DE102005017974A1

DE102005017974A1 - Wärmeübertragersystem

Info

Publication number: DE102005017974A1
Application number: DE102005017974A
Authority: DE
Inventors: Peter Gross
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Zwecks Verringerung des Herstellungs- und Montageaufwands, insbesondere bezüglich des benötigten Einbauraums, ist erfindungsgemäß ein Wärmeübertragersystem (1, 101) mit Sammelkanälen (3, 5, 103, 105), Wärmeübertragereinheiten (4, 6, 104, 106) und mindestens einem Schaltelement (9, 10, 109, 110) vorgesehen, dergestalt, dass unter Nutzung einer Rückflussverbindung (7, 107) der Durchfluss von Kühlmittel zwischen U-Durchfluss und I-Durchfluss umschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

Aus DE 100 45 905 sind ist ein Wärmeübertrager, eine darauf aufbauende Fahrzeugklimaanlage sowie entsprechende Steuerungsverfahren beschrieben, bei denen der Wärmeübertrager zwei Sammelkanäle zeigt, die durch Wärmeübertragerrohre miteinander verbunden sind. Durch Schaltung eines Ventilsystems kann der Durchfluss durch die Wärmeübertragerrohre parallel in eine Richtung erfolgen (I-Durchfluss), wobei das Kühlmedium in einem Sammelkanal eintritt und am gegenüberliegenden Sammelkanal wieder austritt, oder er kann sequentiell durch einen Teil der Wärmeübertragerrohre in eine Richtung und den anderen Teil der Wärmeübertragerrohre in die andere Richtung erfolgen (U-Durchfluss), wobei Ein- und Austrittsöffnung am gleichen Sammelkanal verwendet werden.

Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, dass der Wärmeübertrager vergleichsweise viele Ventile und Anschlüsse und damit auch entsprechend viel Platz benötigt, was insbesondere bei der Integration in Pkw problematisch ist.

In EP 0 501 854 A1 ist ein Automobilkühler nach dem U-Durchflussprinzip mit mehreren Kühlkanälen offenbart, bei dem mittels Ventilen der Kühlmitteldurchfluss kontinuierlich geregelt werden kann.

In WO 2004/020927 A1 wird eine Wärmetauschereinheit für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der Hoch- und Niedrigtemperatur-Kreisläufe, unter teilweiser Nutzung einer Regelung, in einem Kühler integriert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kühlsystem zu schaffen, dessen Herstellungs- und Montageaufwand, insbesondere bezüglich des benötigten Einbauraums, verringert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch das Wärmeübertragersystem sowie das Verfahren zum Übertragen von Wärme nach den Hauptanspruchen gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass sich durch eine vergleichsweise geringe Zahl von Ventilen der Kühlmittelfluss zwischen U-Durchfluss und I-Durchfluss umschalten lässt, und zwar ohne dass sich die Zahl der Kühlmittelanschlüsse – und damit der Zuführschläuche – erhöht. Die Möglichkeit einer kompakten Bauweise wurde bei DE 100 45 905 nicht erkannt; dort sind die Anschlüsse von U-Durchlass und I-Durchlass jeweils additiv mit einer entsprechend hohen Zahl von benötigten Ventilen vorhanden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen:
1a und 1b die Erfindung anhand zweier Schaltstellungen eines integralen Umschaltkühlers; und
2a und 2b die Erfindung anhand zweier Schaltstellungen einer Kühlerbatterie.
1a zeigt schematisch in Seitenansicht eine Skizze eines erfindungsgemäßen integralen Umschaltkühlers 1.
Der integrale Umschaltkühler 1 weist einen ersten Sammelkanal in Form eines ersten Wasserkastens 3 und einen zweiten Sammelkanal in Form eines zweiten Wasserkastens 5 auf. Die beiden Wasserkästen 3, 5 sind durch eine erste Wärmeübertragereinheit in Form eines ersten Kühlkanals 4 und parallel dazu durch eine zweite Wärmeübertragereinheit in Form eines zweiten Kühlkanals 6 fluidisch miteinander verbunden. Ein Kühlkanal 4, 6 kann z. B. ein Kühlernetz mit mehreren Wärmeübertragerrohre umfassen. Weiterhin sind die beiden Wasserkästen 3, 5 über eine Rückflussverbindung in Form eines Rückflussrohres 7 miteinander fluidisch verbunden. Am ersten Wasserkasten 3 sind ein Kühlmitteleinlass in Form eines Eintrittsstutzens 2 und ein Kühlmittelauslass in Form eines Austrittsstutzens 8 angebracht. Weiterhin sind zwei Durchlasssteller 9, 10 vorhanden, deren Verschlüsse im ersten Wasserkasten 3 angeordnet sind. Der erste Durchlasssteller 9 umfasst eine Ventilklappe 91, die den Fluiddurchfluss vom Eintrittsstutzen 2 zum zweiten Kühlkanal 6, und damit auch zum Austrittsstutzen 8, öffnend oder schließend, ggf. auch die Größe der Durchlassöffnung regelnd, steuern kann. Die Ventilklappe 91 ist dazu an der Grenze der beiden Kühlkanäle 4, 6 angeordnet; sie lässt sich durch einen außenliegenden Stellmotor 92 (Elektromotor, Magnet mit Antriebsstange usw.) bewegen. Funktional entspricht der erste Durchlasssteller 9 einem 2/2-Wege- Ventil. Der zweite Durchlasssteller 10 ist direkt vor dem Austrittstutzen 8 angebracht; er kann, hier in Form eines Drehschiebers, entweder das Rückflussrohr 7 oder den Abfluss des ersten Wasserkastens 3 und damit den zweiten Kühlkanal 6 verschließen. Funktional entspricht er einem 3/2-Wege-Ventil. Die beiden Durchlasssteller 9, 10 sind über eine Führungsstange 11 miteinander verbunden, so dass über eine Betätigung des Stellmotors 92 beide Ventil 9, 10 gleichzeitig in eine erste Stellung oder eine zweite Stellung überführt werden können.
1a zeigt den integralen Umschaltkühler 1 in einer ersten Schaltstellung, die einem U-Durchfluss entspricht. In dieser Schaltstellung ist der erste Durchlasssteller 9 geschlossen, so dass Kühlmittel vom Eintrittsstutzen 2 durch den oberen Teil des ersten Wasserkastens 3 und weiter durch den ersten Kühlkanal 4 in den zweiten Wasserkasten 5 fliessen muss. Von dort fließt es über den zweiten Kühlkanal 6 durch den unteren Teil des ersten Wasserkastens 3 und weiter durch den zweiten Durchlasssteller 10 zum Austrittsstutzen 8. Der Weg über das Rückflussrohr 7, das einen weit geringeren Strömungswiderstand aufweist als ein Kühlkanal 4, 6, ist blockiert. Der Weg des Flusses ist durch die Pfeile angedeutet.
1b zeigt den integrale Umschaltkühler 1 aus 1a in einer zweiten Schaltstellung Schaltstellung, die einem I-Durchfluss entspricht: In dieser Schaltstellung ist der erste Durchlasssteller 9 geöffnet, so dass Kühlmittel vom Eintrittsstutzen 3 durch beide Kühlkanäle 4, 6 in den zweiten Wasserkasten 5 fließt. Von dort fließt es über das Rückflussrohr 7 zum Austrittstutzen 8. Der direkte Fluiddurchlass vom ersten Wasserkasten 3 zum Austrittsstutzen 8 ist durch den zweiten Durchlasssteller 10 blockiert. Der Weg des Flusses ist durch die Pfeile angedeutet.
Der U-Durchfluss ('U-Flow') bietet allgemein den Vorteil, daß mit wenig Kühlmittelvolumenstrom ein hoher innerer Wärmeübergang im Kühler erzielt wird. Gerade beim Kfz bietet dieser Kühler bei Paßfahrten oder bei Fahrten im Stau eine gute Wärmeabfuhr. Leider wird dieser Kühlertyp nicht oft verwendet, da er bei hohen Kühlmitteldurchsätzen zwar um so besser kühlt, jedoch die notwendigen Druckdifferenzen, die eine Pumpe aufbringen muss, erheblich ansteigen.
Der I-Durchfluss ('I-Flow') bietet allgemein den Vorteil, daß im Vergleich zum U-Flow weit geringere innere Druckverluste auftreten. Dies ist wichtig bei hohen abzuführenden Kühlleistungen z.B. bei einer Autobahnfahrt bei max. Fahrzeuggeschwindigkeit.
Der vorliegende integrale Umschaltkühler 1 kann schaltbar beide Betriebsarten mit ihren Vorteilen nutzen. Beispielsweise kann ein typischer Kfz-Kühler bei gleichem Luft- und Kühlmitteldurchsatz bei einer Einstellung von ca. 2,5 m° Luft [Kg/s] bei angenommenem doppelten Wasserdurchsatz im U-Durchfluss 3800 W/m² K Wärme abführen statt nur 3200 W/m² K in I-Verschaltung, was einer um 19% gesteigerten Wärmeabfuhr entspricht. Der entsprechende Gewinn in der Kühlleistung bei einem Kfz mit 0,25 m² Kühlerfläche bei einem realen ETD von 75 K beträgt entsprechend 11,25 kW.
Gegenüber dem in DE 100 45 905 A1 gezeigten Kühler ergibt sich der Vorteil, dass nur zwei herkömmliche Anschlüsse verwerdet zu werden brauchen, wodurch sich eine Platzersparnis ergibt sowie ein vereinfachter Einbau mit gegenüber DE 100 45 905 A1 weniger Komponenten. Dadurch erübrigt sich im wesentlichen ein Umgestalten des Kühlerraums.
Der integrale Umschaltkühler 1 weist zudem den Vorteil auf, dass im wesentlichen einfache bzw. Standardkomponenten verwendet werden können, z. B. für den zweiten Wasserkasten 5 und die Kühlkanäle 4, 6. Bis auf das einfache Rückflussrohr 7 sind sämtliche Komponenten der Durchflussregler 9, 10 im ersten Wasserkasten 3 integriert und damit einfach zusammenbaubar.
Selbstverständlich ist die Erfindung bezüglich des integralen Umschaltkühler 1 nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern es können geeignete Abwandlungen durchgeführt werden, z. B. bezüglich der Art und Zahl der Durchlasssteller (andere Ventilarten und -ansteuerungen, z. B. über gesonderte, elektronisch geregelte Stellmotoren etc.), der Art und Zahl der Kühlkanäle (mehrere Kühlkanäle, Form der Kühlrohre bzwrippen etc.) oder der Form und räumlichen Anordnung der einzelnen Komponenten.
2a zeigt schematisch eine Skizze einer erfindungsgemäßen Kühlerbatterie 101 in einer ersten Schaltstellung.
In dieser Ausführungsform werden als Wärmeübertragereinheiten ganze Kühler 104, 106 mit entsprechenden Kühlkanälen, Wasserkästen usw. verwendet. Der erste Sammelkanal entspricht einem ersten Röhrensystem 103, das Eintrittsstutzen der Kühler 104, 106 zwischen Kühlmitteleinlass 102 und Kühlmittelauslass 108 fluidisch miteinander verbindet. Entsprechend umfasst der zweite Sammelkanal ein zweites Röhrensystem 105, das Austrittsstutzen der Kühler 104, 106 mit der Rückflussverbindung in Form eines Rückflussrohrs 107 verbindet. In dieser Ausführungsform sind die Kühler 104, 106 I- Durchströmungskühler, sie können aber auch U-Kühler sein bzw. umfassen. Der erste Durchlasssteller 109, der ein 2/2-Wege-Ventil ist, öffnet und schließt einen Durchfluss zwischen dem ersten Kühler 104 und dem zweiten Kühler 106 im ersten Röhrensystem 103. Durch den zweiten Durchlasssteller 110, ein 3/2-Wege-Ventil ist abwechselnd einen Durchfluss zwischen dem ersten Röhrensystem 103 und dem Kühlmittelauslass 108 einerseits und zwischen dem Rückflussrohr 107 und dem Kühlmittelauslass 108 andererseits schaltbar.
In der in dieser 2a dargestellten Schaltstellung, die einem U-Durchfluss entspricht, fliesst Fluid vom Kühlmitteleinlass 102 durch den ersten Kühler 104, dann über den zweiten Kühler 106 und durch den zweiten Durchlasssteller 110 zum Kühlmittelauslass 108. Das Rückflussrohr 107 ist durch den zweiten Durchlasssteller 110 blockiert. Ebenso ist der direkte Weg von Kühlmitteleinlass 102 zum zweiten Kühler 106 durch den ersten Durchlasssteller 109 blockiert.
In 2b ist die Kühlerbatterie 101 in einer zweiten Schaltstellung dargestellt, die einem I-Durchfluss entspricht. Nun ist der erste Durchlasssteller 109 geöffnet, so dass Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass 102 durch beide Kühler 104, 106 zum zweiten Röhrensystem 105 und von dort über das Rückflussrohr 107 durch den zweiten Durchlasssteller 110 zum Kühlmittelauslass 108 fliessen kann. Der Durchfluss vom ersten Röhrensystem 103 direkt zum Kühlmittelauslass 108 ist durch den zweiten Durchlasssteller 110 blockiert.
Selbstverständlich ist die Erfindung auch bezüglich der Kühlerbatterie 101 nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern es können geeignete Abwandlungen durchgeführt werden, z. B. bezüglich der Art der Röhren (Schläuche, Rohre usw.) und deren Zahl und Schaltung, bezüglich der Zahl, Art und Dimensionierung der Kühler 104, 106 oder bezüglich der Art und Schaltung der Ventile 109, 110.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Wärmeübertragersysteme 1, 101 beziehen sich, wie auch die gesamte Erfindung, nicht nur auf Kühlsysteme, sondern ganz allgemein auf Wärmetauscher, z. B. können die Wärmeübertragerrohre auch aus der Umgebung aufgeheizt werden. Als Anwendungen werden Klimaanlagen, insbesondere in Kraftfahrzeugen und allgemein in beengten Verhältnissen, bevorzugt.
Als Kühlmittel sind Flüssigkeiten (Öl, Wasser usw.) und Gase geeignet.

1: Umschaltkühler
2: Eintrittsstutzen
3: erster Wasserkasten
4: erster Kühlkanal
5: zweiter Wasserkasten
6: zweiter Kühlkanal
7: Rückflussrohr
8: Austrittsstutzen
9: erster Durchlasssteller
10: zweiter Durchlasssteller
11: Führungsstange
91: Ventilklappe
92: Stellmotor
101: Kühlerbatterie
102: Kühlmitteleinlass
103: erstes Röhrensystem
104: erster Kühler
105: zweites Röhrensystem
106: zweiter Kühler
107: Rückflussrohr
108: Kühlmittelauslass
109: erster Durchlasssteller
110: zweiter Durchlasssteller

Claims

Wärmeübertragersystem, insbesondere Kühleinheit (1, 101), bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, umfassend – mindestens einen ersten Sammelkanal (3, 103) und einen zweiten Sammelkanal (5, 105); und – mindestens eine erste Wärmeübertragereinheit (4, 104) und eine zweite Wärmeübertragereinheit (6, 106), die jeweils den ersten Sammelkanal (3,103) und den zweiten Sammelkanal (5, 105) fluidisch miteinander verbinden; und – mindestens einen am ersten Sammelkanal (3, 103) angebrachten Kühlmitteleinlass (2, 102), und mindestens einen am ersten Sammelkanal angebrachten Kühlmittelauslass (8, 108) ; und – ein Schaltelement (9, 10, 109, 110), dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine Rückflussverbindung (7, 107) zwischen dem zweiten Sammelkanal (5, 105)und dem Kühlmittelauslass (8, 108) vorhanden ist; – und dass eine Verbindung des Kühlmitteleinlasses (2, 102) zur zweiten Wärmeübertragereinheit (6, 106) über den ersten Sammelkanal (3, 103) sowie die Rückflussverbindung (7, 107) in einer ersten Schaltstellung des Schaltelements (9, 10, 109, 110) blockiert und in einer zweiten Schaltstellung geöffnet sind; – und dass eine Verbindung der zweiten Wärmeübertragereinheit (6, 106) zum Kühlmittelauslass (8, 108) über den ersten Sammelkanal (3, 103) in der ersten Schaltstellung geöffnet und in der zweiten Schaltstellung blockiert ist.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (9, 10, 109, 110) mindestens einen ersten schaltbaren Durchlasssteller (9,109) und einen zweiten schaltbaren Durchlasssteller (10, 110) umfasst, wobei – durch den ersten Durchlasssteller (9, 109) die Verbindung des Kühlmitteleinlasses (2, 102) zur zweiten Wärmeübertragereinheit (6, 106) über den ersten Sammelkanal (3, 103) schaltbar geöffnet und blockiert werden kann; und – durch den zweiten Durchlasssteller (10, 110) die Verbindung der zweiten Wärmeübertragereinheit (6, 106) zum Kühlmittelauslass (8,108) über den ersten Sammelkanal (3, 103) sowie die Rückflussverbindung (7, 107) abwechselnd schaltbar geöffnet und blockiert werden können.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Sammelkanal (3, 103) ein erster Wasserkasten (3), der zweite Sammelkanal (5, 105) ein zweiter Wasserkasten (5) und die Rückflussverbindung (7,107) ein Rückflussrohr (7) ist, – wobei die Wasserkästen (3, 5) durch Wärmeübertragereinheiten (4, 6, 104, 106) in Form von Kühlkanälen (4, 6) eines Kühlernetz und durch das Rückflussrohr (7) parallel fluidisch miteinander verbünden sind; und – der Kühlmitteleinlass (2, 02) in Form eines Eintrittsstutzens (2) und der Kühlmittelauslass (8, 108) in Form eines Austrittsstutzens (8) am ersten Wasserkasten (3) angebracht sind.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet; dass die Verschlüsse der Durchlasssteller (9, 10) im ersten Wasserkasten (3) fluidisch zwischen Eintrittsstutzen (2) und Austrittsstutzen (8) angebracht sind;.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchlasssteller (9) eine Ventilklappe (91) steuert, und der zweite Durchlasssteller (10) ein Drehschieber ist.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmeübertragereinheiten (4, 6, 104, 106) Kühler (104, 106) sind, und – der erste Sammelkanal (3, 103) ein erstes Röhrensystem (103) umfasst, das Eintrittsstutzen der Kühler (104, 106) zwischen Kühlmitteleinlass (102) und Kühlmittelauslass (104) fluidisch miteinander verbindet; und – der zweite Sammelkanal (5, 105) ein zweites Röhrensystem (105) umfasst, das Austrittsstutzen der Kühler (104, 106) mit der Rückflussverbindung (7,107) in Form eines Rückflussrohrs (107) verbindet.
Wärmeübertragersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühler (104, 106) I-Durchströmungskühler sind.
Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – durch den ersten Durchlasssteller (109) einen Durchfluss zwischen zwei Kühlern (104, 106) im ersten Röhrensystem (103) öffnend oder schließend schaltbar ist; und – durch den zweiten Durchlasssteller (110) abwechselnd einen Durchfluss zwischen dem ersten Röhrensystem (103) und dem Kühlmittelauslass (108) und zwischen dem Rückflussrohr (107) und dem Kühlmittelauslass (108) schaltbar ist.
Wärmeübertragersystem, insbesondere Kühleinheit (1, 101), bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Wärmeübertragereinheiten (4, 104, 6, 106), die zur Erzeugung einer I-Durchströmung mittels eines Schaltelements (9, 10, 109, 110) parallel zueinander geschaltet sind und die zur Erzeugung einer U-Durchströmung mittels des Schaltelements (9, 10, 109, 110) in Reihe zueinander geschaltet sind.
Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit dem Wärmeübertragersystem (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
Verfahren zum Übertragen von Wärme, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer ersten Schaltstellung mindestens eines Durchflussreglers (9, 10, 109, 110) der Fluss eines Kühlmittels von einem Kühlmitteleinlass (2, 102) über einen ersten Sammelkanal (3, 103), mindestens eine erste Wärmeübertragereinheit (4, 104), einen zweiten Sammelkanal (5, 105) und mindestens eine zweite Wärmeübertragereinheit (6, 106) zu einem Kühlmittelauslass (8, 108) gesteuert wird; und – in einer zweiten Schaltstellung der Fluss des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass (2, 102) über den ersten Sammelkanal (3, 103), die Wärmeübertragereinheiten (4, 6, 104, 106), den zweiten Sammelkanal (5, 105) und eine Rückflussverbindung (7, 107) zum Kühlmittelauslass (8, 108) gesteuert wird.