Rückwandverflüssiger für Haushaltskältegeräte
Die Erfindung betrifft einen Verflüssiger für Kältegeräte mit freier Konvektion, insbesondere Haushaltskältegeräte wie Kühlschränke, Gefrierschränke oder Kühl- /Gefrierkombinationen, der einfach sowie kostengünstig herstellbar ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Bei den üblichen Kühlschränken, Gefrierschränken bzw. Kühl-/ Gefrierkombinationen handelt es sich um so genannte Kompressorkühlgeräte. Da Kältegeräte, die nach anderen Kühlprinzipien arbeiten, wie z. B. Absorberkühlgeräte, die sich durch eine geringe Geräuschentwicklung auszeichnen, bzw. thermoelektrische Kühlgeräte, die kompakte Bauformen ermöglichen, neben diesen spezifischen Vorteilen jedoch den Nachteil eines wesentlich höheren Energieverbrauchs haben, finden sie nur in Nischen Anwendung.
Bei Kompressorkühlgeräten verdichtet ein Kompressor ein gasförmiges Kältemittel, das sich dabei erwärmt. Das Kältemittel wird durch einen an der Außenseite des Gerätes befindlichen Verflüssiger geleitet. Mithilfe des Verflüssigers gibt das Kältemittel Wärme an die Umgebung ab und kondensiert dabei. Danach strömt das Kältemittel zur Druckabsenkung über eine Drossel, wie z. B. ein Expansionsventil oder Kapillarrohr, in den im Inneren des Kühlschranks befindlichen Verdampfer. In diesem verdampft das Kältemittel und kühlt dabei stark ab. Der Verdampfer ermöglicht einen Wärmeaustausch, wodurch der Innenraum des Kühlschranks gekühlt wird.
Der Energieverbrauch eines Kompressorkühlgerätes hängt wesentlich davon ab, wie gut der Verflüssiger Wärme an die Umgebung abgibt. Bedingt durch die ständig steigenden Energie- bzw. Strompreise einerseits und durch ein wachsendes Umweltbe- wusstsein andererseits wird es zunehmend wichtiger, energiesparende Haushaltskältegeräte herzustellen.
Die für Haushaltskältegeräte verwendeten Verflüssiger bestehen üblicherweise aus einer mäanderförmig gebogenen Rohrleitung, an die zur besseren Wärmeabgabe Drahtrippen angeschweißt sind. Um die Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung weiter
zu erhöhen, sind die Rohrleitung und die Drahtrippen schwarz lackiert. Der Verflüssiger ist vorwiegend auf der Rückseite des Kühlschrankes angeordnet.
Solche Verflüssiger haben jedoch den Nachteil, dass sich die Drahtrippen nur in der Nähe der Verbindung mit der Rohrleitung auf dieselbe Temperatur wie diese erwärmen. Bedingt durch die vergleichsweise großen Abstände zwischen den Rohrleitungen und auf Grund der ungünstigen Geometrie der Drahtrippen, nämlich ihrer großen Länge und ihres kleinen Durchmessers, werden größere Bereiche der Rippen nur schwach erwärmt. Die Folge ist ein geringer Rippenwirkungsgrad. Dies führt zu ei- nem vergleichsweise schlechten Wärmeübergang, was sich letztendlich in einem erhöhten Stromverbrauch des Haushaltskältegerätes niederschlägt.
Bei anderen bekannten Ausführungsformen von Verflüssigern werden an die Rohrleitung keine Drahtrippen, sondern eine die Leitung komplett bedeckende Blechplatte geschweißt. Um eine gute thermische Verbindung zwischen Rohrleitung und Blechplatte zu erreichen, müssen jedoch möglichst viele Schweißpunkte zwischen Leitung und Blech angebracht werden. Günstiger ist es, die Leitung mit einer durchgängigen Schweiß- oder Lötnaht mit dem Blech zu verbinden. Dadurch wird zwar eine verbesserte, jedoch nach wie vor ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Wärmeü- bertragerfläche erreicht. Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Luft ist dadurch geringer und somit auch die Wärmeübertragerleistung pro Flächeneinheit. Nachteilig ist außerdem der relativ hohe fertigungstechnische Aufwand.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorschläge bekannt, die eine Verbesserung der Wärmeabgabe und/oder eine Verringerung des Fertigungsaufwandes von Verflüssigern für Haushaltskältegeräte zum Ziel haben.
So wird in EP 0 125 642 A2 ein Kühlschrank mit einem Rückwandverflüssiger vorge- stellt, der lediglich aus einer mäanderförmig gebogenen Rohrleitung besteht. Dabei weisen die geraden Rohrabschnitte einen elliptischen Querschnitt auf, die gebogenen einen kreisförmigen. Da Rohre mit einem elliptischen Querschnitt eine im Vergleich zu Rohren mit kreisförmigem Querschnitt größere Oberfläche haben, wird auf das Anschweißen von Drähten bzw. Blechen verzichtet. Damit wird zwar der Ferti-
gungsaufwand verringert, die Effizienz des Wärmetausches wird jedoch nicht verbessert.
In EP 0 843 138 A1 wird ein Rückwandverflüssiger für Haushaltskältegeräte be- schrieben, der eine mäanderförmig gebogenen Rohrleitung, die zwischen zwei Bleche geklemmt ist, zeigt. Eines der beiden Bleche bildet mit einem dritten Blech einen Behälter, der mit einer Flüssigkeit großer Wärmekapazität gefüllt ist.
In CN 1616904 A wird ein Rückwandverflüssiger offenbart, der aus zwei waagerecht übereinander angeordneten Rohren, die mittels vieler, parallel geschalteter und vertikal angeordneter Rohre verbunden sind, besteht. Die vertikalen Rohre weisen einen Durchmesser von 1 bis 3 mm auf, d.h., sie sind vergleichsweise dünn. Mithilfe des oben liegenden waagerechten Rohres wird das Kältemittel auf die vertikalen Rohre verteilt, im unterliegenden Rohr wird dieses wieder gesammelt. Zur Verbesserung der Wärmeabgabe kann auch ein Blech an den Rohren befestigt sein. Durch die Verwendung von vielen dünnen Rohren bzw. Mikrokanalleitungen kann eine große O- berfläche und damit ein guter Wärmetausch erreicht werden. Die Verwendung der dünnen Rohre bzw. Mikrokanalleitungen macht allerdings, um zu starke Druckverluste zu vermeiden, eine Parallelschaltung notwendig, die den Herstellungsaufwand vergrößert. Nachteilig ist auch, dass die Luftströmung kontinuierlich längs der Rohre bzw. Mikrokanalleitungen verläuft, sodass sich dort vergleichsweise dicke, laminare Grenzschichten aufbauen, die eine optimale Wärmeabführung verhindern.
Des Weiteren sind Verflüssiger für Kältegeräte mit erzwungener Konvektion bekannt, bei denen extrudierte Profilleitungen aus Aluminium verwendet werden, die bandförmig geformt sind und mehrere parallel verlaufende Kanäle aufweisen. So werden in EP 1 557 622 A2, US 2006/0144076 A1 und DE 10 2004 024 825 A1 Verflüssiger für erzwungene Konvektion mit Sammelrohren und in US 2005/0076506 A1 sowie JP 06317363 entsprechende Verflüssiger ohne Sammelrohre beschrieben.
Für einen Einsatz als Rückwandverflüssiger für Kältegeräte mit freier Konvektion sind diese Verflüssiger aufgrund ihrer Bauweise nicht geeignet. Selbst wenn die Verflüssiger hochkant gestellt und durch freie Konvektion von unten nach oben mit Luft angeströmt würden, hätten sie einen extrem schlechten Wirkungsgrad, da erstens die
quer stehenden Profilleitungen einen hohen Strömungswiderstand verursachen würden und sie zweitens aufgrund ihrer Ausrichtung wenig Wärme durch Strahlung an die Umgebung abgeben könnten. Bei Verflüssigern mit freier Konvektion wird aber, im Gegensatz zu Verflüssigern mit erzwungener, bis zu 45% der Wärme durch Strah- lung abgegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verflüssiger für Haushaltskältegeräte mit freier Konvektion geschaffen werden, der einen hohen Wirkungsgrad hat und einfach so- wie kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 15.
Nach Maßgabe der Erfindung weist der Verflüssiger für Kältegeräte mit freier Konvektion mindestens eine Leitung für das Kältemittel auf, die bandartig ausgeformt ist, deren Breite mindestens das Doppelte ihrer Dicke beträgt und in der sich mindestens zwei voneinander getrennte, nebeneinander verlaufende Kanäle befinden. Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung verläuft die Leitung hochkant und größtenteils nahezu parallel zur Unterkante des Kältegerätes.
Die Anströmung der einzelnen Leitungen durch die Luft erfolgt durch freie Konvektion, also von unten oder oben. Die Luft trifft dabei auf die schmalen Kanten der Lei- tungen.
Bei in Strömungsrichtungen hintereinander angeordneten Leitungsabschnitten, wobei es sich bei den Leitungsabschnitten sowohl um Abschnitte derselben Leitung als auch um Abschnitte von verschiedenen Leitungen des Verflüssigers handeln kann, ist jeweils die Oberkante des vorhergehenden zur Unterkante des nachfolgenden Leitungsabschnitts in Strömungsrichtung parallel versetzt. Somit erfolgt an jedem Leitungsabschnitt ein Neuanlauf der Luftströmung und die isolierende laminare Grenzschicht an den Leitungsabschnitten wird infolgedessen dünn gehalten. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des Verflüssigers um bis zu 15% erhöht werden.
Die parallele Versetzung zwischen den Ober- und Unterkanten wird dadurch erreicht, dass entweder die Leitungsabschnitte in Strömungsrichtung parallel versetzt angeordnet oder diese gekippt sind. Strömungstechnisch sind dabei nur Kippwinkel zwi- sehen 0 und 45° sinnvoll. Es ist auch denkbar, die Leitungsabschnitte gleichzeitig zu versetzen und zu kippen; hierdurch wird jedoch kein besonderer Vorteil erreicht.
Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verflüssigers, bei der sich dieser dadurch auszeichnet, dass er kältemittelseitig einen besonders kleinen Strömungswi- derstand hat, verfügt der Verflüssiger jeweils über ein senkrecht angeordnetes
Sammelrohr am Ein- und Austritt des Kältemittels. Die beiden Sammelrohre können einen runden, nämlich kreisrunden, halbkreisförmigen, elliptischen und ovalen, oder eckigen, nämlich dreieckigen, quadratischen oder rechteckigen, Strömungsquerschnitt aufweisen. Im Sammelrohr am Eintritt kann eine Verteileinrichtung integriert sein.
Die Sammelrohre sind durch eine Vielzahl waagerecht liegender und auf verschiedenen Höhen zueinander parallel angeordneter Leitungen für das Kältemittel vorwiegend in Parallelschaltung verbunden. Durch Einbauten in die Sammelrohre kann aber auch eine Reihenschaltung aller Leitungen oder eine Reihenschaltung von mehreren parallelen Leitungen erzeugt werden, sodass das Kältemittel den Verflüssiger mäanderförmig von oben nach unten durchströmt. Die Leitungen verlaufen geradlinig zwischen den Sammelrohren oder sind horizontal wellen- oder mäanderförmig gebogen.
Es ist vorgesehen, dass auf einer horizontalen Ebene mehrere Leitungen nebeneinander, üblicherweise parallel beabstandet, angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, zwischen diesen Leitungen Abstandshalter, beispielsweise in Form von Blechen anzubringen. Damit wird gleichzeitig eine Sekundärwärmetauscherfläche geschaffen.
In einer anderen Ausführung des Verflüssigers, die sich durch einen besonders einfachen Aufbau auszeichnet, verläuft die Leitung für das Kältemittel gebogen in mindestens einer flächig ausgeformten Lage spiral-, Schraubenlinien-, wendel-, helix- oder dreidimensional mäanderförmig. Hier werden keine Sammelrohre eingesetzt.
Die bevorzugte dreidimensionale mäanderförmige Anordnung der Leitung bedeutet, dass sie in der seitlichen Ansicht mäanderförmig ist und zudem eine räumliche Tiefe aufweist. Eine solche Leitung hat somit im Raum typischerweise einen schraubenli- nien- oder wendeiförmigen Verlauf, wobei sie jedoch nicht die sonst bei Schrauben/Wendeln üblichen, runden bzw. elliptischen Querschnittsflächen, sondern einen Querschnitt (in Draufsicht) aufweist, der entweder die Form eines länglichen Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder die Form des Umrisses einer in die Länge gezogenen "Acht" hat.
Unter einer flächig ausgeformten Lage wird eine flache Anordnung der Leitung, wie z. B. in Form eines dreidimensionalen Mäanders, verstanden, die eine räumliche Tiefe besitzt. Dem Wesen der Erfindung folgend können auch mehrere solcher Lagen hintereinander angeordnet sein.
Für die gängigen Haushaltskältegeräte ist es bei dieser Ausführung ausreichend, für den Verflüssiger nur eine Leitung zu verwenden, die vorzugsweise dreidimensional mäanderförmig gebogen ist. Ein solcher Verflüssiger ist besonders einfach herzustellen und gewährleistet einen ausreichend guten Wärmetausch zwischen Kältemittel und Umgebungsluft. Für spezielle Anwendungen sind aber auch Anordnungen denkbar, die aus mehreren separaten, ggf. zueinander beabstandeten Leitungen, oder aus in mehreren übereinander liegenden Lagen angeordneten Leitungen bestehen.
Es können auch Leitungen verwendet werden, die mittels Verbindungen, wie z. B. Muffen, zusammengesetzt sind. So ausgeführte Leitungen können aus Kostengründen dann sinnvoll sein, wenn dadurch längenmäßig standardisierte Leitungslängen einsetzbar sind.
Sowohl für die Variante mit als auch für die Variante ohne Sammelrohre, werden, um einerseits große Oberflächen für die Wärmeübertragung zu erzielen und andererseits größere Druckabfälle auf Grund zu kleiner Strömungsquerschnitte zu vermeiden, Leitungsquerschnittsflächen von 3 bis 30 mm2 gewählt, wobei sich die hydraulischen Durchmesser der Kanäle im Bereich von 0,1 bis 3 mm bewegen.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform des Verflüssigers wird erreicht, wenn für die Leitungen ein extrudiertes Profilrohr verwendet wird. Um die Wärmeübertragungseigenschaften weiter zu verbessern, kann auf der Außenseite des Profilrohrs eine Rippenstruktur aufgebracht sein.
Urn die Leitung in einfacher Weise an das Haushaltskältegerät anschließen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie am Ein- und Austritt des Kältemittels ausgeformte Anschlüsse besitzt, wobei am Austritt vorteilhafterweise ein Filtertrockner integriert sein kann.
Die Leitungen bestehen üblicherweise aus Aluminium, da Aluminium eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, kostengünstig ist und sich gut biegen lässt. Indem die Leitungen mit einem Überzug versehen werden, der einen hohen Emissionskoeffizienten aufweist, wird eine Erhöhung der Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung an die Um- gebungsluft erreicht.
Dem Wesen der Erfindung folgend, könnten auch Kompaktverflüssiger für Kältegeräte mit erzwungener Konvektion, aus extrudierten Profilrohren hergestellt werden, die derart gebogen sind, dass mehrere stapeiförmig in Strömungsrichtungen hinterein- ander angeordnete Lagen ausgebildet sind, wobei in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Leitungsabschnitte zueinander versetzt angeordnet sind.
Durch die versetzte Anordnung könnte auch bei erzwungener Konvektion eine Erhöhung des Wirkungsgrades von bis zu 10% erreicht werden. Vorteilhaft ist auch, dass durch die Anordnung in mehreren Lagen gegenüber den herkömmlichen einlagigen Anordnungen eine bessere Raumnutzung ermöglicht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele von Verflüssigern für Kältegeräte mit freier Konvektion näher erläutert; hierzu zeigen in schemati- scher Darstellung:
Fig. 1 : einen Querschnitt der Leitung des Verflüssigers,
Fig. 2: einen Verflüssiger mit Sammelrohren in seitlicher Ansicht,
Fig. 3: einen Verflüssiger mit Sammelrohren in Draufsicht,
Fig. 4: einen Verflüssiger (ohne Sammelrohre) mit dreidimensional mäanderförmig gebogener Leitung.
Die Leitung 1 gemäß Fig. 1 besteht aus extrudierten Aluminiumprofilrohren, mit einer Breite von 2,54 cm und eine Dicke von 2,1 mm. Die Seiten 5 der Profilrohre 1 sind abgerundet, z. B. mit einem Radius von 1 mm. Zur Verbesserung der Wärmeüber- tragungseigenschaften sind Profile 1 mit schwarzem Lack überzogen. Die Profile 1 sind standardisiert und folglich kostengünstig.
Die Leitung 1 hat dreizehn Kanäle 3, 4, die der Durchleitung des Kältemittels 2 dienen. Die Kanäle 3 besitzen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, wobei die Kantenlänge ca. 1 ,5 mm beträgt. Die zwei außen liegenden Kanäle 4 sind näherungsweise rechteckförmig, wobei jedoch die nach außen gewandte Seite abgerundet ist. Die Kanäle 4 sind im Beispiel 1 ,5 mm lang und 0,5 mm breit.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind beim Verflüssiger mit Sammelrohren 9 diese durch mehrere parallel übereinander angeordnete Paare von Leitungen 1 verbunden, wobei die Paare jeweils auf einer horizontalen Ebene verlaufen und durch die Abstandshalter 8 beabstandet sind (s. Fig. 3). Die auf benachbarten Ebenen angeordneten Paare von Leitungen 1 sind jeweils in Strömungsrichtung zueinander versetzt (nicht dargestellt).
Beim Verflüssiger mit Sammelrohren können praktisch keine den Wirkungsgrad beeinträchtigenden Druckverluste auftreten, da auf jeder Ebene 26 Kanäle 2 parallel verlaufen und somit ein sehr großer Strömungsquerschnitt für das Kältemittel bereitgestellt wird.
Beim Verflüssiger ohne Sammelrohre (siehe Fig. 4), ist die Leitung 1 dreidimensional mäanderförmig gebogen. Die Biegeradien betragen ca. 1 ,5 cm. Die parallel angeordneten Leitungen 1 haben jeweils einen Abstand von ca. 3 bis 8 cm, d.h., sie sind vergleichsweise dicht angeordnet (siehe Fig. 4). Durch die Vielzahl der parallel verlau-
fenden Kanäle wird ein großer Strömungsquerschnitt für das Kältemittel bereitgestellt, so dass auch bei großer Länge der Leitung 1 der Druckverlust des Kältemittels gering gehalten wird.
Auch hier sind jeweils die Leitungsabschnitte, die übereinanderliegende Windungen des Mäanders bilden, in Strömungsrichtung zueinander versetzt. Der Verflüssiger ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar, da kein Schweißen von Komponenten notwendig ist.
Bei beiden Ausführungen wird durch die flache, bandartige Form der Leitungen 1 und deren dichte, parallele bzw. mäanderförmige Anordnung eine große Oberfläche des Verflüssigers erreicht. Durch die versetzte Anordnung der Profilrohre 1 erfolgt an den Längsseiten aller Profile, jeweils ein Neuanlauf der Luftströmung. Infolgedessen wird dort die isolierende, laminare Grenzschicht dünn gehalten und ein effektiver Wärme- Übertrag gewährleistet.
Die Oberfläche der Verflüssiger kann bei gleicher Rohrlänge weiter vergrößert werden, indem Profilrohre 1 mit Rippenstruktur eingesetzt werden.
Auf Grund der dicht beieinander liegenden Kanäle 3, 4 und der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums stellt sich im Betrieb des Kältegerätes die gesamte Oberfläche der Verflüssiger in sehr kurzer Zeit auf dieselbe Temperatur ein.
Die Verflüssiger sind einfach und kostengünstig herstellbar, da mit den extrudierten Aluminiumprofilrohren kostengünstige Standardkomponenten verwendet werden. Die Reinigung der Verflüssiger ist einfach möglich, wodurch deren Leistungskonstanz gewährleistet werden kann.
Mit beiden Ausführungen der Verflüssiger wird bei gleicher Fläche, eine bis zu 15% höhere Wärmeabgabe gegenüber herkömmlichen Verflüssigem erreicht. Andererseits könnte, bei gleich großer Wärmeabgabe, die Fläche der Verflüssiger ca. 15% verringert werden.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1. Leitung/ Profilrohr
2. Kältemittel
3. innenliegender Kanal
4. außenliegender Kanal
5. abgerundete Seite
6. Eintritt
7. Austritt
8. Abstandshalter
9. Sammelrohr