-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Wärmeübertrager zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums über einen Kühlkreis eines Fahrzeugs mit Elektro- oder Hybridantrieb. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit wenigstens einem derartigen Wärmeübertrager ausgestattetes Fahrzeug.
-
Auch bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb kann es, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, erforderlich sein, den Fahrzeuginnenraum zu beheizen. Hierzu steht zumindest elektrische Energie zur Verfügung, beispielsweise um eine elektrische Heizeinrichtung betreiben zu können. Eine derartige elektrische Beheizung des Fahrzeuginnenraums wirkt sich jedoch stark nachteilig auf die Reichweite des Fahrzeugs im Elektro-Fahrmodus aus. Grundsätzlich besitzt auch ein Fahrzeug mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb Komponenten, die sich im Betrieb des Fahrzeugs aufwärmen und gegebenenfalls gekühlt werden müssen. Beispielsweise können sich im Elektro-Fahrmodus eine Fahrzeugbatterie, eine Leistungselektronik sowie elektrische Antriebsmotoren aufheizen. Die dabei anfallende Wärme kann zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Sofern ein Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, erzeugt die Brennkraftmaschine im Verbrennungs-Fahrmodus Abwärme, die zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann.
-
Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als Antrieb ist es zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums üblich, einen in einen Motorkühlkreis eingebundenen Wärmeübertrager und einen elektrisch betriebenen Heizkörper vorzusehen, der immer dann eingeschaltet wird, wenn die über den Kühlkreis verfügbare Wärme nicht ausreicht, den Fahrzeuginnenraum im gewünschten Maße zu beheizen.
-
Aus der
WO 2012/110461 A1 ist ein Raumklimagerät bekannt, mit dessen Hilfe ein Luftstrom beheizbar ist, der seinerseits zum Beheizen eines Wohnraums dient. Die hierzu erforderliche Wärme wird über einen Flüssigkeitsstrom bereitgestellt. Das Raumklimagerät besitzt zwei hintereinander angeordnete Wärmeübertrager, die in ihrem jeweiligen Wärmeübertragerblock jeweils einen vom Luftstrom durchströmbaren Luftkanal und einen vom Heizmittel durchströmbaren Heizmittelkanal aufweisen, die wärmeübertragend und mediengetrennt miteinander gekoppelt sind. Im jeweiligen Wärmeübertragerblock sind dabei der Luftkanal und der Heizmittelkanal nach dem Gleichstromprinzip angeordnet. Durch die beiden Wärmeübertrager besitzt das Raumklimagerät eine zweistufige Aufheizung des Luftstroms. In dem der zweiten, nachfolgenden Heizstufe zugeordneten Wärmetauscher ist ein Peltier-Element angeordnet, mit dessen Hilfe Wärme vom flüssigen Heizmittelstrom zum Luftstrom oder umgekehrt gepumpt werden kann.
-
Aus der
DE 697 22 206 T2 ist ein hybrides Klimaanlagensystem bekannt, das ebenfalls für eine Verwendung an einem Gebäude vorgesehen ist. In einem Gehäuse sind zwei separate Luft-Luft-Wärmeübertrager angeordnet, die von einem zu kühlenden Luftstrom seriell durchströmt werden. Der stromauf angeordnete, zuerst durchströmte Wärmeübertrager ist außerdem von einem ersten Kühlluftstrom durchströmt, so dass über den ersten Wärmeübertrager eine Vorkühlung des zu kühlenden Luftstroms erreicht werden kann. Im nachfolgenden, stromab angeordneten zweiten Wärmeübertrager erfolgt eine weitere Abkühlung in Verbindung mit einem zweiten Kühlluftstrom sowie in Verbindung mit thermoelektrischen Wandlern, die in den zweiten Wärmeübertrager integriert sind.
-
Aus der
US 6,705,089 B2 ist eine Kühleinrichtung für elektrische Geräte, wie zum Beispiel für einen Computer, bekannt, die zwei separate Kühleinrichtungen aufweist, die in einem Kühlkreis seriell angeordnet sind. Dabei ist die im Kühlkreis stromauf angeordnete erste Kühleinrichtung dazu vorgesehen, das im Kühlkreis zirkulierende Kühlmittel auf Umgebungstemperatur abzukühlen. Im Unterschied dazu dient die stromab davon im Kühlkreis angeordnete zweite Kühleinrichtung dazu, das Kühlmittel unter die Umgebungstemperatur abzukühlen, bevor es dann der jeweiligen zu kühlenden elektrischen Komponente zugeführt wird. Die zweite Kühleinrichtung ist mit elektrothermischen Wandlern ausgestattet, um die Kühlwirkung für das Kühlmittel zu verbessern.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art bzw. für ein damit ausgestattetes Fahrzeug eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen geringen Bauraumbedarf sowie durch einen hohen Betriebskomfort auszeichnet, selbst wenn die zur Verfügung stehende Wärme stark variiert.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Wärmeübertragerblock des Wärmeübertragers zwei Wärmeübertragungsstufen auszubilden, die bezüglich des Luftstroms hintereinander angeordnet sind. Die Ausbildung von zwei Wärmeübertragungsstufen in ein und demselben Wärmeübertragerblock führt zu einer besonders kompakten Bauform für den Wärmeübertrager. Ferner führt diese Bauform auch dazu, dass eine erste Wärmeübertragerstufe die Lufteintrittsseite des Wärmeübertragerblocks aufweist, während eine zweite Wärmeübertragerstufe eine Luftaustrittsseite des Wärmeübertragerblocks aufweist. Insoweit sind die beiden Wärmeübertragerstufen hinsichtlich des Luftstroms hintereinander angeordnet, derart, dass die erste Wärmeübertragerstufe zuerst vom Luftstrom durchströmt wird, während die zweite Wärmeübertragerstufe vom Luftstrom anschließend durchströmt wird. Des Weiteren sind im gemeinsamen Wärmeübertragerblock mehrere vom Luftstrom durchströmbare Luftkanäle und mehrere von einem Kühlmittelstrom durchströmbare Kühlmittelkanäle vorgesehen und so angeordnet, dass sie durch beide Wärmeübertragerstufen hindurchgeführt sind und in beiden Wärmeübertragerstufen wärmeübertragend und mediengetrennt miteinander gekoppelt sind. Die kompakte Bauform wird auch dadurch unterstützt, dass die Anordnung von Luftkanälen und Kühlmittelkanälen im Wärmeübertragerblock so erfolgt, dass im Betrieb der Wärmeübertrager insgesamt und die beiden Wärmeübertragerstufen jeweils für sich nach dem Kreuzstromprinzip vom Kühlmittel und von der Luft durchströmt werden. Beim erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ist außerdem vorgesehen, nur in einer der beiden Wärmeübertragerstufen mehrere thermoelektrische Module zwischen den Luftkanälen und den Kühlmittelkanälen anzuordnen. Derartige thermoelektrische Module oder Wandler können elektrischen Strom in Wärme wandeln und weisen sogenannte Peltier-Elemente auf. Die thermoelektrischen Module können bedarfsabhängig als Wärmepumpe betrieben werden, um Wärme vom Kühlmittelstrom zum Luftstrom oder umgekehrt zu übertragen. Durch die Integration der thermoelektrischen Module in nur eine der beiden Stufen des Wärmeübertragers ergibt sich eine besonders vorteilhafte Bauform. Bevorzugt sind die thermoelektrischen Module ausschließlich in der zweiten Wärmeübertragerstufe angeordnet. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die thermoelektrischen Module ausschließlich in der ersten Wärmeübertragerstufe angeordnet sind. Die Unterbringung der thermoelektrischen Module nur in der einen bzw. zweiten Wärmeübertragerstufe hat den Vorteil, dass in der anderen bzw. ersten Wärmeübertragerstufe eine direkte Wärmekopplung zwischen Luftkanälen und Kühlmittelkanälen für eine effiziente Wärmeübertragung genutzt werden kann, während in der zweiten Wärmeübertragerstufe bedarfsabhängig die Wärmepumpenfunktion der thermoelektrischen Module genutzt werden kann. Im Vergleich zu einem Wärmeübertrager, der nur eine einzige Wärmeübertragerstufe aufweist, die mit thermoelektrischen Wandlern ausgestattet ist, ergibt sich für den Fall, dass die thermoelektrischen Wandler nicht aktiv sind, eine deutlich verbesserte Wärmeübertragung, da die deaktivierten thermoelektrischen Wandler quasi als thermische Isolatoren wirken.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die erste Wärmeübertragerstufe und die zweite Wärmeübertragerstufe in einer Tiefenrichtung des Wärmeübertragerblocks aneinander angrenzen. Im Wärmeübertragerblock können nun zumindest zwei solche Kühlmittelkanäle parallel zueinander verlaufen und in der Tiefenrichtung hintereinander bzw. nebeneinander angeordnet sein. Des Weiteren können im Wärmeübertragerblock mehrere solcher Kühlmittelkanäle parallel zueinander verlaufen und in einer senkrecht zur Tiefenrichtung verlaufenden Höhenrichtung des Wärmeübertragerblocks übereinander bzw. nebeneinander angeordnet sein. Die Luftkanäle sind im Wärmeübertragerblock zwischen Kühlmittelkanälen ausgebildet, die in der Höhenrichtung zueinander benachbart sind. Hierdurch durchdringen sich die Luftkanäle und die Kühlmittelkanäle in einer Projektion parallel zur Höhenrichtung gegenseitig gemäß dem Kreuzstromprinzip.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung können sich die Luftkanäle von der Lufteintrittsseite bis zur Luftaustrittsseite durchgehend erstrecken, wobei der jeweilige durchgehende Luftkanal eine in der Höhenrichtung gemessene Kanalhöhe aufweist, die entlang der Tiefenrichtung im Wesentlichen konstant ist und/oder die in der ersten Wärmeübertragerstufe und in der zweiten Wärmeübertragerstufe etwa gleich groß ist. Innerhalb des jeweiligen Luftkanals wird somit ein Querschnittssprung, der zu einem erhöhten Durchströmungswiderstand führt, vermieden. Die Gesamtheit aller Luftkanäle definiert einen Luftpfad, der durch den Wärmeübertragerblock bzw. durch den Wärmeübertrager hindurchführt. Zweckmäßig besitzt nun dieser Luftpfad in der ersten Wärmeübertragerstufe und in der zweiten Wärmeübertragerstufe etwa den gleichen vom Luftstrom durchströmbaren Querschnitt.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann in der zweiten Wärmeübertragerstufe zwischen zwei in der Höhenrichtung benachbarten Luftkanälen eine Anordnung aus zwei thermoelektrischen Module und einem Kühlmittelkanal angeordnet sein, der seinerseits zwischen diesen beiden thermoelektrischen Module angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich in der Höhenrichtung eine Schichtbauweise, bei der auf einen Luftkanal ein thermoelektrischer Modul, auf diesen ein Kühlmittelkanal, auf diesen ein weiterer thermoelektrischer Modul und erst auf diesen ein weiterer Luftkanal folgen.
-
Bei einer Weiterbildung kann die jeweilige Anordnung eine in der Höhenrichtung gemessene Anordnungshöhe aufweisen, die etwa gleich groß ist wie eine in der Höhenrichtung gemessene Kanalhöhe eines Kühlmittelkanals, der in der ersten Wärmeübertragerstufe verläuft und zu dieser Anordnung in der Tiefenrichtung benachbart ist. Hierdurch wird erreicht, dass im Bereich der Kühlmittelkanäle innerhalb der ersten Wärmeübertragerstufe und innerhalb der zweiten Wärmeübertragerstufe etwa derselbe Bauraum in der Höhenrichtung benötigt wird. Mit anderen Worten, die Kanalhöhe eines Kühlmittelkanals in der ersten Wärmeübertragerstufe entspricht der Summe aus Kanalhöhe eines Kühlmittelkanals in der zweiten Wärmeübertragerstufe und zweimal der Höhe eines solchen thermoelektrischen Moduls. Sofern die Kühlmittelkanäle in den beiden Wärmeübertragerstufen in der Tiefenrichtung etwa dieselben Abmessungen besitzen, ist dadurch der vom Kühlmittelstrom durchströmbare Querschnitt in den Kühlmittelkanälen in der ersten Wärmeübertragerstufe größer als in der zweiten Wärmeübertragerstufe.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können sich die Kühlmittelkanäle geradlinig und parallel zueinander sowie parallel zu einer Breitenrichtung des Wärmeübertragerblocks erstrecken, die senkrecht zur Höhenrichtung und senkrecht zur Tiefenrichtung verläuft. Hierdurch ergibt sich für den Wärmeübertragerblock ein besonders einfacher Aufbau, der preiswert realisierbar ist.
-
Bei einer anderen Ausführungsform können die Kühlmittelkanäle durch den Kühlmittelstrom führende Kühlmittelrohre gebildet sein, die im Wärmeübertragerblock verlaufen. Besonders vorteilhaft ist dann eine Weiterbildung, bei der die Luftkanäle in der ersten Wärmeübertragerstufe durch die Kühlmittelrohre und in der zweiten Wärmeübertragerstufe durch die thermoelektrischen Module begrenzt sind. Die Begrenzung der Luftkanäle durch die Kühlmittelrohre bzw. durch die thermoelektrischen Module erfolgt dabei in der Höhenrichtung. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein besonders preiswerter Aufbau für den Wärmeübertrager.
-
Bei einer anderen Ausführungsform können die Kühlmittelkanäle im Wärmeübertragerblock fluidisch so miteinander verbunden sein, dass die in der ersten Wärmeübertragerstufe verlaufenden Kühlmittelkanäle und die in der zweiten Wärmeübertragerstufe verlaufenden Kühlmittelkanäle parallel vom Kühlmittelstrom durchströmbar sind. Hierdurch besitzt der Wärmeübertrager einen besonders geringen Durchströmungswiderstand für den Kühlmittelstrom.
-
Gemäß einer Weiterbildung können am Wärmeübertragerblock ein für die erste Wärmeübertragerstufe und die zweite Wärmeübertragerstufe gemeinsamer Verteilerkasten mit einem Kühlmitteleinlass und ein für die erste Wärmeübertragerstufe und die zweite Wärmeübertragerstufe gemeinsamer Sammelkasten mit einem Kühlmittelauslass vorgesehen sein, die an in einer Breitenrichtung des Wärmeübertragerblocks voneinander abgewandten Seiten des Wärmeübertragerblocks angeordnet und über die Kühlmittelkanäle miteinander fluidisch verbunden sind. Die Breitenrichtung des Wärmeübertragerblocks erstreckt sich dabei senkrecht zu dessen Höhenrichtung und senkrecht zu dessen Tiefenrichtung.
-
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Kühlmittelkanäle im Wärmeübertragerblock fluidisch so miteinander verbunden sein, dass die in der ersten Wärmeübertragerstufe verlaufenden Kühlmittelkanäle und die in der zweiten Wärmeübertragerstufe verlaufenden Kühlmittelkanäle seriell vom Kühlmittelstrom durchströmbar sind. Bei dieser Ausführungsform lässt sich eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen Kühlmittelstrom und Luftstrom realisieren.
-
Zweckmäßig ist hier eine Weiterbildung, bei welcher am Wärmeübertragerblock an einer ersten Seite ein der einen Wärmeübertragerstufe zugeordneter Verteilerkasten mit einem Kühlmitteleinlass und ein der anderen Wärmeübertragerstufe zugeordneter Sammelkasten mit einem Kühlmittelauslass angeordnet sind, während ein mit dem Verteilerkasten und mit dem Sammelkasten über die Kühlmittelkanäle fluidisch verbundener Umlenkkasten an einer zweiten Seite des Wärmeübertragerblocks angeordnet ist, die von der ersten Seite in einer Breitenrichtung des Wärmeübertragerblocks abgewandt ist. Die Breitenrichtung erstreckt sich wie erwähnt senkrecht zur Höhenrichtung und senkrecht zur Tiefenrichtung.
-
Besonders vorteilhaft lässt sich der Wärmeübertrager bei den letztgenannten Ausführungsformen so ausgestalten, dass er nach dem Kreuzgleichstromprinzip arbeitet. In diesem Fall kreuzt bzw. quert der Kühlmittelstrom den Luftstrom, wobei der Kühlmittelstrom von der ersten Wärmeübertragerstufe zur zweiten Wärmeübertragerstufe außerdem bezüglich des Luftstroms im Gleichstrom verläuft, also wie der Luftstrom zuerst durch die erste Wärmeübertragerstufe und danach durch die zweite Wärmeübertragerstufe strömt.
-
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, das mit einem Elektroantrieb oder mit einem Hybridantrieb ausgestattet ist und bei dem es sich vorzugsweise um ein Straßenfahrzeug handelt, besitzt einen Kühlkreis, in dem ein Kühlmittel zirkuliert und der zum Kühlen wenigstens einer Komponente des Fahrzeugs dient, die sich im Betrieb des Fahrzeugs aufwärmt. In den Kühlkreis ist ein Wärmeübertrager der vorstehend beschriebenen Art so eingebaut, dass das Kühlmittel des Kühlkreises durch die Kühlmittelkanäle des Wärmeübertragers strömen kann. Ferner ist das Fahrzeug mit einem Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms ausgestattet, der durch die Luftkanäle des Wärmeübertragers hindurch und in einen Fahrzeuginnenraum hinein geführt ist. Außerdem ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit der die thermoelektrischen Module des Wärmeübertragers so angesteuert werden können, dass sie als Wärmepumpe arbeiten. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung so programmiert bzw. ausgestaltet, dass sie zum Beheizen des Luftstroms abhängig von der Temperatur des Kühlmittels und abhängig von einer Abweichung oder Differenz von Soll-Temperatur und Ist-Temperatur des Fahrzeuginnenraums die thermoelektrischen Module mehr oder weniger stark zuschaltet. Ist die Temperatur des Kühlmittels hoch genug, kann eine Beheizung des Luftstroms auch ohne Zuschaltung der thermoelektrischen Module ausreichen. Beim Kaltstart des Fahrzeugs kann es dagegen erforderlich sein, den Luftstrom ausschließlich über die thermoelektrischen Module zu beheizen. Ebenso sind quasi beliebig viele gemischte Betriebszustände möglich, bei denen die Steuereinrichtung die thermoelektrischen Module mehr oder weniger stark bestromt, um jeweils eine Kombination aus passiv übertragenem Kühlmittelwärmestrom, aktiv gepumptem Kühlmittelwärmestrom und elektrischer Heizleistung zu erhalten. Ein solcher aktiv gepumpter Kühlmittelwärmestrom ist durch den Wärmepumpeneffekt der thermoelektrischen Module gegeben, der bei einer Bestromung der thermoelektrischen Module abhängig von den aktuellen Randbedingungen stärker oder schwächer vorhanden ist.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, das mit einem Wärmeübertrager ausgestattet ist,
-
2 ein stark vereinfachter Längsschnitt des Wärmeübertragers,
-
3 und 4 jeweils einen Längsschnitt des Wärmeübertragers wie in 2, jedoch in einer um 90° gedrehten Schnittebene sowie bei zwei verschiedenen Ausführungsformen.
-
Entsprechend 1 umfasst ein Fahrzeug 1 mit Hybridantrieb 2 zumindest einen Kühlkreis 3 zum Kühlen wenigstens einer Komponente des Fahrzeugs 1. Im gezeigten Beispiel ist der Hybridantrieb 2 als serieller Hybrid ausgestaltet, bei dem eine Brennkraftmaschine 4 einen Modul 5 antreibt, der über eine Leistungselektronik 6 eine Batterie 7 auflädt. Der Antrieb des Fahrzeugs 1 erfolgt nur elektrisch über wenigstens einen Elektromotor 8, der von der Batterie 7 mit Strom versorgt wird und der auf geeignete Weise mit wenigstens einem Antriebsrad 9 des Fahrzeugs 1 verbunden ist. Die Leistungselektronik 6 steuert die Stromversorgung des Elektromotors 8 und die Aufladung der Batterie 7. Jede der genannten Komponenten kann sich während des Betriebs des Fahrzeugs 1 aufheizen. Dabei ist es üblich, die Brennkraftmaschine 4 an einen Kühlkreis 3 anzuschließen. Auch der Modul 5 kann an einen Kühlkreis 3 angeschlossen sein. Ebenso können die Batterie 7, die Leistungselektronik 6 und der jeweilige Elektromotor 8 jeweils an einen Kühlkreis 3 angeschlossen sein. Grundsätzlich können hier verschiedene Kühlkreise 3 zum Einsatz kommen. Ebenso kann es sich um verschiedene Kreise oder Abschnitte eines gemeinsamen Kühlkreises 3 handeln. Jedenfalls ist in zumindest einen solchen Kühlkreis 3 ein Wärmeübertrager 10 eingebunden, so dass im Kühlkreis 3 zirkulierendes Kühlmittel auch durch den Wärmeübertrager 10 hindurchströmen kann. Ferner ist das Fahrzeug 1 mit einem Gebläse 11 ausgestattet, mit dessen Hilfe ein Luftstrom 12 erzeugt werden kann, der ebenfalls durch den Wärmeübertrager 10 hindurchgeführt ist. Im Wärmeübertrager 10 erfolgt eine wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Luftstrom 12 und einem Kühlmittelstrom 13. Der Luftstrom 12 wird einem Fahrzeuginnenraum 14 zugeführt, um diesen bedarfsabhängig zu beheizen.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Hybridantrieb 2 auch als paralleler Hybrid oder als leistungsverzweigter Hybrid bzw. als Mischhybrid ausgestaltet sein.
-
Entsprechend den 1 bis 4 besitzt der Wärmeübertrager 10 einen Wärmeübertragerblock 15, der mehrere parallel vom Luftstrom 12 durchströmbare Luftkanäle 16 und mehrere vom Kühlmittelstrom 13 durchströmbare Kühlmittelkanäle 17 aufweist. Die Luftkanäle 16 und die Kühlmittelkanäle 17 sind im Wärmeübertragerblock 15 wärmeübertragend und mediengetrennt miteinander gekoppelt, so dass eine effiziente Wärmeübertragung zwischen Kühlmittelstrom 13 und Luftstrom 12 erfolgt, während keine Durchmischung von Luft und Kühlmittel stattfindet.
-
Die Luftkanäle 16 und die Kühlmittelkanäle 17 sind gemäß den 1, 3 und 4 im Wärmeübertragerblock 15 nach dem Kreuzstromprinzip angeordnet. Der Wärmeübertrager 10 bzw. sein Wärmeübertragerblock 15 besitzt ein durch die Durchströmungsrichtung, mit welcher der Luftstrom 12 den Wärmeübertragerblock 15 durchströmt, definierte Tiefenrichtung T, eine senkrecht zur Tiefenrichtung T verlaufende, in 2 erkennbare Höhenrichtung H sowie eine senkrecht zur Tiefenrichtung T und senkrecht zur Höhenrichtung H verlaufende, in den 1, 3 und 4 erkennbare Breitenrichtung B. Die Durchströmung des Wärmeübertragerblocks 15 mit dem Luftstrom 12 erfolgt in der Tiefenrichtung T, während die Durchströmung des Wärmeübertragerblocks 15 durch den Kühlmittelstrom 13 im Wesentlichen parallel zur Breitenrichtung B erfolgt. Somit kreuzen sich die Strömungspfade von Luftstrom 12 und Kühlmittelstrom 13 im Wärmeübertragerblock 15, wodurch das Kreuzstromprinzip realisiert ist.
-
Der hier vorgestellte Wärmeübertrager 10 besitzt innerhalb des einen Wärmeübertragerblocks 15 eine erste Wärmeübertragerstufe 18 und eine zweite Wärmeübertragerstufe 19. Während eine Lufteintrittsseite 20 des Wärmeübertragerblocks 15 der ersten Wärmeübertragerstufe 18 zugeordnet ist, ist eine Luftaustrittsseite 21 des Wärmeübertragerblocks 15 der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 zugeordnet. Somit strömt der Luftstrom 12 zuerst durch die erste Wärmeübertragerstufe 18 und anschließend durch die zweite Wärmeübertragerstufe 19. Die Luftkanäle 16 und die Kühlmittelkanäle 17 sind im Wärmeübertragerblock 15 so verlegt, dass sie sowohl durch die erste Wärmeübertragerstufe 18 als auch durch die zweite Wärmeübertragerstufe 19 hindurch geführt sind, und zwar derart, dass die Luftkanäle 16 und die Kühlmittelkanäle 17 sowohl in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 als auch in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 wärmeübertragend und mediengetrennt miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten, sowohl in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 als auch in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen Kühlmittelstrom 13 und Luftstrom 12, was durch eine entsprechende Verlegung der Luftkanäle 16 und der Kühlmittelkanäle 17 erzielt ist.
-
In der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 sind im Wärmeübertragerblock 15 außerdem mehrere thermoelektrische Module 22 angeordnet, und zwar jeweils zwischen je einem Luftkanal 16 und je einem Kühlmittelkanal 17. Diese thermoelektrischen Module 22 lassen sich bedarfsabhängig als Wärmepumpe betreiben, um Wärme vom Kühlmittelstrom 13 auf den Luftstrom 12 zu übertragen. Erkennbar sind die thermoelektrischen Module 22 nur in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 vorgesehen. In der ersten Wärmeübertragerstufe 18 sind somit keine thermoelektrischen Module 22 vorgesehen.
-
Zum Betreiben der thermoelektrischen Module 22 ist gemäß 1 das Fahrzeug 1 mit einer Steuereinrichtung 23 ausgestattet, die über geeignete Steuerleitungen 24 mit den thermoelektrischen Module 22 elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 23 kann außerdem über Signalleitungen 25 mit Temperatursensoren 26, 27 verbunden sein. Der eine Temperatursensor 26 ermittelt die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromauf des Wärmeübertragers 10. Der andere Temperatursensor 27 ermittelt die Ist-Temperatur im Fahrzeuginnenraum 14. Die Steuereinrichtung 23 kann nun so programmiert bzw. so ausgelegt sein, dass sie abhängig von einer gewünschten Temperatur für den Fahrzeuginnenraum 14, die auch als Soll-Temperatur bezeichnet werden kann, die Beheizung des Luftstroms 12 steuert bzw. regelt. Dabei kann sie abhängig von der aktuellen Temperatur des Kühlmittels und abhängig von der aktuellen Soll-Ist-Abweichung der Temperatur des Fahrzeuginnenraums 14 die thermoelektrischen Module 22 mehr oder weniger stark zuschalten.
-
Gemäß den 2 bis 4 sind die beiden Wärmeübertragerstufen 18, 19 in der Tiefenrichtung T hintereinander angeordnet, so dass sie in der Tiefenrichtung T aneinander angrenzen. In der Höhenrichtung H sind mehrere Kühlmittelkanäle 17 übereinander angeordnet bzw. gemäß 2 nebeneinander. In der Tiefenrichtung T sind zumindest zwei Kühlmittelkanäle 17 hintereinander angeordnet. Die Kühlmittelkanäle 17 erstrecken sich jeweils parallel zueinander. Die Luftkanäle 16 sind ebenfalls in der Höhenrichtung H parallel zueinander sowie übereinander bzw. nebeneinander angeordnet. Dabei sind die Luftkanäle 16 jeweils zwischen zwei Kühlmittelkanälen 17 vorgesehen, die in der Höhenrichtung H zueinander benachbart sind. Somit wechseln sich in der Höhenrichtung H Luftkanäle 16 und Kühlmittelkanäle 17 gegenseitig ab.
-
Erkennbar erstrecken sich die Luftkanäle 16 von der Lufteintrittsseite 20 bis zur Luftaustrittsseite 21 durchgehend durch den Wärmeübertragerblock 15 hindurch. Jeder einzelne Luftkanal 16 besitzt eine in der Höhenrichtung H gemessene Kanalhöhe 28, die entlang der Tiefenrichtung T konstant ist. Somit ist die Kanalhöhe 28 in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 gleich groß wie in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19.
-
In der ersten Wärmeübertragerstufe 18 wechseln sich Luftkanal 16 und Kühlmittelkanal 17 in der Höhenrichtung H direkt und unmittelbar ab, so dass zwischen zwei in der Höhenrichtung H benachbarten Luftkanälen 16 jeweils ein Kühlmittelkanal 17 angeordnet ist. In der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 ist zwischen zwei in der Höhenrichtung H benachbarten Luftkanälen 16 eine Anordnung 29 angeordnet, die jeweils aus zwei thermoelektrischen Module 22 und einem Kühlmittelkanal 17 besteht. Dabei ist innerhalb der jeweiligen Anordnung 29 der Kühlmittelkanal 17 in der Höhenrichtung H zwischen den beiden thermoelektrischen Module 22 angeordnet. Die jeweilige Anordnung 29 besitzt eine in der Höhenrichtung H gemessene Anordnungshöhe 30. Die Anordnungshöhe 30 ist gleich groß wie eine Kanalhöhe 31, die ebenfalls in der Höhenrichtung H gemessen ist und zu demjenigen Kühlmittelkanal 17 gehört, der in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 dazu in der Tiefenrichtung T benachbart ist. Somit kann auch im Bereich der Kühlmittelkanäle 17 entlang der Tiefenrichtung T ein konstantes Außenmaß über beide Wärmeübertragerstufen 18, 19 gewährleistet werden, was eine konstante Kanalhöhe 28 für die benachbarten Luftkanäle 16 vereinfacht.
-
Bei den hier gezeigten, vereinfachten Ausführungsformen erstrecken sich die Kühlmittelkanäle 17 und die Luftkanäle 16 jeweils geradlinig und parallel zueinander. Die Kühlmittelkanäle 17 können zweckmäßig durch Kühlmittelrohre 32 gebildet sein, die den Kühlmittelstrom 13 führen und die im Wärmeübertragerblock 15 verlaufen. Die Kühlmittelrohre 32 können sich außerdem parallel zur Breitenrichtung B erstrecken, was sich den Schnittansichten der 3 und 4 entnehmen lässt. In den Kühlmittelkanälen 16 können in üblicher Weise, hier nicht gezeigte Turbulatoren angeordnet sein, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
-
Zur Realisierung der Luftkanäle 16 sind grundsätzlich keine separaten Rohrkörper erforderlich. Lediglich Endplatten 33 können an den in der Höhenrichtung H voneinander entfernten Enden des Wärmeübertragerblocks 15 vorgesehen sein, um den dortigen jeweiligen letzten oder äußersten Luftkanal 16 zu begrenzen. Im Übrigen sind die Luftkanäle 16 innerhalb der ersten Wärmeübertragerstufe 18 durch die Kühlmittelrohre 17 und innerhalb der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 durch die thermoelektrischen Module 22 begrenzt. In den Luftkanälen 16 können in üblicher Weise Turbulatoren oder Lamellen angeordnet sein, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Insbesondere können die thermoelektrischen Module 22 an ihren dem Luftstrom 12 ausgesetzten Außenseiten mit Kühlrippen ausgestattet sein, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
-
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Kühlmittelkanäle 17 im Wärmeübertragerblock 15 fluidisch so miteinander verbunden, dass die in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 und die in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 parallel vom Kühlmittelstrom 13 durchströmt sind. Diese Parallelschaltung ist in 3 mit 34 bezeichnet. Im Unterschied dazu zeigt 4 eine Ausführungsform, bei der eine Serienschaltung oder Reihenschaltung 35 realisiert ist. Mit anderen Worten, die Kühlmittelkanäle 17 sind im Wärmeübertragerblock 15 fluidisch so miteinander verbunden, dass die in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 und die in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 seriell, also nacheinander vom Kühlmittelstrom 13 durchströmt sind.
-
In beiden Beispielen der 3 und 4 sind die Kühlmittelkanäle 17 in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 vom Kühlmittel parallel durchströmt. Ebenso sind innerhalb der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 die Kühlmittelkanäle 17 vom Kühlmittel parallel durchströmt. Bei der Parallelschaltung 34 gemäß 3 sind die Kühlmittelkanäle 17 in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 und in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 gleichgerichtet durchströmt. Bei der Serienschaltung 35 gemäß 4 sind die Kühlmittelkanäle 17 der ersten Wärmeübertragerstufe 18 und der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 dagegen gegensinnig vom Kühlmittel durchströmt.
-
Die Parallelschaltung 34 wird bei der in 3 gezeigten Ausführungsform mit Hilfe eines Verteilerkastens 36 erreicht, der am Wärmeübertragerblock 15 gemeinsam für beide Wärmeübertragerstufen 18, 19 vorgesehen ist. Ferner ist ein gemeinsamer Sammelkasten 37 am Wärmeübertragerblock 15 vorgesehen, der ebenfalls beiden Wärmeübertragerstufen 18, 19 zugeordnet ist. Verteilerkasten 36 und Sammelkasten 37 sind bezüglich der Breitenrichtung B an voneinander abgewandten Seiten 41, 42 des Wärmeübertragerblocks 15 angeordnet. Ferner sind Verteilerkasten 36 und Sammelkasten 37 über die Kühlmittelkanäle 17 bzw. die Kühlmittelrohre 33 fluidisch miteinander verbunden. Der Verteilerkasten 36 weist einen Kühlmitteleinlass 38 auf. Im Unterschied dazu weist der Sammelkasten einen Kühlmittelauslass 39 auf.
-
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform wird die Serienschaltung 35 ebenfalls mit Hilfe eines Verteilerkastens 36, der den Kühlmitteleinlass 38 aufweist, und eines Sammelkastens 37, der den Kühlmittelauslass 39 aufweist, in Verbindung mit einem Umlenkkasten 40 realisiert. Der Verteilerkasten 36 ist dabei an der einen oder ersten Seite 41 des Wärmeübertragerblocks 15 angeordnet und dabei nur einer der Wärmeübertragerstufen 18, 19, hier der ersten Wärmeübertragerstufe 18 zugeordnet. Der Sammelkasten 37 ist ebenfalls an der ersten Seite 41 des Wärmeübertragerblocks 15 angeordnet und der jeweils anderen, hier der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 zugeordnet. Der Umlenkkasten 40 ist an der anderen oder zweiten Seite 42 des Wärmeübertragerblocks 15 angeordnet, die in der Breitenrichtung B der ersten Seite 41 gegenüberliegt bzw. davon abgewandt ist. Der Umlenkkasten 40 ist beiden Wärmeübertragerstufen 18, 19 zugeordnet. Somit steht der Umlenkkasten 40 über die in der ersten Wärmeübertragerstufe 18 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 mit dem Verteilerkasten 36 fluidisch in Verbindung, während er über die in der zweiten Wärmeübertragerstufe 19 verlaufenden Kühlmittelkanäle 17 mit dem Sammelkasten 37 fluidisch in Verbindung steht. Im Beispiel der 4 sind die Luftkanäle 16 und die Kühlmittelkanäle 17 innerhalb des Wärmeübertragerblocks 15 so angeordnet, dass sich eine Durchströmung nach dem Kreuzgleichstromprinzip einstellt. Demnach strömt das Kühlmittel zuerst durch die erste Wärmeübertragerstufe 18 und anschließend durch die zweite Wärmeübertragerstufe 19. Eine Anordnung nach dem Kreuzgegenstromprinzip ist jedoch auch denkbar.
-
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
-
- WO 2012/110461 A1 [0004]
- DE 69722206 T2 [0005]
- US 6705089 B2 [0006]
