DE102008013650A1

DE102008013650A1 - Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008013650A1
Application number: DE200810013650
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Dipl.-Ing. Finkbeiner; Alexander Grauer; Georg Seidel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmespeicher. Zur Erreichung einer hohen Wärmeübertragungsleistung weist der Wärmespeicher (1) einen ersten Wärmetauscher (2), einen Dampfraum (3), ein Speichermaterial (4), einen zweiten Wärmetauscher (5) und ein Wärmeübertragungsfluid (6) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug.
Wärmespeicher im Kraftfahrzeug sind bekannt. Sie werden dazu eingesetzt, eine schnelle Erwärmung von Motormedien beim Kaltstart zu erreichen.
Ebenfalls bekannt sind Latentwärmespeicher. Latentwärmespeicher in Kraftfahrzeugen speichern während des Betriebs des Kraftfahrzeugs anfallende überschüssige Wärmeenergie und stellen sie bei Bedarf, beispielsweise bei einem Kaltstart wieder zur Verfügung. Bekannte Latentwärmespeicher nutzen dabei die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Solche Speichermedien sind beispielsweise diverse Salze und Parafine, die eine hohe Schmelzwärme bei einem Phasenwechsel von fest nach flüssig freisetzen. Diese Wärme wird auch als latente Wärme (latent vom Lateinischen latere = verborgen sein) bezeichnet, da sie ohne gleichzeitige Temperaturerhöhung gespeichert bzw. freigesetzt werden kann. Das Speichermedium ist so gewählt, dass eine Rekristallisation, d. h. ein Phasenwechsel von flüssig nach fest kurz unterhalb einer Schmelztemperatur eintritt. Das Innere des Speichers ist gewöhnlich wie ein Wärmetauscher aufgebaut, in dem auf der einen Seite das Speichermedium eingeschlossen ist, und auf der anderen Seite ein Wärme liefern des bzw. Wärme entziehendes Medium durchströmt. Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen handelt es sich hierbei in der Regel um Kühlmittel aus dem Motorkühlkreislauf. Um die Ladung des Latentwärmespeichers aufrecht zu erhalten, muss das Speichermedium oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden. Wenn das Wärme entziehende Medium bei einem Kaltstart mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als das Speichermedium den Latentwärmespeicher durchströmt, findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Speichermedium statt. Sobald die Temperatur des Speichermediums auf Schmelztemperatur-Niveau sinkt, wird der Betrag an Wärmeenergie frei, welcher zuvor beim Schmelzen aufgebracht wurde, und wird auf das durchströmende Medium übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug vorzuschlagen, der eine hohe Wärmeübertragungsleistung aufweist, also in möglichst kurzer Zeit große Wärmemengen überträgt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß weist ein Wärmespeicher des Kühlkreislaufs einen ersten Wärmetauscher, einen Dampfraum, ein Speichermaterial, einen zweiten Wärmetauscher und ein Wärmeübertragungsfluid auf. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine hohe Wärmeübertragungsleistung des Kühlkreislaufs.
Der erste und/oder der zweite Wärmetauscher sind vorteilhaft mit einem Motormediumskreislauf verbunden. Das Motormedium kann hierbei Öl oder Kühlmittel sein. Hierdurch können große Wärmeübertragungsleistung dargestellt werden, außerdem ist das Motormedium von Speichermaterial und Wärmeübertragungsfluid hydraulisch getrennt, was im Fall von Schäden im Speicher (etwa Auflösung des Granulats) den Motor selbst vor Beschädigung schützt.
Durch ein erstes und ein zweites Schaltventil im Kühlkreislauf können vorteilhaft der erste und/oder der zweite Wärmetauscher zum Entladen oder Wiederbeladen des Speichers durchströmt werden.
In einer kostengünstigeren Ausführungsform sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden und mit dem Motormediumskreislauf zu einem Kreislauf verbunden. Hieraus ergibt sich ebenso ein vereinfachter Aufbau, da auf Schaltventile inklusive Steuerung und einen Teil der Motormediumsleitungen verzichtet werden kann. Es ist besonders vorteilhaft, den ersten Wärmetauscher zuerst zu durchströmen, um bei kaltem Medium die maximale Temperaturdifferenz zur Speicherentladung zur Verfügung zu haben.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist an den ersten Wärmetauscher der Motorölkreislauf und an den zweiten Wärmetauscher der Kühlmittelkreislauf angeschlossen. Hierdurch kann dadurch, dass das Kühlmittel schneller Temperaturen jenseits des Schmelzpunktes des PCMs erreicht als das Öl, eine schnellere Wiederaufladung des Speichers erzielt werden.
Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs und
3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs.
1 zeigt einen bereits bekannten Latentwärmespeicher (LWS) mit PCM-Material. Das Latentwärmespeichermaterial (PCM) liegt in einem Granulat 4 gebunden vor, das seine Form makroskopisch nicht ändert, auch wenn das PCM in dessen Inneren geschmolzen vorliegt. Dadurch bleibt stets eine große Oberfläche erhalten, die zur Übertragung großer Wärmeleistungen gebraucht wird.
Der Wärmespeicher 1 ist thermisch isoliert und enthält das Speichermaterialgranulat 4. Er ist bis zu einer gewissen Höhe mit einem Wärmeübertragungsfluid 6 gefüllt, dessen Dampfphase den Dampfraum 3 füllt. Es stellt sich entsprechend der Dampfdruckkurve des Fluids 6 ein Druck in Abhängigkeit der Temperatur des Speichers 1 ein.
Es gibt einen Kreislauf 8 mit einem ersten Wärmetauscher 2 zum Entladen des Speichers 1, also zum gewünschten Aufheizen eines Mediums, und einen Kreislauf 7 mit einem zweiten Wärmetauscher 5 zum Wiederbeladen des Speichers 1. Beide sind mit dem Motorkreislauf 10 schaltbar verbunden.
Beim Entladen des Speichers 1 (seine Temperatur ist oberhalb des Schmelzpunkts des PCMs) werden ein erstes und ein zweites Schaltventil 9 so geschaltet, dass kaltes Medium durch den Wärmetauscher 2 strömt. Aus dem Dampfraum 3 kondensiert Dampf am Wärmetauscher 2, wodurch das durch ihn strömende Medium erhitzt wird. Das kondensierte Dampfvolumen wird dabei sofort durch Verdampfung aus dem Fluid 6 ersetzt, wobei dem PCM 4 Wärme entzogen wird. Die Verdampfung läuft selbständig ab, bis der der Speichertemperatur entsprechende Dampfdruck wiederhergestellt ist. Der gesamte Prozess kommt zum Erliegen, sobald dem Speicher 1 über den Wärmetauscher 2 keine Wärme mehr entzogen wird.
Die Wiederbeladung des Speichers 1 geschieht über den Wärmetauscher 5 in ähnlicher Weise: sobald durch ihn das heiße Mo tormedium geleitet wird, siedet das Fluid 6 in ihm und kondensiert anschließend am Wärme aufnehmenden PCM 4. Dieser Prozess findet ebenfalls so lange selbständig statt, wie Wärme über den Wärmetauscher 5 zugeführt wird.

Claims

Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmespeicher (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) einen ersten Wärmetauscher (2), einen Dampfraum (3), ein Speichermaterial (4), einen zweiten Wärmetauscher (5) und ein Wärmeübertragungsfluid (6) aufweist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (2) mit einem Motormediumskreislauf (10) verbunden ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (5) mit einem Motormediumskreislauf (10) verbunden ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung des ersten Wärmetauscher (2) und die Zuführleitung des zweiten Wärmetauscher (5) über ein erstes Ventil miteinander und mit dem Motormediumskreislauf (10) verbunden sind.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführleitung des ersten Wärmetauscher (2) und die Abführleitung des zweiten Wärmetauscher (5) über ein zweites Ventil (9) miteinander und mit dem Motormediumskreislauf (10) verbunden sind.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium des Motormediumskreislaufs (10) Öl ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium des Motormediumskreislaufs (10) Kühlwasser ist.
Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (2) und der zweite Wärmetauscher (5) über eine Verbindungsleitung (12) miteinander verbunden sind und mit dem Motormediumskreislauf (10) zu einem Kreislauf verbunden sind.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Wärmetauscher (2) der Motorölkreislauf (10) und an den zweiten Wärmetauscher (5) der Kühlmittelkreislauf (11) angeschlossen ist.