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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Auf dem technischen Gebiet der Wärmepumpen im Fahrzeugbereich ist es bekannt, diese zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums zu verwenden. Es ist auch bekannt, dass in derartigen Wärmepumpen vorgesehene Wärmeübertrager bei kalten Außenbedingungen vereisen beziehungsweise bereifen können. Da das Eis beziehungsweise Reif die Effizienz der Wärmepumpe negativ beeinflusst, ist eine Abtauung notwendig. Neben der dadurch verringerten Effizienz der Wärmepumpe stellt die erforderliche Abtauenergie einen Nachteil dar, insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
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Die Vereisung erfolgt bei konventionellen Wärmeübertragern insbesondere in einem Einströmbereich der Luft. Dies führt dazu, dass ein Druckverlust in einer Luftströmung in einem Luftströmungspfad des Wärmeübertragers schnell zunimmt und dass der Luftströmungspfad durch das Eis beziehungsweise Reif sogar verstopft werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Wärmeübertrager und deren Bestandteile bekannt.
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Beispielsweise beschreibt die
US 4 570 700 A1 ein Flachrohr für einen Verdampfer einer Klimaanlage eines Fahrzeugs. Das beschriebene Flachrohr weist, durch Erhöhung der Wandstärke in korrosionsgefährdeten Bereichen, eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf.
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Weiterhin beschreibt die
EP 2 159 514 A2 einen Wärmeübertrager, der an einer Eintrittsseite an der Außenluft einströmt, größere Kanäle zur Leitung eines Kältemittels aufweist, als an einer Austrittsseite an der die aufgenommene Außenluft wieder abströmt. Somit kann die Wärmeübertragung an der Eintrittsseite verbessert werden, da hier die größte Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Außenluft herrscht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine technische Lösung zu schaffen, mit der eine Betriebszeit einer Wärmepumpe, bis eine Enteisung eines zugehörigen Wärmeübertragers erforderlich wird, erhöht werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Fahrzeug, umfassend wenigstens:
- - einen Luftströmungspfad; mit
- - einer Lufteintrittsöffnung, durch die Außenluft in den Luftströmungspfad eintreten kann; und
- - einer Luftaustrittsöffnung, durch die die Außenluft aus dem Luftströmungspfad austreten kann, ferner umfassend
- - einen Leitungsabschnitt, der zumindest abschnittsweise im Luftströmungspfad angeordnet ist; und der
- - Kanäle aufweist, die ausgebildet sind, ein Kältemittel zu leiten.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kanäle derart ausgebildet sind, dass ein Wärmestrom zwischen der Außenluft und dem in den Kanälen leitbaren Kältemittel von der Lufteintrittsöffnung her in Richtung der Luftaustrittsöffnung zumindest abschnittsweise zunimmt.
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Im Gegensatz zu einem konventionellen Wärmeübertrager nimmt der Wärmestrom nach Eintritt in den Wärmeübertrager zunächst in Luftströmungsrichtung zu. Da die Luft Wärme abgibt und sich somit abkühlt kann der Wärmestrom bei weiterem Verlauf in Luftströmungsrichtung auch wieder abnehmen. Treibende Kraft ist dabei eine Temperaturdifferenz zwischen Luft und Kältemittel beziehungsweise an der Innenseite der Kanäle. Diese Temperaturdifferenz kann bei sich abkühlender Luft während der Durchströmung des Wärmeübertragers auch wieder geringer werden.
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Die Zunahme des lokalen Wärmestroms kann dabei in Bezug auf einzelne Kanäle vorgesehen werden oder auch über mehrere Kanäle hinweg, bezogen auf einen definierten Längenabschnitt entlang des Luftströmungspfads.
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Bei einem Wärmeübertrager gemäß dem Stand der Technik ist der lokale Wärmestrom von der Außenluft in das Kältemittel lokal an der Lufteintrittsöffnung am größten, da hier die Differenz in der Temperatur der Außenluft und des Kältemittels am größten ist. Somit gibt die Außenluft konventionell hier auch ihre Feuchtigkeit beziehungsweise Wasserdampf am stärksten ab.
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Der Wärmeübertrager der Erfindung wirkt dem vorteilhaft entgegen, da durch die beschriebene Erhöhung des lokalen Wärmestroms der Ausfall von Feuchtigkeit beziehungsweise Wasserdampf aus der Außenluft entlang des Luftströmungspfads in Richtung der Luftaustrittsöffnung verteilt wird. Besonders vorteilhafterweise können die Kanäle derart ausgebildet werden und der lokale Wärmestrom dadurch derart eingestellt werden, dass die Ablagerung des Eises beziehungsweise Reifs gleichmäßig verteilt ist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt stellt der Leitungsabschnitt, der beispielsweise ein Flachrohr umfassen kann, ein Wärmeübertragungssystem dar, durch das Wärme aus der Außenluft in das Kältemittel übertragen werden kann. Erfindungsgemäß werden die technischen Eigenschaften des Leitungsabschnitts derart eingestellt, dass der lokale Wärmestrom aus der Außenluft durch das Wärmeübertragungssystem in das Kältemittel aus Richtung der Lufteintrittsöffnung und in Richtung der Luftaustrittsöffnung begünstigt wird.
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Der lokale Wärmestrom kann beispielsweise durch eine Auslegung eines Wärmeübergangs an einer Grenzfläche zum Kältemittel beeinflusst werden. Beispielsweis können Turbulenzen im Kältemittel begünstigt werden und so der Wärmeübergang erhöht werden.
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Der lokale Wärmestrom kann beispielsweise auch durch eine Auslegung einer Wärmeleitung durch das Material Leitungsabschnitts beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Wandstärke zwischen dem Luftströmungspfad und einem Kanal reduziert werden, um dadurch den Wärmedurchgang zwischen Außenluft und Kältemittel und den daraus folgenden Wärmestrom zu erhöhen.
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Der lokale Wärmestrom kann beispielsweise auch durch eine Auslegung einer wärmeübertragenden Kontaktfläche eines Kanals mit dem Kältemittel beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Kontaktfläche vergrößert werden, um so mehr Wärme zu übertragen.
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Der lokale Wärmestrom kann beispielsweise auch durch eine Auslegung von Abständen zwischen einzelnen Kanälen beeinflusst werden. Beispielsweis können Kanäle in geringeren Abständen aufeinander folgen, also auf einer kleineren Strecke angeordnet werden, um so über die Strecke insgesamt mehr Wärme zu übertragen.
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Der lokale Wärmestrom kann beispielsweise auch durch eine Auslegung eines durch die Kanäle leitbaren Massenstroms beeinflusst werden. Beispielsweise kann ein Strömungsquerschnitt auf einen höheren Massenstrom ausgelegt werden und so der lokale Wärmestrom in das Kältemittel erhöht werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass der lokale Wärmestrom von der Lufteintrittsöffnung her in Richtung der Luftaustrittsöffnung stetig zunimmt.
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Mit anderen Worten können entlang des Luftströmungspfads auf Höhe jedes Kanals für den lokalen Wärmestrom günstigere Eigenschaften des Wärmeübertragungssystems vorliegen, als auf Höhe des vorhergehenden Kanals.
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Durch den besser werdenden lokalen Wärmestrom in das Kältemittel wird eine geringere Oberflächentemperatur der Wand erzeugt. Dadurch kann hier mehr Wasserdampf aus der Außenluft abschnittsweise austreten.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle derart ausgebildet sind, dass ein Druckverlust des in den Kanälen leitbaren Kältemittels auf den von der Lufteintrittsöffnung her in Richtung der Luftaustrittsöffnung zunehmenden lokalen Wärmestrom abgestimmt ist.
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Durch den Druckverlust sinkt die Temperatur des Kältemittels. Dadurch kann lokal mehr Wasserdampf beziehungsweise Feuchtigkeit aus der Außenluft ausfallen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms unter Veränderung einer Oberflächengeometrie und/oder einer Anordnung von Kanälen erfolgt.
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Dadurch können den lokalen Wärmestrom beeinflussende Faktoren, wie eine Fließgeschwindigkeit beziehungsweise Massenstrom, eine Art (laminar/turbulent) der Strömung des Kältemittels, eine benetzbare Oberfläche des jeweiligen Kanals, eine verbleibende Materialdicke des Flachrohrs zwischen dem jeweiligen Kanal und dem Luftströmungspfad oder auch eine Anzahl von Kanälen, die sich entlang des Luftströmungspfads über einen bestimmten Streckenabschnitt in dem Flachrohr befinden, vorteilhaft beeinflusst werden. Die Anordnung kann sowohl die Position, als auch Orientierung der Kanäle umfassen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms unter Veränderung der Oberflächengeometrie erfolgt, wobei die Oberfläche von Kanälen von der Lufteintrittsöffnung her in Richtung der Luftaustrittsöffnung vergrößert wird und/oder ein Querschnittsprofil von Kanälen angepasst wird.
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Beispielsweise können bestimmte Querschnittsprofile Turbulenzen im Kältemittel begünstigen. Auch kann die Wahl des Querschnittsprofils beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche beitragen. Durch Variation des Querschnittsprofils unterschiedlicher Kanäle entlang des Luftströmungspfads, beispielsweise durch Drehung einer Ellipsenform, kann in einfacher Weise die verbleibende Materialdicke zwischen dem jeweiligen Kanal und dem Luftströmungspfad angepasst werden. Querschnittsprofile können rein exemplarisch rund, ellipsenförmig, rechteckig, quadratisch oder auch sternförmig sein.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms unter Veränderung einer Anordnung von Kanälen erfolgt, wobei ein Abstand zwischen Kanälen von der Lufteintrittsöffnung her in Richtung der Luftaustrittsöffnung kleiner wird.
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Dies führt dazu, dass sich in Richtung der Luftaustrittsöffnung zunehmend mehr Kanäle in einem Streckenabschnitt befinden, was den lokalen Wärmestrom in dem Streckenabschnitt begünstigt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms unter Veränderung einer den Wärmeleitfähigkeit beeinflussenden Materialeigenschaft von Kanälen erfolgt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Wärmeübertragers der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialeigenschaft verändert wird, unter Nutzung wenigstens einer Konstruktionsmaßnahme, ausgewählt aus folgender Gruppe: Beschichtung mit einer wärmeisolierenden beziehungsweise wärmedämmenden Schicht (beispielsweise Kunststoffschicht), Einstellung der Oberflächenrauheit, Applikation von Strukturen zur Beeinflussung der Art der Strömung.
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Es wird ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager über eine Vielzahl technischer Stellschrauben einfach und flexible in der erfindungsgemäßen Weise angepasst werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmepumpe für ein Fahrzeug, umfassend einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Wärmepumpe gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Vorzugsweise handelt es sich um ein Kraftfahrzeug, besonders bevorzugt um ein Elektrofahrzeug.
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Natürlich kann der Wärmeübertrager der Erfindung auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Gebäudetechnik eingesetzt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager;
- 2, 3 konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung eines lokalen Wärmestroms; und
- 4 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10 in einer prinzipskizzenartigen Darstellung. Der Wärmeübertrager 10 ist exemplarisch für eine erfindungsgemäße Wärmepumpe 12 vorgesehen, die wiederum exemplarisch für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 14 vorgesehen ist (vergleiche 4).
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Der Wärmeübertrager 10 umfasst einen Luftströmungspfad 16 mit einer Lufteintrittsöffnung 18 und einer Luftaustrittsöffnung 20.
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Außenluft 22 kann durch die Lufteintrittsöffnung 18 in den Luftströmungspfad 16 eintreten, den Wärmeübertrager 10 durchströmen und durch die Luftaustrittsöffnung 20 wieder austreten.
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Der Wärmeübertrager 10 umfasst einen Leitungsabschnitt 24. Der Leitungsabschnitt 24 ist zumindest abschnittsweise im Luftströmungspfad 16 angeordnet. Der Leitungsabschnitt 24 umfasst ferner eine Mehrzahl von Kanälen 26. Die Kanäle 26 dienen der Leitung eines Kältemittels 28.
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Während das Kältemittel 28 gemäß der dargestellten Pfeile durch die Kanäle 26 strömt, findet ein lokaler Wärmestrom Q1, Q2 aus der Außenluft 22 in das Kältemittel 28 statt. Der Begriff „lokal“ bezieht sich damit auf den jeweiligen Kanal 26 als solchen.
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Gemäß der Erfindung sind die Kanäle 26 derart ausgebildet, dass der lokale Wärmestrom Q1, Q2 zwischen der Außenluft 22 und dem in den Kanälen 26 strömenden Kältemittel 28 von der Lufteintrittsöffnung 18 her in Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 zunimmt. Mit anderen Worten ist der lokale Wärmestrom Q1 vorliegend kleiner, als der lokale Wärmestrom Q2. Dies führt zu einer vorteilhaften Verringerung einer Eis- beziehungsweise Reifbildung im Bereich der Lufteintrittsöffnung 18. Hier nimmt die Temperatur der Wärmeübertragerwand gegenüber konventionell gestalteten Wärmeübertragern ab.
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Um zu vermeiden, dass unter bestimmten Prozessbedingungen das Kältemittel 28 infolge des geringeren lokalen Wärmestroms Q1 noch flüssig aus dem Wärmeübertrager 10 austritt, wird ein Druckverlust Δp1 des Kältemittels 28 auf den lokalen Wärmestrom Q1 abgestimmt, vorliegend verringert. Δp1 beträgt in diesem Beispiel 1 bar. Demgegenüber ist ein Druckverlust Δp2 des Kältemittels 28 unter Wirksamkeit des höheren lokalen Wärmestroms Q2 größer gewählt und beträgt in diesem Beispiel 2 bar. Die Reduktion von Δp1 gegenüber Δp2 wird vorliegend exemplarisch durch eine Drossel 30 erreicht.
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2 und 3 zeigen einige Beispiele konstruktiver Maßnahmen, mit denen die Erhöhung des lokalen Wärmestroms Q2 gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden kann.
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Zunächst wird auf 2 Bezug genommen, wo die Teilansichten a) bis f) gezeigt sind.
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Teilansicht a) zeigt vereinfacht einen Wärmeübertrager 32 gemäß dem Stand der Technik. Dieser umfasst ein Flachrohr 34, das mit Kanälen 36 zur Leitung eines Kältemittels versehen ist. Die Kanäle 36 sind uniform ausgebildet und in konstanten Abständen voneinander angeordnet.
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Die Teilansichten b) bis f) zeigen Möglichkeiten, die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms Q1, Q2 gemäß der Erfindung zu erreichen.
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So kann beispielsweise eine Oberflächengeometrie oder auch eine Anordnung der Kanäle 26 angepasst werden.
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Wird die Oberflächengeometrie angepasst, so kann der lokale Wärmestrom Q2 erhöht werden, indem eine Oberfläche 38 der Kanälen 26 von der Lufteintrittsöffnung 18 her in Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 vergrößert wird (Richtung in 2 gezeigt durch Strömungsrichtung der Außenluft 22).
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Teilansicht b) zeigt exemplarisch, dass die Kanäle 26 dazu vergrößert werden, so beispielsweise auch gezeigt in Teilansicht d).
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Auch kann ein Querschnittsprofil 40 der Kanäle 26 angepasst werden, so exemplarisch gezeigt in Teilansichten d) und e). Das Querschnittsprofil 40 kann je nach Ausprägung beispielsweise auch die Größe der Oberfläche 38 mit beeinflussen oder auch eine Art der Strömung des Kältemittels 28. So kann etwa ein eckiges Querschnittsprofil turbulente Anteile in der Strömung erhöhen, was auch den lokalen Wärmestrom erhöht.
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Soll die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms durch Veränderung der Anordnung der Kanäle 26 erfolgen, kann beispielsweise ein Abstand d zwischen den Kanälen 26 von der Lufteintrittsöffnung 18 her in Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 kleiner werden. Dies ist beispielsweise in Teilansicht c) gezeigt. Ist der Abstand d kleiner, so konzentrieren sich mehrere Kanäle 26 auf engerem Raum, wodurch der lokale Wärmestrom erhöht wird.
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Die Beeinflussung des lokalen Wärmestroms kann auch unter Veränderung einer den lokalen Wärmestrom beeinflussenden Materialeigenschaft von Kanälen erfolgen. Vorzugsweise wird die Materialeigenschaft beispielsweise durch Beschichtung mit einer wärmeisolierenden beziehungsweise -dämmenden Schicht verändert. So könnte der Wärmeübertrager 32 nach dem Stand der Technik beispielsweise durch Applikation einer Kunststoffschicht, beispielsweise auf eine Oberfläche 42 eines Kanals 44, mit geringem Aufwand zu einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager weitergebildet werden.
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Weiterhin vorzugsweise kann die Materialeigenschaft beispielsweise auch durch Einstellung der Oberflächenrauheit oder Applikation von Strukturen zur Beeinflussung der Art der Strömung verändert werden. Dies ist exemplarisch in Teilansicht f) gezeigt. Die Oberflächenrauheit R1 ist hier beispielsweise kleiner, als die Oberflächenrauheit R2. R2 erzeugt exemplarisch eine turbulentere Strömung als R1, wobei die Zunahme der Turbulenzen durch die Intensität der Schattierung der Kanäle 26 symbolisiert ist.
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Vorzugsweise nimmt der lokale Wärmestrom Q von der Lufteintrittsöffnung 18 her in Richtung der Luftaustrittsöffnung 20 stetig zu. Dies ist exemplarisch in Teilansicht c) anhand eines Diagramms dargestellt.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel zur Anpassung des Querschnittsprofils 40 der Kanäle 26. Diese Anpassung kann beispielsweise auch in Form einer das Querschnittsprofil 40 charakterisierenden Ellipse beschrieben werden, die zunehmend gedreht wird.
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4 zeigt schließlich das erfindungsgemäße Fahrzeug 14, bei dem es sich exemplarisch um ein Kraftfahrzeug 46 handelt. Das Kraftfahrzeug 46 ist vorliegend ein Elektrofahrzeug 48.
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In dem Fahrzeug 14 ist die erfindungsgemäße Wärmepumpe 12 mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10 verbaut und kann beispielsweise zur Klimatisierung verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertrager
- 12
- Wärmepumpe
- 14
- Fahrzeug
- 16
- Luftströmungspfad
- 18
- Lufteintrittsöffnung
- 20
- Luftaustrittsöffnung
- 22
- Außenluft
- 24
- Leitungsabschnitt
- 26
- Kanäle
- 28
- Kältemittel
- 30
- Drossel
- 32
- Wärmeübertrager
- 34
- Flachrohr
- 36
- Kanäle
- 38
- Oberfläche
- 40
- Querschnittsprofil
- 42
- Oberfläche
- 44
- Kanal
- 46
- Kraftfahrzeug
- 48
- Elektrofahrzeug
- d
- Abstand
- Δp1
- Druckverlust
- Δp2
- Druckverlust
- Q
- Wärmestrom
- Q1
- Wärmestrom
- Q2
- Wärmestrom
- R1
- Oberflächenrauheit
- R2
- Oberflächenrauheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4570700 A1 [0005]
- EP 2159514 A2 [0006]
