DE10222402A1

DE10222402A1 - Integrierter Gegenstrom-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10222402A1
Application number: DE10222402A
Authority: DE
Inventors: Ching-Feng Wang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-09-18
Also published as: US20030168204A1; TW531634B; US6662858B2

Abstract

Wärmetauscher, aufweisend eine Abschlußplatte und wenigstens eine Grundplatte. Die Abschlußplatte und die Grundplatte sind in übereinanderliegenden horizontalen Schichten angeordnet. Jede Grundplatte ist wenigstens eine Rippe mit zwei Enden, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, die obere Enden mit Durchgangslöchern haben. Je zwei benachbarte Abschluß- bzw. Grundplatten sind umgekehrt zueinander orientiert, so daß aus den Rippen horizontale Kanäle und aus den Verbindungsröhrchen vertikale Kanäle gebildet werden, und die Abschlußplatte auf einer obersten Grundplatte angebracht ist und so die Durchgangslöcher verschließt. An einer untersten Grundplatte sind zwei Rohre angebracht, die einerseits mit unteren Enden der vertikalen Kanäle, andererseits über Zuleitungen mit einer Pumpeinheit verbunden sind. Dadurch sind die Ströme einer Arbeitsflüssigkeit und äußerer Luft einander entgegengerichtet, was den Austausch von Wärme verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher mit einer neuartigen Anordnung von Rippen und Röhren.
Ein konventioneller Wärmetauscher weist eine Vielzahl von Rippen auf, die mit einer Röhre verbunden sind. Die Röhre ist an eine Pumpeinheit angeschlossen, beispielsweise einen Auflageblock, einen Kompressor oder eine Hilfsvorrichtung. Wird der Auflageblock auf einer Wärmequelle angebracht, so nimmt eine Arbeitsflüssigkeit innerhalb der Röhre Wärme auf, die von den Rippen abgestrahlt wird. Anschließend nimmt die Arbeitsflüssigkeit erneut Wärme auf, und ein neuer Austauschzyklus läuft ab. Konventionelle Rippen und Röhren werden von separaten Werkzeugen gefertigt, was den Aufwand für Werkzeuge und Formen erhöht. Eine Kombination verschiedener Formen und Größen ist nicht ohne weiteres möglich, und die Bearbeitungszeit ist lang, so daß hohe Fertigungskosten entstehen. In konventioneller Technik werden Rippen und Röhren durch Druck oder Löten verbunden. Druckverbindungen weisen hohe thermische Übergangswiderstände auf, so daß eine geringe Wärmeleitung resultiert. An Lötverbindungen verursachen kristallisierte Kontaktstellen geringe Wärmeleitung. Weiterhin ist ein konventioneller Wärmetauscher mit einem Lüfter versehen, der frische Luft an die Rippen und die Röhre führt, um die Wärmeableitung zu erhöhen. Im Regelfall sind der Luftstrom außerhalb der Röhre und der Flüssigkeitsstrom innerhalb der Röhre senkrecht zueinander orientiert. Dadurch kommt es zu einem Temperaturgradienten entlang von Eingangs- und Ausgangsoberflächen des Wärmetauschers. Daher ist es erforderlich, die Röhre in mehreren Windungen zu verlegen, um Temperaturunterschiede auszugleichen. Dies führt jedoch zu erhöhten inneren Druckverlusten und vermindert daher den Austausch von Wärme, wobei Temperaturunterschiede trotzdem nicht eliminiert sind. Bei Verwendung des Wärmetauschers innerhalb einer Klimaanlage ruft Kondensat innerhalb der mit Luft angeblasenen Röhre eine ungleichmäßige Temperaturverteilung ausströmender Luft hervor und damit zu einer unbefriedigenden Temperatursensitivität.
Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher mit integrierten Rippen und Röhren zu schaffen, der im Vergleich zu konventionellen Wärmetauschern verringerte thermische Kontaktwiderstände zwischen Rippen und Röhren aufweist, so daß eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit resultiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher mit integrierten Rippen und Röhren zu schaffen, der sich mit verringertem Aufwand an Zeit und Werkzeugen herstellen läßt und Änderungen der Dimensionen erlaubt, so daß sich die Fertigungskosten verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher zu schaffen, in dem interne Flüssigkeitsströme und externe Luftströme gegenläufig sind, so daß der Austausch von Wärme erhöht wird und dadurch geringere Temperaturgradienten in Querrichtung und bessere Temperatursensitivität erreicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Abschlußplatte der vorliegenden Erfindung im ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Verbindung der Grundplatten und der Abschlußplatte der Fig. 1 und 2.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Verbindung der Grundplatten der Fig. 1 und der ebenen Abschlußplatte.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung während des Gebrauches.
Fig. 6 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im zweiten Ausführungsbeispiel von oben.
Fig. 7 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im dritten Ausführungsbeispiel von oben.
Fig. 8 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im vierten Ausführungsbeispiel von oben.
Fig. 9 ist eine seitliche Ansicht der Grundplatte der Fig. 8.
Fig. 10 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im fünften Ausführungsbeispiel von oben.
Fig. 11 ist eine seitliche Ansicht der Grundplatte der Fig. 10.
Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl metallener Grundplatten 10 auf, die durch Pressen oder Schneiden und Rollen hergestellt sind. Wie in Fig. 1 gezeigt, hat jede der Grundplatten 10 zwei Enden die mit einer ersten Erhöhung 11 bzw. einer zweiten Erhöhung 12 versehen sind. Ein dazwischenliegender Mittelteil weist eine Vielzahl von Einsenkungen 13 mit Bodenflächen und von Erhöhungen 14 mit Deckenflächen auf. Die erste und zweite Erhöhung 11, 12 haben regelmäßig angeordnete, nach innen weisende Erhöhungsabschnitte 111, 121, und die Erhöhungen 14 haben regelmäßig angeordnete jeweils sich von zwei gegenüberliegenden Seiten weg erstreckende Erhöhungsabschnitte 141, 142. In jeder Einsenkung befindet sich eine Rippe 131 mit je zwei Enden, an denen Verbindungsröhrchen 132 geformt sind, die bis auf die Höhe der Deckenflächen der Erhöhungen 14 hinaufreichen. In gleicher Weise befindet sich jeder Erhöhung eine Nut 143 mit je zwei Enden, an denen Verbindungsröhrchen 144 geformt sind, die bis auf die Höhe der Bodenfläche der Einsenkungen 13 hinabreichen. Die Verbindungsröhrchen 132 sind an oberen Enden mit Durchgangslöchern 133 versehen, und die Verbindungsröhrchen 143 sind an unteren Enden mit Durchgangslöchern 145 versehen. Dadurch sind die Rippen 131 und Nuten 143 einander entsprechend geformt.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, schließt eine Abschlußplatte 20 die Durchgangslöcher 133 und die Nuten 143 von oben ab. Die Abschlußplatte 20 ist wie die Grundplatten 10 geformt, hat jedoch Verbindungsröhrchen 211 und 221 ohne Durchgangslöcher.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Grundplatten 10 übereinandergelegt, wobei je zwei Nachbarn umgekehrt orientiert sind. Eine Abschlußplatte 20 ist als oberste Platte darauf gelegt. Verbindungen werden durch Löten hergestellt. Nach dem Zusammenbau bilden Paare von Rippen 21, 131, von Rippen 131 und von Nuten 143 horizontale Kanäle 15. Miteinander verbundene Verbindungsröhrchen 132, 144 bilden vertikale Kanäle 16. Luftkanäle 17 verlaufen zwischen benachbarten horizontalen Kanälen 15 in Zwischenräumen, die von den Erhöhungen 14 und den Rippen 131 bzw. den Einsenkungen 13 und den Nuten 143 begrenzten Zwischenräumen eingeschlossen sind. Durch die gleichartige Form der Erhöhungsabschnitte 111, 121, 141, 142 haben Luftströme durch die Luftkanäle 17 eine hohe Austauschwirkung mit großen Kontaktflächen zwischen Luft und den Grundplatten 10, so daß es zu wirksamem Wärmeaustausch kommt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ersetzt in einer anderen Ausführung eine ebene Platte die Abschlußplatte 20 und verschließt die Durchgangslöcher 133 und die Einsenkungen 143, so daß dieselbe Austauschwirkung wie die der in Fig. 3 gezeigten Anordnung erreicht wird.
Zum Gebrauch der vorliegenden Erfindung werden, wie in Fig. 5 gezeigt, zwei Rohre 30 an die unterste Grundplatte gemäß Fig. 3 oder 4 angeschlossen, so daß eine Wärmetauschereinheit 40 geschaffen ist. Die Durchgangslöcher durch die Rippen und Nuten der untersten Grundplatte werden einzeln mit den beiden Rohren 30 verbunden. Die beiden Rohre 30 werden ihrerseits über Zuleitungen 50, 51 an eine Pumpeinheit 60 angeschlossen. Die Pumpeinheit 60 ist ein Auflageblock, der auf eine Wärmequelle gesetzt ist und von dieser erzeugte Wärme aufnimmt. Die erzeugte Wärme wird von Arbeitsflüssigkeit zur Wärmetauschereinheit 40 befördert und dort dissipiert. Aufgrund des Aufbaus der Wärmetauschereinheit 40 der vorliegenden Erfindung fließt die Arbeitsflüssigkeit dem Luftstrom entgegen (in Fig. 5 von rechts nach links bzw. von links nach rechts). Die Luftkanäle innerhalb der Wärmetauschereinheit 40 sorgen für den Austausch von Wärme. Durch die einander entgegengerichteten Ströme der Arbeitsflüssigkeit und von Luft kommt es zu wirksamem Austausch von Wärme, und es entstehen keine Temperaturgradienten in Querrichtung, so daß die Arbeitsflüssigkeit eine gleichmäßige Temperaturverteilung hat. Falls beispielsweise die Pumpeinheit 60 ein Kompressor ist und sich Kondensat in den Kanälen bildet, während außerhalb dieser ein gasförmiges Arbeitsmedium vorliegt, sorgt die vorliegende Erfindung durch eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Luft für gute Temperatursensitivität.
Wie in Fig. 1 und 6 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel Grundplatten 80 mit Verbindungsröhrchen 801, 802 ovalen Querschnitts auf. Die Querschnitte sind dadurch vergrößert und bewirken wirksamere und stabilere Ströme in vertikaler Richtung.
Wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem dritten Ausführungsbeispiel Grundplatten 81 auf. Auf jeder Grundplatte 81 sind an Rippen 803 (in Fig. 6 gezeigt) zusätzliche Verbindungsröhrchen 811 mit kreisförmigem Querschnitt mit oder ohne Durchgangslöchern jeweils zwischen den Verbindungsröhrchen 801 angebracht. In gleicher Weise sind an Nuten 804 (in Fig. 6 gezeigt) zusätzliche Verbindungsröhrchen 812 mit kreisförmigem Querschnitt mit oder ohne Durchgangslöchern jeweils zwischen den Verbindungsröhrchen 802 angebracht. Dies bewirkt wirksamere und stabilere Ströme in vertikaler Richtung.
Wie in Fig. 6, 8 und 9 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem vierten Ausführungsbeispiel Grundplatten 82 auf, die an jedem der Erhöhungsabschnitte mit Verstärkungsrippen 821 versehen sind.
Wie in Fig. 6, 10 und 11 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem fünften Ausführungsbeispiel Grundplatten 83 auf, die anstelle von Nuten 804 (in Fig. 6 gezeigt) Rippen 831 haben. Erhöhungsabschnitte 806, 807, 808, 809 sind mit Verstärkungsrippen 832, 833, 834 bzw. 835 versehen.
Wie in Fig. 1-4 gezeigt, setzt die Wärmetauschereinheit 40 der vorliegenden Erfindung sich aus den Grundplatten 10 und der Abschlußplatte 20 gleicher Form zusammen, was nur geringe thermische Widerstände an Kontaktflächen verursacht und andererseits eine automatische Bearbeitung erlaubt. Daher sind Kosten für Werkzeug und Bearbeitung gering. Verschiedene Abmessungen der Grundplatten 10 und der Abschlußplatte 20 lassen sich realisieren, und Formen und Längenmaße lassen sich an verschiedene Anforderungen anpassen. Mit einer einzigen Form sind Wärmetauschereinheiten unterschiedlicher Längen durch Abschneiden und unterschiedlicher Höhen durch Stapeln von Grundplatten möglich. Anders als für konventionelle Wärmetauscher sind verschiedene Formen zur Herstellung unterschiedlicher Anordnungen nicht erforderlich, was zu großer Kostenersparnis führt.
Die vorangegangene Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist, obwohl sie die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung an Hand einer detaillierten Struktur- und Funktionsbeschreibung erklärt, nur illustrativ zu verstehen. Änderungen im Detail, insbesondere bezüglich Größe, Form und Anordnung von Teilen sind durchführbar in dem Rahmen, der durch die folgenden Patentansprüche abgesteckt ist.

Claims

1. Wärmetauscher, aufweisend:
eine Abschlußplatte; und
wenigstens eine Grundplatte, die mit der Abschlußplatte in übereinanderliegenden horizontalen Schichten angeordnet ist, wenigstens eine Rippe mit zwei Enden hat, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, die obere Enden mit Durchgangslöchern haben;
wobei je zwei benachbarte Abschluß- bzw. Grundplatten umgekehrt zueinander orientiert sind, so daß aus den Rippen horizontale Kanäle und aus den Verbindungsröhrchen vertikale Kanäle gebildet werden, und die Abschlußplatte auf einer oberste Grundplatte angebracht ist und so die Durchgangslöcher verschließt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei sich zu beiden Seiten jeder der Rippen Verstärkungsrippen befinden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei jede der Grundplatten wenigstens eine Einsenkung mit einer Bodenfläche und wenigstens eine Erhöhung mit einer Deckenfläche aufweist, wobei die Rippen sich in den Einsenkungen befinden und die Verbindungsröhrchen an den Enden der Rippen und die Deckenflächen der Erhöhungen sich auf gleicher Höhe befinden, ferner die Erhöhungen jeweils eine Nut mit zwei Enden haben, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, wobei die Verbindungsröhrchen an den Enden der Nuten und die Bodenflächen der Einsenkungen sich auf gleicher Höhe befinden.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei die Erhöhungen an einander gegenüberliegenden Seiten in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen und die Grundplatte zwei Enden mit einer ersten und einer zweiten Erhöhung aufweist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Erhöhung nach innen weisende in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die Erhöhungsabschnitte nach unten weisende Verstärkungsrippen aufweisen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsröhrchen ovale Querschnitte haben.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei sich für jede der Rippen wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet, ferner sich für jede der Nuten wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Abschlußplatte und die Grundplatten gleich geformt sind mit der Ausnahme, daß die Verbindungsröhrchen der Abschlußplatte nicht mit Durchgangslöchern versehen sind.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Abschlußplatte eine ebene Platte ist.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 1, aufweisend eine unterste Grundplatte, die an zwei Rohren angebracht ist, die einerseits mit den vertikalen Kanälen und andererseits über Zuleitungen mit einer Pumpeinheit verbunden sind.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 3, aufweisend eine unterste Grundplatte, die an zwei Rohren angebracht ist, die einerseits mit den vertikalen Kanälen und andererseits über Zuleitungen mit einer Pumpeinheit verbunden sind.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei die Pumpeinheit ein Auflageblock ist.

14. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher, aufweisend wenigstens eine Rippe mit zwei Enden, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, die obere Enden mit Durchgangslöchern haben.

15. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher nach Anspruch 14, wobei sich zu beiden Seiten jeder der Rippen Verstärkungsrippen befinden.

16. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher nach Anspruch 14, die wenigstens eine Einsenkung mit einer Bodenfläche und wenigstens eine Erhöhung mit einer Deckenfläche aufweist, wobei die Rippen sich in den Einsenkungen befinden und die Verbindungsröhrchen an den Enden der Rippen und die Deckenflächen der Erhöhungen sich auf gleicher Höhe befinden, wobei ferner die Erhöhungen jeweils eine Nut mit zwei Enden haben, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, wobei die Verbindungsröhrchen an den Enden der Nuten und die Bodenflächen der Einsenkungen sich auf gleicher Höhe befinden.

17. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Erhöhungen an einander gegenüberliegenden Seiten in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen und die Grundplatte zwei Enden mit einer ersten und einer zweiten Erhöhung aufweist, die ihrerseits nach innen weisende in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte haben.

18. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei die Erhöhungsabschnitte nach unten weisende Verstärkungsrippen aufweisen.

19. Metallene Grundplatte für Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Verbindungsröhrchen ovale Querschnitte haben.

20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, wobei sich für jede der Rippen wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet, ferner sich für jede der Nuten wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet.