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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs. Die Vorrichtung weist ein als Sammelbehälter für das Kältemittel ausgebildetes Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten kältemittelabführenden Leitung auf. Die kältemittelabführende Leitung erstreckt sich von einer oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels des Kältemittels angeordneten Eintrittsöffnung, ausgehend vom Bereich gasförmigen Kältemittels, durch den Bereich des flüssigen Kältemittels nach außen. Im Bereich des flüssigen Kältemittels weist die kältemittelabführende Leitung eine Durchgangsöffnung auf. Im Inneren des Gehäuses ist ein Siedeelement für das flüssige Kältemittel angeordnet.
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In aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen von Kompressionskälteanlagen ist in verschiedenen Anwendungen einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels ein Kältemittelsammler nachgeordnet. Der Kältemittelsammler, in der Anordnung nach dem Verdampfer auch als Akkumulator bezeichnet, dient als Abscheider neben der Speicherung auch der Phasentrennung des aus dem Verdampfer austretenden Kältemittels, welches als Zweiphasengemisch aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel vorliegt. Der Akkumulator wird zudem zur Trocknung und Filterung des Kältemittels verwendet. Bei herkömmlichen, konventionellen Kältemittelkreisläufen, insbesondere in Wärmepumpensystemen, ist dem Akkumulator in Strömungsrichtung des Kältemittels ein Verdichter nachgeordnet, welcher bei Inbetriebnahme des Kältemittelkreislaufs im Akkumulator einen Druckabfall des Kältemittels verursacht. Speziell bei großen Mengen an Flüssigkeit im Akkumulator sinkt dann die Temperatur der Flüssigkeit nicht im selben Maße wie die auf den Kältemitteldruck bezogene Sättigungstemperatur. Infolge des Druckabfalls sinkt oftmals die Siedetemperatur des im Akkumulator gespeicherten Kältemittels deutlich schneller als die Temperatur des Kältemittels in der flüssigen Phase, sodass das Kältemittel als überhitzte Flüssigkeit vorliegt, welche bereits durch einen geringen Impuls schlagartig verdampfen kann. Die schlagartige Verdampfung des überhitzten flüssigen Kältemittels, auch als Siedeverzug bezeichnet, bewirkt einen plötzlichen Übergang des flüssigen Kältemittels in die gasförmige Phase und somit eine starke Absenkung der Dichte, welche wiederum mit einer drastischen Vergrößerung des spezifischen Volumens einhergeht. Die aus der Vergrößerung des spezifischen Volumens resultierende plötzliche Druckerhöhung im Akkumulator erzeugt eine Druckwelle, welche in der Folge durch den gesamten Kältemittelkreislauf des Systems läuft, was wiederum Vibrationen und eine unerwünschte Geräuschbildung verursacht. Je nach Intensität der Druckerhöhung ist die Druckerhöhung als Knall hörbar und anhand der Vibrationen, insbesondere in räumlicher Nähe zum Akkumulator, wahrnehmbar. Zudem beanspruchen derartige Druckschwankungen und Vibrationen die Komponenten des Kältemittelkreislaufs beziehungsweise der Kompressionskälteanlage sehr stark, welche dadurch geschädigt werden können. Für einen solchen Siedeverzug sind im Allgemeinen Behältnisse mit einer geringen benetzten Oberfläche sehr anfällig, welche zudem eine hohe Oberflächengüte aufweist.
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Ein Akkumulator der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
US 5 970 738 A bekannt. Der Akkumulator weist auslassseitig zur Ansaugung von Kältemittel aus der Gasphase und Öl aus der Flüssigphase ein J-förmig ausgebildetes Rohr auf, welches innerhalb eines Gehäuses des Akkumulators angeordnet ist und zumindest bereichsweise mit einer flüssigen Phase des Fluids in Kontakt stehen kann. Die im Wesentlichen glatte, für flüssiges Kältemittel kontaktierbare Oberfläche des J-Rohres zur Rückführung von gasförmigem Kältemittel aus dem Akkumulator zum Verdichter vermag eine zureichende Gasblasenbildung nicht zu gewährleisten, um einem drohenden Siedeverzug in gewünschtem Maß entgegenzuwirken.
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Zur Vermeidung einer siedeverzuginduzierten Geräuschbildung und damit auch von Knallgeräuschen im Akkumulator ist in der
US 6 389 842 B1 eine deutliche Vergrößerung des Strömungsquerschnitts des Auslassrohres des Akkumulators vorgesehen. Die bereichsweise Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der kältemittelabführenden Leitung des Akkumulators, welche innerhalb des Akkumulators in Form eines J-Rohres angeordnet ist, weist ein vergrößertes und damit zusätzliches auslasseitiges beziehungsweise saugseitiges Volumen auf und führt beim Einschalten eines dem Akkumulator in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordneten Verdichters in vergleichbaren Betriebspunkten zu einer Verzögerung des Druckabfalls im Akkumulator gegenüber Akkumulatoren ohne Erweiterung des Strömungsquerschnitts. Darüber hinaus bewirkt die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts geringere Strömungsgeschwindigkeiten des Kältemittels, sodass das beim Einschalten des Verdichters innerhalb der kältemittelabführenden Leitung befindliche flüssige Kältemittel verdampft und die Gefahr eines Siedeverzugs verringert wird. Mit der vorgeschlagenen Lösung wird jedoch lediglich der Vorgang des Druckabfalls verlangsamt und somit der Grad der Überhitzung in der Flüssigkeit leicht verringert. Eine aktive Einleitung des Siedevorgangs durch konstruktive Maßnahmen und somit eine Vermeidung des Siedeverzugs innerhalb der flüssigen Phase des Kältemittels außerhalb des J-Rohres sind nicht gegeben.
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Herkömmliche Akkumulatoren zielen zudem lediglich darauf ab, einen Siedeverzug der FIüssigkeit innerhalb des J-Rohres zu vermeiden. Der Siedeverzug kann jedoch auch in der außerhalb des Rohres gespeicherten beziehungsweise abgeschiedenen Flüssigkeit auftreten. Durch die erheblich größere Menge an Flüssigkeit außerhalb des Rohres ist das Potential und damit das Geräuschniveau der durch den Siedeverzug hervorgerufenen schlagartigen Verdampfung deutlich höher. Die Gefahr eines Siedeverzuges in der ruhenden Flüssigkeit außerhalb des Rohres steigt insbesondere auch für den Anwendungsfall eines Akkumulators innerhalb eines Kältemittelkreislaufs eines Warmepumpensystems.
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So wird in der
US 5 233 842 A ein beheizter Kältemittelspeicher für einen Kältemittelkreislauf offenbart. Der Kältemittelspeicher weist ein geschlossenes zylindrisches Gehäuse auf, dessen umschlossenes Volumen mittels einer Platte in eine obere und eine untere Kammer unterteilt ist. Die Platte ist mit einer zentralen Öffnung ausgebildet, welche von kleineren Öffnungen umgeben ist. Ein U-förmiges Auslass-Rohr weist ein innerhalb der zentralen Öffnung der Platte angeordnetes erstes Ende und ein sich durch das Gehäuse nach außen erstreckendes zweites Ende sowie einen zentralen Abschnitt auf, welcher sich durch einen mit flüssigem Kältemittel gefüllten Bereich des vom Gehäuse umschlossenen Volumens erstreckt.
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Auch aus der
DE 698 19 244 T2 geht ein Kältemittelkreislauf für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs hervor. Der Kältemittelkreislauf weist einen Gas-/Flüssigkeitsseparator zum Abtrennen von gasförmigem und flüssigem Kältemittel auf. Der Gas-/Flüssigkeitsseparator ist mit einem Gasansaugrohr mit einem offenen Ende, welches in das gasförmige Kältemittel mündet, einem mittleren Rohrabschnitt, welcher in das flüssige Kältemittel eintauchend angeordnet ist, und einem aus einem Gehäuse des Gas-/Flüssigkeitsseparators herausragenden Ende ausgebildet. Das Gasansaugrohr weist eine erste Ansaugöffnung, durch welche flüssiges Kältemittel eingeleitet wird, und eine zweite Ansaugöffnung auf. Die zweite Ansaugöffnung ist an einer kältemittelstromabwärtigen Seite der ersten Ansaugöffnung ausgebildet und dient dem Einleiten von gasförmigem Kältemittel.
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In der
DE 101 54 375 A1 wird ein Speicherbehälter für einen Kältemittelkreislauf beschrieben, welcher für einen transkritischen beziehungsweise überkritischen Betrieb des Kältemittels ausgebildet ist. Der Speicherbehälter zum Abtrennen des gasförmigen Kältemittels vom flüssigen Kältemittel und zum Speichern überschüssigen Kältemittels ist derart angeordnet, dass das abgeschiedene gasförmige Kältemittel aus dem Speicherbehälter zur Saugseite eines Verdichters angesaugt wird. Der Speicherbehälter weist ein J-förmig ausgebildetes Kältemittelrohr auf, welches ein oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels angeordnetes offenes Ende aufweist. An einem unteren Endbereich des Kältemittelrohres ist eine Ölrückführungsbohrung zum Ansaugen von Schmiermittel vorgesehen. An der Ölrückführungsbohrung ist zudem ein Filter, insbesondere ein metallisches Gitter, ausgebildet, um das Einsaugen von Fremdstoffen in das Kältemittelrohr zu verhindern.
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Des Weiteren kann bei aus dem Stand der Technik bekannten Akkumulatoren der Verdampfungsprozess der Flüssigkeit im Inneren des J-Rohres nicht aktiv eingeleitet werden. Der ruhenden Flüssigkeit wird durch den langsamer verlaufenden Saugdruckabfall lediglich ein größerer Zeitraum zum Starten des Verdampfungsprozesses gegeben, ohne das es zu einem Siedeverzug kommt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Kältemittel, insbesondere eines Akkumulators, für einen Kältemittelkreislauf einer Kompressionskälteanlage, mit welcher die Gefahr des Siedeverzugs in der gespeicherten beziehungsweise abgeschiedenen Flüssigkeit des Kältemittels außerhalb des Auslassrohres verringert wird. Damit soll das akustische Verhalten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere auch von Kraftfahrzeugen mit Elektro-, Hybrid- sowie verbrennungsmotorischem Antrieb, verbessert werden. Die Vorrichtung soll auch für Wärmepumpensysteme geeignet sein. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, Wartung und Montage der Vorrichtung minimal sein.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs gelöst. Die Vorrichtung weist ein als Sammelbehälter für das Kältemittel ausgebildetes Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten kältemittelabführenden Leitung auf. Die kältemittelabführende Leitung erstreckt sich von einer oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels des Kältemittels angeordneten Eintrittsöffnung, ausgehend vom Bereich gasförmigen Kältemittels, durch den Bereich des flüssigen Kältemittels nach außen und weist im Bereich des flüssigen Kältemittels eine Durchgangsöffnung auf. Im Inneren des Gehäuses ist zudem ein Siedeelement für das flüssige Kältemittel angeordnet.
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Das Siedeelement ist im Bereich der Durchgangsöffnung mit der kältemittelabführenden Leitung derart verbunden angeordnet, dass eine mit dem Absaugen des gasförmigen Kältemittels aus dem Gehäuse durch die Durchgangsöffnung hindurchströmende Flüssigkeit durch das Siedeelement hindurchströmt. Dabei strömt vorteilhaft der gesamte Massenstrom der Flüssigkeit durch das Siedeelement. Die kältemittelabführende Leitung erstreckt sich von der innerhalb des Gehäuses angeordneten Eintrittsöffnung nach außen, das heißt die kältemittelabführende Leitung ist durch die Wandung des Gehäuses in die Umgebung des Gehäuses hindurchgeführt. Unter der in der kältemittelabführenden Leitung ausgebildeten Durchgangsöffnung ist eine Öffnung innerhalb der Wandung der Leitung zu verstehen, welche das von der Wandung umschlossene Volumen mit der Umgebung der Leitung verbindet. Die kältemittelabführende Leitung weist vorteilhaft die Form eines gebogenen Rohres, insbesondere eine J-Form, auf. Die Durchgangsöffnung ist dabei bevorzugt im Bereich der Senke, das heißt im unteren Bereich beziehungsweise am Umkehrpunkt der Leitung ausgebildet. Die kältemittelabführende Leitung kann neben der Form eines J-Rohres, ebenso die Form eines U-Rohres oder eine anderweitige Form aufweisen und/oder kann als koaxiales Rohr ausgebildet sein.
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Der untere Bereich der Vorrichtung dient zum großen Teil vorzugsweise der Speicherung des flüssigen Kältemittels, während der obere Bereich bevorzugt zum Einleiten des Kältemittels und zum Abscheiden der flüssigen von der dampfförmigen Phase des Kältemittels sowie zum Abführen des insbesondere dampfförmigen Kältemittels vorgesehen ist.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist an der Durchgangsöffnung ein koaxial zum Siedeelement angeordnetes Filterelement vorgesehen. Das Siedeelement ist dabei mit einer inneren Mantelfläche an einer äußeren Mantelfläche des Filterelements anliegend angeordnet ist oder das Siedeelement ist mit einer äußeren Mantelfläche an einer inneren Mantelfläche des Filterelements anliegend angeordnet. Damit dichtet vorteilhaft entweder das Siedeelement das Filterelement ab oder das Filterelement dichtet das Siedeelement ab, sodass der durch die Durchgangsöffnung hindurchströmende Massenstrom vollständig sowohl durch das Siedeelement als auch durch das Filterelement geleitet wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Kältemittels in das Gehäuse einmündende kältemittelzuführende Leitung auf. Die Vorrichtung ist zudem vorteilhaft mit einem im Inneren des Gehäuses angeordneten Abdeckelement ausgebildet. Das Abdeckelement ist zwischen der kältemittelzuführenden Leitung und der Eintrittsöffnung der kältemittelabführenden Leitung beabstandet zur Eintrittsöffnung der kältemittelabführenden Leitung derart angeordnet, dass die Eintrittsöffnung vor durch die kältemittelzuführende Leitung in das Gehäuse einströmendem Kältemittel geschützt ist. Das Abdeckelement dient der Trennung von flüssiger und dampfförmiger Phase des Kältemittels. Die Ausbildung des Abdeckelements verhindert, dass Kältemittelflüssigkeit als Tropfen in die Eintrittsöffnung der kältemittelabführenden Leitung als Dampfeingang mitgerissen werden, was zu einer reduzierten Abscheidefunktion und einer reduzierten Speicherfunktion der Vorrichtung führen würde.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden und Speichern des insbesondere flüssigen Kältemittels wird je nach Anordnung innerhalb des Kältemittelkreislaufs auch Sammler oder Akkumulator genannt. Bei einer Anordnung der Vorrichtung im Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs, in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen einem Verdampfer und einem Verdichter, wird die Vorrichtung als Akkumulator und bei einer Anordnung der Vorrichtung im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach einem Kondensator/Gaskühler, wird die Vorrichtung als Sammler bezeichnet.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Siedeelement mit Durchlassöffnungen ausgebildet. Die Durchlassöffnungen weisen bevorzugt einen hydraulischen Durchmesser von maximal 30 mm auf. Die durchströmte Fläche des Siedeelements ist dabei als Summe der Querschnittsflächen der Durchlassöffnungen größer als die durchströmte Querschnittsfläche der in der kältemittelabführenden Leitung ausgebildeten Durchgangsöffnung. Die Durchlassöffnungen können alternativ zur kreisrunden Form auch sternförmig, quadratisch, rechteckig, vieleckig, oval und/oder mit einer unregelmäßigen Form ausgebildet sein.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Siedeelement eine zylindrische Form, insbesondere eine hohlzylindrische Form, auf. Das Siedeelement ist zudem vorteilhaft mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet.
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Das koaxial zum Siedeelement angeordnete Filterelement weist bevorzugt eine zum Siedeelement korrespondierende Form auf und ist mit einer zylindrischen Form, insbesondere einer hohlzylindrischen Form, ausgebildet. Das Filterelement ist zudem vorteilhaft mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet.
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Nach einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausgestaltung der Vorrichtung sind das Siedeelement und das Filterelement als einstückiges System ausgebildet. Unter dem einstückigen System ist eine einteilige zusammenhängende Einheit zu verstehen. Dabei weist das einstückige System aus dem Siedeelement und dem Filterelement vorteilhaft eine hohlzylindrische Form, insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt, mit einer äußeren Mantelfläche und einer inneren Mantelfläche auf. Das Filterelement ist bevorzugt im Bereich der äußeren Mantelfläche des Systems oder im Bereich der inneren Mantelfläche des Systems oder im Bereich der Durchlassöffnungen angeordnet.
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Nach weiteren alternativen Ausgestaltungen weisen das Siedeelement und/oder das Filterelement von der zylindrischen Form abweichende Formen auf. Das Siedeelement und/oder das Filterelement sind dabei beispielsweise kugelformig, oval, vieleckig, spitz oder stumpf zulaufend sowie unregelmäßig ausgebildet. Die Grundformen von Siedeelement und Filterelement können sich zudem voneinander unterscheiden.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in den vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen auch als Bestandteil in einer Kombinationseinheit, bestehend aus einem Akkumulator und einem inneren Wärmeübertrager, verwendet werden. 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.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Akkumulators besteht darin, dass aufgrund des im Gehäuse angeordneten Siedeelements eine Vergrößerung der Kontaktfläche für das in der flüssigen Phase vorliegende Kältemittel erreicht wird. Durch die vergrößerte Kontaktfläche wird die Möglichkeit zur Dampfblasenbildung in der flüssigen Kältemittelphase erhöht und gezielt ein Siedevorgang außerhalb der kältemittelabführenden Leitung eingeleitet, wodurch bei einem schnellen Druckabfall innerhalb des Akkumulators die Gefahr eines Siedeverzugs verringert wird. Die initiale Dampfbläschenbildung dient folglich der Vermeidung von Siedeverzügen und beispielsweise daraus resultierenden, vom Akkumulator ausgehenden Knallgeräuschen. Auf diese Weise werden somit eine unerwünschte siedeverzuginduzierte Geräuschbildung vermieden und die Systemakustik verbessert. Vorteilhaft ist ferner, dass ohne schlagartige Druckänderungen eine geringere Beanspruchung des Akkumulators und der weiteren Komponenten des Kältemittelkreislaufs der Kompressionskälteanlage gewährleistet ist, was zu einer Steigerung der Lebensdauer der gesamten Anlage führt.
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Es ist anzumerken, dass eine Kompressionskälteanlage auch als Wärmepumpe betrieben werden kann, sodass der erfindungsgemäße Akkumulator sowohl in einer Kompressionskälteanlage als auch in einem Wärmepumpensystem einsetzbar ist.
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Als Siedeelement des Akkumulators können anstelle eines gelochten Materials ebenso ein poröses Material oder ein poröser Werkstoff verwendet werden, welche insbesondere die Keimbildung für Blasen fördern, beispielsweise ein Sinterkörper, welcher eine definierte Porosität aufweist. Auch metallische, polymere oder keramische Materialien beziehungsweise Werkstoffe sind denkbar. Vorteilhafterweise kann mit einem porösen Material eine große Kontaktfläche für das Kältemittel auf kleinem Raum bei gleichzeitig geringem Gewicht realisiert werden. Dabei ist jedes Material geeignet, welches sowohl die Dampfblasenbildung fördert als auch gegenüber Öl und Kältemittel verträglich ist. Der Akkumulator ist vorteilhaft für verschiedene Kältemittel einsetzbar. Zweckentsprechend sollten das Gehäuse, die kältemittelführenden Leitungen und das Siedeelement aus einem gegenüber Kältemittel, insbesondere gegenüber den Kältemitteln R134a, R1234yf, R1234ze, R744, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemischen, und Öl beständigem Material ausgebildet sein. Als vorteilhaftes Material erweist sich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, da Aluminium eine hohe mechanische Stabilität, ein geringes Gewicht und eine gute Beständigkeit aufweist.
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Begünstigt wird eine Dampfblasenbildung durch den Einsatz von Aluminium, ferner durch den Einsatz von Materialien wie Kupfer, Messing und Edelstahl oder Kunststoff, mit bearbeiteten Oberflächen mit einer geringen Oberflächengüte. So können die Oberflächen des Siedeelements eine möglichst hohe Rauheit, insbesondere von größer als Ra 3,2 µm, aufweisen, welche durch unterschiedliche Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, Ätzen oder Sandstrahlen, erreicht werden. Dabei ist jedes Material geeignet, welches sowohl die Dampfblasenbildung fördert als auch gegenüber Öl und Kältemittel verträglich ist.
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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:
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1: eine Vorrichtung zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Kältemittel als Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs einer Kompressionskälteanlage mit einem im Bereich einer kältemittelabführenden Leitung angeordneten Siedeelement,
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2 und 3: Bereich einer Senke der J-förmig ausgebildeten kältemittelabführenden Leitung mit einer Durchgangsöffnung und einem Filterelement sowie einem Siedeelement sowie
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4: Bereich einer Senke der J-förmig ausgebildeten kältemittelabführenden Leitung mit einer Durchgangsöffnung und einem aus einem Filterelement und einem Siedeelement kombiniert ausgebildeten, nicht zur Erfindung gehörenden System.
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1 zeigt eine Vorrichtung 6 zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Kältemittel als Bestandteil eines beispielhaft dargestellten Kältemittelkreislaufs 1 einer Kompressionskälteanlage mit einem im Bereich einer kältemittelabführenden Leitung 8.2 angeordneten Siedeelement 9, 9', 9''.
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Neben dem Akkumulator 6 weist der Kältemittelkreislauf 1 in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 2 zum Verdichten von gasförmigem und/oder flüssigem Kältemittel, einen als Kondensator oder Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 3, ein Expansionsorgan 4 und einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 5 auf. Der Akkumulator 6 ist dabei zwischen dem Verdampfer 5 und dem Verdichter 2 angeordnet. Der Akkumulator 6 kann als Sammler auch an anderen Stellen des Kältemittelkreislaufs 1, beispielsweise hochdruckseitig nach dem Wärmeübertrager 5, positioniert sein. Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager 5 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 5 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 5 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs 1 zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Zwischen dem Verdampfer 5 und dem als ein Sammelbehälter für Kältemittel ausgebildeten Gehäuse 10 des Akkumulators 6 erstreckt sich eine kältemittelzuführende Leitung 8.1, welche von oben in das Gehäuse 10 einmündet. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine in Form eines J-Rohres ausgebildete kältemittelabführende Leitung 8.2 angeordnet, welche zur Rückführung von gasförmigem Kältemittel und Öl zum Verdichter 2 des Kältemittelkreislaufs 1 dient. Die Eintrittsöffnung der kältemittelabführenden Leitung 8.2 für das gasförmige Kältemittel ist dabei oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels 7 des Kältemittels gehalten, welcher mit der Phasengrenze zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Kältemittel den Füllstand des Kältemittels repräsentiert. Die J-förmig ausgebildete kältemittelabführende Leitung 8.2 weist im unteren Bereich des Gehäuses 10 eine Senke auf, in welcher ein Filterelement 13, 13', 13'' angeordnet ist. Das Filterelement 13, 13', 13'' dient dem Filtern eines hindurchströmenden Ölmassenstroms beziehungsweise eines Massenstroms flüssigen Kältemittels, welcher durch eine in der kältemittelabführenden Leitung 8.2 ausgebildete Durchgangsöffnung 14 angesaugt wird. Die Durchgangsöffnung 14 wird dabei auch als Öllochbohrung bezeichnet. Das Filterelement 13, 13', 13'', welches auch als Ölfilter bekannt ist, dient der Vermeidung einer Verstopfung der Durchgangsöffnung 14 durch unerwünschte Festpartikel.
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Des Weiteren ist im Inneren des Gehäuses 10 des Akkumulators 6 ein Abdeckelement 11 derart angeordnet, dass die Eintrittsöffnung für das gasförmige Kältemittel der kältemittelabführenden Leitung 8.2 vor einem unerwünschten Eindringen von über die kältemittelzuführende Leitung 8.1 in das Gehäuse 10 einströmendes Kältemittel geschützt ist. Das Abdeckelement 11 dient als Prallplatte für über die kältemittelzuführende Leitung 8.1 in das Gehäuse 10 einströmendes Kältemittel. Die kältemittelabführende Leitung 8.2 ist mit der Eintrittsöffnung für das dampfförmige Kältemittel unterhalb des Abdeckelements 11 derart geschützt angeordnet, dass das durch die kältemittelzuführende Leitung 8.1 in den Akkumulator 6 einströmende Kältemitteldampf- und Flüssigkeitsgemisch auf das Abdeckelement 11 trifft. Die flüssigen Bestandteile des Kältemittels werden am Abdeckelement 11 entlang in den unteren Bereich des Akkumulators 6 geleitet. Das dampfförmige beziehungsweise gasförmige Kältemittel strömt durch die unter dem Abdeckelement 11 geschützt angeordnete Eintrittsöffnung in die kältemittelabführende Leitung 8.2 ein.
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Zum Binden von im Kältemittelkreislauf 1 zirkulierender Feuchtigkeit ist im Bereich des Flüssigkeitsspiegels 7 ein zusätzliches Trocknerelement 12 angeordnet. Das sackförmige Trocknerelement 12 weist hygroskopische Eigenschaften auf. Das Trocknerelement kann je nach Ausführungsform auch vollständig unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 7 oder vollständig oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 7 und damit in der Gasphase angeordnet sein.
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Innerhalb des Gehäuses 10 des Akkumulators 6 ist zur Vergrößerung der für das flüssige Kältemittel kontaktierbaren Festkörperoberfläche ein Siedeelement 9, 9', 9'' als eine geometrische Siedehilfe vorgesehen. Das Siedeelement 9, 9', 9'' ist dabei im Bereich der Senke der J-förmig ausgebildeten kältemittelabführenden Leitung 8.2, insbesondere im Bereich des Filterelements 13, 13', 13'', und damit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 7 angeordnet. Das Siedeelement 9, 9', 9'' ist vollständig von flüssigem Kältemittel umgeben.
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Die einzelnen Komponenten des Akkumulators 6 sind bevorzugt aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Zudem sind vorteilhaft sämtliche kältemittelführenden Leitungen, welche die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1 der Kompressionskälteanlage miteinander verbinden, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
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Aus den 2 und 3 gehen jeweils der Bereich der Senke der J-förmig ausgebildeten kältemittelabführenden Leitung 8.2 der Vorrichtung 6 mit der als Öllochbohrung ausgebildeten Durchgangsöffnung 14 und dem Filterelement 13, 13' sowie das Siedeelement 9, 9' als geometrische Siedehilfe hervor.
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Gemäß der Ausführungsform nach 2 ist das Filterelement 13 zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, ausgebildet, wobei die zu filternde Flüssigkeit aus Öl und Kältemittel lediglich durch die Mantelfläche des zylinderförmigen Filterelements 13 hindurchströmen kann und aus der zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichteten Stirnfläche ausströmt. Die distal zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichtete Stirnfläche des Filterelements 13 ist für die Flüssigkeit undurchlässig. Das Siedeelement 9 ist ebenfalls zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig und hohlzylinderförmig, ausgebildet. Das bevorzugt aus Kunststoff ausgebildete Siedeelement 9 weist eine mit dem Filterelement 13 derart korrespondierende Form auf, dass sich die Innenseite des Siedeelements 9 an die äußere Mantelfläche des Filterelements 13 anschmiegt. Das Siedeelement 9 liegt mit der zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Innenfläche beziehungsweise inneren Mantelfläche an der äußeren Mantelfläche des Filterelements 13, das Filterelement 13 abdichtend an. Das Siedeelement 9 und das Filterelement 13 sind koaxial zueinander angeordnet. Dabei dichtet das Siedeelement 9 das Filterelement 13 derart ab, dass die gesamte zu filternde Flüssigkeit, welche durch die Durchgangsöffnung 14 in die kältemittelabführende Leitung 8.2 angesaugt wird, zunächst durch die Wandung des Siedeelements 9 und anschließend durch die als Filterfläche ausgebildete Mantelfläche des Filterelements 13 hindurchströmt. Das Siedeelement 9 ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor dem Filterelement 13 und vor der Durchgangsöffnung 14 angeordnet.
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Bei der Montage der Vorrichtung 6 wird das Siedeelement 9 in der Bewegungsrichtung 16 über das Filterelement 13 geschoben sowie fest fixiert und unbeweglich an der kältemittelabführenden Leitung 8.2, insbesondere am und um das Filterelement 13, angeordnet.
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Gemäß der Ausführungsform nach 3 weist das Siedeelement 9' eine zylindrische Form, insbesondere eine kreiszylindrische Form, auf. Die zu filternde Flüssigkeit aus Öl und Kältemittel kann lediglich durch die Mantelfläche des zylinderförmigen Siedeelements 9' hindurchströmen und strömt aus der zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichteten Stirnfläche aus. Die distal zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichtete Stirnfläche des Siedeelements 9' ist für die Flüssigkeit undurchlässig. Das Filterelement 13' ist ebenfalls zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig und hohlzylinderförmig, ausgebildet. Das Siedeelement 9' weist eine mit dem Filterelement 13' derart korrespondierende Form auf, dass die Innenseite des Filterelements 13' an der äußeren Mantelfläche des Siedeelements 9' anliegt. Das Siedeelement 9' kontaktiert mit der zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Innenfläche beziehungsweise inneren Mantelfläche die äußere Mantelfläche des Filterelements 13' abdichtend. Das Siedeelement 9' und das Filterelement 13' sind koaxial zueinander angeordnet. Dabei dichtet das Filterelement 13' das Siedeelement 9' derart ab, dass die gesamte zu filternde Flüssigkeit, welche durch die Durchgangsöffnung 14 in die kältemittelabführende Leitung 8.2 angesaugt wird, zunächst durch die als Filterfläche ausgebildete Mantelfläche des Filterelements 13' und anschließend durch die Wandung des Siedeelements 9' hindurchströmt. Das Siedeelement 9' ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nach dem Filterelement 13' und vor der Durchgangsöffnung 14 angeordnet.
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Bei der Montage der Vorrichtung 6 wird das Filterelement 13' in der Bewegungsrichtung 17 über das Siedeelement 9' geschoben sowie fest fixiert und unbeweglich an der kältemittelabführenden Leitung 8.2, insbesondere am und um das Siedeelement 9', angeordnet.
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Unabhängig von der Ausführungsform nach 2 oder 3 weist das Filterelement 13, 13' beispielsweise nicht dargestellte, widerhakenförmig ausgebildete Komponenten auf, welche nach der Montage des Siedeelements 9, 9' am Filterelement 13, 13' ausklappen und das Siedeelement 9, 9' verankern. Nach alternativen Ausführungsformen der Vorrichtung 6 werden das Siedeelement 9 mit dem Filterelement 13 oder das Filterelement 13' mit dem Siedeelement 9' verklemmt. Dabei weisen entweder das Siedeelement 9, 9' oder das Filterelement 13, 13' oder das Siedeelement 9, 9' und das Filterelement 13, 13' eine konische Form auf. Das Siedeeelement 9, 9' und das Filterelement 13, 13' können ebenso miteinander verklebt oder verpresst sein. Das nachträgliche Verpressen erfolgt dabei mittels einer nicht dargestellten, an der vorderen Stirnseite angeordneten Abschlusskappe. Die vordere Stirnseite ist dabei distal zur Stirnseite ausgerichtet, welche zur Durchgangsöffnung 14 hin angeordnet ist. Weitere Möglichkeiten der Montage des Siedeelements 9 beziehungsweise des Filterelements 13' sind zum Beispiel das Aufschrumpfen des Siedeelements 9 auf das Filterelement 13 beziehungsweise das Aufschrumpfen des Filterelements 13' auf das Siedeelement 9' oder das Verwenden eines Sicherungsrings. Zudem können das Siedeelement 9, 9' und das Filterelement 13, 13' durch lokales und/oder umlaufendes Verschweißen aneinander angeheftet sein. Bei einer Ausbildung des Siedeelements 9, 9' aus einem gummiartigen Werkstoff kann das Siedeeleement 9 selbsthaltend am Filterelement 13 beziehungsweise das Filterelement 13' am Siedeelement 9' befestigt sein. Im unmontierten Zustand weist das Siedeelement 9 nach der Ausführungsform gemäß 2 einen Innendurchmesser auf, welcher kleiner ist als der Außendurchmesser des Filterelements 13. Nach der Ausführungsform gemäß 3 weist das Siedeelement 9' im unmontierten Zustand einen Außendurchmesser auf, welcher größer ist als der Innendurchmesser des Filterelements 13'.
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Die Wandung des Siedeelements 9, 9' weist jeweils als Löcher oder Bohrungen ausgebildete Durchlassöffnungen 15, 15' auf, welche regelmäßig oder unregelmäßig über die gesamte Mantelfläche verteilt angeordnet sind. Die einzelnen Durchlassöffnungen 15, 15' sind mit einem hydraulischen Durchmesser von maximal 30 mm ausgebildet, wobei die durchströmte Fläche des Siedeelements 9, 9', das heißt die Summe der Querschnittsflächen der Durchlassöffnungen 15, 15', größer ist als die durchströmte Querschnittsfläche der in der kältemittelabführenden Leitung 8.2 ausgebildeten Durchgangsöffnung 14. Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform des Siedeelements sind die Durchlassöffnungen neben der Mantelfläche auch im Bereich der distal zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichteten Stirnfläche oder ausschließlich im Bereich der distal zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichteten Stirnfläche des Siedeelements ausgebildet. Die distal zur Durchgangsöffnung 14 hin ausgerichtete Stirnfläche des Filterelements 13 ist dabei jeweils für die Flüssigkeit durchlässig.
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Infolge des Einschalten des Verdichters 2 des Kältemittelkreislaufs 1 wird insbesondere gasförmiges Kältemittel durch die kältemittelabführende Leitung 8.2 aus dem Akkumulator 6 in Richtung des Verdichters 2 abgesaugt. Durch das Absaugen des Kältemittels stellt sich im Bereich der Durchgangsöffnung 14 innerhalb der kältemittelabführenden Leitung 8.2 ein statischer Druck ein, welcher geringer ist als der statische Druck außerhalb der kältemittelabführenden Leitung 8.2 auf derselben geodätischen Höhe. Die dabei erzeugte treibende statische Druckdifferenz bewirkt einen Massenstrom durch die Durchgangsöffnung 14 in die kältemittelabführenden Leitung 8.2 mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Durchgangsöffnung 14. Der gesamte Massenstrom, welcher durch die Durchgangsöffnung 14 hindurchstömt, wird zunächst durch die im Siedeelement 9, 9' ausgebildeten Durchlassöffnungen 15, 15' geleitet. Im Bereich der Durchlassöffnungen 15, 15' des Siedeelements 9, 9' stellt sich aufgrund der teilweise verblockten Manteloberfläche des Filterelements 13, 13' eine höhere Strömungsgeschwindigkeit ein als bei einer Strömung durch eine unverblockte Manteloberfläche, das heißt eine Anordnung des Filterelements 13, 13' ohne Siedeelement 9, 9'. Das Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Manteloberfläche des Filterelements 13, 13' bewirkt ein lokales Verringern des statischen Drucks in der Flüssigkeit. Der geringere statische Druck ist bei gleichbleibender Temperatur gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der Überhitzung in der Flüssigkeit, welche als treibende Kraft den Siedevorgang einleitet. Der Prozess der Einleitung des Siedevorgangs wird zudem durch eine zusätzliche Verwirbelung der Strömung innerhalb der Flüssigkeit verstärkt. Die Strömung wird infolge der Strömungsführung durch die Durchlassöffnungen 15, 15' des Siedeelements 9, 9' bewirkt. Um die Verwirbelung und eine Keimbildung zum Sieden der strömenden Flüssigkeit im Bereich des Siedeelements 9, 9' weiter zu verstärken, sind die Oberfläche des Siedeelements 9, 9' rau und/oder die Durchlassöffnungen 15, 15' mit scharfen Kanten ausgebildet.
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Eine für die Keimbildung vorteilhaft raue Oberfläche des Siedeelements 9, 9' wird beispielsweise durch Strahlen, insbesondere Sandstrahlen, Pressen, Löten oder Schweißen, Schruppen, Feilen, Hobeln und/oder eine andere spanende Bearbeitung erzeugt. Zudem bewirkt die Verwendung von porösem Material eine raue Oberfläche des Siedeelements 9, 9'. Scharfkantige Durchlassöffnungen 15, 15' lassen sich durch Nicht-Entgraten der Kanten der Durchlassöffnungen 15, 15', durch den Einsatz von scharfkantigen Hülsen und/oder durch die Ausbildung eines geringen Radius im Bereich der Durchlassöffnungen 15, 15' bei Spritzgusswerkzeugen realisieren, wenn das Siedeelement 9, 9' als ein Spritzgussteil ausgebildet ist.
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4 zeigt einen Bereich einer Senke der J-förmig ausgebildeten kältemittelabführenden Leitung 8.2 mit einer Durchgangsöffnung 14 und einem aus einem Filterelement 13'' und einem Siedeelement 9'' kombiniert ausgebildeten, nicht zur Erfindung gehörenden System.
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Die Ausführungsform nach 4 entspricht im Wesentlichen den Ausführungsformen gemäß der 2 oder 3. Der Unterschied zu den Ausführungsformen nach den 2 oder 3 liegt in der kombinierten Anordnung des Systems aus Filterelement 13'' und Siedeelement 9'' als zylinderförmiges Bauteil, welches einstückig beziehungsweise einteilig ausgebildet ist. Dabei ist sichergestellt, dass der gesamte Massenstrom der Flüssigkeit durch das Filterelement 13'' geleitet und gefiltert wird. Die Filterfläche als Filterelement 13'' ist entweder im Bereich der äußeren Mantelfläche oder im Bereich der inneren Mantelfläche oder im Bereich der Durchlassöffnungen 15'' des Systems aus Filterelement 13'' und Siedeelement 9'' ausgebildet. Das Filterelement 13'' ist dabei an das Siedeelement 9'' angespritzt oder angeklebt oder beispielsweise mittels mindestens einem innenliegenden oder mindestens einem außenliegenden Spannring geklemmt.
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Die Ausführungsform nach 4 weist eine sehr geringe Bauteilkomplexität und einen minimalen Montageaufwand auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelkreislauf
- 2
- Verdichter
- 3
- Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
- 4
- Expansionsorgan
- 5
- Wärmeübertrager, Verdampfer
- 6
- Vorrichtung, Akkumulator
- 7
- Flüssigkeitsspiegel Kältemittel
- 8.1
- kältemittelzuführende Leitung
- 8.2
- kältemittelabführende Leitung
- 9, 9', 9''
- Siedeelement
- 10
- Gehäuse
- 11
- Abdeckelement
- 12
- Trocknerelement
- 13, 13', 13''
- Filterelement
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15, 15', 15''
- Durchlassöffnung
- 16
- Bewegungsrichtung Siedeelement 9
- 17
- Bewegungsrichtung Filterelement 13'
