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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizgerät gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
in Fahrzeugheizgeräten
eingesetzten Wärmetauscheranordnungen
strömen
die in einer Brenneranordnung erzeugten heißen Verbrennungsprodukte im
Allgemeinen entlang der inneren Wandung und übertragen dort Wärme auf
diese innere Wandung und über
diese auf das im ersten Strömungsraum
zirkulierende zu erwärmende
Medium. Nach dem Strömen
entlang der inneren Wandung verlassen die heißen Verbrennungsprodukte den zweiten
Strömungsraum
zur Umgebung oder zu einem Abgasreinigungssystem hin.
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Ein
Fahrzeugheizgerät
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
DE
31 36 839 C2 bekannt. Dieses Fahrzeugheizgerät weist
eine Wärmetauscheranordnung
auf, bei welcher die aus einem Flammrohr bzw. einem Brennerbereich
austretenden heißen
Verbrennungsprodukte in mehreren einander ringartig umgebenden,
koaxialen Strömungsraumbereichen
strömen,
die axial im Bereich der Wärmetauscheranordnung
liegen.
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Aus
der
GB 875 975 ist eine
Wärmetauscheranordnung
bekannt, bei welcher zwei Strömungsraumbereiche
durch eine Mehrzahl konzentrischer Rohrteile begrenzt sind. Die
Strömungsraumbereiche
sind an axialen Enden durch Abschlussbauteile in einem von einem
Brenner getrennt liegenden Bereich axial abgeschlossen.
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Die
DE 41 16 692 A1 zeigt
eine Wärmetauscheranordnung,
bei welcher an einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse eine
Vielzahl radial stehender Wärmeübertragungsrippen
vorgesehen ist.
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Die
DE 15 51 725 A offenbart
ein Fahrzeugheizgerät,
bei welchem die axial aus einem Flammrohr bzw. Brennerbereich austretenden
Verbrennungsab gase in axialem Abstand zum Brennerbereich zweimal
axial umgelenkt werden, um Wärme auf
ein zu erwärmendes
Medium zu übertragen.
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Die
DE 975 176 B offenbart
ein Heizgerät
mit einem Wärmetauscherbereich,
bei welchem die in einem ringartigen Strömungsraum strömenden Verbrennungsabgase
an der Innenseite dieses Strömungsraums
und an der Außenseite
des Strömungsraums
von dort strömendem
zu erwärmendem
Medium umströmt
werden und somit Wärme
auf dieses übertragen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Wärmetauscheranordnung
so auszugestalten, dass sie einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Fahrzeugheizgerät,
umfassend eine Wärmetauscheranordnung,
die Wärmetauscheranordnung
umfassend einen von einer inneren Wandung und einer äußeren Wandung
begrenzten ersten Strömungsraum
für zu
erwärmendes
Medium sowie einen zweiten Strömungsraum
für in
einer Brenneranordnung erzeugte heiße Verbrennungsprodukte, wobei
der zweite Strömungsraum
einen ersten Strömungsraumbereich
aufweist, in welchem die Verbrennungsprodukte entlang der inneren
Wandung strömen,
und einen zweiten Strömungsraumbereich aufweist,
in welchem die Verbrennungsprodukte entlang der äußeren Wandung strömen, wobei
der erste Strömungsraumbereich
und der zweite Strömungsraumbereich
an einem axialen Ende – bezogen
auf eine Längsrichtung
der Wärmetauscheranordnung – offen
sind und dass dem axial offenen Ende des ersten Strömungsraumbereichs
und des zweiten Strömungsraumbereichs
ein in einem Brennkammergehäuse
der Brenneranordnung gebildeter und die aus dem ersten Strömungsraumbereich
ausretende Verbrennungsproduktströmung in den zweiten Strömungsraumbereich
umlenkender Strömungsumslenkbereich
gegenüber
liegt.
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Zusätzlich zum
Strömen
der heißen
Verbrennungsprodukte entlang der inneren Wandung ist also bei der
erfindungsgemäß ausgestalteten
Wärmetauscheranordnung
noch vorgesehen, dass diese Verbrennungsprodukte auch noch wenigstens
einen Teil der äußeren Wandung
umströmen.
Somit wird der von dem zu erwärmenden
Medium durchströmte
erste Strömungsraum
an beiden Seiten umströmt,
so dass die Gesamtfläche
zur Wärmeübertragung
erhöht
wird und somit die in den heißen
Verbrennungsprodukten transportierte Wärme effizienter zur Erwärmung des
zu erwärmenden
Mediums genutzt werden kann.
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Um
eine weitere Vergrößerung der
zur Wärmeübertragung
vorhandenen Fläche
erlangen zu können,
wird weiter vorgeschlagen, dass die innere Wandung in ihrem den
ersten Strömungsraumbereich
begrenzenden Bereich Wärmeübertragungsrippen
aufweist. Weiter ist es hierfür
möglich,
dass die äußere Wandung
in ihrem den zweiten Strömungsraumbereich
begrenzenden Bereich Wärmeübertragungsrippen
aufweist.
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Um
dafür zu
sorgen, dass die im zweiten Strömungsraumbereich
strömenden
Verbrennungsprodukte auch bei Bereitstellung der Wärmeübertragungsrippen
an der äußeren Wandung
in Richtung zu einem Verbrennungsproduktauslass strömen können, wird
weiter vorgeschlagen, dass die an der äußeren Wandung vorgesehenen
Wärmeübertragungsrippen
zu einer den zweiten Strömungsraumbereich
begrenzenden und der äußeren Wandung gegenüber liegenden
Umfangswandung wenigstens bereichsweise einen Abstand aufweisen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung
kann weiter vorgesehen sein, dass der zweite Strömungsraumbereich stromabwärts des ersten
Strömungsraumbereichs
angeordnet ist.
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Die
Folge der Umlenkung ist, dass im zweiten Strömungsraumbereich die Strömung im
Wesentlichen der Strömung
im ersten Strömungsraumbereich
entgegengesetzt gerichtet sein kann.
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Eine
sehr effiziente Ausnutzung der in den heißen Verbrennungsprodukten transportierten
Wärme kann
weiter dann sichergestellt werden, wenn der erste Strömungsraum
im Wesentlichen ringartig ausgebildet ist und wenn der zweite Strömungsraumbereich
den ersten Strömungsraum
wenigstens in der Hälfte
seiner Umfangserstreckung umgibt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
Explosionsansicht eines Fahrzeugheizgeräts;
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2 eine
schematische Längsschnittansicht
des in 1 gezeigten Fahrzeugheizgeräts zum Darstellen der Verbrennungsproduktströmung und
der Heizmediumströmung.
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In 1 ist
ein Fahrzeugheizgerät
allgemein mit 10 bezeichnet. Dieses Fahrzeugheizgerät 10 weist
als wesentliche Systembereiche eine Brenneranordnung 12 und
eine Wärmetauscheranordnung 14 auf.
In der Brenneranordnung 12 wird ein Gemisch aus Brennstoff,
beispielsweise Benzin oder Diesel, und Verbrennungsluft, das durch
Brennstoffzerstäubung
oder in sonstiger Weise bereitgestellt wird, verbrannt. Dazu ist
in einem allgemein mit 16 bezeichneten Brennkammergehäuse eine
in den Figuren nicht näher
dargestellte Brennkammer vorgesehen. Die bei der Verbrennung in
der Brennkammer erzeugten heißen
Verbrennungsprodukte verlassen diese Brennkammer durch einen auch
eine Flammblende bereitstellenden Brennkammerflansch 18 und treten
in ein Flammrohr 20 ein. An einem von der Brennkammer bzw.
der Brenneranordnung 12 entfernten Ende des Flammrohrs 20 treten
die Verbrennungsprodukte aus dem Flammrohr 20 aus und treten
dann in Wechselwirkung mit der Wärmetauscheranordnung 14,
um darin zirkulierendes zu erwärmendes
Medium, beispielsweise Wasser oder Luft, zu erwärmen. Der grundsätzliche
Aufbau dieser Wärmetauscheranordnung 14 wird
nachfolgend auch mit Bezug auf die 2 erläutert.
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Die
Wärmetauscheranordnung 14 umfasst zwei
im Wesentlichen topfartig ausgestaltete Gehäuseteile 22, 24.
Das Gehäuseteil 22 bildet
dabei ein inneres Gehäuseteil
und ist in das äußere Gehäuseteil 24 eingesetzt,
so dass zwischen diesen beiden Gehäuseteilen 22, 24 ein
erster Strömungsraum 26 für das zu
erwärmende
Medium bereitgestellt ist. Ein Einlassstutzen 28 gestattet
den Eintritt des Mediums in diesen ersten Strömungsraum 26. Ein
Auslassstutzen 30 ermöglicht
den Austritt des im ersten Strömungsraum 26 dann
erwärmten
Mediums.
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Das
innere Gehäuseteil 22 umfasst
im Wesentlichen eine näherungsweise
zylindrische innere Wandung 32 sowie einen Bodenbereich 34.
Das äußere Gehäuseteil 24 umfasst
eine ebenfalls im Wesentlichen zylindrische äußere Wandung 36 und
einen Bodenbereich 38. Die einander gegenüber liegenden
inneren und äußeren Wandungen 32, 36 und Bodenbereiche 34, 38 begrenzen
dann im Wesentlichen den ersten Strömungsraum 26. An ihrem
vom jeweiligen Bodenbereich 34 bzw. 38 entfernten
Endbereich sind die beiden Gehäuseteile 22, 24 im
Bereich der Wandungen 32, 36 dann zum Bereitstellen eines
dichten Abschlusses des ersten Strömungsraums 26 miteinander
dicht verbunden, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen, Einpressen
o. dgl..
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Man
erkennt in den Figuren weiter, dass das Flammrohr 20 sich
in den vom inneren Gehäuseteil 22 bzw.
der inneren Wandung 32 desselben umgebenen Raumbereich
hinein erstreckt. Das Flammrohr 20 endet jedoch mit Abstand
zum Bodenbereich 34, so dass die in das Flammrohr 20 eintretenden
heißen Verbrennungsprodukte
beim Austritt aus dem Flammrohr 20 auf den Bodenbereich 34 auftreffen, dort
nach radial außen – bezogen
auf die Strömungsrichtung
der Verbrennungsprodukte im Flammrohr 20 – umgelenkt
werden und in einen allgemein mit 40 bezeichneten zweiten
Strömungsraum
eintreten. In diesem zweiten Strömungsraum 40 und
bereits auch beim Auftreffen auf den Bodenbereich 34 übertragen die
heißen
Verbrennungsprodukte Wärme
auf die Wärmetauscheranordnung 14 und
somit das im ersten Strömungsraum 26 strömende zu
erwärmende Medium.
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Der
zweite Strömungsraum 40 umfasst
zwei elementare Strömungsraumbereiche 42, 44.
Der erste Strömungsraumbereich 42 dieser
beiden Strömungsraumbereiche 42, 44 ist
im Wesentlichen begrenzt durch das Flammrohr 20 und die
innere Wandung 32 des inneren Gehäuseteils 22 und weist
allgemein eine ringartige Struktur auf. In diesem ersten Strömungsraumbereich 42 strömen die
heißen
Verbrennungsprodukte in einer Strömungsrichtung, die der Strömung im
Innenvolumenbereich des Flammrohrs 20 im Wesentlichen entgegengesetzt
ist. In diesem ersten Strömungsraumbereich 42 wird
also Wärme
auf das innere Gehäuseteil 22 übertragen.
Um diesen Wärmeübertrag
noch weiter zu verbessern, kann dieses im Bereich seiner inneren
Wandung 32 mit in der 1 erkennbaren
und im Wesentlichen in der Strömungsrichtung
sich erstreckenden Wärmeübertragungsrippen 46 versehen
sein. Diese können derart
bemessen sein, dass sie sich nach radial innen, also in Richtung
auf das Flammrohr 20 zu, so weit erstrecken, dass sie im
wesentlichen Längenbereich
an der Außenoberfläche des
Flammrohrs 20 anliegen und somit unter anderem auch zu
dessen Halterung beitragen. Auch können im Bodenbereich 34 Wärmeübertragungsrippen
vorgesehen sein, die einerseits die Umlenkung der Verbrennungsprodukte nach
radial außen
unterstützen
und andererseits auch dort eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche bereitstellen
und beispielsweise in die in 1 erkennbaren
Wärmeübertragungsrippen 46 übergehen
können.
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Die
entlang der inneren Wandung 32 im ersten Strömungsraumbereich 42 in
Richtung zur Brenneranordnung 12 zurückströmenden Verbrennungsprodukte
treten über
mehrere am Brennkammerflansch 18 ausgestaltete innere Öffnungen 48 in
einen Strömungsumlenkbereich 50 im
Brennkammergehäuse 16.
Die inneren Öffnungen 48 sind
langgestreckt und mit kreissegmentartiger Konfiguration ausgestattet,
so dass sie grundsätzlich
an die kreisringartige Ausgestaltung des ersten Strömungsraumbereichs 42 angepasst
sind. Auch der Strömungsumlenkbereich 50 im
Brennkammergehäuse 16 ist
mit einer entsprechenden kreisring- oder kreisringsegmentartigen
Form ausgestaltet und somit an die Umfangserstreckung des ersten
Strömungsraumbereichs 42 und
auch der inneren Öffnungen 48 angepasst.
Der Strömungsumlenkbereich 50 ist
durch Trennwandungsabschnitte 51a, 51b in mehrere,
im dargestellten Beispiel drei, Kammern 53a, 53b und 53c unterteilt.
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In
dem Brennkammerflansch 18 sind ferner äußere Öffnungen 52 vorgesehen.
Diese erstrecken sich im Wesentlichen entlang der inneren Öffnungen 48,
bilden also ebenfalls eine im Wesentlichen kreisringartige oder
kreisringsegmentartige Öffnungsformation.
Die Lage und die Formgebung dieser Öffnungen 52 ist angepasst
an die Lage und die Formgebung des bereits angesprochenen zweiten
Strömungsraumbereichs 44.
Dieser zweite Strömungsraumbereich
ist im Wesentlichen gebildet zwischen der äußeren Wandung 36 des äußeren Gehäuseteils 24 und
einer Umfangwandung 54, welche dieser äußeren Wandung 36 zumindest
in einem Bereich ihrer Umfangserstreckung gegenüber liegt. In der axialen Richtung,
also der Längsrichtung
der gesamten Anordnung, kann dieser zweite Strömungsraumbereich 44 durch
den Bodenbereich 38 des äußeren Gehäuseteils 24 begrenzt
sein.
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Die
aus dem ersten Strömungsraumbereich 42 über die
inneren Öffnungen 48 in
den Strömungsumlenkbereich 50 im
Brennkammergehäuse 16 eingetretenen
Verbrennungsprodukte verlassen diesen Strömungsumlenkbereich 50 nach
einer Strömungsumlenkung über die äußeren Öffnungen 52,
die wiederum dem axial offenen Ende des zweiten Strömungsraumbereichs 44 gegenüber liegen
und somit den Eintritt der noch Wärme transportierenden Verbrennungsprodukte
in den zweiten Strömungsraumbereich 44 ermöglichen.
Durch das Vorsehen mehrerer getrennter Kammern 53a, 53b, 53c im
Strömungsumlenkbereich 50 wird
dafür gesorgt,
dass der Abgasstrom in optimierter Art und Weise in den zweiten
Strömungsraumbereich 44 eintritt
und gleichmäßig verteilt
und nicht zwangsweise auf dem kürzesten Weg
strömend
entlang der Wärmeübertragungsrippen 58 geleitet
wird. Die Verbrennungsprodukte strömen dann entlang der äußeren Wandung 36 des äußeren Gehäuseteils 24 in
einer Richtung, die der Strömungsrichtung
im ersten Strömungsraumbereich 42 im
Wesentlichen entgegengesetzt ist, und in Richtung auf den Bodenbereich 38 zu.
In einem dem Bodenbereich 38 nahe liegenden axialen Endbereich des
zweiten Strömungsraumbereichs 44 ist
ein Auslassstutzen 56 vorgesehen, über welchen die Verbrennungsprodukte
dann den zweiten Strömungsraum 40 verlassen
können.
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Um
auch beim Strömen
im zweiten Strömungsraumbereich 44 eine
sehr effiziente Wärmeübertragung
auf die Außenwandung 36 des äußeren Gehäuseteils 24 erlangen
zu können,
kann auch diese Außenwandung 36 mit
Wärmeübertragungsrippen 58 versehen
sein, die sich im Wesentlichen in axialer Richtung, also auch in
der Strömungsrichtung
der Verbrennungsprodukte im zweiten Strömungsraumbereich 44,
erstrecken. Da somit in Umfangsrichtung verteilt mehrere Kanäle im zweiten
Strömungsraumbereich 44 gebildet
sind, im Allgemeinen aber nur ein einziger Auslassstutzen 56 vorgesehen
sein soll, sind die Wärmeübertragungsrippen 58 so
bemessen, dass zwischen deren radial äußeren Enden und der Umfangswandung 54 ein
Zwischenraum 60 gebildet ist. Die Wärmeübertragungsrippen 58 geben
somit zwar grundsätzlich
eine gewisse Strömungsrichtung für die Verbrennungsprodukte
im zweiten Strömungsraumbereich 44 vor,
gestatten jedoch den Übertritt
der Verbrennungsprodukte von einem dieser Kanäle zum anderen, so dass insbesondere
auch in dem dem Bodenbereich 38 nahen Ende des zweiten Strömungsraumbereichs 44 ein
Verbrennungsproduktstau vermieden wird und die in allen zwischen einzelnen
Wärmeübertragungsrippen 58 gebildeten Kanälen strömenden Verbrennungsprodukte
in Richtung zum Auslassstutzen 56 strömen können. Selbiges gilt auch für die Wärmeübertragungsrippen 46 an der
inneren Wandung 32. Um auch in demjenigen Bereich, in welchem
keine inneren Öffnungen 48 dem
axialen Ende des ersten Strömungsraumbereichs 42 gegenüber liegen,
den Austritt der im ersten Strömungsraumbereich 42 strömenden Verbrennungsprodukte
in Richtung zum Strömungsumlenkbereich 50 zu
ermöglichen,
können
zumindest in diesem Endbereich des ersten Strömungsraumbereichs 42 die
Wärmeübertragungsrippen 46 einen
Zwischenraum zum Flammrohr 20 lassen, so dass beispielsweise
auch in dem in der 2 oben liegenden Abschnitt des
ersten Strömungsraumbereichs 42 bei Erreichen
des axialen Endes desselben die Verbrennungsprodukte in Umfangsrichtung
umgelenkt werden können
und in den Bereich der inneren Öffnungen 48 gelangen
können.
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Durch
die vorangehend beschriebene erfindungsgemäß ausgestaltete Wärmetauscheranordnung 14 wird
also erreicht, dass der von dem zu erwärmenden Medium durchströmte erste
Strömungsraum 26 nicht
nur an seiner Innenseite, also im Bereich der inneren Wandung 32,
von den heißen
Verbrennungsprodukten umströmt
wird, sondern auch zumindest in einem Teilbereich der äußeren Wandung 36 umströmt wird.
Dies erhöht
die zur Wärmeübertragung
zur Verfügung
stehende Oberfläche
und somit den Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung 14 erheblich.
Hierzu ist es vorteilhaft, wenn, wie in 1 erkennbar,
die Umströmung
an der Außenseite
zumindest über
die Hälfte
der Umfangserstreckung der äußeren Wandung 36 bzw.
des ersten Strömungsraums 26 erfolgt.
Je nach fertigungstechnischen Gegebenheiten kann hier jedoch auch
ein deutlich größerer Umfangsbereich
oder aber auch ein kleinerer Umfangsbereich abgedeckt sein.
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Das äußere Gehäuseteil 24 kann
mit seiner äußeren Wandung 36,
der Umfangswandung 54 und dem Bodenbereich 38 als
integrales Bauteil in einem Gussvorgang hergestellt werden. Das
innere Gehäuseteil 22 wird
dann in dieses Bauteil eingesetzt, wie bereits voranstehend beschrieben.
Selbstverständlich
kann die Umfangswandung 54 auch als separates Bauteil an
das äußere Gehäuseteil 24 angesetzt werden.