DE102005026406A1

DE102005026406A1 - Druckregelventil und Dampfkompressionskühlkreissystem mit diesem

Info

Publication number: DE102005026406A1
Application number: DE102005026406A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Kariya Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2005-12-29
Also published as: JP2005351529A; US7607315B2; US20050274132A1; JP4179231B2

Abstract

Ein Druckregelventil enthält einen Ventilabschnitt, der in einem Kanal von einem Kältmittelkühler (3) zu einem Sauganschluss eines Kältemittelkompressors (1) in einem Dampfkomperessionskühlkreissystems angeordnet ist. Der Ventilabschnitt steuert einen Kältemitteldruck an einem Auslass des Kältemittelkühlers entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers, und der Ventilabschnitt hat eine Steuerdruckkennlinie, bei der eine Druckänderung relativ zu einer Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist. Außerdem kann der Ventilabschnitt einen Fluidkanal (22a, 23b) haben, durch den das Kältemittel strömt, selbst wenn eine Ventilöffnung (23a) des Ventilabschnitts durch einen Ventilkörper (24) geschlossen ist. Demgemäß kann, wenn der Kältemittelkühler zum Heizen eines Fluids verwendet wird, eine Heizleistung zum Heizen des Fluids zu einer Heizstartzeit schnell erhöht werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil zum Steuern eines Auslassdrucks eines Kältemittelkühlers (z.B. Gaskühler) in einem Dampfkompressionskühlkreissystem (z.B. überkritisches Wärmepumpenkreissystem). Das Dampfkompressionskühlkreissystem kann geeigneterweise für eine Fahrzeugklimaanlage mit einer Heizfunktion zum Heizen einer Fahrgastzelle benutzt werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In einem überkritischen Wärmepumpenkreissystem mit zum Beispiel CO₂ als Kältemittel wird ein Gaskühler zum Heizen eines Fluids verwendet, und eine extern angetriebene Dekompressionsvorrichtung wie beispielsweise ein elektrisches Expansionsventil ist zum Steuern des Betriebszustandes des Kreissystems vorgesehen. In diesem Fall sind jedoch ein Drucksensor zum Erfassen eines Kältemitteldrucks und eine Steuerschaltung zum Antreiben des elektrischen Expansionsventils erforderlich, wodurch die Kosten steigen.

Wenn ein mechanisches Expansionsventil benutzt wird, wird eine Wärmestrahlmenge des Gaskühlers größer, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist. In diesem Fall sinkt eine Kältemitteltemperatur an einem Auslass des Gaskühlers, und ein Steuerdruck des Expansionsventils sinkt. Deshalb sinkt die Temperatur der von dem Gaskühler geblasenen Luft stark.

Ferner wird, wenn in einem überkritischen Wärmepumpenkreissystem mit CO₂ als Kältemittel ein Heizbetrieb durchgeführt wird, selbst wenn ein Niederdruckkältemitteldruck sinkt, das mechanische Expansionsventil nicht geöffnet, bis ein Hochdruckkältemitteldruck einen Ventilöffnungsdruck erreicht, um den Hochdruckkältemitteldruck zu steuern. Deshalb sinkt, falls das mechanische Expansionsventil als die Dekompressionsvorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems verwendet wird, der Niederdruckkältemitteldruck zu einer Zeit unmittelbar nach einem Kühlkreisstart, weil das mechanische Expansionsventil zum Kühlkreisstart geschlossen ist.

8A zeigt ein Beispiel mit einer schlechten Startbedingung, und 8B zeigt ein Beispiel mit einer guten Startbedingung, wenn ein mechanisches Expansionsventil eines Vergleichsbeispiels in einem überkritischen Wärmepumpenkreissystem verwendet wird. In diesem Fall von 8A wird, wenn die Außenlufttemperatur Tam gleich oder niedriger als –10°C ist (z.B. –20°C in 8A, der Kältemittelsättigungsdruck niedriger, und der Druck (d.h. der Saugdruck des Kompressors) des Niederdruckkältemittels zu einer Kühlkreisstartzeit wird niedriger. In diesem Fall erreicht der von dem Kompressor ausgegebene Hochdruckkältemitteldruck nicht einen Ventilöffnungsdruck des mechanischen Expansionsventils. Demgemäß wird die Strömungsmenge des durch das Wärmepumpenkreissystem strömenden Kältemittels beinahe zu Null, und eine Heizleistung kann mit dem Wärmepumpenkreissystem nicht erzielt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckregelventil vorzusehen, das eine Druckregelkennlinie hat, bei der eine Druckänderung relativ zu einer Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckregelventil vorzusehen, das einen Kältemitteldruck an einem Auslass eines Kältemittelkühlers entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers mit einem einfachen Aufbau steuert.

Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dampfkompressionskühlkreissystem mit dem Druckregelventil vorzusehen, das eine übermäßige Absenkung des Drucks eines Niederdruckkältemittels bei einer niedrigen Außenlufttemperatur verhindert.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Druckregelventil für ein Dampfkompressionskühlkreissystem einen Ventilabschnitt, der in einem Kältemittel kanal von einem Kältemittelkühler zu einem Sauganschluss eines Kältemittelkompressors angeordnet ist. In dem Druckregelventil steuert der Ventilabschnitt einen Kältemitteldruck an einem Auslass des Kältemittelkühlers gemäß einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers. Außerdem hat der Ventilabschnitt eine Steuerdruckkennlinie, bei der eine Druckänderung relativ zu einer Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist. In diesem Fall ist es möglich, einen Steuerdruck eines Hochdruckkältemittels selbst bei einer niedrigen Außenlufttemperatur unabhängig vom Wirkungsgrad (COP) in dem Kreissystem auf einen hohen Wert zu setzen. Deshalb kann, wenn der Kältemittelkühler zum Heizen eines Fluids, z.B. einer in eine Fahrgastzelle zu blasenden Luft, benutzt wird, ein Sinken der Heiztemperatur durch den Kältemittelkühler verhindert werden, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist.

Zum Beispiel enthält der Ventilabschnitt ein Gehäuse zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen in dem Kältemittelkanal angeordneten Teilungsabschnitt zur Teilung eines Innenraums des Gehäuses in einen stromaufwärtigen Raum und einen stromabwärtigen Raum, eine in dem Teilungsabschnitt vorgesehene Ventilöffnung, durch die der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehenen abgeschlossenen Raum, ein in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehenes filmförmiges Verstellelement, und einen Ventilkörper, der mit dem Verstellelement verbunden ist und entsprechend einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, um die Ventilöffnung zu öffnen und zu schließen. Hierbei bewegt sich das Verstellelement entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums in dem stromaufwärtigen Raum, und der abgeschlossene Raum ist mit einem Gas gefüllt, das eine kleinere Druckänderung bezüglich der Temperatur als jene des Kältemittels besitzt.

Demgemäß wird ein Steuerdruck am Auslass des Kältemittelkühlers durch das Druckregelventil entsprechend der Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers verändert. Wenn zum Beispiel der Hochdruckkältemitteldruck höher als der Steuerdruck steigt, wird das Verstellelement bewegt, sodass der Ventilkörper die Ventilöffnung öffnet. Deshalb kann der Hochdruckkältemitteldruck in einem Einstellbereich eingestellt werden.

Alternativ ist in einem Druckregelventil ein Übertragungsstab mit dem Verstellelement verbunden und wird entsprechend einer Bewegung des Verstellelements bewegt, und ein elastisches Element ist in dem stromabwärtigen Raum angeordnet. Ferner ist ein Ventilkörper angeordnet, um die Ventilöffnung von dem stromabwärtigen Raum durch eine Vorspannkraft des elastischen Elements zu öffnen und zu schließen, und ein in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehener abgeschlossener Raum ist mit einem Gas gefüllt, das eine kleinere Druckänderung bezüglich der Temperatur als jene des Kältemittels besitzt. Auch in diesem Fall kann der Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite des Kreissystems mittels des Druckregelventils mit einem einfachen Aufbau gesteuert werden.

Ferner hat der Übertragungsstab ein spitzes Ende, das angeordnet ist, um ein spitzes Ende des Ventilkörpers zu kontaktieren. In diesem Fall drückt das Verstellelement, wenn eine Temperatur außerhalb des abgeschlossenen Raums in dem stromaufwärtigen Raum niedriger als ein erster Wert ist, durch den Übertragungsstab auf den Ventilkörper, sodass die Ventilöffnung um einen Öffnungsgrad geöffnet wird. Deshalb ist es möglich, das Kältemittel in dem Kreissystem strömen zu lassen.

Weiter kann der Übertragungsstab einen spitzen Stababschnitt mit dem spitzen Ende enthalten, und der spitze Stababschnitt kann in der Ventilöffnung bewegbar sein. Das spitze Ende des Übertragungsstabes ist von dem spitzen Ende des Ventilkörpers entfernt, wenn die Temperatur außerhalb des abgeschlossenen Raums in dem stromaufwärtigen Raum höher als ein zweiter Wert höher als der erste Wert ist. Deshalb kann der Hochdruckkältemitteldruck geeignet gesteuert werden.

Eine Teilungswand kann ein Bypassloch haben, durch welches der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht und das Kältemittel an der Ventilöffnung vorbei strömt. Alternativ hat die Ventilöffnung einen Sitzabschnitt, der zur Kontaktierung des Ventilkörpers angeordnet ist, und der Sitzabschnitt hat einen Nutabschnitt, durch welchen der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, selbst wenn der Ventilkörper den Sitzabschnitt kontaktiert. Demgemäß strömt Kältemittel auch zu einer Startzeit des Dampf kompressionskühlkreissystems in dem Kreissystem, und die Heiztemperatur durch den Kältemittelkühler kann in einer kurzen Zeit erhöht werden.

Zum Beispiel hat der Ventilabschnitt einen Ventilöffnungsdruck, der 10±1,5 MPa bei 40°C und 8±1,5 MPa bei 0°C beträgt. In diesem Fall wird das aktuelle Kreissystem mit einem Druck gesteuert, der um einen Druck durch ein Ventilhubmaß höher als der Ventilöffnungsdruck ist.

Das Dampfkompressionskühlkreissystem mit dem Druckregelventil kann geeigneterweise zum Heizen eines Fluids, zum Beispiel von Luft verwendet werden. In diesem Fall verhindert das Druckregelventil einen übermäßigen Abfall des Drucks eines Niederdruckkältemittels zu einer Heizstartzeit, und eine Heizleistung durch den Kältemittelkühler kann verbessert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines Dampfkompressionskühlkreissystems gemäß beispielhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
1B ein Blockschaltbild eines Steuerteils des Dampfkompressionskühlkreissystems;
2 eine Schnittansicht eines für ein Dampfkompressionskühlkreissystem verwendeten mechanischen Expansionsventils (Druckregelventil) gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Temperatur und einem Druck des mechanischen Expansionsventils;
4 eine schematische Darstellung eines Kühlbetriebszustandes des Dampfkompressionskühlkreissystems in 1A;
5A eine Schnittansicht eines Ventilschließzustandes eines mechanischen Expansionsventils, 5B eine Schnittansicht des mechanischen Expansionsventils in einem Zustand unmittelbar nach einem Abschalten oder einem Starten eines Dampfkompressionskühlkreissystems, und 5C eine Schnittansicht des mechanischen Expansionsventils in einem normalen Zustand gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Schnittansicht eines mechanischen Expansionsventils in einem Ventilschließzustand gemäß einem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7A eine Schnittansicht eines mechanischen Expansionsventils in einem Ventilschließzustand gemäß einem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 7B eine vergrößerte Ansicht des Teils VIIB in 7A; und
8A und 8B Diagramme von Beziehungen zwischen einem Kältemittelausgabedruck, einem Kältemittelansaugdruck und einer Kältemittelströmungsmenge, wenn eine Außenlufttemperatur Tam –20°C beträgt und eine Kompressordrehzahl Rcom 1500 U/min beträgt, in einem überkritischen Wärmepumpenkreissystem mit einem mechanischen Expansionsventil eines Vergleichsbeispiels, wobei 8A ein Beispiel mit einer schlechten Startbedingung ist und 8B ein Beispiel mit einer guten Startbedingung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
(Erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
Im ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel wird ein mechanisches Expansionsventil 4A typischerweise als Druckregelventil 4 für ein Dampfkompressionskühlkreis system, zum Beispiel ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem verwendet. In einem Heizbetrieb strömt ein Kältemittel entlang der durchgezogenen Linie in 1A in dem Dampfkompressionskühlkreissystem, wenn das Dampfkompressionskühlkreissystem für eine Fahrzeugklimaanlage verwendet wird. Als Beispiel wird ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem als das Dampfkompressionskühlkreissystem verwendet, und CO₂ wird als Kältemittel in dem überkritischen Wärmepumpenkreissystem benutzt.
Ein Kompressor 1 zum Komprimieren eines gasförmigen Kältemittels wird durch eine Antriebskraft von einem Fahrzeugmotor angetrieben. Ein von dem Kompressor 1 ausgegebenes Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel strömt im Heizbetrieb durch ein erstes elektrisches Dreiwegeventil 2 zu einem Innenwärmetauscher 3 (d.h. Gaskühler, Kältemittelkühler). Der Innenwärmetauscher 3 ist zum Beispiel in einer Fahrgastzelle positioniert, um eine in die Fahrgastzelle zu blasende Luft zu heizen. Der Kompressor 1 ist ein Verstellkompressor mit einem Verstellmechanismus 1a.
Ein Temperatursensor 1b, wie beispielsweise ein Thermistor, ist an einer Kältemittelausgabeseite des Kompressors 1 angeordnet und erfasst eine Temperatur des von dem Kompressor 1 ausgegebenen Hochdruckkältemittels. Ein Drucksensor 1c ist an einer Kältemittelausgabeseite des Kompressors 1 angeordnet und erfasst einen Druck des von dem Kompressor 1 ausgegebenen Hochdruckkältemittels.
Ein erster Bypasskanal 2a ist so vorgesehen, dass ein von dem Kompressor 1 ausgegebenes Kältemittel in einem Kühlbetrieb zum Kühlen der Luft durch den ersten Bypasskanal 2a an dem Innenwärmetauscher 3 und dem mechanischen Expansionsventil 4 vorbei strömt.
Der Innenwärmetauscher 3 ist ein Kältemittelkühler, in dem das Kältemittel mit durch ein Gebläse 10 in eine Fahrgastzelle zu blasender Luft in Wärmeaustausch steht, sodass in dem Innenwärmetauscher 3 die Luft geheizt und das Kältemittel gekühlt wird. Ein Verdampfapparat 9 ist in der Fahrgastzelle stromab des Gebläses 10 in der Fahrzeugklimaanlage angeordnet. Weiter ist der Innenwärmetauscher 3 stromab des Verdampfapparats 9 angeordnet, sodass die Luft nach Durchströmen des Verdampfapparats 9 zu dem Innenwärmetauscher 3 strömt. Ein Luft temperatursensor 3a ist angeordnet, um eine Temperatur der Luft nach Durchströmen des Innenwärmetauschers 3 zu erfassen.
Das aus dem Innenwärmetauscher 3 strömende Kältemittel strömt in ein erstes mechanisches Expansionsventil 4 (4A) zum Heizen. Das erste mechanische Expansionsventil 4 ist ein Druckregelventil, das einen Kältemitteldruck an einem Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 steuert. Das erste mechanische Expansionsventil 4 wird auch als Dekompressionsvorrichtung benutzt, die das Kältemittel dekomprimiert, um so den Kältemitteldruck am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 zu steuern. Das Kältemittel wird in dem ersten mechanischen Expansionsventil 4 auf eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck dekomprimiert. Das Niedertemperatur- und Niederdruck-Gas/Flüssigkeit-Kältemittel, das von dem ersten mechanischen Expansionsventil 4 ausgegeben wird, strömt zu einem Außenwärmetauscher 5.
Der Außenwärmetauscher 5 wird als ein Kältemittelkühler im Kühlbetrieb benutzt. Das heißt, im Kühlbetrieb steht das von dem Kompressor 1 ausgegebene Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel mit der durch ein Außengebläse 5a geblasenen Außenluft in Wärmeaustausch und wird durch die Außenluft gekühlt. Im Gegensatz dazu wird im Heizbetrieb der Außenwärmetauscher 5 als ein Kältemittelverdampfapparat benutzt, in dem das von dem ersten mechanischen Expansionsventil 4 zugeführte Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel mit der Außenluft in Wärmeaustausch steht und durch Aufnehmen von Verdampfungswärme aus der Außenluft verdampft. Der Außenwärmetauscher 5 ist im Allgemeinen an einer Fahrzeugvorderseite angeordnet, sodass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel im Innenwärmetauscher 5 und der Außenluft größer gemacht werden kann.
Im Heizbetrieb wird ein zweites elektrisches Dreiwegeventil 6 so geschaltet, dass das aus dem Außenwärmetauscher 5 strömende Kältemittel durch einen zweiten Bypasskanal 6a in einen Speicher 11 strömt. Im Heizbetrieb strömt das Kältemittel an einem Hochdruckkältemittelkanal 7a eines Innenwärmetauschers 7, einem zweiten mechanischen Expansionsventil 8 (kühlendes mechanisches Expansions ventil 8) und dem Verdampfapparat 9 vorbei. Der Innenwärmetauscher 7 ist ein Wärmetauscher, in dem das Hochdruckkältemittel vor der Dekompression in dem zweiten mechanischen Expansionsventil 8 während des Kühlbetriebs mit dem durch den Kompressor 1 anzusaugenden Niederdruckkältemittel in Wärmeaustausch steht.
Im Kühlbetrieb wird das zweite elektrische Dreiwegeventil 6 so geschaltet, dass das aus dem Außenwärmetauscher 5 strömende Kältemittel durch den Hochdruckkältemittelkanal 7a des Innenwärmetauschers 7, das zweite mechanische Expansionsventil 8 und den Verdampfapparat 9 in den Speicher 11 strömt. Durch den Wärmeaustausch zwischen dem in dem Hochdruckkältemittelkanal 7a strömenden Hochdruckkältemittel und dem in einem Niederdruckkältemittelkanal 7b in dem Innenwärmetauscher 7 strömenden Niederdruckkältemittel wird das zu dem zweiten mechanischen Expansionsventil 8 strömende Kältemittel gekühlt, eine Enthalpie des zum Verdampfapparat 9 strömenden Kältemittels wird kleiner, und ein Überhitzungsgrad des zum Kompressor 1 zu saugenden Kältemittels wird größer.
Das zweite mechanische Expansionsventil 8 hat einen Aufbau ähnlich jenem von JP-A-2000-81 157, deren Inhalte hierdurch durch Bezugnahme integriert werden. Das zweite mechanische Expansionsventil 8 hat einen Temperaturmessabschnitt zum Erfassen einer Kältemitteltemperatur an einem Auslassabschnitt des Außenwärmetauschers 5 und steuert im Kühlbetrieb einen Ventilabschnitt zum Dekomprimieren des aus dem Hochdruckkältemittelkanal 7a des Innenwärmetauschers 7 strömenden Kältemittels. Das heißt, das zweite mechanische Expansionsventil 8 dekomprimiert im Kühlbetrieb des Kältemittel, sodass der Wirkungsgrad COP des Kühlkreissystems im Kühlbetrieb maximal erhöht wird.
Der Verdampfapparat 9 ist im Kühlbetrieb ein kühlender Wärmetauscher. Im Kühlbetrieb steht das von dem zweiten mechanischen Expansionsventil 8 zugeführte Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel mit der durch das Innengebläse 10 geblasenen Luft in Wärmeaustausch und wird durch Aufnehmen der Verdampfungswärme aus der Luft verdampft. Deshalb wird die durch den Verdampfapparat 9 strömende Luft gekühlt. Ein Kühllufttemperatursensor 9a ist angeordnet, um die Temperatur der Luft nach Durchströmen des Verdampfapparats 9 zu erfassen.
Der Speicher (Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung) 11 hat einen Behälter, in dem gasförmiges Kältemittel von flüssigem Kältemittel getrennt wird und das getrennte flüssige Kältemittel vorübergehend darin gespeichert wird. Das in dem Behälter des Speichers 11 getrennte gasförmige Kältemittel wird durch den Niederdruckkältemittelkanal 7b des Innenwärmetauschers 7 zum Kompressor 1 gesaugt.
1B zeigt eine Steuervorrichtung 12 des Kühlkreissystems. Signale von dem Kältemitteltemperatursensor 1b, dem Kältemitteldrucksensor 1c, dem Lufttemperatursensor 3a und dem Lufttemperatursensor 9a werden der Steuervorrichtung 12 eingegeben. Dann gibt die Steuervorrichtung 12 Steuersignale an den Verstellmechanismus 1a, das erste elektrische Dreiwegeventil 2, das Außengebläse 5a, das zweite elektrische Dreiwegeventil 6 und das Innengebläse 10 entsprechend einem Steuerprogramm aus.
Als nächstes wird der Aufbau des ersten mechanischen Expansionsventils 4A (4) beschrieben. 2 zeigt einen Ventilschließzustand des ersten mechanischen Expansionsventils 4A. Das erste mechanische Expansionsventil 4A ist zwischen dem Innenwärmetauscher 3 und einer Saugseite des Kompressors 1 angeordnet und wird zum Steuern des Kältemitteldrucks während des Heizbetriebs verwendet. Das erste mechanische Expansionsventil 4A ist ein Druckregelventil 4, das den Kältemitteldruck am Auslass des Innenwärmetauschers 3 entsprechend der Kältemitteltemperatur am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 steuert.
Das mechanische Expansionsventil 4A hat ein Gehäuse 21 zum Definieren eines Kältemittelkanals. Das Gehäuse 21 hat einen Einlassanschluss 21a an einem Ende und einen Auslassanschluss 21d am anderen Ende. Eine Teilungswand 22 ist innerhalb des Gehäuses 21 vorgesehen und teilt einen Innenraum des Gehäuses 21 in einen stromaufwärtigen Raum 21b und einen stromabwärtigen Raum 21c. Eine Ventilöffnung 23 ist in der Teilungswand 22 vorgesehen, sodass der stromaufwärtige Raum 21b und der stromabwärtige Raum 21c miteinander durch die Ventilöffnung 23 in Verbindung stehen. Ein Druckregelabschnitt des Druckregelventils 4A ist in dem stromaufwärtigen Raum 21b aufgenommen, der durch den Einlassanschluss 21a mit dem Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 in Verbindung steht.
Die Ventilöffnung 23 wird durch einen Nadelventilkörper 24 geöffnet und geschlossen. Das Nadelventil 24 ist mit einer filmförmigen Federplatte 26 aus einem rostfreiem Material gemacht. Deshalb wird das Nadelventil 24 entsprechend einer Bewegung der Federplatte 26 bewegt. Wenn sich die Federplatte 26 zu dem Ventilkörper 24 bewegt, wird das Nadelventil 24 in eine Richtung zum Schließen der Ventilöffnung 23 bewegt. Wenn sich dagegen die Federplatte 26 in eine Richtung entgegen dem Ventilkörper 24 bewegt, wird das Nadelventil zum vollständigen Öffnen der Ventilöffnung 23 bewegt.
Die Federplatte 26 ist zwischen ein erstes Halteelement 27 und ein zweites Halteelement 28 in dem stromaufwärtigen Raum 21b eingesetzt. Ein abgeschlossener Raum (Gaseinschlusskammer) 25 ist durch das erste Halteelement 27 auf einer dem Ventilkörper 24 abgewandten Seite der Federplatte 26 gebildet. Der abgeschlossene Raum 25 ist so vorgesehen, dass die Federplatte 26 entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums 25 in dem stromaufwärtigen Raum 21b verschoben wird. Ein Kapillarrohr 29 ist mit dem ersten Halteelement 27 verbunden und steht mit dem abgeschlossenen Raum 25 in Verbindung. Ein Druckeinleitungsloch 28a ist in dem zweiten Halteelement 28 so vorgesehen, dass der Kältemitteldruck am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 zu einem Raum eingeleitet und an die Federplatte 26 auf einer dem abgeschlossenen Raum 25 abgewandten Seite angelegt wird.
Ein Elementhalteabschnitt 30 ist in einer Zylinderform um die Ventilöffnung 23 in dem stromaufwärtigen Raum 21 gebildet. Das zweite Halteelement 28 ist an dem Elementhalteabschnitt 30 durch eine Schraubverbindung befestigt. Mehrere Kältemittelströmungslöcher 30a sind in dem Elementhalteabschnitt 30 durch einen Wandabschnitt des Elementhalteabschnitts 30 vorgesehen. Gas, zum Beispiel CO₂, ist in den abgeschlossenen Raum 25 gefüllt. Im Allgemeinen hat das in den abgeschlossenen Raum 25 gefüllte Gas eine Druckänderung bezüglich der Temperatur um den abgeschlossenen Raum 25, die kleiner als jene des Kältemittels (z.B. CO₂) ist.
Als nächstes wird die Funktionsweise des Kühlkreissystems beschrieben.
Im Kühlbetrieb des Kühlkreissystems strömt das Kältemittel entlang der durchgezogenen Linie in 4. Im Kühlbetrieb wird das erste elektrische Dreiwegeventil 2 so betrieben, dass das von dem Kompressor 1 ausgegebene Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel durch den ersten Bypasskanal 2a direkt zu dem Außenwärmetauscher 5 strömt, während es an dem Innenwärmetauscher 3 und dem ersten mechanischen Expansionsventil 4 vorbei strömt. Das in den Außenwärmetauscher 5 strömende Hochtemperaturkältemittel steht mit der durch das Außengebläse 5a geblasenen Außenluft in Wärmeaustausch und wird durch die Außenluft gekühlt.
Das aus dem Außenwärmetauscher 5 strömende Kältemittel strömt durch das zweite elektrische Dreiwegeventil 6 zu dem Hochdruckkältemittelkanal 7a des Innenwärmetauschers 7 und steht mit dem durch den Niederdruckkältemittelkanal 7b strömenden Niederdruckkältemittel in Wärmeaustausch. Die Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Hochdruckkältemittelkanal 7a kann entgegen der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Niederdruckkältemittelkanal 7b im Innenwärmetauscher 7 eingerichtet sein. Das aus dem Hochdruckkältemittelkanal 7a strömende Kältemittel wird in dem zweiten mechanischen Expansionsventil 8 dekomprimiert und strömt dann in den Verdampfapparat 9. Das durch den Verdampfapparat 9 strömende Kältemittel steht mit der durch das Innengebläse 10 geblasenen Luft in Wärmeaustausch. Deshalb wird die in die Fahrgastzelle geblasene Luft in dem Verdampfapparat 9 gekühlt.
Das aus dem Verdampfapparat 9 strömende Kältemittel strömt zum Speicher 11, und das im Speicher 11 getrennte gasförmige Kältemittel wird durch den Niederdruckkältemittelkanal 7b des Innenwärmetauschers 7 zu einem Sauganschluss des Kompressors 1 gesaugt.
Im Heizbetrieb des Kühlkreissystems strömt das Kältemittel entlang der durchgezogenen Linie in 1A. Im Heizbetrieb des Kühlkreissystems strömt das von dem Kompressor 1 ausgegebene Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittel durch das erste elektrische Dreiwegeventil 2 in den Innenwärmetauscher 3 und heizt die durch das Innengebläse 10 geblasene Luft. Das aus dem Innenwärmetauscher 3 strömende Kältemittel wird in dem ersten mechanischen Expansionsventil 4 dekomprimiert und in dem Außenwärmetauscher 5 verdampft. Dann strömt das aus dem Außenwärmetauscher 5 strömende Kältemittel in den Speicher 11. Das im Speicher 11 getrennte gasförmige Kältemittel wird durch den Niederdruckkältemittelkanal 7b zur Saugseite des Kompressors 1 gesaugt. In diesem Fall wird der Niederdruckkältemittelkanal 7b nur als Kältemittelkanal ohne Wärmeaustausch benutzt.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird der hochdruckseitige Kältemitteldruck während des Heizbetriebs durch das erste mechanische Expansionsventil 4 gesteuert und während des Kühlbetriebs durch das zweite mechanische Expansionsventil 8 gesteuert. Während des Heizbetriebs wird der hochdruckseitige Kältemitteldruck basierend auf der Kennlinie des Ventilöffnungssteuerdrucks des ersten mechanischen Expansionsventils 4 eingestellt. Deshalb kann während des Heizbetriebs die Temperatur der zu blasenden Luft wegen des ersten mechanischen Expansionsventils 4 nicht durch den hochdruckseitigen Kältemitteldruck gesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der von dem Innenwärmetauscher 3 geblasenen Luft durch Steuern der Ausgabeleistung des Kompressors 1 gesteuert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Innenwärmetauscher 3 an einer Ausgabeseite des Kompressors 1 angeordnet, und der Kältemitteldruck in dem Innenwärmetauscher 3 ist höher als der kritische Druck des Kältemittels eingestellt. Ferner ist das erste mechanische Expansionsventil 4 ein Druckregelventil, das den Kältemitteldruck am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 steuert.
Der mit Gas gefüllte abgeschlossene Raum 25 ist in dem stromaufwärtigen Raum 21b vorgesehen, in den das Kältemittel am Auslass des Außenwärmetauschers 3 eingeleitet wird. Zusätzlich hat das in dem abgeschlossenen Raum 25 des ersten mechanischen Expansionsventils 4 eingeschlossene Gas eine Druckänderung bezüglich der Temperatur, die kleiner als jene des in dem Kühlkreissystem zirkulierenden Kältemittels ist. Deshalb ist es möglich, den Druck in dem Kühlkreissystem so zu steuern, dass eine maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 3 im Heizbetrieb erzielt werden kann. So kann der Druck des Hochdruckkältemittels, selbst wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, auf einem hohen Wert gehalten werden, und es wird verhindert, dass die Temperatur der von dem Innenwärmetauscher 3 geblasenen Luft sinkt. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel kann der Druck des hochdruckseitigen Kältemitteldrucks während des Heizbetriebs unabhängig von dem Wirkungsgrad COP des Kühlkreissystems im Heizbetrieb gesteuert werden. Als Ergebnis kann eine Heizleistung des Innenwärmetauschers 3 gehalten werden, und eine Zeit zum Erhöhen der Heiztemperatur kann kürzer gemacht werden.
In dem mechanischen Expansionsventil 4 dieses Ausführungsbeispiels ist die Teilungswand 22 zum Teilen des Innenraums des Gehäuses 21 in den stromaufwärtigen Raum 21b und den stromabwärtigen Raum 21c in dem Gehäuse 21 vorgesehen. Ferner ist die Ventilöffnung 23, durch welche der stromaufwärtige Raum 21b und der stromabwärtige Raum 21c miteinander in Verbindung stehen, in der Teilungswand 22 ausgebildet. Der abgeschlossene Raum 25 ist in dem stromaufwärtigen Raum 21b ausgebildet, und die Federplatte 26 wird entsprechend einer Druckdifferenz zwischen der Innenseite des abgeschlossenen Raums 25 und der Außenseite des abgeschlossenen Raums 25 in dem stromaufwärtigen Raum 21b verschoben. Der Ventilkörper 24 zum Öffnen und Schließen der Ventilöffnung 23 ist mit der Federplatte 26 auf einer Seite in einer Bewegungsrichtung (Dickenrichtung) der Federplatte 26 verbunden. Deshalb wird der Ventilkörper 24 zusammen mit einer Bewegung der Federplatte 26 bewegt. Der abgeschlossene Raum 25 des mechanischen Expansionsventils 4 ist mit einem Gas gefüllt, das eine Druckänderung relativ zur Temperatur kleiner als jene des Kältemittels in dem Kühlkreissystem besitzt.
Das Kältemittel am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 wird in den stromaufwärtigen Raum 21b außerhalb des abgeschlossenen Raums 25 eingeleitet. Das heißt, der mit Gas gefüllte abgeschlossene Raum 25 mit einer kleinen Druckänderung relativ zur Temperatur ist in dem Kältemittelzustand an der Auslassseite des Innenwärmetauschers 3 angeordnet. Deshalb ändert sich ein Steuerdruck des Innenwärmetauschers 4 basierend auf der Kältemitteltemperatur am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3, und das eingeschlossene Gas des mechanischen Expansionsventils 4 hat eine Steuerdruckkennlinie, bei welcher eine Druckänderung relativ zur Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist. Wenn der Druck des Hochdruckkältemittels höher als ein Steuerdruck des mechanischen Expansionsventils 4 steigt, wird die Federplatte 26 in 2 nach oben bewegt, und der mit der Federplatte 26 verbundene Ventilkörper 24 wird ebenfalls bewegt, um die Ventil öffnung 23 zu öffnen. Deshalb kann der Druck des hochdruckseitigen Kältemittels auf einem eingestellten Druck gehalten werden.
Das mechanische Expansionsventil (Druckregelventil) 4 hat eine Ventilöffnungsdruckkennlinie, bei welcher der Ventilöffnungsdruck 10±1,5 MPa bei einer Temperatur von 40°C beträgt und der Ventilöffnungsdruck 8, 3±1,5 MPa bei einer Temperatur von 0°C beträgt. 3 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck in dem mechanischen Expansionsventil 4. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt die Ventilöffnungsdruckkennlinie, und die gestrichelte Linie in 3 zeigt den Steuerdruck des mechanischen Expansionsventils 4 auf der Hochdruckseite in dem Kühlkreissystem. Wenn die Temperatur um das Ventilelement höher als 40°C ist, wird ein Ventilhubmaß vergrößert, und der tatsächliche Steuerdruck wird durch den Ventilhub in dem Kühlkreissystem mehr als der Ventilöffnungsdruck erhöht.
Außerdem ist der Ventilöffnungsdruck relativ zur Kältemitteltemperatur in einem Druckbereich eingestellt, sodass die Ausgabekältemitteltemperatur in einem zulässigen Temperaturbereich liegt, und er ist so eingestellt, dass eine maximale Heizleistung erzielt werden kann, während ein maximaler Druck in einem benutzten Temperaturbereich niedriger als ein konstruierter Druck gemacht ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilöffnungsdruck gleich oder niedriger als 13 MPa bei einer Temperatur von 75°C eingestellt.
Wenn ein Innendruck des Kältemittels in dem Innenwärmetauscher 3 höher als der kritische Druck ist, wird ein durch den Innenwärmetauscher 3 strömendes Fluid (z.B. Luft) durch das in dem Innenwärmetauscher 3 strömende gasförmige Kältemittel ohne Kondensation des gasförmigen Kältemittels geheizt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste mechanische Expansionsventil 4 stromab des Innenwärmetauschers 3 in einer Kältemittelströmungsrichtung angeordnet. Deshalb ist es möglich, den Steuerdruck des Hochdruckkältemittels selbst bei einer niedrigen Außenlufttemperatur zu einer Startzeit des Heizbetriebs auf einem hohen Wert zu halten. Ferner kann eine Heiztemperatur durch den Innenwärmetauscher 3 in einer kurzen Zeit erhöht werden.
Weil die mechanischen Expansionsventile 4, 8 verwendet werden, ist es unnötig, einen Kältemitteltemperaturmesssensor an einer stromabwärtigen Kältemittelseite des Innenwärmetauschers 3 oder des Außenwärmetauschers 5 vorzusehen. Deshalb hat das Kühlkreissystem einen einfachen Aufbau.
(Zweites beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
5A ist eine Schnittansicht eines mechanischen Expansionsventils 4B (Druckregelventil 4) in einem Ventilschließzustand. In diesem Ausführungsbeispiel wird, wenn die Außenlufttemperatur niedriger als ein niedriger Wert ist, die Ventilöffnung 23 um einen Öffnungsgrad geöffnet, sodass das Kältemittel zu einer Startzeit des Kompressors 1 in einer Menge gleich oder größer als eine notwendige kleinste Menge strömt.
In dem mechanischen Expansionsventil 4B sind die Konstruktionen mit Funktionen ähnlich jenen des mechanischen Expansionsventils 4A durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Ein Übertragungsstab (Druckstab) 31 ist mit einem Ventilkörper 32 verbunden, und der Ventilkörper 32 ist in dem stromabwärtigen Raum 21c der Ventilöffnung 23 angeordnet, um die Ventilöffnung 23 von dem stromabwärtigen Raum 21c durch eine Vorspannkraft der Schraubenfeder (elastisches Element) 33 zu öffnen und zu schließen.
Außerdem kontaktiert der Übertragungsstab 31 den Ventilkörper 32 an seinen spitzen Enden. Wenn die Temperatur um den abgeschlossenen Raum 25 niedriger als ein bestimmter Wert ist, drückt die Federplatte 26 durch den Übertragungsstab 31 auf den Ventilkörper 32, sodass das Kältemittel in einer Menge in die Ventilöffnung 23 strömt. Ein zylindrischer Ventilhalteabschnitt 34 ist um die Ventilöffnung 23 in dem stromabwärtigen Raum 21c vorgesehen, und mehrere Kältemittelströmungslöcher 34a sind in dem Ventilhalteabschnitt 34 vorgesehen.
5B zeigt einen Betriebszustand des mechanischen Expansionsventils 4B (4), wenn der Druck des Hochdruckkältemittels niedrig ist, während der Kompressor 1 stoppt oder zu einer Zeit unmittelbar nach einem Start des Kompressors 1. In diesem Fall ist der eingeschlossene Gasdruck des abgeschlossenen Raums 25 höher als der Druck des Kältemittels in dem stromaufwärtigen Raum 21b um den abge schlossenen Raum 25, und die Federplatte 26 bewegt sich nach unten, um durch den Druckstab 31 auf den Ventilkörper 32 zu drücken. Deshalb wird die Ventilöffnung 23 um einen Öffnungsgrad um einen spitzen Endabschnitt des Ventilkörpers 32 geöffnet und das Kältemittel strömt wenigstens in einer bestimmten Menge in die Ventilöffnung 23.
5C zeigt einen Betriebszustand, wenn der Druck des Hochdruckkältemittels einen eingestellten Druck erreicht. Wenn der Druck des Hochdruckkältemittels auf einen Wert steigt, bewegt sich die Federplatte 26 von einem Zustand in 5A, 5B allmählich nach oben. Wenn danach der Druck des Hochdruckkältemittels auf einen Ventilöffnungsdruck steigt, wird die Schraubenfeder 33 durch eine Druckdifferenz komprimiert. In diesem Fall ist der Ventilkörper 32 von dem Übertragungsstab 31 getrennt, um die Ventilöffnung 23 zu öffnen, wie in 5C dargestellt. Deshalb kann eine bestimmte Druckdifferenz zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite des mechanischen Expansionsventils 4B durch die Schraubenfeder 33 gehalten werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das mechanische Expansionsventil 4B ein Druckregelventil, das stromab des Innenwärmetauschers 3 angeordnet ist, um den Kältemitteldruck am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslassabschnitt des Innenwärmetauschers 3 zu steuern. Das mechanische Expansionsventil 4B enthält die Teilungswand 22 zur Teilung des Innenraums des Gehäuses 21 in den stromaufwärtigen Raum 21b und den stromabwärtigen Raum 21c. Die Ventilöffnung 23 ist in der Teilungswand 22 vorgesehen, sodass der stromaufwärtige Raum 21b und der stromabwärtige Raum 21c miteinander durch die Ventilöffnung 23 in Verbindung stehen.
Der abgeschlossene Raum 25 ist innerhalb des stromaufwärtigen Raums 21b vorgesehen, und die Federplatte 26 verschiebt sich entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums 25 in dem stromaufwärtigen Raum 21b. Der Übertragungsstab 31 ist mit der Federplatte 26 an einem Ende der Federplatte 26 in der Bewegungsrichtung der Federplatte 26 verbunden. Der Ventilkörper 32 ist in dem stromabwärtigen Raum 21c der Ventilöffnung 23 angeordnet und durch die Vorspannkraft der Schraubenfeder 33 in der Ventilschließrichtung vorgespannt. Die Schraubenfeder 33 ist in dem stromabwärtigen Raum 21c positioniert.
Ferner ist der abgeschlossene Raum 25 mit einem Gas gefüllt, das eine Druckänderung bezüglich der Temperatur besitzt, und die Druckänderung des eingeschlossenen Gases bezüglich der Temperatur ist kleiner als jene des in dem Kühlkreissystem zirkulierenden Kältemittels . Der Übertragungsstab 31 und der Ventilkörper 32 sind so vorgesehen, dass sie sich an ihren spitzen Enden berühren. Wenn die Umgebungstemperatur (d.h. die in den stromaufwärtigen Raum 21b eingeleitete Kältemitteltemperatur) des abgeschlossenen Raums 25 niedriger als eine bestimmte Temperatur ist, drückt die Federplatte 26 durch den Übertragungsstab 31 auf den Ventilkörper 32, sodass das Kältemittel in einer bestimmten Menge durch die Ventilöffnung 23 strömt, wie in 5B dargestellt. Demgemäß kann bei einer niedrigen Außenlufttemperatur das Hochtemperaturkältemittel in den Innenwärmetauscher 3 strömen und kann eine Verschlechterung des Heizens durch den Innenwärmetauscher 3 verhindern. Das heißt, das Kühlkreissystem kann betrieben werden, um die Heizleistung des Innenwärmetauschers 3 während des Heizbetriebs unabhängig vom Wirkungsgrad zu erhöhen.
(Drittes beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
6 zeigt einen Ventilschließzustand eines mechanischen Expansionsventils 4C (4), das in einem Heizbetrieb gemäß dem dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel benutzt wird.
In dem oben beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel strömt das Kältemittel, wenn die Ventilöffnung 23 durch den Ventilkörper 24 geschlossen ist, nicht durch das mechanische Expansionsventil 4A und das Kältemittel zirkuliert nicht zu dem Innenwärmetauscher 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch ein Bypassloch 22a in der Teilungswand 22 in einem mechanischen Expansionsventil 4C (4) vorgesehen, wie in 6 dargestellt. In dem mechanischen Expansionsventil 4C kann der übrige Aufbau ähnlich jenem des mechanischen Expansionsventils 4A ausgebildet sein.
In dem mechanischen Expansionsventil 4C (4) dieses Ausführungsbeispiels strömt eine bestimmte Kältemittelmenge durch das Bypassloch 22a, selbst wenn die Ventilöffnung 23 durch den Ventilkörper 24 geschlossen ist. Gas ist in dem abgeschlossenen Raum 25 in einer Dichte eingeschlossen, die in einem Bereich zwischen einer Flüssigkeitssättigungsdichte bei einer Kältemitteltemperatur von 0°C und einer Flüssigkeitssättigungsdichte an einem kritischen Punkt bezüglich des Innenvolumens des abgeschlossenen Raums 25 liegt, wenn die Ventilöffnung 23 geschlossen ist.
Das mechanische Expansionsventil 4C (4) kann ähnlich dem mechanischen Expansionsventil 4A des oben beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsbeispiels stromab des Innenwärmetauschers 3 angeordnet sein. Ferner strömt in diesem Ausführungsbeispiel, selbst wenn die Ventilöffnung 23 durch den Ventilkörper 24 geschlossen ist, wenn der Betrieb des Kompressors 1 startet, Kältemittel durch das mechanische Expansionsventil 4C (4). Deshalb startet der Betrieb des Kompressors 1 wenigstens mit einer für den normalen Start notwendigen Kältemittelmenge normal. Demgemäß kann eine notwendige Heizleistung mittels des Innenwärmetauschers 3 schnell erreicht werden.
(Viertes beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
7A zeigt einen Ventilschließzustand eines mechanischen Expansionsventils 4D (4), das für einen Heizbetrieb gemäß dem vierten beispielhaften Ausführungsbeispiel verwendet wird. 7B ist eine vergrößerte Darstellung des durch VIIB in 7A gezeigten Teils. In 7A, 7B ist ein Nutabschnitt 23b in einem den Ventilkörper 24 berührenden Sitzabschnitt 23a der Ventilöffnung 23 vorgesehen. Deshalb strömt Kältemittel durch den Nutabschnitt 23b, selbst wenn der Ventilkörper 24 den Sitzabschnitt 23a der Ventilöffnung 23 kontaktiert. Demgemäß kann die Heizleistung durch den Innenwärmetauscher 3 schnell erreicht werden.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einigen beispielhaften Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sein werden.
Zum Beispiel wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das überkritische Wärmepumpenkreissystem (Kühlkreissystem) typischerweise für eine Fahrzeugklimaanlage verwendet. Das überkritische Wärmepumpenkreissystem kann jedoch auch für einen Wasserheizer zum Heizen von Wasser verwendet werden. In diesem Fall kann das zuzuführende Wasser mittels des Hochtemperaturkältemittels in dem Innenwärmetauscher 3 geheizt werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsbeispiele und Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Außerdem liegen, während die verschiedenen Elemente der beispielhaften Ausführungsbeispiele in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die beispielhaft sind, weitere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein Element enthalten, ebenfalls im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

Druckregelventil (4) für ein Dampfkompressionskühlkreissystem, das einen Kältemittelkühler (3) enthält, in dem ein durch einen Kältemittelkompressor (1) komprimiertes Kältemittel mit einem Druck höher als ein kritischer Druck strömt, wobei das Druckregelventil einen Ventilabschnitt (4A – 4D) aufweist, der in einem Kältemittelkanal von dem Kältemittelkühler zu einem Sauganschluss des Kältemittelkompressors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilabschnitt einen Kältemitteldruck an einem Auslass des Kältemittelkühlers entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers steuert; und dass der Ventilabschnitt eine Steuerdruckkennlinie hat, bei der eine Druckänderung relativ zu einer Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist.
Druckregelventil nach Anspruch 1, bei welchem der Ventilabschnitt (4A, 4C, 4D) enthält: ein Gehäuse (21) zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen Teilungsabschnitt (22), der in dem Kältemittelkanal angeordnet ist, um einen Innenraum des Gehäuses in einem stromaufwärtigen Raum (21b) und einen stromabwärtigen Raum (21c) zu teilen, eine in dem Teilungsabschnitt (22) vorgesehene Ventilöffnung 23, durch welche der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen abgeschlossenen Raum (25), der innerhalb des stromaufwärtigen Raums (21b) vorgesehen ist, ein in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehenes filmförmiges Verstellelement (26), wobei sich das Verstellelement entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums innerhalb des stromaufwärtigen Raums bewegt, und einen Ventilkörper (24), der mit dem Verstellelement verbunden ist und gemäß einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, um die Ventilöffnung zu öffnen und zu schließen, wobei der abgeschlossene Raum (25) mit einem Gas gefüllt ist, das eine Druckänderung bezüglich der Temperatur kleiner als jene des Kältemittels besitzt.
Druckregelventil nach Anspruch 1, bei welchem der Ventilabschnitt (4B) enthält: ein Gehäuse (21) zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen in dem Kältemittelkanal angeordneten Teilungsabschnitt (22) zum Teilen eines Innenraums des Gehäuses in einen stromaufwärtigen Raum (21b) und einen stromabwärtigen Raum (21c), eine in dem Teilungsabschnitt (22) vorgesehene Ventilöffnung (23), durch welche der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen abgeschlossenen Raum (25), der innerhalb des stromaufwärtigen Raums vorgesehen ist, ein filmförmiges Verstellelement (26), das in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehen ist, wobei sich das Verstellelement gemäß einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums innerhalb des stromaufwärtigen Raums bewegt, einen Übertragungsstab (31), der mit dem Verstellelement verbunden ist und gemäß einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, ein elastisches Element (33), das in dem stromabwärtigen Raum (21c) angeordnet ist, und einen Ventilkörper (32), der zum Öffnen und Schließen der Ventilöffnung (23) von dem stromabwärtigen Raum (21c) durch eine Vorspannkraft des elastischen Elements angeordnet ist, wobei der abgeschlossene Raum mit einem Gas gefüllt ist, das eine Druckänderung bezüglich der Temperatur kleiner als jene des Kältemittels besitzt.
Druckregelventil nach Anspruch 3, bei welchem der Übertragungsstab ein spitzes Ende hat, das zum Kontaktieren eines spitzen Endes des Ventilkörpers angeordnet ist; und wenn eine Temperatur außerhalb des abgeschlossenen Raums (25) innerhalb des stromaufwärtigen Raums (21b) niedriger als ein erster Wert ist, das Verstellelement (26) durch den Übertragungsstab (31) auf den Ventilkörper (32) drückt, sodass die Ventilöffnung mit einem Öffnungsgrad geöffnet wird.
Druckregelventil nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem der Übertragungsstab (31) einen spitzen Stababschnitt mit dem spitzen Ende enthält und der spitze Stababschnitt in der Ventilöffnung bewegbar ist.
Druckregelventil nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das spitze Ende des Übertragungsstabes von dem spitzen Ende des Ventilkörpers getrennt ist, wenn die Temperatur außerhalb des abgeschlossenen Raums (25) innerhalb des stromaufwärtigen Raums (21b) höher als ein zweiter Wert ist, der höher als der erste Wert ist.
Druckregelventil nach Anspruch 2, bei welchem die Teilungswand (22) ein Bypassloch (22a) aufweist, durch welches der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht und das Kältemittel an der Ventilöffnung vorbei strömt.
Druckregelventil nach Anspruch 2, bei welchem die Ventilöffnung (23) einen Sitzabschnitt (23a) aufweist, der zum Kontaktieren des Ventilkörpers angeordnet ist; und der Sitzabschnitt (23a) einen Nutabschnitt (23b) aufweist, durch den der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, selbst wenn der Ventilkörper den Sitzabschnitt kontaktiert.
Druckregelventil (4) für ein Dampfkompressionskühlkreissystem, das einen Kältemittelkühler (3) enthält, in dem ein durch einen Kältemittelkompressor komprimiertes Kältemittel mit einem Druck höher als ein kritischer Druck strömt, wobei das Druckregelventil einen Ventilabschnitt (4B – 4D) aufweist, der in einem Kanal von dem Kältemittelkühler zu einem Ansauganschluss des Kältemittelkompressors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilabschnitt einen Kältemitteldruck an einem Auslass des Kältemittelkühlers entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers steuert; und der Ventilabschnitt enthält: ein Gehäuse (21) zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen in dem Kältemittelkanal angeordneten Teilungsabschnitt (22) zum Teilen eines Innenraums des Gehäuses in einen stromaufwärtigen Raum (21b) und einen stromabwärtigen Raum (21c), eine in dem Teilungsabschnitt (22) vorgesehene Ventilöffnung (23), durch welche der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen abgeschlossenen Raum (25), der innerhalb des stromaufwärtigen Raums (23) vorgesehen ist, ein filmförmiges Verstellelement (26), das in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehen ist, wobei sich das Verstellelement gemäß einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums innerhalb des stromaufwärtigen Raums bewegt, einen Ventilkörper (24), der mit dem Verstellelement (26) verbunden ist und entsprechend einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, um die Ventilöffnung zu öffnen und zu schließen, und eine Kanaleinrichtung (22a, 23b), durch welche das Kältemittel zu einer Startzeit des Kompressors strömt, selbst wenn der Ventilkörper die Ventilöffnung schließt.
Druckregelventil nach Anspruch 9, bei welchem die Kanaleinrichtung ein in der Teilungswand vorgesehenes Bypassloch (22a) ist, durch welches der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht und das Kältemittel an der Ventilöffnung vorbei strömt.
Druckregelventil nach Anspruch 9, bei welchem die Ventilöffnung einen Sitzabschnitt (23a) aufweist, der zum Kontaktieren des Ventilkörpers vorgesehen ist; und die Kanaleinrichtung ein Nutabschnitt (23b) ist, durch den der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, selbst wenn der Ventilkörper den Sitzabschnitt kontaktiert.
Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem der Ventilabschnitt einen Ventilöffnungsdruck besitzt, der 10±1,5 MPa bei 40°C und 8±1,5 MPa bei 0°C beträgt.
Dampfkompressionskühlkreissystem, mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Kältemittels auf einen Druck höher als ein kritischer Druck des Kältemittels; einem Kältemittelkühler (3) zum Kühlen des von dem Kompressor ausgegebenen Kältemittels, wobei der Kältemittelkühler einen Kältemitteldruck darin höher als der kritische Druck besitzt; und einem Druckregelventil (4) zum Steuern eines Kältemitteldrucks an einem Auslass des Kältemittelkühlers entsprechend einer Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers, wobei das Druckregelventil einen Ventilabschnitt (4A – 4D) enthält, der eine Steuerdruckkennlinie besitzt, bei der eine Druckänderung relativ zu einer Temperatur kleiner als jene des Kältemittels ist.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach Anspruch 13, bei welchem der Ventilabschnitt (4A, 4C, 4D) enthält: ein Gehäuse (21) zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen in dem Kältemittelkanal angeordneten Teilungsabschnitt (22) zum Teilen eines Innenraums des Gehäuses in einen stromaufwärtigen Raum (21b) und einen stromabwärtigen Raum (21c), eine in dem Teilungsabschnitt (22) vorgesehene Ventilöffnung (23), durch die der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen abgeschlossenen Raum (25), der innerhalb des stromaufwärtigen Raums (21b) vorgesehen ist, ein filmförmiges Verstellelement (26), das in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehen ist, wobei sich das Verstellelement entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums innerhalb des stromaufwärtigen Raums bewegt, und einen Ventilkörper (24), der mit den Verstellelementen (26) verbunden ist und entsprechend einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, um die Ventilöffnung zu öffnen und zu schließen, wobei der abgeschlossene Raum (25) mit einem Gas gefüllt ist, das eine Druckänderung bezüglich der Temperatur kleiner als jene des Kältemittels besitzt.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach Anspruch 13, bei welchem der Ventilabschnitt (4B) enthält: ein Gehäuse (21) zum Definieren eines Kältemittelkanals, einen in dem Kältemittelkanal angeordneten Teilungsabschnitt (22) zum Teilen eines Innenraums des Gehäuses in einen stromaufwärtigen Raum (21b) und einen stromabwärtigen Raum (21c), eine in dem Teilungsabschnitt vorgesehene Ventilöffnung (23), durch die der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, einen abgeschlossenen Raum (25), der innerhalb des stromaufwärtigen Raums vorgesehen ist, ein filmförmiges Verstellelement (26), das in dem stromaufwärtigen Raum vorgesehen ist, wobei sich das Verstellelement entsprechend einer Druckdifferenz zwischen innen und außen des abgeschlossenen Raums innerhalb des stromaufwärtigen Raums bewegt, einen Übertragungsstab (31), der mit dem Verstellelement verbunden ist und entsprechend einer Bewegung des Verstellelements bewegt wird, ein elastisches Element (33), das in dem stromabwärtigen Raum angeordnet ist, und einen Ventilkörper (32), der zum Öffnen und Schließen der Ventilöffnung von dem stromabwärtigen Raum durch eine Vorspannkraft des elastischen Elements angeordnet ist, wobei der abgeschlossene Raum mit einem Gas gefüllt ist, das eine Druckänderung bezüglich der Temperatur kleiner als jene des Kältemittels besitzt.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach Anspruch 13, bei welchem der Ventilabschnitt die Kanaleinrichtung (22a, 23b) enthält, durch die das Kältemittel zu einer Startzeit des Kompressors strömt, selbst wenn der Ventilkörper die Ventilöffnung schließt.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach Anspruch 16, bei welchem die Kanaleinrichtung ein in der Teilungswand vorgesehenes Bypassloch (22a) ist, durch welches der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht und das Kältemittel an der Ventilöffnung vorbei strömt.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach Anspruch 16, bei welchem die Ventilöffnung einen Sitzabschnitt (23a) aufweist, der zum Kontaktieren des Ventilkörpers vorgesehen ist; und die Kanaleinrichtung ein Nutabschnitt (23b) ist, durch den der stromaufwärtige Raum mit dem stromabwärtigen Raum in Verbindung steht, selbst wenn der Ventilkörper den Sitzabschnitt kontaktiert.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei welchem der Ventilabschnitt einen Ventilöffnungsdruck besitzt, der 10±1,5 MPa bei 40°C und 8±1,5 MPa bei 0°C beträgt.
Dampfkompressionskühlkreissystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei welchem der Kältemittelkühler zum Heizen eines Fluids verwendet wird und das Druckregelventil den Kältemitteldruck am Auslass des Kältemittelkühlers steuert, um zu einer Heizstartzeit des Fluids eine Kältemittelströmungsmenge größer als eine bestimmte Menge zu haben.