EP3121548B1

EP3121548B1 - Wärmeaustauschelement

Info

Publication number: EP3121548B1
Application number: EP15178348.7A
Authority: EP
Inventors: Beat Schönbächler; Remo Müller
Original assignee: KST AG
Current assignee: KST AG
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: EP3121548B8; EP3121548A1; DK3121548T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1.
Wärmeaustauschelemente können beispielsweise in Wärmetauschern, wie sie zum Kühlen/Heizen von Räumen oder ganzen Gebäuden in der Form von Decken- oder Wandpanelen oder auch direkt in der Decke oder Wand eingesetzt werden, Verwendung finden.
Grundsätzlich sind verschiedene Wärmeaustauschelemente aus dem Stand der Technik bekannt, jedoch kommt es bei solchen Wärmeaustauschelementen, auf Grund zumindest teilweiser schlechter thermischer Leitung zwischen Wärmeaustauschelement und der in den Raum gerichteten Kühl-/Wärmefläche des Wärmetauschers zu einem mangelhaften Wärmetausch und somit zu schlechten Übertragungswerten, weshalb bspw. in der DE 10 2013 209 961 B4 vorgeschlagen wird ein zusätzliches Wärmeleitelement zu verwenden.
US 6830098 B1 offenbart ein Wärmeaustauschelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Des Weiteren sind bei bekannten Wärmetauschern für Raumkühlung bzw. Heizung oft zusätzliche akustisch dämpfende Eigenschaften gewünscht, die bspw. durch Lochungen in der Vorderwand, kombiniert mit möglichst grossflächig auf der Rückseite der Vorderwand ausgelegten akustischem Dämmmaterial verbessert werden können. Da die Rückseite gleichzeitig die innere Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers bildet, die beispielsweise mit der Platte eines Wärmeaustauschelements, das mit einem Kühl-/Heizwasser transportierenden Rohr wirkverbunden ist, zusammenwirkt, steht die akustisch nutzbare Fläche mit der zur Kühlung mit dem Wärmeaustauschelement nutzbaren Fläche in Konkurrenz. Weshalb die Kühl-/Heizleistung einerseits und/oder die akustischen Eigenschaften bekannter Wärmetauscher sich gegenseitig beschränken.
Des Weiteren können bei bekannten Wärmetauschern nur Plattenelemente mit einer verhältnismässig kleinen thermisch wirksamen Oberfläche mit dem das Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschfluid transportierenden Rohr verbunden werden, was Installationsaufwand, Kosten und das Gewicht der Wärmetauscher erhöht.
Bekannt ist des Weiteren bei Wärmeaustauschelementen spezielle Strangpressprofile als Rohrträger bzw. Plattenelemente einzusetzen. Solche Profile sind jedoch nur für bestimmte Anwendungen ausgelegt und in der Herstellung, insbesondere für kleinere Stückzahlen sehr teuer.
Des Weiteren hat sich bei herkömmlichen Wärmeaustauschelementen gezeigt, dass die Verbindungsverfahren mit Nachteilen behaftet sind. So sind herkömmliche Lotverbindungen mechanisch empfindlich, dies insbesondere bei Schlagbeanspruchung, wie sie beispielsweise bei der Montage vorkommen kann. Demgegenüber zeigen Klebverbindungen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit während bei bekannten Schweissverbindungen durch die damit einhergehende grosse thermische Belastung Materialien, insbesondere Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, stark zu Verzug neigen und häufig nachbearbeitet werden müssen.
Ziel der vorliegenden Anmeldung ist es zumindest einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu verbessern.
Ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement umfasst, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein Rohr zur Durchströmung mit einem Wärmeaustauschfluid und zumindest ein thermisch leitfähiges Plattenelement zur Aufnahme von Umgebungswärme und thermischer Weiterleitung der Umgebungswärme an das Rohr oder/und Aufnahme von Heizwärme aus dem Rohr und Abgabe der Heizwärme an die Umgebung.
Dabei ist das Rohr auf zumindest einem Plattenelement oder zwischen zumindest zwei Plattenelementen einer Plattenelementanordnung angeordnet, wobei zumindest ein Kontaktmittel zur thermischen Kontaktierung vorgesehen ist, das ein Verbindungsmittel oder/und Anpressmittel umfasst.
Das Plattenelement ist dabei im Bereich einer Plattenelementkontaktfläche zum thermisch leitenden Kontaktieren an die Rohrkontaktfläche mittels einer Passung, mit einer gegenüber der Plattendicke D des Plattenelements verringerten Materialdicke d, angepasst um die Kontaktflächen zu vergrössern. Dabei kann die Materialdicke d schräg oder rechtwinklig gestuft, stufenförmig oder gleichmässig zur Mitte der Passung hin abnehmend ausgeführt sein.
Dabei wird ein Rohr über eine bzw. mehrere seitliche Rohrkontaktflächen mit zumindest einem, bzw. bei einer Plattenelementanordnung mit zumindest zwei, oder mehreren Plattenelementen wirkverbunden, die ihrerseits zumindest eine Plattenelementkontaktfläche zum Verbinden mit der Rohrkontaktfläche aufweisen. Unter Wirkverbindung wird hier eine thermisch leitende Anordnung zwischen Rohr bzw. Rohrkontaktfläche und gegenüberliegender Kontaktfläche verstanden die durch physische, leitende Verbindungsmittel (Lot, Kleber, Schweissung) oder Anpressen einer Kontaktfläche auf die andere hergestellt wird.
Die Verbindungsmittel umfassen erfindungsgemäß eine Lötverbindung oder/und eine Klebverbindung .
Zur weiteren oder einfacheren Vergrösserung der Kontaktflächen kann das Rohr zumindest eine im Querschnitt zumindest teilweise ebene Rohrkontaktfläche aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wärmeaustauschelement ein oder mehrere Plattenelemente, die in einem Randbereich durch eine Klebverbindung, in einem mittigen Bereich durch eine Lötverbindung mit zumindest einem Rohr verbunden sind. Dabei ermöglicht die Lötverbindung einen besonders guten Rohr/Platte-Wärmeübergang, während die Klebverbindung eine besonders feste auch gegen Schläge unempfindliche Verbindung sicherstellt. Auch wenn eine solche Ausführung besonders gut mit einem, wie vorliegend beschriebenen, mit einer Passung versehenen Plattenelement geeignet ist, bspw. durch Vorsehen der Klebverbindung in den Randbereichen der Passung, konnte festgestellt werden, dass ganz allgemein auch bei herkömmlichen Wärmetauschelementen ohne Passung die Festigkeit bzw. thermische Leitfähigkeit gegenüber reinen Löt- bzw. reinen Klebverbindungen verbessert werden kann. Dies gilt besonders auch für entsprechende Merkmalskombinationen der vorliegenden Erfindung die nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Passung stehen. Vorzugsweise wird dabei eine flussmittelfreie Lötstelle hergestellt, da sich gezeigt hat, dass solche Lötstellen über längere Zeit eine bessere Festigkeit und Leitfähigkeit sicherstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wärmeaustauschelement ein oder mehrere Plattenelemente, die mit dem zumindest einem Rohr durch zumindest eine oder mehrere im Wesentlichen parallel Linien von Schweisspunkten miteinander verbunden sind.
Das Rohr kann dabei parallel oder bevorzugt quer, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen in einem rechten Winkel, zu einer Längsrichtung L des Plattenelements mit diesem wirkverbunden sein. Durch das Ausrichten quer zum Plattenelement werden die durch Löten oder/und Kleben bzw. Schweissen verbundenen Abschnitte kürzer, womit sich keine so grossen thermischen Spannungen in der Verbindung wie bei einem parallelen Aufbau bilden können. Trotzdem werden bei Verbindung von mehreren Plattenelementen durch ein oder mehrere Rohre vorteilhaft Abstandsspalte zwischen den Plattenelementen vorgesehen. Beispielsweise können bei einer Plattenelementbreite B von 20 bis 80 mm Spaltbstände S zwischen 10 bis 40 mm gewählt werden. Dies gilt besonders für Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehungskoeffizienten wie bspw. bei Verwendung von Aluminiumplatten und Kupferrohre.
Erfindungsgemäß ist das Rohr mäandrierend mit zumindest einem Plattenelement verbunden, wobei die gekrümmten Rohrabschnitte erfindungsgemäß ausserhalb der Kontaktflächen liegen, daher das oder die Plattenelemente seitlich überragen, was eine mechanische Anpassung der Kontaktflächen erleichtert. Somit können Rohr und Plattenelement im Bereich der Passung, insbesondere im Bereich der Kontaktflächen für den Wärmeübergang zwischen Rohr und Plattenelement, gerade ausgeführt sein, was die Herstellungskosten vergünstigt, da u.a. auch die Passung gerade ausgeführt sein kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Wärmeaustauschelements ergibt sich wenn eine Abmessungen X des Plattenelements parallel zur Rohrachse im Bereich der Plattenelementkontaktfläche grösser ist als eine Abmessungen Y in einem vom Rohr weiter beabstandeten Bereich. Dadurch kann beispielsweise eine durch den Rand des Plattenelements definierte Grenzlinie GL vergrössert werden und oder Plattenelemente so ausgeführt werden, dass sie mit ineinander verschränkt beabstandeten Grenzlinien, bspw. auf einer inneren Wärmeaustauschfläche Awi gegenüberliegen, wobei der Abstand einerseits klein genug gewählt ist um eine rasche Wärmeleitung aus der Freifläche zum Plattenelement zu gewährleisten, andererseits gross genug um jeweils gewünschte akustische Dämpfungselemente zwischen den Platten anzubringen. Entsprechende miteinander kombinierbare Formen und bevorzugt Flächenverhältnisse, bzw. Flächen zu Grenzlinienverhältnisse werden unten an Hand der entsprechenden Figuren 7, 8 und 11 dargestellt und beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschelements kann das Plattenelement im Bereich der Anpressebene senkrecht zur Rohrachse ausgerichtete Längslöcher aufweisen. Dadurch kann das Gewicht des Plattenelements deutlich herabgesetzt werden, ohne dabei den Wärmefluss in Richtung des Rohrs zu unterbrechen. Damit ist es auch möglich die thermisch wirksame(n) Oberfläche(n) des mit einem Rohr wirkverbundenen Plattenelements, bspw. die Anpressfläche oder deren Rückseite, wesentlich zu vergrössern, womit einerseits aus der leichteren Bauweise des Plattenelements, andererseits aus dem geringeren Rohrleitungsbedarf eine deutliche Gewichtsersparnis resultiert. Bei üblichen Plattenelementen des Standes der Technik können bei üblichen Rohrdurchmessern von 5 bis 20 mm, bevorzugt 8 bis 15mm bei einem zentralen, längs auf dem Plattenelement montierten Rohr Breiten b zwischen 80 bis 135 mm realisiert werden. Bei entsprechenden mit Längslöchern versehenen Plattenelementen sind Breiten b von 80 bis 1000 mm möglich. Eine entsprechende um einen Faktor 3 bis ca. 12 grössere Fläche pro Rohreinheit kann damit verwirklicht werden. Des Weiteren stehen, bspw. für einen Einsatz in einem Wärmetauscher, auch die durch die Längslöcher gebildeten Freiflächen des Wärmetauschers bei entsprechender Dimensionierung der Längslöcher für akustische Dämpfungsmassnahmen, wie oben beschrieben zur Verfügung. So können bspw. die Löcher der Vorderwand des Wärmetauschers zumindest teilweise mit den Löchern bzw. Längslöchern des Plattenelements überlappen, im Bereich der gebildeten Freiflächen Bördelungen der Vorderwandlöcher und/oder entsprechendes flächiges Dämmmaterial (Vliese, Gitter, etc.) vorgesehen sein. Letzteres kann auch einfachheitshalber, bspw. analog zu Wärmetauschern mit direkt auf der inneren Wärmeaustauschfläche aufgebrachten Rohren, über die gesamte Fläche zwischen den Rohren, also Plattenelement und Freifläche überdeckend, angeordnet sein.
Um dem Plattenelement auch akustisch dämpfende Eigenschaften zu verleihen, kann dieses in jeder Ausführungsform auch eine grössere Anzahl in eine rückwärtige, also der Anpressfläche entgegengesetzten Richtung gebördelte Rundlöcher aufweisen. Diese können zumindest in bestimmten Flächenbereichen zusätzlich zu den Längslöchern vorgesehen sein, wobei Letztere ebenfalls gebördelt ausgeführt sein können. In einfacher Weise kann dabei die Bördelung durch ein an den Schneidkanten verrundetes Stanzwerkzeug zum Herstellen der Löcher erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschelements erstreckt sich die dem Rohr abgewandte Seite des Plattenelements, bzw. die dem Rohr abgewandten Seiten der zumindest zwei Plattenelemente der Plattenelementanordnung, sich zu beiden Seiten einer Symmetrieebene S des Wärmeaustauschelements in jeweils einer unterschiedlichen Ebene A, A', wobei sich die Ebenen A, A' in der Symmetrieebene S, entlang einer Schnittlinie zwischen Symmetrieebene S und einer parallel zu einer Rohrachse Z und senkrecht zur Symmetrieebene S verlaufenden vierten Ebene H, schneiden. Dabei bilden die Ebenen A, A' zur Ebene H jeweils einen spitzen Winkel a, α', so dass das Wärmeaustauschelement (1) mit den Ebenen A, A' federnd an eine zur vierten Ebene H parallelen Wärmeaustauschfläche 21 anpressbar ist. Unter Symmetrieebene S wir hier und im Folgenden eine Ebene S verstanden, die das Wärmeaustauschelement symmetrisch teilt und dabei auf die Wärmeaustauschfläche senkrecht steht.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind dabei die Winkel a, α' dem Betrag nach gleich und/oder öffnen sich in einer bezüglich der Symmetrieebene S entgegengesetzten Richtungen, dabei auf dieselbe, zum Rohr entgegengesetzt gelegenen Seite der Ebene H. Dem Betrag nach wird der Winkel bevorzugt von 1 bis 15°, insbesondere bevorzugt von 2 bis 10° eingestellt.
Die Anpressmittel können grundsätzlich auf der zum Rohr gewandten Seite des oder der Plattenelemente so befestigt sein, oder mit einem das Wärmeaustauschelement umfassenden Wärmetauscher oder einem an oder in einer Gebäudeoberfläche montiertem Gebäudeelement so zusammenwirken, dass der Wärmeübergang zwischen Rohr und Plattenelement und/oder zwischen Plattenelement und einer inneren Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers verbessert wird. Im Falle einer wie oben beschriebenen gewinkelten Rohr zu Plattenelementanordnung wird das Wärmetauschelement durch die Anpressmittel vorteilhafterweise so gegen die innere Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers angepresst, dass die Winkel a, α' im Wesentlichen gleich 0° sind und somit die gesamte Anpressfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht. Für ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement werden Plattenelemente mit einer Plattendicke D von 0.5 bis 3.0 mm, dabei bevorzugt eine Dicke von 1 bis 2 mm eingesetzt, die sich für den Bau von sehr flachen und leichten Wärmetauschern eignen. Erfindungsgemäß werden Passungen mit einer Tiefe von 2 bis 12% des Außendurchmessers des Rohrs verwendet, um die Stabilität der Plattenelemente nicht zu stark herabzusetzen. Erfindungsgemäß werden Passungen die im Randbereich oder im gesamten Querschnitt kreissegmentförmig sind benutzt.
Alternativ oder zusätzlich kann dabei die Passung eine ebene Fläche umfassen oder aus einer ebenen Fläche bestehen.
Die mittlere Rauheit der Kontaktflächen wird auf einen Ra-Bereich von 0.05 bis 2.0 µm, bevorzugt von 0.1 bis 1 µm eingestellt. Letzteres ist beispielsweise auch für eine Plattenelement/Rohranordnung mit schräg geschnittenen Platten vorteilhaft, da dann ein Verbinden bspw. in einem mittleren Bereich der Plattendicke möglich ist und bspw. flüssiger Kleber oder Lötzinn die Gesamtkontaktfläche durch kapillares Anhaften im Spaltbereich beidseitig der Rohrkontaktlinie auf der schräg angeschnittenen Seitenfläche des Plattenelements vergrössert. Des Weiteren wird durch eine bezüglich der Plattendicke mittige Verbindung auch die Zu-/Ableitung der Wärme zum oder vom Plattenelement erleichtert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Wärmeaustauschelement einen Lotspalt auf. Dieser kann vorteilhaft mit einer Tiefe zwischen 0.05 bis 0.3 mm eingestellt werden. Wird der Lotspalt dabei durch zwei im Randbereich der Passung vorgesehene Abstandsstufen und dem darauf liegenden Rohr gebildet, kann dieser besonders schmal, bspw. zwischen 0.05 und 0.2 mm, ausgestaltet sein, ohne dass flüssiges Lötzinn beim Aufsetzen des Rohrs auf die Platte seitlich austritt. Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich auf den Abstandsstufen eine Klebverbindung vorgesehen ist. Die Breite der Abstandstufe kann dabei zwischen 2 und 5 mm eingestellt werden. Wird eine unterbrochene Abstandsstufe oder Abstandsnoppen verwendet ist ein etwas grösserer Abstand von 0.1 bis 0.3 mm günstiger.
Bevorzugt wird das Plattenelements aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium auf Grund seiner guten Wärmeleiteigenschaft und geringem Gewicht hergestellt. Bevorzugtes Material für das Rohr ist Kupfer, jedoch kann hier auch eine anderes Metall, beispielsweise ebenfalls Aluminium verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Rohr im Bereich der Passung mit dem Plattenelement durch eine Schweissverbindung SV verbunden sein. Die Schweissverbindung SV umfasst dabei vorteilhaft zumindest eine parallel zur Rohrachse angeordnete Abfolge von Punktschweissungen, wodurch im Vergleich zu durchgehenden Schweissnähten ein geringerer Verzug erreicht werden konnte.
Die Schweissverbindung SV, insbesondere die Schweisspunkte können dabei von der dem Rohr abgewandten Seite des Plattenelements aus angebracht werden. Ebenfalls auf der dem Rohr abgewandten Seite der Passung kann eine Ausdünnung des Plattenmaterials bspw. in der Form einer oder mehrerer Sicken oder Vertiefungen parallel zur Passung angeordnet sein.
Die Materialdicke d kann im Bereich der Passung, insbesondere im Bereich einer Schweissverbindung zwischen 0.1 und 0.5 mm eingestellt sein, was den Schweissvorgang erleichtert.
Ganz allgemein hat es sich für geschweisste Wärmeaustauschelemente 1 mit einer von unten (also von der dem Rohr abgewandten Seite des Plattenelements) ausgeführten Schweissung als vorteilhaft erwiesen Plattendicken D zwischen 0.5 und 10 mm zu wählen.
Figurenbeschreibung:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert. Hier sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung der Figuren rein schematisch ist und zwecks besserer Darstellung der erfindungswesentlichen Details weder massstabs- noch proportionsgerecht erfolgt. Beispiele für bevorzugte Bemassungen bzw. Dimensionierungen finden sich in der allgemeinen Beschreibung oben sowie in der Figurenbeschreibung, bzw. Ansprüche wie folgt. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnen denselben Gegenstand, bzw. dieselbe Funktion des Gegenstandes.
Dabei zeigen die Figuren Folgendes:

Figur 1:: Ein Wärmeaustauschelement des Standes der Technik
Figur 2:: Ein weiteres Wärmeaustauschelement des Standes der Technik
Figur 3:: Ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement
Figur 4:: Ein weiteres erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement
Figur 5 und Figur 6:: Mehrteiliger Wärmeaustauschelementverbund
Figur 7 und Figur 8:: Weitere Ausführungsformen des Wärmeaustauschelements
Figur 9:: Wärmetauscher
Figur 10:: Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschelements
Figur 11:: Wärmetauscher
Figur 12:: Verbindung mit Abstandsstufen
Figur 13:: Verbindung mit Abstandsnoppen
Figur 14:: Klebe-/Lötverbindung
Figur 15:: Schweissverbindungen

Das in Figur 1 dargestellte Wärmeaustauschelement 1' des Standes der Technik besteht aus einem Rohr 2', dass in einem Hohlprofil eines stranggepressten Plattenelements 4' gehalten ist. Dabei sind Rohr 2' und Plattenelement 4' durch Schweissverbindungen 16 miteinander verbunden. Durch die punktuelle oder linienförmige Verschweissung kommt es nur an den Schweisspunkten bzw. Schweisslinien zu einem direkten wärmeleitenden Materialkontakt zwischen Rohr und Plattenelement, was für den Wärmetransport nachteilig ist. Des Weiteren sind stranggepresste Profile für Kleinserien aufwendig, wenn diese lediglich für eine Rohrdimension verwendet werden können.
Ein weiteres Wärmeaustauschelement 1" des Standes der Technik, wie beispielsweise aus DE 10 2013 209 961 B4 bekannt, ist in Figur 2 dargestellt. Dabei ist ein einseitig abgeflachtes Rohr 2" mittels einer Klebverbindung 17 über Rohrkontaktflächen 3" und Plattenkontaktflächen 5" mit einem als einfaches Profil ausgeführten Platten-, bzw. Kontaktelement 4" verbunden. Nachteilig ist hier, dass sich zwischen den Kontaktflächen 3" und 5" eine Klebeschicht befindet, die einen gut wärmeleitenden metallischen Kontakt zwischen Rohr 2" und Platten-, bzw. Kontaktelement 4" verhindert. Daher wurde hier ein Wärmeleitblech 27 vorgesehen um den Wärmeübergang zu verbessern.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement 1. Die Rohrachse Z, ist dabei mittig parallel zur Längsachse des Wärmeaustauschelements 1 ausgerichtet und das Rohr durch Lötzinn 18 oder eine beliebig andere gut leitende Lotverbindung mit dem Plattenelement 4 verbunden. Durch die metallische grossflächige Lot-Verbindung auf der hier, durch eine wie unten näher beschriebenen mechanische Bearbeitung an die Rohrkontaktfläche 3 angepasste Plattenelementkontaktfläche 5, kann ein wesentlich verbesserter Wärmeaustausch sichergestellt werden. Im vorliegenden Beispiel ist im Bereich der Passung 33 die Materialdicke d gegenüber der Plattendicke D des Plattenelements 4 annähernd kreissegmentförmig verringert. Dabei kann, besonders bei grösseren Winkeln a, α` (zur Funktion siehe auch Figur 4 und Beschreibung dazu) die Passung in den von der Symmetrieeben seitlich beabstandeten Bereichen etwas grösser als kreissegmentförmig, bspw. parabelförmig sein, um bei Anpressen des Wärmetauschers die Pressung bspw. durch das Lot und/oder den Kleber zwischen Rohr und Wärmeaustauschelement 4 aufzunehmen, wodurch gleichzeitig der Wärmeübergang verbessert wird. Besonders einfach kann dies durch Einbringen der Passung 33 in ein ebenes Plattenmaterial, anschliessendes Konfektionieren auf die gewünschte Plattengrösse und, falls gewünscht, Biegen der Plattenelemente an der Mittellinie der Passung, im vorliegenden Beispiel auch in der Symmetrieebene S des Plattenelements 4. Andere Geometrien, bspw. trogförmig mit flachem Boden zur Anpassung an einseitig abgeflachte Rohre etc. können so ohne weiteres verwirklicht werden.
Ein weiteres erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement 1 zeigt Figur 4, in dem statt einem Plattenelement zwei Plattenelemente 4 verwendet werden, die seitlich an das Rohr 2 angesetzt sind. Des Weiteren ist in Figur 3 und 4 zu erkennen, dass die zwei Plattenelemente 4 in zwei gegenüber der Symmetrieebene S angewinkelten Ebenen A, A' liegen. Die Ebenen bilden dabei gegenüber der in der Figur horizontal verlaufende Ebene H die parallel zur Rohrachse Z und rechtwinklig zur Symmetrie-Ebene S verläuft jeweils einen Winkel α, α' und schneiden die Symmetrieebene S gemeinsam mit der Ebene H. Der Winkelbereich für a, α' liegt dabei bevorzugt zwischen 1 und 15°, insbesondere bevorzugt zwischen 2 und 10°. Damit wird sichergestellt, dass die Ebenen A, A' des Wärmeaustauschelements elastisch federnd an eine zur Ebene H parallele Wärmeaustauschfläche anpressbar sind. Durch das flächige Anpressen der durch die Winkelanstellung einfedernden Plattenelemente kann der Wärmeübergang zu einer inneren Wärmeaustauschfläche 21 eines Wärmetauschers 8 deutlich verbessert werden. Das Plattenelement 4 ist auch hier im Wesentlichen beidseitig planar und seitenparallel und bildet zum Rohr hin eine Passung 33, im vorliegenden Fall kreissegment- oder parabelförmig. In einer einfachen Variante kann auch ein schräger Anschnitt des Platenelements 4 als Passung 33 genügen.
Figur 5 und Figur 6 zeigen eine Anordnung mehrerer Plattenelemente 4, die mittels eines mäandrierenden Rohrs 2 miteinander verbunden sind. Dabei verläuft das Rohr 2 in Figur 5 quer zur Längsrichtung L der Plattenelemente 4, während in Figur 6 das Rohr parallel zur Längsrichtung L der Plattenelemente verläuft. In beiden Fällen liegen die gekrümmten Rohrabschnitte erfindungsgemäß ausserhalb der Kontaktflächen.
Figur 7a und 7b zeigen zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen, wobei eine Abmessung x des Plattenelements parallel zur Rohrachse im Bereich oder an der Plattenelement-Kontaktfläche grösser ist als eine Abmessung y in einem vom Rohr 2 weiter beabstandeten Bereich. Dabei kann die Änderung der Abmessungen in den Dimensionen des Plattenelements 4 wie in Figur 7a gezeigt kontinuierlich erfolgen bspw. wie hier als seitlich abragende Dreiecke. Andererseits können sich die Abmessungen wie in Figur 7b beispielhaft dargestellt auch sprungartig ändern, wenn breite und schmale Bereiche des Plattenelements sich entlang der Rohrachse Z abwechseln. Wie für den Fachmann ohne weiteres erkennbar können hier auch Kombinationen von, bezüglich der Breitenabmessungen b sich teils kontinuierlich teils sprungartig ändernde Formen des oder der Plattenelemente verwendet werden. Auch können je nach Bedarf und Menge der zu fertigenden Wärmetauscher entweder speziell auf eine Grösse konfektionierte Plattenelemente oder flexibel für kleinere Losgrössen oder unterschiedliche Wärmetauscher verwendbare, bspw. hintereinander anordenbare geometrische geformte Plattenelemente 4, wie bspw. in Fig. 7B dargestellt eingesetzt werden.
Figur 8a zeigt schematisch zwei weitere Möglichkeiten zur Ausführung eines Wärmeaustauschelements. Dabei sind in einem in der Zeichnung oberen Bereich des oder der Plattenelemente 4 Längslöcher 6 zu erkennen, deren Ausrichtung senkrecht zur Rohrachse Z ist um den Wärmefluss möglichst wenig zu beeinflussen. Durch Anbringen entsprechender Längslöcher ist es einerseits möglich ohne oder mit einer nur geringfügigen Erhöhung des Gesamtgewichts des Wärmeaustauschelements wesentlich grössere Flächen, beispielsweise in den Dimensionen der gesamten inneren Wärmeaustauschfläche A_wi 21 eines Wärmetauschers 8, für einen Wärmeaustausch zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren kann so die Freifläche 28 des Wärmetauschers, bspw. zum vorsehen akustisch dämpfender Elemente vergrössert werden. Unter Freifläche 28 wird hier die innere Wärmeaustauschfläche A_wi eines Wärmetauschers 8 verstanden, die nicht in direktem Kontakt mit der Anpressfläche Apr des oder der Plattenelemente steht. Schliesslich wird es durch solche Massnahmen möglich den Wärmeleitwert der gesamten Kühl-/Heizfläche, hier Vorderwand 10 des Wärmetauschers 8 genannt, zu erhöhen, da jeweils zwar viele aber nur kleine bzw. schmale Freiflächen mit jeweils kurzen Wärmeleitwegen zum nächsten mit einer Anpressfläche 25 verbundenen Bereich.
Ist bei herkömmlichen Wärmeaustauschelementen eine Breite b von 80 bis 135 mm möglich, so kann diese Breite, unter Beibehaltung eines vergleichbaren Übertragungswerts, mit einer entsprechenden Lochung vorteilhaft zwischen 400 bis 1000 mm gewählt werden.
Einen anderen Zweck erfüllen die im unteren Bereich des oder der Plattenelemente 4 dargestellten Rundlöcher, die an ihrer, wie in Figur 8b dargestellten, der Wärmeaustauschfläche gegenüberliegenden Seite eine Bördelung aufweisen.
Entsprechende Bördelungen können auch an den Längslöchern vorgesehen sein. Auch eine Kombination von akustisch wirksamen Löchern und entsprechenden Längslöchern ist möglich.
Figur 9 zeigt einen erfindungsgemässen Wärmetauscher 8 mit einem eingesetzten Wärmeaustauschelement 2, dass hier ein Rohr 2 mit einem daran befestigten Plattenelementen 4 umfasst. Analog zu dem bezüglich der Figuren 3 und 4 Beschriebenen liegt die Anpressebene 25 der Plattenelemente ohne Druck nicht eben auf der Wärmetauschebene A_wi 26 des Wärmetauschers 8. Erst durch Anpressen mit dem oder den in Figur 9A symbolisch durch einen Pfeil dargestellten Anpressmitteln 11, die in Figur 9B beispielhaft als eine im Gehäuse des Wärmetauschers 8 eingreifende Klemmvorrichtung 12 dargestellt ist, werden die Anpressebenen 25 mit der Wärmetauschebene 21 des Wärmetauschers 8 in wärmeleitenden Kontakt gebracht. Dies kann entweder direkt oder in Kombination mit einer unterstützenden vorzugsweise auf der Anpressfläche der Plattenelemente 4 vorbeschichteten dünnen Klebeschicht erfolgen. Zusätzlich können eventuelle Hohlräume 24 zwischen Wärmetauschebene 21 und Wärmeaustauschelement 1, beispielsweise unter der Löt- oder Klebelinie von seitlich am Rohr befestigter Plattenelementen, mit Wärmeleitpaste gefüllt sein, die alternativ auch auf Anpressebene 25 und/oder Wärmetauschebene aufgetragen sein kann. Der Wärmetauscher 8 kann dabei auch andere erfindungsgemässe Wärmeaustauschelemente oder eine Kombination davon enthalten, wie sie beispielsweise in den Figuren und Beschreibungen ausgeführt.
Figur 10 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeaustauschelements 1. Dabei wird, wie in Figur 10a beispielhaft dargestellt, wie eine Plattenelement-Kontaktfläche 5 mit Lötzinn beschichtet wird, wobei dem Plattenelement 4 Wärme Q zugeführt und nach Erreichen einer Löttemperatur T1 das Lötzinn mithilfe eines der Kontur der Plattenelementkontaktfläche 5 angepassten Ultraschallkopfes 15 gleichmässig und dünn verteilt wird. Die Wärme kann dabei durch Wärmestrahlung oder durch direkten Kontakt mit den Heizelementen 20 und/oder über eine bei Bedarf beheizbare Arbeitsplatte 19 zugeführt werden. Durch die US-Behandlung während dieses Lötschritts wird die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötzinns herabgesetzt, was einen besonders gleichmässigen und dünnen Auftrag ermöglicht.
Gleichzeitig oder gestaffelt dazu kann die Rohrkontaktfläche 3 gleichfalls nach Erwärmung des Rohrs unter Zuhilfenahme eines auf den Aussenumfang des Rohrs 2, bzw. der Rohrkontaktfläche 3 angepassten Ultraschallkopfs 15' mit Lötzinn beschichtet werden. Anschliessend wird, wie in Figur 10c dargestellt, die Rohrkontaktfläche 3 auf der Plattenelementkontaktfläche 5 ausgerichtet und Plattenelement 4 sowie Rohr 2, im vorliegenden Fall mittels Heizelementen 20 auf eine dritte bzw. vierte Löttemperatur T3, T4 gebracht. Dabei werden Rohr 2 und Plattenelement 4 vorzugsweise unter Ausübung eines Anpressdrucks gehalten und abgekühlt, womit das Wärmeaustauschelement fertiggestellt ist. Als vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, die Temperatur des Rohrs und des Plattenelements möglichst gleich einzustellen.
Figuren 12 und 13 zeigen verschieden Ausführungen eines Wärmetauschelements mit Lotspalt 30. Dabei wird in Figur 12 der Lotspalt durch seitlich in der Passung vorgesehen Abstandsstufen 31 zwischen Rohr 2 und Plattenelement 4 gebildet. Die Abstandsstufen 31 können dabei in einfacher Weise, bspw. durch Anheben des die Passung erzeugenden Rundfräsers in den Randbereichen der Passung hergestellt werden. Alternativ kann, wie in Figur 13 dargestellt, der Spalt durch Abstandsnocken 32 gebildeten werden. Letztere können aufgesetzt, geklebt, gemeinsam verlötet oder vorteilhaft aus dem Material des Plattenelements selbst bspw. durch Anbringen von definierten Schweisshöckern gebildet werden. Letztere können mittels Punktschweisselektroden erzeugt werden, die von einer der Passung gegenüber liegenden Seite in Richtung der Passung gedrückt werden.
Figur 14 zeigt ein Wärmeaustauschelement bei dem das Rohr 2 mit dem Plattenelement 4 durch eine Klebverbindung 17 und eine Lötverbindung 18 verbunden ist. Die Klebverbindung 17 befindet sich dabei auf beiden dem Rohr 2 gegenüber liegenden Randbereichen des Plattenelements 4, oder im Endbereich der Passung, während die Lötverbindung 18 sich dazwischen befindet. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass auch andere Anordnungen möglich sind, bspw. eine eventuell zusätzliche Klebestelle in der Mitte. Das Vorsehen der zwei Klebverbindungen im Randbereich der Passung hat aber den Vorteil, dass dadurch ein Ausrinnen des Lötzinns, beispielsweise beim Zusammenfügen der Teile des Wärmeaustauschers, verhindert werden kann.
Figur 15 A bis D zeigt verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten zur Ausführung von Schweissverbindung eines Wärmeaustauschelements 1 im Querschnitt. In Figuren 15 A und B ist eine Konfiguration mit Rohr 2 und einteiligem Plattenelement 4 dargestellt, wobei A eine Verbindung mit einer einreihigen Abfolge, Figur B eine Verbindung mit einer zweireihigen Abfolge von Punktschweissungen zeigt.
In Figur 15 C ist ein Plattenelement 4 gezeigt, bei dem in einem weiteren vorgelagerten mechanischen Bearbeitungsschritt die Materialdicke d im Bereich der Passung 33 durch Anbringen einer Ausdünnung 34, hier in Form einer Sicke, auf der dem Rohr 2 abgewandten Seite des Plattenelements 4, zusätzlich herabgesetzt wurde. Damit können auch etwas dickere Plattendicken D verwendet oder die Passung 33 weniger tief ausgeführt und trotzdem eine für die Herstellung einer sicheren Schweissverbindung SV besonders geeignete Materialdicke d zwischen 0.1 bis 0.5 mm im Bereich der Passung 33 eingestellt werden. Dies da bei erfindungsgemässen Wärmeaustauschelementen 1 die Schweissverbindung in der Passung 33 von der dem Rohr 2 abgewandten Seite des Plattenelements 4 ausgehend angebracht wird. Dabei können bspw. Laser- oder Ultraschall(US)-Schweissgeräte verwendet werden. Solche zusätzlich ausgedünnten Plattenelemente 4 können auch für Löt- und/oder Klebeverbindungen vorteilhaft sein, bspw. um die Temperatur während des Verbindungsprozesses besonders genau zu steuern.
In Figur 11 werden verschiedene Varianten eines Wärmetauschers 8 in Aufsicht von der Rückseite her dargestellt. Dabei zeigt Figur 11A einen bekannten konventionellen Wärmetauscher, mit einem Wärmeaustauschelement das aus einem Plattenelement 4 mit einem an dessen Rückseite befestigten Rohr 2 besteht. Das Wärmeaustauschelement liegt mit der Anpressfläche auf der innere Wärmeaustauschfläche A_wi des Wärmetauschers auf wodurch zwischen den Rändern der Anpressfläche und dem äusseren Umfang der Wärmeaustauschfläche eine Freifläche 28 gebildet wird. Diese beträgt bei einer hier angenommenen Wärmeaustauschfläche A_wi von 200 cm² (Länge l_wi von 20, Breite b_wi von 10 cm) und einer Anpressfläche A_pr von 144 cm² (Länge l_wi von 18, Breite b_wi von 8 cm) bei 66 cm², was einem Flächenverhältnis von A_pr / A_wi = 0.72 entspricht. Da bei solchen Wärmetauschern meist neben der Wärmetauschleistung auch bestimmte akustische Eigenschaften, insbesondere schalldämpfende Eigenschaften verlangt werden, bleibt für das Anbringen von solchen schalldämpfenden Elementen, wie bspw. Dämpfungsplatten und/oder Vliesen lediglich der schmale Bereich zwischen Anpressfläche A_pr und äusseren Umfang der Wärmeaustauschfläche A_wi. Dieser kann auch nicht beliebig verbreitert werden, da sonst der gewünschte Wärmeaustausch zwischen Wärmetauscher und Plattenelement schlechter wird. Um diesen über den gesamten Wärmeaustauscher möglichst effizient zu halten, muss nämlich der Abstand eines beliebigen, nicht in direktem Kontakt mit der Anpressfläche stehenden Flächenelements der Wärmeaustauschfläche zu einer, durch den Rand der Anpressfläche definierten Grenzlinie GL möglichst gering bzw. das Verhältnis von Wärmeaustauschfläche zu Grenzlinie A_wi / GL (hier 3.8 cm) möglichst klein sein. Dementsprechend sind in den Figuren 11B und 11C Konfigurationen für Wärmetauscher dargestellt, wie sie mit Platenelementen in einfacher Weise verwirklicht werden können. Dabei werden in Figur 11B 6 Plattenelemente mit einer Dimension von 2 x 8 cm, in Figur 11C 10 Plattenelemente mit einer Dimension von 1 x 8 cm in einem rechteckigen Wärmetauscher wie oben beschrieben eingesetzt. Damit ist ein Flächenverhältnis A_pr / A_wi von 0.48 bzw. 0.4 und ein Verhältnis A_wi / GL von 1.67 bzw. 1.1 cm erzielbar. Damit ist ein im Vergleich zum Stand der Technik deutlich besserer Wärmeaustausch möglich.
Eine andere Möglichkeit um die entsprechenden Verhältniszahlen (A_pr / A_wi bzw. A_wi / GL) zu verbessern, ist in Figur 11D dargestellt, bei der im Randbereich wellenförmige gestaltete Plattenelemente, mit zumindest abschnittsweise zueinander parallelen Grenzlinien eingesetzt werden. Ein analoger Aufbau ist grundsätzlich auch mit anderen, beispielsweise aus Figur 7A und/oder 7B bekannten Geometrien der Plattenelemente möglich.

BEZUGSZEICHEN

1: Wärmeaustauschelement
2: Rohr
3: Rohrkontaktfläche
4: Plattenelement
5: Plattenelementkontaktfläche
6: Längsloch
7: Rundloch
8: Wärmetauscher
9: Seitenwand
10: Vorderwand
11: Anpressmittel
12: Klemmvorrichtung
13: Dämpfer
14: Isolationsmaterial
15: US-Kopf (Ultraschallkopf)
16: Schweissverbindung
17: Klebverbindung
18: Lotverbindung
19: Arbeitsplatte
20: Heizelement
21: Innere Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers
22: Äussere Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers
23: Vlies und/oder Platte
24: Zwischenraum
25: Anpressfläche
26: Beschichtung
27: Wärmeleitblech
28: Freifläche
29: Wärmeaustauschkontaktfläche
30: Lotspalt
31: Abstandsstufe
32: Abstandsnoppe
33: Passung
34: Ausdünnung, Sicke

A, A': 1. und 2. Ebene
B: Breite des Plattenelements
D: Plattendicke (Dicke des Plattenelements (4))
d: Materialdicke des Plattenelements im Bereich der Passung
H: 3. Ebene (Horizontalebene)
L: Längsrichtung, Länge des Plattenelements
SV: Schweissverbindung
S: Spaltbreite
x: Abmessung des Plattenelements parallel zur Rohrachse im Bereich der Plattenelementkontaktfläche
y: Abmessung des Plattenelements parallel zur Rohrachse in einem vom Rohr weiter beabstandeten Bereich
Z: Rohrachse

Claims

Wärmeaustauschelement zum Kühlen oder Heizen von Räumen, umfassend ein thermisch leitfähiges Rohr (2) zur Durchströmung mit einem Wärmeaustauschfluid und zumindest ein thermisch leitfähiges im Wesentlichen beidseitig planar und seitenparallel ausgebildetes Plattenelement (4) zur Aufnahme von Umgebungswärme und thermischer Weiterleitung der Umgebungswärme an das Rohr (2) oder/und Aufnahme von Heizwärme aus dem Rohr (2) und Abgabe der Heizwärme an die Umgebung wobei das Rohr (2) auf zumindest einem Plattenelement (4) oder zwischen zumindest zwei Plattenelementen (4) einer Plattenelementanordnung angeordnet ist und ein Kontaktmittel zur thermischen Kontaktierung vorgesehen ist, wobei das Kontaktmittel ein Verbindungsmittel umfasst
und das Plattenelement (4) im Bereich einer Plattenelement-kontaktfläche (5) zum thermisch leitenden Kontaktieren mit einer Rohrkontaktfläche (3) an die Rohrkontaktfläche mittels einer Passung (33), mit einer gegenüber der Plattendicke D des Plattenelements (4) verringerten Materialdicke d, angepasst ist um die Kontaktflächen (3, 5) zu vergrössern und das Verbindungsmittel eine Lötverbindung oder eine Klebverbindung umfasst

dadurch gekennzeichnet,

dass das Plattenelement (4) eine Plattendicke D von 0.5 bis 3 mm aufweist

und die Passung im Randbereich oder im gesamten Querschnitt kreissegmentförmig ist, dabei mit einer Tiefe von 2 bis 12% des Aussendurchmessers des Rohrs, wobei das Rohr (2) mäandrierend mit zumindest einem Plattenelement (4) wirkverbunden und das Rohr (2) und das Plattenelement im Bereich der Passung gerade ausgeführt ist, wobei die gekrümmten Rohrabschnitte das Plattenelement seitlich überragen.
Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Rohr (2) quer, dabei bevorzugt im Wesentlichen in einem rechten Winkel zu einer Längsrichtung L des zumindest einen Plattenelements (4) mit diesem wirkverbunden ist.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Plattenelement (4) bzw. die Plattenelementanordnung sich zu beiden Seiten einer Symmetrieebene S des Wärmeaustauschelements (1) in jeweils einer Ebenen A, A' erstreckt, wobei sich die Ebenen A, A' in der Symmetrieebene S, entlang einer Schnittlinie zwischen Symmetrieebene S und einer parallel zu einer Rohrachse Z und senkrecht zur Symmetrieebene S verlaufenden vierten Ebene H, schneiden und zur Ebene H jeweils einen spitzen Winkel a, α' bilden, so dass das Wärmeaustauschelement (1) mit den Ebenen A, A' federnd an eine zur vierten Ebene H parallelen Wärmeaustauschfläche W anpressbar ist.
Wärmeaustauschelement nach Anspruch 3, wobei die Winkel a, α' dem Betrag nach gleich sind.
Wärmeaustauschelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Winkel α, α' in einem Bereich zwischen 1 bis 15°, dabei bevorzugt zwischen 2 bis 10° liegen.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plattenelement (4) eine Plattendicke D von 1 bis 2 mm aufweist.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Passung eine Tiefe von 0.6 bis 1 mm oder 5 bis 8% des Aussendurchmessers des Rohrs aufweist.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Passung eine ebene Fläche umfasst oder ist, deren mittlere Rauheit auf einen Ra-Bereich von 0.05 bis 2.0 µm, bevorzugt von 0.1 bis 1 µm eingestellt ist.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschelement einen durch Abstandsstufen (31) oder Abstandsnocken (32) gebildeten Lotspalt (30) zwischen Rohr (2) und Plattenelement (4) umfasst.
Wärmeaustauschelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohr (2) mit dem Plattenelement (4) durch eine Klebverbindung (17) und eine Lötverbindung (18) verbunden ist.
Wärmeaustauschelement nach Anspruch 10, wobei die Klebverbindung (17) zumindest in einem, einem Endbereich der Passung (33) gegenüberliegenden, bevorzugt jedoch in beiden dem Rohr (2) gegenüberliegenden Randbereichen des Plattenelements (4) und die Lötverbindung (18) zwischen dem anderen Ende der Passung und dem einen Endbereich, bevorzugt jedoch zwischen den Endbereichen, zwischen den Klebverbindungen angebracht ist.
Wärmetauscher mit zumindest einem Wärmeaustauschelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.