DE102021125240A1

DE102021125240A1 - Vorrichtung zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase

Info

Publication number: DE102021125240A1
Application number: DE102021125240.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Köster; Andreas Roeder; Christian Sett; Rene Cezanne
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-05-25
Also published as: KR20230034407A; CN115917226A; WO2022108236A1; US20230341159A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1a, 1b) zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase. Die Vorrichtung (1a, 1b) weist eine ein Volumen (5) umschließende Wandung (2) mit geschlossenen Stirnseiten (2-1, 2-2), einem Einlass (3) und einem Auslass (4) sowie ein Absaugrohr (7) auf. Innerhalb des Volumens (5) ist ein das Volumen (5) in ein Abscheidevolumen (5-1) und ein Speichervolumen (5-2) unterteilendes Trennelement (6a, 6b) angeordnet. Das Abscheidevolumen (5-1) ist in einer Richtung z der Schwerkraft oberhalb des Trennelements (6a, 6b) ausgebildet, während das Speichervolumen (5-2) unterhalb des Trennelements (6a, 6b) ausgebildet ist. Das Absaugrohr (7) mündet in das Abscheidevolumen (5-1) ein. Das Trennelement (6a, 6b) ist rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse (11) mit einer Ausdehnung in Richtung z und einer Ausdehnung in einer radialen Richtung derart ausgebildet, dass zwischen der Wandung (2) und mindestens einer umlaufenden Mantelfläche (12a, 12b) des Trennelements (6a, 6b) ein für die flüssige Phase des Arbeitsstoffes durchlässiger Ringkanal (13a, 13b) ausgebildet ist, welcher das Abscheidevolumen (5-1) und das Speichervolumen (5-2) miteinander verbindet. Dabei weist der Ringkanal (13a, 13b) in Richtung z eine um ein Vielfaches größere Ausdehnung als in radialer Richtung auf und ist während des Betriebs für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes im Wesentlichen undurchlässig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung weist eine ein Volumen umschließende, hohlkreiszylinderförmige Wandung mit geschlossenen Stirnseiten, einem Einlass und einem Auslass sowie ein Absaugrohr auf. Innerhalb des Volumens ist ein Trennelement angeordnet, welches das Volumen in ein Abscheidevolumen und ein Speichervolumen unterteilt. Dabei ist das Abscheidevolumen in einer Richtung z der Schwerkraft oberhalb des Trennelements ausgebildet, während das Speichervolumen in der Richtung z unterhalb des Trennelements ausgebildet ist. Das Absaugrohr ist mit einem ersten offenen Ende zur Aufnahme der gasförmigen Phase des Arbeitsstoffes und einem zweiten offenen Ende als Verbindung mit dem Auslass der Vorrichtung ausgebildet. Dabei mündet das Absaugrohr mit dem ersten offenen Ende in das Abscheidevolumen ein.
In aus dem Stand der Technik bekannten Kältemittelkreisläufen von Kompressionskälteanlagen, auch als Kaltdampf-Kompressions-Kältekreisläufe bezeichnet, ist in verschiedenen Anwendungen ein Kältemittelspeicher vorgesehen. Bei einer Anordnung des Kältemittelspeichers im Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs, in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einem Verdichter, wird der Kältemittelspeicher als Akkumulator und bei einer Anordnung im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach einem Kondensator/Gaskühler, wird der Kältemittelspeicher als Sammler bezeichnet. Speziell der Akkumulator dient als Abscheider neben dem Speichern des flüssigen Anteils auch der Phasentrennung des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsstoffes, welcher als Zweiphasengemisch in einer gasförmigen und einer flüssigen Phase vorliegt. Neben dem Schmieröl sollte ausschließlich der gasförmige Anteil des Arbeitsstoffes vom Verdichter aus dem Akkumulator angesaugt werden.
Im Akkumulator wird zusätzliches Kältemittel des Kältemittelkreislaufs gespeichert, um beispielsweise während eines Wartungsintervalls entweichendes Kältemittel auszugleichen. Zudem ist die im Kältemittelkreislauf umlaufende Kältemittelmenge vom Betriebszustand der Anlage abhängig. Die zwischen den unterschiedlichen Betriebszuständen auftretenden Mengen des nicht umlaufenden Kältemittels werden im Akkumulator zwischengespeichert.
Für die Funktionen des Abscheidens von gasförmiger und flüssiger Phase einerseits und des Speicherns der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes andererseits ist das Volumen des Akkumulators in zwei Bereiche aufzuteilen - einen ersten Bereich für die Phasentrennung und einen zweiten Bereich für das Speichern der flüssigen Phase.
In großvolumigen Akkumulatoren wird herkömmlich ausschließlich die Schwerkraft zum Abtrennen und Speichern der flüssigen Phase genutzt, sodass keine zusätzlichen Trennelemente zwischen den beiden Bereichen erforderlich sind. Dabei dient die in der Richtung der Schwerkraft obere Hälfte des Akkumulators für das Trennen der Phasen und die untere Hälfte für das Speichern der abgetrennten Flüssigkeit.
Zum Trennen der gasförmigen und der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes ist aus dem Stand der Technik die Zyklon-Technologie bekannt, mit welcher das zum Trennen der Phasen erforderliche Volumen innerhalb der Akkumulatoren verringert und der Wirkungsgrad der Phasentrennung erhöht werden können. Mit dem Einsatz einer Trennplatte zwischen dem ersten Bereich für die Phasentrennung und dem zweiten Bereich für das Speichern der flüssigen Phase kann der Anteil am Volumen für das Speichern vergrößert werden, während der Anteil am Volumen für die Phasentrennung verringert wird. Mit derartig ausgebildeten Akkumulatoren können höchstens etwa 70 % des Volumens für das Speichern von flüssigem Arbeitsstoff genutzt werden. Darüber hinaus ermöglichen die aus dem Stand der Technik bekannten Trennplatten eine verbleibende Wechselwirkung der gasförmigen Phase mit dem gespeicherten flüssigen Arbeitsstoff. Dabei passieren Anteile der gasförmigen Phase einen zwischen einer Innenwand des Speichermantels und der Trennplatte ausgebildeten Ringspalt in Richtung des Speichervolumens. Infolge hoher Strömungsgeschwindigkeiten verwirbelt der gasförmige Arbeitsstoff den gespeicherten flüssigen Arbeitsstoff, sodass auch die flüssige Phase aus dem Akkumulator abgesaugt werden kann, auch bevor das Speichervolumen vollständig gefüllt ist. Das Verwirbeln der Phasen und der daraus folgende Absaugeffekt der flüssigen Phase ist abhängig vom Massenstrom des Arbeitsstoffes.
Als Arbeitsstoffe werden herkömmlich beispielsweise neben HFKW-Kältemitteln auch natürliche Kältemittel, wie Kohlenstoffdioxid mit der kältetechnischen Bezeichnung R744, eingesetzt.
In der automobilen Anwendung dient der Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems überwiegend dem Kühlen der Zuluft des Fahrgastraums bei hohen Umgebungstemperaturen. Der Kältemittelkreislauf wird im Kälteanlagenmodus betrieben.
Mit zunehmender Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge entfällt insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen die Abwärme der Verbrennungsmotoren zum Heizen der Zuluft des Fahrgastraums. Da jedoch das Heizen mit rein elektrischer Energie die Reichweite speziell elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge deutlich reduziert, werden die Kältemittelkreisläufe, welche bei hohen Umgebungstemperaturen zum Kühlen der Zuluft dienen, bei geringen Umgebungstemperaturen zunehmend in einem Wärmepumpenmodus betrieben.
Da die Kältemittelkreisläufe mit R744 als Arbeitsstoff Kältemittelkreisläufen mit herkömmlichen HFKW-Kältemitteln als Arbeitsstoff beim Betrieb im Kälteanlagenmodus, bezüglich der erforderlichen Leistung und damit Effizienz mindestens ebenbürtig und im Heizbetrieb beziehungsweise beim Betrieb im Wärmepumpenmodus sogar deutlich überlegen sind, setzt sich R744 als Arbeitsstoff, insbesondere im Zuge der Elektrifizierung von Personenkraftwagen, immer weiter durch.
Transkritisch geführte Kältemittelkreisläufe mit R744 als Arbeitsstoff unterscheiden sich von unterkritisch geführten Kältemittelkreisläufen mit HFKW-Kältemitteln als Arbeitsstoff dadurch, dass der Kältemittelspeicher für flüssiges Kältemittel als Akkumulator stets auf der Niederdruckseite nach dem Verdampfer angeordnet ist und nicht auch als Sammler dem hochdruckseitigen Kondensator/Gaskühler nachgeschaltet angeordnet sein kann.
Darüber hinaus werden Kältemittelkreisläufe mit R744 als Arbeitsstoff mit einem zusätzlichen inneren Wärmeübertrager ausgebildet. Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Verflüssigung beziehungsweise Abkühlung im Gaskühler weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt. Mit dem kreislaufinternen Wärmeübertrager wird zumindest eine gleichwertige und sogar höhere Effizienz beim Betrieb erreicht als beim Betrieb von vergleichbaren Kältemittelkreisläufen mit HFKW-Kältemitteln als Arbeitsstoff.
Um die Ausbildung einer zusätzlichen Komponente zu vermeiden, werden die Komponenten Akkumulator und kreislaufinterner Wärmeübertrager zu einer integrierten Komponente zusammengefasst. Die größte Herausforderung bei der Ausbildung der integrierten Komponente ist, im Vergleich zur Ausbildung von Einzelkomponenten, den Platzbedarf so gering wie möglich zu halten, auch um das mit der Baugröße einhergehende Gewicht und die Herstellungskosten zu minimieren, aber auch um die Installationsfähigkeit in der Fahrzeugarchitektur zu gewährleisten. Im Vergleich zu einem als Einzelkomponente ausgebildeten Akkumulator ist der Akkumulator einer integrierten Komponente deutlich kompakter auszubilden. Da das Speichervolumen für flüssigen Arbeitsstoff durch das System der Anwendung vorgeben ist, sind das Abscheidevolumen des Akkumulators zu minimieren und das Speichervolumen zum Speichern von Flüssigkeit beziehungsweise die Ausnutzungsrate des Speichervolumens zu maximieren.
Da das Abscheidevolumen, in welchem die Phasen des eintretenden zweiphasigen Arbeitsstoffgemisches getrennt werden und nur die gasförmige Phase zum Austritt des Akkumulators geleitet wird, bei aus dem Stand der Technik bekannten Akkumulatoren bis zu 30 % des Gesamtvolumens des Akkumulators ausmachen, kann das Ziel, integrierte Komponenten aus kreislaufinternem Wärmeübertrager und Akkumulator auszubilden, nur schwer erreicht werden.
Aus der EP 1 564 510 A2 geht eine Speichervorrichtung für die flüssige Phase eines Arbeitsstoffes eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage hervor. Für das Abtrennen der flüssigen Phase und des Ölanteils beim Betrieb der Klimaanlage im Kälteanlagenmodus der Klimaanlage wird ein oberer Bereich des Volumens eines Sammlerbehälters von einem Zuströmkanal ausgehend zyklonartig durchströmt. Die Ausströmrichtung des Zuströmkanals ist tangential zu einer Innenfläche des Sammlerbehälters ausgerichtet. Das in den oberen Bereich als Abscheidevolumen einströmende Zweiphasengemisch wird beim Einströmen in Rotation versetzt. Dadurch gelangt die schwerere flüssige Phase durch Zentrifugalkräfte an die Innenwand des Sammlerbehälters und strömt, getrieben durch die Schwerkraft nach unten. Die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes wird über ein zentral im Sammlerbehälter angeordnetes Endstück eines Leitrohrsystems, welches in den oberen Bereich einmündet, aus dem Sammlerbehälter abgesaugt. Der obere Bereich und ein unterer Bereich des Volumens eines Sammlerbehälters sind durch eine dünnwandige, Trennwand voneinander separiert.
Zwischen einer umlaufenden Mantelfläche der Trennwand und einer Innenwand des Sammlerbehälters ist ein vollumfänglicher Ringspalt ausgebildet. Die durch die Schwerkraft getriebene flüssige Phase des Arbeitsstoffes strömt an der Innenwand des Sammlerbehälters durch den Ringspalt in den als Speichervolumen ausgebildeten unteren Bereich.
In der US 2020 0047098 A1 ist ein Zyklon zum Trennen von Gas-Flüssigkeits-Gemischen für einen Kältemittelspeicher, auch mit internen Wärmeübertrager, einer Fahrzeugklimaanlage offenbart. Der Speicher weist einen Einlass des Gas-Flüssigkeits-Gemisches und den Zyklon mit einer Einlasskammer, einer Auslasskammer und mindestens einem feststehenden Flügel in Form einer Spirale zum Gewährleisten der Rotation des Gemisches innerhalb der Auslasskammer auf. Der Einlass des Gas-Flüssigkeits-Gemisches ist im Wesentlichen koaxial zur Achse des Zyklons angeordnet und mündet in die Einlasskammer des Zyklons ein. Im Kältemittelspeicher strömt die flüssige Phase des Arbeitsstoffes aufgrund der Schwerkraft durch einen Ringspalt aus einem mit dem Zyklon ausgebildeten oberen Bereich in den als Speichervolumen ausgebildeten unteren Bereich.
Sowohl der in der EP 1 564 510 A2 innerhalb des Sammlerbehälters als auch der US 2020 0047098 A1 innerhalb des Kältemittelspeichers ausgebildete Ringspalt lässt aufgrund der hohen kinetischen Energie ebenso Anteile des gasförmigen Arbeitsstoffes aus dem oberen Bereich in den unteren Bereich passieren. Im unteren Bereich, in welchem jeweils der flüssige Arbeitsstoff gespeichert ist, verwirbelt der gasförmige Arbeitsstoff die gelagerte Flüssigkeit, insbesondere bei steigendem Flüssigkeitsspiegel, und transportiert Anteile der Flüssigkeit zurück zum im oberen Bereich angeordneten Auslass des gasförmigen Arbeitsstoffes, bevor der Flüssigkeitsspiegel des gespeicherten Arbeitsstoffes die Trennwand erreicht.
Der bezüglich der Toleranz für zum Auslass des Akkumulators übertretender Flüssigkeit zulässige Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und der Trennwand hängt dabei vom Massenstrom des Arbeitsstoffes ab und ist bei hohen Massenströmen maximal. Da mit dem Akkumulator die Flüssigkeit auch bei hohen Massenströmen sicher zu speichern ist, ist das sich aus dem maximalen Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und der Trennwand ergebende Volumen des unteren Bereichs ein zum Speichern der Flüssigkeit ungeeignetes und damit ungenutztes Volumen. Die Toleranz für zum Auslass des Akkumulators übertretende Flüssigkeit ist bei hohen bis maximalen Massenströmen bekanntlich dann erreicht, wenn das theoretische Speichervolumen der Flüssigkeit zu 2/3 bis 3/4 gefüllt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer kompakten Vorrichtung mit minimalem Bauraum zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase. Innerhalb der Vorrichtung soll eine auf das umbaute Volumen bezogene maximale Menge an Flüssigkeit gespeichert werden. Mit der Vorrichtung ist sicherzustellen, dass keine Tröpfchen der Flüssigkeit aus der Vorrichtung ausströmen, welche einen in Strömungsrichtung des Arbeitsstoffes nachgeschalteten Verdichter zerstören könnten. Die Vorrichtung soll einfach herstellbar sein, um die Herstellungskosten zu minimieren, und eine lange Lebensdauer aufweisen. Zudem soll eine Kombination der Vorrichtung mit anderen Komponenten, insbesondere eines Arbeitsstoffkreislaufs beziehungsweise Fluidkreislaufs möglich sein.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist eine ein Volumen umschließende, hohlkreiszylinderförmige Wandung mit geschlossenen Stirnseiten, einem Einlass und einem Auslass sowie ein Absaugrohr auf. Innerhalb des Volumens ist ein Trennelement angeordnet, welches das Volumen in ein Abscheidevolumen und ein Speichervolumen unterteilt. Dabei ist das Abscheidevolumen in einer Richtung z der Schwerkraft oberhalb des Trennelements ausgebildet, während das Speichervolumen in der Richtung z unterhalb des Trennelements ausgebildet ist. Der Einlass ist im Bereich einer oberen Stirnseite vorgesehen.
Das Absaugrohr ist mit einem ersten offenen Ende zur Aufnahme der gasförmigen Phase des Arbeitsstoffes und einem zweiten offenen Ende als Verbindung mit dem Auslass der Vorrichtung ausgebildet. Dabei mündet das Absaugrohr mit dem ersten offenen Ende in das Abscheidevolumen ein.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Trennelement rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse mit einer Ausdehnung in Richtung z und einer Ausdehnung in einer radialen Richtung derart ausgebildet, dass zwischen der das Volumen umschließenden Wandung und mindestens einer umlaufenden Mantelfläche des Trennelements ein für die flüssige Phase des Arbeitsstoffes durchlässiger Ringkanal ausgebildet ist. Der Ringkanal, welcher das Abscheidevolumen und das Speichervolumen, insbesondere vollumfänglich miteinander verbindet, weist in Richtung z eine um ein Vielfaches größere Ausdehnung als in radialer Richtung auf und ist während des Betriebs für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes im Wesentlichen undurchlässig.
Die in der Richtung z verlaufende Rotationsachse entspricht dabei der Symmetrieachse der Wandung. Die radiale Richtung ist orthogonal zur Rotationsachse ausgerichtet. Unter einer um ein Vielfaches größeren Ausdehnung des Ringkanals in Richtung z als in radialer Richtung wird ein Verhältnis von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 2, verstanden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Einlass der Vorrichtung in Kombination mit dem in Strömungsrichtung des Arbeitsstoffes nachfolgenden Abscheidevolumen des von der Wandung umschlossenen Volumens in der Form eines Zyklons zur Rotation und Trennung der gasförmigen und der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes um die in der Richtung z ausgerichtete Rotationsachse ausgebildet.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Ringkanal mit einem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse verlaufenden Schnittebene I-förmigen Querschnitt hohlkreiszylinderförmig ausgebildet, sodass eine äußere Mantelfläche des Trennelements, welche einer Innenfläche der hohlkreiszylinderförmigen Wandung der Vorrichtung gegenüberliegt, die Form einer Mantelfläche eines insbesondere geraden Hohlkreiszylinders aufweist.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Ringkanal einen in der in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse verlaufenden Schnittebene T-förmigen Querschnitt auf.
Dabei ist das Trennelement vorteilhaft aus mindestens zwei in Richtung z zueinander beabstandet angeordneten Kreisringscheiben ausgebildet, deren Symmetrieachsen koaxial zueinander in Richtung z verlaufen. Zwischen den in Richtung z benachbart zueinander angeordneten Kreisringscheiben ist jeweils ein Zwischenraum derart vorgesehen, dass während des Betriebs der Vorrichtung in jedem Zwischenraum Arbeitsstoff eingeschlossen ist. Die in radialer Richtung verlaufenden, nutartigen Zwischenräume werden aufgrund der Befüllung mit unbewegtem Arbeitsstoff auch als Blindnut oder radialer Totraum bezeichnet.
Damit weist der Ringkanal der zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung in der Ausbildung mit zwei Kreisringscheiben zwei über den Zwischenraum miteinander verbundene Ringspalte und folglich einen I-förmigen Querschnitt mit radialem Totraum auf.
Der Ringkanal ist in Richtung z vorteilhaft mit einer Ausdehnung im Bereich von 3 mm bis 10 mm, insbesondere mit einer Ausdehnung von 6 mm, ausgebildet. In radialer Richtung weist der Ringkanal vorzugsweise eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 2 mm, auf. Das Verhältnis der Ausdehnung des Ringkanals in Richtung z, was einer Länge entspricht, zur Breite in radialer Richtung beträgt vorzugsweise mindestens 1,5, speziell mindestens 2 und liegt insbesondere im Bereich von 3 bis 6. Bei der Ausbildung des Trennelements aus Kreisringscheiben werden für die Breite des Ringkanals die Mantelflächen der Kreisringscheiben als Bezugsflächen angesehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Absaugrohr aus einem äußeren Rohrelement mit dem ersten offenen Ende und einem inneren Rohrelement mit dem zweiten offenen Ende ausgebildet. Dabei sind die Längsachsen der Rohrelemente koaxial zueinander ausgerichtet. Die Längsachsen der Rohrelemente des Absaugrohres sind vorzugsweise auf der Rotationachse der Vorrichtung angeordnet, das heißt die Rotationachse der Vorrichtung und die Längsachsen der Rohrelemente sind deckungsgleich zueinander ausgerichtet.
Das Trennelement und das äußere Rohrelement des Absaugrohres sind vorteilhaft jeweils als ein Spritzgusselement ausgebildet. Zudem können das Trennelement und das äußere Rohrelement des Absaugrohres als zwei getrennte Komponenten oder als eine zusammenhängende Einheit und damit als eine einstückige Komponente ausgebildet sein.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich das Absaugrohr mit dem äußeren Rohrelement, ausgehend vom ersten offenen Ende in das Speichervolumen hinein und sich das innere Rohrelement durch das Trennelement hindurch erstrecken. Dabei ist das zweite offene Ende des Absaugrohres mit dem Auslass der Vorrichtung verbunden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich das Absaugrohr mit dem ersten offenen Ende als offene Stirnseite in Richtung z von unten durch das Trennelement hindurch. Dabei ist die Stirnseite am ersten offenen Ende des Absaugrohres fluchtend zu einer Oberseite des Trennelements angeordnet. Die Oberseite des Trennelements bildet in Verbindung mit dem dazu fluchtend ausgerichteten offenen Ende des Absaugrohres eine Saugeinlassebene aus. Die bündige Anordnung der Oberseite des Trennelements und der Stirnseite am ersten offenen Ende des Absaugrohres bewirken einen minimierten Druckverlust der Gasphase des Arbeitsstoffes beim Einströmen in das erste offene Ende des Absaugrohres.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Trennelement das Volumen der Vorrichtung in 10 % Abscheidevolumen und 90 % Speichervolumen aufteilend angeordnet, was eine konstruktiv sehr kompakte Bauweise der Vorrichtung ermöglicht.
Der Arbeitsstoff ist vorzugsweise Kohlenstoffdioxid. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht dabei eine maximal bauraumeffiziente Bauweise eines Akkumulators, speziell für einen Kältemittelkreislauf, welche sich insbesondere für die Integration in einer Kombinationsvorrichtung mit einem kreislaufinternen Wärmeübertrager eignet.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht zudem die Verwendung der Vorrichtung zum Trennen der gasförmigen und der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase, insbesondere eines Kältemittels, in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom.
Mit der Vorrichtung wird sichergestellt, dass die innerhalb des Abscheidevolumens von der flüssigen Phase abgeschiedene Gasphase nicht vom Abscheidevolumen in das Speichervolumen überströmt. Dabei wird verhindert, dass die sich im Speichervolumen angesammelte Flüssigkeit durch das Einströmen der Gasphase aufgewirbelt wird und dadurch Tröpfchen der Flüssigkeit zurück in das Abscheidevolumen transportiert sowie anschließend aus dem Abscheidevolumen und der Vorrichtung abgesaugt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Trennelement und Ringkanal ermöglicht, insbesondere in Kombination mit der Zyklontechnik am Einlass beziehungsweise innerhalb des Abscheidevolumens, ein konsequentes Trennen der Phasen des Arbeitsstoffes und damit auch das Absaugen der Gasphase auf der Oberseite des Trennelements aus dem Abscheidevolumen. Zudem ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Befüllen des Speichervolumens zu 100 % mit Flüssigkeit möglich. Dabei wird eine füllstandsunabhängige und massenstromunabhängige Dampfqualität am Auslass der Vorrichtung sichergestellt, sodass auch bei sehr hohen Massenströmen des Arbeitsstoffes das Speichervolumen bis zur Oberseite des Trennelements als Saugeinlassebene, welche sich auf dem Niveau des offenen Endes des Absaugrohres befindet, befüllt werden kann. Folglich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Betrieb kein Verlustvolumen in Bezug auf die Speicherfähigkeit der Flüssigkeit auf.
Da das Prinzip des Abschirmens und der Quasiabdichtung des Speichervolumens vom Abscheidevolumen mittels des erfindungsgemäßen Ringkanals nicht nur bei geringen Massenströmen des Arbeitsstoffes, sondern gleichermaßen und insbesondere auch bei sehr hohen und maximalen Massenströmen des Arbeitsstoffes funktioniert, ist eine Abhängigkeit der Speicherkapazität der Vorrichtung von Füllstand und Massenstrom des Arbeitsstoffes, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eliminiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1a und 1b: eine Vorrichtung zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, aus dem Stand der Technik sowie den Querschnitt eines Ringspaltes der Vorrichtung jeweils in seitlicher Schnittdarstellung,
2a und 2b: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem I-förmigen Querschnitt eines Ringkanals jeweils in seitlicher Schnittdarstellung,
3a und 3b: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem T-förmigen Querschnitt des Ringkanals jeweils in seitlicher Schnittdarstellung,
4a und 4b: ein erstes Trennelement der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung nach 3a als einstückige Komponente mit dem Absaugrohr der Vorrichtung in perspektivischer Ansicht sowie ein zweites Trennelement der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung als einstückige Komponente mit dem Absaugrohr in seitlicher Schnittdarstellung,
4c und 4d: ein Trennelement der ersten Ausführungsform der Vorrichtung nach 2a als Einzelelement und in Verbindung mit einem Absaugrohr der Vorrichtung jeweils in perspektivischer Ansicht,
5a und 5b: eine Vorrichtung aus 2a als Komponente einer Kombinationsvorrichtung mit einem kreislaufinternen Wärmeübertrager sowie eine Detailansicht der Kombinationsvorrichtung jeweils in seitlicher Schnittdarstellung sowie
5c und 5d: Detailansichten der Kombinationsvorrichtung aus den 5a und 5b in Gegenüberstellung zur Vorrichtung aus dem Stand der Technik gemäß 1a jeweils mit Kennzeichnung der Gasphase und der Flüssigkeit in seitlicher Schnittdarstellung und
6a und 6b: eine Vorrichtung aus 3a als Komponente einer Kombinationsvorrichtung mit einem kreislaufinternen Wärmeübertrager sowie eine Detailansicht der Kombinationsvorrichtung jeweils in seitlicher Schnittdarstellung.

Aus 1a geht eine Vorrichtung 1' zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase eines Kältemittelkreislaufs aus dem Stand der Technik in seitlicher Schnittdarstellung hervor. In 1b ist der Querschnitt eines Ringspaltes 13' der Vorrichtung 1' in seitlicher Schnittdarstellung gezeigt.
Die Vorrichtung 1' weist eine hohlkreiszylinderförmige Wandung 2 mit zwei geschlossenen Stirnseiten 2-1, 2-2 auf, welche gemeinsam ein Volumen 5 begrenzen. Dabei ist die Vorrichtung 1' mit einem Einlass 3 zum Einströmen des Zweiphasengemischs des Arbeitsstoffes und einem Auslass 4 zum Ausströmen des gasförmigen Anteils des Arbeitsstoffes ausgebildet. Das Volumen 5 ist mittels eines dünnwandigen Trennelements 6', welches die Form eines Bleches aufweist, in ein oberes Einlassvolumen beziehungsweise Abscheidevolumen 5-1 sowie ein unteres Speichervolumen 5-2 unterteilt.
Der Einlass 3 erstreckt sich als vorzugsweise rohrförmiges Element in einem Bereich nahe der oberen, ersten Stirnseite 2-1 durch die Wandung 2 hindurch in das Abscheidevolumen 5-1 hinein. Die Angaben oben und unten beziehen sich jeweils auf eine in Richtung der Schwerkraft weisende Richtung z.
Zum Abtrennen der flüssigen Phase mit dem Ölanteil von der gasförmigen Phase des Zweiphasengemischs wird der Arbeitsstoff durch den tangential zu einer Innenfläche der Wandung 2 ausgerichteten Einlass 3, welcher in Kombination mit dem Abscheidevolumen 5-1 die Form eines Zyklons 10 aufweist, eingeleitet. Dabei wird das in das Abscheidevolumen 5-1 einströmende Zweiphasengemisch in Rotation um eine Rotationsachse 11 der Vorrichtung 1' versetzt. Die schwerere flüssige Phase des Arbeitsstoffes wird durch auftretende Zentrifugalkräfte an die Innenfläche der Wandung 2 gepresst und strömt infolge der Schwerkraft an der Wandung 2 nach unten. Die leichtere gasförmige Phase des Arbeitsstoffes sammelt sich im Zentrum des Abscheidevolumens 5-1 und wird durch ein zentral angeordnetes Absaugrohr 7, welches in das Abscheidevolumen 5-1 einmündet, aus der Vorrichtung 1' abgesaugt.
Das sich sowohl durch das Speichervolumen 5-2 als auch durch das Abscheidevolumen 5-1 erstreckende Absaugrohr 7 ist aus einem äußeren Rohrelement 7-1 und einem inneren Rohrelement 7-2 ausgebildet, welche koaxial und gleichmäßig zueinander beabstandet in der Vorrichtung 1' zentriert angeordnet sind. Die Rohrelemente 7-1, 7-2 sind entlang der Rotationsachse 11 der Vorrichtung 1' ausgerichtet.
Das äußere Rohrelement 7-1 ist mit einer ersten, offenen Stirnfläche von unten durch das Trennelement 6' hindurchragend sowie in das Abscheidevolumen 5-1 hineinragend angeordnet. Die erste, offene Stirnfläche des äußeren Rohrelements 7-1 bildet das erste Ende 8 des Absaugrohres 7, durch welches die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes in das Absaugrohr 7 eingesaugt wird. Eine distal zur ersten Stirnfläche ausgebildete zweite Stirnfläche des äußeren Rohrelements 7-1 ist im unteren Bereich des Speichervolumens 5-2 angeordnet und im Wesentlichen geschlossen. In der zweiten Stirnfläche ist vorzugsweise eine Durchgangsbohrung zum Ansaugen von Schmieröl aus der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes ausgebildet. Das zwei offene Stirnflächen aufweisende innere Rohrelement 7-2 erstreckt sich durch die erste Stirnseite 2-1 der Wandung 2 und bildet mit einem zweiten Ende 9 des Absaugrohres 7 den Auslass 4 der Vorrichtung 1'. Zwischen der zum Auslass 4 distal ausgebildeten zweiten Stirnseite des inneren Rohrelements 7-2 und der geschlossenen zweiten Stirnseite des äußeren Rohrelements 7-1 ist ein Umlenkströmungspfad für den Arbeitsstoff vorgesehen, durch welchen der im Strömungspfad zwischen dem äußeren Rohrelement 7-1 und dem inneren Rohrelement 7-2 von oben in den Umlenkströmungspfad einströmende Arbeitsstoff nach innen umgelenkt und in das innere Rohrelement 7-2 eingeleitet wird. Im inneren Rohrelement 7-2 strömt der Arbeitsstoff nach oben und wird durch das zweite Ende 9 des Absaugrohres 7 beziehungsweise den Auslass 4 aus der Vorrichtung 1' abgeleitet.
Zwischen einer umlaufenden Mantelfläche 12' des dünnwandigen Trennelements 6' und der Innenfläche der Wandung 2 ist der vollumfängliche, im Querschnitt nahezu eindimensionale Ringspalt 13' ausgebildet. Die infolge der Schwerkraft an der Innenfläche der Wandung 2 nach unten strömende flüssige Phase des Arbeitsstoffes passiert den Ringspalt 13' und wird im Speichervolumen 5-2 gesammelt.
Aufgrund der Ausbildung des Trennelements 6' als dünnwandiges Blech und damit auch der geringen Ausdehnung des Ringspaltes 13' in Richtung z strömt auch ein Anteil der gasförmigen Phase in das Speichervolumen 5-2 über, sodass es zu einer Wechselwirkung der gasförmigen Phase mit dem gespeicherten flüssigen Arbeitsstoff kommt. Aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten verwirbelt der gasförmige Arbeitsstoff den gespeicherten flüssigen Arbeitsstoff, sodass auch flüssiger Arbeitsstoff aus der Vorrichtung 1' wieder in das Abscheidevolumen 5-1 überströmt und aus dem Abscheidevolumen 5-1 abgesaugt werden kann, unabhängig vom Füllstand der Flüssigkeit innerhalb des Speichervolumens 5-2. Dabei sind das Verwirbeln und Vermischen der Phasen sowie der daraus folgende Absaugeffekt der flüssigen Phase vom Massenstrom des Arbeitsstoffes abhängig.
Die in der abgesaugten Gasphase mitgerissenen Flüssigkeitstropfen können im Kältemittelkreislauf der Vorrichtung 1' in Strömungsrichtung des Arbeitsstoffes nachfolgende Komponenten beschädigen. So können die Flüssigkeitstropfen insbesondere in einem nachgeordneten Verdichter des gasförmigen Arbeitsstoffes Flüssigkeitsschläge verursachen, welche den Verdichter zerstören.
Aus den 2a und 2b geht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1a zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse 11 verlaufenden Schnittebene I-förmigen Querschnitt eines Ringkanals 13a jeweils in seitlicher Schnittdarstellung hervor.
Gleiche Komponenten der Vorrichtungen 1', 1a werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Vorrichtung 1a aus 2a und der Vorrichtung 1' aus 1a liegt in der Ausbildung des Trennelements 6a, 6'. Das Trennelement 6a der Vorrichtung 1a weist eine derartige Ausdehnung in Richtung z auf, dass zwischen der umlaufenden Mantelfläche 12a des Trennelements 6a und der Innenfläche der Wandung 2 ein vollumfänglicher, hohlkreiszylindrischer sowie im Querschnitt in einer in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse 11 aufgespannten Ebene zweidimensionaler Ringkanal 13a ausgebildet ist, durch welchen die infolge der Schwerkraft an der Innenfläche der Wandung 2 in Richtung z als Durchströmrichtung nach unten strömende flüssige Phase des Arbeitsstoffes hindurchströmt und im Speichervolumen 5-2 gesammelt wird.
Das Zweiphasengemisch strömt auch bei der Vorrichtung 1a zum Abtrennen der flüssigen Phase mit dem Ölanteil von der gasförmigen Phase durch den tangential zur Innenfläche der Wandung 2 ausgerichteten Einlass 3 in das Abscheidevolumen 5-1 ein. Durch den dabei erzeugten rotierenden Drall des Massenstroms des Arbeitsstoffes wird die flüssige Phase durch Zentrifugalkräfte an die Innenfläche der Wandung 2 geschleudert, während die gasförmige Phase im Zentrum des Abscheidevolumens 5-1 verbleibt und durch das Absaugrohr 7 aus der Vorrichtung 1a abgeleitet wird. Die flüssige Phase fließt infolge der Schwerkraft, vorzugsweise als Film, spiralförmig rotierend an der Innenfläche der Wandung 2 nach unten in das Speichervolumen 5-2.
Der beim Überleiten vom Abscheidevolumen 5-1 in das Speichervolumen 5-2 den Ringkanal 13a durchströmende Flüssigkeitsfilm des Arbeitsstoffes hindert die gasförmige Phase daran, den Ringkanal 13a ebenfalls zu passieren. Da der Ringkanal 13a für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes im Wesentlichen undurchlässig ist, treten innerhalb des Speichervolumens 5-2 keine Wechselwirkung der gasförmigen Phase mit dem gespeicherten flüssigen Arbeitsstoff auf. Aufgrund der Undurchlässigkeit des Ringkanals 13a für die gasförmige Phase und damit lediglich zu vernachlässigender Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeitsstoffes, wird insbesondere das Verwirbeln des gespeicherten flüssigen Arbeitsstoffes durch den gasförmigen Arbeitsstoff verhindert. Damit kann das Speichervolumen 5-2 der Vorrichtung 1a bis zu 100 % mit Flüssigkeit befüllt werden.
Die gasförmige Phase verlässt die Vorrichtung 1a durch die am ersten offenen Ende 8 fluchtend zu einer Oberseite des Trennelements 6a angeordnete Stirnseite des Absaugrohres 7, insbesondere die erste, offene Stirnfläche des äußeren Rohrelements 7-1.
Der als strömungstechnische Verbindung zwischen dem Abscheidevolumen 5-1 als oberer Bereich der Vorrichtung 1a und dem Speichervolumen 5-2 als unterer Bereich der Vorrichtung 1a ausgebildete Ringkanal 13a weist eine Länge L als Ausdehnung in Richtung z im Bereich von 3 mm bis 10 mm, insbesondere eine Länge von etwa 6 mm, auf. Dabei liegt die Breite B des Ringkanals 13a als Ausdehnung in radialer Richtung im Bereich von 0,5 mm bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 2 mm. Das Verhältnis von Länge L zu Breite B beträgt mindestens 1,5, speziell mindestens 2 und liegt insbesondere im Bereich von 3 bis 6.
Da sich im Kältemittelkreislauf stets auch ein Anteil an Schmieröl im kontinuierlichen Umlauf befindet, ist sichergestellt, dass bei allen Betriebsweisen des Verdampfers, wie ohne oder mit Überhitzung des Kältemittels beziehungsweise Arbeitsstoffes am Austritt des Verdampfers und damit am Einlass 3 in die Vorrichtung 1a, ein kontinuierlicher Flüssigkeitsanteil in die Vorrichtung 1a einströmt. Nach der Trennung der Flüssigkeit von der Gasphase des Arbeitsstoffes innerhalb des Abscheidevolumens 5-1 strömt die Flüssigkeit durch den Ringkanal 13a in das Speichervolumen 5-2 über. Mittels der entsprechenden Dimensionierung des Ringkanals 13a in Länge L und Breite B ist der Ringkanal 13a während des Betriebs, ähnlich einer von einphasiger Flüssigkeit durchströmten Rohrleitung, stets vollständig mit Flüssigkeit beaufschlagt. Die quasistationäre Füllung des Ringkanals 13a mit Flüssigkeit verhindert, dass gasförmiger Arbeitsstoff parallel beziehungsweise gemeinsam mit der Flüssigkeit den Ringkanal 13a passiert. Die Flüssigkeitsfüllung des Ringkanals 13a stellt folglich eine Abdichtung für die Gasphase des Arbeitsstoffes in Richtung des Speichervolumens 5-2 dar.
Bei der angegebenen Sperrfunktion handelt es sich um eine Quasiabdichtung, da es residualen Mengen an Gas möglich ist, speziell zum Druckausgleich innerhalb der Vorrichtung 1a und dem bedarfsgerechten Rückführen von gespeichertem Kältemittel in den Kältemittelkreislauf, den Ringkanal 13a zu durchströmen. Die residualen Mengen an Gas sind jedoch energetisch weder in der Lage, abgeschiedene Flüssigkeit aufzuwirbeln, noch Flüssigkeitströpfchen zurück in das Abscheidevolumen 5-1 und zum ersten Ende 8 des Absaugrohres 7 als Einlass in das Absaugrohr 7 zu transportieren.
In den 3a und 3b ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1b zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse 11 verlaufenden Schnittebene T-förmigen Querschnitt des Ringkanals 13b jeweils in seitlicher Schnittdarstellung gezeigt.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Vorrichtung 1 b aus 3a und der Vorrichtung 1a nach 2a liegt in der Ausbildung des Trennelements 6b, 6a, insbesondere in der Ausbildung der Mantelfläche 12b, 12a des Trennelements 6b, 6a. Das Trennelement 6a der Vorrichtung 1a weist eine ebene, kreiszylindrische Mantelfläche 12a auf, während die Mantelfläche 12b des Trennelements 6b aus mehreren Abschnitten ausgebildet ist. Dabei weisen zwei in Richtung z außenliegende Abschnitte kreiszylindrische Mantelflächen mit gleichem Radius auf. Ein zwischen den außenliegenden Abschnitten ausgebildeter dritter Abschnitt weist eine kreiszylindrische Mantelfläche mit einem geringeren Radius als die außenliegenden Abschnitte auf. Die die einzelnen Abschnitte miteinander verbindenden Kreisringflächen sind orthogonal zur Rotationsachse 11 und damit in radialer Richtung ausgerichtet.
Beide Trennelemente 6b, 6a erfüllen die identische Funktion innerhalb der Vorrichtung 1b, 1a. Gleiche Komponenten der Vorrichtungen 1b, 1a werden wiederum mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Auch das Trennelement 6b der Vorrichtung 1b weist eine derartige Ausdehnung in Richtung z sowie funktionsorientierte Gestalt auf, dass zwischen der umlaufenden Mantelfläche 12b des Trennelements 6b und der Innenfläche der Wandung 2 ein vollumfänglicher, im Querschnitt zweidimensionaler Ringkanal 13b ausgebildet ist, durch welchen die infolge der Schwerkraft an der Innenfläche der Wandung 2 in Richtung z als Durchströmrichtung nach unten strömende flüssige Phase des Arbeitsstoffes hindurchströmt und im Speichervolumen 5-2 gesammelt wird, während der Ringkanal 13b für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes im Wesentlichen undurchlässig ist.
Das Trennelement 6b ist in der Form eines Doppelscheiben-Elements oder eines Mehrscheiben-Elements mit gleicher Ausdehnung in Richtung z, wie das Trennelement 6a der Vorrichtung 1a, ausgebildet. Aufgrund des jeweiligen Abstands zwischen den Scheibenelementen weist der Ringkanal 13b je nach Anzahl der Scheibenelemente in horizontaler Richtung ausgerichtete, vollumfänglich verlaufende Zwischenräume, bezüglich der Funktionsweise auch als Blindnuten bezeichnet, auf. Der Abstand zwischen den zueinander weisenden Oberflächen der Scheibenelemente beträgt mindestens 0,5 mm, insbesondere 1 mm, und kann bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 3 mm liegen. Bei einer Ausführungsform des Ringkanals 13b mit einer Länge von 6 mm weisen die Scheiben des Doppelscheiben-Elements beispielsweise eine Stärke beziehungsweise Scheibendicke von je 1,5 mm auf, während der Abstand zwischen den zueinander weisenden Oberflächen der Scheibenelemente 3 mm beträgt.
Der Abstand zwischen den zueinander weisenden Oberflächen der Scheibenelemente ergibt sich folglich aus der Länge des Ringkanals 13b als Ausdehnung in Richtung z, welche auch der Gesamtstärke des Trennelements 6b in Richtung z entspricht, abzüglich der Summe der Scheibendicken.
Jeder in Richtung z zwischen den Scheibenelementen des Trennelements 6b in horizontaler Richtung ausgerichtete, nutförmige Zwischenraum ist während des Betriebs der Vorrichtung 1b permanent mit Arbeitsstoff, unabhängig vom Aggregatszustand, oder mit Schmieröl gefüllt. Der Arbeitsstoff, das Schmieröl oder ein Gemisch aus Arbeitsstoff und Schmieröl sind in dem jeweiligen Zwischenraum gefangen, sodass jeder derart gefüllte Zwischenraum für den Massenstrom irrelevant beziehungsweise blind ist. Damit entspricht die beschriebene Funktion des Ringkanals 13b der Vorrichtung 1b mit dem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse 11 verlaufenden Schnittebene T-förmigen Querschnitt identisch der Funktion des Ringkanals 13a der Vorrichtung 1a aus 2a mit dem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse 11 verlaufenden Schnittebene I-förmigen Querschnitt, welcher mittels des Trennelements 6a mit ebener Mantelfläche 12a in Verbindung mit der Innenfläche der Wandung 2 als hohlkreiszylindrischer Ringkanal 13a ausgebildet ist. Insbesondere die Funktion der Ringkanäle 13a, 13b bezüglich des Versperrens des Durchgangs für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes ist gleich.
Die Ausbildung des Trennelements 6b als Doppelscheiben-Element oder Mehrscheiben-Element ermöglicht das Verbinden des Trennelements 6b mit dem äußeren Rohrelement 7-1 des Absaugrohres 7 zu einer zusammenhängenden Einheit beziehungsweise einstückigen Komponente, insbesondere aus einem Kunststoff. Damit können die entsprechenden Herstellungskosten der Vorrichtung 1b verringert werden.
In den 4a und 4b sind ein erstes Trennelement 6b der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1b nach 3a als einstückige Komponente mit dem Absaugrohr 7 der Vorrichtung 1b in perspektivischer Ansicht sowie ein zweites Trennelement 6b der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1b als einstückige Komponente mit dem Absaugrohr 7 in seitlicher Schnittdarstellung gezeigt.
Das Trennelement 6b ist sowohl in der Ausbildung als ein Doppelscheiben-Element nach 4a als auch in der Ausbildung als ein Mehrscheiben-Element, insbesondere als ein Dreischeiben-Element, nach 4b jeweils mit dem Absaugrohr 7, speziell mit dem äußeren Rohrelement 7-1 des Absaugrohres 7, als ein gemeinsames, einstückiges Spritzgussteil aus einem Kunststoff ausgebildet. Das äußere Rohrelement 7-1 und das Trennelement 6b stellen jeweils eine zusammenhängende Einheit dar.
In den 4c und 4d ist das Trennelement 6a der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1a nach 2a als ein Einzelelement und in Verbindung mit dem Absaugrohr 7 der Vorrichtung 1a jeweils in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Trennelement 6a und das Absaugrohr 7 sind als voneinander getrennte Spritzgussteile aus einem Kunststoff ausgebildet und werden als einzelne Komponenten während der Montage der Vorrichtung 1a zusammengesteckt und miteinander verbunden.
Zum Erhöhen der Leistungszahl des Kältemittelkreislaufs als Maß für die Effizienz beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs kann bekanntlich ein kreislaufinterner Wärmeübertrager eingesetzt werden. Um dabei die Ausbildung einer zusätzlichen Komponente zu vermeiden, können die EinzelKomponenten Akkumulator und kreislaufinterner Wärmeübertrager zu einer integrierten Komponente, auch als Kombinationsvorrichtung bezeichnet, zusammengefasst werden.
Aus den 5a und 5b geht die Vorrichtung 1a aus 2a als Komponente einer Kombinationsvorrichtung 14a mit einem kreislaufinternen Wärmeübertrager 15 mit einer Detailansicht der Kombinationsvorrichtung 14a jeweils in seitlicher Schnittdarstellung hervor. Die 5c und 5d zeigen Detailansichten der Kombinationsvorrichtung 14a aus den 5a und 5b in Gegenüberstellung zur Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik gemäß 1a jeweils mit Kennzeichnung der Gasphase 18, 18' und der Flüssigkeit 19 in seitlicher Schnittdarstellung. In den 6a und 6b ist die Vorrichtung 1b aus 3a ebenfalls als Komponente einer Kombinationsvorrichtung 14b mit dem kreislaufinternen Wärmeübertrager 15 mit einer Detailansicht der Kombinationsvorrichtung 14b jeweils in seitlicher Schnittdarstellung gezeigt.
Bei der Ausbildung der Vorrichtung 1a, 1b als Akkumulator des Kältemittels in Kombination mit dem kreislaufinternen Wärmeübertrager 15 in der Kombinationsvorrichtung 14a, 14b wird der kreislaufinterne Wärmeübertrager 15 in Form einer Rohrwendel koaxial um die Wandung 2 der Vorrichtung 1a, 1b herum angeordnet. Bei einer Anordnung der platzsparenden Kombinationsvorrichtung 14a, 14b, beispielsweise im Motorraum des Kraftfahrzeugs, wird zudem die Wandung 2 gegen Wärmeeintrag aus dem Motorraum thermisch isoliert. Die Niederdruckseite des kreislaufinternen Wärmeübertragers 15 nimmt die vom Motorraum an die Kombinationsvorrichtung 14a, 14b übertragene Wärme auf, sodass die Vorrichtung 1a, 1b, speziell das Speichervolumen 5-2 mit der darin gespeicherten Flüssigkeit, nicht beheizt wird, was zum Verdampfen der Flüssigkeit führen würde.
Das Gehäuse 16 der Kombinationsvorrichtung 14a, 14b weist ein Deckelelement 16-1 und ein Bodenelement 16-2 auf, welche über ein Mantelelement 16-3 miteinander verbunden sind. Im vom Gehäuse 16 umschlossenen Volumen sind in radialer Richtung von außen nach innen der kreislaufinterne Wärmeübertrager 15 als Rohrwendel, die Wandung 2 der Vorrichtung 1a, 1b zur Aufnahme des flüssigen Arbeitsstoffes sowie das Absaugrohr 7 zum Ableiten der gasförmigen Phase des Arbeitsstoffes aus der Kombinationsvorrichtung 14a, 14b jeweils konzentrisch zur Rotationsachse 11 angeordnet.
Der untere Bereich der Vorrichtung 1a, 1b ist als Schmierölsumpfbereich konisch nach unten zulaufend ausgebildet, um das sich absetzende Schmieröl zu konzentrieren und zu sammeln. Das Schmieröl wird mit der gasförmigen Phase des Arbeitsstoffes durch eine in der zweiten Stirnfläche des äußeren Rohrelements 7-1 des Absaugrohres 7 ausgebildete Durchgangsbohrung aus der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes aus der Kombinationsvorrichtung 14a, 14b abgesaugt.
Der Arbeitsstoff wird zum Abtrennen der flüssigen Phase mit dem Ölanteil von der gasförmigen Phase des Zweiphasengemischs durch den tangential zur Innenfläche der Wandung 2 ausgerichteten Einlass 3, welcher in Kombination mit dem Abscheidevolumen 5-1 die Form des Zyklons 10 aufweist, eingeleitet. Das in das Abscheidevolumen 5-1 einströmende Zweiphasengemisch wird in Rotation um die Rotationsachse 11 versetzt. Dabei wird die schwerere flüssige Phase des Arbeitsstoffes durch die auftretenden Zentrifugalkräfte an die Innenfläche der Wandung 2 gepresst und strömt infolge der Schwerkraft als Flüssigkeitsfilm 17 an der Wandung 2 nach unten. Die leichtere gasförmige Phase 18 sammelt sich im Zentrum des Abscheidevolumens 5-1 und wird durch das zentral angeordnete Absaugrohr 7, welches in das Abscheidevolumen 5-1 einmündet, abgesaugt.
Da der beim Überleiten vom Abscheidevolumen 5-1 in das Speichervolumen 5-2 den Ringkanal 13a durchströmende Flüssigkeitsfilm 17 des Arbeitsstoffes die gasförmige Phase 18, gemäß 5c der Vorrichtung 1, daran hindert, den Ringkanal 13a ebenfalls zu passieren, wird insbesondere das Verwirbeln der gespeicherten Flüssigkeit 19 durch die gasförmige Phase 18 vermieden, sodass das Speichervolumen 5-2 bis zu 100 % mit Flüssigkeit 19 befüllt werden kann. Der Füllstand 20 der Flüssigkeit kann bis an die Unterseite des Trennelements 6a heranreichen.
Im Vergleich dazu strömt bei der Ausbildung des Trennelements 6' als dünnwandiges Blech, gemäß 5d der Vorrichtung 1' aus dem Stand der Technik, ein Anteil der gasförmigen Phase 18' durch den Ringspalt 13' in das Speichervolumen 5-2 über. Innerhalb des Speichervolumens 5-2 kommt es zur Wechselwirkung der gasförmigen Phase 18' mit der gespeicherten Flüssigkeit 19 des Arbeitsstoffes. Die gasförmige Phase 18' verwirbelt aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Flüssigkeit 19, sodass ein Flüssigkeitsübertrag 21' des Arbeitsstoffes in Form von Tropfen in das Abscheidevolumen 5-1 zurückströmt und aus dem Abscheidevolumen 5-1 abgesaugt werden kann, unabhängig vom Füllstand 20' der Flüssigkeit innerhalb des Speichervolumens 5-2. Das Speichervolumen 5-2 kann lediglich bis zu einem Füllstand 20' mit Flüssigkeit 19 befüllt werden, welcher im Vergleich zum Füllstand 20 der Vorrichtung 1 aus 5c in Richtung z wesentlich weiter von der Unterseite des Trennelements 6' entfernt ist. Innerhalb des Speichervolumens 5-2 bleibt derart ein großer Anteil des Volumens ungenutzt.
Bezugszeichenliste

1a, 1b, 1': Vorrichtung
2: Wandung
2-1: erste Stirnseite Wandung 2
2-2: zweite Stirnseite Wandung 2
3: Einlass
4: Auslass
5: Volumen
5-1: Abscheidevolumen
5-2: Speichervolumen
6a, 6b, 6': Trennelement
6b-1: erste Kreisringscheibe
6b-2: zweite Kreisringscheibe
7: Absaugrohr
7-1: äußeres Rohrelement
7-2: inneres Rohrelement
8: erstes Ende Absaugrohr 7
9: zweites Ende Absaugrohr 7
10: Zyklon
11: Rotationsachse
12a, 12b, 12': Mantelfläche Trennelement 6a, 6b, 6'
13a, 13b: Ringkanal
13': Ringspalt
14a, 14b: Kombinationsvorrichtung
15: kreislaufinterner Wärmeübertrager
16: Gehäuse
16-1: Deckelelement
16-2: Bodenelement
16-3: Mantelelement
17: Flüssigkeitsfilm
18, 18': gasförmige Phase
19: Flüssigkeit
20, 20': Füllstand der Flüssigkeit
21': Flüssigkeitsübertrag
B: Breite Ringkanal 13a, 13b
L: Länge Ringkanal 13a, 13b
z: Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1564510 A2 [0015, 0018]
US 20200047098 A1 [0017, 0018]

Claims

Vorrichtung (1a, 1b) zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase, aufweisend - eine ein Volumen (5) umschließende, hohlkreiszylinderförmige Wandung (2) mit geschlossenen Stirnseiten (2-1, 2-2) sowie einem Einlass (3) und einem Auslass (4), wobei - innerhalb des Volumens (5) ein Trennelement (6a, 6b) angeordnet ist, welches das Volumen (5) in ein Abscheidevolumen (5-1) und ein Speichervolumen (5-2) unterteilt, wobei das Abscheidevolumen (5-1) in einer Richtung z der Schwerkraft oberhalb des Trennelements (6a, 6b) und das Speichervolumen (5-2) unterhalb des Trennelements (6a, 6b) ausgebildet sind, - der Einlass (3) im Bereich einer oberen Stirnseite (2-1) angeordnet ist, - ein Absaugrohr (7) mit einem ersten offenen Ende (8) zur Aufnahme der gasförmigen Phase des Arbeitsstoffes und einem zweiten offenen Ende (9) als Verbindung mit dem Auslass (4), wobei das Absaugrohr (7) mit dem ersten offenen Ende (8) in das Abscheidevolumen (5-1) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6a, 6b) rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse (11) mit einer Ausdehnung in Richtung z und einer Ausdehnung in einer radialen Richtung derart ausgebildet ist, dass zwischen der Wandung (2) und mindestens einer umlaufenden Mantelfläche (12a, 12b) des Trennelements (6a, 6b) ein für die flüssige Phase des Arbeitsstoffes durchlässiger Ringkanal (13a, 13b) ausgebildet ist, welcher das Abscheidevolumen (5-1) und das Speichervolumen (5-2) miteinander verbindet, wobei der Ringkanal (13a, 13b) in Richtung z eine um ein Vielfaches größere Ausdehnung als in radialer Richtung aufweist und während des Betriebs für die gasförmige Phase des Arbeitsstoffes im Wesentlichen undurchlässig ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) in Kombination mit dem in Strömungsrichtung des Arbeitsstoffes nachfolgenden Abscheidevolumen (5-1) in der Form eines Zyklons (10) zur Rotation und Trennung der gasförmigen und der flüssigen Phase des Arbeitsstoffes um die in der Richtung z ausgerichtete Rotationsachse (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (13a) mit einem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse (11) verlaufenden Schnittebene I-förmigen Querschnitt hohlkreiszylinderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (13b) mit einem in der in Richtung z ausgerichteten und durch die Rotationsachse (11) verlaufenden Schnittebene T-förmigen Querschnitt ausgebildet ist.
Vorrichtung (1b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6b) aus mindestens zwei in Richtung z zueinander beabstandet angeordneten Kreisringscheiben (6b-1, 6b-2) ausgebildet ist, deren Symmetrieachsen koaxial zueinander in Richtung z verlaufen und welche derart konfiguriert und angeordnet sind, dass während des Betriebs der Vorrichtung (1b) jeweils in einem zwischen benachbart angeordneten Kreisringscheiben (6b-1, 6b-2) ausgebildeten Zwischenraum Arbeitsstoff eingeschlossen ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (13a, 13b) in Richtung z eine Ausdehnung im Bereich von 3 mm bis 10 mm, insbesondere eine Ausdehnung von 6 mm, aufweist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (13a, 13b) in radialer Richtung eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 2 mm, aufweist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (7) aus einem äußeren Rohrelement (7-1) mit dem ersten offenen Ende (8) und einem inneren Rohrelement (7-2) mit dem zweiten offenen Ende (9) ausgebildet ist, wobei die Längsachsen der Rohrelemente (7-1, 7-2) koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6a, 6b) und das äußere Rohrelement (7-1) des Absaugrohres (7) als Spritzgusselement ausgebildet sind.
Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6a, 6b) und das äußere Rohrelement (7-1) des Absaugrohres (7) als zwei getrennte Komponenten ausgebildet sind.
Vorrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6a, 6b) und das äußere Rohrelement (7-1) des Absaugrohres (7) als eine zusammenhängende Einheit und einstückige Komponente ausgebildet sind.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Absaugrohr (7) mit dem äußeren Rohrelement (7-1) ausgehend vom ersten offenen Ende (8) in das Speichervolumen (5-2) hinein erstreckend angerordnet ist und sich das innere Rohrelement (7-2) durch das Trennelement (6a, 6b) hindurch erstreckend angeordnet ist, wobei das zweite offene Ende (9) mit dem Auslass (4) verbunden ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Absaugrohr (7) mit dem ersten offenen Ende (8) in Richtung z von unten durch das Trennelement (6a, 6b) hindurch erstreckend angeordnet ist, wobei die Stirnseite des Absaugrohres (7) am ersten offenen Ende (8) fluchtend zu einer Oberseite des Trennelements (6a, 6b) angeordnet ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (6a, 6b) das Volumen (5) der Vorrichtung (1a, 1b) in 10% Abscheidevolumen (5-1) und 90% Speichervolumen (5-2) aufteilend angeordnet ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsstoff Kohlenstoffdioxid (R744) ist.
Vorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1a, 1b) als Komponente einer Kombinationsvorrichtung (14a, 14b) ausgebildet ist, welche einen kreislaufinternen Wärmeübertrager (15) aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung (1a, 1b) zum Trennen einer gasförmigen und einer flüssigen Phase eines Arbeitsstoffes und zum Speichern der flüssigen Phase nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.