DE69928317T2 - Kälteanlage und Verfahren zum Betrieb derselben - Google Patents

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Takashi Kariya-shi Ban
Toshiro Kariya-shi Fuji
Tatsuya Kariya-shi Koide
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems, wobei mindestens ein Verdichter, ein Wärmedissipations-Wärmetauscher, Drosselmittel und ein Wärmeabsorptions-Wärmetauscher in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, welcher einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck umfasst, so dass der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird. Das Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems gemäß vorliegender Erfindung kann geeignet Anwendung finden für ein Klimagerät in einem Kraftfahrzeug.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Schrift JP 10 089785 A offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems, welches mindestens einen Verdichter, einen Wärmedissipations-Wärmetauscher, Drosselmittel und einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher umfasst, die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf für die Zirkulation eines Kältemittels zu bilden, wobei der geschlossene Kreislauf einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Betreiben des Kühlsystems, so dass der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird; und Steuern des Kühlsystems, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck steigt.
  • Das in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kohyo) Nr. 6-510111 auf Basis der PCT/Nr. 91/00119 offenbarte Kühlsystem umfasst einen Verdichter, einen Wärmedissipations-Wärmetauscher (Gaskühler), Drosselmittel, einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher (Verdampfer) und einen Dampf-Flüssigkeits-Abscheider (Sammler), die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden, wobei das Kühlsystem so betrieben wird, dass der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird. Bei diesem Kühlsystem wird der höhere Druck eingestellt durch Detektieren mindestens einer Betriebsbedingung, z.B. die Austrittstemperatur des auf der Seite höheren Drucks als Wärmedissipations-Wärmetauscher angeordneten Gaskühlers, und Steuern der stromabwärts des Gaskühlers angeordneten Drosselmittel gemäß der (den) detektierten Betriebsbedingung(en), um einen Energieverbrauch des Kühlsystems zu minimieren.
  • Zur Minimierung des Energieverbrauchs in einem Kühlsystem sollte das System unter Bedingungen betrieben werden, unter denen ein Leistungskoeffizient (COP = Q/W) ein Maximum wird, wie durch das Verhältnis der Kühlleistung (Q) des Verdampfers zu der von außen auf den Verdichter aufgewendeten Verdichtungsarbeit (W) definiert. Diesbezüglich, wie aus der obigen Gleichung erkennbar, bestimmt sich der COP-Wert sowohl aus der Kühlleistung (Q) als auch aus der Verdichtungsarbeit (W). Je größer die Kühlleistung (Q) des Verdampfers, d.h. eine Enthalpieänderung eines Kältemittels während dessen Passage durch den Verdampfer (die Enthalpiedifferenz zwischen dem Auslass und dem Einlass des Verdampfers), und je kleiner die zum Verdichten des Kältemittels in dem Verdichter benötigte Verdichtungsarbeit (W), desto größer der obenerwähnte COP-Wert.
  • Bei einem Kühlsystem, welches unter Bedingungen betrieben wird, unter denen der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf, der das Kühlsystem bildet, der superkritische Druck des Kältemittels wird (ein derartiges System wird im Folgenden auch richtig als "Kühlsystem mit superkritischem Zyklus" bezeichnet), kann der obenerwähnten COP-Wert durch Erhöhung des höheren Drucks in dem das Kühlsystem bildenden geschlossenen Kreislauf erhöht werden und dadurch die obenerwähnte Kühlleistung (Q) erhöht werden, vorausgesetzt, das Kältemittel wird im Wesentlichen bei einer konstanten Temperatur am Auslass des Gaskühlers gehalten. Eine derartige Bedingung ist niemals anzutreffen in einem Kühlsystem, welches unter Bedingungen arbeitet, unter denen sowohl der höhere Druck als auch der niedrigere Druck niedriger sind als der kritische Druck des Kältemittels (ein solches System wird richtig auch als "Kühlsystem mit subkritischem Zyklus" bezeichnet). Demnach ist die Wirkung der Drosselmittel im ersteren Fall verschieden von der im Falle des Systems mit subkritischem Zyklus.
  • Anders ausgedrückt und wie in dem Druck-Enthalpie-Diagramm von 7 gezeigt, welches ein P-H-Diagramm oder Mollier-Diagramm darstellt, wird in einem superkritischen Zyklus mit Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel die Kühlleistung (Q) des Verdampfer mit größer werdender Differenz (ΔH1 = HA – HD) zwischen der Enthalpie (HD) am Einlass (Punkt D) des Verdampfers und der Enthalpie (HA) am Auslass (Punkt A) desselben und mit größer werdender Massenflussrate des in dem Verdampfer zirkulierenden Kältemittels größer. Wenn der Überhitzungsgrad am Auslass des Verdampfers (Punkt A) übermäßig größer wird, nimmt das spezifische Volumen des in den Verdichter eingesaugten Kältemittels zu und der volumetrische Wirkungsgrad des Verdichters nimmt ab, gemäß dem Temperaturanstieg des ausgestoßenen Gases, wodurch eine Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels (der Menge an Kältemittel, die dem Verdampfer in einer Zeiteinheit zugeführt wird; kg/h) verursacht wird, was in der Verschlechterung der Kühlleistung (Q) resultiert. Um den Überhitzungsgrad bei einem annähernd konstanten Wert zu halten und so die Verschlechterung der Kühlleistung infolge der Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels zu vermeiden, ist es notwendig, die Enthalpie (HA) am Auslass des Verdampfers (Punkt A) bei einem annähernd konstanten Wert zu halten. Die Enthalpie (HD) am Einlass des Verdampfers (Punkt D) ist gleich der Enthalpie (HC) am Auslass des Gaskühlers (Punkt C), weil der Expansionsprozess in den Drosselmitteln isenthalpisch ist. Demnach kann die Differenz (ΔH1) zwischen der Enthalpie (HD) am Einlass des Gaskühlers (Punkt D) und der Enthalpie (HA) am Auslass des Verdampfers (Punkt A) und damit die Kühlleistung (Q) erhöht werden durch Verminderung der Enthalpie (HC) am Auslass des Gaskühlers (Punkt C). Weil der höhere Druck im Gaskühler, in dem das Kältemittel unter einem superkritischen Druck vorliegt, eine Hochdruckdampf-Einphasenzone ist, ist der höhere Druck unabhängig von der Kältemitteltemperatur am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) einstellbar. Wenn die Kältemitteltemperatur am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) annähernd konstant gehalten wird (z.B. bei 40°C; wobei diese Temperatur annähernd gleich der der Umgebungsluft ist, die Wärme mit dem Kältemittel in dem Gaskühler austauscht), vermindert sich die Enthalpie (HC) am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) mit steigendem höheren Druck, wie aus einer Isotherme für 40°C erkennbar, die in dem P-H-Diagramm von 7 gezeigt ist. Demnach kann die obenerwähnte Kühlleistung (Q = ΔH1) und damit der COP-Wert erhöht werden durch Erhöhung des höheren Drucks, um die Enthalpie (HC) am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) zu vermindern, wenn die Kältemitteltemperatur am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) annähernd konstant gehalten wird.
  • Andererseits, wenn der höhere Druck erhöht wird, während die Kältemitteltemperatur am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) bei einem annähernd konstanten Wert (z.B. 40°C) gehalten wird, erhöht sich die für den Verdichter erforderliche Verdichtungsarbeit (W = ΔH2 = HB – HA) demgemäß. Diesbezüglich wird die Annahme getroffen, dass die Verdichtung in dem Verdichter adiabatisch ist, dass der Verdichtungsprozess eine isotherme Zustandsänderung ist und dass die Verdichtungsarbeit (W) gleich der Differenz zwischen der Enthalpie (HA) am Eintritt des Verdichters (Punkt A) und der Enthalpie (HB) am Auslass des Verdichters (Punkt B) ist. Wenn also der höhere Druck übermäßig hoch wird, fällt der obenerwähnte COP-Wert infolge der Erhöhung der Verdichtungsarbeit (W).
  • Aus den vorstehenden Tatsachen ergibt sich, dass es einen optimalen Wert des höheren Drucks gibt, unter dem der COP-Wert, bestimmt durch das Verhältnis der Kühlleistung (Q) und der Verdichtungsarbeit (W), ein Maximum wird, wenn die Kältemitteltemperatur am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) einen gewissen Wert aufweist. Wenn die optimalen Werte der höheren Drücke bei verschiedenen Kältemitteltemperaturen am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) erhalten werden, wird eine optimale Steuerkurve bestimmt, wie in 7 gezeigt.
  • Bei dem in der obenerwähnten Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kohyo) Nr. 6-510111 offenbarten Kühlsystem mit superkritischem Zyklus werden Kältemitteltemperatur und -druck am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) detektiert, und der optimale Wert des höheren Drucks bei der detektierten Temperatur wird auf der Basis der obenerwähnten optimalen Steuerkurve bestimmt. Sodann werden die Drosselmittel gemäß dem tatsächlichen höheren Druck gesteuert, so dass der tatsächliche Druck der so bestimmte optimale Druck wird, wodurch der COP-Wert maximiert und der Energieverbrauch des Kühlsystems minimiert wird.
  • Bei dem Fahrzeug-Klimagerät, bei dem die Rotation eines Motors als Antriebsquelle für den Verdichter verwendet wird, kann der Fall eintreten, dass sich bei einer Erhöhung der Drehzahl des Motors auch die Leistung des Verdichters demgemäß erhöht, was wiederum die Zirkulationsrate des Kältemittels im Verdampfer (kg/h) erhöht, so dass die Kühlleistung (Q) übermäßig erhöht wird. Um eine derartige übermäßige Kühlung infolge der Drehzahlerhöhung zu vermeiden, muss der Öffnungsgrad der Drosselmittel reduziert und damit die Zirkulationsrate des Kältemittels vermindert werden. Es ist jedoch unmöglich, eine übermäßige Kühlung allein durch Reduzierung des Öffnungsgrades der Drosselmittel wirksam zu verhindern, weil die Kältemitteltemperatur auf eine Sättigungstemperatur erniedrigt wird, die zu einem Kältemitteldruck korrespondiert, wenn der Kältemitteldruck in dem Verdampfer fällt. Demnach muss also bei einer Erhöhung der Motordrehzahl nicht nur der Öffnungsgrad der Drosselmittel reduziert werden, sondern es muss auch die Förderleistung des Verdichters vermindert werden. Das heißt, wenn ein Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen verwendet wird, der dazu in der Lage ist, eine Förderleistung durch Detektieren eines Saugdrucks (eines Kältemitteldrucks am Auslass des Verdampfers) oder einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers zu verändern, so dass die Förderleistung des Verdichters kleiner wird, wenn die Motordrehzahl erhöht wird, ist eine Erhöhung der Kältemitteltemperatur in dem Verdampfer infolge der Verminderung der Kältemittelzirkulationsrate und der Erhöhung des Saugdrucks (d.h. der Erhöhung des Kältemitteldrucks im Verdampfer) infolge der Verminderung der Förderleistung zu erwarten, wodurch wirksam verhindert werden kann, dass eine übermäßige Kühlung auftritt, wenn die Drehzahl erhöht wird.
  • Das obenerwähnte Kühlsystem mit superkritischem Zyklus weist jedoch mehrere Probleme auf. Wenn z.B. die Förderleistung des Verdichters mit der gleichen Steuercharakteristik moduliert wird wie die des Kühlsystems mit subkritischem Zyklus, ist es schwierig, die Leistungssteuerung des Verdichters schnell durchzuführen, wenn die Motordrehzahl erhöht wird, weil die Wirkung der Drosselmittel im superkritischen Zyklus verschieden ist von derjenigen im subkritischen Zyklus.
  • Das heißt, gemäß den Drosselmitteln in dem Kühlsystem mit subkritischem Zyklus wird die Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers detektiert, und der optimale Druck korrespondierend zu dieser detektierten Temperatur wird mit dem tatsächlichen Kältemitteldruck am Auslass des Verdampfers verglichen, um die Drosselmittel so zu steuern, dass der tatsächliche Kältemitteldruck am Auslass des Verdampfers optimal wird. Diesbezüglich bedeutet der optimale Druck am Auslass des Verdampfers einen Druck, unter dem der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Auslass des Verdampfers konstant ist. Im Einzelnen wird, wenn die detektierte Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers z.B. 8°C beträgt, ein optimaler Druck definiert, unter dem ein konstanter Überhitzungsgrad (z.B. 5°C) erhalten wird (die zu diesem optimalen Druck korrespondierende Sättigungstemperatur beträgt 3°C). Somit wird die Zirkulationsrate des Kältemittels durch den Verdampfer durch Steuern des Öffnungsgrades der Drosselmittel eingestellt, so dass der tatsächliche Kältemitteldruck am Auslass des Verdampfers der optimale Druck wird. Solcherart kann der Kühlbetrieb unter den Bedingungen durchgeführt werden, unter denen der COP-Wert ein Maximum wird, durch Steuern des Öffnungsgrades der Drosselmittel gemäß der Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers, um den Kältemitteldruck am Auslass des Verdampfers so einzustellen, dass der Überhitzungsgrad bei einem konstanten Wert gehalten wird.
  • Bei einer Erhöhung der Motordrehzahl und damit der Rotationsgeschwindigkeit einer Antriebswelle des Verdichters in dem Kühlsystem mit subkritischem Zyklus, worin die Drosselmittel auf solche Weise arbeiten, wird das Kältemittel im Verdampfer nicht vollständig verdampft infolge der Erhöhung der Zirkulationsrate des von dem Verdampfer zu dem Verdichter zugeführten Kältemittels, und die Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers wird in Korrespondenz zu dem Überhitzungsgrad erniedrigt. Wenn die Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers erniedrigt wird, wird auch der optimale Druck gemäß der Kältemitteltemperatur erniedrigt. Demgemäß wird der Öffnungsgrad der Drosselmittel reduziert, um den tatsächlichen Kältemitteldruck am Auslass des Verdampfers auf den obenerwähnten optimalen Druck zu erniedrigen. Weil der Widerstand gegen den Kältemittelfluss infolge der Drosselwirkung der Drosselmittel höher wird, wird die Zirkulationsrate des Kältemittels durch den Verdampfer vermindert. Weiter: weil der Kältemitteldruck in dem Verdampfer gemäß der Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels erniedrigt wird, um den Saugdruck des Verdichters zu erniedrigen, verschlechtert sich der volumetrische Wirkungsgrad des Verdichters. Demnach wird infolge der Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels in dem Verdampfer und der Verschlechterung des volumetrischen Wirkungsgrades des Verdichters die Kühlleistung erniedrigt, um eine übermäßige Kühlung zu verhindern. Ferner: weil der Saugdruck des Verdichters und die Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdichters infolge der Drosselwirkung der Drosselmittel schnell erniedrigt werden, kann durch die Detektion solcher Werte die volumetrische Steuerung des Verdichters schnell durchgeführt werden, was auch eine übermäßige Kühlung verhindert.
  • Wie im Vorstehenden erwähnt, wird in dem Kühlsystem mit subkritischem Zyklus auf Grund der schnellen Wirkung der Drosselmittel in der Drosselrichtung auch bei übermäßiger Erhöhung der Drehzahl eine übermäßige Kühlung sicher verhindert durch die Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels und andere Maßnahmen. Ferner: weil die Drosselmittel in der Drosselrichtung wirken, um den Saugdruck des Verdichters schnell zu erniedrigen, kann die volumetrische Steuerung des Verdichters schnell und sicher durchgeführt werden durch die Detektion eines solchen Saugdrucks und andere Maßnahmen und als eine Folge davon das Auftreten einer übermäßigen Kühlung verhindert werden.
  • Demgegenüber wird bei dem Kühlsystem mit superkritischem Zyklus die Maximierung des COP-Wertes und damit die Minimierung des Energieverbrauchs des Kühlsystems erzielt durch Einstellen des Öffnungsgrades der Drosselmittel basierend auf der detektierten Kältemitteltemperatur und -druck am Auslass des Gaskühlers (Punkt C), wie im Vorstehenden erwähnt, so dass der tatsächliche Kältemitteldruck am Auslass des Gaskühlers (Punkt C) der optimale Druck bei der detektierten Temperatur wird.
  • Bei Erhöhung der Motordrehzahl und damit der Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle des Verdichters in dem Kühlsystem mit superkritischem Zyklus, in dem die Drosselmittel wie oben beschrieben wirken, wird auch eine Massenflussrate des dem Gaskühler zugeführten Kältemittels erhöht, wodurch ein Kältemitteldruck in dem Gaskühler (ein höherer Druck; ein Ausstoßdruck) ebenfalls höher wird. Andererseits, weil der Öffnungsgrad der Drosselmittel so eingestellt wird, dass der Kältemitteldruck am Auslass des Gaskühlers bei einem konstanten Wert gehalten wird, wie im Vorstehenden erwähnt, wird der Öffnungsgrad der Drosselmittel groß gemacht, um die Erhöhung des Kältemitteldrucks am Auslass des Gaskühlers zu unterdrücken. Dies wirft das Problem auf, dass die Wirkung der Drosselmittel in der Drosselrichtung verzögert wird und damit auch die Einstellung der Kühlleistung verzögert wird. Weiter: wenn die Wirkung der Drosselmittel in der Drosselrichtung verzögert wird, wird der Ausstoßdruck prompt erhöht, während das Erniedrigen des Saugdrucks verzögert wird, was eine Verzögerung der volumetrischen Steuerung des Verdichters auf Basis der Detektion des Saugdrucks oder anderer Maßnahmen zur Folge hat und eine Verzögerung der Einstellung der Kühlleistung verursacht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Kühlsystems mit superkritischem Zyklus, mit dem die Kühlleistung schnell eingestellt werden kann, so dass das Auftreten einer übermäßigen Kühlung infolge einer Erhöhung der Drehzahl sicher verhindert wird, auch wenn die Drehzahl erhöht wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems bereitgestellt, welches mindestens einen Verdichter, einen Wärmedissipations-Wärmetauscher, Drosselmittel und einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher umfasst, die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf für die Zirkulation eines Kältemittels zu bilden, wobei der geschlossene Kreislauf einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Betreiben des Kühlsystems, so dass der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird; und Steuern des Kühlsystems, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck steigt; wobei ein Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, welcher in der Lage ist, eine Förderleistung zu verändern, als der Verdichter verwendet wird und wobei die Förderleistung des Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen mit steigendem höheren Druck in dem ersten Kreislaufabschnitt vermindert wird.
  • Dieses Betriebsverfahren basiert auf einer Steuercharakteristik-Eigenschaft, die durch eine nach oben geneigte gerade Linie oder Kurve mit einem vorgegebenen Neigungswinkel repräsentiert und in Koordinaten dargestellt ist, welche definiert sind durch eine x-Achse, die den höheren Druck repräsentiert, und eine y-Achse, die den niedrigeren Verdampfungsdruck repräsentiert. Wenn der tatsächliche niedrigere Verdampfungsdruck niedriger ist als ein Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck, bestimmt in Korrespondenz zu dem tatsächlichen höheren Druck, wird die Kältemittelzirkulationsrate so gesteuert, dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt. Dies bedeutet, dass, wenn die Kältemittelzirkulationsrate auf variable Weise gesteuert wird, während der niedrigere Verdampfungsdruck als vorgegebener Druck verwendet wird, oder konkreter ausgedrückt, wenn die Steuerung so durchgeführt wird, dass, wenn die Verdampfungstemperatur niedriger wird als eine erste vorgegebene Temperatur t1, die Elektromagnetkupplung des Verdichters abgeschaltet wird, und dass, wenn die Verdampfungstemperatur höher wird als ein zweiter vorgegebener Wert t2 (> t1), die Elektromagnetkupplung des Verdichters eingeschaltet wird, wobei die Steuercharakteristik-Eigenschaft so ist, dass die vorgegebene Temperatur t1 mit steigendem höheren Druck höher wird. Diesbezüglich wird zum Zwecke der variablen Steuerung der Kältemittelzirkulationsrate die Förderleistung des Verdichters variabel gesteuert; alternativ kann der Öffnungsgrad eines Saugdrosselventils, welches in einer Position stromaufwärts des Verdichters bereitgestellt ist, variabel gesteuert werden.
  • Wenn also die Drehzahl eines Motors, d.h. einer Antriebswelle des Verdichters, erhöht wird, wird der höhere Druck schnell erhöht, wie bereits beschrieben, während auch dann, wenn das Erniedrigen des niedrigeren Verdampfungsdrucks infolge der Verzögerung der Drosselwirkung der Drosselmittel verzögert wird, der niedrigere Verdampfungsdruck schnell unter den vorgegebenen Druckwert gesenkt werden kann, weil die Steuercharakteristik-Eigenschaft so ist, dass der vorgegebene Wert des niedrigeren Verdampfungsdrucks mit steigendem höheren Druck höher wird. Daher kann die Kältemittelzirkulationsrate schnell vermindert werden, um die Kühlleistung zu erniedrigen und damit eine übermäßige Kühlung sicher zu verhindern, wenn die Drehzahl erhöht wird.
  • Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems wird ein Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, welcher in der Lage ist, eine Förderleistung zu verändern, als Verdichter verwendet. Vorzugsweise ist die Förderleistung des Verdichters variabel, während der niedrigere Verdampfungsdruck als vorgegebener Druck verwendet wird. Das heißt, wenn der niedrigere Ver dampfungsdruck niedriger wird als der vorgegebene Druck, wird die Förderleistung des Verdichters vermindert, was zu einer Verminderung der Zirkulationsrate des Kältemittels durch den Verdampfer und damit zu der Verminderung der Kühlleistung führt.
  • Das Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems wird durchgeführt, wobei die Förderleistung des Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen mit steigendem höheren Druck in dem ersten Kreislaufabschnitt vermindert wird.
  • Der Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen ist in der Lage, den Innendruck seiner Kurbelkammer mit steigendem höheren Druck zu erhöhen, und ist in der Lage, die Förderrate auf Basis der Erhöhung des Innendrucks der Kurbelkammer zu erhöhen. Wenn also der höhere Druck erhöht wird, wird auch der Innendruck der Kurbelkammer erhöht, um die Förderleistung des Verdichters zu vermindern, wodurch der niedrigere Verdampfungsdruck basierend hierauf erhöht wird.
  • Vorzugsweise kann das Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems ferner die folgenden Schritte umfassen: Detektieren eines Kältemitteldrucks vor der Verdichtung als der niedrigere Verdampfungsdruck bzw. eines Kältemitteldrucks nach der Verdichtung als der höhere Druck; Vorgeben einer Steuercharakteristik-Eigenschaft, so dass ein Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck in dem geschlossenen Kreislauf mit steigendem höheren Druck in dem geschlossenen Kreislauf steigt; Bestimmen des Zielwertes für den niedrigeren Verdampfungsdruck korrespondierend zu dem detektierten höheren Druck auf Basis der vorgegebenen Steuercharakteristik-Eigenschaft; und Vermindern der Förderrate des Verdichters, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt, wenn der detektierte niedrigere Verdampfungsdruck niedriger ist als der bestimmte Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck.
  • Bei diesem Betriebsverfahren werden der niedrigere Verdampfungsdruck und der höhere Druck detektiert. Basierend auf der Steuercharakteristik-Eigenschaft, die so vorgegeben ist, dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck steigt, wird der Zielwert für den niedrigeren Ver dampfungsdruck in Korrespondenz mit dem detektierten höheren Druck bestimmt. Wenn der tatsächliche detektierte Wert für den niedrigeren Verdampfungsdruck niedriger ist als der Zielwert, wird die Förderleistung des Verdichters vermindert, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt. Somit kann das Kühlsystem mit der Steuercharakteristik-Eigenschaft betrieben werden, worin der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck größer wird.
  • Vorzugsweise repräsentiert die Steuercharakteristik-Eigenschaft eine nach oben geneigte, im Wesentlichen gerade Linie, dargestellt in Koordinaten, welche definiert sind durch eine Ordinate, die den niedrigeren Verdampfungsdruck repräsentiert, und eine Abszisse, die den höheren Druck repräsentiert.
  • Ferner ist der niedrigere Verdampfungsdruck des Kältemittels vorzugsweise ein detektierter Druck des Kältemittels vor dessen Einlass in den Verdichter, während der höhere Druck des Kältemittels ein detektierter Druck des aus dem Verdichter ausgestoßenen Kältemittels ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems bereitgestellt, wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist.
  • Diesbezüglich können neben Kohlendioxid (CO2) Ethylen (C2H4), Diboran (B2H6), Ethan (C2H6), Stickstoffoxid oder andere als Kältemittel verwendet werden.
  • Ein Kühlsystem zum Betreiben des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst mindestens einen Verdichter, einen Wärmedissipations-Wärmetauscher, Drosselmittel und einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher, die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf für die Zirkulation eines Kältemittels zu bilden, wobei der geschlossene Kreislauf einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck aufweist, wobei das Kühlsystem so ausgebildet ist, dass der höhere Druck des geschlossenen Kreislaufs der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird; und umfasst ferner Steuermittel, mit denen der niedrigere Verdampfungsdruck des zweiten Kreislaufabschnitts gemäß einer vorgegebenen Steuercharakteristik-Eigenschaft erhöht werden kann, wenn der höhere Druck des ersten Kreislaufabschnitts erhöht wird.
  • Der Verdichter des Kühlsystems ist ein Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der so ausgebildet ist, dass die Förderleistung des Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen durch die Steuermittel veränderlich einstellbar ist.
  • Vorzugsweise wird der Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen des Kühlsystems durch die Steuermittel so gesteuert, dass seine Förderleistung mit steigendem höheren Druck des ersten Kreislaufabschnitts vermindert wird.
  • Weiter bevorzugt umfasst der Verdichter des Kühlsystems vorzugsweise einen ersten Sensor zum Detektieren eines Drucks des Kältemittels, bevor es von dem Verdichter verdichtet wird; und einen zweiten Sensor zum Detektieren eines Drucks des Kältemittels, nachdem es verdichtet worden ist; und die Steuermittel bestimmen einen Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck in Korrespondenz zu dem von dem zweiten Sensor detektierten höheren Druck, basierend auf der vorgegebenen Steuercharakteristik-Eigenschaft, welche so definiert ist, dass der Zielwert für den von dem ersten Sensor detektierten niedrigeren Verdampfungsdruck erhöht wird, wenn der von dem zweiten Sensor detektierte höhere Druck steigt, und dass die Förderleistung des Verdichters vermindert wird, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt, wenn der erste Sensor detektiert, dass der Wert des niedrigeren Verdampfungsdrucks niedriger ist als der Zielwert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die oben erwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung noch näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der für ein erstes Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, wobei eine Kreislaufstruktur desselben veranschaulicht ist;
  • 2 eine Steuercharakteristik-Eigenschaft des ersten Kühlsystems;
  • 3A ein Blockdiagramm, welches eine Kreislaufstruktur eines zweiten Kühlsystems für ein Kraftfahrzeug veranschaulicht;
  • 3B eine Seitenansicht im Schnitt eines Verdichters mit festem Verdrängungsvolumen gemäß 3A, der für das zweite Kühlsystem verwendet wird;
  • 4 ein Blockdiagramm, welches eine Kreislaufstruktur eines dritten Kühlsystems für ein Kraftfahrzeug veranschaulicht;
  • 5 eine EIN/AUS-Steuerung eines Verdichters in dem dritten Kühlsystem;
  • 6 eine Steuercharakteristik-Eigenschaft des dritten Kühlsystems; und
  • 7 ein Druck-Enthalpie-Diagramm eines superkritischen Zyklus mit Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Erste Ausführungsform
  • Ein Kühlsystem gemäß 1 wird für ein Klimagerät für ein Kraftfahrzeug verwendet und umfasst einen geschlossenen Kreislauf, der einen Verdichter 1, einen Gaskühler 2, der als Wärmedissipations-Wärmetauscher verwendet wird, ein Expansionsventil 3, welches als Drosselmittel verwendet wird, einen Verdampfer 4, der als Wärmeabsorptions-Wärmetauscher verwendet wird, und einen Sammler 5, der als Dampf-Flüssigkeits-Abscheider verwendet wird, umfasst, die in Serie miteinander verbunden sind. Im Einzelnen ist eine Ausstoßkammer 26 des Verdichters 1 über eine Leitung 6a mit dem Gaskühler 2 verbunden, der über eine Leitung 6b mit dem Expansionsventil 3 verbunden ist, das seinerseits über eine Leitung 6c mit dem Verdampfer 4 verbunden ist, der dann über eine Leitung 6d mit dem Sammler 5 verbunden ist, der wiederum über eine Leitung 6e mit einer Saugkammer 27 des Verdichters 1 verbunden ist, so dass ein geschlossener Kältemittelkreislauf vervollständigt wird.
  • Der geschlossene Kreislauf umfasst einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck. Dieses Kühlsystem arbeitet so, dass der höhere Druck in dem Kühlkreislauf der superkritische Druck eines in dem Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird. Kohlendioxid (CO2) wird als Kältemittel verwendet. Wie bereits beschrieben, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 3 auf Basis der detektierten Temperatur und Druck des Kältemittels am Auslass des Gaskühlers 2 gesteuert, so dass das Verhältnis zwischen Kältemitteltemperatur und -druck zu der oben erwähnten optimalen Steuerkurve korrespondiert; d.h. so dass der COP-Wert ein Maximum wird.
  • Der Verdichter 1 ist ein Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der in der Lage ist, seine Förderfließrate zu verändern, wobei die Förderrate gemäß der Erhöhung des Innendrucks einer Kurbelkammer 14 des Verdichters 1 vermindert wird, während der Druck in der Kurbelkammer 14 mit steigendem höheren Druck höher wird.
  • Bei diesem Verdichter 1 ist ein vorderes Gehäuse 11 mit einem vorderen Ende eines Zylinderblocks 10 gekoppelt und ein hinteres Gehäuse 13 ist über eine Ventilplatte 12 oder andere Komponenten mit einem hinteren Ende des Zylinderblocks 10 gekoppelt. In der Kurbelkammer 14, definiert durch das vordere Gehäuse 11 und den Zylinderblock 10, ist eine Antriebswelle 15 aufgenommen, deren eines Ende sich von dem vorderen Gehäuse 11 weg erstreckt und an einen Anker einer Elektromagnetkupplung, nicht gezeigt, gesichert ist. Die Antriebswelle 15 ist mittels einer Dichtvorrichtung und eines Radiallagers zwischen dem vorderen Gehäuse 11 und dem Zylinderblock 10 drehbar gehalten. Diesbezüglich sind ein Drucklager und eine Blattfeder, nicht gezeigt, zwischen dem anderen Ende der Antriebswelle 15 und der Ventilplatte 12 oder anderen Komponenten zwischengeschaltet. Ferner sind eine Mehrzahl von Bohrun gen 10a in dem Zylinderblock 10 an Positionen bereitgestellt, welche die Antriebswelle 15 umgeben, und nehmen jeweils einen Kolben 16 auf.
  • In der Kurbelkammer 14 ist ein Rotor 18 über ein Drucklager in einem Abstand von dem vorderen Gehäuse 11 so an der Antriebswelle 15 befestigt, dass er synchron mit der Antriebswelle 15 drehbar ist, und eine drehbare Taumelscheibe 20 ist hinter dem Rotor 18 über einen Gelenkmechanismus 19 beweglich gehalten, so dass sie synchron mit dem Rotor 18 rotieren kann. Eine Hülse 21 ist gleitbeweglich auf dem Umfang der Antriebswelle 15 in der Kurbelkammer 14 angeordnet, und die drehbare Taumelscheibe 20 ist an einem von der Hülse 21 vorspringenden Stift 21a so gehalten, dass sie eine Taumelbewegung ausführen kann. An der drehbaren Taumelscheibe 20 ist über ein Drucklager 22 oder dergleichen eine taumelbare Taumelscheibe 23 gehalten, an der ein Antirotationsstift, nicht gezeigt, der nur in Axialrichtung in einer Antirotationsnut 11a des vorderes Gehäuses bewegbar ist, befestigt ist. Eine Stange 24 ist zwischen der taumelbaren Taumelscheibe 23 und dem entsprechenden, damit zu haltenden Kolben 16 bereitgestellt, so dass der entsprechende Kolben in der entsprechenden Bohrung 10a gemäß dem Neigungswinkel der taumelbaren Taumelscheibe 23 hin- und herbewegt wird.
  • Eine Druckfeder 25 ist zwischen der Hülse 21 und einem an der Antriebswelle 15 befestigten Sicherungsring seitlich des Zylinderblocks 10 bereitgestellt. Durch die Wirkung der Druckfeder 25 ist die drehbare Taumelscheibe 20 in der Lage, mit dem Rotor 18 in Anlage zu kommen, wodurch die taumelbare Taumelscheibe 23 im maximalen Winkel im Startpunkt gehalten wird. Bei maximal zusammengedrückter Druckfeder 25 wird die taumelbare Taumelscheibe 23 im minimalen Neigungswinkel gehalten.
  • Innerhalb des hinteren Gehäuses 13 ist die Ausstoßkammer 26 in einem zentralen Bereich gebildet und die Saugkammer 27 ist außerhalb der Ausstoßkammer 26 gebildet. Verdichtungskammern, jeweils definiert durch eine Endfläche des entsprechenden Kolbens 16 und der zugehörigen Bohrung 10a, kommunizieren mit der Ausstoßkammer 26 durch entsprechende Ausstoßöffnungen, welche in der Ventilplatte 12 gebildet sind. Die entsprechende Ausstoßöffnung ist durch die Wirkung eines Ausstoßventils, dessen Öffnungsgrad seitlich der Ausstoßkammer 26 durch einen Halter 26a begrenzt werden kann, öffenbar und schließbar. Die jeweilige Verdichtungskammer kommuniziert mit der Saugkammer 27 durch entsprechende Saugöffnungen, welche in der Ventilplatte 12 gebildet sind, wobei die entsprechende Saugöffnung seitlich der jeweiligen Verdichtungskammer durch die Wirkung eines Saugventils öffenbar und schließbar ist.
  • Ein Luftabzugspfad 28 zum Verbinden der Kurbelkammer 14 mit der Saugkammer 27 ist in dem hinteren Gehäuse 13, der Ventilplatte 12, dem Zylinderblock 10 oder anderen Komponenten bereitgestellt. Ferner ist ein Luftzuführpfad 29 als Steuerpfad zum Verbinden der Ausstoßkammer 26 mit der Kurbelkammer 14 gebildet. Diesbezüglich ist ein Volumensteuerventil 30 in dem hinteren Gehäuse 13 an einer in der Mitte des Luftzuführpfads 29 liegenden Position bereitgestellt.
  • Bei dem Volumensteuerventil 30 ist ein ballartiger Ventilkörper 32 durch die Wirkung eines Solenoid 31 nach oben/nach unten bewegbar, um den Öffnungsgrad des Luftzuführpfades 29 einzustellen.
  • Das Solenoid 31 ist durch Steuermittel 40 steuerbar. Ein Wert eines niedrigeren Verdampfungsdrucks, der von einem Drucksensor 41 detektiert wird, der in der Leitung 6e stromaufwärts des Verdichters 1 bereitgestellt ist, und ein Wert eines höheren Drucks, der von einem Drucksensor 42 detektiert wird, der in der Leitung 6a stromabwärts des Verdichters 1 bereitgestellt ist, werden in die Steuermittel 40 eingegeben. Eine Steuercharakteristik-Eigenschaft, welche so definiert ist, dass mit steigendem höheren Druck der niedrigere Verdampfungsdruck größer wird, wird vorab in den Steuermitteln 40 gespeichert (eine derartige Steuercharakteristik-Eigenschaft ist als eine gerade Linie mit Aufwärtsneigung in 2 gezeigt und definiert durch die Gleichung: y = ax + b, worin a > 0 und worin die x-y-Koordinaten so definiert sind, dass die x-Achse den höheren Druck repräsentiert und die y-Achse den niedrigeren Verdampfungsdruck repräsentiert.
  • Gemäß dem wie oben beschrieben aufgebauten Kühlsystem wird die Rotation eines nicht gezeigten Motors als Antriebsquelle auf die Antriebswelle 15 des Verdichters 1 über eine Elektromagnetkupplung übertragen. In dem Verdichter 1 wird durch die Rotation der Antriebswelle 15 die drehbare Taumelscheibe 20 zu einer Drehbewegung in einem vorgegebenen Neigungswinkel synchron mit dem Rotor 18 veranlasst, wodurch nur eine Taumelbewegung der drehbaren Taumelscheibe 20 auf die taumelbare Taumelscheibe 23 übertragen wird. Dementsprechend wird der Kolben 16 in dem Zylinder 10a über die Stange 24 infolge der Taumelbewegung der taumelbaren Taumelscheibe 23 zu einer hin- und hergehenden Bewegung veranlasst. Das Kältemittel in der Saugkammer 27 wird somit in der Verdichtungskammer komprimiert und dann in die Ausstoßkammer 26 ausgestoßen. Das in die Ausstoßkammer 26 ausgestoßene Kältemittel wird über die Leitung 6a dem Gaskühler 2 zugeführt.
  • Das Kältemittel bei hoher Temperatur und hohem Druck wird durch den Gaskühler 2 auf eine Temperatur abgekühlt, die annähernd gleich der Umgebungsluft ist, und das gekühlte Kältemittel wird via Leitung 6b dem Expansionsventil 3 zugeführt. Das dem Expansionsventil 3 zugeführte Kältemittel wird über die im Vorstehenden erwähnte Steuerung basierend auf Kältemitteltemperatur und -druck am Auslass des Gaskühlers 2 dekomprimiert und in einen Nebel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck (in eine Dampf-Flüssig-Phase) umgewandelt. Das so in die Nebelphase umgewandelte Kältemittel wird über die Leitung 6c dem Verdampfer 4 zugeführt und in diesem verdampft. Hierbei wird eine Umgebungsluft durch Verdampfungswärme gekühlt, wodurch das Innere einer Fahrzeugkabine gekühlt wird. Sodann wird das Kältemittel über die Leitung 6d dem Sammler 5 zugeführt, wobei ein Kältemittel in der Flüssigphase in dem Sammler 5 zurückgehalten wird, während ein Kältemittel in der Dampfphase via Leitung 6e erneut in die Saugkammer 27 des Verdichter 1 eingebracht wird.
  • In diesem Zeitraum kann die Förderleistung des Verdichters 1 jederzeit durch die Steuermittel 40 gesteuert werden. Das heißt, ein Wert des niedrigeren Verdampfungsdrucks, der durch den Drucksensor 41 detektiert wird, welcher in der Leitung 6e stromaufwärts des Verdichters 1 bereitgestellt ist, und ein Wert des höheren Drucks, der durch den Drucksensor 42 detektiert wird, welcher in der Leitung 6a stromabwärts des Verdichters 1 bereitgestellt ist, kann jederzeit in die Steuermittel 40 eingegeben werden. Wenn der detektierte Wert des niedrigeren Verdampfungsdrucks niedriger ist als ein Zielwert dafür, bestimmt in Korrespondenz zu dem detektierten Wert des höheren Drucks, basierend auf der oben erwähnten Steuercharakteristik-Eigenschaft (eine gerade Linie, definiert durch y = ax + b), wird die Förderleistung des Verdichters 1 vermindert, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt. Die Verminderung der Förderleistung wird erzielt durch Erhöhen des Öffnungsgrades des Luftzuführpfades 29 durch die Verschiebung des ballartigen Ventilkörpers 32 infolge der Betätigung des Solenoid 31 basierend auf einem Signal von den Steuermitteln 40, um eine Zuführrate von Kältemittel bei einem Ausstoßdruck Pd in der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 zu erhöhen, so dass ein Druck Pc in der Kurbelkammer 14 höher wird. Wenn der Druck Pc in der Kurbelkammer 14 höher wird, wird ein auf den Kolben 16 ausgeübter Rückdruck erhöht, um den Neigungswinkel der drehbaren Taumelscheibe 20 und der taumelbaren Taumelscheibe 23 zu vermindern, wodurch der Hub des Kolbens 16 kleiner wird, um die Förderleistung zu vermindern. Wenn die Förderleistung des Kolbens 16 vermindert wird, erhöht sich der niedrigere Verdampfungsdruck basierend hierauf. Dementsprechend wird die durch die Gleichung y = ax + b repräsentierte Beziehung zwischen dem höheren Druck und dem niedrigeren Verdampfungsdruck erfüllt. Wenn die Förderleistung des Verdichters 1 veränderlich ist, während der niedrigere Verdampfungsdruck als vorgegebener Druck verwendet wird, ist die Steuercharakteristik-Eigenschaft erzielbar, worin je höher der höhere Druck, umso höher der niedrigere Verdampfungsdruck; d.h. der vorgegebene Druck.
  • Wenn daher die Drehzahl der Antriebswelle 15 des Verdichters 1 infolge der Erhöhung der Motordrehzahl erhöht wird, erhöht sich der höhere Druck schnell, während die Erniedrigung des niedrigeren Verdampfungsdrucks wegen der Verzögerung der Drosselwirkung der Drosselmittel 3 verzögert wird. Wenn aber das Kühlsystem so betrieben wird, dass die oben erwähnte Steuercharakteristik-Eigenschaft erfüllt wird, wird der niedrigere Verdampfungsdruck schnell unter den vorgegebenen Wert gesenkt, wodurch die Zirkulationsrate des Kältemittels prompt vermindert werden kann, um die Kühlleistung schnell zu regulieren, so dass eine übermäßige Kühlung sicher vermeidbar ist, auch wenn das Kühlsystem mit hoher Drehzahl betrieben wird.
  • Bei der ersten Ausführungsform wurde die Beschreibung anhand eines Beispiels gegeben, bei dem das Volumensteuerventil 30 in dem Luftzuführpfad 29 zum Verbinden der Kurbelkammer 14 mit der Ausstoßkammer 26 bereitgestellt ist, um den Innendruck Pc der Kurbelkammer 14 gemäß einer Zuführrate des Ausstoßdrucks Pd in die Kurbelkammer 14 zu regulieren. Jedoch sind die Mittel zum Regulieren des Innendrucks Pc der Kurbelkammer 14 nicht hierauf begrenzt. Beispielsweise kann das Volumensteuerventil 30 in dem Luftabzugspfad 28 zum Verbinden der Kurbelkammer 14 mit der Saugkammer 27 bereitgestellt sein, um den Innendruck Pc der Kurbelkammer 14 durch Steuern der Luftabzugsrate von der Kurbelkammer 14 zu der Saugkammer 27 zu regulieren.
  • Ferner wird für die erste Ausführungsform die gerade Linie gemäß 2 als Steuercharakteristik-Eigenschaft verwendet; es können jedoch auch andere als gerade Linien verwendet werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Ein in 3A gezeigtes Kühlsystem ist ähnlich dem im Vorstehenden in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen, wobei jedoch ein Verdichter mit festem Verdrängungsvolumen, wie in 3B gezeigt, als Verdichter 1' verwendet wird, wobei ein Saugdrosselventil 7 stromaufwärts des Verdichters 1' in einer Leitung 6e zwischen dem Verdichter 1' und einem Sammler 5 bereitgestellt ist und wobei die Steuermittel 40 und die Drucksensoren 41, 42 weggelassen sind.
  • Bei dem Verdichter mit festem Verdrängungsvolumen gemäß 3B wird eine Taumelscheibe 23' verwendet, deren Neigungswinkel fest ist. In diesen Figuren sind Teile, die mit denen von 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wobei jedoch zur Unterscheidung ein Strich (') angefügt ist.
  • Der Öffnungsgrad des Saugdrosselventils 7 wird gesteuert auf Basis eines detektierten Wertes eines Kältemitteldrucks am Auslass des Verdampfers 4, d.h. des niedrigeren Verdampfungsdrucks. Wenn der niedrigere Verdampfungsdruck höher ist als der vorgegebene Wert, wird der Öffnungsgrad des Saugdrosselventils erhöht, während in dem Falle, dass der niedrigere Verdampfungsdruck niedriger ist als der vorgegebene Wert, der Öffnungsgrad vermindert wird. Wenn der Öffnungsgrad des Saugdrosselventils 7 erhöht wird, wird der Saugdruck des Verdichters 1' erhöht, um den niedrigeren Verdampfungsdruck zu erniedrigen, so dass die Kälteleistung größer wird. Demgegenüber wird in dem Fall, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 7 vermindert wird, der Saugdruck des Verdichters 1' erniedrigt, um den niedrigeren Verdampfungsdruck zu erhöhen, so dass die Kühlleistung kleiner wird. Auf diese Weise ist die Kühlleistung gemäß dem niedrigeren Verdampfungsdruck einstellbar.
  • Wenn dieselbe Steuercharakteristik-Eigenschaft wie in der ersten Ausführungsform auf ein derartiges Kühlsystem angewendet wird, worin der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck höher wird, kann die Kühlleistung schnell eingestellt werden, wenn die Drehzahl erhöht wird, um eine übermäßige Kühlung sicher zu verhindern.
  • Dritte Ausführungsform
  • Ein Kühlsystem gemäß 4 weist dieselbe Struktur auf wie für die erste Ausführungsform beschrieben, ausgenommen, dass ein Verdichter mit festem Verdrängungsvolumen als Verdichter 1' verwendet und mit einer EIN-AUS-Steuerung gemäß den detektierten Ergebnissen für den Verdampfungsdruck gesteuert wird und dass die Steuermittel 40 und die Drucksensoren 41, 42 weggelassen sind.
  • Das heißt, gemäß diesem Kühlsystem wird die Kältemitteltemperatur am Auslass des Verdampfers 4 detektiert. Wie in 5 gezeigt, wird in dem Falle, dass die detektierte Temperatur niedriger ist als eine erste vorgegebene Temperatur t1, eine Elektromagnetkupplung des Verdichters 1' abgeschaltet, während in dem Falle, dass eine Verdampfungstemperatur höher ist als eine zweite vorgegebene Temperatur t2 (> t1), die Elektromagnetkupplung des Verdichters 1' eingeschaltet wird. Diesbezüglich korrespondiert die Verdampfungstemperatur zu dem Verdampfungsdruck.
  • Wenn eine Steuercharakteristik-Eigenschaft wie in 6 gezeigt, worin die erste vorgegebene Temperatur t1 mit steigendem höheren Druck zunimmt, auf dieses Kühlsystem angewendet wird, wird die Verdampfungstemperatur (niedrigerer Verdampfungsdruck) niedriger als die erste vorgegebene Temperatur t1, während erstere immer noch in einem höheren Bereich ist, um die Magnetkupplung des Verdichters 1' abzuschalten. Somit kann das Auftreten einer übermäßigen Kühlung sicher verhindert werden, wenn die Drehzahl erhöht wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems, welches mindestens einen Verdichter (1; 1'), einen Wärmedissipations-Wärmetauscher (2), Drosselmittel (3) und einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher (4) aufweist, die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kreislauf für die Zirkulation eines Kältemittels zu bilden, wobei der geschlossene Kreislauf einen ersten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem höheren Druck und einen zweiten Kältemittelkreislaufabschnitt mit einem niedrigeren Verdampfungsdruck aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Betreiben des Kühlsystems, so dass der höhere Druck in dem geschlossenen Kreislauf der superkritische Druck des in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Kältemittels wird; und Steuern des Kühlsystems, so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit steigendem höheren Druck steigt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (1; 1') mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, welcher in der Lage ist, eine Förderleistung zu verändern, als der Verdichter verwendet wird und dass die Förderleistung des Verdichters (1; 1') mit veränderlichem Verdrängungsvolumen mit steigendem höheren Druck in dem ersten Kreislaufabschnitt vermindert wird.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Detektieren eines Kältemitteldrucks vor der Verdichtung als der niedrigere Verdampfungsdruck bzw. eines Kältemitteldrucks nach der Verdichtung als der höhere Druck; Vorgeben einer Steuercharakteristik-Eigenschaft, so dass ein Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck in dem geschlossenen Kreislauf mit steigendem höheren Druck in dem geschlossenen Kreislauf steigt; Bestimmen des Zielwertes für den niedrigeren Verdampfungsdruck korrespondierend zu dem detektierten höheren Druck auf Basis der vorgegebenen Steuercharakteristik-Eigenschaft; und Vermindern der Förderleistung des Verdichters (1; 1'), so dass der niedrigere Verdampfungsdruck mit dem Zielwert übereinstimmt, wenn der detektierte niedrigere Verdampfungsdruck niedriger ist als der bestimmte Zielwert für den niedrigeren Verdampfungsdruck.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems nach Anspruch 2, wobei die Steuercharakteristik-Eigenschaft eine im Wesentlichen nach oben geneigte gerade Linie repräsentiert, dargestellt in Koordinaten, welche definiert sind durch eine Ordinate, die den niedrigeren Verdampfungsdruck repräsentiert, und eine Abszisse, die den höheren Druck repräsentiert.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems nach Anspruch 2, wobei der niedrigere Verdampfungsdruck des Kältemittels ein detektierter Druck des Kältemittels vor seiner Aufnahme in den Verdichter (1; 1') ist und wobei der höhere Druck des Kältemittels ein detektierter Druck des aus dem Verdichter (1; 1') ausgestoßenen Kältemittels ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems nach Anspruch 1, wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist.
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