DE3705850A1 - Verfahren und vorrichtung zur leistungssteigerung einer kaelteanlage fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungssteigerung einer Kälteanlage für Kraftfahrzeuge, be­ stehend aus einem ölgeschmierten Kompressor, einem dem Kompres­ sor nachgeschalteten Kondensator, einem Drosselorgan und einem Verdampfer.

Kälteanlagen, wie Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge, besitzen in der Regel ölgeschmierte Kompressoren, mit denen das Kältemittel verdichtet wird. Das als Schmiermittel für den Kompressor ver­ wendete Öl vermischt sich zwangsweise mit dem Kältemittelgas und wird aus dem Kompressor gefördert. Um den sich im Kältemit­ tel befindenden Schmierölanteil möglichst gering zu halten, weist der Kompressor einen integrierten Ölabscheider mit inter­ ner Ölrückführung auf. Dieser integrierte Ölabscheider erreicht jedoch aufgrund seines konstruktiven Aufbaus und des be­ schränkten Einbauraums nur eine begrenzte Abscheidung. Infolge des geringen Ölabscheidegrades enthält das umlaufende Kälte­ mittel Ölanteile von 5 bis 15 Gew.-%. Da das Öl neben der Schmierfunktion auch die Aufgabe besitzt, den Kompressor zu kühlen und abzudichten, muß der Kompressor mit der vorgeschrie­ benen Menge an Öl versorgt werden. Das im Kältemittel sich befindende und in den Kältekreislauf gelangende Öl vermindert jedoch die Anlagenleistung, da es unter anderem den Wärmeüber­ gangskoeffizienten reduziert, und die Sättigungstemperatur erhöht. Bei gleichem Saugdruck wird dadurch das treibende Temperaturgefälle am Verdampfer reduziert, was zu einer Minder­ leistung führt. Weiterhin erhält das aus dem Verdampfer aus­ tretende Öl Kältemittel in gelöster Form, das nicht verdampft ist und deshalb keinen Beitrag zur Kälteerzeugung leisten kann. Aufgrund des geringen Platzangebots innerhalb des Kompressors, kann der interne Ölabscheider nicht vergrößert werden und es ist selbst mit verbesserten Ölabscheidern nur ein unzureichen­ der Abscheidegrad zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bei Kälteanlagen für Kraftfahrzeuge auf einfache und preiswerte Weise eine Lei­ stungssteigerung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Kompressor und Kondensator ein externer Ölabscheider vorgesehen ist, der das im Kältemittel sich befindende Schmieröl aus dem Kältemittel abscheidet, und daß das abgeschiedene Öl über einen Kühler gekühlt und dem Kompressor wieder zugeführt wird. Der das Schmieröl aus dem Kältemittel abscheidende Ölabscheider ist erfindungsgemäß als Zyklonabscheider ausgebildet.

Das an der Hochdruckseite des Kompressors mit dem Kältemittel austretende Öl wird mittels eines separaten Ölabscheiders dem heißen Kältemittelgas entzogen. Der Ölabscheider ist als dem Kompressor nachgeschaltetes, separates Bauteil ausgebildet und befindet sich in der zwischen Kompressor und Kondensator ver­ laufenden Kältemittelleitung. Dieser externe Ölabscheider trennt die flüssige von der gasförmigen Phase der aus dem Kompressor austretenden Medien. Dabei stellt das Öl und das geringfügig darin gelöste Kältemittel die flüssige, und das verdampfte und auf hohen Druck verdichtete Kältemittel die gasförmige Phase dar. Das mittels des Ölabscheiders abgeschie­ dene Öl wird über einen Kühler abgekühlt und dem Kompressor wieder zugegeben.

Die Verwendung eines externen Ölabscheiders hat den wesentli­ chen Vorteil, daß der Kompressor aufgrund des Wegfalls des in­ ternen Ölabscheiders nunmehr kleinere Baumaße aufweist und des­ halb weniger Platz zur Unterbringung des Kompressors benötigt, so daß er einfacher, z. B. in der Ebene des umlaufenden Treib­ riemens des Fahrzeugmotors, über den der Kompressor angetrieben wird, anzubringen ist. Der externe Abscheider kann an einer geeigneten Stelle im Motorraum untergebracht werden und ist lediglich mit der Austrittsöffnung des Kompressors und der Eintrittsöffnung des Kondensators über Kältemittelleitungen zu verbinden. Dieser externe Ölabscheider kann speziell auf die Kälteanlage des betreffenden Kraftfahrzeugs abgestimmt werden, so daß ein optimaler Abscheidegrad erreicht werden kann. Vorteilhaft ist der externe Ölabscheider als Zyklonabscheider ausgebildet. Dieser Zyklonabscheider ist durch Variation in der Länge und im Durchmesser leicht veränderbar, wodurch der Drall des eintretenden Gases beeinflußbar und somit der Ölabscheider leicht an verschiedene Kälteanlagen anpaßbar ist. Außerdem besitzt dieser Zyklonabscheider gegenüber herkömmlichen Abscheidern kleine Abmessungen und ist daher besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und für den instationären Betrieb geeignet.

Um die Temperatur des Kompressors durch das über den Ölabschei­ der rückgeführte Öl nicht übermäßig zu erhöhen, wird das Öl, bevor es dem Kompressor wieder zugeleitet wird, in einem Kühler abgekühlt. Vorteilhaft erfolgt die Kühlung des abgeschiedenen Öls mittels Luft. Hierfür kann ein separater Luft-Öl-Kühler vorgesehen sein, der im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs an­ geordnet ist und vom Fahrtwind durchströmt wird. Eine Ausfüh­ rungsform sieht vor, daß die Kühlung des abgeschiedenen Öls in einer separaten Kühlleitung im Kondensator für das Kältemittel erfolgt. Bei dieser Ausbildung bedarf es keines zusätzlichen Kühlers, sondern lediglich einer Kühlleitung, die im bereits vorhandenen Kondensator des Kältemittels vorzusehen ist. Das Öl kann demnach über einen separaten Kühler oder über den bereits vorhandenen Kondensator abgekühlt werden.

Die Rückführung des gekühlten abgeschiedenen Öls kann dadurch erfolgen, daß es den Ölbohrungen des Kompressors aufgegeben wird. Bei der Verwendung eines Flügelzellenkompressors wird das Öl z. B. direkt den Ölbohrungen der Seitenscheiben zugeführt. Die Ölrückführung erfolgt über die anliegende Systemdruckdiffe­ renz. Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß das gekühlte abgeschiedene Öl unmittelbar nach dem Verdampfer in die Saug­ leitung des Kompressors eingegeben wird. Das Schmieröl gelangt somit mit dem angesaugten Kältemittel direkt in den Kompressor und an die zu schmierenden, zu kühlenden und abzudichtenden Flächen. Es kann auch ein Ölteilstrom in die Saugleitung einge­ geben und das restliche Öl über die Ölbohrungen dem Kompressor zugeführt werden.

Auch bei vollkommener externer Ölabscheidung wird ein Teil des Kältemittels in gelöster Form dem Kältekreislauf entzogen. Um den Anteil an gelöstem Kältemittel gering zu halten, ist der Ölabscheider bei hoher Temperatur zu betreiben, d. h. die Ölab­ scheidung erfolgt direkt am Ausgang des Kompressors, da hier das heiße Kältemittelgas die höchste Temperatur aufweist.

Eine Optimierung der Verdichtung und eine sichere Schmierung wird dadurch erreicht, daß die Rückführung des gekühlten abge­ schiedenen Öls mittels eines Steuerelements, z. B. eines Nadel­ ventils o. dgl., gesteuert wird. Bei einem zu geringen Massen­ strom kann der Kompressor unter Umständen dadurch Schaden neh­ men, daß er infolge Ölmangels vorzeitig verschleißt bzw. nicht genügend gekühlt wird. Ein zu großer Massenstrom mindert die Verdichtungsleistung und belastet den dem Kompressor nachge­ schalteten Ölabscheider. Eine Verbesserung der Kühlung des Kom­ pressors wird dadurch erreicht, daß das verdichtete Kältemittel zusammen mit dem anfallenden Öl an der tiefsten Stelle des Kom­ pressors entnommen wird. Somit wird dem Kompressor sofort das an der Hochdruckseite anfallende heiße Öl entnommen, über den Ölabscheider dem heißen Kältemittelgas entzogen, über den Küh­ ler abgekühlt und dem Kompressor wieder zugeführt. Dadurch wird eine wesentliche Verbesserung der Kühlung des Kompressors und somit eine Erhöhung dessen Verdichterleistung erreicht.

Eine einfache Integration des Ölkühlers in den Kondensator des Kältemittels wird dadurch erreicht, daß die Kühlleitung zum Kühlen des abgeschiedenen Öls als wenigstens eine aus den Rohr­ leitungen des Kondensators ausgegliederte Rohrgabel ausgebildet ist. Die Ausgliederung einer Rohrgabel im Kondensator hat den Vorteil, daß für die Kühlung des abgeschiedenen Öls weder ein separater Ölkühler noch ein speziell hierfür ausgebildeter Kon­ densator mit neben den Kühlleitungen für das Kältemittel zu­ sätzlichen das Öl führenden Kühlleitungen vorzusehen ist. In dem herkömmlichen Kondensator wird lediglich eine Rohrgabel ab­ gezweigt und diese mit Anschlußnippeln versehen. Eine Optimie­ rung der Ölkühlung erfolgt dadurch, daß die ausgegliederte Rohrgabel für die Ölkühlung im Bereich des Kältemitteleintritts des Kondensators liegt.

Bei Kälteanlagen mit dem Kondensator nachgeschaltetem Sammler und Trockner wird eine kompakte Einheit dadurch erreicht, daß der Ölabscheider als Baueinheit mit dem Sammler und Trockner ausgebildet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Kälteanlage mit Ölabscheidung und Kühlung des abgeschiedenen Öls,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ölabscheider und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen schematisch dargestellten Kondensator mit ausgegliederten Rohrgabeln zur Öl­ kühlung.

Die in der Fig. 1 dargestellte Prinzipskizze zeigt eine Kälte­ anlage (1) mit einem Kompressor (2), einem Kondensator (3), ei­ nem Trockner und Sammler (4), einem Drosselorgan (5) und einem Verdampfer (6). Diese Bauelemente (2 bis 6) sind über Kältemit­ telleitungen (7), die mit großer Strichstärke dargestellt sind, miteinander verbunden. Das Kältemittel fließt in diesem Kreis­ lauf entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei zwischen dem Kompressor (2) und dem Drosselorgan (5) der Hochdruckteil und zwischen dem Drosselorgan (5) und dem Kompressor (2) der Niederdruckteil der Kälteanlage (1) ist. Das Kältemittel liegt dabei zwischen dem Verdampfer (6) und dem Kondensator (3) im wesentlichen in dampfförmiger Phase vor, wohingegen es zwischen dem Kondensator (3) und dem Verdampfer (6) als Flüssigkeit anfällt.

Das den Kompressor (2) verlassende Heißgas durchläuft außerdem einen Ölabscheider (8), der als externes Bauelement in der Käl­ temittelleitung (7) zwischen dem Kompressor (2) und dem Konden­ sator (3) angeordnet ist. Dieser Ölabscheider (8) trennt die dampfförmige von der flüssigen Phase des den Kompressor (2) verlassenden Kältemittels, wobei in dem Kältemittel noch flüs­ siges Schmieröl (9) enthalten ist. Dieses Öl (9) dient neben der Schmierung des Kompressors (2) zu dessen Kühlung und zur Abdichtung der Kompressionsräume. Das im Ölabscheider (8) an­ fallende Schmieröl (9) wird über eine Ölleitung (10) dem Kon­ densator (3) zugeführt, in dem es gekühlt wird, was weiter un­ ten noch näher beschrieben wird. Im Anschluß an den Kondensator (3) wird das Schmieröl (9) über ein Steuerelement (11), was z. B. als Nadelventil ausgebildet sein kann, dem Kompressor (2) wieder zugeführt. Dabei kann das Schmieröl (9) entweder direkt über die Ölbohrungen dem Kompressor (2) zugegeben, oder wie in Fig. 1 dargestellt, in die Saugleitung (12) des Kompressors (2) injiziert werden.

Durch die Abscheidung des Öls (9) unmittelbar am Austritt (13) des Kompressors (2) und durch Injektion des inzwischen gekühl­ ten Öls (9) in die Saugleitung (12) am Eintritt des Kompressors (2), wird einerseits der Kompressor (2) ausreichend mit Schmieröl (9) versorgt, andererseits ist das den Kälteprozeß durchlaufende Kältemittel weitestgehend von Schmieröl (9) be­ freit, was zu einer Leistungssteigerung der Kälteanlage (1) führt. Eine exakte Dosierung der Menge des in die Saugleitung (12) injizierten Schmieröls (9) wird über das Steuerelement (11) erreicht, so daß der Kompressor (2) mit der optimalen Schmierölmenge versorgt wird. Eine Unterversorgung mit Schmier- Öl (9) würde unter Umständen zu Funktionsstörungen aufgrund er­ höhter Reibung, verminderter Kühlung und ungenügender Abdich­ tung des Kompressors (2) führen. Eine zu große Ölmenge würde den Verdichtungswirkungsgrad verringern und den nachgeschalte­ ten externen Ölabscheider (8) zu sehr belasten.

Der in Fig. 2 dargestellte Ölabscheider (8) besteht im wesent­ lichen aus einem Hüllrohr (14) mit einem am oberen Ende vorge­ sehenen Einlaß (15) für das vom Kompressor (2) kommende Heiß­ gas, einem Auslaß (16) für das den Ölabscheider (8) verlassende und von Öl (9) weitgestgehend befreite Heißgas und am unteren Ende mit einem Auslaß (17), über den das abgeschiedene Öl (9) abgesaugt wird. Der als Zyklonabscheider arbeitende Ölabschei­ der (8) weist in seinem oberen Bereich ein koaxiales Innenrohr (18) auf, dessen oberes Ende mit dem Auslaß (16) verbunden ist, und dessen unteres Ende Eintrittsöffnungen (19) für das Kälte­ mittelgas aufweisen. Der tangential zum Hüllrohr (14) angeord­ nete Einlaß (15) mündet in einen Ringraum (20), der mit einer Drallwendel (21) versehen ist. Durch diese Wendel (21) erfährt das einströmende Heißgas einen Drall und bewegt sich schrauben­ linienförmig in Richtung auf das untere Ende des Innenrohrs (18). Aufgrund der Fliehkraft erfahren die im Heißgas sich be­ findenden flüssigen Ölteilchen eine tangentiale Kraftkomponen­ te, so daß sie sich an der Innenwand des Hüllrohrs (14) nieder­ schlagen und nach unten fließen. Der untere Bereich des Ölab­ scheiders (8) bildet einen Sammelbehälter (22) für das an der Innenwand des Hüllrohrs (14) ablaufende abgeschiedene Öl (9). Das vom Schmieröl (9) weitestgehend befreite Heißgas wird über die Eintrittsöffnungen (19) am unteren Ende des Innenrohrs (18) abgesaugt und verläßt den Ölabscheider (8) über den Auslaß (16). Um ein Kondensieren des dampfförmigen Kältemittels zu vermeiden, ist es vorteilhaft den Ölabscheider (8) nahe am Austritt (13) des Kompressors (2) vorzusehen, bzw. die den Kom­ pressor (2) und den Ölabscheider (8) verbindende Kältemittel­ leitung zu isolieren. Diese Maßnahme bewirkt, daß das abge­ schiedene Öl (9) einen geringen Bestandteil an gelöstem Kälte­ mittel aufweist, so daß dessen Schmiereigenschaft erhalten bleibt.

Die Fig. 3 zeigt einen modifizierten Kondensator (3), mit dem einerseits das Kältemittel der Kälteanlage (1) kondensiert, andererseits das vom Ölabscheider (8) abgeschiedene Schmieröl (9) gekühlt wird. Hierfür ist der zweiflutig ausgebildete Kondensator (3) mit Kältemitteleintritts- und -austrittsöffnun­ gen (23, 24) versehen. Diese Öffnungen (23, 24) sind über Rohr­ leitungen (25) verbunden, wobei die Rohrleitungen (25) als Rohrgabeln ausgebildet sind. Außerdem weist der Kondensator (3) eine Eintritts- und Austrittsöffnung (26, 27) für das abge­ schiedene Öl (9) auf. Diese Öffnungen (26, 27) sind ebenfalls über als Rohrgabeln ausgebildete Rohrleitungen (28) verbunden. Zur Wärmeabgabe an die durchströmende Luft sind die Rohrleitun­ gen (25 und 28) mit einem Blechpaket aus geschichteten, einen Abstand zueinander aufweisenden Blechen (30) umgeben. Die Ver­ wendung eines herkömmlichen Kondensators (3) zum gleichzeitigen Kondensieren bzw. Kühlen von Kältemittel und Schmieröl (9) wird dadurch ermöglicht, daß die Rohrleitung (28) aus den Rohrlei­ tungen (25) ausgegliedert sind und die Rohrleitungen (25) mit­ tels Überbrückungsleitungen (29) miteinander verbunden sind, wodurch die Rohrleitung (28) umgangen wird. Dies hat den we­ sentlichen Vorteil, daß neben dem Kondensator (3) kein zusätz­ licher Kühler für das Schmieröl (9) vorzusehen ist.

Claims (14)

1. Verfahren zur Leistungssteigerung einer Kälteanlage für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem ölgeschmierten Kompressor, einem dem Kompressor nachgeschalteten Kondensator, einem Dros­ selorgan und einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Kompressor und dem Kondensator ein externer Ölab­ scheider vorgesehen ist, der das im Kältemittel sich befindende Schmieröl aus dem Kältemittel abscheidet, und daß das abge­ schiedene Öl über einen Kühler gekühlt und dem Kompressor wie­ der zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des abgeschiedenen Öls mittels Luft erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlung des abgeschiedenen Öls in einer separaten Kühlleitung im Kondensator für das Kältemittel erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gekühlte abgeschiedene Öl den Ölbohrungen des Kompressors aufgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gekühlte abgeschiedene Öl unmittelbar nach dem Verdampfer in die Saugleitung des Kompressors eingege­ ben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ölabscheidung direkt am Austritt des Kom­ pressors erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückführung des gekühlten abgeschiedenen Öls mittels eines Steuerelementes, z. B. einem Nadelventil o. dgl. gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittel zusammen mit dem anfallenden Öl an der tiefsten Stelle des Kompressors entnommen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (6) als Zyklonabscheider ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (8) als ein in die den Kompressor (2) mit dem Kondensator (3) verbindende Kältemittelleitung (7) einsetz­ bares Bauelement ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ölabscheider (8) für instationären Betrieb ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (28) zum Kühlen des abge­ schiedenen Öls (9) als wenigstens eine aus den Rohrleitungen (25) des Kondensators (3) ausgegliederte Rohrgabel ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgegliederte Rohrgabel (Rohrleitung 28) für die Küh­ lung des Schmieröls (9) im Bereich des Kältemitteleintritts (23) des Kondensators (3) liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 mit einem dem Kondensator nachgeschalteten Sammler und Trockner, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölabscheider (8) als Baueinheit mit dem Sammler und Trockner (4) ausgebildet ist.