-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Wärmeübertragerblock mit einem ersten Fluidkanal für ein Wärmeübertragermedium und einem zweiten Fluidkanal für ein Kühlmittel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus der
DE 10 2011 008 653 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager, beispielsweise ein Chiller, mit einem ersten Fluidkanal und einem davon getrennten zweiten Fluidkanal bekannt. Über eine erste Ein- und Auslastöffnung wird ein erstes Fluid in den ersten Fluidkanal eingeleitet bzw. wieder aus diesem abgeführt. Um nun einen Wärmeübertrager mit möglichst geringem Bauraum und zugleich geringen Herstellungskosten schaffen zu können, ist vorgesehen, die erste Ein- oder Auslassöffnung von einem Tauchrohr zu bilden und durch das Tauchrohr das erste Fluid in den ersten Fluidkanal einzuleiten, so dass die erste Ein- und Auslassöffnung an der gleichen Seite des Wärmeübertragers angeordnet sind.
-
Moderne Kraftfahrzeuge werden aufgrund der zunehmend leistungsstarken elektrischen Verbraucher mit immer stärkeren Batterien ausgerüstet, insbesondere dann, wenn es sich bei diesen Kraftfahrzeugen um sogenannte Hybridfahrzeuge handelt. Um dabei eine möglichst hohe elektrische Leistungsabgabe der Batterie erreichen zu können, werden diese zunehmend temperiert, das heißt bedarfsgerecht gekühlt bzw. erwärmt und dadurch in einem für die optimale Leistungsentfaltung optimalen Temperaturfenster gehalten. In heißen Sommermonaten dient somit die Batterie üblicherweise als Wärmequelle und kann über eine entsprechende Kältemaschine gekühlt werden. Bei niedrigen Außentemperaturen hingegen erfolgt eine Beheizung der Batterie üblicherweise über einen Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs, insbesondere des Hybridfahrzeugs, so dass in diesem Fall die von einer Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme zum Aufheizen der Batterie genutzt werden kann.
-
Nachteilig beim Stand der Technik ist jedoch, dass zur Kühlung bzw. zum Erwärmen der Batterie zwei separate Wärmeübertrager eingesetzt werden, wodurch ein vergleichsweise hoher Montageaufwand, eine erhöhte Teilevielfalt, ein vergrößertes Bauraumvolumen und Gewicht sowie eine deutlich erhöhte Anzahl an Schnittstellen und Leitungen auftreten, was die Temperierung der Batterie vergleichsweise teuer macht.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwei bislang separat angeordnete Wärmeübertrager zur Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug nunmehr erstmals in einen gemeinsamen Wärmeübertrager zu integrieren, wodurch eine Reduzierung der Schnittstellen, eine Reduzierung des Montageaufwandes beim Kunden, eine Reduzierung des Fertigungsaufwands des Wärmeübertragers, eine Reduzierung des erforderlichen Bauraumvolumens und des Gewichts sowie eine Reduzierung der Teilevielfalt erreicht werden kann. Die Erfindung löst dies, indem sie zwei Wärmeübertragerblöcke über eine gemeinsame Verbindungsplatte direkt miteinander verbindet und dadurch die zuvor genannten Vorteile realisiert. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist einen ersten Wärmeübertragerblock mit einem ersten Fluidkanal für ein Wärmeübertragermedium und einen zweiten Fluidkanal für ein Kühlmittel auf. Darüber hinaus ist ein zweiter Wärmeübertragerblock mit einem dritten Fluidkanal für das Wärmeübertragermedium und einem vierten Fluidkanal für ein Kältemittel vorgesehen. Diese beiden Wärmeübertragerblöcke sind dabei erfindungsgemäß über die zuvor erwähnte Verbindungsplatte direkt miteinander verbunden, wobei in der Verbindungsplatte selbst zumindest eine Verbindungsöffnung zwischen dem ersten und dem dritten Fluidkanal vorgesehen ist, so dass beide Wärmeübertragerblöcke nacheinander vom Wärmeübertragermedium durchflossen werden können. Am ersten Wärmeübertragerblock ist darüber hinaus ein mit dem zweiten Fluidkanal kommunizierender Kühlmitteleingang und Kühlmittelausgang sowie ein mit dem ersten Fluidkanal kommunizierender Wärmeübertragermediumeingang vorgesehen, während am zweiten Wärmeübertragerblock ein mit dem vierten Fluidkanal kommunizierender Kältemitteleingang und Kältemittelausgang sowie ein mit dem dritten Fluidkanal kommunizierender Wärmeübertragermediumausgang. Durch die direkte Anbindung der beide Wärmeübertragerblöcke über die dazwischen angeordnete Verbindungsplatte kann insbesondere auf die bislang aufwändige und bauraumintensive sowie teure Leitungsführung zwischen zwei separaten Wärmeübertragern und der zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Batterie verzichtet werden, wodurch Material, Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden können.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Expansionsventil, insbesondere ein elektronisches Expansionsventil, zur Regelung eines Massenstroms des Kältemittels vorgesehen, wobei dieses Expansionsventil vorzugsweise direkt am Kältemitteleingang des zweiten Wärmeübertragerblocks angeordnet werden kann. Das Expansionsventil weist dabei eine lokale Verengung auf, wodurch es den Druck des durchfließenden Kältemittels vermindert und damit eine Volumenzunahme bzw. Expansion bewirkt. Im vorliegenden Fall ist dabei das Expansionsventil in einen Kältemittelkreislauf eingesetzt und reduziert dort den Druck des Kältemittels, das üblicherweise als nahezu siedende Flüssigkeit in das Expansionsventil eintritt. Hier erfährt es eine Zustandsänderung, wobei ein Teil des Kältemittels beim Durchgang verdampft, während der andere Teil im flüssigen Zustand verbleibt. Im sich daran anschließenden vierten Fluidkanal des zweiten Wärmeübertragerblocks kommt es dann zu einem Verdampfen des noch flüssigen Anteils des Kältemittels, wodurch das im dritten Fluidkanal strömende Wärmeübertragermedium abgekühlt wird. Durch ein elektronisches Expansionsventil kann dabei der Kältemittelstrom beispielsweise direkt mit einer Motorsteuerung verbunden und dadurch besonders exakt gesteuert werden, wodurch eine besonders exakte Temperierung einer Batterie möglich ist.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Absperrventil zur Regelung eines Massenstroms des Kühlmittels vorgesehen. Das durch den ersten Wärmeübertragerblock strömende Kühlmittel dient üblicherweise lediglich zum Erwärmen des Wärmeübertragermediums im ersten Fluidkanal und damit zu einem Erwärmen einer Batterie, so dass insbesondere bei hohen Außentemperaturen, bei welchen ein Erwärmen der Batterie kontraproduktiv wäre, ein Durchfluss von Kühlmittel durch den zweiten Fluidkanal des ersten Wärmeübertragerblocks unterbunden werden muss. Hierzu kann beispielsweise in dem mit dem Kühlmitteleingang und dem Kühlmittelausgang kommunizierend verbundenen Kühlmittelkreislauf ein Absperrventil vorgesehen sein, beispielsweise stromauf des Kühlmitteleingangs und/oder stromab des Kühlmittelausgangs des ersten Wärmeübertragerblocks, wobei zur Strömungsunterbrechung üblicherweise ein Absperrventil ausreicht. Durch das Absperren des zweiten Fluidkanals kann somit ein unerwünschtes Aufheizen der Batterie zuverlässig vermieden werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind der erste und der zweite Wärmeübertragerblock als Stapelscheibenkühler mit jeweils mehreren Stapelscheiben ausgebildet, wobei die Stapelscheiben des ersten Wärmeübertragerblocks und die Stapelscheiben des zweiten Wärmeübertragerblocks vorzugsweise baugleich ausgebildet sind. Hierdurch können die Anzahl der Gleichteile erhöht und dadurch die Lager- und Logistikkosten gesenkt werden. Durch die Verwendung baugleicher Stapelscheiben kann zuverlässig eine Fehlmontage verhindert und dadurch die Fertigungsqualität gesteigert werden.
-
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, den zuvor beschriebenen Wärmeübertrager in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug, mit einer aufladbaren Batterie, einem Verbrennungsmotor und einem Kühler zum Kühlen des Verbrennungsmotors einzusetzen. Der Kühlmitteleingang und der Kühlmittelausgang des ersten Wärmeübertragerblocks sind dabei über einen Kühlmittelkreislauf mit dem Kühler verbunden, während der Kältemitteleingang und der Kältemittelausgang des zweiten Wärmeübertragerblocks über einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor und einem Kondensator verbunden sind. Der vierte Fluidkanal innerhalb des zweiten Wärmeübertragerblocks wirkt in diesem Fall als Verdampfer. Durch den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager lassen sich der zur Temperierung der Batterie und damit zum Erreichen der optimalen Leistungsausbeute der Batterie erforderliche Bauraumbedarf sowie die hierfür erforderlichen Kosten deutlich senken, was insbesondere zur besseren Verbreitung derartiger Hybridfahrzeuge einen wichtigen Beitrag leistet.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
-
2 den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einer Einbausituation in einem Kraftfahrzeug.
-
Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als Chiller ausgebildet sein kann, einen ersten Wärmeübertragerblock 2 mit einem ersten Fluidkanal 3 (vergleiche auch 2) für ein Wärmeübertragermedium und einen zweiten Fluidkanal 4 für ein Kühlmittel auf. Darüber hinaus besitzt der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 einen zweiten Wärmeübertragerblock 5 mit einem dritten Fluidkanal 6 für das Wärmeübertragermedium und einem vierten Fluidkanal 7 für ein Kältemittel. Die beiden Wärmeübertragerblöcke 2, 5 sind dabei über eine Verbindungsplatte 8 direkt miteinander verbunden, das heißt direkt aneinander angebunden, wobei in der Verbindungsplatte 8 zumindest eine Verbindungsöffnung 9 vorgesehen ist, die den ersten Fluidkanal 3 den dritten Fluidkanal 6 kommunizierend miteinander verbindet. Am ersten Wärmeübertragerblock 2 sind darüber hinaus ein mit dem zweiten Fluidkanal 4 kommunizierender Kühlmitteleingang 10 und Kühlmittelausgang 11 sowie ein mit dem ersten Fluidkanal 3 kommunizierender Wärmeübertragermediumeingang 12 vorgesehen, während am zweiten Wärmeübertragerblock 5 ein mit dem vierten Fluidkanal 7 kommunizierender Kältemitteleingang 13 und ein Kältemittelausgang 14 sowie ein mit dem dritten Fluidkanal 6 kommunizierender Wärmeübertragermediumausgang 15 angeordnet sind.
-
Durch die erfindungsgemäße direkte Kopplung der beiden Wärmeübertragerblöcke 2, 5 über die erfindungsgemäß dazwischen angeordnete Verbindungsplatte 8 kann im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem zwei separate Wärmeübertragerblöcke vorgesehen wurden, eine deutliche Reduzierung hinsichtlich erforderlicher Schnittstellen, hinsichtlich eines Montageaufwands beim Kunden, hinsichtlich eines Fertigungsaufwands, hinsichtlich eines Bauraumvolumens und eines Gewichts sowie hinsichtlich der erforderlichen Einzelteile erzielt werden. Besonders der bislang zwischen zwei Wärmeübertragerblöcken erforderliche Leitungsaufwand entfällt ganz.
-
Betrachtet man die 1 und 2 weiter, so kann man erkennen, dass an dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ein Expansionsventil 16 angeordnet ist, welches insbesondere als elektronisches Expansionsventil ausgebildet ist, und eine Regelung eines Massenstroms des Kältemittels ermöglicht. Dieses Expansionsventil 16 ist dabei in einem Kältemittelkreislauf 17 eingebunden, in welchem zusätzlich ein Teil einer Kältemaschine, nämlich ein Kompressor 18, ein Kondensator 19 sowie eine Drossel 20 eingebaut sind. Der zweite Wärmeübertragerblock 5 dient in diesem Fall als Verdampfer.
-
Der erste Wärmeübertragerblock 2 ist mit seinem zweiten Fluidkanal 4 und mit dem Kühlmitteleingang 10 und dem Kühlmittelausgang 11 in einem Kühlmittelkreislauf 21 eingebunden, in welchem zusätzlich ein Kühler 22, insbesondere einer Brennkraftmaschine 23 sowie zumindest ein Absperrventil 24 angeordnet sind. Gemäß der 2 sind dabei zwei Absperrventile 24 eingezeichnet, wobei selbstverständlich lediglich ein einziges davon wirklich erforderlich ist, um eine Strömung im Kühlmittelkreislauf 21 und im zweiten Fluidkanal 4 des ersten Wärmeübertragerblocks 2 abzusperren.
-
Der erste und der zweite Wärmeübertragerblock 2, 5 sind dabei als Stapelscheibenkühler mit jeweils mehreren Stapelscheiben 25 ausgebildet, wobei die Stapelscheiben 25 des ersten Wärmeübertragerblocks 2 und die Stapelscheiben 25 des zweiten Wärmeübertragerblocks 5 vorzugsweise baugleich ausgebildet sind, um die Teilevielfalt und damit verbunden die Lager- und Logistikkosten senken zu können. Der erste und der zweite Wärmeübertragerblock 2, 5 sind darüber hinaus über die Verbindungsplatte 8 miteinander verlötet.
-
Betrachtet man nun die 2, so kann man in dieser ein Kraftfahrzeug 26 mit einer aufladbaren Batterie 27, Brennkraftmaschine 23 sowie dem Kühler 22 zum Kühlen der Brennkraftmaschine 23 erkennen. Der Kühlmitteleingang 10 und der Kühlmittelausgang 11 des ersten Wärmeübertragerblocks 2 sind dabei über den Kühlmittelkreislauf 21 mit dem Kühler 22 verbunden, während der Kältemitteleingang 13 und der Kältemittelausgang 14 des zweiten Wärmeübertragerblocks 5 über den Kältemittelkreislauf 17 mit dem Kompressor 18, dem Kondensator 19 und der Drossel 20 verbunden sind. Bei dem gezeichneten Kraftfahrzeug 26 kann es sich insbesondere um ein sogenanntes Hybridfahrzeug handeln, welches eine vergleichsweise leistungsstarke Batterie 27 aufweist, die nicht nur übliche elektrische Verbraucher an Bord des Kraftfahrzeuges 26 mit elektrischer Energie versorgt, sondern zusätzlich auch einen nicht gezeigten elektrischen Antrieb.
-
Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 lassen sich insbesondere die bislang zum optimalen Temperieren der Batterie 27 erforderlichen Leitungen zwischen zwei separaten Wärmeübertragern gänzlich einsparen, da anstelle dieser separaten Leitungen und anstelle der damit einhergehenden Schnittstellen nunmehr ausschließlich noch die Verbindungsplatte 8 tritt. Dadurch lassen sich sowohl das Gewicht, als auch die Teilevielfalt, das erforderliche Bauraumvolumen und insbesondere auch die Material- und Herstellungskosten erheblich reduzieren. Ist eine Kühlung der Batterie 27 bei beispielsweise heißen Außentemperaturen gewünscht, so wird das Absperrventil 24 betätigt, woraufhin ein Kühlmittelstrom im Kühlmittelkreislauf 21 und damit auch im zweiten Fluidkanal 4 des ersten Wärmeübertragerblocks 2 zum Erliegen kommt. In diesem Fall wird das im Wärmeübertragermediumkreislauf 28 strömende Wärmeübertragermedium ausschließlich im zweiten Wärmeübertragerblock 5 durch das dort verdampfende Kältemittel gekühlt. Bei vergleichsweise geringen Außentemperaturen, beispielsweise in einem Winterbetrieb, kann das Expansionsventil 16 geschlossen und das Absperrventil 24 geöffnet werden, so dass die von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abwärme über den Kühlmittelkreislauf 21 an den ersten Wärmeübertragerblock 2 übertragen und von dort an das im ersten Fluidkanal 3 strömende Wärmeübertragermedium transferiert werden kann. In dieser Weise kann somit ein Beheizen bzw. Erwärmen der Batterie 27 erfolgen, so dass diese mittels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 sowohl bei kalten als auch bei heißen Außentemperaturen in einem vordefinierten Temperaturfenster bzw. Temperaturbereich gehalten werden kann, in welchem eine optimale Leistung erwartet werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011008653 A1 [0002]
