DE102018132034A1

DE102018132034A1 - Kraftfahrzeug mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung, Wärmeübertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018132034A1
Application number: DE102018132034.5A
Authority: DE
Inventors: Carsten Spengler; Torsten Frank; Alexander Schleicher; Martin Mittermaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1), mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung (2), welche zumindest einen Kondensator (3) umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung (4) gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung (4) ein Medium (5) zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator (3) zu fördern. Der zumindest eine Kondensator (3) ist wenigstens bereichsweise als Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums (5) ausgebildeten Wärmerohr (6) ausgebildet und an einem Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) anliegend angeordnet oder in das Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) integriert. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Wärmeübertragungsvorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche zumindest einen Kondensator umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung ein Medium zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator zu fördern. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Wärmeübertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, ist es üblich, eine Wärmeübertragung an Umgebungsluft durch erzwungene Konvektion zu nutzen. Bei der Verbrennung von Kraftstoff in jeweiligen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine kommt es zu einem Aufheizen einzelner Komponenten der Verbrennungskraftmaschine und infolgedessen zu einer Abgabe von Wärme an ein Kühlmittel, welches die Verbrennungskraftmaschine in der Regel bereichsweise durchströmt. Das Kühlmittel zirkuliert üblicherweise in einem Kühlkreislauf und gelangt dadurch zu einem Kühler über welchen eine Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die Umgebungsluft erfolgt.
Die DE 10 2008 037 311 B3 beschreibt einen Kraftfahrzeugwärmetauscher, der eine Mehrzahl voneinander beabstandeter erster Fluidkanäle aufweist, die mit einem Haupt- oder Nebenaggregat des Kraftfahrzeuges in Fluidverbindung zu bringen sind, um ein in den Fluidkanälen befindliches erstes Medium zu erwärmen oder zu kühlen. Die ersten Fluidkanäle sind im Wesentlichen langgestreckt und weisen entlang ihrer Längserstreckung zumindest abschnittsweise in radialer Richtung abstehende, entlang des Umfangs verteilt angeordnete Wärmeleitrippen auf. Die Wärmeleitrippen eines der ersten Fluidkanäle sind jeweils auf benachbarte erste Fluidkanäle ausgerichtet. Die Wärmeleitrippen der ersten Fluidkanäle bilden einen zweiten Fluidkanal, wobei der zweite Fluidkanal eine Längserstreckung hat, die im Wesentlichen koaxial zu der Längserstreckung der ersten Fluidkanäle orientiert ist. Eine Mehrzahl zweiter Kühlkanäle kann auch treppenartig versetzt hinter- und übereinander angeordnet sein. Damit ist es möglich, gestuft hintereinander mehrere Reihen zweiter Fluidkanäle zum Beispiel in die Motorhaube des Kraftfahrzeuges einzulassen.
Aus der DE 10 2015 220 797 A1 ist eine Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Wärmetauscher bekannt. Der Wärmetauscher ist dabei als Fahrwerksbauteil oder als Karosseriebauteil ausgebildet. Zudem ist der Wärmetauscher als Kühlkörper ausgebildet, welcher wärmeleitend mit einem zu kühlenden Fahrzeugteil verbunden ist.
Die US 2011/0198070 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug, welches mit einem Hilfskühlsystem versehen ist, das eine Kühlflüssigkeit mit niedriger Temperatur aufweist, vollkommen unabhängig von dem Kühlkreislauf des Motors ist und einen Kühler aufweist, der an dem, dem Kühler des Kühlkreises des Motors zugewandten vorderen Teil des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Hilfskühlkreis umfasst einen oder mehrere Hilfskühler, die parallel zu dem Kühler des Hilfskreislaufs geschaltet sind und die aus Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen bestehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug, eine Wärmeübertragungsvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche eine besonders wirksame Kühlung bei besonders geringem Luftwiderstand während der Fahrt des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche zumindest einen Kondensator umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung ein Medium zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator zu fördern. Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann die Leitungsanordnung umfassen. Alternativ dazu kann das Kraftfahrzeug die Leitungsanordnung umfassen.
Gemäß der Erfindung ist der zumindest eine Kondensator wenigstens bereichsweise als Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums ausgebildeten Wärmerohr ausgebildet und an einem Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs anliegend angeordnet oder in das Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs integriert. Dies ist von Vorteil, da durch die zumindest bereichsweise Ausbildung des zumindest einen Kondensators eine besonders platzsparende Anordnung des Kondensators an dem Außenbeplankungselement oder in dem Außenbeplankungselement ermöglicht ist. Dies ermöglicht eine Kühlung anhand des Kondensators, also eine Abgabe von Kondensationswärme durch den Kondensator über das Außenbeplankungselement an die Umgebung bzw. an Umgebungsluft bei gleichzeitig besonders geringem Luftwiderstand. Dies ist damit zu begründen, dass das Folienelement im Gegensatz zu konventionellen Kühlstrukturen besonders dünnflächig an dem Außenbeplankungselement angeordnet bzw. in das Außenbeplankungselement integriert werden kann. Mittels des zumindest bereichsweise als Folienelement ausgebildeten Kondensators kann eine unmittelbare, insbesondere luftspaltfreie Kontaktwärmeübertragung zwischen dem Kondensator und dem Außenbeplankungselement erfolgen, wodurch eine besonders wirksame Kühlung erzielt werden kann. Mittels des Kondensators abgegebene Kondensationswärme kann durch Wärmeleitung an das Außenbeplankungselement und von dort an die Umgebung bzw. an die Umgebungsluft abgegeben und damit übertragen werden.
Der zumindest eine Kondensator kann bevorzugt vollständig als Folienelement ausgebildet sein. Dadurch ist eine besonders platzsparende, großflächige Wärmeübertragung ermöglicht.
Bevorzugt kann der zumindest eine Kondensator unmittelbar an dem Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs anliegend angeordnet sein. Dies ermöglicht eine besonders ungehinderte Kontaktwärmeübertragung zwischen dem Kondensator und dem Außenbeplankungselement.
Das Wärmerohr ermöglicht einen Transport besonders großer Wärmemengen selbst auf kleinen Querschnittsflächen. Der zumindest einen Kondensator kann zusätzlich zu dem wenigstens einen Wärmerohr eine Vielzahl an weiteren Wärmerohren aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders wirksame Kühlung selbst bei nur geringem, verfügbarem Bauraum.
Vorzugsweise kann der zumindest eine Kondensator als TGP-Element (TGP = Thermal Ground Plane; thermische Grundfläche) ausgebildet sein. Ein derartiges TGP-Element ermöglicht eine besonders wirksame und effiziente Kühlung. Der zumindest eine Kondensator kann dabei als Wärmekammer mit elastisch an das Außenbeplankungselement anformbaren Seitenwänden ausgebildet sein.
Der zumindest eine Kondensator kann vorzugsweise eine Foliendicke zwischen 1 mm bis einschließlich 0,25 mm aufweisen. Dadurch ist eine besonders platzsparende Anordnung des Kondensators am bzw. im Außenbeplankungselement ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zukünftige Kraftfahrzeuge tendenziell höhere Leistungsdichten jeweiliger Antriebskomponenten wie beispielsweise Elektromotoren, Verbrennungsmotoren und/oder Energiespeicher aufweisen können, wonach ein Bedarf an besonders großen Kühlflächen bestehen kann. Konventionelle, luftdurchströmte Wärmeübertrager tragen zu einem besonders hohen Luftwiderstand von Kraftfahrzeugen bei deren Fahrt bei. Durch die Anordnung bzw. Integration des wenigstens bereichsweise als Folienelement ausgebildeten Kondensators kann - im Gegensatz zu konventionellen Systemen - einerseits eine Fahrt des Kraftfahrzeugs bei besonders geringem Luftwiderstand und andererseits eine Kühlung unter Ausnutzung einer besonders großen Kühlfläche erzielt werden. Dies ermöglicht es eine Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs frei von Luft durchströmten Kühlstrukturen auszubilden, wodurch eine wirksame Luftwiderstandsenkung ermöglicht ist. Darüber hinaus kann durch die Ausgestaltung des Kondensators als Folienelement und dessen Anordnung am Außenbeplankungselement bzw. dessen Integration in das Außenbeplankungselement eine erhöhte Flexibilität bei der Gestaltung der Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs erzielt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Kondensator derart an dem Außenbeplankungselement angeordnet oder in das Außenbeplankungselement integriert, dass eine erste Medienaustauschöffnung des zumindest einen Kondensators in Fahrzeughochrichtung des Kraftfahrzeugs höher liegt als eine zweite Medienaustauschöffnung des zumindest einen Kondensators, wobei das Medium über die erste Medienaustauschöffnung und die zweite Medienaustauschöffnung zwischen dem Kondensator und der Leitungsanordnung austauschbar ist. Dies ist von Vorteil, da somit Höhenunterschiede zwischen der ersten Medienaustauschöffnung und der zweiten Medienaustauschöffnung zum Transport des Mediums, oder zum Unterbinden eines zu schnellen Abfließens des Mediums aus dem zumindest einen Kondensator genutzt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste Medienaustauschöffnung als Eintrittsöffnung, zum Einleiten des Mediums in den zumindest einen Kondensator und die zweite Medienaustauschöffnung als Austrittsöffnung, zum Ausleiten des Mediums aus dem Kondensator ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch auf eine Pumpe zur Förderung des Mediums durch den zumindest einen Kondensator verzichtet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung wenigstens einen Verdampfer, welcher zur Durchströmung mit dem Medium über die Leitungsanordnung mit dem zumindest einen Kondensator gekoppelt ist. Dies ist von Vorteil, da der Verdampfer auf besonders günstige Weise einen zumindest teilweisen Phasenwechsel des Mediums infolge einer Erwärmung durch eine zu kühlende Fahrzeugkomponente, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs, ermöglicht. Der Verdampfer ist also besonders einfach thermisch mit einer derartigen, zu kühlenden Fahrzeugkomponente oder mehreren zu kühlenden Fahrzeugkomponenten koppelbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung zumindest einen Wärmetauscher, welcher wärmeübertragend mit dem Verdampfer gekoppelt ist und welchem über einen von der Leitungsanordnung getrennten Kühlkreislauf Kühlwasser zuführbar ist. Dies ist von Vorteil, da durch den von der Leitungsanordnung getrennten Kühlkreislauf ein Einsatz unterschiedlicher Medien und damit eine flexible Medienauswahl ermöglicht ist. Das Kühlwasser kann dementsprechend eine unterschiedliche Zusammensetzung als das Medium aufweisen. Unter dem Ausdruck, dass der Wärmetauscher wärmeübertragend mit dem Verdampfer gekoppelt ist kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen sein, dass der Verdampfer in wärmeleitender Anlage mit dem Wärmetauscher sein kann. Vorzugsweise können der Verdampfer und der Wärmetauscher ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, wodurch eine besonders wirksame Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer ermöglicht ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann den Kühlkreislauf umfassen. Alternativ dazu kann das Kraftfahrzeug den Kühlkreislauf umfassen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung zumindest einen Verdichter zum Verdichten des Mediums. Dies ist von Vorteil, da durch den Verdichter besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums erzielt werden können, wodurch große Wärmeübergangskoeffizienten erzielt werden können. Der zumindest eine Verdichter kann vorzugsweise unmittelbar stromab des Kondensators angeordnet sein. Unter dem Ausdruck „unmittelbar“ kann im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass der Verdichter ohne Zwischenschaltung eines weiteren Wärmeübertragers, Ventils oder Verdichtersystems, lediglich durch ein Leitungselement der Leitungsanordnung mit dem zumindest einen Kondensator verbunden und stromab des zumindest einen Kondensators angeordnet sein kann. Eine derartige Anordnung des Verdichters unmittelbar stromab des Kondensators ermöglicht ein wirksames Absaugen des Mediums aus dem zumindest einen Kondensator, selbst wenn das wenigstens eine Wärmerohr (bzw. die Vielzahl an Wärmerohren) einen besonders engen Strömungsquerschnitt aufweist, was beispielsweise der Fall sein kann, wenn der als Folienelement ausgebildete Kondensator eine Foliendicke von 0,25 mm oder weniger aufweist. Die Foliendicke von 0,25 mm ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung des zumindest einen Kondensators.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung ein Expansionsventil zum Expandieren des Mediums. Dies ist von Vorteil, da durch das Expansionsventil ein Druckabfall des Mediums bewirkt werden kann, wodurch dem Medium, beispielsweise im Verdampfer, Wärme entzogen werden kann und sich dementsprechend ein Kühleffekt einstellen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Außenbeplankungselement als Motorhaubenelement, als Kotflügelelement, als Dachelement oder als Heckklappenelement ausgebildet. Das Motorhaubenelement, dass Kotflügelelement das Dachelement oder das Heckklappenelement eignen sich besonders zur Wärmeübertragung an die Umgebung bzw. die Umgebungsluft. Das Motorhaubenelement, das Kotflügelelement, das Dachelement oder das Heckklappenelement können als jeweiliges Außenblech ausgebildet sein, wodurch eine besonders großflächige Wärmeübertragung von dem zumindest einen Kondensator an die Umgebung bzw. die Umgebungsluft unter besonders günstiger Wärmeleitung durch das Außenbeplankungselement erfolgen kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche zumindest einen Kondensator umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung der Wärmeübertragungsvorrichtung gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung ein Medium zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator zu fördern. Gemäß der Erfindung ist der zumindest eine Kondensator wenigstens bereichsweise als Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums ausgebildeten Wärmerohr ausgebildet, und ist zur an einem Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs anliegenden Anordnung ausgebildet oder zur Integration in das Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung und umgekehrt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, bei welchem in zumindest einen Kondensator der Wärmeübertragungsvorrichtung über eine, mit dem zumindest einen Kondensator gekoppelte Leitungsanordnung der Wärmeübertragungsvorrichtung ein Medium zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator gefördert wird. Gemäß der Erfindung wird als der zumindest eine, an einem Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs anliegend angeordnete oder in das Außenbeplankungselement des Kraftfahrzeugs integrierte, Kondensator ein Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums ausgebildeten Wärmerohr verwendet. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt durch wenigstens einen, zur Durchströmung mit dem Medium über die Leitungsanordnung mit dem zumindest einen Kondensator gekoppelten Verdampfer der Wärmeübertragungsvorrichtung eine zumindest teilweise Trennung des Mediums in einen Leichtsieder-Dampf eines Leichtsieders des Mediums und in einen Schwersieder des Mediums, wobei der Leichtsieder-Dampf dem zumindest einen Kondensator zugeführt wird. Dies ist von Vorteil, da durch den Schwersieder und den Leichtsieder eine Kühlung durch Verdampfung bei unterschiedlichen Temperaturstufen im Verdampfer erzielt werden kann. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass der Leichtsieder eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als der Schwersieder.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Teilbereichs eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung welche einen Kondensator umfasst, der als Folienelement mit zur Kondensation eines Mediums ausgebildeten Wärmerohren ausgestaltet ist;
2 eine schematische Seitenansicht des Teilbereichs des Kraftfahrzeugs, wobei eine Variante der Wärmeübertragungsvorrichtung gezeigt ist; und
3 eine schematische Seitenansicht des Teilbereichs des Kraftfahrzeugs, wobei eine weitere Variante der Wärmeübertragungsvorrichtung gezeigt ist.

1, 2 und 3 zeigen in einer jeweils schematischen Seitenansicht einen Teilbereich eines Kraftfahrzeugs 1, welches eine Wärmeübertragungsvorrichtung 2 umfasst. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 umfasst einen Kondensator 3 und eine Leitungsanordnung 4 über welche ein Medium 5 der Wärmeübertragungsvorrichtung 2 in den Kondensator 3 eingeleitet und aus dem Kondensator 3 ausgeleitet werden kann. Mit anderen Worten ist also das Medium 5 über die Leitungsanordnung 4 zur Wärmeübertragung durch den Kondensator 3 förderbar. Die Leitungsanordnung 4 kann eine Mehrzahl an Einzelleitungen umfassen, welche in 1, 2 und 3 durch jeweilige Pfeile verdeutlicht sind, wobei jeweilige Pfeilspitzen der Pfeile eine Strömungsrichtung des Mediums 5 verdeutlichen.
In 1, 2 und 3 sind jeweils auf das Kraftfahrzeug 1 bezogenen Koordinatensysteme angegeben, welche durch eine Fahrzeuglängsrichtung x, durch eine Fahrzeugquerrichtung y sowie durch eine Fahrzeughochrichtung z des Kraftfahrzeugs definiert sind.
Der Kondensator 3 ist vorliegend als Folienelement ausgebildet und umfasst zur Kondensation des Mediums 5 eine Mehrzahl an Wärmerohren 6 von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit exemplarisch lediglich ein Wärmerohr durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Wärmerohre 6 können beispielsweise in Fahrzeugquerrichtung y, also vorliegend senkrecht zur Zeichnungsebene, parallel hintereinander angeordnet sein was in 1, 2 und 3 jedoch nicht erkennbar ist.
Der als Folienelement ausgebildete Kondensator 3 kann an einem Außenbeplankungselement 7 des Kraftfahrzeugs 1 anliegend angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Kondensator 3 vollständig in das Außenbeplankungselement 7 des Kraftfahrzeugs 1 integriert sein.
Das Außenbeplankungselement 7 kann als Motorhaubenelement ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das das Außenbeplankungselement 7 als Kotflügelelement, als Dachelement oder als Heckklappenelement ausgebildet sein, um nur einige weitere Beispiele zu nennen.
Das Außenbeplankungselement 7 weist eine, einer Umgebung U zugewandte Außenseite 19 auf, welche bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 von Fahrtwind 20 überströmt und zusätzlich oder alternativ umströmt wird. Der Fahrtwind 20 ist in 1, 2 und 3 exemplarisch als Strömungsprofil dargestellt, welches sich bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 entlang der Außenseite 19 ausbildet.
Der Kondensator 3 kann derart an dem Außenbeplankungselement 7 angeordnet oder in das Außenbeplankungselement 7 integriert sein, dass eine erste Medienaustauschöffnung 8 des Kondensators 3 in Fahrzeughochrichtung z des Kraftfahrzeugs 1 höher liegt als eine zweite Medienaustauschöffnung 9 des Kondensators 3. Das Medium 5 kann über die erste Medienaustauschöffnung 8 und die zweite Medienaustauschöffnung 9 zwischen dem Kondensator 3 und der Leitungsanordnung 4 ausgetauscht werden.
Die erste Medienaustauschöffnung 8 kann als Eintrittsöffnung, zum Einleiten des Mediums 5 in den Kondensator 3 und die zweite Medienaustauschöffnung 9 als Austrittsöffnung, zum Ausleiten des Mediums 5 aus dem Kondensator 3 ausgebildet sein. Das Medium 5 kann also über die erste Medienaustauschöffnung 8 dampfförmig in den Kondensator 3 eingeleitet werden und zumindest im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung x durch den Kondensator 3 strömen. Dabei kann das Medium 5 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, kondensieren und in flüssigem Zustand über die zweite Medienaustauschöffnung 9 aus dem Kondensator 3 austreten.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 umfasst zudem einen Verdampfer 10, welcher zur Durchströmung mit dem Medium 5 über die Leitungsanordnung 4 mit dem Kondensator 3 gekoppelt ist.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 kann zudem einen Verdichter 14 zum Verdichten des Mediums 5, sowie ein Expansionsventil 15 zum Expandieren des Mediums 5 umfassen, wie in 2 gezeigt ist. Das Expansionsventil 15 kann, wie in 2 erkennbar, unmittelbar (ohne Zwischenschaltung eines weiteren Wärmeübertragers, Ventils oder Verdichtersystems) lediglich durch ein Leitungselement der Leitungsanordnung 4 mit dem Verdampfer 10 verbunden und stromauf des Verdampfer 10 angeordnet sein. Der Verdampfer 10 kann vorzugsweise zwischen dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 15 angeordnet sein, sodass das Medium 5 über das Expansionsventil 15 zum Verdampfer 10 und zumindest ein Teil des Mediums 5 vom Verdampfer 10 zum Kondensator 3 gelangen kann.
Darüber hinaus kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 einen Wärmetauscher 11 umfassen, wie in 1 und 3 gezeigt ist. Der Wärmetauscher 11 kann wärmeübertragend mit dem Verdampfer 10 gekoppelt sein. Über einen von der Leitungsanordnung 4 getrennten Kühlkreislauf 12 kann dem Wärmetauscher 11 Kühlwasser 13 zugeführt werden. Der Kühlkreislauf 12 kann mit einer, beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten Fahrzeugkomponente K des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt sein, um beim Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 anhand des Kühlwassers 13 eine Kühlung der Fahrzeugkomponente K zu bewirken. Dabei kann die Verbrennungskraftmaschine Wärme an das Kühlwasser 13 abgeben, wobei zumindest ein Teil dieser Wärme durch eine wärmeübertragende Koppelung zwischen dem Wärmetauscher 11 und dem Verdampfer 10 von dem Kühlkreislauf 12 abgeführt und an das Medium 5 übertragen werden kann. Die Fahrzeugkomponente K kann alternativ dazu anstatt als Verbrennungskraftmaschine auch als elektrischer Antriebsmotor ausgebildet sein. Der elektrische Antriebsmotor kann dabei auch als Generator betrieben werden. Denkbar ist es auch, die Fahrzeugkomponente K als Motoranordnung auszubilden, welche die Verbrennungskraftmaschine und den elektrischen Antriebsmotor umfassen kann. Durch eine derartige Motoranordnung kann ein Hybridbetrieb erfolgen.
Beim Betreiben der Wärmeübertragungsvorrichtung 2 kann das Medium 5, wie in 2 gezeigt, mit hoher Temperatur von der Fahrzeugkomponente K zum Expansionsventil 15 gefördert werden. Anhand des Expansionsventils 15 kann ein Mediendruck des Mediums 5 verringert werden und das Medium 5 anschließend in den Verdampfer 10 eingeleitet werden. Im Verdampfer 10 kann zumindest ein teilweises Verdampfen des Mediums 5 erfolgen. Dem Kondensator 3 kann über die, mit dem Kondensator 3 gekoppelte Leitungsanordnung 4 zumindest ein Teil des Mediums 5 in dampfförmigem Zustand zur Wärmeübertragung zugeführt und das Medium 5 durch den Kondensator 3 hindurchgeführt werden. Bei der Kondensation des Mediums 5 im Kondensator 3 entstehende Kondensationswärme wird durch Wärmeleitung an das Außenbeplankungselement 7 und von diesem über die Außenseite 19 an den Fahrtwind 20 übertragen.
Das Medium 5 kann zumindest einen Leichtsieder 17 und zumindest einen Schwersieder 18 umfassen, wie in 2 angedeutet ist. Durch den, zur Durchströmung mit dem Medium 5 über die Leitungsanordnung 4 mit dem Kondensator 3 gekoppelten Verdampfer 10 der Wärmeübertragungsvorrichtung 2 kann eine zumindest teilweise Trennung des Mediums 5 in einen Leichtsieder-Dampf 16 des Leichtsieders 17 des Mediums 5 und in den Schwersieder 18 des Mediums 5 erfolgen. In 2 ist exemplarisch gezeigt, wie der Leichtsieder-Dampf 16 dem Kondensator 3 zugeführt wird, wohingegen der Schwersieder 18 in flüssigem Zustand durch den Verdampfer hindurch zum Verdichter 14 gelangt. Der Leichtsieder-Dampf 16 kann im Kondensator 3 Kondensieren und dementsprechend der Leichtsieder 17 in flüssigem Zustand aus der zweiten Medienaustauschöffnung 9 austreten, um den Leichtsieder 17 stromab des Kondensators 3 zusammen mit dem aus dem Verdampfer 10 austretenden Schwersieder 18 dem Verdichter 14 zur gemeinsamen Verdichtung zuzuführen. Stromab des Verdichters 14 ist die in 2 gezeigte Leitungsanordnung 4 mit der Fahrzeugkomponente K, welche auch als Antriebskomponente bezeichnet werden kann gekoppelt, sodass das Medium 5 anhand des Verdichters 14 zur Fahrzeugkomponente K (hier: Verbrennungskraftmaschine) gefördert werden kann.
Zusammenfassend ermöglicht es die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 die bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 ohnehin luftumströmte Außenseite 19, welche auch als Außenfläche bezeichnet werden kann, zur Wärmeabgabe an die Umgebung U zu nutzen, wodurch eine gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Systemen verbesserte Kühlleistung erzielt werden kann, ohne dadurch den Luftwiderstand des Kraftfahrzeugs 1 zu vergrößern. Bei einem gegebenen, abzuführenden Wärmestrom an die Umgebung U kann der Luftwiderstand durch Verkleinerung jeweiliger, hier nicht weiter gezeigt der Lufteinlässe des Kraftfahrzeugs 1 verringert werden und dadurch bei gleichen Fahrleistungen des Kraftfahrzeugs 1 ein verringerter Kraftstoffverbrauch erzielt werden.
Die Nutzung der Außenseite 19 zu Kühlung erfolgt dabei mittels des als Folienelement ausgebildeten Kondensators 3. Die Ausgestaltung des Kondensators 3 als TGP-Element ermöglicht eine besonders wirksame Verteilung einer hohen, latenten Wärme des Mediums 5, welches auch als Arbeitsmedium bezeichnet werden kann, um diese Wärme mit minimalen Übertragungsverlusten auf die möglichst große Außenseite 19 (Außenfläche) zu verteilen, was auch als Heat-Spreader-Prinzip bezeichnet werden kann. Das Medium 5 kann hierzu als Flüssigkeit dem Verdampfer 10 zugeführt und durch Erwärmung anhand des Kühlwassers 13 in Dampf umgewandelt, also mit anderen Worten, verdampft werden. Dieser Dampf kann im Kondensator 3 kondensiert und dabei freiwerdende Kondensationswärme an die vom Fahrtwind 20 umströmte Außenseite 19 (Außenfläche) übertragen und über diese an die Umgebung U abgegeben werden. Das durch Abführen der Kondensationswärme im Kondensator 3 verflüssigte Medium 5 kann anschließend vorzugsweise durch ein Kapillarnetz, eine Pumpe, einen Thermosiphon oder durch den Verdichter 14 wieder in Richtung des Verdampfer 10 als Wärmequelle transportiert werden und dort unter Aufnahme der latenten Wärme erneut verdampfen.
Der Verdampfer 10 dient zusammenfassend als Wärmeübertrager zur zumindest teilweisen Verdampfung des Mediums 5. Beim Verdampfen des Mediums 5 wird dem Kühlkreislauf 12 bzw. dem darin geführten Kühlwasser 13 Wärme entzogen, also das Kühlwasser 13 gekühlt. Aufgrund des Volumenzuwachses des Mediums 5 bei dessen Verdampfung, wird der Dampf des Mediums 5 aus dem Verdampfer 10 gedrückt und gelangt zum Kondensator 3, in welchem der Dampf des Mediums 5 wiederum verflüssigt wird. Der unmittelbar großflächig an dem Außenbeplankungselement 7 applizierte, bzw. in das Außenbeplankungselement 7 integrierte Kondensator 3 trägt dabei zur Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung U unter Vermittlung der Außenseite 19 (Außenfläche) bei.
Bevorzugt kann auf eine Pumpe bzw. den Verdichter 14 auch verzichtet werden, wenn das wenigstens eine, zur Kondensation des Mediums 5 ausgebildete Wärmerohr 6 derart ausgestaltet ist bzw. die Mehrzahl an Wärmerohren 6 derart ausgestaltet sind, dass das Medium 5 kapillarkraftbedingt, also mit anderen Worten unter Nutzung einer Kapillarkraft, aus dem Kondensator 3 heraus und in Richtung des Verdampfer 10 gefördert werden kann.
Die in 2 gezeigte Variante zeigt, dass auf den Kühlkreislauf 12 auch verzichtet werden kann, sodass lediglich die Leitungsanordnung 4 zum Führen des Mediums 5 verwendet werden kann. Im Gegensatz zu den in 1 und 3 gezeigten Varianten erfolgt dabei keine Trennung in den als Primärkreislauf ausgebildeten Kühlkreislauf 12 und einen, die Leitungsanordnung 4 umfassenden Sekundärkreislauf. Die Verdampfung des Mediums 5 wird in der in 2 gezeigten Variante durch eine Drosselung bzw. Druckabsenkung anhand des Mediums 5 anhand des Expansionsventil 15 ermöglicht. Das Medium 5 kann allgemein als Fluidgemisch bereitgestellt werden und den zumindest einen Leichtsieder 17 sowie den zumindest einen Schwersieder 18 umfassen. Bei der in 2 gezeigten Variante kann vorgesehen sein, dass ausschließlich der Leichtsieder 17 verdampft, also mittels des Verdampfers 10 in den Leichtsieder-Dampf 16 umgewandelt und anschließend dem Kondensator 3 zugeführt wird. Nach der Kondensation des Leichtsieder-Dampfes 16 durch Wärmeabgabe an die Außenseite 19 (Außenfläche) kann der anhand des Kondensators 3 verflüssigte Leichtsieder 17 wiederum mittels des Verdichters 14 auf einen stromab des Verdichters herrschenden Systemdruck des Mediums 5 verdichtet werden.
Durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 kann eine Reduktion des Luftwiderstands am Kraftfahrzeug 1 erzielt werden, wodurch das Kraftfahrzeug 1 mit höherer Effizienz betrieben werden kann. Darüber hinaus trägt die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 zu einer verbesserten Designfreiheit bei der Gestaltung des Kraftfahrzeugs 1 bei. Durch das Anordnen des Kondensators 3 an dem in 1, 2 und 3 als Motorhaubenelement ausgebildeten Außenbeplankungselement 7 bestehen sogar an einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs 1, an welchem das als Motorhaubenelement ausgebildete Außenbeplankungselement 7 angeordnet ist, besonders hohe Designfreiheiten. Zudem kann durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 Gewicht eingespart werden, da durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 ein Entfall eines oder mehrerer Kühlpakete ermöglicht ist. Des Weiteren können durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 2 Gewicht und Kosten durch einen Entfall von Schlauchleitungen eingespart werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Wärmeübertragungsvorrichtung
3: Kondensator
4: Leitungsanordnung
5: Medium
6: Wärmerohr
7: Außenbeplankungselement
8: erste Medienaustauschöffnung
9: zweite Medienaustauschöffnung
10: Verdampfer
11: Wärmetauscher
12: Kühlkreislauf
13: Kühlwasser
14: Verdichter
15: Expansionsventil
16: Leichtsieder-Dampf
17: Leichtsieders
18: Schwersieder
19: Außenseite
20: Fahrtwind
K: Fahrzeugkomponente
U: Umgebung
x: Fahrzeuglängsrichtung
y: Fahrzeugquerrichtung
z: Fahrzeughochrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008037311 B3 [0003]
DE 102015220797 A1 [0004]
US 2011/0198070 A1 [0005]

Claims

Kraftfahrzeug (1), mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung (2), welche zumindest einen Kondensator (3) umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung (4) gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung (4) ein Medium (5) zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator (3) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (3) wenigstens bereichsweise als Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums (5) ausgebildeten Wärmerohr (6) ausgebildet ist und an einem Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) anliegend angeordnet ist oder in das Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) integriert ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (3) derart an dem Außenbeplankungselement (7) angeordnet oder in das Außenbeplankungselement (7) integriert ist, dass eine erste Medienaustauschöffnung (8) des zumindest einen Kondensators (3) in Fahrzeughochrichtung (z) des Kraftfahrzeugs (1) höher liegt als eine zweite Medienaustauschöffnung (9) des zumindest einen Kondensators (3), wobei das Medium (5) über die erste Medienaustauschöffnung (8) und die zweite Medienaustauschöffnung (9) zwischen dem Kondensator (3) und der Leitungsanordnung (4) austauschbar ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Medienaustauschöffnung (8) als Eintrittsöffnung, zum Einleiten des Mediums (5) in den zumindest einen Kondensator (3) und die zweite Medienaustauschöffnung (9) als Austrittsöffnung, zum Ausleiten des Mediums (5) aus dem Kondensator (3) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (2) wenigstens einen Verdampfer (10) umfasst, welcher zur Durchströmung mit dem Medium (5) über die Leitungsanordnung (4) mit dem zumindest einen Kondensator (3) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (2) zumindest einen Wärmetauscher (11) umfasst, welcher wärmeübertragend mit dem Verdampfer (10) gekoppelt ist und welchem über einen von der Leitungsanordnung (4) getrennten Kühlkreislauf (12) Kühlwasser (13) zuführbar ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (2) zumindest einen Verdichter (14) zum Verdichten des Mediums (5) umfasst.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (2) ein Expansionsventil (15) zum Expandieren des Mediums (5) umfasst.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenbeplankungselement (7) als Motorhaubenelement, als Kotflügelelement, als Dachelement oder als Heckklappenelement ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (1), welche zumindest einen Kondensator (3) umfasst, welcher mit einer Leitungsanordnung (4) der Wärmeübertragungsvorrichtung (2) gekoppelt ist, um über die Leitungsanordnung (4) ein Medium (5) zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator (3) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (3) wenigstens bereichsweise als Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums (5) ausgebildeten Wärmerohr (6) ausgebildet ist, und zur an einem Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) anliegenden Anordnung ausgebildet ist oder zur Integration in das Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (2) eines Kraftfahrzeugs (1), bei welchem in zumindest einen Kondensator (3) der Wärmeübertragungsvorrichtung (2) über eine, mit dem zumindest einen Kondensator (3) gekoppelte Leitungsanordnung (4) der Wärmeübertragungsvorrichtung (2) ein Medium (5) zur Wärmeübertragung durch den zumindest einen Kondensator (3) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine, an einem Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) anliegend angeordnete oder in das Außenbeplankungselement (7) des Kraftfahrzeugs (1) integrierte, Kondensator (3) ein Folienelement, mit wenigstens einem, zur Kondensation des Mediums (5) ausgebildeten Wärmerohr (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens einen, zur Durchströmung mit dem Medium (5) über die Leitungsanordnung (4) mit dem zumindest einen Kondensator (3) gekoppelten Verdampfer (10) der Wärmeübertragungsvorrichtung (2) eine zumindest teilweise Trennung des Mediums (5) in einen Leichtsieder-Dampf (16) eines Leichtsieders (17) des Mediums (5) und in einen Schwersieder (18) des Mediums (5) erfolgt, wobei der Leichtsieder-Dampf (16) dem zumindest einen Kondensator (3) zugeführt wird.