Die Erfindung betrifft ein Kältesystem, insbesondere Kältekreislaufsystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, mit einer Kühleinrichtung, die mittels eines zu kühlenden und Öl (Kälteöl) enthaltenden Gasmediums durchsetzbar ist, und mit einer Ölabscheideeinheit, die in der Kühleinrichtung integriert ist.

Kältesysteme und Kühleinrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Dabei werden insbesondere bei Kältekreislaufsystemen zur Fahrzeugklimatisierung Kompressoren eingesetzt, die zu deren Schmierung einen Anteil an Öl (Kälteöl) in einem selbige durchsetzenden Kältemittel (Gasmedium) benötigen. Da vor allem aus Kostengründen derartige Kompressoren keinen eigenen Ölsumpf oder Ölabscheider aufweisen, um das Kälteöl von weiteren Kältekreislaufkomponenten fernzuhalten, zirkulieren relativ hohe Kälteölanteile mit dem Kältemittel durch sämtliche Komponenten des Kältekreislaufs mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die erzielbare Kälteleistung beziehungsweise auf die Kälteleistungszahl.

Ferner ist es bekannt, einen Ölabscheider in einer Heißgasleitung zwischen einem Kompressor und einem Kondensator eines Kältekreislaufsystems zu integrieren. Derartige externe Ölabscheider sind verhältnismäßig groß und teuer und besitzen üblicherweise eine relativ hohe Grundfüllung mit Kälteöl zur Regelung des Kälteölrückflusses mittels eines Schwimmerventils. Dabei sind diese Ölabscheider auf einen verhältnismäßig hohen Abscheidegrad von über 95 % ausgelegt.

Auch ist es bekannt, einen Ölabscheider in einem Kompressor mit Ölsumpf zu integrieren. Dies führt allerdings zu einer nicht erwünschten Vergrösserung der Gehäuseabmessungen und der Massen des (motorfesten) Kompressors. Ferner ist eine effektive Kühlung des Kälteöls in einem derartigen Kompressor nicht möglich.

Bei Kältekreislaufsystemen ohne Ölabscheidung ist der mit dem Kältemittel zirkulierende Kälteölanteil relativ groß und führt zu verschiedenen leistungs-und wirkungsgradmindemden Effekten. Insbesondere ergibt sich eine Verschlechterung des kältemittelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten aufgrund einer Ausbildung eines schlecht wärmeleitenden Kälteölfilms. Ferner stellt sich eine Erhöhung des kältemittelseitigen Druckverlustes aufgrund einer höheren Viskosität des Kältemittel-Kälteöl-Gemisches ein. Auch ist es nachteilig, dass eine Erhöhung der Siedetemperatur des Kältemittels bewirkt wird. Durch die gute Löslichkeit des Kälteöls im Kältemittel bleibt bei der Verdampfung des Gemisches immer auch ein Teil des Kältemittels im Öl gelöst und trägt nicht zur Kälteerzeugung bei.

Aus der US-A-1425246 geht eine Kühleinrichtung mit Ölabscheideeinheit hervor, die als zick-zackförmig gebogene, undurchlässige Platte ausgebildet und vertikal nach unten verlaufend angeordnet ist. Abgeschiedenes Öl muss über die durch die Zick-Zackform gebildeten Kanten der Platte herüberlaufen und sammelt sich an der unteren Abschlusskante der Platte.

Die US 6276 165 zeigt ein Kaltesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kältesystem der eingangs genannten Art zu schaffen, in welchem eine Ölabscheidung aus einem Gasmedium möglich und gleichzeitig eine verhältnismäßig einfache Ausgestaltung des Kältesystems realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kältesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei kann es sich bei der Kühleinrichtung (wärmeabführende Komponente) um einen Kondensator oder auch um einen Gaskühler, beispielsweise bei Kreisläufen mit überkritischer Wärmeabfuhr, handeln. Die Ölabscheideeinheit ist vorzugsweise auf der heißen Gasmediumseite in der Kühleinrichtung integriert und stellt eine technisch verhältnismäßig einfach zu realisierende Lösung dar, da keine zusätzlichen Schraubverbindungen oder ähnliches benötigt werden, wie dies beispielsweise bei einer Integration eines Ölabscheiders in einer erweiterten Heißgasleitung notwendig wäre. Vorteilhafterweise erfordert die in der Kühleinrichtung integrierte Ölabscheideeinheit praktisch keinen zusätzlichen Bauraum. Erfindungsgemäß enthält die vom Gasmedium durchsetzbare Ölabscheideeinheit an einer in Bezug auf eine Durchsetzungsrichtung des Gasmediums stromabseitigen Grenzfläche mindestens eine im Wesentlichen senkrecht nach unten verlaufende Ölablaufkante, die ein im Querschnitt U- oder V-förmiges Profil aufweist. Hierdurch wird ein grundsätzlich erwünschter Kälteölablauf an der Ölabscheideeinheit begünstigt beziehungsweise unterstützt sowie ein Abreißen von Kälteöltropfen in den die Ölabscheideeinheit durchsetzenden Gasmediumstrom verhindert.

Mit Vorteil ist die Ölabscheideeinheit als mittels des Gasmediums durchsetzbare Draht- und/oder Metallplattenstruktur ausgebildet. Dabei kann die Ölabscheideeinheit beispielsweise als Packung eines Drahtgestrickes, eines Drahtgeflechtes, eines Drahtnetzes oder als Stapel von Streckmetallplatten ausgebildet sein. Eine derartige Ölabscheideeinheit ist in verhältnismäßig einfacher Weise in der Kühleinrichtung integrierbar und wird zur Ölabscheidung von einem heißen Gasmedium zwangsdurchströmt (durchsetzt). Selbstverständlich sind auch weitere, geeignete Ausgestaltungsmöglichkeiten der Ölabscheideeinheit denkbar.

Die Ölabscheideeinheit enthält vorzugsweise eine oberflächenvergrößernde, geometrische Makrostrukturierung. Hierbei wird unter Makrostrukturierung eine der Durchsetzungsstruktur (beispielsweise Drahtgestrick) der Ölabscheideeinheit überlagerte geometrische Strukturierung der in Bezug auf die Durchsetzungsrichtung des Gasmediums vorderseitigen und/oder rückseitigen Oberfläche (Grenzfläche) der Ölabscheideeinheit verstanden. Die Ölabscheideeinheit kann beispielsweise als eine längsplissierte Packung ausgebildet sein, mittels welcher eine verbesserte Abscheidewirkung des Kälteöls aus dem die Ölabscheideeinheit durchsetzenden Gasmedium sowie ein optimierter Kälteölablauf aus der Ölabscheideeinheit erzielbar ist. Alternativ ist auch eine gekrümmte Ausgestaltung der Vorder- und/oder Hinterseite (Eintritts- beziehungsweise Austrittsfläche) der Ölabscheideeinheit zur Erzielung der genannten Effekte möglich.

Mit Vorteil ist die Ölabscheideeinheit in einem vom Gasmedium durchsetzbaren Sammelrohr der Kühleinrichtung integriert, das mit einer die Kühleinrichtung mit einem Verdampfer verbindenden Saugleitung des Kältesystems verbunden ist. Bei einem derartigen Sammelrohr handelt es sich um ein Verteilrohr beziehungsweise um einen eintrittsseitigen Abschnitt eines Verteilrohres der Kühleinrichtung, in welchem in verhältnismäßig einfacher und effektiver Weise die Ölabscheideeinheit integriert ist. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhafterweise möglich, die Ölabscheideeinheit beispielsweise in Form einer Draht- und/oder Metallplattenstruktur während des Fertigungsprozesses der Kühleinrichtung und insbesondere vor einem Lötprozeß zur Herstellung derselben in das Sammelrohr in montagegünstiger Weise einzuschieben beziehungsweise einzusetzen.

Vorteilhafterweise ist mittels der im Sammelrohr angeordneten Ölabscheideeinheit eine erste, in Bezug auf die Durchsetzungsrichtung des Gasmediums stromaufseitige Kammer und eine zweite, stromabseitige Kammer gebildet. Dabei dient die stromaufseitige Kammer der Vorverteilung des heißen Gasmedium-Kälteöl-Gemisches auf die gesamte Stirnfläche der Ölabscheideeinheit, während die stromabseitige Kammer einer weiteren Homogenisierung der sich einstellenden Geschwindigkeitsverteilung des nun weitgehend kälteölfreien Gasmediums über die zugeordneten Kühlleitungen (beispielsweise Kondensatorleitungen) der Kühleinrichtung dient, so dass ein weitgehend gleich großer Gasmediummassenstrom (Kältemittelmassenstrom) in allen mit dem Sammelrohr in Verbindung stehenden Kühlrohren (Kondensatorrohren) erzielbar ist.

Die Ölabscheideeinheit ist stirnseitig vorzugsweise beabstandet zur jeweiligen Eintrittsöffnung von Gasmedium-Kühlleitungen angeordnet. Hierdurch wird vermieden, dass das in der beispielsweise als Draht- und/oder Metallplattenstruktur ausgebildeten Ölabscheideeinheit abgeschiedene und entlang selbiger nach unten ablaufende Kälteöl aufgrund einer Kapillarwirkung in die Kühlleitungen gelangen kann.

Mit Vorteil weist das Sammelrohr in der ersten Kammer in einem unteren Bereich eine Ölablauföffnung auf. Mittels einer derartigen Ölablauföffnung wird in einfacher Weise eine zuverlässige Kälteölabfuhr aus dem Sammelrohr und gegebenenfalls eine Kälteölrückführung im Kältesystem gewährleistet.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sammelrohr im unteren Bereich eine Begrenzungswand auf, deren zur Ölablauföffnung weisender Rand tiefer angeordnet ist als ihr zu den Gasmedium-Kühlleitungen gerichteter Rand. Um zu verhindern, dass wesentliche Kälteölmengen in die unterste Kühlleitung der Kühleinrichtung (zum Beispiel Kondensator) gelangen können, ist die Ölablauföffnung vorzugsweise tiefer angebracht als die unterste, mit dem Sammelrohr in Verbindung stehende Kühlleitung, wobei der zur Ölablauföffnung weisende Rand der Begrenzungswand hierzu tiefer angeordnet ist als ihr zu den Gasmedium-Kühlleitungen gerichteter Rand.

Die Begrenzungswand kann als ebenes, schräg angeordnetes Blech oder als abgestuftes Formblech ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann die Begrenzungswand eine innerhalb der Kühleinrichtung integrierte Trennwand sein, welche im Falle eines Formblechs vorzugsweise als Tiefziehteil oder als Fliespressteil ausgebildet ist.

Vorteilhafterweise ist die Ölablauföffnung mit einer insbesondere als Kapillarrohr ausgebildeten Ölrückführleitung verbunden. Bei einer Kapillarrohrausbildung ist die Ölrückführleitung bezüglich Druckverlust (Durchmesser, Länge) so ausgelegt, dass bei üblichen Druckdifferenzen zwischen Hochdruck-und Niederdruckseite der mittels der Ölabscheideeinheit abgeschiedene Kälteölmassenstrom vollständig aus dem Sammelrohr (Verteilrohr) der Kühleinrichtung (Kondensator) abgeführt werden kann, jedoch bei Vorliegen eines Gasmediums an der Ölablauföffnung der Gasmedium-Massenstrom (Heißgas-Massenstrom) aufgrund der geringeren Dichte des Gasmediums und aufgrund des verhältnismäßig kleinen Querschnitts der Ölablauföffnung beziehungsweise der Ölrückführleitung vernachlässigbar klein bleibt.

Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann die Ölablauföffnung unter Zwischenschaltung eines Drosselrohres mit der Ölrückführleitung verbunden sein. Hierbei erfolgt ein Druckabbau auf ein vorliegendes Saugdruckniveau in dem insbesondere kurzen Drosselrohr ("Orifice") unmittelbar vor einer Einmündungsstelle in eine Saugleitung. Bei dieser Ausführungsvariante kann die Ölrückführleitung somit auch mit einem etwas größeren Durchmesser ausgeführt sein. Ferner erlaubt diese Variante eine wirkungsvollere Kühlung des Kälteöls während dessen Rückführung durch die Ölrückführleitung, da ein temperaturabsenkender Entspannungsprozeß erst in einem Endbereich (in Ölrückführungsrichtung gesehen) der Ölrückführleitung erfolgt und somit eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem jeweils rückzuführenden Kälteöl in der Ölrückführleitung und der Umgebungstemperatur genutzt werden kann. Darüber hinaus ist eine günstigere Regelung des rückzuführenden Kälteölmassenstroms nach dem Prinzip des Drosselrohres ("Orifice") möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert: Es zeigen:

Figur 1

ein Kältesystem in Form eines Kältekreislauf- systems anhand eines Blockschaltbildes;

Figur 2

eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer detailliert dargestellten Kühleinrichtung des Kältesystems der Fi- gur 1;

Figur 3

ein Detail der Kühleinrichtung der Figur 2 in vergrößertem Maß- stab;

Figur 4

eine alternative Ausführungsform eines Details der Kühleinrich- tung der Figur 2 in vergrößertem Maßstab;

Figur 5

eine schematische Draufsicht einer alternativen Ölabscheideein- heit und

Figur 6

eine schematische Draufsicht einer weiteren, alternativen Ölab- scheideeinheit.

Figur 1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein allgemein mit 10 bezeichnetes Kältesystem, insbesondere ein Kältekreislaufsystem, beispielsweise zur Klimatisierung eines Fahrzeugs. Das Kältesystem 10 enthält eine Kühleinrichtung 12, die mit einem Verdampfer 14 unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs wirkverbunden ist. Vom Verdampfer 14 führt eine als Pfeil 22 dargestellte Kältemittelleitung zu einem Expansionsventil 16, von welchem eine als Pfeil 24 dargestellte Kältemittelleitung zu einer Verbindungsstelle 26 führt. Bei dem Kältemittel handelt es sich insbesondere um ein Gasmedium und im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Heißgas. In der Verbindungsstelle 26 wird mittels einer als Pfeil 28 dargestellten Ölrückführleitung abgeschiedenes Öl (Kälteöl) aus der Kühleinrichtung 12 in das vom Verdampfer 14 kommende Kältemittel zugeführt unter Ausbildung eines Kältemittel-Öl-Gemischs, das gemäß Pfeil 30 durch eine entsprechende Zuführleitung einem Kompressor 18 zugeführt wird. Vom Kompressor 18 führt eine als Pfeil 32 dargestellte Zuführleitung zur Kühleinrichtung 12 zur Beaufschlagung derselben mit dem nun unter höherem Druck stehenden Kältemittel-Öl-Gemisch. Innerhalb der Kühleinrichtung 12 -in einer integrierten Ölabscheideeinheit 46- findet eine später detailliert beschriebene Ölabscheidung aus dem Kältemittel-Öl-Gemisch statt, wobei das abgeschiedene Öl, wie bereits erwähnt, durch die als Pfeil 28 dargestellte Ölrückführleitung von der Kühleinrichtung 12 zur Verbindungsstelle 26 geleitet wird. Das Kältemittel wird durch die Kühleinrichtung 12 geführt und durch eine Kältemittel-Rückführleitung (Pfeil 34) zu einem Sammler oder Trockner 20 geleitet, von welchem eine als Pfeil 36 dargestellte Kältemittelrückführleitung zum Expansionsventil 16 führt. Das Expansionsventil 16 ist schließlich mittels einer mit Pfeil 38 dargestellten Rückführleitung mit dem Verdampfer 14 verbunden. Bei den Leitungen 22, 24, 28, 30 handelt es sich um Saugleitungen, während die Leitungen 32, 34, 36, 38 Druckleitungen sind.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kühleinrichtung 12, welche im Kältesystem 10 der Figur 1 einsetzbar ist. In Figur 3 ist ein Detail der Kühleinrichtung 12 der Figur 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Kühleinrichtung 12 der Figuren 2 und 3 ist mit der Zuführleitung 32 zur Zuführung des Kältemittel-Öl-Gemischs gemäß Pfeil 40 in die Kühleinrichtung 12 verbunden. Hierzu weist die Kühleinrichtung 12 ein Sammelrohr 48 auf, das durch eine untere Begrenzungswand 62 (Trennwand) begrenzt ist. Im Sammelrohr 48 ist die Ölabscheideeinheit 46 derart angeordnet, dass eine erste, in Bezug auf die Zuführrichtung (Pfeil 40) des Kältemittel-ÖI-Gemischs stromaufseitige Kammer 50 und eine zweite, stromabseitige Kammer 52 gebildet ist. Die Ölabscheideeinheit 46 ist beispielsweise als Draht- und/oder Metallplattenstruktur ausgebildet und vom Kältemittel (Gasmedium) durchsetzbar. Dabei ist die Ölabscheideeinheit 46 stirnseitig beabstandet zu einer Mehrzahl an Eintrittsöffnungen 54 von Kältemittel-Kühlleitungen 56 (Gasmedium-Kühlleitungen) angeordnet. In der ersten Kammer 50 des Sammelrohrs 48 befindet sich im unteren Bereich eine Ölablauföffnung 60, welche unmittelbar oberhalb der Begrenzungswand 42 liegt. Die Ölablauföffnung 60 ist mit einer insbesondere als Kapillarrohr ausgebildeten Ölrückführleitung 28 zur Ölrückführung gemäß Pfeil 44 verbunden. Das durch die Kühleinrichtung 12 geführte Kältemittel (Gasmedium) wird durch die Kältemittel-Rückführleitung 34 gemäß Pfeil 42 wieder zum Verdampfer 14 zurückgeführt (siehe auch Figur 1).

Gemäß dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung 12 ist die Begrenzungswand 62 als ebenes, schräg angeordnetes Blech ausgebildet. Dabei ist der zur Ölablauföffnung 60 weisende Rand 64 der Begrenzungswand 62 tiefer angeordnet als ihr zu den Kältemittel-Kühlleitungen 56 gerichteter Rand 66. Hierdurch wird eine Anordnung der Ölablauföffnung 60 unterhalb der untersten, mit dem Sammelrohr 48 verbundenen Kühlleitung 56 ermöglicht, wobei gleichzeitig mittels der Begrenzungswand 62 ein zuverlässiger Ölablauf in die Ölrückführleitung 28 erzielbar ist.

Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform hinsichtlich der geometrischen Ausgestaltung der Begrenzungswand 62. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Begrenzungswand 62 als abgestuftes Formblech ausgebildet, wobei auch hier der zur Ölablauföffnung 60 weisende Rand 64 tiefer angeordnet ist als der zu den Kühlleitungen 56 gerichtete Rand 66.

Die Ölabscheideeinheit 46 gemäß Figuren 2 bis 4 ist als Draht- und/oder Metallplattenstruktur ausgebildet und weist eine im Wesentlichen ebene Strukturvorderseite (an die erste Kammer 50 grenzend) und eine entsprechend ausgebildete Strukturrückseite (an die zweite Kammer 52 grenzend) auf. Entsprechend den dargestellten Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 kann die Ölabscheideeinheit 46 auch eine oberflächenvergrößernde, geometrische Makrostrukturierung aufweisen. Dabei verläuft die Makrostrukturierung der Ölabscheideeinheit 46 in einer Draufsicht gemäß Figur 5 zick-zackförmig (längsplissierte Struktur), während in Figur 6 eine in Bezug auf die Kältemittelzuführrichtung (Pfeil 40) konkav gekrümmte Ausgestaltung der Ölabscheideeinheit 46 in einer Draufsicht auf selbige gezeigt ist. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 enthält eine stromabseitige Grenzfläche 57 der Ölabscheideeinheit 46 eine Mehrzahl, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei, senkrecht nach unten verlaufende Ölablaufkanten 58, die ein im Querschnitt U- beziehungsweise V-förmiges Profil aufweisen. Mittels derartiger Ölablaufkanten 58 wird eine zuverlässige und effektive Ölabscheidung aus dem Kältemittel-Öl-Gemisch ermöglicht. Das in der Ölabscheideeinheit 46 abgeschiedene Öl wird durch die Ölrückführleitung 28 aus dem Sammelrohr 48 geleitet und der Verbindungsstelle 26 (siehe auch Figur 1) zugeführt unter Ausbildung eines geschlossenen Ölkreislaufes.

Gegenüber einem traditionellen Kältesystem ohne Ölabscheidung ergeben sich bei einer Überhitzungseinstellung des Expansionsventils 16 von circa 7 K und bei einer Reduktion des umlaufenden Ölanteils von 6 % auf 1 % die thermodynamischen Vorteile, dass die Kälteleistung um circa 2,5 % gesteigert, die Kälteleistungszahl bei gleichzeitiger Mehrleistung von circa 11 % verbessert und die Kompressor-Antriebsleistung im Teillastbetrieb (also bei gleicher Kälteleistung) um bis zu 18 % verringert werden kann.

Vorteilhafterweise erfordert die Ölabscheideeinheit 46, abgesehen von einer relativ dünnen und vorzugsweise flexiblen und dementsprechend verhältnismäßig einfach zu verlegenden Ölrückführleitung 28, keinen zusätzlichen Bauraum. Dabei findet in der Ölrückführleitung 28 eine automatische Kühlung des rückzuführenden Öls (Kälteöl) statt. Bei Ausführung der Ölabscheideeinheit 46 (Abscheidepaket) aus Aluminium bleibt die Sortenreinheit der Kühleinrichtung 12 (Kondensator oder Kondensatormodul) gewahrt.