在制冷剂循环系统中分离制冷剂‑油混合物中的油及冷却油和冷却和/或液化制冷剂的设备的制作方法

本发明涉及一种用于在制冷剂循环系统中分离制冷剂-油混合物中的油以及用于冷却油并且用于冷却和/或液化制冷剂的设备。制冷剂循环系统具有压缩机和在制冷剂的流动方向上在压缩机下游设置的换热器、用于分离油的设备以及用于冷却分离的油的换热器。

背景技术：

在制冷剂循环系统之内，油具有多个功能。一方面，油用于润滑在压缩机之内设置的可运动的部件进而减少部件之间的摩擦，所述部件尤其构成为金属零件。因此，降低压缩机的损耗。另一方面，借助于油，改进压缩机相对于环境的密封以及在压缩机之内在制冷剂的高压区域和低压区域之间的内部密封。油在制冷剂循环系统之内的其他功能在于：将例如由于压缩机的运动的部件之间的摩擦在压缩机之内产生的热量吸收和引出。

尽管基本上仅在压缩机之内需要油，仍不可避免的是：油也在制冷剂循环系统之内环行。在此，环行且环流的油的量与多种因素有关。此外，属于所述因素的有：压缩机的设计或构造和配置，以及周边备，即尤其制冷剂循环系统的周边，关于压缩机的损耗的状态和老化，运行条件和系统条件以及油与制冷剂的可混合性。

在从现有技术中已知的制冷剂循环系统中，油的环行速率在制冷剂的质量流的1％和15％之间变化。压缩机的与制冷剂共同通过制冷剂循环系统环行的油具有不同的效果。因此，所述油例如改变制冷剂-油混合物的品质以及物理特性和热动力学特性。油的存在减小制冷剂循环系统的换热器的效率，因为当换热器之内的换热面由油膜覆盖时，影响热传递进而导热，因为油膜如附加的绝缘层那样作用。

在制冷剂循环系统的所谓的集油器中也许能够挡住油，所述集油器尤其在制冷剂的速度小的区域中构成。在集油器中收集的油能够如液体振荡柱那样突然溢出并且回流至压缩机。在此，能够产生压力波，所述压力波又造成液体冲击。

在低温应用中，由于在低温下较高的粘度，制冷剂循环系统之内的油的运动可能性十分受限。压缩机之内油位的下降能够导致压缩机的不可逆的机械损害。

此外，基本上不可压缩的油在可忽略的膨胀过程期间不冷却。将油与制冷剂混合，其中制冷剂部分地蒸发。在此，制冷剂的制冷功率的一部分、即大约8％至10％用于冷却压缩机油。

在US 6,058,727 A中描述用于冷却空气的制冷剂循环，所述制冷剂循环系统具有压缩机、冷凝器、膨胀机构和蒸发器。此外，制冷剂循环系统具有用于将油从压缩机的出口回引至压缩机的入口的流动路径，所述流动路径具有油分离器和油冷却器。将在压缩气态的制冷剂时加热的油在通向压缩机的入口之前冷却。在此，油的热量传递到由压缩机抽吸的制冷剂上。油冷却器连同内部的换热器构成为换热器单元，其中换热器单元能够设置在制冷剂的蓄能器之内。

US 2010/0251756 A1同样公开用于冷却空气的制冷剂循环系统，所述制冷剂循环具有压缩机、冷凝器、膨胀机构和蒸发器以及用于将油从压缩机的出口回引至压缩机的入口的流动路径，所述流动路径具有油分离器和油冷却器。油冷却器构成为空气-油换热器并且在空气的流动方向上设置在蒸发器下游。热量从油传递到在穿流蒸发器时冷却的空气上。

从US 6,579,335 B2中得知一种用于压缩气态的流体的设备，所述设备具有从压缩的气体中分离油、用于在压缩气体之后冷却油并且用于储存油的部件。再次将油连同要压缩的气态的流体输送给压缩机。为了冷却油，引导油通过换热器。在此，油的热量传递到要压缩的气态的流体上。紧接着，压缩气态的流体。

油分离器、油冷却器和油储存器集成地设置在共同的壳体中。油经由连接管路从油储存器引导至压缩机。

在传统的制冷剂循环系统中，引导制冷剂-油混合物通过在压缩机下游设置的换热器。此外，从现有技术中已知：制冷剂-油混合物在从压缩机流出之后分成制冷剂部分和油部分。紧接着，分离的油在与在制冷剂循环系统中环行的制冷剂或与在蒸发器中处理的空气换热时冷却，这减小制冷剂循环系统的效率。

技术实现要素：

现在，本发明的目的在于提供一种用于在制冷剂循环系统中分离制冷剂-油混合物中的油以及用于冷却油并且用于冷却和/或液化制冷剂的设备。设备应当是节省空间的并且能够实现制冷剂循环系统的有效率的以及可靠的运行。此外，用于设备的制造、维护和安装的成本应当是最小的。

所述目的通过具有独立权利要求的特征的主题实现。改进方案在从属权利要求中得出。

所述目的通过根据本发明的用于在制冷剂循环系统中分离制冷剂-油混合物中的油以及用于冷却油并且用于冷却和/或液化制冷剂的设备实现。制冷剂循环系统构成为具有压缩机和在制冷剂的流动方向上在压缩机下游设置的换热器、用于分离油的设备以及用于冷却分离的油的换热器。

根据本发明的构想，换热器具有用于冷却和/或液化制冷剂的第一区域和作为换热器用于冷却油的第二区域。在此，用于冷却油的换热器的第二区域构成为换热器的集成的部件。此外，换热器具有至少两个收集管。

根据本发明的设备的换热器的第一区域具有用于引导制冷剂的流动通道，并且换热器的第二区域具有用于引导油的流动通道。在此，流动通道在收集管之间延伸，并且在外侧上分别由吸热流体环流。

借助根据本发明的设备，能够将从制冷剂-油混合物分离的油和制冷剂以不同的质量流彼此分开地冷却，其中将由油和制冷剂构成的不同的质量流在制冷剂循环系统的共同的部件中处理。油和制冷剂的处理在换热器之内的两个彼此分开的区域中进行。

有利地，将环境空气或冷却剂循环的冷却剂用作为用于冷却两个部分的推动的潜能进而用作为吸热流体。在机动车的空调系统中应用制冷剂循环系统时，冷却剂例如能够在低温冷却剂循环之内或在高温冷却剂循环之内环行。

根据本发明的一个改进方案，换热器的第一区域的流动通道以及换热器的第二区域的流动通道分别设置在一个平面中。

根据本发明的第一替选的设计方案，换热器的第一区域的流动通道和换热器的第二区域的流动通道构成共同的平面。在此，吸热流体基本上彼此并行地环流第一区域的流动通道和第二区域的流动通道。

将换热器的不同区域的流动通道的外侧由吸热流体并行环流理解为：换热器的第一区域的流动通道和第二区域的流动通道彼此独立地、即例如由吸热流体的不同的子质量流加载。

根据本发明的第二替选的设计方案，换热器的第一区域的流动通道和换热器的第二区域的流动通道构成不同的平面。平面是间隔开的并且彼此平行地设置。在此，吸热流体基本上依次环流第一区域的流动通道和第二区域的流动通道。

将换热器的不同区域的流动通道的外侧通过吸热流体依次环流理解为：换热器的第一区域的流动通道和第二区域的流动通道串联地进而彼此相关地加载。在此，吸热流体作为质量流首先环流第一区域的流动通道并且紧接着环流第二区域的流动通道或反之。

本发明的一个优选的设计方案在于，用于分离油的设备在换热器的第一收集管之内集成地构成。在此，第一收集管具有用于制冷剂-油混合物的入口，使得设备在制冷剂-油混合物的流动方向上在压缩机下游并且在换热器的用于处理油和制冷剂的不同区域的上游设置。

因此，油在具有作为冷凝器/气体冷却器运行的区域和作为油冷却器运行的区域的换热器之内从制冷剂-油混合物中分离。

替选地，用于分离油的设备在制冷剂循环系统中也能够设置在换热器之外、尤其设置在压缩机和换热器的入口之间。

根据本发明的第一替选的设计方案，用于分离油的设备构成为旋风分离器。在此，制冷剂-油混合物切向地流入到设备中。

用于分离油的设备有利地构成为具有截顶圆锥形的壁部。在此，由壁部在四周包围的区域具有用于要分开的制冷剂-油混合物的在流动方向上增大的或减小的流动横截面。

壁部替选地也能够构成为是圆柱体的，使得由壁部在四周包围的区域具有用于要分开的制冷剂-油混合物的在流动方向上恒定的流动横截面。

根据本发明的一个改进方案，用于分离油的设备构成为具有带有坡度的螺旋形盘绕的流动路径。与坡度的构成相关地，流动路径具有用于要分开的制冷剂-油混合物的在流动方向上增大的或减小的或恒定的流动横截面。

根据本发明的第二替选的设计方案，用于分离油的设备构成为具有用于制冷剂-油混合物入流的入口、折流板、至少一个室和用于导出制冷剂的J形管。在此，对上部分支、下部分支和室限界的折流板在所述入口的下游优选垂直于制冷剂-油混合物的流动方向定向。上部分支有利地通到室中，其中室具有比上部分支更大的流动横截面。

根据本发明的一个优选的设计方案，用于分离油的设备具有用于关闭与压缩机的连接管路的设备，使得能够调节分离的油通向压缩机的质量流。

与压缩机的可调节的且可关闭的连接防止在油回引装置之内在压缩机的出口处的高压侧的制冷剂和在压缩机的入口处的低压侧的制冷剂之间的可能的不期望的旁路。

在此，用于关闭与压缩机的连接管路的设备有利地构成为浮球。

此外，换热器的第一区域的流动通道优选构成为扁管，并且换热器的第二区域的流动通道构成为加肋管或扁管。

在区域的相邻设置的扁管之间有利地设置有肋。

应注意的是：制冷剂循环系统能够作为压缩制冷设备的和热泵的部件运行，使得根据本发明的设备能够用作为尤其机动车的空调系统的压缩制冷设备的和热泵系统的制冷剂循环系统的组成部分。

设备有利地能用于不同的制冷剂、如R134a、R1234yf、R744、R600a、R290、R152a、R32以及其混合物并且能够与制冷剂相协调。

概括地说，根据本发明的设备具有下列其他优点：

-在穿流换热器时降低制冷剂的压力损失，因为制冷剂和油彼此分开并且没有制冷剂-油混合物穿流换热器，由此也

-提高在系统、尤其制冷剂循环系统运行时的效率和可靠性，因为油在穿流制冷剂-换热器时不再必须冷却或加热，

-降低用于制冷剂循环系统的制造、维护和运行的成本，因为油量优化进而最小化，以及

-降低整个制冷剂循环系统的空间需求。

附图说明

本发明的设计方案的其他细节、特征和优点从下面参考附图对实施例的描述中得出。附图分别示出用于分离制冷剂-油混合物中的油的设备，所述设备具有用于在制冷剂循环系统中冷却油并且用于冷却和/或液化制冷剂的换热器，以及具有在换热器的第一收集管之内构成的用于从制冷剂-油混合物中分离油的机械设备，其中：

图1示出用于分离油的机械设备，所述机械设备具有旋风分离器，

图2示出用于分离油的机械设备，所述机械设备具有折流板和用于导出制冷剂的J形构成的管，以及

图3a、图3b、图3c示出换热器，所述换热器具有在将油从制冷剂-油混合物中分离之后用于冷却油和用于冷却和/或液化制冷剂的不同区域。

具体实施方式

将由制冷剂-油混合物的制冷剂和油构成的两部分借助于用于分离的设备彼此机械分开。将油从制冷剂-油混合物中分离，使得在分开之后存在富含制冷剂的部分和富含油的部分或缺乏制冷剂的部分。富含制冷剂的部分也缩写成制冷剂，并且富含油的部分也缩写成油。

在此，机械分开基于惯性力作为驱动力，这要求在要分开的组分之间的足够大的密度差。在要分开的组分制冷剂和油之间的足够大的密度差在制冷剂循环系统之内在压缩机的出口上或在作为冷凝器/气体冷却器运行的换热器的入口上存在。

如果在亚临界运行时例如借助制冷剂R134a或在特定的环境条件下借助二氧化碳进行制冷剂的液化，那么将换热器称作为冷凝器。换热的一部分在恒定的温度下发生。在超临界运行时或在换热器中的放热超临界时，制冷剂的温度持续下降。在这种情况下，换热器也称作为气体冷却器。在特定的环境条件或例如借助制冷剂二氧化碳的制冷剂循环系统的运行方式下，能够发生超临界运行。

两种彼此分开的组分制冷剂和油、尤其富含制冷剂的部分和富含油的部分分别在穿流冷凝器/气体冷却器时冷却，其中所述部分通过换热器的不同的、彼此分开构成的区域引导。这些区域具有不同的尺寸。较大尺寸的区域由富含制冷剂的部分穿流，并且较小尺寸的区域由富含油的部分穿流。

图1示出用于分离制冷剂循环系统的制冷剂-油混合物G中的油的设备1，所述设备具有用于冷却和/或液化制冷剂并且用于冷却油的作为冷凝器/气体冷却器运行的换热器2，以及具有用于从制冷剂-油混合物G中分离油的机械设备3，所述机械设备集成到换热器2的第一收集管4之内。

换热器2的换热面划分成两个不同大尺寸的区域7、8。富含制冷剂的部分穿流较大尺寸的第一区域7，其中制冷剂在穿流换热器2时至少大部分地液化。富含油的部分穿流较小尺寸的第二区域8，所述富含油的部分在穿流换热器2时冷却。

用于分离油的设备(也称作为油分离装置3)具有用于制冷剂-油混合物G的入口。入口经由连接管路9与制冷剂循环系统的未示出的压缩机连接。连接管路9对应于压缩机的压力管路。

制冷剂-油混合物G通过连接管路9切向地流入到设备3中。设备3在油分离装置的区域12中构成为具有圆柱形的或截顶圆锥形的壁部13的旋风分离器。因此，油分离装置的由壁部13环绕包围的区域12具有用于要分成组分的制冷剂-油混合物G的增大的、渐缩的或减少的或恒定的流动横截面。根据流动横截面的构成或变化，制冷剂-油混合物G在穿流旋风分离器12时的流动速度越来越小、越来越大或未经历变化并且几乎保持恒定。

在旋风分离器12的中央，与壁部13的中轴线14同轴地设置有圆柱状的管路15，使得一方面通过管路15的外面、并且另一方面通过壁部13对用于要分开的制冷剂-油混合物G的流动横截面限界。

此外，在管路15的外面和壁部13之间设置有螺旋形盘绕的流动路径16。借助流动路径16的上升或下降的设计，又能够改变用于要分开的制冷剂-油混合物G的流动横截面进而改变混合物的流动速度。流动横截面能够在流动方向上增大、渐缩或减少或保持恒定。

根据设备3的实施方式，连接管路9作为用于制冷剂-油混合物G的入口根据图1在上部部分中或者在下部部分中(这种情况没有示出)通到旋风分离器12中。由于相对于中轴线14切向地设置的入口和旋风分离器12的内部轮廓，将制冷剂-油混合物G置于环行运动。在此，由于进行作用的离心力，将制冷剂-油混合物G分成富含制冷剂的部分和富含油的部分。分离的富含制冷剂的部分由于较小的密度通过管路15(也称作为上升管)向上导出。在通入管路15的入口上设置有例如呈筛的形式的过滤元件17，使得富含制冷剂的部分穿过过滤元件17流入到上升管15中。分离的富含油的部分向下从旋风分离器12中引出。在此，同样引导富含油的部分穿过尤其构成为筛的过滤元件18。

将制冷剂KM或富含制冷剂的部分在第一收集管4中从旋风分离器12流出之后引导至换热器2的第一区域7，其中将制冷剂KM引至第二收集管6，在第二收集管6中转向并且回流至第一收集管4。制冷剂KM通过连接管路10从设备1流出并且引导至制冷剂循环系统的内部的换热器或膨胀机构。

将油或富含油的部分在第一收集管4中从旋风分离器12流出之后引导至换热器2的第二区域8，其中将油引至第二收集管6，在第二收集管6中转向并且回流至第一收集管4。冷却的富含油的部分在第一收集管4的下部部分中收集，紧接着通过连接管路11从设备1中流出并且引导至制冷剂循环系统的压缩机。第一收集管4的下部部分构成为储油器19。

在储油器19之内，朝向连接管路11的方向构成有作为储油器19的关闭元件的浮球20。浮球20经由引导元件21固持地设置。引导元件21有利地具有弹簧元件，其中弹簧力以关闭储油器19的方式作用于浮球20。

尤其在储油器19之内的油的料位过小时，浮球20将连接管路11相对于压缩机关闭，以便防止通过设备3从制冷剂循环系统的高压侧到制冷剂循环系统的低压侧上的制冷剂旁路。

浮球20用于禁止制冷剂旁路的构成方案在用于机械分开制冷剂-油混合物G的全部下列实施方式中是相同的。不同的实施方式也能够构成为没有浮球20，其中那么制冷剂旁路例如经由选择连接管路11相对于压缩机的内部直径来控制。

从图2中得知用于分离制冷剂循环系统的制冷剂-油混合物G中的油的设备1′，所述设备具有用于冷却和/或液化制冷剂并且用于冷却油的换热器2，以及具有用于从制冷剂-油混合物G中分离油的机械设备3′。设备3′集成到换热器2的第一收集管4之内。

图2中的用于热传递并且用于分开制冷剂-油混合物的设备1′与图1中的设备1在用于分离油的设备3′的构成方面、尤其在油分离装置的区域22的构成方面不同。

与制冷剂循环系统的压缩机的连接管路9′作为用于制冷剂-油混合物G的入口或进口垂直于在区域22之内设置的折流板23定向。在流入到设备3′之后，制冷剂-油混合物G撞击到折流板23的前侧上。通过流动速度和流动方向的突然变化，由于富含制冷剂的部分和富含油的部分的不同的惯性力，第一富含制冷剂的部分和第一富含油的部分彼此分开，其中借助所述不同的惯性力，两个部分不同地跟随方向变化。

第一富含油的部分大部分在折流板23处向下通过下部分支引导到油分离装置的区域22的下部部分中。第一富含制冷剂的部分在撞到折流板23上之后大部分通过上部分支向上流动。两个分支在折流板23的后侧上再次汇集，在所述后侧上构成有第一室24。在此，第一室24与在流动方向上在折流板23下游构成的用于第一富含制冷剂的部分的上部分支相比具有明显更大的流动横截面。通过在上部分支到第一室24的过渡部处的流动横截面的增大和流动速度的借此引起的减小，将第二富含油的部分从第一富含制冷剂的部分中分离并且向下引导。

第一室24通过隔板26与第二室25分开。第二室25设置在第一室24之上。室24、25经由在隔板26之内构成的开口彼此连接。

在穿流第二室25时，将第三富含油的部分从通过开口从第一室24涌进第二室25中的第二富含制冷剂的部分中分离并且向下引导。通过第二室25的第二富含制冷剂的部分的垂直的穿流，强制油的进一步的分离。

将分离的富含油的部分通过下部分支、第一室24和第二室25在设备3′中向下引导、汇集并且引导穿过尤其构成为筛的过滤元件18′。富含油的部分的其他流动路径和处理对应于图1中的设备1的实施方案。

将在穿流第二室25时保留的富含制冷剂的部分通过尤其构成为J形的管和例如呈筛的形式的过滤元件17′从油分离装置的区域22导出。富含制冷剂的部分的其他流动路径和处理对应于图1中的设备1的实施方案。

图3a至图3c分别示出用于分离制冷剂循环系统的制冷剂-油混合物G中的油的设备1、1′，所述设备具有用于冷却和/或液化制冷剂并且用于冷却油的作为冷凝器/气体冷却器运行的换热器2，以及具有用于从制冷剂-油混合物G中分离油的机械设备3、3′。从图1和图2中得知集成在换热器2的第一收集管4之内的设备3,3′。

换热器2构成为具有集成的油冷却器的气体冷却器/冷凝器。换热器2的换热面5划分成两个子面进而划分成两个不同大尺寸的区域7、8。

在机械的油分离器3、3′之内将油从制冷剂-油混合物G中分离之后，两个部分、即富含制冷剂的部分和富含油的部分彼此分开地冷却或处理。在此，富含制冷剂的部分穿流较大尺寸的第一区域7，其中制冷剂液化。引导富含油的部分穿过较小尺寸的第二区域8并且在此冷却。

第一区域7构成为具有扁管27，所述扁管在收集管4、6之间延伸。富含制冷剂的部分通过有利地构成为多通道管的扁管27引导。在相邻设置的扁管27的外侧的中间空间中构成有肋。

第二区域8具有加肋管28，所述加肋管同样在收集管4、6之间延伸。富含油的部分通过加肋管28引导。

在换热器2的区域7、8中，将热量分别传递到流过换热面5的环境空气上。

在根据图3a的设备1、1′的实施方式中，换热器2的区域7、8进而第一区域7的扁管27和第二区域8的加肋管28设置在共同的平面中。环境空气并行地穿流区域7、8。

在根据图3b的设备1、1′的实施方式中，换热器2的区域7、8进而第一区域7的扁管27和第二区域8的加肋管28分别设置在两个相互平行定向的平面中。

在此，第一区域7的扁管27的端面在收集管4、6的整个长度之上延伸，使得扁管27设置在第一平面中。

由富含油的部分穿流的第二区域8的加肋管28在第二平面中定向，所述第二平面与通过扁管27形成的第一平面间隔开地在环境空气的流动方向上设置在第一平面的下游或上游。

在此，环境空气根据流动方向依次首先流过第一区域7的换热面并且紧接着流过第二区域8的换热面或反之。

与根据图3a和图3b的实施方式不同，在根据图3c的设备1、1′的实施方式中，除了第一区域7之外，换热器2的第二区域8也由扁管29构成，所述扁管在收集管4、6之间延伸。因此，除穿流扁管27的富含制冷剂的部分之外，富含油的部分也通过有利地构成为多通道管的扁管29引导。在相邻设置的扁管29的中间空间中构成有肋。

附图标记列表

1,1′ 用于分离和冷却油以及用于冷却和/或液化制冷剂的设备

2 换热器

3,3′ 用于分离油的设备，油分离器

4 第一收集管

5 换热面

6 第二收集管

7 换热器2的第一区域，冷凝器/气体冷却器

8 换热器2的第二区域，油冷却器

9,9′ 制冷剂-油混合物G与压缩机的连接管路

10 制冷剂的连接管路

11 油与压缩机的连接管路

12 油分离装置的区域，旋风分离器

13 壁部

14 中轴线

15 管路，上升管

16 流动路径

17,17′ 过滤元件

18,18′ 过滤元件

19 储油器

20 浮球

21 浮球20的引导元件

22 油分离装置的区域

23 折流板

24 第一室

25 第二室

26 隔板

27 扁管

28 加肋管

29 扁管

KM 制冷剂，富含制冷剂的部分

油，富含油的部分

G 制冷剂-油混合物