DE102015121588A1

DE102015121588A1 - Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015121588A1
Application number: DE102015121588.8A
Authority: DE
Inventors: Toni Spies; Christoph Bara; Roberto Della Rovere; Navid Durrani; Marc Graaf; Martin Hötzel; René Junker; Martina Paduch; Daniel Zens
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-14
Also published as: KR20170069898A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (7, 7') zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf (1, 1'). Der Kältemittelkreislauf (1, 1') weist einen Verdichter (2), einen ersten Wärmeübertrager (3) zur Abkühlung und/oder Verflüssigung des Kältemittels, ein erstes Expansionsorgan (4) und einen zweiten Wärmeübertrager (5) zur Verdampfung des Kältemittels auf. Die sich von einem Ölabscheider (8) bis zu einem Mischpunkt (9) erstreckende Vorrichtung (7, 7') ist mit einem Ölvorratsbehälter (13) und einem zweiten, extern regelbaren Expansionsorgan (15) ausgebildet. Das zweite Expansionsorgan (15) weist zur Regelung des Massenstroms des rückzuführenden Öls einen verstellbaren Durchströmquerschnitt auf und ist mit einer Steuereinheit (20) verbunden. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Rückführung von Öl im Kältemittelkreislauf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Wärmeübertrager zur Abkühlung und/oder Verflüssigung des Kältemittels, ein erstes Expansionsorgan und einen zweiten Wärmeübertrager zur Verdampfung des Kältemittels auf. Die Vorrichtung erstreckt sich von einem Ölabscheider bis zu einem Mischpunkt und ist mit einem Ölvorratsbehälter ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Rückführung von Öl im Kältemittelkreislauf.
Das Öl hat innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mehrere Funktionen. Das Öl dient einerseits dem Schmieren innerhalb des Verdichters angeordneter beweglicher Komponenten und verringert damit die Reibung zwischen den Komponenten, welche insbesondere als Metallteile ausgebildet sind. Damit wird der Verschleiß des Verdichters reduziert. Andererseits werden mittels des Öls die Abdichtung des Verdichters gegenüber der Umgebung sowie die interne Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Kältemittels innerhalb des Verdichters verbessert. Eine weitere Funktion des Öls innerhalb eines Kältemittelkreislaufs besteht darin, die beispielsweise aufgrund der Reibung zwischen den bewegten Komponenten des Verdichter innerhalb des Verdichters erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuführen.
Obwohl das Öl im Wesentlichen lediglich innerhalb des Verdichters benötigt wird, ist es unvermeidlich, dass das Öl auch innerhalb des Kältemittelkreislaufs zirkuliert. Die Menge des zirkulierenden und umlaufenden Öls hängt dabei von mehreren Faktoren ab. Zu den Faktoren zählen unter anderem das Design beziehungsweise die Konstruktion und Konfiguration des Verdichters sowie der Peripherie, das heißt insbesondere des Kältemittelkreislaufs, das Alter und der Zustand bezüglich des Verschleißes des Verdichters, die Betriebsbedingungen und Systembedingungen und die Mischbarkeit des Öls mit dem Kältemittel.
In aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen variiert die Zirkulationsrate des Öls zwischen 1 % und 15 % des Massenstroms des Kältemittels. Das Öl des Verdichters, welches mit dem Kältemittel gemeinsam durch den Kältemittelkreislauf zirkuliert, weist verschiedene Wirkungen auf. So verändert es beispielsweise die Qualität sowie die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittel-Öl-Gemisches. Das Vorhandensein des Öls verringert die Wirksamkeit der Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, da der Wärmeübergang und damit der Wärmedurchgang beeinflusst werden, wenn die Wärmeübertragungsflächen im Inneren des Wärmeübertragers mit einem Ölfilm bedeckt sind, da sich der Ölfilm wie eine zusätzliche Isolierschicht auswirkt. Das Öl kann unter Umständen in sogenannten Ölfallen des Kältemittelkreislaufs zurückgehalten werden, welche sich besonders in Bereichen mit geringen Geschwindigkeiten des Kältemittels ausbilden. Das sich in den Ölfallen angesammelte Öl kann, wie eine Flüssigkeitsschwingsäule, plötzlich überlaufen und zum Verdichter zurückströmen. Dabei kann eine Druckwelle erzeugt werden, welche wiederum Flüssigkeitsschläge verursacht. Bei Tieftemperaturanwendungen wird die Bewegungsmöglichkeit des Öls innerhalb des Kältemittelkreislaufs aufgrund der höheren Viskosität bei geringen Temperaturen stark eingeschränkt. Der Rückgang des Ölstands innerhalb des Verdichters kann zu mechanischen irreversiblen Schäden des Verdichters führen. Das im Wesentlichen inkompressible Öl kühlt sich zudem während eines Vorgangs einer vernachlässigbaren Expansion nicht ab. Das Öl wird mit dem Kältemittel vermischt, wobei das Kältemittel teilweise verdampft. Dabei wird ein Teil der Kälteleistung des Kältemittels, das heißt etwa 8 % bis 10 %, für die Abkühlung des Verdichteröls aufgewendet.
In der US 6,058,727 A wird ein Kältemittelkreislauf zum Abkühlen von Luft mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer beschrieben. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen Strömungspfad zum Rückführen des Öls vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters mit einem Ölseparator und einem Ölkühler auf. Das bei der Verdichtung des gasförmigen Kältemittels erwärmte Öl wird vor dem Einlass in den Verdichter abgekühlt. Dabei wird die Wärme vom Öl an das vom Verdichter angesaugte Kältemittel übertragen. Der Ölkühler ist mit einem inneren Wärmeübertrager als eine Wärmeübertragereinheit ausgebildet, wobei die Wärmeübertragereinheit innerhalb eines Akkumulators des Kältemittels angeordnet sein kann.
Die US 2010/0251756 A1 offenbart ebenfalls einen Kältemittelkreislauf zum Abkühlen von Luft mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer sowie einem Strömungspfad zum Rückführen des Öls vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters mit einem Ölseparator und einem Ölkühler. Der Ölkühler ist als Luft-Öl-Wärmeübertrager ausgebildet und in Strömungsrichtung der Luft nach dem Verdampfer angeordnet. Die Wärme wird vom Öl an die beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlte Luft übertragen.
Bei den in der US 6,058,727 A und der US 2010/0251756 A1 gezeigten Kältemittelkreisläufen kann der dem Verdichter rückgeführte Massenstrom des Öls nicht eingestellt werden.
Aus der US 6,579,335 B2 geht eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit Komponenten zum Abscheiden von Öl aus dem verdichteten Gas, zum Abkühlen des Öls nach der Verdichtung des Gases und zum Speichern des Öls hervor. Das Öl wird dem Verdichter mit dem zu verdichtenden gasförmigen Fluid wieder zugeführt. Zum Abkühlen des Öls wird das Öl durch einen Wärmeübertrager geleitet. Dabei wird die Wärme vom Öl an das zu verdichtende gasförmigen Fluid übertragen. Anschließend wird das gasförmige Fluid verdichtet.
Der Ölabscheider, der Ölkühler und der Ölvorratsbehälter sind in einem gemeinsamen Gehäuse integriert angeordnet. Das Öl wird über eine Verbindungsleitung vom Ölvorratsbehälter zum Verdichter geleitet. Innerhalb der Verbindungsleitung ist ein nicht extern regelbares Ventil zum Einstellen des Massenstroms des rückzuführenden Öls angeordnet.
Bei herkömmlichen Kältemittelkreisläufen mit einem System zum Rückführen des Öls vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters, welches gemeinsam mit dem Kältemittel durch den Verdichter strömt, kann zum einen der dem Verdichter rückgeführte Massenstrom des Öls nicht geregelt werden. Zum anderen weisen aus dem Stand der Technik bekannte Kältemittelkreisläufe mit einer Ölrückführung keine Mittel auf, einen Bypass zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittel am Auslass des Verdichters und dem hochdruckseitigen Kältemittel am Einlass des Verdichters durch die Ölrückführung zu verhindern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr in der Bereitstellung eines Kältemittelkreislaufs mit einer Vorrichtung zur Ölrückführung, mit welcher der Massenstrom von dem vom Verdichter rückgeführten Öl als sogenannnte Zirkulationsrate des Öls abhängig vom Betriebszustand automatisiert reguliert werden kann. Die Vorrichtung soll zudem derart ausgebildet sein, einen Bypass des Kältemittels von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zu vermeiden. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, Wartung und Montage der Vorrichtung minimal sein.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Wärmeübertrager zur Abkühlung und/oder Verflüssigung des Kältemittels, ein erstes Expansionsorgan und einen zweiten Wärmeübertrager zur Verdampfung des Kältemittels auf. Die Vorrichtung zur Rückführung des Öls erstreckt sich von einem Ölabscheider bis zu einem Mischpunkt und ist mit einem Ölvorratsbehälter ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist die Vorrichtung zur Rückführung von Öl mit einem zweiten, extern regelbaren Expansionsorgan ausgebildet, welches zur Regelung des Massenstroms des rückzuführenden Öls einen verstellbaren Durchströmquerschnitt aufweist. Zudem ist das zweite, extern regelbare Expansionsorgan mit einer Steuereinheit verbunden. Unter der Regelung des Massenstroms des rückzuführenden Öls ist auch die Regulierung der Zirkulationsrate des Öls durch den Verdichter des Kältemittelkreislaufs zu verstehen. Das Öl wird dabei als das Schmiermittel für den Verdichter angesehen. Das zweite, extern regelbare Expansionsorgan ist vorteilhaft als elektrisches Expansionsventil ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Ölvorratsbehälter mit einem Sensor zum Bestimmen des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters ausgebildet. Das im Ölabscheider vom Kältemittel abgeschiedene Öl wird in den Ölvorratsbehälter geleitet und innerhalb des Ölvorratsbehälters gespeichert.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Sensor zum Bestimmen des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters einen Schwimmer auf. Der Schwimmer schwimmt dabei vorteilhaft auf dem Flüssigkeitsspiegel des Öls auf.
Der Sensor ist zudem bevorzugt mit einem Potentiometer ausgebildet. Das Potentiometer ist einerseits mit dem Schwimmer und andererseits mit der Steuereinheit verbunden sowie derart konfiguriert, als elektrisch verstellbarer Widerstand den Wert des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das Signal an die Steuereinheit zu senden. Die Kombination aus dem Sensor zum Bestimmen des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters, der Steuereinheit und dem zweiten Expansionsorgan dient dem füllstandsabhängigen Verändern beziehungsweise Öffnen und Schließen des Durchströmquerschnitts des zweiten Expansionsorgans.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor zum Bestimmen eines minimalen Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters ausgebildet. Dabei ist der Sensor mit der Steuereinheit verbunden sowie derart konfiguriert, als Schalter beim Erreichen des minimalen Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters als Schwellenwert ein Signal an die Steuereinheit zu senden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass an einem Auslass des Verdichters ein Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des Kältemittels angeordnet ist. Der Temperatursensor ist mit der Steuereinheit verbunden. Die Kombination aus dem Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters, der Steuereinheit und dem zweiten Expansionsorgan dient dem temperaturabhängigen Verändern beziehungsweise Öffnen und Schließen des Durchströmquerschnitts des zweiten Expansionsorgans.
Die Vorrichtung zur Rückführung des Öls weist vorteilhaft einen Wärmeübertrager zum Abkühlen des Öls auf. Der Wärmeübertrager kann dabei wahlweise zwischen dem Ölabscheider und dem Ölvorratsbehälter, zwischen dem Ölvorratsbehälter und dem zweiten Expansionsorgan oder in Strömungsrichtung des Öls nach dem zweiten Expansionsorgan angeordnet sein.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Einfüllen einer Menge Öl in den Kältemittelkreislauf bis ein Sollfüllstand des Öls erreicht ist,
– Bestimmen einer Veränderung des Füllstands des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters mittels eines Sensors,
– Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes des Füllstands vom Sensor an eine Steuereinheit,
– Vergleichen des Wertes des Füllstands mit dem Sollfüllstand innerhalb der Steuereinheit und
– Verändern eines Durchströmquerschnitts eines extern regelbaren Expansionsorgans zum Erreichen des Sollfüllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters abhängig vom Füllstand.

Mit der Veränderung der Zirkulationsrate des Öls durch die Vorrichtung zur Rückführung des Öls innerhalb des Kältemittelkreislaufs infolge der Variation des Durchströmquerschnitts des extern regelbaren Expansionsorgans ist stets ein bestimmter Füllstand des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters zu verzeichnen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird infolge der Veränderung des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters ein Schwimmer bewegt. Durch die Bewegung des Schwimmers wird ein Wert eines elektrischen Widerstands eines Potentiometers verändert. Der Wert des elektrischen Widerstands wird gemessen und als Wert des Füllstands des Öls an die Steuereinheit übertragen.
Die Aufgabe wird zudem durch ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Bestimmen einer Heißgastemperatur des Kältemittels am Auslass eines Verdichters mit einem Temperatursensor,
– Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes der Heißgastemperatur vom Temperatursensor an eine Steuereinheit,
– Vergleichen des Wertes der Heißgastemperatur mit einem innerhalb der Steuereinheit hinterlegten Wert und
– Verändern eines Durchströmquerschnitts eines extern regelbaren Expansionsorgans abhängig von der Heißgastemperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters.

Die Variation der Zirkulationsrate beziehungsweise des Massenstroms des Öls durch die Vorrichtung zur Rückführung des Öls innerhalb des Kältemittelkreislaufs abhängig von der Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters führt zu einer Steigerung der Leistung des Verdichters und damit zu einer Steigerung der Effizienz beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Bestimmen eines Füllstands des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters mittels eines Sensors, Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes des Füllstands vom Sensor an eine Steuereinheit und Vergleichen des Wertes des Füllstands mit einem Mindestfüllstand oder
– Auslösen eines als Schalter ausgebildeten Sensors beim Unterschreiten eines minimalen Füllstands des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters und Senden eines Signals vom Sensor an eine Steuereinheit,
– Schließen eines in Verbindungsleitungen der Vorrichtung ausgebildeten zweiten, extern regelbaren Expansionsorgans, um einen Kältemittelbypass über die Verbindungsleitungen von einer Hochdruckseite auf eine Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zu verhindern.

Unter dem Schließen des in Verbindungsleitungen der Vorrichtung ausgebildeten zweiten Expansionsorgans ist dabei bevorzugt ein vollständiges Schließen und damit ein vollständiges Versperren des Durchströmquerschnitts zu verstehen. Das vollständige Verschließen kann insbesondere auch bei einer Erstbefüllung oder einer Inbetriebnahme, beispielsweise nach einer längeren Stillstandszeit, notwendig sein.
Es ist anzumerken, dass der Kältemittelkreislauf sowohl als Komponente einer Kompressionskälteanlage als auch einer Wärmepumpe betrieben werden kann, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl als Bestandteil einer Kompressionskälteanlage als auch eines Wärmepumpensystems einsetzbar ist.
Die Vorrichtung ist vorteilhaft für verschiedene Kältemittel, wie R134a, R1234yf, R744, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemische, einsetzbar und auf die Kältemittel abstimmbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere zur Regelung eines Ölvolumenstroms mittels eines elektrisch betriebenen Expansionsventils als zweites Expansionsorgan, weist zusammenfassend folgende weitere Vorteile auf:

– Reduzieren des Druckverlustes des Kältemittels beim Durchströmen der Wärmeübertrager, da Kältemittel und kein Kältemittel-Öl-Gemisch, das heißt kein Öl, durch die Wärmeübertrager geleitet wird, dadurch auch
– Erhöhen der Effizienz und der Leistung beim Betrieb des Systems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, da das Öl beim Durchströmen der Wärmeübertrager nicht mehr abgekühlt oder erwärmt werden muss,
– Reduzieren der Kosten für die Herstellung, Wartung und den Betrieb des Systems, da die Menge an Öl optimiert und damit minimiert wird,
– Erhöhen der Haltbarkeit und damit der Lebensdauer durch eine optimierte Zirulationsrate des Öls,
– abhängig vom Betriebszustand automatisierte, externe Regelung des Massenstroms des vom Verdichter rückgeführten Öls sowie
– Erhöhen der Zuflussrate des Öls zur Kühlung des Verdichters möglich, falls die Heißgastemperatur als Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Verdichter zu stark ansteigt.

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 einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, zwei Wärmeübertragern, einem ersten Expansionsorgan und einem Akkumulator sowie:
1: mit einer Vorrichtung zur Rückführung von Öl mit einem Ölvorratsbehälter und einem Sensor zum Bestimmen des Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters sowie einer Steuereinheit und
2: mit einer Vorrichtung zur Rückführung von Öl mit einem Ölvorratsbehälter und Sensoren zum Bestimmen der Heißgastemperatur des Kältemittels und des minimalen Füllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters sowie einer Steuereinheit.
1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 mit einem Verdichter 2, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 3, einem ersten Expansionsorgan 4, einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 5 und einem als Akkumulator 6 angeordneten Kältemittelabscheider und Kältemittelspeicher.
Erfolgen die Abkühlung und die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager 3 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 3 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 3 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs 1 zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
Der Kältemittelkreislauf 1 weist zudem eine Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl auf, welche sich von einem Ölabscheider 8 bis zu einem Mischpunkt 9 erstreckt. Die Verbindungsleitungen 10, 11, 12 sind jeweils in Pfeilrichtung durchströmt, wobei die Verbindungsleitungen 10 von einem Kältemittel-Öl-Gemisch, die Verbindungsleitungen 11 von Kältemittel und die Verbindungsleitungen 12 von Öl durchströmt werden.
Die Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl weist neben dem Ölabscheider 8 in Strömungsrichtung einen Ölvorratsbehälter 13, einen Wärmeübertrager 14 zur Ölkühlung, auch als Ölkühler 14 bezeichnet, und ein zweites Expansionsorgan 15 auf. Das zweite Expansionsorgan 15 ist als elektrisch betriebenes Expansionsventil extern regelbar ausgebildet.
Das Öl wird beim Durchströmen des Verdichters 2 gemeinsam mit dem Kältemittel vom Niederdruckniveau, auch als Saugdruckniveau bezeichnet, auf das Hochdruckniveau verdichtet, wobei das Öl bei der Verdichtung aufgrund des flüssigen Zustands im Vergleich zum gasförmigen Kältemittel lediglich eine sehr geringe Volumenänderung aufweist. Damit weist das Öl in Strömungsrichtung vor dem zweiten Expansionsorgan 15 das Niveau des Hochdrucks auf, während das Öl am Auslass aus dem Expansionsorgan 15 das Niveau des Niederdrucks aufweist.
Das Öl ist dabei mit einer Menge bis zu einem Sollfüllstand im Kältemittelkreislauf 1 eingefüllt. Eine Veränderung des Füllstands 16 des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters 13 wird mittels eines Sensors 17 zur Füllstandsdetektierung bestimmt. Der Sensor 17 ist aus einem Schwimmer 18 und einem Potentiometer 19 ausgebildet. Infolge der Veränderung des Füllstands 16 innerhalb des Ölvorratsbehälters 13 wird der Schwimmer 18 bewegt, was wiederum den elektrischen Widerstand R des Potentiometers 19 verändert. Der Wert des elektrischen Widerstands R wird gemessen und an eine Steuereinheit 20 übertragen. Die Steuereinheit 20 ist mit dem zweiten, extern regelbaren Expansionsorgan 15 verbunden. Anstelle der Kombination aus Schwimmer 18 und Potentiometer 19 kann der Sensor 17 auch aus anderen Komponenten zur Detektierung des Füllstands 16 ausgebildet sein.
Wenn die Zirkulationsrate des Öls in Strömungsrichtung des Kältemittel-Öl-Gemisches dem Verdichter 2 nachfolgend ansteigt, steigt auch der Füllstand 16 des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters 13 an. Mit dem Variieren des Füllstands 16 verändert sich gleichermaßen der elektrische Widerstand R des Potentiometers 19. Der an die Steuereinheit 20 übertragene Wert des elektrischen Widerstands R bewirkt je nach Bedarf ein weiteres Öffnen oder Schließen des zweiten Expansionsorgans 15. Wenn sich der Auswurf an Öl durch den Verdichter 2 verringert, verringert sich gleichermaßen der Füllstand 16 des Öls innerhalb des Vorratsbehälters 13. Das zweite Expansionsorgan 15 wird zumindest teilweise geschlossen, um den vorgegebenen Sollfüllstand des Öls zu erreichen. Bei einem sehr geringen Füllstand 16 des Öls wird das zweite Expansionsorgan 15 vollständig geschlossen, um einen Kältemittelbypass über die Verbindungsleitungen 12 von der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 der Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, eine konstante Menge an Öl im Ölvorratsbehälter 13 zu regeln. Dabei wird stets eine solche Menge an Öl zum Verdichter 2 zurückgeführt, wie vom Verdichter 2 ausgeworfen wird. Damit wird die Zirkulationsrate des Öls durch den Verdichter 2 bestimmt. Der Verdichter 2 wird immer mit ausreichend Öl geschmiert und nicht trocken laufen, sodass das Auftreten von Schäden der bewegten Komponenten des Verdichters 2 verhindert wird.
Die Steuereinheit 20 dient zusammen mit der Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl dem Regeln des Füllstands 16 des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters 13 und damit dem Anteil des Öls innerhalb des durch den Verdichter 2 strömenden Kältemittel-Öl-Gemisches.
Aus 2 geht ein Kältemittelkreislauf 1' mit dem Verdichter 2, dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 3, dem ersten Expansionsorgan 4, dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 5 und dem als Akkumulator 6 angeordneten Kältemittelabscheider und Kältemittelspeicher gemäß dem Kältemittelkreislauf 1 aus 1 hervor. Der Kältemittelkreislauf 1' weist ebenso eine Vorrichtung 7' zur Rückführung von Öl auf, welche sich von dem Ölabscheider 8 bis zu dem Mischpunkt 9 erstreckt. Die Verbindungsleitungen 10, 11, 12 sind jeweils wieder in Pfeilrichtung durchströmt, wobei die Verbindungsleitungen 10 von einem Kältemittel-Öl-Gemisch, die Verbindungsleitungen 11 von Kältemittel und die Verbindungsleitungen 12 von Öl durchströmt werden.
Auch die Vorrichtung 7' zur Rückführung von Öl der Ausführungsform nach 2 weist neben dem Ölabscheider 8 in Strömungsrichtung einen Ölvorratsbehälter 13, einen Wärmeübertrager 14 zur Ölkühlung und ein zweites, extern regelbares Expansionsorgan 15 auf, welches als elektrisches Expansionsventil ausgebildet ist.
Im Unterschied zur Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl der Ausführungsform gemäß 1 weist die Vorrichtung 7' zur Rückführung von Öl der Ausführungsform gemäß 2 einen zusätzlichen Temperatursensor 21 auf. Der Temperatursensor 21 ist zum einen innerhalb der Verbindungsleitung 10 integriert angeordnet, welche sich vom Auslass des Verdichters 2 zum Ölabscheider 8 erstreckt. Dabei kann der Temperatursensor auch in Strömungsrichtung hinter dem Ölabscheider 8 und vor dem Wärmeübertrager 3 angeordnet sein. Zum anderen ist der Temperatursensor 21 mit der Steuereinheit 20 verbunden. Mit dem Temperatursensor 21 wird folglich die Temperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters 2 bestimmt. Der Wert der Temperatur wird an die Steuereinheit 20 übertragen. Ein weiterer Unterschied zur Vorrichtung 7 zur Rückführung von Öl der Ausführungsform gemäß 1 besteht darin, dass der innerhalb des Ölvorratsbehälters 13 angeordnete Schwimmer 18 sowie das Potentiometer 19 entfallen und durch einen Sensor 22 zum Detektieren eines minimal erlaubten Füllstands 23 des Öls ersetzt werden. Der ebenfalls mit der Steuereinheit 20 verbundene Sensor 23 dient dabei als Schalter, welcher beim Erreichen des minimal erlaubten Füllstands 23 des Öls ein Signal an die Steuereinheit 20 sendet.
Das zweite, extern regelbare Expansionsorgan 15 wird über die Steuereinheit 20 abhängig von dem vom Temperatursensor 21 an die Steuereinheit 20 übertragenen Wert der Heißgastemperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters 2 geregelt. Bei einem Ansteigen der Temperatur über einen bestimmten Wert wird das zweite Expansionsorgan 15 geöffnet. Wenn die Temperatur am Auslass des Verdichters 2 unter einen bestimmten Wert absinkt, wird das zweite Expansionsorgan 15 geschlossen.
Beim Absinken der Menge des Öls unter den minimalen Füllstand 23 wird das zweite Expansionsorgan 15 vollständig geschlossen, um einen Kältemittelbypass über die Verbindungsleitungen 12 der Vorrichtung 7' zur Rückführung von Öl von der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1' auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1' zu verhindern. Ein Absinken der Menge des Öls unter den minimalen Füllstand 23 wird mit dem Sensor 22 detektiert.
Die Kältemittelkreisläufe 1, 1' können zudem jeweils einen nicht dargestellten inneren Wärmeübertrager aufweisen. 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 nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt.
Der Wärmeübertrager 14 kann als Ölkühler in Strömungsrichtung auch nach dem zweiten Expansionsorgan 15 oder zwischen dem Ölabscheider 8 und dem Ölvorratsbehälter 13 angeordnet sein. Der Ölabscheider 8 ist dabei an jeder anderen denkbaren Stelle, an welcher das Öl vom Kältemittel separierbar ist, auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1, 1' anordenbar. Eine Abscheidung des Öls vom Kältemittel in Strömungsrichtung nach dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 3 ist jedoch aufgrund der ähnlichen Dichte von Öl und Kältemittel nur schwer möglich. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1, 1' als Wärmepumpe ist es von Vorteil, beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers 3 die Wärme vom Öl abzugeben und gegebenenfalls das Öl beim Durchströmen des Wärmeübertragers 14 zu erwärmen. Der Ölvorratsbehälter 13 kann zudem in den Ölabscheider 8 integriert ausgebildet sein. Innerhalb der Verbindungsleitung 12 für das Leiten des Öls kann ein Filter vorgesehen sein, um das Öl vor der Rückführung zum Verdichter 2 zu reinigen. Des Weiteren kann die Verbindungsleitung 12 für das Leiten des Öls an einer anderen Stelle in Strömungsrichtung vor dem Verdichter 2, insbesondere zwischen dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 5 und dem Verdichter 2, mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1, 1' verbunden werden.
Der Abscheider und Speicher des insbesondere flüssigen Kältemittels, gemäß den Ausführungsformen nach 1 und 2 als Akkumulator 6 im Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1, 1' angeordnet, kann ebenso als sogenannter Sammler im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 1', insbesondere in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kondensator/Gaskühler 3, ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1, 1': Kältemittelkreislauf
2: Verdichter
3: Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
4: ersten Expansionsorgan
5: Wärmeübertrager, Verdampfer
6: Akkumulator
7, 7': Vorrichtung zur Rückführung von Öl
8: Ölabscheider
9: Mischpunkt
10: Verbindungsleitung Kältemittel-Öl-Gemisch
11: Verbindungsleitung Kältemittel
12: Verbindungsleitung Öl
13: Ölvorratsbehälter
14: Wärmeübertrager, Ölkühler
15: zweites Expansionsorgan
16: Füllstand Öl
17: Sensor
18: Schwimmer
19: Potentiometer
20: Steuereinheit
21: Temperatursensor
22: Sensor
23: minimaler Füllstand Öl
R: elektrischer Widerstand

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 Patentliteratur

US 6058727 A [0005, 0007]
US 2010/0251756 A1 [0006, 0007]
US 6579335 B2 [0008]

Claims

Vorrichtung (7, 7') zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf (1, 1'), wobei – der Kältemittelkreislauf (1, 1') einen Verdichter (2), einen ersten Wärmeübertrager (3) zur Abkühlung und/oder Verflüssigung des Kältemittels, ein erstes Expansionsorgan (4) und einen zweiten Wärmeübertrager (5) zur Verdampfung des Kältemittels aufweist und – sich die Vorrichtung (7, 7') von einem Ölabscheider (8) bis zu einem Mischpunkt (9) erstreckt sowie einen Ölvorratsbehälter (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (7, 7') mit einem zweiten, extern regelbaren Expansionsorgan (15) ausgebildet ist, welches zur Regelung des Massenstroms des rückzuführenden Öls einen verstellbaren Durchströmquerschnitt aufweist und mit einer Steuereinheit (20) verbunden ist.
Vorrichtung (7, 7') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölvorratsbehälter (13) mit einem Sensor (17, 22) zum Bestimmen des Füllstands (16, 23) des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters (13) ausgebildet ist.
Vorrichtung (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) zum Bestimmen des Füllstands (16) einen Schwimmer (18) aufweist.
Vorrichtung (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (17) ein Potentiometer (19) aufweist, welches mit dem Schwimmer (18) und der Steuereinheit (20) verbunden sowie derart konfiguriert ist, als elektrisch verstellbarer Widerstand den Wert des Füllstands (16) in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das Signal an die Steuereinheit (20) zu senden.
Vorrichtung (7') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22) zum Bestimmen eines minimalen Füllstands (23) des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters (13) ausgebildet ist, wobei der Sensor (22) mit der Steuereinheit (20) verbunden sowie derart konfiguriert ist, als Schalter beim Erreichen des minimalen Füllstands (23) des Öls als Schwellenwert ein Signal an die Steuereinheit (20) zu senden.
Vorrichtung (7') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Auslass des Verdichters (2) ein Temperatursensor (21) zum Bestimmen der Temperatur des Kältemittels angeordnet ist, welcher mit der Steuereinheit (20) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (7) zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: – Einfüllen einer Menge Öl in den Kältemittelkreislauf (1) bis ein Sollfüllstand des Öls erreicht ist, – Bestimmen einer Veränderung des Füllstands (16) des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters (13) mittels eines Sensors (17), – Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes des Füllstands (16) vom Sensor (17) an eine Steuereinheit (20), – Vergleichen des Wertes des Füllstands (16) mit dem Sollfüllstand innerhalb der Steuereinheit (20) und – Verändern eines Durchströmquerschnitts eines extern regelbaren Expansionsorgans (15) zum Erreichen des Sollfüllstands des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters (13) abhängig vom Füllstand (16).
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (7) nach Anspruch 7, wobei der Sensor (17) aus einem Schwimmer (18) und einem Potentiometer (19) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die Veränderung des Füllstands (16) des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters (13) der Schwimmer (18) bewegt wird, wobei durch die Bewegung des Schwimmers (18) ein Wert eines elektrischen Widerstands (R) des Potentiometers (19) verändert wird, – der Wert des elektrischen Widerstands (R) gemessen und als Wert des Füllstands (16) an die Steuereinheit (20) übertragen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (7') zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf (1') nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: – Bestimmen einer Heißgastemperatur des Kältemittels am Auslass eines Verdichters (2) mit einem Temperatursensor (21), – Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes der Heißgastemperatur vom Temperatursensor (21) an eine Steuereinheit (20), – Vergleichen des Wertes der Heißgastemperatur mit einem innerhalb der Steuereinheit (20) hinterlegten Wert und – Verändern eines Durchströmquerschnitts eines extern regelbaren Expansionsorgans (15) abhängig von der Heißgastemperatur des Kältemittels am Auslass des Verdichters (2).
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (7, 7') zur Rückführung von Öl in einem Kältemittelkreislauf (1, 1') nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: – Bestimmen eines Füllstands (16) des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters (13) mittels eines Sensors (17), Senden eines Signals zur Charakterisierung des Wertes des Füllstands (16) vom Sensor (17) an eine Steuereinheit (20) und Vergleichen des Wertes des Füllstands (16) mit einem Mindestfüllstand oder – Auslösen eines als Schalter ausgebildeten Sensors (22) beim Unterschreiten eines minimalen Füllstands (23) des Öls innerhalb eines Ölvorratsbehälters (13) und Senden eines Signals vom Sensor (22) an eine Steuereinheit (20), – Schließen eines in Verbindungsleitungen (12) der Vorrichtung (7, 7') ausgebildeten zweiten, extern regelbaren Expansionsorgans (15), um einen Kältemittelbypass über die Verbindungsleitungen (12) von einer Hochdruckseite auf eine Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs (1, 1') zu verhindern.