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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kühlgeräte und insbesondere auf Kühlgeräte mit einer Kompressions-Wärmepumpe.
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Die
DE 10 2016 203 414 B4 beschreibt eine Wärmepumpe mit einem Fremdgassammelraum, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe und ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit in einem Verdampferraum. Ferner ist ein Kondensator zum Verflüssigen von verdampfter Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensatorraum vorgesehen, der von einem Kondensatorboden begrenzt ist und eine Menge an Arbeitsflüssigkeit hält, die als „Regen“ in den Kondensatorraum eingeführt wird, um eine effiziente Kondensierung zu erreichen. Der Verdampferraum ist zumindest teilweise von dem Kondensatorraum umgeben. Ferner ist der Verdampferraum durch den Kondensatorboden von dem Kondensatorraum getrennt. Ein zu kühlendes Gebiet ist an den Verdampfer über einen Wärmetauscher angeschlossen. Ferner ist ein zu wärmendes Gebiet an den Kondensierer ebenfalls über einen Wärmetauscher angeschlossen. Insbesondere ist die Wärmepumpe in einem dosenförmigen Gehäuse untergebracht, in dem an einem oberen Bereich der Motor für einen Turboverdichter mit Radialrad angebracht ist, während im unteren Bereich im Verdampferboden sämtliche Zu- und Abflüsse für die Arbeitsflüssigkeit im Verflüssiger und für die Arbeitsflüssigkeit im Verdampfer angeordnet sind.
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Insbesondere für kleine Kühlleistungen oder aber dann, wenn eine besonders kompakte Bauform erforderlich ist, ist die bekannte Wärmepumpe nicht optimal angepasst. Deshalb kann eine solche Wärmepumpe für Anwendungen mit kleineren Kühlleistungen und mit einem geringen Platzbedarf nicht oder nur schwer bzw. mit hohem Aufwand eingesetzt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlgerät zu schaffen, das flexibel einsetzbar ist und ferner für Einsätze geeignet ist, die mit mittleren oder niedrigeren Kühlleistungen auskommen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlgerät gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlgeräts nach Patentanspruch 16 oder ein Transportgerät nach Patentanspruch 17 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine kompakte Bauform bei gleichzeitig nicht allzu hohen Kühlleistungen günstigerweise dadurch erreicht werden kann, dass eine Arbeitsflüssigkeit in einem abgeschlossenen System im Verdampfer auf einem Verdampferboden gehalten wird, dass der Verdichter die verdampfte Arbeitsflüssigkeit in Aufstellrichtung von unten nach oben fördert, und dass der im Aufstellrichtung oben angeordnete Verflüssiger insbesondere eine obere Wand hat, die ausgebildet ist, dass an der oberen Wand die verdampfte Arbeitsflüssigkeit kondensierbar ist und von oben nach unten abtropft. Die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit wird auf einen Zwischenboden gesammelt, welcher als Drossel-Funktionalität wenigstens eine oder vorzugsweise mehrere Öffnungen aufweist, durch die die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit zu dem Verdampferboden zurückgelangen kann. Im Verflüssiger wird kein signifikanter Vorrat an Kondensiererflüssigkeit gehalten, der die Kondensierung unterstützt. Statt dessen wird die Kondensierung an der oberen Wand des Verflüssigers erreicht.
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Dadurch kann ein hermetisch abgeschlossenes System erreicht werden, das zudem bei Unterdruck betreibbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Wasser als Arbeitsflüssigkeit eingesetzt wird, wobei Wasser als Arbeitsflüssigkeit besonders vorteilhaft ist, da es keine klimaschädigende Wirkung hat und gleichzeitig im Hinblick auf seine speziellen Eigenschaften für eine Wärmepumpe mit einem Verdichter besonders gut geeignet ist, welcher ein Radial- oder Turboverdichter ist. Ein solcher Verdichter ermöglicht aufgrund seines Betriebs einen Druckunterschied bis zu dem Fünffachen, dahin gehend, dass der Druck im Verflüssiger fünf Mal so hoch ist wie im Verdampfer. Gleichzeitig wird eine effiziente Bauform erreicht, weil lediglich im bzw. auf dem Verdampferboden etwas Arbeitsflüssigkeit gehalten werden muss, jedoch eine Kondensation an einer kühlen Wand, nämlich der oberen Wand des Kondensierers durchgeführt wird, die typischerweise in thermischem (Direkt)-Kontakt mit dem zu wärmenden Gebiet ist. Damit wird keine Verflüssigung in eine im Verflüssiger gehaltene Arbeitsflüssigkeit des Kondensierers durchgeführt, die typischerweise in thermischem (Direkt)-Kontakt mit dem zu wärmenden Gebiet ist.
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So wird keine Verflüssigung in eine im Verflüssiger gehaltene Arbeitsflüssigkeit hinein erreicht, sondern die Verflüssigung findet an einer im Vergleich zur Temperatur des komprimierten Arbeitsdampfs kühleren Wand statt. Aufgrund der Aufstellrichtung fließt bzw. tropft die kondensierte Arbeitsflüssigkeit direkt von der oberen Wand ab oder fließt über die seitliche Wand zurück auf den Zwischenboden. Dort wird ebenfalls wieder ohne größere Einbauten, nämlich typischerweise durch eines oder mehrere relativ dünne Löcher durch den Auffangboden eine Drosselfunktion erreicht, so dass die kondensierte Arbeitsflüssigkeit zurück in den Verdampfer gelangt, und von dort aufgrund der thermischen Kopplung des Verdampferbodens mit dem zu kühlenden Gebiet wieder verdampft. Damit ist ein effizienter Kreislauf in einem System geschaffen, das nicht befüllt werden muss. Ferner wird dieses System dann, wenn es einmal evakuiert worden ist, und Drücke im Inneren hat, die kleiner als der Atmosphärendruck sind, von selbst dicht bleiben, weil typischerweise die obere Einheit mit dem Verflüssiger und die untere Einheit mit dem Verdampfer aufgrund des Drucks zwischen diesen beiden Elementen, welcher kleiner als der Atmosphärendruck ist, zusammengedrückt werden. Durch Bereitstellen einer entsprechenden Dichtung zwischen diesen beiden Elementen muss nicht einmal ein besonders hoher Aufwand an zusätzlicher Abdichtung bzw. Haltekraft erreicht werden.
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Vorzugsweise ist das Kühlgerät quaderförmig ausgebildet, also mit einer relativ flachen Höhe und einer relativ zur Höhe größeren Erstreckung senkrecht zur Höhe, so dass ein relativ großer Bereich, z. B. eine Gebäudedecke oder eine Fahrzeuginnenraum durch den Verdampferboden realisiert werden kann, wobei der Verdampferboden in direkten Kontakt mit dem zu kühlenden Bereich kommt. Damit steht aufgrund der kompakten Bauform dennoch die obere Wand des Verflüssigers nicht zu stark über die Gebäudedecke oder die sonstige Begrenzung des Innenraums eines Fahrzeugs beispielsweise hervor.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen können die obere Wand des Verflüssigers und/oder der Verdampferboden lamellenartig ausgebildet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind diese Elemente als ebene bzw. glatte Flächen ausgebildet, und es können auf diesen ebenen oder flachen Elementen Strukturen angeordnet sein, die Fluidkanäle darstellen, wie beispielsweise Lamellenstrukturen oder etwas Ähnliches.
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Ferner können sowohl die Oberseite des Kühlgeräts als auch die Unterseite des Kühlgeräts mit je einem Ventilator versehen werden, um eine erzwungene Luft- bzw. Fluidströmung entlang der beiden thermisch aktiven Flächen, also entlang des Verdampferbodens einerseits und der oberen Wand des Verflüssigers andererseits zu erreichen, um eine bessere Wärmeübertragung sicherzustellen. Insbesondere beim Einbau in ein Transportgerät, wie beispielsweise ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, oder ein Luftfahrzeug, kann bereits der Fahrtwind den der oberen Wand des Verflüssigers zugeordneten Ventilator antreiben. Durch eine z. B. starre Kopplung dieses Ventilators mit einem Ventilator, der dem Verdampferboden zugeordnet ist, also z. B. im Innenraum des Transportgeräts angeordnet ist, kann dann dieser Ventilator ebenfalls aufgrund des Fahrtwinds angetrieben werden, um eine verbesserte Kühlung zu erreichen, jedoch ohne irgendeinen, z. B. elektrischen Aufwand aufzuwenden.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen, die z. B. in einem Gebäude eingebaut sind, kann ein von der Decke tropfendes Kondensat mit einer Auffangschale aufgefangen werden, um dieses Kondensat dann in den thermischen Kontakt mit der oberen Wand des Verflüssigers zu bringen, um die Effizienz des erfindungsgemäßen Kühlgeräts durch eine zusätzliche Verdampfungs- bzw. adiabatische Kühlung zu erhöhen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kühlgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kühlgeräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit aufgesetzten Fluidkanalstrukturen;
- 3 einen Querschnitt durch ein Kühlgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel mit nicht-ebenen thermisch aktiven Flächen.
- 4 eine Schnittansicht von oben des Kühlgeräts von 3;
- 5 eine perspektivische Ansicht von unten auf das Kühlgerät von 3;
- 6 ein Transportgerät mit einem eingebauten Kühlgerät; und
- 7 ein Gebäude mit einem eingebauten Kühlgerät.
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1 zeigt ein Kühlgerät mit einem Verdampfer 100 zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit 110, wobei die Arbeitsflüssigkeit 110 auf einem Verdampferboden 120 gehalten wird. Das Kühlgerät umfasst ferner einen Verdichter 200 zum Verdichten von verdampfter Arbeitsflüssigkeit 130. Der Verdichter ist ausgebildet, um die verdampfte Arbeitsflüssigkeit 130 in Aufstellrichtung, wie sie rechts von 1 eingezeichnet ist, von unten nach oben zu fördern. Die Aufstellrichtung wird insbesondere für den Betrieb des Kühlgeräts eingenommen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Aufstellrichtung nicht unbedingt perfekt senkrecht sein muss. Auch schräge Aufstellrichtungen sind einsetzbar, wobei jedoch sichergestellt werden sollte, dass wenigstens eine vertikale Richtungskomponente der Schwerkraft verbleibt, die auf eine kondensierte Arbeitsflüssigkeit 320 wirken kann, damit diese von oben nach unten tropfen kann. Insbesondere wird die Kondensierung durch einen Verflüssiger 300 erreicht, wobei der Verflüssiger 300 eine in Aufstellrichtung obere Wand 310 hat, die so ausgebildet ist, dass an der oberen Wand die vom Verdichter geförderte und komprimierte verdampfte Arbeitsflüssigkeit 340 kondensierbar ist und aufgrund der Kondensierung von oben nach unten tropft, wie es bei 320 dargestellt ist, wobei das Bezugszeichen 320 schematisch das Herunterfallen von Tropfen von kondensierter Arbeitsflüssigkeit darstellen soll. Das Kühlgerät umfasst ferner einen Zwischenboden 400, der ausgebildet ist, um die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit aufzufangen, wie es durch Tröpfchen in 1 dargestellt ist, die auf dem Zwischenboden 400 liegend gezeichnet sind. Insbesondere umfasst der Zwischenboden ferner wenigstens eine Öffnung 420, durch die die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit zu dem Verdampferboden 120 gelangen kann. Insbesondere ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Verdampferboden 120 in direktem Kontakt mit einem zu kühlenden Gebiet bringbar. Alternativ oder zusätzlich ist auch die obere Wand 310 des Verflüssigers in direkten Kontakt mit einem zu wärmenden Gebiet bringbar.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es beispielsweise in 3 oder 4 gezeigt ist, ist der Verdichter 200 als Turboverdichter ausgeführt, der ein Verdichterrad 210 und einen Leitweg 220 für den vom Verdichterrad 210 von unten nach oben geförderten Dampf aufweist. Ferner umfasst der Turboverdichter einen Antriebsmotor 230 für das Verdichterrad 210. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Verdampfer 100 als untere Einheit 150 ausgebildet, und ist der Verflüssiger 300 als obere Einheit 160 ausgebildet. Wie es in 3 beispielsweise gezeigt ist, ist die obere Einheit 160 unterteilbar in eine Motoraufnahmeeinheit oder obere Teileinheit 160a, welche bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als obere Wand in Kanalstruktur, wie beispielsweise Lamellenstruktur, ausgeführt ist. Die obere Einheit 160 wird durch eine mittlere Einheit 160b bzw. unteren Bereich komplettiert, der den Zwischenboden und das Radialrad 210 samt Leitwegstruktur 220 aufweist. Insbesondere ist das Verdichterrad 210 in dem mittleren Bereich 160b angeordnet und erstreckt sich der Motor 230 in die obere Einheit hinein.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet das Kühlgerät, wie es in den Figuren dargestellt ist, Wasser als Kältemittel. Insbesondere ist dabei der Verflüssiger 100 ausgebildet, um bei einem Verflüssigerdruck unter 300 mbar zu arbeiten, wobei insbesondere Drücke zwischen 10 und 250 mbar und insbesondere Drücke um 100 mbar bevorzugt werden. Ferner ist der Verdampfer ausgebildet, um bei einem Verdampfungsdruck kleiner als der Verflüssigungsdruck zu arbeiten und insbesondere bei einem Verdampferdruck, der kleiner als 150 mbar ist und vorzugsweise zwischen 10 und 80 mbar liegt und bei ganz bevorzugten Ausführungsbeispielen bei etwa 20 mbar liegt.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 1 gezeigt ist, ist der Verdampferboden als unterer Wärmeübertrager zum zu kühlenden Gebiet 500 ausgebildet. Darüber hinaus ist auch die obere Wand 310 des Verflüssigers als oberer Wärmeübertrager ausgebildet. Ferner sind der Verdichter 200 und der Zwischenboden in der mittleren Einheit, wie sie beispielsweise bei 160b in 3 zu sehen ist, ausgebildet, wobei an Schnittstellen zwischen den Einheiten Dichtungen 170a, 170b angeordnet sind, und wobei das Kühlgerät bei Innendrücken kleiner als die Hälfte des Atmosphärendrucks betrieben wird, so dass die obere Teileinheit, die in 3 bei 160a gezeigt ist, und die untere Einheit, die in 3 bei 150 gezeigt ist, jeweils auf die mittlere Einheit und die zwischen den Einheiten vorhandenen Dichtungen 170a, 170b drückt, so dass eine automatische Abdichtung erreicht wird, wenn das Kühlgerät einmal evakuiert worden ist, um betriebsbereit gemacht zu werden.
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Wie es beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt ist, ist das Kühlgerät vorzugweise quaderförmig ausgebildet, um günstig in Gebäudedecken, wie es beispielsweise in 7 dargestellt ist oder in Fahrzeugdächern, wie es beispielsweise in 6 dargestellt ist, untergebracht zu werden. Eine solche quaderförmige Implementierung hat vorzugsweise eine Höhe kleiner als 50 cm und/oder weist eine Länge oder Breite auf, die kleiner als 100 cm ist. Ferner wird es bevorzugt, dass die Länge oder Breite größer als die Höhe ist, um ein flaches Gerät zu erhalten. Während das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ein Kühlgerät mit einer flachen oberen Wand 310 bzw. einem flachen Verdampferboden zeigt, ist in den 3 bis 5 ein Kühlgerät gezeigt, bei dem die obere Wand 310 als Lamellenwand 180a ausgebildet ist, und bei der die untere Wand bzw. der Verdampferboden 120 als Lamellenwand 180b ausgebildet ist. Es wird bevorzugt, dass sich bei plangemäßer Aufstellrichtung entlang des Verdampferbodens, also in der Lamellenwand ein Arbeitsflüssigkeitspegel bildet, der im Wesentlichen gleichmäßig ist. Die Arbeitsflüssigkeitsfüllung in dem Kühlgerät ist so dimensioniert, dass ein Pegel der Arbeitsflüssigkeit, wie sie bei 110 in 1 schematisch dargestellt ist, zwischen 10% und 70% der Lamellenhöhe des Verdampferbodens beträgt. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Füllung bei etwa 50% der Lamellenhöhe. Ist bei der Alternative von 1 der Verdampferboden 120 eben ausgebildet, so wird eine Arbeitsflüssigkeitshöhe bzw. ein Arbeitsflüssigkeitspegel von weniger als 10% der gesamten Höhe des Kühlgeräts bevorzugt.
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Das zu wärmende Gebiet 600 bzw. das zu kühlende Gebiet 500, wie sie in 1 dargestellt sind, sind direkt an dem Verdampferboden 120 bzw. der oberen Wand 310 des Verflüssigers angeordnet. Um hier eine gute Wärmeübertragung zu erreichen, ist eine Wanddicke der oberen Wand 310 bzw. des Verdampferbodens kleiner als 3 mm und vorzugsweise kleiner als 1 mm. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, das eine Implementierung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels mit ebener oberer Wand 310 und ebenem Verdampferboden 120 zeigt, ist vorzugsweise eine Struktur zum Bilden von Fluidkanälen, wie beispielsweise die Lamellenstruktur ausgebildet, wobei jedoch im Gegensatz zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Unterseite der Lamellen bzw. der Struktur 190a nicht in Kontakt mit dem Arbeitsdampf ist, sondern außerhalb des Unterdruckgebiets angeordnet ist. Dasselbe gilt für die Strukturen 190b, die an dem Verdampferboden angeordnet sind, jedoch nicht innerhalb des Unterdruckgebiets angebracht sind.
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Vorzugweise wird bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein verflüssigerseitiger Ventilator 700 angeordnet, der vergleichsweise warme Luft oder warme Flüssigkeit durch die Struktur 190 hindurch entlang der oberen Wand 310 des Verflüssigers 300 führt, so dass das warme Fluid erwärmt wird und als heißes Fluid austritt. Entsprechend ist der Ventilator 710 angeordnet, um vergleichsweise kühle Luft bzw. kühle Flüssigkeit bzw. allgemein gesagt ein kühles Fluid in die Struktur 190b zu fördern, wobei das kühle Fluid durch Interaktion mit dem Verdampferboden weiter abgekühlt wird und als kaltes Fluid aus der Struktur 190b wieder austritt. Die Drehachsen der beiden Ventilatoren 700, 710 sind vorzugsweise gekoppelt, so dass eine erzwungene Drehung des Ventilators 700, die dann auftritt, wenn die obere Struktur z. B. einem Fahrtwind ausgesetzt wird, wenn das Kühlgerät in dem Dach eines Fahrzeugs, wie es in 6 gezeigt ist, angeordnet ist, auch eine erzwungene Bewegung des Ventilators 710 erzeugt. Damit wird ohne Energieaufwand aufgrund des Fahrtwinds auch eine Ventilation im Fahrzeuginnenraum durch die Struktur 190b hindurch erzeugt, um eine Kühlfunktionalität bzw. um eine Wärmeübertragung zwischen dem abzukühlenden Medium in der Struktur 190b und dem Verdampferboden 120 zu verbessern. Je nach Implementierung kann auch ein Motor 720 vorgesehen sein, um z. B. im Stand, wenn kein Fahrtwind vorhanden ist, ebenfalls eine Ventilation zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann auch dann, wenn das Fahrzeug z. B. zu langsam fährt bzw. eine höhere Kühlleistung benötigt wird, die nicht durch den Betrieb des Verdichters erreicht werden kann, durch den Motor ein Antrieb der Ventilatoren erreicht werden. Je nach Implementierung kann der Motor 720 mit einer Steuerung 740 gekoppelt sein, die die Drehzahl des Ventilators 700 bzw. der beiden Ventilatoren 700, 710 übermittelt und bei zu hoher Drehzahl entweder den Motor 720 bremst oder aber eine Generatorfunktion aktiviert, um Strom zu erzeugen und an das System abzugeben, um die Welle 730 zu bremsen. Dieser Strom kann entweder in ein Stromnetz, wie beispielsweise das Bordnetz eines Fahrzeugs eingegeben werden oder direkt verwendet werden, um den Verdichter anzutreiben. Wenn jedoch die Drehzahl zu langsam ist, so kann der Motor zusätzlich zum Fahrtwind den Ventilator 700 und damit auch den Ventilator 710 antreiben, um eine gewünschte Drehzahl zu erreichen.
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Obgleich bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiele lediglich eine Öffnung 420 eingezeichnet ist, wird es bevorzugt, mehrere Öffnungen, wie beispielsweise vier vorzusehen, und zwar an jeder Ecke des Zwischenbodens, wobei solche Eckpositionen bei 430a und 430b in 3 angedeutet sind. Damit wird erreicht, dass Arbeitsflüssigkeit nicht nur an einer Ecke bzw. an einer Seite von der Oberseite des Zwischenbodens 400 in den Verdampfer 100 gelangt, sondern dass dies an mehreren Stellen möglich ist, was unmittelbar ein Kippen des Kühlgeräts bezüglich der optimalen Aufstellrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ermöglicht, wobei dann immer noch die Funktionalität bestehen bleibt.
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3 zeigt darüber hinaus eine bevorzugte Strukturierung des Zwischenbodens 400 als sich nach oben verjüngendes Ellipsoid. Diese Form ist vorteilhaft, dass damit der Verdampferraum in der gesamten Erstreckung des Kühlgeräts benutzt werden kann, dass also viel Fläche des Verdampferbodens effektiv dazu beiträgt, um Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen, die dann durch das vorzugsweise in der Mitte angeordnete Radialrad 210 von unten nach oben gefördert wird. Um eine Verdichtung im Sinne des Turboverdichters zu erreichen, wird der von dem Radialrad 210 geförderte Arbeitsdampf in den Leitweg 220 mit sich öffnendem Querschnitt gebracht, wobei aufgrund des Querschnitts und der Ausgestaltung und Anordnung des Leitwegs im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Umlenkung des Arbeitsdampfs stattfindet, um den Arbeitsdampf im Wesentlichen waagrecht in den Verflüssiger einzuspeisen, damit sich der Arbeitsdampf günstig über die gesamte obere Wand 310 verteilt, so dass eine möglichst große Kondensiererfläche erhalten wird. Alternative Verdichter und alternative Umlenkungen sind jedoch, wie es in 1 gezeigt ist, ebenfalls möglich, wobei in 1 der Dampf nur von unten nach oben ohne weitere Umlenkung gefördert wird und sich dann selbst seinen Weg zur oberen Wand 310 „sucht“, um dort zu kondensieren und als Wassertropfen auf den Zwischenboden herabzuregnen.
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6 zeigt eine bevorzugte Implementierung der vorliegenden Erfindung in einem Transportgerät, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug. Andere Transportgeräte, wie beispielsweise Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge oder sonstige Fahrzeuge, bei denen eine Kühlung eines Innenraums 810 nötig ist, können ebenfalls entsprechend mit einem Kühlgerät versehen werden. Das Kühlgerät wird vorzugsweise in das Dach des Innenraums eingebaut, und zwar so, dass sich die obere Wand mit Lamellenstruktur 180a oder aber die Lamellenstruktur außerhalb der oberen Wand, die mit 190a bezeichnet ist, über das Fahrzeugdach hinaus erstreckt, damit der Fahrtwind durch die Struktur, wie beispielsweise die Lamellenstruktur gleiten kann, um gegebenenfalls einen Ventilator (V) anzutreiben. Dagegen erstreckt sich der Verdampferboden mit Lamellenstruktur 180b bzw. die außen am Verdampferboden angebrachte Lamellenstruktur 190b in dem Fahrzeuginnenraum 810, der gekühlt werden soll, um die dort befindliche Luft abzukühlen und ein angenehmes Klima für einen Fahrer zu schaffen. Nach Implementierung wird das Kühlgerät in 6 mit oder ohne gekoppelte Ventilatoren versehen. Auch dann, wenn lediglich der Fahrtwind vorhanden ist und im Fahrzeuginneren keine Ventilation durch einen eigenen Ventilator erreicht wird, findet trotzdem eine angenehme Kühlung des Innenraums 810 statt.
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Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist schematisch ein Gebäude gezeigt, bei dem in einer Gebäudedecke das Kühlgerät eingezeichnet ist, wobei wieder die Lamellenstruktur 180a der oberen Wand oder die außen an der oberen Wand angebrachte Struktur 190a oben aus dem Gebäude vorstehen und der Verdampferboden mit Lamellenstruktur 180a oder die an dem Verdampferboden angeordnete Struktur 190b in den Innenraum des Gebäudes, der zu kühlen ist, vorstehen. Insbesondere bei feuchten Umgebungen kann es dazu kommen, dass Kondensat von der Struktur 180a bzw. 190b herabtropft. Dieses Kondensat wird vorzugsweise durch eine Auffangschalte 750 aufgefangen und über eine Rohrleitung in thermischem Kontakt mit der Struktur 180a bzw. 190a gebracht. Hierzu kann in der Rohrleitung eine Pumpe P eingesetzt werden. Durch Aufbringen dieser Kondensatflüssigkeit auf die obere Wand bzw. in thermischem Kontakt mit der oberen Wand des Verflüssigers wird eine zusätzliche Kühlung zur Wärmeabfuhr durch adiabatische Kühlung, also Verdunstungskühlung erreicht. Damit wird die obere Wand für den zu kondensierenden Arbeitsdampf innerhalb des Verflüssigers gekühlt und die Kondensierung und damit der gesamte Wärmepumpenprozess wird beschleunigt.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine kompakte Bauform aus. Insbesondere ermöglichen der Direktverdampfer 100 und der Direktverflüssiger 300 einen guten Wärmeübergang zur Luft. Der Turboverdichter 200 sitzt in der Mitte der Einheit und erzeugt das nötige Druckverhältnis je nach Außentemperatur. Der Turboverdichter wird vorzugsweise mit Strom gesteuert, kann jedoch auch je nach Implementierung direkt mechanisch vom Motor des Fahrgeräts angetrieben werden. Das Kühlgerät arbeitet mit Wasser als Kältemittel im Grobvakuum, wobei die Verdampferdrücke von 10 mbar bis 80 mbar und Verflüssigerdrücke von 10 mbar bis 250 mbar bevorzugt werden. Damit ist das Kühlgerät immer gewissermaßen im Vakuum. Dadurch werden die Wärmeübertrager oben und unten vom Luftdruck dicht auf die Anlage gepresst. Die Anlage kann in eine Zwischendecke eines Gebäudes integriert werden oder auf einem Fahrzeugdach, wie beispielsweise auf dem Dach eines Zugs, eines Busses, eines Lkws oder eines anderen Transportgeräts. Durch den Turboverdichter sind Druckunterschiede zwischen Kaltseite (unten) und Warmseite (oben) von bis zu 5 möglich. Für kleine Kälteleistungen von 2 bis 15 kW ist das Kühlgerät sehr kompakt ausführbar. Das dünnwandige Wellblech zur Realisierung der Lamellen erzeugt dabei die nötige Oberfläche für den Wärmeübergang auf beiden Seiten. Damit lassen sich Klimaanlagen realisieren, die einen Flächenbedarf für den Einbau in eine Zwischendecke von größer als 0,5 m2 bis kleiner als 2 m2 je nach Kälteleistung haben. Aufgrund der Schwerkraft wird das Wasser im unteren Wärmetauscher gleichmäßig verteilt. Die Lamellen sollten jedoch bei bevorzugten Ausführungsbeispielen höchstens halb mit Wasser gefüllt sein. Um dies zu realisieren, werden die Lamellen mit entsprechenden Ausgleichselementen 180c, die je nach Implementierung als Rohrleitungen ausgebildet werden, verbunden, wie es insbesondere in 5 in der Ansicht von unten des Kühlgeräts zu sehen ist. Die oberen Lamellen dienen zum Verflüssigen des Wasserdampfes. Die Schwerkraft lässt das Kondensat abtropfen und es sammelt sich auf dem Zwischenboden 400, der gleichzeitig die beiden Druckgebiete voneinander trennt. In allen vier Ecken ist der tiefste Punkt und damit die Drucktrennstelle. Hier ist jeweils eine dünne Bohrung 420 mit einem Durchmesser größer als 1 mm bis max. 6 mm als Drossel vorhanden.
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Um den Wärmeaustausch mit der Luft zu verbessern, kann, wie es insbesondere Bezug nehmend auf 2 dargestellt ist, eine Luftströmung entlang der Lamellen erzwungen werden. Durch den Einbau der beiden Ventilatoren 710, 700 auf der Verdampferseite bzw. auf der Verflüssigerseite wird die erzwungene Luftströmung erreicht. Ferner werden die beiden Drehachsen der Ventilatoren miteinander verbunden, wie es durch 730 angezeigt ist, so dass der Motor 720 beide Ventilatoren antreiben kann. Ist das Kühlgerät in einem Fahrzeug integriert, kann auch ohne Motor der Fahrtwind den oberen Ventilator 700 anströmen und damit durch die starre Achse 730 den unteren Ventilator 710 antreiben. Wird eine Steuerung 740 zusätzlich zu einem Motor 720 vorgesehen, so kann die Steuerung 740 die Drehzahl des Motors 720 überwachen und bei zu geringer Zirkulation kann der Motor antreiben, während bei zu hohen Drehzahlen der Motor als Generator Leistung entnimmt und so die Drehzahl begrenzt.
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Insbesondere kann sich auf der Kaltseite bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit Kondensat bilden, wie es Bezug nehmend auf 7 dargestellt worden ist. Damit das Kondensat nicht von der Decke tropft, wird die Auffangwanne 750 vorgesehen, die gleichzeitig vorzugsweise als Strömungsführung durch die Lamellen dient. Das Kondensat sammelt sich dann in der Wanne, und am tiefsten Punkt in der Wanne kann das Kondensat entweder durch eine Pumpe (P) vor den Ventilator auf der Verflüssigerseite gepumpt werden oder der Druckunterschied der beschleunigten Strömung, die aufgrund des Ventilators erzeugt wird, der das Kondensat aus der Leitung „zieht“, reicht bereits ohne Vorhandensein einer Pumpe zum Ansaugen des Kondensats aus. Das Kondensat verbessert den Wärmeübergang auf der Verflüssigerseite durch eine adiabate Kühlung.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen des Kühlgeräts wird der Verdampfer in Betriebsrichtung des Kühlgeräts oberhalb des Verflüssigers angeordnet, und wird ferner der Zwischenboden zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger angeordnet, um die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit aufzufangen. Ferner wird in dem Zwischenboden eine Öffnung vorgesehen, durch die die abgetropfte Arbeitsflüssigkeit zu dem Verdampferboden gelangen kann.
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Je nach Ausführungsbeispiel kann somit statt einem lamellenartigen Boden auch ein ebener Verdampferboden eingesetzt werden. Die Kühlflüssigkeit, die beispielsweise Wasser ist, steht dann als ebene „Pfütze“ auf dem Verdampferboden. Die obere Wand des Verflüssigers kann ebenfalls zusätzlich oder alternativ eben und nicht lamellenartig ausgeführt werden.
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Vorzugsweise sind dann unter dem Verdampferboden oder aber auch der Verflüssigerabdeckung entsprechende beschriebene Lammellenstrukturen angebracht, durch welche statt Luft beispielsweise auch Sole oder ein anderes flüssiges Kühlmedium geführt werden kann.
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Ferner kann zur Schaffung von Kondensations/Verdampfungskeimen die Oberflächenstruktur entsprechend ausgestaltet werden.
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Der Vorteil des „Sandwiches“ des Kühlgeräts, das rund oder eckig ausgebildet werden kann, liegt auch darin, dass es für eine Außenaufstellung geeignet ist, da ein Einfrieren des Wassers möglich ist, und dadurch keine Schäden entstehen, zumal das Wasser nicht in Rohren oder etwas Ähnlichem geführt wird. Das Kühlgerät in seiner „Sandwich“-Ausführung ist ein hermetisch geschlossenes System ohne Schnittstellen zur Umgebung.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verdampfer
- 110
- Arbeitsflüssigkeit
- 120
- Verdampferboden
- 130
- verdampfte Arbeitsflüssigkeit
- 150
- untere Einheit
- 160
- obere Einheit
- 160a
- obere Teileinheit
- 160b
- mittlere Einheit
- 170a
- obere Dichtung
- 170b
- untere Dichtung
- 180a
- obere Lamellenstruktur
- 180b
- untere Lamellenstruktur
- 180c
- Ausgleichsleitung
- 190a
- obere Struktur
- 190b
- untere Struktur
- 200
- Verdichter
- 210
- Verdichterrad
- 220
- Leitweg
- 230
- Verdichtermotor
- 300
- Verflüssiger
- 310
- obere Wand des Verflüssigers
- 320
- abgetropfte Arbeitsflüssigkeit
- 340
- verdampfte und verdichtete Arbeitsflüssigkeit
- 400
- Zwischenboden
- 420
- Öffnung im Zwischenboden
- 430a
- maximal tiefe Stelle
- 430b
- maximal tiefe Stelle
- 500
- zu kühlendes Gebiet
- 600
- zu wärmendes Gebiet
- 700
- verflüssigerseitiger Ventilator
- 710
- verdampferseitiger Ventilator
- 720
- Motor
- 730
- Verbindungsachse
- 740
- Steuerung
- 750
- Auffangschale
- 760
- Kondensatleitung
- 800
- Transportgerät
- 810
- Innenraum
