DE102007023696B4

DE102007023696B4 - Verflüssiger für Haushaltskältegeräte

Info

Publication number: DE102007023696B4
Application number: DE200710023696
Authority: DE
Inventors: Carsten 01309 Heinrich; Olaf Dr.-Ing. 01309 Hempel; Markus 01129 Müller; Eberhard Prof. 01156 Wobst
Original assignee: INSTITUT fur LUFT- und KAELTETECHNIK GGMBH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: INSTITUT fur LUFT- und KAELTETECHNIK GGMBH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: DE102007023696A1

Abstract

Verflüssiger für Kältegeräte mit freier Konvektion, insbesondere Haushaltskältegeräte, der mindestens eine Leitung für das Kältemittel aufweist, die in mindestens einer Lage flächig verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) bandartig ausgeformt ist, ihre Breite mindestens das Doppelte ihrer Dicke beträgt, sie mindestens zwei voneinander getrennte, nebeneinander verlaufende Kanäle (3, 4) aufweist und sie bei der bestimmungsgemäßen Verwendung hochkant und nahezu parallel zur Unterkante des Kältegerätes spiral-, schraubenlinien-, wendel-, helix- oder dreidimensional mäanderförmig gebogen verläuft, wobei bei in Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordneten Leitungsabschnitten die Breiten der Leitungsabschnitte einen Winkel von 0 bis 45° zur Senkrechten bilden oder die Leitungsabschnitte eine, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, versetzte Anordnung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verflüssiger für Kältegeräte, insbesondere Haushaltskältegeräte wie Kühlschränke, Gefrierschränke oder Kühl-/Gefrierkombinationen, der eine große Oberfläche mit einer homogenen Temperaturverteilung aufweist.
Bei den üblicherweise verwendeten Kühlschränken, Gefrierschränken bzw. Kühl-/Gefrierkombinationen handelt es sich um so genannte Kompressorkühlgeräte. Da Kältegeräte, die nach anderen Kühlprinzipien arbeiten, wie z. B. Absorberkühlgeräte, die sich durch eine geringe Geräuschentwicklung auszeichnen, bzw. thermoelektrische Kühlgeräte, die kompakte Bauformen ermöglichen, neben diesen spezifischen Vorteilen jedoch den Nachteil eines wesentlich höheren Energieverbrauchs haben, finden diese nur in Nischen Anwendung.
Bei Kompressorkühlgeräten verdichtet ein Kompressor ein gasförmiges Kältemittel, das sich dabei erwärmt. Das Kältemittel wird durch einen an der Außenseite des Gerätes befindlichen Verflüssiger geleitet. Mithilfe des Verflüssigers gibt das Kältemittel Wärme an die Umgebung ab und kondensiert dabei. Danach strömt das Kältemittel zur Druckabsenkung über eine Drossel, wie z. B. ein Expansionsventil oder Kapillarrohr, in den im Inneren des Kühlschranks befindlichen Verdampfer. In diesem verdampft das Kältemittel und kühlt dabei stark ab. Der Verdampfer ermöglicht einen Wärmeaustausch, wodurch der Innenraum des Kühlschranks gekühlt wird.
Der Energieverbrauch eines Kompressorkühlgerätes hängt wesentlich davon ab, wie gut der Verflüssiger Wärme an die Umgebung abgibt. Bedingt durch die ständig steigenden Energie- bzw. Strompreise einerseits und durch ein wachsendes Umweltbewusstsein andererseits wird es zunehmend wichtiger, energiesparende Haushaltskältegeräte herzustellen.
Die für Haushaltskältegeräte verwendeten Verflüssiger bestehen üblicherweise aus einer mäanderförmig gebogenen Rohrleitung, an die zur besseren Wärmeabgabe Drahtrippen angeschweißt sind. Um die Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung weiter zu erhöhen, sind die Rohrleitung und die Drahtrippen schwarz lackiert. Der Verflüssiger ist vorwiegend auf der Rückseite des Kühlschrankes angeordnet.
Solche Verflüssiger haben jedoch den Nachteil, dass sich die Drahtrippen nur in der Nähe der Verbindung mit der Rohrleitung auf dieselbe Temperatur wie diese erwärmen. Bedingt durch die vergleichsweise großen Abstände zwischen den Rohrleitungen und auf Grund der ungünstigen Geometrie der Drahtrippen, nämlich ihrer großen Länge und ihres kleinen Durchmessers, werden größere Bereiche der Rippen nur schwach erwärmt. Die Folge ist ein geringer Rippenwirkungsgrad. Dies führt zu einem vergleichsweise schlechten Wärmeübergang, was sich letztendlich in einem erhöhten Stromverbrauch des Haushaltskältegerätes niederschlägt.
Bei anderen bekannten Ausführungsformen von Verflüssigern werden an die Rohrleitung keine Drahtrippen, sondern eine die Leitung komplett bedeckende Blechplatte geschweißt. Um eine gute thermische Verbindung zwischen Rohrleitung und Blechplatte zu erreichen, müssen jedoch möglichst viele Schweißpunkte zwischen Leitung und Blech angebracht werden. Günstiger ist es, die Leitung mit einer durchgängigen Schweiß- oder Lötnaht mit dem Blech zu verbinden. Dadurch wird zwar eine verbesserte, jedoch nach wie vor ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Wärmeübertragerfläche erreicht. Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Luft ist dadurch geringer und somit auch die Wärmeübertragerleistung pro Flächeneinheit. Nachteilig ist außerdem der relativ hohe fertigungstechnische Aufwand.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorschläge bekannt, die eine Verbesserung der Wärmeabgabe und/oder eine Verringerung des Fertigungsaufwandes von Verflüssigern für Haushaltskältegeräte zum Ziel haben.
So wird in EP 0 125 642 A2 ein Kühlschrank mit einem Verflüssiger vorgestellt, der lediglich aus einer mäanderförmig gebogenen Rohrleitung besteht. Dabei weisen die geraden Rohrabschnitte einen elliptischen Querschnitt auf, die gebogenen einen kreisförmigen. Da Rohre mit einem elliptischen Querschnitt eine im Vergleich zu Rohren mit kreisförmigem Querschnitt größere Oberfläche haben, wird auf das Anschweißen von Drähten bzw. Blechen verzichtet. Damit wird zwar der Fertigungsaufwand verringert, die Effizienz des Wärmetausches wird jedoch nicht verbessert.
In EP 0 843 138 A1 wird ein Verflüssiger für Haushaltskältegeräte beschrieben, der eine mäanderförmig gebogenen Rohrleitung, die zwischen zwei Bleche geklemmt ist, zeigt. Eines der beiden Bleche bildet mit einem dritten Blech einen Behälter, der mit einer Flüssigkeit großer Wärmekapazität gefüllt ist.
In DE 602 14 056 T2 wird vorgeschlagen, bei Haushaltskältegeräten einen Verflüssiger üblicher Bauart in ein versiegeltes Gehäuse einzubringen, das gleichfalls mit einer Flüssigkeit hoher Wärmekapazität gefüllt ist.
Durch die Pufferwirkung der Flüssigkeit kann bei den beiden o. g. Lösungen die Effizienz des Wärmetausches verbessert werden, jedoch nur, wenn die Verflüssiger nicht im Dauerbetrieb eingesetzt werden. Bedingt durch den zusätzlich benötigten, dichten Behälter für die Flüssigkeit, sind beide Lösungen aber vergleichsweise aufwändig.
In CN 1616904 A wird ein Verflüssiger offenbart, der aus zwei waagerecht übereinander angeordneten Rohren, die mittels vieler, parallel geschalteter und vertikal angeordneter Rohre verbunden sind, besteht. Die vertikalen Rohre weisen einen Durchmesser von 1 bis 3 mm auf, d. h., sie sind vergleichsweise dünn. Mithilfe des oben liegenden waagerechten Rohres wird das Kältemittel auf die vertikalen Rohre verteilt, im unterliegenden Rohr wird dieses wieder gesammelt. Zur Verbesserung der Wärmeabgabe kann auch ein Blech an den Rohren befestigt sein.
Durch die Verwendung von vielen dünnen Rohren kann eine große Oberfläche und damit ein guter Wärmetausch erreicht werden. Die Verwendung der dünnen Rohre macht jedoch, um zu starke Druckverluste zu vermeiden, eine Parallelschaltung notwendig, die den Herstellungsaufwand vergrößert. Nachteilig ist auch, dass die Luftströmung kontinuierlich längs der Rohre verläuft, so dass sich dort vergleichsweise dicke, laminare Grenzschichten aufbauen, die eine optimale Wärmeabführung verhindern.
Des Weiteren wird in EP 1 557 622 A2 ein Verflüssiger für Kältegeräte, die gewerbsmäßig verwendet werden, beschrieben. Der Verflüssiger besteht aus parallel geschalteten Mikrokanal-Kältemittelleitungen, die zwischen einem eingangsseitigen horizontalen Verteilerrohr und einem ausgangsseitigem horizontalen Sammelrohr angeordnet sind. Die Mikrokanal-Kältemittelleitungen sind in die Sammelrohre eingefügt, wobei das Sammelrohr und die Breite der Mikrokanal-Kältemittelleitungen einen Winkel von 90° bilden. Zwischen den Mikrokanal-Kältemittelleitungen können Rippen angeordnet sein. Die Anströmung durch die Luft erfolgt in einem Winkel von 90° zu den Sammelrohren.
Durch die Verwendung von Mikrokanal-Kältemittelleitungen wird eine weitere Vergrößerung der Oberfläche erreicht. Das kältemitteldichte Einbringen der Mikrokanalleitungen in das Verteiler- und das Sammelrohr ist jedoch sehr aufwändig. Nachteilig ist auch, dass die Mikrokanalleitungen ebenfalls ungünstig zur Luftströmung ausgerichtet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verflüssiger für Haushaltskältegeräte geschaffen werden, der eine große Oberfläche aufweist und sich durch eine homogene Wärmeverteilung auszeichnet, wodurch ein effizienter Wärmetausch erreicht wird. Dabei soll der Verflüssiger einen kleinen Strömungswiderstand für das verwendete Kältemittel aufweisen, so dass nur unwesentliche Druckdifferenzen zwischen Eintritt- und Austrittseite auftreten. Des Weiteren soll der Verflüssiger einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.
Ausgegangen wird von einem Verflüssiger für Haushaltskältegeräte, der mindestens eine Leitung für ein Kältemittel aufweist, die in mindestens einer Lage flächig verläuft. Die Leitung besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Nach Maßgabe der Erfindung ist die Leitung bandförmig ausgeformt und spiral-, schraubenlinien-, wendel-, helix- oder dreidimensional mäanderförmig gebogen. Die Breite der Leitung ist mindestens doppelt so groß wie deren Dicke. Die Leitung weist außerdem mindestens zwei voneinander getrennte, nebeneinander verlaufende Kanäle auf.
Die bevorzugte dreidimensionale mäanderförmige Anordnung der Leitung bedeutet, dass sie in der seitlichen Ansicht mäanderförmig ist und zudem eine räumliche Tiefe aufweist. Eine solche Leitung hat somit im Raum typischerweise einen schraubenlinien-, bzw. wendelförmigen Verlauf, wobei sie jedoch nicht die sonst bei Schrauben/Wendeln üblichen, runden bzw. elliptischen Querschnittsflächen, sondern einen Querschnitt (in Draufsicht) aufweist, der entweder die Form eines länglichen Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder die Form des Umrisses einer in die Länge gezogenen ”8” hat.
Unter einer Lage wird eine flache Anordnung der Leitung, wie z. B. in Form eines dreidimensionalen Mäanders, verstanden, die eine räumliche Tiefe besitzt. Dem Wesen der Erfindung folgend kann eine solche Lage auch hintereinander angeordnet sein.
Zur Erreichung eines günstigen Anströmverhaltens verläuft die Leitung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, also wenn sie am Kältegerät angebaut ist, nahezu parallel zur Unterkante des entsprechenden Kältegerätes, wobei sie selbst hochkant steht, d. h. die Breite der Leitung steht senkrecht oder in einem Winkel bis zu 45° und die Länge in etwa waagerecht. Die Anströmung der einzelnen Leitungen durch die Luft erfolgt senkrecht von unten durch freie Konvektion. Die Luft trifft dabei auf die schmalen Kanten der Leitungen. Zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten können die Leitungen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet werden. Dadurch erfolgt an jeder Leitung ein Neuanlauf der Luftströmung, wodurch die isolierende laminare Grenzschicht dünn gehalten wird.
Für die gängigen Haushaltskältegeräte ist es ausreichend, einen Verflüssiger mit nur einer Leitung zu verwenden, die vorzugsweise dreidimensional mäanderförmig gebogen ist. Ein solcher Verflüssiger ist einfach herzustellen und gewährleistet einen ausreichend guten Wärmetausch zwischen Kältemittel und Umgebungsluft. Für spezielle Anwendungen sind aber auch Anordnungen denkbar, die aus mehreren separaten, ggf. zueinander beabstandeten Leitungen, oder aus in mehreren übereinander liegenden Lagen angeordneten Leitungen bestehen.
Es können auch Leitungen verwendet werden, die mittels Verbindungen, wie z. B. Muffen, zusammengesetzt sind. So ausgeführte Leitungen können aus Kostengründen dann sinnvoll sein, wenn dadurch längenmäßig standardisierte Leitungslängen einsetzbar sind.
Vorteilhafterweise werden, um einerseits große Oberflächen für die Wärmeübertragung zu erzielen und andererseits größere Druckabfälle auf Grund zu kleiner Strömungsquerschnitte zu vermeiden, Leitungsquerschnittsflächen von 3 bis 30 mm² gewählt, wobei sich die hydraulischen Durchmesser der Kanäle im Bereich von 0,1 bis 3 mm bewegen.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform des Verflüssigers wird erreicht, wenn für die mäanderförmige Leitung ein extrudiertes Profilrohr verwendet wird. Um die Wärmeübertragungseigenschaften weiter zu verbessern, können auf der Außenseite des Profilrohrs Strukturen zur Oberflächenvergrößerung, beispielsweise eine Rippenstruktur, aufgebracht sein.
Um die Leitung in einfacher Weise an das Haushaltskältegerät anschließen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie am Ein- und Austritt des Kältemittels ausgeformte Anschlüsse besitzt, wobei am Austritt vorteilhafterweise ein Filtertrockner integriert sein kann.
Die Leitungen bestehen üblicherweise aus Aluminium, da Aluminium eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, kostengünstig ist und sich außerdem gut biegen lässt. Indem die Leitungen mit einem Überzug versehen werden, der einen hohen Emissionskoeffizienten aufweist, wird eine Erhöhung der Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung an die Umgebungsluft erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen in schematischer Darstellung:
1: einen Querschnitt der Leitung des Verflüssigers
2: einen Verflüssigen mit dreidimensional mäanderförmig gebogener Leitung
Die Leitung 1 gemäß 1 besteht aus extrudierten Aluminiumprofilrohren, beispielsweise mit einer Breite von 2,54 cm und eine Dicke von 2,1 mm. Die Seiten 5 der Profilrohre 1 sind abgerundet, z. B. mit einem Radius von 1 mm. Zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften sind Profile 1 mit schwarzem Lack überzogen. Die Profile 1 sind standardisiert und folglich kostengünstig.
Die Leitung 1 hat dreizehn Kanäle 3, 4, die der Durchleitung des Kältemittels 2 dienen. Die Kanäle 3 besitzen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, wobei die Kantenlänge ca. 1,5 mm beträgt. Die zwei außen liegenden Kanäle 4 sind näherungsweise rechteckförmig, wobei jedoch die nach außen gewandte Seite abgerundet ist. Die Kanäle 4 sind im Beispiel 1,5 mm lang und 0,5 mm breit.
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Leitung 1 dreidimensional mäanderförmig gebogen. Die Biegeradien betragen ca. 1,5 cm. Die parallel angeordneten Leitungen 1 haben jeweils einen Abstand von ca. 3 bis 8 cm, d. h., sie sind vergleichsweise dicht angeordnet.
Bedingt durch die flache, bandartige Form der Leitungen 1 und deren dichte, mäanderförmige Anordnung, wird eine große Oberfläche des Verflüssigers erreicht. Durch die versetzte Anordnung der Profilrohre 1 erfolgt an den Längsseiten aller Profile, jeweils ein Neuanlauf der Luftströmung. Infolgedessen wird dort die isolierende, laminare Grenzschicht dünn gehalten und ein effektiver Wärmeübertrag gewährleistet.
Die Oberfläche des Verflüssigers kann bei gleicher Rohrlänge weiter vergrößert werden, indem Profilrohre 1 mit Rippenstruktur eingesetzt werden.
Auf Grund der dicht beieinander liegenden Kanäle 3, 4 und der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums stellt sich im Betrieb des Kältegerätes die gesamte Oberfläche des Verflüssigers in sehr kurzer Zeit auf dieselbe Temperatur ein.
Durch die Vielzahl der parallel verlaufenden Kanäle wird ein großer Strömungsquerschnitt für das Kältemittel bereitgestellt, so dass auch bei großer Länge der Leitung 1 kein Druckverlust des Kältemittels, der den Wirkungsgrad beeinträchtigt, auftritt.
Der Verflüssiger ist einfach und kostengünstig herstellbar, da kein Schweißen von Komponenten notwendig ist und mit den extrudierten Aluminiumprofilrohren kostengünstige Standardkomponenten verwendet werden. Er zeichnet sich durch ein geringes Gewicht aus; die Reinigung des Verflüssigers ist einfach möglich, wodurch dessen Leistungskonstanz gewährleistet werden kann.
Mit einem Verflüssiger gemäß dem Ausführungsbeispiel wird bei gleicher Fläche, eine bis zu 15% höhere Wärmeabgabe gegenüber herkömmlichen Verflüssigern erreicht. Andererseits könnte, bei gleich großer Wärmeabgabe, die Fläche des Verflüssigers um 15% verringert werden.
Bezugszeichenliste

1: Leitung/Profilrohr
2: Kältemittel
3: innenliegender Kanal
4: außenliegender Kanal
5: abgerundete Seite
6: Eintritt
7: Austritt

Claims

Verflüssiger für Kältegeräte mit freier Konvektion, insbesondere Haushaltskältegeräte, der mindestens eine Leitung für das Kältemittel aufweist, die in mindestens einer Lage flächig verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) bandartig ausgeformt ist, ihre Breite mindestens das Doppelte ihrer Dicke beträgt, sie mindestens zwei voneinander getrennte, nebeneinander verlaufende Kanäle (3, 4) aufweist und sie bei der bestimmungsgemäßen Verwendung hochkant und nahezu parallel zur Unterkante des Kältegerätes spiral-, schraubenlinien-, wendel-, helix- oder dreidimensional mäanderförmig gebogen verläuft, wobei bei in Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordneten Leitungsabschnitten die Breiten der Leitungsabschnitte einen Winkel von 0 bis 45° zur Senkrechten bilden oder die Leitungsabschnitte eine, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, versetzte Anordnung aufweisen.
Verflüssiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) eine Querschnittsfläche von 3 bis 30 mm² aufweist.
Verflüssiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3, 4) hydraulische Durchmesser von 0,1 bis 3 mm aufweisen.
Verflüssiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) ein extrudiertes Profilrohr ist.
Verflüssiger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) aus Aluminium besteht.
Verflüssiger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) mit einem Überzug, beispielsweise einem schwarzen Lack, versehen ist, der einen hohen Emissionskoeffizienten für Wärmestrahlung aufweist.
Verflüssiger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) an der Außenseite eine Oberflächenvergrößerung, beispielsweise eine Rippenstruktur, aufweist.
Verflüssiger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (1) am Ein- und Austritt des Kältemittels ausgeformte Anschlüsse besitzt.
Verflüssiger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlussstück der Kältemittelaustritts ein Filtertrockner integriert ist.