DE4007001C2 - Wärmespeicher, insbesondere für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbeson­ dere Latentwärmespeicher für durch Motorwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Speicherkern enthaltenden Innenbehälter, einem unter Bildung eines vorzugsweise evakuierten Isolierraums den Innenbehälter mit Abstand umgebenden Außenbehälter und zwei von außen durch den Isolierraum geführ­ ten Leitungen, deren eine als Zuflußleitung und deren andere als Rückflußleitung für ein wärmetransportie­ rendes Medium dient und die beide im Bereich des Isolierraums derart angeordnet sind, daß sie einen möglichst langen, geradlinigen Abschnitt aufweisen.

Ein Latentwärmespeicher dieser Art ist aus der euro­ päischen Patentanmeldung 02 94 500 bekannt. Die im Isolierraum von unten nach oben bzw. von oben nach unten verlaufenden Leitungsabschnitte dienen der Ausbildung einer während der Speicherphase wirksamen, isolierenden Sperrschicht im wärmetransportierenden Medium zwischen dem im Wärmespeicher befindlichen heißen Medium und dem außerhalb des Wärmespeichers abkühlenden Medium, so daß den Einsatzzweck des Wär­ mespeichers gefährdende Wärmeverluste über die den Isolierraum durchquerenden Leitungen unterbunden wer­ den können.

Nicht in allen Anwendungsfällen, wie etwa beim Ein­ satz in Personenkraftfahrzeugen, steht ausreichend Platz zur Verfügung, um den Wärmespeicher in einer Lage einzubauen, in der sich ein zur Ausbildung einer Sperrschicht geeigneter und/oder ausreichend langer Leitungsabschnitt innerhalb des Isolierraums ergibt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmespeicher, bei welchem die Ausbildung einer ausreichenden Sperrschicht nicht möglich ist, Wärmeverluste durch die Zufluß- und die Rückfluß­ leitung ausreichend niedrig zu halten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Querschnitt der geradlinigen Leitungsabschnitte eine so dichte Anordnung von in Durchflußrichtung verlaufen­ den, fest eingebauten Elementen enthält, daß die be­ netzte Fläche im Vergleich zum Strömungsquerschnitt so groß ist, daß Konvektion weitgehend unterbunden ist.

Diese Lösung geht von der Überlegung aus, daß der weit überwiegende Teil der Wärmeverluste über die den Isolierraum durchquerenden Leitungen auf die Konvektion zurückzuführen ist, so daß durch weitge­ hende Unterdrückung der Konvektion je nach der bauli­ chen Gesamtsituation die gewünschte Isolationswirkung erreicht oder nahezu erreicht werden kann.

Diese Isolationswirkung kann durch zwei Maßnahmen unterstützt werden, nämlich durch Ausbildung einer - wenn auch für sich allein nicht ausreichenden - Sperrschicht auf der heißen Seite des geradlinigen Leitungsabschnitts, falls dort ein vertikaler Lei­ tungsabschnitt in geeigneter Richtung zur Verfügung steht, und durch Reduzierung des konvektionsför­ dernden Wärmezuflusses und Wärmeabflusses quer zur Leitungsrichtung.

Es stellt demnach eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß der geradlinige Leitungsabschnitt horizontal verläuft und die Leitungen zwischen dem Innenbehälter und dem geradlinigen horizontalen Abschnitt jeweils einen in Einbaulage des Wärmespeichers zumindest annähernd vertikal nach unten verlaufenden Leitungsabschnitt aufweisen.

Dadurch kann sich eine die Gesamtisolationswirkung verbessernde Sperrschicht ausbilden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Elemente enge, in Leitungsrichtung verlaufende Kanäle bilden.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform ist es, daß der Querschnitt der Leitungsabschnitte von einem Glasfaserbett ausgefüllt ist, dessen Fasern vorwie­ gend in Leitungsrichtung orientiert sind.

Noch eine andere Gestaltungsmöglichkeit besteht da­ rin, daß der Querschnitt der Leitungsabschnitte eine Anzahl paralleler, in Längsrichtung der Leitung ver­ laufender, zwischen sich Spalten bildender Wände enthält, wobei die Wände aus thermisch isolierendem Material bestehen können.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Leitungsabschnitte ein mit Abstand zwischen seinen Windungen ihren Querschnitt spiralig ausfüllendes Element enthalten, wobei vorzugsweise das Element mit den Abstand zwischen seinen Windungen bestimmenden Erhebungen versehen ist.

Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß den die eingebauten Elemente enthaltenden Lei­ tungsabschnitten eine dem Wärmezufluß und Wärmeabfluß quer zur Leitungsrichtung entgegenwirkende Anordnung zugeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Außenseite der Leitungsabschnitte mit einer strahlungsreflektierenden Schicht versehen ist.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform werden die Leitungsabschnitte von Strahlenschilden umschlossen, die vorzugsweise einen Abstand von der Außenseite der Leitungsabschnitte einhalten.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, daß die Leitungsabschnitte von zusammengepreßter Glas­ faser umschlossen werden, daß die Leitungsabschnitte von einer sich mehrfach überlappend gewickelten, strahlungsreflektierenden Folie umhüllt sind, daß die Leitungsabschnitte jeweils von einem wärmeisolieren­ den mikroporösen Festkörper umschlossen werden, oder daß der Isolierraum von einem mikroporösen Material ausgefüllt ist.

Zur Behinderung der Wärmeübertragung stellt es ebenfalls eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, wenn die Leitungsabschnitte aus Kunststoff bestehen, weil dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die metallischer Leitungen.

Da die Konvektion um so geringer ist, je niedriger der Leitungsquerschnitt ist, stellt es bei etwa horizontal verlaufenden geradlinigen Leitungsabschnitten eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß der Querschnitt dieser Leitungsabschnitte eine geringe vertikale Erstreckung aufweist.

Bei etwa horizontal verlaufenden Leitungsabschnitten besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung da­ rin, daß diese Leitungsabschnitte mit der Unterseite des Innenbehälters verbunden sind und unterhalb des Innenbehälters verlaufen. Dadurch wird vom Innenbe­ hälter abgegebene Wärme die Oberseite der etwa hori­ zontalen Leitungsabschnitte erwärmen, während ihre Unterseite Wärme an den Außenbehälter abgibt, so daß das im Leitungsabschnitt befindliche Medium einen sich von unten nach oben erhöhenden Temperaturverlauf aufweisen wird, der zur Ausbildung einer stabilen Temperaturbeschichtung führt, während bei der Anordnung über dem Innenbehälter die Abkühlung oben und die Erwärmung unten erfolgt, was im Leitungsabschnitt zu einer Zirkulation führen kann.

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

Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers mit im Bereich des Isolierraums überwiegend horizontal verlau­ denden Leitungen,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt in einer um 90° ge­ drehten Schnittebene,

Fig. 3 einen stark vergrößerten schematischen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1 durch einen Leitungsabschnitt und

Fig. 4 einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Wärmetauschers.

Bei allen Schnittdarstellungen ist die Struktur des Speicherkerns nicht dargestellt. Gleiche oder einan­ der entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugs­ zahlen gekennzeichnet.

Gezeigt ist ein Wärmespeicher in zylindrischer Bau­ form, dessen Zylinderachse in Einbaulage in vertika­ ler Richtung verläuft. Ein nicht gezeigter Speicher­ kern, der die unmittelbar der Wärmespeicherung die­ nende Einrichtung darstellt, wird von einem Innenbehälter 10 umschlossen. Den Innenbehälter 10 umgibt mit einem der Bildung eines Isolierraums 14 dienenden Abstand ein Außenbehälter 12. Der Isolierraum ist vorzugsweise evakuiert. Er kann ein mikroporöses Isoliermaterial enthalten.

Eine Zuleitung 16 und eine Rückflußleitung 18 für ein wärmetransportierendes Medium, beispielsweise das Kühlwasser eines Verbrennungsmotors, münden an der unteren Stirnwand 20 in den Innenbehälter 10, so daß sich an die Stirnwand 20 zunächst kurze vertikale Leitungsabschnitte 16a bzw. 18a anschließen, die über Krümmer 44 in horizontale Leitungsabschnitte 16b bzw. 18b übergehen, die seitlich aus dem Außenbehälter herausführen. Die Einmündung in den Innenbehälter 10 ist dabei soweit aus dem Mittel der Stirnwand 20 herausgelegt, daß sich eine möglichst große Länge der horizontalen Leitungsabschnitte 16b und 18b ergibt, die gleichermaßen einen Abstand von der Stirnwand 20 des Innenbehälters 10 als auch von der ihr gegenüber­ liegenden Stirnwand 26 des Außenbehälters 12 einhal­ ten.

Wenn die Zirkulation des wärmeübertragenden Mediums unterbrochen wird, etwa bei Betriebsruhe eines Kraft­ fahrzeugs, dessen Motorkühlwasser zur Aufladung des Wärmespeichers eingesetzt wird, kühlt sich der außer­ halb des Wärmespeichers befindliche Leitungsbereich gegenüber dem heißen Speicherkern ab, so daß ein Temperaturgefälle zwischen dem Speicherkern und dem äußeren Leitungsbereich entsteht. Aufgrund der größe­ ren Dichte des kühleren Mediums wird dieses in den vertikalen Leitungsabschnitten unten bleiben, während das wärmere Medium mit geringerer Dichte oben bleibt, so daß sich im Bereich der vertikalen Leitungsabschnitte eine Sperrschicht ausbilden kann, sofern nicht durch eine quer zur Leitungsrichtung erfolgende Wärme­ übertragung eine die Ausbildung der Sperrschicht störende Konvektion entsteht.

Selbst wenn sich die Sperrschicht ungestört ausbilden kann, ist beim dargestellten Wärmespeicher die Länge der vertikalen Leitungsabschnitte 16a und 18a nicht groß genug, um eine ausreichende Isolierwirkung er­ reichen zu können.

Diese Isolierwirkung wird deshalb dadurch erreicht, daß die Konvektion in den horizontalen Leitungs­ abschnitten 16b und 18b weitgehend unterbunden wird.

Es ist bekannt, daß sich in relativ dünnen Strö­ mungsmittelschichten eine Konvektion nicht ausbilden kann, weshalb die horizontalen Leitungsabschnitte 16b und 18b mit fest eingebauten Elementen versehen sind, die das in diesen Abschnitten 16b und 18b befindliche Strömungsmedium so aufteilen, daß der benetzte Umfang im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt so groß ist, daß Konvektion weitgehend verhindert wird.

Eine mögliche Ausführungsform eines solchen Elements ist in Fig. 4 näher dargestellt. Der Querschnitt des dort gezeigten horizontalen Leitungsabschnitts 16b enthält ein spiralig gewickeltes Element 31, dessen Windungen 33 einen geringen Abstand voneinander einhalten, der durch noppenförmige Erhebungen 35 bestimmt wird, die in das Element 31 eingedrückt sind.

Eine ähnliche Wirkung kann dadurch erreicht werden, daß man in nicht gezeigter Weise den Querschnitt in den Leitungsabschnitten 16b und 18b durch eine Anzahl paralleler Wände in einzelne, in Strömungsrichtung verlaufende, flache Kanäle unterteilt.

Auch durch die Anordnung gepreßter, vorwiegend in Strömungsrichtung verlaufender Glasfasern in den Leitungsabschnitten 16b und 18b kann das gewünschte Verhältnis zwischen benetztem Umfang und Strö­ mungsquerschnitt erreicht werden.

Um in diesen Leitungsabschnitten 16b und 18b die Anregung von Konvektion durch eine quer zur Lei­ tungsrichtung stattfindende Wärmeabfuhr oder Wärme­ zufuhr zu unterdrücken, ist das Element 31 vorzugs­ weise aus einem wärmeisolierenden Material herge­ stellt. Auch die parallelen, vorstehend erwähnten Wände können vorzugsweise aus einem solchen Material bestehen. Zum gleichen Zweck können die Leitungen oder zumindest die Leitungsabschnitte, in deren Be­ reich die Konvektion verhindert werden soll, aus Kunststoff bestehen.

Die unerwünschte Wärmeübertragung kann außerdem durch Isoliermaßnahmen auf der Außenseite der Leitungsab­ schnitte 16b und 18b behindert werden. Inbesondere kann die Außenfläche 37 der Leitungsabschnitte 16b und 18b mit einer strahlungsreflektierenden Beschich­ tung versehen werden. Auch können die Leitungsab­ schnitte 16b und 18b mit Isolierschichten 39 versehen werden, etwa durch die Umwicklung mit einer strah­ lungsreflektierenden Folie oder die Umschließung mit gepreßtem Glasfasermaterial oder durch einen mikropo­ rösen Festkörper, aber auch die Anordnung von Strah­ lenschilden 41 um diese Leitungsabschnitte ist ge­ eignet, die Wärmeübertragung in Querrichtung zu be­ hindern.

Eine andere Unterstützung der Maßnahmen zur Unter­ drückung der Konvektion in den horizontalen Leitungs­ abschnitten 16b und 18b besteht darin, wie aus Fig. 2 ersichtlich, diesen Leitungsabschnitten einen flachen Querschnitt zu geben, der seine größte Aus­ dehnung in horizontaler Richtung hat.

Bei dieser Anordnung unterstützt die Wärmeübertragung vom Innenbehälter 10 auf die Oberseite der Leitungs­ abschnitte 16b und 18b und von deren Unterseite auf den Außenbehälter 12 sogar die Ausbildung einer sta­ bilen Temperaturschichtung in dem in diesen Leitungs­ abschnitten befindlichen Strömungsmedium.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird angenommen, daß aufgrund der vorgegebenen Einbausituation die Leitungen 16′ und 18′ an die obere Stirnwand 50 des Innenbehälters 10 angeschlossen sind und von dort in vertikaler Richtung durch den Außenbehälter 12 nach außen geführt sind. Da sich in diesem Fall während der Speicherphase das warme Medium unten, das kalte Medium dagegen oben befindet, kann sich eine stabile Sperrschicht nicht ausbilden. Um eine ausreichende Wärmeisolation im Leitungsbereich zu erhalten, wird auch in diesen vertikalen Leitungen 16′ und 18′ eines der vorstehend bereits beschriebenen Elemente, z. B. das Element 31 eingebaut, um Konvektion weitgehend zu unterdrücken.

Claims (19)

1. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Speicherkern enthaltenden Innenbehälter (10), einem unter Bildung eines vorzugsweise evakuierten Isolierraums (14) den Innenbehälter mit Abstand umgebenden Außenbehälter (12) und zwei von außen durch den Isolierraum (14) geführten Leitungen (16, 18), deren eine als Zuflußleitung und deren andere als Rückflußleitung für ein wärmetransportierendes Medium dient und die beide im Bereich des Isolierraums (14) derart angeordnet sind, daß sie einen möglichst langen, geradlinigen Abschnitt (16b, 18b; 16′, 18′) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der geradlinigen Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) eine so dichte Anordnung von in Durchflußrichtung verlaufenden, fest eingebauten Elementen (31) enthält, daß die benetzte Fläche im Vergleich zum Strömungsquerschnitt so groß ist, daß Konvektion weitgehend unterbunden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Leitungsabschnitt (16b, 18b) horizontal verläuft und die Leitungen (16, 18) zwischen dem Innenbehälter (10) und dem geradlinigen horizontalen Abschnitt (16b, 18b) jeweils einen in Einbaulage des Wärmespeichers zumindest annähernd vertikal nach unten verlaufenden Leitungsabschnitt (16a, 18a) aufweisen.

3. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (31) enge, in Leitungsrichtung verlaufende Kanäle bilden.

4. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) von einem Glasfaserbett ausgefüllt wird, dessen Fasern vorwiegend in Leitungsrichtung orientiert sind.

5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) eine Anzahl paralleler, in Längsrichtung der Leitung verlaufender, zwischen sich Spalten bildender Wände enthält.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände aus thermisch isolierendem Material bestehen.

7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) ein mit Abstand zwischen seinen Windungen (33) ihren Querschnitt spiralig ausfüllendes Element (31) enthalten.

8. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (31) mit den Abstand zwischen seinen Windungen (33) bestimmenden Erhebungen (35) versehen ist.

9. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den die eingebauten Elemente enthaltenden Leitungsabschnitten (16b, 18b; 16′, 18′) eine dem Wärmezufluß und Wärmeabfluß quer zur Leitungsrichtung entgegenwirkende Anordnung zugeordnet ist.

10. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite (37) der Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) mit einer strahlungsreflektierenden Schicht versehen ist.

11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) von Strahlenschilden (41) umschlossen werden.

12. Wärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenschilde (41) einen Abstand von der Außenseite (37) der Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) einhalten.

13. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) von zusammengepreßter Glasfaser umschlossen werden.

14. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) von einer sich mehrfach überlappend gewickelten strahlungsreflektierenden Folie umhüllt sind.

15. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) jeweils von einem wärmeisolierenden mikroporösen Festkörper (39) umschlossen werden.

16. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierraum (14) von einem mikroporösen Material ausgefüllt ist.

17. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa horizontal verlaufenden geradlinigen Leitungsabschnitten (16b, 18b) der Querschnitt dieser Leitungsabschnitte eine geringe vertikale Erstreckung aufweist.

18. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa horizontal verlaufenden Leitungsabschnitten (16b, 18b) diese Leitungsabschnitte mit der Unterseite des Innenbehälters verbunden sind und unterhalb des Innenbehälters verlaufen.

19. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die eingebaute Elemente enthaltenden Leitungsabschnitte (16b, 18b; 16′, 18′) aus Kunststoff bestehen.