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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schnellabkühlen von Produkten. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Härten von Eisenprodukten und/oder zum Einfrieren von Blutplasma oder Fisch, insbesondere Thunfisch. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zum Härten von Eisenprodukten und/oder zum Einfrieren von Blutplasma oder Fisch, insbesondere Thunfisch.
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Das Härten von Eisenwerkstoffen (Eisenhärtung) dient zur Verbesserung der mechanischen Widerstandsfähigkeit von Eisenwerkstoffen, wie beispielsweise Stahl und Gusseisen. Durch kryogene Härteprozesse können zusätzlich zum herkömmlichen Härteprozess weitere Gefügeumwandlungen erzielt werden. Relevant hierbei ist das Unterschreiten der Martensitstarttemperatur und der Martensitfinishtemperatur.
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Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich auch im Umfeld der Kühlung von Fisch, insbesondere Thunfisch. Frischfisch wird oft direkt nach dem Fang bereits auf dem Fangschiff bei -40 °C oder tieferen Temperaturen eingefroren. Das Einfrieren erfolgt dabei je nach Art des Fisches ohne vorherige Verarbeitung (beispielsweise Filetieren). Durch eine schnelle Abkühlung auf tiefe Temperaturen werden biologische Prozesse verlangsamt oder zum Erliegen gebracht und eine gute Qualität konserviert. Eine weitere relevante Anwendung der Schnellabkühlung liegt im Bereich des Einfrierens von Blutplasma.
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Die Schnellabkühlung bzw. Abschreckung erfolgt dabei mittels unterschiedlicher Ansätze. Weitverbreitet sind die Umsetzung von kryogenen Härteprozessen bzw. Kältebehandlungen durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff. Dabei wird in Ansätze mit direkter Kühlung durch Stickstoff einerseits und Ansätze mit indirekter Kühlung durch Stickstoff andererseits unterschieden. Bei direkten Verfahren wird das Material in flüssigen Stickstoff eingetaucht oder über Düsen mit Stickstoff bedampft, wodurch hohe Kühlleistungen und hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreicht werden können. Bei indirekten Verfahren wird ein Sekundärfluid mit Stickstoff gekühlt und anschließend zum Baden der zu kühlenden Teile darin verwendet. Zudem stellt auch die Verwendung von Trockeneis eine Alternative zur Verwendung von Stickstoff dar. Auch im Umfeld der Kühlung von Lebensmitteln oder des Einfrierens von Blutplasma wird unter anderem Stickstoff oder Trockeneis für die Schnellabkühlung verwendet. Alternativ oder ergänzend werden auch Verfahren mit Kältemaschinen eingesetzt, die mit künstlichen und zumeist umweltschädlichen Kältemitteln betrieben werden.
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Die bisherigen Ansätze weisen dabei energetische und kostentechnische Nachteile auf. Flüssiger Stickstoff wird beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen (-196 °C) hergestellt und anschließend transportiert. Die Verwendung in der Schnellabkühlung erfordert aber im Normalfall Temperaturen, die höher als -130 °C liegen. Insoweit ergeben sich exergetische Verluste. Zudem kommt es aufgrund der sehr tiefen Temperatur des flüssigen Stickstoffs auch zu Verlusten beim Transport. Weitere exergetische Verluste im Bereich der Härtung von Eisenwerkstoffen entstehen durch das für den Härtungsprozess notwendige Aufheizen der Bauteile im Anschluss der Tieftemperaturbehandlung. Oft erfolgt hierbei eine Verwendung von elektrischen Heizverfahren. Die tiefgekühlten Teile werden also direkt im Anschluss zur Kühlung wieder auf hohe Temperaturen aufgeheizt. Zuletzt werden bei der Verwendung einer direkten Bedampfung mit Stickstoff oft geschlossene, ventilierte Räume verwendet. Dabei wird die Abluft, die zumeist immer noch tiefkalt ist, dem Raum entnommen, um weiteren Stickstoff eindüsen zu können.
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Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein energieeffizientes Schnellabkühlen von Bauteilen oder anderen Materialien, insbesondere Eisenwerkstoffen, Fisch und Blutplasma, zu ermöglichen. Die Kosten des Schnellabkühlens sollen vermindert werden.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Schnellabkühlen von Produkten, mit:
- einer Kühlkammer zum Aufnehmen eines Produkts, das in der Kühlkammer zum Schnellabkühlen einem über eine Hauptstromzuleitung eingeleiteten und über eine Hauptstromableitung ausgeleiteten Kaltluft-Hauptstrom ausgesetzt wird;
- einer Kaltluft-Kältemaschine zum Abkühlen eines über eine Teilstromzuleitung empfangenen und über eine Teilstromableitung abgeführten Kaltluft-Teilstroms;
- einer Mischkammer, die über die Hauptstromzuleitung und die Hauptstromableitung mit der Kühlkammer verbunden ist und die über die Teilstromzuleitung und die Teilstromableitung mit der Kaltluft-Kältemaschine verbunden ist; und
- einer Strömungseinheit zum Erzeugen des Kaltluft-Hauptstroms.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Härten von Eisenprodukten und/oder zum Einfrieren von Blutplasma oder Fisch, insbesondere Thunfisch, mit einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben.
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Zudem betrifft ein Aspekt der Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben zum Härten von Eisenprodukten und/oder zum Einfrieren von Blutplasma oder Fisch, insbesondere Thunfisch.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Produkt in einer Kühlkammer mittels einer Kaltluft-Kältemaschine abgekühlt wird. Unter einer Kaltluft-Kältemaschine versteht sich dabei insbesondere eine Maschine, bei der mittels eines Joule-Kreislaufs (auch Reverse-Brayton-Prozess) Luft gekühlt wird. Das Kältemittel ist insoweit Luft. Die Kaltluft-Kältemaschine basiert auf einem Komprimieren und Entspannen dieser Luft, wodurch eine Reduktion der Temperatur erfolgt. Dadurch, dass auf Kältemittel sowie auch auf die Verwendung von Stickstoff oder Trockeneis verzichtet werden kann, kann ein Global Warming-Potential von 0 erreicht werden. Insoweit ergibt sich ein sehr umweltschonendes Verfahren.
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Derartige Kaltluft-Kältemaschinen werden in bisherigen Ansätzen in diesem Zusammenhang nicht eingesetzt, da der von solchen Maschinen erzeugte Volumenstrom der kalten Luft zu gering ist, um eine ausreichend schnelle Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Grundsätzlich ist zwar die erzeugbare Temperatur niedrig genug bzw. die Menge an abführbarer Wärmeenergie hoch genug, konstruktionsbedingt ist der Einsatz einer Kaltluft-Kältemaschine in der Schnellabkühlung bisher oft nicht umsetzbar.
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Erfindungsgemäß ist daher eine Mischkammer vorgesehen, die zwischen Kaltluft-Kältemaschine und Kühlkammer geschaltet ist. In der Mischkammer erfolgt ein Mischen eines mittels einer Strömungseinheit erzeugten Kaltluft-Hauptstroms, der durch die Kühlkammer geleitet wird, mit einem Kaltluft-Teilstrom, der von der Kaltluft-Kältemaschine gekühlt bzw. erzeugt wird. Dadurch, dass insoweit lediglich ein Teil des verwendeten Luft-Volumenstroms durch die Kältemaschine geleitet wird, kann der für die eigentliche Kühlung des Produkts eingesetzte Luftstrom stark vergrößert werden. Die Mischkammer entspricht sozusagen einer hydraulischen Weiche, die den Kaltluftstrom der Kaltluft-Kältemaschine, der eine große Temperaturdifferenz aufweisen kann, in einen Luftstrom mit höherem Volumen, aber geringerer Temperaturdifferenz übersetzt. Die Verwendung der Mischkammer ermöglicht einen Einsatz der Kaltluft-Kältemaschine zum Schnellabkühlen von Produkten.
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Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen ermöglicht der erfindungsgemäße Ansatz eine deutlich gesteigerte Energieeffizienz. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass bei Anwendungstemperaturen von > -130 °C, die sowohl beim Härten von Eisenprodukten als auch beim Einfrieren von Fisch oder Blutplasma eingesetzt werden, die Kälte sehr nahe an der Nutztemperatur einer Kaltluft-Kältemaschine liegt. Ein Austausch von innerer Energie der Bauteile kann in effizienter Weise stattfinden. Die höhere Effizienz bedingt dabei einen deutlich reduzierten Energieverbrauch und insoweit einen klimafreundlicheren Betrieb bei geringeren Kosten. Abgesehen hiervon wird auch das Betreiberrisiko durch die Verwendung von Luft als Kältemittel im Gegensatz zu der Verwendung von Stickstoff oder Kältemitteln deutlich reduziert. Insoweit können weitere Kosten eingespart werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt in der Mischkammer eine Anbindung der Teilstromzuleitung an die Mischkammer im Bereich einer Anbindung der Hauptstromableitung an die Mischkammer. Zudem liegt eine Anbindung der Teilstromableitung an die Mischkammer im Bereich einer Anbindung der Hauptstromzuleitung an die Mischkammer. Durch die Anordnung der Zu- und Ableitungen in entsprechenden Bereichen kann eine hohe Effizienz beim Mischen der beiden Teilströme erreicht werden. Es ergibt sich insoweit eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Strömungseinheit einen Ventilator. Zusätzlich oder alternativ ist die Strömungseinheit in der Hauptstromzuleitung angeordnet. Ein Ventilator ermöglicht eine konstruktiv einfach umzusetzende und effizient bestreitbare Umsetzung des Kaltluft-Hauptstroms. Dadurch, dass die Strömungseinheit in der Hauptstromzuleitung angeordnet ist, ergibt sich eine einfache Umsetzungsmöglichkeit.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kühlkammer einen ersten Kammerabschnitt zum Aufnehmen eines ersten Produkts und einen zweiten Kammerabschnitt zum Aufnehmen eines zweiten Produkts. Zwischen den beiden Kammerabschnitten ist ein luftdurchlässiges Trennelement, insbesondere ein Lochblech, angeordnet. Der erste Kammerabschnitt und der zweite Kammerabschnitt sind vorzugsweise durch getrennte Zugänge zum Ein- und Ausbringen der Produkte zugänglich. Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Kammerabschnitten kann eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz erreicht werden. Insbesondere ist es möglich, dass ein bereits abgekühltes Element noch in dem ersten Kammerabschnitt belassen wird, während der zweite Kammerabschnitt mit einem noch warmen Produkt bestückt wird. Es ist dann möglich, dass zunächst ein Temperaturausgleich stattfindet, bei dem keine weitere Energie eingebracht bzw. abgeführt werden muss. Es erfolgt insoweit eine Art Kälterückgewinnung. Für die Luftzuführung der Kaltluft zu den beiden Kammerabschnitten ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zuführung im oberen Bereich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Kammerabschnitte erfolgt. Die Abführung erfolgt im unteren Bereich im Wesentlichen über die gesamte Breite.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur in der Kühlkammer. Zudem umfasst die Vorrichtung eine Regeleinheit zum Regeln einer Leistung der Kaltluft-Kältemaschine basierend auf der gemessenen Temperatur und einer vordefinierten Zieltemperatur. Dabei ist die Kaltluft-Kältemaschine vorzugsweise zum Anpassen einer Größe des Kaltluft-Teilstroms ausgebildet, um die Leistung zu regeln. Es ergibt sich ein einfach umsetzbarer Regelkreis. Die Regelung erfolgt lediglich basierend auf der eingebrachten Leistung der Kaltluft-Kältemaschine. Dabei kann die Kaltluft-Kältemaschine vorzugsweise durchgehend in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, wobei lediglich der Kaltluft-Teilstrom in seiner Größe bzw. in seiner Stärke angepasst wird, um die Leistung, die auf die zu kühlenden Produkte eingebracht wird, zu regulieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Druckausgleicheinheit zum Ausgleichen von kurzfristigen Druckschwankungen in der Kühlkammer. Eine offene Kaltluft-Kältemaschine, bei der Luft als Kältemittel eingesetzt wird, kann in ihrem Innenbereich vereisen. Um dies zu vermeiden, werden oft die Filter bzw. die Filterkerzen mit Druckluft wieder freigeschossen. Die Kältemaschine erzeugt hierzu einen Druckluftstoß, der aber wiederum zu unerwünschten Effekten in der Kühlkammer oder in der Mischkammer führen kann. Durch die Druckausgleicheinheit wird dieser Austausch hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Druckausgleicheinheit ein mit Dämmmaterial, insbesondere Mineralwolle, gefülltes Verbindungsteil zwischen der Kühlkammer und einer Umgebung oder zwischen der Mischkammer und der Umgebung. Das Verbindungsteil ist länglich und vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Das Verbindungsteil ist an einer Decke der Kühlkammer oder der Mischkammer angeordnet. Das Verbindungsteil stellt insoweit eine Verbindung zwischen der Atmosphäre und dem Inhalt der Mischkammer oder der Kühlkammer her. Durch die Verwendung eines länglichen und insbesondere zylindrisch ausgebildeten Aufbaus (kann auch als Zylinderaufbau bezeichnet werden) wird eine Art Strohhalm bereitgestellt. Durch die Füllung mit Mineralwolle geht im Normalbetrieb keine kalte Luft verloren. Die Kaltluft wird sich durch den Druckstoß anheben und wieder absenken. Es erfolgt insoweit lediglich ein Abführen des Überdrucks, ohne dass es zu einem Luftaustausch kommt. Es ergibt sich ein energieeffizienter Betrieb. Die Druckausgleicheinheit bzw. das Verbindungsteil funktioniert sozusagen in der Art eines Auspuffs.
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Insbesondere bewirkt die erfindungsgemäße Anordnung, dass der Volumenstrom erhöht und die Temperaturdifferenz verringert wird. Hierdurch wird es möglich, dass die Wärmeübertragung an der äußeren Schicht des zu kühlenden Produkts schnell erfolgt. Durch den hohen Volumenstrom wird insoweit die sich bildende Grenzschicht zerstört, so dass schnell Wärme abgeführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Phasenwechselspeicher zum Aufnehmen von Kälte aus dem Hauptstrom, wenn eine Temperatur des Hauptstroms unterhalb einer Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselspeichers liegt, und zum Abgeben von Kälte an den Hauptstrom, wenn eine Temperatur des Hauptstroms unterhalb einer Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselspeichers liegt. Ein Phasenwechselspeicher kann insbesondere ein entsprechendes Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) umfassen. Ein solcher Phasenwechselspeicher (auch Latentwärmespeicher) ermöglicht eine Umwandlung eines Großteils der ihm zugeführten thermischen Energie in latente Wärme bzw. Kälte durch einen Phasenwechsel eines entsprechenden Materials. In einem Kühlprozess ist vor allem am Anfang des Kühlprozesses eine große Leistungsaufnahme erforderlich. Dies ist insbesondere der großen Temperaturdifferenz zwischen dem heißen zu kühlenden Material und dem für die Kühlung eingesetzten Kühlmedium geschuldet. Am Anfang ist daher eine relativ groß dimensionierte Kältemaschine notwendig. Gegen Ende des Abkühlungsprozesses ergibt sich demgegenüber oft ein Leistungsüberschuss. Beispielsweise wird im Falle einer Stahl- oder Eisenhärtung am Ende noch eine vergleichsweise lange Zeit benötigt, um auch das Zentrum des Materials kalt zu bekommen, obwohl die äußeren Bereiche bereits ausreichend kühl sind. Um dies zu kompensieren, kann ein Phasenwechselspeicher eingesetzt werden. Der Phasenwechselspeicher bzw. das Phasenwechselmaterial hat immer dieselbe Temperatur, bis der Phasenwechsel vollzogen ist. Damit kann ein Energieniveau festgelegt werden. Die Verbindung eines Phasenwechselspeichers ermöglicht insoweit eine Verwendung einer kleiner dimensionierten Kaltluft-Kältemaschine und kann so eine Kostenersparnis bewirken.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Phasenwechselspeicher eine Phasenwechseltemperatur auf, die einer Zieltemperatur des Produkts entspricht. Vorteilhafterweise wird das Energieniveau so eingestellt bzw. das Material so gewählt, dass der Phasenwechsel auf der Zieltemperatur des Produkts liegt oder etwas kälter eingestellt ist. Durch eine entsprechende Materialwahl bzw. Materialeinstellung kann eine produktspezifische Optimierung des Energieverbrauchs bzw. der maximalen Leistungsaufnahme erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Phasenwechselspeicher in der Hauptstromzuleitung angeordnet. Eine Anordnung in der Hauptstromzuleitung ergibt eine besonders vorteilhafte Abführung von Wärmeenergie.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Wand der Kühlkammer und/oder eine Wand der Mischkammer mit einer eingeschäumten Vakuumplatte isoliert. Die Verwendung einer eingeschäumten Vakuumplatte ermöglicht dabei eine kosteneffiziente und energetisch günstige Isolierung.
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Hierin wird unter einer Kühlkammer ein Bereich verstanden, in den ein zu kühlendes Produkt (beispielsweise ein Eisenprodukt, Fisch oder auch Blutplasma) für die Schnellabkühlung eingebracht werden kann. Das Produkt kann dabei beispielsweise mittels einer Palette oder einer anderen Aufnahmevorrichtung über einen entsprechenden Zugang in die Kühlkammer eingefahren werden. Die Strömungseinheit ist vorzugsweise ein aktives Element, mittels dessen Luft in Bewegung versetzt werden kann. Ein Joule-Kreislauf kann auch als Reverse-Brayton-Prozess bezeichnet werden. Das Kältemittel ist dabei Luft. Es wird ein GWP (Global Warming-Potential) von Null erreicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schnellabkühlen von Produkten;
- 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen 10 zum Schnellabkühlen von Produkten 12, 12a, 12b dargestellt. Die Darstellungen sind dabei als schematische Grundrisse zu verstehen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Kühlkammer 14, eine Kaltluft-Kältemaschine 16, eine Mischkammer 18 sowie eine Strömungseinheit 20.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dient dazu, ein oder mehrere Produkte 12, 12a, 12b schnell abzukühlen bzw. einzufrieren. Einsatzszenarien finden sich beispielsweise in der Schnellabkühlung von Eisenprodukten, um diese zu härten. Weitere Anwendungsszenarien finden sich auch in der Kühlung von Fisch, insbesondere Thunfisch, oder auch beim Einfrieren von Blutplasma sowie in anderen Bereichen.
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Die zu kühlenden Produkte 12 werden über einen entsprechenden Zugang 22, 22a, 22b in die Kühlkammer 14 eingefahren. Der Zugang 22 kann dabei eine isolierte Tür umfassen, die nach dem Beladen der Kühlkammer 14 wieder geschlossen wird. Je nach Art des Produkts 12 sind entsprechende Aufnahmevorrichtungen vorgesehen, auf die das Produkt 12 aufgelegt bzw. aufgehängt oder in anderer Weise angebracht werden kann, um dem in der Kühlkammer 14 herrschenden Kaltluft-Hauptstrom ausgesetzt zu sein. Beispielsweise kann eine Palette zum Einbringen von Eisenprodukten verwendet werden. Die Temperatur, die in der Kühlkammer 14 herrscht, kann beispielsweise -80 °C betragen oder auch noch tiefer liegen. Dabei ist die Kühlkammer 14 je nach Anwendungsszenario entsprechend dimensioniert.
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Die Kaltluft-Kältemaschine 16 erzeugt zur Kühlung der Produkte 12 einen Kaltluft-Teilstrom. Die Kaltluft-Kältemaschine 16 ist über eine Teilstromzuleitung 24 bzw. eine Teilstromableitung 26 mit der Mischkammer 18 verbunden. Die Kaltluft-Kältemaschine 16 saugt die zu kühlende Luft über die Teilstromzuleitung 24 an und gibt die gekühlte Luft über die Teilstromableitung 26 wieder zurück in die Mischkammer 18. Die Mischkammer 18 ist über eine Hauptstromzuleitung 28 und eine Hauptstromableitung 30 mit der Kühlkammer 14 verbunden. Der Kaltluft-Hauptstrom wird dabei mittels der Strömungseinheit 20 erzeugt bzw. beschleunigt. Durch den Kaltluft-Hauptstrom werden die Produkte 12 in der Kühlkammer 14 schnell abgekühlt.
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Unter einer Kaltluft-Kältemaschine 16 wird dabei eine Maschine verstanden, bei der als Kältemittel Luft verwendet wird. Die Luft wird durch Komprimieren und Expandieren gekühlt. Nachteilig an derartigen Kaltluft-Kältemaschinen ist oft, dass gerade bei kleineren Bauformen lediglich ein vergleichsweise geringer Volumenstrom an Kaltluft erzeugt werden kann. Dieser Volumenstrom genügt für das Anwendungsszenario der Schnellabkühlung von Produkten oft nicht, da für die Wärmeabfuhr eine sich ausbildende Grenzschicht zwischen dem heißen Produkt und der Umgebung, also der zu kühlenden Luft, zerstört werden muss.
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Um dennoch einen ausreichenden Volumenstrom zu erzeugen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Mischkammer 18 der Kaltluft-Teilstrom der Kaltluft-Kältemaschine 16 mit dem Kaltluft-Hauptstrom vermischt wird, der durch die Kühlkammer 14 geleitet wird. Insoweit wird der Kaltluft-Hauptstrom, der durch die Kühlkammer 14 geleitet wird, nach Eintritt in die Mischkammer 18 durch die Hauptstromableitung 30 in den Kaltluft-Teilstrom, der durch die Teilstromzuleitung 24 der Kaltluft-Kältemaschine 16 zugeführt wird, sowie einen weiteren Teilstrom, der direkt durch die Mischkammer 18 zur Hauptstromzuleitung 28 geleitet wird, aufgeteilt. Der Kaltluft-Hauptstrom ist vorzugsweise deutlich größer als der Kaltluft-Teilstrom. Die Mischkammer 18 wirkt sozusagen in der Art einer hydraulischen Weiche.
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Die eingebrachte Kälteleistung kann dabei beispielsweise durch eine Anpassung der Leistung der Kaltluft-Kältemaschine 16 reguliert werden, indem das Volumen bzw. die Größe des Kaltluft-Teilstroms angepasst wird.
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Der Kaltluft-Hauptstrom wird durch die Strömungseinheit 20 erzeugt. Beispielsweise kann die Strömungseinheit 20 einen Ventilator umfassen bzw. als Ventilator ausgebildet sein. Der Ventilator beschleunigt das Kühlmedium Luft des Kaltluft-Hauptstroms. Vorteilhafterweise ist die Strömungseinheit 20 dabei in der Hauptstromzuleitung 28 angeordnet und beschleunigt die kalte Luft auf dem Weg in die Kühlkammer 14.
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Um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, ist es dabei vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Teilstromzuleitung 24 im Bereich der Hauptstromableitung 30 mit der Mischkammer 18 verbunden ist. In gleicher Weise ist die Teilstromableitung 26 im Bereich der Hauptstromzuleitung 28 mit der Mischkammer 18 verbunden. In anderen Worten wird also die kalte Luft, die die Kaltluft-Kältemaschine 16 erzeugt, im Bereich der Weiterleitung dieser Kaltluft an die Kühlkammer 14 in die Mischkammer 18 eingebracht.
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Die Anbindung der Hauptstromzuleitung 28 an die Kühlkammer 14 ist vorzugsweise in einem oberen Bereich der Kühlkammer 14 angeordnet. Insbesondere kann die kalte Luft des Kaltluft-Hauptstroms also im Bereich der Decke der Kühlkammer 14 in die Kühlkammer eingebracht werden. In gleicher Weise ist die Hauptstromableitung 30 vorzugsweise in einem unteren Bereich, also in einem Bereich des Bodens der Kühlkammer 14, angeordnet. Die kalte Luft des Kaltluft-Hauptstroms kann dann durch die Kühlkammer 14 von oben nach unten geführt werden bzw. von oben nach unten fallen und dabei das Produkt 12 in der Kühlkammer 14 schnell abkühlen.
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In der 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Kühlkammer 14 zwei Kammerabschnitte 14a, 14b umfasst. Die beiden Kammerabschnitte 14a, 14b sind im dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Zugänge 22a, 22b separat mit Produkten 12a, 12b bestückbar. Insoweit kann ein erstes Produkt 12a in den ersten Kammerabschnitt eingebracht werden, während ein zweites Produkt 12b in den zweiten Kammerabschnitt eingebracht werden kann. Die beiden Kammerabschnitte 14a, 14b sind durch ein Trennelement 32 verbunden. Das Trennelement 32 ermöglicht dabei einen Luftaustausch und kann beispielsweise als Lochblech ausgebildet sein. Durch die Trennung der Kühlkammer 14 in zwei Kammerabschnitte 14a, 14b wird es möglich, dass in einem Batchprozess, in dem nacheinander Produkte 12 schnell abgekühlt werden müssen, ein bereits gekühltes erstes Produkt 12a noch im ersten Kammerabschnitt 14a belassen werden kann, während ein heißes oder ungekühltes zweites Produkt 12b in den zweiten Kammerabschnitt 14b eingebracht wird. Es ist dann möglich, dass zunächst ein Wärmetausch bzw. Kältetausch erfolgt, wodurch Energie eingespart werden kann.
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Dabei können die Hauptstromzuleitung 28 und/oder die Hauptstromableitung 30 schaltbar ausgebildet sein. Durch ein Umschalten kann beispielsweise erreicht werden, dass der Kaltluft-Hauptstrom zunächst durch einen Kammerabschnitt 14a, 14b und anschließend erst durch den anderen Kammerabschnitt 14a, 14b geleitet wird. Es kann beispielsweise zunächst das bereits gekühlte Produkt passiert werden, bevor das noch ungekühlte Produkt passiert wird. Ebenfalls ist es aber auch möglich, dass Hauptstromzuleitung 28 und Hauptstromableitung 30 über die gesamte Breite der Kühlkammer 14 verlaufen und insoweit an beide Kammerabschnitte 14a, 14b direkt angeschlossen sind. Die kalte Luft des Kaltluft-Hauptstrom wird also durch beide Kammerabschnitte 14a, 14b geleitet und der Wärmetausch erfolgt dadurch, dass der Kaltluft-Hauptstrom spätestens in der Mischkammer 18 wieder vereinigt wird.
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In der 3 ist schematisch ein vorteilhafter Regelansatz zum Regeln der Temperatur bzw. der eingebrachten Kälteleistung in der Kühlkammer 14 dargestellt. Mittels eines Temperatursensors 34 wird eine Temperatur in der Kühlkammer 14 gemessen. Mittels einer Regeleinheit 36 wird basierend auf diesem Messwert eine Leistung der Kaltluft-Kältemaschine 16 geregelt. Insbesondere kann die Regelung dabei zum Einstellen einer vordefinierten Zieltemperatur in der Kühlkammer 14 dienen. Um diese Zieltemperatur zu erreichen, kann insbesondere die Größe des Kaltluft-Teilstroms durch eine Anpassung der Leistung der Kaltluft-Kältemaschine 16 eingestellt werden. In anderen Worten kann also der durch die Kaltluft-Kältemaschine 16 erzeugte Volumenstrom (Kaltluft-Teilstrom) bei gleicher Temperatur in seiner Größe eingestellt und angepasst werden. Wenn eine größere Kühlleistung benötigt wird, wird ein größerer Strom erzeugt. Dieser Regelungsansatz ermöglicht, dass die Kaltluft-Kältemaschine 16 ständig in einem optimalen Arbeitspunkt hinsichtlich der erzeugten Temperatur betrieben werden kann. Es kann beispielsweise ständig -130° C kalte Luft erzeugt werden und trotzdem die Temperatur in der Kühlkammer 14 je nach Anforderung der Anwendung eingestellt werden. Ebenfalls kann in diesem Ansatz der Kaltluft-Hauptstrom gleich groß gehalten werden, um so eine ausreichende Schnellabkühlung zu ermöglichen.
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In der 4 ist schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt, bei der zusätzlich eine Druckausgleicheinheit 38 verwendet wird. Im dargestellten Beispiel ist die Druckausgleicheinheit 38 dabei in der Mischkammer 18 angeordnet, wobei eine Anordnung in der Kühlkammer 14 ebenfalls möglich ist.
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Durch die Verwendung einer Kaltluft-Kältemaschine 16, also einer offenen Maschine, bei der als Kühlmedium Luft verwendet wird, kann es zu Vereisungen im Innenbereich der Kaltluft-Kältemaschine 16 kommen. Beispielsweise können die Filterkerzen vereisen. Um dieser Vereisung und einem damit verbundenen Leistungsverlust entgegenzuwirken, kann es vorgesehen sein, dass durch Druckluft ein Freischießen der Filter erfolgt. Insoweit kann die Kaltluft-Kältemaschine 16 dazu ausgebildet sein, einen Druckstoß zu erzeugen. Um diesen Druckstoß zu kompensieren, wird über die Druckausgleicheinheit 38 eine Druckabführung ermöglicht.
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Grundsätzlich ist es im Betrieb der Vorrichtung 10 wünschenswert, dass es zu einem möglichst geringen Luftaustausch mit der Umgebung kommt. Aus energetischen Gründen soll vermieden werden, dass kalte Luft nach außen dringt. Dennoch ist es erforderlich, dass ein Druckausgleich ermöglicht wird. Vorteilhafterweise ist die Druckausgleicheinheit 38 dabei in Form eines Verbindungsteils ausgebildet, das den Innenbereich der Mischkammer 18 oder der Kühlkammer 14 mit der Umgebung verbindet. Das Verbindungsteil kann dabei beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein. Durch einen Zylinder, der mit Dämmmaterial, insbesondere Mineralwolle, gefüllt ist, erfolgt im Normalbetrieb kein Luftaustausch mit der Umgebung. Wenn es zu einem Druckstoß kommt, wird die Luft innerhalb des Zylinders oder innerhalb des Verbindungsteils angehoben. Nach dem Druckstoß senkt sich die Luft wieder ab. Insofern wirkt das Verbindungsteil im Wesentlichen in der Art eines Auspuffs. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik üblichen Luftaustauschventilen wird keine oder nur wenig Luft nach außen geleitet, so dass es zu keinen oder nur zu geringen energetischen Verlusten kommt. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die Druckausgleicheinheit 38 an einer Decke der Kühlkammer 14 oder der Mischkammer 18 angeordnet ist, da kalte Luft nach unten fällt, so dass im oberen Bereich der Kühlkammer 14 lediglich vergleichsweise warme Luft zu finden ist und auch im Normalbetrieb keine kalte Luft ausläuft bzw. herausgedrückt wird.
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In der 5 ist schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 dargestellt, bei der zusätzlich ein Phasenwechselspeicher 40 zum Speichern von Kälteenergie verwendet wird. In einem Kühlprozess, insbesondere in einem Batchverfahren, kommt es am Anfang zu einer vergleichsweise großen Leistungsaufnahme, da das zu kühlende Produkt außen heiß und die kalte Luft des Kaltluft-Hauptstroms kalt ist. Es wird also aufgrund einer großen Temperaturdifferenz zwischen Produkt und Kaltluft-Hauptstrom viel Wärme abgeführt. Am Ende bzw. im weiteren Verlauf des Kühlprozesses ist demgegenüber nur noch eine geringere Leistung notwendig, da das Produkt im Außenbereich bereits kalt ist und lediglich die Restwärme aus dem inneren Bereich des Produkts noch abgeführt werden muss. Die Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren Bereich des Produkts und der kalten Luft des Kaltluft-Hauptstroms ist also nur noch gering, so dass weniger Leistung benötigt wird. Es kommt zu einem Leistungsüberschuss.
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Um vor diesem Hintergrund eine möglichst minimale Dimensionierung der Kaltluft-Kältemaschine 16 zu ermöglichen, kann ein Phasenwechselspeicher 40 verwendet werden. Dieser Phasenwechselspeicher 40 wird während eines Leistungsüberschusses aufgeladen und gibt die Leistung während einer erhöhten Leistungsaufnahme wieder ab. Insoweit wirkt der Phasenwechselspeicher 40 als eine Art Puffer. Das Phasenwechselmaterial wird dabei so gewählt, dass eine Phasenwechseltemperatur im Bereich einer Zieltemperatur des Produkts 12 oder etwas darunter liegt. Ein aufgeladener Phasenwechselspeicher 40 ermöglicht insoweit von Anfang an eine Abgabe der Zieltemperatur des Produkts 12. Im Ergebnis kann eine geringer dimensionierte Kaltluft-Kältemaschine 16 verwendet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Phasenwechselspeicher 40 dabei in der Hauptstromzuleitung 28 angeordnet. Insbesondere ist der Phasenwechselspeicher 40 im dargestellten Ausführungsbeispiel der Strömungseinheit 20 nachgeschaltet angeordnet. Es versteht sich aber, dass auch andere Anordnungen möglich sind und einen vergleichbaren Effekt haben. Es hat sich aber als konstruktiv einfach realisierbar herausgestellt, wenn der Phasenwechselspeicher 40 in der Hauptstromzuleitung 28 angeordnet wird.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
