DE20008938U1 - Wärmetauscher sowie Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens - Google Patents

Description

RO/vo 991067G
19. Mai 2000

Wärmetauscher sowie Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Kühl- und Wärmegeräte sowie eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens.

Wärmetauscher der herkömmlichen Art weisen ein Wandelement und eine Mehrzahl von Rippen auf, die zumindest abschnittsweise im wesentlichen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Die Rippen sind entlang einer ihrer Längskanten mit dem Wandelement verbunden, wobei das Wandelement und die Rippen aus einem wärmeleitenden Material bzw. Metall hergestellt sind. Weiterhin weist der Wärmetauscher eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für einen Kühlmittelstrom auf, wobei das Kühlmittel in der Regel Luft ist.

Derartige Wärmetauscher werden bei Vorrichtungen zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens eingesetzt, wobei ein Mittel zum Erzeugen eines Kühlmittel- bzw. Luftstromes durch den Wärmetauscher hindurch erzeugen. Diese Mittel sind in der Regel als Ventilatoren ausgebildet. Weiterhin ist ein Temperierelement wärmeleitend mit dem Wärmetauscher verbunden, wogegen das Temperierelement wäremleitend mit mindestens einer Temperierfläche verbunden ist.

Problematisch ist in der Regel bei den zuvor beschriebenen Wärmetauschern und Temperiervorrichtungen die oftmals nicht ausreichende Kühl- bzw. Wärmeleistung, so daß der

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Betrieb einen hohen elektrischen Energieverbrauch aufweist. Denn das Temperierelement arbeitet in der Regel um so effektiver, je stärker die erzeugte Wärmeenergie zugeführt bzw. abgeleitet wird.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, den Wärmetauscher und die Temperiervorrichtung der Eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei niedrigerem Energieverbrauch eine höhere Temperierleistung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird das zuvor aufgezeigte technische Problem zunächst durch einen Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß das Wandelement und die Rippen aus einem gesinterten Metall bestehen. Dabei wird vorzugsweise Kupfer verwendet. Durch die erhöhte Oberfläche eines gesinterten Materials sowie durch die teilweise ausgebildeten Poren innerhalb des gesinterten Materials steht eine größere Oberfläche für einen Wärmeaustausch zur Verfügung. Daher kann die Kühlleistung verbessert werden.

Der zuvor beschriebene Wärmetauscher weist nur an einer Seite der Rippen ein Wandelement auf. Bevorzugter Weise kann auf der gegenüberliegend angeordneten Seite der Rippen ein zweites Wandelement vorgesehen sein, so daß der Kühlmittelstrom zu beiden Seiten eingeschlossen wird. Die Kühlmittelströmung wird somit stärker auf die Oberflächen der Rippen konzentriert.

In besonders bevorzugter Weise sind die Rippen zumindest teilweise unter einem vorgegebenen Winkel zur Fläche der Eintrittsöffnung und/oder zur Austrittsöffnung ausgerichtet. Somit wird gewährleistet, daß der im Mittel senkrecht zur Eintrittsöffnung eintretende Luftstrom minde-

stens einmal die Richtung ändern muß, also auf die Oberfläche einer Rippe auftritt. Dabei entstehen Verwirbelungen, die den Wärmeübertrag verbessert. Weiter vorzugsweise sind dabei die Rippen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und im wesentlichen geradlinig ausgebildet.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind die Rippen zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet, so daß die Luftströmung mehrfach die Richtung ändern muß, wodurch die Verwirbelung des Luftstromes innerhalb des Wärmetauschers, also innerhalb der von den Rippen und dem mindestens einen Wandelement gebildeten Kanälen verstärkt wird. Wenn dabei in weiter bevorzugter Weise der Krümmungsradius zumindest abschnittsweise unterschiedliche Werte annimmt und darüber hinaus mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsrichtungen vorhanden sind, so wird der Kühlmittelstrom mehrfach umgelenkt, so daß eine nahezu vollständige Verwirbelung des Luftstromes auftritt. Dabei können die Rippen in Form einer Schlangenlinie ausgebildet sein.

Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Diese Temperiervorrichtung weist mindestens einen Wärmetauscher der zuvor beschriebenen Art auf, so daß die positiven Eigenschaften dieses Wärmetauschers in vorteilhafter Weise bei der Temperiervorrichtung zur Anwendung kommen. Die Temperiervorrichtung weist neben dem mindestens einen Wärmetauscher ein Mittel zum Erzeugen eines Kühlmittelstromes durch den Wärmetauscher hindurch, insbesondere einen Lüfter auf. Mindestens ein Temperierelement ist mit jedem Wärmetauscher wärmeleitend verbunden, wobei als

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Temperierelement in vorteilhafter Weise ein Peltierelement eingesetzt wird. Das Temperierelement ist weiterhin wärmeleitend mit einer Temperierfläche verbunden, die zum Kühlen oder Wärmen eines damit verbundenen Gegenstandes oder eines damit verbundenen Volumens geeignet ist.

Somit ist in bevorzugter Weise die Vorrichtung entweder als Wärmeplatte oder Wärmehaltebehälter oder als Kühlplatte oder als Kühlbehälter ausgebildet.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Querschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Querschnitt,

Fig. 3 die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmetauscher im Querschnitt entlang der Linie III-III in den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche im Querschnitt und

Fig. 5 die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche in einer Ansicht von oben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, der insbesondere für Kühl- und Wärmegeräte geeignet ist. Der Wärmetauscher 2 weist

ein Wandelement 4 auf, das im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die hintere Fläche bildet. Der Wärmetauscher 2 weist weiterhin eine Mehrzahl von Rippen 6 auf, die in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Weiterhin sind eine Eintrittsöffnung 8 und eine Austrittsöffnung 10 vorgesehen, damit ein Kühlmittelstrom wie bspw. ein Luftstrom durch den Wärmetauscher hindurch strömen kann. Die Rippen 6 sind entlang einer ihrer Längskanten mit dem Wandelement 4 verbunden. Zudem sind das Wandelement 4 und die Rippen 6 aus Kupfer, also einem wärmeleitenden Metall hergestellt. Erfindungsgemäß bestehen das Wandelement 4 und die Rippen 6 aus gesintertem Kupfer, wodurch einerseits die Wärmeübertragungskapazität aufgrund der vergrößerten Oberflächen der Rippen und des Wandelementes verbessert ist. Andererseits bietet das Sintern auch herstellungstechnische Vorteile, die nachfolgend noch beschrieben werden.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die Rippen 6 unter einem vorgegebenen Winkel zur Fläche der Eintrittsöffnung 8 ausgerichtet. Dadurch werden die Oberflächen der Rippen 6 unter der Annahme, daß die eintretende Luftströmung senkrecht zur Fläche der Eintrittsöffnung 8 ausgerichtet ist, intensiver von der Luftströmung angeströmt, wodurch der Wärmeaustausch verbessert wird.

Das zuvor erwähnte Sintern des Materials der Rippen 6 sowie des Wandelementes 4 führt dabei zu dem Vorteil, daß die Form der Rippen 6 nahezu beliebig ausgewählt werden kann. Denn im Gegensatz zu den üblicherweise gewählten Herstellungsverfahren ist es nicht erforderlich, daß sämtliche Elemente des Wärmetauschers parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist beispielsweise bei sämtlichen Strangguß- und Strangziehverfahren der Fall. Bei dem in

Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rippen 6 im wesentlichen geradlinig ausgebildet und verlaufen parallel zueinander, jedoch ergibt sich aus dem vorgegebenen Winkel zur Fläche der Eintrittsöffnung 8, daß auch unter einem Winkel abweichend von 90° angeordnete Elemente im Wärmetauscher angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem die Rippen 6 gekrümmt ausgebildet sind, wobei die Krümmungsradien abschnittsweise unterschiedliche Werte annehmen und die Krümmungsrichtungen abschnittsweise unterschiedlich sind. Die dadurch vorgegebe Form der Rippen kann auch als schlangenförmig bezeichnet werden. Die Form der zwischen den Rippen 6 ausgebildeten Strömungskanäle führt zu einem ständigen Wechsel der Strömungsrichtung, wodurch die Oberflächen der Rippen 6 stärker angeströmt werden, als es bei einem parallelen geradlinigen Verlauf der Rippen 6 in Fig. 1 der Fall ist. Die Wärmeaustauschkapazität wird dadurch weiter erhöht.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung der beiden in den Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmetauscher entlang der Linie III-III. Dagegen zeigt die Linie I-I bzw. II-II in Fig. 3 an, wo die Schnittebene der Darstellungen in den Fig. 1 und 2 innerhalb des Wärmetauschers 2 angeordnet ist. Fig. 3 ist zu entnehmen, daß das Wandelement 4 die untere Fläche darstellt, mit der die Rippen 6 entlang einer Kante verbunden sind. Da es sich bei dem Material des Wärmetauschers 2 um gesintertes Kupfer handelt, ist eine integrale Ausbildung des Wandelementes 4 mit den Rippen 6 an sich gegeben. Somit ist eine stabile Struktur des Wärmetauschers 2 gegeben. Aus Fig. 3 wird zudem deutlich, daß die zwischen den Rippen 6 und dem Wandelement 4 aus-

gebildeten Strömungskanäle von drei Seiten umschlossen sind.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 12, mit der eine Fläche gekühlt oder erwärmt werden kann. Die Temperiervorrichtung 12 weist ein Gehäuse 14 mit einer Bodenplatte 16, Seitenplatten 18 sowie Eckelement 20 auf, die als Standbeine dienen. Mit der Bodenplatte sind zwei Wärmetauscher 2 verbunden, die einen Freiraum zwischen sich freilassen. In diesem Freiraum sind auf der Bodenplatte 16 zwei Ventilatoren 22 angeordnet, die Luft durch jeweils eine Öffnung 24 in der Bodenplatte 16 ansaugen und radial nach außen abgeben. Die somit erzeugte Luftströmung strömt von den Seitenplatten 18 eingeschlossen in Richtung der Eintrittsöffnungen 8 der Wärmetauscher 2, so daß ein Luftstrom durch die von den Rippen 6 der Wärmetauscher 2 gebildeten Strömungskanäle hindurch strömt und einen Wärmeaustausch ermöglicht. Die Wärmetauscher 2 sowie die Ventilatoren 22 sind nach oben hin durch eine Abdeckplatte 26 zum größten Teil abgedeckt. Lediglich im Bereich separater Öffnungen 28 sind Peltierelemente 30 vorgesehen, die wärmeleitend mit den Wärmetauscher 2 über das dem Peltierelement 30 zugewandte Wandelement 4 verbunden sind. Über ein weiteres Wärmeleitelement 32 sind die Peltierelemente 30 jeweils mit einer Temperierfläche 34 verbunden, die somit wärmeleitend mit den Peltierelementen 30 verbunden ist. Somit wird bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperiertlache 34 an vier verschiedenen Flächenabschnitten gekühlt oder erwärmt. Die Funktionsweise als Kühlelement bzw. als Wäremelement wird durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung der Peltierelemente 30 in bekannter Weise erreicht.

Claims (12)

1. Wärmetauscher, insbesondere für Kühl- und Wärmegeräte,

- mit einem Wandelement (4),

- mit einer Mehrzahl von Rippen (6), die zumindest abschnittsweise im wesentlichen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind und

- mit einer Eintrittsöffnung (8) und mit einer Austrittsöffnung (10) für einen Kühlmittelstrom,

- wobei die Rippen (6) entlang ihrer Längskanten mit dem Wandelement (4) verbunden sind und

- wobei das Wandelement (4) und die Rippen (6) aus einem wärmeleitenden Metall hergestellt sind,

dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wandelement (4) und die Rippen (6) aus einem gesinterten Metall bestehen.

2. Wärmetauscher nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Wandelement vorgesehen ist, daß auf der dem ersten Wandelement (4) entgegengesetzt angeordneten Seite der Rippen angeordnet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) zumindest teilweise unter einem vorgegebenen Winkel zur Fläche der Eintrittsöffnung (8) ausgerichtet sind.

4. Wäremtauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) im wesentlichen geradlinig ausgebildet sind.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius zumindest abschnittsweise unterschiedliche Werte annimmt.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) mindestens zwei Abschnitte () mit unterschiedlichen Krümmungsrichtungen aufweisen.

9. Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens

- mit mindestens einem Wärmetauscher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

- mit mindestens einem Mittel (22) zum Erzeugen eines Kühlmittelstromes durch den Wärmetauscher (2),

- mit mindestens einem mit jedem Wärmetauscher (2) wärmeleitend verbunden Temperierelement (30) und

- mit mindestens einer mit dem Temperierelement (30) wärmeleitend verbundenen Temperierfläche (34).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierelement (30) als Peltierelement ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Wärmeplatte oder Warmhaltebehälter ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Kühlplatte oder als Kühlbehälter ausgebildet ist.