DE102007022859A1

DE102007022859A1 - Heater heat exchanger arrangement for passenger car, has coolant initially flown through air flow-outlet-sided heater heat exchanger and later through air flow-inlet-sided heater heat exchanger

Info

Publication number: DE102007022859A1
Application number: DE102007022859A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitt; Manfred Meyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: DE102007022859B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug, die einerseits von einem durch den Fahrzeugmotor erwärmten flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmedium und andererseits nacheinander von einem Umgebungsluftstrom durchströmt werden. Sie löst die Aufgabe, die Anordnung so vorzunehmen, dass die Wärmeübertragungsleistung auf einfache Weise erhöht ist. Dazu sind die Heizungswärmeaustauscher (1, 2/3, 4) mediumseitig in Reihe geschaltet und werden nacheinander in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt, wobei der luftstromaustrittseitige Heizungswärmeaustauscher (2, 4) zuerst und der luftstromeintrittseitige Heizungswärmeaustauscher (1, 3) nach diesem (2, 4) durchströmt wird.The invention relates to the arrangement of series-connected Heizungswärmeaustauschern in a motor vehicle, which are flowed through on the one hand by a heated by the vehicle engine liquid and / or gaseous cooling medium and on the other hand, successively by an ambient air flow. It solves the task of making the arrangement so that the heat transfer performance is increased in a simple manner. For this purpose, the heating heat exchangers (1, 2/3, 4) are connected in series on the medium side and are flowed through in succession in the opposite direction of the cooling medium, the luftstromaustrittseitige Heizungswärmeaustauscher (2, 4) first and the air flow inlet side heating heat exchanger (1, 3) after this ( 2, 4) is flowed through.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug, insbesondere von zwei von Umgebungsluft beaufschlagten Heizungswärmeaustauschern in einem Klimagerät.The The invention relates to an arrangement of series-connected heating heat exchangers in a motor vehicle, in particular of two of ambient air acted Heizungswärmeaustauschern in an air conditioner.

Bei Kraftfahrzeugen mit flüssigkeitsgekühlten Motoren wird die in der Kühlflüssigkeit enthaltene Abwärme des Motors zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes genutzt, bei luftgekühlten Motoren üblicherweise die im Abgas enthaltene Wärme. Zur Nutzung dieser Wärme wird ein aus Rohren und Rippen bestehender und als Heizkörper dienender Wärmeaustauscher (Heizungswärmeaustauscher) verwendet, dessen Rohre von der Kühlflüssigkeit bzw. dem Abgas (Kühlmedium) und dessen Rippen von der eintretenden Umgebungsluft durchströmt werden, wobei die Umgebungsluft durch den dabei auftretenden Wärmeaustausch Wärme vom jeweiligen Kühlmedium aufnimmt und in den Fahrzeuginnenraum transportiert. Die Steuerung der Heizleistung kann entweder kühlflüssigkeitsseitig oder luftseitig erfolgen.at Motor vehicles with liquid-cooled engines becomes the waste heat contained in the cooling liquid the engine used for heating the vehicle interior, in air-cooled Engines usually the heat contained in the exhaust gas. To use this heat is an existing of pipes and ribs and serving as a radiator heat exchanger (Heating heat exchanger) used, the pipes of the cooling liquid or the exhaust gas (cooling medium) and the ribs through which the incoming ambient air flows be, with the ambient air through the heat exchange occurring Absorbs heat from the respective cooling medium and in transported the vehicle interior. The control of heating power can either coolant side or air side respectively.

Es ist bekannt, Wärmeaustauscher luftseitig in Reihe zu schalten, um die Wärmeübertragungsleistung zu steigern. Dabei wird vor einem ersten Wärmeaustauscher lufteinströmseitig ein zweiter Wärmeaustauscher angeordnet, dessen Stirnfläche kleiner als die des ersten Wärmeaustauschers ist, so dass sich die Stirnseiten der Wärmeübertrager bereichsweise überdecken. In der DE 198 13 069 A1 ist eine derartige Anordnung beschrieben. Zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung der Anordnung werden die luftseitig in Reihe geschalteten Wärmeaustauscher in ihren überdeckten und nicht überdeckten Stirnflächenbereichen jeweils derart bemessen, dass über die gesamte Anordnung der Wärmeaustauscher der luftseitige Druckabfall im überdeckten Bereich annähernd gleich dem im nicht überdeckten Bereich ist. Dieses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die örtliche Dichte der Rippen des mit der jeweils größeren Stirnfläche ausgeführten Wärmeaustauschers im überdeckten Stirnflächenbereich geringer als im nicht überdeckten Stirnflächenbereich ist, oder/und dass der Abstand der Rohre des Wärmeaustauschers mit der jeweils größeren Stirnfläche im überdeckten Stirnflächenbereich größer als im nicht überdeckten Stirnflächenbereich ist. Die Erzeugung des annähernd gleichen Druckabfalls ist dabei einigermaßen aufwendig.It is known to connect heat exchangers in series on the air side in order to increase the heat transfer performance. In this case, upstream of a first heat exchanger, a second heat exchanger is arranged on the air inflow side, the end face of which is smaller than that of the first heat exchanger, so that the end faces of the heat exchangers partially overlap. In the DE 198 13 069 A1 such an arrangement is described. To increase the heat transfer performance of the arrangement, the air side connected in series heat exchanger in their covered and uncovered end face areas are each dimensioned such that over the entire arrangement of the heat exchanger, the air-side pressure drop in the covered area is approximately equal to that in the non-covered area. This can be achieved, for example, by the fact that the local density of the ribs of the heat exchanger with the larger end face is less in the covered end area than in the uncovered end area, and / or that the distance between the tubes of the heat exchanger and the larger end face in the covered end area greater than in the uncovered face area. The generation of approximately the same pressure drop is somewhat expensive.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungwärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so vorzunehmen, dass die Wärmeübertragungsleistung auf einfache Weise erhöht ist.It The object of the invention is an arrangement of series-connected Heating heat exchangers in a motor vehicle after the The preamble of claim 1 to make so that the heat transfer performance is increased in a simple manner.

Diese Aufgabe wird bei der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.These The object is in the arrangement according to the preamble of the claim 1 solved by its characterizing features. advantageous Embodiments are listed in the subclaims.

Die Erfindung besteht darin, dass die Anordnung von luftseitig in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern, die einerseits von einem durch den Fahrzeugmotor erwärmten flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmedium und andererseits nacheinander von einem Umgebungsluftstrom durchströmt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und dem Umgebungsluftstrom erfolgt, derart vorgenommen ist, dass die Heizungswärmeaustauscher auch kühlmediumseitig in Reihe geschaltet sind und nacheinander in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden, wobei der luftstromaustrittseitige Heizungswärmetauscher zuerst und der luftstromeintrittseitige Heizungswärmetauscher nach diesem durchströmt wird. Durch die entgegengesetzte Strömungsrichtung des Mediums wird luftstromaustrittseitig, also luftstromabwärts ein weitgehend homogenes Lufttemperaturniveau erzielt, und es wird auf einfache Weise die Heizleistungsausbeute aus dem Medium deutlich erhöht, insbesondere bei geringen Kühlmediumvolumenströmen. Die Anordnung führt dazu, dass eine nach einer Wärmeabgabe des Kühlmediums im luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauscher noch vorhandene Restwärme den luftstromeintrittseitigen Heizungswärmeaustauscher vorwärmt und Wärme an den eintretenden Luftstrom abgegeben wird. Auf diese Weise wird die im Kühlmedium vorhandene Wärme deutlich mehr genutzt.The Invention is that the arrangement of the air side in series switched heating heat exchangers, on the one hand from a heated by the vehicle engine liquid and / or gaseous cooling medium and on the other hand flow through an ambient air flow in succession, wherein a heat exchange between the cooling medium and the ambient air flow, is made such that the heating heat exchangers also cooling medium side are connected in series and successively in the opposite direction are flowed through by the cooling medium, wherein the air flow outlet side heating heat exchangers first and the air flow inlet side heater core after this is flowed through. By the opposite flow direction the medium is airflow outlet side, so downstream achieves a largely homogeneous air temperature level, and it will in a simple way, the Heizleistungsausbeute from the medium significantly increased, especially at low cooling medium flow rates. The arrangement causes one after a heat release the cooling medium in the air flow outlet side heater core still existing residual heat the air flow inlet side heating heat exchanger preheats and heat to the incoming airflow is delivered. In this way, the in the cooling medium Existing heat significantly more used.

Die Anordnung kann zweckmäßig durch einen Bypass ergänzt werden, der über dem luftstromaustrittseitigen oder dem luftstromeintrittseitigen Heizungswärmeaustauscher angeordnet ist und den jeweiligen Heizungswärmeaustauscher zumindest teilweise umgeht. Bevorzugt ist ein Bypass über dem luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauscher angeordnet. Bei geringen Kühlmediumtemperaturen (Kaltstart) ist der kühlmediumseitige Druckverlust sehr hoch, und das Heizsystem läuft nur langsam oder gar nicht an. Wird nun der luftstromaustrittseitige Bypass geöffnet und der luftstromaustrittseitige Heizungswärmeaustauscher zumindest teilweise gesperrt, wird nur ein Teil desselben oder dieser gar nicht vom Kühlmedium durchströmt. Durchströmt wird jedoch der luftstromeintrittseitige Heizungswärmetauscher, so dass in diesem die durchströmende Luft erwärmt wird. Diese wiederum erwärmt den nicht oder nur teildurchströmten luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauscher. Letzterer wird dann zeitverzögert wieder freigegeben, wobei der Bypass geschlossen wird, und kann nun vom Kühlmedium mit einem geringeren Anlaufwiderstand durchströmt werden.The Arrangement may expediently be supplemented by a bypass Be the one above the airflow outlet side or the arranged on the air flow inlet side heating heat exchanger is and the respective heating heat exchanger at least partially bypasses. Preferably, a bypass over the luftstromaustrittseitigen Heating heat exchanger arranged. At low cooling medium temperatures (Cold start), the cooling medium side pressure loss is very high, and the heating system is running slowly or not at all at. If now the airflow outlet side bypass is opened and the airflow exit side heater core is at least partially locked, only a part of the same or this not at all flowed through by the cooling medium. Is flowed through however, the air flow inlet side heater core, so that it heats the air flowing through becomes. This in turn heats the not or only partially perfused air flow outlet side heating heat exchanger. The latter is then released with a time delay, with the bypass closed is, and can now from the cooling medium with a lower Starting resistance to be flowed through.

Der Bypass kann dabei druck- und/oder temperaturabhängig geregelt sein, derart, dass bei Anliegen kalten Kühlmediums, verbunden mit einem hohen Druck, der Bypass geöffnet und der luftstromaustrittseitige Heizungswärmetauscher zumindest teilweise gesperrt wird, und dass der Bypass bei einer vorbestimmten höheren Temperatur des Mediums, verbunden mit einem niedrigeren Druck, wieder geöffnet wird. Als Stellmittel eignen sich hinsichtlich des Druckes ein Überdruckventil und hinsichtlich der Temperatur ein Thermoventil oder ein Thermostat.Of the Bypass can be regulated depending on pressure and / or temperature be such that when cold cooling medium, connected with a high pressure, the bypass open and the airflow outlet side Heating heat exchanger is at least partially blocked, and that the bypass is at a predetermined higher temperature of the medium, combined with a lower pressure, reopened becomes. As adjusting means are in terms of pressure, a pressure relief valve and in terms of temperature, a thermo valve or a thermostat.

Mit dem vorbeschriebenen Bypass kann ein weiterer Bypass verbunden sein, der den luftstromeintrittseitigen Heizungswärmeaustauscher teilweise umgeht, so dass bei Sperrung des luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauschers auch nur ein Teilbereich des vor diesem angeordneten Wärmeaustauschers durchströmt wird. Diese Anordnung unterstützt die Senkung des Anlaufwiderstandes.With the above-described bypass may be connected to another bypass, the part of the air flow inlet side heating heat exchanger bypasses, so that when blocking the Luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauschers also only a portion of the front of this arranged heat exchanger is flowed through. This arrangement supports the reduction of the starting resistance.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch:The Invention will be described below with reference to two embodiments explained. In the accompanying drawings show schematically:

1: eine erste Ausführung eines Heizsystems mit zwei in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug und 1 a first embodiment of a heating system with two series-connected heating heat exchangers in a motor vehicle and

2: eine zweite Ausführung eines derartigen Heizsystems mit einer Bypassanordnung. 2 a second embodiment of such a heating system with a bypass arrangement.

In 1 ist die Anordnung von zwei in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Verbrennungsmotors eines PKW integrierten und sowohl luftstromseitig als auch kühlflüssigkeitsseitig in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern 1 und 2 für das Heizsystem in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Die Heizungswärmeaustauscher 1 und 2 werden einerseits nacheinander, zuerst 2 und danach 1, von der durch den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs erwärmten Kühlflüssigkeit durchströmt und andererseits, zuerst 1 und danach 2, von der Umgebungsluft. Die Durchströmung mit Kühlflüssigkeit erfolgt in den Heizungswärmeaustauschern 1, 2 in entgegengesetzter Richtung, wobei der luftstromaustrittseitige Heizungswärmeaustauscher 2 von unten nach oben und der luftstromeintrittseitige Heizungswärmeaustauscher 1 von oben nach unten durchströmt werden. Neben einem dadurch luftstromaustrittseitig erzielten homogenen Lufttemperaturniveau führt die Anordnung dazu, dass der Heizungswärmeaustauscher 1 durch Restwärme vorgewärmt wird und Wärme an den in diesen eintretenden und durch diesen geführten Luftstrom abgeben kann, so dass die Wärmeausbeute aus der Kühlflüssigkeit um etwa 25% gesteigert wird.In 1 is the arrangement of two integrated in the cooling liquid circuit of the internal combustion engine of a car and both air flow side and cooling liquid side connected in series Heizungswärmeaustauschern 1 and 2 represented for the heating system in a motor vehicle. The heating heat exchangers 1 and 2 one after the other, first 2 and then 1 , flows through the heated by the internal combustion engine of the motor vehicle cooling liquid and on the other hand, first 1 and then 2 , from the ambient air. The flow of coolant takes place in the heating heat exchangers 1 . 2 in the opposite direction, wherein the air flow outlet side heating heat exchanger 2 from bottom to top and the air flow inlet side heating heat exchanger 1 flows through from top to bottom. In addition to a homogeneous air temperature level achieved thereby airflow outlet side, the arrangement results in that the heating heat exchanger 1 is preheated by residual heat and can give off heat to the entering and passing through this air flow, so that the heat yield from the cooling liquid is increased by about 25%.

2 zeigt die Anordnung zweier Heizungswärmeaustauscher 3 und 4 in einem Klimagerät eines PKW, die luftstromseitig und kühlflüssigkeitsseitig in Reihe geschaltet sind, wobei jedoch der Kühlflüssigkeitsstrom im Heizungswärmeaustauscher 4 von oben nach unten und im Heizungswärmeaustauscher 3 von unten nach oben geführt ist und wobei dem luftstromaustrittseitigen Heizungswärmeaustauscher 4 ein Bypass 5 zugeordnet ist. Dieser Bypass 5 ist temperaturabhängig geregelt, indem an dessen Eingang ein dehnstoffgeregelter Thermostat 6 angeordnet ist. Dieser hält den Heizungswärmeaustauscher 4 beim Starten des Motors bis zum Erreichen der Betriebstemperatur geschlossen und den Bypass 5 geöffnet. Dadurch fließt die Kühlflüssigkeit durch den Bypass 5 und anschließend durch den Heizungswärmeaustauscher 3. Letzterer wird durch die sich nach und nach erwärmende Kühlflüssigkeit ebenfalls erwärmt und gibt Wärme an die durchströmende Umgebungsluft ab, die nun ihrerseits den Heizungswärmeaustauscher 4 vorwärmt und auf diese Weise zur schnelleren Erreichung der Betriebtemperatur beiträgt. Zusätzlich kann an diesen Bypass 5 ein Bypass 7 angeschlossen sein, der den unteren Teil des Heizungswärmeaustauschers 3 umgeht. Dieser Bypass 7 ist in strich-punktierten Linien angedeutet. Das Öffnen und Schließen desselben erfolgt wie beim Bypass 5 durch einen Thermostaten 8. Der Vorteil liegt in einer schnelleren Erwärmung eines Teilbereiches des Heizungswärmeaustauschers 3 und in Folge in einer schnelleren Vorwärmung des oberen Bereiches des Heizungswärmeaustauschers 4. 2 shows the arrangement of two heating heat exchangers 3 and 4 in an air conditioner of a car, the air flow side and cooling liquid side are connected in series, but the cooling liquid flow in the heating heat exchanger 4 from top to bottom and in the heating heat exchanger 3 is guided from bottom to top and wherein the air flow outlet side heating heat exchanger 4 a bypass 5 assigned. This bypass 5 is temperature-dependent controlled by at the input of an expansion-controlled thermostat 6 is arranged. This holds the heater core 4 when starting the engine until it reaches operating temperature closed and the bypass 5 open. As a result, the coolant flows through the bypass 5 and then through the heating heat exchanger 3 , The latter is also heated by the gradually warming cooling liquid and gives off heat to the air flowing through the ambient air, which in turn now the heating heat exchanger 4 preheats and in this way contributes to the faster achievement of the operating temperature. In addition, this bypass can 5 a bypass 7 connected to the lower part of the heating heat exchanger 3 bypasses. This bypass 7 is indicated in dash-dotted lines. Opening and closing the same as in the bypass 5 through a thermostat 8th , The advantage is a faster heating of a portion of the Heizungswärmeaustauschers 3 and consequently a faster preheating of the upper portion of the heating heat exchanger 4 ,

11: HeizungswärmeaustauscherHeater core
22: HeizungswärmeaustauscherHeater core
33: HeizungswärmeaustauscherHeater core
44: HeizungswärmeaustauscherHeater core
55: Bypassbypass
66: Thermostatthermostat
77: Bypassbypass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19813069 A1 [0003]

Claims

Arrangement of series-connected heating heat exchangers in a motor vehicle, which are traversed on the one hand by a heated by the vehicle engine liquid and / or gaseous cooling medium and on the other hand successively by an ambient air flow, characterized in that the heating heat exchanger ( 1 . 2 / 3 . 4 ) are connected in series on the medium side and are flowed through successively in the opposite direction of the cooling medium, wherein the air flow outlet side heating heat exchanger ( 2 . 4 ) first and the air flow inlet side heater core ( 1 . 3 ) after this ( 2 . 4 ) is flowed through.

Arrangement according to claim 1, characterized in that above the air flow outlet side and / or above the air flow inlet side heating heat exchanger ( 2 . 4 / 1 . 3 ) a bypass ( 5 . 7 ), which at least partially bypasses the respective heating heat exchanger.

Arrangement according to claim 2, characterized in that the bypass ( 5 . 7 ) thermoventil- or thermostat controlled (thermostat 6 ).

Arrangement according to claim 2, characterized that in the bypass, a pressure relief valve is arranged.