DE102004045537B3

DE102004045537B3 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102004045537B3
Application number: DE102004045537A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Blohm
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-09-21

Abstract

Eine Kühlvorrichtung für einen mindestens ein wärmeerzeugendes Aggregat (11) enthaltenden, hermetischen Raum (10) weist zur Erzielung einer effizienten Kühlung ohne die Möglichkeit der Wärmeabfuhr aus dem Raum (10) durch dessen Belüftung ein in dem Raum (10) angeordnetes Wärmeentzugsmittel auf, das durch Ingangsetzen eines physikalischen oder chemischen Prozesses dem Raum (10) Wärme entzieht. Vorzugsweise besteht das Wärmeentzugsmittel aus mindestens zwei Komponenten, die in getrennten Kammern (13, 14) gespeichert und mittels einer Steuervorrichtung (16) in mindestens einer Reaktionskammer (15) zusammenführbar sind (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen mindestens ein wärmeerzeugendes Aggregat enthaltenden hermetischen Raum.
Insbesondere bei unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUV = Unmanned Underwater Vehicle) besteht das Problem, die bei Belastung der Stromversorgungsbatterien und beim Betrieb der integrierten elektrischen und elektronischen Bauteile entstehende Wärme an die Umgebung abzugeben und die Temperatur in dem geschlossenen Rauminnern auf einem Niveau zu halten, das eine Überhitzung der Batterien und der Bauteile sicher ausschließt. Übliche Maßnahmen zur Wärmeabführung, wie ausreichende Belüftung, können bei solchen Unterwasserfahrzeugen naturbedingt nicht eingesetzt werden. Aber auch die Wärmeabgabe über die Außenhaut des Unterwasserfahrzeugs bietet nicht immer eine akzeptable Lösung, da in vielen Fällen der Wärmegradient zwischen Innenraumtemperatur und Wassertemperatur nicht ausreichend für einen schnellen Wärmetransport aus dem Rauminnern ist und sich daher. der Innenraum zunehmend über eine kritische Temperatur hinaus erwärmt.

Bei einer bekannten Kühlvorrichtung für ein U-Boot ( DE 38 36 583 C2 ) wird zur großflächigen Abführung von Abwärme, die im U-Boot z.B. durch Dieselantriebe oder durch Aufladen von Batterieanlagen, entstehen, die Abwärme von einem in einem Kreislauf umlaufenden Wärmeübertragungsmittel, z.B., Wasser, aufgenommen. Das mittels einer Umwälzpumpe umgewälzte Wärmeübertragungsmittel durchfließt einen an der Wandinnenseite des Druckkörpers des U-Boots angeordneten Wärmetauscher, in dem das Wärmeübertragungsmittel seine Wärme an die vom Seewasser umspülte Druckkörperwand und damit an das kältere Seewasser abgibt und dadurch selbst rückgekühlt wird. Eine solche Kühlvorrichtung ist für kleinvolumige hermetische Räume, wie sie z.B. in unbemannten Kleinfahrzeugen, wie Aufklärungsdrohnen oder UUVs nur vorhanden sind, aufgrund des großen Einbauplatzbedarfs und des großen Gewichts nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Kühlvorrichtung mit geringem Platzbedarf und Gewicht für einen hermetischen Raum zu schaffen, in dem wärmeerzeugende Aggregate betrieben werden und keine Möglichkeit der Belüftung des Raums besteht.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung hat den Vorteil, dass sie völlig autark, unabhängig von den Umgebungsbedingungen arbeitet und jede vorgegebene Betriebstemperatur für die im Raum vorhandenen Aggregate zuverlässig zu halten vermag. Die Kühlvorrichtung benötigt keinen großen Einbauraum und hat ein verhältnismäßig geringes Zusatzgewicht, was sie für den Einsatz bei unbemannten Luft- und Unterwasserfahrzeugen (Drohnen und UUVs) prädestiniert. Die Kühlvorrichtung ist dabei auch für Fahrzeuge großer Leistungsfähigkeit geeignet, die einen erhöhten Kühlungsbedarf besitzen.

Mittels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann der mit wärmeerzeugenden Aggregaten ausgestattete Raum zu einem adiabatischen System gemacht werden, bei dem durch entsprechende Einstellung der von der Kühlvorrichtung konstant gehaltenen Rauminnentemperatur kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Dies macht die Kühlvorrichtung zusätzlich für den Einsatz in Drohen und UUVs, die z.B. für die militärische Aufklärung eingesetzt werden, interessant, da aufgrund des fehlenden Wärmeenergieaustauschs des Raums mit der Umgebung keine Wärmesignatur auftritt, die eine Ortung der Drohne oder des UUV mit Wärmebildgeräten ermöglicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Verlauf des in Gang gesetzten physikalischen oder chemischen Prozesses so gesteuert, dass der Wärmebedarf des Wärmeentzugsmittels pro Zeiteinheit die von dem Aggregat pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge kompensiert. Damit kann die vor Auslösen des Prozesses vorhandene Raumtemperatur langfristig konstant gehalten werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeentzugsmittel mindestens zwei Komponenten auf, die zum Auslösen einer endothermen Reaktion zusammenführbar sind. Vorzugsweise werden dabei als Komponenten Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) und Wasser verwendet. Die Komponenten werden in getrennten Kammern gespeichert und mittels eines Steuereinheit in dosierten Mengen in mindestens einer Reaktionskammer zusammengeführt, wobei vorzugsweise eine der beiden Speicherkammern als Reaktionskammer genutzt wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmeentzugsmittel ein Latentwärmespeicher. Bei einem solchen Latentwärmespeicher wird bei Erhöhung der Temperatur im Raum ein physikalischer Prozess der Phasenumwandlung des Speichermittels in Gang gesetzt, wobei dieser aus dem festen in den flüssigen oder aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht und die dabei benötigte latente Wärme dem Raum entzieht. Als Speichermittel des Latentwärmespeichers wird beispielsweise Heptadekan (C₁₇H₃₆) verwendet.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 einen hermetischen Raum mit einem wärmeerzeugenden Aggregat und einer Kühlvorrichtung,
2 und 3 jeweils eine gleiche Darstellung wie in 1 mit modifizierten Kühlvorrichtungen.
Ein in 1 schematisch dargestellter, hermetischer, also luft- oder wasserdicht geschlossener Raum 10 enthält ein Aggregat 11, das bei Betrieb Wärme erzeugt und eine Wärmequelle in dem hermetischen Raum darstellt, die langfristig den Raum aufheizt, da eine Wärmeabfuhr aus dem Raum nicht stattfinden kann.
Das Wärme erzeugende Aggregat 11 kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akku für die Stromversorgung und/oder ein Antriebsaggregat und/oder eine Baueinheit mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen sein. Der Raum 10 ist vorzugsweise der Innenraum eines unbemannten Luftfahrzeugs (Drohne) oder eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs (UUV), die mit Antriebsaggregaten, elektronischen Systemen zur Überwachung und Aufklärung sowie mit Batterien oder Akkus zur Stromversorgung ausgerüstet sind.
Um eine Überhitzung des Aggregats 11 bei Betrieb und damit dessen Schädigung zu vermeiden ist eine Kühlvorrichtung 12 vorgesehen, die ein Wärmeentzugsmittel aufweist, das durch Ingangsetzen eines physikalisch oder chemischen Prozesses dem Raum 10 Wärme entzieht. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Wärmeentzugsmittel gewählt, das zum Ablauf eines chemischen Prozesses Wärme benötigt. Das Wärmeentzugsmittel weist mindestens zwei Komponenten auf, die zum Auslösen einer endothermen Reaktion zusammenführbar sind. Die beiden Komponenten, z.B. Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) und Wasser, sind in getrennten Kammern 13, 14 gespeichert und über eine Steuereinheit 16 in einer Reaktionskammer 15 zusammenführbar. Dabei wird der in der Reaktionskammer 15 ablaufende chemische Prozess so gesteuert, dass der Wärmebedarf der endothermen Reaktion pro Zeiteinheit die von dem Aggregat 11 pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge kompensiert. Auf diese Weise lässt sich die vor Ingangsetzen der endothermen Reaktion im Raum 10 herrschende Temperatur langfristig konstant halten und durch den Zeitpunkt des Ingangsetzen der endothermen Reaktion variabel gestalten. Die Steuereinheit 16 umfasst zwei Dosierventile 17, 18, mit welchen die Menge der der Reaktionskammer 15 zugeführten Komponenten regelbar ist, und eine Steuerelektronik 19 zum Steuern der Dosierventile 17, 18. Zur zeitlichen Steuerung der Kühlung ist es auch möglich, die beiden Komponenten in mehreren Kammern zu speichern und die Komponenten aus getrennten Kammern nacheinander in einer oder mehreren Reaktionskammern zusammenzuführen.
In einer Modifikation des zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels kann die gesonderte Reaktionskammer 15 in 1 entfallen und der Raum 10 selbst als Reaktionskammer genutzt werden. Eine vom Raum separate Reaktionskammer 15 wird aber bevorzugt, da insbesondere bei Verwendung der Kühlvorrichtung für eine Drohne oder ein UUV die Kühlvorrichtung nach Beendigung der Missionszeit sehr viel leichter gewechselt werden kann.
Zur weiteren Reduzierung von Bauraum und Gewicht wird, wie dies im Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt ist, auf die Reaktionskammer 15 ganz verzichtet und die Zusammenfügung der beiden in den Kammern 13, 14 gespeicherten Komponenten in einer der Kammern 13, 14, hier in Kammer 13, vorgenommen, also die Kammer 13 oder 14 zugleich als Reaktionskammer genutzt. Die Steuereinheit 16 benötigt dann nur noch ein einziges Dosierventil 17.
Bei der in 3 skizzierten Kühlvorrichtung 12 für einen ein wärmeerzeugendes Aggregat 11 enthaltenden, hermetischen Raum 10 ist das Wärmeentzugsmittel ein Latentwärmespeicher 20, der z. B. als Speichermittel paraffinähnliches Heptadekan (C₁₇H₃₆) enthält. Der Latentwärmespeicher 20 beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass bei Phasenänderung des Speichermittels, also beim Übergang des Speichermittels von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen oder von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand, Wärme benötigt wird, die dem Raum 10 entzogen wird. Durch entsprechende Bemessung des Latentwärmespeichers 20 kann z.B. bei Verwendung der Kühlvorrichtung in einem UUV die Temperatur im Raum 10 während der Missionszeit des UUV konstant gehalten werden.

Claims

Kühlvorrichtung für einen mindestens ein wärmeerzeugendes Aggregat enthaltenden, hermetischen Raum (10), gekennzeichnet durch ein in dem Raum (10) angeordnetes endothermes Wärmeentzugsmittel, das durch Ingangsetzen eines physikalischen oder chemischen Prozesses im Raum (10) vorhandene Wärme bindet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessverlauf so gesteuert ist, dass die Wärmebindung durch das Wärmeentzugsmittel pro Zeiteinheit der von dem mindestens einen Aggregat (11) pro Zeiteinheit abgegebenen Wärmemenge entspricht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeentzugsmittel mindestens zwei Komponenten aufweist, die zum Auslösen einer endothermen Reaktion zusammenführbar sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Komponente Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) und die andere Komponente Wasser ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten in getrennten Kammern (13, 14) gespeichert und mittels einer Steuereinheit (16) in mindestens einer Reaktionskammer (15) zusammenführbar sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer von einer der beiden Kammern (13, 14) gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (15) vom Raum (10) selbst gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeentzugsmittel ein Latentwärmespeicher (20) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (20) paraffinähnliches Heptadekan (C₁₇H₃₆) enthält.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 9, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei unbemannten Luft- oder Unterwasserfahrzeugen zur Bindung der von den Stromversorgungsaggregaten, vorzugsweise Batterien oder Akkumulatoren, und/oder Antriebsaggregaten und/oder elektronischen oder elektrischen Systemen abgegebenen Wärme.