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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdichter, wenigstens einem Wärmetauscher, der unidirektional oder bidirektional von Kältemittel durchströmbar ist, einem Kältemittelsammler, wenigstens einem Verdampfer mit stromaufwärts angeordnetem Expansionsorgan, und einem Ölabscheider, der stromabwärts von dem Verdichter angeordnet ist, wobei zwischen dem Ölabscheider und einer Eingangsseite des Verdichters ein Ölkreis für aus dem verdichteten Kältemittelstrom abgeschiedenes Öl ausgebildet ist, wobei stromabwärts des Ölabscheiders in dem Ölkreis wenigstens ein Drosselorgan angeordnet ist und wobei in dem Ölkreis wenigstens ein Ölkreiswärmetauscher angeordnet, der dazu eingerichtet ist, das im Ölkreis strömende Öl zu kühlen.
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Kälteanlagen in Kraftfahrzeugen setzen sowohl in der Ausführungsform als Airconditioning(AC)-System (Klimaanlage), als auch in Kombination mit einer Wärmepumpenfunktionalität einen Verdichter ein, der im Betrieb mehr oder weniger Öl in den Kältemittelkreis bringt. Dies wird auch als Ölwurf bzw. Öl werfen des Verdichters bezeichnet. Das derart im Kältemittelkreis bzw. in der Kälteanlage zirkulierende Öl wird dabei nach einem kompletten Systemdurchlauf dem Verdichter niederdruckseitig wieder zugeführt und dient zur Schmierung, internen Abdichtung, aber auch teilweise zur Kühlung des Verdichters.
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Eine große Menge an Öl im Kältemittelkreis bzw. in der Kälteanlage, was auch als hoher Ölwurf bezeichnet werden kann, führt zu, einem ineffizienten Wärmeübergang an Wärmeübertragern, wie beispielsweise einem Verdampfer. Ferner muss der Verdichter einen größeren Massenstrom umsetzen bei einem Kältemittel-Öl-Gemisch als bei reinem Kältemittel. Bei erhöhtem Ölwurf ist entsprechend ein gesteigerter Bedarf für die Ölrückfuhr gegeben. Ferner führt ein hoher Ölwurf auch zur sogenannten Versackung des Öls im Kältemittelkreis bzw. in der Kälteanlage und zum Verbleib des Öls in der Kälteanlage, ohne dass dieses zurückgeführt wird. Letzteres tritt insbesondere in Systemverschaltungen mit Abzweigen auf, die nur temporär aktiv durchströmt sind, wie beispielsweise in Mehrverdampferanlagen, die Wärmeübertrager aufweisen, welche für die Kühlung eines Fondraums eines Fahrzeuges oder auch für die Konditionierung von Kühlmedien für Hochvoltbauteile wie einer Batterie zum Einsatz kommen. Auch bei Wärmepumpensysteme können temporär durchströmte Leitungsabschnitte vorhanden sein, bei denen die gleiche Problematik auftritt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Kälteanlage anzugeben, bei der eine Reduktion des Ölwurfs durch den Verdichter erreicht wird bei gleichzeitiger Gewährleistung der Kühlung des Öls und des durch das Öl geschmierten. Verdichters. Ferner soll der Versackung bzw. dem Verbleib von Öl in der Kälteanlage entgegengewirkt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdichter,
wenigstens einem Wärmetauscher, der unidirektional oder bidirektional von Kältemittel durchströmbar ist,
einem Kältemittelsammler,
wenigstens einem Verdampfer mit stromaufwärts angeordnetem Expansionsorgan, und
einem Ölabscheider, der stromabwärts von dem Verdichter angeordnet ist, wobei zwischen dem Ölabscheider und einer Eingangsseite des Verdichters ein Ölkreis für aus dem verdichteten Kältemittelstrom abgeschiedenes Öl ausgebildet ist, wobei stromabwärts des Ölabscheiders in dem Ölkreis wenigstens ein Drosselorgan angeordnet ist und wobei in dem Ölkreis wenigstens ein Ölkreiswärmetauscher angeordnet, der dazu eingerichtet ist, das im Ölkreis strömende Öl bzw. Öl-Kältemittel-Gemisch zu kühlen, und wobeidem Ölkreiswärmetauscher eine Kühlfluidzufuhr zugeordnet ist, wobei die Kühlfluidzufuhr in Wirkverbindung mit einem gesonderten Kühlfluidkreis oder mit dem Kältemittelkreis der Kälteanlage steht. Dabei ist vorgesehen , dass die Kühlfluidzufuhr einen mit dem Kältemittelkreis verbundenen Kältemittelleitungsabschnitt umfasst.
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Durch das Vorsehen eines Ölabscheiders und eines gesonderten Ölkreises kann die Menge von in der Kälteanlage, insbesondere den Wärmeübertragern und Kältemittelleitungen vorhandenem Öl stark reduziert werden, so dass der Versackung bzw. dem Verbleib von Öl in der Kälteanlage entgegengewirkt werden kann. Das Vorsehen einer Kühlfluidzufuhr an den Ölkreis ermöglicht das Kühlen des Öls bzw. des Öl-Kältemittel-Gemisches, wobei die Kühlfluidzufuhr die durch die Kälteanlage bereitgestellte Kühlfunktion nutzt, indem eine Wirkverbindung zwischen der Kühlfluidzufuhr und dem Kältemittelkreis bereitgestellt ist. Dabei wird unter dem Begriff Wirkverbindung verstanden, dass in der Kälteanlage zirkulierendes Kältemittel auch dazu eingesetzt wird, eine Kühlfunktion im Ölkreis bereitzustellen. Der Ölkreis ist also dem Ölabscheider nachgeschaltet, kühlt das Öl ab und führt dieses über das Drosselorgan wieder in den Verdichter zurück, wobei das Öl beispielsweise in einen Kältemittelleitungsabschnitt eingeführt werden kann, der sich vor dem Verdichter befindet.
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Bei der Kälteanlage kann das Drosselorgan des Ölkreises fix oder einstellbar ausgebildet sein. Somit kann beim Betrieb der Kälteanlage der Durchsatz von Öl in dem Ölkreis der Kälteanlage den verschiedenen Betriebszuständen der Kälteanlage angepasst werden.
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Das Drosselorgan des Ölkreises kann stromaufwärts des Ölkreiswärmetauschers angeordnet sein oder das Drosselorgan kann stromabwärts des Öl-Kreiswärmetauschers angeordnet sein. Durch die Androsselung des Ölstroms, der ggf. auch ein Kältemittel-Öl-Gemisch sein kann aufgrund von Kältemittelanteilen, die in den Ölkreis gelangen, ist es möglich den Druckwechsel vom verdichteraustrittsseitigen Hochdruckniveau auf das verdichtereintrittseitige Niederdruckniveau zu vollziehen, bevor abgeschiedenes Öl-wieder in den Verdichter eintritt.
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Der Kältemittelleitungsabschnitt kann derart angeordnet sein, dass er bezogen auf einen zum Ölkreiswärmetauscher hin gerichteten Umgebungsluftstrom dem Ölkreiswärmetauscher vorgeschaltet ist. Entsprechend kann hierdurch eine direkte Beaufschlagung des Ölkreiswärmetauschers mit gekühlter Umgebungsluft erreicht werden, wobei anströmende Umgebungsluft durch den vorgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt gekühlt wird, bevor sie am Ölkreiswärmetauscher erwärmt wird durch Wärmeentzug aus dem Öl.
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Alternativ kann der Kältemittelleitungsabschnitt mit dem Ölkreiswärmetauscher verbunden sein, derart, dass Kältemittel durch den Ölkreiswärmetauscher zirkuliert. Entsprechend kann hierdurch ein direkter Wärmeentzug aus dem Öl erfolgen, wobei das Kältemittel direkt durch das warme Öl erwärmt wird.
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Hierzu wird weiter vorgeschlagen, dass der Kältemittelleitungsabschnitt derart ausgeführt ist, dass ein kompletter Kältemittelstrom durch den Kältemittelleitungsabschnitt geführt wird oder dass ein Kältemittelteilstrom durch den Kältemittelleitungsabschnitt geführt wird. Da der Ölanteil in einer solchen Kälteanlage üblicherweise kleiner 10% der Gesamtkältemittelmenge beträgt, kann der Ölkreis in seinen Leitungsquerschnitten sehr klein dimensioniert werden. Insbesondere können Leitungen des Ölkreises einen Durchmesser von 3mm und weniger aufweisen.
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Die Position des Kältemittelleitungsabschnitt für das Abzweigen eines Kältemittelteilstroms kann frühestens stromabwärts des Expansionsorgans, das stromaufwärts des Verdampfers angeordnet ist, beginnen und bevorzugt niederdruckseitig stromaufwärts, spätestens aberstromabwärts eines internen Wärmetauschers der Kälteanlage enden, bevor der Kältemittelleitungsabschnitt wieder in den Hauptstrom mündet.
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Alternativ kann der Kältemittelleitungsabschnitt für das Abzweigen eines Kältemittelteilstroms hochdruckseitig zwischen einem internen Wärmetauscher der Kälteanlage und dem Expansionsorgan beginnen und stromaufwärts des Expansionsorgans enden und damit wieder in den Hauptstrom münden.
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Darüber hinaus kann der Ölkreiswärmeübertrager auch von einem geeigneten Kühlfluid bzw. Kühlmittel (Wasser-Glykol-Gemisch, Öl, etc.) durchströmt werden, welches als Wärmesenke dient und stromabwärts an einem nachgeschalteten weiteren Wärmeübertrager abgekühlt wird. In diesem Fall wird von einer indirekten Mediumskühlung gesprochen. Dieser Zusatzkühlfluidkreis kann alleine für den Ölkreis vorgesehen sein, aber auch weitere Wärmequellen beinhalten, deren Wärme final über einen Fluid-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebung abgegeben wird.
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Die Kälteanlage kann auch eine Wärmepumpenfunktion aufweisen.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein Kraftfahrzeug mit einer oben beschriebenen Kälteanlage. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug mit einem verbrennungsmotorischen und/oder elektrischen Antrieb handeln. Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb ist eine oben erwähnte Kälteanlage mit Wärmepumpenfunktion als vorteilhaft anzusehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 ein schematisches Schaltbild einer Kälteanlage als reines AC-System;
- 2 ein schematisches Schaltbild eines-Verdichters mit Ölabscheider und einem ersten Beispiel für einen gekühlten Ölkreis;
- 3 ein schematisches Schaltbild eines Verdichters mit Ölabscheider und einem zweiten Beispiel für einen gekühlten Ölkreis;
- 4 ein schematisches Schaltbild, eines Verdichters mit Ölabscheider und einem dritten Beispiel für einen gekühlten Ölkreis;
- 5 ein schematisches Schaltbild eines Verdichters mit Ölabscheider und einem vierten Beispiel für einen gekühlten Ölkreis.
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In 1 ist eine Kälteanlage 10 beispielhaft als reines AC-System gezeigt. Die Kälteanlage umfasst einen Verdichter 12, einen Wärmetauscher 14, einen, inneren Wärmeübertrager 16, einen Verdampfer 18 mit Expansionsorgan AE1 und einen Kältemittelsammler 20. Im Betrieb der Kälteanlage 10 strömt Kältemittel hochdruckseitig durch den Wärmetauscher 14, eine Hochdruckpassage 22 des inneren Wärmeübertragers 16 und gelangt dann zum Expansionsorgan AE1 und dem Verdampfer 18. Niederdruckseitig strömt das Kältemittel von dem Verdampfer 18 in den Kältemittelsammler 20 und von dort durch die Niederdruckpassage 24 des inneren Wärmeübertragers zurück zum Verdichter 12. Somit ist ein geschlossener Kältemittelkreis KK gegeben. Mit pT1, pT2, pT3 sind Positionen angedeutet, an denen entlang des Kältemittelkreises in der Kälteanlage 10 Sensoren für Druck oder/und Temperatur angeordnet sind bzw. sein können.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 der in 1 gestrichelt umrandete Bereich des Verdichters 12 genauer beschrieben.
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Wie bereits einleitend erwähnt, ist dem Kältemittel zur Abdichtung, Schmierung und Kühlung des Verdichters 12 Öl beigemischt. Um zu verhindern, dass Öl in den Kältemittelkreis gelangt, umfasst die Kälteanlage 10 einen stromabwärts des Verdichters 12 angeordneten Ölabscheider 26. Der Ölabscheider ist dazu eingerichtet, aus dem verdichteten gasförmigen Kältemittel Öl abzuscheiden. Dies erfolgt beispielsweise durch Phasen- bzw. Mediumtrennung des Kältemittel-Öl-Gemisches basierend auf dem Zentrifugalprinzip. Dabei ist der Ölabscheider so ausgelegt, dass der Ölauswurf in den Kältemittelkreis ausgeschlossen bzw. minimiert ist. Entsprechend kann durch den Ölabscheider 26 aus dem Kältemittelkreis entferntes Öl nicht mehr durch Zirkulation in dem Kältemittelkreis gekühlt werden.
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Um die Kühlung von Öl zu ermöglichen, ist ein gesonderter Ölkreis 28 vorgesehen. Der Ölkreis 28 beginnt beim Ölabscheider 26, umfasst wenigstens ein Drosselorgan 30 und einen Ölkreiswärmetauscher 32. Der Ölkreis 28 endet eingangsseitig beim Verdichter 12, so dass gekühltes Öl für den Verdichter 12 bereitgestellt werden kann.
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Im Beispiel der 2 wird der Ölkreiswärmetauscher 32 von Umgebungsluft UL durchströmt bzw. umströmt. Die Umgebungsluft UL bildet somit ein Kühlfluid, das dem Ölkreiswärmetauscher 32 zugeführt wird, beispielsweise durch ein hier nicht dargestelltes Gebläse. Der Umgebungsluftstrom UL wird dem Ölkreis 28 vorgeschaltet durch einen Kühler 33 zusätzlich gekühlt, so dass die Effizienz der Ölkühlung durch den Umgebungsluftstrom UL verbessert ist. Der Kühler 33 kann dabei mittels einer Kühlleitung 34 in Fluidverbindung mit dem Kältekreis KK der Kälteanlage 10 stehen. Beispielsweise kann die Kühlleitung 34 mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreises der Kälteanlage 10 (1) verbunden sein, insbesondere zwischen dem Expansionsorgan AE1 und der Niederdruckpassage 24 des internen Wärmeübertragers 16. Alternativ kann die Kühlleitung 34 auch mit der Hochdruckseite des Kältemittelkeises KK verbunden sein, insbesondere zwischen der Hochdruckpassage 22 des internen Wärmeübertragers 16 und dem Expansionsorgan AE1. Das Beispiel der 2 zeigt somit eine Kühlfluidzufuhr, bei der als Kühlfluid Umgebungsluft UL verwendet wird, wobei die Umgebungsluft UL vorkonditioniert wird, wenn sie an dem Kühler 33 abgekühlt wird.
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In einer abgewandelten oder auch vereinfachten Form kann in 2 auch auf den dem Ölkreiswärmetauscher 32 vorgeschalteten Kühler 33 verzichtet werden und der Ölkreiswärmetauscher 32 direkt mit unkonditionierter Umgebungsluft beaufschlagt werden.
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In einem weiteren Anwendungsfall kann luftseitig dem Ölkreiswärmetauscher 32 auch ein weiterer Wärmeübertrager vorgeschaltet sein, der den Zuluft-/ Umgebungsluftstrom per Wärmezufuhr konditioniert.
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3 zeigt ein zweites Beispiel, bei dem der Ölkreiswärmetauscher 32 direkt von Kältemittel aus dem Kältemittelkreis der Kälteanlage 10 beaufschlagt ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich, wird der Kältemittkreis KK niederdruckseitig so geführt, dass das Kältemittel zunächst den Ölkreiswärmetauscher durchströmt bevor es wieder zum Verdichter 12 gelangt. In dieser Ausgestaltung der Kälteanlage 10 wird somit ein gesamter Volumenstrom von Kältemittel durch den Ölkreiswärmetauscher geführt.
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4 zeigt ein drittes Beispiel, bei dem der Ölkreiswärmetauscher 32 ebenfalls direkt von Kältemittel aus dem Kältemittelkreis der Kälteanlage 10 beaufschlagt ist. Im Unterschied zum zweiten Beispiel der 3 wird nur ein Teilstrom von Kältemittel aus dem Kältemittelkreis KK abgezweigt, beispielsweise über eine Kühlleitung 34. Das mittels der Kühlleitung 34 aus dem Kältemittelkreis KK abgezweigte Kältemittel wird dem Kältemittelkreis KK stromaufwärts des Verdichters 12 wieder zugeführt.
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5 zeigt ein viertes Beispiel, bei dem der Ölkreiswärmetauscher 32 als Öl-Kühlfluid-Wärmeübertrager ausgeführt ist. Dabei ist der Ölkreiswärmetauscher in einen gesonderten Kühlfluidkreis 35 eingebunden. Das Kühlfluid des Kühlfuidkreises 35 durchströmt den Ölkreiswärmetauscher 32 bevorzugt im Gegenstromverfahren und ist stromabwärts mit einem weiteren hier nicht näher dargestellten Kühlfluid-Umgebungs-Wärmeübertrager verbunden. Der Kühlfluidkreis 35 ist dabei mindestens mit dem Ölkreiswärmetauscher 32 bestückt, kann aber auch weitere hier nicht gezeigte Wärmequellen aufweisen.
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Die in den 2 bis 5 gezeigten Beispiele zeigen somit Kühlfluidzufuhren, wobei im ersten Beispiel als Kühlfluid für den Ölkreiswärmetauscher 32 Umgebungsluft UL eingesetzt wird, die durch einen vorgeschalteten Kühler 33 (Kühlleitung 34) abgekühlt wird, bevor sie den Ölkreiswärmetauscher 32 beaufschlagt. Darüber hinaus kann die Umgebungsluft UL aber auch unkonditioniert oder auch vorerwärmt den Ölkreiswärmetauscher 32 durchströmen. Im zweiten Beispiel (3) wird das Kältemittel des Kältemittelkreises KK der Kälteanlage 10 unmittelbar als Kühlfluid der Kühlfluidzufuhr verwendet. Dies gilt auch für das dritte Beispiel gemäß 4, bei dem ein Teilstrom des Kältemittels durch die Kühlleitung 34 dem Ölkreiswärmetauscher 32 zugeführt wird. Allen Beispielen gemein ist, dass die Kühlfluidzufuhr, sei Umgebungsluft UL oder Kältemittel, in Wirkverbindung mit dem Kältemittelkreis KK der Kälteanlage 10 oder einem gesonderten Kühlfluidkreis steht.
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Das in den 2 bis 5 jeweils stromaufwärts des Ölkreiswärmetauschers 32 dargestellte Drosselorgan 30 kann auch stromabwärts des Ölkreiswärmetauschers 32 vorgesehen sein. Dies ist beispielhaft durch das jeweils gestrichelt dargestellte Drosselorgan 30a in den 2 bis 4 illustriert. Diese Darstellung soll allerdings nicht dahingehend verstanden werden, dass zwei Drosselorgane 30, 30a im Ölkreis 28 notwendig sind.
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Das oben beschriebene Prinzip eines gesonderten Ölkreislaufs 28 mit einem Ölkreiswärmetauscher 32 kann nicht nur in einer als AC-System ausgelegten Kälteanlage 10 (1) eingesetzt werden. Vielmehr kann solcher Ölkreislauf mit Ölkreiswärmetauscher auch in einer Kälteanlage mit Mehrverdampferausführung und/ oder mit Wärmepumpenfunktion vorgesehen sein. In diesem Falle ist zu beachten, dass der Ölkreiswärmetauscher in jedem Betriebsmodus der Kälteanlage, wie beispielsweise Kälteanlagenmodus, Luftwärmepumpenmodus, Wasserwärmepumpenmodus, Reheat-Modus und dergleichen, entsprechend mit Kühlfluid beaufschlagt werden kann. Insbesondere sind mit dem Ölkreiswärmetauscher in Wirkverbindung stehende Kühlleitungen 34 so mit der Kälteanlage 10 zu verbinden bzw. zu verschalten, dass die gewünschte Kühlung des Ölkreises ermöglicht ist.
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Durch das Bereitstellen eines Ölabscheiders, eines Ölkreises mit Ölkreiswärmetauscher kann ein effizienterer Betrieb der Wärmeübertrager (z.B. Wärmetauscher 14, Verdichter 18) in der Kälteanlage 10 (Gesamtsystem) erreicht werden aufgrund der reduzierten Ölanteile, Oberflächenbenetzung und damit verbundener Optimierung der Wärmeübergänge. Anstatt einer Ölkühlung im Kältemittelkreis erfolgt die Ölkühlung in einem separaten Ölkreis, dessen Ölkreiswärmetasucher in Wirkverbindung mit dem Kältemittelkreis KK steht. Entsprechend können Ölauslagerungen in den Kältemittelkreis KK bzw. die Kälteanlage 10 reduziert werden, weil nur wenig oder gar kein Öl im Kältemittelkreis KK zirkuliert. Für den Ölkreis können zur akkustischen Entkoppelung von der Kälteanlage beispielsweise auch flexible Kapillarleitungen statt starren Rohren eingesetzt werden.
