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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Kühlraums,
insbesondere eines Kühlschranks.
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Vorrichtungen
zur Kühlung
eines Kühlraums existieren
bereits in vielfältigen
Ausführungen.
Neben der Verwendung in stationären
Anlagen wie ortsfesten Kühl-
und Gefrierschränken,
Kühlhäusern und Klimaanlagen
zur Klimatisierung von Gebäuden
oder Gebäudeteilen,
werden diese Vorrichtungen auch in transportable Geräte eingesetzt,
wie sie überwiegend
im Freizeitbereich Verwendung finden. Alle bekannten Vorrichtungen
benötigen
zur Erzielung einer Kühlleistung
die Zufuhr externer Energie. In der Regel werden die Vorrichtungen
daher mit Strom, in seltenen Fällen
auch mit Gas betrieben. Hiervon ausgenommen sind lediglich die vorzugsweise
im Campingbereich verwendeten Kühlboxen,
die mit vorgekühlten
Kühlaggregaten
arbeiten, welche jedoch zuvor in energiebetriebenen Kühlschränken abgekühlt wurden.
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Die
bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß der in
Abhängigkeit
der zu kühlenden
Räume – seien
es geschlossene, kleine Raumeinheiten wie Kühlschränke oder größere Räume wie Büros- erforderliche Energieaufwand
besonders hoch ist, was zu hohen Betriebskosten führt und
dem zunehmenden Ökologiebewußtsein in
der Gesellschaft widerspricht.
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Aus
der
DE 1090 690 B ist
eine Kühleinrichtung
bekannt, die nach dem Prinzip der Verdunstungskühlung arbeitet sich aber von
der Erfindung durch die Art der Luftströmung wesentlich und eindeutig
unterscheidet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung eines
Kühlraums
bereitzustellen, die im wesentlichen ohne den Einsatz externer Energie
arbeitet, wobei eine besonders gute Kühlleistung in Abhängigkeit
zum zur Verfügung
stehenden Raum erreicht wird.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nutzt das bekannte Prinzip der Verdunstungskühlung. Zur Ausnutzung dieses
Prinzips weist die Vorrichtung ein einen Arbeitsraum umschließendes Gehäuse auf,
das derart ausgebildet ist, daß es
thermisch, d.h. mit der Möglichkeit
zum Austausch von Kälte
und/oder Wärme,
an einen Kühlraum
ankoppelbar ist und den Ein- und Auslaß eine s Gehäuse umgebenden
Umgebungsluft ermöglicht.
Verbunden mit dem Arbeitsraum oder innerhalb des Arbeitsraums ist
ferner ein Flüssigkeitsspeicher
zur Aufnahme eines Verdunstungsmediums sowie mindestens ein Verdunstungskörper angeordnet,
der teilweise in den Flüssigkeitsspeicher
hineinragt und zumindest an seiner Oberfläche aus einem kapillaraktiven
Material besteht, wobei der Verdunstungskörper durch eine oder mehrere sich
von dem unteren bis zum oberen Ende des Gehäuses erstreckende Säulen oder
Platten gebildet ist.
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Der
in das Verdunstungsmedium in dem Flüssigkeitsspeicher hineinragende
Verdunstungskörper
transportiert durch seine kapillaraktive Oberfläche das Verdunstungsmedium,
bspw. Wasser bis zu einer materialabhängigen Höhe. Aufgrund der Neigung des
Verdunstungsmediums, sowohl in der flüssigen als auch in der festen
Phase zu verdunsten, kühlt
sich ein an einer feuchten Oberfläche des kapillaraktiven Materials
befindliches feuchtes Gebiet ab. Der kälteste Bereich stellt sich
dabei in unmittelbarer Nähe
einer oberen Grenzlinie des noch feuchten Materials ein, wobei sich
in diesem Gebiet die Feuchtkugeltemperatur, d.h. die Temperatur
bei 100% Luftfeuchte, einstellt. Somit kühlt sich idealerweise der Luftraum über der
Oberfläche
des kapillaraktiven Materials und das an der Oberfläche angeordnete
Verdunstungsmedium auf eine gemeinsame Temperatur ab. Diese ist
jedoch abhängig
von der relativen Feuchte der in das Gehäuse eintretenden Luft und – bezogen
auf den Zeitfaktor – den
zu Beginn bestehenden Temperaturen der Luft und des Verdunstungsmediums.
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Das
Gehäuse
bildet den adiabatischen Arbeitsraum, in dem das Verdunstungsmedium über seine
freie Oberfläche
in dem Flüssigkeitsspeicher als
auch über
die Verdunstungskörper
verdunstet. Dadurch kühlt
sich die durch das Gehäuse
strömende
Luft, welche bei ihrem Eintritt eine bestimmte relative Feuchte
aufweist, bei etwa gleichbleibendem Dampfdruck annähernd bis
auf die Temperatur ab, die bei diesem Dampfdruck der Kondensationstemperatur
entspricht. Sowohl die abgekühlte
Luft als auch das durch die Verdunstung abgekühlte Verdunstungsmedium auf
den Verdunstungskörpern führt zu einer
Abkühlung
des sich im Flüssigkeitsspeicher
befindlichen Verdunstungsmediums, welches in Folge dessen auch als
Kältespeicher
fungiert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kühlung
kann grundsätzlich
in beliebiger Weise thermisch mit dem zu kühlenden Raum gekoppelt werden.
Es sollte jedoch darauf geachtet werden, daß die im Arbeitsraum gebildete
Kälte möglichst
verlustfrei in den Kühlraum übertragen
wird.
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Eine
Möglichkeit,
einen an die Vorrichtung anzuschließenden Kühlraum zu kühlen, besteht bspw. darin,
die aus der Vorrichtung austretende, abgekühlte Luft, in den zu kühlenden
Raum zu leiten. Dazu kann die Vorrichtung bspw. derart angeordnet sein,
daß sich
der Luftauslaß im
zu kühlenden
Raum befindet. Alternativ können
auch Leitungen vorgesehen werden, die die abgekühlte Luft transportieren.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse im Bereich
des Flüssigkeitsspeichers
zum Anschluß an
den Kühlraum
ausgebildet. Diese Ausgestaltung der Erfindung nutzt den Umstand,
daß das
in dem Flüssigkeitsspeicher bereitgestellte
Verdunstungsmedium auch als Kältespeicher
dient. Bei einer vorzugsweise vorzunehmenden guten thermischen Isolierung
der nicht an den Kühlraum
anzuschließenden
Bereiche des Gehäuses,
wird somit eine besonders gute Übertragung der
Kälte in
den Kühlraum
gewährleistet.
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Um
eine kontinuierliche Kühlleistung
zu gewährleisten,
weist das Gehäuse
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einen Ein- und Auslaß auf,
welche für
einen Luftaustausch zwischen dem Arbeitsraum und der Umgebung sorgen.
Die Anordnung der Ein- und Auslässe
kann dabei grundsätzlich
in beliebiger Weise erfolgen. In Abhängigkeit von der fallweisen
Ausgestaltung der Vorrichtung kann somit eine optimale Anpassung
der Ein- und Auslässe
vorgenommen werden, so daß eine
besonders hohe Funktionssicherheit gewährleistet ist. Ms vorteilhaft
hat sich dabei die Anordnung jeweils einer Öffnung im Bereich eines oberen
und unteren Endes des Gehäuses
erwiesen. Die Form, die Anzahl und die Abmessungen der Öffnungen
können
dabei aufgrund von strömungstechnischen
Erwägungen
frei gewählt
werden.
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Grundsätzlich kann über die
zu bestimmende Größe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und der darin enthaltenen Verdunstungskörper die Kühlleistung der Vorrichtung
an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Bei der Ausgestaltung der
Vorrichtung, insbesondere über
deren Größe können somit
auch solche Effekte, bspw. Witterungseinflüsse, berücksichtigt werden, die einen
negativen Einfluß auf
die Steighöhe
des Verdunstungsmediums an dem Verdunstungskörper und die daraus resultierende
Kühlleistung
haben.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind jedoch an der
Vorrichtung Mittel vorgesehen, die das Verdunstungsmedium in den
Bereich des oberen Endes des Gehäuses
transportieren. Im Falle einer zu geringen Benetzung des oberen
Bereichs des Verdunstungskörpers
mit dem Verdunstungsmedium, kann dieser dort gezielt befeuchtet
werden. Vorteilhafterweise ist das Mittel, bspw. eine Pumpe, dazu
mit einem in einem Deckel des Gehäuses angeordneten Sprinkler
verbunden. Alternativ besteht die Möglichkeit, einen zweiten Flüssigkeitsspeicher
im oberen Bereich der Vorrichtung anzuordnen und diesen derart mit
den Verdunstungskörpern
zu verbinden, daß diese
mit dem dort angeordneten Verdunstungsmedium in Kontakt stehen.
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Diese
Ausgestaltungen der Erfindung gewährleisten in besonderem Maße eine
gleichbleibende Feuchtigkeit des gesamten Verdunstungskörpers und
erhöhen
somit die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung in ergänzender
Weise. Zur Steuerung der Pumpe oder anderer Fördermittel ist dabei nach einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Feuchtigkeitssensor
im Bereich des oberen Endes des Verdunstungskörpers angeordnet. Dieser regelt selbständig – in Abhängigkeit
vom Feuchtegrad des Verdunstungskörpers – die zusätzliche Benetzung der Verdunstungskörper von
der Oberseite des Gehäuses.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Vorrichtung gewährleistet
mit den im Gehäuse
angeordneten Ein- und Auslässen
eine stetige Kühlung der
im Arbeitsraum befindlichen Luft und des im Flüssigkeitsspeicher angeordneten
Verdunstungsmediums. Um einem Stillstand des Systems im Falle eines nicht
ausreichenden Luftaustauschs zwischen dem Arbeitsraum und der Umgebungsluft
vorzubeugen, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung ein Gebläse derart
an dem Gehäuse
angeordnet, daß es
die Luftzirkulation in besonderer Weise gewährleistet oder erhöht. Die
Verwendung eines Gebläses
ermöglicht es überdies,
die Vorrichtung unabhängig
von strömungstechnischen
Vorgaben auszugestalten, die anderenfalls zwingend für eine selbsttätige Luftzirkulation
erforderlich sind. Die Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden somit weiter erhöht.
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Die
Art, Ausgestaltung und Anzahl der im Gehäuse angeordneten Verdunstungskörper ist grundsätzlich frei
wählbar
und hängt
im wesentlichen von der zu erreichenden Kühlleistung und der dafür erforderlichen
Verdunstungsoberfläche
ab.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird durch eine die Verdunstungsstrecke
verlängernde
Geometrie erreicht, beispielsweise indem das kapillaraktive Material
schräg
oder abwechselnd schräg zu
einer Vertikalen angeordnet ist. Diese Ausgestaltungen stellen eine
besonders große
Verdunstungsoberfläche
innerhalb des Arbeitsraums zur Verfügung. Überdies gewährleisten diese Ausgestaltungen
der Verdunstungskörper,
daß bereits
bei einem geringen Abstand zwischen den einzelnen Verdunstungskörpern eine
ausreichende Zirkulation der Luft im Arbeitsraum herrscht.
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Die
Ausgestaltung des kapillaraktiven Materials ist ebenfalls grundsätzlich frei
wählbar,
wobei bei der Wahl darauf zu achten ist, daß dieses eine möglichst
gute Saugfähigkeit
besitzt, welches dem Verdunstungsmedium eine hohe Steigfähigkeit
ermöglicht
und eine große
Oberfläche
zur Verdunstung aufweist. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist das kapillaraktive Material jedoch durch ein Textilvlies
gebildet. Dieses zeichnet sich durch seine geringen Herstellungskosten
und einfach Verarbeitbarkeit aus. Überdies stellt es eine besonders
große
Verdunstungsoberfläche
zur Verfügung,
so daß die
Kühlleistung
auch bei kleineren Vorrichtungen in besonderer Weise gesteigert
werden kann.
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Um
die Kühlleistung
in ergänzender
Weise zu steigern, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
das Gehäuse
auch an seiner Innenseite, zumindest teilweise, mit dem kapillaraktiven
Material ausgekleidet. Eine weitere Steigerung der Kühlleistung
ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch mehrere übereinander
angeordnete Flüssigkeitssprecher,
die das kapillaraktive Material auf verschiedenen Höhen benetzen,
zu erreichen.
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Wie
auch das kapillaraktive Material, so kann auch das Verdunstungsmedium
grundsätzlich
frei gewählt
werden. Unter Berücksichtigung
des der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zugrundeliegenden ökologischen
Aspekts ist nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung jedoch
vorgesehen, daß Wasser
oder ein Alkohol/Wasser-Gemisch
das Verdunstungsmedium bildet. Die Verwendung eines derartigen Mediums
ermöglicht
es in ergänzender
Weise, die Umweltverträglichkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beizubehalten, ohne die Kühlleistung
negativ zu beeinflussen. Beide Medien zeichnen sich dabei dadurch
aus, daß diese
ohne zusätzliche
Energiezufuhr selbsttätig
verdunsten, so daß auf
eine Zufuhr von Verdunstungsenergie, bspw. in Form externer Wärme oder
in Form einer mit Ventilatoren erzeugten Luftzirkulation, verzichtet
werden kann.
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Neben
der Größe des Arbeitsraums
und der zur Verfügung
stehenden Verdunstungsfläche
hat auch die relative Feuchtigkeit der in den Arbeitsraum eintretenden
Umgebungsluft einen wesentlichen Einfluß auf die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei der Zusammenhang darin besteht, daß mit sinkender Feuchtigkeit
der eintreten Luft die Kühlleistung
gesteigert werden kann. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist daher eine Luftentfeuchtungseinheit derart angeordnet,
daß der
Feuchtigkeitsgrad der in den Arbeitsraum eintretenden Luft geringer
ist, als der Feuchtigkeitsgrad der Umgebungsluft. Eine oder mehrere weitere
Luftentfeuchtungseinheiten können
bei einem Einsatz in großen
Kühlräumen, wie
Kühllagerhallen,
auch an anderen Orten in den Kühlräumen aufgestellt
werden. Dies können
bspw. Orte sein, an denen sich Kondensationserscheinungen zeigen. Dadurch
wird der Feuchtigkeitsgrad der in den Arbeitsraum eintretenden Luft
in ergänzender
Weise reduziert.
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Neben
der Verwendung einer oder mehrerer Luftentfeuchtungseinheiten zur
Verbesserung der Kühlleistung
ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
eine Generatoreinheit vorgesehen, die eine Temperaturdifferenz zwischen der
Vorrichtung und der Umgebungsluft in Energie umwandelt. Die bspw.
durch die Verwendung eines Peltierelements gewonnene elektrische
Energie in der Generatoreinheit kann u.a. dazu verwendet werden,
zumindest einen Teil der zum Betrieb der vorteilhafterweise vorzusehenden
Pumpe erforderlichen Energie zu decken.
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Kennzeichnend
für eine
erfindungsgemäße Kühlanlage,
die unter Verwendung einer Vorrichtung zur Kühlung eines Kühlraums
gemäß einer
der vorstehend dargestellten Ausgestaltungen hergestellt ist, ist
die Verbindung des Kühlraums,
vorzugsweise eines Kühlschranks,
mit der Vorrichtung im Bereich des Flüssigkeitsspeichers. Aufgrund
der Eigenschaft des in dem Flüssigkeitsspeicher
angeordneten Verdunstungsmedium auch als Kältespeicher zu fungieren, weist
eine derartige Kühlanlage
eine besonders hohe Kühlleistung
auf und gewährleistet
eine maximale Übertragung
der in der Vorrichtung erzeugten Kälte in den zu kühlenden
Kühlraum.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Kühlanlage mit einer Vorrichtung
zur Kühlung eines
Kühlraums
und einem daran angeschlossenen Kühlschrank und
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2 eine
Prinzipskizze einer zweiten Kühlanlage.
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1 zeigt
eine Kühlanlage 15,
die aus einer Kühlvorrichtung 16 und
einem mit dieser Kühlvorrichtung 16 verbundenen
Kühlrahm 12 gebildet
ist.
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Die
Kühlvorrichtung 16 besteht
aus einem Gehäuse 1,
das durch zwei Seitenwände 8,
eine Rückwand 7 und
eine Vorderwand 5 gebildet ist, wobei das Gehäuse 1 an
seiner Oberseite durch einen Gehäusedeckel 6 abgeschlossen
wird. Die Gehäuseunterseite
wird durch einen Gehäuseboden 17 gebildet.
Zur Bildung eines Flüssigkeitsspeichers 4 sind der
Gehäuseboden 17,
die Seitenwände 8,
die Rückwand 7 und
die Vorderwand 5 flüssigkeitsdicht
miteinander verbunden.
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Ein
unterer Bereich des Gehäuses 1 dient somit
als Flüssigkeitsspeicher 4 zur
Aufnahme eines hier nicht dargestellten Verdunstungsmediums. Im Bereich
des oberen und unteren Endes der Seitenwände 8 angeordnete
Lüftungsöffnungen 10, 14 gewährleisten
einen Luftaustausch zwischen einem Arbeitsraum 2 innerhalb
des Gehäuses 1 und
der Umgebung. Die Unterseiten der unteren Lüftungsöffnung 10 begrenzen
die maximale Einfüllhöhe des Verdunstungsmediums.
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Innerhalb
des Gehäuses 1 sind
Verdunstungskörper 3 angeordnet,
die sich vom unteren Ende des Gehäuses 1, im wesentlichen
parallel zu den Seitenwänden 8,
bis zum oberen Ende des Gehäuses 1 erstrecken.
Im unteren Bereich des Gehäuses 1 ragen
die Verdunstungskörper 3 in
den Flüssigkeitsspeicher 4,
so daß diese
in Kontakt mit dem Verdunstungsmedium stehen, das über eine
in der Rückwand 7 angeordnete
Ein- und Austrittsöffnung 9 in den
Flüssigkeitsspeicher 4 hineingefüllt und
abgesaugt werden kann.
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Eine
hier nicht dargestellte Pumpe ist über ein hier ebenfalls nicht
dargestelltes Schlauchsystem mit einer im Gehäusedeckel 6 angeordneten
Sprinklereinheit 11 verbunden, so daß das Verdunstungsmedium über die
Ein- und Austrittsöffnung 9 auch
auf die oberen Enden der Verdunstungskörper 3 aufgesprüht werden
kann.
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Das
Gehäuse 1 ist
mit seiner Unterseite, d.h. mit der Unterseite des Flüssigkeitsspeichers 4 mit dem
Kühlschrank
flächig
verbunden, so daß die
in dem Arbeitsraum 2 erzeugte Kälte, welche in dem Verdunstungsmedium
gespeichert wird, auf den Kühlraum 12' übertragen
werden kann, der durch die hier dargestellten Türen 13 zugänglich ist.
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Der
selbstinduzierte Kühlprozeß in der
Kühlvorrichtung 16 läuft wie
folgt ab:
Nach dem Einfüllen
von Wasser als Verdunstungsmedium werden die Oberflächen des
aus einem kapillaraktivem Material gebildeten Verdunstungskörper 3 gleichmäßig mit
Wasser benetzt. Der sich daraufhin einstellende Verdunstungsprozeß, der ein Temperaturgefälle von
unten nach oben mit sich bringt, läßt zunächst gekühlte Verdunstungsluft in dem
Gehäuse 1 aufsteigen.
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Je
nach Größe der Kühlvorrichtung 16 ist nach
einiger Zeit die im Arbeitsraum 2 vorhandene Luft trotz
der aufsteigenden Verdunstungsluft nach und nach mit soviel Feuchte
und damit Luftgewicht angefüllt,
daß ein
Strömungsgleichgewicht
auftritt, so daß die
Luft im Gehäuse 1 weder
auf- noch abwärts strömt. Die
bis zu diesem Zeitpunkt erreichte Temperatur im Gehäuse 1 bleibt
im Mittel der Verdunstungsstrecke konstant.
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Die
Luftfeuchtigkeit und damit das Luftgewicht nimmt weiter zu.
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Dadurch
kehrt sich der Luftstrom durch das Gehäuse 1 um und die einströmende Luft
strömt durch
die obere Lüftungsöffnung 14 in
das Gehäuse 1 hinein,
so daß die
im oberen Bereich des Gehäuses 1 herrschende
Temperatur abwärts
wandert und der eigentliche Kühlvorgang
bis zur tiefstmöglichen
Temperatur einsetzt, welcher im wesentlichen von der relativen Feuchte
und Temperatur der einströmenden Luft
abhängt.
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Um
einer möglicherweise
nach Beginn des Kühlvorgangs
eintretenden Strömungsruhe
vorzubeugen, welche dazu führt,
daß die
Verdunstungskörper 3 von
oben her beginnen sich zu erwärmen und
auszutrocknen, kann über
die Sprinklereinheit 11 kurzzeitig Wasser aus dem Flüssigkeitsspeicher 4 auf
die oberen Bereiche der Verdunstungskörper 3 aufgebracht
werden.
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2 zeigt
eine Prinzipskizze einer weiteren Kühlanlage 15. Ein oberer
Wasservorrat 22 wird über einen
Wasserzulauf 21 gespeist. Der obere Wasservorrat 22 ist über einen
Anschluß 23 mit
den Verdunstungskörpern 3 verbunden,
die überdies
an ihrem unteren Ende auch an den Flüssigkeitsspeicher 4 angeschlossen
sind. Der Flüssigkeitsspeicher 4 und
der obere Wasservorrat 22 sind über einen Überlauf 25 miteinander
verbunden. Zur Regelung des Wasservorrates ist eine Regeleinheit 28 mit
dem Wasserzulauf 21 und dem Flüssigkeitsspeicher 4 verbunden.
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Der
auch als Kältespeicher
fungierende Flüssigkeitsspeicher 4,
der ebenso wie die Verdunstungskörper 3 in
einem Gehäuse 1 angeordnet
ist, ist seinerseits wiederum derart mit dem Kühlraum 12 verbunden,
daß die
im Flüssigkeitsspeicher 4 gespeicherte
Kälte in
den Kühlraum 12 übertragen
wird.
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Zur
Erzeugung von Energie ist an einer Kälteseite des Kühlraums 12 eine
Generatoreinheit 32 in Form eines Peltierelements angeordnet,
der die zwischen der Umgebung und dem Kühlraum 12 bestehenden
Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandelt.