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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-Öl-Gemisches sowie zum Abkühlen des Öls und zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter und einen in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Verdichter nachgeordneten Wärmeübertrager, eine Vorrichtung zum Abscheiden des Öls sowie einen Wärmeübertrager zum Abkühlen des abgeschiedenen Öls auf.
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Das Öl hat innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mehrere Funktionen. Das Öl dient einerseits dem Schmieren innerhalb des Verdichters angeordneter beweglicher Komponenten und verringert damit die Reibung zwischen den Komponenten, welche insbesondere als Metallteile ausgebildet sind. Damit wird der Verschleiß des Verdichters reduziert. Andererseits werden mittels des Öls die Abdichtung des Verdichters gegenüber der Umgebung sowie die interne Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Kältemittels innerhalb des Verdichters verbessert. Eine weitere Funktion des Öls innerhalb eines Kältemittelkreislaufs besteht darin, die beispielsweise aufgrund der Reibung zwischen den bewegten Komponenten des Verdichters innerhalb des Verdichters erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuführen.
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Obwohl das Öl im Wesentlichen lediglich innerhalb des Verdichters benötigt wird, ist es unvermeidlich, dass das Öl auch innerhalb des Kältemittelkreislaufs zirkuliert. Die Menge des zirkulierenden und umlaufenden Öls hängt dabei von mehreren Faktoren ab. Zu den Faktoren zählen unter anderem das Design beziehungsweise die Konstruktion und Konfiguration des Verdichters sowie der Peripherie, das heißt insbesondere des Kältemittelkreislaufs, das Alter und der Zustand bezüglich des Verschleißes des Verdichters, die Betriebsbedingungen und Systembedingungen und die Mischbarkeit des Öls mit dem Kältemittel.
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In aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen variiert die Zirkulationsrate des Öls zwischen 1 % und 15 % des Massenstroms des Kältemittels. Das Öl des Verdichters, welches mit dem Kältemittel gemeinsam durch den Kältemittelkreislauf zirkuliert, weist verschiedene Wirkungen auf. So verändert es beispielsweise die Qualität sowie die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittel-ÖI-Gemisches. Das Vorhandensein des Öls verringert die Wirksamkeit der Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, da der Wärmeübergang und damit der Wärmedurchgang beeinflusst werden, wenn die Wärmeübertragungsflächen im Inneren des Wärmeübertragers mit einem Ölfilm bedeckt sind, da sich der Ölfilm wie eine zusätzliche Isolierschicht auswirkt.
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Das Öl kann unter Umständen in sogenannten Ölfallen des Kältemittelkreislaufs zurückgehalten werden, welche sich besonders in Bereichen mit geringen Geschwindigkeiten des Kältemittels ausbilden. Das sich in den Ölfallen angesammelte Öl kann, wie eine Flüssigkeitsschwingsäule, plötzlich überlaufen und zum Verdichter zurückströmen. Dabei kann eine Druckwelle erzeugt werden, welche wiederum Flüssigkeitsschläge verursacht.
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Bei Tieftemperaturanwendungen wird die Bewegungsmöglichkeit des Öls innerhalb des Kältemittelkreislaufs aufgrund der höheren Viskosität bei geringen Temperaturen stark eingeschränkt. Der Rückgang des Ölstands innerhalb des Verdichters kann zu mechanischen irreversiblen Schäden des Verdichters führen.
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Das im Wesentlichen inkompressible Öl kühlt sich zudem während eines Vorgangs einer vernachlässigbaren Expansion nicht ab. Das Öl wird mit dem Kältemittel vermischt, wobei das Kältemittel teilweise verdampft. Dabei wird ein Teil der Kälteleistung des Kältemittels, das heißt etwa 8 % bis 10 %, für die Abkühlung des Verdichteröls aufgewendet.
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In der
US 6 058 727 A wird ein Kältemittelkreislauf zum Abkühlen von Luft mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer beschrieben. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen Strömungspfad zum Rückführen des Öls vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters mit einem Ölseparator und einem Ölkühler auf. Das bei der Verdichtung des gasförmigen Kältemittels erwärmte Öl wird vor dem Einlass in den Verdichter abgekühlt. Dabei wird die Wärme vom Öl an das vom Verdichter angesaugte Kältemittel übertragen. Der Ölkühler ist mit einem inneren Wärmeübertrager als eine Wärmeübertragereinheit ausgebildet, wobei die Wärmeübertragereinheit innerhalb eines Akkumulators des Kältemittels angeordnet sein kann.
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Die
US 2010 / 0 251 756 A1 offenbart ebenfalls einen Kältemittelkreislauf zum Abkühlen von Luft mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer sowie einem Strömungspfad zum Rückführen des Öls vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters mit einem Ölseparator und einem Ölkühler. Der Ölkühler ist als Luft-Öl-Wärmeübertrager ausgebildet und in Strömungsrichtung der Luft nach dem Verdampfer angeordnet. Die Wärme wird vom Öl an die beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlte Luft übertragen.
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Aus der
US 6 579 335 B2 geht eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit Komponenten zum Abscheiden von Öl aus dem verdichteten Gas, zum Abkühlen des Öls nach der Verdichtung des Gases und zum Speichern des Öls hervor. Das
Öl wird dem Verdichter mit dem zu verdichtenden gasförmigen Fluid wieder zugeführt. Zum Abkühlen des Öls wird das Öl durch einen Wärmeübertrager geleitet. Dabei wird die Wärme vom Öl an das zu verdichtende gasförmige Fluid übertragen. Anschließend wird das gasförmige Fluid verdichtet.
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Der Ölabscheider, der Ölkühler und der Ölvorratsbehälter sind in einem gemeinsamen Gehäuse integriert angeordnet. Das Öl wird über eine Verbindungsleitung vom Ölvorratsbehälter zum Verdichter geleitet.
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In der
JP 2004 - 308 968 A1 wird ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Gaskühler, mit mehreren Strömungskanälen und Sammelrohren für das Kältemittel offenbart. Die Sammelrohre, welche das Kältemittel auf einer Einlassseite als Teilmassenströme in die Strömungskanäle aufteilen und an einer Auslassseite die Teilmassenströme vermischen, sind jeweils an den Enden der Strömungskanäle angeordnet. Die eingangsseitig angeordneten Sammelrohre sind mit Ölabscheidefunktionen ausgebildet.
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Aus der
KR 10 2009 0 045 473 A geht ein als Kondensator betriebener Wärmeübertrager mit einem Ölabscheidebereich, in welchem ein in den Wärmeübertrager eingeleitetes Kältemittel-ÖI-Gemisch getrennt wird, und einem Ölkühlbereich, welcher aus Rohren ausgebildet ist, hervor. Der Ölabscheidebereich ist durch eine Trennwand abgetrennt in einem ersten Sammelrohr oder einem zweiten Sammelrohr ausgebildet, in welches das Kältemittel-ÖI-Gemisch durch ein Einlassrohr einströmt. Beim Durchströmen der Rohre des Ölkühlbereichs wird das im Ölabscheidebereich vom Kältemittel-Öl-Gemisch abgetrennte Öl abgekühlt.
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In der
JP 2001 - 174 102 A wird eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Ölabscheider zum Trennen eines Öls aus dem Kältemittelgas, welches durch den Verdichter komprimiert wird, einem Kondensator zum Kühlen und Kondensieren des Kältemittelgases, aus welchem das Öl abgetrennt ist, einem Behälter zum Aufnehmen des flüssigen Kältemittels, einem Verdampfer sowie einem Kanal zum Rückführen des abgetrennten Öls vom Ölabscheider zum Verdichter beschrieben Der Kondensator ist mit einem Ölkühler zum Kühlen des abgetrennten Öls ausgebildet.
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In der
JP 2006 - 226 590 A wird ein Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer, welche in der angegebenen Reihenfolge miteinander verbunden sind, offenbart. Der Verdampfer weist an einem Einlass für ein Kältemittel-ÖI-Gemisch ein Einlasssammelrohr auf, welches zum Abscheiden des Öls und mit einem Ölsammelbehälter ausgebildet ist. In einem unteren Bereich des Einlasssammelrohres mündet eine ölführende Verbindungsleitung ein, welche das Einlasssammelrohr mit einem weiteren Sammelrohr des Verdampfers verbindet.
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Bei herkömmlichen Kältemittelkreisläufen wird das Kältemittel-ÖI-Gemisch durch den nach dem Verdichter angeordneten Wärmeübertrager geleitet. Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, das Kältemittel-ÖI-Gemisch nach dem Austritt aus dem Verdichter in einen Anteil Kältemittel und einen Anteil Öl zu trennen. Das abgeschiedene Öl wird anschließend in Wärmeübertragung mit dem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel oder mit der im Verdampfer konditionierten Luft abgekühlt, was die Effizienz des Kältemittelkreislaufs verringert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-ÖI-Gemisches sowie zum Abkühlen des Öls und zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung soll platzsparend sein und einen effizienten sowie sicheren Betrieb des Kältemittelkreislaufs ermöglichen. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, Wartung und Montage der Vorrichtung minimal sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-ÖI-Gemisches sowie zum Abkühlen des Öls und zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Verdichter und einem in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Verdichter nachgeordneten Wärmeübertrager, einer Vorrichtung zum Abscheiden des Öls sowie einem Wärmeübertrager zum Abkühlen des abgeschiedenen Öls ausgebildet.
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Nach der Konzeption der Erfindung weist der Wärmeübertrager einen ersten Bereich zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels und einen zweiten Bereich als Wärmeübertrager zum Abkühlen des Öls auf. Der zweite Bereich des Wärmeübertragers zum Abkühlen des Öls ist dabei als integrale Komponente des Wärmeübertragers ausgebildet. Der Wärmeübertrager weist zudem mindestens zwei Sammelrohre auf.
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Der erste Bereich des Wärmeübertragers der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist Strömungskanäle zum Leiten des Kältemittels und der zweite Bereich des Wärmeübertragers weist Strömungskanäle zum Leiten des Öls auf. Dabei erstrecken sich die Strömungskanäle zwischen den Sammelrohren und werden auf einer Außenseite jeweils von einem wärmeaufnehmenden Fluid umströmt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können das aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch abgeschiedene Öl und das Kältemittel in unterschiedlichen Massenströmen getrennt voneinander abgekühlt werden, wobei die unterschiedlichen Massenströme aus Öl und Kältemittel in einer gemeinsamen Komponente des Kältemittelkreislaufs konditioniert werden. Das Konditionieren des Öls und des Kältemittels erfolgt in zwei voneinander getrennten Bereichen innerhalb des Wärmeübertragers.
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Als treibendes Potenzial zur Abkühlung der beiden Anteile und damit als wärmeaufnehmendes Fluid werden vorteilhaft die Luft der Umgebung oder ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs eingesetzt. Bei der Verwendung des Kältemittelkreislaufs in einem Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs könnte das Kühlmittel beispielsweise innerhalb eines Niedertemperaturkühlmittelkreislaufs oder innerhalb eines Hochtemperaturkühlmittelkreislaufs zirkulieren.
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Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden des Öls ist mit einem Einlass zum Einströmen des Kältemittel-ÖI-Gemisches, einem Prallblech, mindestens einer Kammer und einem J-förmigen Rohr zum Ableiten des Kältemittels ausgebildet. Dabei ist das eine obere Abzweigung, eine untere Abzweigung und die Kammer begrenzende Prallblech senkrecht zur Strömungsrichtung des Kältemittel-ÖI-Gemisches nach dem Einlass ausgerichtet. Die obere Abzweigung mündet in die Kammer ein, wobei die Kammer einen größeren Strömungsquerschnitt als die obere Abzweigung aufweist.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls eine Vorrichtung zum Verschließen einer Verbindungsleitung zum Verdichter auf, sodass der Massenstrom des abgeschiedenen Öls zum Verdichter geregelt werden kann.
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Die regelbare und verschließbare Verbindung zum Verdichter verhindert einen möglichen unerwünschten Bypass zwischen dem hochdruckseitigen Kältemittel am Auslass des Verdichters und dem niederdruckseitigen Kältemittel am Einlass des Verdichters innerhalb der Ölrückführung.
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Die Vorrichtung zum Verschließen der Verbindungsleitung zum Verdichter ist dabei vorteilhaft als Schwimmer ausgebildet.
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Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden des Öls ist ein unterer Teil eines ersten von mindestens zwei Sammelrohren als ein Ölvorratsbehälter ausgebildet. Innerhalb des Ölvorratsbehälters ist ein über ein Führungselement gehaltert angeordneter Schwimmer als Verschlusselement des Ölvorratsbehälters in Richtung einer Verbindungsleitung zum Verdichter vorgesehen. Das Führungselement weist ein Federelement mit einer Federkraft auf, welche den Ölvorratsbehälter verschließend auf den Schwimmer einwirkend ausgebildet ist. Der Schwimmer wirkt bei einem zu geringen Füllstand des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters die Verbindungsleitung verschließend, um einen Kältemittelbypass durch die Vorrichtung von einer Hochdruckseite auf eine Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zu verhindern.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Strömungskanäle des ersten Bereichs des Wärmeübertragers sowie die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers jeweils in einer Ebene angeordnet.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung bilden die Strömungskanäle des ersten Bereichs des Wärmeübertragers und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers eine gemeinsame Ebene aus. Dabei umströmt das wärmeaufnehmende Fluid die Strömungskanäle des ersten Bereichs und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs im Wesentlichen parallel zueinander.
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Unter dem parallelen Umströmen der Außenseiten der Strömungskanäle der unterschiedlichen Bereiche des Wärmeübertragers vom wärmeaufnehmenden Fluid ist zu verstehen, dass die Strömungskanäle des ersten Bereichs und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers unabhängig voneinander, das heißt beispielsweise von unterschiedlichen Teilmassenströmen des wärmeaufnehmenden Fluids, beaufschlagt werden.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung bilden die Strömungskanäle des ersten Bereichs des Wärmeübertragers und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers unterschiedliche Ebenen aus. Die Ebenen sind beabstandet und parallel zueinander angeordnet. Dabei umströmt das wärmeaufnehmende Fluid die Strömungskanäle des ersten Bereichs und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs im Wesentlichen nacheinander.
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Unter dem nacheinander Umströmen der Außenseiten der Strömungskanäle der unterschiedlichen Bereiche des Wärmeübertragers durch das wärmeaufnehmende Fluid ist zu verstehen, dass die Strömungskanäle des ersten Bereichs und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers in Reihe und damit abhängig voneinander beaufschlagt werden. Das wärmeaufnehmende Fluid umströmt als ein Massenstrom dabei zuerst die Strömungskanäle des ersten Bereichs und anschließend die Strömungskanäle des zweiten Bereichs oder umgekehrt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls innerhalb des ersten Sammelrohres des Wärmeübertragers integriert ausgebildet ist. Das erste Sammelrohr weist dabei einen Einlass für das Kältemittel-ÖI-Gemisch auf, sodass die Vorrichtung in Strömungsrichtung des Kältemittel-Öl-Gemisches nach dem Verdichter und vor den unterschiedlichen Bereichen des Wärmeübertragers zur Konditionierung des Öls und des Kältemittels angeordnet ist.
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Das Öl wird folglich innerhalb des Wärmeübertragers mit dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Bereich und dem als Ölkühler betriebenen Bereich aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch abgeschieden.
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Alternativ kann die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls im Kältemittelkreislauf auch außerhalb des Wärmeübertragers, insbesondere zwischen dem Verdichter und dem Einlass des Wärmeübertragers, angeordnet sein.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls als Zyklonabscheider ausgebildet. Dabei strömt das Kältemittel-ÖI-Gemisch tangential in die Vorrichtung ein.
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Die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls ist vorteilhaft mit einer kreiskegelstumpfförmigen Wandung ausgebildet. Dabei weist ein von der Wandung umfänglich umschlossener Bereich einen in Strömungsrichtung zunehmenden oder abnehmenden Strömungsquerschnitt für das zu trennende Kältemittel-ÖI-Gemisch auf.
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Die Wandung kann alternativ auch kreiszylindrisch ausgebildet sein, sodass der von der Wandung umfänglich umschlossene Bereich einen in Strömungsrichtung konstanten Strömungsquerschnitt für das zu trennende Kältemittel-ÖI-Gemisch aufweist.
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Nach einer Weiterbildung der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung zum Abscheiden des Öls mit einem spiralförmig gewundenen Strömungspfad mit einer Steigung ausgebildet. Der Strömungspfad weist abhängig von der Ausbildung der Steigung einen in Strömungsrichtung zunehmenden oder abnehmenden oder konstanten Strömungsquerschnitt für das zu trennende Kältemittel-ÖI-Gemisch auf.
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Die Strömungskanäle des ersten Bereichs des Wärmeübertragers sind zudem bevorzugt als Flachrohre und die Strömungskanäle des zweiten Bereichs des Wärmeübertragers sind als Rippenrohre oder als Flachrohre ausgebildet. Zwischen benachbart angeordneten Flachrohren eines Bereiches sind vorteilhaft Rippen angeordnet.
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Es ist anzumerken, dass der Kältemittelkreislauf sowohl als Komponente einer Kompressionskälteanlage als auch einer Wärmepumpe betrieben werden kann, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl als Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs einer Kompressionskälteanlage als auch eines Wärmepumpensystems, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, einsetzbar ist.
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Die Vorrichtung ist vorteilhaft für verschiedene Kältemittel, wie R134a, R1234yf, R744, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemische, einsetzbar und auf die Kältemittel abstimmbar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zusammenfassend folgende weitere Vorteile auf:
- - Reduzieren des Druckverlustes des Kältemittels beim Durchströmen der Wärmeübertrager, da das Kältemittel und das Öl getrennt voneinander und kein Kältemittel-ÖI-Gemisch durch die Wärmeübertrager strömt, dadurch auch
- - Erhöhen der Effizienz und der Sicherheit beim Betrieb des Systems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, da das Öl beim Durchströmen der Kältemittel-Wärmeübertrager nicht mehr abgekühlt oder erwärmt werden muss,
- - Reduzieren der Kosten für die Herstellung, Wartung und den Betrieb des Kältemittelkreislaufs, da die Menge an Öl optimiert und damit minimiert wird, sowie
- - Reduzieren des Platzbedarfs des gesamten Kältemittelkreislaufs.
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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 jeweils eine Vorrichtung zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-Öl-Gemisches mit einem Wärmeübertrager zum Abkühlen des Öls und zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf sowie mit einer innerhalb eines ersten Sammelrohres des Wärmeübertragers ausgebildeten mechanischen Vorrichtung zum Abscheiden des Öls aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch mit:
- 1: einer mechanischen Vorrichtung zum Abscheiden des Öls mit einem Zyklonabscheider,
- 2: einer mechanischen Vorrichtung zum Abscheiden des Öls mit einem Prallblech und einem J-förmig ausgebildeten Rohr zum Ableiten des Kältemittels sowie
- 3a, 3b, 3c: einem Wärmeübertrager mit unterschiedlichen Bereichen zum Abkühlen des Öls und zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels nach dem Abscheiden des Öls aus dem Kältemittel-Öl-Gemisch.
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Die beiden Anteile aus Kältemittel und Öl des Kältemittel-Öl-Gemisches werden mittels einer Vorrichtung zum Abscheiden mechanisch voneinander getrennt. Das Öl wird aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch abgeschieden, sodass nach der Trennung ein kältemittelreicher Anteil und ein ölreicher Anteil beziehungsweise kältemittelarmer Anteil vorliegen. Der kältemittelreiche Anteil wird in Kurzform auch als Kältemittel und der ölreiche Anteil wird in Kurzform auch als Öl bezeichnet.
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Die mechanische Trennung beruht dabei auf der Trägheitskraft als treibende Kraft, was einen ausreichend großen Dichteunterschied zwischen den aufzutrennenden Komponenten erfordert. Ein ausreichend großer Dichteunterschied zwischen den aufzutrennenden Komponenten Kältemittel und Öl liegt innerhalb eines Kältemittelkreislaufs am Auslass des Verdichters beziehungsweise am Einlass des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers vor.
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Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Die beiden voneinander getrennten Komponenten Kältemittel und Öl, insbesondere der kältemittelreiche Anteil und der ölreiche Anteil, werden jeweils beim Durchströmen des Kondensators/Gaskühlers abgekühlt, wobei die Anteile durch unterschiedliche, voneinander getrennt ausgebildete Bereiche des Wärmeübertragers geleitet werden. Die Bereiche weisen unterschiedliche Dimensionen auf. Der größer dimensionierte Bereich wird von dem kältemittelreichen Anteil und der kleiner dimensionierte Bereich wird von dem ölreichen Anteil durchströmt.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-Öl-Gemisches G eines Kältemittelkreislaufs mit einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 2 zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels und zum Abkühlen des Öls sowie mit einer mechanischen Vorrichtung 3 zum Abscheiden des Öls aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch G, welche innerhalb eines ersten Sammelrohres 4 des Wärmeübertragers 2 integriert ist.
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Die Wärmeübertragungsfläche 5 des Wärmeübertragers 2 ist in zwei unterschiedlich groß dimensionierte Bereiche 7, 8 unterteilt. Durch den ersten, größer dimensionierten Bereich 7 strömt der kältemittelreiche Anteil, wobei das Kältemittel beim Durchströmen des Wärmeübertragers 2 zumindest zum Großteil verflüssigt wird. Durch den zweiten, kleiner dimensionierten Bereich 8 strömt der ölreiche Anteil, welcher beim Durchströmen des Wärmeübertragers 2 abgekühlt wird.
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Die Vorrichtung 3 zum Abscheiden des Öls, auch als Ölabscheider 3 bezeichnet, weist einen Einlass für das Kältemittel-ÖI-Gemisch G auf. Der Einlass ist über eine Verbindungsleitung 9 mit einem nicht dargestellten Verdichter des Kältemittelkreislaufs verbunden. Die Verbindungsleitung 9 entspricht der Druckleitung des Verdichters.
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Das Kältemittel-ÖI-Gemisch G strömt durch die Verbindungsleitung 9 tangential in die Vorrichtung 3 ein. Die Vorrichtung 3 ist im Bereich 12 der Ölabscheidung als Zyklonabscheider mit einer kreiszylindrischen oder kreiskegelstumpfförmigen Wandung 13 ausgebildet. Der von der Wandung 13 umfänglich umschlossene Bereich 12 der Ölabscheidung weist folglich einen zunehmenden, sich verjüngenden oder abnehmenden beziehungsweise einen konstanten Strömungsquerschnitt für das in die Komponenten zu trennende Kältemittel-ÖI-Gemisch G auf. Je nach Ausbildung oder Veränderung des Strömungsquerschnitts wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittel-Öl-Gemisches G beim Durchströmen des Zyklonabsscheiders 12 zunehmend verringert, vergrößert oder erfährt keine Veränderung und bleibt nahezu konstant.
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Im Zentrum des Zyklonabscheiders 12 ist koaxial zur Mittelsachse 14 der Wandung 13 eine kreiszylinderförmige Leitung 15 angeordnet, sodass der Strömungsquerschnitt für das zu trennende Kältemittel-ÖI-Gemisch G einerseits durch die Außenfläche der Leitung 15 und andererseits durch die Wandung 13 begrenzt ist.
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Zwischen der Außenfläche der Leitung 15 und der Wandung 13 ist zudem ein spiralförmig gewundener Strömungspfad 16 ausgebildet. Mit der Ausbildung der Steigung beziehungsweise des Gefälles des Strömungspfads 16 kann wiederum der Strömungsquerschnitt für das zu trennende Kältemittel-Öl-Gemisch G und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches variiert werden. Der Strömungsquerschnitt kann in Strömungsrichtung zunehmen, sich verjüngen oder abnehmen beziehungsweise konstant bleiben.
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Je nach Ausführungsform der Vorrichtung 3 mündet die Verbindungsleitung 9 als Einlass für das Kältemittel-ÖI-Gemisch G in den Zyklonabscheider 12 im oberen Teil, gemäß 1, oder im unteren Teil, was nicht dargestellt ist. Infolge des tangential zur Mittelachse 14 angeordneten Einlasses und der inneren Kontur des Zyklonabscheiders 12 wird das Kältemittel-Öl-Gemisch G in eine zirkulierende Bewegung versetzt. Dabei wird das Kältemittel-ÖI-Gemisch G aufgrund der einwirkenden Zentrifugalkraft in den kältemittelreichen und den ölreichen Anteil aufgetrennt. Der abgeschiedene kältemittelreiche Anteil wird durch die Leitung 15, auch als Steigrohr bezeichnet, aufgrund der geringeren Dichte nach oben abgeleitet. Am Einlass in die Leitung 15 ist ein Filterelement 17, beispielsweise in Form eines Siebes, angeordnet, sodass der kältemittelreiche Anteil durch das Filterelement 17 hindurch in das Steigrohr 15 einströmt. Der abgeschiedene ölreiche Anteil wird nach unten aus dem Zyklonabscheider 12 abgeführt. Dabei wird der ölreiche Anteil ebenfalls durch ein, insbesondere als Sieb ausgebildetes Filterelement 18 hindurchgeführt.
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Das Kältemittel KM beziehungsweise der kältemittelreiche Anteil wird nach dem Ausströmen aus dem Zyklonabscheider 12 im ersten Sammelrohr 4 zum ersten Bereich 7 des Wärmeübertragers 2 geleitet, wobei das Kältemittel KM zum zweiten Sammelrohr 6 geführt wird, im zweiten Sammelrohr 6 umgelenkt wird und zum ersten Sammelrohr 4 zurückströmt. Das Kältemittel KM tritt durch die Verbindungsleitung 10 aus der Vorrichtung 1 aus und wird zu einem Expansionsorgan oder einem inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs geleitet.
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Das Öl beziehungsweise der ölreiche Anteil wird nach dem Ausströmen aus dem Zyklonabscheider 12 im ersten Sammelrohr 4 zum zweiten Bereich 8 des Wärmeübertragers 2 geleitet, wobei das Öl zum zweiten Sammelrohr 6 geführt wird, im zweiten Sammelrohr 6 umgelenkt wird und zum ersten Sammelrohr 4 zurückströmt. Der abgekühlte ölreiche Anteil wird im unteren Teil des ersten Sammelrohres 4 gesammelt, tritt anschließend durch die Verbindungsleitung 11 aus der Vorrichtung 1 aus und wird zum Verdichter des Kältemittelkreislaufs geleitet. Der untere Teil des ersten Sammelrohres 4 ist als Ölvorratsbehälter 19 ausgebildet.
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Innerhalb des Ölvorratsbehälters 19 ist ein Schwimmer 20 als Verschlusselement des Ölvorratsbehälters 19 in Richtung der Verbindungsleitung 11 ausgebildet. Der Schwimmer 20 ist über ein Führungselement 21 gehaltert angeordnet. Das Führungselement 21 weist vorteilhaft ein Federelement auf, wobei die Federkraft den Ölvorratsbehälter 19 verschließend auf den Schwimmer 20 einwirkt.
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Der Schwimmer 20 verschließt die Verbindungsleitung 11 zum Verdichter, insbesondere bei einem zu geringen Füllstand des Öls innerhalb des Ölvorratsbehälters 19, um einen Kältemittelbypass durch die Vorrichtung 3 von der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs zu verhindern.
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Die Ausbildung des Schwimmers 20 zur Unterbindung des Kältemittelbypasses ist bei allen nachfolgenden Ausführungsformen zur mechanischen Trennung des Kältemittel-ÖI-Gemisches G gleich. Die verschiedenen Ausführungsformen können auch ohne den Schwimmer 20 ausgebildet sein, wobei der Kältemittelbypass dann beispielsweise über die Wahl des inneren Durchmessers der Verbindungsleitung 11 zum Verdichter gesteuert wird.
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Aus 2 geht eine Vorrichtung 1' zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-Öl-Gemisches G des Kältemittelkreislaufs mit dem Wärmeübertrager 2 zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels und zum Abkühlen des Öls sowie mit einer mechanischen Vorrichtung 3' zum Abscheiden des Öls aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch G hervor. Die Vorrichtung 3' ist innerhalb des ersten Sammelrohres 4 des Wärmeübertragers 2 integriert.
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Die Vorrichtung 1' zur Wärmeübertragung und zum Trennen des Kältemittel-Öl-Gemisches aus 2 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 aus 1 in der Ausbildung der Vorrichtung 3' zum Abscheiden des Öls, insbesondere in der Ausbildung des Bereichs 22 der Ölabscheidung.
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Die Verbindungsleitung 9' mit dem Verdichter des Kältemittelkreislaufs ist als Einlass beziehungsweise Zulauf für das Kältemittel-ÖI-Gemisch G senkrecht zu einem innerhalb des Bereichs 22 angeordneten Prallblech 23 ausgerichtet. Nach dem Einströmen in die Vorrichtung 3' prallt das Kältemittel-Öl-Gemisch G auf eine Vorderseite des Prallblechs 23. Durch die abrupten Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung werden infolge der unterschiedlichen Trägheitskräfte des kältemittelreichen Anteils und des ölreichen Anteils, mit welchen die beiden Anteile der Richtungsänderung unterschiedlich folgen, ein erster kältemittelreicher Anteil und ein erster ölreicher Anteil voneinander getrennt.
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Der erste ölreiche Anteil wird zu einem Großteil am Prallblech 23 nach unten durch eine untere Abzweigung in einen unteren Teil des Bereichs 22 der Ölabscheidung geleitet. Der erste kältemittelreiche Anteil strömt nach dem Auftreffen auf das Prallblech 23 zu einem Großteil durch eine obere Abzweigung nach oben. Die beiden Abzweigungen werden auf einer Rückseite des Prallblechs 23, an welcher eine erste Kammer 24 ausgebildet ist, wieder zusammengeführt. Die erste Kammer 24 weist dabei einen deutlich größeren Strömungsquerschnitt auf, als die in Strömungsrichtung nach dem Prallblech 23 ausgebildete obere Abzweigung für den ersten kältemittelreichen Anteil. Durch die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts am Übergang der oberen Abzweigung zur ersten Kammer 24 und der damit bewirkten Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit wird ein zweiter ölreicher Anteil aus dem ersten kältemittelreichen Anteil abgeschieden und nach unten geleitet.
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Die erste Kammer 24 wird durch ein Trennblech 26 von einer zweiten Kammer 25 getrennt. Die zweite Kammer 25 ist oberhalb der ersten Kammer 24 angeordnet. Die Kammern 24, 25 sind über eine innerhalb des Trennblechs 26 ausgebildete Öffnung miteinander verbunden.
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Aus dem durch die Öffnung von der ersten Kammer 24 in die zweite Kammer 25 überströmenden zweiten kältemittelreichen Anteil wird beim Durchströmen der zweiten Kammer 25 ein dritter ölreicher Anteil abgeschieden und nach unten geleitet. Die weitere Abscheidung des Öls wird durch eine senkrechte Durchströmung des zweiten kältemittelreichen Anteils der zweiten Kammer 25 erzwungen.
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Die abgeschiedenen ölreichen Anteile werden durch die untere Abzweigung, die erste Kammer 24 und die zweite Kammer 25 in der Vorrichtung 3' nach unten geleitet, zusammengeführt und durch ein, insbesondere als Sieb ausgebildetes Filterelement 18' hindurchgeführt. Der weitere Strömungsweg und die Konditionierung des ölreichen Anteils entsprechen den Ausführungen der Vorrichtung 1 aus 1.
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Der beim Durchströmen der zweiten Kammer 25 verbleibende kältemittelreiche Anteil wird durch ein insbesondere J-förmig ausgebildetes Rohr und ein Filterelement 17', beispielsweise in Form eines Siebes, aus dem Bereich 22 der Ölabscheidung abgeführt. Der weitere Strömungsweg und die Konditionierung des kältemittelreichen Anteils entsprechen den Ausführungen der Vorrichtung 1 aus 1.
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Die 3a bis 3c zeigen jeweils eine Vorrichtung 1, 1' zum Abscheiden von Öl eines Kältemittel-ÖI-Gemisches G des Kältemittelkreislaufs mit dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 2 zum Abkühlen und/oder Verflüssigen des Kältemittels und zum Abkühlen des Öls sowie mit einer mechanischen Vorrichtung 3, 3' zum Abscheiden des Öls aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch G. Die innerhalb des ersten Sammelrohres 4 des Wärmeübertragers 2 integrierte Vorrichtung 3, 3' geht aus den 1 und 2 hervor.
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Der Wärmeübertrager 2 ist als Kondensator/Gaskühler mit integriertem Ölkühler ausgebildet. Die Wärmeübertragungsfläche 5 des Wärmeübertragers 2 ist in zwei Teilflächen und damit in zwei unterschiedlich groß dimensionierte Bereiche 7, 8 unterteilt.
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Nach der Abscheidung des Öls aus dem Kältemittel-ÖI-Gemisch G innerhalb des mechanischen Ölabscheiders 3, 3' werden beide Anteile, das heißt der kältemittelreiche Anteil und der ölreiche Anteil, getrennt voneinander abgekühlt beziehungsweise konditioniert. Der kältemittelreiche Anteil strömt dabei durch den ersten, größer dimensionierten Bereich 7, wobei das Kältemittel verflüssigt wird. Der ölreiche Anteil wird durch den zweiten, kleiner dimensionierten Bereich 8 geleitet und dabei abgekühlt.
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Der erste Bereich 7 ist mit Flachrohren 27 ausgebildet, welche sich zwischen den Sammelrohren 4, 6 erstrecken. Der kältemittelreiche Anteil wird durch die vorteilhaft als Mehrkanal-Rohre ausgebildeten Flachrohre 27 geführt. In den Zwischenräumen der Außenseiten der benachbart angeordneten Flachrohre 27 sind Rippen ausgebildet.
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Der zweite Bereich 8 weist Rippenrohre 28 auf, welche sich ebenfalls zwischen den Sammelrohren 4, 6 erstrecken. Der ölreiche Anteil wird durch die Rippenrohre 28 geleitet.
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In den Bereichen 7, 8 des Wärmeübertragers 2 wird die Wärme jeweils an die die Wärmeübertragungsfläche 5 überströmende Luft der Umgebung übertragen.
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Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1' nach 3a sind die Bereiche 7, 8 des Wärmeübertragers 2 und damit die Flachrohre 27 des ersten Bereichs 7 und die Rippenrohre 28 des zweiten Bereichs 8 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Luft der Umgebung strömt parallel durch die Bereiche 7, 8.
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Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1' nach 3b sind die Bereiche 7, 8 des Wärmeübertragers 2 und damit die Flachrohre 27 des ersten Bereichs 7 und die Rippenrohre 28 des zweiten Bereichs 8 jeweils in zwei parallel zueinander ausgerichteten Ebenen angeordnet.
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Die Stirnflächen der Flachrohre 27 des ersten Bereichs 7 erstrecken sich dabei über die gesamte Länge der Sammelrohre 4, 6, sodass die Flachrohre 27 in einer ersten Ebene angeordnet sind.
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Die Rippenrohre 28 des zweiten Bereichs 8, welche von dem ölreichen Anteil durchströmt werden, sind in einer zweiten Ebene ausgerichtet, welche von der ersten, durch die Flachrohre 27 gebildeten Ebene beabstandet, in Strömungsrichtung der Luft der Umgebung hinter oder vor der ersten Ebene angeordnet ist.
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Die Luft der Umgebung strömt dabei nacheinander je nach Strömungsrichtung erst über die Wärmeübertragungsfläche des ersten Bereichs 7 und anschließend über die Wärmeübertragungsfläche des zweiten Bereichs 8 oder umgekehrt.
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Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß der 3a und 3b ist bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1' nach 3c neben dem ersten Bereich 7 auch der zweite Bereich 8 des Wärmeübertragers 2 aus Flachrohren 29 ausgebildet, welche sich zwischen den Sammelrohren 4, 6 erstrecken. Neben dem kältemittelreichen Anteil, welcher durch die Flachrohre 27 strömt, wird folglich auch der ölreiche Anteil durch vorteilhaft als Mehrkanal-Rohre ausgebildete Flachrohre 29 geleitet. In den Zwischenräumen der benachbart angeordneten Flachrohre 29 sind Rippen ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Vorrichtung zum Abscheiden und Abkühlen von Öl sowie zum Abkühlen und/oder Verflüssigen von Kältemittel
- 2
- Wärmeübertrager
- 3, 3'
- Vorrichtung zum Abscheiden des Öls, Ölabscheider
- 4
- erstes Sammelrohr
- 5
- Wärmeübertragungsfläche
- 6
- zweites Sammelrohr
- 7
- erster Bereich Wärmeübertrager 2, Kondensator/Gaskühler
- 8
- zweiter Bereich Wärmeübertrager 2, Ölkühler
- 9, 9'
- Verbindungsleitung Kältemittel-ÖI-Gemisch G mit Verdichter
- 10
- Verbindungsleitung Kältemittel
- 11
- Verbindungsleitung Öl zum Verdichter
- 12
- Bereich der Ölabscheidung, Zyklonabscheider
- 13
- Wandung
- 14
- Mittelachse
- 15
- Leitung, Steigrohr
- 16
- Strömungspfad
- 17, 17'
- Filterelement
- 18, 18'
- Filterelement
- 19
- Ölvorratsbehälter
- 20
- Schwimmer
- 21
- Führungselement Schwimmer 20
- 22
- Bereich der Ölabscheidung
- 23
- Prallblech
- 24
- erste Kammer
- 25
- zweite Kammer
- 26
- Trennblech
- 27
- Flachrohr
- 28
- Rippenrohr
- 29
- Flachrohr
- KM
- Kältemittel, kältemittelreicher Anteil
- Öl
- Öl, ölreicher Anteil
- G
- Kältemittel-ÖI-Gemisch
