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Die Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere einen kühlmittelgekühlten Kondensator, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Kondensator dient bei Wärmekraftmaschinen und in Kälteanlagen zur Verflüssigung des Abdampfes bzw. des dampfförmigen Kältemittels. Dies ermöglicht in den genannten Anlagen einen geschlossenen Kreisprozess. In einem Kondensator einer Klimaanlage wird die bei der Kühlung eines Innenraumes aufgenommene Wärmeenergie wieder an die Umgebung abgeführt.
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Beim indirekten Kondensator wird die Kondensationswärme nicht direkt an die Luft, sondern an den Niedertemperaturkreislauf und von dort an die Luft abgeführt. Durch den zwischengeschalteten Wasserkreislauf reduziert sich die am Kondensator zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz. Das wird durch eine geeignete Stromführung ausgeglichen. Das Kältemittel wird im Kondensator enthitzt, es kondensiert und anschließend wird das Kältemittel (im Unterkühler) unter die Kondensationstemperatur unterkühlt. Dies bedeutet, dass im Unterkühlungsteil die niedrigste Temperatur und damit das geringste treibende Temperaturgefälle vorliegt. Es ist daher sinnvoll, das Kühlmittel erst durch den Unterkühler zu führen und anschließend durch den Kondensator zu leiten. In der Regel ist der Unterkühler erheblich kleiner als der Kondensator (da in diesem Apparat nur ein geringer Teil der Gesamtenergie abgeführt wird). Gattungsgemäße Kondensatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise offenbart die
WO 2004 042293 A1 einen gattungsgemäßen Kondensator für ein Kraftfahrzeug. Der Kondensator weist einen oberen Kondensatorabschnitt und einen unteren Unterkühlabschnitt mit einer stapelförmigen einheitlichen Wärmeübertragermatrix auf.
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Werden der Unterkühlabschnitt und der Kondensatorabschnitt jedoch mit einer einheitlichen bzw. gleichen Wärmeübertragermatrix, und somit gleichen hydraulischen Durchmessern, gefertigt, so muss entweder ein sehr hoher Druckabfall im Unterkühlabschnitt in Kauf genommen oder der Unterkühlabschnitt muss überdimensioniert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein optimales Verhältnis aus Wärmeübertragungsfläche und Druckabfall gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kondensator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der hydraulische Durchmesser (DhUnt) des Unterkühlabschnitts zumindest geringfügig größer ist als der hydraulische Durchmesser (DhKon) des Kondensatorabschnitts. Dies hat den Vorteil, dass die hydraulische Auslegung optimiert werden kann, ohne auf die Vorteile eines optimierten Temperaturganges zu verzichten. Dazu wird der Unterkühlabschnitt insbesondere auf der Kühlmittelseite ”luftiger” ausgelegt als der Kondensatorabschnitt. Dies geschieht im Wesentlichen durch eine Vergrößerung der hydraulischen Durchmesser auf der Kühlmittelseite im Unterkühlabschnitt im Vergleich zum Kondensatorabschnitt. Während sich die Erfindung im Kern auf eine Verschaltung bezieht, bei der das gesamte Kühlmittel erst durch den Unterkühlabschnitt und dann durch den Kondensatorabschnitt strömt, ist es ebenfalls denkbar, einen Teil der Strömung im Bypass am Unterkühlabschnitt vorbeizuführen und danach zusammen mit dem Kühlmittel, das den Unterkühlabschnitt durchströmt hat, in den Kondensatorabschnitt einzuleiten.
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Bevorzugt kann der hydraulische Durchmesser (DhUnt) des Unterkühlabschnitts um zumindest mehr als 10% größer als der hydraulische Durchmesser (DhKon) des Kondensatorabschnitts ausgelegt sein. Dieser Wert hat sich in von der Anmelderin durchgeführten Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Mittel in der Art einer flächigen Matrize (insbesondere Stapelscheibe) ausgebildet sind, wobei jede Matrize eine aus mehreren nebeneinander verlaufenden Wellen gebildete Oberflächenstruktur, mit einer definierten Wellenlänge und Wellenhöhe, aufweist, und wobei sich durch die Wellenbeschaffenheit der Strömungsquerschnitt bzw. der hydraulische Durchmesser des Kondensatorabschnitts und/oder Unterkühlabschnitts definiert. Ein solches Wellenprofil bildet in einfacher Weise Strömungsleitbereiche, die geeignet sind die Strömung des den entsprechenden Hohlraum durchströmenden Mediums zu leiten. Die Strömung wird in ihrem Verlauf dadurch in vorteilhafter Weise mehrfach umgelenkt. Gleichzeitig wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Medium insgesamt über die gesamte Fläche der Matrizen verteilt wird und so ein möglichst optimiertes Ausnutzen der gesamten Matrizenfläche erfolgt. In Abhängigkeit von dem Strömungsverhalten (Viskosität) des durchströmenden Mediums treten auch turbulente Strömungen auf. Die sich immer wieder einstellenden Richtungsänderungen des Fluids im Kanal und sich im Bereich des sich öffnenden Wellenkanals unter Umständen ausbildende Wirbel reißen die sich bildende Grenzschicht immer wieder auf. Dies führt zu einem verbesserten Wärmeübergang. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen eine konstante Teilung, also einen festen Abstand zweier beliebiger zueinander benachbarter Wellenprofile vor.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Matrizen des Kondensatorabschnitts ein bezüglich ihrer Wellenhöhe und Wellenlänge anderes Wellenprofil aufweisen als die Matrizen des Unterkühlabschnitts. Mit anderen Worten weisen die Matrizen des Kondensatorabschnitts und des Unterkühlabschnitts hinsichtlich der charakteristischen Eigenschaften des Wellenprofils sowie der Gestalt des Wellenprofils nicht identische Eigenschaften auf. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften des Wellenprofils ergeben sich bezüglich des Unterkühlabschnitts unterschiedliche Strömungsquerschnitte bzw. hydraulische Durchmesser hinsichtlich des Kondensatorabschnitts. Jeder Abschnitt besteht dabei aus einer Mehrzahl übereinander angeordneter Matrizen (Stapelscheiben), wobei der Kondensatorabschnitt mehr Matrizen aufweist als der Unterkühlabschnitt.
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Denkbar wäre ferner den Unterkühlerabschnitt in einer anderen Bauform als den Kondensatorabschnitt auszuführen, beispielsweise könnte der Unterkühlabschnitt als Rohrbündel- oder Doppelrohrapparat ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, die Bauformen zu mischen und z. B. im Unterkühlabschnitt ein Rippe-Rohr-System und im Kondensatorabschnitt einen Plattenapparat zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit könnte zudem sein, im Unterkühlabschnitt ein Koaxialrohr einzusetzen.
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Ferner wäre es denkbar, den Unterkühlabschnitt mit einer wasserseitig kürzeren Lauflänge zu versehen um so den Druckabfall im Unterkühlabschnitt weiter zu minimieren (da die Lauflänge nicht zwingend für den Wärmeübergang benötigt wird).
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Bei dem Material der Matrizen handelt es sich bevorzugt um Aluminium. Dieses Material hat den Vorteil, eine niedere Dichte aufzuweisen und gleichzeitig das Erzeugen des Wellenprofils beispielsweise durch Prägen in einfacher Weise zu ermöglichen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Kondensatorabschnitt und der Unterkühlabschnitt als separate, miteinander wirkverbundene, Bauteile ausgebildet sein können. Dabei bilden beispielsweise sowohl der Kondensatorabschnitt als auch der Unterkühlabschnitt Bauteile welche unabhängig voneinander gefertigt und erst anschließend zu einer wirkverbundenen Kondensatoreinheit verbaut werden.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Kondensatorabschnitt und der Unterkühlabschnitt ein gemeinsames Bauteil bilden. Beispielsweise können der Kondensatorabschnitt und der Unterkühlabschnitt gemeinsame Bauteile (Sammelbehälter, Seitenwände, Anschlussleitungen etc.) aufweisen.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Sammelbehälter baulich zwischen Kondensatorabschnitt und Unterkühlabschnitt angeordnet ist. Somit bilden Sammelbehälter, Kondensatorabschnitt und Unterkühlabschnitt eine gemeinsame Baueinheit aus.
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Die hier aufgezeigten Ausführungsformen beziehen sich im Schwerpunkt auf einen Stapelscheibenapparat bzw. einen Plattenapparat. Jedoch sind auch hier andere Bauformen denkbar, welche den erfindungsgemäßen Grundgedanken umsetzen.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Sammelbehälter im Kältemittelstrom zwischen Kondensatorabschnitt und Unterkühlabschnitt angeordnet ist. Der Sammelbehälter dient zur Bevorratung von Kältemittel im Betrieb und wird in der Regel zwischen Kondensatorabschnitt und Unterkühlabschnitt angeordnet, wodurch sich systemische Vorteile im AC-Betrieb bieten.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass im Unterkühlabschnitt das Kältemittel und das Kühlmittel zumindest bereichsweise im Gegenstrom bzw. in entgegengesetzten Durchflussrichtungen durch den Unterkühlabschnitt geführt werden kann.
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Die hier aufgezeigte Lösung ist vorteilhafterweise kostengünstig herstellbar und weist eine kompakte Ausgestaltung auf.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
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1 ein schematisch dargestellter erster erfindungsgemäßer Kondensator in Seitenansicht;
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2 die schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Kondensators in Seitenansicht.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Kondensator 1 bestehend u. a. aus einem Kondensatorabschnitt 2 und einem Unterkühlabschnitt 3. Sowohl der Kondensatorabschnitt 2 als auch der Unterkühlabschnitt 3 bestehen aus einer Mehrzahl von Stapelscheiben-Matrizen 4 (zur besseren Erkennbarkeit ist lediglich das Wellenprofil 5 der einzelnen Matrizen 4 dargestellt).
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Der Kondensatorabschnitt 2 und der Unterkühlabschnitt 3 sind als separate jedoch wirkverbundene Bauteile ausgebildet d. h. über nicht dargestellte Leitungsabschnitte usw. miteinander verbunden.
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Die Matrizen 4 bzw. das Wellenprofil 5 des Kondensatorabschnitts 2 definiert einen hydraulischen Durchmesser (DhKon). Die Matrizen 4 bzw. das Wellenprofil 5 des Unterkühlabschnitts 3 definiert einen hydraulischen Durchmesser (DhUnt). Deutlich zu erkennen ist, dass der hydraulische Durchmesser (DhUnt) des Unterkühlabschnitts 3 größer ist als der hydraulische Durchmesser (DhKon) des Kondensatorabschnitts 2 (u. a. höhere Amplitude 6 und größere Wellenlänge 7).
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Würde man gleiche Teile (Matrizen) für beide Abschnitte 2, 3 verwenden, so müsste der Unterkühlabschnitt 3 erheblich größer ausgelegt werden, als es für die Wärmeübertragung notwendig wäre, um den benötigten Strömungsquerschnitt aufrechterhalten zu können und den Druckabfall nicht zu stark zu erhöhen. Dies würde bei einem Stapelscheibenapparat bedeuten, dass wesentlich mehr Stapelscheiben (Matrizen) benötigt würden. Die hier aufgezeigte Lösung sieht vor, die hydraulische Auslegung zu optimieren, ohne auf die Vorteile eines optimierten Temperaturganges zu verzichten. Dazu wird der Unterkühlabschnitt 3, insbesondere auf der Kühlmittelseite ”luftiger” ausgelegt als der Kondensatorabschnitt 2. Dies geschieht insbesondere durch die hier aufgezeigte Vergrößerung der hydraulischen Durchmesser (DhUnt) auf der Kühlmittelseite im Unterkühlabschnitt im Vergleich zum hydraulischen Durchmesser (DhKon) im Kondensatorabschnitt 2.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines schematisch dargestellten Kondensators 1', bestehend u. a. aus einem Kondensatorabschnitt 2' und einem Unterkühlabschnitt 3'.
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Bei dem hier aufgezeigten Betriebskonzept, wird ein Teil des Kühlmittels erst durch den Unterkühlabschnitt 3' geleitet. Der Fluidstrom wird hierbei jedoch nicht nur am Unterkühlabschnitt 3' vorbeigeleitet, sondern für die Abkühlung in einem letzten Strömungsweg 7 im Kondensatorabschnitt 2' genutzt danach beispielsweise mit dem Fluidstrom aus dem Unterkühlabschnitt 3' vereint und anschließend durch weitere Strömungspfade innerhalb des Kondensatorabschnitts 2' geleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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