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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Vorrichtung mit
einem Vorrichtungsteil, das sich beim Betrieb der elektromechanischen
Vorrichtung auf eine Betriebstemperatur erwärmt, und mit
einer Kühleinrichtung, die einen Wärmespeicher mit
einem Phasenumwandlungsmaterial aufweist.
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Die
Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren
zum Betreiben der elektromechanischen Vorrichtung, bei dem in einem
ersten Schritt ein Vorrichtungsteil durch den Betrieb erwärmt
und in einem zweiten Schritt zumindest für eine Zeit t
die Temperatur des Vorrichtungsteils durch eine Wärmeaufnahme
eines Wärmespeichers im Wesentlichen konstant gehalten
wird.
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Ferner
bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung der Kühleinrichtung.
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Elektrische
Maschinen erhitzen sich hauptsächlich aufgrund ohmscher
Widerstände und magnetisch induzierter Wirbelströme
und müssen zum Kleinhalten der Betriebstemperatur gekühlt
werden, etwa um den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen oder
auch die maximale Temperatur einzelner Bauteile zu beschränken
und damit eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.
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Es
gibt zahlreiche Kühlkreisanordnungen und Bewegungsarten
eines Kühlmittels. Typischerweise wird der Wärmetransport
durch erzwungene Konvektion des Kühlmittels, zum Beispiel
durch einen Lüfter, durchgeführt. Der mögliche
Volumenstrom des Kühlmittels und somit auch die Wirkung des
Lüfters steigen mit dessen Durchmesser und mit dessen Umdrehungsgeschwindigkeit.
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Bei
sehr kompakten Maschinen oder solchen mit niedriger Drehgeschwindigkeit
ist die erzwungene Konvektion oft unzureichend. Eine Verbesserung der
Kühleffizienz, zum Beispiel mittels flüssigem
Kältemittel und Wärmetauscher oder Entkopplung
von Lüfter- und Maschinenantrieb, scheitert zudem oft aufgrund
von Raumbedarfs- und Kostenaspekten.
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Maschinen,
die kurzen Wärmezyklen ausgesetzt sind, etwa elektrische
Starter, können so dimensioniert werden, dass die Zeitkonstante
der Erwärmung größer ist als die des
Wärmezyklus. Eine große Wärmekapazität
der Bauteile wird üblicherweise über die Erhöhung
der Bauteilmasse, also zulasten einer Gewichtsreduktion, erreicht.
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Es
ist bekannt, Phasenumwandlungsmaterial in Wärmespeichern
einzusetzen, wobei solche Materialien bei einem Phasenübergang
Energie als sogenannte „Latentwärme” isotherm
aufnehmen beziehungsweise freisetzen.
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Die
DE 1901221 beschreibt eine
Maschine mit einem sich erwärmenden Maschinenteil, das
einen Hohlraum mit Phasenumwandlungsmaterial aufweist, dessen Phasenumwandlungstemperatur über einer
vorgegebenen Betriebstemperatur und unter einer zulässigen
Höchsttemperatur liegt. So lässt sich bei einer
kurzzeitigen hohen Belastung der Maschine eine Überhitzung
vermieden, indem die Verlustwärme zur Phasenumwandlung
des Phasenumwandlungsmaterials führt und die Erwärmung
des Maschinenteils durch die Phasenumwandlungstemperatur begrenzt
wird.
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Die
EP 0208369 B1 beschreibt
einen Latentwärmespeicher als thermische Isolationsschicht
zwischen einem kurzzeitig erhitzten, wärmeabgebenden Bauteil
und einem benachbarten kühleren, wärmeempfindlichen
Bereich.
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Die
EP 1343243 A1 beschreibt
die Kühlung eines Generators mit Hochgeschwindigkeitsrotor durch
Besprühen mit Öl, wobei durch die Verdunstungskälte
des Öls die Kühlleistung erhöht wird.
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Die
US 5,770,903 beschreibt
einen Rückflusskühler für eine elektromechanische
Vorrichtung, der mit einem stetig verdampfenden und wieder kondensierenden Kühlmittel
arbeitet. Um dabei die Koexistenz der flüssigen und gasförmigen
Phase des Kühlmittels zu sichern, wird das Kühlmittel
mit einem weiteren, zusätzlichen Phasenumwandlungsmaterial vor Überhitzung
geschützt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine elektromechanische Vorrichtung und
ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, bei der beziehungsweise
bei dem eine Verlängerung der Bauteillebensdauer ermöglicht
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1
und 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche
definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es
ist ein Gedanke der Erfindung, Phasenumwandlungsmaterial zum Kühlen
der elektromechanischen Vorrichtung zu nutzen, wenn dessen Phasenumwandlungstemperatur
im Betriebsbereich der Betriebstemperatur liegt, wobei sich beim
Betrieb der elektromechanischen Vorrichtung zumindest ein Vorrichtungsteil
auf mindestens diese Betriebstemperatur erwärmt. Dabei
kühlt die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
zumindest das Vorrichtungsteil, wobei sie einen Wärmespeicher
mit dem Phasenumwandlungsmaterial aufweist, um von dem Vorrichtungsteil
abgegebene Wärme aufzunehmen, und quasi zu einer Erhöhung
der Wärmekapazität der Vorrichtung beziehungsweise
des Vorrichtungsteils führt. Die Phasenumwandlungstemperatur
liegt also nicht nur unterhalb einer zulässigen Höchsttemperatur
des Vorrichtungsteils, sondern auch in dem Temperaturbereich, der
im regulären Betrieb der Vorrichtung angenommen wird. Somit
kann die Kühleinrichtung auch im regulären Betrieb
wirken und dadurch die Bauteillebensdauer erhöhen.
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Erreicht
das Vorrichtungsteil beim Erwärmen die Phasenumwandlungstemperatur,
so wird ein weiterer Temperaturanstieg, insbesondere bei fortwährender
Wärmezufuhr, zumindest so lange verhindert, bis das Phasenumwandlungsmaterial
den Phasenübergang vollständig vollzogen hat,
sodass also für die Dauer des Phasenübergangs
die Temperatur des Vorrichtungsteils durch die Wärmeaufnahme
des Wärmespeichers im Wesentlichen konstant gehalten wird.
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Damit
ermöglicht die Erfindung, den Temperaturanstieg des Vorrichtungsteils
zu verlangsamen, zu verzögern oder sogar ganz zu verhindern,
falls während der Dauer des Phasenübergangs, etwa
aufgrund eines nachfolgenden Betriebszustandes mit geringerer Verlustleistung,
der Wärmefluss in den Wärmespeicher beendet wird.
So lässt sich auch die maximale Betriebstemperatur verringern,
und zwar sowohl des Vorrichtungsteils als auch von umliegenden Vorrichtungsteilen.
Folglich wird die thermische Belastung von Bauteilen reduziert und
deren Lebensdauer verlängert.
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Vorzugsweise
ist die elektromechanische Vorrichtung für einen zyklischen
Betrieb ausgelegt beziehungsweise wird zyklisch betrieben. Unter
einem zyklischen Betrieb wird nachfolgend ein Betrieb mit zumindest
zwei sich zyklisch wiederholenden Betriebszuständen aufgefasst,
in denen das Vorrichtungsteil jeweils unterschiedliche Betriebstemperaturen
annimmt, also etwa in zwei Stufen. Dabei entspricht grundsätzlich
ein Betriebszustand dem ausgeschalteten Zustand der Vorrichtung
und ein weiterer Zustand dem Volllastbetrieb, wobei ein zyklischer Betrieb
mit nur diesen beiden Zuständen bevorzugt ist.
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Bei
einem solchen zyklischen Betrieb ändert sich auch die Betriebstemperatur
des Vorrichtungsteils zyklisch, wobei erfindungsgemäß sich
das Vorrichtungsteil in einem ersten Schritt erwärmt und dann
in einem zweiten Schritt die Temperatur des Vorrichtungsteils durch
die Wärmeaufnahme des Wärmespeichers im Wesentlichen
isotherm, also konstant gehalten wird, und zwar zumindest für
eine Zeit t. Während dieser Zeit t fließt dem
Wärmespeicher Wärme von dem Vorrichtungsteil zu
und führt zu einer fortschreitenden Phasenumwandlung des
Phasenumwandlungsmaterials.
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Der
das Vorrichtungsteil erwärmende Betriebszustand kann auch über
die Dauer der vollständigen Phasenumwandlung hinaus anhalten,
sodass das Vorrichtungsteil nach dem Konstanthalten der Temperatur
weiter erwärmt wird und die Kühleinrichtung also
zu der genannten Verringerung des Temperaturanstiegs führt.
Auf diesen erwärmenden Betriebszustand folgt jedoch, möglicherweise
bereits vor der vollständigen Phasenumwandlung, also während
des Konstanthaltens der Temperatur, ein nachfolgender Betriebszustand,
der zu einer Abkühlung des Vorrichtungsteils führt.
Während dieses Betriebszustandes kann der Wärmespeicher
die zuvor aufgenommene Wärme abgeben und kann das Phasenumwandlungsmaterial
eine Phasenumwandlung in umgekehrter Richtung vollziehen.
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Das
Resultat ist die Verlangsamung der Temperatursteigungen und die
Glättung der Temperaturpeaks im Zyklusbetrieb. Als Konsequenz
kann die Vorrichtung für eine höhere Zahl von
Zyklen betrieben werden, ohne eine zulässige Maximaltemperatur zu überschreiten.
Zudem kann bei gegebener Zyklenzahl eine niedrigere Maximaltemperatur
erzielt werden, was zu höherer Haltbarkeit, Lebensdauer und
geringeren Materialanforderung führt.
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Die
elektromechanische Vorrichtung kann eine elektrische Maschine, beispielsweise
einen Elektromotor, insbesondere einen kompakten leistungsstarken
Motor, und das Vorrichtungsteil ein Gehäuseteil, einen
Rotor und/oder einen Stator umfassen.
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Vorzugsweise
ist die elektromechanische Vorrichtung als ein Starter, ein Generator
oder eine Kombination aus Starter und Generator ausgeführt, etwa
für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
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Das
Phasenumwandlungsmaterial ist vorzugsweise in einer Phasenumwandlungsmaterial-Hülle
gebunden oder beinhaltet, und zwar vor, während und nach
dem Phasenübergang, wobei die Hülle der thermischen
Anbindung des Phasenumwandlungsmaterials an das Vorrichtungsteil
dient. Das Phasenumwandlungsmaterial kann dabei chemisch und/oder
auch physikalisch in der Hülle gebunden sein, etwa aufgrund
einer molekularen Struktur oder eines schwammartigen Aufbaus der
Hülle. Die Schmelztemperatur der Phasenumwandlungsmaterial-Hülle
muss ausreichend größer als die Phasenumwandlungstemperatur
des Phasenumwandlungsmaterials sein, um ausreichende Festigkeit
der Struktur zu gewährleisten. Außerdem dient
die Phasenumwandlungsmaterial-Hülle der thermischen Anbindung des
Phasenumwandlungsmaterials an das Vorrichtungsteil, wobei eine Anbindung
an die temperaturempfindlichsten Bauteile bevorzugt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wärmespeicher
einen, vorzugsweise geschlossenen Behälter mit Phasenumwandlungsmaterial
im Innern. Der Behälter kann also die Hülle oder auch
nur Bestandteil der Hülle sein. So kann die Kühleinrichtung,
zumindest jedoch der Wärmespeicher, unabhängig
von der elektromechanischen Vorrichtung und auch für unterschiedliche
Vorrichtungen gleichermaßen geeignet hergestellt werden.
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Vorzugsweise
weist zumindest eine Wand des Behälters Metall auf oder
ist aus Metall gefertigt und kann die Wand als Wärmeleitung
mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit
für einen Wärmefluss in das oder aus dem Phasenumwandlungsmaterial wirken.
Die Schmelztemperatur des Behälters liegt vorzugsweise über
der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenumwandlungsmaterials und/oder auch über
der zulässigen Höchsttemperatur der Vorrichtung
oder des Vorrichtungsteils.
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Der
Behälter ist in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt
zumindest zu 50%, 75% oder 90% seines Volumens mit Phasenumwandlungsmaterial gefüllt,
so dass die Kühleinrichtung bei einem möglichst
kleinen Volumen möglichst viel Wärme speichern
kann.
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Der
Wärmetransport zwischen dem Vorrichtungsteil und dem Wärmespeicher
kann maßgeblich durch Wärmeleitung, also vernachlässigbar
durch Konvektion oder Wärmestrahlung, erfolgen, sodass die
Kühleinrichtung von einfachem mechanischen Aufbau sein
kann, wobei bei einer günstigen Ausführungsform
die Kühleinrichtung nur aus dem Behälter mit Phasenumwandlungsmaterial
besteht.
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Vorzugsweise
bildet der Wärmespeicher eine Wärmeleitung über
eine Kontaktfläche des Behälters aus, die an eine
aufgeheizte Fläche des Vorrichtungsteils angrenzt. Dabei
ist „angrenzen” so zu verstehen, dass die Kontaktfläche,
vorzugsweise eine Behälterwand, mittels eines Wärmeleitmittels, etwa
einer Wärmeleitpaste oder einer Wärmeleitfolie, oder
auch unmittelbar, etwa durch Aneinanderpressen mittels Verschraubung,
Schweißen, Löten oder Kleben, direkt mit der Vorrichtung
beziehungsweise dem Vorrichtungsteil verbunden sein kann, um eine gute
Wärmeleitung zwischen Kontaktfläche und aufgeheizter
Fläche zu ermöglichen.
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Die
Kühleinrichtung und/oder auch die Kontaktfläche
können innerhalb der Vorrichtung angeordnet sein und können
an eine innenliegende Fläche der Vorrichtung angrenzen.
So kann die Kühleinrichtung möglichst in der Nähe
einer Hitzequelle angebracht sein und so die Lebensdauer von Bauteilen verlängern.
Ferner lässt sich die Kühleinrichtung so konstruieren,
dass sie nicht über die Außenmaße der Vorrichtung
hinausragt, sodass eine kompakte Bauweise erzielbar ist. Insbesondere
auch bei einem Starter als Vorrichtung kann die Kühleinrichtung
vorzugsweise im Luftraum zwischen Rotor, Wicklungen und Gehäuse
installiert werden.
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Im Übrigen
kann die Kühleinrichtung an einem sich während
des Betriebs bewegenden Teils der Vorrichtung, etwa dem Rotor, befestigt
sein. Solche Teile sind konventionell schwierig zu kühlen,
da Wärme aufgrund einer möglichst reibungsfreien
Lagerung meist schlecht durch Wärmeleitung nach außen
geführt werden kann oder auch ein Anschluss an einen geschlossenen
Kühlmittelkreislauf aufwendig ist. Für die Anwendung
an rotierenden Teilen kann ein Phasenumwandlungsmaterial verwendet
werden, dessen volumischer Ausdehnungskoeffizient in der flüssigen
Phase größer ist als derjenige der festen Phase.
Außerdem kann die Hülle ausreichend steif sein,
damit die Kontaktfläche makroskopisch ununterbrochen und
das Phasenumwandlungsmaterial, insbesondere in der flüssigen
Phase, blasenfrei bleibt. So kann das Phasenumwandlungsmaterial
jederzeit makroskopisch homogen sein, etwa um der Bildung von dynamischen
Unwuchten vorzubeugen.
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Außerdem
ist besonders bevorzugt, dass das Phasenumwandlungsmaterial bei
der Phasenumwandlungstemperatur einen Phasenübergang zwischen
einer festen und einer flüssigen Phase aufweist, sodass
im Unterschied zum Übergang in eine gasförmige
Phase eine möglichst geringe Volumenänderung beim
Phasenübergang auftritt, da feste und flüssige
Phase annähernd gleiche Dichten aufweisen. So kann der
Behälter des Wärmespeichers nur geringen Druckbelastungen
ausgesetzt und, wie oben dargestellt, mit möglichst viel
Phasenumwandlungsmaterial gefüllt werden.
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Die
Auswahl des Phasenumwandlungsmaterials ist auch von der vorgesehenen
Betriebstemperatur bestimmt. Die Phasenumwandlungstemperatur liegt
in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei mindestens ca. 30°C,
40°C, 50°C oder 70°C und vorzugsweise über
der Umgebungstemperatur der Vorrichtung, insbesondere auch über
der niedrigsten der Betriebstemperaturen bei einem Betrieb der Vorrichtung
mit einer Mehrzahl von Betriebszuständen. Außerdem
kann die Phasenumwandlungstemperatur in dieser Reihenfolge zunehmend
bevorzugt höchstens ca. 400°C, 350°C,
300°C oder 250°C betragen und insbesondere unter
einer maximal zulässigen Höchsttemperatur der
Vorrichtung beziehungsweise des Vorrichtungsteils liegen, um dieses
oder umliegende Bauteile vor Hitzeschäden zu schützen.
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Als
Phasenumwandlungsmaterial können die üblichen
Materialien gewählt werden, beispielsweise Salze oder Paraffine.
Vorzugsweise wird ein Metall oder eine Metalllegierung als Phasenumwandlungsmaterial
verwendet, dessen fest-flüssig Phasenübergang
bei den zuvor genannten Temperaturen liegen kann, wobei sich über
Konzentrationsverhältnisse der Legierungsbestandteile geeignete
Phasenumwandlungstemperaturen einstellen lassen. Beispielsweise
können bei Weichloten die Schmelztemperaturen schon bei
Temperaturen von ca. 70°C bis ca. 180°C und natürlich
auch darüber liegen. Dabei oder auch unabhängig
davon kann das Phasenumwandlungsmaterial zumindest einen Stoff aus
der Gruppe Zinn, Blei und Bismut aufweisen. Allgemein ist das Phasenumwandlungsmaterial
am besten geeignet, welches die größte Wärmekapazität
im gesamten Betriebsbereich und zudem die größte Schmelzenthalpie
aufweist.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Kühleinrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
elektromechanischen Vorrichtung mit der Kühleinrichtung,
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen
elektromechanischen Vorrichtung mit einer Mehrzahl Kühleinrichtungen und
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4 einen
Temperaturverlauf der Betriebstemperatur eines Vorrichtungsteils
einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Vorrichtung
bei einem zyklischen Betrieb.
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Die 1 zeigt
eine Kühleinrichtung 11, die einen Wärmespeicher
mit einer Metalllegierung als Phasenumwandlungsmaterial 13,
nämlich ein Weichlot mit den Hauptkomponenten Zinn und
Blei und mit einer Schmelztemperatur PCM-T von ca. 250°C,
in einem Behälter 12 aufweist. Der quaderförmige
Behälter 12 ist aus Metall mit einer deutlich
höheren Schmelztemperatur als die des Weichlots 13 gefertigt und
ist vollständig mit dem Weichlot 13 gefüllt.
Der Behälter 12 kann mit einer oder auch einer
Mehrzahl seiner Wände als Kontaktflächen an eine
aufgeheizte Fläche des Vorrichtungsteils angrenzen.
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
elektromechanischen Vorrichtung, nämlich eine elektrische
Maschine in Form eines Starters 21 einer Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug, mit einer Kühleinrichtung 25 und
einem Stator 22. Die Kühleinrichtung 25 ist
ein mit Weichlot gefüllter Behälter gemäß 1,
die an einer Außenfläche des Startergehäuses 24 angeschweißt
ist, sodass eine Behälterwand als Kontaktfläche
eine Wärmeleitung zu der durch den Stator 22 erhitzten
Außenfläche ausbildet.
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Der
Starter 21 ist für einen zyklischen Betrieb ausgelegt,
der in der 4 näher erläutert
wird, wobei der zyklische Betrieb einen eingeschalteten Betriebszustand
A und einen ausgeschalteten Betriebszustand B umfasst. Im eingeschalteten
Betriebszustand A erwärmt sich zumindest der Stator 22 aufgrund
ohmscher Verlustleistung beim Stromfluss durch eine Statorwicklung 23 und
gibt Wärme an das Startergehäuse 24 ab,
das sich also in einem ersten Schritt erwärmt, und zwar
insbesondere auch an der Außenfläche. In einem
zweiten Schritt wird, wie in der 4 dargestellt,
die Temperatur des Startergehäuses 24 und somit
auch des Stators 22 und der Statorwicklung 23 im
Betriebsbereich der Betriebstemperatur Te durch
die Wärmeaufnahme des Wärmespeichers der Kühleinrichtung 25 im
Wesentlichen konstant gehalten.
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Die 3 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, nämlich ebenfalls einen Starter 31 einer
Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Im Unterschied zu dem
in der 2 dargestellten Beispiel sind hierin eine Vielzahl von
Kühleinrichtungen 35, 36, 37, 38 gemäß 1 im
Inneren des Starters 31 angebracht, wobei auch andere Kombinationen
von Kühleinrichtungen oder auch nur eine einzige Kühleinrichtung,
sowie gleichzeitig Kühleinrichtungen im Inneren und auch
am Äußeren des Starters 31 realisierbar
sind. Der in 3 gezeigte Starter 31 erfährt
so jedoch keine Vergrößerung seiner äußeren
Abmessungen aufgrund der Kühleinrichtungen 35, 36, 37, 38 und
kann direkt einen herkömmlichen Starter ohne erfindungsgemäße Kühleinrichtung 35, 36, 37, 38 ersetzen.
Durch den Materialmix aus Stator, Rotor und Kühleinrichtung
ist eine Reduktion der Maximalbauteiltemperatur bei niedrigem Gewicht
möglich. Die Reduktion der Temperatur führt zu
verbessertem Wirkungsgrad, höheren Betriebszeiten, höhere
Zyklen und längerer Lebensdauer.
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Im Übrigen
weisen hier alle Kühleinrichtungen 35, 36, 37, 38 dasselbe
Phasenumwandlungsmaterial auf. Es sind jedoch auch unterschiedliche Kühleinrichtungen
mit Phasenumwandlungsmaterialien unterschiedlicher Phasenumwandlungstemperaturen
PCM-T für unterschiedliche Betriebsbereiche der Betriebstemperaturen
verschiedener Vorrichtungsteile möglich.
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Die
Kühleinrichtung 37 ist an einer Innenfläche
des Startergehäuses 34 angeschweißt.
Die übrigen Kühleinrichtungen 35, 36, 38 sind
bei diesem Beispiel an beweglichen Teilen, nämlich an der
Stirn des Rotors 32, innerhalb des Rotors 32 beziehungsweise
in dem Kommutator 39, angebracht, die sich im Wesentlichen
durch eine elektrische Verlustleistung in der Rotorwicklung 33 erwärmen.
Dabei sind die Behälter der Wärmespeicher vollständig
mit Phasenumwandlungsmaterial gefüllt, um eine Unwucht
bei der Rotationsbewegung dieser Teile 32, 33, 39 zu vermeiden.
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Die 4 zeigt
vergleichend den Verlauf der Betriebstemperaturen Te,
Tk einer erfindungsgemäßen
elektromechanischen Vorrichtung (durchgezogene Linie), nämlich
eines Starters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, und
einer konventionellen elektromechanischen Vorrichtung ohne erfindungsgemäße
Kühleinrichtung (gestrichelte Linie) bei einem zyklischen
Betrieb mit den beiden Betriebszuständen A, B dargestellt
sind, wobei der eingeschaltete Betriebszustand A einem Volllastbetrieb des
jeweiligen Starters entspricht. Mit Beginn des eingeschalteten Betriebszustandes
A steigen die Betriebstemperaturen Te, Tk beider Vorrichtungen an und die entsprechenden
Vorrichtungsteile erwärmen sich. Dabei wird ein Teil der
Energie auch an die Umgebung abgegeben. Sobald die Phasenumwandlungstemperatur
PCM-T erreicht wird, setzt die Phasenumwandlung des Phasenumwandlungsmaterials ein,
sodass die Betriebstemperatur Te der erfindungsgemäßen
elektromechanischen Vorrichtung für die Phasenumwandlungsdauer
t1, also bis zur vollständigen Phasenumwandlung allen Phasenumwandlungsmaterials
im Wärmespeicher von der festen in die flüssige
Phase, im Wesentlichen konstant gehalten und damit verzögert
wird, während bei der konventionellen Vorrichtung in dieser
Zeit t1 die Betriebstemperatur Tk weiterhin
ansteigt. Sobald die Phasenumwandlung vollständig vollzogen
ist, also nach der Dauer t1, endet das Konstanthalten der Betriebstemperatur
Te der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und steigt die Betriebstemperatur Te weiter
an, sofern der eingeschaltete Betriebszustand A andauert. In diesem
Zeitraum, nämlich bis zum Zeitpunkt des Übergangs
in den ausgeschalteten Betriebszustand B, liegt die Betriebstemperatur
Te der erfindungsgemäßen
Vorrichtung jedoch deutlich unter der Betriebstemperatur Tk der konventionellen Vorrichtung. Ebenso
liegt auch die maximale Betriebstemperatur Te,max der
erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich unter der
maximalen Betriebstemperatur Tk,max der
konventionellen Vorrichtung. So kann die thermische Belastung der
Vorrichtung beziehungsweise der Vorrichtungsteile reduziert und
deren Lebensdauer verlängert werden.
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Während
des ausgeschalteten Betriebszustands B erfolgt keine weitere Wärmezufuhr
und die in der Vorrichtung und auch in dem Wärmespeicher gespeicherte
Wärme wird oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur mit
einer Abkühlung der Vorrichtungen einhergehend abgegeben,
und zwar insbesondere an deren Umgebung. Bei Erreichen der Phasenumwandlungstemperatur
PCM-T bleibt die Betriebstemperatur Te der
erfindungsgemäßen Vorrichtung für die
Dauer t2 der Phasenumwandlung, und zwar jetzt von der flüssigen
zur festen Phase, konstant. Nach der Abgabe der Latentwärme
aus dem Wärmespeicher sinken die Betriebstemperaturen Te, Tk der erfindungsgemäßen
wie auch der konventionellen Vorrichtung weiter ab, etwa bis auf
die jeweilige Umgebungstemperatur und/oder bis zum nächsten
Einsetzen des eingeschalteten Betriebszustandes A.
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Die 4 zeigt
deutlich, dass durch das Phasenumwandlungsmaterial ein verzögerter
Temperaturanstieg und auch eine geringere Maximaltemperatur Te,max erzielt werden, und zwar insbesondere bei
einem regulären zyklischen Betrieb der Vorrichtung. Dabei
gibt 4 den Temperaturverlauf eines Starters mit einer
Kühleinrichtung mit Zinn als Phasenumwandlungsmaterial
wieder und beträgt die isotherme Wärmespeicherungsdauer,
also die Dauer t1 der Phasenumwandlung, mehrere Sekunden und die Reduzierung
der Maximaltemperatur mehrere zehn Kelvin.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1901221 [0009]
- - EP 0208369 B1 [0010]
- - EP 1343243 A1 [0011]
- - US 5770903 [0012]
