DE2536817A1 - Fluessigkeitsfalle und -sammler, insbesondere zum schutz des kompressors in einer kuehlanlage - Google Patents

Description

Flüssigkeitsfalle und -sammler, insbesondere zum Sqhutz des Kompressors in einer Kühlanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsfalle und einen Flüssigkeitssammler, insbesondere zum Schutz des Kompressors in einer Kühlanlage, wozu sie zwischen dem Kompressor und dem Verdampfer angeordnet wird.

Sehr häufig ist jedoch in dem zurückzuführenden Gas flüssiges Kühlmittel und öl enthalten, und das Vorhandensein ausreichend großer Mengen derartiger Flüssigkeit, die "schubartig" zum Kompressor zurückkehren, kann schwerwiegende Schaden an diesem Teil des Systems hervorrufen. Auch nach anderen Zuständen, etwa nach einem Entfrosten oder nach einer sehr langen Betriebs- unterbrechung kann beim Anlaufen häufig ein plötzlicher Schub von kondensierter Kühlflüssigkeit zum Kompressor gepumpt werden. Wenn derart große Mengen flüssigen Kühlmittels oder Öls in die Kompressionskammer eines Verdrängungskompressors kommen, kann dies infolge der Inkompressibilität zu einem sogenannten Kompressorschub führen, wodurch erhebliche Schaden an den Rohren oder Ventilen, den Kolben und den Verbindungsstangen

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auftreten können. Besteht die Flüssigkeit im wesentlichen aus kondensiertem Kühlmittel, so kann infolge der hohen Löslichkeit des Öls im flüssigen Kühlmittel eine Verdünnung des Schmieröls eintreten, so daß eine erhebliche Verminderung der Schmierung der Lager und der sich bewegenden Flächen eintritt, wodurch ebenfalls Schäden am Kompressor auftreten \

können.

Zur Vermeidung oder zumindest Verminderung derartiger Kompressorschäden wurden bereits Saugsammler benutzt. Die bisherigen Sammler enthielten Einrichtungen zum Stauen und Ableiten des eintretenden Gas/Flüssigkeitsstroms vom austretenden Gasstrom, um so zu verhindern, daß im Gasstrom enthaltene Flüssigkeit zusammen mit dem zurückgeführten Gas direkt nach unten in den Kompressor gelangte. Diese vorbekannten Sammler hatten unvermeidlich eine geringe Wirksamkeit bezüglich dem Druckabfall über der Einrichtung. Da Druckabfälle über irgendeinem Bauelement in der Saugleitung eines Kühlsystems einen negativen Einfluß auf die Gesamtkapazität des Systems haben, muß der gesamte Druckabfall so gering wie möglich gehalten werden.

Ein idealer Sammler sollte das Auftreten von Flüssigkeitsschüben verhindern und gleichzeitig kein Ausbrennen des Kompressors durch zurückgeführtes öl verursachen. Zusätzlich sollte ein idealer Sammler einen möglichst geringen Strömungswiderstand, d.h. Druckabfall erzeugen und selbst bei sehr

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niedrigen Temperaturen, wie sie normalerweise in Kühlsystemen auftreten, zufriedenstellend arbeiten.

In der US-PS 3 754 409 ist bereits ein Sammler beschrieben, der die beiden in ihn eintretenden Strömungsphasen von dem den Sammler verlassenden Strömungsweg ableitet. Während dieser Ableitung fällt der flüssige Anteil infolge Schwerkraft nach unten und allein die Dämpfe verlassen den Sammler, um in die Ansaugseite des Kompressors einzutreten. Wie in dieser US-Patentschrift dargestellt, wird ein J-förmiges Rohr bestimmter Ausbildung und Anordnung verwendet, das außerdem mittels einer im unteren Teil des J vorgesehenen Öffnung eine ölrückführung und Stauungen vermeidet.

Es ist auch bereits bekannt (US-PS 2 953 906) ein sich über die Einlaßöffnung erstreckendes, J-förmiges Rohr zu verwenden, so daß der Gasstrom zweimal seine Richtung ändert, nämlich einmal vom Boden der Kammer zu deren oberen Teil und einmal vom oberen Teil der Kammer zum Einlaß des J-förmigen Rohres, wodurch ein erheblicher Druckabfall eintritt.

Die Erfindung betrifft demgegenüber eine Flüssigkeitsfalle und -sammler, insbesondere zum Schutz des Kompressors in einer Kühlanlage, mit einer Kammer, die durch einen einen Einlaßanschluß und einen Auslaßanschluß aufweisenden Deckel verschlossen

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ist und in der aufrecht ein J-förmiges Rohr befestigt ist, dessen langer Schenkel mit dem Auslaßanschluß verbunden ist und dessen kurzer Schenkel im Abstand oberhalb des Kammerbodens endet, und die sich dadurch auszeichnet, daß der kurze Schenkel des J-förmigen Rohres zur Vermeidung einer fluchtenden Ausrichtung mit der öffnung des Einlaßanschlusses etwas \
gebogen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfalle bzw. dem erfindungsgemäßen Sammler wird bei minimalem Druckabfall im System ein schubartiger Transport von Flüssigkeit vermieden und ein Schutz des Kompressors sichergestellt. Insbesondere ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit gegen den Austritt von großen Flüssigkeitsmengen aus dem Sammler zum Kompressor beim Anlaufen des Systems und/oder im Betrieb mit einem hohen Flüssigkeitsstand im Sammler. Die Flüssigkeitstrennung ist besonders gut, ohne daß sich ein wesentlicher Druckabfall ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kühlanlage mit flüssigem Kühlmittel .

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Schnitt durch die erfindungsgemäß© Flüssigkeitsfalle und den Flüssigkeitssammler.

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Fig. 3 zeigt vergrößert einen Schnitt entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung das Äußere des Flüssigkeitssammlers.

Fig. 5 zeigt vergrößert in einem Teilschnitt die Verbindung des Auslasses des J-förmigen Rohres mit dem Auslaßanschluß des Sammlers.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 5-5 aus Fig. 6.

Fig. 1 zeigt schematisch eine mit Flüssigkeit arbeitende Kühlanlage, bei der ein Sammler 10 gemäß der Erfindung ein zylindrisches Gehäuse 12 aufweist,, das einen Deckel 14 und einen Boden 16 hat. Zum Anschluß an die Anlage ist ein Einlaß 18 und ein Auslaß 20 vorgesehen. Die Anlage enthält, wie bei derartigen Anlagen üblich, einen Verdampfer 22 und einen Kompressor 24, zwischen denen der Sammler 10 angeordnet ist. Ferner weist die Anlage einen Kondensator 26 auf. Der Einlaß 18 ist über eine Leitung 28 an den Verdampfer 22 angeschlossen, während zwischen dem Sammler 10 und dem Kompressor 24 eine Leitung und zwischen dem Kompressor 24 und dem Kondensator 26 eine Leitung 32 verläuft. Wie schematisch bei 36 angedeutet, kann in der Leitung zwischen Kondensatorauslaß und Verdampfereinlaß eine Expansions- oder eine Verengungseinrichtung angeordnet

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sein. Die Strömungsrichtungen sind in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.

Der in den Figuren 2 bis 6 dargestellte Sammler weist einen Deckel 14 auf, in dem ein Einlaßanschluß 18 und ein Auslaßanschluß 20 angeordnet ist. Ein Befestigungsansatz 38 kann mit entsprechenden Halterungen verbunden werden und trägt eine entfernbare Gewindeschutzkappe 40. Für den Einlaßanschluß und den Auslaßanschluß 20 sind entfernbare Dichtungsstopfen 42 und 44 vorhanden, die aus elastischem Kunststoff o.a. bestehen. Im Inneren des zylindrischen Gehäuses 12 ist ein J-förmiges Rohr 44 mittels einer unteren Halterung 48 befestigt.

Der lange Schenkel des J-föniligen Rohres 46 weist an seinem oberen Ende eine Erweiterung oder Vergrößerung 62 auf, die mittels eines Paßsitzes (Fig. 5 und 6) im Auslaßanschluß gehalten ist, durch den ein Ringraum 66 zum Austritt von Gas gebildet wird. Der kürzere Schenkel 52 des J-förmigen Rohres 46 erstreckt sich von der unteren Krümmung 54, in der eine kleine öffnung 50 zur Kontrolle des Rückflusses von kleinen Öl- und/oder Kühlflussigkeitsmengen vorhanden ist, nach oben. Durch die dargestellte Anordnung der Öffnung des J-förmigen Rohres bezüglich dem Einlaßanschluß ergibt sich ein minimaler Druckabfall, während gleichzeitig der Kompressor geschützt ist. Dies wird durch die Länge des kurzen Schenkels 52 bezüglich

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der Gesamtlänge des Sammlers und bezüglich des Abstandes des unteren Teils des Rohres vom Abstand des Einlasses erreicht. Gegenüber dem J-förmigen Rohr gemäß US-PS 3 754 409 ist der kurze Schenkel 52 der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich verlängert. Dadurch erhält man eine zusätzliche Sicherheit gegen den Austritt zu großer Flüssigkeitsmengen aus dem Sammler und deren Zufuhr zum Kompressor in schädigenden Mengen beim Anlaufen der Anlage und/oder beim Betrieb mit hohem Flüssigkeitsstand im Sammler. Der kurze Schenkel des J-förmigen Rohres bzw. dessen Eingangsseite ist geringfügig gebogen, wie dies bei 58 angedeutet ist, um eine genaue Ausrichtung des Einlasses 60 des Rohres auf den Einlaßanschluß 18 des Sammlers zu vermeiden. Hierbei kann es sich um eine einfache Biegung oder auch um die Versetzung der beiden Rohrabschnitte handeln, wodurch eine bessere Flüssigkeitstrennung bei Betrieb unter gleichen Bedingungen erreicht wird. Versuche haben gezeigt, daß diese Abwandlungen keinen nachteiligen Einfluß auf den Druckabfall im Sammler haben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Einlaßöffnung des J-förmigen Rohres gegenüber dem Einlaßanschluß des Sammlers um etwa 90 versetzt. Hierdurch ergeben sich keine Geschwindigkeitsumkehrungen, jedoch eine größere Wirksamkeit durch die Verhinderung des Eintritts von Flüssigkeitstropfen in das J-förmige Rohr.

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Gegebenenfalls kann der kurze Schenkel 58 des J-förmigen Rohres weitere kleine öffnungen 70, 72 in unterschiedlichen Abständen vom Biegebereich aufweisen, wodurch sichergestellt wird, daß rückgeführte Flüssigkeit aus der oberen Schicht stammt, in der sich die mit öl angereicherte Phase befindet. Die Durchmesser derartiger-öffnungen können zum offenen Ende des J-förmigen Rohres allmählich zunehmen, um in etwa gleiche Strömungen von den öffnungen zu erhalten. Ferner könnte eine kleine Belüftungsöffnung eben unterhalb des Halses des Austrittes des J-förmigen Rohres vorgesehen werden, deren Durchmesser mindestens gleich dem der am tiefsten liegenden öffnung im Rohr ist.

Die versetzte Stellung des kurzen Schenkels 52 ist in Fig. 3 bezogen auf einen gestrichelt gezeichneten Kreis 58 angedeutet, der die Innenfläche des Einlaßanschlusses bezeichnet.

Die Länge des kurzen Schenkels 52 und damit der Abstand der Einlaßöffnung 60 vom Boden des Sammlers kann verändert werden. Wie in den Figuren dargestellt, erstreckt sich der kurze Schenkel beispielsweise bis über die senkrechte Mitte des Sammlers und kann etwa um eine Strecke in der Größe des 2- bis 3-fachen des Durchmessers des Einlaßanschlusses 18 verlängert werden. ..

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Mittels der Erfindung wird außerdem eine sichere Entfernung von angesammeltem öl und/oder flüssigem Kühlmittel aus der Kammer möglich, ohne daß eine schubweise Förderung auftritt. Figuren 2, 5 und 6 zeigen typische Einzelheiten des J-förmigen Rohres 46 mit der Flüssxgkeitsrückführöffnung 56, die vier Nasen 64 aufweist. Während im vorliegenden Fall vier Nasen dargestellt sind, sind zur zentrischen Anordnung der Außenfläche des Auslasses des J-förmigen Rohres im Auslaßanschluß mindestens drei Nasen erforderlich. Man erkennt, daß der durch die Höhe der nach innen gerichteten Nasen 64 gebildete Durchmesser einen Festsitz mit dem Auslaßende 62 des J-förmigen Rohres bewirkt, wenn diese beiden entsprechend Fig. 5 aneinander angepaßt sind. Dadurch wird eine starre Halterung des oberen Endes des J-förmigen Rohres erzielt, wenn dieses innerhalb des Sammlers befestigt ist. Außerdem stellt der Querschnittsbereich zwischen dem äußeren Umfang des Rohres 62 und dem inneren Umfang des Auslaßanschlusses 20 sowie den Nasen 64, der durch den punktierten Bereich 66 bezeichnet ist, einen vorbestimmten Bereich bzw. eine Ringöffnung für austretendes Gas dar, was später erklärt werden wird.

Wird flüssiges Kühlmittel oder öl in die Sammlerkammer "gesprüht", so trifft der überwiegende Teil der Tröpfchen entweder auf axe Sammlerinnenwände und läuft an ihnen herab oder fällt ohne zu schaden auf den Boden, wo sich die Flüssigkeit sammelt. Setzt

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sich dieser Betrieb über eine längere Zeitspanne fort, so steigt der Flüssigkeitsspiegel bis zu einem Punkt eben unterhalb der Flüssigkeitsrückführöffnung 54. Dann erzeugt der durch das J-förmige Rohr zurückströmende Dampf infolge seiner hohen Strömungsgeschwindigkeit an der öffnung einen Bereich geringen Druckes, und es wird Flüssigkeit angesaugt, durch die öffnung befördert und mit dem Gas zurückbewegt. Die kleine öffnung 50 sowie die öffnungen 70 bis 72 dienen als Meßöffnungen, die den Flüssigkeitsstrom in das J-förmige Rohr und zum Kompressor begrenzen.

Während die öffnung so ausgebildet sein kann, daß sie während des Betriebs der Anlage den Eintritt von zu großen Flüssigkeitsmengen in das J-förmige Rohr sicher verhindert, kann sie bei Stillstand der Anlage, wenn kein Dampf durch die Krümmung des J-förmigen Rohres strömt, nicht das Eintreten von öl und flüssigem Kühlmittel in dieses Rohr verhindern. Es kann dann so viel Flüssigkeit durch die öffnung in das Rohr eintreten, daß dessen Krümmungsbereich bzw. Knie vollständig gefüllt wird. Dieser Zustand ergibt sich sehr häufig und muß berücksichtigt werden. Wenn das Rohr der einzige Weg für das zum Kompressor zurückkehrende Gas wäre, dann würde durch den gefüllten unteren Bereich de« Rohres ein Schub eingeschlossener Flüssigkeit auf einmal zurückgeführt werden, was möglicherweise Schäden am Kompressor hervorrufen würde.

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Bisher bekannte Sammler wiesen kleine Belüftungsöffnungen nahe dem oberen Ende der ölrückführrohre auf, um einen Nebenschluß für das Gas zu bilden, wenn das ölrückführrohr gesperrt und durch den Flüssigkeitsspiegel abgedichtet war, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Der Grund dafür besteht in einem Druckausgleich in der ganzen Anlage, wenn diese für längere Zeit zum Stillstand kommt, wobei dann das Kühlmittel kondensiert und in der Kammer gesammelt wird. Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig hoher Sättigungsdruck des Kühlmittels an der Ansaugseite, also auch im Sammler. Unmittelbar nach Wiederanlaufen des Kompressors wird die Ansaugleitung auf einen erheblich niedrigeren Druck heruntergepumpt. Infolge der in dem ölrückführrohr eingeschlossenen Flüssigkeit bleibt der Druck in Strömungsrichtung vor dem Sammler im wesentlichen gleich, also hoch, während der Druck stromabwärts erheblich verringert wird. Wäre keine eine innere Verbindung bildende Belüftungsöffnung zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßanschluß vorhanden, so könnte der hohe Druck hinter der Flüssigkeitsansammlung die Flüssigkeit in einem Schub zum Kompressor befördern. Eine übliche Belüftungsöffnung bildet eine Verbindung zwischen der auf hohem Druck liegenden Seite und dem auf niedrigem Druck liegenden Rohranschluß und erzeugt dadurch einen zeitweisen Nebenschluß über dem ölrückführrohr für das unter Druck stehende Gas, bis der hohe Druck durch Pumpwirkung des Kompressors abgebaut ist. Bei einigen bisherigen Anordnungen konnten unter

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gewissen Bedingungen keine ausreichenden Gasmengen fließen, um den Druck auszugleichen. Dadurch wurde ein Teil der Flüssigkeit im Rohr stromabwärts gepreßt, um zeitweise Platz für das unter hohem Druck stehende Gas zu schaffen.

Durch die Befestigung des J-förmigen Rohres im Auslaßanschluß, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wird eine Einstellung der Größe der Belüftung in Abhängigkeit von den übrigen Konstruktionswerten möglich. Um eine zuverlässige Belüftung sicherzustellen, sollte der Querschnittsbereich 66 des Nebenschlusses eine Größe von 5 % bis 50 % des gesamten Querschnittes der Saugleitung haben, wobei der wirklich gewählte Nebenschlußquerschnitt von vielen unterschiedlichen Betriebsbedingungen abhängt. Es sei darauf hingewiesen, daß es eine Anzahl von Möglichkeiten zur Ausbildung eines geeigneten Belüftungsquerschnittes gibt. Ein wesentliches Merkmal besteht darin, daß eine sichere Belüftung unter minimaler Störung des Gasstromes sowohl während des Belüftens als auch insbesondere während des normalen Betriebes erreicht wird, so daß der Druckabfall sehr gering ist. Der Bereich kann selbstverständlich bei richtiger Anpassung des Durchmessers des Auslasses 62 des J-förmigen Rohres bezüglich der inneren Querschnittsfläche des Auslaßanschlusses 20 und der Höhe der Nasen oder Vorsprünge auf die gewünschten optimalen Bedingungen eingestellt werden.

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Ein weiteres Merkmal der Auslaßanschlußanordnung besteht in einem stromlinienförmigen Abschnitt, der eine Venturi-Wirkung am Auslaßanschluß hervorruft, wie dies in der US-PS 3 483 erwähnt ist. Diese Venturi-Wirkung entsteht bei Beschleunigung des durch den Sammler fließenden Kühlmitteldampfes in dem Bereich geringen Querschnittes 66. Durch das mit hoher Geschwindigkeit strömende Gas entsteht am Auslaß 68 des J-förmigen Rohres ein Bereich geringeren Druckes, der eine Verdampfung von Kühlmittelflüssigkeit im Rohr fördert und die Entfernung von öl und/oder flüssigem Kühlmittel unterstützt, indem die Flüssigkeit durch Pumpwirkung nach oben durch das Rohr gedrückt wird. Durch die stromlinienförmige Ausbildung des Venturi-Bereiches wird ein wirksameres Pumpen erreicht, ohne daß erhöhte Verluste an kinetischer Energie entstehen, so daß die Kapazitätsverluste der Anlage verringert werden. Eine gute Venturi-Wirkung hängt vom Querschnittsbereich ab, durch den _v* das beschleunigte Gas strömen muß. Daher ist eine richtige Dimensionierung und Formung der Venturi-Verengung ebenfalls erforderlich. Dies läßt sich wiederum durch den Aufbau des Auslaßanschlusses und des J-förmigen Rohres erreichen. Man erkennt, daß eine optimale Anpassung erforderlich ist, und daß bei dem erfindungsgemäßen Aufbau diese für einen gegebenen Zustand sehr leicht durch entsprechende Ausbildung der Größe des Venturi-Bereichs und des Nebenschlusses erzielt werden kann.

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Der vorstehend beschriebene Sammler wurde sehr ausführlich unter unterschiedlichsten und schwersten Bedingungen geprüft. Diese Prüfungen zeigten, daß sich bei dem erfindungsgemäßen Sammler ein Druckabfall ergab, der geringer war, als die Hälfte des Druckabfalls bei dem besten zur Zeit auf dem Markt befindlichen Sammler. Die ölrückführversuche waren unter allen Bedingungen gut. Flüssigkeitsfüllprüfungen, bei denen flüssiges Kühlmittel vor dem Wiederanlassen des Sammlers im Inneren der Kammer bis auf unterschiedliche Höhen angesammelt wurde, wurden durchgeführt, wobei die Behälter bis zu 80 % mit flüssigem Kühlmittel gefüllt waren und der Einlaß 56 des J-förmigen Rohres sich erheblich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befand. Beim Wiederanlassen des Kompressors ergab sich keinerlei schubartige Förderung von Flüssigkeit.

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Claims (9)

Ansprüche

1. Flüssigkeitsfalle und -sammler, insbesondere zum Schutz des Kompressors in einer Kühlanlage, mit einer Kammer, die durch einen einen Einlaßanschluß und einen Auslaßanschluß aufweisenden Deckel verschlossen ist, und in der aufrecht ein J-förmiges Rohr befestigt ist, dessen langer Schenkel mit dem Auslaßanschluß verbunden ist und dessen kurzer Schenkel im Abstand oberhalb des Kammerbodens endet, dadurch gekennzeichnet, daß der kurze Schenkel des J-förmigen Rohres aus einer senkrecht fluchtenden Lage mit dem Einlaßanschluß herausgebogen ist.

2. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Befestigungsbereich zwischen dem langen Schenkel des J-förmigen Rohres und dem Auslaßanschluß ein Abstand vorhanden ist und das J-förmige Rohr mittels sich vom Auslaßanschluß nach innen erstreckender Nasen im Festsitz starr gehalten wird, wobei das eingesteckte Ende des J-förmigen Rohres einen vergrößerten Durchmesser hat und zwischen ihm und dem AuslaßanSchluß ein Durchlaß zum Durchtritt von Gas vorgesehen ist.

3. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der kurze Schenkel des

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J-förmigen Rohres nach oben bis über die Mitte der Kammer erstreckt.

4. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der kurze Schenkel des J-förmigen Rohres bis zu einem Abstand des doppelten oder dreifachen Durchmessers des Einlaßanschlusses von diesem nach oben erstreckt.

5. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung des kurzen Schenkels des J-förmigen Rohres um etwa 90° gegenüber dem Einlaßanschluß der Kammer verdreht ist.

6. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seite der Krümmung bzw. des Knies des J-förmigen Rohres mittig mindestens eine Flüssigkeitsrückführöffnung vorgesehen ist.

7. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im kurzen Schenkel des J-förmigen Rohres oberhalb der Flüssigkeitsrückführöffnung mindestens eine öffnung vorgesehen ist.

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8. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Anzahl von im kurzen Schenkel des J-förmigen Rohres vorgesehener Flüssigkeitsrückführöffnungen mit zunehmendem Durchmesser.

9. Flüssigkeitsfalle und -sammler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Eareich zwischen eingestecktem Ende des J-förmigen Rohres und dem Auslaßanschluß zwischen 5 % und 50 % des Querschnittsbereiches des Auslasses des J-förmigen Rohres beträgt.

su:kö

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