesaugt und das angesaugte Kältemittel in dem Kompressor 1 komprimiert wird. Was den Kompressor 1 in dem ersten Beispiel angeht, kann ein Typ verwendet werden, wie er in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 61-79947 oder der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 63-243481 offenbart ist, bei dem eine Zweistufenkompression in ein und demselben Kompressor erfolgt.
  • Der Wärmestrahler oder Gaskühler 2 ist stromab des Kompressors 1 angeordnet und dient der Ausführung eines Wärmeaustausches zwischen dem in dem Kompressor 1 komprimierten CO2 und einer Außenluft, sodass das Kältemittel gekühlt wird, d. h. die Wärme des Kältemittels an die Umgebung abgegeben wird.
  • Ein Verzweigungspunkt 27-1 ist am Auslass des Wärmestrahlers 2 angeordnet, sodass von dem Hauptzirkulationskanal 27 für das Kältemittel ein Nebenkanal 28 abzweigt, sodass ein Strom des Kältemittels (CO2) von dem Wärmestrahler 2 in einen ersten Strom in dem Hauptkanal 27 und einen zweiten Strom des Kältemittels (CO2) in dem Nebenkanal 28 geteilt wird. Der Nebendruckverminderer 4 ist in dem Nebenkanal 28 angeordnet, sodass der Druck des CO2 auf einen vorbestimmten Wert P1 reduziert wird. Ein Kühler 5 ist so angeordnet, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Strom CO2 einer hohen Temperatur in dem Hauptkanal 27 und dem zweiten Strom des CO2 einer niedrigen Temperatur aus dem Druckverminderer 4 in dem Nebenkanal 28 stattfindet. Somit wird der erste Strom in dem Hauptkanal 27 durch den zweiten Strom CO2 bei einer niedrigen Temperatur in dem Nebenkanal 28 nach Durchströmen des Nebendruckverminderers 4 gekühlt. Der erste Strom des CO2 in dem Hauptkanal 27 wird hier als ein „Kühl-CO2" bezeichnet. Der zweite Strom des CO2 in dem Nebenkanal 28 wird hierbei als ein „Einspritz-CO2" bezeichnet. In einer wohlbekannten Weise bewirkt der Wärmeaustausch des Einspritz-CO2 bezüglich des Kühl-CO2 einen Anstieg der Temperatur des Einspritz-CO2 in dem Nebenkanal 27. Der Strom des Kältemittels (Einspritz-CO2) einer erhöhten Temperatur wird über den Nebenkanal 28 in den Kompressor 1 eingeleitet und einer Kompression einer zweiten Stufe am Kompressor 1 unterzogen, wie es dem Fachmann wohlbekannt ist.
  • Der Hauptdruckverminderer 3 ist in dem Hauptkanal 27 an einer Stelle stromab des Wärmetauschers 5 angeordnet. Der Hauptdruckverminderer 3 funktioniert zum Reduzieren des Drucks des Kältemittels auf einen vorbestimmten Wert P2, der niedriger als der vorbestimmte Wert P1 in dem Kanal 28 ist. Nach der Druckreduzierung im Druckverminderer 3 wird das Kältemittel zu dem Kompressor 1 für eine Wiederholung eines Kreislaufs zurückgeführt.
  • Wie später vollständig beschrieben wird, wird der Öffnungsgrad des ersten Druckverminderers 4 durch die Steuerung 10 gesteuert. Die Steuerung 10 funktioniert als eine Leistungssteuereinrichtung zum Steuern einer Kühlleistung des Kühl-CO2 im Kühler 5 durch Steuern des Öffnungsgrades des Druckverminderers 4. Genauer bewirkt eine Vergrößerung des Öffnungsgrades des Druckverminderers 4 eine Verkleinerung einer Temperaturdifferenz zwischen dem Einspritz-CO2, nachdem es einer Druckverminderung unterzogen ist, und dem Kühl-CO2 vor der Druckverminderung, d. h. einer Temperaturdifferenz zwischen den dem Wärmeaustausch an dem Wärmetauscher 5 zu unterziehenden Gasen. Jedoch erhält man durch die Tatsache, dass eine Vergrößerung eines Massendurchsatzes der Gase erzielt wird, die die Wirkung der Verkleinerung der Temperaturdifferenz überwindet, eine vergrößerte Kühlleistung (Wärmetauschleistung). Im Gegensatz hierzu bewirkt eine Verkleinerung des Öffnungsgrades des Druckverminderers 4 eine Vergrößerung einer Temperaturdifferenz zwischen dem Einspritz-CO2, nachdem es einer Druckverminderung an dem Nebendruckverminderer 4 unterzogen ist, und dem Kühl-CO2 vor der Druckverminderung an dem Hauptdruckverminderer 3. Jedoch erzielt man aufgrund der Tatsache, dass eine Verkleinerung eines Massendurchsatzes der Gase die Wirkung der Vergrößerung der Temperaturdifferenz überwindet, eine Verringerung der Kühlleistung.
  • Wie in 2 dargestellt, ist ein Speicher 8 in der Hauptzirkulationsleitung 27 an einer Stelle zwischen dem Verdampfapparat 7 und dem Kompressor 1 angeordnet. Der Speicher 8 funktioniert zum Speichern einer überschüssigen Menge CO2 in dem Zirkulationssystem und zum Bewirken einer Trennung zwischen der Gasphase und einer Flüssigphase, sodass nur die Gasphase des CO2 durch den Kompressor 1 angesaugt wird. Außerdem sind, wie in 2 dargestellt, Lüfter 9 und 9' dem Wärmestrahler 2 bzw. dem Verdampfapparat 7 zugewandt angeordnet. Als Ergebnis erhält man einen den Wärmestrahler 2 oder den Verdampfapparat 7 kontaktierenden Luftstrom, wodurch die Wärmetauschleistung verbessert wird.
  • Die Steuerung 10 als Mikrocomputersystem ist zum Bewirken einer Steuerung des Öffnungsgrades des ersten Druckverminderers 4 entsprechend Luftzustandsfaktoren einschließlich einer Wärmelast in dem Verdampfapparat 7, d. h. einer zum Bewirken eines gewünschten Klimabetriebs des Raums erforderlichen Leistung des Kälte mittels, aufgebaut. An die Steuerung 10 sind verschiedene Sensoren zum Ausgeben von verschiedene Betriebszustände anzeigenden Signalen an die Steuerung 10 elektrisch angeschlossen, die einen Temperatursensor 11 zum Erfassen der Lufttemperatur (Lufttemperatur nach der Kühlung) an einer Stelle des Luftkanals stromab des Verdampfapparats 7, einen Temperatursensor 12 zum Erfassen einer Temperatur des CO2 für ein Einspritzen nach einer Erwärmung, einen Drucksensor 13 zum Erfassen des Drucks des aus dem Kühler 5 ausgegebenen CO2 für das Einspritzen, einen Temperatursensor 14 zum Erfassen der Umgebungslufttemperatur im Raum des Fahrzeugs, einen Temperatureinsteller 16 zum Einstellen einer durch einen Fahrer oder Fahrgast in dem Raum gewünschten Temperatur in dem Raum, einen Temperatursensor 17 zum Erfassen einer Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 und einen Drucksensor 18 zum Erfassen des Drucks des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 enthalten. Entsprechend den Messsignalen durch die oben genannten Sensoren und den Einsteller sowie in der Steuerung 10 gespeicherten Programmen führt die Letztgenannte eine Steuerung des Öffnungsgrades der Druckverminderer 3 und 4 aus.
  • 3 zeigt eine Einzelheit des ersten Druckverminderers 4 im ersten Beispiel. Der Druckverminderer 4 ist grundsätzlich aus einem Gehäuse 41 aufgebaut, das einen Einlass 42 in Verbindung mit dem Auslass des Wärmestrahlers 2 zum Empfangen des Kältemittels davon, einen Auslass 43 in Verbindung mit dem Einlass des Kühlers 5 zum Ausgeben des Kältemittels dahin, eine Ventilöffnung 44 in Verbindung mit dem Auslass 43 und eine Kammer 42a zum Verbinden der Ventilöffnung 44 mit dem Einlass 42 definiert. Der Druckverminderer 4 ist ferner aus einem Nadelventil 45 aufgebaut, das in einer solchen Weise angeordnet ist, dass ein Öffnungsgrad der Ventilöffnung 44 entsprechend einem Hub des Nadelventils 45 und durch einen Schrittmotor 46 zum Steuern des Hubs des Nadelventils 45 gesteuert wird. Der Schrittmotor 46 enthält einen Magnetrotor 46a mit einem inneren Innengewindeabschnitt 46b, das mit einem äußeren Außengewindeabschnitt 45a der Nadel 45 in einem Schraubeingriff steht, während die Nadel 45 in Keileingriff mit dem Gehäuse 41 steht, sodass die Nadel 45 bezüglich des Gehäuses 41 axial verschiebbar ist. Als Ergebnis lässt eine Drehbewegung des Rotors 46a des Schrittmotors 46 das Nadelventil 45 axial bewegen, sodass der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 44 zwischen einem vollständig geschlossenen Zustand und einem vollständig geöffneten Zustand kontinuierlich variiert wird.
  • Der Druckverminderer 3 kann einen Aufbau haben, der im Wesentlichen identisch zu dem Druckverminderer 4 ist. Als Ergebnis bewirkt eine Drehbewegung eines Schrittmotors (nicht dargestellt) des Hauptdruckverminderers 3 eine kontinuierliche Variation des Öffnungsgrades zwischen einem vollständig geschlossenen Zustand und einem vollständig geöffneten Zustand.
  • 4 und 5 zeigen eine Einzelheit des Kühlers 5, der als eine Doppelkreisrohrkonstruktion ausgebildet ist. Insbesondere enthält der Kühler 5 ein Innenrohr 51 für einen Kanal des Stroms des Kühl-CO2, ein Außenrohr 52 für einen Kanal des Stroms des Einspritz-CO2, und radial verlaufende Rippen 53, die zwischen einer Außenzylinderfläche des Innenrohrs 51 und einer Innenzylinderfläche des Außenrohrs 52 angeordnet sind. Um eine Wärmetauschleistung zu erhöhen, ist es bevorzugt, dass ein Innenrohr 51 aus einem metallischen Material eines erhöhten Wärmeleitfaktors wie beispielsweise Aluminium gemacht ist und das Außenrohr 52 aus einem metallischen Material eines verringerten Wärmeleitfaktors gemacht ist.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass das Innen- und das Außenrohr 51 und 52 und die radial verlaufenden Rippen 53 durch zum Beispiel einen Extrusionsprozess integral aus Aluminium gemacht sind. Bei einer solchen integrierten Konstruktion aus dem gleichen Material (Aluminium) ist es jedoch wünschenswert, um eine Wärmestrahlung an dem Außenrohrteil zu verhindern, dass eine Wärmeisolationsschicht eines wärmeisolierenden Materials, beispielsweise ein Schaumharz, an der Oberfläche des Außenrohrteils 52 vorgesehen ist.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des Nebendruckverminderers 4 unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm in 6 erläutert. Ein Drücken eines Startschalters (nicht dargestellt) lässt den CO2-Kühlkreis beginnen und die Routine in dem Flussdiagramm in 6 beginnen. In Schritt 100 liest die Steuerschaltung 10 Daten, wie sie durch die Sensoren 11 bis 15 erfasst werden. Im folgenden Schritt 110 erfolgt eine Berechnung einer Solltemperatur (TEO) einer gekühlten Luft zum Erzielen einer gewünschten Klimawirkung basierend auf den Messsignalen von dem Innenlufttemperatursensor 14, dem Außenlufttemperatursensor 15 und dem Temperatureinsteller 15.
  • Die Routine geht dann zu Schritt 120 wo eine Bestimmung erfolgt, ob die in Schritt 110 berechnete Soll-Lufttemperatur TEO höher als die durch den Nachverdampfapparat-Lufttemperatursensor 11 erfasste Temperatur T1 der Luft am Auslass des Verdampfapparats 7 ist. Eine Bestimmung TEO > T1 bedeutet, dass eine Wärmelast hoch ist und die Kühlleistung mangelhaft ist. In diesem Fall geht die Routine zu Schritt 130, wo eine Berechnung des Überhitzungsgrades Tis am Auslass des Kühlers 5 entsprechend der Temperatur des CO2 am Auslass des Kühlers 5 durch den Temperatursensor 12 und dem Druck des CO2 am Auslass des Kühlers 5 durch den Drucksensor 13 erfolgt. Dann geht die Routine weiter zu einem Schritt 140, wo bestimmt wird, ob ein vorbestimmter Überhitzungsgrad Tin höher als der in Schritt 130 berechnete Sollwert des Überhitzungsgrades Tis ist. Eine Bestimmung Tin > Tis lässt die Routine zu Schritt 150 gehen, wo eine Erhöhung eines vorbestimmten Werts des Öffnungsgrades A des Nebendruckverminderers erzielt wird. Dann geht die Routine für eine Wiederholung des Vorgangs zurück zu Schritt 100.
  • Wenn in Schritt 140 Tin ≤ Tis bestimmt wird, wird der Öffnungsgrad des ersten Druckverminderers 4 nicht verändert.
  • Wenn bestimmt wird, dass die in Schritt 110 berechnete Soll-Lufttemperatur TEO gleich oder niedriger als die durch den Sensor 11 erfasste Temperatur T1 der Luft am Auslass des Verdampfapparats 7 ist, geht die Routine zu Schritt 160, wo eine Bestimmung erfolgt, ob der Öffnungsgrad A des ersten Druckverminderers 4 nicht Null ist, d. h. der erste Druckverminderer 4 nicht vollständig geschlossen ist, in welchem Fall die Routine zu Schritt 170 geht, wo eine Verkleinerung eines vorbestimmten Werts des Öffnungsgrades A des Nebendruckverminderers 4 erzielt wird, und die Routine für die Wiederholung des Vorgangs zurück zu Schritt 100 geht.
  • Eine Funktionsweise des Hauptdruckverminderers 3 wird unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm in 7 erläutert. Insbesondere lässt der Beginn des Betriebs des Kühlsystems durch den Startschalter (nicht dargestellt) die Routine zu Schritt 200 gehen, wo Messwerte durch den Temperatursensor 17 ausgelesen werden, und dann zu Schritt 210, wo eine Berechnung eines Sollwerts (Pin) des Drucks am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 erfolgt. Insbesondere ist in dem ROM der Steuerschaltung 10 eine Abbildung gespeichert, die einer Beziehung zwischen der Temperatur des Kältemittels am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 und einem Druck des Kältemittels am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 entspricht, wie in 8 dargestellt. Eine Interpolation erfolgt anhand der Abbildung in 8, um einen Wert des Drucks Pin am Einlass des Druckverminderers 3 entsprechend der erfassten Temperatur des CO2 durch den Sensor 17 zu erhalten.
  • In Schritt 220 wird ein Druck P1 des Kältemittels am Einlass des Hauptdruckverminderers 3, der durch den Sensor 18 erfasst wird, ausgelesen. Dann wird in Schritt 230 bestimmt, ob Pin > P1 ist. Falls bestimmt wird, dass der Sollwert Pin des Drucks am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 höher als der erfasste Druck P1 am Einlass des Druckverminderers 3 ist, geht die Routine zu einem Schritt 240, wo der Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3 auf einen vorbestimmten Wert verkleinert wird. Im Gegensatz dazu geht, falls bestimmt wird, dass der Sollwert Pin des Drucks am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 gleich oder kleiner als der erfasste Druck P1 am Einlass des Druckverminderers 3 ist, die Routine zu einem Schritt 250, wo der Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3 auf einen vorbestimmten Wert vergrößert wird. Dann geht die Routine für eine Wiederholung des obigen Prozesses zurück zu Schritt 200.
  • Wie oben unter Bezugnahme auf 1 erläutert, wird, um einen Anstieg der Kühlleistung zu erzielen, eine Erhöhung des Drucks des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 benötigt. Ein Anstieg des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers 2 geht jedoch mit einem Anstieg des Ausgabedrucks am Kompressor 1 einher, was in einem Anstieg einer Kompressionsarbeit, d. h. einer Größe einer Enthalpieänderung ΔL während einer Kompressionsphase A-B durch den Kompressor 1 wie in einem Mollier-Diagramm in 1 veranschaulicht resultiert. Somit bewirkt eine Vergrößerung der Enthalpiedifferenz ΔL während der Kompressionsphase A-B größer als ein Anstieg der Enthalpie Δi während der Verdampfungsphase D-A, dass ein Leistungsgrad COP (= Δi/ΔL) des Kühlkreises mit CO2 notwendigerweise reduziert wird.
  • In 9 zeigt eine durchgezogene Kurve eine Beziehung zwischen dem Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 und dem Wert des Leistungsgrades, der unter Verwendung des Mollier-Diagramms in 1 berechnet wird, unter der Annahme, dass die Temperatur des Kältemittels (CO2) am Auslass des Wärmestrahlers 2 40°C beträgt. Wie aus dieser Kurve klar ist, erzielt man einen Maximalwert des Leistungsgrades (COP), wenn der Druck P1 ist, was etwa 10 MPa ist. Eine gestrichelte Kurve zeigt eine ähnliche Beziehung, wenn die Temperatur des Kältemittels (CO2) am Auslass des Wärmestrahlers 2 30°C beträgt. Ein Maximalwert des Leistungsgrades wird erzielt, wenn der Druck P2 ist, was etwa 8,0 MPa ist.
  • Der oben anhand von 9 erläuterte Vorgang wird für verschiedene Werte der Temperatur am Auslass des Wärmestrahlers wiederholt, um den Druck zum Erzielen des Maximalwerts des Leistungsgrades zu halten, sodass man eine dicke durchgezogene Linie ηmax in 1 erhält, die hier als eine optimale Steuerlinie bezeichnet wird. Gemäß der Erfindung wird angenommen, dass es beim Berechnen der optimalen Steuerlinie ηmax wünschenswert ist, dass ein Unterkühlungsgrad am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 in einem Bereich zwischen 1 bis 10°C liegt. So ist in 1 die optimale Steuerlinie ηmax in dem rechtwinklingen Koordinatensystem gezeigt, wenn der Druck in dem Verdampfapparat 7 etwa 3,5 MPa beträgt (entsprechend der Temperatur von 0°C am Verdampfapparat 7) und der Unterkühlungsgrad etwa 3°C beträgt.
  • Außerdem ist in dem System in 2 der Druckverlust zwischen dem Einlass des Hauptdruckverminderers 3 und dem Auslass des Wärmestrahlers 2 vernachlässigbar klein. Somit ist es möglich, anzunehmen, dass der Druck des CO2 am Einlass des Druckverminderers 3 gleich dem Druck des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 ist.
  • Bei der obigen Erläuterung der Funktionsweise wird der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 (der Druck am Einlass des Hauptdruckverminderers 3) durch Verkleinern oder Vergrößern des Öffnungsgrades des Hauptdruckverminderers 3 erhöht oder gesenkt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass genau genommen der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 nicht nur durch den Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3, sondern auch durch den Öffnungsgrad des Nebendruckverminderers 4 bestimmt wird. Jedoch werden der maximale und der minimale Druck während der Ausführung des Kühlkreises besonders durch den Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3 beeinflusst. Es ist daher praktisch, anzunehmen, dass der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 im Wesentlichen durch den Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3 bestimmt wird.
  • Es werden nun die Vorteile des Kühlsystems mit CO2 erläutert. In dem CO2-Kühlsystem in diesem Beispiel findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Einspritz-CO2 und dem Kühl-CO2 statt, sodass eine Reduzierung einer spezifischen Enthalpie des Kühl-CO2 am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 erzielt wird. Eine solche Verringerung einer spezifischen Enthalpie des CO2 am Einlass des Hauptdruckverminderers 3, d. h. eine Verringerung einer spezifischen Enthalpie des CO2 am Einlass des Verdampfapparats 7 wird nicht durch irgendeine Erhöhung des Drucks des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 begleitet. Daher wird eine Vergrößerung der Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 erzielt, wie in 10 dargestellt. So wird gemäß dem Beispiel in 2 eine Reduzierung des maximal betreibbaren Drucks zum Ausführen des CO2 verwendenden Kühlkreises ohne Verringerung einer Kühlleistung erzielt, wodurch eine große Größe von verschiedenen Komponenten wie beispielsweise einem Kompressor 1 in dem Kühlsystem verhindert wird, was dahingehend vorteilhaft ist, dass das Kühlsystem einfach in einem begrenzten Raum in einem Fahrzeug eingebaut werden kann.
  • Gemäß dem Beispiel in 2 wird der Strom des Kältemittels (Einspritz-CO2) in dem Kanal 28 in den Kompressor 1 an einer Stelle eingespritzt, wo in einer wohlbekannten Weise eine Kompression teilweise erfolgt. In 10, die schematisch ein Mollier-Diagramm in einem solchen Einspritzsystem veranschaulicht, zeigt eine Linie B-C eine Wärmestrahlung durch den Wärmestrahler 2, eine Linie C-D zeigt eine Druckverminderung durch den Hauptdruckverminderer 3, und eine Linie D-A zeigt eine Verdampfung am Verdampfapparat 7. Ein Teil des CO2 wird von dem Hauptkanal 27 an einer Stelle C' in 10 abgeleitet und wird durch den Nebenkanal 28 geleitet, sodass ein Druck an dem ersten Druckverminderer 4 auf einen Punkt D' vermindert wird. Dann wird das CO2 in dem Kanal 28 in den Kompressor 1 eingespritzt. Ein solches Einspritzen des CO2 lässt die Temperatur des CO2 entsprechend einer spezifischen Enthalpie geringer werden, da eine Zustandsänderung in einem Mollier-Diagramm von einem Punkt X zu einem Punkt X' erzeugt wird, wie in 10 dargestellt. Somit wird nach der Ausführung des Einspritzens der Zustand des CO2 in dem Kompressor entlang einer Isotherme entsprechend einer reduzierten Temperatur des CO2 variiert. Wie man aus 1 sehen kann, hat die Isotherme nach dem Einspritzen einen vergrößerten Gradienten bezüglich der spezifischen Enthalpie gegenüber der Isotherme vor dem Einspritzen. Als Ergebnis kann das vorliegende Beispiel, wo das CO2-Einspritzen in dem Kompressor 1 erfolgt, wenn eine Kompression teilweise erfolgt ist, eine Kompressionsarbeit gegenüber einem Fall, bei dem kein Einspritzen in die Kompression erfolgt, d. h. ein bloßes Einleiten und Komprimieren von CO2 erfolgt, verringern. So kann das vorliegende Beispiel einen größeren Wert eines Leistungsgrades vorsehen.
  • Der Leistungsgrad in dem CO2 verwendenden Kühlsystem wird entsprechend verschiedenen Betriebszuständen variiert, einschließlich dem Druck am Einlass des Verdampfapparats 7 (Ansaugdruck), dem Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 (Auslassdruck) und dem Druck des CO2, wie es eingespritzt wird. Die Erfinder haben einen Versuch unter einem festen Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 von 10 MPa unter Variierung des Drucks am Einlass des Verdampfapparats 7 in einem Bereich zwischen 3,5 bis 4,2 MPa und Variieren des Drucks des eingespritzten CO2 durchgeführt. Wie in 11 dargestellt, erhält man unabhängig von dem Wert des Drucks am Einlass des Verdampfapparats 7 den maximalen Wert des Leistungsgrades, wenn der Druck des eingespritzten CO2 etwa 6,5 MPa beträgt.
  • In Anbetracht der obigen Erläuterungen wird der CO2-Kühlkreis ausgeführt, während ein erhöhter Wert des Leistungsgrades gehalten wird, wenn eine Auswahl des Drucks Pi des CO2 zum Einspritzen so erfolgt, dass ein Verhältnis der Druckdifferenz ΔPs zwischen dem Druck Pi des zu dem Kompressor 1 eingespritzten CO2 und dem Druck Ps des von dem Verdampfapparat 7 zu dem Kompressor 1 gesaugten CO2 gegenüber der Druckdifferenz ΔPd zwischen dem Druck Pd des von dem Kompressor 1 ausgegebenen CO2 und dem Druck Pi des eingespritzten CO2, ΔPs/ΔPd, in einem Bereich zwischen 0,6 bis 0,9 gehalten wird.
  • Gemäß einem Ergebnis einer Berechnung durch die Erfinder wurden, wenn der Druck am Einlass des Verdampfapparats 7 3,5 MPa beträgt und der Druck des CO2 zum Einspritzen 5,2 MPa beträgt, eine Kühlleistung von 193,10 kJ/kg (43,13 kcal/kg) und eine Kompressionsarbeit durch den Kompressor 1 von 56,22 kJ/kg (13,43 kcal/kg) erzielt. Wenn der Druck am Einlass des Verdampfapparats 7 auf 6,5 MPa verändert wird, wurden die Kühlleistung von 163,80 kJ/k (39,13 kcal/kg) und eine Kompressionsarbeit durch den Kompressor 1 von 46,80 kJ/kg (11,18 kcal/kg) erzielt. Ferner wurden, wenn der Druck des eingespritzten CO2 auf 7,3 MPa ver ändert wird, die Kühlleistung von 142,87 kJ/kg (34,13 kcal/kg) und eine Kompressionsarbeit durch den Kompressor 1 von 43,83 kJ/kg (10,47 kcal/kg) erzielt.
  • Gemäß dem Ergebnis einer Berechnung durch die Erfinder erhält man gegenüber dem herkömmlichen Kühlsystem mit CO2, bei dem eine Steuerung der Kühlleistung durch Steuern des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers 2 erfolgt, eine 20%-ige Erhöhung des Leistungsgrades. In diesem Test des herkömmlichen CO2-Kühlsystems betrug der Druck am Einlass des Verdampfapparats 7 3,5 MPa, der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 betrug 10 MPa, und die Temperatur am Auslass des Wärmestrahlers 2 betrug 40°C.
  • Außerdem wird gemäß dem ersten Beispiel durch Steuern des Öffnungsgrades des Nebendruckverminderers 4 eine spezifische Enthalpie des CO2 am Einlass des Verdampfapparats 7, die einem Unterkühlungsgrad entspricht, gesteuert, was in einem Anstieg der Kühlleistung des Kühlsystems mit CO2 ohne Verwenden einer Ein/Aus-Steuerung der elektromagnetischen Kupplung oder einer Volumensteuerung eines Verstellkompressors resultiert. So ist die Möglichkeit eines Auftretens eines Ein/Aus-Betriebs der elektromagnetischen Kupplung reduziert, was sonst einen Fahrer oder Fahrgast irritieren würde. Außerdem ist die Verwendung eines Volumenregelmechanismus in einem Kompressor beseitigt, wodurch eine Erhöhung der Herstellungskosten verhindert wird.
  • Schließlich werden in dem obigen Beispiel ein Druck und eine Temperatur an der Auslassseite des Wärmestrahlers 2 so gesteuert, dass sie der optimalen Steuerlinie ηmax folgen, was mit der Wirkung eines Kühlleistungsanstiegs durch den Kühler (Wärmetauscher) zusammenwirkt, wodurch der Leistungsgrad vergrößert wird, während eine vergrößerte Kühlleistung des einen Kühlkreis mit CO2 ausführenden Kühlsystems gehalten wird.
  • In diesem Beispiel kann der Druckverminderer 4 als ein Ein/Aus-Ventil aufgebaut sein, das in einer wohlbekannten Weise einer Einschaltsteuerung unterliegt.
  • Zweites Beispiel
  • Dieses Beispiel ist auf eine Konstruktion eines Nebendruckverminderers 4 gerichtet, die den Temperatursensor 12 und den Drucksensor 13 zum Erfassen einer Temperatur und des Drucks des CO2 zum Einspritzen beseitigen kann. Das heißt, wie in 12 dargestellt, eine Druckverminderungsvorrichtung 400 ist aus einer Druckverminderereinheit 410, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Druckverminderer 4 in dem ersten Beispiel in 2 hat, und durch ein Wärmeexpansionsventil 420, das von einem ähnlichen Aufbau wie das für ein herkömmliches Kühlsystem mit Flon benutzte ist, aufgebaut. Der Druckverminderer 410 enthält ein in dem Einspritzkanal 28 zwischen dem Wärmestrahler 2 und dem Wärmetauscher 5 positioniertes Ventilelement 411, wie in 2 dargestellt. Das Wärmeexpansionsventil 420 enthält ein Wärmemessrohr 421, das an einer zum Erfassen einer Temperatur des CO2 am Auslass des Kühlers 5 in 2 geeigneten Stelle positioniert ist. In einer wohlbekannten Weise ist ein Gas wie beispielsweise CO2 dicht in dem Wärmemessrohr 421 gespeichert. Das Wärmeexpansionsventil 420 ist ferner mit einem Balgelement 422, das eine zu dem Wärmemessrohr 421 geöffnete Kammer aufweist, einer das Balgelement 422 nach oben drückenden Rückstellfeder 423 und einem mit dem Balgelement 422 verbundenen Ventilelement 424 versehen. Das Ventilelement 424 ist in dem Kanal 28 an einer Stelle stromab des Ventilelements 411 angeordnet.
  • Bei dem obigen Aufbau des zweiten Beispiels wird das Balgelement 422 entsprechend dem Druck am Auslass des Kühlers 5, der durch das Thermorohr 421 erfasst wird, verschoben. Mit anderen Worten wird der Hub des Ventils 424 entsprechend dem Druck am Auslass des Kühlers 5 gesteuert. So wird ein Überhitzungsgrad am Auslass des Kühlers 5 mittels des thermosensitiven Expansionsventils 420 mechanisch gesteuert. So wird selbst beim Auftreten einer Fehlfunktion in der Steuerung 10 ein Ansaugen eines Kältemittels (CO2) in einem flüssigen Zustand verhindert, wodurch eine Zuverlässigkeit des durch das Kühlsystem ausgeführten CO2-Kühlkreises verbessert wird.
  • In dem Beispiel ist, um die Kühlleistung des Kühlers 5 zu steuern, das Ventilelement 411 mit einem Schrittmotor 412 verbunden, sodass das Ventilelement 411 mittels des Schrittmotors 412 kontinuierlich von einer vollständig geschlossenen Stellung zu einer vollständig geöffneten Stellung gesteuert wird. Jedoch kann anstelle des Schrittmotors 412 auch ein bloßes elektromagnetisches Ventil des Ein/Aus-Typs verwendet werden. Das heißt, das elektromagnetische Ventil wird geöffnet, wenn im Sommer eine erhöhte Kühlleistung notwendig ist. Im Gegensatz dazu wird das elektromagnetische Ventil geschlossen, wenn eine kleine Kühlleistung im Winter ausreichend ist oder ein bloßer Entfrosterbetrieb erfolgt. Somit ist eine Funktionsweise vereinfacht, wodurch einerseits Herstellungskosten reduziert werden und andererseits eine Zuverlässigkeit während der Ausführung des CO2-Kühlkreises erhöht wird.
  • Außerdem kann anstelle eines Ein/Aus-Ventils das elektromagnetische Ventil einer Einschaltsteuerung entsprechend der gewünschten Kühlleistung unterzogen werden. In diesem Fall wird das elektromagnetische Ventil so gesteuert, dass ein größeres Einschaltverhältnis vorgesehen wird, falls eine größere Kühlleistung erforderlich ist.
  • Drittes Beispiel
  • 13 zeigt ein drittes Beispiel, das sich von dem ersten Beispiel in 2 darin unterscheidet, dass anstelle des Speichers 8 in 1 ein Auffanggefäß 19 in dem Kältemittelzirkulationskanal an einer Stelle stromab des Hauptdruckverminderers 3 angeordnet ist, sodass an dem Auffanggefäß 19 das aus dem Hauptdruckverminderer 3 ausgegebene CO2 in eine Gasphase und eine Flüssigphase getrennt wird, und darin, dass ein dritter Druckverminderer 20 am Auslass des Auffanggefäßes 19 angeordnet ist, sodass ein Druck des CO2 im flüssigen Zustand aus dem Auffanggefäß 19 reduziert wird und ein Massendurchsatz des CO2 in einer solchen Weise gesteuert wird, dass der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1, d. h. am Auslass des Verdampfapparats 7 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird.
  • Der dritte Druckverminderer 20 ist von der gleichen Konstruktion wie ein in einem herkömmlichen Kühlsystem, das als Kältemittel Flon verwendet, benutzten Expansionsventils. Das heißt, der dritte Druckverminderer ist mit einem wärmeempfindlichen Rohr 21 am Auslass des Verdampfapparats 7 versehen, sodass der Öffnungsgrad des dritten Druckverminderers 20 entsprechend dem Druck in dem wärmeempfindlichen Rohr gesteuert wird.
  • Es wird nun eine Funktionseigenschaft des dritten Beispiels erläutert. In einer für ein Dampfkompressions-Kühlsystem mit einem CO2 verwendenden Kühlkreis benutzten Kompressionsgerät ist es üblich, dass eine Ölpumpe zum Zuführen eines Schmiermittels zu Gleitteilen in dem Kompressor weggelassen ist, was dem Verkleinern des Systems und dem Vereinfachen eines Aufbaus des Systems dient. In einem solchen Kühlsystem mit einer weggelassenen Ölpumpe wird ein Schmiermittel für eine Schmierung von Gleitteilen in dem Kompressor mit dem Kältemittel vermischt. So unterliegt das dem Kältemittel zugemischte Schmiermittel einer Zirkulation in dem Kühlsystem.
  • Um andererseits zu verhindern, dass eine Flüssigphase des CO2 in den Kompressor gesaugt wird, was den Kompressor beschädigen würde, schlägt die japanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 7-18602 einen an der Auslassseite des Verdampfapparats 14 angeordneten Speicher vor, der dem Trennen der Flüssigphase und der Gasphase dient, sodass nur die Gasphase des CO2 zu dem Kompressor 10 geleitet wird. So wird in diesem System mit dem Speicher ein Schmiermittel einer im Vergleich zu der Gasphase des CO2 höheren Dichte wahrscheinlich in dem Speicher gehalten.
  • Um dieses Problem zu lösen, schlägt das obige Patent '602 eine solche Anordnung des Speichers zum Verhinderns eines Mangels des Schmiermittels in dem Kompressor vor, dass eine Phasentrennung am Speicher erfolgt, während das Schmiermittel an einem unteren Abschnitt des Speichers unter der Wirkung einer Schwerkraft entnommen wird, indem eine Tatsache ausgenutzt wird, dass das Schmiermittel eine gegenüber der Flüssigphase des CO2 größere Dichte besitzt, und das entnommene Schmiermittel wird der Einlassseite des Kompressors sowie der Auslassseite des Speichers zurückgeführt.
  • Im Vergleich zu dem oben genannten Patent '602 erfolgt in dem Beispiel von 13 ein Blockieren einer Einleitung des Flüssigphasen-CO2 zu dem Kompressor 1 durch Steuern eines vorbestimmten Werts des Überhitzungsgrades am Einlass des Kompressors 1. So ist eine Anordnung des Speichers an der Auslassseite des Verdampfapparats nicht notwendig, wie im Fall des Patents '602. Ferner erfolgt keine Phasentrennung des CO2 im Speicher an der Auslassseite des Verdampfapparats, was ein Mitreißen des Schmiermittels durch einen Strom des gasförmigen CO2 einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit erlaubt, was ein Ansaugen einer ausreichenden Menge des Schmiermittels in den Kompressor 1 ermöglicht.
  • Kurz gesagt, werden gemäß dem dritten Beispiel ein Ansaugen einer Flüssigphase des CO2 zu dem Kompressor, was eine Beschädigung des Kompressors bewirken würde, und ein Fressen des Kompressors aufgrund eines Mangels des Schmiermittels verhindert, während eine größere Wirksamkeit des Kühlkreises mit dem CO2 beibehalten wird.
  • Viertes Beispiel
  • Dieses Beispiel ist auf eine mechanische Steuerung des ersten und des zweiten Druckverminderers gerichtet, sodass die Anzahl Bauteile verringert ist. Das heißt, in 14 ist ein Nebendruckverminderer 430 so angeordnet, dass der Öffnungsgrad des Druckverminderers 430 entsprechend dem Druck PL auf der Seite des Verdampfapparats 7 gesteuert wird. Genauer ist der Nebendruckverminderer 430, wie in 15 dargestellt, aus einer Federplatte 431, einem Gehäuse 432 zum Halten der Federplatte 431 an ihrem Außenumfang, sodass eine erste Druckkammer 433 über der Federplatte 431 gebildet ist und eine zweite Kammer 433' unter der Federplatte 431 gebildet ist, die über ein Loch 434 zur Atmosphäre offen ist, aufgebaut. Das Ventil 430 ist ferner mit einer mit der Federplatte 431 verbundenen Stange 435, einer Ventilöffnung 438, einer mit der Stange 435 in Kontakt stehenden Ventilkugel 439, einer Feder 436, welche die Ventilkugel 439 nach oben drückt, und einem zwischen der Auslassseite des Wärmestrahlers 2 und dem Wärmetauscher 5 angeordneten Kanal 437 für das CO2 versehen. Wie in 15 dargestellt, läuft die Verbindungsstange 435 durch die Ventilöffnung 438 und steht mit dem Ventilelement 439 in Kontakt, das durch die Schraubenfeder 436 nach oben gedrückt wird. Eine Summe der Federkraft durch die Feder 436 und einer Kraft durch den Atmosphärendruck in der Federplattenkammer 433', welche nachfolgend als eine Ventilschließkraft Fs bezeichnet wird, wirkt auf das Ventilelement 439 in einer solchen Weise, dass ein Öffnungsgrad der Ventilöffnung 438 verringert ist. Andererseits erzeugt der Druck PL in der Federplattenkammer 433 eine Kraft, die auf das Ventilelement 439 in einer Richtung entgegen der Richtung der Ventilschließkraft Fs wirkt und die nachfolgend als eine Ventilöffnungskraft Fo bezeichnet wird.
  • Bei einem Betrieb des Druckverminderers 430 bewirkt ein Anstieg einer Wärmelast in dem Verdampfapparat 7 eine Erhöhung des Drucks PL auf der Seite des Verdampfapparats 7, wodurch die Ventilöffnungskraft Fo vergrößert wird, was schließlich die letztere die Ventilschließkraft Fs überwinden lässt. Als Ergebnis wird der Öffnungs grad des Nebendruckverminderers 430 vergrößert, was in einem Anstieg der über den Kanal 28 in den Kompressor 1 eingespritzten Menge CO2 resultiert. Im Gegensatz dazu bewirkt eine Verringerung einer Wärmelast in dem Verdampfapparat 7 eine Reduzierung des Drucks PL auf der Seite des Verdampfapparats 7, wodurch die Ventilöffnungskraft Fo verringert wird, was schließlich die letztgenannte kleiner als die Ventilschließkraft Fs sein lässt. Als Ergebnis wird der Öffnungsgrad des Nebendruckverminderers 430 verkleinert, was in einer Verminderung der über den Kanal 28 in den Kompressor 1 eingespritzten Menge CO2 resultiert.
  • In diesem Beispiel ist, um ein Ansaugen einer Flüssigphase des CO2 in den Kompressor 1 zu verhindern, ein Speicher 8' auch am Auslass des Kühlers 5 angeordnet. Anstelle des Speichers 8' kann jedoch auch ein Wärmeexpansionsventil 420 an einer Stelle stromab des Nebendruckverminderers 430 angeordnet sein, einschließlich einer Stelle stromab des Kühlers 5, ähnlich dem zweiten und dem fünften Beispiel.
  • In 14 bezeichnet eine Bezugsziffer 600 einen Hauptdruckverminderer in diesem Beispiel. In 16, die ein Detail des Hauptdruckverminderers 600 veranschaulicht, enthält letztgenannter ein Gehäuse 613, das einen Kanal 601 zum Verbinden des Kühlers 5 mit dem Verdampfapparat 7 und einen Kanal 602 zum Verbinden des Wärmestrahlers 2 mit dem Kühler 5 definiert, einen Ventildeckel 610, eine Federplatte 611, eine geschlossene Federplattenkammer 612 zwischen dem Gehäuse und dem Deckel 610, eine geöffnete Federplattenkammer 612', eine stromaufwärtige Kammer 615, eine stromabwärtige Kammer 616, eine Ventilöffnung 617, ein Ventilelement 618, eine Ventilstange 619, eine Rückstellfeder 620 und einen Abstandhalter 621. In dem geschlossenen Raum 612 ist das CO2 mit einer Dichte von etwa 600 kg/cm3 bezüglich des Volumens der geschlossenen Kammer 612 unter einem geschlossenen Zustand der Ventilöffnung 617 gespeichert. Das Gehäuse 613 ist ferner mit einer Trenneinrichtung 614 ausgebildet, die die Kammern 615 und 616 voneinander trennt und die Ventilöffnung 617 bildet, welche durch das Ventilelement 618 geöffnet oder geschlossen wird.
  • Das Ventilelement 618 ist mit der Federplatte 611 über die Stange 619 verbunden, während eine Anordnung der Feder 620 derart ist, dass das Ventilelement 618 unter der Kraft der Feder 620 auf der Ventilöffnung 617 sitzt. Der Druck in der geschlossene Kammer 612 erzeugt eine Kraft zum Drücken der Federplatte 611 gegen die Kraft der Feder 620 nach unten. So wird der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 617 durch den Hub des Ventilelements 618 bestimmt, der entsprechend der Differenz zwischen einer nach unten gerichteten Kraft als eine Summe einer Kraft der Feder 620 und einer Kraft des Drucks in dem geschlossenen Raum 612 und einer nach oben gerichteten Kraft des Drucks in der Kammer 615, welche zu der unteren Federplattenkammer 612' geöffnet ist, bestimmt wird. Der Abstandhalter 621 dient dem Steuern einer Anfangslast der Feder 620, was die Erzeugung einer vorbestimmten Last in der Feder 620 ermöglicht. In dem dargestellten Beispiel entspricht der Wert der anfangs eingestellten Kraft der Feder 620 einem in der Federplatte 611 erzeugten Druck von 1 MPa.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des zweiten Druckverminderers 600 erläutert. In der geschlossenen Kammer 612 ist das CO2 unter einem Druck von etwa 600 kg/m3 gespeichert, was den Druck und die Temperatur in der Kammer 612 entlang der isobaren Drucklinie von 600 kg/m3 variieren lässt, wie in 1 dargestellt. So beträgt der Innendruck etwas 5,8 MPa, wenn die Temperatur in der geschlossenen Kammer 612 20°C beträgt, wie man einfach aus 1 sehen kann. Außerdem werden der Innendruck in der geschlossenen Kammer 612 und die anfangs eingestellte Kraft der Schraubenfeder 620 gleichzeitig auf das Ventilelement 618 ausgeübt. Somit beträgt die gesamte auf das Ventilelement 618 ausgeübte Kraft etwa 6,8 MPa. Wenn der Druck an der Kammer 615 auf der Seite des Wärmestrahlers 2 niedriger als 6,8 MPa ist, bewegt sich daher das Ventilelement 618 nach unten, um die Ventilöffnung 617 zu schließen, während, wenn der Druck an der Kammer 615 6,8 MPa übersteigt, sich das Ventilelement 618 nach oben bewegt, um die Ventilöffnung 617 zu schließen.
  • Analog ist, wenn die Temperatur in der geschlossenen Kammer 612 40°C beträgt, der Innendruck etwa 9,7 MPa. Daher beträgt die gesamte auf das Ventilelement 618 ausgeübte Kraft etwa 10,7 MPa. Wenn der Druck an der Kammer 615 auf der Seite des Wärmestrahlers 2 niedriger als 10,7 MPa ist, bewegt sich daher das Ventilelement 618 nach unten, um die Ventilöffnung 617 zu schließen, während sich, wenn der Druck an der Kammer 615 10,7 MPa übersteigt, das Ventilelement 618 nach oben bewegt, um die Ventilöffnung 617 zu schließen.
  • Wie man aus 1 verstehen kann, fällt die isobare von 600 kg/m3 in dem überkritischen Bereich im Wesentlichen mit der obigen optimalen Steuerlinie ηmax zusammen. Somit kann der Hauptdruckverminderer 600 gemäß diesem Beispiel den Druck an der Auslassseite des Wärmestrahlers 2 auf jene erhöhen, die im Wesentlichen entlang der optimalen Steuerlinie ηmax angeordnet sind, was den Kühlkreis mit CO2 effektiv ausführen lässt.
  • Andererseits ist es ebenso aus 1 klar, dass in einem Bereich unter dem überkritischen Punkt, d. h. einem Kondensbereich, die Isobare von 600 kg/m3 unter dem überkritischen Punkt deutlich von der optimalen Steuerlinie ηmax beabstandet ist. In diesem Kondensbereich wird jedoch der Druck in dem geschlossenen Raum 612 entlang der Linie SL der gesättigten Flüssigkeit variiert. Außerdem ist die Schraubenfeder 620 zum Erzeugen einer anfangs eingestellten Kraft in dem Ventilelement 618 vorgesehen, sodass ein Unterkühlungsgrad von etwa 10°C erzielt wird. Somit wird selbst bei einem Druck unter dem kritischen Druck ein effektiver Betrieb des CO2 verwendenden Kühlkreises ausgeführt.
  • Es ist aus praktischer Sicht wünschenswert, dass die Dichte des in dem geschlossenen Raum 612 gespeicherten CO2 in einem Bereich von einem Dichtewert der gesättigten Flüssigkeit, wenn die Temperatur des CO2 0°C beträgt, bis zu einem Dichtewert der gesättigten Flüssigkeit beim kritischen Punkt des CO2, und genauer in einem Bereich zwischen 450 kg/m3 und 950 kg/m3 liegt.
  • Wie aus der obigen Funktionsweise dieses Beispiels offensichtlich, kann dieses Beispiel ähnlich dem ersten Beispiel einen größeren Wert eines Leistungsgrades halten, während eine Kühlleistung erhöht und eine Anzahl von das Kühlsystem bildenden Bauteilen verringert wird. Mit anderen Worten erhält man eine größere Zuverlässigkeit unter gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungskosten.
  • Wie aus der obigen Funktionsweise dieses Beispiels verständlich, ist es wünschenswert, dass die Temperatur in dem geschlossenen Raum 612 des Hauptdruckverminderers 600 ohne irgendeine einhergehende Verzögerung entsprechend der Temperatur an der Auslassseite des Wärmestrahlers 2, welche der Temperatur des CO2 an der Leitung 602 entspricht, variiert wird. In Anbetracht dessen sind in diesem Beispiel der Ventildeckel 610 und das Ventilgehäuse 613 in dem Kanal 602 angeordnet.
  • Außerdem ist es in diesem Beispiel wünschenswert, dass, um ein Wärmeleitmaß so groß wie möglich zu erzielen, der Ventildeckel 610 und das Ventilgehäuse 613 einen Wärmeleitkoeffizienten so groß wie möglich und eine Dicke so groß wie möglich haben müssen. In Anbetracht dessen sind in diesem Beispiel der Ventildeckel 610 und das Ventilgehäuse 613 aus Messing gemacht, und die Federplatte 611, ein Ventilelement 618, die Schraubenfeder 620 und der Abstandhalter 621 sind aus einem rostfreien Stahl gemacht. Außerdem kann es möglich sein, dass Kühlrippen zum Erhöhen eines Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem CO2 in dem Kanal 602 und dem Ventildeckel 621 vorgesehen sein können.
  • Fünftes Beispiel
  • In dem oben beschriebenen vierten Beispiel ist am Auslass des Kühlers der Speicher 8' angeordnet, um ein Ansaugen des Flüssigphasen-CO2 in den Kompressor zu verhindern. Das fünfte Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher 8' weggelassen ist.
  • Das heißt, das System in diesem fünften Beispiel enthält, wie in 17 dargestellt, einen Nebendruckverminderer 430, der aus einer Vorrichtung zum Steuern des Öffnungsgrades einer Steuerung 431 des Nebendruckverminderers 430 in einer solchen Weise, dass ein Heizgrad an der Auslassseite der Kühlvorrichtung 5 einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, und einem Lastantwortteil 432, das dem Steuern des Öffnungsgrades des Nebendruckverminderers 430 entsprechend der Wärmelast in dem Verdampfapparat 7 dient, aufgebaut ist.
  • Es wird nun ein Aufbau des Nebendruckverminderers 430 in dem fünften Beispiel erläutert. Wie in 17 dargestellt, weist die Steuerung des Heizgrades ein wärmeempfindliches Rohr 433, das an der Auslassseite des Kühlers 5 zum Erfassen der Temperatur des CO2 an der Auslassseite des Kühlers 5 angeordnet ist, und ein Gehäuse mit einer Trennwand 434 zum Teilen des Kanals für das einzuspritzende CO2 in einen stromaufwärtigen Teil und einen stromabwärtigen Teil auf. Die Trennwand 434 ist mit einer Ventilöffnung 436 ausgebildet, welche zwischen dem stromaufwärtigen Teil und dem stromabwärtigen Teil angeordnet ist. Eine Federplatte 37, die auf die Änderung des Drucks (der Temperatur) an dem wärmeempfindlichen Rohr 433 reagiert, ist vorgesehen und mit einem Ventilelement 438 verbunden.
  • Bei dem Aufbau in 17 bildet die Federplatte 437 auf ihrer einen Seite eine Kammer 437a, die zu dem Raum in dem wärmeempfindlichen Rohr 433 geöffnet ist, und auf ihrer anderen Seite eine Kammer 437b in Verbindung mit dem Kanal 435 stromab der Ventilöffnung 436. Der Druck in der Kammer 437a drückt über die Federplatte 437 auf das Ventilelement 438, sodass der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 436 vergrößert wird. Im Gegensatz dazu lässt der Druck in der Kammer 437b zusammen mit der Feder 442 das Ventilelement 438 so bewegen, dass der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 436 verkleinert wird.
  • Es wird nun ein Aufbau des Lastmessabschnitts 432 erläutert. Eine Bezugsziffer 439 bezeichnet ein wärmeempfindliches Rohr, das an einer Stelle stromab des Verdampfapparats in dem Luftstrom oder an einer Stelle am Auslass des CO2 aus dem Verdampfapparat 7 angeordnet ist. In dem wärmeempfindlichen Rohr 439 ist ein Gas wie beispielsweise Flon oder Propan mit einer vorbestimmten Dichte eingeschlossen. Der gasdichte Raum des wärmeempfindlichen Rohrs 435 steht mit einem Balg 440 in Verbindung. Eine erste Platte 441 ist mit dem Balg 440 an seinem einen Ende in einer Richtung einer Kontraktions- oder Expansionsbewegung des Balges 440 verbunden. An der abgewandten Seite des Balges 440 ist eine zweite Platte 443 angeordnet, sodass die zweite Platte 443 mit der ersten Platte 441 über eine Feder 442 verbunden ist. Verbunden mit der zweiten Platte 443 ist das Ventilelement 438 der Heizgradsteuerung 430. Die Feder 442 erzeugt eine Federkraft, die das Ventilelement 438 so bewegen lässt, dass die Ventilöffnung 436 durch das Ventilelement 438 geschlossen wird. Schließlich ist der Balg 440 an seinem oberen Ende fest mit einem Teil des Gehäuses 444 verbunden, sodass der Raum in dem Balg 440 über einen Kanal in dem Gehäuse 444 in Verbindung mit dem Raum in dem wärmeempfindlichen Rohr 439 steht. Die Anordnung des Balges 440 ist derart, dass, je mehr der Balg 440 gedehnt ist, die Kraft der Feder 442 umso kleiner ist, wodurch der Heizgrad an der Auslassseite des Kühlers 5 verkleinert wird. Schließlich ist in 17 eine Bezugsziffer 445 ein O-Ring, der eine Öffnung des Drucks in dem CO2-Kanal 435 zu der Kammer, in welcher der Balg 440 angeordnet ist, verhindert.
  • Nun wird eine Funktionsweise des Nebendruckverminderers 430 im fünften Beispiel erläutert. Ein Anstieg einer Wärmelast des Verdampfapparats 7 lässt den Druck im Raum in dem wärmeempfindlichen Rohr 439 steigen, was das Balgelement 440 dehnen lässt, was in einer Bewegung der ersten Platte 441 nach oben resultiert. Durch diese Bewegung der ersten Platte 441 nach oben wird der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 436 vergrößert, was den Überhitzungsgrad an der Auslassseite des Kühlers 5 verkleinern lässt. Ein weiterer Anstieg der Wärmelast an dem Verdampfapparat 7 lässt schließlich die erste Platte 441 das Gehäuse 44 berühren, was eine weitere Reduzierung des Heizgrades verhindert, d. h. der minimale Wert des Heizgrades ist erzielt.
  • Im Gegensatz dazu lässt ein Abfall einer Wärmelast des Verdampfapparats 7 den Druck in dem Raum in dem wärmeempfindlichen Rohr 439 sinken, was das Balgelement 440 zusammenziehen lässt, was in einer Bewegung der ersten Platte 441 nach unten resultiert. Durch diese Bewegung der ersten Platte 441 nach unten, wird der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 436 verkleinert, wodurch eine Strömungsmenge des CO2 reduziert wird, was die Enthalpiedifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 verkleinert.
  • In diesem Aspekt wird, wie unter Bezugnahme auf 1 bis 18 erläutert, die Kompression durch den Kompressor 1 durch eine Reihe von Kompressoren ausgeführt. In diesem Fall entspricht ein Verhältnis des Volumens Vd des zweiten Kompressors zu dem Volumen Vs eines Kompressors der ersten Stufe in einem Bereich von 0,8 bis 1 im Verhältnis der Druckdifferenz ΔPs zu der Druckdifferenz ΔPc in einem Bereich von 0,6 bis 0,9.
  • Andererseits kann ein einzelner Kompressor eine erste Arbeitskammer angrenzend an den Verdampfapparat 7 und eine zweite Arbeitskammer angrenzend an den Wärmestrahler haben. In diesem Fall kann das Verhältnis des Volumens Vd' der zweiten (Hochdruck-)Arbeitskammer angrenzend an den Wärmestrahler zu dem Volumen Vs' der ersten (Niederdruck-)Arbeitskammer angrenzend an den Verdampfapparat 7 in einem Bereich von 0,8 bis 1 liegen.
  • Zweiter Aspekt
  • Sechstes Beispiel
  • Ein sechstes Beispiel der vorliegenden Erfindung, das nun erläutert wird, ist auf einen zweiten Aspekt gerichtet, der auf eine Vergrößerung einer Kühlleistung gerichtet ist. Das heißt, wie Bezug nehmend auf 1 bezüglich des ersten Beispiels erläutert, der Leistungsgrad ist ein Verhältnis der Enthalpieänderung Δi an dem Verdampfapparat zu der Kompressionsarbeit ΔL. Somit sieht der Maximalwert des Leistungsgrades nicht notwendigerweise eine Kühlleistung zum Erzielen eines gewünschten Kühleffekts in dem Raum vor. Um diesem Problem zu begegnen, ist es die Schlüsselidee in diesem Aspekt, dass eine Steuerung eines Druckverminderers so erfolgt, dass man eine gewünschte Kühlleistung erzielt. Nun wird eine Einzelheit des Beispiels Bezug nehmend auf 18 erläutert.
  • 18 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems in dem Beispiel, und Teile mit Funktionen ähnlich jenen in dem ersten Beispiel (2) sind durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Das heißt, das Kühlsystem ist grundsätzlich durch den Kompressor 1, den Wärmestrahler 2, den Druckverminderer 3, den Verdampfapparat 7 und den Speicher 8 aufgebaut. Anders als das erste Beispiel ist das Kühlsystem in 18 nicht mit dem Nebendruckverminderer 4, dem Wärmetauscher 5 und der CO2-Einspritzleitung versehen.
  • In diesem Beispiel funktioniert der Druckverminderer 3 auch als eine Drucksteuereinrichtung zum Steuern des Drucks an der Auslassseite des Wärmestrahlers 2 entsprechend dem Druck an der Auslassseite der Temperatur des CO2. Insbesondere wird, wie später vollständig erläutert, der Druck an der Auslassseite des Wärmestrahlers 2 auf einen vorbestimmten Wert erhöht und dann reduziert, wodurch ein Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustand des CO2 erzeugt wird. Ein detaillierter Aufbau des Druckverminderers 3 ist ähnlich dem in 3 bezüglich des Nebendruckverminderers im ersten Beispiel dargestellt.
  • Wie im ersten Beispiel ist die Steuerschaltung 10 mit dem Nachverdampfapparat-Lufttemperatursensor 11, dem Raumlufttemperatursensor 14, dem Außenlufttemperatursensor 15, dem Temperatureinsteller 16, dem Heizstrahlerauslass-CO2-Temperatursensor 17 und dem Heizstrahlerauslass-Drucksensor 18 verbunden und dient dem Steuern der Funktionsweise des Druckverminderers 3, wie später vollständig erläutert. Die Steuerschaltung funktioniert auch in einer wohlbekannten Weise zum Steuern einer Luftmischklappe (nicht dargestellt) und des Lüfters 9', sodass eine Menge und eine Temperatur der in den Raum ausgegebenen Luft gesteuert werden.
  • In 1 wird der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 auf der optimalen Steuerlinie ηmax (1) nicht eindeutig durch die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2, sondern durch eine Variation des Drucks in dem Verdampfapparat 7, d. h. eine Variation einer dem Verdampfapparat 7 verliehenen Wärmemenge, die einer Wärmelast des Verdampfapparats 7 entspricht, bestimmt. Andererseits bewirkt in Dampfkompressions-Kühlsystemen, auch bei solchen mit CO2, eine Fortsetzung eines Betriebs eine allmähliche Stabilisierung der Raumtemperatur auf einen ausgeglichenen Wert, der durch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels, die Wärmetauschleistung des Verdampfapparats 7 und eine Wärmeeinströmung von der Atmosphäre in den Raum bestimmt wird. Mit anderen Worten wird die Druckschwankung auf der Seite des Verdampfapparats 7 allmählich stabilisiert. So wird eine schnelle Änderung des Drucks am Verdampfapparat 7 unter einem fortlaufenden Betrieb eines Kühlsystems, außer für einen Abkühlbetrieb, verhindert, sofern keine rapide Änderung der Umgebungslufttemperatur stattfindet. Daher ist es praktisch ausreichend, falls eine Bestimmung der optimalen Steuerlinie ηmax entsprechend dem Druck am Verdampfapparat 7 erfolgt, der der Verdampfungstemperatur des CO2 in dem Verdampfapparat 7 entspricht. Wie Bezug nehmend auf das erste Beispiel erläutert, zeigt 8 einen Soll-Druck (einen ersten Soll-Druck) bezüglich des einlassseitigen Drucks des Druckverminderers 3, d. h. des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers 2, wenn der Druck am Verdampfapparat 7 3,5 MPa beträgt, was der Verdampfungstemperatur (0°C) des CO2 entspricht. Diesbezüglich erhält man gemäß einem Versuch der Erfinder unter einem Zustand, dass der Druck am Auslass des Wärmestrahlers unter dem kritischen Druck liegt, einen größeren Leistungsgrad für einen gewünschten Betrieb des CO2 verwendenden Kühlsystems, wenn der Unterkühlungsgrad am Einlass des Druckverminderers 3 in einem Bereich von 1 bis 10°C liegt. Daher erfolgt die Berechnung der Linie in 8 so, um einen Überhitzungsgrad von 3°C zu erzielen.
  • Während eines schnellen Kühlvorgangs wird der Druck am Verdampfapparat 7 erhöht, was die Temperatur des CO2 im Verdampfapparat 7 sowie den Druck am Verdampfapparat 7 steigen lässt. Als Ergebnis kann eine ausreichende Kühlleistung für eine gewünschte Kühlleistung des Kühlsystems mit CO2 durch den Soll-Druck für den Maximalwert des Leistungsgrades beim Druck des Verdampfapparats von 3,5 MPa nicht erzielt werden.
  • Um dieses Problem zu lösen, erhöht das sechste Beispiel in einem Zustand erhöhter Wärmelast in dem Verdampfapparat 7, wie beispielsweise bei einer schnellen Kühlung (Abkühlung), entsprechend dem Anstieg der Last den Soll-Druck auf einen Wert größer als den ersten Soll-Wert durch Verkleinern des Öffnungsgrades des Druckverminderers 3, wodurch die Kühlleistung erhöht wird.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des sechsten Beispiels unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 19 erläutert. In 19 bewirkt ein Einschalten eines nicht dargestellten Schalters einen Betrieb des CO2-Kühlsystems, wodurch die Routine in 19 begonnen wird. In Schritt 100 wird eine Temperatur Tv des CO2 am Einlass des Druckverminderers 3, die durch den Temperatursensor 7 gemessen wird, ausgelesen. In Schritt 110 wird eine Temperatur Tset, die durch den durch einen Fahrer oder Fahrgast bedienten Einsteller 16 eingestellt wird, ausgelesen. In Schritt 120 wird eine Temperatur Tr des Raums, die durch den Raumtemperatursensor 14 erfasst wird, ausgelesen. In Schritt 130 wird eine Differenz δT zwischen der Raumtemperatur und der eingestellten Temperatur Tr – Tset berechnet. In Schritt 140 erfolgt eine Bestimmung, ob die Temperaturdifferenz δT größer als ein vorbestimmter Wert To ist. Ein Ergebnis einer Bestimmung von δT ≤ To zeigt an, dass die Wärmelast des Verdampfapparats 7 kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und die Routine geht zu Schritt 150, wo eine Berechnung des ersten Sollwerts unter Verwendung einer Tabelle entsprechend der Beziehung zwischen der Temperatur am Einlass des Druckverminderers 3 und dem Sollwert des Drucks CO2 am Einlass des Druckverminderers 3, wie in 8 dargestellt, erfolgt. Das heißt, es erfolgt eine Interpolation mit der Abbildung, um den ersten Sollwert entsprechend der Temperatur Tv am Einlass des Druckverminderers 3, die durch den Temperatursensor 17 erfasst wird, zu berechnen.
  • Ein Ergebnis einer Bestimmung von δT > To in Schritt 140 zeigt an, dass die Wärmelast des Verdampfapparats 7 größer als ein vorbestimmter Wert ist, d. h. ein schneller Kühlmodus liegt vor, und die Routine geht zu Schritt 160, wo eine Berechnung des zweiten Sollwerts als erster Sollwert plus einem Druckanstieg erfolgt. Insbesondere zeigt 20 eine Beziehung zwischen dem Temperatur unterschied δT zwischen der Raumtemperatur Tr und der eingestellten Temperatur Tset und dem Druckanstieg δP. Diese Beziehung ist in einem Speicher in der Steuerschaltung 10 gespeichert, und eine Interpolation unter Verwendung der Abbildung erfolgt, um den Druckanstieg δP entsprechend dem Wert des in Schritt 130 erhaltenen Temperaturunterschiedes δT zu berechnen. Dann erhält man den zweiten Soll-Druck durch Addieren des berechneten Druckunterschiedes δP zu dem ersten Sollwert, der durch die Temperatur Tv am Einlass des Druckverminderers 3 berechnet wurde, in einer ähnlichen Weise wie in Schritt 150 mit der Abbildung in 8.
  • In Schritt 170 wird ein durch den Drucksensor 18 erfasster Druck Tin am Einlass des Druckverminderers 3 ausgelesen. Dann wird in Schritt 180 bestimmt, ob der in Schritt 150 oder 160 berechnete erste oder zweite Soll-Druck größer als der durch den Sensor 18 erfasste Druck Tin am Einlass des Druckverminderers 3 ist. Eine Bestimmung, dass der Soll-Druck größer als Tin ist, lässt die Routine zu Schritt 190 gehen, wo der Druckverminderer 3 so gesteuert wird, dass der Öffnungsgrad verkleinert wird. Im Gegensatz dazu lässt eine Bestimmung, dass der Soll-Druck gleich oder kleiner als der erfasste Druck Tin ist, die Routine zu Schritt 200 gehen, wo der Druckverminderer 3 so gesteuert wird, dass der Öffnungsgrad vergrößert wird. Nach Schritt 190 oder 200 werden die obigen Schritte wiederholt.
  • Es sollte beachtet werden, dass ein unbegrenzter Anstieg von δP den Leistungsgrad stark verringern lässt. Daher hat δP einen Maximalwert von 2,7 MPa, wie in 20 gezeigt.
  • Wie oben erläutert, wird gemäß diesem Beispiel, wenn eine Entscheidung erzielt wird, dass die Wärmelast des Verdampfapparats 7 aufgrund der Tatsache stabil ist, dass die Last des Verdampfapparats 7 gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, d. h. wenn ein Ergebnis N in Schritt 140 erzielt wird, der Druck am Einlass des Druckverminderers 3 so gesteuert, dass er gleich dem ersten Sollwert ist (Schritt 1501. So wird der CO2-Kühlkreis unter Beibehaltung eines erhöhten Leistungsgrades ausgeführt. Wenn dagegen in Schritt 140 einen Entscheidung, dass ein schneller Kühlvorgang erforderlich ist, d. h. ein Ergebnis Y erzielt wird, wird der Druck am Einlass des Druckverminderers 3 so gesteuert, dass er gleich dem zweiten Sollwert ist (Schritt 160). So wird der Öffnungsgrad des Druckverminderers 3 entsprechend dem Anstieg der Wärmelast verkleinert, wodurch der Druck des CO2 am Einlass des Druckverminderers 3 erhöht wird. Daher erhält man eine gewünschte Kühlleistung, selbst wenn die Kühllast in dem schnellen Kühlvorgang erhöht ist. Kurz gesagt wird das CO2-Kühlsystem mit einer hohen Effizienz ausgeführt, während eine ausreichende Kühlleistung selbst unter einem hohen Lastzustand wie beispielsweise einem schnellen Kühlmodus erzielt wird.
  • Außerdem ist in dem Dampfkompressions-Kühlsystem, bei dem während einer Ausführung des Kühlkreises ein Kältemittel wie beispielsweise Flon unter einem Druck niedriger als der kritische Druck ist, eine Schwankung des Auslassdrucks im Vergleich zu dem CO2-Kühlsystem klein. Daher wird in dem Flon-Kühlsystem ein Anstieg oder Abfall der Kühlleistung hauptsächlich durch einen Anstieg oder Abfall einer Zirkulationsmenge des Kältemittels (Flon) in dem System bestimmt. Mit anderen Worten wird die Kühlleistung des Systems im Wesentlichen allein durch die maximale Strömungsmenge des Flon bestimmt. Somit bewirkt ein Anstieg der Strömungsmenge des Kältemittels zum Erhöhen der Kühlleistung notwendigerweise einen Anstieg der Größe des Kompressors.
  • Im Gegensatz dazu erfolgt in dem CO2 verwendenden Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anstieg oder Abfall der Kühlleistung durch einen Anstieg oder Abfall des Drucks am Auslass des Wärmestrahlers 2, d. h. des Drucks am Einlass des Druckverminderers 3. Somit wird eine Kapazität des Kompressors 1 basierend auf dem Massendurchsatz des CO2 unter einem thermisch stabilen Zustand des Verdampfapparats 7 entschieden, wodurch ein Anstieg der Größe des Kompressors 1 verhindert wird.
  • Siebtes Beispiel
  • Im sechsten Beispiel wird die Wärmelast des Verdampfapparats 7 durch Erfassen des Unterschiedes δT der Temperatur Tr im Raum und der eingestellten Temperatur Tset bestimmt. In diesem Beispiel ist jedoch eine Temperatureinstelleinrichtung in 18, die aus dem Sensor 12 zum Erfassen der Raumtemperatur 12 und dem Temperatureinsteller 16 aufgebaut ist, weggelassen, um die Herstellungskosten zu verringern.
  • Daher ist im siebten Beispiel, wie in 21 dargestellt, ein Druckverminderer 30 vorgesehen. Es ist eine Einrichtung zum Steuern des Öffnungsgrades des Druckverminderers 30 derart vorgesehen, dass der Unterschied ΔP zwischen dem Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2, d. h. am Einlass des Druckverminderers 30, und dem Druck am Einlass des Verdampfapparats 7, d. h. am Auslass des Druckverminderers 30, auf eine Soll-Druckdifferenz gesteuert wird, die entsprechend der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 (am Einlass des Druckverminderers 30) bestimmt wird.
  • Es wird nun ein Detail eines Aufbaus des Druckverminderers 30 unter Bezugnahme auf 22 erläutert. Insbesondere enthält der Druckverminderer 30 ein Gehäuse 50, das eine mit dem Wärmestrahler 2 verbundene Einlassöffnung 51A, eine mit dem Verdampfapparat 7 verbundene Auslassöffnung 51B und eine Ventilöffnung 52 definiert, ein der Ventilöffnung 52 zugewandtes Ventilelement 54, eine das Ventilelement 54 zum Schließen der Ventilöffnung 52 drückende Feder 56, einen Schrittmotor 58 zum Erzeugen einer Drehbewegung und eine Welle 60 zum Einstellen einer Federkraft der Feder 56. Die Schraubenfeder 56 ruht an ihrem einen Ende auf einem ersten Federsitz 62, der mit dem Ventilelement 54 verbunden ist, und ruht an ihrem anderen Ende auf einem zweiten Federsitz 64 zum Einstellen der Federkraft der Feder 56. Der zweite Federsitz 64 ist mit einem Innenschraubengewinde 64a ausgebildet, mit dem ein Außengewindeabschnitt 60a der Schraubenwelle 60 in Eingriff steht, und mit einer Axialnut, mit der ein Schlüssel 66 in Eingriff steht. Als Ergebnis lässt eine Drehbewegung der Einstellwelle 60 durch den Schrittmotor 58 den zweiten Federsitz 64 axial bewegen, wodurch die Federkraft der Feder 56 verändert wird. Ein O-Ring 68 ist zwischen dem Gehäuse 50 und der Welle 60 für eine gewünschte Dichtfunktion angeordnet. Das den Kühlkreis mit CO2 ausführende Kühlsystem erzeugt einen Druck, der etwa achtmal größer als in dem herkömmlichen Kühlsystem mit Flon ist. Es ist daher wünschenswert, dass der O-Ring 68 an einer Position so nah wie möglich zu der Auslassöffnung 51B positioniert ist. Schließlich unterliegt der Schrittmotor 58 einer Steuerung, sodass eine Soll-Druckdifferenz entsprechend der Temperatur des CO2 am Einlass des Druckverminderers 30 erzielt wird.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des siebten Beispiels erläutert. Auf der Seite des Einlasses 51A des Ventilelements 54 erzeugt der Druck am Einlass 51A des Druck verminderers 30 eine Kraft F1 in dem Ventilelement 54, um es nach oben bewegen zu lassen, um die Ventilöffnung 53 zu öffnen. Auf der Seite des Auslasses 51B erzeugen der Druck am Einlass des Verdampfapparats 7 und die Feder 56 eine Kraft F2 in dem Ventilelement 54, um es nach unten bewegen zu lassen, um die Ventilöffnung 52 zu schließen. Somit wird, wenn die Kraft F2 größer als die Kraft F1 ist, das Ventilelement 54 nach unten bewegt, um den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 52 zu verkleinern. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Kraft F2 kleiner als die Kraft F1 ist, das Ventilelement 54 nach oben bewegt, um den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 52 zu vergrößern. Da das Ventilelement 54 an einer Position gestoppt wird, wo die Kräfte F1 und F2 ausgeglichen sind, wird der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 52 entsprechend der in der Feder 56 erzeugten Federkraft 56 bestimmt. Mit anderen Worten entspricht eine Druckdifferenz ΔP zwischen einem Raum 70A angrenzend an den Einlass 51A und einem Raum 70B angrenzend an den Auslass 51B der auf das Ventilelement 54 von der Feder 56 ausgeübten Federkraft. Außerdem ist ein Hub des Ventilelements 54 relativ klein, sodass eine Veränderung der auf das Ventilelement 35 von der Schraubenfeder 56 ausgeübten Federkraft im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Daher wird eine Druckdifferenz ΔP zwischen den Räumen 70A und 70B als konstant angenommen.
  • Es folgt eine Diskussion der Druckdifferenz ΔP. Wenn der Druck in dem Verdampfapparat 7 niedriger als ein Vereisungspunkt (0°C) ist, wird der Verdampfapparat 7 mit Frost überdeckt, was die Kühlleistung an dem Verdampfapparat 7 reduzieren lässt. Es ist daher wünschenswert, dass die Temperatur am Verdampfapparat 7 höher als der Vereisungspunkt ist. Jedoch lässt eine bloße Erhöhung der Temperatur des Verdampfapparats 7 eine Kühlung der ausgegebenen Luft weniger effektiv sein. Daher ist bei Betrieb dieses siebten Beispiels, wie im sechsten Beispiel, die Druckdifferenz ΔP eine, die man zwischen den Räumen 70A und 70B erzielt, wenn der Einlass des Verdampfapparats 7 auf einem Dampfdruck entsprechend der Verdampfungstemperatur des CO2 ist (3,5 MPa bei 0°C, wie in 1 dargestellt) und der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 auf dem Druck der optimalen Steuerlinie ηmax (dem ersten Soll-Druck) ist. Mit anderen Worten ist ein Betrieb des Druckverminderers 30 durch die Steuerschaltung 10 derart, dass der erste Sollwert entsprechend der Temperatur des CO2 unter Verwendung der Abbildung in 8 berechnet wird, und der Schrittmotor 58 des Druckverminderers 30 wird betrieben, um die Kraft der Feder 56 einzustellen, um eine Druckdifferenz ΔP zu erhalten, die der Differenz zwischen dem berechneten ersten Sollwert und dem Verdampfungsdruck bezüglich der Verdampfungstemperatur des CO2 (0°C bei 3,5 MPa) entspricht.
  • 23 zeigt Beziehungen zwischen einer spezifischen Enthalpie und dem Druck (Mollier-Diagramm) in dem Kühlsystem gemäß dem siebten Beispiel. Eine durchgezogene Linie A wird erzeugt, wenn die Kühlleistung (Wärmelast) hoch ist, während eine gestrichelte Linie B erzeugt wird, wenn die Kühlleistung niedrig ist. Eine durchgezogene Linie SL zeigt eine Linie der gesättigten Flüssigkeit an, und die durchgezogene Linie C ist eine Isotherme. Im Fall der durch die Kurve A dargestellten großen Wärmelast ist die Temperatur der durch den Verdampfapparat 7 gekühlten Luft hoch. Mit anderen Worten wird entsprechend dem Anstieg der Wärmelast die Temperatur am Verdampfapparat 7 erhöht und der Druck in dem Verdampfapparat 7 und der Verdampfungsdruck des CO2 werden erhöht. Siehe 24. Als Ergebnis erhält man eine Vergrößerung der Kraft F2 zum Drücken des Ventilelements 54 nach unten, wodurch der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 52 verkleinert wird, sodass der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2, d. h. der Druck am Einlass des Druckverminderers 3 erhöht wird. Somit erhält man eine größere Differenz einer spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7, wie durch ha in 23 dargestellt, wodurch die Kühlleistung erhöht wird. Die Wärmelast in dem Verdampfapparat 7 wird allmählich auf den Verdampfungsdruck von 3,5 MPa entsprechend der Verdampfungstemperatur des CO2 stabilisiert, was die Kraft F2 verringern lässt, während der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 34 verkleinert wird. Somit wird der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2, wie durch die Kurve B dargestellt, auf einen Zustand reduziert, der den Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 dem Druck (erster Sollwert) auf der optimalen Steuerlinie ηmax annähern lässt. Somit wird der CO2 verwendende Kühlkreis mit einer erhöhten Effizienz ausgeführt, während eine ausreichende Kühlleistung erzeugt wird, die für einen Betrieb einer erhöhten Wärmelast wie beispielsweise in einem schnellen Kühlmodus geeignet ist.
  • Im siebten Beispiel sind, um die Wärmelast an dem Verdampfapparat 7 zu erfassen, sowohl der Temperatursensor als auch der Temperatureinsteller im sechsten Beispiel weggelassen, und man erhält eine ähnliche Funktion durch Steuern einer Ausführung des CO2-Kühlkreises durch eine einfache Einrichtung zum Steuern eines Öffnungsgrades der Ventilöffnung 52, sodass ein vorbestimmter Wert einer Druckdifferenz zwischen dem Auslass des Wärmestrahlers 2 und dem Einlass des Verdampfapparats 7 erzielt wird. So wird eine Reduzierung der Herstellungskosten des Kühlsystems realisiert.
  • In 22 wird der Druck des in dem System zirkulierenden CO2 direkt angelegt. Jedoch kann auch ein Druck am Auslass oder Einlass des Verdampfapparats 7 durch ein Kapillarrohr entnommen werden und zum Betätigen des Ventilelements 54 über eine Federplatte benutzt werden.
  • Achtes Beispiel
  • Im siebten Beispiel wird eine Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 durch den Temperatursensor erfasst. Im Gegensatz dazu ist in diesem achten Beispiel der Temperatursensor weggelassen. Das heißt, anstelle des Erfassens der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 erfolgt eine Abschätzung der Temperatur basierend auf der durch den Sensor 15 erfassten Raumtemperatur, wie in 25 dargestellt, und die geschätzte Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers wird zum Steuern der Ausführung des Kühlkreises verwendet. Genauer wird die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 im Wesentlichen durch die Außenlufttemperatur und die Kühlleistung des Wärmestrahlers 2 bestimmt. Daher wird ein Test durchgeführt, um eine Beziehung zwischen der Außenlufttemperatur und der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 zu erhalten. Eine solche Beziehung wird in einer Abbildung in dem Computer 10 gespeichert, und es erfolgt eine Interpolationsberechnung der Abbildung, um die Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 zu berechnen, die der durch den Außenlufttemperatursensor 15 in 25 erfassten Außenlufttemperatur entspricht.
  • Bei der Konstruktion des siebten Beispiels ist es notwendig, um eine Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 zu erfassen, dass der Sensor an einer Stelle angrenzend an den Auslass des Wärmestrahlers 2 angeordnet ist, wobei der Temperatursensor mit einem Isolator zur Wärmeisolierung des Sensors von der Außenatmosphäre versehen ist. Daher kommen Kosten für das Material für die Wärmeisolierung hinzu und Arbeitsschritte zum Anbringen des Temperatursensors und des Wärmeisolationsmaterials sind notwendig, was die Herstellungskosten des Kühlsystems erhöht. Im Gegensatz dazu wird gemäß diesem achten Beispiel auf das Vorsehen des Temperatursensors verzichtet, was andererseits ein Hinzukommen von Kosten für das wärmeisolierende Material verhindert, und andererseits sind Arbeitsschritte für das Anbringen des Temperatursensors und des wärmeisolierenden Materials weggelassen. Als Ergebnis ist ein Anstieg der Herstellungskosten verhindert.
  • Außerdem wird gemäß diesem achten Beispiel für den Sensor 15 zum Erfassen einer Außenlufttemperatur ein Außenlufttemperatursensor verwendet, welcher ein wesentlicher Teil für ein herkömmliches Klimasystem zum Ausführen einer automatischen Klimasteuerung ist. Mit anderen Worten ist ein separater Sensor 15 unnötig, was auch zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten dient.
  • Im achten Beispiel in 22 wird die Kraft der Feder 56 durch den Schrittmotor 58 gesteuert. Stattdessen kann auch ein Druck am Verdampfapparat 7 in den Druckverminderer eingeleitet werden, sodass der Druck ein auf Druck reagierendes Element wie beispielsweise eine Federplatte zum Steuern der Federkraft der Schraubenfeder 56 betätigt. Außerdem wird anstelle des Steuerns der Druckdifferenz durch die Feder 56 ein Druck am Verdampfapparat 7 erfasst, und ein elektrisches Stellglied wird zum Steuern eines Öffnungsgrades des Ventils betätigt.
  • Außerdem kann der Drucksensor 18 den Druck am Einlass des Wärmestrahlers 2 erfassen. Es ist jedoch notwendig, den Druckverlust zu kompensieren, falls der Druckverlust groß ist.
  • Im zweiten Aspekt ist der Speicher 8 weggelassen. In diesem Fall wird das Kältemittel in dem Verdampfapparat 7 angesaugt und in der gleichen Weise wie bei dem CO2-Zirkulationssystem mit einem Speicher 8 betrieben.
  • Erfindung
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1 gesteuert wird, wird beschrieben.
  • 26 zeigt einen Aufbau des Kühlsystems mit CO2 in diesem Ausführungsbeispiel, welches grundsätzlich aus einem Kompressor 1, einem Wärmestrahler 2, einem ersten Druckverminderer 3, einem Auffanggefäß 19, einem zweiten Druckverminderer 20 und einem Verdampfapparat 7 aufgebaut ist. Der Druckverminderer 3 ist von der gleichen Konstruktion wie jener in 3, der unter Bezugnahme auf das erste Beispiel erläutert ist. Der erste Druckverminderer 3 reduziert das aus dem Wärmestrahler 2 ausgegebene CO2 und steuert den Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 entsprechend der Temperatur des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2.
  • Wie in 26 dargestellt, sind wie im ersten Beispiel am Auslass des Wärmestrahlers 2 ein Temperatursensor 17 und ein Drucksensor 18 angeordnet. Die Steuerschaltung 10 steuert den Öffnungsgrad des ersten Druckverminderers 3 entsprechend der durch den Sensor 17 erfassten Temperatur des CO2, sodass der Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 entlang der optimalen Steuerlinie ηmax in 1 gesteuert wird, wie Bezug nehmend auf das erste Beispiel von 1 erläutert.
  • In 26 ist ähnlich dem dritten Beispiel in 13 das Auffanggefäß 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Druckverminderer 3 und 20 angeordnet und funktioniert zum Ausführen einer Phasentrennung des aus dem Druckverminderer 3 ausgegebenen CO2 zwischen der Flüssigphase und der Gasphase. Wie in 27 dargestellt, ist das Auffanggefäß 19 aus einem Behälter 72 zum Speichern von CO2, einem mit dem Auslass des Druckverminderers 3 verbundenen Einlassrohr 74 und einem Auslassrohr 76, das mit dem Einlass des zweiten Druckverminderers 20 verbunden ist, aufgebaut. In der vertikalen Richtung ist das Einlassrohr 74 zu dem Raum in dem Behälter 72 an einem oberen Teil offen, wo eine Gasphase des CO2 angeordnet ist, während das Auslassrohr 76 zu dem Raum in dem Behälter 72 an einem unteren Teil offen ist, wo eine Flüssigphase des CO2 angeordnet ist. In dem Behälter 72 ist ein Sieb 78 angeordnet, sodass der flüssige Zustand des CO2 in dem Behälter gereinigt und zu dem Auslassrohr 76 geleitet wird.
  • In 26 dient der zusätzliche Druckverminderer dem Reduzieren des aus dem Auffanggefäß 19 ausgegebenen CO2 und zum Steuern des Massendurchsatzes des CO2 in einer solchen Weise, dass der Überhitzungsgrad des CO2 am Einlass des Kompressors auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird. In einer wohlbekannten Weise ist ein wärmeempfindliches Rohr 21, in dem CO2 mit einer vorbestimmten Dichte eingeschlossen ist, am Einlass des Kompressors 1 zum Erfassen einer Temperaturänderung des CO2 angeordnet. Der Aufbau des zusätzlichen Druck verminderers 20 ist vom ähnlichen Aufbau, der für ein Wärmeexpansionsventil in einem herkömmlichen Dampfkompressions-Kühlsystem mit Flon verwendet wird. Außerdem wird der Öffnungsgrad des zusätzlichen Druckverminderers 20 entsprechend dem Druck des CO2 in dem wärmeempfindlichen Rohr 21 gesteuert.
  • Schließlich ist der Kompressor 1 mit einer Antriebsquelle wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor verbunden. Der Wärmestrahler 2 ist an einem vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet, sodass eine Temperaturdifferenz so groß wie möglich zwischen der Umgebungsluft und dem CO2 in dem Wärmestrahler 2 erzielt wird.
  • Es wird nun eine Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 28 erläutert. Ein Einschalten eines Startschalters (nicht dargestellt) für das Kühlsystem lässt die Routine beginnen. In Schritt 400 wird die durch den Sensor 17 erfasste Temperatur des CO2 am Einlass des Druckverminderers 3 ausgelesen, und in Schritt 410 erfolgt eine Berechnung eines eingestellten Drucks Pset am Einlass des Druckverminderers 3. Insbesondere ist eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck am Einlass des Druckverminderers 3, wie in 8 dargestellt, im ersten Ausführungsbeispiel in einem ROM gespeichert, und zum Erhalten eines Werts von Pset, der der erfassten Temperatur in Schritt 400 entspricht, wird eine Abbildungsinterpolation durchgeführt.
  • In Schritt 420 wird ein Druck Pin des CO2 am Einlass des zusätzlichen Druckverminderers 20 durch den Drucksensor 18 ausgelesen. Dann erfolgt in Schritt 430 eine Bestimmung, ob der in Schritt 410 berechnete Soll-Druck Pset größer als der erfasst Druck Pin in Schritt 420 ist. Ein Ergebnis einer Bestimmung, dass Pset > Pin, lässt die Routine zu Schritt 440 gehen, wo der Öffnungsgrad des Druckverminderers 3 verkleinert wird. Im Gegensatz dazu lässt ein Bestimmungsergebnis Pset ≤ Pin die Routine zu Schritt 450 gehen, wo der Öffnungsgrad des Druckverminderers 3 vergrößert wird.
  • Durch die obige Steuerung des Druckverminderers 3 wird die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 entlang der optimalen Steuerlinie ηmax in 1 gesteuert. Es ist zu beachten, dass der Druck verlust zwischen dem Auslass des Wärmestrahlers 2 und dem Einlass des Druckverminderers 3 vernachlässigbar klein ist. Es wird daher angenommen, dass der Druck des CO2 am Einlass des Druckverminderers 3 im Wesentlichen identisch zu dem Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 ist.
  • Bei Betrieb des Kühlsystems im ersten Ausführungsbeispiel in 26 arbeitet die Steuerschaltung 10 in einer Situation eines Anstiegs der Wärmelast am Verdampfapparat 7 (Anstieg der Raumtemperatur) derart, dass der Öffnungsgrad des Hauptdruckverminderers 3 zum Erzielen eines Soll-Drucks am Einlass des Druckverminderers 3 verkleinert wird, wie in 8 dargestellt. Mit anderen Worten wird der Druck am Einlass des Druckverminderers 3 entsprechend erhöht. Andererseits wird durch die Vergrößerung des Öffnungsgrades des zweiten Druckverminderers 20 der Druck am Einlass des Kompressors 1 erhöht, sodass der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, der in einem Bereich zwischen 5 bis 10°C liegt. Als Ergebnis erhält man einen Anstieg der Dichte des CO2 am Einlass des Kompressors 1, wie in 1 dargestellt, was das in dem Auffanggefäß 19 gespeicherte flüssige CO2 seine Zirkulation beginnen lässt. Als Ergebnis wird ein in dem Kühlsystem zirkulierter Massendurchsatz des CO2 erhöht, was zusammen mit einem Anstieg einer Differenz einer spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 eine Erhöhung der Kühlleistung am Verdampfapparat 7 bewirkt.
  • Andererseits arbeitet die Steuerschaltung 10 in einer Situation einer Reduzierung der Wärmelast am Verdampfapparat 7 (Sinken der Raumtemperatur) derart, dass der Öffnungsgrad des Druckverminderers 3 zum Erzielen eines Soll-Drucks am Einlass des Druckverminderers 3 verkleinert wird, wodurch der Druck am Einlass des Druckverminderers 3 vermindert wird. Durch das Verkleinern des Öffnungsgrades des Ventils 3 wird der Druck am Einlass des Kompressors 1 verringert, sodass der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1 auf den vorbestimmten Wert geregelt wird. Als Ergebnis erhält man eine Verringerung der Dichte des CO2 am Einlass des Kompressors 1, wie in 1 dargestellt, was ein Speichern des flüssigen CO2 im Auffanggefäß 19 bewirkt, wodurch der in dem Kühlsystem zirkulierende Massendurchsatz des CO2 verringert wird, was zusammen mit einer Verringerung einer Differenz einer spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 ein Sinken der Kühlleistung an dem Verdampfapparat 7 bewirkt.
  • Bei dem obigen Betrieb des Kühlsystems im ersten Ausführungsbeispiel wird eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des CO2 am Auslass des Wärmestrahlers 2 gesteuert, sodass das Kühlsystem entlang der optimalen Steuerlinie ηmax arbeitet, wodurch eine erhöhte Effizienz bei der Ausführung des Kühlkreises erhalten wird.
  • Außerdem wird durch die Funktionsweise des zusätzlichen Druckverminderers 20 ein vorbestimmter Wert des Überhitzungsgrades des CO2 am Einlass des Kompressors 1 gehalten, was ein Saugen einer Flüssigphase des CO2 in den Kompressor verhindert, wodurch eine Beschädigung des Kompressors verhindert wird.
  • Außerdem wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Ansaugen der Flüssigphase des CO2 durch den Kompressor 1 durch die obige Steuerung des Überhitzungsgrades am Einlass des Kompressors 1 verhindert. Daher ist ähnlich dem dritten Beispiel, wie bereits Bezug nehmend auf 13 erläutert, eine Anordnung eines Speichers am Auslass des Verdampfapparats 7 weggelassen, wie es im Stand der Technik (japanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 7-18602) der Fall ist. Somit findet, wie ebenfalls unter Bezugnahme auf das dritte Beispiel erläutert, eine Phasentrennung am Auslass des Verdampfapparats 7 nicht statt, was ein Ansaugen von ausreichend Schmiermittel zu dem Kompressor erlaubt, das mit der Hochgeschwindigkeit des Stroms des Gaszustandes des CO2 mitgerissen wird.
  • Kurz gesagt wird gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Ansaugen des flüssigen CO2, was sonst ein Fressen oder Beschädigen des Kompressors verursachen würde, verhindert, während gleichzeitig eine hohe Effizienz der Ausführung des CO2-Kühlkreises beibehalten wird.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 29 erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel ist auf den dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung gerichtet, aber dahingehend modifiziert, dass ein Kühler zum Kühlen des von dem Wärmestrahler 2 ausgegebenen CO2 verwendet wird, wie im ersten Aspekt erläutert.
  • In 29 ist zusätzlich zu dem ersten Druckverminderer 3 und dem zweiten Druckverminderer 20 in dem Zirkulationskanal 27 ein Nebendruckverminderer 4 an dem von dem Hauptzirkulationskanal 27 an einem Zweigpunkt 27-1 abgezweigten Nebenzirkulationskanal 28 angeordnet. Ein Kühler 5 ist in dem Nebenzirkluationskanal 28 an einer Stelle stromab des Druckverminderers 4 angeordnet.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind ein erster und ein zweiter Kompressor 1a und 1b, die in Reihe angeordnet sind, in dem Hauptzirkulationskanal 27 angeordnet. Der erste Kompressor 1a komprimiert das Kältemittel von einem Druck am Verdampfapparat 7 auf einen Zwischendruck in einem Bereich zwischen etwa 6,0 bis 6,6 MPa, und der zweite Kompressor 1b komprimiert das Kältemittel von dem Zwischendruck auf den Druck am Wärmestrahler 2. Der Nebenzirkulationskanal 28 ist an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Hauptzirkulationskanal an einem Punkt 27-2 zwischen den Kompressoren 1a und 1b verbunden. Somit wird das CO2 einer Druckreduzierung an dem Druckreduktionsventil 4 unterzogen und zu dem Einlass des zweiten Kompressors 1b eingespritzt. Ähnlich dem wärmeempfindlichen Rohr 21 für den Druckverminderer 20 ist auch ein wärmeempfindliches Rohr 29 für den Druckverminderer 4 vorgesehen, sodass ein Öffnungsgrad des Druckverminderers 4 entsprechend der Temperatur am Einlass des Kompressors 1b geregelt wird, sodass der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1b auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, wodurch ein Ansaugen einer Flüssigphase des CO2 durch den zweiten Druckverminderer 1b verhindert wird.
  • Der Aufbau des Kühlers (Wärmetauscher) 5 ist der Gleiche wie in 4 und 5 dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel wird das von dem Wärmestrahler 2 ausgegebene CO2 einer Kühlung an dem Kühler 5 unterzogen, was die spezifische Enthalpie am Einlass des Hauptdruckverminderers 3 reduziert, wodurch eine Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 erhöht wird, wodurch eine Kühlleistung erhöht wird.
  • Zusätzlich ist ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung zum Trennen einer Gasphase am Einlass des Kompressors 1a nicht not wendig, was eine Zufuhr einer ausreichenden Menge der Gasphase des Kältemittels zu dem Kompressor 1a mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit erlaubt. Außerdem reduziert der Druckverminderer 4 an dem Nebenzirkulationskanal den Druck auf den Zwischendruck und spritzt ihn in den Einlass des zweiten Kompressors 1b ein. Somit führt der zweite Kompressor 1b eine Kompressionsarbeit an dem CO2 unter dem Zwischendruck aus. Als Ergebnis wird ein Leistungsgrad des CO2-Kühlkreises erhöht.
  • In diesem Ausführungsbeispiel kann anstelle des Verwendens der Kompressoren 1 und 2, die in Reihe geschaltet sind, auch ein einziger Kompressor 1 benutzt werden, wie in 2 bezüglich des ersten Beispiels dargestellt.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • In der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels wurde genannt, dass der Kühler als eine Doppelrohrkonstruktion ähnlich der in 4 und 5 dargestellten Konstruktion, wie sie Bezug nehmend auf das erste Beispiel erläutert wurde, aufgebaut sein kann. In dem in 30 und 31 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist der Kühler 5 als eine Doppelspiralkonstruktion mit einer ersten und einer zweiten spiralförmigen Wand 80A und 80B, die spiralförmige Kanäle 81A und 81B dazwischen bilden, und einer oberen und einer unteren Abdeckung 82 und 84 ausgebildet. Der erste Spiralkanal 81A ist für das CO2 eines niedrigen Drucks aus dem Druckverminderer 4, d. h. der Nebenzirkulationskanal 28. Das heißt, der Druckverminderer 4, d. h. der Nebenzirkulationskanal 28. Insbesondere wird CO2 mit einer niedrigen Temperatur aus dem Druckverminderer 4 in den Kanal 81A an seinem Mittelrohr 85A eingeleitet, strömt in dem Spiralkanal 81A nach außen, wird an einem äußeren Ende 86A ausgegeben und zu dem Kompressionskanal in dem Kompressor eingespritzt. Im Gegensatz dazu wird CO2 mit einer hohen Temperatur direkt aus dem Wärmestrahler 2 in den Kanal 81B an seinem äußeren Ende 86B eingeleitet, strömt in dem Spiralkanal 81A nach innen, wird aus dem Mittelrohr 85B ausgegeben und wird zu dem Hauptdruckverminderer 3 geleitet.
  • Kurz gesagt strömt im dritten Ausführungsbeispiel das von der Mitte der Spiralform eingeleitete Niederdruck-CO2 nach außen, während es einer Erwärmung unterzogen wird. Andererseits strömt das von dem äußeren Ende der Spiralform eingeleitete Hochdruck-CO2 nach innen, während es einer Kühlung unterzogen wird.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird zum Erzeugen der Doppelspiralkonstruktion in 30 und 31 ein extrudierter Streifen 87 aus Aluminium mit einer oberen Lochreihe 87-1 und einer unteren Lochreihe 87-2, die sich jeweils entlang der Länge des Streifens hindurch erstrecken, vorbereitet, wie in 32 dargestellt. Dann werden, wie in 33 dargestellt, zwei derartige Streifen 87 Seite an Seite miteinander verlötet und in eine Spiralform gewickelt. Als Ergebnis bilden die Löcher 87-1 und 87-2 des einen Streifens 87 in dem spiralförmig gewickelten Zustand den ersten Spiralkanal 81A, während die Löcher 87-1 und 87-2 des anderen Streifens 87 den zweiten Spiralkanal 81B bilden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • In dem in 34 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Nebendruckverminderer 4 und der Kühler 11 integriert. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel ist der Kühler 5 aus einem U-förmigen Innenrohr 87 und einem U-förmigen Außenrohr 88 und einem Verbindungsblock 89 aus einem Aluminiummaterial, mit dessen Enden die Rohre 87 und 88 verbunden sind, aufgebaut. Das Innenrohr 87 hat ein erstes Ende 87-1, das mit dem Wärmestrahler 2 in 29 zum Aufnehmen des CO2 verbunden ist, und ein zweites Ende 87-2, das mit dem Hauptdruckverminderer 3 in 3 verbunden ist, der das CO2 ausgibt. Wie in 34 dargestellt, ist der Verbindungsblock 89 mit einem Kanal 89-1 ausgebildet, der einen Teil des CO2 in dem durch das Innenrohr 87 gebildeten Hauptzirkulationskanal (27 in 29) in den durch das Außenrohr 88 gebildeten Nebenzirkulationskanal (28 in 29) ableitet. Das Druckverminderungsventil 4 enthält ein an dem Kanal 89-1 angeordnetes Ventilelement 90 und einen Schrittmotor 91 zum Steuern der Stellung des Ventilelements 90. Ein Temperatursensor 12 und ein Drucksensor 13 sind am Auslass des Außenrohrs 88 in einer ähnlichen Weise wie in 2 angeordnet. Die Messsignale von den Sensoren 29 und 29' werden der Steuerschaltung 10 zugeführt.
  • Bei Betrieb des vierten Ausführungsbeispiels wird basierend auf den Signalen von dem Temperatursensor 12 und dem Drucksensor 13 der Überhitzungsgrad am Einlass des zweiten Kompressors 1b in 29 berechnet. Die Steuerung des Schrittmotors 91 erfolgt so, dass eine Stellung der Nadel 90, d. h. ein Öffnungsgrad des Druckverminderungsventils 4, so eingestellt wird, dass ein vorbestimmter Wert des Überhitzungsgrades des CO2 am Einlass des Kompressors 1b erzielt wird.
  • Fünftes Ausführungsbeispiel
  • In einem fünften Ausführungsbeispiel, das in 35 dargestellt ist, sind der Druckverminderer 4 mit einem mechanischen, wärmeempfindlichen Rohr 29 und der Kühler 5 eines aus dem Innen- und dem Außenrohr 87 und 88 aufgebauten Doppelrohrtyps in 34 integriert. Das druckempfindliche Rohr 29 wird zu einem Balgelement 29-1 geöffnet, das mit dem Ventil 4 verbunden ist. So wird das Balgelement 29-1 entsprechend dem Druck am wärmeempfindlichen Rohr 29 einer Schrumpfung oder Dehnung gegen die Kraft der Feder 29-2 unterzogen, wodurch die Stellung des Ventils 4, d. h. der Öffnungsgrad des Ventils 4 gesteuert wird. Der vorbestimmte Wert des Überhitzungsgrades am Einlass des Kompressors 1b in 29 wird durch die eingestellte Kraft der Feder 29-2 bestimmt, die das Ventil 4 in eine geschlossene Stellung drückt.
  • Sechstes Ausführungsbeispiel
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind der Doppelrohrkühler 5 und der elektrisch gesteuerte Nebendruckverminderer 4 in 34 mit dem elektrisch gesteuerten Hauptdruckverminderer 4, der durch den Temperatursensor 17 und den Drucksensor 18 in 29 gesteuert wird, integriert.
  • Siebtes Ausführungsbeispiel
  • 37 zeigt den Doppelrohrkühler 5 und den mechanisch betriebenen Nebendruckverminderer 4 in 37, mit denen der Druckverminderer 3 einer mechanisch betriebenen Art integriert ist. Der Druckverminderer 3 ist aus einem Ventilelement 92, einer das Ventilelement 92 in eine geschlossene Stellung drückenden Feder 93, einer sich von dem Ventilelement 92 erstreckenden Stange 94 und einem mit der Stange 94 verbundenen Balgelement 95 aufgebaut und in dem Hauptzirkulationskanal an einer Stelle stromauf des Kanals 89-1 angeordnet. In dem Ventilelement 92 lassen eine Kraft durch die Feder 93 und eine Kraft durch den Druck in dem geschlossenen Raum 95A des Balgelements 95 das Ventilelement 92 eine geschlossene Stellung annehmen, um eine Ventilöffnung 96 zu schließen. Andererseits wird durch den Druck des CO2 in dem Zirkulationskanal 27 eine Kraft in dem Balgelement 95 erzeugt, um es zusammenziehen zu lassen, d. h. das Ventilelement 92 anheben zu lassen. Somit wird der Hub des Ventilelements 92 durch den Druck unterschied zwischen dem geschlossenen Raum 95A und dem Zirkulationskanal 27 bestimmt.
  • In dem Raum 95A in dem Balg ist CO2 mit einer Dichte von etwa 600 kg/m3 bezüglich des Innenvolumens des Raums 95A eingeschlossen, wenn das Ventil 92 die Ventilöffnung 96 schließt, wobei die anfangs eingestellte Kraft der Feder etwa 1 MPa beträgt. Es ist wünschenswert, dass die Dichte des CO2 in einem Bereich zwischen der Dichte der gesättigten Flüssigkeit, wenn die Temperatur des CO2 0°C beträgt, zu der Dichte der gesättigten Flüssigkeit am kritischen Punkt des CO2 liegt und praktisch in einem Bereich zwischen 450 bis 950 kg/m3 liegt.
  • Nun wird eine Funktionsweise des mechanischen Druckvermindererventils 3 in 27 erläutert. Da das CO2 in dem geschlossenen Raum 95A mit einer Dichte von etwa 600 kg/m3 dicht eingeschlossen ist, variieren der Druck und die Temperatur in dem geschlossenen Raum 95A entlang der Isobare von 600 kg/m3 in 1. Daher beträgt der Druck im Raum 95A zum Beispiel etwa 5,8 MPa, wenn die Temperatur im Raum 95A 20°C beträgt. Ferner wirkt zusätzlich zu dem Druck im Raum 95A die Kraft der Feder 93 auf das Ventilelement 92, was die auf das Ventilelement ausgeübte Gesamtkraft auf zum Beispiel 6,8 MPa steigen lässt.
  • In Anbetracht der obigen Konstruktion schließt das Ventilelement 92 die Ventilöffnung 96, wenn der Druck an dem Wärmestrahler 6,8 MPa oder weniger beträgt. Im Gegensatz dazu öffnet das Ventilelement 92 die Ventilöffnung 96, wenn der Druck am Wärmestrahler größer als 6,8 MPa ist.
  • In analoger Weise beträgt der Druck im Raum 95A etwa 9,7 MPa, wenn die Temperatur im Raum 95A 40°C beträgt, und daher beträgt die auf das Ventilelement ausgeübte Gesamtkraft etwa 10,7 MPa. Daher schließt das Ventilelement 92 die Ventilöffnung 96, wenn der Druck am Wärmestrahler 10,7 MPa oder weniger beträgt. Wenn dagegen der Druck am Wärmestrahler größer als 10,7 MPa ist, öffnet das Ventilelement 92 die Ventilöffnung 96.
  • Wie oben erläutert, fällt die Isobare von 600 kg/m3 im Wesentlichen mit der optimalen Steuerlinie ηmax in 1 zusammen. So lässt der Betrieb des Druckverminderers 3 den Druck am Auslass des Wärmestrahlers 2 auf den Druck an grenzend an die optimale Steuerlinie ηmax steigen, wodurch der CO2 verwendende Kühlkreis selbst in der überkritischen Zone mit einer hohen Leistung betrieben werden kann.
  • Im Bereich unter dem kritischen Punkt ist die Isobare von 600 kg/m3 von der optimalen Steuerlinie ηmax beabstandet und wird in die Kondensationszone bewegt. Daher wird der Druck im Raum 95A entlang der Linie SL der gesättigten Flüssigkeit bewegt. Ferner lässt eine eingestellte Kraft der Feder 93 das System in einem Zustand der Unterkühlung von etwa 10°C arbeiten. Daher kann selbst in einem Zustand unter dem kritischen Punkt der CO2-Kühlkreis mit einer hohen Effizienz betrieben werden.
  • Schließlich ist dieses Ausführungsbeispiel in seiner Einfachheit der Konstruktion, dass der Raum 95A in dem Balgelement 95 das CO2 dicht einschließt, vorteilhaft, was in einer Reduzierung der Gesamtanzahl Bauteile des Systems resultiert, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden, wobei der Druck am Auslass des Wärmestrahlers entlang der optimalen Steuerlinie ηmax gesteuert werden kann.
  • Achtes Ausführungsbeispiel
  • In dem in 38 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Kühler 5 zum Kühlen des in den Einlass des zweiten Kompressors 1b einzuspritzenden gasförmigen CO2 weggelassen. Um die Gaseinspritzung auszuführen, ist eine Leitung 700 vorgesehen, deren stromaufwärtiges Ende zu dem Raum in dem Auffanggefäß 19 über dem Flüssigkeitspegel des CO2 geöffnet und deren zweites Ende mit dem Hauptzirkulationskanal 27 an einer Stelle zwischen den Kompressoren 1a und 1b verbunden ist.
  • In der Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels resultiert eine Flüssigphase des CO2 eines Werts der spezifischen Enthalpie niedriger als jener bei der gesättigten Flüssigkeit in einer größeren Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7. Insbesondere ist die Linie A-A' in 39 eines Mollier-Diagramms dieses Systems eine erste Kompressionsstufe durch den Kompressor 1a, die Linie A''-B ist eine zweite Kompressionsstufe durch den Kompressor 1b, die Linie B-C ist eine Wärmestrahlung, die Linie C-C' ist die erste Expansionsstufe durch den Druckverminderer 3, die Linie C-A'' ist eine Gas einspritzung aus der Leitung 700, die Linie C'-C'' ist eine Verflüssigung in dem Auffanggefäß 19, die Linie C''-D ist eine zweite Expansionsstufe durch den Druckverminderer 20, die Linie D-A ist eine Verdampfung an dem Verdampfapparat 7. Die Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 ist Δ1, welche über jener in dem System in 29, ausgedrückt durch Δ2, erhöht ist.
  • Außerdem wird in dem System in 38 das gasförmige CO2 in den zweiten Kompressor 1b eingespritzt, was in einer Verringerung der Kompressionsarbeit durch den zweiten Kompressor 1b resultiert.
  • Kurz gesagt, erhält man gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Erhöhung der Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7, während eine Vergrößerung der Kompressionsarbeit in dem Kompressor 1b verhindert wird, wodurch eine Kühlleistung durch die Ausführung des CO2-Kühlkreises gemäß diesem Ausführungsbeispiel erhöht wird. Deshalb erhält man eine Vergrößerung der Differenz der spezifischen Enthalpie zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdampfapparats 7 unter Beibehaltung einer verringerten Kompressionsarbeit durch den Kompressor 1b, wodurch eine Kühlleistung sowie ein Leistungsgrad während der Ausführung des CO2-Kühlkreises erhöht werden.
  • Beim Betrieb des Systems in 38 wird ähnlich den vorherigen Ausführungsbeispielen der Öffnungsgrad des Druckverminderers 3 durch die Steuerung 10 entsprechend den Messwerten des Temperatursensors 17 und des Drucksensors 18 gesteuert. Der Öffnungsgrad des Druckverminderers 20 wird entsprechend dem Druck des in dem wärmeempfindlichen Rohr 21 dicht eingeschlossenen CO2 gesteuert.
  • 40 und 41 zeigen eine tatsächliche Konstruktion des Auffanggefäßes 19 in 38. Das Auffanggefäß 19 enthält einen Behälter 710 mit einem Rohr 712 an seinem oberen Ende zur Verbindung mit dem Auslass des Druckverminderers 3 zum Aufnehmen des CO2. Das heißt der Gas/Flüssigkeit-Kombinationszustand des CO2 aus dem Einlass 712 wird tangential in den Behälter 710 eingeleitet, sodass der Strom des CO2 entlang einer inneren Zylinderwand 713 des Behälters 710 dreht. Während der Bewegung des CO2 hat die Flüssigphase des CO2 eine erhöhte Dichte gegenüber der Gasphase des CO2. Das Ergebnis unterliegt die Flüssigphase des CO2 einer erhöhten Zentrifugalkraft gegenüber der Gasphase des CO2, sodass die Flüssigphase des CO2 an der Innenfläche des Behälters 710 anhaftet, sich daran nach unten bewegt und in dem Speicherteil 714 gespeichert wird. Am unteren Ende des Behälters ist ein Flüssigkeitsauslassrohr 716 vorgesehen, aus dem die Flüssigphase des CO2 zu dem zweiten Druckverminderer 20 in 38 zugeführt wird. Andererseits ist am oberen Ende des Behälters 710 ein Gasauslassrohr 718 zum Ausgeben des gasförmigen CO2 zu dem Einspritzrohr 700 in 38 vorgesehen. In 41 ist eine Ablenkplatte 720 in dem Behälter 710 so angeordnet, dass sie an einer Stelle oberhalb des Pegels der Flüssigphase des CO2 horizontal verläuft. Die Ablenkplatte 720 verhindert, dass die Flüssigphase des CO2 bei einer Umrührkraft gegen die Innenwand 713 gerichtet wird.
  • Neuntes Ausführungsbeispiel
  • 42 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel, bei dem das achte Ausführungsbeispiel in 36 dahingehend modifiziert ist, dass ähnlich dem Ausführungsbeispiel in 37 ein erster Druckverminderer 3 einer mechanischen Art eingesetzt ist. 43 zeigt einen tatsächlichen Aufbau des mechanischen Druckverminderers 3. Insbesondere enthält der Druckverminderer 3 in diesem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 730 mit einem mit dem Wärmestrahler 2 verbundenen Einlass 732 und einem mit dem Auffanggefäß 19 verbundenen Auslass 734 sowie eine obere Abdeckung 736. Ein Balgelement 738 und ein Ventilelement 740 sind in dem Gehäuse angeordnet. Das obere Ende des Balgelements 738 ist fest mit der Abdeckung 736 verbunden und das untere Ende ist mit dem einer Ventilöffnung 741 in dem Gehäuse 730 zugewandten Ventilelement 740 verbunden. Das Balgelement 738 hat eine geschlossene Kammer 738A, in der das CO2 mit einer Dichte von etwa 600 kg/m3 bezüglich des Volumens des Raums 738A unter der geschlossenen Bedingung der Ventilöffnung 741 durch das Ventilelement 740 eingeschlossen ist. Eine Feder 744 drückt das Ventilelement 740 nach unten, sodass eine Kraft zum Schließen der Ventilöffnung 741 entsprechend einem Druck von 1 MPa erzeugt wird.
  • Eine Kappe 750 ist an der oberen Abdeckung 736 vorgesehen, um den abgedichteten Zustand der Kammer 738A in dem Balgelement 738 zu erzielen. Nach der Einleitung des CO2 wird die Kappe 750 mittels Schweißens oder Lötens dicht mit der Abdeckung 736 verbunden.
  • Eine Anschlagstange 752 ist integral mit dem Ventilelement 740 ausgebildet und der oberen Abdeckung 736 in einem Abstand dazu zugewandt. Eine Hubbewegung des Ventilelements 740 lässt schließlich den Anschlag 752 die Abdeckung 736 berühren, wodurch eine Aufwärtsverschiebung des Ventilelements 740, d. h. der maximale Öffnungsgrad der Ventilöffnung 741 begrenzt wird. Diese Anschlagkonstruktion dient auch dazu, eine übermäßige Verformung des Balges zu verhindern, wodurch eine Reduzierung seiner Haltbarkeit verhindert wird.
  • Die Feder 744 steht an dem unteren Ende mit einer Trägeplatte 756 in Eingriff, die mit dem Ventilelement 740 integral ist, und ist an dem oberen Ende mit einer Federsitzplatte 758 kontaktiert. Die Dicke der Federsitzplatte 758 ist derart, dass eine gewünschte Federstellkraft zum Bewegen des Ventilelements 740 nach unten erzeugt wird.
  • Außerdem ist ein Abstandhalter 760 zwischen dem Ventilöffnungselement 741 und dem Gehäuse 730 angeordnet, der eine Veränderung der Position des Ventilöffnungselements 741 bezüglich des Balgelements 738 entsprechend der Dicke des Abstandhalters 760 erlaubt. Als Ergebnis wird eine Veränderung der Länge zwischen unterschiedlichen Balgelementen 738 durch eine Auswahl einer geeigneten Dicke des Abstandhalters absorbiert, wodurch eine vorbestimmte Öffnungseigenschaft des Druckverminderungsventils 3 unabhängig von einer Toleranz beibehalten wird.
  • Schließlich ist das Tragelement 756 mit einem Führungsteil 756A ausgebildet, das verschiebbar in das Gehäuse 730 eingesetzt ist, wodurch eine ruhige vertikale Bewegung des Ventilelements 740 erzielt wird.
  • Zehntes Ausführungsbeispiel
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist der zweite Druckverminderer 3 der eine, der mechanisch durch das wärmeempfindliche Rohr 31 betätigt wird. 44 zeigt eine Modifikation, bei welcher das zweite Druckvermindererventil 20 das eine ist, das durch elektrische Signale von dem Sensor 782 zum Erfassen der Temperatur des CO2 am Auslass des Verdampfapparats 7 und dem Sensor 784 zum Erfassen des Drucks des CO2 elektrisch betrieben wird. Die Steuerschaltung 10 arbeitet so, dass ein gewünschter Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors 1 erzielt wird.
  • In den Ausführungsbeispielen wird der Öffnungsgrad des zweiten Druckverminderers 20 durch das mechanische Thermorohr 21 gesteuert. Jedoch kann der Druckverminderer 20 auch ähnlich dem ersten Druckverminderer 3 mittels eines Temperatursensors und eines Drucksensors, die am Einlass des Kompressors 1 angeordnet und mit einer Steuerung 10 verbunden sind, elektrisch gesteuert werden.
  • Im Fall des Druckverminderers 3 kann der Drucksensor 18 am Einlass des Wärmestrahlers 2 angeordnet sein, statt ihn am Auslass des Wärmestrahlers 2 anzuordnen. Jedoch kann in diesem Fall eine Situation auftreten, dass eine Kompensation des Druckverlusts über den Wärmestrahler 2 notwendig ist.
  • Schließlich ist im dritten Aspekt der Erfindung, wenn ein zweiter elektrisch betriebener Druckverminderer 20 benutzt wird, der Drucksensor am Einlass des Verdampfapparats angeordnet, falls eine Kompensation des Druckverlusts über den Verdampfapparat 7 durch die Steuerschaltung 10 erfolgt.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung nicht notwendigerweise auf das Kühlsystem beschränkt, das Kohlendioxid verwendet.

Claims (4)

  1. Kühlsystem, mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren des Kältemittels; einem Wärmestrahler (2) zum Kühlen des in dem Kompressor komprimierten Kältemittels, wobei der Druck in dem Wärmestrahler höher als ein kritischer Druck des Kältemittels ist; einem ersten Druckverminderer (3) zum Reduzieren des Drucks des Kältemittels aus dem Wärmestrahler (2), wobei der erste Druckverminderer zusammen mit einer Steuerung (10) den Druck am Auslass des Wärmestrahlers steuert; einer Trenneinrichtung (19) zum Trennen des von dem ersten Druckverminderer (3) ausgegebenen Kältemittels zwischen einer gasförmigen Phase und einer flüssigen Phase; einem Verdampfapparat (7), gekennzeichnet durch, einen zweiten Druckverminderer (20) zum Reduzieren des Drucks des Kältemittels aus der Trenneinrichtung (191, wobei der zweite Druckverminderer die Strömungsmenge des Kältemittels in einer solchen Weise steuert, dass der Überhitzungsgrad am Einlass des Kompressors (1) auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, wobei der Verdampfapparat 17) das Kältemittel aus dem zweiten Druckverminderer (20) verdampft, und der erste Druckverminderer (31 den Druck entsprechend der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Wärmestrahlers (2) steuert.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Leitung (700) zum Einleiten einer in der Trenneinrichtung (19) getrennten Gasphase des Kältemittels bei einem Druck zwischen einem Druck im Wärmestrahler (2) und einem Druck am Verdampfapparat (7) in den Kompressor (16).
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Zweigleitung (28) zum Umleiten einer zweiten Strömung des Kältemittels, die wieder in das System eingeleitet wird, von einer ersten Strömung des Kältemittels, die von dem Wärmestrahler (2) zu dem ersten Druckverminderer (3) gerichtet ist; einem dritten Druckverminderer (4) zum Reduzieren des Drucks der zweiten Strömung des Kältemittels; und einem Wärmetauscher (5) zum Erzielen eines Wärmeaustausches zwischen der ersten Strömung des Kältemittels, die zu dem ersten Druckverminderer (3) gerichtet ist, und der zweiten Strömung nach Unterziehung einer Druckreduzierung durch den dritten Druckverminderer (4), wodurch die erste Strömung des Kältemittels gekühlt wird.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 3, bei welchem der Wärmetauscher (5) mit wenigstens einem des ersten, des zweiten und des dritten Druckverminderers (3, 20, 4) integriert ist.
DE69732206T 1996-08-22 1997-08-21 Kälteanlage des Dampfkompressionstyps Expired - Lifetime DE69732206T2 (de)

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JP22146196 1996-08-22
JP22146196 1996-08-22
JP24382396A JP3467989B2 (ja) 1996-09-13 1996-09-13 蒸気圧縮式冷凍サイクル
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JP185297 1997-01-09
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