Hintergrund der Erfindung
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Für viele Jahre ist eine Stiftrippenrohrleitung in
Wärmetauscherstrukturen für Klimaanlagen verwendet worden. In
derartigen Wärmetauschern ist das Stiftrippenband um das
Verdampferrohr in einer sehr dichten Strickweise gewickelt; d.h. das
Stiftrippenband ist so gewickelt, daß benachbarte Bahnen des
Bandes in Kontakt sind und die Finger oder Stifte sehr eng im
Abstand angeordnet sind. Mit einer derartigen Konstruktion
sorgen die Stifte oder Finger fur eine sehr große gesamte
Oberfläche für eine Wärmeübertragung. Gleichzeitig sind die Stifte
oder Finger so eng im Abstand angeordnet, daß die
Gesamtstruktur sehr stark wie ein Zylinder während der Fertigung wirkt.
Ein Attribut von dieser Konstruktion ist, daß sich die Stifte
gegenseitig stützen und widerstandsfähig gegen Niederdrücken
oder Umfalten sind, wenn das Rohr gehandhabt wird. Ein Grund
dafür, daß Klimaanlagen-Wärmetauscher eine
Stiftrippenrohrleitung mit eng gepackten, sehr dünnen Stiften verwenden können,
ist, daß sie während des normalen Betriebs nicht dem Aufbau von
Frost bzw. Eis (gefrorenes Kondensat) ausgesetzt sind.
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Trotz der erfolgreichen Verwendung von
Stiftrippenrohrleitung in Klimaanlagen für viele Jahre sind derartige
Wärmetauscherstrukturen in Kühlgeräte-Verdampfern nicht verwendet
worden. Es ist der Glaube von vielen erfahrenen Praktikern
gewesen, daß Stiftrippenmaterialien für die Verwendung in
Kühlgeräte-Verdampfern nicht geeignet sind. Ein Grund für diesen
Glauben war, daß der Eis- bzw. Frostaufbau in einem Kühlgeräte-
Verdampfer die Stiftrippe als eine Wärmeübertragungsstruktur
schnell unwirksam machen würde. Zusätzlich wurde geglaubt, daß
die Stiftrippenstruktur, wie sie in Klimaanlagen verwendet
wird, zu empfindlich sei, um der Handhabung zu widerstehen, wie
sie beim Fertigen und Installieren von Kühlgeräte-Verdampfern
auftritt. Auf der anderen Seite wurde geglaubt, daß, wenn die
Größe der Stifte ausreichend vergrößert würde, um den Härten
der Fertigung zu widerstehen, der Verdampfer dann kein
ausreichendes Wärmeübertragungsvermögen haben würde, um bei den
strengen räumlichen Einschränkungen wirksam zu sein, die
normalerweise derartigen Verdampfern auferlegt sind.
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Es sind einige Vorschläge gemacht worden zur Verwendung
von Rippen in Verdampfern für Kühlgeräte, wie beispielsweise
FR-A-1 060 659 und US-A-4 527 624, aber diese haben entweder
radiale Rippen oder eine relativ komplizierte Rohrstruktur
verwendet.
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Dementsprechend versucht diese Erfindung eine
verbesserte Kühleinrichtung mit einem Verdampfer zu schaffen, der
eine Stiftrippen-Wärmetauscherstruktur aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird eine Kühleinrichtung mit einer
zu kühlenden Kammer und einem Kältemittel-Verdampfer
geschaffen, der normalerweise bei eisbildenden Temperaturen betrieben
wird, um die Kammer zu kühlen; wobei der Verdampfer ein
langgestrecktes Rohr zur Aufnahme von Kältemittel und ein
langgestrecktes Stiftrippenband aufweist, das in der Form einer
offenen Spirale bzw. Wendel um das Rohr gewickelt ist; wobei das
Band einen langgestreckten Basisstreifen in einem innigen
Wärmeübertragungskontakt mit dem Rohr und eine im wesentlichen
kontinuierliche Reihe von Fingern aufweist, die entlang den
Seitenrändern des Basisstreifens von dem Rohr nach außen
vorstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der
spiralbzw. wendelförmigen Wicklung des Bandes so ist, daß der Abstand
zwischen benachbarten Windungen von dem Band größer ist als die
Breite des Basisstreifens, um die Fähigkeit des Verdampfers zu
verbessern, auf effektive Weise Wärme von der Luft auf das
Kältemittel zu übertragen, wenn sich Eis um das Rohr herum
aufbaut.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand
von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Figur 1 eine geschnittene Teilseitenansicht von einer
Kühleinrichtung ist, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
enthält;
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Figur 2 eine Querschnittsansicht von der Seite der
Rohrleitung in Figur 1 ist;
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Figur 3 ein Teillängsschnitt von der Rohrleitung in
Figur 1 ist; und
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Figur 5 eine perspektivische Teilansicht von der
Rohrleitung in Figur 1 ist, die teilweise aufgeschnitten ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen; eine
Kühleinrichtung 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12, das eine
Gefrierkammer 14 und eine Frischnahrungskammer 16 enthält. Die
Gefrierkammer 14 wird auf Temperaturen unter dem Nullpunkt und
die Frischnahrungskammer 16 wird auf
Nahrungsmittel-Aufbewahrungstemperaturen iber dem Nullpunkt gehalten, indem Luft durch
diese Kammern und über einen Verdampfer 18 umgewälzt wird, der
in einer vertikal angeordneten Verdampferkammer 20 angeordnet
ist, die sich hinter der Gefrierkammer 14 befindet und durch
eine Wandstruktur 22 von ihr getrennt ist. Genauer gesagt, gibt
ein Lüfter 24, der in dem oberen Teil der Verdampferkammer oder
dem Raum 20 angeordnet ist, Luft durch Öffnungen 26 in der Wand
22 hindurch in die Gefrierkammer 14 und durch einen Durchlaß,
der teilweise bei 28 gezeigt ist, in die Frischnahrungskammer
16 ab. Das Gebläse zieht auch Luft aus der Gefrierkammer 14 und
der Frischnahrungskammer 16 zurück in die Verdampferkammer 20
hinein und über den Verdampfer. Die Rückluft aus der
Gefrierkammer strömt durch einen Durchlaß, der teilweise bei 30
gezeigt ist, während die aus der Frischnahrungskammer
zurückgeleitete Luft durch einen Durchlaß 32 strömt. Die Gefrierkammer
14 wird unter dem Gefrierpunkt gehalten, während die
Frischnahrungskammer 16 über der Gefriertemperatur gehalten wird durch
eine entsprechende Aufteilung der Luft, die von der
Verdampferkammer 20 abgegeben wird, wobei der größere Teil der Luft zu
der Gefrierkammer 14 strömt und ein kleinerer Teil der Luft zu
der Frischnahrungskammer 16 strömt.
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Um die Gefrierkammer 14 auf Temperaturen unter dem
Gefrierpunkt zu halten, ist es notwendig, daß der Verdampfer 18
bei Temperaturen under dem Gefrierpunkt arbeitet, mit dem
Ergebnis, daß sich Feuchtigkeit, die in der durch die
Verdampferkammer 20 strömenden Luft enthalten ist, sich auf den äußeren
Oberflächen des Verdampfers in der Form von Frost bzw. Eis
sammelt. Dieses angesammelte Eis wird periodisch von den
Verdampferflächen entfernt, indem eine Heizeinrichtung 34 gespeist
wird, die in einer Strahlungs- und
Konvektionserwärmungsrelation zu den Verdampferflächen angeordnet ist.
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Kühlgeräte-verdampfer übertragen Wärme von der Luft,
die über die Außenseite der Verdampferoberfläche strömt, auf
das Kältemittel, das durch die Innenseite des Verdampfers
strömt, um so die Luft zu kühlen. Ein typischer
Kühlgeräte-Verdampfer besteht im wesentlichen aus einem ein Kältemittel
führenden langgestreckten Rohr, das in eine
Serpentinen-Konfiguration gebogen oder geformt ist, um in einen eingeschränkteren
Raum zu passen und somit in den gekühlten Kammern oder Räumen
von einer Kühleinrichtung weniger Raum einzunehmen. Um die
Wärmeübertragungscharakteristik von dem Verdampfer zu verbessern,
ist es gut bekannt, eine gewisse Art von Rippen vorzusehen, die
sich von dem Rohr nach außen erstrecken, um die Oberfläche für
eine Übertragung zu vergrößern. Bei Kühlgeräte-Verdampfern,
insbesondere denjenigen, die für eine Kühlung in Gefrierkammern
sorgen, muß die Verdampferstruktur für eine effektive
Wärmeübertragung zu sorgen, selbst wenn sich ein wesentlicher Körper
aus Frost bzw. Eis um das Verdampferrohr herum aufgebaut hat.
Zu diesem Zweck gilt, je größer der Raum ist, der zwischen
benachbarten Rippen oder benachbarten Reihen von Rippen
vorgesehen ist, desto länger wird eine effektive Luftströmung über den
Verdampfer auftreten. Auf der anderen Seite verkleinern größere
Rippenabstände die Anzahl von Rippen und die gesamte verfügbare
Wärmeübertragungsfläche.
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In dem Verdampfer 18 ist ein Rohr 36 in bekannter Weise
geformt und angeordnet. Das heißt, das Rohr 36 ist in der
Serpentinenform gebogen, um mehrere horizontale Leitungsbahnen zu
bilden, die in einer vertikal beabstandeten Anordnung
angeordnet sind, die durch Rückbiegungen verbunden sind. Die gesamte
Auslegung des Verdampfers 18 ist eine im allgemeinen
rechteckige Konstruktion, wobei die verschiedenen Bahnen des Rohres 36
im Abstand zueinander auf gegenüberliegenden Rahmenteilen, von
denen einer bei 38 gezeigt ist, auf gegenüberliegenden Seiten
des Verdampfers 18 gehalten sind. Die Rahmenteile 38 befestigen
den Verdampfer 18 in einer im allgemeinen vertikalen Lage in
dem Verdampferkammerraum 20, aber leicht gewinkelt in bezug auf
die Vertikale, um die horizontalen Bahnen des Rohres 36
vollständiger der Rückluft auszusetzen, die durch die
Verdampferkammer 20 nach oben strömt.
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Die Strahlungs-Heizeinrichtung 34 wird periodisch
gespeist, um die Oberflächen des Verdampfers auf
Entfrostertemperaturen aufzuwärmen. Diese Heizeinrichtung kann
zweckmäßigerweise von dem Typ sein, der in der gleichzeitig anhängigen
Anmeldung (90-HR-17667) offenbart ist, die auf die General
Electric Company, die Rechtsinhaberin der vorliegenden Erfindung,
übertragen ist.
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Wie am besten aus den Figuren 2, 3 und 4 ersichtlich
ist, enthält der Verdampfer 18 ein langgestrecktes
Stiftrippenband 40, das um die äußere Oberfläche des Rohres 16 in einer
offenen Spiral- bzw. Wendelkonfiguration gewickelt oder
gewunden ist. Das heißt, jede Bahn (ein Umfangskreis um das Rohr)
des Bandes 40 ist im Abstand von den longitudinal benachbarten
Bahnen des Bandes angeordnet. Genauer gesagt, enthält das Band
eine Basis 42 und mehrere Stifte oder Finger 44. Die Finger
sind in Reihen 46 und 48 entlang den Seitenkanten der Basis 42
angeordnet. Jede der Reihen 46 und 48 ist aus einer im
wesentlichen
kontinuierlichen Reihe von Fingern 44 gebildet. Das
heißt, die Finger sind benachbart zueinander gebildet, ohne
signifikante Abstände zwischen Ihnen, wo sie mit der Basis 42
verbunden sind. Wenn sie um das Rohr 36 gewickelt sind, wie es
in den Figuren 2 - 4 gezeigt ist, erstrecken sich die Finger
von der äußeren Oberfläche des Rohres 36 benachbart zu den
Seitenkanten der Bandbasis 42 nach außen und vorzugsweise sind sie
im allgemeinen senkrecht zu der äußeren Oberfläche des Rohres
36 angeordnet.
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Die Steigung der Bandumwicklung, d.h. die Anzahl von
Bandwindungen pro longitudinaler Längeneinheit des Rohres, ist
so, daß die benachbarten Bahnen im Abstand angeordnet sind, wie
es bei 55 angegeben ist. Vorzugsweise sind die Räume 55
zwischen benachbarten Bahnen und die Breite der Bandbasis 42 oder
der Abstand zwischen den Reihen der Finger 46 und 48, wie es
bei 52 angegeben ist, asymmetrisch, d.h. der Abstand 55
zwischen benachbarten Windungen des Bandes 40 ist breiter als die
Breite des Basisbandes 42. Diese asymmetrische Beabstandung der
Reihen von Fingern verbessert das Vermögen des
Stiftrippenverdampfers, dauerhaft auf wirksame Weise Wärme von der Luft auf
das Kältemittel zu übertragen, wenn sich Eis bzw. Frost um die
Rohrleitung 36 herum aufbaut. In
Haushalts-Kühlgeräte-Verdampfern, die einem Frostaufbau ausgesetzt sind, ist ein Abstand
zwischen 0,762 mm (0,030 Zoll) und 13,97 mm (0,550 Zoll)
bevorzugt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind die Stifte oder Finger 44 so bemessen, daß die effektive
verfügbare Wärmeübertragungsfläche optimiert wird, während für
eine ausreichende Festigkeit für die im wesentlichen
freistehenden Finger gesorgt wird, damit der Fertigungsprozeß nicht
tatsächlich so viele Finger niederdrückt oder umbiegt, daß der
anschließende Betrieb des Verdampfers nachteilig beeinfluß
wird. In einem tatsächlichen Ausführungsbeispiel, in dem das
Verdampferrohr einen Außendurchmesser von 9,525 mm (0,375 Zoll)
hatte, waren die Finger 8,89 mm (0,350 Zoll) lang (das heißt
die Abmessung senkrecht zu dem Rohr 36), 0,838 mm (0,033 Zoll)
breit (d.h. im allgemeinen in Umfangsrichtung zu dem Rohr 36)
und 0,229 mm (0,009 Zoll) dick (d.h. in der Richtung
longitudinal zu dem Rohr 36). in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung waren sowohl das Verdampferrohr als auch die
Stiftrippenstruktur aus Aluminium hergestellt; es können aber
auch andere Materialien verwendet werden. In
Haushalts-Kühlgeräte-Verdampfern, die einem Frost- bzw. Eisaufbau ausgesetzt
sind, sind Rippen oder Finger bevorzugt, die zwischen etwa 1,27
mm (0,050 Zoll) und 101,6 mm (4,00 Zoll) lang; zwischen etwa
2,64 mm (0,010 Zoll) und 5,08 mm (0,200 Zoll) breit und
zwischen etwa 0,2032 mm (0,008 Zoll) und 0,762 mm (0,030 Zoll)
dick sind.