DE4431107C1 - Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen über einen Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird. Eine ähnliche Wärmetauscheranordnung ist z. B. aus der deutschen Patentschrift DE 41 31 357 C1 bekannt.

Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungs­ motor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird anhand einfacher thermodynamischer Überlegungen sehr schnell klar, daß in Zukunft wesentlich effizienter bei der Verwendung der Abwärme aus dem Antriebsmotor für Heizzwecke, insbesondere bei der Beheizung der Fahrgastzelle, umgegangen werden muß.

Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingungen bereits heute am Markt befindliche Personenkraftwagen mit hocheffizienten Dieselmotoren Probleme bei der Beheizung der Kabine. Hier ist nicht nur ein extrem langsames Aufheizen von Motor und Kabine festzustellen, sondern im Fahrbetrieb mit geringer Last reicht die Heizleistung auch nach längerer Fahrt nicht dazu aus, ein komfortables Klima in der Kabine zu erreichen.

Deshalb sind bei einigen Kraftfahrzeugherstellern bereits Überlegungen im Gange, dieses Heizleistungsdefizit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elektrisch be­ heizte Wärmequelle zu beheben. Diese Überlegungen sind das Resultat gescheiterter Bemühungen, über eine Optimierung des Kühlmittelsystems eine hinreichende Heizlei­ stung für die Kabine bereitzustellen. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-Heizsysteme das Resultat langjähriger Op­ timierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und unter Variation von Geometrie und Anordnung der Kabinenwärmetauscher und Regel­ ventile.

Ansatzpunkte zur Verbesserung der Kabinenheizleistung bieten die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der Isolation der Kabine, die Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas, eine Erhöhung des Umluftmassenstroms in der Kabine oder gar die Rückgewinnung der Wärmemenge, die in der aus der Kabine in die Umgebung austretenden Luft noch enthalten ist, über einen Abluft/Frischluft-Wärmetauscher.

Diese Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste sind bekannt. Sie sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, was sie speziell für kleine Fahr­ zeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoff­ verbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.

Die bisher angesprochenen Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste sind insbe­ sondere dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht nur erhebliche Zusatzkosten verursachen, sondern auch ein erhebliches Mehrgewicht. Hinzu kommt, daß einige der angesprochenen Maßnahmen auch einen erheblichen Einbauraum in Anspruch nehmen. Gerade in bezug auf das Einbauvolumen und in bezug auf die Einbaumasse wird für zukünftige Fahrzeuge vielmehr eine Reduktion als eine Erhöhung gefordert. Die Abmessungen der Komponenten unter der Motorhaube und ganz besonders die Fahrzeugmasse hat in diesem Zusammenhang einen maßgeblichen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission. Wie intensive Bemühungen zahlreicher Fahrzeughersteller um eine Gewichtsreduzierung z. B. durch den Einsatz von Aluminium im Bereich des Motorblocks bzw. im Bereich von Karosserie und Fahrwerk zeigen, wird bei der in diesem Bereich zu erwartenden Gewichtsabnahme in Zukunft auch die Gewichtsreduzierung der Neben­ aggregate eine immer größere Rolle spielen.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge mit kühlmittelbe­ heizter Kabine eine effiziente und kostengünstige Beheizung der Kabinenluft unter Redu­ zierung der Wärmeverluste an die Umgebung und unter Minimierung von Einbauvolumen und -gewicht zu schaffen, so daß keine, oder zumindest möglichst wenig, zusätzliche Heizenergie aus Quellen, die nicht dem Fahrzeugantrieb dienen, für die Beheizung der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen erforderlich ist. Dabei soll das angesprochene Verfahren nach Möglichkeit nicht nur die Zusatzheizung unter extremen klimatischen Bedingungen unnötig machen, sondern auch im normalen winterlichen Fahrbetrieb Heizenergie sparen, so daß die Aufheizdauer des Motors reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbetrieb keine Unterkühlung des Motors auftritt, wobei die Einsparung der Wärme­ verluste, insbesondere mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten erreicht werden soll. Deshalb ist es zusätzlich anzustreben, daß die zu entwickelnde Heizung bei­ spielsweise für Nachrüstzwecke zumindest an den einbaukritischen Stellen die gleichen Außenabmessungen hat wie bereits vorhandene Systeme und u. U. sogar die gleichen Be­ festigungsbohrungen etc. verwendet werden können. Die Forderung nach einer Reduzierung des Gewichts soll jedoch nach Möglichkeit auch bei einer derartigen Ausgestaltung nicht aufgegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zur Reduzierung der Wärmeverluste an die Umgebung unter gleichzeitiger Reduzierung des Fahrzeuggewichtes wird hierbei eine Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraft­ fahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühl­ mittel, insbesondere ein Wärmetauscher mit angepaßter Kühlmittelzu- und abflußleitung für die Kabine durch hocheffiziente Verbrennungsmotoren geringer Abwärme an­ getriebener Personenkraftwagen, vorgeschlagen, bei dem das Kühlmittel zur Erwärmung der Fahrgastzelle über einen Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, und bei dem das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren strömt, welche die Wärme über mit den Wärmeübertragungsrohren in Kontakt stehende Kühlrippen an die in die Kabine geförderte Luft abgeben, der dadurch gekennzeichnet ist, daß durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Querstromwärmetauschern mit je­ weils mehreren parallel vom Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragungsrohren und durch eine entsprechende Führung der Luftströmung eine Gegenstromcharakteristik des Wärmeübergangs erzielt wird, so daß die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese Stufen abgekühlt wird.

Vorteilhafterweise ist dieser Wärmetauscher insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse ange­ ordnet sind, und daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher im Vergleich zu den heute üblichen Werten in der Größenordnung von 50% und mehr reduziert ist, insbesondere daß der Kühlmitteldurchsatz bei dem heute üblichen Wasser/ Glycolgemisch bei geringer Motordrehzahl und einer Umgebungstemperatur von -20°C weniger als 1 l/min pro kW an die Kabinenluft abgegebene Heizleistung beträgt.

Als weiteres vorteilhaftes Merkmal ist der Innendurchmesser der am Kabinenwärmetauscher angeschlossenen Kühlmittelleitungen bei Personenkraftwagen geringer als 11 mm.

Hierbei soll die Beschreibung der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 gleich in Verbindung mit den soeben aufgeführten besonders vorteilhaften Zusatz­ merkmalen erfolgen. Diese müssen natürlich nicht zwingendermaßen alle gleichzeitig angewendet werden.

Diese besonders vorteilhafte Kabinenwärmetauscherausgestaltung ist auf der systema­ tischen Analyse bestehender Kabinenheizanlagen von Personenkraftwagen entstanden. In diesem Zusammenhang fällt bei Betrachtung der am Markt befindlichen Kabinenheiz­ systeme auf, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor unabhängig von der in der Kabine erforderlichen Heizleistung in vielen Betriebssituationen ein Vielfaches des für die Motorkühlung erforderlichen Wertes beträgt. Hierbei ist es keine Seltenheit, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor mehr als das Zehnfache des für die Abführung der Abwärme aus dem Motor erforderlichen Wertes beträgt. Auch die Kühlmitteldurchsätze durch den Kabinenwärmetauscher sind im winterlichen Fahrbetrieb viel höher als zur Kühlung des Motors bei geschlossenem Thermostaten erforderlich.

Bei den heute eingesetzten Kabinenheizsystemen mit Querstromkabinenwärmetauschern und Wasser-Glycol-Gemischen als Kühlmittel liegen aufgrund der hohen Kühlmittelmassenströme teilweise Differenzen der Kühlmittel­ temperaturen am Motorein- und austritt von weniger als 10 K vor. Das gleiche gilt bei warmem Motor auch am Kabinenwärmetauscher. Hierbei sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Temperaturdifferenz zwischen Motorein- und austritt bei Kühlmittelsystemen, bei denen der Kabinenwärmetauscher parallel zum kleinen Kühlmittelkreislauf liegt, noch wesentlich geringer sein kann.

Die bei der Optimierung der Kabinenheizung vielerorts experimentell gemachte Erfahrung, daß ein Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher kaum Vorteil bringt, basiert auf diesem Sachverhalt: Hier sind der Kühlmittelmassenstrom und die Wärmetauscherfläche des Kabinenwärmetauschers so groß, daß die Lufttemperatur am Austritt aus dem Ka­ binenwärmetauscher nahe der "Sättigung" liegt, d. h. die Lufttemperatur ist fast so hoch wie die Kühlmitteltemperatur.

Eine bisher jedoch nicht beachtete Folge derartiger Systeme sind unnötig hohe Wärme­ verluste in den vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführenden Kühlmittellei­ tungen, in der Kühlmittelpumpe und im Kurbelgehäuse des Motors. Speziell das Kurbel­ gehäuse gibt nicht nur über eine große Fläche Wärme ab, sondern hat zusätzlich an der Motoraufhängung und den angeflanschten Komponenten noch weitere "Wärmebrücken".

Wird anstelle des üblichen Querstrom-Kabinenwärmetauschers ein Gegenstrom-Kabinen­ wärmetauscher eingesetzt, so ändert sich am obigen Sachverhalt zunächst zwar nur relativ wenig. Ausgehend von einem kühlmittelseitigen Temperaturabfall am Querstrom- Kabinenwärmetauscher von 10 K kann beim Einsatz eines Gegenstrom-Kabinenwärme­ tauschers lediglich mit einer Erhöhung der Lufttemperatur am Wärmetauscheraustritt in der Größenordnung von 5 K gerechnet werden. Dies rechtfertigt die Gegenstrom­ bauart in Kraftfahrzeuganwendungen nur, wenn diese keine wesentlichen Mehrkosten verursacht.

Wird jedoch neben dieser Maßnahme gleichzeitig der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher z. B. um den Faktor 5 reduziert, so erhöht sich der Temperatur­ abfall am Kabinenwärmetauscher von 10 K auf 50 K, während sich die Luftaustritts­ temperatur kaum ändert, d. h. es liegt zunächst eine unveränderte Heizleistung in der Kabine vor. Die Wärmeverluste auf dem Strömungsweg vom Kabinenwärmetauscher- Austritt zum Motor sind hierdurch jedoch drastisch reduziert. Dies trifft bereits bei unveränderten Kühlmittelleitungen zu.

Die drastische Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher erlaubt bei unverändertem Druck der Kühlmittelpumpe bei entsprechender Ausgestaltung der Berippung jedoch nicht nur wesentlich geringere Strömungsquerschnitte der Wärmetauscherrohre innerhalb des Kabinenwärmetauschers, sondern auch geringere Querschnitte der Kühlmittelleitungen vor und hinter dem Kabinenwärmetauscher. Gleich­ zeitig hat der erfindungsgemäße Wärmetauscher aufgrund der Gegenstromcharakteristik einen wesentlich besseren Wärmeübergang, so daß die Anzahl der Wärmeübertragungs­ rippen reduziert werden kann. Als Folge des reduzierten Kühlmitteldurchsatzes reduziert sich daher sowohl die Masse des Wärmetauschers als auch die Masse der Kühlmittel­ leitungen. Hinzu kommt die Reduktion der Kühlmittelmasse. Für die heute üblichen Kühlmittelleitungen mit Strömungsquerschnitten von 16 mm Innendurchmesser und einer Länge der Vor- und Rücklaufleitung von je etwa 1 m bedeutet beispielsweise eine Halbierung der Strömungsquerschnittsfläche eine Abnahme der Kühlmittelmasse um 213 g. Hinzu kommt die Einsparung der Masse beim Kühlmittelschlauch, welche sich nicht nur aus dem geringeren Umfang, sondern auch aus der potentiellen Reduktion der Wandstärke ergibt. Die Bedeutung der Reduktion der wärmeaktiven Massen von Kabinenwärmetauscher, Kühlmittel und Schlauchmaterial für ein schnelles Ansprechen der Kabinenheizung liegen auf der Hand. Mindestens ebensowichtig ist jedoch, speziell auch im stationären Motor- bzw. Fahrzeugbetrieb, die aus dem erfindungsgemäßen Kabinenheizsystem resultierende Reduktion der Wärmeverluste von den Schlauchleitungen an die Umgebung, welche bei geeigneter Einbindung in den gesamten Kühlkreislauf des Motors noch verbessert werden kann. Diese Reduktion der Verluste an die Um­ gebung bezieht sich nicht nur auf die kleinere mit der Umgebungsluft in Kontakt stehende Oberfläche der Schlauchleitungen, sondern insbesondere auch auf die reduzierte Temperatur der vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführenden Kühlmittel­ leitung. Bei der geeigneten Einbindung in den Motorkühlkreislauf, welche insbesondere die Erhöhung des Druckes der Kühlmittelförderpumpe und des Druckverlustes am Kabinen­ wärmetauscher miteinbezieht, kommt hierzu noch die Reduktion der Wärmeverluste an der Kühlmittelpumpe und am Kurbelgehäuse des Motors.

Wird die vom Motor zum Kabinenwärmetauscher führende Kühlmittelleitung noch mit einer besseren Isolation ausgestattet und/oder deren Querschnitt stärker reduziert als die zum Motor zurückführende Kühlmittelleitung, so führt dies zu einer weiteren Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Die zum Motor zurückführende Kühl­ mittelleitung ist in diesem Zusammenhang aufgrund des reduzierten Temperaturniveaus von untergeordneter Bedeutung.

Eine weitere positive Begleiterscheinung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist die Tatsache, daß diese Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung in Verbindung mit der unveränderten Abwärme aus dem Verbrennungsprozeß eine Erhöhung der Motoraus­ trittstemperatur des Kühlmittels nach sich zieht. Dies führt zwar zu einer geringfügigen Erhöhung der Temperatur im Bereich des Zylinderkopfes und in der zum Kabinenwärme­ tauscher führenden Kühlmittelleitung, doch wird dieser Effekt durch die beschriebene Reduktion der Verluste bei weitem überkompensiert. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, daß durch die erhöhte Motoraustrittstemperatur auch die Heizleistung des Kabinenwärmetauschers deutlich erhöht ist. Für den Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher ist diese - unabhängig vom Kühlmittelmassenstrom - in erster Näherung direkt proportional zur Kühlmitteleintrittstemperatur, solange Systeme betrachtet werden, bei denen die Kabinenluft temperaturseitig in die "Sättigung" geht.

Letztlich ist der Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher durch die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes um den Faktor 5 nicht von 10 auf 50 K angestiegen sondern bei­ spielsweise von 10 auf 60 K. Dies entspricht einer Erhöhung der Kabinenheizleistung um 20%.

Negative Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Verbrennungsprozeß bzw. die Schadstoffemissionen des Motors sind nicht zu erwarten. Im Gegenteil, in unmittelbarer Nähe der Brennraumwände liegt i. a. eine höhere Kühlmitteltemperatur vor als bei der Ausgangsanordnung.

Es dürfte einleuchten, daß die erfindungsgemäße Kabinenwärmetauscheranordnung nicht nur zur Steigerung der maximalen Heizleistung unter extremer Winterkälte geeignet ist, sondern in vielen Fahrsituationen mit Kabinenbeheizung auch zur Verkürzung der Aufheizdauer des Motors.

Die bisher beschriebenen Maßnahmen zur Reduktion der Wärmeverluste im kleinen Kühlmittelkreislauf und im Motor öffnen den Weg zu weiteren Maßnahmen, um die Wärmeverluste an die Umgebung zu reduzieren. Wie bereits mehrfach beschrieben, be­ findet sich beim Einsatz des erfindungsgemäßen Kabinenwärmetauschers die Lufttem­ peratur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher auf einem erhöhten Niveau. Dies ist gleichzusetzen mit einer Steigerung der Heizleistung des Kabinenwärmetauschers.

Maßgeblich für den Komfort in der Kabine ist aber nicht die Heizleistung des Kabinen­ wärmetauschers, sondern die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in der Kabine. Als Zielwert für die Lufttemperatur in der Kabine sind bei winterlichen Temperaturen etwa 20-30°C anzusehen. Für Fahrzeuge ohne Umluft bedeutet dies wiederum, daß der gesamte Luftmassenstrom die Kabine mit dieser Temperatur verläßt.

Bei einer Umgebungstemperatur von -20°C und unverändertem Luftmassenstrom bedeutet z. B. die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Reduktion der Wärmeverluste sicher mögliche Anhebung der Lufttemperatur am Kabinen­ wärmetauscheraustritt von 50°C auf 60°C nicht nur eine Steigerung der Heizleistung des Kabinenwärmetauschers um 14,3%, sondern es eröffnet sich durch die entsprechende Reduktion des Frischluftmassenstroms zusätzlich ein Verbesserungspotential des Wärmenutzungsgrades in der Kabine von 35,7% auf 43,8%.

Wie bereits beschrieben, ergänzen sich hier die einzelnen Maßnahmen zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes und zur Reduktion des Frischluftdurchsatzes in Verbindung mit einem Gegenstromkabinenwärmetauscher in idealer Weise.

Als Ausführungsbeispiele zeigen Fig. 2 und 1, wie ein konventioneller Kabinenwärme­ tauscher von der Querstrombauart in einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit Gegen­ stromcharakteristik des Wärmeübergangs modifiziert werden kann.

Hierbei zeigt Fig. 2 einen Wärmetauscher für hohe Wärmeübertragungsraten, wie er bereits bekannt ist. Bei richtigem Anschluß der Wasserzu- und abfuhr 1 bzw. 2 ins Kühlmittelsystem ist zwar bereits ein gewisser Gegenstromeffekt erzielbar, speziell die zweiflutige Führung der die beiden Wasserkästen 3 und 6 verbindenden Kühlmittelrohre 4, welche die Wärme über die Kühlrippen 5 an die in die Kabine geförderte Luft übertragen, zeigt jedoch, daß hier in Richtung möglichst hoher Kühlmitteldurchsätze optimiert worden ist. In Verbindung mit den erfindungsgemäßen Erkenntnissen ist dies jedoch nicht mehr zweckmäßig, so daß durch eine einfache Modifikation des Gehäuses auf die Ausgestaltung gemäß Fig. 1 übergegangen werden kann. Hierzu ist in einem ersten Schritt lediglich die Anzahl der Trennwände 7 innerhalb der Wasserkästen 3 und 6 von einer Trennwand auf drei zu erhöhen.

Hieraus resultiert zwangsläufig eine Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher aufgrund einer Erhöhung des Druckverlustes. Der Druckver­ lust steigt hierbei zum einen wegen der Verdopplung der Strömungslauflänge. Zum andern hat im Normalfall gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren aufgrund der Halbierung des Strömungsquerschnittes der ein­ zelnen Fluten zugenommen, so daß nicht nur erhöhte Druckverluste innerhalb der Wärme­ übertragungsrohre selbst entstehen, sondern auch erhöhte Verwirbelungsverluste am Ein- und Austritt der Kühlmittelströmung in die einzelnen Wärmeübertragungs­ rohre.

Je nach Ausgestaltung des kleinen Kühlkreislaufes, mit bzw. ohne motornahem Kühl­ mittelbypaß parallel zum Kabinenwärmetauscher, erfolgt deshalb beim Einsatz des Kabinen­ wärmetauschers nach Fig. 1 eine mehr oder weniger starke Zunahme des Förder­ druckes der Kühlmittelpumpe. Zur genauen Anpassung des Kühlmittelmassenstroms auf einem im Vergleich zu heutigen Werten stark reduzierten Niveau ist hier gegebe­ nenfalls eine entsprechende Anpassung der Kühlmittelleitungsquerschnitte bzw. der Wärmetauscherrohrquerschnitte vorzunehmen.

Speziell wenn der Motorkühlkreislauf einen kleinen Kühlkreislauf mit motornahem Kühl­ mittelbypaß parallel zum Kabinenwärmetauscherkreislauf aufweist, kann der Einsatz des Kabinenwärmetauschers ohne die Berücksichtigung irgendwelcher Querempfindlichkeiten bezüglich der Kühlung des Motors erfolgen, da bereits bei der Standardauslegung der Extremzustand eines vollkommen blockierten Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinen­ wärmetauscher berücksichtigt ist. In diesem Betriebszustand strömt bekanntlich bei geschlossenem Thermostaten der gesamte von der Kühlmittelpumpe umgewälzte Massenstrom über den motornahen Bypaß. Die erfindungsgemäße Festlegung des Kühl­ mitteldurchsatzes liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen, so daß keinerlei Probleme zu erwarten sind. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher im Bereich geringer Motorlast und Pumpendrehzahl genau so groß ist, daß hinreichend viel Wärmeenergie zum Kabinenwärmetauscher trans­ portiert wird, aber auch daß die Lufttemperatur gleichzeitig nicht allzusehr in die "Sättigung" geht.

Es liegt auf der Hand, daß die ursprünglichen Durchmesser der Kühlmittelzu- und abflußleitungen 1 und 2 bei der starken Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher um den Faktor 2 bis 5 und mehr, viel zu groß sind. Deshalb erfolgt in einem weiterführenden Schritt eine entsprechende Reduktion der Leitungsquer­ schnitte am Kabinenwärmetauscher bzw. an den Kühlmittelschläuchen, wobei auch die Wandstärke der Schläuche reduziert wird. Zur weiteren Gewichtseinsparung erscheint es an dieser Stelle auch als vorteilhaft, sowohl die Abmessungen der Wärmeübertra­ gungsrohre als auch der Wärmeübertragungsrippen zu reduzieren, was aufgrund der Gegenstromanordnung ebenfalls ohne Einbuße ein Effizienz erfolgt.

Eine andere Ausführungsform (Fig. 3) zeigt einen Wärmetauscher der dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß die Reihenschaltung der Querstromwärmetauscher über die parallel durchströmten Wärmetauscherrohre 4 in Verbindung mit halbkreisbogenähnlichen Strömungsumlenkungen 10 erfolgt, so daß die Kabinenluft auf diesem Wege in 4 Stufen erwärmt sowie das Kühlmittel über diese 4 Stufen abgekühlt wird. Diese Anordnung hat insbesondere eine Reduktion des kühlmittelseitigen Druckverlustes zur Folge, da sich geringe Strömungsverluste am Ein- und Austritt in die Wärmeübertragungsrohre ergeben. Dies ist beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher von besonderer Bedeutung, da dieser je nach Anwendung eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den Wärmeübertragungsrohren aufweist. Hieraus resultieren am Wärmetauscher nach Fig. 1 speziell an Unstetigkeitsstellen und ganz besonders an den Strömungs­ austritten aus den einzelnen Wärmeübertragungsrohren starke Impuls- und damit auch Druckverluste.

Weiterhin ist die mit Kühlmittel in Kontakt stehende Oberfläche des Wasserkastens 3, bzw. das mit Kühlmittel gefüllte Volumen bei der Ausführungsform nach Fig. 3 deutlich reduziert. Der Wasserkasten 6 nach Fig. 1 und 2 entfällt völlig und wird durch das im wesentlichen mit Luft in Kontakt stehende Gehäuse 9 ersetzt. Als Folge der besonderen Ausgestaltung der beiden Bauteile 3 und 9 ergibt sich eine weitere Reduktion der wärmeaktiven Masse. Ob, wie in Fig. 3 angedeutet, eine spezielle Blende 8 zu Verhinderung der Durchströmung des Gehäuses 9 mit in die Kabine geförderter Luft erforderlich ist, hängt vom Anwendungsfall und nicht zuletzt auch vom in der Praxis realisierbaren Biegeradius der Wärmeübertragungsrohre ab.

Als weitere Verbesserung wird vorgeschlagen, die Kühlmittelzu- und rückflußleitungen in die Wasserkästen strömungsgünstig, insbesondere durch eine düsen- bzw. diffusorartige Zone innerhalb oder außerhalb des Wasserkastens, auszugestalten. Diese Maßnahme ist generell für eine Reduktion des kühlwasserseitigen Druckverlustes im Kabinenwärme­ tauscher nützlich. Speziell im Zusammenhang mit der Reduktion der Strömungsquer­ schnitte der Kühlmittelleitungen und auch vor dem Hintergrund, daß es zur Minimierung der Wärmeverluste an die Umgebung, zur Minimierung der wärmeaktiven Masse sowie zur Minimierung der Fahrzeugmasse durchaus auch sinnvoll ist, neben der Reduktion des Kühlmittelmassenstroms zusätzlich eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlmittelleitungen vorzunehmen, ist dies, ähnlich wie die besondere Ausgestaltung der Wärmeübertragungsrohre in Fig. 3, von ganz besonderer Bedeutung.

Als konkretes Ausführungsbeispiel zeigt in diesem Zusammenhang Fig. 4 einen Kabinen­ wärmetauscher, bei welchem die Kühlmittelzufuhr 1 und der Kühlmittelabfluß 2 nicht wie z. B. in Fig. 1 parallel zu den Wärmetauscherrohren erfolgt, sondern rechtwinklig und bei welchem die ent­ sprechenden Querschnittserweiterungen der Leitungen innerhalb des Wasserkastens 3 vorgesehen sind. Bestehen keine Raumprobleme, so kann die Querschnittserweiterung natürlich auch außerhalb des Wasserkastens 3 erfolgen.

Wie im Schnitt A-A verdeutlicht, wird das in den Wasserkasten 3 eingeleitete Kühlmittel durch einen Diffusor weitgehend ablösungsfrei verzögert, so daß der dynamische Druck des in der im Vergleich zu Fig. 1 in einem wesentlich kleineren Schlauch und mit einer höheren Geschwindigkeit strömenden Kühlmittels zumindest teilweise wieder zurückgewonnen wird. Aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit sind nicht nur die Ausströmverluste aus der Kühlmittelzufuhrleitung 1 relativ gering, sondern auch die Strömungsverluste beim Verteilen des Kühlmittels auf die einzelnen Wärmetauscher­ rohre 4.

Bei der aus dem Wasserkasten herausführenden Kühlmittelströmung ergeben sich im Sammelrohr 2, welches die Strömung wieder auf die relativ hohe Geschwindigkeit inner­ halb der Schlauchleitungen beschleunigt, analoge Vorteile.

Je nach Raumbedarf und Öffnungswinkel der Düse bzw. des Diffusors kann es zur Ver­ meidung von Strömungsablösungen auch vorteilhaft sein, mit perforierten Zuleitungs­ rohren 1 bzw. Sammelrohren 2 zu arbeiten.

Bei der strömungsgünstigen Ausgestaltung des Kabinenwärmetauschers nach Fig. 4 wird, insbesondere wenn noch die Erkenntnisse aus Fig. 3 verarbeitet werden, nahezu der Durchflußbeiwert des Kabinenwärmetauschers in Querstrombauart mit doppelflutiger Kühlmittelführung nach Fig. 2 erreicht. Als weitere Verbesserung ist es vor­ teilhaft, zusätzlich auch die Übergänge zu den relativ dicken Kühlmittelaustritts- und Rückflußleitungsquerschnitten am Motor über entsprechende düsen- bzw. diffusorartige Bauteile auszugestalten. Auch diese Einsparung an Druckverlusten kann letztlich in eine weitere Reduktion der Leitungsquerschnitte umgesetzt werden. Bei der erfin­ dungsgemäßen Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms liegt somit das Potential zur Reduzierung des Einbauvolumens, der wärmeaktiven Masse und der Fahrzeugmasse auf der Hand. Da sich der Bauaufwand für den Kabinenwärmetauscher nur unwesentlich ändert, folgen aus der reduzierten Masse des Kabinenwärmetauschers und der Kühlmittel­ leitungen unmittelbar auch reduzierte Fertigungskosten.

Aber auch nach einer derartigen Maßnahme ist insbesondere der Wärmetauscher nach Fig. 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch nicht ganz optimal. Da alle 4 Fluten des Kabinenwärmetauschers über gemeinsame Wärmeübertragungs­ rippen verbunden sind, wird ein gewisser Anteil an Wärme durch Wärmeleitung in der Rippe entgegen der Luftströmung transportiert. Deshalb ist es zweckmäßig, die Wärmeübertragungsrippen zumindest lokal zu unterbrechen, wie dies beim Wärme­ tauscher nach Fig. 3 bereits erfolgt ist, oder lokal die Wandstärke dieser Rippen zu reduzieren. Hierbei kann die Beschränkung auf eine lokale Unterbrechung bzw. die Beschränkung auf eine lokale Reduktion der Wandstärke aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein gegenüber einer Unterbrechung über die gesamte Rippenbreite. Die angesprochenen Maßnahmen zur Verhinderung der Wärmeleitung entgegen der Luft­ strömung sind bevorzugt in der Mitte zwischen den einzelnen Fluten vorzunehmen. Als positive Begleiterscheinung wird durch diese Maßnahmen auch die Turbulenz der Luft­ strömung und damit der Wärmeübergang erhöht.

Liegen verminderte Anforderungen bezüglich der Baugröße vor, so kann die Wärmeleitung auch durch eine Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen Fluten ein­ gedämmt werden.

Claims (15)

1. Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, insbesondere Wärmetauscher mit angepaßter Kühlmittelzu- und abflußleitung für die Kabine durch hocheffiziente Verbrennungsmotoren geringer Abwärme angetriebener Personen­ kraftwagen, bei dem das Kühlmittel zur Erwärmung der Fahrgastzelle über einen Kabinen­ wärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, und bei dem das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohr strömt, welche die Wärme über mit den Wärmeübertragungsrohren in Kontakt stehende Kühlrippen an die in die Kabine geförderte Luft abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Querstromwärmetauschern mit jeweils mehreren parallel vom Kühl­ mittel durchströmten Wärmeübertragungsrohren und durch eine entsprechende Führung der Luftströmung eine Gegenstromcharakteristik des Wärmeübergangs erzielt wird, so daß die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese Stufen abgekühlt wird.

2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

3. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für alle in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher gemeinsame Wärme­ übertragungsrippen zur Beheizung der Kabinenluft verwendet werden.

4. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Vermeidung der Wärmeleitung entlang der Wärmeübertra­ gungsrippen entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft getroffen werden.

5. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmeübertragungsrippen im Bereich zwischen den Kühlmittelrohren Aussparungen zur Unterbrechung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen werden.

6. Wärmetauscheranordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Aussparungen lokal eine starke Reduktion der Dicke der Wärmeüber­ tragungsrippen vorgesehen wird.

7. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabstand so groß gewählt wird, daß die Wärmeleitung stromauf zur Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft vernachlässigt werden kann.

8. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Querstromwärmetauscher derart erfolgt, daß die parallel durchströmten Wärmetauscherrohre mindestens 2 halbkreisbogenähnliche Strömungs­ umlenkungen aufweisen und die Kabinenluft auf diesem Wege in mindestens 3 Stufen erwärmt sowie das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.

9. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innendurchmesser der am Kabinenwärmetauscher angeschlossenen Kühlmittelleitungen bei Personenkraftwagen geringer als 11 mm ist.

10. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwärmetauscher einen wesentlich ge­ ringeren Strömungsquerschnitt aufweist, als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführende Kühlmittelleitung.

11. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwärmetauscher wesentlich besser gegenüber der Umgebung isoliert ist, als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

12. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem Strömungsquerschnitt der Kühlmittelzuflußleitung auf den Wasserkasten zur Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Wärmeüber­ tragungsrohre eine diffusorartige Erweiterung des Rohrquerschnittes mit geringem Öff­ nungswinkel aufweist und hierdurch eine weitgehend ablösungsfreie Strömung vorliegt.

13. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übergang vom Wasserkasten zur Vereinigung des aus den einzelnen Wärmeübertragungsrohren stammenden Kühlmittels auf den Strömungsquerschnitt der Kühlmittelabflußleitung eine düsenartige Verringerung des Rohrquerschnittes aufweist und hierdurch eine weitgehend ablösungsfreie Strömung vorliegt.

14. Wärmetauscheranordnung nach einem der obigen Ansprüche 1-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Nahbereich des Kühlmittelaustritts aus dem Motor eine düsenartige Verringerung des Leitungsquerschnitts und hierdurch eine weitgehend ablösungsfreie Kühlmittelströmung vorliegt.

15. Wärmetauscheranordnung nach einem der obigen Ansprüche 1-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Nahbereich des Kühlmitteleintritts in den Motor bzw. in das Gehäuse der Kühlwasserpumpe eine diffusorartige Erweiterung des Leitungsquerschnitts und hier­ durch eine weitgehend ablösungsfreie Kühlmittelströmung vorliegt.