DE102011102138A1

DE102011102138A1 - Wärmespeicher und Verfahren zur Speicherung thermischer Energie

Info

Publication number: DE102011102138A1
Application number: DE102011102138A
Authority: DE
Inventors: Holger Lange; Christoph Käppner; Andreas Meyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher (1) umfassend einen Speicherkern (2) und eine den Speicherkern (2) unter Bildung eines Isolationsraums (3) mit Abstand umgebende Außenhülle (4). Um thermische Energie in dem Wärmespeicher (1) möglichst lange und verlustfrei zu speichern, ist der Speicherkern (2) relativ zu der Außenhülle (4) zwischen zumindest zwei Funktionsstellungen, einer Speicherstellung und einer Ladestellung, bewegbar gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen Speicherkern und eine den Speicherkern unter Bildung eines Isolationsraums mit Abstand umgebende Außenhülle.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie, insbesondere in einem Fahrzeug, bei dem bei einem Belademodus thermische Energie von einem Wärmetauscher an einen Speicherkern eines Wärmespeichers übertragen wird, bei einem Speichermodus die thermische Energie in dem Speicherkern gespeichert wird und bei einem Entlademodus die thermische Energie von dem Speicherkern an einen Wärmetauscher übertragen wird.
Ein solcher Wärmespeicher und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeichers der genannten Art sind aus der Druckschrift DE 42 32 556 A1 bekannt. Bei diesem Wärmespeicher ist der Isolationsraum evakuiert, da ein Vakuum sehr gut zur Isolation geeignet ist.
Es ist weiterhin durch die DE 10 2007 008 594 A1 eine Einrichtung zum Schutz eines elektronischen Geräts, insbesondere eines Informationsspeichers, vor Flammen, Löschwasser und/oder korrosivem Brandgas bekannt. Bei dieser Einrichtung ist das elektronische Gerät von einer Innenhülle umschlossen, wobei die Innenhülle mit Abstand von einer Außenhülle umgeben ist. An den einander zugewandten Flächen der Innenhülle und der Außenhülle sind einander zugeordnete Platten mit Kühlrippen vorgesehen. Die Platten sind relativ zueinander beweglich. Soll aus der Innenhülle Abwärme in die Außenhülle abgeführt werden, werden die Platten derart bewegt, dass sich die Kühlrippen der einen Platte in einem vollflächigen Kontakt mit den Kühlrippen der anderen Platte befinden.
Wärmespeicher zur Speicherung thermischer Energie finden dort ihren Einsatz, wo Überschuss und Mangel an thermischer Energie zu unterschiedlichen Zeitpunkten herrschen und die Reduktion und/oder die Erzeugung thermischer Energie einen nicht unerheblichen Nachteil bedeutet. So ist der Einsatz eines Wärmespeichers zumeist dann sinnvoll, wenn die Reduktion und/oder Erzeugung thermischer Energie beispielsweise mit einem hohen zusätzlichen Aufwand, hohen Kosten und/oder unerwünschten Emissionen verbunden ist.
Fahrzeuge, insbesondere auch Brennkraftmaschinen erzeugen im Betrieb einen Überschuss an Wärme, der größtenteils ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird. Andererseits sollte aus Komfort- und/oder Umweltschutzgründen vor einem Kaltstart eines Fahrzeugs der Fahrgastraum und/oder die Brennkraftmaschine erwärmt werden. Um hierzu die Abwärme nutzen zu können, ist ein Wärmespeicher notwendig.
Hier stellt sich jedoch ein Zielkonflikt ein. Das zur Speicherung genutzte Speichermaterial muss zum Beladen mit thermischer Energie mit einem die Energie bereitstellenden Medium, beispielsweise Abgas, sowie zum Entladen mit einem Energie aufnehmenden Medium, beispielsweise Kühlwasser, in Kontakt gebracht werden. Gleichzeitig muss im abgestellten Zustand des Fahrzeugs ein möglichst guter Isolationszustand hergestellt werden. Darüber hinaus sollten die Abgas- und die Kühlwasseranbindungen sicher, insbesondere thermisch voneinander getrennt werden, um eine zu starke Erwärmung des Kühlwassers im Betrieb des Fahrzeugs zu vermeiden.
Als Speichermaterial wird häufig Wasser eingesetzt. Dieses ist preiswert, gefahrlos und hat ein hohes thermisches Speichervermögen. Als Speichermaterial sind aber auch andere Stoffe bekannt. Bei der zunehmenden Anwendung von Latentwärmespeichern werden insbesondere sogenannte Phasenwechselmaterialien (PCM: Phase Change Materials) eingesetzt.
Für die Funktion eines jeden Speichers ist es essentiell, dass das zu speichernde Gut möglichst lange und verlustfrei in dem Speicher gehalten wird. Bei einem Wärmespeicher sollte die thermische Energie möglichst lange und verlustfrei in dem Wärmespeicher erhalten bleiben. Dazu sind Wärmespeicher gegenüber ihrer Umgebung isoliert. Der Isolationsraum ist dazu mit einem Stoff gefüllt, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei technischen Anwendungen wird zur Isolation häufig ein evakuierter Raum, ein Vakuum eingesetzt. Bei einem Vakuum ist in einem Behälter der Druck niedriger als 300 Millibar, bei einem Hochvakuum niedriger als 1 Mikrobar. Eine beispielhafte Anwendung einer Vakuumisolation ist die Thermoskanne.
Die Isolationswirkung eines Vakuums kann nicht an der gesamten Oberfläche des Wärmespeichers eingesetzt werden. Stets sind Unterbrechungen des Vakuums notwendig, um beispielsweise ein Wärmeträgermedium zum Wärmespeicher hin und von dem Wärmespeicher weg zu bewegen. Insbesondere beim Einsatz von Hochvakuumisolationen stellen die durch den evakuierten Raum geführten Leitungswege für das Wärmeträgermedium eine dauerhafte, die Isolationswirkung herabsetzende Wärmebrücke dar.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher und ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die thermische Energie in dem Wärmespeicher möglichst lange und verlustfrei gespeichert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmespeicher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmespeicher vorgesehen, bei dem der Speicherkern relativ zu der Außenhülle zwischen zumindest zwei Funktionsstellungen, einer Speicherstellung und einer Ladestellung, bewegbar gelagert ist. Die steuerbare Bewegung des Speicherkerns ermöglicht es, dass der Speicherkern völlig oder nahezu vollständig von der Isolationsschicht umfasst ist. Durch diese Minimierung der Wärmebrücken kann die thermische Energie in dem Wärmespeicher lange und verlustfrei gespeichert werden. Gleichzeitig ist es so möglich, den Wärmespeicher in einer kompakten Bauform zu fertigen. Darüber hinaus ist es bei dem Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers möglich, dass die Wärme des Abgases über einen längeren Zeitraum, insbesondere bei einem abgestellten Fahrzeug, gespeichert werden kann, sodass diese Wärme vor einem Kaltstart des Fahrzeugs zur Erwärmung der Brennkraftmaschine oder des Fahrgastraums nutzbar ist. Um zwischen der Speicherstellung und der Ladestellung zu wechseln, ist der Speicherkern in zwei Richtungen beweglich.
Eine günstige Ausführungsform der Erfindung ist es, dass der Speicherkern relativ zu der Außenhülle zwischen drei Funktionsstellungen, nämlich einer Speicherstellung, einer Beladestellung und einer Entladestellung, bewegbar gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, die dem Wärmespeicher Energie zuführende Seite von der Energie abnehmenden Seite thermisch zu trennen. Dies ist beispielsweise für den Einsatz des Wärmespeichers in einem Kraftfahrzeug günstig, da so die Abgas- und die Kühlwasseranbindungen sicher voneinander getrennt werden können und eine zusätzliche Erwärmung des Kühlwassers im Betrieb des Fahrzeugs vermieden wird. Um aus der neutralen Speicherstellung die Beladestellung beziehungsweise die Entladestellung zu erreichen, ist der Speicherkern in zwei unterschiedliche Richtungen beweglich. Diese Richtungen sind bevorzugt gegensätzlich.
Vorteilhaft ist es, dass der Speicherkern und die Außenhülle einander zugeordnete Kontaktflächen haben. Die Geometrie der Kontaktflächen ist in einer bevorzugten Ausführungsform plan, wobei die zusammenwirkenden Kontaktflächen parallel zueinander orientiert sind. Die Kontaktflächen bestehen aus einem Werkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise Kohlenstoffverbindungen, Metalllegierungen oder Metalle, insbesondere Silber, Kupfer, Aluminium und Gold.
Die gesteuerte Bewegung des Speicherkerns erfolgt dabei vorzugsweise linear und ist auf eine Raumrichtung beschränkt. Hierdurch ist es einerseits möglich, den Speicherkern mittels einer einfach zu gestaltenden und somit auch hinsichtlich der Masse und des Verschleißes optimierten Antriebskinematik anzutreiben und andererseits die Kontaktflächen für die Wärmeübertragung mit einer leicht zu fertigenden Geometrie vorzusehen.
Der Speicherkern ist in der Speicherstellung nur mittels eines oder mehrerer Lagerelemente mit der Außenhülle verbunden. Diese Lagerelemente können als Gleit- oder Wälzlager ausgeführt sein. Als besonders günstig haben sich elastische Körper als Lagerelemente erwiesen. Elastische Körper können Federn sein, die in Bewegungsrichtung des Speicherkerns eine geringe und orthogonal zu der Bewegungsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen, beispielsweise Biegebalkenfedern. Hierdurch wird eine leichte Verschiebbarkeit des Speicherkerns zum Erreichen der Ladestellung ermöglicht und dabei eine gute Fixierung für alle anderen Bewegungsrichtungen erreicht. In einer Ausführungsform sind die Lagerelemente als elastische Rippen, Säulen und/oder Stege ausgeführt. Der Querschnitt der Lagerelemente ist dabei so gewählt, dass die Wärmeübertragung durch die Lagerelemente möglichst gering ist und die Lagerelemente zugleich für die Lagerung des Speicherkerns ausreichend stark dimensioniert sind.
Um die Wärmeübertragung über das Lagerelement zu minimieren, besteht das Lagerelement aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Gummi.
Vorteilhaft ist es, dass der Wärmespeicher zur Bewegung des Speicherkerns einen Antrieb aufweist. Hierdurch ist es möglich, den Speicherkern gesteuert zwischen den Funktionspositionen Speicherstellung und Ladestellung zu bewegen und so bedarfsgerecht zwischen einer leitenden Wärmebrücke mit aneinander anliegenden Kontaktflächen und einem dämmenden Abstand, also der zwischen dem Speicherkern und der Außenhülle gebildeten Isolationsschicht, umzuschalten. Vorzugsweise ist der Speicherkern in der Speicherstellung in einer neutralen Nulllage. In der Nulllage wird der Speicherkern energielos gehalten. Dies ist deshalb von Vorteil, da die Speicherstellung im Wesentlichen dann eingenommen wird, wenn die Anlage in der der Wärmespeicher eingesetzt wird, beispielsweise ein Fahrzeug, in einem abgeschalteten Zustand ist. Zum Halten des Speicherkerns in der Nulllage benötigt der Antrieb keine Energie.
Die Umschaltung zwischen der Speicherstellung und Ladestellung erfolgt mechanisch und/oder elektrisch. Der Antrieb ist vorzugsweise ein Aktor, der elektronische Signale, beispielsweise von einer Steuerung ausgehende Befehle, in eine mechanische Bewegung umsetzt. Der Antrieb kann auch ein bewegtes Magnetfeld sein, wobei der Speicherkern eine Einrichtung zur Reaktion auf das Magnetfeld hat. Ein bewegtes Magnetfeld lässt sich mittels eines relativ zu der Außenhülle verschiebbaren Permanent- oder Elektromagneten realisieren. Auch ist es möglich, einen oder mehrere relativ zu der Außenhülle ortsfeste Elektromagnete so anzusteuern, dass sich lediglich das Magnetfeld relativ zu der Außenhülle bewegt und so den Speicherkern positioniert.
Der Speicherkern ist zur Übertragung der vom Antrieb erzeugten mechanischen Bewegung mittels eines insbesondere stangenförmigen Kopplungselements mit dem Antrieb verbunden. Das Kopplungselement kann dabei auch ein Lager für den Speicherkern sein. Ist das Kopplungselement ausreichend stark dimensioniert, ist es sogar möglich, dass das Kopplungselement das einzige Lagerelement ist. Da lediglich durch das Lagerelement und/oder das Kopplungselement eine Wärme leitende Verbindung zwischen dem Speicherelement und/oder der Umgebung ausgebildet wird und so eine nahezu vollständige Umfassung des Speicherkerns verwirklicht ist, kann die thermische Energie in dem Wärmespeicher lange und verlustfrei gespeichert werden.
Günstig ist es, dass das Kopplungselement ein Kraftübertragungsglied, insbesondere einen Kugelkopf oder ein Linearlager, aufweist. Dabei ist das Kraftübertragungsglied in dem Speicherkern gelagert.
Um die Wärmeübertragung von dem Speicherkern auf das Kopplungselement zu reduzieren, ist es günstig, dass das Kopplungselement in der Speicherstellung von dem Speicherkern getrennt ist. Weisen Kopplungselement und Speicherkern einen Abstand auf, ist die Übertragung von thermischer Energie zwischen diesen beiden Körpern wesentlich reduziert. Dies ist insbesondere mit einem als Linearlager ausgebildeten tellerförmigen Kraftübertragungsglied möglich. Zur Bewegung des Speicherkerns liegt das Kraftübertragungsglied an dem Speicherkern an, während das Kraftübertragungsglied im Speichermodus zu dem Speicherkern einen einen Isolationsraum bildenden Abstand aufweist.
Wird das Kopplungselement beispielsweise auch als Lagerung des Speicherkerns verwendet, ist es vorteilhaft, ein Kraftübertragungsglied in Form eines Kugelkopfs vorzusehen. Durch den Kugelkopf ist der Speicherkern gelenkig gelagert. Diese Lagerung dient dem Toleranzausgleich, um im Lademodus einen möglichst planparallelen Körperkontakt zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen des Speicherkerns und des Wärmetauschers sicherzustellen. Die zusätzliche Verbindung von Speicherkern und Kopplungselement mittels einer Tellerfeder ermöglicht es, die Rotation des Speicherkerns um den Kugelkopf auf den Toleranzausgleich zu begrenzen. Zugleich dämpft die Tellerfeder die Bewegung des Speicherkerns sowohl im Speichermodus als auch beim Wechsel in und aus dem Lademodus.
Der Antrieb kann außerhalb der Außenhülle angeordnet sein. Dies ermöglicht eine leichte Zuleitung von beispielsweise Antriebsenergie, Steuersignalen und/oder Schmierstoffen Um das Kopplungselement durch die Außenhülle zu führen, ist in der Außenhülle eine insbesondere vakuumdichte, Durchführung vorgesehen. Hierdurch sind eine einfache Wartung und Austauschbarkeit des Antriebs gewährleistet. Um die Wirkung des Isolationsraums zu verbessern, ist in einer alternativen Ausführungsvariante vorgesehen, dass der Antrieb innerhalb der Außenhülle oder innerhalb des Isolationsraums angeordnet ist. Bei einem derart angeordneten Antrieb muss das Kopplungselement die druckdichte Außenhülle nicht durchdringen. Das hat den Vorteil, dass die Isolationsschicht wirkungsvoller, beständiger und leichter herzustellen ist. Lediglich die elektrische Energie für den Antrieb muss durch die Außenhülle geführt werden. Dies kann mit Kabeln oder kabellos, beispielsweise induktiv, erfolgen. Bei einer Ausgestaltung dieser Ausführungsvariante ist der Antrieb mit den Lagerelementen verbunden. Hierdurch ist es möglich, zumindest auf das Kopplungselement zu verzichten.
Der Wärmetauscher kann außerhalb der Außenhülle angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, dass zumindest in einem Teil der Außenhülle ein Wärmetauscher angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass das Energie bereitstellende und/oder das Energie aufnehmende Medium die Energie mit einem hohen Wirkungsgrad an den Speicherkern übertragen kann. Bei unterschiedlichen Medien, beispielsweise bei einem Fahrzeug, ist es günstig, dass der Wärmespeicher zwei Wärmetauscher aufweist: einen ersten zum Beladen des Speicherkerns mit thermischer Energie von dem die Energie bereitstellenden Medium und einen zweiten zum Entladen des Speicherkerns an ein Energie aufnehmendes Medium. Eine besonders günstige Ausgestaltung ist es, dass die zwei Wärmespeicher für das Beladen und das Entladen an gegenüberliegenden Seiten der Außenhülle angeordnet sind. Dies ermöglicht es, insbesondere im Betrieb des Fahrzeugs die beiden Medien thermisch isoliert voneinander durch die Wärmetauscher strömen zu lassen. Die Kontaktflächen sind im Bereich der Wärmetauscher angeordnet.
Der Speicherkern besteht aus einem Speichermaterial, beispielsweise aus einem einteiligen Stück Aluminium. Aluminium hat neben einer hohen Wärmekapazität auch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Dies ermöglicht ein schnelles Beladen und Entladendes Speicherkerns, insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Ladevorgang durch Kontakt der Kontaktflächen des Speicherkerns mit den Kontaktflächen des Wärmetauschers. Der Speicherkern kann auch das Speichermaterial und einen das Speichermaterial enthaltenden Mantel umfassen. Diese Variante eröffnet die Möglichkeit, auch Stoffe als Speichermaterial zu nutzen, die temporär oder dauerhaft fluid sind.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft einen Speicherkern, der Kavitäten aufweist. Die Kavitäten können beispielsweise mit einem Material verfüllt sein, welches eine höhere Wärmekapazität als das Speichermaterial aufweist. Auch ist es möglich, die Kavitäten mit einem Phasenwechselmaterial auszustatten. Aufgrund der großen Oberfläche der Kavitäten und der guten Wärmeleitfähigkeit der Matrix des Speicherkerns kann die Speicherkapazität erhöht werden, ohne die Ladeleistungen signifikant zu reduzieren. Die Kavitäten können einfache Ausnehmungen beliebiger geometrischer Form, beispielsweise Bohrungen, sein. Auch ist es möglich, dass die Kavitäten Schaumporen, beispielsweise eines aufgeschäumten Aluminiumblocks, sind.
In dem Isolationsraum kann ein Stoff mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit eingebracht sein. Vorzugsweise ist der Isolationsraum jedoch evakuiert. In dem Isolationsraum herrsch dann zumindest ein Vakuum, welches einem Druck von weniger als 300 Millibar entspricht. Möglich ist auch ein spezielles Vakuum, ein sogenanntes Hochvakuum, mit einem Druck von weniger als 1 Mikrobar. Durch ein Vakuum werden die Wärmeströmung und die Wärmeleitung reduziert.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zur Speicherung thermischer Energie gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Speicherkern zu Beginn des Belademodus und/oder des Entlademodus bis zum Kontakt mit dem Wärmetauscher auf den Wärmetauscher zu bewegt wird und zum Ende des Belademodus und/oder des Entlademodus bis zum Erreichen eines vorgegebenen Abstands zwischen Wärmetauscher und Speicherkern von dem Wärmetauscher weg bewegt wird. Der Speicherkern ist im Speichermodus vollständig von der Isolationsschicht umgeben, wodurch die thermische Energie in dem Wärmespeicher möglichst lange und verlustfrei gespeichert werden kann. Durch die steuerbare Bewegung des Speicherkerns kann die Isolationsschicht schaltbar überwunden werden. Hierdurch wird eine bedarfsgerechte Auslösung eines Lademodus möglich. Beladen und Entladen sind Ladevorgänge, bei denen thermische Energie zwischen Speicherkern und Wärmetauscher übertragen wird. Zum Beladen und Entladen der thermischen Energie wird der Speicherkern auf die Kontaktfläche des Wärmetauschers gepresst. Über den Kontakt zwischen Speicherkern und Wärmetauscher wird die thermische Energie direkt zwischen Speicherkern und Wärmetauscher übertragen. Die maximale Ladetemperatur wird durch das Material oder die Materialzusammensetzung des Speicherkerns bestimmt.
Eine Ausführungsform des Verfahrens betrifft einen Wärmespeicher mit zwei an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wärmetauschern. Bei einem solchen Wärmespeicher wird der Speicherkern zu Beginn des Belademodus und zum Ende des Entlademodus in eine erste Richtung bewegt und zum Ende des Belademodus und/oder zu Beginn des Entlademodus in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung bewegt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind vier davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Wärmespeichers im Speichermodus;
2 eine geschnittene Ansicht der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform eines Wärmespeichers in einem ersten Lademodus;
4 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform eines Wärmespeichers in einem zweiten Lademodus;
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Wärmespeichers im Speichermodus;
6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Wärmespeichers im Speichermodus;
7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Wärmespeichers im Speichermodus;
8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der 7;
9 eine schematische Darstellung des Speicherkerns.
Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines Wärmespeichers 1. Der Wärmespeicher 1 umfasst einen Speicherkern 2 und eine den Speicherkern 2 unter Bildung eines Isolationsraums 3 mit Abstand umgebende Außenhülle 4. Der Speicherkern 2 ist relativ zu der Außenhülle 4 in Richtung des Pfeils 5 bewegbar gelagert. Die Bewegung des Speicherkerns 2 ist steuerbar. Mittels eines Antriebs 6 kann der Speicherkern 2 der gezeigten Ausführungsform in drei Funktionsstellungen, und zwar in die dargestellte Speicherstellung und in zwei Ladestellungen positioniert werden. In der Speicherposition ist der Speicherkern 2 nahezu vollständig von der Isolationsschicht 3 umgeben. Eine unmittelbare Verbindung zu der Außenhülle 4 und/oder der Umgebung 7 existiert nur über Lagerelemente 8 und ein Kopplungselement 9. Die Lagerelemente 8 sind elastische Körper, wie Federn oder Gummilamellen, die in Bewegungsrichtung des Speicherkerns 2 eine geringe und orthogonal zu der Bewegungsrichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen. Hierdurch wird eine leichte Verschiebbarkeit des Speicherkerns 2 zum Erreichen einer Ladestellung ermöglicht und zugleich eine gute Fixierung für alle anderen Bewegungsrichtungen, vor allem in der Speicherstellung, gewährleistet. Die Lagerelemente 8 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit.
Der Speicherkern 2 ist zur Übertragung der vom Antrieb 6 erzeugten mechanischen Bewegung mittels eines Kopplungselements 9 mit dem Antrieb 6 verbunden. Dabei hat das Kopplungselement 9 ein Kraftübertragungsglied 10, welches in dem Speicherkern 2 gelagert ist.
Das Kraftübertragungsglied 10 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Linearlager. Um die Wärmeübertragung von dem Speicherkern 2 auf das Kopplungselement 9 zu reduzieren, ist das Kopplungselement 9 in der Speicherstellung von dem Speicherkern 2 mechanisch getrennt. Dabei weisen das Kopplungselement 9 und insbesondere das Kraftübertragungsglied 10 zu dem Speicherkern 2 einen Abstand auf. Eine Übertragung von thermischer Energie wird so wesentlich reduziert. Zur Bewegung des Speicherkerns 2 liegt das Kraftübertragungsglied 10 an dem Speicherkern 2 an. Der Speicherkern 2 und die Außenhülle 4 haben einander zugeordnete, planparallele Kontaktflächen 11, 12. Die Kontaktflächen 11, 12 bestehen aus einem Werkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Bei der in den 1 bis 4 gezeigten ersten Ausführungsform sind in der Außenhülle 4 zwei Wärmetauscher 13, 14 angeordnet. Beispielsweise stellt der eine Wärmetauscher 13 thermische Energie bereit und der andere Wärmetauscher 14 nimmt thermische Energie aus dem Speicherkern 2 auf. Es ist aber auch möglich, dass einer der Wärmetauscher 13, 14 oder beide Wärmetauscher 13, 14 sowohl Energie an den Speicherkern 2 abgeben als auch Energie aufnehmen. Die Anordnung von zwei Wärmetauschern 13, 14 ist besonders dann sinnvoll, wenn durch die beiden Wärmetauscher 13, 14 unterschiedliche Medien strömen.
Beispielsweise kann bei einem Fahrzeug der eine Wärmetauscher 13 in einem Abgaskanal 15 angeordnet sein und zum Beladen des Speicherkerns 2 mit thermischer Energie dienen. Der andere Wärmetauscher 14 könnte einem Kühlkreislauf, wie dem einer Brennkraftmaschine, zugeordnet sein und beim Entladen des Speicherkerns 2 thermische Energie aufnehmen. Im Lademodus, zum Beladen und Entladen des Speicherkerns 2, wird der Speicherkern 2 in eine Ladestellung bewegt. In der Ladestellung werden die einander zugeordneten planparallelen Kontaktflächen 11, 12 aufeinandergedrückt, sodass es zwischen den Kontaktflächen 11, 12 zu einem mechanischen Kontakt kommt, der eine insbesondere konduktive Wärmeübertragung ermöglicht. Die Kontaktflächen 11, 12 sind im Bereich der Wärmetauscher 13, 14 angeordnet.
2 zeigt eine geschnittene, perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform des Wärmespeichers 1. Dabei sind die Einbindung des einen Wärmetauschers 13 in den Abgaskanal 15 und die Verbindung 16 des anderen Wärmetauschers 14 mit dem Kühlkreislauf zu erkennen. Der eine Wärmetauscher 13 hat zahlreiche Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche. Der Antrieb 6 ist als ein elektrischer Aktor ausgeführt, wobei das Kopplungselement 9 ein Spindelgetriebe ist. Der Speicherkern 2 besteht aus einem Aluminiumblock als thermische Masse.
Die 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform, bei der der Speicherkern 2 in zwei unterschiedlichen Ladestellungen positioniert werden kann. Dabei ist der eine Wärmetauscher 13 an einer Seite der Außenhülle 4 und der andere Wärmetauscher 14 an der gegenüberliegenden Seite der Außenhülle 4 angeordnet. Dadurch sind die beiden Wärmetauscher 13, 14 voneinander thermisch isoliert.
Dabei zeigt 3 einen Belademodus, in dem der Speicherkern 2 an dem einen Wärmetauscher 13 anliegt. Heiße Abgase der Brennkraftmaschine strömen durch den Wärmetauscher 13 und geben ihre thermische Energie an den Speicherkern 2 ab. Der Speicherkern 2 wird beladen. Die Positionierung des Speicherkerns 2 im Speichermodus ist in 1 dargestellt.
4 zeigt den Speicherkern in einem Entlademodus, in dem der Speicherkern 2 an dem anderen Wärmetauscher 14 anliegt. So wird die im Speicherkern 2 gespeicherte Energie an das durch den anderen Wärmetauscher 14 strömende Kühlwasser abgegeben. So ist es möglich, die Wärme des Abgases über einen längeren Zeitraum zu speichern und vor einem Kaltstart des Fahrzeugs die Wärme zur Erwärmung der Brennkraftmaschine oder des Fahrgastraums zu nutzen.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform des Wärmespeichers 1 mit dem Speicherkern 2 in der Speicherstellung. Im Gegensatz zu der in den 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform hat dieser Wärmespeicher 1 lediglich einen Wärmetauscher 13 und der Antrieb 6 ist innerhalb des Isolationsraums 3 angeordnet. An dem Wärmetauscher 13 wird der Speicherkern 2 in der nicht dargestellten Ladestellung sowohl zur Abgabe als auch zur Aufnahme thermischer Energie angelegt, wobei sich die Kontaktflächen 11, 12 dann berühren. Durch die Anordnung des Antriebs 6 in dem Isolationsraum 3 braucht das Kopplungselement 9 nicht mehr durch die Außenhülle geführt werden, was die Isolationswirkung verbessert. Die Anordnung des Antriebs 6 in der Isolationsschicht 3 ist auch bei einem Wärmespeicher 1 mit zwei Wärmetauschern möglich.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Wärmespeichers 1 mit einem Speicherkern 2 in Speicherstellung. Im Gegensatz zu der in 5 beschriebenen Ausführungsform hat dieser Wärmespeicher 1 mehrere Antriebe 6. Diese Antriebe 6 sind Aktoren, die direkt auf den Lagerelementen 8 befestigt sind. Bei einer Aktivierung dieser Aktoren tritt ein piezoelektrischer Effekt auf, der die Aktoren und die elastischen Lagerelemente 8 verformt. Dadurch kann der Speicherkern 2 bewegt werden. Die Lagerelemente 8 sind dann in dieser Ausführungsform die Kopplungselemente 9 zwischen den Antrieben 6 und dem Speicherkern 2. Die Anordnung des Antriebs 6 an Lagerelementen 8 ist auch bei einem Wärmespeicher 1 mit zwei Wärmetauschern möglich.
7 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Wärmespeichers 1 mit einem Speicherkern 2 in Speicherstellung. Im Gegensatz zu der in 5 beschriebenen Ausführungsform hat dieser Wärmespeicher 1 einen Antrieb 6, der in der Außenhülle 4 angeordnet ist, und ein Kopplungselement 9, das zugleich einziges Lagerelement 8 des Speicherkerns 2 ist. Das Kopplungselement 9 hat dazu ein Kraftübertragungsglied 10 in Form eines Kugelkopfs. Durch den Kugelkopf ist ein Toleranzausgleich möglich, um im Lademodus einen möglichst planparallelen Körperkontakt zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen 11, 12 des Speicherkerns 2 und des Wärmetauschers 13 sicherzustellen. Weiterhin umfasst der Wärmespeicher 1 als zusätzliche Verbindung zwischen Speicherkern 2 und Kopplungselement 9 eine Tellerfeder 17. Diese ermöglicht es, eine durch den Pfeil 18 angedeutete Rotation des Speicherkerns 2 um den Kugelkopf herum auf den Toleranzausgleich zu begrenzen. Zugleich dämpft die Tellerfeder 17 die Bewegung des Speicherkerns 2 sowohl im Speichermodus als auch beim Wechsel in und aus dem Lademodus.
8 zeigt in einem Ausschnitt des in 7 beschriebenen Wärmespeichers 1 das Kraftübertragungsglied 10 in Form eines Kugelkopfs mit der zwischen Speicherkern 2 und Kopplungselement 9 angeordneten Tellerfeder 17.
9 zeigt eine alternative Ausführung des Speicherkerns 2. Dieser besteht aus einem Speichermaterial, beispielsweise aus einem einteiligen Stück Aluminium, welches Kavitäten 19 hat. Die Kavitäten 19 sind mit einem eine höhere Wärmekapazität als das Speichermaterial aufweisenden Material oder mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmespeicher
2: Speicherkern
3: Isolationsraum
4: Außenhülle
5: Pfeil
6: Antrieb
7: Umgebung
8: Lagerelement
9: Kopplungselement
10: Kraftübertragungsglied
11: Kontaktfläche
12: Kontaktfläche
13: Wärmetauscher
14: Wärmetauscher
15: Abgaskanal
16: Verbindung
17: Tellerfeder
18: Pfeil
19: Kavität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4232556 A1 [0003]
DE 102007008594 A1 [0004]

Claims

Wärmespeicher (1) umfassend einen Speicherkern (2) und eine den Speicherkern (2) unter Bildung eines Isolationsraums (3) mit Abstand umgebende Außenhülle (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) relativ zu der Außenhülle (4) zwischen zumindest zwei Funktionsstellungen, und zwar einer Speicherstellung und einer Ladestellung, bewegbar gelagert ist.
Wärmespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) und die Außenhülle (4) einander zugeordnete Kontaktflächen (11, 12) aufweisen.
Wärmespeicher (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) mittels eines Lagerelements (8) mit der Außenhülle (4) verbunden ist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (8) ein elastischer Körper ist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) zur Bewegung des Speicherkerns (2) einen Antrieb (6) aufweist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) mittels eines Kopplungselements (9) mit dem Antrieb (6) verbunden ist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (9) zur Lagerung des Speicherkerns (2) ausgeführt ist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teil der Außenhülle (4) ein Wärmetauscher (13, 14) angeordnet ist.
Wärmespeicher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) eine Kavität (19) aufweist.
Verfahren zur Speicherung thermischer Energie, bei dem bei einem Belademodus thermische Energie von einem Wärmetauscher (13, 14) an einen Speicherkern (2) eines Wärmespeichers (1) übertragen wird, bei einem Speichermodus die thermische Energie in dem Speicherkern (2) gespeichert wird und bei einem Entlademodus die thermische Energie von dem Speicherkern (2) an einen Wärmetauscher (13, 14) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkern (2) zu Beginn des Belademodus und/oder des Entlademodus bis zum Kontakt mit dem Wärmetauscher (13, 14) auf diesen zu bewegt wird und zum Ende des Belademodus und/oder des Entlademodus bis zum Erreichen eines definierten Abstands zwischen Wärmetauscher (13, 14) und Speicherkern (2) von dem Wärmetauscher (13, 14) weg bewegt wird.