EP4575379A1 - Microchannel-wärmeübertrager - Google Patents

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Publication number
EP4575379A1
EP4575379A1 EP24219068.4A EP24219068A EP4575379A1 EP 4575379 A1 EP4575379 A1 EP 4575379A1 EP 24219068 A EP24219068 A EP 24219068A EP 4575379 A1 EP4575379 A1 EP 4575379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microchannel
section
heat exchanger
profiles
cross
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.)
Pending
Application number
EP24219068.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schaumlöffel
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.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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 Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Publication of EP4575379A1 publication Critical patent/EP4575379A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05383—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
    • 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
    • F25B39/028—Evaporators having distributing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0263—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry or cross-section of header box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
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    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0275—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple branch pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with microchannel profiles, in particular for use as an evaporator and/or condenser of a heat pump.
  • microchannel profiles are increasingly being used in heat exchangers.
  • the individual microchannel profiles feature several, for example, seven or a different number of parallel channels with a small cross-section through which the heat transfer fluid flows. Due to the small cross-section (diameter approximately 1 mm) of the channels in the microchannel profiles, high pressure resistance can be achieved even with thin walls.
  • Microchannel heat exchangers are particularly well suited as evaporators or condensers (condensers) in refrigerant circuits.
  • the background of the invention is that the heat transfer fluid should flow evenly through the microchannel heat exchanger in all areas in order to ensure good heat transfer with a small temperature spread between the primary side and the secondary side of the heat exchanger.
  • Venturi distributors are used to distribute the heat transfer medium flow in finned tube evaporators.
  • the starting point of the invention is a heat exchanger, in particular an (evaporator or condenser) heat exchanger, which is designed with several microchannel profiles arranged in parallel and through which flow takes place.
  • the heat transfer medium is fed to the microchannel heat exchanger via an inlet line and discharged from the microchannel heat exchanger via an outlet line.
  • the individual microchannel profiles each have several channels arranged parallel to one another.
  • a Venturi distributor is used upstream of the inlet line to ensure even distribution of the heat transfer medium to the individual microchannel profiles.
  • the outlet connections of the Venturi distributor are connected to the individual microchannel profiles via capillary lines.
  • a Venturi distributor comprises a centrally located inlet connection and outlet connections, particularly in a star-shaped configuration, extending from the inlet connection. Due to the centrally located outlet connections, all outlet connections have the same pressure drop, so that all outlet connections are flowed through at the same rate.
  • a collector similar to the Venturi distributor, but with opposite flow, is advantageously arranged downstream of the heat exchanger.
  • Venturi distributors advantageously ensure a uniform distribution of the heat transfer medium flow to the individual microchannel profiles.
  • the invention provides that, for the uniform distribution of the heat transfer medium to the individual channels of the respective microchannel profiles, a connecting section with a cross-sectional expansion is arranged directly at the connection of the capillary lines to the individual channels.
  • the expanded connection cross-section of the connecting section opens into the entirety of the individual channels of the respective microchannel profile.
  • the cross-sectional expansion of the connecting section can be achieved in one or two dimensions.
  • the cross-sectional expansion is preferably carried out in the direction of the width of the microchannel profiles. This cross-sectional expansion therefore acts as a diffuser and will be referred to as such from now on.
  • the flow velocity is reduced to such an extent that the individual channels of the microchannel profiles are each flowed through with the same amount of heat transfer medium.
  • the heat exchanger according to the invention advantageously has a uniform flow according to the task.
  • the heat exchanger can be advantageously operated with a small temperature difference between the primary and secondary sides. This advantageously enables optimal operation of the heat exchanger, as intended by the invention.
  • an evaporator heat exchanger of a heat pump designed as an air-to-refrigerant heat exchanger according to the invention the refrigerant is optimally evaporated and superheated, thus ensuring the best possible utilization of the heat supplied by the air on the primary side.
  • a heat exchanger designed according to the invention can also be efficiently operated as a condenser in a heat pump.
  • a heat pump equipped with an evaporator heat exchanger designed according to the invention can advantageously be operated with high efficiency.
  • the expanded connection cross-section of the connection section is approximately 2 to 10 times the size of the capillary line connection cross-section.
  • the capillary line connection cross-section is the cross-section at the connection section in the area where the capillary lines are connected. This cross-sectional expansion ensures an even distribution of the heat transfer medium across all channels of the microchannel profile.
  • the length of the cross-sectional expansion of the connection section is 2 to 15 times the diameter of the capillary line connection cross-section. This diameter-to-length ratio of the cross-sectional expansion ensures a uniform distribution of the heat transfer medium across all channels of the respective microchannel profile.
  • the heat transfer medium flow influencing objects are arranged in the cross-sectional expansion in the connection section.
  • the objects prevent a main flow in continuation of the capillary line to the centrally arranged channels of the microchannel profile by slowing down and swirling the heat transfer medium flow, thus ensuring an even distribution of the heat transfer medium across all channels.
  • Suitable and therefore preferred objects for improving the distribution of the heat transfer medium among the individual channels of the microchannel profile are cylindrical objects, conical objects, spherical objects, pyramidal objects, or metal wool/wool-like/fibrous structures. Accordingly, the length of the connection sections with cross-sectional expansion can be advantageously reduced.
  • the invention thus provides a compact and thus space-saving heat exchanger.
  • the Fig. 1 shows a schematic diagram of a microchannel heat exchanger 100 according to the invention, which is intended as an evaporator of a heat pump.
  • a refrigerant is supplied as a heat transfer medium via an inlet line 102 to an inlet connection 120 of a Venturi distributor 104.
  • a capillary line 106 is connected to each outlet connection 122 of the Venturi distributor 104, which leads to a connection section 111 of a microchannel profile 110, shown in detail.
  • the air-refrigerant heat exchanger 100 formed by the parallel microchannel profiles 110, through which air flows, serves, for example, as an evaporator of an air-water heat pump (not shown).
  • the outlet line of the air-refrigerant heat exchanger 100 is not shown.
  • FIG. 2 The structure of the heat exchanger 100, designed as an evaporator 100, is shown. It can be seen that a plurality of microchannel profiles 110 arranged parallel in the heat exchanger 100 form the actual heat exchanger 100. Between the microchannel profiles 110, connected sheet metal fins 130 are arranged, which improve the transfer of heat from the air flowing through the sheet metal fins 130 to the microchannel profiles 110.
  • Each of the microchannel profiles 110 is connected by means of a connection section 111 and a capillary line 106 to a drain connection 122 of the venturi distributor 104 (see Fig. 1 ) tied together.
  • connection section 111 is formed with a cross-sectional widening.
  • the cross section of the connecting section 111 expands in the dimension of the width of the microchannel profile 110, so that at an expanded cross section Aa of the connecting section 111, all channels 112 of the respective microchannel profile 110 are encompassed by the latter.
  • the heat exchanger 100 can be advantageously operated with a small temperature difference between the primary side and the secondary side. This advantageously enables optimal operation of the heat exchanger 100, as intended by the invention. Accordingly, a A heat pump equipped with a heat exchanger designed according to the invention can advantageously be operated with high efficiency.
  • the length L of the connection section 111 is advantageously 2 to 15 times the diameter De of the capillary line connection cross-section Ae.
  • the capillary line connection cross-section Ae is the cross-section of the connection section 111 at the point of connection to the capillary line 106.
  • the effect of distributing the refrigerant flow can be improved according to the invention if objects, such as spheres 116, are arranged in the connecting section 111, which disrupt the main flow between the capillary line 106 and the central channels 112 and thus even out the inflow to the individual channels 112. Accordingly, the length L of the connecting section 111 can be reduced to, for example, 60%.
  • Fig. 3 shows a partial view of an exemplary microchannel profile 110 with seven channels 112.
  • the channels 112 are not round, but are created by subdividing the essentially rectangular microchannel profile 110, with the corners being rounded. This means that the five central channels 112 in this example are essentially rectangular, and the side channels 112 are essentially D-shaped. Other configurations of channels 112 are also possible; for example, all channels 112 can be round in cross-section.
  • Fig. 3 The structure shown is characterized by its particular simplicity.
  • Fig. 4 shows a schematic and exemplary sectional view through a heat exchanger 100.
  • the example shows three levels of microchannel profiles 110, between which finned plates 130 are arranged as heat conducting plates.
  • the supply and discharge lines of the refrigerant to the microchannel profiles 110 are arranged in a manifold 140 formed on both sides of the heat exchanger 100.
  • Fig. 5 shows schematically and exemplarily in a partial view the arrangement of diffuser 111 and venturi distributor 104 of a microchannel heat exchanger 100 according to the invention, in a view perpendicular to the view in Fig. 1 .
  • the view will therefore be adjusted accordingly Fig. 4 shown in which the microchannel profile 110 is adjacent to the slatted sheets 130.

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Abstract

Wärmeübertrager (100) mit einer Zulaufleitung (102), einer Ablaufleitung und mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110), wobei die Microchannel-Profile (110) jeweils mehrere, parallel zueinander angeordnete Kanäle (112) aufweisen, wobei zwischen der Zulaufleitung (102) und den mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110) und/oder der Ablaufleitung (103) und den mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110) jeweils ein Venturiverteiler (104) angeordnet ist sowie von dem Venturiverteiler (104) jeweils zu den einzelnen Microchannel-Profilen (110) führende Kapillarleitungen (106) angeordnet sind und zwischen den jeweiligen Kapillarleitungen (106) und jeweils einem Microchannel-Profil (110) ein Anschlussabschnitt (111) angeordnet ist, wobei der Anschlussabschnitt (111) mit einer Querschnittserweiterung ausgebildet ist und ein erweiterter Anschlussquerschnitt (Aa) des Anschlussabschnitts (111) in die Gesamtheit der einzelnen Kanäle (112) des jeweiligen Microchannel-Profils (110) mündet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Microchannel-Profilen, insbesondere zum Einsatz als Verdampfer und/oder Kondensator einer Wärmepumpe.
  • Zunehmend kommen in Wärmeübertragern sogenannte Microchannel-Profile zum Einsatz. Die einzelnen Microchannel-Profile weisen mehrere, beispielsweise sieben oder eine andere Anzahl, parallel verlaufender Kanäle mit geringem Querschnitt auf, die von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt werden. Aufgrund des geringen Querschnitts (Durchmesser ca. 1 mm) der Kanäle der Microchannel-Profile kann auch mit geringen Wandstärken eine hohe Druckfestigkeit realisiert werden. Insbesondere sind Microchannel-Wärmeübertrager als Verdampfer beziehungsweise Kondensator (Verflüssiger) in Kältemittelkreisläufen gut geeignet.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass die Wärmeträgerflüssigkeit den Microchannel-Wärmeübertrager in allen Bereichen gleichmäßig durchströmen soll, um eine gute Wärmeübertragung bei geringer Temperaturspreizung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Wärmeübertragers zu gewährleisten.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Venturiverteiler zur Verteilung des Wärmeträgerstroms bei Lamellenrohrverdampfern zum Einsatz kommen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Wärmeübertrager, insbesondere ein (Verdampfer-oder Kondensator-) Wärmeübertrager, der mit mehreren, parallel angeordneten und durchströmten Microchannel-Profilen ausgebildet ist. Der Wärmeträger wird dem Microchannel-Wärmeübertrager mittels einer Zulaufleitung zugeführt und einer Ablaufleitung wieder vom Microchannel-Wärmeübertrager abgeleitet. Die einzelnen Microchannel-Profile weisen jeweils mehrere, parallel zueinander angeordnete Kanäle auf.
  • Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit Microchannel-Profilen ausgebildeten Wärmeübertrager bereitzustellen, wobei sowohl alle Microchannel-Profile als auch die jeweiligen Kanäle der einzelnen Microchannel-Profile mit möglichst einem gleichen Durchsatz vom Wärmeträger durchströmt werden.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass zur gleichmäßigen Verteilung des Wärmeträgers auf die einzelnen Microchannel-Profile zustromseitig nach der Zulaufleitung ein Venturiverteiler zum Einsatz kommt. Die Ablaufanschlüsse des Venturiverteilers sind mittels Kapillarleitungen mit den einzelnen Microchannel-Profilen verbunden.
  • Ein Venturiverteiler umfasst einen zentral angeordneten Zulaufanschluss und von dem Zulaufanschluss insbesondere sternförmig abgehende Ablaufanschlüsse. Durch die mit Zentralbezug angeordneten Ablaufanschlüsse weisen alle Ablaufanschlüsse denselben Druckverlust auf, so dass demzufolge alle Ablaufanschlüsse mit dem gleichen Durchsatz durchströmt werden. Nach dem Wärmeübertrager ist vorteilhaft ein zum Venturiverteiler analog ausgebildeter, nur entgegengesetzt durchströmter Sammler angeordnet.
  • Dementsprechend erfolgt mittels der Venturiverteiler auf vorteilhafte Weise eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgerstroms auf die einzelnen Microchannel-Profile.
  • Weiterhin erfolgt vorteilhaft eine gleichmäßige Durchmischung von gasförmigem und flüssigem Kältemittel.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur gleichmäßigen Verteilung des Wärmeträgers auf die einzelnen Kanäle der jeweiligen Microchannel-Profile unmittelbar am Anschluss der Kapillarleitungen an die einzelnen Kanäle ein mit einer Querschnittserweiterung ausgebildeter Anschlussabschnitt angeordnet ist. Der erweiterte Anschlussquerschnitt des Anschlussabschnittes mündet in die Gesamtheit der einzelnen Kanäle des jeweiligen Microchannel-Profils.
  • Die Querschnittserweiterung des Anschlussabschnittes kann in einer oder zwei Dimensionen erfolgen. Zweckmäßig erfolgt die Querschnittserweiterung in Richtung der Breite der Microchannel-Profile. Diese Querschnittserweiterung ist demzufolge in der Wirkung ein Diffusor und wird im Weiteren auch so bezeichnet.
  • Durch die Querschnittserweiterung des Anschlussabschnittes bzw. Diffusors wird die Strömungsgeschwindigkeit so weit herabgesetzt, dass die einzelnen Kanäle der Microchannel-Profile jeweils mit der gleichen Menge des Wärmeträgers durchströmt werden.
  • Somit wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager gemäß Aufgabenstellung auf vorteilhafte Weise gleichmäßig durchströmt. Aufgrund dessen kann der Wärmeübertrager mit geringer Temperaturspreizung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite vorteilhaft betrieben werden. Damit wird ein mit der Erfindung bezweckter optimaler Betrieb des Wärmeübertragers auf vorteilhafte Weise ermöglicht.
  • Bei einem als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten erfindungsgemäßen Verdampfer-Wärmeübertrager einer Wärmepumpe erfolgt dementsprechend eine bestmögliche Verdampfung und gleichmäßige Überhitzung des Kältemittels und damit eine bestmögliche Nutzung der primärseitig mit der Luft zugeführten Wärme. Ebenso kann ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmeübertrager als Kondensator einer Wärmepumpe effizient betrieben werden.
  • Infolgedessen kann eine Wärmepumpe, die mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Verdampferwärmeübertrager ausgestattet ist, auf vorteilhafte Weise mit einer hohen Effizienz betrieben werden.
  • Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterungen und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass jeweils der erweiterte Anschlussquerschnitt - dementsprechend Microchannel-Profil-seitig - des Anschlussabschnittes ca. das 2 - bis 10 - fache eines Kapillarleitungsanschlussquerschnitts beträgt. Der Kapillarleitungsanschlussquerschnitt ist der Querschnitt am Anschlussabschnitt im Bereich des Anschlusses der Kapillarleitungen. Mit dieser Querschnittserweiterung wird erreicht, dass eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers auf alle Kanäle des Microchannel-Profils erfolgt.
  • Einer weiteren bevorzugten Ausführung des Wärmeübertragers entsprechend ist vorgesehen, dass die Länge der Querschnittserweiterung des Anschlussabschnitts das 2 bis 15 - fache des Durchmessers des Kapillarleitungsanschlussquerschnitts beträgt. Mit diesem Durchmesser-Längenverhältnis der Querschnittserweiterung wird eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers auf alle Kanäle des jeweiligen Microchannel-Profils bewirkt.
  • Einer weiteren bevorzugten Ausführung des Wärmeübertragers entsprechend ist vorgesehen, dass in der Querschnittserweiterung im Anschlussabschnitt die Wärmeträgerströmung beeinflussende Objekte angeordnet sind. Die Objekte verhindern eine Hauptströmung in Fortsetzung der Kapillarleitung zu den mittig angeordneten Kanälen des Microchannel-Profils indem sie den Wärmeträgerstrom abbremsen und verwirbeln und damit eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers auf alle Kanäle bewirken.
  • Geeignete und damit bevorzugte Objekte zur Verbesserung der Verteilung des Wärmeträgers auf die einzelnen Kanäle des Microchannel-Profils sind zylindrische Objekte, kegelförmige Objekte, kugelförmige Objekte, pyramidenförmige Objekte oder Metallwolle/wolleförmige/fasrige Strukturen. Dementsprechend kann die Länge der Anschlussabschnitte mit Querschnitterweiterung auf vorteilhafte Weise reduziert werden. Durch die Erfindung wird somit ein kompakter und damit platzsparender Wärmeübertrager bereitgestellt.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    in einer Teilansicht von oben eine Prinzipdarstellung der Erfindung mit einer Zulaufleitung (Einspritzkanal), einem Venturiverteiler, einer Kapillarleitung und einem Anschlussabschnitt zu einem Microchannel-Profil sowie einem Ausschnitt des Microchannel-Profils,
    Fig. 2
    in einer Teilansicht den Aufbau eines als Verdampfer einer Wärmepumpe ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
    Fig. 3
    in einer Teilansicht ein beispielhaftes Microchannel-Profil,
    Fig. 4
    eine Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager und
    Fig. 5
    in einer Teilansicht die Anordnung von Diffusor und Venturiverteiler.
  • In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind entsprechende beziehungsweise in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Microchannel-Wärmeübertragers 100, der als Verdampfer einer Wärmepumpe vorgesehen ist. Ein Kältemittel wird als Wärmeträger mittels einer Zulaufleitung 102 an einem Zulaufanschluss 120 eines Venturiverteiler 104 zugeführt.
  • An jeweils einem Ablaufanschluss 122 des Venturiverteiler 104 ist eine Kapillarleitung 106 angeschlossen, die zu jeweils einem Anschlussabschnitt 111 eines ausschnittsweise dargestellten Microchannel-Profils 110 führt. Der durch die parallel angeordneten und durchströmten Microchannel-Profile 110 gebildete Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 100 dient beispielsweise als Verdampfer einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (nicht dargestellt). Die Ablaufleitung des Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 100 ist nicht gezeigt.
  • In Fig. 2 ist der Aufbau des als Verdampfer 100 ausgebildeten Wärmeübertragers 100 dargestellt. Es wird ersichtlich, dass eine Vielzahl parallel im Wärmeübertrager 100 angeordneter Microchannel-Profile 110 den eigentlichen Wärmeübertrager 100 bilden. Zwischen den Microchannel-Profilen 110 sind mit diesen verbundene Blechlamellen 130 angeordnet, die die Übertragung der Wärme, von der die Blechlamellen 130 durchströmenden Luft an die Microchannel-Profile 110 verbessern.
  • Jedes der Microchannel-Profile 110 ist mittels eines Anschlussabschnitts 111 und einer Kapillarleitung 106 mit jeweils einem Ablaufanschluss 122 des Venturiverteiler 104 (siehe Fig. 1) verbunden.
  • Das flüssige Kältemittel strömt von der Kapillarleitung 106 weiter in den Anschlussabschnitt 111 zum Microchannel-Profil 110. Der Anschlussabschnitt 111 ist mit einer Querschnittserweiterung ausgebildet.
  • Der Querschnitt des Anschlussabschnitts 111 erweitert sich in der Dimension der Breite des Microchannel-Profils 110, so dass an einem erweiterten Querschnitt Aa des Anschlussabschnitts 111 alle Kanäle 112 des jeweiligen Microchannel-Profils 110 von diesem erfasst werden.
  • Somit verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit des noch flüssigen Kältemittels im sich aufweitenden Anschlussabschnitt 111 erheblich, was letztlich dazu führt, dass erfindungsgemäß alle Kanäle 112 des Microchannel-Profils 110 in gleichem Maße vom Kältemittel durchströmt werden.
  • Aufgrund der in gleichem Maße vom Kältemittel durchströmten Kanäle 112 des Microchannel-Profils 110 sowie der einzelnen Microchannel-Profile 110 kann der Wärmeübertrager 100 mit geringer Temperaturspreizung zwischen Primärseite und Sekundärseite vorteilhaft betrieben werden. Damit wird auf vorteilhafte Weise ein mit der Erfindung bezweckter optimaler Betrieb des Wärmeübertragers 100 ermöglicht. Dementsprechend kann eine mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeübertrager ausgerüstete Wärmepumpe vorteilhaft mit hoher Effizienz betrieben werden.
  • Die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels erfordert allerdings eine relativ große Länge des sich aufweitenden Anschlussabschnitts 111 zum Microchannel-Profil 110, da sich eine Hauptströmung zu den mittleren Kanälen 112 einstellen würde.
  • Bevorzugt beträgt daher die Länge L des Anschlussabschnitts 111 vorteilhaft das 2 bis 15 fache des Durchmessers De des Kapillarleitungsanschlussquerschnitts Ae. Der Kapillarleitungsanschlussquerschnitt Ae ist der Querschnitt des Anschlussabschnitts 111 an der Stelle der Verbindung mit der Kapillarleitung 106.
  • Der Effekt der Verteilung der Kältemittel-Strömung kann erfindungsgemäß verbessert werden, wenn Objekte, wie beispielsweise Kugeln 116, im Anschlussabschnitt 111 angeordnet sind, die die Hauptströmung zwischen der Kapillarleitung 106 und den mittleren Kanälen 112 stören und damit den Zufluss zu den einzelnen Kanälen 112 vergleichmäßigen. Dementsprechend kann die Länge L des Anschlussabschnitts 111 auf beispielsweise 60 % reduziert werden.
  • Fig. 3 zeigt in einer Teilansicht ein beispielhaftes Microchannel-Profil 110 mit sieben Kanälen 112. Die Kanäle 112 sind nicht rund, sondern entstehen durch Unterteilung des im Wesentlichen rechteckigen Microchannel-Profil 110, bei dem die Ecken abgerundet sind. Das heißt, dass die in diesem Beispiel 5 mittleren Kanäle 112 im Wesentlichen rechteckig und die seitlichen Kanäle 112 im Wesentlichen D-förmig sind. Auch andere Ausprägungen von Kanälen 112 sind möglich, so können beispielsweise alle Kanäle 112 im Querschnitt rund sein. Der in Fig. 3 gezeigte Aufbau zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus.
  • Fig. 4 zeigt schematisch und exemplarisch eine Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager 100. Im Beispiel gezeigt sind 3 Ebenen von Microchannel-Profilen 110 zwischen denen Lamellenbleche 130 als Wärmeleitbleche angeordnet sind. Die Zuleitungen und Ableitungen des Kältemittels an die Microchannel-Profile 110 sind in einem beiderseitig des Wärmeübertragers 100 ausgebildeten Sammelrohr 140 angeordnet.
  • Fig. 5 zeigt schematisch und exemplarisch in einer Teilansicht die Anordnung von Diffusor 111 und Venturiverteiler 104 eines erfindungsgemäßen Microchannel-Wärmeübertragers 100, in einer Ansicht senkrecht zu der Ansicht in Fig. 1. Es wird somit die Ansicht entsprechend Fig. 4 gezeigt, in der das Microchannel-Profil 110 an die Lamellenbleche 130 angrenzt.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Wärmeübertrager, Verdampfer
    102
    Zulaufleitung, Einspritzkanal
    104
    Venturiverteiler
    106
    Kapillarleitung
    110
    Microchannel-Profil
    111
    Anschlussabschnitt zum Microchannel-Profil; Diffusor
    112
    Kanäle des Microchannel-Profils
    116
    Objekte im Anschlussabschnitt der Microchannel-Profile
    120
    Zulaufanschluss des Venturiverteiler
    122
    Ablaufanschluss des Venturiverteiler
    130
    Lamellenbleche
    140
    Sammelrohr
    Aa
    erweiterter Anschlussquerschnitt des Anschlussabschnitts zum Microchannel-Profil
    Ae
    Kapillarleitungsanschlussquerschnitt an den Anschlussabschnitt zum Microchan nel-Profil
    De
    Durchmesser des Kapillarleitungsanschlussquerschnitts
    L
    Länge der Querschnittserweiterung beziehungsweise des Anschlussabschnitts

Claims (7)

  1. Wärmeübertrager (100) mit einer Zulaufleitung (102), einer Ablaufleitung und mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110), wobei die Microchannel-Profile (110) jeweils mehrere, parallel zueinander angeordnete Kanäle (112) aufweisen,
    wobei zwischen der Zulaufleitung (102) und den mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110) und/oder der Ablaufleitung (103) und den mehreren, parallel angeordneten Microchannel-Profilen (110) jeweils ein Venturiverteiler (104) angeordnet ist sowie von dem Venturiverteiler (104) jeweils zu den einzelnen Microchannel-Profilen (110) führende Kapillarleitungen (106) angeordnet sind
    und wobei
    zwischen den jeweiligen Kapillarleitungen (106) und jeweils einem Microchannel-Profil (110) ein Anschlussabschnitt (111) angeordnet ist, wobei der Anschlussabschnitt (111) mit einer Querschnittserweiterung ausgebildet ist und ein erweiterter Anschlussquerschnitt (Aa) des Anschlussabschnitts (111) in die Gesamtheit der einzelnen Kanäle (112) des jeweiligen Microchannel-Profils (110) mündet.
  2. Wärmeübertrager (100) nach Anspruch 1, wobei die Querschnittserweiterung des Anschlussabschnittes (111) von einem Kapillarleitungsanschlussquerschnitt (Ae) auf den erweiterten Anschlussquerschnitt (Aa) das 2 bis 10 - fache des Kapillarleitungsanschlussquerschnitts (Ae) beträgt.
  3. Wärmeübertrager (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) der Querschnittserweiterung des Anschlussabschnitts (111) das 2 bis 15 fache des Durchmessers (De) des Kapillarleitungsanschlussquerschnitts (Ae) beträgt.
  4. Wärmeübertrager (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Anschlussabschnitt (111) Objekte (116) angeordnet sind.
  5. Wärmeübertrager (100) nach Anspruch 4, wobei die Objekte (116) zylindrische Objekte, kegelförmige Objekte, kugelförmige Objekte (116), pyramidenförmige Objekte oder Metallwolle/wolleförmige/fasrige Strukturen sind.
  6. Wärmeübertrager (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmeübertrager (100) als Verdampfer oder Kondensator in einem Wärmepumpensystem ausgebildet ist wird.
  7. Wärmepumpe, insbesondere Luft-/Wasser-Wärmepumpe oder Luft-/Luft-Wärmepumpe, mit einem Wärmeübertrager (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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