-
Die
Erfindung betrifft ein Kältegerät mit Wärmespeicherelementen,
ein Wärmespeicherelement, ein
Verfahren zum Herstellen und ein Verfahren zur Montage des Wärmespeicherelementes
mit den in den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüchen.
-
Die
Temperaturen im Innenraum eines Kühlschrankes liegen in der Regel über 0°C, beispielsweise
zwischen +2°C
und +12°C.
Ein Gefrierschrank ist ein entsprechendes Gerät zur Aufbewahrung von Gefriergut
und weist im Innenraum Temperaturen unter 0°C, beispielsweise zwischen –25°C und –4°C, auf. Kühl- und
Gefrierkombinationen besitzen mindestens zwei Innenräume bzw.
zwei voneinander abgetrennte Bereiche für die unterschiedlichen Temperaturbereiche.
-
Derartige
Kühl- und/oder
Gefriergeräte
weisen einen Kühlkreislauf
zur Kühlung
des jeweiligen Innenraums auf. Der Kühlkreislauf nimmt die im Innenraum
befindliche Wärme über einen
damit thermisch gekoppelten Wärmetauscher
auf und gibt diese mittels eines zweiten Wärmetauschers an die Umgebung
ab. Ein Kühlkreislauf
kann eine Vielzahl von Komponenten umfassen, wie zum Beispiel einen Verflüssiger,
einen Verdampfer, Ventile, Strömungswiderstände und
Kühlmittelleitungen.
-
Dem
Innenraum des Kältegeräts wird
Wärme entzogen
und an die Umgebung abgegeben. Dieser Wärmetransport findet mit Hilfe
des oben erwähnten
Kühlkreislaufs
statt. Der Verflüssiger
hat in diesem Kreislauf die Aufgabe, komprimiertes warmes gasförmiges Kältemittel
abzukühlen
und dabei zu verflüssigen.
Die Wärmeabfuhr
im Verflüssiger
erfolgt aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Kältemittel
und der kälteren
Umgebung.
-
Abhängig von
der abzuführenden
Wärmeenergiemenge
und der Effizienz des Wärmeübertrags von
Kältemittel
an die Umgebung ist die Größe des Verflüssigers
zu wählen.
Der Energieverbrauch eines Kältegeräts ist in
Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit des
Betriebs bedeutsam.
-
Um
den Wirkungsgrad des Kältegeräts zu verbessern
und den Energiebedarf zu reduzieren, ist es zweckmäßig, die
Betriebstemperatur des Verflüssigers
möglichst
niedrig zu halten. Dies kann beispielsweise durch eine Kühlung des
Verflüssigers, zum
Beispiel mittels eines Ventilators, erreicht werden. In der Regel
muss für
eine bessere Kühlung
des Verflüssigers
auch Energie aufgewendet werden, welches zumindest einen Teil der
durch die Kühlung eingesparten
Energie wieder ausgleicht. Beispielsweise benötigen Ventilatoren Strom bzw.
größere Verflüssiger sind
teuerer in der Herstellung.
-
Marktübliche Verflüssiger von
Kältegeräten sind
als Rohrwärmetauscher
ausgeführt
und führen das
Kältemittel
in Rohrschleifen geräteaußenseitig an
der Umgebungsluft. Die Wärmeabfuhr
kann zusätzlich
unterstützt
werden, indem die für
die Wärmeabgabe
relevante Oberfläche
mittels Lamellen oder Drähten
vergrößert wird.
Diese Lamellen oder Drähte werden
hierfür
an den das warme Kühlmittel
führenden
Rohren befestigt.
-
Aus
Gründen
der Kosteneffizienz wurden bislang die Verflüssiger in der Regel mit möglichst dünnen Rohren
ausgestaltet, um Materialkosten einzusparen. Die Wärmespeicherkapazität des Verflüssigers
als solchen spielte für
den Wärmeübertrag
und den Wirkungsgrad des Kühlkreislaufes
bislang keine bedeutende Rolle.
-
Zur
Lösung
obiger Probleme kann die Wärmespeicherkapazität des Verflüssigers
durch zusätzliche
Wärmespeicherelemente
erhöht
werden. Die Wärmespeicherelemente
sind zwischen Rohrbögen des
Verflüssigers
derart angeordnet, dass sie eine Wärme übertragende Kontaktfläche zu den
Kühlstrukturen
des Verflüssigers
ausbilden und Wärme von
dem Verflüssigen
aufnehmen. Als Wärmespeicherelemente
sind länglich
ausgebildete Flüssigkeitsbeutel
und/oder Päckchen
aus einem flexiblen Material vorgeschlagen worden. Ferner können diese
zusätzlichen
Wärmespeicherelemente
auch massiv aus einem Metall ausgebildet sein, was sie jedoch sehr
schwer und teuer macht. Die erwähnten
Flüssigkeitsbeutel
oder Päckchen
aus flexiblem Material, wie etwa einer Kunststoff- oder Aluminiumfolie,
sind jedoch biegeschlaff, d. h. mit nur geringer eigener Formstabilität ausgeführt. Bei
deren Einbau in den Montagezwischenräumen des Verflüssigers
an den Rohrleitungen, den Kühlstrukturen
aus Lamellen oder einem Drahtgeflecht können die Wärmespeicherelemente daher verhaken
oder hängen
bleiben und somit beschädigt
werden. Ferner können
die derart flexiblen Wärmespeicher
durch ihre Nachgiebigkeit in Zwischenräume durchrutschen, die beispielsweise
zwischen dem Verflüssiger
und der Rückwand des
Kältegerätes vorhanden
sind.
-
Der
Erfindung liegt angesichts oben beschriebener Problemstellung die
Aufgabe zugrunde, die mechanische Stabilität der oben beschriebenen Wärmespeicher
aus flexiblem Folienmaterial auf eine wirtschaftliche Weise zu erhöhen, sodass
die Montageabläufe
vereinfacht werden.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 13, 14 oder
15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Die
vorliegende Erfindung geht von einem Kältegerät aus, umfassend ein Gehäuse und
einen Wärme
abgebenden Verflüssiger,
wobei der Verflüssiger
Fluid leitend zu einem Kühlkreislauf
gehört
und von der Umgebungsluft umströmte
Kühlstrukturen und
wenigstens ein an einer Kühlstruktur
zur Vergrößerung der
Wärmeaufnahmefähigkeit
des Verflüssigers
wärmegekoppelt
angeordnetes Wärmespeicherelement
aufweist, das aus einem flexiblen dünnwandigen Material hergestellt
und als ein Einbau- oder Anbauelement für den Verflüssigen gestaltet ist, wobei
das Wärmespeicherelement
als ein Beutel oder ein Päckchen
mit einem Wärme
speichernden Fluid, insbesondere Wasser oder Paraffin, ausgebildet
ist.
-
Vorzugsweise
ist das wenigstens eine Wärmespeicherelement
mit wenigstens einem Montagehilfsmittel und/oder Versteifungs- bzw.
Formerhaltungsmittel zum Versteifen des Wärmespeicherelementes ausgestattet.
-
Hierzu
ist als ein erstes Montagehilfsmittel das Wärmespeicherelement mit wenigstens
einem Versteifungselement, insbesondere mit wenigstens einer Platte
versehen. Es ist ferner von Vorteil, wenn dieses Versteifungselement,
insbesondere eine leistenförmige
Platte, an wenigstens einer Wandung des Wärmespeicherelementes angeordnet
ist, wobei als Befestigung eine Verklebung oder Verschweißung verwendbar
ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist das
Versteifungselement, insbesondere eine Versteifungsplatte, im Innenraum
des Wärmespeicherelementes
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine Verklebung oder Verschweißung erforderlich
ist, wenn die Platte einfach lose in den Innenraum des beispielsweise schlauchartigen
Wärmespeicherelementes
eingelegt wird. In weiteren Ausgestaltungen kann die Platte jedoch
auch von einer Innenseite des Wärmespeicherelementes
angeklebt oder angeschweißt
werden.
-
Als
ein zweites bevorzugtes erfindungsgemäßes Montagehilfsmittel ist
mindestens ein versteifender Teilabschnitt des Wärmespeicherelementes gefaltet
und/oder randüberlappend
angeordnet und fixiert, sodass zumindest eine Materialdoppelung entsteht,
wobei die Fixierung besonders vorteilhaft durch eine Verklebung
oder eine Verschweißung
realisierbar ist.
-
Als
ein drittes bevorzugtes erfindungsgemäßes Montagehilfsmittel ist
eine an wenigstens einem Ende des Wärmespeicherelementes angeordnete Durchziehhilfe
vorgesehen, wobei die Durchziehhilfe insbesondere als eine Öse oder
ein Haken vorgesehen ist. An dieser Öse oder Haken kann beispielsweise
ein Draht oder Stab eingehängt
werden, welches zuvor von der Gegenseite in einen Zwischenraum des
Verflüssigers
eingeführt
wurde, und das flexible Wärmespeicherelement
in den Zwischenraum eingezogen werden. Die Ziehbewegung weist gegenüber einer
Schiebebewegung den Vorteil auf, dass auch ein flexibles Wärmespeicherelement
problemlos in einem engen Raum platzierbar ist.
-
Als
ein viertes bevorzugtes erfindungsgemäßes versteifendes Montagehilfsmittel
weist wenigstens ein Rand des Wärmespeicherelementes
eine versteifende Profilgestalt auf, wobei die Profilgestalt insbesondere
eine Halbkreis-, Halboval-, eine Dreieck- oder eine Vieleckform
hat.
-
In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist, als ein fünftes
Montagehilfsmittel, wenigstens ein Ende des Wärmespeicherelementes durch
eine Prägestelle,
Schweißstelle
und/oder eine Klebestelle versteift. Dies ist besonders deshalb
sehr hilfreich, weil gerade das Ende des Wärmespeicherelementes in den
Zwischenraum voran eingeführt wird.
-
Das
Wärmespeicherelement
ist gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung vorliegender Erfindung aus einer Metall- oder Metall-Verbundfolie,
insbesondere einer Aluminium-Verbundfolie,
oder aus einer Kunststofffolie ausgebildet.
-
Ferner
ist es besonders vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Wärmespeicherelement
zwischen den Kühlstrukturen
positioniert ist. Hierzu weist als ein sechstes Montagehilfsmittel
der Verflüssiger
wenigstens eine vorderseitige und eine rückseitige Kühlstruktur, insbesondere Lamellen
oder Drähte, auf,
die einen Zwischenraum zur Aufnahme eines Wärmespeicherelementes bilden.
-
Die
Länge des
Wärmespeicherelementes entspricht
vorzugsweise im Wesentlichen der Länge der Zwischenräume des
Verflüssigers,
die insbesondere 400 bis 600 mm beträgt.
-
Bei
einem Verfahren zur Montage eines Wärmespeicherelementes in einem
Zwischenraum des Verflüssigers
eines Kältegerätes kann
das Wärmespeicherelement
in einem ersten Vormontageschritt mit einem wärmespeichernden Fluid gefüllt und
in einem zweiten Vormontageschritt unterhalb der Gefriertemperatur
des Fluids abgekühlt
werden, bis das Fluid gefroren ist, und das Wärmespeicherelementes mit gefrorenem
Fluid in den Zwischenraum des Verflüssigers eingebaut wird, wodurch
eine aufgabengemäß verbesserte
Montage des Wärmespeicherelementes
verwirklicht.
-
Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeicherelements wird
- – ein
Endlosschlauch aus einem flexiblen dünnwandigen Material extrudiert
oder durch Faltung und wenigstens eine Nahtbildung aus einem Bandmaterial
hergestellt wird,
- – durch
eine Prägung
oder Verschweißung,
insbesondere per Hitzewirkung oder Ultraschall, der Endlosschlauch
durch Ausbildung von quer zur Hauptausrichtung des Endlosschlauchs
angeordneten Präge-/Schweißstellen
in Teilabschnitte von einer vorgebbaren Länge aufgeteilt wird, die der Länge des
Wärmespeicherelementes
entspricht, und
- – einzelne
Wärmespeicherelemente
an den Präge-/Schweißstellen
abgetrennt werden.
-
Vorzugsweise
werden die Wärmespeicherelemente
vor oder nach ihrem Abtrennen an den Präge-/Schweißstellen mit einem Fluid, insbesondere Wasser
oder Paraffin, gefüllt.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens werden
die Wärmespeicherelemente
vor oder nach ihrem Abtrennen an den Präge-/Schweißstellen mit einem Befüllungsnippel
oder einer Öffnung
versehen, über
die eine Befüllung
des Wärmespeicherelementes
nach seiner Montage in einem Zwischenraum des Verflüssigers vorgenommen
wird.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht auf den Verflüssiger eines Kältegerätes mit
erfindungsgemäßen Wärmespeicherelementen;
-
2 eine
Querschnittsansicht I-I aus 1;
-
3 eine
Querschnittsansicht einer Ausgestaltung eines Wärmespeicherelementes mit Montagehilfsmitteln;
-
4 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung des Wärmespeicherelementes
mit Montagehilfsmitteln;
-
5 eine
Querschnittsansicht einer dritten Ausgestaltung des Wärmespeicherelementes
mit Montagehilfsmitteln;
-
6 eine
Querschnittsansicht einer vierten Ausgestaltung eines Wärmespeicherelementes
mit Montagehilfsmitteln;
-
7 eine
schematische Ansicht eines Herstellverfahrens eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherelementes;
und
-
8 eine
schematische Ansicht eines weiteren Herstellverfahrens eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherelementes.
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht auf den Verflüssiger 4 eines Kältegerätes 1 mit
erfindungsgemäßen Wärmespeicherelementen 7a und 7b,
die hinter bzw. zwischen die Kühlstruktur/en 5 eingeschoben
sind oder wie 7a gerade in der Einschubrichtung A eingeschoben
werden.
-
Der
Verflüssiger 4 ist
vorzugsweise an einer Rückwand 3 des
Gehäuses 2 des
Kältegerätes 1 angeordnet
und weist eine mäanderförmig angeordnete Rohrleitung 6 auf,
die mit den Wärme
ableitenden Kühlstrukturen 5 fest
verbunden ist. Diese Kühlstrukturen 5 sind
in der 1 in Gestalt von blattförmigen Lamellen aus Blech oder
als Drahtreihen ausgebildet.
-
Das
Kältegerät 1 ist
vorzugsweise ein Haushaltskühl-
und/oder -gefrierschrank, kann jedoch auch ein gewerbliches Kältegerät sein,
das in Lagern und/oder in Transportmitteln eingesetzt wird.
-
Die
Wärmespeicherelemente 7a und 7b sind als
langgestreckte Beutel oder Päckchen
aus einem dünnwandigen
flexiblen Material hergestellt und in ihrem Querschnitt dem zur
Verfügung
stehenden Zwischenraum 601 zwischen den Rohrleitungen 6 des Verflüssigers 4 angepasst.
-
Die
Anzahl der einzuschiebenden Wärmespeicherelemente 7a, 7b ist
wählbar
zwischen wenigstens einem und der verfügbaren Anzahl der Zwischenräume 601 des
Verflüssigers 4.
-
Das
Einschieben der einzelnen Wärmespeicherelemente 7 erfolgt
gegenläufig
in horizontaler Einschubrichtung A. Damit das Einschieben in einen Zwischenraum 601 möglich ist,
kann eine Anschlussrohrleitung 602 gegenüber der
Hauptausbreitungsebene des Verflüssigers 4 versetzt
angeordnet sein.
-
Die
Ausrichtung der Wärmespeicherelemente 7 ist
in vorliegender Ausführung
horizontal dargestellt, kann jedoch bei entsprechender Ausführung des
Verflüssigers
auch vertikal oder unter einem Neigungswinkel vorliegen.
-
Die 2 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht I-I aus 1, wobei
nur ein zwischen einer oberhalb und einer unterhalb des Wärmespeicherelementes 7 angeordneten
Rohrleitung 6 des Verflüssigers 4 dargestellt
ist.
-
Das
Wärmespeicherelement 7 weist
in dieser Ausgestaltung in etwa ein Rechteckprofil auf und ist mit
einem wärmespeichernden
Fluid 9 gefüllt
und abgedichtet. Als geeignetes Fluid kommt Wasser, ein Paraffin
oder ein Gel infrage.
-
Eine
vorderseitige Kühlstruktur 5a und
eine rückseitige
Kühlstruktur 5b begrenzen
den Zwischenraum 601, in dem das erfindungsgemäß versteifte
Wärmespeicherelement 7 einen
sicheren Halt hat.
-
In
der 3 ist eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung
des Wärmespeicherelementes 7 mit
Montagehilfsmitteln 701 und 702 dargestellt. Ein leistenförmiges Versteifungselement 701 ist
an wenigstens einer der Seitenflächen
des Wärmespeicherelementes 7 vorzugsweise
in einer festen Verbindung angeordnet. Diese Verbindung ist beispielsweise
durch Verkleben oder Verschweißen
realisiert. Das Versteifungselement 701 kann vorzugsweise selbst
als ein Wärmespeicherelement
dienen und hierzu aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein.
-
Ein
Innenraum 709 des Wärmespeicherelementes 7 ist
zur Aufnahme eines Fluids vorgesehen.
-
Als
ein weiteres Montagehilfsmittel ist ein den wenigstens einen Rand
des Wärmespeicherelementes 7 versteifendes
Profil 702, gemäß der 3 eine
Rundung, vorgesehen. Andere geeignete Profile können alternativ eingesetzt
werden.
-
Die 4 zeigt
eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung des Wärmespeicherelementes 7 mit
Montagehilfsmitteln. In dieser Ausführung ist das Versteifungselement 702 in
den Innenraum 709 des Wärmespeicherelementes 7 vorzugsweise
lose eingesetzt. Hierdurch entfällt
im Vergleich zur vorherigen Ausgestaltung das Verkleben oder Verschweißen an die
Außenseite
des Wärmespeicherelements 7.
-
Die 5 zeigt
eine Querschnittsansicht einer dritten Ausgestaltung des Wärmespeicherelementes 7 mit
Montagehilfsmitteln. Das Wärmespeicherelement 7 ist
hierbei nicht wie vorher aus einem nahtlosen Schlauch hergestellt,
sondern aus einem zum Schlauch gefalteten Band, dessen überlappende
Ränder 703 einander überlappend
verklebt oder verschweißt
sind. Die so gebildete Doppelwandstruktur bewirkt eine Versteifung
im Bereich des Wärmespeicherelements 7,
die in ihrer versteifenden Wirkung ähnlich der in 1 ist.
Ferner ist es in einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung von
Vorteil in einem nahtlosen Schlauch eine Überlappung durch Faltung zu
erzeugen, sodass gar eine Materialverdreifachung vorliegt.
-
Die 6 zeigt
eine Querschnittansicht einer vierten Ausgestaltung eines Wärmespeicherelementes 7 mit
Montagehilfsmitteln.
-
Hierbei
geht es darum, das Wärmespeicherelement 7 Zugbewegung
anstelle einer Schubbewegung in einen Zwischenraum 601 des
Verflüssigers 4 einzuführen. Das
Einschieben eines flexiblen und biegeschlaffen Wärmespeicherelementes 7 kann problematisch
sein, insbesondere da die Kühlstrukturen 5a und 5b viele
Kanten entgegensetzen. Daher ist es von Vorteil, bei der Montage
das Wärmespeicherelement 7 an
einer Öse 704 mit
einem Ziehmittel 705 in den Zwischenraum hineinzuziehen.
Dazu wird das Ziehmittel 705, beispielsweise ein Seil oder
ein Draht, zuvor von der Gegenseite in den jeweiligen Zwischenraum 601 des
Verflüssigers 4 eingeführt und
in die Öse
eingeklinkt. Es kann vorzugsweise ein Haken sein, der in die Öse eingreift
und wieder leicht aus ihr entnehmbar ist oder beispielsweise eine Klammer,
die direkt die Lasche 706 des Wärmespeicherelementes 7 einklemmt.
-
Die 7 und 8 zeigen
jeweils eine schematische Ansicht eines Herstellverfahrens eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherelementes 7.
-
Der
Endlosschlauch 77 wird mit der Schweiß- oder Prägevorrichtung an den in einem
vorgegebenen Längenabstand
vorgesehenen Trennstellen verschweißt. Zuvor kann in der Schlauchbeutelfüllanlage
das Fluid 9 in den Innenraum 709 des Endlosschlauchs 77 eingefüllt werden.
-
In 7 werden
die Trennstellen als eckige Präge-/Schweißstellen 707 ausgestaltet,
während sie
in 8 als gerundete Präge-/Schweißstellen 708 hergestellt
werden. Diese Formgebungen dienen zum Versteifen der Endbereiche
der Wärmespeicherelemente 7i,
damit diese einfacher in einen Zwischenraum 601 eines Verflüssigers
eingeführt
werden können.
-
Nachdem
Aufprägen
der Schweißstellen läuft das
Endlosband mit den vorbereiteten Präge-/Schweißstellen 707, 708 zu
einer Trennvorrichtung, wo sie voneinander vorzugsweise durch Schneiden
getrennt werden.
-
- 1
- Kältegerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rückwand
- 4
- Verflüssiger
- 5
- Kühlstruktur
- 5a
- vorderseitige
Kühlstruktur
- 5b
- rückseitige
Kühlstruktur
- 6
- Rohrleitung
- 601
- Zwischenraum
- 7
- Beutel,
Päckchen
- 7a
- erstes
Wärmespeicherelement
- 7b
- zweites
Wärmespeicherelement
- 7i
- i-tes
Wärmespeicherelement
- 77
- Endlosschlauch
- 701
- Platte,
erstes Montagehilfsmittel
- 702
- versteifendes
Profil
- 703
- Überlappung
- 704
- Öse
- 705
- Ziehmittel
- 706
- Lasche
- 707
- eckige
Präge-/Schweißstelle
- 708
- gerundete
Präge-/Schweißstelle
- 709
- Innenraum
- 8
- Kühlmittel
- 9
- wärmespeicherndes
Fluid
- A
- Einschubrichtung