DE202010006426U1

DE202010006426U1 - Wärmespeicher mit Heatpipe

Info

Publication number: DE202010006426U1
Application number: DE202010006426U
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Mechatronics GmbH
Current assignee: Deutsche Mechatronics GmbH
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2020-05-05

Abstract

Vorrichtung zur passiven Temperierung 14, bestehend aus einem ersten Raum 1 mit Wärmequelle, einem Wärmetauscher und Latent Wärmespeicher 2, einem zweiten Raum 3 mit Wärmesenke, und mindestens einer Trennung 4 zwischen dem ersten und zweiten Raum, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heatpipe 5 mit der wärmeaufnehmenden Seite 6 zur Wärmeabfuhr wärmeleitend mit dem Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher 2 im ersten Raum 1 verbunden ist und die wärmeabgebende Seite 7 zweiten Raum 3 angeordnet ist.

Description

Anwendungsgebiet
Vorrichtung zur passiven Klimatisierung, bestehend aus einem ersten Raum mit Wärmequelle, einem Wärmetauscher und Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial, einem zweiten Raum mit Wärmesenke, und mindestens einer Trennung zwischen dem ersten und zweiten Raum.
Stand der Technik
Zur Temperierung von Schaltanlagen, Schaltschränken und Outdoor-Gehäusen werden aktive Systeme wie Lüftung und Klimaanlagen eingesetzt. Passive Kühlung ist als Konvektionskühlung über die Außenflächen des Gehäuses bekannt, oder in Form von Latentwärmespeicher ausgeführt, zur Wärmespeicherung mit beispielsweise Phasenwechselmaterialien.
Ein Latentwärmespeicher speichert thermische Energie verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und eine über lange Zeit. Dazu werden sogenannte Phase change materials (PCM, „Phasenwechselmaterialien”) genutzt, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Beispiele sind Wärmekissen, Kühlakkus oder mit Paraffin gefüllte Speicherelemente in den Tanks von solarthermischen Anlagen.
Nachteile des Standes der Technik
Die Konvektionskühlung versagt, wenn die Umgebungstemperatur an oder über die einzuhaltende Maximaltemperatur steigt. Eine Speicherung der Wärmeenergie für diesen Zeitraum ist eine Lösung, hat aber die Notwendigkeit, die gespeicherte Wärme zu späterem Zeitpunkt abzuführen. Dies ist bereits mit aktiven Mittel gelöst, die jedoch zum Betrieb Energie benötigen.
Für autarke elektrische Outdoor-Systeme wie Ticket-Automaten, Verkehrsleitsysteme oder Funkmasten für den Mobilfunk ist dies sehr nachteilig. Diese Systeme werden vorzugsweise mit Solarstrom und einer Batterie betrieben. Dabei wird tagsüber die Sonnenenergie zum Laden einer Batterie verwendet. Der Ladevorgang dauert in der Regel nur wenige Stunden. Dabei erwärmt sich die Batterie jedoch und überschreitet ohne weitere Kühlung die zulässige Betriebstemperatur, wodurch in der Folge die Lebensdauer erheblich sinkt. Dieser Nachteil ist wirtschaftlich nicht akzeptabel. Eine aktive Kühlung benötigt jedoch Energie, wodurch der Anlagenaufwand zum Sammeln und Speichern von Energie steigt, und ist daher ebenfalls nicht akzeptabel.
Die schon angesprochenen Latent-Wärmespeicher können bislang nicht verwendet werden, da sie den Nachteil aufweisen, dass die im Inneren gespeicherte Wärme nur über Leitung abgeführt werden kann. Eine schnelle Kühlung großer Latent-Wärmespeichermassen oder -volumina ist damit nicht möglich, die darin gespeicherte Wärme kann also nur unzureichend langsam abgegeben werden.
Es existiert keine zufriedenstellende Lösung, Wärme zu speichern und diese ohne weitere aktive Maßnahmen zeitversetzt abzuführen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, Wärme zu speichern und diese zeitversetzt abzuführen, und dies nur mit passiven Mitteln zu erreichen.
Lösung der Aufgabe
Dies hat der Erfinder durch folgende Schritte erreicht.
Im ersten Schritt wird zum Speichern die im Inneren vorliegende Wärme über natürliche Konvektion an plattenförmige Wärmespeichermaterialien abgegeben. Damit wird die Wärme ohne Verwenden weiterer Mittel über eine große Fläche in den Wärmespeicher eingeleitet. Da die platten im Vergleich zu ihrer Fläche dünn sind, liegt wird die Wärme über die Wärmeleitung schnell in die Platten eingebracht und gespeichert.
Im zweiten Schritt sind die Platten mit einer Heatpipe verbunden. Entweder direkt oder über einen geschlossenen Kühlmittel-Kreislauf. Durch die Eigenschaft der Heatpipes, bei Ausnutzen der Gravitation den Wärmetransport nur in eine Richtung zu ermöglichen, findet nur dann ein Wärmetransport statt, wenn der Wärmespeicher ein höheres Temperaturniveau hat als die wärmeabführende Seite der Heatpipe.
Die verwendete Heatpipe wird technisch auch als Wärmerohr oder Thermosiphon bezeichnet. Bei diesen schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (auch: Gravitationswärmerohre oder Zwei-Phasen-Thermosiphon) kreist das Medium aufgrund der Schwerkraft, wodurch Wärmeträgermedium selbständig in den Verdampfer zurück fließt. Die Wärme wird am unteren Ende über den Sumpf, also bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels, zugeführt.
Im dritten Schritt ist eine schnelle Kühlung der gespeicherten Wärme dadurch erreicht, dass die plattenförmigen Wärmespeichermaterialien ein- oder beidseitig durch gut wärmeleitende Platten (Rippen, Lamellen) kontaktiert sind, die ihrerseits mit der Heatpipe in wärmeleitender Verbindung stehen.
Vorteile der Erfindung
Die passive Kühlung von Innenräumen ist damit einfach und effizient gelöst.
Erstens wird die anfallende Wärme – sofern die wärmeabgebende Seite der Heatpipe kühler ist – direkt über die natürliche Konvektion an den Wärmetauscher übertragen und dort über die Rippen oder Lamellen an die Heatpipe abgegeben.
Zweitens wird die Wärme im Latentwärmespeicher zwischengespeichert, wenn die wärmeabgebende Seite der Heatpipe nicht kühler ist.
Und drittens wird die gespeicherte Wärme wieder abgegeben, wenn die Temperatur auf der wärmeabgebenden Seite der Heatpipe ausreichend gesunken ist, wobei zugleich der Innenraum der Anwendung geheizt wird.
Kurzerläuterung der einzelnen Figuren
1 Wärmespeicher mit Heatpipe und Kühlmittelkreislauf
2 Detail: Aufbau plattenförmiger Wärmespeicher
3 Wärmespeicher mit mehreren Heatpipes
4 Anwendungsbeispiel: autarkes Mobilfunk-Relais
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist eine erste Ausführung der Vorrichtung zur passiven Temperierung 14 dargestellt. In einem ersten Raum 1 mit Wärmequelle (hier nicht dargestellt) ist ein Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 angeordnet. Dieser Raum ist mit einer Trennung 4, wie beispielsweise einer Wand, Gehäusewand oder ähnlichem, von dem umgebenden Raum 3 abgetrennt. Der umgebende Raum 3 ist zumindest zeitweise kühler als der erste Raum 1. Eine Heatpipe 5 durchdringt die Trennung 4, und ist mit der wärmeaufnehmenden Seite 6 mit dem Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 verbunden. Die wärmeabgebenden Seite 7 ist auf der anderen Seite der Trennung 4 angeordnet und zur Wärmeabfuhr sind eine oder mehrere Rippen, Lamellen 12, Flächen, Stifte oder dergleichen ausgestattet. Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 ist mit einem Wärmeträgerkreislauf 11 ausgeführt. Mehrere kleine Röhrchen 21 durchdringen den Korpus 2 und sind wärmeleitend mit den Lamellen oder Rippen 8 verbunden.
In dem Wärmeträgerkeislauf 11 strömt ein Medium (nicht dargestellt) durch aktive Mittel, besonders bevorzugt aber ohne den Einsatz von aktiven Mitteln nur durch den Einfluss der Schwerkraft aufgrund der temperaturbedingten Dichteunterschiede (Naturumlauf). Dabei wird es in den Wärmetauscherröhrchen 21 erwärmt, sammelt sich im oberen Sammler 22, wird an dem kühlen Ende 6 der Heatpipe 5 abgekühlt und gelangt in den unteren Verteiler 23.
Der Aufbau des Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 ist mit der Detailansicht 20 in 2 verdeutlicht.
2a und 2b sind zwei unterschiedliche Ausführungen der Erfindung. Der Wärmetauscher wird durch flächige Rippen oder Lamellen 8 gebildet, die durch die Röhrchen 21 wärmeleitend mit dem Wärmetragerkreislauf 11 verbunden sind, oder die direkt wärmeleitend mit einer oder mehreren Heatpipes 5 verbunden sind. Das Latent-Wärmespeichermaterial 9 ist zumindest einseitig mit einer dieser flächigen Rippen oder Lamellen 8 kontaktiert. Der Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 ist eine wechselnde Abfolge von Wärmespeichermaterial 9 und Luftkanal 10, die zumindest an einer Grenzfläche durch eine flächige Rippe oder Lamelle 8 getrennt sind.
Dabei sind jedem Element wichtige Funktionen zugeordnet. Durch die Luftkanäle 10 wird durch natürliche Konvektion die von der Wärmequelle erwärmte Luft hineingetragen. Der Latentwärmespeicher 9 speichert die thermische Energie, ein Vorgang der hauptsächlich durch Wärmeleitung im Material gekennzeichnet ist. Eine gute Abstimmung von Konvektion und Wärmespeicherung hat sich bei bestimmten Geometrien ergeben. Die Kühlkanäle 10 sollten eine lichte Weite von 0,5 mm bis 20 mm, vorzugsweise 1 mm bis 5 mm aufweisen. Die Dicke des Wärmespeichermaterials 9 ist von dessen Wärmeleitfähigkeit beeinflusst, und sollte zwischen 1 mm und 50 mm liegen, wobei Werte zwischen 5 mm und 30 mm und insbesondere 8 mm und 20 mm bevorzugt werden.
Die Wärmeableitung erfolgt über die Rippen oder Lamellen 8 des Wärmetauschers in die Röhrchen 21 des Wärmeträgerkreislaufs 11. Die Rippen oder Lamellen 8 sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, hoch kohle-haltigem Kunststoff oder einem anderen gut wärmeleitenden Material. Die Dicke der Lamellen oder Rippen 8 liegt zwischen 0,05 mm und 2 mm mit einer bevorzugten Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm. Es ist dabei vorteilhaft, das Material 9 des Latentwärmespeichers zwischen zwei Rippen 8 anzuordnen und/oder durch eine am Rand umlaufenden Abschluss einzuschließen. Gerade durch diese Ausführung ist es nicht nötig Füllstoffe wie Kapselungen oder Umhüllungen um das Wärmespeichermaterial vorzusehen. Dadurch erhöht sich die Masse des verwendbaren Wärmespeichermaterials und dadurch in Folge die Wärmespeicherkapazität.
Die Funktion der Vorrichtung ist im Detail überraschend. Während des Aufladens erfolgt der Wärmeübergang vom Luftkanal 10 an das Wärmespeichermaterial 9 direkt oder durch die Lamellen 8. Die gute Wärmeleitung in den Lamellen 8 behindert diesen Wärmeeintrag jedoch praktisch nicht.
Ebenfalls wird diese gute Wärmeleitung beim Entladen genutzt, um über die Lamellen 8 die Wärme in den Kühlkreislauf 11 abzuleiten. Dort wird die Wärme dann von der kalten Seite 6 der Heatpipe 5 aufgenommen und von der warmen Seite 7 wieder abgegeben.
Dieses Prinzip funktioniert deshalb so einfach und hervorragend, weil die Heatpipe 5 eine thermische Diode ist. Ein Wärmeübertrag erfolgt nur von der kalten 6 zur warmen 7 Seite. Ohne weitere Hilfsmittel ist damit die Wirkrichtung der Anordnung nur durch die Wahl der Mittel festgelegt.
In 3 ist eine Ausführung dargestellt, die ohne Kühlkreislauf realisiert ist. Eine oder hier mehrere Heatpipes 5 sind mit ihrem kühlenden Ende 6 direkt in den Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2 eingesetzt. Vorteilhaft ist hier das Fehlen eines Wärmeträger-Zwischenkreises, der eine bestimmte Temperaturspreizung zur Funktion erfordert. Die Form der Lamellen 12 ist nur beispielhaft, je nach Anforderung und Art der konvektiven Strömung im Raum 3 sind diese zweckmäßig nach dem üblichen Regeln der Technik zu gestalten.
Der Latentwärmespeicher 9 ist generell nicht beschränkt in der Lage der Temperatur für die Wärmespeicherung. Zur Kühlung von elektrischen Schaltgeräten wird der Temperaturbereich von 15°C bis 80°C beansprucht. Dabei gibt es mehrere besonderes beanspruchte Temperaturbereiche, zum Ersten 20°C bis 30°C mit einem besonderen Vorzug von 22°C bis 26°C, da hier die ideale Betriebstremperatur Lebensdauer wichtiger elektrischer Komponenten liegt, und zum Zweiten 50°C bis 70°C mit dem besonderen Vorzug von 53°C bis 57°C, da hier die maximal zulässige Einsatztemperatur von elektrischen Komponenten liegt.
Die beiden vorstehenden Ausführungen sind nicht die einzig möglichen Ausführungsformen. Es werden alle, sich aus der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen sich ergebenden Formen und Ausführungen beansprucht.
In 4 ist eine Anwendung als weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in der die Vorrichtung zur passiven Kühlung 14 eingesetzt wird. Als Beispiel ist eine Relais-Station für den Mobilfunk 30 ausgewählt, ohne sich darauf zu beschränken. Für Ticket-Automaten, Auskunfts-Stationen, Geldautomaten im Indoor- wie im Outdoor- Bereich werden die übertragenen Lösungen ebenso beansprucht wir für den Bereich der Mobilität in Auto, Bahnluftverkehrs- oder Raumfahrzeug.
Die Relais-Station für den Mobilfunk 30 besteht aus einem Mast mit mindestens einer Sende- und Empfangsantenne für den Mobilfunk 31 und Photovoltaik-Paneel 32 oder anderen Vorrichtung zum Ernten von elektrischer Energie aus der Umgebung. In einem sehr gut thermisch gedämmten Schaltschrank oder Outdoor-Gehäuse 12 ist eine Batterie oder Akkumulator 13 enthalten. Dieser Akkumulator 13 wird durch das Photovoltaik-Paneel 32 geladen und durch den Betrieb der Sende- und Empfangsantenne für den Mobilfunk 31 entladen. Der Akkumulator 13 erwärmt sich während des Ladevorgangs, im Innenraum stellt sich ein Wärmetransport such natürliche Konvektion ein. Die Temperatur im Innenraum 1 darf zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer des Akkumulators 13 26°C nicht übersteigen. Durch die thermische Dämmung im Gehäuse 12 sowie ein Strahlungsschutz 33 gegen die intensive Wärmestrahlung der Sonne 34 ist tagsüber eine Erwärmung von außen ausgeschlossen, ebenso eine Kühlung des Nachts.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur passiven Kühlung 14 ist löst das Problem des unzulässigen und schädlichen Wärmestaus in dem Innenraum 1.
Solange die Außentemperatur der Umgebung 3 noch unter der Innentemperatur des Innenraums 1 liegt, kühlt die Heatpipe 5. Bei steigenden Außentemperaturen kommt dieser Prozess zum erliegen. Die beim Aufladen erzeugt Wärme wird dann in der Vorrichtung gespeichert. Dabei wird diese vom Akkumulator 13 zunächst in die Umgebung im Innenraum 1 abgegeben, und gelangt dort über natürliche Konvektion in die Luftkanäle des Wärmetauscher und Latentwärmespeicher 2. Nach einem Wärmeübergang Luft-Feststoff wird dieser mittels Wärmeleitung im Latentwärmespeicher 9 verteilt und gespeichert.
Gegen Abend/Nacht sinkt die Temperatur, so dass die gespeicherte Wärme an die Umgebung 3 abgegeben wird. Dabei wird die gespeicherte Wärme aus dem Latentwärmespeicher 9 an die Rippen oder Lamellen 8 geleitet, und gelangt dort direkt oder über mindestens einen Zwischenkreis zu mindestens einer Heatpipe 5. Von deren wärmeaufnehmenden Ende 6 gelangt die Wärme zur wärmeabgebenden Seite 7, und wird dann an die Umgebung 3 abgegeben.
Zusammenfassend wird eine Vorrichtung beansprucht, die ohne aktive Mittel Wärme speichert und zeitversetzt abgibt. Die Vorrichtung besteht im Kern aus einer Heatpipe als thermische Diode, einem Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial zur Pufferung von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau. Besonders beansprucht werden alle Vorrichtungen, in denen eine solche Vorrichtung verwendet ist.
Als Beispiel sind eine Outdoor-Mobilfunk-Relais-Station und zwei grundsätzliche Ausführungsformen ausgeführt worden, ohne sich nur auf diese zu beschränken.

1: Raum mit Wärmequelle
2: Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher
3: Raum mit Wärmesenke
4: Trennung
5: Heatpipe
6: wärmeaufnehmende Seite der Heatpipe
7: wärmeabgebende Seite der Heatpipe
8: flächige Rippe oder Lamelle vom Wärmetauscher
9: Latent-Wärmespeicher
10: Luftkanal
11: Wärmeträgerkreislauf
12: Schaltschrank oder Outdoor-Gehäuse
13: temporär aktive Wärmequelle
14: Vorrichtung zur Temperierung
20: Ausschnitt der Detailansicht in 2
21: Rohrleitung durch den Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher
22: Oberer Sammler des Kühlkreislaufs
23: Unterer Verteiler des Kühlkreislaufs
30: Relais-Station für den Mobilfunk
31: Sende- und Empfangsantenne für den Mobilfunk
32: Photovoltaik-Paneel
33: Strahlungsschutz
34: Sonne

Claims

Vorrichtung zur passiven Temperierung 14, bestehend aus einem ersten Raum 1 mit Wärmequelle, einem Wärmetauscher und Latent Wärmespeicher 2, einem zweiten Raum 3 mit Wärmesenke, und mindestens einer Trennung 4 zwischen dem ersten und zweiten Raum, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heatpipe 5 mit der wärmeaufnehmenden Seite 6 zur Wärmeabfuhr wärmeleitend mit dem Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher 2 im ersten Raum 1 verbunden ist und die wärmeabgebende Seite 7 zweiten Raum 3 angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher 2 mindestens eine flächige Rippe oder Lamelle 8 besitzt, auf denen zumindest einseitig der Latent-Wärmespeicher 9 wärmeleitend verbunden ist und im Wechsel ein Luftkanal 10 zum konvektiven Wärmeaustausch mit dem ersten Raum 1 und Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial 9 zur Wärmespeicherung angeordnet ist
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Rippen oder Lamellen 8 des Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher 2 unterschiedlich beabstandet sind, und zwar wechseln 0,5 mm bis 10 mm, vorzugsweise 1 mm bis 5 mm, für die Luftströmung in den Luftkanälen 10 und 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise 8 mm bis 20 mm, für das Wärmespeichermaterial 9.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipe 5 mit dem Wärmetauscher und Latent-Wärmespeicher 2 zur Wärmeleitung über einen Wärmeträgerkreislauf 11, insbesondere einem Naturumlauf-Wärmeträgerkreislauf, verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipe 5 zur Wärmeabgabe 7 mit mindestens einer Rippe oder Lamelle 12, insbesondere zur Kühlung durch natürliche Konvektion, ausgestattet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass Latent-Wärmespeicher 9 aus einem Phasenwechsel-Wärmespeicher besteht und die Phasenwechseltemperatur zwischen 20°C bis 30°C, insbesondere 22°C bis 26°C, oder zwischen 50°C und 70°C, insbesondere 53°C bis 57°C, liegt.
Schaltschrank oder Outdoor-Gehäuse 12 bestehend aus einer temporär aktiven Wärmequelle 13 im Innenraum 1 und einer zyklisch kalten Umgebung 3 und einer Vorrichtung zur Temperierung 14, dadurch gekennzeichnet dass die Wärmequelle 13 eine Batterie ist, die tagsüber zweitweise geladen wird, dabei Wärme abgibt und zum Betrieb bei einer maximale Umgebungstemperatur von 26°C ausgelegt ist, und die kalte Umgebung nachts vorliegt und insbesondere kälter als 20°C ist, und die Vorrichtung zur Temperierung nach Anspruch 1 und einem oder mehrerer der vorangegangenen Ansprüche ausgeführt ist.