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Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere
auf eine Wärmetaußcherausbildung angepaßt für Kraftfahrzeug-
oder andere Luftkonditionierungsverdampfer oder-Kondensatoren.
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Wo ein Wärmetauscher mit einem Arbeitsfluid betrieben wird, das
sowohl in gasformiger und flüssiger Phase vorliegt, kann der
Wärmeübertragungsvorgang durch exzessiven
Arbeitsfluiddruckabfall in solchen Bereichen begrenzt werden, wo sich das
Betriebsmittel in der Gasphase befindet. In einem Wärmetauscher,
der als ein Kondensator arbeitet, tritt dieses Problem des
Druckabfalls im Einlaßbereich auf; bei Wärmetauschern, die als
Verdampfer arbeiten, ergibt sich dies im Auslaßbereich.
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Bei einem als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher reduziert
der Druckabfall, der im Einlaßbereich auftritt, die
Sättigungstemperatur um einen Betrag, der proportional dem Druckabfall
ist. Dies hat eine Reduzierung des Temperaturpotentials zur
Folge, das den Wärmetausch vom eintretenden Betriebsmittel zum
zweiten Betriebsmittel (bspw. Luft) bewirkt, das über die
äußere Seite der ersten und zweiten Oberflächen strömt. Bei
typischen Anwendungen sind diese Oberflächen Rohre und zugeordnete
verrippungen, durch die das Arbeitsluid strömt. Angestellte
Bemühungen, um den Druckabfall zu reduzieren, umfassen
Mehrfacheinlaßanschlüsse und Zweigleitungen, was Zusatzkosten und
Kornplexität verursacht und die Zuverlässigkeit durch Erhöhung der
Anzahl von Variablen beim Herstellungsprozeß reduziert.
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Beim als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher hat ein
exzessiver Druckabfall auf der Auslaßseite des inneren
Betriebsmittelweges eine ähnliche Konsequenz, d.h. Reduktion des verfügbaren
Temperaturpotentials, um die Wärme vom Luftstrom aufzunehmen,
der über die Außenseite der Wärmetauscherrohre und Rippen
strömt.
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Darüberhinaus erfordert die Benutzung von Wärrnetauschern bei
Anwendungen im Fahrzeugbereich (einschließlich Trucks und
anderer Motorfahrzeuge), wie Luftkonditionierungssysteme, daß
solche
Einheiten kompakt sein müssen, geringes Gewicht haben und
hoch wirksam sind, um den gehobenen, restriktiven Vorgaben in
der modernen Fahrzeugtechnologie zu genügen.
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Auf diesem Gebiet offenbart die US-A-4 831 844 einen
Kondensator für ein Kühlsystem, worin die Konstruktion zur Lösung des
Problems des Druckabfalls sowohl kompliziert als auch sperrig
ist.
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Tatsächlich umfaßt der Strömungsweg vom Einlaß zum Auslaß einen
ersten und einen zweiten Abschnitt, die miteinander verbunen
sind, wobei das Kühlmittel Teilwege vom Einlaß zum Auslaß
strömt, auf verschiedenen Wegen durchströmt und den
verbleibenden Strömungspfad zum Auslaß in einem Weg strömt. Spezieller
heißt das, daß jedes Rohr im ersten Abschnitt parallel und
doppelt angelegt ist, während der zweite Abschnitt von geringerer
Länge nur ein Rohr ist, wobei die Rohre des ersten und zweiten
Abschnittes den gleichen Durchmesser haben.
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Wie schon festgestellt, ist diese Konstruktion sehr
kompliziert, teuer und unangemessen sperrig.
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Eingedenk der Probleme und Nachteile des bekannten Standes der
Technik ist es deshalb ein Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, eine Wärrnetauscherausbildung zu schaffen, die den
Druckabfall minimiert, verbunden mit einem
Zweiphasenarbeitsfluid in der Gasphase.
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Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine
Lösung für das vorerwähnte Druckabfallproblem vorzusehen, die
sowohl bei Verdampfern als auch Kondensatoren nutzbar ist.
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Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung,
einen Wärmetauscher vorzusehen, der die vorerwähnten Nachteile
behebt und der kompakt in seiner Gestaltung ist, ein geringes
Gewicht hat und der nicht zu unnötigen Schwierigkeiten bei der
Herstellung führt.
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Es ist noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung,
eine Wärmetauscherausbildung vorzusehen, die den Druckabfall in
der Gasphase eines Zweiphasenarbeitsfluids minimiert, und die
insbesondere geeignet ist für die Anwendung in Fahrzeug-,
industriellen, Handels- oder Wohnbereichsanwendungen.
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Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung,
einen Wärmetauscher zu schaffen, der in verschiedenen
Anwendungen nutzbar ist und der eine größere Effizienz bzgl.
herkömmlicher industriell, kommerziell, im Wohn- oder Fahrzeugbereich
angewendeter Wärmetauscher hat.
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Die obigen und anderen Zielsetzungen, die Fachkundigen offenbar
werden, werden durch die vorliegende Erfindung mit einer
Wärmetauscherausbildung erreicht, die ein Paar von Kopfteilen und
eine Vielzahl von Wärmetauschrohren vorsieht, die sich zwischen
den Kopfteilen erstrecken. Die Wärmetauschrohre sind so
ausgestaltet, um Wärme zwischen den Rippen auf der Außenseite der
Rohre und ein Arbeitsfluid in flüssiger oder gasförmiger Phase
in den Rohren auszutauschen. Ein den Gasdruckabfall
minimierendes Rohr erstreckt sich zwischen den Kopfteilen durch den
Arbeitsteil des Wärmetauschers und hat eine Querschnittsfläche,
die signifikant größer ist als die der anderen
Wärmetauschrohre. Das den Gasdruckabfall minimierende Rohr ist so
ausgebildet, um das Arbeitsfluid in einer Gasphase entweder am
Einlaß, wenn die Wärmetauscherausbildung als Kondensator benutzt
wird oder am Auslaß, wenn die Wärmetauscherausbildung als ein
Verdampfer benutzt wird, zu leiten. Ein Teil verbindet das den
Druckabfall minimierende Rohr an einem Ende mit mindestens
einem der Wärmeübergangsrohre für entweder die Übertragung des
gasförmigen Arbeitsfluids vom den Druckabfall minimierenden
Rohr zu den Wärmeübertragungsrohren für die Kondensation zu
einer Flüssigkeit, wenn die Ausbildung als Kondensator benutzt
wird oder für die Übertragung des gasförmigen Arbeitsfluids von
den Wärmeübertragungsrohren zu dem den Druckabfall
minimierenden Rohr, wenn die Ausbildung als Verdampfer benutzt wird. Eine
Mehrzahl von gebogenen Rohren verbindet die Wärmeübertragungs
rohre miteinander, um das Arbeitsfluid durch die Ausbildung zu
leiten.
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Die Ausbildung benutzt vorzugsweise gerade Wärmetauschrohre
zwischen den Kopfteilen, die kreisförmig sind und im
wesentlichen den gleichen inneren Querschnitt haben, und enthält das
den Drtickabfall minimierende Rohr innerhalb der
Wärmetauscherrohranordnung und innerhalb der Rippen, die sich auf den
Wärmetauschrohren befinden.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht der vorliegenden, als
Fahrzeugkondensator benutzten Erfindung ohne die Kühlrippen;
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Fig. 2 ist eine Teilfrontansicht des Kondensators gemäß Fig.
1, die die Rippenanordnung auf den Kondensatorrohren
zeigt.
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Kondensators gemäß Fig. 1,
angeordnet auf der Vorderseite eines
Fahrzeugmotorradiators;
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Fig. 4 ist eine schematische Seitenansicht, die den
Arbeitsfluidkreislauf durch den Kondensator gemäß Fig. 3
darstellt und
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Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht, die den
Kreislauf eines Arbeitsfluids durch einen
Fahrzeugverdampfer zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist.
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Die Komponenten der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise
aus leichtgewichtigem, wärmeleitfähigem Material, wie Aluminiums
hergestellt, obgleich zu bemerken ist, daß die hohe thermische
Wirksamkeit und andere Vortele der vorliegenden Erfindung im
Vergleich zum Stand der Technik primär auf seinen neuen
Merkmalen und Ausgestaltungen beruhen. Andere Metalle und Legierungen
können in Abhängigkeit von der Anwendung auch benutzt werden,
bspw. Kupfer, Messing und Edelstahl. Die Komponenten werden in
herkömmlicher Weise miteinander verbunden, bspw. durch
Schweißen, Löten, Verschmelzen o. dgl. In den verschiedenen,
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche Merkmale der Erfindung.
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In den Fig. 1 und 2 sind Vorderansichten der vorliegenden
Erfindung in einer Ausführungsform zur Verwendung als Kondensator
eines Fahrzeugluftkonditionierungsgerätes dargestellt. Wie in
Fig. 1 gezeigt, in der Kühlrippen nicht dargestellt sind,
umfaßt der Kondensator 10 eine Reihe von geraden, im Querschnitt
kreisförmigen Wärmeübertragungsrohren 12, die sich horizontal
und parallel zwischen zwei vertikalen Kopfteilen 14 und 16
erstrecken. Kopftragelemente 28 auf jeder Seite des Kondensators
10 nehmen die Enden der Kondensatorrohre 12 auf. Die Kopfteile
14 und 16 enthalten gebogene Kopfrohre 18, 20 und 21, die die
verschiedenen Rohre 12 verbinden und die das Arbeitsfluid, bei
dem es sich in diesem Fall um ein herkömmliches, zweiphasiges
Kühlmittel handelt, von einem Rohr zum nächsten überleiten. Wie
dargestellt (Fig. 1) sind die Kopfrohre 18 an den Kopfteilen 14
und 16 angeordnet und verbinden die Übertragungsrohre 12 für
den Transport des Arbeitsfluids. Das Einlaßrohr 22 und das
Auslaßrohr 24 stellen mit ihren freien Enden 22' und 24' eine
Fluidverbindung zwischen dem Kondensator 10 und anderen
Komponenten (nicht dargestellt) der Luftkonditioniereinheit eines
Fahrzeuges dar.
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Das gesamte Kühlmittel tritt in den Kondensator 10 durch das
Einlaßende 22 ein und passiert die gesamte Länge des
entsprechenden Kondensatoreinlaßrohres 22, wonach es in zwei separate
Fluidkreise durch ein "M"-förmig ausgebildetes und gebogenes
Rohrverbindungselement 20 aufgeteilt wird, das einen Einlaß 23
und zwei Auslässe 19 (Fig. 2) aufweist. U-förmig gebogene Rohre
18, von denen jedes einen Einlaß und einen Auslaß hat, leiten
den Kühlmittelstrom in jedem Kreis von einem Rohr 12 zum
nächsten, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Bei der
dargestellten Ausführungsform sind die Rohrreihen zwischen der
Vorder- und Rückseite des Kondensators gestaffelt angeordnet.
Außer oben und unten verbinden die Kopfrohre Frontrohre mit
Frontrohren und rückseitige Rohre mit rückseitigen Rohren. Zwei
separate Fluidkreise aus separaten Wärmeübertragungsrohren 12
sind durch ein "M"-förmig ausgebildetes und gebogenes
Rohrelement 21, das zwei Einlässe und einen Auslaß hat,
wiedervereinigt. Die vereinigte Strömung des Betriebsfluids wird durch das
Auslaßrohr 24 und durch den Auslaßanschluß 24' zu anderen
Teilen der Luftkonditionierungseinheit (nicht dargestellt)
geleitet.
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Wie im Detail in Fig. 2 dargestellt, sind eine Reihe von
individuellen Rippeneinheiten 30 parallel zueinander angeordnet,
wobei die Ebene jeder Rippe vertikal und senkrecht zur
Ansichtsfläche des Kondensators 10 angeordnet sind und parallel
zur durchströmenden Luftströmung. Die Rippen 30 erstrecken sich
in Reihe und decken den gesamten Kernbereich des Kondensators
zwischen den Köpfen 28 ab. Um die gewünschte Konvektionskühlung
zu erzielen, sind die Rippen dicht auf den Rohren 12, 22 und 24
angeordnet oder in anderer Weise mit diesen verbunden, die
einer Wärmeleitung zwischen den Rohren und den Rippen förderlich
ist. Jede Rippe 30 erstreckt sich im wesentlichen komplett quer
über die Tiefe des Kondensators 10, um den Kontakt mit der
durchströmenden Luftströmung zu maximieren.
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Eine Seitenansicht des Kondensators 10 gemäß der Fig. 1 und 2
ist in der Form dargestellt, wie es der Frontanordnung eines
Automobilradiators 26 in typischer Konfiguration entspricht.
Die Luftströmung ist mit Pfeilen in Fig. 3 verdeutlicht.
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Bei der Kondensatorausführungsform gemäß der Fig. 1, 2 und 3
tritt das Betriebsfluid typisch gasförmig vom Verdampfer aus in
den Kondensator 10 ein, nachdem die Wärme von den Passagieren
oder anderen Teilen eines Fahrzeuges durch die
Verdampfereinheit aufgenommen wurde. Um den Druckabfall des eintretenden
gasförmigen Kühlmittels zu reduzieren und die Reduktion der
Sättigungstemperatur zu minimieren, hat das Einlaßrohr 22 längs
mit dem zugehörigen Rohrende 22' und dem Kopfrohreinlaß 23
einen inneren Querschnitt, der gleichförmig und signifikant
größer bemessen ist als die Querschnittsfläche der einzelnen
Wärmeübertragungsrohre 12 und des Auslaßrohres 24 in den
Kreisen, die sie beschicken. Vorzugsweise ist der innere
Querschnitt des ganzen, den Druckabfall minimierenden Rohres 22',
22 und 23 mindestens etwa 10% größer und bevorzugt mindestens
etwa 15% größer als der innere Queschnitt der verbleibenden
Rohre in der ganzen Ausbildung. Diese verbleibenden Rohre 12,
18, 19, 21 und 24 haben alle angenähert den gleichen inneren
Durchmesser und Querschnitt. Wie dargestellt, wirkt das den
Druckabfall minimierende Rohr 22 auch als Wärmeübertragungsrohr
und erstreckt sich demgemäß zwischen den Kopfteilen 14, 16
innerhalb der Reihe der Wärmeübertragungsrohre 12 und Rippen 30.
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Die Vorsehung eines größeren inneren Querschnitts in dem den
Druckabfall minimierenden Rohr 22 reduziert den Druckabfall,
der sich sonst erfahrungsgemäß in einer Wärmetauschereinheit
einstellt, die ein Einlaßrohr mit der gleichen Größe wie die
anderen Rohre 12, 18 und 24 benutzt, und zwar ohne
Rohrverzweigungen oder andere Komplexitäten vorsehen zu müssen. In
Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung erstreckt sich auch das den Druckabfall
minimierende Rohr 22 innerhalb der Gestaltung der Rohre 12 und Rippen
30. In einer typischen Anwendung, wie in den Fig. 1 bis 3
gezeigt, haben die Wärmeübertragungsrohre 12 einschl. des Rohres
24 und des Endes 24' einen Durchmesser von 8,86 mm und eine
Wandstärke von 0,63 mm. Das Einlaßrohr 22 einschließlich des
Rohrendes 22' und des "M"-förmigen Einlasses 23 würden einen
Durchmesser von 9,40 mm haben und eine Wandstärke von 0,81 mm
und ist angenähert 90% größer bzgl. der inneren
Querschnittsfläche
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In Fig. 4 ist ein endansichtsartiges Kreisdiagramm des
Strömungsweges des Betriebsfluids durch verschiedene
Wärmeübertragungsrohre und Kopfrohre, beschrieben in Verbindung mit den
Fig. 1 bis 3, dargestelt. Wärmeübertragungsrohre 12, Einlaßrohr
22 und Ausläßrohr 24 sind im Querschnitt dargestellt. Die
Plazierung der verbindenden Kopfrohre sind als Verbindungen der
Rohre 12, 22 und 24 in ausgezogenen Linien dargestellt, um die
Kopfrohre auf der nahen Seite des Kondensators 10 zu
verdeutlichen und in gestrichelten Linien, um die Kopfrohre auf der
fernen Seite des Kondensators 10 zu verdeutlichen. Diese
Verbindungskopfrohre sind durch Hinzufügung des Buchstabens "a" zu
denjenigen Rohren auf der nahen Seite (d.H. 18a) bezeichnet und
der Buchstabe "b" ist den Kopfrohren auf der fernen Seite (d.h.
18b) des Kondensators 10 beigefügt.
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In Fig. 5 ist eine Seitenschematik eines "Kreisdiagrammes"
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wie sie für einen Fahrzeugverdampfer benutzt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist die Verdampferkonstruktion
grundsätzlich die gleiche wie die des Kondensators mit der
Ausnahme, daß die Ein- und Auslässe umgekehrt sind und die
Konfiguration der Kopfrohre mehrere Reihen von vorn nach hinten
umfaßt. Der Verdampfer 32 umfaßt eine Mehrzahl von parallelen, im
Querschnitt kreisförmigen Wärmeübertragungsrohren 34, die sich
in fünf gestaffelten Reihen (von vorn nach hinten) zwischen den
Kopfstücken (nicht dargestellt) erstrecken. Das parallele
Einlaßrohr 33 dient für die Einführung kondensierten, flüssigen
Kühlmittels durch sein nahes Ende (wie aus Fig. 5 ersichtlich)
und hat die gleiche Größe und Querschnittsfläche wie die
anderen Wärmeübertragungsrohre 34. Das Einlaßrohr 33 ist am fernen
Ende des Kondensators 32 (wie aus Fig. 5 ersichtlich) durch ein
dreifußartiges Kopfrohr 36b mit zwei anderen
Wärmeübertragungsrohren 34 verbunden. Das Betriebsfluid, das in zwei separate
Kreise geteilt wird, passiert dann durch verschiedene
Wärmeübertragungsrohre und gleich bemessene U-förmige
Kopfverbindungsrohre 38a (dargestellt als voll ausgezogenes Kopfrohr 34)
am nahen Ende des Verdampfers 32 oder durch U-förmige
Verbindungsrohre 38b (dargestellt als gestrichelte Linien, die
Wärmeübertragungsrohre 34 verbindend) am rückseitigen Ende des
Verdampfers 32.
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Nach Passage durch die verschiedenen Wärmeübertragungsrohre 34
und Kopfrohre 38 werden die beiden separaten Fluidkreise mit
dem Kühlmittel wieder in eine partielle oder volle Gasphase
vereinigt und verlassen den Verdampfer am nahen Ende des
Auslaßrohres 39
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das parallele,
kreisförmige Auslaßrohr 39 ein den Druckabfall minimierendes Rohr mit
einheitlicher und signifikant größerer innerer
Querschnittsfläche als der Rest der Wärmeübertragungsrohre 34. Ein
dreifußartiges, dreibeiniges Verbindungskopfrohr 35b vereinigt das
Betriebsfluid von zwei separaten Wärmeübertragungsrohren 34 am
fernen Ende des Verdampfers 32 in einen einzigen Strom, der
dann durch das den Druckabfall minimierende Rohr 39 strömt und
den Verdampfer am nahen Ende verläßt. Bei der gezeigten
zweikreisigen Ausführungsform hat das Verdampferauslaßrohr 39
angenähert einen 15% größeren Querschnitt als die restlichen
Rohre 33 und 34. Wie bei der Kondensatorausführungsform gemäß
der Fig. 1 bis 4 dient das Auslaßrohr 39 dazu, den Druckabfall
des gasförmigen Kühlmittels zu reduzieren, das durch dieses
Rohr strömt, und minimiert dabei die Reduktion des verfügbaren
Temperaturpotentials, um die Wärme vom Luftstrom aufzunehmen,
der außen den Wärmetauscher durchströmt.
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Wie bei der Kondensatorausführungsform hat der Verdampfer 32
eine gestaffelte Rohranordnung von der Frontseite her gesehen
(mit fünf Reihen anstelle von zwei Reihen) und hat eine
Kühlrippenreihenanordnung auf den Rohren 33, 34 und 39. Durch den
Einbezug des den Druckabfall minimierenden Rohres 39 in die
Rippen und die Anordnung der Wärmeübertragungsrohre im Bereich
des wirksamen Teils des Wärmetauschers ist eine beträchtliche
Komplexität einer Verzweigungsanordnung eliminiert, was die
Zuverlässigkeit der Ausbildung verbessert und die Kosten senkt.
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Wenn mit einer Auslaßrohrgröße von 15,9 mm im Durchmesser und
bzgl. der restlichen Rohre mit einer Größe von 12,7 mm
Durchmesser benutzt, zeigte die in Fig. 5 dargestellte
Ausführungsform des Verdampfers einen beträchtlich größeren Wärmeübergang
im Vergleich zu einem ähnlichen Verdampfer, der ein Auslaßrohr
aufweist, das den gleichen Durchmesser hat wie die restlichen
Rohre. Bei einer typischen Fahrzeugverdampferausbildung betrug
die Vergrößerung angenähert 756 kcal/h. Demgemäß kann die
Erfindung entweder als Kondensator benutzt werden, bei dem ein
Teil oder das ganze des Betriebsfluid zu einer Flüssigkeit
kondensiert wird, oder als Verdampfer, bei dem ein flüssiges
Betriebsfluid ganz oder teilweise zu einem Gas verdampft wird. In
jedem Fall ist das Primärrohr des Wärmetauschers, das die ganze
oder teilweise Gasphase entweder in oder aus der Einheit führt,
im Querschnitt signifikant größer als die Mehrzahl der
Restrohre der Einheit.