DE102007039119A1

DE102007039119A1 - Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007039119A1
Application number: DE102007039119A
Authority: DE
Inventors: Florian Schneider; Ingolf Hörschler; Stefan Lutz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-08-18
Filing date: 2007-08-18
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, die eine erste Komponente aufweist, die über ein Wärmerohr thermisch mit einer zweiten Komponente gekoppelt ist, so dass je nach Temperaturniveau der beiden Komponenten Wärme von der ersten Komponente über das Wärmerohr an die zweite Komponente abgegeben wird oder umgekehrt. Eine der beiden Komponenten enthält ein Phasenwechselmaterial oder ist durch ein Phasenwechselmaterial gebildet, das bei der Aufnahme von Wärme bzw. bei der Abgabe von Wärme von einem Aggregatzustand in einen anderen Aggregatzustand übergeht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Bei modernen Fahrzeugen werden zunehmend höhere Anforderungen an das Wärmemanagement gestellt. Der Begriff „Wärmemanagement" umfasst hierbei nicht nur die Kühlung des Motors und die Klimatisierung des Fahrgastraums, sondern ganz allgemein die Steuerung bzw. Regelung von Wärmeströmen im Fahrzeug. Bei manchen Anwendungen bzw. in manchen Zuständen kommt es darauf an, mit hoher Wärmeleistung, d. h. möglichst schnell, Wärme von einer Komponente an eine andere Komponente bzw. von einem System an ein anderes System zu übertragen. Je nach dem, ob es primär darum geht, schnell Wärme oder „Kälte" zur Verfügung zu stellen, kann es sinnvoll sein, einen „Wärmespeicher" bzw. einen „Kältespeicher" im Fahrzeug vorzusehen, der zumindest für eine begrenzte Zeitdauer Wärme bzw. Kälte speichern kann.
Wie bereits erwähnt, sollte die gespeicherte Wärme bzw. „Kälte" möglichst schnell abrufbar sein, wohingegen es bei vielen Anwendungen akzeptabel bzw. sogar wünschenswert ist, dass die „Rekuperation" des Speichers, d. h. die Wiederbeladung des Speichers mit Wärme bzw. „Kälte" langsamer vonstatten geht als die Entladung des Speichers.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung zu schaffen, die einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und den o. g. Zielen möglichst gut Rechnung trägt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, die eine erste Komponente bzw. ein erstes System aufweist, die bzw. das über ein Wärmerohr thermisch mit einer zweiten Komponente bzw. mit einem zweiten System gekoppelt ist, so dass je nach Temperaturniveau der beiden Komponenten bzw. Systeme Wärme von der ersten Komponente über das Wärmerohr an die zweite Komponente abgegeben wird oder umgekehrt.
Wärmerohre, auch bekannt unter dem Begriff „Heatpipe", sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. Sie basieren auf einem hermetisch gekapselten Rohr, dessen Innenseite mit Kapillaren versehen ist und das mit einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit, die als Wärmeübertragungsmedium fungiert, gefüllt ist. Eine Wärmequelle ist in Bezug auf die Schwerkraft stets unterhalb einer Wärmesenke mit dem Wärmerohr thermisch gekoppelt. Durch Energiezufuhr von der Wärmequelle beginnt die Flüssigkeit im Wärmerohr zu verdampfen. Der Wärmequelle wird dabei Wärme entzogen. Der Dampf strömt in dem Wärmerohr nach oben zur Wärmesenke, wobei Verdampfungswärme abgegeben wird und die Flüssigkeit kondensiert. Die Flüssigkeit strömt dann in den Kapillaren wieder nach unten zur Wärmequelle zurück. Ein Vorzug von Wärmerohren ist darin zu sehen, dass die Wärmeübertragung „von unten nach oben" durch die im Wärmerohr stattfindenden Verdampfungs- und Kondensationsprozesse sowie durch die daraus resultierende Konvektionsströmung mit hoher Wärmeleistung erfolgt.
Gemäß der Erfindung enthält eine der beiden Komponenten ein Phasenwechselmaterial oder ist durch ein Phasenwechselmaterial gebildet, das bei der Aufnahme von Wärme von dem Wärmerohr bzw. bei der Abgabe von Wärme an das Wärmerohr von einem Phasenzustand in einen anderen Phasenzustand übergeht. Bei dem Phasenwechselmaterial kann es sich z. B. um ein Salzhydrat oder um Parafin handeln.
Vereinfacht gesprochen hat man sich den erfindungsgemäßen Aufbau so vorzustellen, dass zwischen zwei Komponenten bzw. Systemen, von denen die bzw. das eine unterhalb der bzw. des anderen angeordnet ist, ein Wärmerohr angeordnet ist, das thermisch mit den beiden Komponenten bzw. Systemen verbunden ist. Gemäß dem Funktionsprinzip von Wärmerohren erfolgt der Wärmeübergang von der einen Komponente bzw. von dem einen System an die andere Komponente bzw. an das andere System mit einer größeren Wärmeleistung und somit schneller als umgekehrt. Je nach Anordnung der Komponenten kann somit kurzfristig eine hohe Wärme- bzw. Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden, wohingegen die Rekuperation, d. h. die „Wiederaufladung" der Komponente, welche das Phasenwechselmaterial enthält bzw. durch dieses gebildet ist, mit geringerer Wärmeleistung und somit langsamer erfolgt. Gemäß dem Funktionsprinzip von Wärmerohren erfolgt die Übertragung thermischer Leistung „in die eine Richtung", d. h. von unten nach oben, primär durch Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge sowie eine daraus resultierende, sich im Wärmerohr einstellende Konvektionsströmung des Wärmeübertragungsmediums, und in die andere Richtung primär durch Wärmeleitung und somit mit geringerer Wärmeleistung.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. die durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente oberhalb der zweiten Komponente angeordnet. Bei dieser Anordnung ermöglicht die Wärmeübertragungseinrichtung eine Übertragung von Wärme mit einer höheren Wärmeleistung von der zweiten Komponente an die erste Komponente als umgekehrt. Die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. die durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente fungiert somit primär als schnell aktivierbare Wärmesenke.
Eine derartige Anordnung ist z. B. für Fahrzeuge interessant, die mit einer Klimaanlage mit mechanisch angetriebenem Verdichter und mit einer Motorstart-/Stopautomatik ausgestattet sind. Die Motorstart-/Stopautomatik schaltet den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs in Abhängigkeit verschiedener Fahrzeugparameter bzw. Parameterkombinationen automatisch ab, z. B. beim Anhalten an einer Ampel. Während Stillstandszeiten des Verbrennungsmotors wird der Verdichter der Klimaanlage nicht angetrieben.
Die oben beschriebene Anordnung könnte eingesetzt werden, um während Stillstandsphasen des Verbrennungsmotors, d. h. zeitlich vorübergehend, den Abfall der Wärmeleistung der Klimaanlage zu kompensieren, wobei Wärme aus dem Fahrgastraum mit vergleichsweise hoher Wärmeleistung über das Wärmerohr in die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. in die durch das Phasenwecheselmaterial gebildete erste Komponente eingespeist wird.
Bei erneutem Start des Verbrennungsmotors kann die erste Komponente durch die Fahrzeug-Klimaanlage wieder rekuperiert werden, wobei die Rekuperation mit vergleichsweise geringer Wärmeleistung vonstatten geht und dementsprechend länger dauert als die „Entladung" des „Kältespeichers". Dass die Rekuperation mit geringerer thermischer Leistung erfolgt als die Entladung des Speichers, hat den Vorteil, dass von der von der Klimaanlage erzeugten Kälteleistung nur ein vergleichsweise geringer Anteil für die Rekuperation des Speichers abgezweigt wird und der ganz überwiegende Anteil der erzeugten Kälteleistung „sofort" für die Klimatisierung des Fahrgastraums zur Verfügung steht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste (Spei cher-)Komponente als Wärmespeicher genutzt werden. Hierfür ist die erste Komponente in Bezug auf die Schwerkraft unterhalb der zweiten Komponente angeordnet. Die Wärmeübertragungseinrichtung ist bei einer derartigen Anordnung dazu vorgesehen, eine Übertragung von Wärme mit einer höheren Wärmeleistung von der ersten Komponente an die zweite Komponente zu ermöglichen, als umgekehrt. Die erste Komponente fungiert also als schnell aktivierbare Wärmequelle.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung, bei der die Wärmeübertragungseinrichtung primär als schnell aktivierbare Wärmequelle genutzt wird; und
2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Wärmeübertragungseinrichtung primär als schnell aktivierbare Wärmesenke genutzt wird.
1 zeigt im oberen Bildbereich eine Wärmeübertragungseinrichtung mit einer ersten Komponente 1, einem Wärmerohr, auch bekannt als „Heatpipe" 2 und einer zweiten Komponente 3. Die erste Komponente 1 ist in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, die durch den Pfeil 4 angedeutet ist, unterhalb der zweiten Komponente 3 angeordnet. Die erste Komponente enthält ein Phasenwechselmaterial oder ist durch ein Phasenwechselmaterial gebildet. Unter einem Phasenwechselmaterial wird eine Substanz verstanden, die im Temperaturbereich, in dem die Wärmeübertragungseinrichtung arbeitet, bei Wärmezufuhr bzw. bei Wärmeabgabe ihren Aggregatszustand ändert.
Das Wärmerohr 2 ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und basiert auf dem Prinzip, dass Wärme, die von der ersten Komponente im unteren Bereich des Wärmerohrs 2 an das darin enthaltene Medium abgegeben wird, das Medium verdampft. Das verdampfende Medium steigt im Wärmerohr nach oben und kühlt sich unter Wärmeabgabe an die zweite Komponente 3 ab, was zur Kondensation des Mediums führt. Das verflüssigte Medium strömt unter Einwirkung der Schwerkraft wieder nach unten, so dass sich im Wärmerohr eine Konvektionsströmung einstellt. Der Wärmetransport von der ersten Komponente 1 über das Wärmerohr 2 zur zweiten Komponente 3 erfolgt somit mit einer relativ großen Wärmeleistung, d. h. relativ schnell.
Der umgekehrte Vorgang, d. h. die Rekuperation der ersten Komponente 1, oder anders ausgedrückt, die „Beladung" der ersten Komponente 1 mit Wärme erfolgt mit deutlich geringerer Wärmeleistung, da der Wärmeübergang von der zweiten Komponente 3 über das Wärmerohr 2 auf die erste Komponente 1 primär durch Wärmeleitung erfolgt. Bei einem Temperaturgefälle von der zweiten Komponente 3 in Richtung der ersten Komponente 1 stellt sich im Wärmerohr 2 nämlich der oben geschilderte Verdampfungs-/Kondensationsprozess nicht ein.
Die in 1 gezeigte Anordnung, bei der die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente 1 unterhalb der zweiten Komponente 3 mit dem Wärmerohr 2 thermisch gekoppelt ist, stellt eine Anordnung dar, bei der in der ersten Komponente 1 gespeicherte Wärme kurzfristig abrufbar ist, während das „Aufladen" der erste Komponente 1 mit Wärme vergleichsweise lange dauert.
2 zeigt eine Anordnung, bei der die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft oberhalb der zweiten Komponente 3 mit dem Wärmerohr 2 thermisch gekoppelt ist. Mit einer derartigen Anordnung kann kurzfristig eine Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden. Dies bedeutet, dass mit hoher Wärmeleistung Wärme von der zweiten Komponente 3 über das Wärmerohr 2 an die erste Komponente 1 übertragen werden kann, wohingegen in umgekehrter Richtung die Wärmeübertragung mit vergleichsweise geringer Wärmeleistung erfolgt.

Claims

Fahrzeug mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, die eine erste Komponente (1) aufweist, die über ein Wärmerohr (2) thermisch mit einer zweiten Komponente (3) gekoppelt ist, so dass, je nach Temperaturniveau der beiden Komponenten (1, 3) Wärme von der ersten Komponente (2) über das Wärmerohr (2) an die zweite Komponente (3) abgegeben wird, oder umgekehrt, wobei eine der beiden Komponenten ein Phasenwechselmaterial enthält oder durch ein Phasenwechselmaterial gebildet ist, das bei der Aufnahme von Wärme bzw. bei der Abgabe von Wärme von einem Aggregatzustand in einen anderen Aggregatzustand übergeht.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) mit einem Wärmeübertragungsmedium befüllt ist, wobei der Wärmeübergang von der ersten Komponente (1) zur zweiten Komponente, oder umgekehrt, mit einer hohen Wärmeleistung primär durch Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge sowie eine daraus resultierende Konvektionsströmung des Wärmeübertragungsmediums im Wärmerohr (2) erfolgt und von der zweiten Komponente (3) zur ersten Komponente (1) bzw. umgekehrt, durch eine geringere Wärmeleistung, wobei der Wärmeübergang in dieser Richtung primär durch Wärmeleitung erfolgt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Erdanziehungskraft (4), die erste Komponente (1) oberhalb der zweiten Komponente angeordnet ist, oder umgekehrt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente (1) oberhalb der zweiten Komponente (3) angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung dazu vorgesehen ist, eine Übertragung von Wärme mit einer höheren Wärmeleistung von der zweiten Komponente (3) an die erste Komponente (1) zu ermöglichen, als umgekehrt und die erste Komponente (1) primär als schnell aktivierbare Wärmesenke fungiert.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente mit einem Kühl- bzw. Kältemittelkreislauf des Fahrzeugs thermisch gekoppelt ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Motorstart-/Stopautomatik aufweist, welche den Fahrzeugmotor unter bestimmten Bedingungen automatisch abschaltet, dass das Fahrzeug einen von dem Fahrzeugmotor mechanisch angetriebenen Klimaanlagenverdichter aufweist und dass in Phasen, in denen der Klimaanlagenverdichter nicht angetrieben wird, Wärme aus dem Kältemittelkreislauf der Klimaanlage über das Wärmerohr (2) an die erste Komponente (1) abgeführt wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Phasenwechselmaterial enthaltende bzw. durch das Phasenwechselmaterial gebildete erste Komponente (1) unterhalb der zweiten Komponente (3) angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung dazu vorgesehen ist, eine Übertragung von Wärme mit einer höheren Wärmeleistung von der ersten Komponente (1) an die zweite Komponente (3) zu ermöglichen, als umgekehrt, und die erste Komponente (1) primär als schnell aktivierbare Wärmequelle fungiert..