DE102008018644A1 - High-capacity heat exchanger for use in heating and air conditioning device for air conditioning of vehicle compartment of passenger car, has connection water box with central partition line comprising flow transfer between two levels - Google Patents

High-capacity heat exchanger for use in heating and air conditioning device for air conditioning of vehicle compartment of passenger car, has connection water box with central partition line comprising flow transfer between two levels Download PDF

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Abstract

The exchanger has a soldered heat transfer matrix consisting of a coolant-sided flat tubes and airside ribs, and comprising a connection water box (201). A four-stage defined, coolant-transfer space (206sp) is provided between flat channels (206a, 206b, 208sp) and between flat channels (208a, 208b), and is integrated into flat tube channels at a coolant-sided tube ends of the matrix. A central partition line (251) of the connection water box comprises a screen-like flow transfer (213) between two levels, and a coolant cooled in the levels is reduced and homogenized.

Description

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.The The invention relates to a high performance heat exchanger for the air conditioning of the vehicle cabin of passenger cars with Help of the liquid coolant from the cooling circuit the prime mover or other heat sources of the cooling and / or heating circuit.

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. 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.One widespread feature of today's passenger cars is that this particular for diesel vehicles in the heating air conditioner an electric PTC heater for further heating Provide the cabin air heated by the heater core. With identical base heating air conditioner receives the Diesel variant in this approach, a PTC heater and the variant with petrol engine not. At the not insignificant cost saving for the PTC heater is used by most vehicle manufacturers in the diesel variants depending on the vehicle market regarding of the standard heater installation differentiated or a heater is offered only as an option.

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.A whole series of older and newer patent applications of the same Inventor shows ways on how the PTC heater on existing vehicles saved or on future vehicles with improved Motor efficiencies can be avoided. The resulting fuel savings potential are as significant as the associated cost savings.

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.Especially in the application DE 10 2007 017 567.3 In this regard, the inventor of the present invention discloses particularly cost-effective ways of putting this into practice. Of great importance here is to realize heat exchangers that are as efficient as possible, which even deliver a very good heating performance, especially with a relatively small coolant throughput.

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.The Production of such heat exchangers is not quite easy. This is one of the reasons why the Series startup - based on relatively old and in patent applications also in many details published basic knowledge - but completely has significantly delayed.

Die Anmeldung DE 10 2007 017 567.3 offenbart vor diesem Hintergrund großserientaugliche Ausgestaltungen brauchbarer Heizungswärmetauscher, um den PTC-Zuheizer entfallen zu lassen.The registration DE 10 2007 017 567.3 discloses in this context suitable for large-scale designs useful heating heat exchanger to omit the PTC heater.

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.Especially In this case, the space of the PTC auxiliary heater is utilized to a suitable Achieve performance of the heating heat exchanger. simultaneously while the specifications for the coolant and air-side pressure drops z. T. consciously higher Pressure losses postponed as this is typical today.

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.Based on this internal patent state of the art, the object of the present invention is known, known automotive series heating heat exchanger and / or novel automotive heater core with already in the base very high Heizungswärmetauscherwirkungsgrade according to DE 10 2007 017 567.3 to further improve the efficiency in small to medium coolant flow and thus to expand the design margin with respect to the maximum heat output and / or reduce the air-side pressure drop and / or the Heizungswärmetauscherbauraum with the same Heizungswärmetauscherwirkungsgrad and the same coolant side pressure loss.

Die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 löst diese Aufgabe.The Invention according to claim 1 solves this Task.

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.The thus realizable further improvement in heating power leads many times better on vehicle heating performance values than with today's PTC auxiliary heaters. In many cases this is not necessary so that then the new heater core design for Reduction of air-side pressure losses or reduction of installation space can use.

Insbesondere sind die gezeigten Verbesserungen mit minimalem Kostenaufwand realisierbar.Especially the improvements shown are feasible with minimal cost.

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.Essential Here is the understanding of the facts that with the inventive design i. a. associated Increase of the coolant side pressure losses and associated therewith a certain drop in the coolant flow in the Heating branch within certain limits quite significant for improvement of the overall system d. H. Contributes to the effective vehicle heating power.

Im Gegensatz zur DE 10 2007 017 567.3 konzentriert sich die vorliegende Anwendung ausschließlich auf einen 4-stufigen Kreuzgegenstromheizungswärmetauscher.In contrast to DE 10 2007 017 567.3 The present application focuses exclusively on a 4-stage cross countercurrent heat exchanger.

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.This has in comparison to the 3-stage cross countercurrent heat exchanger in addition to the particularly high efficiency in particular manufacturing advantages. In particular, the Umlenkwasserkasten 200. made easier and with less tolerance requirements.

Die Erfindung hat in vielen Punkten Ähnlichkeit mit der noch nicht veröffentlichten DE 10 2008 003 151.8 und löst auch die gleiche Aufgabe. Sie bietet jedoch für manche Hersteller von Heizungswärmetauschern prinzipbedingte Fertigungsvorteile. Dies betrifft insbesondere den Verzicht auf den unteren Wasserkasten und das Potential, die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch bei Plattenwärmetauscherbauweise erfolgreich einzusetzen. Dies ist nicht zuletzt bei sehr großer Stückzahl ein wichtiger Aspekt der hilft, die Kosten weiter zu senken. Darüber hinaus erlauben die neuen Ausgestaltungen der vorliegenden Anmeldung eine weitere Vergrößerung des effektiven Matrixvolumens und/oder eine Absenkung des luftseitigen Druckverlustes.The invention has many similarities with the not yet published DE 10 2008 003 151.8 and also solves the same task. However, it offers principle manufacturing advantages for some manufacturers of heating heat exchangers. This concerns in particular the renouncement of the bottom ren water tank and the potential to successfully use the procedure according to the invention also in plate heat exchanger design. This is an important aspect, not least in the case of very large quantities, which helps to further reduce costs. In addition, the new embodiments of the present application allow a further increase in the effective matrix volume and / or a reduction in the air-side pressure loss.

Auch die neuen Ausgestaltungen liefern wieder zwangsläufig etwas mehr kühlmittelseitigen Druckverlust als ein konventioneller vierstufiger Heizungswärmetauscher mit konventioneller Wasserkastenumlenkung über die ganze Matrixbreite, d. h. ohne die Drossel- und Durchmischungsstelle 213.The new designs again inevitably deliver somewhat more coolant-side pressure loss than a conventional four-stage heating heat exchanger with conventional water-tank deflection over the entire matrix width, ie without the throttle and mixing point 213 ,

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wie bereits auch in der DE 10 2008 003 151.8 beschrieben, dass die Drosselung des Heizungswärmetauscherkühlmittedurchsatzes auf den anwendungsspezifischen Ziel-Kühlmitteldurchsatz durch eine Blende oder ein Überleitungsrohr 213 zwischen Stufe 2 und 3 erfolgt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, 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.It is particularly advantageous, as already in the DE 10 2008 003 151.8 described that the throttling of the heater core cooling air flow rate to the target application specific coolant flow rate through a baffle or transfer tube 213 between level 2 and 3. This results in the advantage that the coolant before or during the transfer from the second to the third heat exchanger stage in this cross-sectional constriction is not only somewhat throttled but inevitably very well mixed.

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.These Measure for throttling and mixing between stage 2 and 3 has a particularly positive effect on the start of the heating heat exchanger with very cold coolant and uneven Aerial exposure, as in this way every single step more homogeneous Having coolant inlet temperatures over the water box width. Boost coolant temperature inhomogeneities less by this measure in cross-countercurrent operation strong from stage to stage, as evading the coolant flow to channels with higher coolant temperature or lower coolant viscosity less is strongly induced.

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.The Coolant side throttle effect of these measures is a desirable side effect in many applications, because they are the coolant temperature spread on the heater core and possibly also increased at the engine and thus - with sufficient Dimensioning of the heating heat exchanger - the Heating improved.

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 gemäß 1 über den Einlass 211, die erste Kreuzstromstufe wird durch die Flachrohrreihe 206 mit den Einzelkanälen 206a und 206b gebildet. Die Umlenkung zur 2. Gegenstromstufe erfolgt innerhalb des Doppelrohres 206 mittels des Übertrittsspaltes 206sp. Am Einfachsten wird dies dadurch bewerkstelligt, dass ein Doppelflachrohr 206 mittels Verschweißens der Trennnaht 206tn bis nahe an das Rohrende gebildet wird. Eine kurze Unterbrechung der Schweißnaht von beispielsweise 10–15 mm Länge bildet dann an jedem einzelnen Doppelflachrohr die Strömungsumlenkung von Stufe 1 nach Stufe 2 bzw. von Stufe 3 nach Stufe 4. Stirnseitig werden die Doppelrohre 206 und 208 durch das Abdeckblech 260 verschlossen.As in 1 and 2 It is particularly advantageous if the overflow from stage 2 to stage 3 does not take place over the entire width of the water box, as is usual today in automotive heater core heat exchangers, but if the entire coolant volume flow is mixed via a common bore or a common connection line for mixing Water box of the next stage is passed. The coolant inflow takes place according to 1 over the inlet 211 , the first cross-flow stage is through the flat tube row 206 with the individual channels 206a and 206b educated. The deflection to the 2nd countercurrent stage takes place within the double tube 206 by means of the crossing gap 206sp , The easiest way to do this is to have a double flat tube 206 by welding the cutting seam 206tn is formed close to the pipe end. A short interruption of the weld, for example, 10-15 mm in length then forms the flow deflection of each single double flat tube from stage 1 to stage 2 or from stage 3 to stage 4. The double tubes are frontally 206 and 208 through the cover plate 260 locked.

Die Überleitung von der zweiten zur dritten Kreuzstromstufe erfolgt über die Verbindungsöffnung 213 in welcher zwangsläufig eine Durchmischung und somit thermische Vergleichmäßigung des Kühlmittels vor der dritten Stufe erfolgt. 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 in den Wasserkasten-Trennwänden 250/252 für einen sicheren Betrieb.The transfer from the second to the third cross-flow stage via the connection opening 213 in which there is inevitably a thorough mixing and thus thermal equalization of the coolant before the third stage. The mixing point 213 is preferred in the water box 201 integrated. It is important that a substantial temperature equalization of the coolant takes place before the third stage. Depending on the mounting position and ventilation requirement, a small additional ventilation hole in the water box partitions may be necessary 250 / 252 for safe operation.

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.In the DE 10 2007 017 567.3 the inventor of the same is disclosed that it is quite cost-efficient and fuel-efficient, contrary to the general assessment of the art, with a suitable system design, the volume of large-volume passenger car heater heat exchangers to increase significantly beyond what is known today.

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.Of the simultaneous transition to 4-cross countercurrent stages instead today a maximum of 2 stages in the car mass production and installation additional throttling points for homogenizing the heat exchanger flow and temperature distribution are further preferred improvement steps. As appropriate vehicle tests show that can be with it i. a. accompanying increase in the pressure loss in the heating branch handle with known engine coolant pump characteristics. This is especially the case because in many applications a reduction of the coolant flow in the heating branch advantageous with such high-performance heat exchangers affects the heating power.

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.The main claim is deliberately directed only to high-performance heat exchangers with a brazed heat transfer matrix, consisting of coolant-side flat tubes and air-side ribs with a plurality in the air flow direction sequentially turbulence produce gender incisions (Louvres), and with exactly four countercurrent cross-flow heat exchangers.

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.Next the 4-stage is the heat exchanger according to the invention characterized in that it has internal design features, the one hand, the coolant-side pressure loss principle increase and thus the coolant throughput in the vehicle Lower, but at the same time by means of mixing between stage 2 and 3 for a reduced efficiency drop at small to ensure medium coolant flow rates.

Ein solches Konstruktionsmerkmal stellt der Überströmkanal 213 dar. Am einfachsten wird dieser durch eine Blendenbohrung 213 im Trennblech 251 dargestellt. Die mittlere Trennebene 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.One such design feature is the overflow channel 213 The easiest way is through a blind hole 213 in the separating plate 251 shown. The middle parting plane 251 the connection water box 201 in this case preferably has an aperture-like flow passage 213 between stage 2 and 3, in which the cooled in the first two stages coolant is throttled and at the same time largely homogenized.

Die Umlenkung zwischen Stufe 1 und 2 sowie zwischen Stufe 3 und 4 am anderen kühlmittelseitigen Rohrende der Wärmetauschermatrix erfolgt ohne Quervermischung innerhalb der einzelnen Doppelflachrohre 206 und 208.The deflection between stages 1 and 2 and between stages 3 and 4 at the other coolant-side pipe end of the heat exchanger matrix is carried out without cross-mixing within the individual double flat tubes 206 and 208 ,

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 Trennebene 251 auf der gegenüberliegenden Seite 301 des Anschlusswasserkastens 201, insbesondere nahe dem am weitesten 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 in 3 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.It is particularly advantageous if, as in 2 and 3 shown by way of example, the inflow connection 211 and the drain connection 212 on the same page 300 the connection water box 201 lie and the flow 213 the dividing plane 251 on the opposite side 301 the connection water box 201 , especially near the furthest from the inflow and outflow ports 211 / 212 removed flat tube of the heat exchanger matrix. This arrangement leads to a particularly good flow uniform distribution to the individual heat exchanger flat tubes. This is partly because of the dynamic pressure in the water tank 201 due to the transverse flow relative to the heat exchanger matrix flat tubes in total over all four stages largely compensated. This is symbolic in 3 by the length of the flow arrows in the water box 201 indicated: On average across all four stages are the same number of long and short arrows, ie matrix Flachrohreintritts- or exit points with increased or reduced dynamic and thus also varying in opposite static pressure.

Um eine gute Durchmischung zwischen Stufe 2 und 3 zu erhalten ist es bei vielen Anwendungen 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.In order to obtain a good mixing between stage 2 and 3, it is particularly advantageous in many applications if the overflow cross section 213 has a flow cross-sectional area equal to or smaller than the flow cross-sectional area of the inflow port 211 is. This additionally ensures that the heat exchanger also causes a minimum throttling of the coolant throughput, which is present in cold as well as in warm coolant, ie the Heizungswärmetauscherdurchfluss varies less depending on the coolant temperature than the heat exchanger without the inventive internal throttling means of Überströmquerschnitts 213 and possibly the small height hu Umlenkwasserkastens.

Zur weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers 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.For further optimization of the heating heat exchanger according to the invention will be at high heating power deficit, the previously unpublished versions according to the German patent application DE 10 200 017 567.3 to make the effective heat exchange matrix as large as possible. Brazed all-aluminum heat exchangers with high packing density of the air-side fins and the coolant-side flat tubes and under significant increase in the matrix volume, including the use of previously provided for the PTC space construction here are significant steps to make the PTC heater in many applications redundant.

Speziell die gute Strömungs- und Temperaturgleichverteilung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und der Gewinn an Matrix-Volumen durch den Entfall des Umlenkwasserkastens liefern dabei zusätzliche Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung des Wärmetauscherwirkungsgrades.specially the good flow and temperature equal distribution of heat exchanger according to the invention and the gain in matrix volume due to the elimination of the Umlenkwasserkastens provide additional options for further Improvement of heat exchanger efficiency.

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 m2 übersteigt.Against this background, in many future vehicle applications in the mass passenger car series, a heater heat exchanger according to the invention represents the current optimum, which in a heating air conditioner with the features of the patent application DE 10 200 017 567.3 is used. It preferably has such a volume V_Matrix of the heat exchanger matrix surrounded by the heating air, such a center distance of the air-side ribs t_Rippe and such a center distance of the coolant flat tubes t_Rohr that the resulting specific heat exchanger volume V_Spec formed with the equation V_Spec = V_Matrix / (t_Rohr + ( 4 · t_Rippe)), exceeds a lower limit of 0.140 m 2 .

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 . 5 - 7 arrange such a heat exchanger relative to today used in the market under high volume conditions heat exchangers. Further details can be found in the German patent application DE 10 200 017 567.3 ,

Besonders wichtig ist im Hinblick hierauf die Tatsache, dass die vorliegende Patentanmeldung ein besonders einfach zu fertigendes konkretes Wärmetauscher-Design schützt und über den Entfall des Umlenkwasserkaästens zusätzlichen Bauraum für die Maximierung des Wärmetauschermatrixvolumens liefert.Of particular importance in view of this is the fact that the present patent application protects a particularly easy to manufacture concrete heat exchanger design and the elimination of Umlenkwasserkaestem additional space for provides the maximization of the heat exchanger matrix volume.

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.The Four-stage with its particularly high efficiency is thereby can be realized with very low construction costs. Stay at the same time despite the four-stage pressure reserves for the heat exchanger internal Design features to optimize flow distribution.

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.at Observe the known guidelines for heat exchanger ventilation can the heater core according to the invention be installed in various installation positions, if necessary with additional vent holes in the mm range.

Ganz besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung, bei dem der Wärmetauscher beim Ein- und Ausbau parallel zu den Wärmetauscherflachrohren verschoben wird. 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. Die Stirnseite 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 den Entfall 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.Especially advantageous is an arrangement in which the heat exchanger is moved parallel to the heat exchanger flat tubes during installation and removal. Such a heat exchanger is particularly space-efficient, if the connection water box 201 in the installed state closes the drive bay for the installation and removal of the heat exchanger, especially if he stands out at least partially from the Heizklimagerät. The end face and the two Heizungswärmetauscherseitenflächen lie on the flow-determining inner walls of the air conditioning unit and / or there - sealed against leakage air to the heat exchanger matrix - sealed. In addition to the advantages in installation and removal and in the sealing a very small obstruction of the air flow is present in this arrangement, ie the air-side pressure drop is due to the elimination of Umlenkwasserkastens 200. and the largely located outside of the actual air flow path arrangement of the connection water box 201 especially low. Thus, the effective heat exchanger matrix size becomes maximum for many typical vehicle applications.

Anstelle zweier Doppelflachrohre kann bei entsprechend großer Stückzahl auch auf eine Plattenbauweise der Flachrohre oder des gesamten Wärmetauschers übergegangen werden.Instead of two double flat tubes can with correspondingly large numbers also transferred to a plate design of the flat tubes or the entire heat exchanger become.

Dabei werden z. B. die Flachrohre 206a, 206b, 208a und 200b mit Trennebenen 206tn und 208tn durch das Zusammenfügen vorgeformter Platten gebildet und die beiden die Vierstufigkeit definierenden Strömungsübertritte 206sp und 208sp dadurch ausgebildet, dass die Trennebenen 206tn und 208tn im Nahbereich der Flachrohrenden zur Strömungsumlenkung für die nachfolgende Gegenstromstufe eine Unterbrechung aufweisen.This z. B. the flat tubes 206a . 206b . 208a and 200b with dividing planes 206tn and 208tn formed by the assembly of preformed plates and the two four-stage flow transitions 206sp and 208sp formed by the dividing planes 206tn and 208tn in the vicinity of the flat tube ends for flow deflection for the subsequent countercurrent stage have an interruption.

Der Anschlusswasserkasten kann dabei analog zu 1 dadurch gebildet werden, dass die einzelnen Flachrohrkanäle in ein entsprechendes Lochbild eines Wasserkastenbodens eingebaut und abgedichtet sind und dass die Trennebenen 250, 251 und 252 mittels Trennblechen und eines Wasserkastendeckels mit den Kühlmittelanschlüssen 211 und 212 gebildet werden.The connection water box can be analogous to 1 be formed by the fact that the individual Flachrohrkanäle are installed and sealed in a corresponding hole pattern of a water tank bottom and that the parting planes 250 . 251 and 252 by means of separating plates and a water box lid with the coolant connections 211 and 212 be formed.

4 und 4a zeigen eine weitere besonders vorteilhafte Augestaltung in Form eines Plattenwärmetauschers. Dabei wird der Anschlusswasserkasten 201 dadurch gebildet, dass die einzelnen Flachrohrkanäle so geformt sind, dass das Zusammenfügen der einzelnen wasserseitigen Wärmetauscherplatten gleichzeitig die Flachrohrkanäle 206a, 206b, 208a, 208b mit deren Übertrittsstellen 206sp und 208sp und die Sammelrohre 201a, 201b, 201c und 201d bilden. Das Sammelrohr 201a dient als Anschluss für den Kühlmittelzufluss, das Sammelrohr 201d als Anschluss für den Kühlmittelabfluss und die Überströmverbindung 213 nimmt die Drosselung und weitgehende Durchmischung des im Sammelrohr 201b gesammelten Kühlmittels der zweiten Gegenstromstufe vor dem Eintritt in das Sammelrohr 201c der dritten Gegenstromstufe vor. Auch hier erfolgt zwischen Stufe 2 und 3 ganz bewusst ein Sammeln des Kühlmittels und ein Durchmischen vor dem Einströmen in die dritte Stufe, um eine gewisse Drosselung und gleichzeitig eine möglichst gute Temperaturgleichverteilung sicherzustellen. 4 and 4a show a further particularly advantageous Augestaltung in the form of a plate heat exchanger. In the process, the connection water box becomes 201 formed by the fact that the individual flat tube channels are shaped so that the joining of the individual water-side heat exchanger plates at the same time the flat tube channels 206a . 206b . 208a . 208b with their crossing points 206sp and 208sp and the headers 201 . 201b . 201c and 201d form. The manifold 201 serves as connection for the coolant inflow, the manifold 201d as connection for the coolant outflow and overflow connection 213 takes the throttling and extensive mixing of the manifold 201b collected coolant of the second countercurrent stage before entering the manifold 201c the third countercurrent stage before. Here too, between stage 2 and 3, deliberately a collection of the coolant and a mixing before flowing into the third stage in order to ensure a certain throttling and at the same time the best possible uniform temperature distribution.

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Claims (9)

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, dadurch gekennzeichnet, dass dieser • eine gelötete Wärmeübertragungsmatrix bestehend aus kühlmittelseitigen Flachrohren und luftseitigen Rippen mit einer Vielzahl in Luftströmungsrichtung nacheinander folgender Turbulenz erzeugender Einschnitte (Louvres) aufweist und • aus genau vier im Kreuzgegenstrom in Reihe geschalteten Kreuzstromwärmetauschern aufgebaut ist und • am ersten kühlmittelseitigen Rohrende der Wärmetauschermatrix einen Anschlusswasserkasten 201 mit Zuflussanschluss 211 und Abflussanschluss 212 für das Kühlmittel aufweist, der durch 3 Trennebenen 250, 251 und 252 zur Ausbildung der Kreuzgegenstromströmung aufgeteilt ist und • am anderen kühlmittelseitigen Rohrende der Wärmetauschermatrix in die einzelnen kühlmittelseitigen Flachrohrkanäle integrierte, die Vierstufigkeit definierende, Kühlmittel-Übertittsspalte 206sp zwischen Flachkanal 206a und 206b sowie 208sp zwischen Flachkanal und 208a und 208b aufweist und • dass die mittlere Trennebene 251 des Anschlusswasserkastens 201 einen blendenartigen Strömungsübertritt 213 zwischen Stufe 2 und 3 aufweist, in welchem das in den ersten beiden Stufen abgekühlte Kühlmittel gedrosselt und gleichzeitig weitgehend homogenisiert wird.High performance heat exchanger for air conditioning the vehicle cabin of passenger cars using the liquid coolant from the cooling circuit of the engine or other heat sources of the cooling and / or heating circuit, characterized in that this • a brazed heat transfer matrix consisting of coolant side flat tubes and air side ribs with a plurality in the air flow direction sequentially the following turbulence-generating incisions (Louvres) and is • constructed of exactly four in cross-countercurrent in series cross-flow heat exchangers and • on the first coolant-side pipe end of the heat exchanger matrix a connection water box 201 with inflow connection 211 and drain connection 212 for the coolant, by 3 parting planes 250 . 251 and 252 for the formation of the cross-countercurrent flow is divided and • on the other side of the coolant pipe end of the heat exchanger matrix integrated into the individual coolant side flat-tube channels, the four-stage defining, coolant Üftittsspalte 206sp between flat channel 206a and 206b such as 208sp between flat channel and 208a and 208b and that • the middle parting plane 251 the connection water box 201 a dazzling flow passage 213 between stages 2 and 3, in which the cooled in the first two stages coolant is throttled and at the same time largely homogenized. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuflussanschluss 211 und der Abflussanschluss 212 auf der gleichen Seite 300 des Anschlusswasserkastens 201 liegen und der Strömungsübertritt 213 der Trennebene 251 auf der gegenüberliegenden Seite 301 des Anschlusswasserkastens 201, insbesondere nahe dem am weitesten von den Zu- und Abflussanschlüssen 211/212 entfernten Flachrohr der Wärmetauschermatrix.Heating heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inflow connection 211 and the drain connection 212 on the same page 300 the connection water box 201 lie and the flow 213 the dividing plane 251 on the opposite side 301 the connection water box 201 , especially near the furthest from the inflow and outflow ports 211 / 212 removed flat tube of the heat exchanger matrix. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Doppelflachrohren 206 und 208 mit Trennnähten 206tn und 208tn aufgebaut ist und die beiden die Verstufigkeit definierenden Strömungsübertritte 206sp und 208sp der einzelnen Flachrohre dadurch ausgebildet werden, dass die Trennnähte 206tn und 208tn im Nahbereich der Flachrohrenden zur Strömungsumlenkung für die nachfolgende Gegenstromstufe eine Unterbrechung aufweisen.Heating heat exchanger according to one of claims 1-2, characterized in that it consists of double flat tubes 206 and 208 with dividing seams 206tn and 208tn is constructed and the two flow transitions defining the frequency 206sp and 208sp the individual flat tubes are formed by the fact that the separating seams 206tn and 208tn in the vicinity of the flat tube ends for flow deflection for the subsequent countercurrent stage have an interruption. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre 206a, 206b, 208a und 200b mit Trennebenen 206tn und 208tn durch das Zusammenfügen vorgeformter Platten gebildet werden und dass die beiden die Vierstufigkeit definierenden Strömungsübertritte 206sp und 208sp dadurch ausgebildet werden, dass die Trennebenen 206tn und 208tn im Nahbereich der Flachrohrenden zur Strömungsumlenkung für die nachfolgende Gegenstromstufe eine Unterbrechung aufweisen.Heating heat exchanger according to one of claims 1-2, characterized in that the flat tubes 206a . 206b . 208a and 200b with dividing planes 206tn and 208tn formed by the joining of preformed plates and that the two of the four-stage defining flow cross sections 206sp and 208sp be formed by the dividing planes 206tn and 208tn in the vicinity of the flat tube ends for flow deflection for the subsequent countercurrent stage have an interruption. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusswasserkasten 201 dadurch gebildet wird, dass die einzelnen Flachrohrkanäle in ein entsprechendes Lochbild eines Wasserkastenbodens eingebaut und abgedichtet sind und dass die Trennebenen 250, 251 und 252 mittels Trennwänden und eines Wasserkastendeckels mit den Kühlmittelanschlüssen 211 und 212 gebildet werden.Heating heat exchanger according to one of claims 1-4, characterized in that the connection water box 201 is formed by the fact that the individual flat tube channels are installed and sealed in a corresponding hole pattern of a water tank bottom and that the parting planes 250 . 251 and 252 by means of partitions and a water box lid with the coolant connections 211 and 212 be formed. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusswasserkasten 201 dadurch gebildet wird, dass die einzelnen Flachrohrkanäle so geformt sind, dass das Zusammenfügen der einzelnen wasserseitigen Wärmetauscherplatten gleichzeitig die Flachrohrkanäle 206a, 206b, 208a, 208b mit deren Übertrittsstellen 206sp und 208sp und die Sammelrohre 201a, 201b, 201c und 201d bilden.Heating heat exchanger according to one of claims 1, 2 and 4, characterized in that the connection water box 201 is formed by the fact that the individual flat tube channels are formed so that the joining of the individual water-side heat exchanger plates at the same time the flat tube channels 206a . 206b . 208a . 208b with their crossing points 206sp and 208sp and the headers 201 . 201b . 201c and 201d form. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr 201a als Anschluss für den Kühlmittelzufluss dient, das Sammelrohr 201d als Anschluss für den Kühlmittelabfluss und dass die Überströmverbindung 213 die Drosselung und weitgehende Durchmischung des im Sammelrohr 201b gesammelten Kühlmittels der zweiten Gegenstromstufe vor dem Eintritt in das Sammelrohr 201c der dritten Gegenstromstufe vornimmt.Heating heat exchanger according to claim 6, characterized in that the collecting pipe 201 serves as a connection for the coolant inflow, the manifold 201d as a connection for the coolant drain and that the overflow connection 213 the throttling and extensive mixing of the manifold 201b collected coolant of the second countercurrent stage before entering the manifold 201c the third countercurrent stage makes. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Heiz-Klimagerät mit den Merkmalen der deutschen Patentanwendung DE 10 200 017 567.3 verwendet wird und insbesondere, dass er 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 aufweist, 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 m2 übersteigt.Heating heat exchanger according to one of claims 1-7, characterized in that it is in a heating air conditioner with the features of the German patent application DE 10 200 017 567.3 and, in particular, that it has such a volume V_Matrix of the heat exchanger matrix surrounded by the heating air, such a center distance of the air-side ribs t_Rippe and such a center distance of the coolant flat tubes t_Rohr that the specific heat exchanger volume V_Spec formed therefrom, formed with the equation V_Spec = V_Matrix / (t_tube + (4 * t_flip)) exceeds a lower limit of 0.140 m 2 . Heizklimagerät mit einem Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusswasserkasten 201 im eingebauten Zustand den Einbauschacht für den Ein- und Ausbau des Heizungswärmetauschers verschließt und insbesondere dass er dabei zumindest teilweise aus dem Heizklimagerät herausragt.Heizklimagerät with a heating heat exchanger according to one of claims 1-8, characterized in that the connection water box 201 when installed, the installation slot for installing and removing the heating heat exchanger ver closes and in particular that he stands out at least partially from the Heizklimagerät.
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