DE102014208616A1

DE102014208616A1 - Wärmespeichervorrichtung und Verfahren zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials

Info

Publication number: DE102014208616A1
Application number: DE102014208616.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Es werden eine Wärmespeichervorrichtung (1) und ein Verfahren zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials (10) vorgeschlagen, die ein sicheres Auslösen der Kristallisation ermöglichen. Dabei umfasst die Wärmespeichervorrichtung (1) einen Behälter (5) zur Aufnahme des Wärmespeichermaterials (10), das bei Unterschreiten einer Kristallisationstemperatur von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand unter Abgabe von Wärme übergeht. Die Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10) wird über eine Auslösevorrichtung (15) ausgelöst. Die Auslösevorrichtung (10) umfasst ein vom Behälter (5) oder von einer Wand (35) des Behälters (5) verschiedenes Auslöseelement (20), das einerseits mit dem Wärmespeichermaterial (10) in Kontakt steht und das andererseits eine Kontaktfläche (25) außerhalb des Behälters (5) aufweist. Zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10) über die Kontaktfläche (25) wird ein Kontakt mit einem ausschließlich außerhalb des Behälters (5) angeordneten Kühlelement (30) hergestellt, wobei das Kühlelement (30) weder den Behälter (5) noch das Wärmespeichermaterial (10) kontaktiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Wärmespeichervorrichtung und von einem Verfahren zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
Aus der DE 30 44 202 C2 ist bereits ein Verfahren zum Einbringen von Kristallisationskeimen in ein flüssiges, beim Abkühlen in den festen Zustand übergehendes Latentwärmespeichermedium bekannt, bei dem man das flüssige Latentwärmespeichermedium an mindestens einer Kühlfläche lokal so stark abkühlt, dass eine Kristallisation an dieser Fläche auftritt. Dazu befinden sich in dem vom Latentwärmespeichermedium gefüllten Teil des Behälters eine Vielzahl von Peltier-Elementen, die zu einem Peltier-Elementblock zusammengefasst sind. Gemäß einer zweiten Ausführungsform befindet sich ein Kühlfinger zumindest mit seiner Stirnfläche im flüssigen Latentwärmespeichermedium, sodass in den Kühlfinger eintretendes Wärmeträgermedium mit dem Latentwärmespeichermedium in Wärmekontakt steht.
Aus der DE 103 03 498 A1 ist eine Vorrichtung zur lokalen Kühlung des Wärmematerials eines Latentwärmespeichers zur Sicherung der Kristallisation bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Peltier-Element, das von einem Temperaturfühler gesteuert wird. Beim Überschreiten einer ersten vorgegebenen Temperatur kühlt das Peltier-Element das Wärmematerial in seiner Umgebung ab. Dabei ist an einer geeigneten Stelle in der Wand des Latentwärmespeichers das Peltier-Element platziert.
Aus der DE 10 2011 002 424 B4 ist es bekannt, ein Peltier-Element zwischen dem Latentwärmespeicher und einer Wärmeabfuhr anzuordnen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials haben demgegenüber den Vorteil, dass ein Behälter zur Aufnahme eines Wärmespeichermaterials vorgesehen ist, das bei Unterschreiten einer Kristallisationstemperatur von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand unter Abgabe von Wärme übergeht. Die Kristallisation des Wärmespeichermaterials wird über eine Auslösevorrichtung ausgelöst. Die Auslösevorrichtung umfasst ein vom Behälter oder von einer Wand des Behälters verschiedenes Auslöseelement, das einerseits mit dem Wärmespeichermaterial in Kontakt steht und das andererseits eine Kontaktfläche außerhalb des Behälters aufweist. Zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials wird über die Kontaktfläche ein Kontakt mit einem ausschließlich außerhalb des Behälters angeordneten Kühlelement hergestellt, wobei das Kühlelement weder den Behälter noch das Wärmespeichermaterial kontaktiert.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Kristallisationstemperatur zum Auslösen der Kristallisation des Wärmespeichermaterials erreicht bzw. unterschritten werden kann. Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es, dass die Kühlleistung des dort beschriebenen Peltier-Elementes verringert wird, weil das Wärmespeichermaterial im flüssigen Zustand genügend Wärme bereitstellt und somit ein Wärmestrom aus dem Wärmespeichermaterial zum Peltier-Element erfolgt. Die Abkühlung des Peltier-Elementes fällt deshalb geringer aus als beim Betrieb in Luft, d. h. isoliert vom Behälter und vom Wärmespeichermaterial.
Mit Hilfe des Auslöseelementes lässt sich dennoch eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmespeichermaterial einerseits und dem Kühlelement andererseits zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials herstellen, ohne dass dazu das Kühlelement mit dem Wärmespeichermaterial oder dem Behälter direkt in Kontakt treten muss.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Wärmespeichervorrichtung und des Verfahrens zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials gemäß den unabhängigen Ansprüchen möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn das Auslöseelement in der Wand des Behälters aufgenommen ist und einerseits ins Innere des Behälters hineinragt und andererseits mit der Kontaktfläche aus dem Behälter herausragt. Auf diese Weise lässt sich das Auslöseelement besonders einfach und wenig aufwändig als Schnittstelle zwischen dem Wärmespeichermaterial und dem Kühlelement realisieren.
Als Kühlelement kann in vorteilhafter Weise ein Peltier-Element verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand des Behälters ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass über das Auslöseelement ein ausreichender Wärmetransport in das Wärmespeichermaterial zum Auslösen der Kristallisation stattfinden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindung zwischen dem Kühlelement und dem Auslöseelement, insbesondere ausschließlich, über ein Verbindungselement erfolgt, wobei das Verbindungselement das Kühlelement mit dem Auslöseelement für die Auslösung der Kristallisation verbindet. Auf diese Weise kann das Verbindungselement zum Speichern der vom Kühlelement für den Auslösevorgang erzeugten Kälte verwendet werden und zusätzlich sicherstellen, dass ein Wärmeaustausch vom Wärmespeichermaterial oder dem Behälter in Richtung zum Kühlelement vermieden wird. Die Isolation des Kühlelementes gegenüber dem Wärmespeichermaterial und dem Behälter wird auf diese Weise vergrößert. Die beschriebenen Wirkungen ergeben sich umso mehr, wenn die Verbindung zwischen dem Kühlelement und dem Auslöseelement zur Auslösung der Kristallisation ausschließlich über das Verbindungselement erfolgt.
Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand des Behälters ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die vom Kühlelement erzeugte Kälte über das Verbindungselement und das Auslöseelement eher in das Wärmespeichermaterial gelangt als umgekehrt ein Wärmeabfluss aus dem Wärmespeichermaterial oder der Wand des Behälters in Richtung zum Kühlelement. Dies erhöht die Sicherheit, dass zum Auslösen der Kristallisation die erforderliche Kristallisationstemperatur am wärmespeicherseitigen Ende des Auslöseelementes erreicht bzw. unterschritten wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die vom Kühlelement erzeugte Kälte besonders schnell in das Wärmespeichermaterial gelangen kann, sodass die Kristallisationstemperatur am wärmespeichermaterialseitigen Ende des Auslöseelementes erreicht bzw. unterschritten wird, bevor ein nennenswerter Wärmeübertrag vom Wärmespeichermaterial oder von der Wand des Behälters in Richtung zum Kühlelement gelangen kann.
Vorteilhaft ist es, wenn das Verbindungselement aus Aluminium gebildet ist. Aluminium weist sowohl eine für die genannten Zwecke ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität zur Speicherung des vom Kühlelement erzeugten Kälteeintrags auf.
Vorteilhaft ist es, wenn das Auslöseelement aus Kupfer gebildet ist. Kupfer weist eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die den erforderlichen Kältetransport vom Kühlelement in das Wärmespeichermaterial gegebenenfalls über das Verbindungselement gewährleistet.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn, solange keine Kristallisation ausgelöst werden soll, der Kontakt zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement getrennt wird. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Auslösung der Kristallisation vermieden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials über die Kontaktfläche ein Kontakt mit dem Kühlelement und/oder dem Verbindungselement nur dann hergestellt wird, wenn eine Temperatur des Kühlelementes und/oder des Verbindungselementes einen vorgegebenen Schwellwert, der vorzugsweise unter der Kristallisationstemperatur liegt, erreicht oder unterschritten hat. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine vor der Kontaktierung des Auslöseelementes durch das Verbindungselement und/oder das Kühlelement eingeleitete Abkühlung des Kühlelementes und damit auch des gegebenenfalls vorhandenen Verbindungselementes nicht durch einen Wärmeeintrag aus dem Wärmespeichermedium beeinträchtigt werden kann.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Wärmespeichervorrichtung in einem ersten Betriebszustand,
2 eine Wärmespeichervorrichtung in einem zweiten Betriebszustand und
3 einen Ablaufplan zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 kennzeichnet 1 eine Wärmespeichervorrichtung, die beispielsweise als Latentwärmespeicher ausgebildet ist und beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Kaltstartunterstützung, beispielsweise durch Vorwärmen des Motoröls beim Kaltstart, verwendet werden kann. Die Wärmespeichervorrichtung umfasst dabei einen Behälter 5 zur Aufnahme eines Wärmespeichermaterials 10. Das Wärmespeichermaterial 10 kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial sein. Als Phasenwechselmaterial kann dabei beispielsweise Natriumacetat CH₃COONa verwendet werden. Das Wärmespeichermaterial zeichnet sich dadurch aus, dass es bei Erreichen bzw. Unterschreiten einer kritischen Temperatur, die im Folgenden auch als Kristallisationstemperatur bezeichnet wird, von alleine kristallisiert, d. h. von alleine von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand unter Abgabe von Wärme übergeht. Dabei reicht ein lokales Unterkühlen des flüssigen Wärmespeichermaterials, der sogenannten Schmelze, bis zur bzw. unter die Kristallisationstemperatur aus, um sogenannte Kristallisationskeime zu erzeugen, die dann die Kristallisation im gesamten Wärmespeichermaterial veranlassen.
In einer Wand 35 des Behälters 5 ist eine Aufnahme 45 vorgesehen, in der ein Auslöseelement 20 einer Auslösevorrichtung 15 gelagert ist. Dabei sind auch geeignete Dichtungen vorgesehen, die den Behälter 5 im Bereich der Aufnahme 45 abdichten und somit ein Austreten des Wärmespeichermaterials 10 aus dem Behälter 5 verhindern. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Dichtungen in 1 nicht dargestellt.
Das Auslöseelement 20 ragt einerseits in den Behälter 5 hinein und steht dort in Kontakt mit dem Wärmespeichermaterial 10. Andererseits ragt das Auslöseelement 20 mit einer Kontaktfläche 25 aus dem Behälter 5 heraus. Die Kontaktfläche 25 dient dabei zur Kontaktierung mit einem ausschließlich außerhalb des Behälters 5 angeordneten Kühlelement 30, wobei das Kühlelement 30 weder den Behälter 5 noch das Wärmespeichermaterial 10 kontaktiert. Alternativ zu einer direkten Kontaktierung des Auslöseelementes 20 mit dem Kühlelement 30 ist gemäß 1 ein zur Auslösevorrichtung 15 gehörendes Verbindungselement 40 dargestellt, über das gemäß der Ausführungsform nach 1 das Kühlelement 30 mit dem Auslöseelement 20 in Kontakt gebracht werden kann. Das Verbindungselement 40 ist dabei mit dem Kühlelement 30 verbunden bzw. steht mit diesem in Kontakt. 1 zeigt dabei einen ersten Betriebszustand der Wärmespeichervorrichtung 1, in dem die Verbindung bzw. der Kontakt zwischen dem Auslöseelement 20 und dem Verbindungselement 40 und damit auch die Verbindung bzw. der Kontakt zwischen dem Auslöseelement 20 und dem Kühlelement 30 getrennt ist. In diesem ersten Betriebszustand erfolgt somit keine Wärmeübertragung vom Kühlelement 30 in das Wärmespeichermedium 10, sodass dieses über das Kühlelement 30 und das Verbindungselement 40 nicht gekühlt werden kann. Im ersten Betriebszustand ist somit ein Auslösen der Kristallisation durch das Kühlelement 30 nicht möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlelement 30 als Peltier-Element ausgebildet sein. Das Kühlelement 30 kann aber auch auf andere Weise realisiert sein und beispielsweise durch thermodynamische oder chemische Vorgänge eine Kühlung herbeiführen. Das vom Behälter 5 und von der Wand 35 des Behälters 5 verschiedene Auslöseelement 20 kann beispielsweise aus Kupfer gebildet sein. Die Wand 35 des Behälters 5 kann beispielsweise aus Edelstahl gebildet sein. Das Verbindungselement 40 kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
Natriumacetat weist eine Wärmekapazität c = 3000 J/(kg × K) und eine Wärmeleitfähigkeit λ von 0,55 bis 0,65 W/(K × m) auf. Edelstahl wiederum weist eine Wärmekapazität c von 450 J/(kg × K) und eine Wärmeleitfähigkeit λ von 15 W/(K × m) auf. Kupfer weist eine Wärmekapazität c von 380 J/(kg × K) und eine Wärmeleitfähigkeit λ von 320 W/(K × m) auf. Aluminium weist eine Wärmekapazität c von 900 J/(kg × K) und eine Wärmeleitfähigkeit λ von 202 W/(K × m) auf.
Somit liegt die Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Beispiel aus Kupfer gebildeten Auslöseelementes 20 erheblich über der Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Beispiel aus Natriumacetat gebildeten Wärmespeichermaterials 10 und auch erheblich über der Wärmeleitfähigkeit der im vorliegenden Beispiel aus Edelstahl gebildeten Wand 35 des Behälters 5. Ferner liegt die Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Aluminium gebildeten Verbindungselementes 40 erheblich über der Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Beispiel aus Natriumazetat gebildeten Wärmespeichermaterials 10 und erheblich über der Wärmeleitfähigkeit der im vorliegenden Beispiel aus Edelstahl gebildeten Wand 35 des Behälters 5. Ferner ist die Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Beispiel aus Kupfer gebildeten Auslöseelementes 20 deutlich größer als die Wärmeleitfähigkeit des im vorliegenden Beispiel aus Aluminium gebildeten Verbindungselementes 40.
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung 1 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest den Behälter 5 mit der Wand 35 und dem im Behälter 5 befindlichen Wärmespeichermaterial 10 sowie die Aufnahme 45 und das darin gelagerte Auslöseelement 20. Wenn auch das Verbindungselement 40 als zur Auslösevorrichtung 15 gehörend beschrieben wurde, so kann es zusammen mit dem Kühlelement 30 als von der Wärmespeichervorrichtung 1 räumlich getrennt und verschieden betrachtet werden. Auch kann die Auslösevorrichtung 15 als allein durch das Auslöseelement 20 gebildet betrachtet werden. Alternativ kann die Wärmespeichervorrichtung 1 jedoch auch das Verbindungselement 40 und das Kühlelement 30 mit umfassen.
In 2 kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1. Dabei zeigt 2 einen zweiten Betriebszustand der Wärmespeichervorrichtung 1, in dem das Auslöseelement 20 mit dem Verbindungselement 40 in Kontakt steht, sodass eine Wärmeleitung vom Kühlelement 30 über das Verbindungselement 40 und das Auslöseelement 20 in das Wärmespeichermedium 10 erfolgt und lokal im Bereich des wärmespeichermediumseitigen Endes des Auslöseelementes 20 die Bildung von Kristallisationskeimen verursacht und damit eine Kristallisation des gesamten Wärmespeichermaterials 10 initiiert. Gemäß 2 erfolgt dabei die Verbindung zwischen dem Kühlelement 30 und dem Auslöseelement 20 ausschließlich über das Verbindungselement 40. Alternativ wäre auch denkbar, für den Fall, dass das Verbindungselement 40 nicht vorgesehen ist, das Kühlelement 30 zum Auslösen der Kristallisation direkt mit der Kontaktfläche 25 des Auslöseelementes 20 zu verbinden oder sowohl eine direkte Kontaktierung des Kühlelementes 30 mit der Kontaktfläche 25 des Auslöseelementes 20 als auch zusätzlich eine Kontaktierung des Kühlelementes 30 mit der Kontaktfläche 25 über das Verbindungselement 40 vorzusehen. Von ihrer Wirkung her hat die gemäß 2 dargestellte ausschließliche Verbindung des Kühlelementes 30 mit dem Auslöseelement 20 über das Verbindungselement 40 jedoch Vorteile. Aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität des in diesem Beispiel aus Aluminium gebildeten Verbindungselementes 40 kann die vom Kühlelement 30 erzeugte Kälte gut im Verbindungselement 40 gespeichert werden. Da die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes 40 erheblich größer gewählt wurde als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials 10 und der Wand 35 des Behälters 5, ist der Wärmefluss vom Kühlelement 30 ins Wärmespeichermedium 10 erheblich größer als in umgekehrter Richtung, wobei durch die am höchsten gewählte Wärmeleitfähigkeit des in diesem Beispiel aus Kupfer gebildeten Auslöseelementes 20 die vom Kühlelement 30 erzeugte Kälte auch besonders schnell in das Wärmespeichermedium 10 transportiert werden kann. Somit lassen sich am wärmespeichermediumseitigen Ende des Auslöseelementes 20 besonders schnell und zuverlässig die zur Initiierung der Kristallisation des Wärmespeichermediums 10 erforderlichen Kristallisationskeime erzeugen, bevor ein nennenswerter Wärmeaustausch vom Wärmespeichermedium 10 in Richtung zum Kühlelement 30 erfolgt und die Kühlwirkung des Kühlelementes 30 abschwächen kann. Somit stellt der beschriebene Auslösemechanismus für die Kristallisation des Wärmespeichermediums 10 eine besonders sichere und zuverlässige Möglichkeit zum Erreichen bzw. Unterschreiten der Kristallisationstemperatur am wärmespeichermediumseitigen Ende des Auslöseelementes 20 und damit eine besonders sichere und zuverlässige Auslösung der Kristallisation des gesamten Wärmespeichermaterials 10 dar.
Um einen Wärmeeintrag vom Wärmespeichermedium 10 in das Kühlelement 30 weitestgehend zu vermeiden und dadurch die Kühlwirkung des Kühlelementes 30 möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist es gemäß einer optionalen Ausführungsvariante von Vorteil, wenn die Verbindung des Verbindungselementes 40 bzw. des Kühlelementes 30 mit der Kontaktfläche 25 nur dann erfolgt, wenn auch eine Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 herbeigeführt werden soll, ansonsten aber das Auslöseelement 20 vom Verbindungselement 40 und vom Kühlelement 30 getrennt ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Verbindung des Verbindungselementes 40 bzw. des Kühlelementes 30 mit der Kontaktfläche 25 des Auslöseelementes 20 zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 erst dann erfolgt, wenn das Kühlelement 30 bereits ausreichend abgekühlt ist, ohne dass diese Abkühlung durch einen Wärmeeintrag seitens des Wärmespeichermaterials 10 in das Kühlelement 30 beeinträchtigt wurde. Dazu könnte es gemäß einer alternativen Ausführungsform auch vorgesehen sein, eine Kontaktierung des Verbindungselementes 40 bzw. des Kühlelementes 30 mit der Kontaktfläche 25 des Auslöseelementes 20 erst dann zuzulassen, wenn eine Temperatur des Kühlelementes 30 einen vorgegebenen Schwellwert kleiner oder gleich der Kristallisationstemperatur erreicht oder unterschritten hat.
Dazu kann es optional und wie in 1 und 2 dargestellt vorgesehen sein, dass ein erster Temperatursensor 50 vorgesehen ist, der die Temperatur des Kühlelementes 30 misst. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass ein zweiter Temperatursensor 55 vorgesehen ist, der die Temperatur des Verbindungselementes 40 misst. Die von den Temperatursensoren 50, 55 erfassten Temperaturwerte können beispielsweise einem in den Figuren nicht dargestellten Steuergerät des Fahrzeugs zugeführt und dort in der nachfolgend beschriebenen Weise ausgewertet werden.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Verbindungselement 40 und/oder das Kühlelement 30 erst dann zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 mit der Kontaktfläche 25 des Auslöseelementes 20 verbunden werden, wenn die von sämtlichen vorhandenen Temperatursensoren 50, 55 aktuell gemessenen Temperaturen kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellwert sind, der gleich oder vorzugsweise kleiner als die Kristallisationstemperatur gewählt ist.
Eine Kontaktierung des Auslöseelementes 20 über die Kontaktfläche 25 durch das Kühlelement 30 und/oder das Verbindungselement 40 zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 sollte in diesem Fall in vorteilhafter Weise also nur dann erfolgen, wenn die Temperatur des Kühlelementes 30 und, sofern vorhanden, auch des Verbindungselementes 40 den vorgegebenen Schwellwert erreicht oder unterschritten hat.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Kühlelement 30 bzw. das Verbindungselement 40 ausreichend abgekühlt sind, bevor sie mit dem Auslöseelement 20 in Kontakt treten, sodass sichergestellt ist, dass ein vor der Kontaktierung des Auslöseelementes 20 eingeleiteter Abkühlungsprozess des Kühlelementes 30 nicht durch einen Wärmeeintrag des Wärmespeichermaterials 10 beeinträchtigt werden kann.
In 3 ist ein Ablaufplan für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach dem Start des Programms, das beispielsweise im Steuergerät des Fahrzeugs ablaufen kann, wird bei einem Programmpunkt 100 geprüft, ob eine Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 der Wärmespeichervorrichtung 1 ausgelöst werden soll, beispielsweise weil ein Kaltstart des Kraftfahrzeugs detektiert wird. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 105 verzweigt, andernfalls wird zu einem Programmpunkt 115 verzweigt.
Bei Programmpunkt 105 wird eine Kühlung des Kühlelementes 30 veranlasst, bspw. durch Bestromung im Falle eines als Peltier-Element ausgebildeten Kühlelementes 30. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 107 verzweigt.
Bei Programmpunkt 107 prüft das Steuergerät, ob die aktuell gemessene Temperatur bzw. die aktuell gemessenen Temperaturen der Temperatursensoren 50, 55 kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellwert sind, der gleich, vorzugsweise aber kleiner als die Kristallisationstemperatur gewählt ist. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 110 verzweigt, andernfalls wird zu Programmpunkt 105 zurückverzweigt.
Bei Programmpunkt 110 wird ein Kontakt zwischen dem mit dem Kühlelement 30 verbundenen Verbindungselement 40 und dem Auslöseelement 20 über die Kontaktfläche 25 hergestellt und dadurch die vom Kühlelement 30 erzeugte Kälte möglichst schnell in das Wärmespeichermaterial 10 transportiert, um die Kristallisation auszulösen. Anschließend wird zu Programmpunkt 100 zurückverzweigt.
Bei Programmpunkt 115 bleibt oder wird das Verbindungselement 40 mit dem Kühlelement 30 vom Auslöseelement 20 getrennt, um eine (weitere) Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 zu unterbinden.
Anschließend wird das Programm verlassen. Das Programm kann wiederholt bspw. in regelmäßigen Abständen durchlaufen werden, vorzugsweise aber beim Start des Fahrzeugs.
Die Verbindung bzw. Trennung des Verbindungselementes 40 und des Auslöseelementes 20 kann in dem Fachmann bekannter Weise unter Verwendung geeigneter Stellmotoren erfolgen.
Als Wärmespeichermaterial kann jedes dem Fachmann bekannte und geeignete Phasenwechselmaterial verwendet werden. Dies kann neben dem beschriebenen Natriumacetat bzw. Natriumacetattrihydrat auch ein anderes Salzhydrat, Paraffin, Zuckeralkohol oder ein anderes geeignetes Material sein. Auch können für das Auslöseelement 20, das Verbindungselement 40 und die Wand 35 des Behälters 5 andere als die beschriebenen Materialien verwendet werden. Von Vorteil ist es aber, wie beschrieben, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes 20 größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials 10 und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand 35 des Behälters 5 ist. Bei Verwendung des Verbindungselementes 40 ist es zusätzlich von Vorteil, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes 40 größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials 10 und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand 35 des Behälters 5 ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes 20 größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes 40.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sichergestellt, dass, solange keine Kristallisation ausgelöst werden soll, der Kontakt zwischen der Kontaktfläche 25 und dem Kühlelement 30 bzw. dem Verbindungselement 40 getrennt ist. Ein Kontakt zwischen der Kontaktfläche 25 und dem Kühlelement 30 bzw. dem Verbindungselement 40 ist nur dann erforderlich, wenn eine Kristallisation des Wärmespeichermaterials 10 ausgelöst werden soll. Das Verbindungselement 40 kann als Sonde ausgebildet sein. Das Verbindungselement 40 nimmt dabei die vom abgekühlten Kühlelement 30 erzeugte Kälte auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3044202 C2 [0002]
DE 10303498 A1 [0003]
DE 102011002424 B4 [0004]

Claims

Wärmespeichervorrichtung (1) mit einem Behälter (5) zur Aufnahme eines Wärmespeichermaterials (10), das bei Unterschreiten einer Kristallisationstemperatur von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand unter Abgabe von Wärme übergeht, und mit einer Auslösevorrichtung (15) zur Auslösung einer Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (15) ein vom Behälter (5) oder von einer Wand (35) des Behälters (5) verschiedenes Auslöseelement (20) umfasst, das einerseits mit dem Wärmespeichermaterial (10) in Kontakt steht und das andererseits eine Kontaktfläche (25) außerhalb des Behälters (5) aufweist, über die für die Auslösung der Kristallisation ein Kontakt mit einem ausschließlich außerhalb des Behälters (5) angeordneten Kühlelement (30) herstellbar ist, wobei das Kühlelement (30) weder den Behälter (5) noch das Wärmespeichermaterial (10) kontaktiert.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement (20) in der Wand (35) des Behälters (5) aufgenommen ist und einerseits ins Innere des Behälters (5) hineinragt und andererseits mit der Kontaktfläche (25) aus dem Behälter (5) herausragt.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (30) als Peltier-Element ausgebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes (20) größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials (10) und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand (35) des Behälters (5) ist.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Kühlelement (30) und dem Auslöseelement (20), insbesondere ausschließlich, über ein Verbindungselement (40) erfolgt, wobei das Verbindungselement (40) das Kühlelement (30) mit dem Auslöseelement (20) für die Auslösung der Kristallisation verbindet.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes (40) größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials (10) und größer als die Wärmeleitfähigkeit der Wand (35) des Behälters (5) ist.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Auslöseelementes (20) größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Verbindungselementes (40).
Wärmespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (40) aus Aluminium gebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement (20) aus Kupfer gebildet ist.
Verfahren zum Auslösen einer Kristallisation eines Wärmespeichermaterials (10) in einem Behälter (5), das bei Unterschreiten einer Kristallisationstemperatur von einem flüssigen Zustand in einen kristallinen Zustand unter Abgabe von Wärme übergeht, wobei die Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10) über eine Auslösevorrichtung (15) ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (15) ein vom Behälter (5) oder von einer Wand (35) des Behälters (5) verschiedenes Auslöseelement (20) umfasst, das einerseits mit dem Wärmespeichermaterial (10) in Kontakt steht und das andererseits eine Kontaktfläche (25) außerhalb des Behälters (5) aufweist, und dass zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10) über die Kontaktfläche (25) ein Kontakt mit einem ausschließlich außerhalb des Behälters (5) angeordneten Kühlelement (30) hergestellt wird, wobei das Kühlelement (30) weder den Behälter (5) noch das Wärmespeichermaterial (10) kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass solange keine Kristallisation ausgelöst werden soll, der Kontakt zwischen der Kontaktfläche (25) und dem Kühlelement (30) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Kühlelement (30) und dem Auslöseelement (20), insbesondere ausschließlich, über ein Verbindungselement (40) hergestellt wird, wobei das Verbindungselement (40) das Kühlelement (30) mit dem Auslöseelement (20) für die Auslösung der Kristallisation verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslösung der Kristallisation des Wärmespeichermaterials (10) über die Kontaktfläche (25) ein Kontakt mit dem Kühlelement (30) und/oder dem Verbindungselement (40) nur dann hergestellt wird, wenn eine Temperatur des Kühlelementes (30) und/oder des Verbindungselementes (40) einen vorgegebenen Schwellwert, der vorzugsweise unter der Kristallisationstemperatur liegt, erreicht oder unterschritten hat.