EP2238401A1 - Wärmetauscher mit fraktaler leitungsstruktur - Google Patents

Wärmetauscher mit fraktaler leitungsstruktur

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Publication number
EP2238401A1
EP2238401A1 EP09706056A EP09706056A EP2238401A1 EP 2238401 A1 EP2238401 A1 EP 2238401A1 EP 09706056 A EP09706056 A EP 09706056A EP 09706056 A EP09706056 A EP 09706056A EP 2238401 A1 EP2238401 A1 EP 2238401A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
exchanger according
line
points
inflow port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09706056A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tetyana Lapchenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP2238401A1 publication Critical patent/EP2238401A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/022—Evaporators with plate-like or laminated elements
    • F25B39/024—Evaporators with plate-like or laminated elements with elements constructed in the shape of a hollow panel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0071—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/02—Heat exchange conduits with particular branching, e.g. fractal conduit arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and in particular a heat exchanger which is suitable for use as an evaporator in a refrigeration appliance.
  • Known heat exchangers with unbranched line structure usually comprise a substrate, on which a continuous line extends in meanders from an inflow to an outflow connection.
  • a temperature change associated with the supply of heat transfer fluid spreads over the entire surface of the substrate in a short time.
  • the disadvantage is that the large length of the single line causes a high pressure drop of the heat transfer fluid in the heat exchanger, so that a high drive power for circulating the heat transfer fluid is required.
  • the meandering path allows heat exchange between adjacent upstream and downstream portions of the conduit, which reduces the effectiveness of the heat exchanger.
  • a heat exchanger with a branched line structure as known, for example, from EP 1 525 428 B1, has the advantage that the multiplicity of parallel paths of the heat transfer fluid extending between the inflow and outflow connection reduces the pressure drop in the heat exchanger.
  • a disadvantage of these heat exchangers is the nonuniform distribution of their heat exchange performance over their area. Inflow and outflow ports are at diagonally opposite corners of a rectangular substrate. In the vicinity of the inflow port, the temperature difference between the freshly supplied heat transfer fluid and a heat bath surrounding the heat exchanger is large, and accordingly the power density of the heat transfer between the heat transfer fluid and the heat bath is high. Towards the outlet connection, the temperature difference decreases, and accordingly, the power density of the heat exchanger decreases there as well.
  • the wall of the refrigeration appliance fitted with the heat exchanger would be substantially colder in the vicinity of the inflow connection than in the vicinity of the outflow connection.
  • a resulting uneven Temperature distribution in the storage room of the refrigeration device can sometimes lead to excessive and elsewhere insufficient cooling of the refrigerated goods.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchanger having a two-dimensionally branched line structure which, when used in a refrigeration device, enables a more uniform distribution of the cooling capacity over the surface of the heat exchanger or a wall of the refrigeration device equipped with the heat exchanger.
  • the object is achieved by arranging, in a heat exchanger having a two-dimensionally branched line structure for a heat transfer fluid comprising an inflow connection and an outflow connection of a plurality of branching and joining points, the merging points at least with a predominant number in an outer edge region of the line structure a running in the edge region manifold are connected.
  • Fresh refrigerant fed into the heat exchanger therefore first cools a core region of the heat exchanger and spreads from there to the edge region.
  • a possible temperature gradient therefore does not extend diagonally, i. over the largest dimension of the line structure, but results in a temperature distribution, in which the temperature increases from the most cooled core area in different directions towards the edge area.
  • the distance between the warmest and coldest points is therefore significantly smaller than in a conventional heat exchanger with a branched line structure, and a resulting uneven distribution of the cooling capacity affects less in the storage room of the refrigerator due to the reduced distance between the warmest and the coldest places.
  • all joining points are arranged in an outer edge region of the line structure.
  • the manifold extends in the edge region up to the inflow port, so that the inflow port can be realized in known per se of heat exchangers with unbranched line structure forth as a guided inside the outflow port line. This simplifies the installation of the heat exchanger in a refrigeration device, since only at one point of the heat exchanger other parts of the refrigerant circuit leading lines must be connected.
  • the branched conduit structure defines a plurality of paths between the inflow port and the outflow port. If the narrowest points of these paths define a boundary between the edge region and the core region of the line structure containing the branching points, the boundary preferably forms an at least substantially closed curve so that the relatively warm edge region completely or almost completely surrounds the more cooled core region.
  • An open location of the boundary forming curve may be at the inflow port, especially if it is provided at an edge of the two-dimensional branched conduit structure.
  • the boundary may also form a fully closed curve.
  • the different paths between inflow and outflow ports are not necessarily all the same length.
  • the narrowest points of the paths are the narrower, the shorter these paths are.
  • the inflow port comprises a conduit guided within the outflow port
  • the narrowest points of the paths are expediently closer the closer these narrowest points are to the inflow port.
  • the distance between two adjacent conduit sections connecting upstream and downstream branching points is greater than between two adjacent conduit sections connecting one of these downstream branching points to an even further downstream branching point or point.
  • the distance between the pipe sections becomes smaller and smaller as the pipe structure ramifies.
  • the cross section of an upstream connecting with a downstream branch point Line section to be greater than the cross section of the outgoing from this upstream branch point line section.
  • the narrowest point of each path connecting the inflow port and the outflow port is preferably in a conduit section connecting a branch point and a merge point.
  • Fig. 1 illustrates the basic principle of the heat exchanger according to the invention with reference to a representation of a plant leaf and a schematic drawing of the evaporator.
  • Fig. 2 shows an evaporator according to the invention with a rectangular substrate.
  • Fig. 3 shows a modification of the evaporator of Fig. 2;
  • Fig. 4 shows a schematic perspective view of an inventive evaporator with central injection.
  • the system of the cores 2 comprises a straight axis extending the stem guide axis 3, distributed over its length and departing at its root branch veins 4. With increasing distance from the leading axis 3, the branch wires 4 branch one or more times.
  • the heat exchanger 11 shown schematically in FIG. 1 adopts the branching line structure of the plant leaf 1, but is fundamentally different from the plant leaf 1 in that a heat transfer fluid supplied at an inflow port 12 can not evaporate like the leaf 1 fed water, but via a drain port 13 must be derived again.
  • the aerodynamic vein structure of the plant leaf 1 can be transferred to the heat exchanger 11 by providing a collecting line 14 as the outer edge of its line structure.
  • the piping structure of the heat exchanger 11 may be understood as a tree structure having a first order branch point 15, first order piping 16 directly connecting with the inflow port, connecting the first order branch point to a second order branch point 17, each of which has a plurality of second pipe sections Order 18 go out. This ramification continues until lead portions of the last order at a merge point 19 in the manifold 14.
  • the line section of the last order may in individual cases be a second-order section 18, a fourth-order section 20 or a section of any other order.
  • the free cross sections of the n-th order line sections emanating from a nth-order branch point are smaller than the free cross section of the n-first order line section leading to the branch point, however, the sum of the cross sections of the line sections outgoing from a branch point is n-th Order larger than the cross section of the incoming n-1ter order line section, so that the flow velocity of the circulating in the line sections refrigerant with increasing order of Line sections decreases.
  • the gaps between adjacent line sections of equal, lower order are on average larger than between such higher orders, it is achieved that the heat exchange between the refrigerant and the environment increases in intensity with increasing order of the line sections.
  • the heat exchange performance is locally directly proportional to the temperature difference between the refrigerant and the environment, in a hypothetical unbranched heat exchanger with a constant line cross section neglecting countercurrent heating, the temperature of the refrigerant over the line length would match exponentially to the environment, so that a downstream line section considerably Contributes less to the total exchange rate than a section of equal length close to the inflow terminal.
  • the lines are increasingly branching out, but on the other hand the overall cross-section increasing in size leads to a lower flow velocity of the refrigerant in the higher-order line sections, the distribution of the heat exchange performance over the expansion of the heat exchanger is made uniform.
  • the manifold 14 extends into two arcs of gradually increasing cross-section from a tip 21 of the conduit structure opposite the ports 12, 13 to the drain port 13.
  • the two arcs of the manifold 14 may be connected at the tip 14, but this is not mandatory.
  • Fig. 2 shows a plan view of a heat exchanger according to the invention 1 1, which can be used as an evaporator in a refrigerator.
  • the line structure of the evaporator is formed in a manner known per se, in that two sheets, a flat sheet metal and one in which the line structure is impressed, are connected to one another in a flat manner.
  • the inflow port 12 here comprises a capillary 22 which extends within a suction pipe 23 emanating from the outflow port 13 in order to pre-cool refrigerant supplied in liquid form via the capillary 22 in thermal contact with gaseous refrigerant circulating in the intake manifold 23.
  • the capillary 22 opens into a zero-order line section 24 of large cross-section, in which the refrigerant evaporates and thus cools.
  • the refrigerant is distributed in an increasingly branching from the line section 24 of line structure, the line sections 16, 18, ... with increasing Keep getting tighter and closer and closer to each other.
  • 17 outgoing line sections may have very different cross-sections, depending on how large the part of the area of the heat exchanger to be supplied over the respective line section. For example, a line section that forms part of the main vein is always stronger than sections of the same order of branch veins.
  • the narrowest duct or narrowest duct section lies immediately upstream of the manifold 14 extending along the entire edge of the heat exchanger.
  • the dashed line curve 25 thus obtained marks a boundary between a core region 26 of the evaporator, in which an efficient heat exchange takes place, and an edge region 27, whose temperature is largely equal to the ambient temperature and therefore only slightly to the total cooling capacity of the Evaporator contributes.
  • the boundary 25 between the core region 26 and the edge region 27 can be defined as a closed curve, that is, the efficiently cooling core region 26 is surrounded on its entire circumference by the less efficient edge region 27.
  • FIG. 4 A further development of this design principle is shown in FIG. 4 in a schematic perspective view.
  • the capillary 22 opens centrally from above into a branching point of the first order 15, which forms the geometric center of the evaporator plate. From this branching point 15 go four first-order line sections 16, each of which supply by dash-dotted lines delimited triangular faces of the heat exchanger with refrigerant.
  • the location of the higher order branch points and the line sections connecting them is determined according to the algorithm known from EP 1 525 428 B1, however, since the area to which the algorithm is applied is triangular instead of rectangular as in the prior art, all the line sections highest order, instead of rejoining in pairs in a conventional manner, in which run out along the entire edge of the heat exchanger manifold 14.

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Abstract

Bei einem Wärmetauscher (11) mit einer zweidimensionalen verzweigten Leitungsstruktur für ein Wärmeträgerfluid, die zwischen einem Zuflussanschluss (12) und einem Abflussanschluss (13) eine Vielzahl von Verzweigungs- und Vereinigungsstellen (15, 17, 19) umfasst, sind die Vereinigungsstellen (19) sämtlich in einem äußeren Randbereich (27) der Leitungsstruktur angeordnet und über eine in dem Randbereich (27) verlaufende Sammelleitung (14) verbunden.

Description

WÄRMETAUSCHER MIT FRAKTALER LEITUNGSSTRUKTUR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und zwar insbesondere einen Wärmetauscher, der zur Verwendung als Verdampfer in einem Kältegerät geeignet ist. Bekannte Wärmetauscher mit unverzweigter Leitungsstruktur umfassen meist ein Substrat, auf dem eine durchgehende Leitung sich in Mäandern von einem Zufluss- zu einem Abflussanschluss erstreckt. Durch geschickte Führung der Mäander kann erreicht werden, dass eine mit der Einspeisung von Wärmeträgerfluid verbundene Temperaturänderung sich in kurzer Zeit über die gesamte Fläche des Substrats ausbreitet. Nachteilig ist jedoch, dass die große Länge der einzigen Leitung einen hohen Druckabfall des Wärmeträgerfluids im Wärmetauscher bewirkt, so dass eine hohe Antriebsleistung zum Umwälzen des Wärmeträgerfluids erforderlich ist. Der Mäanderverlauf macht zwischen benachbart verlaufenden stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitten der Leitung einen Wärmeaustausch möglich, der die Effektivität des Wärmetauschers verringert.
Ein Wärmetauscher mit verzweigter Leitungsstruktur, wie z.B. aus EP 1 525 428 B1 bekannt, hat den Vorteil, dass die Vielzahl paralleler sich zwischen Zufluss- und Abflussanschluss erstreckender Wege des Wärmeträgerfluids den Druckabfall im Wärmetauscher verringert. Ein Nachteil dieser Wärmetauscher ist jedoch die über ihre Fläche ungleichmäßig verteilte Wärmeaustauschleistung. Zufluss- und Abflussanschluss befinden sich an diagonal entgegengesetzten Ecken eines rechteckigen Substrats. In der Nähe des Zuflussanschlusses ist die Temperaturdifferenz zwischen dem frisch eingespeisten Wärmeträgerfluid und einem den Wärmetauscher umgebenden Wärmebad groß, und dementsprechend hoch ist die Leistungsdichte des Wärmeübergangs zwischen Wärmeträgerfluid und Wärmebad. Zum Abflussanschluss hin verringert sich die Temperaturdifferenz, und dementsprechend nimmt auch die Leistungsdichte des Wärmetauschers nach dorthin ab. Würde man den aus EP 5 254 428 B1 bekannten Wärmetauscher als Verdampfer in einem Kältegerät, insbesondere einem Kältegerät in Coldwall-Bauweise einsetzen, so wäre die mit dem Wärmetauscher bestückte Wand des Kältegeräts in der Nachbarschaft des Zuflussanschlusses wesentlich kälter als in der Nachbarschaft des Abflussanschlusses. Eine daraus resultierende ungleichmäßige Temperaturverteilung im Lagerraum des Kältegeräts kann zu stellenweise exzessiver und an anderer Stelle unzureichender Kühlung des Kühlgutes führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Wärmetauscher mit zweidimensional verzweigter Leitungsstruktur zu schaffen, der bei Verwendung in einem Kältegerät eine gleichmäßigere Verteilung der Kühlleistung über die Fläche des Wärmetauschers beziehungsweise einer mit dem Wärmetauscher ausgestatteten Wand des Kältegeräts ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Wärmetauscher mit einer zweidimensional verzweigten Leitungsstruktur für ein Wärmeträgerfluid, die zwischen einem Zuflussanschluss und einem Abflussanschluss einer Vielzahl von Verzweigungs- und Vereinigungsstellen umfasst, die Vereinigungsstellen zumindest mit einer überwiegenden Anzahl in einem äußeren Randbereich der Leitungsstruktur angeordnet und über eine in dem Randbereich verlaufende Sammelleitung verbunden sind. Frisches in den Wärmetauscher eingespeistes Kältemittel kühlt daher zunächst einen Kernbereich des Wärmetauschers und breitet sich von dort aus zum Randbereich hin aus. Ein eventueller Temperaturgradient erstreckt sich daher nicht diagonal, d.h. über die größte Abmessung der Leitungsstruktur, sondern es ergibt sich eine Temperaturverteilung, bei der die Temperatur von dem am stärksten gekühlten Kernbereich in verschiedene Richtungen zum Randbereich hin zunimmt. Die Entfernung zwischen wärmstem und kältestem Punkt ist daher deutlich kleiner als bei einem herkömmlichen Wärmetauscher mit verzweigter Leitungsstruktur, und eine daraus resultierende ungleichmäßige Verteilung der Kühlleistung wirkt sich im Lagerraum des Kältegeräts aufgrund der verringerten Entfernung zwischen den wärmsten und dem kältesten Stellen weniger aus.
Vorteilhafter Weise sind sämtliche Vereinigungsstellen in einem äußeren Randbereich der Leitungsstruktur angeordnet.
Vorzugsweise erstreckt sich die Sammelleitung im Randbereich bis hin zum Zuflussanschluss, so dass der Zuflussanschluss in an sich von Wärmetauschern mit unverzweigter Leitungsstruktur her bekannter Weise als eine innerhalb des Abflussanschlusses geführte Leitung realisiert sein kann. Dies vereinfacht die Montage des Wärmetauschers in einem Kältegerät, da nur an einer Stelle des Wärmetauschers zu anderen Teilen des Kältemittelkreislaufs führende Leitungen angeschlossen werden müssen.
Die verzweigte Leitungsstruktur definiert eine Vielzahl von Wegen zwischen dem Zuflussanschluss und dem Abflussanschluss. Wenn die engsten Stellen dieser Wege eine Grenze zwischen dem Randbereich und dem die Verzweigungsstellen enthaltenen Kernbereich der Leitungsstruktur definieren, bildet die Grenze vorzugsweise eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene Kurve, so dass der relativ warme Randbereich den stärker gekühlten Kernbereich vollständig oder nahezu vollständig umgibt.
Eine offene Stelle der die Grenze bildenden Kurve kann am Zuflussanschluss liegen, insbesondere wenn dieser an einem Rand der zweidimensionalen verzweigten Leitungsstruktur vorgesehen ist.
Wenn der Zuflussanschluss im Innern der Leitungsstruktur angeordnet ist, kann die Grenze auch eine vollständig geschlossene Kurve bilden.
Die verschiedenen Wege zwischen Zufluss- und Abflussanschluss sind nicht notwendigerweise alle gleich lang. Um zu verhindern, dass das Kältemittel bevorzugt über die kürzesten Wege fließt, sind vorzugsweise die engsten Stellen der Wege um so enger, je kürzer diese Wege sind.
Wenn der Zuflussanschluss wie oben erwähnt eine innerhalb des Abflussanschlusses geführte Leitung umfasst, sind die engsten Stellen der Wege zweckmäßigerweise umso enger, je näher diese engsten Stellen am Zuflussanschluss liegen.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten, jeweils einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Verzweigungspunkt verbindenden Leitungsabschnitten ist vorzugsweise größer als zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten, die einen dieser stromabwärtigen Verzweigungspunkte mit einem noch weiter stromabwärtigen Verzweigungspunkt oder einem Vereinigungspunkt verbinden. Mit anderen Worten wird der Abstand zwischen den Leitungsabschnitten immer kleiner, je mehr sich die Leitungsstruktur verästelt. Außerdem kann der Querschnitt eines einen stromaufwärtigeren mit einem stromabwärtigeren Verzweigungspunkt verbindenden Leitungsabschnitts größer als der Querschnitt der von diesem stromaufwärtigen Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungsabschnittes sein. Beide Maßnahmen tragen dazu bei, dass die Effektivität des Wärmeaustauschs mit zunehmender Verästelung der Leitungsstruktur anwächst. Zweck dieser Maßnahmen ist eine gleichmäßigere Temperaturverteilung auf der Leitungsstruktur. Während bei einer einfachen unverzweigten Leitung die Temperaturdifferenz zwischen in der Leitung zirkulierendem Wärmeträgerfluid und einem die Leitung umgebenden Wärmebad über die Länge der Leitung hinweg exponentiell abnimmt, kann durch die oben angegebenen Maßnahmen eine einer über die Weglänge linearen Angleichung der Temperatur von Wärmeträgerfluid und Wärmebad ähnlichere Temperaturverteilung und damit insgesamt eine gleichmäßigere Verteilung der Wärmeaustauschleistung über die Ausdehnung der Leitungsstruktur hinweg erzielt werden.
Die engste Stelle eines jeden den Zuflussanschluss und den Abflussanschluss verbindenden Weges befindet sich vorzugsweise in einem Leitungsabschnitt, der einen Verzweigungspunkt und einen Vereinigungspunkt verbindet. Indem die Vereinigungspunkte sämtlich an der Sammelleitung liegen, kann eine hohe Wärmeaustauschleistung bis in den Randbereich des Wärmetauschers aufrecht erhalten werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Fig. 1 veranschaulicht das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand einer Darstellung eines Pflanzenblatts und einer Schemazeichnung des Verdampfers.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdampfer mit einem rechteckigen Substrat.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Verdampfers aus Fig. 2; und
Fig. 4 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Verdampfer mit zentraler Einspritzung. In dem in Fig. 1 gezeigten Pflanzenblatt 1 ist das Problem, über den Stiel zugeführtes Wasser mit minimalem Energieaufwand über ein Netz von Adern 2 an alle Zellen des Blatts zu verteilen, durch die Evolution im Laufe von Jahrmillionen durch Optimierung gelöst worden. Das System der Adern 2 umfasst eine den Stiel geradlinig verlängernde Leitachse 3, von der über ihre Länge verteilt und an ihrer Wurzel Zweigadern 4 abgehen. Mit zunehmender Entfernung von der Leitachse 3 verästeln sich die Zweigadern 4 ein- oder mehrmals.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Wärmetauscher 11 übernimmt die sich verästelnde Leitungsstruktur des Pflanzenblattes 1 , ist aber von dem Pflanzenblatt 1 darin grundlegend verschieden, dass ein an einem Zuflussanschluss 12 zugeführtes Wärmeträgerfluid nicht wie dem Blatt 1 zugeführtes Wasser verdampfen kann, sondern über einen Abflussanschluss 13 wieder abgeleitet werden muss. Die strömungsgünstige Aderstruktur des Pflanzenblatts 1 kann jedoch auf den Wärmetauscher 11 übertragen werden, indem als äußerer Rand von dessen Leitungsstruktur eine Sammelleitung 14 vorgesehen wird.
Die Leitungsstruktur des Wärmetauschers 11 kann aufgefasst werden als eine Baumstruktur mit einem unmittelbar mit dem Zuflussanschluss zu verbindenden Verzweigungspunkt erster Ordnung 15, mehreren Leitungsabschnitten erster Ordnung 16, die den Verzweigungspunkt erster Ordnung mit einem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 17 verbinden, von denen jeweils wiederum mehrere Leitungsabschnitte zweiter Ordnung 18 ausgehen. Diese Verästelung setzt sich fort, bis Leitungsabschnitte letzter Ordnung an einem Vereinigungspunkt 19 in die Sammelleitung 14 einmünden. Der Leitungsabschnitt letzter Ordnung kann im Einzelfall ein Abschnitt zweiter Ordnung 18, ein Abschnitt vierter Ordnung 20 oder ein Abschnitt beliebiger anderer Ordnung sein.
Die freien Querschnitte der von einem Verzweigungspunkt n-ter Ordnung ausgehenden Leitungsabschnitte n-ter Ordnung sind jeweils kleiner als der freie Querschnitt des zu dem Verzweigungspunkt führenden Leitungsabschnitts n-1ter Ordnung, allerdings ist die Summe der Querschnitte der von einem Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungsabschnitte n-ter Ordnung größer als der Querschnitt des eingehenden Leitungsabschnitts n-1ter Ordnung, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des in den Leitungsabschnitten zirkulierenden Kältemittels mit steigender Ordnung der Leitungsabschnitte abnimmt. Dadurch und durch die Tatsache, dass die Zwischenräume zwischen benachbarten Leitungsabschnitten gleicher, niedriger Ordnung im Mittel größer sind als zwischen solchen höherer Ordnung, wird erreicht, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Umgebung mit zunehmender Ordnung der Leitungsabschnitte an Intensität zunimmt. Da die Wärmeaustauschleistung lokal direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Umgebung ist, würde bei einem hypothetischen unverzweigten Wärmetauscher mit gleich bleibendem Leitungsquerschnitt unter Vernachlässigung von Gegenstromerwärmung die Temperatur des Kältemittels sich über die Leitungslänge hinweg exponentiell an die der Umgebung angleichen, so dass ein stromabwärtiger Leitungsabschnitt erheblich weniger zur Gesamtaustauschleistung beiträgt als ein gleich langer nahe am Zuflussanschluss gelegener Abschnitt. Indem beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Leitungen sich einerseits immer stärker verästeln, andererseits aber der mit der Ordnung zunehmende Gesamtquerschnitt zu einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in den Leitungsabschnitten höherer Ordnung führt, wird die Verteilung der Wärmeaustauschleistung über die Ausdehnung des Wärmetauschers vergleichmäßigt.
Die Sammelleitung 14 erstreckt sich in zwei Bögen von allmählich zunehmendem Querschnitt von einer den Anschlüssen 12, 13 gegenüber liegenden Spitze 21 der Leitungsstruktur zum Abflussanschluss 13. Die zwei Bögen der Sammelleitung 14 können an der Spitze 14 verbunden sein, dies ist jedoch nicht zwingend.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 1 , der als Verdampfer in einem Kältegerät einsetzbar ist. Die Leitungsstruktur des Verdampfers ist in an sich bekannter Weise gebildet, indem zwei Bleche, ein ebenes Blech und eines, in welches die Leitungsstruktur eingeprägt ist, flächig miteinander verbunden sind. Der Zuflussanschluss 12 umfasst hier eine Kapillare 22, die sich innerhalb eines von dem Abflussanschluss 13 ausgehenden Saugrohrs 23 erstreckt, um über die Kapillare 22 in flüssiger Form zugeführtes Kältemittel in thermischem Kontakt mit in dem Saugrohr 23 zirkulierenden gasförmigen Kältemittel vorzukühlen. Die Kapillare 22 mündet in einen Leitungsabschnitt nullter Ordnung 24 von großem Querschnitt, in dem das Kältemittel verdampft und sich so abkühlt. In ähnlicher Weise wie beim Wärmetauscher 11 der Fig. 1 verteilt sich das Kältemittel in einer sich von dem Leitungsabschnitt 24 aus zunehmend verästelnden Leitungsstruktur, deren Leitungsabschnitte 16, 18, ... mit zunehmender Ordnung immer enger werden und immer dichter nebeneinander verlaufen. Von einem gleichen Verzweigungspunkt wie etwa 15, 17 ausgehende Leitungsabschnitte können stark unterschiedliche Querschnitte haben, je nachdem, wie groß der Teil der über den betreffenden Leitungsabschnitt zu versorgenden Fläche des Wärmetauschers ist. So ist z.B. ein Leitungsabschnitt, der einen Teil der Hauptader bildet, stets stärker als Abschnitte gleicher Ordnung von Zweigadern. Auf jedem Weg, den das Kältemittel zwischen Zufluss- und Abflussanschluss 12, 13 zurücklegen kann, liegt die engste Leistungsstelle oder der engste Leitungsabschnitt unmittelbar stromaufwärts von der sich entlang des gesamten Randes des Wärmetauschers erstreckenden Sammelleitung 14. Verbindet man die engsten Stellen der verschiedenen Wege miteinander, so markiert die dadurch erhaltene, in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichnete Kurve 25 eine Grenze zwischen einem Kernbereich 26 des Verdampfers, in dem ein effizienter Wärmeaustausch stattfindet, und einem Randbereich 27, dessen Temperatur der Umgebungstemperatur weitgehend angeglichen ist und daher nur wenig zur Gesamtkühlleistung des Verdampfers beiträgt.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Wärmetauschers, bei dem die Geometrie der Leitungsstruktur im Wesentlichen dieselbe ist wie beim Wärmetauscher aus Fig. 2, bei dem aber die das flüssige Kältemittel zuführende Kapillare 22 getrennt vom Saugrohr 23 geführt ist und, in der Perspektive der Fig. 2 von oben her, das Wärmetauscherblech mit der eingeprägten Leitungsstruktur kreuzt und in den Leitungsabschnitt nullter Ordnung 24 eintritt. Hier kann die Grenze 25 zwischen Kernbereich 26 und Randbereich 27 als eine geschlossene Kurve festgelegt werden, das heißt der effizient kühlende Kernbereich 26 ist auf seinem gesamten Umfang von dem weniger effizienten Randbereich 27 umgeben.
Eine Weiterentwicklung dieses Konstruktionsprinzips ist in Fig. 4 in einer schematischen Perspektivdarstellung gezeigt. Die Kapillare 22 mündet zentral von oben in einen Verzweigungspunkt erster Ordnung 15, der den geometrischen Mittelpunkt der Verdampferplatine bildet. Von diesem Verzweigungspunkt 15 gehen vier Leitungsabschnitte erster Ordnung 16 aus, die jeweils durch strichpunktierte Linien voneinander abgegrenzte dreieckige Teilflächen des Wärmetauschers mit Kältemittel versorgen. Die Lage der Verzweigungspunkte höherer Ordnung und der sie verbindenden Leitungsabschnitte ist nach dem aus EP 1 525 428 B1 bekannten Algorithmus festgelegt, wobei allerdings, da die Fläche, auf die der Algorithmus angewandt wird, dreieckig anstatt wie im Stand der Technik rechteckig ist, sämtliche Leitungsabschnitte höchster Ordnung, anstatt sich in herkömmlicher Weise paarweise wieder zu vereinigen, in die entlang des gesamten Randes des Wärmetauschers verlaufende Sammelleitung 14 einmünden.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (11 ) mit einer zweidimensionalen verzweigten Leitungsstruktur für ein Wärmeträgerfluid, die zwischen einem Zuflussanschluss (12) und einem Abflussanschluss (13) eine Vielzahl von Verzweigungs- und Vereinigungsstellen
(15, 17, 19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine überwiegende Anzahl der Vereinigungsstellen (19) in einem äußeren Randbereich (27) der Leitungsstruktur angeordnet und über eine in dem Randbereich (27) verlaufende Sammelleitung (14) verbunden sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche
Vereinigungsstellen (19) in einem äußeren Randbereich (27) der Leitungsstruktur angeordnet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuflussanschluss (12) eine innerhalb des Abflussanschlusses (13, 23) geführte
Leitung (22) umfasst.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsstruktur eine Vielzahl von Wegen zwischen dem Zuflussanschluss (12) und dem Abflussanschluss (13) definiert, dass die engsten
Stellen dieser Wege eine Grenze (25) zwischen dem Randbereich (27) und einem die Verzweigungsstellen (15, 17) enthaltenden Kernbereich (26) der Leitungsstruktur definieren und dass die Grenze (25) eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene Kurve bildet.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine offene Stelle der die Grenze bildenden Kurve (25) am Zuflussanschluss (12) liegt.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenze eine vollständig geschlossene Kurve (25) bildet und der Zuflussanschluss (12) im Inneren der Leitungsstruktur angeordnet ist.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die engsten Stellen der Wege umso enger sind, je kürzer die Wege sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsstruktur eine Vielzahl von Wegen zwischen dem Zuflussanschluss und dem Abflussanschluss definiert, und dass die engsten Stellen der Wege umso enger sind, je näher diese engsten Stellen am Zuflussanschluss (12) liegen.
9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten, jeweils einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Verzweigungspunkt (15, 17) verbindenden Leitungsabschnitten (16) größer ist als zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten (18), die einen der stromabwärtigen Verzweigungspunkte (17) mit einem noch weiter stromabwärtigen Verzweigungspunkt oder einem Vereinigungspunkt (19) verbinden.
10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt eines einen stromaufwärtigen (15) und einen stromabwärtigen Verzweigungspunkt (17) verbindenden Leitungsabschnitts (16) größer ist als der Querschnitt jedes einzelnen der von diesem stromabwärtigen Verzweigungspunkt (17) ausgehenden Leitungsabschnitte (18).
11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt eines einen stromaufwärtigen (15) und einen stromabwärtigen Verzweigungspunkt (17) verbindenden Leitungsabschnitts (16) kleiner ist als die Summer der Querschnitte der von diesem stromabwärtigen Verzweigungspunkt (17) ausgehenden Leitungsabschnitte (18).
12. Wärmetauscher nach Anspruch 9, 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder den Zuflussanschluss (12) mit dem Abflussanschluss (13) verbindende Weg in einem sich zwischen einem Verzweigungspunkt und einem Vereinigungspunkt (19) erstreckenden Leitungsabschnitt eine engste Stelle aufweist.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Vereinigungspunkte (19) sämtlich an der Sammelleitung (14) liegen.
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