EP1712853A2 - Expansionsventil für ein Klimagerät - Google Patents

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Publication number
EP1712853A2
EP1712853A2 EP06005276A EP06005276A EP1712853A2 EP 1712853 A2 EP1712853 A2 EP 1712853A2 EP 06005276 A EP06005276 A EP 06005276A EP 06005276 A EP06005276 A EP 06005276A EP 1712853 A2 EP1712853 A2 EP 1712853A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
expansion
work
expansion device
dissipated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06005276A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1712853A3 (de
Inventor
Achim Dr.-Ing. Wiebelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1712853A2 publication Critical patent/EP1712853A2/de
Publication of EP1712853A3 publication Critical patent/EP1712853A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit

Definitions

  • the invention relates to an expansion device for a refrigerant circuit, which is designed as an expansion machine, such that the refrigerant flowing through it performs a work in the expansion.
  • the invention further relates to a method for expansion of the refrigerant in a refrigerant circuit.
  • air conditioners currently generally use chillers that have a suitable refrigerant in a circulatory system circulated.
  • the refrigerant is first compressed to a high pressure, where it heats up.
  • the thus heated refrigerant is then passed through a heat exchanger - a so-called gas cooler or condenser - where it dissipates heat to the ambient air.
  • the refrigerant is expanded in an expansion device and brought to a lower pressure. During expansion, the refrigerant cools down.
  • the thus cooled refrigerant is then passed through another heat exchanger - the so-called evaporator - in which the refrigerant evaporates and thereby heat extracted at the evaporator passing air, which is used for air conditioning of the interior.
  • refrigerants are used.
  • other components are used in the circulatory system, such as an internal heat exchanger (especially in R744 / CO 2 as a refrigerant) or even an accumulator for storing liquid refrigerant.
  • the individual components can also be realized in a wide variety of construction designs.
  • an expansion valve in particular in the case of R744 as refrigerant or in motor vehicle applications, typically mechanical expansion valves are used, such as, for example, so-called orifice tubes or ⁇ p valves.
  • the expansion is isenthalp, ie, the enthalpy of the system does not change.
  • the expanding refrigerant performs no work to the outside and there is no heat supplied from the outside or discharged to the outside.
  • this represents an ideal assumption that is only approximately fulfilled in real refrigeration appliances.
  • a major problem in this context is that the energy released varies greatly, not only depending on the capacity of the compressor, but also of environmental parameters such as the ambient temperature, the running time of the air conditioning (shortly after starting is a high cooling capacity needed for the first cooling of a vehicle interior), the driving speed and the engine speed.
  • the invention has for its object to provide an improved expansion device for a refrigerant circuit or an improved method for expansion of a refrigerant in a refrigerant circuit, at the disadvantages inherent in the prior art are at least partially eliminated or at least mitigated.
  • the invention proposes a simply constructed and economically producible expansion device in which at least part of the refrigerant flowing through it performs a work.
  • the proposed expansion device or the proposed method for expansion of a refrigerant solves the tasks.
  • an expansion device for a refrigerant circuit which is designed as an expansion machine, such that at least a portion of the refrigerant flowing through it performs a work in the expansion, to further develop that the work performed is at least partially dissipated as loss work.
  • the invention is based on the finding that a considerable part of the "waste of energy" of conventional air conditioning units is not only based on the fact that the work which can be extracted from the refrigerant during expansion is not used, but is also based, in particular, on the fact that the gas is at work Work also cools and this additional Abkühlmaschinekeit the refrigerant is not used in refrigerant circuits according to the prior art.
  • the expansion device has a drive device to which the refrigerant does the work.
  • the work is done in other words by driving the drive device, so usually in the form of a mechanical work performance.
  • the drive device may be formed in any form, but piston machines, rotary piston machines, axial turbines and / or radial turbines have proven to be particularly advantageous. With such drive devices a lot of work can be done (and thus the system energy can be removed) and / or the structure of the expansion device can be particularly simple and inexpensive.
  • drive device such as a combination of axial turbine and radial turbine.
  • the expansion device can be particularly well adapted to the respective requirements, which are made at a certain moment to the air conditioner or the refrigerant circuit.
  • At least one wear-free braking device is provided.
  • a wear of wearing parts can be avoided, so that, for example, maintenance intervals can be extended or, for example, over a normal life of the air-conditioning away, if necessary, completely eliminated.
  • a braking device can be realized in the form of an eddy current braking device.
  • a preferred braking characteristic is realized in principle, namely an increase in the braking effect at higher speeds in the expansion device and thus higher refrigerant flow rate through the expansion device.
  • a hydraulic brake device is to be understood in particular as a brake device designed in the manner of a Visco® brake, in which mechanical energy is dissipated into thermal energy in a fluid (fluid and / or gas, possibly also with solids).
  • a hydraulic brake device also has the preferred braking characteristic, in which, for example, a higher energy is converted at a higher rotational speed in the expansion device-and thus at a higher throughput of refrigerant through the expansion device.
  • Such braking devices are usually low-wear or wear-free and can be adapted by an appropriate choice of energy-dissipating medium and / or by a corresponding structure (for example, by shape, arrangement and size of brake plates) in extremely wide limits to the respective requirements.
  • the hydraulic brake device at least partially uses refrigerant as energy-dissipating working fluid.
  • refrigerant as energy-dissipating working fluid.
  • an extremely good seal between different areas of the expansion device, such as in particular between a drive device and an energy-dissipating device can be dispensed with. This can reduce contamination of the refrigerant circuit or leakage of refrigerant over a longer period of time.
  • the structure can be kept particularly simple and inexpensive.
  • the drive device and brake device can be accommodated in a common housing, with at least a slight fluid connection between the corresponding housing parts, in particular in the area of a passage of moving parts.
  • the fluid usually the refrigerant of the refrigerant circuit
  • the fluid can be used as a lubricant for a fluid bearing.
  • a refrigerant which possibly has no or only a slight lubricating effect, but to which a lubricant is added.
  • a further advantageous embodiment is obtained when heat transfer promoting devices, such as, in particular, cooling fins, cooling fins, other surface enlarging devices and / or turbulence devices, are provided for passing fluids.
  • heat transfer promoting devices such as, in particular, cooling fins, cooling fins, other surface enlarging devices and / or turbulence devices.
  • Heat dissipated in a separate coolant in the expansion device can be dissipated particularly effectively, even if extremely high power densities are realized.
  • a switching device with which the work done can be dissipated either as loss work and / or as useful work.
  • This can make it possible, in certain conditions of the refrigerant circuit, for. For example, if mechanical energy conversion is easily realized or additional mechanical energy is required to dissipate useful mechanical energy without the device and any control devices having greater complexity to function substantially in any operating condition of the air conditioning device. In this context, of course, a gradual or continuous switching or allocation to useful work and / or loss work to think.
  • At least one additional, preferably switchable and / or variable expansion element may also be advantageous to provide at least one additional, preferably switchable and / or variable expansion element.
  • this could be a bypass valve that opens an additional expansion device at a particularly high pressure difference.
  • the method has the advantages described in connection with the expansion device in analogous Way up.
  • the further developments described there are correspondingly also implementable in connection with the method.
  • the proposed method is particularly advantageous when R23, R116, R123a and / or R744 is used as the refrigerant, wherein it proves to be particularly advantageous when using R744.
  • FIG. 1 shows the schematic functional structure of a possible expansion element 1, in which refrigerant A, B flowing through the expansion element performs a mechanical work during its expansion, which is then converted into thermal energy by means of a viscous brake.
  • the inflowing refrigerant A is supplied via an inflow channel 3 to an expansion turbine 2. After the refrigerant has flowed through the expansion turbine 2 and has performed a mechanical work on this, the refrigerant is at a lower pressure level and flows out in the direction indicated by the arrow B via the outflow channel 4 from the expansion element 1 out.
  • the expansion turbine 2 is presently designed as a radial turbine and arranged on a rotary shaft 5. At the expansion turbine 2 opposite side of the rotary shaft 5, a Dissipationsstory 6 is arranged. This Dissipationsserie 6 rotates in a housing cavity 7, which is at least partially filled with a dissipation fluid.
  • dissipation disk 6 and / or housing cavity 7 are provided, for example, with suitable surface structuring and / or lamellae in order to increase fluid friction Dissipationsefficiency 6 acts as a hydrodynamic bearing for receiving axial forces.
  • the refrigerant used serves not only as a refrigerant but at the same time as an energy-dissipating fluid and as a lubricant for fluid storage 9 of the rotary shaft 5, on which the turbine 2 and the dissipating disk 6 are arranged.
  • the proposed construction in particular, the loss of refrigerant, even over a long period of time, can be effectively reduced. As a result, the expansion element 1 shown in FIG.
  • a coolant passage 10 for external coolant is provided in the housing 11 of the expansion element .
  • This may be, for example, air or water or a similar liquid.
  • the coolant flows in the direction of arrow C along the coolant channel 10 through the housing 11 of the expansion element 1 and thereby effectively dissipates heat energy released in the energy dissipating part 6, 7 of the expansion element 1, so that unnecessary heating of the flowing refrigerant A, B is effectively prevented.
  • structures that increase the heat transfer to the coolant for example, fins, turbulence devices and the like).
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of an expansion device 12.
  • the expansion element is presently designed as a piston engine 15.
  • the inflowing refrigerant A is supplied to the expansion space 13 of a reciprocating engine 15 via an inflow line 3 as a function of an inlet flap position 14.
  • the refrigerant performs by a movement of the piston 16 at this mechanical work.
  • the movement of the piston 16 is converted via a connecting rod 17 into a rotational movement of a flywheel 18.
  • the flywheel 18 can be braked by a schematically indicated brake pad 19.
  • piston 16 Although only a single piston 16 is shown in FIG. 2 for illustrative purposes, it is advantageous to provide a larger number of mechanically coupled pistons 16 with respect to one another in terms of their strokes in order to realize the most uniform, non-intermittent refrigerant throughput.
  • the braking power is variable by a correspondingly strong pressing of the brake pad 19 so that the expansion element 12 can be optimized for a corresponding condition of the air conditioner.
  • FIG. 3 shows the ph diagram of a typical refrigerant circuit for a refrigerant partially in a supercritical state, in the present case R744 (CO 2 , carbon dioxide).
  • the drawn lines represent an idealized, in reality not achievable, operation.
  • the evaporation of the refrigerant takes place in the evaporator and thus the heat extraction from the air to be cooled to be cooled.
  • line 22 is the isentropic compression of the refrigerant in the compressor. It comes - as known - to a temperature increase of the refrigerant.
  • the thus heated refrigerant is then cooled along the line 23 in a gas cooler (in non-supercritical systems is referred to here by a capacitor).

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Abstract

Es wird ein Expansionsventil 1, 12 für einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für einen R744-Kältemittelkreislauf, vorgeschlagen, bei dem das expandierende Kältemittel A, B bei der Expansion an einer Antriebsvorrichtung 2, 16 eine Arbeit verrichtet. Die erzeugte Arbeit wird dabei als Verlustenergie in Abwärme umgesetzt und aus dem System entfernt C. Zur Energiedissipation wird vorzugsweise eine Visco-Bremse 6, 7 vorgeschlagen. Durch die Arbeitsleistung kühlt sich das Kältemittel bei der Expansion zusätzlich ab, so dass die Leistung und/oder Energieeffizienz des Klimageräts erhöht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung für einen Kältemittelkreislauf, welche als Expansionsmaschine ausgebildet ist, derart, dass das sie durchströmende Kältemittel bei der Expansion eine Arbeit verrichtet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Expansion des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf.
  • Zur Absenkung einer Innenraumtemperatur werden heutzutage in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten Kältemaschinen verwendet. So werden mittlerweile verbreitet Gebäude oder Fahrzeuge - insbesondere auch Kraftfahrzeuge - klimatisiert, um derart auch bei hohen Umgebungstemperaturen ein angenehmes Raumklima zu schaffen.
  • Obwohl mehrere unterschiedliche physikalische Prinzipien zur Temperaturabführung existieren, werden bei Klimageräten derzeit in aller Regel Kältemaschinen verwendet, bei denen ein geeignetes Kältemittel in einem Kreislaufsystem zirkuliert. In diesem Kreislaufsystem wird das Kältemittel zunächst auf einen hohen Druck verdichtet, wobei es sich erhitzt. Das derart erhitzte Kältemittel wird anschließend durch einen Wärmetauscher - einen so genannten Gaskühler bzw. Kondensator - geführt, wo es Wärme an die Umgebungsluft abführt. Anschließend wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan expandiert und auf einen niedrigeren Druck gebracht. Bei der Expansion kühlt das Kältemittel ab. Das derart abgekühlte Kältemittel wird anschließend durch einen weiteren Wärmeübertrager - den so genannten Verdampfer - geleitet, in dem das Kältemittel verdampft und dabei am Verdampfer vorbeigeführter Luft, welche zur Klimatisierung des Innenraums verwendet wird, Wärme entzieht.
  • Je nach Bauausführung der Kältemaschine werden unterschiedliche Kältemittel verwendet. Gegebenenfalls werden im Kreislaufsystem auch weitere Komponenten verwendet, wie beispielsweise ein innerer Wärmeübertrager (insbesondere bei R744/CO2 als Kältemittel) oder aber auch ein Akkumulator zur Speicherung von flüssigem Kältemittel. Im Übrigen können die einzelnen Komponenten auch in unterschiedlichsten Bauausführungen realisiert werden. Heutzutage finden als Expansionsventil insbesondere bei R744 als Kältemittel bzw. bei Kraftfahrzeuganwendungen typischerweise mechanische Expansionsventile wie rein beispielhaft so genannte Orifice-Tubes oder Δ-p-Ventile Anwendung.
  • Bei heute üblichen Klimagerätesystemen erfolgt die Expansion isenthalp, d. h., die Enthalpie des Systems ändert sich nicht. Dabei verrichtet das expandierende Kältemittel keine Arbeit nach außen und es wird keine Wärme von außen zugeführt oder nach außen hin abgeführt. Selbstverständlich stellt dies eine Idealannahme dar, die bei realen Kältegeräten nur näherungsweise erfüllt wird.
  • Es wurde bereits erkannt, dass dies im Prinzip eine Verschwendung von Energie darstellt, die dem Klimagerät bzw. dem Kältemittelkreislauf über den Kompressor in Form mechanischer Energie zugeführt werden muss. Daher wurden bereits Expansionsorgane vorgeschlagen, bei denen das expandierende Kältemittel eine Arbeit verrichtet. Diese Arbeit sollte für unterschiedliche Aufgaben verwendet werden, wie beispielsweise zum Betrieb eines Gebläses zur Förderung von Luft, zur Komprimierung von Kältemittel im Kältemittelkreislauf oder auch zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines Generators.
  • Auch wenn derartige Lösungen in der Theorie äußerst vorteilhaft sind, so wurden diese bislang praktisch nie realisiert, da der Aufbau der entsprechenden Expansionsvorrichtungen, die Regelung der von dieser freigesetzten Energie sowie deren Nutzung an anderen Orten erhebliche Probleme bereitet und sich in der Praxis bislang als praktisch undurchführbar erwiesen hat. Darüber hinaus kamen dabei oftmals Dichtigkeitsprobleme ins Spiel, wie beispielsweise bei der Abdichtung einer bewegten Welle. Dies betrifft insbesondere aufgrund des erhöhten Druckniveaus im Besonderen Maße Anlagen, die R744 als Kältemittel verwenden.
  • Ein großes Problem ist es in diesem Zusammenhang auch, dass die freigesetzte Energie stark variiert, und zwar nicht nur in Abhängigkeit von der Förderleistung des Kompressors, sondern auch von Umgebungsparametem wie der Umgebungstemperatur, der Laufzeit der Klimaanlage (kurz nach dem Start wird eine hohe Kälteleistung zum erstmaligen Abkühlen eines Fahrzeuginnenraums benötigt), der Fahrgeschwindigkeit sowie der Motordrehzahl.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Expansionsvorrichtung für einen Kältemittelkreislauf bzw. ein verbessertes Verfahren zur Expansion eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf vorzuschlagen, bei dem die beim Stand der Technik immanenten Nachteile wenigstens teilweise beseitigt oder zumindest gemindert werden. Insbesondere soll mit der Erfindung eine einfach aufgebaute und kostengünstig herstellbare Expansionsvorrichtung vorgeschlagen werden, bei der zumindest ein Teil des durch diese hindurchströmenden Kältemittels eine Arbeit verrichtet. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der Erfindung, einen mit einem verbesserten Expansionsventil versehenen Kältemittelkreislauf sowie ein verbessertes Verfahren zur Expansion eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf vorzuschlagen, mit dem eine höhere Kälteleistung und/oder ein verringerter Energieeinsatz und/oder ein besserer Wirkungsgrad des Kältemittelkreislaufs möglich sind.
  • Die vorgeschlagene Expansionsvorrichtung bzw. das vorgeschlagene Verfahren zur Expansion eines Kältemittels löst die Aufgaben.
  • Dabei wird vorgeschlagen, eine Expansionsvorrichtung für einen Kältemittelkreislauf, welche als Expansionsmaschine ausgebildet ist, derart, dass zumindest ein Teil des sie durchströmenden Kältemittels bei der Expansion eine Arbeit leistet, dahin gehend weiterzubilden, dass die geleistete Arbeit wenigstens teilweise als Verlustarbeit abgeführt wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein erheblicher Teil der "Energieverschwendung" der bisher üblichen Klimageräte nicht nur darauf beruht, dass die dem Kältemittel bei der Expansion entziehbare Arbeit nicht genutzt wird, sondern insbesondere auch darauf beruht, dass sich das Gas beim Verrichten von Arbeit auch abkühlt und diese zusätzliche Abkühlmöglichkeit des Kältemittels bei Kältemittelkreisläufen gemäß dem Stand der Technik nicht genutzt wird. Die zusätzliche Abkühlung des Kältemittels bei einer Expansion, bei der das Kältemittel Arbeit verrichtet, ist mit dem Energieerhaltungssatz (erster Hauptsatz der Thermodynamik) ohne weiteres ersichtlich. Diese Verbesserungsmöglichkeit wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt und umgesetzt. Anstatt die vom Kältemittel verrichtete Arbeit als nutzbare Arbeit abzuführen, was sich in der Praxis als undurchführbar oder aber als extrem aufwändig und teuer erweist, wird daher der Erfindung folgend vorgeschlagen, zumindest einen Teil dieser vom Kältemittel verrichteten Arbeit als Verlustenergie abzuführen, also "ungenutzt" aus dem System zu entfernen. Dennoch kann die Leistung und/oder die Effizienz des Kältemittelkreislaufs verbessert werden, da das Kältemittel aufgrund der nunmehr im Wesentlichen isentropen anstatt der bislang üblichen isenthalpen Expansion zusätzlich abgekühlt wird. Dies erweist sich bei manchen Kältemitteln, wie beispielsweise bei R744, als besonders vorteilhaft. Bei anderen Kältemitteln ist der Effekt ggf. vorhanden, aber schwächer ausgeprägt.
  • Denkbar ist es, dass die Expansionsvorrichtung eine Antriebsvorrichtung aufweist, an der das Kältemittel die Arbeit leistet. Die Arbeitsleistung erfolgt mit anderen Worten durch ein Antreiben der Antriebsvorrichtung, also üblicherweise in Form einer mechanischen Arbeitsleistung. Die Antriebsvorrichtung kann dabei in beliebiger Form ausgebildet sein, jedoch haben sich Kolbenmaschinen, Kreiskolbenmaschinen, Axialturbinen und/oder Radialturbinen als besonders vorteilhaft erwiesen. Mit derartigen Antriebsvorrichtungen kann besonders viel Arbeit geleistet werden (und damit dem System Energie entnommen werden) und/oder der Aufbau der Expansionsvorrichtung kann besonders einfach und kostengünstig erfolgen. Selbstverständlich ist in diesem Zusammenhang auch an Kombinationen unterschiedlicher Antriebsvorrichtungstypen zu denken, wie beispielsweise an eine Kombination aus Axialturbine und Radialturbine.
  • Als besonders einfach und/oder effektiv hat es sich erwiesen, wenn die Verlustarbeit zumindest teilweise in Form thermischer Energie abgeführt wird. Ein derartiges Abführen der Verlustenergie kann mit relativ einfach aufgebauten Vorrichtungen realisiert werden.
  • Möglich ist es beispielsweise, dass dies mit Hilfe einer vorzugsweise verstellbaren Bremsvorrichtung erfolgt. Die Bremsenergie wird dabei in aller Regel in Form von thermischer Energie freigesetzt. Durch eine Verstellbarkeit der Bremsvorrichtung kann die Expansionsvorrichtung besonders gut an die jeweiligen Anforderungen, die in einem bestimmten Moment an das Klimagerät bzw. den Kältemittelkreislauf gestellt werden, angepasst werden.
  • Vorteilhaft ist es dabei, wenn zumindest eine verschleißfreie Bremsvorrichtung vorgesehen ist. In diesem Fall kann ein Abnutzen von Verschleißteilen vermieden werden, so dass beispielsweise Wartungsintervalle verlängert werden können oder beispielsweise über eine normale Lebensdauer der Klimaanlage hinweg ggf. gänzlich entfallen können. Insbesondere kann eine derartige Bremsvorrichtung in Form einer Wirbelstrombremsvorrichtung realisiert werden. Hier wird auch prinzipbedingt eine zu bevorzugende Bremscharakteristik realisiert, nämlich eine Zunahme der Bremswirkung bei höheren Drehzahlen in der Expansionsvorrichtung und damit höherem Kältemitteldurchsatz durch die Expansionsvorrichtung.
  • Eine weitere mögliche Ausbildungsmöglichkeit einer Bremsvorrichtung ist das Vorsehen zumindest einer Hydraulikbremsvorrichtung. Unter einer Hydraulikbremsvorrichtung ist insbesondere eine nach Art einer Visco® -Bremse aufgebaute Bremsvorrichtung zu verstehen, bei der mechanische Energie in einem Fluid (Flüssigkeit und/oder Gas, ggf. auch mit Feststoffbeimengungen) in thermische Energie dissipiert wird. Eine solche Hydraulikbremsvorrichtung weist in aller Regel ebenfalls die zu bevorzugende Bremscharakteristik auf, bei der beispielsweise bei einer höheren Drehzahl in der Expansionsvorrichtung - und damit bei einem höheren Durchsatz an Kältemittel durch die Expansionsvorrichtung - eine höhere Energie umgesetzt wird. Auch sind solche Bremsvorrichtungen üblicherweise verschleißarm bzw. verschleißfrei und können durch eine entsprechende Wahl des energiedissipierenden Mediums und/oder durch einen entsprechenden Aufbau (beispielsweise durch Form, Anordnung und Größe von Bremslamellen) in extrem breiten Grenzen an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn die Hydraulikbremsvorrichtung zumindest teilweise Kältemittel als energiedissipierendes Arbeitsmittel verwendet. In einem solchen Fall kann beispielsweise eine extrem gute Abdichtung zwischen unterschiedlichen Bereichen der Expansionsvorrichtung wie insbesondere zwischen einer Antriebsvorrichtung und einer energiedissipierenden Vorrichtung entbehrlich werden. Dies kann eine Verschmutzung des Kältemittelkreislaufs bzw. ein Entweichen von Kältemittel über einen längeren Zeitraum hinweg verringern. Auch kann dadurch der Aufbau besonders einfach und kostengünstig gehalten werden.
  • Insbesondere ist es auch möglich, dass Antriebsvorrichtung und Bremsvorrichtung in einer gemeinsamen Gehäusung aufgenommen sind, wobei eine zumindest geringfügige Fluidverbindung zwischen den entsprechenden Gehäuseteilen besteht, insbesondere im Bereich einer Durchführung beweglicher Teile. In diesem Falle kann das Fluid (in aller Regel das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs) als Schmiermittel für ein Fluidlager verwendet werden. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für ein Kältemittel, was möglicherweise keine oder eine nur geringe Schmierwirkung hat, dem jedoch ein Schmiermittel beigefügt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsmöglichkeit ergibt sich, wenn wärmeübergangsfördemde Einrichtungen, wie insbesondere Kühlrippen, Kühllamellen, sonstige oberflächenvergrößernde Einrichtungen und/oder Turbulenzeinrichtungen, für vorbeiströmende Fluide vorgesehen werden. In einem solchen Fall kann in der Expansionsvorrichtung durch die Verlustarbeit freigesetzte Wärme abgeführt werden, ohne dass es zu einer (unerwünschten) Erwärmung des Kältemittels kommen muss.
  • Möglich ist es, eine Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmeübertragung an ein gesondertes Kühlmedium vorzusehen. Hier kann beispielsweise mit Hilfe eines gesonderten Kühlmittels in der Expansionsvorrichtung entstehende Wärme besonders effektiv abgeführt werden, selbst wenn extrem hohe Leistungsdichten realisiert werden.
  • Gegebenenfalls ist es von Vorteil, eine Umschalteinrichtung vorzusehen, mit der die geleistete Arbeit wahlweise als Verlustarbeit und/oder als Nutzarbeit abgeführt werden kann. Dadurch kann es ermöglicht werden, bei bestimmten Zuständen des Kältemittelkreislaufs, z. B. wenn eine mechanische Energieumsetzung leicht realisierbar ist oder eine zusätzliche mechanische Energie erforderlich ist, eine mechanische Nutzenergie abzuführen, ohne dass die Vorrichtung und allfällige Regeleinrichtungen eine größere Komplexität aufweisen müssen, um im Wesentlichen in jedem Betriebszustand des Klimageräts zu funktionieren. In diesem Zusammenhang ist selbstverständlich auch an eine schrittweise oder kontinuierliche Umschaltung bzw. Aufteilung auf Nutzarbeit und/oder Verlustarbeit zu denken.
  • Als vorteilhaft kann es sich auch erweisen, zumindest ein zusätzliches, vorzugsweise zuschaltbares und/oder variables Expansionsorgan vorzusehen. Beispielsweise könnte es sich hierbei um ein Bypassventil handeln, dass bei einer besonders hohen Druckdifferenz eine zusätzliche Expansionsvorrichtung öffnet. Dadurch kann ggf. eine besonders große Kälteleistung ermöglicht werden, oder aber auch im Falle eines Defekts der Standardexpansionsvorrichtung eine Beschädigung bzw. ein Ausfall der Anlage vermieden werden.
  • Vorgeschlagen wird ebenfalls ein Verfahren zur Expansion eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, bei dem zumindest ein Teil des Kältemittels arbeitsleistend expandiert wird, wobei zumindest ein Teil der Arbeitsleistung als Verlustleistung abgeführt wird. Das Verfahren weist die im Zusammenhang mit der Expansionsvorrichtung beschriebenen Vorteile in analoger Weise auf. Auch sind die dort beschriebenen Weiterbildungen entsprechend auch im Zusammenhang mit dem Verfahren umsetzbar.
  • Besonders vorteilhaft ist das vorgeschlagene Verfahren, wenn als Kältemittel R23, R116, R123a und/oder R744 verwendet wird, wobei es sich insbesondere bei Verwendung von R744 als besonders vorteilhaft erweist.
  • Von Vorteil ist es auch, einen Kältemittelkreislauf mit einer vorgeschlagenen Expansionsvorrichtung zu versehen, bzw. einen Kältemittelkreislauf derart auszubilden und einzurichten, dass er gemäß dem vorgeschlagenen Expansionsverfahren arbeitet, jeweils einschließlich der beschriebenen Weiterbildungen.
  • Die Erfindung, deren Weiterbildungen und die damit realisierbaren Vorteile werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1:
    Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Expansionsvorrichtung im schematischen Querschnitt;
    Figur 2:
    Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Expansionsvorrichtung in schematischer Ansicht;
    Figur 3:
    Ein typisches p-h-Diagramm von R744-Kältekreisläufen.
  • In Figur 1 ist der schematische Funktionsaufbau eines möglichen Expansionsorgans 1 dargestellt, bei dem durch das Expansionsorgan hindurchströmendes Kältemittel A, B bei seiner Expansion eine mechanische Arbeit verrichtet, welche anschließend mittels einer Visco-Bremse in thermische Energie umgesetzt wird.
  • Das einströmende Kältemittel A wird dabei über einen Einströmkanal 3 einer Expansionsturbine 2 zugeführt. Nachdem das Kältemittel die Expansionsturbine 2 durchströmt hat und an dieser eine mechanische Arbeit verrichtet hat, befindet sich das Kältemittel auf einem niedrigeren Druckniveau und strömt in die durch den Pfeil B angedeutete Richtung über den Ausströmkanal 4 aus dem Expansionsorgan 1 heraus. Die Expansionsturbine 2 ist vorliegend als Radialturbine ausgebildet und an einer Drehwelle 5 angeordnet. An der der Expansionsturbine 2 gegenüber liegenden Seite der Drehwelle 5 ist eine Dissipationsscheibe 6 angeordnet. Diese Dissipationsscheibe 6 dreht sich in einem Gehäusehohlraum 7, welcher zumindest teilweise mit einem Dissipationsfluid gefüllt ist. Zur Erhöhung der Energiedissipation (Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie ist es selbstverständlich möglich, dass Dissipationsscheibe 6 und/oder Gehäusehohlraum 7 beispielsweise mit einer geeigneten Oberflächenstrukturierung und/oder mit Lamellen versehen sind, um die Fluidreibung zu erhöhen. Auch ist es möglich, dass die Dissipationsscheibe 6 als hydrodynamisches Lager zur Aufnahme von Axialkräften fungiert.
  • Im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht zwischen dem die Dissipationsscheibe 6 aufnehmenden Gehäusehohlraum 7 des Expansionsorgans 1 sowie dem Turbinenaufnahmeraum 8 des Expansionsorgans 1 eine Fluidverbindung, welche gleichzeitig als Lagerungsraum 9 zur Durchführung und Lagerung der Welle 5 dient. Damit dient das verwendete Kältemittel (bzw. die dem Kältemittel beigefügten Additive) nicht nur als Kältemittel, sondern gleichzeitig als energiedissipierendes Fluid sowie als Schmiermittel zur Fluidlagerung 9 der Drehwelle 5, an der die Turbine 2 und die Dissipationsscheibe 6 angeordnet sind. Durch die vorgeschlagene Bauausführung kann insbesondere der Verlust von Kältemittel, auch über einen langen Zeitraum hinweg, wirksam verringert werden. Auch weist das in Figur 1 dargestellte Expansionsorgan 1 dadurch einen besonders einfachen und kostengünstig zu realisierenden Aufbau auf. Zusätzlich ist im Gehäuse 11 des Expansionsorgans ein Kühlmitteldurchgang 10 für externes Kühlmittel vorgesehen. Hier kann es sich beispielsweise um Luft oder auch um Wasser oder eine ähnliche Flüssigkeit handeln. Das Kühlmittel strömt in Pfeilrichtung C längs des Kühlmittelkanals 10 durch das Gehäuse 11 des Expansionsorgans 1 hindurch und führt dadurch im energiedissipierenden Teil 6, 7 des Expansionsorgans 1 freigesetzte Wärmeenergie wirksam ab, so dass eine unnötige Erhitzung des durchströmenden Kältemittels A, B wirksam verhindert wird. Um den Wärmeübergang zu erhöhen, ist es selbstverständlich möglich, Strukturen vorzusehen, die den Wärmeübergang zum Kühlmittel hin erhöhen (beispielsweise Lamellen, Turbulenzvorrichtungen und Ähnliches).
  • In Figur 2 ist eine alternative Ausbildungsmöglichkeit einer Expansionsvorrichtung 12 dargestellt. Das Expansionsorgan ist vorliegend als Kolbenmaschine 15 ausgebildet. Das einströmende Kältemittel A wird über eine Einströmleitung 3 in Abhängigkeit von einer Einlassklappenstellung 14 dem Expansionsraum 13 einer Kolbenmaschine 15 zugeführt. Das Kältemittel verrichtet durch eine Bewegung des Kolbens 16 an diesem eine mechanische Arbeit. Die Bewegung des Kolbens 16 wird über eine Pleuelstange 17 in eine Drehbewegung eines Schwungrads 18 umgesetzt. Das Schwungrad 18 ist durch einen schematisch angedeuteten Bremsklotz 19 abbremsbar. Wenn sich der Kolben 16 an seinem unteren Totpunkt befindet, werden Einlassklappe 14 und Auslassklappe 20 umgeschaltet und dass Kältemittel wird in Pfeilrichtung B durch den Auslasskanal 4 aus dem Expansionsraum 13 herausbefördert.
  • Auch wenn in Figur 2 aus darstellungstechnischen Gründen nur ein einziger Kolben 16 dargestellt ist, so ist es vorteilhaft, eine größere Anzahl miteinander mechanisch gekoppelter und bezüglich ihrer Hubbewegungen zueinander versetzter Kolben 16 vorzusehen, um einen möglichst gleichmäßigen, nicht stoßweisen Kältemitteldurchsatz zu realisieren.
  • Die Bremsleistung ist durch ein entsprechend starkes Anpressen des Bremsklotzes 19 variabel, so dass das Expansionsorgan 12 auf einen entsprechenden Klimagerätezustand optimiert werden kann.
  • In Figur 3 ist das p-h-Diagramm eines typischen Kältemittelkreislaufs für ein teilweise in einem überkritischen Zustand befindliches Kältemittel, vorliegend R744(CO2, Kohlendioxid) dargestellt. Die eingezeichneten Linien stellen einen idealisierten, in der Realität so nicht erreichbaren, Betrieb dar. Längs der Linie 21 erfolgt die Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer und damit der Wärmeentzug aus der abzukühlenden zu klimatisierenden Luft. Längs der Linie 22 erfolgt die isentrope Komprimierung des Kältemittels im Kompressor. Dabei kommt es - wie bekannt - zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels. Das derart erhitzte Kältemittel wird anschließend längs der Linie 23 in einem Gaskühler abgekühlt (bei nicht-überkritischen Systemen wird hier von einem Kondensator gesprochen).
  • Bei üblichen Expansionsventilen gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Expansion ohne Verrichtung von Arbeit und ohne Austausch von Wärmeenergie, also isenthalp längs der Linie 24. Bei den vorliegend vorgeschlagenen Expansionsvorrichtungen erfolgt die Expansion des Kältemittels dagegen mit einer Arbeitsverrichtung und ohne Austausch von Wärmeenerie, also isentrop, entlang der Linie 25. Aus dem in Figur 3 dargestellten Diagramm ist deutlich ersichtlich, dass dadurch eine Enthalpiedifferenz Ah hervorgerufen wird, die zur Aufnahme von Wärme im Verdampfer genutzt werden kann. Die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz der Anlage kann dadurch gesteigert werden.

Claims (14)

  1. Expansionsvorrichtung (1, 12) für einen Kältemittelkreislauf, welche als Expansionsmaschine ausgebildet ist, so dass zumindest ein Teil des sie durchströmenden Kältemittels (A, B) bei der Expansion eine Arbeit leistet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die geleistete Arbeit wenigstens teilweise als Verlustarbeit abgeführt wird.
  2. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    wenigstens eine Antriebsvorrichtung (2, 16), an der das Kältemittel (A, B) die Arbeit leistet, welche vorzugsweise als Kolbenmaschine (16), Kreiskolbenmaschine, Axialturbine und/oder Radialturbine (2) ausgebildet ist.
  3. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verlustarbeit zumindest teilweise in Form thermischer Energie abgeführt wird.
  4. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    wenigstens eine, vorzugsweise verstellbare Bremsvorrichtung (6, 19).
  5. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend zumindest eine verschleißfreie Bremsvorrichtung (6), insbesondere eine Wirbelstrombremsvorrichtung.
  6. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest eine Hydraulikbremsvorrichtung (6) vorgesehen ist.
  7. Expansionsvorrichtung nach Anspruch 6
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hydraulikbremsvorrichtung (6) zumindest teilweise Kältemittel (A, B) als energiedissipierendes Arbeitsmittel verwendet.
  8. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Antriebsvorrichtung (2) und Bremsvorrichtung (6) in einer gemeinsamen Gehäusung (11) aufgenommen sind, wobei eine zumindest geringfügige Fluidverbindung (9) zwischen den entsprechenden Gehäuseteilen- (7, 8) besteht, insbesondere im Bereich einer Durchführung (9) beweglicher Teile (5).
  9. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    wärmeübergangsfördemde Einrichtungen wie insbesondere Kühlrippen, Kühllamellen, sonstige oberflächenvergrößernde Einrichtungen und/oder Turbulenzeinrichtungen.
  10. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 9, aufweisend eine Wärmeübertragereinrichtung (10) zur Wärmeübertragung an ein gesondertes Kühlmedium (C).
  11. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Umschalteinrichtung, mit der die geleistete Arbeit wahlweise als Verlustarbeit und/oder als Nutzarbeit abgeführt werden kann.
  12. Expansionsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend zumindest ein zusätzliches, vorzugsweise zuschaltbares und/oder variables Expansionsorgan.
  13. Verfahren zur Expansion eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, bei dem zumindest ein Teil des Kältemittels arbeitsleistend expandiert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein Teil der Arbeitsleistung als Verlustleistung abgeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Kühlmittel R23, R116, R123a und/oder R744 ist.
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