Kältegerät und Verdampfer dafür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät und einen Verdampfer für ein Kältegerät, insbesondere einen sogenannten Cold-Wall-Verdampfer.
Derartige Verdampfer werden üblicherweise durch freihängende bzw. eingeschäumte Rollbond- oder Rohr-Platten-Systeme dargestellt.
Der Aufwand zur Herstellung derartiger Verdampfer ist nicht unerheblich. Vor allem bei eingeschäumten Verdampfern, die in Kontakt mit einer Wand des inneren Kühlgutbehälters des Kältegerätes angeordnet werden, ist eine extrem hohe Ebenheit der Verdampferwand erforderlich, um auf der gesamten Verdampferfläche einen innigen Kontakt mit der Wand des Kühlgutbehälters und damit eine gute Wärmeübertragung zu erreichen. Schon eine Unebenheit von wenigen zehntel Millimeter verhindert einen solchen innigen Kontakt. Entsprechende Anforderungen an die Ebenheit gelten natürlich auch für die Kühlgutbehälterwand, an der der Verdampfer angeordnet wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät bzw. einen Verdampfer für ein Kältegerät anzugeben, die preiswert und ohne hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit, insbesondere die Ebenheit, des Verdampfers hergestellt werden können, und die dennoch einen innigen Kontakt und einen hochwirksamen Wärmeaustausch mit der Wand eines Kühlgutbehälters ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verdampfer mit einem zwischen zwei Seitenwänden geführten Kältemittelkanal, bei dem wenigstens eine der Seitenwände, die für den Kontakt mit der Wand des Kühlgutbehälters vorgesehen ist, aus einem biegeschlaffen Material gebildet ist bzw. ein mit einem solchen Verdampfer ausgestattetes Kältegerät. Eine solche Verdampferwand ist in der Lage, sich an die Form der Kühlgutbehälterwand anzupassen und deren Verlauf in innigem Kontakt zu folgen, selbst wenn die Kühlgutbehälterwand nicht exakt eben ist.
Eine solche biegeschlaffe Wand kann aus einer Kunststofffolie, vorzugsweise aus einem schweißbaren Kunststoffmaterial hergestellt werden. Ein solches Kunststoffmaterial hat
zwar eine schlechtere spezifische Wärmeleitfähigkeit als herkömmlicherweise für eine solche Verdampferwand eingesetzte Metalle; da die Folie aber keine mechanische Stützfunktion hat, kann sie dünner sein als herkömmliche Metallwände und damit eine vergleichbare oder sogar höhere Wärmedurchgangszahl aufweisen.
Der Kältemittelkanal innerhalb des Verdampfers ist zweckmäßigerweise durch eine Rohrleitung gebildet, und der Verdampfer enthält ein wärmeübertragendes Fluid in thermischem Kontakt mit der Rohrleitung. Ein solches Fluid kann im Betrieb des Verdampfers Konvektionsbewegungen ausführen, wodurch ein hocheffizienter Wärmetransport zwischen der Seitenwand und dem Kühlmittelkanal auch über größere Entfernungen möglich ist.
Die zwei Seitenwände des Verdampfers können einteilig und an ihrem gemeinsamen Rand dicht verbunden sein; dies erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die zwei Wände, z.B. einer dünnwandigen Folie ohne Eigensteifigkeit für diejenige Seitenwand des Verdampfers, die für den Kontakt mit der Wand des Kühlgutbehälters vorgesehen ist, und einer steifen, dickwandigen Folie oder einer Platte für die gegenüberliegende Wand.
Eine Vereinfachung der Herstellung ergibt sich, wenn die Seitenwände einteilig durch einen Beutel oder Schlauch gebildet sind. In diesem Fall ist der Verdampfer einfach herstellbar, indem bei Verwendung eines Schlauches dieser zunächst durch Verschließen einer Öffnung zu einem Beutel umgeformt wird und dann durch die verbleibende Öffnung des Beutels die Rohrleitung eingeführt und das Fluid eingefüllt wird und anschließend auch diese Öffnung dicht verschlossen wird.
Um zu verhindern, dass sich ein solcher Verdampfer mit wenigstens einer biegeschlaffen Wand unter dem Gewicht des darin enthaltenen Fluids unkontrolliert verformt und sich z.B. das Fluid im unteren Bereich des Verdampfers sammelt und der obere Bereich trocken fällt, sind die Seitenwände zweckmäßigerweise in einer Entfernung von ihrem Rand lokal verbunden, so dass sie sich nicht weit genug voneinander entfernen können, um das gesamte eingefüllte Fluid im unteren Bereich des Verdampfers aufnehmen zu können. Um die Rohrleitung innerhalb des Verdampfers zu fixieren, sind lokale Verbindungen zwischen den Seitenwänden zweckmäßigerweise jeweils an einer
Innenseite von Biegungen der Rohrleitung gebildet. Eine dazu komplementäre lokale Verbindung an der Außenseite der Biegung verhindert ein Verrutschen der Rohrleitung in der entgegengesetzten Richtung.
Vorzugsweise erstreckt sich ferner wenigstens eine langgestreckte lokale Verbindung die Rohrleitung kreuzend über die Seitenwände. Eine solche langgestreckte Verbindung ist vorzugsweise horizontal orientiert und bildet eine dichte Trennung zwischen zwei Kammern für das Fluid. Auf diese Weise wird der Verdampfer in mehrere vertikal übereinanderliegende Abschnitte unterteilt, zwischen denen kein Fluidaustausch möglich ist. Auf diese Weise ist ausgeschlossen, dass sich das Fluid in einem unteren Bereich des Verdampfers sammeln kann und ein oberer Bereich trocken fällt.
Als wärmeübertragendes Fluid wird vorzugsweise ein wässriges Medium, insbesondere eine Solelösung eingesetzt. Zum Schutz der Rohrleitung kann die Sole korrosionsverhindernde Zusatzstoffe enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Kältegerät weist einen Verdampfer der oben beschriebenen Art in innigem Kontakt mit der Wand seines Kühlgutbehälters auf. Der Kontakt kann durch eine Klebung zwischen Verdampfer und Wand sichergestellt sein.
Im allgemeinen wird man für das Fluid einen Gefrierpunkt unterhalb der Betriebstemperatur des Verdampfers wählen, so dass stets Konvektion des Fluids und damit ein wirksamer Wärmeaustausch möglich ist.
Es kann allerdings vorteilhaft sein, den Gefrierpunkt des Fluids zwar unterhalb einer Solltemperatur des Kühlgutbehälters, aber oberhalb einer tiefstmöglichen Temperatur des Kältemittels zu wählen, die im allgemeinen von der Natur des Kältemittels und der Auslegung der Kältemaschine des Kältegerätes abhängig ist. Eine solche Wahl des Gefrierpunktes führt zu einer Drosselung der Kühlleistung durch Gefrieren und Wegfall der Konvektionsbewegung des Fluids, wenn die Solltemperatur des Kühlgutbehälters unterschritten ist, und kann so eine ungewollte Unterkühlung verhindern. Eine besonders praktische Anwendung hierfür ist ein Kombinationsgerät mit wenigstens zwei für unterschiedliche Lagertemperaturen vorgesehenen Kühlgutbehältern. Wenn bei einem solchen Gerät ein Verdampfer des oben beschriebenen Typs an dem für die höhere
Lagertemperatur vorgesehenen Kühlgutbehälter angeordnet ist und der Gefrierpunkt des Fluids zwischen den für die zwei Kühlgutbehälter vorgesehenen Lagertemperaturen liegt, so können die Verdampfer beider Kühlgutbehälter in Reihe mit dem gleichen Kühlmittelstrom versorgt werden, und sobald die Solltemperatur des wärmeren Kühlgutbehälters unterschritten ist und das Fluid in dessen Verdampfer gefriert, nimmt dessen Wärmeübertragungseffizienz ab, so dass die zur Verfügung stehende Kühlleistung im wesentlichen dem Kühlgutbehälter mit der niedrigeren Lagertemperatur zugute kommt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figs.. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Verdampfers in einer ersten Ausgestaltung;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Verdampfer aus Fig. 1 entlang der Linie ll-ll aus Fig. 1 ;
Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung des Verdampfers in einer Vorderansicht analog der Fig. 1 ;
Fig. 4 einen Schnitt durch den Verdampfer aus Fig. 3 entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3;
Fig. 5 ein Detail eines Verdampfers gemäß einer Abwandlung der Fig. 3;
Fig. 6 eine Vorderansicht einer dritten Ausgestaltung des Verdampfers;
Fig. 7 einen horizontalen Schnitt durch ein mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer ausgestattetes Kältegerät; und
Fig. 8 einen vertikalen Teilschnitt durch ein Kältegerät mit zwei Kühlgutbehältern, die mit erfindungsgemäßen Verdampfern ausgestattet sind.
Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Verdampfers nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Fig. 2 zeigt den gleichen Verdampfer montiert an einer Wand des Kühlgutbehälters eines Kältegerätes.
Der Verdampfer 1 ist im wesentlichen aufgebaut aus zwei flexiblen Folien 2, 3 aus einem schweißbaren Kunststoffmaterial, zwischen denen eine steife Rohrleitung 4, vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Metall, für ein Kältemittel angeordnet ist. Die Rohrleitung hat einen mäander- oder zickzackartigen Verlauf, mit durch 180°-Biegungen verbundenen, vertikal verlaufenden geradlinigen Abschnitten.
Die Folien sind durch eine umlaufende Schweißung an ihren Rand 5 dicht miteinander verbunden. Zu- und Abführanschlüsse 6, 7 für das Kältemittel sind in einem oberen Abschnitt des Randes 5 zwischen den zwei Folien 2, 3 herausgeführt.
Drei langgestreckte lokale Verbindungen 8 in Form von Schweißnähten erstrecken sich von einer Seite zur anderen über die gesamte Breite des Verdampfers und kreuzen dabei mehrfach die Rohrleitung 4. Sie unterteilen die Fläche des Verdampfers in vier dicht voneinander abgegrenzte Abschnitte 9 von im wesentlichen gleicher Größe, die ungefähr gleiche Mengen einer als Wärmetauscherfluid dienenden Sole enthalten. Im Bereich der langgestreckten Verbindungen haften die Folien 2, 3 fest an der Rohrleitung 4, so dass ein Verrutschen der Folien 2, 3 in Bezug auf die Rohrleitung 4, das zu Behinderungen bei der Montage des Verdampfers führen könnte, weitestgehend ausgeschlossen ist.
Je nach Größe des Verdampfers 1 können auch mehr oder weniger langgestreckte lokale Verbindungen vorgesehen werden.
Wie man im Schnitt der Fig. 2 erkennen kann, liegt eine der zwei Folien, die Folie 3, im wesentlichen vollflächig an einer Rückwand 10 des Kühlgutbehälters eines Kältegerätes an. Zweckmäßigerweise ist die Folie 3 an der Rückwand 10 verklebt. Dies ist auf einfache Weise zu bewerkstelligen, indem man den Kühlgutbehälter mit horizontal orientierter Rückwand 10 aufstellt, die Rückwand und/oder die Folie 3 mit Klebstoff beschichtet, und den solegefüllten Verdampfer 1 auf die Rückwand 10 auflegt. Da die Folie 3 dünnwandig und flexibel ist, genügt das Gewicht des Verdampfers 1 allein, um zu erreichen, dass die Folie 3 zumindest im Bereich der Abschnitte 9 sich dicht an die Rückwand 10 anschmiegt und so einen innigen Kontakt zu dieser bildet, selbst wenn die Rückwand 10 nicht exakt eben ist. Um auch im Bereich der Verbindungen 8 die Folie 3 mit der Rückwand 10 in Kontakt zu bringen, genügt es, diese leicht gegen die Wand 10 zu drücken.
Die Rohrleitung 4 liegt so eng an der Rückwand 10 an, sie ist von dieser praktisch lediglich durch die Dicke der Folie 3 getrennt. Daher ist in den Bereichen, wo die Rohrleitung 4 über die Folie 3 die Rückwand 10 berührt, ein effizienter Wärmeaustausch zwischen der Rohrleitung 4 und dem Kühlgutbehälter möglich. Die restliche Oberfläche der Rohrleitung 4 kühlt die in den Abschnitten 9 eingeschlossene Sole und verursacht so eine Konvektionsbewegung, die dazu führt, dass die abgekühlte Sole abwärtsströmt und sich dabei von der Rohrleitung 4 entfernt und über die Fläche der Abschnitte 9 verteilt. So wird eine hochwirksame Kühlung der Abschnitte 9 auf ihrer gesamten Fläche erreicht, obwohl die Wärmeleitfähigkeit der Sole an sich schlechter ist als die eines Metalls.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Verdampfers aus Fig. 1 , bei der die Verbindungen 8 nicht als eine durchgezogene Schweißnaht, sondern als eine Vielzahl von Punktschweißungen ausgeführt sind, die einen Austausch von Sole zwischen den von den Verbindungen 8' begrenzten Abschnitten 9' zulassen. Um zu gewährleisten, dass die Sole sich nicht im untersten Abschnitt 9' sammeln kann und dafür der oberste Abschnitt 9' praktisch keine Sole enthält, ist die Höhe h der Abschnitte nicht wie bei der Ausgestaltung der Fig. 1 konstant, sondern sie nimmt von unten nach oben zu und ist so gewählt, dass sich unter dem Gewicht der Sole in allen Abschnitten 9' im wesentlichen die gleiche Dicke d der Abschnitte einstellt, wie in Fig. 4 gezeigt.
Fig. 5 zeigt ein Detail einer abgewandelten Version des Verdampfers aus Fig. 3. Hier ist im oberen Bereich des Randes 5 aus zwei zum Teil miteinander verschweißten Fortsätzen der Folien 2, 3 ein Einfüllstutzen 11 für die Sole gebildet. Diese Variante erlaubt es, zunächst die Folien 2, 3 im Bereich des Randes 5 und der Verbindungen 8' mitein- ander zu verschweißen, und erst anschließend, vorzugsweise nach erfolgter Montage des Verdampfers an der Rückwand 10, die Sole einzufüllen. Dies hat den Vorteil, dass der Verdampfer, so lange er noch nicht montiert ist, nur ein geringes Gewicht aufweist, das zum überwiegenden Teil das Gewicht der Rohrleitung 4 ist. Es besteht daher keine Gefahr, dass unsachgemäße Handhabung zu einer Verformung der Rohrleitung 4 vor der Montage führt. Auch die Anbringung des Verdampfers an der Rückwand 10 ist erleichtert, da die Sole, wenn sie noch nicht eingefüllt ist, auch nicht durch ihr Gewicht zu einem unerwünschten Verrutschen der Folien 2, 3 in Bezug auf die Rohrleitung 4 führen kann.
Selbstverständlich kann ein solcher Einfüllstutzen auch an dem Verdampfer der Fig. 1 vorgesehen werden, doch muss hier jeder einzelne Abschnitt 9 mit einem solchen Stutzen versehen sein.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausgestaltung des Verdampfers. Sie unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen zum einen in der Orientierung der Rohrleitung 4, die hier überwiegend aus durch 180°-Biegungen 12 verbundenen horizontalen geradlinigen Abschnitten 13 aufgebaut ist. Langgestreckte Verbindungen 9" zwischen den Folien 2, 3 erstrecken sich in vertikaler Richtung und bestehen jeweils aus einer Mehrzahl einzelner Schweißpunkte, die oberhalb und unterhalb jedes horizontalen Abschnittes angeordnet sind, um ein Verrutschen der Folien 2, 3 in vertikaler Richtung zu verhindern. Weitere lokale Verbindungen 14 sind jeweils an den Innenseiten der Biegungen 12 vorgesehen, um ein Verrutschen der Folien seitlich nach außen zu verhindern. Komplementäre Verbindungen 15 liegen ihnen an der Außenseite der Biegungen 12 gegenüber. Auch diese Verbindungen 14, 15 sind als Schweißpunkte bzw. -nähte ausgeführt. Diese Verbindungen 8, 14, 15 bieten auch im mit Sole gefüllten Zustand des Verdampfers ein hohes Maß an Sicherheit gegen Verrutschen der Folien 2, 3 gegen die Rohrleitung 4.
Derartige lokale Verbindungen an den Innen- und Außenseiten der Rohrbiegungen können selbstverständlich auch an einem Verdampfer mit horizontal orientierten Rohrabschnitten wie in Figs. 1 und 3 gezeigt vorgesehen werden.
Fig. 7 zeigt einen horizontalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Kältegerät. Dessen kastenförmiges Gehäuse besteht im wesentlichen aus einer äußeren Gehäusewand 15 aus Blech, und einem darin angeordneten Kühlgutbehälter 16, der z.B. einstückig aus Kunststoff gezogen ist, wobei die Gehäusewand 15 und der Kühlgutbehälter 16 zwischen sich einen Zwischenraum 17 begrenzen. In dem Zwischenraum 17 ist der Verdampfer 1 in innigem Kontakt mit der Rückwand 10 des Kühlgutbehälters 16 angeordnet. Nach Montage des Verdampfers 1 an der Rückwand 10 und Zusammenfügen von äußerer Gehäusewand 15 und Kühlgutbehälter 16 ist der Zwischenraum 17 mit einem wärmeisolierenden Schaummaterial 18 ausgefüllt worden, das sich auch über die gesamte Rückseite des Verdampfers 1 erstreckt.
Fig. 8 zeigt einen Teilschnitt durch den oberen Bereich der Rückwand eines Kältegerätes mit Gefrierfach 20 und Kühlfach 21. Beide Fächer 20, 21 sind an ihren Rückwänden mit Verdampfern 1 , 1' wie anhand der Figs. 1 und 2, 3 bis 5 oder 6 beschrieben, ausgestattet. Die Rohrleitungen beider Verdampfer 1 , 1' sind in Reihe verbunden, so dass sie von dem gleichen Kühlmittelstrom durchflössen werden. Die Zusammensetzung der Sole ist in den Verdampfern 1 , 1' unterschiedlich, und zwar ist sie für den Verdampfer 1' des Kühlfaches 21 so gewählt, dass ihr Gefrierpunkt allenfalls geringfügig unter dem Gefrierpunkt reinen Wassers liegt, der Gefrierpunkt der Sole im Verdampfer 1 liegt demgegenüber erheblich tiefer. Wenn die zwei Verdampfer von einem Kühlmittel durchströmt werden, dessen Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes der Sole im Verdampfer 1' liegt, so bleibt diese Sole nur dann flüssig, wenn ein starker Wärmeeintrag aus dem Kühlfach 21 ihr Gefrieren verhindert. Wenn dies nicht der Fall ist, bildet sich um die Rohrleitung des Verdampfers 1' herum eine Eisschicht, die die Rohrleitung gegen einen eventuellen flüssig gebliebenen Anteil der Sole isoliert und so die Konvektion der Sole im Verdampfer 1' verringert. Diese Eisschicht ist um so dicker, je geringer der Wärmeeintrag in das Kühlfach 21 ist. Auf diese Weise passt sich die Kühlleistung des Verdampfers V automatisch dem Kühlleistungsbedarf des Faches 21 an, ohne dass hierfür Sensoren, Steuerschaltungen oder Schaltventile erforderlich sind. Die so beim Durchlauf des Kältemittels durch den Verdampfer 1' nicht abgefragte Kühlleistung steht dann dem Verdampfer 1 des Gefrierfaches 20 zur Verfügung.
Wenn eine Regelung der Kühlleistung des Verdampfers über partielles oder vollständiges Gefrieren der in ihm enthaltenen Sole vorgesehen ist, so ist es wichtig, dass die von der Wand des Kühlgutbehälters an der der Verdampfer montiert ist, abgewandte Folie 2 nicht straff gespannt ist, sonder wie in Figs. 2, 4 gezeigt, unter Abweichung vom kreissegmentförmigen Querschnitt etwas schlaff herabhängt, so dass sich die Sole beim Gefrieren im Verdampfer ausdehnen kann, ohne dass dies zu einer Durchbiegung und teilweisen Ablösung der Folie 3 von der Kühlgutbehälterwand führt.