DE10260165A1

DE10260165A1 - Wärmetauscher für ein Kältegerät und Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers

Info

Publication number: DE10260165A1
Application number: DE10260165A
Authority: DE
Inventors: Michael Neumann
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-12-18

Abstract

Ein Wärmetauscher für ein Kältegerät umfasst eine Platine (1), eine in wärmeleitendem Kontakt mit der Platine (1) angeordnete Rohrleitung (2) für ein Kältemittel und eine an der Platine (1) und an der Rohrleitung (2) haftende Haltematerialschicht (3). Die Haltematerialschicht (3) besteht aus einer Bitumenzusammensetzung. Der Wärmetauscher ist herstellbar durch Stapeln der Platine (1), der Rohrleitung (2) und einer Platte aus der Bitumenzusammensetzung, wobei aus der Platte durch Erhitzen und Verpressen des Stapels die Haltematerialschicht (3) gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, wie einen Verdampfer, einen Verflüssiger oder dergleichen, für ein Kältegerät mit einer Platine, einer in wärmeleitendem Kontakt mit der Platine angeordneten Rohrleitung für ein Kältemittel und einer an der Platine und an der Rohrleitung haftenden Haltematerialschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers.

Ein Wärmetauscher dieser Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus DE 109 38 773 A1 bekannt. Bei dem bekannten Herstellungsverfahren wird eine mäanderförmig gebogene Rohrleitung gegen eine Platine gedrückt gehalten, und die Zwischenräume zwischen den Mäandern der Rohrleitung werden mit einem Haltemittel ausgefüllt. Bei diesem Haltemittel kann es sich um einen expandierten Polyurethanschaum oder auch um gießfähige duroplastische Kunststoffe handeln. Derartige Haltemittel sind kostspielig, und die bei ihrem Aushärten bzw. Aufschäumen stattfindende Vernetzung erschwert ihre Wiedergewinnung und erneute Verwendung, wenn ein derartiger Wärmetauscher recycled werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen preiswerten, recyclingfreundlichen Wärmetauscher für ein Kältegerät und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

Die Verwendung einer Bitumenzusammensetzung als Haltematerialschicht hat zum einen den Vorteil, dass solche Materialien preiswert verfügbar sind, zum anderen sind sie recyclingfreundlich, da nach dem Zerlegen eines solchen Wärmetauschers in seine Bestandteile das gewonnene Bitumenmaterial ohne nennenswerte Aufbereitung und ohne Qualitätsverlust für die Herstellung eines neuen Wärmetauschers oder andere Zwecke verwendbar ist. Außerdem gewährleistet die Verwendung der Bitumenzusammensetzung naxch ihrem Abkühlen einen innigen Kontakt der Rohrleitung mit der Trägerplatine, wodurch die thermische Effizienz des Wärmetauschers verbessert ist. Die Masse der Bitumenzusammensetzung hat zudem eine wärme- bzw. kältespeichernde Wirkung, die im Fall eines Verdampfers dazu dient, den Energieverbrauch eines Kältegeräts zu senken.

Die durch die Bitumenzusammensetzung erzielte Verbindung zwischen der Trägerplatine und der Rohrleitung ist mechanisch sehr beanspruchbar und somit der Wärmetauscher in der Handhabung im Fertigungsablauf einer Großserienfertigung sehr formstabil.

Durch die Anschmiegbarkeit der erwähnten Bitumenzusammensetzung folgt diese der Rohrleitung und der Trägerplatine konturengenau, wodurch keine Feuchtigkeit zwischen Rohrleitung und Trägerplatine eindiffundieren kann, so dass eine Korrosionsgefahr oder die Gefahr einer zum Ablösen der Rohrleitung von der Trägerplatine führenden Eisbildung vermieden ist.

Um die Wärmeübertragung zwischen der Rohrleitung und der Platine zu begünstigen, kann die Rohrleitung einen abgeflachten Querschnitt mit der Platine zugewandter verbreiteter Seite haben, um eine flächige Berührung zwischen Rohrleitung und Platine zu gewährleisten. Durch die flächige Berührung ist ein wärmeleitender Kontakt zwischen Rohrleitung und Platine auch bei ungünstigen Fertigungsbedingungen sichergestellt.

Um eine feste Verbindung zwischen der Haltematerialschicht und der Platine zu erzielen, kann vorzugsweise eine Klebstoffschicht vorgesehen werden, die wenigstens lokal die Haltematerialschicht mit der Platine verbindet.

Diese Klebstoffschicht besteht vorzugsweise aus einem durch Hitze aktivierbaren Klebstoff. Dies vereinfacht die Herstellung des Wärmetauschers, da die Klebstoffschicht vorab an einer zum Bilden der Haltematerialschicht verwendeten Platte aus der Bitumenzusammensetzung ungeschützt angebracht sein kann und ihre Wirksamkeit durch Aufschmelzen beim Erhitzen der Haltematerialschicht gewinnt.

Die Bitumenzusammensetzung kann neben Bitumen zwischen ca. 50 und 80% Füllstoff enthalten. Der Füllstoff, der ein einzelnes Material oder ein Materialgemisch sein kann, kann z. B. unter dem Gesichtspunkt der Kostenminimierung, der Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit oder der Optimierung des Wärmespeichervermögens der Haltematerialschicht ausgewählt werden. Ein hohes Wärmespeichervermögen führt dazu, dass in einem Kältegerät, in dem der erfindungsgemäße Verdampfer eingebaut ist, der Verdichter lange Zeit laufen muss, bis ein am Verdampfer angebrachter Temperatursensor die Unterschreitung einer unteren Grenztemperatur erfasst, bei der der Verdampfer ausgeschaltet wird. Umgekehrt dauert es aber auch lange Zeit, bis Verdampfer und Lagerraum sich nach Abschaltung des Verdichters wieder auf eine obere Grenztemperatur erwärmt haben, bei deren Überschreitung der Verdichter wieder eingeschaltet wird. Die Verlängerung der Einschaltphasen des Verdichters bei gleichbleibendem Verhältnis der Dauer der Einschaltphasen zur Gesamtbetriebszeit des Kältegeräts verbessern den Wirkungsgrad des Kältegeräts.

Bevorzugte Füllstoffe sind zerkleinertes Gestein oder Eisen.

Die Haltematerialschicht kann zum Schutz an ihrer von der Platine abgewandten Seite mit einer Lackschicht versehen sein.

Die Haltematerialschicht hat zweckmäßigerweise eine mittlere Stärke im Bereich zwischen 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,5 mm.

Die Herstellung eines Wärmetauschers der oben beschriebenen Art ist auf einfache Weise möglich durch Bilden eines Stapels, der eine Platine, eine Rohrleitung für ein Kältemittel und eine Platte aus einer Bitumenzusammensetzung umfasst, und anschließendes Erhitzen der Folie und Verpressen des Stapels.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Verdampfers als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Verdampfer aus Fig. 1; und
Fig. 3 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Verdampfers.
Der in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht gezeigte Verdampfer ist aufgebaut aus einer ebenen Platine 1 aus Aluminiumblech, auf der eine Kältemittelleitung 2 aus einem ebenfalls aus Aluminium bestehenden Rohr mäanderförmig angeordnet ist. Die Platine 1 und die Kältemittelleitung 2 sind überdeckt von einer Haltematerialschicht 3 aus einer Bitumenzusammensetzung.
Die Bitumenzusammensetzung besteht aus ca. 25 Gew.-% polymermodifiziertem Bitumen, 3 Gew.-% eines Kunststoffs und ca. 72 Gew.-% Gesteinsmehl als Füllstoff. Allgemein kann der Anteil des Gesteins 50 bis 80 Gew.-% betragen. Unter Zugrundelegung einer Dichte von 1100 kg/m³ für Bitumen und von 2800 kg/m³ für das Gestein entspricht dies einem Volumenanteils des Gesteinsmehls von 28 bis 61 Vol.%. Dichter Naturstein, der sich als Ausgangsmaterial für die Herstellung eines solchen Gesteinsmehls eignet, hat typischerweise eine Wärmespeicherzahl S von ca. 700 Wh/m³K, im Gegensatz zu einem Wert S ≍ 515 Wh/m³K für Bitumen. Die Wärmespeicherzahl der Haltematerialschicht mit 72 Gew.-% Gesteinsmehl (entsprechend einem Volumenanteil von ca. 50%) lässt sich zu ca. 610 Wh/m³K berechnen. Das Wärmespeichervermögen dieser Haltematerialschicht ist mithin fast 20% höher als das einer nur aus Bitumen bestehenden Haltematerialschicht gleicher Stärke, gleichzeitig sind die Materialkosten der gesteinsmehlhaltigen Schicht geringer.
Höhere Wärmespeicherzahlen als Gestein haben insbesondere einige Metalle wie etwa Zink (S = 785 Wh/m³K), Kupfer (S = 995 Wh/m³K) und Eisen (S = 1015-1080 Wh/m³K). Aufgrund seiner besonders hohen Wärmespeicherzahl und auch unter Kostengesichtspunkten kann auch Eisen als Füllstoff für die Haltematerialschicht in Betracht gezogen werden, welches dem Bitumen mit den gleichen Volumenanteilen wie oben angegeben zugesetzt werden kann. Für eine Halteschicht mit 50 Vol.-% Eisenanteil ergibt sich eine Wärmespeicherzahl S ≍ 775 Wh/m³K.
Wie Fig. 2 zeigt, hat die Kältemittelleitung 2 keinen exakt runden, sondern einen abgeflachten, eher elliptischen Querschnitt, wodurch sich die Kältemittelleitung 2 und die Platine 1 zumindest annähernd flächig berühren. Hierdurch wird auf fertigungstechnisch einfache Weise ein wärmeleitender Kontakt zwischen der Kältemittelleitung 2 und der Platine 1 erreicht. Die Haltematerialschicht 3 erstreckt sich in Zwickel 4 hinein, die beiderseits der Kontaktzone zwischen der Kältemittelleitung 2 und der Platte 1 liegen. Die massive Haltematerialschicht 3 sorgt für einen besseren Wärmeübergang zwischen der Platine 1 und der Kältemittelleitung 2, als dies bei herkömmlicher Verwendung eines Polyurethanschaums als Haltematerial möglich wäre. Durch die abgeflachte Form der Kältemittelleitung 2 ergibt sich eine geringere Dicke der Haltematerialschicht 3 in den Zwickeln 4, als dies bei einer runden Leitung 2 der Fall wäre. Dies ist ebenfalls für einen effizienten Wärmeaustausch zwischen Platine 1 und Kältemittelleitung 2 günstig. Zwischen der Haltematerialschicht 3 und der Platine 1 befindet sich eine Schicht 5 aus einem Heißkleber, die wegen ihrer im Vergleich zur Platine 1 und der Haltematerialschicht 3 wesentlich geringeren Dicke in der Figur lediglich als Linie erkennbar ist.
Einzelne Schritte der Herstellung des erfindungsgemäßen Verdampfers sind in Fig. 3 dargestellt.
In einem in Fig. 3A gezeigten ersten Verfahrensschritt wird ein Stapel gebildet, dessen Schichten jeweils durch die Platine 1, die Kältemittelleitung 2 sowie eine 1,2 mm starke Platte 6 aus der Bitumenzusammensetzung bestehen. An der der Platine 1 und der Kältemittelleitung 2 zugewandten Unterseite der Platte 6 befindet sich die Klebstoffschicht 5. Da der Klebstoff der Schicht 5 im kalten Zustand der Platte nicht haftet, kann die Platte 6 mitsamt der Schicht 5 bequem vorgefertigt und gehandhabt werden; Maßnahmen zum Schutze des Klebevermögens für die Zeit zwischen Herstellung und Verwendung der Platte 6 sind nicht notwendig.
In der in Fig. 3A gezeigten Phase der Herstellung des Verdampfers muss die Kältemittelleitung 2 noch nicht auf ihrer gesamten Länge auf der Platine 1 aufliegen; eine geringfügige Welligkeit der Kältemittelleitung 2 senkrecht zur Oberfläche der Platine 1, wie in Fig. 3A gezeigt, ist zulässig.
In einem in Fig. 3B gezeigten zweiten Schritt der Herstellung des Verdampfers wird ein Stempel 7 gegen die Oberseite der Platte 6 gedrückt. In diesem Stadium ist die Platte 6 kalt und damit steif; die Andrückkraft des Stempels 7 bewirkt, dass die Kältemittelleitung 2 auf ihrer gesamten Länge gegen die Platine 1 gedrückt wird.
Der Stempel 7 ist an seiner Platte 6 zugewandten Unterseite mit Kanälen 9 versehen, deren Verlauf dem der Kältemittelleitung 2 entspricht. Alternativ dazu kann der Stempel 7aus elastomerem Kunststoff wie z. B. Silikon mit einer Härte von z. B. 20 Shore A und einer Materialstärke von 20 mm gefertigt sein. Bei einem Stempel aus elastomerem Kunststoff mit angepasster, nicht zur Beschädigung der Kältemittelleitung führender Shorehärte erübrigt sich die Einbringung des Kanalverlaufs der Kältemittelleitung an der Stempelunterseite.
Durch anschließendes Erhitzen wird das Bitumen der Platte 6 fließfähig gemacht, und die Platte 6 wird in den Zwischenräumen 8 zwischen benachbarten Abschnitten der Kältemittelleitung 2 gegen die Platine 1 gedrückt. Die Zähigkeit der Bitumenzusammensetzung ist so eingestellt, dass diese einerseits fließfähig genug wird, um in die Zwickel 4 zwischen der Platine 1 und der Kältemittelleitung 2 einzudringen, andererseits aber noch zäh genug ist, um ein eventuelles lokales Wiederabheben von Teilen der Kältemittelleitung 2 von der Platine zu verhindern.
Um unabhängig von der Fließfähigkeit der Bitumenzusammensetzung ein lokales Wiederabheben der Kältemittelleitung 2 auszuschließen, können die Kanäle 9 des Stempels 7 auch lokal mit (nicht dargestellten) Vorsprüngen ausgestattet sein, die beim Erwärmen der Platte 6 durch diese hindurch gedrückt werden und mit der Kältemittelleitung 2 in unmittelbaren Kontakt kommen, um diese gegen die Platine 1 gedrückt zu halten.
Der Schmelzpunkt des Heißklebers der Klebstoffschicht 5 ist so gewählt, dass er während des Erhitzens und Formens der Platte 6 schmilzt und so anschließend, nach Abkühlen, die wieder erstarrte Haltematerialschicht 3 fest mit der Platine 1 und der Kältemittelleitung 2 verbindet. Die Klebstoffschicht 5 kann sich über die gesamte Unterseite der Platte 6 oder nur über Teile von dieser erstrecken.
Zur Versiegelung der frei liegenden Oberfläche der Haltematerialschicht 3 kann eine Lackschicht, insbesondere aus Schelllack, aufgetragen werden.
Die Wiedergewinnung der Bitumenzusammensetzung beim Recycling des Verdampfers ist auf einfache Weise möglich, indem durch Verformen des Verdampfers die im kalten Zustand spröde Haltematerialschicht 3 in Stücken abgesprengt wird oder indem durch starkes Abkühlen des Verdampfers, z. B. mit Hilfe von Trockeneis, die Verbindung zwischen Haltematerialschicht 3 und Kältemittelleitung 2 bzw. Platine 1 zum Aufbrechen gebracht wird.

Claims

1. Wärmetauscher für ein Kältegerät mit einer Platine (1), einer in wärmeleitendem Kontakt mit der Platine (1) angeordneten Rohrleitung (2) für ein Kältemittel und einer an der Platine (1) und an der Rohrleitung (2) haftenden Haltematerialschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltematerialschicht (3) aus einer Bitumenzusammensetzung besteht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) einen abgeflachten Querschnitt aufweist.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltematerialschicht (3) mit der Platine (1) über eine Klebstoffschicht (5) verbunden ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffschicht (5) aus einem durch Hitze aktivierbaren Klebstoff besteht.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitumenzusammensetzung einen Füllstoff enthält.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine höhere Wärmespeicherzahl als das Bitumen hat.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitumenzusammensetzung zwischen 50 und 80 Gew.-% Füllstoff enthält.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitumenzusammensetzung zwischen 25 und 65 Vol.-% Füllstoff enthält.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff zerkleinertes Gestein enthalten ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Eisen enthalten ist.

11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltematerialschicht (3) an ihrer von der Platine (1) abgewandten Seite eine Lackschicht trägt.

12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltematerialschicht (3) eine mittlere Stärke zwischen 0,5 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,5 mm hat.

13. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, insbesondere eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:

- Bilden eines Stapels, der eine Platine (1), eine Rohrleitung (2) für ein Kältemittel und eine Platte (6) aus einer Bitumenzusammensetzung umfasst,

- Erhitzen der Platte (6) und Verpressen des Stapels.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1), die Rohrleitung (2) und die Platte (6) aus der Bitumenzusammensetzung in der genannten Reihenfolge gestapelt werden.