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Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einen Verdampfer, der einen Kondensatbehälter für ein Kondensat und einen entlang einer Hauptachse langestreckten Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher in Richtung der Hauptachse von einem Medium durchströmbar ist. Die Erfindung betrifft desweiteren einen Verdampfer für einen solchen Kältemittelkreislauf sowie ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Kältemittelkreislauf.
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Kältemittel- oder Zweiphasenkreisläufe sind stets nach einem an sich bekannten Prinzip aufgebaut und umfassen typischerweise eine Verdampfereinheit, auch kurz Verdampfer genannt, eine Entspannungseinheit sowie eine Pumpe. Bezüglich der Details der Umsetzung unterscheiden sich die Kältemittelkreisläufe jedoch mitunter sehr deutlich, was den unterschiedlichen Anforderungsbedingungen und unterschiedlichen Anwendungszwecken geschuldet ist. So ist zum Beispiel in vielen Fällen unter anderem ein möglichst kompakter Aufbau und/oder ein möglichst geringes Gesamtgewicht gefordert oder gewünscht, insbesondere dann, wenn ein entsprechender Kältemittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen soll.
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Häufig werden dabei entsprechende Anforderungen nicht nur an das Gesamtsystem, also den gesamten Kältemittelkreislauf, gestellt, vielmehr müssen auch die einzelnen Komponenten eines entsprechenden Kältemittelkreislaufs in der Regel bestimmte Anforderungen erfüllen. So muss zum Beispiel ein Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug unter anderem auch unempfindlich gegen Vibrationen, Erschütterungen und wechselnde Beschleunigungen sein, die typischerweise im Betrieb eines entsprechenden Kraftfahrzeuges auftreten.
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Derartige Eigenschaften weist beispielsweise ein Verdampfer auf, bei dem ein Kältemittel (R134a, 1234yf, R744) in flüssigem Zustand in einen röhrenförmigen Wärmetauscher eingeleitet wird und nachfolgend auf dem Weg durch den entsprechenden Wärmetauscher durch Wärmeaufnahme aus der den Wärmetauscher umströmenden Luft verdampft.
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Nachteilig bei derartigen Verdampfern ist dabei, dass diese vor allem für die Anwendung in einem Luftstrom als Wärmeträgermedium ausgelegt sind und daher tendenziell keine leistungssteigernden Kapillarbeschichtungen oder Ähnliches aufweisen, wie dies bei anderen Verdampfertypen üblicherweise der Fall ist.
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Da zudem für den Verdampfer in einem Kraftfahrzeug typischerweise nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, lassen sich mit einem solchen Verdampfer in einem Kraftfahrzeug nur begrenzte spezifische Verdampferleistungen realisieren.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaft gestalteten Verdampfer, einen vorteilhaft gestalteten Kältemittelkreislauf mit einem solchen Verdampfer sowie ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Kältemittelkreislauf anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Verdampfer mit den Merkmalen des Anspruchs 19 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf den Verdampfer angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Kältemittelkreislauf und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt. Als Kältemittelkreislauf werden dabei auch Zwei-Phasen-Kreislaufsysteme angesehen.
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Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, zunächst einmal den bisher üblicherweise im Kraftfahrzeug eingesetzten Verdampfertyp durch einen geeigneteren zu ersetzen. Als Basis oder Ausgangspunkt dient hierbei ein Verdampfertyp, bei dem der Wärmetauscher in einem Bad aus flüssigem Kältemittel oder Kältemittelkondensat einliegt, da sich mit einem solchen Verdampfertyp prinzipiell höhere spezifische Verdampferleistungen erreichen lassen.
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Allerdings besteht hier das Problem, dass die Verdampferleistung empfindlich vom Grad der partiellen Überspülung oder der Umspülung des Wärmetauschers abhängt, weswegen der Wärmetauscher eigentlich mit großer Genauigkeit waagerecht ausgerichtet und gleichmäßig im Kältemittelkondensat eingetaucht sein muss. Gerade diese Bedingung lässt sich jedoch in einem Kraftfahrzeug nicht permanent aufrechterhalten, da das Kältemittelkondensat im Verdampfer durch Vibrationen, Erschütterungen und wechselnde Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges in Bewegung versetzt wird. Dieses Schwappen des Kältemittelkondensats wirkt sich negativ auf die Verdampferleistung aus, weswegen ein derartiger Verdampfertyp eigentlich für eine automotive Anmeldung als ungeeignet angesehen wird.
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Zudem ließe sich aufgrund des im Verdampfers vorrätig gehaltenen Kältemittelkondensats, in dem der Wärmetauscher einliegt, der Verdampfervorgang nicht ohne Weiteres spontan oder abrupt unterbrechen, da die Verdampfung auch nach einer Unterbrechung der Wärmezufuhr und der weiteren Kältemittelkondensatzufuhr noch eine gewisse Zeit lang fortschreiten würde. Aus diesem Grund müsste für eine spontane Unterbrechung der Dampferzeugung ein hermetisch dichtendes Gasventil im Bereich des Verdampferausgangs für den Kältemitteldampf vorgesehen werden. Ein entsprechendes Ventil wäre jedoch verhältnismäßig teuer und zudem relativ voluminös, so dass hierfür zusätzlicher Bauraum vorzusehen wäre.
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Um nun dennoch die Vorteile dieses Verdampfertyps nutzen und einen entsprechenden Verdampfer in einem Kraftfahrzeug verwenden zu können, wird der entsprechende Verdampfertyp modifiziert, indem der Wärmetauscher gegen die Horizontale verkippt wird und/oder indem im Verdampfer ein Hilfselement realisiert wird, welches als Bewegungsdämpfer für ein Kondensat und/oder als Dosiereinrichtung für ein Kondensat wirkt.
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Ein entsprechender Verdampfer ist dabei Teil eines Kältemittelkreislaufs oder eines Zweiphasenkreislaufs und wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Somit ist der Kältemittelkreislauf insbesondere für ein Kraftfahrzeug ausgelegt, wobei unter dem Begriff Kraftfahrzeug in dieser Anmeldung nicht nur Personenkraftwagen und Lastkraftwagen zusammengefasst sind, sondern auch Arbeitsfahrmaschinen, wie beispielsweise Bagger, Wasserfahrzeuge und auch Luftfahrzeuge. Weiter ist der Kältemittelkreislauf nicht nur als konventioneller Mehrphasen-Kreislaufsystem ausgebildet, sondern je nach Anwendungszweck oder Anforderungsprofil auch als Adsorptions- oder Absorptionskreislauf.
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In jedem Fall ist ein Verdampfer Teil des Kältemittelkreislaufs, wobei der entsprechende Verdampfer einen Kondensatbehälter für ein Kältemittelkondensat, nachfolgend auch kurz Kondensat genannt, und einen entlang einer Hauptachse langgestreckten Wärmetauscher aufweist.
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Die Hauptachse ist hierbei eine die Geometrie des Wärmetauschers kennzeichnende Achse, die typischerweise einer Symmetrieachse des Wärmetauschers entspricht. In der Regel weist der Wärmetauscher dabei in Richtung der Hauptachse seine größte Ausdehnung auf und außerdem ist der Wärmetauscher in Richtung der Hauptachse von einem Medium durchströmbar, bei dem es sich entweder um ein Kältemittel, also auch ein Kältemittel im eigentlichen Sinn mit einer Beimengung, wie zum Beispiel einem Frostschutzmittel, oder um ein Wärmeträgermedium handelt. Hierbei ist das entsprechende Medium im Wärmetauscher nicht zwingend exakt entlang der Hauptachse geführt, sondern bewegt sich vielmehr im statistischen Mittel entlang der Hauptachse, also beispielsweise entlang einer Art Schlangenlinie um die Hauptachse.
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Zur Verbesserung der Verdampfereffektivität ist die entsprechende Hauptachse des Wärmetauschers im verbauten Zustand des Kältemittelkreislaufs und somit auch im verbauten Zustand des Verdampfers gegen die Horizontale verkippt, verläuft also geneigt zur Horizontalen. Alternativ oder ergänzend hierzu weist der Verdampfer ein Hilfselement auf, welches einen Bewegungsdämpfer für das Kondensat ausbildet und/oder eine Dosiereinrichtung für das Kondensat.
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Der Bewegungsdämpfer dient dabei als Schwallschutz oder Schwappschutz und dämpft oder unterbindet Bewegungen des Kondensats, die beispielsweise durch Vibrationen, Erschütterungen oder wechselnde Beschleunigungen hervorgerufen werden können, wie sie typischerweise im Betrieb eines Kraftfahrzeuges auftreten
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Die Dosiereinrichtung hingegen dient vor allem dazu, stets wenigstens gerade so viel Kondensat dem Verdampfer zuzuführen oder zur Verfügung zu stellen, wie im aktuellen Betriebszustand benötigt wird, und auf diese Weise eine ausreichende oder gewünschte Benetzung des Wärmetauschers sicherzustellen.
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Weiter ist die wesentliche Idee bei der Abkehr von einer waagerechten Positionierung des Wärmetauschers darin zu sehen, dass sich auf diese Weise eine Separatorwirkung erzielen lässt, die sich günstig auf den Verdampfungsprozess auswirkt. Das heißt, dass bei einem entsprechenden Verdampfer der Wärmetauscher als Separator für das Kondensat dient, so dass sich eine Beimischung oder Beimengung, wie beispielsweise ein Frostschutzmittel, die nicht oder ganz überwiegend nicht am Verdampfungsprozess teilnimmt, also nicht mitverdampft, durch die wirkende Gravitation zügig am Boden des Kondensatbehälters ansammelt. Eine entsprechende Beimischung, wie zum Beispiel Glykol, benetzt somit nicht unnötig lange die Wärmetauscheroberflächen. Dies ist durchaus von Relevanz, da eine entsprechende Benetzung mit einer solchen Beimischung typischerweise die Verdampferleistung einschränkt und dementsprechend prinzipiell unerwünscht ist. Zudem erleichtert eine solche Anordnung des Wärmetauschers prinzipiell die Vermeidung von unerwünschten Kondensatansammlungen am Boden des Kondensatbehälters.
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Günstig ist hierbei insbesondere eine Ausrichtung des Wärmetauscher relativ zum Erdgravitationsfeld, bei der die Hauptachse des Wärmetauschers im verbauten Zustand des Kältemittelkreislaufs und somit im verbauten Zustand des Verdampfers nicht nur geneigt zur sogenannten Horizontalen verläuft, sondern im Wesentlichen parallel zur sogenannte Vertikalen.
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Auch im Folgenden wird in der Regel die vorgesehene Einbausituation des Kältemittelkreislaufs und insbesondere des Verdampfers berücksichtigt, also die Ausrichtung des Kältemittelkreislaufs sowie der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs bezogen auf das Erdgravitationsfeld, wobei unter anderem die allgemein üblichen Begriffe Horziontale und Vertikale genutzt werden. Zudem ist insbesondere für den Verdampfer typischerweise eine Einbauorientierung vorgegeben, aufgrund derer sich zum Beispiel für den Kondensatbehälter ein Behälterboden, Seitenwände und ein Behälterdach definieren lassen und für diese Anmeldung vorgegeben werden.
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Im Falle der nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarianten des Verdampfers ist dabei eine waagerechte Ausrichtung des Wärmetauschers im verbauten Zustand bevorzugt. Alternativ sind jedoch auch Ausführungen vorgesehen, bei denen die Hauptachse des Wärmetauschers geneigt zur Horizontalen verläuft.
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Dabei weist der Verdampfer gemäß einer Ausführung als Hilfselement einen Schwammkörper auf, der bevorzugt auf dem Behälterboden des Kondensatbehälters aufliegend angeordnet ist und diesen insbesondere vollständig abdeckt. Je nach Ausführungsvariante dient der Schwammkörper dabei als Bewegungsdämpfer für das Kondensat und/oder als Dosiereinrichtung, über die das Kondensat dem Wärmetauscher zugeführt wird. Soll der Schwammkörper auch als Dosiereinrichtung fungieren, so steht dieser typischerweise in direktem Kontakt mit dem Wärmetauscher, so dass das Kondensat über den Schwammkörper dem Wärmetauscher zugeführt und stets in ausreichendem Maße zur Verfügung gestellt wird. Dabei ist der Wärmetauscher je nach Ausführungsvariante zumindest teilweise vom Schwammkörper eingefasst oder umschlossen, so dass nicht nur ein punktueller Kontakt besteht, sondern ein flächiger Kontakt ausgebildet ist.
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Der Schwammkörper ist hierbei zum Beispiel durch ein poröses Material ausgebildet und/oder durch einen Körper, der ähnliche Eigenschaften aufweist, also beispielsweise durch einen Körper aus einem Metallschaum, insbesondere einem Aluminiumschaum, einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff. Alternativ hierzu ist der Schwammkörper durch einen Faserverbund ausgebildet, der eine stoffartige oder geflechtartige Ordnung aufweist oder aber als ungeordneter Faserverbund, beispielsweise als Faserbündel, ausgebildet ist. Die einzelnen Fasern sind je nach Ausführungsvariante und Anwendungszweck aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt, also beispielsweise aus Aluminium oder Baumwolle. In jedem Fall aber ist eine Ausführung des Schwammkorpers bevorzugt, bei der dieser eine Dochtwirkung zeigt oder als Kapillare wirkt, so dass unterhalb des Wärmetauschers zugeführtes Kondensat im Schwerefeld nach oben hin zum Wärmetauscher geführt wird.
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Ist eine entsprechende Zuführung von Kondensat unterhalb des Wärmetauschers im Bereich des Behälterbodens vorgesehen, so ist weiter bevorzugt am Behälterboden eine Art Verteilerstruktur realisiert, die sehr einfach gehalten ist und eine schnelle Verteilung des Kondensats unterhalb des Schwammkorpers bewirkt. Die Struktur weist dabei eine Höhe oder Tiefe von etwa 0,5 mm bis 1,0 mm auf und wird zum Beispiel durch eine einzige in Richtung der Hauptachse, also parallel zur Hauptachse, verlaufende Rille ausgebildet. Alternativ lässt sich eine entsprechende Verteilerstruktur mit Hilfe mehrerer Rillen, also mehrerer Längsrillen und/oder Querrillen, und/oder mit Hilfe von Stegen, auf denen der Schwammkörper aufliegt, realisieren. Im jedem Fall aber ist eine entsprechende Verteilerstruktur insbesondere im Vergleich zu den Abmessungen des Schwammkörpers kleingehalten oder filigran ausgebildet, so dass die Verteilerstruktur selbst nicht als relevanter Speicher für Kondensat dient, also insbesondere deutlich weniger Kondensat aufnehmen kann, als der Schwammkörper. Das heißt, dass das Kondensat im Kondensatbehälter im Wesentlichen im Schwammkörper zwischengepeichert ist bis hin zur Aufnahmegrenze, also bis dieser quasi tropfnass ist, dass aber darüber hinaus kein weiterer Vorrat an Kondensat im Kondensatbehälter vorgehalten wird. Auf diese Weise lässt sich ein laufender Verdampfungsprozess leichter und schneller abbrechen oder unterbrechen.
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Wie bereits zuvor erwähnt, dient ein entsprechender Schwammkörper, der auch durch den Kondensatbehälter und insbesondere dessen Behälterboden selbst ausgebildet sein kann, in erster Linie dazu, Kondensat für den Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen und zwar räumlich möglichst gleichmäßig verteilt. Die eigentliche Benetzung des Wärmetauschers hingegen wird bevorzugt durch eine Kapillarwirkung erreicht, die durch eine geeignete Gestaltung der Oberfläche des Wärmetauschers erzielt wird. Der Wärmetauscher weist dazu beispielsweise eine feine Laminierung auf, zum Beispiel mit einer Lamellendicke und/oder einem Lamellenabstand zwischen 0,1 mm und etwa 2 mm, oder aber eine Außenhaut, die zum Beispiel durch eine hochporöse Beschichtung, insbesondere eine Pulverbeschichtung, oder durch eine Art Materialschaum ausgebildet ist. In einigen Ausführungsvarianten bildet der Wärmetauscher dabei selbst einen Schwammkörper aus oder aber einen Körper, dessen Außenhaut nach Art eines Schwammkörpers ausgestaltet ist. Alternativ oder ergänzend hierzu weist der Wärmetauscher eine Beschichtung, beispielsweise aus einem Metalloxid, auf, durch welche eine Art Lotuseffekt erzielt wird oder einfach eine Oberfläche mit Lotuseffekt. Auf diese Weise wird die Benetzung oder Benetzbarkeit des Wärmetauschers manipuliert und es wird eine vorteilehafte Oberflächenspannung vorgegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind im Verdampfer mehrere Schwammkörper angeordnet und/oder es ist bei dem Schwammkörper eine räumlich gezielt variierende Porösität realisiert. Die entsprechende Variation wird dabei bei der Herstellung/beim Herstellungsprozess des Schwammkörpers vorgegeben und geht über prozessbedingte, quasi unvermeidbare Schwankungen hinaus. Die Porösität im Schwammkörper ändert sich somit zum Beispiel sprunghaft.
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Einer weiteren Ausführungsvariante des Verdampfers entsprechend weist dieser als Hilfselement ein oder mehrere Hindernisse auf, welches bzw. welche Flüssigkeitsbewegungen behindern und somit als Bewegungsdämpfer für das Kondensat dient bzw. dienen. Im einfachsten Fall wird dabei ein entsprechendes Hindernis durch einen Stift, Steg oder durch eine Wandung ausgebildet, wobei die Dämpferwirkung mit der Größe, mit der Anzahl und/oder mit der Dichte der Hindernisse ansteigt. Ein entsprechendes Hindernis ist dabei insbesondere am Behälterboden angeordnet oder wird vom Behälterboden ausgebildet. Bei einer größeren Anzahl von Hindernissen sind diese nicht zwingend regelmäßig angeordnet und weisen auch nicht zwingend eine regelmäßige Ausrichtung auf.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist der Verdampfer und insbesondere der Kondensatbehälter als Mehrkammerbehälter ausgebildet und weist als Hilfselement eine Art Raumteiler auf, mit dem ein Raumbereich im Verdampfer in zwei Kammern unterteilt ist. Dabei sind die entsprechenden zwei Kammern typischerweise durch den Raumteiler nicht flüssigkeitsdicht voneinander getrennt, jedoch ist der Flüssigkeitsaustausch zwischen den zwei Kammern deutlich behindert und dementsprechend bildet der Raumteiler einen Bewegungsdämpfer für das Kondensat aus. In vorteilhafter Weiterbildung weist der Verdampfer gemäß diesem Prinzip mehrere Raumteiler auf und ist dementsprechend in eine größere Anzahl Kammern unterteilt. Hierbei weisen die einzelnen Kammern je nach Ausführungsvariante auch unterschiedliche Größen auf, auch wenn typischerweise gleich große Kammern bevorzugt sind.
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Die Aufteilung in verschiedene Kammern ist hierbei weiter nicht zwingend dergestalt, dass die benachbarten Kammern nebeneinander angeordnet sind. Stattdessen sind auch Ausführungsvarianten vorgesehen, bei der zumindest zwei Kammern quasi übereinanderliegen. Hierzu ist gemäß einer Ausführungsvariante ein Trennblech oder eine Trennplatte im Kondensatbehälter etwa auf der Höhe des Wärmetauschers angeordnet, welches den Kondensatbehälter in eine untere Kammer und in eine obere Kammer unterteilt. Der Wärmetauscher ist dabei bevorzugt nicht innerhalb einer dieser beiden Kammern angeordnet, sondern ragt in beide Kammern zumindest teilweise hinein. In einem solchen Fall weist das Trennblech zumindest einen Durchbruch oder eine Aufnahme für den Wärmetauscher auf, in der der Wärmetauscher im verbauten Zustand positioniert ist, so dass sich der Wärmetauscher in beide durch den Raumteiler, also durch das Trennblech, voneinander getrennte Kammern erstreckt. Dabei verbleibt bevorzugt zwischen dem Trennblech, welches nicht zwingend aus Metall gefertigt ist, und dem Wärmetauscher im Bereich der Aufnahme ein Spalt, durch welchen ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern ermöglich ist. Ein solcher Spalt ist dabei bevorzugt etwa 0,2 mm bis 2,0 mm breit und ist weiter bevorzugt als eine Art umlaufender Spalt um den Wärmetauscher herum ausgebildet.
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Für einige Anwendungszwecke ist nicht nur eine zweidimensionale sondern eine dreidimensionale Raumaufteilung vorgesehen, so dass mehrere Kammern nebeneinander und übereinander angeordnet sind. Dabei ist unabhängig davon, ob nun eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Raumaufteilung umgesetzt werden soll, eine regelmäßige Raumaufteilung bevorzugt, bei der mit Hilfe der Raumteiler eine Art Wabenstruktur ausgebildet wird, also eine zweidimensionale Wabenstruktur oder eine dreidimensionale Wabenstruktur.
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Zudem sind gemäß einer Ausführungsvariante in den Kammern, oder zumindest in einer Kammer, Schwammkörper angeordnet oder es sind in anderer Weise zumindest ein Schwammkörper und zumindest ein Hindernis in einem Verdampfer realisiert.
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Bevorzugt ist weiter ein Verdampfer mit einer Dosiereinrichtung gemäß einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei diese entweder als alternative Lösung zur Verbesserung der Verdampfereffektivität im Verdampfer realisiert ist oder als zusätzliches Hilfselement in einer der zuvor beschriebenen Verdampferausführungen ausgebildet ist.
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Einer Ausführungsvariante entsprechend weist der Verdampfer zur Ausbildung einer entsprechenden Dosiereinrichtung als Hilfselement ein innerhalb des Kondensatbehälters angeordnetes Zuführelement auf, das derart ausgebildet ist, dass das Kondensat im Betrieb über das Zuführelement zum Wärmetauscher geführt und auf die Oberfläche des Wärmetauschers aufgetragen wird. Hierbei wird typischerweise die Schwerkraft ausgenutzt, das heißt, dass das Kondensat bevorzugt zu einer Position oberhalb des Wärmetauschers geführt wird und nach dem Austreten aus dem Zuführelement auf den Wärmetauscher tropft, fließt oder auf den Wärmetauscher aufgespritzt wird. Alternativ oder ergänzend hierzu erfolgt eine Zuführung unterhalb oder seitlich des Wärmetauschers, so dass entsprechendes Kondensat im Betrieb auf die Unterseite bzw. auf zumindest eine Seite des Wärmetauschers aufgetragen wird. Bei einer entsprechenden Auftragung auf die Unterseite muss dann gegen die Schwerkraft gearbeitet werden. Für eine günstige Verteilung des Kondensats auf den Wärmetauscher, also auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite und/oder auf zumindest einer Seite, ist es dabei weiter zweckdienlich, wenn das Zuführelement eine Düse aufweist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist ein Zuführelement realisiert, bei dem mehrere räumlich verteilt angeordnete, insbesondere entlang der Hauptachse oder quer dazu verteilt angeordnete, Austrittsöffnungen oder Dosieröffnungen umgesetzt sind, aus denen im Betrieb Kondensat austritt und nachfolgend auf dem Wärmetauscher auftrifft. Hierzu weist ein entsprechendes Zuführelement beispielsweise mehrere Zuführröhrchen, zum Beispiel mit einem Durchmesser zwischen 0,25 mm und 1,6 mm, auf, die räumlich, beispielsweise mit einem Abstand zwischen 4 mm und 15 mm, verteilt angeordnet und in einigen Fällen mit einer endseitigen Düse ausgebildet sind.
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Alternativ ist das Zuführelement durch zumindest ein sich insbesondere entlang der Hauptachse erstreckendes Zuführrohr ausgebildet, welches entlang der Hauptachse verteilt angeordnete Öffnungen oder Bohrungen aufweist, beispielsweise mit einem Durchmesser zwischen 0,25 mm und 1,6 mm und mit einem Abstand zwischen 4 mm und 15 mm, aus denen im Betrieb Kondensat austritt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante weist das Zuführelement einen Schwammkörper auf, der insbesondere oberhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und insbesondere auf dem Wärmetauscher aufliegt oder aufliegend positioniert ist. Einem entsprechenden Schwammkörper wird dabei beispielsweise Kondensat über ein Zuführrohr zugeführt, in welches der Schwammkörper gemäß einer Ausführungsvariante zumindest teilweise hineinragt. Es ist also beispielsweise ein Zuführelement vorgesehen, mit einem sich entlang der Hauptachse erstreckenden Zuführrohr und einem leistenförmigen Schwammkörper, wobei das Zuführrohr eine als Schlitz ausgebildete Aufnahme aufweist, in der der Schwammkörper positioniert ist. Der Schwammkörper ist dabei in der Aufnahme gehalten und ragt zumindest teilweise in das Zuführrohr hinein, wo dieser Teil des Schwammkörpers im Betrieb von Kondensat umspült wird. Alternativ wird Kondensat mittels der zuvor beschriebenen Zuführröhrchen oder mittels des zuvor beschriebenen Zuführrohrs mit mehreren Öffnungen dem Schwammkörper zugeführt.
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Einer weiteren Ausführungsvariante entsprechend weist das Zuführelement eine Verteilerplatte, eine Tropfplatte oder ein Rieselblech mit einer Anzahl von Durchbrüchen auf, die regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sind, im statistischen Mittel jedoch gleichmäßig verteilt angeordnet sind, so dass die Verteilerplatte in der Regel eine entlang der Hauptachse einheitliche Dichte an Durchbrüchen aufweist. Alternativ oder ergänzend hierzu ist eine gezielt variierende Dichte und/oder eine gezielt variierende Größe für die Durchbrüche vorgesehen und vorgegeben, wobei die Dichte und/oder die Größe der Durchbrüche in diesem Fall insbesondere in Zuführrichtung des Kondensats ansteigt oder abnimmt. Eine solche Uneinheitlichkeit lässt sich auch auf die Ausführungen des Zuführelements mit den Zuführröhrchen und mit dem Zuführrohr mit mehreren Öffnungen übertragen und wird in einigen Ausführungsvarianten auch umgesetzt.
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Weiter ist eine Ausführung des Zuführelements vorgesehen, bei der dieses einen Drielsteg aufweist, also beispielsweise eine sich entlang der Hauptachse erstreckende Wandung oberhalb des Wärmetauschers, an der das Kondensat entlang fließt, bis es auf den Wärmetauscher auftrifft.
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Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungsvarianten des Zuführelements beschrieben, die genau wie die zuvor beschriebenen je nach Anwendungszweck mit einem waagerecht positionierten Wärmetauscher oder mit einem Wärmetauscher, dessen Hauptachse geneigt zur Horizontalen verläuft, kombiniert werden. Im Falle der nachfolgenden Ausführungsvarianten ist jedoch eine geneigte Ausrichtung der Hauptachse und insbesondere eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der Hauptachse bevorzugt.
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Bei einem solchen aufgerichteten oder quasi stehend positionierten Wärmetauscher ist das Zuführelement bevorzugt am oberen Ende des Wärmetauschers angeordnet und insbesondere nach Art eines um das obere Ende des Wärmetauschers umlaufenden Zuführelements ausgebildet. Das heißt also, dass im Falle eines zylindrischen Wärmetauschers das Zuführelement bevorzugt ringförmig ausgestaltet ist oder zumindest eine quasi ringförmige Zuführung von Kondensat ermöglicht.
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Hierbei ist das Zuführelement gemäß einer Ausführungsvariante derart ausgestaltet, dass zwischen dem Wärmetauscher und dem Zuführelement ein Spalt, und insbesondere ein umlaufender Spalt, vorgegeben ist, über den das Kondensat im Betrieb auf die Oberfläche des Wärmetauschers gelangt. Dieser Spalt ist im Falle eines zylindrischen Wärmetauschers ringförmig oder weist zumindest die Form eines Bogensegments auf, wenn mehrere Spalte realisiert sind.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist am oberen Ende des Wärmetauschers ein insbesondere umlaufender Schwammkörper positioniert, über den das Kondensat im Betrieb auf den Wärmetauscher gelangt. Gemäß einer weiteren Ausführung ist am oberen Ende des Wärmetauschers ein insbesondere umlaufender Drielsteg oder ein umlaufendes Drielelement positioniert, an dem das Kondensat entlang zum Wärmetauscher geführt wird.
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Insbesondere wenn die Hauptachse des Wärmetauschers geneigt zur Horizontalen verläuft oder im Wesentlichen parallel zur Vertikalen, sind auch Ausführungen vorgesehen, bei denen das Kondensat im Betrieb auf der Innenseite auf den Wärmetauscher aufgetragen wird und das Wärmeträgermedium außenseitig am Wärmetauscher vorbeigeführt wird. Dementsprechend ist dann bei den zuvor beschriebenen Zuführelementen am oberen Ende des Wärmetauschers ein entsprechender Spalt und/oder ein entsprechender Schwammkörper und/oder ein entsprechendes Drielelement auf der Innenseite des Wärmetauschers positioniert und dabei wiederum bevorzugt umlaufend ausgebildet.
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Unabhängig davon, ob eine innenseitige oder außenseitige Führung des Wärmeträgermediums und dementsprechend eine außenseitige bzw. eine innenseitige Auftragung des Kondensats vorgesehen ist, lassen sich unterschiedlich gestaltete Wärmetauscher im Verdampfer einsetzen und dementsprechend ist der Wärmetauscher wahlweise ausgebildet als Einzelrohr mit rundem, ovalem, rechteckigem oder vieleckigem Querschnitt, als Rohrbündel aus entsprechenden Einzelrohren, als Flachhohlkörper oder als Flachkörper mit Innenstruktur zur Führung eines Mediums ausgebildet. Dabei ist der Wärmetauscher und/oder einzelne Elemente des Wärmetauschers insbesondere als 2D-Stranggussbauteil oder als 3D-Druck-Bauteil ausgebildet.
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Ist ein entsprechender Wärmetauscher aus mehreren Elementen oder Teilkörpern aufgebaut, also zum Beispiel aus mehreren Einzelrohren, so wird je nach Anwendungszweck entweder einem oder mehreren Teilkörpern des Wärmetauschers jeweils ein Zuführelement einer der zuvor beschriebenen Ausführungen zugeordnet oder es wird dem Wärmetauscher als Ganzes ein entsprechendes Zuführelement zur Seite gestellt.
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Des Weiteren weist die für die Auftragung von Kondensat vorgesehene Oberfläche des Wärmetauscher bevorzugt eine Struktur auf, wird also insbesondere durch eine strukturierte Außenhaut ausgebildet, die beispielsweise durch eine poröse Beschichtung, ein schaumartiges Element oder Lamellen realisiert ist. Dabei ist in einigen Fällen die Strukturierung derart ausgestaltet, dass diese räumlich gezielt variiert, also beispielsweise derart, dass die Porösität der Außenhaut, zum Beispiel die Porösität einer Beschichtung, in Richtung einer Oberflächennormalen größer wird.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungen der Dosiereinrichtung dienen weiter bevorzugt nicht nur zur gezielten Aufbringung von Kondensat auf den Wärmetauscher, sondern auch zur Regulierung der Menge an Kondensat im Verdampfer oder im Kondensatbehälter. Ergänzend oder alternativ hierzu erfolgt diese Regulierung mit Hilfe eines Ablaufes für Kondensat und dementsprechend weist die Dosiereinrichtung je nach Ausführungsvariante einen entsprechenden Ablauf auf. Über diesen Ablauf wird im Betrieb Kondensat aktiv oder passiv aus dem Kondensatbehälter geführt, und zwar insbesondere Kondensat, welches sich am Behälterboden des Kondensatbehälters sammelt und nicht in einem Schwammkörper gespeichert ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu wird über einen entsprechenden Ablauf eine Beimischung im Kältemittel, beispielsweise ein Frostschutzmittel, gezielt aus dem Kondensatbehälter entfernt und/oder es werden Ablagerungen oder Verunreinigungen abgeführt.
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Bevorzugt dient jedoch der Ablauf in erster Linie zur Regulierung der Menge des Kondensat im Kondensatbehälter, wobei die Menge an Kondensat im Kondensatbehälter bevorzugt mittels eines Sensors ermittelt oder erfasst wird. Da in erster Linie Kondensat abgeführt werden soll, das sich am Behälterboden des Kondensatbehälters sammelt, lässt sich die Abführung von Kondensat hierbei auch passiv regeln, beispielsweise mit Hilfe eines Schwimmerventils im Ablauf.
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Ist hingegen eine aktive Regelung vorgesehen, so weist der Kältemittelkreislauf zweckdienlicherweise eine Steuereinheit auf, die zur Regelung der Menge an Kondensat im Verdampfer ausgebildet ist und insbesondere auf der Basis von Sensordaten eines Sensors im Verdampfer die Regelung vornimmt. Ein entsprechender Sensor ist dabei beispielsweise nach Art eines Füllstandsaufnehmers oder als Druckaufnehmer, beispielsweise als Piezodrucksensor, ausgebildet und signaltechnisch mit der Steuereinheit verbunden. Auf der Basis der entsprechenden Sensordaten steuert die Steuereinheit dann zweckdienlicherweise ein ansteuerbares Element des Ablaufs an, der daraufhin aktiviert oder deaktiviert wird. Der Ablauf weist dabei zum Beispiel als ansteuerbares Element ein Ventil auf und/oder eine steuerbare Pumpe, die ein aktives Abpumpen des Kondensats erlaubt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist die Steuereinheit des Weiteren ausgebildet für eine Regelung der Zuführung von Kondensat zum Verdampfer und/oder in den Kondensatbehälter. Hierzu ist beispielsweise in die Zuführung ein steuerbares Ventil integriert, über das dann bevorzugt stets wenigsten gerade so viel Kondensat zugeführt wird, wie gerade benötigt wird. Ziel ist es dabei stets, möglichst wenig Kondensat im Verdampfer bzw. Verdampferbehälter zu bevorraten, insbesondere um einen laufenden Verdampfungsvorgang möglichst abrupt oder innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums unterbrechen oder abbrechen zu können, ohne den Verdampfer oder den Kondensatbehälter gasdicht, beispielsweise mittels eines gasdichten Ventils, abschließen zu müssen. Außerdem reduziert sich durch die Vermeidung von Kondensatansammlungen die thermisch dämpfende Masse und somit die bei dynamischen Betriebszustandsänderungen parasitär wirksame thermische Sensitivität. Hierdurch wird der Verdampferbetrieb deutlich dynamischer.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer Blockschaltbilddarstellung einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer in einer ersten Ausführung,
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2 in einer Seitenansicht den Verdampfer in einer zweiten Ausführung,
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3 in einer Schnittdarstellung den Verdampfer in der zweiten Ausführung,
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4 in einer Schnittdarstellung den Verdampfer in der dritten Ausführung,
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5 in einer Seitenansicht den Verdampfer in einer vierten Ausführung,
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6 in einer vergrößerten Schnittdarstellung den Verdampfer in der vierten Ausführung,
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7 in einer Seitenansicht den Verdampfer in einer fünften Ausführung,
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8 in einer Schnittdarstellung den Verdampfer in der fünften Ausführung,
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9 in einer Draufsicht den Verdampfer in der fünften Ausführung,
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10 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer sechsten Ausführung,
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11 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer siebten Ausführung,
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12 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer achten Ausführung,
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13 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer neunten Ausführung,
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14 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer zehnten Ausführung,
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15 in einer Schnittdarstellung die Teile des Verdampfers der zehnten Ausführung,
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16 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer elften Ausführung,
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17 in einer Schnittdarstellung die Teile des Verdampfers der elften Ausführung,
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18 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer zwölften Ausführung,
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19 in einer Schnittdarstellung die Teile des Verdampfers der zwölften Ausführung,
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20 in einer Schnittdarstellung Teile des Verdampfers der dreizehnten Ausführung,
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21 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer vierzehnten Ausführung sowie
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22 in einer Seitenansicht Teile des Verdampfers einer fünfzehnten Ausführung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebener und in 1 teilweise dargestellter Kältemittelkreislauf 2 ist für den Einsatz in einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug ausgebildet und weist einen Verdampfer 4 mit einem Kondensatbehälter 6 und mit einem Wärmetauscher 8 auf.
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Der Verdampfer 4 ist hierbei für eine vorgegebene Einbauorientierung ausgebildet, so dass für den Kondensatbehälter 6 ein Behälterboden 10, Seitenwände sowie ein Behälterdach definierbar und für den Kondensatbehälter 6 vorgegeben sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Behälterboden 10 dabei unabhängig von der vorgesehenen Einbauorientierung vom Behälterdach unterscheidbar, da dieser im Gegensatz zum Behälterdach nicht eben gestaltet ist, sondern eine Art Trichterform ausweist.
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In Folge der vorgesehenen und vorgegebenen Einbauorientierung für den Verdampfer 4 ist der Wärmetauscher 8, der eine entlang einer Hauptachse 12 langgestreckte Form aufweist, im verbauten Zustand stehend angeordnet, wodurch die Hauptachse 12 des Wärmetauschers 8 im Wesentlichen parallel zur Vertikalen ausgerichtet ist und somit im Wesentlichen parallel zur Wirkungsrichtung der Erdbeschleunigung, die in der Darstellung 1 sowie in den nachfolgenden Darstellungen 2 bis 22 von oben nach unten wirkt.
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Durch diesen Wärmetauscher 8 wird im Betrieb ein Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Gasgemisch oder ein Fluid, geführt, welches über einen Eingang 14 in den Wärmetauscher 8 eingeleitet und über einen Ausgang 16 schließlich wieder aus dem Wärmetauscher 8 herausgeführt wird. Innerhalb des Wärmetauschers 8 ist das Wärmeträgermedium zumindest im Mittel entlang der Hauptachse 12, und hier entgegen der Erdbeschleunigung, geführt und somit vom Eingang 14 zum Ausgang 16. Allerdings erfolgt die Führung nicht in jedem Fall auf direktem Weg entlang einer Geraden, sondern je nach Ausführung des Wärmetauschers 8 beispielsweise entlang einer Schlangenlinie, die sich vom Eingang 14 zum Ausgang 16 erstreckt.
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Weiter wird dem Verdampfer 4 im Betrieb ein Kältemittel zugeführt, welches in flüssiger Form in den Verdampfer 4 gelangt und dementsprechend nachfolgend als Kältemittelkondensat oder kurz Kondensat bezeichnet wird. Dabei wird das entsprechende Kältemittelkondensat mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Pumpe über eine Zuleitung 18 zum Verdampfer befördert und im Bedarfsfall über eine weitere ebenfalls nicht mit abgebildete Pumpe über eine Ableitung 20 aus dem Kondensatbehälter 6 abgepumpt, also insbesondere sofern sich am Behälterboden 10 Kondensat absetzt oder sammelt. Die Ableitung 20 ist dabei am geodätisch tiefsten Punkt des Behälterbodens 10 und somit des Kondensatbehälters 6 an den Kondensatbehälter 6 angebunden oder angeschlossen, so dass die Ableitung 20 als Ablauf für Kondensat, für sich ansammelnde Beimischungen im Kältemittel oder sich absetzende Verunreinigungen dient und genutzt wird.
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Die Zuführung an Kondensat über die Zuleitung 18 wird weiter im Betrieb mittels einer Steuereinheit 22 und einem an die Steuereinheit 22 angebundenen Ventil 24 in der Zuleitung 18 geregelt, so dass im Verdampfer 4 stets genau so viel Kondensat enthalten ist, wie benötigt wird, und sich keine größeren Mengen an Kondensat im Kondensatbehälter 6 und am Behälterboden 10 ansammeln können. Die Ansteuerung des Ventils 24 durch die Steuereinheit 22 erfolgt hierbei auf der Basis von Sensordaten, die die Steuereinheit 22 an einem Temperatursensor 26, einem Drucksensor 28 und einen Füllstandssensor 30 abgreift.
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Dabei erfolgt die Regelung derart, dass die Zuführung von Kondensat in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur, des ermittelten Drucks und mit Hilfe einer in der Steuereinheit 22 hinterlegten Wertetabelle vorgenommen wird, so dass in Abhängigkeit der Temperatur und des vorherrschenden Drucks eine vorgegebene Menge an Kondensat pro Zeit zugeführt wird. Diese Menge an Kondensat, die über ein Zuführelement 32 auf die Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers 8 aufgetragen wird, reicht dann aus, um die entsprechende Oberfläche ausreichend zu benetzen, ohne dass sich größere Mengen an Kondensat am Behälterboden 10 absetzen.
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Der Verdampfer 4 oder vielmehr der Wärmetauscher 8 wirkt insbesondere auch infolge der Ausrichtung oder orientierten Anordnung des Wärmetauschers 8 zudem als Separator, bei dem ein dem Kältemittel beigemischtes Frostschutzmittel zügig nach unten abfließt und dementsprechend die Oberfläche des Wärmetauschers 8 nicht unnötig lange benetzt und dabei die Verdampferleistung reduziert. Damit sich die entsprechende Beimischung ebenfalls nicht in größeren Mengen am Behälterboden 10 ansammelt, wird mittels des Füllstandssensors 30 eine zusätzliche Überwachung realisiert und bei einer Ermittelung eines vorgegebenen Füllstandes wird die an die Ableitung 20 angeschlossene Pumpe derart angesteuert, dass die Pumpleistung zeitweise erhöht wird.
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Eine alternative Ausgestaltung des Verdampfers 4 ist in 2 und 3 skizziert, wobei hier eine horizontale Ausrichtung des Wärmetauschers 8 vorgesehen ist, so dass die Hauptachse 12 im verbauten Zustand des Verdampfers 4 parallel zur Horizontalen ausgerichtet ist. Der Wärmetauscher 8 ist hier im Wesentlichen durch vier parallel genutzte Wärmetauscher-Röhren 34 ausgebildet, in die über einen nicht näher dargestellten Verteiler am Eingang 14 im Betrieb parallel das Wärmeträgermedium eingeleitet wird. Die Wärmetauscher-Röhren 34 liegen dabei auf einem Schwammkörper 36 auf, der auf dem in diesem Fall eben ausgestalteten Behälterboden 10 des Kondensatbehälters 6 aufliegt und diesen vollständig abdeckt.
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Bei diesem Verdampfer 4 wird das Kondensat unterhalb des Wärmetauschers 8 im Bereich des Behälterbodens 10 in den Kondensatbehälter 6 eingeleitet. Dieses wird dann vom Schwammkörper 36 aufgenommen, innerhalb des Schwammkörpers 36 räumlich verteilt und dem Wärmetauscher 8 zugeführt. Die Benetzung des Wärmetauschers 8 erfolgt schließlich mittels Kapillarwirkung einer nicht näher dargestellten porösen Oberflächenbeschichtung der Wärmetauscher-Röhren 34, die dadurch unterstützt wird, dass jede einzelne Wärmetauscher-Röhre 34 in einer Art Mulde im Schwammkörper 36 einliegt, wodurch der Schwammkörper 36 die Wärmetauscher-Röhren 34 über einen Teilumfang hinweg umgreift und somit großflächig mit diesen in Berührung steht.
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Eine Variation dieses Verdampfers 4 ist in 4 abgebildet. Hier sind die Wärmetauscher-Röhren 34 nicht mit einer porösen Beschichtung versehen, stattdessen bildet der Wärmetauscher 8 selbst einen schwammartigen Körper aus, der aus einem Aluminiumschaum gebildet ist. Dieser liegt wiederum auf dem Schwammkörper 36 auf, mit dessen Hilfe dem Wärmetauscher 8 Kondensat zugeführt wird. Zudem ist unterhalb des Schwammkörpers 36 eine Verteilerstruktur 38 durch eine sich parallel zur Hauptachse 12 erstreckende Nut im Behälterboden 10 realisiert, über die sich eingeleitetes Kondensat bereits unterhalb des Schwammkörpers 36 räumlich verteilen lässt.
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Eine weitere Ausführungsvariante des Verdampfers 4 ist in 5 und 6 wiedergegeben. Bei dieser ist ein vorgegebener Füllstand, also ein Reservoir an Kondensat am Behälterboden 10, vorgesehen, der im Betrieb möglichst konstant gehalten wird. Um Flüssigkeitsbewegungen, also Bewegungen des Kondensats, hervorgerufen durch Vibrationen, Erschütterungen oder wechselnde Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges, zu unterbinden oder zumindest zu dämpfen und somit eine möglichst gleichmäßige Benetzung des Wärmetauschers 8 sicherzustellen, ist im Kondensatbehälter 6 ein Trennblech 40 angeordnet und fest mit dem Kondensatbehälter 6 verbunden.
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Dieses Trennblech 40 unterteilt den Kondensatbehälter 6 in eine obere Kammer 42 und in eine untere Kammer 44. Dabei sind die beiden Kammern 42, 44 zwar nicht flüssigkeitsdicht gegeneinander abgetrennt, jedoch ist er Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern 42, 44 durch das Trennblech 40 behindert. Wie insbesondere aus 6 zu entnehmen ist, weist das Trennblech 40 Aufnahmen 46 oder Durchbrüche auf, in denen die Wärmetauscher-Röhren 34 einliegen oder angeordnet sind, wodurch die Wärmetauscher-Röhren 34 zumindest ein stückweit, also beispielsweise zu einem Drittel oder zu einem Viertel, in die untere Kammer 44 hineinreichen. Dabei verbleiben zwischen dem Trennblech 40 und den Wärmetauscher-Röhren 34 jeweils Spalte 48, über die ein Flüssigkeitsaustausch erfolgen kann. Damit eine ausreichende Dämpfung gewährleistet ist, sind die Spalte 48, die sich über die gesamte Ausdehnung der Wärmetauscher-Röhren 34 entlang der Hauptachse 12 erstrecken, relativ schmal gehalten, weisen also zum Beispiel eine Breite von 0,2 mm bis 2,0 mm auf bei einem Außendurchmesser der Wärmetauscher-Röhren 34 von etwa 6,0 mm bis 16,0 mm.
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Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 7 bis 8 wird nach einem ähnlichen Prinzip eine Dämpfung dadurch erreicht, dass das für eine Befüllung mit Kondensat vorgesehene Volumen im Kondensatbehälter 6 in mehrere Kammern 50 unterteilt wird, so dass der Flüssigkeitsaustausch zwischen diesen behindert ist. Allerdings sind hier die einzelnen Kammern 50 nicht übereinander sondern nebeneinander angeordnet. Als Raumteiler zwischen den Kammern 50 dienen dabei an den Behälterboden 10 angeformte Stege 52, die gemeinsam eine Art Gitterrost ausbilden. Dieser Gitterrost weist ähnlich dem Schwammkörper 36 gemäß 3 Vertiefungen auf für die Wärmetauscher-Röhren 34, wobei diese Vertiefungen an den Stegen 52 ausgebildet sind, die quer zur Hauptachse 12 eine langgestreckte Form aufweisen. Die parallel zur Hauptachse 12 ausgerichteten Stege 52 hingegen weisen keine entsprechenden Vertiefungen auf und ragen daher, wie in 8 zu sehen, in die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscher-Röhren 34 hinein.
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In den zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten des Verdampfers, mit Ausnahme der Ausführung gemäß 1, erfolgt die Zuführung oder Heranführung des Kondensats an den Wärmetauscher 8 von unten. Alternativ oder ergänzend hierzu erfolgt die Zuführung von oben und dementsprechend weist dann der Verdampfer 4 ein Zuführelement 32 auf, mit dem Kondensat auf die Oberseite des Wärmetauschers 8 aufgetragen werden kann. So zeigt 10 ein Zuführelement 32, das mehrere Zuführröhrchen 54 umfasst. Dabei sind oberhalb einer jeden Wärmetauscher-Röhre 34 mehrere dieser Zuführröhrchen 54 in einer Reihe angeordnet und somit entlang der Hauptachse 12 verteilt angeordnet.
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Ein ähnliches Ausführungsbeispiel ist in 11 dargestellt, wobei hier Zuführröhrchen oberhalb und unterhalb einer jeden Wärmetauscher-Röhre 34 angeordnet sind. Auf diese Weise wird dann im Betrieb Kondensat sowohl auf die Oberseite als auch auf die Unterseite der Wärmetauscher-Röhren 34 aufgetragen. Zudem weisen die Zuführröhrchen 54 bei dieser Ausführung endseitig Düsen 56 auf.
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Eine weitere Möglichkeit der Zuführung ist in 12 angedeutet. Hier wird das Kondensat im Betrieb in nicht näher dargestellter Weise auf ein Verteilerblech 58 oder Rieselblech aufgebracht und gelangt dann durch Öffnungen 60 oder Durchbrüche im Verteilerblech 58 auf den Wärmetauscher 8.
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Bei der Ausführung gemäß 13 erfolgt die Zuführung des Kondensats über ein oberhalb des Wärmetauschers 8 angeordnetes Zuführrohr 62, welches mehrere entlang der Hauptachse 12 verteilte Bohrungen 64 aufweist, durch die das Kondensat austreten und auf dem Wärmetauscher 8 auftropfen kann. Dabei ist für jede Wärmetauscher-Röhre 34 ein eigenes Zuführrohr 62 vorgesehen und parallel über diesem angeordnet.
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Aus 14 wiederum ist ein Drielsteg 66 zu entnehmen, an dem das Kondensat entlanglaufen kann, mit dessen Hilfe also das Kondensat bis zur Oberfläche des Wärmetauschers 8 geführt ist. Bei dieser Ausführungsvariante gibt es somit keine vom Kondensat zu überwindende Luftstrecke, auf der das Kondensat oder einzelne Kondensattröpfchen durch auftretende Beschleunigungen quasi vom Weg abgebracht werden kann bzw. können. Die Zuführung hin zum Drielsteg 66 erfolgt dabei je nach Ausführungsvariante mit Hilfe eines der zuvor beschriebenen Zuführungselemente 32.
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Ein weiteres Zuführelement 32 ist in 16 und 17 abgebildet. Dieses weist wiederum ein Zuführrohr 62 auf, genauer ein Zuführrohr 62 für jede Wärmetauscher-Röhre 34, welches oberhalb des Wärmetauschers 8, genauer direkt über der dazugehörigen Wärmetauscher-Röhre 34 angeordnet ist und parallel zur Hauptachse 12 verläuft. Allerdings sind in dieses Zuführrohr 62 keine Bohrungen 64 eingebracht, stattdessen weist das Zuführrohr 62 einen sich in Richtung der Hauptachse 12 erstreckenden Schlitz 68 auf, in dem eine Schwammleiste 70 angeordnet und gehalten ist. Bei dieser Schwammleiste 70 handelt es sich um einen porösen und leistenförmigen Körper, der in den Innenraum des Zuführrohrs 62 hineinragt und sich bis zur dazugehörigen Wärmetauscher-Röhre 34 erstreckt. Die Schwammleiste 70 liegt dabei flächig auf der dazugehörigen Wärmetauscher-Röhre 34 auf und führt das Kondensat über die Kontaktfläche der Wärmetauscher-Röhre 34 zu.
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Die bisher beschriebenen Zuführelemente 32 werden zwar in einigen Ausführungsvarianten zusammen mit einem Wärmetauscher 8 genutzt, dessen Hauptachse 12 im verbauten Zustand geneigt zur Horizontalen verläuft und insbesondere im Wesentlichen parallel zur Vertikalen, sie werden jedoch bevorzugt mit Wärmetauschers 8 kombiniert, deren Hauptachse 12 im Wesentlichen parallel zur Horizontalen verläuft.
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Umgekehrt lassen sich die nachfolgenden Ausführungsvarianten des Zuführungselements 32 auch mit waagerecht ausgerichteten Wärmetauschern 8 kombinieren, sie werden jedoch bevorzugt für Wärmetauscher 8 ausgelegt, die im verbauten Zustand eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung zeigen, deren Hauptachse 12 also im Wesentlichen parallel zur Vertikalen ausgerichtet ist. Dementsprechend werden diese dann auch zusammen mit solchen Wärmetauschers 8 kombiniert und im Kältemittelkreislauf 2 eingesetzt.
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In einem solchen Fall ist das Zuführelement 32 typischerweise am oberen Ende 72 des Wärmetauschers 8 angeordnet und insbesondere als umlaufendes Zuführelement 32 ausgebildet. Je nach Anwendungszweck ist dabei ein nachfolgend beschriebenes Zuführelement 32 für ein einzelnes Element eines Wärmetauschers 8, also beispielsweise eine Wärmetauscher-Röhre 34, oder aber für den Wärmetauscher 8 als Ganzes ausgebildet. Ist das Zuführelement 32 für ein einzelnes Element ausgebildet, so ist bevorzugt für jedes einzelne Element des Wärmetauschers 8 ein eigenes Zuführelement 32 vorgesehen.
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Ein entsprechendes Wärmetauscher-Element 74 ist in 18 dargestellt. Dieses ist als Wärmetauscher-Röhre 34 ausgebildet und weist einen runden Querschnitt auf. Das Zuführelement 32 umringt das obere Ende 72 des Wärmetauscher-Elements 74 und ist dabei als Ringkörper ausgestaltet. Zwischen dem Zuführelement 32 und dem Wärmetauscher-Element 74 ist ein umlaufender Spalt 78 vorgegeben, durch den das Kondensat austritt und auf die Oberfläche des Wärmetauscher-Elements 74 aufgetragen wird.
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Alternativ wird das Kondensat nicht auf der Außenseite sondern auf der Innenseite des Wärmetauscher-Elements 74 aufgetragen. Dementsprechend wird dann im Betrieb das Wärmeträgermedium außenseitig am Wärmetauscher-Element 74 vorbeigeführt. Diese Situation ist in 20 dargestellt. Das Wärmetauscher-Element 74 ist in diesem Ausführungsbeispiel zudem im Querschnitt rechteckförmig.
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Alternativ wird das Kondensat nicht über einen umlaufenden Spalt zur Oberfläche des Wärmeträger-Elements 74 geführt, sondern mit Hilfe eines in 21 angedeuteten Drielelements 80, welches ebenfalls um den Umfang des Wärmetauscher-Elements 74 umlaufend ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante wird zur Auftragung des Kondensats ein in 22 gezeigter umlaufender Schwammkörper 82 genutzt, der zum Beispiel mit dem Zuführelement 32 gemäß 18 oder 20 kombiniert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kältemittelkreislauf
- 4
- Verdampfer
- 6
- Kondensatbehälter
- 8
- Wärmetauscher
- 10
- Behälterboden
- 12
- Hauptachse
- 14
- Eingang
- 16
- Ausgang
- 18
- Zuleitung
- 20
- Ableitung
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Ventil
- 26
- Temperatursensor
- 28
- Drucksensor
- 30
- Füllstandssensor
- 32
- Zuführelement
- 34
- Wärmetauscher-Röhre
- 36
- Schwammkörper
- 38
- Verteilerstruktur
- 40
- Trennblech
- 42
- obere Kammer
- 44
- untere Kammer
- 46
- Aufnahme
- 48
- Spalt
- 50
- Kammer
- 52
- Steg
- 54
- Zufuhrröhrchen
- 56
- Düse
- 58
- Verteilerblech
- 60
- Öffnung
- 62
- Zuführrohr
- 64
- Bohrung
- 66
- Drielsteg
- 68
- Schlitz
- 70
- Schwammleiste
- 72
- oberes Ende
- 74
- Wärmetauscher-Element
- 78
- umlaufender Spalt
- 80
- Drielelement
- 82
- umlaufender Schwammkörper
