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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Siedekühlvorrichtung und ein Siedekühlsystem zur Kühlung eines heizenden Elements mittels eines Siedephänomens.
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STAND DER TECHNIK
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Eine konventionelle Siedekühlvorrichtung ist bekannt (siehe Patentdokument 1), bei der feine Spiralrillen aus konvexen und konkaven Teilen auf einer Außenfläche eines Wärmetauscherrohres ausgebildet sind.
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Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
JP 2005-164 126 A -
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit der Erfindung zu lösende Probleme
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Bei dieser Art der Siedekühlvorrichtung werden z.B. beim Mischen von Verunreinigungen im Kältemittel die Verunreinigungen durch Sieden kondensiert; daher kann es beim kontinuierlichen Betrieb des Gerätes zu einer Ausfällung der Verunreinigungen auf einer Wärmeübertragungsfläche kommen. Daher wird die Wärmeübertragungsfläche mit feinen Rillen o.ä. mit den ausgefällten Verunreinigungen überzogen, die das Sieden verhindern und die Kühlleistung verringern.
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Die vorliegende Erfindung dient dazu, das oben genannte Problem zu lösen und eine Siedekühlvorrichtung und ein Siedekühlsystem anzugeben, die das Auftreten des Siedens unterstützen und eine Absenkung der Kühlleistung verhindern können.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Eine Siedekühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Pumpe zum Umwälzen von Kältemittel; einen Mikroblasengenerator zur Erzeugung von Mikroblasen und Einarbeitung der Mikroblasen in das aus der Pumpe ausgetragene Kältemittel; einen Siedekühler, dem das Kältemittel mit den Mikroblasen zugeführt wird und der das Kältemittel zum Sieden bringt; einen Kühler zum Kühlen des Kältemittels nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe aufgenommen wird; und einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider zum Abscheiden von Gas aus dem zirkulierenden Kältemittel nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe aufgenommen wird.
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Weiterhin weist ein Siedekühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: eine Pumpe zum Umwälzen von Kältemittel; einen Mikroblasengenerator zur Erzeugung von Mikroblasen und Einarbeitung der Mikroblasen in das aus der Pumpe ausgetragene Kältemittel; einen Siedekühler, dem das Kältemittel mit den Mikroblasen zugeführt wird und der das Kältemittel zum Sieden bringt; einen Kühler zum Kühlen des Kältemittels nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe aufgenommen wird; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider zum Abscheiden von Gas aus dem zirkulierenden Kältemittel nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe aufgenommen wird; und ein heizendes Element zum Kühlen, das dem Siedekühler zur Verfügung steht.
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Effekt der Erfindung
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Eine Siedekühlvorrichtung und ein Siedekühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung können das Auftreten von Sieden begünstigen und eine Absenkung der Kühlleistung verhindern.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Siedekühlsystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikroblasengenerators vom Ejektortyp;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikroblasengenerators vom Wirbel-Flüssigkeitsstrom-Typ;
- 4 zeigt eine schematische Darstellung der Temperaturübergänge einer Wärmeübertragungsfläche eines Siedekühlers und
- 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Siedekühlsystems nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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Ein Siedekühlsystem 1 und eine Siedekühlvorrichtung 2 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung werden anhand der 1 bis 4 erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen die mit den gleichen Symbolen gekennzeichneten Bauteile die gleichen oder gleichwertige Bauteile. Diese beschreibende Regel gilt für die ganze Beschreibung.
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1 ist eine schematische Darstellung des Siedekühlsystems 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Das Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung weist, wie in 1 dargestellt, hauptsächlich Folgendes auf: eine Pumpe 11, einen Mikroblasengenerator 12, einen Siedekühler 13, einen Radiator 14 und einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15. Außerdem sind die jeweiligen Komponenten des Siedekühlsystems 1 über Kältemittelleitungen 16 mit anderen Komponenten verbunden.
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Als allgemeines Kühlsystem gibt es ein System zur Kühlung eines heizenden Elements, wie z.B. ein elektronisches Gerät, das in einem Haushaltsgerät oder einem Fahrzeug eingebaut ist; und im Kühlsystem sind in dieser Reihenfolge eine Pumpe, ein Kühler zur Kühlung eines heizenden Elements und ein Radiator in Reihe geschaltet. In einem solchen Kühlsystem lässt die Pumpe Kältemittel (z.B. Wasser) zirkulieren; das Kältemittel erhält Wärme von einem heizenden Element thermisch in Kontakt mit dem Kühler; der Radiator gibt die Wärme des Kältemittels ab; wobei das heizenden Element gekühlt wird.
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Das Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung nutzt insbesondere ein Phänomen, dass das Kältemittel im Kühler siedet. Beim Sieden im Kühler erhält das Kältemittel mehr Wärme als beim Nicht-Sieden, um die Kühlung des heizenden Elements 3 zu unterstützen. Zu beachten ist, dass im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ein Siedephänomen im Kühler verwendet wird und daher der Kühler speziell als Siedekühler 13 bezeichnet wird.
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Hier ist das Siedephänomen ein Phänomen, dass durch einen Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf (Gas) Dampfblasen entstehen. Der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf erfordert viel Energie (z.B. eine große Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeübertragungsfläche des Siedekühlers 13 und dem Kältemittel oder große Druckwellen). Das heißt, es entstehen nicht unbedingt Dampfblasen, wenn man einfach nur Wärmeenergie auf das Kältemittel aufbringt.
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Normalerweise verbleibt eine kleine Menge an Gas (Schaumkern) in Dellen (Kavitäten), wie z.B. Kratzern auf den Wärmeübertragungsflächen. Die Schaumkerne sind winzige Gasblasen, die Luft oder Dampf enthalten. Normalerweise tritt das Siedephänomen durch die Schaumkerne auf, die als Keime von Dampfblasen (Ursprung) dienen. Wenn eine Phasenwechselmenge (A) von Flüssigkeit (Kältemittel) zu Dampf durch die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas mit einer Phasenwechselmenge (B) von Dampf zu Flüssigkeit unausgeglichen wird, um einen A>B-Zustand zu erreichen, wird das Schaumkernvolumen größer (wachsen) zu einer größeren Dampfblase.
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Wie oben beschrieben, wird der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf durch die Existenz der Schaumkerne erleichtert. Im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung liefert der Mikroblasengenerator 12 dem Siedekühler 13 Mikrobläschen zur Unterstützung des Siedens, wobei die Mikrobläschen als Schaumkerne dienen.
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Nachfolgend werden zur Erläuterung der Eigenschaften des Siedekühlsystems 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung das Siedephänomen und die einzelnen Komponenten des Siedekühlsystems 1 näher erläutert.
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Das Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung weist den Mikroblasengenerator 12 auf der Stromaufseite des Siedekühlers 13 auf, um das Sieden des Kältemittels im Siedekühler 13 zu unterstützen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 zur Abtrennung von Gas aus dem zirkulierenden Kältemittel ist an einer Stelle angebracht, wo Kältemittel im Siedekühler 13 gesiedet hat (auf der Stromabseite des Siedekühlers 13) und wo Kältemittel noch nicht von der Pumpe 11 aufgenommen wird
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Die Pumpe 11 lässt das Kältemittel (Kältemittel in einer Phase aus Flüssigkeit und Kältemittel in zwei Phasen aus Gas und Flüssigkeit) im Siedekühlsystem 1 zirkulieren. Da der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 jedoch Gas vom zirkulierenden Kältemittel trennt, befindet sich das Kältemittel in der Pumpe 11 in einem flüssigen Zustand.
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Die Pumpe 11 ist eine Verdrängerpumpe, eine oszillierende Pumpe, eine Drehkolbenpumpe oder ähnliches. Bei der Wahl der Pumpe 11 wird eine Pumpe gewählt, die über eine ausreichende Hubhöhe (Pumpenleistung) verfügt, um das Kältemittel mit einer erforderlichen Fördermenge im Siedekühlsystem 1 umzuwälzen.
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Für das Kältemittel kann jede Art von Flüssigkeit verwendet werden, die in einem Temperaturbereich siedet, der geeignet ist, das heizende Element 3 zu kühlen; daher kann das Kältemittel z.B. ein Frostschutzmittel (z.B. ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglycol) oder Wasser sein.
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Der Mikroblasengenerator 12 erzeugt Mikroblasen und bindet diese in das Kältemittel aus der Pumpe 11 ein. Wie in 1 dargestellt, ist im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Stromaufseite des Mikroblasengenerators 12 über ein Kältemittelrohr 16 mit der Pumpe 11 und die Stromabseite über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Siedekühler 13 verbunden.
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Die im Mikroblasengenerator 12 erzeugten Mikroblasen fungieren, wie oben beschrieben, als Schaumkerne im Siedekühler 13. Außerdem haben die Mikrobläschen die Funktion, Schmutz durch eine verunreinigungsadsorbierende Wirkung zu reinigen oder beim Platzen Druckwellen zu erzeugen; daher können die Mikrobläschen eine an der Wärmeübertragungsfläche im Inneren des später beschriebenen Siedekühlers 13 als Verunreinigung haftende Verunreinigungsschicht abwaschen.
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Bei den Mikrobläschen handelt es sich beispielsweise um Luftblasen mit einem Durchmesser von Mikrometern, vorzugsweise zwischen 3 µm und 80 µm. Bei einer Mikroblase mit einem Durchmesser von weniger als 3 µm verhindert die Wirkung der Oberflächenspannung ein geeignetes Wachstum der Mikroblase, was zu einer ungenügenden Wirkung für die Siedeförderung führen kann. Auch eine Mikroblase mit einem Durchmesser von mehr als 80 µm kann ihre Reinigungswirkung verringern.
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Einige Mikroblasengeneratoren 12 verwenden keine Flüssigkeitsströmungskraft, andere hingegen schon. Beispiele für Mikroblasengeneratoren 12, die keine Flüssigkeitsströmungskraft verwenden, sind vom Ultraschalltyp, vom elektrolytischen Typ, vom Dampfkondensationstyp, vom Porentyp und vom Rotationstyp. Beispiele für Mikroblasengeneratoren 12 mit Flüssigkeitsströmungskraft sind dagegen vom Wirbel-Flüssigkeitsstrom-Typ, vom Ejektortyp und vom Kavitationstyp. Die Mikroblasengeneratoren 12 verbrauchen keine oder nur eine geringe Menge an Energie, um Mikroblasen zu erzeugen.
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Bei der Beschreibung des Siedekühlsystems 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung werden ein Wirbel-Flüssigkeits- und ein Ejektor-Mikroblasengenerator 12 im Detail als Mikroblasengenerator 12 dargestellt. Im Folgenden wird ein Mikroblasengenerator 12, der den Kältemittelstrom zur Gasaufnahme nutzt, als Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator bezeichnet. Ein Mikroblasengenerator 12 vom Wirbel-Flüssigkeit-Typ und ein Mikroblasengenerator 12 vom Ejektortyp sind jeweils eine Art Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator.
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Der Mikroblasengenerator 12 ist hier nicht auf den Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator beschränkt, sondern ein Mikroblasengenerator 12, der keine Strömungskraft nutzt, kann auch bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator benötigt keine Leistung und ist sehr energiesparend; der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator hat auch keine beweglichen Teile, keine Verdrahtung und keine elektrische Schaltsteuerung, was eine hohe Zuverlässigkeit mit sich bringt.
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Ein weiterer Vorteil: Da der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator Mikroblasen mit der entwickelten Rohrstruktur erzeugt, benötigt der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator keine wärmeempfindlichen elektronischen Bauteile zur Herstellung von Mikroblasen. Daher ist der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator hervorragend hitzebeständig und kann ein Hochtemperatur-Kältemittel durchströmen lassen. Je größer der Durchfluss, desto mehr Mikroblasen kann der Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator erzeugen und damit mehr Schaumkerne an den Siedekühler 13 abgeben.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Mikroblasengenerators 22 vom Typ Ejektor. Ein Ejektortyp wird auch als Aspirator/Saugapparat bezeichnet. Wie in 2 dargestellt, enthält der Ejektortyp in Strömungsrichtung 22a einen schmalen Bereich 22b, der eine Engstelle des Kältemittel-Strömungsweges ist. In 2 strömt das Kältemittel von der linken Seite der Darstellung nach rechts. Die Strömungsgeschwindigkeit in dem schmalen Bereich 22b des Rohres ist höher als in anderen Bereichen, wobei der Druck (statischer Druck) durch den Venturi-Effekt gesenkt wird.
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An der Engstelle des schmalen Bereichs 22b, wo der statische Druck abfällt, ist eine Gaseintrittsöffnung 22c ausgebildet, und an die Gaseintrittsöffnung 22c ist ein Außenluftansaugrohr 22d angeschlossen. Der Mikroblasengenerator 22 saugt über das Außenluftansaugrohr 22d Umgebungsgas (Außenluft 22e, wie etwa Luft) an und mischt die Außenluft 22e und das Kältemittel zu Mikroblasen. Dadurch wird das Kältemittel zu einer zweiphasigen Flüssigkeit, die die Mikrobläschen enthält
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Zu beachten ist, dass dann, wenn das Kältemittel z.B. durch einen Stillstand der Pumpe 11 aufhört zu strömen oder mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als einer normalen Geschwindigkeit strömt, der statische Druckwert in dem schmalen Bereich 22b nicht ausreichend sinkt. In diesem Fall kann das Kältemittel über das Außenluftansaugrohr 22d rückwärts strömen (das Kältemittel kann vom Mikroblasengenerator 22 zur Außenseite des Siedekühlsystems 1 austreten). Daher ist es wünschenswert, ein Ventil 22f vorzusehen, wie z.B. ein Rückschlagventil in der Mitte des Außenluft-Ansaugrohres 22d, um zu verhindern, dass das Kältemittel in umgekehrter Richtung strömt.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Wirbel-Flüssigkeitsstrom-Mikroblasengenerators 32. Der in 3 gezeigte Mikroblasengenerator 32 erzeugt eine starke Wirbelströmung im Inneren des Mikroblasengenerators 32. Daher strömt das Kältemittel aus einer Kältemittel-Zulaufrichtung 32a, die fast rechtwinklig zu einer Kältemittel-Ablaufrichtung 32g ist, in den Mikroblasengenerator 32.
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Wie in 3 dargestellt, wirbelt das Kältemittel nach dem Einströmen in einer Kältemittel-Wirbelrichtung 32b um eine Achse in einer Kältemittel-Ausströmrichtung 32g. Wenn das Kältemittel in der Kältemittel-Wirbelrichtung 32b wirbelt, wird der Druck (statischer Druck) an einem Wirbelstrommittelpunkt 32c abgesenkt, der durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist.
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Eine Gaseintrittsöffnung 32d ist an einer dem Wirbelströmungszentrum 32c entsprechenden Stelle ausgebildet, an der der statische Druck abgesenkt wird. Ähnlich wie beim Ejektortyp Mikroblasengenerator 32 ist ein Außenluftansaugrohr 32e zur Gaseintrittsöffnung 32d ausgebildet. Über das Außenluft-Ansaugrohr 32e wird das umgebende Gas (Außenluft 32f) in den Mikroblasengenerator 32 geleitet.
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Anschließend wird das Kältemittel mit dem aus der Umgebung entnommenen Gas zu einer zweiphasigen Flüssigkeit vermischt, die Mikrobläschen enthält und in Richtung Kältemittel-Abflussrichtung 32g abströmt. Ähnlich wie bei dem Mikroblasengenerator 22 ist es wünschenswert, dass ein Ventil 32h, z.B. ein Rückschlagventil, etwa in der Mitte des Außenluft-Ansaugrohres 32e angebracht wird, damit das Kältemittel nicht rückwärts strömt.
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Der Siedekühler 13 wird mit dem Kältemittel versorgt, das die im Mikroblasengenerator 12 erzeugten Mikroblasen enthält. Auch der Siedekühler 13 wird von außen durch das heizende Element 3 beheizt, und das darin strömende Kältemittel erhält Wärme zum Sieden. Der Siedekühler 13 ist ein Behälter, der so abgedichtet ist, dass das Kältemittel nicht durch Spalten entweicht, und verfügt über einen Einlauf- und einen Auslaufstutzen, die in der Abbildung nicht dargestellt sind, um mit anderen Komponenten verbunden zu werden.
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Wie in 1 dargestellt, ist im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Stromaufseite des Siedekühlers 13 über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Mikroblasengenerator 12 und dessen Stromabseite über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Radiator 14 verbunden. Die Kältemittelleitung 16 auf der Stromaufseite ist mit dem Einlaufstutzen und die Kältemittelleitung 16 auf der Stromabseite mit dem Auslaufstutzen verbunden. Das Kältemittel mit Mikroblasen strömt von der Einlaufseite und das im Siedekühler 13 erhitzte Kältemittel zur Auslaufseite.
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Zu beachten ist, dass das heizende Element 3 z.B. ein Leistungsmodul, wie ein SiC, oder ein elektronisches Gerät, wie etwa eine Steuerungsschaltung, eine Ansteuerschaltung, ein Kondensator, ein Abwärtswandler oder eine Drossel ist. Das Siedekühlsystem 1 ist z.B. ein Stromrichter, wie z.B. ein Wechselrichter oder ein DC-DC-Wandler, der das oben beschriebene heizende Element 3 enthält, eingebaut in ein Elektroauto, ein Hybridauto, etc. Darüber hinaus kann das heizende Element 3, anders als das Siedekühlsystem 1, z.B. ein Wärmetauscher auf einer Wärmeabgabeseite sein und ist nicht darauf beschränkt.
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Wenn das heizende Element 3 seine vorgesehene Funktion erfüllt, erzeugt es Wärme als Energieverlust. Das heizende Element 3 wird auf einer Außenfläche einer Wand des Siedekühlers 13 angebracht und erwärmt das Kältemittel über die Wandoberfläche. Zu beachten ist, dass an einer Innenwandfläche des Siedekühlers 13 Wärmeableitlamellen ausgebildet werden können, um den Wärmeübergang vom heizenden Element 3 zum Kältemittel zu unterstützen. Um das Sieden durch die Verwendung von Mikrobläschen als Schaumkerne zu unterstützen, ist es wünschenswert, dass die Mikrobläschen so angeordnet werden, dass sie leicht an einer Wärmeübertragungswand anhaften können, an der das heizende Element 3 ausgebildet ist.
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Zum Beispiel kann das heizende Element 3 an dem Siedekühler 13 angebracht werden, so dass die Mikrobläschen unter Ausnutzung des Auftriebs der Mikrobläschen leicht an der Wärmeübertragungswand anhaften können. In diesem Fall kann z.B. die Wärmeübertragungswand des Siedekühlers 13 aus der Horizontalen gekippt werden, so dass der Siedekühler 13 Siede-Blasen leicht ausstoßen kann.
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Der Radiator 14 kühlt das Kältemittel, das durch das heizende Element 3 erhitzt und im Siedekühler 13 zum Sieden gebracht worden ist. Der Kühler 14 ist so angeordnet, dass das Kältemittel nach dem Sieden des Kältemittels, aber vor der Aufnahme des Kältemittels durch die Pumpe 11 abgekühlt wird. Wie in 1 dargestellt, ist im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Stromaufseite des Radiators 14 über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Siedekühler 13 und dessen Stromabseite über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 verbunden.
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Der Radiator 14 ist z.B. vom Typ mit natürlicher Luftkühlung oder Zwangsluftkühlung; der Radiator 14 kann auch ein Kühlkörper sein, um Wärme an die Umgebungsluft abzugeben, ein Radiator, in dem Wärmeableitlamellen hoch integriert sind, oder ähnliches. Der Radiator 14 kann an ein Wärmerohr oder einen Wärmetauscher angeschlossen werden, um die Kältemittel-Wärme an einen von dem Radiator 14 entfernten Ort zu übertragen und dort abzugeben.
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Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 trennt das umlaufende Kältemittel in Gas und Flüssigkeit. Gas, wie etwa Luft, ist nicht kondensierbar, daher kondensiert das Gas auch bei Kühlung in dem Radiator 14 nicht. Deshalb ist der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 so angeordnet, dass nach dem Sieden des Kältemittels, aber bevor die Pumpe 11 das Kältemittel aufnimmt, der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 das Gas vom Kältemittel trennt, um die Pumpe 11 mit flüssigem Kältemittel zu versorgen. Denn das in die Pumpe 11 einströmende gashaltige Kältemittel kann dazu führen, dass das Kältemittel im Siedekühlsystem 1 aufgrund der Leistungsreduzierung der Pumpe 11 nicht richtig zirkuliert oder die Pumpe 11 beschädigt wird.
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Auch der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 ist ein Behälter zur Aufnahme des Kältemittels und des vom Kältemittel abgetrennten Gases, und ein Teil zur Aufnahme des abgetrennten Gases wird besonders als Gasbehälter 15a bezeichnet. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 ist mit einem Einlaufstutzen, einem Auslaufstutzen und einer Abluftöffnung ausgestattet, die in der Abbildung nicht dargestellt sind. Der Einlauf- und der Auslaufstutzen sind jeweils mit einem Kältemittelrohr 16 verbunden, über das der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 mit anderen Komponenten verbunden ist.
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Auch die Abluftöffnung ist an ein Auslassrohr 17 angeschlossen, über das der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 nach außen geführt wird. Wie in 1 dargestellt, ist im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Stromaufseite des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 15 über ein Kältemittelrohr 16 mit dem Radiator 14 und die Stromabseite über ein Kältemittelrohr 16 mit der Pumpe 11 verbunden.
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Im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kondensiert das Kältemittel im Radiator 14, nicht aber das aus Mikroblasen gewonnene nicht-kondensierbare Gas. In den Einlaufstutzen des Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 strömt daher von der Stromaufseite über die Kältemittelleitung 16 das Kältemittel im zweiphasigen Strömungszustand (Kältemittel mit Mikroblasen) ein. Aus dem Auslaufstutzen des Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 wird Kältemittel (flüssiges Kältemittel), das aus dem Kältemittel im zweiphasigen Strömungszustand erzeugt wird, über die Kältemittelleitung 16 auf die Stromabseite geleitet.
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Die Abluftöffnung ist eine vom Kältemittel getrennte Abluftöffnung, an die das Auslassrohr 17 angeschlossen ist. Das Auslassrohr 17 ist mit einem Entlüftungsventil 15b versehen. Durch das Öffnen des Entlüftungsventils 15b kann das in den Mikroblasengenerator 12 eingeleitete Gas, wie z.B. Luft, aus der Abluftöffnung nach außen abgeleitet werden.
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Auch wenn sich das Kältemittel-Volumen aufgrund von Temperaturschwankungen verändert und dadurch Druckschwankungen im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 entstehen, können die Druckschwankungen durch den Einsatz des Entlüftungsventils 15b ausgeglichen werden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 kann auch als Speicher dienen. Außerdem kann ein weiterer Anschluss für die Injektion des Kältemittels ausgebildet werden.
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Die Kältemittelleitungen 16 bestehen aus dichten Rohren mit gerader Form, gebogener Form, T-Form oder einer beliebigen Kombination aus Metall, Gummi, Harz oder ähnlichem. Im Inneren der Kältemittel-Rohre 16 strömt ein Kältemittel im flüssigen Zustand oder ein Kältemittel im zweiphasigen Zustand von Gas und Flüssigkeit.
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Als nächstes wird der Betrieb des Siedekühlsystems 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Pfeile 20 in 1 zeigen die Umlaufrichtung des Kältemittels an. Im Siedekühlsystem 1 nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zirkuliert das Kältemittel durch die Kältemittelleitungen 16 in der Reihenfolge Pumpe 11, Mikroblasengenerator 12, Siedekühler 13, Radiator 14 und Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15.
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Die Kältemittel-Zirkulation in dem Siedekühlsystem 1 wird erläutert. Der Druck des Kältemittels wird in der Pumpe 11 erhöht, und dann wird das Kältemittel zum Mikroblasengenerator 12 geleitet. Dem in den Mikroblasengenerator 12 eingeströmten Kältemittel werden Mikrobläschen zugegeben, dann wird das Kältemittel zu dem Siedekühler 13 überführt. Das Kältemittel, das in den Siedekühler 13 eingeströmt ist, erhält Wärme vom heizenden Element 3, das dem Siedekühler 13 zugeführt wird, und siedet dabei.
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Das siedende Kältemittel strömt in den Radiator 14, um zu kondensieren und Wärme abzugeben. Dann strömt das Kältemittel in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 aus dem Radiator 14, um in Gas (nicht-kondensierbares Gas) und Flüssigkeit getrennt zu werden. Und dann wird der Flüssigkeitsanteil als Kältemittel auf die Pumpe 11 übertragen, die damit den Kältemittel-Kreislauf in dem Siedekühlsystem 1 vervollständigt.
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Hier wird, wenn die Kältemitteltemperatur im Siedekühler 13 unter dem Siedepunkt liegt, die Wärme aus dem heizenden Element 3 zur Erhöhung der Kältemitteltemperatur verbraucht. Ist dagegen die Kältemitteltemperatur im Siedekühler 13 beim Siedepunkt oder höher, wird die Wärme aus dem heizenden Element 3 normalerweise als latente Wärme verbraucht, um die Kältemittelphase zu verändern. Wenn das Kältemittel also nach dem Erreichen der Siedepunkttemperatur weiter Wärme vom heizenden Element 3 erhält, tritt ein Siedephänomen auf, bei dem die Phasen von flüssig zu gasförmig wechseln und Dampfblasen entstehen.
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In dem Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung fügt der Mikroblasengenerator 12 dem Kältemittel Mikroblasen hinzu, die dann an der Wärmeübertragungsfläche im Siedekühler 13 haften. Die Mikrobläschen dienen als Schaumkerne, die zur Erzeugung von Dampfblasen, zur Aktivierung der Dampfblasenbildung oder zur Unterstützung des Siedens dienen. Dann wird das siedende Kältemittel zum Radiator 14 übertragen, und das siedende Kältemittel kondensiert im Radiator 14, um Wärme nach außen abzugeben. Auch im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 wird das aus Mikroblasen gewonnene nicht-kondensierbare Gas als Gas abgetrennt und das flüssige Kältemittel von der Pumpe 11 umgewälzt.
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Nachstehend wird das Überschwingen beim Siedephänomen erläutert. 4 ist eine schematische Grafik, die den Temperaturübergang einer Wärmeübertragungs-Oberfläche des Siedekühlers zeigt. 13. Die vertikale Achse stellt die Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur (Wandoberflächentemperatur) des Siedekühlers 13 dar, für den das heizende Element 3 ausgebildet ist, und die horizontale Achse die Zeit. Eine gestrichelte Linie 40 in der Abbildung zeigt den Übergang der Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur in einem Fall, in dem der Mikroblasengenerator 12 in dem Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung Mikroblasen erzeugt. Eine durchgezogene Linie 41 zeigt dagegen den Übergang der Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur in einem Fall, in dem der Mikroblasengenerator 12 keine Mikroblasen im Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erzeugt.
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In 4 ist die Zeit t1 die Startzeit, zu der das heizende Element 3 zu heizen beginnt und T1 ist die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche zum Zeitpunkt t1. Weiterhin ist T2 die Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur, bei der das Kältemittel einen Überhitzungsgrad erhält, der höher ist als der Siedepunkt des Kältemittels (Sättigungstemperatur). Nach der Zeit t2 befindet sich das Siedekühlsystem 1 in einem stationären Zustand, und die Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur beträgt T2.
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Nach dem Aufheizen durch das heizende Element 3 beginnt zum Zeitpunkt t1 die Temperatur, gezeigt durch die durchgezogene Linie und die gestrichelte Linie 40 im Bild, zu steigen. Und dann, auch wenn die Temperatur der Wärmeübertragungs-Oberfläche T2 erreicht, steigt jede der durch die durchgezogene Linie 41 und die gestrichelte Linie 40 angezeigten Temperaturen weiter an.
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Denn auch nach dem Erreichen der Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur T2 befindet sich das Kältemittel noch in einem Überhitzungszustand, in dem das Sieden nicht einsetzt und das Kältemittel in einem Flüssigphasenzustand bleibt. Dann wird das Siedephänomen eine kurze Zeit ausreichend unterstützt, was bewirkt, dass die Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur wieder auf T2 absinkt, was es ermöglicht, dass das Kältemittel weiter siedet.
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Nun wird die durchgezogene Linie 41 mit der gestrichelten Linie 40 verglichen. In der durch die durchgezogene Linie 41 dargestellten Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur soll die Temperaturdifferenz zwischen dem Maximalwert und T2 (Überschwingerbetrag) X1 sein; in der durch die gestrichelte Linie Grafik 40 dargestellten Wärmeübertragungs-Oberflächentemperatur soll die Temperaturdifferenz zwischen dem Maximalwert und T2 (Überschwingerbetrag) X2 sein. Wie oben beschrieben: durch Zuführen von Kältemittel, das Mikroblasen enthält, zum Siedekühler 13 fungieren die Mikroblasen als Schaumkerne zur Unterstützung des Siedens. Beim Vergleich von X1 und X2 nimmt X2 in der Linie 40 entsprechend dem Fall, in dem der Siedekühler 13 mit dem mikrobläschenhaltigen Kältemittel versorgt wird, einen kleineren Wert an als X1.
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Daher ist der Überschwingungsbetrag in einem Fall, in dem der Siedekühler 13 mit mikrobläschenhaltigem Kältemittel versorgt wird, kleiner als in einem Fall, in dem der Siedekühler 13 mit dem Kältemittel ohne Mikrobläschen versorgt wird. Da der Überschwingbetrag reduziert werden kann, kann das heizende Element 3 entsprechend gekühlt und leicht unter einer zulässigen Temperatur gehalten werden.
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Darüber hinaus kann das Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bei heizenden Elementen 3 in Kraftfahrzeugen, Elektrozügen, Hochgeschwindigkeitszügen (Shinkansen), FA-Maschinen (Factory Automation) o.ä. verwendet werden und ist nicht auf diese beschränkt.
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Nachstehend werden konventionelle Techniken der Siedeunterstützung erklärt. Es gibt ein konventionelles Gerät, in dem Kavitäten (z.B. reentrantartige Kavität) zur Siedeunterstützung auf der Wärmeübertragungsfläche des Siedekühlers 13 ausgebildet sind, z.B. wie in dem Patentdokument 1 beschrieben. Die Kavitäten sind mehrere feine Räume mit Unebenheiten, die sich auf der Wärmeübertragungsfläche bilden, um Gas, wie etwa Luft aufzunehmen. In einem herkömmlichen Gerät, fungiert Gas, wie etwa Luft, die in den Kavitäten aufgefangen wird, als Schaumkern, um das Wachstum von Dampfblasen zu unterstützen, wenn das Kältemittel erhitzt wird.
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Auch eine Reihe von Verarbeitungstechniken zur Bildung einer porösen Schicht mit Kavitäten auf der Wärmeübertragungsfläche hat man bereits vorgeschlagen. Unter den Verarbeitungstechniken zur Bildung einer porösen Schicht mit Kavitäten auf der Wärmeübertragungsfläche gibt es ein Verfahren zum Einbrennen und Verfestigen von Metallpulver zur Herstellung von Sintermetall und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung durch thermisches Spritzen.
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Als nächstes wird ein Verunreinigungs-Niederschlagsphänomen erklärt, das mit dem Sieden einhergeht. Wenn eine Dampfblase beim Sieden entsteht, besteht ein großer Dichteunterschied zwischen dem inneren Gas und der äußeren Flüssigkeit. Deshalb wird auf die Dampfblase eine Auftriebskraft oder ein Auftrieb ausgeübt. Je größer das Volumen der Dampfblase durch Erhitzen wird, desto größer wird die Auftriebskraft bzw. der Auftrieb. Die Dampfblase verlässt dann die Wärmeübertragungs-Oberfläche nach oben und bewegt sich in der Flüssigkeit nach oben.
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Bleibt beim Austritt der Dampfblase ein kleinstes Stück Gas (Dampfblasenfragment) auf der Wärmeübertragungsfläche zurück, bedeutet dies, dass ein Schaumkern auf der Wärmeübertragungsfläche vorhanden ist. Dann wächst der auf der Wärmeübertragungsfläche verbleibende Schaumkern wieder zu einer großen Dampfblase heran. Das kontinuierliche Auftreten des Wachstums der Dampfblasen führt zum aktiven Sieden.
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Es gibt jedoch Fälle, in denen die zu siedende Kältemittel-Komponente oder ähnliches ungenügend gesteuert wird oder nicht gesteuert werden kann. Wenn beispielsweise Leitungswasser als Kältemittel verwendet werden soll, ist zu beachten, dass es normalerweise Verunreinigungen, wie etwa Chlor enthält. Wenn dann eine Dampfblase wächst, ändert nur der Wasseranteil im Kühlwasser (Kältemittel), der Verunreinigungen enthält, seine Phase in Dampf an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche der Dampfblase. Dies verursacht das Phänomen der Verunreinigungskonzentration. Selbst wenn die Verunreinigungsmenge gering ist, erhöht das Konzentrationsphänomen die Verunreinigungskonzentration, was dazu führen kann, dass die Verunreinigungen auf der Wärmeübertragungsfläche abgeschieden werden.
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Dann füllen die ausgefällten Verunreinigungen die Kavitäten auf der Wärmeübertragungsfläche und bilden eine Haftschicht aus Verunreinigungen als Verunreinigung auf der Wärmeübertragungsfläche. Dadurch wird das Sieden unterdrückt, und eine auf der Wärmeübertragungsfläche zu bildende Adhäsionsschicht hat eine schlechte Wärmeübertragungsleistung, was die Wärmeabgabeeigenschaft verschlechtert.
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Dies hat das Problem mit sich gebracht, dass die herkömmlichen Geräte das heizende Element 3 manchmal nicht ausreichend kühlen und das heizende Element nicht ausreichend kühlen können. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die ausgefällten Verunreinigungen teilweise fest mit dem Wärmeübertragungsflächenmaterial des Siedekühlers 13 verbinden, was die Wärmeübertragungsfläche je nach Art des Materials der Wärmeübertragungsfläche erodiert.
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Wie oben beschrieben, weist die Siedekühlvorrichtung 2 gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: eine Pumpe 11 zur Zirkulation von Kältemittel; einen Mikroblasengenerator 12 zur Erzeugung von Mikrobläschen und Einarbeitung der Mikrobläschen in das aus der Pumpe 11 ausgetragenen Kältemittel; einen Siedekühler 13, dem das Kältemittel mit Mikrobläschen zugeführt wird und der das Kältemittel zum Sieden bringt; einen Kühler 14 zum Kühlen des Kältemittels nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe 11 aufgenommen wird; und einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 zum Abscheiden von Gas aus dem zirkulierenden Kältemittel nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe 11 aufgenommen wird.
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Auch das Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Pumpe 11 zur Zirkulation von Kältemittel; einen Mikroblasengenerator 12 zur Erzeugung von Mikrobläschen und Einarbeitung der Mikrobläschen in das aus der Pumpe 11 ausgetragenen Kältemittel; einen Siedekühler 13, dem das Kältemittel mit Mikrobläschen zugeführt wird und der das Kältemittel zum Sieden bringt; einen Kühler 14 zum Kühlen des Kältemittels nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe 11 aufgenommen wird; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 zum Abscheiden von Gas aus dem zirkulierenden Kältemittel nach dem Sieden des Kältemittels und bevor das Kältemittel von der Pumpe 11 aufgenommen wird; und ein heizendes Element 3, das an dem Siedekühler 13 angebracht wird, zum Kühlen.
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Mit den oben beschriebenen Konfigurationen ist es möglich, durch die Zuführung des mikrobläschenhaltigen Kältemittels zum Siedekühler 13 das Sieden mit den Mikrobläschen als Schaumkerne zu unterstützen. Durch die Zufuhr des mikrobläschenhaltigen Kältemittels zum Siedekühler 13 kann das Kältemittel auch davon abgehalten werden, in einen Überhitzungszustand zu fallen, in dem das Kältemittel nicht zu sieden beginnt und auch bei einer Temperatur über dem Siedepunkt in flüssigem Zustand bleibt. Daher kann das heizende Element 3 entsprechend gekühlt werden, um die Temperatur des heizenden Elements 3 unter einer zulässigen Temperatur zu halten.
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Da das mikrobläschenhaltige Kältemittel dem Siedekühler 13 zur Unterstützung des Siedens zugeführt wird, ist ein herkömmliches Verfahren zur Bildung von Kavitäten auf der Wärmeübertragungsfläche nicht erforderlich. Die auf der Wärmeübertragungsfläche gebildeten Kavitäten können bei längerem Gebrauch mit den ausgefällten Verunreinigungen gefüllt werden. Aber auch wenn die Kavitäten auf der Wärmeübertragungsfläche mit Verunreinigungen gefüllt sind, dienen die Mikrobläschen als Schaumkerne zur Unterstützung des Siedens, so dass die Leistung des Siedekühlsystems 1 nicht beeinträchtigt wird.
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Da die Mikrobläschen zudem eine reinigende Wirkung haben, wird die Wärmeübertragungsfläche des Siedekühlers 13 gereinigt, um die Verunreinigungen zu entfernen, so dass die Wärmeübertragungseigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Dadurch kann die Kühlleistung des Siedekühlsystems 1 vor einer Verschlechterung geschützt werden, was eine lange Nutzungsdauer ermöglicht.
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Die Siedekühlvorrichtung 2 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung kann auch eine Konfiguration haben, in der der Mikroblasengenerator 12 ein Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator ist.
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Bei einer solchen Konfiguration können durch eine geeignete Rohrleitungsstruktur Mikrobläschen ohne bewegliche Teile, eine elektrische Schaltsteuerung oder ähnliches hergestellt werden. Dadurch kann der Stromverbrauch reduziert werden. Da zudem weder bewegliche Teile noch eine elektrische Schaltsteuerung erforderlich sind, wird die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert und die Zuverlässigkeit der Siedekühlvorrichtung erhöht.
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Da Mikrobläschen durch eine geeignete Rohrstruktur hergestellt werden, ist es auch nicht erforderlich, elektronische Bauteile zu verwenden, die besondere Aufmerksamkeit auf ihre Hitzebeständigkeit (elektronische Bauteile mit geringer Hitzebeständigkeit) für die Herstellung von Mikrobläschen erfordern. Die Siedekühlvorrichtung 2 mit dem Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator hat daher eine erhöhte Wärmebeständigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Geräten, so dass ein Kältemittel mit höherer Temperatur durch den Mikroblasengenerator 12 strömen können.
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Ausführungsform 2
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Ein Siedekühlsystem 1a und eine Siedekühlvorrichtung 2a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung werden anhand von 5 erläutert. Zu beachten ist, dass in dem Siedekühlsystem 1 gemäß Ausführungsform 1 der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 auf der Stromabseite des Radiators 14 ausgebildet ist. In der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung wird ein geändertes Beispiel erläutert, in dem ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 auf der Stromabseite des Siedekühlers 13 und auf der Stromaufseite des Radiators 14 ausgebildet ist. Die verschiedenen Punkte gegenüber der Ausführungsform 1 werden hauptsächlich erläutert, um Erklärungen für die gleichen oder entsprechenden Komponenten entsprechend wegzulassen.
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5 ist eine schematische Darstellung des Siedekühlsystems 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 dargestellt, ist im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 auf der Stromabseite des Siedekühlers 13 und auf der Stromaufseite des Radiators 14 ausgebildet. Ein im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 getrennter Gasbehälter 25a und ein Mikroblasengenerator 42 sind über eine Verbindungsleitung 34 verbunden.
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Die Verbindungsleitung 34 wird aus einem ähnlichen Material wie das in Ausführungsform 1 erläuterte Kältemittelrohr 16 gebildet; die Verbindungsleitung 34 ist an ihrem einen Ende mit einer Abluftöffnung des Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 und an ihrem anderen Ende mit einer Gaseintrittsöffnung des Mikroblasengenerators 42 verbunden.
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Als nächstes wird der Betrieb des Siedekühlsystems 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Pfeile 30 in 5 zeigen die Umlaufrichtung des Kältemittels an. Wie in 5 dargestellt, wird im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung das Kältemittel aus der Pumpe ausgetragen, dann strömt das Kältemittel in der Reihenfolge Mikroblasengenerator 42, Siedekühler 13, Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 und Radiator 14 über die Kältemittelleitungen 16 hindurch und wird wieder in die Pumpe geführt, um den Kreislauf zu schließen.
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Im Siedekühler 13 wird das Kältemittel mit Mikrobläschen zum Sieden gebracht und das siedende Kältemittel strömt in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25. Im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 wird das Kältemittel in Gas und Flüssigkeit getrennt. Hier verwendet das Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung einen Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerator als Mikroblasengenerator 42.
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Wie bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert, sinkt bei Verwendung eines Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerators vom Wirbel-Flüssigkeitsströmung-Typ oder Ejektortyp der statische Druckwert an den Gaseintrittsöffnungen 22c und 32d des Flüssigkeitsstromtyp-Mikroblasengenerators stärker als an der Abluftöffnung des Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25.
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Das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 abgeschiedene Gas strömt daher vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 zum Mikroblasengenerator 42 (die Gaseintrittsrichtung ist durch einen Pfeil 31 in 5 gekennzeichnet) und wird mit dem aus der Pumpe 11 austretenden Kältemittel zu mikrobläschenhaltigem Kältemittel vermischt, das dem Siedekühler 13 zugeführt wird
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Zu beachten ist, dass das Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kein externes Gas verwendet, sondern das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 abgeschiedene Gas zur Erzeugung von Mikroblasen. Im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung sind die Abluftöffnung des Gasbehälters 25a im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 und die Gaseintrittsöffnung des Mikroblasengenerators 42 über die Verbindungsleitung 34 verbunden. Der Kältemittel-Zirkulationsweg ist daher von außen abgedichtet. Kältemittel-Leckagen und Verunreinigungen von außen sind daher nicht zu befürchten.
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Es ist wünschenswert, dass es sich bei den Mikroblasen um nicht-kondensierbare Gase handelt (Gase, wie etwa Stickstoff, Kohlendioxid oder Luft, die in einem Betriebstemperaturbereich des Siedekühlsystems 1a nicht kondensieren). Handelt es sich bei den Mikrobläschen um Blasen des Kältemitteldampfes, können diese vor der Zuführung zum Siedekühler 13 teilweise kondensiert werden. Dadurch können die Mikrobläschen von nicht-kondensierbaren Gasen dem Siedekühler 13 sicherer zugeführt werden als die Mikrobläschen des Kältemittel-Dampfes. Die Mikrobläschen von nicht-kondensierbaren Gasen müssen nicht unbedingt nur aus nicht-kondensierbaren Gasen bestehen und können Kältemittel enthalten.
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Zu beachten ist, dass bei der Beschickung des Siedekühlsystems 1a mit dem Kältemittel Luftmischungen im Kältemittel entstehen, solange keine besonderen Maßnahmen (z.B. Evakuierung) getroffen werden. Das heißt, auch wenn das Quellgas für die Mikrobläschen nicht zusätzlich in das Siedekühlsystem 1a eingespeist wird, ist es möglich, das Gas aufzuladen. Andererseits kann an einem Teil des Kältemittel-Umlaufweges ein Bypassrohr (ohne Abbildung) ausgebildet werden, das mit der Außenseite kommuniziert, um eine halbdichte Rohrkonfiguration zu erhalten. Mit einer solchen Konfiguration kann das Quellgas für die Mikrobläschen einfach von außen in das Siedekühlsystem 1a eingespeist werden.
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Zu beachten ist, dass im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung Kältemittel, wie etwa R410, R407, Ammoniak, Ethanol, FCKW oder Kohlendioxid zusätzlich zu den bei der Ausführungsform 1 beschriebenen Kältemitteln verwendet werden können.
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Die Verbindungsleitung 34, die die Gaseintrittsöffnung des Mikroblasengenerators 42 und die Abluftöffnung des Gasbehälters 25a mit dem im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 abgetrennten Gas verbindet, kann auch mit einem Ventil 33 zur Einstellung des Gasdurchsatzes in der Verbindungsleitung 34 versehen werden. Durch das Einstellen des Öffnungsgrades des Ventils 33 kann die Gasmenge vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 zum Mikroblasengenerator 42 eingestellt werden. Das heißt, durch das Einstellen des Öffnungsgrades des Ventil 33 kann die Mikroblasenproduktionsmenge eingestellt werden.
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Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 kann auch so konfiguriert werden, dass der Einlaufstutzen auf seiner Stromaufseite über die Kältemittelleitung 16 mit dem Radiator 14 und der Auslaufstutzen auf seiner Stromabseite über die Kältemittelleitung 16 mit der Pumpe 11 verbunden ist. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 kann also so konfiguriert werden, dass der in 1 gezeigte Gas-Flüssigkeits-Abscheider 15 mit der Gaseintrittsöffnung des Mikroblasengenerators 42 über das Auslassrohr 17 als Verbindungsleitung verbunden wird.
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Wie oben beschrieben, ist das Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung 34 zur Verbindung der Gaseintrittsöffnung des Mikroblasengenerators 42 und der Abluftöffnung des Gasbehälters 25a mit in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 abgeschiedenem Gas ausgebildet ist.
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Bei einer solchen Konfiguration wird das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 abgeschiedene Gas zur Erzeugung von Mikroblasen im Mikroblasengenerator 42 genutzt, so dass keine Gasaufnahme von außen erforderlich ist. So kann der Kreislauf des Kältemittels eine geschlossene Struktur haben.
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Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit, dass das Kältemittel nach außen entweicht, deutlich reduziert werden, und auch die Möglichkeit, dass Verunreinigungen, wie etwa Fremdsubstanzen in das Kältemittel eingemischt werden, kann deutlich reduziert werden. Da auch ein Kältemittel-Verunreinigungsgemisch durch Luftzufuhr aus der Umgebung verhindert werden kann, kann beim Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung auch im Dauereinsatz verhindert werden, dass sich Verunreinigungen auf der Wärmeübertragungsfläche des Siedekühlers 13 niederschlagen. Dadurch können die auf der Wärmeübertragungsfläche des Siedekühlers 13 haftenden Ablagerungen reduziert und die Lebensdauer des Siedekühlsystems 1a verlängert werden.
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Im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung strömt das siedende Kältemittel im Siedekühler 13 in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25, bevor es durch den Radiator 14 strömt. Anschließend wird das siedende Kältemittel im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 in Gas und Flüssigkeit getrennt und das abgeschiedene Gas in den Mikroblasengenerator 42 eingeführt. Das im Mikroblasengenerator 42 aufgenommene Gas wird vom Radiator 14 nicht gekühlt, die Temperatur des Gases ist höher als die des Gases außerhalb des Siedekühlsystems 1a. So versorgt der Mikroblasengenerator 42 den Siedekühler 13 mit den Kältemittel enthaltenden Mikroblasen, die mit Hochtemperaturgas erzeugt werden und dadurch das Sieden im Siedekühler 13 weiter unterstützen können.
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Im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung können die Mikroblasen nicht-kondensierbare Gase sein.
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Bei dieser Konfiguration kondensieren die Mikrobläschen nicht, da es sich um nicht-kondensierbare Gase handelt; daher können dem Siedekühler 13 mehr Mikrobläschen zugeführt werden als bei den Mikrobläschen aus dem Kältemittel-Dampf.
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Da das im Siedekühler 13 gesiedete Kältemittel vor dem Durchströmen des Radiators 14 in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 25 strömt, kann verhindert werden, dass das aus Mikrobläschen gewonnene nicht-kondensierbare Gas im Radiator 14 verbleibt. Dadurch kann die Hemmung der Wärmeabgabe bzw. des Wärmeflusses durch die Ansammlung nicht-kondensierbaren Gases im Radiator 14 unterdrückt und somit ein stabileres Siedekühlsystem 1a geschaffen werden.
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Im Siedekühlsystem 1a gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann die Verbindungsleitung 34 mit dem Ventil 33 zur Einstellung des Durchflusses versehen werden.
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Mit einer solchen Konfiguration kann die Produktionsmenge der Mikrobläschen eingestellt und die Wärmeabgabecharakteristik des Siedekühlsystems 1a je nach Anwendung und Bedingungen variiert werden, um die Kühlleistung zu verbessern.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Ausführungsformen frei zu kombinieren und die Ausführungsformen ordnungsgemäß zu ändern oder dabei Merkmale wegzulassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Siedekühlsystem
- 2
- Siedekühlvorrichtung
- 3
- heizendes Element
- 11
- Pumpe
- 12
- 22, 32, 42: Mikroblasengenerator
- 13
- Siedekühler
- 14
- Radiator
- 15, 25
- Gas-Flüssigkeits-Abscheider
- 15a, 25a
- Gasbehälter
- 16
- Kältemittelleitung
- 22c, 32d
- Gaseintrittsöffnung
- 33
- Ventil
- 34
- Verbindungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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