DE3614318A1 - Waermespeicher, insbesondere fuer durch motorabwaerme gespeiste kraftfahrzeugheizungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbe­ sondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Speicherkern umschließenden inneren Wärmespeicher­ gehäuse, mit einem zur Umgebung abgrenzenden äußeren Wärmespeichergehäuse und mit einer Wärmeisolierung zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse, welche durch eine Zuflußleitung und eine Abflußleitung für ein wärmetransportierendes Strömungsmittel durchbro­ chen wird.

Die beim Betrieb von Kraftfahrzeugen anfallende Abfall­ wärme, die z.B. im Kühlwasser zur Verfügung steht, wird zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes nutzbar ge­ macht, steht aber derzeit nach einem Kaltstart erst nach einer gewissen Anlaufzeit zur Verfügung und auch dann nur im wesentlichen während der Betriebszeit des Motors. Nach dem Erreichen der optimalen Betriebstem­ peratur des Motors wird ein großer Teil dieser Abfall­ wärme meist nutzlos abgeführt.

Es ist z.B. in der DE-OS 32 45 027 bereits vorgeschla­ gen worden, diese Abfallwärme für Zeiten des Wärmebe­ darfs zu speichern und sie z.B. zur Vorwärmung des Motors zur Vermeidung eines Kaltstarts einzusetzen. Dabei erscheint ein Latentwärmespeicher wegen seines bei einer gegebenen Speicherkapazität geringen Bau­ volumens und geringen Gewichts als besonders geeignet.

Damit die während des Motorbetriebs gespeicherte Wärme auch nach einer längeren Betriebsruhe, z.B. nach einer nächtlichen Ruhepause, für die sofortige Erwärmung des Motors oder des Fahrzeuginnenraumes zur Verfügung steht, müssen die Wärmeverluste des Wärmespeichers möglichst gering gehalten werden.

Der von einem Gehäuse umschlossene Wärmespeicher wird deshalb von einem zweiten Gehäuse umschlossen, wobei zwischen beiden Gehäusen eine thermisch isolierende Kammer ausgebildet ist. Diese Kammer kann ein Hoch­ vakuum, oder thermisch isolierende Pulver oder Faser­ stoffe enthalten. Diese thermisch isolierende Kammer wird von der Zufluß- und der Abflußleitung durchquert, durch welche Wärmeverluste durch Konvektion und Wärme­ leitung des Strömungsmittels, z.B. des Motorkühl­ wassers oder des Motorabgases, verursacht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der eingangs genannten Art so auszugestal­ ten, daß die durch die Zu- und Abflußleitung verur­ sachten Wärmeverluste möglichst gering gehalten werden. werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die in das innere Wärmespeichergehäuse mündenden Leitungen nahe dessen oberer Begrenzung aus einer Wand des inneren Wärmespeichergehäuses mit einem von dieser Wand wegführenden Abschnitt austreten und dann in einen zumindest annähernd vertikal nach unten geführ­ ten, aus dem äußeren Gehäuse herausführenden Abschnitt übergehen und daß dieser annähernd vertikal geführte Abschnitt quer zu seiner Längsachse sowohl gegenüber dem inneren als auch gegenüber dem äußeren Wärme­ speichergehäuse wärmeisoliert ist.

Durch diese Gestaltung wird in den Leitungen dann, wenn nach Beendigung z.B. des Kühlwasserdurchflusses durch den Wärmespeicher, z.B. durch Abstellen des Motors, das außerhalb des Wärmespeichers befindliche Strömungsmittel abkühlt , in dem etwa vertikal nach unten führenden Abschnitt eine ruhende Sperrschicht zwischen dem im Wärmespeicher befindlichen heißen Strömungsmittel und dem kühleren Strömungsmittel außerhalb gebildet, weil infolge der unterschiedlichen spezifischen Dichte das kühle Strömungsmittel unten, das heiße Strömungsmittel dagegen oben bleibt und dadurch Wärmeverluste durch Konvektion verhindert. Weil der abwärts führende Leitungsabschnitt einen Abstand von den Wänden des inneren und äußeren Wärme­ speichergehäuses einhält und dieser Abstand zudem noch innerhalb der Wärmeisolierung liegt, ist der Wärmestrom nach innen und außen quer zur Fließrich­ tung der Zufluß- und Abflußleitung gering. Da die Leitungen in der oberen Zone des inneren Wärmespei­ chers austreten, ergibt sich eine ausreichende etwa senkrecht verlaufende Leitungslänge innerhalb der isolierenden Kammer, so daß Wärmeverluste durch Wärmeleitung in den Leitungswänden und im Kühlwasser der Zufluß- und Abflußleitung längs der Leitungs­ achsen weitgehend vermieden werden können.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß zur Aufnahme der durch die Wärmeisolierung geführten Leitungen das äußere Gehäuse unter Beibehaltung seines vertikalen Querschnitts verlängert ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache äußere Form des Wärmespeichers. Bei beengten räumlichen Verhältnissen ist diese Verlängerung des Gesamtquer­ schnitts des äußeren Gehäuses gegebenenfalls störend, weshalb eine andere zweckmäßige Ausführungsform darin besteht, daß die von der Wand des inneren Wärmespei­ chergehäuses wegführenden Abschnitte der Leitungen durch eine Öffnung in der dieser Wand gegenüberliegen­ den Wand des äußeren Gehäuses geführt sind, daß der Rand der Öffnung allseits einen Abstand von den Leitungen einhält und daß sich an den Rand der Öffnung ein die Leitungen allseits mit Abstand umschließender, sich zumindest über einen Teil des nach unten geführ­ ten Abschnitts der Leitungen erstreckender, durch eine von den Leitungen durchquerte Stirnwand abge­ schlossener Mantel anschließt, der einen Abschnitt der Wärmeisolierung umschließt. Dabei kann der Mantel die Zufluß- und die Abflußleitung gemeinsam umschlie­ ßen, oder es kann sowohl der Zufluß- als auch der Ab­ flußleitung jeweils ein Mantel zugeordnet sein.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Er­ findung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Latent­ wärmespeichers für Fahrzeugheizungen,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Latent­ wärmespeichers für Fahrzeugheizungen und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des in Fig. 2 dargestellten Latentwärmespeichers von oben.

In Fig. 1 bezeichnet 10 ein inneres Wärmespeicherge­ häuse, welches die den eigentlichen Wärmespeicher bildenden Einrichtungen zur Wärmespeicherung enthält. Solche Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt, sie können beispielsweise der bereits genannten DE-OS 32 45 027 entnommen werden und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Für den Zu- und Abfluß des wärmetransportierenden Strömungsmittels, als welches hier das Kühlwasser eines Verbrennungsmotors dient, ist eine Zuflußleitung 12 und eine Abflußleitung 14 vorgesehen, die im oberen Bereich des inneren Wärme­ speichergehäuses 10 in dieses münden.

Das Wärmespeichergehäuse 10 ist zylindrisch ausgebil­ det, mit einer zylindrischen Mantelfläche 16 und zwei Stirnflächen 18 und 20, wobei ein Einbau mit horizon­ tal verlaufender Zylinderachse vorgesehen ist.

Die beiden Leitungen 12 und 14 sind im oberen Bereich der Stirnfläche 18 angeschlossen. Sie erstrecken sich zunächst in horizontaler Richtung parallel zueinander und gehen dann in einem diesen horizontalen Abschnitt 22 beendenden Bogen 24 in einen vertikalen Abschnitt 26 über.

Das zylindrische, innere Wärmespeichergehäuse 10 wird allseits mit Abstand von einem mit ihm koaxial ange­ ordneten, äußeren Gehäuse 28 umschlossen, so daß zwi­ schen dem inneren Gehäuse 10 und dem äußeren Gehäuse 28 eine Kammer 30 gebildet wird, die der thermischen Isolation dient und daher entweder ein Vakuum oder ein anderes Isolationsmittel, wie etwa ein pulverför­ miges oder faserartiges Isolationsmaterial enthält.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel verlassen die vertikalen Abschnitte 26 der Zuflußleitung 12 und der Abflußleitung 14 die Kammer 30 durch die Mantel­ fläche 32 des äußeren Gehäuses, welches auf der der Stirnfläche 18 des inneren Gehäuses 10 benachbarten Seite weiter in axialer Richtung über die Querschnitts­ ebene der Stirnfläche 18 hinausgeführt ist als am anderen Ende über die Querschnittsebene der Stirnfläche 20, so daß ein von den Zu- und Abflußleitungen 12 bzw. 14 durchquerter Bereich der Kammer 30 geschaffen wird.

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscher besitzt daher eine einfache äußere Form, die allein durch das zylin­ drische, äußere Gehäuse 28 bestimmt wird, aus dessen Mantelfläche 32 zwei Anschlußstutzen 34 und 36 heraus­ ragen.

Diese Gestalt könnte sich bei sehr beengten räumli­ chen Verhältnissen als störend erweisen. In den Fig. 2 und 3 ist deshalb eine Ausführungsform dargestellt, welche bei ebenbürtiger thermischer Isolation einen geringeren Platzbedarf aufweist.

Bei dieser alternativen Ausführungsform sind die mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform überein­ stimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen gekenn­ zeichnet.

Das innere Wärmespeichergehäuse 10 ist unverändert. Die Zuflußleitung 12 und die Abflußleitung 14 münden gleichermaßen im oberen Bereich in die Stirnfläche 18 und setzen sich aus einem horizontalen Abschnitt 22, einem Bogen 24 und einem vertikalen Abschnitt 26 zu­ sammen. Das äußere Gehäuse 40 und die von ihm umschlos­ sene, thermisch isolierende Kammer 42 besitzen eine geänderte Gestalt. An einen das äußere Gehäuse im engeren Sinn darstellenden, zylindrischen Abschnitt 44 schließt sich ein die Zuflußleitung 12 und die Abfluß­ leitung 14 außerhalb dieses zylindrischen Abschnitts 44 einhüllender, rohrförmiger Abschnitt 46 an.

Der zylindrische Abschnitt 44 ist kürzer als das äuße­ re Gehäuse 28 nach der ersten Ausführungsform, weil er über beide Stirnflächen 18 und 20 des inneren Wärme­ speichergehäuses in gleicher Länge hinausragt, und zwar über die Stirnfläche 18 nicht weiter als über die Stirnfläche 20, d.h. um ein Maß, welches die angestrebte Dicke der das innere Wärmespeichergehäuse 10 umgebenden Isolierzone gewährleistet. Die der Stirnfläche 18 des inneren Wärmespeichergehäuses 10 gegenüberliegende Stirnwand 48 des äußeren Gehäuses 40 überquert die Zuflußleitung 12 und die Abflußleitung 14 noch im Be­ reich des horizontalen Abschnitts 22. Für den Durch­ tritt dieser Leitungen 12 und 14 ist die Stirnwand 48 mit einer Durchbrechung 50 versehen deren Rand 52 von den Leitungen 12 und 14 mindestens einen Abstand ein­ hält, der der gewünschten Dicke der durch die Kammer 42 zu bildenden Isolierzone entspricht. An den Rand 52 schließt sich unter Beibehaltung des Querschnitts der Durchbrechung 50 ein die Leitungen 12 und 14 um­ schließender Mantel 54 an, der dem Bogen 24 folgt und sich dann in Richtung des vertikalen Abschnitts 26 der Leitungen 12 und 14 erstreckt, bis er an einer die Leitungen 12 und 14 eng umschließenden und mit diesen verbundenen Stirnwand 56 endet, wodurch ein winkelförmiger, bereits erwähnter Abschnitt 46 des äußeren Gehäuses 40 gebildet wird, der einen ebenso winkelförmigen Bereich der thermisch isolieren­ den Kammer 42 umschließt.

Statt beide Leitungen 12 und 14 gemeinsam durch den Abschnitt 46 des äußeren Gehäuses 40 einzuschließen, können - sofern dies wegen der räumlichen Verhältnisse am Einbauort zweckmäßiger erscheint - auch beide Leitun­ gen 12 und 14 jeweils getrennt von einem Abschnitt der thermisch isolierenden Kammer 42 umgeben werden.

Wenn der Wärmespeicher im inneren Gehäuse 10 eine gegenüber der Außentemperatur erhöhte Temperatur auf­ weist und die Kühlwasserzirkulation bei abgeschaltetem Motor stillgesetzt ist, wird sich das im Kühlwassersy­ stem befindliche Wasser bzw. die Kühlflüssigkeit all­ mählich auf die Außentemperatur abkühlen, während aufgrund der erhöhten Wärmespeichertemperatur in den sich an den Wärmespeicher unmittelbar anschließenden Leitungsabschnitten Wasser bzw. Kühlflüssigkeit mit der Temperatur des Wärmespeichers anzutreffen ist. In den vertikalen Leitungsabschnitten 26 wird die kalte Flüssigkeit wegen ihrer höheren Dichte unten bleiben und die warme Flüssigkeit wegen ihrer geringeren Dichte oben bleiben, so daß sich unterhalb der horizon­ talen Leitungsabschnitte 22 in der Flüssigkeit eine Temperaturschichtung ausbildet, die zu einer Sperrschicht zwischen der warmen und der kalten Flüssigkeit führt und eine Wärmeabfuhr durch Konvektion verhindert.

Die obere Schicht des Kühlwassers in den vertikalen Leitungsabschnitten 26 nimmt dabei die Temperatur des Kühlwassers in dem von der inneren Begrenzung 10 um­ schlossenen Speicherkern an, während die untere Schicht auf Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur der äußeren Begrenzung absinkt.

Der die Sperrschicht enthaltende vertikale Leitungsab­ schnitt beider Leitungen 12 und 14 weist einen für die thermische Isolation wichtigen Abstand von der in­ neren Wärmespeicherbegrenzung 10 und von der äußeren Wärmespeicherbegrenzung 40 auf. Durch den hoch angesetzten Anschluß der Leitungen 12 und 14 an das innere Wärmespeichergehäuse 10 ergibt sich eine ausreichende Länge des innerhalb der Wärmeisolierung 30 bzw. 42 geführten Teils der vertikalen Leitungsab­ schnitte 26, durch welche Wärmeverluste durch Wärme­ leitung zwischen dem warmen und dem kalten Leitungsteil weitgehend vermieden werden können.

Claims (5)

1. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespei­ cher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahr­ zeugheizungen, mit einem einen Speicherkern umschlie­ ßenden inneren Wärmespeichergehäuse (10), mit einem zur Umgebung abgrenzenden äußeren Wärmespeicherge­ häuse (28; 40) und mit einer Wärmeisolierung zwischen dem inneren (10) und dem äußeren (28; 40) Gehäuse, welche durch eine Zuflußleitung (12) und eine Abfluß­ leitung (14) für ein wärmetransportierendes Strömungs­ mittel durchbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in das innere Wärmespeichergehäuse (10) mündenden Leitungen (12, 14) nahe dessen oberer Begrenzung aus einer Wand (18) des inneren Wärmespeichergehäuses (10) mit einem von dieser Wand (18) wegführenden Abschnitt (22) austreten und dann in einen zumindest annähernd vertikal nach unten geführten, aus dem äußeren Gehäuse (28; 40) herausführenden Abschnitt (22) übergehen und daß dieser annähernd vertikal geführte Abschnitt (26) quer zu seiner Längsachse sowohl gegenüber dem inneren (10) als auch gegenüber dem äußeren (28; 40) Wärmespeichergehäuse wärmeisoliert ist.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Aufnahme der durch die Wärmeisolierung geführten Leitungen (12, 14) das äußere Gehäuse (28) unter Beibehaltung seines ver­ tikalen Querschnitts verlängert ist.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von der Wand (18) des inneren Wärmespeichergehäuse (10) wegführenden Abschnitte (22) der Leitungen (12, 14) durch eine Öffnung (50) in der dieser Wand (18) gegenüberliegenden Wand (48) des äußeren Gehäuses (40) geführt sind und die etwa vertikal nach unten geführten Abschnitte (26) außer­ halb des äußeren Gehäuses (40) angeordnet sind, daß der Rand (52) der Öffnung (50) allseits einen Ab­ stand von den Leitungen einhält und daß sich an den Rand (52) der Öffnung (50) ein die Leitungen (12, 14) allseits mit Abstand umschließender, sich zumindest über einen Teil des nach unten geführten Abschnitts (26) der Leitungen erstreckender, durch eine von den Leitungen (12, 14) durchquerte Stirnwand (56) abge­ schlossener Mantel (54) anschließt, der einen Abschnitt der Wärmeisolierung umschließt.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mantel (54) die Zuflußleitung (12) und die Abflußleitungen (14) gemeinsam umschließt.

5. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zuflußleitung (12) und die Abflußleitung (14) jeweils gesondert durch eine Öffnung des äußeren Gehäuses geführt und von einem Mantel umschlossen sind.