DE102005021554A1

DE102005021554A1 - Wärmetauscher für ein Kältegerät

Info

Publication number: DE102005021554A1
Application number: DE102005021554A
Authority: DE
Inventors: Hans Ihle
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-16
Also published as: EP1880158B1; US20090090126A1; WO2006120083A1; DE502006007646D1; RU2398171C2; RU2007137813A; ATE477465T1; ES2347909T3; US8881547B2; CN100582630C; CN101171492A; EP1880158A1

Abstract

Ein Wärmetauscher umfasst eine zu einer Wendel geformte Leitung (1) für ein erstes Wärmeträgerfluid und ein die Wendel umgebendes, an zwei Stirnseiten (6, 7) offenes Gehäuse (2). Eine sich in Längsrichtung der Wendel erstreckende Wand (5) des Gehäuses (2) ist mit Durchbrüchen (12) versehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem offenen, rohrähnlichen Gehäuse und einer darin angeordneten Leitung, die zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids dient, und die eine abgewickelte Länge aufweist, die länger als die Länge des Gehäuses ist, das an seinen beiden Strinseiten offen ist, um von einem zweiten Wärmeträgerfluid durchströmbar zu sein, sowie ein Kältegerät, in dem ein solcher Wärmetauscher Verwendung findet. Ein solcher Wärmetauscher und ein solches Kältegerät sind aus US 5592829 bekannt.

Bei diesem bekannten Wärmetauscher ist Leitung als Wendel ausgebildet. Das Gehäuse um die Wendel zwingt den Strom des zweiten Wärmeträgerfluids, an der Wendel auf ihrer gesamten Länge entlang zu streichen, um so eine hohe Wärmeaustauschleistung bei mäßigem Durchsatz des zweiten Wärmeträgerfluids zu erreichen.

Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass infolge des im wesentlichen zur Längsachse der Wendel parallelen Strömungsverlaufs durch den Wärmetauscher ein erheblicher Anteil des zweiten Wärmeträgerfluids den Wärmetauscher durchläuft, ohne überhaupt in engere Nachbarschaft zu der Leitung zu gelangen, während andere Teile der Strömung sukzessive an vielen Windungen der Wendel entlang streichen und sich dabei stark erwärmen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Effizienz eines Wärmetauschers der eingangs angegebenen Art zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Mantelfläche des Gehäuses wenigstens im Bereich einer ersten Stirnseite abschnittsweise mit Durchbrüchen versehen ist.

Diese Durchbrüche erlauben je nach in dem Gehäuse vorliegenden Druckverhältnissen einen Zu- oder Abfluss von zweitem Wärmeträgerfluid. Dessen Strömungsfeld im Innern des Gehäuses ist daher nicht rein in Längsrichtung orientiert, sondern es weist auch radiale Komponenten auf, so dass auch von den offenen Stirnseiten des Gehäuses entfernte Leitungsanteile, wie z.B. die Windungen einer Wendel oder Längsabschnitte einer mäanderartig geformten oder in wenigstens einer Schleife angeordneten Leitung, mit zweitem Wärmeträgerfluid angeströmt werden können, das noch nicht an einem anderen Abschnitt der Wendel oder des Mäanders vorgewärmt (oder, je nach Richtung des Wärmeflusses in dem Wärmetauscher, vorgekühlt) ist.

Eine günstige, allseitige Beaufschlagung der Leitung innerhalb des Gehäuses mit noch nicht durch andere Leistungsabschnitte vorgewärmter Luft ergibt sich, wenn vorteilhafter Weise die Durchbrüche über den Umfang der Mantelfläche gleichmäßig verteilt mit gleichem oder auch unterschiedlichem Öffnungsquerschnitt angeordnet sind.

Vorzugsweise nimmt der Anteil der Durchbrüche an der Oberfläche der Wand mit zunehmendem Abstand von einer ersten Stirnseite des Gehäuses ab.

Besonders günstig sind die Anströmverhältnisse und damit die Wärmeübertragung von der Leitung auf ein zweites Wärmeträgerfluid, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform der Öffnungsquerschnitt der Durchbrüche mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite abnimmt.

Eine der zweiten Stirnseite benachbarte Hälfte des Gehäuses kann von Durchbrüchen frei sein.

Zum Antreiben des Stroms des zweiten Wärmeträgerfluids durch das Gehäuse ist der Wärmetauscher vorzugsweise mit einem Gebläse versehen.

Dieses Gebläse ist vorzugsweise an der zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnet.

Bezogen auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgerfluids ist diese zweite Stirnseite vorzugsweise eine stromabwärtige Seite, d.h. das Gebläse saugt das zweite Wärmeträgerfluid durch das Gehäuse, und der komplette Strom des zweiten Kältemittels passiert die Öffnung an der zweiten Stirnseite, so dass er von dort abgeleitet und einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.

Alternativ kann das Gebläse auch mittig in dem Gehäuse angeordnet sein; in diesem Fall kann ein von beiden Stirnseiten des Gehäuses zum Gebläse hin abnehmender Anteil der Durchbrüche an der Oberfläche der Wand vorgesehen werden, so dass durch die stromaufwärts vom Gebläse liegenden Durchbrüche zweites Wärmeträgerfluid in das Gehäuse eintreten und dieses durch die stromabwärts vom Gebläse liegenden Durchbrüche wieder verlassen kann.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kältegerät, das einen Wärmetauscher in der oben angegebenen Art als Verflüssiger aufweist. Das zweite Wärmeträgerfluid ist in diesem Fall im allgemeinen Luft, während das erste Wärmeträgerfluid ein Kältemittel des Kältegeräts ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher aus 1, der die Strömungsverhältnisse im Innern des Wärmetauschers verdeutlicht;
3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausgestaltung des Wärmetauschers; und
4 einen schematischen horizontalen Schnitt durch den Sockelbereich eines Kältegeräts, in welchem ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eingebaut ist.
Der in 1 gezeigte Wärmetauscher umfasst eine zu einer schraubenlinienförmigen Wendel gebogene Rohrleitung 1 für ein erstes Wärmeträgerfluid, vorzugsweise ein Kältemittel. Ein Gehäuse 2 erstreckt sich koaxial zur Längsachse A der Rohrleitung 1. Das Gehäuse 2 ist hier im wesentlichen aufgebaut aus zwei steifen Rahmenelementen 3, 4, welche entgegengesetzte Stirnseiten des Gehäuses 2 bilden, und einem sich um die äußeren Ränder der zwei Rahmenelemente 3, 4 erstreckenden, vier Seitenwände des Gehäuses bildenden Blech 5. Das dem Betrachteter zugewandte Rahmenelement 3 hat eine großflächige innere Öffnung 6; in eine entsprechende Öffnung 7 des anderen Rahmenelements 4 greifen radiale Streben 8 ein, die einen Elektromotor 9 koaxial zu der gewendelten Rohrleitung 1 tragen. Der Elektromotor 9 treibt ein aus dem Gehäuse 2 vorstehendes Ventilatorrad 10 an und bewirkt so einen Luftstrom durch das Gehäuse 2 von der Seite des Rahmenelements 3 zu der des Rahmenelements 4.
In das Blech 5 sind drei Gruppen 11a, 11b, 11c von Durchbrüchen 12 gestanzt. Die Abstände zwischen benachbarten Gruppen von Durchbrüchen nehmen mit zunehmender Entfernung von der Öffnung 6 zu, so dass der Anteil der Durchbrüche 12 an der Oberfläche des Blechs 5 mit zunehmender Entfernung von der Öffnung 6 abnimmt. Auf der zur Öffnung 7 benachbarten Hälfte des Blechs 5 sind keine Durchbrüche 12 vorhanden.
2 veranschaulicht die Strömungsverhältnisse im Inneren des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand eines axialen Schnitts. Ein Großteil der von dem Ventilatorrad 10 durch den Wärmetauscher geförderten Luft tritt in diesen durch die Öffnung 6 ein. Wenn dies die einzige Lufteintrittsöffnung wäre, so würde sich ein im wesentlichen zur Längsachse paralleler Luftstrom ergeben, bei dem ein Teil der Luft an der Rohrleitung 1 entlang fließt, während ein Großteil des Luftstroms durch das freie Innere der Wendel verläuft und dabei so gut wie keine Wärme von der Rohrleitung 1 aufnimmt. Hinzu kommt, dass die in einem solchen Fall in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Windungen der Rohrleitung 1 den Luftstrom stark bremsen, so dass eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die einen wesentlichen Teil des Luftdurchsatzes des Wärmetauschers ausmacht, im leeren Innern der Wendel erreicht wird. Die Durchbrüche 12 hingegen erlauben einen Zustrom von Luft aus seitlicher Richtung, der im Inneren des Gehäuses 2 schräg zur Längsachse verläuft, so dass auch Wicklungen der Rohrleitung 1, die weit von der Eintrittsöffnung 6 entfernt sind, noch von kühler Frischluft erreicht werden.
Der Betrieb des Ventilators führt zu einem Druckradienten im Innern des Gehäuses 2, d.h. der Druckunterschied zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung nimmt auf der Längsachse des Gehäuses zu, je näher man dem Gebläse kommt. Je höher der Druckunterschied zwischen innen und außen ist, umso stärker ist auch der Luftdurchsatz pro Flächeneinheit eines jeden Durchbruchs 12. Um sicher zu stellen, dass die Windungen möglichst gleichmäßig mit kühler Frischluft versorgt werden, muss daher, wie oben bereits angegeben, der Anteil der Durchbrüche 12 an der Oberfläche des Blechs 5 mit zunehmender Entfernung von der Öffnung 6 kleiner werden. Anstatt wie in 1 und 2 gezeigt den Abstand zwischen den Gruppen 11a, 11b, 11c mit zunehmender Entfernung von der Öffnung 6 zu vergrößern, ließe sich dies natürlich auch erreichen, indem die Fläche der einzelnen Durchbrüche 12 umso kleiner gemacht wird, je weiter diese von der Öffnung 6 entfernt sind.
Eine abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in 3 in einem zu 2 analogen Schnitt gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung ist das durch den Elektromotor 9 und das Ventilatorrad 10 gebildete Gebläse mittig in dem Wärmetauscher, im Inneren der von der Rohrleitung 1 gebildeten Wendel, angeordnet. Benachbart zur stromaufwärtigen Öffnung 6 des Gehäuses 2 sind auch hier zwei Gruppen von Durchbrüchen 12 gebildet, und spiegelbildlich hierzu befinden sich weitere Durchbrüche 13 in einem zur stromabwärtigen Öffnung 7 benachbarten Bereich des Blechs 5. Diese Durchbrüche 13 verleihen der Luftströmung stromabwärts vom Gebläse eine radial nach außen gerichtete Geschwindigkeitskomponente, so dass auch hier vermieden wird, dass eine Windung der Rohrleitung 1 im Windschatten einer benachbarten Windung liegt und nur unzureichend mit Kühlluft versorgt wird.
Um einen Rückstrom von Luft in Inneren des Gehäuses 2 von der stromabwärtigen zur stromaufwärtigen Seite des Gebläses in dem außerhalb der Wendel liegenden Querschnittsbereich zu verhindern, ist hier eine Trennwand 14 vorgesehen, die sich von dem die Außenwand des Gehäuses 2 bildenden Blech 5 in Höhe des Ventilatorrades 10 bis in unmittelbare Nähe der Wendel erstreckt.
4 zeigt als ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers einen horizontalen Schnitt durch einen Kühl- oder Gefrierschrank mit einem Korpus 20 und einer Tür 21. In einem bodennahen Bereich des Korpus 20, an der von der Tür 21 abgewandten Seite, ist eine Maschinenraumnische 22 ausgespart, in der nebeneinander als Verflüssiger 23 für ein Kältemittel der in 1 bzw. 2 gezeigte Wärmetauscher und ein Verdichter 24 untergebracht sind. Die Rohrleitung 1 des Verflüssigers 23 ist an einen Hochdruckauslass des Verdichters 24 angeschlossen. Ein Kältemittel und durch das Gebläse angetriebene Frischluft durchlaufen den Verflüssiger 23 in entgegengesetzte Richtungen. Im Verflüssiger 23 erwärmte Frischluft strömt den Verdichter 24 an und kühlt diesen; außerdem fördert sie die Verdunstung von aus dem Innenraum 25 des Kältegeräts abgeleiteten Kondenswasser in einer auf dem Verdichter 24 montierten Verdunstungsschale 26. Luftein- und -austrittsöffnungen 27 bzw. 28 sind hier in seitlichen Wänden der Maschinenraumnische 22 gebildet; alternativ könnten sie in deren Boden vorgesehen sein, um Frischluft durch einen unterhalb des Korpus 20 liegenden hohlen Gerätesockel zu- und abzuführen, oder die Rückseite der Maschinenraumnische 22 könnte stellenweise offen gelassen sein, um Luftaustausch zu ermöglichen.

Claims

Wärmetauscher (23) der ein an seinen beiden Stirnseiten offenes, rohrähnliches Gehäuse (2) umfasst, innerhalb dem eine Leitung (1) angeordnet ist, die zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids dient und die eine abgewickelte Länge aufweist, die länger als die Länge des Gehäuses (2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Gehäuses (2) wenigstens im Bereich einer ersten Stirnseite abschnittsweise mit Durchbrüchen (12, 13) versehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (12, 13) gleichmäßig über den Umfang der Mantelfläche des Gehäuses verteilt angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Durchbrüche (12) an der Mantelfläche (5) mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite (6) des Gehäuses (2) abnimmt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt der Durchbrüche (12) mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite abnimmt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zweiten Stirnseite (7) benachbarte Hälfte des Gehäuses (2) von Durchbrüchen (12) frei ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) wendelartig geformt ist und die Wendellänge zumindest annähernd der Länge des Gehäuses (2) entspricht.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) mäanderähnlich geformt ist und die Länge des Mäanders in etwa der Länge des Gehäuses (2) entspricht.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse (9, 10) zum Antreiben eines Stroms eines zweiten Wärmeträgerfluids durch das Gehäuse (2) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 8 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (9, 10) an der zweiten Stirnseite (7) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stirnseite (7) eine stromabwärtige Seite bezogen auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgerfluids ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (9, 10) mittig in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Durchbrüche (12, 13) an der Oberfläche der Wand von beiden Stirnseiten (6, 7) des Gehäuses zum Gebläse (9, 10) hin abnimmt.
Kältegerät, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Wärmetauscher (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Verflüssiger aufweist.