DE69813146T2

DE69813146T2 - Überkritisches Kältegerät

Info

Publication number: DE69813146T2
Application number: DE69813146T
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Kariya-shi Kuroda; Shin Kariya-shi Nishida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: EP0915306A2; EP0915306B1; EP0915306A3; DE69813146D1; US6105386A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dampfkompressions-Kühlgerät (überkritisches Kühlgerät), in welchem ein Druck in einem Gaskühler einen kritischen Druck eines Kältemittels übersteigt. Die vorliegende Erfindung ist auf einen Kohlendioxid (nachfolgend als CO₂ bezeichnet) als Kältemittel verwendenden überkritischen Kühlkreislauf (nachfolgend als CO₂-Kreislauf bezeichnet) anwendbar.
Theoretisch ist eine Funktion des CO₂-Kreislaufs die gleiche wie diejenige eines herkömmlichen, Freon verwendenden Dampfkompressions-Kühlkreislaufs. Das heißt, wie durch eine Linie A-B-C-D-A in 24 (Mollier-Diagramm für CO₂) angegeben, das CO₂ in der Gasphase wird durch einen Kompressor komprimiert (A-B), und dann kühlt der Gaskühler dieses Hochtemperatur-Hochdruck-CO₂ der überkritischen Phase (B-C). Das Hochtemperatur-Hochdruck-CO₂ der überkritischen Phase wird durch ein Druckregelventil dekomprimiert (C-D), um zu einem zweiphasigen Gas/Flüssigkeit-CO₂ zu werden. Das zweiphasige Gas/Flüssigkeit-CO₂ wird verdampft (D-A), während es Verdampfungswärme von einem externen Fluid wie beispielsweise Luft absorbiert, sodass das externe Fluid gekühlt wird. Das CO₂ startet den Phasenübergang von der überkritischen Phase zu der zweiphasigen Gas/Flüssigkeit, wenn ein Druck des CO₂ niedriger als ein Flüssigkeitssättigungsdruck (Druck an einem Schnittpunkt zwischen dem Liniensegment CD und der Linie SL der gesättigten Flüssigkeit) wird. Deshalb wechselt, wenn CO₂ einen Phasenübergang von der Phase C zu der Phase D mit einer niedrigen Geschwindigkeit durchführt, das CO₂ von der überkritischen Phase über die flüssige Phase zu der zweiphasigen Gas/Flüssigkeit.
In der überkritischen Phase bewegen sich die CO₂-Molekühle wie in der gasförmigen Phase, obwohl eine Dichte von CO₂ im wesentlichen die gleiche wie diejenige in der flüssigen Phase ist.
Die kritische Temperatur von CO₂ beträgt jedoch etwa 31°C, was niedriger als eine kritische Temperatur des herkömmlichen Freons (zum Beispiel 112°C für R-12) ist. Deshalb wird eine Temperatur von CO₂ auf der Seite eines Gaskühlers während der Sommerzeit oder dergleichen höher als die kritische Temperatur von CO₂. Demgemäß kondensiert das CO₂ an einer Ausgangsseite des Gaskühlers nicht (das Liniensegment BC kreuzt nicht die Linie der gesättigten Flüssigkeit).
Ferner wird ein Zustand von CO₂ am Ausgang des Gaskühlers (am Punkt C) gemäß einem Ausgabedruck des Kompressors und einer CO₂-Temperatur am Ausgang des Gaskühlers bestimmt. Die Temperatur von CO₂ am Ausgang des Gaskühlers wird durch eine Strahlungsleistung des Gaskühlers und eine Außenlufttemperatur bestimmt. Da die Außenlufttemperatur nicht gesteuert werden kann, kann die CO₂-Temperatur am Ausgang des Gaskühlers nicht virtuell gesteuert werden.
Deshalb kann der Zustand von CO₂ am Ausgang des Gaskühlers (am Punkt C) durch Steuern des Ausgabedrucks des Kompressors (Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers) gesteuert werden. Mit anderen Worten muss, wenn die Außenlufttemperatur während der Sommerzeit oder dergleichen hoch ist, der Druck an der Ausgangsseite des Gaskühlers erhöht werden, wie durch die Linie E-F-G-H-E in 24 angedeutet, sodass eine ausreichende Kühlleistung (Enthalpiedifferenz) erzielt wird.
Um jedoch den Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers zu erhöhen, muss der Ausgabedruck des Kompressors wie oben beschrieben erhöht werden, was in einem Anstieg der Kompressionsarbeit (Menge der Enthalpieveränderung ΔL während der Kompression) des Kompressors resultiert. Deshalb verschlechtert sich ein Wirkungsgrad (COP = Δi/ΔL) des CO₂-Kreislaufs, wenn ein Erhöhungsmaß der Enthalpieveränderung Δi während der Verdampfung (D-A) größer als ein Erhöhungsmaß der Enthalpieveränderung ΔL während der Kompression (A-B) ist.
Bei der Berechnung einer Beziehung zwischen dem Druck von CO₂ am Ausgang des Gaskühlers und des Wirkungsgrades unter Verwendung von 24, wobei die Temperatur des CO₂ am Ausgang des Gaskühlers zum Beispiel auf 40°C gesetzt ist, wird der Wirkungsgrad bei dem Druck P1 (etwa 10 MPa) maximal, wie durch eine durchgezogene Linie in 25 angedeutet. Analog wird, wenn die Temperatur des CO₂ am Ausgang des Gaskühlers auf 30°C gesetzt ist, der Wirkungsgrad am Druck P₂ (etwa 9,0 MPa) maximal, wie durch eine gestrichelte Linie in 25 angedeutet.
Somit wird jeder Druck, bei dem der Wirkungsgrad maximal wird, für verschiedene Temperaturen des CO₂ am Ausgang des Gaskühlers in dem obigen Verfahren berechnet. Das Ergebnis ist durch eine fett gedruckte Linie η_max (nachfolgend als optimale Steuerlinie η_max bezeichnet) in 24 angedeutet. Deshalb müssen der Druck am Ausgang des Gaskühlers und die CO₂-Temperatur am Ausgang des Gaskühlers für einen effizienten Betrieb des CO₂-Kreislaufs gesteuert werden, wie durch die optimale Steuerlinie η_max angedeutet.
Die optimale Steuerlinie η_max wird so berechnet, dass ein Unterkühlungsgrad (Unterkühlung) in einem Kondensationsbereich (Bereich unterhalb des kritischen Drucks) etwa 3°C beträgt, wenn der Druck auf der Verdampfapparatseite etwa 3,5 MPa beträgt (entsprechend dass eine Temperatur des Verdampfapparates 0°C beträgt). Außerdem zeigt 26 die optimale Steuerkennlinie η_max in kartesischen Koordinaten, mit der Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers und dem Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers als Variablen. Wie aus 26 offensichtlich, muss der Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers erhöht werden, wenn die Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers steigt.
Eine Drucksteuereinheit zum Steuern eines Drucks an einem Ausgang des Gaskühlers eines CO₂-Kreislaufs wurde bereits in der EP-A-0 786 632 (am 24.01.1997 angemeldete US-Patentanmeldung Nr. 08/789,210 entsprechend der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 8-1 1248) durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung et al. offenbart.
In dem CO₂-Kreislauf (siehe Linie A'-B'C-D in 27) wird ein Wärmeaustausch zwischen dem von dem Verdampfapparat ausgegebenen CO₂ (nachfolgend als Niederdruck-CO₂ bezeichnet) und dem aus dem Gaskühler ausgegebenen CO₂ (nachfolgend als Hochdruck-CO₂ bezeichnet) so durchgeführt, dass die Enthalpie des CO₂ am Eingang des Verdampfapparats reduziert wird, wodurch eine Enthalpiedifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsseite des Verdampfapparats erhöht wird, um die Kühlleistung des CO₂-Kreislaufs zu verbessern.
Als die Erfinder jedoch einen solchen CO₂-Kreislauf beurteilten, wurde festgestellt, dass der CO₂-Kreislauf die folgenden Probleme haben kann.
In dem oben erwähnten CO₂-Kreislauf hat das Niederdruck-CO₂ aufgrund des Wärmeaustausches zwischen dem Niederdruck-CO₂ und dem Hochdruck-CO₂ einen vorgegebenen Heizgrad von 0°C oder mehr, anders als in einem CO₂-Kreislauf, in dem der Wärmeaustausch zwischen dem Niederdruck-CO₂ und dem Hochdruck-CO₂ nicht durchgeführt wird (siehe Linie A-B-C-D in 27).
Andererseits steuert die Drucksteuereinheit den Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers gemäß der Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers. Deshalb reduziert die Drucksteuereinheit den Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers nicht sofort, selbst wenn die Temperatur des Niederdurck-CO₂ sinkt, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats sinkt und der Druck in dem Verdampfapparat sinkt, sondern steuert den Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers gemäß der aktuellen Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers.
Als Ergebnis verändert sich auch nicht der Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers, wenn die Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers sich nicht verändert. Deshalb steigt, wie in 30 dargestellt, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats sinkt, die Temperatur des CO₂ in einem CO₂-Durchgang, der sich von einer Ansaugseite zu einer Ausgabeseite des Kompressors erstreckt. Wenn die Temperatur des CO₂ in dem CO₂-Durchgang des Kompressors ansteigt, kommt es möglicherweise zu einem Mangel eines Ölfilms an einem Gleitabschnitt des Kompressors, was in einem Bruch des Kompressors resultiert.
Wenn die Temperatur des CO₂ auf der Eingangsseite des Gaskühlers steigt, steigt auch die Temperatur des CO₂ auf der Ausgangsseite des Gaskühlers. Deshalb erhöht die Drucksteuereinheit, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats sinkt, den Druck auf der Ausgangsseite des Gaskühlers, weil die Drucksteuereinheit nicht sofort auf die Temperatur des Niederdruck-CO₂ reagiert. Daher kann die Temperatur des CO₂ in dem CO₂-Durchgang des Kompressors ansteigen, wenn die Wärmelast des Verdampfapparats sinkt.
Die WO 93/06423 offenbart einen Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht des obigen Problems gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches Kühlgerät vorzusehen, welches den Bruch eines Kompressors verhindert, mit einer Drucksteuereinheit zum Steuern eines Drucks an einem Ausgang des Gaskühlers gemäß einer Temperatur am Ausgang des Gaskühlers.
Gemäß dem überkritischen Kühlgerät der vorliegenden Erfindung weist das überkritische Kühlgerät eine Kältemittelumleitungseinrichtung zum Umgehen eines Wärmetauschers entsprechend einer physikalischen Größe des Kältemittels auf.
Deshalb wird die Temperatur des Kältemittels an einer Ansaugseite des Kompressors niedriger als diejenigen des in den Kompressor über den Wärmetauscher angesaugten Kältemittels. Als Ergebnis wird die Kältemitteltemperatur in einem Kältemittelkanal, der sich von einer Ansaugseite zu einer Ausgabeseite des Kompressors erstreckt, erniedrigt, wodurch ein Bruch des Kompressors verhindert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie Verfahrensweisen und die Funktion der zugehörigen Bauteile werden aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, der anhängenden Ansprüche und der Zeichnungen, die alle einen Teil dieser Anmeldung bilden, erkannt. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine erläuternde Darstellung eines inneren Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines Druckregelventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine vergrößere Teilansicht eines Membranabschnitts bei geöffnetem Ventil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine vergrößerte Teilansicht des Membranabschnitts bei geschlossenem Ventil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6A eine schematische Seitenansicht von einem Pfeil A in 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6B eine schematische Bodenansicht von einem Pfeil B in 6A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Mollier-Diagramm von CO₂ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Darstellung des überkritischen Kühlkreislaufs gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13A eine schematische Darstellung eines inneren Wärmetauschers gemäß einer Modifikation der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
13B eine Schnittdarstellung entlang einer Linie A-A in 13A gemäß der Modifikation der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
14 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 ein Mollier-Diagramm von CO₂ zur Erläuterung eines sechsten und eines siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
16 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
17 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
18 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
19 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
20 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
21 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
22 eine schematische Darstellung eines überkritischen Kühlkreislaufs gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
23 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckregelventils gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
24 ein Mollier-Diagramm von CO₂ zur Erläuterung eines Problems im Stand der Technik;
25 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem Druck an einem Ausgang eines Gaskühlers und einem Wirkungsgrad (COP) zur Erläuterung des Problems im Stand der Technik;
26 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Temperatur von CO₂ am Ausgang des Gaskühlers und einem Zieldruck am Ausgang des Gaskühlers zur Erläuterung des Problems im Stand der Technik; und
27 ein Mollier-Diagramm von CO₂ zur Erläuterung des Problems im Stand der Technik.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 1 bis 7 dargestellt. Wie in 1 dargestellt, ist ein CO₂-Kreislauf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf ein Klimagerät für ein Fahrzeug angewendet.
Ein Kompressor 100 wird durch einen Motor zum Antreiben des Fahrzeugs angetrieben, um CO₂ in der Gasphase zu komprimieren. Ein Gaskühler 200, welcher als ein Kühler funktioniert, kühlt das durch den Kompressor 100 komprimierte CO₂ durch Wärmeaustausch zwischen dem CO₂ und Außenluft. Ein Druckregelventil (Drucksteuereinheit) 300 steuert einen Druck an einem Ausgang des Gaskühlers 200 gemäß einer Temperatur des CO₂ am Ausgang des Gaskühlers 200. Das Druckregelventil (Expansionsventil) 300 funktioniert auch als Dekompressionseinrichtung zum Entspannen des CO₂ in ein zweiphasiges Niedertemperatur-Niederdruck-Gas/Flüssigkeit-CO₂.
Ein Verdampfapparat (Wärmesenke) 400 funktioniert als Luftkühleinrichtung zum Kühlen von Luft in einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs. Das zweiphasige Gas/Flüssigkeit-CO₂ wird in dem Verdampfapparat 400 verdampft, während Verdampfungswärme von Luft in der Fahrgastzelle aufgenommen wird, sodass Luft in der Fahrgastzelle gekühlt wird. Ein Speicher (Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung) 500 trennt das zweiphasige Gas/ Flüssigkeit-CO₂ in gasförmiges CO₂ und flüssiges CO₂ und speichert vorübergehend das flüssige CO₂ darin. Das abgetrennte gasförmige CO₂ wird aus dem Speicher 500 zu einer Saugseite des Kompressors 100 ausgegeben.
Ein innerer Wärmetauscher 600 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem aus dem Speicher 500 ausgegebenen CO₂, das in den Kompressor 100 gesaugt werden soll, und dem aus dem Gaskühler 200 ausgegebenen CO₂ durch. Ein elektromagnetisches Ventil (Ventileinrichtung) 710 öffnet und schließt einen Umleitungskanal 720, durch welchen das aus dem Speicher 500 ausgegebene CO₂ an dem inneren Wärmetauscher 600 vorbei strömt.
Ein spiralförmiger CO₂-Kanal ist in dem inneren Wärmetauscher 600 in einer solchen Weise angeordnet, dass ein Hochdruck-CO₂-Kanal und ein Niederdruck-CO₂-Kanal parallel zueinander sind. Wie in 2 dargestellt, weist der innere Wärmetauscher 600 einen mit dem Gaskühler 200 verbundenen Hochdruckeinlass 601, einen mit dem Druckregelventil 300 verbundenen Hochdruckauslass 602, einen mit dem Speicher 500 verbundenen Niederdruckeinlass 603 und einen mit dem Kompressor 100 verbundenen Niederdruckauslass 604 auf.
Ein Temperatursensor des Thermistor-Typs (Temperaturdetektor) 711 erfasst eine Temperatur des CO₂ an der Ausgabeseite des Kompressors 100. Messsignale des Temperatursensors 711 werden in eine Vergleiehseinheit 712 eingegeben. Die Vergleichseinheit 712 sendet ein Signal an eine Steuereinheit 713, wenn die Vergleichseinheit 712 bestimmt, dass die Temperatur des CO₂ entsprechend dem Messsignal des Temperatursensors 71 1 gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur T (120°C in dem ersten Ausführungsbeispiel) ist. Die Steuereinheit 713 steuert das Öffnen und Schließen des elektromagnetischen Ventils 710.
Die Steuereinheit 713 öffnet das elektromagnetische Ventil 710, wenn das von der Vergleichseinheit 712 gesendete Signal in die Steuereinheit 713 eingegeben wird, und schließt das elektromagnetische Ventil 710, wenn das Signal nicht in die Steuereinheit 713 eingegeben wird. Nachfolgend werden die Bauteile 710-713, 720 gemeinsam als Kältemittelumleitungseinrichtung bezeichnet. Die vorgegebene Temperatur T ist nicht auf 120°C beschränkt, sondern sie kann unter Berücksichtigung einer Verschleißfestigkeit des Kompressors 100 und einer Wärmefestigkeit von Schmieröl geeignet bestimmt werden.
Wenn der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200 aufgrund einer Fehlfunktion des Druckregelventils 300 oder dergleichen übermäßig ansteigt, strömt das CO₂ durch ein Überdruckventil 800, um an dem Druckregelventil 300 vorbei zu strömen.
Eine Konstruktion des Druckregelventils 300 wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Ein Gehäuse 301 bildet einen Teil eines CO₂-Kanals 6a, der sich von dem Gaskühler 200 zu dem Verdampfapparat 400 erstreckt, und nimmt ein später beschriebenes Elementengehäuse 315 auf. Ein oberer Deckel 301a weist einen mit dem Gaskühler 200 verbundenen Einlass 301b auf. Ein Gehäusehauptteil 301c weist einen mit dem Verdampfapparat 400 verbundenen Auslass 301d auf.
Das Gehäuse 301 besitzt eine Trennwand 302 zum Trennen des CO₂-Kanals in einen stromaufwärtigen Raum 301e und einen stromabwärtigen Raum 301f. Die Trennwand 302 weist eine Ventilöffnung 303 auf, durch welche der stromaufwärtige Raum 301e und der stromabwärtige Raum 301f miteinander in Verbindung stehen.
Die Ventilöffnung 303 wird durch ein Nadelventil in Form einer Nadel (nachfolgend als Ventil bezeichnet) 304 geöffnet und geschlossen. Das Ventil 304 und eine später beschriebene Membran 306 schließen die Ventilöffnung 303, wenn die Membran 306 sich von einer neutralen Position zu dem Ventil 304 (dem anderen Ende der Membran 306 in einer Dickenrichtung) bewegt. Ein Öffnungsgrad der Ventilöffnung 303 (Verschiebung des Ventils 304 von einer Position des Ventils 304, wenn die Ventilöffnung 303 vollständig geschlossen ist) wird maximal, wenn sich die Membran 306 zu einem Ende der Membran 306 in der Dickenrichtung bewegt.
Ein geschlossener Raum (gasgefüllter Raum) 305 wird in dem stromaufwärtigen Raum 301e gebildet. Der geschlossene Raum 305 besteht aus der Dünnfilmmembran (Bewegungselement) 306 aus rostfreiem Stahl und einem Membranoberseiten-Halteelement (Formelement) 307, das an einer Seite des einen Endes der Membran 306 in der Dickenrichtung angeordnet ist. Die Membran 306 wird gemäß einer Druckdifferenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsdruck des geschlossenen Raums 305 verformt und verschoben.
An einer Seite des anderen Endes der Membran 306 in der Dickenrichtung ist ein Membranunterseiten-Halteelement (Halteelement) 308 angeordnet, um die Membran 306 zusammen mit dem Membranoberseiten-Halteelement (nachfolgend als Oberseitenhalteelement bezeichnet) 207 sicher zu halten. Das Membranunterseiten-Halteelement (nachfolgend als das Unterseitenhalteelement bezeichnet) 308 weist eine Ausnehmung (verformter Halteelementabschnitt) 308a an einer Stelle entsprechend einem in der Membran 306 ausgebildeten Deformationsvereinfachungsabschnitt (verformter Bewegungselementabschnitt) 306a auf. Die Ausnehmung 308a besitzt eine Form entsprechend dem Deformationsvereinfachungsabschnitt 306a, wie in 4, 5 dargestellt.
Der Deformationsvereinfachungsabschnitt 306a ist durch Deformieren eines Teils der Membran 306 an einer Außenseite in einer Durchmesserrichtung in eine Wellenform geformt, sodass die Membran 306 im wesentlichen im Verhältnis zu der Druckdifferenz zwischen dem Innen- und dem Außendruck des geschlossenen Raums 305 verschoben und verformt wird. Ferner weist das Unterseitenhalteteil 308 einen flachen Unterseitenabschnitt (flacher Halteelementabschnitt) 308b auf einer der Membran 306 zugewandten Seite auf. Wenn die Ventilöffnung 303 durch das Ventil 304 geschlossen wird, wird der flache Unterseitenabschnitt 308b im wesentlichen auf die gleiche Seite einer Kontaktfläche 304a des Ventils 304 zum Kontaktieren der Membran 306 angeordnet.
Ferner ist, wie in 3 dargestellt, eine erste Schraubenfeder (erstes elastisches Element) 309 an der Seite des einen Endes der Membran 306 in der Dickenrichtung (innerhalb des geschlossenen Raums 305) angeordnet. Die erste Schraubenfeder 309 übt durch die Membran 306 auf das Ventil 304 eine Federkraft aus, sodass die Ventilöffnung 303 geschlossen wird. An der Seite des anderen Endes der Membran 306 in der Dickenrichtung ist eine zweite Schraubenfeder (zweites elastisches Element) 310 angeordnet. Die zweite Schraubenfeder 310 übt auf das Ventil 304 eine Federkraft aus, sodass die Ventilöffnung 303 geöffnet wird.
Eine Platte (steifer Körper) 311 ist aus Metall geformt und besitzt eine vorgegebene Dicke, sodass die Platte 311 eine größere Steifigkeit als diejenige der Membran 306 besitzt. Die Platte 311 dient als Federsitz für die erste Schraubenfeder 309. Wie in 4, 5 dargestellt, kontaktiert die Platte 311 einen Stufenabschnitt (Anschlagabschnitt) 307a, der in dem Oberseitenhalteelement 307 ausgebildet ist, wodurch eine Verschiebung der Membran 306 um mehr als ein vorgegebenes Maß zu dem einen Ende der Membran 306 in der Dickenrichtung (zu dem geschlossenen Raum 305) beschränkt wird.
Das Oberseitenhalteelement 307 weist einen flachen Oberseitenabschnitt (flacher Formelementabschnitt) 307b auf. Wenn die Platte 311 den Stufenabschnitt 307a kontaktiert, wird der flache Oberseitenabschnitt 308b im wesentlichen auf der gleichen Seite einer Kontaktfläche 311a der Platte 311 angeordnet, um die Membran 306 zu kontaktieren. Eine Innenwand eines zylindrischen Abschnitts 307c des Oberseitenhalteelements 307 funktioniert als Führungsabschnitt für die erste Schraubenfeder 309.
Die Platte 311 und das Ventil 304 werden durch die erste bzw. die zweite Schraubenfeder 309, 310 gegen die Membran 306 gedrückt; deshalb bewegen sich (arbeiten) die Platte 311 und das Ventil 304 gemeinsam, während sie einander kontaktieren.
Bezug nehmend auf 3 stellt eine Einstellschraube (Federkrafteinstellmechanismus) 312 die durch die zweite Schraubenfeder 310 auf das Ventil 304 ausgeübte Federkraft ein und funktioniert als eine Platte für die zweite Schraubenfeder 310. Die Einstellschraube 312 ist mit einem an dem Trennelement 302 ausgebildeten Innengewinde 302a verbunden. Eine Anfangslast (Federkraft, wenn die Ventilöffnung 303 geschlossen ist) der ersten und der zweiten Schraubenfeder 309, 310 beträgt etwa 1 MPa, wenn sie in einen auf die Membran 306 ausgeübten Druck umgesetzt wird.
Ein Füllrohr (Durchbrechungselement) 313 ist angeordnet, um das Oberseitenhalteelement 307 zu durchbrechen, während es sowohl zu der Innenseite als auch der Außenseite des geschlossenen Raums 305 vorsteht. CO₂ wird in den geschlossenen Raum 305 durch das Füllrohr 313 gefüllt. Das Füllrohr 313 ist aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als derjenigen des Oberseitenhalteelements 307 aus rostfreiem Stahl, beispielsweise aus Kupfer gemacht. Nachdem CO₂ in den geschlossenen Raum 305 mit einer Dichte von etwa 600 kg/m³ gefüllt ist, während die Ventilöffnung 303 geschlossen ist, wird ein Ende des Füllrohrs 313 durch Schweißen oder dergleichen blockiert.
Das Elementengehäuse 315, bestehend aus den Teilen 302-313, ist in dem Gehäusehauptteil 301c unter Verwendung einer Kegelfeder 314 befestigt. Ein O-Ring 316 dichtet eine Öffnung zwischen dem Elementengehäuse 315 (Trennwand 302) und dem Gehäusehauptteil 301c ab. 6A ist eine schematische Darstellung aus Sicht eines Pfeils A in 3, welche das Elementengehäuse 315 zeigt. Die Ventilöffnung 303 steht mit dem stromaufwärtigen Raum 301e an einer Seite der Außenseite des Trennelementes 302 in Verbindung.
Die Funktionsweise des Druckregelventils 300 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird wie folgt beschrieben.
CO₂ wird in den geschlossenen Raum 305 mit einer Dichte von etwa 600 kg/m³ gefüllt; deshalb verändern sich ein Druck und eine Temperatur in dem geschlossenen Raum 305 entlang einer isochoren Linie von 600 kg/m³, die in 7 gezeigt ist. Wenn zum Beispiel die Temperatur in dem geschlossenen Raum 305 20°C beträgt, beträgt der Druck in dem geschlossenen Raum 305 etwa 5,8 MPa. Da sowohl der Innendruck des geschlossenen Raums 305 als auch die Anfangslast der ersten und der zweiten Schraubenfeder 309, 310 gleichzeitig auf das Ventil 304 wirken, beträgt ein auf das Ventil 304 ausgeübter Arbeitsdruck etwa 6,8 MPa.
Wenn der Druck in dem stromaufwärtigen Raum 301e an einer Seite des Gaskühlers 200 6,8 MPa oder weniger beträgt, wird deshalb die Ventilöffnung 303 durch das Ventil 304 geschlossen. Wenn der Druck in dem stromaufwärtigen Raum 301e 6,8 MPa übersteigt, wird die Ventilöffnung 303 geöffnet.
Wenn die Temperatur in dem geschlossenen Raum 305 zum Beispiel 40°C beträgt, beträgt der Druck in dem geschlossenen Raum 305 gemäß 7 etwa 9,7 MPa, und die auf das Ventil 304 ausgeübte Arbeitskraft beträgt etwa 10,7 MPa. Wenn der Druck in dem stromaufwärtigen Raum 301e 10,7 MPa oder weniger beträgt, wird deshalb die Ventilöffnung 303 durch das Ventil 304 geschlossen. Wenn der Druck in dem stromaufwärtigen Raum 301e 10,7 MPa übersteigt, wird die Ventilöffnung 303 geöffnet.
Die Funktionsweise des CO₂-Kreislaufs wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Wenn die Temperatur am Ausgang des Gaskühlers 200 40°C beträgt und der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200 10,7 MPa oder weniger beträgt, wird das Druckregelventil 300 wie oben beschrieben geschlossen. Deshalb saugt der Kompressor 100 das in dem Speicher 500 gespeicherte CO₂ an und gibt das CO₂ zu dem Gaskühler 200 aus, wodurch der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200 ansteigt.
Wenn der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200 10,7 MPa übersteigt (B-C), öffnet das Druckregelventil 300. Als Ergebnis wird das CO₂ entspannt, um einen Phasenübergang von der Gasphase in die zweiphasige Gas/Flüssigkeit (C-D) durchzuführen, und strömt in den Verdampfapparat 400. Das zweiphasige Gas/Flüssigkeit-CO₂ wird in dem Verdampfapparat 400 verdampft (D-A), um Luft zu kühlen, und kehrt zu dem Speicher 500 zurück.
Gleichzeitig sinkt wieder der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200, was darin resultiert, dass das Druckregelventil 300 wieder geschlossen wird.
Das heißt, in diesem CO₂-Kreislauf wird das CO₂, nachdem der Druck am Ausgang des Gaskühlers 200 durch Schließen des Druckregelventils 300 auf einen vorgegebenen Wert erhöht ist, entspannt und verdampft, sodass Luft gekühlt wird.
Der CO₂-Kreislauf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besitzt die Kältemittelumleitungseinrichtung 700. Deshalb strömt das aus dem Speicher 500 ausgegebene CO₂, wenn die Temperatur des CO₂ auf der Ausgabeseite des Kompressors 100 (am Eingang des Gaskühlers 200) die vorgegebene Temperatur T übersteigt, durch die Kältemittelumleitungseinrichtung 700, um an dem inneren Wärmetauscher 600 vorbei zu strömen, wodurch der Heizgrad des CO₂ an der Saugseite des Kompressors 100 (Niederdruck-CO₂) auf 0°C sinkt. Somit wird die Temperatur des Niederdruck-CO₂ niedriger als diejenige des über den inneren Wärmetauscher 600 in den Kompressor 100 gesaugten CO₂. Demgemäß sinkt die Temperatur des CO₂ in dem CO₂-Kanal, der sich von der Saugseite zu der Ausgabeseite des Kompressors 100 erstreckt, wodurch ein Bruch des Kompressors 100 verhindert wird.
Außerdem weist der CO₂-Kreislauf auch den Speicher 500 auf, wodurch ein Ansaugen des flüssigen CO₂ in den Kompressor 100 beschränkt wird. Dies verhindert eine Beschädigung des Kompressors 100 aufgrund einer Flüssigkeitskompression.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Bei dem obigen ersten Ausführungsbeispiel besteht die Kältemittelumleitungseinrichtung 700 aus elektrischen Einheiten wie beispielsweise dem elektromagnetischen Ventil 710 und dem Temperatursensor 730. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Kältemittelumleitungseinrichtung 700 mechanisch aufgebaut.
In diesem und in nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind Komponenten, die im wesentlichen gleich jenen in dem ersten Ausführungsbeispiel sind, die gleichen Bezugsriffern zugeordnet.
Wie in 9 dargestellt, ist eine Feder (Federkörper) 332 auf einer Seite eines Ventils 731 angeordnet, welches den Umleitungskanal 720 öffnet und schließt. Die Feder 332 übt auf ein Ventil 730 eine Federkraft aus, sodass der Umleitungskanal 720 geschlossen wird. Ein zylindrischer Temperaturerfassungsabschnitt 733 ist an der anderen Seite des Ventils 731 angeordnet, um Druck auf das Ventil 731 auszuüben, sodass der Umleitungskanal 720 geöffnet wird. Der zylindrische Temperaturerfassungsabschnitt 733 wird mit einem Fluid wie beispielsweise Isobutan mit einer vorgegebenen Dichte gefüllt.
Wenn ein Druck in dem zylindrischen Temperaturerfassungsabschnitt 733 steigt, wenn die Temperatur des CO₂ auf der Ausgabeseite des Kompressors 100 steigt, arbeitet deshalb das Ventil 731 aufgrund des Druckanstiegs, um den Umleitungskanal 720 zu öffnen. Andererseits wird, wenn der Druck in dem zylindrischen Temperaturerfassungsabschnitt 733 sinkt, wenn die Temperatur des CO auf der Ausgabeseite des Kompressors 100 sinkt, der Umleitungskanal 720 aufgrund der Federkraft der Feder 332 geschlossen.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
In dem obigen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des CO₂ elektronisch oder mechanisch erfasst, sodass der Umleitungskanal geöffnet und geschlossen wird.
In dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konzentriert man sich jedoch darauf, dass sich der Druck des Niederdruck-CO₂ verändert, wenn sich die Temperatur des Niederdruck-CO₂ (Temperatur des CO auf der Ausgabeseite des Kompressors 100) verändert.
Wie in 10 dargestellt, sind in dem dritten Ausführungsbeispiel ein Drucksensor (Druckerfassungseinrichtung) 741 zum Erfassen eines Drucks des Niederdruck-CO₂ und eine Vergleichseinheit 742 zwischen dem Ausgang des Verdampfapparats 400 und der Saugseite des Kompressors 100 angeordnet. Die Vergleichseinheit 742 sendet ein Signal an die Steuereinheit 713, wenn ein durch den Drucksensor 741 erfasster Druck gleich oder niedriger als ein vorgegebener Druck P ist. Der vorgegebene Druck P entspricht der vorgegebenen Temperatur in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel, und er beträgt etwa 6 MPa in dem dritten Ausführungsbeispiel.
Wenn der Druck des Niederdruck-CO₂ gleich oder niedriger als der vorgegebene Druck P wird, strömt deshalb das aus dem Speicher 500 ausgegebene CO an dem inneren Wärmetauscher 600 wie in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel vorbei, wodurch der Heizgrad des CO₂ auf der Saugseite des Kompressors 100 (Niederdruck-CO₂) auf 0°C sinkt. Als Ergebnis wird die Temperatur des Niederdruck-CO₂ niedriger als diejenige des über den inneren Wärmetauscher 600 zu dem Kompressor 100 gesaugten CO. Demgemäß wird die Temperatur des CO in dem CO₂-Durchgang, der sich von der Saugseite zu der Ausgabeseite des Kompressors 100 erstreckt, verringert, wodurch ein Bruch des Kompressors 100 verhindert wird.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
In dem dritten Ausführungsbeispiel weist die Kältemittelumleitungseinrichtung 700 den Drucksensor 741 zum elektrischen Erfassen des Drucks auf der Saugseite des Kompressors 100 auf. In einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird, wie in 11, 12 dargestellt, die Kältemittelumleitungseinrichtung 700 entsprechend dem Druck auf der Saugseite des Kompressors 100 mechanisch betätigt.
Wie in 12 dargestellt, ist eine Feder (Federkörper) 752 auf einer Seite eines Ventils 751 angeordnet, welches den Umleitungskanal 720 öffnet und schließt. Die Feder 752 übt auf das Ventil 751 eine Federkraft aus, sodass der Umleitungskanal 720 geöffnet wird.
Der Druck auf der Saugseite des Kompressors 100 wird zu der anderen Seite des Ventils 751 geleitet, wodurch die Kraft auf Ventil 751 ausgeübt wird, sodass der Umleitungskanal 720 geschlossen wird.
Wenn der Druck auf der Saugseite des Kompressors 100 sinkt, wenn die Heizlast sinkt, wird deshalb das Ventil 751 aufgrund der Federkraft der Feder 752 verschoben, sodass der Umleitungskanal 720 geöffnet wird. Wenn der Druck auf der Saugseite des Kompressors 100 steigt, wird der Umleitungskanal 720 aufgrund des erhöhten Drucks geschlossen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den überkritischen Kühlkreislauf mit CO₂ beschränkt, sondern sie kann auf einen Dampfkompressionskühlkreislauf mit verschiedenen in einem überkritischen Bereich verwendeten Kältemitteln, wie beispielsweise Ethylen, Ethan und Stickstoff, eingesetzt werden.
Ferner ist in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Druckregelventil (Expansionsventil) 300 mechanisch aufgebaut; das Druckregelventil kann jedoch zum Beispiel unter Verwendung eines Drucksensors und eines elektrischen Öffnungs/Schließ-Ventils elektrisch aufgebaut sein.
Außerdem ist der innere Wärmetauscher 600 nicht auf die Spiralstruktur, wie in 2 dargestellt, beschränkt, sondern kann eine Doppelzylinderkonstruktion aufweisen, wie in 13A und 13B dargestellt. In 13B stellt die Bezugsziffer 606 einen Niederdruck-CO₂-Kanal dar und die Bezugsziffer 608 stellt einen Hochdruck-CO₂-Kanal dar.
Ferner werden in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel Ventileinrichtungen wie beispielsweise das elektromagnetische Ventil gemäß der Temperatur des CO₂ auf der Ausgabeseite des Kompressors 100 geöffnet und geschlossen. Jedoch ist der Messpunkt der Temperatur des CO₂ nicht auf die Ausgabeseite des Kompressors 100 beschränkt, sondern er kann auf einen beliebigen Punkt in dem Kältemittelkanal, der sich von dem Einlass des Verdampfapparats 400 zu dem Einlass des Gaskühlers 200 erstreckt, gesetzt werden. Die vorgegebene Temperatur muss jedoch entsprechend jedem Messpunkt der Temperatur geeignet eingestellt werden.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 14 gezeigt. Obwohl der Niederdruckkanal in dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Umleitungskanal 720 umgangen wird, wird in dem fünften Ausführungsbeispiel statt dessen der Hochdruckkanal umgangen. Deshalb wird eine Beschädigung des Kompressors 100 durch Öffnen des elektromagnetischen Ventils und Umgehen des inneren Wärmetauschers 600 verhindert, wenn die erfasste Temperatur über der vorgegebenen Temperatur (zum Beispiel 120°C) liegt.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 15, 16 und 17 dargestellt. Das Merkmal des sechsten Ausführungsbeispiels ist eine Differentialdruckdrosselklappe 407, welche den Hochdruckkanal des inneren Wärmetauschers 600 umgeht.
Im allgemeinen verändert sich der Druck des Hochdruck-CO₂ nicht, weil die Außentemperatur konstant ist, wenn der Kreislauf in der Abkühlphase ist. Jedoch gibt es einen kleinen Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂, da der Druck des Hochdruck-CO₂ unmittelbar nach Einschalten des Schalters des Kühlkreislaufs hoch ist. Unter diesem Umstand sollte die Fahrgastzelle sobald wie möglich gekühlt werden, und der innere Wärmetauscher 600 sollte benutzt werden, weil die Ausgabetemperatur niedrig ist (A-B-C-D in 15).
Der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ wird groß, da der Druck des Niederdruck-CO₂ sinkt, wenn die Fahrgastzelle ausreichend gekühlt wird. Unter diesem Umstand ist die Kühlleistung ausreichend und die Ausgabetemperatur ist hoch. Deshalb sollte der innere Wärmetauscher 600 nicht verwendet werden (E-B-F-G). Das sechste und das siebte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind gekennzeichnet durch die Berücksichtigung des Druckunterschieds zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂.
In dem sechsten Ausführungsbeispiel wird die Differentialdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 407 geschlossen und der innere Wärmetauscher 600 wird benutzt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ klein ist, wie bei A-B-C-D in 15.
Die Differentialdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 407 wird geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ groß ist, wie bei E-B-F-G in 15. Deshalb wird der Anstieg in der Ausgabetemperatur verhindert, und somit wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert.
Die Einzelheiten des Aufbaus der Differentialdruckdrosselklappe 407 sind in 17 gezeigt. Der Druck des Ausgangs des Gaskühlers 200 (Hochdruck) wird in eine obere Kammer 501 eingeleitet. Der Druck des Ausgangs des Expansionsventils 300 (Niederdruck) wird in eine untere Kammer 503 eingeleitet. Wenn der Niederdruck sinkt und die Druckdifferenz zum Beispiel 6 MPa oder größer wird, wird ein Ventil 502 gegen die Federkraft einer Feder 504 geöffnet.
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel wird der Umleitungskanal geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ einen gewissen Wert übersteigt. Deshalb wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert. Das Hochdruck-CO₂ und das Niederdruck-CO₂ können ein beliebiger Wert in dem Bereich des Kreislaufs sein.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
Ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 15, 18 und 19 dargestellt. Das Merkmal des siebten Ausführungsbeispiels ist eine Differentialdruckdrosselklappe 607, welche den Niederdruckkanal des inneren Wärmetauschers 600 umgeht.
In dem siebten Ausführungsbeispiel wird die Differentialdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 607 geschlossen und der innere Wärmetauscher 600 wird benutzt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ klein ist, wie bei A-B-C-D in 15.
Die Differentialdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 607 wird geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck- CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ groß ist, wie bei E-B-F-G in 15. Deshalb wird der Anstieg in der Ausgabetemperatur verhindert, und somit wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert.
Die Einzelheiten der Konstruktion der Differentialdruckdrosselklappe 607 sind in 19 gezeigt. Der Ausgabedruck (Hochdruck) wird in eine obere Kammer 701 eingeleitet. Der Druck des Ausgangs des Speichers 500 (Niederdruck) wird in eine untere Kammer 703 eingeleitet. Wenn der Niederdruck gesenkt wird und der Druckunterschied zum Beispiel 6 MPa oder größer wird, wird ein Ventil 702 gegen die Federkraft einer Feder 704 geöffnet.
Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel wird der Umleitungskanal geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druckunterschied zwischen dem Hochdruck-CO₂ und dem Niederdruck-CO₂ einen gewissen Wert übersteigt. Deshalb wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert. Das Hochdruck-CO₂ und das Niederdruck-CO₂ können einen beliebigen Wert in dem Bereich des Kreislaufs haben.
(Achtes Ausführungsbeispiel)
Ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 20 und 21 dargestellt. Wie bei dem obigen sechsten und siebten Ausführungsbeispiel beschrieben, ist der Druck des Niederdruck-CO₂ hoch, wenn der innere Wärmetauscher notwendig ist, wie bei der Anfangsstufe des Abkühlens, und er ist niedrig, wenn der innere Wärmetauscher nicht notwendig ist, wie beispielsweise wenn die Fahrgastzelle ausreichend gekühlt ist. Das achte und das neunte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind durch Berücksichtigung des Niederdruck-CO₂ charakterisiert.
In dem achten Ausführungsbeispiel wird eine Gleichdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 807 geschlossen und der innere Wärmetauscher 600 wird benutzt, wenn das Niederdruck-CO₂ hoch ist, wie bei A-B-C-D in 15.
Die Gleichdruckdrosselklappe 807 wird geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn das Niederdruck-CO₂ gering ist, wie bei E-B-F-G in 15. Deshalb wird der Anstieg in der Ausgabetemperatur verhindert, und somit wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert.
Die Einzelheiten des Aufbaus der Gleichdruckdrosselklappe 807 sind in 21 gezeigt. Der Ausgangsdruck des Expansionsventils 300 (Niederdruck) wird in eine untere Kammer 903 eingeleitet. Wenn der Druck in der unteren Kammer 903 zum Beispiel 4 MPa oder geringer wird, wird ein Ventil 902 gegen die Federkraft einer Feder 904 geöffnet.
Gemäß dem achten Ausführungsbeispiel wird der Umleitungskanal geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druck des Niederdruck-CO₂ niedriger als ein gewisser Wert ist. Deshalb wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert. Das Niederdruck-CO₂ kann ein beliebiger Wert in dem Bereich des Kreislaufs sein.
(Neuntes Ausführungsbeispiel)
Ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 22 und 23 dargestellt.
In dem neunten Ausführungsbeispiel wird eine Gleichdruckdrosselklappe (Umleitungsventil) 1007 geschlossen und der innere Wärmetauscher 600 wird benutzt, wenn das Niederdruck-CO₂ hoch ist, wie bei A-B-C-D in 15.
Die Gleichdruckdrosselklappe 1007 wird geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn das Niederdruck-CO₂ gering ist, wie bei E-B-F-G in 15. Deshalb wird der Anstieg in der Ausgabetemperatur verhindert, und somit wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert.
Die Einzelheiten des Aufbaus der Gleichdruckdrosselklappe 1007 sind in 23 dargestellt. Der Ausgangsdruck des Speichers 500 (Niederdruck) wird in eine untere Kammer 1103 eingeleitet. Wenn der Druck in der unteren Kammer 1 103 zum Beispiel 4 MPa oder niedriger wird, wird ein Ventil 1102 gegen die Federkraft einer Feder 1104 geöffnet.
Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel wird der Umleitungskanal geöffnet, um den inneren Wärmetauscher 600 zu umgehen, wenn der Druck des Niederdruck-CO₂ niedriger als ein gewisser Wert ist. Deshalb wird eine Beschädigung des Kompressors 100 verhindert. Das Niederdruck-CO₂ kann ein beliebiger Wert in dem Bereich des Kreislaufs sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind. Solche Veränderungen und Modifikationen sind selbstverständlich im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Überkritisches Kühlgerät, mit einem Kompressor (100) zum Komprimieren eines Kältemittels; einem Gaskühler (200) zum Kühlen des aus dem Kompressor ausgegebenen Kältemittels, wobei der Gaskühler einen einen kritischen Druck des Kältemittels übersteigenden Innendruck aufweist; einer Druckregeleinheit (300) zum Dekomprimieren des aus dem Gaskühler ausgegebenen Kältemittels und zum Regeln eines Drucks des Kältemittels an einer Auslassseite des Gaskühlers entsprechend einer Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des Gaskühlers; einem Verdampfapparat (400) zum Verdampfen des durch die Druckregeleinheit dekomprimierten Kältemittels; einer Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (500), die das aus dem Verdampfapparat ausgegebene Kältemittel in ein Kältemittel in der Gasphase und ein Kältemittel in der Flüssigphase trennt und das Kältemittel in der Gasphase zu einer Ansaugseite des Kompressors ausgibt; einem Wärmetauscher (600) mit einem ersten Kältemittelkanal für einen Fluss des aus dem Gaskühler ausgegebenen Kältemittels und mit einem zweiten Kältemittelkanal für einen Fluss des aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung ausgegebenen Kältemittels in der Gasphase zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen dem aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung ausgegebenen Kältemittel in der Gasphase und dem aus dem Gaskühler ausgegebene Kältemittel; gekennzeichnet durch eine Kältemittelumleitungseinrichtung (700) zum Umgehen des ersten oder des zweiten Kältemittelkanals des Wärmetauschers entsprechend einer physikalischen Größe des Kältemittels.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die physikalische Größe eine Temperatur des Kältemittels an einem vorgegebenen Punkt zwischen einem Auslass der Druckregeleinheit und einem Einlass des Gaskühlers ist; und die Kältemittelumleitungseinrichtung den ersten oder den zweiten Kältemittelkanal umgeht, wenn die Kältemitteltemperatur an dem vorgegebenen Punkt höher als eine vorgegebene Temperatur ist, so dass eine Temperatur des in die Ansaugseite des Kompressors strömenden Kältemittels in der Gasphase gesenkt wird.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Kältemittelumleitungseinrichtung enthält: einen Umgehungskanal (720) zum Einleiten des aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung ausgegebenen Kältemittels in der Gasphase in den Kompressor durch Umgehen des Wärmetauschers; eine Ventileinrichtung (710) zum alternativen Öffnen und Schließen des Umgehungskanals; einen Temperatursensor (711) zum Erfassen einer Temperatur des aus dem Kompressor ausgegebenen Kältemittels; und eine Ventilsteuereinrichtung (712, 713) zum Öffnen der Ventileinrichtung, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur höher als die vorgegebene Temperatur ist.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Kältemittelumleitungseinrichtung enthält: einen Umgehungskanal zum Einleiten des aus dem Gaskühler ausgegebenen Kältemittels in die Druckregeleinheit durch Umgehen des Wärmetauschers; eine Ventileinrichtung (710) zum alternativen Öffnen und Schließen des Umgehungskanals; einen Temperatursensor (711) zum Erfassen einer Temperatur des aus dem Kompressor ausgegebenen Kältemittels; und eine Ventilsteuereinrichtung (712, 713) zum Öffnen der Ventileinrichtung, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur höher als die vorgegebene Temperatur ist.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die physikalische Größe ein Druck des Kältemittels an einem vorgegebenen Punkt zwischen einem Auslass der Druckregeleinheit und einem Einlass des Gaskühlers ist; und die Kältemittelumleitungseinrichtung den ersten oder den zweiten Kältemittelkanal umgeht, wenn der Kältemitteldruck an dem vorgegebenen Punkt niedriger als ein vorgegebener Druck ist, so dass eine Temperatur des in die Ansaugseite des Kompressors strömenden Kältemittels in der Gasphase gesenkt wird.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Kältemittelumleitungseinrichtung enthält: einen Umgehungskanal (720) zum Einleiten des aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung ausgegebenen Kältemittels in der Gasphase in den Kompressor durch Umgehen des Wärmetauschers; eine Ventileinrichtung (731, 332, 702, 704, 1102, 1103) zum alternativen Öffnen und Schließen des Umgehungskanals; eine Druckerfassungseinrichtung (700, 733, 607, 1007) zum Erfassen eines Drucks des Kältemittels an der Ansaugseite des Kompressors; und eine Ventilsteuereinrichtung (700, 733, 607, 1007) zum Öffnen der Ventileinrichtung, wenn der durch die Druckerfassungseinrichtung erfasste Druck niedriger als der vorgegebene Druck ist.
Überkritische Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Kältemittelumleitungseinrichtung enthält: einen Umgehungskanal zum Einleiten des aus dem Gaskühler ausgegebene Kältemittels in die Druckregeleinheit durch Umgehen des Wärmetauschers; eine Ventileinrichtung (502, 504, 902, 904) zum alternativen Öffnen und Schließen des Umgehungskanals; eine Druckerfassungseinrichtung (407, 807) zum Erfassen eines Drucks des Kältemittels an der Ansaugseite des Kompressors; und eine Ventilsteuereinrichtung (407, 807) zum Öffnen der Ventileinrichtung, wenn der durch die Druckerfassungseinrichtung erfasste Druck niedriger als der vorgegebene Druck ist.