DE3019786C2

DE3019786C2 -

Info

Publication number: DE3019786C2
Application number: DE3019786A
Authority: DE
Inventors: Karl 8033 Planegg De Panick
Original assignee: Webasto Werk W Baier GmbH and Co
Current assignee: Webasto Werk W Baier GmbH and Co
Priority date: 1980-05-23
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1988-11-17
Also published as: DE3019786A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicherheizung für brenn kraftbetriebene Fahrzeuge, mit einem ein festes Wärmespei chermaterial enthaltenden Wärmespeicher für im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Abwärme, die vom Wärme speicher durch wenigstens einen von den Abgasen der Brenn kraftmaschine durchströmten Abgaskanal aufnehmbar ist und zu einem späteren Zeitpunkt an zu wärmende Fahrzeugbereiche abgebbar ist, und mit elektrischen Heizwiderständen im Wärme speicher, die an ein externes Stromnetz anschließbar sind.

Aus der DE-PS 8 19 334 ist eine Wärmespeicherheizung für Kraft fahrzeuge unter Verwendung der Abgase der Brennkraftma schine bekannt. Der Wärmespeicher besteht aus einem Wasser vorrat, der in den Umwälzkreislauf des Kühlwassers oder ei ner Warmwasserheizung einbezogen werden kann. Zur Wärme dämmung nach außen dient eine Wärmeschutzisolierung. Der gesamte Wärmespeicher kann in der Abgasleitung zugleich den sonst üblichen Schalldämpfer ersetzen. Bei diesem Wärme speicher liegt das Wasser an den Leitungsrohren und an denen die Abgase führenden Metallrohren an, so daß sich Wärme brücken nach außen bilden, die zu einer Abkühlung des Wärme speichermaterials führen, so daß bei einem derartigen Wärmespei cher sich die gespeicherte Wärme nicht beispielsweise bis zum nächsten Tag speichern läßt. Es ist jedoch erwünscht, beispielsweise am nächsten Morgen das Fahrzeug mit der im Wärme speicher gespeicherten Wärme vorzuheizen.

Aus der DE-PS 4 20 373 ist eine Abgasheizung für Kraftfahrzeuge bekannt, wobei die Möglichkeit aufgezeigt wird, den Abgas heizkörper einer Abgasheizung für Kraftfahrzeuge mit Heiz drähten zu versehen. Hierbei ist aber keine Wärmespeicherung möglich und es ist kein Wärmespeicher vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeicher heizung für brennkraftmaschinenbetriebene Fahrzeuge der gat tungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß man nicht nur eine erhöhte Wärmespeicherfähigkeit mit einer externen Nach heizung des Wärmespeichers erhält, sondern durch eine einfach und kompakt ausgelegte Wärmespeicherheizung, die möglichst störungsfrei langzeitig arbeitet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Wärmespeicher heizung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen seines Kennzeichens gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmespeicherheizung kann der Wärme speicher nicht nur die Abwärme der heißen Verbrennungsgase im Betrieb der Brennkraftmaschine speichern, sondern er speichert auch die von den Heizwiderständen erzeugte Wärme, die im Bedarfsfall an ein externes Stromnetz zur Stromver sorgung angeschlossen werden können. Hierdurch wird in vor teilhafter Weise der Wärmespeicher zur Speicherung der Wärme energie effektiver genutzt, so daß eine möglichst verlust freie Speicherung und Wärmeabgabe an den nachgeordneten Ver braucher erreicht wird. Somit ist die Wärmespeicherheizung effektiv und universell verwendbar. Gleichzeitig gestattet die erfindungsgemäße Auslegung der Wärmespeicherheizung, daß die Heizwiderstände, die gegen Schwingungen und aggressive Gase äußerst empfindlich sind, so geschützt in das feste Material des Wärmespeichers eingelassen sind, daß sie nur teilweise in den vom Abgas durchströmten Abgaskanal im Wärme speicher ragen und zuverlässig in das feste Material des Wärmespeichermaterials am restlichen Teil eingebettet sind. Somit sind die Heizwiderstände schwingungsdämpfend im Wärme speicher gelagert und insbesondere ist auch das wärmespei chernde Material in direktem Kontakt wenigstens mit einem Teil der Heizwiderstände, so daß bei einer elektrischen Be heizung ein unmittelbarer körperlicher Wärmeübergang von Heizwiderstand zu Wärmespeichermaterial ohne nennenswerte Ver luste möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 wiedergegeben.

Für den Wärmeabtransport aus dem Wärmespeicher kommen nach Anspruch 3 ein Wasserwärmeübertrager und nach Anspruch 7 ein an sich bekanntes Wärmerohr in Betracht (vgl. DE-AS 19 61 288). Außer einem einzelnen Wärmespeicher können nach Anspruch 4 beispielsweise auch mehrere Wärmespeicher verwen det werden, die zweckmäßigerweise an verschiedene Zylinder gruppen angeschlossen und in verschiedene Abgaskanäle einbe zogen sind. Hierbei können die Wärmespeicher zur Heizung un terschiedlicher Fahrzeugbereiche, beispielsweise einerseits des Innenraums und andererseits des Kühlwassers zur Motor vorwärmung verwendet werden. Zweckmäßigerweise wird jedoch die Mehrzahl von Wärmespeichern selektiv je nach dem ge wünschten Wärmebedarf zugeschaltet. Wird zum Wärmeabtransport Luft verwendet, so kann nach Anspruch 6 mehreren Wärme speichern ein gemeinsames Heizluftgebläse zugeordnet sein.

Die elektrische Zuheizung mit Hilfe der Heizwiderstände, die beispielsweise in oder außerhalb der Garage an eine Stromver sorgung anschließbar sind, wird zweckmäßigerweise gemäß den Ansprüchen 8 und 9 über einen Thermostaten und eine Zeitschaltuhr gesteuert. Der Thermostat schaltet bei Errei chen der gewünschten Temperatur ab, so daß der Wärmespeicher nicht auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der der Wärme verlust verhältnismäßig groß wird oder die zulässige Tempera tur überschritten wird. Zweckmäßigerweise wird die Tempera tur des Wärmespeichermaterials beispielsweise durch ein Ther moelement gemessen und die Einstellung der Einschalttempera tur der elektrischen Zusatzheizung mit Hilfe der Heizwider stände erfolgt manuell oder in Abhängigkeit von der Außen temperatur automatisch in einer solchen Weise, daß man eine günstige Speichertemperatur erhält. Die Zeitschaltuhr kann dazu verwendet werden, die elektrische Zusatzheizung mit Hilfe der Heizwiderstände auf die Stunden des billigen Nacht stroms zu beschränken.

Vorzugsweise kann nach den Ansprüchen 10 und 11 auch die Wärmeabgabe durch eine Zeitschaltuhr und durch Thermostaten gesteuert werden. Die Zeitschaltuhr erlaubt das automatische Einschalten eine gewisse Zeit lang vor der beabsichtigten Startzeit, während Thermostaten im Innenraum und/oder im Mo tor eine Übererwärmung mit gleichzeitiger vorzeitiger Spei cherentleerung vermeiden.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahr zeugs mit einer eingebauten Wärmespeicher heizung,

Fig. 2 eine vertikale Längsschnittansicht durch einen Wärmespeicher der Wärmespeicherheizung,

Fig. 3 eine Horizontalschnittansicht durch den Wärme speicher längs einer Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Vertikalschnittansicht durch den Wärme speicher,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Einzelheit zur Ver anschaulichung des Aufbaus des Wärmespeichers,

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Anordnung von drei Wärmespeichern in einer Wärmespeicherhei zung,

Fig. 7 eine Wärmespeicherheizung mit einer Vorwärmung des Kühlwassers der Brennkraftmaschine,

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Lastkraftwagens, der mit einer Wärmespeicherheizung ausgestattet ist, und

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf die Wärmespei cherheizung im Lastkraftwagen nach Fig. 8.

Fig. 1 zeigt an einem Kraftfahrzeug 1 mit einer Brennkraft maschine 2 zwei in eine Abgasleitung 3 einbezogene Wärme speicher 4, die von den Abgasen der Brennkraftmaschine 2 durchsetzt werden, welche hierbei einen Teil ihrer Wärme an das Wärmespeichermaterial abgeben und ohne weiteren Schalldämpfer am Auspuff 5 nach außen abgegeben werden. Die Wärmespeicher 4 befinden sich unter den Sitzbänken 6 des Kraftfahrzeugs 1 und können zu gegebener Zeit die da rin gespeicherte Wärme in den Kraftfahrzeug-Innenraum 7 abgeben.

Die Fig. 2 bis 5 veranschaulichen den Aufbau der einzel nen Wärmespeicher 4. Jeder Wärmespeicher 4 hat die Form ei nes flachen Quaders und besteht als Hauptbestandteil aus Wärmespeichermaterial 11, das von einem isolierenden Ge häuse 12 umschlossen ist. Das Wärmespeichermaterial 11 füllt den Innenraum des Gehäuses 12 nicht vollständig aus, sondern weist verschiedene Durchgangskanäle auf, nämlich in seiner unteren Hälfte einen in der Draufsicht mäander förmig verlaufenden Abgaskanal 13, der von den durch Pfeile an gedeuteten Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmt wird, und in der oberen Hälfte eine Mehrzahl paralleler, vorne und hinten wieder zusammenströmender Luftdurchlaßkanäle 14 für die Wärme abtransportierende Luft, durch die von einem Lüfter 15 durch Pfeile angedeute te Luft geblasen werden kann, die dann durch entsprechen de Heizschlitze als Heizluft in den Kraftfahrzeug-Innen raum 7 gelangt. Ersichtlich befinden sich zwischen dem Abgas kanal 13 und dem Luftdurchlaßkanal 14 überall ausreichend breite Rippen des Wärmespeichermaterials 11, um über die Grenzflächen des Abgaskanals 13 Wärme in das Wärmespeichermaterial 11 aufzunehmen, sie dort zu speichern und sie, wenn der Lüfter 15 eingeschaltet wird, über die Grenzflächen der Luftdurchlaßkanäle 14 an die Luft wieder abzugeben.

Die Wand des isolierenden Gehäuses 12 besteht aus einer In nenschicht 16 aus mit Asbestschaum belegter Folie, einer Isolierschicht 17 aus Tonerde-Silikalfaser und einer Außen schicht 18, die wiederum aus mit Asbestschaum belegter Folie besteht. Das Wärmespeichermaterial 11 selbst ist ein Spezialmaterial, nämlich Spezial-Magnesit für Wärmespei cherzwecke.

In die Wärmespeicher 4 sind Heizwiderstände 21 eingeführt, die über eine fahrzeuginterne Schaltung und eine am Fahr zeug zugängliche Steckvorrichtung an eine Stromversorgung angeschlossen sind. Hierbei ist beispielsweise in der Garage ein Anschluß an das Stromnetz zur Stromversorgung möglich. Die Heizwiderstände 21 sind in Fig. 3 teilweise als in das Speichermaterial eingebettet und teilweise als in den Abgaskanälen 13 verlegt dargestellt. Damit sind diese beiden Verlegungsmöglichkeiten, die auch kombiniert anwendbar sind, veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 sind zwei Wärmespeicher 4 in Reihe geschal tet. Es können jedoch auch ein einziger Wärmespeicher, drei Wärmespeicher oder eine andere Zahl vorhanden sein. Fig. 6 zeigt schematisch die Anordnung von drei Wärmespei chern 4, die sowohl hinsichtlich der Wärmeaufnahme als auch hinsichtlich der Wärmeabgabe in Reihe ge schaltet sind. Der Lüfter 15 führt hierbei den Luftstrom durch sämtliche drei Wärmespeicher.

Bei der Anordnung nach Fig. 7 ist der Wärmespeicher 4 an den Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine 2 ange schlossen. Als Wärmeübertrager dienen Kanalschlangen 23. Das dargestellte Schema zeigt eine Zeitschaltuhr 24, die eine Umwälzpumpe 25 und gegebenenfalls außerdem über einen Schalter 26 ein Heizluftgebläse 27 einschaltet, dessen Luftstrom durch ein vom Kühlwasser durchflossenes Heizge rät 28 in den Kraftfahrzeug-Innenraum geblasen wird. Der Schalter 26 kann ein stufenlos einstellbares Raumthermostat sein.

Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen die Installation der Wärmespeicherheizung bei einem Lastkraftwagen. Die Wärmeabgabe in den Kraftfahrzeug-Innenraum erfolgt hierbei über zwei Wärmerohre 31. Hierbei handelt es sich um ein evakuiertes Rohr, das mit einer kleinen Menge einer verdampfbaren Flüs sigkeit gefüllt ist, die bei Wärmezufuhr verdampft und durch Niederschlagung an der inneren Oberfläche des Wärme rohrs die Wärme dort wieder abgibt. Als verdampfbares Ma terial kommt beispielsweise Natrium in Frage. Solche Wärme rohre besitzen im Betrieb eine sehr hohe Wärmeleitfähig keit und außer Betrieb eine gute Wärmeisolationsfähigkeit. Die Auswahl des verdampfbaren Materials hängt von der zur Verfügung stehenden Speichertemperatur ab. Gegebenenfalls ist die verdampfbare Flüssigkeit zum Inbetriebsetzen des Wärmerohrs von einer externen Energiequelle aufzuheizen.

Die spezifische Wärme des Spezial-Magnesits, aus dem der Wärmespeicher besteht, beträgt etwa 1,21 · 10³ Jkg^-1 °C^-1. Bei einer Speichertemperatur von 600°C lassen sich also je kg Speichermasse etwa 725 · 10³ J und bei 200°C immer noch 230 · 10³ J speichern.

Claims

1. Wärmespeicherheizung für brennkraftbetriebene Fahr zeuge, mit einem ein festes Wärmespeichermaterial enthal tenden Wärmespeicher für im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Abwärme, die vom Wärmespeicher durch wenig stens einen von den Abgasen der Brennkraftmaschine durch strömten Abgaskanal aufnehmbar ist und zu einem späteren Zeit punkt an zu wärmende Fahrzeugbereiche abgebbar ist, und mit elektrischen Heizwiderständen im Wärmespeicher, die an ein externes Stromnetz anschließbar sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizwiderstände (21) zwischen den Teilen des wenigstens einen Abgaskanals (13) in das Spei chermaterial (11) eingebettet sind und in den Abgaskanal (13) ragen, und daß der Wärmespeicher (4) ferner wenigstens einen Luftdurchlaßkanal (14) für die Wärme abtransportieren de Luft enthält.

2. Wärmespeicherheizung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wärmespeicher (4) aus Magnesiumoxid (MgO) als Speichermaterial (11), das durch Schichten aus mit As bestschaum belegter Folie (16, 18) und Tonerde-Silikalfaser (SiO_s und Al₂O₃) (17) isoliert ist, besteht.

3. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (4) ein iso lierendes vorzugsweise quaderförmiges Gehäuse aufweist, in dem sich außer dem Speichermaterial, dem Abgaskanal und den Heizwiderständen noch wenigstens ein Wasserwärmeübertrager (23) befindet, der an den Kühlwasserkreislauf der Brennkraft maschine (2) anschließbar ist.

4. Wärmespeicherheizung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Mehrzahl von Wärmespeichern (4) vorhan den ist, deren Luftdurchsatzkanäle (14) bzw. Wasserwärme übertrager (23) für den Wärmeabtransport in Reihe geschaltet sind.

5. Wärmespeicherheizung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn zeichnet durch ein im Gehäuse (12) des Wärmespeichers (4) be findliches Heizluftgebläse (15) im Zuge des Luftdurchsatz kanals (14).

6. Wärmespeicherheizung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß mit den in Reihe geschalteten Luftdurchsatz kanälen (14) ein gemeinsames Heizluftgebläse (15) in Reihe geschaltet ist.

7. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Wärmespeicher (4) mit den zu heizenden Bereichen jeweils ein Wärmerohr (31) verbindet.

8. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizwiderstände (21) über einen von der Temperatur des Speichermaterials (11) gesteuerten Thermostaten an die Stromversorgung ange schlossen sind.

9. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizwiderstände (21) über eine Zeitschaltuhr an die Stromversorgung ange schlossen sind.

10. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine die Wärmeabgabe ein- und ausschal tende Zeitschaltuhr (24).

11. Wärmespeicherheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen oder mehrere die Wärmeabgabe ein- und ausschaltende Thermostaten (26).