DE19646377A1 - Kältefluidbehälter für eine Wärmepumpenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältefluidbehälter für eine Wärmepumpenanlage, insbesondere für eine Klima­ anlage von Kraftfahrzeugen.

Der erfindungsgemäße Behälter ist die Art mit einem Fluideinlaß, der an einen Kondensator angeschlossen werden kann und mit einem Fluidauslaß, der an einen Verdampfer angeschlossen werden kann und die Art, die einen Entfeuchtungsfilter enthält.

In einer Wärmepumpenanlage sind außerdem ein Kompres­ sor und ein Expansionsventil vorgesehen, die in ge­ schlossenem Kreislauf mit dem Kondensator, mit dem Verdampfer und mit dem Kältefluidbehälter verbunden sind.

Das Kältefluid wird durch den Kompressor zu heißem Gas verdichtet, bevor es in den Kondensator geschickt wird, wo es zu heißer Flüssigkeit kondensiert.

Diese Flüssigkeit durchquert anschließend den Behäl­ ter, der noch "Flasche" genannt wird, in dem sie ent­ feuchtet oder entwässert wird. Anschließend wird die so entfeuchtete Flüssigkeit in dem Expansionsventil zu einer kalten Flüssigkeit/Gas-Mischung entspannt, bevor sie in den Verdampfer geschickt wird, wo sie in kaltes Gas umgewandelt wird bevor es/sie zum Kompres­ sor zurückkehrt.

Wenn eine solche Anlage zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, wird ein Luftstrom im Kontakt mit dem Verdampfer abgekühlt, bevor er in den Fahrgastraum geleitet wird.

Bei einer solchen Anlage ist eine große Anzahl von Bauteilen notwendig, wodurch ihr Platzbedarf erhöht wird, und sie stellt demzufolge einen Nachteil dar, wenn sie in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden muß, in dem der verfügbare Raum immer begrenzter ist.

Es ist überdies bekannt, daß eine solche Wärmepumpen­ anlage auf reversible Weise arbeiten kann, so daß bei Umkehr der Strömungsrichtung des Kältefluids der Wär­ metauscher, der die Rolle des Verdampfers hatte, zu einem Verdampfer wird, und umgekehrt der Wärmetau­ scher, der als Verdampfer diente, die Rolle des Kon­ densators spielt.

Eine solche Anlage ist besonders bei einem Kraftfahr­ zeug interessant, da derselbe Wärmetauscher entweder als Verdampfer für die Klimatisierung des Fahr­ gastraums oder als Kondensator für die Heizung des Fahrgastraums dienen kann. In einem solchen Fall kann ein einziger Wärmetauscher zur Klimatisierung oder zum Heizen dienen.

Bei einer solchen Anlage ist jedoch ein komplexer Kreislauf erforderlich, um die Umkehr der Strömungs­ richtung des Fluids zu ermöglichen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist außerdem, einen solchen Nachteil zu beseitigen.

Zu diesem Zweck stellt sie einen Kältefluidbehälter der in der Einleitung definierten Bauart bereit, der ein Expansionsventil trägt, das einerseits mit einer Einlaßkammer, die in dem Behälter ausgebildet ist und den Entfeuchtungsfilter enthält und andererseits mit einer Auslaßkammer verbunden ist, die in dem Behälter ausgebildet ist und von der Einlaßkammer durch ein Trennelement getrennt ist.

So ist es möglich, mit einem einzigen Element, drei Hauptfunktionen zu erfüllen: die Kältefluidbehäl­ ter-Funktion, die Funktion der Filtra­ tion/Entfeuchtung des Kältefluids in flüssiger Phase und die Funktion der Entspannung des Kältefluids.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist das Ex­ pansionsventil außerhalb des Behälters montiert.

Vorzugsweise ist die Einlaßkammer in einem unteren Teil des Behälters ausgebildet, während die Auslaß­ kammer in einem oberen Teil des Behälters in bezug zur normalen Einsatzposition desselben ausgebildet ist.

In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Expan­ sionsventil am oberen Teil des Behälters montiert und ist einerseits durch ein das Trennelement durchque­ rendes und in die Einlaßkammer einmündendes Innenrohr mit der Einlaßkammer verbunden und andererseits durch ein Außenrohr, zum Beispiel ein gekrümmtes Rohr, mit der Auslaßkammer verbunden.

Das Expansionsventil umfaßt vorzugsweise einen ver­ setzten Kolben.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung hat der Be­ hälter allgemein die Form eines Rotationszylinders um eine Achse, und das Innenrohr ist koaxial in dem Be­ hälter angeordnet.

Vorzugsweise umfaßt der Behälter ein offenes Gehäuse und einen Deckel, die zwischen sich das Trennelement festhalten.

Vorzugsweise kommuniziert der Einlaß des Behälters mit der Einlaßkammer über ein Rückschlagventil, das jegliche Fluidzirkulation von der Einlaßkammer zum Einlaß des Behälters verhindert, während der Auslaß des Behälters mit der Auslaßkammer über ein Rück­ schlagventil kommuniziert, das jegliche Zirkulation vom Auslaß des Behälters zur Auslaßkammer verhin­ dert.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung grenzt das Trennelement zwei Zwischenkammern ein, die je­ weils mit zwei seitlichen Öffnungen des Behälters kommunizieren und dazu geeignet sind, jeweils den Einlaß und den Auslaß des Behälters oder umgekehrt darzustellen. In dieser Ausführungsform kommuniziert jede Zwischenkammer mit der Einlaßkammer über ein Rückschlagventil, das jegliche Fluidzirkulation von der Einlaßkammer zur Zwischenkammer verhindert, und jede Zwischenkammer kommuniziert mit der Einlaßkammer über ein Rückschlagventil, das jegliche Fluidzirkula­ tion von der Zwischenkammer zur Auslaßkammer verhin­ dert.

Somit wird ein reversibler Behälter geschaffen, in dem eine der beiden seitlichen Öffnungen als Einlaß oder als Auslaß für das Kältefluid dienen kann, wäh­ rend die andere seitliche Öffnung jeweils als Auslaß oder als Einlaß für das Kältefluid dient.

In dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Trennelement vorzugsweise eine erste Wand, die die Zwischenkammern von der Einlaßkammer trennt, eine zweite Wand, die die Zwischenkammern von der Auslaß­ kammer trennt und eine dritte Wand, die die erste und die zweite Wand miteinander verbindet und die beiden Zwischenkammern trennt.

Vorzugsweise sind die erste und die zweite Wand all­ gemein kreisförmig und erstrecken sich parallel zu­ einander, während die dritte Wand die erste Wand und die zweite Wand gemäß einer diametrischen Ebene mit­ einander verbindet.

Wenn der Behälter aus einem offenen Gehäuse und aus einem Deckel geformt ist, kann die zweite Wand gegen eine Fläche des Gehäuses anliegen, während die zweite Wand gegen eine Fläche des Deckels anliegen kann und die seitlichen Öffnungen des Behälters vorzugsweise in dem Deckel geformt sind.

Das in der Erfindung eingesetzte Expansionsventil ist vorzugsweise ein thermostatisches zweiseitig gerich­ tetes Expansionsventil mit versetztem Kolben, vor­ zugsweise mit Ausgleich des Außendrucks.

In der nachfolgenden zu Beispielzwecken gemachten Be­ schreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen, in denen folgendes dargestellt ist:

• - Fig. 1 ist eine partielle Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kältefluidbehälters;
• - Fig. 2 ist eine Schnittansicht gemäß der Li­ nie II-II von Fig. 1;
• - Fig. 3 ist eine Draufsicht des Behälters von Fig. 1; und
• - Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage, die mit einem erfindungsgemäßen Behälter ausgestattet ist.

Zunächst wird auf Fig. 1 bezug genommen, die einen Behälter 10 zeigt, der aus einem offenen Gehäuse 12 und aus einem Deckel 14 geformt ist. Das Gehäuse 12 umfaßt eine allgemein zylindrische kreisförmige Sei­ tenwand 16 mit der X-X-Achse und mit einem Boden, der im wesentlichen halbkugelförmig ist. Der Behälter 10 ist dazu vorgesehen, in eine im wesentlichen senk­ rechte Position mit seinem nach unten gerichteten Bo­ den 18 angeordnet zu werden.

Der Deckel 14 umfaßt eine allgemein zylindrische kreisförmige Seitenwand 20 mit X-X-Achse und einer allgemein kreisförmigen oberen Wand 22. Die Wand 20 umfaßt ein Innengewinde 24, das dazu geeignet ist, mit einem Außengewinde 26 der Wand 12 zusammenzuwir­ ken, um das Aufschrauben des Deckels auf das Gehäuse zu ermöglichen, wobei ein Dichtmittel 27 dazwischen angeordnet wird. Die Seitenwand 20 umfaßt zwei diame­ tral entgegengesetzte Vorsprünge 28 und 30, die je­ weils zwei seitliche Öffnungen 32 und 34 eingrenzen.

In der Funktionsweise von Fig. 1 dient die Öff­ nung 32 dazu, mit einem Wärmetauscher 36 verbunden zu werden, der wie ein Kondensator funktioniert, während die Öffnung 34 dazu dient, mit einem Wärmetauscher 38 verbunden zu werden, der wie ein Verdampfer funktio­ niert.

Im Inneren des Behälters 10 wird bei der Montage ein Trennelement 40 eingefügt, das in dem Behälter eine Einlaßkammer 42, die im unteren Teil ausgebildet ist und eine Auslaßkammer 44 eingrenzt, die im oberen Teil ausgebildet ist.

Das Trennelement 40 umfaßt eine untere Wand 46, die allgemein kreisförmig ist und gegen eine ringförmige Fläche 48 anliegt, die im vorliegenden Beispiel durch die offene Seite des Gehäuses 12 geformt ist. In der Wand 46 sind zwei diametral entgegengesetzte Öffnun­ gen 50 ausgebildet (Fig. 1 und 2), denen jeweils zwei Rückschlagventile 52 zugeordnet sind, die auf der Seite der Einlaßkammer 42 angeordnet sind.

Zudem umfaßt das Trennelement 40 eine diametrische Wand 54 (Fig. 1 und 2), die sich ausgehend von der Wand 46 in einem Bereich von einem Durchmesser von dieser aufrichtet. Die Wand 54 besitzt eine zylindri­ sche Bohrung 56 mit X-X-Achse, die für den Durchtritt eines Rohres 58 dient, das in der X-X-Achse des Be­ hälters angeordnet ist.

Außerdem umfaßt das Trennelement 40 eine kreisförmige Wand 60, die sich parallel zur Wand 46 erstreckt und die gegen eine Oberseite 62 der Trennwand 54 anliegt. Die Wand 60 liegt umfangsseitig auf einer ringförmi­ gen Fläche 64 auf, die im Inneren des Deckels 14 aus­ gebildet ist.

In der Wand 60 sind ebenfalls eine Öffnung für den Durchtritt des Rohres 58 und zwei diametral entgegen­ gesetzte Öffnungen 66 vorgesehen, denen jeweils zwei Rückschlagventile 68 zugeordnet sind, die auf der zur Auslaßkammer 44 entgegengesetzten Seite angeordnet sind. In ihrem mittigen Teil liegt die Wand 60 eben­ falls gegen eine ringförmige Fläche 70 an, die von der Wand 22 des Deckels 14 abhängig ist.

Das Rohr 58 umfaßt einen in Umfangsrichtung verlau­ fenden Wulst 72, durch den es gegen die Wand 46 des Trennelementes 40 anliegt. Das Rohr 58 umfaßt ein un­ teres Ende 74, das am Boden des Gehäuses 12 mündet und ein oberes Ende 76, das außerhalb des Behälters durch einen axialen Durchgang mündet.

Der Deckel 14 trägt außen ein Expansionsventil 80 des zweiseitig gerichteten Typs, das einen versetzten Kolben 81 umfaßt, der am Ende eines Kanals 83 mon­ tiert ist. Das Expansionsventil kommuniziert mit dem axialen Durchgang 78, und es ist mit einem Aus­ gleichskanal für den Außendruck 82 versehen, der durch eine Mutter 86 an den Körper 84 des Expansions­ ventils angeschlossen ist. Ein gekrümmtes Rohr 88 um­ faßt ein Ende, das durch den Körper 84 führt und ein Ende, das die Wand 22 des Deckels durchquert. Dieses gekrümmte Rohr stellt eine Verbindung zwischen dem axialen Durchgang 78 und der Einlaßkammer 44 her.

Das Trennelement 40 grenzt innen zwei diametral ent­ gegengesetzte Zwischenkammern 90 und 92 ein, die je­ weils mit der Öffnung 32 und der Öffnung 34 kommuni­ zieren. Zudem ist im Inneren der Auslaßkammer 42 ein Entfeuchtungsfilter 94 angeordnet.

Der Behälter von Fig. 1 kann in einen Kältefluid­ kreislauf integriert werden, der außer dem Behäl­ ter 10 und den beiden Wärmetauschern 36 und 38 einen Kompressor 96 umfaßt (Fig. 4).

Dieser Kompressor ist in eine Schleife 98 montiert, die ein Vierwegventil 100 umfaßt. In diese Schleife 98 mündet der Druckausgleichskanal 82. Au­ ßerdem ist der versetzte Kolben 81 in direkter Nähe zur Schleife 98 untergebracht. Das Ventil 100 ist mit den Öffnungen 32 und 34 des Behälters 10 durch zwei Kanäle 102 und 104 verbunden, auf die jeweils die Wärmetauscher 36 und 38 montiert sind.

Das Ventil 100 kann zwei verschiedene Positionen ein­ nehmen, in denen das Kältefluid in zwei verschiedene Richtungen zirkulieren kann.

In einer ersten Strömungsrichtung, durch einfache Pfeile in Fig. 4 dargestellt, schickt der Kompres­ sor 96 das Kältefluid direkt in den Wärmetauscher 36, der die Rolle des Kondensators spielt, während der Wärmetauscher 38 die Rolle des Verdampfers spielt. Diese Strömungsrichtung entspricht auch der von Fig. 1.

In einer zweiten Strömungsrichtung, durch doppelte Pfeile dargestellt, schickt der Kompressor 96 das Kältefluid direkt in den Verdampfer 38, der die Rolle des Kondensators spielt, während der Wärmetauscher 36 die Rolle des Verdampfers spielt.

Wenn das Kältefluid in die erste Strömungsrichtung fließt (einfache Pfeile in Fig. 4), wird es zunächst durch den Kompressor 96 zu heißem Gas verdichtet, be­ vor es in den Wärmetauscher 36 geschickt wird, der die Rolle des Kondensators spielt, wo es zu heißer Flüssigkeit kondensiert, um dann in den Behälter 10 durch die Öffnung 32 einzudringen. Das Fluid erreicht die Zwischenkammer 90 und dringt dann in die Einlaß­ kammer 42 durch eine der beiden Öffnungen 50 ein, wo­ bei es das Rückschlagventil 52 verstellt. Das Fluid tritt durch den Entfeuchtungsfilter 94 und gelangt zum Boden des Behälters. Von dort tritt das Fluid in das Rohr 58 ein, gelangt zum Einlaß des Expansions­ ventils 80, verläßt dieses über das gekrümmte Rohr 88 und gelangt dann in die Auslaßkammer des Behäl­ ters (Fig. 1).

Am Auslaß des Expansionsventils liegt das Kältefluid in der Form einer Mischung von kalter Flüssig­ keit/kaltem Gas vor. Das entspannte Fluid verläßt an­ schließend den Behälter über eine der Öffnungen 66, wobei es das Rückschlagventil 68 verschiebt und dann über die Öffnung 34. Das Kältefluid wird zum Wärme­ tauscher 38 geschickt, der die Rolle eines Verdampfers spielt. Letzterer wandelt das Fluid in kaltes Gas um, das anschließend zum Kompressor 96 zu­ rückkehrt.

Wenn das Kältefluid in die vorgenannte zweite Strö­ mungsrichtung fließt, kann es in den Behälter über die Öffnung 34 eindringen und ihn über die Öffnung 32 verlassen, wie durch doppelte Pfeile in Fig. 4 ge­ zeigt. In einem solchen Fall spielt der Wärmetau­ scher 36 die Rolle des Verdampfers und der Wärmetau­ scher 38 die des Kondensators. Das Ventil 100 läßt das Fluid im entgegengesetzten Sinn zirkulieren. In diesem Fall dringt das Fluid in die Einlaßkammer 42 über die andere Öffnung 50 ein (die rechts in Fig. 1 dargestellt ist) und dringt dann wie vorher in das Expansionsventil 80 mit Hilfe des Rohrs 58 ein. Das Fluid erreicht dann die Auslaßkammer 44 und gelangt dann über die Öffnung 66 (sie befindet sich links in Fig. 1) in die Zwischenkammer 90, bevor es den Be­ hälter über die Öffnung 32 verläßt.

Somit wird ein Behälter mit einer besonders kompakten Gestaltung erhalten, der auf reversible Weise funk­ tionieren kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann einer der beiden Wärmetauscher so zugleich als Verdampfer dienen, um einen klimatisierten Luftstrom in den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs zu schicken und als Kondensator, um die Erwärmung eines Luftstro­ mes zu ermöglichen, der zum Heizen dieses Fahr­ gastraums dient.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend zu Beispielzwecken beschriebene Ausführungsform be­ schränkt.

In einer vereinfachten Ausführung des Behälters kann dieser nur in einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit benutzt werden. In einem solchen Fall ist es nicht nötig, ein Trennelement vorzusehen, das Zwischenkam­ mern zwischen der Einlaßkammer und der Auslaßkammer festlegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird hauptsächlich beim Heizen und/oder bei der Klimatisierung von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Claims (13)

1. Kältefluidbehälter für eine Wärmepumpenanlage er Art mit einem Fluideinlaß (32; 34), der an einen Kondensator angeschlossen werden kann und mit einem Fluidauslaß (34; 32), der an einen Verdampfer ange­ schlossen werden kann, und der Art, die einen Ent­ feuchtungsfilter (94) enthält dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) ein Expansionsventil (80) trägt, das einerseits mit einer Einlaßkammer (42), die in dem Behälter (10) geformt ist und den Entfeuchtungsfil­ ter (94) enthält und andererseits mit einer Auslaß­ kammer (44) verbunden ist, die in dem Behälter (10) geformt ist und die durch ein Trennelement (40) von der Auslaßkammer getrennt ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (80) außerhalb des Behälters (10) montiert ist.

3. Behälter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer (42) in einem unteren Teil des Behälters und die Auslaßkammer (44) in einem oberen Teil des Behälters in bezug auf die Einsatzposition des Behäl­ ters geformt ist.

4. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (80) am oberen Teil des Behälters montiert ist und einerseits mit der Einlaßkammer (42) über ein das Trennelement (40) durchquerendes Innen­ rohr (58) und andererseits mit der Auslaßkammer (44) über ein Außenrohr (88) verbunden ist.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (80) einen versetzten Kolben (81) umfaßt.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß er allgemein eine Form eines Rotationszylinders um eine X-X-Achse aufweist und daß das Innenrohr (58) koaxial in dem Behälter (10) angeordnet ist.

7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein offenes Gehäuse (12) und einen Deckel (14) um­ faßt, die zwischen sich das Trennelement (40) fest­ halten.

8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (32; 34) des Behälters mit der Einlaßkam­ mer (42) über ein Rückschlagventil (52) kommuniziert, das jegliche Fluidzirkulation von der Einlaßkam­ mer (42) zum Einlaß (32) des Behälters verhindert und daß der Auslaß des Behälters (34; 32) mit der Auslaß­ kammer (44) über ein Rückschlagventil (68) kommuni­ ziert, das jegliche Fluidzirkulation vom Auslaß des Behälters zur Auslaßkammer verhindert.

9. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trennelement (40) zwei Zwischenkammern (90, 92) ein­ grenzt, die jeweils mit zwei seitlichen Öffnungen (32; 34) des Behälters kommunizieren und die dazu dienen, jeweils den Einlaß und den Auslaß, oder umgekehrt des Behälters darzustellen,
daß jede Zwischenkammer (90, 92) mit der Einlaßkam­ mer (42) über ein Rückschlagventil (52) kommuniziert, das jegliche Fluidzirkulation von der Einlaßkam­ mer (42) zur Zwischenkammer verhindert; und
daß jede Zwischenkammer (90, 92) mit der Auslaßkam­ mer (44) über ein Rückschlagventil (68) kommuniziert, das jegliche Fluidzirkulation von der Zwischenkammer zur Auslaßkammer (44) verhindert.

10. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (40) eine erste Wand (46), die die Zwi­ schenkammern (90, 92) von der Einlaßkammer (42) trennt, eine zweite Wand (60), die die Zwischenkam­ mern (90, 92) von der Auslaßkammer (44) trennt und, eine dritte Wand (54) umfaßt, die die erste Wand (46) mit der zweiten Wand (60) verbindet und die beiden Zwischenkammern (90, 92) trennt.

11. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wand (46) und die zweite Wand (60) allgemein kreisförmig sind und sich parallel zueinander er­ strecken und daß die dritte Wand (54) die erste Wand (46) und die zweite Wand (60) gemäß einer diame­ trischen Ebene miteinander verbindet.

12. Behälter nach einem der Ansprüche 10 und 11, in dem der Behälter aus einem offenen Gehäuse (12) und aus einem Deckel (14) geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wand (46) gegen eine Fläche (48) des Gehäuses anliegen kann, daß die zweite Wand (60) gegen eine Fläche (64) des Deckels (14) anliegen kann und daß die beiden seitlichen Öffnungen (32, 34) des Behäl­ ters in dem Deckel (14) geformt sind.

13. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (80) ein zweiseitig gerichtetes Ex­ pansionsventil mit versetztem Kolben (81) ist, vor­ zugsweise mit Außendruckausgleich.