28. Februar 2005 EAPL P 057 abet

05-BAD-905

Eaton Fluid Power GmbH, Dr. -Reckeweg-Str. 1, 76532 Baden-Baden

KältemittelSammler mit Pilter/Trockner-Einhei ^' t

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelsammler mit Filter/Trockner-Einheit für Kälteanlagen. Der erfindungs- gemäße Kältemittelsammler eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeugklimaanlagen und hier insbesondere für solche, die mit Kohlendioxid als Kältemittel betrieben werden.

Kältemittelsammler werden in der Regel von Kältemittel durchströmt, wobei sie einen Kältemittelvorrat bereithalten. Dieser puffert geringere Kältemittelverluste der Kältemaschine sowie unterschiedliche. Einsatzbedingungen derselben. Deshalb befindet sich in der Regel ein gewisser Vorrat flüs-

sigen Kältemittels in dem Kältemittelsammler. Das Kältemittel muss trocken sein. Bildet sich in der Kältemaschine an ungünstigen Stellen Eis, kann dies zu Betriebsstörungen und auch zu Schädigungen der Kältemaschine führen. Deshalb wei- sen Kälteanlagen in der Regel Trockner auf. Diese sind z.B. rohrförmige Vorratsgefäße, in denen ein wasserabsorbierendes Material z.B. ein Granulat angeordnet ist. Dieses wird von dem Kältemittel durchströmt. Dabei kommt es darauf an, einen ausreichend innigen Kontakt zwischen dem Kältemittel und dem Trocknermaterial sicherzustellen.

Insbesondere die Kompressoren von CO ₂ -Kältemaschinen aber auch die Kompressoren anderer Kältemaschinen sind relativ empfindlich gegen angesaugte Fluidtropfen und insbeson- dere Feststoffpartikel . Es wird deshalb gewünscht, sicher dafür zu sorgen, dass der von den Kompressoren angesaugte Kältemittelstrom insbesondere keine Feststoffpartikel enthält.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einheit zu schaffen, die wenigstens einige der oben genannten Probleme auf technisch einfache und zuverlässige Weise löst.

Diese Aufgabe wird mit dem Kältemittelsammler mit inte- grierter Filter/Trockner-Einheit gemäß Anspruch 1 gelöst:

Der erfindungsgemäße Kältemittelsammler beruht auf einem druckfesten, aufrecht stehenden Gefäß mit Wandung, Boden und oberem Abschluss, so dass ein geschlossener Innenraum umschlossen ist. Ein erstes Rohr führt in den Innenraum hinein und ein zweites Rohr führt aus dem Innenraum heraus. In dem Innenraum ist eine Filter/Trockner-Einheit angeordnet, die von dem in den Innenraum hineinführenden Rohr gespeist wird. Die Filter/Trockner-Einheit wird dabei etwa in ihrer

Mitte mit Kältemittel versorgt. Die Filter/Trockner-Einheit weist zumindest einen, vorzugsweise aber mehrere großflächige Auslässe auf, deren Querschnitt den Querschnitt des speisenden Rohrs übersteigt. Die Auslässe münden in den Innen- räum des Behälters, in dem sich somit sowohl öl als auch flüssiges Kältemittel sammeln können. Das aus dem Innenraum herausführende Rohr weist ein oberes offenes Ende auf, das vorzugsweise über der Filter/Trockner-Einheit angeordnet ist . Es führt ausgehend von dieser Stelle aus dem Innenraum heraus. Dabei ist es vorzugsweise u-förmig um die

Filter/Trockner-Einheit herum geführt, wobei ein unterer Rohrbogen des aus dem Innenraum herausführenden Rohrs unmittelbar über dem Boden des Gefäßes verläuft . In diesem Bereich ist vorzugsweise eine Ansaugöffnung angeordnet. Der Rohrbogen unterschneidet einen ölspiegel, der sich in dem

Gefäß ausbildet. Dadurch kann der das Gefäß verlassende Kältemittelstrom über die Ansaugöffnung dosiert öl ansaugen und mitführen. Dies wird zur Schmierung der angeschlossenen Kompressoren gewünscht .

Zwischen dem ölspiegel und der Filter/Trockner-Einheit ist ein- Teilvolumen des Innenraums begrenzt, in dem Kältemittel in flüssiger Phase vorhanden sein kann. Die flüssige Kältemittelmenge kann abhängig von Einsatzbedingungen der Kältemaschine schwanken. Die Filter/Trockner-Einheit trennt jedoch den Kältemittelspiegel von dem nach oben steil aufragenden offenen Rohrende des aus dem Innenraum herausführenden Rohrs, so dass keine Kältemittelspritzer in das offene Rohrende gelangen können, und zwar auch dann nicht, wenn der Kältemittelsammler bei Einbau in ein Kraftfahrzeug bei heftigen Fahrmanövern oder holpriger Straße geschüttelt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung des Gefäßes des Kältemittelsammlers zylindrisch ausgebildet,

wohingegen der Boden des Gefäßes abgerundet ausgebildet ist. Letzteres hat den Vorteil, dass auch mit geringen ölmengen ein ausreichend hoher ölspiegel zu erzielen ist, um den Kältemittelstrom mit öl zu versehen. Außerdem ist die Gefäßform auf diese Weise besonders druckfest.

Der obere Abschluss des Gefäßes ist vorzugsweise flach oder leicht gerundet ausgebildet, wobei die beiden Rohre nebeneinander in das Gefäß hinein- sowie aus diesem heraus- führen. Somit ist oberhalb der Filter/Trockner-Einheit ein etwa zylindrischer Dampfdom ausgebildet, in dem Kältemittel vorwiegend in gasförmiger Phase vorhanden ist und gut abgezogen werden kann. Der Anschluss der beiden nebeneinander vorzugsweise parallel zueinander orientierten Rohre ist au- ßerdem einfach und übersichtlich.

Vorzugsweise nimmt die Filter/Trockner-Einheit den gesamten Querschnitt des Innenraums in der Weise ein, dass sie mit der Wandung des Gefäßes lediglich einen relativ engen Ringspalt festlegt. Aus diesem Ringspalt heraus, tritt Kältemittel mit relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit in den oberen, als Dampfdom dienenden Bereich ein. Schwappbewegungen des unterhalb der Filter/Trockner-Einheit befindlichen Kältemittelspiegels führen kaum dazu, dass flüssiges Kältemittel in den Bereich oberhalb der Filter/Trockner-Einheit gelangt . Dies erst recht nicht angesichts der bevorzugten Höhe (Axialerstreckung) der Filter/Trockner-Einheit, die vorzugsweise größer ist als der Durchmesser derselben.

Aus dem Ringspalt tropfen flüssiges Kältemittel und öl nach unten ab und sammeln sich unterhalb der Filter/Trockner-Einheit. Flüssiges CO2 schwimmt . dabei auf dem ölspiegel auf.

Prinzipiell ist es möglich, das sich unter der Filter/Trockner-Einheit sammelnde öl über Kapillaren oder gesonderte Leitungen aus dem Gefäß abzuziehen und dem 01- strom beizugeben. Das aus dem Innenraum herausführende Rohr kann somit unmittelbar aus dem oberen Dampfdombereich nach außen führen. Als einfache und robuste Lösung wird jedoch bevorzugt, das aus dem Innenraum herausführende Rohr sowohl absteigend als auch aufsteigend zwischen der Wandung und der Filter/Trockner-Einheit hindurch zu führen und somit das oben im Dampfdombereich abgesaugte Kältemittel durch den unteren Rohrbogen zu führen, wo es mit öl versetzt wird.

Die Filter/Trockner-Einheit weist vorzugsweise ein Gehäuse mit einer flachen Oberseite und einem etwa zylindri- sehen Außenumfang auf. Dieses trennt auf effiziente Weise die flüssige Kältemittelphase von der dampfförmigen Kältemittelphase. Außerdem bietet es einen ausreichend großen Innenraum zur Aufnahme einer großen Trockenmittelportion.

Es hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, die Filter/Trockner-Einheit mit einem kegelförmigen Boden zu versehen. Die Spitze des Bodens liegt dabei vorzugsweise mittig in dem Gehäuse etwa unterhalb des speisenden Rohres. Der Kegelwinkel ist dabei relativ groß und liegt vorzugs- weise zwischen 120° und 170°. Diese Form des Bodens hat sich sowohl hinsichtlich des sich ausbildenden Strömungsmusters als auch rein praktisch als vorteilhaft erwiesen, weil sie beim Schließen der Filter/Trockner-Einheit eine gute Kompak- tierung des Trocknergranulats gestattet. Dies gilt insbeson- dere, wenn der Boden in das Gehäuse der Filter/Trockner-Einheit von unten her eingesetzt und dann beispielsweise durch Rastmittel fixiert wird. Das Trockengranulat wird im Wesentlichen radial durchströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit gering ist und nach außen hin abnimmt. Damit wird ein

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inniger Kontakt zwischen Trockengranulat und Kältemittel- fluid ermöglicht. Die geringe Strömungsgeschwindigkeit in dem Gehäuse der Filter/Trockner-Einheit führt zu einem niedrigen Druckabfall über dem Kältemittelsammler.

Als Trockengranulat werden vorzugsweise kugelförmige Granulatkörper verwendet, was eine optimale Berührung zwischen dem Kältemittel und dem Trockengranulat erbringt .

Eingangsseitig ist die Filter/Trockner-Einheit mit einem Einlasskorb versehen, der an seinem Umfang und an seinem Boden Auslassöffnungen, z.B. Bohrungen und Schlitze aufweist. Der Einlasskorb gestattet eine Einleitung von Kältemittelfluid in das Trockengranulat mit geringem Druckabfall. An den Auslassöffnungen des Gehäuses der Filter/Trockner- Einheit ist vorzugsweise ein Feinfilter angeordnet. Dieses wird z.B. durch ein feines Edelstahlnetz, ein Edelstahlfilz oder ähnliches, gebildet. Die Maschengröße liegt vorzugsweise im Bereich von 30 μm bis 60 μm.

Der kegelförmige Boden ist eine Voraussetzung, die zu einer guten Trennung von gasförmiger und flüssiger Phase führt . Die Ansammlung von flüssigem Kältemittel und/oder öl in der Filter/Trockner-Einheit wird sicher vermieden. Somit wird das Trocknergranulat selbst frei von Flüssigkeiten gehalten, so dass seine Wirksamkeit nicht durch öl oder flüssiges Kältemittel beeinträchtigt wird.

Die Auslassfenster nehmen nahezu den gesamten Außen- umfang des Gehäuses der Filter/Trockner-Einheit ein. Dies führt im Weiteren zu einer effizienten Nutzung des Trockenmittels durch langsame Durchströmung sowie sicheren Austrag von flüssigem Kältemittel und öl aus dem Gehäuse der Filter/Trockner-Einheit .

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Figur 1 den Kältemittelsammler in einer perspektivischen

Gesamtansicht ,

Figur 2 den Kältemittelsammler nach Figur 1 in perspektivischer, vertikal geschnittener Darstellung,

Figur 3 den Kältemittelsammler nach Figur 2 in vertikal geschnittener Darstellung mit zusätzlicher

Schnittdarstellung seiner Filter/Trockner-Einheit,

Figur 4 die Filter/Trockner-Einheit des Kältemittelsammlers nach Figur 2 und 3 in vertikal geschnittener Darstellung und

Figur 5 den Kältemittelsammler nach Figur 1 in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung .

In Figur 1 ist ein Kältemittelsammler 1 veranschaulicht, dessen äußeres Gefäß 2 durch eine Aluminiumflasche gebildet wird. Diese weist eine zylindrische Wandung 3 mit einem im Wesentlichen flachen oberen Abschluss 4 und einem z.B. sphärisch gewölbten Boden 5 auf. Der Boden 5 kann mit einer öffnung versehen sein, in die ein Berststopfen 6 eingeschraubt ist. Das Gefäß 2 ist nach außen hin allseitig geschlossen. Es kann aus zwei oder mehreren Teilen zusammengeschweißt sein, wobei die Schweißnähte in Figur 1 nicht veranschaulicht sind. Vorzugsweise ist das Gefäß 2 ohne

Schweiß- und Lötnähte, d.h. ohne Schweiß- und Lötoperation ausgebildet. Dazu wird zunächst ein hohlzylindrischer Rohling erzeugt, der bereits den oberen Abschluss 4 enthält. Wenn alle später erläuterten Einbauten in dem Gefäß 2 plat- ziert sind, wird dieses an seinen Boden 5 in einem Rollformvorgang oder in einem alternativen Umformvorgang soweit geschlossen, dass lediglich noch die .durch den Stopfen 6 zu verschließende öffnung verbleibt . Dieses Fertigungsverfahren erlaubt es, das Gefäß 2 auch dann mit relativ geringen Wand- stärken herzustellen, wenn es auf sehr hohe Berstdrücke von beispielsweise über 200 bar auszulegen ist. Sonst beim Schweißen und Löten auftretende, durch die Temperaturbeanspruchung auftretende Strukturveränderungen des Materials werden ausgeschlossen.

Durch den Abschluss 4 führen zwei Rohre 7, 8 in den von dem Gefäß 2 umschlossenen, aus Figur 2 ersichtlichen Innenraum 9 hinein bzw. aus diesem heraus. Die Enden der Rohre I ₁ 8 durchsetzen den Abschluss 4 dabei parallel zueinander. Das Rohr 7 bildet die eingangsseitige Leitung zum Einleiten von Kältemittel in den Kältemittelsammler 1. Es führt zu einer Filter/Troσkner-Einheit 10, die in dem Innenraum 9 in einem gesonderten Gehäuse 11 untergebracht ist. Das in dem Innenraum 9 angeordnete Ende 12 des Rohrs 7 führt dabei zu einem

πύttigen Anschluss, der an dem Gehäuse 11, d.h. genau genommen/ an seiner vorzugsweise ebenen Oberseite 13 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 weist außerdem einen etwa zylindrischen Außenumfang 14 auf, dessen Durchmesser etwas geringer ist als der Innendurchmesser der Wandung 3, so dass zwischen beiden ein Schlitz ausgebildet ist. Um diesen definiert einzustellen und das Gehäuse 11 in dem Gefäß 2 zu zentrieren, ist der Außenumfang 14 mit radial nach außen vorspringenden Abstandshalternasen 15 versehen, die vorzugsweise in Form länglicher vertikal, d.h. axial orientierter Rippen 16, 17, 18 ausgebildet sind. An dem Außenumfang 14 sind außerdem Auslassfenster 19, 20, 21, 22, 23 (siehe Figur 2 und 3) ausgebildet, die den aus Figur 3 ersichtlichen Innenraum 24 des Gehäuses 11 auf seiner gesamten Umfangsflache zu dem Innen- räum 9 des Gefäßes 3 hin öffnen. Die Auslassfenster 19 bis 23 sind voneinander lediglich durch schmale Stege getrennt, die die an der Oberseite 13 liegende obere Abschlussplatte mit einem unteren Ring 25 verbinden, der einen in das Gehäuse 11 eingsetzten Boden 26 hält. Die Auslassfenster 19 bis 23 können mit einem Kunststoffgitter versehen sein, das die eingesetzten, später erläuterten Filter abstützt und insbesondere bei der Montage vor manueller Beschädigung schützt .

Der Boden 26 besteht vorzugsweise, wie das übrige Gehäuse 11 auch, aus Kunststoff. Er weist einen sich von einem ringförmigen Rand 27 aufwärts erstreckenden kegelförmigen Bodenabschnitt 28 auf, der einen Kegelwinkel von vorzugsweise etwa 130° bis 150° hat. Der Boden 26 ist vorzugsweise über nicht weiter veranschaulichte Rastmittel mit dem Ring

25 verbunden. Sein äußerer Rand 29 schließt mit der Oberkante des Rings 25 ab oder ist kurz oberhalb desselben angeordnet .

Die Auslassfenster 19 bis 23 sind durch ein feinmaschiges Filter geschlossen. Dieses kann beispielsweise durch ein Edelstahlnetz, einen Edelstahlfilz oder dergleichen gebildet sein. Die Maschenweite liegt vorzugsweise im Bereich zwi- sehen 30 μm und 60 μm.

In dem Innenraum 24 des Gehäuses 11 ist ein Einlasskorb 31 angeordnet, der mit der oberen Abschlussplatte des Gehäuses 11 vorzugsweise einstückig verbunden ist. Der Einlass- korb 31 weist beispielsweise eine zylindrische Form auf. An seinem Umfang ist er mit Schlitzen 32 versehen. In seinem Boden sind öffnungen 33 ausgebildet. Die Schlitze 32 und öffnungen 33 weisen vorzugsweise eine Weite von nicht mehr als 0,8 mm auf. Jedenfalls aber ist die Weite der Schlitze 32 und öffnungen 33 geringer als die Korngröße eines Trockengranulats, das den Innenraum 24 füllt. Dieses Granulat dient der Wasserabsorption.

Das Gehäuse 11 weist an einander diametral gegenüber liegenden oder auch an anderweitig zueinander positionierten Stellen nutartige, vorzugsweise etwa zylinderschalenförmige Ausnehmungen auf, durch die sich das Rohr 8 erstreckt. Es geht von einem offenen, oberhalb der Filter/Trockner-Einheit 10 befindlichen Ende vertikal nach unten zu dem Boden 5 des Gefäßes 2. Der entsprechende gerade Rohrabschnitt 34 geht dann unterhalb der Filter/Trockner-Einheit 10 in einen Rohrbogen 35 über, von dem ausgehend es mit einem weiteren Rohrabschnitt 36 wieder an der Filter/Trockner-Einheit 10 vorbei zu dem Abschluss 4 und durch diesen nach außen führt . Der Rohrbogen 35 verläuft dabei knapp oberhalb des Bodens 5, wie insbesondere aus Figur 5 hervorgeht. An seiner tiefsten Stelle, an der der Rohrbogen 35 dem Boden 5 am nächsten ist, ist der Rohrbogen mit einer Saugbohrung 37 versehen. Diese

weist einen geringen Durchmesser auf und dient dazu, dem in dem Rohrbogen 35 fließenden Kältemittel öl zuzusetzen.

Der insoweit beschriebene Kältemittelsammler 1 arbeitet wie folgt :

In Betrieb ist das Gefäß 2 vertikal angeordnet, d.h. seine Rohre 7, 8 führen im Wesentlichen vertikal in den Innenraum 9 hinein. Die Mittelachse der zylindrischen Wandung ist senkrecht orientiert. Durch das Rohr 7 fließt Kältemittel aus einer Kältemaschine zunächst in die Filter/Trockner- Einheit, die den Innenraum 9 in einen oberen Bereich 38, der als Dampfdom dient, und einen unteren Bereich 39, der als Flüssigkeitssammler dient, unterteilt. Das Kältemittel ist in der Regel ein Dreiphasengemisch, bestehend aus gasförmigem Kältemittel, flüssigem Kältemittel und flüssigen ölpar- tikeln. Es tritt zunächst in den Einlasskorb 31 ein und ver- lässt diesen durch die Schlitze 32 und die öffnungen 33, durch die es in die dichte Packung der vorzugsweise kugel- förmigen Trocknerkörper gelangt. Dabei wird durch die öffnungen 32 der Bodenabschnitt 28 angeströmt, der die Strömung radial nach außen umleitet. Es ergibt sich eine relativ gleichmäßige, langsame Durchströmung der in dem Innenraum 24 gehaltenen Trocknerpackung. Flüssige Bestandteile, d.h. flüssiges Kältemittel und öl gelangen auf den Bodenabschnitt 28 und laufen auf diesem nach außen ab. Sie verlassen die Filter/Trockner-Einheit 10 durch die Auslassfenster 19 bis 23 und rinnen dann an dem Ring 25 nach unten in den von dem Bereich 39 gebildeten Teilraum. Gasförmiges Kältemittel sam- melt sich hingegen vorwiegend in dem Bereich 38 des Innenraums 9, aus dem sie über das Rohr 8 abgezogen werden.

Unter der Filter/Trockner-Einheit 10 bildet sich ein Flüssigkeitsvorrat bestehend aus öl und flüssigem Kältemit-

tel. Wegen der unterschiedlichen Dichten scheiden sich beide voneinander. Dies gilt insbesondere, wenn als Kältemittel CO ₂ verwendet wird. Es bildet sich über dem Boden 5 ein öl- volumen 40 mit einem ölspiegel 41, auf dem ein flüssiges Kältemittelvolumen 42 mit einem Kältemittelspiegel 43 ruht. Der ölspiegel 41 steht mindestens oberhalb der Saugbohrung 37. Der Kältemittelspiegel 43 steht mindestens unterhalb des Rands 29, vorzugsweise jedoch unterhalb des Rings 25.

Das in dem Bereich 38 vorhandene dampfförmige Kältemittel strömt durch den Rohrabschnitt 34 und den Rohrbogen 35, wobei es über die Saugbohrung 37 öl mitnimmt. Die Saugbohrung 37 kann auch als Sickerbohrung angesehen werden, die den ölzutritt in das Rohr 8 auf ein gewünschtes niedriges Maß beschränkt. Bedarfsweise können mehrere solcher Bohrungen vorgesehen werden. Außerdem kann zwischen dem Rohrbogen 35 und dem Berststopfen 6 ein Filter beispielsweise in Form eines Metallnetzes, Metallfilzes oder dergleichen angeordnet sein.

Die Filter/Trockner-Einheit 10 bewirkt nicht nur eine Trocknung des Kältemittels sondern zugleich eine so wirksame Unterteilung des Innenraums 9, dass von der gegebenenfalls siedenden oder durch äußere Bewegung schwappenden Oberfläche des Kältemittelvolumens 42 keine Spritzer in das offene Ende des Rohrabschnitts 34 gelangen. Es ist auf diese Weise ein einfacher, kombinierter Kältemittelsammler mit integrierter Filter/Trockner-Einheit 10 geschaffen.

Ein Kältemittelsammler 1 mit Filter/Trockner-Einheit 10 weist einen länglichen, vertikal orientierten Innenraum auf, der durch die Filter/Trockner-Einheit 10 in einen oberen Bereich 38 und einen unteren Bereich 39 unterteilt ist. Einströmendes Kältemittel wird über ein Rohr 7 der

Filter/Trockner-Einheit 10 zugeleitet, die ihre Auslassfenster an ihrem Außenumfang hat, der mit der Wandung 3 des Gefäßes 2 des Kältemittelsammlers 1 einen relativ engen Spalt begrenzt. Flüssige Bestandteile tropfen nach unten ab und sammeln sich unterhalb der Filter/Trockner-Einheit. Gasförmige Bestandteile sammeln sich vorwiegend oberhalb der Filter/Trockner-Einheit 10.