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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
US 6 394 176 B1 beschreibt einen Wärmetauscher für mehrere Kühlkreisläufe, welcher horizontal geteilt ist, so dass eine Vermischung der Medien der einzelnen Kühlkreisläufe verhindert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen sind die Sammelbereiche erfindungsgemäß mittels Sperrvorrichtungen in fluidisch getrennte Abschnitte unterteilt und die Wärmetauscherkanäle sind mittels Zwischenwandungen in fluidisch getrennte Kühlmittelkanäle unterteilt, wobei die entsprechenden Abschnitte gemeinsam mit den entsprechenden Kühlmittelkanälen jeweils einen fluidisch separierten Teilwärmetauscher ausbilden.
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Auf diese Weise ist ein besonders effizienter Wärmetauscher geschaffen, welcher in mehreren separaten Kühlkreisläufen eines Fahrzeugs anordenbar ist. Dabei sind Bauraum und Gewicht des Wärmetauschers signifikant reduziert.
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Durch die beschriebene Unterteilung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in mehrere Teilwärmetauscher sind mittels eines einzigen derartigen Wärmetauschers mehrere Kühlkreisläufe kühlbar. Insbesondere sind diese Kühlkreisläufe auf unterschiedliche Temperaturen kühlbar.
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Weiterhin ist durch die unterschiedliche Entnahme von Kühlleistung aus der anströmenden Umgebungsluft die Restkühlleistung durch die anderen nachfolgenden Kühlkreise immer gut ausnutzbar.
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Mittels eines solchen Wärmetauschers sind mehrere herkömmliche Wärmetauscher ersetzbar, so dass eine Montage des Fahrzeugs vereinfacht ist.
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Durch die verbesserte Effizienz des Wärmetauschers wird eine thermische Belastung der Komponenten in den zugeordneten Kühlkreisläufen reduziert, wodurch ein Verschließ dieser Komponenten verringert und eine Lebensdauer gesteigert ist.
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Mittels des Wärmetauschers ist beispielsweise eine Kühlung der Verbrennungskraftmaschine im Fahrzeug signifikant verbessert, wodurch niedrigere Bauteiltemperaturen und verringerter Verschleiß erreicht sind.
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Durch die effizientere Kühlung können notwendige Kühlflächen eines Kühlmittelkühlers am Fahrzeug verkleinert werden, so dass ein Luftwiderstand des Fahrzeugs und ein daraus resultierender Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß verringert sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung können durch die verbesserte Kühlung kritische Zustände der Verbrennungskraftmaschine, beispielweise eine Überhitzung im Zylinderkopf, vermieden werden.
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Durch die höhere Kühlleistung und die daraus resultierenden verringerten Bauteiltemperaturen innerhalb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Zylinderkopf, kann die Verbrennung derart angepasst werden, dass eine höhere spezifische Motorleistung abrufbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauscherkanals eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit teiltransparent dargestellten Sammelbereichen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es sind zahlreiche Arten und Ausformungen von Wärmetauschern bekannt, welche üblicherweise thermische Energie von einem ersten Stoffstrom auf einen zweiten Stoffstrom übertragen.
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Dabei können sowohl der erste als auch der zweite Stoffstrom flüssig oder gasförmig sein oder es kann innerhalb des Wärmetauschers ein Phasenübergang zwischen diesen beiden Aggregatzuständen erfolgen.
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In einem Fahrzeug sind üblicherweise mehrere herkömmliche Kühlkreisläufe, beispielsweise ein Hochtemperaturkühlkreislauf zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine und zur Aufheizung eines Fahrzeuginnenraums, ein Niedertemperaturkreislauf, ein Klimaanlagenkreislauf und/oder zumindest ein Schmiermittelkreislauf, angeordnet.
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Üblicherweise sind in einem Frontbereich eines Fahrzeugs mehrere herkömmliche Wärmetauscher in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet. Jeder dieser Wärmetauscher ist dabei einem Kühlkreislauf des Fahrzeugs zugeordnet und wird von dem in diesem Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittel durchströmt. Die Wärmetauscher werden entsprechend ihrer Anordnung im Fahrzeug nacheinander vom Fahrtwind der Umgebungsluft durchströmt.
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In einem Fahrzeug sind solche Wärmetauscher häufig als Radiatoren ausgebildet. Ein solcher Radiator ist eine Vorrichtung, welche thermische Energie überwiegend durch Wärmestrahlung an eine Umgebung abgibt. Radiatoren besitzen eine große Oberfläche mit hohem Emissionsgrad und bestehen meist aus einem gut wärmeleitenden Metall. Im Fahrzeug wird dabei innerhalb des Wärmetauschers bevorzugt ein Kühlmittel geführt, welches von Umgebungsluft umströmt wird.
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1 zeigt schematisch eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1.
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1.
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Ein solcher Wärmetauscher 1 umfasst eine Mehrzahl beispielsweise horizontal ausgerichteter und vorzugsweise parallel angeordneter Wärmetauscherkanäle 2. Diese Wärmetauscherkanäle 2 münden endseitig jeweils in einen Sammelbereich 3, welcher bevorzugt als Wasserkasten ausgebildet ist.
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Die Wärmetauscherkanäle 2 sind bevorzugt als Flachrohre mit verrundetem Querschnitt ausgebildet. Die Wärmetauscherkanäle 2 sind einreihig übereinander im Wärmetauscher 1 angeordnet.
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauscherkanals 2 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1.
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Zur Unterteilung des Wärmetauscherkanals 2 in mehrere fluidisch getrennte Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 sind in den Wärmetauscherkanal 2 Zwischenwandungen 5 eingebracht. Diese Zwischenwandungen 5 erstrecken sich in vertikaler Richtung im Wärmetauscherkanal 2.
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Durch das Einbringen einer entsprechenden Anzahl von Zwischenwandungen 5 ist eine Anzahl der derart ausgeformten Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 variabel anpassbar.
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Anhand der Position der Zwischenwandungen 5 ist ein Querschnitt des jeweiligen Kühlmittelkanals 4.1 bis 4.4 und eine daraus resultierende Durchflussmenge des in diesem Kühlmittelkanal 4.1 bis 4.4 geführten Kühlmittels variabel an die Erfordernisse beim Betrieb des Wärmetauschers 1 anpassbar.
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In einer ersten Ausführungsvariante weisen die Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 jeweils einen unterschiedlichen Querschnitt auf.
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In einer alternativen Ausführungsvariante weisen die Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 jeweils einen gleich großen Querschnitt auf.
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Die Zwischenwandungen 5 können eine Isolation aufweisen und/oder einen Luftspalt 6 umfassen, wodurch eine Übertragung thermischer Energie zwischen den Kühlmittelkanälen 4.1 bis 4.4 minimiert oder verhindert ist.
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4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 mit teiltransparent dargestellten Sammelbereichen 3.
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Im Sammelbereich 3 sind geeignete Sperrvorrichtungen 7, beispielsweise Trennwände, in vertikaler Erstreckung des stehenden Wärmetauschers 1 aus 1 und 2 eingebracht, welche korrespondierend zu den jeweiligen Zwischenwandungen 5 der Wärmetauscherkanäle 2 angeordnet und ausgeformt sind.
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In 4 ist der Wärmetauscher 1 liegend dargestellt, so dass die Sperrvorrichtungen 7 entsprechend horizontal ausgerichtet sind. Im Wesentlichen weisen die Sperrvorrichtungen 7 in die gleiche Richtung wie die Zwischenwandungen 5 in den Wärmetauscherkanäle 2, mit denen sie zusammen eine Trennung des Wärmetauschers 1 in verschiedene getrennte Bereiche bewirken.
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Die Sperrvorrichtungen 7 unterteilen den Sammelbereich 3 in der dargestellten Ausführungsform in mehrere fluidisch getrennte Abschnitte 8. Dabei weist jeder diese Abschnitte 8 einen separaten herkömmlichen Kühlmittelanschluss 9 auf.
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Gemeinsam mit den entsprechenden Kühlmittelkanälen 4.1 bis 4.4 bilden die Abschnitte 8 jeweils einen fluidisch separierten Teilwärmetauscher aus. Diese Teilwärmetauscher sind dabei in Strömungsrichtung der anströmenden Umgebungsluft in Reihe geschaltet. Jeder der Teilwärmetauscher ist dabei einem Kühlkreislauf des Fahrzeugs zugeordnet.
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Der Sammelbereich 3 auf der einen Seite der Wärmetauscherkanäle 2 ist dabei als Zufluss und der Sammelbereich 3 auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherkanäle 2 als Abfluss des im Wärmetauscher 1 ausgebildet.
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Innerhalb eines jeden Teilwärmetauschers des Wärmetauschers 1 und somit innerhalb der Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 ist jeweils ein Stoffstrom geführt. Außenseitig werden die Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 jeweils von einem zweiten Stoffstrom, bevorzugt der Umgebungsluft, umströmt, so dass eine Wärmeübertragung zwischen beiden Stoffströmen ermöglicht ist.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform können durch unterschiedliche Positionierung oder den Entfall der entsprechenden Sperrvorrichtungen 7 die Kühlmittel von zwei oder mehreren Kühlkreisläufen des Fahrzeugs in einem der Sammelbereiche 3 zusammengeführt werden. So ist beispielsweise mittels einer entsprechenden Verschaltung ein Gesamtkühlkreislauf eines Fahrzeugs in einen Niedertemperaturkreislauf und einen Hochtemperaturkreislauf aufteilbär, wenn in einem der Sammelbereiche 3 ein gemeinsamer Einlassbereich vorhanden ist, aber im anderen der Sammelbereiche 3 der Auslassbereich der entsprechenden Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 durch eine entsprechend positionierte Sperrvorrichtungen 7 von den entsprechenden Kühlmittelkanälen 4.1 bis 4.4 des gleichen Einlassbereiches getrennt ausgebildet ist.
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Weisen die Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 der Wärmetauscherkanäle 2 jeweils einen gleich großen Querschnitt auf, können die gleichen Flachrohre und die gleiche Reststruktur des Wärmetauschers 1 variabel für unterschiedliche ausgelegte Wärmetauscher 1 verwendet werden, in dem die zwei oder mehrere Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 durch entsprechende Positionierung und Ausformung der Sperrvorrichtungen 7 zu einem Teilwärmetauscher verschaltet sind. Dabei ist die Durchflussmenge durch den jeweiligen Teilwärmetauscher und eine daraus resultierende Kühlleistung des jeweiligen Teilwärmetauschers mittels der Anzahl der durchströmten Kühlmittelkanäle 4.1 bis 4.4 variabel dimensionierbar.
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Durch die beschriebene Unterteilung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in mehrere Teilwärmetauscher sind mittels eines einzigen derartigen Wärmetauschers 1 mehrere Kühlkreisläufe kühlbar. Insbesondere sind diese Kühlkreisläufe auf unterschiedliche Temperaturen kühlbar.
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Weiterhin ist durch die unterschiedliche Entnahme von Kühlleistung aus der anströmenden Umgebungsluft die Restkühlleistung durch die anderen nachfolgenden Kühlkreise immer gut ausnutzbar.
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In Strömungsrichtung der anströmenden Umgebungsluft wird zuerst über die volle Frontfläche des Wärmetauschers 1 und damit über die komplette Kühlleistung des anströmenden Stoffstroms ein Kühlmittel im ersten Teilwärmetauscher des Wärmetauschers 1 gekühlt. Danach wird mit der Restkühlleistung des anströmenden Stoffstroms das Kühlmittel im zweiten Teilwärmetauscher gekühlt. Derart werden alle Teilwärmetauscher nacheinander durchströmt, bis der Wärmetauscher 1 vollständig durchströmt ist.
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Auf diese Weise steht dem Kühlmittel im ersten Teilwärmetauscher eine maximale Kühlleistung zur Verfügung, welche bei Bedarf aus dem anströmenden Stoffstrom entnehmbar ist. Bei einem geringeren Kühlbedarf des Kühlmittels im ersten Teilwärmetauscher ist eine Kühlleistung für die restlichen Teilwärmetauscher erhöht.
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Dabei erfolgt eine Zuordnung der unterschiedlichen Kühlkreisläufe des Fahrzeugs zu den Teilwärmetauschern in Abhängigkeit der erforderlichen Kühlleistung und der Kühlmitteltemperaturen. Im Allgemeinen erfolgt diese Zuordnung in Strömungsrichtung des anströmenden Stoffstroms von großer Kühlleistung zu niedriger Kühlleistung, da den einzelnen Teilwärmetauschern immer weniger Kühlleistung zur Verfügung steht und der anströmende Stoffstrom durch die Kühlung der bisher durchströmten Teilwärmetauscher erwärmt ist.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Wärmetauscher 1 ist variabel einsetzbar, wenn sich die Strömungsrichtungen der Stoffströme kreuzen.
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Weiterhin ist ein solcher Wärmetauscher 1 besonders geeignet für Fahrzeuge, die mehrere Kühlkreisläufe und eine begrenzte Frontfläche und eine daraus resultierend begrenzte Kühlerfläche aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wärmetauscherkanal
- 3
- Sammelbereich
- 4.1 bis 4.4
- Kühlmittelkanal
- 5
- Zwischenwandung
- 6
- Luftspalt
- 7
- Sperrvorrichtung
- 8
- Abschnitt
- 9
- Kühlmittelanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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