DE102010040403A1

DE102010040403A1 - Vorrichtung zur Kältemittel-Trocknung

Info

Publication number: DE102010040403A1
Application number: DE201010040403
Authority: DE
Inventors: Stefan Morgenstern; Florian Schneider; Dr. Wehrmeier Andreas
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Eine Vorrichtung zum Trocknen eines fluorkohlenwasserstoffhaltigen Kältemittels einer Klimaanlage, insbesondere einer Automobil-Klimaanlage, weist einen von dem Kältemittel durchströmten Behälter (9) auf, der ein Trockenmittel und ein säurebindendes Mittel enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trocknen eines Fluorkohlenwasserstoff-haltigen Kältemittels mit einer Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Behälter mit dem Trockenmittel, meist ein Molekularsieb, ist bei einer Klimaanlage zum Beispiel im Kältemittelsammler angeordnet. Mit dem Trockenmittel, durch das das Kältemittel hindurchfließt, wird die im Kältemittel vorhandene Feuchtigkeit gebunden, welche durch unsachgemäße Inbetriebnahme oder Wartung der Klimaanlage, aber auch durch Wasserdampfpenetration in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage gelangen kann.
Kältekreisläufe von Fahrzeugklimaanlagen haben mehrere Schläuche im Leitungsverlauf, um Relativbewegungen auszugleichen, Körperschall- und Vibrationsübertragung zu dämpfen und die Montage in engen Einbauräumen zu ermöglichen. Das Risiko von Wasserdampfeindringen in das Kältemittel-Öl-Gemisch ist deshalb deutlich erhöht gegenüber stationären Kälteanlagen mit geringem Schlauchanteil.
Vor allem durch den Einsatz neuartiger Kältemittel bzw. Kältemittelsysteme, die Fluorkohlenwasserstoffe und Schmiermittel, beispielsweise Polyalkylenglykol-Schmiermittel enthalten, besteht vermehrt das Risiko, dass sich durch das Zusammenwirken von Kältemittel, Wasser, Sauerstoff, Schmiermittel und/oder metallischen Katalysatoren unter dem Einfluss variierender Temperaturen und Drücke des Kältemittelkreislauf der Klimaanlage Säure bildet. Die Säure kann sich negativ auf die Lebensdauer von Betriebsstoffen und Komponenten der Klimaanlage auswirken, beispielsweise Oberflächenbeschichtungen, Kunststoffe, Elastomere (Dichtungen) und sogar zur Korrosion von z. B. aus Aluminium bestehenden Wärmeübertragern, wie dem Kondensator und Verdampfer der Klimaanlage führen. Damit kann eine regelmäßige Wartung der Klimaanlage erforderlich sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einfachen Mitteln eine Klimaanlage vor Schäden durch eine Säure im Kältemittelkreislauf zu schützen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Nach der Erfindung wird der Behälter, durch den das Kältemittel fließt, außer mit einem Trockenmittel mit einem säurebindenden Mittel gefüllt.
Damit kann der Behälter, der heutzutage das Trockenmittel enthält, auch zur Aufnahme des säurebindenden Mittels verwendet werden. D. h. der Trockenmittel-Behälter braucht lediglich durch einen Behälter ersetzt zu werden, der zusätzlich ein säurebindendes Mittel enthält. Irgendeine weitere Änderung der Klimaanlage ist damit nicht erforderlich.
Das Trockenmittel und das säurebindende Mittel können als Gemisch in dem Behälter enthalten sein oder beispielsweise in getrennten Schichten.
Die Menge des säurebindenden Mittels in dem Behälter ist dabei im allgemeinen kleiner als die des Trockenmittels. So kann das Gewichtsverhältnis von Trockenmittel zu säurebindenden Mittel beispielsweise 60 zu 40, insbesondere 80 zu 20 oder mehr betragen. Die Menge des Trockenmittels und des säurebindenden Mittels zusammen kann z. B. 50–150 g pro kg Kältemittel betragen.
Als Trockenmittel kann, wie üblich, ein Molekularsieb, insbesondere ein Zeolith verwendet werden. Jedoch ist auch der Einsatz anderer Trockenmittel, beispielsweise von Silicagel möglich.
Bei Verwendung von fluorkohlenwasserstoffhaltigen Kältemitteln, die als Schmiermittel beispielsweise Polyalkylenglykole oder Polyester enthalten, kann im Zusammenwirken mit Wasser, Sauerstoff und dergleichen neben organischer Säure insbesondere Fluorwasserstoff entstehen. Dies gilt insbesondere für 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf) als Fluorkohlenwasserstoff, aber auch z. B. für Tetrafluorethan. Dabei wird nach dem AHRI-Standard 700-2004 bereits eine Fluorwasserstoffkonzentration von mehr 3 ppm als kritisch angesehen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dieser Grenzwert ohne weiteres eingehalten werden. 2,3,3,3-Tetrafluorpropen ist dabei von besonderer Bedeutung, weil es die Voraussetzungen der EU-Richtlinie für Automobil-Klimaanlagen hinsichtlich des Ozonabbaupotentials und des Treibhauspotentials erfüllt.
Das säurebindende Mittel kann eine basische Verbindung, also beispielsweise Aluminiumoxid, ein Carbonat, insbesondere Calziumcarbonat oder ein Ionenaustauscher sein, einschließlich Gemische dieser Verbindungen.
Die Reaktion Aluminiumoxid bzw. Calciumcarbonat mit Fluorwasserstoff läuft nach folgenden Gleichungen (1) und (2) ab: Al₂O₃ + 6HF → 2AIF₃ + H₂O (1) CaCO₃ + 2HF → CaF₂ + H₂O + CO₂ (2)
Als Ionenaustauscher können insbesondere Zeolithe M_n[(AlO₂) × (SiO₂)y] × H₂O verwendet werden.
Dabei wird das Wasser (H₂O), das bei den Reaktionen (1) und (2) sowie beim Ionenaustausch entsteht durch das Trockenmittel ebenfalls gebunden.
Da Kalziumfluorid (CaF₂) in Wasser unlöslich ist, werden bei Verwendung eines Calzium-Salzes, wie Calziumcarbonat, die Fluorionen in dem Trockenmittel fest gebunden und damit im Behälter zurückgehalten. Gleiches gilt beispielsweise bei der Verwendung des Ionenaustauschers als säurebindendes Mittel.
Der Behälter ist vorzugsweise im Kältemittelsammler der Klimaanlage angeordnet. Der Kältemittelsammler kann dabei hochdruckseitig in den Kondensator der Klimaanlage integriert oder dem Kondensator nachgeschaltet sein.
Wenn der Kondensator mehrere Fluten aufweist, durch die das Kältemittel mäanderförmig strömt, kann der Kältemittelsammler in den Kondensator beispielsweise dadurch integriert sein, dass das Kältemittel von der vorletzten Flut des Kondensators in den Kältemittelsammler strömt, in dem sich der Behälter mit dem Trockenmittel und dem säurebindenden Mittel befindet, und dann von dem Kältemittelsammler in die letzte Flut des Kondensators zurückströmt.
Zudem ist es möglich, den Kältemittelsammler niederdruckseitig dem Kältemittelverdichter vorzuschalten. Wenn beispielsweise die Klimaanlage einen inneren Wärmetauscher aufweist, der dem Expansionsorgan und Verdampfer hochdruckseitig vorgeschalten ist und dem Verdichter niederdruckseitig vorgeschaltet ist, kann. beispielsweise der Sammler mit dem Trockenmittel, dem Säurebinder und dem Kältemittel auf der kalten Seite (Niederdruckseite) des inneren Wärmetauschers zwischen Verdampfer und innerem Wärmetauscher vorgesehen sein.
Der Kältemittelsammler stellt ein Kältemittelreservoir für den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage dar. Er weist dazu ein mit dem entsprechenden Kältemittelvorrat gefülltes Gefäß auf, das beispielsweise durch eine Hülse gebildet werden kann. In diesem Gefäß ist der Behälter mit dem Trockenmittel und dem säurebindenden Mittel in das Kältemittel getaucht. Der Kältemittelsammler kann dazu über einen Anschluss verfügen, durch den das Kältemittel in den Sammler strömt und einen weiteren Anschluss, aus dem es austritt. Dabei kann der Zwischenraum zwischen der Gefäßwand und der Behälterwand zwischen den beiden Anschlüssen durch eine Dichtung getrennt sein, so dass das Kältemittel in einer vorgegebenen Richtung den Behälter durchströmt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist generell für Klimaanlagen geeignet, jedoch vor allem für Fahrzeug- und insbesondere für Automobil-Klimaanlagen bestimmt.
Kältekreisläufe von Fahrzeugklimaanlagen weisen nämlich mehrere Schläuche im Leitungsverlauf auf, um Relativbewegungen auszugleichen, Körperschall- und Vibrationsübertragung zu dämpfen und die Montage in engen Einbauräumen zu ermöglichen. Das Risiko von Wasserdampfeindringen in das Kältemittel-Öl-Gemisch ist deshalb deutlich erhöht gegenüber stationären Kälteanlagen mit geringem Schlauchanteil.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
1 das Fließschema einer Automobil-Klimaanlage;
2 einen Längsschnitt durch einen Kondensator mit integriertem Kältemittelsammler; und
3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Kältemittelsammlers.
Gemäß 1 sind in dem Kältemittelkreislauf der Klimaanlage ein Verdichter 1, ein Kondensator 2, ein Kältemittelsammler 3, eine Unterkühlstrecke 4 und wenigstens ein Verdampfer 6 vorgesehen, dem eine Drossel 5 vorgeschaltet ist.
Zwischen der Unterkühlstrecke 4 und der Drossel 5 des Kältemittelkreislaufs ist die heiße Seite und zwischen dem Verdampfer 6 und dem Verdichter 1 die kalte Seite eines inneren Wärmetauscher 7 vorgesehen.
Die Luft, die den Kondensator 2 und die Unterkühlstrecke 4 kühlt, ist durch die Pfeile 8 angedeutet. Sie kann durch den Fahrtwind, den Kühlerventilator und/oder eine andere Luftströmung in dem Automobil gebildet werden.
In dem Kältemittelsammler 3 ist ein Behälter 9 angeordnet, der ein Trockenmittel und ein säurebindendes Mittel enthält.
Gemäß 2 strömt in den beispielsweise vierflutigen Kondensator 2 das Kältemittel in die oberste Flut ein, dann mäanderförmig weiter und über die unterste Flut zu der Unterkühlstrecke 4. Der in dem Kondensator 2 integrierte Kältemittelsammler 3, der den Behälter 8 mit dem Trockenmittel und dem säurebindenden Mittel enthält, wird von dem Kältemittel durchströmt.
Wie aus 3 ersichtlich, ist das Gefäß 11 des Kältemittelsammlers 3 durch eine Hülse gebildet, in der der Behälter 9 mit dem Trockenmittel und dem säurebindenden Mittel angeordnet ist. Das Gefäß 11 verfügt über einen Anschluss 12, durch den das Kältemittel in den Sammler 3 strömt und einen weiteren Anschluss 13, aus dem es austritt. Dabei kann der Raum zwischen dem Behälter 9 und dem Sammlergefäß 11 zwischen den beiden Anschlüssen 12 und 13 durch eine Dichtung 14 getrennt sein. Durch einen Stopfen 10, bzw. einen Schraubstopfen ist das Sammlergefäß 11 verschlossen.
Wie in 1 gestrichelt angedeutet, kann der Sammler 3, in dem der Behälter 9 mit dem Trockenmittel und dem säurebindenden Mittel angeordnet ist auch zwischen dem Verdampfer 6 und dem inneren Wärmetauscher 7 angeordnet sein.
Die Wandung 15 des Behälters 9 ist für das Kältemittel durchlässig ausgebildet. Dazu kann sie, wie in 2 und 3 schematisch dargestellt, beispielsweise aus einem Netz bestehen. Das Trockenmittel und das säurebindende Mittel können aus einem Granulat oder dergleichen Teilchen bestehen, deren Teilchengröße, vorzugsweise größer als die Öffnungen in dem Netz bzw. der Wandung 15 des Behälters 9 sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

AHRI-Standard 700-2004 [0012]

Claims

Vorrichtung zum Trocknen eines Fluorkohlenwasserstoff-haltigen Kältemittels einer Klimaanlage mit einem ein Trockenmittel enthaltenden Behälter (9), durch den das Kältemittel fließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (9) außer dem Trockenmittel ein säurebindendes Mittel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das säurebindende Mittel zur Bindung von Fluorwasserstoff ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das säurebindende Mittel Aluminiumoxid, ein Carbonat und/oder ein Ionenaustauscher ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonat Calciumcarbonat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ein Zeolith ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (9) im Kältemittelsammler (3) der Klimaanlage angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (9) eine für das Kältemittel durchlässige Wandung (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage eine Fahrzeugklimaanlage ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel als Fluorkohlenwasserstoff Tetrafluorethan (R134a) und/oder 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf) aufweist.