DE102007022859B4

DE102007022859B4 - Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007022859B4
Application number: DE102007022859.9A
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: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: DE102007022859A1

Abstract

Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug, die einerseits von einem flüssigen und/ oder gasförmigen Kühlmedium und andererseits nacheinander von einem Umgebungsluftstrom durchströmt werden, wobei die Heizungswärmeaustauscher (1, 2/ 3, 4) mediumseitig in Reihe geschaltet sind und nacheinander in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden, und wobei der luftstromaustrittseitige Heizungswärmetauscher (2, 4) zuerst und der luftstromeintrittseitige Heizungswärmetauscher (1, 3) nach diesem (2, 4) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungwärmeaustauscher von einem durch den Fahrzeugmotor erwärmten Kühlmedium durchströmt werden und dass über dem luftstromaustrittseitigen oder/ und über dem luftstromeintrittseitigen Heizungswärmeaustauscher (2, 4/ 1, 3) ein Bypass (5, 7) angeordnet ist, der geöffnet und geschlossen werden kann und der den jeweiligen Heizungswärmetauscher zumindest teilweise umgeht, wobei der Bypass (5, 7) thermoventil- oder thermostatgeregelt (Thermostat 6) ist und im Bypass ein Überdruckventil angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierte Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug, insbesondere von zwei von Umgebungsluft beaufschlagten Heizungswärmeaustauschern in einem Klimagerät.
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.
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.
Eine wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierte Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug ist z.B. aus DE 38 03 599 A1 und auch aus JP H04-189 A bekannt.
Aus DE 40 17 451 A1 ist es bekannt, einen Thermostaten und ein Überdruckventil in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs vorzusehen.
Aus DE 100 45 905 A1 ist ein Heizungswärmeaustauscher für ein Kraftfahrzeug bekannt, der erste bis dritte Sammelkanäle, die jeweils eine Ein-/Ausströmöffnung haben, und Wärmeübertragerrohre aufweist, welche die Sammelkanäle verbinden. Die Wärmeübertragerrohre sind in einer ersten Lage und einer dazu parallelen zweiten Lage angeordnet. Die erste Lage verbindet den ersten und den zweiten Sammelkanal, und die zweite Lage verbindet den zweiten und den dritten Sammelkanal. Dieser Heizungswärmeaustauscher umfasst außerdem mehrere steuerbare Ventile und eine Verbindungsleitung, die zwischen der Ein-/Ausströmöffnung des ersten Sammelkanals und der Ein-/Ausströmöffnung des zweiten Sammelkanals vorgesehen ist. Durch die Verbindungsleitung und die steuerbaren Ventile ist ein Durchfluss durch den Heizungswärmeaustauscher so veränderbar, dass für einen ersten Zustand die Verbindungsleitung geöffnet und die Wärmeübertragerrohre der ersten und zweiten Lagen zueinander parallel geschaltet werden können und für einen zweiten Zustand die Verbindungsleitung geschlossen und die Wärmeübertragerrohre der ersten und zweiten Lagen zueinander seriell geschaltet werden können.
Aus der FR 2 843 074 A1 ist eine Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmetauschern in einem Kraftfahrzeug bekannt, die einerseits von einem erwärmten, flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmedium und andererseits nacheinander von einem Umgebungsluftstrom durchströmt werden, wobei die Heizungswärmetauscher mediumseitig in Reihe geschaltet sind und nacheinander in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden, und wobei der Luftstrom austrittsseitige Heizungswärmetauscher zuerst und der Luftstrom eintrittsseitige Heizungswärmetauscher nach diesem durchströmt wird. Über dem Luftstrom eintrittsseitigen Heizungswärmetauscher ist ein Bypass angeordnet, der geöffnet und geschlossen werden kann und der den Luftstrom eintrittsseitigen Heizungswärmetauscher zumindest teilweise umgeht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungwärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so vorzunehmen, dass bei hoher Wärmeübertragungsleistung eine Reduzierung eines Anlaufwiderstandes für eine Kühlmediumdurchströmung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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, ist derart vorgenommen, 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.
Die Anordnung weist einen Bypass auf, der geöffnet und geschlossen werden kann und 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.
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.
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.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch:

1: eine erste Ausführung eines Heizsystems mit zwei in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug und
2: eine zweite Ausführung eines derartigen Heizsystems mit einer Bypassanordnung.

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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Heizungswärmeaustauscher
2: Heizungswärmeaustauscher
3: Heizungswärmeaustauscher
4: Heizungswärmeaustauscher
5: Bypass
6: Thermostat
7: Bypass

Claims

Anordnung von in Reihe geschalteten Heizungswärmeaustauschern in einem Kraftfahrzeug, die einerseits von einem flüssigen und/ oder gasförmigen Kühlmedium und andererseits nacheinander von einem Umgebungsluftstrom durchströmt werden, wobei die Heizungswärmeaustauscher (1, 2/ 3, 4) mediumseitig in Reihe geschaltet sind und nacheinander in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden, und wobei der luftstromaustrittseitige Heizungswärmetauscher (2, 4) zuerst und der luftstromeintrittseitige Heizungswärmetauscher (1, 3) nach diesem (2, 4) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungwärmeaustauscher von einem durch den Fahrzeugmotor erwärmten Kühlmedium durchströmt werden und dass über dem luftstromaustrittseitigen oder/ und über dem luftstromeintrittseitigen Heizungswärmeaustauscher (2, 4/ 1, 3) ein Bypass (5, 7) angeordnet ist, der geöffnet und geschlossen werden kann und der den jeweiligen Heizungswärmetauscher zumindest teilweise umgeht, wobei der Bypass (5, 7) thermoventil- oder thermostatgeregelt (Thermostat 6) ist und im Bypass ein Überdruckventil angeordnet ist.