DE102015110574A1

DE102015110574A1 - Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln flüssigen Kältemittels eines Kältemittelkreislaufs

Info

Publication number: DE102015110574A1
Application number: DE102015110574.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: DE102015110574B4; KR20170004812A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 1', 1'') zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes. Die Vorrichtung (1, 1, 1'') weist mindestens ein erstes Volumenelement (2) und ein zweites Volumenelement (3), welche jeweils ein inneres Volumen begrenzen mindestens einen Einlass (5, 5') zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel, bestehend aus einer dampfförmigen und einer flüssigen Phase, sowie mindestens einen Auslass (24, 24') zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel auf. Die Volumenelemente (2, 3) sind dabei unabhängig voneinander und direkt miteinander verbunden angeordnet und ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes. Die Vorrichtung weist mindestens zwei Volumenelemente, welche jeweils ein inneres Volumen begrenzen, sowie mindestens einen Einlass zum Einströmen von Kältemittel als Zweiphasen-Gemisch und einen Auslass zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel auf.
Aus dem Stand der Technik bekannte Kältemittelkreisläufe, insbesondere Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen für Kraftfahrzeuge, weisen einen Sammler und einen Behälter mit einem Trockenmittel auf. Der Behälter mit Trockenmittel kann dabei innerhalb des Sammlers angeordnet sein. Beim Zirkulieren innerhalb des Kältemittelkreislaufes strömt das Kältemittel durch den Sammler, wobei das Trockenmittel direkt beaufschlagt wird. Alternativ kann das Trockenmittel auch in einem Bereich des Kältemittelkreislaufes angeordnet sein, welcher nicht direkt von Kältemittel durchströmt wird. Das Trockenmittel entfaltet durch die fluidtechnische Verbindung innerhalb des Kältemittelkreislaufes auch bei dieser Anordnung die erwünschte Wirkung. Der Sammler mit dem Trockenmittel kann systemabhängig auf Hochniveau oder Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufes ausgebildet sein.
Der Sammler ist dabei zum einen vorgesehen, den flüssigen Anteil des Kältemittels abzuscheiden, beispielsweise um den in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Sammler nachfolgend angeordneten Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen. Zum anderen nimmt der Sammler zusätzliches Kältemittel als einen Leckagevorrat für den zu erwartenden Kältemittelverlust des gesamten Kältemittelkreislaufes über eine bestimmte Betriebszeit auf und ermöglicht die Speicherung von überschüssigem Kältemittel in bestimmten Betriebsmodi.
Mit dem Trockenmittel wird beispielsweise die im System enthaltene Feuchtigkeit durch Permeation, speziell bei Kältemittelschläuchen, gebunden. Weitere Möglichkeiten für das Eindringen von Feuchtigkeit in den Kältemittelkreislauf sind Reparaturen am Klimatisierungssystem, bei welcher der Kältemittelkreislauf geöffnet ist oder das Kältemittel selbst.
Aus der DE 10 2010 040 403 A1 geht eine Vorrichtung zum Trocknen eines Kältemittels einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs hervor. Die Vorrichtung weist einen vom Kältemittel durchströmten Behälter auf, welcher ein Trockenmittel und ein säurebindendes Mittel enthält. Der das Trockenmittel aufweisende Behälter ist innerhalb eines Kältemittelsammlers angeordnet.
In der DE 694 18 590 T2 wird eine Vorrichtung zum Trocknen, Filtern und Sammeln von flüssigem Kältemittel beschrieben, welche vorzugsweise auf der Hochdruckseite eines Kältemittelkreislaufes angeordnet ist. Die Vorrichtung ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen einem Kondensator und einem Expansionsorgan ausgebildet, um Feuchtigkeit und Fremdmaterial, welches Gefrieren und/oder die Strömung des Kältemittels bei der Expansion durch das Expansionsorgan blockieren könnte, zu entfernen.
Die DE 43 149 17 A1 offenbart einen Sammler eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, zur Abtrennung von feuchtigkeitsbeladenem, teilweise verdampftem Kältemittel zur Umwandlung in feuchtigkeitsfreien Kältemitteldampf, welcher einen vorbestimmten, spezifischen Schmierölgehalt aufweist. Der Sammler umfasst ein geschlossenes Gehäuse, welches eine innere Dampfkammer bildet, ein Einlassrohr, ein Auslassrohr, welches eine Dampfeinmündung im oberen Teil der Dampfkammer aufweist, und ein Prallelement, welches im Gehäuse zwischen dem oberen und dem unteren Teil innerhalb der Dampfkammer angeordnet ist und den Fluss des einströmenden, teilweise verdampften Kältemittels behindert und es veranlasst, innerhalb der Kammer zu zirkulieren und es dem Kältemitteldampf ermöglicht, in den oberen Bereich der Dampfkammer aufzusteigen und durch das Auslassrohr auszuströmen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Sammler mit integriert angeordnetem Trockenmittel dienen somit der Entfernung von in Form von Wasserdampf vorliegender Feuchtigkeit, dem Zurückhalten von Feststoffpartikeln, dem Einbringen einer vorbestimmten Menge an Schmieröl in den aus dem Sammler ausströmenden Dampfstrom und als Speicher für das Kältemittel.
Klimatisierungssysteme für Kraftfahrzeuge, welche insbesondere mit den Kältemitteln Kohlendioxid (kältetechnische Bezeichnung R744) oder Tetrafluorethan (kältetechnische Bezeichnung R134a), R1234yf, HFO, R445A betrieben werden, können als Expanionsvorrichtung ein festes Drosselelement, auch als „Orifice” bezeichnet, oder ein speziell für R744 verwendetes aktives oder inaktives, regelbares Expansionsventil aufweisen, welches zum Beispiel auch für die Einstellung des Hochdrucks des Kältemittelkreislaufes dient. In beiden Fällen ist der Zustand des Kältemittels am Austritt aus dem Verdampfer undefiniert, das heißt das Kältemittel ist überhitzt, gesättigt oder liegt als Zweiphasengemisch vor. Zwischen einem Verdampfer und einem Verdichter des Kältemittelkreislaufes und damit auf Niederdruckniveau ist ein Sammler angeordnet, welcher auch als Akkumulator bezeichnet wird.
Die Arbeitsdrücke in Kältemittelkreisläufen mit Kohlendioxid als Kältemittel sind wesentlich höher als in Kältemittelkreisläufen mit R134a als Kältemittel, sodass die Wandstärken der kältemittelführenden Komponenten eines mit Kohlendioxid als Hochdruckkältemittel betriebenen kreislaufes wesentlich größer auszubilden sind. Zum Erreichen technisch sinnvoller Wandstärken, beispielsweise eines Akkumulators, sind die Durchmesser der Komponenten möglichst gering auszuführen. Die Ausbildung der Komponenten mit möglichst geringem Durchmesser wirkt sich zudem gewichtsreduzierend aus. Um jedoch ein erforderliches Volumen zu Umschließen, sind die Komponenten mit einem geringeren Durchmesser mit einer größeren Länge auszubilden.
Je nach Ausführung des Klimatisierungssystems und beispielsweise unter Beachtung des erwähnten notwendigen Volumens des Sammlers bezüglich auftretender Leckage oder Speicherung von Kältemittel bei verschiedenen Betriebsmodi kann das Volumen des Sammlers nicht ausreichend sein.
Insbesondere beim Einsatz von Klimatisierungssystemen mit dem Kältemittel Kohlendioxid ist bei der Auslegung des Volumens des Sammlers zu beachten, dass die mittlere Füllmenge des gesamten Kältemittelskreislaufes von 250 kg/dm³ nicht überschritten werden darf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines ausreichend großen Volumens für das Kältemittel, insbesondere eines ausreichend großen Speichervolumens auf der Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufes. Die die Auslegung bestimmenden Parameter sind dabei der zur Verfügung stehende Bauraum im Fahrzeug und damit die Länge beziehungsweise der Durchmesser der Komponenten des Kältemittelkreislaufes sowie die Forderung der Bereitstellung von kompakten und gewichtsoptimierten Komponenten.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel sowie zum Trocknen des Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes gelöst. Die Vorrichtung weist mindestens ein erstes Volumenelement und ein zweites Volumenelement auf, welche jeweils ein inneres Volumen begrenzen. Die Vorrichtung ist mit mindestens einem Einlass zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel, aufweisend eine dampfförmige und eine flüssige Phase, mit flüssigem Schmiermittel sowie mindestens einem Auslass zum Ausströmen von überwiegend dampfförmigem Kältemittel mit Schmiermittel ausgebildet. Der Dampfgehalt des Kältemittels liegt insbesondere im Bereich größer 90%, wobei der Dampfgehalt auch andere Werte aufweisen kann.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die Volumenelemente unabhängig voneinander und direkt miteinander verbunden angeordnet und ausgebildet. Unter der direkten Verbindung der Volumenelemente ist zu verstehen, dass das Kältemittel aus einem Volumenelement ausströmt und in das andere Volumenelement einströmt, wobei der Aggregatzustand des Kältemittels beim Überströmen zwischen den Volumenelementen unverändert bleibt und die Volumenelemente räumlich nebeneinander beziehungsweise räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Die Volumenelemente sind folglich derart angeordnet, dass kein Volumenelement im inneren Volumen eines anderen Volumenelements ausgebildet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung derart konfiguriert, dass innerhalb mindestens eines der Volumenelemente ein Trockenmittel zum Trocknen des Kältemittels angeordnet ist.
Die Vorrichtung ist bevorzugt als Kombination von hohlzylinderförmigen Volumenelementen mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere unterschiedlichen Längen und Durchmessern ausgebildet. Nach einer alternativen Ausgestaltung können die Längen und/oder die Durchmesser der Volumenelemente auch gleiche Werte aufweisen. Ebenso können die Volumina der Volumenelemente gleich groß oder unterschiedlich sein. Die Vorrichtung ist vorteilhaft über Kältemittelleitungen im Kältemittelkreislauf eingebunden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das erste Volumenelement mit einem inneren Volumen zum Sammeln und Abscheiden von flüssigem Kältemittel ausgebildet.
Dabei ist das innere Volumen des ersten Volumenelements ausschließlich zum Sammeln und Abscheiden von flüssigem Kältemittel vorgesehen. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des ersten Volumenelements zusätzlich ein Trockenmittel-Behälter angeordnet, welcher Trockenmittel einschließt, sodass das erste Volumenelement zum Sammeln und Abscheiden von flüssigem Kältemittel sowie zum Trocknen des Kältemittels dient.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des zweiten Volumenelements ein Trockenmittel-Behälter angeordnet, welcher Trockenmittel einschließend ausgebildet ist.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Trockenmittel-Behälter mit dem Trockenmittel dabei ein Volumen auf, welches dem inneren Volumen des zweiten Volumenelements entspricht. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Trockenmittel-Behälter mit dem Trockenmittel mit einem Volumen ausgebildet, welches kleiner ist als das innere Volumen des zweiten Volumenelements, sodass das zweite Volumenelement sowohl zur Aufnahme des Trockenmittels als auch zum Sammeln von Kältemittel dient.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Einlass zum Einströmen des zweiphasigen Kältemittels am ersten Volumenelement und der Auslass zum Ausströmen des dampfförmigen Kältemittels am zweiten Volumenelement ausgebildet sind.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der Einlass zum Einströmen des zweiphasigen Kältemittels am zweiten Volumenelement und der Auslass zum Ausströmen des dampfförmigen Kältemittels am ersten Volumenelement ausgebildet.
Dabei sind die Volumenelemente bezüglich der Strömung des Kältemittels vom Einlass in die Vorrichtung zum Auslass aus der Vorrichtung zueinander vorteilhaft jeweils in Reihe geschaltet, wobei die Volumenelemente nacheinander vom Kältemittel durchströmt werden.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl der Einlass zum Einströmen des zweiphasigen Kältemittels als auch der Auslass zum Ausströmen des dampfförmigen Kältemittels an einem Volumenelement, insbesondere am ersten Volumenelement, ausgebildet.
Die inneren Volumina der Volumenelemente sind vorteilhaft über mindestens zwei Verbindungsleitungen derart miteinander verbunden, dass durch die erste Verbindungsleitung dampfförmiges Kältemittel und durch die zweite Verbindungsleitung flüssiges Kältemittel hindurchströmt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Volumenelement mit einem Dampfleitungselement zum Leiten des dampfförmigen Kältemittels ausgebildet, wobei das Dampfleitungselement mit einem inneren und einem äußeren Rohr zwei koaxial zueinander angeordnete Rohre aufweist. Das innere Rohr ist das dampfförmige Kältemittel zu einem Auslass des Volumenelements leitend ausgebildet.
Das Dampfleitungselement ist in Bezug zur Durchströmung des Trockenmittel-Behälters mit dem darin angeordneten Trockenmittel dabei vorteilhaft derart angeordnet, dass das Kältemittel

– nach dem Durchströmen des Dampfleitungselements zum Trockenmittel-Behälter geführt wird oder
– nach dem Durchströmen des Trockenmittel-Behälters zum Dampfleitungselement geführt wird oder
– den Trockenmittel-Behälter und das Dampfleitungselement unabhängig voneinander durchströmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Sammler und/oder inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes kombiniert werden. Dabei werden die einzelnen Komponenten Sammler beziehungsweise Akkumulator, Trockner und innerer Wärmeübertrager getrennt voneinander ausgebildet. Die inneren Volumina der getrennt angeordneten Komponenten sind untereinander mit Kältemittelleitungen verbunden.
Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel bei Hochdruck zwischen den Vorgängen der Kondensation und der Expansion, das heißt nach dem Ausströmen aus einem Kondensator, weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas bei Niederdruck vor dem Eintreten in den Verdichter überhitzt. Der innere Wärmeübertrager kann beispielsweise als Koaxialrohr-Wärmeübertrager, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Volumenelementen oder mit einem einzelnen Abschnitt der Vorrichtung ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– Bereitstellen eines großen Volumens für das Kältemittel, insbesondere eines ausreichend großen Speichervolumens auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes bei optimaler Wandstärke und minimalem Gewicht der Komponente,
– flexible Ausgestaltung für verschiedenste Bauräume möglich,
– je nach Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufes, beispielsweise als Ein-, Zwei-, oder Vielfachverdampfersystem mit jeweils entsprechenden Volumina der Kältemittelleitungen und jeweiliger Verbindungstechnik flexibel erweiterbar,
– ausreichende Füllmenge an Kältemittel unter Einhaltung der mittleren Dichte, insbesondere bei Klimatisierungssystemen mit Kohlendioxid als Kältemittel, was
– einen optimalen Betrieb des Kältemittelkreislaufes und des Klimatisierungssystems mit parallel oder in Reihe durchströmten Volumenelementen für Ein- oder Mehr-Verdampfersysteme gewährleistet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils eine Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln flüssigen Kältemittels als Kombination zweier Volumenelemente mit unterschiedlichen Längen sowie unterschiedlichen Ausbildungen der Einlässe und Auslässe des Kältemittels, wobei ein erstes Volumenelement zum Sammeln und Abscheiden des flüssigen Kältemittels und ein zweites Volumenelement zur Aufnahme von Trockenmittel ausgebildet ist:
1: Volumen des zweiten Volumenelements dient vollständig zur Aufnahme des Trockenmittels, der Einlass des Kältemittels ist am ersten Volumenelement und der Auslass am zweiten Volumenelement ausgebildet,
2: Volumen des zweiten Volumenelements dient zur Aufnahme des Trockenmittels und Anteilen des flüssigen Kältemittels, der Einlass des Kältemittels ist am zweiten Volumenelement und der Auslass am ersten Volumenelement ausgebildet,
3: Volumen des zweiten Volumenelements dient zur Aufnahme des Trockenmittels und Anteilen des flüssigen Kältemittels, der Einlass und der Auslass des Kältemittels sind am ersten Volumenelement ausgebildet sowie
4: Verbindung von erstem und zweitem Volumenelement in Detailansicht.
In den 1 bis 3 sind jeweils eine Vorrichtung 1, 1', 1'' zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel als Kombination eines ersten Volumenelements 2 und eines zweiten Volumenelements 3 dargestellt. Dabei ist jeweils das erste Volumenelement 2 zum Sammeln und Abscheiden des flüssigen Kältemittels und das zweite Volumenelement 3 ist zur Aufnahme von Trockenmittel vorgesehen. Die Volumenelemente 2, 3 sind bevorzugt als Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet.
Die Volumenelemente 2, 3 weisen bei ähnlichen oder gleichen Durchmessern D2, D3 unterschiedliche Längen 12, 13 auf. Das vom ersten Volumenelement 2 umschlossene Volumen ist dabei größer als das vom zweiten Volumenelement 3 umschlossene Volumen.
Nach nicht dargestellten alternativen Ausgestaltungen der Vorrichtungen 1, 1, 1'' sind die Volumenelemente 2, 3 mit gleichen Längen 12, 13 und/oder unterschiedlichen Durchmessern D2, D3 ausgebildet. Die von den Volumenelementen 2, 3 umschlossenen Volumen können gleiche Werte aufweisen.
Die Abmessungen der Volumenelemente 2, 3 richten sich dabei jeweils nach dem vorhandenen Bauraum. Die Durchmesser D2, D3 liegen bevorzugt in einem Bereich von 40 mm bis 100 mm, wobei die Längen im Bereich von 20 mm bis 500 mm liegen.
Zudem können alternativ neben dem zweiten Volumenelement 3 auch im ersten Volumenelement 2 und damit in beiden Volumenelementen 2, 3 Trockenmittel angeordnet sein.
Das Trockenmittel wird dabei entweder einen Teilbereich des inneren Volumens des jeweiligen Volumenelements 2, 3 oder das gesamte innere Volumen des jeweiligen Volumenelements 2, 3 einnehmen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit zwei Volumenelementen 2, 3 unterschiedlicher Volumina. Das innere Volumen des zweiten Volumenelements 3 dient vollständig zur Aufnahme des Trockenmittels.
Das erste Volumenelement 2 ist im oberen Bereich einer hohlzylinderförmigen Wandung 4, das heißt im oberen Bereich der Mantelfläche, mit einem Einlass 5 des Kältemittels in die Vorrichtung 1 ausgebildet. Der Einlass 5 ist dabei derart angeordnet, dass das erste Volumenelement 2 zur Trennung der flüssigen von der dampfförmigen Phase des Kältemittels als Zyklonabscheider betrieben wird. Die Wandung 4 ist auf den Stirnseiten im oberen Bereich durch ein Deckelement 6 und im unteren Bereich durch ein Bodenelement 7 verschlossen.
Der im oberem Bereich der Wandung 4 angeordnete Einlass 5 mündet tangential durch die Wandung 4 in das innere Volumen des Volumenelements 2. Das Kältemittel wird, von einem nicht dargestellten Verdampfer des Kältemittelkreislaufes kommend, als Zweiphasengemisch durch den Einlass 5 in den Zyklonabscheider eingeleitet.
Das Zweiphasengemisch wird infolge der Rotationsbewegung des Massenstroms des Kältemittels um die Längsachse 8 der zylinderförmigen Wandung 4 getrennt. Die Flüssigkeit fließt aufgrund der Schwerkraft an der Wandung 4 nach unten. Der Dampf sammelt sich im oberen Bereich des inneren Volumens des Volumenelements 2, sodass im oberen Bereich ein Volumen 9 mit dampfförmigem Kältemittel und im unteren Bereich des inneren Volumens ein Volumen 10 mit flüssigem Kältemittel ausgebildet wird.
In der Mitte des inneren Volumens des ersten Volumenelements 2 ist rotationssymmetrisch um die Längsachse 8 ein Dampfleitungselement 11 angeordnet, welches als koaxiales Rohr ausgebildet ist. Das äußere Rohr des Dampfleitungselements 11 endet mit der oberen, offenen Seite innerhalb des Volumens 9 des dampfförmigem Kältemittels. Die untere, verschlossene Seite endet im Volumen 10 des flüssigen Kältemittels und weist lediglich mindestens eine Durchtrittsöffnung zum Einleiten von Schmiermittel auf, welches sich innerhalb des Volumens 10 unmittelbar oberhalb des Bodenelements 7 ansammelt.
Das innere der beiden Rohre des Dampfleitungselements 11 ist mit der offenen Unterseite einen Spalt zum geschlossenen Ende des äußeren Rohres ausbildend angeordnet und ragt aus dem Deckelement 6 des ersten Volumenelements 2 heraus. Das innere Rohr führt das durch den Spalt zwischen den koaxialen Rohren des Dampfleitungselements 11 in Strömungsrichtung 12 angesaugte dampfförmige Kältemittel in Strömungsrichtung 15 durch einen Auslass 13 aus dem ersten Volumenelement 2 nach oben ab.
Während des Durchströmens des dampfförmigen Kältemittels durch das Dampfleitungselement 11 nimmt das Kältemittel im Bereich der Umlenkung der Strömung von der Strömungsrichtung 12 durch den Spalt der koaxialen Rohre in das innere Rohr eine bestimmte Menge an Schmiermittel aus dem Volumen 10 auf, welches in Strömungsrichtung 14 durch die mindestens eine Durchtrittsöffnung in das Dampfleitungselement 11 einströmt und zur Schmierung des nicht dargestellten Verdichters des Kältemittelkreislaufes dient. Das durch den Auslass 13 abgeleitete Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch wird in Strömungsrichtung 15 durch eine Verbindungsleitung 16 zum zweiten Volumenelement 3 der Vorrichtung 1 geführt.
Das Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch wird durch den Einlass 17 von oben in das zweite Volumenelement 3 eingeleitet. Das zweite Volumenelement 3 weist ebenfalls ein vollständig umschlossenes Volumen auf, welches am Umfang durch die Wandung 18 begrenzt ist und an den Stirnseiten im oberen Bereich durch ein Deckelement 19 und im unteren Bereich durch ein Bodenelement 20 abgeschlossen ist.
Das innere Volumen des zweiten Volumenelements 3 dient vollständig zur Aufnahme des Trockenmittels, welches von einem Trockenmittel-Behälter 21 eingeschlossen ist. Die Wandung des Trockenmittel-Behälters 21, welcher beispielsweise als zylinderförmiger, flexibler Beutel ausgebildet und mit geeignetem Trockenmittel gefüllt ist, ist für das Kältemittel durchlässig. Da der Trockenmittel-Behälter 21 den gesamten Strömungsquerschnitt des zweiten Volumenelements 3 bedeckt, strömt das Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch vollständig durch beziehungsweise über das Trockenmittel, wobei die Feuchtigkeit aus dem Kältemittel entfernt wird. Auf Grund des Druckverlustes kann das Kältemittel den Trockenmittelbehälter 21 auch umströmen, was jedoch für eine Trocknung des Kältemittels ausreichend ist. Der Trockenmittel-Behälter 21 mit dem Trockenmittel kann ebenso als Filter für die Ausfilterung von Feststoffpartikeln dienen.
Das getrocknete, im Wesentlichen dampfförmige Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch wird in Strömungsrichtung 15 durch einen Auslass 22 aus dem zweiten Volumenelement 3 abgeleitet sowie vom nicht dargestellten Verdichter des Kältemittelkreislaufes durch eine Kältemittelleitung 23 und einen Auslass 24 aus der Vorrichtung 1 abgesaugt.
Der Auslass 22 des zweiten Volumenelements 3 ist im Bodenelement 20 und damit im unteren Bereich des Volumenelements 3 ausgebildet.
Die Volumenelemente 2, 3 sind bezüglich der Strömung des Kältemittels vom Einlass 5 in die Vorrichtung 1 zum Auslass 24 aus der Vorrichtung 1 in Reihe geschaltet. Die Volumenelemente 2, 3 werden dabei vom Kältemittel nacheinander durchströmt.
Folglich strömt das Kältemittel als Zweiphasengemisch in das erste, als Abscheider ausgebildete Volumenelement 2 der Vorrichtung 1 ein, wird als Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch, wobei das Kältemittel in der dampfförmigen Phase vorliegt, in das zweite Volumenelement 3 geleitet, beim Durchströmen des zweiten Volumenelements 3 getrocknet und strömt als trockenes Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch aus der Vorrichtung 1 aus.
Die Verbindungen zwischen den Volumenelementen 2, 3 beziehungsweise weiteren behälterförmigen Volumenelementen können am Umfang oder an den Stirnflächen der Elemente ausgebildet sein. Die inneren Volumina der Elemente müssen dann mit entsprechenden Komponenten, wie Steigrohren, für die Abscheidung, Sammlung oder den Schmiermittelumlauf ausgestaltet werden.
Nach einer alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 anstelle der Verbindungsleitung 16 zwischen dem ersten Volumenelement 2 und dem zweiten Volumenelement 3 zwei Verbindungsleitungen 16a, 16b auf. Die Verbindungsleitungen 16a, 16b sind als Alternativen lediglich mittels gestrichelter Linien verdeutlicht.
Die erste Verbindungsleitung 16a ist dabei jeweils im oberen Bereich der Volumenelemente 2, 3 angeordnet und mündet jeweils in die Mantelflächen der Wandungen 4, 18. Da die Verbindungsleitung 16a innerhalb des Volumens 9 mit dampfförmigem Kältemittel in das Volumenelements 2 mündet, wird dampfförmiges Kältemittel vom ersten Volumenelement 2 in das zweite Volumenelement 3 geleitet.
Die zweite Verbindungsleitung 16b ist jeweils im unteren Bereich der Volumenelemente 2, 3 ausgebildet und mündet ebenfalls jeweils in die Mantelflächen der Wandungen 4, 18. Die Verbindungsleitung 16b endet im Volumen 10 mit flüssigem Kältemittel innerhalb des ersten Volumenelements 2.
Mit der Ausführungsform nach 1 werden das Abscheiden und Sammeln des Kältemittels einerseits und das Trocknen des Kältemittels andererseits räumlich voneinander getrennt. Das flüssige Kältemittel wird lediglich im ersten Volumenelement 2 abgeschieden.
In 2 ist eine Vorrichtung 1' mit zwei Volumenelementen 2, 3 unterschiedlicher Volumina dargestellt. Die wesentlichen Unterschiede zur Ausführungsform nach 1, insbesondere zur alternativen Ausführungsform, liegen in der Ausbildung des zweiten Volumenelements 3 bezüglich der Anordnung des Trockenmittel-Behälters 21' sowie dem Einlass 5' des Kältemittels in die Vorrichtung 1' und dem Auslass 24' des Kältemittels aus der Vorrichtung 1'.
In den 1 bis 3 werden gleiche Merkmale und Komponenten der Vorrichtungen 1, 1', 1'' mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein erster Bereich des inneren Volumens des zweiten Volumenelements 3 dient der Aufnahme des Trockenmittels, während ein zweiter Bereich des inneren Volumens des zweiten Volumenelements 3 zum Sammeln von dampfförmigem beziehungsweise flüssigem Kältemittel vorgesehen ist. Insbesondere ist ein Bereich des Volumens des zweiten Volumenelements 3 somit zur Aufnahme von Anteilen des flüssigen Kältemittels ausgebildet. Der Einlass 5' kann dabei derart angeordnet sein, dass das zweite Volumenelement 3 als Zyklonabscheider betreibbar ist.
Im Vergleich zur Vorrichtung 1 aus 1 sind der Einlass 5' des Kältemittels in die Vorrichtung 1' am zweiten Volumenelement 3 und der Auslass 24' des Kältemittels aus der Vorrichtung 1' am ersten Volumenelement 2 ausgebildet.
Der Einlass 5 ist im oberen Bereich der mittels des Deckelelements 19 und des Bodenelements 20 verschlossenen Wandung 18 angeordnet, durch welchen das von dem nicht dargestellten Verdampfer des Kältemittelkreislaufes kommende Kältemittel als Zweiphasengemisch in die Vorrichtung 1' eingeleitet wird. Das flüssige Kältemittel fließt nach unten und bildet das Volumen 10, während sich das dampfförmige Kältemittel als Volumen 9 im oberen Bereich des inneren Volumens des Volumenelements 3 ansammelt.
Die Vorrichtung 1' weist zwischen dem ersten Volumenelement 2 und dem zweiten Volumenelement 3 zwei Verbindungsleitungen 16a', 16b' auf. Die erste Verbindungsleitung 16a' verbindet dabei die oberen Bereiche der Volumenelemente 2, 3 und damit das Volumen 9 des dampfförmigen Kältemittels, während die zweite Verbindungsleitung 16b' den unteren Bereich des zweiten Volumenelements 3 mit dem ersten Volumenelement 2 im Bereich des Volumens 10 des flüssigen Kältemittels verbindet. Die Volumenelemente 2, 3 sind dabei als kommunizierende Gefäße miteinander verbunden, sodass das flüssige Kältemittel aufgrund des gleichen Drucks des Kältemittels innerhalb der Volumenelemente 2, 3 und der Schwerkraft einen Flüssigkeitsspiegel auf einem gemeinsamen Niveau ausbildet.
Der Trockenmittel-Behälter 21' ist mit dem darin eingeschlossenen Trockenmittel oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet. Da der Trockenmittel-Behälter 21' den gesamten Strömungsquerschnitt des zweiten Volumenelements 3 bedeckt, strömt das durch den Einlass 5' in die Vorrichtung 1' eintretende dampfförmige Kältemittel durch beziehungsweise über das Trockenmittel, wobei die Feuchtigkeit aus dem Kältemittel entfernt wird. Eine unmittelbare und direkte Durchströmung des Trockenmittels ist jedoch nicht notwendig, um das Kältemittel zu trocknen. Auch eine Ausbildung des Trockenmittel-Behälters 21' innerhalb eines parallel angeordneten, und nicht direkt mit Kältemittel durchströmten Volumenelements 2, 3 ist für die Trocknung des Kältemittels ausreichend. Dabei muss lediglich das innere, das Trockenmittel enthaltene Volumen des Volumenelements 2, 3 mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein.
Das erste Volumenelement 2 weist ein Dampfleitungselement 11 nach der Ausführungsform gemäß 1 auf. Das dampfförmige Kältemittel wird durch das innere Rohr des Dampfleitungselements 11 in Strömungsrichtung 15 durch den Auslass 24' aus dem zweiten Volumenelement 2 und der Vorrichtung 1' in abgesaugt. Beim Durchströmen des Dampfleitungselements 11 nimmt das Kältemittel Schmiermittel aus dem Volumen 10 auf.
Die Volumenelemente 2, 3 sind bezüglich der Strömung des Kältemittels vom Einlass 5' in die Vorrichtung 1' zum Auslass 24' aus der Vorrichtung 1' in Reihe geschaltet. Die Volumenelemente 2, 3 werden dabei im Wesentlichen nacheinander vom Kältemittel durchströmt.
Das Kältemittel strömt als Zweiphasengemisch in das zweite, mit dem Trockenmittel-Behälter 21' ausgebildete Volumenelement 3 der Vorrichtung 1' ein, wird beim Durchströmen des zweiten Volumenelements 3 getrocknet, anschließend in das erste Volumenelement 2 geleitet und in dampfförmiger Phase in das Dampfleitungselement 11 eingesaugt sowie beim Durchströmen des Dampfleitungselements 11 mit Schmiermittel gemischt und strömt als trockenes Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch aus der Vorrichtung 1' aus.
3 zeigt eine Vorrichtung 1'' mit zwei Volumenelementen 2, 3 unterschiedlicher Volumina. Die wesentlichen Unterschiede zur Vorrichtung 1 gemäß 1, insbesondere zur alternativen Ausführungsform, liegen in der Ausbildung des zweiten Volumenelements 3 bezüglich der Anordnung des Trockenmittel-Behälters 21' sowie dem Auslass 24' des Kältemittels aus der Vorrichtung 1''. Der wesentliche Unterschied zur Vorrichtung 1' aus 2 liegt in der Anordnung des Einlasses 5 des Kältemittels in die Vorrichtung 1''.
Dabei dient wiederum ein erster Bereich des inneren Volumens des zweiten Volumenelements 3 zur Aufnahme des Trockenmittels, während ein zweiter Bereich des inneren Volumens des zweiten Volumenelements 3 zum Sammeln von Kältemittel vorgesehen ist.
Sowohl der Einlass 5 des Kältemittels in die Vorrichtung 1'' als auch der Auslass 24' des Kältemittels aus der Vorrichtung 1'' sind am ersten Volumenelement 2 ausgebildet.
Die Vorrichtung 1'' weist, ähnlich der Vorrichtung 1' aus 2, zwischen den als kommunizierende Gefäße miteinander verbundenen Volumenelementen 2, 3 zwei Verbindungsleitungen 16a', 16b' auf. Die erste Verbindungsleitung 16a' verbindet dabei die oberen Bereiche der Volumenelemente 2, 3 und damit das Volumen 9 des dampfförmigen Kältemittels, während die zweite Verbindungsleitung 16b' den unteren Bereich des zweiten Volumenelements 3 mit dem ersten Volumenelement 2 im Bereich des Volumens 10 des flüssigen Kältemittels verbindet. Der das Trockenmittel einschließende Trockenmittel-Behälter 21' ist oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet.
Die Volumenelemente 2, 3 sind bezüglich der Strömung des Kältemittels vom Einlass 5 in die Vorrichtung 1'' zum Auslass 24' aus der Vorrichtung 1'' parallel geschaltet. Die Volumenelemente 2, 3 werden dabei im Wesentlichen unabhängig voneinander vom Kältemittel durchströmt. Das zweite Volumenelement 3 dient zur Vergrößerung des inneren Volumens der Vorrichtung 1'' als Sammler und stellt somit ein zusätzliches Volumen zur Aufnahme von Kältemittel und zur Aufnahme von Trockenmittel bereit.
Das durch den Auslass 24, 24' der Vorrichtung 1, 1', 1'' abgesaugte Kältemittel-Schmiermittelgemisch kann vor dem Eintreten in den nicht dargestellten Verdichter durch die Niederdruckseite eines inneren Wärmeübertragers des Kältemittelkreislaufes hindurchgeleitet werden. Die als Kältemittelsammler niederdruckseitig dem Verdichter vorgeschaltete Vorrichtung 1, 1', 1'' ist hochdruckseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels einem Expansionsorgan vorgelagert.
Aus 4 geht die Verbindung zwischen dem ersten Volumenelement 2 und dem zweiten Volumenelement 3 in einer Detailansicht hervor.
Die Verbindungsleitungen 16a, 16b sind mit den Wandungen 4, 18 der Volumenelemente 2, 3 verschweißt oder verlötet. Die Verbindungen zwischen den Volumenelementen 2, 3 können auch über Klemmverbindungen, insbesondere Klemmverschraubungen 25, ausgebildet sein, wobei die Klemmverschraubungen 25 an Anschlusselementen von Kältemittelleitungen angeordnet werden. Die Anschlusselemente sind wiederum mit den Wandungen 4, 18 verlötet oder verschweißt. Die Anschlusselemente werden mittels eines Schraubenelements 26 miteinander verschraubt.
Bezugszeichenliste

1,: 1', 1'' Vorrichtung
2: erstes Volumenelement
3: zweites Volumenelement
4: Wandung erstes Volumenelement 2
5,: 5' Einlass Kältemittel in Vorrichtung 1, 1'
6: Deckelelement erstes Volumenelement 2
7: Bodenelement erstes Volumenelement 2
8: Längsachse erstes Volumenelement 2
9: Volumen mit dampfförmigem Kältemittel
10: Volumen mit flüssigem Kältemittel
11: Dampfleitungselement
12: Strömungsrichtung dampfförmiges Kältemittel
13: Auslass Kältemittel erstes Volumenelement 2
14: Strömungsrichtung Schmiermittel
15: Strömungsrichtung Kältemittel-Schmiermittel-Gemisch
16,: 16a, 16b Verbindungsleitung
16a', 16b': Verbindungsleitung
17: Einlass Kältemittel zweites Volumenelement 3
18: Wandung zweites Volumenelement 3
19: Deckelelement zweites Volumenelement 3
20: Bodenelement zweites Volumenelement 3
21, 21': Trockenmittel-Behälter
22: Auslass Kältemittel zweites Volumenelement 3
23: Kältemittelleitung
24, 24': Auslass Kältemittel aus Vorrichtung 1, 1'
25: Klemmverbindung
26: Schraube
D2: Durchmesser des ersten Volumenelements 2
D3: Durchmesser des zweiten Volumenelements 3
L2: Länge des ersten Volumenelements 2
L3: Länge des zweiten Volumenelements 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010040403 A1 [0005]
DE 69418590 T2 [0006]
DE 4314917 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung (1, 1', 1'') zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes, aufweisend – mindestens ein erstes Volumenelement (2) und ein zweites Volumenelement (3), welche jeweils ein inneres Volumen begrenzen, – mindestens einen Einlass (5, 5') zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel, aufweisend eine dampfförmige und eine flüssige Phase, – mindestens einen Auslass (24, 24') zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel sowie dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenelemente (2, 3) unabhängig voneinander und direkt miteinander verbunden angeordnet und ausgebildet sind.
Vorrichtung (1, 1', 1'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb mindestens eines der Volumenelemente (2, 3) ein Trockenmittel zum Trocknen des Kältemittels angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 1', 1'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumenelement (2) mit einem inneren Volumen zum Sammeln und Abscheiden von flüssigem Kältemittel ausgebildet ist.
Vorrichtung (1, 1', 1'') nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Volumenelements (3) ein Trockenmittel-Behälter (21, 21') angeordnet ist, welcher Trockenmittel einschließend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1', 1'') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockenmittel-Behälter (21') mit dem Trockenmittel ein Volumen aufweist, welches kleiner ist als das innere Volumen des zweiten Volumenelements (3), sodass das Volumenelement (3) zur Aufnahme des Trockenmittels und zum Sammeln von Kältemittel ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5) zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel am ersten Volumenelement (2) und der Auslass (24) zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel am zweiten Volumenelement (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5') zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel am zweiten Volumenelement (3) und der Auslass (24') zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel am ersten Volumenelement (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1'') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5) zum Einströmen von zweiphasigem Kältemittel und der Auslass (24') zum Ausströmen von dampfförmigem Kältemittel am ersten Volumenelement (2) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1, 1', 1'') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Volumina der Volumenelemente (2, 3) über mindestens zwei Verbindungsleitungen (16a, 16b, 16a', 16b') derart miteinander verbunden sind, dass durch die erste Verbindungsleitung (16a, 16a') dampfförmiges Kältemittel und durch die zweite Verbindungsleitung (16b, 16b') flüssiges Kältemittel hindurchströmt.
Vorrichtung (1, 1', 1'') nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumenelement (2) mit einem Dampfleitungselement (11) zum Leiten des dampfförmigem Kältemittels ausgebildet ist, welches mit einem inneren und einem äußeren Rohr zwei koaxial zueinander angeordnete Rohre aufweist, wobei das innere Rohr das dampfförmige Kältemittel zu einem Auslass (13, 24') leitend ausgebildet ist.