(57)【要約】  本発明は、冷媒回路内へ組み込むための膨張ユニットに関するものであって、膨張システムを有し、その膨張システムが、膨張ユニットへ供給される冷媒の質量流を過冷却するための過冷却ユニットを有し；膨張器段と圧縮器段を備えた膨張圧縮ユニットを有し；分岐部を有し、その分岐部が膨張ユニットに供給された全質量流から過冷却質量流を分岐し、かつ供給導管と接続されており、その供給導管が過冷却質量流を過冷却ユニットの入口へ案内し；膨張機構を有し、その膨張機構が過冷却質量流を過冷却圧力に膨張させ；接続導管を有し、その接続導管が過冷却ユニットから流出する過冷却質量流を圧縮器段へ供給し、その圧縮器段は過冷却質量流を還流高圧に圧縮し；かつ電気的に作動する制御装置を有し、その制御装置が周囲温度及び／又は膨張ユニット及び／又は膨張器段へ供給された冷媒の質量流の温度を検出し、かつこの温度に従って膨張ユニット又は膨張圧縮ユニットの入口圧力を、制御装置によって電気的に駆動される膨張機構を用いて過冷却質量流を制御することによって調節する。【選択図】図１
2020508428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒回路（１０）内へ組み込むための膨張ユニット（３２）であって、膨張システム（３０）を有し、前記膨張システムが、
膨張ユニット（３２）へ供給される冷媒の質量流を過冷却するための過冷却ユニット（１０２）を有し、
膨張器段（８６）と圧縮器段（８８）とを備えた膨張圧縮ユニット（８４）を有し、
分岐部（１１６）を有し、前記分岐部が膨張ユニット（３２）へ供給された全質量流（Ｇ）から過冷却質量流（Ｕ）を分岐し、かつ供給導管（１２６）と接続されており、前記供給導管が過冷却質量流を過冷却ユニット（１０２）の入口（１１２）へ案内し、
供給導管（１２６）内に設けられた膨張機構（１２２、１２４）を有し、前記膨張機構が過冷却質量流（Ｕ）を過冷却圧力（ＰＵ）へ膨張させ、
接続導管（１２８）を有し、前記接続導管が過冷却ユニット（１０２）から流出する過冷却質量流（Ｕ）を圧縮段（８８）へ供給し、前記圧縮段が過冷却質量流（Ｕ）を還流高圧（ＰＲ）へ圧縮し、前記還流高圧が圧縮質量流（Ｖ）の少なくとも１つの高圧（ＰＨ１）に相当し、前記圧縮質量流に過冷却質量流（Ｕ）が供給され、
かつ、電気的に作動する制御装置（１３２）を有し、前記制御装置が、周囲温度、及び／又は、膨張ユニット（３２）及び／又は膨張段（８６）へ供給される冷媒の質量流の温度を検出して、この温度に応じて膨張ユニット（３２）又は膨張圧縮ユニット（８４）の入口圧力を、制御装置（１３２）によって電気的に駆動される膨張機構（１２２）を用いて過冷却質量流（Ｕ）を制御することにより調節する、
膨張ユニット。
【請求項２】
分岐部（１１６）が過冷却ユニット（１０２）と膨張圧縮ユニット（８４）の間に配置されており、かつ過冷却ユニット（１０２）の下流で全質量流（Ｇ）から過冷却質量流（Ｕ）を分岐させる、ことを特徴とする請求項１に記載の膨張ユニット。
【請求項３】
過冷却ユニット（１０２）が熱交換器ユニットとして形成されており、かつ膨張器段（８６）へ流れる冷媒の質量流を、これを通して向流で案内される過冷却質量流Ｕによって冷却する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張ユニット。
【請求項４】
過冷却ユニット（１０２'）が収集容器（２６２）として形成されており、その中に過冷却質量流（Ｕ）の液状の冷媒からなる液槽（２６４）が形成され、前記液槽が膨張器段（８６）へ流れる冷媒の質量流を液槽（２６４）を通して案内される部材（２６８）によって冷却し、その場合に液槽（２６４）の上方にガス体積（２６６）が形成され、前記ガス体積からガス状の過冷却質量流（Ｕ）が除去される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の膨張ユニット。
【請求項５】
制御装置（１３２）が、周囲温度、及び／又は、過冷却ユニット（１０２）の入口（１０４）の上流の、かつ／又は膨張器入口（９２）の上流の冷媒の質量流の温度をセンサ（１３４）によって測定する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項６】
制御装置（１３２）が、プロセッサを有する電子的な制御装置であって、前記制御装置が制御プログラムを用いて膨張機構（１２２）を電気的に駆動する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項７】
膨張圧縮ユニット（８４）の膨張器段（８６）と圧縮器段（８８）が機械的機能的に結合されている、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項８】
膨張器段（８６）と圧縮器段（８８）がフリーピストン機械によって形成されており、前記フリーピストン機械内で少なくとも１つのフリーピストン（１５２、１５４）がピストンチャンバ（１４４、１４６）内で自由に移動可能である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項９】
膨張圧縮ユニット（８４）が２つのピストンチャンバ（１４４、１４６）を有し、前記ピストンチャンバ内でそれぞれフリーピストン（１５２、１５４）が移動可能である、ことを特徴とする請求項８に記載の膨張ユニット。
【請求項１０】
フリーピストン（１５２、１５４）が互いに結合されて移動可能である、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の膨張ユニット。
【請求項１１】
各ピストンチャンバ（１４４）内の第１のフリーピストン（１５２）が、第１の膨張チャンバ（１６２）と第１の圧縮チャンバ（１６６）を互いに分離している、ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１２】
各ピストンチャンバ（１４６）内の第２のフリーピストン（１５４）が、第２の膨張チャンバ（１６４）を第２の圧縮チャンバ（１６８）から分離している、ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１３】
２つのフリーピストン（１５２、１５４）がピストンチャンバ（１４４、１４６）内で互いに対して同軸に配置され、かつ移動可能である、ことを特徴とする請求項８から１２のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１４】
第１のピストンチャンバ（１４４）が第２のピストンチャンバ（（１４６）から分離ボディ（１４８）によって分離されている、ことを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１５】
２つの膨張チャンバ（１６２、１６４）が、分離ボディ（１４８）に隣接してピストンチャンバ（１４４、１４６）内に配置されている、ことを特徴とする請求項８から１４のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１６】
２つの圧縮チャンバ（１６６、１６８）が、それぞれのフリーピストン（１５２、１５４）の膨張チャンバ（１６２、１６４）とは逆の側に配置されている、ことを特徴とする請求項８から１５のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１７】
フリーピストン（１５２、１５４）を連結するカップリング部材（１７２）が、分離ボディ（１４８）を通って延びて、かつその分離ボディに対して移動可能である、ことを特徴とする請求項８から１６のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項１８】
カップリング部材（１７２）が、それぞれ膨張チャンバ（１６２、１６４）を通ってそれぞれのフリーピストン（１５２、１５４）まで延びている、ことを特徴とする請求項１７に記載の膨張ユニット。
【請求項１９】
膨張チャンバ（１６２、１６４）への冷媒の供給流がスライダシステム（２０２）によって制御可能である、ことを特徴とする請求項８から１８のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項２０】
スライダシステム（２０２）が、スライダ駆動装置（２０７）によって制御可能である、ことを特徴とする請求項１９に記載の膨張ユニット。
【請求項２１】
スライダ駆動装置（２０７）が電気的な制御装置（２０３）によって制御されており、前記制御装置がフリーピストン（１５２、１５４）の少なくとも１つの位置を、それらに対応づけられた少なくとも１つの位置センサ（２０４、２０６）を用いて検出する、ことを特徴とする請求項２０に記載の膨張ユニット。
【請求項２２】
スライダ駆動装置（２０７'）が、膨張器入口（９２）と膨脹器出口（９４）の間の圧力差によって制御可能である、ことを特徴とする請求項８から２０のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項２３】
スライダ駆動装置（２０７'）がダブル作用する操作シリンダとして形成されており、その操作シリンダのピストン（２０５）に、一方で膨張器入口（９２）における圧力が供給され、他方では膨張器出口（９４）における圧力が供給される、ことを特徴とする請求項２２に記載の膨張ユニット。
【請求項２４】
スライダ駆動装置（２０７'）が制御スライダ（２０９）によって制御可能であって、前記制御スライダがピストン（２０５）への膨張器入口（９２）における圧力の供給と膨張器出口（９４）における圧力の供給を制御する、ことを特徴とする請求項２３に記載の膨張ユニット。
【請求項２５】
制御スライダ（２０９）が、フリーピストン（１５２、１５４）の位置を検出する、ことを特徴とする請求項２４に記載の膨張ユニット。
【請求項２６】
制御スライダ（２０９）が、フリーピストン（１５２、１５４）によって移動可能である、ことを特徴とする請求項２５に記載の膨張ユニット。
【請求項２７】
膨張ユニット（３２）が装置ベース（８２）を有し、前記装置ベースに過冷却ユニット（１０２）と膨張圧縮ユニット（８４）が配置されている、ことを特徴とする請求項１から２６のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項２８】
装置ベース（８２）に制御ユニット（１３２）が配置されている、ことを特徴とする請求項２７に記載の膨張ユニット。
【請求項２９】
装置ベース（８２）に、高圧入口接続端（３４）と膨張圧力出口接続端（３６）が配置されている、ことを特徴とする請求項２７又は２８に記載の膨張ユニット。
【請求項３０】
装置ベースに、高圧出口接続端（３８）が配置されている、ことを特徴とする請求項２７から２９のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項３１】
装置ベース（８２）に、熱交換器接続ユニット（３６２、３７２、３８２）が設けられている、ことを特徴とする請求項２７から３０のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項３２】
熱交換器接続ユニット（３６２、３７２、３８２）の各々が、それぞれの熱交換器のためにそれぞれ三方弁（３３２、３４２、３５２）とそれぞれバイパス（３３４、３４４、３４５）を有している、ことを特徴とする請求項３１に記載の膨張ユニット。
【請求項３３】
熱交換器接続ユニット（３６２、３７２、３８２）の少なくとも１つが、高圧側の、熱を周囲へ放出する熱交換器（２２）と接続されている、ことを特徴とする請求項３１又は３２に記載の膨張ユニット。
【請求項３４】
膨張ユニット（３２'）が、膨張チャンバ（１６２、１６４）の体積に対する圧縮チャンバ（１６６、１６８）の体積の商によって定められる第１の体積比を備えた膨張システム（３０）を有し、
第１の膨張システム（３０ａ）に第２の膨張システム（３０ｂ）が並列接続されており、前記第２の膨張システムの体積比が第１の膨張システム（３０ａ）の体積比よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１から３３のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項３５】
膨張システム（３０ａ、３０ｂ）が、膨張システムの一方（３０ａ）がトランスクリティカル領域内で、膨張システムの他方（３０ｂ）がサブクリティカル領域内で作動するようにして、駆動される、ことを特徴とする請求項３４に記載の膨張ユニット。
【請求項３６】
より大きい体積比を有する膨張システム（３０ａ）がトランスクリティカル領域内で、より小さい体積比を有する膨張システム（３０ｂ）がサブクリティカル領域内で作動する、ことを特徴とする請求項３５に記載の膨張ユニット。
【請求項３７】
膨張システム（３０ａ、３０ｂ）の制御装置（１３２ａ、１３２ｂ）が、互いに結合されている、ことを特徴とする請求項３４から３６のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項３８】
膨張ユニット（３２"）が２つの膨張圧縮ユニット（８４ａ、８４ｂ）を有し、そのうちの一方（８４ａ）が、膨張チャンバ（１６２、１６４）の体積に対する圧縮チャンバ（１６６、１６８）の体積の商によって定められる第１の体積比を有し、かつ他方（８４ｂ）が、前記第１の体積比とは異なる第２の体積比を有している、ことを特徴とする請求項１から３３のいずれか１項に記載の膨張ユニット。
【請求項３９】
第１の膨張圧縮ユニット（８４ａ）の体積比が、第２の膨張圧縮ユニット（８４ｂ）の体積比よりも大きい、ことを特徴とする請求項３８に記載の膨張ユニット。
【請求項４０】
第１の膨張圧縮ユニット（８４ａ）がトランスクリティカル領域内で作動し、第２の膨張圧縮ユニット（８４ｂ）がサブクリティカル領域内で作動する、ことを特徴とする請求項３９に記載の膨張ユニット。
【請求項４１】
前記制御装置が、それぞれの膨張圧縮ユニット（８４ａ、８４ｂ）の使用を制御する、ことを特徴とする請求項３９又は４０に記載の膨張ユニット。
【請求項４２】
制御装置（３２）が、それぞれの過冷却質量流を介して、膨張器段（８６ａ、８６ｂ）へ流れる部分質量流内への膨張質量流の分割を制御する、ことを特徴とする請求項４１に記載の膨張ユニット。
【請求項４３】
冷媒圧縮器ユニット（１２）、該冷媒圧縮器ユニット（１２）の圧力側で冷媒回路（１０）内に配置された熱を放出する熱交換器（２２）、膨張ユニット（３２）及び少なくとも１つの熱を吸収する熱交換器（６４）を備えた冷却段（６２）を有する、冷媒回路（１０）において、
膨張ユニット（３２）が請求項１から４２のいずれか１項に従って形成されている、ことを特徴とする冷媒回路。
【請求項４４】
冷却段（６２）の下流に相分離器（７２）が配置されており、前記相分離器のガス相が吸い込み圧力導管（７４）によって冷媒圧縮器（１２）へ供給される、ことを特徴とする請求項４３に記載の冷媒回路。
【請求項４５】
冷却段（６２）が、少なくとも１つの膨張機構（６６）を有している、ことを特徴とする請求項４３又は４４に記載の冷媒回路。
【請求項４６】
膨張ユニット（３２）と冷却段（６２）の間に中間圧力収集器（４４）が配置されており、その液槽（４６）内に冷媒の液体相が集まり、かつ、液槽（４６）の上方にあるガス体積（５２）内へ冷媒のガス相が集まる、ことを特徴とする請求項４３又は４４に記載の冷媒回路。
【請求項４７】
中間圧力収集器（４４）のガス体積（５２）から付加質量流（Ｚ）が除去される、ことを特徴とする請求項４６に記載の冷媒回路。
【請求項４８】
付加質量流（Ｚ）が膨張機構（５４）を介して吸い込み圧力導管（７４）へ供給される、ことを特徴とする請求項４７に記載の冷媒回路。
【請求項４９】
膨張機構（５４）によって膨張された付加質量流（Ｚ）が、冷却段（６２）へ案内されたメイン質量流（Ｈ）を熱交換器（５８）内で冷却する、ことを特徴とする請求項４８に記載の冷媒回路。
【請求項５０】
冷却段（６２）に冷凍段（２１２）が並列接続されている、ことを特徴とする請求項４３から４９のいずれか１項に記載の冷媒回路。
【請求項５１】
冷凍段（２１２）へ供給された冷却質量流（Ｔ）が、冷凍段（２１２）に対応づけられた膨張機構（２１６）内で膨張する前に、熱交換器（２２６）を用いて冷凍段（２１２）内で膨張された質量流によって冷却される、ことを特徴とする請求項５０に記載の冷媒回路。
【請求項５２】
熱を放出する熱交換器（２２）によって冷却された全質量流（Ｇ）が、熱交換器（２３２）を用いて、膨張機構（５４）によって膨張された付加質量流（Ｚ）によって冷却される、ことを特徴とする請求項４３から５１のいずれか１項に記載の冷媒回路。
【請求項５３】
膨張ユニット（３２）の下流に熱交換器（２４２）が配置されており、その中で冷却設備の熱交換媒体が膨張質量流（Ｅ）によって冷却される、ことを特徴とする請求項４３から５２のいずれか１項に記載の冷媒回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒回路内へ組み込むための膨張ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の膨張ユニットは、知られている。
【０００３】
通常、この種の膨張ユニットは膨張弁によって、あるいはエネルギを発生させる膨張機械によって形成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、エネルギ効率が高い膨張ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、冷媒回路内へ組み込むための、膨張システムを備えた膨張ユニットによって解決され、その膨張システムが、膨張ユニットへ供給される冷媒の質量流を過冷却するための過冷却ユニットを有し；膨張器段と圧縮器段とを備えた膨張圧縮ユニットを有し；分岐部を有し、その分岐部が膨張ユニットへ供給される全質量流から過冷却質量流を分岐させ、かつ供給導管と接続されており、その供給導管が過冷却質量流を過冷却ユニットの入口へ案内し；供給導管内に設けられた膨張機構を有し、その膨張機構が過冷却質量流を過冷却圧力に膨張させ；接続導管を有し、その接続導管が過冷却ユニットから流出した過冷却質量流を圧縮段へ供給し、その圧縮段が過冷却質量流を還流高圧に圧縮し、その還流高圧が、過冷却質量流を供給される圧縮器質量流の少なくとも１つの高圧に相当し；かつ電気的に作動する制御装置を有し、その制御装置が周囲温度及び／又は膨張ユニット及び／又は膨張器段へ供給された冷媒の質量流の温度を検出して、この温度に従って膨張ユニット又は膨張圧縮ユニットの入口圧力を、制御装置によって電気的に駆動される膨張機構を用いて過冷却質量流を制御することによって調節する。
【０００６】
本発明に係る解決の利点は、それがエネルギ的に高効率で作動することに見られる。というのは、膨張器段へ流れる質量流を調節するために、膨張器段へ供給される質量流内に絞り機構が設けられないからである。
【０００７】
むしろ膨張器段へ流れる、膨張ユニット又は膨張圧縮ユニットの入口圧力にとって重要な質量流の調節は、制御装置によって駆動される膨張機構を用いて過冷却質量流を制御することのみを介して行われるので、膨張器段内で質量流が膨張する際に最大のエネルギ回収が行われ、それを圧縮器段内で過冷却質量流を圧縮するために使用することができるので、それによって同時に、膨張される質量流の最適な過冷却がその膨張前に行われる。
【０００８】
そのために特に、膨張機構は電気的に駆動可能なアクチュエータを有している。
【０００９】
特に好ましい解決において、過冷却ユニットと膨張圧縮ユニットの間に分岐部が配置されており、かつ過冷却ユニットの後方で全質量流から過冷却質量流が分岐する。
【００１０】
この解決は、分岐された過冷却質量流も同様に過冷却ユニット内で前もってすでに冷却されているので、エネルギ的に好ましい。
【００１１】
この解決は、特にサブクリティカルな（subcritical、亜臨界の）熱除去において効果的であり、より強い過冷却を有している。
【００１２】
さらにこの解決は、膨張圧縮ユニットに由来する脈動が、分岐から離れるように案内される、膨張機構を有する供給導管によって緩衝される、という利点を有している。
【００１３】
過冷却ユニットの形成について、これまでは詳しい説明がなされていない。
【００１４】
すなわち過冷却ユニットは、様々に形成することができる。
【００１５】
１つの解決において、過冷却ユニットは熱交換ユニットとして形成されており、かつ膨張器段へ流れる冷媒の質量流を、それを通して向流で案内される過冷却質量流によって冷却する。
【００１６】
他の好ましい解決においては、過冷却ユニットは収集容器として形成されており、その中に過冷却質量流の液状の冷媒からなる液槽が形成され、その液槽が膨張器段へ流れる冷媒の質量流を液槽を通して案内される部材によって冷却し、その場合に液槽の上方にガス体積が形成され、そのガス体積からガス状の過冷却質量流が除去される。
【００１７】
この解決は、一方で部材を通して案内される質量流が最適に過冷却され、他方ではガス体積から過冷却質量流を搬出することによって、圧縮段へ液状の冷媒が圧縮のために供給されないことを、保証することができる、という利点を有している。
【００１８】
冷媒の質量流の温度の測定に関して、様々な解決が考えられる。
【００１９】
ある解決においては、制御装置がセンサを用いて周囲温度及び／又は過冷却ユニットの入口前の冷媒の質量流の温度及び／又はそれが膨張器段へ流入する前の温度を測定する。
【００２０】
冷媒の質量流の温度を総括的に検出する他の解決において、冷媒の質量流が過冷却ユニットへ流入する前及び膨張器段へ流入する前のその温度が、それぞれセンサによって測定される。
【００２１】
他の解決においては、制御装置がセンサを用いて周囲温度を検出し、それを単独で、あるいは冷媒の質量流が過冷却ユニットへ流入する前かつ／又は膨張段へ流入する前の温度と組み合わせて、膨張機構を制御するために考慮する。
【００２２】
制御装置がプロセッサを有する電子的な制御装置であって、その制御装置が制御プログラムを用いて膨張機構を電気的に駆動すると、特に効果的である。というのは、プロセッサによって、測定された温度と、膨張機構によって制御すべき過冷却質量流との間の多様な相関を簡単なやり方で実現することができるからである。
【００２３】
特に制御装置のこの形成においては、膨張機構を常に次のように、すなわち過冷却質量流が過熱された状態で過冷却ユニットから流出し、したがって過冷却質量流内の部分的に液化された冷媒が過冷却ユニットから流出して、膨張器段へ供給されることが回避されるように、制御する可能性が生じる。
【００２４】
過冷却ユニットから流出する過冷却質量流の温度を監視するために、特に制御装置と接続されたセンサが、過冷却ユニットと膨張器段の間の接続導管内に設けられている。
【００２５】
上述した解決において、制御プログラムは特に、膨張機構の駆動を定めるためのアルゴリズムを有するか、あるいは膨張機構の調節を供給された質量流の測定された温度と関連づける記憶された相関テーブルを有するように、形成されている。
【００２６】
膨張器段と圧縮器段の接続に関しては、これまで詳しい説明がなされていない。
【００２７】
原理的に、膨張器段と圧縮器段はたとえばジェネレータモータユニットによって結合することができる。
【００２８】
しかし特に好ましい解決においては、膨張圧縮ユニットの膨張器段と圧縮器段は機械的機能的に結合されている。
【００２９】
この種の機械的機能的結合は、膨張器段において生成されたエネルギが機械的結合を介して直接圧縮器段へ伝達されることを意味している。
【００３０】
しかしこの解決は、他方で、本発明に係る解決、すなわち膨張器段によって膨張された質量流の制御が簡単なやり方で、圧縮器段によって圧縮された過冷却質量流を介して制御することができる、という利点も有している。
【００３１】
原理的に、膨張器段と圧縮器段は、適切な種類の回転駆動される機械によって形成することができる。
【００３２】
特に好ましい解決において、膨張器段と圧縮器段はフリーピストン機械によって形成されており、その機械内で少なくとも１つのフリーピストンがピストンチャンバ内で自由に移動可能である。
【００３３】
その場合に好ましくは、膨張圧縮ユニットは、２つのピストンチャンバを有し、その中でそれぞれフリーピストンが移動可能であるように、形成されている。
【００３４】
さらに好ましくは、フリーピストンは互いに結合されて移動することができる。
【００３５】
本発明に係るフリーピストン機械において、好ましくは、それぞれのピストンチャンバ内で第１のフリーピストンが第１の膨張チャンバと第１の圧縮チャンバを互いに分離している。
【００３６】
さらに好ましくは、それぞれのピストンチャンバ内で第２のフリーピストンが第２の膨張チャンバを第２の圧縮チャンバから分離している。
【００３７】
２つのフリーピストンを好ましいやり方で駆動するために、好ましくは、ピストンチャンバ内で２つのフリーピストンが互いに対して同軸に配置され、かつ移動可能である。
【００３８】
好ましくは第１のピストンチャンバが第２のピストンチャンバから分離ボディによって分離されている。
【００３９】
膨張圧縮ユニットの好ましい駆動は、２つの膨張チャンバが分離ボディに隣接してピストンチャンバ内に配置されている場合に実現される。
【００４０】
さらに好ましくは、２つの圧縮チャンバは、それぞれのフリーピストンの、膨張チャンバに対向する側に配置されている。
【００４１】
原理的に、フリーピストンは、互いに独立して作動することができる。
【００４２】
しかし好ましい解決においては、フリーピストンを結合するカップリング部材が分離ボディを通って延びており、かつ分離ボディに対して、特に密閉されて、移動可能である。
【００４３】
その場合に最も簡単なケースにおいては、カップリング部材は、それぞれ膨張チャンバを通ってそれぞれのフリーピストンまで延びるように、形成されている。
【００４４】
膨張チャンバへの冷媒の供給流に関して、好ましくは、膨張チャンバはスライダシステムによって制御可能である。
【００４５】
この種のスライダシステムは、たとえば切換スライダとして形成されているので、一方のスライダ位置において冷媒が１つの膨張チャンバ内へ流入して、他の膨張チャンバから流出し、他方のスライダ位置においては冷媒が他の膨張チャンバ内へ流入して、他の膨張チャンバから流出する。
【００４６】
スライダシステムを制御するために、スライダシステムはスライダ駆動装置によって制御可能であり、そのスライダ駆動装置によって２つのスライダ位置が調節可能である。
【００４７】
この種のスライダ駆動は電気的な制御装置によって行うことができ、その制御装置がフリーピストンの少なくとも１つの位置を、それに対応づけられた少なくとも１つの位置センサを用いて検出する。
【００４８】
その代わりに、好ましい解決においては、スライダ駆動装置は膨張器入口と膨張器出口の間の圧力差によって制御可能である。
【００４９】
その場合に好ましくは、スライダ駆動装置はダブル作用する操作シリンダとして形成されており、そのピストンに一方で膨張器入口における圧力が供給され、他方では膨張器出口における圧力が供給される。
【００５０】
この種の駆動ユニットを駆動するために、好ましくは、スライダ駆動装置が制御スライダによって駆動可能であって、その制御スライダがピストンへの膨張器入口における圧力の供給と膨張器出口における圧力の供給を制御する。
【００５１】
制御スライダは、好ましくは、フリーピストンの位置を検出して、それに応じてフリーピストンを移動させるように、形成されている。
【００５２】
特に制御スライダは、フリーピストンによって移動可能である。
【００５３】
本発明に係る膨張ユニットを、好ましくは、組立てができた１つのユニットとして供給し、かつ冷媒回路内へ組み込むことができるようにするために、好ましくは、膨張ユニットが装置ベースを有し、その装置ベースに過冷却ユニットと膨張圧縮ユニットが配置されている。
【００５４】
さらに、装置ベースに制御ユニットも配置されていると、効果的である。
【００５５】
さらに、装置ベースに高圧入口接続端と膨張圧力出口接続端が配置されていると、組み込むために効果的である。
【００５６】
さらに好ましい解決において、装置ベースに高圧出口接続端が配置されており、それを介して、膨張ユニットを組み込む場合に圧縮された過冷却質量流が流出する。
【００５７】
他の好ましい解決において、装置ベースに熱交換器接続ユニットが設けられており、それに複数の高圧側の熱交換器を接続することができる。
【００５８】
その場合に特に、熱交換器接続ユニットの各々は、それぞれ三方弁とそれぞれの熱交換器のためのそれぞれバイパスを有するように、形成されているので、三方弁によって、それぞれの熱交換器の貫流を制御する可能性が生じる。
【００５９】
その場合に特に、熱交換器接続ユニットの少なくとも１つが高圧側の、周囲空気へ熱を放出する熱交換器と接続されている。
【００６０】
膨張ユニットの他の好ましい実施形態においては、膨張ユニットが、膨張チャンバの体積に対する圧縮チャンバの体積の商によって定められる第１の体積比を備えた膨張システムを有し、かつ第１の膨張システムに対して並列に第２の膨張システムが接続されており、それの体積比は第１の膨張システムのそれとは異なる。
【００６１】
この種の膨張ユニットは、異なる体積比を有する２つの膨張システムによって、冷媒の膨張をそれぞれの駆動状態に最適に適合させる可能性が生じるという、利点を有している。
【００６２】
膨張システムが、膨張システムの１つがトランスクリティカル領域（transcritical range、遷臨界領域）内で、膨張システムの他のものがサブクリティカル領域（subcritical range、亜臨界領域）内で作動するように、駆動されると、特に効果的である。
【００６３】
その場合に好ましくは、より大きい体積比を有する膨張システムがトランスクリティカル領域内で作動し、より小さい体積比を有する膨張システムがサブクリティカル領域内で作動する。
【００６４】
これらの膨張システムが関連して作動するようにするために、好ましくは、膨張システムの制御装置が互いに結合されている。
【００６５】
膨張圧縮ユニット内に２つの膨張システムを設ける代わりに、好ましくは、膨張ユニットが２つの膨張圧縮ユニットを有し、その一方が圧縮チャンバの体積に対する膨張チャンバの体積からなる商によって定められる第１の体積比を有し、他方は、第１の体積比とは異なる第２の体積比を有する。
【００６６】
この場合においても、異なる体積比を有する２つの膨張圧縮ユニットを備えた膨張ユニットによって、種々の駆動条件への最適な適合が可能である。
【００６７】
２つの膨張圧縮ユニットを有するこの種の膨張ユニットにおいて、好ましくは、過冷却ユニットは１つだけ設けられており、その１つの過冷却ユニットの後方で、過冷却質量流が一方の膨張圧縮ユニットへ供給されるか、他方の膨張圧縮ユニットへ供給されるか、あるいは両方の膨張圧縮ユニットへ供給される。
【００６８】
好ましくはこのような２つの膨張圧縮ユニットにおいて、第１の膨張圧縮ユニットの体積比は第２の膨張圧縮ユニットの体積比よりも大きい。
【００６９】
その場合に特に、第１の膨張圧縮ユニットはトランスクリティカル領域内で、そして第２の膨張圧縮ユニットはサブクリティカル領域内で作動する。
【００７０】
その場合に制御装置は、第１の膨張圧縮ユニットを使用するか、第２の膨張圧縮ユニットを使用するかを定めることができ、そして場合によって、２つの膨張圧縮ユニットが使用される場合に、膨張質量流をそれぞれの膨張器段へ流れる、膨張圧縮ユニットへの部分質量流へ分割することを、制御することができる。
【００７１】
第１又は第２の膨張圧縮ユニットへの膨張質量流Ｅの分配の制御あるいはそれを膨張圧縮ユニットへ分割することは、しかるべき制御機構による過冷却質量流の制御を介して、あるいはしかるべき制御機構を介して膨張すべき質量流を直接制御することを介して行うことができる。
【００７２】
さらに本発明は、冷媒回路に関するものであり、その冷媒回路は冷媒圧縮器ユニット、冷媒圧縮器ユニットの圧力側において冷媒回路内に配置されている、熱を放出する熱交換器、膨張ユニット及び少なくとも１つの熱を吸収する熱交換器を備えた冷却段を有しており、その場合に本発明によれば、膨張ユニットは上述した特徴の１つ又は複数に従って形成されている。
【００７３】
原理的に、冷却段を専用の膨張機構なしで駆動し、かつ冷却段内で膨張ユニットによって膨張された質量流によって作業することが、考えられる。
【００７４】
この場合において、冷却段に続いて相分離器が配置されており、そのガス相が吸い込み圧力導管から冷媒圧縮器へ供給されると、効果的である。
【００７５】
この種の相分離器は、それによって冷媒圧縮器へ液状の冷媒が圧縮のために供給されることが阻止される、という利点を有している。
【００７６】
他の好ましい解決において、冷却段は少なくとも１つの膨張機構を有しているので、この膨張機構によって、冷却段内で望まれる圧力を定める可能性が生じる。
【００７７】
本発明に係る冷媒回路の他の好ましい変形例においては、膨張ユニットと冷却段の間に中間圧力収集器が配置されており、その液槽内に冷媒の液体相が集まり、かつ液槽の上方にあるガス体積内に冷媒のガス相が集まる。
【００７８】
この解決において好ましくは、冷却段の液体相は膨張機構内で膨張するために膨張機構へ供給される。
【００７９】
この場合において、中間圧力収集器は、中間圧力収集器による冷媒の中間圧縮によって付加的な過冷却が実現可能である、という利点を有している。
【００８０】
中間圧力収集器の場合において、好ましくは、中間圧力収集器のガス体積から付加質量流が除去される。
【００８１】
この種の付加質量流は、特に膨張機構を介して吸い込み圧力導管へ供給される。
【００８２】
他の好ましい解決においては、膨張機構によって膨張された付加質量流が、熱交換器内で冷却段へ案内されたメイン質量流を冷却し、それによってメイン質量流内でさらに付加的な過冷却が得られる。
【００８３】
本発明に係る冷媒回路の他の好ましい変形例においては、冷却段に並列に冷凍段が接続されている。
【００８４】
冷凍段の場合において、好ましくは、冷凍段へ供給された冷凍質量流は、冷凍段に対応づけられた膨張機構内で膨張する前に、熱交換器を用いて冷凍段内で膨張した質量流によって冷却される。
【００８５】
本発明に係る冷媒回路の他の好ましい変形例において、熱を放出する熱交換器によって冷却された全ガス流が熱交換器を用いて、膨張機構によって膨張された付加質量流によって冷却される。
【００８６】
本発明に係る冷媒回路の他の好ましい変形例において、膨張ユニットの後段に熱交換器が配置されており、その中で冷却設備の熱交換媒体が膨張質量流によって冷却される。
【００８７】
本発明の他の特徴と利点が、いくつかの実施例についての以下の説明及び図面表示の対象である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係る冷媒回路の第１の実施例の略図である。
【図２】本発明に係る膨張ユニットの第１の実施例の略図である。
【図３】本発明に係る膨張圧縮ユニットの第１の実施例の略図である。
【図４】本発明に係る膨張圧縮ユニットの第２の実施例の、図３と同様の略図である。
【図５】本発明に係る冷媒回路の第２の実施例の略図である。
【図６】本発明に係る冷媒回路の第３の実施例の略図である。
【図７】本発明に係る冷媒回路の第４の実施例の略図である。
【図８】本発明に係る冷媒回路の第５の実施例の略図である。
【図９】本発明に係る膨張ユニットの第２の実施例の略図である。
【図１０】本発明に係る膨張ユニットの第２の実施例の種々の駆動方法を示す略図である。
【図１１】本発明に係る膨張ユニットの第３の実施例の略図である。
【図１２】本発明に係る膨張ユニットの第４の実施例の略図である。
【図１３】本発明に係る膨張ユニットの第５の実施例の略図である。
【図１４】本発明に係る膨張ユニットの第６の実施例の略図である。
【図１５】本発明に係る膨張ユニットの第７の実施例の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００８９】
図１に示す、本発明に係る冷凍設備の第１の実施例は、全体を符号１０で示す冷媒回路を有しており、その中に全体を符号１２で示す冷媒圧縮器ユニットが配置されており、それが、たとえば少なくとも１つの冷媒圧縮器を有している。
【００９０】
冷媒圧縮器ユニット１２は、吸い込み接続端１４と圧力接続端１６を有しており、その場合に圧力接続端１６には、通常高圧ＨＰ１に圧縮された冷媒が存在する。
【００９１】
その場合に、「高圧に圧縮された冷媒」というのは、冷媒が、冷媒回路内に存在する最大の圧力を有することである。
【００９２】
圧力接続端１６から高圧導管１８が、冷媒圧縮器ユニット１２によって高圧ＨＰ１に圧縮された圧縮器質量流Ｖを、全体を符号２２で示す高圧側の熱を放出する熱交換器の入口２４へ案内し、その熱交換器は特に周囲空気へ熱を放出し、したがって冷媒を冷却するので、高圧側の熱交換器２２の出口２６には、高圧側の熱交換器２２によって冷却された冷媒の全質量流Ｇが存在し、それが、熱交換器２２に基づいて高圧ＰＨ１よりも低い高圧ＰＨ２において冷媒を案内する高圧排出導管２８によって、全体を符号３２で示す高圧調整する膨張ユニット３２の第１の実施例へ供給され、その膨張ユニットは、高圧排出導管２８と接続された高圧入口接続端３４、膨張圧力出口接続端３６及び高圧出口接続端３８を有している。
【００９３】
その場合に膨張圧力ＰＥにある膨張圧力出口接続端３６は膨張導管４２と接続されており、その膨張導管は、図１に示すもっとも簡単な実施例において冷却段６２へ通じており、その冷却段はもっとも簡単な場合において、冷却するために熱を吸収する熱交換器６４を有している。
【００９４】
この簡略化された実施例において、熱を吸収する熱交換器６４は膨張圧力ＰＥにあるので、この熱交換器６４の前段には別体の膨張弁は接続されていない。
【００９５】
冷媒圧縮器ユニット１２を保護するために、熱を吸収する熱交換器６４の後段に相分離器７２が接続されており、その相分離器は冷却段６２から冷媒圧縮器ユニット１２の吸い込み接続端１４へ通じる吸い込み圧力導管７４内に配置されており、かつ液状の冷媒が吸い込み接続端１４において冷媒圧縮器ユニット１２によって吸い込まれることを阻止する。
【００９６】
したがって膨張圧力出口接続端３６から膨張質量流Ｅが膨張導管４２を通って冷却段６２へ流れ、冷却段６２からまた吸い込み圧力導管７４を介して冷媒圧縮器ユニット１２へ流れる。
【００９７】
その場合に膨張質量流Ｅは、全質量流に相当せず、過冷却質量流Ｕだけ減少されており、その過冷却質量流は膨張ユニット３２から高圧出口接続端３８において還流圧力ＰＲで放出されて、熱を放出する高圧側の熱交換器２２へ流入する前の圧縮器質量流Ｖへ供給される。
【００９８】
以下で説明する、本発明に係る冷媒回路１０は、すべて好ましくは二酸化炭素、すなわちＣＯ2用に考えられているので、一般的な周囲条件において、通常のようにトランスクリティカルサイクルが存在し、それにおいて膨張ユニット３２によって冷媒の膨張を実施する前にだけ、たとえば熱交換器２２を用いて冷媒を凝縮及び沸点曲線、又は飽和曲線の上方に延びる等温線に相当する温度に冷却することが行われるので、冷媒の液化は存在しない。
【００９９】
ただ、高圧側の熱を放出する熱交換器の冷却のための温度がきわめて低い場合にのみ、サブクリティカルサイクルを実施する可能性が生じるので、この場合においては冷媒を、冷媒の凝縮及び沸点曲線、又は飽和曲線を通る等温線に相当する温度に凝縮することが行われる。
【０１００】
本発明に基づいて形成された膨張ユニット３２の第１の実施例は、図２に示すように、膨張システム３０を有し、その膨張システムが全体を符号８２で示す装置ベースを有し、その装置ベースに高圧入口接続端３４、膨張圧力接続端３６及び高圧出口接続端３８が配置されている。
【０１０１】
さらに膨張システム３０において、装置ベース８２に膨張圧縮ユニット８４が接続されており、それが膨張器８６と圧縮器８８を有しており、それらは膨張圧縮ユニット８４内に統合され、かつ互いに堅固に結合されている。
【０１０２】
膨張圧縮ユニット８４は、膨張器入口９２、膨張圧力出口接続端３６と接続された膨張器出口９４及び圧縮器入口９６と圧縮器出口９８を有し、その圧縮器出口自体はまた高圧出口接続端３８と接続されている。
【０１０３】
さらに、膨張システム３０において、装置ベース８２に過冷却ユニット１０２が配置されており、それは、第１の実施例において向流熱交換器として形成されており、冷却すべき質量流のための、特にこの場合においては全質量流のための、入口１０４と出口１０６を有し、かつ、熱交換器を通して向流として案内される過冷却質量流Ｕのための入口１１２と出口１１４を有している。
【０１０４】
膨張システム３０において過冷却質量流Ｕは、分岐１１６において過冷却ユニット１０２の出口１０６で流出する過冷却された全質量流Ｇから分岐されるので、膨張質量流Ｅは分岐１０６から導管を通して膨張器入口９２へ案内され、かつ過冷却質量流Ｕは遮断機構１２４及びアクチュエータ１２３によって駆動される膨張機構１２２を通して供給導管１２６内で案内され、その膨張機構内で過冷却質量流Ｕが圧力ＰＵへ膨張されて、その後過冷却ユニット１０２の入口１１２へ供給され、その場合に過冷却質量流Ｕは過冷却ユニット１０２内で、入口１０４から出口１０６へ流れる全質量流Ｇを向流で過冷却し、かつ出口１１４から接続導管１２８によって圧縮器入口９６へ供給される。
【０１０５】
膨張器段８６において膨張質量流Ｅの膨張によって遊離した機械エネルギが膨張圧縮ユニット８４内で直接圧縮器段８８へ供給されて、その中で過冷却質量流Ｕを還流高圧ＰＲへ圧縮し、その還流高圧は高圧導管１８内の圧力水準ＨＰ１に相当し、あるいはそれより高いので、過冷却質量流Ｕは高圧出口接続端３８から高圧還流導管７８を介して圧縮器質量流Ｖへ供給することができる。
【０１０６】
さらに、膨張システム３０内に制御装置１３２が内蔵されており、その制御装置が一方で、センサ１３４、特に温度センサによって膨張器段８６内の膨張前の冷媒の質量流の温度を検出して、この温度に従って膨張機構１２２を制御する。
【０１０７】
そのためにセンサ１３４は、たとえば分岐１１６と膨張段８６の間にセンサ１３４として配置されている。
【０１０８】
その代わりに、あるいはそれを補って、センサ１３４は、センサ１３４2として高圧入口接続端３４と過冷却ユニット１０２の間で使用することもできる。
【０１０９】
その代わりに、あるいはそれを補って特に、センサ１３４はセンサ１３４4として周囲温度を測定し、その周囲温度は特に熱交換器２２を還流する周囲空気によって、熱交換器２２の出口２６における冷媒の質量流の温度に標準的に影響を与える。
【０１１０】
その場合に膨張機構１２２は、過冷却質量流Ｕを開ループ制御するため、かつそれによって高圧入口接続端３４における高圧ＰＨ２とそれに伴って高圧排出導管２８内の高圧ＰＨ２も、制御装置１３２内に設けられ、特にその中にデータベース又はアルゴリズムとして記憶されている関係に応じて、センサ１３４における冷媒の温度に従って、かつそれに伴って高圧ＰＨ２にある冷媒を冷却する可能性に従って、たとえば熱交換器２２内に冷却するために存在している周囲温度に従って、閉ループ制御するために用いられる。
【０１１１】
制御装置１３２は、特にプロセッサ１３３とメモリ１３１を有しており、そのメモリ内にアルゴリズム又は相関テーブルが記憶されており、その相関テーブルによって膨張機構１２２の調節とセンサ１３４によって測定された温度との間の相関が記憶されているので、制御装置１３２によって駆動されるアクチュエータ１２３によって行われる膨張機構１２２の調節により、高圧入口接続端３４に、かつ／又は過冷却ユニット１０２の入口１０４に、かつ／又は膨張器入口９２に、温度に相当する高圧ＰＨ２が生じる。
【０１１２】
過冷却質量流Ｕの制御による高圧ＰＨ２の閉ループ制御は、可能である。というのは膨張器８６を圧縮器８８と機械的機能的に結合することによって、膨張質量流Ｅが固定の体積比に従って直接過冷却質量流Ｕと関連するので、過冷却質量流Ｕを設定することによって膨張質量流Ｅが設定可能となるからである。通常、過冷却質量流Ｕは全質量流Ｇの約１５％から３５％であるので、膨張質量流Ｅは全質量流Ｇの約８５％から６５％である。
【０１１３】
特に高圧ＰＨ２の閉ループ制御は、過冷却ユニット１０２内で熱い側における、したがって入口１０４における全質量流Ｇの温度が、過冷却ユニット１０２の出口１１４における過冷却質量流Ｕの温度をわずかなケルビンだけ、たとえば４ケルビン未満、さらに好ましくは３ケルビン未満、特に１から２ケルビンだけ上回るように行われ、それによって過冷却質量流Ｕ内の冷媒は実質的に完全に蒸発される。
【０１１４】
場合によっては、出口１１４における過冷却質量流Ｕの温度を確実に監視することができるようにするために、特に接続導管１２８内に、制御装置１３２と接続されたセンサ１３５が設けられている。
【０１１５】
装置ベース８２に制御装置１３２、膨張機構１２２、過冷却ユニット１０２及び膨張圧縮ユニット８４を配置することによって、この装置ベースは全体として冷媒回路１０内に自動的に取り付け可能なユニットを形成し、そのユニットは熱を放出する熱交換器２２の出口側に存在する高圧の閉ループ制御によって冷媒回路１０の駆動状態を閉ループ制御する。
【０１１６】
図３に示すように、全体を符号８４で示す膨脹圧縮ユニットがフリーピストン機械として形成されており、それがシリンダハウジング１４２を有し、その中に互いに分離された２つのピストンチャンバ１４４と１４６が配置されており、その場合に各ピストンチャンバ内に移動可能なフリーピストン１５２、１５４が配置されている。
【０１１７】
その場合にフリーピストン１５２、１５４は、それぞれのピストンチャンバ１４４と１４６を膨張チャンバ１６２と１６４及び圧縮チャンバ１６６と１６８に分割する。
【０１１８】
さらにフリーピストン１５２と１５４は好ましくは機械的に互いに結合されており、特に、第１のピストン１５２において第１の膨張チャンバ１６２の容積が最大である場合に、第１の圧縮チャンバ１６６は最小の容積を有し、同時に第２のフリーピストン１５４においては、その膨張チャンバ１６４が最小の容積を有する場合に、圧縮チャンバ１６８は最大の容積を有するように、あるいはその逆に、結合されている。
【０１１９】
したがって第１の膨張チャンバ１６２の容積増加は、それが膨張器入口９２における高圧によって供給されている場合に、第１の圧縮チャンバ１６６内の過冷却質量流Ｕの冷媒の圧縮をもたらし、同時に第２の圧縮チャンバ１６８内の冷媒を膨張器出口９４の方向へ移動させ、かつ圧縮器入口９６を介して第２の圧縮チャンバ１６８内の冷媒の吸い込みをもたらす。
【０１２０】
逆に第２の膨張チャンバ１６４に膨張器入口９２を介して供給された高圧にある冷媒が供給されることは、第２の圧縮チャンバ１６８内の冷媒の圧縮とそれに伴って圧縮器出口９８へのその移動をもたらし、同時に第１の膨張チャンバ１６２内の冷媒が膨張器出口９４の方向へ移動し、かつ圧縮器入口９６を介して第１の圧縮チャンバ１６６内の冷媒の吸い込みが行われる。
【０１２１】
好ましくはその場合に第１のフリーピストン１５２と第２のフリーピストン１５４は、互いに対して同軸に配置されており、かつ同様に互いに対して同軸に配置されたピストンチャンバ１４４と１４６内で移動し、それらのピストンチャンバは分離ボディ１４８によって互いに分離されており、その場合に分離ボディ１４８は、２つのフリーピストン１５２と１５４の運動を結合するカップリング部材１７２によって密閉貫通されている。
【０１２２】
その場合に最も簡単なケースにおいては、カップリング部材１７２は、分離ボディ１５８を貫通し、かつフリーピストン１５２、１５４と共に移動するカップリングロッドとして形成することができ、そのカップリングロッドはそれぞれフリーピストン１５２及び１５４に自由に添接し、したがってそれと堅固に結合されていない。
【０１２３】
膨張器入口９２を介して冷媒が流入する場合に、この膨張チャンバ１６２内の圧力がそれぞれのフリーピストン１５２もしくは１５４に作用し、かつ同時にそれぞれ他のフリーピストン１５４もしくは１５２のそれぞれの圧縮チャンバ１６８もしくは１６６内では、それぞれの膨張チャンバ１６４もしくは１６２内に存在する、膨張器出口９４における圧力よりも高い圧力が作用することによって、フリーピストン１５２もしくは１５４によって供給される圧縮チャンバ１６６もしくは１６８内には、膨張器出口９２に生じる高圧よりも高い圧力が発生するので、過冷却質量流Ｕは圧縮器出口９８に生じる圧力に圧縮され、その圧力は、少なくとも、熱を放出する熱交換器の入口２４における高圧ＰＨ１に、あるいは高圧導管１８内の圧力に相当するが、しかし膨張器入口へ提供される高圧ＰＨ２は熱交換器２２内の圧力損失に基づいて高圧ＰＨ１よりも幾分小さい。
【０１２４】
圧縮チャンバ１６６と１６８を圧縮器入口９６と接続するために、圧縮器入口９６から出る供給導管１８２が設けられており、その供給導管は圧縮チャンバ１６６と１６８に対応づけられた入口弁１８４と１８６へ通じており、さらに圧縮器出口９８が圧力導管１９２と接続されており、その圧力導管は圧縮器チャンバ１６６もしくは１６８に対応づけられた出口弁１９４と１９６から圧縮器出口９８へ通じている。
【０１２５】
膨張器入口９２と膨張器出口９４を膨張器チャンバ１６２及び１６４と交互に接続することは、ピストン位置制御されるスライダシステム２０２を介して行われる。
【０１２６】
たとえばスライダシステム２０２は制御装置２０３を有し、その制御装置は位置センサ２０４と２０６を用いてフリーピストン１５２もしくは１５４の位置を検出し、電気的な駆動装置２０７を用いて全体を符号２０８で示す切換スライダを制御し、その切換スライダはが２つのスライダ位置を有し、一方のスライダ位置においては膨張器入口９２を膨張チャンバ１６２と、膨張器出口９４を膨張チャンバ１６４と接続し、他方のスライダ位置においては膨張器入口を膨張チャンバ１６４と、そして膨脹器出口９４を膨張チャンバ１６２と接続する。
【０１２７】
その代わりに、図４に示すように、スライダシステム２０２’において切換スライダ２０８の圧力制御が設けられており、その場合に駆動装置２０７’がピストン２０５を備えた圧力制御されるシリンダを有し、そのピストンが補助スライダ２０９によって制御されて交互に、一方で膨張器入口９２における圧力を、そして他方では膨脹器出口９４における圧力を、あるいはその逆に供給され、その場合に補助スライダ２０９は同様に切換スライダとして形成されており、そのスライダ位置は、フリーピストン１５２と１５４の、分離ボディ１４８へ向いた終端位置の位置を機械的に検出することによって行われる。
【０１２８】
図５に示す、本発明に係る冷媒回路１０’の第２の実施例において、第１の実施例におけるのと同一の部材には、同一の参照符号が設けられているので、説明に関しては、第１の実施例に関連した部材についての説明をすべての内容において参照することができる。
【０１２９】
第１の実施例とは異なり、第２の実施例においては膨張導管４２は直接冷却段６２へ通じておらず、中間圧力収集器４４へ通じており、その中で膨張圧ＰＥにおいて液状の冷媒からなる液槽４６が形成されており、その液槽から液状の冷媒が液体導管４８を介して冷却第６２’へ供給され、その冷却段はこの場合において熱を吸収する熱交換器６４だけでなく、さらに遮断機構６８と膨張機構６６も有している。
【０１３０】
さらに、液槽４６の上方にガス体積５２が形成され、そのガス体積から付加質量流Ｚが膨張機構５４を介して吸い込み導管７４へ供給される。
【０１３１】
中間圧力収集器４４によって、膨張圧力ＰＥにおいて膨張質量流Ｅを、液体導管を介して冷却段６２’へ供給されるメイン質量流Ｈと、膨張機構５４を介して吸い込み圧力導管７４へ供給されるガス状の付加質量流Ｚに分割する可能性が生じる。
【０１３２】
図６に示す、本発明に係る冷媒回路１０”の第３の実施例において、第１及び第２の実施例の部材と同一の部材には同一の参照符号が設けられるので、その説明に関しては第１及び第２の実施例についての説明をすべての内容において参照することができる。
【０１３３】
第２の実施例とは異なり、ガス体積５２からの付加質量流Ｚは膨張機構５４を介して直接吸い込み圧力導管７４へ供給されるのではなく、再度液体導管４８内に設けられた過冷却器５８を通して案内され、その過冷却器が液体導管４８内を流れるメイン質量流Ｈを再度過冷却する。
【０１３４】
付加的に冷却段６２’は、たとえばノーマル冷却段として形成されており、かつ付加的にさらに冷凍段２１２が設けられており、それが熱を吸収する熱交換器２１４及び遮断機構２１８と膨張機構２１６を有している。
【０１３５】
冷凍段２１２内で膨張した冷媒は、吸い込み導管２２４を介して冷凍圧縮器ユニット２２２へ供給され、その冷凍圧縮器ユニットが冷媒を再び、高圧に圧縮するための冷凍圧縮器ユニット１２用の吸い込み圧力導管７４へ供給することができる程度に、圧縮する。
【０１３６】
さらに、好ましくは冷凍圧縮器ユニット２１２の吸い込み圧力導管２２４内に、さらに過冷却器２２６が設けられており、それが液体導管４８を介して冷凍段２１２へ供給される冷媒を、冷凍段２１２内へ流入する前に再度、特に冷凍段２１２から流出して吸い込み圧力導管２２４内で案内される膨張した冷媒によって、過冷却する。
【０１３７】
図７に示す、本発明に係る冷媒回路１０’”の第４の実施例において、先行する実施例の部材と、特に第３の実施例と同一の部材には、同一の参照符号が設けられているので、説明に関しては先行する実施例についての説明をすべての内容において参照することができる。
【０１３８】
特に第３の実施例とは異なり、第４の実施例においては、ガス体積５２から流出し、膨張機構５４によって膨張した付加質量流Ｚは熱交換器２３２を通して案内され、その熱交換器が熱を放出する熱交換器２２から流出し高圧排出導管２８内で案内されるガス流Ｇ（これも同様にこの熱交換器２３２を通して案内されている）を、それが高圧入口接続端３４を介して膨張ユニット３２内へ流入する前に、さらに付加的に過冷却する。
【０１３９】
したがって付加質量流Ｚはさらに、全質量流Ｇを膨張ユニット３２の高圧入口接続端３４内へ流入する前にさらに過冷却するために、利用することができる。
【０１４０】
図８に示す、本発明に係る冷媒回路１０””の第５の実施例において、同様に、先行する実施例の部材と同じ部材には同一の参照符号が設けられているので、その説明に関しては、先行する実施例に、特に第４の実施例に関連したその説明を参照することができる。
【０１４１】
この第５の実施例において、膨張圧力出口接続端３６と中間圧力収集器４４の間にさらに熱交換器２４２が配置されており、その熱交換器は、空調設備２４４の冷媒回路を冷却するために用いられる。
【０１４２】
この場合において好ましくは、導管５６は冷媒圧縮器ユニット１２の吸い込み導管７４内へ連通しておらず、付加圧縮器２４６と接続されており、その付加圧縮器は、熱交換器２４２を通って付加質量流が増大した場合にそれを高圧に圧縮する。
【０１４３】
さらに導管５６は膨張機構２４８を介して吸い込み圧力導管７４と接続することもできる。
【０１４４】
特に付加圧縮器２４６の駆動が必要でない場合のために、膨張機構２４８が設けられており、その膨張機構が導管５６を冷媒圧縮器ユニット１２の吸い込み圧力導管７４と接続する。
【０１４５】
これまで説明した実施例において、膨張ユニット３２のみが使用されている。
【０１４６】
各膨張ユニット３２は、膨脹器段８６が圧縮器段８８と機能的に堅固に結合されていることに基づいて、圧縮器段に対する膨張器段の定められた体積比を有している。すなわちそれぞれの圧縮器段８８内で圧縮された体積は、それぞれの膨張器段８６内で膨張された体積に対して厳しく相関する。
【０１４７】
この厳しい相関が、過冷却質量流Ｕの制御を介して、膨張質量流Ｅを過冷却質量流Ｕに比例して制御することも可能にし、したがってまず第１に高圧側の圧力、特に高圧排出導管２８内の圧力及び特に高圧入口接続端３４における圧力にとって重要な、膨張質量流Ｅを維持するために、高圧側の熱を放出する熱交換器２２と膨張段８６の間、及び特に過冷却ユニット１０２と膨張段８６との間にも、圧力を減少させる絞り機構は不要である。
【０１４８】
むしろ膨張質量流Ｅの制御は、過冷却質量流Ｕを調節する膨張機構１２２を介して行われ、その膨張機構が過冷却質量流Ｕを定め、その過冷却質量流はもちろん、圧縮段８８と膨張段８６の間の堅固な機能的結合を介して膨張質量流Ｅも定める。
【０１４９】
もちろん高圧ＰＨ２に従って、特にそれぞれの高圧水準に従って、膨張ユニット３２の体積比が変化することが、その効率をできる限り最適に維持するためには、好ましい。
【０１５０】
しかし体積比の変化は、本発明に基づいて使用される膨張圧縮ユニット８４においては、実現は不可能である。
【０１５１】
この理由から、図９に示される膨張ユニット３２’の第２の実施例においては、並列に接続された膨張システム３０ａと３０ｂが使用される。
【０１５２】
たとえば第１の膨張システム３０ａはその体積比に関して、それが高圧水準のために最適化されるように設計されており、第２の膨張システム３０ｂは、より低い高圧水準のためにその体積比に関して最適化されている。
【０１５３】
この場合においては、もちろんそれらの制御装置１３２は互いに結合され、その場合にたとえば制御装置１３２ａは高い高圧水準を有する領域内で有効であり、制御装置１３２ｂは低い高圧水準を有する領域内で有効であって、その場合に２つの領域は、図１０に示すように互いに接続し、あるいは重なり合うこともできる。
【０１５４】
たとえば、第１の膨張システム３０ａは圧力領域ＰＢａ内で作動し、第２の膨張システム３０ｂは圧力領域ＰＢｂ内で作動し、その場合に圧力領域ＰＢａとＰＢｂは、たとえば、重なり合うように選択されているので、重なり領域ＵＢ内では２つの膨張システム３０ａと３０ｂが有効である。
【０１５５】
したがってこの実施例においては、たとえばトランスクリティカルな駆動に従って、上方の高圧水準においても、たとえばサブクリティカルな駆動に従って、低い高圧水準においても、膨張システム３０ａと３０ｂによって冷媒のできる限り効率的な膨張が実施される。
【０１５６】
その場合に第２の膨張システム３０ｂの体積比は、第１の膨張システム３０ａの体積比の０．７倍と０．９倍の間の領域内に、好ましくは第１の膨張システム３０ａの体積比の０．８倍と０．９倍の間の領域内にある。
【０１５７】
図１１に示される、本発明に係る膨張ユニット３２”の第２の実施例において、同じ膨張ユニット３２”内の、特にその装置ベース８２に、２つの膨張圧縮ユニット８４ａと８４ｂが設けられており、それらにおいて膨張器段８６ａもしくは８６ｂと圧縮器段８８ａもしくは８８ｂとの間の体積比は、異なる大きさである。
【０１５８】
もちろん、膨張ユニット３２”内には１つの過冷却ユニット１０２のみが設けられており、全質量流Ｇがそれを貫流し、かつ２つの膨張圧縮ユニット８４ａと８４ｂは分岐１１６と膨張圧力出口接続端３６との間に並列に接続されている。
【０１５９】
接続導管１２８の、圧縮入口９６ａと９６ｂへ通じる枝１２８ａと１２８ｂ内には、それぞれ制御装置１３２によって制御可能な遮断機構１３６ａもしくは１３６ｂが設けられているので、膨張圧縮ユニット８４ａと８４ｂは、圧縮器段８８ａと８８ｂへ割合に応じて供給される過冷却質量流Ｕを介して制御可能である。たとえば高圧ＰＨ２の水準に応じて制御装置１３２は、高い高圧水準のために設けられている第１の膨張圧縮ユニット８４ａを使用することができ、あるいは低い高圧水準用に設けられている第２の膨張圧縮ユニット８４ｂを使用することができるか、あるいは場合によっては２つの膨張圧縮ユニット８４を割合に応じて膨張質量流Ｅを膨張させ、かつ過冷却質量流Ｕを圧縮するために使用することができる。
【０１６０】
図１２に示される、本発明に係る膨張ユニット３２’”の第４の実施例において、先行する実施例の部材と同一の部材には同一の参照符号が設けられているので、これに関してこれらの実施例についての説明をすべての内容において参照することができる。
【０１６１】
これらの実施例とは異なり、第４の実施例においては、過冷却ユニット１０２’が収集容器２６２として形成されており、その収集容器に膨張機構１２２によって冷却された過冷却質量流Ｕが供給され、かつ液槽２６４が液状の冷媒とその上方にあるガス体積２６６とによって形成されており、そのガス体積が接続導管１２８から圧縮器段８８へ供給される。
【０１６２】
液槽２６４内に、全ガス流Ｇを案内する部材２６８が延びており、その部材が全ガス流Ｇを、それが分岐１１６と膨張圧縮ユニット８４へ流れる前に過冷却するので、液槽２６４の温度への全ガス流Ｇの過冷却が行われる。
【０１６３】
好ましくは収集容器２６２には、さらに、オイル分離とオイル還流が設けられている。
【０１６４】
図１３に示される、本発明に係る膨張ユニット３２””の第５の実施例において、同様に先行する実施例の部材と同一の部材には同一の参照符号が設けられているので、先行する実施例についての説明が参照される。
【０１６５】
第４の実施例とは異なり、高圧入口接続端３４と収集容器２６２の間に分岐１１６’が存在しているので、分岐１１６’から収集容器２６２内へ通じる、膨張機構１２２を有する供給導管１２６’を介して、過冷却質量流Ｕはすでに部材２６８から分岐され、膨張前に部材２６８によって過冷却を受けない。
【０１６６】
この実施例において、温度測定は、たとえば分岐１１６’の前のセンサ１３４によって行われる。
【０１６７】
本発明に係る膨張ユニット３２’””の第６の実施例において、先行する実施例の部材と同一の部材には同一の参照符号が設けられているので、それに関して先行する実施例に突いての説明を参照することができる。
【０１６８】
図１４に示される、本発明に係る膨張ユニット３２’””の第６の実施例において、高圧入口接続端３４’””は、冷媒圧縮器ユニット１２から来る高圧導管１８と直接接続されている。
【０１６９】
さらに、装置ベースにおける高圧入口接続端３４’””と過冷却ユニット１０２の入口１０４との間に、複数の接続端セット３０２、３１２及び３２２が設けられており、その場合に各接続端セット３０２、３１２、３２２が供給接続端３０４、３１４、３２４と還流接続端３０６、３１６、３２６を有しているので、これらの接続端セット３０２、３１２３２２の各々に、それぞれ図１４に示されない熱交換器が接続可能である。
【０１７０】
さらに、装置ベース８２に、接続端セット３０２、３１２、３２２の各々のために、さらにそれぞれ三方弁３３２、３４２、３５２とバイパス３３４、３４４、３５４が設けられており、その場合に三方弁３３２、３４２、３５２とそれぞれのバイパス３３４、３４４、３５４が、膨張ユニット３２’””の内部でそれぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２をバイパス接続することを、可能にする。
【０１７１】
したがってそれぞれの三方弁３３２、３４２、３５２によって、それぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２を介してこの接続端セット３０２、３１２、３２２と接続されている熱交換器へ流れる圧縮器体積流Ｖの割合と、それぞれのバイパス３３４、３４４、３５４を通って流れる圧縮器体積流の割合を定める可能性が生じる。
【０１７２】
極端な場合においては、それぞれの三方弁３３２、３４４、３５４によって、全圧縮機体積流Ｖをそれぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２と接続された熱交換器へ流れさせ、あるいはそれぞれのバイパス３３４、３４４、３５４を通して流れさせる、可能性が生じる。
【０１７３】
それぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２、それにそれぞれ対応づけられた三方弁３３２、３４２、３５２及びそれぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２に対応づけられたバイパス３３４、３４４、３５４が、それぞれ全体として熱交換器接続ユニット３６２、３７２もしくは３８２形成し、その場合に熱交換器接続ユニット３６２、３７２、３８２は互いに連続して直列に配置されているので、たとえば高圧入口接続端３４”から始まってまず熱交換器接続ユニット３６２が、その後熱交換器接続ユニット３７２が、そしてその次に熱交換器接続ユニット３８２が貫流される。
【０１７４】
さらに、それぞれの熱交換器接続ユニット３６２、３７２、３８２の出口側にそれぞれセンサ３６４、３７４及び３８４が配置されており、それらは制御装置１３２’””と接続されているので、制御装置１３２’””は、たとえば、熱交換器接続ユニット３６２、３７２及び３８２の出口側でそれぞれ圧縮器質量流Ｖの温度を測定して、三方弁３３２、３４２、３５２の適切な制御を介して、接続端セット３０２、３１２、３２２と接続されているそれぞれの熱交換器がどのくらい貫流されるべきか、されてはならないかを制御することができる。
【０１７５】
高圧側の熱を放出する熱交換器２２は、接続端セット３０２、３１２、３２２の各々と接続することができる。しかし好ましくは、熱を放出する高圧側の熱交換器２２は、は、接続端セット３２２と接続されており、したがって過冷却ユニット１０２の入口１０４のすぐ前に位置し、その場合にこれに対応づけられたセンサ３８４が、好ましくは過冷却ユニット１０２の入口１０４における温度を検出する。
【０１７６】
さらに、膨張圧縮ユニット８４の圧縮器出口９８は、好ましくは、この実施例において装置ベース８２に配置されている高圧還流導管７８を介して熱交換器接続ユニット３６２、３７２又は３８２のいずれかのものの入口と接続されているので、下流側に配置されている熱交換器接続ユニット、図示される場合において、熱交換器接続ユニット３７２、３８２が同様に過冷却質量流Ｕによって還流され、それが圧縮器質量流Ｖに加わって、全質量流Ｇを形成する。
【０１７７】
したがって本発明に係る膨張ユニット３２の第６の実施例は、この膨張ユニット３２’””内に設けられている制御装置１３２’””によって制御されて、圧縮器質量流Ｖ内と過冷却質量流Ｕ内の熱を複数の、たとえば種々の温度水準で作業する熱を放出する熱交換器、特に熱を放出する熱交換器２２へ最適に供給し、したがって過冷却ユニット１０２の入口１０４における温度を低下させ、それによって同時に過冷却ユニット１０２の制御によって、膨張ユニット３２’””を最適に駆動する可能性を提供する。
【０１７８】
図１５に示される、本発明に係る膨張ユニットの第７の実施例において、先行する実施例の部材と同一の部材には同一の参照符号が設けられているので、その説明に関しては、先行する実施例についての説明をすべての内容において参照することができる。
【０１７９】
第６の実施例とは異なり、膨張ユニット３２”””において熱交換器接続ユニット３６２と３７２は、これに対応づけられた熱交換器３６６と３７６が装置ベース８２”””に直接配置されるように形成されており、したがって三方弁２３２と３４２が熱交換器３６６、３７６の貫流を直接制御するので、装置ベース８２における外部の接続端として、熱交換器３６６のために供給接続端３６８と排出接続端３６９が設けられており、熱交換器３７６のためには供給接続端３７８と排出接続端３７９が設けられている。
【０１８０】
そのほかにおいて、制御装置１３２”””によって同様に、過冷却ユニット１０２の入口１０４内へ流入する全質量流Ｇの温度に応じて、高圧ＨＰ２の最適化が行われる。
【０１８１】
膨張ユニット３２’、３２”、３２’”、３２””、３２’””及び３２”””は、膨張ユニット３２の第１の実施例と同様に、冷媒回路の上述した実施例において使用することができる。
【図１】
2020508428.tif 000003
【図２】
2020508428.tif 000004
【図３】
2020508428.tif 000005
【図４】
2020508428.tif 000006
【図５】
2020508428.tif 000007
【図６】
2020508428.tif 000008
【図７】
2020508428.tif 000009
【図８】
2020508428.tif 000010
【図９】
2020508428.tif 000011
【図１０】
2020508428.tif 000012
【図１１】
2020508428.tif 000013
【図１２】
2020508428.tif 000014
【図１３】
2020508428.tif 000015
【図１４】
2020508428.tif 000016
【図１５】
2020508428.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月1日(2019.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
この種のスライダシステムは、たとえば切換スライダとして形成されているので、一方のスライダ位置において冷媒が１つの膨張チャンバ内へ流入して、他の膨張チャンバから流出し、他方のスライダ位置においては冷媒が他の膨張チャンバ内へ流入して、１つの膨張チャンバから流出する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２２】
その場合に最も簡単なケースにおいては、カップリング部材１７２は、分離ボディ１４８を貫通し、かつフリーピストン１５２、１５４と共に移動するカップリングロッドとして形成することができ、そのカップリングロッドはそれぞれフリーピストン１５２及び１５４に自由に添接し、したがってそれと堅固に結合されていない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５７】
図１１に示される、本発明に係る膨張ユニット３２”の第３の実施例において、同じ膨張ユニット３２”内の、特にその装置ベース８２に、２つの膨張圧縮ユニット８４ａと８４ｂが設けられており、それらにおいて膨張器段８６ａもしくは８６ｂと圧縮器段８８ａもしくは８８ｂとの間の体積比は、異なる大きさである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６１】
これらの実施例とは異なり、第４の実施例においては、過冷却ユニット１０２が収集容器２６２として形成されており、その収集容器に膨張機構１２２によって冷却された過冷却質量流Ｕが供給され、かつ液槽２６４が液状の冷媒とその上方にあるガス体積２６６とによって形成されており、そのガス体積が接続導管１２８から圧縮器段８８へ供給される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７２】
極端な場合においては、それぞれの三方弁３３２、３４２、３５２によって、全圧縮機体積流Ｖをそれぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２と接続された熱交換器へ流れさせ、あるいはそれぞれのバイパス３３４、３４４、３５４を通して流れさせる、可能性が生じる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７３】
それぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２、それにそれぞれ対応づけられた三方弁３３２、３４２、３５２及びそれぞれの接続端セット３０２、３１２、３２２に対応づけられたバイパス３３４、３４４、３５４が、それぞれ全体として熱交換器接続ユニット３６２、３７２もしくは３８２形成し、その場合に熱交換器接続ユニット３６２、３７２、３８２は互いに連続して直列に配置されているので、たとえば高圧入口接続端３４’””から始まってまず熱交換器接続ユニット３６２が、その後熱交換器接続ユニット３７２が、そしてその次に熱交換器接続ユニット３８２が貫流される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７９】
第６の実施例とは異なり、膨張ユニット３２”””において熱交換器接続ユニット３６２と３７２は、これに対応づけられた熱交換器３６６と３７６が装置ベース８２”””に直接配置されるように形成されており、したがって三方弁３３２と３４２が熱交換器３６６、３７６の貫流を直接制御するので、装置ベース８２における外部の接続端として、熱交換器３６６のために供給接続端３６８と排出接続端３６９が設けられており、熱交換器３７６のためには供給接続端３７８と排出接続端３７９が設けられている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2020508428.tif 000018
【国際調査報告】
2020508428.tif 000019
2020508428.tif 000020
2020508428.tif 000021
2020508428.tif 000022