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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung mit einem Wärmetauscher, dem ein Wärmetransportfluid zugeführt ist, wobei mittels des Wärmetauschers dem Wärmetauscherfluid Wärme entzogen oder diesem zugeführt wird und diese zunächst teilweise in einen Wärmeübertrager eingeleitet wird bzw. aus diesem abgeleitet und wobei der Wärmeüberträgen im wärmeleitenden Kontakt mit einem Wärmespeicher steht.
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Aus dem Stand der Technik sind Schaltschrankkühlgeräte bekannt, die an einem Schaltschrankgehäuse angebaut sind. Innerhalb des Schaltschrankgehäuses sind elektronische Einbauten gehalten, die während ihres Betriebes Verlustwärme erzeugen. Diese Verlustwärme soll mittels der Kühlanordnung aus dem Bereich des Schaltschranks in den umgebenden Raum hinausgefördert werden um gleichbleibend ideale Betriebsbedingungen für die Elektronik zu erhalten. Die Schaltschrankkühlgeräte sind in der Regel nach dem Verdampferprinzip aufgebaut und weisen mithin einen Verdampfer und einen Verflüssiger auf. Durch diese Komponenten wird mittels eines Kompressors ein Kältemittel gepumpt. Im Innenkreislauf der Kühlanordnung ist der Verdampfer im Außenkreislauf der Verflüssiger angeordnet. Dementsprechend wird die im Schaltschrankinnenraum gehaltene Luft durch den Innenkreislauf gefördert. Der Außenkreislauf steht mit der Umgebung in Verbindung. Üblicherweise werden Schaltschrankkühlgeräte nach der maximalen Verlustleistung ausgelegt. Während des Betriebs des Schaltschrankes treten unterschiedliche Auslastungen auf. Beispielsweise werden während des Tag- und des Nachtbetriebes unterschiedliche Verlustleistungen entstehen. Auch ist abhängig von der Auslastung der an einen Schaltschrank angeschlossenen Maschinenkomponenten eine variierende Auslastung zu erwarten. Hinzu kommen Schwankungen der Umgebungstemperaturen. Aufgrund der Auslegung nach der maximalen Verlustleistung schaltet das Schaltschrankkühlgerät in den Phasen in denen eine niedrige Verlustwärme erzeugt wird häufig ein und aus, wodurch die Lebensdauer des Kühlgerätes beeinträchtigt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, mit der ein energieeffizienter und effektiver Kühlbetrieb möglich wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Wärmeüberträger mit einem im Wärmespeicher gehaltenen PCM-Material (Phase Change Material) in wärmeleitendem Kontakt steht. Das PCM-Material hat die Eigenschaft, dass es bei einer bestimmten Temperatur einen Aggregationszustand hat. Dann kann bei gleichbleibender Temperatur eine hohe Wärmeleistung in das PCM-Material eingebracht werden, bevor dieses in einen anderen Aggregatzustand wechselt. Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung kann dann, wenn die erzeugte Verlustleistung der Elektronik im Schaltschrankinnenraum gering ist, das Kühlgerät weiter in Volllastbetrieb arbeiten und dabei den PCM-Speicher mit Kälteleistung versorgen; mithin also diesen aufladen. Anschließend steht das PCM-Material mit seiner Kühlleistung zur Verfügung, um den Schaltschrankinnenraum zu kühlen. Dabei kann beispielsweise die Kühlung bei ausgeschaltetem Kühlkreislauf erfolgen, mithin die Kühlung also allein aus dem PCM-Material erfolgen. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Kühlgerät derart ausgelegt ist, dass es in seiner Leistung von der Kühlleistung des PCM-Speichers unterstützt wird, sodass diese beiden Kälteerzeuger gemeinsam die erforderliche Kälteleistung in dem zu kühlenden Raum bereitstellen. Auf diese Weise kann ein effektiver und energiesparender Betrieb der Kühlanordnung erreicht werden. Die Einschaltzyklen der eingesetzten Kühlgeräte werden zu Gunsten einer verlängerten Lebensdauer reduziert. Bei idealer Geräteauslegung konnte überraschenderweise eine Energie einsparung von 30–40% nachgewiesen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Erfindungsvariante kann es vorgesehen sein, dass als PCM-Material im Wärmespeicher ein Paraffin oder eine Materialmischung enthaltend Paraffin oder ein Hydratwasser (Sold Hydrate) verwendet ist. Dabei sollte dieses Material einen Phasenwechsel bezüglich der einzelnen Aggregatzustände von fest nach flüssig im Bereich zwischen 0 und 50°C, vorzugsweise zwischen 10 und 40°C ermöglichen. Damit wird ein Phasenwechsel bei üblichen Umgebungstemperaturen möglich.
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Eine erweiterte Funktionalität der Kühlanordnung ergibt sich dadurch, dass der Wärmeübertrager mit dem Wärmetauscher über eine Zuleitung in Kontakt steht, dass dem Wärmeüberträger über die Zuleitung ein Tauscherfluid zugeleitet ist und dass das Tauscherfluid im Anschluss an den Wärmeüberträger einem thermischen Verbraucher zugeleitet ist. Der thermische Verbraucher kann das im Anschluss an den Wärmeüberträger erwärmte Tauscherfluid spezifisch für seine Funktionalität nutzen.
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Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich für die Kühlanordnung dann, wenn vorgesehen ist, dass der Wärmeüberträger ein Leitungsbereich ist oder einen solchen aufweist, der durch das PCM-Material geführt ist und mit diesem in wärmeübertragendem Kontakt steht, und dass durch den Leitungsbereich das vom Wärmetauscher kommende Tauscherfluid geleitet ist. Im einfachsten Fall kann eine Leitungsschlange durch das PCM-Material geführt sein. Diese leitet dann im Leitungsbereich Wasser als Tauscherfluid.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann es vorgesehen sein, dass der Wärmeüberträger zumindest eine Heatpipe aufweist, die mit dem PCM-Material des Wärmespeichers in wärmeleitendem Kontakt steht. Über die Heatpipe kann ein effektiver Wärmeübertrag zwischen einem Tauscherfluid und dem PCM-Material erfolgen. Dabei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Heatpipe mit ihrem Verflüssigerbereich mit dem PCM-Material in Verbindung steht und/oder dass wenigstens eine Heatpipe vorgesehen ist, die mit ihrem Verdampferbereich im Kontakt mit dem PCM-Material steht. Bei einem Kontakt der Heatpipe im Bereich Ihres Kondensationsbereiches mit dem PCM-Material kann Wärmeenergie in das PCM-Material eingetragen werden, mithin also über diese Heatpipe Kälteleistung aus dem PCM-Speicher abgerufen werden. Bei Verwendung einer Heatpipe, die mit ihrem Verdampferbereich in Kontakt mit dem PCM-Material steht, wird dem PCM-Speicher Wärme entzogen, dieser mit Kälteleistung geladen. Bei Verwendung der beiden Heatpipearten kann wechselweise der PCM-Speicher geladen und auch wieder entladen werden. Alternativ lassen sich auch bidirektionale Heatpipes einsetzen. Diese Heatpipes, arbeiten aufgrund ihres speziellen Innenaufbaus lageunabhängig und dienen sowohl zum Laden, als auch Entladen des PCM-Materiales. Solche Heatpipes verfügen über eine kapillarartige Innenstruktur.
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Eine denkbare Erfindungsalternative ist dergestalt, dass der Wärmetauscher der Verdampfer eines Kühlgerätes ist, wobei der Verdampfer im Innenkreislauf des Kühlgerätes angeordnet ist, der räumlich getrennt von einem Außenkreislauf ist, in dem ein Kondensator angeordnet ist, wobei dem vom Verdampfer kommenden Luftstrom Wärmeleistung aus dem Wärmespeicher zugeleitet wird oder das dem vom Verdampfer kommenden Luftstrom Wärmeleistung entzogen und in den Wärmespeicher eingeleitet wird.
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Besonders bevorzugt ist die Kühlanordnung ein Schaltschrank-Kühlgerät. Hier lassen sich besonders hohe Energieeinsparungen erreichen. Alternativ kann die Kühlanordnung auch ein Freikühler sein, der zur Kühlung von Rechenzentren, Fabrikhallen, Bürogebäuden oder dergleichen eingesetzt wird. Die aktive Kühlung wird dabei nur dann benötigt, wenn die Außentemperaturen höher sind, als die geforderten Innentemperaturen im Raum. Die tiefen Nachttemperaturen werden dann genutzt um den PCM-Speicher aufzuladen. Im Tagbetrieb steht dann die Kühlleistung, insbesondere im Sommer zur Raumkühlung zur Verfügung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 In perspektivischer Seitenansicht und im Schnitt ein Schaltschrank mit einer angebauten Kühlanordnung,
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2 In schematischer Darstellung einen Freiluftkühler mit Heatpipes und
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3 eine alternative Ausgestaltung eines Freiluftkühlers
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1 zeigt ein Kühlgerät 10, dass an einen Schaltschrank 40 angebaut ist. Das Kühlgerät 10 weist einen Innenkreislauf auf innerhalb dem ein Ventilator 16, ein Verdampfer 17, ein Wärmeüberträger 20 und ein Wärmespeicher 21 angeordnet sind. Der Innenkreislauf weist einen Lufteinlass 18 und einen Luftauslass 19 auf. Über den Lufteinlass 18 wird Luft aus dem Innenraum des Schaltschrankes 40 in den Bereich des Innenkreislaufes gefördert. Dabei wird diese Luft mittels des Ventilators 16 angesaugt, über den Verdampfer 17 geleitet und daran abgekühlt. Das Kühlgerät 10 weist weiterhin zur Ergänzung des Kältekreislaufes einen Außenkreis auf. In diesem Außenkreis sind ein Verflüssiger 12, ein Ventilator 13 und ein Kompressor 11 angeordnet. Der Kompressor 11 fördert Kühlmittel durch den Verflüssiger 12 und den Verdampfer 17. Der Ventilator 13 des Außenkreislaufes saugt Luft aus der Umgebung kommend über einen Einlass 14 ein und fördert diesen über den Verflüssiger 12. An dem Verflüssiger 12 erwärmt sich die Luft und wird dann über den Auslass 15 wieder in die Umgebung abgegeben.
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Nachdem die Luft des Innenkreislaufes den Verdampfer 17 passiert hat, wurde sie deutlich abgekühlt. Sie wird dann über den Wärmeüberträgen 20 geleitet. Der Wärmeüberträger 20 weist mehrere bidirektionale Heatpipes 22 auf. Die Heatpipes 22 stehen zum einen mit dem Wärmeüberträger 20 und zum anderen mit einem Wärmespeicher 21 in wärmeleitender Verbindung. In dem Wärmespeicher 21 ist als PCM-Material Paraffin gehalten. Wenn die vom Verdampfer kommende Luft über den Wärmeüberträger 20 geleitet wird, nimmt sie Wärme der Heatpipes 22 auf. Hierdurch erwärmt sich die Luft. Dabei ist die Erwärmung so gesteuert, dass die aus dem Luftauslass 19 austretende Luft noch ein ausreichendes thermisches Niveau aufweist, um den Innenraum des Schaltschrankes 40 zu kühlen. Dadurch dass die Heatpipes 22 Wärme an den Luftstrom abgeben, wird dem Wärmespeicher 21 und damit dem PCM-Material Wärme entzogen. Dieser Wärmeentzug führt dazu, dass der PCM-Speicher geladen wird, wobei im vollständig geladenen Zustand das PCM-Material in fester Form vorliegt. Es sind nun verschiedene Anwendungen des Wärmespeichers 21 möglich. Beispielsweise kann bei ausgeschaltetem Kältekreislauf der Ventilator 16 weiter betrieben werden. Hierdurch wird Luft des Schaltschrankinnenraumes über den Wärmeüberträger 22 geführt. Über die Heatpipes wird Wärmeenergie des Luftstromes in den Wärmespeicher 21 eingetragen und die Luft damit gekühlt. Diese Luft steht dann am Luft-Auslass 19 zur Kühlung des Schaltschrankinnenraumes zur Verfügung.
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Alternativ kann die Auslegung des Kältekreislaufes auch derart gewählt werden, dass bei maximaler im Schaltschrankinnenraum anstehender Verlustleistung die durch den Innenkreis geführte Luft nicht mehr im ausreichenden Maße an dem Verdampfer 17 gekühlt werden kann. Dann unterstützt der Wärmespeicher 21 die Kühlung in dem dem Luftstrom nach dem Verdampfer 17 am Wärmeüberträger 22 zusätzlich Wärme entzogen wird. Mithin kann also die Leistung des Kältekreislaufes reduziert ausgelegt werden, wobei bei Volllastbetrieb des Schaltschrankes der Wärmespeicher 21 unterstützend kühlend wirkt. Im Teillastbetrieb der elektronischen Einbauten im Schaltschrank 40 wird dann keine Unterstützung des Wärmespeichers 21 benötigt. Der Verdampfer 17 schafft alleine die ausreichende Kühlung und lädt zudem den Wärmespeicher 21 auf.
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In 2 ist eine alternative Ausgestaltungsvariante der Erfindung gezeigt. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Freikühler, wie er beispielsweise zur Kühlung vor eines Bürogebäudes Verwendung finden kann. 2 zeigt die Verwendung eines Wärmetauschers 17, dem ein Ventilator 16 zugeordnet ist. Der Ventilator 16 fördert Luft über den Wärmetauscher 17. Der Wärmetauscher 17 ist als Luft-Wasserwärmetauscher ausgelegt. Der Wasserkreislauf weist eine Zuleitung 23 und eine Ableitung 24 auf. Die Zuleitung 23 führt zu einem Wärmeüberträger 20, der über die Heatpipes 22 mit einem Wärmespeicher 21 in Verbindung steht. Die Heatpipes 22 sind als bidirektionale Heatpipes 22 ausgebildet. Die Konzeption des Wärmespeichers 21 und des Wärmeüberträgers 20 mit seinen Heatpipes 22 entspricht der Ausgestaltung gemäß 1, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Im Anschluss an den Wärmeüberträger 20 ist die Zuleitung 23 an einen Verbraucher 30 angeschlossen. Der Wasserkreislauf ist im Anschluss an den Verbraucher 30 über die Ableitung 24 wieder an den Wärmetauscher 17 angeschlossen. Während des Nachtbetriebes des Freiluftkühlers wird die Umgebungsluft mit einer relativ niedrigen Temperatur (beispielsweise 20°C) mittels des Ventilators 16 über den Wärmetauscher 17 gefördert. Dementsprechend wird das im Wasserkreislauf geführte Wasser auf eine entsprechende Temperatur gekühlt. Dieses gekühlte Wasser wird über die Zuleitung 23 dem Wärmeüberträger 20 zugeleitet. Die Heatpipes tauschen Wärme aus dem Wärmespeicher 21 in den Wasserkreislauf ab. Mithin wird also das im Wärmekreislauf geführte Wasser am Wärmeüberträger 20 erwärmt. Im Wärmespeicher 21 kann ein Wärmeentzug erfolgen, bis ein Phasenwechsel des PCM-Materiales stattfindet. Damit wird Kälteleistung im Wärmespeicher 21 gespeichert. Das von dem Wärmeüberträger 20 kommende erwärmte Wasser kann in einem Verbraucher, beispielsweise einer Heizung oder dergleichen genutzt werden. Anschließend wird das Wasser wieder über die Ableitung 24 dem Wärmetauscher zugeführt.
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Im Tagbetrieb, wenn also beispielsweise erhöhte Temperaturen vorliegen, wird die warme Luft, beispielsweise aus dem Innenraum eines Gebäudes über den Wärmetauscher 17 geführt. Die warme Luft erwärmt das im Wasserkreislauf geführte Wasser, sodass warmes Wasser an der Zuleitung 23 ansteht und zum Wärmeüberträger 20 geleitet ist. Mit dem bidirektional arbeitenden Heatpipes 22 wird dann auf umgekehrtem Weg Wärme in den Wärmespeicher 21 eingetragen, wobei sich dieser kontinuierlich erwärmt bis das PCM-Material seinen Phasenwechsel durchführt und auf eine entsprechende Temperatur angehoben wird. Dabei wird dem warmen Wasser, kommend von der Zuleitung 23, Wärme entzogen. Dieses so gekühlte Wasser kann dann zur Kühlung des angeschlossenen Innenraumes, beispielsweise Bürogebäudes genutzt werden.
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3 zeigt eine weiter alternative Ausgestaltungsvariante des Freikühlers nach 2. Dabei entspricht der Aufbau des Freikühlers im Wesentlichen dem gemäß 2. Auf die übereinstimmenden Bezugszeichen und dazugehörigen Ausführungen wird daher zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen. Nachfolgend wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Vorliegend ist wieder ein Wärmespeicher 21 enthaltend ein PCM-Material verendet. Im Gegensatz zu der 2 sind nun keine Heatpipes 22 verwendet, sondern es ist das PCM-Material von einem Leitungsabschnitt 25 der Zuleitung 23 mäanderförmig durchzogen. Dieser Leitungsabschnitt 25 steht in wärmeübertragendem Kontakt mit dem PCM-Material. Damit erfolgt das Laden und Entladen des Wärmespeichers 21 direkt über den Leitungsabschnitt 25.