DE2930747B2 - Einrichtung zum Regeln der Heizleistung eines Wärmetauschers - Google Patents

Einrichtung zum Regeln der Heizleistung eines Wärmetauschers

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Heizleistung eines Wärmetauschers in einem Kraftfahrzeug mit einem vorzugsweise als in nicht erregtem Zustand offenen Magnetventil ausgebildeten Stellglied zum Regeln des Wärmeträgerstromes und einer das Magnetventil durch Rechteckimpulse betätigenden Regeleinrichtung mit Eingängen für einen hochbewerteten Innentemperatur- und einen niedriger bewerteten Heizlufttemperaturfühler am Austritt des Wärmetauschers sowie einen von Hand einstellbaren Sollwertgeber, wobei die Regeleinrichtung
1. aus einem eine Dreiecksspannung konstanter Frequenz erzeugenden impulsgeber,
2. aus einem Differenzverstärker, der die Differenz der Signale des Innenraumtemperaturfühlers und des Heizlufttemperaturfühlers mit dem Signal des Sollwertgebers bildet und verstärkt, und
3. aus einem Komperator zur Erzeugung der Rechteckimpulse entsprechend der Frtquenz des Impulser, aber mit einer Impulsbreite entsprechend dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers besteht.
Eine derartige Regeleinrichtung ist aus der DE-OS 26 15 476 bekannt, wobei durch die Nichtlinearität der Dreiecksspannung ein Weg aufgezeigt ist, bei niedrigem Temperatursignal eine überaus starke Abnahme der Breite des Rechteckspannungsimpulses und dadurch eine quasi stetige Regelung der Heizung zu erreichen.
Im praktischen Betrieb hat es sich nun gezeigt, daß im Bereich stark reduzierter Heizleistung, wobei das Stellglied zur Steuerung des Wärmeträgerstromes entweder geschlossen oder nur sehr kurzzeitig geöffnet ist, Schwierigkeiten bei der Einhaltung der vorgegebenen Temperatur auftreten könne. Dies kommt daher, weil bei leistungsfähigen Wärmetauschern mit Wärmeträgerstromsteuerung zum einen eine Drosselung des durchschnittlichen Durchflusses bis auf ca. Vso des Maximalwertes erfolgen muß, damit der Sprung zwischen dem Zustand »nicht heizen« und dem Zustand »geringste Heizleistung« nicht zu groß wird, zum anderen aber bei Zugrundelegung üblicher Leitungslängen mindestens eine Öffnungszeit von 0,1 Sekunden notwendig ist, damit der Wärmeträger überhaupt merklich in Bewegung gerät. Ist der Wärmeträger noch mit einem höheren Gasanteil versetzt, so muß die Mindestöffnungszeit wegen der nun ins Gewicht fallenden Komprimierbarkeit noch höher sein.
Es ergeben sich also mitunter bei kleinen Heizleistungen größere Abstände zwischen kurzzeitigen Wärmeträgerströmen, weil es vorkommen kann, daß das Temperatursignal außerhalb der Hüllkurve der Dreiecksspannung liegt und somit einzelne Schaltintervalle ausgelassen werden.
Bei Wärmetauschern, die aufgrund ihres Aufbaues und ihrer Größe ein geringes Wärmeträger-Volumen aufweisen, kann der zum einwandfreien Betrieb erforderliche kurze Mindestwärmeträgerstrom bereits zu einem vollständigen Wärmeträgeraustausch im Wärmetauscher führen. Dadurch treten kurzzeitig hohe Luftaustrittstemperaturen auf, die insbesondere bei
aufgeheiztem Innenraum als lästig empfunden werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Temperaturverhalten der Einrichtung durch einfache Mittel so zu verbessern, daß insbesondere bei stark reduzierter Heizleistung noch eine als angenehm angesehene Temperaturschichtung erreicht werden kann, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, daß auch nach längerer Betriebszeit die beim Schalten des Stellgliedes auftretenden Druckstöße nicht zu Undichtigkeiten des Wärmetauschers führen.
Deshalb wird eine Einrichtung zur Regulierung der Heizleistung eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß der Wärmetauscher als Rohrwärmetauscher ausgebildet ist, mit einem großen Verhältnis von Wärmeträger-Volumen zu wärmeableitender Rohroberfläche und wobei das Magnetventil in der vom Wärmetauscher wegführenden Rücklaufleitung angeordnet ist. Wegen des großen Wärmeträger-Volumens wird hei einem kurzzeitigen Öffnen des Stellgliedes nur ein TeilvoJumen des Wärmetauschers verdrängt, so daß ein Restvolumen bereits abgekühlten Wärmeträgers erhalten bleibt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, einen wärmeren und einen kälteren Teilluftstrom zu erzeugen, der gezielt bestimmten Teilen des Fahrgastraumes zugeführt wird. Aufgrund der auf das Wärmeträger-Volumen bezogenen geringen wärmeableitenden Rohroberfläche kann auch bei kleinerem Luftaurchsatz die Luftaustrittstemperatur vergleichsweise gering gehalten werden. Das in nicht erregtem Zustand offene Magnetventil stellt auch bei seinem Ausfall sicher, daü die Heizung nicht ausfällt, wobei wegen der erfindungsgemäßen Anordnung des Ventils in der Rücklaufleitung die im Schaltbetrieb auftretenden Druckstöße das Bestreben haben, die Wärmetauscher-Rohre aufzuweiten, so daß während dieser kritischen Belastungsphasc in vorteilhafter Weise eine verstärkte Abstützung der Rohre am zugeordneten Rohrboden erfolgt.
Die Druckstöße können besonders weich abgefangen werden, wenn die Rohrenden des Wärmetauschers elastisch in den Rohrenden eingebettet sind.
Der Fuß- und Kopfraum des Fahrzeuginnenraumes kann bei Bedarf stark unterschiedlich aufgeheizt werden, wenn die Rohre des Wärmetauschers durch mindestens einen Zwischentank unterbrochen sind, so daß der Wärmetauscher in Zonen mit unterschiedlich hohem Temperaturniveau aufgeteilt ist. Dabei läßt der Zwischentank durch entsprechende Isolierung nur einen geringen Wärmeaustausch zu.
Eine weitere Erhöhung des unterschiedlich hohen Temperaturniveaus ist dann gegeben, wenn vom Zwischentank eine Rückflußleitung wegführt, die — in Strömungsrichtung gesehen — vordem Magnetventil in die Rücklaufleitung einmündet.
Es ist aber auch möglich, vom Zwischentank eine Rückflußleitung wegzuführen, in der ein zusammen mit dem Magnetventil ansteuerbares Ventil sitzt, wobei die Rückflußleitung stromab des Magnetventils an die Rücklaufleitung angeschlossen ist.
Bei einem bevorzugten platzsparenden Ausführungsbeispiel der Erfindung bilden das Magnetventil und das Ventil eine Baueinheit.
Die Rückflußmenge bei offenem Ventil läßt sich leicht, z. B. auch an einzelne Betriebszustände, anpassen, wein in der Rückflußleitung ein Mengenregler angeordnet ist.
Schließlich kann zur Erhöhung des Komforts ein den Wärmetauscher beaufschlagendes Gebläse vorgesehen sein, das beim Unterschreiten einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit selbsttätig zugeschaltet wird.
Ist eine Aufteilung des Wärmeträgerstromes im Wärmetauscher zur getrennten Beheizung des linken und rechten Fahrgastraumteiles vorgesehen, so kann jedem Fahrgastraumteil eine Regeleinrichtung zugeordnet sein, die ein separates Magnetventil ansteuert.
Weiterhin kann eine von der Motordrehzahl unabhängige und gleichmäßige Baufschiagung des Wärmetauschers durch den Wärmeträger leicht dadurch erreicht werden, wenn im Wärmeträgerkreislauf eine zur Motor-Kühlmittelpumpe parallel oder in Reihe geschaltete Wärmeträgerpumpe angeordnet ist.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs&eispieles näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem schematisch dargestellten Personenkraftwagen,
Fig.2 ein Blockschaltbild der Einrichtung nach F i g. 1 und
F i g. 3 einen Rohrwärmetauscher mit elastischer Einbettung der Rohrenden und mit einem Zwischentank.
Ein in F i g. 1 schematisch dargestellter Personenkraftwagen 1 weist einen Motorblock 2 auf, von dem eine Vorlaufleitung 3 zu einem Wärmetauscher 4 führt und eine von diesem abgehende Rücklaufleitung 5 unter Zwischenschaltung eines Stellgliedes in Form eines Magnetventils 6 wieder in den Motorblock 2 mündet. Ein Innenraumtemperaturfühler 7, ein Heizlufttemperaturfühler 8 und ein Sollwertgeber 9 stellen die Eingangsgrößen für einen in F i g. 1 nicht gezeigten Differenzverstärker dar. Ein Gebläse 10, das beim Unterschreiten einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit selbsttätig zugeschaltet wird, beaufschlagt den Wärmetauscher 4 und sorgt selbst bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten bzw. im Stand für eine gleichmäßige Erwärmung des Innenraumes.
In F i g. 2 sind die einzelnen Komponenten der Regeleinrichtung in Form eines Blockschaltbildes aufgezeigt. Der Heizlufttemperaturfühler 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel dem Innenraumtemperaturfühler 7 vorgeschaltet und das verknüpfte Signal bildet einen Eingang für einen Differenzverstärker 11, dem über einen zweiten Eingang das Signal des Sollwertgebers 9 zugeführt wird. Das den Differenzverstärker 11 verlassende Signal wird in einen Komperator 12 eingespeist, der weiterhin noch von einem Impulsgeber 13 beaufschlagt wird, der eine Dreiecksspannung konstanter Frequenz erzeugt. Den Komperator 12 verlassen Rechteckimpulse entsprechend der Dreiecksspannungsfrequenz mit einer Impulsbreite entsprechend dem Temperatursignal des Differenzverstärkers 11. Das nachgeschaltete Stellglied in Form eines in unerregtem Zustand offenen Magnetvenvils 6 wird entsprechend der anfallenden Rechteckimpulse geschlossen und geöffnet. In die Vorlaufleitung 3 ist parallel zur Motor-Kühlmittelpumpe 14 eine Wärmeträgerpumpe 15 eingefügt.
Eine nicht näher dargestellte Einrichtung 16, die ein Drehzahlsignal ζ. B. der Tachowelle verarbeitet, steuert dann ϊ\η nachgeschaltetes Relais 17 an, das auf das Gebläse 10 wirkt, wenn eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit unterschritten wird.
Wie die F i g. 3 zeigt, ist der Wärmetauscher 4 als Rundrohrwärmetauscher ausgebildet, dessen Rohren-
den 18 unter Zwischenschaltung eines elastischen, wärmebeständigen Materials 19 sich am jeweils zugeordneten Rohrboden 20 abstützen, wodurch eine besonders weiche Aufnahme der Schaltstöße des Magnetventils 6 erfolgt. Der in einen nicht dargestellten unteren Wasserkasten eintretende Wärmeträger fließt in Richtung der angegebenen Pfeile in einen Zwischentank 21 mit besonders geringer Wärmeabgabe und von dort in einen angedeuteten oberen Wasserkasten 22. Durch diesen Aufbau ist sichergestellt, daß bei stark reduzierter Heizleistung es mehrerer Öffnungszeiten des Magnetventils 6 bedarf, bis der Wärmeträger vollständig ausgetauscht ist.
Dieser Vorgang wird noch dadurch unterstützt, daß vom Zwischentank 21 eine Rückflußleitung 23 wegführt, die — wie Fig. 2 zeigt — entweder vor dem Magnetventil 6 in die Rücklaufleilung 5 mündet, oder — wie in strichpunktierten Linien angedeutet — unter Zwischenschaltung eines zusammen mit dem Magnetventil 6 angesteuerten Ventils 24 stromab des Magnetventils an die Rücklaufleitung 5 angeschlossen ist. Kin weiterhin bei Bedarf in der Rückflußleitung 23 eingebauter Mengenregler 25 dient der Abstimmung der Rückflußmenge.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zum Regeln der Heizleistung eines Wärmetauschers in einem Kraftfahrzeug mit einem vorzugsweise als in nicht erregtem Zustand offenen Magnetventil ausgebildeten Stellglied zum Regeln des Wärmeträgerstromes und einer das Magnetventil durch Rechteckimpulse betätigenden Regeleinrichtung mit Eingängen für einen hochbewerteten Innentemperatur- und einen niedriger bewerteten Heizlufttemperaturfühler am Austritt des Wärmetauschers sowie einen von Hand einstellbaren Sollwertgeber, wobei die Regeleinrichtung
1) aus einem eine Dreiecksspannung konstanter Frequenz erzeugenden Impulsgeber,
2) aus einem Differenzverstärker, der die Differenz der Signale des lnnenraumtemperaturfühlers und des Heizlufttemperaturfühlers mit dem Signal des Sollwertgebers bildet und verstärkt, und
3) aus einem Komperator zur Erzeugung der Rechteckimpulse entsprechend der Frequenz des Impulses, aber mit einer Impulsbreite entsprechend dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) als Rohrwärmetauscher ausgebildet ist, mit einem großen Verhältnis von Wärmeträger-Volumen zu wärmeableitender Rohroberfläche, und daß das Magnetventil (6) in der vom Wärmetauscher (4) wegführenden Rücklaufleitung (5) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (18) des Wärmetauschers (4) elastisch in den Rohrboden (20) eingebettet sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Wärmetauschers (4) durch mindestens einen Zwischentank (21) unterbrochen sind, so daß der Wärmetauscher (4) in Zonen mit unterschiedlichem Temperaturniveau aufgeteilt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischeniank (21) durch entsprechende Isolierung nur einen geringen Wärmetausch zuläßt.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Zwischentank (21) eine Rückflußleitung (23) wegführt, die — in Strömungsrichtung gesehen — vordem Magnetventil (6) in die Rücklaufleitung (5) einmündet.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Zwischentank (21) eine Rückflußleitung (23) wegführt, in der ein zusammen mit dem Magnetventil (6) ansteuerbares Ventil (24) sitzt, und daß die Rückflußleitung (23) stromab des Magnetventils (6) an die Rücklaufleitung (5) angeschlossen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (6) und das Ventil (24) eine Baueinheit bilden.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückflußleitung (23) ein Mengenregler (25) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Wärmetauscher (4) beaufschlagendes Gebläse (10) vorgesehen ist, das beim Unterschreiten einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit selbsttätig zugeschaltet wird.
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