DE3819223C2 - Wärmespeicher, insbesondere für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere einen Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraft­ fahrzeugheizungen mit einem einen Speicherkern umschließenden inneren Wärmespeichergehäuse, mit einem zur Umgebung abgrenzen­ den äußeren Wärmespeichergehäuse und mit einer Wärmeisolierung zwischen dem inneren und dem äußeren Wärmespeichergehäuse, wel­ che durch eine Zuflußleitung und eine Abflußleitung für ein wärmetransportierendes Übertragungsmittel durchbrochen wird, wobei in der Einbaulage des Wärmespeichers die in das innere Wärmespeichergehäuse mündenden Leitungen im Bereich der Wärme­ isolierung jeweils einen zumindest annähernd vertikalen Ab­ schnitt aufweisen, dessen oberes Ende mit dem inneren Wärme­ speichergehäuse verbunden ist und dessen vertikale Länge aus­ gehend von dem Temperaturgefälle zwischen dem Speicherkern und der Umgebung und der Wärmeleitfähigkeit des Übertragungsmittels der vertikalen Ausdehnung einer den gewünschten Isolationsgrad ergebenden Sperrschicht entspricht, und wobei dieser zumindest annähernd vertikale Abschnitt quer zu seiner Längsachse sowohl gegenüber dem inneren als auch dem äußeren Wärmespeichergehäuse wärmeisoliert ist.

Ein Wärmespeicher dieser Art ist in der nicht vorveröffent­ lichten DE 36 14 318 A1 beschrieben.

Durch diese Gestaltung wird in den Leitungen dann, wenn nach Beendigung z. B. des Kühlwasserdurchflusses durch den Wärme­ speicher, z. B. durch Abstellen des Motors, das außerhalb des Wärmespeichers befindliche Übertragungsmittel abgekühlt, in dem etwa vertikal nach unten führenden Abschnitt eine ruhende Sperrschicht zwischen dem im Wärmespeicher befindlichen heißen Übertragungsmittel und dem kühleren Übertragungsmittel außer­ halb gebildet, weil infolge der temperaturabhängigen, unter­ schiedlichen spezifischen Dichte das kühle Übertragungsmittel unten, daß heiße Übertragungsmittel dagegen oben bleibt und dadurch Wärmeverluste durch Konvektion verhindert werden.

Beim Einsatz eines derartigen Wärmespeichers in räumlich beengten Verhältnissen, wie sie in der Regel bei Kraftfahr­ zeugen anzutreffen sind, muß die Gesamtabmessung des Wärme­ speichers so gering wie möglich gehalten werden. Es ist deshalb anzustreben, daß durch die Anordnung eines ausreichend großen, vertikal verlaufenden Leitungsabschnitts zur Ausbildung einer ausreichend großen Sperrschicht innerhalb der Wärmeiso­ lierung die äußere Abmessung des Wärmespeichers möglichst wenig vergrößert wird und daß andererseits hinsichtlich der Einbaulage und der Position der Leitungsanschlüsse eine große Anpaßungsfähigkeit besteht. Es kann deshalb erwünscht sein, den Wärmetauscher derart anzuordnen, daß seine Einbaulage von der in der DE-OS 36 14 318 beschriebenen abweicht, bei der die Hauptabmessung des Wärmespeichers horizontal verläuft und die Leitungen nahe der oberen Begrenzung des inneren Wärmetauscher­ gehäuses aus diesem austreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmespeicher so auszugestalten, daß sich zu der in der DE-OS 36 14 318 gezeig­ ten Einbaulage Alternativen realisieren lassen.

Die Lösung besteht nach einer ersten Variante darin, daß die längste Abmessung des Wärmespeichers in Einbaulage etwa verti­ kal verläuft und die Leitungen an der unteren Stirnfläche des inneren Wärmespeichergehäuses austreten und daß die untere Stirnfläche des inneren Wärmespeichergehäuses mit einer nach oben eingezogenen Tasche versehen ist, die in etwa vertikaler Richtung von den Leitungen durchquert wird.

Eine zweite Variante löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die längste Abmessung des Wärmespeichers in Einbaulage etwa vertikal verläuft und die Leitungen zumindest nahe der unteren Stirnfläche des inneren Wärmespeichergehäuses austreten und daß die Leitungen mit seitlichem Abstand vom inneren Wärmespeicherge­ häuse zunächst nach oben geführt sind und nach einem Umlenk­ bogen in den nach unten weiterführenden, zumindest annähernd vertikalen Abschnitt übergehen, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung darin besteht, daß sich die Leitungen nur über einen Teil der vertikalen Abmessung des äußeren Wärmespeicher­ gehäuses nach oben erstrecken, das im Bereich dieser Leitungen durch Vergrößerung seines Abstands vom inneren Wärmespeicher­ gehäuse taschenartig erweitert ist.

Diese Wärmetauscher können eingesetzt werden, wenn für den Einbau ein in der Breite relativ schmaler Bereich zur Verfügung steht, der aber in vertikaler Richtung das für den Einbau nötige Volumen bereitstellt, wobei die erste Variante für eine besonders geringe Breite geeignet ist, während die zweite Variante eine auch in der Höhe begrenzte Einbauposition berücksichtigt und in ihrer vorteilhaften Ausgestaltung nur im unteren Bereich eine etwas größere Breite erfordert. Zwar werden durch diese Ausgestaltung die äußeren Abmessungen des Wärmespeichers vergrößert, jedoch nicht über die gesamte vertikale Höhe des Wärmespeichers, so daß ein Einbau auch unter beengten Verhältnissen möglich ist, ohne daß durch die Ein­ beziehung einer Tasche in das innere Wärmespeichergehäuse dessen Volumen und damit das Volumen des Speicherkerns ver­ ringert werden muß.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine zylindrische Ausfüh­ rungsform eines Latentwärmespeichers für Fahrzeughei­ zungen mit vertikal verlaufender Achse,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungs­ form eines Latentwärmespeichers für Fahrzeugheizungen und

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 4.

Bei allen Schnittdarstellungen ist die Struktur des Speicher­ kerns nicht dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen zylindrischen Wärmespeicher mit in Einbaulage in vertikaler Richtung verlaufender Zylinder­ achse, wobei auf einem inneren Wärmespeichergehäuse 10, welches als die unmittelbar der Wärmespeicherung dienende Einrichtung einen Speicherkern enthält, für den Zu- und Abfluß des wärme­ transportierenden Übertragungsmittels, als welches hier das Kühlwasser eines Verbrennungsmotors dient, eine Zuflußleitung 12 und eine Abflußleitung 14 nach unten herausgeführt sind.

Das innere Wärmespeichergehäuse 10 besitzt eine zylindrische Mantelfläche 16 und zwei Stirnflächen 18 und 20. Es wird all­ seits mit Abstand von einem mit ihm koaxial angeordneten äu­ ßeren Wärmespeichergehäuse 28 umschlossen, so daß zwischen 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 pulverförmiges oder faserartiges Isolationsmaterial, ent­ hält.

Um eine ausreichende Höhe der Sperrschicht zu erreichen, ist die untere Stirnfläche 18 des inneren Wärmespeichergehäuses 10 in dem Bereich, in welchem die Leitungen 12 und 14 aus dem inneren Wärmespeichergehäuse 10 austreten, unter Bildung einer Tasche 60 nach oben eingezogen, so daß sich ein zusätzlicher Abschnitt 30a der die Wärmeisolation enthaltenden Kammer 30 ergibt, wobei die horizontale Querschnittsform der Tasche 60 derart gewählt ist, daß sich um die die Tasche 60 in vertikaler Richtung durchquerenden Abschnitte 26 der Leitungen 12 und 14 ein ausreichender Isoliermantel ergibt. Die Leitungen können entweder aus der unteren Bodenfläche 54 des äußeren Wärmespei­ chergehäuses 28 nach unten herausgeführt sein, sie können aber auch über die Bögen 24 in horizontale Abschnitte 22 übergehen, die aus der äußeren Mantelfläche 32 des äußeren Wärmespeicher­ gehäuses 28 seitlich herausgeführt sind.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 betrifft einen im wesentlichen quaderförmigen Wärmespeicher, bei dem die Zu- und Abflußleitungen 12 und 14 in der Nähe des unteren Endes des inneren Wärmespeichergehäuses 10 austreten. Um eine ausrei­ chende Länge des zur Aufnahme der Sperrschicht dienenden, ver­ tikalen Abschnitts 26 zu erreichen, sind die beiden Leitungen 12 und 14 zunächst jeweils über einen Bogen 62 nach oben um­ gelenkt und durchlaufen einen Abschnitt 64, der sich nur über einen Teil der vertikalen Höhe des inneren Wärmspeicherge­ häuses 10 erstreckt und dann mit einem Bogen 66 von jeweils 180° in den zur Aufnahme der Sperrschicht bestimmten, vertikal abwärts fahrenden Abschnitt 26 übergeht. Zur Aufnahme dieser jeweils etwa U-förmigen Leitungsabschnitte ist das äußere Ge­ häuse 28 im Bereich einer Seitenwand mit einer taschenförmigen Erweiterung 68 versehen, welche insgesamt nur eine relativ geringe Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Wärmespeichers zur Folge hat.

Wenn der Wärmespeicher im inneren Wärmespeichergehäuse 10 eine gegenüber der Außentemperatur erhöhte Temperatur aufweist und die Kühlwasserzirkulation bei abgeschaltetem Motor stillgesetzt ist, wird sich das im Kühlwassersystem befindliche Wasser bzw. die Kühlflüssigkeit allmählich auf die Außentemperatur abküh­ len, während aufgrund der erhöhten Wärmespeichertemperatur in den sich an den Wärmespeicher unmittelbar ausschließenden Lei­ tungsabschnitten Wasser bzw. Kühlflüssigkeit mit der Temperatur des Wärmespeichers anzutreffen ist. In den vertikalen Lei­ tungsabschnitten innerhalb der Wärmeisolation wird die kalte Flüssigkeit wegen ihrer höheren Dichte unten und die warme Flüssigkeit wegen ihrer geringeren Dichte oben bleiben, so daß sich in diesen vertikalen Leitungsabschnitten eine Temperatur­ schichtung ausbildet, die zu einer ruhenden Sperrschicht zwi­ schen der warmen und der kalten Flüssigkeit führt und eine Wärmeabfuhr durch Konvektion verhindert. Die obere Schicht des Kühlwassers in den vertikalen Leitungsabschnitten nimmt dabei die Temperatur des Kühlwassers in dem vom inneren Wärmespeicher 10 umschlossenen Speicherkern an, während die untere Schicht auf Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur des äußeren Wärme­ speichergehäuses 28 absinkt.

Dreht man die Anordnung um 180° um eine horizontale Achse, läßt sich der Wärmespeicher sinngemäß auch als Kältespeicher einset­ zen.

Claims (3)

1. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Speicherkern umschließenden Wärmespeichergehäuse (10), mit einem zur Umgebung abgrenzenden äußeren Wärmespei­ chergehäuse (28) und mit einer Wärmeisolierung (30, 30a) zwi­ schen dem inneren (10) und dem äußeren (28) Gehäuse, welche durch eine Zuflußleitung (12) und eine Abflußleitung (14) für ein wärmetransportierendes Übertragungsmittel durchbrochen wird, wobei in der Einbaulage des Wärmespeichers die in das innere Wärmespeichergehäuse (10) mündenden Leitungen (12, 14) im Bereich der Wärmeisolierung (30, 30a) jeweils einen zumin­ dest annähernd vertikalen Abschnitt (26) aufweisen, dessen oberes Ende mit dem inneren Wärmespeichergehäuse (10) verbunden ist und dessen vertikale Länge ausgehend von dem Temperaturge­ fälle zwischen dem Speicherkern und der Umgebung und der Wärmeleitfähigkeit des Übertragungsmittels der vertikalen Ausdehnung einer den gewünschten Isolationsgrad ergebenden Sperrschicht entspricht, und wobei dieser zumindest annähernd vertikale Abschnitt (26) quer zu seiner Längsachse sowohl ge­ genüber dem inneren (10) als auch dem äußeren (28) Wärmespei­ chergehäuse wärmeisoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Abmessung des Wärmespeichers in Einbaulage etwa verti­ kal verläuft und die Leitungen (12, 14) an der unteren Stirnfläche (18) des inneren Wärmespeichergehäuses (10) austreten und daß die untere Stirn­ fläche (18) des inneren Wärmespeichergehäuses (10) mit einer nach oben eingezogenen Tasche (60) versehen ist, die in etwa vertikaler Richtung von den Leitungen (12, 14) durchquert wird.

2. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem einen Speicherkern umschließenden Wärmespeichergehäuse (10), mit einem zur Umgebung abgrenzenden äußeren Wärmespei­ chergehäuse (28) und mit einer Wärmeisolierung (30, 30a) zwi­ schen dem inneren (10) und dem äußeren (28) Gehäuse, welche durch eine Zuflußleitung (12) und eine Abflußleitung (14) für ein wärmetransportierendes Übertragungsmittel durchbrochen wird, wobei in der Einbaulage des Wärmespeichers die in das innere Wärmespeichergehäuse (10) mündenden Leitungen (12, 14) im Bereich der Wärmeisolierung (30, 30a) jeweils einen zumin­ dest annähernd vertikalen Abschnitt (26) aufweisen, dessen oberes Ende mit dem inneren Wärmespeichergehäuse (10) verbunden ist und dessen vertikale Länge ausgehend von dem Temperaturge­ fälle zwischen dem Speicherkern und der Umgebung und der Wärme­ leitfähigkeit des Übertragungsmittels der vertikalen Ausdehnung einer den gewünschten Isolationsgrad ergebenden Sperrschicht entspricht, und wobei dieser zumindest annähernd vertikale Ab­ schnitt (26) quer zu seiner Längsachse sowohl gegenüber dem inneren (10) als auch dem äußeren (28) Wärmespeichergehäuse wärmeisoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die längste Abmessung des Wärmespeichers in Einbaulage etwa vertikal ver­ läuft und die Leitungen (12, 14) zumindest nahe der unteren Stirnfläche (18) des inneren Wärmespeichergehäuses (10) austreten und daß die Leitungen (12, 14) mit seitlichem Abstand vom inneren Wärme­ speichergehäuse (10) zunächst nach oben geführt sind und nach einem Umlenkbogen in den nach unten weiterführenden, zumindest annähernd vertikalen Abschnitt übergehen.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Leitungen (12, 14) nur über einen Teil der vertikalen Abmessung des äußeren Wärmespeichergehäuses (28) nach oben erstrecken, das im Bereich dieser Leitungen (12, 14) durch Vergrößerung seines Abstands vom inneren Wärmespeicher­ gehäuse (10) taschenartig erweitert ist.