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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer, insbesondere für
eine Klima-, Kältemaschine oder Wärmepumpe, zur
teilweisen oder vorteilhaft vollständigen Verdampfung einer
Flüssigkeit, insbesondere bei sehr niedrigen Sättigungsdampfdrücken.
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Um
Verdampfer mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es notwendig,
große Wärmeübergangskoeffizienten an
der Heizoberfläche bei der Verdampfung herzustellen. Der
Wärmeübergangskoeffizient ist durch den Verdampfungsprozess
an sich (Art des Siedevorgangs) und die Stoffwerte der zu verdampfenden
Flüssigkeit bedingt. Herkömmlich werden Ammoniak,
Kohlendioxid oder andere Kohlenwasserstoffe als Kältemittel
in Kältemaschinen oder Wärmepumpen eingesetzt,
um durch hohe Sättigungsdampfdrücke bei niedrigen
Temperaturen einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten
zu erreichen.
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Die
Verwendung bekannter Kältemittel ist jedoch hinsichtlich
ihrer Umweltverträglichkeit nachteilig. So müssen
Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, um ein unerwünschtes
Austreten der Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf
zu verhindern.
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Die
Verwendung von Wasser als Kältemittel könnte zwar
die Risiken hinsichtlich einer Umweltverschmutzung nahezu vollkommen
ausräumen, jedoch wird bisher als begrenzender Faktor für
den Einsatz von Wasser als Kältemittel in konventionellen
Rohrbündel- oder Plattenwärmeüberträgern
der Klima- und Kältetechnik der sehr geringe erreichbare
Wärmeübergangskoeffizient bei der Verdampfung
angesehen. Dieser reduziert primär die Effizienz des Verdampfers,
aber im Nachgang auch der gesamten Klima-, Kältemaschine
oder Wärmepumpe.
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In
konventionellen Rohrbündel- oder Plattenwärmeüberträgern
erfolgt die Verdampfung des Kältemittels bei niedrigen
Drücken durch Behältersieden. Alternative Verdampfungsvorgänge
wie Strömungssieden oder Sprühkühlung
sind nur mit hohem technischen Aufwand (Nachevakuierung usw.) umzusetzen,
weil die Verwendung von Peripheriegeräten wie Pumpen etc.
die Gewährleistung der Behälterdichtigkeit erschwert.
Außerdem bedeuten die zusätzlichen mechanischen
Peripheriegeräte einen Kosten- und Wartungsaufwand, was
unerwünscht ist.
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Beim
Behältersieden liegt der Verdampfung die Aktivierung von
Keimstellen zum Blasenwachstum zugrunde. Nur durch die Entstehung
von Dampfblasen an der festen Rohr- oder Plattenwand erfolgt die
Verdampfung des Kältemittels. Die Güte des Wärmeübergangs
hängt damit in hohem Maße davon ab, wieviele aktive
Keimstellen (Keimstellen, an denen ein kontinuierliches Blasenwachstum
erfolgt) an der festen Wand vorhanden sind. Die Aktivierung von Keimstellen
hängt wiederum in hohem Maße von der Überhitzung
der festen Wand gegenüber der Sättigungstemperatur
des Kältemittels und einigen Stoffwerten des Kältemittels
ab. Bei Verwendung von Wasser als Kältemittel und gewünschten
Wärmestromdichten in der Größenordnung
von 10 kW/m2 ergibt sich bei Sättigungsdrücken
von weniger als 10 mbar (Millibar) eine sehr hohe Wandüberhitzung
in der Größenordnung von 10 Kelvin (K) zur Keimstellenaktivierung.
Dies ist durch die bei diesen Drücken sehr große
Oberflächenspannung von Wasser bedingt. Die Folge aus dieser
Tatsache ist eine sehr geringe Keimstellendichte auf der Heizoberfläche
und eine damit einhergehende geringe Wärmeabfuhr durch
Wasserverdampfung. Zudem werden durch die geringe Anzahl der abströmenden
Dampfblasen keine für das Behältersieden typischen
turbulenten Strömungen in der Grenzschicht des Wassers
nahe der Heizoberfläche erzeugt, so dass auch der konvektive Wärmetransport
nur unzureichend ausgebildet ist. Der Wärmeübergang
ist damit insgesamt sehr schlecht.
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Bei
einer weiteren Steigerung der Wandüberhitzung vereinigen
sich die Dampfblasen zunehmend in Dampfpolstern. Diese Verdampfungsform des
Filmsiedens ist instabil, wenn und solange diese Bereiche noch örtlich
begrenzt sind. Eine geschlossene Dampfschicht bleibt hingegen stabil
erhalten und führt aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des
Dampfes zu kleinen Wärmeübergangskoeffizienten.
Dieser Zustand ist auch als Leidenfrostsches Phänomen bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer
anzugeben, mittels welchem auch die Verwendung von Wasser beziehungsweise
einem Wassergemisch bei niedrigen Sättigungsdampfdrücken,
insbesondere von 20 mbar oder 10 mbar oder weniger ermöglicht
wird. Der Verdampfer soll sich dadurch auszeichnen, dass ein hoher
Wärmeübergangskoeffizient an der Heizoberfläche
erreicht wird und der konstruktive Aufbau vergleichsweise einfach
und kostengünstig ist. Ferner soll auf Peripheriegeräte
zum Herstellen einer erzwungenen Konvektion verzichtet werden. Vielmehr soll
vorteilhaft der Verdampfungsvorgang im Vakuumbereich ohne von außen
aufgeprägte Zwangsströmung erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Verdampfer
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen
und weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Verdampfer, der insbesondere
zur Verwendung in einer Klimamaschine beziehungsweise einer Kältemaschine
oder Wärmepumpe ausgeführt ist, und welcher zur
teilweisen oder vorteilhaft zur vollständigen Verdampfung
einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, beispielsweise reines
Wasser, oder eines Wassergemisches dient, weist ein Heizelement
auf, das eine Heizoberfläche zur Übertragung eines
Wärmestromes auf die zu verdampfende Flüssigkeit
umfasst. Gemäß einer Ausführungsform
ist das Heizelement elektrisch beheizt. Hierzu können elektrische
Widerstandselemente in das Heizelement eingebunden sein oder das
Heizelement selbst kann einen elektrischen Widerstand ausbilden.
Ferner ist es möglich, das Heizelement mittels eines flüssigen
oder gasförmigen Heizmediums zu erwärmen, indem
das Heizelement von dem Heizmedium durchströmt oder einseitig überströmt wird.
Andere Ausführungsformen von Heizelementen sind denkbar.
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Der
erfindungsgemäße Verdampfer weist wenigstens einen
Flüssigkeitseinlass und wenigstens einen Dampfauslass auf.
Die zu verdampfende Flüssigkeit wird durch den wenigstens
einen Flüssigkeitseinlass in den Verdampfer eingeleitet,
und der erzeugte Dampf wird über den Dampfauslass aus dem
Verdampfer ausgeleitet. Im Verdampfer ist in Strömungsrichtung
zwischen dem Flüssigkeitseinlass und dem Dampfauslass ein
Flüssigkeitsreservoir ausgeführt, das mit dem
Flüssigkeitseinlass und mit dem Dampfauslass in strömungsleitender
Verbindung steht und eine bestimmte Menge von zu verdampfender Flüssigkeit
unter Ausbildung eines Flüssigkeitsspiegels aufnimmt. Man
könnte dieses Flüssigkeitsreservoir auch als Flüssigkeitspool
bezeichnen.
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Das
Heizelement weist erfindungsgemäß auf seiner Heizoberfläche
eine Kapillarstruktur auf. Die Kapillarstruktur ist teilweise in
das Flüssigkeitsreservoir eingetaucht. Dies bedeutet, dass
ein Teil der Kapillarstruktur unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
in dem Flüssigkeitsreservoir angeordnet ist, wohingegen
der verbleibende Teil der Kapillarstruktur oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
angeordnet ist und somit nicht in das Flüssigkeitsreservoir
eintaucht. Prinzipiell könnte der Teil der Heizoberfläche,
welcher tiefer unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet
ist, kapillarstrukturfrei ausgeführt sein. Alternativ weist die
gesamte Heizoberfläche eine Kapillarstruktur auf.
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Durch
die erfindungsgemäße Kapillarstruktur auf der
Heizoberfläche wird eine Doppelfunktion erreicht: Zum einen
bedeutet die Kapillarstruktur, die insbesondere durch eine Vielzahl
von auf die Heizoberfläche aufgebrachte Rippen und/oder
in die Heizoberfläche eingearbeiteten Kanälen
gebildet wird, eine Oberflächenvergrößerung
der wärmeübertragenden Heizoberfläche.
Zum anderen bewirkt diese Kapillarstruktur eine Verteilung der Flüssigkeit über dieser
großen Oberfläche. Dabei wird die Flüssigkeit von
der Stelle, an welcher der entsprechende Kanal in der Kapillarstruktur
mit dem Flüssigkeitsreservoir in Kontakt steht, in den
Kanal, auch entgegen der Gravitationskraft, gezogen und vorteilhaft
durch Kapillarkraft auf der Heizoberfläche verteilt. Die
Verdampfung der Flüssigkeit erfolgt dann überwiegend in
jenem Kanalabschnitt, der nicht in das Flüssigkeitsreservoir
eingetaucht ist, wobei der Kanal in diesem Abschnitt vorteilhaft
nur durch die durch die Kapillarkraft eingezogene Flüssigkeit
benetzt ist. Dadurch bildet sich an der Kanalwand ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm,
der aufgrund der geringen Filmdicke einen sehr geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen
der Flüssigkeits-Dampf-Phasengrenze, an welcher die Verdampfung
stattfindet, und der Heizoberfläche darstellt.
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Besonders
vorteilhaft ist das Heizelement als waagerecht verlaufendes Rohr
oder als waagerecht verlaufende Platte ausgeführt. Vorteilhaft
weist das Heizelement auf seiner Außenseite beziehungsweise auf
seinem radial äußeren Umfang die Heizoberfläche
auf. Es ist jedoch auch möglich, die Heizoberfläche
an einer Innenseite des Heizelementes auszuführen.
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Insbesondere,
wenn das Heizelement in Form eines Rohres ausgeführt ist,
kann es einen inneren, gegenüber der Heizoberfläche
abgedichteten Strömungskanal aufweisen, der ein flüssiges
oder gasförmiges Heizmedium führt. Somit kann
das Heizelement mittels des Heizmediums erhitzt werden und seinerseits
wiederum die zu verdampfende Flüssigkeit, die gegenüber
dem Heizmedium abgetrennt ist, durch Übertragen des ihm
zugeleiteten Wärmestroms auf die Flüssigkeit verdampfen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird die Kapillarstruktur
in der Heizoberfläche durch winklig zum Flüssigkeitsspiegel
verlaufende, insbesondere durch senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel verlaufende
Kanäle ausgebildet, welche die zu verdampfende Flüssigkeit
durch Kapillarkraft entgegen der Gravitationskraft aus dem Flüssigkeitsreservoir transportieren.
Vorteilhaft verlaufen die Kanäle, welche die Kapillarstruktur
ausbilden, entlang, insbesondere ausschließlich entlang
der Heizoberfläche. Dies bedeutet, dass sie das Heizelement
nicht beidseitig beziehungsweise von außen nach innen durchdringen.
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Insbesondere,
wenn das Heizelement als Rohr, beispielsweise als zylinderförmiges
Rohr, ausgeführt ist, kann eine Vielzahl von mit Abstand zueinander
angeordneten, in Umfangsrichtung des Heizelements verlaufenden Kanälen
vorgesehen sein, welche die Kapillarstruktur ausbilden. Alternativ
kann auch wenigstens ein Kanal vorgesehen sein, der als schraubenförmig
entlang des Rohres verlaufender Kanal ausgeführt ist.
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Der
erfindungsgemäße Verdampfer kann insbesondere
zur Verdampfung von Wasser als Kältemittel bei einem Sättigungsdruck
von 20 mbar, 15 mbar, 10 mbar oder jeweils weniger verwendet werden.
Größere Vorteile ergeben sich jedoch bereits bei Drücken
unter einem bar. Besonders vorteilhaft wird dabei bei diesen niedrigen
Drücken und einer geringen Wandüberhitzung, beispielsweise
von 1 bis 2 Kelvin oder auch bis zu 3, 4 oder 5 Kelvin, eine Wärmestromdichte über
der Heizoberfläche zwischen 1 und 50 kW/m2,
insbesondere zwischen 5 und 15 kW/m2 oder
ganz bevorzugt zwischen 9 und 11 kW/m2,
beispielsweise von 10 kW/m2 eingestellt.
Die Wandüberhitzung beschreibt die Temperaturdifferenz zwischen
der Temperatur der Heizoberfläche des Heizelements und
der Temperatur der verdampfenden Flüssigkeit.
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Eine
Kältemaschine oder eine Wärmepumpe, die einen
Verdampfer und einen Kondensator in einem Kältemittelkreislauf
aufweist, wobei das Kältemittel in dem Verdampfer verdampft
und in dem Kondensator verflüssigt wird, zeichnet sich
erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Verdampfer
das erfindungsgemäße Heizelement mit der Kapillarstruktur auf
der Heizoberfläche, die teilweise in eine Ansammlung des
Kältemittels eingetaucht ist, aufweist.
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Obwohl
vorliegend als Heizelement ein Rohr oder eine Platte vorgeschlagen
wurde, wobei ein erfindungsgemäßer Verdampfer
auch eine Vielzahl solcher Heizelement aufweisen kann, ist die Erfindung nicht
auf diese Form von Heizelementen beschränkt. So sind andere
Formen denkbar, beispielsweise eine Schwammform, insbesondere ein
Metallschwamm, der in die zu verdampfende Flüssigkeit eingetaucht ist.
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Wenn
ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium als
Wärmequelle verwendet wird, weist der erfindungsgemäße
Verdampfer vorteilhaft neben dem Flüssigkeitseinlass und
dem Dampfauslass einen Heizmediumeinlass und einen Heizmediumauslass
auf. Bei einem elektrisch beheizten Heizelement kann gemäß einer
Ausführungsform natürlich auf einen solchen Heizmediumeinlass
und einen solchen Heizmediumauslass verzichtet werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und den beigefügten Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgeführten
Verdampfer mit einer Vielzahl von Heizelementen;
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch eines der Heizelemente
gemäß der 1;
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3 verschiedene
Beispiele für anwendbare Bereiche für die Kanalbreite
(KB), die Kanalhöhe (KH) sowie die relative Füllhöhe
bei einem erfindungsgemäß ausgeführten
Verdampfer.
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Der
Verdampfer gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 weist
zwei Heizelemente 1 auf, von denen jedes jeweils eine Heizoberfläche 1.1 aufweist.
Ferner sind ein Flüssigkeitseinlass 2 zum Einbringen
der zu verdampfenden Flüssigkeit in den Verdampfer und
ein Dampfauslass 3 zum Ausleiten der verdampften Flüssigkeit
beziehungsweise des Dampfes aus dem Verdampfer vorgesehen. Über den
Flüssigkeitseinlass 2 wird die zu verdampfende Flüssigkeit
einem Flüssigkeitsreservoir 4 zugeführt. Die
Heizelemente 1 tauchen derart in das Flüssigkeitsreservoir 4 ein,
dass ein Teil der Kapillarstruktur 5 auf den Heizoberflächen 1.1 der
Heizelemente 1 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
des Flüssigkeitsreservoirs 4 positioniert ist,
wohingegen der übrige Teil der Kapillarstruktur 5 der
Heizelemente 1 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
positioniert ist.
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Wärme
zum Verdampfen der Flüssigkeit wird über ein Heizmedium,
das innerhalb der Heizelemente 1 beziehungsweise durch
die Heizelemente 1 hindurch strömt, in den Verdampfer
eingeleitet, siehe den pro Heizelement 1 vorgesehenen Strömungskanal 6.
Dieser Strömungskanal 6, der vorliegend einen kreisförmigen
Querschnitt beziehungsweise einen zylinderförmigen Umfang
aufweist, kann auf seiner Oberfläche strukturiert, insbesondere
mittels einer Kapillarstruktur, ausgeführt sein oder weitgehend oder
vollständig glatt beziehungsweise eben.
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Dadurch,
dass die Kapillarstrukturen 5 der Heizelemente 1 nur
teilweise in das Flüssigkeitsreservoir 4 eingetaucht
sind, wird Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir
durch Kapillarkräfte entgegen der Gravitationskraft in
die nicht eingetauchten Bereiche der Kapillarstrukturen 5 transportiert.
In diesen nicht eingetauchten Bereichen der Kapillarstrukturen 5 bildet
sich ein dünner Flüssigkeitsfilm 7 aus.
Dies ist besonders gut in der 2 erkennbar.
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Ferner
erkennt man in der 2, dass gemäß dem
gezeigten Ausführungsbeispiel die Kapillarstrukturen 5 durch
senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel des Flüssigkeitsreservoirs 4 verlaufende
Kanäle 5.1 gebildet werden.
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In
der 2 erkennt man ferner nochmals deutlich den Strömungskanal 6,
welcher das Heizmedium innerhalb des Heizelementes 1 getrennt
von der zu verdampfenden Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir 4 führt.
Es findet somit kein Austausch von Dampf oder Flüssigkeit
zwischen dem Inneren des Heizelementes 1 und der Umgebung
des Heizelementes 1 statt.
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In
der 3 sind mögliche Bereiche dargestellt,
welche für die Kanalbreite (KB) und die Kanalhöhe
(KH) ausgewählt werden können, beispielsweise
bei einem rohrförmigen Heizelement. Ferner sind mögliche
Füllhöhen in Prozent (%) dargestellt, wobei eine
Füllhöhe von 0,1 bedeutet, dass das Heizelement
beziehungsweise das Rohr mit seinem unteren Zehntel (10 Prozent
seiner Höhe) in das Flüssigkeitsreservoir eingetaucht
ist, wohingegen eine Füllhöhe von 0,7 bedeutet,
dass das Heizelement beziehungsweise das Rohr mit seinem unteren
7/10 (70 Prozent seiner Höhe) in das Flüssigkeitsreservoir
eingetaucht ist.
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Besonders
hohe Wärmedurchgangskoeffizienten können erreicht
werden, wenn das Verhältnis zwischen Kanalbreite zu Kanalhöhe
1:3 bis 1:2 beträgt.
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Die
angegebenen Größenwerte für die Kanalbreite
und die Kanalhöhe sind in Millimeter angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Verdampfer bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren wird besonders vorteilhaft in einer so genannten Feststoff-Sorptionswärmepumpe
ausgeführt. Eine solche Feststoff-Sorptionswärmepumpe,
wie sie die Erfindung gemäß einer Ausführungsform
betrifft, umfasst eine Adsorber-Desorber-Einheit mit einem Wärmeüberträger und
einem Sorptionsmaterial, insbesondere Feststoff-Sorptionsmaterial.
Diese Adsorber-Desorber-Einheit ist in einem gemeinsamen, zur Umgebung
abgedichteten Gehäuse zusammen mit einem Kondensator und
einem Verdampfer oder zusammen mit einer Kondensator-Verdampfer-Einheit
angeordnet, wobei die Adsorber-Desorber-Einheit und der Kondensator/Verdampfer
bzw. die Kondensator-Verdampfer-Einheit durch ein adsorptivdurchlässiges Element
voneinander getrennt sind.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist die Feststoff-Sorptionswärmepumpe
derart ausgeführt, wie in der Patentschrift
DE 102 17 443 B4 gezeigt wird.
Die Kondensator-Verdampfer-Einheit kann dann auf ihrer Heizoberfläche
die erfindungsgemäße Kapillarstruktur aufweisen,
die teilweise in das Flüssigkeitsreservoir, insbesondere
unten im Bodenbereich des Gehäuses der Feststoff-Sorptionswärmepumpe
eingetaucht ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform
ist ein Kondensator zusätzlich zu einem Verdampfer vorgesehen.
In diesem Fall kann insbesondere der Verdampfer erfindungsgemäß ausgeführt
sein. Jedoch ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich,
den Kondensator mit der dargestellten Kapillarstruktur auszuführen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist die Adsorber-Desorber-Einheit
zwischen einem Kondensator und einem Verdampfer angeordnet, insbesondere
ist der Kondensator oben im Gehäuse, darunter die Adsorber-Desorber-Einheit
und darunter der Verdampfer positioniert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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