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Die Erfindung betrifft einen Akkumulator für eine Klimaanlage, insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein Akkumulator ist Bestandteil einer Klimaanlage, insbesondere einer Fahrzeugklimaanlage und besitzt eine Vielzahl von Aufgaben, beispielsweise die Ölrückführung zum Verdichter oder das Abscheiden und Speichern unverdampfter Flüssigkeit im Teillastbetrieb und bei Lastwechseln der Klimaanlage.
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Aus der
DE 103 00 802 A1 ist ein Akkumulator für eine Fahrzeugklimaanlage bekannt, der ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für das Kältemittel aufweist. Der Innenraum des Gehäuses umfasst einen Strömungskanal für das Kältemittel, der aus einem absteigenden Rohrabschnitt, einem aufsteigenden Rohrabschnitt und einem Überleitungsabschnitt besteht. Der absteigende Rohrabschnitt ist derart ausgestaltet, dass er in seinem oberen Bereich einen größeren Querschnitt besitzt als in seinem unteren Bereich. Durch die Verringerung des Querschnittes des absteigenden Rohrabschnittes gelingt es, die Geschwindigkeit im Einlassbereich zu dem absteigenden Rohrabschnitt gering zu halten, damit kein oder sehr wenig flüssiges Kältemittel in den absteigenden Rohrabschnitt gelangt.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es für eine Leistungsoptimierung der Klimaanlage sinnvoll ist, dass sich bei hohen Kältemittelmassenströmen ein erhöhter Flüssigkeitsanteil am Akkumulatoraustritt einstellt. Durch den erhöhten Flüssigkeitsanteil reduzieren sich die Verdichteransaugtemperatur und die Verdichteraustrittstemperatur, wodurch die Klimaanlage mit höherer Leistung betrieben werden kann, ohne die zulässigen Temperaturen zu überschreiten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde den Austrittsdampfgehalt des Akkumulators in Abhängigkeit des Kältemittelmassenstromes gezielt zu beeinflussen. Dies bedeutet, dass bei niedrigen Kältemittelmassenströmen ein hoher Dampfgehalt am Akkumulatoraustritt vorherrschen soll, während bei hohen Kältemittelmassenströmen Flüssigkeitsanteile in den Akkumulatoraustritt gefördert werden sollen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Grundgedanken der Erfindung ist ein Akkumulator für eine Klimaanlage, insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage vorgesehen, der ein Gehäuse umfasst, das mindestens eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung für ein Kältemittel aufweist und einen Strömungskanal für das Kältemittel mit einem Anfangsabschnitt, welcher von einem oberen Bereich des Innenraumes des Gehäuses in einen Bodenbereich des Gehäuses verläuft und einem weiteren Abschnitt, welcher im Wesentlichen im Bodenbereich des Gehäuses verläuft und einem Endabschnitt, welcher mit der Austrittsöffnung kommunizierend verbunden ist und ferner umfassend zumindest ein erstes Kältemittelleitelement, das beabstandet zur Kältemitteleintrittsöffnung angeordnet ist und eine verlängert gedachte Achse der Kältemitteleintrittsöffnung zumindest teilweise umschließt.
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Durch das erste Kältemittelleitelement kann der Austrittsdampfgehalt gezielt in Abhängigkeit des Kältemittelmassenstroms beeinflusst werden. Bei niedrigen Kältemittelmassenströmen werden die Flüssiganteile der Eintrittsströmung innerhalb und somit der verlängert gedachten Achse des Kältemitteleintritts zugewandten Seite des ersten Kältemittelleitelementes abgeschieden und der Gasanteil strömt nach oben und direkt in den Anfangsabschnitt des Strömungskanals ab. Somit wird bei niedrigen Massenströmen ein hoher Dampfgehalt am Akkumulatoraustritt erreicht.
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Bei hohen Kältemittelmassenströmen wird ein gewisser Gasanteil am unteren Ende des ersten Kältemittelleitelementes herausgedrückt. Diese Gasblasen steigen in der Flüssigkeit außerhalb des ersten Kältemittelleitelementes nach oben. Durch die eingebrachten Gasblasen sinkt die mittlere Dichte und der Flüssigkeitsspiegel steigt an. Dadurch ist es möglich, dass gewisse Flüssigkeitsanteile in den Anfangsabschnitt des Strömungskanals gelangen. Andere Gas-/ Flüssigkeitsanteile fallen über die Oberkante des ersten Kältemittelleitelementes von außerhalb des ersten Kältemittelleitelementes nach innen und werden innerhalb wieder nach unten transportiert. Es entsteht eine Umwälzströmung.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten Kältemittelleitelement und dem Anfangsabschnitt des Strömungskanals ein zweites Kältemittelleitelement angeordnet. Durch das zweite Kältemittelleitelement kann die Umwälzströmung in einem mittleren Kältemittelmassenstrombereich so geleitet werden, dass gezielt weniger oder mehr Gasblasen in der Nähe des Anfangsabschnittes des Strömungskanals aufsteigen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungskanal als U-Rohr ausgebildet. In diesem Zusammenhang wird der Begriff U-Rohr breit ausgelegt. Beispielsweise kann das Rohr an einem oder beiden Enden abgewinkelt sein oder der bogenförmige Bereich durch ein gerades Stück aufgeweitet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verläuft der Strömungskanal von einem oberen Bereich in den Bodenbereich des Akkumulators und ist dort kommunizierend mit der Austrittsöffnung verbunden, die in einer Bodenwand oder einer Umfangswand des Akkumulators angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten Kältemittelleitelement und dem Endabschnitt des Strömungskanals ein drittes Kältemittelleitelement angeordnet. Durch das dritte Kältemittelleitelement wird ein Bereich des Akkumulators von der Umwälzströmung unbeeinflusst gehalten. Dieser Bereich übernimmt die Funktion eines Füllstandsänderungs-Dämpfungsglieds.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste, zweite und dritte Kältemittelleitelement, als eine Baueinheit ausgebildet, die in den Akkumulator einsteckbar ist. Bevorzugt sind die Baueinheit oder die einzelnen Kältemittelleitelemente mit dem Bodenbereich und/oder dem Strömungskanal und/oder einem beliebigen anderen Bereich des Akkumulators form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
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Die einzelnen Kältemittelleitelemente sind in einer weiteren Ausführungsform als Bleche oder Rohre ausgebildet und bevorzugt vertikal im Akkumulator angeordnet. Zur Verbesserung der Funktion können die einzelnen Kältemittelleitelemente als Sieb, Filter oder Trocknerelemente dargestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Kältemittelleitelement derart ausgelegt, dass die Umwälzströmung erst oberhalb eines gewünschten Kältemittelmassenstromes eintritt. Diese Charakteristik kann beispielsweise durch Öffnungen, insbesondere Löcher oder Schlitze, erreicht werden, die sich in der Mantelfläche des ersten Kältemittelleitelementes befinden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere das erste Kältemittelleitelement mit Profilierungen, insbesondere Noppen oder Rippen, und zumindest an einem Ende mit einer sprunghaften oder kontinuierlichen Querschnittserweiterung oder Querschnittsverengung, beispielsweise einem Diffusor, versehen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erste Kältemittelleitelement als Rohr ausgebildet und konzentrisch und beabstandet zur Eintrittsöffnung angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung und/oder das erste Kältemittelleitelement axial bewegbar angeordnet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Akkumulators beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt eines Akkumulators gemäß vorliegender Erfindung;
- 2a bis 2c eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators für verschiedene Kältemittelmassenströme;
- 3a bis 3f verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Akkumulators;
- 4a bis 4e verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Akkumulators;
- 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators;
- 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators;
- 7a bis 7c eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators;
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Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Akkumulators gemäß vorliegender Erfindung. Ein derartiger Akkumulator 1 besteht aus einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse 2. Das Gehäuse hat eine zylindrische Umfangswand 3 und eine Bodenwand 4. Abgeschlossen wird der Akkumulator durch einen nicht dargestellten Deckel. In dem Deckel ist eine Eintrittsöffnung 5, durch welche das Kältemittel in den Akkumulator eintritt und eine Austrittsöffnung 6, durch welche das Kältemittel aus dem Akkumulator austritt (durch Pfeile dargestellt) integriert. Der Eintritt und der Austritt sind kommunizierend mit einem nicht dargestellten Kältemittelkreislauf verbunden.
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Ferner weist der Akkumulator 1 einen Strömungskanal 7 auf, der als U-Rohr ausgebildet ist. Das sich im Akkumulator 1 sammelnde Kältemittel gelangt über ein im oberen Bereich 9 angeordnetes offenes Ende 8 des U-Rohres in dasselbe und durchströmt es von oben nach unten in einen Bodenbereich 10 des Akkumulators. Dort wird es um 180° umgelenkt und strömt wieder nach oben, wo es das U-Rohr und zugleich den Akkumulator durch die Austrittsöffnung 6, die mit dem U-Rohr kommunizierend verbunden ist, verlässt.
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Unter dem Begriff „oberer Bereich“ wird erfindungsgemäß ein Bereich im Akkumulator verstanden, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 16 liegt, der sich im Betrieb der Klimaanlage einstellt.
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Das U-Rohr 7 ist auf an sich bekannte Weise im Bereich der Krümmung, die im unteren Teil des Akkumulators 1 angeordnet ist, mit einer Bohrung (nicht dargestellt) versehen, durch welche Öl dem das U-Rohr 7 durchströmenden Kältemittel beigemischt wird.
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In diesem Zusammenhang wird der Begriff Kältemittel sehr breit ausgelegt und kann neben gasförmigen auch flüssige Anteile eines Kältemittels oder eines Kältemittel/Ölgemischs beliebiger Zusammensetzung enthalten.
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Gemäß 1 sind die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung auf der gleichen Seite des Akkumulators angeordnet. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsöffnung in der Umfangswand 3 oder der Bodenwand 4 angeordnet und mit dem Strömungskanal 7 kommunizierend verbunden.
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Ferner weist der Akkumulator 1 ein erstes Kältemittelleitelement 11 auf, das im Wesentlichen vertikal im Akkumulator angeordnet ist. Das erste Kältemittelleitelement 11 ist als Rohr mit zwei offenen Enden 12 und 13 ausgebildet und ist im Wesentlichen konzentrisch und beabstandet zur Eintrittsöffnung angeordnet. Mit anderen Worten: Die Querschnittsfläche 12 des Kältemittelleitelementes 11 umschließt vollständig die verlängert gedachte Achse 14 der Kältemitteleintrittsöffnung 5.
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Durch das Kältemittelleitelement 11 wird der innerhalb liegende Teil des Flüssigkeitsspiegels 16 direkt durch die Strömung des Kältemittels beaufschlagt, während der außerhalb liegende Teil des Flüssigkeitsspiegels keine Beeinflussung durch die Eintrittsströmung erfährt. Diese Anordnung ermöglicht somit, dass bei Einströmung das Kältemittel im Akkumulator nicht insgesamt durch einen direkten Strahl aufgewirbelt wird.
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Wie zuvor beschrieben wird durch das erste Kältemittelleitelement 11, insbesondere bei erhöhtem Kältemittelmassenstrom, eine Umwälzströmung im Akkumulator erzeugt.
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In den 2a bis 2c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Akkumulators für drei verschiedene Kältemittelmassenströme dargestellt. Hierbei zeigt 2a einen Akkumulator bei niedrigem, 2b einen Akkumulator bei mittlerem und 2c bei hohem Kältemittelmassenstrom. Gemäß 2a strömt bei niedrigem Kältemittelmassenstrom der Gasanteil (durch Pfeile G angedeutet) des Kältemittels direkt in den Strömungskanal, während der flüssige Anteil (durch Pfeil F angedeutet) innerhalb des Kältemittelleitelementes abgeschieden wird. Bei mittleren Kältemittelmassenströmen wird eine Umwälzströmung erzeugt (durch Pfeile U angedeutet). Durch ein zweites Kältemittelleitelement 15 kann diese Strömung so geleitet werden, dass keine Gasblasen in der Nähe des Strömungskanals 7 aufsteigen und somit auch kein Schaum entsteht. Damit bleibt das Absinken des Akkumulatoraustrittsdampfgehalts in diesem Betriebsbereich gering.
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Bei hohem Kältemittelmassenstrom (2c) gelangen Flüssigkeitsanteile (durch Pfeile F angedeutet) durch die Umwälzströmung in den Strömungskanal und somit in den Akkumulatoraustritt.
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Gemäß den 2a bis 2c ist das zweite Kältemittelleitelement 15 im Wesentlichen vertikal und somit parallel zum ersten Kältemittelleitelement 11 angeordnet und befindet sich zwischen diesem und dem Strömungskanal 7. Die Länge des zweiten Kältemittelleitelementes in vertikaler Richtung entspricht im Wesentlichen der Länge des ersten Kältemittelleitelementes.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das zweite Kältemittelleitelement bis in den Bodenbereich 10 und ist mit dem Strömungskanal 7 form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
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In den 3a bis 3f sind sechs weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Akkumulators dargestellt. Gemäß 3a weist das erste Kältemittelleitelement 11 eine Profilierung 17 auf. Diese Profilierung kann beispielsweise als Verrippung oder als Vernoppung dargestellt werden und kann sich über Teile oder über die gesamte Innenmantelfläche des ersten Kältemittelleitelementes erstrecken. Die Profilierung dient dazu, dass der Gasanteil und der Flüssigkeitsanteil des Kältemittels besser separiert werden. In 3b weist das erste Kältemittelleitelement zusätzliche Öffnungen 18 auf, die auf der Mantelfläche angeordnet sind und für eine zusätzliche Ableitung des Kältemittels sorgen. Die Öffnungen können rund, oval oder schlitzartig ausgebildet und an beliebigen Stellen des Kältemittelleitelementes 11 angeordnet sein.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3c weist das erste Kältemittelleitelement an beiden Enden einen Diffusor 19 auf. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Diffusor nur an einem der beiden Enden angeordnet. Durch den Diffusor werden Druckverluste vermieden und die Separationsgüte des Kältemittels erhöht. Des Weiteren kann das erste Kältemittelleitelement am oberen und/oder am unteren Ende insbesondere eine konische Verjüngung 20 (3d) oder eine Aussparung 21 aufweisen ( 3e). Mit anderen Worten: Der obere Rand 22 des ersten Kältemittelleitelements 11 kann in verschiedener Höhe bezüglich der Unterkante der Eintrittsöffnung 5 und bezüglich der Oberkante des zweiten Kältemittelleitelementes und der Oberkante und damit der Öffnung 8 des Strömungskanals 7 angeordnet werden. Der innere Querschnitt des ersten Kältemittelleitelementes kann über der Höhe variabel gestaltet werden.
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3f zeigt einen erfindungsgemäßen Akkumulator mit einem ersten Kältemittelleitelement 11, das ein Filterelement oder ein Trocknerelement 23 aufweist. Das Filterelement kann beispielsweise über Clipsverbindungen oder auf eine andere Art und Weise mit dem ersten Kältemittelleitelement verbunden sein.
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4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Akkumulators. Hierbei weist der Akkumulator ein drittes Kältemittelleitelement 24 auf, das den Akkumulator in einen beruhigten Bereich 25 und einen nicht beruhigten Bereich 26 trennt. Die beiden Bereiche sind über Öffnungen 27 in der Nähe der Bodenwand 4 und des nicht dargestellten Deckels miteinander verbunden. Das dritte Kältemittelleitelement 24 ist mit dem Strömungsweg 7 verbunden. Der beruhigte Bereich dient im Wesentlichen dazu, bei Betriebszustandsänderungen und damit einhergehenden Änderungen im Kältemittelmassestrom einen Pufferbereich für das Kältemittel bereitzustellen. Gemäß 4a kann das zweite Kältemittelleitelement 15 an seinen beiden Enden um einen Winkel α oder β abgewinkelt sein.
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Die 4b bis 4e zeigen in einer Draufsicht vier weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Akkumulators und gehen insbesondere auf die Anordnung der einzelnen Kältemittelleitelemente im Akkumulator ein. In 4b sind das zweite 15 und dritte 24 Kältemittelleitelement parallel zueinander angeordnet, wobei das dritte Kältemittelleitelement mit der Umfangswand 3 form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist. In 4c sind das zweite und dritte Kältemittelleitelement zu einer Baueinheit zusammengefügt und umschließen das erste Kältemittelleitelement 11 vollständig. 4d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem das erste Kältemittelleitelement mit der Umfangswand 3 verbunden ist. In 4e umschließt das erste Kältemittelleitelement 11 die Eintrittsöffnung 5 und den Anfangsabschnitt des Strömungskanals 7.
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In zwei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß den 5 und 6 ist entweder das erste Kältemittelleitelement 11 durch einen Schwimmer 28 oder die Eintrittsöffnung 5 durch einen extern angesteuerten Magnetschalter 29 axial beziehungsweise vertikal beweglich angeordnet. Durch diese Ausführungsformen ist es möglich, den vertikalen Abstand zwischen Eintrittsöffnung und erstem Kältemittelleitelement zu verändern beziehungsweise auch ganz zu verschließen. Somit wird eine gezielte Einstellung des Austrittsdampfgehaltes ermöglicht. Wenn beispielsweise die durch die Eintrittsöffnung 5 in den Akkumulator 1 eintretende Dampf-Flüssigströmung vollständig durch das erste Kältemittelleitelement 11 nach unten strömen muss, tritt sie am unteren Ende des ersten Kältemittelleitelementes 11 aus und führt, wie beschrieben, zu einem Aufwallen der Flüssigkeit und somit zu erhöhtem Flüssigkeitsaustrag aus dem Akkumulator 1.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird das erste Kältemittelleitelement 11 extern durch einen Aktuator axial angetrieben. Die Verbindung zwischen Aktuator und erstem Kältemittelleitelement stellt beispielsweise eine Stange her. Auch sind Ausführungsformen denkbar, in denen das erste Kältemittelleitelement zweigeteilt ist und nur ein Teil axial bewegbar ausgeführt ist.
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Die 7a bis 7c zeigen ein weiteres Ausführungsbeipiel gemäß vorliegender Erfindung. Gemäß 7a weist das erste Kältemittelleitelement 11 ähnlich der Ausführungsform gemäß 3b mehrere Öffnungen 18 auf, die in axialer Richtung in verschiedenen Höhen angeordnet sind. Ferner ist mit geringem radialem Abstand ein Abdeckelement 31 um das erste Kältemittelleitelement angeordnet. Das Abdeckelement weist einen Schlitz 32 auf, so dass bei einem Verdrehen nur bestimmte Öffnungen 18 offengelegt werden.
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Die Drehbewegung des Abdeckelementes kann beispielsweise extern durch einen Magnetschalter oder Schrittmotor erfolgen, oder durch einen Schwimmer 28, der in eine Führungsnut 33 des Abdeckelementes 31 eingreift. Der Schwimmer ist beispielsweise hohl ausgebildet (siehe 7c) und bewegt sich auf Höhe des Flüssigkeitsstandes axial im Akkumulator. Über eine mit dem ersten Kältemittelleitelement 11 fest verbundene Stange 30 wird ein Verdrehen des Schwimmers verhindert, so dass bei einer Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Akkumulator eine axiale Bewegung des Schwimmers in eine radiale Bewegung des Abdeckelementes umgewandelt werden kann (siehe 7b).
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Hierbei ist die axiale Ausdehnung des ersten Kältemittelleitelementes nicht begrenzt und kann sich beispielsweise bis an die Bodenwand 4 oder die Eintrittsöffnung 5 erstrecken.
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Durch das Offenlegen beziehungsweise Verschließen der Öffnungen 18 kann ebenfalls gezielt ein gewünschter Austrittsdampfgehalt des Akkumulators 1 eingestellt werden.
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Auch wenn gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen nicht beschrieben, kann im Innenraum des Akkumulators ein Trockenmittel angeordnet sein, um Feuchtigkeit aus dem Kältemittel aufzunehmen. Des Weiteren weist der Strömungskanal nahe der Bodenwand 4 eine Öffnung zur Rückführung des Kältemittelöls auf.
