DE10241364A1

DE10241364A1 - Wärmetauscher mit Wärmespeicherfunktion

Info

Publication number: DE10241364A1
Application number: DE10241364A
Authority: DE
Inventors: Walter Scheftschuk; Robert Mager
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-03-18

Abstract

Wärmetauscher mit einem nach außen isolierten Gehäuse und mindestens zwei durch das Gehäuse hindurchführenden Wärmetauscherkanälen. Der erste Wärmetauscherkanal weist einen Eingang für heißes erstes Medium und einen Ausgang für abgekühltes erstes Medium auf und der zweite Wärmetauscherkanal weist einen Eingang für ein aufzuheizendes zweites Medium und einen Ausgang für aufgeheiztes zweites Medium auf, wobei Wärme von dem einen auf den anderen Wärmetauscherkanal übertragbar ist. Im Bereich zwischen den Wärmetauscherkanälen ist ein Wärmespeichermedium vorgesehen. Die Wärmeübertragung zwischen den Wärmetauscherkanälen erfolgt somit mittelbar über das Wärmespeichermedium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Fahrzeugklimaanlage mit einem solchen Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 2.

Bei Fahrzeugklimaanlagen wird bekannterweise die vom Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs aufgenommene Motorabwärme zum Heizen des Fahrgastraumes genutzt. Warmes bzw. heißes vom Motor kommendes Kühlmittel wird hierzu einem Heizwärmetauscher eines Heiz-Klimageräts zugeführt und strömt von dort zurück in den Motorkühlkreislauf. Der Heizwärmetauscher gibt Wärme an die in den Fahrgastraum strömende Luft ab. Bei modernen Fahrzeugmotoren, insbesondere bei modernen Dieselmotoren, tritt das Problem auf, dass bei niedrigen Außentemperaturen und insbesondere in der Startphase des Motors die Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Motor relativ niedrig ist. Dies hat zur Folge, dass die Heizleistung des Heizwärmetauschers zu gering ist, um den Fahrgastraum in akzeptabler Zeit auf eine angenehme Temperatur aufzuheizen.

Zur Lösung dieses Problems wurde bereits erwogen, zwischen den Kühlmittelausgang des Motors und den Eingang des Heizwärmetauschers einen Zusatzwärmetauscher zwischenzuschalten. Der Zusatzwärmetauscher ist zur Übertragung von Wärme von einem Kältemittelkreislauf auf den Heizkreislauf, d.h. auf den Kühlmittelkreislauf vorgesehen. Bei niedrigen Temperaturen wird nämlich die Kühlfunktion der Fahrzeugklimaanlage nicht benötigt. Vom Verdichter der Fahrzeugklimaanlage verdichtetes Kältemittel wird durch den Verdichtungsvorgang erhitzt und anschließend entspannt, wobei die Kältemitteltemperatur nach dem Entspannen immer noch relativ hoch ist. Wärmeenergie des Kältemittels kann dann über den Zusatzwärmetauscher an das "Heizwasser" übertragen werden. Im "Heizbetrieb" der Fahrzeugklimaanlage wird der Kältemittelverdichter somit primär zum "Aufheizen" des Kältemittels eingesetzt. Durch die Wärmeübertragung im Zusatzwärmetauscher vom Kältemittel auf das Heizwasser kann gezielt die Wärmeleistung des Heizwärmetauschers des Heiz-Klimageräts erhöht werden.

Nachteilig hierbei ist, dass die "Anlaufphase" des Verdichtungsprozesses aufgrund der niedrigen Temperatur relativ lang dauert. Nach dem Motorstart muss nämlich zunächst das Kältemittel durch den Verdichter komprimiert bzw. aufgeheizt werden. Dies kann einige Minuten dauern. Erst dann kann Wärme im Zusatzwärmetauscher vom Kältemittel auf das Heizwasser überfragen werden. Somit vergehen nach dem Motorstart mehrere Minuten, bis das Heiz-Klimagerät hinreichend warme Luft liefert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bzw. eine Fahrzeugklimaanlage zu schaffen, mit dem bzw. der die oben beschriebenen Probleme bewältigbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Wärmetauscher mit Wärmespeicherfunktion. Der Wärmetauscher kann in einer Fahrzeugklimaanlage als "Zusatzwärmetauscher mit Wärmespeicherfunktion" eingesetzt werden kann. Der Wärmetauscher weist ein nach außen isoliertes Gehäuse auf. Durch das Gehäuse sind zwei Fluidkanäle hindurchgeführt, die im folgenden als "Wärmetauscherkanäle" bezeichnet werden. Der erste Fluidkanal weist einen Eingang für heißes erstes Medium und einen Ausgang für abgekühltes erstes Medium auf. Der zweite Wärmetauscherkanal weist einen Eingang für aufzuheizendes zweites Medium und einen Ausgang für aufgeheiztes zweites Medium auf. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass sich im Bereich zwischen den Wärmetauscherkanälen ein Wärmespeichermedium befindet. Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmetauschern erfolgt die Wärmeübertragung somit nicht unmittelbar vom einen auf den anderen Wärmetauscherkanal, sondern mittelbar über das Wärmespeichermedium.

Das Wärmespeichermedium kann über eine längere Zeitdauer hinweg Wärme speichern. Für den Fall, dass der Wärmetauscher in einer Fahrzeugklimaanlage mit Zuheizfunktion eingesetzt wird und das Fahrzeug z.B. im Winter abgestellt wird, kann über mehrere Stunden bzw. Tage Wärme im Wärmespeichermedium gespeichert werden. Der wesentliche Vorteil besteht nun darin, dass praktisch unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs bzw. nach Inbetriebnahme des Wärmetauschers im Wärmespeichermedium gespeicherte Restwärme zur Verfügung steht und an das im zweiten Wärmetauscherkanal strömende, aufzuheizende Medium abgegeben werden kann. Mit der im Wärmespeichermedium gespeicherten Restwärme kann die Zeitdauer "überbrückt" werden, die erforderlich ist, bis im ersten Wärmetauscherkanal warmes bzw. heißes Medium zur Verfügung steht.

Wenn der Wärmetauscher in der eingangs beschriebenen Weise als "Zusatzwärmetauscher" in einer Fahrzeugklimaanlage eingesetzt wird, kann die nach dem Motorstart erforderliche „Ansprechzeit" der Fahrzeugklimaanlage im Heizbetrieb deutlich verkürzt werden. Die über das Wärmespeichermedium des Wärmetauschers zur Verfügung stehende Restwärme ermöglicht somit ein zeitlich nahezu unverzögertes Ansprechverhalten der Heizung. Bei hinreichend großer Menge an Wärmespeichermedium und hinreichend großer Wärmekapazität des Wärmespeichermediums kann der Wärmetauscher auch für einen Standheizungsbetrieb oder zur Motorvorwärmung eingesetzt werden, was einen erheblichen Komfortgewinn darstellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Wärmetauscher gemäß der Erfindung eine sehr kompakte Bauweise aufweist. Er erfüllt nämlich einerseits die Funktion eines Wärmetauschers und zusätzlich die Funktion eines Wärmespeichers.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Das Grundprinzip eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung;
2 den schematischen Aufbau einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung.
1 zeigt einen Wärmetauscher 1 mit einem Gehäuse 2, das nach außen durch eine Isolationsschicht 3 isoliert ist. Durch das Gehäuse 2 sind ein erster Wärmetauscherkanal 4 und ein zweiter Wärmetauscherkanal 5 hindurchgeführt. Der erste Wärmetauscherkanal 4 weist einen Eingang 6 für heißes erstes Medium und einen Ausgang 7 für abgekühltes erstes Medium auf. Der zweite Wärmetauscherkanal 5 weist einen Eingang 8 für aufzuheizendes zweites Medium und einen Ausgang 9 für aufgeheiztes zweites Medium auf. Das Gehäuse 2 ist im Bereich zwischen den beiden Wärmetauscherkanälen 4 und 5 mit einem Wärmespeichermedium 10 gefüllt. Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmetauschern erfolgt die Wärmeübertragung nicht unmittelbar von einem Wärmetauscherkanal auf den anderen, sondern mittelbar über das Wärmespeichermedium 10.
Das Wärmespeichermedium 10 kann über mehrere Stunden bzw. Tage hinweg Wärme speichern. Wenn der Wärmetauscher 1 in Betrieb genommen wird, kann das im Wärmetauscherkanal 5 strömende aufzuheizende Medium praktisch verzögerungsfrei mit der Restwärme aus dem Wärmespeichermedium 10 aufgeheizt werden. Anders ausgedrückt ist eine Aufheizung des im Wärmetauscherkanal 5 strömenden Mediums nahezu verzögerungsfrei möglich, d.h. selbst dann, wenn in der Anlaufphase im Wärmetauscherkanal 4 noch kein hinreichend heißes erstes Medium vorhanden ist.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Wärmetauscher 1, der hier als "Zusatzwärmetauscher" verwendet wird, was noch näher erläutert wird. Kernbestandteil der Fahrzeugklimaanlage ist ein Heiz-Klimagerät 11, das die in einen Fahrgastraum 12 eingeblasene Luft, die hier durch einen Pfeil 13 angedeutet ist, temperiert. Das Heiz-Klimagerät 11 besteht im wesentlichen aus einem Heizwärmetauscher 14, der zum Aufheizen der in den Fahrgastraum 12 strömenden Luft vorgesehen ist und aus einem Verdampfer 15, der zum Kühlen der in den Fahrgastraum strömenden Luft 13 vorgesehen ist.
Der Heizwärmetauscher 14 weist einen Eingang 16 auf, der mit dem Ausgang 9 des zweiten Wärmetauscherkanals 5 verbunden ist, und einen Ausgang 17, der mit einem Kühlmitteleingang 18 eines Verbrennungsmotors 19 eines Fahrzeugs verbunden ist. Der Eingang 8 des zweiten Wärmetauscherkanals 5 ist an einen Kühlmittelausgang 20 des Verbrennungsmotors 19 angeschlossen.
Ferner ist ein Kältemittelkreislauf vorgesehen. Einen Kernbestandteil des Kältemittelkreislaufs bildet ein Verdichter 21, der einen Kältemitteleingang 22 und einen Kältemittelausgang 23 aufweist. An den Kältemittelausgang 23 ist ein Umschaltventil 24 angeschlossen. Das Umschaltventil 24 weist eine "Heizstellung" und eine "Kühlstellung" auf.
In der "Kühlstellung" pumpt der Verdichter 21 Kältemittel über das Umschaltventil 24, einen Gaskühler 25, durch einen inneren Wärmetauscher 26 zu einem Entspannungsorgan 27. Im Entspannungsorgan wird das verdichtete Kältemittel auf einen niedrigen Druck entspannt, wobei es sich abkühlt. Das vom Entspannungsorgan 27 kommende, abgekühlte Kältemittel wird einem Eingang 28 des Verdampfers 25 zugeführt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme von der durchströmenden Luft 13 auf und erwärmt sich. Das erwärmte Kältemittel strömt von einem Ausgang 29 des Verdampfers 15 über einen Sammler 30 erneut durch den inneren Wärmetauscher 26 und von dort zurück zum Kältemitteleingang 22 des Verdichters 21.
In der "Heizstellung" des Umschaltventils 24 strömt verdichtetes Kältemittel vom Verdichter 21 über das Umschaltventil 24 zu einem Entspannungsorgan 31. Vor dem Entspannungsorgan 31 hat das verdichtete Kältemittel beispielsweise eine Temperatur von 130°C. Nach dem Entspannungsorgan 31 hat es beispielsweise eine Temperatur von 80°C. Vom Entspannungsorgan 31 strömt das entspannte Kältemittel zum Eingang des ersten Wärmetauscherkanals 4. Im Wärmetauscher 1 wird Wärme vom Kältemittel, das im Wärmetauscherkanal 4 strömt, an das Wärme speichermedium 10 und vom Wärmespeichermedium 10 an das im Wärmetauscherkanal 5 strömende Kühlwasser abgegeben.
Der dem Heizwärmetauscher 14 vorgeschaltete Wärmetauscher 1 fungiert also als "Zusatzwärmetauscher". Das heißt, im Heizbetrieb wird das warme bzw. heiße vom Verbrennungsmotor 19 kommende Kühlwasser zusätzlich erhitzt, so dass im Heizwärmetauscher 14 eine hinreichend große Heizleistung, insbesondere eine hinreichend hohe Heiztemperatur zur Verfügung steht.
Wie bereits erläutert, besteht ein wesentlicher Vorteil des Zusatzwärmetauschers 1 darin, dass er Wärme über mehrere Stunden bzw. Tage im Wärmespeichermedium speichern kann. Wird der Motor 19 im Winter nach längerer Stillstandzeit gestartet, so kann das im Wärmetauscherkanal 5 strömende, zunächst noch kalte Kühlwasser mit der im Wärmespeichermedium 10 gespeicherten Restwärme erhitzt werden, so dass praktisch ohne Zeitverzögerung Wärme im Heizwärmetauscher 14 zur Verfügung steht. Mit dem Zuatzwärmetauscher 1 kann also selbst bei tiefen Außentemperaturen und langer Standszeit des Fahrzeugs nach dem Fahrzeugstart die Zeitspanne überbrückt werden, bis der Kältemittelkreislauf angelaufen ist und Wärme vom Wärmetauscherkanal 4 über das Wärmespeichermedium 10 an den Wärmetauscherkanal 5 übertragen werden.

Claims

Wärmetauscher mit einem nach außen isolierten Gehäuse (2) und mindestens zwei durch das Gehäuse (2) hindurchführenden Wärmetauscherkanälen (4, 5), wobei der erste Wärmetauscherkanal (4) einen Eingang (6) für heißes erstes Medium und einen Ausgang (7) für abgekühltes erstes Medium und der zweite Wärmetauscherkanal (5) einen Eingang (8) für ein aufzuheizendes zweites Medium und einen Ausgang (9) für aufgeheiztes zweites Medium aufweist und Wärme von dem einen auf den anderen Wärmetauscherkanal (4, 5) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich zwischen den Wärmetauscherkanälen (4, 5) ein Wärmespeichermedium (10) vorgesehen ist und die Wärmeübertragung zwischen den Wärmetauscherkanälen (4, 5) mittelbar über das Wärmespeichermedium (10) erfolgt.
Fahrzeugklimaanlage mit einem Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 2 mit einem Heizklimagerät (11), das einen Heizwärmetauscher (14) zum Aufheizen von in den Fahrgastraum (12) strömender Luft (13) aufweist, wobei ein Fluideingang (16) des Heizwärme tauschers (14) mit dem Ausgang (9) des zweiten Wärmetauscherkanals (5) verbunden ist.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Eingang (8) des zweiten Wärmetauscherkanals (5) mit einem Kühlmittelsausgang (20) eines Verbrennungsmotors (19) verbunden ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Heizwärmetauscher (14) einen Ausgang (17) aufweist, der mit einem Kühlmitteleingang (18) des Verbrennungsmotors (19) verbunden ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Wärmetauscher (1) Teil eines Kältemittelskreislaufs der Fahrzeugklimaanlage ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Eingang (6) des ersten Wärmetauscherkanals (4) mit dem Ausgang eines ersten Entspannungsorgans (31) und der Ausgang (7) des ersten Wärmetauscherkanals (4) mit dem Eingang (22) eines Verdichters (21) verbunden ist.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 7, wobei zwischen dem Verdichter (21) und dem ersten Entspannungsorgan (31) ein Umschaltventil (24) angeordnet ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Heiz-Klimagerät (11) einen Verdampfer (15) zum Kühlen von in einen Fahrgastraum (12) strömender Luft (13) aufweist und in einer Kühlstellung des Umschaltventils (24) vom Verdampfer (21) verdichtetes Kältemittel über ein zweites Entspannungsorgan (27) einem Eingang (28) des Verdampfers (15) zugeführt wird und von einem Ausgang (29) des Verdampfers (15) kommendes Kältemittel dem Eingang (22) des Verdichters (21) zugeführt wird.
Wärmetauscher (1) bzw. Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Medium Kohlendioxid und das zweite Medium ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch ist.