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Die Erfindung betrifft eine Luftkühleranordnung zur Erzeugung von kalter Luft für beispielsweise Kühlprozesse oder zur Kühlung von Lagerräumen und Klimatisierung von Gebäuden.
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In gattungsgemäßen Anordnungen wird somit Luft gekühlt, um diese als Kaltluft für Klimatisierungszwecke oder für Prozesse der direkten konvektiven Kühlung einsetzen zu können.
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Die Kühlung der Luft erfolgt dabei mittels eines Wärmeübertragers, der beispielsweise als Kältemittel durchströmter Verdampfer einer Kälteanlage oder als Kühlmittel durchströmter Kühler ausgebildet ist. Derartige Wärmeübertrager werden zur Kühlung der Luft zumeist unterhalb von 0°C betrieben und die Luftfeuchtigkeit der zu gekühlten Luft gefriert zumindest teilweise an der entsprechenden kalten Wärmeübertrageroberfläche, der Wärmeübertrager vereist. Dies führt zur Verringerung der Effizienz des Wärmeübertragers und es ist erforderlich, die entstandene Eisschicht von Zeit zu Zeit abzutauen.
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Dieses bekannte Problem der Vereisung von Wärmeübertragern wird im Stand der Technik beispielsweise durch das Konzept der Umluftabtauung gelöst.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 000 956 A1 eine Wärmeübertrageranordnung bekannt, welche aus einem in einer thermisch isolierten kammerartigen Umhausung angeordneten Luftwärmeübertrager, einer Abtauvorrichtung und einem Ventilator besteht, wobei die kammerartige Umhausung selbst einen Luftströmungsraum bildet und durch den Luftwärmeübertrager in einen Anströmraum und einen Abströmraum segmentiert ist. Der Luftwärmeübertrager weist verstellbare Klappen auf, die auf einer Lufteintritts- und Luftaustrittsseite den Luftströmungspfad regulier- und absperrbar ausbilden. Bei der Anordnung nach der
DE 10 2010 000 956 A1 wird die Luft vertikal nach oben angesaugt, in einer horizontalen Ebene gekühlt und vertikal nach unten aus der Kammer befördert, wodurch die Anwendungsfälle und Einsatzgegebenheiten für diese Wärmeübertrageranordnung auf sehr hohe Räumlichkeiten eingeschränkt sind.
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Aus der
US 2 525 868 A ist ein Kühlsystem mit einer abschaltbaren Einheit bekannt, welches zur Abtauung des Verdampfers in einen Umluftmodus bringbar ist. Als Stellelemente für den Luftstrom werden mehrere Jalousien eingesetzt.
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Die
FR 2 560 365 A1 offenbart eine Kühleinrichtung, wobei ein isolierter Kanal zur Umluftabtauung ausgebildet ist, welcher innerhalb der Kühleinrichtung selbst positioniert ist.
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Aus der
EP 2 626 642 A2 geht eine Luftkühleranordnung hervor, die zwei übereinanderliegende Ebenen der Luftführung in einem Isoliergehäuse aufweist. In der unteren Ebene befindet sich in Luftströmungsrichtung eine Unterdruckkammer und eine Umlenkkammer, welche durch einen von der zu kühlenden Luft durchströmten Kühler voneinander getrennt sind. Im Betrieb strömt die zu kühlende Luft nach Ansaugung in die Unterdruckkammer und durch den Kühler hindurch in die Umlenkkammer. Weiterhin sind mehrere in der oberen Ebene der Überdruckkammer angeordnete axial ansaugende und radial fördernde Ventilatoren angeordnet, wobei die Ventilatoren aus der Umlenkkammer der unteren Ebene die gekühlte Luft ansaugen und radial in die Überdruckkammer der oberen Ebene hineinfördern. Auch ist eine Strömungsleitklappe vorgesehen, die in einer Betriebsstellung horizontal und in einer Abtaustellung vertikal positionierbar ausgebildet ist, wobei die Strömungsleitklappe in der Betriebsstellung Teil der horizontalen Segmentierung der Luftkühleranordnung in eine obere und eine untere Ebene und in der Abtaustellung Teil einer vertikalen Fläche des Isoliergehäuses ist.
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Nachteilig dem angegebenen Stand der Technik ist, dass der Energieaufwand zum Betreiben der Kühlung durch den energetischen und apparativen Aufwand zur Abtauung der vereisten Wärmeübertrager relativ hoch ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Luftkühleranordnung zur Verfügung zu stellen, welche einen energieeffizienten Betrieb erlaubt und dabei konstruktiv einfach aufgebaut ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Luftkühleranordnung gelöst, wobei ein einen Luftstrom erzeugender Ventilator und ein im Strömungspfad des Luftstromes angeordneter, die Luft kühlender Wärmeübertrager in einen thermisch isolierenden Isoliergehäuse angeordnet sind. Das Isoliergehäuse umschließt einen Innenraum, der zwei verschließbare Öffnungen besitzt, wobei jede Öffnung als Ein- und Ausgang ausgeführt ist. Ein Ein- und Ausgang für zu kühlende Kühlluft wird mittels einer Kühlluftklappe verschlossen. Zusätzlich weist das Isoliergehäuse einen Ein- und Ausgang für Umgebungsluft aus, welcher durch eine Umgebungsluftklappe verschließbar ausgestaltet ist.
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Selbstverständlich können jeweils mehrere Ein- und Ausgänge für Kühlluft und Umgebungsluft in der dargelegten Weise erfindungsgemäß ausgebildet sein, ohne dass die erfinderische Konzeption dadurch verlassen wird. Im Abtaubetrieb der Luftkühleranordnung befindet sich die Umgebungsluftklappe in geöffneter Stellung und die Kühlluftklappe in geschlossener Stellung, so dass warme Umgebungsluft vom Ventilator in die Luftkühleranordnung ansaugbar beziehungsweise einsaugbar ist. Der angesaugte warme Umgebungsluftstrom durchströmt den Wärmeübertrager und taut das Eis an der Oberfläche des Wärmeübertragers ab. Dabei wird die Umgebungsluft in dem vereisten Wärmeübertrager gekühlt und verlässt als gekühlte Umgebungsluft die Luftkühleranordnung.
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Die Konzeption der Erfindung besteht nunmehr darin, dass als Energiequelle für das Abtauen des Wärmeübertragers warme Umgebungsluft oder warme Luft aus anderen Hallenbereichen, wie Warmluft aus dem Maschinenraum oder Ähnlichem, genutzt wird. Damit ist, im Unterschied zu bekannten Abtauverfahren mittels Umluft, keine zusätzliche Wärmequelle für die Bereitstellung der Schmelzwärme für die Eisschicht auf der Wärmeübertrageroberfläche erforderlich.
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Im Abtaubetrieb kann der Ventilator mit einer reduzierten Drehzahl laufen, da lediglich sehr kurze Strömungswege mit relativ geringem Druckabfall durch den Umgebungsluftstrom zum Abtauen zu überwinden sind.
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Besonders bevorzugt ist die Kühlluftklappe der Luftkühleranordnung im Kühlbetrieb in geöffneter Stellung und die Umgebungsluftklappe in geschlossener Stellung angeordnet, so dass warme und zu kühlende Kühlluft vom Ventilator in die Luftkühleranordnung angesaugt wird und den Wärmeübertrager zum Kühlen durchströmt. Als gekühlte Kühlluft verlässt der Luftstrom die Luftkühleranordnung zum Kühlraum hin. Der Wärmeübertrager ist bevorzugt als Verdampfer einer Kälteanlage ausgeführt oder alternativ als Kühler, welcher von einem entsprechend temperierten Kühlmittel durchströmt wird, welches Wärme vom Luftstrom aufnimmt.
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Eine besonders vorteilhafte konstruktiv technische Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Umgebungsluftklappe derart ausgebildet ist, dass diese im Abtaubetrieb gleichzeitig als Luftleiteinrichtung für den Luftstrom fungiert. Dabei wird der Luftstrom im Abtaubetrieb zunächst als warme Umgebungsluft auf einer Seite der Umgebungsluftklappe in die Luftkühleranordnung hineingeleitet und nach Durchströmen des Ventilators und des Wärmeübertragers entlang der Umgebungsluftklappe auf der anderen Seite der Umgebungsluftklappe wieder aus der Luftkühleranordnung herausgeleitet. Die Umgebungsluftklappe erfüllt somit zwei Funktionen. Einmal verschließt sie den Ein- und Ausgang für Umgebungsluft im Kühlbetrieb der Luftkühleranordnung und weiterhin erfüllt sie die Funktion der gezielten Luftleitung als Luftleiteinrichtung beim Ansaugen und beim Ausblasen der Umgebungsluft.
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Besonders bevorzugt ist in analoger Weise im Kühlbetrieb die Kühlluftklappe auch als Luftleiteinrichtung für den Luftstrom von warmer Kühlluft und gekühlter Kühlluft am Ein- und Ausgang trennend angeordnet. Auch die Kühlluftklappe wirkt somit in doppelter Funktion einmal als Verschlusselement für die Luftkühleranordnung in der Abtaustellung im Abtaubetrieb und weiterhin als Luftleiteinrichtung zum Trennen der einströmenden zu kühlenden Kühlluft von der auf der anderen Seite der Kühlluftklappe in den Kühlraum ausströmenden gekühlten Kühlluft.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Klappen, der Kühlluftklappe und/oder der Umgebungsluftklappe aus einem thermisch isolierenden Material, damit die Klappen ihre Doppelfunktion in besonders effizienter Weise realisieren. Als thermisch isolierende Materialien werden insbesondere Materialien angesehen, welche einen geringen Wärmedurchgang besitzen.
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Damit kann zum einen im Kühlbetrieb wenig Wärme über die Umgebungsluftklappe in die Luftkühleranordnung gelangen, wobei im Abtaubetrieb die einströmende warme Umgebungsluft thermisch gut von der ausströmenden gekühlten Umgebungsluft getrennt ist, da die Umgebungsluftklappe als Luftleiteinrichtung die unterschiedlich temperierten Umgebungsluftströme voneinander trennt.
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Das vorangehend dargestellte Prinzip der besonders vorteilhaften thermischen Isolierung der Umgebungsluftklappe trifft in analoger Weise auch für die Kühlluftklappe zu, welche im Abtaubetrieb als Teil der äußeren Begrenzung der Luftkühleranordnung in Fortsetzung des Isoliergehäuses den Ein- und Ausgang für die Kühlluft verschließt. Damit kann keine relativ warme Umgebungsluft in den Kühlraum gelangen. Durch die thermische Isolierung der Kühlluftklappe ist zusätzlich der Wärmestrom aus dem Innenraum der Luftkühleranordnung in den Kühlraum minimiert. Wiederum analog zur Funktion der Umgebungsluftklappe behindert die thermische Isolierung der Kühlluftklappe in der Funktion der Luftleiteinrichtung auch den Wärmestrom von der relativ warmen zu kühlenden Kühlluft zur gekühlten Kühlluft im Kühlbetrieb der Anordnung.
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In besonders vorteilhafter Weise sind die Kühlraumklappe und die Umgebungsluftklappe als Vakuumpaneel ausgebildet. Vakuumpaneele besitzen die Besonderheit, dass eine besonders gute thermisch isolierende Wirkung bei relativ geringem Gewicht, geringem Volumen und relativ guter Stabilität des Bauelementes als solchem erreichbar ist.
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Der Ventilator ist in vorteilhafter Weise als Axiallüfter ausgebildet. Weiterhin kann der Ventilator als Radiallüfter mit Direktantrieb ausgeführt sein.
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Um das Kondensat am Wärmeübertrager und das abgetaute Wasser gezielt aus der Luftkühleranordnung abzuführen, ist ein Kondensatablauf in der Art einer Rinne mit einem entsprechenden Durchgang nach außen vorgesehen.
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Besonders bevorzugt ist die Luftkühleranordnung, die durch das Isoliergehäuse nach außen begrenzt wird, außerhalb eines Kühlraumes an der Kühlraumwand angeordnet, wobei der Ein- und Ausgang für die Kühlluft als Ausnehmung in der Kühlraumwand ausgebildet und durch die Kühlluftklappe der Luftkühleranordnung verschließbar ausgeführt ist.
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Alternativ dazu ist die Luftkühleranordnung auch innerhalb eines Kühlraumes an der Kühlraumwand anordenbar, wobei der Ein- und Ausgang für die Umgebungsluft als Ausnehmung in der Kühlraumwand ausgebildet und durch die Umgebungsluftklappe verschließbar ausgeführt ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Luftkühleranordnung mit den Ein- und Ausgängen für die warme und die zu kühlende Luft einseitig und/oder beidseitig an Luftverteilungskanäle angeschlossen und die Luftströme werden je nach gegebener lokaler Situation entsprechend über längere Strecken herangeführt.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilatordrehzahl im Abtaubetrieb stark reduziert, so dass eine besonders hohe Energieeinsparung erreichbar ist. Die starke Reduzierung der Ventilatordrehzahl wird möglich durch den geringen Strömungswiderstand und Druckverlust durch den sehr kurzen Strömungsweg der Umgebungsluft durch die Luftkühleranordnung hindurch. Bei Axialventilatoren liegt die Drehzahlreduzierung im Abtaubetrieb im Bereich von 1:2 und bei Radialventilatoren im Bereich von 1:4.
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Um die thermischen Verluste während des Kühlbetriebs und des Abtaubetriebs noch weiter zu reduzieren und insbesondere die thermischen Verluste durch konvektive Verluste und den Luftaustausch zu begrenzen, sind die Umgebungsluftklappe und die Kühlluftklappe mit einer doppelten Dichtung ausgeführt, so dass in der jeweils geschlossenen Stellung der Klappen der Luftaustausch zwischen Luftkühleranordnung und Kühlraum beziehungsweise zwischen Luftkühleranordnung und Umgebung minimiert ist.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Luftkühleranordnung durch die Nutzung von Umgebungsluft, die insbesondere gerade in der warmen Jahreszeit oder bei Anwendungen in klimatisch wärmeren Gebieten ausreichend Wärmeenergie zur Abtauung des Wärmeübertrags besitzt, genutzt werden. Das zusätzliche Aufwenden von Wärmeenergie zum Abtauen entfällt somit vollständig.
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Die Energie zum Abtauen wird durch die Verringerung der Drehzahl des Ventilators durch kurze Strömungswege und geringe Druckdifferenzen nochmals reduziert, so dass in besonders vorteilhafter Weise die Luftkühleranordnung energieeffizient betrieben werden kann.
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Weiterhin vorteilhaft zu nennen ist die einfache und konstruktiv relativ unproblematisch umsetzbare Lösung durch das Vorsehen einer zweiten Klappe zur Umgebung hin, welche die Nutzung der warmen Umgebungsluft ermöglicht. Von besonderem Vorteil ist auch die Doppelfunktion der Klappen auf der einen Seite zum Begrenzen der Luftkühleranordnung je nach Betriebsweise und auf der anderen Seite als Strömungsleiteinrichtung zur Führung und thermischen Trennung des die Luftkühleranordnung durchströmenden Luftstromes jeweils.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Luftkühleranordnung im Kühlbetrieb,
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2: Luftkühleranordnung im Abtaubetrieb,
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3: Luftkühleranordnung mit Radialventilator und
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4: Luftkühleranordnung mit Luftverteilungskanälen.
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In 1 ist eine Luftkühleranordnung 1 im Kühlbetrieb dargestellt. Die Luftkühleranordnung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilator 2 und einem Wärmeübertrager 3, welche gemeinsam in einem Isoliergehäuse 4 angeordnet sind. Das Isoliergehäuse 4 umschließt einen Innenraum, in welchem die Komponenten der Luftkühleranordnung 1 derart platziert sind, dass mittels des Ventilators 2 ein Luftstrom 12 erzeugbar ist, welcher den Wärmeübertrager 3 durchströmt. Der Wärmeübertrager 3 ist je nach Anwendungsfall als Verdampfer einer Kälteanlage oder auch als Kühler ausgebildet, wobei der Kühler durch ein Kühlmittel durchströmt und dieses Wärme von der zu kühlenden Luft aufnimmt. Das Isoliergehäuse 4 ist im dargestellten Ausgestaltungsbeispiel außen an der Kühlraumwand 5 eines Kühlraumes 8 befestigt. Die Kühlraumwand 5 weist eine Ausnehmung beziehungsweise eine Öffnung für den Ein- und Ausgang 13 der Kühlluft 9.1, 9.2 in die Luftkühleranordnung 1 auf. Der Ein- und Ausgang 13 für die Kühlluft wird verschlossen durch die Kühlluftklappe 6. Das Isoliergehäuse 4 weist zur Umgebung hin eine weitere Ausnehmung für den Ein- und Ausgang 14 der Luftkühleranordnung 1 für Umgebungsluft auf, welcher im dargestellten Kühlbetrieb von der Umgebungsluftklappe 7 verschlossen ist. Beim Kühlbetrieb strömt aus dem Kühlraum 8 relativ warme und zu kühlende Kühlluft 9.1 durch den von der Kühlluftklappe 6 freigegebenen Ein- und Ausgang für Kühlluft 13 in den Innenraum der Luftkühlungsanordnung, geleitet durch die in dieser Stellung als Luftleiteinrichtung fungierende Kühlluftklappe 6. Die warme Kühlluft strömt, wie dargestellt, an der Unterseite der Kühlluftklappe 6 in die Luftkühleranordnung 1 hinein und der Luftstrom 12 durchströmt den Wärmeübertrager 3, welcher Wärme aus dem Luftstrom 12 aufnimmt. Der Luftstrom 12 wird vom Ventilator 2 nach Umlenkung angesaugt und auf der oberen Seite der Kühlluftklappe 6 durch den Ausgang 13 wird die nunmehr gekühlte Kühlluft 9.2 in den Kühlraum 8 hineingefördert.
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Beim Kühlen des Luftstromes 12 im Wärmeübertrager 3 anfallendes Kondensat wird über einen Kondensatablauf 11 der Luftkühleranordnung 1 gesammelt und abgeleitet.
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In 2 ist die Luftkühleranordnung im Abtaubetrieb dargestellt. Die Komponenten der Luftkühleranordnung 1 sind analog wie in 1 bezeichnet. Lediglich die Stellung der Klappen ist im Abtaubetrieb entgegengesetzt. Die Kühlluftklappe 6 verschließt den Ein- und Ausgang für Kühlluft 13, wohingegen die Umgebungsluftklappe 7 nunmehr geöffnet ist und einen Luftaustausch zur Umgebung hin ermöglicht. Somit wird vom Ventilator 2 relativ warme Umgebungsluft in die Luftkühleranordnung 1 eingesaugt und die warme Umgebungsluft 10.1 tritt über den Eingang der Umgebungsluft 14 entlang der oberen Seite der Umgebungsluftklappe 7 in die Luftkühleranordnung 1 ein. Der eingesaugte Luftstrom 12 wird durch den Wärmeübertrager 3 gelenkt und nimmt Wärme vom abtauenden Eis am Wärmeübertrager 3 auf und wird somit gekühlt. Die gekühlte Umgebungsluft 10.2 verlässt durch den Ausgang 14 für Umgebungsluft die Luftkühleranordnung 1. Die Umgebungsluftklappe 7 bildet im Bereich des Ein- und Ausganges für Umgebungsluft 14 in der geöffneten Stellung eine Luftleiteinrichtung, an deren Oberseite die warme Umgebungsluft in die Luftkühleranordnung 1 einströmt und an deren Unterseite die gekühlte Umgebungsluft 10.2 aus der Luftkühleranordnung 1 ausströmt. Das entstehende Wasser aus dem abtauenden Eis sammelt sich im Kondensatablauf 11 und wird dort abgeleitet.
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Die Isolierung der Klappen 7, 6 führt zu einer thermischen Trennung von unterschiedlich temperierter Luft beziehungsweise unterschiedlich temperierten Luftströmen 12, wodurch die Effizienz der Anlage nochmals zusätzlich verbessert wird. Die Klappen 6, 7 sind drehbar gelagert, so dass eine Steuerung der Klappen durch einen Rotationsantrieb in besonders einfacher und vorteilhafter Weise realisierbar ist. Besonders vorteilhaft hervorzuheben ist die Doppelfunktion der Klappen 6, 7, wobei die Klappe 7 mit einem doppelten Dichtungssystem und die Klappe 6 mit einer Einfachdichung versehen ist, um den Luftaustausch in geschlossener Stellung der Klappen 6, 7 weitgehend zu unterbinden.
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Bei der doppelten Dichtung sind zwischen dem Rahmen der Öffnung für den Ein- und Ausgang für die Umgebungsluft 14 und dem Klappenblatt der Umgebungsluftklappe 7 zwei Dichtungen angeordnet, wobei eine Dichtung mit dem Rahmen und die zweite Dichtung mit dem Klappenblatt verbunden ist. Die Dichtfunktion der beiden Dichtungen wird gegenüber dem anderen Element, jeweils Rahmen oder Klappenblatt, und gegenüber der jeweils zweiten Dichtung realisiert. Somit ergeben sich bei optimaler Ausgestaltung insgesamt drei Dichtstellen mit zwei Dichtungen, was zu einer hohen Dichtheit der Verbindung führt. Bei einem zu großen Dichtspalt dichten zumindest die beiden aufeinanderliegenden Dichtungen ab und die Dichtfunktion ist immer noch gewährleistet.
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In 3 ist eine Luftkühleranordnung 1 analog zur Darstellung in 2 dargestellt, wobei die Luftkühleranordnung 1 nicht unmittelbar an einer Kühlraumwand 5 platziert ist. Die Ein- und Ausgänge für Kühlluft und warme Luft 13, 14 sind verbunden mit Luftverteilungskanälen 15, über welche die Luftkühleranordnung 1 mit dem Kühlluftverbraucher und der Warmluftquelle verbunden sind. Die warme Luft 10.1 wird über den als Doppelkanal mit Mittelwand ausgeführten Luftverteilungskanal 15 herangeführt und die gekühlte Luft 10.2 entsprechend in dem zweiten Kanalsegment abgeführt.
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In 4 ist eine Luftkühleranordnung 1 wiederum analog zur Darstellung in 2 dargestellt, wobei als Ventilator 2 eine Radialventilator eingesetzt ist. Entsprechend den unterschiedlichen Geometrien für die Anschlüsse des Radialventilators sind Anpassungen an die Klappengeometrie beziehungsweise den Ein- und Ausgang für warme Luft 14 vorgenommen worden, um optimale Strömungsverhältnisse innerhalb der Luftkühleranordnung 1 zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftkühleranordnung
- 2
- Ventilator
- 3
- Wärmeübertrager, Verdampfer
- 4
- Isoliergehäuse
- 5
- Kühlraumwand
- 6
- Kühlluftklappe
- 7
- Umgebungsluftklappe
- 8
- Kühlraum
- 9.1
- Warme Kühlluft
- 9.2
- Gekühlte Kühlluft
- 10.1
- Warme Luft, Umgebungsluft oder Abluft
- 10.2
- Gekühlte Luft, Umgebungsluft
- 11
- Kondensatablauf
- 12
- Luftstrom
- 13
- Ein- und Ausgang für Kühlluft
- 14
- Ein- und Ausgang für warme Luft, Umgebungsluft oder Abluft
- 15
- Luftverteilungskanal, Doppelkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010000956 A1 [0005, 0005]
- US 2525868 A [0006]
- FR 2560365 A1 [0007]
- EP 2626642 A2 [0008]
