EP1596140A2 - Expansionseinrichtung für ein Kältemittel - Google Patents

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EP1596140A2
EP1596140A2 EP05102289A EP05102289A EP1596140A2 EP 1596140 A2 EP1596140 A2 EP 1596140A2 EP 05102289 A EP05102289 A EP 05102289A EP 05102289 A EP05102289 A EP 05102289A EP 1596140 A2 EP1596140 A2 EP 1596140A2
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EP
European Patent Office
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expansion
refrigerant
valve
expansion device
machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05102289A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1596140A3 (de
Inventor
Peter Horstmann
Peter Satzger
Gregory Rewers
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1596140A2 publication Critical patent/EP1596140A2/de
Publication of EP1596140A3 publication Critical patent/EP1596140A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • the present invention relates to an expansion device for a refrigerant, in particular an expansion device for regulating the high pressure level of a Refrigerant circuit of an air conditioner, according to the preamble of claim 1.
  • the present invention relates to an air conditioner with such Expansion device.
  • the standard version of an air conditioning system generally consists of an evaporator, a condenser or gas cooler, an expansion valve, a compressor and possibly an internal heat exchanger.
  • a supercritical operation of the refrigerant and the refrigerant circuit of the air conditioner is required. This means that in the condenser, the refrigerant is not condensed, but that gas is only cooled in the supercritical state. For this reason, the heat exchanger, which operates as a condenser in conventional refrigeration systems and is called in supercritical operation of the refrigeration system and gas cooler.
  • the pressure during the heat release can be set independently of the temperature.
  • additional degree of freedom typically adjustable expansion valves are used.
  • such an expansion valve regulates the high-pressure level of the refrigeration cycle, so that the efficiency of the refrigeration system or the refrigerating capacity of the refrigerant circuit can be optimally adjusted.
  • a possibility for improvement of the outlined standard version of a refrigeration system For example, it is the expansion valve through a work-performing Expansion device to replace a so-called expansion machine. To this Way, the expansion process of the refrigeration cycle is designed to be more effective and to be recovered at the same time expansion work. The relaxation energy of the Refrigerant is thus converted into mechanical work and for others, downstream processes made usable.
  • DE 198 41 686 A1 discloses a compressor chiller in which a refrigerant is compressed to supercritical pressure in a compressor, then through Heat exchange with the air cooled by a gas cooler and then one Expander is supplied.
  • a gear motor having a housing with Has at least two mutually rotatable gears.
  • an air conditioner in particular an air conditioner for motor vehicles is known, whose refrigerant circuit has a gear machine with a helical toothing, which serves as an expansion machine for the supercritical refrigerant.
  • the gear machine generates energy during the expansion process of the refrigerant, inter alia by recovering the volume change work, which in turn can be used in the refrigerant circuit for compressing the refrigerant.
  • the air conditioning system of DE 100 13 191 C1 is configured in such a way that the refrigerant carbon dioxide (CO 2 ) in the refrigerant circuit is brought from a supercritical state into a wet steam state.
  • the expansion device according to the invention for a refrigerant in particular a Such expansion device for controlling the high pressure level of Refrigerant circuit of an air conditioner, has at least one expansion valve and a Expansion machine on.
  • the expansion device becomes part of the heavy control tasks of the expansion process, or the Safety tasks of the expansion machine from the machine to the expansion valve transfer.
  • the expansion machine thus has only the task of Energy recovery, and the recovered energy in the appropriate form to to provide further use.
  • the setting of the high pressure and the Safety function is provided by the expansion valve expansion valve accepted.
  • Both the expansion machine and the variable expansion valve are in series with each other Refrigerant circuit of the air conditioning arranged.
  • Expansion means are the variable expansion valve and the expansion machine arranged parallel to each other in the refrigerant circuit of the air conditioner.
  • the Parallel connection of expansion valve and expansion machine also makes it possible to simplify the dimensioning of the expansion machine. This can be done in the case of Parallel connection designed only for the usual or optimal mass flow with the expansion valve being used, if increased Mass flows would occur.
  • the expansion valve is a controllable valve, with which can regulate the high pressure level of the refrigerant circuit. It can be both externally and internally controlled.
  • the Expansion valve can be an electrically operated valve or even a mechanical or thermally controlled valve.
  • a possible embodiment of the expansion valve which can be used, consists in an overflow valve, which at a predetermined mass flow of the coolant opens.
  • Expansion device are their controllable expansion valve and the Expansion machine in a structural unit to a compact module summarized.
  • a module can be easily in corresponding Integrate refrigeration circuits.
  • the expansion machine Since the control of the high pressure level of the refrigerant circuit substantially by the expansion valve is made, the expansion machine has only the Task to provide the recovered energy in an appropriate form. So can the Drive shaft of the expansion machine, for example, directly to the drive shaft of the Refrigerant compressor be coupled or coupled. This is especially one advantageous development of the claimed expansion device, since the Speed of the expander expansion machine independent of the Control of the high pressure can be selected. An adaptation of the speed of the Expansion machine to the speed of the compressor can thus be done freely.
  • the generated Volume flow can be set arbitrarily, since it is no longer dependent on the regulation of High pressure levels of the refrigerant is affected.
  • the task of a regulation of Expansion machine for adjusting the high pressure level in the refrigerant circuit and the provision of the recoverable mechanical energy in an appropriate form advantageously no longer linked together. Because these two tasks are included Expansion machines of the prior art have different requirements for the Speed of the expansion machine have been complex solutions, such as a controllable transmission to achieve an additional Degrees of freedom.
  • An advantageous development of the expansion device according to the invention results in the event that the expander of the expander with a electrical machine, in particular with an electric generator operatively connected or is operatively connected.
  • the expansion valve of the Expansion device can set the optimum high pressure while the characteristic the expansion machine, for example, the characteristic of a conventional motor vehicle generator equivalent.
  • the regulation of the output voltage of the generator is by such Arrangement greatly simplified.
  • the freely selectable speed of the expansion machine of the claimed expansion device thus allows a constant Output voltage at the generator.
  • required Security functions are optimized.
  • a particularly advantageous embodiment of the device according to the invention results in that the expansion device or at least the expansion machine the expansion device in a structural unit with an electric machine, For example, a generator is designed. So it is possible to use both machine, d. H. Both the expansion machine, as well as the electric machine in one common housing, which typically forms a hermetic unit, to arrange.
  • inventive expansion device can be in Advantageously, an air conditioner, in particular a dynamically operated Further develop air conditioning for a motor vehicle.
  • an air conditioner in particular a dynamically operated Further develop air conditioning for a motor vehicle.
  • the inventive expansion device thus makes it possible to control a To simplify the expansion machine or to make such a regulation possible.
  • FIG. 1 in principle refrigerant circuit 10 of an air conditioner has a compressor 12, a condenser or gas cooler 14, an expansion device 16 and an evaporator 18, which via corresponding connecting means 20th are interconnected and form a closed refrigerant circuit.
  • the components of this circuit are operated in the manner of a compression refrigeration cycle.
  • a compression of a refrigerant such as the refrigerant CO 2 by a compressor, the so-called air compressor or simply compressor, carried out to increase the internal energy of the refrigerant.
  • the compressed refrigerant is then cooled in a condenser or condenser by heat exchange.
  • this heat exchanger 14 is referred to as gas cooler when using the supercritical operation of the refrigerant.
  • the thus cooled refrigerant is expanded by means of an expansion device 16 to a lower pressure and further cooled.
  • the expansion device 16 is usually followed by an evaporator 18, which is operated as a heat exchanger to transfer the released refrigerant of the refrigerant to another medium.
  • This other medium, which interacts with the cold, expanded refrigerant via the evaporator may be, for example, air which is supplied to a vehicle heating or cooling system (air conditioning system).
  • thermodynamic Circular process By controlling the throttling at the expansion device of Refrigerant circulation can be the pressure on the high pressure side of the thermodynamic Circular process can be controlled or regulated, so that the specific cooling capacity of the Air conditioning can be varied in the desired manner. So it is possible one to obtain maximum effective coefficient of performance by the pressure of the high pressure side of the Thermodynamic cycle (high pressure level) depending on the Temperature at the gas cooler outlet or the ambient temperature in an adapted manner is set.
  • thermodynamic Properties that release heat in the supercritical range can be the high pressure level be set at the heat emission regardless of the temperature.
  • additional To use degree of freedom in an advantageous manner can be controlled and / or regulated Expansion facilities are used.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a special refrigerant circuit for a Air conditioning system using an expansion device 16 according to the invention.
  • the refrigerant circuit 10 of a CO 2 air conditioning system has a compressor 12, which may be electrically operated, for example, or else driven by corresponding coupling elements of the internal combustion engine of a motor vehicle.
  • a compressor 12 first of all, compression of the refrigerant, in the case described CO 2 , is carried out in order to increase the internal energy of the refrigerant.
  • a separator in particular an oil separator 20 is provided, which serves to deposit the oil residues contained in the gaseous refrigerant and provide these via appropriate connecting means 22, for example, in turn, the compressor 12 for lubrication.
  • the compressed and possibly purified refrigerant is cooled in a downstream condenser or gas cooler 14 by a heat exchange and is doing a portion of its internal heat energy to the air conditioning, such as a vehicle, so that the temperature of the refrigerant drops and this possibly liquefied.
  • the air conditioning such as a vehicle
  • the refrigerant in the gas cooler 14 is not condensed but merely cooled, so that in this case one does not speak of a condenser but of a gas cooler.
  • an inner heat exchanger 24 is provided, which makes it possible compressed, cooled refrigerants by means of the returning and already expanded and cooled refrigerant continue to cool down.
  • the compressed refrigerant is now supplied to an expansion device 16 and in this expanded to a lower pressure level.
  • the inventive Expansion device 16 consists at least of a regulated expansion valve 26 and an expansion machine 36.
  • the expansion valve 26 is a adjustable valve, which by a corresponding position of the throttle body of the Valve can release a desired opening area and thus the Pressure level on the high pressure side of the refrigerant circuit 10 determined.
  • the Expansion valve 26 may, for example, an electromagnetically actuated valve or but also be a purely mechanically controlled, or a thermally controlled valve. This can be both an external, as well as an internally controlled valve act. be.
  • the controllable expansion valve 26 is followed by a Expansion machine 36, which in principle by every work Expansion device may be formed.
  • expansion machines are particularly conceivable and advantageous, so-called Gear machines, which effectively convert the expansion energy into mechanical Enable work.
  • the expansion machine can then be operatively connected to other downstream components of the motor vehicle or in a request case operatively connected.
  • the expansion process in the expansion device 16 more effective and at the same time regain expansion work.
  • the relaxation energy of the refrigerant is converted into mechanical work and thus made available for other processes.
  • the expansion machine 36 and the compressor 12 in a structural Unit be summarized.
  • the expansion device 16 consisting of at least the variable expansion valve 26 and the downstream expansion machine 36th as a compact module in a structural unit.
  • This carrier medium may be, for example, air, which is a vehicle Heating or cooling system (air conditioning), which is not shown in Fig. 2, in be supplied in a known manner.
  • a so-called collector 28 which serves as a liquid separator or storage.
  • a Collector 28 is particularly necessary if the filling of the evaporator 18th can not be regulated.
  • the collector 28 separates on the one hand after the Evaporator still in the refrigerant existing liquid components and collects this example, in its lower part.
  • the collector also has the task of Store refrigerant in order to compensate for small leaks in the system can. With the help of the collector can also small unevenness of the mass flow of the refrigerant can be compensated. These occur, for example, in a Speed increase of the compressor. This increases the mass flow of Refrigerant, without first the evaporator 18 can evaporate more refrigerant.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the expansion device according to the invention 16 of a refrigerant circuit 10.
  • the expansion device 16 according to the Embodiment of Fig. 3 has at least one controllable expansion valve 26 as well an expansion machine 36.
  • the Expansion valve 26 and the expansion machine 36 parallel to each other in Refrigerant circuit 10 is arranged.
  • This arrangement can be in an advantageous manner Way through a compact module 30 realize.
  • the parallel connection of Expansion machine 36 and the expansion valve 26 allows the Dimensioning of the expansion machine 36 simplify. This can be in this case then be designed only for a common mass flow. Should, however, increased Mass flows occur, so they can be derived with the help of the expansion valve become. In this way is a compact and simple expansion machine usable.
  • the parallel circuit according to the embodiment in Fig. 3 also means a not insignificant advantage for the safety of the refrigeration system.
  • the Expansion machine 36 may place the expansion valve 26 in an "emergency stop mode". be regulated, which allows a safe shutdown of the refrigeration system.
  • FIG. 3 shows the previously described refrigeration cycle according to FIG. 2.
  • the two presented refrigeration cycles and especially the two Expander 16 of these refrigeration circuits is meant that part of the Control tasks of the expansion device 16 of the expansion machine 36 the expansion valve 26 is transmitted.
  • the expansion machine 36 thus only has the task of providing the recoverable energy in the desired form.
  • the regulation of the high pressure level in the refrigeration cycle 10 and thus the determination of Cooling capacity or the efficiency of the air conditioner is in an advantageous manner taken over the expansion valve 26.
  • FIG. 4 shows another embodiment of a refrigerant circuit 10 for a inventive air conditioning.
  • the refrigeration cycle 10 corresponds according to the embodiment of Fig. 4 the previously described refrigeration cycle after 3, so that at this point only to the corresponding description of Figure 3 is referenced.
  • the expansion device 16 of the refrigeration cycle in the embodiment according to Figure 4 as an expansion valve overflow valve 27, which at a predetermined Mass flow of the refrigerant, or at a corresponding pressure of the refrigerant opens to a throttle body of the valve.
  • the throttle body of the overflow valve 27th This is due to the pressure of the refrigerant applied to the inlet side of the valve placed against the force, for example a spring-elastic element. this makes possible the adjustment of the pressure level on the high pressure side of the refrigerant circuit easy way. Elaborate and therefore cost-intensive electronically controlled Expansion organs can be avoided in this case.
  • the overflow valve 27 may be formed, for example, as a sliding seat valve.
  • a sliding seat valve By modifying the gap geometry of a conventional sliding seat valve leaves the tightness of such a valve significantly improve.
  • the gap geometry between the valve piston (Slide element) and piston guide (seat of the slide) of the sliding seat valve be optimized.
  • Such a modification allows the use of the Sliding seat valve as an expansion element in an air conditioning system, allowing a good Controllability with a total of low-noise operation in all operating conditions allows becomes.
  • the overflow valve 27 is not on the design of a sliding seat valve limited.
  • inventive refrigerant circuit of an air conditioner or the Expansion device for a refrigerant according to the invention are not on the in the Drawing illustrated embodiments limited.
  • the air conditioning system according to the invention is not based on the use of a limited internal heat exchanger in the refrigerant circuit.
  • the erfmdungshiele expansion device and the corresponding air conditioning is not limited to the use of CO 2 as a refrigerant.

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Abstract

Eine Expansionseinrichtung (16) für ein Kältemittel, insbesondere Expansionseinrichtung (16) zur Regelung des Hochdruckniveaus eines Kältemittelkreislaufs (10) einer Klimaanlage. Die Expansionseinrichtung (16) umfasst zumindest ein Expansionsventil (26) und eine Expansionsmaschine (36). Eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf (10), der eine solche Expansionseinrichtung (16) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Expansionseinrichtung für ein Kältemittel, insbesondere eine Expansionseinrichtung zur Regelung des Hochdruckniveaus eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Klimaanlage mit einer derartigen Expansionseinrichtung.
Stand der Technik
Die Standardausführung einer Klimaanlage besteht im allgemeinen aus einem Verdampfer, einem Kondensator bzw. Gaskühler, einem Expansionsventil, einem Verdichter und ggf. aus einem inneren Wärmeübertrager. Wird insbesondere das Kältemittel CO2 verwendet, ist zumindest unter einigen Umgebungsbedingungen eine überkritische Betriebsweise des Kältemittels und des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage erforderlich. Dies bedeutet, dass im Kondensator das Kältemittel nicht kondensiert wird, sondern dass Gas im überkritischen Zustand lediglich abgekühlt wird. Aus diesem Grunde wird der Wärmeübertrager, der in konventionellen Kälteanlagen als Kondensator arbeitet und bezeichnet wird, bei überkritischer Betriebsweise der Kälteanlage auch Gaskühler genannt.
In Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischer Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, kann der Druck bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur eingestellt werden. Um diesen, gegenüber Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfgebiet, zusätzlichen Freiheitsgrad nutzen zu können, werden typischer Weise regelbare Expansionsventile eingesetzt. So erfolgt bei dem Kältemittel CO2 durch ein solches Expansionsventil eine Regelung des Hochdruckniveaus des Kältekreislaufs, so dass der Wirkungsgrad der Kälteanlage oder die Kälteleistung des Kältemittelkreislaufs optimal eingestellt werden können.
Eine Verbesserungsmöglichkeit der skizzierten Standardausführung einer Kälteanlage besteht beispielsweise darin, das Expansionsventil durch eine arbeitsleistende Expansionseinrichtung, eine sogenannten Expansionsmaschine zu ersetzen. Auf diese Weise soll der Expansionsvorgang des Kältekreislaufs effektiver gestaltet und gleichzeitig Expansionsarbeit zurückgewonnen werden. Die Entspannungsenergie des Kältemittels wird somit in mechanische Arbeit umgewandelt und für andere, nachgeschaltete Prozesse nutzbar gemacht.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene technische Lösungen bekannt, um eine Expansionsmaschine praktisch zu realisieren.
Die DE 198 41 686 A1 offenbart eine Verdichterkältemaschine bei dem ein Kältemittel auf überkritischen Druck in einem Verdichter komprimiert wird, anschließend durch Wärmeaustausch mit der Luft mittels eines Gaskühlers gekühlt und dann einer Expansionsmaschine zugeführt wird. Als Expansions- bzw. Entspannungsmaschine für das gekühlte Kältemittel, welches sich auf kritischem Druckniveau befindet, wird in der Vorrichtung der DE 198 41 686 A1 ein Zahnradmotor verwendet, der ein Gehäuse mit mindestens zwei gegeneinander rotierbaren Zahnrädern aufweist.
Aus der DE 100 13 191 C1 ist eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge bekannt, deren Kältemittelkreislauf eine Zahnradmaschine mit einer Schrägverzahnung aufweist, die als Expansionsmaschine für das überkritische Kältemittel dient. Durch die Zahnradmaschine wird beim Expansionsvorgang des Kältemittels Energie, u. a. durch Zurückgewinnung der Volumenänderungsarbeit, erzeugt, die wiederum im Kältemittelkreislauf zur Verdichtung des Kältemittels verwendet werden kann. Die Klimaanlage der DE 100 13 191 C1 ist derart ausgestaltet, dass das Kältemittel Kohlendioxid (CO2) im Kältemittelkreislauf aus einem überkritischen Zustand in einen Nassdampfzustand gebracht wird.
Unabhängig von der jeweils ausgewählten Technologie stellen die Regelungsanforderungen der Expansionsmaschine eine besondere Herausforderung dar.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass eine Expansionsmaschine eine Sicherheitsfunktion zu erfüllen hat. Die Expansionsmaschine soll bei zu extremen Belastungen des Systems, ermöglichen, das System in einen stabilen Zustand zurück zu bringen oder gegebenenfalls das System sicher abzuschalten. Diese extremen Bedingungen, die weit von den normalen Betriebszuständen entfernt sind, müssen daher bei der Auslegung der Expansionsmaschine berücksichtigt werden, was eine optimale Auslegung der Expansionsmaschine, insbesondere im Normalbetrieb schwer macht.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Expansionseinrichtung für ein Kältemittel, insbesondere eine solche Expansionseinrichtung zur Regelung des Hochdruckniveaus eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage, weist zumindest ein Expansionsventil und eine Expansionsmaschine auf. Durch diesen kombinierten Aufbau der Expansionseinrichtung wird ein Teil der schweren Regelungsaufgaben des Expansionsvorgangs, bzw. auch der Sicherheitsaufgaben der Expansionsmaschine von der Maschine auf das Expansionsventil übertragen. Die Expansionsmaschine hat somit nur noch die Aufgabe der Energierückgewinnung, und die zurückgewonnene Energie in der passenden Form zur weiteren Nutzung bereit zu stellen. Die Einstellung des Hochdrucks sowie die Sicherheitsfunktion wird durch das Expansionsventil der Expansionseinrichtung übernommen.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Expansionseinrichtung für ein Kältemittel derart zu betreiben, dass sowohl die Einstellung des Hochdruckniveaus als auch die Bereitstellung der zurückgewonnenen Energie in voneinander nahezu unabhängiger und damit optimaler Weise durchführbar ist. So kann beispielsweise die Drehzahl der Expansionsmaschine auf die Energienutzung und Umwandlung optimiert werden, ohne dass das einzustellende Hochdruckniveau hierbei zu beachten ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung sind die Expansionsmaschine und das regelbare Expansionsventil in Reihe zueinander im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordnet.
In einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung sind das regelbare Expansionsventil und die Expansionsmaschine parallel zueinander im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordnet. Die Parallelschaltung von Expansionsventil und Expansionsmaschine ermöglicht es zudem die Dimensionierung der Expansionsmaschine zu vereinfachen. Diese kann im Fall der Parallelschaltung nur noch für den üblichen bzw. optimalen Massenstrom ausgelegt werden, wobei das Expansionsventil zum Einsatz kommen würde, falls erhöhte Massenströme auftreten würden.
Eine solche Parallelschaltung der wesentlichen Komponenten der Expansionseinrichtung bedeutet auch hinsichtlich der Sicherheit der Kälteanlage einen nicht zu vernachlässigenden Vorteil. So kann beim Ausfall der Expansionsmaschine das Expansionsventil in einen "Not-Aus-Modus" eintreten und trotz funktionsunfähiger Expansionsmaschine ein sicheres Ausschalten der Anlage gewährleisten.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist das Expansionsventil ein regelbares Ventil, mit dem sich das Hochdruckniveau des Kältemittelkreislauf regeln lässt. Dabei kann es sich sowohl um ein extern, als auch um ein intern geregeltes Ventil handeln. Das Expansionsventil kann ein elektrisch betriebenes Ventil oder auch ein mechanisch oder thermisch geregeltes Ventil sein. Eine mögliche Ausführungsform des Expansionsventils welche eingesetzt werden kann, besteht in einem Überströmventil, welches bei einem vorgegebenen Massenstrom des Kühlmittels öffnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung, sind deren regelbares Expansionsventil sowie die Expansionsmaschine in einer baulichen Einheit zu einem kompakten Modul zusammengefasst. Ein solches Modul lässt sich in einfacher Weise in entsprechende Kältekreisläufe integrieren.
Da die Regelung des Hochdruckniveaus des Kältemittelkreislaufs im wesentlichen durch das Expansionsventil vorgenommen wird, hat die Expansionsmaschine nur noch die Aufgabe, die zurückgewonnene Energie in passender Form bereitzustellen. So kann die Antriebswelle der Expansionsmaschine beispielsweise direkt mit der Antriebswelle des Kältemittelverdichters verkoppelt bzw. verkoppelbar sein. Dies ist insbesondere eine vorteilhafte Weiterentwicklung der beanspruchten Expansionsvorrichtung, da die Drehzahl der Expansionsmaschine der Expansionsverrichtung unabhängig von der Regelung des Hochdrucks gewählt werden kann. Eine Anpassung der Drehzahl der Expansionsmaschine an die Drehzahl des Verdichters kann somit frei erfolgen.
Falls die Expansionsmaschine in vorteilhafter Weise eine Vor- oder Nachverdichtungseinrichtung für das Kältemittel antreibt, kann der erzeugte Volumenstrom beliebig eingestellt werden, da er nicht mehr von der Regelung des Hochdruckniveaus des Kältemittels beeinflusst wird. Die Aufgabe einer Regelung der Expansionsmaschine zur Einstellung des Hochdruckniveaus im Kältemittelkreislauf und die Bereitstellung der zurückgewinnbaren mechanischen Energie in passender Form sind in vorteilhafter Weise nicht mehr miteinander verknüpft. Da diese beiden Aufgaben bei Expansionsmaschinen des Standes der Technik unterschiedliche Anforderungen an die Drehzahl der Expansionsmaschine gestellt haben, waren bisher aufwendige Lösungen, wie beispielsweise ein ansteuerbares Getriebe zur Erzielung eines zusätzlichen Freiheitsgrades von Nöten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung ergibt sich für den Fall, dass die Expansionsmaschine der Expansionseinrichtung mit einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einem elektrischen Generator wirkverbunden oder wirkverbindbar ist. Wenn die zurückgewonnene Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden soll, so ist die beanspruchte Expansionseinrichtung von großem Nutzen. Das Expansionsventil der Expansionseinrichtung kann den optimalen Hochdruck einstellen, während die Kennlinie der Expansionsmaschine beispielsweise der Kennlinie eines üblichen KFZ-Generators entspricht. Die Regelung der Ausgangsspannung des Generators wird durch eine solche Anordnung stark vereinfacht. Die frei wählbare Drehzahl der Expansionsmaschine der beanspruchten Expansionsvorrichtung ermöglicht somit eine konstante Ausgangsspannung am Generator. Darüber hinaus können erforderliche Sicherheitsfunktionen optimiert werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich dadurch, dass die Expansionseinrichtung bzw. zumindest die Expansionsmaschine der Expansionseinrichtung in einer baulichen Einheit mit einer elektrischen Maschine, beispielsweise einem Generator ausgestaltet ist. So ist es möglich, beide Maschine, d. h. sowohl die Expansionsmaschine, als auch die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Gehäuse, welches typischer Weise eine hermetische Einheit bildet, anzuordnen.
Mit der beanspruchten, erfmdungsgemäßen Expansionsvorrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise eine Klimaanlage, insbesondere eine dynamisch betriebene Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug weiterbilden. Durch die Aufgabenteilung der Komponenten der Expansionseinrichtung des Kältekreislaufs der Klimaanlage lässt sich sowohl die Regelung des Hochdruckniveaus des Kältemittels und somit der Wirkungsgrad bzw. die Kälteleistung des Kältekreislaufs optimieren als auch zusätzlich Energie durch den Expansionsprozess mittels einer Expansionsmaschine gewinnen. Die somit gewonnene zusätzliche Energie lässt sich in vorteilhafter Weise zum Betrieb weiterer Komponenten der Klimaanlage bzw. des Kältekreislaufs einsetzen.
Insbesondere für ein Kältemittel, welches die Wärme im überkritischen Bereich abgibt, wie dies beispielsweise beim Kältemittel CO2 der Fall ist, ergibt sich somit eine vorteilhafte Weiterbildung des Kältekreislaufs und einer mit einem solchen Kältekreislauf verbundenen Klimaanlage.
Die erfmdungsgemäße Expansionseinrichtung ermöglicht es somit die Regelung einer Expansionsmaschine zu vereinfachen bzw. eine solche Regelung erst möglich zu machen.
Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung bzw. einer erfindungsgemäßen Klimaanlage mit einer solchen Expansionseinrichtung im Kältemittelkreislauf ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung bzw. Beispiele dreier Kältemittelkreisläufe unter Verwendung von erfindungsgemäßen Expansionseinrichtungen dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen, die somit als ebenfalls offenbart anzusehen sind.
Es zeigt
Fig. 1
eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage,
Fig. 2
ein erstes Ausführungsbeispiel für eine in einem Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionsvorrichtung,
Fig. 3
ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Expansionseinrichtung sowie den zugehörigen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage,
Fig. 4.
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Expansionseinrichtung sowie den zugehörigen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 im Prinzip dargestellte Kältemittelkreislauf 10 einer Klimaanlage weist einen Kompressor 12, einen Kondensator oder Gaskühler 14, eine Expansionseinrichtung 16 und einen Verdampfer 18 auf, die über entsprechende Verbindungsmittel 20 miteinander verbunden sind und einen geschlossenen Kältemittelkreislauf bilden.
Die Komponenten dieses Kreislaufs werden nach Art eines Kompressionskältekreislaufs betrieben. Hierbei wird zunächst eine Verdichtung eines Kältemittels, beispielsweise des Kältemittels CO2 durch einen Verdichter, den sogenannten Klimakompressor oder einfach Kompressor, durchgeführt, um die innere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger durch einen Wärmeaustausch gekühlt. Bei Kältemitteln, die die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, wie dies beispielsweise bei dem Kältemittel CO2 der Fall ist, wird das Kältemittel im Kondensator nicht verflüssigt, sondern als Gas im überkritischen Zustand nur abgekühlt. Aus diesem Grunde wird dieser Wärmeübertrager 14 bei Verwendung der überkritischen Betriebsweise des Kältemittels als Gaskühler bezeichnet. Anschließend wird das so gekühlte Kältemittel mittels einer Expansionseinrichtung 16 auf einen geringeren Druck ausgedehnt und dabei weiter abgekühlt. Der Expansionseinrichtung 16 ist in der Regel ein Verdampfer 18 nachgeschaltet, der als Wärmetauscher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte des Kältemittels auf ein anderes Medium zu übertragen. Dieses andere Medium, welches über den Verdampfer mit dem kalten, expandierten Kältemittel in Wechselwirkung tritt, kann beispielsweise Luft sein, die einem Fahrzeug Heizungs- bzw. Kühlsystem (Klimaanlage) zugeführt wird.
Durch die Steuerung der Drosselung an der Expansionseinrichtung des Kältemittelkreislaufs kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses gesteuert bzw. geregelt werden, so dass die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage in gewünschter Weise variiert werden kann. So ist es möglich, eine maximale effektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses (Hochdruckniveau) in Abhängigkeit von der Temperatur am Gaskühlerausgang oder der Umgebungstemperatur in angepasster Weise eingestellt wird.
Insbesondere bei Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, kann das Hochdruckniveau bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur eingestellt werden. Um diesen, gegenüber Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich zusätzlichen Freiheitsgrad in vorteilhafter Weise zu nutzen, können steuer- und/oder regelbare Expansionseinrichtungen genutzt werden.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines speziellen Kältemittelkreislaufs für eine Klimaanlage unter Verwendung einer erfmdungsgemäßen Expansionseinrichtung 16.
Der Kältemittelkreislauf 10 einer CO2-Klimaanlage gemäß Figur 2 weist einen Kompressor 12 auf, der beispielsweise elektrisch betrieben oder aber auch über entsprechende Kupplungselemente von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angetrieben sein kann. Im Kompressor 12 wird zunächst eine Verdichtung des Kältemittels, im beschriebenen Fall CO2, durchgeführt, um die innere Energie des Kältemittels zu erhöhen. In Strömungsrichtung nach dem Verdichter 12 ist ein Abscheider, insbesondere ein Ölabscheider 20 vorgesehen, der dazu dient, die im gasförmigen Kältemittel enthaltenen Ölrückstände abzuscheiden und diese über entsprechende Verbindungsmittel 22 beispielsweise wiederum dem Kompressor 12 zur Schmierung zur Verfügung zu stellen.
Das komprimierte und gegebenenfalls gereinigte Kältemittel wird in einem nachgeschalteten Kondensator bzw. Gaskühler 14 durch einen Wärmeaustausch gekühlt und gibt dabei einen Teil seiner inneren Wärmeenergie an die Klimaanlage, beispielsweise eines Fahrzeuges ab, so dass die Temperatur des Kältemittels absinkt und sich dieses ggf. verflüssigt. Wird als Kältemittel ein transkritisches Kältemittel, wie beispielsweise CO2 genutzt, so wird das Kältemittel im Gaskühler 14 nicht kondensiert sondern lediglich abgekühlt, so dass man in diesem Fall nicht von einem Kondensator sondern von einem Gaskühler spricht.
Zur weiteren Absenkung der Temperatur des Kältemittels ist im Kältemittelkreislauf 10 gemäß Fig. 2 ein innerer Wärmetauscher 24 vorgesehen, der es ermöglicht das komprimierte, gekühlte Kältemittel mittels des rücklaufenden und bereits expandierten und abgekühlten Kältemittels weiter herunterzukühlen.
Das komprimierte Kältemittel wird nunmehr einer Expansionseinrichtung 16 zugeführt und in dieser auf ein geringeres Druckniveau expandiert. Die erfindungsgemäße Expansionseinrichtung 16 besteht zumindest aus einem geregelten Expansionsventil 26 und einer Expansionsmaschine 36. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind das Expansionsventil 26 und die Expansionsmaschine 36 in Reihe zueinander im Kühlkreislauf 10 des Kältemittels geschaltet. Das Expansionsventil 26 ist dabei ein regelbares Ventil, welches durch eine entsprechende Stellung des Drosselkörpers des Ventils einen gewünschten Öffnungsquerschnitt freigeben kann und somit das Druckniveau auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 bestimmt. Das Expansionsventil 26 kann beispielsweise ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil oder aber auch ein rein mechanisch geregeltes, oder auch ein thermisch geregeltes Ventil sein. Dabei kann es sich sowohl um ein extern, als auch um ein intern geregeltes Ventil handeln. sein. Dem regelbaren Expansionsventil 26 nachgeschaltet ist eine Expansionsmaschine 36, welche prinzipiell durch jede arbeitsleistende Expansionseinrichtung gebildet sein kann.
Als Expansionsmaschinen sind insbesondere denkbar und vorteilhaft, sogenannte Zahnradmaschinen, die eine effektive Umsetzung der Expansionsenergie in mechanische Arbeit ermöglichen. Über eine entsprechende Welle kann die Expansionsmaschine dann mit weiteren nachgeschalteten Komponenten des Kraftfahrzeugs wirkverbunden sein bzw. in einem Anforderungsfall wirkverbunden werden.
Auf diese Weise ist es möglich, den Expansionsvorgang in der Expansionseinrichtung 16 effektiver zu gestalten und gleichzeitig Expansionsarbeit zurückzugewinnen. Hierbei wird die Entspannungsenergie des Kältemittels in mechanische Arbeit umgewandelt und somit für andere Prozesse verfügbar gemacht. So kann beispielsweise durch eine Kopplung der Antriebswelle der Expansionsmaschine 36 mit der Antriebswelle des Verdichters 12, die mit der Expansionsmaschine gewonnene Arbeit direkt wieder im Kältemittelkreislauf genutzt werden. In speziellen Ausführungsbeispielen können hierzu beispielsweise die Expansionsmaschine 36 und der Verdichter 12 in einer baulichen Einheit zusammengefasst werden.
Ebenso vorteilhaft kann es sein, die Expansionseinrichtung 16, bestehend zumindest aus dem regelbaren Expansionsventil 26 und der nachgeschalteten Expansionsmaschine 36 als ein kompaktes Modul in einer baulichen Einheit auszubilden.
Der Expansionseinrichtung 16 nachgeschaltet ist ein Verdampfer 18, der als Wärmetauscher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte auf ein Trägermedium zu übertragen. Dieses Trägermedium kann beispielsweise Luft sein, die einem Fahrzeug Heiz- bzw. Kühlsystem (Klimaanlage), welches in Fig. 2 nicht weiter dargestellt ist, in bekannter Weise zugeführt werden.
Dem Verdampfer 18 nachgeschaltet ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ein sogenannter Sammler 28, der als Flüssigkeitsabscheider bzw. Speicher dient. Ein solcher Sammler 28 ist insbesondere dann von Nöten, wenn die Befüllung des Verdampfers 18 nicht geregelt werden kann. Der Sammler 28 scheidet zum einen die nach dem Verdampfer noch im Kältemittel vorhandenen flüssigen Bestandteile ab und sammelt diese beispielsweise in seinem unteren Bereich. Der Sammler hat zudem die Aufgabe, Kältemittel zu bevorraten, um kleine Leckagen des Systems kompensieren zu können. Mit Hilfe des Sammlers können zudem kleine Ungleichmäßigkeiten des Massenstroms des Kältemittels ausgeglichen werden. Diese treten beispielsweise bei einer Drehzahlanhebung des Kompressors auf. Dabei erhöht sich der Massenstrom des Kältemittels, ohne dass zunächst der Verdampfer 18 mehr Kältemittel verdampfen kann. Das nach dem Verdampfer noch flüssige, d. h. nicht verdampfte Kältemittel wird im Sammler 28 abgeschieden und gespeichert. Bei einer Drehzahlverringerung des Kompressors muss dann das flüssige Kältemittel aus dem Sammler wieder in den Verdampfer 28 befördert werden. Dies erfolgt dadurch, dass das flüssige Kältemittel mittels des Kompressors aus dem Sammler angesaugt und in den Kältemittelkreislauf 10 befördert wird.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Expansionseinrichtung 16 eines Kältemittelkreislaufs 10. Die Expansionseinrichtung 16 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weist zumindest ein regelbares Expansionsventil 26 sowie eine Expansionsmaschine 36 auf. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind das Expansionsventil 26 und die Expansionsmaschine 36 parallel zueinander im Kältemittelkreislauf 10 angeordnet. Auch diese Anordnung lässt sich in vorteilhafter Weise durch ein kompaktes Modul 30 realisieren. Die Parallelschaltung der Expansionsmaschine 36 und des Expansionsventils 26 ermöglicht es, die Dimensionierung der Expansionsmaschine 36 zu vereinfachen. Diese kann in diesem Fall dann lediglich für einen üblichen Massenstrom ausgelegt werden. Sollten jedoch erhöhte Massenströme auftreten, so können diese mit Hilfe des Expansionsventils abgeleitet werden. Auf diese Weise ist eine kompakte und einfache Expansionsmaschine verwendbar.
Die Parallelschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 bedeutet zudem einen nicht unerheblichen Vorteil für die Sicherheit der Kälteanlage. Bei einem Ausfall der Expansionsmaschine 36 kann das Expansionsventil 26 in einen "Not-Aus-Modus" geregelt werden, der ein sicheres Abschalten der Kälteanlage ermöglicht.
In seinem sonstigen Aufbau entspricht der Kältekreislauf 10 gemäß Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dem zuvor beschriebenen Kältekreislauf nach Fig. 2.
Den beiden vorgestellten Kältekreisläufen und insbesondere den beiden Expansionseinrichtungen 16 dieser Kältekreisläufe ist gemeint, dass ein Teil der Regelungsaufgaben der Expansionseinrichtung 16 von der Expansionsmaschine 36 auf das Expansionsventil 26 übertragen wird. Die Expansionsmaschine 36 hat somit nur noch die Aufgabe, die zurückgewinnbare Energie in der gewünschten Form bereitzustellen. Die Regelung des Hochdruckniveaus im Kältekreislauf 10 und somit die Bestimmung der Kälteleistung oder der Wirkungsgrad der Klimaanlage wird in vorteilhafter Weise durch das Expansionsventil 26 übernommen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kältemittelkreislaufs 10 für eine erfindungsgemäße Klimaanlage. In seinem Aufbau entspricht der Kältekreislauf 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dem zuvor beschriebenen Kältekreislauf nach Fig. 3, so dass an dieser Stelle lediglich auf die entsprechende Beschreibung zu Figur 3 verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Expansionseinrichtung 16 des Kältekreislaufs in der Ausführungsform gemäß Figur 4 als Expansionsventil ein Überströmventil 27, welches bei einem vorgebbaren Massenstrom des Kältemittels, bzw. bei einem entsprechenden Druck des Kältemittels auf einen Drosselkörper des Ventils öffnet. Der Drosselkörper des Überströmventils 27 wird dabei durch den auf der Einlassseite des Ventils anliegenden Druck des Kältemittels gegen die Kraft, beispielsweise eines federelastischen Elementes gestellt. Dies ermöglicht die Einstellung des Druckniveaus auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes auf einfache Weise. Aufwendige und dadurch auch kostenintensive elektronisch gesteuerte Expansionsorgane können in diesem Falle vermieden werden.
Dabei kann das Überströmventil 27 beispielsweise als Schiebesitzventil ausgebildet sein. Durch die Modifikation der Spaltgeometrie eines herkömmlichen Schiebesitzventils lässt sich die Dichtheit eines solchen Ventils deutlich verbessern. Insbesondere kann durch eine Verlängerung des Ventilkolbens die Spaltgeometrie zwischen Ventilkolben (Schieberelement) und Kolbenführung (Sitz des Schiebers) des Schiebesitzventils optimiert werden. Eine solche Modifikation ermöglicht die Verwendung des Schiebesitzventils als Expansionsorgan in einer Klimaanlage, so dass eine gute Regelbarkeit bei insgesamt geräuscharmem Betrieb in allen Betriebszuständen ermöglicht wird. Das Überströmventil 27 ist jedoch nicht auf die Bauform eines Schiebesitzventils beschränkt.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage bzw. die erfindungsgemäße Expansionseinrichtung für ein Kältemittel sind nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Klimaanlage nicht auf die Verwendung eines inneren Wärmeübertragers im Kältemittelkreislauf beschränkt.
Des weiteren ist die erfmdungsgemäße Expansionsvorrichtung sowie die entsprechende auf Klimaanlage nicht die Verwendung von CO2 als Kältemittel beschränkt.

Claims (15)

  1. Expansionseinrichtung (16) für ein Kältemittel, insbesondere eine Expansionseinrichtung (16) zur Regelung des Hochdruckniveaus eines Kältemittelkreislaufs (10) einer Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (16) zumindest ein Expansionsventil (26,27) und eine Expansionsmaschine (36) umfasst.
  2. Expansionseinrichtung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (26) und die Expansionsmaschine (36) in Reihe zueinander im Kältemittelkreislauf (10) betrieben werden.
  3. Expansionseinrichtung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (26,27) und die Expansionsmaschine (36) parallel zueinander im Kältemittelkreislauf (10) betrieben werden.
  4. Expansionseinrichtung (16) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Expansionsventils (26,27) einen Not-Aus-Modus aufweist, der bei einem Ausfall der Expansionsmaschine (36) ein sicheres Abschalten des Kältemittelkreislaufs (10) ermöglicht.
  5. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (26,27) und die Expansionsmaschine (36) in einer baulichen Einheit (30) integriert sind.
  6. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (26) ein geregeltes Ventil ist.
  7. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (27) ein Überströmventil ist.
  8. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (36) eine Welle aufweist, die abtriebsseitig mit einer Antriebswelle eines Verdichters für ein Kältemittel koppelbar ist.
  9. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (36) eine Vor- oder Nachverdichtungseinrichtung für ein Kältemittel antreibt.
  10. Expansionseinrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (36) mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrischen Generator wirkverbunden ist.
  11. Klimaanlage, insbesondere Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Kompressor (12), einem Kondensator oder Gaskühler (14) einer Expansionseinrichtung (16) und einem Verdampfer (18), die in geeigneter Weise durch Verbindungsmittel (20) miteinander verbunden sind, um einen Kältemittelkreislauf (10) der Klimaanlage zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (16) des Kältemittelkreislaufs (10) zumindest ein Expansionsventil (26, 27) und eine Expansionsmaschine (36) umfasst.
  12. Klimaanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26,27) der Expansionseinheit (16) ein regelbares Ventil ist.
  13. Klimaanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26,27) der Expansionseinheit (16) ein Überströmventil (27) ist.
  14. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem Kältemittel für den Kältemittelkreislauf (10), das die Wärme im überkritischen Bereich abgibt.
  15. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel CO2 Verwendung findet.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103604239A (zh) * 2013-11-15 2014-02-26 杭州锦华气体设备有限公司 一种大型冷库气体膨胀制冷***及其制冷方法
CN104246393A (zh) * 2012-04-23 2014-12-24 三菱电机株式会社 冷冻环路***
US20190049156A1 (en) * 2013-03-14 2019-02-14 Rolls-Royce Corporation Thermal management system controlling dynamic and steady state thermal loads

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005058890B4 (de) * 2005-12-09 2007-08-30 Festo Ag & Co. Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs
FR2895786B1 (fr) * 2006-01-04 2008-04-11 Valeo Systemes Thermiques Module de detente pour installation de climatisation a deux evaporateurs
DE102006033747B3 (de) * 2006-07-21 2008-01-10 Thomas Magnete Gmbh Ventilanordnung
DE102008041939A1 (de) * 2008-09-10 2010-03-11 Ago Ag Energie + Anlagen Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe oder Kältemaschine bzw. einer Kraftmaschine sowie Wärmepumpe oder Kältemaschine und Kraftmaschine
DE102012014967A1 (de) * 2012-07-30 2014-01-30 Isabelle Oelschlägel D.I.O. -device to intelligente generate own electricity Integrierte Vorrichtung zur Stromgewinnung während des Betriebes einer Wärme- bzw. Kältemaschine.

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0787891A2 (de) * 1996-01-31 1997-08-06 Carrier Corporation Erzeugung mechanischer Kraft durch Expansion von Flüssigkeit in Dampf
JP2000234814A (ja) * 1999-02-17 2000-08-29 Aisin Seiki Co Ltd 蒸気圧縮式冷凍装置
DE10010864A1 (de) * 1999-03-15 2000-09-21 Denso Corp Kältekreislaufsystem mit Expansionsenergie-Rückgewinnung
EP1046869A1 (de) * 1999-04-20 2000-10-25 Sanden Corporation Kühl- und Klimatisierungssystem
JP2002022298A (ja) * 2000-07-04 2002-01-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 冷凍サイクル装置とその制御方法
JP2003074999A (ja) * 2001-08-31 2003-03-12 Daikin Ind Ltd 冷凍機
JP2003121018A (ja) * 2001-10-09 2003-04-23 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
JP2003279179A (ja) * 2002-03-26 2003-10-02 Mitsubishi Electric Corp 冷凍空調装置
EP1416232A1 (de) * 2002-10-31 2004-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Verfahren zur Hochdruckbestimmung in einer Kühlanlage

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0787891A2 (de) * 1996-01-31 1997-08-06 Carrier Corporation Erzeugung mechanischer Kraft durch Expansion von Flüssigkeit in Dampf
JP2000234814A (ja) * 1999-02-17 2000-08-29 Aisin Seiki Co Ltd 蒸気圧縮式冷凍装置
DE10010864A1 (de) * 1999-03-15 2000-09-21 Denso Corp Kältekreislaufsystem mit Expansionsenergie-Rückgewinnung
EP1046869A1 (de) * 1999-04-20 2000-10-25 Sanden Corporation Kühl- und Klimatisierungssystem
JP2002022298A (ja) * 2000-07-04 2002-01-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 冷凍サイクル装置とその制御方法
JP2003074999A (ja) * 2001-08-31 2003-03-12 Daikin Ind Ltd 冷凍機
JP2003121018A (ja) * 2001-10-09 2003-04-23 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
JP2003279179A (ja) * 2002-03-26 2003-10-02 Mitsubishi Electric Corp 冷凍空調装置
EP1416232A1 (de) * 2002-10-31 2004-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Verfahren zur Hochdruckbestimmung in einer Kühlanlage

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROBINSON D M ET AL: "Efficiencies of transcritical CO2 cycles with and without an expansion turbine - Rendement de cycles transcritiques au CO2 avec et sans turbine d'expansion" INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRIGERATION, ELSEVIER, PARIS, FR, Bd. 21, Nr. 7, 1. November 1998 (1998-11-01), Seiten 577-589, XP004287371 ISSN: 0140-7007 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104246393A (zh) * 2012-04-23 2014-12-24 三菱电机株式会社 冷冻环路***
CN104246393B (zh) * 2012-04-23 2016-06-22 三菱电机株式会社 冷冻环路***
US20190049156A1 (en) * 2013-03-14 2019-02-14 Rolls-Royce Corporation Thermal management system controlling dynamic and steady state thermal loads
US11448432B2 (en) * 2013-03-14 2022-09-20 Rolls-Royce Corporation Adaptive trans-critical CO2 cooling system
CN103604239A (zh) * 2013-11-15 2014-02-26 杭州锦华气体设备有限公司 一种大型冷库气体膨胀制冷***及其制冷方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005326145A (ja) 2005-11-24
EP1596140A3 (de) 2010-04-28
DE102004023834A1 (de) 2005-12-08

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