DE19753601A1 - Kältespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältespeicher, insbesondere für ein Kraftfahr­ zeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Kraftfahrzeugklimatisierung gibt es trotz leistungsstarker Klimaanla­ gen noch Komfortdefizite, denn bei hohen Außentemperaturen und/oder starker Sonneneinstrahlung ist der Fahrzeuginnenraum stark aufgeheizt. Daher ist nach dem Start des Fahrzeuges eine gewisse Zeitspanne not­ wendig, um im Fahrzeuginnenraum eine angenehme Temperatur zu errei­ chen. Zur Reduzierung dieser Zeitspanne und zur schnelleren Abkühlung des Fahrzeuginnenraums kommen Kältespeicher zum Einsatz, die kurzzeitig sehr hohe Kälteleistungen abgeben können.

Bei der Konstruktion derartiger Kältespeicher sind im wesentlichen drei Kernprobleme zu lösen. Es muß ein guter Wärmeübergang von einem Spei­ chermedium an ein Wärmeträgermedium gegeben sein. Das Speichermittel, in der Regel Wasser, sollte nach Gefrieren nur gering unterkühlt werden und eine Volumenausdehnung des Speichermediums bei Temperaturänderung muß aufgefangen werden. Insbesondere die Volumenänderung mit der Temperatur - bei Wasser ist die Ausdehnung beim Gefrieren problematisch - ist von zentraler Bedeutung, denn die Volumenausdehnung kann schnell zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung des Speichers führen.

Kältespeicher werden bereits in der stationären Klimatechnik eingesetzt. Dort begegnet man der Gefahr des Berstens des Speichers beim Gefrieren des Speichermediums aufgrund der Volumenausdehnung durch entspre­ chend großvolumige Behälter, die nur teilweise mit dem Speichermedium beladen sind. Diese Konzepte sind in der Kraftfahrzeugtechnik wegen des Platzmangels im Fahrzeug und der damit einhergehenden Forderung nach kompakter Bauweise, sowie wegen extremen klimatischen Bedingungen, denen ein Fahrzeug ausgesetzt sein kann und denen der Speicher standhal­ ten muß, nicht anwendbar.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ei­ nen verbesserten Kältespeicher bereitzustellen, der insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet ist und der bei einem kleinen Bau­ raum Volumenänderungen des Speichermediums aufnehmen kann und der kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kältespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist das Speichermedium durch einen Speichermediumträ­ ger gehalten, der aus einem saugfähigen Material besteht. Weiter ist das Speichermedium in seinem flüssigen Zustand vollständig von dem Spei­ chermediumträger aufgesaugt. Durch das saugfähige Material können Vo­ lumenänderungen in ausreichendem Maß kompensiert werden, ohne das der Kältespeicher beschädigt wird. Als saugfähiges Material kann eine Viel­ zahl von Stoffen eingesetzt werden, die das Speichermedium zu Volumentei­ len zwischen etwa 30% und etwa 90% durch eine beliebige Art der Wech­ selwirkung, beispielsweise hydrophile, kapillare oder kolloidale, aufnehmen. Es verbleibt stets ein Restvolumen des saugfähigen Materials, das die Vo­ lumenänderungen des aufgesaugten Speichermediums kompensieren kann.

Damit ist ein Kältespeicher geschaffen, der einen kleinen Bauraum aufwei­ sen kann, da bereits der Speichermediumträger selbst die Volumenände­ rungen aufnehmen kann. Desweiteren ist der erfindungsgemäße Kältespei­ cher sehr kostengünstig herstellbar. Da das Speichermedium von dem Spei­ chermediumträger aufgesaugt ist, ist ein "Schwappen" des Speichermediums in dem Gehäuse des Kältespeichers und ein damit verbundenes und als un­ angenehm empfundenes "Schwappgeräusch" vermieden.

Ein weiterer Vorteil ist, daß der erfindungsgemäße Kältespeicher nach Art bekannter und im Einsatz bewährter Wärmetauscher ausgebildet sein kann und das Material des Speichermediumträgers lediglich nachträglich bei­ spielsweise zwischen Rohre des Wärmetauschers eingelagert werden kann. Damit können bekannte, erprobte und optimierte Verfahren zur Herstellung der Wärmetauscher sowie bekannte Wärmetauscherkonstruktionen einge­ setzt werden. So können beispielsweise Rundrohr- oder Flachrohrwärme­ tauscherkonstruktionen, wie sie im Fahrzeugbau hinlänglich bekannt sind, eingesetzt werden.

Bevorzugt ist das Speichermedium Wasser und der Speichermediumträger besteht aus einem Gewebe, Gewirk oder Vlies. Derartige Strukturen, insbe­ sondere Vliesstoffe werden beispielsweise in Hygieneartikeln, wie Weg­ werfwindeln oder Inkontinenzprodukten, seit langem eingesetzt. Sie sind äußerst kostengünstig und besitzen ein hohes Flüssigkeitsaufnahmevermö­ gen, wobei diese Stoffe selbst bei maximaler Beladung mit dem Speicher­ medium Volumenänderungen des Speichermediums ausreichend kompen­ sieren können.

Der Schmelzpunkt von Wasser beträgt 0°C. Hinsichtlich einer optimalen Be- und Entladestrategie für den erfindungsgemäßen Speicher können höhere Schmelztemperaturen vorteilhaft sein. Als Speichermedium können dann beispielsweise kongruent schmelzende Hydrate von Salzen, Säuren oder Laugen, wäßrige Lösungen von Salzgemischen oder Clathrate eingesetzt werden.

Zur Erhöhung der Aufnahmekapazität ist der Speichermediumträger aus ei­ nem Fasermaterial gebildet, beispielsweise aus Zellulosefasern. Das Spei­ chermedium kann dann durch Kapillarwirkung in den Faserzwischenräumen und wenn die Fasern hydrophile Eigenschaften aufweisen, auch von den Fasern selbst aufgesaugt werden.

Besonders bevorzugt weist der Speichermediumträger hochabsorbierende Materialien, wie Hydrogele, Kolloide oder sogenannte superabsorbierende Polymere oder dergleichen auf. Derartige Materialien, beispielsweise ein wasserquellbares Polymer, wie es aus der DE 41 16 428 bekannt ist, werden bereits in Hygieneartikeln eingesetzt und erhöhen das Speichermediumauf­ nahmevermögen um ein Vielfaches. Diese Materialien sind auch nach Um­ weltaspekten unbedenklich.

Wenn der Speichermediumträger als Pulver oder rieselfähige Substanz aus­ gebildet ist, ergeben sich Vorteile für den Fertigungsprozeß, da zuerst die Wärmetauscherstruktur, also die Rohre und Rippen, in bekannter und be­ währter Weise gefertigt werden können und anschließend die Wärmetau­ scherstruktur mit dem Speichermediumträger befüllbar ist. Damit muß zur Herstellung des erfindungsgemäßen Speichers nicht ein vollständig neuer sondern lediglich ein zusätzlicher Fertigungsschritt eingefügt werden.

Zur verbesserten Wärmeleitung sind Rippen vorgesehen, die aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, bestehen.

Bevorzugt bilden die Rippen und der Speichermediumträger eine Schichtstruktur, die mit den Leitungsmitteln verbunden ist. Damit ist ein op­ timaler Wärmeübertrag zwischen dem in dem Speichermediumträger enthal­ tenden Speichermedium und dem in den Leitungsmitteln fließenden Wärme­ trägermedium gewährleistet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Kältespeichers einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des Kältespeichers;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2.

Ein in der Zeichnung dargestellter Kältespeicher 10 weist bevorzugt ein in Fig. 1 lediglich angedeutetes Gehäuse 12 auf. Die Gehäusewände weisen eine Wärmeisolation auf, damit ein innerhalb des Gehäuses 12 befindliches, abgekühltes Speichermedium sich möglichst wenig aufgrund von Außenein­ flüssen erwärmt. Der Kältespeicher 10 besteht weiter aus einem Speicher­ mediumträger 14, der in wärmeleitender Verbindung mit Leitungsmitteln 16 steht. Die Leitungsmittel 16 führen ein Wärmeträgermedium, das damit in Wärmetausch mit dem Speichermedium steht, zum Laden und Entladen des Kältespeichers 10, wie weiter unten ausgeführt ist.

In einem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der Kälte­ speicher 10 nach Art eines Rundrohrwärmetauschers ausgebildet. Das Wärmeträgermedium fließt von einem Einlaß 18 und einem Verteiler 20 durch die als Rundrohre 22 ausgebildeten Leitungsmittel 16 zu einem Sam­ melrohr 24 und zu einem Auslaß 26. Zwischen den Rundrohren 22 befindet sich der Speichermediumträger 14, der aus einem saugfähigen Material be­ steht und in den das Speichermedium, vorzugsweise Wasser, vollständig aufgesaugt ist.

Der Speichermediumträger 14 besteht bevorzugt aus einem Gewebe, Ge­ wirk oder Vlies, wobei ein Faservlies 28 aus Zellstoffasern besonders be­ vorzugt ist. Zur Erhöhung der Speichermediumaufnahmekapazität sind in dem Faservlies 28 hochabsorbierende Materialien, wie Hydrogele oder der­ gleichen eingelagert. Derartige Materialien werden auf dem Gebiet der Hy­ gieneartikel, in denen sie seit langem eingesetzt werden, auch Superabsor­ bentien genannt.

Um den Faservlies 28 stabil zwischen den Rundrohren 22 zu halten und um die thermische Verbindung zwischen dem das Speichermedium enthalten­ den Faservlies 28 und den Rundrohren 22 zu erhöhen, sind Rippen 30 aus gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, vorgesehen. Die Rippen 30 sind im wesentlichen als Platten ausgebildet, die senkrecht zu den Rundrohren 22 angeordnet und mit diesen verlötet sind. Zwischen je­ weils zwei Platten befindet sich eine Lage des Faservlieses 28, so daß die Rippen 30 und der Speichermediumträger 14 eine Schichtstruktur bilden.

In einem zweiten in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kältespeicher 10 als Flachrohrwärmetauscher 110 ausgebildet. Zwischen Flachrohren 32 ist eine Schichtstruktur 34 angeordnet, wobei diese Struktur 34 aus drei Lagen aufgebaut ist und die Rippe 30 die mittlere Lage und zwei Faservlieslagen 36 und 38 des Speichermediumträgers 14 die äußeren La­ gen bilden. Die Schichtstruktur 34 ist mäanderförmig gefaltet und jeweils zwischen zwei Flachrohren 32 derart angeordnet, so daß die Kanten der Rippen 30 mit den Flachrohren 32 kontaktiert sind. Es versteht sich, daß auch dieser Kältespeicher 110 bevorzugt ein isolierendes Gehäuse aufweist, das u. a. dazu dient, daß kein Speichermedium, also kein Wasser, aus dem Speichermediumträger 14 abtropfen, auslaufen oder verdunsten kann.

Zum Beladen des Kältespeichers 10, 110 kann als Wärmeträgermedium beispielsweise Sole dienen, die durch einen Verdampfer im Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage gekühlt wurde. Dadurch wird das Speicher­ medium abgekühlt und gefriert. Zum Entladen des Kältespeichers 10, 110 wird durch entsprechende Verschaltung des Solekreises die im Verbraucher, beispielsweise einem Luft/Sole-Wärmetauscher, erwärmte Sole von dem kalten Speichermedium abgekühlt, wobei das Speichermedium schmilzt.

Es ist auch die Verwendung zweier getrennter Stoffkreise denkbar, von de­ nen ein Kältemittelkreislauf zum Beladen und ein Solekreislauf zum Entla­ den des Speichers dient und für die jeweils voneinander getrennte Lei­ tungsmittel vorzusehen sind. Der Solekreislauf zum Entladen kann auch ein­ gespart werden, indem die abzukühlende Luft direkt durch die Leitungsmittel des Speichers geführt wird.

Claims (10)

1. Kältespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Spei­ chermedium zum Speichern von Kälte und einem Speichermedium­ träger (14), der in wärmeleitender Verbindung mit Leitungsmitteln (16) für ein Wärmeträgermedium zum Laden bzw. Entladen des Kältespei­ chers (10) steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichermedi­ umträger (14) aus einem saugfähigen Material (28) besteht und das Speichermedium in seinem flüssigen Zustand vollständig von dem Speichermediumträger (14) aufgesaugt ist.

2. Kältespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des aufgesaugten Speichermediums etwa 30 Vol% bis 90 Vol% beträgt.

3. Kältespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium Wasser ist.

4. Kältespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichermediumträger (14) aus einem Ge­ webe, Gewirk oder Vlies (28) besteht.

5. Kältespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichermediumträger (14) aus einem bevorzugt hydrophilen Faser­ material besteht.

6. Kältespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichermediumträger (14) hochabsorbie­ rende Materialien, wie Hydrogele, Kolloide oder sogenannte superab­ sorbierende Polymere oder dergleichen aufweist.

7. Kältespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichermediumträger (14) als rieselfähige Substanz oder Pulver ausgebildet ist.

8. Kältespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Verbindung durch Rippen (30) realisiert ist, die aus einem gut wärmeleitenden Material, bei­ spielsweise Aluminium, bestehen.

9. Kältespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30) und der Speichermediumträger (14) eine Schichtstruktur bilden.

10. Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Kälte­ speicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.