CN101963468A - 潜热存储装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机、特别是机动车辆的内燃机的排气系统的潜热存储装置，其至少具有一个空腔(4)，所述空腔包括能容纳相变材料(6)的存储容积(5)。如果所述存储容积(5)是这样设定的，即它包括基本容积(7)和膨胀容积(8)，所述基本容积(7)为相变材料(6)在固态时呈现的，所述膨胀容积(8)为相变材料(6)在熔化状态额外呈现的，那么所述潜热存储装置(1)的材料荷载将会减少。

Description

潜热存储装置及其制造方法
背景技术
本发明涉及一种用于内燃机、特别是机动车辆的内燃机的排气系统的潜热存储装置。另外，本发明还涉及一种用于制造所述潜热存储装置的方法。
从专利文件DE 102004052106A1和DE 102004052107A1中可知，用于内燃机的排气系统的潜热存储装置利用相变材料进行操作。所述相变材料的特征在于，在各自所需的存储温度，它在液态和固态之间进行相变化。当供热给潜热存储装置时，所述相变材料熔化并且因此呈现为它的液体状态。当潜热存储装置释放热量时，所述相变材料固化，即其呈现为固体状态。这种类型的相变材料优选为盐类。
所述潜热存储装置的核心的问题在于，在各自的相变过程中产生的相变材料的熔化膨胀问题。根据材料的不同，这个膨胀率可以在5％至20％之间。这里，每个熔化过程都将导致相变材料的膨胀而其固化过程将导致相应的收缩。所述材料膨胀将导致填充有相变材料的存储装置空间的极大的荷载。
发明内容
本发明通过提供一种关于潜热存储装置或其制造方法的改进的技术方案解决上述问题，所述装置或方法的特征在于减少了在变相过程中由材料膨胀引起的潜热存储装置的荷载。
根据本发明，这个问题都将通过独立权利要求所保护的技术方案而解决。优选的实施例将体现在从属权利要求中。
本发明是基于这样一个大体的想法的，即，以其不仅包括基本容积也包括膨胀容积的方式设定存储容积，其中，所述存储容积存在于被相变材料填充的空腔内，所述基本容积是相变材料在固态呈现的容积，所述膨胀容积是相变材料在熔化状态呈现的除基本容积之外的容积。换句话说，在相应的空腔内提供的存储容积已经考虑了相变材料熔化时的材料膨胀。因此，融化的过程中，可以充分减少形成空腔的壳体的膨胀荷载。
特别有利的是这样一个实施例，其中，一方面所述膨胀容积考虑到了相变材料的熔化膨胀，而另一方面也考虑到了相变材料的温度膨胀，所述温度膨胀即为液态的相变材料在温度达到潜热存储装置的预定的最大操作温度之前所承受的。这个实施例考虑到相变温度(即相变材料的熔化温度)通常低于通常的潜热存储装置的操作温度的事实。在到达潜热存储装置的最大操作温度之前，为了将形成空腔的主体的过多的压力荷载限制到一个可容许的数值，在容积内对液态相变材料的热膨胀作出了相应的考虑。
另外或者可选择地，另外一个实施例的膨胀容积可以考虑到在各自的空腔内的预定的最大操作压力，这使得在潜热存储装置的预定的最大操作温度时在空腔内产生液态的相变材料。为了将形成空腔的主体的压力荷载减少到或者限制到容许值，这个方法也将导致膨胀容积的最优化，并且由此导致存储容积的最优化。
根据另外一个实施例，各自的空腔可以被设置成密封的。另外，可以选择所述膨胀容积，从而当相变材料固化时在空腔内形成真空。根据更进一步的优选，这个真空可以被特别地设置，从而当潜热存储装置在其正常的操作温度区间操作时，在液态的相变材料达到预定的操作压力。如果潜热存储装置的操作温度相对比较高时，则所述结构更具有优势，并且比如还可避免液态相变材料的沸腾，。
根据另外一个优选实施例，各自的空腔能以这种方式设置或者设计，即相变材料的固化发生在空间上分散的微小的区域，从而使得所述的基本容积和膨胀容积在固化状态时被混合。
这种设计的优点在于，当相变材料熔化时，所述材料的膨胀在整个存储容积内的空间分散区域。因此，可以减少或避免局部的过量的压力或者危险的压力状况的发生。比如说，在相变材料的熔化的过程中，当第一区域比第二区域熔化得早并且当第二区域阻塞第一区域的膨胀时，所述危险的状态就会发生。通过在空间上分散的微小区域内的固化，因而，在这些微小区域的熔化也会导致存在空间上的分散。因此可避免或减少闭合的熔化区域的发展。
根据另外一个技术方案，所述各自的空腔可以包含用于这一目的的毛细管结构，当固化时其产生空间上分散的微小区域。在所述各自的空腔内，所述毛细管力能保证，即使在温度下降并最优选在固化时，液态的相变材料仍然保持空间上的分散。
另外或者可选择地，所述空间上分散的微小区域也可以由此产生，即，在各自的空腔内形成有多个中空子空间，并且所述中空子空间通过狭窄的点和/或通过改变方向的点以联通的方式彼此连接。另外或可选择地，也可以使各自的空腔在其壁上具有表面结构，这将提高液态相变材料的润湿性。通过这种方法，可以抑制或者防止固化时液态相变材料的合流(flowing-together)。
本发明另外的重要的特征和优点将体现在从属权利要求、附图及参照附图的相应的附图说明中。
可以理解的是，上文提到的和下文将解释说明的特征不仅能被用于所述的相应组合，还可以在不离开本发明的保护范围的情况下被用于其他组合或者单独使用。
附图说明
本发明的优选实施例将在附图中展示，并且通过以下描述进行详细解释说明，其中，相同的附图标记表示相同或者相似或者功能相同的部件。
以下是各幅附图的说明，
图1是潜热存储装置的高度简化的截面示意图。
图2是与图1所示相同的截面在液态(a)和在固态(b)时的示意图。
图3另一个实施例的与图1所示相同的截面的示意图。
图4是又一实施例的与图1所示相同的截面在液态(a)和在固态(b)时的示意图。
具体实施方式
根据图1-4，应用于图中未示出的并优选安装在机动车辆上的内燃机的排气系统内的潜热存储装置1，其包括壳体2，所述壳体2的壁3至少围出一个空腔4。在实施例中，每个都只示出了一个单独空腔4。有一点大体上是清楚的，即在所述壳体2内或者在所述潜热存储装置1内也可以包括多个所述空腔4。这里，各自的空腔4包括或者限定由大括号标记的存储容积5，所述存储容积5容纳相变材料6。这就意味着，空腔4或其存储容积5或多或少地被相变材料6填充。
如图1所示，所述存储容积5是这样设定的，即它包括由一个括号标记的基本容积7和由一个括号标记的膨胀容积8。换句话说，所述基本容积7和膨胀容积8结合形成所述存储容积5。所述基本容积7由相变材料6在其固态所呈现的容积形成。这里，所述基本容积7能考虑到相变材料6在其固态时的最大热膨胀，所述最大热膨胀一般发生在其固化温度。与此相反的，所述膨胀容积8考虑到由相变材料6在熔化状态时额外呈现的容积。在从固态到液态的相变过程中，相变材料6会膨胀。这个材料膨胀由所述膨胀容积8所容纳。图1中所示的基本容积7与膨胀容积8的比率是夸大的。通常，膨胀容积8是基本容积7的5％-20％。这里，这些数字仅仅是举例而已。
如图1所示，所述膨胀容积8现在可以考虑到由一个括号标记的相变材料6的熔化膨胀9，并且在另一方面，考虑到由一个括号标记的相变材料6的温度膨胀10。所述熔化膨胀9是在变相过程中，即在相变材料6的熔化温度时获得的。在相变材料6在其熔化温度时可应用的容积的基础上，所述液态的相变材料6能随着升高的温度而更进一步的膨胀。现在，所述温度膨胀10考虑到当液态相变材料6达到潜热存储装置1的预定的最大操作温度时所获得的液态相变材料6的容积的增长。举例来说，潜热存储装置1可以设计成最大的排气温度为400℃。在这种情况下，所述潜热存储装置1的一般操作温度可处于从350-380℃的操作温度区间内。这里，可以理解的是这些数值范围也仅仅是举例。通过考虑到温度膨胀10，甚至在达到最大操作温度时，所述壳体2的荷载也可以被限制到允许值。
另外，原则上可以选择所述膨胀容积8，从而能将预定最大操作压力额外地考虑到各自的空腔4上。所述壳体2设计成能承受预定的最大操作压力，比如说10巴左右的。计算所述膨胀容积8，从而，在潜热存储装置1的预定最大操作温度，可以获得上述的在空腔4内的液态相变材料6的最大可容许的操作压力。
为了能在空腔4和壳体2的环境之间实现压差，所述壳体2或者各自的空腔4设置为适当密封的，其中所述壳体2并未指定任何不泄露的细节。由于密封的空腔4，另一实施例中的所述膨胀容积8也可明确的进行选择，因此，随着相变材料6的固化，在空腔4内形成真空。通过对膨胀容积8的合适的计算，这个真空可以明确地实现。举例来说，真空可以存在于已经设定好了的用于固化的相变材料6的空腔4中，这样，随着相变材料6的液化，在相变材料6内显现高于环境压力的预定的操作压力。更优选地，随着相变材料6的固化而在空腔4内显现的所述真空能被这样设计或者设定，从而当潜热存储装置1在其预定的操作温度区间内操作时，显现上述的存在于液态相变材料6内的预定操作压力。通过这样的配置，所述经常出现在潜热存储装置1的操作过程中的热膨胀的影响能被完全考虑到，由此可以获得用于壳体2或者其壁3的材料的最小荷载。
图2a所示的是所述相变材料6完全液化后的状态。由于所述存储容积5的相应设计，整个空腔4被液态相变材料6所填充。优选地，如图2b所示，所述空腔4能这样配置或设计，以使得相变材料6的固化发生在空间上分散的微小区域11。如图2b所示，所述基本容积7和所述膨胀容积8在固态时混合并且分散在整个空腔4内。更优选地，如图1中由线12所示的层或分割可以被消除，其中，所述空腔4的一部分被固化的相变材料6的固体小块完全的填充，同时所述空腔4的剩余部分是空的。在相变材料6的熔化过程中，相变材料6的固化的空间上分散的微小区域11导致相应的空间上分散的熔化区域。更优选地，能导致壳体2的破坏的在相变材料6的固化区域内的熔化区域的封装可以被避免。
为了在相变材料6的固化过程中，获得所述微小固态区域11的空间的分散，根据图3的所述空腔4配置有毛细管结构13(举例来说)。举例来说，所述毛细管结构13能通过填满空腔4的空间结构14实现，其中，所述结构对于相变材料6具有类似海绵的作用。例如，这个结构14能由多孔材料组成并且其特点在于有非常大的表面。另外或者可选择地，可以将表面结构15装配到封闭形成空腔4的壳体2的壁3上，其中，所述表面结构15能使液态相变材料6的附着力或润湿性提高。由此，可以抑制在固化过程中的相变材料6的合流(flowing-together)，这就能促进空间上分散的微小固化区域11的形成。
图4a和4b简单地作为示范的示出了一个实施例，其中，所述各自的空腔4包括多个中空子空间16，其中所述中空子空间通过多个转向点17或多个窄点18以可连通的方式彼此连接。在图4a中，整个空腔4被液化的相变材料6所填充。固化时，所述相变材料集中在中空子空间16中，其中，转向点17或窄点18之后将抑制相变材料6在中空子空间16之间的合并。由此，所述微小的固化区域11在中空的子空间16内形成。在液化时，相变材料6能在独立的中空子空间16中膨胀，在整个过程中没有阻碍，也不会对壳体2造成损坏。
本文所述的潜热存储装置1能用不同的方法生产。优选用一种填充方法，即，将固体状态的相变材料6以大块或者以至少一个预制形状体的方式引入到各自的空腔4。之后，所述空腔4承受预定的真空并且在这个真空状态被密封。由此，所述膨胀容积8就能考虑到之前提到的与固态的相变材料6一起存在于空腔4内的真空。
在一个可选的实施例内，可将以大块或者形状体形式引入到各自的空腔4中的固态相变材料6初步熔化，从而之后能用液态的相变材料6将空腔4密封。这里，液态相变材料6的温度可以在潜热存储装置1的操作温度区间内或者等于潜热存储装置1的最大操作温度。
或者说，为了随后能用液态的相变材料6密封空腔4，将在液化状态的相变材料6填充到各自的空腔4内同样是可能的。这里，潜热存储装置1的操作温度范围或者最大操作温度及操作中预期产生的压力都将被考虑。

Claims (12)

1.一种用于内燃机、特别是机动车辆内燃机的的排气系统的潜热存储装置，
-具有至少一个空腔(4)，所述空腔包括能容纳相变材料(6)的存储容积(5)；
-其中，所述存储容积(5)是这样设定的，即它包括基本容积(7)和膨胀容积(8)，所述基本容积(7)为相变材料(6)在固态时呈现的，所述膨胀容积(8)为相变材料(6)在熔化状态额外呈现的。
2.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于，所述膨胀容积(8)考虑到相变材料(6)的熔化膨胀(9)和相变材料(6)的温度膨胀(10)，其中，所述温度膨胀(10)是液态的相变材料6在潜热存储装置(1)的预定最大操作温度时获得的。
3.根据权利要求1或2所述的潜热存储装置，其特征在于，所述膨胀容积(8)考虑到在各自的空腔(4)中的预定最大操作压力，其中，所述预定最大操作压力是液态的相变材料(6)在潜热存储装置(1)的预定最大操作温度时在空腔(4)内产生的。
4.根据权利要求1-3的任一所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)是密封的并且所述膨胀容积(8)是这样选择的，即随着相变材料(6)的固化，能在其中形成真空。
5.根据权利要求4所述的潜热存储装置，其特征在于，所述膨胀容积(8)是这样选择的，即随着相变材料(6)的固化，能获得预定的真空，所述预定的真空是这样设定的，即在液态的相变材料(6)中能形成预定的操作压力。
6.根据权利要求5所述的潜热存储装置，其特征在于，所述真空是这样设定的，即在潜热存储装置(1)的预定操作温度区间内在液态的相变材料(6)中能形成预定的操作压力。
7.根据权利要求1-6的任一所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)是这样配置和/或设计的，即所述变相材料(6)的固化发生在空间上分散的微小区域(11)内，以使得在固化状态时所述基本容积(7)和所述膨胀容积(8)混合。
8.根据权利要求7所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)包括毛细管结构(13)，该结构在固化时能产生空间上分散的微小区域(11)。
9.根据权利要求7或8所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)由多个中空的子空间(16)组成，所述中空子空间通过多个转向点(17)和/或多个窄点(18)以可连通的方式彼此连接。
10.根据权利要求7-9的任一所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)在其壁(3)上包括表面结构(15)，所述结构能提高液态相变材料的润湿性。
11.根据权利要求7-10的任一所述的潜热存储装置，其特征在于，所述各自的空腔(4)包括空间结构(14)，所述空间结构相对于液态的相变材料(6)具有类似海绵的作用。
12.一种用于填充根据权利要求1-11的任一所述的潜热存储装置的方法，
-其中，固化状态的所述相变材料(6)能以大块或者以至少一个形状体的方式被引入到各自的空腔(4)并且所述空腔承受预定的真空并且被密封，或者
-其中，固化状态的所述相变材料(6)能以大块或者以至少一个形状体的方式被引入到各自的空腔(4)，并且在各自的空腔(4)内的所述相变材料(6)是熔化的，并且具有液态相变材料(6)的所述空腔(4)被密封，或者
-其中，液体状态的所述相变材料(6)被填充到所述各自的空腔(4)中，并且具有液态的相变材料(6)的所述空腔(4)被密封。
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