DE10319226B4 - Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung eines Fluids - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung eines Fluids, mit einem Wärmetauscher, wobei weiterhin eine elektrisch betriebene Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels vorgesehen ist; wobei der Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, mit einem Kühlmittelkasten ausgebildet ist, bestehend aus einem Rohrboden, einem Deckel und einer Längstrennwand, die den Kühlmittelkasten in eine Eintritts- und eine Austrittskammer unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wobei die Flachrohre erste und zweite Flachrohrenden aufweisen, wobei die ersten Flachrohrenden vom Rohrboden aufgenommen werden und die zweiten Flachrohrenden mit einer Umlenkeinrichtung zur Umlenkung in der Tiefe in Verbindung stehen, wobei der Querschnitt der Flachrohre eine lichte Weite d mit einem Bereich von d ≤ 1,2 mm aufweist und wobei die Pumpe mittels eines Elektromotors angetrieben wird.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung eines Fluids mit einem Wärmetauscher, wie insbesondere einen Heizkörper oder Kühler, wobei der Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, mit einem Kühlmittelkasten, bestehend aus Rohrboden, Deckel und Längstrennwand, die den Kühlmittelkasten in eine Eintritts- und eine Austrittskammer unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz, bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wobei die Flachrohre einen durch eine Trennwand in zwei Kammern unterteilten Querschnitt sowie erste und zweite Flachrohrenden aufweisen, wobei die ersten Flachrohrenden vom Rohrboden aufgenommen werden und die zweiten Flachrohrenden mit einer Umlenkeinrichtung in Verbindung stehen, so dass die Flachrohre zweiflutig durchströmt werden.
- Ein solcher Heizkörper wurde durch die
DE 197 52 139 A1 bekannt. Dieser bekannte Heizkörper weist eine Flachrohrreihe auf und wird zweiflutig durchströmt, wobei das Kühlmittel in Richtung der Luftströmung, d. h. „in der Tiefe“ umgelenkt wird. Diese Zweiflutigkeit wird durch eine Längstrennwand im oberen Kühlmittelkasten, ein in zwei Kammern unterteiltes Flachrohr und eine Umlenkeinrichtung erreicht, die entweder als zusätzlicher Kühlmittelkasten oder als Umlenkung im endseitig verschlossenen Flachrohr ausgebildet sein kann. Die Umlenkung des Kühlmittels in der Tiefe hat unter anderem den Vorteil, dass die aus dem Heizkörper austretende erwärmte Luft ein gleichmäßiges Temperaturprofil aufweist, welches mit einem einfach durchströmten Heizkörper (also ohne Umlenkung in der Tiefe) nicht erreicht werden kann. - Die
DE 195 36 117 A1 offenbart einen Wärmeübertrager mit in einer Reihe nebeneinander angeordneten Flachrohren, die durch einen Trennsteg in zwei Strömungskanäle unterteilt sind, deren eines Ende mit einer Umlenkung versehen ist und deren anderes Ende in Öffnungen eines Bodens eines Wasserkastens mündet, wobei die Öffnungen des Bodens mit Brücken versehen sind, die in Verlängerung der Trennstege der Flachrohre liegen und als Anschlag für die Flachrohre dienen. - Ein Problem bei heutigen Heizkörpern, wie sie in Heizungs- und Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, besteht darin, dass bei geringen Motordrehzahlen und insbesondere im Leerlauf des Motors nur eine relativ geringe Heizleistung zur Verfügung steht. Eine Ursache für diese ungenügende Heizleistung besteht darin, dass mit geringeren Motordrehzahlen der Kühlmittelmassenstrom durch den Heizkörper abnimmt und die Kühlmittelströmung vom turbulenten in den laminaren Bereich umschlägt - letzteres ist mit einer Verschlechterung des kühlmittelseitigen Wärmeüberganges (Wärmeübergangszahl α) verbunden. Dieses Problem liegt der
EP 0 710 811 A2 zugrunde, allerdings für einen Flachrohrheizkörper, der kühlmittelseitig nur in einer Richtung durchströmt wird. Zur Lösung dieses Problems hat man einen Heizkörperblock mit Abmessungen vorgeschlagen, die einen Betrieb des Heizkörpers vorwiegend im laminaren Bereich ermöglichen sollen. Durch eine Erhöhung des Gesamtdurchtrittsquerschnittes auf der Kühlmittelseite sollen die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl herabgesetzt werden, so dass die Strömung im laminaren Bereich stattfindet. Unter anderem ist für den bekannten Heizkörper ein Flachrohr vorgeschlagen worden, welches eine lichte Weite im Bereich von 0,6 bis 1,2 mm aufweist. Ein Heizkörper, der für eine laminare Strömung ausgelegt ist und nur einfach durchströmt wird, genügt jedoch bestimmten Anforderungen der Kraftfahrzeugindustrie an die Heizleistung von Wärmeübertragern nicht. - Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine ausreichende Heizleistung auch bei niedrigen Kühlmitteldurchsätzen erreicht wird.
- Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht.
- Durch die Verringerung der lichten Weite wird der kühlmittelseitige Wärmeübergang, d. h. die Wärmeübergangszahl α zwischen Kühlmittel und Rohrinnenwand signifikant erhöht - damit steht auch bei geringeren Kühlmitteldurchsätzen, z. B. bei 3 bis 4 l/min mehr Heizleistung zur Verfügung. Obwohl dem Fachmann die Zusammenhänge zwischen lichter Weite eines Rohrquerschnittes und der Wärmeübergangszahl bekannt waren, hat man bei der Auslegung von Wärmeübertragern für Kraftfahrzeugsheizungsanlagen von derartig schmalen Rohrquerschnitten Abstand genommen und keine Entwicklung in dieser Richtung betrieben, weil der kühlmittelseitige Druckabfall mit abnehmender lichter Weite für die Rohre erheblich ansteigt. Die vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe kann das notwendige Druckniveau nicht bereitstellen. Dieses Druckniveau kann jedoch durch die elektromotorisch angetriebene und regelbare Kühlmittelpumpen aufgebracht werden. Insofern bildet der erfindungsgemäße Bereich von geringen lichten Weiten ein bisher nicht genutztes Potenzial, die Heizleistung durch Erhöhung der Reynolds-Zahl bei einem gleichmäßigen Lufttemperaturaustrittsprofil zu steigern. Der Heizkörper wird also kompakter, da bei gleicher Bautiefe mehr Heizleistung erzielt oder - als Alternative - bei gleicher Heizleistung eine geringere Bautiefe des Heizkörpers erreicht werden kann.
- Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der bevorzugte Bereich für die lichte Weite des Flachrohrquerschnittes zwischen 0,6 mm und 1,15 mm, insbesondere zwischen 0,7 mm und 1,0 mm.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben. Es zeigen
-
1 einen zweiflutig durchströmten Heizkörper mit Umlenkung des Kühlmittels „in der Tiefe“, -
1a eine Seitenansicht des Heizkörpers gemäß1 , -
1b eine Draufsicht des Heizkörpers gemäß1 , -
2 einen Querschnitt durch ein Flachrohr des Heizkörpers und -
2a eine Teilansicht des Flachrohres, -
3 ein Diagramm für die Leistung des Heizkörpers und -
4 ein Diagramm für den Druckabfall im Flachrohr. -
1 zeigt einen Heizkörper1 mit einem oberen Kühlmittelkasten2 und einem unteren Kühlmittelkasten3 , zwischen welchen ein Wärmeübertragernetz4 , bestehend aus Flachrohren5 und Wellrippen6 , angeordnet ist. Der obere Wasserkasten2 besteht aus einem Deckel2a und einem Rohrboden2b , die umfangseitig miteinander verlötet sind. Der untere Kühlmittelkasten3 weist ebenfalls einen Deckel3a und einen Rohrboden3b auf, die miteinander verlötet sind. Die Rohrböden2a ,3b nehmen in nicht dargestellter Weise die Enden der Flachrohre5 fluiddicht auf, so dass die Rohre5 mit den beiden Kühlmittelkästen2 ,3 in Fluidverbindung stehen. -
1a zeigt den Heizkörper gemäß1 in einer Seitenansicht, und1b zeigt den Heizkörper1 in einer Draufsicht. Im oberen Wasserkasten2 ist eine gestrichelt eingezeichnete Trennwand7 angeordnet, die den Kühlmittelkasten2 in eine Kühlmitteleintrittskammer8 und in eine Kühlmittelaustrittskammer9 unterteilt. Die Eintrittskammer8 weist eine Öffnung10 für den Eintritt des Kühlmittels, und die Kammer9 weist eine Öffnung11 für den Austritt des Kühlmittels auf. - Sämtliche Teile des Heizkörpers bestehen aus einer Aluminiumlegierung und sind miteinander verlötet. In Längsrichtung des Flachrohres
5 (s.1a) ist eine Trennwand12 angeordnet, die als gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Trennwand12 unterteilt das Flachrohr5 - wie in2 genauer dargestellt - in zwei Kammern, die in unterschiedlicher Richtung durchströmt werden. - Das Kühlmittel durchströmt den Heizkörper
1 wie folgt: das Kühlmittel tritt, dargestellt durch den Pfeil E, durch die Öffnung10 in den Kühlmittelkasten2 bzw. die Eintrittskammer8 ein und strömt dann, entsprechend dem Pfeil I, durch die in1a rechts angeordnete Kammer von oben nach unten, d. h. in den Kühlmittelkasten3 . Dort wird das Kühlmittel, dem Pfeil U folgend, umgelenkt und tritt in die in1a links gelegene Kammer des Flachrohres5 ein, um, dem Pfeil II folgend, von unten nach oben zu strömen. Das Kühlmittel gelangt dann - nach zweifacher Durchströmung der Flachrohrreihe5 - in die Austrittskammer9 des Kühlmittelkastens2 und verlässt über die Austrittsöffnung11 , dem Pfeil A folgend, den Heizkörper1 . Die Luftströmungsrichtung ist durch die Pfeile L dargestellt, d. h. der Heizkörper1 wird im Kreuzgegenstrom betrieben: das Kühlmittel strömt also zunächst auf der Leeseite (I) von oben nach unten durch den Heizkörper, wird dann entgegen der Luftströmungsrichtung, d. h. in der Tiefe umgelenkt und strömt dann in einem zweiten Durchgang (II) auf der Luvseite des Heizkörpers1 von unten nach oben. Diese Strömungsanordnung von Kühlmittel- und Luftstrom ist für hohe Leistung bevorzugt; es ist allerdings auch ein Kreuzgleichstrom möglich, d. h. die Luftströmungsrichtung L ist um 180 ° gedreht, d. h. sie würde in der1a von rechts nach links erfolgen. -
2 zeigt einen Querschnitt durch das Flachrohr5 des in1 dargestellten Heizkörpers1 . Das Flachrohr5 ist aus einem Flachband20 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und als geschweißtes Zweikammerrohr mit einer Kammer21 und einer Kammer22 , die durch eine Sicke23 voneinander abgeteilt sind, ausgebildet. Das Rohr kann gemäß eines weiteren Ausführungsbeispieles auch gelötet werden oder bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch aus zwei Halbschalen bestehend zusammen gesetzt sein und verlötet werden. Auch können zwei separate Rohre ohne direkte Verbindung verwendbar sein. - Die Sicke
23 wird durch zwei symmetrische Ausprägungen24 ,25 gebildet, die sich etwa in einer Mittelebene26 berühren und in diesem Bereich miteinander verlötet sind. Dadurch werden einerseits die beiden Kammern21 ,22 fluiddicht voneinander getrennt, und andererseits wirkt diese Sicke23 als Zuganker gegen den Innendruck des Kühlmittels im Flachrohr5 . Die Abmessungen des Flachrohres5 sind durch folgende Maße gekennzeichnet: Tiefe t, Breite b, lichte Weite d und Wandstärke s. Die lichte Weite d ergibt sich somit aus der Beziehung d = b - 2s. Die Maße des dargestellten Flachrohrquerschnittes lauten wie folgt: t = 26 mm, b = 1,7 mm, s = 0,3 mm und d = 1,1 mm. - Das Flachrohr
5 ist außen oder beidseitig lotplattiert, was nicht dargestellt ist. Es kann somit mit den Wellrippen6 gemäß1 zu dem Wärmeübertragernetz4 verlötet werden. -
2a zeigt das Rohr5 von außen, d. h. in einer Ansicht mit der durchgehenden Sicke23 . -
3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Leistung des Heizkörpers über der lichten Weite d der Flachrohre aufgetragen ist. Der Bereich für die lichte Weite geht von 0,65 bis 1,35 in Schritten von 0,1 mm. Man entnimmt dieser Kurve P = f (d), dass die Leistung mit abnehmender lichter Weite ansteigt, und zwar leicht exponentiell, d. h. dass die Leistung stärker zunimmt, als die lichte Weite abnimmt. Wie bereits oben erwähnt, ist diese Leistungssteigerung auf die Erhöhung der Reynolds-Zahl und die damit verbundene Erhöhung der Wärmeübergangszahl α zurückzuführen. - In
4 ist ein Diagramm dargestellt, welches den kühlmittelseitigen Druckabfall, aufgetragen über dem Kühlmittelvolumenstrom, für zwei lichte Weiten zeigt: die Kurve Δp1 zeigt den Verlauf des Druckabfalls für eine lichte Weite von d = 0,75, und die Kurve Δp2 zeigt den Druckabfall für eine lichte Weite d = 1,15, d. h. den oberen Grenzbereich des erfindungsgemäßen Bereiches für die lichte Weite. Die Kurve 1 verläuft wesentlich steiler als die Kurve 2. Wie bereits oben erwähnt, geht mit einer Verringerung der lichten Weite ein erhöhter kühlmittelseitiger Druckabfall einher. Dies war in der Fachwelt auch ein Grund, derartig geringe lichte Weiten bei Flachrohren zu vermeiden. Dennoch hat die Anmelderin überraschend herausgefunden, dass sich unter Inkaufnahme dieses erhöhten kühlmittelseitigen Druckabfalls dennoch eine Leistungssteigerung - wie aus3 ersichtlich - erzielen lässt. Dies ist umso überraschender, als sich der erhöhte Druckabfall besonders stark bei geringen Kühlmittelvolumenströmen auswirkt, also in dem Bereich, wo die Erfindung Leistung holen will. Dennoch ergibt eine Gesamtbetrachtung einen Leistungsgewinn.
Claims (15)
- Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung eines Fluids, mit einem Wärmetauscher, wobei weiterhin eine elektrisch betriebene Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels vorgesehen ist; wobei der Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, mit einem Kühlmittelkasten ausgebildet ist, bestehend aus einem Rohrboden, einem Deckel und einer Längstrennwand, die den Kühlmittelkasten in eine Eintritts- und eine Austrittskammer unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wobei die Flachrohre erste und zweite Flachrohrenden aufweisen, wobei die ersten Flachrohrenden vom Rohrboden aufgenommen werden und die zweiten Flachrohrenden mit einer Umlenkeinrichtung zur Umlenkung in der Tiefe in Verbindung stehen, wobei der Querschnitt der Flachrohre eine lichte Weite d mit einem Bereich von d ≤ 1,2 mm aufweist und wobei die Pumpe mittels eines Elektromotors angetrieben wird.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung als Kühlmittelkasten ausgebildet ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung in den Rohrenden angeordnet ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung durch eine Unterbrechung der Trennwand und durch einen Verschluss der Rohrenden gebildet wird. - Vorrichtung nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss durch eine Verschlusskappe auf den Rohrenden gebildet wird. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre einen durch eine Trennwand in zwei Kammern unterteilten Querschnitt aufweisen.
- Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand als Sicke ausgebildet ist und das Flachrohr im Bereich der Sicke verlötet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachrohr ein Zweikammerrohr für den Wärmetauscher ist, mit einer Tiefe t, einer Breite b, einer Rohrwandstärke s und einer lichten Weite d der Kammern, wobei die lichte Weite d folgenden Bereich aufweist: 0,6 mm ≤ d ≤ 1,2 mm, vorzugsweise 0,6 mm ≤ d ≤ 1,15 mm und insbesondere 0,7 mm ≤ d ≤ 1,0 mm.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Heizkörper oder ein Kühler ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Wasserpumpe ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor mit einer Spannung von 12 oder 42 Volt betrieben wird.
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