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DE69929643T2 - Durchflusskontrollventil für einen verstellbaren Kältemittelkompressor - Google Patents

Durchflusskontrollventil für einen verstellbaren Kältemittelkompressor Download PDF

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DE69929643T2
DE69929643T2 DE69929643T DE69929643T DE69929643T2 DE 69929643 T2 DE69929643 T2 DE 69929643T2 DE 69929643 T DE69929643 T DE 69929643T DE 69929643 T DE69929643 T DE 69929643T DE 69929643 T2 DE69929643 T2 DE 69929643T2
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DE
Germany
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pressure
refrigerant
flow control
compressor
control valve
Prior art date
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Application number
DE69929643T
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English (en)
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DE69929643D1 (de
Inventor
Naoya Kariya-shi Yokomachi
Kazuo Kariya-shi Murakami
Tatsuya Kariya-shi Koide
Toshiro Kariya-shi Fujii
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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Publication date
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Publication of DE69929643T2 publication Critical patent/DE69929643T2/de
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Durchflusssteuerventil, welches dafür ausgebildet ist, in einen Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen eingebunden zu werden. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, worin ein Durchflusssteuerventil aufgenommen ist, welches es gestattet, den Verdichter in ein Kältesystem für ein Fahrzeug-Klimatisierungssystem einzubinden.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug umfasst einen Verdichter zum Verdichten eines Kältemittelgases. Ein typischer Kältemittelverdichter zur Verwendung in einem Fahrzeug-Klimatisierungssystem ist ein konventioneller Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der versehen ist mit einer Antriebswelle, die durch eine externe Antriebsquelle zu einer veränderlichen Rotation um ihre Rotationsachse angetrieben wird, Kolben, welche gleitbeweglich in in einem Zylinderblock gebildeten Zylinderbohrungen angeordnet sind, so dass sie hin- und herbeweglich sind, um ein Kältemittelgas aus einer Saugkammer anzusaugen, das angesaugte Kältemittelgas in den Zylinderbohrungen zu verdichten und das verdichtete Kältemittelgas aus den Zylin derbohrungen in eine Ausstoßkammer auszustoßen, einer Kurvenscheibe mit veränderlicher Neigung, welche so montiert ist, dass sie mit der Antriebswelle innerhalb einer Kurbelkammer rotiert und mit den Kolben in Wirkverbindung bringbar ist, um die Hin- und Herbewegung der Kolben als Antwort auf ihre Rotation zu bewirken, wobei der Hub der Hin- und Herbewegung der Kolben als Antwort auf eine Zunahme eines in der Kurbelkammer vorherrschenden Drucks vermindert wird, einem Steuerkanal, der sich zwischen der Ausstoßkammer und der Kurbelkammer erstreckt, um den Druck in der Kurbelkammer zu steuern, und einem Durchflusssteuerventil, welches in dem Steuerkanal angeordnet ist, um die Größe einer Öffnung in einem Bereich des Steuerkanals zu steuern.
  • Wenn bei dem voranstehend beschriebenen Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen ein Fluorkohlenwasserstoff-Gas als Kältemittelgas verwendet wird und wenn der Kältemittelverdichter in ein Kältesystem eingebunden ist, welches unter einer solchen Bedingung betrieben wird, dass ein Ausstoßdruck und ein Saugdruck des Kältemittelgases stets unterhalb eines kritischen Drucks des Kältemittelgases gehalten werden (diese Art von Kältesystem wird im Folgenden als Kältesystem vom Typ mit subkritischem Zyklus bezeichnet), so ist es möglich, das Verdrängungsvolumen des Kältemittelverdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen durch die Verwendung des Durchflusssteuerventils, wie in 14 schematisch gezeigt, anpassbar zu verändern.
  • Es wird nun auf 14 Bezug genommen, gemäß welcher das konventionelle Durchflusssteuerventil dafür konstruiert ist, in dem Steuerkanal angeordnet zu werden, der sich zwischen der Ausstoßkammer und der Kurbelkammer erstreckt. Das Durchflusssteuerventil ist versehen mit einem druckfühlenden Glied 80, welches sich als Antwort auf die Detektion einer Veränderung eines Saugdrucks Ps bewegt, und mit einem Ventilelement 81, welches mit dem druckfühlenden Glied 80 verbunden ist und bewegbar ist, um eine Öffnung 83a des Steuerkanals 83 als Antwort auf die Bewegung des druckfühlenden Glieds 80 anpassbar zu öffnen und zu schließen. Das Durchflusssteuerventil empfängt den Saugdruck Ps an dem druckfühlenden Glied 80 und bewegt das Ventilelement 81 als Antwort auf eine Erhöhung des Saugdrucks Ps in einer Richtung, in der die Öffnung 83a des Steuerkanals geschlossen wird. Ferner empfängt das druckfühlende Glied 80 des Durchflusssteuerventils konstant eine Druckkraft F einer Feder 82 (diese Druckkraft F der Feder ist durch den Aufbau bestimmt), um das Ventilelement 81 über das druckfühlende Glied 80 in einer Richtung zu treiben, in der die Öffnung 83a des Steuerkanals 83 geöffnet wird. Das Ventilelement 81 ist so angeordnet, dass es konstant einen Ausstoßdruck Pd empfängt, durch den das Ventilelement 81 in einer Richtung getrieben wird, um den Bereich 83 des Steuerkanals zu öffnen.
  • Somit wirkt das oben erwähnte Durchflusssteuerventil so, dass das Ventilelement 81 die Öffnung 83a des Steuerkanals 83 öffnet, wenn der Saugdruck Ps auf einen Druck unterhalb eines vorbestimmten Einstelldruckwertes (der als Einstellsaugdruck bezeichnet wird) vermindert wird, damit das Kältemittelgas unter einem Ausstoßdruck Pd von der Ausstoßkammer durch die geöffnete Öffnung 83a des Steuerkanals 83 in die Kurbelkammer fließt. Dies hat zur Folge, dass, wenn ein Druck Pc in der Kurbelkammer erhöht wird, die Kurvenscheibe zu einer Position hin bewegt wird, in der ihr Neigungswinkel reduziert wird, so dass der Hub der Hin- und Herbewegung der Kolben vermindert wird. Als eine Folge davon wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters vermindert.
  • Gemäß der oben beschriebenen Anordnung des Durchflusssteuerventils empfängt das Ventilelement 81 des Durchflusssteuerventils konstant den Ausstoßdruck Pd, der das Ventilelement 81 in einer Richtung treibt, um die Öffnung 83a des Steuerkanals 83 zu schließen. Wenn also die Feder 82 so eingestellt ist, dass sie eine vorbestimmte konstante Kraft F ausübt, zeigt das Durchflusssteuerventil eine derartige Steuercharakteristik, dass der Einstellwert des Saugdrucks Ps, der auf das druckfühlende Glied 80 wirkt, mit zunehmendem Ausstoßdruck Pd, der auf das Ventilelement 81 wirkt, vermindert werden kann. Namentlich zeigt die Beziehung zwischen dem Ausstoßdruck Pd und dem Saugdruck Ps, die in dem Durchflusssteuerventil wirken, eine charakteristische Kurve, die repräsentiert ist durch eine in einem rechtwinkligen Koordinatensystem von links nach rechts absteigende gerade Linie, wie in 15 gezeigt. Wenn also der auf das Ventilelement 81 wirkende Ausstoß druck Pd zunimmt, nimmt der Einstellwert des Saugdrucks Ps, der auf das druckfühlende Glied 80 wirkt, ab.
  • Wenn ein tatsächliches Druckniveau des Saugdrucks Ps, der in dem Saugdruckgebiet des Kältemittelverdichters vorherrscht, auf einen Wert im Bereich unterhalb der Linie von 15 sinkt, wird das Ventilelement 81 des Durchflusssteuerventils in eine Position bewegt, in der die Öffnung 83a geöffnet wird, so dass das Kältemittelgas unter dem Ausstoßdruck Pd in die Kurbelkammer eintreten kann, und demgemäß – wenn der Druck Pc in der Kurbelkammer erhöht wird – wird die Kurvenscheibe bewegt, um das Verdrängungsvolumen des Verdichters zu vermindern.
  • Wenn nun aber ein Kältemittelverdichter, in den das oben beschriebene Durchflusssteuerventil eingebunden ist, mit hoher Drehzahl betrieben wird, und wenn eine Menge des Kältemittels, das durch ein Kältesystem zirkuliert, erhöht wird, bis eine übermäßige Erhöhung der Kälteleistung des Kältesystems eintritt, dann ist es sehr schwierig, die Kälteleistung des Kältesystems durch anpassbares Steuern des Verdrängungsvolumens des Kältemittelverdichters rasch zu vermindern. Diese Schwierigkeit bei der Steuerung des Verdrängungsvolumens des Verdichters ist speziell in einem Kältesystem der Art anzutreffen, bei dem ein geschlossener Kältemittelzirkulationspfad des Kältesystems einen Hochdruckpfad aufweist, in dem das Kältemittel unter einem hohen Ausstoßdruck, insbesondere unter einem superkritischen Druck steht. Diese Art von Kältesystem wird im Folgenden als Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus bezeichnet, und in diesem System kann bei Erhöhung der Drehzahl des in das System aufgenommenen Verdichters der Druck (der Ausstoßdruck) in dem Hochdruckpfad rasch erhöht werden. Dagegen kann ein Verdampfungsdruck (ein Saugdruck) des Kältemittels in einem Niederdruckpfad des Kältemittelzirkulationspfades nicht rasch vermindert werden. Wenn also das in den Kältemittelverdichter eingebundene Durchflusssteuerventil die im Vorstehenden erwähnte Betriebscharakteristik mit einer geradlinigen Beziehung zwischen Pd und Ps aufweist und wenn die Drehzahl des Verdichters erhöht wird, um den Ausstoßdruck Pd zu erhöhen, so wird der Einstelldruckwert des Saugdrucks Ps, der auf das druckfühlende Glied 80 des Durchflusssteuerventils wirkt, demgemäß vermindert, so dass es schwierig ist, das Ven tilelement 81 rasch in einer Richtung zu bewegen, in der die Öffnung 83a des Steuerkanals 83 geöffnet wird. Namentlich wird die Steuerung des Verdrängungsvolumens des Kältemittelverdichters verzögert.
  • Die EP-0604417B1, basierend auf der PCT/Nr. 91/00119 (korrespondierende veröffentlichte japanische Übersetzung Nr. 6-510111), offenbart ein typisches Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus, umfassend einen Kältemittelverdichter, einen Wärmestrahlungs-Wärmetauscher (Gaskühler), Drosselmittel, einen Wärmeabsorptions-Wärmetauscher (einen Verdampfer) und einen Flüssigkeits-Gas-Abscheider (einen Sammler), die in Serie miteinander verbunden sind, um einen geschlossenen Kältemittelpfad zu bilden. In dem offenbarten Kältemittelsystem wird eine Temperatur am Austritt des in dem Hochdruckpfad angeordneten Gaskühlers mittels eines Temperatursensors detektiert, und der Betrieb der Drosselmittel, die stromabwärts von dem Gaskühler in dem Hochdruckpfad angeordnet sind, wird auf der Basis der detektierten Temperatur des Gaskühleraustritts gesteuert, um dadurch das in dem Hochdruckpfad vorherrschende Druckniveau so anzupassen, dass ein Energieverbrauch in dem Kältesystem unterdrückt wird.
  • Um den Energieverbrauch in dem Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus auf das Minimum zu unterdrücken, sollte der Verdichter unter einer Bedingung betrieben werden, derart, dass ein Leistungskoeffizient (COP = Q/W), definiert als Verhältnis einer Kälteleistung (Q) des Verdampfers zu einer von außen auf den Kältemittelverdichter aufgewendeten Verdichtungsarbeit (W), der maximal mögliche Wert wird.
  • Es versteht sich, dass je größer eine Änderung der Kälteleistung (Q) des Verdampfers, d.h. je größer eine Änderung einer Enthalpie (einer Differenz zwischen einer Enthalpie am Auslass und einer Enthalpie am Einlass des Verdampfers), die auftritt, während das Kältemittel das Innere des Verdampfers durchströmt, und je kleiner die zum Verdichten des Kältemittels in dem Kältemittelverdichter benötigte Verdichtungsarbeit (W), desto größer der obenerwähnte Leistungskoeffizient (COP-Wert) des Kältesystems. Wenn also bei dem Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus die am Auslass des Wärmestrahlungs-Wärmetauschers (des Gaskühlers) in dem Hochdruckpfad de tektierte Temperatur des Kältemittels im Wesentlichen konstant gehalten wird, so kann der Leistungskoeffizient (COP-Wert) des Kältesystems erhöht werden durch Erhöhen eines Drucks in dem Hochdruckpfad, um dadurch die Kälteleistung (Q) zu erhöhen. Diese Fähigkeit, den Leistungskoeffizienten (COP-Wert) des Kältesystems vom Typ mit superkritischem Zyklus zu erhöhen, ist eine bemerkenswerte Charakteristik, die das Kältesystem vom Typ mit subkritischem Zyklus nicht zeigen könnte, und demgemäß ist der Betrieb der Drosselmittel in dem Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus verschieden von dem der Drosselmittel, welche in dem Kältesystem vom Typ mit subkritischem Zyklus enthalten sind. Im Einzelnen und wie unter Bezugnahme auf 16 zu sehen, die ein Diagramm zeigt, welches die Beziehung zwischen einem Druck und einer Enthalpie (Druck-Enthalpie-(P-H-)Diagramm oder Mollier-Diagramm) darstellt, wird in einem Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus, welches Kohlendioxid-(CO2-)Gas als Kältemittel verwendet, die Kälteleistung (Q) des Verdampfers erhöht als Antwort auf eine Vergrößerung einer Differenz (ΔH1 = HA – HD) zwischen einer Enthalpie (HD) an dem Einlass (Punkt D) und einer Enthalpie (HA) an dem Auslass (Punkt A) des Verdampfers und als Antwort auf eine Erhöhung der Menge des Massenflusses des Kältemittels, welches den Verdampfer durchströmt. Wenn hierbei eine Überhitzung an dem Auslass (A) des Verdampfers auf ein ungewöhnlich hohes Maß ansteigt, nimmt das spezifische Volumen des in den Kältemittelverdichter gesaugten Kältemittels zu und der volumetrische Wirkungsgrad des Verdichters wird als Antwort auf einen Anstieg der Temperatur des ausgestoßenen Kältemittels vermindert und in dessen Folge wird eine Zirkulationsmenge des Kältemittels (d.h. die Menge an Kältemittel, die dem Verdampfer in einer Zeiteinheit (kg/h) zugeführt wird) vermindert, um in einer Verminderung der Kälteleistung (Q) des Verdampfers zu resultieren. Um eine derartige Verminderung der Kälteleistung, die durch die Verminderung der Zirkulationsmenge des Kältemittels verursacht wird, zu verhindern, indem der Grad der Überhitzung an dem Auslass des Verdampfers im Wesentlichen konstant gehalten wird, ist es erforderlich, die Enthalpie (HA) an dem Auslass (Punkt A) des Verdampfers im Wesentlichen konstant zu halten.
  • Andererseits ist die Enthalpie (HD) an dem Einlass (Punkt D) des Verdampfers gleich der Enthalpie (HC) an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers aufgrund der Tatsache, dass ein Expansionsprozess in den Drosselmitteln als eine isenthalpische Änderung durchgeführt wird. Demnach kann die Differenz (ΔH1 = HA – HD) zwischen der Enthalpie (HD) an dem Einlass (Punkt D) und der Enthalpie (HA) an dem Auslass (Punkt A) des Verdampfers und damit wiederum die Kälteleistung (Q) des Verdampfers erhöht werden durch Verminderung der Enthalpie (HC) an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers. Das Innere des Gaskühlers in dem Hochdruckpfad, in dem das Kältemittel unter einem superkritischen Druck strömt, wird als eine einzige, dampfförmige Phase gehalten, die nur von einem Hochdruckdampf eingenommen ist, wobei ein Druck in dem Hochdruckpfad unabhängig von der Temperatur des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers angepasst werden kann. Wenn die Temperatur des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers im Wesentlichen konstant gehalten wird, z.B. bei 40°C, so wird aus der Isotherme für 40°C des P-H-Diagramms von 16 erkennbar, dass je höher der Druck in dem Hochdruckpfad, umso kleiner die Enthalpie (HC) an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers. Wenn also die Temperatur des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers im Wesentlichen konstant gehalten wird, kann die obenerwähnte Kälteleistung (Q (= ΔH1)) und damit der Leistungskoeffizient (COP-Wert) erhöht werden durch Erhöhung des Drucks in dem Hochdruckpfad, um dadurch die Enthalpie (HC) an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers zu vermindern. Es sei angemerkt, dass die Temperatur des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers im Wesentlichen gleich der Temperatur der Luft ist, die im Wärmeaustausch mit dem Kältemittel in dem Gaskühler steht.
  • Andererseits, wenn die Temperatur des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers im Wesentlichen konstant gehalten wird, z.B. bei 40°C, und wenn der Druck in dem Hochdruckpfad erhöht wird, dann erhöht sich die von dem Kältemittelverdichter zu leistende Verdichtungsarbeit (W = ΔH2 = HB – HA).
  • Weil die durch den Verdichter durchgeführte Verdichtung des Kältemittels als eine adiabatische Verdichtung angesehen wird, läuft in diesem Fall der Verdichtungsprozess als eine isenthalpische Änderung ab und die Verdichtungsarbeit (W) wird als gleich einer Differenz zwischen der Enthalpie (HA) am saugseitigen Eintritt (Punkt A) des Verdichters und der Enthalpie (HB) am abgabeseitigen Auslass (Punkt B) des Verdichters angesehen. Wenn also der Druck in dem Hochdruckpfad übermäßig erhöht wird, kommt es zu einer Erhöhung der durch den Verdichter geleisteten Verdichtungsarbeit (W), was eine Verminderung des Leistungskoeffizienten (COP-Wertes) des Kältesystems verursacht.
  • Wenn also die an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers detektierte Temperatur des Kältemittels eine gegebene Temperatur ist, existiert korrespondierend dazu ein Druck in dem Hochdruckpfad, der durch die Beziehung zwischen der Kälteleistung (Q) und der Verdichtungsarbeit (W) als optimal zum Erhalt des maximalen Wertes des Obenerwähnten bestimmt werden kann. Bezüglich verschiedener Temperaturen des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers gibt es also korrespondierende Drücke in dem Hochdruckpfad, dem gemäß man – trägt man die jeweiligen Drücke in dem P-H-Diagramm auf – eine optimale Steuerkurve erhalten kann, wie in 16 gezeigt.
  • Bei dem in der EP-0 604 417 B1 offenbarten Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus werden die Temperatur und der Druck des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers durch entsprechende Sensoren detektiert, und auf der Basis der obenerwähnten optimalen Steuerkurve wird die Bestimmung eines optimalen Drucks in dem Hochdruckpfad bezogen auf die detektierte Temperatur des Kältemittels durchgeführt. Sodann werden die Drosselmittel so gesteuert, dass sie einen tatsächlichen Druck in dem Hochdruckpfad anpassbar verändern, so dass er den bestimmten optimalen Druck ergibt, und demgemäß wird der Leistungskoeffizient (COP-Wert) des Kältesystems auf das Maximum erhöht, während der Energieverbrauch in dem Kältesystem auf das Minimum reduziert wird.
  • Im Falle eines Fahrzeugkältesystems wird ein in das System eingebundener Kältemittelverdichter durch einen Fahrzeugmotor angetrieben. Wenn also die Drehzahl des Fahrzeugmotors erhöht wird, erhöht sich auch die von dem Fahrzeugmotor auf den Verdichter angewandte Antriebskraft. Dadurch wird eine Zirkulationsmenge des Kältemittels (kg/h), welches den Verdampfer durchströmt, erhöht und die Kälteleistung (Q) wird häufig übermäßig hoch. Um eine derartige übermäßige Kälteleistung des Kältesystems infolge Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors zu vermeiden, muss der Pfad der Drosselmittel reduziert werden, so dass die oben erwähnte Zirkulationsmenge des Kältemittels vermindert wird. Wenn aber einfach der Pfad der Drosselmittel reduziert wird, dann wird der Druck in dem Verdampfer vermindert, was eine Verminderung der Temperatur des Kältemittels auf eine Sättigungstemperatur verursacht, die zu dem verminderten Druck korrespondiert, und die geforderte Verhinderung der übermäßigen Kühlung kann nicht erzielt werden. Wenn also die Drehzahl des Fahrzeugmotors erhöht wird, wird der Öffnungsgrad der Drosselmittel vermindert, während gleichzeitig das Verdrängungsvolumen des Verdichters demgemäß vermindert wird. Namentlich wird ein Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen verwendet, der dazu in der Lage ist, sein Verdrängungsvolumen auf Basis der Detektion eines Saugdrucks (eines Drucks des Kältemittels am Auslass des Verdampfers) und einer Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdampfers zu verändern, um so das Verdrängungsvolumen des Verdichters als Antwort auf eine Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors zu vermindern. Somit wird die Zirkulationsmenge des Kältemittels vermindert als Antwort auf die Verminderung des Verdrängungsvolumens des Verdichters und ferner die Temperatur des Kältemittels in dem Verdampfer infolge einer Erhöhung des Saugdrucks, d.h. es kann eine Erhöhung des Drucks des Kältemittels in dem Verdampfer, verursacht durch die Verminderung des Verdrängungsvolumens des Verdichters, erhalten werden. Als eine Folge davon kann übermäßige Kühlung infolge einer Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors effektiv verhindert werden.
  • Desungeachtet tritt bei dem oben beschriebenen Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus in dem Falle, dass das unter Bezugnahme auf die 14 und 15 beschriebene Durchflusssteuerventil in einen Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen eingebunden ist, um dessen Verdrängungsvolumen anpassbar zu verändern, das Problem auf, dass die Steuerung des Verdrängungsvolumens des Verdichters als Antwort auf eine Veränderung in einer Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors während des superkritischen Kältezyklus nicht rasch erzielt werden kann. Namentlich werden in dem superkritischen Kältesystem die Temperatur und der Druck des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers in dem Hochdruckpfad detektiert und die Drosselmittel werden so reguliert, dass der Druck des Kältemittels an dem Auslass (Punkt C) des Gaskühlers variiert wird, so dass ein optimaler Druck korrespondierend zu der detektierten Temperatur erhalten wird und als eine Folge davon der maximale Leistungskoeffizient (COP-Wert) und dadurch wiederum der minimale Energieverbrauch des superkritischen Kältesystems erzielt wird. In dem superkritischen Kältesystem für ein Fahrzeug, welches einen Reguliervorgang der Drosselmittel verlangt, wird dann, wenn eine Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors und damit der Drehzahl der Antriebswelle des Kältemittelverdichters (des Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen) stattfindet, der Massenstrom des Kältemittels, der dem Gaskühler zugeführt wird, erhöht. Damit wird ein Druck des Kältemittels in dem Gaskühler (d.h. ein Druck in dem Hochdruckpfad und ein Ausstoßdruck des Verdichters) erhöht. Ferner muss – weil die Drosselmittel so reguliert werden, dass der Druck an dem Auslass des Gaskühlers im Wesentlichen konstant gehalten wird, wie im Vorstehenden beschrieben – der Pfad der Drosselmittel vergrößert werden, um eine Erhöhung des Drucks an dem Auslass des Gaskühlers zu verhindern. Daher ist der Betrieb der Drosselmittel zur Reduzierung ihres Pfades häufig langsam, was zur Folge hat, dass die Steuerung der Kälteleistung nicht rasch erzielt werden kann.
  • Es wird erkennbar sein, dass in Einklang mit einer Betriebscharakteristik des Kältesystems vom Typ mit superkritischem Zyklus bei Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle eines in das System eingebundenen Verdichters ein Druck in dem Hochdruckpfad des Kältesystems, d.h. ein Ausstoßdruck des von dem Verdichter gelieferten Kältemittels, rasch erhöht werden kann, dass aber ein Druck in dem Niederdruckpfad, d.h. ein in den Verdichter einzusaugender Saugdruck, nicht rasch vermindert werden kann. Wenn also das Durchflusssteuerventil, wie in Verbindung mit den 14 und 15 beschrieben, in den Verdichter eingebunden ist, dann wird der Einstellwert des Saugdrucks (Ps), der auf das druckfühlende Glied des Ventils wirkt, durch eine Erhöhung des in dem Hochdruckpfad vorherrschenden Drucks vermindert und demgemäß kann das Auftreten einer übermäßigen Kühlung des Systems nicht erfolgreich verhindert werden.
  • Aus der US-A-4 732 544 ist ein Durchflusssteuerventil bekannt, welches die Merkmale des Oberbegriffs des neuen Anspruchs 1 umfasst. Das bekannte Steuerventil umfasst einen längenvariablen Balg. Ein Ventilkörper ist an einem Ende des Balgs angebracht, und ein erstes bewegliches Glied ist an dem anderen Ende des Balgs angebracht. Ein zweites bewegliches Glied wird mit dem ersten beweglichen Glied in oder außer treibenden Kontakt gebracht als Antwort auf eine Änderung in dem Ausstoßdruck. Eine Feder ist zwischen das zweite bewegliche Glied und einen Federsitz geschaltet. Wenn der Ausstoßdruck höher ist als ein vorbestimmter Wert, wird das zweite bewegliche Glied durch den Ausstoßdruck entgegen der Kraft einer Feder von dem ersten beweglichen Glied weg vorgespannt. Wenn der Ausstoßdruck niedriger ist als der vorbestimmte Wert, wird das zweite bewegliche Glied durch die Kraft der Feder entgegen dem Ausstoßdruck gegen das erste bewegliche Glied getrieben, um den Ventilkörper über das erste bewegliche Glied, eine erste Feder und den Balg in Schließrichtung zu treiben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die im Vorstehenden beschriebenen Probleme zu vermeiden, die in dem konventionellen superkritischen Kältesystem, in das ein Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen eingebunden ist, der das beschriebene konventionelle Durchflusssteuerventil aufweist, anzutreffen sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Durchflusssteuerventils, welches in einen Kältemittelverdichter für ein Kältesystem, z.B. ein Fahrzeugkältesystem, eingebunden ist und dazu in der Lage ist, eine Betriebscharakteristik zu zeigen, wobei bei Erhöhung der Drehzahl einer Antriebswelle des Verdichters die Kälteleistung des Kältesystems rasch angepasst werden kann und demgemäß das Auftreten von übermäßiger Kühlung in dem Kältesystem infolge einer Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters sicher verhindert werden kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Kältemittelverdichters, der dazu geeignet ist, in ein Kältesystem eingebunden zu werden, insbesondere in ein Fahrzeugkältesystem, das mit dem Durchflusssteuerventil versehen ist, welches dazu in der Lage ist, die in Verbindung mit der obigen zweiten Aufgabe beschriebene Betriebscharakteristik zu zeigen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Durchflusssteuerventil bereitgestellt zur Verwendung mit einem Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, welcher aufweist: eine Antriebswelle, die von einer Antriebsquelle zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird, einen Zylinderblock, der mit einer Zylinderbohrung versehen ist, die einem Kolben erlaubt, eine Hin- und Herbewegung darin auszuführen, um dadurch ein aus einer Saugkammer angesaugtes Kältemittel zu verdichten und das Kältemittel nach der Verdichtung in eine Ausstoßkammer auszustoßen, eine Kurvenscheibe mit veränderlicher Neigung, welche in einer Kurbelkammer angeordnet ist, um den Kolben auf der Basis der Rotation der Antriebswelle hin- und herzubewegen und um einen Hinundherbewegungshub des Kolbens als Antwort auf eine anpassbare Änderung eines in der Kurbelkammer vorherrschenden Kurbelkammerdrucks zu verändern, und einen Steuerkanal, der die Kurbelkammer in Fluidverbindung mit der Ausstoßkammer bringt, wobei das Durchflusssteuerventil umfasst:
    ein druckfühlendes Glied, welches so angeordnet ist, dass es eine Bewegung ausführt als Antwort auf das Erfühlen eines Saugdrucks und/oder eines Kurbelkammerdrucks;
    ein Ventilelement, welches mit dem druckfühlenden Glied in Wirkverbindung steht, um eine in einem vorbestimmten Bereich des Steuerkanals gebildete Öffnung anpassbar zu verändern als Antwort auf die durch das Erfühlen des Saug- und/oder Kurbelkammerdrucks verursachte Bewegung des druckfühlenden Gliedes; und
    Mittel zum Bilden einer Anordnung, worin das druckfühlende Glied und das Ventilelement eine Durchflusssteuerungscharakteristik aufweisen, derart, dass der Saugdruck in Übereinstimmung mit einer Zunahme eines in der Ausstoßkammer vorherrschenden Ausstoßdrucks zunimmt,
    wobei das Ventilelement des Durchflusssteuerventils in dem Steuerkanal angeordnet ist, der die Kurbelkammer und die Ausstoßkammer des Kältemittelverdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen in Fluidverbindung bringt, derart, dass der Ausstoßdruck auf das Ventilelement wirkt, um dessen Bewegung in einer Richtung zu treiben, in der die Öffnung des vorbestimmten Bereichs des Steuerkanals vergrößert wird.
  • Um die Durchflusssteuercharakteristik des beschriebenen Durchflusssteuerventils zu zeigen, wenn eine Beziehung zwischen einem hohen Druck, d.h. dem Ausstoßdruck, und einem niederen Druck, d.h. dem Saugdruck, in einem rechtwinkligen Koordinatensystem dargestellt wird, dessen Abszisse den hohen Druck und dessen Ordinate den niederen Druck darstellt, kann sie repräsentiert werden durch eine gerade Linie, die in einem ersten Quadranten des Koordinatensystems von links nach rechts ansteigt. Im Einzelnen ist das Durchflusssteuerventil mit einer solchen Steuercharakteristik bereitgestellt, dass, wenn der Saugdruck als Einstelldruck des druckfühlenden Gliedes zum veränderlichen Steuern des Verdrängungsvolumen des Kältemittelverdichters verwendet wird, oder anders ausgedrückt, wenn die Steuerung so erfolgt, dass das Verdrängungsvolumen des Kältemittelverdichters als Antwort auf eine Verminderung des Saugdrucks des Verdichters auf einen Wert unterhalb des Einstelldrucks des fühlenden Gliedes vermindert wird, dann wird der Einstelldruck des Drucks als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks graduell erhöht.
  • Wenn also die Drehzahl eines Fahrzeugmotors und damit die Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters erhöht wird, wird der Ausstoßdruck des Kältemittels in dem Verdichter rasch erhöht, und selbst wenn die Verminderung des Verdampfungsdrucks in dem Niederdruckpfad eines Kältesystems verzögert ist, erlaubt es die oben erwähnte Steuercharakteristik des Durchflusssteuerventils, die den Einstelldruck des druckfühlenden Gliedes als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks erhöht, den Saugdruck rasch unter den Einstelldruck zu senken. Somit ist ein Vermindern der Kälteleistung des Kältesystems durch rasches Vermindern des Verdrängungsvolumens des Verdichters möglich. Demgemäß kann eine übermäßige Kühlung infolge Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors, d.h. Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters, sicher verhindert werden.
  • Bei dem beschriebenen Durchflusssteuerventil wirkt der auf das Ventilelement wirkende Ausstoßdruck konstant, um die Öffnung des vorbestimmten Bereichs des Steuerkanals zu vergrößern. Wenn also eine Erhöhung des Ausstoßdrucks stattfindet, erlaubt der erhöhte Ausstoßdruck, das Ventilelement leicht in die Richtung zu bewegen, in der die Öffnung des Steuerkanals vergrößert wird. Sodann wird das Kältemittel unter dem Ausstoßdruck aus der Ausstoßkammer in die Kurbelkammer des Verdichters zugeführt, wodurch der Kurbelkammerdruck Pc erhöht wird. Dadurch wird ein auf die Kurvenscheibe wirkender Rückdruck erhöht, um einen Neigungswinkel der Kurvenscheibe zu verkleinern. Demgemäß vermindert sich der Hin- und Herbewegungshub des Kolbens, so dass die aus der Zylinderbohrung ausgestoßene Menge an komprimiertem Kältemittel vermindert wird. Namentlich wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters vermindert. Die Verminderung des Verdrängungsvolumens des Verdichters verursacht eine Erhöhung des Saugdrucks des Verdichters.
  • Bevorzugt ist das druckfühlende Glied des Durchflusssteuerventils so angeordnet, dass es sich als Antwort auf das Erfühlen einer Änderung des Saug- oder Kurbelkammerdrucks, bezogen auf einen Einstelldruck, bewegt, wobei der Einstelldruck durch Solenoid-Mittel nach Bedarf geändert werden kann.
  • Wenn der Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen in einem Fahrzeugkältesystem aufgenommen ist, in dem der Verdichter, ein Strahlungswärmetauscher, Drosselmittel und ein Absorptionswärmetauscher in Serie geschaltet sind, ist es infolgedessen, dass der auf das fühlende Element des Durchflusssteuerventils wirkende Einstelldruck durch die Solenoid-Mittel verändert werden kann, möglich, eine Temperatur der Luft, die von dem Absorptionswärmetauscher ausgeblasen wird, durch Verändern des Einstelldrucks des Durchflusssteuerventils zu verändern. Wenn z.B. das druckfühlende Glied so angeordnet ist, dass es einen Saugdruck empfängt und erfühlt und dass es sich als Antwort auf das Erfühlen des Saugdrucks bezogen auf einen Einstelldruck bewegt, um das Verdrängungsvolumen des Verdichters anpassbar zu verändern, und wenn der Einstelldruck des druckfühlenden Glieds durch die Solenoid-Mittel erhöht wird, so ist ein Saugdruck, der von dem druckfühlenden Glied als höher als der erhöhte Einstelldruck empfangen und erfühlt wird, höher als ein Saugdruck, der als größer als der Einstelldruck vor der Erhöhung durch die Solenoid-Mittel erfühlt wird. Unter der Bedingung des erhöhten Einstelldrucks wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters vermindert, wenn der von dem druckfühlenden Glied erfühlte höhere Saugdruck unter den erhöhten Einstelldruck sinkt. Damit wird die Temperatur der von dem Absorptionswärmetauscher ausgeblasenen Luft erhöht.
  • Wenn andererseits der Einstelldruck des druckfühlenden Glieds durch die Solenoid-Mittel vermindert wird, so ist ein Saugdruck, der von dem druckfühlenden Glied als niedriger als der verminderte Einstelldruck empfangen und erfühlt wird, niedriger als ein Saugdruck, der als niedriger als der Einstelldruck vor der Verminderung durch die Solenoid-Mittel erfühlt wird. Daher kann das Verdrängungsvolumen des Verdichters nicht vermindert werden, bis der Saugdruck unter den verminderten Einstelldruck sinkt. Als eine Folge davon wird die Temperatur der aus dem Absorptionswärmetauscher ausgeblasenen Luft vermindert. Wenn also der Einstelldruck des druckfühlenden Gliedes durch die Solenoid-Mittel anpassbar verändert wird, kann eine Feineinstellung der Klimatisierung durch das Fahrzeugkältesystem erzielt werden.
  • Weiter bevorzugt ist der Verdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, in den das Durchflusssteuerventil zur Steuerung seines Verdrängungsvolumens eingebunden ist, ein Verdichter der Art, bei dem die Abgabe des Kältemittels unter einem superkritischen Druck des Kältemittels durchgeführt wird.
  • Wenn der Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen das Kältemittel unter dem superkritischen Druck in ein Kältesystem abgibt, ist das Kältesystem als Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus ausgeführt. In diesem Fall verursacht eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters eine zeitliche Verzögerung bei der Verminderung des Saugdrucks des Kältemittels, so dass eine übermäßige Kühlung in dem Kältesystem vom Typ mit superkritischem Zyklus auftreten kann. Wenn aber das Durchflusssteuerventil mit einer Steuercharakteristik bereitgestellt wird, wobei der Saugdruck als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks steigt, so kann das Verdrängungsvolumen des Verdichters rasch vermindert werden, um die Kälteleistung des Kältesystems vom Typ mit superkritischem Zyklus rasch zu vermindern. Als eine Folge davon kann das Auftreten übermäßiger Kühlung infolge einer Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters erfolgreich vermieden werden.
  • Bei dem beschriebenen Durchflusssteuerventil, welches mit dem Kältemittelverdichter verwendet wird, ist das von dem Verdichter verdichtete Kältemittel ein Kohlendioxidgas.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen bereitgestellt, umfassend:
    eine Antriebswelle, die von einer Antriebsquelle zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird;
    einen Zylinderblock, der mit einer Zylinderbohrung versehen ist, die einem Kolben erlaubt, eine Hin- und Herbewegung darin auszuführen, um dadurch ein aus einer Saugkammer angesaugtes Kältemittel zu verdichten und das Kältemittel nach der Verdichtung in eine Ausstoßkammer auszustoßen;
    eine Kurvenscheibe mit veränderlicher Neigung, welche in einer Kurbelkammer angeordnet ist, um den Kolben auf der Basis der Rotation der Antriebswelle hin- und herzubewegen und um einen Hinundherbewegungshub des Kolbens als Antwort auf eine anpassbare Änderung eines in der Kurbelkammer vorherrschenden Kurbelkammerdrucks zu verändern;
    einen Steuerkanal, der die Kurbelkammer in Fluidverbindung mit der Ausstoßkammer bringt; und
    ein Durchflusssteuerventil wie oben erwähnt, welches in dem Steuerkanal angeordnet ist, um einen Fluss des Kältemittels, das einen vorbestimmten Bereich des Steuerkanals passiert, zu regulieren.
  • Der mit dem oben beschriebenen Durchflusssteuerventil versehene Kältemittelverdichter kann so betrieben werden, dass bei einer Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle das Verdrängungsvolumen des Verdichters rasch vermindert werden kann, um die Kälteleistung eines Kältesystems, in das der Kältemittelverdichter eingebunden ist, rasch zu vermindern. Somit kann die übermäßige Kühlung, die als Antwort auf eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle auftreten könnte, sicher verhindert werden.
  • Der oben beschriebene Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen verdichtet das Kältemittel in der Gasphase und stößt das verdichtete Kältemittel in dessen superkritischen Druckzustand aus. Bevorzugt ist das mit dem oben beschriebenen Kältemittelverdichter verwendete Kältemittel Kohlendioxid.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die oben erwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung noch näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt eines Verdichters mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der mit einem Durchflusssteuerventil gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, und eine schematische Darstellung eines Fahrzeugkältesystems, in das der Kältemittelverdichter eingebunden ist, um ein Kältemittel zu verdichten;
  • 2 eine schematische querschnittliche Darstellung des Durchflusssteuerventils gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 3 eine schematische Darstellung, welche die Steuercharakteristik illustriert, die der Verdichter mit dem Durchflusssteuerventil von 2 zeigt;
  • 4 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 5 eine schematische Darstellung, welche den Vorgang des Änderns eines Einstelldrucks, der auf ein druckfühlendes Glied des Durchflusssteuerventils gemäß der zweiten Ausführungsform wirkt, illustriert;
  • 6 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 7 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 8 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 9 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 10 eine schematische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Ausstoßdruck und einem Saugdruck oder einem Kurbelkammerdruck;
  • 11 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 12 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 13 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche dessen Anordnung und Konstruktion illustriert;
  • 14 eine schematische querschnittliche Darstellung eines Durchflusssteuerventils nach dem Stand der Technik;
  • 15 eine schematische Darstellung, welche die Steuercharakteristik illustriert, die das Durchflusssteuerventil von 14 zeigt; und
  • 16 eine schematische Darstellung eines Druck-Enthalpie-Diagramms in einem Kältesystem mit superkritischem Zyklus, welches Kohlendioxid als Kältemittel verwendet.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • (Erste Ausführungsform)
  • Es wird nun auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher ein Fahrzeugkältesystem, welches einen superkritischen Kältezyklus ausführt, einen Kältemittelverdichter 1, insbesondere einen Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, aufweist. Das Kältesystem umfasst ferner einen Gaskühler 2, der als Strahlungswärmetauscher fungiert, ein Expansionsventil 3, das als Drosselmittel fungiert, einen Verdampfer 4, der als Wärmeabsorpti onswärmetauscher fungiert, und einen Sammler 5, der als Gas-Flüssigkeits-Abscheider fungiert. Der Verdichter 1 und die im Vorstehenden erwähnten anderen Einrichtungen 2 bis 5 sind durch einen geschlossenen Fluidkanal in Serie miteinander verbunden. Namentlich ist eine Ausstoßkammer 26 des Verdichters 1 mit dem Gaskühler 2 über einen Fluidkanal 6a, hergestellt aus einem geeigneten Leitungsglied, verbunden. Der Gaskühler 2 seinerseits ist mit dem Expansionsventil 3 über einen Fluidkanal 6b verbunden. Das Expansionsventil 3 ist ferner mit dem Verdampfer 4 über einen Fluidkanal 6c verbunden. Der Verdampfer 4 ist mit dem Sammler 5 über einen Fluidkanal 6d verbunden, und der Sammler 5 ist mit einer Saugkammer 27 über einen Fluidkanal 6e verbunden, um einen geschlossenen Kältemittelkanal zu bilden, durch den das Kältemittel zirkuliert.
  • Bei dem Fahrzeugkältesystem nach 1 fließt das Kältemittel unter einem hohen Druck (Ausstoßdruck) durch eine Hochdruckkanalseite des Systems, umfassend die Fluidkanäle 6a, 6b und 6c, und das Kältemittel unter einem niedrigen Druck fließt durch eine Niederdruckkanalseite des Systems, umfassend die Fluidkanäle 6d und 6e. Ferner arbeitet das Kältesystem so, dass der hohe Druck auf der Hochdruckkanalseite in einem superkritischen Druckzustand gehalten wird. Das für das beschriebene Fahrzeugkältesystem verwendete Kältemittel ist bevorzugt Kohlendioxid (CO2). Alternativ kann das Kältemittel Ethylen (C2H4), Diboran (B2H6), Ethan (CH3CH3) oder Stickstoffoxid sein.
  • Das Expansionsventil 3 ist so vorgesehen, dass seine Ventilöffnung auf Basis der Temperatur und des Drucks des Kältemittels, die am Auslass des Gaskühlers 2 detektiert werden, reguliert und angepasst wird, wobei die Regulierung der Ventilöffnung des Expansionsventils 3 in der Weise durchgeführt wird, dass die Temperatur und der Druck des Kältemittels, die an dem Auslass des Gaskühlers 2 detektiert werden, eine Beziehung aufweisen, die zu der durch die im Vorstehenden erwähnten optimalen Steuerkurve dargestellten korrespondiert (16), und demgemäß wird der im Vorstehenden erwähnte Leistungskoeffizient (COP-Wert) des Kältesystems ein Maximum.
  • Der Kältemittelverdichter 1 ist ein Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der mit einem Durchflusssteuerventil 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, welches als Verdrängungsvolumen-Steuerventil fungieren kann, um das Verdrängungsvolumen (oder eine Abgabemenge des Kältemittels nach der Verdichtung aus der Ausstoßkammer 26) des Kältemittelverdichters 1 zu steuern. Es wird erkennbar sein, dass in den Verdichter 1 von 1 an Stelle des beschriebenen Ventils 30 gemäß der ersten Ausführungsform eines der später beschriebenen verschiedenen Durchflusssteuerventile 30 eingebunden sein kann.
  • Es wird nun erneut auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher, wenn ein in der Kurbelkammer 14 vorherrschender Druck erhöht wird, das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 vermindert und ein Druck in der Kurbelkammer 14 infolge einer Erhöhung des Ausstoßdrucks des Verdichters 1 erhöht wird.
  • Der Kältemittelverdichter 1 umfasst einen Zylinderblock 10, der ein vorderes und ein hinteres Ende aufweist. Ein vorderes Gehäuse 11 ist mit dem vorderen Ende des Zylinderblocks 10 dichtend verbunden, und ein hinteres Gehäuse 13 ist mit dem hinteren Ende des Zylinderblocks 10 über eine Ventilplatte 12 dichtend verbunden. Das vordere Gehäuse 11 und der Zylinderblock 10 definieren die oben erwähnte Kurbelkammer 14 vor dem vorderen Ende des Zylinderblocks 10. Eine axiale Antriebswelle 15 ist von dem Zylinderblock 10 und dem vorderen Gehäuse 11 über ein Paar von axial beabstandeten Radiallagern und eine Wellendichtungseinrichtung so gehalten, dass sie innerhalb der Kurbelkammer 14 drehbar ist. Ein vorderes Ende der Antriebswelle 15 erstreckt sich über das vorderste Ende des vorderen Gehäuses 11 hinaus und ist mit einem Anker einer Solenoid-Kupplung (in 1 nicht gezeigt) verbunden. Ein Drucklager (nicht gezeigt) und eine Tellerfeder (nicht gezeigt) sind zwischen der Ventilplatte 12 und dem hinteren Ende der axialen Antriebswelle 15 angeordnet. Der Zylinderblock 10 ist mit einer Mehrzahl von Zylinderbohrungen 10a versehen, welche um die Rotationsachse der Antriebswelle 15 angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Kolben 16 sind in den jeweiligen Zylinderbohrungen 10a gleitbeweglich angeordnet, um darin eine hin- und hergehende Bewegung auszuführen.
  • Ein Rotorelement 18 ist an der Antriebswelle 15 innerhalb der Kurbelkammer 14 montiert und wird von einer Innenwand des vorderen Gehäuses 11 über ein Drucklager axial gehalten. Somit rotiert das Rotorelement 18 zusammen mit der Antriebswelle 15. Das Rotorelement 18 ist über einen Gelenkmechanismus 19 mit einer drehbaren Kurvenscheibe 20 verbunden, um die Kurvenscheibe 20 zu drehen.
  • Ein Hülsenelement 21 ist an einem Bereich der Antriebswelle 15 innerhalb der Kurbelkammer 14 gleitbeweglich montiert, und das Hülsenelement 21 ist mit Zapfen 21a versehen, um die die Kurvenscheibe 20 drehbeweglich montiert ist. Eine Taumelscheibe 23 ist über ein Drucklager 22 und andere Lagermittel an der Kurvenscheibe 20 nicht-drehbar montiert. Die Taumelscheibe 23 ist mit einem Rotationsverhinderungsstift (nicht gezeigt) versehen, der fest mit ihr verbunden ist und in einer in dem vorderen Gehäuse 11 gebildeten axialen Nut 11 gleitbeweglich ist, so dass die Taumelscheibe 23 an einer Rotation zusammen mit der Rotation der Kurvenscheibe 20 und der Antriebswelle 15 gehindert wird. Die Taumelscheibe 23 ist mit den jeweiligen Kolben 16 über Kolbenstangen 24 operativ verbunden, so dass die Taumelbewegung der Taumelscheibe 23, angetrieben durch die Rotation der Kurvenscheibe 20, die Hin- und Herbewegung der Kolben 16 verursacht. Der Hin- und Herbewegungshub der jeweiligen Kolben 16 ist abhängig vom Neigungswinkel der Taumelscheibe 23 bezüglich einer senkrecht zu der Rotationsachse der Antriebswelle 15 stehenden Ebene.
  • Ein Federglied 25 ist zwischen der Hülse 21 und einem an der Antriebswelle 15 montierten Clip-Element an einer Position benachbart zu dem vorderen Ende des Zylinderblocks 10 angeordnet, so dass die Kurvenscheibe 20 konstant in Richtung zu dem Rotorelement 18 hin getrieben wird. Die Neigung der Kurvenscheibe 20 und der Taumelscheibe 23 ist also vor dem Start des Betriebs des Verdichters 1 auf eine maximale Winkelposition eingestellt. Wenn die Kurvenscheibe 20 und die Taumelscheibe 23 ihren minimalen Neigungswinkel einnehmen, ist die Feder 25 vollständig zusammengezogen.
  • Innerhalb des hinteren Gehäuses 13 sind eine zentrale Ausstoßkammer 26 und eine radial um die Ausstoßkammer 26 angeordnete Saugkammer 27 vorgese hen. Die jeweiligen Zylinderbohrungen 10a bilden Kompressionskammern, die vor den Arbeitsköpfen der jeweiligen Kolben 26 definiert sind, wobei die Kompressionskammern mit der Ausstoßkammer 26 über jeweilige Ausstoßöffnungen, die in der Ventilplatte 12 gebildet sind, fluidisch verbunden sind. Die jeweiligen Ausstoßöffnungen der Ventilplatte 12 werden mittels Ausstoßventilen geöffnet und geschlossen, deren Öffnungsbewegung durch eine in der Ausstoßkammer 26 vorgesehene Rückhalteplatte 26a begrenzt wird.
  • Ferner sind die Kompressionskammern der jeweiligen Zylinderbohrungen 10a mit der Saugkammer 27 über jeweilige Saugöffnungen, welche in der Ventilplatte 12 gebildet sind, fluidisch verbunden, und die Saugöffnungen werden mittels Saugventilen, welche an einer Innenfläche der Ventilplatte 12, die dem hinteren Ende des Zylinderblocks 10 gegenüberliegt, geöffnet und geschlossen.
  • Ein Fluidabzugskanal 28 ist so angeordnet, dass er sich durch das hintere Gehäuse 13, die Ventilplatte 12 und den Zylinderblock 10 erstreckt, um eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer 14 und der Saugkammer 27 herzustellen. Ein Fluidzuführkanal 29, der als Steuerkanal fungiert, ist so angeordnet, dass er sich in ähnlicher Weise durch das hintere Gehäuse 13, die Ventilplatte 12 und den Zylinderblock 10 erstreckt, um eine Fluidverbindung zwischen der Kurbelkammer 14 und der Ausstoßkammer 26 bereitzustellen, wobei ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Erfindung in einem vorbestimmten Bereich des Fluidzuführkanals angeordnet ist, d.h. an einer vorbestimmten, durch die Bezugsziffer "29a" bezeichnete (im Folgenden als Ventilöffnung bezeichnete) Position in dem Steuerkanal 29 innerhalb des hinteren Gehäuses 13.
  • Zusätzlich zu 1 wird nun auf 2 Bezug genommen, gemäß welcher das Durchflusssteuerventil 30 der ersten Ausführungsform mit einem druckfühlenden Glied 32 versehen ist, welches so angeordnet ist, dass es einen Saugdruck (Ps) empfängt und erfühlt, wenn dieser über einen druckfühlenden Kanal 31 in das Ventil 30 eingeführt wird (1). Das druckfühlende Glied 32 ist so vorgesehen, dass es sich in einem Ventilgehäuse als Antwort auf eine Änderung des Saugdrucks (Ps) bewegt.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 ist ferner mit einem ballartigen Ventilelement 33 versehen, welches so angeordnet ist, dass es sich als Antwort auf die Bewegung des druckfühlenden Gliedes 32 bewegt, um eine Ventilöffnung, die in einem Fluidkanal, d.h. in dem oben erwähnten vorbestimmten Bereich des sich zwischen der Kurbelkammer 145 und der Ausstoßkammer 26 erstreckenden Steuerkanals 29 gebildet ist, anpassbar zu verändern. Das ballartige Ventilelement 33 ist operativ verbunden mit dem druckfühlenden Glied 32, auf das der Saugdruck (Ps) wirkt, um das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung zu bewegen, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 reduziert wird. Das druckfühlende Glied 32 empfängt ferner eine Federkraft einer Feder 34, die wirkt, um das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung zu treiben, in der die Ventilöffnung des Steuerkanals 29 vergrößert wird. Die Feder 34 ist dazu vorgesehen, eine vorbestimmte Einstellkraft (F) auf das druckfühlende Glied 32 aufzubringen. Das Ventilelement 33 empfängt konstant einen Ausstoßdruck (Pd), der wirkt, um das Ventilelement 33 in einer Richtung zu bewegen, in der die Ventilöffnung des Steuerkanals 29 vergrößert wird.
  • Es wird erkennbar sein, dass das druckfühlende Glied 32 entweder als konventionelles Membranelement oder als konventionelles Balgglied ausgebildet sein kann.
  • Wenn bei dem beschriebenen Durchflusssteuerventil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der auf das druckfühlende Glied 32 wirkende Saugdruck (Ps) unter einen vorbestimmten Einstelldruckwert fällt, bewegt sich das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung, um das Ventilelement 33 von der Ventilöffnung des Steuerkanals 29 weg zu bewegen. Namentlich wird die Ventilöffnung vergrößert, und demgemäß wird das Kältemittel unter einem Ausstoßdruck (Pd) über den Steuerkanal 29 von der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 zugeführt. Dadurch wird ein Druck (Pc) in der Kurbelkammer 14 (im Folgenden als Kurbelkammerdruck (Pc) bezeichnet) erhöht, um einen auf die jeweiligen Kolben 16 wirkenden Rückdruck zu erhöhen und dadurch den Neigungswinkel der Kurvenscheibe 20 und der Taumelscheibe 23 innerhalb der Kurbelkammer 14 zu verkleinern. Als eine Folge davon wird der Hin- und Herbewegungshub der jeweiligen Kolben 16 vermindert, um die Ausstoßmenge des verdichteten Kältemittels zu vermindern. Dadurch wird das Gesamtverdrängungsvolumen des Verdichters 1 vermindert.
  • Es wird erkennbar sein, dass, weil der Ausstoßdruck (Pd) auf das Ventilelement 33 des Durchflusssteuerventils 30 wirkt, um es in einer Richtung zu bewegen, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern, bei Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) das Ventilelement 33 leicht in einer Richtung bewegt werden kann, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 infolge der Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) zu vergrößern, und demgemäß die Zuführung des Kältemittels unter dem hohen Ausstoßdruck (Pd) von der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 beschleunigt wird, um in einer raschen Verminderung des Verdrängungsvolumens des Verdichters 1 zu resultieren. Die Verminderung des Verdrängungsvolumens des Verdichters 1 bewirkt eine Erhöhung des Saugdrucks (Ps). Unter Berücksichtigung der oben erwähnten Beziehung zwischen dem Saugdruck (Ps) und dem Ausstoßdruck (Pd) wird demnach allgemein die folgende Gleichung (1) hinsichtlich des Durchflusssteuerventils 30 aufgestellt. Ps = F/As + (Ad/As)Pd (1)worin Ps ein auf das druckfühlende Glied 32 wirkender Saugdruck ist, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu reduzieren; worin Pd ein auf das Ventilelement 33 wirkender Ausstoßdruck ist, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern; worin As eine Oberfläche des druckfühlenden Gliedes 32 ist, um den Saugdruck Ps zu empfangen; worin Ad eine Fläche des Ventilelementes 33 ist, auf die der Ausstoßdruck Pd wirkt; und worin F eine Einstellkraft ist, die auf das Ventilelement 33 über das druckfühlende Glied 32 wirkt.
  • Stellt man die obige Gleichung (1) in einem Koordinatensystem gemäß 3 dar, welches eine Abszisse (X-Achse) aufweist, die den Ausstoßdruck (Pd) darstellt, und eine Ordinate (y-Achse) aufweist, die den Saugdruck (Ps) darstellt, so stellt sie sich als eine gerade Linie dar, die eine Steuercharakteristik des Durchflusssteuerventils 30 repräsentiert. Die gerade Linie kann durch die Gleichung y = ax + b, a > 0 ausgedrückt werden, die in 3 eine von links nach rechts ansteigende Neigung aufweist.
  • Aus der durch die oben erwähnte gerade Linie repräsentierten Steuercharakteristik wird erkennbar, dass bei Erhöhung des auf das Ventilelement 33 wirkenden Ausstoßdrucks (Pd) der auf das druckfühlende Glied 32 wirkende Saugdruck (Ps) ebenfalls erhöht wird.
  • Im Folgenden wird der Betrieb des Fahrzeugkältesystems beschrieben, welches den Kältemittelverdichter 1 umfasst, der das oben erwähnte Durchflusssteuerventil 30 aufweist.
  • Wenn eine Antriebskraft von einer externen Antriebsquelle, d.h. einem Fahrzeugmotor, über die Solenoid-Kupplung auf die Antriebswelle 15 des Verdichters 1 übertragen wird, rotieren das Rotorelement 18 und die Kurvenscheibe 20 mit der gleichen Drehzahl wie die Antriebswelle 15. Wenn die Kurvenscheibe 20, die einen gegebenen Neigungswinkel aufweist, rotiert, führt die nicht-drehbare Taumelscheibe 23 an der Kurvenscheibe 20 nur eine taumelnde Bewegung aus, wodurch die jeweiligen Kolben 16 über die Stangen 24 in den jeweiligen Zylinderbohrungen 10a hin- und herbewegt werden. Auf diese Weise werden die Ansaugung des Kältemittels aus der Saugkammer 27 in die jeweiligen Kompressionskammern, die Verdichtung des angesaugten Kältemittels und der Ausstoß des verdichteten Kältemittels aus den Kompressionskammern in die Ausstoßkammer 26 durchgeführt. Das verdichtete Kältemittel unter einem hohen Ausstoßdruck in der Ausstoßkammer 26 wird sodann von derselben in den Fluidkanal 6a abgegeben, um dem Gaskühler 2 zugeführt zu werden.
  • Das unter einem hohen Druck und ferner unter einer hohen Temperatur stehende Kältemittel wird auf eine Temperatur abgekühlt, die im Wesentlichen gleich der Atmosphärentemperatur ist, und sodann über den Fluidkanal 6b von dem Gaskühler 2 zu dem Expansionsventil 3 geleitet. Dort wird das Kältemittel dann expandiert, um seinen Druck zu vermindern und um es in ein Kältemittel umzuwandeln, das sich im Zustand einer nebelartigen Niedertemperatur- und Niederdruck-Gas-Flüssig-Phase befindet. Der Expansionsbetrieb des Expansionsventils wird selbstverständlich auf Basis der Temperatur und des Drucks des Kältemittels, die am Auslass des Gaskühlers 2 detektiert werden, durchgeführt, wie im Vorstehenden beschrieben.
  • Das nebelartige Kältemittel wird dann von dem Expansionsventil 3 über den Fluidkanal 6c zu dem Verdampfer 4 (dem Absorptionswärmetauscher) geleitet, wo es verdampft wird. Während der Verdampfung des Kältemittels innerhalb des Verdampfers 4 wird die Wärme der am Verdampfer 4 vorbeiströmenden Luft absorbiert und die Luft abgekühlt. Die gekühlte Luft wird dem Fahrzeugraum zugeführt, um ihn zu kühlen. Das durch den Verdampfer 4 verdampfte Kältemittel wird ferner von dort über den Fluidkanal 6d zu dem Sammler 5 geleitet. In dem Sammler 5 wird ein Flüssigphase-Teil des Kältemittels gehalten, während ein gasförmiges Kältemittel über den Fluidkanal 6e zu der Saugkammer 27 des Verdichters 1 hin geleitet wird, um erneut durch den Verdichter 1 verdichtet zu werden.
  • Während des Betriebs des Fahrzeugkältesystems wird der Verdichter 1 auf der Basis der im Vorstehenden erwähnten Steuercharakteristik des Durchflusssteuerventils 30 betrieben. Namentlich wird, wenn ein tatsächlicher oder aktueller Saugdruck (Ps) des in die Saugkammer 27 eintretenden Kältemittels auf einen Druck vermindert wird, der unter einem Einstelldruck des Saugdrucks (Ps) liegt, der auf der Basis des auf das Durchflusssteuerventil 30 wirkenden Ausstoßdrucks (Pd) des Kältemittels bestimmt wird, das Ventilelement 33 die Ventilöffnung des Steuerkanals 29 vergrößern, so dass Kältemittel unter dem Ausstoßdruck (Pd) von der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 fließen kann. Dadurch erhöht sich der Kurbelkammerdruck (Pc) in der Kurbelkammer 14, so dass der Neigungswinkel der Kurvenscheibe 20 und der Taumelscheibe 23 verkleinert wird. Demgemäß wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 vermindert.
  • Andererseits, wenn der tatsächliche oder aktuelle Saugdruck (Ps) des Kältemittels auf einen Druck erhöht wird, der über dem Einstelldruck des Saugdrucks (Ps) liegt, der auf der Basis des auf das Durchflusssteuerventil 30 wirkenden Ausstoßdrucks (Pd) des Kältemittels bestimmt wird, wird das Ventilelement 33 die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 verkleinern. Dadurch wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 schließlich erhöht.
  • Bei Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle 15 infolge einer Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors wird der Ausstoßdruck (Pd) des durch den Ver dichter 1 komprimierten Kältemittels rasch erhöht, und selbst wenn die Drosselbewegung der Drosselmittel 3 (des Expansionsventils) verzögert und damit auch die Verminderung des Saugdrucks (Ps) verzögert ist, kann das Kältesystem, in welches der Verdichter 1 mit dem Durchflusssteuerventil 30 eingebunden ist, so arbeiten, dass die oben erwähnte Verzögerung der Verminderung des Saugdrucks (Ps) kompensiert wird. Namentlich ist infolge der spezifischen Steuercharakteristik des Durchflusssteuerventils 30 des Verdichters 1 das Fahrzeugkältesystem von 1 in der Lage, den tatsächliche (aktuellen) Saugdruck (Ps), der in die Saugkammer 27 des Verdichters 1 eingesaugt wird, auf einen niedrigeren Druck, der unter dem Einstelldruck des Saugdrucks (Ps) des Durchflusssteuerventils 30 liegt, zu vermindern. Demgemäß wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 rasch vermindert, um die Kälteleistung des Fahrzeugkältesystems anzupassen, so dass die übermäßige Kühlung durch das Kältesystem auch bei einer Erhöhung der Drehzahl des Fahrzeugmotors verhindert werden kann.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 4 illustriert ein Durchflusssteuerventil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches wie die erste Ausführungsform ebenfalls mit der Bezugsziffer "30" bezeichnet ist.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der Einstelldruck des druckfühlenden Gliedes 32 durch einen extern gesteuerten Solenoid 35, der mit externen Steuermitteln (in 4 nicht gezeigt) operativ verbunden ist, anpassbar variiert werden kann.
  • Der Einstelldruckwert des druckfühlenden Gliedes 32 des Durchflusssteuerventils gemäß der zweiten Ausführungsform kann im Wesentlichen variiert werden, so dass er eine von links nach rechts ansteigende lineare charakteristische Kurve aufweist, und wirkt ähnlich wie die erste Ausführungsform, um das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 rasch zu vermindern, wenn eine Erhöhung der Drehzahl eines Fahrzeugmotors stattfindet. Ferner, wie deutlich in 5 gezeigt, kann der Einstelldruckwert des druckfühlenden Gliedes 32 des Durchflusssteuerventils 30 gemäß vorliegender Ausführungsform durch das Solenoid 35 so variiert werden, dass er ein Variationsband zwischen zwei linearen Kurven "A" und "B" aufweist, um die Temperatur der aus dem Verdampfer 4 ausgeblasenen Luft anpassbar zu verändern. Wenn zum Beispiel der Einstelldruckwert des druckfühlenden Gliedes 32 des Durchflusssteuerventils 30 durch den Betrieb des Solenoid 35 entlang der höheren linearen charakteristischen Kurve "A" des Variationsbandes von 5 variiert wird, dann kann auch dann, wenn der Saugdruck (Ps) unter den Einstelldruckwert des Durchflusssteuerventils 30 vermindert wird, der verminderte Saugdruck per se ein relativ hoher Druck sein. Das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 wird also vermindert, wenn sich das Druckniveau des Saugdrucks (Ps) auf einem relativ hohen Druckniveau befindet. Als eine Folge davon kann die Temperatur der aus dem Verdampfer 4 ausgeblasenen Luft relativ hoch sein.
  • Wenn andererseits der Einstelldruckwert des druckfühlenden Gliedes 32 des Durchflusssteuerventils 30 durch den Betrieb des Solenoid 35 entlang der niedrigeren linearen charakteristischen Kurve "B" des Variationsbandes von 5 variiert wird, wird der Saugdruck (Ps) unter den Einstelldruckwert vermindert, wenn er ein relativ niedriger Druck ist. Das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 kann also nicht vermindert werden, bis der Saugdruck (Ps) auf den relativ niedrigen Druck vermindert wird. Demgemäß wird die Temperatur der aus dem Verdampfer 4 ausgeblasenen Luft niedrig. Es wird also erkennbar sein, dass durch anpassbares Verändern des Einstelldruckwertes des druckfühlenden Gliedes 32 des Durchflusssteuerventils 30 durch den Betrieb des Solenoid 35 eine Feineinstellung der Lufttemperatur in dem Fahrzeugraum erzielt werden kann. Namentlich kann eine Klimafeineinstellung des betreffenden Bereichs (des Fahrzeugraums) erzielt werden.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 6 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform ist mit einem druckfühlenden Glied 32 versehen, welches den Saugdruck (Ps) in einer Richtung empfängt und erfühlt, um dem druckfühlenden Glied 32 zu erlauben, sich zusammen mit einem Ventilelement 33 in einer Richtung zu bewegen, um eine in dem Steuerkanal 29 angeordnete Ventilöffnung zu schließen oder zu reduzieren. Das druckfühlende Glied 32 empfängt ferner eine konstante Federkraft einer Feder 34 über das Ventilelement 33 in einer Richtung, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal zu schließen und um einen Einstelldruckwert (F) des Saugdrucks (Ps) zu bestimmen, der auf das druckfühlende Glied 32 wirkt. Das Ventilelement 33 empfängt den Ausstoßdruck (Pd) in einer Richtung, um die Ventilöffnung des Steuerkanals 29 zu öffnen oder zu vergrößern.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Steuerfunktion gemäß der in Verbindung mit dem Durchflusssteuerventil 30 der ersten Ausführungsform beschriebenen Gleichung (1) aufweisen und kann demgemäß die Steuercharakteristik zeigen, die durch die lineare charakteristische Kurve von 3 repräsentiert ist.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß einer vierten Ausführungsform ist in 7 illustriert, wobei dieses Ventil sich von dem Durchflusssteuerventil 30 gemäß der dritten Ausführungsform darin unterscheidet, dass der Einstelldruckwert eines druckfühlenden Gliedes 32 der vierten Ausführungsform durch ein elektrisch gesteuertes Solenoid 35 anpassbar variiert werden kann. Somit kann das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der vierten Ausführungsform dieselbe Steuerleistung aufweisen wie das Durchflusssteuerventil 30 der zweiten Ausführungsform.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • 8 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der fünften Ausführungsform ist mit einem druckfühlenden Glied 32 versehen, auf das der Saugdruck (Ps) wirkt, um ein Ventilelement 33 in einer Richtung zu bewegen, um eine in dem Steuerkanal 29 gebildete Ventilöffnung zu öffnen oder zu vergrößern, und auf das ferner eine Federkraft einer Feder 34 wirkt, um einen auf das druckfühlende Glied 32 wirkenden Einstelldruckwert (F) vorauszubestimmen. Ferner wirkt der Kurbelkammerdruck (Pc) auf das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 infolge der Bewegung des Ventilelementes 33 zu schließen oder zu verkleinern. Ferner empfängt das Ventilelement 33 konstant den Ausstoßdruck (Pd) in einer Richtung, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu öffnen oder zu vergrößern.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der fünften Ausführungsform von 8 weist eine Steuerleistung auf, die im Wesentlichen der unten stehenden Gleichung (2) entspricht. Pc – Ps = F/As + (Ad/As)Pd (2)worin Ps der Saugdruck (Ps) ist, der auf das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung wirkt, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern; worin Pd der Ausstoßdruck ist, der auf das Ventilelement 33 in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 vergrößert wird; worin Pc der Kurbelkammerdruck (Pc) ist, der auf das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 reduziert wird; worin As eine Fläche des druckfühlenden Gliedes 32 ist, auf die der Saugdruck und der Kurbelkammerdruck wirken; worin Ad eine Fläche des Ventilelementes 33 ist, auf die der Ausstoßdruck wirkt; und worin F ein Einstellkraftwert des druckfühlenden Gliedes 33 ist, der auf das Ventilelement 33 wirkt (wenn F über das druckfühlende Glied 32 auf das Ventilelement 33 wirkt, um die Ventilöffnung zu vergrößern, wird F als positiver Wert angesehen).
  • Das Durchflusssteuerventil 30 von 8 mit der Steuerleistung gemäß Gleichung (2) zeigt eine Steuercharakteristik, die ausgedrückt ist durch eine lineare Kurve mit einer positiven Neigung, die in einem rechtwinkligen X-Y-Koordinatensystem von links nach rechts ansteigend ist, worin die X-Achse den Ausstoßdruck (Pd) darstellt und worin die Y-Achse eine Druckdifferenz ΔP (= Pc – Ps) zwischen dem Saugdruck (Ps) und dem Kurbelkammerdruck (Pc) darstellt.
  • Namentlich wird bei einer Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) auch die oben erwähnte Druckdifferenz ΔP (= Pc – Ps) erhöht, um in einer Erhöhung des Kurbelkammerdrucks (Pc) zu resultieren. Wenn der Kurbelkammerdruck (Pc) er höht wird, wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 vermindert, wie bereits beschrieben. Wenn also die obenerwähnte Druckdifferenz ΔP als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) auf der Basis der oben erwähnten Steuercharakteristik erhöht wird, wird das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 rasch vermindert, um in einer Erhöhung des Saugdrucks (Ps) zu resultieren.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • 9 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der sechsten Ausführungsform ist mit einem druckfühlenden Glied 32 versehen, auf das der Kurbelkammerdruck (Pc) in einer Richtung wirkt, um eine Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 über ein mit dem druckfühlenden Glied 32 verbundenes Ventilelement 33 zu schließen oder zu verkleinern, und wobei ein auf das druckfühlende Glied 32 angewandter Einstelldruckwert durch eine Federkraft (F) einer Feder 34 bestimmt wird und in einer Richtung wirkt, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu öffnen oder zu vergrößern. Ferner empfängt das Ventilelement 33 den Ausstoßdruck (Pd), der in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 geöffnet oder vergrößert wird.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der sechsten Ausführungsform wirkt im Wesentlichen so, dass der Kurbelkammerdruck (Pc) bei dem auf der Kraft (F) basierenden Einstelldruckwert gehalten wird. Namentlich wird, wenn der Kurbelkammerdruck (Pc) gleich oder höher als der Einstelldruckwert ist, das Ventilelement 33 die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 schließen. Also wird, wie aus 1 erkennbar, das Kältemittel über den Fluidabzugskanal 28 des Verdichters 1 aus der Kurbelkammer 14 in die Saugkammer 27 abgezogen.
  • Wenn dagegen der Kurbelkammerdruck (Pc) auf einen Wert unterhalb des Einstelldruckwertes vermindert wird, vergrößert das Ventilelement 33 die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29, um eine weitere Verminderung des Kurbelkammerdrucks (Pc) zu verhindern. Namentlich wird das Kältemittel unter dem hohen Ausstoßdruck (Pd) über die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 von der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 des Verdichters 1 fließen ge lassen. Als eine Folge davon wird der Kurbelkammerdruck (Pc) wieder auf den auf der Kraft (F) basierenden Einstelldruckwert zurückgebracht. Der Kurbelkammerdruck (Pc) in der Kurbelkammer 14 wird also im Wesentlichen auf dem Einstelldruckwert gehalten.
  • Weil bei dem Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform der Ausstoßdruck (Pd) auf das Ventilelement 33 wirkt, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern, kann die Steuercharakteristik des Durchflusssteuerventils 30 gemäß der sechsten Ausführungsform durch eine lineare charakteristische Kurve ausgedrückt werden, die in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, wie in 10 gezeigt, von links nach rechts ansteigt. Namentlich wird gemäß der linearen charakteristischen Kurve von 10 der Einstelldruckwert des Kurbelkammerdrucks (Pc) als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) erhöht. Daher kann das Verdrängungsvolumen des Verdichters 1 auf der Basis eines relativ hohen Kurbelkammerdrucks (Pc) in der Kurbelkammer 14 variiert werden.
  • Ferner werden der Kurbelkammerdruck (Pc) und der Saugdruck (Ps) so gehalten, dass sie eine vorbestimmte Beziehung aufweisen, in der eine konstante Druckdifferenz, basierend auf der Drosselwirkung des Fluidabzugskanals 28, unabhängig von einer Änderung des Ausstoßdrucks (Pd) besteht, wie durch die zwei linearen charakteristischen Kurven in 10 gezeigt. Wenn also der Kurbelkammerdruck (Pc) erhöht wird, wird der Saugdruck korrespondierend dazu erhöht. Der Saugdruck (Ps) wird also als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) erhöht.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß der sechsten Ausführungsform weist eine Steuerleistung auf, die durch die unten stehenden Gleichung (3) ausgedrückt ist. Pc = F/Ac + (Ad/Ac)Pd (3)worin Pc der Kurbelkammerdruck (Pc) ist, der auf das druckfühlende Glied 32 in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 verkleinert wird; worin Pd der Ausstoßdruck ist, der auf das Ventilelement 33 in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 vergrö ßert wird; worin Ac eine Fläche des druckfühlenden Gliedes 32 ist, auf die der Kurbelkammerdruck (Pc) wirkt; worin Ad eine Fläche des Ventilelementes 33 ist, auf die der Ausstoßdruck (Pd) wirkt, und worin F der Einstellkraftwert ist, der auf das Ventilelement 33 über das druckfühlende Glied 32 wirkt (F wird als positiver Wert angesehen, wenn F über das druckfühlende Glied 32 auf das Ventilelement 33 wirkt, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern).
  • (Siebte Ausführungsform)
  • 11 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß der siebten Ausführungsform.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform unterscheidet sich von dem Ventil 30 der vorherigen sechsten Ausführungsform darin, dass der Einstelldruckwert eines druckfühlenden Gliedes 32 gemäß vorliegender Ausführungsform durch ein extern gesteuertes Solenoid 35 variiert werden kann. Infolge des anpassbaren Variierens des Einstelldruckwertes (F) des druckfühlenden Gliedes 32 durch den Betrieb des Solenoid 35 kann also der Fluss des Kältemittels unter einem hohem Druck, welches die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 passiert, fein eingestellt und demgemäß eine Feineinstellung der Klimatisierung durch das Fahrzeug-Kältesystems erzielt werden.
  • (Achte Ausführungsform)
  • 12 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß der achten Ausführungsform.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform ist in einer Weise konstruiert, dass ein druckfühlendes Glied, gebildet durch ein drucksensitives elastisches Glied, z.B. ein Membran- und ein Balgelement, eliminiert ist. Alternativ ist ein Ventilelement 33 angeordnet, um sowohl den Ausstoßdruck (Pd) als auch den Kurbelkammerdruck (Pc) zu empfangen. Hierbei wirken die Drücke (Pd) und (Pc) auf das Ventilelement aus axial entgegengesetzten Richtungen. Im Einzelnen wirkt der Kurbelkammerdruck (Pc) auf das Ventilelement 33 in einer Richtung, in der eine Ventilöffnung reduziert wird, und der Ausstoßdruck (Pd) wirkt auf das Ventilelement 33 in einer Richtung, in der die Ventilöffnung in der Steuerkammer 29 vergrößert wird. Ferner ist eine Feder 34 angeordnet, um eine Federkraft (F) zu zeigen, die auf das Ventilelement 33 wirkt, um dadurch einen vorbestimmten Einstelldruckwert aufzubringen. Jedoch kann die Federkraft (F) der Feder 34 durch ein extern gesteuertes Solenoid 35 anpassbar variiert werden.
  • Es wird erkennbar sein, dass die grundlegende Steuerleistung des Durchflusssteuerventils 30 gemäß der achten Ausführungsform im Wesentlichen die gleiche ist wie die des Durchflusssteuerventils 30 gemäß der sechsten oder siebten Ausführungsform.
  • (Neunte Ausführungsform)
  • 13 illustriert ein Durchflusssteuerventil 30 gemäß der neunten Ausführungsform.
  • Das Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform ist so konstruiert, dass ein druckfühlendes Glied, gebildet durch ein drucksensitives elastisches Element, und eine Feder zum Aufbringen einer Federkraft, welche einen Einstelldruckwert bestimmt, eliminiert sind. Namentlich ist bei dem Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform ein Ventilelement 33 angeordnet, um eine Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 infolge eines gesteuerten Betriebs eines Solenoid 35 anpassbar zu vergrößern oder zu verkleinern. Im Einzelnen wirkt der Ausstoßdruck (Pd) auf das Ventilelement 33 in einer Richtung, in der die Ventilöffnung verkleinert wird, und das Solenoid 35 bringt eine elektromagnetische Kraft auf das Ventilelement 33 in einer Richtung auf, um die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 29 zu vergrößern.
  • Wenn das Solenoid 35 durch ein externes Steuersignal in der Weise gesteuert wird, dass seine elektromagnetische Kraft als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) erhöht wird, ist das Durchflusssteuerventil 30 gemäß vorliegender Ausführungsform in der Lage, eine Steuercharakteristik aufzuweisen, wobei der Kurbelkammerdruck (Pc) als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) erhöht wird. Demgemäß ist es möglich, den Saugdruck (Ps) als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) zu erhöhen.
  • Bei den beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Durchflusssteuerventil 30 in einer vorbestimmten Ventilöffnung (Position 29a) in dem Steuerkanal 29 angeordnet, um den Fluss des Kältemittels von der Ausstoßkammer 26 in die Kurbelkammer 14 mittels des Ventilelementes 33 anpassbar zu steuern, wenn das Kältemittel die Ventilöffnung passiert. Namentlich wird das Durchflusssteuerventil 30 dazu verwendet, die Zufuhr des Kältemittels unter einem hohen Ausstoßdruck von der Ausstoßkammer 26 zu der Kurbelkammer 14 zu steuern, um das Druckniveau des Kurbelkammerdrucks (Pc) zu regulieren.
  • Die Verwendung des Durchflusssteuerventils 30 ist jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, und das Durchflusssteuerventil 30 kann alternativ auf andere Weise verwendet werden, um das Druckniveau des Kurbelkammerdrucks (Pc) zu regulieren. Wenn z.B. der zwischen der Saugkammer 27 und der Kurbelkammer 14 angeordnete Fluidabzugskanal 28 als Steuerkanal verwendet wird, kann das Durchflusssteuerventil 30 in einer vorbestimmten Position in dem Fluidabzugskanal 28 angeordnet sein, um den Fluss des Kältemittels, das aus der Kurbelkammer 14 in die Saugkammer 27 abgezogen wird, zu regulieren, um dadurch das Druckniveau des Kurbelkammerdrucks (Pc) anpassbar zu verändern. Dann ist das Ventilelement 33 des Durchflusssteuerventils 30 so angeordnet, dass eine in der vorbestimmten Position in dem Fluidabzugskanal 28 gebildete Ventilöffnung durch die Bewegung des Ventilelementes 33 zu der Ventilöffnung hin und von derselben weg vergrößert und verkleinert wird. In diesem Fall wird der Ausstoßdruck (Pd) auf das Durchflusssteuerventil 30 aufgebracht, so dass er auf das Ventilelement 33 in einer Richtung wirkt, in der die Ventilöffnung in dem Steuerkanal 28 (Fluidabzugskanal 28) verkleinert wird. Somit wird als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) der Einstelldruckwert des druckfühlenden Glieds 32 des Ventils 30 erhöht und als eine Folge davon werden der Kurbelkammerdruck (Pc) und der Saugdruck (Ps) erhöht.
  • Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist das Fahrzeugkältesystem als Kältesystem vom superkritischen Typ konstruiert, welches Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel verwendet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf ein Kältesystem vom Typ mit subkritischem Zyklus Anwendung finden, wobei Fluorkohlenwasserstoff als Kältemittel verwendet wird. Bei dem Kältesystem vom Typ mit subkritischem Zyklus kann, wenn das Durchflusssteuerventil mit einer solchen Steuercharakteristik bereitgestellt wird, dass der Saugdruck (Ps) als Antwort auf eine Erhöhung des Ausstoßdrucks (Pd) erhöht wird, das Verdrängungsvolumen des Verdichters in dem Kältesystem rasch vermindert werden, um die Kälteleistung des Systems zu vermindern, wenn die Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters erhöht wird.
  • Die vorstehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezieht sich zwar nur auf bevorzugte Ausführungsformen derselben; für den Fachmann werden jedoch zahlreiche Veränderungen und Modifikationen möglich sein, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, zu verlassen.

Claims (9)

  1. Durchflusssteuerventil (30) zur Verwendung mit einem Kältemittelverdichter (1) mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, welcher aufweist: eine Antriebswelle (15), die von einer Antriebsquelle zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird, einen Zylinderblock (10), der mit einer Zylinderbohrung (10a) versehen ist, die einem Kolben (16) erlaubt, eine Hin- und Herbewegung darin auszuführen, um dadurch ein aus einer Saugkammer (27) angesaugtes Kältemittel zu verdichten und das Kältemittel nach der Verdichtung in eine Ausstoßkammer (26) auszustoßen, eine Kurvenscheibe (20) mit veränderlicher Neigung, welche in einer Kurbelkammer (14) angeordnet ist, um den Kolben (16) auf der Basis der Rotation der Antriebswelle (15) hin- und herzubewegen und um einen Hinundherbewegungshub des Kolbens (16) als Antwort auf eine anpassbare Änderung eines in der Kurbelkammer (14) vorherrschenden Kurbelkammerdrucks zu verändern, und einen Steuerkanal (29), der die Kurbelkammer (14) in Fließverbindung mit der Ausstoßkammer (26) bringt, wobei das Durchflusssteuerventil (30) umfasst: ein druckfühlendes Glied (32), welches so angeordnet ist, dass es eine Bewegung ausführt nach Erfühlen eines Saugdrucks und/oder eines Kurbelkammerdrucks; ein Ventilelement (33), welches mit dem druckfühlenden Glied (32) in Wirkverbindung steht, um eine in einem vorbestimmten Bereich des Steuerkanals (29) gebildete Öffnung (29a) anpassbar zu verändern als Antwort auf die durch das Erfühlen des Saug- und/oder Kurbelkammerdrucks verursachte Bewegung des druckfühlenden Gliedes (32); und Mittel zum Bilden einer Anordnung, worin das druckfühlende Glied (32) und das Ventilelement (33) eine Durchflusssteuerungscharakteristik aufweisen, derart, dass der Saugdruck in Übereinstimmung mit einer Zunahme eines in der Ausstoßkammer (26) vorherrschenden Ausstoßdrucks zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (33) in dem Steuerkanal (29) angeordnet ist, der die Kurbelkammer (14) und die Ausstoßkammer (26) des Kältemittelverdichters (1) mit veränderlichem Verdrängungsvolumen in Fließverbindung bringt, derart, dass der Ausstoßdruck auf das Ventilelement (33) wirkt, um dessen Bewegung in einer Richtung zu treiben, in der die Öffnung (29a) des vorbestimmten Bereichs des Steuerkanals (29) vergrößert wird.
  2. Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1, wobei das Ventilelement (33) mit einer Kugeloberfläche versehen ist, die der Öffnung (29a) des vorbestimmten Bereichs des Steuerkanals (29) gegenüberliegt und die den Ausstoßdruck empfängt.
  3. Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1, wobei das druckfühlende Glied (32) so angeordnet ist, dass es eine Bewegung ausführt nach Erfühlen einer Veränderung in dem Saug- oder Kurbelkammerdruck bezogen auf einen Einstelldruck, und wobei der Einstelldruck durch ein elektrisch gesteuertes Solenoid (35) verändert wird.
  4. Durchflusssteuerventil nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Federelement (34), welches zum Aufbringen einer zum Bestimmen des Einstelldrucks des druckfühlenden Gliedes (32) geeigneten Federkraft vorgesehen ist.
  5. Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (1) mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, der das Durchflusssteuerventil (30) zur Steuerung seines Verdrängungsvolumens enthält, ein Verdichter von der Art ist, bei der die Abgabe des Kältemittels nach der Verdichtung unter einem überkritischen Druck des Kältemittels durchgeführt wird.
  6. Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1, wobei das durch den Verdichter (1) mit veränderlichem Verdrängungsvolumen verdichtete Kältemittel Kohlendioxid ist.
  7. Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen, umfassend: eine Antriebswelle (15), die von einer Antriebsquelle zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird; einen Zylinderblock (10), der mit einer Zylinderbohrung (10a) versehen ist, die einem Kolben (16) erlaubt, eine Hin- und Herbewegung darin auszuführen, um dadurch ein aus einer Saugkammer (27) angesaugtes Kältemittel zu verdichten und das Kältemittel nach der Verdichtung in eine Ausstoßkammer (26) auszustoßen; eine Kurvenscheibe (20) mit veränderlicher Neigung, welche in einer Kurbelkammer (14) angeordnet ist, um den Kolben (16) auf der Basis der Rotation der Antriebswelle (15) hin- und herzubewegen und um einen Hinundherbewegungshub des Kolbens (16) als Antwort auf eine anpassbare Änderung eines in der Kurbelkammer (14) vorherrschenden Kurbelkammerdrucks zu verändern; einen Steuerkanal (29), der die Kurbelkammer (14) in Fließverbindung mit der Ausstoßkammer (26) bringt; und ein Durchflusssteuerventil (30) nach Anspruch 1, welches in dem Steuerkanal (29) angeordnet ist, um einen Fluss des Kältemittels, das einen vorbestimmten Bereich des Steuerkanals (29) passiert, zu regulieren.
  8. Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen nach Anspruch 7, wobei das Kältemittel nach der Verdichtung aus der Ausstoßkammer (26) als das Kältemittel unter überkritischem Druck abgegeben wird.
  9. Kältemittelverdichter mit veränderlichem Verdrängungsvolumen nach Anspruch 7, wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist.
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