KALTE MITTELKREISLAUF

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 aktivierbare oder deaktivierbare Expansionskompressionseinheit, welche einen vom Kältemittelkreislauf in Richtung des Sauganschlusses des Kältemittel- verdichters 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 diesen Hauptmassenstrom nach Verlassen der Kühlstufe dem Sauganschluss 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 Betriebsanpassungseinheit zugeordnet ist, welche eine die Expansions- kompressionseinheit umgehende, aktivierbare und deaktivierbare Umgehungs- leitung umfasst und dass die Betriebsanpassungseinheit im Fall eines suboptimalen Betriebszustands, der Expansionseinheit die Umgehungsleitung von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand überführt, in welchem diese durch Umleitung des unter Hochdruck stehenden Kältemittels einen Umleitungsmassenstrom für die Kühlstufe erzeugt, und dem Kältemittel- kreislauf zur Weiterleitung zur Kühlstufe zuführt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Betriebsanpassungseinheit das Problem gelöst ist, dass bei einem instabilen Betrieb 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 reduziert ist, was beispielsweise bei Kältemittelkreisläufen für Kühlanlagen, insbesondere bei temperatursensiblen Gütern, zu erheblichen Schäden führen würde.

Durch die erfindungsgemäße Betriebsanpassungseinheit kann ein derartiges Problem vermieden werden, da diese durch den erzeugten Umleitungsmassen- strom in der Lage ist, Kühlleistung weiterhin zur Verfügung zu stellen.

Ferner schafft die Erfindung die Möglichkeit entweder die Betriebsanpassungs- einheit zu deaktivieren und die Expansionskompressionseinheit zu aktivieren oder die Expansionskompressionseinheit zu deaktivieren und die Betriebs- anpassungseinheit zu aktivieren oder sowohl die Expansionskompressions- einheit als auch die Betriebsanpassungseinheit aktiviert parallel zu betreiben.

Hinsichtlich der Führung der Umgehungsleitung sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Umgehungsleitung der

Betriebsanpassungseinheit den Umleitungsmassenstrom einer diesen 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 Umleitungsmassenstrom der Expansionsleitung zugeführt wird.

Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Umgehungsleitung den Umleitungsmassenstrom einer im Normalbetrieb des Kältemittelkreislaufs der den auf Expansionsdruck vorliegenden Expansions- druckmassenstrom führenden Leitung des Kältemittelkreislaufs zuführt.

Dadurch ist sichergestellt, dass der Kältemittelkreislauf mit dem Umleitungs- massenstrom im Wesentlichen weiterbetrieben werden kann, da die im

Normalbetrieb den Expansionsdruckmassenstrom führende Leitung mit dem Umleitungsmassenstrom versorgt wird.

Hinsichtlich der Ansteuerung und Funktion der Betriebsanpassungseinheit wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine besonders vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit zum Aktivieren oder Deaktivieren der Umgehungsleitung eine durch eine

Umgebungstemperatur beeinflusste Temperatur am hochdruckseitigen, wärmeabgebenden Wärmeübertrager erfasst.

Durch Erfassen der durch die Umgebungstemperatur beeinflussten Temperatur besteht die Möglichkeit, Zustände des Kältemittelkreislaufs zu erkennen, bei denen die Expansionseinheit in einen instabilen Betriebszustand übergeht. Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die über einer für einen stabilen Betriebszustand der Expansionseinheit erforderlichen Temperaturschwelle liegt, die

Umgehungsleitung deaktiviert, da bei derartigen Temperaturen über der Temperaturschwelle ein stabiler Betrieb der Expansionseinheit möglich ist.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die unter einer für einen stabilen Betriebszustand der Expansionseinheit notwendigen Temperaturschwelle liegt, die Umgehungs- leitung aktiviert.

Damit besteht die Möglichkeit, den instabilen Betrieb der Expansionseinheit zu vermeiden, insbesondere zu verhindern.

Insbesondere ist im einfachsten Fall vorgesehen, dass eine Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit nach dem Aktivieren der Umgehungsleitung die Expansionseinheit deaktiviert, um instabile Betriebszustände derselben zu verhindern.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit nach dem Aktivieren der Umgehungsleitung die Expansionseinheit mit Verzögerung abschaltet, so dass kein abrupter Übergang des Kältemittelkreislaufs vom Betrieb mit der Expansionseinheit in den Betrieb mit aktivierter Umgehungs- leitung der Betriebsanpassungseinheit erfolgt, sondern durch das verzögerte Deaktivieren der Expansionseinheit einen Zeitraum mit einem Parallelbetrieb der Expansionseinheit und der Betriebsanpassungseinheit vorliegt, der eben- falls instabile Betriebszustände verhindert. Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die unter einer unteren Temperaturschwelle liegt, welche niedriger ist als die Temperaturschwelle für das Aktivieren der

Umgehungsleitung, die Umgehungsleitung entsprechend einer Pulsweiten- modulation aktiviert oder deaktiviert.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass bei sehr niedrigen Umgebungs- temperaturen ein sehr starker Abbau des Hochdrucks erfolgt, dem dadurch entgegengewirkt werden kann, dass die Umgehungsleitung der Betriebs- anpassungseinheit pulsweitenmoduliert betrieben wird, um einen Abbau des Hochdrucks zu verhindern.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit basierend auf einer Expansionsstörung der Expansions- einheit erfasst.

Eine derartige Expansionsstörung kann dabei durch verschiedene Druck- und Temperatursensoren durch erfasst werden.

Beispielsweise ist hierzu vorgesehen, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit den Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des

Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander erfasst.

Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit basierend auf einer Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck des Gesamtmassenstroms und/oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander und einem auf Expansionsdruck liegenden Leitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs erfolgt.

In diesem Fall wird somit für die Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit ein Differenzdruck erfasst. Eine andere Möglichkeit ist die, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit ein basierend auf dem Hochdruck des Gesamtmassen- stroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander hinsichtlich seines Absolutwertes erfolgt.

Hierzu ist beispielsweise ein Drucksensor vorgesehen.

Um dabei einen instabilen Betrieb der Expansionseinheit, insbesondere eine Expansionsstörung der Expansionseinheit feststellen zu können ist ferner zweckmäßigerweise vorgesehen, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit basierend auf einem Vergleich des Hochdrucks des

Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander mit einem Referenzhochdruck erfolgt.

Ein Übergang der Betriebsanpassungseinheit von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand lässt sich insbesondere vorteilhaft dann realisieren, wenn der Betriebsanpassungseinheit eine Steuerung zugeordnet ist, die die

Betriebsanpassungseinheit aktiviert und/oder deaktiviert.

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.

Hinsichtlich der Aktivierung der Umgehungsleitung sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.

So sieht eine einfache Lösung vor, dass die Umgehungsleitung mittels eines Schaltventils aktivierbar und deaktivierbar ist, wobei ein derartiges Schalt- ventil lediglich zwischen zwei Zustände, nämlich dem offenen und dem geschlossenen Zustand wechselt, so dass keine Steuerung der Größe des Massenstroms durch die Umgehungsleitung möglich ist. Diese Lösung erlaubt jedoch die Möglichkeit, das Schaltventil so auszubilden, dass dieses im aktivierten Zustand den Umleitungsmassenstrom druck- verlustfrei passieren lässt, so dass dadurch ein optimal großer Massenstrom durch die Umgehungsleitung fließt und jeglicher Druckabfall vermieden werden kann.

Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass der Umgehungsleitung mindestens ein Expansionselement funktionell zugeordnet ist, welches im aktivierten Zustand der Umgehungsleitung wirksam ist und eine Steuerung oder Regelung des Massenstroms, das heißt der Größe des Massenstroms, zulässt.

Ein derartiges Expansionselement arbeitet dabei wie ein konventionelles Expansionsorgan und ist in der Lage, die Expansionseinheit mit der

Expansionskompressionseinheit hinsichtlich ihrer Funktion in vollem Umfang zu ersetzen, das heißt, dass der durch die Umgehungsleitung strömende Massenstrom in denselben Größenordnungen liegt, wie der Expansions- massenstrom, der durch die Expansionseinheit fließen würde.

Bei einer derartigen Betriebsanpassungseinheit eröffnet sich somit die

Möglichkeit, die Betriebsanpassungseinheit parallel zu der Expansionseinheit zu betreiben, beispielsweise in all den Fällen, in denen der Gesamtmassen- strom im Kältemittelkreislauf größer ist als der durch die Expansionseinheit fließende Massenstrom, so dass ein Ansteigen des Hochdrucks nicht verhindert werden kann. In diesem Fall eröffnet die Betriebsanpassungseinheit mit dem Expansionselement die Möglichkeit, einem derartigen Ansteigen des Hoch- drucks gesteuert entgegenzuwirken und somit den Hochdruck auf ein gewünschtes Hochdruckniveau zu regeln.

Um sicherzustellen, dass im aktiven Zustand der Betriebsanpassungseinheit ein definierter Betrieb des Kältemittelkreislaufes möglich ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Betriebsanpassungseinheit mindestens ein Abschalt- element 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 Betriebsanpassungseinheit 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 Betriebs- anpassungseinheit entweder vor einem Expandereingang oder nach einem Expanderausgang 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 Betriebsanpassungseinheit ein Schaltelement angeordnet ist, welches eine direkte oder indirekte Verbindung zwischen einem Expansions- organ 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 Betriebsanpassungseinheit dazu eingesetzt werden kann, den Umleitungsmassenstrom anstelle des Unterkühlungsmassenstroms zu erzeugen, so dass in der Betriebsanpassungseinheit kein zusätzliches

Expansionsorgan erforderlich ist.

Beispielsweise ist hierzu vorgesehen, dass das Schaltelement mit der

Steuerung der Betriebsanpassungseinheit 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 Pulsations- Übertragungsleitung 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 ist.

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 eine Unter- kühlungseinheit zum Unterkühlen mindestens des der Expansionseinheit zugeführten Expansionsmassenstroms der Kältemittels aufweist, dass die Expansionseinheit die Expansionskompressionseinheit umfassend die

Expanderstufe und die Kompressorstufe und eine Verzweigung aufweist, welche von dem der Expansionseinheit zugeführten Gesamtmassenstrom einen Unterkühlungsmassenstrom abzweigt und welche mit einer Zuleitung verbunden ist, die den Unterkühlungsmassenstrom zu einem Eingang der Unterkühlungseinheit führt, dass die Expansionseinheit ein in der Zuleitung vorgesehenes Expansionsorgan aufweist, das den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Unterkühlungsdruck expandiert, und dass die Expansionseinheit eine Verbindungsleitung aufweist, die den aus der Unterkühlungseinheit

austretenden Unterkühlungsmassenstrom der Kompressorstufe zuführt, die ihrerseits den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Rückführungshochdruck verdichtet, der mindestens einem Hochdruck des Verdichtermassenstroms entspricht, dem der Unterkühlungsmassenstrom zugeführt wird.

Um außerdem den Betrieb der Expansionseinheit noch zusätzlich stabilisieren zu können, insbesondere im Fall eines im Bereich der Unterkühlungseinheit auftretenden thermischen oder massenstrombedingten Ungleichgewichts, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Expansionseinheit eine Massenstromrück- führung für den Kompressor aufweist, mit welcher ein Massenstrom von einer vom Kompressorausgang wegführenden Leitung zu einer zum Kompressor- eingang führenden Leitung aktivierbar und steuerbar ist.

Eine derartige Massenstromrückführung hat den Vorteil, dass sich mit dieser der Massenstrom durch die Unterkühlungseinheit beeinflussen lässt, in dem ein Massenstrom von Kältemittel, der durch den Kompressor gefördert wird, zurückgeführt wird und somit den durch die Unterkühlungseinheit geführten Massenstrom ergänzt und dadurch der durch die Unterkühlungseinheit geführte Massenstrom reduziert werden kann. Besonders günstig ist es, wenn die Massenstromrückführung eine Kompressorumgehungsleitung und ein dieser zugeordnetes Regelventil aufweist, welches somit in der Lage ist, den durch die Kompressorumgehungs- leitung fließenden Massenstrom hinsichtlich seiner Größe zu regeln oder zu steuern.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Regelventil durch eine Steuerung gesteuert ist, die Temperaturdifferenzen zwischen einer kochdruckseitig an der Unterkühlungseinheit anliegenden Temperatur und einer nach dem

Expansionsorgan vorliegenden Temperatur und/oder eine

Überhitzungsdifferenz eingangsseitig der Kompressorstufe und/oder einen Öffnungsgrad des Expansionsorgans erfasst.

Zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine

Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangs- druck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist, und im Fall, dass diese größer als die Maximaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt die Maximaldifferenz bei Werten im Bereich von 2 bis 5 Kelvin.

Ergänzend oder alternativ hierzu sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck expandierten Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperatur- differenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als eine Minimaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massenstrom- rückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt die Minimaldifferenz bei Werten im Bereich von 2 bis

4 Kelvin.

Eine alternative oder ergänzende weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben einen Druck des auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, daraus die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt, und außerdem die Temperatur des aus der Unter- kühlungseinheit ausdrehenden, auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, und aus diesen Temperaturen eine

Überhitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Überhitzungsminimalwert ist, die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Insbesondere liegt der Überhitzungsminimalwert im Bereich von 3 bis 7 Kelvin.

Die Expansionseinheit kann alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Lösungen auch hinsichtlich ihres Betriebs dadurch stabilisiert werden, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine

Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangs- druck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist und im Fall, dass diese größer als die Maximaldifferenz ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder vergrößert.

Ergänzend oder alternativ sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperatur- differenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als eine Minimaldifferenz ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder vergrößert.

Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Lösungen sieht eine weitere Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben einen Druck des auf

Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, aus diesen Temperaturen die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt, und außerdem die Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt und daraus eine Überhitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese

Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Minimalwert ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder

vergrößert. Ergänzend oder alternativ sieht eine weitere Lösung vor, dass die Expansions- einheit eine Steuerung aufweist, welche einen Öffnungsgrad des den Unter- kühlungsmassenstrom steuernden Expansionsorgans ermittelt und

entsprechend dem Öffnungsgrad das der Umgehungsleitung funktionell zugeordnete Expansionselement steuert.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expansionseinheit eine elektrisch arbeitende Steuerung aufweist, welche mindestens eine der folgenden Größen wie eine von der Umgebungstemperatur beinflusste oder dieser entsprechenden Temperatur, eine Temperatur (Tamb) des der

Expansionseinheit und/oder der Expanderstufe zugeführten Massenstroms des Kältemittels, einen Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansions- massenstroms vor der Expanderstufe erfasst und entsprechend dieser

Temperatur und/oder gegebenenfalls dieses Hochdrucks des Gesamt- massenstroms oder des Expansionsmassenstroms die Umgehungsleitung aktiviert und den Umleitungsmassenstrom erzeugt.

Besonders günstig ist es bei dieser Lösung, wenn die Steuerung den

Umleitungsmassenstrom durch Ansteuerung des der Umgehungsleitung funktionell zugeordneten Expansionselements steuert.

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 bei dieser die Expansions- einheit energetisch hocheffizient 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 erfasst.

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. Hinsichtlich der Lage der Verzweigung zur Abzweigung des Unterkühlungs- massenstroms von dem Gesamtmassenstrom sind verschiedene Möglichkeiten denkbar.

Eine Möglichkeit sieht vor, dass die Verzweigung vor einem hochdruckseitigen Eingang der Unterkühlungseinheit angeordnet ist.

Bei dieser Lösung wird somit die Unterkühlungseinheit lediglich noch von dem Expansionsmassenstrom durchströmt und von dem Unterkühlungsmassen- strom gekühlt.

Eine günstige Lösung sieht vor, dass die Verzweigung zwischen der Unter- kühlungseinheit 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 die Expanderstufe und die Kompressorstufe durch geeignete Arten von rotierend angetriebenen Maschinen gebildet sein.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expanderstufe 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

Kolbenkammer 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.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Expansionseinheit, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf nach einem oder mehreren der voranstehenden Merkmale, umfassend eine eine Expanderstufe und eine Kompressorstufe aufweisende aktivierbare und deaktivierbare Expansionskompressionseinheit, welche einen an einem Hochdruckeingangsanschluss zugeführten Expansions- massenstrom von Hochdruck ausgehend auf einen Expansionsdruck

expandiert.

Derartige Expansionseinheiten sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, wobei bei diesen Expansionseinheiten ebenfalls das Problem besteht, diese möglichst optimal zu betreiben.

Diese Aufgabe wird bei einer Expansionseinheit der vorstehend genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Expansionskompressionseinheit eine Betriebsanpassungseinheit zugeordnet ist, welche eine die Expansions- kompressionseinheit umgehende aktivierbare und deaktivierbare Umgehungs- leitung umfasst, und dass die Betriebsanpassungseinheit im Fall eines suboptimalen Betriebszustands der Expansionseinheit die Umgehungsleitung von einem inaktiven in einen aktiven Zustand überführt, in welchem diese durch Umleitung des unter Hochdruck stehenden Kältemittels einen

Umleitungsmassenstrom erzeugt und diesem einem Expansionsdruck- ausgangsanschluss zuführt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist ebenfalls darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Betriebsanpassungseinheit das Problem gelöst ist, dass bei einem instabilen Betrieb der Expansionseinheit, insbesondere der Expansionskompressionseinheit, deren Funktion im Hinblick auf die zu leistende Expansion eingeschränkt ist, so dass dadurch in einem Kältemittel- kreislauf keine ausreichende Kühlleistung mehr zur Verfügung gestellt werden kann. Dieses Problem löst die erfindungsgemäße Betriebsanpassungseinheit erfindungsgemäß dadurch, dass diese in der Lage ist, einen Umleitungs- massenstrom zu erzeugen und dem Expansionsdruckausgangsanschluss der Expansionseinheit zuzuführen.

Alternativ oder ergänzend zu der vorstehend betriebenen erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass bei einer Expansionseinheit, insbesondere mit den aus dem Stand der Technik bekannten Merkmalen, die Expansionseinheit eine Unterkühlungseinheit zum Unterkühlen mindestens des der Expansionseinheit zugeführten Expansionsmassenstroms des Kältemittels aufweist, dass die Expansionseinheit die Expansionskompressionseinheit umfassend die

Expanderstufe und die Kompressorstufe, eine Verzweigung aufweist, welche von dem der Expansionseinheit zugeführten Gesamtmassenstrom einen Unter- kühlungsmassenstrom abzweigt und welche mit einer Zuleitung verbunden ist, die den Unterkühlungsmassenstrom zu einem Eingang der Unterkühlungs- einheit führt, dass die Expansionseinheit ein in der Zuleitung vorgesehenes Expansionsorgan aufweist, das den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Unterkühlungsdruck expandiert, und dass die Expansionseinheit eine

Verbindungsleitung aufweist, die den aus der Unterkühlungseinheit

austretenden Unterkühlungsmassenstrom der Kompressorstufe zuführt, die ihrerseits den Unterkühlungsmassenstrom auf einen Rückführungshochdruck verdichtet, der insbesondere mindestens einem Hochdruck eines Verdichter- massenstroms entspricht, dem der Unterkühlungsmassenstrom zugeführt wird.

Eine derartige Ausbildung der Expansionseinheit erlaubt es, diese energetisch hoch effizient zu betreiben. Die erfindungsgemäße Expansionseinheit schafft somit die Möglichkeit, die Betriebsanpassungseinheit zu deaktivieren und die Expansionskompressions- einheit zu aktivieren oder die Expansionskompressionseinheit zu deaktivieren und die Betriebsanpassungseinheit zu aktivieren oder sowohl die Expansions- kompressionseinheit als auch die Betriebsanpassungseinheit aktiviert parallel zu betreiben.

Hinsichtlich der Aktivierung und Deaktivierung der Betriebsanpassungseinheit und der Expansionskompressionseinheit wurden bislang keine näheren

Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit aktiviert ist und die Expansionskompressionseinheit aktiviert ist.

In diesem Fall besteht insbesondere die Möglichkeit, mit der Betriebs- anpassungseinheit den Massenstrom durch die Expansionskompressionseinheit zu kompensieren, um insgesamt den Fluss der verschiedenen Massenströme in der Expansionseinheit adaptieren zu können.

Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit so erfolgt, dass nach dem Aktivieren der Umgehungsleitung ein Deaktivieren der Expansionskompressionseinheit erfolgt.

Dies ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die Expansion durch die

Betriebsanpassungseinheit allein erfolgen soll, da die Expansionseinheit derart instabil läuft, dass es am sinnvollsten ist, die Expansionskompressionseinheit zu deaktivieren. Alternativ sieht eine andere Lösung vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass nach dem Aktivieren der

Umgehungsleitung ein Deaktivieren der Expansionskompressionseinheit mit Verzögerung erfolgt, so dass ein Parallelbetrieb der Betriebsanpassungseinheit und der Expansionskompressionseinheit für einen bestimmten Zeitraum vorgesehen ist, währenddessen sich der Betrieb der Expansionseinheit stabilisieren lässt, dass aber bei weiterhin auftretenden Instabilitäten beim Betrieb der Expansionseinheit ein Deaktivieren der Expansionskompressions- einheit erfolgt.

Hinsichtlich der Art der Parameter, die für eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit vorgesehen sind, wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit zum

Aktivieren oder Deaktivieren der Umgehungsleitung eine durch eine

Umgebungstemperatur beeinflusste Temperatur erfasst.

Dies kann entweder direkt die Umgebungstemperatur oder eine durch die Umgebungstemperatur beeinflusste, insbesondere zu dieser proportionale oder durch einen bestimmten Offset veränderte Temperatur sein.

Eine besonders einfache Lösung sieht vor, dass sie eine Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die über einer für einen stabilen Betriebszustand der Expansionseinheit erforderlichen Temperaturschwelle liegt, die

Umgehungsleitung deaktiviert, das heißt, dass in diesem Fall die Betriebs- anpassungseinheit inaktiv ist und die Expansionskompressionseinheit aktiv ist. Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebsanpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die unter einer für einen stabilen Betriebszustand der Expansionseinheit notwendigen Temperaturschwelle liegt, die Umgehungs- leitung aktiviert, das heißt dass in diesem Fall die Betriebsanpassungseinheit aktiv ist, wobei in diesem Fall die Betriebsanpassungseinheit parallel zur aktiven Expansionskompressionseinheit betrieben werden kann oder, wenn weitere größere Instabilitäten im Bereich der Expansionseinheit auftreten, die Expansionskompressionseinheit deaktiviert werden kann.

Darüber hinaus sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass eine

Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit so erfolgt, dass die Betriebs- anpassungseinheit bei einer erfassten Temperatur, die unter einer unteren Temperaturschwelle liegt, welcher niedriger ist als die Temperaturschwelle für das Aktivieren der Umgehungsleitung, die Umgehungsleitung entweder in Intervallen aktiviert oder deaktiviert wird oder einen Massenstrom durch die Umgehungsleitung mittels eines Expansionsorgans steuert.

Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass dadurch die Möglichkeit besteht, bei sehr niedrigen Temperaturen den Massenstrom durch die

Umgehungsleitung entweder durch Aktivieren und Deaktivieren derselben in Intervallen oder durch ein Expansionsorgan zu steuern.

Hinsichtlich der Ansteuerung der Expansionseinheit wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit basierend auf einer Expansionsstörung der Expansions- einheit erfolgt. Eine derartige Expansionssteuerung der Expansionseinheit kann entweder durch starke Druckschwankungen beispielsweise des Hochdrucks oder durch Temperaturschwankungen beispielsweise der Temperaturen an der Unter- kühlungseinheit erfasst werden.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit den Hochdruck des an dem Hochdruckeingangs- anschluss eintretenden Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassen- stroms vor dessen Eintritt in die Expanderstufe erfasst.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der

Betriebsanpassungseinheit basierend auf einer Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in den Expander und dem Expansionsdruckausgangsanschluss erfolgt.

Eine weitere Möglichkeit zur Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit sieht vor, dass diese basierend auf dem Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in die Expanderstufe hinsichtlich eines Absolutwerts erfolgt.

Eine weitere Lösung sieht vor, dass eine Ansteuerung der Betriebs- anpassungseinheit basierend auf einem Vergleich des Hochdrucks des

Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor dessen Eintritt in die Expanderstufe mit einem vorgegebenen Referenzhochdruck erfolgt.

Hinsichtlich der Ausführungen der Ansteuerung der Betriebsanpassungseinheit sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass der Betriebsanpassungseinheit eine Steuerung zugeordnet ist, die die Betriebsanpassungseinheit aktiviert und/oder deaktiviert. Hinsichtlich der Aktivierung oder Deaktivierung der Umgehungsleitung sind die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar.

Eine technisch besonders einfach realisierbare Ausführungsform sieht vor, dass die Umgehungsleitung mittels eines Schaltventils aktivierbar und deaktivierbar ist.

Das heißt, dass mit einem derartigen einfach aufgebauten Schaltventil keine kontinuierliche Steuerung des Massenstroms durch die Umgehungsleitung möglich ist, sondern lediglich ein Aktivieren und Deaktivieren desselben.

Die einzige Möglichkeit, den Massenstrom zu steuern ist dann die, das

Schaltventil in Intervallen zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Ein derartiges Schaltventil kann vorzugsweise so ausgebildet sein, dass dieses im aktivierten Zustand den Umleitungsmassenstrom druckverlustfrei passieren lässt.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Umgehungsleitung mindestens ein Expansionselement funktionell zugeordnet ist, welches im aktivierten Zustand der Umgehungsleitung wirksam ist und welches die Möglichkeit eröffnet, den Umgehungsmassenstrom zu steuern.

Um in einfacher Weise die Expansionskompressionseinheit zu deaktivieren ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Expansionseinheit mindestens ein

Abschaltelement zur Deaktivierung der Expansionskompressionseinheit aufweist. Dabei ist vorzugsweise das Abschaltelement entweder vor einem Expandereingang oder nach einem Expanderausgang angeordnet.

Eine weitere Lösung sieht vor, dass in der Umgehungsleitung der Betriebs- anpassungseinheit ein Schaltelement vorgesehen ist, welches eine direkte oder indirekte Verbindung zwischen dem Expansionsorgan zur Erzeugung des Unterkühlungsmassenstroms der Expansionseinheit und einem Expansions- druckausgangsanschluss der Expansionseinheit herstellt.

In diesem Fall ist in der Umgehungsleitung kein separates Expansionsorgan erforderlich, sondern die Umgehungsleitung ist so angeordnet, dass zum Aktivieren des Umgehungsmassenstroms das Expansionsorgan zur Erzeugung des Unterkühlungsmassenstroms eingesetzt werden kann, wobei in diesem Fall vorzugsweise kein Unterkühlungsmassenstrom auftritt, da zweckmäßiger- weise in diesem Fall die Expansionskompressionseinheit deaktiviert ist.

Dabei kann das Schaltelement entweder durch eine Steuerung der

Expansionseinheit gesteuert sein.

Es ist aber auch denkbar, das Schaltelement mit einer Steuerung der

Betriebsanpassungseinheit zu steuern.

Im einfachsten Fall ist vorgesehen, dass das Schaltelement ein als Schaltventil ausgebildet ist.

Eine andere Lösung sieht vor, dass das Schaltelement ein

Drei-/Zweiwegeventil ist, welches entweder die Umgehungsleitung oder einen Expanderausgang mit dem Expansionsdruckausgangsanschluss verbindet. Um Instabilitäten beim Betrieb der erfindungsgemäßen Expansionseinheit zu vermeiden, ist alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungen bei einer Expansionseinheit, insbesondere mit den aus dem Stand der Technik bekannten Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 58, vorgesehen, dass die Expansionseinheit eine Massenstrom- rückführung für die Kompressorstufe aufweist, mit welcher ein Massenstrom von einer vom Kompressorausgang wegführenden Leitung zu einer zum

Kompressoreingang führenden Leitung steuerbar ist.

Eine derartige Massenstromrückführung ermöglicht es ebenfalls, durch

Steuerung des Massenstroms durch den Kompressor Instabilitäten in der Expansionseinheit zu unterdrücken oder zu verhindern.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Massenstromrückführung eine Kompressorumgehungsleitung und ein dieser zugeordnetes Regelventil, beispielsweise ein Expansionsorgan, aufweist, um den Massenstrom durch die Massenstromrückführung steuern oder regeln zu können.

Zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine

Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangs- druck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist, und im Fall, dass diese größer als die Maximaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt die Maximaldifferenz bei Werten im Bereich von 2 bis 5 Kelvin. Ergänzend oder alternativ hierzu sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck expandierten Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperatur- differenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als eine Minimaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massenstrom- rückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt die Minimaldifferenz bei Werten im Bereich von 2 bis

4 Kelvin.

Eine alternative oder ergänzende weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben einen Druck des auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, daraus die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt, und außerdem die Temperatur des aus der Unter- kühlungseinheit ausdrehenden, auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, und aus diesen Temperaturen eine Über- hitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Überhitzungsminimalwert ist, die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Insbesondere liegt der Überhitzungsminimalwert im Bereich von 3 bis 7 Kelvin.

Ergänzend oder alternativ sieht eine weitere Lösung vor, dass die Expansions- einheit eine Steuerung aufweist, welche einen Öffnungsgrad des den Unter- kühlungsmassenstrom steuernden Expansionsorgans ermittelt und

entsprechend dem Öffnungsgrad das Regelventil der Massenstromrückführung steuert. Die Expansionseinheit kann alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Lösungen auch hinsichtlich ihres Betriebs dadurch stabilisiert werden, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels und eine

Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangs- druck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist und im Fall, dass diese größer als die Maximaldifferenz ist durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder vergrößert.

Ergänzend oder alternativ sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungseinheit vorliegenden Kältemittels eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperatur- differenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als eine Minimaldifferenz ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder vergrößert.

Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Lösungen sieht eine weitere Lösung vor, dass die Expansionseinheit eine Steuerung aufweist, welche zur Stabilisierung des Betriebs derselben einen Druck des auf

Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt, daraus die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt, und außerdem die Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit austretenden, auf Eingangs- druck der Kompressorstufe vorliegenden Kältemittels ermittelt und aus diesen Temperaturen eine Überhitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Minimalwert ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung einen Umleitungsmassenstrom erzeugt und/oder

vergrößert.

Ergänzend oder alternativ sieht eine weitere Lösung vor, dass die Expansions- einheit eine Steuerung aufweist, welche einen Öffnungsgrad des den Unter- kühlungsmassenstrom steuernden Expansionsorgans ermittelt und

entsprechend dem Öffnungsgrad das der Umgehungsleitung funktionell zugeordnete Expansionselement steuert.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expansionseinheit eine elektrisch arbeitende Steuerung aufweist, welche mindestens eine der folgenden Größen wie eine von einer Umgebungstemperatur beeinflusste oder dieser entsprechende Temperatur, eine Temperatur des der Expansionseinheit und/oder der Expanderstufe zugeführten Massenstroms des Kältemittels, einen Hochdruck des Gesamtmassenstroms oder des Expansionsmassenstroms vor der Expanderstufe erfasst und entsprechend dieser Temperatur und/oder gegebenenfalls dieses Hochdrucks des Gesamtmassenstroms oder des

Expansionsmassenstroms die Umgehungsleitung aktiviert und den

Umleitungsmassenstrom erzeugt.

Besonders günstig ist es bei dieser Lösung, wenn die Steuerung den

Umleitungsmassenstrom durch Ansteuerung des der Umgehungsleitung funktionell zugeordneten Expansionselements steuert. Die Eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß aber auch durch eine Expansionseinheit, insbesondere umfassend die aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Expansions- einheit eine elektrisch arbeitende Steuerung aufweist, welche mindestens eine der folgenden Größen wie: eine von einer Umgebungstemperatur beeinflusste oder dieser entsprechende Temperatur (T _amb ), eine Temperatur des der Expansionseinheit und/oder der Expanderstufe zugeführten Massenstroms des Kältemittels, ein Eingangsdruck der Kompressorstufe, erfasst und

entsprechend dieser Temperatur und/oder gegebenenfalls dieses Eingangs- drucks der Kompressorstufe einen Eingangsdruck der Expansionseinheit oder der Expanderstufe und/oder gegebenenfalls einen insbesondere vorgebbaren Eingangsdruck der Kompressorstufe durch Steuerung des Unterkühlungs- massenstroms mittels des von der Steuerung elektrisch angesteuerten

Expansionsorgans einstellt.

Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Steuerung die Umgebungs- temperatur und/oder die Temperatur des Massenstroms des Kältemittels vor einem Eingang der Unterkühlungseinheit und/oder vor einem Expandereingang mittels eines Sensors erfasst.

Bei allen vorstehend beschriebenen Steuerungen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Steuerung eine elektronische, einen Prozessor umfassende Steuerung ist, die mittels eines Steuerprogramms die jeweiligen Komponenten elektrisch ansteuert.

Hinsichtlich der Ausbildung der Unterkühlungseinheit wurden im Zusammen- hang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Unterkühlungseinheit als

Wärmeübertrager ausgebildet ist und den zur Expanderstufe strömenden Massenstrom des Kältemittels durch den im Gegenstrom durch diese geführten Unterkühlungsmassenstrom kühlt. Ferner ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Verzweigung vor einem hochdruckseitigen Eingang der Unterkühlungseinheit angeordnet ist.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Verzweigung zwischen der Unter- kühlungseinheit und der Expansionskompressionseinheit angeordnet ist und nach der Unterkühlungseinheit von dem Gesamtmassenstrom den Unter- kühlungsmassenstrom abzweigt.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Expanderstufe und/oder die Kompressorstufe der Expansionskompressionseinheit mechanisch funktionell gekoppelt sind, insbesondere starr miteinander gekoppelt sind.

Besonders günstig ist es hinsichtlich der Ausbildung der Expansions- kompressionseinheit, wenn die Expanderstufe und die Kompressorstufe durch eine Freikolbenmaschine gebildet sind, in welcher mindestens ein Freikolben in einer Kolbenkammer frei bewegbar ist.

Beispielsweise ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Expansions- kompressionseinheit zwei Kolbenkammern aufweist, in denen jeweils ein Frei- kolben 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 hochdruckseitige Wärmetauscher angeschlossen werden können.

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

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 Betriebsanpassungseinheit;

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

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

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

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Expansionseinheit;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs mit einer zweiten Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer dritten Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer vierten Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

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

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

Fig. 11 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einer siebten Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit in einer ersten Stellung eines 3/2 Wege- ventils;

Fig. 12 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der einer Expansionseinheit mit der siebten Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit in einer zweiten Stellung des 3/2 Wege- ventils;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Expansionseinheit;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Expansionseinheit mit einer geänderten Kompressorumgehung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels der

Expansionseinheit mit einem in das Expansionssystem integrierten zweiten Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs;

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs; Fig. 18 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs;

Fig. 19 ein Ablaufdiagramm betreffend die Aktivierung oder Deaktivierung der Expansionseinheiten mit den Expansionskompressionseinheiten sowie den Betriebsanpassungseinheiten bei den Ausführungs- beispielen gemäß Fig. 1 bis 18;

Fig. 20 ein Diagramm, welches die Aktivierung und/oder Deaktivierung der

Expansionseinheiten mit den Expansionskompressionseinheiten und der Betriebsanpassungseinheiten bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 18 graphisch darstellt;

Fig. 21 eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs entsprechend Fig. 16 mit einer Betriebsanpassungseinheit bei welcher ein Umleitungsmassen- strom nicht regelbar oder steuerbar sondern nur aktivierbar oder deaktivierbar ist;

Fig. 22 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs entsprechend Fig. 17 mit einer Betriebsanpassungseinheit, bei welcher der Umleitungs- massenstrom nicht Steuer- oder regelbar sondern nur aktivierbar oder deaktivierbar ist;

Fig. 23 eine schematische Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs mit einer Betriebs- anpassungseinheit, bei welcher der Massenstrom nicht Steuer- oder regelbar sondern nur aktivierbar oder deaktivierbar ist und Fig. 24 ein Ablaufdiagramm für die Aktivierung oder Deaktivierung der

Expansionseinheiten mit den Expansionskompressionseinheiten bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 21 und 23 und

Fig. 25 ein Diagramm welches schematisch die Aktivierung und/oder

Deaktivierung der Expansionseinheiten mit den Expansions- kompressionseinheiten und der Betriebsanpassungseinheiten bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 21 bis 23 darstellt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Fig. 1, umfasst ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs, in welchem eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kältemittelverdichtereinheit 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 eines externen Mediums aus diesem Medium Wärme aufnehmenden Wärmeübertrager 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, die 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

Kältemittels auf eine Temperatur erfolgt, die der oberhalb der Tau- und Siede- linie 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 bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreislaufs angesetzte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Expansions- einheit 32 umfasst, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, ein Expansionssystem 30, das eine als Ganzes mit 82 bezeichnete Vorrichtungsbasis aufweist, an welcher der Hochdruckeingangsanschluss 34 der Expansionsdruckausgangs- anschluss 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 am Ausgang 114 der Unterkühlungs- einheit 102 vorliegende Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 auf einen Rückführungshochdruck PR, welcher dem Druckniveau PHI in der Hochdruck- leitung 18 entspricht oder höher als dieser ist, so dass der Unterkühlungsrück- führungsmassenstrom 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 Druck- und/oder 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 Expansionsorgan 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 Druck- und/oder Temperatursensor 135

zugeordnet, mit welchem diese in der Lage ist, den Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 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 132 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 einem 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 oder Drücken gespeichert ist, so dass die Einstellungen des Expansionsorgans 122, vorgenommen durch den von der Steuerung 132 angesteuerten Stellantrieb 123, dazu führen dass sich am Hochdruck- eingangsanschluss 34 und/oder am Eingang 104 der Unterkühlungseinheit 102 und/oder am Expandereingang 92 der der Temperatur entsprechende Hoch- druck 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 und/oder den Druck des Unterkühlungs- massenstroms UM am Ausgang 114 zuverlässig überwachen zu können, ist insbesondere noch in der Verbindungsleitung 128 ein mit der Steuerung 132 verbundener Sensor 135 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 Küh I- kreislauf 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, beispielsweise suboptimale, insbesondere instabile Betriebszustände, 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

Betriebsanpassungseinheit 230 versehen, die diesen Fall verhindert.

Eine erste Ausführungsform einer in dem Expansionssystem 30 vorgesehenen Betriebsanpassungseinheit 230 umfasst beispielsweise ein zusätzliches

Expansionselement 232, welches in einer Umgehungsleitung 234 angeordnet ist, die ihrerseits der Expanderstufe 86, insbesondere zwischen dessen

Expandereingang 92 und Expanderausgang 94, parallel geschaltet ist, und als steuerbares Expansionselement ausgebildet ist, das von der Steuerung 132 oder 138 ansteuerbar ist, welche beispielsweise den Hochdruck PH2 erfasst und bei Überschreiten eines vorgebbaren Hochdruckniveaus dann gesteuert öffnet und als Expansionsorgan in der Umgehungsleitung 234 wirkt, so dass durch das Expansionselement 232 in der Umgehungsleitung 234 ein

Umleitungsmassenstrom ULM der Expansionsleitung 42 zugeführt wird, welcher dann in der Kühleinheit 62 Wärme aufnehmen kann, so dass der Kältemittelkreislauf 10 stabil weiterlaufen kann (Fig. 1 und Fig. 2).

Der Umleitungsmassenstrom ULM ist dabei so gesteuert, dass das

vorgesehene Maximum des Hochdrucks PHI und PH2 nicht überschritten wird.

Mit Aktivierung der Umgehungsleitung 234 oder auch unabhängig davon ist Expansionskompressionseinheit 84 mittels eines Schaltventils 236

deaktivierbar, wobei das Schaltventil durch die Steuerungen 132 und 138 oder durch eine separate Steuerung dann zur Deaktivierung der Expansions- kompressionseinheit 84 angesteuert wird, wenn beispielsweise durch einen oder mehrere der Sensoren 134i, 1342 und 135 ein instabiler, insbesondere auch nicht durch weitere Maßnahmen stabilisierbarer Betriebszustand, der Expansionseinheit 32 erkannt wird. Um den Betrieb der Expansionseinheit 32 in möglichst weiten Bereichen stabil zu halten, ist eine dem Kompressor 88 zugeordnete Massenstromrückführung 240 vorgesehen, die eine Kompressorumgehungsleitung 242 umfasst, welche die zum Kompressoreingang 96 führende Leitung 128 mit einer vom

Kompressorausgang 98 wegführenden Leitung verbindet und in welcher einer angesteuertes Regelventil 244 vorgesehen ist, mit dem ein die

Kompressorumgehungsleitung 242 vom Kompressorausgang 98 zum

Kompressoreingang 96 durchströmender rückgeführter Massenstrom steuerbar ist, um den Unterkühlungsmassenstrom UM zu reduzieren.

Das Regelventil 244 kann auf die unterschiedlichste Art und Weise gesteuert werden.

Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit 102 vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit

austretenden, auf Eingangsdruck der Kompressorstufe vorliegenden Kälte- mittels ermittelt, dass die Steuerung 132, 138 eine Temperaturdifferenz zwischen diesen Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist, und im Fall, dass diese größer als die Maximaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt dabei die Maximaldifferenz im Bereich von zwei bis fünf Kelvin.

Eine Variante der Ansteuerung des Regelventils 244 sieht vor, dass die

Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungs- einheit vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit 102 vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck PU expandierten Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung 132, 138 eine

Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als die Minimaldifferenz ist, den Massenstrom durch die Massen- stromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Eine weitere Variante betreffend die Ansteuerung des Regelventils sieht vor, dass die Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansions- einheit einen Druck des auf Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 vorliegenden Kältemittels ermittelt, daraus die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt und außerdem die Temperatur des aus der Unterkühlungs- einheit 102 austretenden, auf Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 vorliegenden Kältemittels ermittelt und aus diesen Temperaturen eine Über- hitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Überhitzungsmaximalwert ist, die Massenstromrückführung aktiviert und/oder vergrößert.

Vorzugsweise liegt dabei der Überhitzungsmaximalwert im Bereich von 3 bis 7 Kelvin.

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des Regelventils 244 sieht vor, dass die Steuerung 132, 138 einen Öffnungsgrad des Expansionsorgans 122 für den Unterkühlungsmassenstrom ermittelt und entsprechend dem Öffnungsgrad des Expansionsorgans das Regelventil 244 steuert.

Darüber hinaus bestehen weitere Möglichkeiten zur Stabilisierung der

Expansionseinheit. So sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 eine Temperatur des hochdruckseitig vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit 102 vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit 102 austretenden, auf Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese größer oder kleiner als eine Maximaldifferenz ist, und im Fall, dass diese größer als die Maximal- differenz ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung 234 einen Umleitungs- massenstrom ULM erzeugt und/oder vergrößert.

Dabei wird der Umleitungsmassenstrom ULM vorzugsweise gesteuert durch das der Umgehungsleitung 234 funktionell zugeordnetes Expansionselement 232.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 eine Temperatur des hochdruckseitig nach Austritt aus der Unterkühlungseinheit 102 vorliegenden Kältemittels und eine Temperatur des vor Eintritt in die Unterkühlungseinheit 102 vorliegenden, auf Unterkühlungsdruck PU vorliegenden Kältemittels ermittelt, dass die Steuerung 132, 138 eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen ermittelt und prüft, ob diese kleiner oder größer als eine Minimaldifferenz ist, und im Fall, dass diese kleiner als die Minimal- differenz ist, durch Aktivierung der Umgehungsleitung 234 einen Umleitungs- massenstrom ULM erzeugt und/oder vergrößert.

Auch in diesem Fall erfolgt vorzugsweise eine Ansteuerung des der

Umgehungsleitung funktionell zugeordneten Expansionselements. Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass die Steuerung 132, 138 zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 einen Druck des auf Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 vorliegenden Kältemittels ermittelt, daraus die Verdampfungstemperatur desselben ermittelt, und außerdem die Temperatur des aus der Unterkühlungseinheit 102 austretenden, auf

Eingangsdruck EP der Kompressorstufe 88 vorliegenden Kältemittels ermittelt und aus diesen Temperaturen eine Überhitzungsdifferenz ermittelt und im Fall, dass diese Überhitzungsdifferenz kleiner als ein Minimalwert ist, durch

Aktivierung der Umgehungsleitung 234 einen Umleitungsmassenstrom ULM erzeugt und/oder vergrößert.

Auch in diesem Fall erfolgt vorzugsweise eine Ansteuerung des der

Umgehungsleitung 234 funktionell zugeordneten Expansionselements 232.

Eine weitere günstige Lösung zur Stabilisierung des Betriebs der Expansions- einheit sieht vor, dass die Steuerung 132, 138 einen Öffnungsgrad des den Unterkühlungsmassenstrom UM erzeugenden Expansionsorgans 122 ermittelt und entsprechend dem Öffnungsgrad dieses Expansionsorgans 122 die

Umgehungsleitung 234 aktiviert und einen Umleitungsmassenstrom ULM erzeugt und/oder vergrößert, wobei vorzugsweise eine dem Öffnungsgrad des Expansionsorgans 122 entsprechende Ansteuerung des der Umgehungsleitung 234 funktionell zugeordneten Expansionselements 232 erfolgt.

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 Kältemittel- kreislaufs 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

Betriebsanpassungseinheit 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 Expansionselement 232 in der

Umgehungsleitung 234' angeordnet ist, die in diesem Fall die Hochdruck- leitung 28 mit der Expansionsleitung 42 verbindet und somit der gesamten Expansionseinheit 32 parallel geschaltet ist (Fig. 5).

Die Ansteuerung des Expansionselements 232 erfolgt beispielsweise durch die Steuerung 138 entsprechend dem Hochdruck PH2 wie beim ersten

Ausführungsbeispiel. Im Übrigen sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel diejenigen Elemente, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch sind mit denselben Bezugs- zeichen versehen, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs ist dem ersten Ausführungsbeispiel der Expansionseinheit 30 eine dritte Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit 230" zugeordnet die so ausgebildet ist, dass das steuerbare Expansionselement 232 in einer Umgehungsleitung 234" angeordnet ist (Fig. 6), die der Expanderstufe 86 und einem vor dem Expandereingang 92 angeordneten Absperrelement 236 parallel geschaltet ist, so dass beim Aktivieren des Expansionselements 232 die Möglichkeit besteht, entweder die Betriebsanpassungseinheit 230" gleich- zeitig mit der Expansionskompressionseinheit zu betreiben oder durch das Absperrventil 236 die Expanderstufe 86 und somit die gesamte Expansions- kompressionseinheit 84 außer Betrieb zu nehmen, so dass lediglich noch der Umleitungsmassenstrom ULM von dem Hochdruckeingangsanschluss 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 Betriebsanpassungssteuerung 238, welche mittels eines Sensors 246 den in dem Kältemittelkreislauf 10 vor der Expanderstufe 86 vorliegenden Hochdruck PH2 beispielsweise den Hochdruck zwischen dem Ausgang 106 der Unter- kühlungseinheit 102 und dem Expandereingang 92 erfasst (Fig. 6). Ferner ist zur Stabilisierung des Betriebs der Expansionseinheit 32 eine modifizierte Massenstromrückführung 240' vorgesehen, deren Kompressor- umgehungsleitung 242' den Kompressorausgang 98 mit dem Eingang 112 der Unterkühlungseinheit 102 verbindet, der auf einem nach dem Expansions- organ 122 vorliegenden Druck liegt.

Die Ansteuerung des steuerbaren Ventils 244' erfolgt in diesem Fall seitens der Steuerung 132, die in gleicher weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel die genannte Druckdifferenz erfasst.

Im Übrigen sind alle Elemente des dritten Ausführungsbeispiels, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten

Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

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

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

Im Übrigen sind diejenigen Elemente der vierten Ausführungsform, die mit denen der voranstehenden Ausführungsformen identisch sind mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass auf die Ausführungen hierzu vollinhaltlich Bezug genommen wird. Bei einer fünften Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit 230"", dargestellt in Fig. 8 umfasst die Betriebsanpassungseinheit 230"" das Absper- relement 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 das weitere

Absperrelement 237 vorgesehen, während das für die Expansion des Unter- kühlungsmassenstroms UM vorgesehene Expansionsorgan 122 auch für die Betriebsanpassungseinheit 230"" als Expansionsorgan dient und daher den Umgehungsleitungsmassenstrom ULM bestimmt, der unter Umgehung des Expanders 86 zum Expansionsdruckausgangsanschluss 36 geführt ist, insbesondere wenn durch das Absperrelement 236 die Expansions- kompressionseinheit deaktiviert wird.

Auch in diesem Fall ist die Betriebsanpassungssteuerung 238 vorgesehen, 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 Betriebsanpassungseinheit

230. , dargestellt in Fig. 9, ist die Betriebsanpassungseinheit 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 Expansionsdruckausgangs- anschluss 36 in eine Leitung 233 zwischen diesen einmündet.

In diese Leitung 233 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 einer erfindungsgemäßen Expansions- einheit 32", dargestellt in Fig. 10, ist das Expansionssystem 30" mit der Betriebsanpassungseinheit 230' gemäß der sechsten Ausführungsform versehen, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zum sechsten

Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Expansions- einheit 32 und 32' 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 beispiels- weise die erste Kammer 282 über eine erste Pulsationsübertragungsleitung 292 mit dem Hochdruckeingangsanschluss 34 verbunden ist und die zweite Kammer 288 über eine zweite Pulsationsübertragungsleitung 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 siebte Ausführungsform einer Betriebsanpassungseinheit 230. , dargestellt in Fig. 11 und Fig. 12, basiert im Prinzip auf der vierten

Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit 230. , wobei in diesem Fall die Betriebsanpassungseinheit 230. eine Umgehungsleitung 234.

aufweist, die von der Zuleitung 126 zu einem 3/2 Wegeventil 235 führt, welches in der Lage ist, entweder den Expanderausgang 94 mit dem

Expansionsdruckausgangsanschluss 36 zu verbinden und die Umgehungs- leitung 234. zu verschließen oder die Umgehungsleitung 234. mit dem

Expansionsdruckausgangsanschluss 36 zu verbinden und den Expander- ausgang 94 zu verschließen, wobei das 3/2 Wegeventil 235 ebenfalls durch die Betriebsanpassungssteuerung 238 angesteuert wird, welche beispielsweise den Hochdruck 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 der aktivierten Betriebsanpassungseinheit 230"" Notbetriebs als Expansionsorgan für diese Betriebsanpassungseinheit 230..

Bei einem dritten 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 Unterkühlungsmassenstrom 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 dritte Ausführungsbeispiel der Expansionseinheit lässt sich mit verschiedenen Betriebsanpassungseinheiten, beispielsweise mit einer

Betriebsanpassungseinheit 230' gemäß der zweiten Ausführungsform, und dem Expansionselement 232, versehen.

Die Expansionseinheit 32" kann aber auch mit Betriebsanpassungseinheiten

230", 230'", 230"", 230. , und/oder auch mit Pulsationsdämpfereinheiten

260, 280 versehen werden, wie sie im Zusammenhang mit den voran- stehenden Ausführungsbeispielen des Kältemittelkreislaufs 10 beschrieben sind, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Ausführungen zu diesen Betriebsanpassungseinheiten Bezug genommen wird.

Ferner ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel zur Stabilisierung der

Expandereinheit 32" die Massenstromrückführung 240 vorgesehen, die bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Alternativ zur Kompressorumgehung 240 ist bei der Lösung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 14 dargestellt, aber auch eine

Kompressorumgehung 240' realisiert, die bereits im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit 230" im Zusammen- hang mit Fig. 6 erläutert wurde. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 ist es aber auch, wie in Fig. 15 dargestellt, denkbar, die Expansionseinheit 32" mit einer unmittelbar auf dem Expansionssystem 30" angeordneten und in dieses integrierten Betriebsanpassungseinheit 230' zu versehen, deren Umgehungsleitung 234' zwischen dem Hochdruckeingangsanschluss 34 und dem Expansionsdruck- ausgangsanschluss 36 verläuft.

Ferner ist nach wie vor in das Expansionssystem 30" das Absperrventil 231 integriert, welches zur Deaktivierung der Expansionskompressionseinheit 84 ansteuerbar ist.

Die Ansteuerung des Expansionselements 232 erfolgt bei der Lösung gemäß Fig. 15 mittels der Steuerung 132 in der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit 230.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittel- kreislaufs 10", dargestellt in Fig. 16, 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 ersten Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit 230 versehen, bezüglich welcher auf die voran- stehenden Ausführungen zu dieser ersten Ausführungsform verwiesen wird.

Alternativ wären aber auch alle weiteren voranstehend beschriebenen

Ausführungsformen der Betriebsanpassungseinheit einsetzbar. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel führt bei dem dritten

Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreislaufs 10" die Expansionsleitung 42 nicht unmittelbar zu der Kühlstufe 62, sondern zu einem Zwischendruck- sammler 44, in welchem sich bei Expansionsdruck PE ein Bad 46 aus flüssigem Kältemittel ausbildet, von welchem flüssiges Kältemittel über eine Flüssig- leitung 48 der Kühlstufe 62" zugeführt wird, die in diesem Fall nicht nur den wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager 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 des Kältemittelkreislaufs 10" ist ferner noch der Hochdruckableitung 28 ein Pulsationsdämpfer 260 zugeordnet der dem in dem ersten Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß Fig. 1 dargestellten und der Expansionsleitung 42 zugeordneten Pulsations- dämpfer 260 entspricht, so dass hinsichtlich der Funktion desselben voll- inhaltlich 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. 17 sind die Elemente, die mit denen des ersten und dritten Ausführungsbeispiels des Kältemittelkreislaufs 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.

Ferner ist auch das vierte Ausführungsbeispiel des Kältemittelkreislaufs 10"' mit der ersten Ausführungsform der Betriebsanpassungseinheit 230 versehen, wobei aber auch alle weiteren Ausführungsformen ansetzbar wären.

Zusätzlich zu den Merkmalen des dritten Ausführungsbeispiels ist das vierte Ausführungsbeispiel anstatt mit dem Pulsationsdämpfer 260 mit einer

Pulsationsdämpfereinheit 280 versehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel dem Wärmeübertrager 22 parallel geschaltet ist und somit Pulsationen zwischen der Hochdruckleitung 18 und der Hochdruckableitung 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 voran- stehenden 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. 18, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten bis vierten Ausführungsbeispiel der Kältemittelkreisläufe identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der

Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zu den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen Bezug genommen werden kann. Im Gegensatz zu den dritten und vierten Ausführungsbeispielen der Kälte- mittelkreisläufe 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 222 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 vorge- sehenen Bereich der Zuschlagswerte sein, besonders günstig ist es jedoch, wenn die Zuschlagswerte innerhalb dieses vorgesehenen Bereichs betriebs- zustandsbedingt 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. 18 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 Drehzahl- regelung des Verdichters erfolgen kann.

Bei allen Ausführungsbeispielen und Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 18 wurde nicht näher darauf eingegangen, inwieweit die Betriebs- anpassungseinheit 230 und die die Expansionskompressionseinheit 84 umfassende Expansionseinheit 32 aktiviert oder deaktiviert sind. Bei den voranstehenden Ausführungsbeispielen ist stets vorgesehen, dass der Betriebsanpassungseinheit 230 ein steuerbares oder regelbares Expansions- element 232 oder 122 zugeordnet ist, so dass der durch die Umgehungs- leitung 234 strömende Massenstrom steuerbar oder regelbar ist.

In diesen Fällen ist das in Fig. 19 dargestellte Ablaufdiagramm für die jeweilige Steuerung 132, 138 vorgesehen, die einerseits eine der Umgebungs- temperatur im Bereich des hochdruckseitigen Wärmeübertragers

entsprechende Temperatur Tamb, beispielsweise mittels des Sensors 134 ₃ , erfasst und prüft, ob diese höher oder niedriger ist als ein Temperatur- schwellwert TS, oberhalb von welchem die die Expansionskompressionseinheit 84 aufweisende Expansionseinheit 32 stabil betreibbar ist und unterhalb von welchem Instabilitäten beim Betrieb der die Expansionskompressionseinheit 84 aufweisenden Expansionseinheit 32 auftreten.

Ist die Temperatur Tam _b kleiner als der Temperaturschwellwert TS, so erfolgt ein Abschalten der Expansionskompressionseinheit 84 und der Kältemittel- kreislauf 10 arbeitet mit der Betriebsanpassungseinheit 230, die den Massen- strom ULM durch die jeweilige Umgehungsleitung 234 variabel einstellt.

Die Temperaturschwelle TS liegt vorzugsweise bei CO2 als Kältemittel im Bereich von 15°C bis 20°C.

Darüber hinaus prüft die Steuerung 132, 138 gemäß dem Ablaufdiagramm in Fig. 19, ob der Gesamtmassenstrom G, der bei Hochdruck vorliegt, größer ist als die Summe aus dem Unterkühlungsmassenstrom UM und dem

Expansionsmassenstrom EPM in der Expansionseinheit 32.

Ist dies der Fall, so ist die Expansionskompressionseinheit 84 nicht mehr in der Lage, einen Druckanstieg des Hochdrucks PH2 zu verhindern. In diesem Fall erfolgt ebenfalls ein Aktivieren der Betriebsanpassungseinheit 230 dergestalt, dass diese den durch die Umgehungsleitung 234 hindurch- strömenden Massenstrom ULM so einstellt, dass der Hochdruck PH2 auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann.

In allen anderen Fällen erfolgt ein ausschließlicher Betrieb der die Expansions- kompressionseinheit 84 umfassenden Expansionseinheit 32 mit deaktivierter Betriebsanpassungseinheit 230.

Diese Verhältnisse sind ebenfalls in dem Diagramm gemäß Fig. 20

schematisch dargestellt, so dass erkennbar ist, in welchen Fällen eine

Aktivierung oder Deaktivierung der Betriebsanpassungseinheit 230 und der Expansionskompressionseinheit 84 erfolgt.

In den Fig. 21 bis 23 sind die den Fig. 16 bis 18 entsprechenden Kältemittel- kreisläufe 10 und Expansionseinheiten 32 dargestellt, die hinsichtlich ihres gesamten Aufbaus identisch sind, wobei die Ausführungsform gemäß Fig. 21 der der Fig. 16, die Ausführungsform gemäß Fig. 22 der der Fig. 17 und die Ausführungsform gemäß Fig. 23 der der Fig. 18 entspricht.

Vom grundsätzlichen Aufbau her sind auch die Betriebsanpassungseinheiten 230 beziehungsweise 230' mit den Betriebsanpassungseinheiten der Fig. 16 bis 18 identisch, allerdings mit dem Unterschied, dass in den Umgehungs- leitungen 234 beziehungsweise 234' zum Aktivieren oder Deaktivieren derselben keine steuerbaren Expansionsorgane 232 beziehungsweise 232' vorgesehen sind, sondern lediglich Schaltventile 231 beziehungsweise 231', die entweder geöffnet oder geschlossen werden können, wobei insbesondere die Schallventile 231 beziehungsweise 231' so ausgebildet sind, dass im geöffneten, das heißt aktivierten, Zustand derselben kein Druckverlust auftritt, so dass letztlich bei aktivierter Betriebsanpassungseinheit 230 beziehungs- weise 230' am Expansionsdruckausgangsanschluss 36 der jeweiligen

Expansionseinheit 32 Hochdruck PH2 anliegt. Ein derartiges Schaltventil 231 beziehungsweise 231' ist einfacher aufgebaut und damit kostengünstiger und auch kostengünstiger zu betreiben, als ein Expansionselement 232, da keine Regelung erforderlich ist, sondern seitens der jeweiligen Steuerung 132, 138 lediglich ein Signal zum Öffnen oder zum Schließen zu erzeugen ist.

In diesem Fall ist das Ablaufdiagramm Steuerung so konzipiert, wie dies in Fig. 24 dargestellt ist.

Dabei werden die im Bereich des hochdruckseitigen Wärmeübertragers 22 erfassten Temperaturen Tam _b mit dem Temperaturschwellwert TS und einem weiteren unteren Temperaturschwellwert TUS, der niedriger liegt als der Temperaturschwellwert TS, verglichen.

Der Temperaturschwellwert TS liegt vorzugsweise bei C02 als Kältemittel im Bereich von 15°C bis 20°C und der untere Temperaturschwellwert TUS liegt vorzugsweise im Bereich von 8°C bis 12°C.

Liegen die Temperaturen Tam _b noch unter dem unteren Temperaturschwellwert TUS ab, so ist es erforderlich, das Schaltventil 231 nicht mehr permanent aktiviert zu halten, sondern zeitweilig zu schließen, so dass die Betriebs- anpassungseinheit 230 in zeitlichen Intervallen, beispielsweise pulsweiten- moduliert, aktiviert und deaktiviert wird, um den Hochdruck PH2 auf einem angemessenen Niveau zu halten.

Liegen die Temperaturen Tam _b bei Werten unterhalb des Temperatur- schwellwerts TS, so erfolgt ein Deaktivieren, d.h. abschalten, der Expansions- kompressionseinheit 84 und ein permanentes Aktivieren der Betriebs- anpassungseinheit 230, verbunden mit einem insbesondere permanenten Öffnen des Ventils 231 in der entsprechenden Umgehungsleitung 234. Bei Temperaturen Tamb, die größer sind als der Temperaturschwellwert TS erfolgt lediglich ein Betrieb der jeweiligen Expansionseinheit 32 mit der Expansionskompressionseinheit 84.

Diese Verhältnisse sind außerdem in dem Diagramm gemäß Fig. 25

dargestellt, wobei in Fig. 25 noch zusätzlich ein Überlapp bei dem Deaktivieren der Expansionskompressionseinheit 84 und dem Aktivieren der Betriebs- anpassungseinheit 230 sowie ein Überlapp bei dem Deaktivieren der permanenten Aktivität der Betriebsanpassungseinheit 230 und Übergang zur pulsweitengesteuerten Aktivierung und Deaktivierung der Betriebs- anpassungseinheit 230 vorgesehen ist.