DE4020859C2 - Verfahren zum Herstellen der Wärmeisolation eines Wärmespeichers und Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen der Wärmeisolation eines Wärmespeichers und Wärmespeicher zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
der Wärmeisolierung eines Wärmespeichers, insbesondere eines Latentwärme
speichers für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahr
zeugheizungen, mit einem Gehäuse, das einen Außenbe
hälter und einen mit Abstand von diesem angeordneten
Innenbehälter umfaßt, die zwischen sich einen Iso
lierbereich einschließen, mit einem im Innenbehälter
angeordneten Speicherkern, in dem mindestens eine
Kammer für ein Speichermedium durch eine Trennwand
von mindestens einem Strömungsweg für einen Wärme
träger getrennt ist, und mit einer Zuflußleitung und
einer Abflußleitung für den Wärmeträger, die mit dem
Strömungsweg in Verbindung stehen und durch den Iso
lierbereich nach außen geführt sind, wobei der Iso
lierbereich nach der mechanischen Fertigstellung des
Gehäuses zur Entgasung ausgeheizt und evakuiert wird,
sowie einen Wärmespeicher zur Durchführung des Ver
fahrens.
Bei Fahrzeugheizungen ist anzustreben, daß die Wärme
über Nacht gespeichert werden kann, um beim Start des
Fahrzeugs am Morgen über ausreichend gespeicherte
Wärme zu verfügen, bis das Motorkühlwasser seine
Betriebstemperatur erreicht hat. Unter Berücksichti
gung der im Fahrzeugbau üblichen Forderungen nach
geringem Gewicht und Bauvolumen kann die hierzu er
forderliche Isoliergüte des Wärmespeichers nur durch
doppelwandige Gehäuse erreicht werden, die den Spei
cherkern allseitig umschließen und die in ihrer dop
pelten Wandung ein isolierendes Vakuum aufweisen. Es
kann sich dabei um ein Hochvakuum handeln, oder um
eine Isolierung aus mikroporösen Stoffen, wie z. B.
Pulvern oder Fasern, die zusätzlich evakuiert werden.
Es werden deshalb Gehäuse mit einem Außenbehälter und
einem Innenbehälter verwendet, wobei zwischen den
beiden Behältern ein Isolierbereich vorgesehen ist,
der von der Zuflußleitung und der Abflußleitung für
den Wärmeträger durchquert wird, wodurch Wärmever
luste durch Konvektion und Wärmeleitung des Wärmeträ
gers, z. B. des Motorkühlwassers oder des Motorabgases
verursacht werden können. Ein Wärmespeicher mit einer
derartigen Isolierung ist beispielsweise aus der DE-
OS 36 14 318 bekannt.
Die hohe Isoliergüte solcher Wärmespeicher beruht zum
einen auf der Anwendung der Vakuumtechnik, die seit
langem bekannt ist, und zum anderen auf der geschlos
senen Bauweise des Isoliergefäßes aus Außen- und
Innenbehälter, wodurch Wärmeverluste im wesentlichen nur noch
durch die Zu- und Abflußleitung und die
Lagerung des Innenbehälters im Außenbehälter entstehen.
Die Wärmeverluste über die Zu- und Ab
flußleitung können durch deren Ausbildung mit kleinem
Querschnitt und langen Wegen relativ gering gehalten
werden.
Nach der mechanischen Fertigstellung eines solchen
Speichergehäuses ist die gewünschte Isolierwirkung
durch Evakuierung des Isolierbereichs innerhalb weni
ger Minuten erreichbar. Diese Isolierwirkung ist
jedoch nicht von Bestand, weil an den dem Isolierbe
reich zugewandten Oberflächen des Außen- und des
Innenbehälters, an den Oberflächen von gegebenenfalls
im Isolierbereich befindlichen Strahlenschilden oder
mirkroporösen Isolierstoffen, wie auch an den unver
meidlichen Einbauteilen im Isolierbereich, nämlich
den Zu- und Abflußleitungen und der Lagerung des
Innenbehälters, Stoffe absorbiert sein können, die im
Laufe der Zeit abdampfen, dadurch den Druck im Iso
lierbereich erhöhen und somit die Isolierwirkung des
Vakuums abbauen.
Aus diesem Grunde werden vakuumisolierte Gefäße nach
der mechanischen Herstellung über längere Zeit ent
gast, wobei der Isolierbereich ständig ausgepumpt
wird. Um die Dauer der Entgasung beispielsweise auf
24 Stunden zu reduzieren, wird das Isoliergefäß bei
der Entgasung auf eine erhöhte Temperatur gebracht,
was als Ausheizung bezeichnet wird. Erfahrungsgemäß
bewirkt hierbei eine Temperaturerhöhung von 10°C
eine Halbierung der Entgasungszeit.
Es ist weiterhin bekannt, daß ein Hauptverunreiniger
von Vakuumgefäßen an den Wänden abgelagertes Wasser
ist. Für die Entfernung des Wassers gibt es drei aus
geprägte Temperaturstufen, nämlich ca. 120°C mit
niedrigen Abdampfungsraten, 180°C mit sehr hohen
Abdampfungsraten und ca. 360°C mit praktisch hun
dertprozentiger Abdampfung.
Es ist ebenfalls bekannt, daß bei der Entgasung die
Langzeitwirkung von der niedrigsten Temperatur ab
hängt, die an den Oberflächen im Isolierbereich er
zielt wird. Hieraus folgt, daß für eine bestimmte
Langzeitwirkung alle dem Isolierraum zugewandten
Oberflächen die Mindesttemperatur ereichen oder über
schreiten müssen.
Für die großtechnische Anwendung im Kraftfahrzeugbau
ist eine Langzeitwirkung des Vakuums erforderlich,
die mindestens eine Ausheizung im Bereich der zweiten
Stufen von 180°C erfordert. Die Betriebstemperatur
für Wärmespeicher dieser Art liegt jedoch bei 90°C
mit einer maximal geforderten Temperatur von 125°C.
Die bei der Herstellung eines guten Vakuums erforder
liche Ausheiztemperatur liegt also wesentlich höher
als die später zu erwartende Betriebstemperatur.
Daraus resultiert das Problem thermischer Beschädi
gung des Wärmespeichers im Herstellungsverfahren,
beispielsweise durch erhöhten Dampfdruck der verwen
deten Speichermedien, durch Degradation von tragenden
Teilen im Speicherkern, zum Beispiel Kunststoffen,
durch Wärmedehnungen und dergleichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren für die Herstellung von Wärmespeichern der ein
gangs genannten Art so auszugestalten, daß ohne tem
peraturbedingte Schäden in einer unter wirtschaftli
chen Gesichtspunkten vertretbaren, wesentlich ver
kürzten Zeitspanne eine hochwertige Isolierung ge
schaffen werden kann, die insbesondere für die An
wendung bei Kraftfahrzeugen ausreichend lange bestän
dig ist. Außerdem soll ein Wärmespeicher so gestaltet
werden, daß er bei seiner Fertigung die Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß
die Ausheizung mit einer wesentlich über der Be
triebstemperatur des Wärmespeichers liegenden Tem
peratur erfolgt und dabei die temperaturempfindlichen
Komponenten des Speicherkerns vor temperaturbedingten
Schäden geschützt sind.
Die Art des Schutzes für die temperaturempfindlichen
Komponenten des Speicherkerns richtet sich nach der
Art der möglichen Schädigung des Speicherkerns, die
sich - wie oben erläutert - einerseits direkt auf
grund der Wärmeempfindlichkeit der eingesetzten Mate
rialien und/oder aufgrund von Materialbeanspruchungen
durch Wärmedehnung der mechanischen Komponenten des
Speicherkerns oder durch zu hohe Dampfdrücke im Spei
chermedium ergeben können.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung be
steht deshalb darin, daß zumindest während der Aus
heizung der Speicherkern gegenüber dem Isolierbereich
wärmeisoliert ist, wobei gemäß weiteren vorteilhaften
Ausgestaltungen ein Isolierraum zwischen dem Spei
cherkern und dem Innenbehälter zumindest während der
Ausheizung des Isolierbereichs entweder mit einem Gas
geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt oder evakuiert
ist.
Eine andere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin,
daß während der Ausheizung des Isolierbereichs der auf
die Trennwände der das Speichermedium enthaltenden Kam
mern einwirkende, überhöhte Dampfdruck des Speicherme
diums abgestützt wird, wobei nach einer zweckmäßigen
Ausgestaltung während der Ausheizung ein den überhöhten
Dampfdruck des Speichermediums kompensierender statischer
Druck in den Strömungswegen im Innenbehälter aufgebaut
wird.
Nach einer anderen zweckmäßigen Weiterbildung wird zum Abstützen der
Trennwände während der Ausheizung der Innenbehälter mit einer
Flüssigkeit befüllt, deren temperaturabhängiger
Dampfdruckverlauf so gewählt ist, daß er den Dampf
druck des Speichermediums während der Ausheizung
kompensiert, wobei diese Flüssigkeit während der
Ausheizung im Innenbehälter hermetisch abgeschlossen
wird. Vorzugsweise wird dabei der Innenbehälter mit
Ethylenglykol gefüllt.
Noch eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht
darin, daß während der Ausheizung ein Kühlmedium
durch den Strömungsweg geleitet wird, wobei das Kühl
medium beispielsweise eine Mischung aus Ethylenglykol
und Wasser sein kann.
Bei einem Wärmespeicher mit einem Isolierspalt, der
sich zwischen einer Mantelfläche, die den Speicher
kern zwischen zwei Stirnflächen umgibt, in denen der
durch den Speicherkern führende Strömungsweg ein-
bzw. ausmündet, und dem Innenbehälter befindet, be
steht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin,
daß der Durchfluß des Kühlmediums durch den Isolier
spalt zwischen den beiden Stirnflächen blockiert
wird, wodurch das am Durchfluß gehinderte Strömungs
mittel sich erwärmt und eine unerwünschte Abkühlung
des Innenbehälters während des Ausheizens verhindert.
Eine andere, sehr vorteilhafte Ausführungsform be
steht bei einem Wärmespeicher mit einem Isolierspalt,
der sich zwischen einer Mantelfläche, die den Spei
cherkern zwischen zwei Stirnflächen umgibt, in denen
der durch den Speicherkern führende Strömungsweg ein-
bzw. ausmündet, und dem Innenbehälter befindet, da
rin, daß zu Beginn der Ausheizung das Kühlmedium in
den Bereich der Betriebstemperatur des Wärmespeichers
aufgeheizt und dann während der Ausheizung in diesem
Temperaturbereich gehalten wird. Dadurch wird die ge
wünschte Ausheiztemperatur schneller erreicht und
während der Ausheizung eine zu starke Abkühlung des
Innenbehälters verhindert.
Die Evakuierung des Isolierbereichs stellt eine
kostenintensive Maßnahme dar, weshalb es erwünscht
ist, die Dauer dieses Vorgangs so weit wie möglich zu
beschränken. Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung
besteht deshalb darin, daß der Speicherkern zunächst
mit einem als Wärmeträger dienenden Strömungsmedium
auf die für den Speicherkern maximal zulässige Tempe
ratur vorgeheizt und dann bis zur Beendigung des
Ausheizvorgangs auf diesem Temperaturniveau gehalten
wird.
Dabei dient das Strömungsmedium bis zum Erreichen des
gewünschten Temperaturniveaus als Heizmedium und
danach, bis zur Beendigung des Ausheizvorgangs bei
einer die maximal zulässige Temperatur des Speicher
kerns überschreitenden Ausheiztemperatur als Kühlme
dium.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung ist es dabei,
daß die Evakuierung des Isolierbereichs mit zeitli
cher Verzögerung gegenüber der Vorheizung des Spei
cherkerns beginnt, wobei es besonders vorteilhaft
ist, wenn nach einer weiteren bevorzugten Ausfüh
rungsform der Wärmespeicher mit vorgeheiztem Speicherkern
einer Ausheizstation zugeführt und dort der Isolier
bereich ausgeheizt und evakuiert wird.
Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Wärmespeicher
mit einem Gehäuse, das einen Außenbehälter und einen
mit Abstand von diesem angeordneten Innenbehälter
umfaßt, die zwischen sich einen Isolierbereich ein
schließen, mit einem im Innenbehälter angeordneten
Speicherkern, in dem mindestens eine Kammer für ein
Speichermedium durch eine Trennwand von mindestens
einem Strömungsweg für einen Wärmeträger getrennt
ist, und mit einer Zuflußleitung und einer Abfluß
leitung für den Wärmeträger, die mit dem Strömungsweg
in Verbindung stehen und durch den Isolierbereich
nach außen geführt sind, derart ausgestaltet, daß der
Speicherkern mit Abstand von der Innenwandung des
Innenbehälters gelagert ist und der Raum zwischen dem
Innenbehälter und dem Speicherkern mit dem Strömungs
weg in Verbindung steht. Dadurch besteht die Möglich
keit, während des Ausheizens den Raum zwischen dem
Innenbehälter und dem Speicherkern über die nach
außen führende, beim Betrieb des Wärmetauschers den
Strömungsweg im Speicherkern mit dem Wärmeträger
versorgende Leitungsverbindung mit einem wärmeisolie
renden Gas zu beschicken oder diesen Raum zu evakuie
ren. Es kann aber auch während des Ausheizens, bei
spielsweise unter Verwendung des wärmeisolierenden
Gases, in den Strömungswegen ein statischer Druck
aufgebaut werden, der den beim Ausheizen auftreten
den, erhöhten Dampfdruck des Speichermediums kompen
siert. Schließlich besteht auch die Möglichkeit,
während des Ausheizens über die Leitungsverbindung
den Strömungsweg mit einer Flüssigkeit, wie etwa
Ethylenglykol, zu befüllen, deren temperaturabhängi
ger Dampfdruckverlauf so gewählt ist, daß er den
Dampfdruck des Speichermediums während der Ausheizung
kompensiert.
Vorzugsweise ist der Speicherkern über Stützelemente
aus wärmeisolierendem und im Bereich der Ausheiztem
peratur temperaturbeständigem Material am Innenbehäl
ter abgestützt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mün
den die Zu- und die Abflußleitung in den Innenbehäl
ter, in dem an von einander abgewandten Seiten des
Speicherkerns, an denen die den Speicherkern durch
ziehenden Strömungswege ausmünden, jeweils zwischen
dem Innenbehälter und dem Speicherkern ein Sammelraum
für den Wärmeträger freigehalten ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht bei
Wärmespeichern, in deren Speicherkern die Kammer für
das Speichermedium in eine Anzahl von durch den
Strömungsweg für den Wärmeträger voneinander getrenn
te, von dünnen Trennwänden umschlossene und einen
flachen Querschnitt aufweisende Teilkammern aufge
teilt ist, deren lange Querschnittsseiten einander
zugewandt sind, darin, daß der Abstand dieser flachen
Querschnittsseiten benachbarter Teilkammern derart
bemessen ist, daß sich diese Querschnittsseiten unter
dem Einfluß des den Querschnitt der Teilkammern ver
größernden Dampfdrucks beim Ausheizen aneinander
abstützen, bevor die Dehnung der Wände der Teilkam
mern eine Sicherheitsgrenze überschreitet.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform besteht bei
einem Wärmespeicher, in dessen Speicherkern die Kam
mer für das Speichermedium in eine Anzahl von Teil
kammern und der Strömungsweg in eine Anzahl von sich
zwischen diesen Teilkammern erstreckende Kanäle
unterteilt ist, wobei die Kanäle und die Teilkammern
durch dünne Trennwände voneinander getrennt sind,
darin, daß die Trennwände durch Abstandshalter
untereinander verbunden sind, wodurch durch erhöhten
Dampfdruck und/oder Wärmedehnung verursachte Kräfte
abgestützt werden können. Nach einer zweckmäßigen
Ausgestaltung sind die Abstandshalter zugfest mit den
Trennwänden verbunden und können dadurch auch einen
erhöhten Dampfdruck in dem Raum abstützen, in dem die
Abstandshalter angeordnet sind.
Insbesondere dann, wenn beim Ausheizen der Strö
mungsweg für den Wärmeträger von einem Kühlmedium
durchflossen wird, besteht eine andere vorteilhafte
Ausgestaltung darin, daß daß die Abstandshalter in
den Kanälen für den Wärmeträger angeordnet sind.
Durch die Wärmeaufnahme des Kühlmittels steigt dessen
Dampfdruck, so daß auch der Dampfdruck des Kühl
mittels die dünnen Trennwände zwischen den Kanälen
und den Teilkammern für das Speichermedium gefährden
kann. Die unter dem Einfluß des Dampfdrucks im Kühl
mittel auf die Trennwände einwirkenden Kräfte werden
als Zugkräfte von den Abstandshaltern aufgenommen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß
der Speicherkern von einem Kernmantel umschlossen
ist, der am Innenbehälter abgestützt ist.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform
weist der Kernmantel zwischen zwei Stirnseiten, an
denen dem Strömungsweg zugehörige Kanäle ausmünden,
eine Mantelfläche auf, die unter Bildung eines Iso
lierspalts der Mantelfläche des Innenbehälters ge
genüberliegt, wobei dieser Isolierspalt zur
dauerhaften Isolierung mit einem mikroporösen
Isoliermaterial angefüllt sein kann. Vorzugsweise
steht der Isolierspalt aber zumindest mit einem der
Sammelräume in Verbindung, um einem der Kühlung des
Speicherkerns dienenden Kühlmittel den Zufluß oder
Durchfluß zu gestatten. Steht der Isolierspalt nur
mit einem der Sammelräume in Verbindung, kommt das
Kühlmittel im Isolierspalt zum Stillstand und erwärmt
sich, wodurch in der bereits beschriebenen Weise die
Abkühlung des Innenbehälters verhindert wird.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der
Erfindung wird diese näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen
Latentwärmespeicher für Kraftfahrzeughei
zungen, der zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens geeignet ist, und
Fig. 2 einen Querschnitt durch diesen Wärmespei
cher nach einer ersten Ausführungsform,
Fig. 3 einen ebensolchen Querschnitt bei einer
anderen Ausführungsform und
Fig. 4 eine Detaildarstellung zu Fig. 2.
Der gezeigte Wärmespeicher besitzt ein insgesamt mit
10 gekennzeichnetes Gehäuse, bestehend aus einem
Außenbehälter 12 und einem mit allseitigem Abstand
vom Außenbehälter 12 darin angeordneten Innenbehälter
14, wobei zur Vereinfachung der Darstellung Lage
rungselemente für die Abstützung des Innenbehälters
14 im Außenbehälter 12 zur Bildung eines Isolierge
fäßes nicht gezeigt sind. Im Innenbehälter 14 ist ein
Speicherkern 16 angeordnet, in dem eine Kammer
18 für das wärmespeichernde Medium von einer
Anzahl zueinander parallel verlaufender Kanäle 20 für
einen Wärmeträger durchzogen wird, wobei die Anord
nung so getroffen ist, daß die Kanäle 20 an zwei
voneinander abgewandten Stirnseiten 22 bzw. 24 des
von einem Kernmantel 26 umschlossenen Speicherkerns
16 austreten und dort jeweils in Sammelräume 28 bzw.
30 für den Wärmeträger münden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Ausfüh
rungsformen des vom Kernmantel 26 umschlossenen Spei
cherkerns 16.
Bei der Variante nach Fig. 2 umschließt der Kernman
tel 26 eine Gruppe von flachen, parallel zueinander
und zur Bildung der Kanäle 20 mit Abstand voneinander
angeordneten, mit dem wärmespeichernden Medium ge
füllten Teilkammern 18a.
Die Teilkammern 18a werden von dünnwandigen, nahezu
drucklos verformbaren Trennwänden 38 gegenüber den
Kanälen 20 abgegrenzt, wobei in den Kanälen 20 nur
einmal angedeutete, mit 40 bezeichnete und in Fig. 4
deutlich dargestellte Abstandshalter angeordnet sind,
die mit den Trennwänden 38 und am Rande des Speicher
kerns 16 mit dem Kernmantel 26 fest verbunden sind.
Neben der nachfolgend noch erläuterten Verbesserung
der mechanischen Festigkeit dienen die Abstandshalter
40 noch dem Zweck, beim Durchfluß eines Mediums durch
den Strömungsweg eine Turbulenz zu erzeugen.
Die Teilkammern 18a besitzen einen flachen Quer
schnitt, etwa in Form flachgedrückter Rechtecke oder
Ovale, wobei die langen Seiten der Querschnitte be
nachbarter Teilkammern 18a einander gegenüberliegen.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich
von der Ausführungsform nach Fig. 2 dadurch, daß eine
einheitliche Kammer 18b für das wärmespeichernde
Medium vorgesehen ist, die vom Kernmantel 26 um
schlossen wird. In dem vom Speichermedium ausgefüll
ten Innenraum der Kammer 18 sind die Kanäle 20 durch
membranartige, schlauchförmige, durch nicht darge
stellte Abstandshalter bzw. Stützelemente in flacher
Querschnittsform mit Abstand voneinander angeordnete
Wandungen 21 abgegrenzt.
Der durch die Sammelräume 28 und 30 und die Kanäle 20
gebildete Strömungsweg für den Wärmeträger im Spei
cherkern 16 ist mit einer Zuflußleitung 32 und einer
Abflußleitung 34 verbunden, die in den Innenbehäl
ter 14 münden, und zwar entweder die Zuflußleitung 32
in den einen und die Abflußleitung 34 in den ande
ren Sammelraum 28 bzw. 30, wie dies gezeigt ist, oder
beide Leitungen in einen der beiden Sammelräume, der
dann in eine Zufluß- und eine Abflußkammer unter
teilt ist und wobei dann der andere Sammelraum als
Umlenkkammer für den Wärmeträger dient.
Zwischen den beiden Stirnseiten 22 und 24 weist der
Kernmantel 26 eine Mantelfläche 35 auf, die mit ge
ringem Abstand parallel zur gegenüberliegenden Man
telfläche 37 des Innenbehälters 14 verläuft, so daß
zwischen beiden Mantelflächen 35 und 37 ein Isolier
spalt 39 gebildet wird, der das wärmespeichernde
Medium im Speicherkern 16 vor einer Überhitzung beim
Ausheizen schützt.
Bei der Variante nach Fig. 2 muß der Kernmantel 26
und damit auch die Mantelfläche 35 nicht geschlossen
sein, so daß der Isoliespalt 39 einen Teil des Strö
mungsweges für den Wärmeträger bildet.
Bei einer geschlossenen Ausführung des Kernmantels
26, wie sie bei der Variante des Speicherkerns 16
nach Fig. 3 erforderlich ist, aber auch bei der
Variante nach Fig. 2 verwendet werden kann, kann der
Isolierspalt 39 geschlossen sein. Er kann aber auch
nach den Sammelräumen 28 und 30 hin geöffnet sein und
so ebenfalls einen Teil des Strömungsweges für den
Wärmeträger bilden. Der Isolierspalt 39 kann aber
auch mit einem mikroporösen Material gefüllt sein, um
eine dauerhafte Isolierung zwischen dem Innenbehälter
14 und dem Speicherkern 16 zu bilden.
Zwischen dem Außenbehälter 12 und dem Innenbehälter
14 befindet sich ein Isolierbereich 36, der ein
Vakuum enthält oder mit mikroporösen Stoffen gefüllt
und zusätzlich evakuiert ist. Dieser Isolierbereich
36 wird von der Zuflußleitung 32 und der Abfluß
leitung 34 durchquert, die außerhalb des Außenbehäl
ters 12 enden.
Zwischen dem Kernmantel 26 und dem Innenbehälter 14
sind Stütz- oder Lagerungselemente aus ausreichend
wärmebeständigem und vorzugsweise thermisch isolie
rendem Material angeordnet.
Nach der vollständigen Montage des vorstehend be
schriebenen Wärmespeichers wird zur dauerhaften Wär
meisolierung des Speicherkerns 16 die oben bereits
erläuterte Ausheizung und Evakuierung des Isolierbe
reichs 36 durchgeführt, wozu der komplette Wärmespei
cher beispielsweise für die vorgesehene Ausheizzeit
in einen Ofen eingebracht wird.
Zum Schutz des Speicherkerns 16 kann beispielsweise
der Strömungsweg und damit auch der dann einen Iso
lierraum bildende Raum zwischen der Innenseite des
Innenbehälters 14 und der Außenseite des Kernmantels
26 mit einem wärmeisolierenden Gas oder mit einer
Flüssigkeit, wie etwa Ethylenglykol, gefüllt werden,
deren temperaturabhängiger Dampfdruckverlauf den
Dampfdruck im Speichermedium während der Ausheizung
kompensiert. Es kann aber auch im Strömungsweg ein
wärmeisolierendes Vakuum erzeugt werden, wobei gege
benenfalls die Zuflußleitung 32 und die Abfluß
leitung 34 hermetisch abgeschlossen werden müssen.
Werden die Kammern 18 durch einen erhöhten Dampf
druck des Speichermediums verformt, können sich ein
ander benachbarte Trennwände 38 aneinander abstützen.
Es kann aber auch ein Kühlmedium, wie etwa ein Ge
misch aus Wasser und Ethylenglykol, durch den Strö
mungsweg zirkulieren, um den Isolierraum auf einer
Temperatur zu halten, welche die Betriebstemperatur
nicht überschreitet. Dabei ist es möglich, das Kühl
medium vor Beginn der Ausheizung und Evakuierung
beispielsweise auf diese gewünschte Temperatur von
120°C zu erwärmen, so daß in der Anfangsphase der
Ausheizung der Innenbehälter 14 und damit die inneren
Begrenzung des Isolierbereichs 36 auch von innen her
beheizt wird und dadurch schneller die Ausheiztempe
ratur erreicht. Wenn nachfolgend das Kühlmedium durch
die abzuführende Wärme auf dieser Temperatur von bei
spielsweise 120°C gehalten wird, wird der Speicher
kern vor einer schädlichen Hitzeeinwirkung geschützt.
Allerdings weist das erwähnte Kühlmedium bei Tempe
ratur von 120°C einen Dampfdruck von 2 bar auf, dem
die Trennwände 38 allein nicht widerstehen könnten.
Die dabei auf die Trennwände 38 einwirkenden Kräfte
werden deshalb als Zugkräfte von den Abstandshaltern
40 aufgenommen.
Eine nicht gezeigte Variante besteht darin, daß der
Isolierspalt 39 von einem der Sammelräume 28 oder 30
getrennt wird, wodurch eine Strömung durch den Iso
lierspalt 39 unterbunden wird, während das Kühlmedium
über die Kanäle 20 den Speicherkern durchströmen und
auf der gewünschten, niedrigen Temperatur halten
kann. Das im Isolierspalt 39 stillstehende Kühlmedium
kann sich dagegen erwärmen und so eine unerwünschte
Abkühlung des Innenbehälters 14 verhindern.
Eine besonders wirtschaftliche Herstellung des Wärme
speichers wird erreicht, wenn man den Speicherkern
z. B. an einer Vorheizstation auf seine maximal zuläs
sige Temperatur vorheizt und den Wärmespeicher dann
einer Ausheizstation zuführt, wo der Isolierbereich
auf die Ausheiztemperatur gebracht und evakuiert
wird.
Claims (27)
1. Verfahren zum Herstellen der Wärmeisolation eines Wärmespeichers,
insbesondere eines Latentwärmespeichers für durch Motorab
wärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem Gehäuse,
das einen Außenbehälter und einen mit Abstand von diesem an
geordneten Innenbehälter umfaßt, die zwischen sich einen
Isolierbereich einschließen, mit einem im Innenbehälter an
geordneten Speicherkern, in dem mindestens eine Kammer für
ein Speichermedium durch eine Trennwand von mindestens einem
Strömungsweg für einen Wärmeträger getrennt ist, und mit
einer Zuflußleitung und einer Abflußleitung für den Wärme
träger, die mit dem Strömungsweg in Verbindung stehen und
durch den Isolierbereich nach außen geführt sind, wobei der
Isolierbereich nach der mechanischen Fertigstellung des Ge
häuses zur Entgasung ausgeheizt und evakuiert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausheizung mit einer wesentlich über
der Betriebstemperatur des Wärmespeichers liegenden Tempera
tur erfolgt und dabei die Komponenten des Speicherkerns vor
temperaturbedingten Schäden geschützt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Schutz der Komponenten des Speicherkerns zumindest
während der Ausheizung der Speicherkern gegenüber dem Iso
lierbereich wärmeisoliert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Wärmeisolierung ein Isolierraum zwischen dem Spei
cherkern und dem Innenbehälter zumindest während der Aushei
zung des Isolierbereichs mit einem Gas geringer Wärmeleitfä
higkeit gefüllt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Isolierraum zwischen dem Spei
cherkern und dem Innenbehälter zumindest während der Aus
heizung des Isolierbereichs evakuiert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß während der Ausheizung des Iso
lierbereichs der überhöhte, auf die Trennwände der das Spei
chermedium enthaltenden Kammern einwirkende Dampfdruck des
Speichermediums abgestützt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Abstützen der Trennwände während der Ausheizung ein
den überhöhten Dampfdruck des Speichermediums kompensieren
der Gegendruck in den Strömungswegen im Innenbehälter aufge
baut wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Abstützen der Trennwände während der Ausheizung der
Innenbehälter mit einer Flüssigkeit befüllt wird, deren tem
peraturabhängiger Dampfdruckverlauf so gewählt ist, daß er
den Dampfdruck des Speichermediums während der Ausheizung
kompensiert, und daß diese Flüssigkeit während der Aushei
zung im Innenbehälter hermetisch abgeschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenbehälter während der Ausheizung mit Ethylengly
kol gefüllt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß während der Ausheizung ein Kühlmedium
durch den Strömungsweg geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 bei einem Wärmespeicher
mit einem Isolierspalt, der sich zwischen einer Mantelflä
che, die den Speicherkern zwischen zwei Stirnflächen umgibt,
in denen der durch den Speicherkern führende Strömungsweg
ein- bzw. ausmündet, und dem Innenbehälter befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Kühlmediums durch den
Isolierspalt zwischen den beiden Stirnflächen blockiert
wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, bei einem Wärmespeicher
mit einem Isolierspalt, der sich zwischen einer Mantelflä
che, die den Speicherkern zwischen zwei Stirnflächen umgibt,
in denen der durch den Speicherkern führende Strömungsweg
ein- bzw. ausmündet, und dem Innenbehälter befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß zu Beginn der Ausheizung das Kühlmedium
in den Bereich der Betriebstemperatur des Wärmespeichers
aufgeheizt und dann während der Ausheizung in diesem Tempe
raturbereich gehalten wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß der Speicherkern zunächst mit
einem als Wärmeträger dienenden Strömungsmedium auf die für
den Speicherkern maximal zulässige Temperatur vorgeheizt und
dann bis zur Beendigung des Ausheizvorgangs auf diesem Tem
peraturniveau gehalten wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Evakuierung des Isolierbereichs mit zeitlicher
Verzögerung gegenüber der Vorheizung des Speicherkerns be
ginnt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Wärmespeicher mit vorgeheiztem Speicherkern
einer Ausheizstation zugeführt und dort der Isolierbereich
ausgeheizt und evakuiert wird.
15. Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit einem Gehäuse (10), das einen Außenbehälter
(12) und einen mit Abstand von diesem angeordneten Innenbe
hälter (14) umfaßt, die zwischen sich einen Isolierbereich
(36) einschließen, mit einem im Innenbehälter (14) angeord
neten Speicherkern (16), in dem mindestens eine Kammer (18)
für ein Speichermedium durch eine Trennwand (38) von minde
stens einem Strömungsweg (20) für einen Wärmeträger getrennt
ist, und mit einer Zuflußleitung (32) und einer Abflußlei
tung (34) für den Wärmeträger, die mit dem Strömungsweg (20)
in Verbindung stehen und durch den Isolierbereich (36) nach
außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Spei
cherkern (16) mit Abstand von der Innenseite der Wandung des
Innenbehälters (14) gelagert ist.
16. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Raum zwischen der Innenseite der Wandung
des Innenbehälters (14) und dem Speicherkern (16) als abge
schlossener Isolierraum ausgebildet ist.
17. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Raum zwischen der Innenseite der Wandung
des Innenbehälters (14) und dem Speicherkern (16) mit dem
Strömungsweg (20) in Verbindung steht.
18. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkern (16) über
Stützelemente aus wärmeisolierendem und im Bereich der
Ausheiztemperatur temperaturbeständigem Material am Innenbe
hälter (14) abgestützt ist.
19. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und die Abflußleitung
(32, 34) in den Innenbehälter (14) münden, in dem an vonein
ander abgewandten Stirnseiten (22, 24) des Speicherkerns
(16), an denen die den Speicherkern (16) durchziehenden
Strömungswege (20) ausmünden, jeweils zwischen dem Innenbe
hälter (14) und dem Speicherkern (16) ein Sammelraum (28,
30) für den Wärmeträger freigehalten ist.
20. Wärmespeicher, in dessen Speicherkern (16) die
Kammer für das Speichermedium in eine Anzahl von durch den
Strömungsweg (20) für den Wärmeträger voneinander getrennte,
von dünnen Trennwänden (38) umschlossene und einen flachen
Querschnitt aufweisende Teilkammern (18) aufgeteilt ist, de
ren lange Querschnittsseiten einander zugewandt sind, nach
einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand dieser flachen Querschnittsseiten benachbarter
Teilkammern (18) derart bemessen ist, daß sich diese Quer
schnittsseiten unter dem Einfluß des den Querschnitt der
Teilkammern (18) vergrößernden Dampfdrucks beim Ausheizen
einander abstützen, bevor die Dehnung der Wände (38) der
Teilkammern (18) eine Sicherheitsgrenze überschreitet.
21. Wärmespeicher, in dessen Speicherkern (16) die
Kammer für das Speichermedium in eine Anzahl von Teilkammern
(18) und der Strömungsweg (20) in eine Anzahl von sich zwi
schen diesen Teilkammern (18) erstreckende Kanäle unterteilt
ist, wobei die Kanäle und die Teilkammern (18) durch dünne
Trennwände (38) voneinander getrennt sind, nach einem der
Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn
wände (38) durch Abstandshalter (40) untereinander verbunden
sind.
22. Wärmespeicher nach Anspruch 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abstandshalter (40) zugfest mit den Trenn
wänden (38) verbunden sind.
23. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 21 oder 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (40) in den
Kanälen (20) für den Wärmeträger angeordnet sind.
24. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 15 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkern (16) von einem
Kernmantel (26) umschlossen ist, der am Innenbehälter (14)
abgestützt ist.
25. Wärmespeicher nach Anspruch 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kernmantel (26) zwischen zwei Stirnseiten
(22, 24), an denen dem Strömungsweg (20) zugehörige Kanäle
ausmünden, eine Mantelfläche (35) aufweist, die unter Bil
dung eines Isolierspalts (39) der Mantelfläche (37) des In
nenbehälters (14) gegenüberliegt.
26. Wärmespeicher nach Anspruch 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Isolierspalt (39) mit einem mikroporösen
Isoliermaterial angefüllt ist.
27. Wärmespeicher nach den Ansprüchen 19 und 26, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Isolierspalt (39) zumindest mit einem
der Sammelräume (28, 30) in Verbindung steht.
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