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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, und einen in einem solchen Kältegerät verwendbaren Verdampfer.
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Ein solcher Verdampfer umfasst herkömmlicherweise ein Rohr, in dem Kältemittel zirkuliert, eine Trägerplatte, an der das Rohr befestigt ist und über die ein Wärmeaustausch zwischen dem Rohr und einem von dem Verdampfer gekühlten Innenraum des Kältegeräts stattfindet, und eine zwischen dem Rohr und der Trägerplatte angeordnete Wärmeverteilerschicht, die einen effizienten Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte und dem Rohr vermittelt.
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Aus
DE 20 2005 000 909 U1 ist ein Verdampfer dieses Typs bekannt, bei dem die Trägerplatte eine in einem Innenbehälter des Kältegeräts ausgeformte Gefrierfachwanne ist, um die das Rohr herumgewickelt ist. Als Wärmeverteilerschicht können Metallplatten zwischen dem Rohr und der Gefrierfachwanne angeordnet sein. Wenn eine solche Metallplatte die Gefrierfachwanne großflächig berührt, bewirkt sie eine gute Wärmeankopplung des Rohrs an das Gefrierfach. Sie ist jedoch schwer und teuer.
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Eine etwas preiswertere Lösung ist, eine Aluminiumfolie von 30 Mikrometer Stärke auf die Außenflächen der Gefrierfachwanne zu kleben und um diese herum das Rohr zu wickeln und zu verkleben. Wenn die Klebstoffschicht, die das Rohr an der Aluminiumfolie fixiert, dünn genug ist, ist ein für praktische Anforderungen ausreichendes Wärmeleitvermögen des Verdampfers ohne weiteres erreichbar. Gerade diese dünne Klebstoffschicht ist jedoch nicht überall zuverlässig realisierbar. Schwankungen der Duktilität des Rohrs können dazu führen, dass einzelne Windungen des Rohrs sich nicht eng genug an die Aluminiumfolie anschmiegen, so dass zwischen beiden ein Luftspalt bestehen bleibt oder sich eine den Wärmeübergang erheblich behindernde dicke Klebstoffschicht entsteht. Die Aluminiumfolie ist zwar preiswerter als eine Metallplatte, aber dennoch besteht bedarf nach einer kostengünstigeren Lösung, die einen guten Wärmeaustausch zwischen Rohr und Trägerplatte zuverlässig gewährleistet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Verdampfer für ein Kältegerät zu schaffen, der bei geringen Kosten dem herkömmlichen Verdampfer in seinen thermischen Eigenschaften zumindest ebenbürtig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Verdampfer für ein Kältegerät mit einem Kältemittel führenden Rohr, wenigstens einer Trägerplatte, an der das Rohr befestigt ist, und einer zwischen dem Rohr und der Trägerplatte angeordneten Wärmeverteilerschicht die Wärmeverteilerschicht graphithaltig ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist besser als die vieler Metalle und nur wenig geringer als die von Aluminium bei deutlich geringeren Kosten. Es genügt daher eine Schichtdicke des Graphits, die nur wenig größer ist als die der Aluminiumfolie, um einen Verdampfer zu schaffen, dessen Wärmeaustauschleistung wenigstens so groß ist wie die eines herkömmlichen Verdampfers gleicher Größe vom oben beschriebenen Typ.
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Der Graphitanteil der Wärmeverteilerschicht sollte vorzugsweise wenigstens 100 mg/cm2, besser noch wenigstens 200 mg/cm2 betragen, entsprechend jeweils einer Schichtdicke von reinem Graphit von ca. 50 bzw. 100 μm. Eine Graphitschicht dieser Stärke kann ohne weiteres eine Wärmeübergangszahl von 0,4 Wm–2K–1 erreichen.
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Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge umfasst die Wärmeverteilerschicht eine Folie aus im Wesentlichen reinem Graphit. Als im wesentlichen rein im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Graphitschicht angesehen werden, wenn eventuell vorhandene Verunreinigungen die Wärmeleitfähigkeit der Schicht nicht beeinträchtigen.
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Da reiner Graphit sehr weich ist, ist eine reine Graphitfolie nicht leicht zu handhaben. Einer zweiten Ausgestaltung zu Folge kann die Wärmeverteilerschicht eine graphitgefüllte Kunststofffolie umfassen. Eine solche Kunststofffolie muss zwar im Allgemeinen dicker als eine reine Graphitfolie sein, um dieselbe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, hat aber den Vorteil der bequemeren Handhabbarkeit. Die Folie kann eine makroskopisch homogene Struktur mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Graphitteilchen oder auch eine Sandwichstruktur mit einer zwischen Kunststoffschichten eingebetteten Graphitschicht haben.
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Einer dritten Ausgestaltung zu Folge kommt als Wärmeverteilerschicht eine graphithaltige Kunststoffplatte in Betracht.
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Denkbar ist auch, die drei erwähnten Ausgestaltungen in einem Verdampfer miteinander zu kombinieren, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird.
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Ein Vorteil des reinen Graphits ist seine Nachgiebigkeit, die es ermöglicht, beim Anbringen des Rohrs eine Vertiefung in die Graphitschicht zu drücken und auf diese Weise einen engen thermischen Kontakt zwischen dem Rohr und der Wärmeverteilerschicht auf einer wesentlich größeren Oberfläche herzustellen, als dies herkömmlicherweise zwischen dem Rohr und einer Metallplatte oder einer auf eine feste Trägerplatte aufgeklebten Metallfolie möglich wäre. Auch in der graphitgefüllten Kunststofffolie kann eine solche Vertiefung leicht gebildet werden, da eine solche Folie im Allgemeinen umso nachgiebiger sein wird, je höher ihr Graphitanteil ist. Im Falle einer graphithaltigen Kunststoffplatte kann eine solche Vertiefung vorab an der Platte geformt werden, um anschließend das Rohr darin zu verlegen.
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Bedingt durch ihre – im Vergleich zu den Folien relativ hohe – Steifigkeit kann die Kunststoffplatte auch das Rohr klemmende Vorsprünge aufweisen, die einen engen thermischen Kontakt zwischen Kunststoffplatte und Rohr herstellen.
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Vorzugsweise weisen diese Vorsprünge einander paarweise gegenüberliegende konkave Flanken auf, in die das Rohr eingefügt werden kann.
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Um eine große Kontaktfläche für einen effizienten Wärmeübergang zu schaffen, können die Vorsprünge zweckmäßigerweise als sich entlang des Rohrs erstreckende Rippen ausgebildet sein.
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Die Trägerplatte kann eine Wand eines Gefrierfaches oder eines Kühlfaches in einem erfindungsgemäßen Kältegerät bilden.
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Wenn wenigstens zwei Wände des Gefrierfaches Trägerplatten des Wärmetauschers sind, kann die Wärmeverteilerschicht an einer ersten dieser Wände eine graphithaltige Kunststoffplatte und an einer zweiten Wand eine Folie umfassen.
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Aufgrund der im Vergleich zur Folie höheren Tragfähigkeit der Kunststoffplatte kann das Rohr an der ersten Wand dichter verlegt sein als an der zweiten.
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Vorzugsweise ist die erste Wand eine Rückwand oder eine Bodenwand des Gefrierfaches. Im Falle der Rückwand ist die Verwendung der Kunststoffplatte sinnvoll, weil es hier wenig praktikabel ist, das Rohr durch Herumwickeln um das Gefrierfach zu verankern. An einer Bodenwand kann eine dichtere Verlegung des Rohrs wünschenswert sein, um eine hohe Kühlleistung für schnelles Gefrieren von eingelagertem Kühlgut bereitstellen zu können.
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Die Erfindung ist allerdings auch anwendbar auf einen Verdampfer, dessen Trägerplatte frei in einem Innenraum des Kältegeräts angeordnet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Haushaltskältegerät gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen schematischen Querschnitt durch ein Kältegerät gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
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3 einen nicht maßstäblichen Teilschnitt durch das Gefrierfach des Kältegeräts aus 1 oder 2;
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4 einen Schnitt durch eine Wand des Gefrierfachs;
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5 einen Wandausschnitt des Gefrierfachs gemäß einer abgewandelten Ausgestaltung; und
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6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Gefrierfach-Innenbehälters mit einem Verdampfer gemäß der Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Kombinations-Haushaltskältegerät mit einem Korpus 1, einem Normalkühlfach 2, einem Gefrierfach 3 und Türen 4, 5 zum Verschließen der beiden Fächer 2, 3. Die Fächer 2, 3 sind in an sich bekannter Weise durch aus Kunststoff tiefgezogene Innenbehälter von einer sie umgebenden Isolationsmaterialschicht 6 abgegrenzt. Die Innenbehälter sind jeweils kastenförmig mit einer zur Tür 4 bzw. 5 hin offenen Vorderseite, einer Rückwand 7, Decken- Boden- und Seitenwänden 8, 9 bzw. 10. Die der Isolationsmaterialschicht 6 zugewandten Außenseiten der Wände 8, 9, 10 des Gefrierfach-Innenbehälters sind mit einer Folie aus Graphit oder aus graphitgefülltem Kunststoff beklebt, die in 1 aufgrund ihrer geringen Stärke nicht sichtbar ist. Die Folie kann jeweils stückweise an jeder Wand 8, 9, 10 einzeln verklebt sein, oder sie ist in einem Stück um alle vier Wände 8, 9, 10 gewickelt. Ein Kältemittelrohr 11 aus Aluminium erstreckt sich schraubenlinienförmig über die Wände 8, 9, 10 des Innenbehälters in engem Kontakt mit der Folie.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kältegeräts. Bei dieser Ausgestaltung begrenzt ein von einer Isolationsmaterialschicht 6 umgebener Innenbehälter einen Innenraum 12, der durch einen darin montierten Kasten 13 in ein Gefrierfach (im Inneren des Kastens 13) und ein Normalkühlfach 2 (außerhalb des Kastens 13) unterteilt ist. Die aus Kunststoff oder Metall geformten Wände des Kastens 13 sind außen mit einer Folie aus Graphit oder graphitgefülltem Kunststoff beklebt, und um die Folie herum ist schraubenlinienförmig ein Kältemittelrohr 11 geschlungen.
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3 zeigt schematisch und nicht maßstäblich einen Teilschnitt durch den Gefrierfach-Innenbehälter des Kältegeräts aus 1 oder des Kastens 13 aus 2. Zu sehen sind die Deckenwand 8 sowie angrenzende Teile der Seitenwände 10. Die hier mit 14 bezeichnete Folie aus Graphit oder aus graphitgefülltem Kunststoff erstreckt sich einteilig über die Wände 8, 10. Durch die beim Herumwickeln des Rohrs 11 um den Behälter auftretenden Kräfte ist das Rohr 11 insbesondere in der Nähe von abgerundeten Kanten 15 zwischen den Wänden 8, 10 in die nachgiebige Folie 14 eingedrückt. Die ursprüngliche Dicke der Folie 14 an diesen Stellen ist durch eine gestrichelte Linie angegeben. Aus dieser Nachgiebigkeit der Folie resultiert ein großflächiger Kontakt zwischen der Folie 14 und dem Rohr 11 in der Nähe der Kanten 15, der wiederum für einen hocheffizienten Wärmeübergang zwischen dem Rohr 11 und der Folie 14 sorgt.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Deckenwand 8, an dem deutlich erkennbar ist, wie sich das Rohr 11 in die Folie 14 eingedrückt hat.
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Außerdem kann, wie in 3 gezeigt, ein sich zwischen zwei Ecken erstreckendes Segment des Rohrs 11 leicht gekrümmt sein und dennoch auf seiner gesamten Länge die Folie 14 berühren. Die Effektivität des durch das Rohr 11, die Folie 14 und die Wände 8, 9, 10 des Innenbehälters gebildeten Wärmetauschers ist daher der Effektivität eines herkömmlichen, eine Aluminiumfolie als Wärmeverteilerschicht zwischen Kältemittelrohr und Innenbehälterwand verwendenden Verdampfers selbst dann ebenbürtig, wenn die Wärmeübergangszahl der Folie 14 niedriger sein sollte als die der herkömmlichen Aluminiumfolie.
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In der Praxis ist es jedoch kein Problem, der Folie 14 auch eine zumindest gleichwertige Wärmeübergangszahl zu verleihen. Wenn die Folie 14 aus reinem Graphit besteht, genügt eine Dicke von 100 bis 200 μm, um eine Wärmeübergangszahl von ca. 0,5 Wm–2K-1 zu erreichen, der dem einer herkömmlichen Aluminiumfolie von 30 μm Stärke entspricht. Diese Schichtdicke entspricht einer Graphitmenge von ca. 100 bis 200 mg/cm2, und es ist davon auszugehen, dass eine entsprechende Graphitmenge auch in einer graphitgefüllten Folie genügen wird, um eine Wärmeübertragungszahl in gleicher Höhe zu erreichen.
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An Stelle der flexiblen Folie 14 kann als Wärmeverteilerschicht zwischen dem Rohr 11 und den Wänden 7, 8, 9 und/oder 10 auch eine Kunststoffplatte 16 vorgesehen sein, deren Wärmeleitfähigkeit durch Zusatz von Graphit erhöht ist. Zwar ist die Menge des Graphits, die den meisten Kunststoffen zugesetzt werden kann, ohne dass diese ihre Festigkeit verlieren, begrenzt, so dass die Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffplatte 16 im Allgemeinen deutlich kleiner sein wird als die des reinen Graphits. Dieser Nachteil fällt jedoch wenig ins Gewicht, da geeignete Kunststoffe preiswert verfügbar sind, so dass eine für praktische Zwecke ausreichende Wärmeübergangszahl von wenigstens 0,4 Watt pro Quadratmeter Kelvin erreicht werden können, in dem die Stärke der Kunststoffplatte 16 ausreichend groß gewählt wird. In der Praxis genügt eine Stärke der Platte 16 von 1 bis 2 mm, um die benötigte Graphitmenge von ca. 100 bis 200 mg/cm2 unterzubringen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Kunststoffplatte 16 liegt jedoch darin, dass an ihr, wie in der Ansicht der 5 gezeigt, Vorsprünge 17 geformt werden können, die das Rohr 11 klemmen und auf diese Weise für einen effizienten Wärmeübergang zwischen dem Rohr 11 und der Platte 16 sorgen. Derartige Vorsprünge können beispielsweise als Haken ausgebildet sein, die das Rohr gegen die Platte drücken; bevorzugt ist die in 5 gezeigte Ausgestaltung, bei der die Vorsprünge 17 als langgestreckte Rippen ausgebildet sind, die jeweils paarweise eine Nut begrenzen, in der das Rohr 11 eingeklemmt ist. Um den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern, haben die rippenförmigen Vorsprünge 17 der 5 einander zugewandte konkave Flanken 18, deren Krümmungsradius jeweils dem Außenradius des Rohrs 11 entspricht, so dass sich die Flanken 18 und das Rohr 11 auf mehr als der Hälfte des Rohrumfangs berühren.
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6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht schräg von unten einen Gefrierfach-Innenbehälter gemäß einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung. Decken- Boden- und Seitenwände 8, 9, 10 des Innenbehälters sind, wie mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben, mit einer graphithaltigen Folie 14 überzogen, und ein in 6 gestrichelt dargestellter Abschnitt 19 des Kältemittelrohrs 11 zieht sich in Kontakt mit der Folie 14 schraubenlinienförmig um die Wände 8, 9, 10. Da an der Rückwand 7 des Innenbehälters das Rohr 11 nicht wie im Falle des Abschnitts 19 durch Herumschlingen befestigt werden kann, ist hier eine Platte 16 der mit Bezug auf 5 beschriebenen Art aufgeklebt und ein sich in Mäandern über die Platte 16 erstreckender Abschnitt 20 des Rohrs 11 ist jeweils zwischen von der Platte 16 abstehenden Vorsprüngen 17 geklemmt. So kann das Gefrierfach von fünf Seiten her gleichzeitig gekühlt werden; lediglich über seine offene Vorderseite kann noch Wärme eindringen.
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Um den Wärmeeinfall an der offenen Vorderseite zu kompensieren und eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Gefrierfach zu erhalten, ist es wünschenswert, die Dichte, in der das Rohr 11 verlegt ist, in einem vorderen Bereich wenigstens der Bodenwand 9 zu vergrößern. Eine solche erhöhte Verlegedichte an einer einzigen Wand ist jedoch mit dem schraubenlinienförmig um die Wände 8, 9, 10 gewickelten Rohrabschnitt 19 nicht realisierbar. Um dennoch die Verlegedichte im vorderen Bereich der Bodenwand 9 vergrößern zu können, ist hier eine zweite Platte 21 aus graphithaltigem Kunststoff angebracht: Sie kann auf die Folie 14 aufklebt sein, oder die Folie 14 ist in der von der Platte 21 belegten Fläche ausgespart. Ein Segment 22 des um die Wände 8, 9, 10 gewickelten Rohrabschnitts 19 erstreckt sich über die Kunststoffplatte 21 in deren Längsrichtung. Beiderseits dieses Rohrsegments 22 sind Paare von Vorsprüngen 17 gebildet, die zwischen sich zu dem Rohrsegment 21 parallele Rohrsegmente 23, 24 klemmen. Diese Rohrsegmente 23, 24 sind untereinander und mit einem Ende des Rohrabschnitts 19 über Bögen 25, 26 verbunden. Ein entlang einer Kante 15 zwischen Boden- und Seitenwand 9, 10 verlaufendes Rohrstück 27 stellt eine Verbindung zu dem über die Rückwand 7 verlaufenden Rohr her.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005000909 U1 [0003]
