DE102015122887A1

DE102015122887A1 - Prozessventilinsel und Wärmetauschersystem

Info

Publication number: DE102015122887A1
Application number: DE102015122887.4A
Authority: DE
Inventors: Hartmuth Lotha
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2016-08-11
Also published as: DE202015100550U1; US10866037B2; CN105865251B; CN105865251A; US20160238327A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessventilinsel (10) mit einem Eingang (12) für ein Wärmeübertragungsmedium, einem Hauptausgang (14) für das Wärmeübertragungsmedium, einem sich dazwischen erstreckenden Hauptkanal (15), einem 3/2-Wege-Ventil (30), das im Hauptkanal (15) angeordnet ist, und einem Bypass-Ausgang (32), wobei die Stellung des 3/2-Wege-Ventils (30) bestimmt, mit welchem Strömungsquerschnitt der Bypass-Ausgang (32) und der Hauptausgang (14) mit dem Hauptkanal (15) in Verbindung stehen, und wobei Steuerventile (75, 56) zur Bestimmung des Strömungsquerschnittes zwischen Hauptkanal (15) und den Anschlüssen (70) für Nebenkreise vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessventilinsel sowie ein Wärmetauschersystem.
Eine Prozessventilinsel ist ein Modul, in das mehrere Prozessventile integriert sind. Hierdurch können mehrere Anschlüsse unabhängig voneinander in der gewünschten Weise gesteuert werden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Prozessventilinsel, wie sie für Wärmetauschersysteme verwendet wird. Bei dem Wärmetauschersystemen kann es sich insbesondere um solche handeln, wie sie bei Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Ein Beispiel für eine solche Prozessventilinsel findet sich in der EP 1 441 160 .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannte Prozessventilinsel dahingehend weiterzubilden, dass sie bei einem kompakten Aufbau ein hochintegriertes Wärmemanagement ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Prozessventilinsel mit einem Eingang für ein Wärmeübertragungsmedium vorgesehen, einem Hauptausgang für das Wärmeübertragungsmedium, einem sich dazwischen erstreckenden Hauptkanal, einem 3/2-Wege-Ventil, das im Hauptkanal angeordnet ist, und einem Bypass-Ausgang, wobei die Stellung des 3/2-Wege-Ventils bestimmt, mit welchem Strömungsquerschnitt der Bypass-Ausgang und der Hauptausgang mit dem Hauptkanal in Verbindung stehen, wobei Steuerventile zur Bestimmung des Strömungsquerschnittes zwischen Hauptkanal und den Anschlüssen für Nebenkreise vorgesehen sind. Mit dem 3/2-Wege-Ventil kann innerhalb der Prozessventilinsel der Strömungsweg des Wärmeübertragungsmediums stufenlos geändert werden zwischen einem Zustand, in welchem das gesamte Wärmeübertragungsmedium die Prozessventilinsel durch den Hauptausgang verlässt, einem Zustand, in welchem das gesamte Wärmeübertragungsmedium die Prozessventilinsel durch den Bypass-Ausgang verlässt, und einer beliebigen Verteilung des Wärmeübertragungsmediums zwischen diesen beiden Ausgängen. Dabei sind keine externen Leitungen oder verschiedene Modulblöcke notwendig, sondern alle Strömungskanäle sind in die Prozessventilinsel integriert.
In die Prozessventilinsel sind vorzugsweise auch mehrere Anschlüsse für Nebenkreise integriert. Dies ermöglicht es, verschiedene Wärmeabnehmer und Wärmeerzeuger anzuschließen, beispielsweise einen Entfrostungs-Wärmetauscher, eine Dachheizung, einen Heizkörper, einen Retarder, einen Abgaswärmetauscher, eine Kompressorkühlung, eine Batterieheizung oder andere Bauteile.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Hauptkanal mindestens eine Drossel angeordnet. Mit der Drossel kann ein gewünschtes Druckgefälle eingestellt werden, sodass beispielsweise ohne weitere Maßnahmen sich eine Zirkulation in einem der Nebenkreise ergibt.
Erfindungsgemäß ist auch ein Wärmetauschersystem mit einer solchen Prozessventilinsel vorgesehen, wobei zwischen dem Hauptausgang und dem Eingang der Prozessventilinsel eine Strömungsverbindung besteht, die durch einen Kühlkanal einer Kraftmaschine verläuft. Bei dieser Ausgestaltung wird die Prozessventilinsel dazu verwendet, einen hochintegrierten Wärmetauscherkreislauf aufzubauen und zu steuern, wobei der Wärmeeintrag in das Wärmetauschersystem mittels der Kraftmaschine oder einer anderen Wärmequelle erfolgt. Typische Kraftmaschinen sind Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren. Die Wärmeabnahme kann entweder durch Wärmetauscher erfolgen, mit denen die Abwärme der Kraftmaschine an die Umgebung abgegeben wird, oder durch verschiedene Nebenkreise, mit denen im Bedarfsfall eine Heizwirkung erzeugt wird, beispielsweise zum Entfrosten von Scheiben, zum Beheizen von Schlafkojen, Fahrerkabine oder zum Betreiben einer Heizung.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsverbindung durch einen Zuheizer verläuft. Dies ermöglicht, dem Wärmeheizerkreislauf dann Wärme zuzuführen, wenn die Kraftmaschine noch nicht genügend Abwärme erzeugt, um damit die Wärmeabnehmer der Nebenkreise in der gewünschten Weise versorgen zu können.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Strömungsverbindung durch einen Abkühler verläuft. Dies ermöglicht, dem Wärmeheizerkreislauf dann Wärme zu entziehen, wenn die Nebenkreise zur Kühlung verwendet werden sollen (beispielsweise bei einem Kühltransport).
In der Strömungsverbindung kann auch eine Pumpe angeordnet sein. Diese sorgt für die gewünschte Umwälzung.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Nebenkreise mittels zweier Anschlüsse an die Prozessventilinsel angeschlossen ist, zwischen denen ein Druckgefälle herrscht, wenn das Wärmeübertragungsmedium durch den Hauptkanal strömt, sodass sich eine Zirkulation im Nebenkreis einstellt. Bei dieser Ausgestaltung kann unter Umständen darauf verzichtet werden, die Zirkulation im Nebenkreis durch aktive Bauteile wie beispielsweise eine Pumpe herzustellen.
Grundsätzlich ist jedoch auch möglich, dass im Nebenkreis eine Pumpe angeordnet ist. Die Pumpe gewährleistet, dass die Zirkulation im Nebenkreis mit dem gewünschten Durchsatz erfolgt, sodass zuverlässig die gewünschte Wärmemenge zu einem Wärmeabnehmer transportiert werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Nebenkreis so zum Wärmeabnehmer und zurück zur Prozessventilinsel geführt ist, dass sich eine Zirkulation durch natürliche Konvektion einstellt. Bei dieser Ausgestaltung wird das unterschiedliche spezifische Gewicht des Wärmeübertragungsmediums stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeabnehmers genutzt, um ohne aktive Bauteile wie beispielsweise eine Pumpe durch die veränderte Dichte bei erwärmtem Kühlmedium oder durch eine geeignete Rohrführung die gewünschte Zirkulation herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Prozessventilinsel in mehrere Teilmodule unterteilt ist, die getrennt voneinander montiert werden können. Hierdurch kann auf fahrzeugspezifische Gegebenheiten reagiert werden, indem ein Teilmodul beispielsweise im Frontbereich, ein Teilmodul im Mittelbereich und ein Teilmodul im Heckbereich montiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. In dieser ist schematisch ein erfindungsgemäßes Wärmetauschersystem mit einer erfindungsgemäßen Prozessventilinsel gezeigt.
In der einzigen Figur ist schematisch eine Prozessventilinsel 10 ungeteilt gezeigt, die mit einem Eingang 12 für ein Wärmeübertragungsmedium und einem Hauptausgang 14 für das Wärmeübertragungsmedium versehen ist. Zwischen dem Eingang 12 und dem Hauptausgang 14 erstreckt sich ein Hauptkanal 15.
Vom Hauptausgang 14 der Prozessventilinsel 10 zum Eingang 12 erstreckt sich eine Strömungsverbindung 16, die durch einen Kühlkanal 18 einer schematisch dargestellten Kraftmaschine 20 verläuft, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Elektromotor. Somit wird, wenn ein Wärmeübertragungsmedium in der Strömungsverbindung 16 zirkuliert, die Abwärme der Kraftmaschine von dieser abgeführt.
In der Kraftmaschine 20 kann eine Kühlmittelpumpe 22 angeordnet sein.
Die Strömungsverbindung 16 verläuft durch einen hier schematisch gezeigten Zuheizer 24, der optional mit einer internen Pumpe 26 versehen sein kann. Der Zuheizer 24 kann zusätzliche Wärmeenergie in das System einbringen und beispielsweise eine Dieselheizung enthalten.
Alternativ zum Zuheizer 24 oder in Ergänzung kann ein hier nicht gezeigter Abkühler vorgesehen sein, mit dem dem System Wärmeenergie entzogen werden kann. Der Abkühler kann beispielsweise eine Kältemaschiene enthalten.
Im Hauptkanal 15 innerhalb der Prozessventilinsel 10 ist ein 3/2-Wege-Ventil 30 angeordnet, dessen einer Anschluss zu einem Bypass-Ausgang 32 führt. Vom Bypass-Ausgang 32 erstreckt sich eine Bypass-Strömungsleitung 34 hin zur Strömungsverbindung 16, sodass sie in dieser stromabwärts des Zuheizers 24 mündet.
Parallel zur Kraftmaschine 20 können weitere Wärmequellen vorgesehen sein, von denen hier schematisch eine Wärmequelle 40 gezeigt ist, beispielsweise eine zweite Kraftmaschine.
An die Strömungsverbindung 16 sind verschiedene Wärmetauscher 50, 52, 54 angeschlossen, wobei einer ihrer Anschlüsse unmittelbar über die Prozessventilinsel 10 erfolgt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der stromabwärtige Anschluss der Wärmetauscher 50, 52, 54 jeweils durch ein Steuerventil 56, das in die Prozessventilinsel 10 integriert ist, an den Hauptkanal 15 angeschlossen.
An die Prozessventilinsel 10 sind weiterhin verschiedene Nebenkreise 60 angeschlossen, in denen jeweils ein Wärmeabnehmer 62, 64, 66, 68 angeordnet ist. Bei den Wärmeabnehmern 62, 64, 66, 68 kann es sich beispielsweise um eine Entfrostungsvorrichtung, eine Dachheizung, einen Heizkörper oder ein anderes Bauteil handeln, mit dem unterschiedliche Bauteile oder Bereiche eines Kraftfahrzeugs beheizt (bzw. gekühlt) werden können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wärmeabnehmer 62, 64, 66, 68 mit ihrem stromaufwärtigen Ende unmittelbar an einen Anschluss 70 der Ventilinsel angeschlossen, während die stromabwärtigen Anschlüsse zusammengefasst über einen gemeinsamen Anschluss 72 wieder zurück zur Prozessventilinsel 10 geleitet werden. Dabei befindet sich innerhalb der Prozessventilinsel zwischen den Anschlüssen 70 und dem Hauptkanal 15 jeweils ein Steuerventil 74, mit dem der Durchfluss vom Hauptkanal 15 zum entsprechenden Anschluss 70 gesteuert wird.
Die Wärmeabnehmer 62, 64, 66, 68 können sich auf einem abkoppelbaren Bereich des Fahrzeuges befinden, beispielsweise auf einem Anhänger, Auflieger oder Wagon. Um ein Abkoppeln zu ermöglichen, können die Nebenkreise ganz oder teilweise mit Ventilen, Pumpenmodulen, Rückschlagventilen oder Schnellkupplungen versehen sein. Diese Einrichtungen sind zwischen den Anschlüssen 70 und 72 angebracht. Somit können alle oder einzelne Nebenkreise 60 abgekoppelt werden, ohne das System entleeren und wieder befüllen zu müssen.
Die nötige Druckdifferenz zwischen den stromaufwärtigen Anschlüssen 70 und dem stromabwärtigen Anschluss 72 der Nebenkreise 60 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass an geeigneter Stelle im Hauptkanal 15 eine Drossel vorgesehen wird. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, in den Nebenkreisen eine Pumpe vorzusehen, die entweder individuell für jeden einzelnen Nebenkreis verwendet werden kann oder stromabwärts der Wärmeabnehmer 62, 64, 66, 68 in der gemeinsamen Leitung hin zum Anschluss 72 als Saugpumpe. Es ist auch möglich, die Wärmeabnehmer 62, 64, 66, 68 oberhalb der Prozessventilinsel 10 so anzuordnen, dass sich im Nebenkreis eine Zirkulation durch natürliche Konvektion einstellt, also aufgrund der Unterschiede des spezifischen Gewichts des Wärmeübertragungsmediums vor und hinter dem Wärmeabnehmer.
Die Prozessventilinsel 10 ist das zentrale Element des beschriebenen Wärmetauschersystems, das in einem Nutzfahrzeug eingesetzt werden kann. Insbesondere mit dem integrierten 3/2-Wege-Ventil 30 kann das Wärmemanagement optimiert werden.
Mit der Prozessventilinsel 10 kann bei den verschiedenen Betriebsarten, beispielsweise im Stillstand, beim Hochfahren, im Nennbetrieb, im Langzeitbetrieb, im Kurzzeitbetrieb, während Pausen und im Nachlaufbetrieb, mittels sensorischer Erfassung an den zu steuernden oder zu regelnden Wärmekreisen gewährleistet werden, dass unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmemengenpotenziale und aggregatspezifischen Besonderheiten (Temperaturgangkurven, Grenzwerte, Wärmeaufnahmeverhalten und Wärmeabgabeverhalten) die geforderten Betriebstemperaturen zuverlässig eingehalten werden.
So kann durch das 3/2-Wege-Ventil nach einem Kaltstart der Hauptausgang vom Hauptkanal 15 abgetrennt werden, sodass das Wärmeübertragungsmedium nicht durch die kalte Kraftmaschine (insbesondere einen kalten Verbrennungsmotor) zirkuliert, sondern durch den Bypass 34 direkt zum Zuheizer 24, wo es schneller erwärmt werden kann. Dies ermöglicht es, den Wärmeabnehmern vergleichsweise schnell Wärme zur Verfügung zu stellen. Der Zuheizer 24 kann auch dazu verwendet werden, die Kraftmaschine 20 auf eine gewünschte Temperatur zu bringen, um einen Kaltstart des Kraftmaschine 20 zu verhindern oder zu verbessern.
Wenn die Kraftmaschine 20 eine bestimmte Temperatur erreicht hat, kann das 3/2-Wege-Ventil mit einer steuerungsseitig vorgegebenen Geschwindigkeit geöffnet werden, sodass der Volumenstrom durch den Kühlkanal 18 nach und nach zunimmt. Das 3/2-Wege-Ventil 30 wird dabei langfristig so betrieben, dass sich durch den Kühlkanal 18 der Kraftmaschine 20 ein solcher Volumenstrom an Wärmeübertragungsmedium einstellt, dass die erzeugte Abwärme in der gewünschten Weise abgeführt wird. Gleichzeitig können die Steuerventile 56 geeignet so angesteuert werden, dass derjenige Anteil der Abwärme der Kraftmaschine, der nicht von den Wärmeabnehmern 62, 64, 66, 68 abgenommen wird, über die Wärmetauscher 50, 52, 54 an die Umgebung abgegeben wird.
Der Wirkungsgrad des Systems ist sehr hoch, da alle Anschlüsse in die Prozessventilinsel 10 integriert sind, sodass ein energetisch und räumlich zusammengefasstes Wärmetauschersystem geschaffen wird, mit dem ein optimal abgestimmtes Wärmemanagement umgesetzt werden kann. Damit werden Bereiche, die bisher als eigenständige Module ausgeführt wurden, energietechnisch vernetzt, wodurch der Wirkungsgrad des Systems insgesamt steigt.
Für die verschiedenen Steuerventile und für das 3/2-Wege-Ventil können unterschiedliche Ventilantriebe verwendet werden, beispielsweise elektromotorisch, elektropneumatisch, elektromagnetisch oder mechanisch.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1441160 [0003]

Claims

Prozessventilinsel (10) mit einem Eingang (12) für ein Wärmeübertragungsmedium, einem Hauptausgang (14) für das Wärmeübertragungsmedium, einem sich dazwischen erstreckenden Hauptkanal (15), einem 3/2-Wege-Ventil (30), das im Hauptkanal (15) angeordnet ist, und einem Bypass-Ausgang (32), wobei die Stellung des 3/2-Wege-Ventils (30) bestimmt, mit welchem Strömungsquerschnitt der Bypass-Ausgang (32) und der Hauptausgang (14) mit dem Hauptkanal (15) in Verbindung stehen, und wobei Steuerventile (75, 56) zur Bestimmung des Strömungsquerschnittes zwischen Hauptkanal (15) und den Anschlüssen (70) für Nebenkreise vorgesehen sind.
Prozessventilinsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse (70) für Nebenkreise vorgesehen sind.
Prozessventilinsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigungen vom Hauptkanal (15) zu den Nebenkreisen zwischen dem Eingang (12) und dem 3/2-Wege-Ventil (30) liegen.
Prozessventilinsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptkanal mindestens eine Drossel angeordnet ist.
Prozessventilinsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in mehrere Teilmodule unterteilt ist, die getrennt voneinander montiert werden können.
Wärmetauschersystem mit einer Prozessventilinsel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hauptausgang (14) und dem Eingang (12) der Prozessventilinsel (10) eine Strömungsverbindung (16) besteht, die durch einen Kühlkanal (18) einer Kraftmaschine (20) verläuft.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (16) durch einen Zuheizer (24) verläuft.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (16) durch einen Abkühler verläuft
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsverbindung (16) eine Pumpe (26) angeordnet ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an die Prozessventilinsel (10) mindestens ein Wärmeabnehmer (62, 64, 66, 68) mittels eines Nebenkreises angeschlossen ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkreis mittels zweier Anschlüsse (70, 72) an die Prozessventilinsel angeschlossen ist.
Wärmetauschersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlüssen ein Druckgefälle herrscht, wenn das Wärmeübertragungsmedium durch den Hauptkanal (15) strömt, so dass sich eine Zirkulation im Nebenkreis einstellt.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenkreis eine Pumpe angeordnet ist.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkreis so zum Wärmeabnehmer (62, 64, 66, 68) und zurück zur Prozessventilinsel (10) geführt ist, dass sich eine Zirkulation durch natürliche Konvektion einstellt.
Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkreis mittels zumindest eines in die Prozessventilinsel integrierten Steuerventils (74, 56) steuerbar ist.