-
Die
Erfindung betrifft einen Kühlfluidkreislauf,
insbesondere für
eine Klimaanlage für
den Fahrgastraum eines Fahrzeugs, mit einem Kompressor, der geeignet
ist, den Druck des Fluids im gasförmigen Zustand zu erhöhen, einem
Kondensator, der geeignet ist, das durch den Kompressor komprimierte Fluid
zu kondensieren und es im flüssigen
Zustand zu unterkühlen,
einem Abscheidereservoir, das geeignet ist, das Restgas des vom
Kondensator kommenden Fluids im flüssigen Zustand abzutrennen,
einem Druckminderer, der geeignet ist, den Druck des aus dem Reservoir
austretenden Fluids abzusenken, und einem Verdampfer, der geeignet
ist, das von dem Druckminderer kommende Fluid vor seiner Rückkehr in
den Kompressor vom flüssigen
Zustand in den gasförmigen
Zustand übergehen
zu lassen.
-
1 ist
ein Diagramm, das einen thermodynamischen Zyklus wiedergibt, den
das Kühlfluid
in einem Klimaanlagenkreislauf durchläuft und der in einem Enthalpie/Druck-Koordinatensystem
aufgezeichnet ist. In diesem System umhüllt eine glockenförmige Kurve
L einen Koexistenzbereich zwischen Flüssigkeit und Gas, wobei das
Fluid links von der linken Flanke der Kurve (geringe Enthalpie)
gänzlich
im flüssigen
Zustand und rechts von der rechten Flanke (hohe Enthalpie) gänzlich im
gasförmigen
Zustand vorliegt.
-
Der
Zyklus hat im Wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Trapezes
mit horizontalen Basen. Von einem Punkt A, der im gasförmigen Bereich
liegt, bringt der Kompressor das Fluid im gasförmigen Zustand zu einem Punkt
B, der einer Enthalpie und einem Druck entspricht, die höher als
diejenigen des Punktes A sind. Im Kondensator durchläuft das
Fluid ein horizontales Segment vom Punkt B zu einem Punkt E, der
im flüssigen
Bereich liegt, und durchquert die rechte und linke Flanke der Kurve
L an Punkten C beziehungsweise D. Die Segmente BC, CD und DE entsprechen
einer Überhitzung
des gasförmigen
Fluids, der Kondensation beziehungsweise einer Unterkühlung des
Fluids im flüssigen
Zustand. Am Eingang des Verdampfers befindet sich das Fluid an einem
Punkt G, der in dem Flüssigkeit/Gas-Bereich liegt, der
dem gleichen Enthalpiewert wie der Punkt E und dem gleichen Druckwert
wie der Punkt A entspricht. Im Verdampfer wird das Fluid auf den Punkt
A gebracht, indem bei H die rechte Flanke der Kurve L durchquert
wird.
-
Bei
den bekannten Kühlfluidkreisläufen des obigen
Typs tritt das Fluid am Punkt E des thermodynamischen Zyklus durch
das Abscheidereservoir und durchläuft im Druckminderer das Segment
EG. Da der Punkt E im flüssigen
Bereich liegt, wird das Reservoir dann ganz mit Flüssigkeit
gefüllt,
und die Fluidmenge, die es einschließt, kann nicht variieren. Wenn
die Gesamtmasse des in dem Kreislauf enthaltenen Kühlfluids
abnimmt, insbesondere wegen Leckagen aus dem Kreislauf, erfolgt
diese Abnahme insbesondere auf Kosten des Kondensators, dessen Unterkühlungskapazität auf diese
Weise reduziert wird; dies bewirkt, dass der Enthalpiepegel des
Fluids am Ausgang des Kondensators und am Eingang des Verdampfers
wieder angehoben wird und folglich die durch das Fluid in dem Verdampfer
absorbierte Wärmeleistung
reduziert wird.
-
Eine
Lösung
für dieses
Problem besteht darin, von der obigen Architektur abzuweichen, indem das
Abscheidereservoir zwischen ein Kondensationsteil und ein Unterkühlungsteil
des Kondensators eingefügt
wird, so dass der thermodynamische Zustand des Fluids im Reservoir
dem Punkt D des Zyklus entspricht, der auf der Sättigungskurve liegt; dies ermöglicht es,
dass das Reservoir eine in Abhängigkeit
von der Fluidgesamtmasse in der Leitung variable Fluidmenge enthält.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, das gleiche Resultat in einem
Kreislauf zu erhalten, wie er in der Einleitung definiert wurde.
-
Hierzu
sieht die Erfindung vor, dass der Kühlfluidkreislauf außerdem eine
Vordruckmindervorrichtung umfasst, die zwischen dem Kondensator
und dem Reservoir eingefügt
ist und in der Lage ist, den Druck des Fluids bis auf seinen Sättigungsdampfdruck
abzusenken.
-
Die
Verwendung eines Kühlfluidkreislaufs nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Dokument US-A-4 742
694 bekannt. Im Vergleich zu diesem Dokument ist die Erfindung durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
-
Die
Vordruckmindervorrichtung bringt das Fluid aus dem thermodynamischen
Zustand, der dem Punkt E entspricht, in denjenigen, der dem Punkt
F entspricht, der von neuem auf der Sättigungskurve liegt; dies ist
der Zustand, in dem sich folglich das in dem Abscheidereservoir
enthaltene Fluid befindet. Der Druckminderer bringt dann das Fluid
von dem Punkt F zum Punkt G.
-
Man
beachte, dass die Verwendung des erfindungsgemäßen Kreislaufs es verhindert,
dass der Punkt, der den thermodynamischen Zustand des in dem Reservoir
enthaltenen Fluids repräsentiert,
in den flüssigen
Bereich eindringt. Falls er nämlich
dazu neigt, dies zu tun, ergibt sich eine Erhöhung der Flüssigkeitsmenge im Reservoir
und folglich eine Verminderung der Flüssigkeitsmenge im Kondensator
und eine Begrenzung der Unterkühlung,
wodurch das Segment EG nach rechts verschoben wird und folglich
der Punkt, der den thermodynamischen Zustand des Fluids in dem Reservoir
repräsentiert,
auf die Sättigungskurve
zurückgebracht
wird.
-
Nachstehend
sind komplementäre
oder alternative optionale Merkmale der Erfindung aufgeführt:
- – Der
Kondensator und das Reservoir sind von einander beabstandet, und
die Vordruckmindervorrichtung ist direkt am Ausgang des Kondensators
platziert und mit dem Reservoir durch eine Verbindungsleitung verbunden.
- – Der
Kondensator, die Vordruckmindervorrichtung und das Reservoir sind
voneinander beabstandet angeordnet und untereinander durch Verbindungsleitungen
verbunden.
- – Der
Kondensator und das Reservoir sind voneinander beabstandet und die
Vordruckmindervorrichtung ist direkt am Eingang des Reservoirs platziert
und mit dem Kondensator durch eine Verbindungsleitung verbunden.
- – Der
Kondensator, die Vordruckmindervorrichtung und das Reservoir bilden
eine einstückige Einheit
und die Vordruckmindervorrichtung ist direkt am Ausgang des Kondensators
und am Eingang des Reservoirs platziert.
- – Der
Druckminderer ist ein thermostatischer Druckminderer, der eine in
Abhängigkeit
von dem Zustand des aus dem Verdampfer austretenden Fluids einstellbare
Durchtrittsöffnung
aufweist, und die Vordruckmindervorrichtung, das Reservoir und der
thermostatische Druckminderer bilden eine einstückige Einheit.
- – Die
Vordruckmindervorrichtung besteht aus einer Querschnittsverminderung
im Weg des Fluids zwischen dem Kondensator und dem Reservoir.
- – Die
Vordruckmindervorrichtung besteht aus einem Rückschlagventil, das einen von
der Durchflussmenge des Fluids im wesentlichen unabhängigen Druckabfall
erzeugt.
-
Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
ausführlicher beschrieben
werden, die auf die folgenden beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt:
-
1 ist
ein thermodynamisches Diagramm, das oben bereits erläutert wurde;
-
2 ist
ein Diagramm, das die Variation des durch den Kondensator erzeugten
Unterkühlungsgrads
in Abhängigkeit
von der Fluidmasse in dem erfindungsgemäßen Kreislauf zeigt;
-
3 ist
ein Schema eines erfindungsgemäßen Kühlfluidkreislaufs;
-
die 4 bis 8 sind
schematische Darstellungen, die verschiedene Möglichkeiten für die Implementierung
der Vordruckmindervorrichtung zeigen; und
-
9 ist
eine Schnittansicht einer Vordruckmindervorrichtung in Form eines
austarierten Rückschlagventils.
-
Der
schematisch in 3 dargestellte Kreislauf 1 umfasst
einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, eine
Vordruckmindervorrichtung 4, ein Abscheidereservoir oder
eine "Flasche" 5, einen
Druckminderer 6 und einen Verdampfer 7, die in
dieser Reihenfolge von dem Kühlfluid
durchlaufen werden. Der untere Teil des Reservoirs 5 ist
mit Fluid im flüssigen
Zustand ge füllt,
das in das Reservoir eindringende Gas bleibt über dem Flüssigkeitspegel, und nur Fluid
im flüssigen
Zustand wird unter diesem Pegel entnommen, um zum Druckminderer 6 geleitet
zu werden. In dem Kondensator 3 sind schematisch ein Teil
zur Rückführung der Überhitzung 3-1,
in dem das vom Kompressor kommende Fluid im gasförmigen Zustand bis auf die
Flüssigkeit-Gas-Gleichgewichtstemperatur
gekühlt
wird, ein Kondensationsteil 3-2, in dem das Fluid bei der
Gleichgewichtstemperatur kondensiert wird, und ein Unterkühlungsteil 3-3 gezeigt,
in dem das Fluid im flüssigen
Zustand unter die Gleichgewichtstemperatur gekühlt wird. Der Verdampfer 7 umfasst
ebenso einen Verdampfungsteil 7-1 und einen Überhitzungsteil 7-2.
-
2 liefert
eine Kurve, die die Variation der Differenz ΔT zwischen der Flüssigkeit/Gas-Gleichgewichtstemperatur
im Kondensator (Kondensationstemperatur) und der Temperatur des
Fluids am Ausgang des Kondensators nach dem Unterkühlen in Abhängigkeit
von der Fluidmasse m wiedergibt, die in einem erfindungsgemäßen Kreislauf
enthalten ist. Diese Kurve wird von einem ersten, bis zu einem Wert
m1 ansteigenden Abschnitt, einem zweiten
horizontalen Abschnitt von ml bis m2 und
einem dritten ansteigenden Abschnitt jenseits von m2 gebildet.
Die Stufe wird durch die Variation der in dem Reservoir 5 enthaltenen
Fluidmenge erhalten, wobei die Werte ml und m2 dem
minimalen beziehungsweise maximalen Flüssigkeitspegel darin entsprechen.
Der Unterkühlungsgrad
und folglich die Leistungen des Kreislaufs bleiben im Wesentlichen
konstant, bis die Lecks die Fluidmasse auf ml zurückführen. Die
anfängliche
Fluidmasse wird vorzugsweise in der Nachbarschaft von m2 so
gewählt,
dass die Dauer stabilen Betriebs so lang wie möglich ist. Die Länge der
Stufe ist selbst eine Funktion der Kapazität der Flüssigkeit/Gas-Trennung und des
Volumens des Reservoirs.
-
Für den weiter
oben beschriebenen, bekannten Kreislauf, in dem der thermodynamische
Zustand des Fluids in dem Abscheidereservoir dem Punkt E des Zyklus
entspricht, existiert die Stufe der Kurve von 2 nicht,
und der Unterkühlungsgrad
variiert kontinuierlich mit der Fluidmenge.
-
Die
Vordruckmindervorrichtung ist im Sinne eines Beispiels in Form einer
Blende 4-1 dargestellt, die quer zur Bahn des Fluids angeordnet
ist und eine Öffnung 4-2 aufweist.
Diese Blende kann durch ein Rohrstück ersetzt werden, das einen
Innendurchmesser aufweist, der relativ zu dem Rohr, das das Reservoir 5 und
den Druckminderer 6 verbindet, reduziert ist, zum Beispiel
einen Durchmesser von 2 bis 3 mm anstelle von 6 mm.
-
Wie 3 schematisch
zeigt, können
der Kondensator 3, die Vordruckmindervorrichtung 4 und das
Reservoir 5 voneinander beabstandet angeordnet werden und
durch Verbindungsleitungen untereinander verbunden sein.
-
4 zeigt
als Variante einen Kondensator 3, in dessen Ausgang die
Vordruckmindervorrichtung 4 integriert ist, wobei der Eingang
des Kondensators und der Ausgang der Vordruckmindervorrichtung 4 jeweils
durch nicht dargestellte Leitungen 11 und 12 mit
dem Kompressor und dem Reservoir verbunden sind.
-
5 gibt
eine einteilige Einheit wieder, die von einem Kondensator 3,
einem Abscheidereservoir 5 und einer Vordruckmindervorrichtung 4 gebildet wird,
die direkt am Ausgang des Kondensators und an dem Eingang des Reservoirs
angeschlossen sind.
-
Im
Ausführungsbeispiel
von 6 ist die Vordruckmindervorrichtung 4 am
Eingang des Abscheidereservoirs 5 integriert. Der Eingang 13 der Vordruckmindervorrichtung
und der Ausgang 14 des Reservoirs können mit dem Kondensator und
dem Druckminderer, die nicht dargestellt sind, durch jeweilige Leitungen
verbunden sein.
-
Die 7 und 8 zeigen
schematisch in einer vertikalen Schnittansicht beziehungsweise einer
Draufsicht eine einstückige
Einheit, die eine Vordruckmindervorrichtung 4, ein Abscheidereservoir 5 und
einen thermostatischen Druckminderer 6 umfasst. Der thermostatische
Druckminderer 6 umfasst bekannterweise eine Entspannungskammer 6-1 und Steuerkammer 6-2,
die von dem Fluid auf seiner Bahn vom Reservoir 5 zum Verdampfer 7 beziehungsweise
auf seiner Bahn vom Verdampfer zum Kompressor durchquert werden,
wobei die in der Entspannungskammer 6-1 durchgeführte Entspannungswirkung
in Abhängigkeit
von der Temperatur und/oder dem Druck des Fluids in der Kammer 6-2 geregelt
wird. In dem dargestellten Beispiel sind die Vordruckmindervorrichtung 4 und
der Druckminderer 6 in einem Block 15 integriert,
der das Innenvolumen des Reservoirs 5 nach oben begrenzt.
Der Ausgang der Vordruckmindervorrichtung und der Eingang der Entspannungskammer 6-1 verschmelzen
jeweils mit dem Eingang und dem Ausgang des Reservoirs 5.
-
In
jeder der 5 bis 7 ist ein
Fluidvolumen im flüssigen
Zustand 16 zu sehen, das den unteren Teil des Reservoirs 5 einnimmt,
und ein filterndes und trocknendes Element 17, das über dem
Flüssigkeitspegel
angeordnet ist. In 5 befinden sich der Eingang
und der Ausgang des Reservoirs im unteren Teil. Das in das Reservoir
eintretende Fluid wird durch ein Rohr 18 bis über den
Filter 17 geleitet, den die Flüssigkeit von oben nach unten
durchqueren muss, um sich am Boden des Reservoirs zu sammeln und
daraus direkt durch den unteren Ausgang auszutreten. In den 6 und 7 sind
der Eingang und der Ausgang im oberen Teil angeordnet. Das Fluid
dringt direkt in den Raum ein, der über dem Filter 17 angeordnet
ist, und die Flüssigkeit
wird durch ein Rohr 19 vom unteren Teil zum oberen Ausgang
geleitet. Der Eingang und der Ausgang können allgemein an beliebigen
Orten des Abscheidereservoirs angeordnet sein, vorausgesetzt, dass
das Fluid über
dem Filter 17 frei gegeben wird und unter dem Pegel der
Flüssigkeit 16 entnommen
wird.
-
Der
durch den schematisch in 3 veranschaulichte und durch
die Vordruckmindervorrichtung mit Blende erzeugte Druckverlust ist
eine mit dem Fluiddurchfluss zunehmende Funktion. Wenn man einen
konstanten Druckverlust wünscht,
kann man eine Vordruckmindervorrichtung übernehmen, die eine Durchtrittsöffnung aufweist,
die eine mit dem Durchfluss zunehmende Funktion ist, wie diejenige, die
in 9 dargestellt ist. Diese Vorrichtung 20 umfasst
eine Kugel 21, die durch eine Schraubenfeder 23 in
einen Sitz 22 gepresst wird, um den Durchtritt des Fluids
zu verschließen.
Der Fluiddruck zielt darauf, die Kugel aus ihrem Sitz zu drängen, indem
die Feder 23 zusammengedrückt wird.
-
Die
Vorrichtung von 9 wurde natürlich nur im Sinne eines Beispiels
beschrieben und kann durch eine beliebige, im Wesentlichen äquivalente Vorrichtung
ersetzt werden.
-
Die
Platzierung der Vordruckmindervorrichtung unmittelbar am Ausgang
des Kondensators und/oder unmittelbar am Eingang des Reservoirs, und/oder
die Anordnung des Druckminderers unmittelbar am Ausgang des Reservoirs,
wie sie in Bezug auf die 4 bis 8 beschrieben
wurden, sind insofern vorteilhaft, als sie die Montage des Kreislaufs vereinfachen
und die Zahl der vorzusehenden dichten Anschlüsse vermindern.