DE102018202257A1 - Wärmespeicher für ein Kfz - Google Patents
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Abstract
Ein Wärmespeicher (10) für ein Kfz weist ein Phasenwechselmaterial (5) als Wärmespeichermedium und eine Isolierung auf, die zumindest eine von dem Wärmespeichermedium abgegrenzte Phasenwechselmaterial-Schicht (2) aufweist.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für ein Kfz.
- In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden Wärmespeicher verwendet, um bei einem Kaltstart des Motors die gespeicherte Wärme zur schnelleren Erwärmung des Motors zu verwenden, und dadurch den Kraftstoffverbrauch in diesem Betriebszustand zu verringern. Zu diesem Zweck wird dem Abgas entzogene Wärme über einen Zeitraum von bis zu 16 Stunden in einem Wärmespeicher gespeichert und zu gegebener Zeit an den Motor abgegeben. Eine besondere Herausforderung bietet hierbei die Notwendigkeit, über den genannten Zeitraum die gespeicherte Wärme durch eine geeignete Isolierung daran zu hindern, in die Umgebung zu entweichen. An die Isolierung und den Wärmespeicher insgesamt wird ferner die Anforderung gestellt, möglichst platzsparend ausgeführt zu sein.
- STAND DER TECHNIK
- Als Vorbenutzungsgegenstände sind Wärmespeicher bekannt, die eine Isolierung mit einem Aerogel aufweisen. Diese sind vergleichsweise einfach ausgeführt und mit wenig Aufwand herstellbar und weisen darüber hinaus einen hohen Temperaturwiderstand auf. Die Isolierungseigenschaften sind jedoch begrenzt und führen zu vergleichsweise dicken Isolierungen. Dies wird durch sogenannte Vakuumpaneele verringert, die beispielsweise mit dem Aerogel gefüllt sein können und eine verbesserte Isolierung bieten und/oder einen verringerten Platzbedarf benötigen. Der Temperaturwiderstand ist jedoch vergleichsweise gering. Ein derartiges Vakuumpaneel ist beispielsweise in der
US 6 863 949 A beschrieben. - Schließlich gibt es Lösungen mit einer Vakuumisolierung zwischen zwei Gehäuseschalen, die grundsätzlich die besten Isoliereigenschaften aufweist, jedoch nur aufwendig herzustellen ist und darüber hinaus für einen Wärmespeicher, der die Wärme im Bereich von 12 bis 16 Stunden speichert, nicht geeignet ist.
- DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmespeicher zu schaffen.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
- Demzufolge weist ein Wärmespeicher für ein Kfz zum einen ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) als Wärmespeichermedium und eine Isolierung auf, die zumindest eine Schicht PCM aufweist. Hierdurch wird zum einen die Wärmespeicherkapazität des Systems insgesamt erhöht. Die zusätzliche, äußere PCM-Schicht verbessert somit die „Wärmeträgheit“ der Isolierung und absorbiert beispielsweise Wärme, die ohne die erfindungsgemäße Lösung durch die Isolierung hindurch an die Umgebung abgegeben würde. Hierbei stellt sich über die Dicke der Isolierung eine Temperaturverteilung ein, welche über die innerste Isolierschicht eine Temperaturverringerung von etwa 140 auf 80°C aufweist. Über das in der Isolierschicht enthaltene PCM bleibt die Temperatur im Wesentlichen konstant, da das PCM die übertragene Wärme im Wesentlichen speichert. Im Bereich der äußersten Isolierschicht erfolgt der Temperaturabfall von etwa 80°C auf Umgebungstemperatur. Die Verringerung der Temperatur zur Außenseite hin ermöglicht darüber hinaus eine äußere Isolierung aus einem Vakuumisolierpaneel, wodurch insgesamt der Wärmewiderstand verbessert wird, und gleichzeitig ein geringer Platzbedarf auftritt. Es wird insbesondere erwartet, dass die Anforderungen an die Wärmespeicherung mit einer Gesamtdicke der Isolierung von etwa 25 mm erreicht werden, während mit herkömmlichen Isoliersystemen etwa 80 mm erforderlich sind, so dass über die Gesamtdicke des Systems mit allseitiger Isolierung 110 bis 120 mm eingespart werden können.
- Allgemein kann die Erfindung in einem Wärmespeicher mit einer Isolierung mit drei Schichten gesehen werden, die nicht notwendigerweise eine PCM-Schicht aufweisen müssen. Vielmehr sind im Rahmen dieses Grundgedankens der Erfindung beliebige Kombinationen der vorangehend und nachfolgend beschriebenen Schichten der Isolierung möglich.
- Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
- Bevorzugt weist die Isolierung zumindest eine Schicht eines Aerogels auf, insbesondere an der Innenseite, d. h. zu dem PCM und/oder den Leitungen für Kühlmittel, die das PCM zur Abgabe von Wärme an das PCM umströmen. Durch diese innerste Isolierung aus einem Aerogel wird die Temperatur des PCM, die bis zu 140°C erreichen kann, auf etwa 80°C abgesenkt, so dass ein erster signifikanter Schritt zur Umgebungstemperatur, die an der Außenseite des Wärmespeichers herrscht, erreicht ist. Zu der inneren Isolierung aus einem Aerogel sei erwähnt, dass diese durch ein Vakuumpaneel ersetzt werden kann, wenn ein Vakuumpaneel gewählt wird, das den an der Innenseite herrschenden Temperaturen widerstehen kann.
- Außerhalb der erfindungsgemäßen, zusätzlichen PCM-Schicht ist bevorzugt ein Vakuumisolationspaneel oder -isolierungspaneel, nachfolgend als Vakuumpaneel bezeichnet, vorhanden, das in vorteilhafter Weise genutzt werden kann, da es maximal etwa 80°C widerstehen kann, jedoch eine derartige Temperatur durch den vorangehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Aufbau an der Innenseite des Vakuumpaneels bereits erreicht wird. Das äußerste Vakuumpaneel sorgt in vorteilhafter Weise und bei geringem Platzbedarf für eine gute Isolierung, so dass Wärme über den oben genannten Zeitraum gespeichert werden kann. Bei einem Vakuumisolationspaneel handelt es sich im Wesentlichen um ein Isolierungsmaterial, das in einer vakuumierten Hülle eingeschlossen ist.
- Bevorzugt ist das äußerste Vakuumpaneel gefüllt, vorzugsweise mit einem Aeorogel.
- Der beschriebene, besonders geringe Platzbedarf kann insbesondere durch bevorzugte Ausführungsformen erreicht werden, bei denen die innerste Aerogelschicht eine Dicke von 13 bis 17 mm, bevorzugt etwa 15 mm und/oder das äußerste Vakuumpaneel eine Dicke von 4 bis 6 mm, bevorzugt etwa 5 mm aufweist, und die Gesamtdicke der Isolierung 20 bis 30 mm, bevorzugt etwa 25 mm beträgt.
- Figurenliste
- Nachfolgend wird ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch die Anordnung eines Wärmespeichers in einem Wärmemanagementsystem eines Verbrennungsmotors. -
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmespeichers. -
3 zeigt den Temperaturverlauf über die Dicke der Isolierung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
- Wie in
1 dargestellt ist, ist einem Verbrennungsmotor14 ein Kompressor16 vorgeschaltet, und das von dem Verbrennungsmotor14 abgegebene Abgas wird zunächst durch eine Abgasturbine18 und nachfolgend durch einen Katalysator20 geführt. Um zu verhindern, dass Keramikteilchen, die den Katalysator20 verlassen können, mit rückgeführtem Abgas auf die Frischluftseite gelangen, ist dem Katalysator20 ein Filter22 nachgeschaltet, der in sämtlichen Betriebszuständen aktiv ist. - Durch den Verbrennungsmotor
14 führt zum einen ein Ölkreislauf24 , und zum anderen ein Kühlmittelkreislauf26 . Der Ölkreislauf24 ist durch einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher28 geführt. Der Kühlmittelkreislauf26 weist zum einen ein Ventil26 auf, das den Kühlmittelstrom durch einen Radiator28 führen kann, um in einem Betriebszustand, in dem der Verbrennungsmotor14 gekühlt werden muss, Wärme abzuführen. Durch ein weiteres Ventil30 kann der Kühlmittelstrom durch den Wärmespeicher10 oder einen Abgas-Kühlmittel-Wärmetauscher32 geführt werden. - Bei kaltem Motor wird ein Aufwärmen des Motors dadurch unterstützt, dass das Kühlmittel durch geeignete Stellung des Ventils
26 an dem Radiator28 vorbei und durch geeignete Stellung des Ventils30 durch den Wärmespeicher10 geführt wird, um den Motor schnell zu erwärmen. - Nach einer ersten Phase wird das Ventil
30 derart umgestellt, dass das Kühlmittel nicht mehr durch den Wärmespeicher10 geführt wird, der zu diesem Zeitpunkt seine gespeicherte Wärme typischerweise bereits abgegeben hat. Nunmehr wird das Kühlmittel durch den Wärmetauscher32 geführt, um dort Wärme von dem Abgas aufzunehmen. Zusätzlich nimmt das durch den Wärmetauscher28 geführte Öl Wärme auf. Hierbei sorgt eine entsprechende Stellung des Ventils34 dafür, dass die gesamte Abgaswärme für die Erwärmung sowohl des Kühlmittels als auch des Öls genutzt werden kann. - Wenn der Motor ausreichend erwärmt ist, ist eine Kühlung des Öls erforderlich, was in dem Wärmetauscher
28 erfolgt, der die dem Öl entzogene Wärme nunmehr an den Wärmespeicher10 abgibt. Die Wärme des Kühlmittels kann durch entsprechende Stellung des Ventils26 über den Radiator28 abgegeben werden. Mit36 ist ergänzend das oben beschriebene Abgaswärme-Management-Modul bezeichnet. - Wie in der
2 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Wärmespeicher10 innen ein PCM5 als Wärmespeichermedium auf, das von Kühlmittel umströmt wird, das durch einen Einlass6 in die hierfür vorgesehenen Leitungen gelangt, und diese durch einen Auslass7 verlässt, nachdem es Wärme an das PCM5 abgegeben hat. Außerhalb eines Gefäßes4 , das die Leitungen und/oder das PCM umschließt, ist eine innere Isolierschicht1 mit einem Aerogel vorgesehen, außerhalb dessen die erfindungsgemäße PCM-Schicht2 vorgesehen ist. Die Außenseite wird durch ein Vakuumisolationspaneel3 gebildet. - Mit anderen Worten ist die Aerogel-Schicht
1 in Berührung mit dem Gefäß4 , und/oder den Leitungen, und/oder dem PCM5 . Zwischen der Aerogel-Schicht1 und der PCM-Schicht2 kann eine dünne Materialschicht zur Abgrenzung vorgesehen sein, und zur Außenseite hin ist die PCM-Schicht2 in Berührung mit dem Vakuumisolationspaneel3 , insbesondere dessen innenseitiger Hülle. - Wie in
3 dargestellt, ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher über die Dicke der Isolierung ein Temperaturverlauf, bei dem die Temperatur über die innerste Isolierschicht1 von etwa 140° auf etwa 80° sinkt. Diese Isolierschicht kann beispielsweise eine Dicke von etwa 1,5 cm aufweisen. Über das in der Isolierschicht enthaltene PCM2 , das beispielsweise eine Dicke von 0,5 cm aufweisen kann, bleibt die Temperatur im Wesentlichen konstant, da das PCM die übertragene Wärme im Wesentlichen speichert. Im Bereich der äußersten Isolierschicht3 , die beispielsweise eine Dicke von 0,5 cm aufweisen kann, sinkt die Temperatur von etwa 80° auf Umgebungstemperatur. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 6863949 A [0003]
Claims (7)
- Wärmespeicher (10) für ein Kfz, mit einem Phasenwechselmaterial (5) als Wärmespeichermedium und einer Isolierung, die zumindest eine von dem Wärmespeichermedium abgegrenzte Phasenwechselmaterial-Schicht (2) aufweist.
- Wärmespeicher für ein Kfz nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung zumindest eine Schicht Aerogel (1) aufweist. - Wärmespeicher für ein Kfz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung zumindest ein Vakuumisolationspaneel (3) aufweist.
- Wärmespeicher für ein Kfz nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumisolationspaneel gefüllt ist, vorzugsweise mit einem Aerogel. - Wärmespeicher für ein Kfz nach einem der
Ansprüche 2 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aerogelschicht eine Dicke von 13 bis 17 mm aufweist. - Wärmespeicher für ein Kfz nach einem der
Ansprüche 3 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumisolierungspaneel eine Dicke von etwa 4 bis 6 mm aufweist. - Wärmespeicher für ein Kfz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung eine Gesamtdicke von etwa 20 bis 30 mm aufweist.
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