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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsheizungswärmetauscher
zur Klimatisierung der Fahrzeugkabine von Personenkraftfahrzeugen
mit Hilfe des flüssigen Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf der
Antriebsmaschine oder anderen Wärmequellen des Kühl-
und/oder Heizkreislaufs.
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Ein
weitverbreitetes Merkmal heutiger Personenkraftfahrzeuge ist es,
dass diese speziell für Dieselfahrzeuge im Heiz-Klimagerät
einen elektrischen PTC-Zuheizer zur weiteren Erwärmung
der vom Heizungswärmetauscher erwärmten Kabinenluft vorsehen.
Bei baugleichem Basis-Heiz-Klimagerät erhält die
Diesel-Variante bei dieser Vorgehensweise einen PTC-Zuheizer und
die Variante mit Otto-Motor nicht.
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Um
die nicht unerheblichen Kosten für den PTC-Zuheizer einzusparen
wird bei den meisten Fahrzeugherstellern in den Diesel-Varianten
je nach Fahrzeugmarkt bezüglich des serienmäßigen
Zuheizer-Einbaus differenziert oder ein Zuheizer wird gar nur als
Option angeboten.
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Eine
ganze Reihe älterer und neuerer Patentanmeldungen des gleichnamigen
Erfinders zeigt Wege auf, wie der PTC-Zuheizer an bestehenden Fahrzeugen
eingespart bzw. an zukünftigen Fahrzeugen mit verbesserten
Motorwirkungsgraden vermieden werden kann. Die hieraus resultierenden Kraftstoffeinsparpotentiale
sind ebenso erheblich wie die damit einher gehenden Kosteneinsparungen.
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Speziell
in der Anmeldung
DE 10 2007
017 567.3 offenbart der gleichnamige Erfinder diesbezüglich
ganz besonders kosteneffiziente Wege, um dies in die Praxis umzusetzen.
Von großer Bedeutung ist es hierbei, möglichst
effiziente Heizungswärmetauscher zu realisieren, welche
speziell auch bei relativ kleinem Kühlmitteldurchsatz noch
eine sehr gute Heizleistung liefern.
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Die
Fertigung derartiger Heizungswärmetauscher ist nicht ganz
einfach. Dies ist einer der Gründe, weshalb sich auch der
Serienanlauf – basierend auf relativ altem und in Patentanmeldungen
auch in vielen Details veröffentlichtem Basiswissen – doch ganz
erheblich verzögert hat.
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Die
Anmeldung
DE 10 2007 017
567.3 offenbart vor diesem Hintergrund großserientaugliche Ausgestaltungen
brauchbarer Heizungswärmetauscher, um den PTC-Zuheizer
entfallen zu lassen.
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Insbesondere
wird dabei der Bauraum des PTC-Zuheizers ausgenutzt, um eine passende
Leistung des Heizungswärmetauschers zu realisieren. Gleichzeitig
wird dabei das Lastenheft bezüglich der kühlmittel-
und luftseitigen Druckverluste z. T. bewusst zu höheren
Druckverlusten hin verschoben als dies heute serientypisch ist.
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Ausgehend
von diesem patentamtsinternen Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, bekannte Kfz Serien-Heizungswärmetauscher
und/oder neuartige Kfz-Heizungswärmetauscher mit bereits
in der Basis sehr hohen Heizungswärmetauscherwirkungsgraden
gemäß der
DE
10 2007 017 567.3 bei kleinem bis mittlerem Kühlmitteldurchfluss
weiter im Wirkungsgrad zu verbessern und damit den Auslegungsspielraum
in Bezug auf die maximal mögliche Heizleistungssteigerung
zu erweitern und/oder bei gleichem Heizungswärmetauscherwirkungsgrad
und gleichem kühlmittelseitigem Druckverlust den luftseitigen
Druckverlust und/oder den Heizungswärmetauscherbauraum
zu verringern.
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Die
Erfindung gemäß Patentanspruch 1 löst diese
Aufgabe.
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Die
damit realisierbare weitere Verbesserung der Heizleistung führt
vielfach auf Fahrzeug-Heizleistungswerte besser als mit heutigen PTC-Zuheizern.
In vielen Fällen ist das aber gar nicht nötig,
so dass man dann das neue Heizungswärmetauscherdesign zur
Senkung der luftseitigen Druckverluste oder zur Reduktion des Bauraums
verwenden kann.
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Insbesondere
sind die gezeigten Verbesserungen mit minimalem Kostenaufwand realisierbar.
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Wesentlich
ist dabei das Verständnis des Sachverhalts, dass die mit
dem erfindungsgemäßen Design i. a. einhergehende
Erhöhung der kühlmittelseitigen Druckverluste
und damit verbunden ein gewisser Abfall des Kühlmitteldurchflusses im
Heizungszweig in gewissen Grenzen durchaus signifikant zur Verbesserung
des Gesamtsystems d. h. der effektiven Fahrzeugheizleistung beiträgt.
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Im
Gegensatz zur
DE 10 2007
017 567.3 konzentriert sich die vorliegende Anwendung ausschließlich
auf einen 4-stufigen Kreuzgegenstromheizungswärmetauscher.
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Dieser
hat im Vergleich zum 3-Stufen-Kreuzgegenstromheizungswärmetauscher
neben dem besonders hohen Wirkungsgrad insbesondere fertigungstechnische
Vorteile. Insbesondere kann der Umlenkwasserkasten 200 einfacher
und mit weniger Toleranzanforderungen gefertigt werden.
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Besonders
wichtig ist dabei die Möglichkeit, den Umlenkwasserkasten
kleiner zu machen und die Bauhöhe hu auf sehr kleine Werte
abzusenken, d. h. kleiner als 30% des entsprechenden Maßes
ho des oberen Anschlusswasserkastens 201.
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Im
Gegensatz zu bereits in Kfz-Serie befindlichen 2-stufigen Heizungswärmetauschern
ist dies insbesondere dann trotz der damit verbundenen kühlmittelseitigen
Druckverlustzunahme im Vergleich zu Wasserkästen konventioneller
Größe zielführend, wenn die Auslegung
des Gesamtsystems – z. B. gemäß der Vorgehensweise
in der
DE 10 2007 017 567.3 – in
Richtung kleinerer Kühlmitteldurchsätze im Heizungszweig
erfolgt, d. h. wenn der Heizungswärmetauscher selbst als
Drosselorgan eingesetzt wird.
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Die
geringe Höhe ho wirkt dabei, ebenso wie die Vierfach-Kreuzgegenstrombauweise
und die Überströmstelle 213 als internes
Drosselorgan im Heizungswärmetauscher und bewirkt gleichzeitig eine
Verbesserung der kühlmittelseitigen Strömungsgleichverteilung
und somit des Wärmetauscherwirkungsgrades.
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Ebenso
wichtig wie dieser Effekt ist dabei die Tatsache, dass die geringe
Höhe ho bei gleichen Heizungswärmetauscheraußenabmessungen gleichbedeutend
ist mit einer Erhöhung der Matrixstirnfläche und
auch des Matrix-Volumens. Beides lässt sich direkt umsetzen
in einen geringeren luftseitigen Druckverlust und/oder einen besseren
Wirkungsgrad.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Drosselung des Heizungswärmetauscherkühlmittedurchsatzes
auf den anwendungsspezifischen Ziel-Kühlmitteldurchsatz
durch eine Blende oder ein Überleitungsrohr 213 zwischen
Stufe 2 und 3 erfolgt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass
das Kühlmittel vor oder bei der Überleitung von
der zweiten zur dritten Wärmetauscherstufe in dieser Querschnittsverengung
nicht nur etwas gedrosselt wird sondern zwangsläufig auch
sehr gut durchmischt.
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Diese
Maßnahme zur Drosselung und Durchmischung zwischen Stufe
2 und 3 wirkt sich insbesondere positiv auf den Anlauf des Heizungswärmetauschers
bei sehr kaltem Kühlmittel und ungleichmäßiger
Luftbeaufschlagung aus, da auf diesem Wege jede einzelne Stufe homogenere
Kühlmitteleintrittstemperaturen über die Wasserkastenbreite aufweist.
Kühlmitteltemperaturinhomogenitäten verstärken
sich durch diese Maßnahme im Kreuzgegenstrombetrieb weniger
stark von Stufe zu Stufe, da ein Ausweichen der Kühlmittelströmung
zu Kanälen mit höherer Kühlmitteltemperatur
bzw. niedrigerer Kühlmittelviskosität weniger
stark induziert wird.
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Dabei
wird die Strömungsvergleichmäßigung gegebenenfalls
auch durch die Erhöhung des Druckverlustes beim Aus- und
Einströmen im Umlenkwasserkasten 200 mit verkleinerter
Bauhöhe hu unterstützt.
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Die
kühlmittelseitige Drosselwirkung dieser Maßnahmen
ist in vielen Anwendungen ein erwünschter Nebeneffekt,
da sie die Kühlmitteltemperaturspreizung am Heizungswärmetauscher
und gegebenenfalls auch am Motor erhöht und somit – bei hinreichender
Dimensionierung des Heizungswärmetauschers – die
Heizung verbessert.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt, ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Überströmung von Stufe 2
nach Stufe 3 nicht – wie heute in Kfz Heizungswärmetauschern
zur Druckverlustminimierung üblich – über
die gesamte Wasserkastenbreite erfolgt, sondern wenn zur Durchmischung
der gesamte Kühlmittelvolumenstrom über eine gemeinsame
Bohrung oder eine gemeinsame Verbindungsleitung zum Wasserkasten der
nächsten Stufe geleitet wird. Die Kühlmittelzuströmung
erfolgt hierbei über den Einlass 211, die erste
Kreuzstromstufe wird durch die Flachrohrreihe 206 gebildet,
mit einer ersten Umlenkung im Wasserkasten 200 zur zweiten
Kreuzstromstufe 207.
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Die Überleitung
von der zweiten zur dritten Kreuzstromstufe 208 erfolgt über
die Verbindungsöffnung 213 in welcher zwangsläufig
eine Durchmischung und somit thermische Vergleichmäßigung des
Kühlmittels vor der dritten Stufe erfolgt.
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Die
Durchmischungsstelle 213 ist bevorzugt in den Wasserkasten 201 integriert.
Wichtig ist dabei, dass eine weitgehende Temperaturvergleichmäßigung
des Kühlmittels vor der dritten Stufe erfolgt. Je nach
Einbaulage und Entlüftungsbedarf sorgt gegebenenfalls eine
kleine zusätzliche Entlüftungsbohrung im Wasserkasten-Trennblech 260 oder 250/252 für
einen sicheren Betrieb.
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In
der
DE 10 2007 017 567.3 des
gleichnamigen Erfinders ist offenbart, dass es entgegen der allgemeinen
Einschätzung der Fachwelt, bei geeigneter Systemauslegung
durchaus kosteneffizient und kraftstoffeffizient ist, das Bauvolumen
von Pkw Großserien-Heizungswärmetauschern erheblich über
das heute bekannte Maß hinaus zu vergrößern.
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Der
gleichzeitige Übergang zu 4-Kreuzgegenstromstufen anstelle
heute maximal 2 Stufen in der Pkw-Großserie und der Einbau
zusätzlicher Drosselstellen zur Homogenisierung der Wärmetauscherdurchströmung
und Temperaturverteilung sind hierbei weitere bevorzugte Verbesserungsschritte. Wie
entsprechende Fahrzeugversuche zeigen, lässt sich die damit
i. a. einhergehende Zunahme des Druckverlustes im Heizungszweig
mit bekannten Motorkühlmittelpumpenkennlinien handhaben.
Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil sich in vielen Anwendungen
eine Absenkung des Kühlmitteldurchflusses im Heizungszweig
mit derartigen Hochleistungsheizungswärmetauschern vorteilhaft
auf die Heizleistung auswirkt.
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Der
Hauptanspruch richtet sich ganz bewusst nur auf Hochleistungsheizungswärmetauscher mit
einer gelöteten Wärmeübertragungsmatrix,
bestehend aus kühlmittelseitigen Flachrohren und luftseitigen
Rippen mit einer Vielzahl in Luftströmungsrichtung nacheinander folgender
Turbulenz erzeugender Einschnitte (Louvres), und mit genau vier
im Kreuzgegenstrom in Reihe geschalteten Kreuzstromwärmetauschern.
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Neben
der 4-Stufigkeit ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher
dadurch gekennzeichnet, dass er interne Konstruktionsmerkmale aufweist,
die einerseits den kühlmittelseitigen Druckverlust prinzipbedingt
erhöhen und damit den Kühlmitteldurchsatz im Fahrzeug
absenken, gleichzeitig aber mittels der Durchmischung zwischen Stufe
2 und 3 für einen reduzierten Wirkungsgradabfall bei kleinen
bis mittleren Kühlmitteldurchsätzen sorgen.
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Ein
solches Konstruktionsmerkmal stellt der Überströmkanal 213 dar.
Am einfachsten wird dieser durch eine Blendenbohrung 213 im
Trennblech 251 dargestellt.
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Die
mittlere Trennwand 251 des Anschlusswasserkastens 201 weist
dabei bevorzugt einen blendenartigen Strömungsübertritt 213 zwischen Stufe
2 und 3 auf, in welchem das in den ersten beiden Stufen abgekühlte
Kühlmittel gedrosselt und gleichzeitig weitgehend homogenisiert
wird.
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Der
Umlenkwasserkasten 200 am anderen kühlmittelseitigen
Rohrende der Wärmetauschermatrix weist genau eine die Vierstufigkeit
definierende Trennwand 260 auf, d. h. dort findet lediglich
eine Strömungsumlenkung statt. Die Quervermischung ist dabei
vergleichsweise relativ gering, ganz im Gegenteil zur Vermischung
zwischen Stufe 2 und 3 im Wasserkasten 201.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn wie in 2 und 3 exemplarisch
gezeigt, der Zuflussanschluss 211 und der Abflussanschluss 212 auf
der gleichen Seite 300 des Anschlusswasserkastens 201 liegen
und der Strömungsübertritt 213 der Trennwand 251 auf
der gegenüberliegenden Seite 301 des Anschlusswasserkastens 201,
insbesondere nahe dem am wertesten von den Zu- und Abflussanschlüssen 211/212 entfernten
Flachrohr der Wärmetauschermatrix. Diese Anordnung führt
auf eine besonders gute Strömungsgleichverteilung auf die
einzelnen Wärmetauscher-Flachrohre. Dies liegt u. a. daran,
dass sich der dynamische Druck im Wasserkasten 201 aufgrund
der Querströmung relativ zu den Wärmetauschermatrix-Flachrohren
in Summe über alle vier Stufen weitgehend kompensiert.
Symbolisch ist dies durch die Länge der Strömungspfeile
im Wasserkasten 201 angedeutet: Im Mittel über
alle vier Stufen finden sich gleich viele lange und kurze Pfeile, d.
h. Matrix-Flachrohreintritts- bzw. Austrittstellen mit erhöhtem
bzw. reduziertem dynamischem und damit auch gegenläufig
variierendem statischem Druck.
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Gemäß 1 und 2 ist
ein erfindungsgemäßer Heizungswärmetauscher
besonders einfach zu fertigen, wenn der Umlenkwasserkasten 200 genau
eine Trennwand 260 aufweist.
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Zur
Verbesserung der Strömungsgleichverteilung bei gleichzeitiger
Maximierung der Bauraumeffizienz weist dieser bevorzugt eine kühlmittelseitige
Bauhöhe hu auf, die weniger als 30% der kühlmittelseitigen
Bauhöhe ho des Anschlusswasserkastens 201.
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Dabei
ist es im Hinblick auf den Bauraum und auf den Wärmetauscherwirkungsgrad
besonders vorteilhaft, wenn der Umlenkwasserkasten 200 eine solche
kühlmittelseitige Bauhöhe hu aufweist, dass zwischen
dem Kühlmittelflachrohraustritt und der gegenüberliegenden
Umlenkwasserkasten-Innenwand weniger als 1 mm Abstand besteht. Der
geringe Abstand von weniger als 1 mm ist hierbei in Verbindung mit
der 4-Stufigkeit und der einfachen Ausgestaltung des Umlenkwasserkastens 200 mit
besonders geringem fertigungs- und toleranzspezifischen Problemen verbunden,
da die für die Strömungsgleichverteilung notwendige
Einhaltung eines gleichen Wandabstands nur am Umlenkwasserkasten 200 erforderlich ist
und am Wasserkasten 201 hingegen selbst gröbere
Toleranzen, z. B. bei etwas unterschiedlicher Matrix-Flachrohrlänge,
zulässig sind.
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Um
eine gute Durchmischung zwischen Stufe 2 und 3 zu erhalten ist es
besonders vorteilhaft, wenn der Überströmquerschnitt 213 eine
Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die gleich
oder kleiner als die Strömungsquerschnittsfläche
des Zuflussanschlusses 211 ist. Damit ist zusätzlich
sichergestellt, dass der Wärmetauscher auch eine Mindestdrosselung
des Kühlmitteldurchsatzes bewirkt, die bei kaltem wie bei
warmer Kühlmittel präsent ist, d. h. der Heizungswärmetauscherdurchfluss
variiert weniger in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur
als Heizungswärmetauscher ohne die erfindungsgemäße interne
Drosselung mittels des Überströmquerschnitts 213 und
gegebenenfalls der kleinen Bauhöhe hu des Umlenkwasserkastens.
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Die
geringe Bauhöhe hu ist dabei nicht zwingend notwendig aber
sehr hilfreich um einen im Hinblick auf geringe bis mittlere Kühlmitteldurchflüsse besonders
effizienten Heizungswärmetauscher zu realisieren. Vor diesem
Hintergrund bedeutet auch der 4-stufige Wärmetauscher gemäß 4 eine
signifikante Verbesserung im Vergleich zu bisher bekannten Heizungswärmetauschern
in Grosserien-Pkw.
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Am
besten ist aber in den meisten Anwendungen mit Heizleistungsdefizit
der Heizungswärmetauscher gemäß 1.
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Dabei
wird man sich bei hohem Heizleistungsdefizit die bisher noch nicht
veröffentlichten Ausführungen gemäß der
deutschen Patentanwendung
DE
10 200 017 567.3 zu Nutze machen, um die effektive Wärmetauschermatrix
so groß wie möglich zu machen. Gelötete
Vollaluminium-Heizungswärmetauscher mit hoher Packungsdichte
der luftseitigen Rippen und der kühlmittelseitigen Flachrohre und
unter signifikanter Vergrößerung des Matrix-Volumens
einschließlich Ausnutzung des früher für
den PTC vorgesehenen Bauraums sind hier maßgebliche Schritte,
um den PTC-Zuheizer in vielen Anwendungen überflüssig
zu machen.
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Speziell
die gute Strömungs- und Temperaturgleichverteilung des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
der Gewinn an Matrix-Volumen durch die geringe Höhe hu
des Umlenkwasserkastens liefern dabei zusätzliche Möglichkeiten
zur weiteren Verbesserung des Wärmetauscherwirkungsgrades.
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Vor
diesem Hintergrund stellt in vielen zukünftigen Fahrzeuganwendungen
in der Pkw-Großserie ein erfindungsgemäßer
Heizungswärmetauscher das derzeitige Optimum dar, der in
einem Heiz-Klimagerät mit den Merkmalen der Patentanwendung
DE 10 200 017 567.3 verwendet
wird. Dieser weist bevorzugt ein solches Volumen V_Matrix der von
der Heizungsluft umspülten Wärmetauschermatrix,
einen solchen Mittenabstand der luftseitigen Rippen t_Rippe sowie
einen solchen Mittenabstand der Kühlmittelflachrohre t_Rohr
auf, dass das daraus gebildete spezifische Wärmtauschervolumen V_Spec,
gebildet mit der Gleichung V_Spec = V_Matrix/(t_Rohr + (4·t_Rippe)),
einen unteren Grenzwert von 0,140 m
2 übersteigt.
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5–
7 ordnen
einen solchen Wärmetauscher relativ zu heute am Markt unter
Großserienbedingungen verwendeten Wärmetauschern
ein. Weitere Details hierzu finden sich in der deutschen Patentanwendung
DE 10 200 017 567.3 .
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Besonders
wichtig ist im Hinblick hierauf die Tatsache, dass die vorliegende
Patentanmeldung ein besonders einfach zu fertigendes konkretes Wärmetauscher-Design
schützt und über die für Wasserkästen
sehr ungewöhnliche geringe Bauhöhe hu zusätzlichen
Bauraum für die Maximierung des Wärmetauschermatrixvolumens
liefert.
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Die
Vierstufigkeit mit ihrer besonders hohen Effizienz wird hierdurch
mit besonders geringem Bauaufwand realisierbar. Gleichzeitig bleiben
trotz der Vierstufigkeit Druckreserven für die wärmetauscherinternen
Konstruktionsmerkmale zur Optimierung der Strömungsgleichverteilung.
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Bei
Beachtung der bekannten Richtlinien für die Wärmetauscherentlüftung
kann der erfindungsgemäße Heizungswärmetauscher
in den verschiedensten Einbaulagen verbaut werden, gegebenenfalls
mit zusätzlichen Entlüftungsbohrungen im mm-Bereich.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung, bei dem der Wärmetauscher
beim Ein- und Ausbau parallel zu den Wärmetauscherflachrohren verschoben
wird.
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Ein
solcher Wärmetauscher ist besonders bauraumeffizient, wenn
der Anschlusswasserkasten 201 im eingebauten Zustand den
Einbauschacht für den Ein- und Ausbau des Heizungswärmetauschers verschließt,
insbesondere wenn er dabei zumindest teilweise aus dem Heizklimagerät
herausragt. Der Umlenkwasserkasten 200 und die beiden Heizungswärmetauscherseitenflächen
liegen dabei an den strömungsbestimmenden Innenwänden
des Heizklimagerätes an und/oder sind dort – gegen
Leckageluft an der Wärmetauschermatrix vorbei – abgedichtet. Neben
den Vorteilen beim Ein- und Ausbau und bei der Abdichtung ist bei
dieser Anordnung eine ganz besonders geringe Versperrung der Luftströmung vorhanden,
d. h. der luftseitige Druckverlust ist durch die geringe Bauhöhe
hu des Umlenkwasserkastens 200 und die weitgehend außerhalb
des eigentlichen Luftströmungspfades befindliche Anordnung
des Anschlusswasserkasten 201 besonders gering. Damit wird
die effektive Wärmetauschermatrixgröße
bei vielen fahrzeugtypischen Anwendungen maximal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007017567 [0005, 0007, 0009, 0014, 0017, 0027]
- - DE 10200017567 [0041, 0043, 0044]