-
Die Erfindung betrifft eine Druckentlastungsanordnung in Kältemittelkreisläufen, insbesondere bei mobilen Kälteanalgen und Wärmepumpen.
-
Als Druckentlastungsanordnungen werden sicherheitstechnische Elemente von unter Überdruck stehenden Anlagen bezeichnet, welche beispielsweise in Kältemittelkreisläufen bei mobilen Anwendungen der Fahrzeugklimatisierung eingesetzt werden, um sicherheitsrelevanten Überdruck und damit verbundene Risiken für die Fahrzeuginsassen und das Fahrzeug selbst zu minimieren.
-
Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft insbesondere Kältemittelkreisläufe mit brennbaren Kältemitteln, wie R290 und R1234yf.
-
Im Stand der Technik werden brennbare Kältemittel, wie beispielsweise R290, zumeist in stationären Anlagen und nicht in der Fahrzeugklimatisierung eingesetzt. Dabei gibt es insbesondere hinsichtlich der Füllmenge mit brennbarem Kältemittel in einer Fahrzeugklimaanlage Sicherheitsbedenken und -vorbehalte. Allenfalls werden indirekte Kältemittelsysteme konzipiert, welche einen zusätzlichen Kälteträgerkreislauf erfordern, was bei mobilen Anwendungen wegen des zusätzlichen Aufwandes an Platz, Gewicht und Kosten nachteilig ist.
-
Die Sicherheitsproblematik bei Kraftfahrzeugklimaanlagen spielt im Stand der Technik bereits eine große Rolle, insbesondere bei Havarien.
-
Nach der
US 5,918,475 wird im Falle von Havarien bei Kraftfahrzeugklimaanlagen beispielsweise vorgeschlagen, den Luftauslass der Klimaanlage zur Fahrzeugkabine hin zu verschließen, um das Eintreten von Kältemittel in die Fahrgastzelle zu verhindern beziehungsweise zu vermindern. Nach dieser Strategie lässt sich allerdings nicht der Verlust von Kältemittel aus dem System unterbinden, sondern es wird nur die Folge der Havarie, das Eindringen von Kältemittel in die Fahrgastzelle, abgeschwächt.
-
Nach der
US 5,983,657 wird für eine Autoklimaanlage vorgeschlagen, eine Kombination von einem elektromagnetischen Ventil und einem Rückschlagventil einzusetzen, um ein Austreten von Kältemittel aus dem Verdampfer zu verhindern, wenn der Verdichter nicht arbeitet. Als elektromagnetisches Ventil wird dabei das Entspannungsventil benutzt.
-
Nachteilig an dem geschilderten Stand der Technik ist insbesondere bei der Verwendung des Entspannungsventils als Absperrventil, dass durch die erforderliche Dichtfunktion das Entspannungsventil in der eigentlichen Funktion eingeschränkt ist. Hinzu kommt, dass ein durch eine solche Zusatzfunktion erweitertes Entspannungsorgan durch den komplexeren Aufbau kostenintensiver ist.
-
Ein weiteres bekanntes Problem bei der Verwendung von brennbaren Kältemitteln in Kältemittelkreisläufen besteht darin, dass diese Systeme keinen Akkumulator benutzen, um die Füllmittelmenge des brennbaren Kältemittels und das innere Volumen der Anlage so gering wie möglich zu halten. Ohne Akkumulator wird nach dem Stand der Technik eine Überhitzungsregelung angewandt, die maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz des Kältemittelkreislaufes hat. Stellt man eine sehr geringe Überhitzung am Verdampferaustritt ein, wird diese sehr instabil. Dabei wird die Regelung der Überhitzung mithilfe des Zustandes des Kältemittels vor dem Verdampferaustritt mittels thermostatischem oder elektronischem Expansionsventil geregelt.
-
Neben den geschilderten Problemen spielt bei brennbaren Kältemitteln eine besondere Rolle, dass im Falle von Havarien entzündliche Gemische und bei deren Verbrennung Nebenprodukte entstehen, die große Schäden verursachen können. Weiterhin sind die Kosten einiger Kältemittel relativ hoch. Somit ist die verbreitete Strategie des Abblasens des Kältemittels bei Überdruck in die Umgebung, die zur Bildung von zündbaren Gemischen und damit mit der Gefahr von Explosionen einhergeht, sicherheitstechnisch, ökologisch und in Bezug auf die Kosten ungünstig.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Druckentlastungsanordnung in Kältemittelkreisläufen zur Verfügung zu stellen, welche ein gefahrloses Reagieren des technischen Systems auf einen kritischen Überdruck des Kältemittels auf der Hochdruckseite realisiert.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Druckentlastungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Druckentlastungsanordnung gelöst, welche in Kältemittelkreisläufen mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite zum Einsatz kommt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes mit einer Überdruckentlastungsvorrichtung fluidtechnisch verbunden ist. Die Überdruckentlastungsvorrichtung bewirkt bei Überdruck auf der Hochdruckseite einen Druckabbau des Überdrucks und Fluid strömt von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes ab. Unter einer Überdruckentlastungsvorrichtung ist somit im Sinne der Erfindung eine sicherheitstechnische Einrichtung zu verstehen, welche auf einen bestimmten, definierten, voreingestellten, oder als Regelparameter einstellbaren Überdruck reagiert und mechanisch einen Strömungsweg freigibt, über welchen Fluid mit Überdruck von der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes in die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes einströmt, wodurch der Druck auf der Hochdruckseite reduziert wird.
-
Gemäß der Konzeption der Erfindung wird das Kältemittel unter Überdruck nicht in die Umgebung abgelassen oder abgeblasen, da hierdurch zündfähige, explosive Gemische von Kältemittel und Umgebungsluft und dem darin enthaltenen Sauerstoff gebildet werden könnten. Stattdessen besteht die Konzeption der Erfindung darin, das Kältemittel innerhalb des geschlossenen Systems des Kältemittelkreislaufes in entsprechenden Gefahrensituationen beziehungsweise bei Überlastungszuständen zum Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich abzulassen. Das Kältemittel geht somit dem System nicht verloren, sondern wird innerhalb des Systems in einen aufnahmefähigen Bereich des Kältemittelkreislaufes verlagert.
-
Bevorzugt ist die Überdruckentlastungsvorrichtung als eine Komponente des Kältemittelkreislaufes ausgebildet, welche zwei verschiedene Komponenten des Kältemittelkreislaufes miteinander fluidtechnisch verbindet. Dabei steht eine Komponente des Kältemittelkreislaufes unter Hochdruck auf der Hochdruckseite und die andere entsprechend unter Niederdruck auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes. Die Überdruckentlastungsvorrichtung verbindet fluidtechnisch die beiden Komponenten miteinander.
-
Alternativ und besonders bevorzugt ist die Überdruckentlastungsvorrichtung in einer Komponente des Kältemittelkreislaufes angeordnet beziehungsweise in eine Komponente integriert ausgebildet, was zu einer besonders kompakten und montagefreundlichen Ausgestaltung der Erfindung führt. Dabei sind innerhalb der Komponente des Kältemittelkreislaufes fluidführende Bereiche mit Fluid unter Hochdruck als Hochdruckseite und Fluid unter Niederdruck als Niederdruckseite ausgebildet, welche mit der Überdruckentlastungsvorrichtung miteinander fluidtechnisch verbunden sind. In Kältemittelkreisläufen sind diverse Komponenten bekannt, welche Bereiche mit Hochdruck und mit Niederdruck besitzen und die entsprechend, wie dargelegt, mit einer Überdruckentlastungsvorrichtung als integrierten Bestandteil der Komponente ausgebildet werden können.
-
Vorteilhaft ist die Überdruckentlastungsvorrichtung in einem Druckentlastungskanal zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite eines Verdichters angeordnet. Der Verdichter, ein Kältemittelverdichter, besitzt ein ihn umgebendes Gehäuse und der Druckentlastungskanal kann innerhalb des Gehäuses des Verdichters ausgebildet sein oder alternativ im Gehäuse des Verdichters als separate Fluidleitung angeordnet sein. Wie bereits erwähnt ist die Überdruckentlastungsvorrichtung innerhalb des Druckentlastungskanals beziehungsweise endseitig des Kanals je nach konstruktiven Bedingungen angeordnet.
-
Die Überdruckentlastungsvorrichtung ist vorteilhaft von innen in das Gehäuse des Verdichters integriert, ohne dass es einen Durchgang nach außen gibt. Damit kann realisiert werden, dass eine Druckentlastung durch eine zusätzliche Komponente innerhalb des Gehäuses realisiert werden kann, ohne dass durch diese zusätzliche Komponente der Überdruckentlastungsvorrichtung ein zusätzliches Dichtungsproblem entsteht. Die Überdruckentlastungsvorrichtung selbst weist keine Verbindung durch das Gehäuse hindurch nach außen auf und ist hermetisch in den Verdichter integriert.
-
Bevorzugt ist die Überdruckentlastungsvorrichtung dazu von innen in das Gehäuse eingeschraubt.
-
Alternativ ist die Überdruckentlastungsvorrichtung von außen in das Gehäuse des Verdichters integriert, und nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Alternative ist die Überdruckentlastungsvorrichtung von außen in das Gehäuse eingeschraubt ausgeführt.
-
Um bei einer Anordnung der Überdruckentlastungsvorrichtung von außen entsprechend die Abdichtung der gegebenenfalls zusätzlichen Gehäuseöffnung zu realisieren, ist vorzugsweise eine Metalldichtung vorgesehen, welche extern gegenüber der Umgebung die Überdruckentlastungsvorrichtung abdichtet.
-
Weiterhin ist eine zweite Dichtung als ein O-Ring ausgebildet, der intern die Überdruckentlastungsvorrichtung abdichtet und den Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich trennt.
-
Die Überdruckentlastungsvorrichtung ist vorzugsweise als Druckentlastungsventil oder als Berstscheibe ausgebildet.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Druckentlastungsventils besteht darin, dass dieser einen Ventilkörper aufweist, wobei ein Überströmkanal axial im Ventilkörper verläuft.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Druckentlastungsanordnung besteht darin, dass die Überdruckentlastungsvorrichtung zweistufig ausgebildet ist, wobei in einer ersten Stufe intern ein Druckausgleich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite erfolgt, und in einer zweiten Stufe extern ein Druckausgleich in die Umgebung erfolgt. Ziel dieser Strategie ist es, das Kältemittel wie in der bereits beschrieben Variante aus sicherheits-, umwelt- und kostentechnischen Gründen im Kreislauf zu belassen. Steigt jedoch der Druck weiter ist es besser, das Kältemittel in die Umgebung abzugeben.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Druckentlastungsanordnung besteht darin, dass die Überdruckentlastungsvorrichtung in einen Wärmeübertrager mit benachbarten Wärmeübertragungsmodulen für Hochdruck als Kondensator und für Niederdruck als Verdampfer integriert ist. Die Überdruckentlastungsvorrichtung ist dabei an einer Trennwand zwischen Hochdruck und Niederdruck derart angeordnet, dass beim Auslösen der Druckentlastung eine Fluidverbindung zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite hergestellt wird und das Fluid unter Hochdruck in die Niederdruckseite strömt.
-
Besonders bevorzugt ist die Überdruckentlastungsvorrichtung im Verteiler/Sammler des Wärmeübertragers angeordnet.
-
Die Druckentlastungsanordnung nach der Erfindung ist insbesondere durch die Vermeidung des Entweichens von brennbaren Kältemitteln in die Umgebung im Hinblick auf die Erhöhung der Sicherheit und die Minimierung des Risikos von Explosionen oder Bränden durch brennbare Kältemittel vorteilhaft. Ein weiterer vorteilhafter Aspekt besteht darin, dass die entweichenden Kältemittel und Kältemittelgemische eine Umweltbelastung darstellen und somit durch die Verhinderung des Eintritts in die Umgebung eine ökologisch vorteilhafte Lösung erreicht wird.
-
Somit bleibt das Kältemittel im nach außen geschlossenen System des Kältemittelkreislaufes erhalten und kann weiter verwendet werden. Es entstehen dann auch keine zusätzlichen Kosten für das Nachfüllen und Auffüllen der zum Teil kostenintensiven Kältemittel.
-
Das Problem der Instabilität der Überhitzungsregelung am Verdampferaustritt wird dadurch gelöst, dass die Überhitzung auf dem Hochdruckniveau mit den vorhandenen Sensoren kostensparend geregelt wird. Dabei wird eine Überhitzung von 10-15 K und insbesondere sogar von 15-20 K vorgenommen.
-
Somit erfolgt die Regelung der Überhitzung vor dem Verdichtereintritt mithilfe der Überhitzung am Verdichteraustritt. Das Konzept besteht insbesondere darin, dass die Überhitzung vor Verdichtereintritt möglichst gering sein sollte und somit auch die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und dem Wärmeträgermedium beziehungsweise der Luft. Die Regelung ist dabei sehr instabil und eine geringe Überhitzung ist angestrebt, um die thermondynamischen Verluste gering zu halten.
-
Für die Regelung wird der Drucksensor und ein separater Temperaturaufnehmer oder ein kombinierter Druck-Temperatur-Sensor am Verdichteraustritt genutzt. Der Vorteil der angegebenen Regelstrategie besteht darin, dass der vorhandene Druck- und Temperatursensor eine sichere Überhitzung am Verdichteraustritt berechnet, die einer geringen Überhitzung am Verdampferaustritt entspricht. Die Regelung am Verdichteraustritt ist dabei wesentlich stabiler, da die Überhitzung deutlich größer als auf der Niederdruckseite ist. Dabei wird über den Druck- und Temperatursensor die Regelungsvorrichtung für den Verdichter zusätzlich ertüchtigt, dass der Verdichter bei verschiedenen gefährlichen Situationen, wie beispielsweise Temperaturen von mehr als 150 °C oder einem Druck von mehr als 35 bar sowie bei signifikantem Druckabfall durch beispielsweise Leckage, abgeregelt oder abgeschaltet werden kann. Das Regelkonzept lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass der Zustand nach dem Verdampfer mit Hilfe des Zustandes des Kältemittels nach dem Verdichter geregelt wird.
-
Die Lösung ist insbesondere für indirekte Kältemittelsysteme sinnvoll.
-
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:
- 1: Teilschnittdarstellung Kältemittelverdichter mit Druckentlastungsanordnung,
- 2: Schnittdarstellung Wärmeübertrager mit Druckentlastungsanordnung und
- 3: log p,H-Diagramm der Überhitzung.
-
In 1 ist eine Teilschnittdarstellung eines Kältemittelverdichters mit einer Druckentlastungsanordnung nach der Erfindung dargestellt. Auf die Darstellung des gesamten Kältemittelverdichters wurde verzichtet und es ist somit nur der Teil gezeigt, welcher die Druckentlastungsanordnung enthält. Als Kältemittelverdichter ist ein Verdichter 5 nach dem Prinzip der Spiralverdichter dargestellt. Verdichter dieses Typs werden auch als Scrollverdichter oder Spiralverdichter bezeichnet. Ein Verdichter 5 weist funktionsgemäß eine Hochdruckseite 1 des Kältemittels sowie eine Niederdruckseite 2 auf. Die Aufgabe eines Verdichters 5 besteht darin, mittels mechanischem Wirkprinzip, den Kältemitteldampf mit Niederdruck von der Niederdruckseite 2 auf Hochdruck zu verdichten und diesen auf der Hochdruckseite 1 dann aus dem Verdichter 5 in den Kältemittelkreislauf zu fördern. Die Druckentlastungsanordnung besteht nun letztlich aus der Kombination einer Überdruckentlastungsvorrichtung 3, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Druckentlastungsventil 7 ausgeführt ist, sowie einem Druckentlastungskanal 4, innerhalb welchem die Überdruckentlastungsvorrichtung 3 platziert ist. Der Druckentlastungskanal 4 stellt letztlich im Falle des Überdrucks und des Auslösens der Überdruckentlastungsvorrichtung 3 eine Kurzschlussverbindung von der Hochdruckseite 1 zur Niederdruckseite 2 hin her. Das Kältemittel bei Hochdruck strömt dann, um Probleme und Zerstörungen mit verbundenem Austritt des Kältemittels aus dem Kreislauf zu vermeiden, kontrolliert über den Druckentlastungskanal 4 nach Auslösen des Druckentlastungsventils 7 zur Niederdruckseite 2; und die Hochdruckseite 1 des Kältemittelkreislaufes ist durch den erfolgten Druckausgleich vor mechanischer Zerstörung durch Überdruck geschützt. Das Druckentlastungsventil ist in der gezeigten Ausgestaltung in das Gehäuse 6 des Verdichters 5 von außen eingeschraubt. Der Ventilkörper 9 weist dazu ein in der Figur angedeutetes Außengewinde am zylindrischen Umfang auf, welches mit einem Innengewinde im Gehäuse 6 des Verdichters 5 korrespondiert. Das Druckentlastungsventil 7 ist von außen in das Gehäuse 6 eingeschraubt und wird nach außen abgedichtet durch eine nicht näher bezeichnete Dichtung, welche im Ausführungsbeispiel als O-Ring ausgeführt ist. Der Ventilkörper 9 weist eine axiale Durchgangsbohrung auf, welche im Druckentlastungsfall einen Strömungsweg für das Fluid vom Druckentlastungskanal 4 über den Ventilkörper 9 des Druckentlastungsventils 7 hin zur Niederdruckseite 2 im Verdichter 5 freigibt. Der Strömungsweg für das Kältemittel innerhalb des Ventilkörpers 9 wird auch als Überströmkanal 10 bezeichnet. Beim Auslösen des Druckentlastungsventils 7 wird der Strömungsweg von der Hochdruckseite 1 über den Druckentlastungskanal 4 hin zum Druckentlastungsventil 7 und durch dessen Ventilkörper 9 hindurch im Überströmkanal 10 zur Fortsetzung des Druckentlastungskanals 4 hin zur Niederdruckseite 2 geschaltet.
-
Alternativ zur dargestellten Ausgestaltung der konstruktiven Einbindung des Druckentlastungsventils 7 innerhalb des Verdichters 5 sind verschiedenste Bauarten und Umsetzungen dieses Sicherheitsprinzips realisierbar. So kann beispielsweise zur Vermeidung von Risiken durch Leckage die Überdruckentlastungsvorrichtung 3 von innen in das Gehäuse 6 des Verdichters 5 integriert werden, sodass eine Abdichtung nach außen hin wegen des nach außen geschlossenen Gehäuses 6 nicht erforderlich ist.
-
In 2 ist eine Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers mit Druckentlastungsanordnung gezeigt. Der Wärmeübertrager 11 besteht dabei aus Wärmeübertragungsmodulen, welche als Kondensator 12 und Verdampfer 13 innerhalb eines integrierten Wärmeübertragers 11 ausgebildet sind. Der Kondensator 12 befindet sich entsprechend auf der Hochdruckseite 1 des Kältemittelkreislaufes und ist benachbart durch eine Trennwand 14 physisch separiert vom Verdampfer 13, welcher sich auf der Niederdruckseite 2 des Kältemittelkreislaufes befindet. In der Trennwand 14 ist eine Überdruckentlastungsvorrichtung 3 als sogenannte Berstscheibe 8 ausgebildet, welche bei einem definierten Überdruck einen Strömungsweg in der Trennwand 14 vom Kondensator 12 zum Verdampfer 13 hin freigibt, sodass Kältemittel mit Hochdruck durch die Überdruckentlastungsvorrichtung 3 an einer definierten Stelle und bei einem definierten Druck entweichen und damit den Wärmeübertrager 11 vor Zerstörung schützen kann. Nach der gezeigten bevorzugten Ausgestaltung ist die Überdruckentlastungsvorrichtung 3 in der Trennwand 14 im Bereich des Verteilers/Sammlers 15 angeordnet, wodurch eine sehr effiziente und konzentrierte Strömung und damit ein sehr schneller Druckausgleich zwischen Hochdruckseite 1 und Niederdruckseite 2 erfolgen kann. Durch die Platzierung im Verteiler/Sammler 15 wird somit ein besonderer Beitrag zur Risikominimierung geleistet.
-
In 3 ist ein log p,H-Diagramm eines beispielhaften Kältemittelkreislaufes dargestellt. Bei Niederdruck ist die Überhitzung als Temperaturdifferenz Δ tSdT wie sie nach dem Stand der Technik für die Überhitzungsregelung am Verdampferaustritt gemessen wird. Bei Hochdruck ist die Überhitzung als Temperaturdifferenz im Bereich zwischen 15 und 25 K mit Δ tE nach der Erfindung dargestellt. Bevorzugt wird die Überhitzung im Bereich zwischen 15 und 20 K Δ tE nach der Erfindung geregelt. Mit Hilfe der Überhitzungsregelung bei Hochdruck ist eine sehr viel stabilere Regelung möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochdruckseite
- 2
- Niederdruckseite
- 3
- Überdruckentlastungsvorrichtung
- 4
- Druckentlastungskanal
- 5
- Verdichter
- 6
- Gehäuse
- 7
- Druckentlastungsventil
- 8
- Berstscheibe
- 9
- Ventilkörper
- 10
- Überströmkanal
- 11
- Wärmeübertrager
- 12
- Kondensator
- 13
- Verdampfer
- 14
- Trennwand
- 15
- Verteiler/Sammler
-
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 5918475 [0006]
- US 5983657 [0007]
