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Anwendungsgebiet
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Vorrichtung
zur passiven Klimatisierung, bestehend aus einem ersten Raum mit
Wärmequelle, einem
Wärmetauscher
und Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial,
einem zweiten Raum mit Wärmesenke,
und mindestens einer Trennung zwischen dem ersten und zweiten Raum.
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Stand der Technik
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Zur
Temperierung von Schaltanlagen, Schaltschränken und Outdoor-Gehäusen werden
aktive Systeme wie Lüftung
und Klimaanlagen eingesetzt. Passive Kühlung ist als Konvektionskühlung über die
Außenflächen des
Gehäuses
bekannt, oder in Form von Latentwärmespeicher ausgeführt, zur Wärmespeicherung
mit beispielsweise Phasenwechselmaterialien.
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Ein
Latentwärmespeicher
speichert thermische Energie verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und
eine über
lange Zeit. Dazu werden sogenannte Phase change materials (PCM, „Phasenwechselmaterialien”) genutzt,
deren latente Schmelzwärme,
Lösungswärme oder
Absorptionswärme
wesentlich größer ist
als die Wärme,
die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt)
speichern können.
Beispiele sind Wärmekissen,
Kühlakkus
oder mit Paraffin gefüllte Speicherelemente
in den Tanks von solarthermischen Anlagen.
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Nachteile des Standes der
Technik
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Die
Konvektionskühlung
versagt, wenn die Umgebungstemperatur an oder über die einzuhaltende Maximaltemperatur
steigt. Eine Speicherung der Wärmeenergie
für diesen
Zeitraum ist eine Lösung, hat
aber die Notwendigkeit, die gespeicherte Wärme zu späterem Zeitpunkt abzuführen. Dies
ist bereits mit aktiven Mittel gelöst, die jedoch zum Betrieb
Energie benötigen.
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Für autarke
elektrische Outdoor-Systeme wie Ticket-Automaten, Verkehrsleitsysteme
oder Funkmasten für
den Mobilfunk ist dies sehr nachteilig. Diese Systeme werden vorzugsweise
mit Solarstrom und einer Batterie betrieben. Dabei wird tagsüber die
Sonnenenergie zum Laden einer Batterie verwendet. Der Ladevorgang
dauert in der Regel nur wenige Stunden. Dabei erwärmt sich
die Batterie jedoch und überschreitet
ohne weitere Kühlung
die zulässige
Betriebstemperatur, wodurch in der Folge die Lebensdauer erheblich
sinkt. Dieser Nachteil ist wirtschaftlich nicht akzeptabel. Eine
aktive Kühlung
benötigt
jedoch Energie, wodurch der Anlagenaufwand zum Sammeln und Speichern
von Energie steigt, und ist daher ebenfalls nicht akzeptabel.
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Die
schon angesprochenen Latent-Wärmespeicher
können
bislang nicht verwendet werden, da sie den Nachteil aufweisen, dass
die im Inneren gespeicherte Wärme
nur über
Leitung abgeführt
werden kann. Eine schnelle Kühlung
großer
Latent-Wärmespeichermassen
oder -volumina ist damit nicht möglich,
die darin gespeicherte Wärme
kann also nur unzureichend langsam abgegeben werden.
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Es
existiert keine zufriedenstellende Lösung, Wärme zu speichern und diese
ohne weitere aktive Maßnahmen
zeitversetzt abzuführen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, Wärme zu speichern und diese
zeitversetzt abzuführen,
und dies nur mit passiven Mitteln zu erreichen.
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Lösung der Aufgabe
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Dies
hat der Erfinder durch folgende Schritte erreicht.
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Im
ersten Schritt wird zum Speichern die im Inneren vorliegende Wärme über natürliche Konvektion
an plattenförmige
Wärmespeichermaterialien
abgegeben. Damit wird die Wärme
ohne Verwenden weiterer Mittel über
eine große
Fläche
in den Wärmespeicher
eingeleitet. Da die platten im Vergleich zu ihrer Fläche dünn sind,
liegt wird die Wärme über die Wärmeleitung
schnell in die Platten eingebracht und gespeichert.
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Im
zweiten Schritt sind die Platten mit einer Heatpipe verbunden. Entweder
direkt oder über
einen geschlossenen Kühlmittel-Kreislauf.
Durch die Eigenschaft der Heatpipes, bei Ausnutzen der Gravitation
den Wärmetransport
nur in eine Richtung zu ermöglichen,
findet nur dann ein Wärmetransport statt,
wenn der Wärmespeicher
ein höheres
Temperaturniveau hat als die wärmeabführende Seite
der Heatpipe.
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Die
verwendete Heatpipe wird technisch auch als Wärmerohr oder Thermosiphon bezeichnet. Bei
diesen schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (auch:
Gravitationswärmerohre
oder Zwei-Phasen-Thermosiphon) kreist das Medium aufgrund der Schwerkraft,
wodurch Wärmeträgermedium
selbständig
in den Verdampfer zurück
fließt.
Die Wärme wird
am unteren Ende über
den Sumpf, also bis zur Höhe
des Flüssigkeitsspiegels,
zugeführt.
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Im
dritten Schritt ist eine schnelle Kühlung der gespeicherten Wärme dadurch
erreicht, dass die plattenförmigen
Wärmespeichermaterialien
ein- oder beidseitig durch gut wärmeleitende
Platten (Rippen, Lamellen) kontaktiert sind, die ihrerseits mit
der Heatpipe in wärmeleitender
Verbindung stehen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
passive Kühlung
von Innenräumen
ist damit einfach und effizient gelöst.
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Erstens
wird die anfallende Wärme – sofern die
wärmeabgebende
Seite der Heatpipe kühler
ist – direkt über die
natürliche
Konvektion an den Wärmetauscher übertragen
und dort über
die Rippen oder Lamellen an die Heatpipe abgegeben.
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Zweitens
wird die Wärme
im Latentwärmespeicher
zwischengespeichert, wenn die wärmeabgebende
Seite der Heatpipe nicht kühler
ist.
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Und
drittens wird die gespeicherte Wärme wieder
abgegeben, wenn die Temperatur auf der wärmeabgebenden Seite der Heatpipe
ausreichend gesunken ist, wobei zugleich der Innenraum der Anwendung
geheizt wird.
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Kurzerläuterung der einzelnen Figuren
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1 Wärmespeicher
mit Heatpipe und Kühlmittelkreislauf
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2 Detail: Aufbau plattenförmiger Wärmespeicher
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3 Wärmespeicher
mit mehreren Heatpipes
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4 Anwendungsbeispiel:
autarkes Mobilfunk-Relais
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist
eine erste Ausführung
der Vorrichtung zur passiven Temperierung 14 dargestellt.
In einem ersten Raum 1 mit Wärmequelle (hier nicht dargestellt)
ist ein Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 angeordnet.
Dieser Raum ist mit einer Trennung 4, wie beispielsweise
einer Wand, Gehäusewand
oder ähnlichem,
von dem umgebenden Raum 3 abgetrennt. Der umgebende Raum 3 ist
zumindest zeitweise kühler
als der erste Raum 1. Eine Heatpipe 5 durchdringt
die Trennung 4, und ist mit der wärmeaufnehmenden Seite 6 mit
dem Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 verbunden.
Die wärmeabgebenden
Seite 7 ist auf der anderen Seite der Trennung 4 angeordnet
und zur Wärmeabfuhr sind
eine oder mehrere Rippen, Lamellen 12, Flächen, Stifte
oder dergleichen ausgestattet. Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 ist
mit einem Wärmeträgerkreislauf 11 ausgeführt. Mehrere
kleine Röhrchen 21 durchdringen
den Korpus 2 und sind wärmeleitend
mit den Lamellen oder Rippen 8 verbunden.
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In
dem Wärmeträgerkeislauf 11 strömt ein Medium
(nicht dargestellt) durch aktive Mittel, besonders bevorzugt aber
ohne den Einsatz von aktiven Mitteln nur durch den Einfluss der
Schwerkraft aufgrund der temperaturbedingten Dichteunterschiede (Naturumlauf).
Dabei wird es in den Wärmetauscherröhrchen 21 erwärmt, sammelt
sich im oberen Sammler 22, wird an dem kühlen Ende 6 der
Heatpipe 5 abgekühlt
und gelangt in den unteren Verteiler 23.
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Der
Aufbau des Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 ist
mit der Detailansicht 20 in 2 verdeutlicht.
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2a und 2b sind zwei unterschiedliche Ausführungen
der Erfindung. Der Wärmetauscher
wird durch flächige
Rippen oder Lamellen 8 gebildet, die durch die Röhrchen 21 wärmeleitend
mit dem Wärmetragerkreislauf 11 verbunden
sind, oder die direkt wärmeleitend
mit einer oder mehreren Heatpipes 5 verbunden sind. Das
Latent-Wärmespeichermaterial 9 ist
zumindest einseitig mit einer dieser flächigen Rippen oder Lamellen 8 kontaktiert.
Der Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 ist
eine wechselnde Abfolge von Wärmespeichermaterial 9 und
Luftkanal 10, die zumindest an einer Grenzfläche durch
eine flächige
Rippe oder Lamelle 8 getrennt sind.
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Dabei
sind jedem Element wichtige Funktionen zugeordnet. Durch die Luftkanäle 10 wird
durch natürliche
Konvektion die von der Wärmequelle
erwärmte
Luft hineingetragen. Der Latentwärmespeicher 9 speichert
die thermische Energie, ein Vorgang der hauptsächlich durch Wärmeleitung
im Material gekennzeichnet ist. Eine gute Abstimmung von Konvektion
und Wärmespeicherung
hat sich bei bestimmten Geometrien ergeben. Die Kühlkanäle 10 sollten
eine lichte Weite von 0,5 mm bis 20 mm, vorzugsweise 1 mm bis 5
mm aufweisen. Die Dicke des Wärmespeichermaterials 9 ist
von dessen Wärmeleitfähigkeit
beeinflusst, und sollte zwischen 1 mm und 50 mm liegen, wobei Werte
zwischen 5 mm und 30 mm und insbesondere 8 mm und 20 mm bevorzugt
werden.
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Die
Wärmeableitung
erfolgt über
die Rippen oder Lamellen 8 des Wärmetauschers in die Röhrchen 21 des
Wärmeträgerkreislaufs 11.
Die Rippen oder Lamellen 8 sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer,
hoch kohle-haltigem Kunststoff oder einem anderen gut wärmeleitenden
Material. Die Dicke der Lamellen oder Rippen 8 liegt zwischen
0,05 mm und 2 mm mit einer bevorzugten Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm.
Es ist dabei vorteilhaft, das Material 9 des Latentwärmespeichers
zwischen zwei Rippen 8 anzuordnen und/oder durch eine am
Rand umlaufenden Abschluss einzuschließen. Gerade durch diese Ausführung ist
es nicht nötig
Füllstoffe
wie Kapselungen oder Umhüllungen
um das Wärmespeichermaterial vorzusehen.
Dadurch erhöht
sich die Masse des verwendbaren Wärmespeichermaterials und dadurch
in Folge die Wärmespeicherkapazität.
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Die
Funktion der Vorrichtung ist im Detail überraschend. Während des
Aufladens erfolgt der Wärmeübergang
vom Luftkanal 10 an das Wärmespeichermaterial 9 direkt
oder durch die Lamellen 8. Die gute Wärmeleitung in den Lamellen 8 behindert diesen
Wärmeeintrag
jedoch praktisch nicht.
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Ebenfalls
wird diese gute Wärmeleitung beim
Entladen genutzt, um über
die Lamellen 8 die Wärme
in den Kühlkreislauf 11 abzuleiten.
Dort wird die Wärme
dann von der kalten Seite 6 der Heatpipe 5 aufgenommen
und von der warmen Seite 7 wieder abgegeben.
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Dieses
Prinzip funktioniert deshalb so einfach und hervorragend, weil die
Heatpipe 5 eine thermische Diode ist. Ein Wärmeübertrag
erfolgt nur von der kalten 6 zur warmen 7 Seite.
Ohne weitere Hilfsmittel ist damit die Wirkrichtung der Anordnung
nur durch die Wahl der Mittel festgelegt.
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In 3 ist
eine Ausführung
dargestellt, die ohne Kühlkreislauf
realisiert ist. Eine oder hier mehrere Heatpipes 5 sind
mit ihrem kühlenden
Ende 6 direkt in den Wärmetauscher
und Latentwärmespeicher 2 eingesetzt.
Vorteilhaft ist hier das Fehlen eines Wärmeträger-Zwischenkreises, der eine
bestimmte Temperaturspreizung zur Funktion erfordert. Die Form der
Lamellen 12 ist nur beispielhaft, je nach Anforderung und
Art der konvektiven Strömung
im Raum 3 sind diese zweckmäßig nach dem üblichen Regeln
der Technik zu gestalten.
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Der
Latentwärmespeicher 9 ist
generell nicht beschränkt
in der Lage der Temperatur für
die Wärmespeicherung.
Zur Kühlung
von elektrischen Schaltgeräten
wird der Temperaturbereich von 15°C bis
80°C beansprucht.
Dabei gibt es mehrere besonderes beanspruchte Temperaturbereiche,
zum Ersten 20°C
bis 30°C
mit einem besonderen Vorzug von 22°C bis 26°C, da hier die ideale Betriebstremperatur Lebensdauer
wichtiger elektrischer Komponenten liegt, und zum Zweiten 50°C bis 70°C mit dem
besonderen Vorzug von 53°C
bis 57°C,
da hier die maximal zulässige
Einsatztemperatur von elektrischen Komponenten liegt.
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Die
beiden vorstehenden Ausführungen
sind nicht die einzig möglichen
Ausführungsformen.
Es werden alle, sich aus der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen sich
ergebenden Formen und Ausführungen
beansprucht.
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In 4 ist
eine Anwendung als weiteres Ausführungsbeispiel
gezeigt, in der die Vorrichtung zur passiven Kühlung 14 eingesetzt
wird. Als Beispiel ist eine Relais-Station für den Mobilfunk 30 ausgewählt, ohne
sich darauf zu beschränken.
Für Ticket-Automaten,
Auskunfts-Stationen, Geldautomaten im Indoor- wie im Outdoor- Bereich werden die übertragenen
Lösungen
ebenso beansprucht wir für den
Bereich der Mobilität
in Auto, Bahnluftverkehrs- oder Raumfahrzeug.
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Die
Relais-Station für
den Mobilfunk 30 besteht aus einem Mast mit mindestens
einer Sende- und Empfangsantenne für den Mobilfunk 31 und
Photovoltaik-Paneel 32 oder anderen Vorrichtung zum Ernten
von elektrischer Energie aus der Umgebung. In einem sehr gut thermisch
gedämmten
Schaltschrank oder Outdoor-Gehäuse 12 ist
eine Batterie oder Akkumulator 13 enthalten. Dieser Akkumulator 13 wird
durch das Photovoltaik-Paneel 32 geladen und durch den
Betrieb der Sende- und Empfangsantenne für den Mobilfunk 31 entladen.
Der Akkumulator 13 erwärmt
sich während
des Ladevorgangs, im Innenraum stellt sich ein Wärmetransport such natürliche Konvektion
ein. Die Temperatur im Innenraum 1 darf zur Gewährleistung
einer hohen Lebensdauer des Akkumulators 13 26°C nicht übersteigen.
Durch die thermische Dämmung
im Gehäuse 12 sowie
ein Strahlungsschutz 33 gegen die intensive Wärmestrahlung
der Sonne 34 ist tagsüber
eine Erwärmung von
außen
ausgeschlossen, ebenso eine Kühlung des
Nachts.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur passiven Kühlung 14 ist
löst das
Problem des unzulässigen
und schädlichen
Wärmestaus
in dem Innenraum 1.
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Solange
die Außentemperatur
der Umgebung 3 noch unter der Innentemperatur des Innenraums 1 liegt,
kühlt die
Heatpipe 5. Bei steigenden Außentemperaturen kommt dieser
Prozess zum erliegen. Die beim Aufladen erzeugt Wärme wird
dann in der Vorrichtung gespeichert. Dabei wird diese vom Akkumulator 13 zunächst in
die Umgebung im Innenraum 1 abgegeben, und gelangt dort über natürliche Konvektion
in die Luftkanäle
des Wärmetauscher und
Latentwärmespeicher 2.
Nach einem Wärmeübergang
Luft-Feststoff wird dieser mittels Wärmeleitung im Latentwärmespeicher 9 verteilt
und gespeichert.
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Gegen
Abend/Nacht sinkt die Temperatur, so dass die gespeicherte Wärme an die
Umgebung 3 abgegeben wird. Dabei wird die gespeicherte
Wärme aus
dem Latentwärmespeicher 9 an
die Rippen oder Lamellen 8 geleitet, und gelangt dort direkt
oder über mindestens
einen Zwischenkreis zu mindestens einer Heatpipe 5. Von
deren wärmeaufnehmenden Ende 6 gelangt
die Wärme
zur wärmeabgebenden Seite 7,
und wird dann an die Umgebung 3 abgegeben.
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Zusammenfassend
wird eine Vorrichtung beansprucht, die ohne aktive Mittel Wärme speichert und
zeitversetzt abgibt. Die Vorrichtung besteht im Kern aus einer Heatpipe
als thermische Diode, einem Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial zur Pufferung
von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau. Besonders beansprucht
werden alle Vorrichtungen, in denen eine solche Vorrichtung verwendet ist.
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Als
Beispiel sind eine Outdoor-Mobilfunk-Relais-Station und zwei grundsätzliche
Ausführungsformen
ausgeführt
worden, ohne sich nur auf diese zu beschränken.
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- 1
- Raum
mit Wärmequelle
- 2
- Wärmetauscher
und Latent-Wärmespeicher
- 3
- Raum
mit Wärmesenke
- 4
- Trennung
- 5
- Heatpipe
- 6
- wärmeaufnehmende
Seite der Heatpipe
- 7
- wärmeabgebende
Seite der Heatpipe
- 8
- flächige Rippe
oder Lamelle vom Wärmetauscher
- 9
- Latent-Wärmespeicher
- 10
- Luftkanal
- 11
- Wärmeträgerkreislauf
- 12
- Schaltschrank
oder Outdoor-Gehäuse
- 13
- temporär aktive
Wärmequelle
- 14
- Vorrichtung
zur Temperierung
- 20
- Ausschnitt
der Detailansicht in 2
- 21
- Rohrleitung
durch den Wärmetauscher
und Latent-Wärmespeicher
- 22
- Oberer
Sammler des Kühlkreislaufs
- 23
- Unterer
Verteiler des Kühlkreislaufs
- 30
- Relais-Station
für den
Mobilfunk
- 31
- Sende-
und Empfangsantenne für
den Mobilfunk
- 32
- Photovoltaik-Paneel
- 33
- Strahlungsschutz
- 34
- Sonne