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Die Erfindung betrifft einen Kälteschrank gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekannt sind Kälteschränke mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse und einer zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordneten Dämmschicht. Diese Dämmschicht wird umgangssprachlich auch als Isolationsschicht bezeichnet.
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In derartigen Kälteschränken können Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur bis –180°C herrschen, typischerweise jedoch weniger als –80°C. Wesentlich für derartige Kälteschränke ist eine gute Dämmung, um mit möglichst wenig Energieaufwand die Temperatur im Inneren des Kälteschranks stabil zu halten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kälteschrank bereitszustellen, welcher eine verbesserte Dämmschicht aufweist, welche insbesondere ein besseres Dämmvermögen aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kälteschrank mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Kälteschrank mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse und einer zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordneten Dämmschicht, zeichnet sich dadurch aus, dass in der Dämmschicht ein gekühltes Element angeordnet ist. Im Betriebszustand des Kälteschranks stellt sich in den Wänden des Kälteschranks ein charakteristisches Temperaturprofil ein, welches von den Eigenschaften der verwendeten Dämmmaterialien, dem Aufbau der Wand und der Umgebungstemperatur außerhalb des Kälteschranks sowie der Betriebstemperatur innerhalb des Innengehäuses des Kälteschranks abhängig ist. Um ein gekühltes Element handelt es sich dann, wenn die Temperatur des gekühlten Elements geringer ist als die Temperatur, die in einer Dämmschicht ohne gekühltes Element an der Position innerhalb der Dämmschicht herrschen würde, an der das gekühlte Element angeordnet ist. Ein derartiges gekühltes Element verbessert die Dämmeigenschaften der Dämmschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das gekühlte Element eine derartige Temperatur auf und/oder ist an einer derartigen Position zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet, dass der Energieaufwand zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur im Innengehäuse des Kälteschranks gegenüber einer Dämmschicht ohne gekühltem Element verringert ist. Auf diese Weise kann eine energieeffizientere Dämmung erreicht werden.
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Vorzugsweise weist das gekühlte Element eine derartige Temperatur auf und/oder ist an einer derartigen Position zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet, dass der Energieeintrag in den Innenraum innerhalb des Innengehäuses gegenüber einer Dämmschicht ohne gekühltem Element verringert ist. Auf diese Weise kann die Qualität der Temperaturverteilung innerhalb des Innengehäuses des Kälteschranks verbessert werden, insbesondere eine homogenere Temperaturverteilung zwischen dem oberen Bereich des Kälteschranks und dem unteren Bereich des Kälteschranks erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das gekühlte Element als fluiddurchströmtes Rohr ausgebildet. Ein derartiges Rohr ist kostengünstig herzustellen und insbesondere einfach in die Dämmschicht zu integrieren.
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Vorteilhafterweise weist der Kälteschrank eine einstufige Kältemaschine auf, wobei die Kältemaschine wenigstens eine erste Stufe aufweist, wobei die erste Stufe einen ersten Kreislauf mit einem ersten Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager, einem ersten Drosselorgan und einem zweiten Wärmeübertrager aufweist und in dem ersten Kreislauf ein erstes Kühlmittel angeordnet ist, und wobei ein Abschnitt des ersten Kreislaufs, insbesondere ein Abschnitt in Flussrichtung des ersten Kältemittels nach dem zweiten Wärmeübertrager, innerhalb der Dämmschicht angeordnet ist und das gekühlte Element bildet. In der Regel weisen derartige Kreisläufe eine wärmere Seite, beispielsweise den ersten Wärmeübertrager, und eine kältere Seite, beispielsweise den zweiten Wärmeübertrager, auf, wobei zumindest ein Abschnitt des Kreislaufs eine Temperatur aufweist, welche zwischen der Umgebungstemperatur und der gewünschten tiefen Endtemperatur liegt, so dass dieser Abschnitt bei entsprechender Anordnung innerhalb der Dämmschicht ein gekühltes Element bilden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kälteschrank eine zwei- oder mehrstufige Kältemaschine auf, wobei die Kältemaschine wenigstens eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufweist, wobei die erste Stufe einen ersten Kreislauf mit einem ersten Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager, einem ersten Drosselorgan und einem zweiten Wärmeübertrager aufweist und in dem ersten Kreislauf ein erstes Kühlmittel angeordnet ist, wobei die zweite Stufe einen zweiten Kreislauf mit einem zweiten Verdichter, einem dritten Wärmeübertrager, einem zweiten Drosselorgan und einem vierten Wärmeübertrager aufweist und in dem zweiten Kreislauf ein zweites Kühlmittel angeordnet ist, und wobei der dritte Wärmeübertrager durch den zweiten Wärmeübertrager gebildet ist, und wobei der zweite Wärmeübertrager innerhalb der Dämmschicht angeordnet ist und das gekühlte Element bildet. Zum Erreichen von tiefen Temperaturen im Bereich von –80°C und weniger ist es oft erforderlich, mehrere Kältekreisläufe in einer sogenannten Kaskadenanordnung zu schalten. In derartigen Kaskadenanordnungen sind Wärmeübertrager vorhanden, die während des Betriebs eine Temperatur aufweisen, die zwischen der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur im Inneren des Kälteschranks liegen und somit bei entsprechender Anordnung innerhalb der Dämmschicht ein gekühltes Element bilden können, ohne das zusätzliche Einrichtungen zur Ausbildung eines gekühlten Elements notwendig sind. Eine derartige Anordnung ist somit besonders kostengünstig und energieeffizient.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dämmschicht zumindest abschnittsweise als Dämmschaumschicht ausgebildet. Eine Dämmschaumschicht kann besonders einfach in den Zwischenraum zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse eingebracht werden und insbesondere auch nahezu beliebige Geometrien von in dem Zwischenraum angeordneten Elementen umhüllen, um eine gute Dämmung zu erreichen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich erläutert.
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Es zeigt
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1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Wand eines Ausführungsbeispiels eines Kälteschranks mit überlagerter Temperaturverteilung.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Wand 100 eines Ausführungsbeispiels eines Kälteschranks mit überlagerter Temperaturverteilung. Die Wand 100 des Kälteschranks weise ein Innengehäuse 110, ein Außengehäuse 120 und eine dazwischen angeordnete Dämmschicht 130 auf. Die Dämmschicht 130 kann aus einem oder mehreren Materialien aufgebaut sein, ein- oder mehrlagig ausgebildet sein und beispielsweise auch als ein- oder mehrkomponentige Dämmschaumschicht ausgebildet sein. Zur Vereinfachung wird im folgenden angenommen, dass die Dämmschicht 130 lediglich aus einem Material mit homogenen Eingenschaften in dem gesamten Zwischenbereich zwischen dem Innengehäuse 110 und dem Außengehäuse 120 besteht.
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Wäre lediglich die Dämmschicht 130 zwischen dem Innengehäuse 110 und dem Außengehäuse 120 angeordnet, ergäbe sich bei einer Umgebungstemperatur Tu auf der Außenseite des Außengehäuses 120 und einer Innenraumtemperatur Ti auf der Innenseite des Innengehäuses 110 etwa ein linearer Temperaturverlauf 150. Der Wärmestrom ist somit an jeder Position innerhalb der Dämmschicht 130 konstant.
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Gemäß der Erfindung ist in der Dämmschicht 130 ein gekühltes Element 140 angeordnet. Dieses weist insbesondere an der Position, an der es im Zwischenraum zwischen dem Innengehäuse 110 und dem Außengehäuse 120 angeordnet ist, eine Temperatur Te auf, welche geringer ist als die Temperatur To, welche an der Position herrschen würde, wenn kein gekühltes Element 140 in der Dämmschicht 130 angeordnet wäre. Dadurch ergibt sich im Bereich zwischen dem gekühlten Element 140 und dem Außengehäuse ein linearer Temperaturverlauf 155 mit einer größeren Steigung als die Steigung des Temperaturverlaufs 150 ohne gekühltes Element 140, während sich im Bereich zwischen dem gekühlten Element 140 und dem Innengehäuse ein linearer Temperaturverlauf 155 mit einer kleineren Steigung als die Steigung des Temperaturverlaufs 150 ohne gekühltes Element 140. Der Wärmestrom im Bereich zwischen dem gekühlten Element 140 und dem Außengehäuse 120 ist somit größer, im Bereich zwischen dem gekühlten Element 140 und dem Innengehäuse 110 kleiner als der Wärmestrom ohne gekühltes Element 140.
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Durch Variation der Temperatur Te des gekühlten Elements 140 oder der Position des gekühlten Elements 140 ist es möglich zu erreichen, dass der Energieaufwand zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur Ti im Innengehäuse 110 des Kälteschranks gegenüber einer Dämmschicht ohne gekühltem Element verringert ist. Alternativ oder zusätzlich kann durch Variation der Temperatur Te des gekühlten Elements 140 oder der Position des gekühlten Elements 140 erreicht werden, dass der Energieeintrag in den Innenraum innerhalb des Innengehäuses 110 gegenüber einer Dämmschicht ohne gekühltem Element 140 verringert ist. Dies führt insbesondere zu einer homogeneren Temperaturverteilung zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich innerhalb des Innengehäuses 110 des Kälteschranks.
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Das gekühlte Element 140 ist vorzugsweise als fluiddurchströmtes Rohr ausgebildet. Besonders bevorzugt wird jedoch versucht, bereits durch den Aufbau der Kältemaschine vorhandene gekühlte Elemente zu nutzen, so dass keine zusätzlichen Elemente und keine zusätzliche Energie vonnöten ist, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
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In vielen Kälteschränken, bei welchen eine Innenraumtemperatur Ti von beispielsweise weniger als –80°C erreicht werden sollen, ist eine zwei- oder mehrstufige Kältemaschine vorhanden, wobei die Kältemaschine wenigstens eine erste Stufe und eine zweite Stufe aufweist, wobei die erste Stufe einen ersten Kreislauf mit einem ersten Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager, einem ersten Drosselorgan und einem zweiten Wärmeübertrager aufweist und in dem ersten Kreislauf ein erstes Kühlmittel angeordnet ist, wobei die zweite Stufe einen zweiten Kreislauf mit einem zweiten Verdichter, einem dritten Wärmeübertrager, einem zweiten Drosselorgan und einem vierten Wärmeübertrager aufweist und in dem zweiten Kreislauf ein zweites Kühlmittel angeordnet ist, und wobei der dritte Wärmeübertrager durch den zweiten Wärmeübertrager gebildet ist. Der zweite Wärmeübertrager weist dabei eine Temperatur auf, welche geringer ist als die Umgebungstemperatur, aber höher als die Innenraumtemperatur Ti innerhalb des Innengehäuses 110. Vorzugsweise wird bei derartigen Kälteschränken der zweite Wärmeübertrager innerhalb der Dämmschicht 130 angeordnet ist und bildet das gekühlte Element 140. Bei entsprechender Positionierung innerhalb der Dämmschicht 130 kann erreicht werden, dass der Wärmestrom auf die Außenseite des Innengehäuses 130 gegenüber der Dämmschicht ohne gekühltem Element 140 verringert wird und der Energieaufwand zur Aufrechterhaltung der gewünschten Innenraumtemperatur Ti gegenüber der Dämmschicht ohne gekühltem Element 140 verringert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wand
- 110
- Innengehäuses
- 120
- Außengehäuse
- 130
- Dämmschicht
- 140
- gekühltes Element
- 150
- Temperaturverlauf ohne gekühltem Element
- 155
- Temperaturverlauf mit gekühltem Element
- Tu
- Umgebungstemperatur
- Ti
- Innenraumtemperatur
- To
- Temperatur
- Te
- Temperatur
