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Die
Erfindung betrifft eine Trockner-Filter-Anordnung für Kältemittelkreisläufe
mit wenigstens einer Trocknereinrichtung und wenigstens einer Filtereinrichtung.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kältemittelkreislauf
mit wenigstens einer Trocknereinrichtung und wenigstens einer Filtereinrichtung
für das Kältemittel.
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Kühlanlagen,
Klimaanlagen und Wärmepumpen sind mittlerweile für
unterschiedlichste Einsatzzwecke weit verbreitet. Die weitaus gebräuchlichste
Bauform derartiger Anlagen ist derzeit die sogenannte Kompressionskältemaschine,
bei der ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf
von einem Kompressor gepumpt wird. Der Kreislauf ist vom Kompressor
sowie einem Expansionsorgan in einen Bereich mit höherem
Druck und einen Bereich mit niedrigerem Druck des Kältemittels
aufgeteilt. In bei den Bereichen ist jeweils ein Wärmetauscher
angeordnet, bei dem Wärme vom Kältemittel an die
Umgebung, beziehungsweise Wärme von der Umgebung an das
Kältemittel übertragen wird.
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Die
derzeit gebräuchlichsten Kältemittel sind Pentan,
Ammoniak, R 134a und R 22. Aktuell ist auch die Verwendung von CO2 als Kältemittel (R 744) in der
Erprobung.
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Für
einen zuverlässigen Betrieb eines Kompressionskältemittelkreislaufes über
einen längeren Zeitraum hinweg ist es auch erforderlich,
das umlaufende Kältemittel von Verunreinigungen zu reinigen. Übliche
Verunreinigungen sind dabei mechanische Verunreinigungen, wie beispielsweise
Metallspäne, die teilweise von der Fertigung der Anlage
bzw. der Anlagenkomponenten stammen, teilweise aber auch im Betrieb
durch mechanisch bewegte Teile (z. B. durch den Kompressor) entstehen.
Derartige Partikel müssen ausgefiltert werden, da sie ansonsten
den Kreislauf verstopfen könnten, oder zu einem erhöhten
Verschleiß der Komponenten führen könnten.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere das Expansionsorgan beziehungsweise
der Kompressor zu nennen. Zum Abscheiden derartiger mechanischer Verunreinigungen
werden Filter in den Kältemittelkreislauf eingebaut.
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Eine
weitere Verunreinigung des Kältemittels entsteht durch
die Lösung von Stoffen, die in den Kältemittelkreislauf
hinein diffundieren. Da übliche Kältemittel stark
hygroskopisch sind, erweist sich in diesem Zusammenhang vor allen
Dingen Wasser als problematisch. Das im Kältemittel gelöste
Wasser kann die Leistungsfähig keit und den Wirkungsgrad der
Anlage vermindern und darüber hinaus zu innerer Korrosion
führen. Um dies zu vermeiden, werden daher Trockenmittel
im Kreislauf vorgesehen, welche das im Kältemittel gelöste
Wasser absorbieren. Als Trockenmittel werden üblicherweise
Zeolithe und Silikate verwendet.
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Um
eine ausreichende Wirkung des Filters sowie des Trockenmittels zu
gewährleisten, werden Filter und Trockenmittel normalerweise
in den Kältemittelkreislauf eingeschleift, so dass diese
seriell, nacheinander vom Kältemittel durchströmt
werden. Dabei wird die Filteranordnung in Strömungsrichtung des
umlaufenden Kältemittels gesehen vor dem Trockenmittel
angeordnet, damit das Trockenmittel nicht durch mechanische Verunreinigungen
verstopft wird.
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Zwischenzeitlich
hat sich aus Platzgründen sowie aus Kostengründen
eine kombinierte Trockner-Filter-Einheit durchgesetzt, die als Einheit
in den Kältemittelkreislauf eingeschleift wird. Dabei sind
in der Einheit der Filter sowie das Trockenmittel in einem gemeinsamen
Gehäuse integriert, wobei auch hier das Kältemittel
den Filter sowie das Trockenmittel seriell durchströmt.
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Eine
derartige Trockner-Filter-Anordnung ist beispielsweise in
US 6,106,596 beschrieben.
Die dort gezeigte Anordnung weist ein zusätzliches Volumen
auf, so dass die Trockner-Sammler-Einheit zusätzlich als
Kältemittelakkumulator dient. Die dort beschriebene Einheit
weist ein Gehäuse auf, in das eine Trockner-Filter-Patrone
eingeschoben wird. Bei dem Gehäuse ist vorgesehen, dass
der Eingangs- sowie der Ausgangsanschluss für das Kältemittel
auf der gleichen Seite des Gehäuses vorgesehen ist. Um dies
zu ermöglichen, strömt das zugeführte
Kältemittel durch ein Rohr in einen unteren Bereich des
Behälters, wo das Kältemittel umgelenkt wird und
seine Strömungsrichtung ändert. Das Einströmrohr
verläuft durch eine mittige Öffnung der kreisförmig
ausgebildeten Trockner-Filter-Patrone. Nach dem Umlenken strömt
das Kältemittel zunächst durch einen Filter und
anschließend durch ein granuliertes Trockenmittel, die
beide in einer Kapselanordnung angeordnet sind, hindurch. Anschließend
ist ein weiterer Hohlraum vorgesehen, der als Akkumulator dient.
Das Kältemittel durchströmt dabei seriell zuerst
den Filterbereich und anschließend den Trocknerbereich
der Filter-Trockner-Patrone.
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In
US 5,440,898 ist eine weitere
Trockner-Filter-Einheit beschrieben. Das Trockenmittel ist dabei
als zylindrischer Körper in dem ebenfalls zylindrischen
Gehäuse aufgenommen. In der Mitte des zylindrischen Trockenmittelkörpers
ist eine mittig angeordnete durchgehende zentrale Ausnehmung vorgesehen,
so dass der Trockenmittelkörper schlussendlich hohlzylindrisch
mit größerer Wandstärke ausgebildet ist.
Auf der zuströmseitigen Seite der Trockner-Filter-Einheit
ist auf der Stirnseite des Trockenmittelkörpers eine Filteranordnung
festgelegt. Gehäuse, Filteranordnung und Trockenmittelkörper sind
dabei jeweils fluiddicht zueinander ausgeführt, so dass
das Kältemittel zwangsweise durch den Filter hindurch treten
muss, um in die zentrale Öffnung des Trockenmittelhohlzylinders
zu gelangen. Weiterhin befindet sich an der abströmseitigen
Seite der Trockner-Filter-Einheit ein Verschlusselement, wel ches
die zentrale Durchgangsöffnung des Trockenmittelkörpers
ebenfalls fluiddicht verschließt. Durch diese Ausbildung
der Trockner-Filter-Einheit durchläuft das Trockenmittel
seriell zunächst den Filter und anschließend das
Trockenmittel, bevor das Kältemittel die Trockner-Filter-Einheit
wieder verlässt.
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Ein
großes Problem bei derartigen Trockner-Filter-Einheiten
ist es, eine gute Filter- und Trockenwirkung, einen geringen Druckabfall
des umlaufenden Kältemittels beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs,
geringe Kosten und eine möglichst kleine Bauform der Trockner-Filter-Einheit
miteinander zu kombinieren.
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Wählt
man beispielsweise eine kleine Bauform der Anordnung, so ist die
Fläche, durch die das Kältemittel durch die Trockner-Einheit
hindurch treten kann, entsprechend klein, so dass sich ein hoher Strömungswiderstand
ergibt. Dies führt beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
zu einem hohen Druckabfall des Kältemittels im Bereich
der Trockner-Filter-Einheit. Versucht man umgekehrt den Druckabfall
zu minimieren, so ist die Durchtrittsfläche für
das Kältemittel durch die Trockner-Einheit hindurch entsprechend groß zu
wählen. Dies führt zu einer entsprechend großen
Bauausführung der Trockner-Filter-Einheit und zu dementsprechend
hohen Kosten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Trockner-Filter-Anordnung
vorzuschlagen.
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Weiterhin
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen verbesserten Kältemittelkreislauf
vorzuschlagen.
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Es
wird vorgeschlagen, bei einer Trockner-Filter-Anordnung für
Kältemittelkreisläufe, die wenigstens eine Trocknereinrichtung
und wenigstens eine Filtereinrichtung aufweist, wenigstens einen durch
die Filtereinrichtung hindurch verlaufenden Kurzfluidpfad vorzusehen,
der einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss der Trockner-Filter-Anordnung
unter Umgehung der Trocknereinrichtung verbindet. Mit anderen Worten
werden somit Filtereinrichtung und Trocknereinrichtung zumindest
zum Teil parallel durchströmt. Ein Teil des Kältemittels
fließt also durch die Filtereinrichtung hindurch, ohne
zwangsläufig durch die Trocknereinrichtung hindurch strömen
zu müssen. Umgedreht ist es auch möglich, dass
ein Teil des Kältemittels lediglich die Trocknereinrichtung
durchströmt, ohne die Filtereinrichtung zu durchströmen.
Möglich ist es jedoch ebenso, dass ein (weiterer) Teil
des Kältemittels sowohl durch die Filtereinrichtung, als
auch durch die Trocknereinrichtung strömt. In diesem Zusammenhang
ist darauf hinzuweisen, dass übliche Trocknereinrichtungen
auch eine gewisse Filterwirkung haben. Auch ist es möglich,
dass im Zusammenhang mit der Trocknereinrichtung eine zusätzlich
zur "normalen" Filtereinrichtung vorgesehene Zusatz-Filteranordnung
vorgesehen wird. Dabei kann die zusätzlich vorgesehene
Zusatz-Filteranordnung beziehungsweise die Trocknereinrichtung eine
von der "normalen" Filtereinrichtung abweichende Filtergüte aufweisen.
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Die
vorgeschlagene Ausbildung beruht auf der überraschenden
Erkenntnis, dass die Trockenwirkung der Trocknereinrichtung in der
Regel nicht, oder nur in ei nem geringen Maße davon abhängt,
ob die Trocknereinrichtung vom gesamten Kältemittel durchströmt
wird, ob nur Teile des Kältemittels durch die Trocknereinrichtung
hindurchströmen, oder ob das Kältemittel lediglich
an einer Oberfläche der Trocknereinrichtung vorbei strömt.
Es hat sich herausgestellt, dass bei einem typischen Kältemittelkreislauf
die Zeitkonstante des Absorptionsprozesses in der Größenordnung
von Tagen liegt, auch wenn die Trocknereinrichtung vom gesamten
Kältemittelstrom durchströmt wird. Bei derartigen
Zeitkonstanten vergrößert die vorgeschlagene Anordnung die
Zeitkonstante für den Absorptionsprozess nur in geringem
Maße. Um eine möglichst geringe Verminderung der
Trockenwirkung zu haben, ist es dabei natürlich sinnvoll,
einen je nach Anwendungsfall geeignet großen Anteil des
Kältemittels durch die Trocknereinrichtung hindurchströmen
zu lassen, beziehungsweise die Oberfläche der Trocknereinrichtung,
an der das Kältemittel vorbeiströmt, entsprechend
groß zu wählen.
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Andererseits
kann durch die vorgeschlagene Trocker-Filter-Anordnung der Strömungswiderstand, dem
das hindurchströmende Kältemittel ausgesetzt ist,
gegebenenfalls deutlich verringert werden. Dies hat wiederum zur
Folge, dass der Druckabfall im Verhältnis zu bekannten
Trockner-Filter-Anordnungen deutlich reduziert werden kann. Dies
ist möglich, obwohl die Trockner-Filter-Anordnung nicht,
oder nur in eingeschränktem Maße, vergrößert
werden muss.
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Dabei
ist es durchaus denkbar, dass Trocknereinrichtung und Filtereinrichtung
der Trockner-Filter-Anordnung zumindest zum Teil in unterschiedlichen
Gehäusen ausge bildet sind, wenn es beispielsweise aus Bauraumgründen
erforderlich sein sollte.
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Vorzuziehen
ist es jedoch, die Trocknereinrichtung und die Filtereinrichtung
in einem gemeinsamen Gehäuse aufzunehmen. In diesem Fall
kann eine besonders kompakte Bauanordnung erzielt werden. Auch können
weniger Verbindungsstellen mit Rohrleitungskomponenten beziehungsweise
anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs erforderlich
sein, was die Montagekosten verringern kann und die Dichtigkeit
der Gesamtanordnung erhöhen kann. Auch kann ein Tausch
der Trockner-Filter-Anordnung vereinfacht werden.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Kurzfluidpfad benachbart zu wenigstens
einer Oberfläche der Trocknereinrichtung verläuft.
In diesem Fall kann auch der Anteil des Kältemittels, der
lediglich durch die Filtereinrichtung hindurch tritt, eine gewisse
Trocknung erfahren. Der Effekt kann gesteigert werden, wenn die Oberfläche
der Trocknereinrichtung, an der das Kältemittel vorbeiströmt
und/oder die Verweildauer des Kältemittels im Bereich dieser
Oberfläche im Verhältnis zum an dieser Oberfläche
vorbei geführten Fluidstrom relativ groß gewählt
wird.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Trocknereinrichtung zylindrisch ausgebildet
ist. Da die derzeit verwendeten Trocknereinrichtungen typischerweise
zylindrisch geformt sind, kann dadurch eine Drop in-Lösung
realisiert werden. Darüber hinaus kann sich eine besonders
kompakte Bauform ergeben und gegebenenfalls können sich
Vorteile bei der Herstellung und beim Betrieb der Trocknereinrichtung
ergeben.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Trocknereinrichtung eine durchgehende,
zentrale Ausnehmung aufweist. Das Kältemittel kann dann
die Trocknereinrichtung von innen nach außen (oder umgekehrt)
durchströmen, so dass bei relativ einfachem Aufbau eine
große Oberfläche zur Verfügung gestellt werden
kann, mit der das Kältemittel in Kontakt treten kann, beziehungsweise
durch die das Kältemittel in die Trocknereinrichtung eintreten
kann. Der resultierende Druckabfall des durch die Trockner-Filter-Anordnung
strömenden Kältemittels kann so nochmals reduziert
werden.
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In
diesem Zusammenhang kann es sich als sinnvoll erweisen, wenn sich
der Querschnitt der zentralen Ausnehmung verjüngt, insbesondere
wenn es sich konisch verjüngt. Unter einer Verjüngung
ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein monoton beziehungsweise
ein streng monoton abnehmender Querschnitt zu verstehen. Die Änderung
kann dabei stetig oder aber auch sprunghaft erfolgen. Beispielsweise
kann eine Art trichterförmige zentrale Ausnehmung in der
Trocknereinrichtung vorgesehen werden. Durch die Verjüngung
der zentralen Ausnehmung kann den durch die Filtereinrichtung hindurch tretenden
Teilen des Kältemittelstroms Rechnung getragen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die sich verjüngende
Ausnehmung auch dazu führen, dass sich die Geschwindigkeit
des in der zentralen Ausnehmung strömenden Kältemittels
in Richtung der Verjüngung hin vergrößert.
Durch die größere Geschwindigkeit kann, beispielsweise
in dem Fall, in dem am Ende der zentralen Ausnehmung eine Fil tereinrichtung
vorgesehen ist, bewirkt werden, dass die Filtereinrichtung durch
den einfallenden Fluidjet von Verschmutzungen gereinigt wird. Durch
die höhere Geschwindigkeit kann gegebenenfalls auch der Durchgang
des Kältemittels durch die Filtereinrichtung hindurch verbessert
werden. Möglich ist es auch, das sich die zentrale Ausnehmung
nur in einem Teilbereich verjüngt.
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Wenn
die Trocknereinrichtung ein eigenstabiles Trocknermaterial aufweist,
kann ein besonders einfacher Aufbau der Filtereinrichtung, und damit
der gesamten Trockner-Filter-Anordnung gefördert werden.
In diesem Fall kann beispielsweise auf eine stützende und/oder
das Trockenmaterial einhüllende Struktur verzichtet werden,
wie sie beispielsweise bei einem granulatartigen Trocknermaterial
erforderlich wäre. Selbstverständlich ist es dennoch
denkbar, zumindest Teile der Trocknereinrichtung aus einem granulatartigen
Trocknermaterial zu fertigen.
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Ein
besonders günstiger Aufbau ergibt sich, wenn die Filtereinrichtung
im Bereich des Ausgangsanschlusses angeordnet ist und insbesondere
die Trocknereinrichtung kontaktiert. Mit einem derartigen Aufbau
kann eine besonders kompakte Trockner-Filter-Anordnung realisiert
werden. Darüber hinaus kann der durch die Filtereinrichtung
hervorgerufene Druckabfall genutzt werden, um zwischen Eingangsfläche
und Ausgangsfläche einer Trocknereinrichtung eine Druckdifferenz
auszubilden, so dass ein Teil des durch die Trockner-Filter-Anordnung
hindurch strömenden Kältemittels durch die Trocknereinrichtung
hindurch strömt.
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Eine
weitere günstige Weiterbildung ergibt sich, wenn die Filtereinrichtung
als elastische Membrane ausgebildet ist und insbesondere aus Polyester gefertigt
ist. Bei einer Ausbildung als elastische Membrane kann sich die
Filtereinrichtung im Betrieb aufgrund der an ihr entstehenden Druckdifferenz
verformen. Durch die Verformung kann sich die Porengröße
des Filters geringfügig vergrößern, so
dass bei einem höheren Kältemitteldurchsatz die
Porengröße der Filtereinrichtung vergrößern
kann, so dass die an der Filtereinrichtung auftretende Druckdifferenz
nicht übermäßig ansteigen muss.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Gehäuse der Filtereinrichtung benachbart
zur Filtereinrichtung abströmseitig einen Hohlraum aufweist.
Auf diese Weise kann das aus der Filtereinrichtung austretende Fluid,
gegebenenfalls auch der durch die Trocknereinrichtung hindurch getretene
Kältemittelanteil gesammelt und/oder beruhigt werden, und
anschließend dem Ausgang der Trockner-Filter-Anordnung zugeleitet
werden. Insbesondere im Falle einer elastischen Filtermembran kann
durch die vorgeschlagene Ausführung auch ein entsprechend
dimensionierter Raum zur Verfügung gestellt werden, in
den sich die Filtermembran hinein bewegen kann. Bei entsprechend
groß dimensioniertem Hohlraum ist auch eine Akkumulatorfunktion
möglich.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich, wenn Größe,
Befestigung und Elastizität der Filtereinrichtung derart
gewählt sind, dass sich bei einem Durchströmen
der Filtereinrichtung mit Kältemittel die Filtereinrichtung
derart elastisch verformt, dass sich zwischen der Filtereinrichtung
und einer dazu benachbarten Abstützfläche mindestens
eine Kavität ausbildet. So kann die Anordnung so gestaltet sein,
dass beim Durchströmen der Trockner-Filter-Anordnung eine
Kältemittelströmung erzeugt wird, bei der ein
Teil des Kältemittels in die Kavität, also in
einem Hohlraum, einströmt. Die vom Kältemittel
mitgerissenen Schmutzpartikel werden somit in die entstandene Kavität
gedrängt. Die Kavität kann so als Aufnahmeraum
für durch die Filtereinrichtung abgeschiedene Schmutzpartikel
wirken. Wenn sich nach einem Ausschalten der Anlage die Filteranordnung
elastisch zurück verformt, können die in den Kavitäten
angesammelten Schmutzpartikel gehalten werden. Der freiliegende
Bereich der Filtereinrichtung kann somit frei von Schmutzpartikeln
gehalten werden, so dass ein besonders geringer Druckabfall der
Trockner-Filter-Anordnung gefördert werden kann.
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Weiterhin
wird ein Kältemittelkreislauf mit wenigstens einer Trocknereinrichtung,
und wenigstens einer Filtereinrichtung für das im Kältemittelkreislauf
umlaufende Kältemittel vorgeschlagen, bei dem die Filtereinrichtung
und die Trocknereinrichtung zumindest teilweise parallel vom Kältemittel
durchströmt werden. Ein derart ausgebildeter Kältemittelkreislauf
weist die bereits genannten Vorteile in analoger Form auf.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn bei dem Kältemittelkreislauf eine
Trockner-Filter-Anordnung gewählt wird, die wenigstens
ein Merkmal gemäß der oben genannten möglichen
Bauausführungen aufweist. Auch hier ergeben sich die bereits
beschriebenen Vorteile in analoger Form.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Trocker-Filter-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Trockner-Filter-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 den
Filterbereich einer Filter-Trockner-Einheit im Betrieb;
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4 eine
Ströumungssimulation einer Trockner-Filter-Einheit;
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5 die
Geschwindigkeitsverteilung einer Trockner-Filter-Einheit;
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6a, 6b die
Wasserabsorptionskapazität und die Wasserabsorptionsgeschwindigkeit
unterschiedlicher Filter-Trockner-Einheiten;
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7a, 7b Schematisch
dargestellte Kältemittelkreisläufe gemäß einem
dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer kombinierten Filter-Trockner-Kapsel,
wie sie beispielswei se für den Kältemittelkreislauf
von Kraftfahrzeugklimaanlagen beziehungsweise von Haushaltskühl-
oder Haushaltsgefriergeräten verwendet werden kann. Beim
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Gehäuse 2 aus zwei, jeweils identischen, becherförmigen
Gehäuseteilen 3, 4 ausgebildet. Die beiden
Gehäusehälften 3, 4 weisen an ihrem
einen Ende jeweils eine Auskragung 5, 6 auf. Die
Auskragung 5, 6 ermöglicht eine einfache
fluiddichte Verbindung mit dem jeweils anderen Gehäuseteil 3, 4.
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Am
jeweils anderen Ende des jeweiligen Gehäuseteils 3, 4,
das der Auskragung 5, 6 gegenüber steht,
ist ein wannenförmiger Gehäuseboden 7, 8 vorgesehen.
Jeweils mittig in den Gehäuseböden 7, 8 ist
eine kreisrunde Ausnehmung 15, 16 vorgesehen,
in die ein Anschlussrohr 13, 14 eingesetzt und fluiddicht
mit dem Gehäuseboden 7, 8 verbunden wird.
Zwischen dem Gehäuseboden 7, 8 und dem
zylindrisch ausgeformten Wandbereich 11, 12 des
jeweiligen Gehäuseteils 3, 4 ist ein
ringförmig umlaufender Steg 9, 10 vorgesehen.
Diese Stege 9, 10 dienen als Abstützstege
für die von der Gehäuse 2 aufgenommene
Innenbauteile der Filter-Trockner-Kapsel 1.
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Im
Inneren des Gehäuses 2 der Filter-Trockner-Kapsel 1 ist
ein Trockenmittel 17 angeordnet. Die Außenkontur
des Trockenmittels 17 ist an die Formgebung des Gehäuses 2 angepasst,
um einen möglichst großen Teil des Innenvolumens
des Gehäuses 2 mit einem Trockenmittel auszufüllen.
Das von der Filter-Trockner-Kapsel 1 benötigte
Volumen wird so optimal ausgenutzt. Im vorliegend dargestellten
Ausführungsbeispiel weist das Trockenmittel 17 somit eine
zylindrische Außenkontur auf. Weiter hin ist in 1 ein
vorstehender Bereich 18 des Trockenmittels 17 zu
erkennen, der ein Stück weit in den wannenförmigen
Gehäuseboden 7 des in der Zeichnung linken Gehäuseteils 3 hinein
reicht, so dass auch dieser Volumenbereich genutzt wird. In der
Mitte des Trockenmittelkörpers 17 ist eine sich
konisch verjüngende Ausnehmung 19 vorgesehen.
Lediglich in einem Endbereich 20 der Ausnehmung 19,
der unmittelbar benachbart zur Filtermembran 21 liegt,
bleibt der Querschnitt der Ausnehmung gleich, bzw. vergrößert
sich geringfügig. Im vorliegenden Beispiel bildet somit
die Ausnehmung 19 und deren Endbereich 20 mit
dem entsprechenden Bereich der Filtermembran 21 den Kurzfluidpfad,
der den Fluideingang 13 und den Fluidausgang 14 unter
Umgehung des Trockenmittels 19 verbindet.
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Am
einlassseitigen Stirnende 22 (in 1 links
dargestellt) weist der Trockenmittelkörper 17 zwischen
seinem Hauptbereich 26 und seinem vorstehenden Bereich 18 einen
Abstützsteg 24 auf. Zwischen Abstützsteg 24 des
Trockenmittelkörpers 17 und dem Abstützsteg 9 des
in der Zeichnung links dargestellten Gehäuseteils 3 ist
eine Wellenfeder 25 vorgesehen. Diese Wellenfeder 25 drückt
den Trockenmittelkörper 17 zur anderen Gehäusehälfte 4 hin,
wo das gegenüber liegende, auslassseitige Stirnende 23 des
Trockenmittelkörpers 17 gegen den ringförmigen
Steg 10 des auslassseitigen Gehäuseteils 4 gedrückt
wird. Dadurch ist der Trockenmittelkörper 17 fest
im Gehäuse 2 der Filter-Trockner-Kapsel 1 gelagert.
Darüber hinaus wird durch die über die Wellenfeder 25 bewirkte
Verspannung des Trockenmittelkörpers 17 in Verbindung
mit der Filtermembran 21 eine fluiddichte Abdichtung zwischen
Trockenmittelkörper 17 und Gehäuse 2 am
auslassseitigen Stirnende 23 sichergestellt. Die im Betrieb
entstehende Kältemitteldruckdifferenz zwischen einströmseitigem Bereich 13 und
ausströmseitigen Bereich 14 verstärkt
die Dichtwirkung.
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Die
Filtermembran 21 ist vorliegend aus einem Polyestermaterial
mit dem Handelsnamen Feltmat hergestellt. Sie kann jedoch aus anderen
Materialien, wie beispielsweise Fiberglas oder Ähnlichem bestehen.
Die Filtermembran 21 ist dabei elastisch, so dass sie sich
beim Auftreten einer Druckdifferenz zwischen Fluideingang 13 und
Fluidausgang 14 elastisch verformt, so wie es in 3 dargestellt
ist. Der Druckunterschied zwischen Fluideingang 13 und
Fluidausgang 14 ergibt sich zwangsläufig, wenn
beim Betrieb des Kältemittelkreises Kältemittel
durch die Filter-Trockner-Kapsel 1 strömt. Die
Filtermembran 21 umschließt das ausgangsseitige
Stirnende 23 sowie einen Teil 27 der Außenseite
des Trockenmittelkörpers 17 napfförmig.
In diesem Teil 27 der Außenseite des Trockenmittelkörpers 17 sowie
im Bereich des Stegs 10 des ausgangsseitigen Gehäuseteils 4 der
Filter-Trockner-Kapsel 1 wirkt die Filtermembran 21 als
Dichtmittel für das Kältemittel.
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Der
Trockenmittelkörper 17 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einem Aluminiumsilikat gefertigt, das mit Fasern und einem Harz
verstärkt ist. Die Komposition ist so gewählt,
dass der Trockenmittelkörper 17 selbsttragend
ist, d. h. dass dieser keine gesonderte Gehäuse beziehungsweise
Abstützmittel benötigt.
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Aufgrund
der durchgehenden zentralen Ausnehmung 19 im Trockenmittelkörper 17 weist
dieser im Verhältnis zu Trockenmittelkörpern,
die in ihrem Inneren keine beziehungsweise eine kleinere Ausnehmung
aufweisen, bei gleichen Außenabmessungen ein geringeres
Trockenmittelvolumen aus. Vorzugsweise wird jedoch die Außenabmessung
des Trockenmittelkörpers derart vergrößert,
dass das resultierende Trockenmittelvolumen des Trockenmittelkörpers 17 dem
Trockenmittelvolumen bekannter Filter-Trockner-Einheiten entspricht.
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Beim
Betrieb der in 1 dargestellten Filter-Trockner-Kapsel 1 ergibt
sich das in 3 dargestellte Bild. Dabei ist
in 3 aus Anschaulichkeitsgründen lediglich
der ausgangsseitige 14 Bereich der Trockner-Filter-Kapsel 1 vergrößert
dargestellt. Die Kältemittelströmung ist in 3 schematisch
durch Pfeile dargestellt. Vom Kältemittel werden Schmutzpartikel 28 mitgeführt,
die vom Filter 21 aus zu filtern sind. Aufgrund der Durchströmung
der Filter-Trockner-Kapsel 1 mit Kältemittel ergibt
sich zwischen dem Fluideingang 13 und dem Fluidausgang 14 eine Druckdifferenz,
da sowohl der Trockenmittelkörper 17, als auch
die Filtermembran 21 dem durchströmenden Kältemittel
einen Strömungswiderstand entgegen setzen. Aufgrund dieser
Druckdifferenz verformt sich die elastische Filtermembran 21 in
ihrer Mitte um typischerweise etwa 1 mm, wodurch sich Kavitäten 29 zwischen
der Filtermembran 21 und dem ausgangsseitigen Stirnende 23 des
Trockenmittelkörpers 17 ergeben. Der Strömungswiderstand
der Filtermembran 21 ist üblicherweise deutlich
geringer als der Strömungswiderstand des Trockenmittelkörpers 17.
Aus diesem Grund fließt deutlich mehr Kältemittel
durch die zentrale Ausnehmung 19 des Trockenmittelkörpers 17 und
deren Endbereich 20 hindurch, als Kältemittel
durch den Trockenmittelkörper 17 hindurch tritt.
Dies ist in 3 durch eine unterschiedliche
Anzahl von Pfeilen visualisiert. Darüber hinaus kommt es
im Bereich der Übergangskante 30 zwischen dem
Endbereich 20 der im Trockenmittelkörper 17 vorgesehenen
Ausnehmung 19 und den Kavitäten 29 zu
einer Strömungskomponenten in die Kavitäten 29 hinein.
Diese Strömungskomponente ist aus Platzgründen
nicht in 3 dargestellt. Die Strömung
bewirkt eine Bewegung der Schmutzpartikel 28 in die Kavitäten
hinein. Die Kavitäten 29 können so als
Schmutzsammelbereich dienen. Wenn sich die Filtermembran 21 bei
einem Ausschalten des Kältemittelkreislaufs wieder in ihre
Ausgangsposition zurück bewegt, so werden die Schmutzpartikel 28 im Kavitätsbereich 29 zwischen
Filtermembran 21 und ausgangsseitigem Stirnende 23 des
Trockenmittelkörpers 17 eingeklemmt.
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Da
bei der in den 1 und 3 dargestellten
Trockner-Filter-Kapsel 1 ein Teil des Kältemittels
durch den Filter 21 hindurch strömt, ohne durch den
Trockenmittelkörper 17 hindurch strömen
zu müssen, ergibt sich für die gesamte Trockner-Filter-Kapsel 1 ein
deutlich geringerer Strömungswiderstand für das
Kältemittel. Aufgrund der Bauausführung mit der
elastischen Filtermembran 21, bei der sich die Filtermembran 21 im
Betrieb des Kältemittelkreislaufs vom ausgangsseitigen
Stirnende 23 des Trockenmittelkörpers 17 abhebt,
steht im Wesentlichen der gesamte Querschnitt des Gehäuses 2 als Filterquerschnitt
zur Verfügung, was den Strömungswiderstand der
Filter-Trockner-Kapsel 1 im Betrieb nochmals verringert.
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Das
durch die zentrale Ausnehmung 19 des Trockenmittelkörpers 17 hindurch
strömende Kältemittel strömt dennoch
an der Oberfläche 46 der Ausnehmung 19 vorbei
und erfährt somit eine gewisse Trocknung.
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Die
in 3 nur schematisch dargestellten Strömungsverhältnisse
beim Betrieb der Filter-Trockner-Kapsel 1 aus 1 sind
in den 4 und 5 nochmals in quantitativer
Darstellung gezeigt. Dabei ist 4 die Darstellung
einer numerischen Strömungssimulation, während 5 die
Geschwindigkeitsverteilung des durch die Filter-Trockner-Kapsel 1 strömenden
Kältemittels zeigt.
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Obwohl
bei der in 1 oder 3 dargestellten
Filter-Trockner-Kapsel 1 ein großer Anteil des Kältemittels
nicht durch den Trockenmittelkörper 17 hindurch
tritt, ist die Trockenleistung der Filter-Trockner-Kapsel 1 überraschenderweise
annähernd so gut, wie dies bei Filter-Trockner-Einheiten
gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Dies
lässt sich den 6a und 6b gut
entnehmen. Typ A bezeichnet dabei eine bekannte Filter-Trockner-Kapsel, wohingegen
Typ B einer Filter-Trockner-Kapsel 1, wie sie in 1 dargestellt
ist, entspricht. Um einen Vergleich der Daten zu ermöglichen,
ist die Masse an Trockenmittel für beide Typen gleich gewählt.
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In 6a ist
die gesamte Wasserabsorptionskapazität des Trockenmittels
(Ordinate) gegenüber der relativen Feuchtigkeit des Kältemittels
(Abszisse) in logarithmischen Einheiten aufgetragen. Als Kältemittel
wurde vorliegend R 22 verwendet. Wie der Grafik entnommen werden kann,
besteht zwischen den beiden Kurven ein bestenfalls marginaler Unterschied.
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Auch
die Geschwindigkeit, mit der das Wasser absorbiert wird, ist verblüffenderweise
beim in 1 dargestellten Aufbau nur minimal
geringer, als dies bei üblichen Filter-Trockner-Kapseln
der Fall ist. Dies ist in 6b dargestellt,
wo die Feuchtigkeit des Trockenmittels (Ordinate) gegenüber
der Zeit (Abszisse) dargestellt ist.
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In 2 ist
eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Filter-Trockner-Kapsel 1' dargestellt.
Der grundsätzliche Aufbau der in 2 dargestellten
Filter-Trockner-Kapsel 1' entspricht jedoch dem Aufbau der
in 1 dargestellten Filter-Trockner-Kapsel 1. Gleichartige
Bauteile werden daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei
der in 2 dargestellten Filter-Trockner-Kapsel 1' weist
der Trockenmittelkörper 17 eine größere
Außendimension auf. Gleichzeitig ist die Größe
der sich konisch verjüngenden zentralen Ausnehmung 19 im
Inneren des Trockenmittelkörpers 17 vergrößert.
Die Dimensionierung des Trockenmittelkörpers 17 und
der darin vorgesehenen Ausnehmung 19 ist so gewählt,
dass sich insgesamt die gleiche Trockenmittelmasse ergibt, wie dies
bei dem in 1 dargestellten Trockenmittelkörpers 17 der
Fall ist. Selbstverständlich ist auch die Größe
des Gehäuses 2' entsprechend angepasst.
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Als
weiterer Unterschied ist das Gehäuse 2' bei der
in 2 dargestellten Filter-Trockner-Kapsel 1' dreitei lig 31, 32, 33 ausgeführt.
Das Gehäuse 2' besteht aus einem eingangsseitigen,
ersten Gehäuseteil 31, einem ausgangsseitigen,
zweiten Gehäuseteil 33 und einem dazwischen angeordneten
zylindrischen Gehäusemantel 32. Das erste Gehäuseteil 31 und
der Gehäusemantel 32 kontaktieren einander in
einem Überlappungsbereich 34 und sind beispielsweise
durch Löten miteinander verbunden. Entsprechendes gilt
für den Überlappungsbereich 35 zwischen
zweitem Gehäuseteil 33 und zylindrischem Gehäusemantel 32.
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Auch
beim in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
einer Filter-Trockner-Kapsel 1 sind das erste Gehäuseteil 31 und
das zweite Gehäuseteil 33 jeweils identisch ausgebildet.
Die Gehäuseteile 31, 32 umfassen im Wesentlichen
die wannenförmigen Gehäuseböden 7, 8,
die die Sammelräume 15, 16 bilden, sowie
die Abstützstege 9, 10, für
den Trockenmittelkörper 17. Für die Hauptlänge
der Filter-Trockner-Kapsel 1' ist jedoch, abweichend zur
in 1 dargestellten Filter-Trockner-Kapsel 1 – ein
gesonderter Gehäusemantel 32 – vorgesehen.
Der in 2 dargestellte Aufbau kann insbesondere bei größeren Filter-Trockner-Kapseln 1' Fertigungsvorteile
aufweisen. Auch können unterschiedliche Längen
der Filter-Trockner-Kapsel 1' leichter realisiert werden,
da die beiden äußeren Gehäuseteile 31, 32 trotz
unterschiedlicher Länge der Filter-Trockner-Kapsel 1' in identischer
Form verwendet werden können.
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In 7a ist
ein Kältemittelkreislauf 36 in schematisch vereinfachter
Darstellung gezeigt. Der Kältemittelkreislauf 36 weist
einen Kompressor 37 auf. Der Kompressor pumpt das im Kältemittelkreislauf 36 befindli che
Kältemittel durch die Kältemittelleitungen 38 hindurch.
Zu sehen ist ferner ein Kondensator 39 (bei überkritischen
Kältemittelkreisläufen dementsprechend ein Gaskühler), über
den das im Kompressor 37 komprimierte Kältemittel
Wärme an die Umgebung abgeben kann. Anschließend
durchläuft das Kältemittel ein Expansionsorgan 40,
wodurch es auf einen niedrigen Druck entspannt wird und dabei abkühlt.
Als Expansionsorgan 40 können an sich im Stand
der Technik bekannte Expansionsorgane, wie beispielsweise fixed
orifice tubes oder Expansionsventile verwendet werden. Anschließend durchströmt
das durch die Expansion abgekühlte Kältemittel
den Verdampfer 41, wo das Kältemittel Wärme
aus der Umgebung aufnimmt, und dadurch die Umgebung abkühlt.
Bevor das Kältemittel erneut in den Kompressor 37 eintritt,
durchläuft es eine Trockner-Filter-Kapsel 1, beispielsweise
vom in 1 dargestellten Typ. Es sind jedoch in diesem Zusammenhang
auch andere Bauformen denkbar.
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In 7b ist
ein gegenüber 7a leicht modifizierter Kältemittelkreislauf 36' dargestellt. Gleichartige
Bauteile sind erneut durch gleiche Bezugszeichen dargestellt. Auch
hier wird Kältemittel von einem Kompressor 37 im
Kreis gepumpt. Das Kältemittel durchströmt, nachdem
es im Kompressor 37 verdichtet wurde, analog zum in 7a dargestellten
Kältemittelkreislauf 36, einen Kondensator (Gaskühler) 39,
ein Expansionsorgan 40 und einen Verdampfer 41.
Beim in 7b dargestellten Kältemittelkreislauf 36' verzweigt
jedoch die Kältemittelleitung in zwei parallel zueinander
verlaufende Kältemittelzweige 42, 44.
Der erste Kältemittelzweig 42 durchströmt
eine reine Filterkapsel 43, wohingegen der zweite Kältemittelzweig 44 zu
einer reinen Trockenmittelkapsel 45 führt. Auch
im in 7b gezeigten Kältemittelkreislauf 36' ist
eine geringfügige Durchströmung der Trockenmittelkapsel 45 mit
Kältemittel sichergestellt, da die Filterkapsel 43 zwangsläufig
dem durch sie hindurchströmenden Kältemittel einen
Strömungswiderstand entgegen setzt, somit zwischen Eingang
und Ausgang der Filterkapsel 43 eine Druckdifferenz entsteht,
die auch zwischen Eingang und Ausgang der Trockenmittelkapsel 45 anliegt.
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- 1,
1'
- Filter-Trockner-Kapsel
- 2,
2'
- Gehäuse
- 3,
4
- Gehäuseteile
- 5,
6
- Auskragung
- 7,
8
- wannenförmige
Gehäuseboden
- 9,
10
- Steg
- 11,
12
- zylindrischer
Wannenbereich
- 13
- Fluideingang
- 14
- Fluidausgang
- 15,
16
- Sammelraum
- 17
- Trockenmittelkörper
- 18
- vorstehender
Bereich
- 19
- Ausnehmung
- 20
- Endbereich
- 21
- Filtermembran
- 22,
23
- Stirnende
- 24
- Abstützsteg
- 25
- Wellenfeder
- 26
- Hauptbereich
- 27
- Außenseitenbereich
- 28
- Schmutzpartikel
- 29
- Kavität
- 30
- Kante
- 31
- erstes
Gehäuseteil
- 32
- Gehäusemantel
- 33
- zweites
Gehäuseteil
- 34,
35
- Überlappungsbereich
- 36,
36'
- Kältemittelkreislauf
- 37
- Kompressor
- 38
- Kältemittelleitung
- 39
- Kondensator
- 40
- Expansionsorgan
- 41
- Verdampfer
- 42
- erster
Kältemittelzweig
- 43
- Filterkapsel
- 44
- zweiter
Kältemittelzweig
- 45
- Trockenmittelkapsel
- 46
- Innere
Oberfläche von 19
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6106596 [0008]
- - US 5440898 [0009]