DE19851402C1 - Eisspeicherelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Eisspeicherelement (28), insbesondere für eine Standklimaanlage eines Kraftfahrzeugs, bestehend aus einem rohrförmigen Hohlkörper ringförmigen Querschnitts zur Bildung wenigstens eines Speicherraums (28C) für ein im aufgetauten Zustand flüssiges Eisspeichermedium, und wenigstens einer von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelleitung (30, 30'), welche den Hohlkörper zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung mit dem Eisspeichermedium durchsetzt. Erfindungsgemäß ist zur Kompensation der Volumenausdehnung des Eisspeichermediums beim Einfrieren vorgesehen, daß die Außenwandung (28B) des Hohlkörpers aus einem kältebeständigen elastischen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Eisspeicherelement, insbesondere für eine Standklimaanlage eines Kraftfahrzeugs, bestehend aus einem rohrförmigen Hohlkörper ringförmigen Querschnitts zur Bildung wenigstens eines Speicherraums für ein im aufgetauten Zustand flüssiges Eisspeichermedium, und wenigstens einer von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelleitung, welche den Hohlkörper zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung mit dem Eisspeichermedium zentral durchsetzt.

Herkömmliche Eisspeicherelemente, insbesondere solche der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der DE-26 58 720 A1 bekannt sind, erforderten bislang relativ aufwendige Volumenausgleichsmaßnahmen, um dem Volumenzuwachs widerstehen zu können, welchem das in ihrem Speicherraum enthaltene Eisspeichermedium beim Phasenübergang von flüssig zu fest unterliegt. Im Fall, daß das Eisspeichermedium Wasser ist, beträgt dieser Volumenzuwachs ca. 6,5%. Die entsprechenden Maßnahmen beim Stand der Technik sehen vor, zum Ausgleich eine Luftblase bzw. Luftblasen im Speicherraum zu belassen oder als Material für das Eisspeicherelement geschlossenzellige Kunststoffschäume mit begrenzter Ausdehnfähigkeit einzusetzen. Derartige Kunststoffschäume ermüden jedoch zumindest bei größerer Zyklenanzahl und führen dazu, daß das Eisspeichermedium das Eisspeicherelement über kurz oder lang sprengt. In dem Fall, daß das Eisspeicherelement vollständig starr gebildet ist, wie etwa in Gestalt eines Metallspritzgußteils, ist ein relativ großes Luftvolumen bzw. eine Luftblase im Speicherraum erforderlich, um den Volumenausgleich zu gewährleisten, was auch für das Kältespeichervermögen des Eisspeicherelements nachteilig ist.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Eisspeicherelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das ungeachtet der Zyklenanzahl einen zuverlässigen Betrieb auch bei einer größeren Volumenausdehnung des Eisspeichermediums gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Außenwandung des Eisspeicherelements aus einem elastischem Material in Gestalt eines Schlauchs derart zu bilden, daß die Volumenausdehnung des Eisspeicherelements beim Phasenübergang/Einfrieren durch eine elastische Verformung dieser Schlauchwandung vollständig aufgenommen werden kann. Diese Schlauchwandung besteht aus einem elastischen Material, das in den relevanten Temperaturbereichen ausreichend flexibel ist.

Bei dem Material der Schlauchwandung handelt es sich beispielsweise um ein Material, wie es bei Kühlwasserschläuchen zur Anwendung gelangt. Bevorzugt enthält es zur größeren Stabilität eine Gewebeeinlage.

Aufgrund des bevorzugten Aufbaus mit parallel zur Längsmittenachse des Eisspeicherelements im Innern desselben angeordneter Kältemittelleitung(en) und außenliegender elastischer Wandung wird erreicht, daß Einfrieren und Auftauen des Eisspeichermediums im Speicherraum des Eisspeicherelements stets in gleicher Richtung erfolgt. Das heißt, das Eis bildet sich immer von innen nach außen, und die Kräfte, die durch das einfrierende Eisspeichermedium aufgrund dessen Volumenzunahme erzeugt werden, wirken stets nach außen in Richtung auf die nachgebende Schlauchwandung. Für den Fall, daß als Außenwandung ein herkömmlicher Schlauch eingesetzt wird, erfolgt auf diese Weise die Belastung des Schlauchs stets im Rahmen seiner Spezifikationen von innen nach außen. Schließlich ergibt sich aufgrund einer zentrisch angeordneten Kältemittelleitung oder mehrerer gleichmäßig am Umfang des Profilkörpers verteilter Kältemittelleitungen ein gleichmäßiger Gefriervorgang.

Aufgrund der Anordnung des elastischen Elements bzw. der Schlauchwandung auf der Außenseite des Eisspeicherelements kann diese Schlauchwandung im Schadensfall problemlos ausgewechselt werden, ohne daß der innere Aufbau des Eisspeicherelements beim Austausch beeinträchtigt wird oder spezielle Montagemaßnahmen erfordert.

Ein weiterer Vorteil des erfindunsgemäßen Eisspeicherelements betrifft den guten Wärmeübergang vom gefrorenen Eisspeichermedium über die Aluminiumwand in die Blasluft bzw. allgemein gesagt das Fluid, welches das Innere des Eisspeicherelements durchsetzt, um die Kälteleistung des Eisspeicherelements auf die Umgebung zu übertragen.

Schließlich ist als Vorteil die Isolationswirkung der aus einem elastischen Material, wie etwa Gummi oder Elastomer, bestehenden Schlauchwandung nach außen zu nennen.

Zugunsten der Stabilität des erfindungsgemäßen Eisspeicherelements ist vorgesehen, daß die Innenwandung des Hohlkörpers, die bevorzugt aus einem Metallprofil besteht, zur Abstützung der elastischen Außenwandung mit radial auswärtsverlaufenden Stützrippen versehen ist, die sich bevorzugt entlang der gesamten axialen Länge des Eisspeicherelements erstrecken.

Um die Herstellung des erfindungsgemäßen Eisspeicherelements zu vereinfachen und um eine optimale Stabilität desselben zu erzielen, ist die Kältemittelleitung bzw. sind die Kältemittelleitungen in das Metallprofil, welches die Innenwand des Eisspeicherelements bildet, integriert, und zwar mittels Rippen, die mit dieser Innenwandung verbunden sind.

Vorteilhafterweise ist der den Speicherraum festlegende Hohlkörper des Eisspeicherelements stirnseitig mit Deckelelementen verschlossen. Diese übergreifen bevorzugt die Stützrippen axial. Bei dieser Ausbildung ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die elastische Außenwandung des Hohlkörpers ihrerseits die Verschlußdeckel übergreift und mittels Schellen gegen die Verschlußdeckel gepreßt ist.

Schließlich kann vorteilhafterweise die Außenwandung des Hohlkörpers bevorzugt von mehreren Stützschellen übergriffen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Fahrerkabine eines Lastkraftwagens mit einer Kompressionskälteanlage und mehreren Eisspeicher-Baueinheiten,

Fig. 2 eine stirnseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Eisspeicherelements von vorn,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Eisspeicherelements von Fig. 2,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht des Speicherelements von Fig. 2 beim Laden von Kälte, und

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, jedoch beim Entladen von Kälte.

Im Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 ein Teil eines Lastkraftwagens 1 dargestellt, bei dem innerhalb einer Fahrerkabine 2 ein Fahrzeuginnenraum ausgebildet ist. Die Fahrerkabine 2 wird nach oben von einem Dach 3 und nach hinten von einer Rückwand 4 begrenzt. Innerhalb des hinteren Teils der Kabine ist eine horizontale Trennwand 5 vorgesehen, wie sie als Liegefläche zur Aufteilung von Schlafkojen in einem Lastkraftwagen des Fernverkehrs üblich ist, bei dem der hintere Teil der Fahrerkabine 2 als Schlafkabine 6 ausgebildet ist.

In einem Motorraum 7 des Lastkraftwagens 1 ist ein Kompressor 8 angeordnet, der mittels einer Magnetkupplung 9 mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor des Fahrzeugs über Keilriemen verbindbar ist. Der Kompressor 8 ist in einen ersten Kältemittelkreislauf eingebunden, wobei er über eine Vorlaufleitung 11 mit einem Verflüssiger 10, einem Sammler 12 und einem ersten Verdampfer 13 mit Expansionsorgan verbunden ist. Das im ersten Kältemittelkreislauf kursierende Kältemittel wird vom ersten Verdampfer 13 über eine Rücklaufleitung 14 zum Kompressor 8 zurückgeleitet.

Zwischen Sammler 12 und erstem Verdampfer 13 ist ein Umschaltventil 15 vorgesehen, bei dem von der Vorlaufleitung 11 eine Zweig-Vorlaufleitung 16 abzweigt, die zu einem zweiten Kältemittelkreislauf gehört. In diesen zweiten Kältemittelkreislauf sind eine oder mehrere Eisspeicher-Baueinheiten integriert, welche jeweils aus einem zweiten Verdampfer mit Expansionsorgan und einem diesen umgebenen Eisspeicher bestehen. Eine erste Eisspeicher-Baueinheit 17 ist im Bereich der Rückwand 4 des Lastkraftwagens 1 angeordnet. Das über die Zweig-Vorlaufleitung 16 zuströmende Kältemittel kann über eine Zweigleitung 18, optional mittels eines weiteren nicht dargestellten Umschaltventils zu einer zweiten Eisspeicher-Baueinheit 19 und einer dritten Eisspeicher-Baueinheit 21 geleitet werden. Die zweite Eisspeicher-Baueinheit 19 ist dabei in der horizontalen Trennwand 5 im Bereich der Schlafkabine 6 vorgesehen.

Die dritte Eisspeicher-Baueinheit 21 ist im Bereich des Daches 3 vorgesehen. Sie steht über eine weitere Zweigleitung 18 in Verbindung mit der Zweig-Vorlaufleitung 16 des Kältemittels. Die Eisspeicher-Baueinheiten 17, 19 bzw. 21 sind an eine gemeinsame Rücklaufleitung 22 angeschlossen, welche ihrerseits mit der Rücklaufleitung 14 des Kältemittels zum Kompressor 8 verbunden ist. Ein in der Rücklaufleitung 22 angeordnetes Rückschlagventil 27 unterbindet dabei das Zurückströmen von Kältemittelgas zu den Eisspeicher-Baueinheiten 17, 19 bzw. 21 und das dortige Auskondensieren.

Die Eisspeicher-Baueinheit 17 ist in einem Aufnahmeraum 23 angeordnet, welcher von der Rückwand 4 der Fahrerkabine 2 und einer davor mit Abstand angeordneten Zwischenwand 24 vorgesehen ist. Wahlweise kann die Eisspeicher-Baueinheit auch in einen Ausschnitt der Rückwand eingesetzt werden. Ebenso sind die optional oder alternativ vorgesehene Eisspeicher-Baueinheit 21 im Dachbereich und die weitere optional oder alternativ vorgesehene Eisspeicher-Baueinheit 19 im Bereich der horizontalen Trennwand 5 jeweils in einem Aufnahmeraum 23 vorgesehen, der durch eine Doppelwandigkeit hergestellt wird.

Die Aufnahmeräume 23 sind jeweils durch einen Eintritt 23A und einen Austritt 23B mit der Fahrerkabine 2 verbunden, so daß eine Luftströmung durch den doppelwandigen Aufnahmeraum 23 stattfinden kann. Diese Luftdurchströmung, die entweder durch Konvektion aufgrund der temperaturbedingten Dichteunterschiede der Luft in der Fahrerkabine 2 stattfindet oder aber durch ein optional vorgesehenes Gebläse 25 zwangsweise stattfindet, kann mittels eines Absperrorgans 26 geregelt werden. Das Absperrorgan 26 ist beispielsweise als schwenkbare Klappe ausgebildet, welche beispielhaft am oberen Ende des Aufnahmeraums 23 für die Eisspeicher-Baueinheit 17 dargestellt ist. Die Klappe kann manuell oder motorisch betätigt werden und durch entsprechende andere Absperrorgane, wie verschiebbare Gitter oder Schieber ersetzt werden. Auch wenn dies in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, versteht sich, daß auch die anderen Aufnahmeräume 23 für die Eisspeicher-Baueinheiten 19 bzw. 21 jeweils mit einem entsprechenden Absperrorgan und/oder einem Gebläse ausgestattet sein können. Durch den Eintritt 23A strömt Luft entsprechend dem Pfeil A in den Aufnahmeraum 23, wird an der betreffenden Eisspeicher-Baueinheit 17, 19 bzw. 21 vorbeigeleitet und dabei abgekühlt und verläßt durch die Austrittsöffnungen 23B entsprechend dem Pfeil B als abgekühlte Luft die Aufnahmeräume 23 in Richtung zur Fahrerkabine 2.

Die Anlage ist vorzugsweise so ausgelegt, daß der Kompressor 8 genügend Leistung aufweist, um auch bei großem Kältebedarf während des Betriebes des Fahrzeugmotors nicht nur genügend Kälteleistung für den ersten Verdampfer 13 zur normalen Abkühlung der Fahrerkabine 2 während der Fahrt bereitzustellen, sondern zusätzlich einen oder mehrere der Eisspeicher-Baueinheiten 17, 19, 21 durch Umwandlung von Wasser in Eis aufzuladen, so daß bei einer anschließenden Pause durch eine einfache Durchströmung der betreffenden Aufnahmeräume 23 mit Luft eine Abkühlung der Fahrerkabine 2 erreicht werden kann. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Fahrer während seiner Ruhe- bzw. Schlafpausen auch in wärmeren Ländern ein angenehmes Klima in der Fahrerkabine 2 vorfindet.

In Fig. 2 bis 5 ist eine Ausführungsform eines Eisspeicherelements gezeigt, welches eines der Eisspeicherelemente der Eisspeicher-Baueinheiten 17, 19 und 21 bildet. Bevorzugt sind sämtliche dieser Eisspeicherelemente für sämtliche Eisspeicher-Baueinheiten identisch gebildet, weshalb anhand von Fig. 2 bis 5 repräsentativ für die anderen Eisspeicherelemente das Eisspeicherelement 28 gezeigt und nachfolgend erläutert ist.

Das Eisspeicherelement 28 umfaßt demnach einen Hohlkörper allgemein kreiszylindrischer Form. Dieser Hohlkörper umfaßt einen kreiszylindrischen Profilkörper 28A, insbesondere in Gestalt eines Aluminiumstranggußprofils mit radial auswärts abstehenden, bei der dargestellten Ausführungsform über den Umfang gleichmäßig beabstandeten und gleich langen Außenrippen 29. Der Profilkörper 28A bildet mit einer konzentrischen Ringwand die Innenwandung 28D des Hohlkörpers. Die Außenwandung 28B des Hohlkörpers, ebenfalls in Kreiszylinderform, besteht erfindungsgemäß aus einem elastischen Material und befindet sich mit der Innenseite im vollflächigen Kontakt mit kreissektorförmig gebildeten Querstegen 31, die an den außenliegenden Enden sämtlicher Außenrippen 29 vorgesehen sind und eine Krümmung entsprechend der Innenseite der unbelasteten Außenwandung 28B aufweisen. Zwischen der Innenwandung 28D und der Außenwandung 28B ist ein Speicherraum 28C festgelegt, der zur Aufnahme von Eisspeichermedium, vorzugsweise Wasser, dient und an einen axialen Enden durch ringförmige Stirnwände 32 und 32 begrenzt ist, wie aus Fig. 4 und 5 hervorgeht. Diese Stirnwände 32, 33 haben ein flanschartiges Profil und sind mit einem innenliegenden Stegring beispielsweise durch Schweißen oder Löten mit dem Profilkörper 28A verbunden und bilden mit einem außenliegenden Stegring eine Aufnahme bzw. axiale Begrenzung für die elastische Außenwandung 28B.

Ein Kältemittelrohr 30 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel entlang der Längsmittenachse des Eisspeicherelements 28 verlaufend vorgesehen und bildet einen Teil des Profilkörpers 28A, mit welchem er über Innenrippen 34 verbunden ist, die in radialer Verlängerung der jeweiligen Außenrippen 29 verlaufen. Gemäß einer in Fig. 3 gestrichelt dargestellten, alternativen Ausführungsform können auch mehrere Kältemittelrohre 30 gleichmäßig am Profilkörper 28A verteilt vorgesehen sein.

Die Montage des Speicherelements 28 gestaltet sich derart, daß auf den fertiggestellten Profilkörper 28A und die endseitig dort bereits angebrachten ringförmigen Stirnwände 32, 33 die schlauchförmige elastische bzw. flexible Außenwandung 28B aufgeschoben wird, bis sie axial im Paßsitz zwischen den im Querschnitt L-förmigen Außenteilen der Stirnwände 32, 33 sowie in Anlage gegen die Querstege 31 an den Außenenden der Außenrippen 29 zu liegen kommen. Daraufhin wird die schlauchförmige Außenwandung 28B an ihren axial außenliegenden Enden mittels Spannschellen 35 bzw. 36 radial einwärts gegen die axial verlaufenden Teile der Stirnwände 32, 33 gepreßt. Zumindest eine weitere Stützschelle 37 ist zwischen den außenliegenden zur Festlegung der schlauchförmigen Außenwandung 28B vorgesehenen Spannschellen 35, 36 angeordnet. Diese Stützschelle 37 dient zur lokalen Stabilisierung des Außendurchmessers der schlauchförmigen Außenwandung 28B und verhindert insbesondere, daß diese nach mehreren Zyklen durchhängt.

Die Funktionsweise des Eisspeicherelements 28 geht aus Fig. 4 und 5 hervor, wobei Fig. 4 den Einfriervorgang und Fig. 5 den Kälteabgabevorgang des Eisspeicherelements 28 zeigt.

Zum Einfrieren des Eisspeichermediums, das im Speicherraum 28C des Eisspeicherelements 28 enthalten ist, bzw. zum Laden des Eisspeicherelements wird das Kältemittelrohr 30 bzw. werden die Kältemittelrohre 30' von einem geeigneten Kältemittel durchströmt, und die Kälte breitet sich in Richtung der in Fig. 4 gezeigten Pfeile über die Innenrippen 34 und die Außenrippen 29 auf den Speicherraum 28C aus und bewirkt ein Einfrieren des Eisspeichermediums, welches Einfrieren mit einem Volumenzuwachs des Eisspeichermediums verbunden ist. Dieser Volumenzuwachs, der im Falle, daß es sich bei dem Eisspeichermedium um Wasser handelt, ca. 6,5% beträgt, wird kompensiert durch ein Ausdehnen der schlauchförmigen Außenwandung 28B des Eisspeicherelements 28 nach außen, wie in Fig. 4 durch Phantomlinien schematisch gezeigt. Durch dieses Ausdehnen der Außenwandung 28B wird gewährleistet, daß das Eisspeicherelement 28 auch nach häufigen Zyklen dicht und damit funktionstüchtig ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird beim Entladen die Kälte, die im Eisspeichermedium gespeichert ist, das im Speicherraum 28C enthalten ist, entlang Pfeilen einwärts in Richtung auf den Innenraum 39 ausgetragen. Diese in den Innenraum 39 des Eisspeicherelements 28 abgegebene Kälte wird durch einen Luftstrom ausgetragen, der mit axial verlaufenden Pfeilen symbolisch dargestellt ist und beispielsweise durch ein Gebläse am einen Ende des Eisspeicherelements 28 erzeugt wird.

Bezugszeichenliste

1

Lastkraftwagen

2

Fahrerkabine

3

Dach

4

Rückwand

5

(horizontale) Trennwand

6

Schlafkabine

7

Motorraum

8

Kompressor

9

Magnetkupplung

10

Verflüssiger

11

Vorlaufleitung

12

Sammler

13

Verdampfer

14

Rücklaufleitung

15

Umschaltventil

16

Zweig-Vorlaufleitung

17

Eisspeicher-Baueinheit

18

Zweigleitung

19

Eisspeicher-Baueinheit

20

Zweigleitung

21

Eisspeicher-Baueinheit

22

Rücklaufleitung

23

Aufnahmeraum

24

Eintritt (zu

23

)

25

Gebläse

26

Absperrorgan

27

Rückschlagventil

28

Eisspeicherelement

28

AProfilkörper

28

BAußenwandung

28

DInnenwandung

28

CSpeicherraum

29

Außenrippen

30

,

30

'Kältemittelrohr

30

Quersteg

31

Stirnwand

32

Stirnwand

33

Innenrippen

34

Spannschelle

35

Spannschelle

36

Stützschelle

37

Innenraum

Claims (8)

1. Eisspeicherelement (28), insbesondere für eine Standklimaanlage eines Kraftfahrzeugs, bestehend aus einem rohrförmigen Hohlkörper ringförmigen Querschnitts zur Bildung wenigstens eines Speicherraums (28C) für ein im aufgetauten Zustand flüssiges Eisspeichermedium, und wenigstens einer von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelleitung (30), welche den Hohlkörper unter Abstand zu dessen Innenwandung zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung mit dem Eisspeichermedium zentral durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung (28B) des Hohlkörpers aus einem kältebeständigen elastischen Material in Gestalt eines Schlauches besteht.

2. Eisspeicherelement (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Außenwandung (28B) des Hohlkörpers aus einem Elastomer bzw. Gummimaterial besteht.

3. Eisspeicherelement (28) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer bzw. das Gummimaterial eine Gewebeeinlage aufweist.

4. Eisspeicherelement (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenwandung (28D) des Hohlkörpers von einem Metall- Profilkörper (28A), insbesondere einem Aluminium-Strangpreßprofil mit radial auswärts verlaufenden Stützrippen (29B) zur Abstützung der elastischen Außenwandung (28B) des Hohlkörpers gebildet ist.

5. Eisspeicherelement (28) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kältemittelleitung (30, 30') in den Metall-Profilkörper integriert ist und über radial verlaufende Innenrippen (34) in Verbindung mit der Innenwandung (28D) des Hohlkörpers steht.

6. Eisspeicherelement (28) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper stirnseitig mit Deckeln (32, 33) verschlossen ist, welche die Stützrippen axial übergreifen.

7. Eisspeicherelement (28) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Außenwandung (28B) des Hohlkörpers ihrerseits die Verschlußdeckel (32, 33) übergreift und mittels Schellen (35, 36) gegen die Verschlußdeckel (32, 33) gepreßt ist.

8. Eisspeicherelement (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Außenwandung (28B) des Hohlkörpers zwischen den Verschlußdeckeln (32, 33)von zumindest einer Stützschelle (37) umgriffen ist.