DE112015003124T5 - Wärmetauscher mit doppelter Zirkulation und entsprechende Wärmesteuerungsanlage - Google Patents

Wärmetauscher mit doppelter Zirkulation und entsprechende Wärmesteuerungsanlage Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) mit doppelter Fluidzirkulation, der Folgendes aufweist: erste Rohre (10), zwischen denen ein erstes Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass (12a) und einem Auslass (12b) für das erste Wärmeträgerfluid zirkuliert, und zweite Rohre (20), zwischen denen ein zweites Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass (22a) und einem Auslass (22b) für das zweite Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei die ersten Rohre (10) und zweiten Rohre (20) im Wechsel gestapelt sind und ein erstes Rohr (10) zumindest mit einem zweiten Rohr (20) in Kontakt ist und umgekehrt, wobei der Wärmetauscher (1) ferner mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung (30) aufweist, wobei die zusätzliche Heizvorrichtung (30) zwischen zwei Rohren angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Wärmeregulierung und insbesondere einen Wärmetauscher, der für diese Wärmeregulierung verwendet wird, sowie dessen Anordnung innerhalb einer Wärmesteuerungsanlage insbesondere für die Wärmeregulierung der Batterien eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
  • Die Wärmeregulierung der Batterien, insbesondere im Automobilbereich und da insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, ist ein wichtiger Punkt, denn wenn die Batterien zu kalten Temperaturen ausgesetzt sind, kann sich ihre Autonomie stark verringern, und wenn sie zu hohen Temperaturen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr einer thermischen Instabilität, die bis zur Zerstörung der Batterie führen kann.
  • Um die Temperatur der Batterien zu regulieren, ist bekannt, eine Vorrichtung zur Regulierung der Temperatur des Batteriemoduls hinzuzufügen. Diese Vorrichtungen verwenden im Allgemeinen Wärmeträgerfluide, die beispielsweise mittels einer Pumpe in einem Wärmesteuerungskreis zirkulieren, wobei der Wärmesteuerungskreis innerhalb eines Wärmetauschers verläuft, der mit den Batterien in direktem Kontakt steht.
  • Die Wärmeträgerfluide können somit die Wärme aufnehmen, die von der bzw. von den Batterien abgegeben wird, um diese zu kühlen, und können diese Wärme auf Höhe eines oder mehrerer Wärmetauscher abgeben, wie etwa auf Höhe eines Kühlkörpers oder eines Wärmetauschers, der mit einer weiteren Wärmesteuerungsschleife verbunden ist, zum Beispiel mit einer Klimatisierungsschleife, die diese Wärme aufnimmt, um sie außerhalb zu verteilen oder sie zur Unterstützung beim Heizen des Fahrgastraums zu verwenden.
  • Falls erforderlich können Wärmeträgerfluide auch Wärme zuführen, um die Batterien zu erwärmen. Der Wärmesteuerungskreis kann beispielsweise einen elektrischen Widerstand oder eine Heizeinrichtung durch einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) aufweisen.
  • Bei den im Allgemeinen verwendeten Wärmeträgerfluiden handelt es sich um Umgebungsluft oder um Flüssigkeiten, wie etwa Wasser. Da die Flüssigkeiten bessere Wärmeleiter sind als Gase, bildet dies eine Lösung, die bevorzugt wird, da sie wirksamer ist.
  • Das Hinzufügen einer derartigen Heizvorrichtung im Wärmesteuerungskreis kann zu einer Steigerung des Raums führen, der für seine Aufnahme innerhalb des Kraftfahrzeugs erforderlich ist, und die Anforderungen der Hersteller nicht erfüllen.
  • Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu beseitigen und einen verbesserten Wärmetauscher und eine verbesserte Wärmesteuerungsanlage vorzuschlagen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Wärmetauscher mit doppelter Fluidzirkulation, der Folgendes aufweist:
    • – erste Rohre, zwischen denen ein erstes Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass und einem Auslass für das erste Wärmeträgerfluid zirkuliert, und
    • – zweite Rohre, zwischen denen ein zweites Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass und einem Auslass für das zweite Wärmeträgerfluid zirkuliert,
    wobei die ersten und zweiten Rohre im Wechsel gestapelt sind und ein erstes Rohr zumindest mit einem zweiten Rohr in Kontakt ist und umgekehrt,
    wobei der Wärmetauscher ferner mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung aufweist, wobei die zusätzliche Heizvorrichtung zwischen zwei Rohren angeordnet ist.
  • Aufgrund der Tatsache, dass die zusätzliche Heizvorrichtung direkt innerhalb des Wärmetauschers liegt, ist bei der allgemeinen Ausgestaltung einer Wärmesteuerungsanlage, bei der eine Vorrichtung zum Heizen des Wärmeträgerfluids erforderlich ist, ein Platzgewinn möglich. Darüber hinaus ist durch den Kontakt der zusätzlichen Heizvorrichtung mit den Rohren eine optimierte Erwärmung des Wärmeträgerfluids möglich, da die Austauschfläche zwischen der zusätzlichen Heizvorrichtung und dem Wärmeträgerfluid größer ist.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung handelt es sich bei den ersten und zweiten Rohren um erste und zweite Tauschplattenpaare.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die zusätzliche Heizvorrichtung zwischen zwei Rohren, in denen ein und dasselbe Wärmeträgerfluid zirkuliert, sandwichartig angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Wärmetauscher zumindest an einem der Enden des Stapels der ersten und zweiten Rohre eine zusätzliche Heizvorrichtung auf.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die zusätzliche Heizvorrichtung in Kontakt mit ersten Rohren angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die zusätzliche Heizvorrichtung in Kontakt mit zweiten Rohren angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung handelt es sich bei der zusätzlichen Heizvorrichtung um eine elektrische Heizvorrichtung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die elektrische Heizvorrichtung eine Silikonhülle auf, in der ein elektrischer Heizdraht angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Wärmetauscher eine Wärmesonde in Kontakt mit der zusätzlichen Heizvorrichtung auf.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Wärmesteuerungsanlage mit einem wie oben beschriebenen Wärmetauscher.
  • Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Anlage
    • – sind die Einlässe und Auslässe für das erste Wärmeträgerfluid mit einem Batteriewärmesteuerungskreis eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden, wobei der Wärmetauscher stromaufwärts eines Tauschers zur Regulierung der Temperatur der Batterien angeordnet ist,
    • – sind die Einlässe und Auslässe für das zweite Wärmeträgerfluid mit einem Klimatisierungskreis verbunden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel gegeben ist, und anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers in einer perspektivischen Explosionsansicht,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers in einer Seitenansicht,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Tauschplatte in einer Draufsicht und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Wärmesteuerungsanlage. Identische Elemente in den verschiedenen Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist ein Wärmetauscher 1 mit doppelter Fluidzirkulation insbesondere Folgendes auf:
    • – erste Rohre 10, zwischen denen ein erstes Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass 12a und einem Auslass 12b für das erste Wärmeträgerfluid zirkuliert, und
    • – zweite Rohre 20, zwischen denen ein zweites Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass 22a und einem Auslass 22b für das zweite Wärmeträgerfluid zirkuliert.
  • Diese ersten 10 und zweiten Rohre 20 sind im Wechsel gestapelt, wobei ein erstes Rohr 10 zumindest mit einem zweiten Rohr 20 ist Kontakt ist und umgekehrt, damit die Wärmeenergie von einem Wärmeträgerfluid zu einem anderen übergehen kann.
  • Der Wärmetauscher 1 weist ferner mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung 30 auf, die in seinem Inneren aufgenommen ist. Diese zusätzliche Heizvorrichtung 30 ist insbesondere zwischen zwei Rohren angeordnet.
  • Aufgrund der Tatsache, dass die zusätzliche Heizvorrichtung 30 direkt innerhalb des Wärmetauschers 1 liegt, ist bei der allgemeinen Ausgestaltung einer Wärmesteuerungsanlage, bei der eine Vorrichtung zum Heizen des Wärmeträgerfluids erforderlich ist, ein Platzgewinn möglich. Darüber hinaus ist durch den Kontakt der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 mit den Rohren eine optimierte Erwärmung des Wärmeträgerfluids möglich, da die Austauschfläche zwischen der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 und dem Wärmeträgerfluid größer ist.
  • Wie in den verschiedenen Figuren gezeigt, kann es sich bei den ersten 10 und zweiten Rohren 20 insbesondere um flache Rohre oder um erste 10 und zweite Tauschplattenpaare 10 handeln.
  • Um mit der in den verschiedenen Figuren dargestellten Ausführungsform in Übereinstimmung zu sein, werden nachfolgend die ersten 10 und zweiten Rohre so definiert, dass es sich um erste 10 und zweite Tauschplattenpaare 20 handelt. Es ist jedoch auch möglich, diese Tauschplattenpaare durch andere Mittel für den Wärmeaustausch zwischen zwei Wärmeträgerfluiden, etwa flache Rohre oder dergleichen, auszutauschen, ohne dabei den Erfindungsumfang zu verlassen.
  • Bei diesen ersten 10 und zweiten Tauschplattenpaaren 20 weist mindestens eine ihrer Platten Kanäle auf, die durch die zweite Platte geschlossen sind, so dass ein Kreis aus flachen Rohren gebildet wird, in dem das Wärmeträgerfluid zirkuliert. Die Tauschplatten bestehen im Allgemeinen aus Metall und werden tiefgezogen und aneinander geschweißt, um ein Tauschplattenpaar zu bilden, das einen Kreislauf aus flachen Rohren aufweist, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert.
  • Für eine bessere Wirksamkeit und zur Bestimmung eines Wärmeträgerfluids kann die zusätzliche Heizvorrichtung 30 sandwichartig zwischen zwei Tauschplatten angeordnet sein, in denen ein und dasselbe Wärmeträgerfluid zirkuliert.
  • Bei den in den 1 und 2 gezeigten Beispielen ist die zusätzliche Heizvorrichtung 30 zwischen zwei ersten Tauschplattenpaaren 10 angeordnet, wobei diese auf ihrer anderen Seite mit einer zweiten Tauschplatte 30 in Kontakt sind.
  • Es ist selbstverständlich möglich, eine umgekehrte Ausgestaltung in Betracht zu ziehen, bei der die zusätzliche Heizvorrichtung 30 zwischen zwei zweiten Tauschplattenpaaren 20 angeordnet ist, wobei diese auf ihrer anderen Seite mit einer ersten Tauschplatte 30 in Kontakt sind.
  • Wie in 2 veranschaulicht, kann der Wärmetauscher 1 an mindestens einem der Enden des Stapels der ersten 10 und zweiten Tauschplattenpaare 20 auch eine zusätzliche Heizvorrichtung 30 aufweisen, so dass die Wärmezufuhr zum Wärmeträgerfluid weiter verbessert ist.
  • Bei der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 kann es sich insbesondere um eine elektrische Heizvorrichtung handeln. Wie in 3 veranschaulicht, kann diese beispielsweise aus einer Silikonhülle 32 bestehen, in der ein elektrischer Heizdraht 34 angeordnet ist, zum Beispiel eine über einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) heizende Bahn. Bei der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 kann es sich auch um jegliche Art von elektrischer Heizvorrichtung handeln, die ausreichend fein und leistungsfähig ist, um zwischen zwei Tauschplatten angepasst zu sein, wie etwa eine Heizeinrichtung durch siebgedruckte Widerstände.
  • Am Umfang des Tauschplattenpaares 10 sind auch Anschlussklemmen 36 angeordnet, um die Versorgung der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 zu gewährleisten.
  • Um die Temperatur des Wärmeträgerfluids und der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 zu kontrollieren, kann der Wärmetauscher 1 auch eine (nicht gezeigte) Wärmesonde aufweisen, die insbesondere mit der zusätzlichen Heizvorrichtung 30 in Kontakt ist.
  • Der Wärmetauscher 1 mit doppelter Fluidzirkulation ist insbesondere für die Aufnahme in einer Wärmesteuerungsanlage vorgesehen. Wie in 4 veranschaulicht, kann er somit an der Schnittstelle zwischen einer Klimatisierungsschleife 310 und einem Batteriewärmesteuerungskreis 210 angeordnet sein.
  • Die Einlässe 12a und Auslässe 12b für das erste Wärmeträgerfluid sind mit dem Batteriewärmesteuerungskreis 210 eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden, wobei der Wärmetauscher 1 stromaufwärts eines Tauschers zur Regulierung der Temperatur der Batterien 216 angeordnet ist. Der Wärmesteuerungskreis 210 umfasst ferner eine Pumpe 212, die stromabwärts des Tauschers zur Regulierung der Temperatur der Batterien 216 angeordnet ist, sowie einen Akkumulator, der zwischen der Pumpe 212 und dem Tauscher zur Regulierung der Temperatur der Batterien 216 angeordnet ist. Der Wärmesteuerungskreis 210 kann auch einen Tauscher zur Regulierung der Temperatur der Steuerungselektronik 214 umfassen, der stromaufwärts des Wärmetauschers 1 angeordnet ist.
  • Die Einlässe 22a und Auslässe 22b für das zweite Wärmeträgerfluid sind ihrerseits mit einem Klimatisierungskreis 310 verbunden. Der Klimatisierungskreis umfasst insbesondere:
    • – einen Verdichter 312,
    • – einen Akkumulator 322 stromabwärts des Verdichters 312,
    • – einen ersten Wärmetauscher 314, der in Kontakt mit der Außenluft angeordnet ist, um Wärmeenergie abzuführen,
    • – einen zweiten Wärmetauscher 320, der in einem Kreis zur Versorgung des Fahrgastraums mit Luft angeordnet ist,
    • – ein Expansionsventil 318, das stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 320 angeordnet ist, und
    • – ein Sperrventil 316, das zwischen dem zweiten Wärmetauscher 320 und dem Expansionsventil 318 angeordnet ist.
  • Der Wärmetauscher 1 mit doppelter Zirkulation ist seinerseits an einem parallelen Zweig 330 angeordnet, der das Sperrventil 316, das Expansionsventil 318 und den zweiten Wärmetausucher 320 umgeht. Dieser parallele Zweig 330 weist auch ein Sperrventil 324 auf, das stromaufwärts des Expansionsventils 326 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 1 ist stromabwärts des Expansionsventils 326 angeordnet.
  • Bei einem Kaltstart ist es somit zum Beispiel erforderlich, den Batterien Wärme zuzuführen, damit diese schnellstmöglich ihre optimale Betriebstemperatur erreichen. Das Sperrventil 324 des Klimatisierungskreises ist dann geschlossen, und die zusätzlichen Heizvorrichtungen 30 innerhalb des Wärmetauschers 1 erwärmen das erste Wärmeträgerfluid, das auf Höhe des Tauschers zur Regulierung der Temperatur der Batterien 216 gelangt, um diese zu erwärmen.
  • Es ist auch denkbar, dass bei einem reversiblen Klimatisierungskreis der Wärmetauscher 1 mit seinen zusätzlichen Heizvorrichtungen 30 durch Erwärmen des zweiten Wärmeträgerfluids das Heizen des Fahrgastraums unterstützen kann.
  • Es ist somit gut zu sehen, dass es durch das Hinzufügen mindestens einer zusätzlichen Heizvorrichtung innerhalb eines Wärmetauschers selbst nicht nur möglich ist, den Platzverbrauch des Wärmesteuerungskreises, in dem der Tauscher angeordnet ist, zu optimieren, sondern auch eine optimierte Erwärmung des Wärmeträgerfluids möglich ist.

Claims (11)

  1. Wärmetauscher (1) mit doppelter Fluidzirkulation, der Folgendes aufweist: – erste Rohre (10), in denen ein erstes Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass (12a) und einem Auslass (12b) für das erste Wärmeträgerfluid zirkuliert, und – zweite Rohre (20), in denen ein zweites Wärmeträgerfluid zwischen einem Einlass (22a) und einem Auslass (22b) für das zweite Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei die ersten (10) und zweiten Rohre (20) im Wechsel gestapelt sind und ein erstes Rohr (10) zumindest mit einem zweiten Rohr (20) in Kontakt ist und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ferner mindestens eine zusätzliche Heizvorrichtung (30) aufweist, wobei die zusätzliche Heizvorrichtung (30) zwischen zwei Rohren angeordnet ist.
  2. Wärmetauscher (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ersten Rohren (10) und den zweiten Rohren (20) um erste Tauscherplattenpaare (10) und zweite Tauschplattenpaare (20) handelt.
  3. Wärmetauscher (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Heizvorrichtung (30) sandwichartig zwischen zwei Rohren angeordnet ist, in denen ein und dasselbe Wärmeträgerfluid zirkuliert.
  4. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest an einem der Enden des Stapels der ersten Rohre (10) und der zweiten Rohre (20) eine zusätzliche Heizvorrichtung (30) aufweist.
  5. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Heizvorrichtung (30) in Kontakt mit ersten Rohren (10) angeordnet ist.
  6. Wärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Heizvorrichtung in Kontakt mit zweiten Rohren (20) angeordnet ist.
  7. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zusätzlichen Heizvorrichtung (30) um eine elektrische Heizvorrichtung handelt.
  8. Wärmetauscher (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung (30) eine Silikonhülle (32) aufweist, in der ein elektrischer Heizdraht (34) angeordnet ist.
  9. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Wärmesonde in Kontakt mit der zusätzlichen Heizvorrichtung (30) aufweist.
  10. Wärmesteuerungsanlage (100) mit einem Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Wärmesteuerungsanlage (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass – die Einlässe (12a) und Auslässe (12b) für das erste Wärmeträgerfluid mit einem Batteriewärmesteuerungskreis (210) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden sind, wobei der Wärmetauscher (1) stromaufwärts eines Tauschers zur Regulierung der Temperatur der Batterien (216) angeordnet ist, – die Einlässe (22a) und Auslässe (22b) für das zweite Wärmeträgerfluid mit einem Klimatisierungskreis (310) verbunden sind.
DE112015003124.3T 2014-07-03 2015-07-03 Wärmetauscher mit doppelter Zirkulation und entsprechende Wärmesteuerungsanlage Ceased DE112015003124T5 (de)

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