DE102022118941A1

DE102022118941A1 - Kühlungsanordnung

Info

Publication number: DE102022118941A1
Application number: DE102022118941.4A
Authority: DE
Inventors: Kari Valkeapää
Original assignee: Adiabatix Oy
Current assignee: Adiabatix Oy
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-02-02
Also published as: US20230033061A1; NO20220839A1; FI20215827A1; FI130433B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung, die ein Isolierungsmodul (1) umfasst, das den isolierten Gegenstand (7) in seinem Hauptteil umgibt, und aus einer Innenschicht (8), einer Außenschicht (3) und dazwischen liegendem Isoliermaterial (9) gebildet ist. Die Außenschicht des Isolierungsmoduls ist angepasst, von einem Schutzgehäuse (2) auf eine Weise umgeben zu sein, dass zwischen der Außenschicht und dem Schutzgehäuse mindestens ein Luftspalt (4) bereitgestellt ist. Das Isolierungsmodul weist mindestens eine es zumindest teilweise durchdringende Austauschöffnung (10) auf, wobei das erste Kühlelement (12) daran angepasst ist. Das dem ersten Kühlelement gegenüberliegende zweite Kühlelement (12) ist wiederum auf eine Weise an den äußeren Luftspalt (4) angepasst, dass zwischen ihnen mindestens ein thermoelektrischer Generator (13) angeordnet ist. Das das Isolierungsmodul umgebende Schutzgehäuse ist mit einer es durchdringenden Lüftungsöffnung (15) versehen, und ein Lüfter (5), der die vom thermoelektrischen Generator (13) erzeugte elektrische Leistung nutzt, ist daran angepasst, um die Wirksamkeit der Luftströmung im Luftspalt zu erhöhen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die die Oberflächentemperatur einer Wärmeisolierung signifikant senken kann.
Es ist bisher bekannt, beispielsweise Maschinenteile und verfahrenstechnische Industrievorrichtungen und Rohrleitungen unter Verwendung verschiedener technischer Isolierverfahren und -lösungen zu isolieren. Das Ziel einer solchen Isolierung ist es, sowohl die Betriebstemperaturbedingungen zu steuern als auch die Oberflächentemperaturen von Vorrichtungen und deren Teilen sowohl im Hinblick auf den Arbeits- als auch den Brandschutz zu regulieren.
Eine ständige Verschärfung der Anforderungen bezüglich Isolierung und Arbeitsschutz hat unter anderem zu einem Bedürfnis geführt, Isolierungsvorgehensweisen und -lösungen bei der Verwendung zu verbessern, ohne jedoch die Isolierungsdicke übermäßig zu erhöhen. Eine solche Lösung wird in dem Dokument EP 3 390 790 vorgestellt, das eine Wärmeisolierung beschreibt, die zusätzlich zu einer herkömmlichen Isolierungsanordnung einen Luftspalt umfasst, der von einer separaten äußeren Schalenschicht bereitgestellt wird. Ein solcher Luftspalt sorgt für einen Luftaustausch durch Schwerkraft, was die Oberflächentemperatur der äußeren Schalenschicht senken kann.
Die Lösung gemäß dem EP-Dokument weist jedoch signifikante Probleme auf. Selbst ein teilweises Verschließen der Lufteinlassöffnungen als solches führt schnell dazu, dass die äußere Schalenschicht erwärmt wird. Außerdem strömt die Luft in dem gleichförmigen Luftspalt recht ungleichmäßig, was entsprechend zu einer lokalen Erwärmung in der äußeren Schalenschicht führt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es, eine Isolierungslösung bereitzustellen, die die vorstehend genannten Probleme größtenteils löst.
Dieses Ziel wird durch eine Kühlungsanordnung mit den in den Ansprüchen definierten Merkmalen gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht. Genauer gesagt ist die erfindungsgemäße Anordnung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Grundlage der Erfindung ist, dass durch mechanische Steuerung des Luftstroms eine deutlich effizientere Kühlung erreicht werden kann, und gleichzeitig der Luftstrom deutlich besser zu Bereichen gelenkt werden kann, in denen er am vorteilhaftesten ist.
Die Erfindung stellt signifikante Vorteile bereit. Eine mechanische Steuerung des Luftstroms als solches ermöglicht eine gezieltere Kühlung sowohl in einzelnen Isolierungsmodulen als auch in einer größeren Gruppe von Isolierungsmodulen.
Durch die Verwendung von thermoelektrischen Generatoren, die im Isolierungsmodul für die Energieversorgung eines oder mehrerer Lüfter, die den Luftstrom aufrecht erhalten, installiert sind, können übermäßige Verkabelungen vermieden werden. Gleichzeitig wird der Betrieb der Kühlung auch in Situationen sichergestellt, in denen unerwartete Unterbrechungen in externen Energiequellen der Anlage auftreten.
Durch Verbinden der Lüfter miteinander und mit einer gemeinsamen Steuerungseinheit kann ihr Betrieb leicht überwacht und bei Bedarf angepasst werden.
Andere Vorteile, die durch die Erfindung bereitgestellt werden, werden nachstehend dargestellt, wenn die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung in weiterem Detail beschrieben werden.
Figurenliste
Eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform (bestimmte bevorzugte Ausführungsformen) der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung in weiterem Detail beschrieben, in der

1 eine schematische Seitenansicht eines Teils des Isolierungsmoduls zeigt,
2 eine schematische Querschnittsansicht des Isolierungsmoduls gemäß 1 aus dem Schnitt A-A der Fig. A zeigt,
3 eine Querschnittsansicht des Isolierungsmoduls gemäß 2 als eine Explosionsansicht zeigt,
4 eine alternative Struktur für den in 2 gezeigten Schnitt Det. B zeigt,
5 einen schematischen Querschnitt entlang des in 2 gezeigten Luftspalts zeigt, wobei die Luftströmung durch Pfeile angezeigt ist,
6 einen weiteren alternativen schematischen Querschnitt entlang des Luftspalts zeigt, wobei die Luftströmung durch Pfeile angezeigt ist,
7 einen schematischen Querschnitt eines anderen Isolierungsmoduls gemäß 1 zeigt,
8 einen schematischen Querschnitt entlang des in 7 gezeigten Luftspalts zeigt, wobei die Luftströmung durch Pfeile angezeigt ist, und
9 eine bevorzugte Stelle der Kühlungsanordungen zeigt, zum Beispiel um die Abgasleitung eines Motors.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die vorliegenden Figuren zeigen nun die Kühlungsanordnung in realem Maßstab, stattdessen sind die Figuren schematisch, um die Struktur und den Betrieb von bevorzugten Ausführungsformen im Prinzip zu veranschaulichen. In diesem Zusammenhang entsprechen die in den Figuren mit Referenznummern gezeigten Strukturteile den in dieser Beschreibung mit Referenznummern bezeichneten Strukturteilen.
Als Solche zeigen die 1 und 2 das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung, bei der das Isolierungsmodul 1, das den isolierten Gegenstand in seinen Hauptteilen umgibt, zumindest teilweise von einem Schutzgehäuse 2 umgeben ist, das einen Luftspalt 4 zwischen der Außenschicht 3 des Isolierungsmoduls und dem Schutzgehäuse zum Belüften des Isolierungsmoduls bereitstellt. Somit wird in dem Luftspalt eine die Außenschicht überstreichende Luftströmung erzeugt, die sich in dem Spalt fortsetzt, dessen Höhe gemessen von der äußeren Oberfläche der Außenschicht bis zur inneren Oberfläche des Schutzgehäuses 10-50 mm betragen kann. Bei dieser Lösung wird die Erzeugung der Luftströmung durch Anpassen eines Lüfters 5 an den Luftspalt sichergestellt, der entweder zum Luftspalt strömende Außenluft durch Lüftungsöffnungen 6 ansaugt, die darin zum Beispiel zwischen dem unteren Rand des Schutzgehäuses und dem Isolierungsmodul bereitgestellt werden, oder Außenluft bläst, die zum Luftspalt durch den Lüfter strömt und durch die genannten Lüftungsöffnungen austritt. Selbstverständlich können auch andere Lüftungsöffnungen, die das Schutzgehäuse durchdringen, falls nötig an anderen Stellen seiner Oberfläche bereitgestellt werden. Somit kann eine wirksame Luftströmung im Luftspalt durch die Verwendung eines Lüfters sichergestellt werden.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst das Isolierungsmodul 1 eine Innenschicht 8, die den isolierten Gegenstand 7 in seinem Hauptteil umgibt, und die oben erwähnte Außenschicht 3 mit einem bekannten Isoliermaterial 9, das zwischen den Innen- und Außenschichten angepasst ist. Das Isolierungsmodul weist mindestens eine Austauschöffnung 10 auf, die die Strukturschichten des Isolierungsmoduls ganz oder teilweise durchdringt, und ist in seinem Hauptteil umschlossen, wobei das erste Kühlelement 11 daran angepasst ist.
An den das Isolierungsmodul 1 umgebenden Außenluftspalt 4 ist wiederum ein dem ersten Kühlelement 11 gegenüberliegendes zweites Kühlelement 12 auf eine Weise angepasst, dass zwischen ihnen mindestens ein thermoelektrischer Generator 13 (TEG-Generator) angeordnet ist. Diese Kombination wird im Folgenden als die Energieeinheit 14 bezeichnet. Die vom thermoelektrischen Generator als Ergebnis der Wirkung der Temperaturdifferenz zwischen den beiden sich berührenden Kühlelementen erzeugte elektrische Energie wird im Lüfter 5 genutzt, der durch eine im Schutzgehäuse 2 bereitgestellte und dieses durchdringende Lüftungsöffnung 15 mit der Umgebung verbunden ist. Die Struktur ist besonders gut in der 3 gezeigt.
Die die Energieeinheit 14 erhaltende Austauschöffnung 10 kann zum Beispiel angeordnet sein, alle Strukturschichten des Isolierungsmoduls wie in der 2 dargestellt zu durchdringen. Alternativ kann, wenn die thermische Belastung des isolierten Gegenstands ausreichend ist, die Innenschicht 8 des Isolierungsmoduls 1 undurchdrungen bleiben. Bei einer solchen Lösung kann sogar eine dünne Dichtung und/oder Isolierung 16 zwischen der Innenschicht und dem ersten Kühlelement 11 falls erforderlich angeordnet sein. Eine solche Struktur ist in der 4 gezeigt. Als ein Ergebnis der Kühlung, die durch die vorliegende Anordnung bereitgestellt wird, muss die Verbindung zwischen der Austauschöffnung 10 und dem Isolierungsmodul 1 nicht absolut dicht sein, da die sich im Luftspalt 4 bewegende Luftströmung eine ausreichende Kühlung bereitstellt.
Die Austauschöffnung 10 kann in dem Isolierungsmodul in Bezug auf den isolierten Gegenstand 7 recht frei gebildet sein, und als solche kann sie beispielsweise über dem isolierten Gegenstand, unter ihm oder an einer Seite von ihm angeordnet sein. Es sei auch darauf hingewiesen, dass obwohl der Lüfter 5 in den vorliegenden Figuren in Verbindung mit der Austauschöffnung und der darin befindlichen Energieeinheit 14 angeordnet ist, dies keineswegs zwingend ist. Der Lüfter und die Energieeinheit können in verschiedenen Teilen des Isolierungsmoduls angeordnet sein, ohne dass dies eine nachteilige Wirkung auf die Bereitstellung der erforderlichen Luftströmung hat. Des Weiteren spricht auch nichts dagegen, einen zusätzlichen Lüfter an einer anderen Stelle des Schutzgehäuses bereitzustellen, wenn zum Beispiel die thermische Belastung lokal besonders hoch ist oder die Form des Isolierungsmoduls so ist, dass es sonst schwierig wäre, eine ausreichende Luftströmung zu erzielen.
Um die Kühlungswirkung der Luftströmung größtenteils auf das Isolierungsmodul auszudehnen, ist der Luftspalt vorzugsweise durch mehrere, hauptsächlich parallele Kanäle 17 gebildet. Dies ist beispielhaft in den 5 und 6 gezeigt. Während von den Kanälen gezeigt wird, dass sie in den beigefügten Figuren im Wesentlichen eine vertikale Ausrichtung aufweisen, können die Kanäle auch mehr wie ein Labyrinth gebildet sein. Solche Kanäle können auch ebene horizontale oder nahezu horizontale Abschnitte aufweisen, um die Wirksamkeit der Wärmeübertragung zu erhöhen, indem entweder die Strömung verlangsamt wird, um die Wärmeübertragung zu verbessern, oder indem die Strömung zu den Teilen des Isolierungsmoduls 1 gelenkt wird, die eine besonders starke Kühlung erfordern. Die Wände 18, die die Kanäle voneinander trennen, können auf diese Weise gebildet sein, oder die Kanäle können mit separaten Mitteln versehen sein, um die sich im Luftspalt bewegenden Luftströmung zu unterbrechen. Somit ist es der Zweck, eine möglichst ergiebige turbulente Strömung anstelle einer laminaren Strömung bereitzustellen, die sonst in solchen Kanälen leicht erzeugt wird.
Es ist auch möglich, das Anordnen von Lüftungsöffnungen 6 am unteren Rand des Schutzgehäuses 2 durch Verwenden der Lösung gemäß 7 und 8 zu vermeiden. In diesem Fall leitet der Lüfter 5 die Luft aus dem oberen Teil und der Mitte des Isolierungsmoduls 1 abwärts, und die Luft wird geleitet, von den Kanten des Isolierungsmoduls aufwärts auszutreten. In diesem Fall sind die Kanäle 17, die die Luftströmung leiten, durch die Wand 18 voneinander getrennt, und die untere Kante 19 zwischen dem Schutzgehäuse und der Außenschicht 3 des Isolierungsmoduls wäre geschlossen.
Wie insbesondere in den 2, 3 und 7 zu sehen ist, wird der Lüfter 5 der vorliegenden Kühlungsanordnung vorzugsweise durch einen speziellen Spritzschutz 20 geschützt. Um eine ausreichende Luftströmung zu gewährleisten, die aus dem Lüfter austritt oder diesem zugeführt wird, ist zwischen diesem Spritzschutz und dem Schutzgehäuse 2 ein Lüftungsspalt 21 vorgesehen. Die Höhe des Lüftungsspalts, gemessen von der äußeren Oberfläche des Schutzgehäuses bis zur inneren Oberfläche des Spritzschutzes, beträgt 10-50 mm. Der Spritzschutz verhindert, dass Flüssigkeit oder andere Verunreinigungen in den Lüfter und weiter in das Innere des Isolierungsmoduls 1 gelangen.
Der Betrieb des Lüfters 5 kann auch in Anordnungen sichergestellt werden, in denen das Isolierungsmodul 1 aufgrund seiner Größe oder Form oder der Beschaffenheit des isolierten Gegenstands 7 mehr als einen Lüfter umfasst, indem diese über eine drahtgebundene Verbindung 22 miteinander verbunden werden, um die elektrische Leistung von einem oder mehreren thermoelektrischen Generatoren auf mehrere Lüfter zu verteilen, wie in 9 gezeigt.
Wenn der isolierte Gegenstand 7 von mehreren Isolierungsmodulen 1 abgedeckt ist, sind die darin befindlichen Lüfter 5 ebenfalls vorzugsweise über eine drahtgebundene Verbindung 22 miteinander verbunden, um die elektrische Leistung von einem oder mehreren thermoelektrischen Generatoren 13 auf mehrere Lüfter zu verteilen.
Zusätzlich zu solch einer drahtgebundenen Verbindung 22 kann der Lüfter 5 oder können die Lüfter angeordnet sein, eine drahtlose Datenverbindung 23 zum Überwachen und Einstellen des Betriebs des Lüfters oder der Lüfter durch eine gemeinsame Steuereinheit 24 zu umfassen. Die Steuereinheit kann wiederum eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung zu einer speziellen Steuereinheit haben, falls erforderlich. Es ist auch bevorzugt, diese drahtlose Datenverbindung zwischen den Lüftern und der Steuereinheit zum Überwachen mindestens eines Sensors (nicht dargestellt) in Verbindung mit einem oder mehreren Lüftern zu verwenden. Solche Sensoren sind zum Beispiel angepasst, Lecks zu lokalisieren, die im Inneren des Isolierungsmoduls 1 erscheinen. Solche Sensoren können unter anderem ein Stickstoffdioxidsensor, ein Kohlendioxidsensor oder ein Temperatursensor sein.
Es ist einem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass das Grundkonzept der Kühlungsanordnung im Zuge der technischen Entwicklung auf viele verschiedene Weisen umgesetzt werden kann. Insofern sind die vorliegende Lösung und ihre Ausführungsformen nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können stattdessen innerhalb des Umfangs der Ansprüche variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3390790 [0003]

Claims

Kühlungsanordnung, umfassend: ein Isolierungsmodul (1), das den isolierten Gegenstand (7) in seinem Hauptteil umgibt, wobei das Isolierungsmodul aus einer Innenschicht (8) und einer Außenschicht (3) gebildet ist, wobei ein Isoliermaterial (9) zwischen den Innen- und den Außenschichten angepasst ist, und ein Schutzgehäuse (2) angepasst ist, die Außenschicht zumindest teilweise auf eine Weise zu umgeben, dass zwischen der Außenschicht und dem Schutzgehäuse mindestens ein Luftspalt (4) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierungsmodul (1) mindestens eine Austauschöffnung (10) umfasst, die es zumindest teilweise durchdringt, ein erstes Kühlelement (11) an die Austauschöffnung angepasst ist, die es zum größten Teil umschließt, und ein zweites Kühlelement (12) gegenüber dem ersten Kühlelement an den äußeren Luftspalt (4) des Isolierungsmoduls so angepasst ist, dass zwischen ihnen mindestens ein thermoelektrischer Generator (13) angeordnet ist, wobei das Schutzgehäuse (2) mit einer es durchdringenden Lüftungsöffnung (15) versehen ist, und ein die vom thermoelektrischen Generator (13) erzeugte elektrische Leistung nutzender Lüfter (5) daran angepasst ist, um die Strömung im Luftspalt (4) zu erhöhen.
Kühlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austauschöffnung (10) in dem Isolierungsmodul (1) an mindestens einer der folgenden Stellen in Bezug auf den von dem Isolierungsmodul umgebenen isolierten Gegenstand (7) bereitgestellt ist: über ihm, unter ihm oder an einer Seite von ihm.
Kühlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (5) angepasst ist, Luft aus dem Luftspalt (4) zu saugen.
Kühlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (5) angepasst ist, Luft zum Luftspalt (4) zu blasen.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (4) mehrere parallele Kanäle (17) umfasst.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (4) Mittel zum Unterbrechen der Luftströmung umfasst, um eine turbulente Strömung bereitzustellen.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsanordnung einen Spritzschutz (20) umfasst, der angepasst ist, den Lüfter (5) zu schützen, so dass eine Lüftungsöffnung (21) zwischen dem Spritzschutz und dem Schutzgehäuse (2) bereitgestellt ist.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor in Verbindung mit dem Lüfter (5) bereitgestellt ist, um im Inneren des Isolierungsmoduls (1) auftretende Lecks zu lokalisieren.
Kühlungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens einer der folgenden ist: ein Stickoxid-Sensor, ein Kohlendioxid-Sensor oder ein Temperatursensor.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (5) eine drahtlose Datenverbindung (23) zum Überwachen und Anpassen seines Betriebs umfasst.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Isolierungsmodul (1) mehrere Lüfter (5) umfasst, diese mit einer drahtgebundenen Verbindung (22) zumindest zum Verteilen von elektrischer Leistung miteinander verbunden sind.
Kühlungsanordnung nach einem beliebigen voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der isolierte Gegenstand (7) von mehreren Isolierungsmodulen (1) bedeckt ist, ihre Lüfter (5) miteinander mit einer drahtgebundenen Verbindung zum Verteilen von elektrischer Leistung verbunden sind.