DE10063562A1 - Evaporation heat exchanger has evaporation structure in form of metal sheet with half-capillaries formed by stress-free deformation for carrying and evaporating liquid - Google Patents

Evaporation heat exchanger has evaporation structure in form of metal sheet with half-capillaries formed by stress-free deformation for carrying and evaporating liquid

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Abstract

The evaporation heat exchanger has an evaporation structure over which ambient air flows, to which a liquid (condensed water) to be evaporated is fed and that is in contact with a medium to be cooled (coolant). The evaporation structure is a metal sheet (4) with half-capillaries formed by stress-free deformation for carrying and evaporating the liquid.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdunstungs-Wärmeübertrager mit einer von Umgebungsluft überströmten Verdunstungsstruktur, der eine zu verdunstende Flüssigkeit (Kondenswasser) zuführbar ist und die wärmeleitend mit einem zu kühlenden Medium (Kältemittel) in Verbindung steht.The invention relates to an evaporative heat exchanger an evaporation structure overflowing with ambient air, the one to evaporating liquid (condensed water) can be supplied and the thermally conductive in connection with a medium to be cooled (refrigerant) stands.

Ein solcher Verdunstungs-Wärmeübertrager wurde durch die DE-A 196 13 684 der Anmelderin bekannt.Such an evaporative heat exchanger was developed by DE-A 196 13 684 of the applicant is known.

Derartige Verdunstungs-Wärmeübertrager werden vorzugsweise für die Unterkühlung des Kältemittels von Kraftfahrzeugklimaanlagen eingesetzt, um den Wirkungsgrad der Klimaanlage zu verbessern. Der bekannte Verdunstungs-Wärmeübertrager weist eine Verdunstungsstruktur auf, die durch auf der Oberfläche befindliche Verdunstungskanäle eines extrudierten Profiles angeordnet sind, welches gleichzeitig den Kanal für das zu unterkühlende Kältemittel bildet. Ein derartiger Verdunstungs- Wärmeübertrager ist relativ schwer und weist nur eine relativ geringe Verdunstungsoberfläche auf. Durch die DE-A 196 45 089 der Anmelderin wurde ein weiterer Verdunstungs-Wärmeübertrager bekannt, der durch eine Verdunstungsstruktur in Form eines Polyestergewebes gekennzeichnet ist. Auch diese Verdunstungsstruktur bietet eine zu geringe Verdunstungs­ oberfläche, um eine wirksame Unterkühlung des Kältemittel zu erzeugen.Such evaporation heat exchangers are preferably used for Subcooling of the refrigerant used in automotive air conditioning systems, to improve the efficiency of the air conditioning system. The known Evaporation heat exchanger has an evaporation structure that through evaporation channels on an extruded surface Profiles are arranged, which is also the channel for the forms supercooling refrigerant. Such an evaporation Heat exchanger is relatively heavy and has only a relatively small Evaporation surface. By DE-A 196 45 089 of the applicant Another evaporative heat exchanger was known, which by a Evaporation structure is characterized in the form of a polyester fabric. This evaporation structure also offers too little evaporation surface to create effective supercooling of the refrigerant.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdunstungs- Wärmeübertrager mit einer vergrößerten Verdunstungsoberfläche zu schaffen, und dies mit geringem Materialeinsatz in einer kompakten Bauweise.It is therefore an object of the present invention to provide an evaporation Heat exchangers with an enlarged evaporation surface  create, and this with little use of material in a compact Construction.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist die Verdunstungsstruktur als dünnes Metallblech, vorzugsweise als ebene Rippe ausgebildet, in die Halbkapillaren eingeprägt sind. Diese Halbkapillaren, das heißt parallel verlaufende, nach oben offene Kanäle sorgen einerseits für die Verteilung und Führung der zu verdunstenden Flüssigkeit und deren Verdunstung. Diese Kapillarstruktur in Form von geraden oder schlangenförmigen, durchgehenden oder unterbrochenen Kanälen ist relativ einfach und zu niedrigen Kosten herstellbar, weil sie durch einfache Umformung des Metallbleches erzielt wird.This object is solved by the features of claim 1. After that, the evaporation structure as a thin metal sheet is preferred formed as a flat rib into which half-capillaries are embossed. This Half-capillaries, i.e. channels that run parallel and are open at the top on the one hand ensure the distribution and management of the evaporated Liquid and its evaporation. This capillary structure in the form of straight or serpentine, continuous or interrupted Channels are relatively simple and inexpensive to manufacture because of them is achieved by simply reshaping the metal sheet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sind die Halbkapillaren als Wellenstruktur ausgebildet, das heißt die Metallrippe ist als Wellblech oder Wellrippe ausgebildet, wobei die parallel zueinander verlaufenden Wellentäler die Halbkapillaren bilden, die einerseits die zu verdunstende Flüssigkeit führen und - da sie nach oben offen sind - eine Verdunstung ermöglichen.In an advantageous development of the invention according to claim 2 the half-capillaries are designed as a wave structure, i.e. the metal rib is designed as a corrugated sheet or corrugated fin, which are parallel to each other Trending wave valleys form the half-capillaries, which on the one hand are the too evaporating liquid and - since they are open at the top - one Allow evaporation.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 10.Further advantageous embodiments of the invention result from the Subclaims 3 to 10.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenAn embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. Show it

Fig. 1 einen Verdunstungs-Wärmeübertrager und Fig. 1 an evaporative heat exchanger and

Fig. 2 eine Verdunster-Rippe mit Wellenstruktur. Fig. 2 is an evaporator fin with a wave structure.

In einer älteren Anmeldung, AZ: 199 59 566.6, der Anmelderin ist ein ähnlicher Verdunstungs-Wärmeübertrager offenbart, der eine sogenannte Faltrippe als Verdunsterrippe aufweist. Auf den Offenbarungsgehalt dieser älteren Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen, weil der dort beschriebene Verdunstungs-Wärmeübertrager sich von dem nachfolgend beschriebenen prinzipiell nur in der Ausbildung der Verdunsterrippe unterscheidet.In an earlier application, AZ: 199 59 566.6, the applicant is a similar evaporative heat exchanger disclosed, the so-called Folded rib as evaporation rib. On the revelation content of this older registration is expressly referred to because of there Evaporative heat exchanger described differs from that described below  described in principle only in the formation of the evaporative rib different.

Fig. 1 zeigt einen Verdunstungs-Wärmeübertrager 1 mit einem oben angeordneten, kondenswasserführenden Rundrohr 2 und einem unten angeordneten, kältemittelführenden Rundrohr 3. Diese beiden Rohre 2 und 3 sind wärmeleitend mit ebenen Wellrippen 4 verbunden, beispielsweise durch mechanisches Aufweiten. Die Wellrippen 4 bilden ein Rippenpaket 5, wobei die Abstände zwischen den Wellrippen 4 durch Abstandsringe 6 gebildet werden. Zwischen den einzelnen Rippen 4 befinden sich somit Spalte 7, die von Umgebungsluft überströmt werden. Im Bereich des oberen Rundrohres 2 ist ein Saugmaterial 8 zwischen den Rippen 4 angeordnet und durch einen Verteilerkasten 9 gehalten. Im Bereich dieses Verteilerkastens bzw. des Saugmaterials 8 befinden sich Längsschlitze 10 (von denen nur einer exemplarisch dargestellt ist) zum Austritt der zu verdunstenden Flüssigkeit aus dem Rohr 2 in das Saugmaterial. Selbstverständlich können auch andere Öffnungen, z. B. runde Löcher in dem Rohr 2 vorgesehen sein. Fig. 1 shows an evaporative heat exchanger 1 having disposed above condensation leading round tube 2 and, disposed below, refrigerant-carrying tube 3 round. These two pipes 2 and 3 are thermally connected to flat corrugated fins 4 , for example by mechanical expansion. The corrugated fins 4 form a fin package 5 , the distances between the corrugated fins 4 being formed by spacer rings 6 . There are therefore gaps 7 between the individual ribs 4 , over which ambient air flows. In the area of the upper round tube 2 , a suction material 8 is arranged between the ribs 4 and held by a distribution box 9 . In the area of this distribution box or the suction material 8 there are longitudinal slots 10 (only one of which is shown as an example) for the liquid to be evaporated to exit the pipe 2 into the suction material. Of course, other openings, e.g. B. round holes may be provided in the tube 2 .

Fig. 2 zeigt die Wellrippe 4 als Einzelteil in einer Draufsicht. Durch die geraden und parallel zu einander verlaufenden Linien 11 sind die Wellenberge und Wellentäler der Wellenstruktur dieser Rippe 4 angedeutet. Fig. 2 shows the corrugated fin 4 as a single part in a plan view. The wave peaks and troughs of the wave structure of this rib 4 are indicated by the straight lines 11 running parallel to one another.

Im oberen Bereich dieser Rippe 4 befinden sich zwei runde Öffnungen 12 und 13, durch welche das wasserführende Rohr 2, welches als Rohrgabel ausgebildet ist, durchgesteckt und mechanisch aufgeweitet wird. In analoger Weise befinden sich im unteren Bereich der Rippe zwei weitere Öffnungen 14 und 15, durch welche das ebenfalls als Rohrgabel ausgebildete, kältemittelführende Rohr 3 hindurchgesteckt und ebenfalls mechanisch aufgeweitet wird. Natürlich sind auch andere wärmeleitende Verbindungen zwischen Rippe 4 und Rohren 2 und 3 nach dem Stand der Technik denkbar. Um die Öffnungen 14 und 15 ist jeweils ein kreisringförmiger Bereich 16 und 17 vorgesehen, in welchem die Wellenstruktur planiert ist, um eine ebene Anlagefläche für die Abstandsringe 6 zu bilden. Der Schnitt I-I zeigt die Wellenstruktur im Querschnitt, und die Einzelheit X zeigt die Wellenstruktur vergrößert mit ihren wesentlichen Maßen, das heißt der Höhe h und der Wellenlänge l. Diese Wellenstruktur kann einen dreieckförmigen oder sinusförmigen Verlauf haben oder durch kreisförmige und gerade Abschnitte gebildet werden. Entscheidend ist, daß durch die Geometrie und die Abmessungen Halbkapillaren gebildet werden, die eine Verteilung bzw. Förderung des aus dem Saugmaterial austretenden Kondenswassers bewirken. Bei einer bevorzugten Wellrippe betragen die Abmessungen l = 1,1 mm und h = 0,8 mm. Die Dicke der Metallfolie beträgt s = 0,3 mm, und die Grundfläche der Wellrippe 4 kann 30 × 50 mm2 betragen. Das Rippenpaket 5 könnte eine Breite (in Längsrichtung der Rohre 2, 3) von etwa 500 mm aufweisen.In the upper area of this rib 4 there are two round openings 12 and 13 through which the water-carrying pipe 2 , which is designed as a pipe fork, is pushed through and mechanically expanded. In an analogous manner, there are two further openings 14 and 15 in the lower region of the rib, through which the refrigerant-carrying pipe 3 , which is also designed as a pipe fork, is inserted and also mechanically expanded. Of course, other heat-conducting connections between rib 4 and tubes 2 and 3 are also conceivable according to the prior art. A circular area 16 and 17 is provided around the openings 14 and 15 , in which the wave structure is leveled in order to form a flat contact surface for the spacer rings 6 . Section II shows the wave structure in cross section, and the detail X shows the wave structure enlarged with its essential dimensions, that is, the height h and the wavelength l. This wave structure can have a triangular or sinusoidal shape or can be formed by circular and straight sections. It is crucial that the geometry and the dimensions form half-capillaries, which distribute or promote the condensed water emerging from the absorbent material. In a preferred corrugated fin, the dimensions are l = 1.1 mm and h = 0.8 mm. The thickness of the metal foil is s = 0.3 mm, and the base area of the corrugated fin 4 can be 30 × 50 mm 2 . The fin package 5 could have a width (in the longitudinal direction of the tubes 2 , 3 ) of approximately 500 mm.

Nicht dargestellt in der Zeichnung ist eine hydrophile Beschichtung auf der Wellrippe, die eine bessere Benetzung der Rippenoberfläche bewirkt. Vorzugsweise kann diese Beschichtung auf eine korrosionsschützende Schicht, z. B. eine Gelbchromatierung aufgebracht werden. Das Material der Rippe ist eine Aluminiumlegierung. Im Falle der hydrophilen Beschichtung kann das Metallblech auch als ebenes Blech bzw. Blechpaket ausgebildet sein: Der Transport der Flüssigkeit wird dann nur durch die Schwerkraft und die hydrophile Beschichtung bewirkt.Not shown in the drawing is a hydrophilic coating on the Corrugated rib, which causes better wetting of the rib surface. This coating can preferably be applied to a corrosion-protective coating Layer, e.g. B. yellow chromating can be applied. The material of the Rib is an aluminum alloy. In the case of the hydrophilic coating the metal sheet can also be designed as a flat sheet or sheet stack be: The transport of the liquid is then only by gravity and the hydrophilic coating causes.

Die Funktion des Verdunstungs-Wärmeübertragers und der Verdunsterrippe ist die Folgende: Durch das Rohr 2 strömt Kondenswasser, welches sich am nicht dargestellten Verdampfer einer nicht dargestellten Kraftfahrzeug- Klimaanlage bildet, wie in dem eingangs genannten Stand der Technik beschrieben. Dieses Kondenswasser tritt durch die Schlitze 7 aus und gelangt in das Saugmaterial 8, welches sich mit diesem Kondenswasser vollsaugt. Das Wasser kommt somit mit den zwischen dem Saugmaterial befindlichen Wellrippen in Kontakt und wird durch die Wellentäler, die als Kapillaren wirken, in Richtung auf das unterhalb angeordnete, kältemittelführende Rohr 3 transportiert. Auf diesem Wege wird die Flüssigkeit von Umgebungsluft überströmt, welche entweder durch den Fahrtwind des Kraftfahrzeuges oder durch einen nicht dargestellten Lüfter über die Wellrippen 4, das heißt durch die Spalte 7 gefördert wird. Dabei verdunstet die Flüssigkeit und entzieht ihrer Umgebung Wärme, das heißt auch dem durch die Rohrgabel 3 strömenden Kältemittel, welches nach Austritt aus einem nicht dargestellten Kondensator in flüssiger Form durch die Rohrgabel 3 strömt. Durch diese Unterkühlung des Kältemittels kann die Leistung der Klimaanlage mit relativ geringem Aufwand verbessert werden.The function of the evaporation heat exchanger and the evaporation fin is the following: Condensation flows through the pipe 2 , which forms on the evaporator (not shown) of a motor vehicle air conditioning system (not shown), as described in the prior art mentioned at the beginning. This condensed water emerges through the slots 7 and enters the absorbent material 8 , which is soaked up with this condensed water. The water thus comes into contact with the corrugated fins located between the absorbent material and is transported through the troughs which act as capillaries in the direction of the refrigerant-carrying pipe 3 arranged below. In this way, ambient air flows over the liquid, which is conveyed either by the airstream of the motor vehicle or by a fan (not shown) via the corrugated fins 4 , that is to say through the column 7 . The liquid evaporates and extracts heat from its surroundings, that is to say also the refrigerant flowing through the pipe fork 3 , which flows through the pipe fork 3 in liquid form after emerging from a condenser (not shown ) . This subcooling of the refrigerant can improve the performance of the air conditioning system with relatively little effort.

Claims (11)

1. Verdunstungs-Wärmeübertrager mit einer von Umgebungsluft überströmten Verdunstungsstruktur, der eine zu verdunstende Flüssigkeit (Kondenswasser) zuführbar ist und die wärmeleitend mit einem zu kühlenden Medium (Kältemittel) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdunstungsstruktur als Metallblech (4) ausgebildet ist, welches durch spanlose Verformung hergestellte Halbkapillaren zur Führung und Verdunstung der Flüssigkeit aufweist.1. Evaporation heat exchanger with an evaporation structure overflowed with ambient air, to which a liquid to be evaporated (condensed water) can be fed and which is thermally conductive to a medium to be cooled (refrigerant), characterized in that the evaporation structure is designed as a metal sheet ( 4 ) which has semi-capillaries produced by non-cutting deformation for guiding and evaporation of the liquid. 2. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbkapillaren als Wellenstruktur (11) ausgebildet sind.2. Evaporation heat exchanger according to claim 1, characterized in that the half-capillaries are designed as a wave structure ( 11 ). 3. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenstruktur im Querschnitt einen etwa sinusförmigen Verlauf mit einer Wellenhöhe (von Wellental bis Wellenberg) von 0,3 ≦ h ≦ 2,0 mm und einer Wellenlänge (von Tal zu Tal bzw. von Berg zu Berg) von 0,5 ≦ l ≦ 3,0 mm aufweist.3. Evaporation heat exchanger according to claim 2, characterized characterized in that the wave structure in cross section approximately sinusoidal course with a wave height (from wave trough to Wave crest) of 0.3 ≦ h ≦ 2.0 mm and a wavelength (from valley to valley or from mountain to mountain) of 0.5 ≦ l ≦ 3.0 mm. 4. Verdunstungswärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Wellenstruktur eine hydrophile Beschichtung aufgebracht ist.4. Evaporative heat exchanger according to claim 2 or 3, characterized characterized in that on the surface of the wave structure hydrophilic coating is applied. 5. Verdunstrungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophile Beschichtung auf eine korrosionsschützende Schicht aufgebracht ist.5. Evaporation heat exchanger according to claim 4, characterized characterized in that the hydrophilic coating on a corrosion protective layer is applied. 6. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbleche (4) zu einem Rippenpaket (5) gestapelt und mit Rohren (2, 3) für das zu kühlende Medium verbunden sind.6. Evaporation heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the metal sheets ( 4 ) are stacked to form a fin package ( 5 ) and are connected to pipes ( 2 , 3 ) for the medium to be cooled. 7. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre als Rundrohre (2, 3) ausgebildet und durch mechanisches Aufweiten in Öffnungen (12, 13, 14, 15) der Metallbleche (4) befestigt sind.7. Evaporation heat exchanger according to claim 6, characterized in that the tubes are designed as round tubes ( 2 , 3 ) and are mechanically expanded in openings ( 12 , 13 , 14 , 15 ) of the metal sheets ( 4 ). 8. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der zu verdunstenden Flüssigkeit über stirnseitig zu dem Rippenpaket (5) angeordnete Saugmaterialien (8) erfolgt.8. Evaporation heat exchanger according to claim 6 or 7, characterized in that the supply of the liquid to be evaporated takes place on the end face to the fin package ( 5 ) arranged absorbent materials ( 8 ). 9. Verdunstungs-Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß stirnseitig zu dem Rippenpaket (5) ein Verteilerkasten (9) zur Aufnahme des Saugmaterials (8) angeordnet ist.9. Evaporation heat exchanger according to claim 8, characterized in that a distribution box ( 9 ) for receiving the absorbent material ( 8 ) is arranged on the end face of the fin package ( 5 ). 10. Verdunsterrippe mit Wellen- bzw. Halbkapillarstruktur nach einem der obigen Ansprüche zur Verwendung in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen für die Unterkühlung von Kältemittel.10. Evaporation rib with wave or semi-capillary structure according to one of the above claims for use in automotive air conditioning for the supercooling of refrigerant. 11. Verdunstungs-Wärmeübertrager mit einer von Umgebungsluft überströmten Verdunstungsstruktur, der eine zu verdunstende Flüssigkeit (Kondenswasser) zuführbar ist und die wärmeleitend mit einem zu kühlenden Medium (Kältemittel) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdunstungsstruktur als mindestens ein ebenes Metallblech mit einer hydrophilen Beschichtung ausgebildet ist.11. Evaporative heat exchanger with one of ambient air overflowed evaporation structure, the one to be evaporated Liquid (condensed water) can be supplied and the thermally conductive is connected to a medium to be cooled (refrigerant), characterized in that the evaporation structure as at least one flat metal sheet with a hydrophilic Coating is formed.
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