-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlgerät und betrifft insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
ein solches Gerät
zur Verwendung in Fahrzeugen.
-
Viele
bei der Verteilung von Nahrungsmitteln eingesetzte Fahrzeuge halten
die Kühlung
des Fahrzeugs mittels eutektischer Platten aufrecht. Im wesentlichen
sind dies Metalltanks, die mit einem Eutektikum gefüllt sind,
wobei es sich um ein Gemisch handelt, das bei einer konstanten Temperatur
gefriert oder schmilzt, und im Betrieb wird es normalerweise bei
zwischen etwa –20°C und 0°C betrieben,
um gekühlte
und gefrorene Nahrungsmittel abzudecken. Die Fahrzeuge, welche diese
Platten verwenden, sind oftmals gut isoliert, und die Platten halten
das Innere des Fahrzeugs über
mehrere Stunden auf der geeigneten Temperatur. Nach dieser Zeit
werden die Platten wieder gefroren, indem ein Kältemittel wie beispielsweise
ein Gemisch aus gekühlter
Salzlösung
durch Rohre zirkuliert wird, die Teil der Konstruktion des Tanks
bilden. Das Kältemittel
wird seinerseits wieder von einer zentralen Kühlmaschine gekühlt, die
oftmals in einem Fahrzeugdepot stationiert ist. Dieses Gefrierverfahren
kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen, und da oftmals mechanische
Kühlmaschinen
verwendet werden, kann Lärm ein
signifikantes Problem darstellen.
-
Die
Erfindung sucht diese Probleme zu bewältigen und verbessert die Einfachheit,
Geschwindigkeit und Geräuscharmut
des Aufladens zu schaffen, indem statt der zum Zirkulieren eines
Kältemittels
wie beispielsweise Salzlösung
notwendigen herkömmlichen
mechanischen Kühlgeräte ein flüssiger Kryogen
wie beispielsweise Flüssigstickstoff
eingesetzt wird.
-
Die
DE-A-25 21 757, die ein Kühlgerät nach Anspruch
1 zeigt, beschreibt einen tragbaren Kühlbehälter für Nahrungsmittel, der einen
eutektische Flüssigkeit
benutzt, die in einem Soletank, im Inneren des Behälters gehalten
wird. Kühlschlangen
ragen in den Soletank hinein und sind mit einer Kühlmaschine
verbunden.
-
Die
EP-A-0 687 783 beschreibt einen gekühlten Behälter, der ein Zwangskonvektions-Gefriersystem benutzt,
in welchem ein flüssiger
Kryogen in einen Strömungsweg
eingespritzt wird, durch welchen ein Gebläse kaltes Gas zirkuliert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Kühlgerät vorgesehen
mit: einem Behälter
zur Aufnahme von zu kühlendem Produkt,
einer Quelle von flüssigem
Kryogen, einer Mehrzahl diskreter Kühlelemen te, die innerhalb des Behälters positioniert
und zum Kühlen
eines in dem Behälter
platzierten Produkts betätigbar
sind, wobei die Kühlelemente
ein eutektisches Material enthalten und entlang der Peripherie des
Behälters
angeordnet sind, und Zufuhrmitteln, die mit der Flüssigkryogenquelle
in Verbindung stehen und Mittel zum Bringen des flüssigen Kryogens
in Wärmeaustauschberührung mit
den Kühlelementen
aufweisen, um dadurch die genannten Elemente zum Gebrauch zum Aufrechterhalten
einer gegebenen Kühltemperatur
innerhalb des Behälters
zu kühlen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Zufuhrmittel mit Verteilermitteln zum Verteilen des flüssigen Kryogens
innerhalb des Behälters
in Verbindung stehen, um dadurch die Temperatur der Atmosphäre und etwaigen
Produkts in dieser abzusenken, wobei die Verteilermittel eine Mehrzahl
von Sprühdüsen zum
Sprühen
eines Nebels des flüssigen
Kryogens in das Innere des Behälters
umfassen.
-
Eine
solche Anordnung nutzt die Kühlkapazität sowohl
der Flüssigkeit
als auch des gasförmigen Kryogens
vollständig
aus.
-
Höchst vorzugsweise
weisen die Zufuhrmittel ein Zufuhrrohr auf, das in Wärmeaustauschberührung mit
einen oder mehreren der Kühlelemente steht,
damit kryogene Flüssigkeit
durch das Zufuhrrohr zum Kühlen
der genannten Kühlelemente
auf eine gewünschte
Temperatur hindurchpassieren kann. Jedes Kühlelement kann eine äußerer Hülle aufweisen,
die das eutektische Material enthält, und eine dort hindurchverlaufende
Leitung zum Hindurchleiten des flüssigen Kryogens, wobei die
Leitung aus rostfreiem Stahl gebildet ist.
-
Vorzugsweise
sind die Sprühdüsen zu einem oberen
Teil des Behälters
hin gelegen und lassen Kryogendampf von diesen zu einem Bereich
hin abwärts
absteigen, in welchem Produkt gelagert sein kann.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Anordnung sind die Kühlelemente
von einem Teil des inneren des Behälters durch einen Vorhang getrennt,
und der Vorhang dient zum definieren eines Auslassströmungspfads
für verbrauchten
Kryogendampf, und die Kühlelemente
liegen innerhalb des genannten Auslassströmungspfads und adsorbieren
dadurch eine etwa verbleibende Kühlkapazität aus dem
verbrauchten Kryogendampf.
-
Die
Kühlelemente
können
an den Wänden und/oder
an der Decke des Behälters
montiert sein, und der Vorhang verläuft von einem oberen Teil des Behälterinneren
zum Boden hin, hört
aber kurz vor diesem auf, um einen Spalt zu bilden, durch welchen verbrauchter
Kryogendampf aus dem Behälter
austreten kann.
-
Das
Gerät kann
eine Entlüftung
zum oberen Ende des Behälters
hin haben, durch welche verbrauchter Kryogendampf in die Atmosphäre entlüftet werden
kann. Vorzugsweise weist das Gerät
einen Temperaturfühler
zum Erfassen der Temperatur des flüssigen Kryogens stromab der
Kühlelemente
und Steuermittel auf, die vorzugsweise mit dem Fühler zum Beendigen der Strömung des
flüssigen
Kryogens zu den Kühlelementen
bei Erfassung einer vorgegebenen Temperatur verbunden sind.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beispielshalber und mit
Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben,
in denen zeigt:
-
1 einen
Schnitt durch ein Fahrzeug, in welchem von der vorliegenden Erfindung
Gebrauch gemacht wird,
-
2 eine
schematische Darstellung verschiedener Merkmale der vorliegenden
Erfindung,
-
3 einen
Schnitt durch ein eutektisches Kühlgerät, und
-
die 4a und 4b eine
geschnittene Seitenansicht und eine geschnittene Draufsicht einer alternativen
Anordnung für
die Kühlelemente
in dem Fahrzeug nach 1.
-
1 zeigt
ein Kühlgerät 10 mit
einem Behälter 12,
der beispielsweise auf einem Lastwagenchassis 14 angeordnet
ist. Der Behälter 12 ist
mit einer Wärmeisolation
ausgestattet, wie bei 16 gezeigt, und hat eine Innenwandfläche 18,
auf welcher eine Mehrzahl von Kühlelementen 20 montiert
ist. Jedes dieser Kühlelemente 20 ist
mit einem äußeren Metallmantel 20a ausgebildet,
das eine bestimmte Menge an eutektischem Material 22 umschließt. Das
Eutektikum ist ein Gemisch, das bei einer konstanten Temperatur
gefriert oder schmilzt, die beispielsweise etwa –20°C beträgt, und während eine Anzahl eutektischer
Materialien bekannt sind, sind Flüssigkeiten wie beispielsweise
Salzsole vergleichsweise billig und daher leicht zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung verfügbar. Durch das Zentrum jedes
Kühlelements 20 verläuft ein
Kryogenzufuhrrohr bzw. eine Leitung 24, die, falls notwendig,
mehrfach durch die Salzlösung
geführt
werden kann, bevor sie von dem Kühlelement 20 wegführt. Flüssiger Kryogen,
der vom ersten Kühlelement 20 kommt,
wird dann weiter zu einem weiteren Kühlelement oder weiteren Kühlelementen
geführt,
bevor er zu einem Sprühbalken 26 geleitet
wird, der in einem obersten Bereich des Behälters angeordnet ist. Auf dem
Sprühbalken 26 ist eine
Mehrzahl von Düsen 28 vorgesehen,
und jede bewirkt die Erzeugung eines Nebel- oder Sprühstrahls
aus kryogener Flüssigkeit,
die vom Sprühbalken
abwärts
und in einen Bereich R absteigt, in welchem zu kühlende Produkte gelagert werden
können.
Wie in 1 gezeigt ist, sind die Kühlelemente 20 vorzugsweise
an der Innenwand 18 des Behälters 12 montiert,
da eine solche Position es ermöglicht, daß eine erzeugte
Kühlung
einen Konvektionsstrom erzeugt, der kalte oder abgekühlte Atmosphäre abwärts zum
Bodenbereich des Behälters
hin absteigen läßt, in welchem
naturgemäß zu kühlende Produkte positioniert
sind. Bei der besonderen Anordnung nach 1 sind die
Kühlelemente 20 an
Seitenwänden 30 und
dem Beckenteil 32 positioniert. Eine solche Positionierung
trägt dazu
bei, den Kühleffekt
zu steigern, da gekühlte
Luft einen viel längeren
Weg durch den Behälter
hat, als es möglich
wäre, wenn die
Kühlelementen
im Boden oder näher
zum Boden des Behälters
positioniert werden. Ein Vorhang 34 trennt die Kühlelemente
vom Bereich R und bildet dadurch einen Spalt durch welchen verbrauchter
Kryogendampf aus dem Behälter
entweichen kann. Im Betrieb gelangt verbrauchter Kryogen über die äußeren Flächen der
eutektischen Kühlelemente 20 und teilt
diesen einen weiteren Kühleffekt
mit, bevor er aufwärts
zu einer Entlüftung 36 gelangt,
von wo aus er aus dem Behälter
austritt. Wie gezeigt, hängt
der Vorhang 34 von einem oberen Teil des Behälters 12a abwärts zu dessen
Boden 12b herunter, aber endigt kurz vorher, um einen unteren
Spalt zu schaffen, durch welchen verbrauchter Kryogendampf austreten
kann.
-
Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, und es versteht
sich, daß eine
Quelle flüssigen
Kryogens wie beispielsweise Flüssigstickstoff 40 für die Benutzung
und den Betrieb der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. In
der Praxis kann solche kryogene Flüssigkeit in einem Speicherbehälter 42 gespeichert
werden, der entweder auf dem Fahrzeug selbst vor gesehen oder im
Fahrzeugdepot angeordnet ist. Falls die erstere dieser Anordnungen
Anwendung findet, ist der Behälter
direkt mit einem Steuerventil 44 verbunden, das zur Steuerung
der Strömung
des flüssigen
Kryogens zum Versorgen des Rohrs 24 eingesetzt wird, das
durch die Kühlelemente 20 und
zum Sprühbalken 26 führt.
-
Alternativ,
wenn die letztere dieser beiden Anordnungen gewählt wird, wird eine bei 46 gezeigte Kupplungsvorrichtung 46 zusammen
mit einem flexiblen Zufuhrschlauch 48 eingesetzt, um den
Behälter 42 stromauf
des Ventils 44 mit dem Zufuhrrohr 24 zu verbinden.
Ein Steuergerät,
das bei 50 schematisch dargestellt ist, ist betriebsmäßig mit
Temperaturfühlern 52 und 53 verbunden,
die stromauf bzw. stromab jedes Kühlelements angeordnet sind,
und mit einem Betätigungsorgan 54 des
Steuerventils 44. Im Betrieb dient der Temperaturfühler 53 zur Überwachung
der Temperatur der kryogenen Flüssigkeit beim
Verlassen des letzten Kühlelements
und erzeugt ein Signal zum Steuergerät 50, das die dortige Temperatur
angibt. Das Steuergerät 50 vergleicht diese
Temperatur mit derjenigen der ankommenden Flüssigkeit und beendigt die Flüssigkeitszufuhr,
wenn die Austrittstemperatur am Fühler 53 gleich oder
im wesentlichen gleich der Einlasstemperatur am Fühler 52 ist.
Nach diesem Punkt bringt eine weitere Zufuhr flüssigen Kryogens zum Gefrieren
der eutektischen Platten 20 nur noch wenig Vorteil. Die
Strömung
kann jedoch fortgesetzt werden, wenn es gewünscht wird, das Innere des
Behälters
weiter durch gasförmige Phase
zu kühlen
oder um eine Unterstützung
der Kühlwirkung
während
Perioden zu schaffen, wenn beispielsweise die Behältertür (nicht
dargestellt) geöffnet
ist und gekühlte
Atmosphäre
dadurch entweicht. Es ist natürlich
klar, daß flüssiger Kryogen, der
durch die Kühlelemente
passiert, gegebenenfalls durch die Düsen 28 aus dem Sprühbalken 26 austritt und
das Kühlen
der Atmosphäre
im Inneren des Behälters
bewirkt. Dieser Kühleffekt
unterstützt
die schnelle Schaffung einer gekühlten
Atmosphäre,
die zur Aufnahme von Produkten geeignet ist, die auf Temperaturen
unter Umgebungstemperatur gehalten werden müssen.
-
Das
in 3 gezeigte Kühlelement 20 weist einen
nahtgeschweißten äußeren Mantel
bzw. Kühlkörper 20a aus
rostfreiem Stahl auf, der das eutektische Material 22 enthält, und
die Leitung 24 passiert zweimal durch die Länge des
Elements 20 hindurch und bildet einen 180°C-Bogen 60 innerhalb
des Elements 20. Die Biegung 60 hat absichtlich
einen größeren Durchmesser
als die Distanz zwischen den beiden benachbarten Längenabschnitten 24a, 24b der
Leitung, um so die Auswirkung thermischer Spannungen zu minimieren, die
beim Hindurchleiten der kryogenen Flüssigkeit verursacht werden.
Ebenso ist die Leitung innerhalb des Kühlkörpers 20a durch Stützteile 62 abgestützt, und
die Leitung 24 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt, was
einen vorteilhaften Kompromiss von mechanischen und thermischen (Wärmeübergangs-)eigenschaften
bei den sehr niedrigen Temperaturen darstellt, die auftreten, wenn
der hindurchgeleitete Kryogen Flüssigstickstoff
ist.
-
Die 4a und 4b zeigen
eine alternative Anordnung für
die Kühlelemente
im Fahrzeug nach 1. Zehn Kühlelemente 20 sind
am Dach 32 des Behälters 12 angeordnet,
und eine Zwischendecke und ein Vorhang 34' bilden eine Tropfschale für Kondensation,
die von den Kühlelementen
herabtropft, und einen Luftkanal 64. Gebläseeinheiten 66 dienen
zum Ansaugen wärmerer
Luft aus dem oberen Teil des Behälters 12,
die dann über
die Kühlelemente 20,
abwärts
durch den Kanal 64 und zurück in den Behälter strömt. Eine
solche Anordnung hat den Vorteil, daß die Gebläse 66 nicht durch
Berührung
mit der sehr kalten Luft leiden, die durch Kontakt mit den Kühlelementen 20 gekühlt wird.
Der Anordnung der Kühlelemente 20 bei
der Ausführungsform
nach den 4a und 4b maximiert
vorteilhafterweise den nutzbaren Raum innerhalb des Behälters 12.
Die Kryogensprühmittel
(in den 4a und 4b nicht dargestellt)
sind vorzugsweise nahe der Decke des Behälters angeordnet, beispielsweise
entlang der Verbindung der Zwischendecke 34' und den Seitenwänden des
Behälters.
-
Aus
dem oben stehenden ist klar, daß der Einsatz
von flüssigem
Kryogen zum Gefrieren des Eutektikums die Gefrierzeit beträchtlich
verringert und das Rückführen von
Fahrzeugen sehr viel schneller in den Betrieb ermöglicht,
als dies gegenwärtig
möglich
ist. Zusätzlich
ist es durch das Einsprühen
des verbrauchten Kryogens in das innere des Behälters anstatt dessen Entlüftung in
die Atmosphäre
möglich,
schnell eine zur Aufnahme von zu kühlendem Produkt geeignete Atmosphäre zu schaffen.
Das Produkt kann daher eingeladen werden, während die Kühlelemente immer noch gefroren
werden, wodurch die Wartezeit des Fahrzeugs noch weiter verringert
wird. Ein weiterer und möglicherweise noch
mehr signifikanter Vorteil beruht auf der Tatsache, daß der Prozeß im Vergleich
mit gegenwärtig bekannten
Techniken mit Einsatz geräuschvoller
mechanischer Kühlmaschinen
extrem ruhig ist. Infolgedessen kann ein Betrieb auch in Bereichen
aufrecht erhalten werden, wo übermäßiges Geräusch nicht zulässig ist.
-
Während das
obige Gerät
unter Bezugnahme auf ein Fahrzeug beschrieben worden ist, versteht
es sich, daß der
Behälter
auch Teil beispielsweise einer tragbaren oder feststehenden Einheit
mit etwas kleineren Abmessungen sein kann, der einem Verbraucher
für kurzzeitigen
oder längerfristigen
Gebrauch geliefert wird. Solche Behälter können zur Ergänzung oder
zum Ersatz vorhandener kalter Räume oder
Lager dienen und sind besonders brauchbar, wenn andere Systeme gewartet
werden oder ausgefallen sind.