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Die
Erfindung betrifft ein Sorptions-Kühlelement mit einem
Regelorgan und mit einer gasdichten Mehrschicht-Folie zum Kühlen
bei welchem durch Verdampfung eines Arbeitsmittels und anschließender
Sorption des Arbeitsmitteldampfes in einem Sorptionsmittel unter
Vakuum Kälte erzeugt wird. Der Verdampfer ist dabei flexibel
aufgebaut, um an diverse Kühlaufgaben angepasst werden
zu können.
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Sorptions-Kühlelemente
sind Apparate, in denen ein festes Adsorptionsmittel ein zweites,
bei tieferen Temperaturen siedendes Mittel, das Arbeitsmittel, dampfförmig
unter Wärmefreisetzung sorbiert (Sorptionsphase). Das Arbeitsmittel
verdampft dabei in einem Verdampfer unter Wärmeaufnahme.
Nachdem das Adsorptionsmittel gesättigt ist, kann es durch
Wärmezufuhr bei höherer Temperatur wieder desorbiert
werden (Desorptionsphase). Dabei dampft Arbeitsmittel aus dem Adsorptionsmittel
ab. Der Arbeitsmitteldampf kann rückverflüssigt
werden und anschließend erneut verdampfen.
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Adsorptionsapparate
zum Kühlen mit festen Sorptionsmitteln sind aus der
EP 0 368 111 und der
DE-OS 34 25 419 bekannt.
Sorptionsmittelbehälter, gefüllt mit Sorptionsmitteln,
saugen dabei Arbeitsmitteldampf, welcher in einem Verdampfer entsteht,
ab und sorbieren ihn unter Wärmefreisetzung. Die Sorptionswärme
muss dabei aus dem Sorptionsmittel abgeführt werden. Die
Kühlapparate können zum Kühlen und Warmhalten
von Lebensmitteln in thermisch isolierten Boxen eingesetzt werden.
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Die
WO 01/10738 A1 beschreibt
eine selbstkühlende Getränkedose bei der ein Verdampfer
innerhalb und ein Sorber außerhalb der Dose angeordnet
sind. Die Kühlung wird durch Öffnen eines Dampfkanals
zwischen Verdampfer und Sorber gestartet. Die im Verdampfer erzeugte
Kälte wird über dessen Oberflächen an
das zu kühlende Getränk innerhalb der Dose abgegeben.
Die im Sorptionsmittel entstehende Wärme wird in einem
Wärmepuffer gespeichert. Die selbstkühlende Getränkedose
ist gegenüber einer gewöhnlichen Dose stark modifiziert und
in der Herstellung teuer.
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Weitere,
mehr theoretische Ausgestaltungen selbstkühlender Gebinde
sind in der
WO 99/37958 A1 zusammengestellt.
Kostengünstig ist keine der Vorrichtungen umzusetzen und
zu fertigen.
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Die
US 6 474 100 B1 beschreibt
schließlich ein selbstkühlendes Kühlelement
an der Außenseite eines Beutels für Flüssigkeiten
oder Schüttgüter. Das Sorptions mittel ist dabei
in einer flexiblen, mehrlagigen Folie eingeschlossen. Der Kontakt
zur heißen Sorptionsfüllung ist durch Isolations-
und Strömungsmaterialien sowie durch dazwischenliegende
Wärmespeichermassen auf ein Minimum reduziert. Der Temperaturausgleich
zwischen der heißen Sorberfüllung und dem kalten
Verdampfer, die sich großflächig gegenüberliegen,
muss durch eine aufwändige Isolierung reduziert werden.
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Die
DE 10 2005 034297
A1 beschreibt ein Sorptions-Kühlelement mit gasdichter
Folie bei welchem ein Sorptionsmittel in einem gasdichten Sorptionsmittelbeutel
eingefüllt ist, der zum Starten der Kühlfunktion
mittels Schneidwerkzeug durchtrennt wird. Eine Regelung der Kühlleistung
ist damit nicht möglich.
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Aufgabe
der Erfindung sind kostengünstige Sorptions-Kühlelemente
zur einmaligen Verwendung bei welchen die Kühlung regelbar
ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche
1 und 24. Die abhängigen Ansprüche zeigen weitere
erfinderische Kühlelemente auf.
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Erfindungsgemäß werden
die Einzelkomponenten eines Kühlelementes in eine gasdichte,
flexible Mehrschicht-Folie unter Vakuum so eingesiegelt, dass der
aus dem flüssigen Arbeitsmittel abströmende Arbeitsmitteldampf
nur durch den Arbeitsmitteldampfkanal und das Regelorgan zum Sorptionsmittel strömen
kann. Die durch den äußeren Luftdruck erzeugten
Verformungskräfte müssen ausreichen, die Mehrschicht-Folie
so um die Einzelkomponenten zu schmiegen, dass für den
Arbeitsmitteldampf kein Seitenweg offen bleibt, das Regelorgan zu
umgehen. Die Einzelkomponenten müssen somit nicht miteinander
gasdicht verbunden werden. Sie sind lediglich in einen aus der Mehrschicht-Folie
hergestellten Beutel einzulegen und solange zu fixieren bis sich der
Beutel unter Vakuum fest um die Komponenten legt und lediglich der
Arbeitsmitteldampfkanal offen bleibt.
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Erfindungsgemäß kann
das Regelorgan leicht durch Verformen der Mehrschicht-Folie geöffnet
und verschlossen werden. Aufwändige Vakuumdurchführungen
sind deshalb nicht notwendig.
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Besonders
vorteilhaft kann das Regelorgan aus einem Ventilsitz und einer darauf
abgestimmten Dichtfläche gebildet werden. Über
einen Hebelmechanismus kann durch die Mehrschicht-Folie hindurch
das Regelorgan geöffnet und geschlossen und falls erforderlich
auch zur Leistungsregelung eingesetzt werden. Um die Dichtfläche
auf den Ventilsitz zu pressen sind keine weiteren Federelemente
notwendig, wenn die flexible Folie so auf der Dichtfläche
anliegt, dass der äußere Luftdruck geeignet auf
das Ventil einwirken kann.
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Vorteilhaft
ist es für die Arbeitsmitteldampfkanäle Schläuche
einzusetzen, die zwar dem äußeren Überdruck
standhalten, nicht aber einem zusätzlichen Druck, z. B.
erzeugt von einem Quetschwerkzeug, das von außen auf die
Mehrschicht-Folie einwirkt und den Schlauch so stark quetscht, dass
der Strömungsweg blockiert wird.
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Ein
weiteres sehr kostengünstiges Regelorgan wird dann gebildet,
wenn das Sorptionsmittel innerhalb eines separaten Beutels eingesiegelt
ist. Wird dieser Beutel an der Kontaktstelle zum Arbeitsmitteldampfkanal
mittels scharfkantigem Schneidwerkzeug durchstoßen, ist
ebenfalls das Regelorgan geöffnet. Das Schneidwerkzeug
kann selbstverständlich auch zwischen Mehrschicht-Folie
und separatem Beutel eingelegt sein. Für die Auslösung muss
dann die äußere Folie an der betreffenden Stelle
verformbar sein ohne selbst undicht zu werden.
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Das
Regelorgan kann neben dem eigentlichen Verschlusselement auch um
ein Thermostatventil erweitert sein. Mit Hilfe des Thermostatventils kann
die Temperatur des Verdampfers auf einer Regeltemperatur gehalten
werden. Bei höheren Temperaturen gibt das Thermostatventil
den Weg des Arbeitsmitteldampfes zum Sorptionsmittel frei, bei zu tiefen
Temperaturen verschließt das Thermostatventil den Weg.
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Als
Thermostat eignen sich alle bekannten Elemente, die bei einer Temperaturänderung
eine Wegänderung nach sich ziehen. Am bekanntesten sind
hier Dehnkörper und Bi-Metalle. Auch Memory-Legierungen
können vorteilhaft eingesetzt werden. Besonders kostengünstig
lassen sich Spiralen aus Bi-Metall für das Regelorgan verwenden.
Hiermit sind Temperaturschwankungen von weniger als 0,1 Kelvin erreichbar.
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Durch
den Einbau eines Thermostatventils können die Kühlelemente
besonders vorteilhaft zur temperaturgeführten Kühlung
von Transport-Isolationsbehältern eingesetzt werden. Isolierte
Transportbehälter dienen z. B. zum Versand temperaturempfindlicher
Lebensmittel oder pharmazeutischer Waren zwischen +2 und +8°C.
Mit erfindungsgemäßen Kühlelementen ausgerüstete,
isolierte Transportbehälter sind über einen beliebig
langen Zeitraum lagerfähig. Zum Starten der Kühlfunktion
muss lediglich das Regelorgan geöffnet und das zu kühlende
Produkt in den Innenraum gepackt werden. Das Thermostatventil regelt
daraufhin den Innenraum in einem engen Temperaturfenster, unabhängig
von der gerade herrschenden Außentemperatur über
mehrere Tage. Da auch der Isolationsbehälter aus preiswertem Material
(z. B. Polystyrol) hergestellt sein kann, kann auf einen oftmals
teuren Rücktransport verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß können
alle Innenwände eines Isolierbehälters mit Verdampferflächen
belegt werden. Die Innenraumtemperatur ist dann auch bei stark schwankenden
Außentemperaturen sehr homogen. Da der Verdampfer erfindungsgemäß flexibel aufgebaut
ist, kann zumindest ein Verdampferbereich klappbar gestaltet sein.
Dieser Bereich kann bei Bedarf aufgeklappt werden und den vollen
Zugriff auf das Innenvolumen gewähren.
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Unter
Vakuum müssen alle Strömungskanäle zum
Sorptionsmittel erhalten bleiben. Hierfür sind Abstandshalter
vorgesehen, die den Arbeitsmitteldampf von der flüssigen
Arbeitsmittelmenge ungehindert abströmen lassen und zugleich
die kalten Flächen gut wärmeleitend mit der Folie
kontaktieren.
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Erfindungsgemäß werden
hierfür flexible Abstandshalter aus Kunststoff eingesetzt,
die der jeweiligen Kühlaufgabe angepasst sind. Voraussetzung
ist allerdings, dass die Kunststoff-Abstandshalter während
der Lagerzeit nicht ausgasen und das Vakuum verschlechtern. Von
Vorteil ist, wenn als Kunststoff Polycarbonat, Polyamid oder Polypropylen
zum Einsatz kommen, da diese Werkstoffe vor bzw. während des
Fertigungsprozesses auf höhere Temperaturen erhitzt und
entgast werden können.
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Abstandshalter
aus Kunststoff können nach bekannten Fertigungsverfahren
wie Tiefziehen, Extrudieren oder Thermoblasen kostengünstig
hergestellt werden. Vorteilhafter Weise ist bei dem Herstellprozess
darauf Wert zulegen, dass keine später ausgasenden Stoffe
wie etwa Weichmacher zugesetzt werden.
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Bei
den heute in Gebrauch befindlichen Thermotransportbehältern
wird das Transportgut mittels Eisakkus gekühlt, die innerhalb
des Behälters angeordnet sein müssen. Da diese
Eisakkus ein Vielfaches des Volumens eines erfindungsgemäßen
Verdampfers einnehmen, wird einerseits das Innenvolumen deutlich
verkleinert, oder andererseits ein größerer Isolierbehälter
notwendig. Größere Behälter haben wiederum
mehr Außenflächen über die mehr Wärme
in den Innenraum einfließt, die wiederum über
größere Eisakkus gepuffert werden muss.
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Die
Anwendungsbereiche sind aber nicht auf isolierte Behältnisse
beschränkt. Prinzipiell kann jeder Gegenstand mit erfindungsgemäßen
Kühlelementen ausgestattet werden. Vorteilhaft ist z. B.
die Kühlung von Zelten, bei welchen sogar ganze Zeltwände
durch erfindungsgemäße Kühlelemente ersetzt
werden können. Die Kühlung von Patienten oder
Verletzten in heißer Umgebung oder zur Reduzierung der
Körpertemperatur ist ebenso möglich wie eine Nutzung
als Kühlweste, Kühlanzug oder Atemkühler.
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Prinzipiell
wird der Einsatzort überall dort zu finden sein, wo heute
Kühl-Akkus bzw. Eis-Akkus eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen
Kühlelemente sind gegenüber den Kühl-
und Eis-Akkus beliebig lange lagerfähig und der zu kühlenden
Aufgabe anpassbar, da der Verdampfer flexibel gestaltet ist.
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Sorptionsmittel
können beim Sorptionsprozess Temperaturen von über
100°C erreichen. Für derartig hohe Temperaturen
sind die auf dem Verpackungssektor üblicherweise eingesetzten
Mehrschicht-Folien nicht immer geeignet. Insbesondere die für
die Versiegelung verwendeten Polyethylen-Schichten werden bereits
bei 80°C weich und lassen die Hülle unter Vakuum
undicht werden. Eine Siegelschicht aus Polypropylen kann hingegen
deutlich höheren Temperaturen widerstehen. Ihr Schmelzpunkt
liegt bei über 150°C.
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In
Kombination mit hohen Temperaturen können scharfe Kanten,
Ecken und Spitzen des Sorptionsmittelgranulats in den Folien unzulässige Leckagen
hervorrufen. Dieser Gefahr kann durch mindestens eine Polyester-
bzw. Polyamidschicht innerhalb der Mehrschicht-Folie begegnet werden.
Polyamidfolien sind besonders reiß- und stichfest. Die eigentliche
Gasbarriere wird durch eine Lage dünner Metallfolie oder
einer metallisierten Schicht sicher gestellt. Bewährt haben
sich hierfür dünne Aluminiumfolien mit einer Schichtdicke
ab 8 μm. Weniger dicht sind metallisierte Kunststofffolien.
Dennoch ist bei kurzen Lagerzeiträumen auch der Einsatz
dieser metallisierten Folien möglich, zumal sie gegenüber den
Metallfolien preiswerter herzustellen sind.
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Die
einzelnen Schichten einer Mehrschicht-Folie sind durch Kleber miteinander
verbunden. Übliche Kleber enthalten Lösungsmittel,
die beim Verkleben nicht restlos aus der Kleberschicht entfernt
werden. Über längere Zeiträume, diffundieren
diese Lösungsmittel dann durch die innenliegenden Schichten,
und beeinträchtigen das Vakuum innerhalb des Kühlelementes.
Die Diffusion wird bei höheren Temperaturen, wie sie beim
Sorptions- und Herstellungsprozess der Kühlelemente auftreten, verstärkt.
Die zum Einsatz kommenden Kleber müssen deshalb ebenfalls
für hohe Temperaturen ausgelegt sein.
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Vorteilhaft
kommen Mehrschicht-Folien mit einer Polyamidschichtdicke von 12
bis 50 μm, einer Aluminiumschichtdicke von 6 bis 12 μm
und einer Polypropylenschichtdicke von 50 bis 100 μm zum
Einsatz. Verwendung finden derartige Folien z. B. zum Verpackung
von Lebensmitteln, die nach dem Abpacken zur Haltbarmachung bei
Temperaturen von über 120°C sterilisiert werden.
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Erfindungsgemäße
Mehrschicht-Folien sind z. B. über die Firma Wipf AG in
Volketswil, Schweiz oder der Fa. PAWAG Verpackungen G. m. b. H.,
Wolfurt, Osterreich zu beziehen. Beim Einsatz derartiger Folien
sind Kühlelemente mit einer Leckrate von weniger als 1 × 10
hoch –8 mbarl/sec möglich. Die Lagerfähigkeit
erreicht damit mehrere Jahre, ohne dass die Kühlbereitschaft
beeinträchtigt wird.
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Das
Verschweißen (Versiegeln) von Mehrschicht-Folien zu Beuteln
und das Abfüllen von Schüttgut sowie das anschließende
Evakuieren sind in der Lebensmittelbranche Stand der Technik.
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Unzählige
Beutelgrößen und -formen sind dort im Einsatz.
Besonders erwähnt seien Standbeutel, Beutel mit Ausgießöffnungen,
Beutel mit Kartonagenverstärkung, Aufreißbeutel,
Beutel mit Peeleffekt zum leichteren Öffnen und Beutel
mit Ventilen. Sie alle können mit Ihren spezifischen Eigenschaften
für die erfindungsgemäßen Kühlelemente
von Vorteil sein.
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Beim
Abfüllen von festem Sorptionsmittel in Beuteln entsteht
Staub, der sich an den Folieninnenflächen ablagert. Staub
auf den späteren Siegelstellen kann zu Leckagen führen,
wenn die Staubschicht gegenüber der Polypropylenschicht
zu dick ist. Polypropylenschichtdicken von 50 bis 100 μm
reichen aus, um feine Staubkörnchen in die Polypropylenschicht
sicher und vakuumdicht einzuschmelzen.
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Bei
Verwendung erfindungsgemäßer Folien ist es möglich,
heißes, scharfkantiges und Staub freisetzendes Sorptionsmittel
ohne weitere schützende Zwischenlagen direkt unter Vakuum
zu umhüllen und über einen mehrjährigen
Zeitraum zu lagern, ohne dass aus dem Folienmaterial selbst oder
durch dieses hindurch Fremdgase in das Kühlelement gelangen,
welche die Sorptionsreaktion beeinträchtigen oder gar ganz
unterbinden.
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Als
Sorptionsmittel kommt vorteilhaft Zeolith zum Einsatz. Dieser kann
in seiner regelmäßigen Kristallstruktur bis zu
36 Massen-% Wasser reversibel sorbieren. Bei der erfindungsgemäßen
Anwendung beträgt die technisch realisierbare Wasseraufnahme
ca. 20 bis 25%. Zeolithe haben auch bei relativ hohen Temperaturen
(über 100°C) noch ein beträchtliches
Wasserdampf-Sorptionsvermögen und eignen sich deshalb besonders
für den erfindungsgemäßen Einsatz.
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Zeolith
ist ein kristallines Mineral, das in einer Gerüststruktur
Silizium- und Aluminiumoxide enthält. Die sehr regelmäßige
Gerüststruktur enthält Hohlräume, in
welchen Wassermoleküle unter Wärmefreisetzung
sorbiert werden können. Innerhalb der Gerüststruktur
sind die Wassermoleküle starken Feldkräften ausgesetzt,
deren Stärke von der bereits in der Gerüststruktur
enthaltenen Wassermenge und der Temperatur des Zeolithen abhängt.
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In
der Natur vorkommende, natürliche Zeolithtypen nehmen deutlich
weniger Wasser auf. Pro 100 g natürlicher Zeolith werden
nur 7 bis 11 g Wasser sorbiert. Diese reduzierte Wasseraufnahmefähigkeit
liegt zum einen an deren spezifischen Kristallstrukturen und zum
anderen an nicht aktiven Verunreinigungen des Naturproduktes. Für
Kühlelemente, die während einer längeren
Kühlperiode auch die Möglichkeit haben, die Sorptionswärme über
die Hülle abzugeben, sind deshalb synthetische Zeolithe
mit ihrem größeren Sorptionsvermögen
zu bevorzugen. Für Kühlelemente mit hoher Kühlleistung
und/oder kurzer Kühlzeit, bei der das Sorptionsmittel relativ heiß bleibt,
kommen erfindungsgemäß auch natürliche
Zeolithe zum Einsatz. Bei hohen Sorptionsmitteltemperaturen sind
nämlich synthetische Zeolithe gegenüber den natürlichen
nicht mehr im Vorteil. Typischerweise können beide Arten
bei gehemmter Abgabe der Sorptionswärme und damit einhergehenden
hohen Sorptionsmitteltemperaturen von über 100°C
lediglich 4 bis 5 g Wasserdampf pro 100 g trockener Sorptionsmittelmasse
sorbieren. Wirtschaftlich sind für diesen Einsatzfall sogar
die natürlichen Vertreter deutlich im Vorteil, da deren
Preis erheblich niedriger ist.
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Natürliche
Zeolithe haben noch einen weiteren Vorteil. Die nichtaktiven Beimengungen
liegen typischerweise bei 10 bis 30%. Sie sind zwar nicht aktiv an
der Kälteerzeugung beteiligt, dennoch werden sie von den
benachbarten Zeolithkristallen mit aufgeheizt. Sie wirken damit
wie ein zusätzlich eingebauter, preiswerter Wärmepuffer.
Die Folge ist, dass die Zeolithfüllung weniger heiß wird
und damit bei niedrigeren Temperaturen zusätzlichen Wasserdampf
sorbie ren kann.
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Natürliches
Zeolithgranulat besteht aus gebrochenen bzw. gequetschten Bruchstücken
und besitzt deshalb scharfe und spitzige geometrische Formen, die
unter Vakuum und erhöhten Temperaturen die Mehrschicht-Folien
durchstechen oder durchschneiden können.
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Unter
den ca. 30 unterschiedlichen, natürlichen Zeolithen sind
die folgenden für die erfindungsgemäßen
Kühlelemente vorteilhaft einzusetzen: Clinoptilolite, Chabazite,
Mordenite und Phillipsite.
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In
der Natur vorkommende Stoffe können auch ohne Umweltauflagen
wieder der Natur zugeführt werden. Natürliche
Zeolithe können nach ihrem Einsatz in Kühlelementen
z. B. als Bodenverbesserer, als Flüssigkeitsbinder oder
zur Verbesserung der Wasserqualität in stehenden Gewässern
eingesetzt werden. Von den synthetischen Zeolithtypen sind die Typen
A, X und Y, jeweils in ihrer preisgünstigen Na-Form zu
empfehlen.
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Neben
der Kombination Zeolith/Wasser sind auch andere feste Sorptionspaarungen
für den Einsatz in erfindungsgemäßen
Kühlelementen möglich. Besonders erwähnt
seien Bentonite und Salze, die ebenfalls mit dem Arbeitsmittel Wasser
geeignete Kombinationen darstellen. Auch Aktivkohle kann in Kombination
mit Alkoholen eine vorteilhafte Lösung darstellen. Da auch
diese Stoffpaarungen im Unterdruck arbeiten, können sie
in erfindungsgemäßen Mehrschicht-Folien eingeschweißt
werden.
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Erfindungsgemäß ist
die Sorptionsmittelmenge so zu dimensionieren und so anzuordnen, dass
für den einströmenden Wasserdampf nur ein minimaler
Druckabfall innerhalb des Sorptionsmittels überwunden werden
muss. Dabei sollte der Druckabfall insbesondere bei Wasser als Arbeitsmittel
weniger als 5 mbar betragen. Zudem muss das Sorptionsmittel dem
zuströmenden Arbeitsmitteldampf ausreichend Oberfläche
zur Anlagerung bieten. Um eine gleichmäßige Sorption
innerhalb des Sorptionsmittels und einen geringen Druckabfall zu
gewährleisten, haben sich besonders Sorptionsmittel-Granulate bewährt.
Granulatdurchmesser zwischen 2 und 10 mm zeigen dabei die besten
Resultate. Diese sind problemlos abzupacken und bilden nach dem
Evakuieren einen harten, druck- und formstabilen Sorptionsmittel-Formkörper,
der die beim Evakuieren aufgezwungene Form beibehält. Um
dennoch mit den formstabilen Sorptionsmittel-Formkörpern
variable Geometrien darstellen zu können, wird erfindungsgemäß das
Sorptionsmittel in mehrere, nur über Dampfströmungskanäle
verbundene Bereiche eingefüllt. Die einzelnen festen Bereiche
lassen sich dann, sofern der Dampfkanal weiterhin flexibel aufgebaut
ist, gegeneinander verschieben, falten und stapeln um z. B. beengten
Platzverhältnissen genüge zu leisten und dennoch
eine gute Luftumströmung zu ermöglichen.
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Vorteilhaft
sind auch aus Zeolithpulver vorgeformte, formbeständige
Zeolithblöcke, in die bereits die Strömungskanäle
eingearbeitet sein können und deren Formgebung der gewünschten
Kühlelement-Geometrie angepasst ist. Die stabilen Zeolithblöcke
können im Bereich des Arbeitsmitteldampfkanals Hohlräume
aufweisen, um die Strömung nicht zu behindern.
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Bei
der Sorptionsreaktion wird Sorptionswärme frei, die das
Sorptionsmittel erhitzt. Die Aufnahmefähigkeit für
Wasser nimmt bei höheren Sorptionsmitteltemperaturen stark
ab. Um eine hohe Kühlleistung über einen längeren
Zeitraum aufrecht zu erhalten, ist es sinnvoll, das Sorptionsmittel
zu kühlen. Bei direktem Kontakt des Sorptionsmittels mit
der Mehrschicht-Folie kann entstehende Sorptionswärme ungehindert
durch die Folie hindurch nach außen abgeführt
werden. In aller Regel wird die Wärme an die umgebende
Luft abgeleitet werden. Sehr effizient ist es auch, den Sorptionsbehälter
mit Wasser zu kühlen.
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Da
der Wärmeübergang an eine Luftströmung
von der Außenseite des Sorptionsmittel-Beutels in der gleichen
Größenordnung liegt wie der Wärmeübergang
eines Sorptionsmittel-Granulates an die Innenseite des Beutels,
empfehlen sich prinzipiell große Folienoberflächen
ohne Berippung, wie beispielsweise Zylinder-, Platten- oder Rohrgeometrien. Da
insbesondere Zeolithgranulate eine geringe Wärmeleitung
haben, sind die Sorptionsbehälter so auszulegen, dass der
durchschnittliche Wärmeleitungsweg innerhalb des Sorptionsmittels
5 cm nicht übersteigt.
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Alle
Anwendungen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlelement über
einen unbestimmten Zeitraum bei beliebigen Umgebungstemperaturen
gelagert wird. Zum Startzeitpunkt der Kühlwirkung wird
das Regelorgan geöffnet. Arbeitsmitteldampf kann ab diesem
Zeitpunkt zum Sorptionsmittel strömen und von diesem angelagert
werden. Das Sorptionsmittel wird heiß, da es den Dampf
innerhalb seiner Kristallstruktur verflüssigt und adsorbiert.
Der Verdampfer kühlt sich ab und kann als Kältequelle genutzt
werden. Bei schnell ablaufenden Kühlaufgaben (z. B. Abkühlen
einer Flüssigkeit) wird in der Regel der Zeitraum nicht
ausreichen, das Sorptionsmittel nennenswert zu kühlen.
Die Aufnahmefähigkeit für Arbeitsmitteldampf wird
deshalb wegen der heißen Sorptionsmitteltemperaturen begrenzt
sein, wenn nicht Beimengungen als Wärmepuffer fungieren.
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Bei
Kühlelementen mit längerer Kühlzeit wird das
Sorptionsmittel Wärme über die Mehrschicht-Folie
abgeben können und je nach Anwendungsfall diese Wärme
auf höherem Temperaturniveau auch an ein warm zu haltendes
Produkt übertragen können.
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Bei
Anwendungen im Tiefkühlbereich sind zudem ausreichend dimensionierte
Strömungskanäle und gegebenenfalls gefrierpunktserniedrigende Zusätze
im Arbeitsmittel zu berücksichtigen. Mit diesen Zusätzen
können auch beim Arbeitsmittel Wasser Verdampfungstemperaturen
unter Null °C erzielt werden, ohne dass das Wasser vereist.
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Insbesondere
bei Anwendungen im temperaturgeführten Transport kann es
vorkommen, dass die Umgebungstemperaturen unter der Regeltemperatur
des Thermostaten liegen. Bei fallenden Temperaturen wird zunächst
der Thermostat schließen und die aktive Kühlung
des Kühlelementes unterbrechen. Sobald die Temperatur im
Verdampfer unter 0°C sinkt, würde bei der Verwendung
von reinem Wasser dieses erstarren und die Erstarrungswärme
bei 0°C an den Innenraum abgeben. Sofern die Wasserfüllung
ausreichend bemessen ist, wird die Innenraumtemperatur dann nicht
unter den Gefrierpunkt fallen.
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Für
Transportaufgaben bei denen 0°C zu tief ist, kann an Stelle
von reinem Wasser eine wässrige, eutektische Mischung zum
Einsatz kommen deren Umwandlungspunkt geringfügig unterhalb
der Regeltemperatur des Thermostaten eingestellt ist (z. B. Umwandlungspunkt
3 bis 4°C und einer Thermostat-Regeltemperatur von 5°C).
Bei dieser Konstellation wird somit, solange die Temperatur des
Innenraums über der Regeltemperatur des Thermostaten liegt,
Arbeitsmitteldampf aus der wässrigen Mischung verdampfen
und den Innenraum kühlen. Bei Temperaturen unterhalb des
Regelpunktes schließt der Thermostat den Dampfkanal. Sinkt
nun die Außentemperatur unter den Umwandlungspunkt und fließt
von der Mischung weiterhin Wärme an die Umgebung ab, sinkt
die Temperatur im Verdampfer so lange bis die Mischung den Umwandlungspunkt
unterschreitet. Die Mischung wandelt sich nunmehr um und gibt Wärme
an den Innenraum ab. Bei entsprechender Dimensionierung kann demzufolge
ein erfindungsgemäßes Kühlelement nicht
nur bei einer konstanten Temperatur kühlen sondern bei
Unterschreiten dieser Temperatur Umwandlungswärme bereit stellen
und das Transportgut mindestens auf der Umwandlungstemperatur halten.
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Für
Anwendungen bei denen keine Vergrößerung des Verdampfervolumens
durch zusätzliche eutektische Mischungen gewünscht
ist, kann erfindungsgemäß auch zwischen Verdampfer
und Behälterisolierung eine separate Wärmequelle
angeordnet werden. Diese Wärmequelle bedarf im einfachsten Fall
selbst keiner eigenen Regelung, da deren überschüssige
Wärme vom Verdampfer durch dessen thermostatischer Regelung
abgeführt wird, bevor die höheren Temperaturen
das Transportgut erreichen. Die Leistungsabgabe dieser Wärmequelle
sollte so bemessen sein, dass deren Wärmeabgabe ausreicht,
den isolierten Behälter bei den tiefsten zu erwartenden
Umgebungstemperaturen zumindest auf der geforderten Innenraumtemperatur
zu halten. Erfindungsgemäß muss die Wärmequelle
auch nicht homogen innerhalb des isolierten Behälters angeordnet
sein. Es genügt vielmehr eine punktuelle Wärmefreisetzung,
da der Verdampfer wie eine Dampfheizung wirkt, welche die von der
Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge über
die gesamte Verdampferfläche verteilt und regelt. Wasser,
das im thermischen Kontakt mit der Wärmequelle verdampft,
kondensiert innerhalb der Verdampferstruktur an kühleren
Oberflächen und erwärmt diese auf das Niveau der
verdampfenden Stelle. Die Temperatur des gesamten Verdampfers bleibt
somit homogen. Sobald die Temperatur am Thermostat dessen Regeltemperatur übersteigt, öffnet
das Regelorgan und lässt solange Arbeitsmitteldampf in
das Sorptionsmittel abströmen bis die Regeltemperatur wieder erreicht
ist.
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Selbstverständlich
eignen sich hierfür hervorragend elektrische Heizelemente,
die aus mitgeführten Batterien oder Akkus gespeist werden.
Bei dieser Wärmequellenart kann das Heizelement auch über
einen zusätzlichen, elektrischen Thermostaten geregelt
werden.
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Als
separate Wärmequelle sind prinzipiell alle bekannten exotherm
verlaufenden chemischen Reaktionen geeignet, die zum Warmhalten
von Körpern eingesetzt werden (z. B. offene Flammen, katalytische
Verbrennung usw.). Besonders vorteilhaft ist die Oxidation von Eisenpulver
mit Luftsauerstoff in Anwesenheit von Wasser, Salzen und Aktivkohle. Diese
langsam ablaufende Oxidation verbraucht nur wenig Sauerstoff, der
entweder durch die im Allgemeinen porösen Isolierungswände
in den Innenraum diffundiert oder aber über geeignet dimensionierte Öffnungen
von außen an die Wärmequelle gelenkt wird.
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Erfindungsgemäß kann
die Leistung dieser Wärmequellen über die Luftzufuhr
(Sauerstoffzufuhr) geregelt werden. In Zeiten wo keine Wärme
notwendig ist, kann die Luftzufuhr ganz unterbunden sein aber bei
unterschreiten einer Grenztemperatur immer weiter gesteigert werden.
Durch eine Regelung der Luftzufuhr kann sowohl die Kühlkapazität
des Kühlelementes als auch die Wärmekapazität
der Wärmequelle verringert werden.
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Ohne
Regelung würde eine einmal aktivierte Wärmequelle
auch dann noch heizen, wenn die Umgebungstemperatur schon wieder
weit oberhalb der gewünschten Innenraumtemperatur liegt.
Das Kühlelement müsste in diesen Fällen
sowohl die von außen einfallende Wärme als auch
die von der Wärmequelle freigesetzte Reaktionswärme
abführen. Da während eines mehrtägigen
Transports die Umgebungstemperaturen mehrmals über und
unter die geforderte Innenraumtemperatur fallen bzw. steigen können,
ist eine Regelung der Wärmequelle sinnvoll.
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Erfindungsgemäß kann
die Luftzufuhr zu dem Oxidationsvorgang der Wärmequelle über
einen eigenen Luft-Thermostaten geregelt werden, der abhängig
von der Umgebungstemperatur die Luftzufuhr zur Wärmequelle
mehr oder weniger freigibt. Die Wärmequelle befindet sich
vorteilhaft innerhalb des Isolierbehälters, verteilt auf
eine oder auch mehrere Flächen zwischen innerer Isolierboxwand
und Verdampfer. Der Luft-Thermostat kann ein Bimetall-Element enthalten,
das oberhalb einer Grenztemperatur das äußere
Ende eines Luftkanals verschließt. Um sauerstoffarme Luft
aus dem Innenraum abströmen zu lassen, kann der luftdichte
Beutel mit einer weiteren Öffnung versehen sein, über
die ver brauchte Luft in den Innenraum des Isolierbehälters
abströmen kann. Von dort kann die Luft über die
natürlichen Poren des Isoliermaterials nach außen
gelangen oder es werden geeignete Austritts-Öffnungen geschaffen,
die den Luftaustausch erlauben und beim Starten des Wärmeelementes
gezielt geöffnet werden. Durch das gezielte Öffnen
der Öffnungen kann auch verhindert werden, dass die Wärmequelle
schon während der Lagerzeit ungewollt bei zu tiefen Lagertemperaturen
selbsttätig aktiviert wird.
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Idealerweise
befinden sich die Eintritts-Öffnung und die Austritts-Öffnung
auf unterschiedlicher Höhe. In diesem Fall wird eine natürliche
Luftbewegung einsetzen und bei geöffnetem Luft-Thermostaten,
unterstützt durch thermischen Auftrieb der an der Wärmequelle
erwärmten Luftmengen, immer neuen Sauerstoff an das eingelagerte
Eisenpulver transportieren.
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Idealerweise
wird die Zufuhr von frischer Luft durch den Luft-Thermostaten dann
einsetzen, wenn die Umgebungstemperatur den Mittelwert der eingestellten
Regeltemperatur unterschreitet. Je tiefer die Außentemperatur
absinkt, umso weiter sollte der Luft-Thermostat öffnen
um die Leistung der Heizquelle zu steigern. Eine exakte Leistungsregelung
ist dabei nicht nötig, da die exakte Temperaturregelung das
Thermostatventil im Kühlelement übernimmt. Eine
zu hohe Leistung der Wärmequelle wird vom Kühlelement
abgeführt, bevor das Nutzvolumen davon betroffen würde.
Die Wärmequelle ist deshalb vorzugsweise zwischen Isolierbehälterwand
und Verdampferfläche angeordnet.
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Nur
in seltenen Fällen wird das Arbeitsmittel im Verdampfer
in ungebundener Form vorliegen können. Meistens wird es
in einem saugfähigen Vlies verteilt und durch hygroskopische
Kräfte fixiert. Besonders preisgünstige Materialien
sind saugfähige Papiere, wie sie in großer Vielfalt
für Haushalt und Industrie zum Aufsaugen von Flüssigkeiten
eingesetzt werden. Auch die wasserspeichernden Vliese dürfen, ebenso
wie die Abstandshalter aus Kunststoff oder natürlicher
Zeolith, unter Vakuum und höheren Temperaturen nicht ausgasen.
Besonders geeignet haben sich hierfür handelsübliche
Mikrofasern aus Polypropylen. Diese Fasern sind zur Wasseraufnahme präpariert
und geben keine das Vakuum störenden Gase ab.
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Vorteilhafterweise
wird dem Verdampfer im Bereich der Wärmequelle eine etwas
größere Vliesmenge zugeordnet, damit dort auch
mehr flüssiges Arbeitsmittel für die Dampfbeheizung
zur Verfügung steht. Zudem kann die Vliesgeometrie so gestaltet werden,
dass eine abnehmende Arbeitsmittelmenge über die Sogwirkung
des Vliesmaterials wieder nachgespeist wird.
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Eine
weitere Lösung eröffnet die Fixierung des Arbeitsmittels
in organischen Bindemitteln wie z. B. Water Lock von der Firma Grain
Processing Corp. USA. Vorteilhaft kann auch die Kombination mehrerer
o. g. Maßnahmen sein.
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Um
den notwendigen Dampfkanalquerschnitt zwischen Verdampfer und Sorptionsmittelfüllung
trotz des von außen anstehenden Luftdruckes aufrecht zu
erhal ten, kann erfindungsgemäß der Dampfkanal
durch mehrere Lagen eines Kunststoffnetzes gebildet und stabilisiert
werden. Zwischen der Netzstruktur verbleibt dabei genügend
Querschnitt für die Strömung. Beim Einsatz von
Polypropylennetzen können höhere Temperaturen
ohne Gasfreisetzung zugelassen werden. Durch die flexible Struktur der
Netze passen sich diese zudem optimal an die jeweiligen Geometrien
an.
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Der
Verdampfer kann erfindungsgemäß beliebige Formen
annehmen und aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
Technisch notwendig ist, dass während des Kühlprozesses
eine genügend große Öffnung zum Abströmen
des Wasserdampfes in den Arbeitsmitteldampfkanal bestehen bleibt,
Arbeitsmittel im flüssigen Zustand an der zu kühlenden Stelle
verbleibt, ein Mitreißen flüssiger Bestandteile verhindert
wird und eine gute thermische Anbindung an das zu kühlende
Objekt möglich ist.
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Das
Versiegeln der Mehrschicht-Folien erfolgt in aller Regel thermisch
durch Anpressen heißer Siegelbalken auf die äußere
Folienoberflächen bis die aufeinanderliegenden Siegelschichten
flüssig werden und miteinander verschmelzen.
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Der
Verschweißungsvorgang kann innerhalb einer Vakuumkammer
unter Vakuum erfolgen. In diesem Fall werden in der Vakuumkammer
zugleich aus der Wassermasse und allen weiteren Komponenten alle,
den späteren Adsorptionsprozess behindernde Gase mit abgesaugt.
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Vorteilhaft
ist aber auch, den Beutel ohne Vakuumkammer an einer noch offenen
Stelle der Siegelnaht mittels einer Saugvorrichtung zu evakuieren. Um
den Absaugkanal offen zu halten, ist zwischen den Folienflächen
ein Abstandhalter aus Polypropylen, in vorteilhafter Weise analog
zum Strukturmaterial, das den Strömungskanal im Innern
des Kühlelementes aufspannt, eingelegt. Sobald die Evakuierung
abgeschlossen ist, werden die Folienflächen einschließlich
des Abstandhalters durch Siegelbalken erhitzt, bis die Siegelschicht
und das identische Material des Abstandhalters ineinander verschmelzen
und nach dem Erkalten eine gasdichte Verbindung eingehen.
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Die
Zeichnung zeigt in:
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1 ein
erfindungsgemäßes, noch flach liegendes Kühlelement
für die Kühlung einer isolierten Transportbox,
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1a ein
nahezu baugleiches Kühlelement mit einem separaten Zeolith-Beutel,
-
2 den
flexiblen Verdampfer aus 1 in perspektivischer und geschnittener
Darstellung,
-
3 das
Kühlelement nach 1 zusammen
mit einer isolierten Transportbox,
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3a eine
Wärmequelle,
-
3b eine
Wärmequelle innerhalb einer isolierten Box,
-
4 ein
Thermostatventil,
-
5 ein
Regelorgan für einen Einwegkühler,
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6 eine
weitere Ausgestaltung eines Verdampfers in geschnittener Darstellung
und
-
7 einen
Sorptionsmittel-Bereich mit drei Sorptionsmittel-Taschen.
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Das
in 1 (und 1a) dargestellte
Kühlelement hat noch seine flache Form, wie sie durch den
Herstellungsprozess vorgegeben ist. Zwei passend zugeschnittene
Mehrschicht-Folien 7 werden mit ihren gegenüberliegenden
Siegelschichten aufeinandergelegt und mit den Einzelkomponenten
des Kühlelementes bestückt. In der Zeichnung ist
die obere Mehrschicht-Folie 7 transparent dargestellt, um
die Lage der Komponenten aufzuzeigen. Die beiden Mehrschicht-Folien 7 bestehen
aus vier miteinander verklebten Einzelschichten. Über die
innerste Polypropylenschicht sind die Folien an den umlaufenden
Rändern 23 hermetisch versiegelt (verschweißt).
Eine gasdichte Aluminiumschicht wird jeweils von zwei Polyamidschichten
eingehüllt, welche die Aluminiumschicht wiederum vor Zerstörung schützen
und eine graphische Bedruckung der Mehrschicht-Folie erlauben. Der
Verdampfer 2 enthält zwei aufeinander liegende
einstückige Abstandshalter 11 auf denen sechs
Vlies-Platten 10 aufgelegt sind. Das Vlies 10 besteht
aus mehreren Lagen einer hydrophilen Mikrofasermatte aus Polypropylen.
Es ist mit dem Arbeitsmittel Wasser getränkt. Die maximale Wasseraufnahme
ist wegen des von außen anliegenden Druckes auf die Kapillarstruktur
der Mikrofaser begrenzt. Die eingefüllte Wassermenge ist
etwas größer, als von der Sorptionsmittelmenge
aufgenommen werden kann. Bei tiefen Umgebungstemperaturen kann die überschüssige
Wassermasse vereisen und den Innenraum der Isolierbox während
der Vereisung auf 0°C halten. Die sechs Vlies-Platten 10 sind
an vorgegebenen Knicklinien 24 beabstandet. Unter einem
Vlies ist ein Thermostat-Ventil 8 eingelegt, von dem aus
ein Arbeitsmitteldampfkanal 4 zu einem Regelorgan 3 und
von dort in das Sorptionsmittel 1 führt. Der Arbeitsmitteldampfkanal 4 wird
von einer flexiblen Schlauchleitung 24 aus Kunststoff aufgespannt,
die dem äußeren Überdruck Stand hält und
auch beim Knicken nicht gequetscht wird. Unter Vakuum schmiegt sich
die Mehrschicht-Folie 7 so um die Einbauten, dass der Weg
zum Sorptionsmittel 1 für den Wasserdampf nur
durch das Thermostat-Ventil 8, die Schlauchleitung 24 und
das Regelorgan 3 möglich ist.
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Zur
erfindungsgemäßen Herstellung des Kühlelementes
werden die zugeschnittenen Mehrschicht-Folien 7 segmentweiße
vorgesiegelt, mit den Einzelkomponenten bestückt und sodann
bis auf eine kleine Absaugöffnung 40 im Bereich
einer Siegelnaht 23 verschweißt. An die Absaugöffnung 40 wird
eine Vakuumpumpe angedockt, die aus dem Kühlelement die
Luft und eventuell frei werden de Gase absaugt. Im Anschluss daran
wird die Absaugöffnung 40 durch die, um den Absaugkanal
offen zu halten, ein Teil eines Abstandshalters 11 ragt,
mittels geeigneter Schweißbalken soweit erhitzt, dass das Material
des Abstandshalters 11 mit der Siegelschicht verschmilzt.
Unter bestimmten geometrischen Bedingungen kann es vorteilhaft sein,
wenn der Verdampfer 2 und das Sorptionsmittel 1 an
separaten Stellen evakuiert werden.
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1a zeigt
gegenüber dem Einwegkühler aus 1 folgende
Variationen: Die flexible Schlauchleitung 24 führt
nunmehr von einer anderen Stelle aus dem Verdampferbereich 2 in
das Sorptionsmittel 1. Das Sorptionsmittel 1,
in diesem Fall Zeolith, ist innerhalb eines separaten Beutels 47 abgefüllt
worden und zusätzlich von den Mehrschichtfolien 7 umgeschlossen.
Zum Herstellen der Dampfverbindung muss der Beutel 47 vom
Regelorgan 3 durchstoßen werden. Das Regelorgan 3 hat
hierzu scharfe Kanten, die durch einen kräftigen, äußeren
Schlag auf die abdeckende Mehrschicht-Folie 7 die Hülle des
Beutels 47 durchstoßen. Die flexible Schlauchleitung 24 zwischen
Verdampfer 2 und Regelorgan 3 besteht in dieser
Ausgestaltung aus einem Kunststoff-Wellschlauch, der Dank seiner
Struktur auch bei dünner Materialstärke dem äußeren
Luftdruck Stand hält und dennoch eine äußerst
flexible Arbeitsmitteldampf-Verbindung erlaubt. Die sechs Vlies-Platten 10 sind
an den Knicklinien 24 durch weiteres Vliesmaterial 57 kontaktiert,
um das flüssige Arbeitsmittel durch die Sogwirkung des
Materials wieder gleichmäßig zu verteilen, falls
es durch eine partiell einwirkende Wärmequelle an den Kontaktstellen
verdampfen und an anderen Stellen rückkondensieren sollte.
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Auch
die Herstellung des Einwegkühlers nach 1a unterscheidet
sich von der Fertigungsmethode des Einwegkühlers nach 1.
Die Herstellung des Beutels 47 kann separat erfolgen. Er muss
nicht gleichzeitig mit dem Versiegeln des Kühlelements
evakuiert und versiegelt werden. Vielmehr kann er in einem separaten
Fertigungsschritt mit heißem Zeolith gefüllt,
evakuiert und versiegelt werden. Bei der Endfertigung des Kühlelements
wird der erkaltete Beutel 47 zusammen mit den anderen Komponenten
zwischen die Mehrschicht-Folien 7 eingelegt und mit dem
Regelorgan 3 und der flexiblen Schlauchleitung 34 ausgerichtet.
Die Evakuierung erfolgt in diesem Beispiel innerhalb einer Vakuumkammer,
in der alle eingelegten Komponenten einschließlich dem
Arbeitsmittel Wasser von anhaftenden bzw. enthaltenen, gasenden
Reststoffen befreit werden. Noch innerhalb der Vakuumkammer wird
das Kühlelement an den noch offenen Siegelnähten
verschweißt und als fertige Einheit aus der wieder gefluteten
Vakuumkammer entnommen.
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2 zeigt
den Verdampfer 2 gemäß 1 entlang
der Linie AA geschnitten und in perspektivischer Darstellung. Entlang
der Knicklinien 24 ist der Verdampfer 2 in seine
kubische Form geklappt worden. An den Schnittflächen sind
der Abstandshalter 11 und die mit Wasser getränkten
Vliese 10 sichstbar. Alles zusammen wird von der Mehrschicht-Folie 7 umhüllt.
Im Bereich der Knickstellen 24 befindet sich kein Vlies 10,
sodass sich die obere Mehrschicht-Folie 7 bis auf den Abstandshalter 11 durchdrücken kann,
um damit die sich gegenüber der äußeren
Folie ergebende Längenkontraktion zu kompensieren. Auf diese
Weise kann eine leichte Verformung des Verdampfers 2 ohne
Faltenbildung erreicht werden. An der links stehenden Wand des Verdampfers 2 ist
das Thermostatventil 8 zwischen Vlies 10 und Abstandshalter 11 eingelegt. Über
den Abstandshalter 11 stehen alle Bereiche der Vliese 10 mit
dem Thermostatventil 8 in Verbindung.
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3 zeigt
das Kühlelement gemäß 1 im
gefalteten Zustand vor dem Einsetzen in eine isolierte Transportbox 12,
die mit einem Deckel 25 abdeckbar ist. Die Transportbox 12 hat
an einer Kante einen Freiraum 26, in welchen der Arbeitsmitteldampfkanal 4 eingesetzt
werden kann. Das Regelorgan 3 und das Sorptionsmittel 1 kommen
somit in den Außenbereich der Transportbox 12 an
einer Seitenwand zu liegen. Die sechs zu einem Quader gefalteten
Flächen des Verdampfers 2 bekleiden die sechs Innenflächen
der Transportbox 12. Der sich ergebende Innenraum dient
zur Aufnahme eines Transportgutes. Die obere Verdampferplatte 5 ist
klappbar. Über sie ist der Innenraum im vollen Querschnitt
zugänglich. An zwei Innenwänden der Transportbox 12 befinden
sich Aussparungen 27, die je eine Wärmequelle 18 aufnehmen
können. Die Wärmequellen 18 enthalten
in einer luftdurchlässigen Hülle eine Mischung
aus Eisenpulver, Wasser, Salz, Zellulose und Aktivkohle. Unter Luftzutritt
oxidiert das Eisenpulver exotherm. Der Luftsauerstoff gelangt über
die poröse Styropor-Isolierung der Transportbox 12 zum
Eisenpulver und/oder über zusätzliche, dünne
Luftkanäle 28 in die Aussparungen 27.
Die Wärmequellen 18 sorgen für eine Beheizung
des Innenraums für den Fall, dass die Transportbox 12 in
einer in Bezug auf die Regeltemperatur des Thermostaten 8 zu
kalten Umgebung steht. Die Wärmeentwicklung der Wärmequellen 18 selbst
bleibt ungeregelt. Wenn die Wärmequellen 18 mehr
Wärme liefern als für der Innenraum benötigt
wird, öffnet das Thermostatventil 8 und lässt
so viel Dampf in das Sorptionsmittel 1 abströmen
bis die Verdampfertemperatur wieder im Regelbereich liegt. Da der
Verdampfer 2 nur Wasser und Wasserdampf enthält,
bleibt die Temperatur im gesamten Verdampfer 2 homogen.
Von Verdampfer-Partien in die, z. B. von den Wärmequellen 18, mehr
Wärme einfällt, verdampft Wasser unter Wärmeaufnahme
und in Partien aus denen Wärme an die Umgebung abfließt,
wird Wasserdampf strömen und exotherm kondensieren. Durch
die kapillare Sogwirkung des Vliesmaterials kann sich die Wasserkonzentration
wieder ausgleichen.
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3a zeigt
eine Wärmequelle 48 in einer randversiegelten,
gasdichten Folienhülle 49, die eine Eintritts-Öffnung 50 und
eine Austritts-Öffnung 51 enthält. Die
Wärmequelle 48 enthält zwei in Papierbeutel
gefüllte reaktive Eisenpulvermischungen 58, die
bei Sauerstoffzutritt eine exotherme Reaktion durchlaufen. Um den
Luftzugang zu gewährleisten, sind innerhalb der Folienhülle 49 weitere
Strömungswege offen gehalten. Im Ausführungsbeispiel
werden die Strömungswege durch ein flexibles Gitter 52 aufgespannt.
Die Eintritts-Öffnung 50 ist gasdicht mit einer
Schlauchleitung 53 verbunden, die an ihrem äußeren
Ende von einem Luft-Thermostat 54 verschlossen werden kann.
Die Austritts-Öffnung 51 ist mit einem Klebeband 51 verschlossen.
Es wird erst zum Starten der Wärmequelle 48 abgezogen.
Der Luft-Thermostat 54 kann ebenfalls bis zu seinem Einsatz
mit einer zusätzlichen Hülle (nicht gezeichnet) verschlossen
sein. Die Wärmequelle ist so dimensioniert, dass sie mittig
geknickt werden kann und somit zwei innere Flächen einer
isolierten Box bedecken kann.
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3b zeigt
die Wärmequelle 48 aus 3a eingelegt
in eine isolierte Box 60 in geschnittener Darstellung.
Der Luft-Thermostat 54 ist an einer unteren Ecke im Außenbereich
der Box 60 angeordnet. Er enthält eine Bi-Metall
Spirale, die unterhalb einer Temperatur von 5°C die Eintritts-Öffnung 50 öffnet.
Die Schlauchleitung 53 bildet die gasdichte Verbindung
vom außenliegenden Luft-Thermostat 54 durch die
Isolierung der Box 60 zur Eintritts-Öffnung 50.
Die Wärmequelle 48 ist mittig geknickt und bedeckt
den Boden und eine Seitenwand der Box 60. Das flexible
Gitter 52 und die beiden Eisenpulvermischungen 58 sind
von der gasdichten Folienhülle 49 umgeben. Am
oberen Ende der Wärmequelle 48 befindet sich die
Austritts-Öffnung 51. Sie ist noch mit dem Klebeband 55 verschlossen.
Zum Starten der Wärmequelle 48 muss das Klebeband 55 abgezogen werden.
Durch den Luftzutritt startet die exotherme Reaktion und erwärmt
die im Gitter befindliche Luft, die daraufhin erwärmt aufsteigt,
durch die Austritts-Öffnung 51 in die Box abströmt
und von dort über einen kleinen Lüftungskanal 59 im
Deckel 61 der Box 60 nach außen abströmt
und zugleich bei geöffnetem Luft-Thermostat 54 neue
sauerstoffreiche Luft über die Schlauchleitung 53 nachströmen
lässt. Auf die Darstellung eines die Box 60 auskleidenden und
an der Wärmequelle 48 anliegenden Kühlelementes
wurde verzichtet.
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4 zeigt
ein Thermostatventil 8 im Querschnitt. Ein zu einer Spirale
aufgerollter Bi-Metall Streifen 9 ist an seinem inneren
Ende 41 fest mit einem einseitig offenen Gehäuse 29 verbunden
während das freie Ende 42 eine Dichtscheibe 30 enthält, die
bei der Regeltemperatur die Öffnung 31 des Arbeitsmitteldampfkanals 4 verschließt.
Die Öffnung 31 wird von einem in das Gehäuse 29 gasdicht
eingebundenen Rohrstücks 38 gebildet, auf dessen
anderem Ende ein Kunststoff-Schlauch 14 aufgeschoben ist.
Um den Schlauch 14 schmiegt sich wiederum die Mehrschicht-Folie 7,
die an den Rändern 23 gasdicht versiegelt ist.
Die Mehrschicht-Folie 7 und der Schlauch 14 können
im weiteren Verlauf durch von außen eingreifende Quetschelemente
(nicht gezeichnet) so stark gepresst werden, dass der Arbeitsmitteldampfkanal 4 von
außen blockiert werden kann. Zum Starten der Kühlung
werden die Quetschelemente entfernt. Durch die Rückstellkräfte
des Kunststoff-Schlauches 14 öffnet sich nunmehr
der Strö mungsweg für den Arbeitsmitteldampf. Das
erfindungsgemäße Regelorgan wird in dieser Ausführungsform
durch das Thermostatventil 8 und die Quetschelemente gebildet.
Unter dem Gehäuse 29 des Thermostatventils 8 befindet
sich eine Lage eines Kunststoffnetzes 43. Da sich die Fäden 39 des Netzes 43 an
den Kreuzungspunkten überlagern, verbleiben Arbeitsmitteldampfkanäle
auch innerhalb der Netzebene. Gute Ergebnisse erzielt man mit Netzen
die eine Fadendicke von ca. 2 mm bei einem Fadenabstand von ca.
3 mm aufweisen. Obwohl auf das Kunststoffnetz 43 von einer
Netzseite die Mikrofaser des Vlieses und von der anderen Seite die
flexible Mehrschicht-Folie angepresst werden, verbleibt genügend
Querschnitt für den Arbeitsmitteldampf. Falls der Querschnitt
an einzelnen Bereichen zu knapp wird, z. B. im Einströmungsbereich
zum Thermostatventils 8, können mehrere Lagen
des Kunststoffnetzes 43 übereinander geschichtet
werden. Die erfindungsgemäße Flexibilität
des Verdampfers 2 bleibt damit dennoch erhalten.
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5 zeigt
ein Regelorgan 3 in geschnittener Darstellung, das dadurch
verschlossen gehalten wird, dass der äußere Luftdruck
die Mehrschicht-Folie 7 so weit verformt, dass eine scheibenförmige Dichtfläche 16 auf
einen Dichtsitz 17 gepresst wird. Der Dichtsitz 17 wird
wiederum von einem Rohrstück 32 gebildet auf dessen
zweitem Ende ein flexibler Kunststoff-Wellschlauch 13 aufgesteckt
ist. Auf die rechtwinkelige Weiterführung 44 des
Arbeitsmitteldampfkanals 4 wird ebenfalls ein Wellschlauch 13 aus
Kunststoff geschoben. Die Weiterführung 44 beginnt
in einem Kunststoff-Gehäuse 33 in welchem die Dichtfläche 16 vom
Dichtsitz 17 ohne Behinderung durch die Mehrschicht-Folie 7 abgehoben
bzw. aufgeklappt werden kann. Die zum Klappen notwendige Hebelkraft
wird über eine mit der Dichtfläche 16 verbundene
Hebelstange 34 aufgebracht. Die Hebelstange 34 ist
in einer geeignet zugeschnittenen Seitentasche 45 der Mehrschicht-Folie 7 eingebettet. Auch
diese Seitentasche 45 ist an den Rändern 23 vakuumdicht
versiegelt. Unter Vakuum wird die Dichtfläche 16 mittels
der Mehrschicht-Folie 7 und Hebelstange 34 auf
den Dichtsitz 17 gepresst. Eine leichte Kippbewegung auf
die Hebelstange 34 aus der Zeichnungsebene verformt die
Mehrschicht-Folie 7 so weit, dass der Weg für
den Arbeitsmitteldampf ganz oder dosiert freigegeben werden kann.
Bei optimalem Aufbau des Regelorgans 3 schließt
die Dichtfläche 16 selbsttätig sobald
die Kippkraft an der Hebelstange 34 wegfällt.
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6 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines geschnitten und perspektivisch
dargestellten Verdampfers 2, der Wärme aus einem
zu kühlenden Luftstrom aufnimmt. Der Strömungskanal 37 für
den Luftstrom wird vom Verdampfer 2 selbst gebildet und aufgespannt.
Hierzu wurde der ursprünglich flach hergestellte Verdampfer 2 um
einen zentral angelegten Arbeitsmitteldampfkanal, der in dieser
Ausgestaltung aus einem gelochten Wellschlauch 13 gebildet wird,
nach dem Evakuieren um 180° gefaltet. Die ursprünglich
entgegengesetzt liegenden Siegelnähte 35 und 36 liegen
sich nunmehr direkt gegenüber. Da die inneren Folienenden
kürzer geschnitten sind als die äußeren,
können die äußeren Enden 22 der Mehrschicht-Folie 7 nochmals
verschweißt werden und auf diese Weise den hermetisch geschlossen Strömungskanal 37 für
den Luftstrom bilden. Am hinteren Ende 46 des Strömungskanals 37 wird
der flache Luftstrom in eine runde Strömungsgeometrie überführt.
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In
der gezeigten Ausgestaltung wird der Arbeitsmitteldampfkanal durch
zwei Lagen eines netzförmigen Abstandhalters 11 gebildet.
Die Vliese 10 stehen im thermischen Kontakt zum Strömungskanal 37.
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7 zeigt
schließlich skizzenhaft den mit Sorptionsmittel gefüllten
Bereich eines Kühlelementes. Die Mehrschicht-Folie 7 ist
in drei Taschen 19 unterteilt, die nur durch den Arbeitsmitteldampfkanal 4 miteinander
in Verbindung stehen. Der Arbeitsmitteldampfkanal 4 kann
durch einen gelochten Wellschlauch (nicht dargestellt) gebildet
werden, der durch seine Wellung äußerst druckstabil
und zugleich flexibel ist. Die drei Sorptionsmittel-Taschen 19 enthalten
eine Zeolithschüttung die unter Vakuum druckstabil aber
unflexibel ist. In den Überströmbereichen 39,
wo kein Zeolith eingefüllt ist, verbleibt die Struktur dank
des flexiblen Wellschlauchs flexibel. An diesen Überströmbereichen 39 kann
das komplette Kühlelement gefaltet werden, um sich der
jeweils geforderten Aufgabe optimal anpassen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0368111 [0003]
- - DE 3425419 A [0003]
- - WO 01/10738 A1 [0004]
- - WO 99/37958 A1 [0005]
- - US 6474100 B1 [0006]
- - DE 102005034297 A1 [0007]