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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager für eine Fahrzeugklimaanlage.
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Aufgrund von Effizienzsteigerungen bei Verbrennungsmotoren steht nutzbare Abwärme der Verbrennungsmotoren teilweise nur noch unzureichend zur Verfügung. Dadurch kann beispielsweise bei kaltem Wetter eine Scheibenheizung in einem Fahrzeug sehr spät Wirkung zeigen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Wärmeübertrager für eine Fahrzeugklimaanlage zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager für eine Fahrzeugklimaanlage gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine gute Heizleistung eines Lufterhitzers bei geringem zur Verfügung stehendem Energiebudget eine zweistufige Erwärmung von Luft vorteilhaft ist. Im Vergleich zu einer einstufigen Erwärmung ermöglicht die zweistufige Erwärmung eine höhere Austrittstemperatur der Luft aus dem Lufterhitzer und eine niedrigere Austrittstemperatur eines Wärmeübertragungsmediums aus dem Lufterhitzer.
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Dabei kann in einer Lufteintritts-Stufe eine größere Wärmeübergangsfläche zur Verfügung gestellt werden, als in einer Luftaustritts-Stufe. Dadurch kann ein hoher Temperaturgradient zwischen einströmender Luft und der Wärmeübergangsfläche der Lufteintritts-Stufe für die Erwärmung genutzt werden. Die kleinere Wärmeübergangsfläche der Luftaustritts-Stufe genügt, um den niedrigeren Temperaturgradient zwischen der Luft am Eintritt in die Luftaustritts-Stufe und der Wärmeübergangsfläche der Luftaustritts-Stufe weiter zu verringern. In einen dadurch freiwerdenden Raum kann eine zusätzliche Wärmequelle eingebracht werden, um eine eventuell fehlende Wärmemenge an den Luftstrom abzugeben.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Wärmeübertrager für eine Fahrzeugklimaanlage, wobei der Wärmeübertrager die folgenden Merkmale aufweist:
eine erste Wärmeübertragermatrix zum Übertragen von Wärmeenergie aus einem Fluidstrom auf einen Luftstrom, wobei die erste Wärmeübertragermatrix sich vollständig über eine Querschnittsfläche eines Luftdurchlasses des Wärmeübertragers erstreckt; und
eine zweite Wärmeübertragermatrix zum Übertragen von Wärmeenergie aus dem Fluidstrom auf den Luftstrom, wobei die zweite Wärmeübertragermatrix anschließend an die erste Wärmeübertragermatrix und im Betrieb luftstromabwärts angeordnet ist, wobei die zweite Wärmeübertragermatrix sich abzüglich zumindest einer Aufnahmeöffnung für einen Zuheizer vollständig über die Querschnittsfläche erstreckt.
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Unter einem Wärmeübertrager kann ein flüssigkeitsgespeister Heizkörper für Luft verstanden werden. Eine Wärmeübertragermatrix kann ein Gitter aus erwärmbaren Wärmeübertragungsflächen sein, an dem die Luft vorbeiströmen kann, um mittels Konvektion Wärmeenergie aufzunehmen. Die Wärmeübertragermatrix kann quer zu dem Luftstrom angeordnet sein. Die zweite Wärmeübertragermatrix kann direkt an die erste Wärmeübertragermatrix anschließen und Kontakt zu der ersten Wärmeübertragermatrix haben. Die Aufnahmeöffnung und/oder die zweite Wärmeübertragermatrix können Befestigungseinrichtungen für den Zuheizer aufweisen.
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Die zweite Wärmeübertragermatrix kann einen Verteilerkasten mit einer Einströmöffnung für den Fluidstrom aufweisen. Die erste Wärmeübertragermatrix kann einen Sammelkasten mit einer Ausströmöffnung für den Fluidstrom aufweisen. Dabei können die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix über einen Umlenkkasten fluidisch verbunden sein. Ein Verteilerkasten kann eine Einrichtung zum Aufteilen des Fluidstroms auf eine Mehrzahl von Teilströmen sein. Ein Sammelkasten kann eine Einrichtung zum Vereinen der Mehrzahl von Teilströmen zu dem Fluidstrom sein. Ein Umlenkkasten kann Einrichtung zum Ändern einer Richtung der Mehrzahl von Teilströmen oder des Fluidstroms sein. Beispielsweise kann der Umlenkkasten dazu ausgebildet sein, den Fluidstrom nach der zweiten Wärmeübertragermatrix aus einer Ebene der zweiten Wärmeübertragermatrix heraus umzulenken und in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Flussrichtung in der zweiten Wärmeübertragermatrix in die erste Wärmeübertragermatrix einzuleiten. Durch eine Fluidführung in Verteilerkasten, Umlenkkasten und Sammelkasten kann der Wärmeübertrager besonders kompakt und energetisch günstig ausgeführt werden.
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Der Verteilerkasten, der Umlenkkasten und der Sammelkasten können außerhalb des Durchlasses angeordnet sein. Dadurch kann ein Strömungswiderstand für durchströmende Luft gering gehalten werden.
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Ferner können die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix eine Mehrzahl von Flachrohren zum Führen des Fluidstroms aufweisen, die quer zum Luftdurchlass voneinander beabstandet angeordnet sind. Die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix können eine Mehrzahl von Wellrippen aufweisen, die wärmeleitend mit den Flachrohren verbunden und zwischen den Flachrohren angeordnet sind. Dabei können die Wellrippen und Flachrohre Zwischenräume ausbilden, die dazu ausgebildet sind, von dem Luftstrom durchströmt zu werden. Ein Flachrohr kann aus einem wärmeleitenden Material sein. Das Flachrohr kann zwei gegenüberliegende flache Seiten aufweisen, um eine große Umfangslänge in Bezug auf eine Querschnittsfläche aufzuweisen. Eine Wellrippe kann ein wellenförmig ausgeformtes Blech sein, das dazu ausgebildet ist, wärmeleitend mit zumindest einer Flachseite eines Flachrohrs verbunden zu werden und Wärme aus dem Flachrohr abzuleiten und an vorbeistreichende Luft abzugeben. Durch eine Kombination von Flachrohren und Wellrippen kann eine besonders große Oberfläche zur Wärmeübertragung bereitgestellt werden. Durch Flachrohre und Wellrippen kann der Wärmeübertrager besonders einfach und wirtschaftlich hergestellt werden.
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Ferner kann sich die Aufnahmeöffnung von einem ersten Rand des Durchlasses bis zu einem gegenüberliegenden zweiten Rand des Durchlasses erstrecken. Die Aufnahmeöffnung kann parallel zu Strukturelementen der zweiten Wärmeübertragermatrix ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die Aufnahmeöffnung von einer Einlaufseite der zweiten Wärmeübertagermatrix bis zu einer Auslaufseite der zweiten Wärmeübertragermatrix verlaufen. Dadurch kann die Wärmeübertragermatrix besonders einfach gestaltet werden. Der Fluidstrom kann um die Aufnahmeöffnung herum geleitet werden.
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Ferner kann die Aufnahmeöffnung eine Tiefe von einer Einströmkante der zweiten Wärmeübertragermatrix bis zu einer Ausströmkante der zweiten Wärmeübertragermatrix aufweisen. Die Aufnahmeöffnung kann die zweite Wärmeübertragermatrix vollständig durchdringen. Dadurch kann ein Flüssigkeitswiderstand für den Fluidstrom in der zweiten Wärmeübertragermatrix vorherbestimmt werden. Weiterhin kann die Aufnahmeöffnung dann Platz aufweisen, um den Zuheizer vollständig aufzunehmen.
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Ferner kann die zweite Wärmeübertragermatrix zumindest eine weitere Aufnahmeöffnung für einen weiteren Zuheizer aufweisen. Die weitere Aufnahmeöffnung kann dazu ausgebildet sein, den weiteren Zuheizer aufzunehmen. Dadurch kann der Luftstrom gleichmäßig durch die zweite Wärmeübertragermatrix strömen. Weiterhin kann die Wärmeenergie gleichmäßiger auf den Luftstrom verteilt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Wärmeübertrager den zumindest einen Zuheizer umfassen, der dazu ausgebildet ist, Wärmeenergie auf den Luftstrom zu übertragen. Der Zuheizer kann eine Zuheizermatrix aufweisen und in der zumindest einen Aufnahmeöffnung angeordnet sein. Unter einem Zuheizer kann ein Heizkörper verstanden werden, der zusätzliche Wärmeenergie bereitstellen kann. Dadurch kann der Luftstrom stärker erwärmt werden, als durch Wärmeenergie aus dem Fluidstrom alleine. Falls der Fluidstrom wenig Wärmeenergie bereitstellen kann, kann der Zuheizer ein Mindestmaß an Wärmeenergie für wichtige Funktionen der Klimaanlage bereitstellen. Eine Zuheizermatrix kann ein Gitter aus beispielsweise Wellrippen und Heizrippen sein. Der Luftstrom kann durch die Zuheizermatrix hindurch strömen.
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Der zumindest eine Zuheizer kann zumindest einen elektrischen Heizwiderstand und einen elektrischen Anschluss aufweisen. Unter einem elektrischen Heizwiderstand kann ein elektrischer Kaltleiter verstanden werden, der bei höherer Temperatur einen höheren elektrischen Widerstand aufweist. Durch einen Kaltleiter kann eine Schädigung des Zuheizers durch unkontrollierten Wärmeeintrag bei Stromfluss verhindert werden. Unter einem elektrischen Anschluss kann eine Kontaktstelle zum Übertragen von elektrischer Energie auf den Zuheizer verstanden werden. Durch eine elektrische Ausführung des Zuheizers kann Wärme aus elektrischer Energie bereitgestellt werden, wenn wenig oder keine Wärme aus dem Fluidstrom bereitgestellt werden kann. Der elektrische Heizwiderstand kann in der Zuheizermatrix oder in Seitenteilen des Zuheizers angeordnet sein.
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Ferner kann der zumindest eine Zuheizer die Aufnahmeöffnung vollständig ausfüllen. Dadurch kann der Luftstrom gleichmäßig durch den Wärmeübertrager strömen, da der Wärmeübertrager einen homogenen Luftwiderstand aufweisen kann.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b eine Darstellung eines elektrischen Zuheizers zum integrieren in den Wärmeübertrager;
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2 eine Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eines elektrischen Zuheizers zum Integrieren in den Wärmeübertrager;
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3 eine geschnittene Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eines elektrischen Zuheizers zum Integrieren in den Wärmeübertrager;
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4a eine Funktionsdarstellung eines Wärmeübertragers mit einem elektrischen Zuheizer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4b eine geschnittene Funktionsdarstellung eines Wärmeübertragers mit einem elektrischen Zuheizer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1a zeigt einen Wärmeübertrager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine Fahrzeugklimaanlage. Dabei kann es sich um einen hocheffizienten Heizkörper, einen sogenannten Hochleistungsheizköper, mit einer Aufnahmeöffnung für einen integrierbaren elektrischen Zuheizer handeln, wie er in 1b gezeigt ist.
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Der Wärmeübertrager 100 weist eine erste Wärmeübertragermatrix 102 und eine zweite Wärmeübertragermatrix 104 zum übertragen von Wärmeenergie aus einem Fluidstrom auf einen Luftstrom auf. Die erste Wärmeübertragermatrix 102 erstreckt sich vollständig über eine rechteckige Querschnittsfläche eines Luftdurchlasses des Wärmeübertragers 100. Die zweite Wärmeübertragermatrix 104 ist direkt anschließend an die erste Wärmeübertragermatrix 102 angeordnet. Im Betrieb ist die zweite Wärmeübertragermatrix 104 luftstromabwärts von der ersten Wärmeübertragermatrix 104 angeordnet. Die zweite Wärmeübertragermatrix 104 erstreckt sich abzüglich einer gemäß diesem Ausführungsbeispiel rechteckigen Aufnahmeöffnung 106 für einen Zuheizer 108 vollständig über die Querschnittsfläche des Luftdurchlasses des Wärmeübertragers 100. Die Aufnahmeöffnung 106 erstreckt sich über eine gesamte Breite und über ca. ein Drittel der der Querschnittsfläche des Luftdurchlasses. Die zweite Wärmeübertragermatrix 104 weist einen Verteilerkasten 110 mit einer Einströmöffnung 112 für den Fluidstrom auf. Die erste Wärmeübertragermatrix 102 weist einen Sammelkasten 114 mit einer Ausströmöffnung 116 für den Fluidstrom auf. Die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix 102, 104 sind über einen Umlenkkasten 118 fluidisch verbunden. der Umlenkkasten 118, der Sammelkasten 114 und der Verteilerkasten 110 sind außerhalb des Luftdurchlasses angeordnet. Die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix 102, 104 weisen eine Mehrzahl von Flachrohren zum Führen des Fluidstroms auf, die quer zum Luftdurchlass voneinander beabstandet angeordnet sind. Weiterhin weisen die erste und die zweite Wärmeübertragermatrix 102, 104 eine Mehrzahl von Wellrippen auf, die wärmeleitend mit den Flachrohren verbunden und zwischen den Flachrohren angeordnet sind. Die Wellrippen und Flachrohre bilden Zwischenräume aus, die dazu ausgebildet sind, um im Betrieb des Wärmeübertragers 100 von dem Luftstrom durchströmt zu werden.
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1b zeigt einen Zuheizer 108 für den in 1a gezeigten Wärmieübertrager. Der Zuheizer 108 ist ausgebildet, um in die Aufnahmeöffnung 106 eingesetzt zu werden und diese vollständig auszufüllen. Der Zuheizer 108 weist somit äußere Abmessungen, d. h. Abmessungen in Bezug auf Höhe, Breite und Länge, auf, die den Abmessungen der Aufnahmeöffnung 106 entsprechen. Im eingesetzten Zustand ist der Zuheizer 108 ausgebildet, um Wärmeenergie auf den durch den Wärmeübertrager strömenden Luftstrom zu übertragen. Der Zuheizer 108 weist eine Zuheizermatrix 120, zumindest einen elektrischen Heizwiderstand und einen elektrischen Anschluss 122 auf.
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Mit anderen Worten zeigen die 1a und 1b einen Heizkörper 100 für die Fahrzeugklimatisierung mit hoher spezifischer Heizleistung je Bauraum. Der Heizkörper 100 weist eine Möglichkeit der Integration eines elektrischen Zuheizers 108, beispielsweise eines PTC-Zuheizers, auf, so dass die Bautiefe in Luftrichtung durch die Kombination von Heizkörper 100 und PTC-Zuheizer 108 nicht nennenswert vergrößert wird. So kann ein hohes Heizleistungspotential bei vorgegebenem Bauraum realisiert beziehungsweise erhöht werden. Der wasserseitige Heizkörper 100 und der elektrische Zuheizer 108 können vorgefertigt werden.
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In Kraftfahrzeugen wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen durch einen Heizkörper als Wärmetauscher die Klimatisierung, in diesem Fall die Aufheizung, der Fahrgastkabine sichergestellt. Die dazu benötigte Wärmeenergie wurde bisher weitestgehend durch Motorabwärme zur Verfügung gestellt. Durch die Effizienzsteigerung der Motoren, getrieben durch die Minimierung des Kraftstoffverbrauches, ist das Motorabwärmeangebot so gesunken, dass Zuheizmaßnahmen zur Sicherstellung des Fahrgastkomforts und zum Beispiel zum Betrieb der Scheibenheizung notwendig geworden sind. Dazu werden elektrische Zuheizer (PTC) im Klimagerät vorgesehen, die bei Bedarf den Aufheizkomfort sicherstellen. Da weiterhin ein wasserseitiger Heizkörper 100 im Klimagerät integriert bleibt kann durch die Integration des Zuheizers 108 vermieden werden, dass der Platzbedarf der Komponenten, die zur Luftaufheizung notwendig sind, steigt und damit auch der Gesamtbauraumbedarf eines Klimagerätes im Fahrzeug.
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Durch das in den 1a und 1b gezeigte Ausführungsbeispiel kann das Problem derzeitiger Systeme und Komponenten umgangen werden, dass entweder eine hohe Heizleistung, bei sehr viel notwendigen Bauraum, vor allem in der Tiefe, oder ein kompakter Bauraum bei höherer Leistungsdichte aber geringer absoluter Leistung besteht. Durch das vorgestellte neue Konzept können beide Parameter optimiert werden.
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Dabei kann vermieden werden, dass bei dem Heizkörper mit integriertem PTC die Heizleistung des wasserseitigen Wärmetauschers stark reduziert wird. Es ist nicht erforderlich, dass mehrere Flachrohre und Wellrippen über die ganze Bautiefe entfallen. Der wasserseitige Heizkörper ist relativ unaufwändig in der Herstellung, da nicht jedes wasserseitig durchströmte Flachrohr bearbeitet werden muss. Für die Aufnahme der elektrischen Heizeinheit 108 kann ein Rechteckrohr mit verlötet werden. Sind mehrere Rechteckrohre vorgesehen, so kann in jedes Rechteckrohr eine elektrische Heizeinheit 108 eingebracht werden.
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Werden wasserseitiger Heizkörper und elektrischer Zuheizer separat gefertigt und hintereinander geschaltet ist ein sehr großer Bauraum (Platzbedarf) in der Tiefe (in Luftrichtung) notwendig. Zusätzlich wird dadurch die Leistungsdichte nicht erhöht. Zwischen beiden Komponenten muss auch noch ein Mindestabstand (beispielsweise zur Montage) eingehalten werden. Ein großer Nachteil dieser Ausführung ist es, das die erwärmte Luft des wasserseitigen Heizkörpers (von der Luftaustrittsseite) in den elektrischen Zuheizer (an dessen Lufteintrittsseite) eintritt. In der Regel bestehen die Heizelemente des elektrischen Zuheizers aus PTC-Elementen. Diese Elemente haben die Eigenschaft, dass bei Erhöhung Ihrer Temperatur der elektrische Widerstand stark ansteigt. (Sicherheit gegen Überhitzung). Dieses Verhalten führt jedoch dazu, dass es aufgrund der durch den wasserseitigen Heizkörper vorgewärmten Luft zu einer Abregelung des elektrischen Zuheizers kommt. Der Zuheizer kann so nicht seine „volle” Leistung umsetzen.
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Diese Nachteile können gemäß dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen umgangen werden, indem ein wasserseitiger Heizkörper 100 in Bautiefen größer oder gleich 40 mm mit einer sehr hohen Heizleistung gewählt wird, der durch Integration eines elektrischen Zuheizers 108 die Möglichkeit bietet, ohne Erhöhung des Bauraumvolumens, die Leistungsdichte (Leistung/Volumen) der Gesamtkomponente zu steigern.
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Gezeigt ist eine Kombination eines wasserseitigen Heizkörpers 100 mit einem elektrischen Zuheizer 108 mit einer hohen Heizleistung des wasserseitigen Heizers 100. Um den wasserseitigen Heizkörper 100 für die Integration des elektrischen Zuheizers 108 vorzubereiten ist ein geringer Fertigungsaufwand nötig. Der Heizkörper 100 ist als Heizkörper ohne elektrische Integration und als Heizkörper mit elektrischer Integration auf denselben Fertigungslinien herstellbar. Die Integration des elektrischen Zuheizers 108 benötigt kein zusätzliches Bauvolumen. Der elektrische Zuheizer 108 wird so in den wasserseitigen Heizkörper 100 integriert, dass keine nennenswerte Abregelung der elektrischen Heizleistung, bei Verwendung von PTC-Heizelementen, erfolgt. Der elektrische Heizer 108 kann voll funktionsfähig vorgefertigt werden.
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Ein Hochleistungsheizkörper 100 in zweireihiger Ausführung, vorzugsweise mit einer Kühlmitteldurchströmung mit Umlenkung in der Tiefe UT = 1, weist eine sehr hohe Leistung und auch eine hohe Heizleistungsdichte auf. Die Netztiefe des Heizkörpers 100 ist mit beispielsweise 21–42 mm höher als heute übliche Heizkörper. Aufgrund von geforderten absoluten Mindestheizleistungen sollte die Netztiefe mindestens 40 mm betragen.
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Um einen PTC 108 zu integrieren, werden im wasserseitigen Hochleistungsheizkörper (HLHK) 100 in der ersten Flachrohrreihe 104, dem wasserseitigen Eintritt, Flachrohre und Wellrippen entfernt. Da die Flachrohre in der ersten Flachrohrreihe 104 teilweise entfernt werden, kommt es beim wasserseitigen Heizkörper 100 nur zu einer eher geringen Heizleistungsminderung und nur einem geringen Anstieg des wasserseitigen Druckabfalles. Grund hierfür ist, dass auf der Eintrittsseite 104 die Strömungsgeschwindigkeit in den übrigen Flachrohren erhöht wird und dies den Entfall der anderen Flachrohre zum Teil kompensiert. Der wasserseitige Druckabfall steigt nur moderat an, da das Wasser oder Kühlmittel auf der Eintrittsseite 104 warm ist und eine geringe Viskosität hat. Nach der Umlenkung 118 des Wassers oder Kühlmittels auf die zweite Flachrohrreihe 102, nämlich die Lufteintrittsseite, sind genauso viele Flachrohre wie bei einem bisherigen Heizkörper vorhanden.
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In dem entstanden Freiraum 106 wird ein dafür vorgesehener elektrischer Zuheizer 108 integriert. Der elektrische Zuheizer 108 wird vor dem Einbau funktionsfähig separat aufgebaut und geprüft. Der Einbau-Bauraum bleibt somit gleich, das heißt, ob der Heizkörper 100 mit oder ohne elektrischen Zuheizer 108 ausgestattet ist, ist irrelevant. Dies hat Vorteile beim Klimagerät, da so das Klimagerät für beide Varianten nahezu identisch gestaltet werden kann, das heißt, Heizkörper 100 ohne oder mit integriertem elektrischen Zuheizer 108.
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Würde ein, wie heute üblich, separater elektrischer Zuheizer nach dem Heizkörper eingebaut werden, würden ca. 15 bis 20 mm zusätzliches Bauraumvolumen in Luftrichtung im Klimagerät notwendig sein. Aufgrund der durch den wasserseitigen Heizkörper vorgewärmten Luft könnte der elektrische Zuheizers (bei Verwendung von PTC-Heizelementen) dann abregeln.
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Dadurch dass auf der Lufteintrittsseite 102 eine durchgehende Flachrohrreihe vorhanden ist wird der Druckabfall im Wärmeübertrager 100 wenig beeinflusst. Der kühlmittelseitige Druckabfall im Heiznetz 100 entsteht hauptsächlich in der zweiten Flachrohrreihe, der Lufteintrittsseite 102, bei Umlenkung 118 in der Tiefe, da hier das Kühlmittel kälter wird und sich die Viskosität erhöht. Dadurch, dass nur in der ersten Flachrohreihe 104, der Luftaustrittsseite, Flachrohre entnommen werden, um Raum für die Integration des elektrischen Zuheizers 108 zu gewinnen, bleibt der ”kritische” zweite Pfad, nämlich die zweite Flachhrohrreihe, 102 im Vergleich zum ”Standard”-Heizkörper identisch. Voraussetzung ist jedoch eine Umlenkung 118 der Tiefe und eine zwei reihige Flachrohrauslegung in der Tiefe. Da die zweite Flachrohrreihe oder Lufteintrittsseite 102 nicht verändert wird, ist auch mit keiner großen Leistungsminderung des wasserseitigen Heizkörpers 100 zu rechnen. Die zweite Flachrohreihe oder Lufteintrittsseite 102 trägt im Vergleich zur ersten Flachrohrreihe/Luftaustrittsseite 104 überdurchschnittlich viel an Leistung bei. Grund hierfür ist, dass der Temperaturunterschied zwischen Luft und Kühlwasser hier größer ist. Der Temperaturgang der Luft ist in der Regel größer als der Temperaturgang des Kühlwassers. Zusammengefasst ist eine Integration eines, beispielsweise elektrischen, Zuheizers 108 in einen wasserseitigen Heizkörper 100 in Bezug auf die Leistungsfähigkeit des wasserseitigen Heizkörper 100 in UT = 1(= eine Umlenkung in der Tiefe) bei der Durchströmung effizienter, wenn nur in der ersten Flachrohrreihe, der Luftaustrittsseite 104, Flachrohre und Wellrippen zur Integration entnommen werden. Dies gilt im Vergleich zu einer Integration eines Zuheizers komplett durchgehend in der Tiefe.
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Durch den teilweisen Entfall von Flachrohren und Wellrippen in der ersten Flachrohrreihe 104 zeigt sich eine wasserseitige Leistungsminderung von nur maximal 5%. Die nun in diesem freiwerdenden Bauraum 106 installierbare elektrische Heizleistung überträgt mindestens 15% des „Original”-Heizkörpers bei warmen Wasser oder Kühlmittel, wenn noch keine Flachrohrreihen entfernt sind. In der Startphase, das heißt, bei noch geringen Wasser- oder Kühlmitteltemperaturen erhöht sich der Anteil der elektrischen Heizleistung im Vergleich zum wasserseitigen Heizkörper 100 noch dramatisch und die Steigerung der Leistungsdichte durch die Integration des elektrischen Zuheizers 108 kann größer als 30% sein.
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In der ersten Flachrohrreihe 104 können Flachrohre und Wellrippen in der Mitte des Heiznetzes 104 oder außermittig entfallen. Ebenso können mehrere „Freiräume” 106 in der ersten Flachrohrreihe 104 geschaffen werden. Es ist nicht zwingend ein einzelner „Freiraum” 106 notwendig.
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Die elektrische integrierbare Heizleistung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 700 W bis 3000 W.
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Die Bautiefe (Netztiefe) des Hochleistungsheizkörpers 100 kann im Bereich 40 bis 60 mm liegen. Der Heizkörper 100 ist mit 2 Flachrohrreihen 102, 104 in der Tiefe ausgestattet. Der Abstand von Flachrohr zu Flachrohr in der Breite liegt beispielsweise im Bereich vier bis zehn mm. Die Rippendichte der Wellrippen kann im Bereich 80 bis 120 Rippen pro Dezimeter liegen.
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Bei einem Wärmeübertrager 100 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz nimmt der Heizkörper 100 ohne und mit PTC 108 immer den gleichen Bauraum im Klimagerät ein. Dadurch kann eine aufwendige Adaption eines zusätzlichen PTC im HVAC entfallen. Ein Plug-in ist möglich. Der PTC 108 wird in der ersten Flachrohrreihe 104 (wasserseitig) des zweireihigen Heizkörpers 100 integriert. So wird ein vorzeitiges Abregeln des elektrischen Zuheizers 108 verhindert, da nur die zweite Flachrohrreihe 102 (Lufteintrittsseite) zur Lufterwärmung vor dem elektrischen Zuheizer 108 dient. Der PTC-Zuheizer 108 kann als separates Bauteil gefertigt werden und wird erst nachträglich im Hochleistungsheizkörper 100 integriert. Somit ergeben sich keine aufwendigen inline Fertigungsschritte und damit Kosten in der Heizkörperproduktion. Die Heizleistungsdichte von Heizkörper 100 und PTC 108 in einem gemeinsamen Bauraum wird optimal ausgenutzt, so dass keine zusätzlichen Mischräume oder geometrisch bedingte Freiräume zur Integration des elektrischen Zuheizers im HVAC benötigt werden. Das Klimagerät und letztendlich das Fahrzeug können um den in Luftrichtung gewonnen Bauraum verkürzt werden mit entsprechender Gewichtsreduzierung. Die Leistungsdichte des Heizkörpers 100 mit integriertem elektrischen Zuheizer 108, durch Entfall einiger kühlmitteldurchströmter Flachrohre, erhöht sich sehr stark.
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2 zeigt eine räumliche Darstellung des Wärmeübertragers 100 aus 1a und des elektrischen Zuheizers 108 aus 1b in unverbautem Zustand. Der Zuheizer 108 weist Außenmaße auf, die mit der Aufnahmeöffnung 106 des Wärmeübertragers 100 übereinstimmen.
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3 zeigt eine weitere räumliche Darstellung des Wärmeübertragers 100 aus 1a und des elektrischen Zuheizers 108 aus 1b in unverbautem Zustand. Der Wärmeübertrager 100 ist ohne den Verteilerkasten und ohne den Sammelkasten dargestellt. Dadurch sind die Flachrohre 300 erkennbar. Die Flachrohre 300 erstrecken sich in der ersten Wärmeübertragermatrix 102 vollständig über eine Höhe und Breite des Durchlasses des Wärmeübertragers 100. In der zweiten Wärmeübertragermatrix 104 erstrecken sich die Flachrohre 300 vollständig über die Breite des Durchlasses und in einem oberen und unteren Drittel der Höhe des Durchlasses.
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4a zeigt eine Funktionsdarstellung eines Wärmeübertragers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeübertrager 100 entspricht dem Wärmeübertrager aus 1a. Der Zuheizer 108 ist in die Aufnahmeöffnung des Wärmeübertragers 100 eingesetzt. Eine Luftaustrittsfläche des Zuheizers 108 schließt bündig mit benachbarten Luftaustrittsflächen des Wärmeübertragers 100 ab, so dass der gesamte Wärmeübertrager 100 eine plane Gesamtluftaustrittsfläche aufweist.
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Ein Fluidstrom 400 aus erhitztem Wasser oder Kühlmittel strömt durch die Einströmöffnung in den Verteilerkasten ein und verteilt sich. Aus dem Verteilerkasten strömt der Fluidstrom durch eine Mehrzahl von Flachrohren der zweiten Wärmeübertragermatrix in zwei Gruppen oberhalb und unterhalb des hier in verbautem Zustand dargestellten elektrischen Zuheizers 108 bis zu dem Umlenkkasten. Dabei wird Wärmeenergie auf einen Luftstrom 402 übertragen. Im Umlenkkasten wird der teilgekühlte Fluidstrom 404 zu einer weiteren Mehrzahl von Flachrohren der ersten Wärmeübertragermatrix umgelenkt. Durch die weitere Mehrzahl von Flachrohren strömt der Fluidstrom über den ganzen Luftdurchlass des Wärmeübertragers 100 zu dem Sammelkasten. Dabei wird Wärmeenergie an den Luftstrom 402 abgegeben. Im Sammelkasten wird der Fluidstrom gesammelt, um durch eine Austrittsöffnung als abgekühlter Fluidstrom 404 auszuströmen. Der Luftstrom 402 entzieht dem Fluidstrom 400 die Wärmeenergie in zwei Stufen. In der ersten Wärmeübertragermatrix ist der Fluidstrom 404 bereits etwas abgekühlt. Der einströmende Luftstrom 402 ist noch kalt und kann aufgrund eines hohen Temperaturunterschieds Wärme aus dem Fluidstrom 404 abziehen. In der zweiten Wärmeübertragermatrix ist der Fluidstrom 400 noch warm. Auch der Luftstrom 402 ist bereits etwas erwärmt. Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen dem Fluidstrom 400 und dem Luftstrom 402 kann der Luftstrom 402 weitere Wärme aus dem Fluidstrom 400 aufnehmen. Eine Erwärmung in zwei Stufen kann effizienter sein als eine Erwärmung in einer Stufe, da immer eine Temperaturdifferenz zwischen den Medien bestehen muss, um Wärme übertragen zu können.
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In 4b ist der Wärmeübertrager 100 aus 4a ohne den Verteilerkasten und den Sammelkasten dargestellt. Dadurch kann hier der Fluidstrom 400, 406 als bereits verteilter Fluidstrom durch die Flachrohre dargestellt werden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
