DE102010010276A1

DE102010010276A1 - Zum Austausch von heißem und kaltem Kühlmittel, insbesondere bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, geeigneter Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102010010276A1
Application number: DE102010010276A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Schatz Oskar
Original assignee: Schatz Thermo System GmbH
Current assignee: Innovationsschatz De GmbH
Priority date: 2010-03-07
Filing date: 2010-03-07
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-03-08
Also published as: DE102010010276B4

Abstract

Ein zum Austausch von kaltem und heißem Kühlmittel, insbesondere bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, geeigneter Wärmespeicher (10) besitzt einen Außenbehälter (12) und einen von diesem unter Bildung eines Isolierraums (14) getrennten Innenbehälter (16), der durch einen den Isolierraum durchquerenden Zufluß (30) und einen ebensolchen Abfluß (36) mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar ist. Im Innenbehälter (16) sind der unten einmündende Zufluß (30) und der oben ausmündende, fallrohrartige Abflug (36) durch eine Verbindungsleitung verbunden, die aus einer Gruppe mäanderartig verbundener und zueinander paralleler Kanäle (20a–20g) besteht. Zur Anpassung an begrenzte Raumverhältnisse ist die Ausdehnung des Wärmespeichers (10) in vertikaler Richtung größer als in horizontaler Richtung. Die Kanäle (20a–20g) verlaufen in vertikaler Richtung und werden durch den Innenbehälter (16) durchquerende Trennwände (18a, 18b) gebildet, die abwechselnd mit der oberen (24) oder der unteren Stirnwand (22) des Innenbehälters (16) verbunden sind. Die mit der oberen Stirnwand (24) des Innenbehälters (16) verbundenen Trennwände (18b) weisen der oberen Stirnwand benachbart eine Luftableitungsöffnung (40) auf und der letzte, aufsteigend durchströmte Kanal (20g) umgibt ein nach unten ausmündendes Abflußrohr (36), das in der Nähe der oberen Stirnwand (24) endet.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen zum Austausch von kaltem und heißem Kühlmittel, insbesondere bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, geeigneten Wärmespeicher mit einem Außenbehälter und einem von diesem unter Bildung eines Isolierraums getrennten Innenbehälter, der durch einen den Isolierraum durchquerenden Zufluß und einen ebensolchen Abfluß mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar ist, wobei im Innenbehälter der unten einmündende Zufluß und der oben ausmündende Abfluß durch eine Verbindungsleitung verbunden sind, die aus einer Gruppe mäanderartig verbundener und zueinander paralleler Kanäle besteht, die durch den Innenbehälter durchquerende Wände gebildet werden, die, abwechselnd der einen oder der anderen, die Strömung umlenkenden Innenbehälterstirnwand benachbart eine Überströmöffnung definieren,.
Wegen der bekannten Probleme beim Kaltstart von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart, nämlich hoher Kraftstoffverbrauch, hohe Abgasemissionen, hoher mechanischer Verschleiß, ist es bekannt, beim Abschalten eines Verbrennungsmotors n dessen Kühlmittelkreislauf befindliches heiße Kühlmittel, in der Regel Kühlwasser, in einem Wärmetauscher im Austausch mit dem dort befindlichen kalten Kühlmittel bis zum Neustart des Motors zu speichern. Beim Neustart des Motors findet ein erneuter Austausch statt, das kalte Kühlmittel aus dem Motor wird in den Wärmespeicher überführt und verdrängt das dort befindliche heiße Kühlmittel in den kalten Motor.
Ein typisches Beispiel für einen solchen Wärmespeicher zeigt die 1 der DE 196 21 032 A1 . Der Wärmespeicher besteht aus einem Innenbehälter zur Aufnahme des Kühlmittels, der unter Bildung eines Isolierraums von einem Außenbehälter umschlossen wird, wobei im Isolierraum ein Vakuum, vorzugsweise ein Hochvakuum besteht. Der Isolierraum wird von einer Zuleitung und einer Ableitung für das Kühlmittel durchquert, wobei konstruktiv darauf zu achten ist, daß die Isolierwirkung beeinträchtigende Wärmebrücken möglichst vermieden werden.
Um dem Zweck eines Austauschs von Kühlmittelvolumina mit einem relativ großen Temperaturunterschied ohne größeren Wärmeverlust des heißen Volumens wirkungsvoll gerecht zu werden, muß eine Vermischung des einströmenden Kühlmittels mit dem ausströmenden Kühlmittel weitgehend vermieden werden. Es ist deshalb ein Innenausbau des Innenbehälters vorgesehen, der einen relativ langen Strömungsweg zwischen Zufluß und Abfluß aufweist, dessen Strömungsquerschnitt deshalb entsprechend gering ist. Dabei erfolgt die Führung des Kühlmittels im Innenbehälter in waagrechten, mäanderförmig verbundenen Bahnen von unten nach oben. Die Fließgeschwindigkeit ist in Abstimmung mit Kühlmittelstrom und Fließquerschnitt so bemessen, daß bei der Durchströmung des Speichers turbulente Strömung herrscht, so daß die Durchmischung zwischen warmer und kaltem Kühlmittel unterbunden wird. Im einströmenden Kühlmittel gegebenenfalls vorhandene Lufteinschlüsse wandern im Wärmespeicher von unten nach oben zum Abfluß des Innenbehälters und werden dort unter dem Einfluß der hohen Fließgeschwindigkeit in das den Isolierraum durchquerende Fallrohr nach unten mitgerissen. Das im Gegensatz zu den horizontal durchströmten mäanderförmigen Bahnen wird das Fallrohr vertikal durchströmt und deshalb zusammen mit den erforderlichen Anschlußkrümmern außerhalb des Innenbehälters in einem Stirnraum des Isolierraums zwischen Innen- und Außenbehälter untergebracht, was bei gegebenem – meist begrenztem – Einbauvolumen das Nutzvolumen des Wärmespeichers beeinträchtigt.
Die vorteilhafte Anwendung solcher Wärmespeichers wird mitunter durch beengte Verhältnisse im Motorraum eines Kraftfahrzeugs verhindert. Insbesondere steht nicht selten in horizontaler Richtung nicht ausreichend freier Raum zur Verfügung. Der beschriebene Wärmetauscher, dessen zueinander parallele Mäanderbahnen oder Kanäle waagrecht verlaufen und einander in vertikaler Richtung benachbart sind, um einen von unten nach oben steigenden Strömungspfad zu bilden, kann nicht einfach derart um 90° gedreht eingebaut werden, daß die Kanäle vertikal verlaufen, weil dann durch die veränderte, mehrmals auf und ab verlaufende Strömungsrichtung die Beseitigung von Lufteinschlüssen behindert wird. Es kann aber auch nicht einfach nur das Speichergehäuse mit Innen-, und Außenbehälter vertikal montiert werden und der Innenausbau des Innenbehälters derart verändert werden, daß die Ausrichtung der Kanäle weiterhin waagrecht bleibt, weil dann im Vergleich zur waagrechten Ausdehnung des Speichers seine vertikale Ausdehnung wesentlich größer ist und demgemäß die Kanäle kürzer, ihre Zahl dagegen größer wird. Je größer die Zahl der Kanäle und damit der Umlenkungen ist, desto größer ist die Gefahr einer Vermischung von Kalt und Warm, d. h. die angestrebte Wirkung des Speichers wird beeinträchtigt
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, der den gewünschten Anforderungen entspricht, d. h. einen relativ geringen Platzbedarf in horizontaler Richtung und trotzdem nur eine begrenzte Anzahl von Mäanderkanälen aufweist und eine gute Trennung von heißem und kaltem Kühlmittel, wie auch eine zuverlässige Beseitigung von Lufteinschlüssen ermöglicht. Dabei ist zugleich ein im Vergleich zu den Außenabmessungen möglichst hohes Nutzvolumen des Wärmespeichers anzustreben.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Wärmespeicher der eingangs genannten Art, bei dem die Ausdehnung des Wärmespeichers in vertikaler Richtung größer ist als in horizontaler Richtung, wobei die Kanäle in vertikaler Richtung verlaufen, daß jeweils der in absteigender Richtung durchströmte Kanal von dem in Strömungsrichtung nachfolgenden, aufsteigend durchströmten Kanal durch eine unten die Überströmöffnung definierende und mit der oberen Stirnwand des Innenbehälters verbundene Trennwand getrennt ist, die der oberen Stirnwand benachbart eine Luftableitungsöffnung aufweist, und daß in den ersten Kanal von unten in begrenzter Höhe ein Zuflußrohr einmündet, während der letzte, aufsteigend durchströmte Kanal ein nach unten ausmündendes Abflußrohr umgibt, das in der Nähe der oberen Stirnwand mit einem solchen Abstand endet, daß ein ausreichender Überströmquerschnitt gesichert ist.
Dadurch ist die Zahl der Kanäle relativ begrenzt und die sich am oberen Ende der Kanäle ansammelnde Luft kann durch die Luftableitungsöffnungen in den benachbarten Kanal übertreten und sich in Richtung auf den Auslaß bewegen, zumal mit der Zahl der durchströmten Umlenkungen der Druck im Kühlmittel sinkt und dadurch die Luft durch die Luftableitungsöffnungen in Richtung auf den Auslaß gedrückt wird.
Vorzugsweise weisen in horizontaler Richtung der Innen- und der Außenbehälter einen kreisförmigen Querschnitt und damit der erste und der letzte Kanal einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf, wobei das Zuflußrohr und das Abflußrohr in vertikaler Richtung durch den Außenbehälter, den Isolierraum und den Innenbehälter in den bezogen auf die Strömungsrichtung ersten) bzw. letzten der Kanäle geführt sind, und das Zuflußrohr und der untere Abschnitt des Abflußrohrs von einer becherartigen Einstülpung des Innenbehälters isolierend ummantelt sind. Damit entfällt das beim Stand der Technik im Isolierraum für die Unterbringung des Fallrohrs benötigte Volumen, wodurch das Nutzvolumen des Wärmespeichers optimiert werden kann.
Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, eine raumsparende, einfache und effektive Aufhängung des Innenbehälters im Außenbehälter zu realisieren, wonach Im Isolierraum das Zentrum jeder Stirnfläche über radiale Spannbänder mit dem Außenbehälter verbunden ist und ein mittig den Innenbehälter umspannendes Stützband über axial verlaufende Spannbänder nahe den Stirnseiten mit dem Außenbehälter verbunden ist. Zweckmäßigerweise sind mit der inneren Umfangsfläche des Außenbehälters Stützringe für den Anschluß der Spannbänder verbunden.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist das Zuflußrohr von einer an der benachbarten Trennwand angebrachten Umlenkhaube abgedeckt, die von der Ausmündung des Zuflußrohrs und der unteren Stirnwand des Innenbehälters einen den Strömungsquerschnitt gewährleistenden Abstand einhält, wodurch ein vollständiger Austausch des Strömungsmittels im Wärmespeicher ohne Restvolumen gewährleistet ist.
Die vertikale Durchströmung der mäanderartig verlaufenden Kanäle ermöglicht es, das Nutzvolumen des Wärmespeichers dadurch zu optimieren, daß
Anhand der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher mit vertikalen Strömungskanälen und
2 zeigt eine Variante zur Ausführungsform nach 1, wobei ein Totraum neben dem Isolierten Zuflußrohr bespült wird und
3 zeigt eine Behältergestaltung des Wärmespeichers mit optimalem Nutzvolumen.
Der insgesamt mit 10 bezeichnete Wärmespeicher besteht aus einem zylindrischen Außenbehälter 12 und einem in diesen Außenbehälter 12 unter Bildung eines evakuierten Isolierraums 14 eingesetzten Innenbehälter 16, deren gemeinsame Zylinderachse senkrecht verläuft. Parallel zur Zylinderachse und zueinander parallel sind beispielsweise sechs Trennwände 18a bzw. 18b angeordnet, die den Innenraum des Innenbehälters 16 in sieben zueinander parallel verlaufende Kanäle 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f und 20g unterteilen, die sich jeweils zwischen der unteren und oberen Stirnwand 22 bzw. 24 des Innenbehälters 16 erstrecken. Der erste Kanal 20a wird vom zylindrischen Mantel des Innenbehälters 16 und einer Trennwand 18a begrenzt. In ihm strömt das aus dem Zuflußrohr 30 eintretende Kühlmittel nach oben. Die Trennwände 18a gehen von der unteren Stirnwand 26 des Innenbehälters 16 aus und definieren durch einen Abstand des oberen Endes jeder Trennwand 18a von der oberen Stirnwand 24 des Innenbehälters 16 jeweils eine Überströmöffnung 32 in den benachbarten Kanal 20b bzw. 20d oder 20f. Die Trennwände 18b schließen an die obere Stirnwand 24 an und enden vor der unteren Stirnwand 22, um die unteren Überströmöffnungen 34 zu bilden. Der letzte Kanal 20g wird von unten angeströmt und in seiner Mitte von dem nach oben bis in die Nähe der oberen Stirnwand 24 geführten Abflußrohr 36 durchzogen.
Das Zuflußrohr 30 und das Abflußrohr 36 durchdringen von unten den Außenbehälter 12 und in ihrer Umgebung ist der Innenbehälter 16 becherförmig in zwei Abschnitten 30a bzw. 36a nach oben gezogen, wodurch die entsprechenden Rohrabschnitte vom Isolierraum 14 ummantelt werden. Durch diese Ausgestaltung wird im Vergleich zu dem oben genannten, bekannten Wärmespeicher Speichervolumen gewonnen bzw. der Raumbedarf für den Wärmespeicher reduziert.
Die bis zur oberen Stirnwand 24 verlaufenden Trennwände 18b sind dieser oberen Trennwand benachbart mit Luftableitungsöffnungen 40 mit im Vergleich zu den Überströmöffnungen 32 und 34 sehr kleinem Querschnitt versehen. Diese Luftablaßöffnungen ermöglichen es den in den Kanälen 20 nach oben steigenden Lufteinschlüssen, in Richtung auf das Abflußrohr 36 zu wandern, was durch den allmählich sinkenden Druck im den Wärmespeicher durchströmenden Kühlmittel unterstützt wird.
Die 2 zeigt eine Variante, die es ermöglicht, das unterhalb der Ausströmöffnung 42 des Zuflußrohrs 30 im Kanal 20a befindliche Kühlmittelvolumen mit der den Innenbehälter 16 durchspülenden Strömung zu erfassen. Es ist zu diesem Zweck an der den Kanal 20a begrenzenden Trennwand 18a eine Umlenkhaube 44 angebracht, die die aus der Ausströmöffnung 42 austretende Strömung nach unten gegen die untere Stirnwand 22 des Innenbehälters 16 umlenkt, von wo aus dann die Strömung den Kanal 20a vollständig bis zur oberen Stirnwand 24 durchquert und dann über die Überströmöffnung 32 in den benachbarten Kanal 20b übertritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19621032 A1 [0003]

Claims

Zum Austausch von kaltem und heißem Kühlmittel, insbesondere bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, geeigneter Wärmespeicher (10) mit einem Außenbehälter (12) und einem von diesem unter Bildung eines Isolierraums (14) getrennten Innenbehälter (16), der durch einen den Isolierraum (14) durchquerenden Zufluß (30) und einen ebensolchen Abfluß (36) mit einem Kühlmittelkreislauf verbindbar ist, wobei im Innenbehälter (16) der unten einmündende Zufluß (30) und der oben ausmündende, fallrohrartige Abfluß (36) durch eine Verbindungsleitung verbunden sind, die aus einer Gruppe mäanderartig verbundener und zueinander paralleler Kanäle (20a–20g) besteht, die durch den Innenbehälter (16) durchquerende Wände (18a, 18b) gebildet werden, die, abwechselnd der einen oder der anderen, die Strömung umlenkenden Innenbehälterstirnwand (22,24) benachbart eine Überströmöffnung definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Wärmespeichers (10) in vertikaler Richtung größer ist als in horizontaler Richtung, wobei die Kanäle (20a–20g) in vertikaler Richtung verlaufen, daß jeweils der in absteigender Richtung durchströmte Kanal (20b, 20d, 20f) von dem in Strömungsrichtung nachfolgenden, aufsteigend durchströmten Kanal (20c, 20e, 20g) durch eine unten die Überströmöffnung definierende und mit der oberen Stirnwand (24) des Innenbehälters (16) verbundene Trennwand (18b) getrennt ist, die der oberen Stirnwand (24) benachbart eine Luftableitungsöffnung (40) aufweist, und daß in den ersten Kanal (20a) von unten in begrenzter Höhe ein Zuflußrohr (30) einmündet, während der letzte, aufsteigend durchströmte Kanal (20g) ein nach unten ausmündendes Abflußrohr (36) umgibt, das in der Nähe der oberen Stirnwand (24) mit einem solchen Abstand endet, daß ein ausreichender Überströmquerschnitt gesichert ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenbehälter (12, 16) in horizontaler Richtung einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, so daß der erste (20a) und der letzte Kanal (20g) einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuflußrohr (30) und das Abflußrohr (36) in vertikaler Richtung durch den Außenbehälter (12), den Isolierraum (14) und den Innenbehälter (16) in den bezogen auf die Strömungsrichtung ersten (20a) bzw. letzten (20g) der Kanäle geführt sind, wobei das Zuflußrohr (30) und der untere Abschnitt des Abflußrohrs (36) von einer becherartigen Einstülpung (30a, 36a) des Innenbehälters (16) isolierend ummantelt sind.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuflußrohr (30) von einer an der benachbarten Trennwand (18a) angebrachten Umlenkhaube (44) abgedeckt wird, die von der Ausmündung (42) des Zuflußrohrs (30) und der unteren Stirnwand (22) des Innenbehälters (16) einen den Strömungsquerschnitt gewährleistenden Abstand einhält.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Im Isolierraum das Zentrum jeder Stirnfläche über radiale Spannbänder und ein mittig den Innenbehälter umspannendes Stützband über axial verlaufende Spannbänder nahe den Stirnseiten mit dem Außenbehälter verbunden ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der inneren Umfangsfläche des Außenbehälters Stützringe für den Anschluß der Spannbänder verbunden sind.