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Die Erfindung betrifft eine Standklimaanlage mit einem Kältespeicher, der eine eine Porenstruktur aufweisende Kältespeichermatrix zur Aufnahme eines Kältespeichermediums aufweist.
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Derartige Klimaanlagen sind im Bereich des Kältespeichers im Allgemeinen mit zwei Wärmeübertragern ausgestattet. Der erste Wärmeübertrager steht mit einem Kältekreis in Verbindung. Indem durch diesen ersten Wärmeübertrager im Kältekreis abgekühltes Fluid strömt, wird der Kältespeicher geladen. Dieses Laden des Kältespeichers erfolgt insbesondere dadurch, dass ein in der Kältespeichermatrix vorliegendes Speichermedium, insbesondere Wasser, von seinem flüssigen in seinen festen Aggregatszustand übertritt. Um die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte nutzbar zu machen, wird dieser durch den zweiten Wärmeübertrager entladen. Dieser Wärmeübertrager führt ein Kältetransportmedium, beispielsweise Sole, das in dem zweiten Wärmeübertrager gekühlt wird, um dann außerhalb des Kältespeichers einem Kühlwärmeübertrager zugeführt zu werden. Dort kann beispielsweise den Kühlwärmeübertrager umströmende Luft abgekühlt werden.
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Klimaanlagen, die einen Kältespeicher aufweisen, können insbesondere in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, bei denen Kühlbedarf während des Stillstands des Verbrennungsmotors besteht. Dabei ist insbesondere an Nutzfahrzeuge mit Schlafkabinen und an Campingfahrzeuge zu denken. Ein wichtiger Einsatzbereich besteht aber auch im Zusammenhang mit der Stop-and-Go-Klimatisierung, die zum Ziel hat, die Funktion der Klimaanlage bei kurzzeitig ausgeschaltetem Verbrennungsmotor und damit inaktivem Klimaanlagenkompressor aufrechtzuerhalten.
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DE 197 53 601 A1 zeigt einen Kältespeicher zum Einsatz in einer Fahrzeugklimaanlage, umfassend ein nach außen hin isoliertes Kältespeichergehäuse, in dem ein aus ein Faservlies bestehender Speichermediumträger angeordnet ist. Durch den Speichermediumträger verlaufen parallel zueinander Leitungen zum Transport von Sole als Kältemittel von einem Zulauf zu einem Ablauf. In dem Speichermediumträger ist ein Kältespeichermedium vorgesehen, welches beispielsweise Wasser ist, und zur Speicherung von Kälte gefroren wird, indem die Sole bei niedrigerer Temperatur durch den Kältespeicher geführt wird und dabei die Wärme des Kältespeichermediums aufnimmt. In einem Ausführungsbeispiel ist ein als Kühlkreislauf definierbarer zweiter Solekreislauf vorgesehen, so dass eine getrennte Beladung und Entladung des Kältespeichers stattfindet.
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US 2005/0167169 A1 offenbart ein Temperaturmanagementsystem zur Erwärmung einer Autobatterie mit einem als Kältespeicher definierbaren Wärmetauscher, einem an den Kältespeicher angeschlossenen Fluidkreis für die Autobatterie und einem Kühlkreis für den Motor bzw. den Fahrzeuginnenraum, wobei ein Fluid in dem Fluidkreis zunächst durch einen Wärmetauscher und einen Ventilator gekühlt oder erwärmt wird, dann durch die Autobatterie und anschließend durch den Kältespeicher von einer Pumpe gepumpt wird. Dabei reguliert das Fluid die Temperatur der Autobatterie und nimmt Wärme in dem Kältespeicher auf. Der Kältespeicher ist von einem isolierenden Kältespeichergehäuse umgeben, in dem eine Kältespeicherkammer mit einem Kältespeichermedium und ein die Kältespeichermatrix umgebendes von dem Fluid durchströmtes Reservoir angeordnet sind, wobei der Fluidkreis in das Reservoir mündet. Die Kältespeicherkammer und das Reservoir sind voneinander fluiddicht getrennt. Der Fluidkreis besteht ferner im Inneren des Kältespeichers aus einer die Kältespeicherkammer serpentinenartig durchlaufenden Rohranordnung. Zu der Rohranordnung verläuft parallel eine weitere Rohranordnung des Kühlkreises. In dem Kühlkreis ist die Pumpe vorgesehen, die ein Kältetransportmedium durch einen Motor oder einen Motorkühler pumpt. In dem Motor bzw. dem Motorkühler wird Wärme von dem Kältetransportmedium abgegeben oder aufgenommen. Das Kältetransportmedium kann auch als Kältemedium definiert werden. Die Kühlanlage operiert unter drei verschiedenen von der Batterietemperatur abhängigen Konditionen: Kaltstart, normaler Modus und Warmmodus. Nur während des Kaltstarts oder während des normalen Modus ist der Fluidkreis mit dem Kältespeicher verbunden. Unter den Kaltstartbedingungen, die durch eine geringe Batterietemperatur gekennzeichnet sind, ist der Fluidkreis mit dem Kältespeicher verbunden, wobei die Pumpe das Fluid durch den Kältespeicher pumpt. Unter Normalbedingungen ist die Pumpe ausgeschaltet, es kommt also nicht zu einer Temperaturänderung in dem Fluidkreis, bzw. der Fluidkreis nimmt keine Wärme von dem Kältespeicher auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und effizient arbeitende Klimaanlage mit einem Kältespeicher zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung besteht in einer Klimaanlage mit einem Kältespeicher, der eine eine Porenstruktur aufweisende Kältespeichermatrix zur Aufnahme eines Kältespeichermediums aufweist, einem Kältekreis zur Erzeugung von Kälte, einem Kältekreiswärmeübertrager zur Übertragung von in dem Kältekreis erzeugter Kälte in den Kältespeicher, einem Kältespeichergehäuse, das den Kältekreiswärmeübertrager, den Kältespeicher und ein den Kältespeicher zumindest teilweise einbettendes Kältemedium enthält, wobei das Kältemedium einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kältespeichermedium hat, und einem in einem Kühlkreis angeordneten Kühlkreiswärmeübertrager zur Übertragung von Kälte an die Umgebung, wobei der Kühlkreiswärmeübertrager außerhalb des Kältespeichergehäuses angeordnet und von einem Kältetransportmedium durchströmbar ist. Indem der Kältespeicher in dem im Allgemeinen flüssigen Kältemedium eingebettet ist, kommt es zu einer vorteilhaft raschen Verteilung der im Kältekreis erzeugten Kälte auf den Kältespeicher, das heißt beim Ladevorgang, beziehungsweise der dem Kältespeicher entnommenen Kälte, wenn dieser entladen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das den Kältespeicher zumindest teilweise einbettende Kältemedium den Kühlkreiswärmeübertrager als Kältetransportmedium durchströmt. Eine solche Klimaanlage kommt mit einem einzigen Wärmeübertrager im Bereich des Kältespeichers aus. Ein zweiter Wärmeübertrager zum Führen des Kältetransportmediums, das heißt insbesondere der Sole, ist nicht erforderlich. Vielmehr ist der Kältespeicher zumindest teilweise in das Kältetransportmedium eingebettet – der Kältespeicher ”schwimmt” in dem Kältetransportmedium. Da das Kältetransportmedium einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kältespeichermedium aufweist, kann das Kältespeichermedium vollständig im festen Aggregatszustand vorliegen, während das Kältetransportmedium nach wie vor flüssig ist. Ausgehend von diesem Zustand kann dann ein Entladen des Kältespeichers dadurch erfolgen, dass ein Kühlkreiswärmeübertrager außerhalb des Kältespeichergehäuses von dem Kältetransportmedium durchströmt wird.
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Gemäß eine weiteren Ausführungsform der Erfindung ist diese in der Weise ausgebildet, dass das den Kühlkreiswärmeübertrager durchströmende Kältetransportmedium einen von dem Kältemedium zumindest teilweise eingebetteten Wärmetauscher durchströmt, wobei sich das Kältetransportmedium nicht mit dem Kältemedium vermischt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kältespeichermedium Wasser ist und dass das Kältemedium Wasser mit einem den Schmelzpunkt erniedrigenden Zusatz ist. Bei dem Zusatz kann es sich zum Beispiel um Glykol handeln.
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Nützlicherweise ist vorgesehen, dass in dem Kühlkreis eine Pumpe angeordnet ist. Auch wenn jegliche Mittel zum Bereitstellen einer Zirkulation des Kältetransportmediums durch den Kühlkreiswärmeübertrager und den Kältespeicher geeignet sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz zu kommen, stellt eine Pumpe eine besonders einfache Lösung dar. Insbesondere kann eine solche Pumpe mit vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme arbeiten, da, gemessen an herkömmlichen Lösungen mit einem Solewärmeübertrager, ein geringerer Strömungswiderstand zu überwinden ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine dem Kältetransportmedium zugewandte Oberfläche der Kältespeichermatrix undurchlässig für das Kältespeichermedium und das Kältemedium ist. Hierdurch wird eine Vermischung des Kältetransportmediums mit dem Kältespeichermedium verhindert.
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Dies kann so realisiert sein, dass die dem Kältemedium zugewandte Oberfläche der Kältespeichermatrix durch eine die Kältespeichermatrix umhüllende Zwischenschicht für das Kältespeichermedium und das Kältemedium undurchlässig ist. Die Kältespeichermatrix kann beispielsweise durch Grafitplatten oder Metallschaumplatten gebildet sein. Hierdurch steht eine Porenstruktur zur Verfügung, die das Kältespeichermedium aufnimmt. Um ein Austreten des Kältespeichermediums aus dem Kältespeicher zu verhindern und um ferner ebenfalls ein Eintreten des Kältetransportmediums in den Kältespeicher zu vermeiden, kann eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die die Kältespeichermatrix vollständig umhüllt, beispielsweise eine Kunststofffolie.
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Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die dem Kältemedium zugewandte Oberfläche der Kältespeichermatrix durch partielles Verschließen der Porenstruktur für das Kältespeichermedium und das Kältemedium undurchlässig ist. Bei einer Kältespeichermatrix aus Metallschaum ist es beispielsweise möglich, die äußere Oberfläche durch ein Verschweißen der Porenstruktur abzudichten, so dass auf diese Weise ein Austausch von Flüssigkeit zwischen dem Innenbereich und dem Außenbereich der Kältespeichermatrix verhindert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kältespeichermatrix durch mehrere gestapelte Platten gebildet ist, wobei der Kältekreiswärmeübertrager Flachrohre aufweist, die die Platten serpentinenartig umlaufen. Auf diese Weise wird eine große Wärmeaustauschfläche zwischen den Flachrohren des Kältekreiswärmeübertragers und dem Kältespeichermedium zur Verfügung gestellt.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Anordnung aus Platten und Kältekreiswärmeübertrager insgesamt von der für das Kältespeichermedium und das Kältemedium undurchlässigen Zwischenschicht umgeben ist. Die Anordnung aus Platten und Kältekreiswärmeübertrager bildet somit insgesamt eine offene Struktur, wobei die äußeren Oberflächen der Platten durchlässig für die beteiligten Flüssigkeiten sind. Um einen Austausch der Flüssigkeit zwischen dem Speicherbereich und dem Kältetransportkreis zu vermeiden, ist die Anordnung aus Platten und Kältekreiswärmeübertrager insgesamt flüssigkeitsdicht verpackt.
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Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Platten einzeln mit einer Oberfläche ausgestattet sind, die für das Kältespeichermedium und das Kältemedium undurchlässig ist. Die Rohre des Kältekreiswärmeübertragers können dabei ohne weiteres mit dem Kältetransportmedium in Kontakt treten, da ein Austausch von Flüssigkeit zwischen dem Speicher und dem Kältetransportkreis durch eine entsprechende Auslegung der Oberflächen der einzelnen Platten zur Verfügung gestellt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kältespeicher zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Klimaanlage, mit einer eine Porenstruktur aufweisenden Kältespeichermatrix zur Aufnahme eines Kältespeichermediums, einem Kältekreiswärmeübertrager zur Übertragung von in einem Kältekreis erzeugter Kälte in den Kältespeicher, einem Kältespeichergehäuse, das den Kältekreiswärmeübertrager, den Kältespeicher und ein den Kältespeicher zumindest teilweise einbettendes Kältemedium enthält, wobei das Kältemedium einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kältespeichermedium hat, und Anschlüssen zum Anbinden des Kältespeichers an einen Kältekreis sowie einen Kühlkreis.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältespeichers kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse zur Anbindung an den Kühlkreis mit einem Reservoir für das Kältemedium in dem Kältespeicher in Verbindung stehen, so dass das Kältemedium als Kältetransportmedium in dem Kühlkreis arbeitet.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältespeichers kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse zur Anbindung an den Kühlkreis mit einem in dem Kältemedium zumindest teilweise eingebetteten, ein Kältetransportmedium führenden Wärmetauscher in Verbindung stehen, wobei sich das Kältetransportmedium nicht mit dem Kältemedium vermischt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimaanlage;
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2 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kältespeicher und
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3 eine teilweise geschnittene Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimaanlage.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimaanlage. 2 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kältespeicher. Die Klimaanlage 10 umfasst einen Kältespeicher 12. Der Kältespeicher 12 weist ein Gehäuse 18 auf. Dieses Gehäuse 18 kann als Wärmeisolationsgehäuse aufgebaut sein. Innerhalb des Gehäuses 18 ist eine Kältespeichermatrix 38 angeordnet, die aus mehreren Platten 28 besteht. Die Platten 28 werden von einem Kältekreiswärmeübertrager 16 serpentinenartig umlaufen. An dem Kältekreiswärmeübertrager 16 sind Anschlüsse 34, 36 vorgesehen, die zu einem herkömmlichen Kältekreis 14 führen. Zwischen der Kältespeichermatrix 38 und dem Gehäuse 18 ist ein Reservoir 40 gebildet, das mit einem Kältetransportmedium gefüllt ist. Dieses Kältetransportmedium hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kältespeichermedium, welches in der Kältespeichermatrix 38 vorliegt. Um das Kältetransportmedium vom Kältespeichermedium zu trennen, sind entweder die einzelnen Platten 28 der Kältespeichermatrix flüssigkeitsundurchlässig gestaltet, sei es durch eine Zwischenschicht oder durch ein Verschließen der porösen Struktur, oder die gesamte Anordnung aus Kältespeichermatrix 38 und Kältekreiswärmeübertrager 16 ist flüssigkeitsdicht verpackt. Das Reservoir 40 mit dem Kältetransportmedium steht über Anschlüsse 30, 32 mit einem Kühlkreis 24 in Verbindung. Dieser enthält eine Pumpe 26 und einen Kühlkreiswärmeübertrager 22. Dem Kühlkreiswärmeübertrager 22 ist ein Gebläse 42 zugeordnet.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Klimaanlage 10 ist zwischen einer Ladephase und einer Entladephase zu unterscheiden. Während der Ladephase arbeitet der Kältekreis 14, so dass Wärmeenergie aus dem Kältespeicher abtransportiert wird. Letztlich führt dies zum Einfrieren des in der Kältespeichermatrix 38 gespeicherten Kältespeichermediums, während das Kältetransportmedium, welches in dem Reservoir 40 zwischen der Kältespeichermatrix 38 und dem Gehäuse 18 angeordnet ist, aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes im flüssigen Aggregatszustand verbleibt. Wenn das Kältespeichermedium in der Kältespeichermatrix 38 vollständig eingefroren und das Kältetransportmedium noch flüssig ist, was beispielsweise durch einen in dem Reservoir 40 angeordneten Temperatursensor erfasst werden kann, ist der Ladevorgang des Kältespeichers 12 beendet. Zum Entladen des Speichers wird das flüssige Kältetransportmedium aus dem Reservoir 40 über den Anschluss 30 mittels Betätigung der Pumpe 26 entnommen und über den Kühlkreiswärmeübertrager 22 und den Anschluss 32 wieder in das Reservoir 40 zurückgeführt. Die dem Kältespeicher 12 entnommene Kälte kann dann durch Betrieb des Gebläses 42 am Kühlkreiswärmeübertrager 22 zur Kühlung eines beliebigen Bereiches genutzt werden.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimaanlage. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der 1 und 2 ist der Kühlkreis hier mit einem Kühlkreiswärmetauscher 44 ausgestattet, der innerhalb des Kältespeichers 12 angeordnet und zumindest teilweise von Kühlmedium 20 eingebettet ist. Der geschlossene Kühlkreis weist einen Ausgleichsbehälter 46 auf. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird zwar, anders als bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, der Wärmetauscher 44 nicht eingespart, aufgrund der Einbettung der Kältespeichermatrix 38, des Kältekreiswärmeübertragers 16 und des Kühlkreiswärmetauschers 44 in das flüssige Kältemedium 20 erfolgt aber eine vorteilhaft rasche Verteilung der Wärme beziehungsweise Kälte im System.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Klimaanlage
- 12
- Kältespeicher
- 14
- Kältekreis
- 16
- Kältekreiswärmeübertrager
- 18
- Kältespeichergehäuse
- 20
- Kältemedium
- 22
- Kühlkreiswärmeübertrager
- 24
- Kühlkreis
- 26
- Pumpe
- 28
- Platte
- 30
- Anschluss
- 32
- Anschluss
- 30'
- Anschluss
- 32'
- Anschluss
- 34
- Anschluss
- 36
- Anschluss
- 38
- Kältespeichermatrix
- 40
- Reservoir
- 42
- Gebläse
- 44
- Kühlkreiswärmetauscher
- 46
- Ausgleichsbehälter
