DE102012204988A1

DE102012204988A1 - Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors

Info

Publication number: DE102012204988A1
Application number: DE102012204988A
Authority: DE
Inventors: Volker Haupts
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02
Also published as: US9074826B2; RU2620476C2; CN103363830A; US20130255602A1; RU2013112557A; CN103363830B

Abstract

Ein Wärmespeicher für ein Kühlmittel (8) eines Fahrzeugmotors (15) umfaßt einen flexiblen Speicherbehälter (2) mit einem Innenkörper (4) und einem Außenkörper (5), wobei zwischen den beiden Körpern (4, 5) eine Isolation (6) angeordnet ist, einen Zufluß (9) und einen Abfluß (10) für das Kühlmittel (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors. Insbesondere ist die Erfindung auf einen flexiblen Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors gerichtet.
Bei Kraftfahrzeugen hat die Erwärmung des Antriebsstrangs wegen der bestehenden Reibung und den Auswirkungen bei der Erzeugung des Kraftstoffgemisches einen großen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch und die verursachten Emissionen. Daher ist es vorteilhaft, einen Antriebsstrang in dem Fahrzeug zur Verfügung zu haben, der bereits bei Fahrtbeginn seine Betriebstemperatur hat. Normalerweise befindet sich ein gefahrenes, warmes Kraftfahrzeug nach acht und mehr Stunden im Stillstand und ausgeschaltet in Kaltstartbedingungen. Ein Kühlmittel-Wärmespeicher, der während der Fahrt Wärme des Motors speichert, kann diese Wärme je nach Außentemperatur zumindest vierundzwanzig Stunden halten.
Wenn am nächsten Tag ein Kaltstart und eine Fahrt vorgenommen werden, wird die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme in einem kleinen Kühlkreislauf des Motors freigegeben und kann dann die Aufwärmphase des Motors verkürzen. Dies verbessert den Kraftstoffverbrauch und die Qualität der verursachten Emissionen.
Dieser Typ von Wärmespeicher besteht normalerweise aus Metall und hat eine zylindrische Form. Er enthält eine Isolationsschicht, die meistens als Vakuum ausgeführt ist. Aufgrund der festen Struktur, der Abmessungen und des Gewichts ergeben sich Nachteile im Betrieb des Fahrzeugs.
EP 1 983 167 A1 offenbart einen Wärmespeicher durch Verbinden eines ersten Containers mit einem zweiten Container mittels einer Feder. Die Container haben eine Innenwand, deren Form einer Zylinderwand eines Motors entspricht. Durch Erhitzung eines Wärmespeichermediums in den Containern dehnen sich diese aus, wodurch die Container von der Zylinderwand getrennt werden.
JP2010054162A zeigt einen Wärmespeicher mit mehreren flexiblen Wärmespeicherkapseln, die in einer Wärmeaustauschkammer angeordnet sind und mit einer Druckplatte unter Druck gesetzt und deformiert werden.
US 4,414,932 offenbart einen Wärmespeicher, der in Kontakt mit dem Ansaugkrümmer steht, um so Wärme zu speichern und wieder abzugeben. Der Wärmespeicher kann wie ein Balg ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors einen flexiblen Speicherbehälter mit einem Innenkörper und einem Außenkörper, wobei zwischen den beiden Körpern eine Isolation angeordnet ist, sowie einen Zufluß und einen Abfluß für das Kühlmittel. Das Kühlmittel, zum Beispiel eine Flüssigkeit wie Wasser, kann zum Temperieren, das heißt Erwärmen und/oder Kühlen, eines Motors verwendet werden. Der Wärmespeicher kann bei Personen- und Lastkraftwagen aber auch bei anderen Fahrzeugen zum Beispiel Geräten der Landwirtschaft oder der Bauwirtschaft, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt werden. Das Kühlmittel kann für einen Fahrzeugmotor oder für weitere Komponenten des Antriebsstrangs verwendet werden. So kann der Wärmespeicher zum Beispiel zum Aufwärmen von Batterien eines elektrischen Fahrzeugs verwendet werden, um die Betriebsbedingungen der Batterien bei kalten Temperaturen zu verbessern. Zudem kann der Wärmespeicher bei elektrischen Fahrzeugen zur Erwärmung des Innenraums benutzt werden, wodurch wertvolle Batterieenergie für die Fortbewegung reserviert werden kann. Auch diese Anwendungen sind von dem Begriff Fahrzeugmotor umfaßt.
Der flexible Speicherbehälter erlaubt eine kostengünstige und vor allem leichte Lösung mit einer Gewichtsersparnis von etwa 2,5 bis 4,5 kg im Vergleich zu konventionellen Lösungen, was den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs senkt. Zudem verbessert sich das Unfallverhalten, da keine starren massiven Teile wie bei bekannten Behältern vorhanden sind, die in den Fahrgastraum eindringen können. Aufgrund der Flexibilität des Materials des Speicherbehälters kann dessen äußere Form weitgehend frei gewählt werden, was die Planung des Aufbaus des Motorinnenraums vereinfacht.
Die Isolation kann ein formgebendes Material aufweisen, wie zum Beispiel chemisch getriebenen Schaum. So kann der flexible Speicherbehälter auch im leeren Zustand seine Form halten. Alternativ können Stabilisatoren wie zum Beispiel Stäbe oder Strukturen in den Innen- und/oder Außenkörper vorgesehen sein.
Der Innenkörper und/oder der Außenkörper können aus Gewebe bestehen. Dieses leichte und flexible Material kann zum Beispiel mit einer Gummierung zusätzlich beschichtet sein, um eine Wasserdichtigkeit zu erreichen.
Das Gewebe kann eine Oberflächenstruktur oder Textur aufweisen, um den Druck des Kühlmittels zu halten und die Stabilität zu erhöhen.
Der Wärmespeicher kann einen Träger zur Halterung des Speicherbehälters aufweisen. Der Träger dient zur Befestigung des Speicherbehälters im Fahrzeug zum Beispiel im Motorraum und gibt dem flexiblen Behälter Festigkeit zum Beispiel bei starken Bremsmanövern. Dies ermöglicht eine einfache Konstruktion und Herstellung des Wärmespeichers, da der Speicherbehälter nur zur Aufnahme des Kühlmittels dient, während der Träger zur Befestigung und Stabilität dient. So kann jedes Teil optimal auf seine spezifischen Anforderungen entworfen und hergestellt werden.
Der Träger kann thermoplastisches Material aufweisen bzw. vollständig aus ihm bestehen. Dieses leichtgewichtige und zugleich stabile Material eignet sich besonders für den Träger. Zudem kann der Träger auf einfache Art und Weise in verschiedensten Formen zur Anpassung an die Gegebenheiten im Motorraum hergestellt werden.
Der Träger kann den Speicherbehälter an Seitenbereichen und einer Unterseite des Speicherbehälters zumindest teilweise umschließen. So kann der Behälter einfach eingesetzt und auch gewechselt werden, wobei eine ausreichende Stabilität sicher gestellt ist. Der Träger kann den Behälter an einzelnen Flächen vollständig oder aus Gründen der Gewichtsoptimierung, Materialminimierung und/oder Zugänglichkeit zum Beispiel für Anschlüsse auch nur teilweise bedecken oder umschließen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben, in denen zeigen:
1 drei Darstellungen des Wärmespeichers gemäß der Erfindung.
2 einen Kühlmittelkreislauf mit Wärmespeicher gemäß der Erfindung.
3 eine Darstellung eines eingebauten Wärmespeichers gemäß der Erfindung.
Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt drei Darstellungen eines Wärmespeicher 1 für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors oder für ein Kühl- bzw. Temperierungsmittel für einen Motor. Links in der Figur ist Vorderansicht im Schnitt dargestellt, in der Mitte eine Vorderansicht und rechts eine seitliche Ansicht.
Der Wärmespeicher 1 hat einen flexiblen Speicherbehälter 2 und einen Träger 3 zur Aufnahme bzw. Halterung des Speicherbehälters 2. Der Speicherbehälter 2 hat einen Innenkörper 4 und einen Außenkörper 5, wobei zwischen den beiden Körpern 4, 5 eine Isolation 6 angeordnet ist. Der Innenkörper 4 und der Außenkörper 5 bestehen teilweise oder vollständig aus einem Gewebe, wobei zumindest das Gewebe des Innenkörpers 4 wasserdicht ist, zum Beispiel durch eine Gummierung. Der Innenkörper 4 und der Außenkörper 5 sind flexibel, wodurch der Speicherbehälter 2 ebenfalls flexibel ist. Der Innenkörper oder die Innenhülle 4 umschließt einen Innenraum 7 für das Kühlmittel 8, zum Beispiel Wasser. Nähte der Körper oder Hüllen 4, 5 können verklebt oder vulkanisiert werden, mit und ohne vorher genäht zu werden. So können einzelne Gewebebahnen oder Bestandteile zu der gewünschten Behälterform zusammengefügt werden. Die Behälterform orientiert sich an dem verfügbaren Platz im Motorraum und kann von den üblichen zylindrischen oder rechteckigen Formen abweichen, um den verfügbaren Platz optimal zu nutzen. Der Speicherbehälter 2 kann ein Volumen für etwa drei bis fünf Liter Flüssigkeit haben.
Das Gewebe des Innenkörpers 4 und/oder des Außenkörpers 5 kann eine Oberflächenstruktur aufweisen, um die Stabilität zu erhöhen bzw. den Wasserdruck zu halten. Der Kühlmittelkreislauf steht mit steigender Temperatur unter Druck, der bis zu etwa 3 bar betragen kann. Das Gewebe und die Verbindungen oder Nähte sind so dimensioniert, dass sie diesem Druck standhalten. Für einen Unfall kann ab einem gewissen Druck eine Sollbruchstelle vorgesehen sein, so dass der Behälter sich im Falle eines Unfalls entleert.
Die Isolierung 6 kann aus einem Schaum bestehen, der zum Beispiel chemisch getrieben wird. Die Isolierung 6 kann eine gewisse Steifigkeit bzw. ein formgebendes Material haben, um den Speicherbehälter 2 auch in leerem Zustand in seiner Form zu halten. Die Isolierung kann aber auch flexibel ausgeführt sein, so dass der Speicherbehälter 2 faltbar oder zusammenlegbar ist.
An einer Unterseite des Speicherbehälters 2 sind ein Zufluß 9 und ein Abfluß 10 für das Kühlmittel 8 vorgesehen. An den Zufluß 9 schließt sich im Innenraum 7 ein Rohr 11 an, aus dessen unterem Ende das Kühlmittel 8 in den Innenraum 7 des Speicherbehälters 2 fließt. An dem oberen Ende des Rohres 11 kann das Kühlmittel 8 den Behälter 2 wieder verlassen. Ventile oder Absperrhähne können den Zufluß 9 und/oder den Abfluß 10 sperren.
Des Weiteren ist eine Barriere 31 im Inneren des Behälters 2 gezeigt, die einen Durchflußbegrenzer/Ventil 32 aufweisen kann.
An der Unterseite bzw. im Bereich des Zuflusses 9 und des Abflusses 10 sind der Innenkörper 4 und der Außenkörper 5 miteinander befestigt.
Der Träger 3 hat thermoplastisches Material bzw. besteht komplett aus diesem Material. Der Träger 3 hat an einer Seite eine Befestigungsvorrichtung 12, wie zum Beispiel eine Grundplatte mit Schraubenlöchern, zur Befestigung des Wärmespeichers 1 an der Karosserie des Fahrzeugs.
Der Träger 3 hat eine offene Seite, hier die Oberseite, um das Einführen des Speicherbehälters 2 zu erleichtern. An den Seiten und an der Unterseite sind Ausnehmungen 13 vorgesehen, um Gewicht und Kosten zu sparen. Der Träger 3 ist durch die Wahl und Ausgestaltung (Dicke, Struktur) des Materials derart dimensioniert, dass der Speicherbehälter 2 samt Füllung auch bei einem starken Bremsmanöver oder einem Unfall sicher gehalten wird.
2 zeigt einen Kühlmittelkreislauf 14 mit dem Wärmespeicher 1. Ausgehend von einem Motor 15 verläuft der Kreislauf zunächst über einen Temperatursensor 16 und ein Ventil 17 zu einem Kühler 18 und von dort über eine Wasserpumpe 19 zurück zu dem Motor 15. Ein zweiter Kreis verläuft zu einer Insassen- oder Innenraumheizung 20 und verläuft vor dem Motor 15 zu der Wasserpumpe 19.
Ein weiterer Kreis geht von dem Ventil 17 ab über eine Wasserpumpe 21 zu dem Wärmespeicher 1. Hinter dem Wärmespeicher 1 ist ein Temperatursensor 22 angeordnet. Danach schließt sich die Leitung an ein Ventil 23 an. Ein Entlüftungssystem 24 sorgt für die Entlüftung des Kühlmittelkreislaufs 14.
Im normalen Betrieb ist der Wärmespeicher 1 im Kreislauf parallel geschaltet, das heißt die Ventile 17 und 23 sind so geschaltet, dass das Kühlmittel 8 durch den Kühler 18 und die Heizung 20 strömt, also nicht durch den Wärmespeicher 1. In einem Wärmespeicherungsbetrieb werden die Ventile 17 und 23 geöffnet, so dass warmes oder heißes Kühlmittel 8 in den Wärmespeicher 1 strömt bis dieser mit heißem Kühlmittel 8 gefüllt ist. Dies kann mittels des Temperatursensors 22 festgestellt werden. Anschließend werden die beiden Ventile wieder in den Normalbetrieb geschaltet, so dass das heiße Kühlmittel 8 in dem Wärmespeicher 1 gespeichert bleibt. Die Isolation 6 des Wärmespeichers 1 sorgt für eine möglichst lange Erhaltung der Wärme. Zusätzlich oder alternativ kann ein wärmespeicherndes Material in dem Speicherbehälter 2 vorgesehen sein, das neben dem Kühlmittel 8 selbst, als Wärmespeicher dient und dann Wärme an das vorbeiströmende Kühlmittel abgibt.
Wird der Motor 15 nach Beendigung der Fahrt und längerem Stillstand beispielsweise über Nacht wieder gestartet, das heißt es findet ein Kaltstart statt, mißt der Temperatursensor 16 eine niedrige Temperatur des Kühlmittels 8. Daraufhin werden die Ventile 17 und 23 so geschaltet, dass in einem kleinen Kreislauf das warme Kühlmittel 8 aus dem Wärmespeicher 1 durch den Motor 15 zirkuliert, was den Motor 15 schnell erwärmt. Hat der Motor 15 seine Betriebstemperatur oder eine definierte Temperaturschwelle erreicht, schalten die Ventile 17 und 23 wieder auf den Normalbetrieb um.
Die erneute Füllung des Wärmespeichers 1 kann bereits vor dem Umschalten der Ventile 17 und 23 geschehen sein oder es werden zu einem späteren Zeitpunkt die Ventile 17 und 23 erneut geöffnet, um warmes Kühlmittel in dem Wärmespeicher 1 zu speichern. Während der Fahrt kann eine wiederkehrende Überprüfung und/oder Neufüllung des Wärmespeichers 1 vorgesehen sein, um stets eine hohe Temperatur des Kühlmittels 8 im Wärmespeicher 1 zu garantieren.
3 zeigt rechts den Motorraum 25 eines Kraftfahrzeugs, in dem der Wärmespeicher 1 angeordnet ist. Links in 3 ist der Wärmespeicher 1 in ausgebautem Zustand dargestellt. Der Wärmespeicher 1 hat hier die Form eines ungleichmäßigen Quaders oder einer Trapezsäule. Die Form ist auf die Platzverhältnisse im Motorraum 25 optimiert.
Der Aufbau des Wärmespeichers 1 erlaubt eine optimale Anpassung an die jeweiligen Platzverhältnisse durch die Wahl der Form des Wärmespeichers 1. Der Wärmespeicher 1 kann zum Beispiel die Form einer Dreiecksäule, eine Form mit L-förmiger Grundfläche oder ähnliches aufweisen. Der flexible Speicherbehälter 2 ermöglicht sehr viele auch unregelmäßige Formen, die den vorhandenen Raum gut ausnutzen. Insbesondere in Kombination mit dem Halter 3 ergibt sich eine vorteilhafte Kombination von Flexibilität und Stabilität.
Die Herstellung der unregelmäßigen Formen des Speicherbehälters 2 und des Trägers 3 ist aufgrund der Konzeption des Wärmespeichers 1 einfach zu realisieren. Für den Speicherbehälter 2 werden entsprechende Gewebeteile zugeschnitten und miteinander verbunden, um so den Innenkörper 4 und den Außenkörper 5 zu formen. Der Träger 3 kann aus einem Kunststoff hergestellt werden, was ebenfalls in vielen verschiedenen Formen erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1983167 A1 [0005]
JP 2010054162 A [0006]
US 4414932 [0007]

Claims

Wärmespeicher für ein Kühlmittel (8) eines Fahrzeugmotors (15), aufweisend einen flexiblen Speicherbehälter (2) mit einem Innenkörper (4) und einem Außenkörper (5), wobei zwischen den beiden Körpern (4, 5) eine Isolation (6) angeordnet ist, einen Zufluß (9) und einen Abfluß (10) für das Kühlmittel (8).
Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei die Isolation (6) ein formgebendes Material aufweist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innenkörper (4) und/oder der Außenkörper (5) aus Gewebe bestehen.
Wärmespeicher nach Anspruch 3, wobei das Gewebe eine Oberflächenstruktur aufweist.
Wärmespeicher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend einen Träger (3) zur Halterung des Speicherbehälters (2).
Wärmespeicher nach Anspruch 5, wobei der Träger (3) thermoplastisches Material aufweist.
Wärmespeicher nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Träger (3) den Speicherbehälter (2) an Seitenbereichen und einer Unterseite des Speicherbehälters (2) zumindest teilweise umschließt.