DE102005021610A1

DE102005021610A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102005021610A1
Application number: DE102005021610A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dr. Feinauer; Thorsten Kusnik; Wolfgang Nuiding
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: 2006-11-23
Also published as: CN101171491A; RU2007136932A; CN101738104A; CN101171491B; RU2451886C2; WO2006120068A1; CN101738104B; US20090020265A1; EP1846714A1

Abstract

Ein Wärmetauscher umfasst wenigstens zwei schraubenlinienartig zu einer Wendel (1, 2, 3) gewickelte, ineinander verschachtelt angeordnete Rohrabschnitte zum Führen eines Wärmeträgerfluids.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetausche mit einem schraubenlinienförmig zu einer Wendel gewickelten Rohrabschnitt. Ein solcher Wärmetauscher ist aus US 5 502 829 bekannt. Die Wendel dient bei diesem bekannten Wärmetauscher zum Führen eines Kältemittels als ein erstes Wärmeträgerfluid und ist in einem von einem langgestreckten Gehäuse umgebenen Strömungskanal angeordnet, durch das mit Hilfe eines Gebläses Luft als ein zweites Wärmeträgerfluid gefördert wird.
Ein Problem dieses bekannten Wärmetauschers ist, dass die Wendel den Luftstrom nur auf einem Teil des Querschnitts des Strömungskanals behindert. Im freien Inneren der Wendel und evtl. auch zwischen dem Äußeren der Wendel und dem Gehäuse ergeben sich höhere Strömungsgeschwindigkeiten als in unmittelbarer Nachbarschaft der Wendel, so dass eine große Luftmenge den Wärmetauscher passiert, ohne mit den Wendeln in engeren thermischen Kontakt zu geraten. Andere Teile der Luftströmung streichen sukzessive an vielen Windungen der Wendel entlang und erwärmen sich dabei stark, so dass die Effizienz des Wärmeaustauschs zum stromabwärtigen Ende des Strömungskanals hin stark abnimmt.

Ein kompakterer Wärmetauscher als der oben erwähnte ist in US 3 524 329 beschrieben. Bei diesem Wärmetauscher bildet das Rohr, welches das Kältemittel führt, in einer Vielzahl von quer zur Strömungsrichtung der Luft durch den Wärmetauscher orientierten Ebenen Spiralen, die untereinander in Reihe verbunden sind und abwechselnd links- bzw. rechtshändigen Drehsinn aufweisen. Die Herstellung dieses Wärmetauschers ist jedoch wesentlich aufwendiger als die des erstgenannten, da es nicht möglich ist, das Rohr kontinuierlich auf einen Wickelkern zu wickeln.

Ein kompakter Wärmetauscher mit spiralförmigen, in Reihe von dem Kältemittel durchflossenen Rohrabschnitten ist auch in DE-OS 2 136 369 offenbart. Dieser bekannte Wärmetauscher ist aus einem mit Kältemittelkanälen versehenen, zu einer Spirale gewickelten Band gebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen kompakten, einfach realisierbaren Wärmetauscher und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch einen Wärmetauscher mit einem schraubenlinienartig zu einer ersten Wendel gewickelten ersten Rohrabschnitt zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids, bei dem die erste Wendel und eine aus einem schraubenlinienartig gewickelten zweiten Rohrabschnitt gewickelte zweite Wendel ineinander verschachtelt angeordnet und strömungstechnisch miteinander verbunden sind.

Zum anderen wird die Aufgabe gelöst durch ein Herstellungsverfahren des oben definierten Wärmetauschers, bei dem ein Rohr um einen ersten Wickelkern gewickelt wird, um die erste Wendel zu bilden, ein geschlitzter zweiter Wickelkern, durch dessen wenigstens einen Schlitz Zu- und Ableitung der Wendel passieren können, um die erste Wendel platziert wird, und aus demselben Rohr auf dem zweiten Wickelkern eine die erste Wendel umgebende zweite Wendel gewickelt wird.

Vorzugsweise sind die Rohrabschnitte der zwei Wendeln einstückig strömungstechnisch miteinander zu einer durchgehenden Wendel verbunden.

Um einen scharfen Knick des Rohres beim Übergang von der ersten zur zweiten Wendel zu vermeiden, sind die zwei Wendeln vorzugsweise mit entgegengesetzten Händigkeiten gewickelt. In diesem Fall sind vorzugsweise auch die Rohrabschnitte der zwei Wendeln an jeweils einem gleichen Ende der zwei Wendeln miteinander verbunden.

Alternativ können die Rohrabschnitte der zwei Wendeln auch durch einen Rohrabschnitt verbunden sein, der sich zwischen entgegengesetzten Enden der zwei Wendeln erstreckt. In diesem Fall kann die Händigkeit der zwei Wendeln die gleiche sein.

Des weiteren können eine dritte oder noch weitere Wendeln vorgesehen sein, die jeweils mit der ersten und der zweiten Wendel verschachtelt sind.

Die Fertigung des Wärmetauschers ist besonders einfach, wenn die ineinander verlaufenden Wendeln einen in Längsrichtung gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, so dass die Wendeln z.B. kreiszylinderartig oder quaderartig geformt sind.

Um die Effizienz des Wärmetauschers zu verbessern, kann es wünschenswert sein, dass die ineinander verschachtelt angeordneten Wendeln einen sich in Längsrichtung verjüngenden, z.B. kegelstumpfartigen Querschnitt aufweisen.

Ein freier Raum im Inneren der innersten Wendel kann genutzt werden, indem dort eine Verdunstungsschale oder ein Trockner angeordnet 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 Wärmetauschers gem. einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher der 1 in axialer Richtung;
3 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausgestaltung des Wärmetauschers aus 1;
4 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausgestaltung des Wärmetauschers;
5 einen axialen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung des Wärmetauschers;
6 bis 11 Stadien der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
12 ein Stadium der Herstellung entsprechend 10 bei dem Wärmetauscher der 4
Der in 1 gezeigte Wärmetauscher umfasst drei einstückig zusammenhängend aus einem Metallrohr geformte in Art einer Schraubenfeder geformte Wendeln 1, 2, 3, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel koaxial zu einer Längsmittelachse M ineinander verlaufen und auf diese Weise verschachtelt und damit raum- und platzsparend sehr kompakt angeordnet sind. Die dargestellten Wendeln 1, 2, 3 haben jeweils fünf Windungen, um die Zeichnung übersichtlich zu halten; in der Praxis ist die Zahl der Windungen im allgemeinen größer, so dass die Abmessung des Wärmetauschers entlang der Längsmittelachse M größer ist als quer zu dieser.
Die Wendeln 1, 2, 3 sind von einem in der Fig. aufgebrochen dargestellten Gehäuse 4 umgeben, das dazu dient, einen an den Wendeln 1, 2, 3 entlangstreichenden Luftstrom gebündelt zu halten. An dem Gehäuse ist über vier Streben 5, von denen nur zwei in der Fig. sichtbar sind, ein Gebläse verankert, das zum Antreiben des Luftstroms durch das Gehäuse 4 dient. Ein in der Fig. nicht sichtbarer Propeller des Gebläses befindet sich an der vom Betrachter abgewandten offenen Rückseite des Gehäuses 4. Ein Motor 6 des Gebläses ist in einem inneren Hohlraum der innersten Wendel 1 angeordnet und stellt somit ein Strömungshindernis dar, das den durch das Gehäuse verlaufenden Luftstrom zwingt, eng an den Wendeln 1, 2, 3 entlang zu streichen.
Ein Einlassanschluss für Kältemittel ist mit 7 bezeichnet. Von diesem Einlassanschluss 7 aus erreicht das Kältemittel zunächst die innere Wendel 1, die rechtshändigen Drehsinn aufweist. Ein Rohrabschnitt 8 bildet einen Übergang zu der mittleren, linkshändigen Wendel 2. Ein entsprechender Übergang von der Wendel 2 zur äußeren, wieder rechtshändigen Wendel 3 befindet sich an der vom Betrachter abgewandten Seite des Wärmetauschers und ist in der Fig. nicht sichtbar. Das Kältemittel verlässt den Wärmetauscher über einen Auslassanschluss 9.
Zur Verdeutlichung der Struktur des Wärmetauschers ist in 2 eine Draufsicht auf die drei Wendeln 1, 2, 3 parallel zur Längsmittelachse M gezeigt. In dieser Draufsicht ist auch der Rohrabschnitt 10 zu sehen, der am vom Betrachter abgewandten Ende der Anordnung die Wendeln 2 und 3 miteinander verbindet.
Eine zweite Ausgestaltung des Wärmetauschers ist in 3 gezeigt, wobei das Gehäuse dieser Ausgestaltung, das sich nicht von dem der ersten Ausgestaltung unterscheidet, in der Fig. weggelassen ist. Im Inneren der innersten Wendel 1 befindet sich hier eine flache Schale 11. Wenn der Wärmetauscher in einem Kältegerät eingebaut ist, dient die Schale 11 als Verdunstungsschale, d.h. sie fängt Kondenswasser auf, das von einem Verdampfer des Kältegeräts abfließt, und verdunstet dieses mit Hilfe des durch den Wärmetauscher verlaufenden Luftstroms. Bei dieser Ausgestaltung ist es daher nicht notwendig, das Innere der inneren Wendel 1 durch einen Gebläsemotor oder dgl. zu blockieren. Bei ausreichender Länge der Wendeln kann aber in dem Hohlraum der inneren Wendel durchaus sowohl für den Gebläsemotor als auch für die Schale 11 Platz sein.
Anstelle der Schale 11 oder ggf. auch zusammen mit dieser kann ein mit den Wendeln 1, 2, 3 in Reihe verbundener Trockner für das Kältemittel im Inneren der Wendel 1 untergebracht sein.
In der Darstellung der 3 befindet sich unter dem Boden der Schale 1 befindet sich zwischen dem Boden der Schale 11 und darunter verlaufenden unteren geradlinigen Abschnitten 12 der inneren Wendel ein Luftspalt, so dass die unteren Abschnitte 12 auf ihrem gesamten Umfang von Luft umströmt werden können. Alternativ könnte die Schale 11 auch unmittelbar an diesen unteren Abschnitten 12 befestigt sein, so dass diese die Wärme des durch sie hindurchfließenden Kältemittels über die Befestigung direkt an die Schale 11 abgeben können.
Ineinandergeschachtelte Wendeln 1, 2, 3 gem. einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in 4 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung haben alle Wendeln 1, 2, 3 gleichen Drehsinn, und die Wendeln sind untereinander jeweils durch einen in etwa axial verlaufenden Rohrabschnitt 13 bzw. 14 verbunden, der sich in im Wesentlichen axialer Richtung in einem Zwischenraum zwischen zwei Wendeln 1, 2 bzw. 2, 3 von einem Ende des Wärmetauschers zum anderen erstreckt. Die Flussrichtung des Kältemittels bezogen of die Längsmittelachse M ist hier in allen drei Wendeln 1, 2, 3 die gleiche. D.h., wenn Luft durch den Wärmetauscher in Richtung des Pfeils P strömt und die Anschlüsse 7 und 9 wie in der ersten Ausgestaltung als Einlass- bzw. Auslassanschluss fungieren, arbeiten alle drei Wendeln 1, 2, 3 im Gegenstrom.
Die Rohrabschnitte 13, 14 können bei dieser Ausgestaltung auch eine Stabilisierungsfunktion für die Wendelanordnung wahrnehmen, indem sie, ggf. über eine thermisch isolierende Zwischenschicht, an den Windungen einer der zwei Wendeln, zwischen denen sie sich erstrecken, oder auch an beiden Wendeln befestigt sind.
5 zeigt einen axialen Schnitt durch die Wendeln eines Wärmetauschers gem. einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, wobei oberhalb der Schnittebene liegende Abschnitte der Wendeln jeweils als punktierte Umrisse dargestellt sind. Die Wendeln 1, 2 verlaufen hier auf Kegelflächen, d.h. der Durchmesser ihrer Windungen nimmt von einem Längsende des Wärmetauschers zum anderen hin ab. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass wenn ein, wenn Luft parallel zur Längsmittelachse durch die Wendeln fließt, alle Windungen, auch diejenigen am stromabwärtigen Ende des Wärmetauschers, von Luft angeströmt werden, die noch nicht bereits an einer anderen Windung vorgewärmt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird anhand der 6 bis 11 erläutert.
6 zeigt einen zylindrischen Wickelkern 15 und eine Vorratsrolle 16 eines dünnwandigen Metallrohrs, z.B. aus Kupfer. Ein freies Ende des Metallrohrs ist an der Oberfläche des Wickelkerns 15 zeitweilig fixiert. Durch gleichzeitiges Drehen des Wickelkerns 15 und Verschieben der Vorratsrolle 16 entlang des Wickelkerns 15 wird Metallrohr von der Vorratsrolle 16 ab- und in gleichmäßig beabstandeten Windungen auf den Wickelkern 15 aufgewickelt, wie in 7 gezeigt. So wird die Wendel 1 erhalten.
Nachdem die Wendel 1 vollständig erzeugt wird, wird ein zweiter Wickelkern 17 in Form einer längsgeschlitzten Hülse in axialer Richtung auf den ersten Wickelkern 15 und die Wendel 1 aufgeschoben, wobei das freie Ende des Rohrs durch den Schlitz 18 vorsteht, wie in 8 zu sehen.
Wenn im Stadium der 9 der zweite Wickelkern 17 vollständig auf den ersten 15 aufgeschoben ist, erstreckt sich auch der Rohrabschnitt 8, der die Wendel 1 mit der Vorratsrolle 16 verbindet, durch den Schlitz 17.
Nun werden beide Wickelkerne 15, 17 gemeinsam gedreht, und gleichzeitig wird die Vorratsrolle 16 an den Wickelkernen 15, 17 entlang zurück in ihre Ausgangsstellung verschoben. Auf diese Weise wird, wie in 10 zu sehen, die zweite Wendel 2 erhalten.
Nun wird, wie in 11 gezeigt, ein dritter, ebenfalls geschlitzter Wickelkern 19 auf die Wickelkerne 15, 17 und die Wendeln 1, 2 aufgeschoben, wobei sich wiederum das freie Ende des Rohrs und der Rohrabschnitt 10 durch den Schlitz 20 des Wickelkerns 19 erstrecken. Durch Drehen der Wickelkerne und Verschieben der Vorratsrolle 19 wird nun auf dem Wickelkern 19 die Wendel 3 erzeugt. Da dieser Vorgang in gleicher Weise abläuft wie das Wickeln der Wendeln 1 und 2, ist er in den Figuren nicht mehr dargestellt. Es liegt auf der Hand, dass nach Bedarf die Zahl der Wickelkerne und der darauf erzeugten Wendeln im Prinzip beliebig erhöht werden kann.
Wenn die gewünschte Zahl von Wendeln erzeugt ist, wird die zeitweilige Befestigung des Rohrs am inneren Wickelkern 15 gelöst, und die Wickelkerne werden herausgezogen.
Die Fertigung eines Wärmetauschers vom in 4 gezeigten Typ läuft bis zum Stadium der 9 genauso ab, wie oben beschrieben. Anstatt nun aber, wie in 10 gezeigt, unmittelbar mit dem Wickeln der Wendel 2 mit entgegengesetzter Händigkeit zu beginnen, wird das Rohr, wie in 12 gezeigt, in dem Schlitz 18 des Wickelkerns 17 über die gesamte Länge der Wendel 1 zurückgezogen, um den mit Bezug auf 4 beschriebenen Abschnitt 13 zu bilden, und anschließend wird die Wendel 2 mit der gleichen Händigkeit wie die Wendel 1 gewickelt. Bei allen weiteren Wendeln wird in gleicher Weise verfahren.

Claims

Wärmetauscher mit einem schraubenlinienartig zu einer ersten Wendel (1) gewickelten ersten Rohrabschnitt zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wendel (1) und eine aus einem schraubenlinienartig gewickelten zweiten Rohrabschnitt gewickelte zweite Wendel (2, 3) ineinander verschachtelt angeordnet und miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrabschnitte der zwei Wendeln (1, 2, 3) einstückig verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wendeln (1, 2) mit entgegengesetzten Händigkeiten gewickelt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrabschnitte an einem gleichen Ende der zwei Wendeln (1, 2, 3) miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrabschnitte durch einen Rohrabschnitt (13, 14) verbunden sind, der sich zwischen entgegengesetzten Enden der zwei Wendeln (1, 2, 3) erstreckt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine dritte Wendel umfasst, die mit der ersten und der zweiten Wendel verschachtelt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeln (1, 2, 3) konzentrisch verschachtelt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeln (1, 2, 3) einen in Längsrichtung gleichbleibenden Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeln (1, 2) einen sich in Längsrichtung verjüngenden Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der innersten Wendel (1) eine Verdunstungsschale (11) oder ein Trockner angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Rohr um einen ersten Wickelkern (15) gewickelt wird, um die erste Wendel (1) zu bilden, ein geschlitzter zweiter Wickelkern (17) um die erste Wendel (1) platziert wird, und aus demselben Rohr auf dem zweiten Wickelkern (17) eine die erste Wendel (1) umgebende zweite Wendel (2) gewickelt wird.