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Batterie mit einer Einrichtung zum Ändern# ihrer Temperatur Die Erfindung
bezieht sich auf eine Batterie mit einer Einrichtung zum Ändern ihrer Temperatur.
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Im allgemeinen besitzt eine Batterie bei einer bestimmten Temperatur
ihren besten Wirkungsgrad. Ein Bleiakkumulator beispielsweise hat ungefähr bei Raumtemperatur
eine Ampere-Stundenkapazität von 100. Bei niedrigeren Temperaturen sinkt die verfügbare
Kapazität mit zunehmendem Entladestrom. In ähnlicher Weise verringert sich die Leistungsfähigkeit
einer Batterie bei ansteigender Temperatur. Bei in Kraftwagen eingesetzten Bleiakkumulatoren
z.B. führen Entladungswirkungsgrade von 85 zu Energieverlusten, die in Wärme umgewandelt
werden und einen entsprechend raschen Temperaturanstieg der Zelle bewirken. Sowohl
die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Batteriegehäuses als auch die kleine Oberfläche
(bezogen auf das Volumen) eines Bleiakkumulators ermöglichen keine einfachen Kühltechniken
unter hohen Wärmebelastungen. Diese Voraussetzungen gelten auch für Nickel-Cadmium
und Nickel-Eisenbatterien.
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Batterien sind von sich aus nicht den extremen Temperaturschwankungen
angepaßt und erfordern zusätzliche Mittel, um ihre Kapazität auf einer leistungsfähigen
Höhe zu halten.
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Man hat schon verschiedene Mittel angewendet, um bei einer Batterie
geeignete Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten.
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In arktischem Klima, wo die Temperatur bis zu -75°0 betragen kann,
sind schon verschiedene Versuche mit Heizvorrichtungen
bei unterschiedlichen
Ergebnissen gemacht worden. Diese Heizvorrichtungen bestehen aus unter der Batterie
angeordneten Dampfrohren, elektrischen Widerstandserhitzern, Gasbrennern, elektrischen
Heizkissen und Rohrsystemen, bei denen heiße Luft außen über die Batterie geblasen
wird. Alle diese Einrichtungen sind unzulänglich in verschiedener Hinsicht, da sie
keine rasche Aufheizung der Batterie auf die gewün0#chte Betriebstemperatur ermöglichen.
In ähnlicher Weise haben Mittel für die Kühlung einer Batterie zum Verhindern einer
Überhitzung in sehr heißer Umgebung nicht die gewünschten Ergebnisse gebracht.
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Die Erfindung bringt eine Verbesserung dadurch, daß ein Wärmeübertragungselement
mit großer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, von dem ein Teil in die Batterie,
insbesondere in den Elektrolyten der Batterie, ragt, während dem anderen Teil Mittel
zum Heizen und/oder Kühlen zugeordnet sind. Auf diese Weise wird ein wirksamer Wärmeaustausch
erzielt und es ist mit einfachen Mitteln möglich, große Wärmemengen rasch in die
Batterie oder aus der Batterie zu transportieren, wodurch die Batterie schnell auf
eine Temperatur gebracht werden kann, die den besten Wirkungsgrad ergibt. Mit dem
Wärmeübertragungselement kann die Temperatur der Batterie auch sehr schnell herabgesetzt
werden. Der Rückgang der Kapazität einer Batterie bei einem Temperaturrückgang oder
-anstieg ist unter anderem auf die große Widerstandsänderung des Elektrolyten bei
einer Änderung der Temperatur zurückzuführen. Mit dem Rückgang der Temperatur der
Batterie nimmt beispielsweise bei einem Bleiakkumulator die Viskosität des Elektrolyten
zu, wodurch der Austausch in den Poren der Batterieplatten herabgesetzt wird.
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Auch die Umwandlungsfähigkeit der Zelle sinkt bei Temreraturen unter
Null. Liegt die Umgebungstemperatur immer unterllalb bzw.
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immer oberhalb der gewünschten Betriebstemperatur, so kann man mit
einer Heizvorrichtung oder gühlvoiichtung allein auskommen, wobei zur Erzielung
des Jeweils besten Wirkungsgrades eine temperaturgeregelte Heiz- bzw. Xühlvorrichtung
angeordnet werden
kann. Schwankt jedoch beispielsweise die Un#ebungstemperatur
um die gewünschte Betriebstemperatur nach oben und unten, so ist es vorteilhaft,
die Heiz- und Kühlmittel über eine Einrichtung, insbesondere von einer Temperaturregeleinrichtung
in der Weise zu steuern, daß über das Wärmeübertragungselement Wärme abtransportiert
wird, sobald die Elektrolyt tenperatur über einen gewünschten Temperaturbereich
steigt und der Batterie Wärme zugeführt wird, wenn die Elektrolyttemperatur unterhalb
des genannten Temperaturbereiches sinkt. Dabei kann die Einrichtung zum Ändern der
Temperatur nach Art einer reversiblen Heizung ausgebildet sein. Bei Verwendung einer
oder mehrerer in einen Akkumulator oder einen anderen elektrochemischen Energieumwandler
eingebetteter Wärmeübertragungselemente kann die zur Erzielung einer optimalen Leistung
erforderliche Temperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur erhalten werden.
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Zum besseren Verständnis wird auf die Zeichnung verwiesen, in der
zeigen: Fig. 1 eine Vorderansicht eines Bleiakkumulators (teilweise im Schnitt),
Fig. 2 bis 4 verschiedene Ausbildungen in Seitenansicht, Fig. 5 einen Schnitt durch
ein Wärmeübertragungselement und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Versuchsausführung
für eine Anordnung mit einem Wärmeübertragungselement.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein Bleiakkumulator bezeichnet. An seine Stelle
kann aber auch jede andere Batterie, z.B. aus rocken-oder Naßzellen treten. Die
Batterie 10 enthält einen Behälter 12 und eine Abdeckung 14, die zusammen eine Kammer
16 bilden.
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Die Kammer 16 ist durch Zwischenwände 20 in getrenffte Zellen 18 unterteilt,
wobei Jede Zelle mit einem Zellelement 22 versehen ist, das eine Vielzahl von herkömmlichen,
getrennten Platten 24 und einen Anschlußteil 26 enthält, der nach oben durch die
Abdeckung 14 hindutchgeführt ist. Jede Zelle bet
eine Öffnung 28
und ist mit einem flüssigen Elerolytn 30 angefüllt, in den die Platten 24 vollständig
eingetaucht sind. In dem unteren Teil der Batterie ist zwischen den Zellelementen
22 und dem Boden 34 ein Wärmeübertragungselement (Heizrohr) 32 angeordnet. Das Wärmeübertragungselement
32 ist durch eine senkrechte Wand des Behälters 12 und durch die Zwischenwände 20
hindurchgeführt. Hierzu ist das Wärmeübertragungselement 32 mit der äußeren Wand
und mit den verschiedenen Zwischenwänden vergossen, um einen Austritt des Elektrolyten
30 aus dem Behälter 12 und den verschiedenen Zellen 18 zu vermeiden.
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Das Wärmeübertragungselement 32 ist ein länglicher Körper, der ein
Rohr 36 (Fig. 5), Endkappen 38 und einen an die Innenseite des Rohres angrenzenden
dochtähnlichen Körper oder Kapillarkörper 40 mit hülsenförmiger Gestalt enthält.
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Der dochtähnliche Körper 40 hat eine zentrale Öffnung 42 und ist mit
einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser gefüllt bzw. getränkt, das die Eigenschaft hat,
den Dochtkörper zu durchtränken. Das Innere des Rohres 36 ist entleert, um es im
wesentlichen frei von nichtkondensierbaren Gasen zu machen, so daß bei Einwirken
von Wärme Seile 46) auf einen Teil des Wärmeübertragungselements die Flüssigkeit
verdampft und durch den entstehenden Druck durch die zentrale Öffnung zum kälteren
Teil strömt, wo der Dampf kondensiert (innerhalb des Dochtkörpers), die Verdampfungswärme
frei wird und von dem Rohr 36 abgegeben wird wie durch Pfeile 48 angedeutet ist.
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Die kondensierte Flüssigkeit wird durch die Kapillarwirkung des Dochtes
40 zu der Verdampfungszone zurückgeführt.
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Das Rohr 36 kann - wie Fig. 5 zeigt - so ausgeführt sein, wie es im
US-Patent Nr. 2 517 654 beschrieben ist. Eine Vorrichtung ist auch im US-Patent
Nr. 3 229 759 beschrieben (in diesem Patent ist die Vorrichtung mit 1'Heizrohr"
bezeichnet).
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Wie Fig. 1 zeigt, ist ein Teil des Wärmeübertragungselements 32 in
dem unteren Teil der Batterie 10 untergebracht.
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Ein anderer Teil des Wärmeübertragungselements 32 steht über den Batteriebehälter
12 vor und ist vorzugsweise mit Wärmeaustauschrippen 50 versehen. Das Wärmeübertragungselement
32 ist durch die Wand 12 des Behälters und du#rch die Zwischenwände 20 geführt.
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In den#Betriebsfällen, in denen es darauf ankommt, Apparate unter
extrem kalten Bedingungen schnell zu starten, kann das Innere der Batterie durch
Anwendung von Wärme auf den äußeren Teil des Wärmeübertragungselements 32 schnell
erhitzt werden.
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Die Anwendung der Wärmekainirgendwelche üblichen Heizmittel 51 wie
z.B. eine elektrische Heizwicklung, einen Brenner, ein Warmluftgebläse od.dgl. einschließen.
Durch die besondere Wirksamkeit des Wärmeübertragungselements 32 wird jede Wärme,
die auf den äußeren Teil zur Einwirkung gelangt, schnell in das Innere der Batterie
übertragen, wo das Heizrohr in den Elektrolyten 30 eintaucht. Daher wird das Innere
der Batterie 10 schnell auf eine wirkungsvollere Betriebstemperatur aufgeheizt,
wobei die Batterie z.B. zum Starten des Motors eines Autos in einer Umgebung unter
dem Gefrierpunkt eingesetzt werden kann.
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Umgekehrt kann das Wärmeübertragungselement dazu verwendet werden,
um Wärme von der Batterie abzuführen, wenn die Elektrolyttemperatur eine für den
besten Wirkungsgrad erforderliche Temperatur überschreitet. Beispielsweise in den
Tropen, in industriellen Heizräumen (Kesselräumen) oder in der Umgebung von Öfen
kann ein Bleiakkumulator Temperaturen erreichen, die weit über die Höchsttemperaturen
hinaus gehen, für die er konstruiert ist. In solchen Fällen kann das Wärmeübertragungselement
in einer zur Figur 1 beschriebenen umgekehrten Betriebsweise benutzt werden, wobei
Wärme dem Elektrolyt entzogen
und entweder in die umgebene Atmosphäre
abgegeben, oder durch einen Kühlbehälter mit fließendem Wasser oder eine Kaltluftführung
über dem äußeren Teil des Heizrohres abgeführt wird.
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In den Fällen, in denen die Batterie 10 großen Temperaturschwankungen
unterworfen wird, kann ein Temperaturmeßfühler 53 - wie z.B. ein Thermostat oder
ein Thermoelement-in der Batterie, vorzugsweise in der Nähe des Wärmeübertragungselements
32 angeordnet werden. Die Einrichtung 55 ist über die Leitungen 57 in geeigneter
Weise mit der Heizeinrichtung 51 und der Kühleinrichtung 53 verbunden, um die Heizung
oder Kühlung selbsttätig zu steuern.
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Andere Ausführungen der Erfindung sind in den Figuren 2,3 und 4 dargestellt.
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In Fig. 2 ist ein Wärmeübertragungselement 52 gezeigt, das in einer
Zelle der Batterie 10 um 900 gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Anordnung gedreht
angeordnet ist. Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist vorzugsweise ein Wärmeübertragungselement
in jeder Zelle 18 zwischen Je zwei Zwischenwänden 20 angeordnet, wodurch gegenüber
Fig. 1 das Problem der Abdichtung der Vielzahl von Öffnungen zwischen dem Wärmeübertragungselement
32 und den verschiedenen Zwischenwänden 20 vermieden wird.
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In Fig. 3 ist ein Wärmeübertragungselement 54 gezeigt, das ähnlich
wie in Fig. 2 angeordnet ist, Jedoch mit dem Unterschied, daß das Wärmeübertragungselement
54 zwei von den Außenwänden 12 nach außen ragende Teile besitzt, so daß,jedes i?5556
stehende Teilstück zum Führen von Wärme aus der Batterie oder in die Batterie verwendet
werden kann.
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Gemäß Fig. 4 ist die Batterie 10 mit einem verstärkten Boden 56 versehen,
und ein Wärmeübertragungselement 58 ist mit dem
einen Teil vollständig
in ihm eingebettet. Auf diese Weise wird Wärme in die Batterie oder von der Batterie
10 über das TJärmelibertragungselement 58 übertragen, wobei die Wärme über den Boden
56 zu dem Elektrolyten 30 und von ihm geführt wird.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiter: Beispiel 1
Zur Nachbildung einer Batterie wurde ein Versuch gemacht, um die Anwendbarkeit eines
Wärmeübertragungselement (Heizrohres) in einem Bleiakkumulator zu ermitteln. Ein
Behälter aus geschäumten Polystyrol mit zwei Becken (Fig. 6) und einer Wandstärke
von 2,5 mm diente zum Messen des Übertragungsvermögens des Wärmeübertragungselements.
Jedes Becken enthielt emm Liter Wasser (entspricht der thermischen Kapazität einer
Bleiakkumulatorzelle). Das Wasser enthielt Eis und hatte eine Temperatur von 2,5°C.
Ein Quarz-Thermoelement in jedem Becken war zur Überwachung der Wassertemperatur
während des Versuches vorgesehen. Das Wärmeübertragungselement 62 war 40, 64 cm
lang und 1,27 cm dick. Die äußere Hülse des Wärmeübertragungselements bestand aus
rostfreiem Stahl 304 mit Kupferrippen 2,54 cm - 1,27 cm . 5,08 cm und 23 Kühlrippen
in einem Abstand von o,63 cm. Als Tränkflüssigkeit in dem Heizrohr diente Wasser.
Die Temperaturen des Wärmeübertragungselements wurden durch Chrom/Aluminium-Thermoelemente
überwacht, die in Abständen am Wärmeübertragungselement durch Schweißen befestigt
waren.
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Zum Erhitzen des Wärmeübertragungselements 62 wurde 1 cbm Luft pro
Minute bei einer Temperatur von 27000 über die Kupferrippen geblasen. Die Wärmezufuhr
in die Flüssigkeit wurde grob wie folgt errechnet: H = 1000 g (1 cal/g.00) [(93
- 2.5)°C -(4.1 - 1.8)°C] = 88,200 cal
Während des Versuches wurden
die Flüssigkeiten nicht umgerührt.
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Bei dem Versuch wurde das Eis geschmolzen und in das Wasser in der
Versuchszelle I von 0°C auf 26 1/2°C innerhalb von 38 Minuten erwärmt. Der Stand
der verschiedenen Thermoelemente in 5 Minuten-Intervallen ist in der folgenden Tabelle
I gezeigt: Tabelle I Heizrohrthermoelement Beckenthermoelement Versuchsbecken Kontrollbecken
Zeit TC1 TC2 TC3 T1 T2 0 min. 30°C 30°C --°C 2.5°C 1.8°C 5 198 212 32 5.0 2.2 10
202 216 36 6.9 2.5 15 198 219 40 8.6 2.8 20 192 219 48 11.1 3.0 25 184 220 54 14.1
3.2 30 184 220 62 18.0 3.4 35 180 218 71 22.6 3.5 40 182 192 78 28.1 3.7 45 176
172 87 35.4 3.6 50 180 164 94 45.0 3.9 55 185 167 100 55.1 4.0 60 93 4.1 Beispiel
II In diesem Fall diente als Behälter eine Ausführung wie in Fig. 6 mit der Ausnahme,
daß der Behälter aus Polymethylmethacrylat von 0,63 cm Wandstärke bestand. Ein Liter
Wasser waren in den Versuchsbecken anfaggs eingefroren, in anderer Beziehung war
der Versuch ähnlich dem in Fig. 1 beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die Anfangstemperatur
des Eises in dem Versuchs-und Kontrollbecken 490<) betrug. Wie in Tabelle II
gezeigt ist, wurden die Thermoelemente in 5 Minuten-Intervallen abgelesen
und
zwar bis zu 60 Minuten. Während dieser Zeit wurde das Wasser in dem Versuchsbecken
von 48,700 bis +55,3°C erhitzt. Im gleichen Zeitabschnitt wurde in dem Kontrollbecken
das Eis (ein Liter Wasser) von 470 bis 2200 erhitzt (bei gleichen Umgebungsbedingungen).
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Tabelle II Heizrohrthermoelement Beckenthermoelement Versuchsbecken
Kontrcllbecken Zeit TC1 TC2 C3 T T2 0 min. --°C --°C --°C -48.7°C -47.0°C 5 168
126 40 -42.3 -42.7 10 166 128 82 -34.6 -39.7 15 162 120 80 -29.8 -37.6 20 156 132
93 -25.5 -35-6 25 154 134 95 -19.8 -33.6 30 154 134 94 -13.2 -31.7 35 154 133 88
-6.9 -29.9 40 155 132 88 +8.4 -28.2 45 155 133 91 +40.7 -26.5 50 150 137 91 +50.9
-24.9 55 152 133 92 +54.2 -23.5 60 152 134 92 +55.3 -22.0 Die Wärmeübertragung auf
das Eis und auf das daraus geschmolzene Wasser wurde annähernd wie folgt berechnet:
| H = 1000 g #(0.48 cal/g.°C) t(48.7 - OOC -(47 -28)°C] + |
| (80 cal/g) + (1 cal/g.°C) [(55.3 - 0)00 (28 -22)°C] } |
| - 1000 {(1) 28 + 80 + (1) 49# |
| - 144,000 cal |
(Die spezifische Wärme des Eises von -48,70C bis OOC beträgt etwa 0,48 cal/g.00)
Die Zahl der Kalorien die für dieses Beispiel berechnet worden ist ist hoch, da
sich am Ende des Versuches noch etwas Eis auf
der Wasseroberfläche
befand. Aber da sich die Batterieflüssigkeit nicht verdichtet bei -58 0C und Metallplatten
sich in einer Batterie befinden, wäre die Wärmemenge, die zum Schmelzen ies Wassers
benötigt worden ist, nicht erforderlich.
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Diese Beispiele zeigen, daß mit einem nicht optimierten Wärmeübertragungselement
das Anwärmen von Blei-#kkumulatoren vJn arktischen Temperaturen von etwa -600C auf
höhere Temperaturen von +700 bis 2700 in weniger als einer Stunde möglich ist. Die
Erfindung gibt daher einen vorteilhaften Weg zur Beseitigung der Nachteile, die
rauhes Wetter bei Batterien verursacht.
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6 Figuren 6 Patentansprüche