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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung der im
Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Art.
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Die Probleme beim Kaltstarten von Brennkraftmaschinen, wie etwa
Kraftfahrzeugmotoren, sind allgemein bekannt. Diese Probleme werden
normalerweise überwunden, indem man vor dem Starten des Motors den Motor
mit einer separaten Wärmequelle, wie etwa einem elektrischen
Motorheizer verbindet. Es sind auch Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die den
Wärmegehalt von Kühlmittel, das von dem Motor erhitzt worden ist,
selbst nutzen, durch Speichern der Flüssigkeit in einem isolierten
Behälter, der mit dem Motorkühlsystem verbunden werden kann. Jedoch
unterliegen solche Vorrichtungen speziellen Anforderungen, wenn sie zur
Verwendung in moderneren Brennkraftmaschinen dienen sollen, die sog.
geschlossene Kühlsysteme beinhalten, die mit einem kontinuierlichen
Kühlmittelvolumen arbeiten.
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Ein Beispiel einer für diesen Zweck dienenden Vorrichtung ist in der
schwedischen Patentschrift SE-B-444 348 beschrieben, wobei diese
Vorrichtung die Technologie darstellt, auf der die vorliegende Erfindung nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1 beruht. Diese Patentschrift beschreibt
eine Anordnung für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen, deren
Motorblöcke mit Leitungen für die Zirkulation von Wasserkühlmittel versehen
sind, umfassend einen wärmeisolierten Speicherbehälter zum Speichern
von heißem Kühlmittel, eine umkehrbare Pumpe, mittels der das
Kühlmittel aus den Leitungen in dem Motorblock zu dem wärmeisolierten
Speicherbehälter und von dort zurück zu den Leitungen in dem
Motorblock gepumpt werden kann, wobei der Speicherbehälter mit Hilfe eines
hin- und herbeweglichen Kolbenmittels in zwei Kammern unterteilt ist und
wobei die Kammern mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen der
Motorblock-Kühlmittelleitungen in Verbindung stehen. Im Falle dieser
Ausführung enthält eine Kammer in dem Speicherbehälter kaltes
Kühlmittel, wenn der Motor läuft. Wenn der Motor gestoppt wird, wird heißes
Kühlmittel in die andere Kammer gepumpt, um hierdurch den Kolben zu
verdrängen und das kalte Kühlmittel zu den Leitungen in dem Motorblock
zu führen. Vor dem Wiederanlassen des Motors wird die Pumpe, obwohl
nun in der entgegengesetzten Richtung, aktiviert, um das gespeicherte
heiße Kühlmittel aus der anderen Kammer zu den Leitungen in dem
Motorblock zu führen, während gleichzeitig kaltes Kühlmittel aus dem
Motorblock zu der erstgenannten Kammer geführt wird.
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Diese Problemlösung hat gewisse Nachteile. Erstens ist der
Speicherbehälter gekühlt, wenn dessen eine Kammer durch das bewegliche
Kolbenmittel von seinem heißen Kühlmittelinhalt geleert ist, und kaltes
Kühlmittel nacheinander aus dem Motor in die andere Kammer der
Speichervorrichtung geführt wird, d. h., es wird kaltes Kühlmittel in dem Behälter
gespeichert, wenn der Motor läuft. Wenn der Motor gestoppt wird, wird
dann von dem Motorblock zu dem Behälter gelaufenes heißes Kühlmittel
in einer Kammer gespeichert, die durch das kalte Kühlmittel gekühlt
worden ist, wodurch der Wirkungsgrad der Anordnung stark reduziert wird.
Zweitens erfordert die Anordnung das Vorhandensein einer umkehrbaren
Pumpe.
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Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Wärmespeichervorrichtung anzugeben, die einen isolierten Speicherbehälter umfaßt,
dessen Temperatur der Temperatur des Kühlmittels während laufendem
Motor entspricht und die nur das Vorhandensein einer einfach wirkenden
Pumpe erfordert. Anders gesagt ist es das Ziel der Erfindung, eine
Wärmespeichervorrichtung anzugeben, die heißes Kühlmittel durch die
Speichervorrichtung mit der Absicht fließen läßt, diese zu erwärmen, wenn
der Motor läuft. Im Hinblick hierauf ist es auch wesentlich, daß das
nor
malerweise in der Leitung verbleibende Kühlmittel zu dem Motor fließt,
um hierdurch den Behälter von Kühlmittel vollständig zu leeren.
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Es war mit den zuvor bekannten Wärmespeicheranordnungen, die
wassergekühlte Brennkraftmaschinen betreffen, nicht möglich, diese
erfindungsgemäßen Ziele zu erreichen. Die Ziele werden jedoch nach der Erfindung
mit Hilfe einer Wärmespeichervorrichtung erreicht, die die Merkmale der
folgenden Ansprüche aufweist.
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Die Erfindung wird nun im näheren Detail anhand einer nicht
einschränkenden Ausführung und auch anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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Fig. 1 ist eine teilgeschnittene schematische Darstellung einer
wassergekühlten Brennkraftmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen
Wärmespeichervorrichtung ausgestattet ist;
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Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht der Wärmespeichervorrichtung, durch
die bei laufendem Motor heißes Kühlmittel fließt; und
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Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht der Wärmespeichervorrichtung, wobei
das gespeicherte Kühlmittel zu dem Motor läuft.
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Nun zu der Zeichnung. Die Bezugszahl 1 bezeichnet allgemein eine
wassergekühlte Brennkraftmaschine, deren Motorblock 2 eine
Kühlmittelpumpe 3 sowie Kühlmittelzirkulationsleitungen (im Detail nicht gezeigt)
enthält, wobei das Kühlmittel auch durch einen luftgekühlten
Wärmeaustauscher 4, einen sogenannten Kühler, fließt.
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Ein Ende der jeweiligen Kühlmittelleitungen in dem Motorblock 2 ist mit
einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung 6 mittels einer
Leitung 5 verbunden. Die Wärmespeichervorrichtung 6 enthält einen
isolier
ten Speicherbehälter 7 mit einer ersten Kammer 8, die von einer zweiten
Kammer 8' mittels eines hin- und herbeweglichen Kolbenmittels 9
getrennt ist. Die zweite Kammer 8' ist mit einer Pumpe 10 verbunden, die
wiederum mittels einer weiteren Leitung 1 l mit dem anderen Ende der
jeweiligen Kühlmittelleitungen in dem Motorblock 2 verbunden ist.
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Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind im Falle der dargestellten
Ausführung die Einlaß- und Auslaßöffnungen des Speicherbehälters am
einen Ende des Behälters angeordnet und erstrecken sich zu einem
jeweiligen Raum oder Hohlraum durch jeweilige Bohrungen 13 und 14. Diese
Hohlräume oder Räume können mit der ersten bzw. zweiten Kammer des
Speicherbehälters 7 in Verbindung gesetzt werden, und zwar durch
Kanäle 15 und 16, die mit Isolierverschlußmitteln 17, 17' versehen sind.
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Einer der Kanäle 16 hat die Form eines Rohrs, das angenähert in der
Mitte des Behälters angeordnet ist und' sich im wesentlichen über dessen
Gesamtlänge erstreckt. Dieses Rohr bildet ferner eine Führung für das
hin- und herbewegliche Kolbenmittel 9.
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Jedes der Verschlußmittel 17, 17' hat die Form eines Ventilkonus und
kann gleichzeitig mittels einer elektromagnetischen Vorrichtung 18
zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stelle bewegt werden.
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Die ersten und zweiten Kammern 8, 8' des Speicherbehälters 7 können
miteinander durch eine Fließverbindung in Verbindung gebracht werden.
Diese Fließverbindung beinhaltet zumindest ein Ventilmittel 19, das in
dem Kolbenmittel 9 angeordnet ist und zwischen einer offenen Stellung
und einer geschlossenen Stellung entsprechend der Position des
Kolbenmittels 9 in bezug auf die Endwände des Speicherbehälters 7 gesteuert
wird, wobei die Endwände axiale Kolbenmittel-Anschläge bilden. Das
Ventilmittel 19 ist so ausgestaltet, daß es schließt, wenn das
Kolbenmittel 9 mit Abstand von den Endwänden des Speicherbehälters
angeord
net ist, und es öffnet, wenn das Kolbenmittel, und demzufolge auch das
Ventilmittel 19, sich der einen der Endwände des Behälters annähert und
an dieser anschlägt.
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Es sind zahlreiche verschiedene Ausführungen solcher Ventilmittel in der
Technik bekannt, und im Falle der dargestellten Ausführung der Erfindung
umfaßt das Ventilmittel einen Ventilschieber 20 mit einem Teil, das von
jedem Ende des Ventilmittels 9 vorsteht, wobei der Ventilschieber durch
Federmittel 21 in eine Ventilschließstellung hin vorgespannt ist. Wenn ein
Ende der nach außen vorstehenden Teile des Ventilschiebers 20 einer
ausreichenden Kraft ausgesetzt ist, um die Kraft der Feder 21 zu
überwinden, öffnet das Ventil, damit Kühlmittel durch das Kolbenmittel 9 und
somit durch den Speicherbehälter 7 hindurchfließen kann. Praktische
Tests haben gezeigt, daß die Kraft, mit der das bewegliche Kolbenmittel
9 zu einer der Endwände des Speicherbehälters 7 durch die Kraft
gedrückt wird, die durch den Kühlmittelfluß und die relative Druckdifferenz
erzeugt wird, die somit zwischen den Behälterkammern 8 und 8' auftritt,
ausreicht, daß der Ventilschieber 20 eine offene Ventilstellung einnimmt,
wenn er an der Endwand anstößt und wenn Federcharakteristik geeignet
gewählt ist. Wenn dann der durch den Kühlmittelfluß erzeugte Effekt
aufhört und die Druckdifferenzen jederseits des Kolbenmittels 9 somit
ausgeglichen sind, drückt die Feder das Kolbenmittel von der Endwand
weg, und der Ventilschieber 20 nimmt eine geschlossene Ventilstellung
ein.
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Das Wasserkühlmittel in den Leitungen des Motorblocks 2 wird erhitzt,
während der Motor 1 läuft. Zusätzlich dazu, daß das Kühlmittel zu dem
Motorwärmeaustauscher 4 und dem Motorblock 2 geleitet wird, bewirkt
die Motorkühlmittelpumpe 3 ferner, daß das Kühlmittel durch die
Wärmespeichervorrichtung 6 zirkuliert.
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Wenn der Motor läuft, befindet sich das bewegliche Kolbenmittel 9 in
ihrer unteren Endstellung in Anlage an der Endwand (siehe Fig. 3),
wodurch sich der Ventilschieber 20 in seiner offenen Ventilstellung befindet.
Die Motorkühlmittelpumpe 3 bewirkt, daß das Kühlmittel durch den
Speicherbehälter 7 und durch die Pumpe 10 zirkuliert, die hierbei nicht
aktiviert ist.
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Das zum Speicherbehälter 7 zirkulierende Kühlmittel wird zuerst in die
erste Kammer in dem Behälter geleitet und dann durch den Ventilschieber
20 zur zweiten Kammer 8'. Das Kühlmittel läuft dann durch die Pumpe
10 und durch die Leitung 11 zurück zum Motorblock 2.
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Die Innenwände des Speicherbehälters 7 werden hierdurch fortlaufend
auf eine Temperatur erhitzt, die gleich der Kühlmitteltemperatur während
laufendem Motor 1 ist.
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Wenn der Motor 1 abgeschaltet wird, wodurch die Motorkühlmittelpumpe
3 stehenbleibt, fällt auch der Druckanstieg an einer Seite des
Kolbenmitels 9 ab, und demzufolge wird der Ventilschieber 20 geschlossen.
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Um nun einen Wärmeaustausch zwischen dem in dem isolierten
Speicherbehälter 7 gespeicherten heißen Kühlmittel und dem Kühlmittel, das
sich außerhalb des Behälters 7 befindet und das bei abgeschaltetem
Motor 1 zunehmend kühler wird, zu verhindern, ist das bewegliche
Kolbenmittel 9 geeignet isoliert. Um das Risiko eines Wärmeaustauschs
zwischen dem heißen Kühlmittel in dem Behälter 7 und dem anschließend
abgekühlten Kühlmittel außerhalb des Behälters weiter zu vermeiden, sind
die Verschlußmittel 17, 17' der Wärmespeichervorrichtung ebenfalls
geeignet wärmeisoliert.
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Vor dem Wiederanlassen des Motors wird die Pumpe 10 zuerst aktiviert,
sodaß das kalte Kühlmittel aus dem Motor gepumpt wird und vom
anderen Ende des Motorblocks 2 und in die zweite Kammer 8' des
Speicher
behälters 7 läuft, d. h. zum beweglichen Kolbenmittel 9 hin, dessen
Ventilschieber 20 hierbei in der geschlossenen Ventilstellung ist. Das
bewegliche Kolbenmittel wird unter dem Einfluß der von dem Kühlmittelfluß
ausgeübten Kraft und dem relativen Druckanstieg an einer Seite des
Kolbenmittels nach oben bewegt (Fig. 3), so daß in der ersten Kammer 8
gespeichertes Kühlmittel zuerst durch die Leitung 5 zu einem Ende des
Motorblocks 2 geführt wird, während kaltes Kühlmittel aus dem
Motorblock 2 in die zweite Kammer 8' geführt wird, um hierdurch die zweite
Kammer allmählich zu füllen.
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Wenn sich das bewegliche Kolbenmittel 9 der oberen Endwand des
Speicherbehälters 7 annähert, kommt der nach außen vorstehende Teil des
Ventilschiebers 20 mit der Endwand in Kontakt und nimmt hierdurch eine
offene Ventilstellung ein. Jedoch wird die Pumpe 10 in dieser Stellung
des Ventilschiebers nicht gestoppt, sondern läuft weiter, bis die mit den
Kühlmittelleitungen in dem Motorblock 2 verbundene Leitung 5 auch von
heißem gespeichertem Kühlmittel geleert ist. Infolgedessen wird das
Motorblock-Kühlmittel im wesentlichen durch heißes, in dem
Speicherbehälter 7 gespeichertes Kühlmittel ersetzt, wonach der Motor leicht
anspringt.
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Beim Anlassen des Motors 1 pumpt die Motorpumpe 3 das Kühlmittel in
umgekehrter Richtung, d. h. in die erste Kammer 8 des Speicherbehälters
7, wodurch der Kühlmittelfluß das bewegliche Kolbenmittel 9 in seine
untere Endstellung (Fig. 2) in Kontakt mit der Endwand zurückbewegt,
wodurch sich der Ventilschieber 20 öffnet und Kühlmittel wieder durch
den Speicherbehälter 7 zirkulieren kann.
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Der Motor der Pumpe 10 kann mit der Hilfe bekannter Mittel gesteuert
werden, beispielsweise mittels Endstellungsschaltern, die entsprechend
der Position des Kolbenmittels 9 in dem Speicherbehälter 7 aktiviert
werden, und Steuermitteln, die die Wirkung haben, die Pumpe 10 nach
Ab
lauf einer vorbestimmten Zeitdauer zu stoppen. Natürlich können auch
Temperatursensoren an geeigneten Stellen vorgesehen sein, um zu
verhindern, daß die Vorrichtung unnötig aktiviert wird, wenn beispielsweise
der anzulassende Motor bereits die erforderliche Betriebstemperatur hat.
Sämtliche von dem Sensormittel erzeugte Signale werden bevorzugt mit
einem Mikroprozessor koordiniert.
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Weil die zwei Kammern 8, 8' des Speicherbehälters miteinander durch
den Ventilschieber 20 in Fließverbindung gebracht werden können, bietet
die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung auch den Vorteil, daß
der Fahrer und die Passagiere die gespeicherte Wärme verwenden
können, um den Innenraum des Fahrzeugs mit Hilfe des im
Fahrzeuginnenraum angeordneten Wärmeaustauschers zu heizen, wenn der Motor 1
steht. In der Praxis kann hierdurch der Innenraum eines geparkten
Fahrzeugs mit stehendem Motor warmgehalten werden, indem die Pumpe 10
aktiviert wird und hierdurch heißes gespeichertes Kühlmittel durch den
Wärmeaustauscher zirkuliert wird, der in dem Fahrzeuginnenraum
vorgesehen ist. Damit der Innenraum eines Fahrzeugs zugunsten des
Komforts des Fahrers und der Passagiere warmgehalten werden kann, wenn
man über eine relativ lange Zeit parkt, kann ein Heizelement an einer
geeigneten Stelle in dem Speicherbehälter 7 angebracht sein, so daß eine
Aktivierung der Pumpe 10 bewirkt, daß Kühlmittel an dem Heizelement
vorbeifließt und hierdurch den Fahrzeuginnenraum erwärmt.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung hat auch den Vorteil,
daß verschiedene Speicherbehälter bei Bedarf miteinander in Serie
verbunden werden können, wobei alle dieser Behälter mittels einer einzigen
Pumpe betrieben werden können. Es versteht sich, daß dies aufgrund der
Tatsache möglich ist, daß die zwei Kammern durch das im Kolbenmittel
vorgesehene Ventilmittel miteinander in Fließverbindung gebracht werden
können, wobei dieses Ventilmittel ermöglicht, daß Kühlmittel durch den
Speicherbehälter 7 fließt.