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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft stationäre und mobile Wärmeeinfassungen
bzw. thermische Gehäuse,
wenn eine Temperaturregelung mit engen Toleranzen erforderlich ist
und der Energieverbrauch gering gehalten werden muss. Die vorliegende
Erfindung betrifft ferner Wärmeregelungssysteme,
die wieder aufgeladen werden können
durch intermittierende bzw. Intervall-Energiequellen in entfernten
Bereichen, entfernt von kontinuierlichen bzw. Dauerenergiesystemen.
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STAND DER TECHNIK
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Zahlreiche
Erfindungen befassen sich mit aktiven und passiven gekühlten oder
erhitzten Wärmeeinfassungen.
Aktive Wärmepumpen
auf der Basis von Kühlsystemen
wie der Dampfkompression, Adsorption oder thermoelektrische Vorrichtungen stellen
eine Temperaturregelung mit engen Toleranzen bereit, wenn sie in
Verbindung mit einem geschlossenen Regelsystem eingesetzt werden.
Diese Systeme erfordern jedoch eine große Menge elektrischer Leistung
bzw. elektrischen Stroms und eignen sich somit nicht für lange
Frachtzeiten von Container bzw. Behältern, die unter erschwerten
bzw. anspruchsvollen Umgebungsbedingungen eine Temperaturregelung über zwei
bis fünf
Tage erfordern. Passive Systeme, die Eispackungen oder Trockeneis verwenden,
können
eine ausreichende Kühlung
für einen
Frachtzeitraum von zwei bis fünf
Tagen bereitstellen, wobei sie jedoch keine aktive Temperaturregelung
bieten. Die aktive Temperaturregelung ist sehr wichtig, wenn temperaturempfindliche
Produkte befördert
bzw. transportiert werden, wie zum Beispiel Impfstoffe oder andere
pharmazeutische Produkte.
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Ein
Hauptproblem in Verbindung mit den aktuellen Einfassungen für Frachtcontainer
bzw. Frachtbehälter
ist es, dass Kühlmittel,
die dafür
entwickelt worden sein können,
ein Produkt innerhalb eines Temperaturbereichs von zwei bis acht
Grad Celsius („C") zu halten, die
Produkte einfrieren können. Selbst
wenn das Kühlmittel
seine Phasenänderung bei
null Grad C aufweist, wie dies zum Beispiel für Wasser gilt, frieren die
Eispackungen bzw. Eispacks für
gewöhnlich
in einer deutlich kälteren
Umgebung ein, um die Zeit zu reduzieren, die benötigt wird, um sie einzufrieren.
Wenn somit die Packungen aus einem normalen bzw. handelsüblichen
industriellen Tiefkühlgerät entfernt
bzw. entnommen werden, das für gewöhnlich eine
Betriebstemperatur zwischen –15
und –25°C aufweist,
können
sie so kalt sein wie die Betriebstemperatur, auf welcher das Tiefkühlgerät betrieben
wird. Abhängig
von dem Isolierwert bzw. Isolationswert der Einfassung und der Anzahl
der hinzugefügten
Eispackungen kann es viele Stunden dauern, bis sich die gefrorenen
Eispackungen auf die Phasenänderungstemperatur
erwärmen.
Während dieser
Zeit ist es für
die Temperatur in der Einfassung normal, dass sie unter den Gefrierpunkt
sinkt, wodurch die Wirksamkeit bzw. die Effizienz der Produkte zerstört wird.
Beschädigte
pharmazeutische Produkte können
in zweierlei Hinsicht Gefahren in sich bergen: (1) sie können ihre
Wirksamkeit verlieren und nicht ihre vorgesehene Funktion erfüllen; oder
(2) sie können
selbst toxisch werden.
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Ein
zweites allgemeines Problem ist es, dass passive Fracht- bzw. Transportcontainer
mit Kühlmittelpackungen
häufig
ungeeignet sind, um hohen äußeren Temperaturen
standzuhalten. Bei jeder gegebenen Verpackungskonfiguration einer
passiven Einfassung mit Kühlmitteln
gibt es eine feste Höhe
des thermischen Widerstands zwischen der Nutzlast bzw. der Zuladung
(z. B. ein Arzneimittelerzeugnis) und den Kühlmitteln. In Umgebungen mit
hoher Wärmebelastung
ist dieser feste thermische Widerstand häufig zu hoch für das Kühlmittel,
um den Inhalt der gesamten Einfassung unterhalb der Höchsttemperatur
zu halten, bei welcher die Produkte validiert werden (für gewöhnlich sind
dies 8°C
für ein
Arzneimittelerzeugnis). Folglich ist der feste Widerstand des Ansatzes
der „Eispackungen
in einer Schaumstoffkiste" ungeeignet,
um die Produkte bzw. Erzeugnisse unter deren maximalen Temperaturregelungspunkt zu
halten. In ähnlicher
Weise ist es ein allgemeines Problem, dass passive Frachtcontainer
mit Kühlmittelpackungen
häufig
ungeeignet sind, um es zu verhindern, dass die Produkte einfrieren,
wenn sich die Einfassung in einer kalten Umgebung befindet. In diesem
Fall ist der feste thermische Widerstand zwischen der Nutzlast bzw.
Zuladung und den Kühlmitteln
zu niedrig, und folglich kühlt
das Kühlmittel
das Produkt weiter, obwohl die Außentemperatur sehr niedrig
ist. Somit ist es ein großer
Nachteil, dass ein passiver Fracht- bzw. Transportcontainer mit
Kühlmittelpackungen
nicht in der Lage ist, den thermischen Widerstand zwischen dem Kühlmittel
und der Nutzlast anzupassen bzw. zu regeln.
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Aktiv
geregelte thermische Einfassungen bzw. Wärmeeinfassungen können manchmal
die Unzulänglichkeiten überwinden,
die dem vorstehend beschriebenen Ansatz der Verpackung mit festem thermischen
Widerstand zugeordnet sind. Diese Systeme weisen jedoch wiederum
ihre eigene spezielle Reihe von Problemen auf. Bei einer Anwendung
eines Frachtcontainers bzw. Frachtbehälters ist die erforderliche
große
Energiemenge problematisch, die für den Betrieb einer aktiv betriebenen
Wärmepumpe benötigt wird.
Selbst beim Einsatz von Vakuumisolationsplatten mit hohem R-Wert
wird eine große
Batterie benötigt,
um die enge Temperaturtoleranz über mehrere
Tage aufrecht zu erhalten. Ferner erfordern es aktiv betriebene
Kühlsysteme,
dass die der Einfassung entzogene Wärme bzw. Hitze in die externe Umgebung
abgegeben wird. Dies stellt ein Problem dar, wenn Frachtcontainer
für den
Versand bzw. Transport schrumpfverpackt werden oder wenn zahlreiche
Behälter
bzw. Container in einem geschlossenen Volumen platziert werden,
wie zum Beispiel der Ladefläche
eines Lieferwagens. Wenn eine ordnungsgemäße Wärmeabgabe bzw. ein entsprechender
Wärmeausstoß nicht
erreicht wird, verliert das System seine Fähigkeit, die Temperatur in
der Einfassung zu regeln, was zu einer Beschädigung des bzw. der Produkt(e)
führt.
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Ein
weiteres Problem, das aktiv betriebenen thermischen Einfassungen
zugeordnet ist, ist es, dass eine Wärmepumpe durch den Temperaturunterschied
begrenzt bzw. beschränkt
ist, den sie aufrechterhalten kann. Wenn die Umgebungstemperatur
ansteigt, steigt der Temperaturunterschied an der Wärmepumpe
entsprechend an. Gleichzeitig treten mehr Wärmeenergie oder Wärmeundichtigkeiten
in die Einfassung ein. Die Wärme
muss entfernt bzw. entzogen und durch die Wärmepumpe ausgestoßen bzw.
abgeführt
werden. Dies erhöht
die Temperatur der Wärmeabfuhrvorrichtung
und erhöht
ferner die Temperaturdifferenz an der Wärmepumpe. Wenn ferner die Wärmeabfuhrumgebung
durch den Anstieg der in die Umgebung abgegebenen Wärme betroffen ist,
so steigt die Temperatur an, wodurch der Temperaturunterschied an
der Wärmepumpe
weiter erhöht wird.
Dieses Szenario kann nicht nur große Mengen von Batteriestrom
bzw. Batterieleistung verbrauchen, es führt in letzter Konsequenz auch
dazu, dass das System nicht mehr in der Lage ist, die Innentemperatur
der Einfassung unter dem Sollwert zu halten.
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In
einer stationäreren
thermischen Einfassungsanwendung, wie etwa bei einer Kühleinrichtung in
einem Haushalt, wo elektrischer Strom allgemein verfügbar ist
und die Außentemperatur
nicht stark schwankt, können
die Innentemperaturen leichter erhalten werden. Bei dieser Anwendung
ist der Strom- bzw. Energieverbrauch allerdings hoch und Kühlschränke bzw.
Kühlgeräte und Gefrierschränke bzw. Gefriervorrichtungen
zählen
zu den Haushaltsgeräten
mit dem höchsten
Energieverbrauch. Der Stromverbrauch wird durch den Isolationswert
der Einfassung beeinflusst, den Temperaturunterschied zwischen dem Äußeren und
dem Inneren der Einfassung, der Effizienz des Wärmepumpensystems und in bestimmten
Fällen
dem umgekehrten Wärmeaustritt
bzw. der umgekehrten thermischen Undichtigkeit über die Wärmepumpe, wenn diese nicht
aktiv eingesetzt wird, wie dies bei einer thermoelektrischen Wärmepumpe
der Fall ist. Eine Einrichtung bzw. ein Mittel zum thermischen Trennen
der Wärmepumpe
von dem System, wenn sich diese nicht im Einsatz befindet, würde die
Wärmeundichtigkeit
in das System deutlich reduzieren und den Stromverbrauch senken. Der
Energieverbrauch ließe
sich noch weiter senken, wenn ein Wärmeenergiespeichersystem eingesetzt werden
würde,
so dass die Wärmepumpe
nur über den
Zeitraum betrieben wird, der erforderlich ist, um ein Phasenänderungskühlmittel
wie etwa Wasser einzufrieren. Dies würde einen Betrieb der Wärmepumpe
ermöglichen,
wenn die Energiekosten niedriger wären, wie etwa während der
Nachtstunden. Ferner würde
Energie bzw. Strom durch den Betrieb des Systems bei Nacht gespart
werden, da die von dem Kühlgerät abgeführte Wärme in einem
Haushalt von dem Klimaanlagesystem des Haushalts abgeführt werden
muss, das Nachts effizienter arbeitet bzw. betrieben wird, wenn
die Außentemperaturen
normalerweise niedriger sind. Bei Anwendungen wie etwa Verkaufsautomaten,
bei denen die Energieversorgung häufig zur Verfügung steht,
wäre es
noch wichtiger, die Wärmepumpe
nur in den Abend- bzw. Nachtstunden betreiben zu können, wenn
die äußeren Temperaturen
deutlich niedriger sind und die Wärmepumpen effizienter arbeiten,
wobei weniger Energie bzw. Leistung verbraucht wird. In Bezug auf Verkaufsautomaten
an entfernten Standorten bzw. in entlegenen Gebieten oder in Bezug
auf Kühlgeräte in Bereichen,
in denen keine Strom- bzw. Energieversorgung zur Verfügung steht,
wäre das
Wärmespeichersystem
sehr wertvoll, da das System über
intermittierende Energiequellen wieder aufgeladen werden könnte, wie
zum Beispiel über
Solarpanels, mit Gas betriebene Generatoren oder auch mittels Feuer bzw.
Lagerfeuer betriebene Generatoren.
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Ein
Wärmesperreneinfassungssystem
gemäß dem Oberbegriff
des gegenständlichen
Anspruchs 1 ist aus dem
U.S. Patent
US-A-2.572.715 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmesperreneinfassungssystem
vorzusehen, um eine aktive Temperaturregelung ohne eine aktive Wärmepumpe
bereitzustellen. Unter Ausnutzung der positiven Attribute passiver
Kühlkörper oder
Wärmequellen
und der aktiven Temperaturregelung werden die Unzulänglichkeiten
des gegenwärtigen
Stands der Technik adressiert. Die in dem gegenständlichen
Anspruch 1 definierte vorliegende Erfindung verwendet eine oder
mehrere Wärmeregelungssperren,
die mehrere Zwecke erfüllen.
Eine Wärmeregelungssperre
als eine temperaturempfindliche thermische Vorrichtung ein thermisches
Stellglied, das mit hoch leitungsfähigen Elementen gekoppelt ist,
die einen Versatz aufnehmen, ohne die leitfähigen Eigenschaften bzw. die
Leitfähigkeitseigenschaften
und eine isolierende Sperre zu kompromittieren, welche eine thermische
Umgebung von der anderen trennt. Zu den durch die richtige Kombination
dieser Komponenten für
das Wärme-
bzw. thermische Management ermöglichten
Hauptfunktionen zählen
eine aktiv geregelte thermische bzw. Wärmeeinfassung, ein wieder aufladbarer
Behälter
für den Kühlkörper bzw.
die Wärmequelle
sowie eine thermische Trennung für
aktive Wärmepumpensysteme.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, das Nutzlastregelungsvolumen des
Wärmesperreneinfassungssystems
unter Verwendung von zwei oder mehr proximalen Kammern zu verwalten
bzw. zu managen. Das Kühlmittel
bzw. die Wärmequelle
befindet sich in einer Kammer, die thermisch getrennt ist durch
eine Wärmeregelungssperre
von dem Nutzlastregelungsvolumen. Ein Wärmeregler, der eine thermische
Stellgliedvorrichtung und hohe Wärmeleiter
umfasst, regelt den Energiefluss über eine isolierende Sperre.
Wenn die temperaturempfindliche thermische Vorrichtung auf ihre Temperaturumgebungen
reagiert, öffnet,
schließt oder
verändert
der Regler den Wärmewiderstand
an der bzw. über
die Sperre. Durch die Regelung des thermischen Energieflusses von
dem Nutzlastregelungsvolumen zu dem Kühlmittel (oder vice versa bei einer
Wärmequelle),
wird die Temperaturregelung aufrechterhalten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, zum Wiederaufladen
einer Kühlmittel-
oder einer Wärmequellenpackung
eingesetzt werden zu können.
Wenn eine derartige Packung gut isoliert ist, ist die Aufladung
für gewöhnlich schwierig und
langsam, sofern die Isolierung nicht vorher entfernt wird. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht
den Durchgang bzw. das Hindurchtreten von Wärme durch die Wärmesperre
bzw. die thermische Sperre, um Wärme
von dem Wärmeschild
zu extrahieren bzw. zu entziehen und um Wärme der Wärmequelle in der isolierten
Packung hinzuzufügen.
Ein Frachtcontainer mit einem entfernbaren Deckel, der durch die
Platzierung in einer Kühl-
bzw. Gefriervorrichtungsumgebung wieder aufgeladen bzw. wieder geladen
werden kann, stellt ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dar.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, Wärme leitende
Komponenten thermisch zu trennen bzw. abzukoppeln. Ein Beispiel dafür ist ein
Kühlschrank
bzw. eine Kühlvorrichtung, die
eine thermoelektrische Wärmepumpe
verwendet. Aufgrund der Konstruktionswerkstoffe kann eine thermoelektrische
Vorrichtung eine große
Wärmemenge in
oder aus einer isolierten Einfassung leiten. Vorgesehen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine thermische Trennung bzw. Abkopplung unter Verwendung
temperaturempfindlicher Vorrichtungen, wie etwa von thermischen
Stellgliedern, und effizienten thermischen Transportleitungen, welche
den Wärmewiderstand
an einer thermischen Grenzfläche erhöhen oder
senken. Durch die automatische Trennung der Wärmepumpe von dem System tritt
weniger Energie in die Einfassung ein. Dadurch werden die Energiekosten
gesenkt und die Zeiträume
für die
Zyklen erhöht.
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Weitere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den
folgenden Beschreibungen deutlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen
beziehen.
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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANWENDUNGEN
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Thermisch
bzw. wärmegeregelte
Einfassungen verschiedener Arten und für verschiedene Zwecke sind
gemäß dem Stand
der Technik bekannt. Diese werden im weiteren Sinne eingeteilt in
aktive Systeme und passive Systeme. Aktive Systeme verwenden allgemein
elektrischen Strom, um eine Wärmepumpe
zu erregen, die durch eine elektrische Steuereinheit bzw. Regeleinheit
auf der Basis der Eingabe von einem Temperatursensor geregelt wird.
Passive Systeme verwenden ein Kühlmittel,
wie zum Beispiel Wasser, in einer mit Schaumstoff isolierten Kiste.
Die vorliegende Erfindung kombiniert Elemente dieser beiden Systemtypen
unter Verwendung einer oder mehrerer Wärmeregelungssperren, um eine
aktive Temperaturregelung ohne aktive Wärmepumpen zu verwenden.
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Thermoschalter und Wärmeleitungen
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Die
unter dieser Überschrift
genannten Referenz- bzw. Bezugsdokumente beziehen sich auf Thermoschalter
und Wärmeleitungen.
Sie lehren jedoch keine Wärme-
bzw. Thermoeinfassung, die eine isolierende Sperre verwendet, welche
einen Wärmeregler
enthält,
der das Regelungsvolumen von einem wärmeisolierten Wärmespeichermaterial
trennt.
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Das
U.S. Patent US-A-5.535.815 an
Hyman et al. beschreibt einen „Package-Interface
Switch" (Packungs-Grenzflächen-Schalter),
der zur Regelung der Temperatur von Raumfahrzeugskomponenten eingesetzt
wird. Dieser aus einer Gedächtnislegierung
hergestellte Schalter wird in einer Raumniederdruckumgebung eingesetzt,
um die Temperatur von elektronischer Ausrüstung zu regeln.
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Das
U.S. Patent US-A-4.388.965 an
Cunningham et al. beschreibt einen Thermoschalter, der unter Verwendung
von Phasenänderungsmaterialien hergestellt
wird, die mit flexiblen Wärmeleitern
gekoppelt sind.
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Das
U.S. Patent US-A-5.020.325 an
Henault beschreibt einen Wärme-
bzw. Hitzemotor oder ein thermisches Stellglied, das ein Phasenänderungswachsmaterial
in einer Kolbenanordnung mit einem eingebetteten bzw. integrierten
Heizelement zum externen Erwärmen
sowie zur Betätigung
des Stellglieds verwendet.
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Das
U.S. Patent US-3.782.122 an
Lorenze beschreibt einen Wärme-
bzw. Hitzemotor oder ein thermisches Stellglied, das ein Phasenänderungsmaterial
in einer Balganordnung mit einem zugeordneten Heizelement verwendet.
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Das
U.S. Patent US-A-3.463.224 an
Myers beschreibt einen Thermowärmeschalter,
der eine erweiterbare Flüssigkeit
in einer Balganordnung verwendet.
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Das
U.S. Patent US-A-4.212.346 an
Boyd beschreibt eine variable Wärmeübertragungsvorrichtung
unter Verwendung eines erweiterbaren bzw. dehnbaren Fluids in einer
Kolbenanordnung.
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Andere
dem Stand der Technik entsprechende Thermoschalter verwenden bimetallische
Zusammensetzungen, die strukturelle Steifheitsveränderungen
aufgrund von Unterschieden der Wärmeausdehnung
von zwei oder mehr Materialien aufweisen. Derartige Stellglieder
können
durch aktive Heiz- oder Kühlelemente
geregelt werden.
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Aktive Kühlvorrichtungen
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Die
unter dieser Überschrift
genannten Referenz- bzw. Bezugsdokumente beziehen sich auf aktive
Kühlsysteme,
die dafür
entwickelt worden sind, eine bestimmte Temperatur in einer Einfassung
aufrechtzuerhalten. Sie lehren hingegen keine thermische bzw. Wärmeeinfassung,
die eine isolierende Sperre bzw. Barriere verwendet, die einen Wärme- bzw.
Thermoregler aufweist bzw. enthält,
wobei das Regelvolumen von einem thermisch isolierte Wärmespeichermaterial
getrennt wird. Diese Patente lehren ferner nicht das erneute Laden
bzw. Aufladen eines Wärmespeichermaterials
unter Verwendung einer aktiven Wärmepumpe.
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Das
U.S. Patent US-A-5.572.873 an
Lavigne et al. beschreibt eine elektrisch gesteuerte bzw. geregelte
Wärme-
bzw. Thermoeinfassung unter Verwendung einer thermischen elektrischen
Kühleinrichtung und
einem geschlossenen Regelungssystem. Die Temperaturregelung des
Nutzlastbereichs oder des Bereichs, in dem temperaturempfindliche
Produkte für
den Transport oder für
die Lagerung platziert werden, wird erreicht durch die Platzierung
eines Temperaturfühlers
innerhalb des Nutzlastbereichs, wobei der Fühler dafür eingesetzt wird, eine elektrische Rückkopplung
an die Reglereinrichtung bereitzustellen, die wiederum eine elektrische
Wärmepumpe
ein- und ausschaltet.
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Das
World Intellectual Property Organization Patent
WO9927312A1 an Wheeler beschreibt
einen Container bzw. einen Behälter
unter Verwendung einer thermoelektrischen Kühleinheit- und Gebläseanordnung zur Regelung der
Temperatur des Nutzlastvolumens.
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Das
U.S. Patent US-A-5.522.216 an
Park et al. beschreibt eine thermoelektrische Kühleinrichtung, die einen aktiven
Regler, Sensoren bzw. Fühler und
ein Gebläse
verwendet, um die Nutzlasttemperaturen aufrechtzuerhalten. Dieses
Patent beschreibt ferner den Einsatz eines Phasenänderungsmaterials in
dem System. Bei diesem Patent wird das Phasenänderungs- bzw. Phasenwechselmaterial
dazu eingesetzt, Ereignisse einer hohen Hitzebelastung auszugleichen,
wie etwa das Einführen
bzw. Hinzufügen
eines warmen Produkts in den gekühlten
Bereich. Das Phasenänderungsmaterial
befindet sich in dem Luftströmungsstrom
und ist von der Nutzlastumgebung nicht thermisch isoliert.
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Das
U.S. Patent US-A-5.950.450 an
Meyer et al. beschreibt eine Wärme-
bzw. Thermoeinfassung, die betrieben werden kann entweder unter
Verwendung einer zusätzlichen,
einer Batterie betriebenen Dampfkompressions-Wärmepumpe oder von Phasenänderungsmaterialien,
um die entsprechend geeigneten Nutzlasttemperaturen aufrechtzuerhalten.
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Isolierte Wärmeeinfassungen
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Die
unter dieser Überschrift
genannten Referenz- bzw. Bezugsdokumente beziehen sich auf isolierte
Wärme-
bzw. Thermoeinfassungen. Einige der Dokumente lehren den Einsatz
von Phasenänderungsmaterialien.
Allerdings lehren keine dieser Dokumente eine Wärme- bzw. Thermoeinfassung,
die eine isolierende Sperre bzw. Barriere verwenden, die einen Wärmeregler
aufweist bzw. enthält,
wobei das Regelvolumen bzw. Regelungsvolumen von einem thermisch
bzw. Wärme
isolierten Wärmespeichermaterial
getrennt wird.
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Das
U.S. Patent US-A-5.082.335 an
Cur et al. beschreibt eine Wärme
isolierte Einfassung unter Verwendung hoch widerstandsfähiger, Vakuum
isolierter Felder.
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Das
U.S. Patent US-A-4.498.312 beschreibt eine
isolierte Einfassung mit mehreren Kammern sowie den Einsatz von
Phasenänderungsmaterialien
in diesen getrennten Kammern.
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Das
U.S. Patent US-A-5.899.088 beschreibt ein
System und ein Verfahren zur Regelung einer Nutzlasttemperatur unter
Verwendung von Phasenänderungsmaterialien,
die so ausgewählt
werden, dass sie die beiden Enden des gewünschten Temperaturregelungsbereichs
umhüllen
bzw. einschließen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
isometrische Ansicht eines Wärmeeinfassungssystems
mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Wärmeeinfassungssystems
mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche eine Wärme-
bzw. Thermoeinfassung mit zwei Kammern mit einer Wärmeregelungssperre
und einem Kühlkörper bzw.
einem Quellenenergiespeichermaterial zeigt;
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3 eine
Querschnittsansicht des Wärmesperreneinfassungssystems
aus 2 mit einer zweiten Wärmeregelungssperre, welche
den Kühlkörper oder
das Quellenenergiespeichermaterial von einer aktiven Wärmepumpe
trennt;
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4 eine
Querschnittsansicht des Wärmesperreneinfassungssystems
aus 1;
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5 eine
Querschnittsansicht eines Wärmereglers
auf der Basis eines thermischen Stellglieds des Membrantyps und
konzentrischen thermischen Leitern, die in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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6 eine
Querschnittsansicht eines umgekehrt wirkenden Wärmereglers auf der Basis des thermischen
Stellglieds des Membrantyps und konzentrischen thermischen Leitern,
die in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können;
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7 eine
Querschnittsansicht eines umgekehrt wirkenden Wärmereglers auf der Basis des thermischen
Stellglieds des Kolbentyps, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann; und
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8 eine
Querschnittsansicht des umgekehrt wirkenden Wärmereglers aus 7,
verbunden mit einer Wärmepumpe
und einem Wärmetauscher.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
Abbildung aus 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
eines Wärmesperreneinfassungssystems 10 mit
einer Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das vorliegende Ausführungsbeispiel umfasst
eine isolierte Kiste bzw. eine isolierte Box 12 mit Wänden 14 und
mit einem Deckel 16. Dabei handelt es sich um ein höher entwickeltes
bzw. komplexeres Ausführungsbeispiel
im Vergleich zu anderen möglichen
Ausführungsbeispielen.
Um die Grundkonzepte der vorliegenden Erfindung deutlicher zu veranschaulichen
werden hierin zuerst die weniger komplexen Ausführungsbeispiele beschrieben.
Danach wird das Ausführungsbeispiel
aus 1 näher beschrieben.
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Die
Abbildung aus 2 zeigt eine Querschnittsansicht
eines Wärmesperreneinfassungssystems
mit zwei Kammern 10, wobei das Nutzlastregelungsvolumen 24 von
einem Quellenvolumen 26 durch eine isolierende Sperrenwand 20 getrennt
ist. Eine Energiespeichervorrichtung 58 ist von dem Nutzlastregelungsvolumen 24 durch
die isolierende Wand 20 und den Wärmeregler 22 thermisch
isoliert. Bei dieser Anordnung spricht der Wärme- bzw. Thermoregler 22 auf
die Temperatur in dem Nutzlastregelungsvolumen 24 thermisch
an. Der Wärmeregler 22 regelt
automatisch den thermischen bzw. Wärmewiderstand zwischen dem
Nutzlastregelungsvolumen 24 und dem Quellenvolumen 26.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt das Wärmesperreneinfassungssystem 10 aus
der Abbildung aus 2, jedoch mit einer aktiven
Wärmepumpe 23. Das
Quellenvolumen 26 ist von der Wärmepumpe 23 (oder
einer anderen Aufladungsquelle) durch die Wärmeregelungssperre 21 und
den Wärme-
bzw. Thermoregler 60 getrennt. Die Energiespeichervorrichtung 58 kann
durch die Wärmepumpe 23 geladen bzw.
aufgeladen werden, die sich zwischen dem Wärmeregler 60 und dem
Wärmetauscher 25 befindet.
Bei dieser Anordnung ist die wärmeempfindliche Vorrichtung 60 überwiegend
mit der kalten Seite der Wärmepumpe
gekoppelt (wenn es sich bei der Aufgabe der Einfassung um Kühlen handelt),
und wobei sie ferner von dem Quellenvolumen 26 thermisch
isoliert ist. Der Wärme-
bzw. Thermoregler 60 misst oder reagiert auf die Wärmepumpentemperatur
und passt automatisch den Wärmewiderstand
zwischen der Energiespeichervorrichtung 58 und der Wärmepumpe 23 an.
Wenn die Wärmepumpe 23 damit
beginnt, die Energiespeichervorrichtung 58 abzukühlen bzw. herunterzukühlen, befindet
sich der Wärmeregler
in einem hohen Wärmewiderstandsmodus.
Sobald die Betätigungs-
bzw. Regeltemperatur erreicht worden ist, fällt der Wärmewiderstand signifikant ab,
was eine Entfernung der zu entfernenden Wärmeenergie von der Energiespeichervorrichtung 58 ermöglicht, bis
die Vorrichtung vollständig
wieder aufgeladen bzw. geladen ist. Wenn die Wärmepumpe abgeschaltet wird
und die Temperatur der Energiespeichervorrichtung 58 ansteigt,
regelt der Wärme-
bzw. Thermoregler 60, so dass der Wärmewiderstand erneut sehr hoch
ist, wodurch die Energiespeichervorrichtung 58 thermisch
isoliert wird von warmen Umgebungstemperaturen, und wodurch die
Dauer bzw. der Zeitraum maximiert wird, über den das System die Temperaturregelung
aufrechterhalten kann.
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Unter
bestimmten Umständen,
wie zum Beispiel wenn ein Wärmesperreneinfassungssystem 10 langen
Zeiträumen
mit kalten Temperaturen ausgesetzt wird, ist es vorteilhaft, dem
Nutzlastregelungsvolumen 25 Wärme über eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung
oder eine andere Heiz- bzw. Wärmequelle
hinzuzufügen,
in Kombination mit einer Wärmeregelungssperre,
um eine unerwünschte
Abkühlung
der Nutzlast der Einfassung über
die Energieregelungsvorrichtung 58 zu verhindern. Eine
temperaturempfindliche Vorrichtung wie etwa ein thermisches Stellglied,
das mit einem elektrischen Schalter gekoppelt ist, kann eingesetzt
werden, um die Batterieleistung an eine Widerstandsheizeinrichtung
einzuschalten, die an oder nahe der Nutzlasteinlage bzw. dem Nutzlastfutter
angebracht ist. In ähnlicher Weise
kann eine Regelung der Leistung bzw. der Energie erreicht werden
unter Verwendung eines Mikroprozessors und eines Temperatursensors
bzw. eines Temperaturfühlers.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 4 handelt
es sich bei einer thermogeregelten Einfassung 10, die eine
Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist, um eine isolierte Kiste bzw. Box 12 mit
Wänden 14 und
einem Deckel 16. Die Wände 14 bestehen
aus einem hoch bzw. stark isolierenden Material, wie zum Beispiel
aus Vakuumthermoisolationsfeldern mit einem Schaumstoffkernvakuum,
verpackt in einer gasundurchlässigen
Haut. Die Wände 14 sind
in der Form einer Kiste bzw. Box angeordnet und weisen vorzugsweise
eine harte, schützende
Ummantelung bzw. Außenhaut 18 auf, welche
die Isolierung umgibt. Die Ummantelung bzw. Außenhaut 18 besteht
aus steifem Kunststoff, wie etwa aus Polypropylen oder Polyethylen,
so ausgebildet, dass die Wände 14 umgeben
werden und um die zerbrechliche Isolierung vor Abrieb, Stößen und Punkturen
zu schützen.
Der Deckel 16 besteht ebenfalls aus einem stark isolierenden
Material, wie etwa aus Vakuumthermoisolationsfeldern bzw. Vakuumthermoisolationsplatten.
Zudem weist der Deckel eine schützende
Ummantelung 18 wie oben beschrieben auf. Der Deckel 16 ist
entfernbar bzw. beweglich mit der Box bzw. der Kiste 12 verbunden,
so dass Objekte bzw. Gegenstände
in der Box 12 platziert werden können, und ferner kann der Deckel leicht
von der Box 12 entfernt werden. Der Deckel 16 dichtet
mit den Wänden 14 ab,
so dass ein im Wesentlichen luftdichter Verschluss erzeugt wird.
Verriegelungseinrichtungen sind vorgesehen, um den Deckel 16 im
verschlossenen Zustand zu verriegeln.
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Der
Deckel 16 weist eine isolierende Sperrenwand 20 mit
einem Wärme-
bzw. Thermoregler 22 auf, der darin angebracht ist. Die
isolierende Wand 20 trennt ein Nutzlastregelungsvolumen 24,
das durch die Box bzw. Kiste 12 gebildet wird, von einem in
dem Deckel 16 enthaltenen Quellenvolumen 26. Die
Wand 20 weist eine wärmeleitfähige erste
Oberfläche 28 in
dem Regelungsvolumen 24 auf sowie eine gegenüberliegende
wärmeleitfähige zweite Oberfläche 30 in
dem Quellenvolumen 26. Bei dem Thermoregler 22 handelt
es sich um einen auf Wärme
ansprechenden Thermowiderstand in der Wand 20, der eine
Wärme-
bzw. Thermoleitung schließt oder
unterbricht, durch welche Wärmeenergie
von einer Seite der isolierenden Wand 20 zu der anderen fließen bzw.
strömen
kann, um die Temperatur in dem Regelungsvolumen 24 zu regeln.
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Der
in der Abbildung aus 5 dargestellte Wärmeregler 22 ist
so konfiguriert, dass er das Regelungsvolumen 24 abkühlt und
auf einer Temperatur hält,
die höher
ist als die oder gleich der Temperatur des Quellenvolumens 26,
jedoch niedriger als die Umgebungstemperatur. Der Wärme- bzw.
Thermoregler 22 kann auch eine Konfiguration gemäß der Abbildung
aus 6 aufweisen, um das Regelungsvolumen 24 auf
einer Temperatur zu halten, die gleich der oder niedriger ist als
die Temperatur des Quellenvolumens 26 jedoch höher als
die Umgebungstemperatur. Die Abbildung aus 6 wird nachstehend im
Text näher
beschrieben. Bei dem Thermoregler 22 aus 5 handelt
es sich um ein Stellglied 32 mit einer zentralen Kammer 34 darin.
Die Kammer 34 weist einen unteren Abschnitt 36 auf,
der von dem oberen Abschnitt 38 des kleineren Volumens
durch eine elastomere Membran 40 getrennt ist. Der untere Abschnitt
bzw. das untere Teilstück 36 enthält ein Phasenänderungsmaterial
(PCM) 42, wie etwa Paraffin mit n-Tetradecan oder n-Dodecan,
ausgewählt für die Temperatur,
bei der sie aus einem festen in einen flüssigen Zustand wechselt bzw. übergeht.
Die Membran 40 dichtet das PCM 42 in der Kammer 34 ab.
Das Stellglied 32 weist ein Behältnis 44 auf, welches
den oberen Abschnitt 38 der Kammer 34 schneidet.
Das Behältnis 44 empfängt gleitfähig ein Betätigungselement 46 zur
Einführung
in den oberen Abschnitt 38. Wenn das PCM 42 gefroren
ist, ist es in Richtung des unteren Abschnitts 36 angeordnet,
und das Betätigungselement 46 kann
in einer eingezogenen Position in dem Behältnis 44 aufgenommen
werden. Eine Feder 48 ist konzentrisch um das Stellglied 32 angeordnet
und mit dem Betätigungselement 46 und
dem Stellglied 32 verbunden. Die Feder 48 belastet
das Betätigungselement 46 in
das Behältnis 44 vor,
so dass das Betätigungselement 46 in
dem Behältnis 44 sitzen
bleibt, wenn das PCM 42 gefroren ist. Wenn die Temperatur
um das Stellglied 32 herum über den Gefrierpunkt des PCM 42 ansteigt,
schmilzt oder verflüssigt
sich das PCM 42 und dehnt sich in den oberen Abschnitt 36 aus,
wobei die elastomere Membran 40 gedehnt wird und das Betätigungselement 46 nach
oben gedrückt
bzw. gedrängt
wird.
-
Das
Betätigungselement 46 greift
mit einem oberen Leitungselement 50 ein, vorzugsweise mittels Presssitz.
Das obere Leitungselement 50 bewegt sich somit mit dem
Betätigungselement 46,
wenn sich das PCM 42 ausdehnt und zusammenzieht. Das obere
Leitungselement 50 weist eine zentrale Bohrung 52 auf,
die gleitfähig
ein unteres Leitungselement 54 empfängt. Die zentrale Bohrung 52 kann
mit einem Füllmittel
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
gefüllt werden,
wie etwa mit thermischem Schmierstoff, um den Wärmewiderstand zwischen den
Leitungselementen so gering wie möglich zu halten. Das untere Leitungselement 54 greift
konzentrisch mit dem Stellglied 32 ein und erstreckt sich
aufwärts.
Das untere Leitungselement 54 fungiert so, dass es das
obere Leitungselement 50 in axialer Bewegung führt, während jede
laterale Bewegung des oberen Leitungselements 50 im Verhältnis zu
dem Stellglied 32 zurückgehalten
wird. Ferner befindet sich das untere Leitungselement 54 in
Kontakt mit der wärmeleitfähigen ersten
Oberfläche 28 des
Regelungsvolumens 24.
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Der
Wärme-
bzw. Thermoregler 22 wird durch Kompressionspfosten 51 aus
Kunststoff zwischen der zweiten Oberfläche 30 und der ersten Oberfläche 28 positioniert
und durch Zugschrauben 53 zusammengehalten. Isolierende
Abstandselemente definieren den Zwischenabstand zwischen den Oberflächen 28 und 30 und
minimieren die Wärmeübertragung
von der Oberfläche 28 auf
die Oberfläche 30,
wenn das thermische Stellglied 32 offen ist. Bei dem Reglerumfangsring 55 handelt
es sich um einen thermischen Isolator, der einen geregelten Anschlag
an dem unteren Leitungselement 54 und eine Reaktionsoberfläche für den Kompressionsring 57 vorsieht.
Der Kompressionsring 57 übt eine konstante Kraft zwischen
dem oberen Leitungselement 50 und der zweiten Oberfläche 30 aus
und verhindert eine Überbeanspruchung
bzw. eine Überlastung
der Zugschrauben 53, wenn das Betätigungselement 46 vollständig ausgefahren
bzw. erweitert ist. Die Isolationsfläche bzw. das Isolationspolster 59 minimiert die
Wärmeübertragung
von der Konvektionsplatte 61 auf die Temperaturregelungsplatte 63.
Die Temperaturregelungsplatte 63 stellt einen ausreichenden Wärmeübertragungsbereich
bereit, um das PCM 42 nahe der Temperatur des Regelungsvolumens
zu halten, so dass das thermische Stellglied 32 empfindlich
ist in Bezug auf sich verändernde
Innentemperaturen. Das Stellglied 32 befindet sich in engem
thermischem Kontakt mit der Temperaturregelungsplatte 63 und
ist thermisch isoliert von Leitungspfad- bzw. Leitungswegelementen.
Wenn die Temperatur in dem Regelungsvolumen 24 über die
Gefriertemperatur des PCM 42 ansteigt, taut das PCM 42 und
dehnt sich aus, wobei das Betätigungselement 46 und
somit auch das obere Leitungselement 50 nach oben in Kontakt
mit der zweiten Oberfläche 30 gedrängt bzw. gedrückt wird,
um den Wärme-
bzw. Thermoregler 22 zu schließen. An der geschlossenen Position
erzeugt der Wärmeregler 22 einen
leitfähigen
Wärmepfad
für den
Verlauf der Wärme
von dem Regelungsvolumen 24 in das Quellenvolumen 26,
um das Regelungsvolumen 24 abzukühlen. Wenn das Regelungsvolumen 24 die
Gefriertemperatur des PCM 42 abkühlt, friert das PCM 42 und
das obere Leitungselement 50 wird aus dem Kontakt mit der
zweiten Oberfläche 30 gezogen,
wobei der Regler 22 geöffnet
wird, indem der leitfähige
Wärmepfad
unterbrochen wird und die Höhe
der Wärmeübertragung
zwischen dem Regelungsvolumen 24 und dem Quellenvolumen 26 stark reduziert
wird.
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Das
obere Leitungselement 50 wird so positioniert, dass es
sich angrenzend an der thermisch leitfähigen zweiten Oberfläche 30 in
dem Quellenvolumen 26 befindet, ohne diese Oberfläche zu berühren, wenn
das Betätigungselement 46 vollständig in dem
Behältnis 44 aufgenommen
wird und das PCM 42 gefroren ist. Das obere Leitungselement 50 bewegt
sich in Kontakt mit der Oberfläche 30,
wenn das PCM 42 zu tauen beginnt und sich ausdehnt. Wenn sich
das obere Leitungselement 50 in Kontakt mit der thermisch
leitfähigen
bzw. wärmeleitfähigen zweiten Oberfläche 30 befindet, überbrückt es einen
Wärmepfad
von der zweiten Oberfläche 30 über das
obere Leitungselement 50 über das untere Leitungselement 54 zu
der ersten Oberfläche 28.
Dadurch wird der Regler geschlossen und die Temperaturen in dem
Quellenvolumen 26 und dem Regelungsvolumen 24 neigen
dazu, sich einander anzugleichen. Um eine effiziente leitfähige Wärmeübertragung
zwischen dem oberen Leitungselement 50 und der Oberfläche 30 zu
gewährleisten,
weist das obere Leitungselement 50 ein hoch thermisch leitfähiges Polster
bzw. Pad 56 an der Oberfläche des oberen Leitungselements 50 auf,
welches die zweite Oberfläche 30 berührt.
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Die
Abbildung aus 6 zeigt einen invertierten bzw.
negativen Wärme-
bzw. Thermoregler 60, der so konfiguriert ist, dass er
ein Regelungsvolumen 24 auf einer Temperatur hält, die
gleich der oder niedriger ist als die Temperatur des Quellenvolumens 26,
jedoch höher
als die Umgebungstemperatur. Der Wärmeregler 60 ist dem
Wärmeregler 22 ähnlich,
mit der Ausnahme, dass er ein PCM 42 mit einem anderen
Gefrierpunkt aufweist sowie ein externes Kontaktelement 64.
Er weist ferner eine isolierende Sperre 83 auf. Das externe
Kontaktelement 64 erstreckt sich durch die zweite Oberfläche 30,
so dass für
den Fall, dass das PCM 42 flüssig ist, das Kontaktelement 64 außerhalb
des Kontakts mit der zweiten Oberfläche 30 befindet, und
wenn das PCM 42 gefriert, senkt sich das Kontaktelement 64 in
Kontakt mit der zweiten Oberfläche 30.
Das Kontaktelement 64 weist ferner ein thermisch leitfähiges Pad 66 auf,
wo das Kontaktelement 64 die zweite Oberfläche 30 berührt, um eine
effiziente Wärmeübertragung
sicherzustellen. Wenn die Temperatur in dem Regelungsvolumen 24 somit
unter den Gefrierpunkt des PCM 42 sinkt, gefriert das PCM 42 und
das Kontaktelement 64 senkt sich in Kontakt mit der zweiten
Oberfläche 30,
wobei der Regler 60 geschlossen wird und ein leitfähiger Wärmepfad
von dem Quellenvolumen 26 zu dem Regelungsvolumen 24 überbrückt wird.
Wenn ausreichend Wärme
von dem Quellenvolumen 26 zu dem Regelungsvolumen 24 migriert
ist, um das Regelungsvolumen 24 über die Gefriertemperatur des PCK 42 zu
erwärmen,
schmilzt das PCM 42, wobei das Kontaktelement 64 aus
dem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 30 angehoben wird
und der Regler 60 geöffnet
wird, um die Wärmeübertragung
zwischen dem Regelungsvolumen 24 und dem Quellenvolumen 26 zu
verringern.
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In
erneutem Bezug auf die Abbildung aus 4 weist
der Deckel 16 eine Energiespeichervorrichtung 58 in
dem Quellenvolumen 26 auf. Die Energiespeichervorrichtung 58 ist
im Fach allgemein bekannt und wird zum Speichern thermischer Energie eingesetzt,
um als eine Wärmequelle
oder als ein Kühlkörper zu
fungieren. In einem Ausführungsbeispiel,
wie zum Beispiel dem Ausführungsbeispiel
aus 4, wobei das Regelungsvolumen 24 auf
oder oberhalb der Temperatur des Quellenvolumens 26 gehalten
werden muss, jedoch unterhalb der Umgebungstemperatur, wird das
Quellenvolumen 26 in dem Deckel 16 vorzugsweise
mit Eispackungen gefüllt.
Die Speichervorrichtung 58 muss geladen werden durch Erwärmen oder
Abkühlen
des Quellenvolumens 26 auf eine gewünschte Temperatur, abhängig von
der jeweiligen Anwendung. Für
den Fall von Eispackungen müssen
diese gekühlt
werden, um das Wasser zu gefrieren. Um das Wasser zu gefrieren, kann
der Deckel 16 von der Kiste bzw. der Box 12 entfernt
und in einer kalten Umgebung, wie etwa einer Gefriervorrichtung,
platziert werden. Da die Eispackungen oder die Speichervorrichtung 58 in
dem Deckel 16 isoliert sind, kühlen sie nicht effizient, wenn
sie sich in der kalten Umgebung befinden. Aus diesem Grund ist ein
zusätzlicher
kühlender
Wärme- bzw.
Thermoregler 70 vorgesehen, um einen Wärmeübertragungspfad in den Deckel 16 bereitzustellen,
wenn die Umgebungstemperatur um den Deckel 16 unterhalb
der Gefriertemperatur von Wasserpackungen 58 liegt. Der
kühlende
Regler 70 ist ähnlich konfiguriert
wie der in der Abbildung aus 6 dargestellte
Wärmeregler 60.
Wenn es sich bei der Speichervorrichtung 58 um eine Eispackung
handelt, wird vorzugsweise das PCM 42 in dem kühlenden
Regler 70 so ausgewählt,
das es bei –3°C gefriert,
sicher unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser. Das PCM 42 in
dem Wärmeregler 22 kann
mit einem höheren Gefrierpunkt
ausgewählt
werden, wobei ein geeigneter Wert bei 5°C liegt, um das Regelungsvolumen 24 im
Temperaturbereich von 2 bis 8°C
zu halten. Wenn der Deckel 16 somit in einer kalten Umgebung
platziert wird, um die Eispackungen 58 zu gefrieren, gefriert
das PCM 42 in dem kühlenden
Regler 70 und zieht sich zusammen, so dass das Kontaktelement 64 die
zweite Oberfläche 30 berühren kann,
um den Regler 70 zu schließen und einen Wärmepfad
von der kalten Umgebung in die Eispackungen 58 zu überbrücken. Wenn
die Temperatur der Umgebung hingegen über –3°Celsius liegt, wie etwa wenn
der Deckel 16 aus der kalten Umgebung entfernt wird, schmilzt
das PCM 42 in dem kühlenden
Regler 70 und der kühlende
Regler 70 öffnet
sich, wobei der Wärmepfad
von der Umgebung zu den Eispackungen 58 im Wesentlichen
unterbrochen wird. Alternativ kann kalte Luft durch den Deckel gedrängt werden, um
Wärme zu
entziehen und die Speichervorrichtung 58 wieder aufzuladen.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet ist es allgemein ersichtlich, dass der Behälter 10,
der so konfiguriert ist, dass er das Regelungsvolumen 24 auf
einer Temperatur unterhalb der Temperatur des Quellenvolumens 26 hält, jedoch
oberhalb der Umgebungstemperatur, einen Wärme- bzw. Thermoregler 60 gemäß der Abbildung
aus 6 verwendet, um die Temperatur aufrechtzuerhalten,
und mit einem Regler 22 gemäß der Abbildung aus 5,
um die Wärmespeichervorrichtung 58 zu
laden. Das PCM 42 in dem Regler 60 wird so ausgewählt, dass
bei einem Abfall der Temperatur des Regelungsvolumens 24 unter
eine bestimmte Temperatur, das PCM 42 gefriert und den
Regler 60 schließt,
so dass Wärme
in das Regelungsvolumen 24 übertragen wird. Das PCM 42 in
dem Regler 22 wird so ausgewählt, dass bei einer Temperatur
oberhalb der des PCM 42, der Regler 22 geschlossen
wird, wenn der Deckel 16 einer warmen Umgebung ausgesetzt
wird, um die Speichervorrichtung 58 zu laden.
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Das
in der Abbildung aus 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
weist eine Speichervorrichtung 58 mit vier Kunststoffpackungen 66 auf,
welche Eis enthalten und durch wärmeleitfähige Platten 68 getrennt
sind. Die wärmeleitfähigen Platten 68 sind
in der zweiten Oberfläche 30 und
dem kühlenden
Regler 70 vorgesehen, um einen leitfähigen thermischen Pfad von
den Eispackungen 66 zu der Oberfläche 28 zu erzeugen.
Die wärmeleitfähigen Platten 68 sind auch
in der zweiten Oberfläche 30 und
dem kühlenden
Regler 22 vorgesehen, um einen Thermopfad von den Eispackungen 66 zu
der Oberfläche 28 zu erzeugen.
Die Platten 68 bestehen vorzugsweise aus Aluminium, um
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und Gewichtseinsparungen vorzusehen. Eine mögliche Alternative ist eine
wärmeleitfähige metallische
Extrusion, wiederum vorzugsweise aus Aluminium, mit einer Mehrzahl
kleinerer Kammern, so dass eine Mehrzahl von Eistaschen gebildet
wird. Eine weitere Alternative könnte
eine wärmeleitfähige Kiste
aufweisen, die mit der zweiten Oberfläche 30 verbunden ist und
vorzugsweise aus Aluminium mit einem wärmeleitfähigen Gitter, das mit den Oberflächen der
Box verbunden ist. Die Box würde
das Eis enthalten, und das Gitter würde einen effizienten wärmeleitfähigen Pfad
von dem Eis zu der zweiten Oberfläche 30 sicherstellen.
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Die
Abbildung aus 7 veranschaulicht ein Wärmesperreneinfassungssystem 10 unter
Verwendung eines umgekehrt wirkenden Wärmereglers des Kolbentyps.
Dieser Regler arbeitet so, dass er einen Wärmeübertragungspfad schließt oder
minimiert, welcher eine Fühlerplatte 87,
ein Phasenänderungsmaterial 86,
einen Pendelkolben 90 und eine Wärmeübertragungs-Grenzflächenplatte 85 umfasst,
welche den Energiefluss über
die Isolationssperre 81 regeln. Das Phasenänderungsmaterial 86 setzt
sich zusammen aus einer Klasse von Kohlenwasserstoffparaffinen,
die unterschiedliche Schmelz- und Tau- bzw. Fließtemperaturen abhängig von
der Molekularkettenlänge
des Kohlenwasserstoffs aufweisen. Das Phasenänderungsmaterial 86 wird
mit den Siegeln bzw. Verschlüssen 84 und 89 zwischen
dem Pendelkolben 90 und der Fühlerplatte 87 abgedichtet.
Wenn die Mess- bzw. Fühlerplatte 87 wärmer ist
als die Phasenänderungstemperatur
des Betätigungsmaterials,
befindet sich das Paraffin in dessen flüssigen Zustand, mit einem Volumen,
das deutlich größer ist als
das Volumen im gefrorenen oder festen Zustand. Im flüssigen Zustand
versetzt das Phasenänderungsmaterial 86 des
Betätigungselements
den Pendelkolben 90 in Richtung der Fühlerplatte 87 gegen die
Kraft der Kompressionsfeder bzw. der Druckfeder 88. An
dieser Position ist der Pendelkolben 90 von der Wärmeübertragungs-Grenzflächenplatte 85 getrennt,
wobei ein Luftzwischenraum zwischen den Oberflächen 91 und 92 verbleibt.
An dieser offenen Position wird die Wärmeübertragung von einer Seite zu
der anderen minimiert, wobei der überwiegende Wärmefluss über den
Luftzwischenraum und entlang dem Abstandselement 83 aus
Kunststoff auftritt. Wenn die Fühlerplatte 87 auf
eine Temperatur unterhalb der Phasenänderungstemperatur des Paraffins des
Betätigungselements
abgekühlt
wird, zieht sich das Phasenänderungsmaterial 86 zusammen,
wenn es gefroren wird. Der Pendelkolben 90 bewegt sich mit
Unterstützung
der Feder 88 nach oben in Richtung der Wärmeübertragungs-Grenzflächenplatte 85, bis
sich die Grenzflächenanschlussoberfläche 92 in Kontakt
mit der Oberfläche 91 der
Wärmeübertragungs-Grenzflächenplatte
befindet. Bei dem Grenzflächenpolster 82 handelt
es sich um ein wärmeleitfähiges, nachgiebiges
Grenzflächenmaterial,
das aus gefüllten
Elastomeren, Kunststoffen oder stoffartigen Materialien besteht.
Bei den Füllern
kann es sich um metallische Teilchen bzw. Partikel, Kohlenstoffgraphitmaterialien
oder andere hoch leitungsfähige
Materialien handeln. Der Zweck dieses Grenzflächenpolstermaterials ist eine
Erhöhung
des Oberflächenbereichkontakts
zwischen zusammenpassenden Elementen, indem Oberflächenunregelmäßigkeiten geometrisch
berücksichtigt
werden, was zu einer Reduzierung des Wärmewiderstands an der Grenzfläche führt. Darüber hinaus
fungiert das komprimierbare Grenzflächenmaterial als ein variabler
thermischer bzw. Wärmewiderstand,
der einen höheren
Wärmewiderstand
aufweist, wenn er nur geringfügig
komprimiert wird, und einen deutlich niedrigeren Wärmewiderstand,
wenn er vollständig
komprimiert wird. Dieser Aspekt des Grenzflächenmaterials unterscheidet ein
Thermoventil von einem Wärme- bzw. Thermoregler.
An der geschlossenen Position ist die Wärmeübertragung somit deutlich erhöht, da auf
den Wärmewiderstands-Luftzwischenraum
ganz oder teilweise verzichtet wird bzw. werden kann. Die Wärme kann
jetzt leichter von der Wärmeübertragungs-Grenzflächenplatte 85 durch
den Pendelkolben 90, durch das Phasenänderungsmaterial 86 und die
Fühlerplatte 87 treten
bzw. verlaufen.
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Eine
derartige Wärmeregelungssperre
ist vorteilhaft als ein Wärme-
bzw. Thermoregler, um die Isolationssperre 6 für einen
absatzweisen Zeitraum zu verletzen, während dem Wärme über die Wärmeregelungssperre bewegt wird.
Zu den Beispielen zählen
Wärmepumpengrenzflächen, isolierte
Kühlmittelpackungsgrenzflächen und
Grenzflächen
zu Regelungsvolumen, die auf kälteren
Temperaturen als der Temperatur der Wärmequelle und wärmeren Temperaturen
als der externen bzw. äußeren Umgebungstemperatur
gehalten werden müssen.
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Die
Abbildung aus 8 zeigt einen umgekehrt arbeitenden
Wärmeregler
des Kolbentyps, wie etwa gemäß der vorstehenden
Beschreibung, der zwischen einer thermoelektrischen Wärmepumpe und
einem zu kühlenden
Volumen verbunden bzw. angeschlossen ist. Eine thermoelektrische
Wärmepumpe
ist eine Reihe von Thermosäulen,
die gemäß dem Peltiereffekt
arbeiten. Wenn Strom durch die Wärmepumpe
tritt, wird eine Seite kalt, während
die andere Seite heiß wird.
Der Kühlkörper 107 aus
der Abbildung aus 8 umfasst einen Streifen- bzw. Lamellenkühlkörper in
Kombination mit einem Gebläse
oder einer anderen Vorrichtung, um Luft über die Lamellen zu transportieren
und dadurch Wärmeenergie
in die unmittelbare Umgebung zu entziehen. Alternativ können Kühlkörper unter
Verwendung natürlicher
Konvektion, mit Flüssigkeit
gekühlte
Kühlkörper und
Wärmeleitungen
ebenso eingesetzt werden. Bei einer gegebenen Energieversorgung
beginnt die Temperatur der Wärmepumpenoberfläche 112 anzusteigen,
wenn die Wärmepumpenoberfläche 114 beginnt,
sich abzukühlen.
Wenn die Fühlerplatte 109 unter
die Phasenänderungstemperatur
des Paraffins des Betätigungselements
abgekühlt
wird, schließt der
Pendelkolben 108 den Luftzwischenraum an der Grenzfläche 102 gemäß der vorstehenden
Beschreibung, wodurch der Fluss von thermischer Energie bzw. Wärmeenergie über die
Isolationssperre 106 erheblich erhöht wird. Nach Abschluss des
Abkühl- oder
Wiederaufladungsprozesses wird die Wärmepumpe 111 abgeschaltet,
was zu einem Anstieg der Temperatur an der Oberfläche 114 und
der Fühlerplatte 109 und
letztlich des Phasenänderungsmaterials 115 in
dem Betätigungselement
führt.
Wenn die Temperatur über
die Phasenänderungstemperatur des
Phasenänderungsmaterials
angestiegen ist, wird der Pendelkolben 108 von der Wämeübertragungsgrenzfläche 102 weg
gedrückt
bzw. gedrängt,
wodurch die der Wärmeübertragungsplatte 105 zugeordnete
gekühlte
Umgebung wärmeisoliert
wird.
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Das
folgende Beispiel beschreibt ein Ausführungsbeispiel für einen
Frachtcontainer, der so gestaltet ist, dass das Produkt 3 bis 5
Tage lang ohne externe Stromversorgung auf einer Temperatur zwischen
2 und 8°C
gehalten wird.
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Beispiel 1
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Eine
Wärmeeinfassung
mit einem Innenvolumen von 36 Litern wird unter Verwendung von zwei Zoll
dicken vakuumisolierten Feldern bzw. Platten gebildet, mit einem
R-Wert der Wärme-
bzw. Thermoeinfassung von ungefähr
40 (Stunden-Fuß2-F/BTU). Die
vakuumisolierten Felder umfassen ein offenzelliges Schaumstoffmaterial
und werden auf einen Druck von 0,05 Torr evakuiert. Der Deckel der
Einfassung kann entfernt werden. In dem Deckel befinden sich zehn
Pfund Wasser, das im gefrorenen Zustand eine Tiefkühlung bereitstellt,
die für
eine Temperaturregelung über
fünf Tage
bei einer externen Umgebung von 25°C benötigt wird. Das Kühlmittel
des Deckels ist umgeben von Vakuumisolationsfeldern mit einer Dicke
von einem Zoll. Das unter Feld des Deckels wird mit einem Wärme- bzw.
Thermoregler penetriert, der ein thermisches Stellglied und eine
Reihe von Aluminiumleitern in einer konzentrischen zylindrischen
Anordnung umfasst. Das thermische Stellglied basiert auf einem Kohlenwasserstoff-Phasenänderungsmaterial
mit einer mittleren Phasenänderungstemperatur
von 5°C.
Wenn das Stellglied eine Temperatur oberhalb von etwa 5°C aufweist,
ist das thermische Stellglied vollständig erweitert. Im vollständig erweiterten
Zustand befinden sich die leitenden zylindrischen Komponenten in
Kontakt zwischen zwei Aluminiumplatten, wobei eine Platte thermisch
mit dem Kühlmittel
in dem Deckel verbunden ist, und wobei die andere Platte thermisch
mit dem Nutzlastregelungsvolumen verbunden ist. An dieser Position
ist ein sehr niedriger Wärmewiderstand
zwischen dem Kühlmittel
in dem Deckel und dem Nutzlastregelungsvolumen gegeben. Die Komponenten sind
so bemessen, dass für
den Fall, dass die Einfassung eine Stunde lang der maximalen externen Höchsttemperatur
von 55°C
ausgesetzt wird, ist ein ausreichender Energiefluss Wenn das thermische Stellglied
unter etwa 5°C
fällt,
zieht sich das thermische Stellglied zusammen, wodurch der zylindrische Wärmeleiter
von der Aluminiumplatte trennt, die mit dem Kühlmittel gekoppelt ist, wobei
ein Luftzwischenraum verbleibt. An dieser Position ist der Wärmewiderstand
von dem Kühlmittel
auf die Nutzlast um ein Vielfaches größer als bei geschlossenem Zwischenraum,
wodurch die Wärmeübertragung
zwischen dem Kühlmittel
und der Nutzlast minimiert wird. Dies verhindert es nicht nur, dass
zu stark gekühltes
Kühlmittel
die Nutzlast einfriert, es verlängert auch
deutlich die Zeit, über
welche die Einfassung in externen Temperaturen verbleiben kann,
die unter dem Gefrierpunkt liegen, ohne dabei die Produkte im Inneren
zu beschädigen.
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Es
folgen zwei Beispiele für
den Einsatz einer Wärmeregelungssperre,
bei denen der Wärmeregler
in einer umgekehrten Wärmeflusslogik
arbeitet. Der Einsatz dieses umgekehrt arbeitenden Thermo- bzw.
Wärmereglers
zur thermischen Trennung von dem gekühlten Objekt stellt eine große Verbesserung
dar, welche den Arbeitszyklus der Wärmepumpe stark reduziert und
einen deutlich längeren Transport
ohne Energieversorgung ermöglicht,
als wie dies ansonsten möglich
wäre.
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Beispiel 2
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Der
Deckel aus Beispiel 1 weist einen Thermoregler bzw. Wärmeregler
auf, der Innentemperaturen im Bereich von 2 bis 8°C aufrechterhält. Das Kühlmittel
in dem Deckel muss jedoch in einem Bruchteil der Zeit gefroren werden,
die für
den Versand bzw. den Transport erforderlich ist. Somit wird ein
umgekehrt arbeitender Thermoregler eingesetzt, um die das Kühlmittel
umgebende Vakuumisolationssperre thermisch zu penetrieren. Erreicht
wird dies mit einem thermischen Stellglied unter Verwendung eines
Kohlenwasserstoff-Phasenänderungsmaterials,
das die Phasen ändert
bzw. wechselt, und wodurch bei ungefähr –5°C eine Betätigung erfolgt. Der Deckel
wird danach in einem normalen bzw. standardmäßigen Gefriergerät bei –20°C platziert.
Wenn das Betätigungselement
bzw. das Stellglied, das sich außerhalb der vakuumisolierten
Kammer befindet, –5°C erreicht,
zieht sich das Betätigungselement
zusammen, wodurch die vorher geöffnete
Wärmeleitung
geschlossen wird. Sobald der Wärmewiderstand
zwischen der Gefriervorrichtung und dem Kühlmittel minimiert worden ist,
kann die Wärme
des Kühlmittels
entfernt bzw. entzogen und das Kühlmittel
gefroren werden. Nach der Entfernung von der Gefriervorrichtung
und der Platzierung an der Einfassung erwärmt sich das Betätigungselement
von –5° auf über –5°C und dehnt
sich aus, wodurch die Wärmeleitung
geöffnet
wird, was die Wärmeisolierung um
das Kühlmittel
deutlich erhöht.
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Beispiel 3
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Ein
thermoelektrisch betriebenes Kühlgerät wird dazu
verwendet, eine Kühlfunktion
vorzusehen und eine Innentemperatur zwischen 4 und 9°C aufrechtzuerhalten.
Wenn die Temperatur erreicht worden ist, wird die Stromzufuhr an
die Kühlvorrichtung unterbrochen,
bis die Temperatur über
einen bestimmten Soll- bzw. Einstellpunkt ansteigt, wobei zu diesem
Zeitpunkt dann eine Regel- bzw. Steuereinrichtung der thermoelektrischen
Vorrichtung wieder Strom bzw. Energie zuführt. Ein umgekehrt arbeitender
Wärmeregler
ist zwischen dem thermoelektrischen Kühlmodul und dem inneren Regelungsvolumen
der Kühlvorrichtung
angeordnet. Das thermische Stellglied dieses Reglers basiert auf
einem Kohlenwasserstoff-Phasenänderungsmaterial
mit einer Phasenänderungstemperatur
von 5°C.
Wenn das System zum ersten Mal eingeschaltet wird, befindet sich
das thermische Stellglied des umgekehrt fungierenden bzw. arbeitenden
Wärme-
bzw. Thermoreglers an der ausgefahrenen bzw. erweiterten Position, wobei
die Wärmeleiter
durch einen Luftzwischenraum getrennt sind. Wenn das thermoelektrische System
das Stellglied bzw. das Betätigungselement auf
unter 5°C
kühlt,
zieht sich das Stellglied zusammen und die thermische Konnektivität zu dem
Nutzlastregelungsvolumen wird hergestellt und die Innentemperatur
wird auf das untere Ende des Einstellpunktes bzw. des Sollpunktes
von 4°C
gekühlt.
Sobald die Innentemperatur erreicht worden ist, unterbricht die
Steuer- bzw. Regelungseinrichtung die Strom- bzw. Energieversorgung
an die thermoelektrische Vorrichtung und die Innentemperatur beginnt, sich
zu erwärmen.
Wenn sich das thermische Stellglied auf 5°C erwärmt, erweitert bzw. dehnt sich
das Stellglied aus und öffnet
erneut einen Luftzwischenraum, um das innere kalte Volumen thermisch
von dem großen
Wärmabgang
durch die thermoelektrische Wärmepumpe
zu isolieren. Die Kühlvorrichtung erwärmt sich
danach deutlich langsamer ohne den Wärmepumpen-Wärmeabgang, und die Wärmepumpe
kann über
längere
Zeiträume
ausgeschaltet bleiben. Wenn die Innentemperatur des Systems auf
nahezu 9°C
angestiegen ist, betreibt die Regelungs- bzw. Steuereinrichtung
erneut die thermoelektrische Wärmepumpe
und der Zyklus wird wiederholt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Wärmesperreneinfassungssystem,
das mit einem integrierten Kühlsystem
aufgeladen werden kann. Das Kühlsystem
muss einen geschlossenen Regelkreis aufweisen, da es die Innentemperatur
eines Nutzlastregelungsvolumens nicht regelt. Die aktive Wärmepumpe
wird nur eingesetzt, um das Wärmeenergiespeichermaterial
eines Frachtcontainers, eines Verkaufsautomaten oder eines Kühlgeräts zu laden
bzw. aufzuladen. Das folgende Beispiel beschreibt ein aufladbares
Wärmeeinfassungssystem,
das über
längere
Zeiträume
ohne Stromversorgung arbeiten kann.
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Beispiel 4
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Der
Deckel aus Beispiel 1 weist einen Wärme- bzw. Thermoregler auf,
der Innentemperaturen im Bereich von 2 bis 8°C hält. Das Kühlmittel, Wasser, in dem Deckel
muss jedoch vor dem Transport gefroren werden. Eine thermoelektrische
Wärmepumpe
ist in dem Deckel integriert, um das Kühlmittel in dem Deckel zu gefrieren.
Eine Wärmeregelungssperre,
welche einen umgekehrt arbeitenden Wärme- bzw. Thermoregler verwendet,
ist zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und der Kühlmittelkammer
positioniert. Das externe Isolationsfeld des Deckels wird mit einem
Thermoregler penetriert, der ein thermisches Stellglied umfasst
sowie eine Reine von Aluminiumleitern, die eine konzentrische, zylindrische
Anordnung aufweisen. Das thermische Stellglied basiert auf einem
Kohlenwasserstoff-Phasenänderungsmaterial
mit einer mittleren Phasenänderungstemperatur
von –5°C. Wenn das
Stellglied bzw. das Betätigungselement
eine Temperatur oberhalb von etwa –5°C aufweist, ist das thermische
Stellglied vollständig
ausgefahren. Im vollständig
ausgefahrenen bzw. erweiterten Zustand sind die leitenden zylindrischen
Komponenten mit einem Luftzwischenraum mit Zwischenabstand zwischen
zwei Aluminiumplatten angeordnet, wobei eine Platte thermisch mit
dem Kühlmittel
in dem Deckel verbunden ist, und wobei die andere Platte mit dem
Nutzlastregelungsvolumen thermisch verbunden ist. An dieser Position existiert
ein hoher Wärmewiderstand
zwischen dem Kühlmittel
in dem Deckel und der thermoelektrischen Wärmepumpe. Wenn das thermische
Stellglied unter etwa –5°C sinkt,
zieht sich das thermische Stellglied zusammen, wodurch ein Eingriff
des zylindrischen thermischen Leiters bzw. Wärmeleiters über die mit dem Kühlmittel
gekoppelte Aluminiumplatte mit der Wärmepumpe hergestellt wird.
An dieser Position ist der Wärmewiderstand
von dem Kühlmittel
zu der Wärmepumpe
sehr gering, wodurch eine schnelle Wärmeübertragung von dem Kühlmittel
auf die externe Umgebung unter Verwendung der Wärmepumpe ermöglicht wird,
was zu einem Gefrieren des Kühlmittels
führt.
Ein Lamellen-Luftwärmetauscher
und ein Gebläse,
das Luft über
die Lamellen transportiert, kühlen
die externe bzw. die heiße
Seite der Wärmepumpe.
Sobald das Kühlmittel
gefroren ist, wird die Wärmepumpe
ausgeschaltet. Sobald die Temperatur des Kühlmittels auf über –5°C ansteigt,
dehnt sich das thermische Stellglied aus, wodurch die thermischen
Stellglieder ausrücken
und dadurch das Kühlmittel
thermisch von der Wärme
isolieren, die ansonsten durch die Komponenten der wärmeleitfähigen Wärmepumpe
eindringen könnte.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
veranschaulicht und beschrieben, wobei der Fachmann auf dem Gebiet
erkennen wird, dass verschiedene Abänderungen in Bezug auf die
Ausführung
und die Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne dabei vom Umfang
der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition
in den Ansprüchen
abzuweichen.