DE102013110879A1

DE102013110879A1 - Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem

Info

Publication number: DE102013110879A1
Application number: DE201310110879
Authority: DE
Inventors: Tobias DÜPMEIER; Ralf Schulze
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem Wärmerohr (Heat Pipe), insbesondere einem Wärmerohr vom Loop-Typ bzw. Kreislauftyp (Loop Heat Pipe). Das Wärmerohr weist einen vakuumdicht verschlossenen Rohrkörper auf. Im Innenraum des Rohrkörpers ist eine Kapillarstruktur sowie ein Arbeitsmedium vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das Arbeitsmedium eine wässrige Lösung auf Basis von Wasser und Ammoniumacetat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem Wärmerohr (Heat Pipe), insbesondere einem Wärmerohr vom Loop-Typ bzw. Kreislauftyp (Loop Heat Pipe), wobei das Wärmerohr einen vakuumdicht verschlossenen Rohrkörper aufweist und im Innenraum des Rohrkörpers eine Kapillarstruktur sowie ein Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Wärmerohre, fachterminologisch Heat-Pipes genannt bzw. Systeme mit solchen Wärmerohren, dienen zum passiven Transport von Wärme mittels eines Arbeitsmediums.
Ein Wärmerohr (Heat Pipe) besteht aus einem vakuumdicht verschlossenen Rohrkörper, dessen Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen ist. Im Innenraum befindet sich ferner ein Arbeitsmedium, üblicherweise Wasser oder Alkohol, wie Ethanol. Das Arbeitsmedium ist in Folge des vorherrschenden Vakuums als Sattdampf in der Kapillarstruktur eingelagert. Der Wärmetransport innerhalb des Wärmerohrs erfolgt durch Verdampfung und Kondensation. Bei Zufuhr von Wärmeenergie an einer Stelle des Wärmerohrs verdampft das Arbeitsmedium unter Aufnahme der Energie. Der Dampf strömt dann in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an den kühleren Stellen des Wärmerohrs unter Abgabe der Energie. Das Kondensat kehrt durch die Kapillar- und Schwerkraft in die Verdampfungszone zurück.
Ein Wärmerohr ist folglich ein Wärmeübertrager, der mit einer minimalen Temperaturdifferenz eine vergleichsweise große Wärmeenergie über eine gewisse Distanz transportieren kann. Dabei nutzt das Wärmerohr die Verdampfungsenthalpie und die Kondensationsenthalpie des Arbeitsmediums aus, um hohe Wärmeströme zu bewegen.
Unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz und der CO2-Einsparung erscheint es sinnvoll, Wärmerohr-Technologien im Kraftfahrzeugbereich einzusetzen mit dem Ziel, nicht nur störende Temperaturdifferenzen auszuregeln, sondern auch Wärme an Orte des Kraftfahrzeugs zu fördern, an denen sie sonst durch gesonderte Beheizung oder Kühlung mit entsprechend zusätzlichem Energiebedarf bzw. Verbrauch geschafft werden müsste. Eine mögliche Anwendung ist die Abgaswärmenutzung, bei der während des Kaltstarts Wärme aus dem Abgas in zu erwärmende Komponenten geleitet wird, z. B. Schaltgetriebe, Differential, Motor oder Fahrerkabine.
Ein Motorsystem mit einem Wärmerohr ist beispielsweise in der DE 10 2007 057 238 A1 beschrieben.
Generell kommen bei Wärmerohren für verschiedene Temperaturbereiche unterschiedliche Arbeitsmedien in Betracht. Wie erwähnt sind je nach Temperaturbereich Wasser oder Alkohol, insbesondere Ethanol, gängig. Dabei soll die Oberflächenspannung und die Verdampfungsenthalpie möglichst groß und die Viskosität möglichst gering sein. Der Einsatz eines Wärmerohrs im Kraftfahrzeug bedingt auch extrem niedrige bzw. tiefe Einsatztemperaturen von bis zu –40° C.
Demzufolge scheidet Wasser aufgrund des hohen Gefrierpunktes trotz einer sehr hohen Verdampfungsenthalpie als Arbeitsmedium aus.
Ethanol besitzt demgegenüber eine geringere Verdampfungsenthalpie als Wasser und ist brennbar. Auch wäre für die Verwendung von Ethanol als Arbeitsmedium Kapillarstrukturen mit größeren Porositäten bei kleineren Porendurchmessern wünschenswert, was jedoch fertigungstechnisch nicht umsetzbar ist.
In der DE 10 2009 051 294 A1 wird ein Gefrierschutzmittel für wässrige Medien beschrieben, das aus einem Ammoniumsalz einer Säure besteht. Hierbei kann es sich um Ammoniumacetat handeln, dem Ammoniumsalz der Essigsäure. Als mögliche Anwendung wird ein thermodynamischer Kreisprozess zur Abwärmenutzung im Kraftfahrzeug genannt, bei dem die Abgaswärme in Arbeit gewandelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsfähiges Kraftfahrzeug- Wärmeübertragersystem mit einem Wärmerohr zu schaffen, welches auch bei tiefen Temperaturen einsetzbar ist sowie ein Arbeitsmedium für ein Wärmerohr aufzuzeigen, welches vorteilhafte Eigenschaften für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem besitzt.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem Wärmerohr, insbesondere einem Wärmerohr vom Loop-Typ bzw. Kreislauftyp, bei dem das Arbeitsmedium eine wässrige Lösung ist, die Ammoniumacetat enthält. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist folglich die Verwendung einer wässrigen Lösung, die aus Wasser und Ammoniumacetat besteht als Arbeitsmedium im Wärmerohr eines Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystems.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das Wärmerohr weist einen vakuumdicht verschlossenen Rohrkörper auf. Im Innenraum des Rohrkörpers ist eine Kapillarstruktur sowie das Arbeitsmedium vorgesehen. Dieses besteht aus in Wasser gelöstem Ammoniumacetat. An der Innenfläche des Rohrkörpers können Rillen oder Riefen vorgesehen sein.
Wesentliches Element des Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystems ist das Wärmerohr. Zum Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem gehören weiterhin alle für den jeweiligen Anwendungsfall notwendigen Bauteile, Leitungen und Aggregate.
Vorzugsweise bestehen der Rohrkörper und die Kapillarstruktur aus dem gleichen Werkstoff. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise Bauteilspannungen bzw. Werkstoffspannungen, die aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bzw. Längenänderungen resultieren, minimiert bzw. vermieden werden können.
Im Rahmen der Erfindung besteht der Rohrkörper insbesondere aus Edelstahl. Auch die Kapillarstruktur besteht aus Edelstahl oder ist auf Basis von Edelstahl gebildet. Insbesondere weist die Kapillarstruktur eine Porosität von 40 % bis 60 %, vorzugsweise circa 50 % auf bei einem maximalen Porenradius von 8 µm bis 12 µm, insbesondere circa 10 µm.
Die kapillaren Eigenschaften des erfindungsgemäßen Arbeitsmediums passen besonders vorteilhaft zu der mit Edelstahl realisierbaren Porosität der Kapillarstruktur.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Arbeitsmedium mindestens 400 g bis maximal 1.480 g Ammoniumacetat pro Liter Wasser enthält. Insbesondere enthält das Arbeitsmedium 600 g bis 950 g Ammoniumacetat pro Liter Wasser. Eine bevorzugte Mischung des Arbeitsmediums sieht 800 g bis 850 g, insbesondere 820 g Ammoniumacetat pro Liter Wasser vor.
Von besonderem Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Arbeitsmedium ohne Rückstände verdampft. Hierdurch wird ein Verstopfen der Kapillarstruktur vermieden und ein Alterungs- bzw. Abnutzungsprozess minimiert. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das Arbeitsmedium eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie besitzt, die höher ist als die von Wasser. Ebenso vorteilhaft ist, dass das Ammoniumacetat kapillarineffektiv ist. Die Ammoniumacetat enthaltende wässrige Lösung besitzt die gleiche Oberflächenspannung wie Wasser. Vor diesem Hintergrund besitzt die Kapillarstruktur aus Edelstahl optimale Eigenschaften für die Verwendung des Arbeitsmediums auf Basis von Wasser und Ammoniumacetat. Insbesondere besitzt die Kapillarstruktur eine Porosität von 50 % bei einem Porenradius von 10 µm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007057238 A1 [0006]
DE 102009051294 A1 [0010]

Claims

Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem mit einem Wärmerohr (Heat Pipe), insbesondere einem Wärmerohr vom Loop-Typ bzw. Kreislauftyp (Loop Heat Pipe), wobei das Wärmerohr einen vakuumdicht verschlossen Rohrkörper aufweist und im Innenraum des Rohrkörpers eine Kapillarstruktur sowie ein Arbeitsmedium vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium eine wässerige Lösung enthaltend Ammoniumacetat ist.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper und die Kapillarstruktur aus dem gleichen Werkstoff bestehen.
Kraftfahrzeug-Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper aus Edelstahl besteht.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur aus Edelstahl besteht oder auf Basis von Edelstahl gebildet ist.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mindestens 400 g bis maximal 1.480 g Ammoniumacetat pro Liter Wasser enthält.
Kraftfahrzeug-Wärmeübertragersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium 600 g bis 950 g Ammoniumacetat pro Liter Wasser enthält.
Verwendung einer wässerigen Lösung, die aus Wasser und Ammoniumacetat besteht, als Arbeitsmedium im Wärmerohr eines Kraftfahrzeug- Wärmeübertragersystems.