DE2439442A1

DE2439442A1 - Waermeuebertrager

Info

Publication number: DE2439442A1
Application number: DE2439442A
Authority: DE
Inventors: Tsohitsugu Hara; Motokazu Ichida; Yasushige Kashiwabara; Michio Yanadori
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-08-17
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1975-03-13
Also published as: IT1016826B; JPS5042451A; JPS5723194B2; NL166325B; DE2439442C3; NL7410833A; DE2439442B2; GB1483606A; US3985182A; NL166325C

Description

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S:i »: ϊ££'^:;ϊ£^τ 24394 A

_8l.₂₅._05W(23._055H)

16. August 1974

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Wärm eübertrager

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, der eine bisher noch nicht erreichte besondere Wirkung erzielt.

Bisher ist es beim Durchführen einer Wärmeübertragung von einem Ort zu einem anderen allgemein üblich, einen guten Wärmeleiter, z.B. ein Metall, zwischen den beiden Orten anzuordnen, um dadurch die Wärmeübertragung durch Ausnutzen der Wärmeleitung durchzuführen oder durch Ausnutzen der Konvektion, des Verdampfens/oder Siedens oder der Kondensation einer Flüssigkeit zum Durchführen der Wärmeübertragung . ."■_.-

81-(A399-03)-Me-r (8)

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Bei herkömmlichen Vorrichtungen wird, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Orten vorhanden ist, notwendigerweise Wärme von dem Ort höherer Temperatur zu dem niedrigerer Temperatur übertragen. In diesem Zusammenhang ist die übertragene Wärmemenge im wesentlichen proportional der Temperaturdifferenz. Gemäß herkömmlichen Verfahren ist die zu übertragende Wärmemenge lediglich abhängig von der zwischen zwei Orten vorhandenen Temperaturdifferenz, statt von einem absoluten Temperaturwert.

Im einzelnen erlauben herkömmliche Verfahren die Übertragung einer großen Wärmemenge von einem Ort zum anderen trotz einer geringen Temperaturdifferenz durch Ausnutzen der Verdampfung und der Kondensation einer Flüssigkeit. Gemäß solchen Verfahren kann jedoch keine Wärmeschaltfunktion erzielt werden, bei der z.B. Wärme im wesentlichen nicht übertragen wird, wenn eine erfaßte Temperatur unter einem bestimmten Wert ist, selbst wenn eine beträchtliche Temperaturdifferenz zwischen zwei Orten herrscht, während Wärme bei einer Temperatur über der bestimmten Temperatur übertragen werden kann.

Um die genannte Wirkung zu erreichen, müssen herkömmliche Verfahren einen Wärmefühler verwenden, um den Dampf- oder Fluidstrom durch Schließen eines Ventils gemäß einem Signal zu beenden, das von dem Wärmefühler abgegeben wird, wodurch der Aufbau kompliziert und verringerte Zuverlässigkeit erreicht wird. Um diese Nachteile zu überwinden, wurde kürzlich ein Versuch durchgeführt, bei dem eine geringe Menge eines nichtkondensierbaren Gases zuvor in einem Behälter gespeichert ist, während der Druck im Behälter zum Erreichen des Siede-

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punktes einer Flüssigkeit gesteuert ist. Das nichtkondensierbare Gas neigt jedoch dazu, sich bei fortschreitender Zeit nahe einer Verdampfungsoberfläche zu sammeln, und deshalb erreicht der Dampf der Flüssigkeit die Verdampfungsoberfläche durch diese nichtkondensierbare Gasschicht, so daß die Wärmeübertragungsmenge durch Kondensation schnell erniedrigt wird, trotz der Speicherung einer sehr geringen Menge eines nichtkondensierbaren Gases. Aus diesem Grund ist es

ungünstig, wenn mehr nichtkondensierbarer Dampf als 0,1 kg/cm darin gespeichert wird, wegen der verschlechterten Durchführung der Wärmeübertragung, was zum Versagen der Übertragung einer großen Wärmemenge führt. Andererseits ist, obwohl eine geringe Menge nichtkondensierbaren Gases keine beträchtliche Abnahme der Wärmeübertragungsmenge durch Kondensation nach sich zieht, der Einstelldruck zu gering, um den Siedepunkt genau einstellen zu können. Wenn z. B. FreonR-114 als Kühlmittel verwendet wird, nimmt der Sättigungsdruck exponential mit der Temperatur zu, so daß der zum Einstellen der Sättigungstemperatur benötigte Druck bei einem Fehler von + 1 C so klein wie + 0,01 kg/cm sein muß bei einem Druck von 0,1 atm, weshalb die Bedingungen für eine praktische Anwendbarkeit nicht erfüllt werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, der die genannten Nachteile herkömmlicher Übertrager vermeidet, eine Wärmeventilwirkung besitzt und die leichte Übertragung einer großen Wärmemenge erlaubt, wobei die Betriebstemperatur auf einen beliebigen Wert genau einstellbar ist, insbesondere einen Refrigerator od. dgl., der darin mindestens zwei bezüglich eines Luftstroms voneinander vollständig getrennte Kammern besitzt, wobei die Temperatur in jeder Kammer ohne einen solchen Luftstrom durch Verwendung

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eines derartigen Wärmeübertragers frei eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärmeisolierwand zum Trennen eines Hochtemperaturbereiches von einem Niedertemperaturbereich, und einen sich durch die Wärmeisolierwand erstrekkenden Behälter, dessen eine Seite im Hochtemperaturbereich und dessen andere Seite im Niedertemperaturbereich angeordnet ist, und der im Inneren mit einer bei einer Temperatur über einer bestimmten Temperatur siedenden Flüssigkeit niederer Siedetemperatur, und mit einem in einem bestimmten Bereich nichtkondensierbaren Gas versehen ist, wodurch der Wärmeübertrager ausgelegt ist, um so eine Ventilwirkung zu besitzen, daß Wärme vom Hochtemperaturbereich zum Niedertemperaturbereich bei einer Temperatur über der bestimmten Temperatur übertragen wird durch die Bewegung von beim Sieden der Flüssigkeit erzeugten Dampfblasen.

Die Erfindung gibt also einen Wärmeübertrager an, der eine Flüssigkeit mit niedrigem Verdampfungs- oder Siedepunkt und ein nichtkondensierbares Gas enthält, wobei die Flüssigkeit und das Gas in einem Behälter gespeichert sind, der in einen Heizbereich und einen Kühlbereich durch ein adiabatisches Glied eingeteilt ist, um die Flüssigkeit zum Verdampfen oder Sieden bei Temperaturen über einer gewünschten Temperatur zu bringen.

In dem Wärmeübertrager wird eine große Wärmemenge übertragen bei Temperaturen über einer gewünschten Temperatur durch Auslösen von Dampfblasen zur Übertragung von dem Heizbereich zu dem Kühlbereich, wobei sich die Blasen durch das Sieden der Flüssigkeit ergeben, während keine Wärme zwischen den beiden Bereichen übertragen

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wird bei Temperaturen unter den gewünschten Temperaturen.

Der Wärmeübertrager ist geeignet zur Verwendung in Geraten oder Maschinen, die eine Wärmeventilfunktion benötigen, insbesondere zur
Verwendung in einem Refrigrator, wie z. B. einem Kühlschrank.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt des Grundaufbaus der Erfindung , ..;'■"-..

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt, der den Erfindungsgedanken
wiedergibt,

Fig. 3 ein Diagramm der Betriebsmerkmale des erfindungsgemäßen Übertragers,

Fig. 4 bis 8 Querschnitte zur Darstellung weiterer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 9 ein Diagramm der Betriebsmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 10 bis 17 Querschnitte von Anwendungen des erfindungsgemäßen Übertragers. ■■■·.'■-..

Der Erfindungsgedanke wird in Zusammenhang mit einer Ausführungsform der Erfindung erläutert. ■

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In Fig. 1 ist ein Behälter 8, der eine Flüssigkeit und ein nichtkondensierbares Gas enthält und den Wärmeweg begrenzt, eine Flüssigkeit 6 mit niedrigem Verdampfungs- oder Siedepunkt und ein nichtkondensierbares Gas 9 dargestellt. Weiter sind dargestellt ein Heizbereich 3, ein Kühlbereich 4 und eine Wärmeisolier- oder -dämmwand 2, die den Behälter 8 in den Heizbereich 3 und den Kühlbereich 4 teilt. Die Flüssigkeit 6 mit niedrigem Siedepunkt und das nichtkondensierbare Gas 9 sind in dem Behälter 8 unter einem geeigneten Druck gespeichert, der von der Betriebstemperatur und dem Sattdampfdruck der Flüssigkeit 6 abhängt. Der oben genannte Aufbau ergibt keinen Unterschied zwischen dem Übertrager gemäß der Erfindung und herkömmlichen Übertrager. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Übertragers liegen in folgendem: Insbesondere ist, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Teil des Behälters 8 mit kleinem Durchmesser ausgeführt, um den Flächeninhalt der Flüssigkeitsober fläche 19 herabzusetzen, die das nichtkondensierbare Gas 9 berührt, wodurch die Dampfmenge während des Nichtsiede-Zeitabschnitts herabgesetzt wird (wobei die Oberfläche 19 als sogenannte freie Oberfläche der Flüssigkeit zu bezeichnen ist) und gleichzeitig leicht eine solche Wirkung der Dampfblasen erreicht wird, daß die Flüssigkeit nach oben gehoben wird, wie das später beschrieben wird. Zusätzlich ist die die Flüssigkeit 6 berührende Fläche 20 des Behälters 8 (die sog. Wärmeübertragungsfläche) so ausgelegt, daß sie auf eine maximale Erstreckung vergrößert ist, um dadurch die übertragene Wärmemenge zum Siedezeitpunkt zu erhöhen. Darüber hinaus ist die gespeicherte Flüssigkeitsmenge 6 so bestimmt, daß die Flüssigkeitsoberfläche 19 nicht in den Kühlbereich 4 reicht ,sondern niedriger als der Kühlbereich 4 ist, wenn keine Verdampfung stattfindet, während die Flüssigkeitsoberfläche 19 den Kühlbereich 4 zum Siedezeitpunkt erreicht.

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Selbst wenn die Temperatur der Flüssigkeit 6 durch eine Wärmequelle erhöht wird, kann die Flüssigkeit 6 nicht sieden, bis der Dampfdruck höher als der Speicherdruck des Gases wird, und die Flüssigkeit 6 verdampft nicht von der Flüssigkeitsoberfläche 19, da sie mit dem nichtkondensierbaren Gas 9 bedeckt und der Dampfdruck geringer ist im Vergleich zum Speicherdruck. Andererseits wird, da die Verdampfungs- oder Verdunstungsmenge der Flüssigkeit 6 wegen des kleinen Flächeninhalts der freien Oberfläche 19 gering ist und da die Schicht des nichtkondensierbaren Gases 9 hochkonzentriert die Flüssigkeitsoberfläche 19 überdeckt, der Dampf im wesentlichen nicht die kondensierende Fläche 4 erreichen. Daraus folgt, daß selbst dann, wenn die Flüssigkeit 6 erwärmt wird, keine Wärme mit dem Dampf weggetragen wird, so daß die Wärme nur durch die Wände des Behälters 8 infolge Wärmeleitung übertragen wird. In einem solchen Fall sollte die Wand des Behälters 8 aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit und mit geringer Dicke ausgeführt sein, wodurch die übertragene Wärmemenge auf einen geringen Anteil begrenzt wird.

Im Gegensatz dazu wird, wenn die Temperatur der Flüssigkeit 6 einen bestimmten Wert überschreitet und dann der Sättigungsdruck höher ist als der Speicherdruck, die Flüssigkeit 6 zu sieden beginnen, wie in Fig. 2 dargestellt, wobei viele Dampfblasen 10 in der Flüssigkeit 6 erzeugt werden. Die Blasen 10 steigen zur Flüssigkeitsoberfläche 19 infolge ihres Auftriebs auf, während das scheinbare Volumen der Flüssigkeit 6 zunimmt. Aus diesem Grund steigt die freie Oberfläche der Flüssigkeit 6 nach oben und erreicht möglicherweise den Kühlbereich 4. In diesem Augenblick werden, da die Flüssigkeit 6 nahe dem Kühlbereich 4 unter die Sättigungstemperatur abgekühlt wird,

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die nahe dem Kühlbereich 4 vorhandenen schwebenden Blasen 10 innerhalb der Flüssigkeit 6 kondensiert. Mit anderen Worten wird der Dampf sogleich kondensiert und überträgt die Wärme, ohne dem Einfluß des Wärmewiderstandes des nichtkondensierbaren Dampfs 9 zu unterliegen. Das ist eines der Hauptmerkmale der Erfindung. Darüber hinaus tritt dieser Effekt nur im Zeitpunkt der Verdampfung (des Siedens) auf und kann bei NichtVerdampfung nicht auftreten.

Mit anderen Worten kann der Wärmewiderstand von der Heizfläche zur Kühlfläche an der Grenze einer kritischen Temperatur plötzlich gewechselt werden. Je geringer der Durchmesser des Behälters 8 wird, um so geringer wird das Gleiten, das zwischen den Blasen 10 und der Flüssigkeit 6 auftritt, und. um so wirksamer wird die Anstiegswirkung der Flüssigkeitsoberfläehe 19. Andererseits wird, je größer der Flächeninhalt der Wärmeübertragungsfläche 20 wird, die Erzeugung von Blasen 10 um so kräftiger, wodurch die Wirkung der Oberflächenanhebung zunimmt mit dem damit verbundenen Anstieg der übertragenen Wärmemenge.

Durch Anwenden der Flüssigkeitsoberflächen-Anhebwirkung infolge der Blasen 10 (sog. Blasenpumpwirkung) und dem Verdampfungs- oder Siedeeffekt der Flüssigkeit 6, wird keine Wärme übertragen bei Temperaturen unter dem Siedepunkt, während nach dem Sieden der Flüssigkeit 6 eine große Wärmemenge schnell übertragen wird. Wenn die durch Sieden erzeugten Blasen 10 nach oben steigen und dann in der Flüssigkeit 6 nahe dem Kühlbereich 4 kondensieren, dann wird die Dampfwärme durch das Medium der Flüssigkeit zur Kühlfläche übertragen. Im Zusammenhang damit wurde gefunden, daß die Wärmeüber-

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tragung sehr bedeutend ist. Wenn z. B. Fluorkohlenstoff (Kohlenwasserstoff-Fluorid) kondensiert wird, ist die Wärmeübertragung durch Kondensation etwa 400 kcal/cm · h · C in einem Fall, bei dem 10 Gew.-% Luft mit dem Dampf vermischt sind, während die Wärmeübertragung etwa 1500 kcal/cm · h · °C in einem Fall ist, in dem der Dampf in der Flüssigkeit kondensiert ist. Es ist bekannt, daß die Blasen kondensieren und flüssig werden, nachdem die Wärme von ihnen entfernt ist, und dann durch Schwerkraft nach unten sinken.

Fig. 3 zeigt eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Temperatur und der übertragenen Wärmemenge darstellt, mit der Temperatur an der Abszisse ind der übertragenen Wärmemenge an der Ordinate, wobei die Kurve auf einem Experiment mit einem Behälter 8 mit Innendurchmesser 1 cm und Länge 30 cm beruht, mit Fluorkohlenstoff (Fluorcarbon) als Flüssigkeit 6 und Luft als nichtkondensierbares Gas 9. Dies zeigt deutlich das Hauptergebnis der Wärmeventilwirkung des Übertragers gemäß der Erfindung im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmeübertragern.

Die Beschreibung ist bisher nicht auf die verwendeten Werkstoffarten für den Behälter 8 eingegangen. Und zwar deshalb nicht, weil kein Werkstoff-Einfluß auf die Erfindung nimmt. Im Fall eines z. B. aus Stahl hergestellten Behälters 8 ist er befriedigend, wenn seine Dicke ausreichend gering ist. Ebenso kann der Behälter 8 aus Keramikglas oder Kunststoff od. dgl. hergestellt sein. Kurz gesagt kann jeder Behälter 8 verwendet werden, insoweit er dem Speicherdruck und der Temperatur im Betriebstemperaturbereich widerstehen kann.. Es gibt ' jedoch bevorzugte Ausführungsformen des Behälters 8 junter dem Ge-.

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Sichtspunkt der Wärm eübertragungs wirkung, und deshalb werden diese Ausführungsformen des Behälters 8 im folgenden beschrieben.

Im allgemeinen gilt für das Kräftegleichgewicht in der Flüssigkeit

L¹ = , mit O^ oC<\ (I)₁

mit H = Ausgangstiefe der Flüssigkeit,

L¹ = Tiefe der Flüssigkeit, wenn Blasen erzeugt werden, und

oC = Blasen-Volum en (der sog. Porositäts- oder Hohlraumfaktor .

Andererseits ergibt sich der Hohlraumfaktor cC zu

<*■- τήτ ^<2)

g ο

mit Q = während der Einheitszeit erzeugtes Blasenvolumen [m A U = Auftriebsgeschwindigkeit der Blasen [m/hj, und

A = Flächeninhalt des die Flüssigkeit berührenden nichtkondensierbaren Gases [m^J (bei einem Beispiel, in dem der Behälter 8 gemäß Fig. 1 und 2 senkrecht zur Horizontalebene angeordnet ist, entspricht dieser Wert der Querschnittsfläche des Behälters 8.

Ferner wird

Q = —~- (3)

g r -ar_g

Q = hAT-A (4)

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' ^π" · 2Λ394Λ2

mit r = latente Wärme der Flüssigkeit [kcal/kgj ,

γ- = die Wichte des Dampfes der Flüssigkeit [kg/m J ,

Q = Wärmeübertragungsmenge [kcal/h],

h = Siedewärmeübertragungsmenge [kcal/m . · h * GJ,

AT = Temperaturdifferenzj, CJ,

A = Flächeninhalt des Heizbereichs, der die Flüssigkeit 6

berührt (Wärmeübertragungsfläche) [m²].

Wenn die Gleichungen (2), (3) und (4) in die Gleichung (l) eingesetzt werden, ergibt sich die Gleichung, die die Oberflächenerhöhung der Flüssigkeit ausdrückt zu

τ t _

r · r ■ U

" g g

Da r, χ ,U im wesentlichen konstant sind, und unter der Vor-

⁰ g g

aussetzung, daß h und ΔΤ konstant sind, nimmt L¹ zu wenn A/A ansteigt und überschreitet möglicherweise den Wert von L, der die Höhe bis zur Isolierwand 2 darstellt. Mit anderen Worten wird je kleiner die Wärmeübertragungsfläche A wird $ L¹ um so größer, wodurch die übertragene Wärmemenge zunimmt und die Wärmeübertragungswirkung steigt. In diesem Zusammenhang ist eine Beziehung L "^ L¹ zum Durchführen der Wärmeübertragung zum Siedezeitpunkt notwendig, während eine Beziehung H < L notwendig ist, um keine Wärmeübertragung zum Zeitpunkt des Nichtsiedens zu erreichen. Auf diese Weise ist folgende Gleichung aus der Gleichung (5) und den genannten Bedingungen ableitbar:

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mit C = h · Δ T/U , und

L = Abstand vom Behälterboden zur Oberseite der Isolierwand 2.

Um das Wärmeleck zu verringern, ist es notwendig, die Höhe des Flüssigkeitsspiegels H kleiner als L zu machen, wie das aus Fig. 1 ersehen werden kann.

Darüber hinaus ist es erwünscht, die Werte L und H so zu bestimmen, daß gilt

mit t = Dicke der thermischen adiabatischen Wand 2.

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform näher erläutert.

Die Fig 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Behälter 8 aus einem Rohr besteht, das geringen Durchmesser über seine Länge hat, mit einem nichtkondensierbaren Tank 5 (ein sog. Reservoir), der an seinem oberen Ende befestigt ist. Das Vorsehen eines Tanks 5 mit einem großen Aufnahmevermögen erlaubt das Aufrechterhalten des gleichen Drucks wie zur Speicherzeit, selbst wenn die Oberfläche 19 der Flüssigkeit 6 ansteigt. Das gibt eine scharf nach oben knickende Kurve, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Das ist ebenfalls durch Versuche bewiesen worden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Fallrohr 12 zusammen mit einem Steigrohr 21 vorgesehen ist, wo-

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bei der ansteigende oder nach oben strömende Dampf und die Flüssigkeit in einen Zweiphasenstrom und einen Flüssigkeitsstrom geteilt werden kann, so daß es keine Möglichkeit einer gegenseitigen Beeinflussung ergibt, woraus sich ein leichtes Zurückfließen der Flüssigkeit 6 ergibt. Als Folge wird brauchbar eine Blasenpumpwirkung erzielt, mit einer Wärmeübertragungsmenge, die doppelt so hoch ist wie bei einem einfachen Rohr, wie das durch Versuche nachgewiesen ist. Zusätzlich wird durch die Versuchsergebnisse klar, daß die besonders zufriedenstellende Flüssigkeitsumwälzung und die erhöhte Wärmeübertragungsmenge erreicht ist bei einer Querschnittsfläche des Steigrohrs 12, die nicht größer als 36 mm ist.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Heizbereich 3 und der Kühlbereich 4 im oberen bzw. unteren Abschnitt angeordnet sind. Es ist jedoch vorzuziehen, daß jedeV Abschnitt des Behälters etwas gegen die Horizontale geneigt ist.

In diesem Fall ist der Wert von L die Flüssigkeitshöhe kurz bevor die in dem Rohr 21 wegen der in der Flüssigkeit auftretenden Blasen nach oben strömende Flüssigkeit vom oberen Ende des Rohrs 21 durch den Kühlbereich 4 zum Rohr 12 weiter nach unten fließt. In diesem Zusammenhang kann eine Verbesserung der Wärmeübertragungsmerkmale erwartet werden durch geeignetes Auswählen der Winkel des Heizbereichs 3 und des Kühlbereichs 4 gegen die Horizontale', wobei die Bereiche 3 und 4 im oberen bzw. unteren Abschnitt angeordnet sind, oder durch geeignetes Ändern des Umwälzwiderstandes des "Wärmemediums, das durch den Behälter umgewälzt wird (z. B. durch Erhöhen des Rohrdurchmessers im Heizbereich 3, während der Durchmesser des Rohrs

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gegenüber dem Durchmesser des Rohrs im Heizbereich 3 verringert ist und die Länge des Rohrs noch geringer gemacht wird als die des Rohres 12, und diese Merkmale kombiniert sind, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird).

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Steigrohr und ein Fallrohr im selben Behälter 8 angeordnet sind, wobei ein Zustand gezeigt ist, bei dem die Temperatur der Flüssigkeit 6 höher ist als die Sättigungstemperatur, um dadurch Blasen 10 zu erzeugen.

Jegliche Flüssigkeitsart kann als Flüssigkeit 6 verwendet werden, soweit sie einen niedrigen Siedepunkt hat. Als Flüssigkeit 6 können zusätzlich zu dem beschriebenen Fluorkohlenstoff verwendet werden: Alkohol, Wasser, Quecksilber, Alkalimetalle wie Kalium od. dgl., Silikonöl, Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff und Flüssigerdgas usw. Andererseits werden als nichtkondensierbares Gas 9 vorzugsweise solche verwendet, die chemisch stabil gegenüber der Flüssigkeit 6 sind. Deshalb können neben der oben genannten Luft noch Stickstoff, Argongas, Kohlendioxidgas od. dgl. verwendet werden.

Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Teil 13 des Behälters 8 aus einem flexiblen Werkstoff hergestellt ist (wie z. B. einem Metallbalg), das verwendet wird, um den Speicherdruck des nichtkondensierbaren Gases 9 durch Ändern des Innenvolumens des Behälters 8 mittels eines Druckstempels 14 durch Ausüben eines Drucks darauf oder durch Ausdehnen desselben zu verändern. Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur und der übertragenen

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Wärmemenge,bei der die nach oben knickende Temperaturkurve verändert werden kann.

Unterdessen kann, wenn der Speicherdruck des nichtkondensierbaren Gases gering ist, die Sättigungstemperatur nicht genau eingestellt werden. Es wurde jedoch als Ergebnis der Versuche gefunden, daß die Verwendung von Fluorkohlenstoff und Luft eine Einhaltung einer Genauigkeit

ο ρ

von ± 1 C bei einem Druck von 0,3 kg/cm ergeben hat.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß bei der Erfindung ein Temperaturfühler komplizierter Bauart nicht erforderlich ist, sondern ein Wärmeübertrager einfachen Aufbaues ohne Ventil gebildet ist, der jedoch eine Ventilwirkung bietet, da er abhängig von der Temperatur betreibbar ist, die sich selbst eingestellt hat durch Prüfen des Wärmestroms. Obwohl die Beschreibung sich auf einen Wärmeübertrager bezieht, erfolgt die folgende Beschreibung zur Angabe von Anwendungsmöglichkeiten des genannten Wärmeübertragers.

Zum Beispiel kann die Erfindung einen Refrigerator, insbesondere einen Kühlschrank vorsehen, der mindestens zwei Kammern verschiedener Temperaturen durch Verwenden einer einzigen Kühleinrichtung kühlen kann, ohne eine Luftverbindung oder eine Luftströmung zu benötigen .

Bei herkömmlichen Kühlschränken wird Luft, die in einem Kühler-Abteil gekühlt wurde, durch einen Luftdurchtritt in ein Gefrierfach geführt, während ein Teil der rückströmenden Luft aus dem Gefrierfach zum Kühlgerät (im Kühler-Abteil) in das Kühlfach eingeführt wird, um

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letzteres zu kühlen. In den meisten Fällen wird die Temperatur im Gefrierfach auf -20 C gehalten, während die Temperatur im Kühlschrank auf 2-5 C gehalten wird, so daß es üblich ist, die Temperatur im Kühlschrank zu bestimmen und dann die dem Kühlschrank zuzuführende Kühlluftmenge einzustellen durch die derart erfaßte Temperatur.

Der herkömmliche Kühlschrank ist in dieser Weise ausgeführt. Da das Kühler-Abteil jedoch mit dem Gefrierfach in Verbindung steht und das Gefrierfach ebenso mit dem Kühlschrank und der Kühlschrank mit dem Kühler-Abteil über ein Loch geringen Durchmessers in Verbindung steht, kann möglicherweise Luft hoher Temperatur, wie die im Kühlschrank in das Kühler-Abteil mit tiefer Temperatur eindringen, wodurch die Luft mit hoher Temperatur und Feuchtigkeit die Oberfläche des Kühlgeräts berühren kann, wodurch Vereisung entsteht. Die Feuchtigkeit von im Kühlschrank gelagerten Nahrungsmitteln wird in das Kühler-Abteil getragen, dessen Temperatur am tiefsten liegt und dort ausgefroren, so daß die gelagerten Nahrungsmittel austrocknen. Wenn Eis auf der Oberfläche des Kühlgeräts erzeugt wird, nimmt die Kühlleistung wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit von Eis ab, so daß von Zeit zu Zeit mittels einer Heizung oder eines nahe dem Eis strömenden Hochtemperaturkühlmittels abgetaut werden muß.

Im genannten Beispiel ist der Aufbau so, daß die gesamte Feuchtigkeit zum Kühlgerät gebracht wird oder die Tür des Kühlschranks häufig geöffnet wird, um Außenluft, die Feuchtigkeit enthält, einzuführen. Das erfordert häufiges Abtauen mit dem damit zusammenhängenden Verbrauch elektrischer Leistung. Zusätzlich dazu muß auch das Gefrierfach erwärmt werden, weshalb weiterer elektrischer Leistungsver-

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brauch zum Wiederherstellen der Temperatur von -20 C erheblich wird. Und darüber hinaus müssen noch weitere Maßnahmen ergriffen werden, um im Kühlschrank gespeicherte. Nahrungsmittel od. dgl. vor dem Austrocknen zu bewahren, was weitere Nachteile mit sich bringt.

Um einen solchen Nachteil zu vermeiden, wurden Ausführungen untersucht, bei denen das Gefrierfach vollständig vom Kühlfach oder -raum getrennt ist, wobei mindestens eine Wand des ,Gefrierfachs mit einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit bedeckt ist, während die Luft in dem Kühlfach von einem im Kühlfach vorgesehenen Gebläse bewegt ■ wird, wodurch die Temperatur im Kühlfach abhängig vom Grad der Bewegung gesteuert oder geregelt wird. Bei einer solchen Ausführung können Nahrungsmittel vor dem Austrocknen bewahrt werden und die Eismenge wird gering gehalten. Es muß jedoch die Drehzahl eines Gebläsemotors geregelt werden, um die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungswand zu verändern, und es muß ein Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur im Kühlfach vorhanden sein, was zu kompli- ,._.. zierten und kostspieligen Konstruktionen mit geringer Zuverlässigkeit führt.

Gemäß der Erfindung können derartige Nachteile vermieden werden mit dabei verringertem Verbrauch an elektrischer Energie und bequemer Anwendung.

Fig. 10 ist eine Darstellung, die das Prinzip eines die Erfindung verwendenden Kühlschranks wiedergibt. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 51 ragt durch eine Trennwand, die vom Gefrierfach 31 und einem Kühlraum oder -fach 32 begrenzt ist, wobei der untere Abschnitt

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des Übertragers 51 im Kühlfach 32 und der obere Abschnitt im Gefrierfach 31 angeordnet sind. Es gibt keine Begrenzung der Größe und der Einstell-Lage des Wärmeübertragers 51. Fig. 10 zeigt den Fall, in dem der Übertrager 51 im Kühlfach 32 länger und im Gefrierfach

31 kürzer ist. Daraus folgt, daß es keine Luftverbindung zwischen dem Kühlfach 32 und dem Gefrierfach 31 gibt.

Bei einer derartigen Anordnung wird das Gefrierfach 31 mit kalter Luft 35 aus dem Kühlgerät-Raum oder Kühler-Abteil 33 gekühlt, während das Kühlfach 32 mittels des Wärmeübertragers 51 gekühlt wird. Nun sei angenommen, daß die Temperatur im Kühlfach 32 höher als der festgelegte Wert ist. Dieser festgelegte Wert ist abhängig von den für das Kühlfach 32 benötigten Funktionen und liegt meistens zwischen 2 und 5 C. Das sind jedoch keine Grenzwerte. Wie bereits beschrieben, beginnt dann, wenn die Temperatur diesen vorgeschriebenen Wert überschreitet, die in dem Wärmeübertrager 51 gespeicherte Flüssigkeit 52 zu sieden, und auf diese Weise heben die Dampfblasen die Flüssigkeitsoberfläche in dem Übertrager 51 an, so daß die Flüssigkeitsoberfläche den oberen Bereich 53 des Wärmeübertragers 51 erreicht. Demzufolge können die Dampfblasen leicht den oberen Raum oder Bereich durch die Flüssigkeit 52 erreichen, ohne dem Einfluß des nichtkondensierbaren Gases, das im Raum 53 gespeichert ist, zu unterliegen. Auf diese Weise wird das Kühlfach 32 gekühlt. Wenn die Temperatur im Kühlfach 32 unter dem vorgeschriebenen Wert liegt, wird der obere Abschnitt des Wärmeübertragers so vom unteren Abschnitt thermisch getrennt, daß das Gefrierfach 31 im wesentlichen vollständig wärmeisoliert ist vom Kühlfach 32, weshalb das Kühlfach

32 auf diese Weise unter den vorgeschriebenen Wert abgekühlt wird.

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Bei einem derartigen Kühlschrank gemäß der Erfindung wird, da es keine Luftverbindung zwischen dem Gefrierfach und dem Kühlfach gibt und der Wärmeübertrager selbst mit Funktionen wie der eines Temperaturfühlers und der einer Steuereinrichtung zum Steuern des Wärmestroms versehen ist, weder ein besonderer Wärmefühler noch eine besondere Steuer- oder Regelschaltung benötigt. Das vermindert die Ablagerung von Eis und kann einen Kühlschrank vorsehen, der gute Steuer- oder Regelbarkeit besitzt und billig ist.

Die genannte Ausführungsform bezieht sich auf den Fall, bei dem das Gefrierfach 31 und das Kühlfach 32 unabhängig voneinander gekühlt werden durch ein Medium des Wärmeübertragers 51. Die Ausführung des Wärmeübertragers kann jedoch noch weiter verbessert werden durch einenWärmeübertrager, der die folgenden Bedingungen erfüllt: Unter der Voraussetzung, daß die Temperaturen für das Gefrierfach 31 und das Kühlfach 32 z. B. - 18 C bzw. +2 C bei einer Umgebungstemperatur von 30 C sind und wenn die Umgebungstemperatur z. B. auf 10 C verändert wird, würde es nicht als Kühlschrank geeignet sein, wenn die Temperatur in dem Kühlfach 32 sich weit von der Temperatur von +2 C verändert. Gemäß den von den Erfindern durchgeführten Versuchen wird Fluorkohlenstoff als Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt verwendet, so daß die Temperatur in dem Kühlfach im wesentlichen auf 2 C ± 1 C gehalten werden kann, wenn das Verhältnis der übertragenen Wärmemenge während der Siedezeit zu der während der Nichtsiedezeit (das Verhältnis der übertragenen Wärmemenge) auf ungefähr über 17 festgelegt wurde. Das entspricht einem Fall, bei dem das Verhältnis (A/A ) der Wärmeübertragungsfläche A im Heizbereich zur Querschnittfläche A_Q im Behälter größer als 30 ist. Zu-

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sätzlich wird, wenn das Verhältnis A/A_Q unter 10 ist, das Verhältnis der übertragenen Wärme kleiner als 5, wodurch die Wärmeventilwirkung verlorengeht.

Obwohl die Beschreibung anhand der Fig. 10 durchgeführt wurde, bei der der obere Abschnitt des Wärmeübertragers 51 im Gefrierfach 31 untergebracht ist, ist das lediglich zum einfachen Zusammenbau des Übertragers erfolgt, weshalb der dargestellten Konstruktion nicht notwendigerweise gefolgt werden muß, sondern der Übertrager 51 auch in direkte Berührung mit dem Kühlaggregat oder -gerät 34 gebracht werden kann. Außerdem kann der Übertrager 51 irgendwo innerhalb des Gefrierfachs 31 angeordnet sein. Zusätzlich zeigt Fig. 10 den Wärmeübertrager 51 in einer Einfach-Rohrausführung, doch dies muß nicht notwendigerweise sein, sondern es können auch eine Flach-Plattenform oder mehrere parallel angeordnete Rohre verwendet werden.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausbildungsform, bei der ein Wärmeübertrager 51 für das Gefrierfach 31 und ein Wärmeübertrager 62 für das Kühlfach 32 getrennt voneinander innerhalb des Kühler-Abteils 33 vorgesehen sind, derdas Kühlgerät 34 darin enthält. Mit dieser Anordnung tritt, da das Kühler-Abteil 33 im Sinne einer Luft verbindung geschlossen ist, weder Atmosphäre ein, noch ist eine Vereisung auf dem Kühlgerät 34 möglich. Das schließt die Verringerung der Wärmeübertragung des Kühlgeräts 34 aus, wodurch die Ausführung des Geräts verbessert wird. Andererseits kann ein Verdichter für kontinuierlichen Betrieb kompakt ausgeführt sein, viel mehr als für intermittierenden Betrieb. Das macht solche Fühler, Regler und Schalter zum EIN-AUS-Steuern (bzw. -Regeln) des Kompressors entbehrlich, wie das bei herkömmlichen Geräten notwendig war, wodurch ein weniger

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kostspieliger und zuverlässiger Kühlschrank geschaffen ist. Es muß nicht darauf hingewiesen werden, daß jede Ausführungsform und Lage für den Wärmeübertrager verwendet werden kann, und daß mehr als drei Räume, Fächer oder Kammern anstelle zweier Fächer verwendet werden können.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt eines Kühlschranks in Seitenansicht. In diesem Fall ist der Wärmeübertrager 63 ringförmig ausgebildet und weist einen oberen Abschnitt auf, in dem nichtkondensierbares Gas 65 gespeichert ist. Wenn die Flüssigkeit 64 im unteren Abschnitt siedet, wird die Flüssigkeit 64 angehoben durch die Blasen, d. h. durch eine Pumpwirkung der Blasen, durch das Aufwärtsströmungs- oder Steigrohr 66, nachdem die Blasen im oberen Abschnitt zwecks Kondensation abgekühlt werden. Dann kehrt die so kondensierte Flüssigkeit zurück in ihre Ausgangslage durch das Abwärtsströmungs- oder Fallrohr 67. Eine solche Trennung der Durchtrittswege für aufsteigende und absteigende Strömung beseitigt die gegenseitige Unterbrechung und verringert den Strömungswiderstand.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, beider das Kühler-Abteil 33 über das Medium des Wärmeübertragers 63 mit dem Kühlfach 32 gekoppelt ist. Wie dargestellt, wird, wenn der obere Abschnitt 65 des Übertragers 63 das Kühlgerät 34 direkt berührt, der Wärmewiderstand verringert, was den Vorteil der Erfindung erhöht. Wenn, wie dargestellt, das Fallrohr 67, das ein Teil des Übertragers 63 ist, wärmeisoliert ist, wird die Umwälzwirkung durch die Blasenpumpwirkung stark, wodurch der Vorteil der Erfindung erhöht wird.

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung und ist

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ein Querschnitt einer Trennwand zwischen dem Gefrierfach 31 und dem Kühlfach 32, wenn der Kühlschrank von vorne betrachtet wird. Auch in diesem Fall ist ein ringförmiger Wärmeübertrager 63 vorgesehen, und die Kühlseite und die Heizseite sind an den sich horizontal gegenüberliegenden Lagen angeordnet, statt in den vertikalen Richtungen, wodurch darin ein sanfter Flüssigkeitsstrom hervorgerufen wird. Eine Trennwand 68 ist zwischen dem Gefrierfach 31 und dem Kühlfach 32 vorgesehen. Der Buchstabe L¹ bedeutet in diesem Fall die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche, kurz bevor die Flüssigkeit infolge der Bewegung der Blasen nach oben fließt.

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der drei Räume oder Fächer 31, 32, 69 dargestellt sind, im Gegensatz zu den zwei Fächern bei einer Zwei-Temperaturanordnung, wie sie bisher beschrieben wurde. In diesem Fall können Wärmeübertrager 70, 71, 72 mit verschiedenen Betriebstemperaturen verwendet werden, um die drei Fächer 31, 32, 69 auf verschiedenen Temperaturen zu halten. Andererseits können auch zwei Fächer als Kühlfächer (32 und 69) auf gleicher Temperatur gehalten werden, jedoch auf verschiedenen Feuchtigkeiten, so daß Gemüse, Früchte und dgl. in dem zweiten Kühlfach 69 gelagert werden. In diesem Fall ist der Durchmesser eines Teils (des Steigrohrs) des Wärmeübertragers 72 verringert, um das Ansteigen der Flüssigkeitsoberfläche zu erleichtern, während der Temperatureinfluß durch das (erste) Kühlfach 32 durch Wärmeisolierung verhindert wird. Wie ersehen werden kann, können bei der Erfindung auch drei Fächer verwendet werden, anstelle lediglich zweier Fächer. In einem solchen Fall ist es lediglich notwendig, zusätzliche Wärmeübertrager vorzusehen, und Temperaturfühler und Regler sind ebenfalls nicht notwendig.

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Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der im Gegensatz zur Verwendung einer Rohrform für den Wärmeübertrager ein Wärmeübertrager 73 an einer Trennwand 76 vorgesehen ist in einer Zellen- oder Kastenausführung zwischen dem Gefrierfach 31 und dem Kühlfach 32. An der Innenseite des Kostens sind Vorsprünge 74 und 75 in der Ober- bzw. Unterseite vorgesehen, um das Ansteigen der Flüssigkeitsoberfläche zu erleichtern, durch In-Berührung-Bringen der Flüssigkeit mit den oberen Vorsprüngen 75, wenn die Flüssigkeit 77 siedet.

Wie bereits beschrieben, wird grundsätzlich ein Wärmeübertrager verwendet, der eine Flüssigkeit und ein nichtkondensierbares Gas aufweist, bei der Ausführung eines Kühlschranks gemäß der Erfindung, obwohl die Ausbildung des Übertragers geändert werden kann. Beispielsweise kann im Wärmeübertrager oder innerhalb des Kühlschranks ein Gebläse vorgesehen werden, oder der Kühlbereich oder der Heizbereich des Wärmeübertragers kann zickzackförmig ausgebildet sein. Diese Tatsachen hängen jedoch von den Bedingungen für das Gerät ab und sind nicht nachteilig für die grundsätzlichen Merkmale der Erfindung. In jedem Fall ergibt sich, da das Kühlfach vollständig \on dem Kühlfach getrennt ist, keine Vereisung und zusätzlich dazu ist es unmöglich, daß Speisen austrocknen. Auf diese Weise bietet der Kühlschrank gemäß der Erfindung einen großen Nutzen ohne Verwendung komplizierter und kostspieliger Fühler und Steuer- oder Regelschaltungen.

Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Erfindung auf ein Zimmer- oder Raumkühlgerät angewendet ist. Zwei von-

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einander unabhängige Räume 80 und 81 sind dargestellt und können unabhängig über einen Kühler 82 gekühlt werden. Der Raum 80 kann direkt unabhängig mittels eines einfachen Kühlers 82 gekühlt werden, während der Raum 81 auf eine geeignete Temperatur eingestellt wird, mittels eines Wärmeübertragers 83 mit den oben genannten Wirkungen, der am Kühler 82 angebracht ist. Zum Umwälzender Luft kann ein Gebläse 84 vorgesehen sein, das zum wirksamen Wärmetausch des Wärmeübertragers 83 angepaßt ist.

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Claims

Patentansprüche -

/ 1./Wärmeübertrager, gekennzeichnet durch

eine Wärmeisolierwand (2, 68, 76) zum Trennen eines Hochtemperaturbereiches von einem Niedertemperaturbereich, und

einen sich durch die Wärmeisolierwand (2, 68, 76) erstreckenden Behälter (8), dessen eine Seite im Hochtemperaturbereich und dessen andere Seite im Niedertemperaturbereich angeordnet ist, und der im Inneren mit einer bei einer Temperatur über einer bestimmten Temperatur siedenden Flüssigkeit (6, 52, 64) niederer Siedetemperatur, und mit einem in einem bestimmten Bereich nichtkondensierbaren Gas (9, 65) versehen ist, wodurch der Wärmeübertrager (51, 62,* 63, 70, 71, 72, 73, 83) ausgelegt ist, um so eine Ventilwirkung zu besitzen, daß Wärme vom Hochtemperaturbereich zum Niedertemperaturbereich bei einer Temperatur über der bestimmten Temperatur übertragen wird durch die Bewegung von beim Sieden der Flüssigkeit (6, 52, 64) erzeugten Dampfblasen (10).
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen der Flüssigkeitsoberfläche (19) der Flüssigkeit (6, 52, 64) und der geometrischen Ausführung des Behälters (8) die folgende Gleichung erfüllt:

mit C = Konstante,

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Jf = Wichte des Dampfes der Flüssigkeit (6, 52, 64) [kg/cm ],

r = latente Wärme [kcalAgJ der Flüssigkeit (6, 52, 64),

A ■ = Fläche (m J des Heizabschnitts, der die Flüssigkeit (6, 52, 64) berührt,

A = Fläche fm J der Flüssigkeit (6, 52, 64), die das nicht-

kondensierbare Gas (9, 65) berührt,

H = Tiefe der Flüssigkeit (6, 52, 64), und

L = Abstand vom Innenboden des Behälters (8) zur Oberseite

der Wärmeisolierwand (2, 68, 76).
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen der Flüssigkeit (6, 52, 64) bzw. der Flüssigkeitsoberfläche (19) und dem geometrischen Aufbau des insbesondere dichten Behälters (8) die folgende Gleichung erfüllt:

^Ao L¹L

mit C = Konstante,

r = Wicht des Dampfes der Flüssigkeit (6, 52, 64) [kg/cm ],

r = latente Wärme [kcal/kg J der Flüssigkeit (6, 52, 64)

A = Fläche des Heizabschnittes der die Flüssigkeit berührt,

A = Fläche fm² J der Flüssigkeit (6, 52, 64), die das nicht-

kondensierbare Gas (9, 65) berührt,

H = Tiefe der Flüssigkeit (6, 52, 64),

L = Abstand vom Innenboden des Behälters (8) zur Oberseite

der Wärmeisolierwand (2, 68, 76), und

t = Dicke der Wärmeisolierwand (2, 68, 76).
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des nichtkondensierbaren Gases (9, 65) im Behälter (8) nicht kleiner als 0,3 kg/cm² ist.

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