DE102006016839A1

DE102006016839A1 - Hochleistungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006016839A1
Application number: DE200610016839
Authority: DE
Inventors: Johann Dr.-Ing. Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Bei einem Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, bei dem mindestens eines der beiden Fluide über eine Vielzahl parallel durchströmter Fluidkanäle strömt und dort im Wärmetausch mit dem zweiten Fluid steht, werden auf der Seite eines flüssigen Fluids mit starker Temperaturabhängigkeit der Viskosität mindestens zwei, bevorzugt aber 3 und mehr, im Bereich des Hauptwärmeübergangs von einander getrennte und parallel durchströmte Haupt-Fluidkanäle vorgesehen, die insbesondere durch das Zusammenfassen mehrerer parallel durchströmter Unter-Fluidkanäle zu einzelnen Kanalgruppen gebildet werden. Die Strömungszuführung und/oder die Strömungsabführung mindestens einer Gruppe parallel durchströmter Haupt-Fluidkanäle erfolgt über mindestens ein eigenes Durchflussbegrenzungsorgan 5b pro Haupt-Fluidkanal und liefert eine Verbesserung der Wärmetauscherausnutzung, insbesondere auch im Warmlauf. Die gewählte Vorgehensweise ist insbesondere für Wärmetauscher von Vorteil, bei denen die Wärmetauscherdurchflussanpassung an den Gesamtfluidkreislauf bisher üblicherweise mittels einer wärmetauscherexternen Drosselung - z.B. mittels eines Drosselventils, einer externen Blende, Zuführleitungen reduzierten Querschnitts etc. - und/oder mittels der Bemessung der wärmetauscherinternen Fluid-Kanalgeometrie der Wärmetauschermatrix und/oder mittels der temporären Aktivierung von Bypasspfaden erfolgte.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, mit Wärmeaustausch zwischen einem ersten flüssigen Fluid mit starker Temperaturabhängigkeit der Viskosität, insbesondere dem Kühlmittel der Antriebsmaschine, und einem zweiten separat strömenden Fluid, insbesondere der Kabinenluft oder dem Öl der Antriebsmaschine oder des Getriebes, wobei mindestens eines der beiden Fluide über eine Vielzahl parallel durchströmter Fluidkanäle strömt und im Wärmetausch mit dem zweiten Fluid steht. Dabei stehen insbesondere Heizungswärmetauscher und Ölkühler im Fokus der Erfindung.
Es ist bekannt, bei Heizungswärmetauschern in Kraftfahrzeugen Wärmetauscher hohen Wirkungsgrades bzw. Wärmenutzungsgrades einzusetzen, um eine möglichst schnelle Kabinenaufheizung zu ermöglichen und ein hohes Kabinenheizpotential für extreme winterliche Umgebungstemperaturen bereitzustellen. Dabei ist es bei maximalem Heizbedarf bei Kfz nach wie vor gängige Praxis, für den Heizungszweig einen relativ hohen Kühlmitteldurchfluss vorzusehen und diesen gegebenenfalls sogar mittels einer el. Zusatzpumpe im Heizungszweig zu maximieren.
Übliche Mindestwerte bei Pkw liegen derzeit bei 12-15 l/min beim winterlichen Heizungstest (50 km/h, 4. Gang). Bei voller Heizleistungsentnahme resultieren hieraus i.a. Kühlmitteltemperaturdifferenzen von 5-10 K am Heizungswärmetauscher. Bei derartigen Systemen erfolgt zur Anpassung der Heizleistung bei überschüssigem Kabinenheizpotential wahlweise eine wasserseitige Regelung, d.h. eine Absenkung der Heizleistung mit einer Drosselung des Heizungskühlmitteldurchflusses, oder eine luftseitige Regelung, d.h. eine Absenkung der Heizleistung über die Mischung eines aufgeheizten Luftstroms mit einem nicht aufgeheiztem Luftstrom ohne Einflussnahme auf den Heizungskühlmitteldurchsatz.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls bekannt, bei Motoren mit bypassgeregeltem Kühlerthermostaten den Kühlerbypass zur Heizungsverbesserung mittels eines Zusatzventils zu schließen. Das Schließen des Bypasszweigs bewirkt dabei neben der Deaktivierung der wärmeaktiven Masse im Bypasszweig eine Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Heizung und verschiebt den Heizungswärmetauscherwirkungsgrad deshalb zu einem etwas höheren Wert. Die Kühlmitteltemperaturdifferenzen am Heizungswärmetauscher sind hierbei tendenziell etwas geringer als die oben genannten 5-10 K.
Neben dieser Standardvorgehensweise, die mit möglichst hohem Kühlmitteldurchsatz arbeitet, schlagen Verbesserungsansätze des gleichnamigen Anmelders vor, spezielle Hochleistungswärmetauscher zu verwenden und den Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig zur Steigerung des Kabinenheizpotentials in bestimmten Betriebssituationen oder gar permanent zu drosseln. Die Kühlmitteltemperaturdifferenzen am Heizungswärmetauscher sind hierbei größer als die oben genannten 5-10 K. Mit an diese Vorgehensweise angepassten Hochleistungswärmetauschern sind auf diesem Wege Verbesserungen des Heizpotentials bereits ohne gleichzeitiges Schließen des Kühlerbypasszweigs erzielbar. Mit gleichzeitigem Schließen des Kühlerbypasszweigs sind die Heizleistungsvorteile noch deutlich größer.
Neben der Erhöhung des Kabinenheizpotentials zielen weiterführende Verbesserungen des Kühl- und Heizkreislaufs gemäß der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2005 035 121.2 des gleichnamigen Anmelders vom 23.07.2005 insbesondere darauf ab, auch bei Heizungsteillast, d.h. bei einem Überschuss an Heizpotential, eine Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig vorzunehmen, um bei unverändertem Heizkomfort den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu senken.
Bei wasserseitiger Regelung der Kabinenheizung bedeutet dies für diese speziellen Hochleistungswärmetauscher, dass temporär sehr geringe Kühlmitteldurchsätze einstellbar sein müssen, z.T wesentlich geringer als bei der oben beschriebenen Standardvorgehensweise mit hohen Heizungswärmetauscherdurchsatz.
Auch bei luftseitiger Regelung der Heizleistung ist die gleichzeitige Drosselung des Heizungskühlmitteldurchsatzes bis hin zu kleinsten Werten bei Spezialanwendungen der Patentanmeldung DE 10 2005 035 121.2 temporär wünschenswert.
Die gezielte Erhöhung der Temperaturdifferenz am Heizungswärmetauscher über die üblichen 5-10 K hinaus führt – zunächst unter Beibehaltung der Geometrie des Heizungswärmetauschernetzes – auf etwas größere Heizungswärmetauscher, da der Verlust an treibendem Temperaturgefälle zwischen dem heißen Kühlmittel und der aufzuheizenden Kabinenluft kompensiert werden muss. Im Gegenzug kann der Heizungswärmetauscher in den meisten Anwendungen mit einem größeren Kühlmitteldruckverlust ausgestaltet werden. Dieser kann wiederum zur Verbesserung des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten genutzt werden bzw. macht sogar die druckverlustreichere aber hocheffiziente Kreuzgegenstrombauweise realisierbar. In Fahrzeuganwendungen entscheidet letztlich das Gesamtsystem einschließlich der Verbrennungskraftmaschine darüber, wie groß der Heizungswärmetauscher sein muss, damit gegebenenfalls gewisse Verluste beim Wirkungsgrad des Heizungswärmetauschers selbst durch die nicht unerheblichen Vorteile im Gesamtwirkungsgrad des Heizsystems, d.h. u.a. durch die lokale Absenkung der aufgeheizten wärmeaktiven Massen, in den Hintergrund treten.
Den oben beschriebenen Vorgehensweisen mit gezielt reduziertem Heizungskühlmitteldurchfluss ist gemeinsam, dass mit konventionellen Kreuzstrom-Heizungswärmetauschern aber auch mit bekannten Kreuz-Gegenstromwärmetauschern mit 2 oder mehr in Reihe geschalteten Einzelwärmetauschern in der praktischen Anwendung im Kraftfahrzeug z.T erhebliche statistische Schwankungen im Wärmetauscherwirkungsgrad festzustellen sind. Je nach Anwendungsfall und Einbausituation in verschiedenen Heizgeräten zeigen sich dabei u.a. Streuungen aufgrund von Wärmetauscherbautoleranzen, Bautoleranzen des Heizgeräts bzw. des Kühlsystems selbst sowie aufgrund von Rückwirkungen der Kabinentemperaturregelung. Dies ist ganz grundsätzlich zu beobachten, insbesondere aber bei Mehrzonenklimaanlagen mit luftseitiger Regelung der Kabinentemperatur.
Wie die Praxis zeigt, hilft bei derartigen Problemen eine Erhöhung des Heizungskühlmitteldurchsatzes auf die üblichen Standardkühlmitteldurchsätze mit 5-10 K Temperaturdifferenz der Heizung, doch gehen dann die angestrebten Vorteile bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen und/oder des maximalen Heizpotentials verloren.
Des weiteren ist es bekannt, Ölkühler im Motorölkreislauf und oder im Getriebeölkreis vorzusehen, die im Warmlauf temporär die Zusatzaufgabe übernehmen, Wärme vom Kühlmittel ins Öl zu übertragen und damit die Reibleistung und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Verfeinerungen dieser Vorgehensweise werden in den oben erwähnten, noch nicht veröffentlichten Anmeldungen des gleichnamigen Erfinders ausführlich beschrieben. Insbesondere die gezielte Nutzung des Wärmeübergangs vom Kühlmittel ins Öl und umgekehrt erfordert dort z.T besonders effiziente Ölkühler, die bei den unterschiedlichsten Fluid-Temperaturen und Fluid-Durchsätzen einen guten Wärmeübergang liefern. Wie die praktische Erprobung zeigt, sind heutige Ölkühler hier nur mit gewissen Einschränkungen nutzbar, insbesondere weil die Druckverluste auf der Ölseite bei kaltem Öl z.T massiv ansteigen bzw. die Ölkühlerwirkungsgrade temporär einbrechen.
Dem gegenüber besteht die Aufgabe, Hochleistungswärmetauscher für getrennte Fluide in Kraftfahrzeuge zu entwickeln, die in der Lage sind, im Warmlauf und/oder bei Kühlmittel- und/oder Öl-Temperaturdifferenzen zwischen Wärmetauscherein- und -austritt von mehr als 10 K einen im Vergleich zu heutigen Wärmetauschern höheren maximalen Wärmetauscherwirkungsgrad bereitzustellen und dennoch ein robustes und reproduzierbar abrufbares Wärmeübertragungsverhalten zu ermöglichen, so dass insbesondere Vorteile bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Kabinentemperaturregelung mit definierter Lufttemperaturverteilung am Heizungswärmetauscheraustritt sicher abgerufen werden können.
Insbesondere soll dabei der hohe maximale Wirkungsgrad von Heizungswärmetauschern bei Kühlmitteltemperaturdifferenzen oberhalb 10 K beim Betrieb bis hin zu mittleren bis hohen Heizungsluftmassenströmen zur Maximierung des maximalen Heizpotentials nutzbar werden und/oder bei einem Überschuss an Heizpotential zur Senkung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Dabei wird mittels der mindestens 2 parallel durchströmten Durchflussbegrenzungsorgane 5b das Problem reduziert, dass sich bei abnehmender Fluid-Temperatur von Öl bzw. Kühlmittel sehr leicht ein Ungleichgewicht bei der lokalen Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers einstellt. Dieses resultiert ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen insbesondere daraus, dass eine lokale Unterkühlung des Kühlmittels bzw. des Öls aufgrund der starken Viskositätszunahme und damit einhergehend mit einem erhöhten Druckverlust sehr leicht dazu führt, dass das Kühlmittel bzw. das Motoröl verstärkt in Bereiche ausweicht, wo weniger Unterkühlung vorliegt. Je mehr die Wärmeübertragungsleistung bei gegebenem Kühlmittel- bzw. Öldurchsatz, z.B. über eine Vergrößerung des Bauraums und/oder der Wärmeübertragungsfläche, gesteigert wird, desto anfälliger wird der Wärmetauscher für diesen Effekt. Ebenso führt hierbei eine Absenkung des Kühlmittel- bzw. des Öldurchsatzes sehr schnell auf einen überproportionalen und auch nicht immer reproduzierbaren Abfall der Wärmeübertragungsleistung.
Vermutlich ohne diesen Zusammenhang genauer zu hinterfragen, hat man sich in der Praxis vielerorts bei PKW-Wärmetauschern für das Öl bzw. für die Heizung damit abgefunden, dass der Wärmeaustausch bei geringen Fluidtemperaturen und/oder bei geringem Durchsatz des Kühlmittels und/oder des Öls fast völlig zusammenbricht. Diese Sensitivität gilt bei modernen PKW-Wärmetauschern zum einen für die Kühlmittelseite, ganz besonders aber für Ölseite. Insbesondere der übliche Weg mit Steigerung der volumenspezifischen Wärmetauscherleistung mittels zusätzlicher oder vergrößerter Turbulatoren und/oder eingelegter Turbulenzbleche auf der Kühlmittel bzw. Ölseite hilft bei modernen auf hohe spezifische Wärmeübertragungsleistung ausgelegten PKW-Wärmetauschern nur sehr bedingt, da diese Maßnahmen speziell bei geringen Fluidtemperaturen einen nicht unerheblichen Beitrag dazu liefern, dass der Durchsatz von Öl bzw. Kühlmittel weitgehend einbricht.
Im Gegensatz hierzu sieht die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den Durchflussbegrenzungsorganen 5b Mittel vor, die sicherstellen, dass die oben beschriebenen viskositätsbedingten Effekte deutlich weniger ausgeprägt sind als bei konventionellen PKW-Wärmetauschern.
In diesem Zusammenhang ist es wichtig, sich bei der PKW-Wärmetauscherauslegung von der üblichen Vorgehensweise zu lösen, die verfügbare Druckreserven zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung i.a. dafür nutzt, die Kanaldichte bzw. die Strömungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Kanälen zu erhöhen und/oder mit eingeprägten Turbulatoren oder eingelegten Turbulenzblechen für eine verbesserte lokale Durchmischung zu sorgen. Im Gegensatz hierzu fügt die erfindungsgemäße Vorgehensweise lokale Druckverlustquellen 5b ein, die zunächst keinen direkten Beitrag zur Verbesserung des Wärmeübergangkoeffizienten bzw. der Erhöhung der wärmeübertragenden Fläche liefern. Wie die Praxis zeigt, ergibt sich aber auf dem Umweg über die Strömungsgleichverteilung durchaus eine überraschend hohe Effizienz dieser Maßnahme. Am einfachsten kommen hierbei einfache Lochblenden 5b zum Einsatz. Dabei ist es ein ausgesprochener Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, dass die Druckverlustquelle 5b so ausgestaltet werden kann, dass bei sehr geringen Temperaturen des Kühlmittels und/oder des Öls – im Gegensatz zur konventionellen Ölkühlern oder Heizungswärmetauschern – der Druckverlust wesentlich weniger zunimmt, da hier der dynamische Anteil des Druckverlusts an der Lochblende stark hinter den viskosen Anteil in den Fluid-Kanälen des Kühlmittels bzw. des Öls zurücktritt.
Als Beispiel sei in diesem Zusammenhang nur der extrem hohe ölseitige Druckverlust moderner PKW-Ölkühler bei geringen Öltemperaturen erwähnt, der i.a. nur mittels Bypassleitungen, gegebenenfalls mit zusätzlichem Überdruckventil, beherrschbar ist. Eine hohe Plattendichte und zusätzlich eingelegte Turbulenzbleche führen hier zwar auf einen guten Wärmeübergang bei der Funktion als Ölkühler, d.h. bei heißem Öl, in der Warmlaufphase des Motors sind diese Standardölkühler jedoch vielfach bereits über den ölseitigen Ölkühler-Bypass oder das Öldruckabsteuerventil weitgehend deaktiviert. Dem ohnehin geringen Öldurchsatz überlagern sich dann noch die oben beschriebenen Gleichverteilungsprobleme. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Verbesserung der Strömungsgleichverteilung liefert hier sowohl auf der Ölseite als auch auf der Wasserseite eine signifikante Verbesserung. Speziell in der Betriebsart „Wärmeübertragung vom Kühlmittel ins Motoröl im Warmlauf" führt die Verbesserung der Ölerwärmung schneller dazu, dass nur noch wenig oder gar kein Öl mehr durch den ölseitigen Bypass strömt und somit gar nicht an der Ölerwärmung im Ölkühler teilnimmt.
Bei konventionellen Ölkühlern führt speziell die starke Zunahme der Viskosität beider Fluide bei abnehmender Temperatur zu der beschriebenen Gefahr der Konzentration des Kühlmittel- und Öldurchsatzes auf lokale Bereiche des Ölkühlers.
Die erfindungsgemäßen Drosselorgane 5b stabilisieren dem gegenüber die Strömungsgleichverteilung. Mit gewissen Einschränkungen gilt dies insbesondere auch bereits dann, wenn nur eines der beiden Fluide mit Drosselorganen 5b stabilisiert wird. So kann z.B. eine stabile wasserseitige Strömungs- und Temperatur-Gleichverteilung im Warmlauf dazu verwendet werden, um auf der Ölseite den Öltransport in alle Bereiche des Wärmetauschers zu begünstigen.
Aber auch bereits bei Heizungswärmetauschern, wo nur das Kühlmittel einen derart ausgeprägten Temperatureinfluss der Viskosität aufweist, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise sehr vorteilhaft. Hier können auf diesem Wege insbesondere Strömungsungleichverteilungen auf der Luftseite in Ihrer Auswirkung auf den Wärmetauscherwirkungsgrad besser beherrscht werden. Analoges gilt für die Rückwirkung der luftseitigen Regelung der Kabinentemperatur bei Mehrzonenklimaanlagen, insbesondere wenn gleichzeitig zur luftseitigen Regelung in Richtung reduzierter Kühlmitteldurchsätze durch den Heizungszweig optimiert wird.
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Gedankenguts zeigt 1 einen Wärmetauscher mit kühlmittelseitigen Strömungskanälen 3 in der Bildebene und luftseitigen Strömungskanälen senkrecht zur Bildebene, gebildet durch die luftseitigen Wärmetauscherrippen 4 und die äußere Oberfläche der kühlmittelseitigen Strömungskanäle 3. Das Kühlmittel strömt an der Zuleitung 1 in den Wasserkasten 5 und verteilt sich über die beiden Lochblenden 5b des Trennblechs 5a auf zwei parallele Reihen von Strömungskanälen, welche durch das Trennblech 5c gebildet werden. Im Wasserkasten 6 wird das Kühlmittel der beiden parallelen Reihen wieder zusammengeführt und verlässt den Wärmetauscher über die Leitung 2. Im einfachsten Fall genügen ein Trennblech 5c und ein Trennblech 5a mit 2 Lochblenden 5b, um eine Verbesserung des Wärmetauschers zu erzielen. Bevorzugt kommen allerdings 3 und mehr Trennbleche 5c und eine entsprechende Anzahl an Lochblenden 5b zum Einsatz, da sich hierdurch mit minimalen Kosten eine sehr gute Strömungsgleichverteilung erzielen lässt. Gegebenenfalls können pro Kanalgruppe auch 2 oder mehr Blenden 5b reduzierten Durchmessers zum Einsatz kommen. Dies liefert eine noch etwas bessere Strömungsgleichverteilung, erhöht allerdings auch die Verstopfungsgefahr.
Der Lochdurchmesser der kühlmittelseitigen Blenden beträgt hierbei in Spezialanwendungen, z.B. in PKW-Heizungswärmetauschern, die auf kleinen Durchsatz ausgelegt sind, weniger als 4 mm, um eine möglichst gute Strämungsgleichverteilung zu erzielen. Da bei Heizsystemen, die gezielt mit geringem Kühlmitteldurchsatz arbeiten, bei hohem Heizbedarf durch das Schließen des Kühlerbypasszweigs i.a. ein Überangebot an Druck auf der Kühlmittelseite vorliegt, ist dies problemlos möglich.
Analoges gilt je nach kühlmittelseitiger Motoreinbindung auch für Ölkühler, z.B. wenn das Kühlmittel nahe des Motorkühlmittelpumpenaustritts entnommen wird und ohnehin gedrosselt werden muss. Anstelle der luftseitigen Rippen und Strömungskanäle sind bei entsprechend gestalteten Motorölkühlern die Ölkanäle wahlweise analog zu 1 angeordnet oder aber beide Fluide strömen parallel.
Obwohl ursprünglich primär für Heizungswärmetauscher in PKW vorgesehen, kann ein weitgehend mit 1 identischer Wärmetauscher auch ein ÖL/Luft-Kühler sein, der aufgrund der Einbauposition ungleichmäßig mit Luft beaufschlagt ist und mit der erfindungsgemäßen Drosselung mit mindestens 2 Drosselblenden auf der Ölseite besser genutzt wird.
In Weiterführung von 1 zeigen 2 und der zugehörige Schnitt nach 2a ein Ausführungsbeispiel mit zwei in Luftströmungsrichtung in Reihe geschalteten Einzelwärmetauschern. 8 parallel in gleicher Richtung vom Kühlmittel durchströmte Rohrgruppen weisen je eine Lochblende 5b auf. In dieser Konfiguration handelt es sich um einen Kreuzstromwärmetauscher mit der maßgeblichen Verbesserung, dass alle Bereiche annähernd gleichmäßig mit Kühlmittel durchströmt werden und dass neben einem sehr guten Wärmetauschernutzungsgrad auch eine klar definierte Temperaturschichtung vorliegt.
Im Gegenzug zeigt 3 mit dem zugehörigen Schnitt 3a einen erfindungsgemäßen PKW-Heizungswärmetauscher mit reduzierter Temperaturschichtung. Ein Trennblech 5d stellt hier eine Trennung des Wasserkastens 5 in einen Bereich für den Zufluss 1 und den Abfluss 2 sicher. Das Kühlmittel kann bei dieser Konfiguration dadurch einen gewissen Gegenstromeffekt erzielen, dass der Kühlmittelabfluss 2 und die zugehörigen Rohrgruppen dem Lufteintritt zugewandt sind und der Kühlmittelzufluss 1 mit den zugehörigen Rohrgruppen auf der Seite des Luftaustritts liegt. Die Trennbleche 6c stellen hierbei sicher, dass die Auftrennung in einzelne Rohrgruppen auch bei der Strömungsumlenkung im Wasserkasten 6 erhalten bleibt. Zur Kostensenkung kann an deren Stelle auch eine zweite Blendenreihe am Austritt des Wasserkastens 5 verwendet werden. Die Durchmischung im Wasserkasten 6 bleibt dabei ohne allzu große Auswirkungen, da nach wie vor in allen parallel und in gleicher Richtung durchströmten Rohrgruppen jeweils weitgehend identische Druckdifferenzen anliegen.
In Weiterführung von 3 ist es besonders vorteilhaft durch weitere Stufen, bevorzugt durch insgesamt 3 oder 4 Stufen im Kreuzgegenstrom einen dem reinen Gegenstromprinzip bereits sehr nahe kommenden Aufbau zu wählen, verbunden mit hoher Effizienz und ohne dass der kühlmittelseitige Druckverlust allzu sehr ansteigt.
Auch bei potentiellen Anwendungen, die zur Nutzung des Kosteneinsparpotentials bei sehr großen Serienstückzahl auf die Plattenbauweise gemäß 4 übergehen, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise vorteilhaft anwendbar. Dies gilt insbesondere sowohl für PKW-Ölkühler als für PKW-Heizungswärmetauscher.
Wie 4 exemplarisch am Beispiel eines bereits bekannten 2-stufigen Plattenwärmetauschers für Kabinenheizungen zeigt, bilden bei Plattenbauweise tiefgezogene und verlötete Einzelplatten die Strömungskanäle 3 des Kühlmittels. Die Luftströmungskanäle werden auch hier durch die Rippen 4 und die äußeren Oberflächen der Kühlmittelkanäle 3 gebildet. Der Wasserkasten 5 wird dabei durch die spezifische Formgebung der Einzelplatten gebildet, ebenso wie der Zufluss 1 und der in 4 nicht gezeigte Abfluss 2.
Ausgehend vom bekannten Heizungswärmetauscher gemäß 4 zeigt 5 eine Weiterentwicklung gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. 5a zeigt einen zugehörigen Schnitt. Die kühlmittelseitigen Kanäle 3 werden durch zwei tiefgezogene und verlötete Platten mit den Lötnähten 3p gebildet. Das Kühlmittel strömt über das stirnseitig geschlossene Zuleitungsrohr 1 mit den Öffnungsblenden 5b zu den einzelnen parallel durchströmten Kanälen, die durch die 3 Trennbleche 5c zu 4 Kanalgruppen zusammengefasst sind. Im Kreuz-Gegenstrom strömt das Kühlmittel dann ohne Quervermischung zwischen den einzelnen Kühlmittelkanälen oder Kühlmittelkanalgruppen zum Sammelkanal mit Abflussrohr 2. Die Zusammenfassung zu mehreren Rohrgruppen bietet hier insbesondere den Vorteil, dass die Lochblenden 5b mit vergleichsweise geringem Aufwand gefertigt werden können und darüber hinaus auch relativ große Druckabfälle bei minimaler Verstopfungsgefahr realisiert werden können. In diesem Zusammenhang könnte ganz grundsätzlich auch jeder einzelne Kühlmittelströmungskanal eine lokale Querschnittsverengung zur Strömungsvergleichmäßigung aufweisen, bevorzugt mit sprunghafter und somit blendenähnlicher Querschnittsgestaltung. Die bevorzugte Zusammenfassung zu Gruppen ist jedoch wesentlich unkritischer bezüglich Fertigungstoleranzen und potentieller Verstopfung. In 5a weist das Zuleitungsrohr 1 einen kleineren Querschnitt auf als das Ableitungsrohr 2. Dies ist aus Bauraumgründen vorteilhaft und angesichts der geringeren Viskosität des Kühlmittels in der warmen Zuleitung i.a. auch ohne Probleme umsetzbar, zumal die erfindungsgemäße Konfiguration auch die – zumindest bei unverändertem Querschnitt der Zuleitung zwangsläufige – Variation des statischen Drucks entlang des Zuleitungsrohrs bis hin zu den einzelnen Blenden 5b sehr leicht verkraftet.
In 1-5 kann insbesondere anstelle über die Rippen 4 strömender Luft auch Öl, insbesondere Motor- oder Getriebeöl, in diesem Wärmetauscherbereich strömen. Dabei ist klar, dass dann eine zusätzliche Umfassung/Abdichtung des Ölbereichs mit einem geschlossenen Gehäuse erforderlich ist, mit Anschlüssen für den Ölzu- und -abfluss. Die Rippen 4 sind dann gegebenenfalls ölseitige Rippen oder Turbulenzbleche, können aber u.U. auch entfallen. Exemplarisch zeigt 6 eine solche Konfiguration mit einem Öl/Kühlmittel-Wärmetauscher mit kühlmittelseitigen Anschlüssen 1 und 2 sowie ölseitigen Anschlüssen 1oel und 2oel. Eine entsprechende Gehäusegestaltung auf der Ölseite sorgt dafür, dass das Öl ähnlich wie zuvor die Luft durch die Ölkanäle 4oel entlang der Oberfläche der kühlmittelseitigen Strömungskanäle strömt. Ein hinreichend großer Ölzuströmbereich mit nur geringem lokalem ölseitigem Druckgradienten stromauf und stromab der eigentlichen Wärmeaustauschzone sowie der relativ große Druckverlust in den einzelnen Ölkanälen 4oel stellen sicher, dass sich trotz der relativ kleinen Ölzu- und -abflüsse 1oel und 2oel eine einigermaßen homogene ölseitige Wärmetauscherdurchströmung einstellt. Der in 6 punktiert gezeichnete Ölströmungspfeil wird bei einer derart optimierten Ausgestaltung i.a. primär eine senkrecht zur Bildebene strömende Strömungskomponente aufweisen, d.h. die in 6 punktiert gezeichnete Ölströmungskomponente entgegen der Kühlmittelströmungsrichtung ist nur relativ klein.
Die kühlmittelseitige Gruppierung in 4 parallel durchströmte Kanalgruppen mit Drosselblenden 5b hilft bei dieser Konfiguration ganz erheblich dabei, dass sich nicht nur das Kühlmittel, sondern letztlich auch das Öl besonders gleichmäßig auf den gesamten Wärmetauscherbereich verteilt. Dies gilt mit und ohne Turbulenzmaßnahmen auf der Ölseite und hilft insbesondere dabei, dass sich bei sehr kaltem Öl Zonen mit zunächst nur sehr geringer Öldurchströmung schneller auflösen als ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen auf der Kühlmittelseite. Ein besserer Wärmeübergang im Warmlauf und ein etwas geringerer ölseitiger Druckverlust folgen hieraus. Beide Effekte liefern letztlich einen Beitrag zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Wahlweise kann die bessere Effizienz des Ölkühlers aber auch dazu verwendet werden, die Kosten für den Ölkühler zu senken, z.B. durch die Reduktion der Plattenanzahl oder den Entfall von Turbulenzblechen. Eine weitere Verbesserung der Ölkühlereffizienz lässt sich dadurch erzielen, dass auch auf der Ölseite eine analoge Vorgehensweise mit Gruppierung der Ölkanäle und unter Verwendung ölseitiger Drosselblenden 5b ein Beitrag zur Strömungsvergleichmäßigung liefert. Ausgehend von 6 sind hierzu z.B. 3 zusätzliche ölseitige Trennwände zur Schaffung von vier Haupt-Ölkanälen vorteilhaft, die auf der Ölzufluß- oder Ölabflussseite jeweils über ölseitige Lochblenden 5b mit Öl versorgt werden. Auch wenn es nicht ganz einfach ist, die 3 ölseitigen Trennwände senkrecht zu den Kühlmittelkanälen 3 zu fertigen, ist dies dennoch lohnenswert, ganz besonders, wenn Ölkühler mit besonders geringem ölseitigen Druckverlust bei kaltem Öl erforderlich sind.
Ein weiteres besonders vorteilhaftes Design eines erfindungsgemäßen Ölkühlers zeigt 7 in Form eines Platten-Ölkühlers. Plattenölkühler sind prinzipiell bekannt und weisen i.a. zwei kühlmittelseitige Anschlüsse 1 und 2 auf sowie – in 7 in Tiefenrichtung der Zeichenebene versetzt und deshalb nicht gezeigt – zwei ölseitige Anschlüsse 1oel und 2oel. Speziell die Möglichkeit, die vier Anschlüsse und gegebenenfalls auch das Ölkühlergehäuse alleine durch das Tiefziehen und Verlöten der Wärmetauscherplatten zu generieren macht derartige Ölkühler sehr kosteneffektiv. Auch der Wirkungsgrad bekannter Wärmetauscher dieser Stapel-Bauart für die Anwendung „Ölkühlung" als Überhitzungsschutz ist aufgrund der üblicherweise auf der Ölseite eingearbeiteten Turbulatoren bzw. aufgrund ölseitig eingelegter Turbulenz- bzw. Durchmischungsbleche sehr gut. Die oben ausgiebig beschriebenen Viskositätseffekte begrenzen aber auch bei dieser Bauart die Effizienz, ganz besonders in der Betriebsart „Wärmetransport vom Wasser ins Öl im Warmlauf", d.h. für eine schnellere Ölerwärmung. Vor diesem Hintergrund ist in 7 – weitgehend analog zu 5 – auf der Kühlmittelseite das Zuführungsrohr 1 eingefügt, mit Gruppierung der Kühlmittelkanäle in 4 Haupt-Kühlmittelströmungspfade an den Trennstellen 5c und mit Kühlmitteldrosselung an den 4 Blenden 5b. Dabei ist es insbesondere bei bereits bekannten PKW-Ölkühlern sehr einfach und kostengünstig möglich, die erfindungsgemäße Strömungsführung durch das Einschieben von Formteilen mit Dichtring an den Trennstellen 5c zu realisieren. Wahlweise kann aber auch der Füge- bzw. Lötprozess um die erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten erweitert werden.
Die Ausgestaltung gemäß 7 hat den ganz besonderen Vorteil, dass mit minimalem Aufwand wahlweise Strömungsgruppierungen mit Drosselblenden auf der Kühlmittelseite und/oder auf der Ölseite realisiert werden können. Hinzu kommt dass diese Ölkühler auch leicht motorspezifisch kalibriert werden können, insbesondere durch das Einschieben von Formteilen 1 mit Dichtung an den Trennstellen 5c und Lochblenden 5b.
Im Vergleich zu z.B. Wasser/Glycol-Gemischen auf der Kühlmittelseite zeigen PKW-Motor- bzw. Getrieböle i.a. eine noch wesentlich dramatischere Zunahme der Ölviskosität bei abnehmender Temperatur. Dies bedeutet eine gewisse Einschränkung des erfindungsgemäßen Designs, da bei sehr geringen Öltemperaturen der Einfluss der Ölviskosität sehr stark dominiert und der primär auf der Dissipation des in der Lochblende gezielt aufgebauten dynamischen Drucks basierende erfindungsgemäße Verbesserungsansatz hier zunächst nur relativ wenig zur Geltung kommt. Im Verlauf des Warmlaufs zeigt die erfindungsgemäße Vorgehensweise aber auch auf der Ölseite durchaus signifikante Vorteile.
Um mit einem konventionellen PKW-Ölkühler-Design eine vergleichbar gute Wärmeübertragung, insbesondere bei relativ kleinen Durchsätzen und/oder während des Warmlaufs, zu erzielen wie mit dem erfindungsgemäßen Ölkühler, wäre bei gleichem Bauraum eine signifikante Erhöhung der ölseitigen Strömungsgeschwindigkeit bzw. eine Erhöhung des Druckverlustes erforderlich. Übliche Wege zur Effizienzsteigerung wären hier die Erhöhung der Plattendichte, d.h. eine Reduktion der ölseitigen Spalthöhe, der Einsatz von Turbulenzblechen mit erhöhtem Druckverlust oder die ölseitige Reihenschaltung einzelner Wärmetauscherbereiche durch Mehrfachumlenkung des Öls. Alle diese Maßnahmen bedeuten bei sehr kaltem Öl, dass viskositätsbedingt noch sehr viel weniger Öl durch den Ölkühler strömt. Heutige Motorölkreisläufe sehen vor diesem Hintergrund i.a. bereits bei konventionellen Ölkühlern Bypasszweige zur Umgehung des Ölkühlers vor, zum einen um die Ölversorgung des Motors sicherzustellen, zum andern auch um ein Bersten des Ölkühleres aufgrund zu hoher Druckbelastung zu vermeiden. Dabei liegt es im Warmlauf in der Natur der Sache, dass das durch den Bypass strömende Öl ohne Erwärmung im Ölkühler zum Motor bzw. zu den Lagerstellen strömt und Potential kostet, Wärme vom i.a. schneller erwärmten Kühlmittel ins Öl zu transferieren.
Die erfindungsgemäße Leistungssteigerung des Ölkühler durch die Drosselblenden 5b auf der Wasser- und/oder der Ölseite liefert im Gegensatz zu den beschriebenen konventionellen Verbesserungsmaßnahmen für PKW-Ölkühler speziell bei tiefen Öltemperaturen keinen nennenswerten Beitrag zum ölseitigen Druckverlust des Ölkühlers. Mit anderen Worten, wenn ein erfindungsgemäßer Ölkühler bei weitgehend betriebswarmem Öl auf die gleiche Wärmeübertragungsleistung ausgelegt ist wie ein Standardölkühler, wird dieser im praktischen Motorbetrieb im Warmlauf eine deutlich bessere Wärmeübertragungsleistung aufweisen, verbunden mit entsprechenden Kraftstoffverbrauchsvorteilen.
Es wurde bereits beschrieben, dass es in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise vorteilhaft sein kann, die üblicherweise auf der Ölseite verwendeten Turbulenzbleche zu entfernen. Gegebenfalls können Festigkeitsaufgaben der Turbulenzbleche durch einfachere in Strömungslängsrichtung verlaufende Stege oder durch Unterstützungs-Noppen übernommen werden. Neben Kostenaspekten sind hier ganz speziell die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise bei kaltem Öl von Interesse, die insbesondere bei nur teilerwärmtem Öl sicherstellen, dass der Ölkühler besser zur Ölerwärmung genutzt wird und nicht durch einen hohen ölseitigen Druckverlust weitgehend blockiert ist.
Analoges gilt für Vorgehensweisen, die z.T ganz erhebliche Welligkeiten in die Blechstruktur einarbeiten, um die Ölkühlereffizienz zu steigern. Zugunsten des Warmlaufs ist es je nach Motorölsystem besonders vorteilhaft, komplett auf derartige Turbulatoren zu verzichten und die Wärmeübertragungszielwerte bei warmem Öl über die Bauteil-Dimensionierung einschließlich der Optimierung der Fluid-Durchsätze und der Strömungs- bzw. Temperaturgleichverteilung im Ölkühler sicherzustellen. Mit den spezifischen Randbedingungen für PKW-Motoren ergeben sich dann z.T. Konfigurationen, bei denen es besonders vorteilhaft ist, dass auf der Ölseite mit Strömungskanälen gearbeitet wird, die im Gegensatz zu aktuellen PKW-Serien-Hochleistungsölkühlern am Markt einen engsten Strömungsquerschnitt von mehr als 2 mm aufweisen. Dies ist ganz besonders bei solchen Motoren sehr häufig der Fall, bei denen das Öldruckregelventil stromab des Ölkühlers bzw. des Ölfilters positioniert ist.
Es liegt insbesondere in der Natur der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, dass eine sorgfältige Dimensionierung der Lochblenden erforderlich ist. Einerseits muss der dynamische Druck, der in den Lochblenden aufgebaut und anschließend weitgehend dissipiert wird, groß genug sein, dass er relativ zum Druckverlust der zumindest im Warmlauf i.a. laminaren Strömung in den Fluidkanälen des Öls bzw. des Kühlmittels eine hinreichende Gleichverteilungswirkung erzielt. Andererseits darf der Druckverlust nicht so groß sein, dass der Fluid-Durchsatz angesichts der verfügbaren Förderdrücke der Kühlmittelpumpe bzw. der Ölpumpe auf unzulässige Werte abfällt. In diesem Zusammenhang nützt die beste Strömungsgleichverteilung nichts mehr, wenn der Enthalpiestrom des maßgeblichen Fluids zu klein wird.
Um übergroße Druckverluste zu vermeiden ist es speziell bei sehr starker Temperaturabhängigkeit der Viskosität i.a. zu bevorzugen, die Auslegung so vorzunehmen, dass die Drosselorgane 5b im Bereich extrem geringer Temperaturen nur eine sehr untergeordnete Rolle spielen. Die Dimensionierung erfolgt insbesondere bevorzugt so, dass die mindestens 2 parallelen Durchflussbegrenzungsorgane 5b im Warmlauf nach Überschreiten einer Grenztemperatur, bei zunehmendem Volumenstrom eine stärkere Zuström- und/oder Abström-Druckverlustzunahme im jeweiligen Haupt-Fluidkanal erzeugen als der wärmeübertragende Innenbereich des Haupt-Fluidkanals selbst. Damit gelangt man ungefähr in den Bereich, in welchem sich die gegenläufige und überproportionale Druckverluständerung an den Lochblenden mit etwas überhöhtem Durchfluss an den Lochblenden mit reduziertem Durchfluss stärker auswirkt als die potentielle Viskositätszunahme bei zu großer lokaler Abkühlung aufgrund des dort zu geringen Durchflusses.
Gegebenfalls kann bei hinreichender Förderdruckreserve der Pumpe auch eine etwas stärkere Drosselung an den Blenden erfolgen. Für Ölkühler und Heizungswärmetauscher im PKW haben sich speziell im Hinblick auf die gute Nutzung im Warmlauf Temperaturwerte zur Erfüllung dieser Bedingung zwischen 20°C und 90°C als besonders geeignet erwiesen. Der nutzbare Bereich der Wärmetauscher aber auch der Aufwand bei der fahrzeugspezifischen Abstimmung lassen sich zusätzlich verbessern, wenn die mindestens 2 parallelen Durchflussbegrenzungsorgane 5b bei Überschreiten einer Öffnungsdruckdifferenz einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt freigeben. Das kann insbesondere dadurch erfolgen, dass sich federbelastete Ventile mit Leckagestrom über Lochblenden unter der Wirkung der Druckdifferenz zusätzlich öffnen.
Insbesondere hat die praktische Erprobung an PKWs bisher gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, die Anzahl an parallelen Unter-Fluidkanälen pro Haupt-Fluidkanal so zu bemessen, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in den Unter-Fluidkanälen weniger als 30% der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des der jeweiligen Kanalgruppe zugeordneten Durchflussbegrenzungsorgans 5b beträgt. Hiermit lässt sich i.a. eine brauchbare Strömungsgleichverteilung mit moderatem Druckverlust realisieren.
Die Dimensionierung der Anschlüsse 1, 2 bzw. 1oel und 2oel weist insbesondere bevorzugt dort kleinere Querschnitte auf, wo sich die Lochblenden 5b befinden. Die Lochblenden befinden sich dabei bevorzugt auf der warmen Fluid-Seite. Dies bringt letztlich zum einen Vorteile beim Bauraum und bei der wärmeaktiven Masse, andererseits liegen an dieser Stelle schneller definierte Temperatur- und Strömungsbedingungen mit definierter Druck-Dissipation vor. Insbesondere ist es auf diesem Wege in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Plattenbauweise mit unveränderten Außenabmessungen zu realisieren und/oder gleichzeitig mit fluidseitigen Zuflußquerschnitten zu arbeiten, die weniger als 70% der Abflüsse betragen.
Ein weiterer Aspekt bei der Dimensionierung besteht in der Tatsache, dass die bevorzugt verwendeten Lochblenden nicht beliebig klein werden dürfen, weil sonst die Gefahr besteht, dass diese durch Schmutzpartikel verstopfen. Die Zusammenfassung der Unter-Fluidkanäle zu einzelnen Gruppen hat sich in diesem Zusammenhang als großer Vorteil zur Erhöhung der Betriebssicherheit erwiesen und erlaubt eine sehr weite Variationsbreite für die Blenden-Druckverlustauslegung. Für PKW-Anwendungen, insbesondere für die Kühlmittelseite von Heizungswärmetauschern und Ölkühlern, haben sich Lochblenden mit einem Durchmesser von weniger als 4 mm als sehr gut brauchbar erwiesen, wobei der Durchmesser der Lochblenden bevorzugt größer als der engste Durchmesser der Unter-Fluidkanäle ist.
Wie 2 exemplarisch zeigt, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit Drosselblenden 5b bereits an Kreuzstrom-Wärmetauschern vorteilhaft einsetzbar. Speziell wenn die beiden Fluid-Ströme eine hohe Temperaturdifferenz beim Durchströmen des Wärmetauschers erfahren sollen, ist es aber besonders vorteilhaft, wenn durch eine Reihenschaltung von genau 3 oder 4 Einzelwärmetauscher-Ebenen im Kreuzgegenstrom und genau einer Blendenreihe mit Lochblenden 5b für alle 3 oder 4 Einzelwärmetauscher-Ebenen eine druckverlustoptimierte Gegenstromcharakteristik erzielt wird. Eine derartige Wärmetauschergestaltung ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn die eingangs beschriebenen Heizleistungsvorteile bei geringem Kühlmitteldurchfluss durch die Heizung genutzt werden sollen. Ein vergleichbarer Fall liegt auch vor, wenn bei einer geregelten Motorölpumpe nur ein kleiner Ölvolumenstrom durch den Ölkühler und nachfolgend durch den Motor gefördert werden soll. Die hohe Effizienz der 3-4 Stufen in Kreuz-Gegenstrom maximiert hierbei im Warmlauf den Öltemperaturhub am Ölkühler, minimiert die Druckverluste im Ölkühler und im Ölfilter und führt schließlich sogar zu einer Erhöhung der Ölversorgungstemperatur der Lagerstellen des Motors. Diese Effekte sind wiederum mit Kraftstoffverbrauchsvorteilen verbunden. Ohne die erfindungsgemäßen Zusatzmaßnahmen können bekannte Ölkühler-Bauarten hier nur sehr beschränkt genutzt werden, da die Effizienz der Wärmeübertragung ins Motoröl im Warmlauf speziell bei geringem Öldurchsatz durch den Motorölkühler nur relativ gering ist. Bereits die strömungsvergleichmäßigenden Maßnahmen auf der Wasserseite liefern hier einen erheblichen Beitrag, ebenso wie die Kreuzgegenstromkonfiguration. Gegebenenfalls können aber auch die erfindungsgemäßen Maßnahmen auf der Ölseite zusätzlich oder für sich allein genutzt werden.
Eine fertigungstechnische Verfeinerung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher zeigt 8, welche insbesondere spezifische Vorteile aus 3 und 5 kombiniert. Dieser weist die Bodenplatte 5fl des Wasserkastens auf, in welchen die einzelnen Kühlmittelkanäle 3 münden. Erst nach dem Verlöten des Wärmetauschers einschließlich der Bodenplatte 5fl wird der Deckel 5 des Wasserkastens auf die Bodenplatte aufgelegt und mittels der Klemmen 5kl und der Dichtung 5di zu einem geschlossenen Wasserkasten ausgebildet. Der Deckel 5 des Wasserkastens ist bevorzugt als Spritzgussteil ausgebildet, mit angeformten Zu- und Abflüssen 1 und 2. Die Trennstellen 5c und die Trennebene 5a mit Lochblenden sind dabei bevorzugt ebenfalls Bestandteil des Wasserkastens 5 oder werden in Form eines zweiten Spritzgussteils eingelegt und gegen die Bodenplatte 5fl des Wasserkastens verspannt. Eine Dichtung an diesen Trennfugen ist gegebenenfalls problemlos integrierbar, bei guter Passgenauigkeit der Spritzgussteile aber nicht zwingend notwendig.
Ein derartiger Wärmetauscher ist ganz besonders für die Kabinenbeheizung von Kraftfahrzeugen geeignet, weil er insbesondere unter Berücksichtigung des Ein- und Ausbaus im Fahrzeug auf eine sehr kompakte Bauweise führt. Die Stirnseite mit Deckblech 6 kann hier so ausgebildet werden, dass sie nirgendwo weiter übersteht als die eigentliche Wärmetauschernmatix bestehend aus luftseitigen Rippen und kühlmittelseitigen Kanälen bzw. Flachrohren. Das hilft insbesondere, die minimale Einbautiefe in Luftströmungsrichtung in ähnlich positiver Weise zu reduzieren, wie dies beim Wärmetauscher gemäß 5 auch bereits der Fall ist. Der Überstand ringsum an der Bodenplatte 5fl selbst ist hierbei i.a. als unkritisch zu erachten, da dieser Bereich außerhalb des Heizgeräts liegt und als Befestigungs- und Abdichtungsflansch am Gehäuse des Heizgeräts genutzt werden kann.
Ein Heizungswärmetauscher nach 8 hat im Vergleich zu 5 insbesondere den großen Vorteil, dass bei unterschiedlichen Kühlmittelkanallängen verschiedener Wärmetauscher nicht jedes Mal ein teures Werkzeug für die den Kanal 3 bildenden Platten gefertigt werden muss. In Abänderung von 5a fertigt ein entsprechendes Werkzeug für 8 z.B. für einen 4-stufigen Kreuzgegenstrom-Heizungswärmetauscher jeweils nur Platten mit nur einer stirnseitigen Lötnut 3p während im gegenüberliegenden stirnseitigen Bereich der komplette Bereich der Zu- und Abflüsse 1 und 2 weggelassen wird, d.h. auf dieser Seite sind alle 4 Kühlmittelströmungskanäle zur Bodenplatte hin offen. Das Tiefzieh-Werkzeug wird für die größte potentielle Plattenlänge ausgelegt und dann je nach Wärmetauscherlänge nur kürzere Bleche eingelegt oder die Bleche werden nachträglich gekürzt.
Alternativ zur Verwendung tiefgezogener und anschließend verlöteter Kühlmittelkanäle 3 können auch Flach-U-Rohre mit jeweils 2 parallelen Strömungskanälen zum Einsatz kommen, die z.B. über mittiges Zusammenpressen eines Flachrohrs und Verschweißen an der hierdurch gebildeten Mittelnut vorgefertigt sind. Dabei wird durch das lokale Offenlassen der mittigen Nut an einem Rohrende sowie das Verschweisen des zugeordneten Rohrendes ein Flach-U-Rohr gebildet, welches durch die Reihenschaltung zweier derartiger Flach-U-Rohre sehr gut dazu verwendet werden kann, z.B. einen erfindungsgemäßen 4-stufigen Kreuz-Gegenstrom-Heizungswärmetauscher weitgehend analog zu 8 aufzubauen. Alternativ zu derartigen Flach-U-Rohen mit integrierter kühlmühlmittelseitiger Strömungsumlenkung an einer Stirnseite können natürlich auch konventionelle Doppelflachrohre stirnseitig mit einer Kappe versehen werden, die die stirnseitige Strömungsumlenkung für das Hin- und Rückströmen in den einzelnen Doppel-Flachrohren sicherstellen, auch wenn hierdurch etwas Bauraumeffizienz verloren geht. Beide Methoden sind bereits erfolgreich im Serieneinsatz und liefern ebenso wie die tiefgezogenen Bleche die Möglichkeit, unter Anwendung der Konfiguration gemäß 8 zu einer kompakten Bauweise zu gelangen. Die Trennstellen 5c stellen hierbei sicher, dass die Gruppierung der einzelnen Rohrgruppen auch bei einem 4-stufigen Kreuzgegenstromwärmetauscher bestehen bleibt.
Steht die Bautiefe des Heizungswärmetauschers weniger im Vordergrund und/oder sollen bestehende Fertigungseinrichtungen für Wärmetauscher weiterhin genutzt werden, so kann anstelle der einseitig flachrohrinternen Strömungsumlenkung in 8 auch ganz konventionell ein Wasserkasten 6 gemäß 9 vorgesehen werden. Das Einschieben in das Heizgerät und der Platz für die Luftregelklappen kostet bei dieser Ausgestaltung etwas Bauraum. Insbesondere ist hier der potentielle Entfall der Trennbleche 6c exemplarisch gezeigt, der unter Verzicht auf die maximale Effizienz eine gewisse Kostenersparnis und liefert und auch für die Entlüftung des Heizungswärmetauschers z.T etwas günstiger ist. Eine signifikante Verbesserung der Wärmetauscherausnutzung im Vergleich zu bekannten Heizungswärmetauschern ergibt sich auch bei der Ausgestaltung nach 9 bereits bei nur einer Blendenreihe mit 4 Blenden 5b. Besser ist es jedoch mit 2 Blendenreihen mit jeweils 4 Blenden 5b in der Trennebene 5a zu arbeiten, wobei eine Blendenreihe der Zuströmseite 1 zugeordnet ist und eine Blendenreihe der Ausströmseite 2. Insbesondere die vergleichmäßigende Wirkung der Austrittsblenden auf der kalten Kühlmittelseite hilft, über die hiermit einhergehende Vergleichmäßigung der Lufttemperaturverteilung auch den nachfolgenden Stufen, selbst wenn diese keine eigenen Blenden aufweisen. Gegebenfalls bedeutet es aber auch keine erheblichen Mehrkosten jeder einzelnen Stufe jeweils eine eigene Blendenreihe zuzuordnen. Im Normalfall ist es hierbei am günstigsten, die Blendenreihen der ersten Stufe und der letzten Stufe in die Trennebene 5a zu integrieren und die Blendenreihen der dazwischenliegenden Stufen in zusätzliche Trennwände mit Blende vor dem Überströmen zur nächsten Stufe. Bei Spritzgussteilen ist das im Normalfall kein Problem und führt darüber hinaus zu einer Versteifung des Wasserkastens.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass es im Hinblick auf ein gutes Gleichgewicht zwischen der Verbesserung des Wärmtauscherwirkungsgrades und der potentiellen Erhöhung des Druckverlustes besonders vorteilhaft ist, eine Kreuzgegenstrombauweise mit 3 oder 4 Stufen zu wählen. Die Robustheit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erlaubt es in diesem Zusammenhang insbesondere, die Variation der Strömungsgeschwindigkeit im Zuströmbereich der einzelnen Kühlmittelkanäle, d.h. i.a. letztlich die Strömungsquerschnitte des Wasserkastens, kleiner zu gestalten als bisher üblich. Vor diesem Hintergrund wird es insbesondere möglich, die Wasserkästen 5 und 6 so anzubringen, dass die Längen der Wärmetauscherrohre kürzer sind als die Stapelhöhe aller Lagen aus Rohern und zwischengelegten Rippen. Erst die Option einen Wasserkasten besonders geringer Bauhöhe zu verwenden und dennoch über die gesamte Breite eine gute Strömungsgleichverteilung zu erzielen, lässt es in diesem Zusammenhang als zielführend erscheinen, hier zusätzliches Verbesserungspotential beim Druckverlust und bei der Wärmeübertragungsleistung zu aktivieren. Die Bauhöhen der Wasserkästen, die bisher allgemein im KFZ üblich sind, um eine brauchbare Strömungsgleichverteilung zu erzielen, zehren ohne die erfindungsgemäßen Drosselblenden 5b im Normalfall viel zu viel des verfügbaren Wärmetauschereinbauvolumens auf, als dass es aus Effizienzgründen sinnvoll wäre, die Wasserkästen an der längeren Wärmetauscherseite anzubringen oder gar die Wasserkastenlänge gezielt zu erhöhen. Dies gilt ganz besonders für bisher bekannte zweistufige Kreuzgegenstrom-Heizungswärmetauscher, die zwei Wasserkästen aufweisen, aber auch bereits für zweistufige Kreuzgegenstrom-Heizungswärmetauscher mit u-förmigen Kühlmittelkanälen und somit mit nur einem Wasserkasten sowie für konventionelle Kreuzstrom-Heizungswärmetauscher mit normalerweise 2 großen Wasserkästen. Mit der(den) erfindungsgemäßen Reihe(n) mit Drosselblenden 5b hingegen lassen sich bereits einstufige Kreuzstromwärmetauscher erheblich verbessern, ganz besonderes aber mehrstufige Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher, da die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung entlang des Wasserkastens auch bei moderater Wasserkastenbauhöhe keine Gleichverteilungsprobleme erzeugt. Wenn es die Fahrzeugeinbausituation zulässt, wird man sogar ganz bewusst bereits in der frühen Auslegung danach streben, die Rohre möglichst kurz zu machen und dafür den kühlmittelseitig eingesparten Druckverlust für eine zusätzliche Kreuzgegenstromstufe zu verwenden. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die den Wärmetausch bestimmende Wärmetauschermatrix, so aufgebaut ist, dass die Länge der parallelen Rohre um mehr als den Faktor 1, 3, bevorzugt sogar um den Faktor 2, kleiner ist als die gesamte Stapelhöhe der parallelen kühlmittelseitigen Rohre und luftseitigen Rippen. Die kürzeren Rohre bedeuten hierbei nicht nur einen geringeren Druckverlust sondern, bei gegebenem Kühlmitteldurchsatz, zunächst auch eine Einbuße an Strömungsgeschwindigkeit. Dies lässt zunächst Einbußen beim Wärmeübergang erwarten, der z.B. speziell in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anwendung „Heizleistungssteigerung durch gedrosselten Motor- und Heizungsvolumenstrom" als nicht zielführend erscheint. Berücksichtigt man jedoch die Tatsache, dass in dieser Anwendung ohnehin gedrosselt werden muss, sowie die genaue Physik des Wärmeübergangs beim thermischen Anlauf der Rohrströmung sowie die Vorteile aufgrund der optimierten Strömungsgleichverteilung, so wird letztlich erklärbar, warum ein derartiger Heizungswärmetauscher in der Fahrzeugerprobung sehr erfolgreich ist. Ganz besonders vorteilhaft ist es in der Auslegungspraxis wie in der Anwendung, dass es durch diese Vorgehensweise auch relativ einfach möglich wird, 3- und 5-stufige Kreuzgegenstromwärmetauscher aufzubauen und dennoch die Kühlmittelanschlüsse 1 und 2 an der gleichen Wärmetauscherseite herauszuführen. Dies erhöht die Flexibilität bezüglich des Fahrzeugeinbaus und bezüglich der Dimensionierung der Heizungswärmetauschermatrix mit Gleichteilen erheblich.

Claims

Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, mit Wärmeaustausch zwischen einem ersten flüssigen Fluid mit starker Temperaturabhängigkeit der Viskosität, insbesondere dem Kühlmittel der Antriebsmaschine, und einem zweiten separat strömenden Fluid, insbesondere der Kabinenluft oder dem Öl der Antriebsmaschine oder des Getriebes, wobei mindestens eines der beiden Fluide über eine Vielzahl parallel durchströmter Fluidkanäle strömt und dort im Wärmetausch mit dem zweiten Fluid steht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem flüssigen Fluid mit starker Temperaturabhängigkeit der Viskosität mindestens zwei, bevorzugt aber 3 und mehr, im Bereich des Hautwärmeübergangs von einander getrennte und parallel durchströmte Haupt-Fluidkanäle vorhanden sind, die insbesondere durch das Zusammenfassen mehrerer parallel durchströmter Unter-Fluidkanäle zu einzelnen ebenfalls parallel durchströmten Kanalgruppen gebildet werden, und dass die Strömungszuführung und/oder die Strömungsabführung mindestens einer Gruppe parallel durchströmter Haupt-Fluidkanäle über mindestens ein eigenes Durchflussbegrenzungsorgan 5b pro Haupt-Fluidkanal erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die mindestens 2 parallelen Durchflussbegrenzungsorgane 5b nach Überschreiten einer Grenztemperatur, welche insbesondere zwischen 20°C und 90°C liegt, bei zunehmendem Volumenstrom eine stärkere Zuström- und/oder Abström-Druckverlustzunahme im jeweiligen Haupt-Fluidkanal erzeugen als der wärmeübertragende Innenbereich des Haupt-Fluidkanals selbst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 parallelen Durchflussbegrenzungsorgane 5b durch den Haupt-Fluidkanälen zugeordnete Lochblenden dargestellt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 parallelen Durchflussbegrenzungsorgane 5b bei Überschreiten einer Öffnungsdruckdifferenz einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt freigeben, insbesondere, indem federbelastete Ventile mit Leckagestrom über Lochblenden sich unter der Wirkung der Druckdifferenz zusätzlich öffnen.
Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel der Antriebsmaschine im Wärmetausch mit der in die Kabine geförderten Luft steht und dass auf der Kühlmittelseite zu Gruppen zusammengefasste Kühlmittelkanäle die parallelen Haupt-Fluidkanäle darstellen und mit den Durchflussbegrenzungsorganen 5b versehen sind, welche insbesondere durch Lochblenden dargestellt werden.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel der Antriebsmaschine im Wärmetausch mit dem Öl steht und dass die Kühlmittelseite mit den Durchflussbegrenzungsorganen 5b versehen ist, welche insbesondere durch Lochblenden dargestellt werden.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel der Antriebsmaschine im Wärmetausch mit dem Öl steht und dass die Ölseite mit den Durchflussbegrenzungsorganen 5b versehen ist, welche insbesondere durch Lochblenden dargestellt werden.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel der Antriebsmaschine im Wärmetausch mit dem Öl steht und dass sowohl die Öl- als auch die Kühlmittelseite mit eigenen Durchflussbegrenzungsorganen 5b versehen ist, welche insbesondere durch Lochblenden dargestellt werden.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Personenkraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4 oder 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölseite mit parallelen Strömungskanälen keine eingelegten Turbulenzbleche aufweist.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Personenkraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4 oder 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölseite mit parallelen Unter-Kanälen arbeitet und keine in das diese Kanäle bildende Basismaterial eingeprägten Turbulatoren aufweist.
Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher für Personenkraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-4 oder 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ölseite mit einer Vielzahl an parallelen Strömungskanälen gearbeitet wird, die einen engsten Strömungsquerschnitt von mehr als 2 mm aufweisen.
PKW Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an parallelen Unter-Fluidkanälen pro Haupt-Fluidkanal so bemessen ist, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in den Unter-Fluidkanälen weniger als 30% der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des der jeweiligen Kanalgruppe zugeordneten Durchflussbegrenzungsorgans 5b beträgt.
PKW-Wärmetauscher, nach einem der Ansprüche 1-12, insbesondere PKW-Heizungswärmetauscher mit Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflussbegrenzungsorgane 5b Lochblenden mit einem Durchmesser von weniger als 4 mm zu Einsatz kommen und insbesondere, dass der Durchmesser der Lochblenden größer als der engste Durchmesser der Unter-Kühlmittelkanäle ist.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5 oder 12-13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Heizungswärmetauscher in Plattenbauweise mit luftseitigen Wärmetauscherrippen handelt, welcher eine Leitung 1 und/oder 2 für den Kühlmittelanschluss aufweist, die mit Lochblenden 5b und Trennstellen 5c eine Strömungsaufteilung in einzelne parallel durchströmte Kühlmittelkanalgruppen vornimmt.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5 oder 12-13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Heizungswärmetauscher mit einer Vielzahl parallel durchströmter Kühlmittelkanäle, luftseitigen Wärmetauscherrippen und mit mindestens einem Wasserkasten 5 zur Zufuhr/Abfuhr des Kühlmittels zu/von den Kühlmittelkanälen handelt, der vor/nach der Verzweigung/Zusammenführung der einzelnen Kühlmittelkanäle eine Trennwand 5a mit Lochblenden 5b aufweist sowie ein oder mehrere Trennbleche 5c zur Aufteilung der Kühlmittelkanäle in parallel und separat durchströmte Kanalgruppen.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5 oder 12-15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Heizungswärmetauscher mit gelöteter Wärmetauschermatrix und mit mindestens einem nach dem Verlöten der Wärmetauschermatrix hinzugefügten Wasserkasten zur Zufuhr/Abfuhr des Kühlmittels zu/von den Kühlmittelkanälen handelt, bei dem ein Wasserkastendeckel 5 mechanisch dichtend gegen eine an der Wärmetauschermatrix angelötete Bodenplatte 5fl gepresst oder nach dem Verlöten der Wärmetauschermatrix angeklebt/angelötet wird.
PKW-Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkastendeckel 5 ein Spritzgussteil mit angespritzten Kühlmittelanschlüssen 1 und 2 ist und mit mechanischen Verspannungshilfen 5kl über eine angespritzte oder zwischengelegte Trennwand 5a mit Lochblenden 5b sowie angespritzten oder zwischengelegten Trennwänden 5c, zumindest an einem Dichtbereich 5di gegen die Umgebung abdichtend, gegen die Bodenplatte 5fl angepresst wird.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus paarweise U-förmig durchströmten Flachrohr-Kanälen oder Flachrohren aufgebaut ist, in denen das Kühlmittel, ohne Durchmischung mit parallelen Kühlmittelkanälen in einem zweiten Wasserkasten 6, zum gegenüberliegenden Ende der Wärmetauschermatrix und mit einer rohrinternen 180°-Umlenkung zurück zum Wasserkasten mit Wasserkastendeckel 5 strömt.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus paarweise U-förmig durchströmten Flachrohr- Kanälen oder Flachrohren aufgebaut ist, in denen das Kühlmittel, mit Durchmischung mit parallelen Kühlmittelkanälen in einem zweiten Wasserkasten 6, zum gegenüberliegenden Ende der Wärmetauschermatrix und nach einer 180°-Umlenkung im Wasserkasten 6 zurück zum Wasserkasten mit Wasserkastendeckel 5 strömt, wobei dieser Wasserkasten neben den Kühlmittelanschlüssen 1 und 2 mindestens 2 parallel angeordnete Reihen mit Lochblenden 5b aufweist.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Reihenschaltung von genau 3 oder 4 Einzelwärmetauscher-Ebenen im Kreuzgegenstrom und genau einer Blendenreihe mit Lochblenden 5b für alle 3 oder 4 Einzelwärmetauscher-Ebenen eine druckverlustoptimierte Gegenstromcharakteristik erzielt wird.
PKW-Wärmetauscher in Plattenbauweise nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschieben mindestens eines Formteiles 1, 2, 1oel oder 2oel mit weitgehender Abdichtung an den Trennstellen 5c und Lochblenden 5b die Gruppierung der Fluid-Pfade vornimmt.
PKW-Wärmetauscher in Plattenbauweise nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Anschlüsse 1, 2, 1oel oder 2oel, denen die Durchflussbegrenzungsorgane 5b zugeordnet sind, einen reduzierten Querschnitt aufweist, und insbesondere, dass die kleineren Querschnitte und die Durchflussbegrenzungsorgane 5b auf der warmen Fluid-Seite angeordnet sind.
PKW-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt von Anschlüssen 1, 2, 1oel oder 2oel, denen Durchflussbegrenzungsorgane 5b zugeordnet sind, weniger als 70% des Strömungsquerschnittes der entsprechenden Fluid-Anschlüsse 1, 2, 1oel oder 2oel ohne Durchflussbegrenzungsorgane 5b aufweist.
Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-5 oder 12-23, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärmetausch bestimmende Wärmetauschermatrix kühlmittelseitig aus parallel durchströmten Rohrgruppen für das flüssige Kühlmittel und luftseitig aus an diesen Roheren angebrachten Rippen dargestellt ist und dass die Länge der parallelen Rohre um mehr als den Faktor 1, 3 kleiner ist als die gesamte Stapelhöhe der parallelen kühlmittelseitigen Rohre und luftseitigen Rippen.
Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, dass eine 3- oder 5-stufige Kreuzgegenstrombauweise zum Einsatz kommt und dass die beiden Kühlmittelanschlüsse 1 und 2 oder die beiden Ölanschlüsse 1oel und 2oel des im Kreuz-Gegenstrom über die 3- oder 5 Stufen hin- und her geführten Fluids zur gleichen Seite der Wärmetauschermatrix führen.