SCHLOSSER, Andrè (Hebbelstr. 3, Herne, 44623, DE)
RENNER, Günter (Saarlandstr. 41, Herne, 44651, DE)
THOME, Matthias (Weststr. 29, Bochum, 44866, DE)
SCHMIDT, Andrè (Essener Str. 89, Gelsenkirchen, 45899, DE)
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THOME, Matthias (Weststr. 29, Bochum, 44866, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zum Einfüllen eines Kältemittels in den Kühlkreislauf (2) einer Kältemaschine, bei dem das einzufüllende Kältemittel aus einem Vorrats- behälter (1) entnommen und in den Kühlkreislauf (2) eingefüllt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
a) dass das Kältemittel im gasförmigen Zustand aus dem Vorrats- behälter (1) entnommen wird,
b) dass das gasförmige Kältemittel durch Kühlung verflüssigt wird,
c) und dass das flüssige Kältemittel in den Kühlkreislauf (2) gepumpt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kältemittel in den Niederdruckteil des Kühlkreislaufes (2) gepumpt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kältemittel um Kohlendioxid (R 744) handelt.
4. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
a) mit einem an einen Vorratsbehälter (1) anschließbaren Einlass (I), durch welchen gasförmiges Kältemittel in die Vorrichtung einströmt,
b) mit einem dem Einlass (I) nachgeschalteten Verflüssiger (5), welcher das gasförmige Kältemittel kühlt und dadurch verflüssigt,
c) mit einer dem Verflüssiger (5) nachgeschalteten Transferpumpe (6),
d) und mit einem der Transferpumpe (6) nachgeschalteten, an den Kühlkreislauf (2) der Kältemaschine anschließbaren Auslass (O), durch welchen flüssiges Kältemittel aus der Vorrichtung heraus strömt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum der Transferpumpe (6) trocken abgedichtet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Transferpumpe (6) und Auslass (O) eine mittels eines überströmventils (11) offenbare überstromleitung (10) abzweigt, welche zwischen Einlass (I) und Verflüssiger (5) endet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Füllmengensteuerung (8), welche die Masse des durch den Einlass (I) eingeströmten Kältemittels registriert und nach Erreichen einer Sollmasse das überströmventil (11) öffnet und die Transferpumpe (6) abschaltet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Einlass (I) an einen Vorratsbehälter (1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorratsbehälter (1) das einzufüllende Kältemittel zumindest teilweise in gasförmiger Phase (G) gelagert ist, dass der Einlass (I) mit dem von der gasförmigen Phase (G) eingenommenen Behälterraum verbunden ist, und dass zwischen Einlass (I) und Verflüssiger (5) ein Druckminderer (4) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) auf einer Waage (9) angeordnet ist, welche Gewichtsänderungen des Vorratsbehälters (1) misst und der Füllmengensteuerung (8) die Masse des eingeströmten Kältemittels vorgibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kältemaschine um eine Kfz-Klimaanlage handelt. |
Füllen von Kühlkreisläufen mit flüssigem Kältemittel
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfüllen eines Kältemittels in den Kühlkreislauf einer Kältemaschine, bei dem das einzufüllende Kältemittel aus einem Vorratsbehälter entnommen und in den Kühlkreislauf eingefüllt wird. Im übrigen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Kältemaschinen wie Kfz-Klimaanlagen müssen im Rahmen ihrer Wartung regelmäßig mit Kühlmittel befüllt werden. Zum Befüllen von Kfz-Klimaanlagen verwenden Autowerkstätten so genannte Klimaservicegeräte. Als Kältemittel wird mitunter Kohlendioxid verwendet, welches die Kältemittelnummer R 744 trägt.
Zum werkstattgestützten Befüllen von Fahrzeug-Klimaanlagen kommen derzeit zwei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, nämlich das Heizgürtel-Verfahren und das Kompressor-Verfahren.
Beim Heizgürtel-Verfahren wird ein elektrisch beheizter Heizgürtel um den Vorratsbehälter gelegt, in welchem das einzufüllende Kältemittel lagert. Durch die Wärmezufuhr mittels des Heizgürtels wird der Druck im Vorratsbehälter auf ein ausreichendes Niveau gebracht, um unabhängig von der Umgebungstemperatur eine Befüllung der Klimaanlage sicherzustellen. Die Lufttemperatur in einer Werkstatt kann über das Jahr stark schwanken, so dass teilweise eine erhebliche Heizleistung erforderlich ist. Dies gilt umso mehr, als Klimaservicegeräte heute weltweit vertrieben werden und dasselbe Produkt in unterschiedlichen Klimazonen einsetzbar sein muss. Dennoch ist es aufgrund
der physikalischen Eigenschaften von R 744 nicht möglich, den Vorratsbehälter gänzlich zu entleeren. Es verbleibt immer ein Rest von etwa 50% der Gesamtmenge im Vorratsbehälter zurück.
Ein weiterer Nachteil ist, dass der Füllprozess erst dann gestartet werden kann, wenn ein Mindestdruck im Kältemittelbehälter erreicht ist. Dies kann zu erheblichen Aufheizzeiten führen, was dem Kundenwunsch einer raschen Durchführung von Wartungsarbeiten entgegensteht. Schließlich birgt das Aufheizen eines Kältemittelbehälters immer Gefahr. Eine durch einen technischen Defekt überhöhte Behältertemperatur kann zur Explosion führen. Aus allen diesen Gründen ist das Heizgürtel-Verfahren abzulehnen, obgleich es einen geringen aparativen Aufwand bedarf.
Bei dem Kompressor-Verfahren saugt ein Kompressor R 744 aus dem Vorratsbehälter und füllt dies in einen definierten Zwischenbehälter. Im Zwischenbehälter sammelt sich das Kältemittel im gasförmigen Zustand. Sobald der notwendige Fülldruck erreicht ist, wird der Kompressor ausgeschaltet und die Verbindung von Kompressor und Zwischenbehälter mit einem Ventil verschlossen. Sodann wird die gewünschte Füllmenge über ein zweites Ventil in den Kühlkreislauf eingelassen. Dies setzt voraus, dass der Druck in dem Zwischenbehälter größer ist als in dem Kühlkreislauf. Um die gewünschte Menge des eingefüllten Kältemittels zu überwachen, wird der Zwischenbehälter gewogen.
Nachteil der Kompressor-Lösung ist, dass das vom Kompressor angesaugte Kältemittel öl aus dem Kompressor heraustransportiert. Das öl ist zur Schmierung und zur Abdichtung der Arbeitsräume des Kompressors erforderlich. Da dieses sich im komprimierten Kältemittel löst, verliert der Kompressor mit jeder Kältemittelfüllung öl, was nach kurzer Zeit zum Ausfall des Kompressors führt. Da der ölverlust keiner erkennbaren Gesetzmäßigkeit folgt, ist es nicht möglich, in Abhängigkeit der bisherigen R 744-Füllmenge Kompressoröl nachzufüllen.
Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Befüllung von Kältemaschinen mit Kältemittel anzugeben, welches eine sichere und rasche Befüllung des Kühl-
kreislaufs innerhalb einer weiten Spanne von Umgebungstemperaturen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das Kältemittel im gasförmigen Zustand aus dem Vorratsbehälter entnommen wird, dass das gasförmige Käl- temittel dann durch Kühlung verflüssigt wird, und dass das flüssige Kältemittel schließlich in den Kühlkreislauf hineingepumpt wird.
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Kältemittel im flüssigen Zustand in den Kühlkreislauf einzufüllen, wohingegen es bei dem Heizgürtel- bzw. Kompressor-Verfahren im gasförmigen Zustand in die Kältemaschine eintritt. Die Handhabung des flüssigen Kältemittels hat den entscheidenden Vorteil, dass kein Kompressor zum Verdichten des gasförmigen Mediums erforderlich ist, sondern dass stattdessen eine Pumpe verwendet werden kann. Der Unterschied zwischen einem Kompressor und einer Pumpe liegt im Aggregatzustand des zu fördernden Mediums: Verdichter komprimieren gasförmige Medien auf ein höheres Druckniveau, währenddessen Pumpen ein flüssiges Medium in einen Raum fördern, in dem ein höherer Druck herrscht. Das flüssige Medium ist dabei inkompressibel. Pumpen eröffnen bauartbedingt gegenüber Kompressoren den Vorteil, dass sich ihr Arbeitsraum trocken abdichten lässt, also aus Sicht des Mediums ölfrei. Damit erübrigt sich das Problem des ausgetragenen Kompressoröls.
Da Pumpen nur flüssige Medien fördern können, ist es erforderlich, das Kältemittel vor Eintritt in die Pumpe zu verflüssigen. Dies geschieht durch Kühlung. Dies hat gegenüber dem Heizgürtel-Verfahren den Vorteil, dass eine überlastung durch übermäßige Wärmezufuhr ausgeschlossen ist.
Vorteilhafterweise wird das flüssige Kältemittel in den Niederdruck-Teil des Kühlkreislaufs gepumpt. Dies hat den Vorteil, dass das Kältemittel nicht auf so ein hohes Druckniveau gepumpt werden muss. Solange der Druck im Niederdruckteil aufgrund des niedrigen Füllstands geringer ist als der Druck des eingepumpten, flüssigen Kältemittels ist zu erwarten, dass das Kältemittel unmittelbar nach Eintritt in den Kühlkreislauf verdampft.
Das Verfahren wird vorzugsweise zum Befallen von Kältemaschinen angewandt, die mit Kohlendioxid (R 744) arbeiten.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen an einen Vorratsbehälter anschließbaren Einlass, durch welchen gasför- miges Kältemittel in die Vorrichtung einströmt. Dem Einlass nachgeschaltet ist ein Verflüssiger, welcher das gasförmige Kältemittel kühlt und dadurch verflüssigt. Dem Verflüssiger nachgeschaltet ist wiederum eine Transferpumpe zum Fördern des flüssigen Kältemittels in die Kältemaschine. Hierzu ist der Transferpumpe ein an den Kühlkreislauf der Kältemaschine anschließbarer Auslass nachgeschaltet, durch welchen das flüssige Kältemittel aus der Vorrichtung herausströmt.
Die Transferpumpe ist vorzugsweise trocken abzudichten, um ein Mitreißen des Pumpenschmierstoffs im Kühlreislauf der Kältemaschine zu vermeiden. Unter einer trockenen Abdichtung sind Dichtmaßnahmen zu verstehen, die nicht auf einer flüssigen Dichtbarriere wie öl basieren. Dies wäre einfachstenfalls eine Kolbenpumpe mit festen Dichtringen oder eine Membranpumpe.
Die Menge des eingefügten Kühlmediums wird durch die Laufzeit der Pumpe gesteuert. Bei einigen Pumpen ist bauartbedingt ein Nachlauf zu erwarten, d. h. aufgrund der Schwungmasse der Pumporgane fördert die Pumpe auch nach Abschalten ihres Antriebs weiter. Um die Füllgenauigkeit durch Ausmerzung von Nachlaufeffekten zu erhöhen, schlägt die Erfindung vor, zwischen Transferpumpe und Auslass eine mittels eines überströmventils offenbare überstromleitung anzuordnen, welche zwischen Einlass und Verflüssiger endet. Durch öffnung des überströmventils ist es möglich, den Nachlauf der Pumpe vor dem Auslass abzuzweigen und ihn über die überstromleitung zurückzuführen.
Das überströmventil wird vorzugsweise von einer Füllmengensteuerung angesteuert, welche die Masse des durch den Einlass eingeströmten Kältemittels registriert und nach Erreichen einer Sollmasse das überströmventil öffnet und die Transferpumpe abschaltet. Die Masse des eingeströmten Kältemittels kann
indirekt über den Volumenstrom des eingeströmten flüssigen Kühlmediums bestimmt werden oder direkt durch die Registrierung der Massenänderung.
Um Schäden an der Vorrichtung durch überdruck zu vermeiden ist es vorteilhaft, zwischen Einlass und Verflüssiger einen Druckminderer anzuordnen, der den Druck des einströmenden Gases auf ein unkritisches Niveau entspannt. Da Medien nur im gasförmigen Zustand zu entspannen sind, sollte der Einlass mit einem Behälterraum des Vorratsbehälters verbunden werden, in dem das einzufüllende Kältemittel in gasförmiger Phase vorliegt. Sofern es sich bei Vorratsbehälter um eine handelsübliche Druckflasche handelt, genügt es, den Einlass im oberen Bereich vorzusehen und auf ein Steigrohr zu verzichten. In solchen Druckflaschen bildet sich nämlich im unteren Bereich eine flüssige Phase des Kühlmittels, währenddessen im oberen Bereich sich eine gasförmige Phase ausbildet. Durch Verzicht auf ein Steigrohr kann nur gasförmiges Kältemittel aus der Flasche austreten. Das gasförmige Kältemittel wird dann im Druckminderer entspannt.
Zur Bestimmung der eingefüllten Masse kann der Füllmengensteuerung vorteilhafterweise eine Waage zugeordnet werden, auf welcher der Vorratsbehälter angeordnet wird. Gewichtsänderungen des Vorratsbehälters werden von der Waage gemessen und der Füllmengensteuerung als direktes Maß für die Masse des eingeströmten Kältemittels vorgegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich besonders vorteilhaft bei der Befüllung von Kfz-Klimaanlagen in Werkstätten verwenden.
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierfür zeigt:
Fig. 1 : Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Figur 1 zeigt den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung dient dazu,
ein in einem Vorratsbehälter 1 gelagertes Kältemittel in den Kühlkreislauf 2 eine Kältemaschine, insbesondere eine Kfz-Klimaanlage einzufüllen. Bei dem Kältemittel handelt es sich um Kohlendioxid R 744. Bei dem Vorratsbehälter 1 handelt es sich um eine Druckflasche, in der das R 744 bei Umgebungstemperatur von 20 0 C bei etwa 60 bar gelagert wird. In diesem Zustand bildet sich je nach Füllstand am Boden des Vorratsbehälters 1 eine flüssige Phase L und eine darüber stehende gasförmige Phase G des Kältemittels aus. Der von der gasförmigen Phase G des Kältemittels eingenommene Raum des Vorratsbehälters 1 ist mit dem Einlass I der Vorrichtung verbunden. Da kein Steigrohr in die flüssige Phase L eintaucht, kann allein gasförmiges Kohlendioxid aus dem Vorratsbehälter 1 in den Einlass I eintreten. Hinter dem Einlass I ist ein Rückschlagventil 3 angeordnet, welches ein Zurücklaufen des Kältemittels in den Vorratsbehälter 1 verhindert. Unmittelbar hinter dem Rückschlagventil 3 ist ein Druckminderer 4 angeordnet, der den Druck des anströmenden Kältemittels auf etwa 50 bar reduziert, um eine überbelastung der Anlage zu verhindern.
Das gasförmige Kältemittel tritt mit einem Druck von etwa 50 bar in einen Verflüssiger 5 ein. Dort wird das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich zwischen 0 und 10 0 C heruntergekühlt und kondensiert dabei. Mit fortschreitender Entleerung des Vorratsbehälters sinkt der Druck des anströmenden Gases, weswegen auch die Kondensationstemperatur fällt. Die aktive Kühlung des Mediums erfordert prinzipbedingt Energie.
Das flüssige Kältemittel gelangt nun in den Arbeitsraum einer Transferpumpe 6, die das flüssige Kältemittel über ein Füllventil 7 aus einem Auslass O der Vor- richtung in den Niederdruckteil des Kühlkreislaufs 2 hineinpumpt. Die Transferpumpe 6 ist erforderlich, da der Druck im Kühlkreislauf 2 gegen Ende des Füllvorgangs bei hohen Außentemperaturen auf bis zu 105 bar ansteigen kann, also höher als der Druck in dem Verflüssiger. Solange der Kühlkreislauf 2 noch nicht vollständig gefüllt ist, verdampft das Kältemittel beim Eintritt in den Kühlkreislauf 2.
Die Menge des eingefüllten Kältemittels wird von einer Füllmengensteuerung 8 gesteuert. Dieser zugeordnet ist eine Waage 9, auf welcher der Vorratsbehälter
I steht. Die Waage 9 registriert Gewichtsänderungen des Vorratsbehälters 1 , als direktes Maß für die Masse des ausgeströmten Kältemittels. Solange die Transferpumpe 6 läuft und das Füllventil 7 geöffnet ist, wird das Kältemittel in den Kreislauf 2 gefördert. Um zu verhindern, dass nach Abschalten des Antriebs der Transferpumpe 6 aufgrund eines Nachlaufes der Druck in der Vorrichtung ungebührlich ansteigt oder eine zu große Menge Kältemittel in die Anlage einfüllt wird, ist zwischen Transferpumpe 6 und Auslass O eine überstromleitung 10 vorgesehen, die über ein überströmventil 11 aktivierbar ist. Durch öffnen des überströmventils 11 kann das Kühlmedium vor dem Auslass O abgezweigt und vor den Eintritt des Verflüssigers 5 zurückgespeist werden.
Wenn die Füllmengensteuerung 8 registriert, dass die eingestellte Sollfüllmasse des Kältemittels den Vorratsbehälter 1 verlassen hat, veranlasst die Füllmengensteuerung 8 ein Schließen des Füllventils 7, ein öffnen des überströmventils
I 1 und ein Anhalten der Transferpumpe 6. Dies bedeutet, dass ab dem Zeit- punkt des Schließens des Füllventils 7 und dem öffnen des überströmventils 11 kein weiteres Kältemittel die Füllvorrichtung über den Auslass verlässt. Damit ist mit der Vorrichtung eine besonders mengengetreue Befüllung selbst dann möglich, wenn eine Transferpumpe 6 mit großer Schwungmasse und langem Nachlauf verwendet wird. Auch steigt der Druck vor dem geschlossenen Füllventil 7 trotz nachlaufender Transferpumpe 6 nicht weiter an. Die Rückspeisung des überstromanteils erfolgt vor den Eintritt des Verflüssigers 5, da im überströmventil ein Druckverlust eintritt, der zum Verdampfen des über die überstromleitung rezyklierten R 744 führen kann.
Ein weiterer Vorteil der überstromleitung 10 ist auch darin zu sehen, dass das zwischen Druckminderer 4 und Füllventil 7 in der Vorrichtung befindliche Kältemittel vor dem Einfüllen in den Kühlkreislauf 2 konditioniert werden kann. Das bedeutet, dass vor dem öffnen des Füllventils 7 Verflüssiger 5 und Transferpumpe 6 eine Zeitlang in Betrieb genommen werden können, um das in den Leitungen stehende Kältemittel auf den gewünschten Druck und die gewünschte Temperatur einzustellen. Dabei wird das Kältemittel über die überströmleitung 10 im Kreislauf geführt. Je nach Umgebungstemperatur kann es aber auch ausreichend sein, nur den Verflüssiger laufen zu lassen, um das in der Leitung stehende Kältemittel auf die gewünschte Temperatur zu kühlen.
Aus Sicherheitsgründen ist auf der Hochdruckseite der Vorrichtung ein Sicherheitsventil 12 vorgesehen, über welches die Vorrichtung zur Absauganlage 13 der Werkstatt entlüftet werden kann. Falls Druck in der Anlage über ein zulässiges Maß ansteigt, öffnet das Druckbegrenzungsventil 12 und entspannt den Hochdruckteil der Vorrichtung. Dank der überstromleitung 10 wird dies aber nur in Außnahmefällen erforderlich sein.
Bei der Transferpumpe 6 handelt es sich vorzugsweise um eine Kolbenpumpe in Plunger-Bauart, bei der der Kolben gegenüber dem Kolbengehäuse mit einem Gummi-Dichtelement abgedichtet ist. Das Schmiermittel des Kolbenantriebs ist somit vom Arbeitsraum des Kolbens getrennt. Das Dichtelement verhindert, dass Schmiermittel in den Kältekreislauf 2 gefördert wird. Vorzugsweise wird eine Kolbenpumpe mit drei Kolben verwendet, deren Arbeitstakte um 120° zueinander versetzt sind. Derartige Pumpen liefern einen besonders gleichmäßigen Strom mit geringen Druckschwankungen. Die Tatsache, dass solche Pumpen aufgrund ihrer ausgeglichenen Massenverteilung lange nachlaufen, wirkt sich dank der überstromleitung 10 nicht negativ aus.
Das beschriebene Verfahren ist sehr ausfallssicher und ermöglicht ein Entleeren des R 744-Vorratsbehälters 1 zu mehr als 90%. Die beschriebene Vorrichtung lässt sich dank ihrer großen Betriebstemperaturspanne weltweit einsetzen und eignet sich deswegen in hervorragender Weise für den Klimaservice in Kfz- Werkstätten.
Next Patent: OPTICAL CONVERTER SYSTEM FOR (W)LEDS