DE29808895U1

DE29808895U1 - Kältespeicher mit Eis zum wiederholten Gefrieren und Abschmelzen

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Publication number: DE29808895U1
Application number: DE29808895U
Authority: DE
Original assignee: Integral Energietechnik GmbH
Current assignee: Integral Energietechnik GmbH
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2008-05-12
Also published as: AU4896799A; ZA993225B; JP2002514738A; US6308530B1; EP1078211A1; CN1299459A; AU744433B2; KR20010043352A; WO1999058912A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältespeicher mit Eis zum wiederholten Gefrieren und Abschmelzen in Kälteleistung insbesondere für die Fahrzeugkühlung und -klimatisierung.

Fahrzeuge werden gekühlt und klimatisiert, da in ihnen die Lufttemperatur und -feuchtigkeit Werte erreichen kann, welche die Konzentration des Fahrzeugführers beeinträchtigen können, was sich damit auf die Sicherheit des Verkehrs auswirken kann. Weiter sind auch Komfortbedürfnisse von Fahrzeuginsassen sowie Anforderungen von Transportgut Grund für die Luftbehandlung.

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Fahrzeuge, die sich nicht in Betrieb befinden, können üblicherweise nicht gekühlt bzw. klimatisiert werden, da die Kälte- und Klimaanlage üblicherweise vom Fahrzeugantrieb mitversorgt wird. Das führt dazu, daß sich diese Fahrzeuge - besonders in der Sonne - stark aufheizen können.

Besonders kritisch ist die Aufheizung, wenn das Fahrzeug besetzt ist und der Motor nicht betrieben werden kann oder darf, so daß die Klimatisierung und Kühlung nicht funktionsfähig ist, da der Antrieb für sie nicht verfügbar ist, wie dies zum Beispiel bei Bussen, auf Fähren, LKWs vor Grenzübergängen beim Stop-and-Go Verkehr oder bei Smog der Fall ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, gerade für diese Fälle einen Kältespeicher vorzuhalten. Hierdurch erspart man sich einen separaten Antrieb von Kälte bzw. Klimaanlagen, und es kann unabhängig von dem Antriebsmotor gekühlt und klimatisiert werden.

Für den Speicher-Betrieb insbesondere bei Kraftfahrzeugen wird Eis vorgeschlagen. Das Eis wird aus Wasser oder einer wässrigen Lösung bzw. Mischung erzeugt (nachfolgend der Verständlichkeit halber lediglich als Wässer bezeichnet) .

Unter allen praxisüblichen Einstoff-Flüssigkeiten hat Wasser sowohl die höchste spezifische Wärmekapazität als auch die höchste spezifische Schmelzenthalpie. Zudem ist Wasser billig und ungefährlich. Dies macht Wasser zu einem geeigneten Speichermedium. Wegen der hohen Schmelzenthalpie ist die Kaltespeicherung durch Eis (latente Energie) der Speicherung von kaltem Wasser (sensible Energie) wegen des geringeren Volumens bzw. Gewichts deutlich überlegen.

Wasser zeigt allerdings auch im Eisbereich anormales Verhalten im Vergleich zu den meisten anderen Stoffen. Insbesondere erhöht sich das Volumen bei Eisbildung, um bei Unterkühlung des Eises wieder abzunehmen. Sofern diese Volumenänderung durch konstruktive Maßnahmen nicht ausgeglichen werden kann (z. B. durch ein Puffervolumen),

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könnten Behälter, in denen Eis erzeugt wird, durch den Eisdruck zum Platzen gebracht werden.

Aus Gewichts- und Platzgründen sollte der Kältespeicher dazu leicht und klein sein. Dies bedingt das vollständige Gefrieren des Wassers zu Eis mit der Folge, daß die VoIumenveränderung beim Gefrieren und Abschmelzen betriebssicher absorbiert wird.

Erfindungsgemäß werden diese Randbedingungen durch einen Kältespeicher mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführuhgsformen der Erfindung wieder.

Die im Fahrzeug befindliche Kälteanlage, welche vom Fahrzeugantrieb versorgt wird, übernimmt während des Betriebes im Rahmen der verfügbaren Leistung die Kühlung des Fahrzeuginnenraums und/oder kann (zusätzlich) den Kältespeicher versorgen ("Ladebetrieb"). Hierbei wird ein Teil der Kälteleistung oder die volle Kälteleistung zur Eisbildung verwendet (sofern das Wasser des Kältespeichers erwärmt ist, wird zuerst das Wasser auf den Gefrierpunkt abgekühlt).

Je nach Regelbarkeit der Kälteanlage wird das Eis nach dem Gefrieren weiter abgekühlt ("Unterkühlung") oder die Kälteversorgung des Kältespeichers wird unterbrochen. Auf jeden Fall hat sich das Volumen des Eises - zumindest zeitweise - erhöht.

Sobald der Kältespeicher zur Luftkühlung verwendet wird ("Entladebetrieb"), wird ein Wärmestrom zum Eis das Eis erwärmen und /oder abschmelzen lassen. Das Eis verwandelt sich wieder in Wasser, welches ggf. noch aufgewärmt wird. Auch dieser Entladevorgang ist mit Volumenveränderungen verbunden.

Die Volumenveränderungen im Lade- und Entladebetrieb führen dazu, daß durch die veränderten spezifischen Volumina zusätzliche Auftriebskräfte wirksam werden, welche - insbesondere im Entladebetrieb - dazu führen, daß aufgeschmolzenes Eis im Wasser aufschwimmen kann. Sofern der Kältespeicher bei jedem Betriebszyklus vollständig entladen wird (das Eis wird dabei komplett aufgeschmolzen),

herrschen bei erneutem Ladebetrieb stets dieselben Ausgangsbedingungen, unter denen sich das Eis an der kältesten Stelle des Kältespeichers zuerst bildet. Diese Art des Ladebetriebes ist reproduzierbar und konstruktiv vergleichsweise einfach zu beherrschen.

Schwierig ist jedoch der Betrieb des Kältespeichers, wenn das Eis noch nicht vollständig aufgeschmolzen ist, bevor der Kältespeicher wieder von der Kälteanlage versorgt wird ("Teilentladung"). Durch die Auftriebskräfte des Eises und ggf. durch Kräfte aus dem Fahrzeugbetrieb kann sich Eis eines teilentladenen Speichers an Stellen ansammeln, wo es bei erneutem Ladebetrieb zu zusätzlichen Problemen führt. Akkumuliertes Eis wird bei Energieabfuhr durch die Kältemaschine örtlich ggf. zu noch höherer Volumen- und damit Druckzunahme führen. Dies belastet die Behälterkonstruktion zusätzlich.

Man kann dem Problem der Teilentladung damit begegnen, daß die Regelung der Kühlung so bewirkt wird, daß stets eine Vollentladung erfolgen muß, bevor ein erneutes Einfrieren zugelassen wird. Dies ist jedoch eine Energieverschwendung und ist auch aus rein zeitlichen Gründen bei beispielsweise Kraftfahrzeugen meist nicht möglich oder sinnvoll.

Der Kältespeicher eines Fahrzeuges muß also "zyklenfest" sein, d. h. alle Lade- und Entladezustände einschließlich der Teilentladung müssen über beliebig viele Zyklen betriebssicher sein.

Die Erfindung erreicht das gewünschte Ziel mit einem Kältespeicher mit den Merkmalen des Hauptanspruches, bei dem der Behälter, in welchem das Eis gebildet und aufgeschmolzen wird, elastisch ausgebildet ist. Vorteilhaft ist insbesondere eine elastische Hülle vorzusehen, die durch äußere formstabile Umhüllung ortsfest in engem Wärmeübertragungskontakt mit kühlender und/oder zu entfeuchtender Luft oder einem anderen Kühlfluid gehalten ist. Dabei können insbesondere an der Umhüllung, Rippen oder Rippensegmente oder Vertiefungen oder Stacheln zur Erhöhung der Wärmeübergangsfläche vorgesehen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, eine im wesentlichen im Querschnitt kreisförmige elastische Hülle in einer umgebenden kreisförmigen formstabilen Umhüllung unterzubringen, bei der ein Kreisabschnitt als Schlitz ausgespart ist zur Ermöglichung einer Volumenänderung der Hülle durch Verformung der Umhüllung.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Umhüllung mit mehr als einer Aussparung ausgeführt ist und Spannelemente zum Zusammenhalten der Segmente vorgesehen sind. Die Umhüllung kann auch ganz durch Spannelemente gebildet werden. Weiter wird vorgeschlagen, daß eine Rohrleitung zur Kältemittelzuführung mit der Innen- oder Außenseite der Umhüllung in Wärmeübergangskontakt steht. Bei der Anordnung einer Kältemittelrohrleitung in der Hülle kann die Hülle mit der Rohrleitung verbunden werden in der Form, daß die Hülle am Ein- und Austritt der Rohrleitung mit dieser dauerhaft dicht verbunden wird (z. B. durch Verkleben von Rohr und Hülle).

Auch kann die Hülle Kissenform mit einer Tasche zur Aufnahme einer Rohrleitung haben. Eine kissenförmige Hülle kann die Kältemittelrohrleitung auch derart umschließen, daß dieses Kissen so um die Rohrleitung gelegt wird, daß diese Rohrleitung in "Falten" des Kissens befindlich ist. Eine Fixierung z.B. durch Kleben kann in diesem Fall entfallen.

Durch eine Aufteilung der Hülle in Kammern werden kleinere Einzelvolumina geschaffen, in denen jeweils Eis zurückgehalten bleibt. Diese kleinen Volumina können beispielsweise durch Längs- und/oder Quernähte der kissenförmigen Hülle dargestellt werden. Die kissenförmige Hülle kann z.B. durch Vulkanisieren, Verschweißen, Verkleben oder Vernähen in die kleinen Volumina aufgeteilt werden.

Ebenso kann man in die Hülle einen Teil des Fluids oder ein anderes Fluid in Form von Kapseln einbringen. Durch die Haufenbildung der Kapseln ist ein Aufschwimmen derselben (nahezu) unterbunden, schmelzendes Eis kann somit nicht mehr, durch Auftrieb bedingt, stark aufschwimmen. Damit wird eine weitgehend homogene Struktur in der Hülle erhalten.

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Man kann die Kapseln mit einem gefrierfähigen Fluid befüllen, wobei ein bestimmtes Volumen der Kapsel frei von Fluid bleiben kann. Zweckmäßigerweise handelt es sich dabei um ein Luftvolumen, welches beim Gefrieren des Fluids zusammengedrückt wird und das Volumen der Kapsel nicht oder nur gering ansteigen läßt. Der hohe Eisdruck wird somit durch ein kompressibles Gas aufgenommen.

Es ist beispielsweise zu entscheiden, ob sich in den Kapseln und in der Hülle dasselbe Fluid oder verschiedene Fluide befinden. Das Fluid in der Hülle kann eine Substanz sein, welche entweder bei einer anderen Temperatur gefriert oder bestimmungsgemäß flüssig bleibt. Ebenso kann die Hülle ein bestimmungsgemäß gefrierendes Fluid enthalten, während in den Kapseln ein bestimmungsgemäß nichtgefrierendes Fluid enthalten ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Kapseln eine kompressible Substanz (ein Gas, z.B. Luft) enthalten. Dieses Gas würde den Eisdruck des umgebenden, gefrierenden Fluids aufnehmen und sein Volumen verändern.

Jede dieser Möglichkeiten hat ihre speziellen Einsatzgebiete, die sich insbesondere nach der Geometrie und der gewünschten Zeitkomponente des Kältespeichers richten. Die einzelnen Kapseln werden vorteilhafterweise elastisch ihre Form wieder herstellend ausgeführt, es kann jedoch auch ein in den Kapseln vorgesehenes die Volumenänderung kompensierendes, für die Kapselform wiederherstellendes Element, beispielsweise eine Feder, vorgesehen werden. Eine andere Möglichkeit, die Kapselform wieder herzustellen, ist eine Volumenänderung kompensierendes Gasvolumen in den Kapseln. Schließlich werden die Kapseln mit Linsen und/oder Hantelform vorgeschlagen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine elastische Hülle 2, die von einer formstabilen Umhüllung 3 umgeben ist, wobei die Kältemittelrohrleitung(en) außen an der Hülle angesetzt sind,

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Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung mit einer Kältemittelrohrleitung mittig durch das zu gefrierende Wasser,

Fig. 3 eine Aufteilung der Umhüllung in mehrere Segmente,

Fig. 4 eine weitere Ausführung, in der die Umhüllung durch Spannband gebildet ist,

Fig. 5 eine elastische Hülle, die von einer formstabilen Umhüllung umgeben ist, wobei die Kältemittelrohrleitung (en) innerhalb der Umhüllung angesetzt sind,

Fig. 6 eine elastische Hülle,

Fig. 7 eine elastische Hülle wie in Fig. 6, welche durch "Abbinden" mittels Einschnürung in kleinere Einzelvolumina aufgeteilt ist,

Fig. 8 eine hanteiförmige Kapsel,

Fig. 9 eine kissenförmige elastische Hülle, welche durch punktartiges Verbinden aufgeteilt ist, und

Fig.10 eine kissenförmige elastische Hülle, welche durch Längs- und/oder Quernähte in Kammern aufgeteilt ist.

In der Fig. 1 ist eine elastische Hülle von einer formstabilen Umhüllung umgeben, so daß sich insgesamt ein starrer, formstabiler Behälter ergibt, in dem Wasser gefroren und als Eis aufgeschmolzen werden kann, wobei die Volumenänderung bei typischen Betriebstemperaturen durch eine elastische Innenlage und eine leichte Formveränderung der Außenlage aufgenommen werden kann. Durch die dünne Innenlage der Hülle ist ein Wärmedurchgang ohne weiteres möglich. Weiter wird sich durch die Ausdehnung der Hülle der vollflächige gute Wärmekontakt noch verbessern, da die Innigkeit der Verbindung erhöht wird.

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Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei durch kältemittelgefüllte Rohrleitungen, in welchen das Kältemittel verdampft wird, um so die benötigte Kälteleistung verfügbar zu machen. Diese Rohrleitungen können, wie in der Fig. 1 außen oder wie in der Fig. 2 und 5 innerhalb angeordnet werden. Bevorzugt wird eine Ausführung, in der sie Hülle als "Kissen" beispielsweise als lange durch Längs- und Quernähte unterteilte Hülle ausgebildet ist, die um die Rohrleitung (en) gelegt werden und dann insgesamt in die Umhüllung eingesetzt werden, gebildet ist. Dadurch werden Nahtstellen zwischen Hülle und Rohrleitung vermieden, was die Betriebssicherheit erhöht.

Eine weitere Ausführung mit die Hülle umgebende Spannbändern kann mit elastischen Spanhbändern oder, sofern die Hülle sehr elastisch ist, auch mit festen Spannbändern, die nicht elastisch sind, vorgenommen werden, wobei im letzten Fall die Volumenänderung in den Schlitzen zwischen den Spannbändern durch Ausdehnung der Hülle aufgenommen wird. Zur Erhöhung einer definierten Geometrie können weiter starre "Einlagen" in Form von Stäben oder Stangen zwischen Hülle und Spannbändern eingebracht werden, die die Geometrie des Kältespeichers definieren.

Die in der Fig. 6 dargestellte, durch Abbinden unterteilte Hülle kann beispielsweise kann beispielsweise aus einem länglichen Schlauch mit Hilfe von metallischen Clips, Schnüren, Vulkanisation o. ä. unterteilt werden, wodurch sich einzelne Kammern bilden, welche die Auswirkungen des Auftriebs von gefrorenem Eis in nichtgefrorenem Wasser auf ein kleineres Volumen reduzieren und somit auch die Auswirkungen des Auftriebs mit "homogenisieren".

Das unerwünschte "asymmetrische Ausfrieren" des Eises, das zu einer Verdichtung des Eises an oberen Stellen führt, wird somit auf kleine Bereiche und damit auch kleine absolute Längenänderungen der Eisvolumina unterteilt.

Ebenso kann man in die Hülle einen Teil des Fluids oder ein anderes Fluid in Form von fluidgefüllten Kapseln einbringen. Die Abbildung 10 zeigt ein Beispiel einer hanteiförmigen Kapsel, kugelige oder linsenförmige Kapseln sind selbstverständlich auch möglich. Durch die hantel-

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förmige Kapsel wird aber eine besonders große Oberfläche erreicht, die zum anderen in der Kapselwandung genügend Elastizität beläßt, um Volumenänderungen auszugleichen. Vorgeschlagen wird, die Kapsel auch mit einem gefrierfähigen Fluid zu befüllen, wobei ein bestimmtes Volumen der Kapsel frei von Fluid bleibt. Zweckmäßigerweise handelt es sich dabei um ein Luftvolumen, welches beim Gefrieren des Fluids zusammengedrückt wird und das Volumen der Kapsel nicht oder nur gering ansteigen läßt. Der hohe Eisdruck wird somit durch ein kompressibles Gas, z. B. Luft, aufgenommen.

Als gefrierpunkterniedrigende Substanz können organische Salze wie Azetat, Formiat, Propionat, aber auch Glykol, Zucker oder Fruchtzucker, Ammoniak, Pottasche oder eine Pottascheverbindung, Glyzerol, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid, Kochsalz oder Ethanol, Isopropanol, Methanol Verwendung finden.

Es ist ins Belieben für die jeweilige Anwendung gestellt, ob sich in den Kapseln oder in der Hülle dasselbe Fluid oder unterschiedliche Fluide befinden. Fluid in der Hülle kann eine Substanz sein, welche entweder bei einer anderen Temperatur gefriert oder bestimmungsgemäß flüssig bleibt. Ebenso kann die Hülle ein bestimmungsgemäß ge-^ frierendes Fluid enthalten, während in den Kapseln ein bestimmungsgemäß nicht gefrierendes Fluid enthalten ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Kapseln eine kompressible Substanz, z. B. ein Gas, wie Luft, enthalten. Dieses Gas wird den Eisdruck des umgebenden gefrierenden, gefrierenden Fluids aufnehmen und sein Volumen verändern. Da die Kapseln ihre ursprüngliche Form nach einer Volumenveränderung wieder einnehmen sollen, ist es zweckmäßig, die Kapseln so auszubilden, daß keine bleibende Verformung eintreten kann. Diese Gefahr besteht insbesondere bei kugeligen Kapseln, welche durch ein allseitig wirkenden Außendruck "eingedellt" werden können und damit ihre ursprüngliche Form ggf. nicht wieder einnehmen können. Daher ist eine linsenförmige oder hanteiförmige Kapselgestaltung zweckmäßiger. Ob es sich um eine gefrierende Flüssigkeit (Ausdehnung) oder eine nichtgefrierende Flüssigkeit handelt, ist dabei ohne Belang.

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Es ist auch möglich, zur Erhöhung der Rückstellkraft der Kapseln in die Kapsel kleine Federn (Spreizfedern, Schraubenfedern o.a.) oder einen kompressiblen Werkstoff, z. B. Schaumstoff, Gummi, einzubringen oder zusammen mit dem Fluid und ggf. einem Gaspolster einzubringen. Hierzu eignen sich insbesondere die linsenförmigen Kapseln.

Schließlich wird noch vorgeschlagen, die Hüllen 2 in Kissenform in größeren Dimensionen zu fertigen, wobei die Kissen insgesamt die Kältemittelleitung umschließen. Derartige, auch mattenartig in kleine "Teilkissen'¹ unterteilte Hüllen können entweder durch punktförmige Verbindungen segmentiert werden oder auch mit netzartigen Strukturen im Innenraum versehen werden, um Eis am Aufschwimmen zu hindern.

In einer Hülle könnte auch ein Dehnungsvolumen, z. B. in Form eines gas- bzw. luftgefüllten Körpers oder eines kompressiblen Materials, z. B. Schaumgummi, ortsfest "eingenäht" werden. Jedoch ist zu beachten, daß aufschwimmendes Eis die Orientierung des Dehnungselementes nicht verändern darf und daß auch bei wiederholter Teilentladung die Rückstellkräfte dieses Dehnungsvolumens ausreichend hoch sein müssen, um jeweils die ursprüngliche Form wieder herzustellen.

Claims

I 5069 ANSPRÜCHE

1. Kältespeicher mit Eis zum wiederholten Gefrieren und Abschmelzen gekennzeichnet durch eine elastische Hülle (2), die durch eine im wesentlichen formstabile Umhüllung (3) ortsfest zur in engem Wärmeübertragungskontakt zur Vorbeiführung von zu kühlender oder zu entfeuchtender Luft oder eines Kühlfluides eingerichtet ist.

2. Kältespeicher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Rippen oder Rippensegmente oder Vertiefungen oder Stacheln zur Erhöhung der Wärmeübergangsfläche an der AuOenseite der Umhüllung (3) .

3. Kältespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen im Querschnitt kreisförmig eine elastische Hülle (2) umgebende kreisförmige Umhüllung (3), bei der ein Kreisabschnitt als Schlitz ausgespart ist zur Ermöglichung einer eine Volumenänderung der Hülle (2) zulassenden Verformung der Umhüllung (3).

4. Kältespeicher nach Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (3) mit mehr als einer Aussparung ausgeführt ist und Spannelemente (5) zum Zusammenhalt der Segmente vorgesehen sind.

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5. Kältespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Umhüllung Spannbänder (5) um die elastische Hülle (2) herum vorgesehen sind.·

6. Kältespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rohrleitung (4) zur Kaltemittelzufuhrung in Kontakt mit Innen- oder Außenseite der Umhüllung (3) .

7. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung mit der Hülle (2) in Warmeübergangskontakt steht.

8. Kältespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (2) mit der Rohrleitung (4) verklebt oder anderweitig innig verbunden ist.

9. Kältespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (2) Kissenform mit einer Tasche zur Aufnahme einer Rohrleitung (4) versehen ist.

10. Kältespeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufteilung der Hülle (2) in Kammern zur Schaffung kleiner Volumina in denen Eis zurückgehalten bleibt.

11. Kältespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hülle (2) netzartige Strukturen vorgesehen sind.

12. Kältespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hülle (2) elastische Kleinhüllen (Kapseln) zur Aufnahme von Wasser eingebracht sind, die sowohl Dichtigkeit garantieren, wie auch die Auswirkungen des Aufschwimmens von Eis kompensieren.

13. Kältespeicher nach Anspruch 12, mit Kapseln (7) in der Hülle, wobei innerhalb der Kapseln ein nicht gefrierendes Fluid vorgesehen ist.

14. Kältespeicher nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein in den Kapseln vorgesehenes, die Volumenänderungen kompensierendes und die Kapselform wiederherstellendes Element.

15. Kältespeicher nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein in den Kapseln vorgesehenes, die Volumenänderung kompensierendes und die Kapselform wiederherstellendes Gasvolumen.

16. Kältespeicher nach einem der Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapseln Linsen- und/oder Hantelform aufweisen.