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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verflüssiger, an welchem ein Sammelbehälter zum
Abtrennen und Bevorraten von Kühlmittel
integral angebracht ist, und zwar für ein Kühlsystem zur Verwendung in
einem Kraftfahrzeug.
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Kühlsysteme
für ein
Kraftfahrzeug, bei welchem ein Kühlmittelsammelbehälter integral
an einem Verflüssiger
angebracht ist, um Montageraum zu sparen, sind bereits bekannt.
Ein derartiger Typ eines Kühlsystems
ist beispielsweise in der US-A-5 546 761 offenbart. Der bei diesem
Typ eines Kühlsystems
verwendete Verflüssiger
ist ein Verflüssiger,
der allgemein als Mehrstrom-Verflüssiger bezeichnet wird. Der
Verflüssiger
besteht allgemein aus einem Paar von Wasserkästen und einem Kern mit mehreren
Rohren, durch welche Kühlmittel
strömt,
die horizontal zwischen den zwei Wasserkästen angeordnet sind. Ein Kühlmitteleinlassanschluss
ist am oberen Abschnitt von einem der Wasserkästen (einem ersten Wasserkasten)
angeordnet, und ein Kühlmittelauslassanschluss
ist an einem unteren Abschnitt desselben Wasserkastens angeordnet.
Trennelemente sind in jedem Wasserkasten angeordnet, um einen Raum
in diesem Wasserkasten in mehrere Räume derart zu unterteilen,
dass vom Einlassanschluss zuströmendes
Kühlmittel
durch die Rohre des Kerns in Serpentinenweise strömt und aus
dem Auslassanschluss ausströmt.
Ein Kühlmittel-Sammeltank
ist am anderen Wasserkasten (einem zweiten Wasserkasten) angebracht,
an welchem die Einlass- und Auslassanschlüsse nicht angeordnet sind. Der
zweite Wasserkasten und der Sammelbehälter kommunizieren miteinander
durch ein erstes Verbindungsloch, das an einem unteren Abschnitt
des zweiten Wasserkastens gebildet ist. Das in dem Kern kondensierte
Kühlmittel
strömt
in den Sammeltank durch das erste Verbindungsloch und wird in gasförmige und
flüssige
Teile darin getrennt. Ein zweites Verbindungsloch ist in einer Position
unter dem ersten Verbindungsloch gebildet, und die ersten und zweiten Verbindungslöcher sind
durch ein Trennelement in den zweiten Wasserkasten getrennt. Das
flüssige Kühlmittel
in dem Sammelbehälter
strömt
in den zweiten Wasserkasten durch das zweite Verbindungsloch und
strömt
außerdem
in einen Unterkühlungsabschnitt
des Kerns, wo das flüssige
Kühlmittel unterkühlt wird.
Daraufhin strömt
das unterkühlte flüssige Kühlmittel
aus dem Auslassanschluss aus, der an einem unteren Abschnitt des
ersten Wasserkastens angeordnet ist.
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Bei
dem wie vorstehend beispielhaft ausgeführten Verflüssiger sind sowohl der Einlassanschluss
wie der Auslassanschluss am ersten Wasserkasten angeordnet und der
Sammelbehälter
ist in den zweiten Wasserkasten integriert. Es ist jedoch mitunter
schwierig, sowohl den Einlassanschluss sowie den Auslassanschluss
am selben Wasserkasten anzuordnen, um den speziellen Auslegungsanforderungen
an Leitungen und Rohre für
das Kühlsystem in
einem Motorraum zu entsprechen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter für ein Kühlsystem
zu schaffen, in welchem eine geeignete Kühlmittelmenge gefüllt werden
kann, während
das unterkühlte
Kühlmittel
konstant gehalten wird.
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Bei
dem Verflüssiger
mit integriertem Sammelbehälter
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein erster und ein zweiter Wasserkasten an beide
Enden eines Wärmetauscherkerns
so angeschlossen, dass Kühlmittel,
das durch den Wärmetauscherkern strömt, in die
Wasserkästen
und aus diesen heraus strömt
bzw. fließt.
Am oberen Abschnitt des ersten Wasserkastens ist ein Einlassanschluss
angeordnet, aus welchem überhitztes
Kühlmittel,
das von einem Kompressor herrührt,
fließt.
Ein Auslassanschluss, von welchem in dem Wärmetauscherkern verflüssigtes
Kühlmittel
ausströmt,
ist am Bodenabschnitt des zweiten Wasserkastens angeordnet. Ein
Innenraum des ersten Wasserkastens ist durch ein Trennelement in
zwei Räume
unterteilt, d.h. einen oberen Raum, in welchem das überhitzte
Kühlmittel
einströmt,
und einen unteren Raum, in welchen das in dem Wärmetauscherkern abgekühlte Kühlmittel
einströmt.
Ein Kühlmittel-Sammelbehälter ist
mit dem ersten Wasserkasten durch Löten an einer Position verbunden,
wo Wärme
des überhitzten
Kühlmittels
in dem oberen Raum des ersten Wasserkastens nicht übermäßig zu dem
Sammelbehälter übertragen
wird. Insbesondere ist der Sammelbehälter so angeordnet, daß er den
oberen Raum des ersten Wasserkastens nicht mehr als 10 mm überlappt.
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Da übermäßige Wärme nicht
zu dem Sammelbehälter
ausgehend vom oberen Raum des ersten Wasserkastens übertragen
wird, verdampft flüssiges
Kühlmittel,
das in dem Sammelbehälter
bevorratet ist, nicht. Der gesamte Raum des Sammelbehälters kann
deshalb als Raum zum Bevorraten von flüssigem Kühlmittel genutzt werden, und
demnach kann zusätzliches
Kühlmittel
zum Kompensieren eines möglichen
Verlusts des Kühlmittels,
verursacht durch eine Leckage, aus dem Kühlsystem in das System gefüllt werden,
ohne den Betrieb des Systems ungünstig
zu beeinflussen. Insbesondere kann das zusätzliche Kühlmittel eingefüllt werden,
während
die Unterkühlungstemperatur
konstantgehalten wird.
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Es
ist bevorzugt, den Sammelbehälter
mit dem ersten Wasserkasten so zu verbinden, daß kein Abschnitt des Sammeltanks
den oberen Raum des ersten Wasserkastens überlappt, um den Effekt zu erhöhen, eine
Wärmeübertragung
zu verhindern. Außerdem
ist es bevorzugt, den Wärmetauscherkern
in zwei Abschnitte zu unterteilen, d.h. in einen oberen Abschnitt,
der als Kühlmittelverflüssigungsabschnitt dient,
und einen unteren Abschnitt, der als Unterkühlungsabschnitt zum weiteren
Abkühlen
des flüssigen Kühlmittels
dient.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht eines Verflüssigers
mit integriertem Sammelbehälter
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zusammen mit konzeptionellen Ansichten
weiterer Komponenten, die ein Kühlsystem
bilden,
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2A bis 2D Draufsichten
von Sammelbehälter-integrierten
Verflüssigern,
in welchen Trennmittel in Wasserkästen in unterschiedlichen Positionen
angeordnet sind,
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3A eine
Querschnittsansicht einer Kontaktabmessung eines ersten Wasserkastens
und eines Sammelbehälters,
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3B eine
Tabelle von unterschiedlichen Kontaktbereichen bzw. -flächen des
ersten Wasserkastens und des Sammelbehälters entsprechend der in 2A bis 2D gezeigten
Struktur,
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3C eine
Querschnittsansicht einer Verbindung des ersten Wasserkastens mit
dem Sammelbehälter
zur Erläuterung
der Wärmeübertragung zu
dem Sammelbehälter
und ausgehend von diesem,
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4 eine
Kurvendarstellung einer Kühlmittelfüllkennlinie,
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5 eine
Draufsicht eines Verflüssigers
mit integriertem Sammelbehälter
als dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zusammen mit konzeptionellen Ansichten
weiterer Komponenten, welche ein Kühlsystem bilden, und
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6 ein
Mollier-Diagramm unter Darstellung der Arbeitsweise eines Kühlsystems.
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Anhand
von 1 wird zunächst
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert. 1 zeigt
einen Sammelbehälter-integrierten Verflüssiger 2 zusammen
mit weiteren Komponenten, die in einem Kühlsystem zur Verwendung in
einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Das Kühlsystem besteht aus einem
Kompressor 1 zum Komprimieren von Kühlmittel, einem Sammelbehälter-intregrierten
Verflüssiger 2,
einem Sichtglas 3, einem temperaturempfindlichen Expansionsventil 4,
einem Verdampfer 5 und einer Leitung bzw. einer Rohrleitung, welche
diese Komponenten zum Bilden eines geschlossenen Kühlkreislaufs
verbindet.
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Der
Kompressor 1 ist in einem Motorraum angebracht und wird
durch einen Motor über
einen Antriebsriemen und eine elektromagnetische Kupplung 1a angetrieben.
Wenn die elektromagnetische Kupplung 1a erregt ist, wird
der Kompressor 1 durch den Motor angetrieben und saugt
Kühlmittel
darin aus dem Verdampfer 5 und komprimiert das Kühlmittel.
Das komprimierte Kühlmittel
unter hohem Druck und bei hoher Temperatur wird dem Sammelbehälter-integrierten
Verflüssiger 2 zugeführt. Der
Sammelbehälter-integrierte
Verflüssiger 2 besteht
aus einem Paar von Wasserkästen,
einem ersten und einem zweiten Wasserkasten 21 und 22,
von denen jeder eine im wesentlichen zylindrische Form hat, einem
Wärmetauscherkern 23,
der zwischen dem Paar von Wasserkästen angeordnet ist, und einem
Sammelbehälter 31,
der auf dem ersten Wasserkasten 21 angeordnet ist. Der
gezeigte Verflüssiger
wird üblicherweise
als Mehrfluß-
bzw. Mehrstromverflüssiger bezeichnet.
Der Wärmetauscherkern 23 besteht
aus mehreren flachen Rohren 24, die horizontal zwischen den
ersten und zweiten Wasserkasten 21 und 22 angeordnet
sind, und gewellten Rippen 25, die zwischen den flachen
Rohren 24 in Wärmeübertragungsbeziehung
angeordnet sind. Ein Ende der flachen Rohre 24 ist mit
dem ersten Wasserkasten 21 verbunden und das andere Ende
mit dem zweiten Wasserkasten 22. Ein Kühlmitteleinlaßanschluß 26 ist
an einem oberen Abschnitt des ersten Wasser kastens 21 angeorndet,
und ein Kühlmittelauslaßanschluß 27 ist
an einem unteren Ende des zweiten Wasserkastens 22 angeordnet.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind ein erstes Trennelement 28 und ein zweites Trennelement 29 in dem
ersten Wasserkasten 21 angeordnet, und ein drittes Trennelement 30 ist
in dem zweiten Wasserkasten 22 angeordnet. Ein Raum in
dem ersten Wasserkasten 21 ist durch die ersten und zweiten
Trennelemente 28 und 29 in drei Räume 21a, 21b und 21c unterteilt.
Ein Raum in dem zweiten Wasserkasten 22 ist durch das dritte
Trennelement 30 in zwei Räume 22a und 22b unterteilt.
Das aus dem Einlaßanschluß 26 fließende bzw.
strömende
Kühlmittel
fließt
zwischen dem ersten Wasserkasten 21 und dem zweiten Wasserkasten 22 durch
die flachen Rohre 24 in Serpentinenweise. Das zweite Trennelement 29 in dem
ersten Wasserkasten 21 und das dritte Trennelement 30 in
dem zweiten Wasserkasten 22 sind auf gleicher Höhe angeordnet.
Der Sammelbehälter 31 mit
im wesentlichen zylindrischer Form ist mit dem ersten Wasserkasten 21 durch
Löten in
einer Position unter dem Einlaßanschluß 26 verbunden.
Komponenten und Teile des Verflüssigers
mit integriertem Sammelbehälter 2 bei
der vorliegenden Ausführungsform
bestehen sämtliche
aus Aluminium und sind durch Löten
integral verbunden.
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Ein
Raum in dem Sammelbehälter 31 steht
in Verbindung mit dem Zwischenraum 21b des ersten Wasserkastens 21 durch
ein erstes Verbindungsloch 32, das geringfügig oberhalb
dem zweiten Trennelement 29 gebildet ist. Der Raum in dem
Sammelbehälter 31 steht
außerdem
mit dem unteren Raum 21c des ersten Wasserkastens 21 durch
ein zweites Verbindungsloch 33 in Verbindung, das geringfügig unterhalb
des zweiten Trennelements 29 gebildet ist. Das erste Trennelement 28 ist
in einer Stellung höher als
eine Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 bei der ersten
Ausführungsform
angeordnet. Ein oberer Teil des Wärmetauscherkerns 23 über den
zweiten und dritten Trennelementen 29 und 30 bildet
einen Kondensierabschnitt 34, in welchem das Kühlmittel, das
von dem Kompressor 1 herkommt, abgekühlt und durch Kühlluft kondensiert
wird, die durch den Wärmetauscherkern 23 strömt. Die
Kühlluft
wird durch ein (nicht gezeigtes) Kühlgebläse geblasen, das durch den
Motor angetrieben ist. Ein unterer Teil des Wärmetauscherkerns 23 unterhalb
dem zweiten und dem dritten Trennelement 29 und 30 bildet
einen Unterkühlabschnitt 35,
in welchem flüssiges
Kühlmittel,
das in dem Sammelbehälter 31 abgetrennt
bzw. in dieses getrennt ist, weiter abgekühlt wird, indem Wärme mit
der Kühlluft
ausgetauscht wird. Mit anderen Worten besteht der Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger 2 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
aus dem Kondensierabschnitt 34, dem Unterkühlabschnitt 35 und
dem Sammelbehälter 31,
welche Teile sämtliche
in einen einzigen Körper
bzw. ein einziges Gehäuse
integriert sind. Ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Trocknungsmittel
zum Absorbieren von Wasser in dem Kühlmittel ist in dem Sammelbehälter 31 angeordnet.
Eine Grenzschicht aus gasförmigem
und flüssigem
Kühlmittel
in dem Sammelbehälter 31 ist
auf einem Zwischenniveau zwischen dem zweiten Trennelement 29 und
der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 angeordnet, wenn
die Menge des in das System gefüllten
Kühlmittels
eine normale Menge ist.
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Der
Sammelbehälter-integrierte
Verflüssiger 2 ist üblicherweise
an vorderster Stelle eines Fahrzeugs (vor einem Radiator) angebracht
und wird durch ein Kühlgebläse abgekühlt, das
gemeinsam mit dem Radiator gebildet ist. Das Sichtglas 3,
das ein Sichtfenster 3a aufweist, ist eine Einrichtung
zum Prüfen,
ob die Menge des in das System gefüllten Kühlmittels normal ist oder nicht,
und zwar durch Beobachten des Zustands des Gas/Flüssigkeit-gemischten
Kühlmittels,
das in dem Teilkühlabschnitt 35 des
Wärmetauscherkerns 23 abgekühlt wird
und aus dem Auslaßanschluß 32 herausfließt. Das
Sichtglas 3 ist in einer Position im Motorraum angebracht,
wo es problemlos beobachtet werden kann, beispielsweise in einer
Position in einem Kühlmittelrohr
in der Nähe
des Verflüssigers
mit integriertem Sammelbehälter 2.
Das Sichtfenster 3 ist hermetisch auf dem Sichtglas 3 angebracht.
Wenn einige Blasen in dem Kühlmittel
durch das Sichtfenster beobachtet werden, wird beurteilt, daß die Menge
des in das System gefüllten
Kühlmittels
nicht ausreicht. Wenn keine Blasen beobachtet werden, wird beurteilt,
daß die
Menge des Kühlmittels
ausreichend bzw. normal ist.
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Das
temperaturempfindliche Expansionsventil 4 ist in der Nachbarschaft
einer Einlaßöffnung des
Verdampfers 5 installiert. Es handelt sich um eine Einrichtung
zum adiabatischen Expandieren des Kühlmittels, das eine hohe Temperatur
und einen hohen Druck aufweist, und zum Wandeln desselben in vernebeltes
Gas/Flüssigkeits-Gemischkühlmittel, das
niedrige Temperatur und niedrigen Druck aufweist. Ein Öffnungsgrad
des temperaturempfindlichen Expansionsventils 4 wird automatisch
so gesteuert, daß die
Temperatur des Kühlmittels
an einer Auslaßöffnung des
Verdampfers 5 auf einen vorbestimmten Pegel gehalten wird.
Der Verdampfer 5 ist zwischen das temperaturempfindliche
Ventil 4 und den Kompressor 1 geschaltet. Der
Kühlmittelnebel bzw.
das Kühlmittelgas/flüssigkeitsgemisch
wird dem Verdampfer 5 von dem Expansionsventil 4 zugeführt und
darin durch Tauschen von Wärme
mit Luft von der Außenseite
oder Innenseite des Fahrzeugs verdampft, die durch ein (in der Zeichnung
nicht gezeigtes) Gebläse
einer Klimaanlage zugeführt
wird. Eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs wird durch Latentwärme des
Kühlmittels
klimatisiert, das in dem Verdampfer 5 verdampft wird. Der
Verdampfer 5 ist in einer Klimatisierungseinheit in der
Fahrgastzelle installiert.
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Nunmehr
wird die Arbeitsweise des Kühlsystems
erläutert.
Wenn der Motor des Fahrzeugs gestartet wird und das Kühlmittelsystem
eingeschaltet ist, wird die elektromagnetische Kupplung 1a des Kompressors 1 erregt.
Der Kompressor 1 wird angetrieben und das Kühlmittel
wird darin komprimiert. Das komprimierte und heiße Kühlmittel wird von dem Kompressor 1 zu
dem oberen Raum 21a des ersten Wasserkastens 21 durch
den Einlaßanschluß 26 zugeführt. Daraufhin
fließt
das Kühlmittel
durch die oberen Rohre 24 in dem Verflüssigungsabschnitt 34 des Kerns 23 und
tritt in den oberen Raum 22a des zweiten Wasserstanks 22 ein.
Das Kühlmittel,
das in dem Raum 22a eine U-Kehre ausführt, fließt durch die unteren Rohre 24 und
tritt in den Zwischenraum 21b des ersten Wasserkastens 21 ein.
Während
des Kurses des Flusses durch die Rohre in dem Verflüssigungsabschnitt 34 wird
das Kühlmittel
durch Wärmetauschen
mit Kühlluft
gekühlt
und wird zu einem gesättigten
flüssigen
Kühlmittel,
das teilweise gasförmiges
Kühlmittel
enthält.
Das gesättigte
flüssige
Kühlmittel
tritt in den Sammelbehälter 31 durch
das erste Verbindungsloch 32 ein. In dem Sammelbehälter 31 wird
das Kühlmittel
in gasförmige
und flüssige
Teile getrennt und darin bevorratet. Daraufhin tritt das flüssige Kühlmittel
in den Sammelbehälter 31 in den
unteren Raum 21c des ersten Wasserbehälters 21 durch das
zweite Verbindungsloch 33 ein und fließt durch die Rohre 24 in
dem Unterkühlabschnitt 35. Während des
Kurses des Flusses bzw. der Strömung wird
das flüssige
Kühlmittel
weiter abgekühlt
(unterkühlt).
Das unterkühlte
flüssige
Kühlmittel
tritt in den unteren Raum 22b des zweiten Wasserkastens 22 ein
und strömt
aus dem Auslaßanschluß 27 aus.
Das unterkühlte
flüssige
Kühlmittel
wird dem temperaturempfindlichen Expansionsventil 4 durch
das Sichtglas 3 zugeführt.
Das unterkühlte
flüssige
Kühlmittel wird
durch das Expansionsventil 4 expandiert und in ein nebelförmiges Kühlmittel/Gas/Flüssigkeitsgemisch
mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck gewandelt. Daraufhin
wird der Kühlmittelnebel
in dem Verdampfer 5 durch Absorbieren von Wärme aus
Luft verdampft, die ihrerseits die Fahrgastzelle kühlt. Das
heiße
gasförmige
Kühlmittel,
das in dem Verdampfer 5 verdampft wird, wird in den Kompressor 1 gesaugt,
in welchem das Kühlmittel
erneut komprimiert wird.
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Durch
Experimente wurde ermittelt, daß die Position
des ersten Trennelements 28 sehr wesentlich ist, um die
gewünschte
Arbeitsweise des Systems zu erhalten und um insbesondere eine zufriedenstellende
Kühlmittelfüllkennlinie
zu erzielen. Mehrere Prototypen des Empfänger-integrierten Verflüssigers,
bei welchem die Position des ersten Trennelements 28 variiert
wurde, wurden hergestellt. Vier Beispiele sind in 2A bis 2D gezeigt,
bei welchen die Position des ersten Trennelements 28 ausgehend
von der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 gemessen
wird. Die Trennelementposition L1 des in 2A gezeigten
Prototyps beträgt
50 mm, die Position L2 in 2B 20
mm und die Position L3 in 2C 10
mm. Das Trennelement 28 bei dem in 2D gezeigten
Prototyp ist dasselbe wie bei der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform
und in einer Position 20 mm über
der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 angeordnet.
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Bei
dem in 2A gezeigten Prototyp, dessen
Trennelement 28 bei L1 = 50 mm positioniert ist, kann das
Kühlmittel
nicht in das Kühlsystem
mit zufriedenstellender Kennlinie bzw. Eigenschaft gefüllt werden,
wie im folgenden erläutert. 4 zeigt
eine Füllkennlinie,
bei welcher die Unterkühlungstemperatur
auf der Ordinate als Funktion einer zusätzlichen Menge (nachfolgend
erläutert)
des Kühlmittels
auf der Abszisse aufgetragen ist. Üblicherweise wird bei dem Kühlsystem
zur Verwendung in einem Fahrzeug eine bestimmte Kühlmittelmenge,
beispielsweise etwa 100 g, zusätzlich
in das System gefüllt,
nachdem Blasen in dem Kühlmittel
durch das Sichtglas 3 bei dem Füllprozeß nicht beobachtet wurden,
so daß die
Kühlfähigkeit
nicht abnimmt, wenn ein Teil des Kühlmittels aus dem System ausleckt.
Die zusätzliche
Menge des Kühlmittels
ist im Bereich von 50 bis 150 g eingestellt, und zwar unter Berücksichtigung
einer Änderung
bzw. Variation des Füllprozesses.
Die Kurve (a) in 4 zeigt eine Kühlmittelfüllkennlinie des
in 2A gezeigten Prototyps. Die Kurven in 4 sind
unter den folgenden Bedingungen aufgetragen: ein Klimaanlagengebläse ist auf
HOCH (eine Luftmenge von 450 m3/h) eingestellt,
die Umgebungstemperatur beträgt
30°C und
der Motor läuft
im Leerlauf (750 UpM). Wie aus der Kurve (a) hervorgeht, steigt
die Unterkühlungstemperatur
kontinuierlich im Bereich der zusätzlichen Kühlmittelmenge von 50 auf 150
g an. In diesem Bereich ist es höchst
erwünscht,
daß die
Unterkühlungstemperatur
konstant gehalten wird, um eine Druckzunahme im System zu verhindern
und um eine Erhöhung
der Kompressorlast zu verhindern. Dies bedeutet, daß der in 2A gezeigte
Prototyp das Erfordernis für
eine Kühlmittelfüllkennlinie
nicht erfüllt.
Der Grund, weshalb die Unterkühlungstemperatur
bei dem Füllprozeß für das zusätzliche
Kühlmittel
bei dem in 2A gezeigten Prototyp ansteigt,
kann wie folgt erläutert
werden. Der Sammelbehälter 31 hat
die Funktion, überschüssiges Kühlmittel
in dem System zu bevorraten, um eine Kühlmittelleckage aus dem System
zu kompensieren. Er ist deshalb ursprünglich so ausgelegt, daß die Arbeitsweise
des Kühlzyklus
durch den Pegel des flüssigen
Kühlmittels
in dem Sammelbehälter 31 nicht
beeinträchtigt
wird, bis er vollständig
gefüllt
ist. Da bei dem in 2A gezeigten Prototyp das erste Trennelement 28 unter
der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 mit einem
Abstand L1 (50 mm) angeordnet ist, überlappt der obere Raum 21a des
ersten Wasserkastens 21 den Sammelbehälter 31 bezüglich der
Abmessung L1. Die Temperatur des oberen Raums 21a ist hoch,
weil das gasförmige
Kühlmittel
hoher Temperatur in den oberen Raum 21a ausgehend vom Einlaßanschluß 26 fließt. Wärme wird
leicht von dem oberen Raum 21a zu dem überlappten Sammelbehälter 31 übertragen,
da diese Komponenten sämtliche
aus wärmeleitfähigem Material,
wie etwa Aluminium, bestehen. Der Sammelbehälter 31 wird deshalb
erwärmt.
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Der
Zustand des Kühlmittels
im oberen Raum 21a und im Sammelbehälter 31 ist in einem Mollier-Diagramm
in 6 gezeigt. Der Zustand des heißen gasförmigen Kühlmittels im oberen Raum 21a ist
durch einen Punkt A in dem Diagramm bezeichnet (beispielsweise beträgt seine
Temperatur 80°C),
und der Zustand des gesättigten
Kühlmittels
in dem Sammelbehälter 31 ist
durch einen Punkt D bezeichnet (beispielsweise beträgt seine
Tempera tur 50°C).
Die Punkte B und C bezeichnen den Zustand des Kühlmittels im Verlauf des Verflüssigungsabschnitts 34 und
ein Punkt E bezeichnet denjenigen des Auslasses des Unterkühlungsabschnitts 35.
Wenn das zusätzliche
Kühlmittel
in das System gefüllt
wird, steigt der Pegel des flüssigen
Kühlmittels
in dem Sammelbehälter 31 allmählich und übersteigt
die Position des ersten Trennelements 28. In dieser Situation
wird das Kühlmittel
in dem Sammelbehälter 31 erwärmt und
in diesem verdampft. Es ist deshalb für das flüssige Kühlmittel schwierig, seinen
Pegel im Sammelbehälter 31 zu
erhöhen.
Mit anderen Worten, kann der Raum über dem ersten Trennelement 28 in
dem Sammelbehälter 31 nicht
als Raum zum Bevorraten des Kühlmittels
verwendet werden, und demnach fließt das zusätzliche flüssige Kühlmittel, das eingefüllt wurde,
nachdem der Kühlmittelpegel
des Kühlmittels
in dem Sammelbehälter 31 die
Position des ersten Trennmittels 28a erreicht hat, über in den
Kern 23. Es wurde gefunden, daß die Füllcharakteristika (a), die
in 4 gezeigt sind, dem vorstehend erläuterten
Phänomen
entspricht.
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Ein
weiterer Prototyp des Sammelbehälter-integrierten
Verdampfers ist in 2B gezeigt und weist das erste
Trennelement 28 in einer Position L2 = 20 mm auf, wie vorstehend
erwähnt.
Die Kühlmittelfüllcharakteristik
dieses Prototyps ist als Kurve (b) in 4 gezeigt.
Wie aus dieser Kurve hervorgeht, nimmt die Unterkühlungstemperatur
im Bereich des zusätzlichen
Kühlmittels
50 ~ 150 g allmählich zu,
obwohl die Temperaturzunahme vermindert ist im Vergleich zu der
Kurve (a) für
den Prototyp von 2A.
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Der
in 2C gezeigte Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger weist
das erste Trennelement 28 in einer Position L3 = 10 mm
auf. Seine Füllkennlinie
ist als Kurve (c) in 4 gezeigt. Aus der Kurve geht
hervor, daß der
Unterkühlungstemperaturanstieg
während
des Füllbereichs
von 50 ~ 150 g sehr gering ist. Dies ist deshalb der Fall, weil
der Sammelbehälter 31 den
heißen
oberen Raum 21a lediglich um eine Strecke von 10 mm überlappt.
Aus der Füllkennlinie
kann das Urteil getroffen werden, daß der in 2C gezeigte
Sammelbehälter-integrierte
Verflüssiger
ohne praktisches Problem genutzt werden kann. Deshalb ist dieses
als zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung gewählt.
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Der
in 2D gezeigte Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger ist
derselbe wie bei der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform,
bei welcher das erste Trennelement 28 20 mm über der Oberseite 31a des
Sammelbehälters 31 angeordnet ist.
Seine Füllkennlinie
ist als Kurve (d) in 4 gezeigt. Wie aus der Kurve
hervorgeht, kann das zusätzliche
Kühlmittel
von 50 ~ 150 g eingefüllt
werden, ohne eine Beeinträchtigung
der Unterkühlungstemperatur
zu ergeben.
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Einige
weitere Details betreffend den Kontaktbereich bzw. die Kontaktfläche des
ersten Wasserkastens 21 und des Sammelbehälters 31 sowie der
Wärmeübertragung
dazwischen werden nunmehr in bezug auf 3A, 3B und 3C erläutert. 3A zeigt
eine Querschnittsansicht des Kontakts des Sammelbehälters 31 mit
dem ersten Wasserkasten 21, welcher an sich für sämtliche
Ausführungsformen
und Beispiele gemeinsam ist, die in 2A ~ 2D gezeigt
sind. Der Sammelbehälter 31 mit
einem Außendurchmesser von
OD = 34,7 mm und der erste Wasserkasten 21 sind durch Löten verbunden
und kontaktieren einander unter einem Abstand von L = 14,4 mm. 3B zeigt
die Kontaktflächen
bzw. -bereiche S1 S4 entsprechend den in 2A ~ 2D gezeigten
Sammelbehälterintegrierten
Verdampfern. 3C zeigt ein Wärmegleichgewicht
(Balance) in dem Sammelbehälter 31. Eine
Wärmemenge
Q1 wird zu dem Sammelbehälter 31 ausgehend
von dem oberen Raum 21a des ersten Wasserkastens 21 durch
den in 3B gezeigten Kontaktbereich übertragen,
und eine Wärmemenge Q2
wird von dem Sammelbehälter 31 nach
außen
abgestrahlt und durch Kühlluft
ausgehend von der Vorderseite abgekühlt. Je größer die Kontaktfläche S1 S4
ist, desto größer ist
die Wärmemenge
Q1, die zu dem Sammelbehälter 31 ausgehend
von dem oberen Raum 21a überführt wird. Bei der in 2C gezeigten
zweiten Ausführungsform,
die eine Kontaktfläche S3
(S3 = 144 mm2) aufweist, sind Q1 und Q2
nahezu ausgeglichen (Q1 ~ Q2). Dies spiegelt sich in der Kühlmittelfüllkennlinie
(c) in 4 wieder.
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Eine
dritte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist ein weiteres Trennelement 36 den ersten und zweiten
Trennelementen 28 und 29 in dem ersten Wasserkasten 21 gemäß den vorangehenden
Ausführungsformen
hinzugefügt,
und ein weiteres Trennelement 37 ist dem dritten Trennelement 30 in
dem zweiten Wasserkasten 22 der vorstehenden Ausführungsformen
zugefügt.
Das Trennelement 36 ist in einer Position zwischen den
ersten und zweiten Trennelementen 28 und 29 angeordnet.
Das Trennelement 37 in dem zweiten Wasserkasten 22 ist in
einer Position entsprechend einer Zwischenposition zwischen den
Trennelementen 28 und 36 im ersten Wasserkasten 21 angeordnet.
Durch Hinzufügen des
Trenn elements 36 in dem ersten Wasserkasten 21 ist
der Zwischenraum in dem ersten Wasserkasten 21 in zwei
Räume 21b und 21b' unterteilt.
Der obere Raum des zweiten Wasserkastens 22 ist in zwei
Räume 22a und 22a' durch das zusätzliche Trennelement 37 unterteilt.
Da der Verflüssigungsabschnitt 34 der
dritten Ausführungsform
außerdem durch
die zusätzlichen
Trennelemente unterteilt ist, führt
das Kühlmittel
in dem Verflüssigungsabschnitt 34 mehrere
Kehren durch.
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Der
Unterkühlungsabschnitt 35 des
Wärmetauscherkerns 23 bei
den vorangehenden Ausführungsformen
kann getrennt von dem Verflüssigungsabschnitt 34 angeordnet
sein. In diesem Fall ist der Auslaßanschluß 27 des zweiten Wasserkastens 22 weggelassen
und der Ausgangsanschluß ist
an dem Sammelbehälter 31 angeordnet.
Der Auslaßanschluß an dem
Sammelbehälter
ist durch eine Rohrleitung mit einem getrennt angeordneten Unterkühlungsabschnitt
verbunden. Es ist außerdem
möglich, die
vorliegende Erfindung auf ein System anzuwenden, das keinen Unterkühlungsabschnitt
aufweist.
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Während die
vorliegende Erfindung in bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
erläutert
wurde, erschließen
sich dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen, ohne
von der durch die anliegenden Ansprüche festgelegten Erfindung
abzuweichen.