DE69106399T2

DE69106399T2 - Klimagerät mit Kältespeicher.

Info

Publication number: DE69106399T2
Application number: DE69106399T
Authority: DE
Inventors: Calvin Dodd Maccracken; Brian Michael Silvetti
Original assignee: Calmac Manufacturing Corp
Current assignee: Calmac Manufacturing Corp
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-02-02
Also published as: EP0441553A3; US5005368A; IL96993A; EP0441553A2; DE69106399D1; KR910021565A; EP0441553B1; ES2067144T3; BR9100383A; IL96993A0; JPH06129664A

Description

In vielen Regionen ist die Klimatisierung für nahezu die Hälfte des häuslichen Verbrauchs an elektrischer Energie während der Spitzennachfrage-Sommerperioden verantwortlich, das heißt während der heißesten Nachmittags- und Abendstunden. Versorgungsunternehmen bieten häufig herabgesetzte Preise während der nachfrageschwachen Perioden an, um ökonomische Nachfrageverschiebungen zu fördern, aber es sind keine häuslichen Geräte bekannt, die für eine Speicherung von Kälte verfügbar sind, welche später herausgezogen wird, wenn die Klimatisierung erforderlich ist. Für die Wärmespeicherung im Winter sind Radiatoren mit heißen Ziegeln für den häuslichen Gebrauch verfügbar, die in der Lage sind, Wärme während der nachfrageschwachen Perioden für eine nachfolgende Verwendung während Hochlastzyklen zu speichern, jedoch wurden vergleichbare Geräte für die Kühlung häuslicher Lufträume nicht entwickelt.
Eine Kältespeicherung wurde lange praktiziert für andere Zwecke als die häusliche Luftklimatisierung. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4 036 621 eine Eisbank, in welcher ein relativ kleiner Kondensor-Verdichter Eis herstellt, das später in Wasser geschmolzen werden soll, um Getränke zu kühlen. Sie betrifft nicht die Kühlung von Luft oder die häusliche Luftklimatisierung. Das US-Patent Nr. 4 346 569 lehrt ein Luftklimatisierungssystem, bei welchem Winterkälte verwendet wird, um Eis in Untergrundkammern einzufrieren, und danach wird während der heißen Sommerbedingungen diese Kälte durch eine zirkulierende Wärmetauscherflüssigkeit zu einer Luftklimatisierungsleitung übertragen, wo sie zur Kühlung von in ein Gebäude eintretender warmer Luft verwendet wird. Es betrifft jedoch nicht ein Gerät zum Abflachen der Spitze elektrischer Lasten auf der Grundlage von täglichen Zyklen.
Ein anderer Gerätetyp hinsichtlich der Kühlung von Luft durch die Verwendung von Eis ist in US-A-2 107 088 beschrieben.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein tragbares Luftklimatisierungsgerät zu schaffen, in welchem ein Kondensator-Kompressor von begrenzter Kapazität, der von einer 110 Volt-Haushaltsspannung gespeist wird, ein Kühlsystem betreibt, welches klein genug ist, Wärme in einen inneren häuslichen Luftraum abzugeben, wodurch Kälte in der Form von Eis gespeichert wird, die später zur Kühlung von Luft in dem häuslichen Luftraum verwendet werden kann.
Die Erfindung stellt ein Kältespeicher-Luftklimatisierungsgerät zum Kühlen eines inneren Luftraums gemäß dem Anspruch 1 zur Verfügung. Durch dieses Gerät kann Wasser in den Wasserkammern während gedehnter Ladezyklen gefroren und während kurzer Kühlzyklen geschmolzen werden, um den inneren Luftraum zu kühlen.
In einer bevorzugten Form der Erfindung sind die Wandteile mehrere vertikale, in engem gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnete längliche Metallwände, die abwechselnd Wasserkammern und Luftdurchgänge bilden. Jedes Wandteil ist vorzugsweise aus doppelten Schichten, die zwischen sich die Leitungsmittel bilden. Es sind vorzugsweise thermostatisch betätigte Schaltmittel enthalten für eine automatische Operation der Kühlvorrichtung, wenn Wasser in den Kammern vollständig geschmolzen ist, und zum Beenden der Operation der Kühlvorrichtung, wenn das Wasser in den Kammern vollständig gefroren ist.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch das Luftklimatisierungsgerät nach der Erfindung durch einen der Luftdurchgänge entlang der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2 ist ein Horizontalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 ist ein vergrößerter Horizontal-Teil schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3; und
Fig. 5 ist ein Vertikalschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 3.
Wie aus den Fign. 1 bis 3 ersichtlich ist, enthält das Kältespeicher-Luftklimatisierungsgerät nach der Erfindung ein kastenförmiges thermisch isoliertes Gehäuse 10 mit einem Deckelteil 11 und einem Körperteil 12, die bei 13 gelenkig miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 10 hat eine enge seitliche Breite in bezug auf seine Höhe und seine Länge. Es enthält einen Boden 14, eine Frontplatte 15, eine Rückplatte 16, eine äußere Endplatte 17, eine innere Endplatte 18 und eine Deckplatte 19.
Eine in den Fign. 1 und 5 im Schnitt gezeigte vertikale seitliche Trennwand 20 teilt den oberen Deckelteil 11 des Gehäuses 10 in einen oberen Einlaßverteiler 21 und einen oberen Auslaßverteiler 22. Eine Warmluft-Einlaßöffnung 23 ist in der Rückplatte 16 vorgesehen, um mit dem oberen Einlaßverteiler 21 zu kommunizieren. Eine Kaltluft-Auslaßöffnung 24 ist in der Frontplatte 15 des Gehäuses 10 ausgebildet, um mit dem oberen Auslaßverteiler 22 zu kommunizieren. Ein elektrisches Gebläse 26 ist in dem oberen Auslaßverteiler 22 enthalten, um Luft aus der Auslaßöffnung herauszuzwingen und, wie nachfolgend beschrieben wird, dadurch Luft durch die obere Einlaßöffnung 23 anzusaugen.
Die Bodenplatte 14 und die Deckplatte 19 sowie die Frontplatte 15 und die Rückplatte 16 des Gehäuses 10 erstrecken sich in den Fign. 1, 2 und 5 nach links über die innere Endwand 18 hinaus, um eine Kühlkammer 30 zu bilden. Eine zweite Endplatte 31, die sowohl Teile auf den Deckelteil 11 des Gehäuses und des Körperteus 12 von diesem enthält, schließt das linke äußere Ende der Kühlkammer 30.
Das Gerät nach der Erfindung ist mit Rädern 35 und 36 versehen, die sich unterhalb des Schwerpunktes des Gehäuses 10 befinden. Gleitglieder 37 und 38 sind ebenfalls an der Bodenplatte 14 unter dem äußeren Ende der Kühlkammer 30 entfernt von den Rädern 35 und 36 vorgesehen. Ein Handgriff 39 ist außen an dem Wandteil 31 oberhalb der Gleitglieder 37 und 38 enthalten.
Innerhalb der Kühlkammer 30 befinden sich ein herkömmlicher Kompressor 40, eine Ventilatormotor 41, ein Ventilator 42 und eine Kondensatorspule 43 eines Kühlsystems von Haushaltsgröße. Das System enthält auch ein herkömmliches Kältemittel-Rückführungsrohr 44, das in den Kompressor 40 führt, ein Kältmittel- Auslaßrohr 45, das von der Kondensatorspule 43 führt, und ein Verbindungsrohr 46 zum Leiten von heißem Ausströmungsgas vom Kompressor 40 zur Kondensatorspule 43. Das Verbindungsrohr 46 geht in Schleifen durch eine Verdampfungsschale 47 hindurch, welche Kondensat während des Kühlungszyklus des Gerätes empfängt. Das Kondensat wird während des Abkühlungszyklus in die Umgebungsluft zurückverdampft in einer bei Hauskühlgeräten herkömmlichen Weise. Die Schale 47 hat auch die Kapazität, um aus einer der Wasserkammern des Geräts, die nachfolgend beschrieben werden, entweichendes Wasser aufzunehmen.
Innerhalb des Gehäuses 10 erstrecken sich von der inneren Endplatte 18 zu der äußeren Endplatte 17 zwölf vertikale Wandteile, von denen drei in Fig. 4 als 50A, B und C im Detail gekennzeichnet sind. Die Wandteile sind parallel zueinander in engem gegenseitigem Abstand angeordnet und bestehen vorzugsweise aus Blech. Sie erstrecken sich über die Länge des Gehäuses 10 unter dem oberen Einlaßverteiler 21 und dem oberen Auslaßverteiler 22. Sie bilden sechs Wasserkammern 51, die sich mit sieben Luftdurchgängen 52 abwechseln, von denen ein aneinandergrenzendes Paar in Fig. 4 wiedergegeben ist. Typische Abmessungen für die Wasserkammern 51 sind eine Dicke von 25,4 mm (ein Zoll), eine Höhe von 610 mm (vierundzwanzig Zoll) und eine Breite von 762 mm (dreißig Zoll), wobei jede 12,5 l (3,3 Gallonen) Wasser enthält. Jede Wasserkammer ist auch an der oberen Seite umschlossen, enthält jedoch eine obere Öffnung mit einer Einfüllkappe 53, wie in den Fign. 1, 2 und 5 gezeigt ist.
Wie in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist, erstrecken sich sieben vertikale seitliche Ablenkplatten 55 zwischen jedem zweiten Paar von Wandteilen nach unten als Ausdehnungen der seitlichen Trennwand 20, wodurch jeder der Luftdurchgänge 52 in zwei Abschnitte geteilt wird. Der eine ist ein Abwärtsströmungs-Abschnitt 56 von dem Einlaßverteiler 21 und der andere ist ein Aufwärtsströmungs-Abschnitt 57 zum Auslaßverteiler 22. Der Abwärtsströmungs-Abschnitt 56 und der Aufwärtsströmungs-Abschnitt 57 sind durch einen unteren länglichen Querströmungsabschnitt 58 verbunden. In dem Querströmungsabschnitt 58 sind Leitbleche 59 in der Form von Rillen 60 wie in Fig. 3 gezeigt vorgesehen zum Leiten des Luftstroms vom Abwärtsströmungs- Abschnitt 56 in Querrichtung zum Aufwärtsströmungs- Abschnitt 57. Gewellte Teile 61 sind in jedem der sieben Luftdurchgänge 52 vorgesehen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, um die verbundenen Wandteile 50A und 50B zu stützen, wobei sie eine Luftströmung zulassen.
In der Kühlkammer 30 tritt das Kältemittel-Rohr 45 in einen seitlichen Einlaßverteiler 65 ein, von welchem sich zwölf Zuführungsrohre 66 durch die innere Endplatte 18 zu jeweiligen Verdampferleitungen 67 erstrecken, die in einer Reihe von sechs Paaren von geschlossenen Schleifen angeordnet sind, wie in Fig. 5 gezeigt ist, ein Paar für jeweils eine Wasserkammer 51. Jedes der Wandteile 50A, B und C hat eine doppelte Dicke, das heißt besteht aus Metallschichten, vorzugsweise aus Stahl, die im wesentlichen, jedoch nicht vollständig in vollem Oberfläche-zu-Oberfläche- Kontakt miteinander verschweißt sind. In jedem Wandteil ist eine der Schichten, welche der verbundenen Wasserkammer 51 zugewandt ist, mit einer im allgemeinen rechteckigen Vertiefung ausgeprägt, welche mit der flachen anderen Schicht eine Verdampferleitung 67 bildet. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist eine Verdampferleitung 67A innerhalb des Wandteus 50B und eine andere Verdampferleitung 67B ist innerhalb des Wandteils 50C, wobei ihre Schleifen vertikal gegeneinander versetzt sind. Die Verdampferleitungen 67 sind daher in engem Oberfläche-zu-Oberfläche-Wärmeübertragungs-Kontakt mit dem Wasser in den Wasserkammern 51. Jeder der zwölf Leitungen 67 hat ein Auslaßrohr 68, welches das Kältemittel zurück zu einem seitlichen Auslaßsammler 69 trägt, der insbesondere in den Fign. 1, 2 und 5 gezeigt ist. Von dem Auslaßsammler 69 trägt das Rohr 44 das Kältemittel zurück zu dem Kompressor 40.
Thermostatisch betätigte Schalter 70 und 71, die schematisch in den Fign. 1 und 5 gezeigt sind, schalten automatisch das Kühlsystem ein, wenn das Wasser in den Kammern 51 vollständig geschmolzen ist, und beenden dessen Operation, wenn das Wasser in den Kammern 51 vollständig gefroren ist.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß das Gerät nach der Erfindung tragbar ist. Wenn die sechs Wasserkammern 51 mit Wasser gefüllt sind, wiegt das Gerät ungefähr 345 englische Pfund. Jedoch ist dieses Gewicht über den Rädern 35 und 36 konzentriert, was eine Bewegung des Gerätes von Hand ermöglicht. Es ist beabsichtigt, daß das Gerät trokken versandt wird und die Kammern 51 vom Benutzer mit Wasser gefüllt werden. Dies ist leicht durchführbar durch Anheben des angelenkten Deckelteils 11 des Gehäuses 10, Entfernen der Einfüllkappen 53 und Füllen der sechs Kammern 51 fast aber nicht ganz bis nach oben, wodurch ein Luftraum für die Ausdehnung während des Frierens belassen wird. Durch die Tragbarkeit kann das Gerät im Haus von der Küche zum Wohnbereich, zum Schlafraum wie erforderlich bewegt werden. Wenn es im Kühlzyklus betrieben wird, wird das Kühlsystem abgeschaltet und nur das Gebläse wird mit Leistung versorgt. Eine Steuerplattenvorrichtung, die in Fig. 1 schematisch als 75 angezeigt ist, ermöglicht dann eine Einstellung einer hohen Kühlung auf einer halben Tonne oder 1,75 KW (6000 Btu/Stunde) über etwa fünf Stunden oder eine Einstellung einer niedrigen Kühlung von einer drittel Tonne oder 1,17 KW (4000 Btu/Stunde) über etwa acht Stunden. Wenn es im Ladungszyklus betrieben wird, ist das Gebläse abgeschaltet und das Kühlsystem kühlt das Kältemittel ruhig über eine ausgedehnte Periode ab, um fortschreitend das Wasser in den Kammern 51 zu Eis zu gefrieren. Der Wärmeausgang des Kühlsystems im Ladungszyklus ist vergleichbar mit dem eines Haushalts-Kühlgeräts und kann daher seine Wärme während des Ladunqszyklus in den später zu kühlenden Raum abgeben. Im Gegensatz ist die Wärmeabgabe eines herkömmlichen Raumluft-Klimageräts wesentlich größer und benötigt eine Fensterbefestigung mit einem Auslaß zur Außenseite des Gebäudes. Da das Gerät nach der Erfindung nicht am Fenster befestigt ist, besteht kein Problem hinsichtlich der Sicherheit, Korrosion, des übermäßigen Schmutzes, der saisonbedingten Abnah me und Wiederinstallierung, der Sichtsperrung, der Luftentweichung nach außen, des Einpassens in das Fenster, der kurzen Lebensdauer usw. Der Kompressor des kleinen Kühlsystems des Geräts erlaubt die Benutzung mit der herkömmlichen 110 Volt-Spannung.
Zusammengefaßt kann das Wasser in den Kammern 51 während ausgedehnter Ladungszyklen gefroren und während kurzer Kühlzyklen geschmolzen werden, um einen inneren Luftraum zu kühlen. Der Benutzer kann diese Zyklen mit preiswerten nachfrageschwachen Perioden und teueren Hochlastperioden in Beziehung setzen. Im Kühlzyklus befördert das Gebläse 26 ruhig Luft durch die Einlaßöffnung 23 und den Einlaßabschnitt 56 des Luftdurchgangs 52 herunter, durch den Querströmungs- Abschnitt 58 und dann nach oben durch den Auslaßabschnitt 57 zum Auslaßverteiler 22 und die Auslaßöffnung 24. Dies bewirkt, daß die zirkulierende Luft gründlich gekühlt wird, indem sie in engem Wärmeaustauschkontakt mit den Wandteilen 50A und 50B hindurchgeht, welche ihrerseits durch das gefrorene Eis in den verschiedenen Wasserkammern 51 gekühlt wurden. Wenn die Kälte durch die zirkulierende Luft aus dem Eis herausgezogen ist, schmilzt das Wasser in den Kammern 51 schließlich, und wenn der Schmelzvorgang abgeschlossen ist, beginnt das Kühlsystem automatisch mit dem Betrieb, um abgekühltes Kältemittel durch die Verdampfungsleitungen 66 zu schicken, die ebenfalls in engem Oberfläche-zu-Oberfläche-Wärmeaustausch-Kontakt mit den Kammern 51 sind, wodurch das Wasser gefroren wird.
Der Betrieb des Gerätes nach der Erfindung kann teilweise automatisch sein, indem der Kühlzyklus zum Ladezyklus umgeschaltet wird, wenn das Wasser in den Kammern 51 vollständig geschmolzen ist. Die Bedienungsperson kann wahlweise vom Ladezyklus zum Kühlzyklus zurückschalten, wenn dies erforderlich ist.
Bestimmte Abwandlungen können einfach durchgeführt werden bei dem vorhergehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise können die Verdampfungsleitungen Rohre sein, die innerhalb der Wandteile von doppelter Dicke befestigt sind oder gegen die Wasserkammer-Seite von Wandteilen mit einfacher Dicke befestigt sind. Alternativ können die Verdampfungs leitungen innerhalb der jeweiligen Wasserkammern zentralisiert und durch geeignete Abstandsglieder in ihrer Lage gehalten werden, wobei ein einzelnes Verdampfungsrohr für jede Wasserkammer ausreichend wäre, das heißt insgesaint sechs anstatt zwölf. Die Wasserkammern können auch als blasgeformte Kunststoffbehälter ausgebildet sein, die ihre eigenen Wandteile zur Bildung der Luftdurchgänge vorsehen, oder sie können als flexible Kunststoffbeutel ausgebildet sein, die durch getrennte Wandteile gestützt werden. Verstei fende Abstanzglieder können innerhalb jeder Wasserkammer vorgesehen sein, um ein Zusammendrücken der eine noch leere Wasserkammer bildenden Wandteile zu verhindern, wenn die benachbarte Wasserkammer mit Wasser gefüllt wird.
Der Umfang der vorerwähnten Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Klimagerät mit Kältespeicher zum Kühlen eines inneren Luftraums mit

(a) einem kastenförmigen thermisch isolierten Gehäuse (10) von schmaler seitlicher Breite in bezug zu seiner Höhe und seiner Länge,

(b) mehreren thermisch leitenden Wandteilen (50) mit geringem gegenseitigen Abstand, die Wasserkammern (51) und Luftdurchgänge (52) im Gehäuse bilden,

(c) wobei die Wasserkammern (51) geeignet sind, Wasser in Wärmeübertragungskontakt mit den anschließenden Wandteilen 50) zu enthalten,

(d) Verdampferleitungsmitteln (67), die geeignet sind für einen Wärmeübertragungskontakt mit Wasser in den anschließenden Wasserkammern (51),

(e) Zirkulationsmitteln zum Bewegen von Luft durch die Durchgänge (52) aus dem und in den inneren Luftraum, und

(f) Kompressor-Kondensator-Kühlmitteln (30) von begrenzter Kühlkapazität, die einen Wärmeabfluß direkt in den inneren Luftraum ermöglichen und geeignet sind, ein Kühlmittel durch die Leitungsmittel (67) zu zirkulieren,

(g) wodurch Wasser in den Kammern (51) während ausgedehnter Ladezyklen gefroren und während kurzer Kühlzyklen geschmolzen werden kann, um den inneren Luftraum zu kühlen, gekennzeichnet durch

(h) eine vertikale seitliche Trennwand (20), die das Gehäuse in obere Einlaßund Auslaßverteiler (21,22) teilt, vertikale seitliche Ablenkplatten (55), die sich von der Trennwand (20) nach unten erstrecken und jeden Luftdurchgang (52) in einen Abwärtsströmungsabschnitt (56) vom Einlaßverteiler (21) und einen Aufwärtsströmungsabschnitt (57) zum Auslaßverteiler (22) teilen, die durch einen unteren Querströmungsabschnitt (58) in Längsrichtung verbunden sind.

2. Klimagerät nach Anspruch 1, bei welchem Einlaß- und Auslaßöffnungen (23,24) im Gehäuse (10) vorgesehen sind, welche die jeweiligen oberen Einlaß- (21) und Auslaßverteiler (22) mit dem inneren Luftraum verbinden.

3. Klimagerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Wandteile (50) vertikal und in engem gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet sind und einander abwechselnde Wasserkammern (51) und Luftdurchgänge (52) bilden.

4. Klimagerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Leitbleche (59) im Querströmungsabschnitt (58) vorgesehen sind zum Lenken der Luftströmung.

5. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem Abstandsmittel (61) in jedem der Luftdurchgänge (52) enthalten sind zum Stützen der Wandteile 50), während sie eine Luftströmung ermöglichen.

6. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches thermostatisch betätigte Schaltmittel (70,71) enthält, die zum automatischen Betrieb der Kühlmittel (30) geeignet sind, wenn Wasser in den Kammern (51) vollständig geschmolzen ist, und den Betrieb der Kühlmittel (30) beenden, wenn Wasser in den Kammern (51) vollständig gefroren ist.

7. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Verdampferleitungsmittel (67) in einer Reihe von geschlossenen Schleifen innerhalb der verbundenen Wandteile (50) angeordnet sind.

8. Klimagerät nach Anspruch 7, bei welchem die Wandteile (50) eine geschichtete Form haben, wobei die Leitungsmittel (67) zwischen Schichten hiervon gebildet sind.

9. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Zirkulationsmittel ein Gebläse (26) sind.

10. Klimagerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend mit jeder Wasserkammer (51) verbundene Füllkappenmittel, die ermöglichen, daß die Wasserkammern (51) selektiv mit Wasser gefüllt oder von Wasser geleert werden, so daß das Gerät tragbar ist und mit leeren Wasserkammern (51) transportiert werden kann.