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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Kältespeichers
von einem Wärmeübertrager,
insbesondere für
eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1. Die Erfindung betrifft zudem eine Befüllvorrichtung für den Kältespeicher
eines Wärmeübertragers
nach dem Oberbegriff des Anspruches 8.
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Es
ist ein Ziel der Kraftfahrzeughersteller, den Kraftstoffverbrauch
des Fahrzeugs zu reduzieren. Eine Maßnahme zur Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs ist das Abschalten des Motors bei vorübergehendem
Stillstand, beispielsweise beim Halten an einer Ampel. Dieses vorübergehende
Abschalten des Motors wird auch Idle-stop-Betrieb genannt. Diese
Maßnahme
wird bei heutigen verbrauchsarmen Fahrzeugen, wie beispielsweise
bei dem sogenannten Dreiliter-Fahrzeug, bereits eingesetzt. Bei
Fahrzeugen, die über
den Idle-stop-Betriebsmodus verfügen,
ist im innerstädtischen
Verkehr ca. 25-30 % der Fahrzeit der Motor ausgeschaltet. Dies ist
ein Grund, warum derartige Fahrzeuge oftmals nicht mit einer Klimaanlage
ausgerüstet
sind, denn bei Motorstillstand kann auch ein für eine Klimaanlage notwendiger
Kompressor nicht angetrieben werden, so dass im Idle-stop-Betrieb
eine Klimaanlage die notwendige Kälteleistung nicht bereitstellen
kann. Zum Teil wird das Problem auch dadurch gelöst, dass bei eingeschalteter
Klimaanlage der Motor bei einem Stopp weiterläuft, wodurch jedoch ein höherer Kraftstoffverbrauch
resultiert.
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In
der
DE 10 2004
052 979 A1 ist eine Klimaanlage mit Kältespeicher für ein Kraftfahrzeug
mit einem in einem Kältemittelkreislauf
beschrieben, der einen Verdampfer, welcher zum Abkühlen von
zu konditionierender Luft für
den Innenraum dient, wobei ein in einem Kältespeicherelement enthaltenes Kältespeichermedium
vorgesehen ist, das im Bereich des Verdampfers angeordnet ist, mindestens
ein Expansionsorgan und mindestens einen Sammler aufweist, wobei
in mindestens einem Kältespeicherelement
ein kältemittelführendes
Rohr angeordnet ist. Das Kältespeicherelement
wird durch kältespeichermediumführende Rohre
beziehungsweise Kanäle gebildet,
die in einem getrennt vom Sammelbehälter des Kältemittels ausgebildeten Kältespeichermedium-Sammelbehälter enden.
Dies ermöglicht
eine gemeinsame Befüllung
mit dem Kältespeichermedium. Das
Befüllen
eines Kältespeicherelements über einen
derartigen Sammelbehälter
lässt jedoch
noch Wünsche
offen.
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Zum
schnellen Befüllen
von Behältern
sind häufig
zwei Öffnungen
vorgesehen, wobei durch eine Öffnung
unter Druck bspw. ein Kältemittel
eingefüllt wird,
und die vom einströmenden
Kältemittel
verdrängte
Luft durch die andere Öffnung
nach außen gelangen
kann.
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Durch
das Vorsehen einer entsprechenden Vorrichtung kann auch ein gleichzeitiges
Einfüllen und
Absaugen mit dieser Vorrichtung erfolgen, wie beispielsweise beim
Betanken eines Kraftfahrzeugs mit Benzin.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, gemäß dem der
Kältespeicher
von ei nem Wärmeübertrager
schnell mit einem Kältespeichermedium
befüllbar
ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um
einen in einen Wärmeübertrager
integrierten Kältespeicher
mit einem Kältespeichermedium
zu befüllen,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
der Befüllvorgang
den Schritt Evakuieren des Kältespeichers
bis zu einem vorgegebenen Unterdruck, bevorzugt bis zu einem sogenannten
Grobvakuum, und später
den Schritt Einfüllen
des Kältespeichermediums
in den Kältespeicher
aufweist. Durch das Befüllen über eine
einzige Befüllöffnung muss nur
diese eine Befüllöffnung nach
erfolgtem Befüllen abgedichtet
werden, d.h. die Zahl möglicher
Leckagestellen wird verringert. Ferner lässt sich durch das Vorsehen
einer Befüllöffung, durch
die in einem ersten Schritt die im Innenraum des Kältespeichers
befindliche Luft im Wesentlichen abgesaugt wird, eine sehr einfach
durchzuführende,
automatisch im Rahmen des Befüllvorgangs
erfolgende Dichtheitsprüfung
des Kältespeichers
vor dem Beginn des Befüllens
mit dem Kältespeichermedium
durchführen,
so dass eine Verunreinigung undichter Wärmeübertrager mit Kältespeichermedium
vermieden werden kann. Der angelegte Unterdruck beträgt vorzugsweise
10 bis 500 mbar, insbesondere 20 bis 200 mbar.
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Das
Einfüllen
des Kältespeichermediums
in den Kältespeicher
erfolgt vorzugsweise ausschließlich
auf Grund eines Einsaugens, so dass der im Inne ren des Kältespeichers
herrschende Unterdruck ausgeglichen wird, und ohne ein Beaufschlagen
der Befüllseite
mit Druck, d.h. an der entsprechenden Zuführung des Kältespeichermediums muss keine Pumpe
vorgesehen sein.
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Bevorzugt
wird vor oder während
des Evakuierens des Kältespeichers
die gewünschte
Menge an Kältespeichermedium
in einen Vorlagebehälter
eingefüllt.
Dies ermöglicht
eine Sicherstellung, dass die gesamte Menge – ggf. abzüglich eines geringen in den
Leitungen verbleibenden Rests – in
den Kältespeicher
gelangt, d.h. dass der Kältespeicher
ausreichend oder sogar vollständig
befüllt
wird.
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Der
zu befüllende
Kältespeicher
wird vorzugsweise an einen einzigen Anschluss angeschlossen, der
Kältespeicher über diesen
Anschluss evakuiert und anschließend über diesen Anschluss befüllt.
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Besonders
bevorzugt wird nach erfolgtem Befüllen des Kältespeichers zumindest ein
Teil der Leitungen über
das zur Erzeugung des Unterdrucks dienende Mittel zumindest teilweise
von Kältespeichermedium
befreit, so dass der Wärmeübertrager und
die Umgebung nicht oder nur minimal mit dem Kältespeichermedium verunreinigt
werden. Das abgesaugte Kältespeichermedium
aus der Leitung wird vorzugsweise in einem Flüssigkeitsabscheider gesammelt.
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Der
gesamte Ablauf lässt
sich problemlos für eine
automatische Befüllung
von Wärmeübertragern mit
Kältespeichermedium
verwenden. Bei entsprechender Ausgestaltung und Regelung können auch automatisch
unterschiedliche Wärmeübertrager
mit der richtigen Menge an Kältespeichermedium
befüllt werden.
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Eine
Vorrichtung zum Befüllen
eines Kältespeichers
von einem Wärmeübertrager,
insbesondere von einem Verdampfer, insbesondere für eine Kraft fahrzeug-Klimaanlage,
mit einem Kältespeichermedium,
weist erfindungsgemäß mindestens
ein Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks im zu befüllenden
Kältespeicher
auf. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Vakuumpumpe, insbesondere
bevorzugt um eine Membranpumpe.
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Ferner
weist die Vorrichtung zum Befüllen
eines Kältespeichers
vorzugsweise mindestens ein Mittel zum Dosieren des Kältespeichermediums
vor dem Befüllen
auf. Dieses Mittel zum Dosieren wird bevorzugt durch einen Vorhaltebehälter gebildet,
in den das Kältespeichermedium
vor dem Befüllen
eingefüllt
wird. Hierbei kann die Dosierung durch das Behältervolumen erfolgen. Andere
Arten der Volumenbemessung sind ebenfalls möglich. Gegebenenfalls lässt sich
die erforderliche Menge an Kältespeichermedium
auch über
das Gewicht ermitteln.
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Bevorzugt
weist die Vorrichtung mindestens einen Dreiwegehahn oder ein Dreiwegeventil
auf. Über
diesen Dreiwegehahn erfolgt sowohl das Befüllen mit dem Kältespeichermedium
als auch die Evakuierung, wobei eine Leitung vom Dreiwegehahn zum
zu befüllenden
Kältemittelspeicher
in beiden Betriebszuständen
durchströmt
wird, der Luft- bzw. Kältespeichermediumsweg
sich anschließend
jedoch unterscheidet.
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Besonders
bevorzugt ist vor dem Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks, d.h.
vor der Vakuumpumpe, mindestens ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet.
In diesem Flüssigkeitsabscheider
kann von der Pumpe angesaugtes Kältespeichermedium
abgefangen und gesammelt werden, so dass es nicht die Pumpe beschädigt.
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Beim
in den Kältespeicher
einzufüllenden Latent-
oder Speichermedium handelt es sich bevorzugt um ein PCM-Material
(phase change material), das bevorzugt kongruent schmelzende Medien,
insbesondere Decanol, Tetra-, Penta- oder Hexadecan, LiClO33H2O, wässrige Salzlösungen oder
orga nische Hydrate enthält
oder hieraus gebildet ist. Im Speichermedium können auch Keimbildner vorgesehen sein,
welche die Kristallbildung beschleunigen. Die Phasenumwandlungstemperatur
des Kältespeichermediums
liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0°C bis 30°C, bevorzugt von 1°C bis 20°C, insbesondere
von 2°C
bis 15°C,
insbesondere bevorzugt von 4°C
bis 12°C.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers
mit Sammler,
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2 eine Seitenansicht des Wärmeübertragers
von 1,
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3 eine
ausschnittsweise, perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers von 1 mit abgenommenem
Sammelkasten und Sammelrohr,
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4 eine
weitere perspektivische Ansicht eines Bereichs des Wärmeübertragers
von 1 mit seitlich geöffneten Sammelbehälter und
-rohr,
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5 eine
geschnittene Seitenansicht des Wärmeübertragers
von 1,
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6 eine
Detailansicht einer Überströmöffnung,
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7 eine
geschnittene Detailansicht des Wärmeübertragers
von 1 im Bereich des Kältespeichers,
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8 einen
Schnitt quer durch den Wärmeübertrager
von 1,
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9 einen
Schnitt durch den unteren Bereich des Wärmeübertragers von 1,
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10 eine
perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers
von 1 mit schematischer Darstellung des Kältemittelströmungsverlaufs,
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11 eine
schematische Schnittdarstellung des Wärmeübertragers von 1 zur
Verdeutlichung des Kältemittelströmungsverlaufs,
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12 eine
schematische Seitenansicht des Wärmeübertragerbereichs
mit dem Kältespeicher von 1 zur
Verdeutlichung eines beispielhaften Kältemittelströmungsverlaufs,
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13 eine
schematisch dargestellte Befüllvorrichtung
zum Befüllen
des Kältespeichers
eines Wärmeübertragers,
wie er beispielsweise in den 1 bis 12 dargestellt
ist, und
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14 bis 19 die
einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Befüllvorgangs.
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Eine
Kraftfahrzeug-Klimaanlage zum Temperieren des Kraftfahrzeug-Innenraums mit einem Kältemittel-Kreislauf
(vorliegend R134a, jedoch kann bspw. auch CO2 oder
ein anderes Kältemittel
verwendet werden) von der nur der Verdampfer 1, mit Einspritzrohr 2 und
Saugrohr 3 dargestellt ist, weist, um auch bei einem Motorstopp
zumindest über
einen kurzen Zeitraum eine ausreichende Kühlleistung zur Verfügung zu
stellen, einen Kältespeicher 4 auf,
bestehend aus einer Mehrzahl von Kältespeicherelementen 5,
welche mit einem Kältespeichermedium gefüllt sind.
Die Kältespeicherelemente 5 sind
durch Bereiche speziell ausgestalteter Flachrohre 6 aus Aluminium
gebildet, auf die an späterer
Stelle näher eingegangen
wird. Als Kältespeichermedium
dient vorliegend Decanol. Alternativ sind beispielsweise auch Tetra-,
Penta- oder Hexadecan geeignet.
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Die
normale Luftströmungsrichtung
ist in den 1 und 2 durch
Pfeile angedeutet. Der Verdampfer 1 weist im größeren, luftanströmseitigen
Teil einen Bereich 1' mit
Aufbau auf, der dem eines herkömmlichen
Verdampfers entspricht, mit zwei Reihen von Flachrohren 7 und
dazwischen angeordne ten Wellrippen 8. Die Flachrohre 7 enden
jeweils in einem Sammelbehälter 9.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, tritt
das Kältemittel
an der Schmalseite des oberen Sammelbehälters 9 luftabströmseitig
in den Verdampfer 1 ein und verlässt ihn auf der gleichen Schmalseite
im luftanströmseitigen
Bereich des Sammelbehälters 9.
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Der
andere Bereich des Verdampfers 1, nämlich der Kältespeicherbereich 1'', welcher vom Prinzip her getrennt
als eigenständiger
Bereich des Verdampfers 1 ausgebildet ist und in welchem
die Kältespeicherelemente 5 vorgesehen
sind, wird durch den kleineren, luftabströmseitigen Teil des Verdampfers 1 gebildet.
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Die
Kältespeicher-Flachrohre 6 im
Kältespeicherbereich 1'' und die herkömmlichen Flachrohre 7 im
Bereich 1' sind,
wie insbesondere aus 8 ersichtlich, derart angeordnet,
dass jeweils beim ersten, dritten, fünften usw. Flachrohr 7 mit
demselben in Luftströmungsrichtung
fluchtend ein Kältespeicher-Flachrohr 6 jeweils
fluchtend angeordnet ist.
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Da
die Zwischenräume
zwischen den Kältespeicher-Flachrohren 6,
die vorliegend in Luftströmungsrichtung
schmaler, aber quer hierzu breiter ausgebildet sind, als die Flachrohre 7,
auf Grund dieser Anordnung relativ breit sind, ist der Strömungswiderstand
für die
den Verdampfer 1 durchströmende Luft in Vergleich zum
Strömungswiderstand
des ersten Bereichs 1' des
Verdampfers 1 nahezu vernachlässigbar und kann für die Auslegung
des Verdampfers 1 in Hinblick auf die Luftdurchströmung im
Wesentlichen vernachlässigt
werden, so dass gegenüber
einer Basisvariante des Verdampfers ohne den Kältespeicherbereich 1'' keine oder nur unwesentliche Neuberechnungen
in Hinblick auf die Luftströmung
erfolgen müssen.
Alternativ können
die Flachrohre 6 und 7 auf beliebige andere Weise
angeordnet sind, bspw. fluchtend oder auf Lücke.
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Die
Kältespeicher-Flachrohre 6 weisen
einen doppelwandigen Aufbau mit einer Mehrzahl von Kältemittel-Kanälen 6' und Kältespeichermedium-Kanälen 6'' auf, wobei die Kältemittel-Kanäle 6' innen angeordnet
sind (siehe 8). Dabei sind die Kältespeicher-Flachrohre 6 derart
angeordnet, dass die als Kältespeicherelemente 5 dienenden
Kältespeichermedium-Kanäle 6'' jeweils in einem von zwei Kältespeichermedium-Sammelbehältern 10 enden, so
dass das Kältespeicherelement 5 nur
einen einzigen Hohlraum aufweist, welcher – von einem Ausgleichsraum
abgesehen – vollständig mit
dem Kältespeichermedium
gefüllt
ist. Das Befüllen
erfolgt über eine Öffnung im
Kältespeichermedium-Sammelbehälter 10 in
einem einzigen Arbeitsgang. Nach dem Befüllen wird die Öffnung fest
verschlossen, so dass ein unbefugtes Öffnen sicher verhindert wird.
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Im
Inneren des durchgehenden Hohlraums sind gemäß einer nicht in der Zeichnung
dargestellten Variante Elemente vorgesehen, wie vorliegend ein Kunststoff-Vlies,
die zur Verbesserung des Wärmetransports
sowie zur Erhöhung
der inneren Oberfläche
dienen, um die Kristallbildung des Kältespeichermediums zu beschleunigen.
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Die
Kältemittel-Kanäle 6' ragen mit ihren
Enden jeweils durch die entsprechenden Kältespeichermedium-Sammelbehälter 10 hindurch
und enden jeweils in einem getrennt vom Sammelbehälter 9 ausgebildeten,
vorliegend als Rohr ausgebildeten Sammelbehälter 12, auf die im
Folgenden als Sammelrohre Bezug genommen wird.
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Jedes
der Sammelrohre ist über
je eine langlochartige Überströmöffnung (nicht
dargestellt) mit einer an entsprechender Stelle angeordnete, langlochartige Überströmöffnung 13 der
Sammelbehälter 9 verbunden
(siehe 5).
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Der
Verdampfer 1 wird in seinem herkömmlichen Bereich 1' derart durchströmt, dass
der Kältemittelstrom
in der Verdampferbreite zweimal umge lenkt wird, bevor er in der
Tiefe entgegen der Luftströmungsrichtung
umgelenkt wird. Im luftanströmseitigen
Bereich wird er ebenfalls zweimal in der Breite umgelenkt. Es handelt
sich somit um einen Verdampfer mit sechs Blöcken B1 bis B6, wobei je drei
Blöcke in
Breitenrichtung des Verdampfers 1 vorgesehen sind (d.h.
in der zuerst durchströmten
Reihe die Blöcke
B1 bis B3 und in der zuletzt durchströmten Reihe die Blöcke B4 bis
B6) und die einzelnen Blöcke
B1 bis B6 der beiden Blockreihen im Kreuz-Gegenstrombetrieb durchströmt werden.
Dieser Kältemittelströmungsverlauf
ist in 10 durch Pfeile mit durchgehender
Linie dargestellt.
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Von
dem Kältemittelstrom
wird über
die Überströmöffnung 13 im
Sammelbehälter 9,
kurz nach dem Eintritt vom Einspritzrohr 2 in den Sammelbehälter 9 im
ersten Block B1 ein Teil des Kältemittels abgezweigt,
welches über
die Überströmöffnung in das
Sammelrohr gelangt und über
das Sammelrohr auf die Kältemittel-Kanäle 6' der Flachrohre 6 verteilt wird,
welche vorliegend in einer Richtung durchströmt werden, d.h. es liegt über die
gesamte Breite des Verdampfers 1 im Kältespeicherbereich 1'' nur ein Speicherelementblock vor.
Der abgezweigte Teil des Kältemittels
wird über
die zweite Überströmöffnung,
die am zweiten Sammelrohr vorgesehen ist, und die entsprechende
zweite Überströmöffnung 13 am
anderen Sammelbehälter 9 wieder
dem Haupt-Kältemittelstrom
zugeführt,
welches in diesem Bereich des Blocks B3 in der Tiefe zum Block B4
umgelenkt wird. Der Kältemittelströmungsverlauf
des Teilstroms ist in 10 durch Pfeile mit gestrichelter Linie
dargestellt.
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An
Stelle des zuvor beschriebenen Aufbaus können die Sammelbehälter auch
auf andere Weise, insbesondere in Plattenbauweise, aufgebaut sein.
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Um
den Kältespeicher 4,
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
den des zuvor beschriebenen Verdampfers 1, mit dem Kältespeichermedium zu
befüllen,
ist eine Befüllvorrichtung 100 vorgesehen,
wie sie in 13 dargestellt ist. Die einzelnen Schritte
eines erfindungsgemäßen Befüllvorgangs sind
in den 14 bis 19 dargestellt
und werden im Folgenden näher
erläutert.
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Die
Befüllvorrichtung 100 weist
eine Halterung 101 für
den zu befüllenden
Verdamper 1, einen Vorlagebehälter 102 zum Vorbereiten
der gewünschten
Menge an Kältespeichermedium
(Mittel zum Dosieren des Kältespeichermediums),
eine Vakuumpumpe 103 (Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks im
zu befüllenden
Kältespeicher 4),
vorliegend eine Membranpumpe, zum Evakuieren des Kältespeichers
vor dem Befüllen
mit vorgeschaltetem Flüssigkeitsabscheider 103' und einen Dreiwegehahn 104 mit
hiermit verbundenen Leitungen 105, 106 und 107 zur
Befüllöffnung des
Kältespeichers 4,
zum Vorlagebehälter 102 bzw.
zur Vakuumpumpe 103 auf.
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14 zeigt
schematisch die Positionierung des mit einem Kältespeichermedium zu befüllenden Verdampfers 1 in
der Halterung 101 der Befüllvorrichtung 100.
Vorliegend erfolgt während
des Positionierens eine Befüllung
eines Vorlagebehälters 102 der Befüllvorrichtung 100 mit
der gewünschten
Menge an Kältespeichermedium
(siehe 5), weshalb der Dreiwegehahn 104 die
Leitung 107 verschließt,
der Durchlass von Leitung 105 zu Leitung 107 ist
vorliegend freigegeben, wobei die Vakuumpumpe 103 ausgeschaltet
ist. Vorliegend nach Beendigung des Befüllvorgangs des Vorlagebehälters 102 und
der abschließenden
Positionierung des Verdampfers 1 und Fixierung in der Halterung 101 wird
ein Befüllstutzen 108,
der am wärmeübertragerseitigen
Ende der Leitung 105 vorgesehen ist, auf die Befüllöffung des
Kältespeichers
abgesenkt (siehe 16), welche der Befüllstutzen 108 druckdicht
gegenüber
der Umgebung abdichtet.
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Im
nachfolgenden Schritt wird die Vakuumpumpe 103 eingeschaltet
und saugt Luft aus dem Kältespeicher 4 des
Wärmeübertragers 1 durch
die Leitungen 105 und 107 und den Flüssigkeitsabscheider 103'. Wenn der gewünschte Unterdruck,
vorliegend 20 mbar, im Inneren des Kältemittelspei chers 4 erreicht
ist, wird der Dreiwegehahn 104 umgeschaltet, so dass die
Leitung 105 nunmehr mit der Leitung 106 und damit
dem Vorlagebehälter 102 verbunden ist.
Die Vakuumpumpe 103 wird abgeschaltet. In Folge des Unterdrucks
im Inneren des Kältemittelspeichers 4 wird
das im Vorlagebehälter 102 vorgehaltene
Kältemittel
automatisch in den Kältespeicher 4 gesaugt,
bis sich ein Druckausgleich einstellt.
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Nach
erfolgtem Befüllen
wird der Dreiwegehahn 104 wieder zurück in die Ausgangsstellung
gestellt, bei welcher die Leitung 105 mit der Leitung 107 verbunden
ist, die Vakuumpumpe wieder kurz eingeschaltet und der Befüllstutzen 108 unter
Vakuum abgezogen, so dass das sich noch in der Leitung 105 und
im Dreiwegehahn 104 befindliche Kältespeichermedium in den Flüssigkeitsabscheider 103' gesaugt wird.
Nun kann die Befüllöffnung des
Kältespeichers verschlossen
und der mit Kältespeichermedium
befüllte
Verdampfer 1 aus der Halterung 101 entnommen werden.