DE19500865A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kälteerzeugungssystems, gekennzeichnet durch die Steuerung des Maximalbetriebsdrucks - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kälteerzeugungssystems, gekennzeichnet durch die Steuerung des MaximalbetriebsdrucksInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kälteerzeugungs
systeme und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben
von Kälteerzeugungssystemen, die einen Verdichter mit Zwischen
druckanschluß verwenden.
Das Patent US 4,850,197 des Anmelders der vorliegenden Erfindung
offenbart ein auf einem Vorwärmzyklus basierendes Dampfverdich
tungs-Kälteerzeugungssystem, das einen Kälteverdichter verwendet,
der zusätzlich zu Saug- und Ausgabeanschlüssen einen Zwischendruck
anschluß aufweist. Ein Vorwärm-Wärmetauscher wird dazu verwendet,
die Leistung von Heißgaskühl- und Heißgasheizzyklen zu steigern,
welche durch zugehörige elektrische oder elektronische Steuerungen
eingeleitet werden, um einen vorgegebenen Temperaturbereich in der
Nähe einer gewählten Solltemperatur in einem bedienten zu klimatisie
renden Raum zu erzielen und aufrechtzuerhalten.
Das Patent US 5,174,123 des Anmelders der vorliegenden Erfindung,
erteilt am 29. Dezember 1992, mit dem Titel "Methods and Apparatus
for Operating a Refrigeration System", offenbart Kälteerzeugungsver
fahren und -vorrichtungen, die in einem Kälteerzeugungssystem mit
einem Vorwärmzyklus anstelle eines Vorwärm-Wärmetauschers einen
Kondensatsammler verwenden. Die in der obigen Anmeldung offen
barte Kälteerzeugungsanordnung beseitigt die Notwendigkeit eines
Schwimmerventils im Kondensatsammler, so daß der Kondensatsamm
ler in Transport-Kälteerzeugungsanwendungen eingesetzt werden kann.
Es wäre wünschenswert und ist daher eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, sowohl die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad als auch
die Steuerverfahren und -anordnungen von Kälteerzeugungssystemen
mit Vorwärmzyklus, etwa von Kälteerzeugungssystemen, die in den
obenerwähnten Patenten offenbart sind, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren und
Vorrichtungen zum Betreiben eines Kälteerzeugungssystems, die die in
den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale
besitzen.
Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung gerichtet.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum
Betreiben eines Kälteerzeugungssystems, das eine vorgegebene Soll
temperatur in einem klimatisierten Raum über Kühl- und Heizzyklen
erzielt und hält. Das Kälteerzeugungssystem enthält einen Kälteverdich
ter mit einem Sauganschluß, einem Zwischendruckanschluß und einem
Ausgabeanschluß sowie eine Verdichter-Antriebsmaschine. Das Käl
teerzeugungssystem enthält weiterhin eine Heißgas-Verdichterausgabe
leitung, eine erste und eine zweite Heißgasleitung, ein erstes steuerba
res Ventilmittel, das eine erste Stellung und eine zweite Stellung auf
weist, die die Heißgas-Verdichter-Ausgabeleitung mit der ersten Heiß
gasleitung bzw. mit der zweiten Heißgasleitung verbinden. Mit der
ersten Heißgasleitung ist ein Hauptkondensator verbunden. Ein Ver
dampfer, der dem klimatisierten Raum zugehört, enthält ein Verdamp
fer-Expansionsventil. Dem klimatisierten Raum gehört ferner ein Hilfs
kondensator zu, der mit der zweiten Heißgasleitung verbunden ist.
Außerdem ist ein Vorwärm-Wärmetauschermittel mit einem ersten und
einem zweiten Kältemittel-Strömungsweg vorgesehen, das ein Vor
wärmer-Expansionsventil enthält, das die Kältemittel-Durchflußmenge
durch den zweiten Kältemittel-Strömungsweg steuert. Eine Hauptflüs
sigkeitsleitung verbindet den Hauptkondensator über den ersten Käl
temittel-Strömungsweg des Vorwärm-Wärmetauschermittels mit dem
Verdampfer-Expansionsventil, während eine Hilfsflüssigkeitsleitung
den Hilfskondensator mit dem Vorwärm-Wärmetauschermittel verbin
det, eine Hauptsaugleitung den Verdampfer mit dem Sauganschluß des
Verdichters verbindet und eine Hilfssaugleitung den zweiten Strö
mungsweg des Vorwärm-Wärmetauschermittels mit dem Zwischen
druckanschluß des Verdichters verbindet. Ein zweites steuerbares
Ventilmittel, das eine erste Stellung und eine zweite Stellung aufweist,
ist so angeordnet, daß es die Hauptflüssigkeitsleitung sperrt und frei
gibt, während ein drittes steuerbares Ventilmittel so angeordnet ist, daß
es zum Vorwärm-Wärmetauschermittel wahlweise Wärme hinzufügt.
Für die Offen/Geschlossen-Ventilstellungen des ersten, des zweiten und
des dritten steuerbaren Ventilmittels ist wenigstens ein vorgegebenes
Nullmuster vorgesehen, wobei ein Nullzyklus oder eine Null-Betriebs
art eingeleitet werden, wenn die Temperatur des klimatisierten Raums
in einem vorgegebenen Null-Temperaturbereich liegt, der in der Um
gebung der vorgegebenen Solltemperatur liegt, wobei dabei der Betrieb
des Kälteverdichters aufrechterhalten wird. Die Einleitung der Null-
Betriebsart enthält die Wahl des wenigstens einen vorgegebenen Null
musters für Offen/Geschlossen-Ventilstellungen.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh
rungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es
zeigen:
Fig. 1 ein Kälteerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, das einen Vorwärmzyklus ent
hält;
Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die Implementierung desjeni
gen Abschnitts der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung genauer
veranschaulicht, der direkt dem zu klimatisierenden Raum
zugeordnet ist;
Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten
Kälteerzeugungssystems, wobei die Abwandlung auf die
Kühlung eines von einem Kälteverdichter verwendeten
Schmiermittels bezogen ist und ein Motorkühlmittel sowie ei
nen einzigen Thermostaten des Nebenleitungstyps verwendet;
Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 1
gezeigten Kälteerzeugungssystems, wobei die Abwandlung
auf die Kühlung eines von einem Kälteverdichter verwende
ten Schmiermittels bezogen ist und ein Motorkühlmittel sowie
einen einzigen Thermostaten des Drosseltyps verwendet;
Fig. 5 einen Steueralgorithmus mit Heiz-, Kühl- und Null-Betriebs
arten, die gemäß den Lehren der Erfindung implementiert
sind; und
Fig. 6 weitere abgewandelte Ausführungsformen des in Fig. 1
gezeigten Kälteerzeugungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
Der bereits oben und in der folgenden Beschreibung und in den An
sprüchen verwendete Ausdruck "klimatisierter Raum" umfaßt jeden
Raum, dessen Temperatur und/oder Feuchtigkeit gesteuert werden
sollen, einschließlich stationärer und bewegter Anwendungen, etwa für
die Aufbewahrung von Lebensmitteln oder anderen leicht verderblichen
Waren, der Aufrechterhaltung einer geeigneten Atmosphäre für die
Beförderung von industriellen Gütern, der Raumklimatisierung für ein
behagliches Raumklima und dergleichen. Der Ausdruck "Kälteerzeu
gungssystem" wird verwendet, um allgemein sowohl Klimatisierungs
systeme für die Raumbehaglichkeit sowie Klimatisierungssysteme für
die Aufbewahrung von leicht verderblichen Gütern und für die Beför
derung von industriellen Gütern abzudecken. Wenn angegeben wird,
daß die Temperatur eines klimatisierten Raums auf eine gewählte
Solltemperatur gesteuert wird, so ist damit gemeint, daß die Tempera
tur des klimatisierten Raums auf einen vorgegebenen Temperaturbe
reich gesteuert wird, der in der Umgebung der gewählten Solltempera
tur liegt. In Fig. 1 sind steuerbare Ventile, die normalerweise offen
sind (n-o), durch einen leeren Kreis dargestellt, während steuerbare
Ventile, die normalerweise geschlossen sind (n-g), durch ein "x" in
einem Kreis dargestellt sind. Selbstverständlich kann die zugehörige
elektrische oder elektronische Steuervorrichtung, die hier "elektrische
Steuervorrichtung" genannt wird, dahingehend geändert werden, daß
die gezeigten energielosen Zustände invertiert werden. Ein in Fig. 1
auf ein Ventil gerichteter Pfeil zeigt an, daß das Ventil durch die zuge
hörige elektrische Steuervorrichtung gesteuert wird.
In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein Kälteerzeu
gungssystem 10 gezeigt, das gemäß den Lehren der vorliegenden Er
findung konstruiert ist. Das Kälteerzeugungssystem 10 ist von einer
Bauart, die einen Vorwärmzyklus enthält und einen Kälteverdichter 12
mit einem Sauganschluß S, einem Ausgabeanschluß D und einen Zwi
schendruckanschluß IP umfaßt. Der Verdichter 12 wird von einer
Antriebsmaschine 14 angetrieben, die in einer bevorzugten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung einen flüssigkeitsgekühlten
Verbrennungsmotor wie etwa einen Dieselmotor enthält, der mit dem
Verdichter 12 wie allgemein durch die unterbrochene Linie 16 angege
ben verbunden ist. Die Antriebsmaschine 14 kann auch einen Elektro
motor als einzige Antriebsmaschine oder als Zusatzantriebsmaschine
umfassen.
Eine Heißgas-Verdichterausgabeleitung 18 verbindet den Ausgabean
schluß D des Verdichters 12 über ein Ausgabe-Hauptsperrventil 22 mit
dem ersten steuerbaren Ventilmittel 20. Das erste steuerbare Ventilmit
tel 20 verbindet die Heißgas-Verdichterausgabeleitung 18 mit einer
ausgewählten der ersten und zweiten Heißgasleitungen 24 bzw. 26. Wie
in Fig. 1 gezeigt, kann das erste steuerbare Ventilmittel 20 ein n-g-
Vorsteuermagnetventil 28 und ein Dreiwegeventil 30 enthalten. Das
Vorsteuermagnetventil 28 verbindet wahlweise die Niederdruckseite
des Verdichters 12 mit dem Dreiwegeventil 30, etwa durch den An
schluß an eine Hauptsaugleitung 32 über ein T-Stück, wobei die Haupt
saugleitung 32 über ein Saugleitungs-Hauptabsperrventil 36 mit dem
Sauganschluß S des Verdichters 12 verbunden ist. Das Vorsteuerma
gnetventil 28 wird durch die elektrische Steuervorrichtung 38 über
Mittel funktional gesteuert, die allgemein mit dem Pfeil 29 bezeichnet
sind. Wenn das Vorsteuermagnetventil 28 im energielosen Zustand und
daher geschlossen ist, verbindet das Dreiwegeventil 30 die Heißgas-
Verdichterausgabeleitung 18 mit der ersten Heißgasleitung 24, wäh
rend dann, wenn die elektrische Steuervorrichtung 38 das Vorsteuer
magnetventil 28 mit Energie versorgt und daher öffnet, das Dreiwege
ventil 30 durch den Verdichterdruck betätigt wird und die Heißgas-
Verdichterausgabeleitung 18 mit der zweiten Heißgasleitung 26 ver
bindet.
Die erste Heißgasleitung 24 und die zweite Heißgasleitung 26 leiten
heißes Verdichter-Ausgabegas zum Kühlkreis 40 bzw. zum Heizkreis
43. Der Kühlkreis 40 enthält einen Haupt-Kältemittelkondensator 44,
der eine Kühlschlange 46 sowie ein Kondensator-Luftbewegungsmittel
48 umfaßt. Die erste Heißgasleitung 24 ist mit der Einlaßseite der
Kühlschlange 46 verbunden, während deren Auslaßseite über eine
Hauptflüssigkeitsleitung 52, die ihrerseits ein Rückschlagventil 50
enthält, mit einem Einlaß 51 eines Kältemittelsammlers 50 verbunden
ist. Der Kühlkreis 40 und die Hauptflüssigkeitsleitung 52 werden vom
Auslaß 53 des Sammlers 50 über einen Kältemittel-Dehydrator oder
-trockner 58, ein Vorwärm-Wärmetauschermittel 60 sowie ein zweites
steuerbares Ventilmittel 62 wie etwa ein n-o-Magnetventil, das durch
die elektrische Steuervorrichtung 38 über allgemein mit dem Pfeil 63
bezeichnete Mittel funktional gesteuert wird, an die Einlaßseite eines
Verdampfer-Expansionsventils 56 fortgesetzt.
Das Vorwärm-Wärmetauschermittel 60 enthält einen ersten Kältemittel-
Strömungsweg 64 und einen zweiten Kältemittel-Strömungsweg 66,
wobei der erste Kältemittel-Strömungsweg 64 eine Wärmetauscher
schlange 68 in der Flüssigkeitsleitung 52 enthält. Der zweite Kältemit
tel-Strömungsweg 66 enthält eine Rohrhülse oder ein Gehäuse 70, das
die Wärmetauscherschlange 68 umgibt, wobei die Rohrhülse 70 einen
Kältemitteleinlaß 72 und einen Kältemittelauslaß 74 aufweist. Der
zweite Strömungsweg 66 ist an die Hauptflüssigkeitsleitung 52 über ein
T-Stück 76 und eine Leitung 77 angeschlossen, ferner ist in die Leitung
77 zwischen dem T-Stück 76 und dem Rohrhülseneinlaß 72 ein Vor
wärmer-Expansionsventil 76 eingefügt. Somit wird ein Teil des durch
die Hauptflüssigkeitsleitung 52 strömenden flüssigen Kältemittels durch
das Vorwärmer-Expansionsventil 78 in den zweiten Kältemittel-Strö
mungsweg 76 abgezweigt, wobei das Kältemittel in der Rohrhülse 70
expandiert und durch Unterkühlen des durch die Wärmetauscher
schlange 68 strömenden flüssigen Kältemittels einen Vorwärmzyklus
schafft. Der Rohrhülsenauslaß 74 ist mit dem Zwischendruckanschluß
IP des Verdichters 12 über eine Hilfssaugleitung 80 und ein Hauptab
sperrventil 82 verbunden. Das Kältemittel in der Rohrhülse 70 steht
unter höherem Druck als das zum Sauganschluß S des Verdichters 12
zurückkehrende Kältemittel und wird daher zum Zwischendruckan
schluß IP mit höherem Druck zurückgeleitet.
Das Vorwärm-Wärmetauschermittel 60 enthält außerdem ein Heizmittel
84, mit dem dem durch das Vorwärm-Wärmetauschermittel 60 strö
menden Kältemittel wahlweise Wärme hinzugefügt wird. Das Heizmit
tel 84 enthält in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in
der die Antriebsmaschine 14 einen flüssigkeitsgekühlten Verbren
nungsmotor enthält, einen Heiz- oder Kühlmantel 86, der so ange
schlossen ist, daß er von der Antriebsmaschine 14 über das dritte steu
erbare Ventilmittel 88, das ein n-g-Magnetventil, das durch die elektri
sche Steuervorrichtung 38 über allgemein mit dem Pfeil 89 bezeichnete
Mittel funktional gesteuert wird, flüssiges Kühlmittel empfängt. Das
flüssige Kühlmittel von einem der Antriebsmaschine 14 zugehörigen
Flüssigkühlmittelkreis tritt an der Einlaßseite des Kühlmantels 86 über
eine erste Flüssigkeitsströmungsleitung 90 ein und wird vom Kühlman
tel 86 über eine zweite Flüssigkeitsströmungsleitung 94 zu einer Was
serpumpe 92 zurückgeleitet. Das Ventil 88 und die Leitung 90 sind mit
dem Flüssigkeitskreis der Antriebsmaschine 14 unter Umgehung eines
der Antriebsmaschine 14 zugehörigen Thermostaten T verbunden. Die
Kältemittel-Durchflußmenge durch den zweiten Kältemittel-Strö
mungsweg 66 wird durch das Vorwärm-Expansionsventil 78 in Ab
hängigkeit von der Kältemitteltemperatur am Auslaß 74 gesteuert, wie
durch den Wärmekolben 96 angezeigt ist. Wenn die Antriebsmaschine
14 ein Elektromotor ist, kann der Heizmantel 86 anstelle eines Kühl
mantels eine elektrische Widerstandswicklung sein, wobei dann das
dritte steuerbare Ventilmittel 88 durch einen Ein/Aus-Schalter ersetzt
ist. Obwohl vorzugsweise der Außenseite der Rohrhülse 70 Wärme
zugeführt wird, kann selbstverständlich der Wärmemaustauschschlange
in der Rohrhülse 70 flüssiges Kühlmittel zugeführt werden, ferner
können anstelle der Heizung der Außenseite der Rohrhülse 70 in der
Rohrhülse 70 elektrische Heizwiderstände vorgesehen sein.
Der Kühlkreis 40 wird vom Verdampfer-Expansionsventil 56, das
Hochdruck- und Niederdruckseiten des Kühlkreises 40 trennt, über
einen Kältemittelverteiler 98, der Kältemittel an einen Verdampfer 100
verteilt, fortgesetzt. Der Verdampfer 100 enthält eine Verdampfer
schlange 102, die mehrere Strömungswege enthält, die vom Verteiler
98 Kältemittel empfangen, sowie ein Verdampfer-Luftbewegungsmittel
104. Das Luftbewegungsmittel 104 bewirkt eine Zirkulation der Luft
zwischen dem klimatisierten Raum, der allgemein mit 106 bezeichnet
ist, und der Verdampferschlange 102. Eine Auslaßseite der Verdamp
ferschlange 102 ist mit der obenerwähnten Hauptsaugleitung 32 ver
bunden, damit das Kältemittel zum Sauganschluß S des Verdichters 12
zurückgeleitet werden kann. Die Strömung durch den ersten Strö
mungsweg 64 des Vorwärm-Wärmaustauschmittels 60 wird daher
durch das Verdampfer-Expansionsventil 56 gesteuert, das seinerseits
die Durchflußmenge entsprechend dem Grad der Überhitzung der die
Verdampferschlange 102 verlassenden Kältemitteldämpfe steuert, wie
durch den Wärmekolben 107 angezeigt ist.
Der Heizkreis 42 enthält die zweite Heißgasleitung 26, einen Hilfskon
densator 108 sowie eine Hilfsflüssigkeitsleitung 110. Der Hilfskonden
sator 108 gehört dem Verdampfer 100 zu und steht daher in einer
Wärmeaustauschbeziehung mit dem klimatisierten Raum 106. Die
zweite Heißgasleitung 126 ist mit einer Einlaßseite des Hilfskondensa
tors 108 verbunden, während die Auslaßseite des Hilfskondensators
108 mit der Hilfsflüssigkeitsleitung 110 verbunden ist. Die Hilfsflüs
sigkeitsleitung 110 ist mit der Hauptflüssigkeitsleitung 52 über ein
T-Stück 112 verbunden, wobei in der Hilfsflüssigkeitsleitung 110 ein
Rückschlagventil 114 angeordnet ist, das eine Strömung von der
Hauptflüssigkeitsleitung 52 zum Hilfskondensator 108 verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
der Hilfskondensator 108 in einen ersten und einen zweiten Abschnitt
116 bzw. 118, die hintereinander angeordnet sind und als Abtauflüssig
keitsschalen-Heizschlange bzw. als Heizschlange für die Zuführung
von Wärme zum klimatisierten Raum 106 arbeiten, unterteilt. Fig. 2 ist
eine schematische Darstellung einer geeigneten Implementierung des
Verdampfers 100 und des Hilfskondensators 108, in der die Heiz
schlange 118 durch Verwendung einer/eines von mehreren Reihen oder
Kältemittel-Strömungswegen, die die Verdampferschlange 102 bilden,
implementiert ist. Die vom klimatisierten Raum 106 zurückkehrende
Luft, die mit dem Pfeil 120 bezeichnet ist, wird mittels des Luftbewe
gungsmittels 104 in eine Sammelkammer 122 gesaugt und zum Strömen
durch mehrere Kältemittel-Strömungswege gezwungen, die die Strö
mungswege der Verdampferschlange 102 und einen oder mehrere
Strömungswege, die dem Hilfskondensator 108 zugehören, enthalten,
wobei die Heizschlange 118 durch eine oder mehrere Reihen von
Wärmeaustauschrohren in einer die Verdampferschlange 102 bilden
den Struktur gegeben ist, wie oben erwähnt worden ist. Die Anordnung
der Heizschlange 118 in bezug auf die Luftströmungsrichtung durch die
Sammelkammer 122 hängt von der besonderen Anwendung des Käl
teerzeugungssystems 10 ab. Wenn von der Anwendung eine Entfeuch
tung gefordert ist, würde eine Röhre oder Reihe in der Nähe der eintre
tenden Luft gewählt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn andererseits eine
Entfeuchtung nicht gefordert ist, würde sich die gewählte Reihe unge
fähr in der Mitte befinden, um den Abtauzyklus der Verdampferschlan
ge 102 zu verstärken. Selbst wenn die Heizschlange 118 sich in der
Nähe der Eintrittsseite der Luftströmung befindet, erfolgt der Abtau
vorgang schnell, wenn ein steuerbarer Abtaudämpfer 124, der durch
die elektrische Steuervorrichtung 38 gesteuert wird, während des Ab
tauvorgangs ausgeschaltet ist, wodurch Luft schnell um sämtliche
Reihen des die Verdampferschlange 102 bildenden Rohrbündels zirku
liert, so daß von der Heizschlange 118 Wärme schnell an sämtliche
Reihen der Struktur verteilt wird. Die mit dem Pfeil 126 bezeichnete
abgegebene oder klimatisierte Luft wird durch das Luftbewegungsmit
tel 104 zu einer Rückströmung in den klimatisierten Raum 106 ge
zwungen. Rückkehrluft- und Ausgabeluft-Temperatursensoren 128
bzw. 130 schaffen Steuersignale für die elektrische Steuervorrichtung
38. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann auch von einem Umgebungsluft-Tem
peratursensor 132 ein Eingangssignal für die elektrische Steuervorrich
tung 38 geschaffen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
eine Kältemittel-Entlüftungsleitung mit vorgegebener Blendengröße, die
mit dem Bezugszeichen 134 bezeichnet ist, vorgesehen. Die Entlüf
tungsleitung 133 ist in der Weise angeschlossen, daß während eines
Kühlzyklus der Heizkreis 42 mit Druck beaufschlagt wird, um den
Kühlzyklus ohne weitere Anforderungen an das gesamte Kälteerzeu
gungssystem zu verbessern, indem das im Heizkreis 42 eingeschlossene
Kältemittel in den Kühlkreis 40 gezwungen wird. Die Kühlmittel-Ent
lüftungsleitung 133 ist zwischen den Heizkreis 42, der den Kreis zwi
schen dem Dreiwegeventil 30 und dem Rückschlagventil 114, d. h. die
zweite Heißgasleitung 26, den Hilfskondensator 108 und die Hilfsflüs
sigkeitsleitung 110 enthält, und die Niederdruckseite des Kühlkreises
40, d. h. zwischen die Auslaßseite des Verdampfer-Expansionsventils
56 und den Sauganschluß S des Verdichters 12 geschaltet. In einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abtauflüssigkeits
schalen-Heizschlange 116 mit der Heizschlange 118 in Serie angeord
net, während die Kältemittel-Entlüftungsleitung 133 an einer Verbin
dung oder einem T-Stück 136 zwischen den Schlangen 116 und 118 mit
einem von zwei vorgegebenen Punkten verbunden ist. In der in Fig. 1
gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Entlüf
tungsleitung 133 mit dem Kältemittelverteiler 98 verbunden. In Fig. 6,
die später erläutert wird, ist die Entlüftungsleitung 133 mit einem ande
ren vorgegebenen Punkt verbunden. Diese bevorzugten Anordnungen
besitzen die Vorteile, daß die Länge der Entlüftungsleitung 133 mini
miert ist und daß der Abtauvorgang der Entlüftungsleitung 133 wäh
rend des Abtauzyklus erfolgt. Da während des Heiz-/Abtauzyklus die
Entlüftungsleitung 133 eine Volumenabnahme bewirkt, ist die Entlüf
tungsmündung 134 vorzugsweise so bemessen, daß sie in einem Be
reich von ungefähr 0,8 bis 2,5 mm liegt, damit die Volumenabnahme
während des Heiz-/Abtauzyklus minimiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verbindet eine Verdichter-Ölablaufleitung 138 einen unteren
Punkt 140 der Rohrhülse 70 mit einem der beiden vorgegebenen Punk
te. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die
Ölablaufleitung mit einem in Höhenrichtung noch tieferen Punkt der
Hilfssaugleitung 80 verbunden, wobei die untere Verbindung mit der
Hilfssaugleitung 80 durch das T-Stück 142 gegeben ist. In Fig. 6, die
im folgenden erläutert wird, ist ein weiterer vorgegebener Punkt ge
zeigt, der ein in Höhenrichtung höherer Punkt in der Hilfssaugleitung
80 als der Ablaufpunkt 140 ist. Das Verdichteröl, das in das System
zusammen mit der Heißgasausgabe vom Verdichter 12 ausgetragen
wird, ist wenigstens teilweise mit dem flüssigen Kältemittel in der
Rohrhülse 70 mischbar. Das Verdichteröl, das sich in der Rohrhülse 70
sammelt, senkt den Vorwärmwirkungsgrad zwischen der in der Rohr
hülse 70 stattfindenden Verdampfung des Flutungstyps und der Wärme
tauscherschlange 68 ab. In der Ausführungsform von Fig. 1 hat sich
gezeigt, daß die Ablaufleitung 138 gut arbeitet, wenn sie durch ein
OD-Rohr mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm und eine Mündung
von 2,3 mm gebildet ist. Auf diese Weise schafft die Ablaufleitung 138
den Vorteil, daß die Konzentration des Verdichteröls der Rohrhülse
verringert wird, wodurch der Vorwärmwirkungsgrad in Abhängigkeit
von der momentanen Betriebsbedingung um 20 bis 60% erhöht wird.
Die Ablaufleitung 138 führt auch eine dosierte Strömung des flüssigen
Kältemittels zum Verdichter 12 zurück, indem sie Öl und flüssiges
Kältemittel in den Zwischendruckanschluß IP einspritzt. Die abgemes
sene Menge des flüssigen Kältemittels verdampft und kühlt dadurch den
Verdichter, wodurch die Ausgabetemperatur des Verdichters 12 inner
halb erwünschter Grenzen gehalten wird.
Wie bei Verdichtern mit einem Zwischendruckanschluß IP üblich, ist
ein steuerbares n-g-Ventil 144, das Vorwärmer-Nebenleitungsventil
genannt wird, vorgesehen, das die Vorwärmer-Kältemitteldämpfe zum
Sauganschluß P umleitet, wenn es geöffnet ist. Das Nebenleitungsventil
144 wird durch die elektrische Steuervorrichtung 38 über im allgemei
nen mit dem Pfeil 147 bezeichnete Mittel funktional gesteuert. Das
Ventil 144 kann im Verdichter 12 oder wie gezeigt außerhalb des Ver
dichters 12, vorgesehen sein und ist zwischen T-Stücke 146 und 148
eingefügt, die Verbindungen mit der Hilfssaugleitung 80 bzw. mit der
Hauptsaugleitung 32 herstellen. In einem normalen Einschaltverhältnis
des Vorwärmer-Nebenleitungsventils 144 ist das Ventil 144 während
des Heiz/Abtauzyklus geöffnet, um jede Beschränkung des Verdichter-
Pumpvermögens auszuschließen. Während des Heiz-/Abtauzyklus ist
die normale Strömung zum Sauganschluß unterbrochen. Wenn der
Verdichter 12 nur durch den Zwischendruckanschluß IP pumpt, kann
das Pumpvermögen eingeschränkt sein, ferner wird in der Haupt
saugleitung ein Unterdruck hervorgerufen. Eine geöffnete Leitung
zwischen der Hilfssaugleitung und der Hauptsaugleitung über das
geöffnete Nebenleitungsventil 144 beseitigt daher diese Probleme. Das
Nebenleitungsventil 144 kann auch während eines Kühlzyklus als Teil
eines Temperatur-Steuerungsalgorithmus geöffnet sein, um den Ver
dichter 12 für die Temperatursteuerung im klimatisierten Raum 106 zu
entlasten, wenn eine Annäherung an die gewählte Solltemperatur er
folgt. Die Solltemperatur des klimatisierten Raums 106 wird auf einer
Solltemperatur-Wähleinrichtung 145 gewählt, die ein Eingangssignal
für die elektrische Steuervorrichtung 38 erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Vor
wärmer-Nebenleitungsventil 144 eine weitere Funktion, nämlich eine
Motorlastverwaltung, wenn die Antriebsmaschine 14 ein Verbren
nungsmotor ist. Es ist wünschenswert, daß die Temperatur des Motor
kühlmittels und die Abgastemperatur innerhalb vernünftiger Grenzen
gehalten werden. Wenn die Last des Motors 14 übermäßig hoch ist,
insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, wäre es wünschens
wert, den Motor 14 zu entlasten, um die gewünschten Grenzen beizu
behalten. Daher wird gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
die Last des Motors 14 überwacht, wobei bei Überschreiten eines
vorgegebenen Werts das Nebenleitungsventil 144 durch die elektrische
Steuervorrichtung 38 geöffnet wird und solange offen bleibt, bis die
überwachte Last unter einen vorgegebenen kleineren Wert abfällt. Die
Last des Motors 14 kann beispielsweise durch Überwachen des Ver
dichter-Ausgabedrucks überwacht werden. Ein Ausgabedrucksensor
150 erzeugt eine Information bezüglich des Verdichterausgabedrucks
für die elektrische Steuervorrichtung 38. Wenn der Ausgabedruck
einen vorgegebenen Wert erreicht, beispielsweise 2482 kPa (relativ) für
ein R22-Kältemittel, versorgt die elektrische Steuervorrichtung 38 das
Vorwärmer-Nebenleitungsventil 144 mit Energie, so daß dieses sich
öffnet und den Motor 14 entlastet. Wenn der Ausgabedruck auf einen
vorgegebenen Wert wie etwa 2165 kPa (relativ) für das R22-Kältemittel
abfällt, unterbricht die elektrische Steuervorrichtung 38 die Energiever
sorgung des Nebenleitungsventils 144, wodurch dieses geschlossen
wird. Es können andere Anzeigeinformationen für die Motorlast ver
wendet werden, beispielsweise die Temperatur des Motorkühlmittels,
die durch einen dem Motorkühlkreis 154 zugehörigen Temperatursen
sor 152 ermittelt wird. Ein Motorkühlmittel-Temperaturanstieg auf
beispielsweise 101°C kann dazu verwendet werden, ein Öffnen des
Ventils 144 einzuleiten, während ein Temperaturabfall auf beispiels
weise 92°C einen Schließvorgang einleiten kann. Die Motorabgastem
peratur kann ebenfalls für die Anzeige der Motorlast verwendet wer
den, die von einem der Abgasleitung 158 zugehörigen Temperatursen
sor 156 ermittelt wird. Ein Abgastemperaturanstieg auf beispielsweise
454°C kann für die Einleitung des Öffnens des Ventils 144 verwendet
werden, während ein Temperaturabfall auf beispielsweise 426°C einen
Schließvorgang einleiten kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
das Motorkühlmittel zum Kühlen des Verdichteröls verwendet. Wenn
der Verdichter 12 mit hohen Druckverhältnissen verdichtet und das
Verhältnis der spezifischen Wärme des Kältemittels hoch ist, erfordert
der Verdichter 12 eine gewisse Kühlung, um die Ausgabetemperatur zu
begrenzen, weshalb in Verbindung mit dem Ausgabe-Hauptabsperr
ventil 22 O-Ring-Dichtungen aus Neopren oder dergleichen verwendet
können. Die Verdichterkühlung wird durch die Entnahme von Öl aus
dem Verdichter 12, durch Kühlen des Öls in einen Ölkühler 160 und
durch erneutes Einspritzen des Öls in den Verdichter 12 an einem
dazwischenliegenden Punkt erzielt, wobei diese Operation außerdem
die Wellendichtung schmiert. Das Motorkühlmittel ist vorzugsweise
eine Lösung aus Ethylenglycol und Wasser. Es wäre wünschenswert,
sowohl das Motoröl als auch das Verdichteröl mit einem einzigen
Thermostaten zu kühlen, obwohl der Motor und der Verdichter unter
schiedliche Kühlungsanforderungen haben. Weder der Verdichter 122
noch der Motor 14 sollten zu heiß oder zu kalt werden, wobei sich der
Verdichter 12 unter den meisten Betriebsbedingungen im allgemeinen
schneller als der Motor 14 aufheizt.
Genauer ist ein Verdichter-Ölkühler 160 mit einem Einlaß 161 und
einem Auslaß 163 vorgesehen, der eine Wärmetauscherschlange 162
aufweist, die über Leitungen 166 und 168 mit einer Verdichterölwanne
164 verbunden ist. Die Wärmetauscherschlange 162 ist von einem
Kühlmantel 170 umgeben, der mit dem Motorkühlmittelkreis 154 ver
bunden ist. Der Motorkühlmittelkreis 154 enthält einen Thermostaten
172, einen Kühler 174 und einen Expansionstank 176 sowie die oben
erwähnte Kühlmittelpumpe 92. Das Motorkühlmittel im Expansionstank
176 ist mit dem Bezugszeichen 177 bezeichnet. Wie gezeigt, kann der
Kühlmantel 170 in der Weise angeschlossen sein, daß er über eine
Leitung 178 vom Thermostaten 172 Kühlmittel empfängt und dieses
Kühlmittel über eine Leitung 180 zur Pumpe 92 zurückleitet.
Die Fig. 3 und 4 zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
bezüglich der Verbindung des Ölkühlers 160 mit dem Motorkühlmittel
kreis 154. Fig. 3 bezieht sich auf die Verwendung eines Thermostaten
182 des Nebenleitungstyps. Der Nebenleitungsthermostat 182 besitzt
einen ersten Einlaß 184, einen zweiten Einlaß 186 sowie einen Auslaß
188. Anfangs sperrt der Nebenleitungsthermostat den Einlaß 186, so
daß sämtliches Kühlmittel zum Kühler 174 geleitet wird, bis die Tem
peratur des Kühlmittels auf einen vorgegebenen Wert ansteigt, bei dem
mit dem Öffnen des Einlasses 186 sowie mit dem Schließen des Einlas
ses 184 begonnen wird. Bei einer vorgegebenen höheren Temperatur
ist der Thermostateinlaß 184 im wesentlichen geschlossen, während der
Einlaß 186 im wesentlichen vollständig geöffnet ist, so daß sämtliches
Kühlmittel durch den Kühler 174 zirkuliert. Um sicherzustellen, daß
unabhängig von der Stellung des Thermostaten 182 in jedem Zeitpunkt
eine konstante Kühlmittelströmung durch den Ölkühler 160 vorhanden
ist, ist der Kühlmantel 170 stromabseitig vom Thermostaten 182 und
vom Kühler 174 mit dem Auslaß 188 des Thermostaten 182 verbunden.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die einen Thermostaten 190 des Drossel
typs verwendet, der einen einzigen Einlaß 192 und einen einzigen
Auslaß 194 aufweist. Der Drosselthermostat 190 ist unterhalb einer
vorgegebenen Temperatur im wesentlichen vollständig geschlossen,
wobei er sich bei Erreichen der vorgegebenen Temperatur zu öffnen
beginnt und bei einer vorgegebenen höheren Temperatur seine voll
ständig geöffnete Stellung erreicht. Anstelle der Verbindung des Ölküh
lers 160 stromabseitig vom Kühler 174 und vom Thermostaten 182 wie
in der Ausführungsform von Fig. 3 ist in der in Fig. 4 gezeigten Aus
führungsform der Ölkühler 160 stromaufseitig vom Thermostaten 190
angeschlossen, d. h. bei einem T-Stück 196, das mit dem Flüssigkühl
mittelkreis 154 vor dem Einlaß 192 des Thermostaten 190 angeschlos
sen ist. Somit empfängt der Ölkühler 160 die Kühlmittelströmung
unabhängig von der internen Strömungsstellung des Thermostaten 190.
Für die Konstruktion und den Betrieb des Kälteerzeugungssystems 10
mit den obenbeschriebenen Merkmalen wäre bei einer wirtschaftlichen
Auslegung der verschiedenen Wärmetauscher und der Antriebsmaschi
ne 14 in bezug auf den Verdichter 12 und bei gleichzeitiger Steuerung
des Verdichter-Ausgabedrucks und der Verdichter-Ausgabetemperatur
sowie der Motorlast zusätzlich zu der obenbeschriebenen optionalen
Motorlastverwaltung, die das Vorwärmer-Nebenleitungsventil 144
benutzt, eine Kapazitätssteuerung wünschenswert. Die einfachste Weise
zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, an der Niederdruckseite des
Kälteerzeugungssystems, d. h. auf der Saugseite einen Druckabfall zu
bewirken, entweder durch ein Saugleitungs-Drosselventil oder ein
Maximalbetriebsdruck-Verdampfer-Expansionsventil (MOP-Verdamp
fer-Expansionsventil). Um jedoch mit einem Saugleitungs-Drosselventil
oder mit einem MOP-Verdampfer-Expansionsventil den Verdichter-
Ausgabedruck und die Verdichter-Ausgabetemperatur sowie die Motor
last zu steuern, erfährt eine der Betriebsarten, die Kühlung oder die
Heizung/der Abtauvorgang eine zu hohe Beschränkung, da die er
wünschten Druckabfälle für die beiden Betriebsarten unterschiedlich
sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung braucht bei der
Saugdrucksteuerung kein Kompromiß gemacht zu werden, ohne daß ein
zusätzliches Ventil hinzugefügt wird, indem sowohl für das Verdamp
fer-Expansionsventil 56 als auch für das Vorwärmer-Expansionsventil
78 ein MOP-Expansionsventil vorgesehen wird, wobei der jeweilige
Maximalbetriebsdruck für die zugehörige Betriebsart optimal eingestellt
ist. Das Verdampfer-MOP-Expansionsventil 56 ist daher im Vergleich
zur Einstellung des Vorwärmer-MOP-Expansionsventils relativ niedrig
eingestellt, wobei das Verdampfer-MOP-Expansionsventil 56 den
maximalen Verdichter-Betriebsdruck während eines Kühlungszyklus
steuert und das Vorwärmer-MOP-Expansionsventil 78 den maximalen
Verdichter-Betriebsdruck während eines Heiz-/Abtauzyklus steuert.
Wenn beispielsweise das R22-Kältemittel verwendet wird, wird das
Haupt-MOP-Expansionsventil 56 normalerweise so eingestellt werden,
daß ein Maximaldruck ungefähr in einem Bereich von 68,96 kPa
(absolut) bis 344,7 kPa (absolut) liegt, während das Vorwärmer-MOP-
Expansionsventil 78 so eingestellt werden wird, daß der Maximaldruck
ungefähr in einem Bereich von 413,7 kPa (absolut) bis 689,5 kPa
(absolut) liegt.
In Fig. 5 ist ein Steuerungsalgorithmus 198 mit Betriebsarten gezeigt,
die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung implementiert sind
und mehrere wählbare Null-Betriebsarten enthalten, die die Temperatur
des klimatisierten Raums 106 in einem Null-Temperaturbereich
gleichmäßig in der Nähe der gewählten Solltemperatur halten, ohne daß
die Antriebsmaschine 14 oder der Verdichter 12 abgeschaltet werden
müssen. Diese Anordnung gewährleistet stets eine konstante Luftströ
mung durch das Verdampfer-Luftbewegungsmittel 104, wodurch im
gesamten klimatisierten Raum 106 eine im wesentlichen gleichmäßige
Temperatur aufrechterhalten wird. Daher kann die Temperatur des
klimatisierten Raums 106 sehr nahe an der gewählten Solltemperatur
gesteuert werden, ohne daß im oberen Bereich die Gefahr des Gefrie
rens einer darin gelagerten, leicht verderblichen Ladung besteht.
Die linke Seite des Steuerungsalgorithmus 198 von Fig. 5 zeigt die
Steuerfehler-Änderungspunkte zwischen den Betriebsarten bei fallender
Temperatur im klimatisierten Raum 106, während die rechte Seite die
Steuerfehler-Änderungspunkte bei ansteigender Temperatur im klima
tisierten Raum 106 zeigt. Die elektrische Steuervorrichtung 38 berech
net den Steuerfehler in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der
Temperatur des klimatisierten Raums 106, die entweder von einem der
Temperatursensoren 128 oder 130 oder von beiden ermittelt wird, und
der gewählten Solltemperatur SP.
Fig. 5 zeigt außerdem die Öffnungs/Schließ-Muster der steuerbaren
Ventile 28, 62, 88 und 144, mit denen die verschiedenen Betriebsarten
des Steueralgorithmus implementiert werden. Ein "C" gibt an, daß das
zugehörige Ventil geschlossen ist, während ein "O" angibt, daß das
Ventil geöffnet ist und ein "X" für das Nebenleitungsventil 144 angibt,
daß das Ventil 144 für eine zusätzliche Feinabstimmungs-Temperatur
steuerung durch Belasten oder Entlasten des Verdichters 12 geöffnet
oder geschlossen werden kann. Die interne Entlastung des Verdichters
12, d. h. eine Verringerung des Fördervolumens etwa mittels eines
Schieberventils, eines Schlitzventils oder eines Hubventils kann eben
falls dazu verwendet werden, eine feine Temperatursteuerung zu erhal
ten, wie im Stand der Technik wohlbekannt ist.
Es wird angenommen, daß im klimatisierten Raum 106 die Temperatur
in der Anfangsstufe abgesenkt wird, so daß das Kälteerzeugungssystem
10 die volle oder maximale Kühlleistung erbringen muß. Wenn die
Antriebsmaschine 14 ein Verbrennungsmotor ist, wird die Motordreh
zahl normalerweise durch die elektrische Steuervorrichtung 38 zwi
schen zwei Drehzahlen, die hohe Drehzahl bzw. niedrige Drehzahl
genannt werden, gesteuert, wobei die Temperaturabsenkung in der
Hochdrehzahl-Kühlungsbetriebsart 200 begonnen wird, um die maxi
male Kühlung zu erhalten. Das Vorsteuer-Magnetventil 28 wird ge
schlossen, wodurch das Dreiwegeventil 30 den Kühlungskreis 40
wählt, während das Flüssigkeitsleitungsventil 62 offen ist, damit die
Verdampferschlange 102 in einer Kühlungsbetriebsart arbeitet, das
Motorkühlmittelventil 88 geschlossen wird, wodurch verhindert wird,
daß der Vorwärmer-Wärmetauscher 60 mit Wärme beaufschlagt wird,
und das Vorwärmer-Nebenleitungsventil 144 geschlossen wird. Somit
wird das flüssige, unter hohem Druck stehende Kältemittel in der
Wärmetauscherschlange 68 durch den expandierenden, gefluteten
Verdampfungszustand des Kältemittels im zweiten Kältemittel-Strö
mungsweg, der durch die Rohrhülse 70 definiert ist, unterkühlt. Das
Kältemittel kehrt sowohl über den Sauganschluß S als auch über den
Zwischendruckanschluß IP zum Verdichter 12 zurück.
Wenn der Steuerfehler auf einen bei 202 angezeigten Punkt abfällt,
wird der Motor 14 auf die niedrigere seiner beiden Standard-Betriebs
drehzahlen geschaltet, ohne daß das Öffnungs/Schließ-Muster für das
steuerbare Ventil geändert wird, wodurch in eine Niederdrehzahl-
Kühlungsbetriebsart 204 eingetreten wird.
Bei einem noch kleineren Steuerfehler, der am Punkt 206 angezeigt ist,
wird durch Öffnen des Motorkühlmittelventils 88 eine Niederdrehzahl-
Teilkühlungsbetriebsart 208 mit reduzierter Kühlleistung begonnen.
Daher wird die Unterkühlung des unter hohem Druck stehenden flüssi
gen Kältemittels in der Wärmetauscherschlange 68 reduziert, wodurch
die Kühlungsrate des klimatisierten Raums 106 reduziert wird, so daß
die Annäherung an die Solltemperatur SP mit geringerer und genauer
gesteuerter Rate erfolgt.
Wenn die Solltemperatur SP erreicht ist, wird in einen Null-Tempera
turbereich, der in der Umgebung der Solltemperatur SP liegt, eingetre
ten, wobei dieser Null-Temperaturbereich in einer bevorzugten Aus
führungsform der Erfindung in mehrere verschiedene Null-Betriebsar
ten unterteilt ist, etwa eine erste, eine zweite und eine dritte Betriebsart
210, 212 bzw. 214, wovon jede durch verschiedene Öffnungs/Schließ-
Muster 211, 213 bzw. 215 für Stellungen der steuerbaren Ventile im
plementiert ist. Die erste Null-Betriebsart 210 wird im Sollpunkt SP
eingeleitet, während die zweite Null-Betriebsart 212 bei einem mit dem
Punkt 216 bezeichneten, etwas größeren Steuerfehler eingeleitet wird
und die dritte Null-Betriebsart 214 bei einem mit dem Punkt 218 be
zeichneten noch größeren Steuerfehler eingeleitet wird. Die Antriebs
maschine 14 und der Verdichter 12 bleiben während dieser drei Null-
Betriebsarten in Betrieb, wobei der Motor 14 mit der Einstellung mit
niedriger Drehzahl läuft.
In der ersten Null-Betriebart 210, die am nähesten am Sollpunkt SP
liegt, finden im Verdampfermittel 100 sowohl eine Heizung als auch
eine Kühlung statt, wobei die Betonung auf der Kühlung liegt, um eine
schnelle Rückkehr in die Niederdrehzahl-Teilkühlungsbetriebsart 208
zu verhindern. Die Betonung auf der Kühlung ermöglicht außerdem
eine gewisse Entfeuchtung. Die erste Null-Betriebsart 210 wird durch
Öffnen des Vorsteuermagnetventil 28 implementiert, um die Strömung
des heißen Verdichter-Ausgabegases zum Heizkreis 42 zu schalten,
wobei das Flüssigkeitsleitungsventil 62 in der geöffneten Stellung
erhalten wird, um eine Kühlung in der Verdampferschlange 102 zu
ermöglichen. Mit anderen Worten, der Strömungsweg enthält die
zweite Heißgasleitung 26, den Hilfskondensator 108, den Sammler 50,
die beiden Strömungswege 64 und 66 durch den Vorwärmer-Wärme
tauscher 60, in denen die Unterkühlung des durch die Wärmetauscher
schlange 68 strömenden flüssigen Kältemittels erfolgt, das Expansions
ventil 56 und die Verdampferschlange 102, wobei Kältemittel sowohl
zum Sauganschluß S als auch zum Zwischendruckanschluß IP zurück
geleitet wird.
In der zweiten Null-Betriebsart 212, die sich zwischen den die Null-
Betriebsarten begrenzenden Steuerfehlern befindet, findet im Verdamp
fermittel 100 weder eine Kühlung noch eine Heizung statt, wobei das
Motorkühlmittel 177 durch den Wassermantel 86 zirkuliert, um das
Kältemittel in der Rohrhülse 70 vollständig verdampft zu halten, damit
es in den Verdichter 12 zurückgeleitet werden kann, wobei gleichzeitig
eine gewünschte Kühlung des Motorkühlmittels stattfindet. Die zweite
Null-Betriebsart 212 wird durch Schließen des Vorsteuermagnetventils
28, wodurch das heiße Verdichter-Ausgabegas zur ersten Heißgaslei
tung 24 zurückgeleitet wird und verhindert wird, daß der Hilfskonden
sator 108 dem klimatisierten Raum 106 zusätzliche Wärme zuführt,
durch Schließen des Flüssigkeitsleitungsventils 62, wodurch verhindert
wird, daß die Verdampferschlange 102 dem klimatisierten Raum 106
Wärme entzieht, sowie durch Öffnen des Motorkühlmittelventils 88,
wodurch das Motorkühlmittel Wärme an das Kältemittel in der Rohr
hülse 70 abgeben kann, implementiert. Das Nebenleitungsventil 144
kann ebenfalls geöffnet werden, um zu verhindern, daß die Saugseite
des Kältemittelerzeugungssystems 10 bis in die Nähe eines Vakuums
evakuiert wird.
Daher umfaßt in der zweiten Null-Betriebsart 212 der Kältemittelströ
mungskreis die Heißgasleitungen 18 und 24, den Hauptkondensator 46,
den Sammler 50, den zweiten Strömungsweg 66 durch das Vorwärm-
Wärmetauschermittel 60 sowie die Hilfssaugleitung 80 und die Haupt
saugleitung 32.
Die dritte Null-Betriebsart 214 sorgt im Verdampfer 100 ähnlich wie in
der ersten Null-Betriebsart 210 sowohl für eine Heizung als auch für
eine Kühlung, wobei jedoch dem Kältemittel mehr Wärme als in der
ersten Null-Betriebsart 204 zugeführt wird, um zu versuchen, die Tem
peratur des klimatisierten Raums 106 in der Null-Temperaturzone zu
halten, indem das Motorkühlmittelventil 88 offengelassen wird, wenn
die Betriebsart von der zweiten Null-Betriebsart 212 zur dritten Null-
Betriebsart 214 wechselt. Daher wird die dritte Null-Betriebsart 214
durch Öffnen des Vorsteuermagnetventils 28, wodurch der Heizkreis
42 gewählt wird, durch Öffnen des Flüssigkeitsleitungsventils 62 sowie
durch Offenlassen des Motorkühlmittelventils 88 implementiert. Der
Kältemittel-Strömungsweg ist der gleiche wie oben mit Bezug auf die
erste Null-Betriebsart 204 beschrieben, wobei in der Wärmetauscher
schlange 88 eine geringere Unterkühlung des flüssigen Kältemittels
erfolgt. Da im Verdampfer 100 eine gewisse Kühlung stattfindet, findet
auch eine gewisse Entfeuchtung statt.
Wenn daher in irgendeinem gegebenen Zeitpunkt der Steuerfehler
gering ist, d. h. die Temperatur in der Nähe der Solltemperatur liegt,
wird eine Null-Betriebsart gewählt, in der versucht wird, den Wärme
verlust oder -gewinn des klimatisierten Raums 106 durch Zuführung
oder Entzug von Wärme zum bzw. vom klimatisierten Raum durch die
Verdampferschlange 102 und den Hilfskondensator 108 anzupassen.
Wenn die dritte Null-Betriebsart 214 nicht verhindern kann, daß der
Steuerfehler ansteigt, was bedeutet, daß mehr Wärme erforderlich ist,
als in der dritten Null-Betriebsart 214 zugeführt wird, leitet ein mit 220
bezeichneter Steuerfehlerwert eine Niederdrehzahl-Teilheizbetriebsart
222 ein, die das Vorsteuer-Magnetventil 28 offenläßt, während das
Flüssigkeitsleitungsventil 62 und das Motorkühlmittelventil 88 ge
schlossen sind. Das Vorwärmer-Nebenleitungsventil 144 kann ebenfalls
geöffnet werden, um eine Begrenzung der Verdichter-Pumpkapazität
sowie die Entstehung eines Vakuums in der Hauptsaugleitung 32 zu
verhindern. Der Kältemittel-Strömungsweg enthält die Heißgasleitun
gen 18 und 26, den Hilfskondensator 108, die Hilfsflüssigkeitsleitung
110, den Sammler 50, den zweiten Kältemittel-Strömungsweg 66 durch
den Vorwärmer-Wärmetauscher 60 sowie die Hilfssaugleitung 80 und
die Hauptsaugleitung 32.
Wenn der Steuerfehler weiterhin ansteigt und einen mit 224 bezeichne
ten Wert erreicht, wird in eine Niederdrehzahl-Heizbetriebsart 226 mit
höherer Heizrate eingetreten, die durch Öffnen des Motorkühlmittel
ventils 88 zusätzliche Wärme zuführt. Das Vorsteuermagnetventil 28
sowie das Nebenleitungsventil 144 bleiben geöffnet, während das
Flüssigkeitsleitungsventil 62 geschlossen bleibt. Der Kältemittel-Strö
mungsweg ist der gleiche wie in der Teilheizbetriebsart 222.
Wenn der Steuerfehler weiterhin ansteigt und einen mit 228 bezeichne
ten Wert erreicht, wird durch Schalten des Motors 14 zur höheren der
beiden Betriebsdrehzahlen, d . h. in die Hochdrehzahl-Heizbetriebsart
230 die maximale Heizung erzielt. Das Öffnungs/Schließ-Muster für
die steuerbaren Ventile bleibt das gleiche wie in der Niederdrehzahl-
Heizbetriebsart 226.
Bei einem Temperaturanstieg im klimatisierten Raum 106 wird in die
eben beschriebenen Betriebsarten in umgekehrter Reihenfolge bei etwas
verschiedenen Steuerfehlern eingetreten, d. h. in dem in Fig. 5 gezeig
ten Steuerungsalgorithmus nach oben, wodurch eine Hysterese geschaf
fen wird, die ein unerwünschtes schnelles Zurückschalten in die unmit
telbar vorhergehende Betriebsart verhindert.
In Fig. 6 sind zwei bevorzugte Abwandlungen des in Fig. 1 gezeigten
Kälteerzeugungssystems 10 gezeigt, die verwendet werden können.
Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 6 und 1 bezeichnen gleiche Kompo
nenten, während ähnliche, jedoch abgewandelte Komponenten in Fig. 6
mit einem Apostroph versehen sind. Eine erste Abwandlung betrifft die
Entlüftungsleitung 133′. Das zweite Ende der Entlüftungsleitung 133′
von Fig. 6 ist nicht wie die Entlüftungsleitung 133 von Fig. 1 mit dem
Kältemittelverteiler 98, sondern mit einem T-Stück 197 in der Haupt
saugleitung 32 stromabseitig von der Verdampferschlange 102 zwi
schen der Verdampferschlange 102 und dem Wärmekolben 107 ange
schlossen. Diese Anordnung besitzt gegenüber der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform den Vorteil, daß ein Druckabfall in den Verteilerroh
ren im Verteiler 98 vermieden wird.
Eine zweite Abwandlung betrifft die Ölablaufleitung 138. Während
einer Anfangsprüfung des Kälteerzeugungssystems 10 gemäß Fig. 1
wurde das System 10 in einer Niederdrehzahl-Kühlbetriebsart mit einer
Temperatur von 21,1°C im zu klimatisierenden Raum und mit einer
Umgebungstemperatur von 48,9°C betrieben. Der Verdichter 12 wurde
dann abgeschaltet. Während der Verdichter 12 abgeschaltet war, wurde
die Umgebungstemperatur während eines Zeitintervalls von einigen
Stunden auf -31,67°C reduziert, während die Temperatur im zu klima
tisierenden Raum auf einer Temperatur von 1,67°C gehalten wurde.
Während dieses Betriebs findet eine Migration des Kältemittels in die
kühle Umgebung statt, so daß die Kondensatorschlange 46 normaler
weise von allen anderen Komponenten am schnellsten gekühlt. Dies
geschah jedoch nicht, da die Ölrückführung-Ablaufleitung 138, die mit
einem Punkt in der Hilfssaugleitung unter dem Auslaß 140 verbunden
ist, zuläßt, daß die Vorwärmerflüssigkeit zum Verdichter 12 gelangen
kann. Daher kühlte der Verdichter 12 schneller als die Kondensator
schlange 46 ab, so daß die meiste Kältemittelflüssigkeit in den Verdich
ter 12 gelangte. Diese gravierende Änderung der Bedingungen würde
unter tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht auftreten. Dieses uner
wünschte Ergebnis kann jedoch selbst bei dieser schwierigen Prüfung
durch eine Ölablaufanordnung wie in Fig. 6 gezeigt verhindert werden.
Die Ablaufleitung 138′ verläuft nach oben bis über das Niveau des
Ablaufpunkts 140 und steht dabei mit der Flüssigkeitsleitung 77 in einer
Wärmeaustauschbeziehung, weshalb die Ölrückführleitung als Öl-
/Kältemittel-Flüssigkeitsheber oder Perkolator arbeitet. Das Verbin
dungs-T-Stück 142′ befindet sich in der Hilfssaugleitung 80 an einem
erhöhten Punkt oberhalb des Ablaufpunkts 140. Die in Fig. 6 gezeigte
Ausführungsform mit der Ablaufleitung 138′ hält die Ölkonzentration
im Vorwärmer-Wärmetauscher 60 niedrig, wobei bei abgeschaltetem
Verdichter 12 die Ablaufleitung 138′ das flüssige Kältemittel nicht in
den Verdichter 12 abführt. Die unter hohem Druck stehende und die
Kondensationstemperatur aufweisende Flüssigkeitsleitung 77 wird
durch teilweises Sieden der flüssigen Kältemittel/Öl-Lösung unterkühlt.
Der vertikale Ölhubabschnitt der Ablaufleitung 138′ kann durch ein
oder mehrere OD-Rohre mit einer Länge von 6,35 mm geschaffen
werden, während der horizontale Abschnitt der Ölrückführleitung oder
der Ölrückführleitungen eine OD-Rohrleitung mit einer Länge von 9,5
mm ist. Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform mit der Ablaufleitung
138′ besitzt ebenfalls den Vorteil der Temperatursteuerung wie in der
in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, wodurch die Vorwärmer-Saug
temperatur direkt und die Ausgabetemperatur indirekt begrenzt werden
können.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betreiben eines Kälteerzeugungssystems, das
eine vorgegebene Solltemperatur in einem klimatisierten Raum (106)
über Kühl- und Heizzyklen erzielt und hält, wobei das Kälteerzeu
gungssystem (10) versehen ist mit einem Kälteverdichter (12), der
einen Sauganschluß (S), einen Zwischendruckanschluß (IP) und einen
Ausgabeanschluß (D) enthält, einer Verdichter-Antriebsmaschine (14),
einer Heißgas-Verdichterausgabeleitung (18), einer ersten und einer
zweiten Heißgasleitung (24, 26), einem ersten steuerbaren Ventilmittel
(20), das eine erste und eine zweite Stellung aufweist, in denen die
Heißgas-Verdichterausgabeleitung (18) mit der ersten bzw. der zweiten
Heißgasleitung (24, 26) verbunden ist, einem Hauptkondensator (44),
der mit der ersten Heißgasleitung (24) verbunden ist, einem Verdamp
fer (100), der dem klimatisierten Raum (106) zugeordnet ist, einem
Verdampfer-Expansionsventil (56), einem dem klimatisierten Raum
(106) zugeordneten Hilfskondensator (108), der mit der zweiten Heiß
gasleitung (26) verbunden ist, einem Vorwärm-Wärmetauschermittel
(60), das einen ersten und einen zweiten Kältemittel-Strömungsweg
(64, 66) aufweist, einem Vorwärmer-Expansionsventil (78), das die
Kältemittel-Durchflußmenge durch den zweiten Kältemittel-Strö
mungsweg (66) steuert, einer Hauptflüssigkeitsleitung (52), die den
Hauptkondensator (44) mit dem Verdampfer-Expansionsventil (56)
über den ersten Kältemittel-Strömungsweg (64) des Vorwärm-Wärme
tauschermittels (60) verbindet, einer Hilfsflüssigkeitsleitung (110), die
den Hilfskondensator (108) mit dem Vorwärm-Wärmetauschermittel
(60) verbindet, einer Hauptsaugleitung (32), die den Verdampfer (100)
mit dem Sauganschluß (S) des Verdichters (12) verbindet, einer Hilfs
saugleitung (80), die den zweiten Kältemittel-Strömungsweg (66) des
Vorwärm-Wärmetauschermittels (60) mit dem Zwischendruckanschluß
(IP) des Verdichters (12) verbindet, und einem zweiten steuerbaren
Ventilmittel (62), das eine erste und eine zweite Stellung aufweist, in
denen die Hauptflüssigkeitsleitung (52) gesperrt bzw. freigegeben ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Vorsehen von Maximalbetriebsdruck-Ventilen für die Ver dampfer- und Vorwärmer-Expansionsventile (56, 78),
Steuern des Maximalbetriebsdrucks während eines Kühlzy klus mit dem Verdampfer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (56) und
Steuern des Maximalbetriebsdrucks während eines Heizzy klus mit dem Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78).
Vorsehen von Maximalbetriebsdruck-Ventilen für die Ver dampfer- und Vorwärmer-Expansionsventile (56, 78),
Steuern des Maximalbetriebsdrucks während eines Kühlzy klus mit dem Verdampfer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (56) und
Steuern des Maximalbetriebsdrucks während eines Heizzy klus mit dem Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den
folgenden Schritt:
Vorsehen eines höheren Maximalbetriebsdrucks für das Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78) als für das Verdampfer- Maximalbetriebsdruck-Ventil (56).
Vorsehen eines höheren Maximalbetriebsdrucks für das Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78) als für das Verdampfer- Maximalbetriebsdruck-Ventil (56).
3. Kälteerzeugungssystem, das eine vorgegebene Solltemperatur
in einem klimatisierten Raum (106) über Kühl- und Heizzyklen erzielt
und hält, mit einem Kälteverdichter (12), der einen Sauganschluß (S),
einen Zwischendruckanschluß (IP) und einen Ausgabeanschluß (D)
enthält, einer Verdichter-Antriebsmaschine (14), einer Heißgas-Ver
dichterausgabeleitung (18), einer ersten und einer zweiten Heißgaslei
tung (24, 26), einem ersten steuerbaren Ventilmittel (20), das eine erste
und eine zweite Stellung aufweist, in denen die Heißgas-Verdichteraus
gabeleitung (18) mit der ersten bzw. der zweiten Heißgasleitung (24,
26) verbunden ist, einem Hauptkondensator (44), der mit der ersten
Heißgasleitung (24) verbunden ist, einem Verdampfer (100), der dem
klimatisierten Raum (106) zugeordnet ist, einem Verdampfer-Expan
sionsventil (56), einem dem klimatisierten Raum (106) zugeordneten
Hilfskondensator (108), der mit der zweiten Heißgasleitung (26) ver
bunden ist, einem Vorwärm-Wärmetauschermittel (60), das einen
ersten und einen zweiten Kältemittel-Strömungsweg (64, 66) aufweist,
einem Vorwärmer-Expansionsventil (78), das die Kältemittel-Durch
flußmenge durch den zweiten Kältemittel-Strömungsweg (66) steuert,
einer Hauptflüssigkeitsleitung (52), die den Hauptkondensator (44) mit
dem Verdampfer-Expansionsventil (56) über den ersten Kältemittel-
Strömungsweg (64) des Vorwärm-Wärmetauschermittels (60) verbin
det, einer Hilfsflüssigkeitsleitung (110), die den Hilfskondensator (108)
mit dem Vorwärm-Wärmetauschermittel (60) verbindet, einer Haupt
saugleitung (32), die den Verdampfer (100) mit dem Sauganschluß (S)
des Verdichters (12) verbindet, einer Hilfssaugleitung (80), die den
zweiten Kältemittel-Strömungsweg (66) des Vorwärm-Wärme
tauschermittels (60) mit dem Zwischendruckanschluß (IP) des Verdich
ters (12) verbindet, und einem zweiten steuerbaren Ventilmittel (62),
das eine erste und eine zweite Stellung aufweist, in denen die Haupt
flüssigkeitsleitung (52) gesperrt bzw. freigegeben ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verdampfer- und Vorwärmer-Expansionsventile (56, 78) Maximalbetriebsdruck-Ventile mit vorgegebenen Maximalbetriebs druck-Einstellungen sind,
das Verdampfer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (56) den Maximalbetriebsdruck während eines Kühlzyklus steuert und
das Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78) den Ma ximalbetriebsdruck während eines Heizzyklus steuert.
die Verdampfer- und Vorwärmer-Expansionsventile (56, 78) Maximalbetriebsdruck-Ventile mit vorgegebenen Maximalbetriebs druck-Einstellungen sind,
das Verdampfer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (56) den Maximalbetriebsdruck während eines Kühlzyklus steuert und
das Vorwärmer-Maximalbetriebsdruck-Ventil (78) den Ma ximalbetriebsdruck während eines Heizzyklus steuert.
4. Kälteerzeugungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß
die Maximalbetriebsdruck-Einstellung des Vorwärmer-Ma
ximalbetriebsdruck-Ventils höher als die Maximalbetriebsdruck-Einstel
lung des Verdampfer-Maximalbetriebsdruck-Ventils (56) ist.
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