[0001] Die Erfindung betrifft Sorptions-Kühlelemente für zylindrische Gefäße mit einer gasdichten
Mehrschichtfolie zur Kühlung von Gefäßen bei welchen durch Verdampfung eines Arbeitsmittels
und Sorption des Arbeitsmittel-dampfes in einem Sorptionsmittel unter Vakuum Kälte
erzeugt wird und Verfahren zur Herstellung und zum Starten dieser Kühlelemente.
[0002] Adsorptionsvorrichtungen sind Apparate, in denen ein festes Adsorptionsmittel ein
zweites, bei tieferen Temperaturen siedendes Mittel, das dampfförmige Arbeitsmittel,
unter Wärmefreisetzung sorbiert (Sorptionsphase). Das Arbeitsmittel verdampft dabei
in einem Verdampfer unter Wärmeaufnahme.
[0003] Adsorptionsapparate zum Kühlen mit festen Sorptionsmitteln sind aus der
EP 0 368 111 und der
DE-OS 34 25 419 bekannt. Sorptionsmittelbehälter, gefüllt mit Sorptionsmitteln, saugen dabei Arbeitsmitteldampf,
welcher in einem Verdampfer entsteht, ab und sorbieren ihn unter Wärmefreisetzung.
Diese Sorptionswärme muss dabei aus dem Sorptionsmittel abgeführt werden. Die Kühlapparate
können zum Kühlen und Warmhalten von Lebensmitteln in thermisch isolierten Boxen eingesetzt
werden.
[0004] Die
WO 01/10738 A1 beschreibt eine selbstkühlende Getränkedose bei der ein Verdampfer innerhalb und
ein Sorber außerhalb der Dose angeordnet sind. Die Kühlung wird durch Öffnen eines
Dampfkanals zwischen Verdampfer und Sorber gestartet. Die im Verdampfer erzeugte Kälte
wird über dessen Oberflächen an das zu kühlende Getränk innerhalb der Dose abgegeben.
Die im Sorptionsmittel entstehende Wärme wird in einem Wärmepuffer gespeichert. Die
selbstkühlende Getränkedose ist gegenüber einer gewöhnlichen Dose stark modifiziert
und in der Herstellung teuer.
[0005] Ähnliche Lösungsvorschläge sind z.B. in der
EP 01902261, der
US 5,197,302 oder der
WO 2007/006065 offenbart. Allen gemeinsam ist die Verwendung von Dampfventilen und der Einsatz von
Wärmesenken, um den Temperaturanstieg des Sorptionsmittels gering zu halten. Bei erhöhter
Temperatur sinkt nämlich die Fähigkeit der Sorptionsmittel erheblich, weiteres Arbeitsmittel
anzulagern. Um den Einsatz von relativ teurem und ebenso voluminösem Sorptionsmittel
gering zu halten, sind Materialien wie PCM (Phase Change Material) unumgänglich.
[0006] Das Massenverhältnis zwischen Sorptionsmittel und PCM liegt bei 1:1,5; d.h. auf eine
Masse von 100 g aktivem Sorptionsmittel sind 150 g PCM zuzumischen. Die Gesamtmasse
beträgt somit 250 g. Hinzu kommen noch Gehäusebauteile, ein Ventil und das Arbeitsmittel.
Im Falle von Zeolith und Wasser kann diese Gesamtmasse von mindestens 250 g lediglich
ca. 15 g Wasser adsorbieren. Die maximal damit erzeugbare Kältemenge beläuft sich
auf 37 KJ. Selbst wenn diese Kältemenge verlustfrei auf ein Getränk übertragen werden
würde, kann damit eine Dose mit 330 ml Inhalt um maximal 27 K abgekühlt werden. Bei
allen bekannten technischen Lösungen erreicht folglich das zusätzlich Volumen und
das zusätzliche Gewicht nahezu die des zu kühlenden Getränkes. Die Kosten für die
Kühlung übersteigen somit leicht die Kosten für das Getränk.
[0007] Die
US 6 474 100 B1 beschreibt schließlich ein selbstkühlendes Kühlelement an der Außenseite eines Beutels
für Flüssigkeiten oder Schüttgüter. Das Sorptionsmittel ist dabei in einer flexiblen,
mehrlagigen Folie eingeschlossen. Der Kontakt zur heißen Sorptionsfüllung ist durch
Isolations- und Strömungsmaterialien sowie durch dazwischen liegende Wärmespeichermassen
auf ein Minimum reduziert. Der Temperaturausgleich zwischen der heißen Sorberfüllung
und dem kalten Verdampfer, die sich großflächig gegenüberliegen, muss durch eine aufwändige
Isolierung reduziert werden.
[0008] Die
EP 08008007 beschreibt schließlich Kühlelemente zur Abkühlung einer Glasflasche von 25°C auf
10°C innerhalb einer Zeitspanne von 20 Minuten. Das Arbeitsmittel ist dabei in zwei
separaten Teilmengen eingebracht. Eine Kühlung ist damit zweimal möglich. Die Glasflasche
ist von dem Kühlelement abtrennbar.
[0009] Aufgabe der Erfindung sind kostengünstige Sorptions-Kühlelemente sowie Verfahren
zu deren Herstellung und zum Kühlen.
[0010] Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Die
abhängigen Ansprüche zeigen weitere erfinderische Vorrichtungen und Verfahren auf.
[0011] Das erfindungsgemäße Kühlelement verwendet keine Wärmespeichermaterialien. Die freiwerdende
Adsorptionswärme wird vielmehr in einer mindestens vierfach überhöhten Sorptionsmittelmenge
gepuffert. Damit wird zwar der vierfache Kosten- und Volumenbedarf an Sorptionsmaterial
notwendig, andererseits können die Kühlelemente aber nicht nur einmal sondern mindestens
viermal nacheinander kühlen, sofern zwischendurch eine Wärmeabgabe an die Umgebung
erfolgte. Mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem können vier Getränkedosen gekühlt
werden. Um vier Getränke mit dem Stand der Technik zu kühlen, sind vier separate Kühlsysteme
notwendig. Die Erfindung spart somit die gesamte, zusätzliche Wärmespeichermasse,
drei Verdampferstrukturen, drei Ventile sowie die notwendigen Verbindungs- und Isolationselemente.
Bezogen auf das gekühlte Getränkevolumen bedeutet dies eine deutliche Material- und
Kosteneinsparung. Der Anwender ist zudem frei, die zu kühlende Getränkedose selbst
auszuwählen und zu kühlen. Gefäß und Kühlung bilden bei der Erfindung keine untrennbare
Einheit.
[0012] Da erfindungsgemäß mindestens vier Gefäße gekühlt werden können, ist es notwendig
auch vier Gefäße nacheinander an das Kühlsystem anzudocken und nach dem Kühlvorgang
wieder leicht zu entfernen. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch eine flexible Verdampfergeometrie
und mittels Pressmittel, die den Verdampfer gut wärmeleitend auf die zylindrischen
Außenflächen der Gefäße pressen.
[0013] Erfindungsgemäß sind das Sorptionsmittel, der Verdampfer und die Einspeisevorrichtung
von einer Mehrschichtfolie eingehüllt. Der Verdampfer enthält mindestens ein Vlies
und ein flexibles, dampfdurchlässiges Strukturmaterial. Beide zusammen bilden unter
Vakuum eine möglichst glatte, biegsame Bauform, die passgenau und großflächig an das
zu kühlende Gefäß angepresst werden kann. Das Strukturmaterial verteilt beim Start
der Kühlung das flüssige Arbeitsmittel großflächig im Vlies und lenkt den Arbeitsmitteldampf
in das Sorptionsmittel.
Erfindungsgemäß lässt das Strukturmaterial einen Strömungsquerschnitt offen, der so
bemessen ist, dass das Arbeitsmittel im Vlies während des Kühlprozesses normalerweise
nicht gefrieren kann. Dies ist insbesondere beim Arbeitsmittel Wasser zu beachten.
Eis reduziert erheblich den Wärmeübergang vom Gefäß in den Verdampfer. Ein zu enger
Strömungsquerschnitt begrenzt aber die Kühlleistung. Die Kühldauer wird dann erheblich
länger. Ideal sind somit Verdampfungstemperaturen zwischen 7 und 0°C. Der ideale Strömungsquerschnitt
ist dann gegeben, wenn bei warmen Gefäßfüllungen (über 30°C) die anfä ngliche Verdampfungstemperatur
bei etwa 7°C liegt und dann auf bis zu 0°C abfällt, wenn das Gefäß weiter abgekühlt
ist.
[0014] Durch den Einsatz eines kostengünstig herzustellenden Strukturmaterials kann zum
einen ein flexibler Aufbau des Verdampfers realisiert werden, der sich insbesondere
zylindrischen Geometrien optimal anpassen lässt. Zum anderen kann der notwendige Strömungskanal
vom Verdampfer zum Sorptionsmittel im erforderlichen Querschnitt realisiert werden.
Um eine ausreichend schnelle Abkühlung zu erreichen, muss der Strömungsquerschnitt
mindestens eine Fläche von 1 cm
2 aufweisen. Bei Wasser als Arbeitsmittel kann damit eine Kälteleistung von bis zu
50 Watt erzielt werden.
[0015] Die für die gasdichte Vakuumhülle eingesetzte Mehrschichtfolie umschließt alle für
den Betrieb und die Lagerzeit notwendigen Komponenten. Sie kann einstückig gefertigt
werden und gewährt unter Vakuum den innenliegenden flexiblen Komponenten die notwendige
Biegefreiheit. Mit einer Aluminium-Sperrschicht in der Mehrschichtfolie sind Lagerzeiten
von über zwei Jahren möglich, ohne dass während dieser Zeitspanne eine zu große Gasmenge
durch die Folie diffundiert.
[0016] Zum schnellen Abkühlen von Flüssigkeiten innerhalb der Gefäße wird erfindungsgemäß
die Verdampferfläche des Kühlelementes auf die äußere Oberfläche des Gefäßes gepresst.
Der Verdampfer ist hierfür flexibel ausgeführt und die kalte Verdampferfläche mittels
separater, elastischer Pressmittel flächig auf die äußere Oberfläche des Flüssigkeitsbehälters
gepresst, um einen großen Teil der mitunter strukturierten Oberfläche des Behälters
zum Wärmetausch zu nutzen.
Als Pressmittel eignen sich z.B. lösbare Klebebänder, Gummibänder oder Klettverschlüsse
jeglicher Art. Beim Anlegen des Kühlelementes an die Gefäße ist darauf zu achten,
dass der Wärmeübergang nicht durch Spalte und Falten im Folienmaterial unnötig beeinträchtigt
wird.
[0017] Innerhalb des Verdampfers können vorteilhaft flexible Strukturmaterialien aus Kunststoff
eingesetzt werden, die der jeweiligen Kühlaufgabe angepasst sind. Voraussetzung ist
allerdings, dass die Strukturmaterialien während der Lagerzeit nicht ausgasen und
dadurch das Vakuum verschlechtern. Von Vorteil ist, wenn Polycarbonat (PA), Polyethylenterephthalat
(PET) oder Polypropylen (PP) zum Einsatz kommen, da diese Werkstoffe vor bzw. während
des Fertigungsprozesses auf höhere Temperaturen erhitzt und dabei entgast wurden.
Strukturmaterialien aus Kunststoff können nach den üblichen Fertigungsverfahren wie
Tiefziehen, Extrudieren, Weben oder Blasen kostengünstig hergestellt werden. Vorteilhafter
Weise ist bei dem Herstellungsprozess darauf Wert zu legen, dass keine später ausgasenden
Stoffe wie etwa Weichmacher oder Farbstoffe zugesetzt werden. Besonders wirksam haben
sich auch extrudierte Netze und Gitter aus Polypropylen erwiesen, die ein- oder mehrlagig
eingesetzt, zum einen die notwendige Flexibilität gegenüber einer Verformung und zum
anderen die Steifigkeit gegenüber dem von außen über die Mehrschichtfolie anliegenden
Luftdruck gewähren. Besonders geeignete Strukturmaterialien aus Polypropylen werden
von der Firma Tenax Deutschland vertrieben. Das Produkt OS 102 ist ein rautenförmiges
Gitter, das ideale Geometrien für den in Gitterebene strömenden Arbeitsmitteldampf
offen lässt und die von außen anliegende Mehrschicht-Folie abstützt. Ein- oder mehrlagige
Schichten aus diesem Gitter lassen sich als Strukturmaterial besonders vorteilhaft
einsetzen. Um sehr glatte Wärmetauscheroberflächen und ausreichend große Strömungsquerschnitte
sicher zu stellen, kann es vorteilhaft sein zwischen Vlies und Strukturmaterial zusätzlich
ein feinstrukturiertes, festes Gewebe bzw. Gewirk aus Polyester einzulegen. Damit
können gegebenenfalls glattere Oberflächen gegenüber dem Gefäß erreicht werden. Auf
der dem Vlies abgewandten Seite kann ebenfalls eine stabilisierende Deckplatte eingelegt
sein, um zu weite Trägerabstände des Strukturmaterials gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck
zu überbrücken. Vorteilhaft haben sich für die Deckplatte PP-Folien mit einer Stärke
von ca. 0,5 mm erwiesen. Generell sollte aber das Strukturmaterial aus einem Stück
bestehen und alle Stützfunktionen selbsttragend erfüllen.
[0018] Als Gefäße werden alle gebräuchlichen Gebinde wie Flaschen, Dosen, Fässer, Beutel,
Kannen usw. verstanden, die zur Aufnahme von Flüssigkeiten wie Getränken, Medikamenten
aber auch chemischen Produkten dienen. Selbstverständlich kann das Gefäß auch feste
oder rieselfähige Produkte enthalten. Grundsätzlich muss es gegenüber seiner gewohnten
Form und Ausstattung nicht verändert werden. Somit können auch alle bisher üblichen
Herstellungsverfahren, Abfüllvorrichtungen und Vertriebswege für die Gefäße unverändert
beibehalten werden.
[0019] Erfindungsgemäß wird der Verdampfer samt innenliegendem Strukturmaterial und Vlies
um den zylindrischen Außenmantel der Gefäße gepresst. Da der Innenradius der alles
umhüllenden Mehrschichtfolie damit kleiner als der Außenradius ist, ist besonders
darauf zu achten, dass der daraus resultierende Unterschied zwischen Außen- und Innenumfang
von der Foliengeometrie aufgenommen wird. Um entlang des kürzeren Innenumfangs Falten
zu vermeiden, wird der Folienzuschnitt entlang des Gefäßmantels segmentweise breiter
ausgeführt als dies geometrisch nötig wäre. Das überstehende Folienmaterial kann dann
die Längenunterschiede durch Faltenschlag in diesem Bereich ausgleichen. Die für den
Wärmeübergang relevanten Kontaktflächen bleiben faltenfrei. Diese Ausgleichsflächen
zur Aufnahme der Längenunterschiede können im Laufe des Fertigungsprozesses in weniger
störende oder nicht sichtbare Bereiche umgeknickt werden.
[0020] Sorptionsmittel können beim Sorptionsprozess Temperaturen von über 100°C erreichen.
Für derartig hohe Temperaturen si nd die üblicherweise auf dem Verpackungssektor eingesetzten
Mehrschichtfolien weniger geeignet. Insbesondere die für die Versiegelung häufig eingesetzten
Polyethylen-Schichten werden bereits bei 80°C weich und lassen die Hülle unter Vakuum
undicht werden. Siegelschichten aus Polypropylen können hingegen deutlich höheren
Temperaturen widerstehen. Ihr Schmelzpunkt liegt bei über 150°C. Bei höheren Temperaturen
kön nen scharfe Kanten am Sorptionsmittel und Strukturmaterial leicht zu unzulässigen
Leckagen führen. Dieser Gefahr kann erfindungsgemäß durch Polyamid- und/oder Polyesterschichen
innerhalb der Mehrschichtfolie begegnet werden. Polyester- und Polyamidfolien sind
besonders reiß- und stichfest. Die eigentliche Gasbarriere wird durch eine Lage dünner
Metallfolien oder metallisierter Schichten sicher gestellt. Bewährt haben sich hierfür
dünne Aluminiumfolien mit einer Schichtdicke ab 7µm. Weniger dicht sind metallisierte
Kunststofffolien. Dennoch ist bei kurzen Lagerzeiträumen auch der Einsatz dieser metallisierten
Folien möglich, zumal sie gegenüber den Metallfolien preiswerter sind.
Die einzelnen Schichten einer Mehrschichtfolie sind durch Kleber miteinander verbunden.
Handelsübliche Kleber enthalten Lösungsmittel, die beim Verkleben nicht restlos aus
der Kleberschicht entfernt werden. Über längere Zeiträume hinweg diffundieren diese
Lösungsmittel dann durch die innenliegenden Schichten, insbesondere die Polypropylenschicht,
und beeinträchtigen das Vakuum innerhalb des Kühlelementes. Die Diffusion wird bei
höheren Temperaturen, wie sie beim Sorptions-und Herstellungsprozess der Kühlelemente
auftreten, verstärkt. Die zum Einsatz kommenden Kleber müssen deshalb ebenfalls für
hohe Temperaturen und Vakuum ausgelegt sein.
Erfindungsgemäß kommen Mehrschichtfolien mit Polyester- oder Polyamidschichtdicken
von 12 bis 50 µm, einer Aluminiumschichtdicke von mindestens 7 µm und einer Polypropylenschichtdicke
von 50 bis 100 µm zum Einsatz. Verwendung finden derartige Folien z. B. beim Verpackung
von Lebensmitteln, die nach dem Abpacken zur Haltbarmachung bei Temperaturen von ca.
120°C sterilisiert werden.
Noch stabilere Mehrschichtfolien erhält man, wenn eine weitere ca. 15 µm dicke Polyester-
oder Polyamidschicht zwischen der Aluminium-und der Polypropylenschicht verklebt ist.
Scharfe oder spitze Sorptionsmittelteilchen können dann nicht bis zur Gasbarriere,
der Aluminiumschicht vordringen.
[0021] Beim Abfüllen von festem Sorptionsmittel in Beuteln entsteht Staub, der sich an den
Folieninnenseiten ablagert. Staub auf den späteren Schweißstellen kann zu Leckagen
führen, wenn die Staubschicht gegenüber der Polypropylenschicht zu dick ist. Polypropylenschichtdicken
von 50 bis 100 µm reichen aus, um feine Staubkörnchen in die Polypropylenschicht sicher
und vakuumdicht einzuschmelzen.
[0022] Bei Verwendung erfindungsgemäßer Folien ist es möglich, heißes, scharfkantiges und
Staub freisetzendes Sorptionsmittel ohne weitere, schützende Zwischenlagen direkt
unter Vakuum zu Umhüllen und über einen mehrjährigen Zeitraum zu lagern, ohne dass
aus dem Folienmaterial selbst oder durch dieses hindurch Fremdgase in das Kühlelement
gelangen, welche die Sorptionsreaktion beeinträchtigen oder gar ganz unterbinden.
Die Siegelnähte sollten deshalb eine Breite von mindestens 5 noch besser aber 10 mm
aufweisen.
[0023] Erfindungsgemäße Mehrschichtfolien sind z. B. über die Firmen Cellpack, Schweiz oder
Pawag, Österreich zu beziehen. Beim Einsatz derartiger Folien sind Kühlelemente mit
einer Leckrate von weniger als 1x10 hoch-7 mbarl/sec möglich. Die Lagerfähigkeit erreicht
damit mehrere Jahre, ohne dass die Kühlwirkung eingeschränkt wird.
[0024] Das Verschweißen von Mehrschichtfolien zu Beuteln und das Abfüllen von Schüttgut
sowie das anschließende Evakuieren sind in der Lebensmittelbranche Stand der Technik.
Unzählige Beutelgrößen und -formen sind hierfür im Einsatz. Besonders hervorgehoben
seien Standbeutel, Beutel mit Ausgießöffnungen, Beutel mit Kartonagenverstärkung,
Aufreißbeutel, Beutel mit Peeleffekt zum leichteren Öffnen und Beutel mit Ventilen.
Sie alle können mit Ihren spezifischen Eigenschaften für die erfindungsgemäßen Kühlelemente
von Vorteil sein.
Bewährt haben sich allerdings Beutelgeometrien ohne Abzweigungen oder Folienüberlappungen.
Insbesondere einfache Schlauchgeometrien sind fertigungstechnisch zu bevorzugen. Erfindungsgemäß
wird bei der Fertigung von einem schlauchförmigen Folienbeutel ausgegangen, dessen
Längsseiten strukturiert sein können, um die Ausgleichsflächen für Falten oder die
Aufnahme des Sorptionsmittels zu erlauben. Im mittleren Bereich des Folienschlauches
ist Platz für den Verdampfer vorgesehen, während in den beiden gegenüberliegenden
Schlauchenden das Sorptionsmaterial und die Einspeisevorrichtung untergebracht sind.
[0025] Als Sorptionsmittel kommt vorteilhaft Zeolith zum Einsatz. Dieser kann in seiner
regelmäßigen Kristallstruktur bis zu 36 Massenprozent Wasser reversibel sorbieren.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung beträgt die technisch realisierbare Wasseraufnahme
zwischen 16 und 20 Massenprozent, da das Sorptionsmittel nicht absolut trocken eingefüllt
wird. In der Praxis ist von einem Feuchtegehalt von über 3 Massenprozent vor dem ersten
Kühlschritt auszugehen. Während eines Kühlprozesses steht das Sorptionsmittel mit
Wasserdampf von ca. 7 mbar (Verdampfertemperatur ca. 1 °C) im Kontakt. Zeolithe adsorbier
en unter Wärmefreisetzung Wasserdampf bis zum thermodynamischen Gleichgewicht. Das
Gleichgewicht ist dann erreicht, wenn die maximale Zeolithtemperatur unter dem herrschenden
Dampfdruck erreicht ist. Beim ersten Kühlschritt erhitzen sich handelsübliche Zeolithe
ohne Wärmeentnahme und unter 7 mbar Wasserdampfdruck auf maximal 125 °C. Die maxim
al adsorbierbare Wasserdampfmenge beträgt dann 4 Massen-%. Zusammen mit der Anfangsbeladung
ergibt dies eine Zwischenbeladung von ca. 7 Massenprozent. Nach einer anschließenden
Abkühlphase kann die nächste Adsorptionsphase gestartet werden. Auch diesmal steigt
die Temperatur an, aber nur noch auf ca. 98°C. Die adsorbierte Wa sserdampfmenge beträgt
aber wiederum ca. 4 Massenprozent. Obwohl beim zweiten Kühlschritt weniger Adsorptionswärme
im Sorptionsmittel gepuffert werden konnte (Erwärmung nur auf 98 °C und nicht auf
125°C), sind ebenfalls ca. 4 Massenprozent Wasserdampf adsorbiert werden. Die Erklärung
liegt darin, dass zum einen bei stärkerer Vorbeladungen, die Adsorptionswärme geringer
ist und zum anderen darin, dass auch die größere Wasserbeladung selbst mehr Pufferwärme
aufnehmen kann.
Beim dritten Kühlprozess sind die Abläufe ähnlich. Auch hier werden ca. 4 Massenprozent
Wasser neu aufgenommen, obwohl die Temperatur der Zeolithfüllung nur noch auf ca.
79 °C ansteigt. Die Ursache der ähnlich großen Wasseraufnahme ist auch hier auf die
nochmals größere Wasservorbeladung und die nochmals geringere Adsorptionswärme zurückzuführen.
Auch beim vierten Kühlprozess werden wiederum bis zu 4 Massenprozent Wasserdampf adsorbiert,
obwohl die Temperaturerhöhung bei 60 °C zum Erliegen kommt. Allen Messdaten lag jeweils
eine Sorptionsmittelanfangstemperatur von 25 °C zu Grund e.
[0026] Theoretisch wäre auch noch eine weitere, allerdings geringere Wasseraufnahme möglich.
Praktisch ist jedoch damit ein ausreichendes Kühlergebnis nur nach längerer Wartezeit
erreichbar, wenn zusätzliche Adsorptionswärme über die Behälterwände aus dem Kühlelement
abgeführt werden kann.
[0027] Erfindungsgemäß wird demzufolge die minimal eingesetzte Sorptionsmittelmenge nach
der geforderten Kühlmenge eines einzelnen Kühlschrittes ausgelegt. Für die schnelle
Kühlung einer 250 ml Getränkedose mit einem erfindungsgemäßen Kühlelement sei dies
im folgenden beispielhaft dargestellt:
Der Doseninhalt (250 ml) soll von 30°C auf 5°C in e twa 12 Minuten gekühlt werden.
Für eine Temperaturabsenkung um 25 K sind, zusammen mit Verlusten an die Umgebung,
Abkühlen von Gefäß- und Verdampfermassen und inneren Irreversibilitäten (inhomogene
Wässerverteilung, mitgerissene Wassertropfen usw.) 32 kJ an Verdampfungskälte bereitzustellen.
Erreicht wird diese Kältemenge durch die Verdampfung von 13 g Wasser. Bei einer maximalen
Wasseraufnahme von 4 Massenprozent sind demzufolge ca. 325g Zeolith bereitzustellen.
Mit dieser Zeolithmenge sind auch die weiteren drei Kühlvorgänge möglich, sofern zwischendurch
genügend Zeit für die Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt.
Aus den Ergebnissen folgt auch, dass jede beliebige Zahl von Abkühlungen oberhalb
von vier durch eine geringe Erhöhung der Zeolithmenge realisiert werden kann. Erhöht
man die Zeolithmenge beispielsweise um ein Viertel von 325g also um ca. 81 g auf insgesamt
406g so können bereits 5 Getränkedosen mit einem einzelnen Kühlelement gekühlt werden.
Für 8 Getränkedosen wäre folglich eine Zeolithmenge von 8 x 81g = 648g vorzusehen.
Leicht nachzuvollziehen ist auch, dass bei dieser Zeolithmenge jeweils 2 Getränkedosen
sofort nacheinander ohne zwischenzeitliche Wärmeabgabe an die Umgebung gekühlt werden
können. Nach dem Kühlen der jeweils zweiten Dose ist eine Zwischenkühlung abzuwarten.
Selbstverständlich ist bei dieser 8-fachen Zeolithmenge auch die gleichzeitige Kühlung
von zwei Gefäßen möglich. In diesem Fall wären jedoch zwei Verdampferübertragungsflächen
nötig.
[0028] Um nur den Gewichts-Vorteil gegenüber dem Stand der Technik noch mal hervorzuheben
sei die Zeolithmasse für 8 Gefäße von 648g auf acht konventionelle, selbstkühlende
Getränkedosen aufgeteilt. Die dann zusätzlich notwendige Wärmepuffermasse summiert
sich alleine auf nahezu 1kg.
[0029] Für den Fachmann ist erkennbar, dass für das Sorptionsmittel Zeolith und das Arbeitsmittel
Wasser für alle Kühlaufgaben von derselben Relation ausgegangen werden kann: Zeolith
kann ohne zusätzliche Wärmepufferung maximal 4 Massen-% aufnehmen. Nacheinander (mit
Zwischenkühlung) sind mindestens vier Kühlungen möglich, zusammen also folglich mindestens
16 Massen-% Wasserdampfadsorption realisierbar. Abhängig von der zu kühlenden Gebindegröße
(= Getränkevolumen) und abhängig von der gewünschten Temperaturabsenkung errechnet
sich die notwendige zu verdampfende Wassermenge. Diese Wassermenge kann dann maximal
4 % der Zeolithmenge betragen. Somit ist die mindestens notwendige Zeolithmenge leicht
zu berechnen. Für mindestens vier Kühlungen ist dann automatisch immer ausreichend
Sorptionsmittel vorhanden.
[0030] Zeolith ist ein kristallines Mineral, das aus einer regelmäßigen Gerüststruktur aus
Silizium- und Aluminiumoxiden besteht. Diese Gerüststruktur enthält Hohlräume, in
welchen Wassermoleküle unter Wärmefreisetzung sorbiert werden können. Innerhalb der
Gerüststruktur sind die Wassermoleküle starken Feldkräften ausgesetzt, deren Stärke
(und damit die Adsorptionswärme) von der bereits in der Gerüststruktur enthaltenen
Wassermenge und der Temperatur des Zeolithen abhängt. Von den synthetischen Zeolithtypen
kommen vor allem die Typen A, X und Y, jeweils in ihrer preisgünstigen Na-Form zum
Einsatz.
[0031] Bei allen Zeolithtypen besteht die Gefahr, dass sie je nach Syntheseverfahren und
Ausgangsmaterialien Beimengungen enthalten, die im Vakuum und insbesondere bei höheren
Temperaturen gasförmige Bestandteile abgeben, die den Kühlprozess beeinflussen. Gelöst
wird das Problem der Gasfreisetzung dadurch, dass Zeolithe bei der Fertigung des Kühlelementes
mindestens auf die spätere Sorptionsmitteltemperatur aufgeheizt und zugleich unter
das dann herrschende Vakuum gesetzt werden. Bei dieser Prozedur können Zeolithe erfindungsgemäß
ihre störenden Bestandteile abgeben. Besonders effizient ist diese thermische Behandlung,
wenn dabei zugleich das vorsorbierte Wasser abgedampft werden kann. Um diese Behandlung
innerhalb der Mehrschichtfolie durchführen zu können, werden erfindungsgemäß die gasdichten
Mehrschichtfolien mit einer inneren Polypropylenschicht und mindestens einer Polyesterschicht
eingesetzt.
[0032] Neben der Kombination Zeolith/Wasser sind auch andere feste Sorptionsstoffpaarungen
für den Einsatz in erfindungsgemäßen Kühlelementen möglich. Besonders erwähnt seien
Bentonite und Salze, die ebenfalls mit dem Arbeitsmittel Wasser geeignete Kombinationen
darstellen. Auch Aktivkohle kann in Kombination mit Alkoholen eine vorteilhafte Lösung
bieten. Da auch diese Stoffpaarungen im Vakuum arbeiten, können auch sie in erfindungsgemäßen
Mehrschichtfolien eingeschweißt werden.
[0033] Erfindungsgemäß ist die Sorptionsmittelmenge so anzuordnen, dass für den einströmenden
Wasserdampf nur ein minimaler Druckabfall innerhalb des Sorptionsmittels überwunden
werden muss. Dabei sollte der Druckabfall insbesondere bei Wasser als Arbeitsmittel
weniger als 5 mbar betragen. Zudem muss das Sorptionsmittel dem zuströmenden Arbeitsmitteldampf
ausreichend Oberfläche zur Anlagerung bieten. Um eine gleichmäßige Sorption innerhalb
des Sorptionsmittels und einen geringen Druckabfall zu gewährleisten, haben sich besonders
Sorptionsmittel-Granulate bewährt. Granulatdurchmesser zwischen 3 und 10 mm zeigen
dabei die besten Resultate. Diese sind problemlos in Mehrschichtfolien abzupacken.
Nach dem Evakuieren bilden sie einen harten, druck- und formstabilen Sorptionsbehälter,
der die beim Evakuieren vorgegebene Form beibehält. Vorteilhaft sind aber auch aus
Zeolithpulver vorgeformte, stabile Zeolithblöcke, in welche die Strömungskanäle eingearbeitet
sind und deren Formgebung der gewünschten Kühlelement-Geometrie angepasst ist. Die
stabilen Zeolithblöcke können im Bereich der späteren Dampföffnung Hohlräume aufweisen,
um die Strömung durch den Dampfkanal nicht zu behindern.
[0034] Bei direktem Kontakt des Sorptionsmittels mit der Mehrschichtfolie wird die Adsorptionswärme
durch die Folie hindurch nach außen abgeführt. In aller Regel wird die Wärme an die
umgebende Luft abgeleitet werden. Sehr effizient ist es auch, den Sorptionsbehälter
mittels Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser zu kühlen. Die Wartezeit vor dem folgenden
Kühlprozess kann damit verkürzt werden.
[0035] Da der Wärmeübergang an eine Luftströmung von der Außenseite der Mehrschicht-Folie
in der gleichen Größenordnung liegt wie der Wärmeübergang eines Sorptionsmittel-Granulates
an die Innenseite der Folie, empfehlen sich prinzipiell große Folienoberflächen ohne
Berippung, in beispielsweise Zylinder-, Platten- oder Rohrgeometrien. Da insbesondere
Zeolithgranulate eine geringe Wärmeleitung haben, sind die Sorptionsbehälter so auszulegen,
dass der durchschnittliche Wärmeleitungsweg innerhalb des Sorptionsmittels 5 cm nicht
übersteigt.
[0036] Um den Wärmefluss vom heißen Sorptionsmittel auf den in unmittelbarer Nähe angeordneten,
kalten Verdampfer zu minimieren, sind entweder Isolationsmaterialien vorzusehen oder
es ist auf eine schlecht Wärme leitende Verbindung zwischen den Komponenten zu achten.
Anzustreben ist auch eine thermische Isolierung des Gefäßes und des umhüllenden Verdampfers.
Wenn das Gefäß und der Verdampfer unisoliert der Umgebungsluft ausgesetzt sind, kann
es zum Auskondensieren von Wasserdampf aus der Luft an den kalten Flächen kommen.
Zum einen kann Feuchtigkeit, die sich zwischen Gefäß und Verdampfer niederschlägt,
den Wärmeübergang verbessern, zum andern geht aber ein beträchtlicher Teil der Kühlkapazität
für diese Kondensation verloren.
[0037] Besonders kostengünstige Kühlelemente sind dann möglich, wenn sich die thermische
Isolierung mit dem Pressmittel kombinieren lässt. Isolationsmaterialien haben oft
eine federnde Rückstellkraft gegenüber Stauchungen. Diese Rückstellkraft lässt sich
erfindungsgemäß als federndes Ausgleichsmedium nutzen, um einseitig anliegende Pressmittelkräfte
gleichmäßiger auf die gesamte Verdampferkontaktfläche zu verteilen.
[0038] Die Einspeisevorrichtung hat die Aufgabe bei jedem Kühlvorgang die in den Verdampfer
einströmende Arbeitsmittelmenge auf maximal ein Viertel der vom Sorptionsmittel bei
T= 50°C und p = 6 m bar maximal aufnehmbaren Arbeitsmittelmenge zu begrenzen.
Erfindungsgemäß kann das Arbeitsmittel mindestens auf vier Einzel-Beutel verteilt
sein, da die Sorptionsmittelmenge mindestens viermal adsorbieren kann, bis die maximale
Beladungsbreite erreicht ist.
[0039] Die Einspeisevorrichtung kann vielfältig ausgeführt sein. Zwei vorteilhafte Bauarten
seien im Folgenden prinzipiell aufgezeigt:
Bei der ersten Bauart ist die jeweils notwendige Arbeitmittelmenge bereits vordosiert,
z.B. in separaten Beuteln. Zum Starten der Kühlwirkung wird eine Arbeitsmittelzuleitung
von einem Arbeitsmittel-Beutel zum Verdampfer geöffnet, z.B. durch Anstechen des Arbeitsmittel-Beutels
und Auspressen des Arbeitsmittels.
In diesem Fall muss nur eine kleine Öffnung in den Arbeitsmittel-Beutel gestochen
werden und eine Zuleitung für das noch flüssige Arbeitsmittel zum Verdampfer-Vlies
vorgesehen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dieser ersten Bauform erhält man, wenn die
Arbeitsmittel-Beutel außerhalb des Verdampferbereichs zwischen die Mehrschicht-Folie
eingelegt sind. Durch äußeren Druck auf die Mehrschicht-Folie im Bereich der Arbeitsmittel-Beutel
platzen diese und das flüssige Arbeitsmittel fließt zum Verdampfer-Vlies. Ein Platzen
durch äußeren Druck kann entweder durch den Einsatz einer Folie mit Peel-Effekt oder
durch das Einlegen eines spitzen Öffners in den Arbeitsmittel-Beutel erfolgen. Der
spitze Öffner kann innerhalb des prall gefüllten Arbeitsmittelbeutels während der
Lagerzeit nicht auf die Folie drücken und diese perforieren. Erst durch Einwirken
einer zusätzlichen äußeren Kraft im Bereich des Öffners, wird das flüssige Arbeitsmittel
verdrängt und der spitze Öffner kann eine kleine Öffnung in die Folie stechen. Werden
die Arbeitsmittel-Beutel aus einer Folie mit Peel-Effekt gefertigt, kann auf separate
Öffner verzichtet werden, da die Siegelnähte wegen des Peel-Effektes durch kräftigen
Druck auf den Beutel leck werden und den Inhalt austreten lassen. Die physikalischen
Bersteigenschaften der Peel-Siegelnaht können den Anforderungen des Arbeitsmittel-Beutels
gezielt angepasst werden. Dabei ist sicher zu stellen, dass der Beutel durch den von
außen anliegenden Atmosphärendruck nicht platzt, bei angemessen erhöhtem Fingerdruck
den Inhalt jedoch in den Verdampfer ausströmen lässt. Den Verbindungskanal zum Verdampfer,
der den jeweilig vorliegenden Geometrien optimal angepasst werden kann, kann ein schmaler
Streifen aus Strömungsgewebe oder flexible Kunststoffschläuche offen halten.
[0040] Bei der zweiten Bauart kann die gesamte Arbeitsmittelmenge in nur einem Vorratsbehälter
innerhalb der Einspeisevorrichtung gelagert werden. Die einzelnen Teilmengen müssen
dann mit anderen, dem Prinzip nach bekannten Dosiertechniken aufgeteilt werden erfolgen.
Besonders günstig kann die Einspeisevorrichtung ausgeführt werden, wenn die darin
enthalten Füll- und Entleerventile durch die ohnehin notwendige Betätigung der Pressmittel
betätigt werden.
[0041] In bevorzugten Ausführungsformen kann der Verdampfer zusammen mit dem Sorptionsmittel
innerhalb einer einzigen, alles umhüllenden Mehrschichtfolie eingelegt sein. Erst
wenn das flüssige Arbeitsmittel aus der Einspeisevorrichtung zum Verdampfer strömt,
kann es von dort verdampfen und dampfförmig weiter zum Sorptionsmittel strömen.
Noch vorteilhafter ist es, wenn nur ein relativ kleiner Strömungsquerschnitt für das
flüssige Arbeitsmittel erforderlich ist. Nachteilig ist hingegen, dass das Arbeitsmittel
den Verdampfer ausreichend schnell homogen benetzen muss, ohne in flüssiger Form in
den Sorber mitgerissen zu werden oder gar beim Austritt aus der Öffnung des Arbeitsmittel-Beutels
zu vereisen und damit den weiteren Zufluss zu blockieren.
[0042] Eine homogene Verteilung des Arbeitsmittels kann erfindungsgemäß durch eine separate,
feinverzweigte Kanalstruktur erzielt werden, die das Arbeitsmittel nach dem Ausströmen
aus der Einspeisevorrichtung homogen verteilt, bevor es durch die Dampfströmung flüssig
mitgerissen werden könnte. Eine kostengünstige Verteilung kann z.B. durch eine Lage
feingelochter Folie erzielt werden, die um die Austrittsöffnung angeordnet ist.
[0043] Eine besonders effiziente und zugleich kostengünstige Lösung erreicht man, wenn das
flüssige Arbeitsmittel durch das Strukturmaterial des Dampfkanals im Verdampfer-Vlies
homogen verteilt wird. Das Arbeitsmittel wird hierzu nach dem Öffnen der Einspeisevorrichtung
durch den von außen auf der Mehrschicht-Folie lastenden Überdruck in das Strukturmaterial
ausgepresst. Hier verdampft ein Teil des Arbeitsmittels und reißt das noch flüssige
Arbeitsmittel mit hoher Geschwindigkeit mit. Bei erfindungsgemäßer Formgebung des
Strukturmaterials wird das flüssige Arbeitsmittel auf dem Weg zum Sorptionsmittel
mehrfach umgelenkt und immer wieder gegen das angrenzende Vliesmaterial geschleudert.
Dieses saugt die flüssigen Komponenten des Arbeitsmittels auf und fixiert dieses gegenüber
dem nachströmenden Arbeitsmitteldampf. Auf diese Weise wird das Verdampfer-Vlies in
kürzester Zeit homogen mit der optimalen Arbeitsmittelmenge benetzt. Der Transport
des flüssigen Arbeitsmittels erfolgt folglich nicht innerhalb des Verdampfer-Vlieses
sondern über den Dampfkanal innerhalb des Strukturmaterials. Vorteilhafterweise wird
der Verdampfer von seinem einen Ende mit dem flüssigen Arbeitsmittel geflutet während
der reine Arbeitsmitteldampf am anderen, weit entfernten Ende aus dem Verdampfer abströmt.
Der Verdampfer muss aber nicht zwangsläufig aufrecht stehen. Erfindungsgemäß kann
auch der Zulauf des flüssigen Arbeitsmittels von oben erfolgen während der Arbeitsmitteldampf
von unten abströmt. Die Menge des Verdampfer-Vlieses ist auf das Volumen des flüssigen
Arbeitsmittels abzustimmen. Am Ende des Dosiervorgangs sollte die Fläche des Verdampfer-Vlieses,
die in Kontakt zum zu kühlenden Gefäß steht, die notwendige Arbeitsmittelmenge aufgenommen
und gleichmäßig verteilen können. Das bedeutet aber nicht, dass das Vlies selbst homogen
verteilt sein muss. Insbesondere kann es im Bereich der Dosiervorrichtung dünner ausgeführt
sein. Über diesen Bereich fließt zwangsgeführt die gesamte Arbeitsmittelmenge. Damit
werden auch das Strukturmaterial, das Gewirk sowie sonstige Einbauten befeuchtet.
Um eine gleichmäßige Kälteerzeugung sicherzustellen, kann das Vlies an diesen Bereichen
ausgedünnt sein. Folgerichtig kann das Vlies aber auch an anderen Stellen dicker ausgelegt
sein. Insbesondere dort, wo das Gefäß durch interne, thermische Umschichtung mehr
Wärme abgeben kann, erhöht diese Maßnahme die Abkühlgeschwindigkeit.
[0044] Das Arbeitsmittel wird im Vlies durch Kapillarkräfte oder hygroskopische Effekte
verteilt und fixiert. Besonders preisgünstige Vliesmaterialien enthalten saugfähige
Papiere, wie sie in großer Vielfalt für Haushalt und Industrie zum Aufsaugen von Flüssigkeiten
eingesetzt werden. Besonders saugfähige Vliese bestehen aus Polypropylen-Mikrofasern.
Mit speziellen Benetzungsmittel ausgestattet, können sie ein mehrfaches des Eigengewichts
an Wasser aufsaugen und fixieren.
[0045] Das Herstellverfahren für erfindungsgemäße Kühlelemente kann folgendermaßen ablaufen.
In einen vorgesiegelten Schlauch aus Mehrschichtfolie werden alle Verdampfer-Bauteile
inklusive der Einspeisevorrichtung an definierten Positionen eingelegt. Noch vor dem
Evakuieren wird der Verdampferbereich der Geometrie des zu kühlenden Gefäßes nachgeformt.
Danach wird heißes Sorptionsmittel eingefüllt und das Kühlelement entweder in der
Vakuumkammer oder aber bei Atmosphärendruck mittels eines Absaugadapters evakuiert
und anschließend versiegelt.
[0046] Das Versiegeln der Mehrschichtfolie erfolgt in aller Regel durch Anpressen heißer
Schweißbalken auf die äußere Folienoberflächen bis die innen aufeinanderliegenden
Polypropylenschichten flüssig werden und miteinander verschmelzen. Bewährt haben sich
neben thermischen Kontaktverfahren auch Schweißverfahren mittels Ultraschall. Vorteilhaft
hat die Siegelnaht eine Breite von mindestens 5 mm noch besser aber von 10 mm. Je
breiter die Siegelnaht ist, desto geringer ist die Leckrate und folglich umso länger
die Lagerzeit des Kühlelementes.
[0047] Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1, Einzelteile eines Kühlelementes in Explosionsdarstellung,
Fig. 2, ein vorgeformtes Kühlelement beim Befüllen mit Zeolith.
Fig. 3, ein fertiges Kühlelement ohne Pressmittel und ohne thermische Isolierung,
Fig. 4, eine thermische Isolierung mit einem Pressmittel,
Fig. 5, ein Kühlelement zusammen mit Isolierung und Pressmittel in geschnittener Darstellung,
Fig. 6, weitere Einspeisevorrichtung mit Dosierkammer und Ventilen,
Fig. 7, betätigte Ventile einer Einspeisevorrichtung nach Fig. 6.
[0048] In Fig. 1 sind die wesentlichen Vakuum-Bauteile eines Kühlelements dargestellt. Das
Kühlelement wird von einem Folienschlauch aus zwei Mehrschichtfolien 1, 2 umhüllt.
Die beiden Mehrschichtfolien 1, 2 können bereits vor dem Versiegeln gemäß Zeichnung
zugeschnitten sein. Im Bereich des Verdampfers 3 werden eine Deckplatte 4, ein Strukturmaterial
5 zum Freihalten des Dampfströmungskanals und ein Gewirk 6 aus PET-Fasern zum Glätten
eines Vlieses 7 eingelegt. Die beiden Mehrschichtfolien 1, 2 kommen mit jeweils ihrer
PP-Siegelschicht aufeinander zu liegen. Mittels nicht gezeichneter, heißer Siegelwerkzeuge
werden sie entlang der beiden strukturierten Seitennähte 14 versiegelt. Entlang der
Seitennähte 14 sind vier Ausgleichsflächen 13 ausgebildet, die beim Verformen des
Verdampfers 3 entstehende Falten aufnehmen können. Die beiden schmalen Seiten der
Mehrschichtfolien 1, 2 bleiben zunächst unversiegelt. In die rechte Seiten-Öffnung
werden acht Wasserbeutel 8 zusammen mit einem Strömungskanal 9 eingeführt. Die Wasserbeutel
8 sind aus einer Peel-Folie gefertigt und prall mit dem Arbeitsmittel Wasser gefüllt.
Durch manuellen Druck auf die Wasserbeutel 8 kann eine der vier Siegelnähte bersten
und der Wasserinhalt wegen des von außen anliegenden Atmosphärendrucks ausgepresst
werden. Über den Strömungskanal 9 wird der Wasserinhalt zum Gewirk 6 weitergeleitet
und im Bereich des Verdampfers 3 vom Vlies 7 homogen verteilt.
Durch die linke Seiten-Öffnung kann nach dem Verformen des Verdampfers 3 die heiße
Zeolithfüllung 10 eingefüllt werden.
[0049] Fig. 2 zeigt die schlaufenartige Verformung des Verdampfers 3 über einem zylindrischen
Formwerkzeuges 12, das den Durchmessers der später zu kühlenden Gefäße aufweist. Da
der Verdampfer 3 vor dem Verformen bereits die nicht sichtbaren Bauteile (Deckplatte
4, Strukturmaterial 5, Gewirk 6 und Vlies 7) enthält, ist der Radius der außenliegenden
Mehrschichtfolie 2 um ca. 3 mm größer als der Radius der innenliegenden Mehrschichtfolie
1. Da die Mehrschichtfolien 1, 2 nicht dehnbar sind, führt die aufgezwungene Verformung
zwangsweise zu Falten im Bereich des Innenradiuses. Um den damit einhergehenden schlechteren
Wärmeübergang zu verhindern, werden die Falten in den Bereich der vier Ausgleichsflächen
13 verschoben. Die Kontaktflächen zu den Gefäßen bleiben somit vollkommen faltenfrei.
Mittels nicht gezeichnete Haltewerkzeuge wird das Kühlelement 20 in der gezeichneten
Form und Lage fixiert. Über die vordere Seiten-Öffnung wurden die acht Wasserbeutel
samt Strömungskanal 9 so eingelegt, dass das Strömungsgewebe 9 bündig an das Gewirk
6 andockt. Über die hintere Seiten-Öffnung werden sodann 750g, 180°C heißes Zeolithmaterial
vom Typ 13X über einen Trichter 15 eingefüllt. Die hintere Seiten-Öffnung wird sodann
ebenfalls versiegelt, während die vordere Seiten-Öffnung noch offen bleibt.
Das heiße Zeolithmaterial wird sodann innerhalb der Mehrschichtfolien mittels heißer,
von außen angepresster Formwerkzeuge (nicht dargestellt) in die gewünschte Geometrie
geformt und fixiert.
Im sofort anschließenden Herstellungsschritt wird das gesamte Kühlelement 20 samt
oben beschriebener Form- und Haltewerkzeuge in eine Vakuumkammer verbracht und mehrere
Minuten auf einen Druck unterhalb von 6 mbar (abs.) evakuiert. Noch in der Vakuumkammer
wird sodann die letzte noch offene Seiten-Öffnung hinter den Wasserbeuteln 8 versiegelt.
[0050] Nach der Entnahme aus der Vakuumkammer werden die vier Ausgleichsflächen 13 im Bereich
des Verdampferrandes nach außen umgelegt. Das fertige, evakuierte Kühlelement 20 hat
nunmehr eine Form gemäß Fig. 3. Der Verdampfer 3 ist nach Entnahme des Formwerkzeuges
12 zu einem flexiblen, seitlich offenen, zylindrischen Mantel geformt. An beiden Stirnseiten
ist der Verdampfer 3 offen und kann die zu kühlenden Gefäße bequem aufnehmen. Die
Falten befinden sich in den umgekanteten Ausgleichsflächen 13 entlang der Zylinderaußenform.
Das heiße Zeolithmaterial 10 (nicht sichtbar) ist zu einem platzsparenden Zeolith-Block
19 geformt und steht mit dem Verdampfer 13 über die gesamte Breite des Verdampfers
3 strömungstechnisch in Verbindung. Die acht Wasserbeutel 8 bilden zusammen mit den
Strömungskanal 9 das Dosierelement. Es ist in dem nach oben abstehenden Schlauchende
leicht zugänglich untergebracht.
[0051] Um eine optimale Kühlwirkung zu erreichen, muss das Kühlelement 20 mittels Pressmittel
gut an die Mantelfläche der zu kühlenden Gefäße gepresst werden. Fig. 4 zeigt ein
passendes Pressmittel 27 in Verbindung mit einer thermischen Isolierung 26.
An eine siegelbare Folie 21 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten Laschen 22 angesiegelt,
in welche zwei Stäbe 23 eingefädelt werden können. Die beiden parallel angeordneten
Stäbe 23 sind an einem Ende mittels eines Drahtes 24 im Abstand von wenigen Millimetern
verbunden. Die thermische Isolierung 26 besteht aus einer zunächst planen, ca. 7 mm
starken Platte aus Styropor, die auf die flache Folie 21 aufgeklebt wird. Rollt man
diese Anordnung sodann über einen Formzylinder entsteht das in Fig. 4 dargestellte
Pressmittel 27 samt thermischer Isolierung 26.
Über einen Hebelmechanismus 33 kann die Isolierung 26 mittels der Stäbe 23 auf den
Verdampfer 3 gepresst werden. Nach dem Lösen des Hebelmechanismus 33 kann nach dem
Kühlen das Gefäß wieder leicht entnommen werden. Der untere Stab 23 ist in eine Bohrung
einer Scheibe 31 gepresst, während der obere Stab 23 in einem sichelförmig gebogenen
Schlitz 32 geführt wird. Im Bild ist die Scheibe 31 waagrecht positioniert, so dass
die beiden Stäbe 23 eng aneinander gepresst werden. Wird die Scheibe 31 um den unteren
Stab 23 in eine senkrechte Position gedreht (Pfeilrichtung A) läuft der obere Stab
23 innerhalb des Schlitzes 32 in Pfeilrichtung B nach oben. Die Presskraft auf den
Verdampfer 3 ist in dieser Position gelöst. Die zu kühlenden Gefäße können in dieser
Stellung leicht eingeschoben und entnommen werden. Zum Aktivieren der Presskraft muss
lediglich die Scheibe 31 nach links zurückgeschwenkt werden.
[0052] Fig. 5 zeigt ein mit Pressmitteln 27 komplettiertes Kühlelement 20 in geschnittener
Darstellung. Das zu kühlende Gefäß 30, eine handelsübliche Getränkedose, liegt auf
der Seite, die Gasblase 35 des Getränks befindet sich oben. Der Verdampfer 3 wird
von der Isolierung 26, die von der Folie 21 umgeben ist, mittels der beiden Stäbe
23 großflächig auf den Mantel der Gefäßes 30 gepresst. Die Stäbe 23 pressen dabei
zangenförmig zugleich auf die Dampfableitung zum Zeolith-Block 19 und die Zulaufleitung
von den Wasserbeuteln 8. Wasserbeutel 8, Strömungskanal 9, Zeolithmaterial 10 und
alle innenliegenden Verdampfer-Einzelkomponenten sind von den Mehrschichtfolien 1,
2 umschlossen. Da die Wasserbeutel 8 mit Abstand eingelegt sind, besteht die Möglichkeit,
die gesamte Einspeisevorrichtung (40) platzsparend zu falten und in den Raum zwischen
Pressmittel 27 und Zeolith-Block 19 einzulagern. Zum Auslösen der Kühlfunktion kann
die Einspeisevorrichtung 40 ausgeklappt werden.
Um den Wasserdampf ohne großen Druckabfall in das Zeolithmaterial 10 (nur zum Teil
gezeichnet) einzuleiten und auch innerhalb diesem optimal zu verteilen, sind das Strukturmaterial
5 und die Deckplatte 4 so lang geschnitten, dass sie bis weit in das Zeolithmaterial
10 reichen. Das Gewirk 6 und das Vlies 7 sind jedoch so kurz geschnitten, dass das
flüssige Wasser nicht in den Verbindungskanal fließen kann. Am anderen Ende des Verdampfers
3 ragt das Gewirk 6 etwas über die Verdampferfläche hinaus in Richtung Wasserbeutel
8. Damit erreicht man eine gleichmäßigere Verteilung des aus den Wasserbeuteln 8 über
das Strömungsgewebe 9 einströmenden Wasserinhalts.
[0053] Zum Kühlen des Gefäßes 30 wird dieses zunächst in den entspannten Verdampfer 3 geschoben
und mit dem Pressmittel 27 auf den Verdampfer 3 gepresst. Durch äußeren Druck auf
einen der Wasserbeutel 8 öffnet sich eine Siegelnaht und der äußere Atmosphärendruck
presst den Beutelinhalt durch den Strömungskanal 9 in den Verdampfer 3. Das trockene
Vlies 7 verteilt das flüssige Wasser homogen. Wegen des niedrigen Systemdrucks verdämpft
das Wasser im Vlies 7 und kühlt durch die Mehrschichtfolie das Gefäß 30.
[0054] Fig. 6 zeigt eine alternative Einspeisevorrichtung 40 an der Einmündung in den Verdampfer
3. In der Zeichnung sind die obere Mehrschichtfolie 2, der Stab 23 und die Folie eines
Foliensacks 41 durchsichtig dargestellt. Anstelle einzelner Wasserbeutel ist bei dieser
Ausgestaltung ein großer Foliensack 41 mit der gesamten Wassermenge gefüllt. Innerhalb
des Foliensacks 41 ist ein druckstabiles Dosiervolumen 42 für eine Einzeldosiermenge
von 14 ml untergebracht. Das Dosiervolumen 42 hat einen Zugang 43 innerhalb des Foliensacks
41 und einen Auslauf 44 außerhalb des Foliensacks 41. Der Zugang 43 ist mit einem
flexiblen, dickwandigen Silikonschlauch 48 versehen, der innerhalb des Foliensacks
41 mündet und offen steht, sofern er nicht von zusätzlichen, äußeren Kräften gequetscht
wird. Wasser aus dem Foliensack 41 wird somit immer dann wenn der Zugang 43 offen
ist, durch den anstehenden Atmosphärendruck aus dem Foliensack 41 in das Dosiervolumen
42 gedrückt. An den Auslauf 44 ist eine Tülle 45 angeformt, die mit der Folie des
Foliensackes 42 gasdicht versiegelt ist. Am äußeren Ende der Tülle 45 ist auf einen
Rohrstutzen 49 ebenfalls ein Silikonschlauch 46 aufgeschoben, dessen zweites Ende
allerdings, anders als beim Zugang 43, mit einem dichtschließenden, zylindrischen
Stopfen 47 verschlossen ist. Die Einspeisevorrichtung 40 ist somit ein separates Einzelteil,
das getrennt abgefüllt und zwischengelagert werden kann. Im Auslegungsfall sind für
eine Zeolithfüllung von 750g mindestens 112g Wasser im Foliensack 41 gasfrei eingefüllt.
Die beiden Silikonschläuche 46, 48 sind so an das Gewirk 6 des Verdampfers 3 angelegt,
dass die Stäbe 23 des Pressmittels 27 quer auf den Enden der Silikonschläuche 46,
48 zu liegen kommen. Wie aus Fig. 7 ersichtlich (Schnittbild entlang der Stäbe 23),
quetschen die beiden Stäbe 23 im gepressten Zustand auf die beiden Enden der Silikonschläuche
46, 48. Der Silikonschlauch 48 wird davon geschlossen, der Silikonschlauch 46 öffnet
durch äußeren Druck zwei kleine Spalte 50 zwischen dem Stopfen 47 und der Innenwand
des Silikonschlauches 46. Durch die Spalte 50 kann die Wasserfüllung geschoben vom
eigenen Dampfdruck aus dem Dosiervolumen 42 in das Gewirk 6 auslaufen. Erst wenn die
Stäbe 23 wieder gelöst werden (Pfeilrichtung C), verschwindet die zusätzliche Presskraft
auf die Silikonschläuche 46, 48. Der Auslauf 44 schließt sich zuerst und der Zugang
43 öffnet erst kurz danach. Somit wird das Dosiervolumen 42 wieder automatisch gefüllt,
ohne Wasser in den Verdampfer 3 abströmen zu lassen. Sobald die Stäbe 23 wieder verpresst
werden, steht die dosierte Wassermenge für die nächste Kühlung erneut zur Verfügung.
[0055] Fig. 8 zeigt schließlich die Abkühlkurve einer 250 ml Getränkedose mit einer Anfangstemperatur
von 31°C (dicke Kurve 1).
Zum Startzeitpunkt (Minute 2) wird ein Wasserbeutel mit 14 ml Inhalt ausgepresst.
Innerhalb weniger Sekunden fällt die erste Temperatur im Verdampfer (Kurve 2) auf
ca. 7°C. Sobald das in de n Verdampfer einlaufende Wasser auch die zweite Messstelle
(Kurve 3) erreicht hat, fällt auch deren Temperatur. Im Zeolithmaterial sind drei
Messstellen aufgenommen. Auch hier ist eine zeitliche Verzögerung ersichtlich. Zunächst
wird Messstelle 5 vom einströmenden Wasserdampf erreicht, nach 3 Minuten Messstelle
4 und erst gegen Ende der Kühlzeit wird auch das am weitesten entfernte Zeolithmaterial
warm (Kurve 6). Der sehr flache Anstieg dieser Messstelle zeigt dem Fachmann, dass
in diesem Kühlelement mehr als die minimal notwendige Zeolithmenge für 4 Gefäße eingefüllt
ist. Bei exakt bemessener, minimaler Menge würde auch diese Messstelle sehr heiß werden.
Nach etwa 12 Minuten ist die Getränkedose von 31°C auf unter 7°C abgekühlt. Der späte
Anst ieg der beiden Verdampfertemperaturen (Kurve 2 und 3) zeigt, dass der Wasservorrat
an diesen Stellen verbraucht ist. Die gekühlte Getränkedose kann dann nach dem Lösen
der Pressmittel entnommen werden und durch eine warme Dose ersetzt werden.
1. Kühlelement (20) zur Kühlung eines Gefäßes (30) mit einer Füllmenge an Sorptionsmittel
(10), das unter Vakuum ein dampfförmiges Arbeitsmittel sorbieren kann, das von einer
flüssigen Arbeitsmittelmenge in einem Verdampfer (3) abdampft und mit einer Einspeisevorrichtung
(40), die bei Beginn eines jeden Kühlvorgangs eine portionierte Arbeitsmittelmenge
in den Verdampfer einströmen lässt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspeisevorrichtung (40) bei jedem Kühlvorgang die in den Verdampfer (3) einströmende
Arbeitsmittelmenge auf maximal ein Viertel der vom Sorptionsmittel (10) bei T= 50°C
und p = 6 mbar maximal aufnehmbaren Arbeitsmittelmenge begrenzen lässt und die im
Kühlelement (20) vorhandene Arbeitsmittelmenge mindestens vier aufeinanderfolgende
Kühlvorgänge ermöglicht und dass
der Verdampfer (3) zur Wärmeaufnahme aus andockbaren Gefäßen (30) mit einer flexiblen
Wärmetauscherfläche ausgestattet ist, die mittels lösbarer Pressmittel (27) auf die
nacheinander angedockten Gefäße (30) gepresst werden kann.
2. Kühlelement (20) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bei der jeweils adsorbierten Arbeitsmittelportion im Sorptionsmittel (10) frei
werdende Adsorptionswärme überwiegend als sensible Wärme (Temperaturerhöhung) im Sorptionsmittel
(10) gepuffert wird.
3. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vakuumdichte Hülle des Kühlelementes (20) überwiegend aus Mehrschichtfolie (1,
2) besteht und dass der Verdampfer (3) flexibel ist, um mittels. Pressmittel (27)
gut wärmeleitend auf die Gefäße (30) gedrückt werden zu können.
4. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der Mehrschichtfolie (1, 2) im Bereich des Verdampfers (3) Ausgleichsflächen (13)
vorgesehen sind, die Längenunterschiede beim Verformen durch Faltenbildung ausgleichen
können.
5. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sorptionsmittel (10) synthetischen und/oder natürlichen Zeolith und dass das Arbeitsmittel
Wasser enthält.
6. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens der Verdampfer (3) und/oder auch das Gefäß (30) mit einer flexiblen Isolation
(26) umgeben ist und dass
die flexible Isolation (26) mindestens einen Teil der vom Pressmittel (27) ausgehenden
Presskräfte auf den Verdampfer (3) überträgt.
7. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmittel in mindestens vier separaten Wasserbeuteln (8) verteilt ist, die
durch manuellem Druck das Arbeitsmittel zur Verdampfung in den Verdampfer (3) freigeben.
8. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspeisevorrichtung (40) ein Dosiervolumen (42) enthält, aus dem durch Öffnen
eines Auslaufs (44) die dosierte Arbeitsmittelmenge in den Verdampfer (3) austritt
und
einen Zugang (43) enthält, über welchen Arbeitsmittel aus einem Foliensack (41) in
das Dosiervolumen (42) einfließen kann und
dass der Zugang (43) und der Auslauf (44) nicht gleichzeitig geöffnet werden können.
9. Kühlelement (20) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Auslauf (44) und/oder der Zugang (43) durch von außen auf die Mehrschichtfolie
(1, 2) ausgeübte Kräfte geöffnet bzw. geschlossen werden können.
10. Kühlelement (20) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Auslauf (44) mit dem Anlegen des Pressmittels (27) geöffnet werden kann.
11. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrschichtfolie (1, 2) zu einem Folien-Schlauch versiegelt ist, der im mittleren
Bereich den Verdampfer (3) und an einem Schlauchende die Einspeisevorrichtung (40)
und im anderen Schlauchende das Sorptionsmittel (10) enthält.
12. Kühlelement (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (3) ein Vlies (7) zur flächigen Verteilung des flüssigen Arbeitsmittels
und ein Strukturmaterial (5) zur Weiterleitung des aus dem Vlies (7) verdampfenden
Arbeitsmittel-Dampfes zum Sorptionsmittel (10) enthält und dass
der durch das Strukturmaterial (6) aufgespannte Strömungsquerschnitt klein genug ist,
um ein Vereisen des Arbeitsmittels im Vlies (7) zu verhindern.
13. Kühlelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pressmittel (27) auf die flexible Isolierung (26) einwirkt und dadurch den Verdampfer
(3) breitflächig auf das Gefäß (30) presst.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kühlelementes (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens 150°C heißes Sorptionsmittel (10) in das Kühlelement (20) eingefüllt wird
und
dass das fertig geformte Kühlelement (20) so lange auf einen Absolutdruck von weniger
als 6 mbar evakuiert wird bis aus dem Sorptionsmittel (10) abdampfendes Arbeitsmittel
Restgase verdrängt und nur noch Arbeitsmitteldampf im Innenvolumen des Kühlelements
(20) enthalten ist.