DE10321191A1

DE10321191A1 - Dampfkompressions-Kühlkreislauf

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Publication number: DE10321191A1
Application number: DE10321191A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2003329313A; US6823691B2; US20030209032A1; DE10321191B4; JP4522641B2

Abstract

In einem Dampfkompressions-Kühlkreislauf, der ein Kältemittel mit einer kritischen Temperatur von höchstens 60 DEG C verwendet, wird, wenn eine durch einen Sensor (7) erfasste Kältemitteltemperatur als Parameter eines Niederdruck-Kältemittels höher als eine Sättigungstemperatur entsprechend einem vorgegebenen Druck ist, der gleich oder niedriger als ein kritischer Druck ist, ein Volumen der durch einen Verdampfapparat (4) strömenden Luft durch Steuern des Betriebs einer Gebläseeinheit (6) kleiner als ein vorgegebenes Volumen geregelt. Weil die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) in dem Verdampfapparat (4) geregelt wird, wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten. Alternativ wird die Wärmetauschrate durch Verringern eines Durchsatzes des Kältemittels in dem Verdampfapparat (4) geregelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dampfkompressions-Kühlkreislauf, der ein Kältemittel mit einer kritischen Temperatur gleich oder niedriger als 60°C, wie beispielsweise Kohlendioxid, benutzt und geeigneter Weise für ein Fahrzeugklimagerät verwendet wird.

In einem Dampfkompressions-Kühlkreislauf wird bekanntermaßen ein in einem Kompressor komprimiertes Hochdruck-Kältemittel in einem Hochdruck-Wärmetauscher gekühlt und ein Niederdruck-Kältemittel wird in einem Niederdruck-Wärmetauscher verdampft, sodass Wärme von einem Niedertemperatur-Kältemittel auf ein Hochtemperatur-Kältemittel übertragen wird.

Falls zum Beispiel ein Fahrzeug im Sommer für eine lange Zeit in der Sonne stehen gelassen wird, steigt die Temperatur in einer Fahrgastzelle auf über 60°C. In diesem Fall benötigt deshalb eine Fahrzeugklimaeinheit die Fähigkeit, die Innenluft schnell auf etwa 25°C zu kühlen.

Während eines solchen, eine große Wärmelast erzeugenden schnellen Kühlvorgangs steigt der Druck des Kältemittels in einem Niederdruck-Wärmetauscher, d. h. in einem Verdampfapparat. Falls ein Kältemittel mit einer kritischen Temperatur, die höher genug als eine Temperatur der zu kühlenden Luft ist, wie beispielsweise ein Freon (R134a) verwendet wird, fällt die Temperatur des Niederdruck-Kältemittels unter die kritische Temperatur, selbst wenn die Wärmelast groß ist. Deshalb kann, weil das Niederdruck- Kältemittel in einem gasförmigen und flüssigen Phasenzustand ist, in die Fahrgastzelle zu blasende Luft durch Verdampfen des Kältemittels gekühlt werden. Hier besitzt R134a eine kritische Temperatur von etwa 100°C.

Falls dagegen ein Kältemittel mit der kritischen Temperatur unter der Temperatur der zu kühlenden Luft, wie beispielsweise Kohlendioxid, verwendet wird, steigt die Temperatur des Niederdruck-Kältemittels, wenn die Wärmelast steigt, wohl wenigstens bis auf die kritische Temperatur. Als Ergebnis kann der Druck des Niederdruck-Kältemittels auf wenigstens den kritischen Druck ansteigen. Hierbei besitzt Kohlendioxid eine kritische Temperatur von etwa 31°C.

Wenn der Druck des Kältemittels höher als der kritische Druck ist und sich das Kältemittel in einem kritischen Zustand befindet, gibt es keinen physikalischen Unterschied zwischen dem gasförmigen Kältemittel und dem flüssigen Kältemittel. Deshalb wird die Verdampfungswärme des Kältemittels im wesentlichen zu Null, sodass die in die Fahrgastzelle zu blasende Luft nur durch ungebundene Wärme gekühlt wird. Als Ergebnis wird im Vergleich zu einem Fall, dass die Luft durch Verdampfen des Kältemittels durch Verdampfungswärme gekühlt wird, die Kühlkapazität des Verdampfapparats deutlich verringert.

Ebenso steigt auch in einem Dampfkompressions-Kühlkreislauf mit einer Gas/ Flüssigkeit-Trennvorrichtung an einer Eingangsseite des Kompressors zum Trennen des Kältemittels in ein gasförmiges Kältemittel und ein flüssiges Kältemittel, falls der Druck des Niederdruck-Kältemittels auf wenigstens den kritischen Druck ansteigt, der Druck in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung auf wenigstens den kritischen Druck. Deshalb ist es schwierig, das Kältemittel in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung in das gasförmige Kältemittel und das flüssige Kältemittel zu trennen.

Ferner wird das Kältemittel in einem Dampfkompressions-Kühlkreislauf mit einer Ejektorpumpe (siehe JIS Z8126 Nr. 2.1.2.3) als Pumpeinrichtung zum Zirkulieren des Kältemittels zu dem Verdampfapparat aus der an der Eingangsseite des Kompressors vorgesehenen Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung zu dem Verdampfapparat zugeführt. Deshalb wird das Kältemittel in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung erwärmt, falls das in dem Verdampfapparat erwärmte Kältemittel in die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung strömt, und deshalb steigt die Temperatur des dem Verdampfapparat zuzuführenden Kältemittels. Als Ergebnis sinkt die Kühlkapazität des Verdampfapparats weiter.

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Nachteile getätigt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dampfkompressions-Kühlkreislauf, der ein Kältemittel mit einer kritischen Temperatur von höchstens 60°C verwendet, vorzusehen, welcher einen großen Abfall der Kühlkapazität, wenn die große Kühlkapazität erforderlich ist, beschränkt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Dampfkompressions-Kühlkreislauf zum Übertragen von Wärme von einem Niedertemperatur-Kältemittel auf ein Hochtemperatur- Kältemittel einen das Kältemittel komprimierenden Kompressor, einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen des in dem Kompressor komprimierten Hochdruck-Kältemittels und einen zweiten Wärmetauscher zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach seiner Dekomprimierung. Das Kältemittel besitzt eine kritische Temperatur von höchstens 60°C.

In dem Kreislauf wird ein Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher auf höchstens einen vorgegebenen Druck geregelt.

Durch Regeln des Drucks des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher wird ein großer Abfall der Kühlkapazität beschränkt.

Vorzugsweise wird der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher durch Regeln des Drucks des Niederdruck-Kältemittels mit einem Steuergerät geregelt. Vorzugsweise wird der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher durch Regeln eines Durchsatzes der durch den zweiten Wärmetauscher strömenden Luft geregelt. Weil eine Wärmetauschrate in dem zweiten Wärmetauscher geregelt wird, kann der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher unter einem kritischen Druck gehalten werden. Alternativ wird der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher durch Regeln eines Durchsatzes des Kältemittels zu dem zweiten Wärmetauscher geregelt.

Vorzugsweise enthält der Kreislauf ferner eine Ejektorpumpe zum Dekomprimieren des aus dem ersten Wärmetauscher ausgegebenen Kältemittels, eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung zum Trennen des Kältemittels in ein gasförmiges Kältemittel und ein flüssiges Kältemittel, und ein an einem die Ejektorpumpe und die Gas/Flüssigkeit- Trennvorrichtung verbindenden Kältemittelkanal vorgesehenes Ventil zum Umgehen des zweiten Wärmetauschers. Das Ventil schließt, um den Kältemittelkanal zu sperren, wenn der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher höher als der vorgegebene Druck, d. h. größer als ein kritischer Druck des Kältemittels ist.

Demgemäß wird das Niedertemperatur-Kältemittel nach seiner Komprimierung direkt in den zweiten Wärmetauscher eingeleitet. Weil das dem zweiten Wärmetauscher zuzuführende Kältemittel auf niedriger Temperatur gehalten wird, wird der große Abfall der Kühlkapazität unterdrückt.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfndung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind, offensichtlicher. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfndung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kühlkreislaufs gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 18 ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem Produkt der Verdampfungswärme des Kältemittels und der Dichte des gasförmigen Kältemittels und einer Sättigungstemperatur des Kältemittels.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Ein in Fig. 1 dargestellter Dampfkompressions-Kühlkreislauf wird zum Beispiel für eine Fahrzeugklimaeinheit verwendet. Ein Kompressor 1 saugt ein Kältemittel an und komprimiert es durch Empfangen einer Antriebskraft von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor. Ein Kühler 2 ist ein Hochdruck-Wärmetauscher zum Abstrahlen von Wärme des Hochdruck-Kältemittels, das in dem Kompressor 1 komprimiert worden ist, an Luft außerhalb einer Fahrgastzelle.

Hier wird Kohlendioxid als Kältemittel verwendet. Der Druck des Hochdruck- Kältemittels, d. h. ein Ausgangsdruck des Kompressors 1 wird auf wenigstens einen kritischen Druck des Kältemittels erhöht, um eine geeignete Kühlkapazität sicherzustellen.

Ein Expansionsventil 3 enthält eine Druckverminderungseinrichtung. Das Expansionsventil 3 dekomprimiert und entspannt das aus dem Kühler 2 ausgegebene Hochdruck- Kältemittel in einer Form mit konstanter Enthalpie. Ein Verdampfapparat 4 ist ein Niederdruck-Wärmetauscher. Der Verdampfapparat 4 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem in dem Expansionsventil 3 dekomprimierten Niederdruck-Kältemittel und in die Fahrgastzelle zu blasender Luft durch. Das heißt, der Wärmetauscher 4 nimmt Wärme aus der Luft auf, um dadurch das Kältemittel zu verdampfen und zu erwärmen.

Eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 trennt das aus dem Verdampfapparat 4 kommende Kältemittel in ein gasförmiges Kältemittel und ein flüssiges Kältemittel und speichert überschüssiges Kältemittel darin. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 führt das gasförmige Kältemittel auch einem Einlass des Kompressors 1 zu. Ferner verhindert die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel die Zufuhr des flüssigen Kältemittels zu dem Kompressor 1.

In dem Ausführungsbeispiel dient das Expansionsventil 3 der Regelung des Drucks des Hochdruck-Kältemittels basierend auf der Temperatur des Kältemittels auf der Hochdruckseite, wie beispielsweise der Temperatur am Ausgang des Kühlers 2, sodass der Dampfkompressions-Kühlkreislauf im wesentlichen einen maximalen Wirkungsgrad besitzt. Hierbei wird ein mechanisches Expansionsventil mit einer Membran, die entsprechend der Temperatur des Kältemittels betätigt wird, als Expansionsventil 3 verwendet.

Eine Gebläseeinheit 6 enthält eine Luftgebläsevorrichtung. Die Gebläseeinheit 6 bläst Luft zu dem Verdampfapparat 4. Ein Kältemitteltemperatursensor 7 enthält eine Temperaturmesseinrichtung. Der Temperatursensor 7 misst die Temperatur des Niederdruck-Kältemittels. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 8 steuert eine Luftblasrate der Gebläseeinheit 6 basierend auf beispielsweise der durch den Temperatursensor 7 erfassten Temperatur.

Als nächstes werden charakteristische Funktionen und Effekte des Dampfkompressions- Kühlkreislaufs des Ausführungsbeispiels beschrieben.

In dem Dampfkompressions-Kühlkreislauf wird das in dem Kompressor 1 komprimierte Hochdruck-Kältemittel bekanntermaßen in dem Kühler 2 gekühlt. Dann wird das Kältemittel in dem Expansionsventil 3 dekomprimiert, sodass sich das Kältemittel in einem gasförmigen und einem flüssigen Zustand befindet. Anschließend wird das flüssige Kältemittel in dem Verdampfapparat 4 verdampft, wodurch die in die Fahrgastzelle zu blasende Luft gekühlt wird.

Hierbei steigt der Druck des Niederdruck-Kältemittels, d. h. des Kältemittels in dem Verdampfapparat 4, wenn die Wärmelast beispielsweise bei einem schnellen Kühlvorgang steigt, was in einem Anstieg der Temperatur des Niederdruck-Kältemittels resultiert. Wenn ferner die durch den Temperatursensor 7 gemessene Temperatur eine Sättigungstemperatur entsprechend einem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder niedriger als ein kritischer Druck des Kältemittels ist, übersteigt, schaltet die ECU 8 die Gebläseeinheit 6 aus oder steuert den Betrieb der Gebläseeinheit 6 mit einem minimalen Luftdurchsatz, sodass der Luftdurchsatz zu dem Verdampfapparat 4 gleich oder niedriger als ein vorgegebener Luftdurchsatz wird.

Auf diese Weise kann die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) in dem Verdampfapparat 4 gesteuert werden. Deshalb wird ein Anstieg des Drucks des Niederdruck- Kältemittels auf einen höheren Wert als der kritischen Temperatur entsprechend verhindert.

Obwohl der Temperatursensor 7 in dem Ausführungsbeispiel an einem Kältemitteleingang des Verdampfapparats 4 angeordnet ist, kann er auch an einer anderen Position angeordnet werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird in dem Dampfkompressions-Kühlkreislauf eine Ejektorpumpe 9 als Pumpeinrichtung zum Zirkulieren des Kältemittels zu dem Verdampfapparat 4 verwendet. Nachfolgend wird dieser Dampfkompressions-Kühlkreislauf als ein Ejektorpumpenkreis bezeichnet.

Die Ejektorpumpe enthält im allgemeinen eine Düse, einen Mischabschnitt, einen Diffusor und dergleichen. Die Düse wandelt eine Druckenergie (Druckgefälle) des Hochdruck-Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie (Geschwindigkeitsgefälle) um, wodurch das Kältemittel dekomprimiert und entspannt wird. Der Mischabschnitt saugt das Kältemittel von dem Verdampfapparat 4 durch einen Jetstream des aus der Düse ausgespritzten Kältemittels an und vermischt das aus der Düse gespritzte Kältemittel und das Kältemittel aus dem Verdampfapparat 4. Der Diffusor erhöht den Druck des Kältemittels durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des aus dem Mischabschnitt kommenden Kältemittels in Druckenergie.

In der Ejektorpumpe 9 wird der Druck des Kältemittels in dem Mischabschnitt und dem Diffusor erhöht. Deshalb ist ein Druckerhöhungsabschnitt zum Erhöhen eines Eingangsdrucks des Kompressors 1 aus dem Mischabschnitt und dem Diffuser aufgebaut.

Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Luftdurchsatz zu dem Verdampfapparat 4, wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die vorgegebene Temperatur übersteigt, durch Ausschalten oder Steuern des Betriebs der Gebläseeinheit 6 auf höchstens den vorgegebenen Luftdurchsatz geregelt. Somit wird die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) des Verdampfapparats 4 beschränkt. Demgemäß wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Drittes Ausführungsbeispiel

In dem dritten Ausführungsbeispiel sind in dem Kreislauf ein Nebenkanal 10 und ein Regelventil 11 vorgesehen, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt. Der Nebenkanal ist angeordnet, um eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite des Verdampfapparats 4 zu verbinden, um dadurch das Kältemittel an dem Verdampfapparat 4 vorbei strömen zu lassen. Das Regelventil 11 steuert einen Verbindungszustand in dem Nebenkanal 10.

Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder niedriger als der kritische Druck ist, übersteigt, wird das Regelventil 11 geöffnet, um den Durchsatz des Kältemittels zu dem Verdampfapparat 4 kleiner als denjenigen zu reduzieren, bevor der Druck des Kältemittels in dem Verdampfapparat 4 den vorgegebenen Druck übersteigt.

Auf diese Weise wird die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) in dem Verdampfapparat 4 geregelt. Deshalb wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Fig. 3 zeigt einen Fall, dass das Ausführungsbeispiel auf den Dampfkompressions- Kühlkreislauf mit dem Expansionsventil 3 (nachfolgend als ein Expansionsventilkreis bezeichnet) angewendet ist. Fig. 4 zeigt einen Fall, in dem das Ausführungsbeispiel auf den Ejektorpumpenkreis angewendet ist.

Viertes Ausführungsbeispiel

In dem vierten Ausführungsbeispiel ist der Nebenkanal 10 angeordnet, um den Kältemittelausgang des Kühlers 2 und den Kältemittelausgang des Verdampfapparats 4 zu verbinden, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt.

In dem in Fig. 5 dargestellten Expansionsventilkreis wird das Kältemittel vor seiner Dekompression durch das Expansionsventil 3 durch den Nebenkanal 10 zu dem Kältemittelausgang des Verdampfapparats 4 geleitet, wodurch der Durchsatz des in dem Verdampfapparat 4 strömenden Kältemittels verringert wird. Auch wird das aus dem Kühler 2 ausgegebene Kältemittel durch das Regelventil 11 dekomprimiert, und anschließend wird das Kältemittel zu der Ausgangsseite des Verdampfapparats 4, d. h. zu der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 geleitet.

In dem in Fig. 6 dargestellten Ejektorpumpenkreis wird das aus dem Kühler 2 ausgegebene Kältemittel durch das Regelventil 11 dekomprimiert. Dann wird das Kältemittel zu der Ausgangsseite der Ejektorpumpe 9, die auf der Kältemittelausgangsseite des Verdampfapparats 4 ist, geleitet. Das heißt, das durch das Regelventil 11 dekomprimierte Kältemittel wird zu der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 geleitet.

In dem Ejektorpumpenkreis wird der Durchsatz des in der Ejektorpumpe 9 strömenden Kältemittels durch Öffnen des Regelventils 11 reduziert und hierdurch wird eine Pumpleistung der Ejektorpumpe 9 reduziert. Demgemäß wird der Durchsatz des in dem Verdampfapparat 4 strömenden Kältemittels verringert.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Das fünfte Ausführungsbeispiel ist eine Modifikation des vierten Ausführungsbeispiels. Wie in Fig. 7 und 8 gezeigt, ist ein Kältemittelbehälter 12 zum Speichern des Kältemittels stromab des Regelventils in dem Nebenkanal 10 vorgesehen. Ferner ist ein zweites Regelventil 14 an einer Kältemittelausgangsseite des Kältemittelbehälters 12 als Drosseleinrichtung zum Drosseln der Ausgabe des Kältemittels aus dem Kältemittelbehälter 12 vorgesehen. Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder niedriger als der kritische Druck ist, übersteigt, wird das Regelventil 11 geöffnet und das zweite Regelventil 14 geschlossen.

Hierdurch wird das Kältemittel in dem Kältemittelbehälter 12 gespeichert und das flüssige Kältemittel in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 verdampft vollständig und wird zu einem Heizdampf. Deshalb verringert sich der Durchsatz des Kältemittels in dem Verdampfapparat 4 auf weniger als denjenigen, bevor der Druck des Kältemittels in dem Verdampfapparat 4 den vorgegebenen Druck übersteigt.

Hierbei zeigt Fig. 7 den Expansionsventilkreis, auf den das fünfte Ausführungsbeispiel angewendet ist. Fig. 8 zeigt den Ejektorpumpenkreis, auf den das fünfte Ausführungsbeispiel angewendet ist. Weil in dem fünften Ausführungsbeispiel das Kältemittel in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 zu einem Heizdampf wird, wird der Temperatursensor 7 vorzugsweise auf der Kältemitteleingangsseite des Verdampfapparats 4 angeordnet, wo sich das Kältemittel in dem gasförmigen und dem flüssigen Zustand befindet.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 9 dargestellt, sind in dem Expansionsventilkreis ein Nebenkanal 15 und ein Regelventil 16 vorgesehen. Das aus dem Verdampfapparat 4 ausgegebene Kältemittel wird zu der Eingangsseite des Kompressors 1 geleitet, während es an der Gas/Flüssigkeit- Trennvorrichtung 5 vorbei strömt. Das Regelventil 16 öffnet und schließt einen Kältemittelkanal, durch welchen das aus dem Verdampfapparat 4 kommende Kältemittel zu der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 strömt. Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder geringer als der kritische Druck ist, übersteigt, wird das Regelventil 16 geschlossen.

Hiermit wird ein Anstieg der Menge des in dem Kreislauf zirkulierenden Kältemittels durch weitere Zufuhr des Kältemittels aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 verhindert. Deshalb verringert sich der Durchsatz des in dem Verdampfapparat 4 strömenden Kältemittels im Vergleich zu dem Durchsatz, bevor der Kältemitteldruck den vorgegebenen Druck übersteigt.

Weil auf diese Weise die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) in dem Verdampfapparat 4 geregelt wird, wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Siebtes Ausführungsbeispiel

In dem siebten Ausführungsbeispiel wird das sechste Ausführungsbeispiel auf den Ejektorpumpenkreis angewendet. Insbesondere ist, wie in Fig. 10 dargestellt, eine zweite Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5a in einem Kältemittelkanal vorgesehen, der die Ejektorpumpe 9 und den Verdampfapparat 4 verbindet. Ferner sind ein Nebenkanal 15 und ein Regelventil 16 vorgesehen. Der Nebenkanal 15 ist vorgesehen, um die zweite Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5a zu umgehen. Das aus dem Verdampfapparat 4 ausgegebene Kältemittel wird durch den Nebenkanal 15 zu der Eingangsseite des Kompressors 1 geleitet. Das Regelventil 16 öffnet und schließt einen Kältemittelkanal, durch welchen das aus dem Verdampfapparat 4 kommende Kältemittel zu der zweiten Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5a strömt. Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder geringer als der kritische Druck ist, übersteigt, wird das Regelventil 16 geschlossen.

Hiermit wird ein Anstieg der Menge des in dem Kreislauf zirkulierenden Kältemittels aufgrund einer Kältemittelzufuhr aus der zweiten Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5a verhindert. Deshalb reduziert sich der Durchsatz des Kältemittels in dem Verdampfapparat 4 unter denjenigen, bevor der Kältemitteldruck in dem Verdampfapparat 4 den vorgegebenen Druck übersteigt.

Auf diese Weise wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten, weil die Wärmetauschrate (Wärmeabsorptionsrate) in dem Verdampfapparat 4 geregelt wird.

In dem siebten Ausführungsbeispiel wird das überschüssige Kältemittel in dem Kreislauf hauptsächlich in der zweiten Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5a gespeichert. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 arbeitet als Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung, die das Kältemittel in das gasförmige Kältemittel und das flüssige Kältemittel trennt und das gasförmige Kältemittel und das flüssige Kältemittel dem Kompressor 1 bzw. dem Verdampfapparat 4 zuführt.

Achtes Ausführungsbeispiel

Das achte Ausführungsbeispiel ist eine Modifikation des sechsten Ausführungsbeispiels. Insbesondere ist, wie in Fig. 11 dargestellt, ein Kühlgerät 17 vorgesehen, um die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung durch das Niederdruck-Kältemittel zu kühlen, dessen Temperatur durch seine Dekompression in dem Expansionsventil 3 reduziert ist.

Weil die Temperatur in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 durch das Kühlgerät 17 auf höchstens der kritischen Temperatur gehalten werden kann, wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Neuntes Ausführungsbeispiel

In dem neunten Ausführungsbeispiel ist das achte Ausführungsbeispiel auf den Ejektorpumpenkreis des in Fig. 8 dargestellten fünften Ausführungsbeispiels angewendet. Insbesondere ist, wie in Fig. 12 gezeigt, das Kühlgerät 17 vorgesehen, sodass der Kältemittelbehälter 12 durch das Niederdruck-Kältemittel gekühlt wird, dessen Temperatur durch seine Dekomprimierung in der Ejektorpumpe 9 reduziert ist.

Die Temperatur in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 wird auf höchstens der kritischen Temperatur gehalten. Deshalb wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Zehntes Ausführungsbeispiel

Wie in Fig. 13 dargestellt, ist in dem Ejektorpumpenkreis ein Durchsatzeinstellventil 18 zum Einstellen des Durchsatzes des in den Verdampfapparat 4 strömenden Kältemittels vorgesehen. Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur des Kältemittels die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder niedriger als der kritische Druck ist, übersteigt, wird ein Öffnungsgrad des Durchsatzeinstellventils 18 verringert. Somit wird der Durchsatz des in den Verdampfapparat 4 strömenden Kältemittels kleiner als derjenige reduziert, bevor der Kältemitteldruck in dem Verdampfapparat 4 den vorgegebenen Druck übersteigt. Auf diese Weise kann der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck des Kältemittels gehalten werden.

Obwohl das Durchsatzeinstellventil 18 in Fig. 13 in einem Kältemittelkanal angeordnet ist, der die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 und den Verdampfapparat 4 verbindet, ist die Position des Durchsatzeinstellventils 18 nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Durchsatzeinstellventil 18 in einem Kältemittelkanal angeordnet werden, der die Ejektorpumpe 9 und den Verdampfapparat 4 verbindet.

Elftes Ausführungsbeispiel

In dem elften Ausführungsbeispiel ist in dem Ejektorpumpenkreis ein Öffnungs- und Schließventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kältemittelkanals, der die Ejektorpumpe 9 und die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 verbindet, vorgesehen, wie in Fig. 14 dargestellt. Wenn die durch den Temperatursensor 7 erfasste Temperatur die Sättigungstemperatur entsprechend dem vorgegebenen Druck (zum Beispiel 6 MPa), der gleich oder geringer als der kritische Druck ist, übersteigt, wird das Öffnungs- und Schließventil 19 geschlossen.

Wenn das Öffnungs- und Schließventil 19 geschlossen ist, zirkuliert das Kältemittel in dem Ejektorpumpenkreis durch den Kompressor 1, den Kühler 2, die Düse der Ejektorpumpe 9, den Verdampfapparat 4, die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 und den Kompressor 1 in dieser Reihenfolge. Hierbei arbeitet die Ejektorpumpe 9 einfach als Dekompressionseinrichtung ohne Druckerhöhungsfunktion.

In diesem Kreis wird das Kältemittel mit niedriger Temperatur unmittelbar nach der Dekomprimierung durch die Ejektorpumpe 9 direkt zu dem Verdampfapparat 4 geleitet. Deshalb wird die Temperatur des dem Verdampfapparat 4 zugeführten Kältemittels nicht erhöht. Demgemäß wird ein großer Abfall der Kühlkapazität (Wärmeabsorptionskapazität) des Verdampfapparats 4 verhindert.

Zwölftes Ausführungsbeispiel

In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels indirekt durch Messen der Kältemitteltemperatur mit dem Temperatursensor 7 erfasst. In dem zwölften Ausführungsbeispiel wird jedoch der Druck des Niederdruck-Kältemittels direkt durch einen Drucksensor 7a gemessen, wie in Fig. 15 dargestellt. Hierbei ist die Anordnungsposition des Drucksensors 7a nicht auf die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 5 beschränkt.

Dreizehntes Ausführungsbeispiel

In dem dreizehnten Ausführungsbeispiel ist ein Lufttemperatursensor 7b an einer luftstromaufwärtigen Seite des Verdampfapparats 4 vorgesehen, wie in Fig. 16 dargestellt. Der Lufttemperatursensor 7b misst die Temperatur der in den Verdampfapparat 4 strömenden Luft. Eine maximale Wärmeabsorptionsrate in dem Verdampfapparat 4 wird basierend auf der Luftblasrate und der Temperatur der Luft zu dem Verdampfapparat 4 berechnet. Die Luftblasrate wird derart gesteuert, dass die maximale Wärmeabsorptionsrate gleich oder geringer als ein vorgegebenes Niveau ist. Auf diese Weise wird der Druck des Niederdruck-Kältemittels unter dem kritischen Druck gehalten.

Die maximale Wärmeabsorptionsrate kann basierend auf der beispielsweise durch einen an einer luftstromabwärtigen Seite des Verdampfapparats 4 vorgesehenen Lufttemperatursensor gemessenen Temperatur anstelle der durch den auf der luftstromaufwärtigen Seite des Verdampfapparats 4 vorgesehenen Lufttemperatursensor 7b erfassten Temperatur berechnet werden. Ferner können die durch einen Innenlufttemperatursensor erfasste Temperatur und die durch einen Außenlufttemperatursensor erfasste Temperatur während eines Innenluftmodus bzw. des Außenluftmodus verwendet werden.

Vierzehntes Ausführungsbeispiel

In dem vierzehnten Ausführungsbeispiel ist ein Drucksensor 7c auf der Hochdruckseite in dem Kreislauf vorgesehen, wie in Fig. 17 dargestellt. Der Drucksensor 7c misst den Druck des Hochdruck-Kältemittels.

Der Druck des Niederdruck-Kältemittels wird basierend auf dem durch den Drucksensor 7c erfassten Druck, der Drehzahl des Kompressors 1 und dem Energieverbrauch des Kompressors 1 geschätzt.

Fünfzehntes Ausführungsbeispiel

In dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel wird als der vorgegebene Druck, der gleich oder geringer als der kritische Druck ist, der Druck verwendet, bei dem das Produkt der Verdampfungswärme des Kältemittels und der Dichte des gasförmigen Kältemittels auf einem maximalen Niveau ist.

Fig. 18 zeigt eine Beziehung zwischen dem Produkt der Verdampfungswärme des Kältemittels und der Dichte des gasförmigen Kältemittels und der Sättigungstemperatur des Kältemittels. Wie in Fig. 18 dargestellt, ist das Produkt unmittelbar vor der Sättigungstemperatur auf dem maximalen Niveau. Deshalb wird durch Verwendung des Drucks, bei dem das Produkt auf dem maximalen Niveau ist, als vorgegebener Druck ein großer Abfall der Kühlkapazität verhindert.

Obwohl die vorliegende Erfindung in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen für die Fahrzeugklimaeinheit verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.

Das Kältemittel ist nicht auf Kohlendioxid beschränkt. Andere Kältemittel können verwendet werden, sofern sie eine kritische Temperatur von höchstens 60°C besitzen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch auf anderen Wegen verwirklicht werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Dampfkompressions-Kühlkreislauf zum Übertragen von Wärme von einem Niedertemperatur-Kältemittel zu einem Hochtemperatur-Kältemittel, mit
einem Kompressor (1) zum Komprimieren von Kältemittel;
einem ersten Wärmetauscher (2) zum Kühlen des in dem Kompressor komprimierten Hochdruck-Kältemittels; und
einem zweiten Wärmetauscher (4) zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach seiner Dekomprimierung,
wobei das Kältemittel eine kritische Temperatur von höchstens 60°C besitzt,
wobei ein Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) auf höchstens einen vorgegebenen Druck geregelt wird.

2. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 1, ferner mit einem Regelgerät zum Regeln eines Drucks des Niedertemperatur-Kältemittels derart, dass der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) gleich oder niedriger als der vorgegebene Druck ist.

3. Dampflcompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) auf höchstens einen kritischen Druck des Kältemittels geregelt wird.

4. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) gleich oder niedriger als ein Druck geregelt wird, bei dem ein Produkt der Verdampfungswärme des Kältemittels und der Dichte des gasförmigen Kältemittels auf einem maximalen Niveau ist.

5. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) durch Steuern eines Durchsatzes der durch den zweiten Wärmetauscher (4) strömenden Luft geregelt wird.

6. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 5, bei welchem der Durchsatz der Luft gleich oder niedriger als ein vorgegebener Durchsatz geregelt wird, wenn der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) höher als der vorgegebene Druck ist.

7. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) durch Steuern eines Durchsatzes des zu dem zweiten Wärmetauscher (4) strömenden Kältemittels geregelt wird.

8. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 7, bei welchem der Durchsatz des Kältemittels niedriger als derjenige geregelt wird, bevor der Druck den vorgegebenen Druck übersteigt, wenn der Druck des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) den vorgegebenen Druck übersteigt.

9. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem Dekompressionsgerät (3, 9, 11), welches das aus dem ersten Wärmetauscher (2) ausgegebene Hochtemperatur-Kältemittel dekomprimiert.

10. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 9, bei welchem das Dekompressionsgerät eine Ejektorpumpe (9) aufweist, die eine Düse zum Dekomprimieren des aus dem ersten Wärmetauscher (2) ausgegebenen Kältemittels und einen Druckerhöhungsabschnitt zum Erhöhen des Drucks des Kältemittels durch Umwandeln von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie während des Ansaugens des Kältemittels aus dem zweiten Wärmetauscher (4) enthält.

11. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei welchem das Regelgerät eine elektronische Steuereinheit (8) enthält.

12. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem das Regelgerät ein zum Steuern eines Durchsatzes des Kältemittels in dem zweiten Wärmetauscher (4) angeordnetes Ventil (11, 14, 16, 18) enthält.

13. Dampfkompressions-Kühlkreislauf, mit
einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels;
einem Kühler (2) zum Kühlen des in dem Kompressor (1) komprimierten Hochtemperatur- und Hochdruck-Kältemittels;
einem Niederdruck-Wärmetauscher (4) zum Verdampfen des Niederdruck- und Niedertemperatur-Kältemittels;
einer Ejektorpumpe (9) mit einer Düse zum Dekomprimieren und Entspannen des aus dem Kühler (2) ausgegebenen Kältemittels durch Umwandeln von Druckenergie des Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie und einem Druckerhöhungsabschnitt zum Erhöhen des Drucks des Kältemittels durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie in die Druckenergie während des Mischens des aus der Düse ausgespritzten Kältemittels und des aus dem Niederdruck-Wärmetauscher (4) angesaugten Kältemittels;
einer Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (5) zum Trennen des aus der Ejektorpumpe (9) ausgegebenen Kältemittels in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel, Zuführen des gasförmigen Kältemittels zu einem Eingang des Kompressors (1) und Zuführen des flüssigen Kältemittels zu dem Niederdruck-Wärmetauscher (4); und einem Ventil (19) das an einem Kältemittelkanal vorgesehen ist, der die Ejektorpumpe (9) und die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (5) verbindet,
wobei das Ventil (19) geschlossen wird, wenn ein Druck des Kältemittels in dem Niederdruck-Wärmetauscher (4) höher als ein vorgegebener Druck ist, der gleich oder niedriger als ein kritischer Druck ist.

14. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach Anspruch 13, bei welchem das Kältemittel eine kritische Temperatur von höchstens 60°C besitzt.

15. Dampfkompressions-Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das Kältemittel Kohlendioxid enthält.