DE60126492T2

DE60126492T2 - Wärmeschild eines geschlossenen raumes

Info

Publication number: DE60126492T2
Application number: DE60126492T
Authority: DE
Inventors: Rick C. Friendswood Hunter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: AU2001271751A1; ATE353428T1; DE60126492D1; WO2002002999A1; EP1299679A1; EP1299679B1; US20020000443A1

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wärmeisolierten Behälter und im Besonderen einen wärmeisolierten Behälter mit einem Wärmeschild, das so gestaltet ist, dass es Wärmeenergie zu oder von einem Wärmespeicher leitet, um eine einheitliche Temperatur in dem Behälter aufrechtzuerhalten.
Beschreibung des Stands der Technik
Frühere dem Stand der Technik entsprechende Behälter basieren auf der Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem der Behälter besteht und Konvektionsströme sowie einen Wärmespeicher in der Behälterkammer, um eine gewünschte thermische Umgebung in der Kammer aufrechtzuerhalten. Ein kennzeichnender, dem Stand der Technik entsprechender Behälter, der so gestaltet ist, dass er kühle Temperaturen aufrechterhält, ist eine Kunststoffbox aus Polystyrol, die im Innenraum in dem Zuladungsbereich der Box Eis oder eine gefrorene Gelpackung aufweist. Ein erhebliches Problem in Verbindung mit diesem Ansatz ist der Wärmefluss durch die Boxwände. Abhängig von dem Wärmewiderstand der Isolierung und der Umgebungstemperatur außerhalb der Box kann das Eindringen von Wärme in die Box erhebliche Ausmaße annehmen. Die resultierende Wärmebelastung muss durch Konvektion zu dem Wärmespeicher geführt werden, um eine konstante Temperatur in der Box aufrechtzuerhalten.
Ein ähnliches Problem ist im entgegengesetzten Fall gegeben, wenn ein heißes Produkt transportiert wird und es sich bei der Wärmequelle um einen heißen Stein in dem Wärmespeicher handelt. Die nachstehenden Ausführungen beziehen sich vollends auf kalte Zuladungen bzw. Inhalte, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt ist.
Dem Stand der Technik entsprechende isolierte Behälter haben sich für Produkte als ungeeignet erwiesen, die in Bezug auf die Temperatur strikte Toleranzen voraussetzen. Ein übermäßiger Wärmeanstieg kann den Wärmespeicher erschöpfen, was dazu führt, dass die Temperatur schnell ansteigt in Verbindung mit einem zusätzlichen Wärmeanstieg. Die Temperaturschwankung kann die Toleranzen überschreiten, da der Wärmespeicher zu viel Wärme von dem Produkt selbst absorbieren kann, wodurch sich seine Temperatur auf einen unzulässigen Wert senkt. Der Temperaturgradient kann in Verbindung mit dem Zuladungsvolumen inakzeptabel groß sein, da die wärmere Luft, die sich nahe der Oberseite des Behälters anstaut, in gewisser Weise von der kälteren Luft getrennt wird, welche den Wärmespeicher umgibt. Abhängig von der Höhe des Temperaturgradienten kann eine Zuladung an dem unteren Ende scheinbar zu kalt sein, während sie an dem oberen Ende zu warm ist.
Das U.S. Patent US-A-1.478.770 beschreibt einen wärmeisolierten Behälter mit Wänden, die aus wechselweisen Schichten aus einem isolierenden Material und einem Metall gebildet werden.
Das U.S. Patent US-A-3.387.650 beschreibt einen aus metallischen und isolierenden Schichten gebildeten, wärmeisolierten Behälter, der ein Aufbewahrungsfach für einen Wärmespeicher aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verwendet ein innovatives Design zur Erzeugung eines Wärmeschilds für ein Gehäuse mit einem wärmeisolierten offenen Behälter, einem wärmeisolierten Verschlusselement, einer wärmeleitfähigen Auskleidung entlang der Innenoberfläche des Behälters und entlang der Innenoberfläche des Verschlusselements, die einen Wärmekreis bildet, wenn das Verschlusselement den Behälter verschließt, und mit einem Wärmespeicher, der sich in thermischem Kontakt mit dem Wärmekreis befindet. Der Wärmespeicher kann in dem Behälter platziert oder in das Verschlusselement integriert werden. Wenn er in das Verschlusselement integriert ist, kann der Wärmespeicher in direktem thermischem Kontakt mit dem Wärmekreis platziert oder mit dem Wärmekreis über eine Wärmeleitung verbunden werden. Der Wärmeschild umfasst eine Schicht aus einem isolierenden Material, welche die Innenoberfläche bzw. Innenseite der leitfähigen Auskleidung bzw. des leitfähigen Futters auskleidet, um die Wärmeübertragung in die oder aus der Innenraumkammer des Behälters weiter zu verhindern bzw. zu beeinträchtigen. Der Wärmeschild und das Verfahren zum Leiten eines Wärmeflusses regeln die thermische Umgebung der Kammer. Ein Wärmeschild für ein Gehäuse und ein Verfahren zur Wärmeisolierung einer Kammer gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den gegenständlichen Ansprüchen 1 und 12 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zur Offenbarung und zum besseren Verständnis, wie die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie weiterer offensichtlich werdender Aspekte folgt eine nähere Beschreibung der vorstehend kurz zusammengefassten Erfindung durch Verweis auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, wobei die Zeichnungen Bestandteil der vorliegenden Patentschrift sind. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass die anhängigen Zeichnungen, 2 und 3, nur typische bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und somit den Umfang der Erfindung nicht einschränken, da gemäß der vorliegenden Erfindung auch weitere, gleichermaßen effektive Ausführungsbeispiele möglich sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt einer Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmeschilds für ein Gehäuse, das keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bildet;
2 einen Querschnitt einer Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wärmeschilds für ein Gehäuse, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist; und
3 einen Querschnitt einer Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Wärmeschilds für ein Gehäuse, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist; und
GENAUE BESCHREIBUNG
In Bezug auf die Abbildung aus 1 umfasst der Wärmeschild 10 für ein Gehäuse einen offenen Behälter 12 und ein Verschlusselement 14, die beide unter Verwendung eines Materials mit hohem Wärmewiderstand gestaltet werden, wie zum Beispiel eines Polystyrol-Kunststoffs oder von Vakuumisolationsfeldern. Die wärmeleitfähige Auskleidung bzw. das Futter 16 kleidet die innere Oberfläche des Behälters 12 und die untere Oberfläche des Verschlusselements 14 aus. Der Behälter 12 und das Verschlusselement 14 weisen jeweils eine Schulter 15 auf, die aneinander anstoßen, wenn das Verschlusselement 14 den Behälter 12 verschließt. Das Verschlusselement 14 passt genau sitzend in den Behälter 12, so dass ein luftdichter Abschluss gebildet wird, und wenn sich die Schultern 15 in einem aneinander anstoßenden Kontakt befinden, befindet sich die wärmeleitfähige Auskleidung 16 ebenfalls in anstoßendem Kontakt, um einen Wärmekreis für die leitfähige Auskleidung 16 fertig zu stellen. Der Wärmespeicher 18 wird in dem Behälter 12 in thermischem Kontakt mit der Auskleidung 16 platziert.
Wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist, kann der Wärmespeicher 18 abhängig von der jeweiligen Anwendung warm bzw. heiß oder kalt sein. Ein idealer Wärmespeicher verbleibt auf einer konstanten Temperatur, unabhängig von der ihm zugeführten oder ihm entzogenen Wärmemenge. Ein Wärmespeicher kann somit als eine thermostatische Vorrichtung eingesetzt werden, da er in Bezug auf die Umgebung, mit der er sich in thermischem Kontakt befindet, auf einer konstanten Temperatur verbleibt. Der Wärmespeicher 18 kommt einem idealen Wärmespeicher nahe, wobei er jedoch mehr einem Wärmeschild oder einer Wärmequelle in dem Sinne entspricht, dass er allgemein, abhängig von der jeweiligen Anwendung, entweder Wärme absorbiert oder Wärme zuführt. Wir haben den Begriff "Wärmespeicher" gewählt, da die thermische Masse des als Wärmespeicher verwendeten Materials allgemein groß ist im Verhältnis zu der antizipierten bzw. erwarteten Wärmebelastung, so dass sich die Temperatur des Wärmespeichers über die erwartete Einsatzdauer hinweg nicht wesentlich verändert bzw. schwankt. Der Begriff "Wärmespeicher" vermittelt ferner den Gedanken, dass er Wärme absorbieren bzw. aufnehmen und Wärme zuführen kann, wobei der Wärmespeicher in der Praxis allgemein so gestaltet ist, dass er entweder das eine oder das andere erfüllt. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die folgende Beschreibung auf die Situation einer kalten Temperatur bzw. eines kalten Wärmeschilds beschränkt.
In einer derartigen Situation wird angenommen, dass der Wärmeschild 10 für ein Gehäuse in einer äußeren Umgebung platziert wird, die wärmer ist als die gewünschte Temperatur einer Zuladung bzw. eines Inhalts. Somit ist ein Nettofluss von Wärme in Richtung der inneren Kammer 20 des Behälters gegeben. Normalerweise würde die Wärme 22 (in den Abbildungen durch geschlängelte Pfeile dargestellt) durch das Material mit Wärmewiderstand verlaufen, das der Behälter 12 und das Verschlusselement 14 aufweisen bzw. aus dem sie bestehen. Ohne leitfähige Auskleidung 16 würde Wärme 22 in die Kammer 20 eindringen. Die leitfähige Auskleidung 16 absorbiert jedoch Wärme 22 und leitet sie zu dem Wärmespeicher 18. Der Wärmespeicher 18 absorbiert die eingedrungene Wärme 22 und schließt sie in dem Speicher 18 ein. Somit wird die eingedrungene Wärme 22 abgefangen und von der inneren Kammer des Behälters abgeleitet. Das Ausführungsbeispiel aus 1 basiert auf Konvektion, um den Wärmegradient in der Kammer 20 so gering wie möglich zu halten.
Der überwiegende Großteil der Wärme 22 wird zwar in den Wärmespeicher 18 geleitet, jedoch ist es möglich, dass ein Teil der Wärme 22 von der leitfähigen Auskleidung 16 abstrahlt oder abgeleitet wird und in die Kammer 20 als Wärme 24 (in den Abbildungen der 2 und 3 als geschlängelte Pfeile dargestellt) eindringt. Die Ausführungsbeispiele aus den Abbildungen der 2 und 3 fügen an der inneren Oberfläche der leitfähigen Auskleidung 16 eine isolierende Schicht 26 hinzu. Die isolierende Schicht 26 reduziert bzw. verringert die Wärmeübertragung von der Auskleidung 16 in die Kammer 20. Somit wird nahezu die ganze eingedrungene Wärme 22 in den Wärmespeicher 18 geleitet, wodurch die Wärmemenge 24 so gering wie möglich gehalten wird, die tatsächlich in die Kammer 20 eindringt.
Die Abbildungen der 2 und 3 zeigen den Wärmespeicher 18 in dem Verschlusselement 14 anstatt in der Kammer 20, wie dies in dem Ausführungsbeispiel aus 1 der Fall ist. In der Abbildung aus 2 ist der Wärmespeicher 18 in direktem thermischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Auskleidung 16 platziert. Die Platzierung des Wärmespeichers 18 in dem Verschlusselement 14 ermöglicht eine höhere Zuladungskapazität und ermöglicht das Kühlen des Wärmespeichers 18 und des Verschlusselements 14 als eine Einheit in Erwartung der nächsten Anwendung des Wärmeschilds 10 für das Gehäuse. Die oben vorgesehene Anordnung des Wärmespeichers 18 erhöht ferner die Konvektionseffizienz bei einem Einsatz zum Kühlen der Kammer 20 und hält den Temperaturgradient in der Kammer 20 so gering wie möglich.
In der Abbildung aus 3 befindet sich der Wärmespeicher 18 in dem Verschlusselement 14, jedoch von der Auskleidung 16 durch das isolierende Material des Verschlusselements 14 getrennt. Der Wärmespeicher 18 ist thermisch über eine Wärmeleitung 28 mit der Auskleidung 16 gekoppelt. Die Leitung 28 ermöglicht die Regelung der Rate der Wärmeübertragung in den Wärmespeicher 18. Bei der Leitung 28 kann es sich zum Beispiel um einen Wärmeleiter handeln, der gemäß den erwarteten Wärmebelastungen und dem gewünschten Temperaturbereich in der Kammer 20 zur Regelung der Wärmeübertragung bemessen ist. Die Wärmeleitung 28 kann auch ein wärmewiderstandsfähiges Material umfassen. Weitere alternative Ausführungsbeispiele für die Leitung 28 umfassen einen Luftdurchgang, ein Material, das den Zustand wechselt, eine thermoelektrische Vorrichtung oder einen Wärmeschalter.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Der Temperaturgradient in einem Behälter, der einen Wärmeschild verwendet, ist kleiner als bei dem Stand der Technik entsprechenden Behältern. Indem weniger auf Konvektion für die Wärmeübertragung gesetzt wird, wird die Temperatur in dem Behälter besser geregelt. Der Einsatz einer Wärmeleitung ermöglicht den Einsatz eines herunter gekühlten Wärmespeichers ohne die Gefahr einer übermäßigen Wärmeübertragung, wodurch die Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen wird, dass ein Produkt als Folge einer übermäßigen Kühlung zerstört wird.

Claims

Wärmeschild (10) für ein Gehäuse, wobei dieser folgendes umfasst: einen offenen Behälter (12), der eine Kammer definiert, die von Wänden umgeben ist, die aus einem wärmeisolierenden Material gebildet werden; ein Verschlusselement (14) mit einer Schicht eines wärmeisolierenden Materials zum Öffnen und Schließen des Behälters; eine erste wärmeleitfähige Schicht (16), die eine Innenoberfläche der Wände des Behälters auskleidet; eine zweite wärmeleitfähige Schicht, die eine innere Oberfläche des Verschlusselements (14) auskleidet, wobei die erste wärmeleitfähige Schicht (16) sich in thermischem Kontakt mit der zweiten wärmeleitfähigen Schicht befindet, so dass eine thermischer Kreis gebildet wird, wenn das Verschlusselement den Behälter verschließt; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeschild folgendes umfasst: einen Wärmespeicher (18), der in dem Verschlusselement (14) ausgespart ist, in thermischem Kontakt mit der ersten wärmeleitfähigen Schicht (16); und mit einer wärmeisolierenden Schicht (26), die eine innere Oberfläche der ersten wärmeleitfähigen Schicht so auskleidet, dass eingedrungene Wärme in den Wärmespeicher (18) geleitet wird, anstatt in die Kammer einzudringen.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher von der Kammer durch einen Abschnitt des Isolationsmaterials des Verschlusselements getrennt ist; wobei der Wärmeschild ferner eine Wärmeleitung (28) umfasst, die sich durch den genannten Abschnitt des Isolationsmaterials erstreckt, um den Wärmespeicher (18) mit dem thermischen Kreis zu verbinden.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher von der Kammer durch einen Abschnitt des Isolationsmaterials des Verschlusselements getrennt ist; wobei der Wärmeschild ferner eine Wärmeleitung (28) umfasst, die sich durch den genannten Abschnitt des Isolationsmaterials erstreckt, um die thermische Verbindung zwischen dem Wärmespeicher (18) und dem thermischen Kreis zu trennen.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Wärmespeicher um ein Phasenänderungsmaterial handelt.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei: der Behälter eine untere Schulter (15) aufweist, auf der die erste wärmeleitfähige Schicht getragen wird; das Verschlusselement eine obere Schulter (15) aufweist, auf der die zweite wärmeleitfähige Schicht getragen wird; und die untere Schulter und die obere Schulter aneinander anstoßen, wenn das Verschlusselement den Behälter verschließt, wobei die erste wärmeleitfähige Schicht (16) in anstoßendem Kontakt mit der zweiten wärmeleitfähigen Schicht platziert wird.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher (18) eine höhere Temperatur aufweist als die Umgebungstemperatur der Kammer.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher (18) eine niedrigere Temperatur aufweist als die Umgebungstemperatur der Kammer.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Wärmespeicher (18) um ein gefrorenes Gel handelt.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher (18) eine im Wesentlichen andere Temperatur aufweist als die Umgebungstemperatur der Kammer.
Wärmeschild nach Anspruch 1, wobei sich der Wärmespeicher (18) in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der zweiten wärmeleitfähigen Schicht befindet.
Wärmeschild nach Anspruch 7, wobei die wärmeleitfähige Schicht (26), die eine innere Oberfläche der ersten wärmeleitfähigen Schicht (16) auskleidet, so fungiert, dass sie die Wärmeübertragung von der ersten wärmeleitfähigen Schicht in die Kammer reduziert und die Wärmeübertragung in den Wärmespeicher (18) erhöht.
Verfahren zur Wärmeisolation eines Kammerinnenraums vor dem Eindringen von Wärme, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Bereitstellen eines wärmeisolierten offenen Behälters (12) und eines wärmeisolierten Verschlusselements (14); das Auskleiden einer inneren Oberfläche des wärmeisolierten offenen Behälters (12) und einer inneren Oberfläche des wärmeisolierten Verschlusselements (14) mit einem wärmeleitfähigen Material (16), so dass ein thermischer Kreis gebildet wird, wenn das Verschlusselement den Behälter verschließt; das Platzieren eines Wärmespeichers (18) mit kalter Temperatur in thermischem Kontakt mit dem thermischen Kreis; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: das Auskleiden einer inneren Oberfläche der Auskleidung aus wärmeleitfähigem Material des Inneren des Behälters (16) mit einer Schicht eines wärmeisolierenden Materials (26), so dass eingedrungene Wärme in den Wärmespeicher (18) geleitet wird, anstatt in die Kammer einzudringen.