DE102022113829A1

DE102022113829A1 - Kühlerpaketanordnung mit mehreren Wärmeübertragern für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit Kühlerpaketanordnung

Info

Publication number: DE102022113829A1
Application number: DE102022113829.1A
Authority: DE
Inventors: Dejanira Juarez Garcia; Christian Rebinger; Dirk Schroeder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2023-12-07
Also published as: WO2023232348A1

Abstract

Beschrieben wird eine Kühlerpaketanordnung (10) für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem ersten Wärmeübertrager (12), der mit einem Kühlmittelkreislauf (14) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist; einem zweiten Wärmeübertrager (16), der mit einem Kältemittelkreislauf (18) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist; einem dritten Wärmeübertrager (20), der mit dem Kältemittelkreislauf (18) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist und mit einer Luftzufuhreinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist Luft, insbesondere Umgebungsluft, zu dem ersten Wärmeübertrager (12), zu dem zweiten Wärmeübertrager (16) und zu dem dritten Wärmeübertrager (20) zu leiten. Dabei ist vorgesehen, dass der zweite Wärmeübertrager (16) und der dritte Wärmeübertrager (20) bezogen auf eine in der Luftzufuhreinrichtung (22) vorhandene Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft in Reihe zueinander angeordnet sind. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühlerpaketanordnung (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlerpaketanordnung für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem ersten Wärmeübertrager, der mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, und mit einem zweiten Wärmeübertrager, der mit einem Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mehrere Wärmeübertrager in einem Kraftfahrzeug einzusetzen und anzuordnen.
Beispielhaft wird diesbezüglich auf die DE 10 2015 015 125 A1 hingewiesen, bei der drei Wärmeübertrager, die alle mit dem gleichen Kältemittelkreislauf in fluidtechnischer Verbindung stehen, bezogen auf eine Luftströmungsrichtung nacheinander angeordnet sind.
Eine Anordnung von verschiedenen Wärmeübertragern unterschiedlicher Kühlfluidkreisläufe für ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug ist aus der DE 10 2016 119 440 A1 bekannt.
Aus der DE 196 44 583 A1 ist ein Klimatisierungsgerät mit mehreren Wärmeübertragern für ein Kraftfahrzeug bekannt.
Bei heutigen Kraftfahrzeugen werden Wärmeübertrager in einem sogenannten Kühlerpaket angeordnet bzw. untergebracht. Bislang sind derartige Kühlerpakete insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit zwei Wärmeübertragern ausgeführt, insbesondere einem ersten Wärmeübertrager, der mit einem Kühlmittelkreislauf (insbesondere zur Kühlung eines elektrischen Antriebes und/oder Leistungselektronik, aber auch zur Batteriekühlung (passiv)) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, und mit einem zweiten Wärmeübertrager, der mit einem Kältemittelkreislauf (insbesondere zur Klimatisierung, aber auch zur Batteriekühlung (aktiv)) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Dabei sind die beiden Wärmeübertrager in der Regel so angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen vollflächig überlappen bzw. überdecken.
Insbesondere bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen ist die Anforderung an die Kälteleistung gestiegen aufgrund der Möglichkeit des Schnellladens. Ferner sind Kälteanlagen insbesondere mit einem überkritisch arbeitenden Kältemittel stark temperatursensibel, wobei eine nicht ausreichende Abkühlung des Kältemittels in einem als Gaskühler/Kondensator arbeitenden Wärmeübertrager nachteilig für die Kälteleistung, aber auch für die Effizienz der Kälteanlage ist. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass je nach Ausgestaltung der Kälteanlage bzw. des Kühlerpakets mit luftseitig seriell angeordneten Wärmeübertragern Leistungs- bzw. Effizienzdefizite bei der Kälteanlage auftreten können, was sich auch auf den Insassenkomfort und Reichweite auswirken kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Kühlerpaketanordnung anzugeben, mit der die obigen Nachteile reduziert bzw. vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlerpaketanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird also eine Kühlerpaketanordnung für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem ersten Wärmeübertrager, der mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, einem zweiten Wärmeübertrager, der mit einem Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, einem dritten Wärmeübertrager, der mit dem Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, und einer Luftzufuhreinrichtung, die dazu eingerichtet ist Luft, insbesondere Umgebungsluft, zu dem ersten Wärmeübertrager, zu dem zweiten Wärmeübertrager und zu dem dritten Wärmeübertrager zu leiten, wobei der zweite Wärmeübertrager und der dritte Wärmeübertrager bezogen auf eine in der Luftzufuhreinrichtung vorhandene Hauptströmungsrichtung von Luft in Reihe zueinander angeordnet sind.
Mittels des zweiten und dritten Wärmeübertragers, durch die das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs bzw. einer Kälteanlage strömt, kann eine ausreichende Abkühlung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf erreicht werden, so dass Leistungs- bzw. Effizienzdefizite vermieden werden können. Sind der zweite und dritte Wärmeübertrager kältemittelseitig seriell durchströmt, so wird zunächst der dritte Wärmeübertrager und im Anschluss stromabwärts der zweite Wärmeübertrager mit Kältemittel beaufschlagt. Alternativ ist auch eine parallele Durchströmung des zweiten und dritten Wärmeübertragers denkbar.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann der erste Wärmeübertrager bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft zumindest zu einem der beiden anderen Wärmeübertrager in Reihe angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der erste Wärmeübertrager, der mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung steht, vor oder zwischen oder nach den beiden anderen Wärmeübertragern angeordnet sein, die mit dem Kältemittelkreislauf in Verbindung stehen. Denkbar ist auch eine Anordnung, bei welcher der erste Wärmeübertrager und beispielsweise der zweite Wärmeübertrager bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft parallel von Luft beaufschlagt sind, wobei beispielsweise der dritte Wärmeübertrager in Reihe zu (insbesondere hinter) dem ersten und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet ist.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann der erste Wärmeübertrager ein Niedertemperaturkühler sein und der zweite Wärmeübertrager und der dritte Wärmeübertrager können als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler ausgeführt sein. Dabei kann der dritte Wärmeübertrager auch als erster Gaskühler bzw. Kondensator und der zweite Wärmeübertrager auch als zweiter Gaskühler bzw. Kondensator bezeichnet werden. Dabei sind der dritte Wärmeübertrager (erster Gaskühler/Kondensator) und der zweite Wärmeübertrager (zweiter Gaskühler/Kondensator) so in den Kältemittelkreislauf eingebunden, dass im dritten Wärmeübertrager (erster Gaskühler/Kondensator) eine Enthitzung bzw. Vorkühlung des Kältemittels erreicht wird und im zweiten Wärmeübertrager (zweiter Gaskühler/Kondensator) eine Endstufe der Kühlung des Kältemittels erreicht wird.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann die Reihenfolge der Wärmeübertrager bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft wie folgt ausgeführt sein: erster Wärmeübertrager vor zweitem Wärmeübertrager vor drittem Wärmeübertrager (Konfiguration I); oder
zweiter Wärmeübertrager vor erstem Wärmeübertrager vor drittem Wärmeübertrager (Konfiguration II); oder
zweiter Wärmeübertrager vor drittem Wärmeübertrager vor erstem Wärmeübertrager (Konfiguration III).
Dabei bildet die (erste) Konfiguration I insbesondere eine optimale Anordnung für die Kühlung des Kühlmittelkreislaufs (Wasserkreislaufs). Die (zweite) Konfiguration II bildet insbesondere eine optimale Anordnung für die Kühlung des Kältemittelkreislaufs. Die (dritte) Konfiguration III bildet insbesondere eine Art Kompromiss für die Kühlung von Kühlmittelkreislauf und Kältemittelkreislauf.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann jeder Wärmeübertrager eine der Hauptströmungsrichtung von Luft zugewandte Grundfläche aufweisen, wobei die Grundflächen aller Wärmeübertrager im Wesentlichen gleich groß sind; oder
jeder Wärmeübertrager eine Grundfläche aufweist, die sich von zumindest einer Grundfläche eines der anderen Wärmeübertrager unterscheidet.
Durch die Auswahl von unterschiedlichen Größen bzw. Grundflächen der Wärmeübertrager kann Einfluss auf die Kühlleistung für den jeweiligen Kühlmittel- bzw. Kältemittelkreislauf genommen werden.
Dabei kann bei der Kühlerpaketanordnung bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft, der letzte Wärmeübertrager die größte Grundfläche aufweisen, die insbesondere größer ist als zumindest eine Grundfläche eines der davor angeordneten Wärmeübertrager. Bei einer solchen Konfiguration wird der Tatsache Rechnung getragen, dass an dem bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft hintersten bzw. letzten Wärmeübertrager bereits Luft mit einer Temperatur ansteht, die höher ist als die Umgebungstemperatur aufgrund der vorherigen Passage der anderen Wärmeübertrager.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann jeder Wärmeübertrager so ausgeführt sein, dass er mit wenigstens einer Kühlmittelflut bzw. Kältemittelflut ausgebildet ist, insbesondere mehrflutig und mit einer jeweiligen Austrittsflut ausgebildet ist.
Bevorzugt sind in jedem Wärmeübertrager mehrere Fluten für das Kühlmittel bzw. Kältemittel, die auch als bauteilinterne Fluidumlenkungen bezeichnet werden können, vorgesehen.
Bei der Kühlerpaketanordnung kann bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft, zumindest der letzte Wärmeübertrager eine Austrittsflut aufweisen, die frei von Luft angeströmt ist. Hierdurch kann das in dem betreffenden letzten Wärmeübertrager zirkulierende Kühlmittel oder Kältemittel trotz seiner Lage hinter den beiden anderen Wärmeübertragern im Bereich der Austrittsflut ausreichend gekühlt werden. Eine entsprechende konstruktive Ausgestaltung der Wärmeübertrager kann auch dafür Sorge tragen, dass neben dem letzten auch der vorletzte bzw. mittlere Wärmeübertrager eine frei mit Umgebungsluft anströmbare letzte Flut aufweisen kann.
Bei der Kühlpaketanordnung können zwei sich zumindest teilweise überlappende und bezogen auf die Hauptströmungsrichtung von Luft nacheinander angeordnete Wärmeübertrager so angeordnet sein, dass sich deren jeweilige Austrittsflut im Wesentlichen überdeckt. Auch dies hat einen positiven Einfluss auf die gesamte Kühlleistung für den Kältemittelkreislauf bzw. den Kühlm ittelkreislauf.
Bei der Kühlerpaketanordnung können der zweite Wärmeübertrager und der dritte Wärmeübertrager, die beide mit dem Kältemittelkreislauf in Fluidverbindung stehen, so angeordnet sein, dass einer der beiden Wärmeübertrager den vordersten Wärmeübertrager bildet, der im Wesentlichen vollflächig mit Luft beaufschlagt ist, und der andere der beiden Wärmeübertrager von dem vordersten Wärmeübertrager im Wesentlichen, d.h. ganz oder teilflächig, überlappt ist.
Ein Kraftfahrzeug mit verbrennungsmotorischem oder zumindest teilweise elektrischem Antrieb kann mit einer oben beschriebenen Kühlerpaketanordnung ausgeführt sein. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein vollelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein, das auch als Batterie-Elektro-Fahrzeug (BEV) bezeichnet werden kann.
Bei dem Kraftfahrzeug kann der erste Wärmeübertrager (Niedertemperaturkühler) insbesondere mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden sein, der elektrische Antriebs- oder/und Speichervorrichtungen des Kraftfahrzeugs kühlt.
Bei dem Kraftfahrzeug können der zweite und der der dritte Wärmeübertrager (Gaskühler bzw. Kondensator) mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein, der für die Fahrzeugklimatisierung vorgesehen ist. Ein solcher Kältemittelkreislauf kann mit oder ohne Wärmepumpenfunktion ausgeführt sein.
Denkbar ist in dem Kraftfahrzeug auch die Anordnung mindestens eines weiteren Wärmeübertragers, der mit dem Kühlmittelkreislauf und dem Kältemittelkreislauf in Verbindung steht zwecks Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise ausgeführt als sogenannter Chiller.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 in den Teilfiguren A) bis E) vereinfacht und schematisch eine Ausführungsform einer Kühlerpaketanordnung mit verschiedenen Untervarianten;
2 in den Teilfiguren A) bis D) vereinfacht und schematisch eine andere Ausführungsform einer Kühlerpaketanordnung mit verschiedenen Untervarianten;
3 in den Teilfiguren A) bis E) vereinfacht und schematisch eine weitere Ausführungsform einer Kühlerpaketanordnung mit verschiedenen Untervarianten.

In 1A ist in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Kühlerpaketanordnung 10 für ein nicht dargestelltes verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug gezeigt. Die Kühlerpaketanordnung umfasst einen ersten Wärmeübertrager 12, der mit einem Kühlmittelkreislauf 14 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Ferner weist die Kühlerpaketanordnung 10 einen zweiten Wärmeübertrager 16 auf, der mit einem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Die Kühlerpaketanordnung 10 umfasst einen dritten Wärmeübertrager 20, der ebenfalls mit dem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist.
Solche Kühlerpaketanordnungen können noch mindestens einen Kühlerlüfter umfassen zum Ansaugen oder Drücken eines Umgebungsluftstroms durch das Wärmeübertragerpaket. Auch können weitere Wärmeübertrager Bestandteile einer Kühlerpaketanordnung sein. Auf deren Darstellung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Wärmeübertrager 12, 16, 20 weisen jeweils eine eigne Schraffur auf, die in allen Beispielen der Figuren beibehalten wird. Mit anderen Worten ist der erste Wärmeübertrager 12 diagonal schraffiert, der zweite Wärmeübertrager 16 immer vertikal schraffiert und der dritte Wärmeübertrager 29 immer gekreuzt schraffiert. Es wird darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen erster, zweiter und dritter Wärmeübertrager lediglich dazu dient, die einzelnen Wärmeübertrager konsistent bezeichnen zu können, wobei hierdurch nicht zwingend eine Reihenfolge der Wärmeübertrager 12, 16, 20 nummeriert wird, was insbesondere aus den Beispielen der 2 und 3 ersichtlich ist.
Bei allen Ausführungsformen der 1 bis 3 kann der erste Wärmeübertrager 12 ein Niedertemperaturkühler sein, der insbesondere mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf, vorzugsweise Kühlwasserkreislauf, verbunden ist. Der zweite Wärmeübertrager 16 und der dritte Wärmeübertrager 20 können als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler ausgeführt sein, die in einem bzw. dem gleichen Kältemittelkreislauf 18 angeordnet sind. Dabei ist bezogen auf die Zirkulationsrichtung ZR von Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf 18 der dritte Wärmeübertrager 20 jeweils vor dem, d.h. stromaufwärts des zweiten Wärmeübertrager 16 angeordnet. Dies ist insbesondere aus den vereinfachten Darstellungen der 1A, 2A und 3A ersichtlich.
Mittels der in 1A und 1B gezeigten Konturpfeile ist eine Luftzufuhreinrichtung 22 angedeutet, die dazu eingerichtet ist Luft, insbesondere Umgebungsluft, zu dem ersten Wärmeübertrager 12, zu dem zweiten Wärmeübertrager 16 und zu dem dritten Wärmeübertrager 20 zu leiten. Dabei sind der zweite Wärmeübertrager 16 und der dritte Wärmeübertrager 20 bezogen auf eine in der Luftzufuhreinrichtung vorhandene Hauptströmungsrichtung HS von Luft in Reihe zueinander angeordnet. Die gleichen Konturpfeile sind auch jeweils in der 2A und 3A dargestellt. Dabei kann eine Luftzufuhr passiv über den Fahrtwind erfolgen oder/und aktiv durch mindestens einen hier nicht dargestellten Lüfter.
1B zeigt ein Beispiel, bei dem die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen in Bezug auf ihre Anströmfläche gleich groß ausgeführt sind.
Mit anderen Worten überlappen sich die hier vereinfacht als Rechtecke dargestellten Grundflächen der Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen vollständig.
1C zeigt ein Beispiel, bei dem der erste Wärmeübertrager 12 (Niedertemperaturkühler) eine kleinere Grundfläche aufweist als die beiden anderen Wärmeübertrager 16, 20 (Gaskühler bzw. Kältemittelkondensator). Der zweite und dritte Wärmeübertrager 16, 20 weisen im Wesentlichen die gleiche Grundfläche auf. Der erste Wärmeübertrager 12 ist bezogen auf den zweiten Wärmeübertrager 16 versetzt angeordnet. Insbesondere verbleibt unterhalb des ersten Wärmeübertragers 12 ein Zwischenraum 24, durch den ein Teilvolumen von Luft direkt zu dem zweiten Wärmeübertrager 16 strömen kann, ohne vorherige Erwärmung im ersten Wärmeübertrager 12. Hierdurch kann die Kühlleistung insgesamt, speziell jedoch für die dem ersten Wärmeübertrager 12 luftseitig nachgeschalteten zweiten und/oder dritten Wärmeübertragern 16 und/oder 20 verbessert werden.
1D zeigt ein Beispiel, bei dem der erste Wärmeübertrager 12 und der zweite Wärmeübertrager 16 eine kleinere Grundfläche aufweisen als der dritte Wärmeübertrager 20. Der erste Wärmeübertrager 12 und der zweite Wärmeübertrager 16 sind in diesem Beispiel übereinander und luftseitig vor dem dritten Wärmeübertrager 20 angeordnet.
1E zeigt ein Beispiel, bei dem der erste Wärmeübertrager 12 eine kleinere Grundfläche als der zweite Wärmeübertrager 16 aufweist. Der zweite Wärmeübertrager 16 wiederum weist eine kleinere Grundfläche auf als der dritte Wärmeübertrager 20. Die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 sind so zueinander angeordnet, dass jeweils eine partielle Überlappung der Grundflächen vorliegt. Dabei verbleibt unterhalb des ersten Wärmeübertragers 12 ein Zwischenraum 24 und unter dem zweiten Wärmeübertrager 16 ein Zwischenraum 26 durch den ein Teilvolumen von Luft direkt zu dem zweiten Wärmeübertrager 16 bzw. dem dritten Wärmeübertrager 20 strömen kann. Hierdurch kann die Kühlleistung insgesamt verbessert werden.
Die vertikale Anordnung der Wärmeübertrager ist auch abhängig davon, wie diese intern vom jeweiligen Medium durchströmt werden. Erfolgt deren Durchströmung jeweils von oben nach unten, so ist die in 1 E dargestellte Anordnung vorteilhaft. Sollte bei mind. einem der Wärmeübertrager 12, 16, 20 diese jedoch abweichend, d.h. bspw. von unten nach oben erfolgen, so ist die Anordnung der Wärmeübertrager unter-/ zueinander bzw. deren optimale Lage in Kühlerpaketanordnung, speziell bei verschiedenen Dimensionierungen, für ein bestmögliches Abkühlergebnis entsprechend anzupassen.
Ebenso ist es nicht ausgeschlossen den dritten Wärmeübertrager 20 im vergleich zu den beiden vorgeschalteten Wärmeübertragern 12, 16 kleiner auszuführen, so dass er stets von diesen vollständig oder auch teilflächig überlappt wird, was hier aber nicht weiter dargestellt ist.
Bezogen auf die in der 1A gezeigte Zirkulationsrichtung ZR von Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf 18 und auf die Zirkulationsrichtung ZRK von Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 14 wird darauf hingewiesen, dass die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 so zueinander angeordnet sind, dass eine jeweilige Austrittsflut von Kühlmittel bzw. Kältemittel entweder frei von Luft angeströmt werden kann oder bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft hinter der Austrittsflut des benachbarten Wärmeübertragers angeordnet ist.
Für alle Wärmeübertrager 12, 16, 20 wird darauf hingewiesen, dass sie bei einer kleineren Grundfläche optional eine größere (von Luft durchströmte) Tiefe aufweisen können, um in Bezug auf die Kühlleistung die reduzierte Grundfläche zumindest teilweise zu kompensieren.
Aus den Beispielen der 1 ist allgemein ersichtlich, dass der erste Wärmeübertrager 12 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft zumindest zu einem der beiden anderen Wärmeübertrager 16, 20 in Reihe angeordnet ist. Ferner zeigen die Beispiele der 1B, 1C und 1E folgende Reihenfolge: erster Wärmeübertrager 12 vor dem zweiten Wärmeübertrager 16 vor dem drittem Wärmeübertrager 20, was als Konfiguration I bezeichnet werden kann.
In 2A ist in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Kühlerpaketanordnung 10 für ein nicht dargestelltes verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug gezeigt. Die Kühlerpaketanordnung umfasst einen ersten Wärmeübertrager 12, der mit einem Kühlmittelkreislauf 14 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Ferner weist die Kühlerpaketanordnung 10 einen zweiten Wärmeübertrager 16 auf, der mit einem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Die Kühlerpaketanordnung 10 umfasst einen dritten Wärmeübertrager 20, der ebenfalls mit dem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist.
Aus den Beispielen der 2 ist allgemein ersichtlich, dass der erste Wärmeübertrager 12 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft zumindest zu einem der beiden anderen Wärmeübertragern 16, 20 in Reihe angeordnet ist. Ferner zeigen die Beispiele der 2B, 2C und 2D folgende Reihenfolge: zweiter Wärmeübertrager 16 vor erstem Wärmeübertrager 12 vor drittem Wärmeübertrager 20, was auch als Konfiguration II bezeichnet werden kann.
2B zeigt ein Beispiel, bei dem die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen in Bezug auf ihre Anströmfläche gleich groß ausgeführt sind. Mit anderen Worten überlappen sich die hier vereinfacht als Rechtecke dargestellten Grundflächen der Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen vollständig.
2C zeigt ein Beispiel, bei dem der zweite Wärmeübertrager 16 (zweiter Gaskühler bzw. Kältemittelkondensator) eine kleinere Grundfläche aufweist als die beiden anderen Wärmeübertrager 12, 20 (Niedertemperaturkühler und Gaskühler bzw. Kältemittelkondensator). Der erste und dritte Wärmeübertrager 12, 20 weisen im Wesentlichen die gleiche Grundfläche auf. Der zweite Wärmeübertrager 16 ist bezogen auf den ersten Wärmeübertrager 12 versetzt angeordnet. Insbesondere verbleibt unterhalb des zweiten Wärmeübertragers 16 ein Zwischenraum 24, durch den ein Teilvolumen von Luft direkt zu dem ersten Wärmeübertrager 12 strömen kann, ohne vorherige Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager 16. Hierdurch kann die Kühlleistung insgesamt verbessert werden.
2D zeigt ein Beispiel, bei dem der zweite Wärmeübertrager 16 eine kleinere Grundfläche als der erste Wärmeübertrager 12 aufweist. Der erste Wärmeübertrager 12 wiederum weist eine kleinere Grundfläche auf als der dritte Wärmeübertrager 20. Die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 sind so zueinander angeordnet, dass jeweils eine partielle Überlappung der Grundflächen vorliegt. Dabei verbleibt unterhalb des zweiten Wärmeübertragers 16 ein Zwischenraum 24 und unter dem ersten Wärmeübertrager 12 ein Zwischenraum 26 durch den ein Teilvolumen von Luft direkt zu dem ersten Wärmeübertrager 12 bzw. dem dritten Wärmeübertrager 20 strömen kann. Hierdurch kann die Kühlleistung insgesamt verbessert werden.
Je nach Lage der Austrittsflut eines Mediums an einem Wärmeübertrager kann ein Zwischenraum 24 bspw. auch oberhalb eines dem zweiten Wärmeübertrager 16 nachgeschalteten weiteren Wärmeübertragers wie dem ersten Wärmeübertrager 12 frei bleiben und direkt durch ein Teilvolumen von unkonditionierter (Umgebungs-)Luft angeströmt werden.
In 3 ist in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Kühlerpaketanordnung 10 für ein nicht dargestelltes verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug gezeigt. Die Kühlerpaketanordnung umfasst einen ersten Wärmeübertrager 12, der mit einem Kühlmittelkreislauf 14 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Ferner weist die Kühlerpaketanordnung 10 einen zweiten Wärmeübertrager 16 auf, der mit einem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist. Die Kühlerpaketanordnung 10 umfasst einen dritten Wärmeübertrager 20, der ebenfalls mit dem Kältemittelkreislauf 18 des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist.
Aus den Beispielen der 3 ist allgemein ersichtlich, dass der erste Wärmeübertrager 12 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft zumindest zu einem der beiden anderen Wärmeübertragern 16, 20 in Reihe angeordnet ist. Ferner zeigen die Beispiele der 3B, 3C, 3D und 3E folgende Reihenfolge: zweiter Wärmeübertrager 16 vor drittem Wärmeübertrager 20 vor erstem Wärmeübertrager 12, was auch als Konfiguration III bezeichnet werden kann.
3B zeigt ein Beispiel, bei dem die drei Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen gleich groß ausgeführt sind. Mit anderen Worten überlappen sich die hier vereinfacht als Rechtecke dargestellten Grundflächen der Wärmeübertrager 12, 16, 20 im Wesentlichen vollständig.
3C zeigt ein Beispiel, bei dem der erste Wärmeübertrager 12 (Niedertemperaturkühler) eine maximale Grundfläche aufweist. Der der zweite und dritte Wärmeübertrager 16, 20 weisen im Wesentlichen gleich große Grundflächen auf. Der zweite Wärmeübertrager 16 ist in dieser Konfiguration vollflächig bzw. zu 100% mit (Umgebungs-)Luft beaufschlagt. Unterhalb des zweiten und dritten Wärmeübertragers 16, 20, die ihrerseits bezogen auf die angeströmte Fläche unterschiedlich oder gleich groß dimensioniert sein können, ist ein jeweiliger Zwischenraum 24, 26 gebildet, so dass Luft direkt zu dem ersten Wärmeübertrager 12 strömen kann.
3D zeigt ein Beispiel, bei dem der dem der erste Wärmeübertrager 12 (Niedertemperaturkühler) eine maximale Grundfläche aufweist. Der zweite und dritte Wärmeübertrager 16, 20 weisen unterschiedliche Grundflächen auf, wobei die Grundfläche des zweiten Wärmeübertragers 16 größer oder gleich sein kann als die Grundfläche des dritten Wärmeübertragers 20. Oberhalb des zweiten Wärmeübertragers 16 ist ein Zwischenraum 24 ausgebildet, so dass Luft direkt zu dem dritten Wärmeübertrager 20 strömen kann. Unterhalb des dritten Wärmeübertragers ist ein Zwischenraum 26 gebildet, so dass Luft direkt von dem zweiten Wärmeübertrager 16 zu dem ersten Wärmeübertrager 12 strömen kann. Der zweite Wärmeübertrager 16 ist in dieser Konfiguration vollflächig bzw. zu 100% mit (Umgebungs-)Luft beaufschlagt. Speziell in diesem Anwendungsbeispiel kann eine Austrittsflut des Mediums im dritten Wärmeübertrager 20 optional oben zu liegen kommen.
3E zeigt ein Beispiel, bei dem der dem der erste Wärmeübertrager 12 (Niedertemperaturkühler) eine maximale Grundfläche aufweist. Der zweite und dritte Wärmeübertrager 16, 20 weisen unterschiedliche Grundflächen auf, wobei die Grundfläche des zweiten Wärmeübertragers 16 größer ist als die Grundfläche des dritten Wärmeübertragers 20. Der zweite Wärmeübertrager 16 ist in dieser Konfiguration vollflächig bzw. zu 100% mit (Umge-bungs-)Luft beaufschlagt. Unterhalb des zweiten und dritten Wärmeübertragers 16, 20 ist ein jeweiliger Zwischenraum 24, 26 gebildet, so dass Luft direkt zu dem ersten Wärmeübertrager 12 strömen kann.
Betrachtet man alle oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Beispiele von unterschiedlichen Konfigurationen der Kühlerpaketanordnung 10 können noch folgende Merkmale für einzelne, mehrere oder alle Wärmeübertrager 12, 16, 20 der betreffenden Kühlerpaketanordnung gelten.
Alle Wärmeübertrager können untereinander gleich große Anströmflächen aufweisen. Weiter kann mindestens einer der Wärmeübertrager in seiner Anströmfläche von den verbleibenden abweichen. Letztlich können alle Wärmeübertrager untereinander verschiedene Anströmflächen ausweisen
Bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft weist der letzte Wärmeübertrager die größte Grundfläche auf. Dabei ist die Grundfläche des letzten Wärmeübertragers insbesondere größer ist als zumindest eine Grundfläche eines der davor angeordneten Wärmeübertrager.
Bei den beschriebenen Kühlerpaketanordnungen 10 kann jeder Wärmeübertrager 12, 16, 20 so ausgeführt sein, dass er mit wenigstens einer Kühlmittelflut bzw. Kältemittelflut ausgebildet ist. Insbesondere können die Wärmeübertrager auch mehrflutig und mit einer jeweiligen Austrittsflut ausgebildet sein.
Dabei kann bei den verschiedenen Kühlerpaketanordnungen 10 bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft, der letzte Wärmeübertrager eine Austrittsflut aufweisen, die frei von Luft angeströmt ist. Dies gilt insbesondere für die Beispiele der 1 E, 2D, 3C und 3E.
Ferner können bei den verschiedenen Kühlpaketanordnungen 10 zwei sich zumindest teilweise überlappende und bezogen auf die Hauptströmungsrichtung HS von Luft nacheinander angeordnete Wärmeübertrager so angeordnet sein, dass sich deren jeweilige Austrittsflut im Wesentlichen überdeckt. Dies gilt aufgrund der in den 1A, 2A und 3A vereinfacht dargestellten Zirkulationsrichtung ZR (Kältemittelkreislauf 18) und ZRK (Kühlmittelkreislauf 14) für alle gezeigten Beispiele.
Bei den Kühlerpaketanordnungen 10 der 2 und 3 sind der zweite Wärmeübertrager 16 und der dritte Wärmeübertrager 20, die beide mit dem Kältemittelkreislauf 18 in Fluidverbindung stehen, so angeordnet, dass einer der beiden Wärmeübertrager 16 den vordersten Wärmeübertrager bildet, der im Wesentlichen vollflächig und als erstes mit (Umgebungs-)Luft beaufschlagt ist, und der andere Wärmeübertrager 20 von dem vordersten Wärmeübertrager 16 im Wesentlichen überlappt ist.
Alle Wärmeübertrager 12, 16, 20 können bezüglich ihrer jeweiligen Grundfläche gleich oder untereinander unterschiedlich dimensioniert sein. Ergänzend oder alternativ zu einer Änderung der Grundflächen, können die Wärmeübertrager 12, 16, 20 auch gleiche oder untereinander unterschiedliche Tiefen aufweisen. Insbesondere kann ein Wärmeübertrager mit kleinerer Grundfläche eine größere Tiefe aufweisen, so dass eine durch Grundflächenreduktion verminderte Kühlleistung des betreffenden Wärmeübertragers zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Ebenfalls kann für jede der beschriebenen Ausführungsformen der Kühlerpaketanordnung 10 wenigstens eine Lüftervorrichtung vorgesehen sein, die bezogen auf alle Wärmeübertrager 12, 16, 20 drückend oder saugend wirkt, um Luft durch die Kühlerpaketanordnung strömen zu lassen. Ergänzend oder alternativ ist es auch denkbar, eine (ggf. zusätzliche) Lüftervorrichtung zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragern anzuordnen.
Die obigen Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf Wärmeübertrager mit jeweils im Wesentlichen horizontaler Fluidführung, insbesondere in dem zweiten und dritten Wärmeübertrager 16, 20 (Gaskühler bzw. Kältemittelkondensator). Die hier vorgestellten Konzepte können aber auch unter entsprechender Anpassung für Wärmeübertrager mit im Wesentlichen vertikaler Fluidführung eingesetzt werden. Dabei können dann in den 1 bis 3 beispielhaft gezeigte Zwischenräume 24, 26 nicht oberhalb oder unterhalb eines jeweiligen Wärmeübertragers angeordnet werden, sondern idealerweise links bzw. rechts eines jeweiligen Wärmeübertragers. Ferner ist es auch möglich, Wärmeübertrager mit unterschiedlichen Fluidführungen zu kombinieren und entsprechend relativ zu einander optimiert zu positionieren.
Ergänzend wird noch darauf hingewiesen, dass neben der oben bereits erwähnten Ausführungsform einer horizontalen Fluidführung in allen Wärmeübertragern und dem oben beschriebenen Fall einer vertikalen Fluidführung in allen Wärmeübertragern auch Kombinationen möglich sind. Insbesondere kann mindestens ein Wärmeübertrager in der Fluidführung (vertikal bzw. horizontal) sich von der Fluidführung in den restlichen Wärmeübertragern unterscheiden. Damit ist ein Mischverbau von horizontaler und vertikaler Fluidführung ermöglicht. Insbesondere bei Kondensatoren und/oder Gaskühlern, vorzugsweise bei Luft-Wärmepumpenanwendungen, kann die vertikale Fluiddurchströmung zur Anwendung kommen, um auf diese Weise einen Flüssigkeitsablauf an bzw. in dem jeweiligen Wärmeübertrager zu unterstützen. Ferner können auch Komponenten bzw. Wärmeübertrager eingesetzt werden, die in sich selber eine sogenannte Mischfluidführung mit horizontalem und vertikalem Anteil an der Fluidführung aufweisen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015015125 A1 [0003]
DE 102016119440 A1 [0004]
DE 19644583 A1 [0005]

Claims

Kühlerpaketanordnung (10) für ein verbrennungsmotorisch oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem ersten Wärmeübertrager (12), der mit einem Kühlmittelkreislauf (14) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, einem zweiten Wärmeübertrager (16), der mit einem Kältemittelkreislauf (18) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, einem dritten Wärmeübertrager (20), der mit dem Kältemittelkreislauf (18) des Kraftfahrzeugs fluidtechnisch verbunden ist, einer Luftzufuhreinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist Luft, insbesondere Umgebungsluft, zu dem ersten Wärmeübertrager (12), zu dem zweiten Wärmeübertrager (16) und zu dem dritten Wärmeübertrager (20) zu leiten, wobei der zweite Wärmeübertrager (16) und der dritte Wärmeübertrager (20) bezogen auf eine in der Luftzufuhreinrichtung (22) vorhandene Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft in Reihe zueinander angeordnet sind.
Kühlerpaketanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Wärmeübertrager (12) bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft zumindest zu einem der beiden anderen Wärmeübertrager (16, 20) in Reihe angeordnet ist.
Kühlerpaketanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Wärmeübertrager (12) ein Niedertemperaturkühler ist und wobei der zweite Wärmeübertrager (16) und der dritte Wärmeübertrager (20) als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler ausgeführt sind.
Kühlerpaketanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenfolge der Wärmeübertrager (12, 16, 20) bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft wie folgt ist: erster Wärmeübertrager (12) vor zweitem Wärmeübertrager (16) vor drittem Wärmeübertrager (20); oder zweiter Wärmeübertrager (16) vor erstem Wärmeübertrager (12) vor drittem Wärmeübertrager (20); oder zweiter Wärmeübertrager (16) vor drittem Wärmeübertrager (20) vor erstem Wärmeübertrager (12).
Kühlerpaketanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Wärmeübertrager (12, 16, 20) eine der Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft zugewandte Grundfläche aufweist, wobei die Grundflächen aller Wärmeübertrager (12, 16, 20) im Wesentlichen gleich groß sind; oder jeder Wärmeübertrager (12, 16, 20) eine Grundfläche aufweist, die sich von zumindest einer Grundfläche eines der anderen Wärmeübertrager (12, 16, 20) unterscheidet.
Kühlerpaketanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei, bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft, der letzte Wärmeübertrager (12, 20) die größte Grundfläche aufweist, die insbesondere größer ist als zumindest eine Grundfläche eines der davor angeordneten Wärmeübertrager (12, 16, 20).
Kühlerpaketanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Wärmeübertrager (12, 16, 20) so ausgeführt ist, dass er mit wenigstens einer Kühlmittelflut bzw. Kältemittelflut ausgebildet ist, insbesondere mehrflutig und mit einer jeweiligen Austrittsflut ausgebildet ist.
Kühlerpaketanordnung (10) nach Anspruch 7, wobei bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft, zumindest der letzte Wärmeübertrager (12, 20) eine Austrittsflut aufweist, die frei von Luft angeströmt ist.
Kühlpaketanordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei zwei sich zumindest teilweise überlappende und bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (HS) von Luft nacheinander angeordnete Wärmeübertrager (12, 16, 20) so angeordnet sind, dass sich deren jeweilige Austrittsflut im Wesentlichen überdeckt.
Kühlerpaketanordnung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite Wärmeübertrager (16) und der dritte Wärmeübertrager (20), die beide mit dem Kältemittelkreislauf (18) in Fluidverbindung stehen, so angeordnet sind, dass einer der beiden Wärmeübertrager (16) den vordersten Wärmeübertrager bildet, der im Wesentlichen vollflächig mit Luft beaufschlagt ist, und der andere (18) der beiden Wärmeübertrager von dem vordersten Wärmeübertrager (16) im Wesentlichen überlappt ist.
Kraftfahrzeug mit verbrennungsmotorischem oder zumindest teilweise elektrischem Antrieb und mit einer Kühlerpaketanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.