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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Heiz-Klimagerät mit Hochleistungsheizungswärmetauscher zur
Klimatisierung der Fahrzeugkabine in Großserie gefertigter Personenkraftfahrzeuge
mit der Abwärme flüssigkeitsgekühlter Antriebskomponenten,
insbesondere mit der Abwärme
flüssigkeitsgekühlter Verbrennungskraftmaschinen,
bei dem ein Hochleistungsheizungswärmetauscher mit gelöteter Wärmeübertragungsmatrix
zum Einsatz kommt.
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Ein
weitverbreitetes Merkmal heutiger Personenkraftfahrzeuge ist es,
dass diese speziell für Dieselfahrzeuge
im Heiz-Klimagerät
einen elektrischen PTC-Zuheizer zur weiteren Erwärmung der vom Heizungswärmetauscher
erwärmten
Kabinenluft vorsehen. Bei baugleichem Basis-Heiz-Klimagerät erhält die Diesel-Variante
bei dieser Vorgehensweise einen PTC-Zuheizer und die Variante mit
Otto-Motor nicht. Um die nicht unerheblichen Kosten für den PTC-Zuheizer
einzusparen wird bei den meisten Fahrzeugherstellern in den Diesel-Varianten
je nach Fahrzeugmarkt bezüglich
des serienmäßigen Zuheizer-Einbaus
differenziert oder ein Zuheizer wird gar nur als Option angeboten.
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Die
jüngste
Entwicklung bei Heiz-Klimageräten
in PKW-Großserien-Anwendungen
ist außerdem dadurch
gekennzeichnet, dass immer kompaktere Heizungswärmetauscher zum Einsatz kommen.
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Insbesondere
ist ein vermehrter Übergang zu
gelöteten
Wärmetauschern
aus Aluminium festzustellen, bei denen die etwas höheren Fertigungskosten
verglichen mit „gesteckten" oder auf andere
Weise rein mechanisch, d. h. ohne Verlöten, gefügten Wärmetauschern bewusst in Kauf
genommen werden, um Bauraum zu sparen.
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Die
allgemeine Einschätzung
der Fachwelt, dass eine weitere Steigerung der Effizienz der Heizungswärmetauscher
keine nennenswerten Vorteile bezüglich
der Heizleistung bringt weil sich die Heizungswärmetauscher i. a. in der thermischen
Sättigung
befinden, sowie die allgemeine Einschätzung, dass speziell das Zusammenspiel
von el. PTC-Zuheizung und konventionellem
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Heizungswärmetauscher
die kosteneffizienteste Erfüllung
der Heizleistungs-Zielwerte bei Dieselfahrzeugen liefert, hat dazu
geführt,
dass viele PKW-Heiz-Klimageräte
inzwischen einen weitgehend ähnlichen
Aufbau aufweisen, mit Standard-Heizungswärmetauscher,
nachgeschaltetem luftseitigem PTC-Zuheizer und luftseitiger Heizungsregelung.
Insbesondere neue Fertigungstechnologien und Aluminium-Legierungen
wurden vor diesem Hintergrund in den letzten Jahren primär dazu verwendet,
den Bauraum für
den Heizungswärmetauscher bzw.
das Heiz-Klimagerät unter
Beibehaltung des Heizungswarmetauscherwirkungsgrades weiter zu reduzieren.
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Bei
gelöteten
Vollaluminiumheizungswärmetauschern
für PKW
liegt die Packungsdichte der kühlmittelseitigen
Wärmeübertragungsrohre
sowie der luftseitigen Wärmeübertragungsrippen
inzwischen in vielen Anwendungen auf einem Niveau, wie es vor 10 Jahren
noch kaum vorstellbar war. Die höchste
dem Erfinder bekannte Packungsdichte bei reinen PKW weisen in diesem
Zusammenhang die Wärmetauscher
des aktuellen 3er-BMW auf, mit einem Rohr-Mittenabstand t_Rohr von
ca. (3,9 + 1,3 = 5,2mm) und einem Rippen-Mittenabstand t_Rippe von
ca. 0,85 mm. Für
die Definition von t_Rohr und t_Rippe zeigt 3 diese
beiden Abmessungen in einem gelöteten
Wärmetauscher
mit kühlmittelseitigen
Flachrohren 3 und luftseitigen Rippen 4, welche über das Verlöten die
Wärmetauschermatrix
bilden. In Luftströmungsrichtung,
d. h. senkrecht zur Bildebene in 3, soll
für diese
Schutzrechtsanmeldung gelten, dass leere Zwischenräume zwischen
einzelnen Wärmetauscherrohrgruppen
in Luftströmungsrichtung
zum Matrixvolumen zählen.
Die bei Hochleistungs-PKW-Heizungswärmetauschern i. a. unverzichtbaren
luftseitigen Rippeneinschnitte (Louvres) sind dabei zur Vereinfachung
nicht dargestellt. Das Volumen der Wärmetauschermatrix, d. h. das
Volumen des von Luft durchströmten
Wärmetauscherbereichs,
beträgt
hierbei ca. 0,981, die Bautiefe der Matrix in Luftströmungsrichtung
ca. 27 mm. Der Wasserkasten erhöht
die Heizungswärmetauscherbautiefe dieses
typischen Fahrzeugvertreters der gehobenen Mittelklasse, d. h. bereits
mit etwas gehobenen Ansprüchen
an den Heizkomfort, dann letztlich auf 32 mm.
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Die
Heizungswärmetauscher
anderer Volumenhersteller in der gleichen Fahrzeugklasse, weisen
bei etwas geringerer Packungsdichte der Flachrohre und Rippen ein
geringfügig
größeres Matrix-Volumen
der Heizungswärmetauscher
auf, doch auch hier ist der Trend zu höherer Packungsdichte der Matrix
bzw. nach kleinerem Bauvolumen unübersehbar.
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Waren
noch bis vor 10 Jahren bei gelöteten Heizungswärmetauschern
Bauvolumina von ca. 1,2–1,5
l Matrixvolumen in der Golf-Klasse sowie auch in der gehobenen Mittelklasse
durchaus üblich, so
liegt heute der. entsprechende Wert bei neuen Fahrzeuganwendungen
in der Regel bei etwa 0,7–1,1
l. Weniger kompakte gelötete
Heizungswärmetauscher,
diese sind insbesondere durch einen Flachrohrmittenabstand von mehr
als 7 mm gekennzeichnet, sind speziell bei ganz neuen Fahrzeuganwendungen
nur noch in Ausnahmefällen
zu finden. Die später
noch naher diskutierte Tabelle in 4 zeigt
in diesem Zusammenhang einen Überblick
bezüglich
der Dimensionen typischer PKW-Heizungswärmetauscher wie sie heute in
der Grosserie bevorzugt verbaut werden, wobei der dort zusätzlich gezeigte
Honda Odyssee bereits zum Segment der Großraumlimousinen (Vans) zu zählen ist.
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Allen
bekannten Heiz-Klimageräten
ist gemeinsam, dass PTC-Zuheizer in Verbindung mit gelöteten wie
bei "gesteckten" Heizungswärmetauschern
erhebliche Zusatzkosten verursachen: Zum einen bei Fahrzeugen mit
Dieselmotor, für
den Einbau der PTC-Zuheizerkomponenten.
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Zum
anderen aber auch bei Fahrzeugen mit Ottomotor, d. h. bisher in
der Regel ohne PTC-Zuheizer: Dort entstehen PTC-bedingte Zusatzkosten,
z. B. um am baugleichen Basis-Heiz-Klimagerät den Bauraum und die Randbedingungen
für die
el. Zuheizung für
die Dieselvarianten vorzusehen.
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Hinzu
kommt ein erheblicher Kraftstoffmehrverbrauch in allen Betriebssituationen,
in denen der PTC-Zuheizer in Betrieb ist. Alternative heute in Großserien-PKW
eingesetzte Zuheizkonzepte sind relativ zum PTC-Zuheizer entweder
durch einen noch höheren
Kraftstoffvermehrverbrauch und/oder noch höhere Zusatzkosten gekennzeichnet.
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Dem
gegenüber
besteht die Aufgabe, ein Heiz-Klimagerät für PKW-Großserien bereitzustellen, das
als Alternative zum heutigen Heiz-Klimageräte-Standard in Diesel-PKW nicht
nur die Heizleistungs-Zielwerte liefert, sondern dabei gleichzeitig reduzierte
Fertigungsgesamtkosten und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch
ermöglicht.
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Das
Heiz-Klimagerät
nach Patentanspruch 1 löst
diese Aufgabe in vielen Fahrzeuganwendungen.
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Auch
ein Teil der beigeordneten Patentansprüche löst für sich alleine und insbesondere
in Verbindung mit Patentanspruch 1 und/oder mit den übrigen beigeordneten
Patentansprüchen
die obige Aufgabenstellung.
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Mit
einem Heizklimagerät
nach Patenanspruch 1 lässt
sich in Verbindung mit einer geeigneten Fahrzeugintegration insbesondere
eine hocheffiziente und kostengünstige
Fahrzeugheizung unter Verzicht auf einen PTC-Zuheizer für Dieselfahrzeuge aufbauen,
welche auf der weitgehenden Verwendung bereits am Markt verfügbarer Fertigungstechnologien und
Halbzeuge für
Hochleistungsheizungswärmetauscher
mit gelöteter
Wärmeübertragungsmatrix
basiert, d. h. auf kühlmittelseitigen
Flachrohren und luftseitigen Rippen mit einer Vielzahl in Luftströmungsrichtung
nacheinander folgender turblulenzerzeugender Einschnitte (Louvres).
Dabei erfolgt die Systemauslegung bevorzugt derart, dass das Heizgerät in dem
für die
Heizung besonders relevanten Betriebspunkt mit –20°C Lufteintrittstemperatur (TLuft,HWT-Eintritt), 50°C Kühlmitteleintrittstemperatur
(TKühlmittel,HWT-Eintritt), einem
Heizungsluftmassenstrom von 5 kg/min und bei 5 l/min Kühlmitteldurchsatz
bei Fokussierung des Luftmassenstroms und damit der Heizleistung
auf die Fußausströmer eine
so hohe mittlere Luftaustrittstemperatur an den vorderen Fußausströmern (TLuft,Fussausströmer,vorne)
erreicht, dass der Gesamt-Warmenutzungsgrad
Phi, gebildet mit der Gleichung Phi = 100·(TLuft,Fussausströmer,vorne – TLuft,HWT-Eintritt)/(TKühlmittel,HWT-Eintritt – TL,HWT-Eintritt)ohne luftseitige Zuheizer
einen Wert von 85% übersteigt.
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Alternativ
wird in einer besonders bevorzugten Verfeinerung das System dahin
getrimmt, dass der Gesamt Warmenutzungsgrad Phi gemäß obiger Definition
und bei den obigen charakteristischen Betriebstemperaturen von –20°C Lufteintrittstemperatur und
+50°C Kühlmitteleintrittstemperatur
bei einem Fahrgeschwindigkeitsprofil gemäß MVEGA bei allen Fahrgeschwindigkeiten
einschließlich
des Leerlaufs ohne luftseitige Zuheizer oberhalb von 80% bleibt.
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Angesichts
der Wärmeverluste
im Heizgerät setzen
diese Vorgaben bei PKW-typischen
Heizgeräten
einen extrem leistungsfähigen
Heizungswärmetauscher
vergrößerten Bauraums
voraus.
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Bei
entsprechender Anpassung des Kühlkreislaufs
in Bezug auf die Kühlmittelleitungsführung und
den Durchfluss kann bei Erfüllung
dieser Eckpunkte der heute in sehr vielen Dieselfahrzeugen zu findende
PTC-Zuheizer bei sehr vielen bekannten Fahrzeugen eingespart werden,
verbunden nicht nur mit der Einsparung an Fertigungskosten, sondern verbunden
auch mit 0,5–1,01/100km
Kraftstoffeinsparung relativ zum Betrieb mit PTC-Zuheizer und gleicher
Heizleistung.
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Dabei
ist das erfindungsgemäße Heiz
Klimagerät
i. a. sowohl dann kosteneffizient, wenn nur die Dieselfahrzeuge
einer Fahrzeugplattform für
sich alleine betrachtet werden, als auch dann, wenn sowohl Otto-
und Dieselfahrzeuge das gleiche Heiz-Klimagerät erhalten und die gemeinsamen
Kosten in der Fahrzeugplattform betrachtet werden. Dies ist insbesondere
vor dem Hintergrund von Gleichteile-Strategien innerhalb von Fahrzeug-Plattformen
und z. T. auch über
die Plattformgrenzen hinweg sehr vorteilhaft.
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Alle
bisher am Markt bekannten anderen Technologien, um den PTC-Zuheizer
einzusparen, können
hier bereits kostenmäßig in keiner
Weise konkurrieren, ganz zu schweigen vom Kraftstoffverbrauch. Bei
gleichem Heiz-Klimagerät
für Otto-
und Dieselfahrzeugen ist eine „Best
in Class" Heizleistung
bei den Fahrzeugen mit Ottomotor ein willkommener Zusatzvorteil,
trotz der Gesamtkostenvorteile für
die gesamte Plattform.
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Auch
wenn einige Teilaspekte des erfindungsgemäßen Vorgehens ansatzweise bereits
aus der jüngeren
und älteren
Patentliteratur zu entnehmen sind, so zeigt nicht zuletzt der aktuelle
Fahrzeugmarkt, dass es selbst erfahrenen Spezialisten für PKW-Heiz-Klima-Geräte bisher
nicht gelungen ist, die z. T. veröffentlichten Einzelaspekte
so gedanklich anzuwenden bzw. weiterzuentwickeln und zusammenzuführen, dass es
ihnen möglich
war, ein erfindungsgemäßes Heiz-Klimagerät im PKW
zu implementieren, welches den Entfall des PTC-Zuheizers kosten-
und gleichzeitig kraftstoffeffizient ermöglicht.
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Auf
die Wiederholung des hier angesprochenen vorveröffentlichten Gedankenguts wird
an dieser Steile bewusst verzichtet, auch wenn dessen Kenntnis vorausgesetzt
wird, um die auf den ersten Blick etwas eigentümliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heiz-Klimageräts komplett
zu verstehen.
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So
erscheint es vor dem Hintergrund des allgemeinen Trends hin zu kleineren
Heiz-Klimageräten und
kleinerem Bauraum für
die Heizungswärmetauscher
und hin zu Motoren mit immer weniger Abwärme für Heizzwecke auf den ersten
Blick als wenig zielführend,
den Bauraum für
den im Hinblick auf die Erfüllung
der Erfordernisse der Heizung als besonders kosteneffizient geltenden
PTC-Zuheizer aufzugeben und einen vermeintlich überdimensionierten Heizungswärmetauscher
unter Ausnutzung des PTC-Bauraums und unter Ausnutzung der Bauraumeffizienz
aber auch der Mehrkosten der modernsten Fertigungstechnologien für gelötete Heizungswärmtauscher
zu verwenden.
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Ganz
besonders die Aufgabe des PTC-Bauraums scheint hierbei ohne nähere Detailkenntnisse zunächst ein
großer
Fehler zu sein. Im Gegensatz zur allgemeinen Expertenmeinung zeigt
aber der Umbau von Serien-Fahrzeugen auf das erfindungsgemäße Heiz-Klimagerät, dass
das erfindungsgemäße Heiz-Klimagerät bei geeigneter
Anpassung des Kühlmittelkreislaufs
und der lokalen Durchflösse durch
den Heizungswärmetauscher
und die übrigen Wärmequellen
und Wärmesenken
im Motorkühlsystem
sehr wohl in der Lage ist, die gleiche Heizleistung zu liefern,
wie heutige Serienfahrzeuge mit teuren PTC-Zuheizern. Messungen
im Klima-Windkanal und auf der Straße belegen hierbei nicht nur
eine ausreichende Kabinenheizleistung, sondern auch bisher nicht
für möglich gehaltene
Kraftstoffverbrauchseinsparungen im Bereich von 0,5–1,0 l/100km
bei gleicher Heizleistung wie bei baugleichen Fahrzeugen mit PTC-Zuheizerbetrieb,
und das bei gleichzeitiger Senkung der Kosten des Heiz-Klimageräts.
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Maßgeblich
für den
Schritt zum erfindungsgemäßen Heiz-Klimagerät ist hierbei
zum einen die Kenntnis der Tatsache, dass es wirklich möglich ist, auf
den PTC-Zuheizer zu verzichten. Nur bei Anerkennung dieser Eingangsvoraussetzung – hier haben sich
bisher alle vom Erfinder angesprochenen Experten für Fahrzeug-Heiz-Klimageräte extrem
schwer getan und waren nur durch praktische Vorführungen zu überzeugen – wird es möglich, bei bestehenden Fahrzeugkonzepten
Bauraum für
den vermeintlich übergroßen Heizungswärmetauscher
zu gewinnen.
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Der
auf diesem Wege gewonnene Bauraum wird bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dazu
genutzt, den Heizungswärmetauscher
noch effizienter zu machen. Die höhere Bautiefe in Luftströmungsrichtung
ermöglicht
hierbei wahlweise eine gewisse Reduktion des kühlmittelseitigen Druckverlustes
und daran gekoppelt einen etwas höheren Kühlmitteldurchsatz, bevorzugt
jedoch in den meisten Anwendungen strömungsvergleichmäßigende
Sekundärmaßnahmen
für eine
besonders gleichmäßige Wärmetauscherbeaufschlagung
mit Kühlmittel und/oder
eine Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
in den Wärmetauscherrohren
zur Verbesserung des kühlmittelseitigen
Wärmeübergangs
und/oder bei Bedarf den Übergang
zur besonders effizienten Kreuz-Gegenstrombauweise. Dabei wird es
bei sehr vielen Anwendungen am effizientesten sein, mit geringeren
Kühlmitteldurchsätzen durch
den Heizungswärmetauscher
zu arbeiten als es dem heutigen Serienstandard entspricht. In diesem
Zusammenhang sei insbesondere auf die Heizleistungsvorteile verwiesen,
die sich vielfach ergeben, wenn die thermische Spreizung des Kühlmittels
am Heizungswärmetauscher
und gegebenenfalls auch am Motor durch Absenkung des Kühlmitteldurchflusses
durch den Motor und/oder den Heizungswärmetauscher ohne nennenswerte
Einbuße
an Heizungswärmetauscherwirkungsgrad
erhöht
wird.
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Ein
erfindungsgemäßes Heiz-Klimagerät mit Hochleistungswärmetauscher
wird aufgrund seiner hohen Effizienz, bei Bedarf aber auch durch
die weitere Absenkung der Heizungsrücklauftemperatur durch kühlmitteldurchflussbegrenzende
Maßnahmen,
letztlich dazu führen,
dass das Kühlmittel,
die Motorbauteile und oftmals auch das Motoröl – im Mittel über das
Gesamtsystem – weniger
stark aufgeheizt wenden als bei einem konventionellen Heizgerät mit PTC-Zuheizer
und gleicher Wärmeabgabe
an die Kabinenluft. Geringere Oberflächenwärmeverluste und eine geringere
Energie zum Aufheizen der wärmeaktiven
Massen sind die maßgeblichen Gründe dafür, dass
ein erfindungsgemäßes Heiz-Klimagerät eine stark
verbesserte Heizwirkung liefert.
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Dabei
ist es ein ausgesprochener Vorteil des erfindungsgemäßen Heiz-Klimageräts mit der
erfindungsgemäßen Vergrößerung des
Heizungswärmetauscherbauvolumens,
dass es selbst bei einer Reihenschaltung von zwei oder mehr Kreuzgegenstrom-Stufen
mit dem Druckangebot konventioneller Motorkühlmittelpumpen auskommt. Dies
gilt ganz besonders für
Anwendungen, in denen der Motor ohne Kühler-Bypass, d. h. z. B. ohne
den Zweig 6b in 7, auskommt oder in denen der
Kühler-Bypass bei
hohem Heizbedarf mittels eines Spezial-Kühlerthermostaten 6fzs anstelle
des konventionellen Thermostaten 6fz oder mittels eines
Zusatzventils 6bv geschlossen gehalten wird.
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In
einer ganz besonders kosteneffektiven Vereinfachung des Systems
entfällt
gemäß 7b das
externe Durchflusskontrollorgan 2, sowie der Motorölkühlerthermostat
6dv und anstelle des Bypassventils 6bv kommt ein Spezialthermostat 6fzs zum
Einsatz, bei dem der weitgehend konventionelle doppelt wirkende
Thermostat einen Bypassteller mit einem verlängerten Federweg aufweist und
den Bypasszweig 6b bei geschlossenem Kühlerzweig federbelastet schließt. Bei
hohen Motordrehzahlen öffnet der
Saugdruck der Motorkühlmittelpumpe 7 den
Bypasszweig 6b und sorgt für eine ausreichende Motorkühlung. in
dieser Auslegung definieren die Heizungswärmetauscherauslegung und die
Kühlmittelverschlauchung
in Verbindung mit der Öffnungscharakteristik
des Bypassfeder-Tellers im Spezial-Kühlerthermostaten 6fzs den
Kühlmitteldurchsatz
durch den Heizungswarmetauscher. Wie bereits in 7 stellt
auch in 7b ein Thermostatventil 6tv sicher, dass
der Kühlerthermostat 6fzs bei
zu hoher Kühlmitteltemperatur
auch bei starker Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
stets sicher öffnet.
Bei voll geöffnetem
Kühlerzweig 6a,
schließt
der Bypassteller des Spezialthermostaten 6fzs den Bypasszweig 6b wie
bei konventionellen Thermostaten.
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Bei
geringen Motordrehzahlen und Kühlmitteltemperaturen
unterhalb der Thermostatöffnungstemperaturen
des Spezialkühlerthermostaten 6fzs und
des Zusatzthermostatventils 6tv, d. h. bei geschlossenem
Zweigen 4b, 6a und 6b, liefert diese Vorgehensweise
insbesondere eine gewisse Druckreserve, so dass der Heizungskühlmitteldurchfluss im
leerlaufnahen Drehzahlbereich auch bei etwas höherem Druckverlust des Heizungswärmetauschers nicht
allzu sehr abnimmt. Dies erweitert den Auslegungsspielraum für wärmeübergangssteigernde
konstruktive Maßnahmen
am Heizungswärmetauscher und
auch zur Erhöhung
der thermischen Spreizung sowohl am Heizungswärmetauscher als auch am Motor
einschließlich
der effektiven Nutzung des Motorölkühlers zur
Heizwärmegenerierung
in ganz erheblichem Maße.
Die zu diesem besonders wirksamen und sehr preiswerten Gesamtsystem
mit Spezialthermostat 6fzs gehörigen physikalischen Wechselwirkungen
werden in früheren
Schutzrechtsanmeldungen des gleichnamigen Erfinders bereits ausgiebig
beschrieben. Dort finden sich auch weitere Verschlauchungsbeispiele
mit verschiedenen Auslegungsschwerpunkten.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
mit stark vergrößertem Heizungswärmetauscherbauvolumen
bei gleichzeitiger Nutzung der besonders hohen Effizienz beim Einsatz
einer gelöteten
Wärmetauschermatrix
mit hoher Packungsdichte der kühlmittelseitigen
Wärmetauscherrohre
und/oder der luftseitigen Rippen, ist ein hocheffizienter Weg, um
die Fahrzeugherstellungskosten und den Kraftstoffverbrauch im realen
Kundenbetrieb zu senken. Wie bereits weiter oben erwähnt, erschließt sich
dieser Weg mit stark vergrößertem Heizungswärmetauschervolumen
in der Praxis letztlich nur demjenigen, der bereits weiß, dass
mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
wirklich der PTC-Zuheizer entfallen kann und der PTC-Bauraum für den stark
vergrößerten Wärmetauscher
verfügbar
ist. Dies gilt bereits bei Beibehaltung solcher Kühlmitteldurchsatze
durch den Heizungswärmetauscher,
die dem heutigen Serienstandard entsprechen, ganz besonders jedoch
bei unter dem heutigen Serienstandard liegenden Kühlmitteldurchsätzen durch
den Heizungswärmetauscher.
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Die
einzelnen Patentansprüche
zielen in einem ersten Schritt darauf ab, den besonderen erfinderischen
Schritt zu schützen,
der erforderlich ist, um sich von der heutigen Standardvorgehensweise
zu lösen,
d. h. trotz gelöteter
Hochleistungswarmetauscher mit modernsten d. h. technisch derzeit
kleinstmöglichen
Rippen- und Rohr-Mittenabständen
sowie z. T. kleinst möglichen
Kanalhöhen
und Wandstärken der
typischen Flachrohrkühlmittelkanäle im Heizungswärmetauscher
dennoch den Heizungswärmetauscher
so groß wie
irgend möglich
auszugestalten und sogar den vermeintlich unverzichtbaren PTC-Bauraum
zu nutzen und dabei insbesondere auch keine alternative Zuheizmöglichkeit
vorzusehen.
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Um
sicherzustellen, dass keine zufallsbedingte neuheitsschädliche Vorverwendung
entgegengehalten werden kann, beschränken sich viele Patentansprüche der
vorliegenden Anmeldung auf Großserienanwendungen
in PKW unterhalb 2000 kg Leergewicht und solche Heizgeräte- bzw.
Heizungswärmetauschergeometrien,
wie sie eindeutig heutigen Großserienanwendungen
zugeordnet werden können.
Als Grosserie sei hierbei eine Jahresproduktion von mehr als 50.000
Fahrzeugen pro Jahr verstanden, die alle das gleiche Heizgerät erhalten.
Diese Grenze wunde bewusst relativ hoch gewählt, um sich von nicht mit
letzter Sicherheit auszuschließenden
Fällen
abzugrenzen, bei denen u. U. einmal ein Hersteller zugunsten einer
Gleichteilestrategie oder innerhalb sehr großer Fahrzeuge bzw. bei Fahrzeugen
der Luxusklasse zufällig übergroße Heizungswärmetauscher
eingesetzt hat. Im echten Volumensegment – und darauf richtet sich die
vorliegende Schutzrechtsanmeldung in erster Linie – zeigt
sich bei jedem Hersteller die bereits beschriebene Tendenz, möglichst
kleinvolumige und besonders preiswerte Heizungswärmetauscher zu verwenden und damit
am Heizungswärmetauscher
Kosten zu sparen. Vor diesem Hintergrund hat es im echten Volumensegment
im Vergleich zum Premiumsegment auch etwas langer gedauert, bis
sich gelötete
Aluminiumheizungswärmetauscher
gegenüber
weniger effizienten gesteckten Heizungswärmetauschern durchgesetzt haben.
Wo es der Bauraum zulässt,
finden sich bis heute aus Kostengründen noch Anwendungen, bei
denen weniger effiziente gesteckte Heizungswärmetauscher zum Einsatz kommen,
so wie sie z. B. auch beim VW Golf 2 und Golf 3 lange Jahre üblich waren.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
zielt im Gegensatz hierzu darauf ab, zum einen möglichst bauraumeffiziente gelötete Heizungswärmetauscher zu
verwenden und zum anderen das Heizungswärmetauschervolumen wesentlich
größer zu wählen, als
dies beim Übergang
auf gelötete
Aluminiumheizungswärmetauscher
bisher erfolgt ist.
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Als
Vergleichsbasis heutiger Fahrzeuge mit typischen Vertretern gelöteter Heizungswärmetauscher
zeigt in diesem Zusammenhang 4. eine Tabelle
mit einigen charakteristischen Merkmalen zu Klassifizierung.
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Die
großvolumigsten
gelöteten
Wärmetauscher
weisen hierbei ca. 1,5 l bzw. 1,6 l Matrixvolumen auf, allerdings
mit relativ grobmaschigem Abstand der kühlmittelseitigen Flachrohre
von ca. 9 bzw. 10,5 mm. Speziell bei den neueren Heizungswärmetauscherdesigns
mit besonders kleinen Rohr-Mittenabständen t_Rohr und Rippenmittenabständen t_Rippe
geht das Matrixvolumen in der Golfklasse z. T. inzwischen herab
bis auf Werte von ca. 0,7 l. Und selbst bei den größeren Fahrzeugen
wie 3er und 5er BMW bzw. Mercedes E-Klasse weist die Heizungswärmetauschermatrix
angesichts der Fertigungsfortschritte bezüglich der Verfeinerung der Rohre
und Rippen inzwischen nur noch etwa 1 l auf. Die Machbarkeit kleinerer
Rohrmittenabstände t_Rohr
bei gleichzeitig kleinen Mittenabständen t_Rippe der luftseitigen
Verrippung sind der maßgebliche
Grund dafür,
dass die Verkleinerung des Wärmetauschermatrixvolumens
in PKW-Großserienanwendungen
möglich
wurde. Wie die Praxis zeigt, wurde inzwischen von dieser Möglichkeit
seitens der Fahrzeughersteller auch gerne Gebrauch gemacht. Die
als „spezifisches
Wärmetauschervolumen" gebildete Kennzahl
V_Spec, gebildet mit der Gleichung V_Spec = V_Matrix/(t_Rohr + (4·t_Rippe)),
reflektiert diesen Sachverhalt in vereinfachter und gleichzeitig sehr
gut handhabbarer Weise. Indirekt ist darin auch die Tatsache enthalten,
dass es inzwischen technisch und wirtschaftlich möglich ist,
auch sehr dünnwandige
Materialien für
die Rippen und Rohre zu verwenden und auch sehr geringe kühlmittelseitige
Kanalhöhen
zu realisieren.
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Die
Betrachtung typischer gelöteter PKW-Heizungswärmetauscher
in 4 zeigt, dass das spezifische Wärmtauschervolumen
V_Spec, gebildet mit der Gleichung V_Spec = V_Matrix/(t_Rohr + (4·t_Rippe)),
in typischen PKW-Großserienanwendungen
einen oberen Grenzwert von 0,118 m2 nicht übersteigt
und dass dieser Wert selbst beim größten dem Erfinder bekannten
Wert an einem Wärmetauscher
in einem Mini-Van 0,122 m2 nicht übersteigt.
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Betrachtet
man neben dem Ford Focus – hier sind
wegen des grundsätzlichen
Verzichts auf einen motorseitigen Kühlerbypass 6b bei
manchen Motoren dieses Fahrzeugtyps motorspezifische Belange der
maßgebliche
Treiber für
die Heizungswärmetauschergröße – die übrigen Fahrzeuge
der Golfklasse, so liegt der aktuelle Großserienwert für das spezifische
Wärmetauschervolumen
V_Spec eher in der Größenordnung
von 0,7–0,8
m2. Diese Beobachtung ist auch sehr gut
in Übereinstimmung
mit der Feststellung, dass die Kenngröße V_Spec bei den etwas größeren und
teureren Fahrzeugen und insbesondere auch mit etwas gehobenem Komfortanspruch,
wie z. B. Audi A4, 3er und 5er BMW sowie Mercedes E-Klasse, mit
ca. 1,0 l etwas hoher liegt, aber deutlich unterhalb des Ford Focus.
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Bei
Beibehaltung der luftseitigen Rippen und der Kühlmittelflachrohre führt die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
in der Regel auf Heizungswärmetauscher
die 1,5 bis 2,5 mal so viel Heizungswärmetauschermatrixvolumen aufweisen,
wie die entsprechenden derzeitigen Serienanwendungen. 5 und 6 zeigen
in diesem Zusammenhang noch einmal auf, wie der Übergang von einer reinen Betrachtung
des Wärmetauschermatrixvolumens V_Matrix
gemäß 5 auf
eine spezifische Betrachtung der Wärmetauschermatrix mit der Kenngröße V_spec
speziell im Bezug auf die Serien-Heizungswärmetauscher aus 4 einzuordnen
ist.
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Zur
weiteren Konkretisierung des erfindungsgemäßen Heizgeräts sind in den beigeordneten
Ansprüchen
konkrete Angaben gemacht, welche Bauweisen und welche baulichen
und geometrischen Merkmale ein erfindungsgemäßes Heizgerät bzw. ein dafür brauchbarer
Heizungswärmetauscher
vorteilhafter Weise hat, um in Verbindung mit der erfindungsgemäße Vergrößerung des
Bauvolumens letztlich eine ausreichende Heizleistung für den Entfall des
PTC-Zuheizers zu liefern. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein
typisches Heizgerät,
wie es heute in Großserien-PKW
zum Einsatz kommt mit der erfindungsgemäßen Änderung. In diesem Ausführungsbeispiel
saugt ein Gebläse 50 Frischluft über den
Einlass 5fe an und fördert
diese über
den Verdampfer 51 der Klimaanlage und im Heizbetrieb bei Wärmedefizit,
d. h. bei Stellung der Temperatur-Mischklappe 5b/5c auf
maximales Heizen abgesehen von gewissen Leckagen vollständig durch
den erfindungsgemäßen Heizungswärmetauscher 4m. Der
Heizungswärmetauscher 4m nimmt
dabei das mit (4) und (90) gekennzeichnete Volumen
des bisherigen Serienheizungswärmetauschers
(4) und des Serien-PTC (90) ein. Die zugehörige Einbausituation der
entsprechenden bisherigen Serien-Anwendung ist in 2 gezeigt
mit dem Heizungswärmetauscher 4 und
dem el. PTC-Zuheizer 90. Bei Einstellung auf maximale Heizleistung
wird in der Regel der größte Anteil
der in die Fahrgastzelle eingebrachten Luft über die Fußraumausströmer 5ff geleitet.
Je nach Fahrzeugklasse und Anspruch an den Klimakomfort haben manche
Fahrzeuge lediglich Fußraumausströmer im Bereich
der Vordersitze, oder bei höherem Komfortanspruch
auch an den Hintersitzen.
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Neben
dem Austritt über
die Fußraumausströmer ist über Regelklappen,
z. B. 5fd für
die Frontscheiben und/oder 5fm als sogenannte Mannanströmer eine
bedarfsgerechte Luftverteilung einstellbar. Außerdem wird i. a. stets ein
Teil der Kabinenluft an die Scheiben geführt, um ein Beschlagen der
Scheiben zu vermeiden. In der Heizungsteillast übernimmt die Temperaturmischklappe 5b/5c die
Drosselung der Heizung, gegebenenfalls in Abstimmung mit einem Absenken
der Gebläseleistung.
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Wesentlich
an der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist, dass wie in 1 gezeigt, ein wesentlich leistungsfähigerer
und auch großvolumigerer Heizungswärmetauscher 4m zum
Einsatz kommt als bisher üblich
und insbesondere, dass hinter dem Heizungswärmetauscher kein Bauraum für einen PTC-Zuheizer
mehr verfügbar
ist oder vorgehalten wird.
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Neben
der Anhebung des Wärmetauscherbauvolumens
um zumindest das Bauvolumen des PTC-Zuheizers einschließlich des
Montagezwischenspaltes zwischen dem Heizungswärmetauscher und dem PTC-Zuheizer
ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn das Heiz-Klimagerät mit einem
gelöteten
Hochleistungsheizungswärmetauscher,
bevorzugt aus Aluminium, Kupfer oder Messing, ausgestattet ist,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Heizungswärmetauscher
aus mindestens einer Stufe, bevorzugt aber zwei oder mehr Stufen
aufgebaut ist, bestehend aus
- • einer gelöteten Wärmetauscher-Rippen-Rohr-Matrix
in PKW-typischer Kreuzstrombauweise mit
- • flachrohrrohrartigen
Wärmetauscherkanälen für das flüssige Kühlmittel
und mit
- • luftseitigen
Strömungskanälen, gebildet
aus den dem Kühlmittel
abgewandten Oberflächen
der kühlmittelseitigen
Wärmetauscher-Kanäle und daran
angelöteten
luftseitigen Metallrippen welche mit
- • einer
Vielzahl turbulenzerzeugender Einschnitte der luftseitigen Wärmeübertragungsrippen
quer zur Luftströmung
(„Louvres") versehen sind.
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Ein
derartiger Hochleistungswärmetauscher weist
bevorzugt einen Mittenabstand t_Rippe der parallel durchströmten luftseitigen
Wärmeübertragungsrippen
von weniger als 1,3 mm auf und/oder der Mittenabstand t_Rohr der
parallel durchströmten kühlmittelseitigen
Strömungskanäle beträgt weniger als
7 mm. Des weiteren ist es angesichts des heutigen Standes der Fertigungsmöglichkeiten
vorteilhaft, die kühlmittelseitigen
Strömungskanäle als flachrohrartige
Kanäle
mit weniger als 1 mm Kanalhöhe
auszubilden.
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Ergeben
sich aus den Randbedingungen bestehender Fertigungsanlagen Begrenzungen,
die sehr dünnwandige
kühlmittelseitige
Strömungskanäle nicht
zulassen, so kann mit gewissen Einschränkungen bezüglich des Gesamt-Heizpotentials auch eine
Matrix mit einem Mittenabstand der luftseitigen Wärmeübertragungsrippen
kleiner als 0,8 mm eingesetzt werden in Verbindung mit als 9,0–11 mm Mittenabstand
der parallel durchströmten
kühlmittelseitigen Strömungskanäle. Die
kühlmittelseitigen
Strömungskanäle sind
bei einem derartigen Heizungswärmetauscher
dann als flachrohrartige Kanäle
mit 1–2
mm Kanalhöhe
ausgebildet wobei das Matrixvolumen mindestens 1,7 l bevorzugt sogar
2,0 l beträgt.
Der größere Rohrmittenabstand
und das größere Matrixvolumen
ist hierbei hilfreich, um bei dieser Konfiguration die luftseitigen
Druckverluste in Grenzen zu halten. Daneben kompensieren das größere Matrixvolumen
V_Matrix und der besonders kleine Rippenabstand t_Rippe gewisse
Defizite beim kühlmittelseitigen
Wärmeübergang.
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Die
oben beschriebenen Wärmetauscher
mit Hochleistungswärmtauschermatrix
sind prinzipiell bekannt, ein Beispiel ist der bereits erwähnte Heizungswärmetauscher
im aktuellen 3er BMW, weitere Beispiele finden sich in 4.
Neu ist jedoch der Einsatz der an sich bekannten Hochleistungswärmetauschermatrix
mit einem weit über
das bisher bekannte Maß erweiterten
Bauvolumen und das, obwohl die Anwender bisher i. a. davon ausgehen,
dass ihre Serienheizungswärmetauscher
bereits weitgehend in der thermischen Sättigung betrieben werden und eine Vergrößerung daher
keinen Sinn macht, aber wegen des benötigten PTC-Bauraums auch nicht machbar
wäre.
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Die
starke Vergrößerung des
Bauvolumens erschließt
sich also – wie
bereits erwähnt – in der
Praxis nur demjenigen, der weiß,
dass es möglich
ist mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
den PTC-Zuheizer wirklich entfallen zu lassen. Dabei ist es eine
weitere wichtige Option der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, gegebenenfalls
auch eine signifikante Erhöhung
der luftseitigen Druckverluste am Heizungswärmetauscher in Kauf zu nehmen.
Im einfachsten Fall wird erfindungsgemäß die bereits hochkompakte
Wärmetauschermatrix
des Serienheizungswarmetauschers beibehalten und der Wärmetauscher
in Luftströmungsrichtung
um den Faktor 1,5–2,5
tiefer ausgestaltet, d. h. das Matrixvolumen erhöht sich um den Faktor 1,5–2,5. Trotz
des Entfalls des PTC-Zuheizers
erhöht
sich damit auch der luftseitige Druckverlust am Heizungswärmetauscher fast
um den Faktor 1,5–2,5.
Wie praktische Versuche aber zeigen, ist dies – im Gegensatz zu den auf den ersten
Blick i. a. erwarteten Problemen mit dem Luftdurchsatz – durchaus
in sehr vielen Fallen darstellbar. Bei Fahrzeugneuentwicklungen
kann u. U. natürlich
auch die Breie oder die Höhe
der Matrix zur erfindungsgemäßen Matrixvolumenvergrößerung verwendet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Erhöhung der
Matrixbautiefe in Luftströmungsrichtung
eröffnet
in einem dritten Schritt auch ein weites Feld, um den kühlmittelseitigen
Druckverlust bzw. den Kühlmitteldurchsatz
des Heizungswärmetauschers
an den jeweiligen Anwendungsfall optimal anzupassen.
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Dies
ist je nach Motorenspektrum der jeweiligen Fahrzeugplattform ganz
grundsätzlich
von Interesse, ganz besonders aber für den Einbau von Maßnahmen
zur Vergleichmäßigung der
kühlmittelseitigen
Wärmetauscherrohrdurchströmung über der Wärmetauscherbreite
sowie für
den Übergang
zur ganz besonders effizienten Kreuzgegenstrombauweise mit zwei
oder mehr Stufen.
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Eine
gut messbare Methode, um besonders effektive Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßes Heizgerät mit Hochleistungsheizungswärmetauscher gegen
den Stand der Technik abzugrenzen stellt der sogenannte Q100-Wert
dar, der die Leistungsabgabe des Heizungswärmetauschers bei Durchströmung mit
100 K Temperaturdifferenz zwischen Kühlmitteleintrittstemperatur
und Lufteintrittstemperatur beschreibt. Gute PKW-Heizungswärmetauscher
haben heute bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min und einem Kühlmittelmassenstrom
von 10 l/min bei 50/50 Vol.% Wasser/Glycol einen Q100-Wert von ca. 8,0–9,0 kW.
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Betrachtet
man die am Markt befindlichen PKW Wärmetauscher mit den höchsten Leistungen pro
Matrixvolumen bis hin zur gehobenen Mittelklasse – diese
haben ein Wärmetauschermatrixvolumen von
ca. 0,72–1,1
l – so
ergeben sich in Verbindung mit den obigen Q100-Werten von 8,0–9,0 kW
maximale volumenbezogene Leistungen heutiger Hochleistungs-PKW-Heizungswärmetauscher
von etwa 11–12,5
kWh Wärmetauschermatrix.
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Vor
diesem Hintergrund bedeutet z. B. die erfindungsgemäße Volumenvergrößerung der
Wärmetauschermatrix
von z. B. 1,0 l auf über
1,4 l, eine bewusste Absenkung der spezifischen Leistung auf Werte
deutlich unter 7,1 kW/l (= 10,0 kW/1,4 l).
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Eine
erfindungsgemäß besonders
bevorzugte Reihenschaltung von zwei oder mehr Hochleistungs-Kreuzstromheizungswärmetauschern
im Kreuzgegenstrom bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Einzel-Kreuzstromwärmetauscher
mit jeweils einer volumenbezogenen Einzel-Leistung von mehr als
11 kW/l durch die Reihenschaltung – trotz des Kreuz-Gegenstrombetriebs – bewusst
auf weniger als 7,1 kW/l herabgesetzt werden. In der Praxis fällt die
Herabsetzung der spezifischen Leistung sogar noch etwas stärker aus,
u. a. da in manchen Anwendungen gewisse Kompromisse beim luftseitigen Rippenabstand
gemacht werden müssen,
um die luftseitigen Druckverluste des erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers
in Grenzen zu halten.
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Auch
wenn die erfindungsgemäße Vorgehensweise
primär
auf den kompletten Entfall des PTC-Zuheizers abzielt, so ist ganz
grundsätzlich
natürlich
auch eine Vorgehensweise denkbar, die die erfindungsgemäße Vergrößerung des
spezifischen Matrixvolumens V_spec in Verbindung mit einem el. PTC-Zuheizer
vorsieht. Wichtig ist in diesem Zusammenhang natürlich das Vorhalten eines entsprechend
großen
Bauraums, wobei dies voraussichtlich nur in Ausnahmefällen wirklich
in die Praxis umsetzbar sein dürfte.
Die ursprüngliche
Aufgabenstellung verschiebt sich dann dahingehend, den PTC-Betrieb auf
möglichst
wenig el. Leistung bzw. Einschaltdauer und somit möglichst
wenig PTC-bedingten Kraftstoffmehrverbrauch zu begrenzen und/oder
den PTC-Einbau auf Kaltränder
zu begrenzen und/oder PTC-bedingte Zusatzkosten für größere Lichtmaschinen
etc. einzusparen.
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Den
maximalen Nutzen bietet das erfindungsgemäße Vorgehen jedoch erst, wenn
der PTC völlig
aus allen Anwendungen der Fahrzeugbaureihe verschwindet, so dass
das erfindungsgemäße Heiz-Klimagerät keinerlei
Vorbereitungsmaßnahmen,
insbesondere vorgehaltenes Bauvolumen oder Befestigungsvorrichtungen
oder el. Anschlüsse,
für eine
luftseitige PTC-Zuheizung oder eine andere Zusatzheizvorrichtung,
im Heiz-Klimagerät
vorsehen muss. Diese sind heute oftmals unnötig eingebaut, um es zu ermöglichen,
dass das Fahrzeug mit wenigen Handgriffen bei unverändertem
Basis-Heiz-Klimagerät
motorspezifisch oder länderspezifisch
oder kundenspezifisch mit und ohne Zusatzheizvorrichtung ausgeliefert
werden kann.
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Ganz
besonders effizient ist ein erfindungsgemäßes Heizgerät, wenn der Hochleistungswärmetauscher
aus mindestens zwei, bevorzugt aber 3 oder 4, Kreuzstromwärmetauschern
im Kreuzgegenstrom aufgebaut ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn
das Kühlmittel
vor oder bei der Überleitung
von einer Wärmetauscherstufe
zur nächsten
mit Querschnittsverengungen durchmischt und hierdurch auch etwas
gedrosselt wird. Diese Maßnahme
wirkt sich insbesondere positiv auf den Anlauf des Heizungswärmetauschers
bei sehr kaltem Kühlmittel und
ungleichmäßiger Luftbeaufschlagung
aus, da auf diesem Wege jede einzelne Stufe homogenere Kühlmitteleintrittstemperaturen über die
Wasserkastenbreite aufweist. Kühlmitteltemperaturinhomogenitäten verstärken sich
durch diese Maßnahme
im Kreuzgegenstrombetrieb weniger stark von Stufe zu Stufe, da ein
Ausweichen der Kühlmittelströmung zu
Kanälen
mit höherer
Kühlmitteltemperatur
bzw. niedrigerer Kühlmittelviskosität weniger
stark induziert wird.
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Die
Drosselwirkung dieser Maßnahme
ist in vielen Anwendungen ein erwünschter Nebeneffekt, da sie
die Kühlmitteltemperaturspreizung
am Heizungswärmetauscher
und gegebenenfalls auch am Motor erhöht und somit – bei hinreichender
Dimensionierung des Heizungswärmetauschers – die Heizung
verbessert.
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Ganz
besonders effizient und einfach kann die Durchmischung dadurch erfolgen,
dass das gesamte Kühlmittelvolumen
eines ersten Wasserkastens über
eine gemeinsame Bohrung oder eine gemeinsame Verbindungsleitung
zum nachfolgenden Wasserkasten der nächsten Stufe geleitet wird. 8 zeigt
einen entsprechend aufgebauten Heizungswärmetauscher im Kreuzgegenstrom.
Die Kühlmittelzuströmung erfolgt
hierbei über
den Einlass 204, die erste Kreuzstromstufe wird durch die Flachrohrreihe 206 gebildet,
mit einer ersten konventionellen Umlenkung Im Wasserkasten 211 zur
zweiten Kreuzstromstufe 207. Die Überleitung von der zweiten
zur dritten Kreuzstromstufe 208 erfolgt über eine
externe Verbindungsleitung 202/200 in welcher zwangsläufig eine
Durchmischung und somit thermische Vergleichmäßigung des Kühlmittels
vor der dritten Stufe erfolgt.
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Die
Durchmischungsstelle kann gegebenenfalls auch in den Wasserkasten
integriert werden, z. B. über
eine oder mehrere Blenden oder Strömungsumlenkungen, wichtig ist
dabei jedoch, dass eine weitgehende Temperaturvergleichmäßigung des Kühlmittels
vor der dritten Stufe erfolgt. Je nach Einbaulage und Entlüftungsbedarf
sorgt gegebenenfalls eine zusätzliche
Entlüftungsbohrung
im Wasserkasten-Trennblech 212 oder 203/201 für einen
sicheren Betrieb. Eine ganz analoge Vorgehensweise zeigt 9,
wobei in 9 die Leitung 202 die
Aufgabe der Durchmischung übernimmt,
indem sie das Kühlmittel
der ersten Kreuzstromstufe 208 zu den beiden parallel liegenden
Rohrreihen 207 und 208 der zweiten Kreuzstromstufe
fördert.
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Der
Einbau von Heizungswärmetauschern gemäß 8 oder 9 erfolgt
bevorzugt liegend wobei der Kühlmittelzufluss 204 unten
liegt oder mit stehenden Wärmetauscherrohren 206, 207 und 208. Dabei
ist es ein ausgesprochener Vorteil der gezeigten Bauweise, dass
es durch den liegenden bzw. stehendem Einbau möglich ist, die Wärmeübertragungsrohre
des Heizungswärmetauschers
parallel zur Fahrtrichtung anzuordnen, da sich hierdurch eine gleichmäßigere Kühlmitteldurchströmung bei
der besonders wichtigen Einstellung auf maximales Heizen in Fußraumstellung
ergibt. Die bevorzugte Einbauposition wird in diesem Zusammenhang
in den meisten zukünftigen
Fahrzeuganwendungen Zukunft wohl so aussehen, dass der Austrittswasserkasten
bzw. der Kühlmittelauslass 221 bei
stehenden Wärmeübertragungsrohren 206, 207, 208 oben
liegt.
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Etwas
weniger Druckverlust als eine einzige Überströmleitung 202 liefert
eine ähnliche
Vorgehensweise, bei der die Durchmischung dadurch erfolgt, dass
das Kühlmittelvolumen
eines ersten Wasserkastens durch genau zwei Bohrungen oder zwei Verbindungsleitungen
zum nachfolgenden Wasserkasten der nächsten Stufe geleitet wird
und ein Trennblech im Wasserkasten die beiden Strömungspfade
trennt.
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Zur
Einsparung an kühlmittelseitigem
Druckverlust erfolgt in 8 die Durchmischung nur beim Übergang
zur letzten und somit kühlmittelseitig
kältesten
Stufe. Da die letzte, d. h. die kälteste, Stufe am empfindlichsten
auf Temperaturinhomogenitäten
am Eintritt der einzelnen parallelen Kühlmittelkanäle reagiert, ist hier die erfindungsgemäße Durchmischung besonders
effektiv und kommt über
die besonders homogenen Luftaustrittstemperaturen auch den luftseitig
weiter stromab liegenden Stufen zugute.
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Das
erfindungsgemäße Heizgerät liefert
in fast allen Anwendungen eine verbesserte Heizleistung. Je nach
Motor sind jedoch zusätzliche
kühlsystemseitige
Maßnahmen
zu nutzen, um in allen Betriebssituationen die gleiche Heizleistung
wie beim heutigen PTC-Zuheizer zu erreichen.
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So
ist es insbesondere besonders vorteilhaft, das Kühl- und Heizsystem so auszulegen,
dass der Hauptkühlmittelstrom
zur Kühlung
der Verbrennungskraftmaschine in einer ersten Betriebsart mit geringer
Abwärme
primär
durch den Heizungswärmetauscher
strömt
und in einer zweiten Betriebsart mit hoher Abwärme auch durch den Fahrzeugkühlerzweig 6a und/oder
den Kühlerbypasszweig 6b und dass
in der zweiten Betriebsart im leerlaufnahen Drehzahlbereich der
Verbrennungskraftmaschine auch bei hohem Kabinenheizbedarf weniger
als 2,5 l/min durch den Heizungswärmetauscher strömen. Ein
derart ausgelegtes Kühlsystem
widerspricht zwar wieder den Auslegungsrichtlinien heutiger Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotor, da bei konventionellen Heizungswärmetauschern
und weniger als 2,5 l/min Heizungskühlmitteldurchfluss die Wärmetauscherwirksamkeit
einbricht und sich vielfach völlig
undefiniert verhält.
Beim erfindungsgemäßen Heiz-Klimagerät, ist dies
jedoch angesichts der Leistungsreserven des Heizungswärmetauschers
zulässig.
Ein derart ausgelegtes System liefert in der zweiten Betriebsart
genügend
Heizleistung, da der Thermostat nur ab einer relativ hohen Temperatur öffnet. In
der ersten Betriebsart zeigt sich speziell im Leerlauf eine erhöhte Temperaturspreizung,
die es ermöglicht
den Motor bzw. das Motoröl
vorübergehend
als zusätzliche
Wärmequelle
zu verwenden, um die Kühlmitteltemperatur
am Motoraustritt etwas zu erhöhen
sowie um die Oberflächenwärmeverluste
in dieser besonders heizleistungskritischen Betriebsituation zu
minimieren.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
zielt insbesondere darauf ab, den Heizungswärmetauscher in einem weiten
Betriebsbereich des Motors und in einem weiten Betriebsbereich der
Kühlmitteldurchflüsse durch
den Heizungswärmetauscher nahe
am thermodynamisch maximal möglichen
Wirkungsgrad zu betreiben, über
die Eindämmung
der Oberflächenwärmeverluste
und Einsparung von Wärmeleistung
für die
Aufheizung der mit Kühlmittel und
Motoröl
in Kontakt kommenden Bauteile dennoch eine ausreichende Heizleistung
bereitzustellen und über
den Entfall der el. Leistung für
den PTC-Zuheizer Kraftstoff zu sparen. Zur Maximierung des Wärmenutzungsgrades
am Heizungswärmetauscher und
im Heizgerät
ist es dabei besonders vorteilhaft, auch die heizgeräteseitigen
Verluste zu minimieren, die dadurch entstehen, dass bei luftseitiger
Temperaturregelung ein gewisser Anteil der Kabinenluft nicht durch
die Wärmetauschermatrix
strömt
sondern durch Leckagestellen der geschlossenen Temperaturregelklappen
des Heizgeräts.
Vor diesem Hintergrund ist es sehr hilfreich, insbesondere für den Fall dass
das Heiz-Klimagerät eine luftseitige
Temperaturregelung aufweist, mittels hochwirksamer Dichtflächen an
den einzelnen Regelklappen und gegebenenfalls besonders hohen Anpresskräften durch
deren Stellmotoren sicherzustellen, dass bei voll geöffneter
Heizung mehr als 95% der in die Kabine geförderten Luft die Heizungswärmetauschermatrix
passiert. Eine Minimierung der Leckageluft stellt in diesem Zusammenhang
sicher, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers
nicht unnötig
limitiert werden.
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Ein
Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Heiz-Klimageräts
wird bei richtiger Ausgestaltung des Motorkühlkreislaufs in der Lage sein,
die gleiche Heizleistung zu liefern wie heutige Fahrzeuge mit teuren
und kraftstoffverbrauchsintensiven PTC-Zuheizern. Bei den typischen
Randbedingungen eines winterlichen Heizungstests, z. B. gemäß VDA-Richtlinie,
wird sich eine befriedigende Heizleistung einstellen, selbst wenn
das Motorkühlmittel
kälter
bleibt als bei heutigem PTC-Betrieb. Eine besonders vorteilhafte
Abstimmung des erfindungsgemäßen Gesamtsystems
ist in vielen Anwendungsfällen
daran zu erkennen, dass das Heiz-Klimagerät in einem Personenkraftfahrzeug
mit Dieselmotor keinen PTC-Zuheizer oder sonstigen luftseitigen
Zuheizer aufweist und bei einer typischen Wintertest-Konstantfahrt,
mit
- • 50
km/h, in der von der Automatik-Schaltung automatisch eingestellten
Fahrstufe oder bei manueller Gangschaltung im größten ruckelfrei fahrbaren Gang
und bei
- • –20°C Umgebungstemperatur
und mit
- • Heizungseinstellung
auf maximales Heizen gemäß Fahrzeugbetriebsanleitung
in
den ersten 30 Minuten eine Kühlmitteltemperatur von
50°C am
Heizungswärmetauschereintritt
nicht überschreitet.
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Darüber hinaus
wird in vielen Fällen
auch eine Abstimmung vorteilhaft sein, bei der in den ersten 30
Minuten eine Kühlmitteltemperatur
von 40°C am
Heizungswärmetauscheraustritt
nicht überschritten
wird, so dass sich über
die thermische Spreizung am Heizungswärmetauscher zusätzliche
Einsparungen an Wärme
ergeben.
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Die
hohe Wärmeentnahme
am Heizungswärmetauscher
und die Abstimmung auf eine relativ hohe thermische Spreizung am
Heizungswärmetauscher
wird im Leerlauf insbesondere sogar dazu führen, dass z. B. die Kühlmitteltemperatur
am Heizungswärmetauscheraustritt,
im unmittelbaren Anschluss an die ersten 30 Minuten des Heizungstests bei –20°C und bei
50 km/h gemäß den obigen
Ausführungen,
nach weiteren 15 Minuten Leerlaufphase mit laufendem Motor und stehendem
Fahrzeug auf Temperaturen unter 25°C abfällt und dennoch annähernd die
gleiche Heizleistung liefert, wie heutige Fahrzeuge bei eingeschaltetem
PTC.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
mit starker Vergrößerung des
Wärmetauschervolumens ermöglicht es
insbesondere, Heizungswärmetauscher
mit mehreren im Kreuz-Gegenstrom in Reihe geschalteten Kreuzstromwärmetauschern und
trotzdem auch mit sehr geringen Kanalhöhen der Wärmetauscherflachrohre zu verwenden.
Bei geringen Umgebungstemperaturen zeigt sich aufgrund der Reihenschaltung
und der geringen Kanalhöhen
z. T. eine gewisse Verzögerung
im thermischen Anlauf, d. h. bis der gesamte Heizkreislaufkreislauf
mit teilerwärmtem
Kühlmittel
befüllt
ist. Um diesen thermischen Anlauf zu beschleunigen ist es besonders
vorteilhaft, wenn ein Ventil, welches insbesondere ein ab einer
bestimmten Druckdifferenz öffnendes
Ventil ist, bei extrem niedrigen Kühlmitteltemperaturen eine, mehrere
oder alle Kreuzstromwärmetauscherstufen temporär partiell
oder komplett bypasst. 10 zeigt ein entsprechendes
Ventil V202 an einem erfindungsgemäßen Heizungswärmetauscher.
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Besonders
günstig
ist es in diesem Zusammenhang, wenn im Bypassbetrieb die dem kalten Lufteintritt
zugewandte(n) Wärmetauscherstufe(n) bevorzugt
mit warmem Kühlmittel
beaufschlagt wird und somit das Kühlmittel in der (den) luftseitig
nachfolgenden Stufe(n) über
die Luft erwärmt,
so dass diese über
die Abnahme der Kühlmittelviskosität nach und
nach mehr durchströmt
werden.
-
Es
wurde bereits mehrfach diskutiert, dass es für die erfindungsgemäße Vorgehensweise
vielfach sehr vorteilhaft ist, sich von den bisherigen Vorgaben
in den Lastenheften für
Heiz-Klimageräte
bezüglich
des Kühlmitteldurchsatzes
bzw. des Luftdurchsatzes zu lösen
und größere Druckverluste
am Heizungswärmetauscher
zuzulassen. Dies betrifft sowohl die Luftseite als auch die Kühlmittelseite. Speziell
bei Motoren, die positiv auf eine große thermische Spreizung reagieren,
ist es vielfach von Vorteil, bereits den Heizungswärmetauscher
so auszulegen, dass er im Vergleich zum heutigen Standard für gelötete Heizungswärmetauscher
nicht kühlmittelseitige
Druckverluste in der Größenordnung
von 7–25 mbar
bei 5 l/min und 80°C
Kühlmitteldurchsatz
erzeugt sondern mehr als 40 mbar. Obwohl also die erfindungsgemäße Erhöhung des
Bauvolumens bzw. der Bautiefe grundsätzlich eine auf den ersten
Blick als attraktiv erscheinende Absenkung des kühlmittelseitigen Druckverlusts
prinzipiell begünstigt,
ist es bei solchen Motoren vielfach besser, das Druckpotential in
eine Verbesserung des kühlmittelseitigen
Wärmeübergangs
zu investieren. Dies kann u. a. über
eine Reduktion der Kühlmittelkanalhöhe der Wärmetauscherrohre
erfolgen oder über
eine Erhöhung
der Anzahl an Kreuz- Gegenstromstufen
oder lediglich über druckverlusterhöhende Maßnahmen,
die für
eine gleichmäßigere Kühlmittedurchströmung der
Wärmetauscherrohre
sorgen.
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Ebenso
wie auf der Wasserseite zeigt die praktische Erprobung auch auf
der Luftseite, dass eine luftseitige Druckverlusterhöhung am
Heizungswärmetauscher
bis hin zum Faktor 2 im Vergleich zu heutigen Großserienbeispielen
durchaus zu verkraften ist. Dies liegt insbesondere daran, dass
der Heizungswärmetauscher
nur einen vergleichsweise geringen Anteil am Gesamtdruckverlust
auf der Luftseite ausmacht, zum anderen daran, dass ein geringfügiger Abfall
des Luftmassenstroms den Wärmetauscher
vielfach in einen etwas günstigeren
Bereich des Wärmenutzungsgrades
Phi verlagert und darüber
hinaus auch die Wärmeverluste
durch das Ausströmen
teilerwärmter
Kabinenluft aus dem Fahrzeuginnern etwas mindert. Vor diesem Hintergrund
hat es sich nicht nur als machbar, sondern in vielen Fällen auch
als besonders vorteilhaft erwiesen, auch bei hochkompakter Wärmetauschermatrix,
d. h. insbesondere bei Rohr-Mittenabsanden t_Rohr unter 7 mm, eine
Bautiefe der Wärmetauschermatrix
in Luftströmungsrichtung
von mehr als 48 mm, insbesondere bis hin zu 58 mm und mehr, zu wählen und/oder
einen isothermen luftseitigen Druckverlust am Heizungswärmetauscher
von mehr als 200Pa bei 6 kg/min Luft von 25°C zuzulassen. Im Vergleich speziell
zu den hochkompakten Varianten an Großserienwärmetauschern gemäß 4 ist
das sowohl eine ganz erhebliche Erhöhung der Bautiefe – die größte Matrixbautiefe
in Luftströmungsrichtung
bei den Varianten mit weniger als 7 mm Rohrmittenabstand betragt
dort 27 mm – als
auch eine ganz erhebliche luftseitige Druckverlusteröhung, doch
hat sich dies beim Einbau von Prototypen des erfindungsgemäßen Heizgeräts in heutige
Großserien-PKW
durchaus als vorteilhaft erwiesen.
-
Die
Fertigung eines erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers
gestaltet sich angesichts der obigen Ausführungen relativ einfach, da
bereits großserieinerprobte
Werkzeuge und Halbzeuge für die
Wärmetauscher-Flachrohre,
die luftseitigen Rippen und auch für den Füge- bzw. Lötvorgang verwendet werden können. Für eine ganz
besonders schnelle Serieneinführung
ist jedoch eine Vorgehensweise besonders vorteilhaft, die bereits
in Großserie
gefertigte Heizungswärmetauscher
verwendet. Der durch den Entfall des PTC gewonnene Bauraum ermöglicht es
hier in manchen Fahrzeugen einfach zwei oder mehr im Kreuzgegenstrom
in Reihe geschaltete Einzelwärmetauscher
zu verwenden, die weitgehend baugleich sind mit bereits in Grosserie
gefertigten Einzelheizungswärmetauschern.
Im einfachsten Fall wenden einfach zwei hochkompakte gelötete Heizungswärmetauscher über die
Kühlmittelzu-
und -ableitung oder über
eine Anpassung des Wasserkastens in Reihe geschaltet. Die geringe
Bautiefe in Luftströmungsrichtung
einiger hochkompakter Heizungswärmetauscher
lässt dies
bei Entfall des PTC-Zuheizers auch bei heutigen Heizgeräten bereits
mit rel. geringen Änderungen
am Heizgerätegehäuse zu.
Bei geeigneter Auswahl des Heizungswärmetauschers und gegebenenfalls
mittels leichter Änderungen
am Wasserkasten sind auf diesem Wege durchaus auch 3 und mehr Kreuzgegenstromstufen
mit vertretbarem Aufwand realisierbar. Dies ist immer noch wesentlich kostengünstiger
als die Verwendung eines PTC-Zuheizers und liefert gleichzeitig
die erfindungsgemäßen Vorteile
bezüglich
des Kraftstoffverbrauchs.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist grundsätzlich
an Fahrzeugen mit und ohne Kühlerbypasszweig 6b verwendbar.
Dabei ist zu beachten, dass im Falle ohne Bypasszweig 6b bei
geschlossenem Kühlerzweig 6a eine
hinreichende Kühlmittelmenge
durch den Motor strömt,
zum einen um eine lokale Motorüberhitzung
bei erhöhter
Motorlast sicher zu vermeiden, zum anderen um eine saubere Regelung
des Kühlerthermostaten
während
des Thermostatöffnungsvorgangs
sicherzustellen. Vor diesem Hintergrund ist es ohne Bypasszweig 6b insbesondere
vorteilhaft, den Heizungswärmetauscherzweig
für einen
höheren
Durchfluss auszulegen und/oder einen zum Heizungswärmetauscher
parallelen und zumindest bei warmer Motor immer offenen Zweig vorzusehen.
In der Regel wird man in diesem Fall bevorzugt den erfindungsgemäßen Heizungswärmetauscher
mit noch etwas mehr Bauvolumen versehen und eine Auslegung in Richtung
höheren Heizungskühlmitteldurchflusses
vornehmen.