DE102016219205A1

DE102016219205A1 - Mehrpassiger Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager, Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016219205A1
Application number: DE102016219205.1A
Authority: DE
Inventors: Jan-Christoph Albrecht; Carsten Wachsmuth; Sven Twenhövel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: DE102016219205B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrpassigen Luft/Fluid-Wärmeübertrager mit einem luftseitigen Eingang und einem luftseitigen Ausgang sowie einem fluidseitigen Eingang und einem fluidseitigen Ausgang, umfassend eine Mehrzahl von Übertragerebenen (I, II, III), die einerseits luftseitig und andererseits fluidseitig hintereinandergeschaltet sind, wobei wenigstens eine fluidseitig eingangsnähere Übertragerebene (II, III) luftseitig eingangsferner und wenigstens eine fluidseitig eingangsfernere Übertragerebene (I) luftseitig eingangsnäher angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die fluidseitig eingangsnähere und luftseitig eingangsfernere Übertragerebene (II, III) einen engeren Durchströmungsquerschnitt für Fluid aufweist als die fluidseitig eingangsfernere und luftseitig eingangsnähere Übertragerebene (I).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrpassigen Luft/Fluid-Wärmeübertrager mit einem luftseitigen Eingang und einem luftseitigen Ausgang sowie einem fluidseitigen Eingang und einem fluidseitigen Ausgang, umfassend eine Mehrzahl von Übertragerebenen, die einerseits luftseitig und andererseits fluidseitig hintereinandergeschaltet sind, wobei wenigstens eine fluidseitig eingangsnähere Übertragerebene luftseitig eingangsferner und wenigstens eine fluidseitig eingangsfernere Übertragerebene luftseitig eingangsnäher angeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreis und einen Kältemittelkreis,
wobei der Kältemittelkreis

– einen Kompressor zum Verdichten von Kältemittel,
– den dem Kompressor in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten kältemittelseitigen Teil eines Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertragers, dessen kühlmittelseitiger Teil Bestandteil des Kühlmittelkreises ist,
– ein dem Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschaltetes Expansionsorgan und
– einen dem Expansionsorgan in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdampfer,

– eine Kühlmittelpumpe,
– den kühlmittelseitigen Teil des Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertragers, der der Kühlmittelpumpe in Kühlmittel-Strömungsrichtung nachgeschaltet ist, und
– einen dem Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager in Kühlmittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager, der luftseitig von einem in eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs einleitbaren Luftstrom durchströmbar ist,

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreis und einen Kältemittelkreis, letzterer mit

– einem Kompressor zum Verdichten von Kältemittel,
– einem dem Kompressor in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager, der luftseitig von einem in eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs einleitbaren Luftstrom durchströmbar ist,
– einen dem Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager, der kühlmittelseitig mit dem Kühlmittelkreis verbundenen ist,

Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Klimatisierungsvorrichtung.
Gattungsgemäße Wärmeübertrager sind bekannt aus der EP 1 460 363 A2 . Diese Druckschrift offenbart einen insbesondere als Verdampfer einsetzbaren Wärmeübertrager mit mehreren sogenannten Pässen. Als einen „Pass“ eines Wärmeübertrages bezeichnet man üblicherweise einen Wärmeübertrager-Abschnitt, in dem das Fluid (dieser Begriff wird im Kontext der vorliegenden Beschreibung als Oberbegriff für flüssiges oder gasförmiges Kältemittel einerseits und Kühlmittel andererseits verwendet) eine Mehrzahl paralleler Rohre in gleicher Richtung durchströmt. Um bei kompakter Bauweise eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, ist es bekannt, in einem Wärmeübertrager mehrere solcher Pässe anzuordnen, indem parallele, aber gegenläufig durchströmte Rohrabschnitte benachbart zueinander angeordnet werden. Zwischen den einzelnen Pässen sind Überströmungsbereiche vorgesehen. Diese können rohrweise angeordnet sein, etwa bei U-förmiger Rohrführung. Alternativ ist es bekannt, die Rohre eines Passes in einem gemeinsamen Überströmungskasten münden zu lassen, von dem dann die Rohre eines weiteren Passes einzeln abgehen. Die einzelnen Pässe können in unterschiedlichen Ebenen des Wärmeübertragers angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, innerhalb einer Übertragerebene eine Mehrzahl von lateral benachbarten Pässen anzuordnen. Die vorgenannte Druckschrift offenbart einen Wärmeübertrager mit zwei Übertragerebenen, wobei jede Übertragerebene eine Mehrzahl von Pässen beherbergt. Für die vorliegende Erfindung ist lediglich die auf unterschiedliche Übertragerebenen verteilte Mehrpassigkeit relevant, wenngleich selbstverständlich auch eine Mehrpassigkeit innerhalb einzelner Übertragerebenen der Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. Der bekannte Wärmeübertrager ist als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet. Dies bedeutet, dass er fluidseitig mit Kältemittel durchströmt wird und senkrecht zu seinen Übertragerebenen von einem Luftstrom durchströmbar ist. Bei Betrieb wird Wärme zwischen dem den Wärmeübertrager ebenenweise durchströmenden Kältemittel und der ihn senkrecht dazu durchströmenden Luft übertragen.
Obgleich der bekannte Wärmeübertrager in erster Linie als Verdampfer beschrieben wird, sind Luft/Fluid-Wärmeübertrager auch als Heiz-Wärmeübertrager einsetzbar. Hierzu wird der Wärmeübertrager mit Fluid durchströmt, dessen Temperatur oberhalb des ihn durchströmenden Luftstroms liegt, sodass dieser bei der Durchströmung eine Aufheizung erfährt. Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz von Luft/Fluid-Wärmeübertragern als Heizwärmeübertrager im Kontext von Wärmepumpenanwendungen in Klimatisierungsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen. Heißes erstes Fluid, z.B. im Kompressor verdichtetes Kältemittel oder an einer Wärmequelle, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine, aufgeheiztes Kühlmittel, durchströmt den Luft/Fluid-Wärmeübertrager auf hohem Temperaturniveau, sodass es zur Aufheizung eines in die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs einzuleitenden Luftstroms genutzt werden kann. Dabei kühlt sich das erste Fluid ab. Bei anschließender Durchströmung eines Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertragers, der mit einem jeweils anders gearteten zweiten Fluidkreis des Kraftfahrzeugs verbunden ist, kann das abgekühlte erste Fluid Wärme aus dem zweiten Fluid aufnehmen, sodass die an den Luftstrom abzugebende Wärme nicht rein mechanisch vom Kompressor erzeugt werden muss, was den Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungsvorrichtung besonders effizient gestaltet.
Als problematisch bei dem Versuch einer weiteren Effizienzsteigerung hat sich der folgende Zielkonflikt erwiesen: Einerseits ist es wünschenswert im Heiz-Wärmeübertrager die Wärmeübertragung vom Fluid zum Luftstrom möglichst effizient zu gestalten, was insbesondere mit einer langsamen Durchströmungsgeschwindigkeit des fluidseitigen Pfades des Wärmeübertragers erreichbar wäre. Dies würde jedoch zu einer deutlichen Temperaturschichtung hinter dem luftseitigen Ausgang des Heiz-Wärmeübertragers führen, da die Temperatur des Fluids aufgrund der hohen Effizienz der Wärmeübertragung bei der Passage des Wärmeübertragers zwischen Eingang und Ausgang der einzelnen Ebenen deutlich absinken würde. Eine solche Temperaturschichtung widerspricht dem Ziel der Erzeugung eines möglichst homogenen Temperaturfeldes im ausgangsseitigen Luftstrom. Die aus der gattungsbildenden Druckschrift bekannte, ebenenweise mehrpassige Fluidführung löst dieses Problem nur ungenügend. Zudem ist der Aufbau ebenenweise mehrpässiger Wärmeübertrager komplex und daher teuer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Wärmeübertrager derart weiterzubilden, dass ein günstigerer Kompromiss aus Übertragungseffizienz und ausgangsseitiger Temperaturhomogenität realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die fluidseitig eingangsnähere und luftseitig eingangsfernere Übertragerebene einen engeren Durchströmungsquerschnitt für Fluid aufweist als die fluidseitig eingangsfernere und luftseitig eingangsnähere Übertragerebene.
Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz solcher, erfindungsgemäßer Wärmeübertrager im Kontext gattungsgemäßer Klimatisierungsvorrichtungen erwiesen.
Der Einsatz derartiger Klimatisierungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen führt vorteilhaft zu einem Kraftfahrzeug mit besonders effizienter Energienutzung und daher reduziertem Kraftstoffverbrauch.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in den einzelnen Übertragerebenen als Gestaltungsparameter zu nutzen und einzelne Ebenen im Hinblick auf die Wärmeübertragungseffizienz und andere Ebenen im Hinblick auf die Temperaturhomogenisierung hin zu optimieren. Eingangsnah wird aufgrund des dort engeren Durchströmungsquerschnitts eine höhere Fluid-Strömungsgeschwindigkeit erzielt. Entsprechend gering ist der Temperaturunterschied zwischen Ebeneneingang und Ebenenausgang, sodass auch die Temperaturschichtung im Luftstrom hinter der Übertragerebene gering ausfällt. Eine solche Übertragerebene kann mit Blick auf ihre Optimierung auch als „Homogenisierungsebene“ bezeichnet werden. Fluidausgangsseitig weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager hingegen einen größeren Durchströmungsquerschnitt auf. Dies führt zu einer geringeren Fluidgeschwindigkeit und daher zu einer effizienteren Wärmeübertragung einerseits und einer größeren Temperaturschichtung andererseits. Eine solche Ebene kann im Hinblick auf ihre Optimierung auch als „Effizienzebene“ bezeichnet werden. Da sich die Effizienzebene, wie erwähnt, ausgangsseitig im Wärmeübertrager befindet, ist das mittlere Temperaturniveau des Fluids in dieser Ebene bereits deutlich niedriger als in der fluideingangsseitigen „Homogenisierungsebene“. Um hier also überhaupt einen guten Wärmeübertrag zu erzielen ist die genannte Effizienzoptimierung erforderlich, andererseits fällt dennoch die resultierende Temperaturschichtung geringer aus als dies in einer Übertragerebene mit hohem mittleren Temperaturniveau der Fall wäre. Hinzu kommt, wie allerdings aus dem Stand der Technik bekannt, dass, weil die Übertragerebenen luftseitig und fluidseitig in umgekehrter Reihenfolge durchströmt werden, die Temperatur des eine Effizienzebene durchströmenden Luftstroms deutlich kälter ist als die Temperatur des eine Homogenisierungsebene durchströmenden Luftstroms.
Die Erfindung nutzt somit die komplexen Abhängigkeiten der Parameter Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturunterschied der Medien, Wärmeübertragungseffizienz und Temperaturschichtung aus, um insgesamt zu einer hocheffizienten Wärmeübertragung mit weitgehend homogener Temperaturverteilung im Heizluftstrom zu gelangen. Dies führt im Kontext einer im Wärmepumpenbetrieb betriebenen Klimatisierungsvorrichtung zu einer Absenkung der Eingangstemperatur des ersten Fluids in den Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager. In diesem kann folglich eine höheres Maß an Wärme aus dem zweiten Fluid aufgenommen werden, sodass die Effizienz der gesamten Klimatisierungsvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik deutlich gesteigert wird.
Als vorteilhaft haben sich Unterschiede im Durchströmungsquerschnitt von wenigstens 20% erwiesen. Besonders stark ausgeprägt zeigt sich der erläuterte Effekt der Erfindung bei Durchströmungsquerschnitt-Unterschieden von etwa 50%, wie dies auch bei der im speziellen Teil der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Deutlich größere Durchströmungsquerschnitt-Unterschiede zeigen keine signifikante Steigerung des Effektes mehr, können jedoch zu sonstigen Problemen führen. Als besonders vorteilhaft wird daher angesehen, wenn der fluidseitige Durchströmungsquerschnitt derjenigen Übertragerebene mit dem kleinsten Durchströmungsquerschnitt 20 bis 60% kleiner ist als der fluidseitige Durchströmungsquerschnitt derjenigen Übertragerebene mit dem größten Durchströmungsquerschnitt. Rein beispielhaft können erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit zwei Übertragerebenen, die 2/3 bzw. 1/3 der Gesamtbautiefe einnehmen oder Wärmeübertrager mit drei Übertragerebenen, die 1/2 bzw. 1/4 und 1/4 der Gesamtbautiefe einnehmen, realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßer Luft/Fluid-Wärmeübertrager lässt sich in unterschiedlicher Komplexität und Anordnung seiner Übertragerebenen realisieren. Bei der einfachsten denkbaren Ausführungsform umfasst der Wärmeübertrager zwei Übertragerebenen, die jeweils einpassig durchströmt werden, wobei die fluidseitig erste Übertragerebene luftseitig die zweite und letzte Übertragerebene ist, während die fluidseitig zweite und letzte Übertragerebene die luftseitig erste Übertragerebene ist.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Übertragerebenen realisiert sein. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Übertragerebenen luftseitig in im Vergleich zu ihrer fluidseitigen Anordnung umgekehrten Reihenfolge angeordnet sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Ausgestaltung der Überströmungsbereiche, da jeweils die nächst benachbarte Übertragerebene auch die schaltungstechnisch nächste Ebene ist.
Eine allzu deutliche Abweichung von diesem rein linearen Aufbau hat sich als im Hinblick auf das o.g. Ziel nicht günstig erwiesen. Möglich ist es jedoch, einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit mehr als zwei Übertragerebenen derart auszugestalten, dass die fluidseitige Eingangsebene als luftseitig vorletzte Übertragerebene angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat sich insbesondere dann als günstig erwiesen, wenn zusätzlich die fluidseitige Ausgangsebene als luftseitig letzte Übertragerebene angeordnet ist. Diese Ausführungsform weicht lediglich im Hinblick auf die beiden luftseitig letzten Übertragerebenen vom oben als besonders vorteilhaft beschriebenen, linearen Konzept ab. Insbesondere ist einem derart linear aufgebauten Übertragerabschnitt eine zusätzliche, luftseitig und fluidseitig letzte Übertragerebene nachgeschaltet, die als reine Homogenisierungsebene verstanden werden kann und für einen zusätzlichen Abbau der verbleibenden Temperaturschichtung genutzt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Strömungs- und Temperaturverteilungen bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
2 eine schematische Darstellung der Fluid-Leitungsanordnung in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
3 Eine schematische Darstellung der Strömungs- und Temperaturverteilungen bei einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
4 eine schematische Darstellung einer rudimentären Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Luft/Fluid-Wärmeübertrager als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager,
5 eine schematische Darstellung einer rudimentären Klimatisierungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Luft/Fluid-Wärmeübertrager als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die Strömungs- und Temperaturverteilungen in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10, dessen Fluid-Leitungen gemäß der schematischen Darstellung von 2 gestaltet sein können. Der Wärmeübertrager 10 weist drei Übertragerebenen I, II, und III auf, die in Richtung des sie durchströmenden Luftstroms 12 aufsteigend nummeriert sind. Jede Übertragerebene weist eine Mehrzahl von z. B. als Flachrohre ausgebildeten Leitungsabschnitten 14 auf, die senkrecht zur Darstellungsebene in 2 von Fluid durchströmt werden. Die Leitungsabschnitte 14 einer Übertragerebene I, II, III können untereinander verbunden oder voneinander getrennt sein; in jedem Fall sind die einzelnen Übertragerebenen I, II, III mittels gestrichelt dargestellter Überströmungsbereiche 16 miteinander verbunden. Bei der gezeigten Ausführungsform ist jede Übertragerebene I, II, III einpassig ausgebildet. Alle Leitungsabschnitte 14 einer Übertragerebene I, II, III werden also gleichsinnig von Fluid durchströmt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dies, wie durch die Symbole im Zentrum der einzelnen Leitungsabschnitte 14 dargestellt, in der luftseitig ersten Übertragerebene I aus der Darstellungsebene heraus, in der luftseitig zweiten Übertragerebene II in die Darstellungsebene hinein, und in der luftseitig dritten Übertragerebene III wiederum aus der Darstellungsebene hinaus.
Wie in 1 erkennbar, ist die fluidseitige Schaltungsreihenfolge der Übertragerebenen I, II, III umgekehrt im Vergleich zur luftseitigen Schaltungsreihenfolge. Die fluidseitig erste Übertragerebene III ist die luftseitig letzte, die fluidseitig zweite Übertragerebene II ist auch die luftseitig zweite und die fluidseitig letzte Übertragerebene I ist die luftseitig erste.
Beiden 1 und 2 ist zu entnehmen, dass die Strömungsquerschnitte der Übertragerebenen I, II, III unterschiedlich sind. Insbesondere ist der Durchströmungsquerschnitt der luftseitig ersten Übertragerebene I in etwa doppelt so groß wie die Durchströmungsquerschnitte der luftseitig zweiten und dritten Übertragerebenen II, III. Mit anderen Worten ist fluidseitige Durchströmungsquerschnitt der luftseitig zweiten und dritten Übertragerebenen II, III etwa 50% kleiner als der der luftseitig ersten Übertragerebene I.
Basierend auf typischen Wärmeübertrager-Abmessungen, bei denen mit einer Anzahl von ca. 26 parallelen Leitungsabschnitten pro Ebene, einer Einzelrohrbreite von ca. 1 mm und einer Gesamttiefe des Wärmeübertragers von ca. 28 mm könnte die Tiefe der Leitungsabschnitte der ersten Übertragerebene I ca. 14 mm und die Tiefen der Leitungsabschnitte der zweiten und dritten Übertragerebenen II, III jeweils ca. 7 mm betragen.
Zur Erläuterung des Funktionsprinzips anhand von 1 sei eine solche Dimensionierung angenommen. Weiter sei angenommen, dass Fluid mit einem Massenstrom von ca. 0,03 kg/s und einer Eingangstemperatur Tf von ca. 80°C den Wärmeübertrager 10 in der Reihenfolge III, II, I seiner Übertragerebenen durchströmt, während er von einem Luftstrom mit einer Eingangstemperatur Ta von ca. 10°C in der Reihenfolge I, II, III seiner Übertragerebenen durchströmt wird. Die Abkürzung Ta sei hier allgemein für die Lufttemperatur (air) verwendet, die Abkürzung Tf (fluid) sei hier jeweils für die Fluidtemperatur verwendet.
Die luftseitig erste Übertragerebene I dient im Wesentlichen als Effizienzebene. Hier kommt der noch nicht vorbehandelte Luftstrom mit bereits weitgehend abgekühltem Fluid in Kontakt. Aufgrund des großen Durchströmungsquerschnitts der Leitungsabschnitte 14 in der Übertragerebene I strömt das Fluid hier mit vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit, was zu einer hohen Effizienz der Wärmeübertragung führt. Das Fluid, welches mit Tf = 60°C in die Übertragerebene I einströmt, wird während der Durchströmung auf etwa Tf = 40°C abgekühlt. Gleichzeitig erfährt der Luftstrom eine deutliche Aufheizung, wobei sich jedoch eine ebenso deutliche Temperaturschichtung am Ausgang der Übertragerebene I einstellt. In deren fluidausgangsseitigem Bereich erreicht die Lufttemperatur etwa Ta = 30°C, im fluideingangsseitigen Bereich wird sie auf etwa Ta = 50°C aufgeheizt.
Im Anschluss durchströmt der Luftstrom die Übertragerebene II, die einen kleinen Durchströmungsquerschnitt aufweist, sodass der Wärmeübertrag mit geringerer Effizienz erfolgt. Zudem liegt das Fluid-Temperaturniveau der Übertragerebene II über demjenigen der Übertragerebene I und die Durchströmungsrichtung ist umgekehrt, sodass der weniger stark aufgeheizte Luftanteil mit wärmeren Fluid und der stärker aufgeheizte Luftanteil mit kühlerem Fluid in thermischen Kontakt kommt. Bei der dargestellten Konstellation tritt das Fluid mit etwa Tf = 70°C in die Übertragerebene II ein und verlässt sie mit etwa Tf = 60°C, wobei die vergleichsweise geringe Temperaturdifferenz Folge der weniger effizienten Wärmeübertragung aufgrund der höheren Kältemittel-Strömungsgeschwindigkeit ist. Gleichwohl erfährt der kühlere Luftanteil aufgrund des hohen Luft/Fluid-Temperaturunterschiedes eine starke Erwärmung auf ca. Ta = 57°C, wohingegen der bereits hoch aufgeheizte Luftanteil nur eine geringe weitere Erhitzung auf etwa Ta = 54°C erfährt. Die Übertragerebene II wirkt somit als deutliche Homogenisierungsebene in der die Temperaturschichtung des ausgangsseitigen Luftstrom erheblich reduziert wird.
Bei der dargestellten Ausführungsform durchströmt der Luftstrom im Anschluss noch eine dritte Übertragerebene III, in der er mit schnellströmendem, heißem Fluid in thermischen Kontakt kommt. Aufgrund der schnellen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist die Wärmeübertrag hier ebenfalls nicht sehr effizient; aufgrund des hohen Temperaturniveaus wird dennoch ein Luft/Fluid-Temperaturunterschied erreicht, der eine weitere Aufheizung des Luftstroms erlaubt. Bei der dargestellten Ausführungsform tritt das Fluid mit etwa Tf = 80°C in die Übertragerebene III ein und verlässt sie mit etwa Tf = 70°C. Dabei ergibt sich eine Aufheizung des Luftstroms im in 1 oberen Bereich auf etwa Ta = 67°C und im in 1 unteren Bereich auf etwas Ta = 75°C. Diese verbleibende bzw. durch die dritte Übertragerebene III hergestellte Temperaturschichtung des Luftstroms ist bei vielen Ausführungsformen durchaus gewünscht. Sie erleichtert die häufig von Fahrzeuginsassen gewünschte stärkere Aufheizung im Fußbereich im Vergleich zum Kopfbereich.
3 zeigt in stark schematisierter Darstellung die Strömungs- und Temperaturverteilungen in einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10. Der Wärmeübertrager 10 weist hier nur zwei Übertragerebenen I und II auf, die in Richtung des sie durchströmenden Luftstroms 12 aufsteigend nummeriert sind. Jede Übertragerebene kann eine Mehrzahl von z. B. als Flachrohre ausgebildeten Leitungsabschnitten aufweisen, die in unterschiedlicher Richtung von Fluid durchströmt werden. Die relative Breite der Leitungsabschnitte in der luftseitig ersten Übertragerebene I zur luftseitig zweiten Übertragerebene II beträgt auch bei dieser Ausführungsform etwa 2:1, wobei hier jedoch die Übertragerebene I etwa 2/3 und die Übertragerebene II etwa 1/3 der Gesamtbautiefe des Wärmeübertragers einnimmt. Hinsichtlich der Funktionsweise und der auch hier rein beispielhaft angegebenen Temperaturverläufe kann mutatis mutandum auf das oben im Kontext der 1 und 2 gesagte verwiesen werden. Aufgrund der – bei gleicher Gesamtbautiefe – größeren Breite jeder einzelnen Ebene, ist die thermische Wechselwirkung mit dem sie durchströmenden Luftstrom 12 in jeder Ebene stärker als beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2. Dafür entfällt eine Übertragerebene, was auch die denkbaren Optionen zur Leitung des Fluids, d.h. die konkrete Reihenfolge der Übertragerebenen in Bezug auf ihre erfindungsgemäße Fluiddurchströmung, einschränkt. Der Fachmann wird im konkreten Anwendungsfall das Für und Wider der einzelnen Varianten abwägen können.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10 als Element einer komplexeren Klimatisierungsvorrichtung 100, die in 4 gleichwohl äußerst rudimentär dargestellt ist. Die Klimatisierungsanordnung 100 umfasst einen Kältemittelkreis 110 und einen Kühlmittelkreis 120. Der Kältemittelkreis 110 umfasst einen Kompressor 112, einen diesem nachgeschalteten Kühlmitte/Kältemitte-Wärmeübertrager 116, ein diesem nachgeschaltetes Expansionsorgan 114 und einen diesem nach- und dem Kompressor 112 vorgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Verdampfer 118. Der Kühlmitte/Kältemitte-Wärmeübertrager 116 koppelt den Kältemittelkreis 110 thermisch mit dem Kühlmittelkreis 120. Dieser umfasst zudem den seinem Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116 nachgeschalteten, erfindungsgemäßen Luft/Fluid-Wärmeübertrager, der hier als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist, sowie eine Kühlmittelpumpe. Denkbar ist die zusätzliche Anordnung einer weiteren Wärmequelle, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Leistungselektronik in thermischem Kontakt zum Kühlmittelkries 120. Mittels des Kompressors 112 wird Kältemittel komprimiert und erhitzt. Zugleich wird Kühlmittel im Kühlmittelkreis 120 mittels der Kühlmittelpumpe 121 umgewälzt. Im Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116 nimmt das Kühlmittel Wärme aus dem Kältemittel auf. Im kühlmittelseitig nachgeschalteten Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 erfährt ein den Wärmeübertrager 10 durchströmender Luftstrom 12 eine Aufheizung wie zuvor im Kontext von 1 bzw. 3 erläutert. Diese Aufheizung ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Luft/Kühlmittel-Wärmeübertragers 10 besonders effizient, sodass eine niedrige Temperatur am Ausgang des Wärmeübertragers 10 resultiert. Entsprechend niedrig ist seine Temperatur beim nächsten Durchfluss durch den Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116. Aufgrund der deutlichen Abkühlung des Kühlmittels im erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10 kann also eine hohe Kühlmittel/Kältemittel-Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager 116 eingestellt werden, was die Wärmeaufnahme aus dem Kältemittelkreis 110 besonders effizient gestaltet. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der Klimatisierungsanordnung 100 im geschilderten Wärmepumpenbetrieb.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10' als Element einer komplexeren Klimatisierungsvorrichtung 100', die in 5 gleichwohl äußerst rudimentär dargestellt ist. Die Klimatisierungsanordnung 100' umfasst einen Kältemittelkreis 110' und einen Kühlmittelkreis 120'. Der Kältemittelkreis 110 umfasst neben dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10' einen diesem vorgeschalteten Kompressor 112, ein ihm nachgeschaltetes Entspannungsorgan 114 und einen Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116, der den Kältemittelkreis 110' thermisch mit dem Kühlmittelkreis 120' koppelt. Der Kühlmittelkreis 120' umfasst zudem eine Wärmequelle 122, insbesondere ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, z. B. eine Verbrennungskraftmaschine. Mittels des Kompressors 112 wird Kältemittel komprimiert und erhitzt. Im nachgeschalteten Wärmeübertrager 10' erfährt ein den Wärmeübertrager durchströmender Luftstrom 12 eine Aufheizung wie zuvor im Kontext von 1 bzw. 3 erläutert. Diese Aufheizung ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Luft/Kältemittel-Wärmeübertragers 10' besonders effizient, sodass eine niedrige Temperatur am Ausgang des Wärmeübertragers 10' resultiert. Mittels des Entspannungsorgans 114 kann eine Entspannung des abgekühlten Kältemittels erfolgen, welches im Anschluss im Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116 thermisch mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreises 120' in Kontakt gebracht wird. Der Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager 116 wird dabei besonders bevorzugt als Verdampfer betrieben. Das Kältemittel nimmt Wärme aus dem Kühlmittel auf, die insbesondere aus der Wärmequelle 122 stammt. Aufgrund der deutlichen Abkühlung des Kältemittels im erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann eine hohe Kühlmittel/Kältemittel-Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager 116 eingestellt werden, was die Wärmeaufnahme aus dem Kühlmittelkreis 120' besonders effizient gestaltet. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der Klimatisierungsanordnung 100' im geschilderten Wärmepumpenbetrieb.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10, 10': Luft/Fluid-Wärmeübertrager
12: Luftstrom
14: Leitungsabschnitt
16: Überströmungsbereich
100, 100': Klimatisierungsanordnung
110, 110': Kältemittelkreis
112: Kompressor
114: Entspannungsorgan
116: Kühlmitte/Kältemittel-Wärmeübertrager
120, 120': Kühlmittelkreis
122: Wärmequelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1460363 A2 [0005]

Claims

Mehrpassiger Luft/Fluid-Wärmeübertrager mit einem luftseitigen Eingang und einem luftseitigen Ausgang sowie einem fluidseitigen Eingang und einem fluidseitigen Ausgang, umfassend eine Mehrzahl von Übertragerebenen (I, II, III), die einerseits luftseitig und andererseits fluidseitig hintereinandergeschaltet sind, wobei wenigstens eine fluidseitig eingangsnähere Übertragerebene (II, III) luftseitig eingangsferner und wenigstens eine fluidseitig eingangsfernere Übertragerebene (I) luftseitig eingangsnäher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidseitig eingangsnähere und luftseitig eingangsfernere Übertragerebene (II, III) einen engeren Durchströmungsquerschnitt für Fluid aufweist als die fluidseitig eingangsfernere und luftseitig eingangsnähere Übertragerebene (I).
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerebenen luftseitig in im Vergleich zu ihrer fluidseitigen Anordnung umgekehrter Reihenfolge angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Übertragerebenen (I, II, III) vorhanden sind, wobei die fluidseitige Eingangsebene als luftseitig vorletzte Übertragerebene angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidseitige Ausgangsebene als luftseitig letzte Übertragerebene angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidseitige Durchströmungsquerschnitt derjenigen Übertragerebene (I) mit dem kleinsten Durchströmungsquerschnitt 20 bis 60% kleiner ist als der fluidseitige Durchströmungsquerschnitt derjenigen Übertragerebene (II, III) mit dem größten Durchströmungsquerschnitt.
Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreis (120) und einen Kältemittelkreis (110), wobei der Kältemittelkreis – einen Kompressor (112) zum Verdichten von Kältemittel, – den dem Kompressor (112) in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten kältemittelseitigen Teil eines Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertragers (116), dessen kühlmittelseitiger Teil Bestandteil des Kühlmittelkreises (120) ist, – ein dem Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager (116) in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschaltetes Expansionsorgan (114) und – einen dem Expansionsorgan (114) in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdampfer (118), umfasst und wobei der Kühlmittelkreis (120) – eine Kühlmittelpumpe (121), – den kühlmittelseitigen Teil des Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertragers (116), der der Kühlmittelpumpe (121) in Kühlmittel-Strömungsrichtung nachgeschaltet ist, und – einen dem Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager (116) in Kühlmittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager (10), der luftseitig von einem in eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs einleitbaren Luftstrom (12) durchströmbar ist umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager (10) als ein als Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager eingerichteter Luft/Fluid-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlmittelkreis (120') und einen Kältemittelkreis (110'), letzterer mit – einem Kompressor (112) zum Verdichten von Kältemittel, – einem dem Kompressor (112) in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (10'), der luftseitig von einem in eine Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs einleitbaren Luftstrom (12) durchströmbar ist, – einen dem Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (10') in Kältemittel-Strömungsrichtung nachgeschalteten Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager (116), der kühlmittelseitig mit dem Kühlmittelkreis (120') verbundenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager (10') als ein als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager eingerichteter Luft/Fluid-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Klimatisierungsvorrichtung (100, 100'), dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungsvorrichtung (100, 100') als eine Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ausgebildet ist.