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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinrichtung für eine Kälteanlage, insbesondere für eine Kälteanlage, die mit CO2 arbeitet, mit einem Hochdruckkanal und einem Niederdruckkanal, die wärmegekoppelt und mediengetrennt sind und mit einem Kältemittelsammelbehälter, in welchem Kältemittel gespeichert werden kann, insbesondere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kälteanlage mit einer solchen Wärmetauschereinrichtung.
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Solche Wärmetauschereinrichtungen werden bspw. bei Kälteanlagen, die mit CO2 arbeiten eingesetzt. Diese Wärmetauschereinrichtungen werden dabei als innerer Wärmetauscher eingesetzt und beinhalten einen Kältemittelsammelbehälter, um eine Reserve an Kältemittel bereitzustellen. Die Menge an Kältemittel, die in dem Kältemittelsammelbehälter aufgenommen werden muss, richtet sich nach der zu erwartenden Kältemittelleckage und der gewünschten Dauer der Wartungsfreiheit.
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Aus der
DE 10 2008 028 853 A1 ist bspw. eine solche Wärmetauschereinrichtung mit integriertem Kältemittelsammelbehälter bekannt. Auch aus der
DE 10 2006 017 432 A1 ist ein innerer Wärmeübertrager mit integriertem Kältemittelsammelbehälter bekannt. Schließlich ist auch aus der
EP 1 640 676 A1 ein Wärmeübertrager mit integriertem Kältemittelsammelbehälter bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte oder zumindest andere Wärmetauschereinrichtung bereitzustellen, die sich insbesondere durch eine bessere Ausnutzung des gegebenen Bauraums, insbesondere durch ein größeres Rückhaltevolumen im Kältemittelsammelbehälter auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Grundidee, das Rückhaltevolumen des Kältemittelsammelbehälters dadurch zu optimieren, dass in einem Bereich zwischen den Deckeln der Wärmetauschereinrichtung der Umfang maximiert wird. Dies erfordert allerdings, dass das Wärmetauscherrohr in axialen Enden radial nach innen geführt ist, da sonst aufgrund des Platzbedarfs für die Hochdruckanschlüsse der Durchmesser des Deckels vergrößert werden müsste. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der schraubenförmige Abschnitt des Wärmetauscherrohrs einen ersten radialen Abstand zu einer Mittelachse der Wärmetauschereinrichtung aufweist und dass mindestens ein Ende des Wärmetauscherohrs einen zweiten radialen Abstand zu der Mittelachse der Wärmetauschereinrichtung aufweist, der kleiner ist als der erste radiale Abstand. Der erste radiale Abstand zur Mittelachse bestimmt den maximalen Durchmesser des Kältemittelsammelbehälters und damit maßgeblich das Rückhaltevolumen des Kältemittelsammelbehälters. Dadurch, dass das Wärmetauscherrohr an zumindest einem Ende radial nach innen geführt ist, kann die radiale Ausdehnung des Deckels, in welchem die Hochdruckanschlüsse angeordnet sind verringert werden. Somit kann der zur Verfügung stehende Bauraum, der in der Regel durch einen maximalen Durchmesser definiert ist, optimal ausgenutzt werden.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das andere Ende des Wärmetauscherrohrs einen dritten radialen Abstand zu der Mittelachse der Wärmetauschereinrichtung aufweist, der kleiner ist als der erste radiale Abstand.
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Dadurch sind beide Enden des Wärmetauscherrohrs radial nach innen geführt, so dass beide Deckel entsprechend in ihren radialen Ausmaßen verringert bzw. verkleinert werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der zweite Abstand um mindestens 3%, vorzugsweise um mindestens 5% kleiner ist als der erste Abstand. Eine weitere besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der dritte Abstand um mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 5% kleiner ist als der erste Abstand. Durch die Verringerung des zweiten Abstands bzw. dritten Abstands gegenüber dem ersten Abstand kann der radiale Platzbedarf der Hochdruckanschlüsse gewonnen werden, so dass das Rückhaltevolumen des Kältemittelsammelbehälters vergrößert werden kann.
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Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass der Kältemittelsammelbehälter zwei axiale Endabschnitte und einen zwischen den Endabschnitten liegenden Mittelabschnitt aufweist und dass der Kältemittelsammelbehälter in mindestens einem der axialen Endabschnitte eine radiale Ausdehnung aufweist, die kleiner ist als eine radiale Ausdehnung des Mittelabschnitts des Kältemittelsammelbehälters. Dadurch, dass der Kältemittelsammelbehälter an mindestens einem der axialen Endabschnitte in radialer Richtung verkleinert ist, kann in diesem Bereich das Wärmetauscherrohr radial nach innen geführt werden. Insbesondere kann auf diese Weise erreicht werden, dass das Wärmetauscherrohr radial nach innen geführt werden kann, ohne dabei die für den Kältemittelsammelbehälter nutzbare axiale Länge zu verringern. Zwar bewirkt diese radiale Einschnürung an den axialen Enden zunächst eine Verringerung des Volumens des Kältemittelsammelbehälters, allerdings kann dadurch die axiale Erstreckung des Kältemittelsammelbehälters erhalten bleiben, so dass letztendlich ein größeres Rückhaltevolumen im Kältemittelsammelbehälter erzielt werden kann.
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Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, dass der Unterschied zwischen den radialen Ausdehnungen der Endabschnitte und des Mittelabschnitts im Wesentlichen gleich zu dem Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten radialen Abstand bzw. dem dritten radialen Abstand des Wärmetauscherrohrs ist. Das heißt die radiale Ausdehnung des Kältemittelsammelbehälters wird in den Endabschnitten gerade soweit reduziert, dass das Wärmetauscherrohr ausreichend weit radial nach innen geführt werden kann. Somit kann der Volumenverlust des Kältemittelsammelbehälters durch die Reduzierung der radialen Ausdehnung in den Endabschnitten minimiert werden.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen heißt „im Wesentlichen gleich“, dass der Unterschied kleiner als 1%, vorzugsweise kleiner als 0,5% ist.
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Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass mindestens einer der Endabschnitte des Kältemittelsammelbehälters rotationssymmetrisch ist. Dadurch kann die Orientierung der Deckel und damit die Orientierung der Niederdruckanschlüsse und der Hochdruckanschlüsse beliebig gewählt werden. Es muss lediglich der Verlauf des Wärmetauscherrohrs angepasst werden, was allerdings problemlos möglich ist, da in den axialen Endbereichen ausreichend Spielraum zur Verfügung steht. Dies ermöglicht eine Anpassung an die Kundenvorgaben ohne großen Aufwand.
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Eine weitere zweckmäßige Variante sieht vor, dass die Niederdruckanschlüsse und die Hochdruckanschlüsse in den Deckeln angeordnet sind. Die Niederdruckanschlüsse und die Hochdruckanschlüssen lassen sich besonders einfach in einem Deckel integrieren. Wenn diese im Mantel angeordnet werden sollten, müsste die Wandstärke des Mantels vergrößert werden, wodurch wiederum die Platzeffizienz verringert würde.
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Eine zweckmäßige Möglichkeit sieht vor, dass die beiden Deckel und der Mantel im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Bauraum effizient ausgenutzt.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen heißt „im Wesentlichen gleicher Außendurchmesser“, dass sich die Außendurchmesser der verglichenen Elemente weniger als 1%, vorzugsweise weniger als 0,5%, unterscheiden.
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Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit sieht vor, dass in dem Kältemittelsammelbehälter ein flächig ausgebildeter Ölfilter angeordnet ist, der quer zur axialen Richtung verläuft und einen unten angeordneten Ölsammelbereich von dem restlichen Innenraum abtrennt. Flächig ausgebildete Ölfilter ermöglichen die Filterung des Kältemittels und des in dem Kältemittel befindlichen Öls, bei geringem Platzbedarf. Dadurch kann die notwendige Filterung erzielt werden, ohne unnötig Platz und somit Rückhaltevolumen im Kältemittelsammelbehälter zu verringern.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass an einer Außenfläche des Kältemittelsammelbehälters eine Führungsstruktur für das Wärmetauscherrohr angeordnet ist. Vorzugsweise schmiegt sich die Führungsstruktur an das Wärmetauscherrohr an. Dadurch kann an den Stellen, an denen das Wärmetauscherrohr an dem Kältemittelsammelbehälter anliegt, die Wandstärke des Kältemittelsammelbehälters verringert werden. In den Bereichen dazwischen kann die Wand des Kältemittelsammelbehälters hineinragen und dadurch die Wandstärke und damit die Stabilität des Kältemittelsammelbehälters erhöhen, ohne ein Reduktion des Rückhaltevolumens innerhalb des Kältemittelsammelbehälters zu bewirken. Dadurch kann also mit Hilfe der Führungsstruktur zum einen die Lage des Wärmetauscherrohrs stabilisiert werden, so dass schädliche Vibrationen verringert werden. Zum anderen kann dadurch die Stabilität des Kältemittelsammelbehälters erhöht werden, wodurch wiederum die Wandstärke insgesamt des Kältemittelsammelbehälters reduziert werden kann. Somit ergibt sich insgesamt ein größeres Rückhaltevolumen des Kältemittelsammelbehälters.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Wärmetauschereinrichtung mindestens zwei Dichtringe aufweist, mit welchen jeweils eine Verbindung der Enden des Wärmetauscherrohrs mit den Hochdruckanschlüssen abgedichtet sind. Dies ist eine besonders einfache Montagemöglichkeit, welche eine besonders einfache Montage der Deckel an der Wärmetauschereinrichtung ermöglicht.
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Eine zweckmäßige Variante sieht vor, dass der Kältemittelsammelbehälter einen Sammelraum umschließt und einen Einlass in den Sammelraum und einen Auslass aus dem Sammelraum aufweist, das ein Saugrohr in dem Sammelraum angeordnet ist, dass sich von dem Innenraum des Gehäuses ausgehend bis zu dem Auslass des Gehäuses erstreckt, das ein Einlassende und einen sich an das Einlassende anschließende Einlassabschnitt aufweist und dass ein Auslassende und einen sich an das Auslassende anschließenden Auslassabschnitt aufweist, dass der Kältemittelsammelbehälter einen Gasfilter aufweist, der das Einlassende des Saugrohrs umschließt und dass der Gasfilter koaxial in dem Kältemittelsammelbehälter angeordnet ist. Üblicherweise werden die Gasfilter koaxial zu dem Einlassende des Saugrohrs angeordnet. Durch die zentrale Anordnung in dem Kältemittelsammelbehälter kann die Umfangsfläche des Gasfilters erhöht werden. Dadurch kann bei gleicher Filterleistung die axiale Ausdehnung des Gasfilters reduziert werden, wodurch die für das Kältemittel zur Verfügung stehende axiale Länge vergrößert wird, wodurch das Rückhaltevolumen innerhalb des Kältemittelsammelbehälters erhöht wird.
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Ferner basiert die Erfindung auf der Grundidee eine Kälteanlage mit einer Wärmetauschereinrichtung gemäß der vorstehenden Beschreibung auszustatten. Dadurch übertragen sich die Vorteile der Wärmetauschereinrichtung auf die Kälteanlage, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt schematisch eine Längsschnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung.
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Eine in 1 dargestellte Wärmetauschereinrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem ersten Deckel 14, einem zweiten Deckel 16, die in einer axialen Richtung 18 voneinander beabstandet sind und einen Mantel 20 auf. Der erste Deckel 14, der zweite Deckel 16 und der Mantel 20 umschließen einen Innenraum 22 des Gehäuses 12. Die Wärmetauschereinrichtung 10 weist einen Hochdruckkanal 24 und einen Niederdruckkanal 26 für Kältemittel auf, die wärmegekoppelt und mediengetrennt ausgebildet und angeordnet sind.
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Desweiteren weist das Gehäuse 12 mehrere, beispielsweise zwei, Hochdruckanschlüsse 28 und mehrere, beispielsweise zwei, Niederdruckanschlüsse 30 auf, wobei jeweils ein Hochdruckanschluss 28 und ein Niederdruckanschluss 30 im ersten Deckel 14 und im zweiten Deckel 16 angeordnet sind. Beispielsweise sind ein Hochdruckauslassanschluss 32 und ein Niederdruckeinlassanschluss 34 im ersten Deckel 14 angeordnet. Entsprechend sind beispielsweise ein Hochdruckeinlassanschluss 36 und ein Niederdruckauslassanschluss 38 im zweiten Deckel 16 angeordnet.
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Die Hochdruckanschlüsse 28 sind fluidisch mit dem Hochdruckkanal 24 verbunden. Die Niederdruckanschlüsse 30 sind fluidisch mit dem Niederdruckkanal 26 verbunden. Dadurch kann über die Hochdruckanschlüsse 28 Kältemittel durch den Hochdruckkanal 24 geleitet werden. Entsprechend können durch die Niederdruckanschlüsse 30 Kältemittel durch den Niederdruckkanal 26 geleitet werden.
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Der Hochdruckkanal 24 ist zumindest teilweise durch ein Wärmetauscherrohr 40 gebildet. Das Wärmetauscherrohr 40 weist einen schraubenförmigen Abschnitt 42 auf, welcher außen an einem Kühlmittelsammelbehälter 44 anliegt. Desweiteren weist das Wärmetauscherrohr 40 zwei Enden 46 auf, die jeweils in einem der Deckel 14, 16 mit jeweils einem der Hochdruckanschlüsse 28 verbunden sind. Zur Abdichtung der Enden 46 mit den Hochdruckanschlüssen 28 kann ein Dichtring 48 vorgesehen sein.
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Der Niederdruckkanal 26 ist zumindest teilweise durch den Kühlmittelsammelbehälter 44 gebildet. Desweiteren ist der Niederdruckkanal 26 zumindest teilweise durch Zwischenräume zwischen einzelnen Windungen des Wärmetauscherrohrs 40 in dem schraubenförmigen Abschnitt 42 gebildet, welche zwischen dem Kühlmittelsammelbehälter 44 und dem Mantel 20 angeordnet sind.
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Im Bereich des schraubenförmigen Abschnitts 42 verläuft das Wärmetauscherrohr 40 in einem ersten radialen Abstand um den Kühlmittelsammelbehälter 44 um. Die beiden Enden 46 des Wärmetauscherrohrs 40 weisen jeweils einen radialen Abstand auf, der kleiner ist als der erste radiale Abstand des Wärmetauscherrohrs 40 im schraubenförmigen Abschnitt 42. Dadurch können die Hochdruckanschlüsse 28 in den beiden Deckeln 14, 16 ebenfalls radial nach innen verlagert werden. Dadurch kann die radiale Ausdehnung der beiden Deckel 14, 16 reduziert werden. Oder alternativ bei gleichbleibenden Abmessungen des ersten Deckels 14 und des zweiten Deckels 16 kann die radiale Ausdehnung des Mantels 20 und damit auch des Kältemittelsammelbehälters 44 vergrößert werden, so dass ein Rückhaltevolumen im Kältemittelsammelbehälter 44 vergrößert werden kann.
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Der zweite radiale Abstand und der dritte radiale Abstand der beiden Enden des Wärmetauscherrohrs 40 sind vorzugsweise um mindestens 5% kleiner als der erste radiale Abstand des Wärmetauscherrohrs 40 im schraubenförmigen Abschnitt 42.
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Der Kältemittelsammelbehälter 44 weist eine Außenfläche 45 auf, an welcher eine Führungsstruktur 47 für das Wärmetauscherrohr 40 ausgebildet ist. Die Führungsstruktur 47 läuft schraubenförmig um den Kältemittelsammelbehälter 44 um. Das Wärmetauscherrohr 40 verläuft vorzugsweise in der Führungsstruktur 47, so dass die Lage des Wärmetauscherrohrs 40 an dem Kältemittelsammelbehälter 44 stabilisiert ist.
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Die Führungsstruktur 47 kann beispielsweise durch eine nutähnliche Vertiefung an der Außenfläche 45 gebildet sein. Alternativ kann die Führungsstruktur 47 auch durch die Führungsstruktur 47 begrenzende, schraubenförmig umlaufende Stege gebildet sein. Des Weiteren kann die Führungsstruktur 47 durch eine schraubenförmig umlaufende Sicke gebildet sein.
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Der Kältemittelsammelbehälter 44 weist einen ersten axialen Endabschnitt 50 und einen zweiten axialen Endabschnitt 52 und einen zwischen den Endabschnitten 50 und 52 angeordneten Mittelabschnitt 54 auf. Die jeweilige axiale Ausdehnung der beiden Endabschnitte 50 und 52 beträgt etwa 10% der axialen Länge des Kältemittelsammelbehälters 44.
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In zumindest einem der, vorzugsweise in beiden, Endabschnitten 50, 52 ist die radiale Ausdehnung reduziert. Die Reduktion der radialen Ausdehnung kann beispielsweise durch eine konische Form, oder durch eine Stufe oder Ähnliches erzielt werden. Durch die Reduktion der radialen Ausdehnung in den Endabschnitten 50, 52 wird Platz geschaffen für das radiale nach innen versetzen der Enden 46 des Wärmetauscherrohrs 40. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass der Kältemittelsammelbehälter 44 in axialer Richtung nicht verkleinert werden muss, um das radial nach innen Versetzen der beiden Enden 46 des Wärmetauscherrohrs 40 zu ermöglichen. Dadurch kann die Reduzierung des Rückhaltevolumens innerhalb des Kältemittelsammelbehälters 44 durch die Reduzierung der radialen Ausdehnung durch die Vergrößerung in der axialen Länge kompensiert werden. Insgesamt ist das Rückhaltevolumen innerhalb des Kältemittelsammelbehälters 44 größer.
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Vorzugsweise ist die Reduktion der radialen Ausdehnung in den Endabschnitten 50, 52 des Kältemittelsammelbehälters 44 im Wesentlichen gleich zu der Reduzierung des radialen Abstandes der Enden 46 des Wärmetauscherrohrs 40.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die beiden Deckel 14 und 16 und der Mantel 20 einen im Wesentlichen gleichen Außendurchmesser aufweisen. Eine derart ausgestaltete Wärmetauschereinrichtung 10 vermeidet dadurch Extremitäten, die radial nach außen stehen und somit den benötigten Bauraum unnötig vergrößern. Die konstante maximale radiale Ausdehnung über einen Großteil der axialen Länge der Wärmetauschereinrichtung 10 bewirkt also eine besonders effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums.
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Der Kältemittelsammelbehälter 44 umschließt einen Sammelraum 56, in welchen Kältemittel gesammelt und gespeichert werden kann, so dass Verluste des Kältemittels, die während dem Betrieb auftreten, kompensiert werden können. Der Sammelraum 56 bestimmt das Rückhaltevolumen.
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In dem Sammelraum 56 sind ein Flüssigkeitsabscheider 58 und ein Saugrohr 60 angeordnet. Das Saugrohr 60 weist ein Einlassende 62 und ein sich daran anschließenden Einlassabschnitt 64 und ein Auslassende 66 und ein daran sich anschließender Auslassabschnitt 68 auf. Kühlmittel, das aus dem Sammelraum 56 austritt, tritt zunächst an dem Einlassende 62 des Saugrohrs 60 in das Saugrohr 60 ein und verlässt das Saugrohr 60 und damit den Kühlmittelsammelbehälter 44 an dem Auslassende 66. Zwischen dem Einlassende 62 und dem Auslassende 66 des Saugrohrs 60 ist ein Saugabschnitt des Saugrohrs 60 ausgebildet, der in Schwerkraftrichtung unten in der Nähe eines Bodens des Kältemittelsammelbehälters 44 erstreckt und vorzugsweise am tiefsten Punkt eine Saugöffnung 70 aufweist.
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Durch die Saugöffnung 70 kann Öl, das sich in einem im unteren Bereich des Kältemittelsammelbehälters 44 angeordneten Ölsammelbereich 72 angesammelt hat, abgesaugt werden. In dem Ölsammelbereich 72 sammelt sich sowohl Öl als auch Kältemittel an, welches zusammen durch die Saugöffnung 70 abgesaugt werden kann.
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Der Ölsammelbereich 72 ist vorzugsweise durch einen flächigen Ölfilter 74 vom restlichen Sammelraum 56 des Kältemittelsammelbehälters 44 abgetrennt. Dadurch wird das Öl, dass durch das Saugrohr 60 aus dem Kältemittelsammelbehälter 44 abgeführt wird, von Schmutzpartikeln befreit.
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Des Weiteren ist ein Gasfilter 76 in dem Kältemittelsammelbehälter 44 angeordnet, welcher in radialer Richtung möglichst groß ausgebildet ist, damit die axiale Ausdehnung klein gehalten werden kann. Durch die Reduktion der axialen Ausdehnung steht mehr axiale Füllhöhe für Kältemittel in dem Sammelraum 56 zur Verfügung, so dass das Rückhaltevolumen des Kältemittelsammelbehälters 44 erhöht werden kann.
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Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Gasfilter 76 koaxial ausgebildet ist und beispielsweise sowohl das Einlassende 62 als auch den Auslassabschnitt 68 des Saugrohrs 60 umschließt.
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Die Wärmetauschereinrichtung 10 wird vorzugsweise in Kälteanlagen verwendet, bei welchen mittels eines Kompressors das Kältemittel komprimiert und in komprimiertem Zustand gekühlt wird und nach einem Expansionsventil oder einer Drossel sich ausdehnen kann und dabei stark abkühlt. Bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel hat sich die Verwendung von inneren Wärmetauschern bewährt, bei welchen das Kältemittel in einem Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs vor dem Expansionsventil mit dem Kältemittel in einem Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs nach dem Expansionsventil wärmegekoppelt wird. Die Wärmetauschereinrichtung 10 wird entsprechend als innerer Wärmetauscher für die Kälteanlage verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008028853 A1 [0003]
- DE 102006017432 A1 [0003]
- EP 1640676 A1 [0003]
