DE60210496T2

DE60210496T2 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE60210496T2
Application number: DE60210496T
Authority: DE
Inventors: Pierre Jeuch
Original assignee: Thermagen SA
Current assignee: Thermagen SA
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: US20050039485A1; ATE322657T1; AU2002350872B2; CN100467977C; JP2005509830A; EP1448938A1; FR2832495B1; WO2003042610A1; FR2832495A1; CN1615419A; EP1448938B1; DE60210496D1; US7240507B2; JP4065430B2; RU2299382C2; RU2004118069A; CA2466296A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit durch ein Verdampfungs- und Adsorptionsverfahren. Das Prinzip eines solchen Kühlverfahrens besteht darin, eine Flüssigkeit unter der Wirkung eines durch Abpumpen der Dämpfe der Flüssigkeit aufrecht erhaltenen Unterdrucks zu verdampfen.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ist zur Verwendung in einem Behälter in Form eines Tauchkühlers oder eingearbeitet in eine selbstkühlende Getränkeverpackung bestimmt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es somit, den Verzehr eines Getränkes bei einer idealen Temperatur an jedem Ort und jederzeit zu ermöglichen.
Die Durchführung des Kühlverfahrens durch Verdampfen und Adsorption ist bekannt und ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen in der bisherigen Technik. Insbesondere für Anwendungen bei selbstkühlenden Getränkeverpackungen wurden bereits zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen, die einen Wärmeaustauscher, der eine zu verdampfende Flüssigkeit enthält, mit einem Reservoir koppeln, das ein Adsorbens enthält.
Somit beschreibt die U.S.-Patentschrift Nr. 4 928 495 eine selbstkühlende Verpackungskonfiguration (dargestellt als Getränkedose), wovon eine Erläuterung in 1 dargestellt ist, die einen Wärmeaustauscher 16 in Form eines abgeflachten Rechtecks, der in ein zu kühlendes Getränk eingetaucht und mit einer Adsorptionsvorrichtung 22 verbunden ist, umfasst. Diese Patentschrift beschreibt ein Prinzip schematisch ohne genauere Angaben über die Ausführungsmittel einer solchen Vorrichtung, unter Berücksichtigung der mit einer Anwendung bei Wegwerfverpackungen zusammenhängenden wirtschaftlichen Vorgaben.
Ferner beschreiben die internationalen Patentanmeldungen WO 01/10738 und WO 01/11297 derselben Anwender ebenfalls eine selbstkühlende Getränkeverpackung, wovon in 2 eine Erläuterung angegeben ist, die einen zylindrischen U-förmigen Austauscher 30 umfasst. Diese Patentanmeldungen erläutern ausführlich die Geometrie des Austauschers 30 sowie das Herstellungs- und Zusammenbauverfahren einer solchen Vorrichtung, die mit den industriellen Vorgaben zur Herstellung dieser Getränkedosen in hohen Stückzahlen vereinbar sind.
Gleichwohl weist der Austauscher 30, wie er beschrieben ist, mehrere Nachteile auf. In der Tat hängt der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers zwischen Verdampfer und zu kühlendem Getränk, der die Abkühlgeschwindigkeit des Getränks bedingt, hauptsächlich von der Geometrie des Austauschers ab. Zudem schlagen diese Patentanmeldungen zum Erhalt eines zufrieden stellenden Kühl-Wirkungsgrades vor, die Dimension des Austauschers 30 bis zum Maximum dessen zu erhöhen, was zur Einführung in die Getränkedose möglich ist, nämlich ein Durchmesser von 50 mm für eine Höhe von 100 mm. Das Volumen des resultierenden Austauschers beträgt 80 ml für ein Volumen verzehrbaren Getränks von 300 ml, was mehr als 25 % darstellt.
Ein weiterer Nachteil, der in den internationalen, vorstehend erwähnten Patentschriften beschrieben ist, betrifft die Menge an Metall, die zur Herstellung dieses Austauschers 30 notwendig ist, und daher seine Herstellungskosten. Insbesondere muss das in dem Austauscher enthaltene zu verdampfende Wasser zur Durchführung des Kühlverfahrens durch Verdampfung-Adsorption in dem Austauscher unter Vakuum gelagert werden, und der Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Austauschers 30 gibt eine beträchtliche Dicke von Metall, das die Wände des Austauschers aufbaut, vor.
Ferner besteht ein weiterer Nachteil, der mit der besonderen Geometrie des in diesen internationalen Patentschriften beschrieben Austauschers 30 verbunden ist, darin, dass ein Gel verwendet werden muss, um die Kühlflüssigkeit in dem Austauscher zu fixieren, um ein Mitschleppen der Flüssigkeit durch ihre eigenen Dämpfe beim Betrieb der Vorrichtung zu vermeiden.
Ferner ist aus dem Dokument FR 2 011 939 eine selbstkühlende Vorrichtung als Getränkeverpackung bekannt, umfassend einen kegelförmigen Austauscher, der eine Flüssigkeit unter Druck, wie verflüssigtes Freon, enthält. Die Entspannung des Gases in die äußere Atmosphäre ruft das Abkühlen des Getränks in Kontakt mit dem Austauscher hervor. Die adiabatische Entspannung von Gas unter Druck bewirkt eine sehr starke Temperaturerniedrigung, durch die sich das Getränk trotz einer verminderten Kontaktoberfläche mit dem abzukühlenden Getränk wirksam abkühlen lässt. Dennoch ist dieses Kühlverfahren nicht mit den industriellen Herstellungstechniken vereinbar, da das Gas unter Druck von schwieriger Handhabung ist. Dieses Verfahren widerspricht auch bestimmten Umweltschutzauflagen, die die Verminderung des Gasausstoßes in die Atmosphäre vorsehen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Behebung der Nachteile der bisherigen Technik.
In dieser Hinsicht schlägt die vorliegende Erfindung einen Wärmeaustauscher vor, durch dessen Geometrie und Gestalt sich die Abkühlgeschwindigkeit eines Getränks nach dem Prinzip der Verdampfung einer Kühlflüssigkeit unter reduziertem Druck begünstigen lässt.
Somit begünstigt die Geometrie des Austauschers die Entwicklung von bedeutenden Konvektionsströmen in dem Getränk, um dessen schnelle Abkühlung zu gewährleisten. Durch diese Geometrie lässt sich ferner eine maximale Wärmeaustauschoberfläche mit dem Getränk für eine möglichst geringe Abmessung des Austauschers sicherstellen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, das Prinzip des Abkühlens durch Verdampfen unter der Wirkung eines Unterdrucks durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, der beispielsweise als Tauchvorrichtung in einem Behälter verwendet wird, der das zu kühlende Getränk enthält, auf jede Kühlvorrichtung für eine Flüssigkeit allgemein anzuwenden.
Nach einem Merkmal weist die erste Wand des Hohlraums eine Rippenstruktur auf.
Nach einer Besonderheit besitzt mindestens ein Teil der Rippen der ersten Wand im Inneren des Hohlraums keine Breite.
Nach bestimmten Ausführungsformen umfasst die erste Wand des Hohlraums einen Abschnitt, dessen Schnittfläche konstant ist, oder die Schnittfläche der ersten Wand verjüngt sich schrittweise von unten nach oben.
Nach einer weiteren Besonderheit weist der konische Hohlraum eine abgerundete oder abgeflachte Spitze auf.
Nach einem Merkmal beträgt das Volumen des Hohlraums weniger als 2/3 des Volumens, das durch die umlaufende Fläche, die den Hohlraum umschließt, begrenzt wird.
Nach einem vorteilhaften Merkmal sind die Innenwände des Hohlraums mindestens teilweise mit einem hydrophilen porösen Material bedeckt.
Nach einem Merkmal ist die Kühlflüssigkeit Wasser und/oder Wasser, das einen Zusatzstoff mit einem Sättigungsdampfdruck enthält, der höher ist als derjenige des Wassers.
Nach einer Ausführungsform enthält der Hohlraum einen Abscheider für den Flüssig-Gas-Zustand.
Nach einem Merkmal besteht mindestens die erste Wand des Hohlraums aus einem wärmeleitenden Material.
Nach den Ausführungsformen werden die beigefügten Pumpeinrichtungen unter den Einrichtungen gewählt, bestehend aus einem unter Vakuum konditionieren adsorbierenden Material, einer mechanischen Vakuumpumpe und einer Tiefsttemperatur-Vakuumpumpe.
Die Erfindung betrifft auch eine selbstkühlende Getränkeverpackung nach Anspruch 16.
Nach einem Merkmal weist der zweite Hohlraum ein höchstens halb so großes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche als das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des ersten Hohlraums auf.
Nach einer Ausführungsform ist die erste Wand des Hohlraums des Wärmeaustauschers mit dem in dem ersten Hohlraum enthaltenen Getränk in Kontakt.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die erste Wand des Hohlraums des Wärmeaustauschers gegenüber einer Wand des ersten Hohlraums.
Nach einem Merkmal baut die zweite Wand des Hohlraums des Austauschers eine Wand des dritten Hohlraums auf und integriert die Kommunizierungsvermittlungsmittel für den zweiten und dritten Hohlraum.
Bei den Ausführungsformen ist der Austauscher über ein Rohr mit Pumpeinrichtungen verbunden, oder der Austauscher ist mit den Pumpeinrichtungen aus einem Stück gefertigt, wobei die zweite Wand des Hohlraums des Austauschers mit in die Pumpeinrichtungen integriert ist.
Die Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor, die als Erläuterung und nicht als Einschränkung angegeben ist, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
1, bereits erläutert, ein Schema einer selbstkühlenden Getränkedose nach einer Variante der bisherigen Technik;
2, bereits erläutert, ein Schema einer selbstkühlenden Getränkedosis nach einer anderen Variante der bisherigen Technik;
die 3a bis 3c schematische Querschnittsansichten eines Wärmeaustauschers nach mehreren Ausführungsvarianten der Erfindung;
die 4a bis 4c schematische Querschnitt-Draufsichten nach mehreren Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Austauscher;
5 eine schematische Schnittansicht einer bestimmten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers;
6 eine schematische Schnittansicht einer Getränkeverpackung, die einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher umfasst;
7 eine schematische Schnittansicht eines Tauchkühlers, der einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher umfasst.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher umfasst einen Hohlraum 2, der eine Kühlflüssigkeit enthält, die zur Verdampfung unter der Wirkung eines durch Pumpeinrichtungen aufrecht erhaltenen Unterdrucks geeignet ist. Der Wärmeaustauscher ist zum Eintauchen in ein zu kühlendes Getränk ausgelegt. Somit ist es unerlässlich, dass der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher mindestens eine erste Wand 21 in Kontakt mit dem zu kühlenden Getränk und mindestens eine zweite Wand 22, die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 und Pumpeinrichtungen 31 integriert, aufweist.
Wie in der Serie von 3 erläutert, und nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Wand 21 des Hohlraums 2, die mit der abzukühlenden Flüssigkeit in Kontakt ist, von im Wesentlichen konischer Form, derart dass sich ihre Schnittfläche von unten nach oben verjüngt. Diese besondere Geometrie des Hohlraums 2 des Austauschers begünstigt in der Tat die Entwicklung von beträchtlichen Konvektionsströmen in dem Getränk, um dessen schnelle Abkühlung zu gewährleisten. Es ist wichtig, dass die Gesamtform des Hohlraums konisch ist, insbesondere dass sich seine Schnittfläche schrittweise von unten nach oben verjüngt. Dennoch kann gegebenenfalls ein vertikaler Abschnitt, der die Schnittfläche des Austauschers nicht verändert, an einem Teil der Höhe des Austauschers realisiert sein, ohne seine gute Funktionsweise zu beeinträchtigen. Die konischen Formen, die in dieser Definition eingeschlossen sind, können mehrere mögliche Konfigurationen einnehmen und betreffen einen spitzen Konus (3b) ebenso wie einen kuppelförmigen Zylinder (3d).
Die 4a bis 4d sind Schnitt-Draufsichten des Hohlraums 2 des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, und die in diesen Figuren erläuterten Ausführungsformen können unterschiedslos mit den in den 3a bis 3d erläuterten Ausführungsformen kombiniert werden.
Wie in der Serie von 4 erläutert, und nach einem erfindungsgemäßen vorteilhaften Kennzeichen kann die Wand 21 des Hohlraums 2 des Wärmeaustauschers, die mit dem abzukühlenden Getränk in Kontakt ist, eine Rippenstruktur aufweisen, um die Wärmeaustauschoberfläche zwischen Austauscher und Getränk zu vergrößern. Die 4c erläutert eine Ausführungsform, wobei die erste Wand 21 keine Rippen aufweist.
Nach einer besonderen Ausführungsform, die in 4b erläutert ist, weist mindestens ein Teil der Rippen der ersten Wand 21 eine Größe von Null im Inneren des Hohlraums 2 auf, derart dass über dem Hohlraum 2 die Flügel 23 erzeugt werden.
Somit kann die erste Wand 21 des Austauschers definiert werden als eingeschlossen zwischen zwei umlaufenden internen und externen Oberflächen (in den 3a bis 3d mit i und e bezeichnet), die sich an der Basis des Kegels vereinigen, d.h. an der Verbindungslinie mit der zweiten Wand 22 des Austauschers, die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 mit Pumpeinrichtungen integriert. Diese Oberflächen i und e können zweckmäßigerweise aus zusammengefügten Kegeln, Zylindern, Tori, Kugeln oder aus jeder anderen komplexeren Fläche, die beispielsweise durch Tiefziehen realisiert wird, bestehen. Ferner wird die Spitze 24 des Kegels als der Punkt der Wand 21 definiert, der am weitesten von der Basis 22 entfernt ist und sich im Wesentlichen auf der Drehachse der zuvor beschriebenen Fläche befindet.
Die Spitze 24 des Kegels 21 des erfindungsgemäßen Austauschers kann eine Abrundung aufweisen, ohne dass der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers beeinträchtigt wird. Der Grund für diese Abrundung ist das Bemühen, jeden Zwischenfall zu vermeiden, wenn die geleerte Verpackung, die diesen Austauscher enthält, flach gedrückt wird.
Die aus einer solchen Geometrie des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers hervorgehenden Vorteile sind vielfältig. In Gebrauch ist der erfindungsgemäße Austauscher mit der Spitze des Kegels nach unten angeordnet. Die Wärmeaustauschfläche, die kleiner ist als die bekannten Austauscher, wird größtenteils durch eine Beschleunigung der in der Drehachse des Kegels erzeugten Konvektionsströme nach einem Effekt, der „umgekehrter Schornstein" genannt wird, ausgeglichen, durch den sämtliche abgekühlten Stromfäden, die mit der Wand des Austauschers in Kontakt sind, in Richtung der Achse des Konus abfließen. Diese erzeugte Säule kalter Flüssigkeit verstärkt den Druckgradienten und erzeugt kalte Konvektionsströme, die durch einen Effekt des „umgekehrten Schornsteins" aufsteigen, ohne von der Oberfläche des Austauschers abgebremst zu werden. Somit lassen sich durch eine Austauscherfläche in der Größenordnung von 100 cm² Leistungen erzielen, die den bekannten Austauschern mit einer Austauscherfläche von mehr als 300 cm² mit planarer Geometrie entsprechen. Aufgrund seiner Geometrie ermöglicht der erfindungsgemäße Austauscher eher die Entwicklung eines starken axialen Konvektionsstroms als die Bildung von Zellen sekundärer nicht axialer Konvektionsströme.
Insbesondere durch die gerippte Kegelstruktur lässt sich eine nennenswerte Wärmeaustauscheroberfläche in einem begrenzten Raum, insbesondere bei einer begrenzten Höhe, erhalten, was eine zweckmäßige Anwendung für geschlossene Getränkeverpackungen gestattet. Beispielsweise kann die Höhe des gerippten kegelförmigen Austauschers mindestens auf die Hälfte der Höhe der Verpackung begrenzt werden, die das zu kühlende Getränk enthält.
Typische Werte für die Geometrie eines erfindungsgemäßen Austauschers können die folgenden sein, die ohne einschränkenden Charakter, sondern ausschließlich als Ausführungsbeispiel angegeben sind:
Austauschfläche = 100 cm²
Innenvolumen = 40 cm³
Raumbedarf = 60 cm³ (definiert durch die umlaufende Mantelfläche des Austauschers)
Höhe = 5 cm
Der Hohlraum des Austauschers besteht aus thermisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium. Da die Oberfläche des erfindungsgemäßen Austauschers reduziert ist, ist die Menge von Metall, die zu seiner Fertigung notwendig ist, vermindert, was auch seine Herstellungskosten herabsetzt.
Ferner gestattet diese Struktur eine gute Beständigkeit gegenüber dem äußeren Druck, der auf den Hohlraum des Austauschers durch das abzukühlende Getränk ausgeübt wird. Die Dicke des Metalls, das den Hohlraum aufbaut, kann folglich reduziert werden.
Insbesondere kann eine Dicke in der Größenordnung von 0,2 bis 0,4 mm ausreichend sein.
Die in dem Hohlraum des Austauschers enthaltene Kühlflüssigkeit kann Wasser oder vorzugsweise Wasser, das einen Zusatzstoff, beispielsweise Methanol, enthält, mit einem erhöhten Sättigungsdampfdruck sein, durch den sich das Sieden der Kühlflüssigkeit schneller herbeiführen und das Umherspritzen von Tropfen vermindern lässt, die zu Beginn des Pumpvorgangs verletzend sein können.
Nach einer zweckmäßigen Besonderheit füllt die Flüssigkeit den Hohlraum nur teilweise, beispielsweise zur Hälfte.
Nach einer weiteren Besonderheit der Erfindung enthält der Hohlraum des Austauschers nur die Kühlflüssigkeit sowie die Dämpfe der Flüssigkeit, d.h. dass die Flüssigkeit entgast worden ist, bevor sie in den Hohlraum eingebracht wurde. Dieses Entgasen kann insbesondere durch ein Sieden bei Atmosphärendruck und anschließendes Sieden über Druckreduktion bis auf einige Millibar sichergestellt werden. Sodann wird die Kühlflüssigkeit unter Vakuum in dem Hohlraum des Austauschers vorgelegt. Anders ausgedrückt, ist der Partialdruck der Gase, die anders sind als der Dampf der Kühlflüssigkeit, bevor er mit den Pumpeinrichtungen zur Kommunizierung gebracht wird, in dem Austauscher kleiner oder gleich 1 mb. Durch diese Besonderheit lässt sich eine gute Verdampfungsgeschwindigkeit sicherstellen, wobei die Ver dampfungsreaktion nicht adsorbierbarer Gase, die in dem Hohlraum enthalten sein könnten, vermieden wird.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Besonderheit sind die Innenwände des Hohlraums des Austauschers mindestens teilweise mit einem hydrophilen porösen Material, wie beispielsweise Cellulose, ein Gewebe oder ein Polymer, bedeckt. Diese poröse Schicht kann beispielsweise aufgeklebt werden. Somit ist die Wärmeaustauschwand 21 auf ihrer Innenfläche feucht, was eine bessere Verdampfung und somit ein besseres Abkühlen auf der Austauschfläche begünstigt. Vorzugsweise wird ein grobmaschiges Gewebe verwendet, um die Verdampfung der Kühlflüssigkeit in Kontakt mit dem Metall des Austauschers zu begünstigen, wobei der Dampf der Flüssigkeit über die poröse Schicht entweichen gelassen wird. Somit wird der Wärmewiderstand der porösen Schicht unterdrückt.
Nach einer in 5 erläuterten Ausführungsform kann der Hohlraum 2 des Austauschers einen Flüssigkeit-Gas-Abscheider 50 enthalten. Diese Ausführungsform ist durch die besondere, den erfindungsgemäßen Austauscher aufbauende Geometrie des Hohlraums 2 möglich. In der Tat ist an der Basis des Kegels ein großes Volumen verfügbar, genau in der Nachbarschaft der zweiten Wand 22, in die die Verbindungsmittel 30 für die Pumpeinrichtung 31 integriert sind. Somit ist es möglich, sogar im Inneren des Austauschers einen Flüssigkeit-Gas-Abscheider 50 in der Nähe der Öffnung der Verbindungsmittel 30 anzuordnen. Eine solche Vorrichtung ist nachstehend beschrieben und könnte leicht für einen Austauscher von bekannter Geometrie der bisherigen Technik übernommen werden. Der Zustandsabscheider 50, der in dem erfindungsgemäßen Austauscher angeordnet ist, nimmt ein Volumen von unter 20 cm³ ein.
Durch einen solchen Flüssigkeit-Gas-Abscheider 50 lassen sich die Dampfmoleküle der gepumpten Kühlflüssigkeit von den Tropfen der vom Dampf der Flüssigkeit mitgeschleppten Flüssigkeit abtrennen. In der Tat verdampft nach dem physikalischen Prinzip des Abkühlens durch Verdampfen die Kühlflüssigkeit unter der Wirkung eines Unterdrucks, der durch eine Unterbrechung des Vakuums bewirkt und durch ein Abpumpen der Dämpfe der Flüssigkeit aufrechterhalten wird. Die Pumpkraft kann auch so sein, dass Flüssigkeitstropfen in Richtung der Pumpe 31 mitgeschleppt werden und somit ihrer ordnungsgemäßen Funktionsfähigkeit schaden. Somit ist das Vorsehen eines Flüssigkeit-Gas-Abscheiders 50 notwendig, der die Dämpfe der abzupumpenden Kühlflüssigkeit passieren lässt und der die Flüssigkeitstropfen in den Hohlraum 2 des Wärmeaustauschers zurückschickt.
Ein solcher Zustandsabscheider umfasst einen Dampfdeflektor, der aus mindestens einer Wand besteht, die das Hindernis 51 bildet, das eine oder mehrere abrupte Richtungsänderungen für den Dampfstrom erzwingt. Die Dampfmoleküle haben eine sehr geringe freie Weglänge in der Größenordnung von Mikrometer, was angibt, dass sie sehr schnell die Richtung ändern können. Im Gegensatz dazu besitzen die Flüssigkeitstropfen eine solche Masse, dass sie durch ihre Trägheit mitgeschleppt und somit von dem Gasstrom abgetrennt werden. Dieser Mechanismus erlaubt zweckmäßigerweise eine Flüssigkeit-Gas-Trennung ohne große Verlangsamung des Dampfstroms und macht somit nicht die Einnahme eines großen Volumens notwendig.
Der Zusandsabscheider umfasst auch zusätzlich einen Tropfensammler 60, der die Rückführung der Flüssigkeitstropfen, die von dem Gasstrom des Dampfes am Boden des Hohlraums des Verdampfers 2 abgeschieden werden, ermöglicht. Der Sammler 60 umfasst einen Trichter und mindestens ein Tropfen-Ablaufrohr. Der Trichter kann zweckmäßigerweise zur Bildung des Hindernisses 51 des Dampfdeflektors beitragen.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Dampfdeflektor 51 zweckmäßigerweise um die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 mit den Pumpeinrichtungen 31 angeordnet, und der Trichter des Tropfensammlers 60 definiert einen feststehenden Winkel, der die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 und den Dampfdeflektor 51 einschließt.
Vorzugsweise weist das Tropfenablaufrohr des Sammlers 60 eine Länge von größer oder gleich dem Ladungsverlust des Dampfes in dem Hindernis 51 auf, um das Verspritzen von Tropfen in dem Ablaufrohr zu vermeiden. Dieser Ladungsverlust wird zweckmäßigerweise als Höhe des Wasservolumens gemessen. Wenn beispielsweise ein Ladungsverlust des Dampfes V von 1 mb (entsprechend einer Höhe von 1 cm Wassersäule) betrachtet wird, ist das Rohr mindestens 1 cm lang.
Nach einer zweckmäßigen Besonderheit umfasst der Zustandsabscheider ferner einen Schutz 55 vor direkten Tropfenspritzern, der den Dampfdeflektor 51 vervollständigt. Dieser Schutz 55 ist hinsichtlich der Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 so angeordnet, dass eine direkte Verschmutzung der Pumpeinrichtung 31, insbesondere beim Start der Adsorptionsreaktion vermieden wird.
Je nach Anwendungen können die dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher 2 beigefügten Pumpeinrichtungen 31 aus einer mechanischen Vakuumpumpe oder aus Tiefsttemperatur-Pumpeinrichtungen, wie Kühlfallen, die die Wasserdämpfe kondensieren, oder auch aus einer Vakuumkartusche bestehen, die Reagentien (Trockenmittel) enthält, die dazu geeignet sind, die Adsorption der Flüssigkeit auszulösen und aufrechtzuerhalten. Die Durchführung der Abkühlung wird demnach durch die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers 2 mit den Pumpeinrichtungen 31 gestartet. Nach einer zweckmäßigen Besonderheit der Erfindung ist es die Wand des Hohlraums, die die Basis 22 des Kegels bildet, der die in die Wand 22 integrierten Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 umfasst.
Wie in 6 erläutert, betrifft die Erfindung auch eine Getränkeverpackung 10, die einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher enthält, wie zuvor beschrieben.
Eine solche selbstkühlende Getränkeverpackung 10 umfasst einen ersten Hohlraum 1, der ein verzehrbares Getränk enthält. Dieser erste Hohlraum 1 kann die Formen und Dimensionen einer Standard-Getränkedosis aufweisen. Ein zweiter Hohlraum 2 schließt an den ersten Hohlraum an und baut einen Wärmeaustauscher nach den bereits beschriebenen Formen und Besonderheiten der Erfindung auf.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die erste konische Wand 21 des zweiten Hohlraums 2 mit dem in dem ersten Hohlraum 1 enthaltenen Getränk in Kontakt.
Nach einer anderen Ausführungsform schließt die erste konische Wand 21 des zweiten Hohlraums 2 an eine Wand des ersten Hohlraums 1 an. Somit sind diese Wände in innigem Kontakt, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Sie können dennoch aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise ist die Wand 21 des Hohlraums des Wärmeaustauschers 2 aus Metall, obwohl die Wand des Hohlraums 1, der das Getränk enthält, aus PET-Kunststoff (Polyethylenterephtalat) ist. Obwohl diese Ausführungsform nicht so zweckmäßig ist, um für den Wärmeaustausch zwischen dem Austauscher 2 und dem Getränk von Wirksamkeit zu sein, gestattet sie beispielsweise eine gute Beherrschung einer sterile Umgebung des Hohlraums 1, der das Getränk enthält, beispielsweise für eine Anwendung auf Milchprodukte.
Zweckmäßigerweise weist der zweite Hohlraum 2, der den Wärmeaustauscher bildet, ein Verhältnis von Volumen zu Oberfläche auf, das mindestens halb so groß ist wie das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des ersten Hohlraums 1, der das zu kühlende Getränk enthält.
Das Kühlen des in dem ersten Hohlraum 1 (Getränkedose) enthaltenen Getränks wird durch Verdampfen der in dem zweiten Hohlraum 2 (Wärmeaustauscher) enthaltenen Kühlflüssigkeit erhalten. Dieses Verdampfen wird durch einen Unterdruck ausgelöst, der in dem Hohlraum des Austauschers durch Einwirken von Kommunizierungsvermittlungsmitteln 30 des Hohlraums, der den Wärmeaustauscher bildet, mit der Pumpeinrichtung 31 ausgelöst wird, anschließend wird dieser Unterdruck durch das Abpumpen der Dämpfe der Flüssigkeit aufrechterhalten.
In dieser Hinsicht umfasst die selbstkühlende erfindungsgemäße Getränkeverpackung einen dritten Hohlraum 3, der Pumpeinrichtungen 31 enthält, in diesem Fall ein Reservoir für Trockenmittel, die dazu geeignet sind, die Dämpfe der Kühlflüssigkeit nach einem bekannten, zuvor erwähnten physikalischen Prinzip zu adsorbieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform baut die konische Wand 21 des zweiten Hohlraums 2, der den Austauscher bildet, auch eine Wand des ersten Hohlraums 1 auf, der die zu kühlende Flüssigkeit enthält. Gleichermaßen baut die Wand, die die Basis 22 des Kegels des zweiten Hohlraums 2 bildet, der den Wärmeaustauscher bildet, auch eine Wand des dritten Hohlraums 3 auf, der die Trockenmittel enthält, wobei in diese gemeinsame Wand 22 die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 der zweiten und dritten Hohlräume integriert sind. Zweckmäßigerweise kann der dritte Hohlraum 3 Betätigungsmittel 32 für die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 umfassen, wie eine Stange, die das Öffnen der Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 auslöst.
Bei einer anderen Anwendung kann der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher in einer Kühlvorrichtung für ein Getränk, das in einem offenen Behälter enthalten ist, als Tauchkühler verwendet werden.
Bei einer ersten Ausführungsvariante, wovon eine Erläuterung in 5 gegeben werden kann, umfasst der Tauchkühler einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit einem im Wesentlichen konischen Hohlraum 2, der mit Pumpeinrichtungen 31 über die Kommunizierungsvermittlungsmittel 30 verbunden ist, die in die Wand 22 integriert sind, die die Basis des Hohlraums 2 bildet. Demnach wird der Wärmeaustauscher allein über seine integrierten Kommunizierungsvermittlungsmitteln 30 beliefert und muss über ein Rohr, das biegsam oder starr, fest montiert oder abnehmbar sein kann, mit geeigneten Pumpeinrichtungen 31, wie eine mechanische Vakuumpumpe oder eine Tiefsttemperaturpumpe oder eine Vakuumkartusche, die Trockenmittel enthält, verbunden sein.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante, die in 7 erläutert ist, umfasst der Tauchkühler einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit einem im Wesentlichen konischen Hohlraum 2, der über die Wand 22, die die Basis des Hohlraums 2 bildet, mit Pumpeinrichtungen aus einem Stück besteht. Somit wird der Wärmeaustauscher über integrierte Kommunizie rungsvermittlungsmittel 30 und geeignete Pumpeinrichtungen, wie eine Vakuumkartusche, die Trockenmittel enthält, beliefert. Die Tauchvorrichtung besteht somit aus einer autonomen wegwerfbaren oder gegebenenfalls nach Regenerierung wieder verwendbaren Kühlvorrichtung.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung einer Flüssigkeit, umfassend: – einen Wärmeaustauscher, umfassend einen Hohlraum (2), der eine Kühlflüssigkeit, die zum Verdampfen unter der Wirkung eines Unterdrucks geeignet ist, und die Dämpfe der Flüssigkeit bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks enthält, – Pumpeinrichtungen (31), die zum Abpumpen der Dämpfe der Kühlflüssigkeit geeignet sind, so dass in dem Hohlraum (2) ein Unterdruck aufrechterhalten wird, wobei der Hohlraum (2) des Wärmeaustauschers mindestens eine erste Wand (21) von im Wesentlichen konischer Form, derart dass sich ihre Schnittfläche von der Basis bis zur Spitze verjüngt, und mindestens eine zweite Wand (22), die die Basis der konischen Form bildet, aufweist, wobei die erste konische Wand (21) zum Kontakt mit der zu kühlenden Flüssigkeit bestimmt ist und in der zweiten Wand (22) Einrichtungen (31) zum Kommunizieren mit den Pumpeinrichtungen (30) integriert sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wand (21) des Hohlraums (2) eine Rippenstruktur aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Rippen der ersten Wand keine Breite im Inneren des Hohlraums aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wand (21) des Hohlraums (2) einen Abschnitt aufweist, dessen Schnittfläche konstant ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schnittfläche der ersten Wand (21) des konischen Hohlraums (2) von der Basis (22) bis zur Spitze (21) fortschreitend verjüngt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Hohlraum (2) eine abgerundete oder abgeflachte Spitze (24) aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Hohlraums (2) weniger als 2/3 des Volumens beträgt, das durch die umlaufende Fläche, die den Hohlraum umschließt, begrenzt wird.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände des Hohlraums (2) mindestens teilweise mit einem hydrophilen porösen Material bedeckt sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit Wasser und/oder Wasser, das einen Zusatzstoff mit einem Sättigungsdampfdruck enthält, der höher ist als derjenige des Wassers, ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) eine Trennvorrichtung für den Flüssig-Gas-Zustand (50) enthält.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Wand (21) des Hohlraums (2) aus einem wärmeleitenden Material besteht.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beigefügten Pumpeinrichtungen (31) aus den Mitteln ausgewählt sind, bestehend aus einem unter Vakuum konditionierten adsorbierenden Material, einer mechanischen Vakuumpumpe, einer Tiefsttemperatur-Vakuumpumpe.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) des Wärmeaustauschers eine in die zu kühlende Flüssigkeit eingetauchte Tauchvorrichtung darstellt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) des Austauschers über ein Rohr mit der Pumpeinrichtung (31) verbunden ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) des Austauschers mit der Pumpeinrichtung (31) aus einem Stück besteht, wobei die zweite Wand (22) des Hohlraums in die Pumpeinrichtung integriert ist.
Selbstkühlende Getränkeverpackung (10), umfassend: – einen ersten Hohlraum (1), der ein trinkfertiges Getränk enthält, – einen zweiten Hohlraum (2), der aus einem Wärmeaustauscher besteht, der eine Kühlflüssigkeit, die zum Verdampfen unter der Wirkung eines Unterdrucks geeignet ist, und die Dämpfe der Flüssig keit bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks enthält, – einen dritten Hohlraum (3), der die Pumpeinrichtungen (31) enthält, die zur Adsorption der Dämpfe der Kühlflüssigkeit ausgelegt sind, so dass in dem zweiten Hohlraum (2) ein Unterdruck aufrechterhalten wird, wobei der Hohlraum (2) des Wärmeaustauschers mindestens eine erste Wand (21) von im Wesentlichen konischer Form, derart, dass sich ihre Schnittfläche von der Basis bis zur Spitze verjüngt, und mindestens eine zweite Wand (22), die die Basis der konischen Form bildet, aufweist, wobei die erste konische Wand (21) mit dem Getränk in Kontakt ist, das in dem ersten Hohlraum (1) enthalten ist, und in der zweiten Wand (22) mit den Pumpeinrichtungen (31) kommunizierende Mittel (30) integriert sind.
Selbstkühlende Getränkeverpackung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der konischen Form des zweiten Hohlraums (2) nach unten gerichtet ist, so dass bei der Adsorption des Dampfes der Kühlflüssigkeit mindestens eine Konvektionsströmung in der Achse des Konus in dem ersten Hohlraum (1) erzeugt wird.
Selbstkühlende Getränkeverpackung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hohlraum (2) ein Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aufweist, das mindestens zweimal geringer ist als das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des ersten Hohlraums (1).
Selbstkühlende Getränkeverpackung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wand (21) des Hohlraums (2) des Wärmeaustauschers mit dem in dem ersten Hohlraum (1) enthaltenen Getränk in Kontakt ist.
Selbstkühlende Getränkeverpackung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wand (21) des Hohlraums (2) des Wärmeaustauschers an eine Wand des ersten Hohlraums (1) angrenzt.
Selbstkühlende Getränkeverpackung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wand (22) des Hohlraums (2) des Austauschers eine Wand des dritten Hohlraums (3) aufbaut und in sie die Einrichtungen (31) zum Kommunizieren des zweiten mit dem dritten Hohlraum (2, 3) integriert sind.