DE4337177A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Befüllung und/oder Wartung von Klimaanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befüllung und/oder Wartung von Klimaanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, die mit relativ umweltverträglichem Kältemit­ tel, insbesondere mit R134a betrieben werden und bei dem wäh­ rend der Befüllung und/oder Wartung eingetretene Luft bei Über­ schreitung eines gewissen Partialdruckes im Wartungsgerät an die Umgebung abgegeben wird.

Aus der DE-OS 39 14 252 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur umweltschonenden Wartung von Kraftfahrzeugklimaanlagen be­ kannt, mit dem es möglich ist, umweltverträgliche Kältemittel, wie sie heute eingesetzt werden, aus dem Kältemittelkreislauf zu entnehmen, zu reinigen und wieder dem Kreislauf zuzuführen. Bei diesen bekannten Einrichtungen, wie sie auch von der Anmel­ derin unter dem Namen "SECU-Gerät" vertrieben werden, tritt jedoch der Nachteil auf, daß bedingt durch Undichtheiten in den Leitungsführungen und/oder -anschlüssen sich das Kältemittel immer mit etwas Luft vermischt, die von Zeit zu Zeit aus dem Gerät wieder entfernt werden muß, um die Funktionsfähigkeit der Wartungseinrichtung zu gewährleisten.

Man hat dies bisher dadurch durchgeführt, daß man das Kälte­ mittel/Luftgemisch auf etwa -25°C abkühlt, so daß ein Großteil des Kältemittels, beispielsweise des heute verwendeten R134a, kondensiert und in flüssigem Zustand abgeschöpft werden kann. Es verbleibt aber ein Rest von gasförmigem Kältemittel, der mit Luft vermischt ist und der anschließend in die Umgebung abge­ geben werden muß. Die Menge des in die Umgebung abgegebenen Kältemittels könnte zwar niedriger gehalten werden, wenn das Kältemittel/Luftgemisch auf tiefere Temperaturen abgekühlt wird, ein solcher Vorgang ist aber wirtschaftlich nicht durch­ führbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem Kältemittel und Luft wesentlich besser getrennt werden können, so daß der Verlust an Kältemittel geringer bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Ver­ fahren, ausgehend von den eingangs erwähnten Verfahrens­ schritten darin, daß das Kältemittel/Luftgemisch zur Adsorption des Kältemittels, insbesondere des R134a, zunächst mit Zeolith in Berührung gebracht, die Luft abgesaugt und dann das Kälte­ mittel aus dem Zeolith zurückgewonnen wird. Dabei nutzt die Er­ findung die Eigenschaft von Zeolith, die polaren Moleküle des Kältemittels, insbesondere von R134a, aufgrund der vorhandenen Anionen anzuziehen und R134a zu adsorbieren, während die nicht­ polaren Moleküle der Luft, die im wesentlichen aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, nicht adsorbiert werden. Nach der Ab­ sorption kann daher der Luftanteil abgesaugt werden, wobei der noch dampfförmig verbliebene Anteil des Kältemittels nur noch einen Bruchteil der Kältemittelmenge beträgt, die bei einer Ab­ kühlung auf -25° zwangsläufig noch in dem verbleibenden Kälte­ mittel/Luftgemisch vorhanden ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Kältemittel/Luftgemisch in eine Schüttung aus Zeolithmaterial strömen, dort bis zur Ad­ sorption des R134a verbleiben und erst dann die Luft abgesaugt werden. Ein solcher diskontinuierlich durchzuführender Prozeß stellt mehr Zeit für die Adsorption zur Verfügung, so daß eine möglichst große Menge von R134a auch im Zeolith aufgenommen wird. Man könnte dies unter Umständen auch in einem kontinuier­ lichen Verfahren erreichen, wenn der Strömungsweg des Kälte­ mittel/Luftgemisches durch die Zeolith-Schüttung lange genug ist.

Zur Rückgewinnung des R134a wird das Zeolith-Material aufge­ heizt und es wird zweckmäßig vor einer erneuten Adsorption wie­ der auf die ursprüngliche Temperatur zurückgekühlt. Dabei soll als Adsorbens ein chemisch bis zu einer Temperatur von etwa 200°C gegenüber R134a beständiger Zeolith verwendet werden. Die zur Desorption des R134a erfolgende Aufheizung wird zweck­ mäßigerweise etwa bis 170°C durchgeführt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens kann in einfacher Weise nach Anspruch 6 dadurch gewonnen werden, daß ein mit dem Zeolithmaterial gefüllter Behälter vor­ gesehen wird, der über je ein Ventil mit dem oberen, die dampf­ förmige Phase enthaltenden Bereich eines für die Befüllung einer Klimaanlage dienenden Zylinders, mit der Umgebung und mit einem an dem Zylinder angeschlossenen Verdichter mit nachge­ schaltetem Kondensator in Verbindung steht. Eine solche Vor­ richtung läßt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu. Dabei kann der Behälter über eine Vakuumpumpe an die Um­ gebung angeschlossen sein, die für eine gründliche Absaugung der nicht adsorbierten Luft sorgt. Sinnvoll kann es auch sein, den Behälter zur Umgebung hin zusätzlich mit einem Überdruck­ ventil auszustatten, das zwar das Ausströmen der nach der Adsorption noch verbliebenen Luft (mit einem sehr niedrigen Restbestandteil des Kältemittels) bei Überschreiten eines gewissen Druckes zuläßt, jedoch nicht das Zurückströmen von Umgebungsluft in den Absorptionsbehälter erlaubt.

Der Behälter wird zweckmäßig heiz- und kühlbar ausgebildet und er kann schließlich auch das Zeolithmaterial in einer Wärme­ tauscherschlange enthalten, die in einem vom Heiz- oder Kühl­ medium durchströmten Raum angeordnet ist. Mit diesen Merk­ malen läßt sich der Behälter zur Desorption des zunächst bei etwa Raumtemperatur adsorbierten R134a auf die vorher erwähnten ca. 170° aufheizen und für einen erneuten Adsorptionsvorgang auch wieder zurückkühlen. Voraussetzung ist, daß jeweils ein entsprechendes Heizmedium, beispielsweise Dampf oder heiße Luft, und ein Kühlmedium, z. B. Kühlluft, zur Verfügung stehen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 ein Diagramm, daß das Dampfdruckverhalten eines Kältemittels ohne Adsorption und im Zustand der Ad­ sorption in Zeolith zeigt.

In der Fig. 1 ist ein Behälter 1 gezeigt, der in der Art eines Wärmetauschers ausgebildet ist und ein von einem Wärme­ tauschmedium im Sinne der Pfeile 2 durchströmbares Gehäuse aufweist. In dem Gehäuse sind hintereinander geschaltete Behälter 3 angeordnet, die mit schüttfähigem Zeolith gefüllt sind. Als Zeolith haben sich dabei solche Materialien als geeignet erwiesen, die chemisch stabil gegenüber dem in der Regel verwendeten Kältemittel 134a sind und ihrerseits das Kältemittel chemisch nicht verändern. Solche Zeolithe werden beispielsweise unter der Bezeichnung Baylith WE 894/WE 884 oder KE 154 von der Firma Bayer in Leverkusen geliefert.

Der Eintritt der seriell miteinander verbundenen Behälter 3 ist mit einer Leitung 4 verbunden, in der ein Ventil V1 angeordnet ist. Diese Leitung führt in einen Bereich 5a eines Zylinders 5, welcher der Füllzylinder eines vorher erwähnten SECU-Wartungsgerätes sein kann. Der Füllzylinder 5 enthält in seinem oberen Bereich 5a Kältemittel R134a in dampfförmiger Phase und in seinem unteren, unterhalb der schematisch angedeu­ teten Niveaulinie 5′ liegenden Bereich 5b, das Kältemittel R134a in flüssiger Phase. Die bei Wartungsarbeiten unvermeidbar eindringend Luft sammelt sich in der Gasphase im oberen Bereich 5a des Füllzylinders 5 und führt zu einer unerwünschten Druckerhöhung im Zylinder 5, die die Funktionsfähigkeit des Wartungsgerätes beeinträchtigen kann.

Das nicht mit der Leitung 4 verbundene Ende der miteinander verbundenen Behälter 3, steht mit einem Leitungsstück 6 in Verbindung, das sich in zwei Leitungsteile 7 und 8 ver­ zweigt, wobei der Leitungsteil 7, der im Sinn des Pfeiles 9 in die Umgebung führt, zum einen ein Ventil V2 und hinter diesem Ventil eine Vakuumpumpe 10 enthält. Der andere Lei­ tungsteil 8 ist ebenfalls mit einem Ventil V3 und mit einem dem Bereich 5b des Füllzylinders 5 vorgeschalteten Kom­ pressor 11 und Kondensator 11a versehen.

Ist daher Luft beim Absaugen von Klimaanlagen mit Hilfe eines bekannten SECU-Gerätes in dieses gelangt, dann herrscht dadurch im Füllzylinder 5 bezogen auf den Kältemitteldampfdruck ein Überdruck der 100 kPa deutlich überschreiten kann. Wird daher das Ventil V1 in der Leitung 4 kurzzeitig geöffnet, dann strömt ein Teil des im Bereich 5a in dampfförmiger Phase vor­ handenen und mit Luft vermengten Kältemitteldampf/Luftgemisches in die Behälter 3. Die beiden Ventile V2 und V3 sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen. Das Kältemittel R134a wird dabei von dem in den Behältern 3 befindlichen Zeolith adsorbiert, während die Luft freibleibt und daher nach dem Öffnen des Ven­ tiles V2 durch kurzzeitige Inbetriebnahme der Vakuumpumpe 10 an die Umgebung abgegeben werden kann. Da der Umgebungs­ druck nach der Adsorption des R134a höher ist als der Partial­ druck der Luft in den Behältern 3, ist dieser Einsatz der Vakuumpumpe erforderlich.

Ist die Luft abgeführt, die nur noch geringfügige Mengen an R134a enthält, dann kann das Ventil V2 geschlossen werden. Der Behälter 1 wird dann durch Heizelemente 13′ die sich in wärmeleitendem Kontakt mit den Behältern 3 befinden, auf eine Temperatur von etwa 170°C aufgeheizt. Dabei verdampft das im Zeolith adsorbierte Kältemittel und, sobald ein Druck von etwa 100 kPa (1 bar) erreicht ist, saugt der Kompressor 11 das dampfförmige Kältemittel ab und führt es über einen Kondensator 11a in den Füllzylinder 5 zurück.

Im Füllzylinder 5 kann so der Luftpartialdruck immer wieder auf ein tolerierbares Niveau abgesenkt werden, ohne daß hierbei nennenswerte Mengen von Kältemittel an die Atmosphäre entwei­ chen.

Um den Zeolith-Behälter nach der Desorptionsphase zur erneuten Aufnahme von Kältemittel zu konditionieren, muß er mit Hilfe eines durch die Pfeile 2 symbolisierten Stromes eines Kühl­ mediums wieder auf nahezu Umgebungstemperatur abgekühlt werden.

Vorteilhafterweise wird der Behälter 1 bzw. die miteinander verbundenen - die Zeolith-Schüttung enthaltenden - Behälter 3 so dimensioniert, daß der Vorgang des Abblasens von Kälte­ mittel-Luftgemisch aus dem Füllzylinder 5 in die Zeolith-Be­ hälter mehrmals hintereinander erfolgen kann, ohne daß der Zeo­ lith jedesmal wieder regeneriert werden muß. Da hierbei jedoch der Partialdruck der Luft in den Behältern 3 immer weiter an­ steigt, kann es sinnvoll sein, wie in Fig. 1 dargestellt, die Behälter 3 austrittsseitig mit einem Überdruckventil zu ver­ sehen, welches bei wesentlicher Überschreitung eines vorgege­ benen Druckes von z. B. 1,5 bar, das aus fast reiner Luft be­ stehende Gasgemisch an die Umgebung abgibt, auch ohne daß das Ventil V2 geöffnet und die Vakuumpumpe in Betrieb genommen werden muß. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die relativ zeitaufwendigen Prozesse der Desorption durch Aufheizen der Zeolith-Behälter auf ca. 170°C und Wiederabkühlung auf Um­ gebungstemperatur in der Nacht oder am Wochenende erfolgen können.

Erwähnt werden sollte noch, daß sowohl der Kompressor 11 und der Kondensator 11a, als auch die Vakuumpumpe 10 Teil des eingesetzten Wartungsgerätes sein können. Es wird daher nur notwendig, den Füllzylinder 5 des Wartungsgerätes über ent­ sprechende Anschlüsse mit dem mit der Zeolithfüllung versehenen Behälter 1 zu verbinden.

Die Fig. 2 zeigt den Druck des Kältemittels (PKM) in hPa über der Temperatur in °C aufgetragen. Eingetragen ist dabei ge­ strichelt die Dampfdruckkurve des Kältemittels R134a. Diese ge­ strichelte Kurve 18 zeigt, daß man beim Stand der Technik - wie vorher erwähnt - bei einer Abkühlung des Kältemittels auf -25°C einen Dampfdruck etwa im Punkt 19 erreicht. Bei diesem relativ hohen Druck wird eine Dichte von etwa 5,5 kg/m³ Kälte­ mittel erreicht. Diese Kältemittelmenge wird daher auch pro m³ zusammen mit Luft zwangsläufig an die Umgebung abgegeben.

Die Gerade 20 zeigt demgegenüber das Dampfdruckverhalten von R134a in dem in Zeolith adsorbierten Zustand. Man kann ohne weiteres erkennen, wie durch den Pfeil 21 angedeutet, daß sich der Dampfdruck des Kältemittels durch die Adsorption ent­ scheidend verringert hat. Er liegt bei ca. 35°C bei ca. 30 hPa. Bei diesem geringen Druck liegt die Dichte bei 0,155 kg/m³ Kältemittel. Das bedeutet, daß beim Absaugen von Luft über die Vakuumpumpe bei diesem Druck nur eine Restmenge von Kältemittel R134a in die Umgebung gelangt, die um den Faktor 35 kleiner als beim Stand der Technik ist.

Diese Temperatur von 35°C, die im Punkt 22 auf der Dampf­ druckkurve 20 erreicht ist, entsteht dadurch, daß beim Durch­ strömen des Kältemittel/Luftgemisches durch die Zeolithschüt­ tung ein Stoff- und Wärmeaustausch stattfindet. Das Kältemittel wird adsorbiert und es entsteht Wärme, welche die Schüttung von einer Ausgangstemperatur des Luftkältemittelgemisches von etwa 25°C auf 35°C erwärmt. Die in der abgesaugten Luft enthaltene Kältemittelmenge könnte noch weiter erniedrigt werden, wenn man vor dem Absaugen von Luft die Temperatur der Zeolithfüllung noch weiter, beispielsweise auf eine Umgebungstemperatur von 20°C absinken läßt, indem man die Vakuumpumpe z. B. erst unmit­ telbar vor Beginn der Desorptionsphase zur Absaugung der Luft in Betrieb nimmt.

Die dargestellte Dampfdruckkurve 20 stellt eine Isostere bei einer Beladung C des Zeolithes von etwa 0,2 g Kältemittel R134a dar. Diese Restbeladung wird erreicht, wenn der Zeolith auf 170°C erhitzt und der Partialdruck durch Einschalten des Kongressors auf 1 bar begrenzt wird. Eine höhere Aufheizung würde die Gefahr mit sich bringen, daß das bis zu einer Tempe­ ratur von etwa 200°C noch stabile R134a zerfällt.

Die Fig. 2 macht daher deutlich, daß das erfindungsgemäße Ver­ fahren zu einer wesentlichen Verbesserung bei der Abscheidung von Luft aus einem Kältemittel/Luftgemisch führt. Weil die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung sich in einfacher Weise auch mit bereits vorhandenen Wartungsgeräten kombinieren läßt, wie sie beispielsweise in der DE-OS 39 14 252 gezeigt sind, ist durch die Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich bessere und wirtschaftlichere Trennung von Luft und Kältemittel möglich.

Claims (12)

1. Verfahren zur Befüllung und/oder Wartung von Klima­ anlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, die mit relativ umweltverträglichem Kältemittel, insbesondere mit R134a betrie­ ben werden und bei dem während der Befüllung und/oder Wartung eingetretene Luft vor der Wiederverwendung des Kältemittels aus dem Kältemittel/Luftgemisch abgeschieden wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kältemittel/Luftgemisch zur Adsorption von R134a zunächst mit Zeolith in Berührung gebracht, die Luft ab­ gesaugt und dann das R134a aus dem Zeolith zurückgewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel/Luftgemisch in eine Schüttung (12) aus Zeolithmaterial strömt, dort bis zur Adsorption des R134a ver­ bleibt, und daß erst dann die Luft abgesaugt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zeolithmaterial zur Rückgewinnung des R134a aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeolithmaterial vor einer erneuten Adsorption rück­ gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeolith ein chemisch gegenüber R134a beständiger Zeolith verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeolith das Kältemittel R134a bei Temperaturen kleiner als 200°C chemisch nicht verändert.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen mit dem Zeolithmaterial gefüllten Behälter (1), der über je ein Ventil (V1, V2, V3) mit dem oberen, die dampfförmige Phase enthalten­ den Bereich (5a) eines für die Befüllung einer Klimaanlage dienenden Zylinders, mit der Umgebung und mit einem an den unteren, die flüssige Phase enthaltenden Bereich (5b) des Zylinders (5) angeschlossenen Verdichter (11) und Kondensator (11a) in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) über eine Vakuumpumpe (10) an die Umgebung angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) heiz- und/oder kühlbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) das Zeolithmaterial in hintereinander­ geschalteten Behältern (3) enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in direkter wärmeleitender Verbindung mit Heizelementen (13) steht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Behälter (1) ein Kühlgebläse (14) zugeordnet ist.