DE4106585C1 - Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbeson­ dere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme ge­ speiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Spei­ cherkern enthaltenden Innenbehälter, einem unter Bildung eines - gegebenenfalls evakuierten - Iso­ lierraums den Innenbehälter mit Abstand umgebenden Außenbehälter, zwei von außen durch den Isolierraum in den Innenbehälter geführten Leitungen, deren eine als Zuflußleitung und deren andere als Rückflußlei­ tung für ein wärmetransportierendes Medium dient, wobei der Innenbehälter an zwei voneinander abgewand­ ten Stirnseiten über jeweils einen auf Zug bean­ spruchbaren Anker mit geringer Wärmeleitfähigkeit am Außenbehälter aufgehängt ist, von denen ein Anker durch eine in Richtung des Abstands zwischen diesen Stirnseiten wirksame Vorspannung unter Zugspannung gehalten ist.

Ein Wärmespeicher dieser Art ist aus der DE 37 25 165 C2 bekannt. Dabei ist zur Erzeugung der Vorspannung zwischen einer ersten Stirnseite des Innenbehälters und dem Außenbehälter eine Feder eingespannt.

Um die gespeicherte Wärme möglichst vor Verlusten zu schützen, ist eine hochwirksame Isolierung zwischen Innenbehälter und Außenbehälter erforderlich, wobei insbesondere auch ein verhältnismäßig geringes Volu­ men der Isolierung erwünscht ist, damit das Gesamtvo­ lumen des Wärmespeichers klein gehalten werden kann, wie dies insbesondere beim Einbau in Kraftfahrzeuge erforderlich ist, weil nur geringer Raum für zusätzli­ che Aggregate zur Verfügung steht. Um das Fahrzeugge­ wicht nicht zusätzlich zu belasten, soll auch das Ge­ wicht eines derartigen Wärmespeichers gering gehalten werden.

Eine diesen Anforderungen besonders gerecht werdende Isolierung ist ein Vakuumspalt zwischen Innenbehälter und Außenbehälter. Dabei ist eine Fixierung des In­ nenbehälters innerhalb des Außenbehälters erforder­ lich, die ihrerseits ein möglichst geringes Gewicht aufweisen und möglichst geringe Wärmeverluste ver­ ursachen soll.

Beim bekannten Wärmespeicher wurde deshalb ange­ strebt, daß der Innenbehälter in möglichst einfacher Weise zuverlässig im Außenbehälter festgelegt ist, wobei diese Fixierung außerdem den Anforderungen nach möglichst geringem Gewicht, möglichst geringen Wärme­ verlusten und Ausgleich der bei Temperaturschwankun­ gen auftretenden Wärmedehnungen entsprechen sollte.

Die Fixierung des Innengehäuses im Außengehäuse durch eine Aufhängung bietet den Vorteil, daß im wesentli­ chen nur Zugkräfte übertragen werden müssen, wodurch geringe Querschnitte möglich werden, die einerseits das erforderliche Gewicht und andererseits auch die auftretenden Wärmeverluste gering halten. Die Feder hält die Aufhängung unter Spannung, gleicht den Ein­ fluß der Wärmedehnung aus und unterdrückt oder dämpft unerwünschte Schwingungen.

Bei der bekannten Konstruktion wirkt der unter Zug­ spannung stehende Anker als Festlager, während der andere Anker als Loslager gestaltet ist, das den Innenbehälter gegenüber dem Außenbehälter quer zur Wirkungsrichtung der Feder abstützt, nicht aber in dieser Wirkungsrichtung.

Der Einbau der Feder und einer Einrichtung zur Ein­ stellung der Federkraft verursacht Material- und Arbeitskosten, außerdem wird ein entsprechender Be­ reich des Isolierraums in Anspruch genommen. Da zweckmäßigerweise die Zuflußleitung und die Abfluß­ leitung im Bereich des Festlagers den Isolierraum durchqueren und in den Innenbehälter einmünden, ist die zusätzliche Inanspruchnahme dieses Bereichs durch die Federanordnung störend.

In dem Bestreben, das Einbauvolumen des Wärmespei­ chers möglichst gering zu halten, ist es gelungen, die Dicke des Isolierraums in dem die beiden vonein­ ander abgewandten Stirnseiten des Innenbehälters verbindenden Bereich bis auf wenige Millimeter zu reduzieren. Bei einer solchen Konstruktion müssen die Wandungen von Innen- und Außenbehälter in diesem Bereich ihren Abstand sicher beibehalten, insbeson­ dere muß bei einer Hochvakuumisolierung verhindert werden, daß sich die Behälter berühren.

Es hat sich gezeigt, daß aufgrund thermischer Ein­ flüsse bei Herstellung und Betrieb entstehende Deh­ nungen bzw. Verkürzungen im Bereich der den beiden Stirnseiten zugeordneten Aufhängungen des Innenbehäl­ ters unterschiedliche absolute Werte annehmen können, d. h. bei einer durch die Feder im Bereich der einen Stirnseite auf Zug beanspruchten Aufhängung kann die Aufhängung im Bereich der anderen Stirnseite eine Bewegung zwischen Innenbehälter und Aufhängung bzw. Außenbehälter zulassen, in deren Folge Außen- und Innenbehälter ihre parallele Lage zueinander verlas­ sen können. Das Auftreten unerwünschter Schwingungen oder von Klappergeräuschen kann dann nicht verhindert werden, außerdem kann die Isolierwirkung beeinträch­ tigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wär­ mespeicher der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen, zur Senkung der Material- und Montage­ kosten eine gesonderte Federanordnung zu vermeiden und zugleich dafür zu sorgen, daß Verlagerungen zwi­ schen Innen- und Außenbehälter mit einfachen Mitteln sicher unterbunden werden und daß die Anker an beiden voneinander abgewandten Stirnseiten des Innenbehäl­ ters stets unter Spannung stehen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht - falls der Iso­ lierraum nicht evakuiert ist - darin, daß die beiden voneinander abgewandten Stirnseiten des Innenbehäl­ ters und die ihnen benachbarten Endabschnitte des Außenbehälters jeweils fest mit dem einen bzw. ande­ ren Ende des zugeordneten Ankers verbunden sind, daß die Befestigungsstellen der Anker am Innenbehälter einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Befestigungsstellen der Anker am Außenbehälter, daß die Wandung des Außenbehälters zwischen den beiden Endabschnitten als federelastisch verformbarer, nach dem Einbau des Innenbehälters unter Zugspannung ste­ hender Abschnitt ausgebildet ist, wobei die Zugkraft größer ist als die im Betrieb maximal zu erwartende, am Innenbehälter in Richtung des Abstands seiner Stirnseiten auftretende Trägheitskraft, und daß zur Befestigung des Wärmespeichers dessen einem Endab­ schnitt ein Festlager und dessen anderem Endabschnitt ein Loslager zugeordnet ist, das den Wärmespeicher quer zum Abstand zwischen beiden Stirnwänden fest­ legt, jedoch eine Bewegung in Richtung dieses Ab­ stands zuläßt.

Ist der Isolierraum evakuiert, besteht die Lösung darin, daß die beiden voneinander abgewandten Stirn­ seiten des Innenbehälters und die ihnen benachbarten Endabschnitte des Außenbehälters jeweils fest mit dem einen bzw. anderen Ende des zugeordneten Ankers ver­ bunden sind, daß die Befestigungsstellen der Anker am Innenbehälter einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Befestigungsstellen der Anker am Außenbehälter, daß die Wandung des Außenbehälters zwischen den beiden Endabschnitten als feder­ elastisch verformbarer, nach dem Einbau des Innenbe­ hälters und vor der Evakuierung des Isolierraums unter Zugspannung stehender Abschnitt ausgebildet ist, wobei die Zugkraft größer ist als die im Betrieb maximal zu erwartende, am Innenbehälter in Richtung des Abstands seiner Stirnseiten auftretende Träg­ heitskraft verringert um die nach der Evakuierung des Isolierraums aufgrund des Druckunterschiedes in Richtung einer Annäherung der beiden Endabschnitte wirksamen Kraft, und daß zur Befestigung des Wärme­ speichers dessen einem Endabschnitt ein Festlager und dessen anderem Endabschnitt ein Loslager zugeordnet ist, das den Wärmespeicher quer zum Abstand zwischen beiden Stirnwänden festlegt, jedoch eine Bewegung in Richtung dieses Abstands zuläßt.

Es ergibt sich so eine sehr einfache, leicht zu montierende Konstruktion mit geringer Inanspruchnahme des Isolierraums durch die Aufhängung des Innenbehäl­ ters im Außenbehälter. Beim Einbau werden die Anker unter Zugspannung gesetzt, die durch die Evakuierung des Isolierraums verstärkt wird, weil der äußere Luftdruck bestrebt ist, die beiden Endabschnitte des Außenbehälters einander zu nähern. Thermisch bedingte Längenänderungen der Anker werden so jeweils ausge­ glichen, so daß der Innenbehälter zuverlässig relativ zum Außenbehälter positioniert bleibt. Außerdem ist die Zugspannung so dimensioniert, daß im Betrieb auftretende Trägheitskräfte nicht in der Lage sind, unter Dehnung des elastisch verformbaren Abschnitts des Außenbehälters den Innenbehälter zu verlagern.

Um die Leitungen dem Einfluß der thermisch bedingten Längenänderungen des Wärmespeichergehäuses zu entzie­ hen, besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß sich das Festlager im Bereich der Leitungen be­ findet.

Vorzugsweise besteht jeder Anker aus einer Gruppe von Stegen mit geringem Querschnitt, wobei vorzugsweise jede Gruppe mindestens drei Stege umfaßt.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können die Stege einer Gruppe zu einem Zuganker ver­ bunden sein, der vorzugsweise als Stanzteil gestaltet ist.

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

Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfin­ dungsgemäß gestalteten Wärmespeicher mit zylindrischer Gehäuseform,

Fig. 2 eine Ansicht eines der Anker und

Fig. 3 eine Ansicht eines zugleich als Verdrehsicherung dienenden Ankers.

Der dargestellte Wärmespeicher besteht aus einem kreiszylindrischen Innenbehälter 10 und einem eben­ solchen Außenbehälter 12, zwischen welchen ein Iso­ lierraum 14 ausgebildet ist. Eine Zuleitung 16 und eine Rückflußleitung 18 sind im oberen Bereich einer Stirnwand 20 des Innenbehälter 10 an diesem ange­ schlossen und sind durch den Isolierraum 14 vertikal nach unten aus dem Außenbehälter 12 herausgeführt. Die andere Stirnwand des Innenbehälters ist mit 22 bezeichnet.

Der Außenbehälter 12 besteht aus einem zylindrischen Mantel 24, der mit geringem Abstand in der Größen­ ordnung von wenigen Millimetern konzentrisch den Innenbehälter 10 umschließt, und zwei mit diesem Mantel 24 verbundenen Stirnwänden 26 und 28. Mit axialem Abstand von den Stirnwänden 26 und 28 enthält der Mantel 24 einen federelastisch verformbaren Ab­ schnitt 30, der hier als Wellrohr ausgebildet ist.

Die nicht verformbaren Abschnitte 32 und 34 des Mantels 24 bilden mit der Stirnwand 26 bzw. 28 jeweils einen starren Endabschnitt 36 bzw. 38 des Außenbehälters.

Die Stirnwand 20 des Innenbehälters 10 ist mit einem zentralen Anschlußpunkt 40 versehen, auf dem ein erster Zuganker 42 mit einem zentralen Befestigungs­ abschnitt 44 befestigt ist. Der Zuganker 42 besitzt vier sich radial erstreckende Stege 46, deren äußere Enden mit Befestigungsflanschen 48 versehen sind, die beispielsweise durch Schweißen fest mit dem Abschnitt 32 des Mantels 24 des Außenbehälters 12 verbunden sind.

Die andere Stirnwand 22 des Innenbehälters 10 trägt mit diametralem Abstand voneinander und mit gleichem Abstand von der Achse des Innenbehälters 10 zwei Anschlußbolzen 54 und 56, denen an einem inneren Rahmen 58 eines Zugankers 52 zwei Bohrungen 60 und 62 zugeordnet sind. Von den diese Bohrungen 60 bzw. 62 umgebenden Abschnitten 64 bzw. 66 des inneren Rahmens 58 gehen paarweise Stege 68 und 70 bzw. 72 und 74 aus. Die Stege 68 und 70 bzw. 72 und 74 eines jeden Stegpaares sind jeweils derart V-förmig angeordnet, daß sie sich im Abschnitt 64 bzw. 66 vereinigen und die im jeweils anderen Abschnitt 66 bzw. 64 angeord­ nete Bohrung 62 bzw. 60 auf ihrer Winkelhalbierenden liegt und von ihnen eingeschlossen wird. Die beiden Stegpaare 68 und 70 bzw. 72 und 74 kreuzen sich somit gegenseitig, wodurch der innere Rahmen 58 eine rau­ tenförmige Gestalt erhält. Die äußeren Enden der Stege 68 bis 74 sind durch einen ringförmigen äußeren Rahmen 76 miteinander verbunden, der eine mit der Innenfläche des Abschnitts 34 Mantels 24 verbundene Abwinkelung 78 aufweist. Durch diese Gestaltung dient der Zuganker 52 zugleich als Verdrehsicherung und verhindert eine Drehung des Innenbehälters 10 relativ zum Außenbehälter 12.

Die Abmessungen des verformbaren Abschnitts 30 des Mantels 24 und des Innenbehälters 10 sind so aufein­ ander abgestimmt, daß beim Einbau des Innenbehälters 10 eine geringe Dehnung des Abschnitts 30 stattfin­ det, die die beiden Zuganker 42 und 52 spannt, die derart angeordnet sind, daß ihre Befestigungsstellen an den Abschnitten 32 bzw. 34 einen geringeren Ab­ stand voneinander aufweisen als ihre Befestigungs­ stellen am Innenbehälter 10. Wenn nach dem Zusammen­ bau des Wärmespeichers der Isolierraum evakuiert wird, ist der äußere Luftdruck bestrebt, die beiden Endabschnitte 36 und 38 des Außenbehälters 12 einan­ der anzunähern, wodurch die Zugspannung in den Zugan­ kern 42 und 52 verstärkt wird.

Zum Einbau des Wärmespeichers am Einsatzort sind den beiden Endabschnitten 36 und 38 zwei Lager zugeordnet, von denen das im Bereich der Zuleitung 16 und der Rückflußleitung 18, also im Bereich des Endabschnitts 36 befindliche Lager 80 als Festlager ausgebildet ist, während das Lager 82 im Bereich des Endab­ schnitts 38 als Radiallager gestaltet ist, das dem Endabschnitt 38 eine Bewegung in Richtung der Achse von Innenbehälter 10 und Außenbehälter 12 gestattet, damit sich die Elastizität des Abschnitts 30 zur Zugbelastung der Zuganker 42 und 52 auswirken kann.

Unter dem Einfluß im Betrieb auftretender Trägheits­ kräfte könnte der Innenbehälter 10 in der Zeichnung nach rechts bewegt werden, weil der Endabschnitt 38 des Außenbehälters 12 im Loslager 82 an dieser Be­ wegung teilnehmen kann. Es wird deshalb die Zugkraft im verformbaren Abschnitt 30 so bemessen, daß sie die maximal im Betrieb zu erwartende, dieser Zugkraft entgegengesetzt gerichtete Trägheitskraft am Innenbe­ hälter 10 abstützen kann. Dabei ist zu berücksichti­ gen, daß bei einem evakuierten Isolierraum ein Teil dieser Trägheitskraft von der Kraft aufgenommen wer­ den kann, die aufgrund der Differenz der Drücke in­ nerhalb und außerhalb des Außenbehälters 12 bestrebt ist, die beiden Endabschnitte 36 und 38 des Außenbe­ hälters 12 einander anzunähern.

Claims (8)

1. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeughei­ zungen, mit einem einen Speicherkern enthaltenden Innenbehälter (10), einem unter Bildung eines Iso­ lierraums (14) den Innenbehälter (10) mit Abstand umgebenden Außenbehälter (12), zwei von außen durch den Isolierraum (14) in den Innenbehälter (10) ge­ führten Leitungen, deren eine als Zuflußleitung (16) und deren andere als Rückflußleitung (18) für ein wärmetransportierendes Medium dient, wobei der Innen­ behälter (10) an zwei voneinander abgewandten Stirn­ seiten (20, 22) über jeweils einen auf Zug bean­ spruchbaren Anker (42, 52) mit geringer Wärmeleit­ fähigkeit am Außenbehälter (12) aufgehängt ist, von denen ein Anker durch eine in Richtung des Abstands zwischen diesen Stirnseiten wirksame Vorspannung unter Zugspannung gehalten ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden voneinander abgewandten Stirnsei­ ten (20, 22) des Innenbehälters (10) und die ihnen benachbarten Endabschnitte (36, 38) des Außenbehäl­ ters (12) jeweils fest mit dem einen bzw. anderen Ende des zugeordneten Ankers (42, 52) verbunden sind, daß die Befestigungsstellen der Anker (42, 52) am Innenbehälter (10) einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Befestigungsstellen der Anker (42, 52) am Außenbehälter (12), daß die Wandung des Außen­ behälters (12) zwischen den beiden Endabschnitten (36, 38) als federelastisch verformbarer, nach dem Einbau des Innenbehälters (10) unter Zugspannung stehender Abschnitt (30) ausgebildet ist, wobei die Zugkraft größer ist als die im Betrieb maximal zu erwartende, am Innenbehälter (10) in Richtung des Abstands seiner Stirnseiten (20, 22) auftretende Trägheitskraft, und daß zur Befestigung des Wärme­ speichers dessen einem Endabschnitt (36) ein Fest­ lager (80) und dessen anderem Endabschnitt (38) ein Loslager (82) zugeordnet ist, das den Wärmespeicher quer zum Abstand zwischen beiden Stirnwänden (26, 28) festlegt, jedoch eine Bewegung in Richtung dieses Abstands zuläßt.

2. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeughei­ zungen, mit einem einen Speicherkern enthaltenden Innenbehälter (10), einem unter Bildung eines eva­ kuierten Isolierraums (14) den Innenbehälter (10) mit Abstand umgebenden Außenbehälter (12), zwei von außen durch den Isolierraum (14) in den Innenbehälter (10) geführten Leitungen, deren eine als Zuflußleitung (16) und deren andere als Rückflußleitung (18) für ein wärmetransportierendes Medium dient, wobei der Innenbehälter (10) an zwei voneinander abgewandten Stirnseiten (20, 22) über jeweils einen auf Zug bean­ spruchbaren Anker (42, 52) mit geringer Wärmeleit­ fähigkeit am Außenbehälter (12) aufgehängt ist, von denen ein Anker durch eine in Richtung des Abstands zwischen diesen Stirnseiten wirksame Vorspannung unter Zugspannung gehalten ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden voneinander abgewandten Stirnsei­ ten (20, 22) des Innenbehälters (10) und die ihnen benachbarten Endabschnitte (36, 38) des Außenbehäl­ ters (12) jeweils fest mit dem einen bzw. anderen Ende des zugeordneten Ankers (42, 52) verbunden sind, daß die Befestigungsstellen der Anker (42, 52) am Innenbehälter (10) einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Befestigungsstellen der Anker (42, 52) am Außenbehälter (12), daß die Wandung des Außen­ behälters (12) zwischen den beiden Endabschnitten (36, 38) als federelastisch verformbarer, nach dem Einbau des Innenbehälters (10) und vor der Evakuie­ rung des Isolierraums (14) unter Zugspannung stehen­ der Abschnitt (30) ausgebildet ist, wobei die Zugkraft größer ist als die im Betrieb maximal zu erwartende, am Innenbehälter (10) in Richtung des Abstands seiner Stirnseiten (20, 22) auftretende Trägheitskraft verringert um die nach der Evakuierung des Isolierraums (14) aufgrund des Druckunterschiedes in Richtung einer Annäherung der beiden Endabschnitte (36, 38) wirksamen Kraft, und daß zur Befestigung des Wärmespeichers dessen einem Endabschnitt (36) ein Festlager (80) und dessen anderen Endabschnitt (38) ein Loslager (82) zugeordnet ist, das den Wärmespei­ cher quer zum Abstand zwischen beiden Stirnwänden (26, 28) festlegt, jedoch eine Bewegung in Richtung dieses Abstands zuläßt.

3. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anker (42, 52) aus einer Gruppe von Stegen (46; 68, 70, 72, 74) mit geringem Querschnitt besteht.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Gruppe mindenstens drei Stege umfaßt.

5. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Anker (52) als Verdrehsicherung zwischen Innen- und Außenbehälter angeordnet ist.

6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (46; 68, 70, 72, 74) einer Gruppe zu einem Zuganker (42; 52) verbunden sind.

7. Wärmespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zuganker (42; 52) als Stanzteil ausgebildet ist.

8. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlager (80) sich im Bereich der Leitungen (16, 18) befindet.