DE4431107C2 - Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zur Behei­ zung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Weiterhin ist aus der DE 91 13 180 U1 ein Wärmetauscher mit mehreren, zwischen einem oberen und einem unteren Anschlußka­ sten parallel verlaufenden Rohren und einem Rücklaufanschluß bekannt, wobei zumindest der Rücklaufanschluß am unteren Anschlußkasten vorgesehen ist und sich die höchstgelegene, vom Kühlmittel durchströmte Stelle im oberen Anschlußkasten befin­ det. Um eine zuverlässige Entlüftung des Wärmetauschers auch ohne zusätzliche Rohrleitungen zu erreichen, wird vorgeschla­ gen, den oberen Anschlußkasten derart zu formen, daß sich die höchstgelegene Stelle nahe über dem Ende mindestens eines derartigen Wärmetauscherrohres befindet, die vom Kühlmittel in Richtung vom oberen zum unteren Anschlußkasten durchströmt sind. Die Wärmetauscherrohre können hierbei in - in Luftströ­ mungsrichtung gesehen - hintereinanderliegenden Reihen an­ geordnet sein.

Aus der DE 38 13 339 A1 ist ein Röhrenwärmetauscher bekannt, einen oberen und unteren Wasserkasten mit außermittigen Zwi­ schenwänden und die Wasserkästen verbindende Reihen von Wärme­ tauscherrohren aufweist, so daß die Flüssigkeitströmung in den Rohren zwei-, drei- oder mehrfach zwischen den Wasserkästen hin und hergeleitet wird. Die Wärmetauscherrohre können als Flachrohre ausgebildet sein, wobei bei ausschließlicher Ver­ wendung von Flachrohren, ohne Verwendung zusätzlicher sekundä­ rer Wärmetausch-Flächen, der Abstand zwischen den Rohren weni­ ger als 4 mm beträgt.

Der EP 0 172 659 A1 ist ein Wärmetauscher mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Tauscherrohren zu entnehmen, die zwischen einem ersten und zweiten Wasserkasten angeordnet sind und durch halbkreisförmige Strömungsumlenkungen miteinander verbunden sind, wobei zur Erhöhung der Heizleistung eine wei­ tere Reihe von Tauscherrohren zwischen der bestehenden ersten und zweiten Reihe von Tauscherrohren angeordnet ist, wobei die dritte Reihe von Tauscherrohren derart angeschlossen ist, daß jeweils das Kühlmedium zweimal zwischen den beiden Wasserkä­ sten hin- und herströmen kann. Die Kühlwasserein- bzw. aus­ lassrohre können derart angeordnet sein, daß in Abhängigkeit von der Einbaurichtung des Wärmetauschers eines der Rohre alternativ als Einlaß- oder als Auslassrohr fungiert.

Ferner ist es aus Ernst R. G. Eckert "Einführung in den Wärme- und Stofftransport", Springer Verlag, 1966, allgemein bekannt, Wärmetauscher in Gleich-, Quer(Kreuz)- oder Gegenstromanord­ nung zu betreiben, wobei in Gegenstromanordnung die kleinste Heizfläche bei vorgegebenem Wärmestrom und vorgegebenen An­ fangs- und Endtemperaturdifferenzen notwendig ist.

Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor, Antriebstech­ nik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird an­ hand 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 hocheffi­ zienten Dieselmotoren Probleme bei der Beheizung der Kabine. Hier ist nicht nur ein extrem langsames Aufhei­ zen von Motor und Kabine festzustellen, sondern im Fahrbetrieb mit geringer Last reicht die Heizleistung auch nach längerer Fahrt nicht dazu aus, ein komfortab­ les Klima in der Kabine zu erreichen.

Deshalb sind bei einigen Kraftfahrzeugherstellern be­ reits Überlegungen im Gange, dieses Heizleistungsdefi­ zit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elek­ trisch beheizte Wärmequelle zu beheben. Diese Überle­ gungen sind das Resultat gescheiterter Bemühungen, über eine Optimierung des Kühlmittelsystems eine hin­ reichende Heizleistung für die Kabine bereitzustellen. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-Heizsysteme das Re­ sultat langjähriger Optimierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und unter Variation von Geometrie und Anordnung der Ka­ binenwärmetauscher und Regelventile.

Ansatzpunkte zur Verbesserung der Kabinenheizlei­ stung bieten die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der Isolation der Kabine, die Rückgewin­ nung von Wärme aus dem Abgas, eine Erhöhung des Umluftmassenstroms in der Kabine oder gar die Rück­ gewinnung 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 Wärmever­ luste sind bekannt. Sie sind jedoch mit erheblichen Zu­ satzkosten 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 gerin­ gen Kraftstoffverbrauch und somit auch wenig Abwär­ me für Heizzwecke.

Die bisher angesprochenen Maßnahmen zur Redu­ zierung der Wärmeverluste sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht nur erhebliche Zusatzko­ sten verursachen, sondern auch ein erhebliches Mehrge­ wicht. Hinzu kommt, daß einige der angesprochenen Maßnahmen auch einen erheblichen Einbauraum in An­ spruch nehmen. Gerade in bezug auf das Einbauvolu­ men und in bezug auf die Einbaumasse wird für zukünf­ tige Fahrzeuge vielmehr eine Reduktion als eine Erhö­ hung gefordert. Die Abmessungen der Komponenten unter der Motorhaube und ganz besonders die Fahr­ zeugmasse hat in diesem Zusammenhang einen maß­ geblichen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission. Wie intensive Bemühungen zahlrei­ cher Fahrzeughersteller um eine Gewichtsreduzierung z. B. durch den Einsatz von Aluminium im Bereich des Motorblocks bzw. im Bereich von Karosserie und Fahr­ werk zeigen, wird bei der in diesem Bereich zu erwar­ tenden Gewichtsabnahme in Zukunft auch die Ge­ wichtsreduzierung der Nebenaggregate eine immer größere Rolle spielen.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge mit kühlmittelbeheizter Kabine eine ef­ fiziente und kostengünstige Beheizung der Kabinenluft unter Reduzierung der Wärmeverluste an die Umge­ bung und unter Minimierung von Einbauvolumen und -gewicht zu schaffen, so daß keine, oder zumindest mög­ lichst 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 Verfah­ ren 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 Mo­ tors reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbe­ trieb keine Unterkühlung des Motors auftritt, wobei die Einsparung der Wärmeverluste, insbesondere mit mög­ lichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugauf­ bauten erreicht werden soll. Deshalb ist es zusätzlich anzustreben, daß die zu entwickelnde Heizung bei­ spielsweise für Nachrüstzwecke zumindest an den ein­ baukritischen Stellen die gleichen Außenabmessungen hat wie bereits vorhandene Systeme und u. U. sogar die gleichen Befestigungsbohrungen etc. verwendet werden können. Die Forderung nach einer Reduzierung des Ge­ wichts soll jedoch nach Möglichkeit auch bei einer der­ artigen Ausgestaltung nicht aufgegeben werden.

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

Vorteilhafterweise ist dieser Wärmetauscher insbe­ sondere dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe ge­ schalteten Querstromwärmetauscher in einem gemein­ samen Gehäuse angeordnet sind, und daß der Kühlmit­ teldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher im Ver­ gleich zu den heute üblichen Werten in der Größenord­ nung von 54% und mehr reduziert ist, insbesondere daß der Kühlmitteldurchsatz bei dem heute üblichen Was­ ser/Glycolgemisch bei geringer Motordrehzahl und ei­ ner Umgebungstemperatur von -20°C weniger als 1 l/min pro kW an die Kabinenluft abgegebene Heizlei­ stung beträgt.

Als weiteres vorteilhaftes Merkmal ist der Innen­ durchmesser der am Kabinenwärmetauscher ange­ schlossenen Kühlmittelleitungen bei Personenkraftwa­ gen geringer als 11 mm.

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

Diese besonders vorteilhafte Kabinenwärmetau­ scherausgestaltung ist auf der systematischen Analyse bestehender Kabinenheizanlagen von Personenkraft­ wagen entstanden. In diesem Zusammenhang fällt bei Betrachtung der am Markt befindlichen Kabinenheizsy­ steme auf, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Mo­ tor unabhängig von der in der Kabine erforderlichen Heizleistung in vielen Betriebssituationen ein Vielfaches des für die Motorkühlung erforderlichen Wertes be­ trägt. Hierbei ist es keine Seltenheit, daß der Kühlmit­ teldurchsatz durch den Motor mehr als das Zehnfache des für die Abführung der Abwärme aus dem Motor erforderlichen Wertes beträgt. Auch die Kühlmittel­ durchsätze 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-Gly­ col-Gemischen als Kühlmittel liegen aufgrund der ho­ hen Kühlmittelmassenströme teilweise Differenzen der Kühlmitteltemperaturen am Motorein- und austritt von weniger als 10 K vor. Das gleiche gilt bei warmem Mo­ tor auch am Kabinenwärmetauscher. Hierbei sei an die­ ser Stelle angemerkt, daß die Temperaturdifferenz zwi­ schen Motorein- und austritt bei Kühlmittelsystemen, bei denen der Kabinenwärmetauscher parallel zum klei­ nen Kühlmittelkreislauf liegt, noch wesentlich geringer sein kann.

Die bei der Optimierung der Kabinenheizung vieler­ orts experimentell gemachte Erfahrung, daß ein Gegen­ strom-Kabinenwärmetauscher kaum Vorteil bringt, ba­ siert auf diesem Sachverhalt: Hier sind der Kühlmittel­ massenstrom und die Wärmetauscherfläche des Kabi­ nenwärmetauschers so groß, daß die Lufttemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher nahe der "Sät­ tigung" liegt d. h. die Lufttemperatur ist fast so hoch wie die Kühlmitteltemperatur.

Eine bisher jedoch nicht beachtete Folge derartiger Systeme sind unnötig hohe Wärmeverluste in den vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführenden Kühlmittelleitungen, in der Kühlmittelpumpe und im Kurbelgehäuse des Motors. Speziell das Kurbelgehäuse gibt nicht nur über eine große Fläche Wärme ab, son­ dern hat zusätzlich an der Motoraufhängung und den angeflanschten Komponenten noch weitere "Wärme­ brücken".

Wird anstelle des üblichen Querstrom-Kabinenwär­ metauschers ein Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher eingesetzt, so ändert sich am obigen Sachverhalt zu­ nächst zwar nur relativ wenig. Ausgehend von einem kühlmittelseitigen Temperaturabfall am Querstrom-Ka­ binenwärmetauscher von 10 K kann beim Einsatz eines Gegenstrom-Kabinenwärmetauschers lediglich mit ei­ ner Erhöhung der Lufttemperatur am Wärmetauscher­ austritt in der Größenordnung von 5 K gerechnet wer­ den. Dies rechtfertigt die Gegenstrombauart in Kraft­ fahrzeuganwendungen nur, wenn diese keine wesentli­ chen Mehrkosten verursacht.

Wird jedoch neben dieser Maßnahme gleichzeitig der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetau­ scher z. B. um den Faktor 5 reduziert, so erhöht sich der Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher von 10 K auf 50 K, während sich die Luftaustrittstemperatur kaum ändert, d. h. es liegt zunächst eine unveränderte Heizleistung in der Kabine vor. Die Wärmeverluste auf dem Strömungsweg vom Kabinenwärmetauscher-Aus­ tritt zum Motor sind hierdurch jedoch drastisch redu­ ziert. Dies trifft bereits bei unveränderten Kühlmittellei­ tungen zu.

Die drastische Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher erlaubt bei unverän­ dertem Druck der Kühlmittelpumpe bei entsprechender Ausgestaltung der Berippung jedoch nicht nur wesent­ lich geringere Strömungsquerschnitte der Wärmetau­ scherrohre innerhalb des Kabinenwärmetauschers, son­ dern auch geringere Querschnitte der Kühlmittelleitun­ gen vor und hinter dem Kabinenwärmetauscher. Gleichzeitig hat der erfindungsgemäße Wärmetauscher aufgrund der Gegenstromcharakteristik einen wesent­ lich besseren Wärmeübergang, so daß die Anzahl der Wärmeübertragungsrippen reduziert werden kann. Als Folge des reduzierten Kühlmitteldurchsatzes reduziert sich daher sowohl die Masse des Wärmetauschers als auch die Masse der Kühlmittelleitungen. Hinzu kommt die Reduktion der Kühlmittelmasse. Für die heute übli­ chen Kühlmittelleitungen mit Strömungsquerschnitten von 16 mm Innendurchmesser und einer Länge der Vor- und Rücklaufleitung von je etwa 1 m bedeutet beispiels­ weise eine Halbierung der Strömungsquerschnittsfläche eine Abnahme der Kühlmittelmasse um 213 g. Hinzu kommt die Einsparung der Masse beim Kühlmittel­ schlauch, welche sich nicht nur aus dem geringeren Um­ fang, sondern auch aus der potentiellen Reduktion der Wandstärke ergibt. Die Bedeutung der Reduktion der wärmeaktiven Massen von Kabinenwärmetauscher, Kühlmittel und Schlauchmaterial für ein schnelles An­ sprechen der Kabinenheizung liegen auf der Hand. Min­ destens ebensowichtig ist jedoch, speziell auch im sta­ tionären Motor- bzw. Fahrzeugbetrieb, die aus dem er­ findungsgemäßen Kabinenheizsystem resultierende Re­ duktion der Wärmeverluste von den Schlauchleitungen an die Umgebung, welche bei geeigneter Einbindung in den gesamten Kühlkreislauf des Motors noch verbes­ sert werden kann. Diese Reduktion der Verluste an die Umgebung 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 Kabinenwärmetau­ scher zum Motor zurückführenden Kühlmittelleitung. Bei der geeigneten Einbindung in den Motorkühlkreis­ lauf, welche insbesondere die Erhöhung des Druckes der Kühlmittelförderpumpe und des Druckverlustes am Kabinenwärmetauscher miteinbezieht, kommt hierzu noch die Reduktion der Wärmeverluste an der Kühlmit­ telpumpe und am Kurbelgehäuse des Motors.

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

Eine weitere positive Begleiterscheinung des erfin­ dungsgemäßen Wärmetauschers ist die Tatsache, daß diese Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung in Verbindung mit der unveränderten Abwärme aus dem Verbrennungsprozeß eine Erhöhung der Motor­ austrittstemperatur des Kühlmittels nach sich zieht. Dies führt zwar zu einer geringfügigen Erhöhung der Temperatur im Bereich des Zylinderkopfes und in der zum Kabinenwärmetauscher führenden Kühlmittellei­ tung, 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 Heizlei­ stung des Kabinenwärmetauschers deutlich erhöht ist. Für den Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher ist diese - unabhängig vom Kühlmittelmassenstrom - in erster Näherung direkt proportional zur Kühlmitteleintritts­ temperatur, solange Systeme betrachtet werden, bei de­ nen die Kabinenluft temperaturseitig in die "Sättigung" geht.

Letztlich ist der Temperaturabfall am Kabinenwär­ metauscher durch die Reduktion des Kühlmitteldurch­ satzes um den Faktor 5 nicht von 10 auf 50 K angestie­ gen sondern beispielsweise von 10 auf 60 K. Dies ent­ spricht einer Erhöhung der Kabinenheizleistung um 20%.

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

Es dürfte einleuchten, daß die erfindungsgemäße Ka­ binenwärmetauscheranordnung nicht nur zur Steige­ rung der maximalen Heizleistung unter extremer Win­ terkälte geeignet ist, sondern in vielen Fahrsituationen mit Kabinenbeheizung auch zur Verkürzung der Auf­ heizdauer 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, befindet sich beim Einsatz des erfindungsgemäßen Kabinenwärmetau­ schers die Lufttemperatur am Austritt aus dem Kabi­ nenwärmetauscher 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 Kabinenwärmetauschers, sondern die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in der Kabine. Als Zielwert für die Lufttemperatur in der Ka­ bine sind bei winterlichen Temperaturen etwa 20-30°C anzusehen. Für Fahrzeuge ohne Umluft be­ deutet dies wiederum, daß der gesamte Luftmassen­ strom die Kabine mit dieser Temperatur verläßt.

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

Wie bereits beschrieben, ergänzen sich hier die ein­ zelnen Maßnahmen zur Reduktion des Kühlmittel­ durchsatzes und zur Reduktion des Frischluftdurchsat­ zes in Verbindung mit einem Gegenstromkabinenwär­ metauscher in idealer Weise.

Als Ausführungsbeispiele zeigen Fig. 2 und 1, wie ein konventioneller Kabinenwärmetauscher von der Quer­ strombauart in einen erfindungsgemäßen Wärmetau­ scher mit Gegenstromcharakteristik des Wärmeüber­ gangs 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 gewis­ ser Gegenstromeffekt erzielbar, speziell die zweiflutige Führung der die beiden Wasserkästen 3 und 6 verbin­ denden Kühlmittelrohre 4, welche die Wärme über die Kühlrippen 5 an die in die Kabine geförderte Luft über­ tragen, zeigt jedoch, daß hier in Richtung möglichst ho­ her Kühlmitteldurchsätze optimiert worden ist. In Ver­ bindung mit den erfindungsgemäßen Erkenntnissen ist dies jedoch nicht mehr zweckmäßig, so daß durch eine einfache Modifikation des Gehäuses auf die Ausgestal­ tung 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 Kabinenwärmetau­ scher aufgrund einer Erhöhung des Druckverlustes. Der Druckverlust steigt hierbei zum einen wegen der Ver­ dopplung der Strömungslauflänge. Zum andern hat im Normalfall gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren aufgrund der Halbierung des Strömungsquerschnittes der einzel­ nen Fluten zugenommen, so daß nicht nur erhöhte Druckverluste innerhalb der Wärmeübertragungsrohre selbst entstehen, sondern auch erhöhte Verwirbelungs­ verluste am Ein- und Austritt der Kühlmittelströmung in die einzelnen Wärmeübertragungsrohre.

Je nach Ausgestaltung des kleinen Kühlkreislaufes, mit bzw. ohne motornahem Kühlmittelbypaß parallel zum Kabinenwärmetauscher, erfolgt deshalb beim Ein­ satz des Kabinenwärmetauschers nach Fig. 1 eine mehr oder weniger starke Zunahme des Förderdruckes der Kühlmittelpumpe. Zur genauen Anpassung des Kühl­ mittelmassenstroms auf einem im Vergleich zu heutigen Werten stark reduzierten Niveau ist hier gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung der Kühlmittelleitungs­ querschnitte bzw. der Wärmetauscherrohrquerschnitte vorzunehmen.

Speziell wenn der Motorkühlkreislauf einen kleinen Kühlkreislauf mit motornahem Kühlmittelbypaß paral­ lel zum Kabinenwärmetauscherkreislauf aufweist, kann der Einsatz des Kabinenwärmetauschers ohne die Be­ rücksichtigung irgendwelcher Querempfindlichkeiten bezüglich der Kühlung des Motors erfolgen, da bereits bei der Standardauslegung der Extremzustand eines vollkommen blockierten Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher berücksichtigt ist. In die­ sem Betriebszustand strömt bekanntlich bei geschlosse­ nem Thermostaten der gesamte von der Kühlmittel­ pumpe umgewälzte Massenstrom über den motornahen Bypaß. Die erfindungsgemäße Festlegung des Kühlmit­ teldurchsatzes liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen, so daß keinerlei Probleme zu erwarten sind. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Kühlmittel­ durchsatz durch den Kabinenwärmetauscher im Be­ reich geringer Motorlast und Pumpendrehzahl genau so groß ist, daß hinreichend viel Wärmeenergie zum Kabi­ nenwärmetauscher transportiert wird, aber auch daß die Lufttemperatur gleichzeitig nicht allzusehr in die "Sättigung" geht.

Es liegt auf der Hand, daß die ursprünglichen Durch­ messer 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 Leitungsquerschnitte 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 Wärme­ übertragungsrohre als auch der Wärmeübertragungs­ rippen zu reduzieren, was aufgrund der Gegenstroman­ ordnung ebenfalls ohne Einbuße ein Effizienz erfolgt.

Eine andere Ausführungsform (Fig. 3) zeigt einen Wärmetauscher der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reihenschaltung der Querstromwärmetauscher über die parallel durchströmten Wärmetauscherrohre 4 in Verbindung mit halbkreisbogenähnlichen Strömungs­ umlenkungen 10 erfolgt, so daß die Kabinenluft auf die­ sem 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 Strömungs­ verluste am Ein- und Austritt in die Wärmeübertra­ gungsrohre ergeben. Dies ist beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher von besonderer Bedeutung, da dieser je nach Anwendung eine relativ hohe Strömungsge­ schwindigkeit des Kühlmittels in den Wärmeübertra­ gungsrohren aufweist. Hieraus resultieren am Wärme­ tauscher nach Fig. 1 speziell an Unstetigkeitsstellen und ganz besonders an den Strömungsaustritten 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 Kühlmit­ tel 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 wesent­ lichen 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 erfor­ derlich 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 Wasserkä­ sten strömungsgünstig, insbesondere durch eine düsen- bzw. diffusorartige Zone innerhalb oder außerhalb des Wasserkastens, auszugestalten. Diese Maßnahme ist ge­ nerell für eine Reduktion des kühlwasserseitigen Druck­ verlustes im Kabinenwärmetauscher nützlich. Speziell im Zusammenhang mit der Reduktion der Strömungs­ querschnitte der Kühlmittelleitungen und auch vor dem Hintergrund, daß es zur Minimierung der Wärmeverlu­ ste an die Umgebung, zur Minimierung der wärmeakti­ ven 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 Ausge­ staltung der Wärmeübertragungsrohre in Fig. 3, von ganz besonderer Bedeutung.

Als konkretes Ausführungsbeispiel zeigt in diesem Zusammenhang Fig. 4 einen Kabinenwärmetauscher, bei welchem die Kühlmittelzufuhr 1 und der Kühlmittel­ abfluß 2 nicht wie z. B. in Fig. 1 parallel zu den Wärme­ tauscherrohren erfolgt, sondern rechtwinklig und bei welchem die entsprechenden Querschnittserweiterun­ gen der Leitungen innerhalb des Wasserkastens 3 vor­ gesehen 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 Was­ serkasten 3 eingeleitete Kühlmittel durch einen Diffusor weitgehend ablösungsfrei verzögert, so daß der dynami­ sche 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 re­ lativ gering, sondern auch die Strömungsverluste beim Verteilen des Kühlmittels auf die einzelnen Wärmetau­ scherrohre 4.

Bei der aus dem Wasserkasten herausführenden Kühlmittelströmung ergeben sich im Sammelrohr 2, welches die Strömung wieder auf die relativ hohe Ge­ schwindigkeit innerhalb der Schlauchleitungen be­ schleunigt, analoge Vorteile.

Je nach Raumbedarf und Öffnungswinkel der Düse bzw. des Diffusors kann es zur Vermeidung von Strö­ mungsablösungen auch vorteilhaft sein, mit perforierten Zuleitungsrohren 1 bzw. Sammelrohren 2 zu arbeiten.

Bei der strömungsgünstigen Ausgestaltung des Kabi­ nenwärmetauschers nach Fig. 4 wird, insbesondere wenn noch die Erkenntnisse aus Fig. 3 verarbeitet wer­ den, nahezu der Durchflußbeiwert des Kabinenwärme­ tauschers in Querstrombauart mit doppelflutiger Kühl­ mittelführung nach Fig. 2 erreicht. Als weitere Verbes­ serung ist es vorteilhaft, zusätzlich auch die Übergänge zu den relativ dicken Kühlmittelaustritts- und Rückfluß­ leitungsquerschnitten am Motor über entsprechende düsen- bzw. diffusorartige Bauteile auszugestalten. Auch diese Einsparung an Druckverlusten kann letztlich in eine weitere Reduktion der Leitungsquerschnitte um­ gesetzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Reduzie­ rung des Kühlmittelmassenstroms liegt somit das Po­ tential zur Reduzierung des Einbauvolumens, der wär­ meaktiven Masse und der Fahrzeugmasse auf der Hand. Da sich der Bauaufwand für den Kabinenwärmetau­ scher nur unwesentlich ändert, folgen aus der reduzier­ ten Masse des Kabinenwärmetauschers und der Kühl­ mittelleitungen unmittelbar auch reduzierte Fertigungs­ kosten.

Aber auch nach einer derartigen Maßnahme ist insbe­ sondere der Wärmetauscher nach Fig. 1 zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch nicht ganz optimal. Da alle 4 Fluten des Kabinenwärmetau­ schers über gemeinsame Wärmeübertragungsrippen verbunden sind, wird ein gewisser Anteil an Wärme durch Wärmeleitung in der Rippe entgegen der Luft­ strömung transportiert. Deshalb ist es zweckmäßig, die Wärmeübertragungsrippen zumindest lokal zu unter­ brechen, wie dies beim Wärmetauscher nach Fig. 3 be­ reits erfolgt ist, oder lokal die Wandstärke dieser Rip­ pen zu reduzieren. Hierbei kann die Beschränkung auf eine lokale Unterbrechung bzw. die Beschränkung auf eine lokale Reduktion der Wandstärke aus fertigungs­ technischen Gründen vorteilhaft sein gegenüber einer Unterbrechung über die gesamte Rippenbreite. Die an­ gesprochenen Maßnahmen zur Verhinderung der Wär­ meleitung entgegen der Luftströmung sind bevorzugt in der Mitte zwischen den einzelnen Fluten vorzunehmen. Als positive Begleiterscheinung wird durch diese Maß­ nahmen auch die Turbulenz der Luftströmung und da­ mit der Wärmeübergang erhöht.

Liegen verminderte Anforderungen bezüglich der Baugröße vor, so kann die Wärmeleitung auch durch eine Vergrößerung der Abstände zwischen den einzel­ nen Fluten eingedämmt werden.

Claims (15)

1. Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Kabine von Kraft­ fahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige Kühlmittel mit einem Wärmetauscher mit ange­ paßter Kühlmittelzu- und -abflußleitung, insbesondere für durch hocheffiziente Verbrennungsmotoren geringer Abwärme angetriebene Personenkraftwagen, wobei bei der Wärmetauscheranordnung das Kühlmittel zur Erwärmung der Fahrgastzelle über einen Kabinenwärme­ tauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, und bei dem das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Wärmeübertra­ gungsrohren strömt, welche die Wärme über mit den Wärme­ übertragungsrohren in Kontakt stehende Kühlrippen an die in die Kabine geförderte Luft abgeben, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Querstromwärmetauschern mit jeweils mehreren parallel vom Kühlmittel durchströmten Wärmeübertragungsrohren und durch eine entsprechende Führung der Luftströmung eine Gegen­ stromcharakteristik des Wärmeübergangs erzielt wird, so daß die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese Stufen abgekühlt wird, und daß der Kühlmittelmassen­ strom auf solche Werte eingestellt ist, daß am Kabinenwärme­ tauscher ein Kühlmitteltemperaturabfall von ≧ 30 K vor­ liegt.

2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalte­ ten Querstromwärmetauscher in einem gemeinsa­ men Gehäuse angeordnet sind.

3. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für alle in Reihe geschalteten Querstromwärmetau­ scher gemeinsame Wärmeübertragungsrippen zur Beheizung der Kabinenluft verwendet werden.

4. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Maß­ nahmen zur Vermeidung der Wärmeleitung ent­ lang der Wärmeübertragungsrippen entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft getroffen werden.

5. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Wärmeübertra­ gungsrippen im Bereich zwischen den Kühlmittel­ rohren Aussparungen zur Unterbrechung der Wär­ meleitung 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 Wärmeübertragungsrippen vorgesehen wird.

7. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rohrabstand so groß gewählt wird, daß die Wärmeleitung stromauf zur Strömungsrichtung der durch den Wärmetau­ scher geförderten Kabinenluft vernachlässigt wer­ den kann.

8. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Querstromwärmetauscher derart erfolgt, daß die parallel durchströmten Wär­ metauscherrohre mindestens 2 halbkreisbogenähn­ liche Strömungsumlenkungen aufweisen und die Kabinenluft auf diesem Wege in mindestens 3 Stu­ fen erwärmt sowie das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.

9. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der In­ nendurchmesser der am Kabinenwärmetauscher angeschlossenen Kühlmittelleitungen bei Perso­ nenkraftwagen geringer als 11 mm ist.

10. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwär­ metauscher einen wesentlich geringeren Strö­ mungsquerschnitt aufweist, als die vom Kabinen­ wärmetauscher zum Motor zurückführende Kühl­ mittelleitung.

11. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwär­ metauscher wesentlich besser gegenüber der Um­ gebung isoliert ist, als die vom Kabinenwärmetau­ scher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

12. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem Strömungsquerschnitt der Kühlmittelzuflußleitung auf den Wasserkasten zur Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Wär­ meübertragungsrohre eine diffusorartige Erweite­ rung des Rohrquerschnittes mit geringem Öff­ nungswinkel aufweist und hierdurch eine weitge­ hend ablösungsfreie Strömung vorliegt.

13. Wärmetauscheranordnung nach einem der An­ sprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang vom Wasserkasten zur Vereinigung des aus den einzelnen Wärmeübertragungsrohren stammenden Kühlmittels auf den Strömungsquer­ schnitt der Kühlmittelabflußleitung eine düsenarti­ ge Verringerung des Rohrquerschnittes aufweist und hierdurch eine weitgehend ablösungsfreie Strömung vorliegt.

14. Wärmetauscheranordnung nach einem der obi­ gen Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß im Nahbereich des Kühlmittelaustritts aus dem Motor eine düsenartige Verringerung des Lei­ tungsquerschnitts und hierdurch eine weitgehend ablösungsfreie Kühlmittelströmung vorliegt.

15. Wärmetauscheranordnung nach einem der obi­ gen Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß im Nahbereich des Kühlmitteleintritts in den Motor bzw. in das Gehäuse der Kühlwasserpumpe eine diffusorartige Erweiterung des Leitungsquer­ schnitts und hierdurch eine weitgehend ablösungs­ freie Kühlmittelströmung vorliegt.