-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Kälte-/Wärmespeicher
für eine
Klimaeinrichtung, ins- besondere eine Standklimaanlage eines Kraftfahrzeugs,
mit mehreren Speicherkörpern
für ein
im aufgetauten Zustand flüssiges
Speichermedium, die mit zumindest einem mäanderförmigen Wärmeträgerrohr wärmeleitend verbunden sind.
Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaeinrichtung mit einem solchen
Kälte-/Wärmespeicher.
-
Ein
Kältespeicher
der oben genannten Art ist aus
DE 198 39 994 C1 und auch aus
DE 198 39 992 A1 sowie
DE 198 39 993 A1 bekannt.
In diesen Druckschriften ist je eine Eisspeicher-Baueinheit mit übereinander
angeordneten Eisspeicher-Profilkörpern und
dazwischen verlegten Kältemittelrohren
beschrieben. Die Eisspeicher-Profilkörper sind mit einem Aluminium-Außenprofil
gebildet, in dem ein im aufgetauten Zustand flüssiges Eisspeichermedium enthalten
ist. Die Kältemittelrohre
sind durch Verpressen mit den Aluminium-Außenprofilen wärmeleitend
verbunden. Gemäß
DE 198 39 994 C1 ist
ein Isolationsgehäuse
aus einem Polyurethanschaum vorgesehen.
-
Aus
WO98/04644 A1 ist es bekannt, dass zur Speicherung von Wärme oder
Kälte ein
einen Phasenübergang
bzw. Phasenwechsel durchlaufendes Material (phase change material,
PCM) verwendet werden kann, das in einer Matrix aus gepress tem, expandiertem
Graphit eingebettet ist und mit dieser ein Speicherverbundmaterial
bildet. Der Phasenübergang
des PCM erfolgt zwischen zwei festen oder zwischen einem festen
und einem flüssigen
oder zwei flüssigen
Aggregatszuständen.
-
Solche
Speicherverbundmaterialen garantieren jedoch gemäß
DE 199 29 861 A1 keinen
dauerhaften Einschluss des PCM und sind mechanisch weich. Des Weiteren
ist die Verarbeitung von Graphit nicht unproblematisch. Daher sollen
gemäß
DE 199 29 861 A1 poröse Trägermaterialien,
vorzugsweise granulare Leichtzuschlagstoffe verwendet werden, die
mit einer Umhüllung
versehen sein können.
Als Umhüllung
wird eine Kunststoffschicht, wie Teflon vorgeschlagen.
-
Gemäß
DE 100 23 949 C1 ist
ferner die Langzeitstabilität
einer elastischen Graphitmatrix nicht nachgewiesen und es steht
bisher keine brauchbare kostengünstige
Produktionstechnik zur Verfügung.
In
DE 100 23 949 C1 wird
daher die Verwendung einer metallischen Hohlfaserstruktur vorgeschlagen,
die von einem PCM zu umgeben ist. Die Hohlfaserstruktur ist als
Mikrostruktur-Wärmetauscher
in einer Größenordnung
von 100 nm bis 100 μm
Wandstärke
gestaltet.
-
Aus
DE 198 57 121 A1 ist
ein Kältespeicher, insbesondere
für die
Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums bekannt, bei dem wechselweise
gestapelte Hüllen
mit einem Glykolgemisch oder einer Salzlösung zwischen Flachrohren angeordnet
sind. Die Flachrohre sind stirnseitig offen und dienen zwischen
zwei Verteilkammern am Ende der gestapelten Hüllen als Kanäle für ein Wärmeträgermedium.
Die Hüllen
sind schlauchartig aus einem Kunststoff gestaltet, der auf einfache
Weise an den Enden zusammengedrückt
und verschweißt
ist.
-
Aus
DE 198 15 777 A1 ist
ein Wärmespeicher,
insbesondere ein Latentwärmespeicher,
bekannt, der einen Speicherkern mit darin wellenförmig oder
spiralförmig
angeordneten Strömungswegen aufweist.
Die Strömungswege
sind unter anderem als Flachrohre gestaltet. Der Speicherkern selbst
ist mit wärmeleitenden
Elementen in Gestalt von wellenförmigen
Blechen gefüllt,
die mit den Flachrohren in Kontakt sind.
-
Aus
der
EP 0 181 375 B1 ist
ein Gas-/Fluidflusssystem bekannt, bei dem sich eine Kupferfolienleitung
serpentinenartig zwischen übereinander
gestapelten Zeolithplatten verläuft.
Die Kupferfolienleitung wird durch das Falten einer Kupferfolie
und Zusammenschweißen
derselben an ihren Kanten gebildet.
-
Zugrunde liegende
Aufgabe
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kälte-/Wärmespeicher vorzusehen, dem über einen
großen
Temperaturbereich hinweg Kälte- und/oder
Wärmeenergie
mit hohem Wirkungsgrad zuführbar
bzw. entnehmbar ist.
-
Erfindungsgemäße Lösung
-
Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
Kälte-/Wärmespeicher
gemäß Anspruch
1 gelöst.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Kälte-/Wärmespeicher
sind die Strömungswege
für den
bzw. die flüssigen
bzw. gasförmigen
Wärmeträger mit
Flachrohren gestaltet, die mäanderförmig zwischen
gestapelten plattenförmigen
Speicherkörpern
verlegt sind. Dieser Aufbau ist insbesondere hinsichtlich des großflächigen Wärmeübergangs
zwischen den Flachrohren und den plattenförmigen Speicherkörpern von Vorteil.
Ferner kann erfindungsgemäß auf Verteilkammern
verzichtet werden, wie sie beispielsweise in
DE 198 57 121 A1 vorgesehen
sind. Darüber
hinaus weist die Erfindung noch den besonderen Vorteil auf, dass
die mäanderförmigen Flachrohre
Maßabweichungen
hinsichtlich der Dicke der plattenförmigen Speicherkörper ideal
ausgleichen und ferner der erfindungsgemäß gebildete Stapel aus Speicherkörpern besonders
vibrationsbeständig
ist. Erfindungsgemäß ist daher
ein guter und dauerhafter Wärmeübergang
bei zugleich einfachster Fertigungstechnik gewährleistet.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung
-
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere so
genannte erste Wärmeträgerrohre
vorgesehen, die parallel zueinander mäanderförmig verlau fend zwischen den
gestapelten plattenförmigen
Speicherkörpern
angeordnet und an mindestens einem Ende durch eine Querleitung verbunden
sind, und mindestens ein so genanntes zweites Wärmeträgerrohr vorgesehen ist, das
zwischen den ersten Wärmeträgerrohren
und parallel zu diesen verlaufend mäanderförmig zwischen den gestapelten
plattenförmigen
Speicherkörpern
angeordnet ist. In den ersten Wärmeträgerrohren
fließt
insbesondere zum Entladen des Kälte-/Wärmespeichers
Sole (Wasser-Glykol-Gemisch) oder Luft, insbesondere zum Entlade
eines Kälte-/Wärmespeichers.
Das erfindungsgemäße mindestens
eine zweite Wärmeträgerrohr
wird insbesondere von einem Kältemittel
als Wärmeträger durchströmt, beispielsweise
von R134a. Die Anzahl der Wärmeträgerrohre
bzw. Kühlschlangen
ist erfindungsgemäß an das
jeweilige Wärmeträgermedium
angepasst.
-
Darüber hinaus
kann vorteilhaft das zweite Wärmeträgerrohr
in einem Winkel, insbesondere quer zu dem mindestens einen ersten
Wärmeträgerrohr
angeordnet sein. Die erfindungsgemäßen Wärmeträgerrohre können also vorteilhaft sowohl
parallel als auch kreuzweise zwischen den plattenförmigen Speicherkörpern angeordnet
sein.
-
Die
Speicherkörper
der erfindungsgemäßen Gestaltung
sind vorteilhaft aus einem Graphitmatrixmaterial gebildet. Ein Graphitmatrixmaterial
gewährleistet
eine besonders gute Wärmeübertragung.
Der einem Graphitmatrixmaterial innewohnende eigentliche Nachteil,
dass es mechanisch weich ist, wirkt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion des
Kälte-/Wärmespeichers
hingegen nicht negativ aus. Erfindungsgemäß können Maßabweichungen des Materials
durch die mäanderförmige Form
der Wärmeträgerrohre
ausgeglichen werden, wobei sich die Wärmeträgerrohre an ihren bogenförmigen Abschnitten
geringfügig
verformen.
-
Die
erfindungsgemäßen plattenförmigen Speicherkörper sind
ferner vorteilhaft mit einer Umhüllung
versehen. Auf diese Weise kann jegliche Flüssigkeitsdiffusion und Korrosion
an den Grenzflächen
der Speicherkörper
verhindert werden. Um gebende Bauteile, wie beispielsweise eine Isolierschicht,
ein Gehäuse
oder die erfindungsgemäßen Flachrohre
sind damit dauerhaft geschützt.
-
Besonders
einfach lässt
sich die Umhüllung mit
einer wasserundurchlässigen
Folie ausbilden. Die Folie kann insbesondere als Folienverpackung gestaltet
sein.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Folienverpackung der Speicherkörper können die Wärmeträgerrohre mit einer Schutzschicht
gegen Kontakt korrosion versehen sein. Die Schutzschicht kann zum Beispiel
als Pulverbeschichtung oder KTL-Beschichtung
ausgebildet sein.
-
Darüber hinaus
kann bei dem erfindungsgemäßen Kälte-/Wärmespeicher
mit den plattenförmigen
Speicherkörpern
und den Flachrohren ein Speicherblock gebildet sein, an dem zumindest
an einer Seitenfläche
eine Schicht aus einem quellenden Schaummaterial; insbesondere aus
Polyurethanschaum gebildet ist, zum Erzeugen von Pressdruck auf
die großflächigen Seiten
der einzelnen Speicherkörper.
Die Schicht aus Schaummaterial dient grundsätzlich als Isolationsschicht.
Darüber
hinaus wird die Schicht erfindungsgemäß noch quellend ausgebildet, derart,
dass sie auf den Speicherblock Pressdruck ausübt und damit die Speicherkörper gegen
die Flächen
der Wärmeträgerrohre
presst. Es wird auf diese Weise trotz Maßtoleranzen hinsichtlich der
Dicke der Speicherkörper
ein guter Wärmeübergang
zwischen den Wärmeträgerrohren
und den Speicherkörpern geschaffen.
Insbesondere hinsichtlich der Verwendung von Graphitmatrixmaterial
ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft, denn mit dem Pressdruck werden
die erfindungsgemäßen Flachrohre
umfassend in die mechanisch weichen Speicherkörper eingebettet.
-
Ferner
ermöglichen
der kompakte Aufbau des Kälte-/Wärmespeichers
und die mäanderförmige Gestaltung
der Wärmeträgerrohre,
dass bei fahrzeugspezifischen Vibrationen keine relative Bewegung
zwischen den Bauteilen entsteht. Hierdurch sind die Bauteile, insbesondere
die Graphitmatrix gegen Vibration geschützt.
-
Die
Schicht aus Schaummaterial kann darüber hinaus derart aushärtend gestaltet
werden, dass sie selbst ein Gehäuse
des Kälte-/Wärmespeichers bildet.
Um ein solches Gehäuse
auszubilden, kann das Schaummaterial beispielsweise in eine Form
gespritzt werden, in der die Speicherkörper zusammen mit den Wärmeträgerrohren
gehaltert sind.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnung
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Klimaeinrichtung
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt:
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines Kälte-/Wärmespeichers
einer Klimaeinrichtung gemäß der Erfindung.
-
Detaillierte
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
In 1 ist
ein Kälte-/Wärmespeicher 10 einer
weiter nicht veranschaulichten Standklimaanlage veranschaulicht.
Der Kälte-/Wärmespeicher 10 weist als
wesentliche Bauelemente mehrere plattenförmig gestaltete Speicherkörper 12 auf,
die aufeinander gestapelt angeordnet sind und sich dabei im Wesentlichen
hinsichtlich ihrer so genannten Hauptebene überdecken.
-
Zwischen
den Speicherkörpern 12 sind
erste Wärmeträgerrohre 14 angeordnet,
die als mäanderförmige Flachrohre
gestaltet sind. Die mäanderförmigen Wärmeträgerrohre 14 sind
jeweils in einer Ebene senkrecht zur Hauptebene der plattenförmigen Speicherkörper 12 gebogen.
Insgesamt sind vier solcher mäanderförmigen Wärmeträgerrohre 14 mit
etwas Abstand nebeneinander angeordnet.
-
Ein
Einlass 16 für
die Wärmeträgerrohre 14 führt in ein
Einlassquerrohr 18, das sich an einem Ende der Wärmeträgerrohre 14 quer über alle
ersten Wärmeträgerrohre 14 hinweg
erstreckt. Das Einlassrohr 16 ist fluidleitend mit allen
ersten Wärmeträgerrohren 14 verbunden,
insbesondere verlötet.
-
In
den ersten Wärmeträgerrohren 14 strömt Sole
(Wasser-Glykol-Gemisch oder ähnliches),
die beispielsweise in einem Solekreislauf zum Entladen eines kalten
oder warmen Kälte-/Wärmespeichers 10 oder
zum Laden eines Kälte-/Wärmespeichers 10 mit Wärmeenergie
dient.
-
Die
Wärmeträgerrohre 14 weisen
abwechselnd aufeinander folgende ebene Abschnitte 20 und gebogene
Abschnitte 22 auf. Die ebenen Abschnitte 20 sind
in flächigem
Kontakt mit zwei benachbarten Speicherkörpern 12 angeordnet
und lenken die Strömung
der Sole entlang der Speicherkörper 12.
Die gebogenen Ab schnitte 22 lenken jeweils die Strömung der
Sole von einer Oberseite eines Speicherkörpers 12 zu dessen
Unterseite.
-
An
dem anderen Ende der ersten Wärmeträgerrohre 14 ist
ein Auslassquerrohr 24 in fluidleitender Verbindung mit
allen ersten Wärmeträgerrohren 14 quer
zu diesen angeordnet. Aus dem Auslassquerrohr 24 führt ein
Auslass 26 zu einer nicht dargestellten Soleleitung der
Standklimaanlage.
-
Zwischen
jeweils zwei meanderförmigen
ersten Wärmeträgerrohren 14 sind
ebenfalls mäanderförmig gebogene
zweite. Wärmeträgerrohre 28 angeordnet.
Auf diese Weise sind insgesamt drei Wärmeträgerrohre 28 etwas
beabstandet von einander in dem Kälte-/Wärmespeicher 10 vorgesehen.
Ein Einlass 40 für
die zweiten Wärmeträgerrohre 28 führt in einen
Verteiler bzw. ein Verteilerrohr 42 der mit den Wärmeträgerrohren 28 über Verteilerrohre 38 und
ein Einlassquerrohr 44 mit getrennten Kammern fluidleitend
verbunden ist. Die Einlassquerrohr 44 und die Verteilerrohre 38 bilden
eine Verteilerspinne, die mit den Wärmeträgerrohren 28 durch
die getrennten Kammern bzw. Abschnitte verbunden ist. Durch den Vertei ler 42 und
die Verteilerrohre 38 wird auf diese Weise das Kältemittel
in die einzelnen Wärmeträgerrohre
bzw. Flachrohre 28 getrennt eingespeist.
-
Die
zweiten Wärmeträgerrohre 28 sind
ebenfalls als Flachrohre mit je ebenen Abschnitten 34 gestaltet,
die zwischen zwei Speicherkörpern 12 angeordnet
sind, und mit je gebogenen Abschnitten 36, mittels denen
Kältemittel
von einer Oberseite eines Speicherkörpers 12 an dessen
Unterseite umgelenkt wird.
-
In
den zweiten Wärmeträgerrohren 28 strömt als Kältemittel
beispielsweise R134a. Das Kältemittel strömt ferner
durch einen nicht dargestellten Kühlkreislauf der Klimaeinrichtung 10,
so dass mit ihm der Kälte-/Wärmespeicher 10 gekühlt und
damit mit „Kälteenergie" geladen werden kann.
-
Die
zweiten Wärmeträgerrohre 28 sind
an ihren jeweils anderen Enden mit einem Auslassquerrohr 32 und
einem Auslass 30 versehen.
-
Die
Flachrohre der ersten und zweiten Wärmeträgerrohre 28 sind aus
Aluminiumprofilen mit im Wesentlichen gleichen äußeren Abmessungen, insbesondere
hinsichtlich ihrer Querschnitte gestaltet. Alternativ können erste
und zweite Wärmeträgerrohre 28 vorgesehen
sein, deren Querschnitte die gleiche Höhe und unterschiedliche Breiten
aufweisen. Auf diese Weise können
unterschiedliche Strömungsquerschnitte
für die
ersten und zweiten Wärmeträgerrohre 14 und 28 vorgesehen
werden, und zugleich kann sichergestellt werden, dass die Wärmeträgerrohre
großflächig an
den benachbarten Speicherkörpern
anliegen.
-
Bei
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die zweiten Wärmeträgerrohre 28 quer zu
den ersten Wärmeträgerrohren 14 angeordnet.
-
Die
Wärmeträgerrohre 14, 28 und 38 sowie ihre
Ein- und Auslässe
und Ein- und Auslassquerrohre sind mit nicht veranschaulichten Pulverbeschichtungen überzogen.
-
Die
Speicherkörper 12 sind
jeweils aus zwei, drei bzw. mehreren Graphitmatrixplatten gebildet,
die aufeinander gestapelt und aneinander anliegend mit nicht dargestellten
wasserundurchlässigen
Folienverpackungen umhüllt
sind. Die Anzahl der Graphitmatrixplatten ist in Abhängigkeit
der Leistungsfähigkeit
des Kälte-/Wärmespeichers 10 festgelegt.
In den Folienverpackungen ist als Speichermedium Wasser in der jeweils
zugehörigen
Graphitmatrix gespeichert.
-
Beim
Betrieb des Kälte-/Wärmespeichers 10 wird
das in der einzelnen Graphitmatrix gespeicherte Wasser unter Phasenumwandlung
gekühlt
bzw. erwärmt.
Dabei wird, z.B. beim Übergang
zwischen der flüssigen
und der festen Phase unter Ausnützung
der Phasenumwandlungsenergie, Energie in dem Kälte-/Wärmespeicher
gespeichert bzw. diesem entzogen. Der Transport der Energie in und
aus dem Kälte-/Wärmespeicher 10 erfolgt über die
in den Wärmeträgerrohren 14 und 28 strömenden Medien,
wobei durch die großflächige Anlage
der Wärmeträgerrohre 14 und 28 an
den Außenflächen der
Speicherkörper 12 für einen
besonders guten Übergang
an Wärmeenergie
gesorgt ist.
-
Der
aus den Speicherkörpern 12 und
den Wärmerohren 14 und 28 gebildete
Block ist in ein nicht dargestelltes Polyurethanschaum-Gehäuse eingespritzt,
das den Block insgesamt umhüllt.
Dieses Gehäuse
ist derart stabil ausgebildet, dass es die gewünschte Schutz- und Isolierfunktion
der darin befindlichen Bauelemente übernimmt. Das Gehäuse ist ferner
mit einem quellenden Schaummaterial dergestalt ausgebildet, dass
das Quellen des Schaummaterials auf die Oberseite und die Unterseite
(bezogen auf 1) des Blocks aus den Speicherkörpern 12 und
den Wärmerohren 14 und 28 einen
erheblichen Pressdruck erzeugt. Dieser Pressdruck drängt die plattenförmigen Speicherkörper 12 insgesamt
zusammen und führt
zu einer vollflächigen
Anlage der ebenen Abschnitte 20 und 34 der Wärmeträgerrohre 14 bzw. 28 an
den benachbarten Speicherkörpern 12.
Während
des Zusammenpressens der Speicherkörper 12 gleichen die
gebogenen Ab schnitte 22 und 36 der Wärmeträgerrohre 14 und 28 Maßabweichungen
hinsichtlich der Dicken der Speicherkörper 12 aus, indem
sie sich geringfügig
verformen.
-
Der
derart gebildete Kälte-/Wärmespeicher 10 ist
verhältnismäßig einfach
aufgebaut und enthält wenige
Bauelemente. Er ist daher wenig störanfällig sowie wartungs- und diagnosefreundlich.
Darüber
hinaus weist er insgesamt einen kompakten Aufbau auf. Der Kälte-/Wärmespeicher 10 hat
ein verhältnismäßig geringes
Gewicht und ist günstig
hinsichtlich Material- und Fertigungskosten.
-
Ferner
ist der Kälte-Wärmespeicher 10 leicht skalierbar
und kann leicht in verschiedenen Fahrzeugtypen appliziert werden,
ohne dass Bauelemente dazu neu entwickelt werden müssten. In
einem Fahrzeug kann der Kälte-/Wärmespeicher 10 je
nach Bedarf an unterschiedlichen Stellen integriert werden.
-
- 10
- Kälte-/Wärmespeicher
- 12
- Speicherkörper
- 14
- erstes
Wärmeträgerrohr
- 16
- Einlass
- 18
- Einlassquerrohr
- 20
- ebener
Abschnitt
- 22
- gebogener
Abschnitt
- 24
- Auslassquerrohr
- 26
- Auslass
- 28
- zweites
Wärmeträgerrohr
- 30
- Auslass
- 32
- Auslassquerrohr
- 34
- ebener
Abschnitt
- 36
- gebogener
Abschnitt
- 38
- Verteilerrohr
- 40
- Einlass
- 42
- Verteiler
- 44
- Einlassquerrohr
- 46
- Graphitmatrixplatten