DE3940636C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung des Kältemittel- Flüssigkeitsstandes in einer Kälte- oder Wärmepumpenanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Entsprechende Einrichtungen sind im Stand der Technik bekannt.

So beschreibt beispielsweise die DE-AS 20 61 917 eine Kühleinrichtung, bei der in einem Kondensator ein Durchflußsteuerventil angeordnet ist, welches von einem Schwimmer beaufschlagt wird. Das Ventil und der Schwimmer dienen dazu, zwischen dem Kondensator und einer diesem nach­ geschalteten Dosiervorrichtung unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Flüssigkeitsabschluß herzustellen.

Die DE 31 39 460 C1 beschreibt eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage, bei der eine die Druckseite eines Verdichters mit dessen Saugseite verbindende Bypaßleitung vorgesehen ist, die ein Bypaßventil aufweist, welches über eine Steuervorrichtung geöffnet bzw. geschlossen wird. Der Steuervorrichtung ist als Signalgeber unter anderem ein Flüssigkeitsstandsfühler zugeordnet, der auch als Schwimmer ausgebildet sein kann.

Die DE 27 45 988 A1 schließlich beschreibt eine Regelvorrichtung für den Niederdruckverdampfer einer Kälteanlage. Dabei ist unter anderem ein Pilotventil vorgesehen, dessen Verschlußstück durch einen den Verdampferfüllstand erfassenden Schwimmer gesteuert ist.

Im Kältemittelkreislauf einer Kälte- oder Wärmepumpenanlage stellt sich nach deren Abschalten ein Systemgleichgewicht ein, wobei sich aufgrund des herrschenden Systemdruckes ein Teil des Kältemittels in dampfförmigem und ein weiterer Teil in flüssigem Zustand befindet. Ein entschei­ dender, den Systemdruck bestimmender Faktor ist dabei die augenblicklich herrschende Temperatur des Kältemittels.

Da mit einer nach dem Schwimmerprinzip arbeitenden Einrichtung lediglich der Flüssigkeitsstand der verbleibenden Flüssigkeitsmenge ermittelt wird, ist diese Meßmethode aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Meßwertanzeige ungünstig, um beispielsweise einen Kältemittelverlust zuverlässig erfassen zu können.

In neuerer Zeit tritt die Umwelt-Unverträglichkeit der als Kältemittel verwendeten Fluorchlorkohlenwasserstoffe immer mehr zu Tage. Es ist bekannt, daß diese den Abbau der Ozonschicht begünstigen, wenn sie in die Atmosphäre freigesetzt werden.

Es ist von daher nicht nur empfehlenswert, längere Zeit sich im Betrieb befindendes und durch verschiedenerlei Einflüsse verunreinigtes Kältemittel wieder aufzubereiten und einer erneuten Verwendung zuzuführen; vielmehr wäre es auch durchaus sinnvoll, eine permanente und zuverlässige Leckagekontrolle des gesamten Systems zu ermöglichen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung für eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage zu schaffen, die einen Kältemittelverlust zuverlässig erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Einrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist.

Zwar ist aus der DE 34 29 329 A1 eine Warnvorrichtung für anormalen Kühlmittelzustand in einem Raumkühlkreis bekannt geworden, bei der ein einen Schalter ansteuernder volumenveränderlicher Körper zum Einsatz kommt, der mit einem Medium gefüllt ist, dessen Dampfdruck höher ist, als der des ihn umgebenden Kältemittels. Der genannte Körper ist aber fest in einem an einer Kältemittelleitung befestigten Gehäuse angebracht und weist eine als Diaphragma oder Faltenbalg ausgebildete obere Begrenzungsfläche auf. Zum Erfassen des Kältemittelflüssigkeitsstandes ist die in dieser Offenlegungsschrift beschriebene Warneinrichtung nicht einsetzbar.

Die DD 86 703 beschreibt ein Gerät zur temperaturkompensierten Messung der Dichte von Flüssigkeiten, wobei ein Schwimmkörper zum Einsatz kommt, der aus einem festen, in seinem Volumen durch Temperaturänderungen nicht nennenswert beeinflußbaren Teil und aus einem von einem Faltenbalg aus elastischem Material gebildeten Hohlkörper besteht, der mit einer Kompensationsflüssigkeit gefüllt ist, deren Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu dem der zu untersuchenden Flüssigkeit größer ist. Damit soll im Ergebnis eine temperaturbedingte Dichteänderung der zu untersuchenden Flüssigkeit kompensiert werden. Die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung konnten damit aber nicht nahegelegt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen sowie der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispieles.

Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 Aufbau und Wirkungsweise einer Klimaanlage, z. B. für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug,

Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Einzelheit X gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine nochmalige Darstellung der Einzelheit nach Fig. 2, diesmal unter Berücksichtigung einer erhöhten Kältemitteltemperatur, und in

Fig. 4 Dampfdruckkurven der für die Klimaanlage bzw. für die Füllung des Schwimmerkörpers zum Einsatz kommenden Kältemittel.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Klimaanlage 1 gezeigt, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Den Wärme­ transport übernimmt das für diese Zwecke häufig verwendete Difluordi­ chlormethan (R12). Dieses Kältemittel wird von einem Kompressor 2 ver­ dichtet und dabei erhitzt. Danach gelangt es unter hohem Druck zu einem Kondensator 3, der von einem die Umgebungsluft außerhalb des Fahrzeug­ innenraumes fördernden Gebläse 4 beaufschlagt wird. Das zunächst gas­ förmige Kältemittel wird abgekühlt und kondensiert. In diesem Zustand passiert es dann einen Filter 5 sowie ein Expansionsventil 6 und wird in einen Verdampfer 7 eingespritzt. Diesem ist ein Gebläse 8 zugeord­ net, welches den Verdampfer 7 durchströmende Luft in den Fahrzeuginnen­ raum des Kraftfahrzeuges fördert. Bei diesem Wärmeaustausch verdampft das Kältemittel und entzieht der vorbeiströmenden Luft Wärme. Eine unterhalb des Verdampfers 7 angeordnete Auffangschale 9 nimmt die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit auf, da der Abkühlvorgang zwangsläufig mit einer Entfeuchtung verbunden ist.

Unmittelbar am Ausgang des Kondensators 3 schließt sich die erfindungs­ gemäße Einrichtung 10 zur Erfassung des Kältemittel-Flüssigkeitsstandes an. Selbstverständlich könnte sie aber auch an anderer geeigneter Stel­ le an oder innerhalb der verschiedenen Aggregate der Klimaanlage 1 an­ geordnet sein. Die hier gewählte Anordnung hat allerdings den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Einrichtung 10 nicht saugseitig vom Kompressor 2 beaufschlagt wird.

Die Einrichtung 10 ist als vergrößerte Einzelteildarstellung in Fig. 2 gezeigt. Sie besteht zunächst aus einem zylinderförmigen Gehäuse 13 mit einem oberen Anschlußstutzen 14 für den Kältemittelzulauf und einem un­ teren Anschlußstutzen 15 für den Austritt des Kältemittels 21. Inner­ halb des zylinderförmigen Gehäuses 13 ist koaxial zu diesem (gemeinsame Längsachse 17) ein im Querschnitt kleineres weiteres zylinderförmiges Gehäuse 16 angeordnet. Dessen Gehäusewand ist mit Bohrungen 18 für den Durchtritt des Kältemittels 21 versehen.

Innerhalb des zylinderförmigen Gehäuses 16 ist ein Steg 19 eingesetzt und mit der Gehäusewand verbunden. Dieser Steg 19 dient einer oberen Stirnfläche 20 eines einen Schwimmerkörper 23 bildenen Faltenbalges als Anlagefläche. Vorzugsweise wird für den Schwimmerkörper 23 ein metalli­ scher Werkstoff gewählt, wobei für den Balg ein geeignetes Wellrohr verwendet werden kann.

Nachdem sich nach dem Abschalten der Klimaanlage 1 innerhalb des Ge­ samtsystems ein Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht eingestellt hat, er­ gibt sich innerhalb der Einrichtung 10 ein durch eine Markierung 24 angedeuteter Flüssigkeitsstand des Kältemittels 21. Der mit einem einen höheren Dampfdruck aufweisenden Arbeitsmedium 26 gefüllte Schwimmerkörper 23 taucht aufgrund seines Eigengewichtes etwas in das Kältemittel 21 hinein, ohne daß allerdings der Kontakt der Stirnfläche 20 mit dem Steg 19 verlorengeht.

In Fig. 3 ist das innere zylinderförmige Gehäuse 16 mit dem Steg 19 so­ wie dem Schwimmerkörper 23 nochmals dargestellt. Während in Fig. 2 bei­ spielsweise die Verhältnisse bei einer Kältemitteltemperatur von 0° ge­ zeigt sind, entspricht die Darstellung nach Fig. 3 den Verhältnissen bei einer Kältemitteltemperatur von 40°C. Dabei hat sich, wie aus der Markierung 24 ersichtlich wird, der Kältemittel-Flüssigkeitsstand ab­ gesenkt, während sich andererseits durch die sich im Medium 26 einstel­ lenden Druckverhältnisse der Schwimmerkörper 23 gelängt hat. Dies in einem Ausmaß, daß trotz des abgesenkten Kältemittel-Flüssigkeitsstandes die obere Stirnfläche 20 des Schwimmerkörpers 23 nach wie vor am Steg 19 anliegt.

Um durch die Längung des Schwimmerkörpers 23 die bei einer Temperatur­ erhöhung im System sich ergebende Absenkung des Kältemittel-Flüssig­ keitsstandes zu kompensieren, bedarf es der Abstimmung hinsichtlich verschiedener Kriterien. Zunächst muß der Anbringungsort des Bundes 19 mit der Menge des in die Klimaanlage 1 einzufüllenden Kältemittels 21 abgestimmt werden. Darüber hinaus ist auch das den höheren Dampfdruck aufweisende und im Schwimmerkörper 23 sich befindende Arbeitsmedium 26 auf das verwendete Kältemittel 21 abzustimmen. Ebenso ist bei der Werkstoffaus­ wahl für das den Faltenbalg bildende Wellrohr zu berücksichtigen, daß dieses aufgrund seiner Federrate der Ausdehnung des Arbeitsmediums 26 einen Widerstand entgegensetzt.

In bezug auf das verwendete Kältemittel 21 Difluordichlormethan (R12) empfiehlt sich für das Arbeitsmedium 26 die Verwendung von Difluormonochlor­ methan (R22), welches ebenfalls üblicherweise als Kältemittel dient.

In Fig. 4 sind auszugsweise die Dampfdruckkurven von R12 und R22 dar­ gestellt. Auf der Abszisse ist die jeweilige Kältemittel-Temperatur, auf der Ordinate der zugehörige Dampfdruck angegeben. Es ergibt sich bei 0°C (entsprechend der Darstellung nach Fig. 2) ein Dampfdruck des Kältemittels R12 von 3,14 bar, während der Dampfdruck von R22 etwa 4,98 bar ist. Die Verhältnisse bei 40°C (entsprechend der Darstellung nach Fig. 3) sind dergestalt, daß der Dampfdruck des Kältemittels R12 bei 9,75 bar zu liegen kommt, während der Dampfdruck von R22 etwa 15, 29 bar beträgt. Die untere Kurve gibt den Differenzdruck Δρ wieder.

Sollte die Erfassung des Flüssigkeitsstandes bei noch höherer Kälte­ mitteltemperatur vorgenommen werden, so wird zwangsläufig der Kälte­ mittel-Flüssigkeitsstand weiter absinken. Gleichzeitig wird der Schwimmerkörper 23 nur eine begrenzte weitere Längung erfahren können. Entsprechend diesen Vorgaben bzw. Betriebsbedingungen wird eine obere Grenz-Kältemitteltemperatur vorliegen, bei der noch eine Erfassung des Kältemittel-Flüssigkeitsstandes mit hinreichender Genauigkeit erfolgen kann. Sollte sich allerdings innerhalb dieses Erfassungsbereiches die obere Stirnfläche 20 des Schwimmerkörpers 23 vom Steg 19 lösen, der Schwimmerkörper 23 also absinken, so ist dies ein eindeutiges Indiz für eine Leckage in der Klimaanlage 1.

Das Erfassen der Position des Schwimmerkörpers 23 kann auf mannigfalti­ ge Weise geschehen.

Gemäß einer Ausführungsform ist auf seine obere Stirnfläche 20 ein länglicher, kegelförmiger Dorn 27 aufgesetzt, der durch eine zentrische Bohrung 28 des Steges 19 hindurchragt. Der Dorn 27 ist mit einer Werte­ skala 29 versehen, die durch ein in jedes Gehäuse 13,16 eingebrachtes Schauglas 30, 31 beobachtbar ist. Das innere Schauglas 31 ist mit einer Referenz-Markierung 32 versehen.

Eine andere Möglichkeit wäre, in den Steg 19 eine Spule einzusetzen. Besteht der kegelförmige Dorn 27 aus Eisen oder einem anderen ferro­ magnetischen Werkstoff, so hat dies einen Einfluß auf den magnetischen Fluß und damit auf die Kraftflußdichte des Spulenfeldes. Da die Größe dieses Einflusses wiederum abhängig ist von der Dicke bzw. vom Durch­ messer des die Spule durchdringenden magnetischen Werkstoffes, ergibt sich je nach Eintauchtiefe des kegelförmigen Dornes 27 eine entspre­ chende Änderung des magnetischen Flusses bzw. der Kraftflußdichte, was problemlos meßtechnisch erfaßbar ist. Dies könnte dann auch über geeig­ nete Anzeigeelemente z. B. an der Armaturentafel eines Kraftfahrzeuges angezeigt werden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Erfassung des Kältemittel-Flüssigkeitsstandes einer Kälte- oder Wärmepumpenanlage, mit einem geschlossenen, hohlen Schwimmerkörper, der mit seinem unteren Teil vertikal in die flüssige Phase des Kältemittels der Kälte- oder Wärmepumpenanlage eintaucht und den Pegelstand des flüssigen Kältemittels erfaßt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Schwimmerkörper (23) mit einem Arbeitsmedium (26) gefüllt ist, dessen Dampfdruck innerhalb der zulässigen Arbeitstemperaturen stets oberhalb des Dampfdruckes des verwendeten Kältemittels (21) bleibt, und
• - daß der Schwimmerkörper (23) in seiner vertikalen Länge temperaturabhängig derart volumenveränderlich ausgebildet und das Arbeitsmedium (26) derart gewählt ist, daß innerhalb der zulässigen Arbeitstemperaturen eine temperaturbedingte Höhenänderung des Pegelstandes durch eine entgegengerichtete Längenänderung des Schwimmerkörpers (23) gerade ausgeglichen wird und die Oberseite des Schwimmerkörpers (23) innerhalb der zulässigen Arbeitstemperaturen somit stets in einer gleichbleibenden Absoluthöhe verbleibt und ein Absinken dieser Oberseite unter diese Absoluthöhe einen Kältemittelverlust der Kälte- oder Wärmepumpenanlage anzeigt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmerkörper (23) als zylinderförmiger, vorzugsweise metallischer Faltenbalg ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel (21) Difluordichlormethan und als Arbeitsmedium (26) Difluormonochlormethan gewählt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmerkörper (23) von einem zylinderförmigen Gehäuse (16) koaxial umgeben ist und dieses seinerseits von einem äußeren Gehäuse (13) koaxial umgeben ist, wobei das innere Gehäuse (16) eine Anzahl von Bohrungen (18) für den Durchfluß des flüssigen Kältemittels (21) zu dem Schwimmerkörper (23) und das äußere Gehäuse (13) zwei Anschlußstutzen (14, 15) für den Zulauf und Ablauf des flüssigen Kältemittels (21) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere zylinderförmige Gehäuse (16) einen an seiner Innenseite umlaufenden Steg (19) mit Zentralöffnung (28) für den Anschlag einer oberen Stirnfläche (20) des Schwimmerkörpers (23) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Stirnfläche (20) des Schwimmerkörpers (23) einen kegelförmigen Dorn (27) trägt, der durch die Zentralöffnung (28) des Steges (19) vertikal nach oben hindurchragt und mit einer Werteskala (29) versehen ist, die durch Schaugläser (30, 31) in den Gehäusen (13, 16) ablesbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (19) eine Spule aufnimmt und der die Zentralöffnung (28) vertikal durchdringende Dorn (27) aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Werkstoff besteht.