-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
DE 102 03 003 A1 beschreibt
einen Abgas-Wärmetauscher
zur Kühlung
eines zu einem Verbrennungsmotor rückgeführten Abgasstroms. Der Wärmetauscher
umfasst ein Bündel
von Tauscherrohren und einen Bypasskanal, in dem ein gegenüber den
Tauscherkanälen
erheblich verringerter Wärmeaustausch
mit einem den Wärmetauscher
durchströmenden
Kühlmittel
erfolgt. Mittels einer eingangsseitig drehbar gelagerten Stellklappe
kann der Abgasstrom auf Tauscherrohre und Bypasskanal verteilt werden.
Die Verstellung der Stellklappe erfolgt mittels einer Unterdruckdose,
wobei die Unterdruckdose über
Ventile und eine Steuerelektronik in Abhängigkeit von sensorisch ermittelten
Steuerdaten angesteuert wird. Eine solche Ansteuerung der Stellklappe
ist aufwendig, störanfällig und
kostspielig.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug
anzugeben, bei dem die Verteilung eines Abgasstroms auf Tauscherkanäle und einen
Bypasskanal auf zuverlässige
und einfache Weise erfolgt.
-
Diese
Aufgabe wird für
einen eingangs genannten Wärmetauscher
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Verwendung eines Thermostats zur Verstellung des Stellelements
in Abhängigkeit
von einer Temperatur des Kühlmittels
wird ein kostengünstiges
und zuverlässiges
Bauteil eingesetzt, wobei grundsätzliche
eine Veränderung
der Tauscherleistung mittels eines Stellelements in Abhängigkeit
von der Kühlmitteltemperatur
weitgehend unabhängig von
einer Steuerelektronik realisiert ist. Neben niedrigen Kosten ist
somit eine hohe Betriebssicherheit gegeben.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der Abgasstrom bei einer hohen Temperatur des
Kühlmittels
durch das Stellelement vorrangig durch den Bypasskanal geleitet
und bei einer niedrigen Temperatur vorrangig durch den Tauscherbereich
geleitet. Bei einem derartig ausgelegten Wärmetauscher wird die Wärmeenergie
des Abgasstroms verwendet, um das Kühlmittel aufzuheizen. Mögliche Anwendungen
hierfür
sind eine Ankopplung des Abgasstroms an eine Innenraumheizung des
Fahrzeugs, ein schnelleres Hochfahren des Fahrzeugsantriebs aus
einem kalten Zustand auf Betriebstemperatur und Ähnliches. Anwendungen der Abgasrückführung von
Verbrennungsmotoren sind bei dieser bevorzugten Ausführung regelmäßig nicht vorgesehen,
da hier die Umleitung des Abgasstroms auf den Bypasskanal vorrangig
bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen
(Kaltstart) erfolgt und eine Umleitung über die Tauscherkanäle bei warmer
Kühlmittel (Abgasrückführung nur
bei Betriebstemperatur).
-
Allgemein
bevorzugt kann es sich bei der Wärmequelle
um eine Brennstoffzelle handeln, insbesondere eine Solid Oxide Fuel
Cell (SOFC). Bei dieser Art von Energielieferanten für Fahrzeugantriebe
treten heiße
Abgasströme
auf, die bisher im wesentlichen ungenutzt abgeführt werden. Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher
ist auf einfache und betriebssichere Weise eine Anbindung der Abwärme zum
Beispiel einer SOFC an einen Kühlmittelkreis,
beispielsweise den Kühlmittelkreis
einer Fahrzeugheizung, ermöglicht.
Alternativ oder ergänzend kann
die Wärmequelle
auch ein Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs sein. Insbesondere vorteilhaft
ist das Kühlmittel
dann das Kühlmittel
eines Hauptkühlkreislaufs
des Verbrennungsmotors.
-
Grundsätzlich ist
unter dem Begriff der Wärmequelle
im Sinne der Erfindung jede geeignete in einem Fahrzeug befindliche
Wärmequelle
gemeint, sofern Bedarf an einer Wärmekopplung zwischen der Wärmequelle
und einem insbesondere flüssigen Kühlmittel
des Fahrzeugs besteht.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
wird der Abgasstrom nach dem Verlassen des Auslassbereichs nicht
zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt. Bei
einem solchen Einsatz des Wärmetauschers,
besteht der Nutzeffekt vorrangig in einer Aufheizung des Kühlmittels
und nicht einer Kühlung
des Abgases, so dass hinsichtlich der Betriebssicherheit vereinfachte
und ggf. kostengünstigere
Bauformen eingesetzt werden können.
Im Vergleich hierzu muss bei Wärmetauschern
zur Abgasrückführung die
Gefahr eines Kühlmitteleintritts
in den Abgasstrom unter allen Umständen vermieden werden, weil
dies regelmäßig die
sofortige Zerstörung
des Verbrennungsmotors nach sich zieht. Insbesondere hinsichtlich
der Abdichtung von bewegten Teilen und anderer Schnittstellen zwischen
Abgasstrom und Kühlmittelbereich
bieten sich somit im Fall der Nicht-Rückführung des Abgases größere konstruktive
Freiheiten.
-
Allgemein
bevorzugt sind der Tauscherkanal und der Bypasskanal in einem gemeinsamen
Gehäuse
angeordnet. Dies ermöglicht
eine insgesamt kompakte und kostengünstige Bauweise des Wärmetauschers.
Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher grundsätzlich nach
dem Konzept der Druckschrift
DE 102 03 003 A1 aufgebaut. Dieses Grundkonzept
betrifft die Bauweise von Bypasskanal und Tauscherrohren als nebeneinander
angeordnete Elemente, die in einem gemeinsamen, von Kühlmittel
durchströmten
Gehäuse
integriert sind sowie die an einer eingangsseitig des Gehäuses angeordnete,
drehbar gelagerte Stellklappe. Bezüglich der Art und Funktion des
Antriebs der Stellklappe weicht die vorliegende Erfindung von der
benannten Druckschrift ab.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der Thermostat an einem Gehäuse
des Wärmetauschers angeordnet,
wobei das Stellglied des Thermostats in einen Außenbereich geführt und
vom Außenbereich über eine
Durchführung
mit dem Stellelement mechanisch verbunden ist. Auf diese Weise ist
ein un mittelbarer Übergang
eines beweglichen Teils von dem Kühlmittelbereich in den Abgasbereich
vermieden. Insbesondere bei Einsatz des Wärmetauschers im Zuge einer
Abgasrückführung zu
einem Verbrennungsmotor ist so auf einfache Weise die Gefahr eines
Wassereintritts in den Ansaugbereich des Verbrennungsmotors erheblich
reduziert.
-
Allgemein
vorteilhaft sind im Sinne eines schnellen Ansprechens des Wärmetauschers
auf geänderte
Temperaturen Teile des Thermostats von dem Kühlmittel umströmt. In bevorzugter
Ausführung wird
die Bewegung des Stellglieds des Thermostats dabei mittels einer
elastischen, insbesondere metallischen Membran kühlmitteldicht übertragen.
Eine solche Membran, die z. B. auch als Well- oder Faltenbalg ausgebildet
sein kann, übt
im wesentlichen die gleiche Funktion wie eine in einer Durchführung gleitgedichtete
Stange aus, wobei die Zuverlässigkeit
der Abdichtung insbesondere zwischen Kühlmittelbereich und Abgasbereich
verbessert ist.
-
In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform
ist durch eine temperaturabhängige
Bewegung des Stellglieds des Thermostats ein Durchfluss des Kühlmittels
durch den Tauscherbereich einstellbar. Besonders vorteilhaft umfasst
dabei das Stellglied einen linear beweglichen Ventilschieber, wobei
ein Durchtrittsquerschnitt für
das Kühlmittel
in Abhängigkeit
von einer Position des Ventilschiebers veränderlich ist. So kann das in
dem Wärmetauscher
vorhandene Kühlmittelvolumen
je nach Betriebsbedingungen ohne Umwälzung aufgeheizt werden, was
einen Wärmespeicher
darstellt. Beispielsweise kann das Kühlmittel Bestandteil einer
Fahrzeugheizung sein, welche durch das so geschaffene Wärmereservoir bei
plötzlicher
Anforderung einer Heizleistung eine erhöhte Wärmemenge zur Verfügung stellen
kann. Die Ansteuerung des Kühlmitteldurchflusses
und die Einstellung des Stellelements können je nach Anforderungen
bezüglich
einer Bewegung des Stellglieds verzögert zueinander erfolgen. Die
Reihenfolge der Betätigung
in Abhängigkeit
vom Temperaturverlauf des Kühlmittels
kann dabei von den jeweiligen Anforderungen abhängen. Allgemein kann eine solche verzögerte Betätigung auf
einfache Weise durch einen zweistufigen Kolben des Stellglieds,
einen verzögert
betätigten
Mitnehmer oder andere bekannte mechanische Lösungen erfolgen. Alternativ
oder ergänzend
kann der Durchfluss des Kühlmittels durch
den Tauscherbereich auch mittels einer von dem Thermostat unabhängig steuerbaren
Absperrung, insbesondere mittels eines zweiten Thermostats, einstellbar sein.
Bei zumeist erhöhtem
baulichen Aufwand bietet eine solche Lösung eine größere Flexibilität bei der separaten
Steuerung von Abgasstrom und Kühlmittelfluss.
-
In
einer kostengünstigen
und zuverlässigen Ausführungsform
umfasst der Thermostat ein Dehnstoffelement. Hierbei ist bevorzugt
zwischen dem Dehnstoffelement und dem Kühlmittel eine durchgängig starre
Wand vorgesehen. Insbesondere Dehnstoffelemente lassen sich bei
zugleich großer
Kontaktfläche
zum schnellen Wärmeaustausch
in einer geschlossenen Hülse
kapseln. In beispielhafter Ausführung
kann diese Hülse
zugleich eine hermetische Trennung ohne Gleitdichtung zwischen dem
Kühlmittelbereich
und dem Außenbereich
oder dem Abgasbereich darstellen, also ein gekapseltes Gehäuse innerhalb
des vom Kühlmittel
durchströmten
Wärmetauschergehäuses. Grundsätzlich kann
ein Thermostat im Sinne der Erfindung auch auf Basis von Bimetallelementen,
Memorymetallen oder anderen bekannten Realisierungen von mechanischen
Thermostaten aufgebaut sein.
-
Vorteilhaft
ist es vorgesehen, dass der Thermostat eine elektrische Ansteuerung
umfasst, wobei eine Regelcharakteristik des Thermostats durch die elektrische
Ansteuerung veränderbar
ist. Hierunter sind u. a. sogenannte Kennfeld-Thermostate zu verstehen,
bei denen ein herkömmlicher,
z. B. mit einem Wachs-Dehnstoffelement versehener mechanischer Thermostat
eine zusätzliche
elektrische Heizeinrichtung aufweist, mittels der gezielt Wärme in das
Dehnstoffelement einbringbar ist. Hierdurch lässt sich der Ansprechpunkt
und die Regelcharakteristik des Thermostats durch die zusätzliche
lokale, elektrisch steuerbare Wärmequelle
beeinflussen. Zum Beispiel kann hierdurch eine besonders frühzeitige
Reaktion auf veränderte
Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors, beispielsweise schnelle
Freigabe von Kühlmittel
aufgrund plötzlichem
Volllastbetrieb, erzielt werden, wogegen die thermische Reaktion
des Kühlmittels
erst deutlich später
erfolgen würde.
-
In
einer einfachen und kostengünstigen
Bauform umfasst das Stellelement bevorzugt eine drehbar gelagerte
Stellklappe.
-
Zur
Sicherstellung einer zuverlässigen
Funktion ist die Verstellung des Stellelements in zumindest einer
Richtung durch eine Feder kraftbeaufschlagt. Hierdurch ist insbesondere
dem Umstand Rechnung getragen, dass Thermostate bauartbedingt zumeist
in einer Bewegungsrichtung eine größere Kraft aufbringen können als
in der anderen Bewegungsrichtung. Dies gilt insbesondere für Thermostate
mit Dehnstoffelement, bei denen in Ausdehnungsrichtung des Dehnstoffs
regelmäßig eine
größere Kraft
ausübbar
ist als in der Gegenrichtung, in der die Kraft durch einen Außendruck
begrenzt ist.
-
Bei
einer einfachen, raumsparenden und kostengünstigen Bauweise eines Wärmetauschers sind
der zumindest eine Tauscherkanal und der Bypasskanal in einem gemeinsamen,
von dem Kühlmittel
durchströmbaren
Gehäuse
angeordnet, wobei Bypasskanal und Tauscherkanal endseitig in gemeinsamen,
das Gehäuse
begrenzenden Kopfstücken
aufgenommen sind. Zu einer solchen Bauweise wird beispielhaft auf
die bereits genannte
DE
102 03 003 A1 verwiesen.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den
nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
-
Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Wärmetauschers
mit zwei Thermostaten.
-
3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Wärmetauschers.
-
4 zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines Wärmetauschers.
-
5 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
eines Wärmetauschers
in einer Draufsicht von der Seite.
-
6 zeigt
den Wärmetauscher
aus 5 in einer Draufsicht von oben.
-
7 zeigt
eine sechste Ausführungsform eines
Wärmetauschers.
-
8 zeigt
eine siebte Ausführungsform
eines Wärmetauschers.
-
Ein
erfindungsgemäßer Wärmetauscher
umfasst einen Tauscherbereich 1, in dem zumindest ein, regelmäßig jedoch
eine Mehrzahl von Tauscherkanälen
zur Durchleitung eines Abgasstroms angeordnet ist. Parallel zu den
Tauscherkanälen
ist ein Bypasskanal 2 angeordnet, wobei der Abgasstrom,
der in 1 bis 4 durch breite Pfeile symbolisiert
ist, sowohl durch den Bypasskanal 2 als auch durch die Tauscherkanäle 1 strömen kann.
Zumindest die Tauscherkanäle 1 sind
von einem flüssigen
Kühlmittel umströmt, das über einen
Einlass 3 in ein Gehäuse des
Wärmetauschers
einfließt
und über
einen Auslass 4 aus dem Gehäuse austritt.
-
Ein
Stellelement 5 ist in einem vorliegend auslassseitigen
Bereich 6 des Abgasstroms angeordnet und als über eine
Drehwelle 7 drehbar gelagerte Stellklappe ausgebildet.
Ein Thermostat 8 ist an dem Gehäuse des Wärmetauschers angeordnet und steht
in thermischem Austausch mit dem Kühlmittel. Ein Stellglied 9 des
Thermostats 8 ist über
einen Hebel 10 mechanisch mit der Drehwelle 7 der
Stellklappe 5 verbunden, so dass eine durch das Thermostat 8 bewirkte
Bewegung des Stellglieds 9 eine Verstellung des Stellelements 5 bewirkt.
Je nach Stellung des Stellelements 5 wird der Abgasstrom
vorrangig durch die Tauscherkanäle
oder vorrangig durch den Bypasskanal 2 geleitet. In der
in 1 dargestellten Stellung wird der Abgasstrom ausschließlich durch den
Bypasskanal 2 geleitet. Es versteht sich, dass das Stellelement 5 auch
in einem Einlassbereich des Wärmetauschers
angeordnet sein kann.
-
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt eine
Erwärmung
des Kühlmittels
zu einer Ausdehnung eines nicht dargestellten Dehnstoffelements
in dem Thermostat 8, wodurch das stangenartige Stellglied 9 aus
dem Thermostat 8 herausgeschoben wird. Eine Erwärmung des
Kühlmittels
führt somit
zu einer Verstellung des Stellelements 5 im Uhrzeigersinn
gemäß 1 und
somit zu einer Durchleitung des Abgasstroms durch den Tauscherbereich 1 und
die nicht im einzelnen dargestellten Tauscherkanäle. Bei vollständiger Verstellung
der Stellklappe strömt
der Abgasstroms nur noch durch die Tauscherkanäle. Bei dieser Funktionalität kann der
Wärmetauscher
nach 1 z. B. als Abgaskühler für eine Abgasrückführung eines
Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Bei derartigen Abgaskühlern wird
der Bypasskanal zum Beispiel genutzt, um beim Kaltstart des Verbrennungsmotors
eine übermäßige Kondensation
des Abgases zu vermeiden, wobei eine Abgasrückführung häufig erst bei warmem Motor
erfolgt. Durch entsprechend umgekehrte mechanische Anbindung des
Thermostats 8 an das Stellelement 5 würde der
Abgasstrom bei erwärmtem Kühlmittel
vorrangig durch den Bypasskanal geleitet werden. Hierdurch wird
ein Wärmetauscher
bereitgestellt, der das vorrangig im kalten Zustand mittels der Wärme des
Abgasstroms aufheizt. Eine solche Anordnung nutzt eine Wärmequelle
des Fahrzeugs zur gezielten Aufheizung eines Kühlmittels, beispielsweise einer
Heizungsanlage des Fahrzeugs.
-
2 zeigt
als zweites Ausführungsbeispiel eine
Abwandlung des Wärmetauschers
aus 1, bei der ein zweiter Thermostat 11 im
Bereich des Kühlmittelaustritts 4 angeordnet
ist, durch welchen ein Absperrschieber 12 in Abhängigkeit
von der Temperatur des Kühlmittels
betätigbar
ist. Je nach Stellung des zweiten Thermostats 11 kann der
Kühlmittelfluss
durch den Tauscherbereich 1 somit unterbunden oder ganz
oder teilweise freigegeben werden. Der Absperrschieber 12 ist
mit einer Feder 12a versehen. Hierdurch ist zugleich ein Überdruckventil
im Bereich der Absperrung realisiert, so dass ein unkontrolliertes
Sieden des Kühlmittels
oder ein übermäßiger Druckanstieg
vermieden wird. Bei der Anordnung zweier Thermostate gemäß 2 ist
es auf besonders einfache Weise ermöglicht, die Verstellung des Stellelements 5 und
die Verstellung des Absperrschiebers 12 bezüglich des
Temperaturverlaufs verzögert
zueinander auszulegen, wobei je nach Anforderungen eine Öffnungsreihenfolge
beliebig sein kann.
-
Bei
dem dritten Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Absperrschieber 12 mit
einem Federmittel 12a ebenso wie das Stellelement 5 an
nur einen einzigen Thermostat 8 angebunden. Auch hier ist
grundsätzlich
ein verzögertes
Verstellen von Stell element 5 und Absperrschieber 12 möglich, was
in 3 durch die Ausformung des Stellglieds 9 als Doppelkolben
schematisch dargestellt ist.
-
In
dem vierten Ausführungsbeispiel
nach 4 ist an dem Stellelement 5 eine dieses
in eine Richtung vorspannende Feder 5a angeordnet, wodurch
eine sichere Betätigung
des Stellelements in beiden Richtungen gewährleistet ist. Hierdurch wird dem
Umstand Rechnung getragen, dass insbesondere Thermostate mit einem
Dehnstoffelement in der einen Betätigungsrichtung eine größere Kraft
aufbringen können
als in der anderen Betätigungsrichtung.
-
5 und 6 zeigen
eine fünfte
Ausführungsform,
bei der der Thermostat 8 in einem eigenen Zusatzgehäuse 13a seitlich
an dem Gehäuse 13 des
Wärmetauschers
angeordnet ist, wobei der Thermostat 8 in ausreichender
Weise von dem Kühlmittel umströmt wird.
Im Fall des fünften
Ausführungsbeispiels
ist das Stellelement 5 in einem Einlassbereich 14 des
Wärmetauschers
angeordnet.
-
Das
Stellglied 9 des Thermostats 8 ist durch eine
Wand des Gehäuses 13a gleitgedichtet
nach außen
geführt,
wobei die Gleitdichtung nicht mit dem Kühlmittel in Berührung ist.
Hierzu ist ein Dehnstoffelement des Thermostats samt dem Stellglied 9 in
einer Hülse
aufgenommen, die innenseitig kühlmitteldicht
an dem Thermostatgehäuse 13a festgelegt
ist. Das Stellglied 9 führt
zunächst
in den Außenraum, wobei
die über
den Hebel 10 angetriebene Drehwelle 7 durch eine
Wand in den abgasbeströmten
Einlassbereich 14 durchgeführt ist.
-
Der
Wärmetauscher
nach
5 und
6 ist in detaillierterer Konstruktion
insbesondere ein Wärmetauscher,
der seiner Bauart nach in der Druckschrift
DE 102 03 003 A beschrieben
ist, wobei an Stelle einer dort z. B. in
5a gezeigten
Druckdose
65 ein gemäß
5 und
6 angeordneter
Thermostat
8 vorgesehen ist. Bei einem solchen Wärmetauscher
sind eine Mehrzahl von schmalen, als Flachrohre ausgebildeten Tauscherkanälen sowie ein
Bypasskanal von größerem Querschnitt
gemeinsam in endseitigen Kopfstücken
verschweißt.
Die Kopfstücke
nehmen zwischen ihnen eine Gehäusewan dung
mit Anschlüssen
für das
Kühlmittel
auf. Auf eines der Kopfstücke
ist der Aulassbereich aufgeschweißt und auf das andere Kopfstück der Einlassbereich
mit der drehbar gelagerten Stellklappe.
-
Bei
der sechsten Ausführungsform
nach 7 handelt es sich bei dem Thermostat 8 im
Unterschied zu der Ausführung
nach 5 um einen sogenannten Kennfeld-Thermostat. Dieser
weist ein zusätzliches
elektrisches Heizmittel 16 auf, welches über Kontaktdrähte mit
einer Steuerelektronik verbunden ist. Durch das elektrische Heizmittel 16 wird ein
Dehnstoffelement des Thermostats 8 in Überlagerung mit der Temperatur
des Kühlmittels
beeinflusst, so dass die Regelcharakteristik des Thermostats 8 je
nach Betriebsbedingungen und Anforderungen gezielt veränderbar
ist.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 8 ist das Stellglied 9 des Thermostats 8 mit
einem Ventilschieber 17 versehen. Der Kühlmittelfluss verläuft hier
von einem Eintritt 3 an dem Gehäuse 13 durch den Tauscherbereich
zu einem Durchtritt 18 von dem Tauscherbereich in das Gehäuse 13a des
Thermostats 8. Der Kühlmittelaustritt 4 des
Wärmetauschers
ist ebenfalls an dem Gehäuse 13a des
Thermostats 8 angeordnet, so dass der Kühlmittelstrom den Ventilschieber 17 passieren
muss. Je nach Stellung des Ventilschiebers 17 gegenüber einem
in dem Gehäuse 13a angeordneten
Ventilsitz 19 wird der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher
somit geregelt. Je nach Anforderungen ist der Durchgang für das Kühlmittel
auch vollständig
verschließbar.
-
Es
versteht sich, dass die besonderen Merkmale der unterschiedlichen
Ausführungsformen
je nach Anforderungen sinnvoll kombinierbar sind.