DE102011005749A1

DE102011005749A1 - Sammler für Kühl- und/oder Heizsysteme

Info

Publication number: DE102011005749A1
Application number: DE102011005749A
Authority: DE
Inventors: Florian Schneider; Robert HERBOLZHEIMER; Stefan Morgenstern
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-19
Also published as: DE102011005749B4

Abstract

Sammler für ein mit einem Kältemittel betriebenes Kühl- oder/und Heizsystem, mit einem mit Kältemittel befüllten Behälter, der einen Kältemitteleingang und einen Kältemittelausgang aufweist, wobei sich in einem ersten Teil des Behälters flüssiges Kältemittel und in einem zweiten Teil des Behälters gasförmiges Kältemittel befindet. Ferner ist eine Abscheideeinrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels bewirkt, dass flüssiges oder gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang gelangt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sammler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Kältemittelsammler ist aus der DE 20 2007 013 572 U1 bekannt. Mittels des in der DE 20 2007 013 572 U1 beschriebenen Kältemittelsammlers soll sichergestellt werden, dass am Ausgang des Sammlers das Kältemittel stets in flüssiger Form und nicht etwa gasförmig vorliegt. Darüber hinaus stellen Kältemittelsammler ein Kältemittelreservoir dar, mittels dessen im Laufe der Lebensdauer auftretende Leckageverluste zu einem gewissen Grad ”ausgeglichen werden können”.
Herkömmliche Klimaanlagen weisen einen Verdichter auf, der über eine Hochdruckleitung mit einem Kondensator verbunden ist. Ein Ausgang des Kondensators ist über eine Kältemittelleitung mit einem Expansionsorgan und dieses wiederum mit einem Verdampfer verbunden. Vom Verdampfer führt eine Niederdruckleitung zum Sauganschluss des Verdichters. Aus dem Stand der Technik bekannt sind Kühl- und/oder Heizsysteme, die wahlweise betrieben werden können

a) als Kühlkreislauf, z. B. zum Kühlen eines Fahrgastraums und/oder eines elektrischen Energiespeichers,
b) als Wärmepumpenkreislauf, z. B. zum Beheizen eines Fahrgastraums oder einer zu beheizenden Komponente, oder
c) im Mischbetrieb, in dem z. B. eine Komponente gekühlt und gleichzeitig der Fahrgastraum beheizt wird.

Herkömmliche Kühl-/Heizsysteme, d. h. Systeme, mit denen sowohl gekühlt als auch geheizt werden kann, sind üblicherweise mit einem oder zwei Kältemittelsammlern ausgerüstet, wobei der eine Sammler häufig auf der Saugseite des Verdichters angeordnet und der andere Sammler in den Kondensator integriert ist. Wenn bei derartigen Systemen nur ein Sammler eingesetzt wird, muss dieser aufgrund der Ausführung des Expansionsorgans für den Wärmepumpenbetrieb zwingend auf der Saugseite des Verdichters angeordnet sein. Der in den Kondensator integrierte Sammler soll sicherstellen, dass am Ausgang des Sammlers ausschließlich flüssiges Kältemittel vorliegt. Der auf der Saugseite des Verdichters vorgesehene Sammler hingegen soll sicherstellen, dass der Verdichter ausschließlich gasförmiges Kältemittels ansaugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Kältemittelsammler zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein (Kältemittel-)Sammler für Kältemittelsysteme, der einen mit Kältemittel befüllten Behälter mit einem Kältemitteleingang und einem Kältemittelausgang aufweist. Der Begriff ”Kältemittelsysteme” ist äußerst breit zu interpretieren. Er umfasst Systeme, die als „Kühlsysteme” und/oder als „Heizsysteme” betreibbar sind. In einem ersten Teil des Behälters befindet sich flüssiges Kältemittel. In einem zweiten Teil des Behälters befindet sich gasförmiges Kältemittel.
Der Kern der Erfindung besteht in einer „Abscheideeinrichtung”, die Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels bewirkt, dass entweder flüssiges oder gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang gelangt.
Ein derartiger Sammler hat den Vorteil, dass man bei einem Kältemittelsystem, das wahlweise als Kältekreislauf oder als Wärmepumpenkreislauf betrieben wird, mit einem einzigen Sammler gemäß der Erfindung auskommt, der dem momentanen Betriebszustand (Betrieb als „Kühlsystem” und/oder „Heizsystem”) entsprechend verschaltet werden kann und dabei im Kühlbetrieb auf der Hochdruckseite nach dem Verdichter eingesetzt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Abscheideeinrichtung eine „Steuereinrichtung” auf, die in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters und dem Kältemittelausgang freigibt oder blockiert.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kältemittelausgang des Behälters permanent in Fluidverbindung mit dem zweiten Teil des Behälters, in dem sich gasförmiges Kältemittel befindet, steht. Ist die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters, in dem sich flüssiges Kältemittel befindet, und dem Kältemittelausgang freigegeben, so ist selbst bei einer permanenten Verbindung zwischen dem Kältemittelausgang und dem ersten Teil des Behälters sichergestellt, dass am Kältemittelausgang ausschließlich flüssiges Kältemittel vorliegt.
Die Abscheideeinrichtung kann so konzipiert sein, dass bei Kältemitteldrücken, die größer als ein vorgegebener Druck sind oder/und bei Kältemitteltemperaturen, die höher als eine vorgegebene Temperatur sind, die Abscheideeinrichtung sich in einem „ersten Zustand” oder in einer „ersten Stellung” befindet, in der die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters und dem Kältemittelausgang freigegeben ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei Kältemitteldrücken, die kleiner als ein vorgegebener Druck sind oder/und bei Kältemitteltemperaturen, die niedriger als eine vorgegebene Temperatur sind, die Abscheideeinrichtung sich in einem „zweiten Zustand” oder in „zweiten Stellung” befindet, in der die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters und dem Kältemittelausgang blockiert ist.
Die Abscheideeinrichtung kann mit einer Steuereinrichtung ausgerüstet sein, die ein Steuerelement aufweist, welches rein mechanisch oder rein thermisch steuerbar ist, d. h. dessen momentane Stellung (Freigabestellung oder Blockage-Stellung) rein mechanisch bzw. thermisch gesteuert ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinrichtung ein in dem Behälter verschieblich angeordnetes Steuerelement auf, das in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters und dem Kältemittelausgang freigibt oder blockiert.
Das Steuerelement kann einen kolbenartigen Abschnitt aufweisen, welcher in einer ersten Verschieberichtung mit dem von dem gasförmigen Kältemittel ausgeübten Druck und in einer der ersten Verschieberichtung entgegengesetzten zweiten Verschieberichtung von einer Feder oder einem temperatursensitiven Element kraftbeaufschlagt wird. Beim dem temperatursensitiven Element kann es sich z. B. um ein Bimetallelement handeln.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das verschiebliche Steuerelement einen steigrohrartigen Abschnitt mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf. Das zweite Ende ist dazu vorgesehen, in der zweiten Stellung der Steuereinrichtung die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil des Behälters und dem Kältemittelausgang zu blockieren.
Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Ende des steigrohrartigen Abschnitts sowohl in der zweiten als auch in der ersten Stellung der Steuereinrichtung bzw. des Steuerelements permanent in flüssiges Kältemittel eingetaucht ist, d. h. permanent in den ersten Teil des Behälters ragt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass in der zweiten Stellung der Steuereinrichtung bzw. des Steuerelements das Innere, d. h. der Innenraum des steigrohrartigen Abschnitts, eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teil des Behälters, in dem sich gasförmiges Kältemittel befindet, und dem Kältemittelausgang bildet, wobei eine Wandung des steigrohrartigen Abschnitts den ersten Teil des Behälters, in dem sich flüssiges Kältemittel befindet, gegenüber dem Kältemittelausgang absperrt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wirkt der steigrohrartige Abschnitt mit einem blendenartigen Element zusammen. Das blendenartige Element weist eine mit dem Kältemittelausgang in Fluidverbindung stehende Öffnung bzw. Bohrung auf, die vorzugsweise komplementär in Bezug auf das zweite Ende bzw. eine Stirnseite des zweiten Endes des steigrohrartigen Abschnitts gestaltet ist. Das zweite Ende des steigrohrartigen Abschnitts kann in der zweiten Stellung in die Öffnung eingeführt sein und dadurch den ersten Teil des Behälters, in dem sich flüssiges Kältemittel befindet, gegenüber dem Kältemittelausgang absperren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich des ersten Endes des steigrohrartigen Abschnitts in der Wandung des steigrohrartigen Abschnitts eine Öffnung vorgesehen, über die gasförmiges Kältemittel in das Innere des steigrohrartigen Abschnitts strömen kann. Über diese Öffnung und das Innere des steigrohrartigen Abschnitts kann gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang strömen, wenn sich die Steuereinrichtung bzw. das Steuerelement in der zweiten Stellung befindet.
Der steigrohrartige Abschnitt ist im Bereich seines ersten Endes oder an seinem ersten Ende mit dem kolbenartigen Abschnitt der Steuereinrichtung bzw. des verschieblichen Steuerelements verbunden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann zum Betätigen des Steuerelements auch ein elektrischer Aktor vorgesehen sein.
Wie bereits erwähnt, kann der Sammler gemäß der Erfindung in einem Kühl- oder/und Heizsystem eingesetzt werden. Ein derartiges Kühl- oder/und Heizsystem weist mindestens einen Verdichter auf, der über eine Hochdruckleitung mit einem Kondensator verbunden ist, welcher wiederum über eine Fluidleitung und ein darin angeordnetes Expansionsorgan mit einem Verdampfer verbunden ist. Der Verdampfer ist über eine Niederdruckleitung mit einer Saugseite des Verdichters verbunden.
Handelt es sich bei dem System ausschließlich um ein Kühlsystem, so kann der Sammler z. B. am Kondensator angeordnet sein oder in den Kondensator integriert sein. Handelt es sich hingegen um ein Heiz- bzw. Wärmepumpensystem, so kann der erfindungsgemäße Sammler in der Niederdruckleitung zwischen dem Verdampfer und dem Saugeingang des Verdichters angeordnet sein. Handelt es sich hingegen um ein System, das wahlweise als Kühlsystem oder als Wärmepumpensystem betrieben werden kann, so kann vorgesehen sein, dass der Sammler so angeordnet ist, dass er unterschiedlich verschaltet werden kann, d. h. dass er im Kühlbetrieb „kondensatorseitig” angeordnet ist und sicherstellt, dass ausschließlich flüssiges Kältemittel zum Expansionsorgan strömt bzw. dass im Wärmepumpenbetrieb ausschließlich gasförmiges Kältemittel zur Saugseite des Verdampfers gelangt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Einen Sammler gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand;
2 den Sammler der 1 in einem zweiten Betriebszustand.
1 zeigt einen Sammler 1, der ein Gehäuse 2 mit einem Kältemitteleingang 3 und einem Kältemittelausgang 4 aufweist. In einem ersten, unteren Teil 5 des Behälters 2 befindet sich flüssiges Kältemittel. In einem zweiten, oberen Teil 6 des Behälters 2 befindet sich gasförmiges Kältemittel. Der Kältemitteleingang 3 steht permanent in Fluidverbindung mit dem ersten Teil 5 des Behälters 2, in dem sich flüssiges Kältemittel befindet. Über ein blendenartiges Element 7, welches eine Blendenöffnung 8 aufweist, kann in 1 Kältemittel vom Kältemitteleingang 3 zum Kältemittelausgang 4 strömen.
In dem zylindrischen Gehäuse 2 des Sammlers 1 ist ein Kolben 9 verschieblich angeordnet. Auf der dem ersten und zweiten Teil 5, 6 des Gehäuses 2 abgewandten Seite des Kolbens 9 ist dieser durch eine Druckfeder 10 druckbeaufschlagt. Von der der Feder 10 abgewandten Seite her ist der Kolben 9 mit dem von dem gasförmigen Kältemittel ausgeübten Gasdruck beaufschlagt.
Wie aus 1 ersichtlich ist, steht von den Kolben 9 ein Steigrohr 11 ab. Ein erstes Ende 12 des Steigrohrs ist mit dem Kolben 9 verbunden. Ein zweites Ende 13 des Steigrohrs ragt soweit nach unten, dass es permanent in das in dem ersten Teil 5 befindliche flüssige Kältemittel eingetaucht ist.
1 zeigt einen ersten Betriebszustand des Sammlers 1, in dem das im Sammler 1 befindliche Kältemittel eine relativ hohe Temperatur von z. B. im Bereich zwischen 20° und 70°C und einen relativ hohen Druck von z. B. zwischen 8 und 25 bar aufweist. Derartige Betriebsbedingungen treten üblicherweise in einem Sammler auf der Hochdruckseite eines Kühlkreislaufs auf. Das Kältemittel tritt am Kältemitteleingang 3 als nahezu vollständig kondensierter ”Nassdampf” in den Sammler ein. Im Sammler wird in dem ersten Teil 5 des Gehäuses 2 das restliche, im Nassdampf befindliche Gas abgeschieden. Flüssiges Kältemittel strömt dann aus dem ersten Teil 5 des Gehäuses 2 über die Blendenöffnung 8 zum Kältemittelausgang 4.
2 zeigt einen zweiten Betriebszustand des Sammlers 1. In diesem Betriebszustand liegt die Temperatur des Kältemittels beispielsweise im Bereich zwischen –20°C und 0°C und der Druck des Kältemittels in einem niedrigeren Druckbereich, beispielsweise im Bereich zwischen 2 bar und 3 bar. Derartige Zustände sind anzutreffen, wenn der Sammler auf der Saugseite des Verdichters in einem Wärmepumpenkreislauf betrieben wird. Über den Kältemitteleingang tritt flüssiges Kältemittel in den ersten Teil 5 des Behälters ein. Aufgrund des niedrigeren Kältemitteldrucks im Gehäuse 2 wurde der Kolben 9 und das damit verbundene Steigrohr 11 von der Feder 10 nach ”unten” verschoben.
In dieser Stellung taucht das zweite Ende 13 des Steigrohrs 11 in die Blendenöffnung 8 ein. Das Steigrohr 11 verschließt dabei die Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil 5 des Behälters, in dem sich flüssiges Kältemittel befindet, und dem Kältemittelausgang 4. Dadurch ist sichergestellt, dass ausschließlich gasförmiges Kältemittel aus dem zweiten Teil 6 des Gehäuses 2 über Öffnungen 14, die im Bereich des ersten Endes 12 des Steigrohrs 11 vorgesehen sind, in das Innere 5 des Steigrohrs 11 und von dort nach unten zum Kältemittelausgang 4 strömen kann.
Der verschieblich in dem Gehäuse 2 angeordnete Kolben 9, das damit verbundene Steigrohr 11, das zweite Ende 13 des Steigrohrs 11 und die damit zusammenwirkende Blende 7 bilden somit eine ”Abscheideeinrichtung”, die in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels bewirkt, dass entweder ausschließlich flüssiges oder ausschließlich gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang 4 gelangt.
Wenn man sich vergegenwärtigt, dass das Druck- und Temperaturniveau eines als Kältekreislauf betriebenen Kältemittelsystems sich signifikant vom Druck- und Temperaturniveau eines als Wärmepumpen-System betriebenen Kältemittelsystems unterscheidet (vgl. 1, 2), so wird deutlich, dass sich der Sammler im ”Kühlbetrieb” in der in 1 gezeigten Stellung befindet und im ”Heizbetrieb” in der in 2 gezeigten Stellung. In der Praxis ist somit die Position des Kolbens 9 und des damit verbundenen Steigrohrs 11 auf die beiden in den 1 und 2 gezeigten diskreten Stellungen beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007013572 U1 [0002, 0002]

Claims

Sammler (1) für ein mit einem Kältemittel betriebenes Kühl- oder/und Heizsystem, mit einem mit Kältemittel befüllten Behälter (2), der einen Kältemitteleingang (3) und einen Kältemittelausgang (4) aufweist, wobei sich in einem ersten Teil (5) des Behälters (2) flüssiges Kältemittel und in einem zweiten Teil des Behälters (2) gasförmiges Kältemittel befindet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abscheideeinrichtung (7, 8, 9, 11) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels bewirkt, dass flüssiges oder gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang (4) gelangt.
Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinrichtung (7, 8, 9, 11) eine Steuereinrichtung (9–11) aufweist, die in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil (5) des Behälters (2) und dem Kältemittelausgang (4) freigibt oder blockiert.
Sammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abscheideeinrichtung (7, 8, 9, 11) bei Kältemitteldrücken, die größer als ein vorgegebener Druck sind oder/und bei Kältemitteltemperaturen, die höher als eine vorgegebene Temperatur sind, in einem ersten Zustand oder in einer ersten Stellung befindet, in der die Steuereinrichtung (9–11) die Fluidverbindung freigibt.
Sammler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abscheideeinrichtung (7, 8, 9, 11) bei Kältemitteldrücken, die kleiner als ein vorgegebener Druck sind oder/und bei Kältemitteltemperaturen, die niedriger als eine vorgegebene Temperatur sind, in einem zweiten Zustand oder in einer zweiten Stellung befindet, in der die Steuereinrichtung (9–11) die Fluidverbindung blockiert.
Sammler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinrichtung (7, 8, 9, 11) ein rein mechanisch oder thermisch gesteuertes Steuerelement (11) aufweist.
Sammler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9–11) ein in dem Behälter (2) verschieblich angeordnetes Steuerelement (9, 11) aufweist, das in Abhängigkeit vom Druck des Kältemittels oder/und von der Temperatur des Kältemittels eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Teil (5) des Behälters (2) und dem Kältemittelausgang (4) freigibt oder blockiert.
Sammler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verschiebliche Steuerelement (9, 11) einen kolbenartigen Abschnitt (9) aufweist, welcher in einer ersten Verschieberichtung mit dem von dem gasförmigen Kältemittel ausgeübten Druck und in einer der ersten Verschieberichtung entgegengesetzten zweiten Verschieberichtung von einer Feder (10) oder einem temperatursensitiven Element kraftbeaufschlagt wird.
Sammler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem temperatursensitiven Element um ein Bimetallelement handelt.
Sammler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9, 10, 11) einen steigrohrartigen Abschnitt (11) mit einem ersten Ende (12) und einem zweiten Ende (13) aufweist, wobei das zweite Ende (13) in der zweiten Stellung der Steuereinrichtung (9, 10, 11) die Fluidverbindung blockiert.
Sammler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (13) sowohl in der zweiten als auch in der ersten Stellung in flüssiges Kältemittel eingetaucht ist.
Sammler nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stellung das Innere (15) des steigrohrartigen Abschnitts (11) eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Teil (6) des Behälters (2) und dem Kältemittelausgang (4) bildet und eine Wandung des steigrohrartigen Abschnitts (11) den ersten Teil (5) des Behälters (2) gegenüber dem Kältemittelausgang (4) absperrt.
Sammler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein blendenartiges Element (7) mit einer mit dem Kältemittelausgang (4) in Fluidverbindung stehenden Öffnung (8) vorgesehen ist, die komplementär in Bezug auf das zweite Ende (13) des steigrohrartigen Abschnitts (11) gestaltet ist, wobei das zweite Ende (13) in der zweiten Stellung in die Öffnung (8) eingeführt ist.
Sammler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten Endes (12) des steigrohrartigen Abschnitts (11) in der Wandung des steigrohrartigen Abschnitts (11) mindestens eine Öffnung (14) vorgesehen ist, über die gasförmiges Kältemittel in das Innere (15) des steigrohrartigen Abschnitts (11) strömen kann.
Sammler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (12) des steigrohrartigen Abschnitts (11) mit dem kolbenartigen Abschnitt (9) verbunden ist.
Sammler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Aktor zum Betätigen des Steuereinrichtung (9–11) vorgesehen ist.
Kühl- oder/und Heizsystem mit einem Verdichter, der über eine Hochdruckleitung mit einem Eingang eines Kondensators verbunden ist, welcher über eine Fluidleitung und ein darin angeordnetes Expansionsorgan mit einem Eingang eines Verdampfers verbunden ist, wobei der Verdampfer über eine Niederdruckleitung mit einer im Saugeingang des Verdichters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruckleitung bzw. zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer oder in den Kondensator integriert ein Sammler nach einem der Ansprüche 1 bis 15 angeordnet ist.
Kühl- oder/und Heizsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt nur ein einziger Sammler vorgesehen ist.