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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizwärmetauscher für eine Klimatisierungsanlage in einem Kraftfahrzeug. Der Heizwärmetauscher umfasst dabei einen Einlasstank mit einer Einlassöffnung zum Einleiten eines Heizfluids sowie einen Auslasstank mit einer Auslassöffnung zum Ausleiten des Heizfluids. Der Heizwärmetauscher umfasst des Weiteren einen zwischen dem Einlasstank und Auslasstank angeordneten Kernabschnitt mit einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten Leitungsbahnen, welche den Einlasstank und den Auslasstank fluiddynamisch verbinden.
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Heizwärmetauscher sind an sich seit langem bekannt. Dabei überträgt das Heizfluid im Kernabschnitt Wärmeenergie an ein Wärmetauschmedium. Das Heizfluid ist typischerweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, welches z.B. im Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine zirkuliert, kann aber prinzipiell auch ein anderes geeignetes Fluid sein, beispielsweise Öl. Das Wärmetauschmedium ist typischerweise Luft, welche senkrecht durch den Kernabschnitt hindurchströmt, sich dabei erwärmt und weiter stromabwärts allein oder mit anderer Luft gemischt für einen klimatisierenden Luftstrom verwendet werden kann.
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Die Strömung des Heizfluids durch den Heizwärmetauscher verläuft dabei nicht homogen. Zum einen ist das Heizfluid im Einlasstank heißer als beim Erreichen des Auslasstanks, nachdem es in wärmeleitendem Kontakt mit der durchströmenden Luft getreten ist. Zum anderen tritt die Inhomogenität auch in der Breite, d.h. in der Erstreckungsrichtung der Tanks auf. Die Strömungsgeschwindigkeit - und damit der Massenstrom des Heizfluids - ist in den Leitungsbahnen in der Nähe der Einlass- und Auslassöffnung höher als in den weiter entfernteren Leitungsbahnen. Folglich kann in den zur Einlass- und Auslassöffnung näher gelegenen Leitungsbahnen mehr Wärmeaustausch stattfinden und damit der Luftstrom stärker erwärmt werden als an den weiter entfernteren Leitungsbahnen. Diese Inhomogenität ist umso problematischer je breiter der Heizwärmetauscher im Vergleich zu seiner Höhe ist.
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Zum Lösen dieses Problems wurde unter anderem vorgeschlagen, Leitbleche im Einlasstank vorzusehen, welche einen Teil des Heizfluids in den von der Einlassöffnung abgelegen Teil des Einlasstanks zu leiten. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der
JP2001-33189 A beschrieben. Es hat sich hierbei jedoch als nachteilig herausgestellt, dass es an der oder den Hinterkante(n) der Platte(n) zu Wirbelablösungen kommt, welche zur Geräuschentwicklung des Heizfluidkreislaufs beitragen. Weitere Lösungen zur Strömungsbeeinflussung mittels Ablenkplatten im Tank sind aus der
DE 10 2007 035 581 A1 oder aus der
US 2009/0120627 A1 bekannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizwärmetauscher der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Heizleistungsprofil über die Erstreckungsrichtung der Tanks in einfacher Weise manipuliert werden kann, ohne dabei nennenswerte Nachteile bzgl. Geräuschentwicklung oder Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Heizwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Heizwärmetauscher umfasst einen untenliegenden Einlasstank mit einer Einlassöffnung zum Einleiten eines Heizfluids, einen obenliegenden Auslasstank mit einer Auslassöffnung zum Ausleiten des Heizfluids und einen zwischen dem Einlasstank und Auslasstank angeordneten Kernabschnitt mit einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten Leitungsbahnen, welche den Einlasstank und den Auslasstank fluiddynamisch verbinden. Im Auslasstank sind wenigstens zwei Platten vorgesehen, welche sich nur über einen Teil der Tanklänge erstrecken, wenigstens eine Mehrzahl von Löchern und/oder Schlitzen aufweisen und welche von den den Rohrboden durchstoßenden Rohrmündungen der Leitungsbahnen und der Oberseite des Auslasstanks beabstandet sind. Eine der Platten ist im Endbereich rechtwinklig abgewinkelt, wobei die abgewinkelte Kante im Bereich der Auslassöffnung in körperlichem Kontakt mit dem Rohrboden steht, und wobei die wenigstens zwei Platten im Auslasstank in einer Ebene angeordnet sind, wobei die von der Auslassöffnung entfernteste Kante von der der Auslassöffnung abgewandten Seite des Auslasstanks beabstandet ist. Hierdurch lässt sich eine Manipulation der Heizverteilcharakteristik in Erstreckungsrichtung der Tanks erreichen. Es lässt sich eine annähernd spiegelsymmetrische Heizverteilcharakteristik erreichen, bei welcher allerdings die Ränder wärmer als die Mitte des Heizwärmetauschers sind. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise der Fußluftkanal durch die Randbereiche des Heizwärmetauschers, der Mannanströmer und der Enteisungskanal durch die Mitte des Heizwärmetauschers geführt wird.
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Die Löcher und Schlitze können dabei auch unregelmäßige Formen aufweisen. Die Schlitze können gerade, zackig oder auch beliebig geschwungen ausgebildet sein. Schlitze können insbesondere als Kiemenschlitze oder -rippen ausgebildet sein. Hierbei ist wenigstens ein Teil der durch den Schlitz entstandenen Kante hutzenähnlich bzw. räumlich versetzt zu der Plattenebene angeordnet. Der Schlitz liegt damit nicht oder nicht ausschließlich in der Plattenebene. Die Kiemenschlitze werden vorzugsweise durch einen Stanzprozess und ein anschließendes Abwinkeln der so entstandenen Kante erreicht.
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Je nach Ausführungsform können die wenigstens zwei Platten in einer Ebene angeordnet werden. Diese können separat mit dem Auslasstank verbunden sein. Sie können auch miteinander verbunden sein und beispielsweise als eine Platte ausgebildet sein, welche in einem Zwischenbereich eine gegenüber den Löchern und/oder Schlitzen vergleichsweise große Lücke aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Löcher und/oder Schlitze eine lichte Breite zwischen 1mm und 3mm, vorzugsweise 1,5mm bis 2mm auf. Eine solche Dimensionierung ist einerseits ausreichend genug, um für das durchfließende Heizfluid einen Gegendruck zu erzeugen. Andererseits ist ein solches Öffnungsmaß ausreichend groß genug, um beim Lötvorgang nicht durch Flussmittel/ Lot zu verstopfen oder zumindest den Öffnungsquerschnitt wesentlich zu verkleinern.
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Die Platten werden vorzugsweise vor dem Zusammenlöten des Wärmetauschers in dem Auslasstank angeordnet und der Wärmetauscher in einem gemeinsamen Lötvorgang zusammengelötet. Gemäß einer Ausbildung der Erfindung sind die seitlichen Kanten wenigsten einer der Platten mit den Seitenwänden des Auslasstanks verbunden. Zusätzlich kann dabei im Auslasstank eine Nut vorgesehen sein, in welche die seitlichen Kanten dieser wenigstens einen Platte eingreifen. Dies hat den Vorteil, dass der Zusammenbau vor dem Lötprozess ausreichend stabil ist und beim Lötprozess selber ein Verrutschen der Platte im Tank ausgeschlossen ist.
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Die Nut erstreckt sich bevorzugt nur über einen Teil der Tanklänge, um eine Endposition der seitlich eingreifenden Platte zu definieren. Dies erleichtert die Vormontage vor dem Lötprozess.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beträgt die Gesamtfläche der wenigstens einen Platte 20% - 50%, vorzugsweise 25% - 40% der Fläche des Rohrbodens. Hiermit wurden die besten Ergebnisse zum Manipulieren des Heizleistungsprofils erreicht.
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Die Löcher und Schlitze ermöglichen einerseits einen dosierten Durchtritt des Heizfluids durch die Platten, stellen aber andererseits auch einen Strömungswiderstand dar, um die Durchflussmenge in den räumlich nahen Leitungsbahnen des Kernabschnitts zu reduzieren.
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Die Summe der Querschnittsfläche der Löcher/ Schlitze ist dabei vorteilhafter deutlich kleiner als die Fläche der Platten. Sie ist insbesondere kleiner als 10% der Plattenfläche.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Rohrboden und/oder die Oberseite des Auslasstanks wenigstens einer der Platten durch wenigstens eine Stütze verbunden. Dabei kann die wenigstens eine Stütze vorteilhafterweise durch ein gestanztes, senkrecht abgewinkeltes Profil in der Platte gebildet sein. Dies ist nicht nur einfach herzustellen, sondern ermöglicht auch eine Befestigung der Platte an dem Tank in einem definierten Abstand ohne zusätzliches Bauteil. Insbesondere können mehrere Stützen vorgesehen sein, von denen wenigstens eine nach oben und eine nach unten abgewinkelt ist, sodass die Platte sowohl am Rohrboden als auch an der Tankoberseite befestigt ist.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.
- Die 1 zeigt einen Heizwärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- die 2 zeigt eine perforierte Platte sowie eine Schnittansicht eines Tankdeckels, wie diese gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizwärmetauschers verwendet werden,
- die 3 zeigt den Tankdeckel mit darin angeordneter Platte gemäß 2 vor dem Zusammenbau mit dem Heizkern,
- die 4 bis 7 zeigen alternative Ausführungsformen einer Platte sowie deren jeweilige Anordnung im Auslasstank und
- die 8 zeigt eine graphische Darstellung der Massenflussverteilung über die einzelnen Flachrohre des erfindungsgemäßen Heizwärmetauschers für verschiedene Durchflussraten.
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In der 1 ist ein Heizwärmetauscher 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Heizwärmetauscher 1 ist vorgesehen für die Verwendung in einer Kraftfahrzeugklimaanlage und ist in der gezeigten Ausführungsform etwa 300mm breit und aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Er weist einen Heizkern 2 auf, welcher aus einer Vielzahl (hier: 54) parallelen, beabstandeten Flachrohren 3 gebildet wird. Der Heizwärmetauscher 1 würde in der 1 parallel zur Zeichnungsebene vom Heizfluid, fortan als Motorkühlwasser bezeichnet, durchströmt und die zu erwärmende Luft würde senkrecht zur Zeichnungsebene durch den Heizwärmetauscher 1 hindurchströmen.
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Benachbarte Flachrohre 3 sind durch Lamellen 4 miteinander verbunden, um die Wärmeübertragungsleistung zu vergrößern. Die unteren und oberen Enden der Flachrohre 3 münden jeweils in einen Einlasstank 5 und in einen Auslasstank 6, sodass sie beide Tanks 5, 6 damit fluiddynamisch verbinden. Der Einlasstank 5 und der Auslasstank 6 weisen eine Einlassöffnung 7 bzw. eine Auslassöffnung 8 zum Einleiten bzw. zum Ausleiten des Motorkühlwassers auf. Die Rohrmündungen der Flachrohre 3 durchstoßen an ihren jeweiligen Enden plattenförmig ausgebildete Rohrböden 9A, 9B. Die Rohrböden sind in der gezeigten Ausführungsform etwa 30mm breit. Um ein Ansammeln von in dem heißen Motorkühlwasser gelösten Gasbläschen zu vermeiden, ist für die Einbaulage vorgesehen, dass der Einlasstank 5 unten und der Auslasstank 6 oben liegt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Auslasstank 6 Platten 10 oder 20 angeordnet sind. Die Platten 10, 20 sind ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, vorzugsweise derselben Aluminiumlegierung wie der Auslasstank 6. Sie weisen dabei eine Mehrzahl von Löchern 11 und/oder Schlitzen 15 auf. Sie sind vom Rohrboden 9B und der Oberseite des Auslasstanks 6 beabstandet.
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Mit Bezug zu den 2 bis 7 wird im Folgenden auf verschiedene Ausführungsvarianten der Platten 10, 20 sowie deren Anordnung im Auslasstank 6 näher eingegangen. Die gewählten Größen, u.a. der Platte 10 und der Schlitze 11, beziehen sich auf die oben angegebenen Dimensionen des Heizwärmetauschers 1. Sie sind bei anderer Dimensionierung des Heizwärmetauschers 1 entsprechend zu modifizieren.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform in der 2 und 3 ist die Platte 10 mit einer Vielzahl von Löchern 11 perforiert. Die Löcher werden in einem ersten Arbeitsschritt in die ebene Platte 10 gestanzt und haben einen Durchmesser von 2mm. Die Plattenbreite ist an die Tankbreite angepasst und beträgt im gezeigten Beispiel 28mm. Als vorteilhafte Plattenlänge haben sich Längen zwischen 80mm und 150mm herausgestellt. Die Anzahl der Löcher wurde variiert und gute Ergebnisse wurden mit 2 - 3 Reihen und einem Lochabstand zwischen 5mm und 15mm erzielt.
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Der Tankdeckel 12 ist rechts in einer Schnittansicht gezeigt. An seinen längsseitigen Innenseiten ist auf etwa halber Höhe je eine Nut 13 vorgesehen, welche etwa dieselbe Länge wie die Länge der Platte 10 hat. Das Ende der Nut 13 bildet somit einen Anschlag in Längsrichtung und erleichtert den Zusammenbau des Heizwärmetauschers 1. Die Nut 13 wird beispielsweise in einen Blechstreifen gestanzt, welcher dann durch seitliches Umbiegen zu einem Tankdeckel 12 geformt wird. Alternativ ist die Nut 13 in den Tankdeckel 12 hineingefräst.
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Der Zusammenbau des Heizwärmetauschers 1 erfolgt dann, indem die Platte 10 seitlich bis zum Anschlag, d.h. dem Nutende, in die Nut 13 des Tankdeckels 12 eingeschoben wird. Der Tankdeckel 12 mit vormontierter Platte 10 wird dann auf den Rohrboden 9B aufgesetzt und das Mündungsstück an die Auslassöffnung 8 angesetzt (nicht dargestellt). Dieser Zusammenbau kann dann im Lötofen miteinander in einem Arbeitsgang verlötet werden.
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In den 4 und 5 sind eine zweite und eine dritte Ausführungsform der Platte 10 sowie deren jeweilige Anordnung im Auslasstank 6 dargestellt. Anstelle eines regelmäßigen Musters mit Löchern 11 wechseln sich hier nun zwei bzw. drei Reihen von Löchern 11 mit u-förmig gestanzten Schlitzen 15 ab (jeweils linke Teilzeichnungen). Die Platte 10 kann optional mit einer Schwächungslinie 14 ausgestattet sein, wie dies in der 4 dargestellt ist.
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Die korrespondierenden u-förmigen Schenkel 16 können rechtwinklig zur Platte 10 entweder nach oben oder nach unten abgewinkelt werden und als Stütze mit der Oberseite des Tankdeckels 12 bzw. dem Rohrboden 9B verbunden werden. Diese Stützen sind einfach und präzise herzustellen. Sie können nicht nur den Zusammenbau vor dem Lötprozess gegenüber einem Verrutschen der Platte 10 schützen, insbesondere wenn keine Nut 13 vorgesehen sein sollte, sondern sie können ferner ein Schwingen der Platte 10 im Betrieb des Heizwärmetauschers 1 dämpfen. Stützen 16 können alternativ oder auch zusätzlich als separate Bauteile ausgebildet sein (nicht dargestellt). Die Platte 10 kann entlang der Schwächungslinie 14 nach unten gebogen, vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig abgewinkelt werden. Der abgewinkelte Schenkel im Bereich der Auslassöffnung 8 kann dann mit dem Rohrboden 9B verbunden werden und somit dem Motorkühlwasser unterhalb der Platte 10 den Durchtritt durch die Löcher 11 bzw. die Schlitze 15 aufzwingen (jeweils rechte Teilzeichnungen). Die abgewinkelte Kante und/oder die abgewinkelten Schenkel 16 verbinden sich ebenfalls beim Löten mit dem Rohrboden 9B bzw. der Oberseite des Tankdeckels 12, ohne dass hierzu zusätzliche Arbeitsschritte nötig wären.
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In der 6 ist eine vierte Ausführungsform mit einer Platte 20 dargestellt. Die Platte 20 besteht aus zwei Teilplatten 20A, 20B, welche in einer Ebene liegen und welche mit Verbindungsstegen 17 miteinander verbunden sind. Anstelle einer Platte 20 könnten auch zwei unterschiedlich dimensionierte Platten 10 verwendet werden, wobei die Montage einer einzelnen Platte 20 im Auslasstank 6 weniger Arbeitsschritte benötigt.
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Die Merkmale der mit Bezug zu den 2 bis 6 beschriebenen Platten 10, 20 können an sich beliebig miteinander kombiniert und abgewandelt werden. Insbesondere können die Merkmale der Nut 13, der Schwächungslinie 14 sowie der u-förmig gestanzten Schlitze 15 und den dazugehörigen Schenkeln 16 unabhängig voneinander vorgesehen werden.
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Um die Heizcharakteristik des Heizwärmetauschers 1 weiter zu manipulieren, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die der Auslassöffnung 8 zugewandte Kante 18A um einen ersten Abstand von der Auslassöffnung 8 beabstandet ist und die der Auslassöffnung 8 abgewandte Kante 18B um einen zweiten Abstand von dem der Auslassöffnung 8 abgewandten Seite des Auslasstanks 6 beabstandet ist. Der erste Abstand ist dabei wesentlich kleiner, insbesondere um ein mehrfaches kleiner als der zweite Abstand. Ein Verrücken um wenige cm, insbesondere 20mm - 50mm, bewirkt, dass durch die Flachrohre 3 in der Nähe der Einlassöffnung 7 bzw. der Auslassöffnung 8, signifikant mehr Motorkühlwasser durchfließt. Der linke Rand wird somit wärmer als die Mitte des Heizwärmetauschers 1. Der Fußkanal und der zur Windschutzscheibe gerichtete Enteisungskanal auf der Fahrerseite wird typischerweise durch diesen Bereich des Heizwärmetauschers 1 geleitet. Damit ist ein schnelleres Abtauen der Windschutzscheibe möglich. Bei entsprechender Dimensionierung der Platte 10, insbesondere wenn diese nur ein Drittel bis ein Viertel der Länge des Heizwärmetauschers 1 aufweist, ermöglicht, dass die rechte Hälfte des Heizwärmetauschers 1 im Durchschnitt genauso gut durchströmt wird wie die linke Hälfte des Heizwärmetauschers 1.
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Um diese gewollte Inhomogenität Rand-zu-Mitte weiter zu verbessern, ist eine zweite Platte 10 mit einer der Auslassöffnung 8 zugewandten Kante 18C und abgewandten Kante 18D vorgesehen. Es ist dabei unerheblich, ob es sich um zwei separate, in einer Ebene angeordnete Platten 10 oder um eine Platte 20 gemäß 6 handelt. Die zweite Platte 10 ist typischerweise deutlich kürzer als die erste Platte 10. Die abgewandte Kante 18D ist dabei von der der Auslassöffnung 8 abgewandten (fernen) Seite des Auslasstanks 6 beabstandet. Die Lücke zwischen den Kanten 18B und 18C muss dabei deutlich kürzer sein als der Abstand zwischen der abgewandten Kante 18D und der fernen Seite des Auslasstanks 6. Je nach Konfiguration der Löcher 11 und der Breite des Heizwärmetauschers 1 kann hiermit und mittels einer einfachen Testreihe das laterale Temperaturprofil derart angepasst werden, dass auch der rechte Rand des Heizwärmetauschers 1 überdurchschnittlich stark vom Motorkühlwasser durchströmt und somit etwas wärmer als die Mitte des Heizwärmetauschers 1 wird.
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In der 8 ist eine graphische Darstellung der Massenflussverteilung über die einzelnen Flachrohre 3 des erfindungsgemäßen Heizwärmetauschers 1 für verschiedene Durchflussraten dargestellt. Verwendet wurde eine perforierte Platte 10 von etwa 100mm Länge mit zwei Reihen a 6 Löchern von 2mm Durchmesser. Auf der x-Achse sind die Flachrohre 3 von der Auslassöffnung 8 anfangend aufgetragen. Auf der y-Achse ist der Massenfluss des Motorkühlwassers (50:50 Wasser-Glykol-Gemisch) je Flachrohr 3 aufgetragen. Die Durchflussraten betrugen dabei 200l/h, 500l/h bzw. 1000l/h für die Messkurven 19A, 19B bzw. 19C. Die Eintrittstemperatur des Motorkühlwassers betrug 90°C. Der Luftdurchsatz (bei einer Luft-Eintrittstemperatur von ca. 0°C) betrug jeweils 160 kg/h, 360 kg/h bzw. 550 kg/h. Es lässt sich eine annähernde Homogenisierung der Durchflussraten und somit der Heizleistung von rechts zu links einerseits und von Rand und Mitte andererseits erkennen.
