PASSIVES ZWEIPHASEN-RAUMKÜHLUNGSSYSTEM

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein passives Kühlsystem (1) zum Zweiphasenkühlen eines Raums (100), mit einem geschlossenen passiven Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) für ein darin im Betrieb zirkulierendes zweiphasiges Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b), wobei der Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) wenigstens einen Verdampfer (10) zur Anordnung in dem zu kühlenden Raum (100) und einen wenigstens Kondensator (20) zur Anordnung ausserhalb des zu kühlenden Raums (100) aufweist, die über wenigstens eine Vorlaufleitung (30) und wenigstens eine Rücklaufleitung (40) im Kreislauf (2) miteinander verbunden sind. Zur Einstellung der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids (3, 3a, 3b) im Kühlsystem (1) weist der Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) ferner wenigstens einen Druckanpassungsbehälter (50) in Fluidverbindung mit der wenigstens einen Rücklaufleitung (40) zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid (3a) auf, der derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Wärmeträgerfluid (3a) in dem wenigstens einen Druckanpassungsbehälter (50) unter einem variabel einstellbarem Fluiddruck speicherbar ist.

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein passives Kühlsystem zum Kühlen eines Raums, das einen geschlossenen passiven Zweiphasen-Kühlkreislauf für ein darin im Betrieb zirkulierendes zweiphasiges Wärmeträgerfluid aufweist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Während die Kühlung von Räumen bei vorhandener externer Energieversorgung in der Regel technisch gut beherrschbar ist, kann die Kühlung von Räumen an stromnetzfernen Orten oder die notfallmässige Aufrechterhaltung einer Raumkühlung bei Stromausfall, insbesondere die Kühlung von Räumen mit kritischer Infrastruktur und/oder in einem stark regulierten Umfeld, mitunter herausfordernd sein. Beispiele für Räume mit kritischer Infrastruktur bzw. Räume in einem stark regulierten Umfeld sind etwa Serverräume oder Leit- und E-Technikräume in Nuklearanlagen. Dort ist zwar meist die kritische Infrastruktur an sich durch eine unabhängige Spannungsversorgung gegen Stromausfall geschützt. Die Leistungskapazität unabhängiger Spannungsversorgungen ist jedoch begrenzt und reicht häufig nicht noch zusätzlich für eine aktive Abführung der durch die Infrastruktur induzierten Wärmelast aus. Für diese Anwendungen sind Kühlsysteme mit passiven Kühlkreisläufen von besonderem Interesse. Passive Kühlkreisläufe zeichnen sich dadurch aus, dass der Transport des Wärmeträgerfluids innerhalb des Kreislaufs ausschliesslich durch die herrschenden Temperaturunterschiede zwischen der zugeordneten Wärmequelle und Wärmesenke bewirkt wird, so dass passive Kühlsysteme ohne aktive Mittel zur Strömungsbeeinflussung, wie elektrische Pumpen oder dergleichen, oder nur mit minimal aktiven Mitteln auskommen.

[0003] Zweiphasige Kühlsysteme, bei denen das in einem Kreislauf zwischen einem Verdampfer und einem Kondensator geführte Wärmeträgerfluid (auch Energieträgerfluid oder Kältemittel oder Kühlmittel genannt) einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig und wieder zurück durchläuft, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus DE 10 2014 205 086 B3. Sie ermöglichen im Vergleich zu Einphasen-Kreislaufsystemen hohe Wärmetransportraten bei geringen treibenden Temperaturdifferenzen.

[0004] Die Effektivität von Zweiphasen-Systemen, insbesondere von passiven Zweiphasen-Systemen, hängt entscheidend davon ab, ob das Wärmeträgerfluid hinsichtlich seiner Siedetemperatur in geeigneter Weise auf die Kombination aus Temperatur- und Druckverhältnissen im Kühlkreislauf abgestimmt ist, so dass im Verdampfer und im Kondensator die gewünschten Verdampfungs- und Kondensationsprozesse tatsächlich stattfinden können. Gleichzeitig muss die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids aber auch anwendungsbezogenen Vorgaben genügen, etwa der Vorgabe einer Temperatur, ab der die Kühlung effektiv einsetzen soll. Wärmeträgerfluide, die für eine spezifische Anwendung geeignete Siedetemperaturen aufweisen und gleichzeitig etwaige Anforderungen durch technische Sicherheitsbestimmungen und Umweltauflagen erfüllen, sind jedoch nicht immer verfügbar.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein passives Zweiphasen-Raumkühlungssystem der eingangsgenannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das System bei einfach und kostengünstig gehaltenem Aufbau temperaturmässig an anwendungsbezogene Vorgaben besser anpassbar ist.

[0006] Diese Aufgabe wird durch das passive Kühlsystem gemäss Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlsystems sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

[0007] Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein passives Kühlsystem zum Kühlen eines Raums, insbesondere eines Raums mit elektrisch induzierter Wärmelast, vorgeschlagen, das einen geschlossenen passiven Zweiphasen-Kühlkreislauf für ein darin im Betrieb zirkulierendes zweiphasiges Wärmeträgerfluid aufweist. Der Zweiphasen-Kühlkreislauf umfasst einerseits wenigstens einen Verdampfer zur Anordnung in dem zu kühlenden Raum auf, der dazu ausgebildet ist, flüssiges Wärmeträgerfluid unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Raum zu verdampfen, und andererseits wenigstens einen Kondensator zur Anordnung ausserhalb des zu kühlenden Raums, der dazu ausgebildet ist, dampfförmiges Wärmeträgerfluid unter Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke ausserhalb des Raums, insbesondere an die Umgebung ausserhalb des Raums, zu kondensieren. Der Zweiphasen-Kühlkreislauf umfasst ferner wenigstens eine den wenigstens einen Verdampfer mit dem wenigstens einen Kondensator fluidisch verbindende Vorlaufleitung zum Transport von verdampftem Wärmeträgerfluid von dem wenigstens einen Verdampfer zu dem wenigstens einen Kondensator, sowie wenigstens eine den wenigstens einen Kondensator mit dem wenigstens einen Verdampfer fluidisch verbindende Rücklaufleitung zum Transport von kondensiertem Wärmeträgerfluid von dem wenigstens einen Kondensator zu dem wenigstens einen Verdampfer. Gemäss der Erfindung weist der Zweiphasen-Kühlkreislauf ferner wenigstens einen Druckanpassungsbehälter in Fluidverbindung mit der wenigstens einen Rücklaufleitung zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid auf, wobei der wenigstens eine Druckanpassungsbehälter zur Einstellung der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids im Kühlsystem derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Wärmeträgerfluid in dem wenigstens einen Druckanpassungsbehälter unter einem variabel einstellbarem Fluiddruck speicherbar ist.

[0008] In erfindungsgemässer Weise wurde erkannt, dass passive Zweiphasen-Raumkühlungssysteme durch eine variable Einstellung des Fluiddrucks innerhalb des Kühlkreislaufs hinsichtlich der Temperatur, ab der die Kühlung effektiv einsetzen soll, technisch sehr einfach an anwendungsbezogene Vorgaben angepasst werden können. Denn durch die variable Einstellbarkeit des Fluiddrucks innerhalb des Kühlkreislaufs kann der Arbeitspunkt des zweiphasigen Wärmeträgerfluids entlang seiner Sättigungsdampfdruckkurve variabel eingestellt werden, so dass das Wärmeträgerfluid entweder bei höheren oder niedrigen Temperaturen verdampft bzw. kondensiert. Ist für eine bestimmte Anwendung gewünscht, dass die Kühlwirkung des Kühlsystems beispielsweise schon bei einer Raumtemperatur von 20°C einsetzen soll, liegt aber der Siedepunkt eines für die Anwendung vorgesehenen Wärmeträgerfluids unter Normaldruck (Atmosphärendruck) bei einer höheren Temperatur, beispielsweise bei 26°C, so kann durch eine geeignete Einstellung eines Unterdrucks, d.h. eines Drucks unter Atmosphärendruck, im System die effektive Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids im geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislauf auf 20°C abgesenkt werden. Umgekehrt kann durch geeignete Einstellung eines Überdrucks, d.h. durch eine Erhöhung des Fluiddrucks, die effektive Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids im geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislauf erhöht werden, wenn für eine bestimmte Anwendung gewünscht ist, dass die Kühlung erst bei einer Temperatur einsetzen soll, die über der Temperatur des Siedepunktes des für die Anwendung vorgesehenen Wärmeträgerfluids bei Normaldruck (Atmosphärendruck) liegt. Zur Einstellung des Fluiddrucks wird gemäss der vorliegenden Erfindung ein Druckanpassungsbehälter vorgeschlagen, der in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung steht und der derart ausgebildet ist, dass darin im Betrieb flüssiges Wärmeträgerfluid unter einem variabel einstellbarem Fluiddruck speicherbar bzw. gespeichert ist.

[0009] Durch die variable Einstellung des Fluiddrucks kann zudem die sich im Verdampfer, dem Kondensator, der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung befindliche Menge an Wärmeträgerfluid eingestellt werden. So kann durch eine Erhöhung des Drucks auf das Wärmeträgerfluid im Druckanpassungsbehälter Wärmeträgerfluid aus dem Druckanpassungsbehälter ausgebracht und in die übrigen Teile des geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislaufs eingebracht werden. Umgekehrt kann durch eine Verringerung des Drucks auf das Wärmeträgerfluid im Druckanpassungsbehälter Wärmeträgerfluid aus den übrigen Teilen des geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislaufs entnommen und im Druckanpassungsbehälter aufgenommen werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise - wie weiter unter diskutiert - insbesondere die Füllstandshöhe des flüssigen Wärmeträgerfluids im Verdampfer variabel eingestellt, insbesondere variabel feineingestellt werden.

[0010] Grundsätzlich sind verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Druckanpassungsbehälters denkbar, um eine Einstellung der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids im Kühlsystem zu realisieren.

[0011] Gemäss einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Druckanpassungsbehälter als Membranspeicherbehälter ausgebildet sein. Dabei weist der Membranspeicherbehälter eine flexible Druckmembran auf, die einen Innenraum des Druckanpassungsbehälters in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt, wobei die erste Kammer zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung steht, während in der zweiten Kammer ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist. Hierzu kann der Druckanpassungsbehälter ein Füllventil zur Befüllung bzw. Entleerung der zweiten Kammer mit Arbeitsfluid aufweisen. Dadurch ist über eine Variation der Füllmenge der zweiten Kammer mit dem Arbeitsfluid der Druck des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer variabel einstellbar. Der Druck des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer überträgt sich wiederum über die Druckmembran auf den Fluiddruck des Wärmeträgerfluids im Kühlkreislauf, so dass im Ergebnis über den variabel einstellbaren Druck des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer der Fluiddruck des Wärmeträgerfluids im Kühlsystem und damit die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids variabel einstellbar sind.

[0012] Die flexible Druckmembran besteht vorzugsweise aus einem flexiblen, elastischen Kunststoff oder Gummi. Die Druckmembran ist so beschaffen, dass das Arbeitsfluid und das Wärmeträgerfluid fluiddicht voneinander getrennt sind.

[0013] Um den Druck des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer auf einen gewünschten Wert einstellen zu können, kann der Druckanpassungsbehälter ferner eine Druckmesseinrichtung, insbesondere ein Manometer, zur Bestimmung des Drucks des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer aufweisen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Druckmesseinrichtung über eine Rückkopplung mit dem Füllventil wirkverbunden ist, um so in einem Regelkreislauf die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids geregelt einzustellen. Hierzu kann das Füllventil ferngesteuert betätigtbar sein.

[0014] Gemäss einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Druckanpassungsbehälter als Blasenspeicherbehälter ausgebildet sein, der ein Behältergehäuse und eine im Behältergehäuse aufgenommene Speicherblase aufweist. Gemäss einer ersten Ausführungsform des Blasenspeicherbehälters kann in einem Innenraum der Speicherblase ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert sein, wohingegen in einem Zwischenraum zwischen einer Aussenseite der Speicherblase und einer Innenseite des Behältergehäuses flüssiges Wärmeträgerfluid speicherbar ist, wobei der Zwischenraum in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung steht. Gemäss einer alternativen zweiten Ausführungsform des Blasenspeicherbehälters kann flüssiges Wärmeträgerfluid in einem Innenraum der Speicherblase speicherbar sein, wobei der Innenraum der Speicherblase in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung steht, während in einem Zwischenraum zwischen einer Aussenseite der Speicherblase und einer Innenseite des Behältergehäuses ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist.

[0015] Analog zum Druckanpassungsbehälter, kann auch der Blasenspeicherbehälter ein Füllventil, insbesondere ein ferngesteuert betätigbares Füllventil zur Befüllung bzw. Entleerung des Innenraums der Speicherblase oder alternativ zur Befüllung bzw. Entleerung des Zwischenraums mit dem Arbeitsfluid aufweisen, um somit über die im Innenraum bzw. im Zwischenraum gespeicherte Menge an Arbeitsfluid den Fluiddruck des Wärmeträgerfluids im Kühlsystem und damit die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids variabel einzustellen. Ähnlich wie die Druckmembran kann die Speicherblase aus einem flexiblen, elastischen Kunststoff oder Gummi bestehen. Die Speicherblase ist so beschaffen, dass das Arbeitsfluid und das Wärmeträgerfluid fluiddicht voneinander getrennt sind.

[0016] Gemäss einer dritten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Druckanpassungsbehälter als Kolbenspeicherbehälter ausgebildet sein, wobei der Kolbenspeicherbehälter ein Zylinder-Behältergehäuse und einen gegenüber einer Innenwand des Zylinder-Behältergehäuses dichtend gelagerten Kolben aufweist. Der Kolben ist in dem Zylinder-Behältergehäuse entlang einer Zylinderlängsachse des Zylinder-Behältergehäuses verschiebbar gelagert und unterteilt einen Innenraum des Zylinder-Behältergehäuses in eine erste Kammer zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid, die in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung steht, und eine zweite Kammer, in der ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist. Dabei ist die dichtende Lagerung des Kolbens im Zylinder-Behältergehäuse so beschaffen, dass das Arbeitsfluid und das Wärmeträgerfluid fluiddicht voneinander getrennt sind. Auch der Kolbenspeicherbehälter kann ein Füllventil, insbesondere ein ferngesteuert betätigbares Füllventil zur Befüllung bzw. Entleerung der zweiten Kammer mit Arbeitsfluid aufweisen, um über eine Variation der Füllmenge der zweiten Kammer den Druck des Arbeitsfluids in der zweiten Kammer variabel einzustellen, was wiederum über den Kolben vermittelt eine variable Einstellung des Fluiddrucks im Kühlsystem und damit der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids erlaubt.

[0017] Wie bei der ersten Ausgestaltungsvariante des Druckanpassungsbehälters kann auch bei der zweiten und dritten Ausgestaltungsvariante des Druckanpassungsbehälters eine Druckmesseinrichtung, insbesondere ein Manometer zur Bestimmung des Drucks des Arbeitsfluids vorgesehen sein. Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass die Druckmesseinrichtung über eine Rückkopplung mit dem entsprechenden, ferngesteuert betätigtbaren Füllventil wirkverbunden ist, um die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids geregelt einzustellen.

[0018] Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Druckanpassungsbehälter keinen Kolben, keine Speicherblase, keine Druckmembran oder dergleichen aufweist. Stattdessen kann es vorgesehen sein, dass das Wärmeträgerfluid im Druckanpassungsbehälter direkt mit einem druckbeaufschlagtem Arbeitsgas, beispielsweise Stickstoff, als Druckpolster überlagert ist. In diesem Fall besteht ein direkter Kontakt zwischen Wärmeträgerfluid und Arbeitsgas, d.h. das Arbeitsgas und das Wärmeträgerfluid sind nicht fluiddicht voneinander getrennt. Vorzugsweise kann in dieser Ausführungsform der Druckanpassungsbehälter eine Arbeitsgas-Nachspeiseeinrichtung aufweisen, insbesondere um den Druck des Arbeitsgas-Druckpolsters variabel einzustellen, was wiederum eine variable Einstellung des Fluiddrucks im Kühlsystem und damit der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids erlaubt. Das Arbeitsgas ist in dieser Konfiguration vorzugsweise so gewählt, dass das Arbeitsgas und das Wärmeträgerfluid nicht chemisch miteinander reagieren.

[0019] Das Arbeitsfluid, das in den zuvor beschriebenen Varianten des Druckanpassungsbehälters zur Druckeinstellung genutzt wird, kann beispielsweise Luft oder Stickstoff sein. Stickstoff bietet gegenüber Luft den Vorteil, dass es nicht korrosionsfördernd wirkt und auch nicht zur Alterung und Versprödung der Druckmembran im Membranspeicherbehälter bzw. der Speicherblase im Blasenspeicherbehälter beiträgt.

[0020] Grundsätzlich kann sich der vorliegende Schutzbereich auf das erfindungsgemässe Kühlsystem im unbefüllten Zustand, d.h. ohne Wärmeträgerfluid, oder im befüllten Zustand, d.h. mit Wärmeträgerfluid, beziehen. Entsprechend kann es gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Zweiphasen-Kühlkreislauf mit einem zweiphasigen Wärmeträgerfluid befüllt ist.

[0021] Vorzugsweise besitzt das zweiphasige Wärmeträgerfluid bei einem Druck von 1013 mbar (Normalbedingungen) eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 22 °C und 35 °C, insbesondere zwischen 24 °C und 30 °C oder zwischen 25 °C und 27 °C. Damit ist das zweiphasige Wärmeträgerfluid vorzugsweise ein niedrigsiedendes Wärmeträgerfluid, das unter Normalbedingungen bereits bei moderaten Temperaturen im Bereich von Normal-Raumtemperaturen oder leicht darüber siedet. Denkbar ist aber auch, dass das zweiphasige Wärmeträgerfluid bei einem Druck von 1013 mbar (Normalbedingungen) eine Siedetemperatur beispielswiese in einem Bereich zwischen -18 °C und 15 °C, insbesondere zwischen 0 °C und 10 °C, besitzt. Soll bei einem solchen Wärmeträgerfluid eine Kühlung erst bei Temperaturen im Bereich um 20°C einsetzen, wäre über eine Erhöhung des Fluiddrucks im Kühlsystem mittels des Druckanpassungsbehälters die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids entsprechend zu erhöhen.

[0022] Als zweiphasiges Wärmeträgerfluid kann beispielsweise ein von 3M^™ unter dem Handelsnamen Novec^™ 5110 vertriebenes Wärmeträgerfluid zum Einsatz kommen. Novec^™ 5110 ist ein Isoliergas mit guten Umwelteigenschaften (sehr geringes Erderwärmungspotenzial [GWP<1 (Global Warming Potential)], kein Ozonabbaupotenzial), das eine nachhaltige Alternative zu Schwefelhexafluorid (SF₆) darstellt. Novec^™ 5110 besitzt eine Siedetemperatur von 26.9 °C bei Normalbedingungen (Atmosphärendruck), ist nicht brennbar, nicht entflammbar, elektrisch nichtleitend, weist eine geringe Viskosität auf, besitzt als inerter Stoff eine sehr gute Kompatibilität mit anderen Werkstoffen, hat zudem keine korrosive Wirkung und bietet somit im Ergebnis eine hohe Betriebssicherheit in der Anwendung.

[0023] Da die Einstellung des Arbeitspunktes des Wärmeträgerfluids in vorteilhafter Weise bereits mit einer moderaten Druckanpassung möglich sein soll, ist das zweiphasige Wärmeträgerfluid vorzugsweise so beschaffen, dass es bei einem Druck von 800 mbar eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 18 °C und 24 °C, insbesondere zwischen 19 °C und 22 °C, besitzt. Das oben beispielhaft erwähnte Wärmeträgerfluid Novec^™ 5110 besitzt eine Siedetemperatur von etwa 20 °C bei einem Druck von 800 mbar.

[0024] Entsprechend ist gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Kühlsystem, insbesondere der Druckanpassungsbehälter, so konfiguriert, dass der Fluiddruck in einem Bereich zwischen 1 mbar und 6000 mbar, insbesondere zwischen 30 mbar und 4000 mbar, bevorzugt zwischen 100 mbar und 1500 mbar, besonders bevorzugt zwischen 500 mbar und Atmosphärendruck oder zwischen 700 mbar und Atmosphärendruck, variabel einstellbar ist.

[0025] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Verdampfer und/oder der Kondensator als Wärmetauscher ausgebildet.

[0026] Insbesondere kann der Verdampfer einen oder mehrere, gegenüber der Horizontalen schräg aufsteigend verlaufende Verdampfungskanäle aufweisen, in denen im Betrieb flüssiges Wärmeträgerfluid unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Raum verdampfen kann. Durch die schräg aufsteigende Anordnung der Verdampfungskanäle wird einerseits gewährleistet, dass verdampftes Wärmeträgerfluid ungehindert im Verdampfer aufsteigen und diesen verlassen kann. Andererseits wird durch die schräg ansteigende, insbesondere nicht vertikale Anordnung der Verdampfungskanäle ein guter Wirkungsquerschnitt zwischen im Raum aufsteigender warmer Luft und dem Verdampfer erreicht. Als vorteilhaft im Hinblick auf beide Aspekte hat es sich erwiesen, wenn der eine oder die mehreren Verdampfungskanäle gegenüber der Horizontalen einen Winkel in einem Bereich zwischen 1° und 45°, insbesondere zwischen 10° und 25°, vorzugsweise zwischen 15° und 20° aufweisen. Abhängig von den Oberflächenspannungseigenschaften des Wärmeträgerfluid können insbesondere sehr flache Winkel gegenüber der Horizontalen im Bereich von nur wenigen Grad in Betracht kommen, die in vorteilhafter Weise eine flache Anordnung des Verdampfers unter der Decke des zu kühlenden Raums erlauben. Sind mehrere Verdampfer vorgesehen, so können die Verdampfer bzw. deren ein oder mehrere Verdampfungskanäle auch unter verschiedenen Winkel angeordnet sein.

[0027] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zweiphasen-Kühlkreislauf mit einem zweiphasigen Wärmeträgerfluid vorzugsweise soweit befüllt, dass im Betrieb eine maximale Füllstandshöhe des flüssigen Wärmeträgerfluids in dem einen oder den mehreren Verdampfungskanälen in einem Bereich zwischen 50% und 99%, insbesondere zwischen 60% und 90% einer vertikalen Erstreckung des einen oder der mehreren Verdampfungskanäle liegt. Vorliegend ist mit der vertikalen Erstreckung des einen oder der mehreren Verdampfungskanäle die Abmessung des einen oder der mehreren Verdampfungskanäle in vertikaler Richtung gemeint, also jene Abmessung, die der Länge des einen oder der mehreren Verdampfungskanäle mal dem Sinus-Funktionswert des eingeschlossenen Winkels zwischen dem einen oder den mehreren Verdampfungskanälen und der Horizontalen entspricht. Durch eine maximale Füllstandshöhe in diesem Bereich können in vorteilhafter Weise nachteilige Eruptionsprozesse in dem einen oder den mehreren Verdampfungskanälen - ähnlich den Eruptionsprozessen in einem Geysir - und somit unerwünschte Druckstösse im Kühlkreislauf vermieden werden.

[0028] Ferner kann der Verdampfer eine stromabwärts gelegene Dampfsammelkammer aufweisen, in den die Verdampfungskanäle münden und der mit einem stromaufwärtigen Ende der Vorlaufleitung fluidisch verbunden ist. In vorteilhafter Weise kann sich verdampftes Wärmeträgerfluid in der Dampfsammelkammer sammeln und entspannen, bevor es durch die Vorlaufleitung zum Kondensator geleitet wird.

[0029] Um den Strömungswiderstand für verdampftes Wärmeträgerfluid möglichst gering zu halten, sollten die Leitungen entsprechend dimensioniert werden. So kann es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Vorlaufleitung einen Leitungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 50 mm und 200 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 mm und 150 mm, aufweist. Durch den geringen Strömungswiderstand wird vermieden, dass der passive Transport des Wärmeträgerfluids innerhalb des Kreislaufs zusammenbricht, insbesondere dass der Massenstrom des Wärmeträgerfluids möglichst hoch ist, wodurch die abgeführte Wärmemenge gesteigert wird.

[0030] Demgegenüber kann der Durchmesser der Rücklaufleitung für die Rückführung des kondensierten Wärmeträgerfluids aufgrund der geringen Dichte des Wärmeträgerfluids im flüssigen Zustand kleiner sein. So kann es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Rücklaufleitung einen Leitungsdurchmesser in einem Bereich zwischen 25 mm und 100 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 mm und 75 mm, aufweist. Durch den kleineren Durchmesser der Rücklaufleitung kann zudem die Gesamtmenge an Wärmeträgerfluid zur Befüllung des Systems geringer gehalten werden als bei Verwendung grösserer Leitungsdurchmesser für die im Betrieb stets mit flüssigem Wärmeträgerfluid gefüllte Rücklaufleitung.

[0031] Die Vorlaufleitung und/oder die Rücklaufleitung können ferner thermisch isoliert sein bzw. eine thermische Isolation aufweisen.

[0032] Analog zum Verdampfer kann der Kondensator ebenfalls einen oder mehrere, gegenüber der Horizontalen schräg geneigt verlaufende Kondensationskanäle aufweisen, in denen im Betrieb dampfförmiges Wärmeträgerfluid unter Abgabe von Wärmeenergie an die Wärmsenke, etwa an die Umgebungsluft ausserhalb des Raums kondensieren kann. Auch hier bewirkt die schräg geneigte Anordnung einerseits einen sicheren Abfluss des kondensierten Wärmeträgerfluids und andererseits einen guten Wirkungsquerschnitt zwischen den Kondensationskanälen und der Wärmesenke, etwa der die Wärme aufnehmenden und infolgedessen im Bereich der Kondensationskanäle aufsteigenden Umgebungsluft (Wärmesenke). Als vorteilhaft im Hinblick auf beide Aspekte hat es sich erwiesen, wenn der eine oder die mehreren Kondensationskanäle gegenüber der Vertikalen einen Winkel in einem Bereich zwischen 5° und 70°, insbesondere zwischen 15° und 30°, vorzugsweise zwischen 20° und 25° aufweisen. Sind mehrere Kondensatoren vorgesehen, so können die Kondensatoren bzw. deren ein oder mehrere Kondensationskanäle auch unter verschiedenen Winkel angeordnet sein.

[0033] Sowohl die Verdampfungskanäle des Verdampfers als auch die Kondensationskanäle des Kondensators können durch Verdampferrohre bzw. Kondensatorrohre gebildet sein. D. h. der Verdampfer kann ein oder mehrere Verdampferrohre aufweisen, die den einen oder die mehreren Verdampfungskanäle bilden. Analog kann der Kondensator ein oder mehrere Kondensatorrohre aufweisen, die den einen oder die mehreren Kondensationskanäle bilden. Die Verdampferrohre bzw. die Kondensatorrohre können beispielsweise in einer ein-, zwei- oder mehrreihigen Anordnung von nebeneinander, insbesondere parallel nebeneinander verlaufenden Rohren angeordnet sein und sich insbesondere zwischen dem jeweiligen Verteiler und der Dampfsammelkammer bzw. Kondensatsammelkammer erstrecken.

[0034] Vorzugsweise sind die Verdampferrohre und die Kondensatorrohre als Rippenrohre ausgebildet. Rippenrohre sind rohrförmige Bauteile, die zur Verbesserung der übertragenen Wärmeleistung Rippen aus gut wärmeleitendem Material aufweisen. Die Rippen dienen zur Vergrösserung der Rohroberfläche und können auf der Aussenseite zum Beispiel durch Walzen (ähnlich dem Gewindewalzen), durch Auflöten bzw. Schweissen, durch Aufpressen oder Einnuten in die Rohrwand hergestellt werden.

[0035] Alternativ oder zusätzlich können die Verdampferrohre und die Kondensatorrohre zwecks Vergrösserung der Rohroberfläche und Optimierung der Verdampfungs-/ Kondensationsoberfläche auch Rippen oder Kanäle im Innern der Rohre aufweisen.

[0036] Auch kann die Beschaffenheit der Rohroberflächen (innen wie aussen) durch geeignete Oberflächenausbildung so ausgebildet sein, dass gegenüber einem glatten Rohr ein höherer Wärmeübergang erreicht werden kann. Geeignete Strukturen sind beispielsweise Beschichtungen, welche die Rauigkeit der Oberfläche erhöhen, oder Turbulatoren und/oder Rippen, welche die laminare Grenzschicht in eine turbulente Strömung überführen und dadurch den Wärmeübergang erhöhen.

[0037] Auch können innerhalb des einen oder der mehreren Verdampferrohre bzw. des einen oder der mehreren Kondensatorrohre beispielsweise Längsnuten oder rechteckige Stäbe über den Umfang der Innenseite verteilt eingearbeitet oder aber angebracht sein. In vorteilhafter Wiese dienen diese zur besseren Wärmeabgabe vom jeweiligen Rohr an das Wärmeträgerfluid bzw. zur besseren Wärmeabgabe vom Wärmeträgerfluid an das jeweilige Rohr. Zudem kann hierdurch auch eine bessere Strömungsführung des verdampfenden Wärmeträgerfluids erreicht werden.

[0038] Anstelle von Rippenrohren können auch Plattenwärmetauscher mit geraden oder geformten Platten verwendet werden. Generell gesagt können viele als sogenannte Kühldeckenpaneele oder Heizkörper ausgebildete Strukturen durch geeignete Anordnung für eine Zweiphasen-Raumkühlung adaptiert oder modifiziert werden.

[0039] Zudem können auch Latentwärmespeicher-Platten - wie weiter unten beschrieben - Kühlrippen des Verdampfers bilden, insbesondere als Kühlrippen auf Rohrleitungen des Verdampfers in Serie hintereinander angeordnet sein.

[0040] Um den Wärmeaustausch zwischen Kondensator und Umgebungsluft zu steigern, kann das Kühlsystem nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ferner einen Konvektionsschacht zur Anordnung ausserhalb des zu kühlenden Raums aufweisen, in dem der Kondensator angeordnet ist. Der Konvektionsschacht bewirkt zum einen bei Verwendung von Umgebungsluft als Wärmsenke eine gute Abführung der die Wärme aufnehmenden Umgebungsluft durch natürliche Konvektion. Zum anderen kann durch den Konvektionsschacht ein Schutz vor Sonneneinstrahlung bzw. eine Beschattung des Kondensators und der ihn umgebenden Luft erreicht werden, wodurch die Wärmesenke auch bei starker Sonneneinstrahlung auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden kann. Auch dient der Konvektionsschacht dem Schutz des Kondensators vor Umwelteinflüssen, beispielsweise vor Wind und Wettereinflüssen, insbesondere Hagel.

[0041] Als Wärmesenke kommt vorzugsweise Luft, insbesondere die Umgebungsluft, ausserhalb des zu kühlenden Raums in Betracht. Denkbar ist aber auch, dass als Wärmesenke ein Eisspeicher oder ein Wasserreservoir verwendet werden. Grundsätzlich kann dabei der Eisspeicher oder das Wasserreservoir allein als Wärmesenke verwendet werden oder zusätzlich zur einer Luftwärmesenke. Ebenfalls kann ein Wasser-Rieselwerk, das beispielsweise mit Wasser aus einem höhergelegenen Reservoir oder einem Fluss oder See betrieben wird, zum Einsatz kommen, um die Wärmesenke am Kondensator zu realisieren oder eine andere Wärmesenke zu verstärken.

[0042] Aus Sicherheitsgründen kann es zudem vorgesehen, dass der Zweiphasen-Kühlkreislauf eine Überdruckabsicherung aufweist, insbesondere ein Überdruckventil, das bei einem vordefinierten, vorzugsweise einstellbaren Fluiddruck im Zweiphasen-Kühlkreislauf selbsttätig öffnet, um Schäden durch übermässige Drücke im System zu vermeiden. In vorteilhafter Weise ist die Überdruckabsicherung, insbesondere das Überdruckventil, im Bereich eines höchsten Punkts des Zweiphasen-Kühlkreislaufs, insbesondere im Bereich eines höchsten Punkts der Vorlaufleitung angeordnet.

[0043] Da der Transport des Wärmeträgerfluids innerhalb des Kreislaufs passiv, d.h. vorzugsweise ohne aktive Mittel zur Strömungsbeeinflussung, wie elektrische Pumpen oder dergleichen, oder nur mit minimal aktiven Mitteln erfolgen soll, liegt es in der Sache der Natur, dass der Einlass des Kondensators vorzugsweise vertikal höher als der Auslass des Verdampfers angeordnet ist, damit aufsteigendes verdampftes Wärmeträgerfluid in den Kondensator gelangen kann. Umgekehrt liegt der Auslass des Kondensators vorzugsweise über dem Einlass des Verdampfers, damit flüssiges Wärmeträgerfluid (ausschliesslich) schwerkraftgetrieben in den Verdampfer fliessen kann. Vorzugsweise ist der Kondensator in vertikaler Richtung insgesamt höher angeordnet als der Verdampfer.

[0044] Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Kühlsystem ferner einen Latentwärmespeicher aufweisen, um eine Pufferfunktion beim Auftreten von thermischen Über- bzw. Spitzenlasten bereitzustellen. Hierzu kann der Latentwärmespeicher ein Phasenwechselmaterial (PCM = Phase Change Material) aufweisen. Phasenwechselmaterialien nutzen den Schmelzvorgang von fest zu flüssig, um bei nahezu konstanter Temperatur grosse Wärmemengen zu speichern und bei Bedarf, etwa über Nacht, wieder durch den umgekehrten Prozess von flüssig zu fest abzugeben. Auf diese Weise können insbesondere zeitliche Schwankungen der Raumlufttemperatur um eine mittlere Temperatur verringert werden.

[0045] Das Phasenwechselmaterial weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt auf, der über dem oder im Bereich um den Siedepunkt des Wärmeträgerfluids im Zweiphasen-Kühlkreislauf liegt. Beispielsweise liegt die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials in einem Bereich zwischen 30 °C und 35 °C oder in einem Bereich zwischen 24 °C und 30 °C oder zwischen 25 °C und 27 °C.

[0046] Auch beim Ausfall des Kühlkreislaufs oder beim Auftreten sonstiger (zusätzlicher) thermischer Überlasten bzw. bei zu hohen Transienten kann der Latentwärmespeicher Spitzenlasten auffangen. Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher so ausgelegt, dass er alleine in der Lage ist, die im Raum anfallende thermische Leistung so aufzunehmen, dass die Raumlufttemperatur über mehrere Stunden, beispielsweise über 10 Stunden, eine Temperatur von 40 °C oder 50 °C nicht übersteigt, oder dass beim Ausfall des Kühlkreislaufs die Raumlufttemperatur beispielsweise über 0.5 oder 1 Stunde eine Temperatur von 40 °C oder 50 °C nicht übersteigt.

[0047] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Latentwärmespeicher ein Teil des Verdampfers ist. Insbesondere kann der Latentwärmespeicher Kühlrippen des Verdampfers bilden. Beispielsweise kann in Kühlrippen des Verdampfers ein Phasenwechselmaterial eingeschlossen sein, etwa in den Rippen von Rippenrohren, die die Verdampfungskanäle des Verdampfers bilden.

[0048] Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Latentwärmespeicher eine oder mehrere Latentwärmespeicher-Platten aufweisen, in denen ein Phasenwechselmaterial eingeschlossen ist. Beispielsweise können derartige Platten durch eine Metallhülle, insbesondere eine Aluminiumhülle, gebildet sein, die mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Die Metallhülle, insbesondere die Aluminiumhülle kann dadurch gebildet werden, dass zwei umgeformte Metallplatten, insbesondere Aluminiumplatten, zusammengefügt, optional an zwei Punkten mittig verbunden, und am umgestellten Rand verbunden, insbesondere verklebt werden. Aluminium als eines von mehreren möglichen Materialien für die Metallhülle sorgt für einen hohen Wärmeübertrag und besitzt eine von sich aus geringe Korrosionsneigung. Solche Platten sind beispielsweise als sogenannte CSM-Platten (compact storage module) bei der Rubitherm Technologies GmbH, Berlin, erhältlich.

[0049] Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die mit Phasenwechselmaterial gefüllten Latentwärmespeicher-Platten Kühlrippen des Verdampfers bilden, insbesondere als Kühlrippen auf Rohrleitungen des Verdampfers in Serie hintereinander angeordnet sind. Auf diese Weise haben die Latentwärmespeicher-Platten neben der Pufferfunktion eine Zusatzfunktion als Kühlrippen für den Verdampfer des Zweiphasen-Kühlkreislaufs.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0050] Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren; diese zeigen:

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen passiven Kühlsystems zur Kühlung eines Raums in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2

eine Seitenansicht des beispielhaften Kühlsystems gemäss Fig. 1;

Fig. 3

eine Draufsicht des beispielhaften Kühlsystems gemäss Fig. 1;

Fig. 4

Siedelinie des Wärmeträgerfluids Novec^™ 5110; und

Fig. 5

eine schematische Schnittdarstellung eines Verdampferrohrabschnitts mit integriertem Latentwärmespeicher zur Verwendung im Kühlsystem gemäss Fig. 1.

DETAILLIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

[0051] Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen passiven Kühlsystems 1, das zur Kühlung eines Raums 100, insbesondere eines Raums mit elektrisch induzierter Wärmelast, etwa eines Leit- und E-Technikraums in einer Nuklearanlage, dient.

[0052] Kern des Kühlsystems 1 bildet ein geschlossener passiver Zweiphasen-Kühlkreislauf 2, in dem im Betrieb ein zweiphasiges Wärmeträgerfluid 3 zirkuliert. Der Zweiphasen-Kühlkreislauf 2 umfasst einerseits einen Verdampfer 10, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Deckenbereich des zu kühlenden Raums 100 angeordnet ist, und andererseits einen Kondensator 20, der ausserhalb des zu kühlenden Raums 100 angeordnet ist. Definitionsgemäss ist der Verdampfer 10 dazu ausgebildet, flüssiges Wärmeträgerfluid 3a unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Raum 100 in die gas-/dampfförmige Phase zu verdampfen, wohingegen der Kondensator 20 definitionsgemäss dazu ausgebildet ist, dampfförmiges Wärmeträgerfluid 3b unter Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung ausserhalb des Raums 100 zurück in die flüssige Phase zu kondensieren.

[0053] Der Kreislauf 2 zwischen Verdampfer 10 und Kondensator 20 wird über eine Vorlaufleitung 30 und eine Rücklaufleitung 40 geschlossen. Dabei verbindet die Vorlaufleitung 30 den Verdampfer 10 in stromabwärts Richtung fluidisch mit dem Kondensator 20, so dass verdampftes Wärmeträgerfluid 3b vom Verdampfer 10 zum Kondensator 20 strömen kann. Umgekehrt verbindet die Rücklaufleitung 40 den Kondensator 20 in stromabwärts Richtung fluidisch mit dem Verdampfer 10, so dass kondensiertes Wärmeträgerfluid 3a in flüssiger Form vom Kondensator 20 zum Verdampfer 10 zurückfliessen kann.

[0054] Wie eingangs erwähnt, ist der Zweiphasen-Kühlkreislauf 2 ein passiver Kühlkreislauf, in dem der Transport des Wärmeträgerfluids 3 ausschliesslich aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der Luft im Inneren des Raums 100 (Wärmequelle) und der Luft in der Umgebung ausserhalb des Raums 100 (Wärmesenke) erfolgt, d. h. ohne aktive Mittel zur Strömungsbeeinflussung, wie elektrische Pumpen oder dergleichen, oder nur mit minimal aktiven Mitteln. Insbesondere ist es mit diesem passiven Kühlsystem 1 möglich, die Luft im Inneren des Raums 100 zu kühlen, ohne dabei auf elektrische Energiezufuhr angewiesen zu sein. Durch den passiven Kühlkreislauf 2 wird somit unter entsprechenden Randbedingungen eine kontinuierliche Kühlung des Raums 100 gewährleistet.

[0055] Der Verdampfer 10 und der Kondensator 20 sind als Wärmetauscher ausgebildet, wobei der Verdampfer 10 mit der wärmeren Luft im Inneren des Raums 100 und der Kondensator 20 mit einer Wärmsenke, vorliegend der kühleren Luft in der Umgebung ausserhalb des Raums 100 im Wärmeaustausch steht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen sowohl der Verdampfer 10 als auch der Kondensator 20 aus einer zwei-reihigen Anordnung von jeweils mehreren nebeneinander angeordneten Verdampfer- bzw. Kondensatorrohren 11, 21. Durch diese werden mehrere parallel nebeneinander verlaufende Verdampfungs- bzw. Kondensationskanäle 12, 22 gebildet, in denen die Verdampfungs- bzw. Kondensationsprozesse stattfinden können. Stromaufwärts sind die Verdampfer- bzw. Kondensatorrohre 11, 21 an einen jeweiligen Verteilerbalken 13, 23 angeschlossen, in den das jeweilige stromabwärts gelegene Ende der Vorlaufleitung 30 bzw. der Rücklaufleitung 40 mündet. Über den Verteilerbalken 13 des Verdampfers 10 wird flüssiges Wärmeträgerfluid 3a in die Verdampferrohre 11 bzw. die Verdampfungskanäle 12 des Verdampfers 10 verteilt. In gleicher Weise wird verdampftes Wärmeträgerfluid 3b über den Verteilerbalken 23 des Kondensators 20 in die Kondensatorrohre 21 bzw. die Kondensationskanäle 22 des Kondensators 20 verteilt. Ferner verfügt der Verdampfer 10 über eine stromabwärts gelegene Dampfsammelkammer 14, in die die Verdampferrohre 11 bzw. die Verdampfungskanäle 12 münden und die mit einem stromaufwärtigen Ende der Vorlaufleitung 30 fluidisch verbunden ist. In gleicher Weise umfasst auch der Kondensator 20 eine stromabwärts gelegene Kondensatsammelkammer 24, in die die Kondensatorrohre 21 bzw. die Kondensationskanäle 22 münden und die mit einem stromaufwärtigen Ende der Rücklaufleitung 40 fluidisch verbunden ist. Vorzugsweise sind die Verdampferrohre 11 und die Kondensatorrohre 21, wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt, als Rippenrohre, d. h. als Rohre mit umfangsseitig angeordneten Kühlrippen 17 ausgebildet, um die übertragene Wärmeleistung zu verbessern.

[0056] Sowohl die Verdampferrohre 11 bzw. die Verdampfungskanäle 12 als auch die Kondensatorrohre 21 bzw. die Kondensationskanäle 22 sind gegenüber der Horizontalen schräg aufsteigend bzw. schräg geneigt angeordnet. Dadurch wird einerseits gewährleistet, dass verdampftes Wärmeträgerfluid 3b ungehindert im Verdampfer 10 aufsteigen bzw. kondensiertes Wärmeträgerfluid im Kondensator 20 rein gravitativ nach unten abfliessen kann. Andererseits wird durch die schräg ansteigende bzw. schräg geneigte, insbesondere nicht vertikale Anordnung ein guter Wirkungsquerschnitt zwischen Verdampfer 10 bzw. Kondensator 20 und der jeweils mit diesen in Wechselwirkung tretenden Raum- bzw. Umgebungsluft erreicht. Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kondensatorrohre 21 bzw. die Kondensationskanäle 22 gegenüber der Vertikalen um einen Winkel β von etwa 22.5° geneigt sind, verlaufen die Verdampferrohre 11 bzw. die Verdampfungskanäle 12 mit einem Winkel α von etwa 17.5 gegenüber der Horizontalen schräg aufsteigend (siehe Fig. 2). Der flache Winkel α gegenüber der Horizontalen bei den Verdampferrohren 11 erlaubt eine flache Anordnung des Verdampfers 10 unter der Decke des Raums 100. Demgegenüber ermöglicht die steil abfallende Anordnung der Kondensatorrohre 21 eine platzsparende Anordnung des Kondensators 20 in einem Konvektionsschacht 60 ausserhalb des Raums 100, wie in den Fig. 1-3 gezeigt.

[0057] Der kaminartige Konvektionsschacht 60 dient zum einen dazu, dass Abführen der mit dem Kondensator 20 wechselwirkenden Umgebungsluft und der darin aufgenommenen Wärme aufgrund natürlicher Konvektion - ähnlich wie in einem Kamin - in vertikaler Richtung nach oben zu steigern. Zum anderen kann durch den Konvektionsschacht 60 eine Beschattung des Kondensators 20 und der ihn umgebenden Umgebungsluft erreicht werden, wodurch die Wärmesenke (Umgebungsluft im Konvektionsschacht 60) auch bei starker Sonneneinstrahlung auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden kann.

[0058] Um den Strömungswiderstand für verdampftes Wärmeträgerfluid 3b möglichst gering zu halten, beträgt der Leitungsdurchmesser der Vorlaufleitung 30 im vorliegenden Ausführungsbeispiel 100 mm. Durch eine entsprechend grosse Dimensionierung der Vorlaufleitung 30 kann ein hoher Massenstrom erreicht werden, wodurch die abgeführte Wärmemenge gesteigert wird. Demgegenüber kann der Durchmesser der Rücklaufleitung 40 für die Rückführung des kondensierten Wärmeträgerfluids 3a aufgrund der geringen Dichte des Wärmeträgerfluids 3a im flüssigen Zustand kleiner sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Rücklaufleitung 40 lediglich 50 mm. Durch den kleineren Durchmesser der Rücklaufleitung 40 kann zudem die Gesamtmenge an Wärmeträgerfluid zur Befüllung des Systems geringer gehalten werden.

[0059] Je nach Anwendung können verschiedene zweiphasige Wärmeträgerfluide zum Einsatz kommen. Jedoch ist nicht für jeden Anwendungszweck, insbesondere Temperaturbereich ein Wärmeträgerfluid mit geeigneter Siedetemperatur verfügbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die Kühlung des Raums 100 bereits bei etwa 20 °C einsetzen, wobei vorzugsweise als Wärmeträgerfluid ein von 3M^™ unter dem Handelsnamen Novec^™ 5110 vertriebenes Wärmeträgerfluid zum Einsatz kommt, da es eine sehr gute Umweltverträglichkeit und eine hohe Kompatibilität zu anderen Werkstoffen aufweist. Wie aus der in Fig. 4 gezeigten Siedelinie ersichtlich ist, siedet Novec^™ 5110 unter Normalbedingungen, d. h. bei etwa 1 bar Atmosphärendruck, jedoch erst bei einer Siedetemperatur von 26.9 °C, d. h. erst oberhalb der gewünschten Temperatur, bei der die Kühlung des Raums 100 bereits einsetzen soll.

[0060] Um die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids 3 im Kühlsystem 1 einstellen zu können, ist es gemäss der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Kühlkreislauf 2 einen Druckanpassungsbehälter 50 zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid 3a aufweist, der über eine Steigleitung bzw. siphonartigen Leitung 42 in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung 40 steht. In erfindungsgemässer Weise ist der Druckanpassungsbehälter 50 derart ausgebildet, dass im Betrieb das Wärmeträgerfluid 3a im Druckanpassungsbehälter 50 unter einem variabel einstellbarem Fluiddruck gespeichert ist.

[0061] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Druckanpassungsbehälter 50 als Membranspeicherbehälter ausgebildet, der eine flexible Druckmembran 53 aus einem elastischen Material aufweist. Die Druckmembran 53 unterteilt den Innenraum des Druckanpassungsbehälters 50 in eine erste Kammer 51 und eine zweite Kammer 52 sodass die erste Kammer 51 und die zweite Kammer 52 fluiddicht voneinander getrennt sind. Während die erste Kammer 51 zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid 3a ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung 40 steht, ist in der zweiten Kammer 52 ein Arbeitsfluid 7, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar bzw. gespeichert. Hierzu kann der Druckanpassungsbehälter 50 ein Füllventil 54 zur Befüllung bzw. Entleerung der zweiten Kammer 52 mit Arbeitsfluid 7 aufweisen, sodass über eine Variation der Füllmenge der zweiten Kammer 52 mit dem Arbeitsfluid 7 der Druck des Arbeitsfluids 7 in der zweiten Kammer 52 variabel einstellbar ist. Der Druck des Arbeitsfluids 7 in der zweiten Kammer 52 überträgt sich wiederum über die Druckmembran 53 auf den Fluiddruck des Wärmeträgerfluids 3 im Kühlkreislauf 2, so dass im Ergebnis über den variabel einstellbaren Druck des Arbeitsfluids 7 in der zweiten Kammer 52 der Fluiddruck des Wärmeträgerfluids 3 im Kühlsystem 2 und damit die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids 3 variabel einstellbar sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Stickstoff als Arbeitsfluid 7 zur Einstellung des Drucks in der zweiten Kammer 52 verwendet. Stickstoff bietet gegenüber Luft den Vorteil, dass es nicht korrosionsfördernd wirkt und nicht zur Alterung und Versprödung der Druckmembran 53 beiträgt.

[0062] Wie anhand der Siedelinie in Fig. 4 ersichtlich ist, reicht es für das vorliegend zum Einsatz kommende Wärmeträgerfluid Novec^™ 5110, wenn der Fluidruck im Kühlkreislauf 2 um etwa 200 mbar unter den Atmosphärendruck von 1000 mbar, d. h. auf etwa 800 mbar reduziert wird, um die Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids 3 von 26.9 °C auf den gewünschten Wert von 20 °C abzusenken.

[0063] Wie insbesondere aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, ist der Kondensator 20 auf einem höheren Niveau als der Verdampfer 10 angeordnet. Insbesondere ist der Einlass des Kondensators 20 vertikal höher als der Auslass des Verdampfers 10 angeordnet, damit aufsteigendes verdampftes Wärmeträgerfluid 3b selbstständig in den Kondensator 20 gelangen kann. Umgekehrt liegt der Auslass des Kondensators 20 über dem Einlass des Verdampfers 10, damit flüssiges Wärmeträgerfluid 3a ausschliesslich schwerkraftgetrieben über die Rücklaufleitung 40 in den Verdampfer 10 fliessen kann.

[0064] Somit ist gewährleistet, dass der Transport des Wärmeträgerfluids innerhalb des Kreislaufs 2 rein passiv ohne aktive Mittel zur Strömungsbeeinflussung erfolgen kann.

[0065] Der Druckanpassungsbehälter 50 ist ebenfalls auf einem Niveau unterhalb des Kondensators 20 angeordnet, wobei die Druckmembran 53 vorzugsweise in etwa auf dem angestrebten Füllstandsniveau des Wärmeträgerfluids 3a im Verdampfer 10 angeordnet ist. Wie weiter oben bereits erläutert, ist der Verdampfer 10 nicht vollständig mit flüssigem Wärmeträgerfluid 3a gefüllt. Vorzugsweise ist der Zweiphasen-Kühlkreislauf 2 nur soweit mit Wärmeträgerfluid 3a befüllt, dass im Betrieb eine maximale Füllstandshöhe des flüssigen Wärmeträgerfluids 3a in den Verdampferrohren 11 bzw. Verdampfungskanälen 12 in einem Bereich zwischen 50 % und 99 %, insbesondere zwischen 60 % und 90 % der vertikalen Erstreckung VH der Verdampferrohre 11 bzw. die Verdampfungskanäle 12 liegt, d. h. in einem Bereich zwischen 50 % und 99 %, insbesondere zwischen 60 % und 90 % jener Abmessung VH, die der Länge VL der Verdampferrohre 11 bzw. der Verdampfungskanäle 12 mal dem Sinus-Funktionswert des eingeschlossenen Winkels α zwischen den Verdampferrohren 11 bzw. den Verdampfungskanälen 12 und der Horizontalen entspricht. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise allfällige Eruptionsprozesse im Verdampfer 10 und somit allfällige Druckstösse im Kühlkreislauf 2 vermieden.

[0066] Wie weiter oben bereits erläutert, weist das Kühlsystem 2 bevorzugt zusätzlich einen Latentwärmespeicher 80 mit einem Phasenwechselmaterial 81 auf, um eine Pufferfunktion beim Auftreten von thermischen Über- bzw. Spitzenlasten bereitzustellen. Phasenwechselmaterialien 81 nutzen den Schmelzvorgang von fest zu flüssig, um bei nahezu konstanter Temperatur grosse Wärmemengen zu speichern und bei Bedarf, etwa über Nacht, wieder durch den umgekehrten Prozess von flüssig zu fest abzugeben. Auf diese Weise können insbesondere zeitliche Schwankungen der Raumlufttemperatur um eine mittlere Temperatur verringert werden.

[0067] Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher 80 Teil des Verdampfers 10 ist. Insbesondere kann der Latentwärmespeicher 80 Kühlrippen 17 des Verdampfers 10 bilden; bzw. in Kühlrippen 17 des Verdampfers 10 kann ein Phasenwechselmaterial 81 integriert sein. Insbesondere kann der Latentwärmespeicher 80 - wie in Fig. 5 - gezeigt mehrere Latentwärmespeicher-Platten 82 aufweisen, in denen ein Phasenwechselmaterial 81 eingeschlossen ist und die auf den Verdampferrohren 11 des Verdampfers 10 in Serie hintereinander aufgefädelt angeordnet sind und dadurch gleichzeitig die Kühlrippen 17 der Verdampferrohren 11 bilden. Auf diese Weise haben die Latentwärmespeicher-Platten 82 neben der Pufferfunktion eine Zusatzfunktion als Kühlrippen 17 für den Verdampfer 10 des Zweiphasen-Kühlkreislaufs 2.

Ansprüche

1. Passives Kühlsystem (1) zum Kühlen eines Raums (100), das einen geschlossenen passiven Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) für ein darin im Betrieb zirkulierendes zweiphasiges Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) umfasst, wobei der Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) folgendes aufweist:

- wenigstens einen Verdampfer (10) zur Anordnung in dem zu kühlenden Raum (100), der dazu ausgebildet ist, flüssiges Wärmeträgerfluid (3a) unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Raum (100) zu verdampfen,

- wenigstens einen Kondensator (20) zur Anordnung ausserhalb des zu kühlenden Raums (100), der dazu ausgebildet ist, dampfförmiges Wärmeträgerfluid (3b) unter Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke ausserhalb des Raums (100) zu kondensieren,

- wenigstens eine den wenigstens einen Verdampfer (10) mit dem wenigstens einen Kondensator (20) fluidisch verbindende Vorlaufleitung (30) zum Transport von verdampftem Wärmeträgerfluid (3b) von dem wenigstens einen Verdampfer (10) zu dem wenigstens einen Kondensator (20);

- wenigstens eine den wenigstens einen Kondensator (20) mit dem wenigstens einen Verdampfer (10) fluidisch verbindende Rücklaufleitung (40) zum Transport von kondensiertem Wärmeträgerfluid (3a) von dem wenigstens einen Kondensator (20) zu dem wenigstens einen Verdampfer (10);

- wenigstens einen Druckanpassungsbehälter (50) in Fluidverbindung mit der wenigstens einen Rücklaufleitung (40) zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid (3a), wobei der wenigstens eine Druckanpassungsbehälter (50) zur Einstellung der Siedetemperatur des Wärmeträgerfluids (3) im Kühlsystem (1) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Wärmeträgerfluid (3a) in dem wenigstens einen Druckanpassungsbehälter (50) unter einem variabel einstellbarem Fluiddruck speicherbar ist.

2. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Druckanpassungsbehälter (50) als Membranspeicherbehälter ausgebildet ist, der eine flexible Druckmembran (53) aufweist, die einen Innenraum des Druckanpassungsbehälters (50) in eine erste Kammer (51) zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid (3a), die in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung (40) steht, und eine zweite Kammer (52), in der ein Arbeitsfluid (7), insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist, unterteilt.

3. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Druckanpassungsbehälter (50) als Blasenspeicherbehälter ausgebildet ist, der ein Behältergehäuse und eine im Behältergehäuse aufgenommene Speicherblase aufweist, wobei

- in einem Innenraum der Speicherblase ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist, und in einem Zwischenraum zwischen einer Aussenseite der Speicherblase und einer Innenseite des Behältergehäuses flüssiges Wärmeträgerfluid (3a) speicherbar ist, wobei der Zwischenraum in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung (40) steht; oder

- in einem Innenraum der Speicherblase flüssiges Wärmeträgerfluid (3a) speicherbar ist, wobei der Innenraum der Speicherblase in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung (40) steht, und in einem Zwischenraum zwischen einer Aussenseite der Speicherblase und einer Innenseite des Behältergehäuses ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist.

4. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Druckanpassungsbehälter (50) als Kolbenspeicherbehälter ausgebildet ist, der ein Zylinder-Behältergehäuse und einen gegenüber einer Innenwand des Zylinder-Behältergehäuses dichtend gelagerten Kolben aufweist, wobei der Kolben in dem Zylinder-Behältergehäuse entlang einer Zylinderlängsachse des Zylinder-Behältergehäuses verschiebbar gelagert ist und einen Innenraum des Zylinder-Behältergehäuses in eine erste Kammer zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgerfluid (3a), die in Fluidverbindung mit der Rücklaufleitung (40) steht, und eine zweite Kammer, in der ein Arbeitsfluid, insbesondere ein Gas, mit variabel einstellbarem Druck speicherbar oder gespeichert ist, unterteilt.

5. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) mit einem zweiphasigen Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) befüllt ist.

6. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweiphasige Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) bei einem Druck von 1013 mbar eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 22 °C und 35 °C, insbesondere zwischen 24 °C und 30 °C oder zwischen 25 °C und 27 °C besitzt, und/oder wobei das zweiphasige Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) bei einem Druck von 800 mbar eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen 18 °C und 24 °C besitzt; oder wobei das zweiphasige Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) bei einem Druck von 1013 mbar eine Siedetemperatur in einem Bereich zwischen -18 °C und 15 °C, insbesondere zwischen 0 °C und 10 °C, besitzt.

7. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckanpassungsbehälter (50) derart ausgebildet ist, dass der Fluiddruck in einem Bereich zwischen 1 mbar und 6000 mbar, insbesondere zwischen 30 mbar und 4000 mbar, bevorzugt zwischen 100 mbar und 1500 mbar, besonders bevorzugt zwischen 500 mbar und Atmosphärendruck oder zwischen 700 mbar und Atmosphärendruck, variabel einstellbar ist.

8. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer (10) einen oder mehrere, gegenüber der Horizontalen schräg aufsteigend verlaufende Verdampfungskanäle (12) aufweist, in denen im Betrieb flüssiges Wärmeträgerfluid (3a) unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Raum (100) verdampfen kann.

9. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 8, wobei der Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) mit einem zweiphasigen Wärmeträgerfluid (3, 3a, 3b) befüllt ist, so dass im Betrieb eine maximale Füllstandshöhe (FL) des flüssigen Wärmeträgerfluids (3a) in dem einen oder den mehreren Verdampfungskanälen (12) in einem Bereich zwischen 50% und 99%, insbesondere zwischen 60% und 90% einer vertikalen Erstreckung (VH) des einen oder der mehreren Verdampfungskanäle (12) liegt.

10. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (20) einen oder mehrere, gegenüber der Horizontalen schräg geneigt verlaufende Kondensationskanäle (22) aufweist, in denen im Betrieb dampfförmiges Wärmeträgerfluid (3b) unter Abgabe von Wärmeenergie an die Wärmesenke ausserhalb des Raums (100) kondensieren kann.

11. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Konvektionsschacht (60) zur Anordnung ausserhalb des zu kühlenden Raums (100), in dem der Kondensator (20) angeordnet ist.

12. Kühlsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Latentwärmespeicher (80) mit einem Phasenwechselmaterial (81), wobei das Phasenwechselmaterial (81) vorzugsweise einen Schmelzpunkt aufweist, der über dem Siedepunkt des Wärmeträgerfluids (3, 3a, 3b) im Zweiphasen-Kühlkreislauf (2) liegt.

13. Kühlsystem (1) nach Anspruch 12, wobei das Phasenwechselmaterial (81) eine Schmelztemperatur in einem Bereich zwischen 30 °C und 35 °C oder in einem Bereich zwischen 24 °C und 30 °C oder zwischen 25 °C und 27 °C aufweist.

14. Kühlsystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Latentwärmespeicher (80) Teil des Verdampfers (10) ist, insbesondere Kühlrippen (17) des Verdampfers (10) bildet.

15. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Latentwärmespeicher (80) eine oder mehrere Latentwärmespeicher-Platten (82) aufweist, in denen das Phasenwechselmaterial (81) eingeschlossen ist, wobei vorzugsweise die mit dem Phasenwechselmaterial (81) gefüllten Latentwärmespeicher-Platten (80) Kühlrippen (17) des Verdampfers (10) bilden, insbesondere als Kühlrippen (17) auf einem oder mehreren Verdampferrohren (11) des Verdampfers (10) in Serie hintereinander angeordnet sind.

Zeichnung