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Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher. Es ist bekannt mittels thermischen Energiespeichern in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen die Abwärme des Motors während der Fahrt zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zur Unterstützung der Warmlaufphase zu nutzen. Dies wird bspw. mittels eines Latentwärmespeichers mit einem Phasenübergangsmaterial (PCM) als Speichermedium gemäß der
DE 10 2007 045 164 A1 realisiert. Ferner werden als unterstützende Maßnahme bei Aussetzen eines mechanisch angetriebenen Verdichters eines Kältemittelkreislaufs eines Fahrzeugs „Kältespeicher“ vorgeschlagen, um bei einem kurzzeitigen Stillstand des Motors eine Erhaltung der Fahrzeugkühlung zu gewährleisen.
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Ein Energiespeicher zur Speicherung thermischer Energie ist aus der
DE 10 2011 055 014 A1 bekannt. In einem Gehäuse als Speicherzelle ist ein mit einem Fluid, bspw. Wasser, befüllter Behälter aus elastischem Material untergebracht. Mehrere solcher Speicherzellen werden zu einer Speichereinheit zusammengefasst.
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Die
DE 20 2010 013 679 U1 beschreibt einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial. Als Träger für das Phasenwechselmaterial dient eine flexible Kunststofffolie, in welcher eine Vielzahl mit Phasenwechselmaterial befüllter Kapseln als Latentwärmespeicherabschnitte aufgenommen werden. Diese Latentwärmespeicherabschnitte sind entlang einer gekrümmten Linie in Form bspw. einer ebenen Spirale angeordnet und in radialer Richtung voneinander beabstandet, um an der Krümmungsinnenseite einen quer zur Krümmungsebene von einem Wärmeträgermedium durchfließbaren Kanal zu bilden.
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Die
WO 2011/ 094 371 A2 offenbart einen Artikel und eine Vorrichtung zur Wärmeenergiespeicherung sowie ein Verfahren zum Speichern von Energie unter Verwendung dieses Artikels und dieser Vorrichtung. Die Artikel bestehen aus einer Kapselstruktur mit einem oder mehreren geschlossenen Räumen, wobei die geschlossenen Räume eine oder mehrere Wärmeenergiespeichermaterialien einkapseln.
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Die
DE 40 36 392 A1 offenbart einen Latentwärmespeicher zur Anordnung zwischen Motor und Heizkörper im Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugmotors, der durch mehrere flache mit einem Speichermedium gefüllte Behälter aus verformbarem Metall gebildet wird, die paketartig in einem von Kühlmittel durchströmten Gehäuse angeordnet sind, wobei der Behälter durch eine Membran gebildet wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten thermischen Energiespeicher mit hoher Effizienz und geringem Gewicht anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen thermischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher thermischer Energiespeicher mit einem von einem Arbeitsmedium durchströmten zylinderförmigen Gehäuse umfasst mehrere mit einem Energiespeichermedium befüllte und hermetisch geschlossene Energiespeicherbehälter aus Kunststoffmaterial, wobei
- - die Energiespeicherbehälter entlang einer in dem Gehäuse angeordneten Achsstange wendelförmig angeordnet sind,
- - die Energiespeicherbehälter als Flachkörper ausgebildet sind, deren radiale und/oder tangentiale Ausdehnung bezogen auf eine Zylinderachse des Gehäuses deren Ausdehnung in Richtung der Zylinderachse um ein Vielfaches übersteigt, und
- - die Energiespeicherbehälter in einem Randbereich des Flachkörpers mit der Achsstange verbunden sind.
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Dadurch, dass die als Flachkörper ausgebildeten Energiespeicherbehälter aus einem Kunststoffmaterial bestehen, weist der erfindungsgemäße thermische Energiespeicher ein sehr geringes Gewicht auf. Außerdem sind die Herstellungskosten gering, da alle in dem Gehäuse untergebrachten Energiespeicherbehälter identisch sind. Zudem wird die Wärmeübertragungsfläche durch die Verwendung von mehreren Energiespeicherbehältern vergrößert. Durch die spiralförmig aufgefächerte Anordnung der einzelnen Energiespeicherbehälter entlang einer Achsstange wird eine definierte Durchströmung des Gehäuses, insbesondere eine vorteilhafte Umströmung der Energiespeicherbehälter durch das Arbeitsmedium erzielt, wodurch auch der Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsmedium und dem Energiespeichermedium in den Energiespeicherbehältern maximiert wird.
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Mit der einfachen zylinderförmigen Kontur des erfindungsgemäßen thermischen Energiespeichers wird eine hohe bauraumtechnische Anpassungsfähigkeit erzielt, so dass bspw. in der Anwendung im Rahmen eines Kältemittelkreislaufs für Fahrzeuge eine flexible Positionierung im Fahrzeug ermöglicht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die als Flachkörper ausgebildeten Energiespeicherbehälter ausgehend von der Zylinderachse eine an den Innenradius des Gehäuses angepasste maximale Ausdehnung in radialer Richtung aufweisen. Damit ist der bezogen auf die Zylinderachse radiale Durchmesser der aus der Zylinderachse mit angebundenen Flachkörpern bestehenden Anordnung geringfügig kleiner als der Innenradius des Gehäuses, so dass diese Anordnung von dem Gehäuse aufgenommen werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Flachkörper in einer Radialebene der Achsstange als Vieleck ausgebildet, wobei die Flachkörper in einem Eckbereich der Vieleckform mit der Achsstange verbunden sind. Hierzu bietet es sich an, einen Randstreifen des aus Kunststoffmaterial hergestellten Flachkörpers zu verwenden, durch den die Achsstange geführt ist. Als Vieleckform kann ein Rechteck, ein Quadrat, ein Dreieck oder ein Kreissektor verwendet werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die benachbarten Flachkörper überlappend angeordnet. Dies führt zu einer raumsparenden Anordnung der Energiespeicherbehälter innerhalb des Gehäuses, ohne dass die Durchströmung des Arbeitsmediums wesentlich behindert wird.
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Ferner sind nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen den als Flachkörper ausgebildeten Energiespeicherbehältern in axialer Richtung der Achsstange Distanzhülsen angeordnet, so dass die axialen Abstände zwischen den Energiespeicherbehältern variabel einstellbar sind. Ferner ist es auch möglich, mehrere Flachkörper zu einer Fächerschicht zusammenzufassen, welche eine vollständige radiale Ebene bilden. Solche Fächerschichten können ebenso mittels Abstandselementen beabstandet entlang der Zylinderachse angeordnet werden, wobei die Abstände zwischen solchen Fächerschichten größer sind als die Abstände der Flachkörper innerhalb einer solchen Fächerschicht.
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Um einen Druckausgleich innerhalb des Gehäuses zu realisieren, ist an der Innenwandung des Gehäuses eine druckfeste Membran angeordnet. Somit kann auf ein zusätzliches Druckausgleichsgefäß verzichtet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Flachkörper aus einem elastischen Kunststoffmaterial hergestellt sind. Damit kann auf eine druckausgleichende Membran innerhalb des Gehäuses verzichtet werden.
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Weiterbildungsgemäß werden die als Flachkörper ausgebildeten Energiespeicherbehälter mit Wasser oder einem Phasenwechselmaterial befüllt. Mit einem Phasenwechselmaterial wird der thermische Energiespeicher zu einem Latentwärmespeicher.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines thermischen Energiespeichers gemäß der Erfindung,
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Energiespeicherbehälters des Energiespeichers nach 1,
- 3 eine Teildarstellung von einigen auf einer Grundplatte des Energiespeichers nach 1 wendelförmig angeordneten Energiespeicherbehältern in einer Draufsicht, und
- 4 eine axiale Teilschnittdarstellung des Energiespeichers nach 1.
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Die 1 zeigt einen thermischen Energiespeicher 1 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 2, welches eine Anordnung 3 aufnimmt, die aus einer in Richtung der Zylinderachse A der Zylinderform des Gehäuses 2 verlaufenden und bspw. als Gewindestange ausgeführten Achsstange 3.2 besteht, an welcher in Achsrichtung wendelförmig Energiespeicherbehälter 3.1 angeordnet sind.
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Diese Energiespeicherbehälter 3.1 sind bspw. mit reinem Wasser als Energiespeichermedium gefüllt und dienen als Wärme- und Kältespeicher. Hierzu wird über einen Zuflussanschluss 2.10 des Gehäuses 2 bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch als Arbeitsmedium in das Innere des Gehäuses 2 geleitet, so dass die Anordnung 3 mit den Energiespeicherbehältern 3.1 durchströmt wird, bevor das Arbeitsmedium über einen Abflussanschluss 2.20 das Gehäuse 2 wieder verlässt. Über den Kontakt des Arbeitsmediums mit den Energiespeicherbehältern 3.1 erfolgt ein Austausch von Kälte- oder Wärmeenergie. So wird Kälte- oder Wärmeenergie in diesen Energiespeicherbehältern 3.1 gespeichert und kann auch wieder mittels des Arbeitsmediums abgeführt werden.
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Das Gehäuse 2 hat die Form eines senkrechten Kreiszylinders und besteht aus einer kreisförmigen Grundplatte 2.1 und einer kreisförmigen Deckplatte 2.2, in deren Kreismittelpunkt der Zuflussanschluss 2.10 bzw. der Abflussanschluss 2.20 angeordnet ist. Zwischen dieser Grundplatte 2.1 und der Deckplatte 2.2 ist ein gerader Hohlzylinder 2.3 als Mantel des Gehäuses 2 zur Vervollständigung des Gehäuses 2 angeordnet. In 1 ist dieser Hohlzylinder 2.3 des Gehäuses 2 aus Gründen der Sichtbarkeit der Anordnung 3 transparent dargestellt.
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Ein Energiespeicherbehälter 3.1 der Anordnung 3 ist gemäß 2 als aus einem Kunststoffmaterial hergestellter Flachkörper 3.10 ausgeführt. Dieser Flachkörper 3.10 stellt einen mit reinem Wasser gefüllten Kunststoffbeutel dar. Dieser Flachkörper 3.10 hat die Form eines flachen Quaders mit einer Länge a, einer Breite b und einer Höhe h, wobei die Länge a und/oder die Breite b diese Höhe a um ein Vielfaches übersteigt.
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Zur wendelförmigen Montage der Flachkörper 3.10 an der Achsstange 3.2 weist jeder Flachkörper 3.10 in einem Eckbereich 3.11 eine Montageöffnung 3.12 auf, durch die die Achsstange 3.2 geführt wird. Diese Montageöffnung 3.12 befindet sich in einem als Randstreifen ausgebildeten Randbereich 3.13 des Flachkörpers 3.10, wobei sich dieser Randstreifen entlang der Kante mit der Breite b erstreckt.
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Dieser Flachkörper 3.10 kann bspw. als Kunststoffbeutel aus aufeinanderliegenden Kunststofffolien hergestellt werden, die randseitig unter Bildung eines Randstreifens verschweißt werden. In einem solchen Randstreifen wird dann die Montageöffnung 3.12 ausgestanzt.
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In der Anordnung 3 erstreckt sich der Flachkörper 3.10 hinsichtlich seiner Ausdehnung in die Breite b und die Länge a in einer radialen Ebene zur Achsrichtung der Achsstange 3.2 bzw. der Zylinderachse A, so dass sich die Ausdehnung in die Höhe h des Flachkörpers 3.10 in Achsrichtung der Achsstange 3.2 bzw. der Zylinderachse A erstreckt. Die Dimensionen des Flachkörpers 3.10 in der Radialebene der Achsstange 3.2 weisen einen Wert auf, so dass der Flachkörper 3.10 ausgehend von der Achsstange 3.2 und der Zylinderachse A eine an den Innenradius r des Gehäuses 2 angepasste maximale Ausdehnung in radialer Richtung aufweist. Damit ist der radiale Durchmesser der Anordnung 3 bezogen auf die Zylinderachse A geringfügig kleiner als der Innenradius r des Gehäuses 2, so dass diese Anordnung 3 vollständig von dem Gehäuse 2 aufgenommen werden kann. Dies bedeutet für die Rechteckform des Flachkörpers 3.10 gemäß den 2 und 3, dass die Länge der Diagonalen d der Rechteckform des Flachkörpers 3.10 kleiner, zumindest geringfügig kleiner als der Innendurchmesser r des Gehäuses 2 ist.
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Die wendelförmige Anordnung der Flachkörper 3.10 auf der Achsstange 3.2 erfolgt gemäß 3 derart, dass in Achsrichtung der Achsstange 3.2 gesehen sich benachbarte Flachkörper 3.10 überlappen.
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Die Flachkörper 3.10 weisen daher in der Radialebene bezüglich der Achsstange 3.2 die Form eines Vielecks auf, also gemäß 2 ein Viereck, wobei über den Randbereich 3.13 des Flachkörpers 3.10 die Verbindung mit der Achsstange 3.2 erfolgt. Als Vieleck für die Form des Flachkörpers 3.10 in der Radialebene der Achsstange 3.2 eignet sich nicht nur ein Rechteck oder ein Quadrat als Viereck, sondern auch ein Dreieck, insbesondere ein gleichschenkliges Dreieck oder ein Kreissektor.
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Um einen definierten Abstand zwischen den spiralförmig um die Achsstange 3.2 gewendelten Flachkörpern 3.10 zu halten, ist gemäß 4 jeweils zwischen benachbarten Flachkörpern 3.10 eine Distanzhülse 3.3 angeordnet.
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Ferner werden mehrere Flachkörper 3.10 zu einer Fächerschicht 3.5 zusammengefasst, welche vollständig eine radiale Ebene abdecken. Solche Fächerschichten 3.5 können ebenso mittels Abstandselementen 3.4 beabstandet entlang der Achsstange 2.10 angeordnet werden, wobei die Abstände zwischen solchen Fächerschichten 3.5 größer sind als die mit den Distanzhülsen 3.3 eingestellten Abstände der Flachkörper 3.10 innerhalb einer solchen Fächerschicht 3.5.
Um auf ein zusätzliches Druckausgleichsgefäß innerhalb des Gehäuses 2 zu verzichten, ist auf der lnnenseite des Hohlzylinders 2.3 eine schlauchförmige druckfeste Membran angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, unter Verzicht auf eine solche druckfeste Membran die Flachkörper 3.10 aus einem elastischen Kunststoffmaterial, bspw. einer elastischen und damit druckfesten Kunststofffolie herzustellen.
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Ein solcher thermischer Energiespeicher 1 gemäß 1 ist für den Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermischer Energiespeicher
- 2
- Gehäuse des thermischen Energiespeichers 1
- 2.1
- Grundplatte des Gehäuses 2
- 2.2
- Deckplatte des Gehäuses 2
- 2.3
- Hohlzylinder des Gehäuses 2
- 2.10
- Zuflussanschluss
- 2.20
- Abflussanschluss
- 3
- Anordnung
- 3.1
- Energiespeicherbehälter der Anordnung 3
- 3.10
- Flachkörper des Energiespeicherbehälters 3.1
- 3.11
- Eckbereich des Flachkörpers 3.10
- 3.12
- Montageöffnung des Flachkörpers 3.10
- 3.13
- Randbereich des Flachkörpers 3.10
- 3.2
- Achsstange der Anordnung 3
- 3.3
- Distanzhülsen
- 3.4
- Abstandselemente
- 3.5
- Fächerschicht
