EP3332098B1

EP3332098B1 - Behältnis für einen abwärmenutzungskreislauf

Info

Publication number: EP3332098B1
Application number: EP16751229.2A
Authority: EP
Inventors: Richard BRÜMMER; Eberhard Pantow
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: DE102015215063A1; US20180224224A1; EP3332098A1; JP6534773B2; US10323889B2; JP2018530727A; WO2017021282A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Behältnis für einen Abwärmenutzungskreislauf sowie einen Abwärmenutzungskreislauf mit einem solchen Behältnis. Die Erfindung betrifft ferner eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einem solchen Abwärmenutzungskreislauf.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Kolbenmotoren, wird durch Verbrennen eines Kraftstoffs mechanische Antriebsleistung erzeugt. Ein Großteil der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie fällt dabei als Wärme ab, die häufig ungenutzt bleibt. Regelmäßig muss sogar ein Teil der nutzbaren Antriebsleistung zum Kühlen der Brennkraftmaschine und deren Aggregate verwendet werden. Mit einer Abwärmenutzungseinrichtung kann die bei einer Brennkraftmaschine anfallende Abwärme genutzt werden, bspw. um weitere Antriebsleistung oder elektrische Energie bereitzustellen. Hierdurch kann der energetische Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Derartige Abwärmenutzungseinrichtungen sind beispielsweise aus der EP 2 573 335 A2 und aus der DD 136 280 bekannt.
Abwärmenutzungseinrichtungen können als Kreisprozess in Form eines sogenannten Carnot-Prozesses ausgestaltet sein. Ein spezieller Carnot-Prozess ist der sog. Clausius-Rankine-Prozess. Bei einem solchen Clausius-Rankine-Prozess zirkuliert in einem Abwärmenutzungskreis ein Arbeitsmedium. Im Abwärmenutzungskreis befindet sich ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, der hierzu der Brennkraftmaschine Wärme entzieht. Stromab des Verdampfers befindet sich im Abwärmenutzungskreis eine Expansionsmaschine zum Entspannen des Arbeitsmediums auf einen Niederdruck. Stromab der Expansionsmaschine befindet sich im Abwärmenutzungskreis ein Kondensator zum Verflüssigen des Arbeitsmediums. Stromab des Kondensators ist im Abwärmenutzungskreis eine Kompressionsmaschine zum Komprimieren des Arbeitsmediums auf einen Hochdruck zu finden. Von der Kompressionsmaschine gelangt das Arbeitsmedium wieder zum Verdampfer. Beim Entspannen des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine wird Wärmeenergie in mechanische Antriebsenergie umgewandelt, die direkt als mechanische Antriebsleistung genutzt werden kann oder mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie gewandelt werden kann. Die Wärme zum Verdampfen des Arbeitsmediums kann bspw. dem Abgas der Brennkraftmaschine entzogen werden. Zum Fördern des Arbeitsmediums dient eine stromab des Kondensators im Abwärmenutzungskreis angeordnete Pumpe.
Als nachteilig bei einem solchen herkömmlichen Abwärmenutzungskreis erweist es sich, dass durch das Arbeitsmedium in der Pumpe unerwünschte Kavitationseffekte hervorgerufen werden können. Diese können die zu einer Beschädigung der mit dem Arbeitsmedium mechanisch in Kontakt stehenden Komponenten der Pumpe führen. Dies kann im Extremfall sogar eine Zerstörung der Pumpe zur Folge haben.
Die US 2015/135708 A1 , die DE 10 2009 050068 A1 und die DE 10 2012 000100 A1 offenbaren jeweils ein Behältnis für einen Abwärmenutzungskreislauf mit einem einen Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäuse, wobei der Gehäuseinnenraum mit einem Arbeitsmedium durchströmbar ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Abwärmenutzungskreis zu schaffen, die der Ausbildung von unerwünschten Kavitationseffekten in der das Arbeitsmedium antreibenden Pumpe entgegenwirkt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein Ausgleichbehältnis für einen Abwärmenutzungskreis - nachfolgend der Einfachkeit halber als "Behältnis" bezeichnet - bereitzustellen, welches eine Unterkühlung des Arbeitsmediums bewirkt, so dass dieses möglichst nur in flüssiger Phase; durch die Pumpe strömt. Unerwünschte Kavitationseffekte können auf diese Weise vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Behältnis mit einem, vorzugsweise starren, Gehäuse auszustatten, welches von einem Arbeitsmedium eines Abwärmenutzungskreislaufs durchströmbar ist. Im Gehäuse wiederum ist eine fluiddichte, wärmeleitende und volumen-variable Umhüllung angeordnet. Dieses dient dazu, das effektive Volumen des vom Gehäuse begrenzten Gehäuseinnenraums zu variieren, was für die angestrebte Unterkühlung des Arbeitsmediums von wesentlicher Bedeutung ist. In das Gehäuse kann direkt das Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreislaufs eingeleitet werden. Während des Durchströmens des Gehäuses kann das Arbeitsmedium über die wärmeleitende Umhüllung mit dem Hilfsmedium in thermische Wechselwirkung treten. Typischerweise weist das Arbeitsmedium beim Eintritt in das Behältnis dabei eine höhere Temperatur auf als das stationär im Behältnis vorhandene Hilfsmedium. Aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Umhüllung wird Wärme vom wärmeren Arbeitsmedium auf das kältere Hilfsmedium übertragen, bis sich ein Temperaturgleichgewicht zwischen Arbeitsmedium und Hilfsmedium einstellt. Erreicht dabei die Temperatur des Hilfsmediums seine Siedetemperatur, so beginnt die flüssige Phase des Hilfsmediums wenigstens teilweise zu verdampfen. Dies führt zu einer Vergrößerung des von der Umhüllung begrenzten Umhüllungs-Innenraum durch Expansion der volumen-variablen Umhüllung. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung des Drucks des Arbeitsmediums so lange, bis sich im Hilfsmedium ein Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase eingestellt hat. In diesem Gleichgewichtszustand entspricht der Fluiddruck des Arbeitsmediums dem Siededruck des Hilfsmediums. Wählt man das Arbeitsmedium und das nun Hilfsmedium derart, dass die Siedetemperatur des Hilfsmediums geringer ist als jene des Arbeitsmediums, so lässt sich dauerhaft erreichen, dass das Arbeitsmedium wie gewünscht im flüssigen Zustand der Unterkühlung durch den Abwärmenutzungskreislaufs strömt. Insbesondere lässt sich sicherstellen, dass sich ohne aktives Zutun von außen das gewünschte Unterkühlungsniveau einstellt.
Gelangt aus einem dem Behältnis vorgeschalteten Kondensator des Abwärmenutzungskreislaufs ein Arbeitsmedium mit reduzierter Temperatur in den Gehäuseinnenraum, so nimmt durch Wärmeübertragung innerhalb kurzer Zeit auch die Temperatur des Hilfsmediums ab, und ein Teil der darin enthaltenen gasförmigen Phase kondensiert zur flüssigen Phase, wodurch das Volumen des Umhüllungs-Innenraum verringert wird. Dabei kommt es zu einer Verlagerung des Arbeitsmittels vom Kondensator in das Behältnis, wodurch die Unterkühlung reduziert wird. Dies geschieht, bis die Unterkühlung wieder das gewünschte Maß erreicht hat.
Gelangt hingegen Arbeitsmittel in Dampfform aus dem Kondensator in den Gehäuseinnenraum, so nimmt der Fluiddruck durch das zusätzliche Dampfvolumen unmittelbar zu, wodurch die vollständige Kondensation am Kondensator-Austritt ohne Zutun einer externen Regelung automatisch, also ohne Zutun einer externen Regelung, wiederhergestellt wird.
Im Betrieb der Abwärmenutzungseinrichtung können sich in dem in den Abwärmenutzungskreis integrierten Ausgleichsbehältnis eine Dampf- und eine Flüssigphase des Arbeitsmediums derart einstellen, dass sich ein Kondensationsdruck ergibt, bei welchem die Unterkühlung des Arbeitsmediums im Wesentlichen konstant bleibt. Gelangt aus dem Kondensator ein unterkühltes, flüssiges Arbeitsmedium in das Ausgleichsbehältnis, so kondensiert ein Teil des darin enthaltenen Dampfes aus, und der Fluiddruck des Arbeitsmediums im Ausgleichsbehältnis nimmt ab. Gelangt hingegen Dampf aus dem Kondensator in das Ausgleichsbehältnis, so nimmt der Fluiddruck im Ausgleichsbehältnis aufgrund des zusätzlichen Dampfvolumens zu. Im Ergebnis wird eine vollständige Kondensation des Arbeitsmediums beim Austritt aus dem Kondensator sichergestellt, ohne dass hierzu ein zusätzlicher, externer Regelmechanismus erforderlich wäre. Durch eine Anordnung der Pumpe unmittelbar stromab des Ausgleichsbehältnisses kann also gewährleistet werden, dass das Arbeitsmedium des Abwärmenutzungskreises stets in flüssiger Form in die Pumpe eintritt. Dies führt dazu, dass keine unerwünschte Kavitation innerhalb der Pumpe auftreten kann.
Ein erfindungsgemäßes Behältnis für einen Abwärmenutzungskreislauf umfasst ein Gehäuse, welches einen Gehäuseinnenraum begrenzt, und zwar derart, dass der Gehäuseinnenraum von einem Arbeitsmedium durchströmbar ist. Hierzu können am Gehäuse an geeigneter Position ein Fluideinlass und ein Fluidauslass vorgesehen sein. Im Gehäuseinnenraum ist eine Umhüllung angeordnet, in welcher ein Hilfsmedium aufgenommen ist. Dabei ist die Umhüllung fluiddicht und wenigstens bereichsweise wärmeleitend ausgebildet. Die Umhüllung begrenzt einen Umhüllungs-Innenraum variablen Volumens. Als "wärmeleitend" werden vorliegend jedwede Materialien verstanden, welche einen zum Temperaturausgleich innerhalb weniger Minuten, vorzugsweise innerhalb weniger Sekunden, erforderlichen Wärmetransport zwischen den beiden Gehäuseinnenräumen erlauben.
Erfindungsgemäß ist der Gehäuseinnenraum wenigstens teilweise mit dem Arbeitsmedium befüllt und/oder von diesem durchströmt. Entsprechend ist die Umhüllung fluidisch getrennt vom Arbeitsmedium mit einem Hilfsmedium befüllt, welches sich im Umhüllungs-Innenraum in einem gasförmigen und/oder flüssigen Zustand befindet. Mit anderen Worten, das Hilfsmedium kann in der Umhüllung - je nach momentanem Betriebszustand des Behältnisses im Abwärmenutzungskreislauf - eine gasförmige Phase oder eine flüssige Phase aufweisen, oder beide Phasen. Dabei ist die Siedetemperatur des Hilfsmediums, vorzugsweise um wenigstens 10K, höchst vorzugsweise um wenigstens 14K, kleiner als eine Siedetemperatur des Arbeitsmediums. Die Bereitstellung eines Hilfsmediums mit gegenüber dem Arbeitsmedium reduzierter Siedetemperatur ermöglicht auf einfache Weise die angestrebte Unterkühlung des Arbeitsmediums im Betrieb im Abwärmenutzungskreislauf.
Zur Realisierung der erfindungswesentlichen Volumen-Variabilität des Umhüllungs-Innenraum wird vorgeschlagen, die Umhüllung mit einer fluiddicht und federelastisch verformbaren Membran zu versehen. Hierzu kommt vorzugsweise ein Elastomer, besonders bevorzugt aus einem Kunststoff, in Betracht.
Besonders bevorzugt kann die Umhüllung frei beweglich in dem im äußeren Gehäuse vorhandenen, typischerweise flüssigen Arbeitsmedium angeordnet sein. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens der Umhüllung im Zuge des Wärmetransports zwischen Arbeitsmedium und Hilfsmedium.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung als (erster) Faltenbalg ausgebildet. Ein solcher Faltenbalg erlaubt eine gezielte Ausdehnung der Umhüllung entlang einer vorbestimmten Richtung, entlang welcher sich das balgartig ausgebildete Material des Faltenbalgs erstreckt. Dies führt zu einem reduzierten Bedarf an Bauraum für das Behältnis.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Gehäuseinnenraum eine Trenneinrichtung angeordnet, welche den Gehäuseinnenraum in einen vom Arbeitsmedium durchströmbaren ersten Teilraum und einen fluidisch vom ersten Teilraum getrennten, zweiten Teilraum unterteilt. Wird der zweite Teilraum mittels einer im Gehäuse vorgesehenen Druckausgleichsöffnung fluidisch mit der äußeren Umgebung des Behältnisses verbunden, so kann das wirksame Volumen des Behältnisses zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium beim Kaltabstellen des Abwärmenutzungskreislaufs verringert werden. Somit steht stets ein ausreichendes Fluidvolumen für die Flutung der Komponenten des Abwärmenutzungskreislaufs zur Verfügung, die im Betrieb mit Dampf gefüllt sein können. Beim Kaltabstellen oder bei Absenkung des Kondensationsdruckes unter den Umgebungsdruck kann also ein Teil des im Behältnis vorhandenen Arbeitsfluids zu besagter Flutung verwendet werden. Mittels des vom ersten Teilraum getrennten zweiten Teilraums kann dabei durch Druckausgleich ein Unterdruck im Ausgleichbehältnis erzielt werden. Im Ergebnis wird auf diese Weise beim Kaltabstellen eine unerwünschte Verunreinigung des Arbeitsmediums mit Luft aufgrund von Leckage in den im Abwärmenutzungskreislauf vorhandenen Dichtungen vermieden.
Technisch besonders einfach lässt sich die Trenneinrichtung realisieren, indem diese mit einem Trennelement aus einem fluiddichten und federelastisch verformbaren Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume zueinander ausgestattet wird.
Bei einer dazu alternativen Variante ist die Trenneinrichtung als (zweiter) Faltenbalg ausgebildet oder Teil eines solchen (zweiten) Faltenbalgs. Die simultane Verwendung eines ersten und eines zweiten Faltenbalgs erfordert besonders wenig Bauraum.
Mit einer besonders geringen Anzahl an Bauteilen herzustellen und folglich mit besonders geringen Fertigungskosten verbunden ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die als zweiter Faltenbalg ausgebildete Trenneinrichtung und eine im zweiten Teilraum angeordnete federelastische Membran Teil der Umhüllung sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird der zweite Faltenbalg mittels einer federelastischen Membran zur Umhüllung komplettiert. Auf diese Weise lässt sich eine besonders große Variabilität des Volumens der Umhüllung realisieren.
Besonders wenig Bauraum erfordert eine weitere vorteilhafte Weiterbildung, gemäß welcher die Trenneinrichtung ein Trennelement aus einem fluiddichten und federelastisch verformbaren Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume relativ zueinander umfasst. Besagtes Trennelement ist zusammen mit einer weiteren federelastischen und wärmeleitenden Membran am Gehäuse befestigt und unterteilt den Gehäuseinnenraum in drei Teilräume. Das Trennelement und die Membran sind in diesem Szenario Teil der Umhüllung; und zwar derart, dass der dritte Teilraum der von der Umhüllung begrenzte Umhüllungs-Innenraum ist.
Besonders einfach herzustellen ist eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, gemäß welcher die beiden Membranen innen an einer gemeinsamen Gehäusewand des Gehäuses befestigt sind. Bei dieser Variante erfolgt die Befestigung vorzugsweise derart, dass die gemeinsame Gehäusewand sowohl einen Teil des Gehäuses als auch der Umhüllung bildet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung durch den ersten Faltenbalg begrenzt. Die weist Trenneinrichtung ein Trennelement aus einem federelastischen und fluiddichten Material auf, wobei der erste Faltenbalg im ersten Teilraum angeordnet ist.
Besonders zweckmäßig können das Arbeitsmedium Ethanol und das Hilfsmedium Methanol sein. Da deren Siedetemperatur um ca. 14K differiert, eigenen sie diese beiden Medien in besonderem Maße zur Sicherstellung der gewünschten Unterkühlung des Arbeitsmediums.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse einen Fluideinlass zum Einleiten des Arbeitsmediums in den ersten Teilraum und einen am Gehäuse vorhandenen Fluidauslass zum Ausleiten des Arbeitsmediums aus dem ersten Teilraum auf. Bevorzugt ist dabei wenigstens der Fluidauslass in einem unteren Bereich des Gehäuses, besonders bevorzugt in einem Gehäuseboden des Gehäuses, angeordnet. Der Begriff "unterer Bereich" bezieht sich dabei auf die Gebrauchslage des Behältnisses im Abwärmenutzungskreislauf. Diese Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, sollen sicherstellen, dass das das Arbeitsmedium nur in flüssiger Phase vorliegt, wenn es über den Fluidauslass aus dem Behältnis entnommen wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1-7: verschiedene Beispiele für ein erfindungsgemäßes Behältnis,
Fig. 8: in schematischer Darstellung den Aufbau eine Abwärmenutzungskreislaufs einer Abwärmenutzungseinrichtung, in welchen das erfindungsgemäße Behältnis integriert ist.

Figur 1 illustriert ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Behältnisses 1, wie es in einem Abwärmenutzungskreislauf 50 einer Abwärmenutzungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs betrieben werden kann. Das Behältnis 1 besitzt ein mechanisch starres Gehäuse 2, welches einen Gehäuseinnenraum 3 mit einem vorbestimmten Volumen begrenzt. Der Gehäuseinnenraum 3 wird von einem Arbeitsmedium 6 durchströmt. Dieses kann über einen am Gehäuse 2 vorgesehenen Fluideinlass 12 in den Gehäuseinnenraum 3 eingeleitet und über einen ebenfalls am Gehäuse 2 vorgesehenen Fluidauslass 13 wieder aus dem Gehäuseinnenraum 3 ausgeleitet werden.
Im Gehäuseinnenraum 3 ist eine Trenneinrichtung 8 angeordnet. Die Trenneinrichtung 8 unterteilt den Gehäuseinnenraum 3 in einen mit dem Arbeitsmedium 6 befüllbaren ersten Teilraum 10a und einen fluidisch vom ersten Teilraum 10a getrennten, zweiten Teilraum 10b. Der Fluideinlass 12 und der Fluidauslass 13 sind dabei fluidisch mit dem ersten Teilraum 10a verbunden. Die Trenneinrichtung 8 umfasst ein Trennelement 9 aus einem fluiddichten und federelastischen Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume 10a, 10b zueinander. Das Trennelement 9 kann als Membran realisiert sein und beispielsweise ein Elastomer umfassen. Das Trennelement 9 kann direkt, also ohne weitere Befestigungsmittel, mittels einer Klebverbindung innenseitig am Gehäuse 2 befestigt sein. Anstelle einer direkten Befestigung mit Hilfe einer Klebverbindung ist alternativ auch die Verwendung einer anderen Befestigungsmethode, beispielsweise eine Klemm- oder Schraubverbindung, vorstellbar. In diesem Fall ist es erforderlich, die Trenneinrichtung 8 mit geeigneten Befestigungselementen auszustatten, mittels welcher besagte Klemm- bzw. Schraubverbindung des Trennelements 9 am Gehäuse 2 realisiert werden kann.
Wie die Figur 1 erkennen lässt, ist am im Gehäuse 2 des Behältnisses 1 eine Öffnung 15 zum Druckausgleich vorhanden, welche den zweiten Teilraum 10b fluidisch mit der äußeren Umgebung 14 des Behältnisses 1 verbindet, so dass der Fluiddruck im zweiten Teilraum 10b stets dem Fluiddruck in der äußeren Umgebung 14 entspricht. Ferner ist im Gehäuse 2 auch eine Befüll- und Entlüftungsöffnung 16 mit einem vom Gehäuse 2 nach außen, vom Gehäuseinnenraum 3 weg abstehenden Befüll- und Entlüftungsstutzen 17 vorgesehen. Die Befüll- und Entlüftungsöffnung 16 verbindet den ersten Teilraum 10a des Gehäuseinnenraums 3 fluidisch mit der äußeren Umgebung 14 des Behältnisses 1. Der Befüll- und Entlüftungsstutzen 17 kann mittels einer geeignet ausgebildeten Dichtkappe 18 verschlossen sein. Im ersten Teilraum 10a des Gehäuseinnenraums 3 ist ferner eine Umhüllung 4 angeordnet, welche fluiddicht und wenigstens bereichsweise wärmeleitend ausgebildet ist. Die Umhüllung 4 begrenzt einen Umhüllungs-Innenraum 5 variablen Volumens, in welcher ein Hilfsmedium 7 angeordnet ist. Die Umhüllung 4 kann wie in Figur 1 schematisch angedeutet als fluiddichte und federelastische Membran 11 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck weist die Membran 11 ein federelastisches Material auf, welches zum Temperaturausgleich zwischen dem Arbeitsmedium 6 und dem Hilfsmedium 7 ein wärmeübertragendes Material umfasst. In Betracht kommt in analoger Weise zum Trennelement ein Elastomer.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist das Hilfsmedium 7 im Umhüllungs-Innenraum 5 sowohl in einer Gasphase 7a als auch in einer flüssigen Phase 7b vorhanden. Die Siedetemperatur des Hilfsmediums 7 weist einen um 10K, vorzugsweise um wenigstens 14K geringeren Wert auf als die Siedetemperatur des Arbeitsmediums 6. Das Arbeitsmedium ist daher vorzugsweise Ethanol, das Hilfsmedium Methanol.
In dem in Figur 1 gezeigten Zustand weisen das Arbeitsmedium 6 und das Hilfsmedium 7 eine annähernd gleiche Temperatur auf. Dieser Zustand kann durch Wärmetransport vom ursprünglich heißeren Arbeitsmedium 6 auf das ursprünglich kühlere Hilfsmedium durch die wärmeübertragende Membran 11 hindurch hergestellt werden. Durch besagte Wärmeaufnahme durch das Hilfsmedium 7 bildet dieses die in Figur 1 gezeigte, teilweise flüssige Phase 7b aus. Damit wiederum geht eine Erhöhung des Fluiddrucks des Arbeitsmediums 6 einher, bis sich im von der Membran 11 begrenzten Umhüllungs-Innenraum 5 ein Gleichgewicht zwischen flüssiger Phase 7a und Gasphase 7b einstellt. Der Fluiddruck des Arbeitsmediums 6 im Gehäuseinnenraum 3 entspricht dann dem Siededruck des Hilfsmediums 7 im Umhüllungs-Innenraum 5. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich im Arbeitsmedium 6 - insbesondere ohne aktives Zutun von außen - stets das für den Betrieb in einem Abwärmenutzungskreisiauf 50 gewünschte Unterkühlungsniveau einstellt: Gelangt aus einem dem Behältnis 1 vorgeschalteten Kondensator des Abwärmenutzungskreislaufs ein Arbeitsmedium 6 mit reduzierter Temperatur in den Gehäuseinnenraum 3, so nimmt durch Wärmeübertragung innerhalb kurzer Zeit auch die Temperatur des Hilfsmediums 7 ab und ein Teil der darin enthaltenen gasförmigen Phase 7a kondensiert zur flüssigen Phase 7b aus. Damit einhergehend reduziert sich der Fluiddruck des Hilfsmediums 7 und somit auch des Arbeitsmediums 6. Dies geschieht so lange, bis die Unterkühlung des Arbeitsmediums 6 wieder das gewünschte Maß erreicht hat. Gelangt hingegen das Arbeitsmedium 6 mit hoher Temperatur und somit in Gasform, also in Form von Dampf, aus dem Kondensator in den Gehäuseinnenraum 3, so nimmt der Fluiddruck von Arbeitsmedium 6 und Hilfsmedium 7 zu, so dass die vollständige Kondensation am Kondensator-Austritt automatisch, also ohne Zutun einer externen Regelung, hergestellt wird.
Die Figur 1 zeigt das Behältnis 1 in dem gewünschten Zustand der Unterkühlung des Arbeitsmediums. Demgegenüber zeigt die Figur 2 das Behältnis der Figur 1 beim sogenannten Kaltabstellen der das Behältnis 1 verwendenden Abwärmenutzungseinrichtung 50. Um beim Kaltabstellen der Abwärmenutzungseinrichtung 50 eine Verunreinigung des Arbeitsfluids 6 mit Luft aufgrund von Leckagen in Dichtungen zu vermeiden, muss das Auftreten eines Unterdrucks im Gehäuseinnenraum 3 möglichst vermieden werden. Dies geschieht mit Hilfe des zweiten Teilraums 10b, der fluidisch mit der äußeren Umgebung 14 des Behältnisses 1 verbunden ist, so dass das Volumen des ersten Teilraums 10a im Zuge eines etwaig auftretenden Druckabfalls im ersten Teilraum 10a unmittelbar verringert werden kann. Auf diese Weise können diejenigen Komponenten des Abwärmenutzungskreislaufs 51 der Abwärmenutzungseinrichtung 50, die im Betrieb mit dem Arbeitsmedium 6 in gasförmiger Phase befüllt sind, mit dem Arbeitsmedium 6 in flüssiger Phase geflutet werden.
Unterschreitet also der Fluiddruck im ersten Teilraum 10a einen minimal zulässigen Schwelldruck, so kontrahiert das erste Teilvolumen 10a mit Hilfe der flexiblen Trenneinrichtung 8, so dass sich der entstandene Unterdruck wieder abbauen kann. Um besagten Unterdruck im Behältnis 1 zu verhindern, steht der zweite Teilraum 10b über die Öffnung 15 mit der äußeren Umgebung 14 in Kontakt, so dass ein Druckausgleich möglich ist kann. Wie ein Vergleich der Figur 2 mit der Darstellung der Figur 1 zeigt, wird durch Bewegung des Trennelements 9 von der Gehäusewandung des Gehäuses 2 weg das Volumen des zweiten Teilraums 10b gegenüber dem Zustand der Figur 1 vergrößert und jenes des ersten Teilraums 10a verkleinert. Der Figur 2 entnimmt man weiterhin, dass aufgrund der Druckreduktion des Fluiddrucks im ersten Teilraum 10a auch das Volumen des von der Umhüllung 4 begrenzten Umhüllungs-Innenraum 5 abnimmt, so dass die im Zustand der Figur 1 noch vorhandene Gasphase 7a des Hilfsmedium 7 vollständig auskondensiert.
Die Figur 3 zeigt eine Variante des Behältnisses 1 der Figuren 1 und 2. Im Beispiel der Figur 3 ist die Umhüllung 4 in der Art eines (ersten) Faltenbalgs 19 ausgebildet. Weiterhin ist beim Behältnis der Figur 3 auf die Trenneinrichtung 8 zur Ausbildung zweier Teilräume 10a, 10b verzichtet, so dass am Gehäuse 2 auch keine Öffnung 15 zum Druckausgleich vorgesehen ist. Wie die Figur 3 anschaulich belegt, weist der Faltenbalg 19 eine erste Faltenbalg-Stirnwand 20a und eine der ersten Faltenbalg-Stirnwand 20a gegenüberliegende, zweite Faltenbalg-Stirnwand 20b auf. Die beiden Faltenbalg-Stirnwände 20a, 20b begrenzen den im Wesentlichen in der Art eines Zylinders ausgebildeten Faltenbalg 19 stirnseitig. Die beiden Faltenbalg-Stirnwände 20a, 20b sind mittels der bereits aus Figur 1 bekannten, federelastischen und wärmeübertragenden Membran 11 verbunden. Die Membran 11 bildet eine Umfangswand 21 des im Wesentlichen zylindrischen Faltenbalgs 19 aus. Besagte Umfangswand 21 kann mittels einer fluiddichten Klebverbindung an den beiden Faltenbalg-Stirnwänden 20a, 20b befestigt sein. Alternativ dazu kommen andere geeignete Befestigungsmethoden, insbesondere eine Schraub- oder Klemmverbindung, in Betracht.
Das Behältnis 1 gemäß Figur 4 ist eine Weiterbildung des Beispiels der Figur 3. Beim Behältnis der Figur 4 ist neben der als erster Faltenbalg 19 ausgebildeten Umhüllung 4 auch die Trenneinrichtung 8 als zweiter Faltenbalg 22 ausgebildet. Das vom zweiten Faltenbalg 22 begrenzte Volumen bildet den erste Teilraum 10a, der dazu komplementäre Bereich des Gehäuseinnenraums 3 den zweite Teilraum 10b. Im Beispiel der Figur 4 ist der erste Faltenbalg 19 im zweiten Teilraum 10b angeordnet.
Entsprechend Figur 4 weist auch der zweite Faltenbalg 21 eine erste Faltenbalg-Stirnwand 23a und eine dieser gegenüberliegende, zweite Faltenbalg-Stirnwand 23b auf. Die beiden Faltenbalg-Stirnwände 23a, 23b begrenzen den im Wesentlichen in der Art eines Zylinders ausgebildeten zweiten Faltenbalg 22 stirnseitig. Die beiden Faltenbalg-Stirnwände 23a, 23b sind mittels des Trennelements 9 der Trenneinrichtung 8, also des zweiten Faltenbalgs 22, in Form einer fluiddichten Membran 24 miteinander verbunden. Hierzu ist das Trennelement 9 als eine den zweiten Faltenbalg 22 umfangsseitig begrenzende, federelastische Umfangswand 25 ausgebildet. Die Umfangswand 25 kann mittels einer fluiddichten Klebverbindung an den beiden Stirnwänden 23a, 23b befestigt sein. Alternativ dazu kommen auch die im Zusammenhang mit dem Beispiel der Figur 3 genannten Befestigungsmethoden für den ersten Faltenbalg 19 in Betracht, also insbesondere eine Schraub- oder Klemmverbindung.
Im Beispiel der Figur 4 sind in analoger Weise zum Behältnis der Figuren 1 und 2 am Gehäuse 2 ein Fluideinlass 12 und ein Fluidauslass 13 vorgesehen,! welche beide mit dem vom zweiten Faltenbalg 22 begrenzten Volumen, also dem ersten Teilraum 10a in Fluidverbindung stehen. Wie sich der Figur 4 entnehmen lässt, können die Stirnwände 20a und 23b der beiden Faltenbalge 19, 22 einander gegenüberliegen. Die Stirnwand 23a kann wie in Figur 4 gezeigt von einer Gehäusewand 26 des Gehäuses 2 gebildet werden oder die Stirnwand 23a kann, etwa mittels einer Klebverbindung, flächig an dieser Gehäusewand 26 befestigt sein.
Weiterhin ist am Gehäuse 2 der Figur 4 in analoger Weise zum Behältnis der Figuren 1 und 2 eine Befüll- und Entlüftungsöffnung 16 mit einem vom Gehäuse 2 nach außen, vom Gehäuseinnenraum 3 weg abstehenden Befüll- und Entlüftungsstutzen 17 vorgesehen. Die Befüll- und Entlüftungsöffnung 16 verbindet den ersten Teilraum 10a des Gehäuseinnenraums 3 fluidisch mit der äußeren Umgebung 14 des Behältnisses 1. Der Befüll- und Entlüftungsstutzen 17 kann mittels einer Dichtkappe 18 dichtend verschlossen sein. Das Behältnis 1 gemäß Figur 4 weist eine Öffnung 15 auf, welche den zweiten Teilraum 10b zum Zwecke des Druckausgleichs fluidisch mit der äußeren Umgebung 14 des Behältnisses verbindet. Am Befüll- und Entlüftungsstutzen 17 kann ein Überdruckventil 28 ausgebildet sein.
Die Figur 5 zeigt eine weitere technische Realisierungsmöglichkeit für das Behältnis 1. Bei dieser Variante ist die als (zweiter) Faltenbalg 22 ausgebildete Trenneinrichtung 8 Teil der Umhüllung 4. Eine federelastische Membran 29, die im zweiten Teilraum 10b angeordnet ist, und eine Gehäusewand 26 des Gehäuses 2 komplettieren denjenigen Teil des (zweiten) Faltenbalgs 22, der Teil der Umhüllung 4 ist, zur Umhüllung 4.
In einer weiteren Variante, die in Figur 6 dargestellt ist, umfasst die Trenneinrichtung 8 ein Trennelement 9 aus einem fluiddichten und federelastisch verformbaren Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume 10a, 10b relativ zueinander. Das Trennelement 9 ist zusammen mit einer weiteren federelastischen und wärmeleitenden Membran 11 am Gehäuse 2 befestigt und unterteilt den Gehäuseinnenraum 3 in drei Teilräume 10a, 10b, 10c. Das Trennelement 9 und die Membran 11 sind Teil der Umhüllung 4. Der dritte Teilraum 10c bildet den von der Umhüllung 4 begrenzten Umhüllungs-Innenraum 5. Die Befestigung von Trenneiement 9 und Membran 11 kann derart erfolgen, dass die gemeinsame Gehäusewand 26 wie in Figur 6 illustriert sowohl einen Teil des Gehäuses 2 als auch der Umhüllung 4 bildet.
In der Variante gemäß Figur 7 ist die Membran 11 durch einen ersten Faltenbalg 19 ersetzt, der bezüglich seines Aufbaus im Wesentlichen oder genau dem Faltenbalg 19 der Figur 3 entspricht. Die Umhüllung 4 ist wie im Beispiel der Figur 3 durch den Faltenbalg 19 gebildet. Die Trenneinrichtung 8 ist in analoger Weise zur Figur 6 ausgebildet und als Membran 29 aus einem federelastischen und fluiddichten Material realisiert. Wie Figur 7 erkennen lässt, ist der erste Faltenbalg 19 im ersten Teilraum 10a angeordnet. Die Faltenbalg-Stirnwand 20a des Faltenbalgs 19 kann durch die Gehäusewand 26 des Gehäuses 2 gebildet sein. Alternativ kann besagte Faltenbalg-Stirnwand 20a aber auch innen an der Gehäusewand 26 befestigt sein, beispielsweise mittels einer flächigen Klebverbindung.
Im Beispiel der Figuren 5 bis 7 ist das Gehäuse 2 topfartig mit einem Gehäusetopf 27 ausgebildet, der von der Gehäusewand 26 verschlossen ist, so dass die Gehäusewand 26 in der Art eines Deckels wirkt.
Die Figur 8 zeigt schematisch den Aufbau einer Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Abwärmenutzungskreislauf 51, in welchem das vorangehend vorgestellte Behältnis 1 angeordnet ist und in welchem das Arbeitsmedium 6 zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreislauf 51 ist stromab des Behältnisses 1 eine Fördereinrichtung 52 in Form einer Förderpumpe zum Fördern des Arbeitsmediums 6 angeordnet. Stromab der Fördereinrichtung 52 sind zwei Verdampfer 53 angeordnet, in welchen das Arbeitsmedium 6 verdampft wird. Stromab der Verdampfer 53 ist eine Expansionsmaschine 54 angeordnet. Stromab der Expansionsmaschine 54 ist ein Kondensator 55 vorgesehen, auf welchen das Behältnis 1 folgt, so dass der Abwärmenutzungskreislauf 51 einen geschlossenen Kreislauf ausbildet. Zwischen dem Kondensator 55 und dem Behältnis 1 kann optional eine Filtereinrichtung 56 zum Filtern des Arbeitsmediums 6 vorgesehen sein.

Claims

Behältnis (1) für einen Abwärmenutzungskreislauf (50), wobei stromab des Behältnisses eine Fördereinrichtung des Abwärmenutzungskreislaufs angeordnet ist und wobei das Behältnis auf den Kondensator des Abwärmenutzungskreislaufs folgt,
- mit einem einen Gehäuseinnenraum (3) begrenzenden Gehäuse (2), derart, dass der Gehäuseinnenraum (3) von einem Arbeitsmedium (6) durchströmbar ist,

- mit einer im Gehäuseinnenraum (3) angeordneten Umhüllung (4), in welcher ein Hilfsmedium (7) aufgenommen ist,
wobei die Umhüllung (4) fluiddicht und wenigstens bereichsweise wärmeleitend ausgebildet ist und einen Umhüllungs-Innenraum (5) variablen Volumens begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gehäuseinnenraum (3) wenigstens teilweise mit dem Arbeitsmedium (6) befüllt und/oder von diesem durchströmt ist und die Umhüllung (4) mit einem Hilfsmedium (7) befüllt ist, welches im Umhüllungs-Innenraum (5) in einem gasförmigen und/oder flüssigen Zustand angeordnet ist,
wobei eine Siedetemperatur des Hilfsmediums (7) einen, vorzugsweise um wenigstens 10K, höchst vorzugsweise um wenigstens 14K, geringeren Wert aufweist als eine Siedetemperatur des Arbeitsmediums (6).
Behältnis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung (4) zum Temperaturausgleich zwischen dem Arbeitsmedium (6) und dem Hilfsmedium (7) zumindest bereichsweise ein wärmeübertragendes Material umfasst.
Behältnis nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung (4) eine fluiddichte und federelastisch ausgebildete Membran (11) umfasst oder ist.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung (4) frei beweglich in dem im Gehäuse (2) vorhandenen Arbeitsmedium (6) angeordnet ist.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung (4) als (erster) Faltenbalg (19) ausgebildet ist.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Gehäuseinnenraum (3) eine Trenneinrichtung (8) angeordnet ist, welche den Gehäuseinnenraum (3) in einen mit dem Arbeitsmedium (6) durchströmbaren ersten Teilraum (10a) und einen fluidisch vom ersten Teilraum (10a) getrennten, zweiten Teilraum (10b) unterteilt,
wobei im Gehäuse (2) eine Öffnung (15) zum Druckausgleich vorhanden ist, welche den zweiten Teilraum (10b) des Gehäuseinnenraums (3) fluidisch mit einer äußeren Umgebung (14) des Behältnisses (1) verbindet.
Behältnis nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trenneinrichtung (8) ein Trennelement (9) aus einem fluiddichten und federelastisch verformbaren Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume (10a, 10b) relativ zueinander umfasst.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trenneinrichtung (8) als zweiter Faltenbalg (22) ausgebildet ist oder Teil eines zweiten Faltenbalgs (22) ist.
Behältnis nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die als (zweiter) Faltenbalg (22) ausgebildete Trenneinrichtung (8) und eine im zweiten Teilraum angeordnete federelastische Membran (29) Teil der Umhüllung (4) sind.
Behältnis nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine federelastische Membran (29) den zweiten Faltenbalg (22) zur Umhüllung (4) komplettiert.
Behältnis nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trenneinrichtung (8) ein Trennelement (9) aus einem fluiddichten und federelastisch verformbaren Material zum Variieren des Volumenverhältnisses der beiden Teilräume (10a, 10b) relativ zueinander umfasst,
wobei das Trennelement (9) zusammen mit einer weiteren federelastischen und wärmeleitenden Membran (11) am Gehäuse (2) befestigt ist und den Gehäuseinnenraum (3) in drei Teilräume (10a, 10b, 10c) unterteilt, und
wobei das Trennelement (9) und die Membran (11) Teil der Umhüllung (4) sind, derart, dass der dritte Teilraum (10c) der von der Umhüllung (4) begrenzte Umhüllungs-Innenraum (5) ist.
Behältnis nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trennelement (9) und die Membran (11) innen an einer gemeinsamen Gehäusewand (26) des Gehäuses (2) befestigt sind, derart, dass die gemeinsame Gehäusewand (26) sowohl einen Teil des Gehäuses (2) als auch der Umhüllung (4) ausbildet.
Behältnis nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung (4) durch den ersten Faltenbalg (19) begrenzt ist und die Trenneinrichtung (8) ein Trennelement (9) aus einem federelastischen und fluiddichten Material aufweist, wobei der erste Faltenbalg (19) im ersten Teilraum (10a) angeordnet ist.
Behältnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsmedium (6) Ethanol und das Hilfsmedium Methanol ist.
Behältnis nach einem der Ansprüche 6 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2) einen Fluideinlass (12) zum Einleiten des Arbeitsmediums (6) in den ersten Teilraum (10a) und einen am Gehäuse (2) vorhandenen Fluidauslass (13) zum Ausleiten des Arbeitsmediums (6) aus dem ersten Teilraum (10a) aufweist,
wobei wenigstens der Fluidauslass (13) in einem unteren Bereich des Gehäuses (2), insbesondere in einem Gehäuseboden des Gehäuses (2), angeordnet ist.
Abwärmenutzungseinrichtung, in welcher ein Arbeitsmedium (6) zirkuliert,
- mit einer Fördereinrichtung (52), insbesondere einer Förderpumpe, zum Fördern des Arbeitsmediums,

- mit einem Verdampfer (53) zum Verdampfen des Arbeitsmediums (6),

- mit einer Expansionsmaschine (54),

- mit einem als Ausgleichsbehältnis wirkenden Behältnis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abwärmenutzungskreislauf (50) nach Anspruch 16.