DE102007038328A1

DE102007038328A1 - Kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät

Info

Publication number: DE102007038328A1
Application number: DE102007038328A
Authority: DE
Inventors: Michael Humburg; Bernd Jebavy
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: DE102007038328B4

Abstract

Ein kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät umfasst einen Brennerbereich und einen im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs von im Brennerbereich generierten Verbrennungsabgasen durchströmbaren Wärmetauscherkörper, welcher an seiner Außenseite eine Mehrzahl von von zu erwärmender Luft umströmbaren Wärmeübertragungsvorsprüngen aufweist, ferner umfassend einen den Wärmetauscherkörper wenigstens bereichsweise überdeckenden Flüssigkeitsbehälter, dessen dem Wärmetauscherkörper zugewandt positionierte Behälterwandung wenigstens im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs in Wärmeübertragungskontakt mit wenigstens einem Teil der Wärmeübertraungsvorsprünge steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät. Ein derartiges Heizgerät kann beispielsweise in einem Wohnmobil oder einem Wohnwagen eingesetzt werden, um sowohl in den Innenraum einzuleitende Luft zu erwärmen, als auch beispielsweise Brauchwasser zu erwärmen.
Bei bekannten Geräten ist der Aufbau im Allgemeinen derart, dass die erwärmte Heizluft auch dazu genutzt wird, das Brauchwasser zu erwärmen, beispielsweise dadurch, dass nach Erwärmung der Heizluft an einem Wärmetauscherkörper des Fahrzeugheizgerätes diese erwärmte Heizluft einen Brauchwasserbehälter umströmt. Dies bedeutet, dass zum Erwärmen des Brauchwassers zwangsweise auch Luft erwärmt werden muss, was aufgrund der vergleichsweise geringen Temperaturdifferenz zwischen der Heizluft und dem Brauchwasser zu einem langdauernden Prozess führt. Ist überdies die Bereitstellung von Heizluft nicht erforderlich, also beispielsweise im Sommerbetrieb, muss dafür gesorgt werden, dass die erwärmte Heizluft nicht in den Innenraum geleitet wird, sondern nach außen abgegeben wird, was zu einer geringen Effizienz des Gesamtsystems führt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät vorzusehen, mit welchem in effizienter Art und Weise die in einem Brennerbereich des Fahrzeugheizgerätes bereitgestellte Wärmeenergie sowohl zur Erwärmung von Luft als auch zur Erwärmung von Flüssigkeit, beispielsweise Brauchwasser, genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät, umfassend einen Brennerbereich und einen im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs von im Brennerbereich generierten Verbrennungsabgasen durchströmbaren Wärmetauscherkörper, welcher an seiner Außenseite eine Mehrzahl von von zu erwärmender Luft umströmbaren Wärmeübertragungsvorsprüngen aufweist, ferner umfassend einen den Wärmetauscherkörper wenigstens bereichsweise überdeckenden Flüssigkeitsbehälter, dessen dem Wärmetauscherkörper zugewandt positionierte Behälterwandung wenigstens im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs in Wärmeübertragungskontakt mit wenigstens einem Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge steht.
Mit einem derartigen Fahrzeugheizgerät, mit welchem sowohl Luft als auch Flüssigkeit erwärmt werden kann, wird die Erwärmung der Flüssigkeit, also beispielsweise von in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltenem Brauchwasser, durch direkten Wärmeübertragungskontakt zwischen dem Wärmetauscherkörper, nämlich den Wärmeübertragungsvorsprüngen desselben, und dem Flüssigkeitsbehälter realisiert. Die gegebenenfalls auch zu erwärmende Luft ist in diesen Prozess nicht involviert. Dies bedeutet, dass dann, wenn nur Flüssigkeit, jedoch keine Luft zu erwärmen ist, im Wesentlichen die gesamte verfügbare Energie dazu nutzbar ist, Flüssigkeit zu erwärmen. Ein unnötiger Wärmeabtrag durch an sich nicht zu erwärmende Luft tritt nicht auf.
Um den Wärmeübertrag im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs noch effizienter zu gestalten, gleichwohl jedoch den Zusammenbau vereinfachen zu können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge in einem Außerbetriebszustand des Brennerbereichs nicht in Wärmeübertragungskontakt mit der Behälterwandung steht. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Behälterwandung den Wärmetauscherkörper ringartig umgibt.
Um bei derartiger Gestaltung dafür zu sorgen, dass bei thermischer Ausdehnung des Wärmetauscherkörpers durch die Möglichkeit, sich zu verformen, eine Beschädigung der Behälterwandung vermieden werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Behälterwandung den Wärmetauscherkörper mit nicht kreisringartiger Konfiguration umgibt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Behälterwandung den Wärmetauscherkörper mit ovaler oder elliptischer Konfiguration umgibt.
Die Wärmeübertragungsvorsprünge können als sich im Wesentlichen in einer Luftströmungsrichtung erstreckende Rippen ausgebildet sein, so dass der Luftströmung bei sehr großer Wechselwirkungslänge ein möglichst geringer Strömungswiderstand entgegengesetzt wird.
Ein weiterer Beitrag zur verbesserten thermischen Wechselwirkung zwischen dem Warmetauscherkorper und dem Flüssigkeitsbehälter kann dadurch erhalten werden, dass die Wärmeübertragungsvorsprünge in ihrem zum Wärmeübertragungskontakt mit der Behälterwandung vorgesehenen Bereich erweitert ausgebildet sind.
Um bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät auch die Wärmeaufnahme von den im Wärmetauscherkörper strömenden Verbrennungsabgasen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass wenigstens einem Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge diese an der Innenseite des Wärmeübertragungskörpers fortsetzende Wärmeaufnahmevorsprünge zugeordnet sind.
Der Wärmetauscherkörper kann aus einem Material mit größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Behälterwandung ausgebildet sein. Dies führt dazu, dass bei Erwärmung, also Übergang in den Verbrennungsbetriebszustand, der Wärmetauscherkörper sich stärker ausdehnen wird, als der Flüssigkeitsbehälter bzw. die Behälterwandung desselben, sodass sichergestellt ist, dass ein zuverlässiger Kontakt zwischen den Wärmeübertragungsvorsprüngen und der Behälterwandung hergestellt werden kann.
Da bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerät in verschiedenen Zuständen zwar Verbrennungsluft erforderlich ist, jedoch keine Heizluft, wird weiter vorgeschlagen, dass der Brennerbereich ein Verbrennungsluftgebläse und ein davon unabhängig betreibbares Heizluftgebläse umfasst.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
1: eine teilweise prinzipartig dargestellte Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerätes;
2: eine Schnittansicht des Fahrzeugheizgeräts der 1, geschnitten längs einer Linie II-II in 1;
3: die in 2 erkennbare Schnittdarstellung eines Wärmetauscherkörpers;
4: eine Längsschnittansicht eines Flüssigkeitsbehälters für das erfindungsgemäße Fahrzeugheizgert.
In 1 ist ein Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät allgemein mit 10 bezeichnet. Dieses Heizgerät 10 umfasst einen Brennerbereich 12, in welchem durch Verbrennung eines aus Verbrennungsluft und Brennstoff generierten Gemisches Verbrennungsabgase entstehen, die aus einer Brennkammer 14 in ein Flammrohr 16 strömen. Im Bereich einer Öffnung 18 des Flammrohrs verlassen die Verbrennungsabgase das Flammrohr 16 und treffen auf eine Bodenwandung 20 eines im Wesentlichen mit topfartiger Struktur gebildeten Wärmeaustauscherkörpers 22. Eine an die Bodenwandung 20 anschließende Umfangswandung 24 umgibt das Flammrohr 20 und bildet mit diesem einen Rückströmraum 26 für die Verbrennungsabgase. Bei diesem Rückströmen nimmt die Umfangswandung 24 Wärme aus den Verbrennungsabgasen auf, so dass die Verbrennungsabgase an einem Auslass 28 abgekühlt austreten, beispielsweise zu einem Abgasnachbehandlungssystem in einem Fahrzeug.
Im Brennerbereich 12 ist ferner ein schematisch angedeutetes Verbrennungsluftgebläse 30 vorgesehen, das beispielsweise als Seitenkanalge bläse ausgebildet sein kann. Ein Förderrad 32, angetrieben durch einen An triebselektromotor 34, fördert die zur Erzeugung des verbrennungsfähigen Gemisches erforderliche Verbrennungsluft in die Brennkammer 14. Das Verbrennungsluftgebläse 30 kann an einem erweiterten Bereich des Wärmetauscherkörpers 20 festgelegt und dort getragen sein. Ein Heizluftgebläse 36 umfasst ebenfalls ein von einem Antriebselektromotor 38 angetriebenes Förderrad 40. Der Elektroantriebsmotor 38 und der Elektroantriebsmotor 34 stehen unter der Ansteuerung einer Ansteuervorrichtung 42, die, je nach erforderlichem Betrieb, einen oder beide dieser Elektroantriebsmotoren 34, 38 in Betrieb setzt und die darüber hinaus verschiedene weitere Systemkomponenten, beispielsweise eine Dosierpumpe oder ein Zündorgan, aktiviert, um den Verbrennungsbetrieb zu starten.
Der Wärmetauscherkörper 22 weist an der Umfangswandung 24 sich an der Innenseite derselben in Richtung einer Längsmittenachse A des Wärmetauscherkörpers 22 erstreckende Wärmeaufnahmerippen 44 auf. Diese Wärmeaufnahmerippen 24 vergrößern die Gesamtoberfläche, an welcher die Verbrennungsabgase Wärme auf den Wärmetauscherkörper 22 übertragen können. An der Außenseite der Umfangswandung 24, also der nicht von den Verbrennungsabgasen umströmten Seite, sind mehrere Wärmeübertragungsrippen 46 vorgesehen, die vorzugsweise dort positioniert sind, wo auch Wärmeaufnahmerippen 44 angeordnet sind, so dass jeweils eine Wärmeübertragungsrippe 46 eine Wärmeaufnahmerippe 44 im Wesentlichen in radialer Richtung fortsetzt. An ihren von der Umfangswandung 24 entfernt liegenden Endbereichen sind die Wärmeübertragungsrippen 46 mit Erweiterungen 48 ausgebildet, so dass diese eine im Wesentlichen T-förmige Schnittkonfiguration aufweisen und die Erweiterungen 48 einen beispielsweise kreisartigen Gesamtumfang definieren.
Im Bereich der Wärmeübertragungsrippen 46 ist der Wärmetauscherkörper 22 von einem doppelwandigen Flüssigkeitsbehälter 50 umgeben. Dieser Flüssigkeitsbehälter 50 umfasst eine innere Behälterwandung 52 und eine äußere Behälterwandung 54, die, wie dies vor allem auch die 2 verdeutlicht, nicht konzentrisch zueinander angeordnet sein müssen. In axialer Richtung ist der Flüssigkeitsbehälter 50 durch zwei ringscheibenartige Stirnwände 56, 58 abgeschlossen.
Der Wärmetauscherkörper 22 ist in den von dem Flüssigkeitsbehälter 50 umgebenen Raum eingeführt und in diesem näherungsweise zentrisch angeordnet, wie dies die 2 zeigt. Dabei kann die Konfiguration derart sein, dass im Kaltzustand, also beispielsweise bei nicht betriebenem Brennerbereich 12, die Wärmeübertragungsrippen 46 bzw. deren Umfangerweiterungen 48 zumindest zum Teil in Abstand zur inneren Behälterwandung 52 liegen. Bei Inbetriebnahme des Brennerbereichs 12 und dabei auftretender Erwärmung des Wärmetauscherkörpers 22 wird dieser sich ausdehnen, so dass die Erweiterungen 48 näher an die innere Behälterwandung 52 heran rücken bzw. diese kontaktieren und auch fest gegen diese gepresst werden. Um dabei eine geringe Verformbarkeit der Behälterwandung 52 zu gewährleisten, kann diese mit nicht kreisrunder Konfiguration, also beispielsweise ovaler oder elliptischer Konfiguration, ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise wird einerseits ein sehr fester Kontakt mit guter thermischer Übertragung gewährleistet. Andererseits wird der Zusammenbau erleichtert, da der Wärmetauscherkörper 22 mit geringfügigem Spiel bezüglich der Behälterwandung 52 eingeführt werden kann und dann beispielsweise durch im Bereich der Stirnwandungen 56, 58 angeordnete Träger mit diesem fest verbunden werden kann. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der in der 2 erkennbare Zwischenraum zwischen den Erweiterungen 48 und der inneren Behälterwandung 52 übertrieben dargestellt ist.
Um den vorangehend beschriebenen Effekt durch verschiedene thermische Ausdehnungseigenschaften zu erreichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Wärmetauscherkörper 22 aus einem Material aufgebaut ist, dass bei Erwärmung sich stärker ausdehnt als das Material der Behälterwandung 52. Beispielsweise kann die Behälterwandung 52 bzw. der gesamte Flüssigkeitsbehälter 50 aus Edelstahlblech aufgebaut sein, während der Wärmetauscherkörper 22 aus Aluminiummaterial oder aluminium haltigem Material aufgebaut sein kann.
Im Verbrennungsbetriebszustand, also bei Verbrennungsluft förderndem Verbrennungsluftgebläse 30, wird die im Brennerberich 12 generierte Wärme durch die Verbrennungsabgase auf den Wärmetauscherkörper 22 übertragen. Die Wärmeübertragungsrippen 46 leiten die Wärme nach radial außen und über ihre Erweiterungen 48 in die innere Behälterwandung 52 ein. Somit wird durch Wärmeleitung der Flüssigkeitsbehälter 50 und damit die darin enthaltene Flüssigkeit, also beispielsweise das Brauchwasser für ein Wohnmobil, erwärmt. Soll zusätzlich auch die Innenluft erwärmt werden, wird auch das Heizluftgebläse 36 aktiviert. Die von diesem geförderte Heizluft strömt durch ein nicht weiter dargestelltes Gehäuse in den Zwischenraum 60 zwischen der Umfangswandung 24 und der inneren Behälterwandung 52 und nimmt dabei von den Übertragungsrippen 46 Wärme auf. Die Heizluft tritt aus diesem Zwischenraum 60 in 1 rechts aus und kann dann in den zu erwärmenden Innenraum geleitet werden.
Da bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät 10 also die beiden Gebläse 30 und 36 voneinander unabhängig betrieben werden können, ist es möglich, die Medien Flüssigkeit und Luft völlig unabhängig voneinander zu erwärmen. Soll die Luft nicht erwärmt in den Fahrzeuginnenraum geleitet werden, so kann bei nicht aktivierten Brennerbereich 12 das Heizluftgebläse 36 in Betrieb gesetzt werden, sodass dann die geförderte Luft als Frischluft in den Fahrzeuginnenraum eingeleitet werden kann.
Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass selbstverständlich bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerät verschiedenste Änderungen im Umfang der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. So müssen beispielsweise nicht notwendigerweise die Wärmeübertragungsrippen und die Wärmeaufnahmerippen jeweils im gleichen Umfangsbereich liegen. Auch muss nicht jeder Wärmeübertragungsrippe eine Wärmeaufnahmerippe zugeordndet sein. Die Wärmeübertragungsrippen können eine von der gezeigten T-förmigen Querschnittskonfiguration selbstverständlich abwei chende Konfiguration aufweisen. Beispielsweise kann auch eine L-förmige Ausgestaltung zu einer vergleichsweise großen Kontaktfläche mit der inneren Behälterwandung beitragen.

Claims

Kombiniertes Luft-/Flüssigkeits-Fahrzeugheizgerät, umfassend einen Brennerbereich (12) und einen im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs (12) von im Brennerbereich (12) generierten Verbrennungsabgasen durchströmbaren Wärmetauscherkörper (22), welcher an seiner Außenseite eine Mehrzahl von von zu erwärmender Luft umströmbaren Wärmeübertragungsvorsprüngen (46) aufweist, ferner umfassend einen den Wärmetauscherkörper (22) wenigstens bereichsweise überdeckenden Flüssigkeitsbehälter (50), dessen dem Wärmetauscherkörper (22) zugewandt positionierte Behälterwandung (52) wenigstens im Verbrennungsbetriebszustand des Brennerbereichs (12) in Wärmeübertragungskontakt mit wenigstens einem Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge (46) steht.
Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge (46) in einem Außerbetriebszustand des Brennerbereichs (12) nicht in Wärmeübertragungskontakt mit der Behälterwandung (52) steht.
Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung (52) den Wärmetauscherkörper (22) ringartig umgibt.
Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung (52) den Wärmetauscherkörper (22) mit nicht kreisringartiger Konfiguration umgibt.
Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung (52) den Wärmetauscherkörper (22) mit ovaler oder elliptischer Konfiguration umgibt.
Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorsprünge (46) als sich im Wesentlichen in einer Luftströmungsrichtung erstreckende Rippen ausgebildet sind.
Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorsprünge (46) in ihrem zum Wärmeübertragungskontakt mit der Behälterwandung (52) vorgesehenen Bereich erweitert ausgebildet sind.
Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Teil der Wärmeübertragungsvorsprünge (46) diese an der Innenseite des Wärmeübertragungskörpers (22) fortsetzende Wärmeaufnahmevorsprünge (26) zugeordnet sind.
Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherkörper (22) aus einem Material mit größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Behälterwandung (52) ausgebildet ist.
Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerbereich (12) ein Verbrennungsluftgebläse (30) und ein davon unabhängig betreibbares Heizluftgebläse (36) umfasst.