Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, umfassend mindestens einen Kältemittelverdichter, welcher an einem Sauganschluss zugeführtes Kälte- mittel auf Hochdruck verdichtet, so dass an einem Druckanschluss ein auf Hochdruck verdichteter Verdichtermassenstrom des Kältemittels austritt, mindestens einen hochdruckseitigen wärmeabgebenden Wärmeübertrager mit einem Eingang, an welchem der Kältemittelkreislauf den Verdichtermassen- strom zuführt, und mit einem Ausgang, aus welchem ein gekühlter Gesamt- massenstrom von Kältemittel austritt, mindestens eine Expansionseinheit, umfassend eine einen Expander und eine Kompressorstufe aufweisende Expansionskompressionseinheit, welche einen vom Kältemittelkreislauf in Richtung des Sauganschlusses des Kältemittelverdichters geführten

Expansionsmassenstrom des Gesamtmassenstroms von Hochdruck ausgehend auf einen Expansionsdruck expandiert, und mindestens eine Kühlstufe mit mindestens einem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager, welchem der Kältemittelkreislauf einen von dem von der Expansionseinheit expandierten Expansionsdruckmassenstrom umfassten Hauptmassenstrom zuführt, und welchen der Kältemittelkreislauf nach Verlassen der Kühlstufe dem Saug- anschluss des Kältemittelverdichters zuführt.

Derartige Kältemittelkreisläufe sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Bei diesen besteht stets das Problem, diese möglichst optimal zu betreiben.

Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittelkreislauf der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Kältemittelkreislauf eine Notbetriebseinheit zugeordnet ist, welche eine die Expansionskompressions- einheit umgehende Umgehungsleitung umfasst und welcher mindestens ein Expansionselement funktionell zugeordnet ist, und dass die Notbetriebseinheit im Fall einer Störung, insbesondere einer Expansionsstörung, der Expansions- kompressionseinheit von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand übergeht, in welchem diese durch Expansion des unter Hochdruck stehenden Kältemittels mittels des Expansionselements einen Notexpansionsmassen- strom zum Betreiben der Kühlstufe erzeugt, welchen die Umgehungsleitung dem Kältemittelkreislauf zur Weiterleitung zur Kühlstufe zuführt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Notbetriebseinheit das Problem gelöst ist, dass bei einer Expansionsstörung der Expansionseinheit, insbesondere der Expansions- kompressionseinheit, der Kältemittelkreislauf nicht mehr oder nur noch sehr eingeschränkt funktionsfähig ist, so dass dieser keine ausreichende Kühl- leistung an der Kühleinheit zur Verfügung stellen kann und somit die im Normalbetrieb durch den Kältemittelkreislauf bereitgestellte Kühlleistung entfällt, was beispielsweise bei Kältemittelkreisläufen für Kühlanlagen, beispielsweise bei temperatursensiblen Gütern, zu erheblichen Schäden führen würde.

Durch die erfindungsgemäße Notbetriebseinheit kann ein derartiges Problem vermieden werden, da diese durch den erzeugten Notexpansionsmassenstrom in der Lage ist, zumindest eine minimale Kühlleistung weiterhin zur Verfügung zu stellen.

Hinsichtlich der Führung der Umgehungsleitung sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Umgehungsleitung der

Notbetriebseinheit den Notexpansionsmassenstrom einer dem Expansions- druckmassenstrom aufnehmenden Expansionsleitung des Kältemittelkreislaufs direkt oder indirekt zuführt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Umgehungsleitung nicht zwingend direkt in die Expansionsleitung münden muss, sondern beispielsweise auch vor der Expansionsleitung in den Kältemittelkreislauf einmünden kann, sofern sichergestellt ist, dass dadurch indirekt der Notexpansionsmassenstrom der Expansionsleitung zugeführt wird.

Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Umgehungsleitung den Notexpansionsmassenstrom einer im Normalbetrieb des Kältemittelkreislaufs der den auf Expansionsdruck vorliegenden

Expansionsdruckmassenstrom führenden Leitung des Kältemittelkreislaufs zuführt.

Dadurch ist sichergestellt, dass der Kältemittelkreislauf mit dem

Notexpansionsmassenstrom zumindest mit einer Teilleistung weiterbetrieben werden kann, da die im Normalbetrieb den Expansionsdruckmassenstrom führende Leitung mit dem Notexpansionsmassenstrom versorgt wird.

Hinsichtlich der Funktion der Notbetriebseinheit wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Notbetriebseinheit eine

Expansionsstörung der Expansionskompressionseinheit erfasst.

Eine derartige Expansionsstörung kann dabei beispielsweise durch das Expansionselement selbst erfasst werden.

Beispielsweise ist hierzu vorgesehen, dass die Notbetriebseinheit einen Hoch- druck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander erfasst. Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Notbetriebseinheit eine Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck des Gesamtmassenstroms und/oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander und einem auf Expansionsdruck liegenden Leitungsabschnitt des Kältemittel- kreislaufs erfasst.

In diesem Fall erfasst somit die Notbetriebseinheit einen Differenzdruck, so dass es beispielsweise möglich ist, als Expansionselement ein bekanntes Druckentlastungsventil einzusetzen, das beispielsweise auf eine derartige Druckdifferenz selbsttätig reagiert und bei Überschreitung eines gewissen Niveaus der Druckdifferenz selbsttätig öffnet und somit den Notexpansions- massenstrom erzeugt.

Eine andere Möglichkeit ist die, dass die Notbetriebseinheit einen Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander hinsichtlich seines Absolutwertes erfasst.

Hierzu ist beispielsweise ein Drucksensor vorgesehen.

Um dabei eine Expansionsstörung der Expansionseinheit feststellen zu können ist ferner zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Notbetriebseinheit den Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander mit einem Referenzhochdruck vergleicht.

Ein Übergang der Notbetriebseinheit von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand lässt sich insbesondere vorteilhaft dann realisieren, wenn die

Notbetriebseinheit eine Steuerung aufweist, die die Notbetriebseinheit von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand überführt. Eine derartige Steuerung führt beispielsweise einen Vergleich des erfassten Hochdrucks des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander mit einem beispielsweise abgespeicherten Referenzdruck durch.

Um sicherzustellen, dass im aktiven Zustand der Notbetriebseinheit ein definierter Betrieb des Kältemittelkreislaufes möglich ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Notbetriebseinheit mindestens ein Abschaltelement zur Abschaltung der Expansionskompressionseinheit umfasst.

Dadurch ist sichergestellt, dass beispielsweise eine Leckage in der Expansions- kompressionseinheit die Funktion des Kältemittelkreislaufs nicht weiter stört und auch ein fehlerhafter Betrieb von Expander und Kompressorstufe keine Störung des Kältemittelkreislaufs bewirkt, die gegebenenfalls der Funktion der Notbetriebseinheit entgegenwirken oder auch diese stören könnte.

Hinsichtlich der Anordnung des Abschaltelements sind dabei die

unterschiedlichsten Lösungen denkbar.

Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Abschaltelement der Notbetriebs- einheit entweder vor einem Expandereingang oder nach einem Expander- ausgang angeordnet ist, so dass dadurch primär die Möglichkeit besteht, den Expander der Expansionskompressionseinheit abzuschalten.

Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass in der Umgehungs- leitung der Notbetriebseinheit ein Schaltelement angeordnet ist, welches eine direkte oder indirekte Verbindung zwischen einem Expansionsorgan zur Erzeugung des Unterkühlungsmassenstroms der Expansionseinheit und einem Expansionsdruckausgangsanschluss der Expansionseinheit herstellt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass ein in der Expansionseinheit ohnehin vorhandenes Expansionsorgan zur Erzeugung eines Unterkühlungsmassen- stroms von der Notbetriebseinheit dazu eingesetzt werden kann, den

Notexpansionsmassenstrom anstelle des Unterkühlungsmassenstroms zu erzeugen, so dass kein zusätzliches Expansionsorgan erforderlich ist.

Beispielsweise ist hierzu vorgesehen, dass das Schaltelement durch die

Steuerung der Notbetriebseinheit steuerbar ist.

Insbesondere ist es günstig, wenn das Schaltelement ein Schaltventil ist.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Schaltelement ein

3/2 Wegeventil ist, welches entweder die Umgehungsleitung oder einen Expanderausgang mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss verbindet.

Vorzugsweise dient ein 3/2 Wegeventil auch noch zusätzlich dazu, bei einer Verbindung der Umgehungsleitung mit dem Expansionsdruckausgangs- anschluss den Expanderausgang zu verschließen oder bei einer Verbindung des Expanderausgangs mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss die Umgehungsleitung zu verschließen.

Alternativ oder ergänzend zu den bislang beschriebenen Ausführungsformen sieht eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vor, dass in dem Kältemittelkreislauf eine Pulsationsdämpfereinheit angeordnet ist.

Eine derartige Pulsationsdämpfereinheit hat den großen Vorteil, dass sie in der Lage ist Pulsationen, insbesondere durch die Expansionskompressionseinheit erzeugte Pulsationen, zu dämpfen, um durch derartige Pulsationen ausgelöste Schäden und/oder Geräusche in dem Kältemittelkreislauf zu unterbinden. Eine Variante einer derartigen Pulsationsdämpfereinheit sieht vor, dass diese ein eine Dämpferkammer umschließendes Dämpfergehäuse aufweist, in welcher sich mindestens eine Gasblase aus Kältemittel ausbildet und dass die Gasblase über eine zu einer Leitung des Kältemittelkreislaufs führende

Pulsationsübertragungsleitung Pulsationen aufnimmt und in der Lage ist, diese zu dämpfen.

Im Fall des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im transkritischen Bereich führt dies in der Regel dazu, dass das Kältemittel im transkritischen Bereich vorliegt und somit in diesem Zustand die Pulsationen überträgt.

Gravierender sind jedoch Pulsationen dann, wenn das Kältemittel im

subkritischen Bereich in dem Kältemittelkreislauf vorliegt, da sich dann die Pulsationen durch das im flüssigen Zustand vorliegende Kältemittel ausbreiten.

Aus diesem Grund ist insbesondere im Fall eines Betriebs des Kältemittel- kreislaufs im subkritischen Bereich vorgesehen, dass die Gasblase über einem Kältemittelbad steht und insbesondere auch in diesem Fall in der Pulsations- Übertragungsleitung flüssiges Kältemittel vorliegt, welches die Pulsationen in das Kältemittelbad aus flüssigem Kältemittel überträgt.

Um sicherzustellen, dass in jedem Fall in der Pulsationsdämpfereinheit eine Gasblase vorliegt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Pulsations- dämpfereinheit zum Aufrechterhalten der Gasblase aus Kältemittel mit einer Beheizung versehen ist, so dass dadurch auch bei einem subkritischen Betrieb des Kältemittelkreislaufs sichergestellt werden kann, dass stets die Pulsationen dämpfende Gasblase in der Pulsationsdämpfereinheit in ausreichender Größe vorliegt. Beispielsweise erfolgt eine Beheizung der Pulsationsdämpfereinheit,

insbesondere des Dämpfergehäuses derselben, durch Kopplung der Beheizung mit einem Wärmetransportkreislauf, welcher auf einen Druck im Bereich von Hochdruck verdichtetem Kältemittel im Kältemittelkreislauf Wärme entzieht.

Eine andere Variante einer erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfereinheit sieht vor, dass die Pulsationsdämpfereinheit ein Dämpfergehäuse mit einem in diesem bewegbaren Kolben und zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten an den Kolben angrenzende sowie durch den Kolben voneinander getrennte Kammern aufweist und dass in mindestens einer der Kammern sich eine Gasblase aus Kältemittel ausbildet.

In diesem Fall dient der Kolben dazu, ebenfalls zumindest durch die sich in mindestens einer der Kammern ausbildende Gasblase eine dämpfende

Wirkung auszuüben.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der Kolben selbst in dem Dämpfer- gehäuse noch zusätzlich durch elastische Elemente, beispielsweise Federn beaufschlagt ist, die den Kolben in einer Ausgangsstellung halten, von welcher ausgehend dann der Kolben sich zur Dämpfung von Pulsationen entgegen der Kraftwirkung der elastischen Elemente bewegen kann.

Um eine optimale Pulsationsdämpfung in diesem Fall zu erreichen ist vorzugs- weise vorgesehen, dass jede der Kammern mittels einer Pulsationsüber- tragungsleitung mit unterschiedlichen Strömen von Kältemittel führenden Leitungen des Kältemittelkreislaufs verbunden ist.

Somit dient eine derartige Pulsationsdämpfereinheit insbesondere dazu, Pulsationen dadurch zu dämpfen, dass eine Verbindung zwischen unter- schiedliche Ströme von Kältemittel führenden Leitungen, die beispielsweise auch auf unterschiedlichen Druckniveaus sein können, dazu einsetzt,

Pulsationen in einer der beiden Leitungen oder auch in beiden dieser Leitungen zu dämpfen, wobei diese Leitungen durch den Kolben entkoppelt bleiben, jedoch eine Pulsation in einer der Leitungen gedämpft der anderen der

Leitungen übertragen werden kann und somit zusätzlich zu dem Kolben selbst durch die Kopplung der unterschiedlichen Ströme von Kältemittel führenden Leitungen eine Dämpfungswirkung eintritt.

Beispielsweise ist in einem derartigen Fall vorgesehen, dass eine Pulsations- Übertragungsleitung mit einem Eingang des wärmeabgebenden Wärme- Übertragers direkt oder indirekt verbunden ist und die andere Pulsationsüber- tragungsleitung mit einem Ausgang des wärmeabgebenden Wärmeübertragers direkt oder indirekt verbunden ist.

Ferner lässt sich die Dämpfungswirkung einer derartigen Pulsations- dämpfereinheit noch zusätzlich verbessern, wenn mindestens eine Pulsations- Übertragungsleitung über eine Drossel mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt ist.

Alternativ oder ergänzend zu den bislang beschriebenen Lösungen wird die eingangs genannte Aufgabe auch dadurch gelöst, dass zwischen der

Expansionseinheit und der Kühlstufe ein Zwischendrucksammler angeordnet ist, in dessen Bad sich eine Flüssigphase des Kältemittels sammelt und in dessen über dem Bad stehendem Gasvolumen sich eine Gasphase des

Kältemittels sammelt.

Bei dieser Lösung wird vorzugsweise die Flüssigphase der Kühlstufe zur Expansion in dem Expansionsorgan derselben zugeführt.

In diesem Fall hat der Zwischendrucksammler den Vorteil, dass noch eine zusätzliche Unterkühlung durch das auf Zwischendruck gehaltene Kältemittel in dem Zwischendrucksammler realisierbar ist. Im Fall eines Zwischendrucksammlers ist vorzugsweise vorgesehen, dass aus dem Gasvolumen des Zwischendrucksammlers ein Zusatzmassenstrom abgeführt wird.

Ein derartiger Zusatzmassenstrom lässt sich insbesondere über ein

Expansionsorgan der Saugdruckleitung zuführen.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der vom Expansionsorgan expandierte Zusatzmassenstrom einen zur Kühlstufe geführten Hauptmassen- strom in einem Wärmetauscher zusätzlich unterkühlt, so dass der Haupt- massenstrom noch weiter abgekühlt werden kann.

Ferner ist es vorzugsweise im Rahmen dieser Lösung ebenfalls möglich, dass der Kühlstufe eine Tiefkühlstufe in Form eines Booster zugeschaltet ist.

Das Vorsehen eines Zwischendrucksammlers und eines Expansionsorgans zur Steuerung des aus dem Zwischendrucksammler abgeführten Zusatzmassen- stroms schafft weiterhin die Möglichkeit, mittels einer das Expansionsorgan ansteuernden Zwischendrucksteuerung einen Zwischendruck im Zwischen- drucksammler auf einen bestimmten Druckwert zu regeln.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erfolgt dabei üblicherweise eine Regelung auf einen festen Druckwert des Zwischendrucks, die insbesondere unabhängig von der Regelung oder Steuerung des Hoch- drucks im Gesamtmassenstrom ist, die über die der Expansionseinheit zugeordnete Steuerung erfolgt.

Um jedoch den COP (coefficient of performance), das heißt das Verhältnis von Kühlleistung zu eingesetzter mechanischer Leistung, insbesondere im

Sommerbetrieb zu verbessern oder einen Funktionsbereich der Expansions- kompressionseinheit, insbesondere im Weiterbetrieb zu erweitern, sind mehrere Alternativen denkbar. Eine Lösung sieht vor, dass die das Expansionsorgan ansteuernde Zwischen- drucksteuerung den Druck und/oder die Temperatur des Gesamtmassen- stroms in der Hochdruckableitung sowie die Größe des Eingangsdrucks der Kompressorstufe erfasst und den Zwischendruck so steuert, dass sich ein für diese erfassten Größen geeigneter vorgegebener Wert des Eingangsdrucks einstellt.

Eine andere günstige Lösung sieht vor, dass der Druckwert, auf welchen der Zwischendruck im Zwischendrucksammler durch die Zwischendrucksteuerung geregelt wird, sich aus deinem Grundwert, beispielsweise einem Wert im Bereich von 30 bar bis 45 bar im Fall von CO2 als Kältemittel, und Zuschlags- werten mit Beträgen, beispielsweise im Bereich von 0,5 bar bis 7 bar im Fall von CO2 als Kältemittel, ermittelt wird.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch die Anpassung des Zwischendrucks und beispielsweise auch somit aufgrund der Rückwirkung auf die Expansions- einheit, insbesondere auf einen Eingangsdruck der Kompressorstufe noch zusätzliche Effizienzsteigerungen möglich sind.

Beispielsweise erfolgt dies dadurch, dass die Zuschlagswerte bei Sommer betrieb positive Werte und beim Winterbetrieb negative Werte aufweisen, wobei die Beträge der Zuschlagswerte in dem vorstehend genannten Bereich liegen.

Ferner ist es noch vorteilhaft, wenn die Größe der Zuschlagswerte von den bei Regelung des Hochdrucks sich einstellenden Werten des Hochdrucks abhängig sind.

Das heißt, dass je nach den sich einstellenden Werten des durch die eingangs erwähnte Steuerung des Hochdrucks mittels der Expansionseinheit auch die Größe der Zuschlagswerte variiert. So ist beispielsweise vorgesehen, dass im Sommerbetrieb die Zuschlagswerte bei hohen Werten des Hochdrucks größer sind als bei niedrigen Werten des Hochdrucks.

Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass im Winterbetrieb die

Zuschlagswerte bei hohen Werten des Hochdrucks kleiner sind als bei niedrigen Werten des Hochdrucks.

Dabei liegen die Beträge der Zuschlagswerte jeweils in dem vorstehend genannten Bereich von 0,5 bar bis 7 bar.

Hinsichtlich der Expansionseinheit selbst wurden keine näheren Angaben gemacht, außer dass diese eine Expansionskompressionseinheit mit einem Expander und einer Kompressorstufe umfasst.

Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Lösungen sieht eine weitere Lösung der eingangs genannten Aufgabe einen energetisch hoch- effizienten Kältemittelkreislauf vor, wobei die Expansionseinheit ein

Expansionssystem umfasst, welches einer Unterkühlungseinheit zum Unter- kühlen des der Expansionseinheit zugeführten Gesamtmassenstroms der Kältemittels aufweist, die Expansionskompressionseinheit umfassend den Expander und die Kompressorstufe, eine Verzweigung, welche von dem der Expansionseinheit zugeführten Gesamtmassenstrom einen Unterkühlungs- massenstrom abzweigt und mit einer Zuleitung verbunden ist, aufweist, die den Unterkühlungsmassenstrom zu einem Eingang der Unterkühlungseinheit führt, ein in der Zuleitung vorgesehenes Expansionsorgan aufweist, welches den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Unterkühlungsdruck expandiert, und eine Verbindungsleitung aufweist, welche den aus der Unterkühlungs- einheit austretenden Unterkühlungsmassenstrom der Kompressorstufe zuführt, der seinerseits den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Rück- führungshochdruck verdichtet, der mindestens einem Hochdruck

des Verdichtermassenstroms entspricht, dem der Unterkühlungsmassenstrom zugeführt wird. Zur Steuerung des Hochdrucks des Gesamtmassenstroms ist es besonders vorteilhaft, wenn eine elektrisch arbeitende Steuerung vorgesehen ist, welche mindestens eine der folgenden Größen wie: eine Umgebungstemperatur, eine Temperatur des der Expansionseinheit und/oder der Expanderstufe

zugeführten Massenstroms des Kältemittels und einen Eingangsdruck der Kompressorstufe, erfasst und entsprechend dieser Temperatur und/oder gegebenenfalls dieses Eingangsdrucks der Kompressorstufe einen Eingangs- druck der Expansionseinheit oder der Expanderstufe - und somit indirekt den Hochdruck des Gesamtmassenstroms - und/oder gegebenenfalls einen

Eingangsdruck der Kompressorstufe durch Steuerung des Unterkühlungs- massenstroms mittels des von der Steuerung elektrisch angesteuerten

Expansionsorgans einstellt.

Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass diese energetisch hoch- effizient arbeitet, da in dem der Expanderstufe zugeführten Massenstrom keinerlei Drosselorgan vorgesehen ist, um den zur Expanderstufe strömenden Massenstrom einzustellen.

Vielmehr erfolgt ein Einstellen des zur Expanderstufe strömenden und für den Eingangsdruck der Expansionseinheit oder der Expansionskompressionseinheit relevanten Massenstroms ausschließlich über die Steuerung des Unter- kühlungsmassenstroms mittels des von der Steuerung angesteuerten

Expansionsorgans, so dass bei der Expansion des Massenstroms in der

Expanderstufe eine maximale Energierückgewinnung erfolgt, die zum

Verdichten des Unterkühlungsmassenstroms in die Kompressorstufe eingesetzt werden kann, so dass dadurch gleichzeitig wiederum eine optimale Unter- kühlung des expandierten Massenstroms vor dessen Expansion erfolgt.

Insbesondere umfasst hierzu das Expansionsorgan einen elektrisch

antreibbaren Stellmotor. Hinsichtlich der Messung der Temperatur des Massenstroms des Kältemittels sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar.

Eine Lösung sieht vor, dass die Steuerung die Umgebungstemperatur und/oder die Temperatur des Massenstroms des Kältemittels vor einem

Eingang der Unterkühlungseinheit und/oder vor dem Eintritt desselben in den Expander mittels eines Sensors misst.

Eine weitere, die Temperatur des Massenstroms des Kältemittels umfassend erfassende Lösung sieht vor, die Temperatur des Massenstroms des Kälte- mittels vor dessen Eintritt in die Unterkühlungseinheit und vor dessen Eintritt in den Expander jeweils mit einem Sensor zu messen.

Eine weitere Lösung sieht vor, dass die Steuerung die Umgebungstemperatur mittels eines Sensors erfasst und diese allein oder gegebenenfalls in

Kombination mit der Temperatur des Massenstroms des Kältemittels vor dessen Eintritt in die Unterkühlungseinheit und/oder vor dessen Eintritt in den Expander für die Steuerung des Expansionsorgans berücksichtigt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung eine elektronische, einen Prozessor umfassende Steuerung ist, die mittels eines Steuerprogramms das Expansionsorgan elektrisch ansteuert, da mit einem Prozessor die vielfältigen Korrelationen zwischen der gemessenen Temperatur und dem mit dem

Expansionsorgan zu steuernden Unterkühlungsmassenstrom in einfacher Weise realisiert werden können.

Insbesondere besteht bei dieser Ausbildung der Steuerung die Möglichkeit das Expansionsorgan stets so zu steuern, dass der Unterkühlungsmassenstrom im überhitzten Zustand aus der Unterkühlungseinheit austritt und somit vermieden wird, dass teilweise flüssiges Kältemittel im Unterkühlungsmassen- strom aus der Unterkühlungseinheit austritt und der Expansionsstufe zugeführt wird. Zur Überwachung der Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden Unterkühlungsmassenstroms ist insbesondere ein mit der Steuerung verbundener Sensor in einer Verbindungsleitung zwischen der Unterkühlungseinheit und der Kompressorstufe vorgesehen, um einen

Eingangsdruck der Kompressorstufe zu erfassen, beispielsweise wenn eine Regelung desselben erfolgen soll.

Bei der beschriebenen Lösung ist das Steuerprogramm insbesondere so ausgebildet, dass es entweder einen Algorithmus zur Festlegung der

Ansteuerung des Expansionsorgans umfasst oder eine abgespeicherte

Korrelationstabelle, welche die Einstellung des Expansionsorgans mit der gemessenen Temperatur des zugeführten Massenstroms korreliert.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass die Verzweigung zwischen der Unterkühlungseinheit und der Expansionskompressionseinheit angeordnet ist und nach der Unterkühlungseinheit von dem Gesamtmassenstrom den Unter- kühlungsmassenstrom abzweigt.

Diese Lösung ist energetisch dadurch vorteilhaft, da damit der abgezweigte Unterkühlungsmassenstrom ebenfalls bereits in der Unterkühlungsmassen- einheit vorab gekühlt wurde.

Diese Lösung ist insbesondere bei subkritischer Wärmeabfuhr vorteilhaft und gestattet eine stärkere Unterkühlung.

Ferner hat diese Lösung den Vorteil, dass von der Expansionskompressions- einheit ausgehende Pulsationen durch die von der Abzweigung wegführende Zuleitung mit dem Expansionsorgan gedämpft werden.

Hinsichtlich der Ausbildung der Unterkühlungseinheit wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So kann die Unterkühlungseinheit unterschiedlich ausgebildet sein.

Eine Lösung sieht vor, dass die Unterkühlungseinheit als Wärmetauscher- einheit ausgebildet ist und den zur Expanderstufe strömenden Massenstrom des Kältemittels durch den im Gegenstrom durch diese geführten Unter- kühlungsmassenstrom kühlt.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Unterkühlungseinheit als Sammelbehälter ausgebildet ist, in welchem sich ein Bad aus flüssigem Kälte- mittel des Unterkühlungsmassenstroms ausbildet, welches ein den zur

Expanderstufe strömenden Massenstrom des Kältemittels durch das Bad führendes Element kühlt, wobei sich über dem Bad ein Gasvolumen bildet, aus welchem der gasförmige Unterkühlungsmassenstrom abgeführt wird.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass einerseits der durch das Element geführte Massenstrom optimal unterkühlt wird und andererseits durch die Abfuhr des Unterkühlungsmassenstroms aus dem Gasvolumen sichergestellt werden kann, dass der Kompressorstufe kein flüssiges Kältemittel zum Verdichten zugeführt wird.

Hinsichtlich der Verbindung des Expanders und der Kompressorstufe wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

Prinzipiell könnten der Expander und die Kompressorstufe beispielsweise durch eine Generatormotoreinheit gekoppelt sein.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, dass der Expander und die Kompressorstufe der Expansionskompressionseinheit mechanisch funktionell gekoppelt sind.

Eine derartige mechanische funktionelle Kopplung bedeutet, dass die bei dem Expander generierte Energie über eine mechanische Verbindung direkt auf die Kompressorstufe übertragen wird. Diese Lösung hat andererseits aber auch den Vorteil, dass die erfindungs- gemäße Lösung, nämlich die Steuerung des durch den Expander expandierten Massenstroms in einfacher Weise über den Unterkühlungsmassenstrom, der durch die Kompressorstufe komprimiert wird, gesteuert werden kann.

Prinzipiell können der Expander und die Kompressorstufe durch geeignete Arten von rotierend angetriebenen Maschinen gebildet sein.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Expander und die Kompressorstufe durch eine Freikolbenmaschine gebildet sind, in welcher mindestens ein Freikolben in einer Kolbenkammer frei bewegbar ist.

Vorzugsweise ist die Expansionskompressionseinheit dabei so ausgebildet, dass sie zwei Kolbenkammern aufweist, in denen jeweils ein Freikolben bewegbar ist.

Ferner sind vorzugsweise die Freikolben miteinander gekoppelt bewegbar.

Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenmaschine ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein erster Freikolben in der jeweiligen Kolbenkammer eine erste

Expansionskammer und eine erste Kompressionskammer voneinander trennt.

Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein zweiter Freikolben in der jeweiligen Kolbenkammer eine zweite Expansionskammer von einer zweiten Kompressionskammer trennt.

Um die beiden Freikolben in vorteilhafter Weise zu betreiben ist vorzugsweise vorgesehen, dass die beiden Freikolben in den Kolbenkammern koaxial zueinander angeordnet und bewegbar sind.

Zweckmäßigerweise ist die erste Kolbenkammer von der zweiten Kolben- kammer durch einen Trennkörper getrennt. Ein vorteilhafter Betrieb der Expansionskompressionseinheit lässt sich dann realisieren, wenn die beiden Expansionskammern an den Trennkörper angrenzend in den Kolbenkammern angeordnet sind.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die beiden Kompressionskammern auf den Expansionskammern gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Frei- kolben angeordnet sind.

Prinzipiell können die Freikolben unabhängig voneinander arbeiten.

Eine vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, dass ein die Freikolben koppelndes Kopplungselement sich durch den Trennkörper hindurch erstreckt und relativ zu diesem, insbesondere abgedichtet, bewegbar ist.

Im einfachsten Fall ist dabei das Kopplungselement so ausgebildet, dass es sich jeweils durch die Expansionskammern bis zu dem jeweiligen Freikolben erstreckt.

Hinsichtlich des Zustroms des Kältemittels zu den Expansionskammern ist vorzugsweise vorgesehen, dass diese durch ein Schiebersystem steuerbar sind.

Ein derartiges Schiebersystem ist beispielsweise als Wechselschieber ausgebildet, so dass in einer Schieberstellung das Kältemittel in eine

Expansionskammer strömt und aus der anderen Expansionskammer abströmt und in der anderen Schieberstellung das Kältemittel in die andere Expansions- kammer strömt und aus der anderen Expansionskammer abströmt.

Zur Steuerung des Schiebersystems ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Schiebersystem durch einen Schieberantrieb steuerbar ist, mit dem die beiden Schieberstellungen einstellbar sind. Ein derartiger Schieberantrieb kann durch eine elektrische Steuerung erfolgen, welche mindestens eine Position der Freikolben mittels mindestens einem diesen zugeordneten Positionssensor erfasst.

Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass der Schieberantrieb durch eine Druckdifferenz zwischen einem Expandereingang und einem

Expanderausgang steuerbar ist.

Vorzugsweise ist dabei der Schieberantrieb als doppelwirkender Betätigungs- zylinder ausgebildet, dessen Kolben einerseits mit dem Druck am Expander- eingang und andererseits mit dem Druck am Expanderausgang beaufschlagt ist.

Zur Ansteuerung einer derartigen Antriebseinheit ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass der Schieberantrieb durch einen Steuerschieber ansteuerbar ist, welcher die Beaufschlagung des Kolbens mit dem Druck am Expander- eingang einerseits und am Expanderausgang andererseits steuert.

Der Steuerschieber ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er die Positionen der Freikolben erfasst und sich entsprechend diesen bewegt.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Steuerschieber durch die Freikolben bewegbar ist.

Um die erfindungsgemäße Expansionseinheit vorzugsweise als eine einzige, fertig montierte Einheit liefern und in einen Kältemittelkreislauf einbauen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Expansionseinheit eine

Vorrichtungsbasis aufweist, an welcher die Unterkühlungseinheit und die Expansionskompressionseinheit angeordnet ist.

Ferner ist es günstig, wenn an der Vorrichtungsbasis auch die Steuereinheit angeordnet ist. Darüber hinaus ist es für den Einbau von Vorteil, wenn an der Vorrichtungs- basis ein Hochdruckeingangsanschluss und ein Expansionsdruckausgangs- anschluss angeordnet ist.

Ferner ist bei einer vorteilhaften Lösung vorgesehen, dass an der

Vorrichtungsbasis ein Hochdruckausgangsanschluss angeordnet ist, über welchen beim Einbau der Expansionseinheit der verdichtete Unterkühlungs- massenstrom abströmt.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass an der Vorrichtungsbasis Wärmetauscheranschlusseinheiten vorgesehen sind, mit denen mehrere hoch- druckseitige Wärmetauscher angeschlossen werden können.

Insbesondere ist dabei jede der Wärmetauscheranschlusseinheiten so ausgebildet, dass sie jeweils ein Dreiwegeventil und jeweils eine Überbrückung für den jeweiligen Wärmetauscher aufweist, so dass durch das Dreiwegeventil die Möglichkeit besteht, die Durchströmung des jeweiligen Wärmetauschers zu steuern.

Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass mindestens eine der Wärme- tauscheranschlusseinheiten mit einem hochdruckseitigen, Wärme an die Umgebungsluft abgebenden Wärmetauscher verbunden ist.

Prinzipiell ist es im Rahmen der bislang beschriebenen Lösung denkbar, die Kühlstufe ohne eigenes Expansionsorgan zu betreiben und in der Kühlstufe mit dem von der Expansionseinheit expandierten Massenstrom zu arbeiten.

In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn auf die Kühlstufe folgend ein

Phasenseparator angeordnet ist, dessen Gasphase von einer Saugdruckleitung dem Kältemittelverdichter zugeführt wird. Ein derartiger Phasenseparator hat den Vorteil, dass dadurch verhindert wird, dass dem Kältemittelverdichter flüssiges Kältemittel zur Verdichtung zugeführt wird.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Kühlstufe mindestens ein Expansionsorgan aufweist, so dass mit diesem die Möglichkeit besteht, den in der Kühlstufe gewünschten Druck festzulegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nach- folgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger

Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Expansionseinheit mit einer ersten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung des ersten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Expansionseinheit mit der ersten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Expansionskompressionseinheit;

Fig. 4 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 3 eines zweiten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Expansions- kompressionseinheit;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs mit einer zweiten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit; Fig. 6 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Expansionseinheit mit einer dritten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer vierten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer fünften Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Expansionseinheit mit einer sechsten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Expansionseinheit mit der sechsten Ausführungsform der Notbetriebseinheit;

Fig. 11 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer siebten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit in einer ersten Stellung eines 3/2 Wegeventils;

Fig. 12 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der einer Expansionseinheit mit der siebten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit in einer zweiten Stellung des 3/2 Wegeventils;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Expansionseinheit; Fig. 14 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs;

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs und

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Fig. 1, umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kälte- mittelkreislauf, in welchem eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kältemittel- verdichtereinheit angeordnet ist, die beispielsweise mindestens einen

Kältemittelverdichter umfasst.

Die Kältemittelverdichtereinheit 12 weist einen Sauganschluss 14 und einen Druckanschluss 16 auf, wobei am Druckanschluss 16 üblicherweise auf Hoch- druck PHI komprimiertes Kältemittel vorliegt.

Unter dem Begriff "auf Hochdruck komprimiertes Kältemittel" ist dabei zu verstehen, dass das Kältemittel den höchsten, im Kältemittelkreislauf vorliegenden Druck aufweist.

Von dem Druckanschluss 16 führt eine Hochdruckleitung 18 einen von der Kältemittelverdichtereinheit 12 auf Hochdruck PHI verdichteten Verdichter- massenstrom V zu einem Eingang 24 eines als Ganzes mit 22 bezeichneten hochdruckseitigen wärmeabgebenden Wärmeübertragers, welcher

insbesondere an die Umgebungsluft Wärme abgibt und somit das Kältemittel abkühlt, so dass an einem Ausgang 26 des hochdruckseitigen Wärme- Übertragers 22 ein Gesamtmassenstrom G von durch den hochdruckseitigen Wärmeübertrager 22 gekühltem Kältemittel vorliegt, der von einer Kältemittel bei einem Hochdruck PH2, der aufgrund des Wärmeübertragers 22 geringfügig niedriger als der Hochdruck PHI ist, führenden Hochdruckableitung 28 einer als Ganzes mit 32 bezeichneten hochdruckregelnden Expansionseinheit 32 zugeführt wird, die einen mit der Hochdruckableitung 28 verbundenen Hoch- druckeingangsanschluss 34, einen Expansionsdruckausgangsanschluss 36 und einen Hochdruckausgangsanschluss 38 aufweist.

Dabei ist der auf einem Expansionsdruck PE liegende Expansionsdruck- ausgangsanschluss 36 mit einer Expansionsleitung 42 verbunden, die bei dem in Fig. 1 dargestellten einfachsten Ausführungsbeispiel zu einer Kühlstufe 62 führt, die im einfachsten Fall einen zur Kühlung wärmeaufnehmenden Wärme- Übertrager 64 aufweist.

Bei diesem vereinfachten Ausführungsbeispiel liegt der wärmeaufnehmende Wärmeübertrager 64 auf dem Expansionsdruck PE, so dass diesem Wärme- Übertrager 64 kein separates Expansionsventil vorgeschaltet ist.

Zum Schutz der Kältemittelverdichtereinheit 12 ist dem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager 64 ein Phasenseparator 72 nachgeschaltet, welcher in einer Saugdruckleitung 74 angeordnet ist, der von der Kühlstufe 62 zum Saug- anschluss 14 der Kältemittelverdichtereinheit 12 führt und verhindert, dass flüssiges Kältemittel von der Kältemittelverdichtereinheit 12 am Sauganschluss 14 angesaugt wird.

Von dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 strömt somit ein auf

Expansionsdruck PE befindlicher Expansionsdruckmassenstrom EPM durch die Expansionsleitung 42 zu der Kühlstufe 62 und von der Kühlstufe 62 wiederum über die Saugdruckleitung 74 zu der Kältemittelverdichtereinheit 12. Dabei entspricht der Expansionsdruckmassenstrom EPM nicht dem Gesamt- massenstrom sondern es erfolgt in der Expansionseinheit 32 eine Aufteilung des Gesamtmassenstroms G in einem Expansionsmassenstrom EM und einen Unterkühlungsmassenstrom UM, der von der Expansionseinheit 32 am Hoch- druckausgangsanschluss 38 bei einem Rückführungsdruck PR als Unter- kühlungsrückführungsmassenstrom URM einer Rückführungsleitung 78 abgegeben wird und von dieser dem Verdichtermassenstrom V vor dessen Eintritt in den wärmeabgebenden hochdruckseitigen Wärmeübertrager 22 zugeführt wird.

Die erfindungsgemäßen Kältemittelkreisläufe 10, die nachfolgend beschrieben werden, sind alle vorzugsweise für Kohlendioxid, das heißt CO2, oder

Ammoniak konzipiert, so dass bei gängigen Umgebungsbedingungen üblicher- weise ein transkritischer Kreisprozess vorliegt, bei welchem lediglich vor Durchführung der Expansion des Kältemittels durch die Expansionseinheit 32 beispielsweise mittels des Wärmeübertragers 22 eine Abkühlung des Kälte- mittels auf eine Temperatur erfolgt, die oberhalb der Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so dass keine

Verflüssigung des Kältemittels vorliegt.

Lediglich im Fall sehr niedriger Temperaturen zur Kühlung des hochdruck- seitigen wärmeabgebenden Wärmeübertragers besteht die Möglichkeit, einen subkritischen Kreisprozess durchzuführen, so dass in diesem Fall eine

Kondensation des Kältemittels auf einer Temperatur erfolgt, die einer die Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden

Isothermen entspricht. Das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten

Expansionseinheit 32 umfasst, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, ein

Expansionssystem 30, das eine als Ganzes mit 82 bezeichnete Vorrichtungs- basis aufweist, an welcher der Hochdruckeingangsanschluss 34 der

Expansionsdruckausgangsanschluss 36 und der Hochdruckausgangsanschluss 38 angeordnet sind.

Ferner ist bei dem Expansionssystem 30 mit der Vorrichtungsbasis 82 eine Expansionskompressionseinheit 84 verbunden, welche eine Expanderstufe 86 und eine Kompressorstufe 88 umfasst, die in der Expansionskompressions- einheit 84 integriert und starr miteinander gekoppelt sind.

Die Expansionskompressionseinheit 84 umfasst einen Expandereingang 92 und einen Expanderausgang 94, der mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 verbunden ist, sowie einen Kompressoreingang 96 und einen Kompressor- ausgang 98, der seinerseits wiederum mit dem Hochdruckausgangsanschluss 38 verbunden ist.

Ferner ist bei dem Expansionssystem 30 an der Vorrichtungsbasis 82 eine Unterkühlungseinheit 102 angeordnet, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel als Gegenstromwärmeübertrager ausgebildet ist und einen Eingang 104 und einen Ausgang 106 für den zu kühlenden Massenstrom, insbesondere in diesem Fall den Gesamtmassenstrom G, aufweist sowie einen Eingang 112 und einen Ausgang 114 für den als Gegenstrom durch den Wärmeübertrager geführten Unterkühlungsmassenstrom UM aufweist.

Der Unterkühlungsmassenstrom UM wird bei dem Expansionssystem 30 an einem Abzweig 116 von dem am Ausgang 106 der Unterkühlungseinheit 102 austretenden und unterkühlten Gesamtmassenstrom G abgezweigt, so dass ein Expansionsmassenstrom EM vom Abzweig 116 durch eine Zuleitung zu dem Expandereingang 92 geführt wird und der Unterkühlungsmassenstrom UM durch ein Absperrorgan 124 und ein mit einem Stellantrieb 123 angetriebenes Expansionsorgan 122 in der Zuleitung 126 geführt wird, in welchem der Unterkühlungsmassenstrom UM auf einen Druck PU expandiert wird, und danach dem Eingang 112 der Unterkühlungseinheit 102 zugeführt wird, wobei der Unterkühlungsmassenstrom UM in der Unterkühlungseinheit 102 im Gegenstrom den von dem Eingang 104 zum Ausgang 106 strömenden Gesamtmassenstrom G unterkühlt und vom Ausgang 114 mittels einer

Verbindungsleitung 128 dem Kompressoreingang 96 zugeführt wird.

Die in der Expanderstufe 86 durch Expansion des Expansionsmassenstroms EM frei werdende mechanische Energie wird in der Expansionskompressionseinheit 84 durch eine mechanische funktionale Kopplung unmittelbar der Kompressor- stufe 88 zugeführt und führt in dieser zu einem Verdichten des Unter- kühlungsmassenstroms UM von einem Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 auf einen Rückführungshochdruck PR, welcher dem Druckniveau PHI in der Hochdruckleitung 18 entspricht oder höher als dieser ist, so dass der Unter- kühlungsrückführungsmassenstrom URM vom Hochdruckausgangsanschluss 38 über eine Hochdruckrückleitung 78 dem Verdichtermassenstrom V zugeführt werden kann.

Ferner ist in dem Expansionssystem 30 noch eine Steuerung 132 vorgesehen, die einerseits beispielsweise mit einem Sensor 134, der insbesondere ein Temperatursensor ist, die Temperatur des Massenstroms des Kältemittels vor dessen Expansion in der Expansionsstufe 86 erfasst und beispielsweise entsprechend dieser Temperatur mittels des Stellantriebs 123 das Expansions- organ 122 steuert.

Hierzu ist der Sensor 134 beispielsweise zwischen dem Abzweig 116 und der Expanderstufe 86 als Sensor 134i angeordnet.

Ferner ist der Steuerung ein Sensor 135 zugeordnet, mit welchem diese in der Lage ist, den Eingangsdruck EP zu erfassen. Alternativ oder ergänzend hierzu ist aber auch der Sensor 134 als Sensor 1342 zwischen dem Hochdruckeingangsanschluss 34 und der Unterkühlungseinheit 102 einsetzbar.

Alternativ oder ergänzend ist insbesondere vorgesehen, dass der Sensor 134 als Sensor 134 ₃ die Umgebungstemperatur misst, die insbesondere durch die den Wärmeübertrager 22 durchströmende Umgebungsluft maßgeblich die Temperatur des Gesamtmassenstroms G des Kältemittels am Ausgang 26 des Wärmeübertragers 22 beeinflusst.

Die Steuerung 132 kann beispielsweise autark arbeiten, so dass die Steuerung Teil des als eigenständige Einheit in den Kältemittelkreislauf eingebauten Expansionssystems 30 ist.

Es ist aber auch vorgesehen, dass die Steuerung 132 mit einem externen Regler 138 gekoppelt ist, der - wie in Fig. 1 dargestellt - alternativ oder ergänzend zu den Sensoren 134 die Temperatur des Gesamtmassenstroms G in der Hochdruckabteilung 28 und/oder die Temperatur oder den Druck im Kältemittelverdichter 12 erfasst um den Stellantrieb 123 direkt oder indirekt oder mittels der Steuerung 132 anzusteuern.

Dabei dient das Expansionsorgan 122 dazu, den Unterkühlungsmassenstrom UM zu steuern, und dadurch den Hochdruck PH2 am Hochdruckeingangs- anschluss 34 und somit auch den Hochdruck PH2 in der Hochdruckableitung 28 entsprechend einem der Steuerung 132 und/oder dem externen Regler 138 vorgegebenen, insbesondere in dieser als Datei oder Algorithmus

abgespeicherten Zusammenhang in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen Temperatur des Kältemittels und somit in Abhängigkeit von den Möglichkeiten zur Kühlung des auf dem Hochdruck PH2 befindlichen Kältemittels, beispiels- weise in Abhängigkeit von der zur Kühlung im Wärmeübertrager 22

vorliegenden Umgebungstemperatur, zu regeln. Die Steuerung 132 und/oder der externe Regler 138 umfassen beispielsweise einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Algorithmus oder eine

Korrelationstabelle gespeichert sind, durch welche eine Korrelation zwischen den Einstellungen des Expansionsorgans 122 mit den gemessenen

Temperaturen gespeichert ist, so dass die Einstellungen des Expansionsorgans 122, vorgenommen durch den von der Steuerung 132 angesteuerten Stell- antrieb 123, dazu führen dass sich am Hochdruckeingangsanschluss 34 und/oder am Eingang 104 der Unterkühlungseinheit 102 und/oder am

Expandereingang 92 der der Temperatur entsprechende Hochdruck PH2 einstellt.

Die Regelung des Hochdrucks PH2 durch Steuerung des Unterkühlungs- massenstroms UM ist möglich, da durch die mechanische funktionale Kopplung des Expanders 86 mit der Kompressorstufe 88 der Expansionsmassenstrom EM direkt gemäß einem festen Volumenverhältnis mit dem Unterkühlungs- massenstrom UM korreliert ist, so dass durch Vorgabe des Unterkühlungs- massenstrom UM der Expansionsmassenstrom EM vorgebbar ist. Üblicherweise umfasst der Unterkühlungsmassenstrom UM ungefähr 15 % bis 35 % des Gesamtmassenstroms G, so dass der Expansionsmassenstrom EM ungefähr 85 % bis 65 % des Gesamtmassenstroms G umfasst.

Insbesondere erfolgt die Regelung des Hochdrucks PH2 so, dass in der Unter- kühlungseinheit 102 die Temperatur des Gesamtmassenstroms G an der heißen Seite, also am Eingang 104, nur wenige Kelvin, beispielsweise weniger als 4 Kelvin, noch besser weniger als 3 Kelvin, insbesondere ein bis zwei Kelvin, über der Temperatur des Unterkühlungsmassenstroms UM am Ausgang 114 der Unterkühlungseinheit 102 liegt, um das Kältemittel im Unter- kühlungsmassenstrom U im Wesentlichen vollständig zu verdampfen.

Um gegebenenfalls die Temperatur des Unterkühlungsmassenstroms UM am Ausgang 114 zuverlässig überwachen zu können, ist insbesondere noch in der Verbindungsleitung 128 ein mit der Steuerung 132 verbundener Sensor vorgesehen. Es ist aber auch möglich, mit der Steuerung 132 und/oder 138 den Eingangs- druck EP mittels des Sensors 135 zu erfassen und auf einen den Größen wie Druck und/oder Temperatur des Gesamtmassenstroms G und der Größe des Eingangsdrucks EP entsprechenden geeigneten Wert zu regeln, wobei die geeigneten Werte zu den genannten Größen beispielsweise in der Steuerung 132 und/oder 138 abgespeichert sind.

Durch die Anordnung der Steuerung 132, des Expansionsorgans 122, der Unterkühlungseinheit 102 und der Expansionskompressionseinheit 84 an der Vorrichtungsbasis 82 bildet diese insgesamt eine selbständig in dem Kühlkreis- lauf 10 montierbare Einheit, welche durch Regelung des Hochdrucks PH2, der ausgangsseitig des wärmeabgebenden Wärmeübertragers 22 vorliegt, die Betriebszustände des Kältemittelkreislaufs 10 regelt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die als Ganzes mit 84 bezeichnete Expansions- kompressionseinheit als Freikolbenmaschine ausgebildet, die ein Zylinder- gehäuse 142 aufweist, in welchem zwei voneinander getrennte Kolben- kammern 144 und 146 angeordnet sind, wobei in jeder Kolbenkammer ein bewegbarer Freikolben 152, 154 angeordnet ist.

Die Freikolben 152 und 154 unterteilen dabei die jeweiligen Kolbenkammern 144 und 146 in Expansionskammern 162 und 164 sowie Kompressions- kammern 166 und 168.

Ferner sind die Freikolben 152 und 154 vorzugsweise mechanisch miteinander gekoppelt, und zwar so, dass bei maximalem Volumen der ersten Expansions- kammer 162 der erste Kolben 152 so steht, dass die erste Kompressions- kammer 166 ein minimales Volumen aufweist und gleichzeitig der zweite Frei- kolben 154 so steht, dass dessen Expansionskammer 164 ein minimales Volumen aufweist, während die Kompressionskammer 168 das maximale Volumen aufweist oder umgekehrt. Somit führt beispielsweise eine Volumenzunahme der ersten Expansions- kammer 162 dann, wenn diese durch den Hochdruck am Expandereingang 92 beaufschlagt ist, zu einem Verdichten von Kältemittel des Unterkühlungs- massenstroms U in der ersten Kompressionskammer 166, gleichzeitig zu einem Ausschieben des Kältemittels in der zweiten Kompressionskammer 168 in Richtung des Expanderausgangs 94 und zu einem Ansaugen von Kältemittel in der zweiten Kompressionskammer 168 über den Kompressoreingang 96.

Umgekehrt führt eine Beaufschlagung der zweiten Expansionskammer 164 durch über den Expandereingang 92 zugeführtes auf Hochdruck befindliches Kältemittel zu einem Verdichten des Kältemittels in der zweiten Kompressions- kammer 168 und somit einem Ausschieben desselben zum Kompressor- ausgang 98, während gleichzeitig ein Ausschieben des Kältemittels in der ersten Expansionskammer 162 in Richtung des Expanderausgangs 94 erfolgt und ein Ansaugen von Kältemittel in der ersten Kompressionskammer 166 über den Kompressoreingang 96 erfolgt.

Vorzugsweise sind dabei der erste Freikolben 152 und der zweite Freikolben 154 koaxial zueinander angeordnet und bewegen sich in ebenfalls koaxial zueinander angeordneten Kolbenkammern 144 und 146 die durch einen Trennkörper 148 voneinander getrennt sind, wobei der Trennkörper 148 von einem Kopplungselement 172 abgedichtet durchsetzt ist, welches die

Bewegung der beiden Freikolben 152 und 154 koppelt.

Im einfachsten Fall kann dabei das Kopplungselement 172 als den Trennkörper 158 durchsetzende und sich mit den Freikolben 152, 154 mitbewegende Kopplungsstange ausgebildet sein, welche jeweils an den Freikolben 152 und 154 frei anliegt, also nicht mit diesen fest verbunden ist. Dadurch, dass beim Einströmen von Kältemittel über den Expandereingang 92 der Druck in dieser Expansionskammer 162 beziehungsweise 164 auf den jeweiligen Freikolben 152 beziehungsweise 154 wirkt und gleichzeitig in der jeweiligen Kompressionskammer 168 beziehungsweise 166 des jeweils anderen Freikolbens 154 beziehungsweise 152 ein Druck wirkt, der höher ist als der Druck am Expanderausgang 94, der in der jeweiligen Expansions- kammer 164 beziehungsweise 162 vorliegt, lässt sich in der durch den Frei- kolben 152 beziehungsweise 154 beaufschlagten Kompressionskammer 166 beziehungsweise 168 ein Druck erzeugen, der höher ist als der am Expander- eingang 92 anliegende Hochdruck, so dass sich der Unterkühlungsmassen- strom U auf einen am Kompressorausgang 98 anliegenden Druck verdichten lässt, der mindestens dem Hochdruck PHI am Eingang 24 des wärme- abgebenden Wärmeübertragers oder dem Druck in der Hochdruckleitung 18 entspricht, obwohl der Hochdruck PH2, der Expandereingang zur Verfügung steht aufgrund von Druckverlusten im Wärmeübertrager 22 etwas kleiner als der Hochdruck PHI ist.

Zur Verbindung der Kompressionskammern 166 und 168 mit dem

Kompressoreingang 96 sind vom Kompressoreingang 96 ausgehende

Zuleitungen 182 vorgesehen, die zu den Kompressionskammern 166 und 168 zugeordneten Einlassventilen 184 und 186 führen und außerdem ist der Kompressorausgang 98 mit einer Druckleitung 192 verbunden, die von den Kompressionskammern 166 beziehungsweise 168 zugeordneten Auslass- ventilen 194 und 196 zu dem Kompressorausgang 98 führt.

Eine wechselweise Verbindung zwischen dem Expandereingang 92 und dem Expanderausgang 94 mit den Expansionskammern 162 und 164 erfolgt über ein Schiebersystem 202, welches kolbenpositionsgesteuert ist. Beispielsweise umfasst das Schiebersystem 202 eine Steuerung 203, die mittels Positionssensoren 204 und 206 die Stellungen der Freikolben 152 beziehungsweise 154 erfasst und mittels eines elektrischen Antriebs 207 einen als Ganzes mit 208 bezeichneten Wechselschieber steuert, der zwei Schieber- Stellungen aufweist und in der einen Schieberstellung den Expandereingang 92 mit der Expansionskammer 162 und den Expanderausgang 94 mit der

Expansionskammer 164 und in der anderen Schieberstellung den Expander- eingang mit der Expansionskammer 164 und den Expanderausgang 94 mit der Expansionskammer 162 verbindet.

Alternativ dazu ist, wie in Fig. 4 darstellt, bei einem Schiebersystem 202' eine Drucksteuerung des Wechselschiebers 208 vorgesehen, wobei der Antrieb 207' einen druckgetriebenen Zylinder mit einem Kolben 205 aufweist, welcher gesteuert durch einen Hilfsschieber 209 wechselweise einerseits mit dem Druck am Expandereingang 92 und andererseits mit dem Druck am Expander- ausgang 94 oder umgekehrt beaufschlagt wird, wobei der Hilfsschieber 209 ebenfalls als Wechselschieber ausgebildet ist und dessen Schieberpositionen durch mechanische Erfassung der Positionen der Freikolben 152 und 154 in ihren dem Trennkörper 148 zugewandten Endstellungen erfolgt.

Da beispielsweise bei der Ausbildung der Expansionskompressionseinheit 84 als Freikolbenmaschine Funktionsstörungen derselben auftreten können, so dass kein Expansionsdruckmassenstrom EPM oder kein ausreichend großer Expansionsdruckmassenstrom EPM für die Kühleinheit 62 zur Verfügung stehen würde, würde keine Kühlleistung mehr an der Kühleinheit 62 zur Verfügungen stehen, so dass der Kältemittelkreislauf 10 nicht mehr funktions- fähig wäre.

Außerdem würden der Hochdruck PHI und PH2 auf ein Niveau ansteigen, das zu Schäden an dem Wärmetauscher 22 und/oder am Kältemittelverdichter 12 führen würde. Aus diesem Grund ist der Kältemittelkreislauf 10 mit einer Notbetriebseinheit 230 versehen, die diesen Fall verhindert.

Eine erste Ausführungsform einer in dem Expansionssystem 30 vorgesehene Notbetriebseinheit 230 umfasst beispielsweise ein zusätzliches Expansions- element 232, welches in einer Umgehungsleitung 234 angeordnet ist, die ihrerseits der Expanderstufe 86, insbesondere zwischen dessen Expander- eingang 92 und Expanderausgang 94, parallel geschaltet ist, und als Druck- entlastungsventil ausgebildet ist, das seinerseits bei Überschreiten eines vorgebbaren Öffnungsdrucks PO öffnet und dann als Expansionsorgan in der Umgehungsleitung 234 wirkt, so dass durch das Expansionsorgan in der Umgehungsleitung 234 ein Notbetriebsexpansionsmassenstrom NEPM der Expansionsleitung 42 zugeführt wird, welcher dann in der Kühleinheit 62 Wärme aufnehmen kann, so dass der Kältemittelkreislauf 10 im Notbetrieb weiterlaufen kann (Fig. 1 und Fig. 2).

Der Notbetriebsexpansionsmassenstrom NEPM ist dabei so gewählt, dass an der Kühleinheit 62 eine Mindestkühlleistung zur Verfügung steht.

Insbesondere bei Verwendung der Freikolbenmaschine als Expansions- kompressionseinheit 84 besteht das Problem von Pulsationen in dem Kälte- mittelkreislauf 10.

Aus diesem Grund ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreis- laufs 10 vorzugsweise mit an die Expanderstufe 86 angrenzenden Teilen des Kältemittelkreislaufs 10, beispielsweise an die Expansionsleitung 42 ein

Pulsationsdämpfer 260 verbunden, welcher ein eine Dämpferkammer 264 umschließendes Dämpfergehäuse 262 umfasst, in dem sich zumindest in einem subkritischen Betriebszustand einerseits eine Blase 266 aus

gasförmigen Kältemittel über einem Kältemittelbad 268 aus flüssigem Kälte- mittel ausbildet, wobei das Kältemittelbad 268 über eine Pulsations- Übertragungsleitung 272 beispielsweise mit der Expansionsleitung 42 verbunden ist. Die Blase 264 aus gasförmigem Kältemittel ermöglicht es somit, Pulsationen im Expansionsdruckmassenstrom EPM, die sich auch auf das Bad 268 des Kältemittels auswirken, zu dämpfen.

Um sicherzustellen, dass in dem Dämpfergehäuse 262 sich über dem Kälte- mittelbad 268 aus flüssigem Kältemittel stets die Blase 266 aus gasförmigem Kältemittel ausbildet, ist vorzugsweise das Dämpfergehäuse 262 im Bereich des die Blase 266 umschließenden Bereichs mit einer Beheizung 274 versehen, die über einen Wärmetransportkreislauf 276 Wärme von der Rückführungs- leitung 78 dem Dämpfergehäuse 262 zur Aufrechterhaltung der Blase 266 aus dampfförmigem Kältemittel zuführt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs 10', dargestellt in Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der

Notbetriebseinheit 230' nicht Teil des Expansionssystems 30, wie im

Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs 10 beschrieben, sondern eine von dem Expansionssystem 30 unabhängige Einheit, wobei das als Druckentlastungsventil ausgebildete Expansionselement 232 in der Umgehungsleitung 234' angeordnet ist, die in diesem Fall die Hochdruckleitung 28 mit der Expansionsleitung 42 verbindet und somit der gesamten Expansionseinheit 32 parallel geschaltet ist (Fig. 5).

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs ist dem ersten Ausführungsbeispiel der Expansionseinheit 30 eine dritte Ausführungsform einer Notbetriebseinheit 230" zugeordnet die so ausgebildet ist, dass das Expansionselement 232 in einer Umgehungsleitung 234" angeordnet ist, die der Expanderstufe 86 und einem vor dem Expander- eingang 92 angeordneten Absperrelement 236 parallel geschaltet ist, so dass beim Öffnen des Expansionselements 232 die Möglichkeit besteht, durch das Absperrventil 236 die Expanderstufe 86 und somit die gesamte Expansions- kompressionseinheit 84 außer Betrieb zu nehmen, so dass lediglich noch der Notbetriebsexpansionsmassenstrom NEPM von dem Hochdruckeingangs- anschluss 34 zu dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 strömt.

Dadurch, dass die Expanderstufe 86 durch das Absperrelement 236 außer Betrieb genommen ist, ist auch die Kompressorstufe 88 außer Betrieb, so dass über den Hochdruckausgangsanschluss 38 und die Rückführungsleitung 78 auch kein Unterkühlungsrückführungsmassenstrom URM zur Hochdruckleitung 18 strömt.

Bei dieser Ausführungsform ist es erforderlich, das Expansionselement 232 und das Absperrelement 236 aktiv anzusteuern, beispielsweise durch eine Notbetriebssteuerung 238, welche mittels eines Sensors 242 den in dem

Kältemittelkreislauf 10 vor der Expanderstufe 86 vorliegenden Hochdruck PH2 beispielsweise den Hochdruck zwischen dem Ausgang 106 der Unterkühlungs- einheit 102 und dem Expandereingang 92 erfasst (Fig. 6).

Bei einer vierten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit 230"', dargestellt in Fig. 7 ist das Absperrelement 236 nicht vor dem Expandereingang 92, sondern unmittelbar nach dem Expanderausgang 94 angeordnet und die Umgehungsleitung 234"' ist somit der Expanderstufe 86 mit dem Absperr- element 236, das auf den Expanderausgang 94 folgend angeordnet ist, parallel geschaltet.

Auch in diesem Fall ist die Steuerung 238 einerseits zur Ansteuerung des Expansionselements 232 und des Absperrelements 236 vorgesehen.

Bei einer fünften Ausführungsform einer Notbetriebseinheit 230'", dargestellt in Fig. 8 umfasst die Notbetriebseinheit 230"" das Expansionselement 237 und das Absperrelement 236. Bei dieser Ausführungsform ist in gleicher Weise wie bei der dritten

Ausführungsform das Absperrelement 236 vor dem Expandereingang 92 angeordnet, um durch Unterbrechen des in die Expanderstufe 86

einströmenden Expansionsmassenstroms EM die Expanderstufe 86 außer Funktion zu setzen, während die Umgehungsleitung 234"" die Zuleitung 126, in welche der Unterkühlungsmassenstrom UM nach Durchströmen des

Expansionsorgans 122 eintritt, und den Expansionsdruckausgangsanschluss 36 miteinander verbindet.

In diesem Fall ist in der Umgehungsleitung 234"" noch ein weiteres

Absperrelement 237 vorgesehen, während das für die Expansion des Unter- kühlungsmassenstroms UM vorgesehene Expansionsorgan 122 auch für die Notbetriebseinheit 230"" als Expansionsorgan dient und daher den

Notexpansionsmassenstrom NEPM bestimmt, der unter Umgehung des

Expanders 86 zum Expansionsdruckausgangsanschluss 36 geführt ist.

Auch in diesem Fall ist die Notbetriebssteuerung 238 erforderlich, die die Absperrelemente 236 und 237 ansteuert, wenn vom Sensor 242 ein

unerwünschter Anstieg des Hochdrucks PH2 erkannt wird.

Bei einer einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Expansionseinheit 32' zugeordneten sechsten Ausführungsform einer Notbetriebseinheit 230"", dargestellt in Fig. 9, ist die Notexpansionseinheit 230. ebenfalls gebildet durch die Umgehungsleitung 234. mit dem Absperrelement 237, während das Absperrelement 236 unmittelbar auf den Expanderausgang 94 folgend angeordnet ist, so dass die Umgehungsleitung 234. von der Zuleitung 126 zum Expansionsdruckausgangsanschluss 36 geführt ist und zwischen dem Absperrelement 236 und dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 in eine Umgehungsleitung zwischen diesen einmündet. In diese Umgehungsleitung mündet bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Expansionseinheit 32' auch noch die Pulsationsübertragungsleitung 272, welche zu einem Pulsationsdämpfer 260 geführt ist, der in gleicher Weise ausgebildet ist, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei in diesem Fall der Wärmetransportkreislauf 276 ebenfalls Teil des Expansionssystems 30 ist und Wärme aus einer Umgehungsleitung zwischen dem Kompressorausgang 98 und dem Hochdruckausgangsanschluss 38 entzieht und der Beheizung 274 zuführt.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 10, ist das

Expansionssystem 30 mit der Notbetriebseinheit 230. gemäß der sechsten

Ausführungsform versehen, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zum sechsten Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist allerdings zwischen dem Hochdruckeingangsanschluss 34 und dem Hochdruckausgangsanschluss 38 eine Pulsationsdämpfereinheit 280 vorgesehen, welche ein Dämpfergehäuse 282 aufweist, in welchem ein Kolben 284 angeordnet ist, der eine im

Dämpfergehäuse 282 angeordnete erste Kammer 286 von einer zweiten Kammer 288 trennt, wobei beispielsweise die erste Kammer 282 über eine erste Pulsationsübertragungsleitung 292 mit dem Hochdruckeingangsanschluss 34 verbunden ist und die zweite Kammer 288 über eine zweite Pulsations- Übertragungsleitung 294 mit dem Hochdruckausgangsanschluss 38 verbunden ist.

Die Pulsationsdämpfereinheit 280 ist somit in der Lage, sich zum Hochdruck- eingangsanschluss 34 oder zum Hochdruckausgangsanschluss 38 ausbreitende Pulsationen dadurch zu dämpfen, dass durch den Kolben eine Pulsations- Übertragung erfolgt, wobei der Kolben 284 vorzugsweise zwischen zwei feder- elastischen Dämpfungselementen 296 und 298 gelagert ist, die in den

Kammern 286 beziehungsweise 288 angeordnet sind. Eine achte Ausführungsform einer Notbetriebseinheit 230. , dargestellt in

Fig. 11 und Fig. 12, basiert im Prinzip auf der fünften Ausführungsform der

Notbetriebseinheit 230"", wobei in diesem Fall die Notbetriebseinheit 230. eine Umgehungsleitung 234. aufweist, die von der Zuleitung 126 zu einem

3/2 Wegeventil 235 führt, welches in der Lage ist, entweder den Expander- ausgang 94 mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 zu verbinden und die Umgehungsleitung 234. zu verschließen oder die Umgehungsleitung

234. mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss 36 zu verbinden und den

Expanderausgang 94 zu verschließen, wobei das 3/2 Wegeventil 235 ebenfalls durch die Steuerung 238 angesteuert wird, welche beispielsweise den Hoch- druck des Expansionsmassenstroms EM vor dessen Eintritt in den Expander erfasst.

Auch bei dieser Ausführungsform dient somit das Expansionsorgan 122 das eigentlich für die Expansion des Unterkühlungsmassenstroms UM vorgesehen ist, im Fall des Notbetriebs als Expansionsorgan für die Notbetriebseinheit 230..

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel einer Expansionseinheit 32"' dargestellt in Fig. 13, ist die Expansionseinheit 32"' dahingehend modifiziert, dass der Abzweig 116' zwischen dem Hochdruckeingangsanschluss 34 und dem Eingang 104 der Unterkühlungseinheit 102 angeordnet ist und somit der Unter- kühlungsmassenstrom UM vor Durchströmen der Unterkühlungseinheit 102 von dem Gesamtmassenstrom G abgezweigt wird, wobei in gleicher Weise wie bei den voranstehenden Ausführungsbeispielen das Absperrorgan 124 und das Expansionsorgan 122 vorgesehen sind, die zwischen dem Abzweig 116'" und dem Eingang 112 für den die Unterkühlungseinheit 102 durchströmenden Gegenstrom angeordnet sind.

Auch diese Ausführungsform der Expansionseinheit 32'" wird durch die

Steuerung 132 in gleicher weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel gesteuert. Auch dieses vierte Ausführungsbeispiel lässt sich mit Notbetriebseinheiten, beispielsweise mit einer Notbetriebseinheit 230 gemäß dem ersten

Ausführungsbeispiel, und dem Expansionselement 232, ausgebildet als

Druckentlastungsventil, versehen.

Die Expansionseinheit 32'" kann aber auch mit Notbetriebseinheiten 230',

230", 230"', 230"", 230. , 230. und 230. und/oder auch mit Pulsations- dämpfereinheiten 260, 280 versehen werden, wie sie im Zusammenhang mit den voranstehenden Ausführungsbeispielen des Kältemittelkreislaufs 10 beschrieben sind, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Ausführungen zu diesen Notbetriebseinheiten Bezug genommen wird.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs 10", dargestellt in Fig. 14, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung vollinhaltlich auf die

Ausführungen zu diesen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungs- beispiel verwiesen werden kann.

Allerdings ist das dritte Ausführungsbeispiel mit der dritten Ausführungsform der Notbetriebseinheit 230" versehen, bezüglich welcher auf die voran- stehenden Ausführungen zu dieser dritten Ausführungsform verwiesen wird.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel führt bei dem dritten

Ausführungsbeispiel die Expansionsleitung 42 nicht unmittelbar zu der Kühl- stufe 62, sondern zu einem Zwischendrucksammler 44, in welchem sich bei Expansionsdruck PE ein Bad 46 aus flüssigem Kältemittel ausbildet, von welchem flüssiges Kältemittel über eine Flüssigleitung 48 der Kühlstufe 62" zugeführt wird, die in diesem Fall nicht nur den wärmeaufnehmenden Wärme- Übertrager 64 umfasst, sondern zusätzlich noch ein Abschaltorgan 68 und ein Expansionsorgan 66. Ferner bildet sich in dem Zwischendrucksammler 44 über dem Bad 46 ein Gasvolumen 52 aus Kältemittel, von welchem ein Zusatzmassenstrom Z über ein Expansionsorgan 54 der Saugleitung 74 zugeführt wird.

Durch den Zwischendrucksammler 44 besteht die Möglichkeit, den

Expansionsmassenstrom E bei Expansionsdruck PE in einen Hauptmassen- strom H, der über die Flüssigkeitsleitung der Kühlstufe 62" zugeführt wird, und einen gasförmigen Zusatzmassenstrom Z, der über das Expansionsorgan 54 der Saugdruckleitung 74 zugeführt wird, aufzuteilen, so dass die Temperatur des die Kühlstufe 62" erreichenden Hauptmassenstroms H mittels des

Expansionsorgans 54 einstellbar ist.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist ferner noch der Hochdruckableitung 28 ein Pulsationsdämpfer 260 zugeordnet der dem in dem ersten Ausführungs- beispiel des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß Fig. 1 dargestellten und der Expansionsleitung 42 zugeordneten Pulsationsdämpfer 260 entspricht, so dass hinsichtlich der Funktion desselben vollinhaltlich auf die voranstehenden Ausführungen hierzu Bezug genommen werden kann.

Alternativ dazu kann der Pulsationsdämpfer 260 auch im Bereich der

Expansionseinheit 32 angeordnet oder sogar in das Expansionssystem 30 integriert werden.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs 10"', dargestellt in Fig. 15, die mit denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels identisch sind mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die

Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann. Zusätzlich zu den Merkmalen des zweiten Ausführungsbeispiels ist das vierte Ausführungsbeispiel mit der Pulsationsdämpfereinheit 280 versehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel dem Wärmeübertrager 22 parallel geschaltet ist und somit Pulsationen zwischen der Hochdruckleitung 18 und der Hochdruck- ableitung 28 dämpft.

Die Pulsationsdämpfereinheit 280 ist dabei identisch ausgebildet wie die in das das dritte Ausführungsbeispiel der Expansionseinheit 32" integrierte

Pulsationsdämpfereinheit 280 (Fig. 10), so dass auf die diesbezüglichen voranstehenden Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.

Zusätzlich ist allerdings zwischen der zweiten Pulsationsübertragungsleitung 294 und der Hochdruckleitung 18 noch eine Drossel 302 vorgesehen, um eine verbesserte Dämpfungswirkung zu erhalten.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs 10", dargestellt in Fig. 16, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben voll- inhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel wird der Zusatzmassenstrom Z aus dem Gasvolumen 52 über das Expansionsorgan 54 nicht direkt der Saugdruckleitung 74 zugeführt, sondern nochmals durch einen in der

Flüssigkeitsleitung 48 vorgesehenen Unterkühler 58 geführt, der den in der Flüssigkeitsleitung 48 strömenden Hauptmassenstrom H nochmals unterkühlt.

Ferner ist die Kühlstufe 62"' beispielsweise als Normalkühlstufe ausgebildet und zusätzlich ist noch eine Tiefkühlstufe 212 vorgesehen, welche einen wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager 214 sowie ein Abschaltorgan 218 und ein Expansionsorgan 216 aufweist. Das in der Tiefkühlstufe 212 expandierte Kältemittel wird über eine Saug- druckleitung 224 einer Tiefkühlverdichtereinheit 222 zugeführt, die das Kälte- mittel wieder soweit verdichtet, dass dieses der Saugdruckleitung 74 für die Kältemittelverdichtereinheit 12 zum Verdichten auf Hochdruck zugeführt werden kann.

Darüber hinaus ist vorzugsweise in der Saugdruckleitung 224 der Tiefkühl- verdichtereinheit 212 noch ein Unterkühler 226 vorgesehen, der das über die Flüssigkeitsleitung 48 der Tiefkühlstufe 212 zugeführte Kältemittel vor Eintritt in die Tiefkühlstufe 212 nochmals unterkühlt und zwar durch das aus der Tief- kühlstufe 212 austretende und in der Saugdruckleitung 224 geführte expandierte Kältemittel.

Im Zusammenhang mit dem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 14, 15 und 16 der erfindungsgemäßen Lösung wurde das Vorhandensein des Zwischendrucksammlers 44 beschrieben und auch die Zuführung des Zusatzmassenstroms Z über das Expansionsorgan 54 zur Saugdruckleitung 74 sowie die Regelung der Temperatur des Hauptmassen- stroms H.

Diese Regelung der Temperatur des Hauptmassenstroms H umfasst die Regelung eines Zwischendrucks PM in dem Zwischendrucksammler 44 mittels des Expansionsorgans 54, das in diesem Fall über eine Zwischendruck- steuerung 55 ansteuerbar ist.

Grundsätzlich wäre es bei dem dritten, vierten und fünften Ausführungs- beispiel gemäß den Fig. 14, 15 und 16 möglich, einerseits den Hochdruck PH2 in der Hochdruckableitung mittels der Steuerungen 132 und/oder 138 gemäß einem optimalen Betrieb der Expansionseinheit 32 bei der jeweiligen Temperatur des Kältemittels in der Hochdruckableitung 28 und beispielsweise der jeweiligen Außentemperatur zu steuern und mit der Zwischendruck- steuerung 55 lediglich einen konstanten Zwischendruck PM in dem Zwischen- drucksammler 44 festzulegen.

Die Effizienzsteigerung des Kältemittelkreislaufs kann dabei durch die eingangs erwähnte Erfassung des Eingangsdrucks EP der Kompressorstufe 88 mittels der Steuerungen 132, 138 erfolgen.

Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf 10 lässt sich jedoch auch dadurch hinsichtlich des erreichbaren COP, das heißt des Verhältnisses von Kühl- leistung zur eingesetzten mechanischen Leistung, insbesondere im Sommer betrieb, und hinsichtlich der Erweiterung des Funktionsbetriebs der

Expansionskompressionseinheit, insbesondere im Winterbetrieb, optimieren, dass eine zusätzliche betriebszustandsbedingte Regelung des Zwischendrucks PM erfolgt, der sich auf den Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 aufgrund der Volumenverhältnisse der Expansionskompressionseinheit 84 auswirkt.

Bei dieser betriebszustandsbedingten Regelung des Zwischendrucks PM erfolgt zum Beispiel mittels der Zwischendrucksteuerung 55 und des Expansions- organs 54 eine Regelung des Zwischendrucks PM auf einen Druckwert, der sich einerseits aus einem in der Regel einmalig festgelegten Grundwert und betriebszustandsbedingt variierenden Zuschlagswerten zu diesem Grundwert ergibt.

Beispielsweise liegt der Grundwert bei CO2 als Kältemittel im Bereich von 30 bar bis 45 bar, so dass ein Wert aus diesem Bereich, beispielsweise 35 bar, als Grundwert festgelegt wird, und die Zuschlagswerte weisen bei CO2 als Kältemittel Beträge auf, die im Bereich von 0,5 bar bis 7 bar liegen. Die Zuschlagswerte könnten prinzipiell feste Werte aus dem für diese vorgesehenen Bereich der Zuschlagswerte sein, besonders günstig ist es jedoch, wenn die Zuschlagswerte innerhalb dieses vorgesehenen Bereichs betriebszustandsbedingt variieren.

Darüber hinaus erfolgt vorzugsweise eine Differenzierung zwischen Sommer betrieb und Winterbetrieb, wobei die Zuschlagswerte bei Sommerbetrieb positive Werte aufweisen und bei Winterbetrieb negative Werte, so dass die Werte beispielsweise bei CO2 als Kältemittel bei Sommerbetrieb im Bereich von 0,5 bar bis 7 bar liegen und bei Winterbetrieb im Bereich von -0,5 bar bis -7 bar liegen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe der Zuschlagswerte von den im Regelbereich des Hochdrucks PH2 liegenden Werten abhängig sind und daher abhängig von den Werten des Hochdrucks PH2 variieren.

Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Zuschlagswerte bei hohen Werten des Hochdrucks größer sind als bei niedrigen Werten des Hochdrucks.

So ergeben sich beispielsweise im Fall von CO2 als Kältemittel bei Sommer betrieb Zuschlagswerte im Bereich von +0,5 bar bis +3 bar, sofern der Hoch- druck PH2 Werte im Bereich von 75 bar bis 80 bar aufweist, und Zuschlags- werte im Bereich von +3 bar bis +7 bar, sofern der Hochdruck PH2 Werte im Bereich größer 80 bar, vorzugsweise Werte von größer 80 bar bis 120 bar, aufweist.

Beispielsweise wird im Sommerbetrieb bei einem Hochdruck PH2 im Bereich von 80 bar ein Zuschlagswert im Bereich von 3 bar verwendet, während bei einem Hochdruck PH2 im Bereich von 90 bar ein Zuschlagswert im Bereich von 5 bar verwendet wird. In gleicher Weise liegen die Zuschlagswerte für Winterbetrieb beispielsweise im Bereich von -0,5 bar bis -3 bar, sofern der Hochdruck PH2 bei Werten im Bereich von 55 bar bis 65 bar liegt und die Zuschlagswerte liegen im Bereich von -3 bar bis -5 bar, sofern der Hochdruck PH2 bei Werten kleiner 50 bar bis 40 bar liegt.

Insbesondere wird bei Winterbetrieb beispielsweise bei einem Hochdruck PH2 im Bereich von 60 bar ein Zuschlagswert im Bereich von -3 bar verwendet und bei einem Hochdruck im Bereich von 50 bar ein Zuschlagswert im Bereich von -5 bar verwendet.

Bei den vorstehend genannten Beispielen für Sommerbetrieb und Winter- betrieb ist der Grundwert vorzugsweise stets derselbe.

Die vorstehende Steuerung des Zwischendrucks PM hat somit zusammen fassend folgende Konsequenzen :

Durch Veränderung des Zwischendrucks PM ändert sich der Eingangsdruck EP an der Kompressorstufe 88 und damit eine Unterkühlerleistung der Unter- kühlungseinheit 102.

Wird der Zwischendruck PM erhöht, steigt der Eingangsdruck EP an der Kompressorstufe 88 an und damit wird der Unterkühlungsmassenstrom UM und somit die Unterkühlerleistung der Unterkühlungseinheit 102 erhöht, so dass auch der COP ansteigt.

Wird der Zwischendruck PM abgesenkt sinkt auch der Eingangsdruck EP an der Kompressorstufe 88. Die Druckdifferenz an der Expanderstufe 86 wird jedoch vergrößert und damit wird auch der Funktionsbereich der Expansions- kompressionseinheit 84 vergrößert. Bei einer alternativen Lösung gemäß Fig. 16 ist vorgesehen, dass die

Zwischendrucksteuerung 55 die Größen, insbesondere die Temperatur und/oder den Druck des Gesamtmassenstroms G in der Hochdruckableitung 28 sowie die Größe des Eingangsdrucks EP der Kompressorstufe 88 erfasst und abhängig davon den Zwischendruck PM steuert, um auf einen für die erfassten Größen geeigneten vorgegebenen und beispielsweise in der

Zwischendrucksteuerung 55 eingespeicherten Wert des Eingangsdrucks EP zu regeln.

Alle Verdichtereinheiten können beliebige Verdichter oder Kombinationen von Verdichtern (parallel, in Serie, mehrstufig) sein.

Ebenso kann einer oder mehrere der Verdichter mit einer Leistungsregelung versehen sein, welche durch Abschaltung von Verdichtern, durch mechanische Leistungsregelung (beispielsweise Abschalten, insbesondere zyklisches Abschalten von Teilen (Zylinderbänken) eines Verdichters) oder

Drehzahlregelung des Verdichters erfolgen kann.