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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
für die
Wärmeübertragung
zwischen wenigstens zwei wärmespeichernden
Medien. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmetauscheranordnung unter Verwendung
eines derartigen Wärmeübertragers
sowie die Verwendung des vorgeschlagenen Wärmeübertragers bzw. der vorgeschlagenen
Wärmetauscheranordnung.
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Wärmeübertrager
werden auf den unterschiedlichsten Einsatzgebieten für ein sehr
breites Anwendungsspektrum verwendet.
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Beispielsweise
finden Wärmeübertrager
sowohl bei industriellen Prozessen, beim Kraftfahrzeugbau, in der
Klimatechnik, bei chemischen Prozessen und bei der Energieerzeugung
Anwendung. Entsprechend vielseitig wie die Einsatzgebiete gestattet
sich auch die Größe der dabei
verwendeten Wärmeübertrager
sowie die dabei eingesetzten, abzukühlenden bzw. zu erwärmenden
wärmespeichernden
Medien.
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Die
Gemeinsamkeit zwischen derartigen Wärmeübertragern besteht darin, dass
Wärmeenergie
von einem ersten wärmespeichernden
Medium auf ein zweites wärmespeicherndes
Medium übertragen
wird. Das erste Medium gibt dabei Wärme ab, wohingegen das zweite
Medium dabei Wärme
aufnimmt. Als Medium kommen in diesem Zusammenhang in der Regel
gasförmige
und flüssige
Materialien in Betracht, wobei auch ein Gemisch aus flüssigen und
gasförmigen
Substanzen vorliegen kann. Möglich
ist es selbstverständlich
auch, dass wenigstens eines der beiden Medien beispielsweise Festkörper in
Form einer Suspension mit sich führt.
Möglich
ist es auch, dass eines oder beide der verwendeten Medien im Verlauf
der Wärmeübertragung
(teilweise) seinen Aggregatszustand verändert, also beispielsweise
eine Flüssigkeit
(teilweise) verdampft bzw. ein Gas (teilweise) kondensiert. Im Übrigen ist es
auch denkbar, dass bei einem Wärmeübertrager mehr
als zwei Medien in thermischem Kontakt miteinander treten.
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Bei
Wärmebertragern
nach dem Stand der Technik war man bislang stets bestrebt, den Wärmeübergang
zwischen den beim Wärmeübergangsprozess
inolvierten Medien nach Möglichkeit
zu erhöhen.
Dies erfolgte insbesondere im Hinblick auf eine Verkleinerung der
Baugröße des Wärmeübertragers, der
zur Übertragung
einer bestimmten Wärmeleistung
erforderlich ist, zur Verringerung des Materialeinsatzes und damit
hinsichtlich der Kosten des Wärmeübertragers
als auch zur Verringerung des Gewichts des Wärmeübertragers für eine bestimmte Aufgabe.
Rein beispielhaft wurde in letzter Zeit bei Wärmeübertragern für die Kraftfahrzeugtechnik
eine Innenkonturierung von Rohren, durch die wärmespeicherndes Medium fließt, vorgeschlagen,
wobei Längsberippungen
oder auch Vorsprünge
in Form so genannter "Winglets" vorgesehen wurden.
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In
jedem Falle bestand nach dem Stand der Technik bislang das Bestreben,
beim Vorhandensein bestimmter Parameter (wie beispielsweise zu verwendende
Materialien für
den Wärmeübertrager, Herstellungskosten,
Wartungsaufwand, Haltbarkeit, eingesetzte wärmespeichernde Medien, Bauraumvorgaben
usw.) die Wärmeübergangsleistung
zwischen den wärmespeichernden
Medien so weit wie möglich
zu vergrößern.
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Soweit
im Einzelfall das Erfordernis bestand, die Wärmeabgabe aus bzw. die Wämeaufnahme
in ein wärmespeicherndes
Medium zu verringern, so wurde dies bislang durch eine Verringerung
der Durchflussmenge des entsprechenden wärmespeichernden Mediums gelöst. Dieser
Ansatz wurde beispielsweise beim so genannten kurzgeschlossenen Heizkreislauf
unter Umgehung des Kühlmittelkühlers gewählt oder
auch bei Klimaanlagen für
Kraftfahrzeuge gewählt,
wobei zur Verminderung der Kälteleistung
der Kompressor zeitweise abgeschaltet wird bzw. das Hubvolumen des
Kompressors vermindert wird und so weniger Kältemittel im Kältemittelkreislauf
bewegt wird.
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Überraschenderweise
hat es sich nunmehr jedoch gezeigt, dass sich diese Vorgehensweise – also Vorsehen
einer möglichst
hohen maximalen Wärmeübertragungsleistung
und ggf. Verminderung des Durchflusses an wärmespeicherndem Medium durch
den Wärmeübertrager
hindurch – bei
bestimmten Anwendungsfällen
als nachteilig erweisen kann. Die Erfinder haben es sich daher zur
Aufgabe gemacht, einen Wärmeübertrager
bzw. eine Wärmetauscheranordnung
vorzuschlagen, welche die bei Systemen nach dem Stand der Technik
immanenten Nachteile zumindest teilweise beseitigt oder wenigstens
mindert. Insbesondere haben es sich die Erfinder zur Aufgabe gemacht,
einen Wärmeübertrager vorzuschlagen,
bei dem die Wärmeabgabe
aus dem bzw. die Wärmezufuhr
in das entsprechende wärmespeichernde
Medium verringert werden kann, ohne dass der Durchsatz des wärmespeichernden
Mediums durch den Wärmeübertrager
bzw. die Wärmetauscheranordnung
verringert werden muss. Darüber hinaus
soll der vorgeschlagene Wärmeübertrager bzw.
die vorgeschlagene Wärmetauscheranordnung besonders
einfach, kostengünstig
und platzsparend sein, ein gerin ges Gewicht aufweisen und möglichst haltbar,
beständig
und wartungsunempfindlich bzw. einfach bei der Wartung sein. Weiterhin
haben es sich die Erfinder zur Aufgabe gestellt, eine besonders vorteilhafte
Verwendung für
derartige Wärmeübertrager
bzw. derartige Wärmetauscheranordnungen
vorzuschlagen.
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Der
in den unabhängigen
Ansprüchen
vorgeschlagene Wärmeübertrager
bzw. die dort vorgeschlagene Wärmetauscheranordnung
sowie deren Verwendung löst
diese Aufgabe.
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So
wird vorgeschlagen, einen Wärmeübertrager
für die
Wärmeübertragung
zwischen wenigstens zwei wärmespeichernde
Medien dahin gehend weiterzubilden, dass dieser eine variable Wärmeübertragungsschnittstelle
aufweist, mittels derer der Wärmeübergangsgrad
zwischen wenigstens zwei der durch den Wärmeübertrager hindurchgeführten Medien
variiert werden kann. Selbstverständlich kann die Wärmeübertragungsschnittstelle
auch derart aufgebaut sein, dass bei ihr – beim Vorhandensein von beispielsweise
drei oder mehr Medien – der
Wärmeübergangsgrad
zwischen jeweils zweien dieser Medien vorzugsweise einzeln und selektiv
verändert
werden kann. Jedoch ist auch beispielsweise an eine Verschiebung
eines Quotienten aus zwei Wärmeübergangsgeraden
zu denken. Jedenfalls ist es Dank der vorgeschlagenen Ausbildung
des Wärmeübertragers
möglich,
dass beispielsweise im Falle von zwei wärmespeichernden Medien, zwischen
denen es zu einer Wärmeübertragung
kommt, eines der Medien bzw. beide Medien mit unverändertem
Massendurchsatz den Wärmeübertrager
durchströmen können, und
es dennoch möglich
ist, die Wärmeübertragung
zwischen den beiden Medien in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands
der den Wärmeübertrager
aufweisenden Anlage zu verändern.
Im bereits oben erwähnten
Fall eines kühlmittelgekühlten Motors
könnte
somit der Kühlmittelkühler mit
dem üblichen
Kühlmitteldurchsatz
beaufschlagt werden, wobei es – beispielsweise
bei der Warmlaufphase des Motors – dennoch möglich ist, dass die Wärmeabfuhr
aus dem Kühlmittel
verringert wird. Dadurch kann die Aufheizzeit des Motors verringert
werden, obwohl auf einen separaten kurzgeschlossenen Kältemittelkreislauf,
welcher entsprechende Verzweigungspunkte und Bauteile, wie insbesondere
ein thermostatisches Ventil benötigt,
verzichtet werden kann. Ein derartiger Aufbau kann sich als kostengünstiger,
platzsparender, haltbarer bzw. störungsunempfindlicher erweisen.
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Eine
mögliche
Ausbildung der variablen Wärmeübertragungsschnittstelle
ergibt sich, wenn die variable Wärmeübertragungsschnittstelle
eine variable Materialeinbringvorrichtung aufweist. So wäre es möglich, dass
zwischen zwei von den jeweiligen wärmespeichernden Medien durchsetzten
Wärmeübertragerrohren
ein wärmeisolierendes
Material eingebracht bzw. zu entfernenden wird oder aber auch ein
wärmeleitendes
Material eingebracht bzw. entfernt wird. Auch eine Kombination dieser
beiden Möglichkeiten
ist denkbar. Bei dem eingebrachten bzw. zu entfernenden Material
kann es sich um einen Festkörper
handeln oder aber auch um ein geeignetes Medium, insbesondere um
ein geeignetes Fluid, welches beispielsweise in ein zwischen jeweils
zwei von den entsprechenden wärmespeichernden
Medien durchsetzten Wärmeübertragerrohren
angeordnetes Rohr eingebracht werden kann, das mit dem entsprechenden
Medium befüllt
bzw. von diesem geleert werden kann. Im Falle von Flüssigkeiten
kann beispielsweise der Wärmeübergangsgrad
durch einen entsprechenden Befüllungsgrad
variiert werden. Im Falle von isolierenden bzw. wärmeübertragenden Gasen
kann ein variabler Wärmeübergangsgrad
beispielsweise durch eine entsprechende Druckbeaufschlagung realisiert
werden. Bei Feststoffen kann der variable Wärmeübergangsgrad durch ein entsprechend
weites Einschieben bzw. Herausnehmen des entsprechenden Materials
realisiert werden.
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Möglich ist
es auch, dass die variable Wärmeübertragungsschnittstelle
zumindest eine verstellbare Fluidzuführungseinrichtung aufweist.
Hier kann die Variation des Wärmeübergangsgrads
zwischen den jeweiligen wärmespeichernden
Medien dadurch erzielt werden, dass ein an den Wärmeübertragerrohren äußerlich
vorbeigeführtes
Fluid (beispielsweise ein Gas wie insbesondere Umgebungsluft) einem ersten
wärmespeichernden
Medium, welches Wärme
an ein zweites wärmespeicherndes
Medium überträgt, Wärmeenergie
entzieht, so dass diese Wärmeenergie
nicht mehr zur Übertragung
vom ersten auf das zweite wärmespeichernde
Medium zur Verfügung
steht. Hier kann beispielsweise durch einen entsprechenden Durchsatz
von Fluid durch die Fluidzuführungseinrichtung
eine Variation des Wärmübergangs
zwischen erstem und zweitem wärmespeichernden
Medium erreicht werden.
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Eine
besonders günstige
Bauweise ergibt sich, wenn die verstellbare Fluidzuführungseinrichtung
wenigstens teilweise als Klappenjalousie und/oder als Rollbandjalousie
ausgebildet ist. Derartige Bauteile sind an sich bekannt und werden
für andere
Aufgaben vielfach eingesetzt. Sie sind relativ kostengünstig erhältlich und
weisen üblicherweise
einen Entwicklungsstand auf, der einen kostengünstigen, wartungsarmen Einsatz
ermöglicht.
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Eine
geeignete Rohrkonfiguration, insbesondere für die Wärmeübertragerrohre ergibt sich,
wenn der Wärmeübertrager
wenigstens einen koaxial ausgebildeten Rohrabschnitt aufweist. Dadurch
können beispielsweise
zwei wärmespeichernde
Medien in besonders innigem Wärmekontakt
zueinander geführt
werden, wobei dennoch die Möglichkeit
verbleibt, ein drittes Medium in einen guten Wärmekontakt mit zumindest einem
der beiden wärmespeichernden
Medien zu bringen. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des
Wärmeübertragers mit
einem großen
maximalen Wärmeübergangsgrad realisiert
werden.
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Eine
in der Praxis zu bevorzugende Bauweise ergibt sich, wenn der Wärmeübertrager
als Flachrohrwärmeübertrager
mit stapelartig übereinander angeordneten,
parallel zueinander verlaufenden Flachrohren ausgebildet ist. Mit
einer derartigen Ausführung
kann bei relativ geringem Materialaufwand und Bauraumbedarf ein
sehr guter maximaler Wärmeübergangsgrad
zwischen den wärmespeichernden
Medien realisiert werden. Selbstverständlich ist es auch bei Flachrohren
möglich,
einen koaxialen Aufbau zu realisieren.
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Insbesondere
in dem Fall, in dem ein oder mehrere wärmespeichernde Medien unter
hohem Druck stehen, erweist es sich als vorteilhaft, wenn zumindest
ein Rohrabschnitt des Wärmeübertragers eine
Mehrzahl an Strömungskanälen für zumindest eines
der durch den Wärmeübertrager
hindurchgeführten
Medien aufweist. Wenn die vorgeschlagene Ausführung beispielsweise in Form
so genannter "Mikrokanäle" realisiert wird,
können
Drücke
im Bereich von 100, 120, 130, 133, 135, 140, 150, 180 oder 200 bar
(um einige Zahlenwerte zu nennen, wie sie beispielsweise im Falle
von CO2-betriebenen
Klimaanlagen auftreten können,
bzw. wie sie aus Sicherheitsgründen
beherrscht werden können
müssen)
bei durchaus vertretbarem Materialaufwand und unter Verwendung üblicher,
relativ kostengünstiger
Werkstoffe recht leicht beherrscht werden.
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Möglich ist
es, den Wärmeübertrager
derart auszubilden, dass wenigstens ein Rohr einstückig ausgebildet
ist, wenigstens ein Rohr mehrstückig ausgebildet
ist oder eine Kombination daraus vorliegt. Hier kann ein guter Kompromiss
aus einfacher Herstellbarkeit, besonders guter Festigkeit und Haltbarkeit,
Druckdichtigkeit, Herstellungskosten, Materialbearbeitbarkeit usw.
gefunden werden.
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Möglich ist
es, dass die für
unterschiedliche Medien vorgesehenen Rohrdurchflussbereiche eine unterschiedliche
Länge aufweisen.
Dadurch kann es auf besonders einfache Weise ermöglicht werden, die unterschiedlichen
Medien an den Enden der jeweiligen Wärmeübertragerrohre voneinander
getrennt zu- bzw. abzuführen.
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Dies
kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Rohrdurchflussbereiche
in Sammelrohre münden.
Dadurch ist es insbesondere auch möglich, dass mehrere Wärmeübertragerrohre
für die wärmespeichernden
Medien parallel zueinander geschaltet werden können, so dass beispielsweise
ein erhöhter
Durchsatz der entsprechenden Medien, eine erhöhte maximale Wärmeübergangsleistung bzw.
eine Verwendung besonders viskoser wärmespeichernder Medien möglich wird.
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Eine
denkbare Bauform ergibt sich, wenn zumindest ein Teil der Wärmeübertragerrohre
zumindest bereichsweise direkt aufeinanderliegend angeordnet ist.
Hier kann beispielsweise ein besonders kompakter Aufbau und eine
besonders hohe maximale Wärmeübergangsleistung
realisiert werden.
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Denkbar
ist es jedoch auch, dass zumindest ein Teil der Wärmeübertragerrohre
zumindest bereichsweise beabstandet zueinander angeordnet ist. Ein
derartiger Abstand kann beispielsweise zum Einbringen von wärmeisolierenden
bzw. wärmeübertragenden
Materialien verwendet werden bzw. für rohrartige Hohlräume genutzt
werden, die mit wärmeisolierenden
oder wärmeübertragenden
Fluiden befüllt werden
können.
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Insbesondere
wenn die variable Wärmeübertragungsschnittstelle
eine verstellbare Gaszuführungseinrichtung
aufweist, ist es auch sinnvoll, wenn zwischen zumindest einem Teil
der Wärmeübertragerrohre
Wellrippen angeordnet werden. Durch derartige Wellrippen kann die
Interfaceoberfläche
zum hindurchströmenden
Fluid (beispielsweise Kühlluft) erhöht werden.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
eine direkte Anordnung, eine beabstandete Anordnung bzw. zwischengeordnete
Wellrippen miteinander zu kombinieren, beispielsweise indem eine
Rohrabfolge: erstes wärmeübertragendes
Medium – zweites wärmeübertragendes
Medium – erstes
wärmeübertragendes
Medium – Hohlraum – zweites
wärmeübertragendes
Medium – Wellrippe – erstes
wärmeübertragendes
Medium – usw.
von vorn beginnend gewählt
wird.
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Durch
eine dreidimensionale Anordnung von Wärmeübertragerrohren können sich
insbesondere Bauraumvorteile ergeben. In diesem Falle werden beispielsweise
Wärmeübertragerrohre
nicht nur in einer Ebene verlegt, sondern es wird durch Übereinanderlegen
zweier derartiger Rohrebenen ein dreidimensionaler Aufbau realisiert,
wodurch sich ein üblicherweise
als "zweireihig" bezeichneter Wärmeübertrager
ergibt.
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Insbesondere
aus Kosten- und Gewichtsgründen
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der vorgeschlagene Wärmeübertrager
zumindest teilweise aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung
gefertigt ist.
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Eine
besonders kostengünstige
Fertigung kann sich insbesondere auch dann ergeben, wenn zumindest
Teile, wie insbesondere Wärmeübertragerrohre
und/oder Sammelrohre des Wärmeübertragers
mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens gefertigt sind. Mit einem derartigen
Fertigungsverfahren lassen sich beispielsweise auch mit so genannten "Mikrokanälen" versehene Wärmeübertragerrohre
besonders einfach und kostengünstig
fertigen.
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Besonders
vorteilhaft ist es zudem, wenn der Wärmeübertrager als innerer Wärmeübertrager
für einen
Kältemittelkreislauf
ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass ein Wärmeübertrager mit der vorgeschlagenen
Ausbildung für
dieses Einsatzgebiet besonders vorteilhaft ist. Dies gilt insbesondere
bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel für den Kältemittelkreislauf.
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Weiterhin
wird eine Wärmetauscheranordnung
vorgeschlagen, bei der wenigstens ein Wärmeübertrager mit der vorab beschriebenen
Bauausführung,
ggf. einschließlich
deren Variationsmöglichkeiten,
sowie einen oder mehrere weitere Wärmeübertrager aufweist. Mit anderen
Worten kann sich dadurch eine Art Wärmetauschermodul ergeben, bei der
das Wärmetauschermodul
einen Wärmeübertrager
der vorab vorgeschlagenen Bauweise aufweist und bei dem andere Teile
als weitere, andere Aufgaben wahrnehmende Wärmeübertrager ausgebildet sind.
Eine derartige Ausbildung als multifunktionales Modul kann sich
insbesondere hinsichtlich Bauraumerfordernissen, aber auch im Hinblick
auf die Montage als vorteilhaft erweisen.
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Bei
den weiteren Wärmeübertragern
der Wärmetauscheranordnung
kann es sich beispielsweise um Gaskühler, Kondensatoren, Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler und/oder Verdampfer
handeln. Derartige Wärmeübertrager sind
bei einem großen
Teil der derzeit produzierten Kraftfahrzeuge üblicherweise vorhanden.
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Eine
zu bevorzugende Weiterbildung ergibt sich, wenn bei der Wärmetauscheranordnung
zumindest ein Sammelrohr für
den Wärmeübertrager
und zumindest ein Sammelrohr für
einen weiteren Wärmeübertrager
als durchgängiges
Sammelrohr, insbesondere als strömungstechnisch
durchgängiges Sammelrohr
ausgebildet ist.
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Ein
mechanisch durchgängiges,
jedoch ggf. strömungstechnisch
getrenntes Sammelrohr kann sich beispielsweise im Hinblick auf Stabilität und Fertigungsaufwand
der Wärmetauscheranordnung
als günstig
erweisen. Die strömungstechnische
Trennung kann beispielsweise durch eine eingelötete oder eingeschweißte Scheibe
realisiert sein. Im Gegensatz dazu kann das Sammelrohr jedoch auch strömungstechnisch
durchgängig
ausgeführt
sein, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das entsprechende
Medium ohnehin unterschiedliche Wärmeübertrager in Folge durchströmen muss,
wie dies beispielsweise bei einem Gaskühler mit einem nachgeschalteten
inneren Wärmetauscher
(IWT) der Fall ist. Dadurch können
beispielsweise Verbindungen von Kältemittelleitungen und Komponenten
eingespart werden, was insbesondere bei unter Hochdruck stehenden
Fluiden, wie beispielsweise im Falle von Kohlendioxid, von Vorteil
sein kann.
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Bei
der vorgeschlagenen Wärmetauscheranordnung
ist es möglich,
dass Wärmeübertragerrohre zumindest
zweier unterschiedlicher Wärmeübertrager
zumindest bereichsweise zueinander beabstandet angeordnet sind.
Dadurch kann eine besonders gute thermodynamische Trennung der entsprechenden
Wärmeübertragerbereiche
der Wärmetauscheranordnung
realisiert werden.
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Möglich ist
es jedoch auch, dass bei der Wärmetauscheranordnung
Wärmeübertragerrohre
zumindest zweier unterschiedlicher Wärmeübertrager zumindest bereichsweise
unmittelbar aneinanderliegend ausgebildet sind. Dies kann ggf. eine
Vereinfachung bei der Herstellung der Wärmetauscheranordnung mit sich
bringen. Zwar ist es denkbar, dass durch die mit dem mechanischen
Kontakt einhergehende thermische Kopplung ein an sich unerwünschter
Wärmeübergang
auftritt, jedoch kann dieser beispielsweise eine Größenordnung
aufweisen, bei der die dadurch auftretenden Effekte im Verhältnis zu
anderen Vorteilen nur von untergeordneter Bedeutung sind.
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Es
ist im Übrigen
auch möglich,
trotz einer mechanischen Kopplung zweier Wärmeübertrager der Wärmetauscheranordnung
eine zumindest teilweise thermische Entkopplung zu erreichen, beispielsweise
indem zumindest bereichsweise zwischen den Wärmeübertragerrohren unterschiedlicher Wärmeübertrager
eine Wellrippe angeordnet ist.
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Auch
ist es denkbar, dass thermische Isolationsmittel, insbesondere zwischen
den Wärmeübertragerrohren
unterschiedlicher Wärmeübertrager, vorgesehen
werden. Bei thermischen Isolationsmitteln in diesem Sinne kann es
sich nicht nur um isolierende Materialien handeln, sondern beispielsweise auch
um geeignete thermische Isolationsausnehmungen, so dass beispielsweise
durch einen entsprechenden Materialabtrag (der z. B. auch in den Wellrippen
vorgesehen werden kann) eine thermische Entkopplung realisiert wird.
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Eine
besonders vorteilhafte Verwendung des vorab beschriebenen Wärmeübertragers
bzw. der vorab beschriebenen Wärmetauscheranordnung
ergibt sich, wenn diese als innere Wärmetauscher für einen
vorzugsweise mit Kohlendioxid betriebenen Kältemittelkreislauf verwendet
werden.
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Weitere
Eigenschaften, Aufgaben, Vorteile und mögliche Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen sowie der folgenden Beschreibung zu bevorzugender Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1:
Ein Blockdiagramm eines Kältemittelkreislaufs
mit einer Wärmetauscheranordnung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2:
Ein schematischer Aufbau eines Wärmetauschermoduls
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3:
Ein innerer Wärmetauscher
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4:
Ein Flachrohr für
einen inneren Wärmetauscher
in schematischer Ansicht;
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5:
Ein Flachrohr für
einen inneren Wärmetauscher
im Querschnitt;
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6:
Einen Teil eines Flachrohrs eines inneren Wärmetauschers in seitlicher
Draufsicht;
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7:
Eine schematische Draufsicht des in 3 dargestellten
inneren Wärmetauschers
von unten;
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8:
Ein innerer Wärmetauscher
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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9:
Ein Wärmetauschermodul
in schematischer Ansicht gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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10:
Ein Wärmetauschermodul
in schematischer Ansicht gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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11:
Ein Wärmetauschermodul
in schematischer Ansicht gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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12:
Ein Wärmeübertrager
mit variablem Wärmeübergangsgrad
gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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13:
Ein Wärmeübertrager
mit variablem Wärmeübergangsgrad
gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1 ist
ein Blockdiagramm eines Kältemittelkreislaufs 10 dargestellt,
der vorliegend R744 bzw. Kohlendioxid als Kältemittel verwendet.
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Der
Kältemittelkreislauf 10 weist
in an sich bekannter Weise einen Kompressor 4, einen Gaskühler 3 (da
ein Kohlendioxidkältekreislauf
in aller Regel überkritisch
betrieben wird, wird von einem Gaskühler 3 anstatt von
einem Kondensator gesprochen), den Hochdruckteil 8 eines
inneren Wärmetauschers
(IWT) 2, ein Expansionsorgan 6, einen Verdampfer 5,
einen Kälte mittelakkumulator 1 und
den Niederdruckteil 9 des inneren Wärmetauschers 2 auf, die
im Betrieb der Klimaanlage in dieser Reihenfolge vom Kältemittel
durchströmt
werden. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Gaskühler 3 und
der innere Wärmetauscher 2 Teil
einer im Folgenden näher
beschriebenen Wärmetauscheranordnung 7,
welche zusätzlich über weitere,
in 1 aus darstellungstechnischen Gründen nicht
dargestellte Wärmeübertrager
verfügt.
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Der
innere Wärmetauscher 2 ist,
der Erfindung folgend, als Wärmeübertrager
mit einem variablen Wärmeübertragungsgrad
ausgebildet.
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Bei
Kältemittelkreisläufen, welche
Kohlendioxid als Kältemittel
verwenden, kann es unter bestimmten Betriebszuständen, z. B. im Falle eines
hohen Druckverhältnisses
zwischen Hochdruckseite 8 und Niederdruckseite 9 kurz
nach dem Anschalten der Klimaanlage bzw. bei sehr hohen Umgebungstemperaturen,
vorkommen, dass das Kältemittel
aufgrund der Verdichtung im Kompressor 4 an der Ausgangsseite
des Kompressors 4 eine sehr hohe Temperatur aufweist, die über einer
maximal zulässigen Kältemitteltemperatur
(Heißgastemperatur)
liegt. In einem solchen Fall wird gemäß dem Stand der Technik die
Kompressorleistung 4 so weit verringert, dass die Heißgastemperatur
den maximal zulässigen
Wert nicht überschreitet.
Dieses Verfahren gewährleistet zwar
die Einhaltung der Temperaturlimits, dies geschieht jedoch auf Kosten
der Kälteleistung
der Klimaanlage. Eine solche Reduzierung der Kälteleistung ist jedoch, insbesondere
bei hohen Außentemperaturen
bzw. kurz nach dem Einschalten der Klimaanlage, uner wünscht, da
eine komfortable Innenraumtemperatur im Kraftfahrzeug nicht bzw.
nur deutlich später
erreicht werden kann.
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Die
Erfinder haben nunmehr erkannt, dass es ebenso möglich ist, die Eingangstemperatur
des Kältemittels
am Eingang zum Kompressor 4 zu verringern, was ebenfalls
eine Absenkung der Heißgastemperatur
des Kältemittels
nach dem Kompressor 4 zur Folge hat. Der zunächst einfachste
Weg wäre
es, auf den Einbau eines inneren Wärmetauschers 2 zu verzichten.
Insbesondere im Falle von Kohlendioxid als Kältemittel hätte dies jedoch eine Verschlechterung
der Kälteleistung
sowie eine Verschlechterung des Wirkungsgrads des Kältemittelkreislaufs
zur Folge. Daher schlagen die Erfinder einen inneren Wärmetauscher 2 vor,
bei dem der Austauschgrad zwischen dem niederdruckseitigen Kältemittel 9 (Kältemittel),
das vom Akkumulator 1 zum Kompressor 4 strömt) und
hochdruckseitigem Kältemittel 8 (Kältemittel,
welches vom Gaskühler 3 zum
Expansionsventil 6 strömt)
variiert werden kann. Im Falle üblicher Betriebszustände ist
der Austauschgrad groß gewählt, so
dass das vom Gaskühler 3 kommende
Kältemittel
im inneren Wärmetauscher 2 vorgekühlt werden
kann und erst anschließend
zum Expansionsorgan 6 strömt, wo es während der Expansion weiter abgekühlt und
dabei verflüssigt
wird. Zur Abkühlung des
hochdruckseitigen Kältemittels
wird vom Akkumulator 1 zum Verdichter strömendes niederdruckseitiges
Kältemittel
verwendet, was unter anderem auch den Vorteil hat, dass ein "Nassfahren" des Kompressors 4 wirksam
verhindert werden kann (also ein Ansaugen von flüssigem Kältemittel, was zu einer Beschädigung des
Verdichters 4 führen
könnte).
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Liegen
jedoch Betriebszustände
vor, bei denen bei der maximalen Verdichtungsleistung des Kompressors 4 eine
unzulässig
hohe Heißgastemperatur
aufträte,
so wird zunächst
der Wärmeaustauschgrad
zwischen niederdruckseitigem 9 und hochdruckseitigem 8 Teil
des inneren Wärmetauschers 2 reduziert.
Als Folge dessen heizt das hochdruckseitige 8 Kältemittel
das zum Verdichter 2 strömende niederdruckseitige 9 Kältemittel
nicht noch zusätzlich
auf, so dass das niederdruckseitige 9 Kältemittel am Kompressoreingang
eine niedrigere Temperatur aufweist und in Folge dessen auch die
Heißgastemperatur
niedriger ist. Sollte die Reduzierung des Wärmeaustauschgrades des inneren
Wärmetauschers
noch nicht ausreichen, um die Heißgastemperatur im zulässigen Rahmen
zu halten, so ist es selbstverständlich
möglich,
zusätzlich
noch die Kompressorleistung zu reduzieren. Zur Durchführung dieses
Regelungsverfahrens kann insbesondere eine – in der Regel ohnehin vorhandene – Steuerungselektronik
der Klimaanlage verwendet werden. Sobald sich im weiteren Betrieb
der Klimaanlage die Lage wieder "normalisiert", wird zunächst die
Kompressorleistung wieder auf den vollen Wert erhöht und anschließend der
Austauschgrad des inneren Wärmetauschers
auf höhere
Wärmeaustauschgrade
gebracht. Dem steht selbstverständlich
nicht entgegen, dass in Fällen,
in denen zwar eine sehr hohe Heißgastemperatur vorliegt, andererseits
aber die Innenraumtemperatur des Kraftfahrzeugs bereits ausreichend
niedrig ist, auch zunächst
die Kompressorleistung des Kompressors 2 erniedrigt werden
kann.
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In 2 ist
der schematische Aufbau der in 1 verwendeten
Wärmetauscheranordnung 7 skizziert.
Die Wärmetauscheranordnung
wird von einer Luftströmung,
die in 2 durch Pfeile A angedeutet ist, mit Außenkühlluft beaufschlagt.
Sollte im Rahmen gewisser Fahrzustände des mit der Wärmetauscheranordnung 7 versehenen
Kraftfahrzeugs eine erhöhte
Beaufschlagung mit Außenkühlluft erforderlich
sein (z. B. bei hohen Außentemperaturen im
Stau bzw. bei langsamen Bergauffahrten mit hoher Schlepplast), so
kann ein in die Wärmetauschanordnung 7 integrierter
Lüfter 13 zugeschaltet
werden, um den Luftdurchsatz A durch das Wärmetauschermodul 7 zu
erhöhen.
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Das
Wärmetauschermodul 7 weist
beim in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
einen inneren Wärmetauscher 2,
einen Gaskühler 3,
einen Ladeluftkühler 11 und
einen Kühlmittelkühler 12 auf. Gaskühler 3 und
innerer Wärmetauscher 2 sind
dabei in einer Ebene angeordnet und werden parallel mit Kühlluft A
versorgt. Hinter der Ebene aus innerem Wärmetauscher 2 und
Gaskühler 3 befinden
sich – in Serie
hintereinander und in dieser Reihenfolge – der Ladeluftkühler 11,
der Ladeluftkühler 12 und
der (Saug)-Lüfter 13.
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Im
Luftzuführschacht 17 für den inneren Wärmetauscher 2 befindet
sich eine vorliegend als Klappjalousie 16 ausgebildete
verstellbare Luftzuführungseinrichtung.
Möglich
sind jedoch auch andere Ausführungsvarianten,
wie beispielsweise eine Rolljalousie. Die Klappjalousie 16 (bzw.
eine andere Bauform) kann im Übrigen
auch benachbart zum inneren Wärmetauscher 2 oder
aber auch bezüglich
der Luftströmung
A hinter dem inneren Wärmetauscher 2 angeordnet
sein.
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Mögliche Bauweisen
des inneren Wärmetauschers 2 sind
im Folgenden näher
dargestellt.
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In 3 ist
ein erstes mögliches
Ausführungsbeispiel
eines inneren Wärmetauschers 2 mit variablem
Wärmeaustauschgrad
zwischen hochdruckseitigem 8 und niederdruckseitigem 9 Kältemittel
dargestellt. Der innere Wärmetauscher 2 ist
dabei als Flachrohrwärmetauscher
mit einer Mehrzahl übereinander
angeordneter Flachrohre 20 dargestellt. Zwischen den Flachrohren 20 sind
Wellrippen 25 angeordnet, welche den Wärmeübergang zur ggf. hindurchströmenden Außenluft
A erhöhen.
Die Flachrohre 20 sind, wie in 4 und 5 dargestellt,
als koaxiale Flachrohre 20 ausgebildet. Dabei sind die
Flachrohre in einem Extrusionsverfahren mit einer Vielzahl von Mikrokanälen 15 ausgebildet.
Die innenliegenden Mikrokanäle 15 liegen
dabei im hochdruckseitigen 8 Teil 28 des Kältemittelkreislaufs 10. Dementsprechend
liegen die außenliegende
Mikrokanäle 15 im
niederdruckseitigen 9 Teil 29 des Kältemittelkreislaufs.
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Wie
den 4 und 6 entnommen werden kann, ist
der hochdruckseitige Teil 28 der Flachrohre 20 im
Verhältnis
zum niederdruckseitigem Teil 29 der Flachrohre 20 verlängert ausgeführt. In 6 ist
nur eine Endseite 30 des Flachrohrs 20 dargestellt; üblicherweise
betrifft die verlängerte
Ausführung 30 des
hochdruckseitigen Teils 28 des Flachrohrs 20 beide
Seiten 30 des Flachrohres 20.
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Die
in 4 und 6 erkennbaren hochdruckseitigen 8 Rohrvorsprünge 30 können beispielsweise
dadurch ausgebildet werden, dass das Flachrohr 20 einstückig extrudiert
wird und der entsprechende Seitenbereich 30 des Flachrohrs
durch eine abspanende Bearbeitung auf den hochdruckseitigen Innenteil 28 verjüngt wird.
Ebenso ist es möglich,
dass der hochdruckseitige Innenteil 28 des Flachrohrs 20 und
der niederdruckseitige Außenteil 29 des
Flachrohrs 20 jeweils getrennt extrudiert werden und anschließend ineinander
gesteckt werden (mehrstückiger
Aufbau). Je nach Erfordernis, können sich
beide Bauweisen als für
den jeweiligen Zweck günstiger
darstellen.
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Wie
in 3 sowie in Draufsicht von unten in 7 gut
zu erkennen ist, mündet
der niederdruckseitige Außenteil 29 des
Flachrohrs 20 in ein vorliegend als Rundrohr ausgebildetes
niederdruckseitiges Sammelrohr 21 des inneren Wärmetauschers 2. Der
hochdruckseitige 8 Innenbereich 28 des Flachrohrs
durchgreift dagegen mit seinem Seitenbereich 30 das niederdruckseitige
Sammelrohr 21 vollständig und
mündet
in das hochdruckseitige Sammelrohr 18, welches vorliegend
ebenfalls als Rundrohr ausgebildet ist.
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Auch
wenn dies in 3 nicht näher dargestellt ist, so ist
es möglich,
dass eines der hochdruckseitigen Sammelrohre 18 strömungstechnisch
mit einem Sammelrohr des Gaskühlers 3 in
Verbindung steht. Ebenso ist jedoch auch möglich, dass die Sammelrohre 18 des
inneren Wärmetauschers 2 strömungstechnisch
vollständig
von den Sammelrohren des Gaskühlers 3 getrennt
sind, beispielsweise durch Einbringen einer Trennscheibe.
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Je
nach Bauausführung
sind geeignete aus Übersichtlichkeitsgründen in 3 nicht
dargestellte Anschlussflansche für
den hochdruckseitigen Teil des inneren Wärmetauschers 2 vorzusehen.
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In 3 sind
Anschlussflansche 22, 23 skizziert, welche als
Einlass 26 und Auslass 27 für das auf Niederdruckniveau 9 befindliche
Kältemittel
dienen. Der in 3 dargestellte innere Wärmetauscher 2 ist
als so genannter "einflutiger" Wärmetauscher ausgebildet,
das heißt,
dass das durch den Anschlussflansch 22 zugeführte, auf
Niederdruckniveau 9 befindliche Kältemittel die jeweiligen Außenbereiche 29 der
Flachrohre 20 in gleichgerichteter Strömungsrichtung B durchläuft und
anschließend
am Anschlussflansch 23 aus dem inneren Wärmetauscher 2 austritt 27.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Strömungsrichtung des Kältemittels
B nur auf den niederdruckseitigen 9 Teil 29 bezieht.
Das hochdruckseitige 8 Kältemittel kann demgegenüber in gleicher
oder entgegengesetzter Richtung durch den Innenbereich 28 der
Flachrohre 20 strömen.
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In 8 ist
noch ein von 3 abweichender niederdruckseitiger
Strömungsdurchsatz
in Form eines so genannten "zweiflutigen" Wärmetauschers skizziert.
Das über
den Anschlussflansch 21 eintretende 26 Kältemittel
wird durch eine in einem der beiden niederdruckseitigen Sammelrohre 21 befindliche Trennwand 22 durch
das in 8 zu unterst liegende Flachrohr 20 gelenkt.
Nach einer nochmaligen Ablenkung im in 8 rechts
befindlichen niederdruckseitigen Sammelrohr 21 strömt es in
entgegengesetzter Richtung durch die beiden in 8 oben
liegenden Flachrohre 20 zurück zum in 8 links
liegenden niederdruckseitigen Sammelrohr 21, wo es schließlich am
Verbindungsflansch 23 austritt 27. Auch hier ist
die Strömungsrichtung
im hochdruckseitigen 8 Innenteil 28 der Flachrohre 20 unabhängig von der
jeweiligen Strömungsrichtung
im niederdruckseitigen 8 Außenbereich 28 der
Flachrohre 20.
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Im Übrigen ist
es selbstverständlich
auch möglich,
dass, abweichend von den in 3 und 8 dargestellten
Ausführungsbeispielen
des inneren Wärmetauschers 2,
die Anschlussflansche 22, 23 (ebenso wie die in 3 und 8 nicht
dargestellten hochdruckseitigen Anschlussflansche) auch an anderer
Stelle, wie beispielsweise in einem Deckelbereich der Sammelrohre 21, 18,
ausgebildet werden können.
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In
den 9 bis 11 sind beispielhaft weitere
Kombinationsmöglichkeiten
für ein
Wärmetauschermodul 7 mit
einem inneren Wärmetauscher 2 dargestellt.
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In 9 ist
der innere Wärmetauscher 2 in einem
unteren Bereich des Gaskühlers 3 ausgebildet.
Der Gaskühler 3 ist
beim in 9 skizzierten Aufbau des Wärmetauschermoduls 7 als
zweireihiger Flachrohrgaskühler
aufgebaut. Im in 9 unteren Bereich dient jedoch
eine der beiden Flachrohrreihen des Gaskühlers 3 als innerer
Wärmetauscher 2.
Dieser Aufbau kann insbesondere bei besonders beengten Bauraumverhältnissen
von Vorteil sein.
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Weiterhin
ist es möglich,
den inneren Wärmetauscher 2 außerhalb
des Zuluftstroms A anzuordnen, so wie dies in 10 angedeutet
ist. Der innere Wärmetauscher
kann dabei in beliebiger Weise als Teil des Wärmetau schermoduls 7 integral
ausgebildet (so wie in 10 angedeutet) oder aber auch vom
Wärmetauschermodul 7 separat
ausgebildet sein.
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In 11 ist
schließlich
noch eine Bauausführung
dargestellt, bei der der innere Wärmetauscher 2 integral
im Wärmetauschermodul 7 ausgebildet
ist und fluchtend zu Teilen des Ladeluftkühlers 11 und Kühlmittelkühlers 12 in
einer Ebene mit dem Gaskühler 3 ausgebildet
ist. Der innere Wärmetauscher 2 ist
jedoch mit Hilfe einer Lufttrennwand 14 strömungstechnisch
im Wesentlichen aus dem Außenluftstrom
A entfernt.
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Insbesondere
für die
bei den in 10 und 11 dargestellten
Wärmetauschermodulen 7 verwendeten
innere Wärmetauscher 2 sind
Wärmetauscher
mit variablem Wärmeübertragungsgrad,
bei denen die Variation des Wärmeübertragungsgrads ohne
eine Beaufschlagung des Wärmetauschers
mit an diesem vorbeiziehender Außenluft erfolgt, von Vorteil.
Denkbare Ausführungsbeispiele
derartiger Wärmetauscher
sind in den 12 und 13 skizziert.
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Beim
in 12 skizzierten Wärmetauscher 34 mit
variablem Wärmeübertragungsgrad
sind erste Mediumleitungen 31 für ein erstes wärmespeicherndes
Medium (z. B. abzukühlendes
Medium) vorgesehen, welche als Flachrohr 20 mit einer Vielzahl
von Mikrokanälen 15 ausgebildet
sind. Weiterhin sind ähnlich
ausgebildete zweite Mediumleitungen 32 vorgesehen, durch
welche ein zweites wärmespeicherndes
Medium (z. B. zu erwärmendes
Medium) strömt. Erste
Mediumleitungen 31 und zweite Mediumleitungen 32 sind
einander abwechselnd aufeinander gestapelt. Dabei ist zwischen ersten Mediumleitungen 31 und
zweiten Mediumleitungen 32 jeweils ein Koppelrohr 33 angeordnet.
Das Koppelrohr 33 weist einen Hohlraum 35 auf,
der mit einem isolierenden bzw. wärmeleitenden Fluid befüllt, bzw.
wieder entleert werden kann. Je nach Befüllungsgrad (z. B. Flüssigkeitsstand
bei einer Flüssigkeit
bzw. Gasdruck bei einem Gas) ist der Wärmeübergang zwischen den jeweils über das
Koppelrohr 33 thermisch miteinander kontaktierten ersten
Mediumleitungen 31 und zweiten Mediumleitungen 32 unterschiedlich groß, wodurch
sich die gewünschte
Variierbarkeit des Wärmeübergangs
zwischen erstem und zweitem Medium ergibt.
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In 13 ist
eine weitere Ausbildungsmöglichkeit
eines Wärmeübertragers
mit variablem Wärmeübergangsgrad
skizziert. Hier werden jeweils Dreierstapel 36 aus ersten
Mediumleitungen 31 und zweiten Mediumleitungen 32 gebildet.
In einer ersten Version 36a der Dreierstapel 36 liegt
eine zweite Mediumleitung 32 in der Mitte und ist (an ihren
flächigen Seiten überdeckt)
von zwei ersten Mediumleitungen 31. Dementsprechend ist
bei der zweiten Version 36b der Dreierstapel 36 die
erste Mediumleitung 31 in der Mitte angeordnet und ihre
flächigen
Außenseiten sind
von zweiten Mediumleitungen 32 bedeckt. Die beiden Versionen 36a, 36b wechseln
jeweils einander ab, wobei jeweils zwischen zwei Dreierstapeln 36 ein
Koppelrohr 33 der bereits beschriebenen Art vorgesehen
ist.
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Die
in 12 und 13 dargestellten
Rohre können
beispielsweise durch Verlöten
miteinander verbunden werden. Im Übrigen sind die Hohlräume 35 der
Koppelrohre 33 durch in 12 und 13 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellte Befüllöffnungen
befüll-
bzw. entleerbar. Anstelle der Kop pelrohre 33 ist es auch
denkbar, dass entsprechende Ausnehmungen vorgesehen werden, in die beispielsweise
Regelschieber eingeschoben werden können.
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Insbesondere
die in 12 und 13 dargestellten
Wärmetauscher 34 eignen
sich auch für andere
Wärmetauscheranwendungen
als für
den Einsatz als innerer Wärmetauscher
bei Kältemittelkreisläufen.