DE10313234B4 - Heizungswärmeübertrager - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Heizungswärmeübertrager in einem Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge. Im Heizungswärmeübertrager ist ein Kondensator eines Kältemittelkreislaufes für ein zusätzliches Heizen der zu erwärmenden Luft integriert.
- Der Trend zu hocheffizienten Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge hat zur Folge, dass nicht mehr ausreichend Abwärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht. Damit verschlechtern sich die Behaglichkeitsbedingungen bei Fahrzeugen, deren Erwärmung des Fahrzeuginnenraums ausschließlich auf dem motorseitigen Kühlmittelkreislauf basiert.
- Im Stand der Technik sind vielfältige Lösungsansätze für dieses Problem vorhanden. Beispielsweise wird der Kühlmittelkreislauf elektrisch aufgeheizt oder über Kaltleiterheizelemente, auch sogenannte PTC-Heizungen, wird die Fahrzeuginnenraumluft direkt geheizt.
- Weiterhin sind kraftstoffbefeuerte Zusatzheizeinrichtungen für den Kühlmittelkreislauf bekannt.
- Eine alternative Entwicklung zu den genannten Zusatzheizsystemen besteht darin, die in Kraftfahrzeugen vorhandenen Kältemittelsysteme bzw. Kälteanlagen zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes zu nutzen. Dies ist möglich, indem die Kälteanlage zur Beheizung als Wärmepumpe betrieben wird.
- Alternativ kann ein kurzer Kreislauf ohne sekundäre Wärmeaufnahme, in der links- oder rechtsdrehenden Variante, genutzt werden. Bei einem kurzen Kreislauf wird die mechanische Antriebsleistung des Kompressors zu wesentlichen Teilen in Wärme zur Fahrgastraumbeheizung umgewandelt.
- Derartige Kälteanlagen sind gleichfalls im Stand der Technik bekannt.
- Wird eine vorhandene Kälteanlage in einem Fahrzeug zur Zuheizung benutzt, so tritt unter bestimmten Nutzungs- und Umgebungsbedingungen ein sehr unerwünschter und sicherheitstechnisch gefährlicher Effekt auf.
- Insbesondere wird bei der Nutzung des Kältemittelsystems als Kälteanlage der in der Belüftungsanlage des Fahrzeugs angeordnete Verdampfer die zu kühlende Luft entfeuchten. Die auf der Verdampferoberfläche kondensierte Feuchtigkeit wird dann beispielsweise nach Stillstand des Fahrzeuges und erneuter Inbetriebnahme bei Nutzung des zuvor als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers im Zuheizungsmodus als Kondensator bzw. Gaskühler durch die Erwärmung an den dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstrom abgegeben. Eine alternierende Nutzung von Kälteanlage und Wärmepumpe tritt in der Übergangszeit durchaus häufiger auf.
- Die hohe Luftfeuchte in der dem Fahrzeuginnenraum zugeleiteten Luft führt an den kalten Oberflächen im Inneren des Fahrzeugs zum Niederschlag und insbesondere zum Beschlagen der Scheiben mit einhergehender Verschlechterung der Sichtverhältnisse für die Fahrzeuginsassen. Dieser Effekt wird auch als Flash-fogging bezeichnet.
- Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, welche diesen Effekt verhindern sollen.
- Aus der
DE 198 39 002 A1 geht eine Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren Heizwärmeübertrager innerhalb eines Kühlmittelkreislaufes und mit einem im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordneten Kompressor zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels hervor. Der kombinierte Heizwärmeübertrager weist neben dem vom Kühlmittel durchflossenen Bereich einen separaten Bereich für das aufgeheizte Kältemittel auf, der über eine auf der Druckseite des Kompressors aus dem Kältemittelkreislauf abzweigende Bypassleitung mit aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist. Die Bypassleitung mündet nach dem Durchlaufen des Heizwärmeübertragers auf der Saugseite des Kompressors wieder in den Kältemittelkreislauf ein. - In der
US 6189603 B1 wird ein kombinierter Wärmeübertrager mit einer Kondensatoreinheit und einer von der Kondensatoreinheit isolierten Heizeinheit beschrieben. Die Einheiten weisen von Medium durchflossene Rohre und dazwischen angeordnete Lamellen auf. Die Kondensatoreinheit ist in Strömungsrichtung der zu erwärmenden Luft vor der Heizeinheit angeordnet, wobei die Kondensatoreinheit und die Heizeinheit örtlich getrennt voneinander ausgebildet sind. Die Kühlmittelrohre befinden sich in ihrer Gesamtheit innerhalb der Kondensatoreinheit und die Heizmittelrohre innerhalb der Heizeinheit. - Die
DE 43 27 213 A1 offenbart einen Kühler für Kraftfahrzeuge, der als kompakte zusammenhängende Einheit in zwei verschiedene, stofflich voneinander getrennte Kühlmittelkreisläufe integriert ist. Der Kühler weist obere und untere Sammler auf, die durch eine schräge Zwischenwand derart unterteilt sind, dass sich in jedem Sammler keilförmige Sammlerkammern bilden. Die Kammern stehen jeweils mit gesonderten Kühlmittelkanälen in Verbindung, die in Gruppen abwechselnd nebeneinander und versetzt hintereinander angeordnet sind. - Aus der
WO 01/23 823 A1 - Nach einer speziellen Anwendungsform für das Kältemittel Kohlendioxid wird in der
DE 198 55 309 A1 eine Zusatzheizeinrichtung für Fahrzeuge offenbart. Dabei werden der Gaskühler bzw. Kondensator in verschiedene alternativ genutzte Bereiche zur Kühlung bzw. Heizung unterteilt: zum einen in einen Verdampferbereich, der im Kälteanlagenbetrieb die dem Fahrzeuginnenraum zuströmende Luft kühlt und entsprechend entfeuchtet, und zum anderen in einen Bereich, der im Wärmepumpenbetrieb die dem Fahrzeuginnenraum zuströmende Luft erwärmt. Durch diese funktionale Trennung wird erreicht, dass die am Verdampfer abgeschiedene Feuchtigkeit nicht oder nur in sehr geringer Weise von dem in den Fahrzeuginnenraum strömenden Luftstrom wieder aufgenommen wird. - In der
DE 198 55 309 A1 wird der Heizungswärmeübertrager mit der zusätzlichen Heizeinrichtung aus dem Kältemittelkreislauf zur Erwärmung weiterhin derart kombiniert, dass die Wärmeübertrager hintereinander geschaltet erden. - Daraus ergibt sich der Nachteil, dass der ohnehin knapp bemessene Bauraum in den Belüftungsanlagen von Kraftfahrzeugen durch eine derartige Hintereinanderschaltung erweitert wird. Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizungwärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der einen geringeren Bauraum erfordert und ein vorteilhaftes Regelverhalten ermöglicht bei geringstmöglichem Strömungswiderstand.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Heizungswärmeübertrager in einem Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge gelöst, wobei die zu erwärmende Luft mit einem als Wärmepumpe oder kurzem Kreislauf zum Zuheizen betreibbaren Kältemittelkreislauf zusätzlich erwärmbar ist. Für den Zuheizbetrieb sind die Wärmeübertrageroberflächen eines Gaskühler/Kondensators des Kältemittelkreislaufs in den Heizungswärmeübertrager integriert.
- Der erfindungsgemäße Heizungswärmeübertrager weist eine Sammlereinheit auf, welche einen Kühlmittelsammlerbereich und einen Kältemittelsammlerbereich umfasst. Der Kältemittelsammlerbereich weist keine gemeinsame Begrenzungsfläche mit dem Kühlmittelsammlerbereich auf und ist thermisch vom Kühlmittelsammlerbereich getrennt außerhalb des Kühlmittelsammlerbereichs angeordnet.
- Die zu erwärmende Luft wird im Zuheizbetrieb gleichzeitig vom Heizungswärmeübertrager und vom Gaskühler/Kondensator des Kältemittelkreislaufes erwärmt, wobei ein vom Gaskühler/Kondensator funktional getrennter Verdampfer für den Kälteanlagenbetrieb des Kältemittelkreislaufes vorgesehen ist.
- Unter Zuheizbetrieb ist dabei der Modus zu verstehen, in welchem der Kältemittelkreislauf, beispielsweise als Wärmepumpenkreislauf oder als kurzer Kreislauf, zum Zuheizen eingesetzt wird.
- Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Kombination ausgeführt, wenn der Kältemittelkreislauf und der Kühlmittelkreislauf im Zuheizbetrieb derart geregelt werden, dass die Wärmeübertrageroberflächen des Heizungswärmeübertragers und des Gaskühler/Kondensators im Zuheizbetrieb Temperaturunterschiede von weniger als 25 K aufweisen.
- Die Konzeption der Erfindung besteht in der Trennung der Funktionen der Wärmeübertrager im Zuheizmodus und der Integration der Komponente für die Erwärmung der Luft in den Heizungswärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufes.
- Als Vorteile dieser Konzeption sind die Vermeidung des flash-fogging-Effektes und die Platz sparende Realisierbarkeit der Funktionstrennung in Wärmeübertragerkomponenten des Kältemittelkreislaufes zu nennen.
- Durch die gemeinsame Nutzung der Wärmeübertragerflächen von Kühlmittelkreislauf und Kältemittelkreislauf im erfindungsgemäßen Heizungswärmeübertrager kann erreicht werden, dass die Zuheizfunktionalität mittels umgeschaltetem Kältemittelkreislauf ohne zusätzlichen Platzbedarf in einer Belüftungsanlage ohne flash-fogging-Risiko erreicht wird.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : Prinzipskizze der Kombination Kälte- und Kühlmittelkreislauf, -
2 : Heizungswärmeübertrager mit integriertem Gaskühler/Kondensator, -
3 : Sammlereinheit, -
4 : Sammlereinheit mit integriertem Kältemittelsammler, -
5 : Sammlereinheit mit außen liegendem Kältemittelsammler, -
6 : Gaskühler/Kondensator-Wärmeübertragerkomponente im Kammdesign und -
7 : Heizungswärmeübertrager mit integriertem Gaskühler/Kondensator in dreidimensionaler Ansicht. - In
1 ist die erfindungsgemäße Konzeption als Prinzipskizze veranschaulicht. - Dabei sind der Heizungswärmeübertrager
3 des Kühlmittelkreislaufes1 und der Gaskühler/Kondensator4 des Kältemittelkreislaufes2 derart miteinander kombiniert, dass die Wärmeübertragerflächen des Heizungswärmeübertragers3 und des Gaskühler/Kondensators4 gleichzeitig von der zu erwärmenden Luft5 im Wärmepumpenbetrieb durchströmt werden. Die unerwünschte gegenseitige Beeinflussung des Kühl- und Kältemittelkreislaufes1 ,2 wird dadurch minimiert, dass die Kreisläufe ohne nennenswerte Leistungseinbußen derart geregelt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeübertrageroberflächen kleiner als 25 K ist. -
2 zeigt einen Heizungswärmeübertrager3 mit integriertem Gaskühler/Kondensator. - Der Heizungswärmeübertrager
3 ist aus nebeneinander und alternierend angeordneten Kühlmittelrohren6 und Kältemittelrohren7 aufgebaut, welche parallel von der zu erwärmenden Luft durchströmt werden. Zwischen den Kühlmittelrohren6 und Kältemittelrohren7 sind Lamellenblöcke11 angeordnet, welche die Wärmeübertragerfläche vergrößern. Die Kühlmittel- und Kältemittelsammlerbereiche9 ,10 sind nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel am Kopf des Heizungswärmeübertragers3 platziert. Der Begriff Sammler bzw. Sammlerbereich ist auch funktionsentsprechend in Umkehrung als Verteiler bzw. Verteilerbereich zu verstehen, ohne dass noch ausdrücklich darauf hingewiesen wird. - Im gezeigten Beispiel wird das Kühlmittel und in analoger Weise das Kältemittel vom Kühlmittelkreislauf
1 im Kühlmittelsammlerbereich bzw. Kühlmittelverteilerbereich9 der Verteilereinheit auf die Kühlmittelrohre6 aufgeteilt, durchströmt die Kühlmittelrohre6 unter Wärmeabgabe an die mit den Kühlmittelrohren6 in thermischem Kontakt stehenden Lamellenblöcke11 und die zu erwärmende Luft5 . Im Umlenkbereich14 der Kühlmittelrohre6 wird dieses um 180° umgelenkt und strömt in entgegengesetzter Richtung zum Kühlmittelsammlerbereich9 zurück, wo das abgekühlte Kühlmittel gesammelt und weitergeleitet wird. - Die 180° Umlenkung des Kältemittels erfolgt analog im helix-förmigen Umlenkbereich
12 der Kältemittelrohre7 . - In
3 ist eine Sammlereinheit8 für einen erfindungsgemäßen Heizungswärmeübertrager3 mit getrennter Sammler- und Verteilereinheit dargestellt. Die Sammlereinheit8 weist einen Kühlmittelsammlerbereich9 und einen Kältemittelsammlerbereich10 auf, wobei der Kältemittelsammlerbereich10 vom Kühlmittelsammlerbereich9 teilweise umgeben ist. Die als Flachrohre ausgebildeten Kühlmittelrohre6 münden in den Kühlmittelsammlerbereich9 der Sammlereinheit8 . Die als Flachrohre mit Kanälen für das Kältemittel ausgebildeten Kältemittelrohre7 durchdringen den Kühlmittelsammlerbereich9 und münden in den vom Kühlmittelsammlerbereich9 abgetrennten Kältemittelsammlerbereich10 innerhalb der Sammlereinheit8 . - Nach der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jeweils zwei Lagen Kühlmittelrohre
6 und Kältemittelrohre7 vorgesehen, wobei die Kältemittelrohre7 nur innerhalb einer Lage der Kühlmittelrohre6 angeordnet sind. - Die
4 und5 zeigen unterschiedliche konstruktive Gestaltungen der Sammlereinheit8 . - Während in
4 eine Sammlereinheit8 mit in den Kühlmittelsammlerbereich9 integrierten Kältemittelsammlerbereich10 zeigt, ist in5 die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Sammlereinheit8 dargestellt, deren Kältemittelsammlerbereich10 außerhalb des Kühlmittelsammlerbereichs9 angeordnet ist. - Konzeptionell wird dabei verwirklicht, dass der Kältemittelsammlerbereich
10 keine gemeinsame Begrenzungsfläche mit dem Kühlmittelsammlerbereich9 aufweist und somit thermisch von diesem getrennt außerhalb des Kühlmittelsammlerbereich9 angeordnet ist. Dadurch wird ein unerwünschter Wärmestrom vom Kühlmittelkreislauf1 auf den Kältemittelkreislauf2 und umgekehrt unterbunden. - Die Kältemittelrohre
7 treten bei der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung durch den Kühlmittelsammlerbereich9 hindurch. Eine vorteilhafte Abwandlung der Erfindung besteht darin, dass die Kältemittelrohre7 derart in einem weiteren Bogen um den Kühlmittelsammlerbereich9 herumgeführt werden und dass dadurch kein direkter thermischer Kontakt über die Wärmeleitung zum Kühlmittelsammlerbereich9 besteht. - In
6 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit einem Kammdesign dargestellt. Der Heizungswärmeübertrager3 wird dabei wie nach dem Stand der Technik üblich ausgeführt, wobei durch eine Modifikation, dem Weglassen einiger Kühlmittelrohre6 , Platz für Kältemittelrohre7 geschaffen wird. Die Kältemittelsammlerbereiche10 sind über Verbindungsrohre13 mit dem Kältemittelrohr7 verbunden. Das sich ergebende Kammdesign realisiert durch die außerhalb des Kühlmittelsammlerbereiches9 angeordneten Kältemittelsammlerbereiche eine gute thermische Trennung von Kühlmittelkreislauf1 und Kältemittelkreislauf2 . - Gemäß
7 wird eine drei-dimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, bei welcher die Kombination verschiedener Geometrien von Kältemittel- und Kühlmittelrohren7 ,6 deutlich wird. Dabei werden zwei Lagen bzw. Reihen Kühlmittelrohre6 in Richtung der durchströmenden Luft5 hintereinander angeordnet. Innerhalb einer Lage von Kühlmittelrohren6 sind alternierend Kältemittelrohre7 angeordnet, wobei die Kältemittelrohre7 wiederum in zwei Lagen in Richtung der durchströmenden Luft5 hintereinander angeordnet sind. - Die Wärmeübertragereinheit des Kältemittels, die gemäß der Erfindung in eine Reihe des Kühlmittelwärmeübertragers integriert ist, kann abhängig von der Wahl der Art der Zuheizverschaltung des Kältemittelkreislaufes auf der Luftzuströmseite oder auf der Luftabströmseite platziert werden.
- Weiterhin sind bezüglich der Anordnung und Art der Kühlmittelverschaltungen in Abhängigkeit der thermischen Zustände und der Platzverhältnisse die im Stand der Technik bekannten Verschaltungen für Kreuz-, Kreuzgegen- und Kreuzgleichstrom sowie Parallel- und Gleichstrom jeweils vorteilhaft anwendbar.
-
- 1
- Kühlmittelkreislauf
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 3
- Heizungswärmeübertrager
- 4
- Gaskühler/Kondensator
- 5
- Luftstrom/zu erwärmende Luft
- 6
- Kühlmittelrohre
- 7
- Kältemittelrohre
- 8
- Sammlereinheit
- 9
- Kühlmittelsammlerbereich
- 10
- Kältemittelsammlerbereich
- 11
- Lamellenblöcke
- 12
- Umlenkbereich der Kältemittelrohre
- 13
- Verbindungsrohre
- 14
- Umlenkbereich der Kühlmittelrohre
Claims (10)
- Heizungswärmeübertrager (
3 ) in einem Kühlmittelkreislauf (1 ) für Kraftfahrzeuge, wobei die zu erwärmende Luft mit einem als Wärmepumpe oder kurzem Kreislauf zum Zuheizen betreibbaren Kältemittelkreislauf (2 ) zusätzlich erwärmbar ist und dass dazu ein Gaskühler/Kondensator (4 ) des Kältemittelkreislaufes (2 ) für den Zuheizbetrieb in den Heizungswärmeübertrager (3 ) integriert ist, wobei der Heizungswärmeübertrager (3 ) eine Sammlereinheit (8 ) aufweist, die einen Kühlmittelsammlerbereich (9 ) und einen Kältemittelsammlerbereich (10 ) aufweist, wobei der Kältemittelsammlerbereich (10 ) keine gemeinsame Begrenzungsfläche mit dem Kühlmittelsammlerbereich (9 ) aufweist und thermisch voneinander getrennt außerhalb des Kühlmittelsammlerbereichs (9 ) angeordnet ist. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler/Kondensator (4 ) Kältemittelrohre (7 ) aufweist, die derart um den Kühlmittelsammlerbereich (9 ) herumgeführt werden, dass kein direkter thermischer Kontakt über die Wärmeleitung zum Kühlmittelsammlerbereich (9 ) ausgebildet ist. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler/Kondensator (4 ) Kältemittelrohre (7 ) aufweist, die durch den Kühlmittelsammlerbereich (9 ) hindurchgeführt werden. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reihen Kühlmittelrohre (6 ) und/oder Kältemittelrohre (7 ) in Richtung der durchströmenden Luft (5 ) hintereinander angeordnet sind. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittelrohre (6 ) und Kältemittelrohre (7 ) nebeneinander angeordnet sind und parallel von Luft (5 ) durchströmt werden. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittelrohre (6 ) und Kältemittelrohre (7 ) alternierend nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reihen Kühlmittelrohre (6 ) in Richtung der durchströmenden Luft (5 ) hintereinander angeordnet, wobei innerhalb einer Reihe von Kühlmittelrohren (6 ) alternierend Kältemittelrohre (7 ) angeordnet sind, wobei die Kältemittelrohre (7 ) wiederum in zwei Lagen in Richtung der durchströmenden Luft (5 ) hintereinander angeordnet sind. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelrohre (7 ) an der dem Kältemittelsammlerbereich (10 ) gegenüberliegenden Seite helix-förmige Umlenkbereiche (12 ) aufweist, in denen das Kältemittel um 180° umgelenkt wird. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend teilweise an Stelle von Kühlmittelrohren (6 ) Kältemittelrohre (7 ) kammartig in einer Reihe des Heizungswärmeübertragers (3 ) angeordnet sind und dass die Kältemittelsammlerbereiche (10 ) über Verbindungsrohre (13 ) mit den Kältemittelrohren (7 ) verbunden sind und dass das sich ergebende Kammdesign durch die außerhalb des Kühlmittelsammlerbereiches (9 ) angeordneten Kältemittelsammlerbereiche (10 ) eine gute thermische Trennung von Kühlmittelkreislauf (1 ) und Kältemittelkreislauf (2 ) realisiert. - Heizungswärmeübertrager (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (1 ) und der Kältemittelkreislauf (2 ) im Zuheizbetrieb derart geregelt werden, dass die Wärmeübertrageroberflächen des Heizungswärmeübertragers (3 ) und des Gaskühler/Kondensators (4 ) im Zuheizbetrieb Temperaturunterschiede von weniger als 25 K aufweisen.
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