DE60320036T2

DE60320036T2 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE60320036T2
Application number: DE60320036T
Authority: DE
Inventors: Katsumi Sakai-shi SAKITANI; Michio Sakai-shi MORIWAKI; Masakazu Sakai-shi OKAMOTO; Eiji Sakai-shi KUMAKURA; Tetsuya Sakai-shi OKAMOTO
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: AU2003296139A1; ATE390606T1; EP1586832B1; US20060059929A1; CN1735779A; DE60320036D1; JP3952951B2; JP2004212006A; ES2300640T3; CN100494817C; EP1586832A1; EP1586832A4; WO2004063642A1; US7434414B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlapparate mit Kühlzyklen und insbesondere auf einen Kühlapparat mit einer Expansionseinrichtung zur Energieerzeugung durch die Expansion des Kältemittels.
STAND DER TECHNIK
Es gibt einen allgemein bekannten Typ von Kühlapparat mit einem Kühlzyklus, in dem Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf umgewälzt wird, bei dem es sich um einen geschlossenen Kreislauf handelt. Solch ein Kühlapparattyp hat als Klimagerät oder anderer, ähnlicher Apparat große Verbreitung gefunden. Der japanische Patentantrag Kokai Veröffentlichungsnr. 2001-107881 offenbart zum Beispiel einen solchen Kühlapparat, in dem der hohe Druck eines Kühlzyklus höher eingestellt ist, als der kritische Druck eines Kältemittels. Als Mechanismus zur Expansion von Kältemittel enthält dieser Kühlapparat eine Expansionseinrichtung, die eine Scroll-Fluidmaschine ist. Und die Expansionseinrichtung ist über eine Welle mit einem Kompressor verbunden, mit der Absicht, eine Verbesserung des Wirkungsgrads zu erzielen, indem die in der Expansionseinrichtung erzeugte Energie für den Antrieb des Kompressors verwendet wird.
In dem im oben erwähnten Patentblatt offenbarten Kühlapparat wird der Massendurchsatz an durch die Expansionseinrichtung strömendem Kältemittel stets gleich wie der Massendurchsatz an Kältemittel, das durch den Kompressor strömt. Dies ergibt sich dadurch, dass der Kältemittelkreislauf ein geschlossener Kreislauf ist. Andererseits variieren sowohl die Kältemitteldichte am Eingang der Expansionseinrichtung als auch die Kältemitteldichte am Eingang des Kompressors abhängig von den Betriebsbedingungen des Kühlapparats. Im Kühlapparat aus dem oben erwähnten Patentblatt sind aber Expansionseinrichtung und Kompressor miteinander gekoppelt, und es ist unmöglich, das Verhältnis zwischen dem Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung und dem Verdrängungsvolumen des Kompressors veränderbar zu machen. Dadurch entsteht ein Problem, so dass ein fortgesetzter stabiler Betrieb des Kühlapparats, wenn sich die Betriebsbedingungen verändern, unmöglich ist.
Zur Bewältigung dieses Problems wird im japanischen Patentantrag Kokai Veröffentlichungsar. 2001-116371 ein Verfahren vorgeschlagen, im Kältemittelkreislauf eine Bypassleitung vorzusehen, die eine Expansionseinrichtung umgeht. Anders ausgedrückt, wenn das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung nicht ausreicht, lässt man einen Teil des Kältemittels, das Wärme abgegeben hat, in die Bypassleitung strömen, um die in Umlaufbefindliche Kältemittelmenge zu gewährleisten, mit der Absicht, eine stabile Fortführung eines Kühlzyklus zu ermöglichen.
In Wirklichkeit jedoch kann das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung abhängig von den Betriebsbedingungen des Kühlapparats zu groß werden. Auch in diesem Fall wird eine Fortsetzung eines stabilen Betriebs des Kühlapparats unmöglich. Eine Abhilfe für dieses Problem wird von Fukuda, Mitsuhiro und zwei anderen in einem Aufsatz mit dem Titel „THEORETICAL PERFORMANCE OF CARBON DIOXIDE CYCLE WITH INCORPORATION OF COMPRESSOR/EXPANDER INTEGRATED TYPE FLUID MACHINERY", 35th Air Conditioning and Refrigeration Combined Lecture Meeting, Lecture Collected Papers, S. 57–60, offenbart. Genauer gesagt wird in diesem Nichtpatentdokument zusätzlich zu einer die Expansionseinrichtung umgehenden Bypassleitung, ein einer Expansionseinrichtung vorgeschaltetes Expansionsventil eingesetzt, um das Problem zu lösen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Kältemittel, das in Richtung der Expansionseinrichtung strömt, vom Expansionsventil entkomprimiert wird. Das heißt, das spezifische Volumen von Kältemittel, das in die Expansionseinrichtung strömt, wird zuvor in der Absicht, eine stabile Fortführung des Kühlzyklus zu ermöglichen, erhöht. US-A-6 484519 offenbart einen Kühlapparat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
PROBLEME, DIE MIT DER ERFINDUNG GELOST WERDEN SOLLEN
Wenn, wie im zuvor erwähnten Nichtpatentdokument, ein Kältemittelkreislauf mit einer Bypassleitung versehen wird, die die Expansionseinrichtung umgeht, und mit einem Expansionsventil, das der Expansionseinrichtung vorgelagert ist, ermöglicht diese Anordnung die Durchführung von Kühlzyklen unter allen Betriebsbedingungen. Das Problem besteht allerdings darin, dass die Energieerzeugung in der Expansionseinrichtung reduziert und somit der Wirkungsgrad des Kühlapparats verschlechtert wird.
Hier wird das oben beschriebene Problem bezugnehmend auf 6 erörtert. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und dem Wirkungsgrad unter der Voraussetzung, dass die Temperatur und der Druck des unter Hochdruck stehenden Kältemittels am Ausgang eines Radiators konstant sind. Nehmen wir an, das gesamte Kältemittel, das den Radiator verlässt, strömt so, wie es ist, in die Expansionseinrichtung. In diesem Fall erhöht sich die Energieerzeugung in der Expansions einrichtung auf ihren Höchstwert und der Wirkungsgrad des Kühlapparats steigt auf das höchstmögliche Niveau. 6 zeigt eine Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad des Kühlapparats und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels in solch einem angenommenen idealen Zustand in Form der Strich-Zweistrichlinie.
Sagen wir, das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung und das des Kompressors werden aufgrund einer Betriebsbedingung (Verdampfungstemperatur des Kältemittels = 0°C) eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt, bei Betriebsbedingungen, bei denen das Kältemittel bei einer Temperatur von 0°C verdampft, strömt das gesamte Kältemittel, das den Radiator verlässt, so wie es ist, in die Expansionseinrichtung, und der Wirkungsgrad des Kühlapparats steigt auf das höchstmögliche Niveau.
Wenn allerdings die Verdampfungstemperatur des Kältemittels auf über 0°C steigt, führt dies zum Anstieg des niederen Drucks des Kühlzyklus. Folglich erhöht sich die Dichte des Kältemittels am Eingang des Kompressors. Dies führt zu einem Zustand, in dem das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung im Verhältnis zu dem des Kompressors zu klein wird und ein Teil des Kältemittels, das den Radiator verlässt, in die Bypassleitung geleitet werden muss. Daher verringert sich die Energieerzeugung in der Expansions einrichtung und der Wirkungsgrad des Kühlapparats verschlechtert sich im Vergleich zum Wert des Idealzustands, wie die durchgezogene Linie in 6 zeigt.
Wenn die Verdampfungstemperatur des Kältemittels andererseits unter 0°C fällt, führt dies zum Absinken des niederen Drucks des Kühlzyklus. Folglich nimmt die Dichte des Kältemittels am Eingang des Kompressors ab. Dies führt zu einem Zustand, in dem das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung im Verhältnis zu dem des Kompressors zu groß wird und Kältemittel, das den Radiator verlässt, nach einer Vorexpansion durch das Expansionsventil in die Expansionseinrichtung geleitet werden muss. Daher verringert sich auch in diesem Fall die Energieerzeugung in der Expansionseinrichtung und der Wirkungsgrad des Kühlapparats verschlechtert sich im Vergleich zum Wert des Idealzustands, wie die durchgezogene Linie in 6 zeigt.
In Anbetracht dieser Probleme mit dem Stand der Technik wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Entsprechend ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Verbesserung des Wirkungsgrads eines Kühlapparats, während der Kühlapparat unter allen Betriebs bedingungen ordnungsgemäß betrieben werden kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist für einen Kühlapparat gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Der Kühlapparat der Erfindung kann ferner so ausgelegt sein, dass, wenn das Steuerventil (41) sich im vollständig geschlossenen Zustand befindet und der hohe Druck des Kühlzyklus unter den festgelegten Zielwert fällt, das Steuermittel (50) den zweiten Kompressor (22) in Betrieb setzt und die Leistung des zweiten Kompressors (22) reguliert, während andererseits, wenn der zweite Kompressor (22) sich im angehaltenen Zustand befindet und der hohe Druck des Kühlzyklus den festgelegten Zielwert übersteigt, das Steuermittel (50) das Steuerventil (41) in den geöffneten Zustand versetzt und die Ventilöffnung des Steuerventils (41) reguliert.
Der Kühlapparat der Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass der Kältemittelkreislauf (10) mit Kohlendioxid als Kältemittel gefüllt ist und dass der hohe Druck des Kühlzyklus, der durch die Umwälzung von Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10) durchgeführt wird, höher eingestellt ist als der kritische Druck von Kohlendioxid.
BETRIEB
In der Erfindung wird Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10) umgewälzt, wobei das Kältemittel wiederholt eine Abfolge von Prozessen (das heißt Verdichtung, Wärmeabgabe, Expansion und Wärmeaufnahme) durchläuft und ein Kühlzyklus durchgeführt wird. Der Prozess der Expansion des Kältemittels wird in der Expansionseinrichtung (23) ausgeführt. Genauer gesagt, in der Expansionseinrichtung (23) dehnt sich unter Hochdruck stehendes Kältemittel nach der Wärmeabgabe aus und aus dem unter Hochdruck stehenden Kältemittel wird Energie zurückgewonnen. Der Prozess der Verdichtung des Kältemittels wird vom ersten Kompressor (21) oder vom zweiten Kompressor (22) ausgeführt. Wenn beide Kompressoren, der erste (21) und der zweite (22) in Betrieb sind, wird ein Teil des Kältemittels nach der Wärmeaufnahme in den ersten Kompressor (21) gesaugt, während andererseits der verbleibende Teil in den zweiten Kompressor (22) gesaugt wird. Der erste Kompressor (21) wird durch Energie, die in der Expansionseinrichtung (23) wiedergewonnen wird, und durch Energie, die vom ersten Elektromotor (31) erzeugt wird, angetrieben und verdichtet das Kältemittel, das dorthinein angesaugt wird. Der zweite Kompressor (22) andererseits wird von Energie angetrieben, die vom zweiten Elektromotor (32) erzeugt wird, und verdichtet das Kältemittel, das dorthinein angesaugt wird.
In der Erfindung ist der erste Kompressor (21) mit der Expansionseinrichtung (23) verbunden. Daher ist der erste Kompressor (21) immer in Betrieb, wenn der Kühlapparat in Betrieb ist. Der zweite Kompressor (22) andererseits, der nicht mit der Expansionseinrichtung (23) verbunden ist, wird vom zweiten Elektromotor (32) angetrieben und seine Leistung ist regulierbar. Während des Betriebs des Kühlapparats wird die Leistung des zweiten Kompressors (22) je nach Bedarf reguliert. Mit anderen Worten: Der zweite Kompressor (22) kann während des Betriebs des Kühlapparats potentiell außer Betrieb sein.
In der Erfindung reguliert das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22). Die Einstellung der Leistung des zweiten Kompressors (22) durch das Steuermittel (50) erfolgt, um den hohen Druck des Kühlzyklus auf einen festgelegten Zielwert zu bringen. Wenn zum Beispiel der hohe Druck des Kühlzyklus höher als der Zielwert ist, verringert das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22). Wenn andererseits der hohe Druck des Kühlzyklus niedriger als der Zielwert ist, erhöht das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22).
In der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf (10) mit dem Bypasskanal (40) und dem Steuerventil (41) ausgestattet. Wenn sich das Steuerventil (41) im geöffneten Zustand befindet, strömt ein Teil des unter Hochdruck stehenden Kältemittels nach der Wärmeabgabe in den Bypasskanal (40) und der Rest strömt in die Expansionseinrichtung (23). Wenn die Ventilöffnung des Steuerventils (41) verändert wird, verändert sich die Menge des in den Bypasskanal (40) einströmenden Kältemittels.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung reguliert das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22) und die Ventilöffnung des Steuerventils (41). Die Steuerung der Kapazität des zweiten Kompressors (22) und die Steuerung der Ventilöffnung des Steuerventils (41) durch das Steuermittel (50) werden durchgeführt, damit der hohe Druck des Kühlzyklus einen festgelegten Zielwert annimmt. Wenn zum Beispiel der hohe Druck des Kühlzyklus größer als der Zielwert ist, verringert das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22) oder erhöht die Ventilöffnung des Steuerventils (41), während andererseits das Steuermittel (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22) erhöht oder die Ventilöffnung des Steuerventils (41) verringert, wenn der hohe Druck des Kühlzyklus kleiner ist als der Zielwert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt das Steuermittel (50) folgenden Arbeitsgang durch: Das heißt, das Steuermittel (50) steuert nur, wenn entweder der zweite Kompressor (22) oder das Steuerventil (41) nicht mehr steuerbar werden, das jeweils andere Bauteil.
Genauer gesagt verringert das Steuermittel (50) die Ventilöffnung des Steuerventils (41) nach und nach, wenn der hohe Druck des Kühlzyklus bei geöffnetem Steuerventil (41) unter den Zielwert sinkt. Und wenn der hohe Druck des Kühlzyklus immer noch niedriger ist als der Zielwert, auch wenn das Steuerventil (41) vollständig geschlossen ist, aktiviert das Steuermittel (50) den zweiten Kompressor (22) und beginnt, die Leistung des zweiten Kompressors (22) zu regulieren.
Wenn andererseits der hohe Druck des Kühlzyklus höher als der Zielwert ist, während der zweite Kompressor (22) in Betrieb ist, verringert das Steuermittel (50) nach und nach die Leistung des zweiten Kompressors (22). Und wenn der hohe Druck des Kühlzyklus immer noch höher ist als der Zielwert, auch wenn der zweite Kompressor (22) angehalten wird, versetzt das Steuermittel (50) das Steuerventil (41) in den geöffneten Zustand und beginnt, die Ventilöffnung des Steuerventils (41) zu regulieren.
Somit wird der zweite Kompressor (22) in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nur betrieben, wenn das Steuerventil (41) sich im vollständig geschlossenen Zustand befindet, und das Steuerventil (41) wird nur geöffnet, wenn der zweite Kompressor (22) außer Betrieb ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im Kältemittelkreislauf (10) Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel verwendet. Dieses Kohlendioxidkältemittel wird im ersten Kompressor (21) oder im zweiten Kompressor (22) bis zu einem Druck verdichtet, der höher ist als sein kritischer Druck. Kohlendioxid mit einem höheren Druck als sein kritischer Druck strömt in die Expansionseinrichtung (23).
BETRIEBSERGEBNIS
Im Kältemittelkreislauf (10) des Kühlapparats der vorliegenden Erfindung ist der zweite Kompressor (22), der nicht mit der Expansionseinrichtung (23) verbunden ist, parallel zum ersten Kompressor (21) angeordnet. Daher ist es, selbst bei Betriebsbedingungen, bei denen das Verdrängungsvolumen des ersten, an die Expansionseinrichtung (23) angeschlossenen Kompressors (21) allein unzureichend wird, möglich, solch einen Mangel an Verdrängungsvolumen dadurch zu kompensieren, dass der zweite Kompressor (22) in Betrieb gesetzt wird, und den Kühlzyklus unter angemessenen Betriebsbedingungen fortzusetzen.
Und selbst unter Betriebsbedingungen, bei denen Kältemittel nach einer Vorexpansion durch ein Expansionsventil oder etwas Ähnliches wie üblicherweise erforderlich in die Expansionseinrichtung (23) geleitet werden muss, ist es möglich, unter Hochdruck stehendes Kältemittel nach Wärmeabgabe in die Expansionseinrichtung (23) einzuführen, ohne dass eine Vorexpansion erforderlich wäre. Die Folge ist, dass der Verlust an in der Expansionseinrichtung (23) erzeugter Energie vermieden wird.
Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, selbst unter Betriebsbedingungen, in denen es üblicherweise keine andere Wahl gibt, als den Wirkungsgrad des Kühlapparats zu verringern, um die Fortsetzung des Kühlzyklus unter angemessenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, den Wirkungsgrad des Kühlapparats auf einem hohen Niveau zu halten, während zugleich die Fortsetzung des Kühlzyklus gewährleistet wird. Daher wird der Kühlapparat gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig von den Betriebsbedingungen auf stabile Weise betrieben, während der Wirkungsgrad des Kühlapparats verbessert wird.
Erfindungsgemäß ist der Kältemittelkreislauf (10) mit dem Bypasskanal (40) und dem Steuerventil (41) ausgestattet. Hier bestehen im Falle von Kompressoren mit veränderlicher Leistung im Allgemeinen Beschränkungen hinsichtlich des Leistungsveränderungsbereichs. Dies kann zu Betriebsbedingungen führen, unter denen es unmöglich ist, den Kühlzyklus lediglich durch Regulierung der Kapazität des zweiten Kompressors (22) unter angemessenen Bedingungen fortzusetzen, abhängig vom Gebrauchsstatus des Kühlapparats. Andererseits wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine stabile Fortsetzung des Kühlzyklus selbst unter solchen Betriebsbedingungen zu erreichen, indem die Einströmgeschwindigkeit des unter Hochdruck stehenden Kältemittels in den Bypasskanal (40) reguliert wird. Zusammenfassend ist festzustellen, dass selbst unter Betriebsbedingungen, unter denen das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) allein nicht ausreicht, um eine erforderliche Umlaufmenge an Kältemittel zu gewährleisten, ein zu geringer Massendurchsatz des Kältemittels durch die Einführung von unter Hochdruck stehendem Kältemittel in den Bypasskanal (40) aufgefangen wird, sodass es möglich ist, die Fortsetzung des Kühlzyklus unter angemessenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß ist es so gestaltet, dass das Steuerventil (41) nur zur Einführung von unter Hochdruck stehendem Kältemittel in den Bypasskanal (40) geöffnet wird, wenn der zweite Kompressor (22) angehalten wurde und seine Leistung nicht mehr geregelt werden kann. Infolge solch einer Auslegung wird es möglich, die Häufigkeit, mit der in einen Betriebszustand gewechselt wird, in dem die in der Expansionseinrichtung (23) erzeugte Energie verringert wird, weil die Einströmmenge des Kältemittels verringert wird, zu minimieren, sodass der Kühlapparat in einem Betriebszustand betrieben werden kann, mit dem der Wirkungsgrad des Kühlapparats so hoch wie möglich gemacht werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Leitungssystemplan, der eine Anordnung eines Kältemittelkreislaufs in einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Mollier-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm), das einen Kühlzyklus im Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform zeigt;
3A ist ein Mollier-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm), das einen Kühlzyklus im Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform während des Betriebsmodus „Raumkühlung" zeigt, wenn die Temperatur der Außenluft sinkt;
3B ist ein Mollier-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm), das einen Kühlzyklus im Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform während des Betriebsmodus „Raumheizung" zeigt, wenn die Temperatur der Außenluft sinkt;
4A ist ein Mollier-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm), das einen Kühlzyklus im Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform während des Betriebsmodus „Raumkühlung" zeigt, wenn die Temperatur der Außenluft steigt;
4B ist ein Mollier-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm), das einen Kühlzyklus im Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform während des Betriebsmodus „Raumheizung" zeigt, wenn die Temperatur der Außenluft steigt;
5 ist ein Leitungssystemplan, der eine Anordnung eines Kältemittelkreislaufs in einer zweiten Ausführungsform zeigt und
6 zeigt eine Beziehung zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und dem Wirkungsgrad eines konventionellen Kühlapparats.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
1. AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 ist eine erste Ausführungsform ein Klimagerät, das von einem Kühlapparat gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Das Klimagerät der ersten Ausführungsform enthält einen Kältemittelkreislauf (10) und ein Steuergerät (50), das ein Steuermittel ist. Und das Klimagerät der vorliegenden Ausführungsform ist so aufgebaut, dass es die Umwälzung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf (10) verursacht und dabei umschaltbar eine Raumkühlung oder eine Raumheizung bereitstellt.
Der Kältemittelkreislauf (10) ist mit Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel gefüllt. Darüber hinaus ist der Kältemittelkreislauf (10) mit einem Innenwärmetauscher (11), einem Außenwärmetauscher (12), einem ersten Vierwege-Schaltventil (13), einem zweiten Vierwege-Schaltventil (14), einem ersten Kompressor (21), einem zweiten Kompressor (22) und einer Expansionseinrichtung (23) ausgestattet.
Der Innenwärmetauscher (11) wird von einem Röhren-Lamellen-Wärmetauscher des sogenannten Querlamellentyps gebildet. Der Innenwärmetauscher (11) wird von einem Gebläse (nicht in der Figur abgebildet) mit Innenluft versorgt. Im Innenwärmetauscher (11) findet ein Wärmeaustausch zwischen der vom Gebläse zugeführten Innenluft und dem Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10) statt. Im Kältemittelkreislauf (10) ist ein Ende des Innenwärmetauschers (11) über Leitungen mit einer ersten Öffnung des ersten Vierwege-Schaltventils (13) und das andere Ende über Leitungen mit einer ersten Öffnung des zweiten Vierwege-Schaltventils (14) verbunden.
Der Außenwärmetauscher (12) wird von einem Röhren-Lamellen-Wärmetauscher des sogenannten Querlamellentyps gebildet. Der Außenwärmetauscher (12) wird von einem Gebläse (nicht in der Figur abgebildet) mit Außenluft versorgt. Im Außenwärmetauscher (12) findet ein Wärmeaustausch zwischen der vom Gebläse zugeführten Außenluft und dem Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10) statt. Im Kältemittelkreislauf (10) ist ein Ende des Außenwärmetauschers (12) über Leitungen mit einer zweiten Öffnung des ersten Vierwege-Schaltventils (13) und das andere Ende über Leitungen mit einer zweiten Öffnung des zweiten Vierwege-Schaltventils (14) verbunden.
Der erste Kompressor (21) und der zweite Kompressor (22) werden beide von Rollkolben-Fluidmaschinen gebildet. Mit anderen Worten: Diese beiden Kompressoren (21, 22) werden von als Verdrängungsverdichter ausgeführten Fluidmaschinen gebildet, deren Verdrängungsvolumen konstant ist. Im Kältemittelkreislauf (10) sind die Druckseiten des ersten und des zweiten Kompressors (21, 22) über Leitungen mit einer dritten Öffnung des ersten Vierwege-Schaltventils (13) und ihre Saugseiten über Leitungen mit einer vierten Öffnung des ersten Vierwege-Schaltventils (13) verbunden. Somit sind der erste Kompressor (21) und der zweite Kompressor (22) im Kältemittelkreislauf (10) parallel zueinander angeschlossen.
Die Expansionseinrichtung (23) wird von einer Rollkolben-Fluidmaschine gebildet. Das heißt, die Expansionseinrichtung (23) wird von einer als Verdrängungsverdichter ausgeführten Fluidmaschine gebildet, deren Verdrängungsvolumen konstant ist. Im Kältemittelkreislauf (10) ist eine Anströmseite der Expansionseinrichtung (23) über Leitungen mit einer dritten Öffnung des zweiten Vierwege-Schaltventils (14) verbunden und ihre Abströmseite über Leitungen mit einer vierten Öffnung des zweiten Vierwege-Schaltventils (14) verbunden.
Die Kompressoren (21, 22) und die Expansionseinrichtung (23) sind nicht auf Rollkolben-Fluidmaschinen beschränkt. Mit anderen Worten: Es können zum Beispiel Scroll-Verdrängungsfluidmaschinen verwendet werden, um die Kompressoren (21, 22) und die Expansionseinrichtung (23) zu bilden.
Der erste Kompressor (21) ist über eine Antriebswelle mit der Expansionseinrichtung (23) und einem ersten Elektromotor (31) verbunden. Der erste Kompressor (21) verfügt über einen Drehantrieb durch die Energie, die durch die Expansion des Kältemittels in der Expansionseinrichtung (23) erzeugt wird, und durch die Energie, die durch das Einschalten des ersten Elektromotors (31) erzeugt wird. Außerdem drehen sich der erste Kompressor (21) und die Expansionseinrichtung (23), die durch die eine Antriebswelle miteinander verbunden sind, mit derselben Drehzahl. Anders gesagt: Das Verhältnis zwischen dem Verdrängungsvolumen des ersten Kompressors (21) und dem Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) ist immer konstant.
Der zweite Kompressor (22) andererseits ist über eine Antriebswelle mit einem zweiten Elektromotor (32) verbunden. Dieser zweite Kompressor (22) verfügt über einen Drehantrieb, der nur von der Energie stammt, die durch das Einschalten des zweiten Elektromotors (32) erzeugt wird. Das heißt, der zweite Kompressor (22) kann mit einer anderen Drehzahl als der des ersten Kompressors (21) und der Expansionseinrichtung (23) betrieben werden.
Der erste Elektromotor (31) und der zweite Elektromotor (32) werden jeweils von einem Umrichter (nicht abgebildet) mit Wechselstrom mit einer festgelegten Frequenz versorgt. Die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der erste Elektromotor (31) versorgt wird, und die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, werden individuell eingestellt.
Wenn die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der erste Elektromotor (31) versorgt wird, verändert wird, verursacht dies eine Veränderung der Drehzahl des ersten Kompressors (21) und der Expansionseinrichtung (23) und somit eine Veränderung des Verdrängungsvolumens des ersten Kompressors (21) und der Expansionseinrichtung (23). Das heißt, die Leistung des ersten Kompressors (21) und der Expansionseinrichtung (23) ist veränderbar. Wenn andererseits die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, verändert wird, verursacht dies eine Veränderung der Drehzahl des zweiten Kompressors (22) und somit eine Veränderung des Verdrängungsvolumens des zweiten Kompressors (22). Das heißt, die Leistung des zweiten Kompressors (22) ist veränderbar.
Wie oben beschrieben sind die erste bis vierte Öffnung des ersten Vierwege-Schaltventils (13) in dieser Reihenfolge mit dem Innenwärmetauscher (11), dem Außenwärmetauscher (12), den Druckseiten des ersten und zweiten Kompressors (21, 22) und den Saugseiten des ersten und zweiten Kompressors (21, 22) verbunden. Das erste Vierwege-Schaltventil (13) kann zwischen einem ersten Zustand, der einen Fluidaustausch zwischen der ersten und der vierten Öffnung und einen Fluidaustausch zwischen der zweiten und der dritten Öffnung ermöglicht (wie in 1 mit der durchgezogenen Linie dargestellt), und einem zweiten Zustand, der einen Fluidaustausch zwischen der ersten und der dritten Öffnung und einen Fluidaustausch zwischen der zweiten und der vierten Öffnung ermöglicht (wie in 1 mit der unterbrochenen Linie dargestellt), geschaltet werden.
Die erste bis vierte Öffnung des zweiten Vierwege-Schaltventils (14) andererseits sind in dieser Reihenfolge mit dem Innenwärmetauscher (11), dem Außenwärmetauscher (12), der Anströmseite der Expansionseinrichtung (23) und der Abströmseite der Expansionseinrichtung (23) verbunden. Das zweite Vierwege-Schaltventil (14) kann zwischen einem ersten Zustand, der einen Fluidaustausch zwischen der ersten und der vierten Öffnung und einen Fluidaustausch zwischen der zweiten und der dritten Öffnung ermöglicht (wie in 1 mit der durchgezogenen Linie dargestellt), und einem zweiten Zustand, der einen Fluidaustausch zwischen der ersten und der dritten Öffnung und einen Fluidaustausch zwischen der zweiten und der vierten Öffnung ermöglicht (wie in 1 mit der unterbrochenen Linie dargestellt), geschaltet werden.
Der Kältemittelkreislauf (10) enthält ferner eine Bypassleitung (40). Ein Ende der Bypass-Leitung (40) ist zwischen der Anströmseite der Expansionseinrichtung (23) und dem zweiten Vierwege-Schaltventil (14) angeschlossen, und das andere Ende davon ist zwischen der Abströmseite der Expansionseinrichtung (23) und dem zweiten Vierwege-Schaltventil (14) angeschlossen. Mit anderen Worten: Die Bypassleitung (40) stellt einen Bypasskanal dar, der eine Fluidverbindung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Expansionseinrichtung (23) herstellt.
Die Bypassleitung (40) ist mit einem Bypassventil (41) ausgestattet, das ein Steuerventil ist. Das Bypassventil (41) wird von einem sogenannten elektronischen Expansionsventil gebildet, wobei die Ventilöffnung des Bypassventils (41) verändert werden kann, indem seine Nadel mit einem Schrittmotor oder etwas Ähnlichem gedreht wird. Wenn die Ventilöffnung des Bypassventils (41) verändert wird, verändert sich der Durchsatz des durch die Bypassleitung (40) strömenden Kältemittels. Außerdem erreicht die Bypassleitung (40) den gesperrten Zustand, wenn das Bypassventil (41) in der vollständig geschlossenen Position ist. Die Folge ist, dass das gesamte unter Hochdruck stehende Kältemittel in die Expansionseinrichtung (23) befördert wird.
Das Steuergerät (50) ist so konfiguriert, dass es die Leistung des zweiten Kompressors (22) und den Kältemitteldurchsatz in der Bypassleitung (40) reguliert, damit der hohe Druck des Kühlzyklus einen festgelegten Zielwert annehmen kann. Genauer gesagt, das Steuergerät (50) reguliert die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, und die Ventilöffnung des Bypassventils (41). Außerdem steuert das Steuergerät (50) auch die Leistung des ersten Kompressors (21), indem es die Frequenz des Wechselstroms reguliert, mit dem der erste Elektromotor (31) versorgt wird.
BETRIEBSMODI
Bezugnehmend auf die 1 und 2 werden Raumkühlung und -heizung durch das Klimagerät der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Punkt A, Punkt B, Punkt C und Punkt D in der Beschreibung entsprechen in dieser Reihenfolge Punkt A, Punkt B, Punkt C und Punkt D, wie sie in einem Mollier-Diagramm in 2 abgebildet sind. Außerdem werden hier die Vorgänge, wenn der zweite Kompressor (22) angehalten ist und das Bypassventil (41) vollständig geschlossen ist, beschrieben. Diese Vorgänge in solch einem Zustand finden unter Betriebsbedingungen statt, in denen das Verhältnis des spezifischen Volumens des Kältemittels am Ausgang eines Verdampfers zum spezifischen Volumen des Kältemittels am Ausgang eines Radiators mit dem Verhältnis des Verdrängungsvolumens des ersten Kompressors (21) zum Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) übereinstimmt.
KÜHLBETRIEB
Im Kühlbetrieb schalten das erste Vierwege-Schaltventil (13) und das zweite Vierwege-Schaltventil (14) jeweils in den Zustand (der in 1 mit der durchgezogenen Linie angezeigt wird). Wenn in diesem Zustand der erste Elektromotor (31) eingeschaltet wird, führt dies zur Umwälzung von Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10), wodurch ein Kühlzyklus durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt funktioniert der Außenwärmetauscher (12) als Radiator, während andererseits der Innenwärmetauscher (11) als Verdampfer funktioniert. p_h (der hohe Druck des Kühlzyklus) ist höher eingestellt als p_k (der kritische Druck von Kohlendioxid als Kältemittel) (siehe 2).
Unter Hochdruck stehendes Kältemittel in einem Zustand von Punkt A wird aus dem ersten Kompressor (21) ausgestoßen. Dieses unter Hochdruck stehende Kältemittel strömt über das erste Vierwege-Schaltventil (13) in den Außenwärmetauscher (12). Im Außenwärmetauscher (12) führt das unter Hochdruck stehende Kältemittel Wärme an die Außenluft ab, seine Enthalpie sinkt, ohne dass sich sein Druck verändert (d. h. sein Druck bleibt auf einem Niveau von p_h), und sein Zustand wechselt auf Punkt B.
Aus dem Außenwärmetauscher (12) kommendes unter Hochdruck stehendes Kältemittel strömt über das zweite Vierwege-Schaltventil (14) in die Expansionseinrichtung (23). In der Expansionseinrichtung (23) dehnt sich das dorthin eingeführte Kältemittel aus und die innere Energie des unter Hochdruck stehenden Kältemittels wird in Rotationsenergie umgewandelt. Infolge der Expansion in der Expansionseinrichtung (23) sinkt der Druck und die Enthalpie des unter Hochdruck stehenden Kältemittels und sein Zustand wechselt auf Punkt C. Das heißt, der Druck des Kältemittels fällt durch das Durchlaufen der Expansionseinrichtung (23) von p_h auf p_n ab.
Aus der Expansionseinrichtung (23) kommendes unter Niederdruck stehendes Kältemittel mit einem Druckniveau von p_n strömt über das zweite Vierwege-Schaltventil (14) in den Innenwärmetauscher (11). Im Innenwärmetauscher (11) nimmt das unter Niederdruck stehende Kältemittel Wärme aus der Innenluft auf, seine Enthalpie steigt, ohne dass sich sein Druck verändert (d. h. sein Druck bleibt auf dem Niveau von p_n) und sein Zustand wechselt auf Punkt D. Außerdem wird im Innenwärmetauscher (11) Innenluft durch unter Niederdruck stehendes Kältemittel gekühlt und die so gekühlte Innenluft in den Innenraum zurückbefördert.
Aus dem Innenwärmetauscher (11) kommendes unter Niederdruck stehendes Kältemittel wird über das erste Vierwege-Schaltventil (13) vom ersten Kompressor (21) angesaugt. Das in den ersten Kompressor (21) gesaugte Kältemittel wird bis auf ein Druckniveau von p_h verdichtet, sein Zustand wechselt auf Punkt A, und es wird vom ersten Kompressor (21) ausgestoßen.
HEIZBETRIEB
Im Heizbetrieb schalten das erste Vierwege-Schaltventil (13) und das zweite Vierwege-Schaltventil (14) jeweils in den Zustand (der in 1 mit der durchgezogenen Linie angezeigt wird). Wenn in diesem Zustand der erste Elektromotor (31) eingeschaltet wird, führt dies zur Umwälzung von Kältemittel im Kältemittelkreislauf (10), wodurch ein Kühlzyklus durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt funktioniert der Innenwärmetauscher (11) als Radiator, während andererseits der Außenwärmetauscher (12) als Verdampfer funktioniert. Außerdem ist der hohe Druck des Kühlzyklus (p_h) höher eingestellt der kritische Druck von Kohlendioxid als Kältemittel (p_k), wie im Kühlbetrieb (siehe 2).
Unter Hochdruck stehendes Kältemittel in einem Zustand von Punkt A wird aus dem ersten Kompressor (21) ausgestoßen. Dieses unter Hochdruck stehende Kältemittel strömt über das erste Vierwege-Schaltventil (13) in den Innenwärmetauscher (11). Im Innenwärmetauscher (11) führt das unter Hochdruck stehende Kältemittel Wärme an die Innenluft ab, seine Enthalpie sinkt, ohne dass sich sein Druck verändert (d. h. sein Druck bleibt auf einem Niveau von p_h), und sein Zustand wechselt auf Punkt B. Außerdem wird im Innenwärmetauscher (11) Innenluft durch unter Hochdruck stehendes Kältemittel aufgeheizt. Die so aufgeheizte Innenluft wird in den Innenraum zurückbefördert.
Aus dem Innenwärmetauscher (11) kommendes unter Hochdruck stehendes Kältemittel strömt über das zweite Vierwege-Schaltventil (14) in die Expansionseinrichtung (23). In der Expansionseinrichtung (23) dehnt sich das dorthin eingeführte Kältemittel aus und die innere Energie des unter Hochdruck stehenden Kältemittels wird in Rotationsenergie umgewandelt. Infolge der Expansion in der Expansionseinrichtung (23) sinkt der Druck und die Enthalpie des unter Hochdruck stehenden Kältemittels und sein Zustand wechselt auf Punkt C. Das heißt, der Druck des Kältemittels fällt durch das Durchlaufen der Expansionseinrichtung (23) von p_h auf p_n ab.
Aus der Expansionseinrichtung (23) kommendes unter Niederdruck stehendes Kältemittel mit einem Druckniveau von p_n strömt über das zweite Vierwege-Schaltventil (14) in den Außenwärmetauscher (12). Im Außenwärmetauscher (12) nimmt das unter Niederdruck stehende Kältemittel Wärme aus der Außenluft auf, seine Enthalpie steigt, ohne dass sich sein Druck verändert (d. h. sein Druck bleibt auf dem Niveau von p_n) und sein Zustand wechselt auf Punkt D.
Aus dem Außenwärmetauscher (12) kommendes unter Niederdruck stehendes Kältemittel wird über das erste Vierwege-Schaltventil (13) vom ersten Kompressor (21) angesaugt. Das in den ersten Kompressor (21) gesaugte Kältemittel wird bis auf ein Druckniveau von _Ph verdichtet, sein Zustand wechselt auf Punkt A, und es wird vom ersten Kompressor (21) ausgestoßen.
FUNKTION DES STEUERGERÄTS
Das Steuergerät (50) reguliert die Leistung des zweiten Kompressors (22) und den Durchsatz des Kältemittels in der Bypassleitung (40), damit der hohe Druck des Kühlzyklus (p_h) einen festgelegten Zielwert annehmen kann.
Dem Steuergerät (50) werden ein Messwert des niederen Drucks des Kühlzyklus (p_n) und ein Messwert der Kältemitteltemperatur (T) am Ausgang des als Radiator dienenden Außenwärmetauschers (12) oder am Ausgang des als Radiator dienenden Innenwärmetauschers (11) übermittelt. Außerdem wird dem Steuergerät (50) ein Messwert des hohen Drucks des Kühlzyklus (p_h) übermittelt. Darüber hinaus reguliert das Steuergerät (50) die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, und die Ventilöffnung des Bypassventils (41), damit der Messwert des hohen Drucks des Kühlzyklus (p_h) einen festgelegten Zielwert annehmen kann.
FESTLEGUNG DES ZIELWERTS
Basierend auf den eingegebenen Messwerten, d. h. einem Messwert des niederen Drucks (p_n) und einem Messwert der Kältemitteltemperatur (T), legt das Steuergerät (50) als Zielwert einen optimalen Wert für den hohen Druck des Kühlzyklus fest. Dazu errechnet das Steuergerät (50) unter Verwendung von zuvor gespeicherten Korrelationsgleichungen, Tabellen numerischer Daten oder Ähnlichem einen optimalen Wert für den hohen Druck des Kühlzyklus, d. h. einen Wert für den hohen Druck, mit dem der Wirkungsgrad des Kühlzyklus maximiert werden kann, und nimmt das Ergebnis als Zielwert. Daraufhin vergleicht das Steuergerät (50) einen eingegebenen Messwert des hohen Drucks (p_h) mit dem festgelegten Zielwert und führt dem Vergleichsergebnis entsprechend folgende Arbeitsschritte durch.
MESSWERT DES HOHEN DRUCKS p_h = ZIELWERT
Wenn ein Messwert des hohen Drucks p_h mit dem Zielwert übereinstimmt, muss weder die Leistung des zweiten Kompressors (22) noch der Durchsatz des Kältemittels in der Bypassleitung (40) verändert werden. Daher steuert das Steuergerät (50) die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, und die Ventilöffnung des Bypassventils (41) so, dass sie unverändert bleiben. Mit anderen Worten: Wenn der zweite Kompressor (22) außer Betrieb ist, wird er außer Betrieb belassen. Und wenn das Bypassventil (41) vollständig geschlossen ist, wird das Bypassventil (41) weiterhin im vollständig geschlossenen Zustand belassen.
MESSWERT DES HOHEN DRUCKS p_h > ZIELWERT
Wenn in einem bestimmten Betriebszustand sowohl der erste Kompressor (21) als auch der zweite Kompressor (22) in Betrieb sind, wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) größer ist als der Zielwert, kann entschieden werden, dass die Gesamtsumme des Verdrängungsvolumens des ersten Kompressors (21) und des Verdrängungsvolumens des zweiten Kompressors (22) zu groß ist. Basierend auf solch einer Entscheidung verringert das Steuergerät (50) die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, und verringert die Drehzahl des zweiten Kompressors (22), um dadurch das Verdrängungsvolumen des zweiten Kompressors (22) zu verkleinern. Das heißt, das Steuergerät (50) reduziert die Leistung des zweiten Kompressors (22).
Wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) selbst dann größer ist als der Zielwert, wenn der zweite Kompressor (22) angehalten wird, kann entschieden werden, dass das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) zu klein ist. Um dem Abhilfe zu schaffen, versetzt das Steuergerät (50) das Bypassventil (41) in den geöffneten Zustand, um Kältemittel in die Expansionseinrichtung (23) und in die Bypassleitung (40) einzuführen. Das heißt, Kältemittel strömt nicht nur durch die Expansionseinrichtung (23), sondern auch durch die Bypassleitung (40), wodurch die Kältemittelumlaufmenge gewährleistet wird.
MESSWERT DES HOHEN DRUCKS P_h < ZIELWERT
Wenn in einem bestimmten Betriebszustand der zweite Kompressor (22) außer Betrieb ist, während sich das Bypassventil (41) im geöffneten Zustand befindet, wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) unter den Zielwert sinkt, kann entschieden werden, dass die Gesamtsumme des Kältemitteldurchsatzes in der Expansionseinrichtung (23) und in der Bypassleitung (40) zu groß ist. Um dem Abhilfe zu schaffen, verringert das Steuergerät (50) die Ventilöffnung des Bypassventils (41), um den Kältemitteldurchsatz in der Bypassleitung (40) zu verringern.
Wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) selbst dann unter den Zielwert sinkt, wenn das Bypassventil (41) in eine vollständig geschlossene Position gebracht wird, kann entschieden werden, dass das Verdrängungsvolumen des ersten Kompressors (21) zu klein ist. Daher beginnt das Steuergerät (50) in diesem Fall, den zweiten Elektromotor (32) mit Energie zu versorgen, um den zweiten Kompressor (22) einzuschalten. Danach erhöht oder verringert das Steuergerät (50) die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der zweite Elektromotor (32) versorgt wird, je nach Bedarf, wodurch die Drehzahl des zweiten Kompressors (22) verändert wird. Auf diese Weise wird das Verdrängungsvolumen des zweiten Kompressors (22) reguliert. Zusammenfassend ist festzustellen, dass das Steuergerät (50) die Leistung des zweiten Kompressors (22) steuert.
Wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) selbst dann unter den Zielwert sinkt, wenn die Drehzahl des zweiten Kompressors (22) auf einen Höchstwert gesteigert wird (d. h. wenn die Leistung des zweiten Kompressors (22) auf ein Maximum erhöht wird), kann entschieden werden, dass das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) zu goß ist. Daher verringert das Steuergerät (50) in diesem Fall die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der erste Elektromotor (31) versorgt wird, wodurch die Drehzahl der Expansionseinrichtung (23) verringert wird. Auf dieses Weise wird das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) verkleinert.
EFFEKTE DER ERSTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Klimagerät der ersten Ausführungsform ist im Kältemittelkreislauf (10) der zweite Kompressor (22), der nicht mit der Expansionseinrichtung (23) verbunden ist, parallel zum ersten Kompressor (21) angeordnet. Wegen dieser Anordnung ist es möglich, selbst unter Betriebsbedingungen, bei denen das Verdrängungsvolumen des mit der Expansionseinrichtung (23) verbundenen ersten Kompressors (21) allein unzureichend wird, solch einen Mangel an Verdrängungsvolumen dadurch zu beheben, dass der zweite Kompressor (22) in Betrieb gesetzt wird, und der Kühlzyklus wird unter angemessenen Betriebsbedingungen fortgesetzt.
Hier stellen wir uns vor, die Temperatur der Außenluft sinkt unter Betriebsbedingungen, bei denen ein Messwert des hohen Drucks (p_h) mit dem Zielwert übereinstimmt, wenn im Klimagerät der zweite Kompressor (22) außer Betrieb und das Bypassventil (41) geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt wechselt das Kältemittel am Ausgang des Außen wärmetauschers (12) (der als Radiator dient) wie in 3A abgebildet seinen Zustand von Punkt B auf Punkt B', wenn sich das Klimagerät im Betriebsmodus „Raumkühlung" befindet. Mit anderen Worten: Die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Außenwärmetauschers (12) sinkt und führt dazu, dass sich das spezifische Volumen des Kältemittels verringert. Wenn sich das Klimagerät andererseits im Betriebsmodus „Raumheizung" befindet, sinkt der Druck des Kältemittels im Außenwärmetauscher (12) (der als Verdampfer dient) von p_n auf p_n', wie in 3B abgebildet. Das heißt, der niedere Druck des Kältezyklus sinkt und führt dazu, dass sich das spezifische Volumen des Kältemittels am Ausgang des Außenwärmetauschers (12) erhöht.
Wenn die Temperatur der Außenluft wie oben beschrieben sinkt, muss ein konventionelles Klimagerät ohne den zweiten Kompressor (22) das Verdrängungsvolumen auf der Kompressorseite und das Verdrängungsvolumen auf der Expansionseinrichtungsseite in Einklang bringen, indem Kältemittel in die Expansionseinrichtung (23) eingeführt wird, dessen spezifisches Volumen durch eine Expansion in einem der Expansionseinrichtung (23) vorgeschalteten Expansionsventil zuvor erhöht wurde.
In der vorliegenden Ausführungsform andererseits wird das Verdrängungsvolumen der Kompressorseite mit dem Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtungsseite dadurch in Einklang gebracht, dass sowohl der erste Kompressor (21) als auch der zweite Kompressor (22) betrieben werden. Deshalb kann, wenn das Klimagerät sich im Betriebsmodus „Raumkühlung” befindet, ein Kühlzyklus, wie er mit der durchgezogenen Linie in 3A angezeigt wird, durchgeführt werden, indem auf intakte Weise Kältemittel im Zustand von Punkt B' in die Expansionseinrichtung (23) eingeführt wird, wie in 3A abgebildet. Wenn sich das Klimagerät andererseits im Betriebsmodus „Raumheizung" befindet, kann ein Kühlzyklus, wie er mit der durchgezogenen Linie in 3B angezeigt wird, durchgeführt werden, indem auf intakte Weise Kältemittel im Zustand von Punkt B in die Expansionseinrichtung (23) eingeführt wird, wie in 3B abgebildet.
Zusammenfassend ist festzustellen: Selbst unter Betriebsbedingungen, bei denen Kältemittel nach einer Vorexpansion durch ein Expansionsventil oder etwas Ähnliches wie üblicherweise erforderlich in die Expansionseinrichtung (23) geleitet werden muss, ist es möglich, unter Hochdruck stehendes Kältemittel nach Wärmeabgabe in die Expansionseinrichtung (23) einzuführen, ohne dass eine Vorexpansion erforderlich wäre. Die Folge ist, dass der Verlust an in der Expansionseinrichtung (23) erzeugter Energie vermieden wird. Entsprechend ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Durchführung eines stabilen Kühlzyklusbetriebs unabhängig von Betriebsbedingungen möglich, sodass der Wirkungsgrad des Klimageräts verbessert werden kann.
Stellen wir uns andererseits vor, die Temperatur der Außenluft steigt unter Betriebsbedingungen, bei denen ein Messwert des hohen Drucks (p_h) mit dem Zielwert übereinstimmt, wenn im Klimagerät der zweite Kompressor (22) außer Betrieb und das Bypassventil (41) geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt wechselt das Kältemittel am Ausgang des Außenwärmetauschers (12) (der als Radiator dient) wie in 4A abgebildet seinen Zustand von Punkt B auf Punkt B', wenn sich das Klimagerät im Betriebsmodus „Raumkühlung" befindet. Mit anderen Worten: Die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Außenwärmetauschers (12) steigt und führt dazu, dass sich das spezifische Volumen des Kältemittels erhöht. Wenn sich das Klimagerät andererseits im Betriebsmodus „Raumheizung" befindet, steigt der Druck des Kältemittels im Außenwärmetauscher (12) (der als Verdampfer dient) von p_n auf p_n', wie in 4B abgebildet. Das heißt, der niedere Druck des Kältezyklus steigt und führt dazu, dass sich das spezifische Volumen des Kältemittels am Ausgang des Außenwärmetauschers (12) verringert.
Wenn die Temperatur der Außenluft wie oben beschrieben steigt, wird in der vorliegenden Ausführungsform das Bypassventil (41) in den geöffneten Zustand versetzt, um Kältemittel auch in die Bypassleitung (40) einzuführen, um den Volumendurchsatz der Kompressionsseite mit dem Volumendurchsatz der Expansionsseite in Einklang zu bringen. Und wenn das Klimagerät sich im Betriebsmodus „Raumkühlung" befindet, kann Kältemittel im Zustand von Punkt C' über die Expansionseinrichtung (23) und Kältemittel im Zustand von Punkt E über das Bypassventil (41) in den Innenwärmetauscher (11) strömen, der als Verdampfer dient, wie in 4A abgebildet. Außerdem kann Kältemittel im Zustand von Punkt C', wenn das Klimagerät sich im Betriebsmodus „Raumheizung" befindet, über die Expansionseinrichtung (23) und Kältemittel im Zustand von Punkt E über das Bypassventil (41) in den Außenwärmetauscher (12) strömen, der als Verdampfer dient, wie in 4B abgebildet.
Entsprechend wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform selbst unter Betriebsbedingungen, bei denen das Verdrängungsvolumen der Expansionseinrichtung (23) allein nicht ausreicht, um eine erforderliche Umlaufmenge an Kältemittel zu gewährleisten, ein zu geringer Kältemitteldurchsatz durch die Einführung von unter Hochdruck stehendem Kältemittel in die Bypassleitung (40) aufgefangen, sodass es möglich ist, die Fortsetzung des Kühlzyklus unter angemessenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Es ist wahr, dass die Menge des unter Hochdruck stehenden Kältemittels, das in die Expansionseinrichtung (23) strömt, wenn ein Teil des unter Hochdruck stehenden Kältemittels in die Bypassleitung (40) eingeführt wird, um einen entsprechenden Betrag verringert wird, was zu einer Verringerung der in der Expansionseinrichtung (23) erzeugten Energie führt. Beim Entwurf von Klimageräten allerdings sind Kompressoren und Expansionseinrichtungen (23) im Allgemeinen so ausgelegt, dass unter den am häufigsten auftretenden Betriebsbedingungen ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird, und die Häufigkeit von Betriebsbedingungen, die eine Einführung von Kältemittel in die Bypassleitung (40) erforderlich machen, ist nicht besonders hoch. Und wenn versucht wird, auf solche selten vorkommenden Betriebsbedingungen zu reagieren, indem die Leistung des zweiten Kompressors (22) gesteuert wird, führt dies eher dazu, dass der Wirkungsgrad des Klimageräts unter häufig auftretenden Betriebsbedingungen abfällt, zum Beispiel wegen des Energieverlusts in den Elektromotoren (31, 32).
Entsprechend werden Kühlzyklen gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch die Einführung von Kältemittel in die Bypassleitung (40) unter bestimmten selten vorkommenden Betriebsbedingungen fortgeführt und die Benutzbarkeit des Klimageräts wird auf einem hohen Niveau gehalten, während andererseits durch die Einführung von unter Hochdruck stehendem Kältemittel in die Expansionseinrichtung (23) unter häufig vorkommenden normalen Betriebsbedingungen hohe Wirkungsgrade erzielt werden.
2. AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Ausführungsform, bei der der Kältemittelkreislauf (10) und das Steuergerät (50) der ersten Ausführungsform anders gestaltet sind. Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen der vorliegenden Ausführungsform und der ersten Ausführungsform beschrieben.
Wie in 5 abgebildet, fallen im Kältemittelkreislauf (10) der vorliegenden Ausführungsform die Bypassleitung (40) und das Bypassventil (41) weg. Entsprechend ist das Steuergerät (50) der vorliegenden Ausführungsform so gestaltet, dass es nur die Leistung des ersten und des zweiten Kompressors (21, 22) reguliert. Mit anderen Worten: Wenn ein Messwert des hohen Drucks (p_h) den Zielwert übersteigt, verringert das Steuergerät (50) die Drehzahl des zweiten Elektromotors (32), um damit die Leistung des zweiten Kompressors (22) zu verringern. Wenn andererseits ein Messwert des hohen Drucks (p_h) unter den Zielwert sinkt, erhöht das Steuergerät (50) die Drehzahl des zweiten Elektromotors (32), um damit die Leistung des zweiten Kompressors (22) zu erhöhen.
Wenn zum Beispiel der Bereich der Betriebsbedingungen, denen das Klimagerät ausgesetzt werden soll, nicht sehr breit ist oder wenn die Leistung des zweiten Kompressors (22) stark regulierbar ist, während der zweite Kompressor einen hohen Wirkungsgrad beibehält, können die Bypassleitung (40) und das Bypassventil (41) wegfallen.
GEWERBLICHE VERWERTBARKEIT
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung für Kühlapparate nützlich, die mit Expansionseinrichtungen ausgestattet sind.

Claims

Kühlapparat, der einen Kühlzyklus durchführt, indem Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf (10) umgewälzt wird, umfassend: eine Expansionseinrichtung (23), die in besagtem Kältemittelkreislauf (10) angeordnet ist, zur Erzeugung von Energie durch die Ausdehnung von unter Hochdruck stehendem Kältemittel; einen ersten Kompressor (21), der in besagtem Kältemittelkreislauf (10) angeordnet und mit einem ersten Elektromotor (31) und besagter Expansionseinrichtung (23) verbunden ist, zur Verdichtung von Kältemittel, wenn er durch in besagtem ersten Elektromotor (31) und in besagter Expansionseinrichtung (23) erzeugte Energie angetrieben wird; einen zweiten Kompressor (22) mit veränderlicher Leistung, der in besagtem Kältemittelkreislauf (10) parallel zu besagtem ersten Kompressor (21) angeordnet und mit einem zweiten Elektromotor (32) verbunden ist, zur Verdichtung von Kältemittel, wenn er durch in besagtem zweiten Elektromotor (32) erzeugte Energie angetrieben wird; und dadurch gekennzeichnet, dass: er einen Bypasskanal (40) zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen einer Eingangs- und Ausgangsseiten von besagter Expansionseinrichtung (23) in besagtem Kältemittelkreislauf (10) enthält; ein Steuerventil (41) zur Regulierung des Kältemitteldurchsatzes in besagtem Bypasskanal (40) und ein Steuermittel (50) zur Regulierung der Leistung von besagtem zweiten Kompressor (22) und der Ventilöffnung von besagtem Steuerventil (41), sodass der hohe Druck von besagtem Kühlzyklus einen festgelegten Zielwert annimmt.
Kühlapparat aus Anspruch 1, wobei besagter Kühlapparat so gestaltet ist, dass: wenn sich besagtes Steuerventil (41) im vollständig geschlossenen Zustand befindet und der hohe Druck von besagtem Kühlzyklus unter den festgelegten Zielwert sinkt, besagtes Steuermittel (50) den besagten zweiten Kompressor (22) in Betrieb setzt und die Leistung von besagtem zweiten Kompressor (22) reguliert und wenn besagter zweiter Kompressor (22) außer Betrieb ist und der hohe Druck von besagtem Kühlzyklus den festgelegten Zielwert übersteigt, besagtes Steuermittel (50) das besagte Steuerventil (41) in den geöffneten Zustand versetzt und die Ventilöffnung von besagtem Steuerventil (41) reguliert.
Kühlapparat aus Anspruch 1, wobei der besagte Kältemittelkreislauf (10) mit Kohlendioxid als Kältemittel gefüllt ist und der hohe Druck von besagtem Kühlzyklus, der durch das Umwälzen von Kältemittel in besagtem Kältemittelkreislauf (10) durchgeführt wird, höher eingestellt ist als der kritische Druck von Kohlendioxid.