Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

DE 102 03 003 A1 beschreibt einen Abgas-Wärmetauscher zur Kühlung ei- nes zu einem Verbrennungsmotor rückgeführten Abgasstroms. Der Wärmetauscher umfasst ein Bündel von Tauscherrohren und einen Bypasskanal, in dem ein gegenüber den Tauscherkanälen erheblich verringerter Wärmeaustausch mit einem den Wärmetauscher durchströmenden Kühlmittel erfolgt. Mittels einer eingangsseitig drehbar gelagerten Stellkiappe kann der Abgas- ström auf Tauscherrohre und Bypasskanal verteilt werden. Die Verstellung der Stellklappe erfolgt mittels einer Unterdruckdose, wobei die Unterdruckdose über Ventile und eine Steuerelektronik in Abhängigkeit von sensorisch ermittelten Steuerdaten angesteuert wird. Eine solche Ansteuerung der Stellklappe ist aufwendig, störanfällig und kostspielig.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem die Verteilung eines Abgasstroms auf Tauscherkanäle und einen Bypasskanal auf zuverlässige und einfache Weise erfolgt.

Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung eines Thermostats zur Verstellung des Stellelements in Abhängigkeit von einer Temperatur des Kühlmittels wird ein kostengünsti- ges und zuverlässiges Bauteil eingesetzt, wobei grundsätzliche eine Veränderung der Tauscherleistung mittels eines Stellelements in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur weitgehend unabhängig von einer Steuerelektronik realisiert ist. Neben niedrigen Kosten ist somit eine hohe Betriebssicherheit gegeben.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Abgasstrom bei einer hohen Temperatur des Kühlmittels durch das Stellelement vorrangig durch den Bypasskanal geleitet und bei einer niedrigen Temperatur vorrangig durch den Tauscherbereich geleitet. Bei einem derartig ausgelegten Wärmetauscher wird die Wärmeenergie des Abgasstroms verwendet, um das Kühlmittel aufzuheizen. Mögliche Anwendungen hierfür sind eine An- kopplung des Abgasstroms an eine Innenraumheizung des Fahrzeugs, ein schnelleres Hochfahren des Fahrzeugsantriebs aus einem kalten Zustand auf Betriebstemperatur und ähnliches. Anwendungen der Abgasrückführung von Verbrennungsmotoren sind bei dieser bevorzugten Ausführung regelmäßig nicht vorgesehen, da hier die Umleitung des Abgasstroms auf den Bypasskanal vorrangig bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen (Kaltstart) erfolgt und eine Umleitung über die Tauscherkanäle bei warmem Kühlmittel (Abgasrückführung nur bei Betriebstemperatur).

Allgemein bevorzugt kann es sich bei der Wärmequelle um eine Brennstoffzelle handeln, insbesondere eine Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Bei dieser Art von Energielieferanten für Fahrzeugantriebe treten heiße Abgasströme auf, die bisher im wesentlichen ungenutzt abgeführt werden. Durch den er- findungsgemäßen Wärmetauscher ist auf einfache und betriebssichere Weise eine Anbindung der Abwärme zum Beispiel einer SOFC an einen Kühlmittelkreis, beispielsweise den Kühlmittelkreis einer Fahrzeugheizung, ermöglicht. Alternativ oder ergänzend kann die Wärmequelle auch ein Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs sein. Insbesondere vorteilhaft ist das Kühlmit- tel dann das Kühlmittel eines Hauptkühlkreislaufs des Verbrennungsmotors.

Grundsätzlich ist unter dem Begriff der Wärmequelle im Sinne der Erfindung jede geeignete in einem Fahrzeug befindliche Wärmequelle gemeint, sofern Bedarf an einer Wärmekopplung zwischen der Wärmequelle und einem insbesondere flüssigen Kühlmittel des Fahrzeugs besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Abgasstrom nach dem Verlassen des Auslassbereichs nicht zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt. Bei einem solchen Einsatz des Wärmetauschers, besteht der Nutzeffekt vorrangig in einer Aufheizung des Kühlmittels und nicht einer Kühlung des Abga- ses, so dass hinsichtlich der Betriebssicherheit vereinfachte und ggf. kostengünstigere Bauformen eingesetzt werden können. Im Vergleich hierzu muss bei Wärmetauschern zur Abgasrückführung die Gefahr eines Kühlmitteleintritts in den Abgasstrom unter allen Umständen vermieden werden, weil dies regelmäßig die sofortige Zerstörung des Verbrennungsmotors nach sich zieht. Insbesondere hinsichtlich der Abdichtung von bewegten Teilen und anderer Schnittstellen zwischen Abgasstrom und Kühlmittelbereich bieten sich somit im Fall der Nicht-Rückführung des Abgases größere konstruktive Freiheiten.

Allgemein bevorzugt sind der Tauscherkanal und der Bypasskanal in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dies ermöglicht eine insgesamt kompakte und kostengünstige Bauweise des Wärmetauschers. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher grundsätzlich nach dem Konzept der Druckschrift DE 102 03 003 A1 aufgebaut. Dieses Grundkonzept betrifft die Bau- weise von Bypasskanal und Tauscherrohren als nebeneinander angeordnete Elemente, die in einem gemeinsamen, von Kühlmittel durchströmten Gehäuse integriert sind sowie die an einer eingangsseitig des Gehäuses angeordnete, drehbar gelagerte Stellklappe. Bezüglich der Art und Funktion des Antriebs der Stellklappe weicht die vorliegende Erfindung von der benannten Druckschrift ab.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Thermostat an einem Gehäuse des Wärmetauschers angeordnet, wobei das Stellglied des Thermostats in einen Außenbereich geführt und vom Außenbereich über eine Durchführung mit dem Stellelement mechanisch verbunden ist. Auf diese Weise ist ein un-

mittelbarer übergang eines beweglichen Teils von dem Kühlmittelbereich in den Abgasbereich vermieden. Insbesondere bei Einsatz des Wärmetauschers im Zuge einer Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor ist so auf einfache Weise die Gefahr eines Wassereintritts in den Ansaugbereich des Verbrennungsmotors erheblich reduziert.

Allgemein vorteilhaft sind im Sinne eines schnellen Ansprechens des Wärmetauschers auf geänderte Temperaturen Teile des Thermostats von dem Kühlmittel umströmt. In bevorzugter Ausführung wird die Bewegung des Stellglieds des Thermostats dabei mittels einer elastischen, insbesondere metallischen Membran kühlmitteldicht übertragen. Eine solche Membran, die z. B. auch als Well- oder Faltenbalg ausgebildet sein kann, übt im wesentlichen die gleiche Funktion wie eine in einer Durchführung gleitgedichtete Stange aus, wobei die Zuverlässigkeit der Abdichtung insbesondere zwi- sehen Kühlmittelbereich und Abgasbereich verbessert ist.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist durch eine temperaturabhängige Bewegung des Stellglieds des Thermostats ein Durchfluss des Kühlmittels durch den Tauscherbereich einstellbar. Besonders vorteilhaft umfasst dabei das Stellglied einen linear beweglichen Ventilschieber, wobei ein Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel in Abhängigkeit von einer Position des Ventilschiebers veränderlich ist. So kann das in dem Wärmetauscher vorhandene Kühlmittelvolumen je nach Betriebsbedingungen ohne Umwälzung aufgeheizt werden, was einen Wärmespeicher darstellt. Beispielsweise kann das Kühlmittel Bestandteil einer Fahrzeugheizung sein, welche durch das so geschaffene Wärmereservoir bei plötzlicher Anforderung einer Heizleistung eine erhöhte Wärmemenge zur Verfügung stellen kann. Die Ansteuerung des Kühlmitteldurchflusses und die Einstellung des Stellelements können je nach Anforderungen bezüglich einer Bewegung des Stellglieds verzö- gert zueinander erfolgen. Die Reihenfolge der Betätigung in Abhängigkeit vom Temperaturverlauf des Kühlmittels kann dabei von den jeweiligen Anforderungen abhängen. Allgemein kann eine solche verzögerte Betätigung auf einfache Weise durch einen zweistufigen Kolben des Stellglieds, einen verzögert betätigten Mitnehmer oder andere bekannte mechanische Lösun- gen erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann der Durchfluss des Kühlmittels

durch den Tauscherbereich auch mittels einer von dem Thermostat unabhängig steuerbaren Absperrung, insbesondere mittels eines zweiten Ther- mostats, einstellbar sein. Bei zumeist erhöhtem baulichen Aufwand bietet eine solche Lösung eine größere Flexibilität bei der separaten Steuerung von Abgasstrom und Kühlmittelfluss.

In einer kostengünstigen und zuverlässigen Ausführungsform umfasst der Thermostat ein Dehnstoffelement. Hierbei ist bevorzugt zwischen dem Dehnstoffelement und dem Kühlmittel eine durchgängig starre Wand vorge- sehen. Insbesondere Dehnstoffelemente lassen sich bei zugleich großer Kontaktfläche zum schnellen Wärmeaustausch in einer geschlossenen Hülse kapseln. In beispielhafter Ausführung kann diese Hülse zugleich eine hermetische Trennung ohne Gleitdichtung zwischen dem Kühlmittelbereich und dem Außenbereich oder dem Abgasbereich darstellen, also ein gekap- seltes Gehäuse innerhalb des vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauschergehäuses. Grundsätzlich kann ein Thermostat im Sinne der Erfindung auch auf Basis von Bimetallelementen, Memorymetallen oder anderen bekannten Realisierungen von mechanischen Thermostaten aufgebaut sein. Vorteilhaft ist es vorgesehen, dass der Thermostat eine elektrische Ansteuerung umfasst, wobei eine Regelcharakteristik des Thermostats durch die e- lektrische Ansteuerung veränderbar ist. Hierunter sind u. a. sogenannte Kennfeld-Thermostate zu verstehen, bei denen ein herkömmlicher, z. B. mit einem Wachs-Dehnstoffelement versehener mechanischer Thermostat eine zusätzliche elektrische Heizeinrichtung aufweist, mittels der gezielt Wärme in das Dehnstoffelement einbringbar ist. Hierdurch lässt sich der Ansprechpunkt und die Regelcharakteristik des Thermostats durch die zusätzliche lokale, elektrisch steuerbare Wärmequelle beeinflussen. Zum Beispiel kann hierdurch eine besonders frühzeitige Reaktion auf veränderte Betriebsbedin- gungen eines Verbrennungsmotors, beispielsweise schnelle Freigabe von Kühlmittel aufgrund plötzlichem Volllastbetrieb, erzielt werden, wogegen die thermische Reaktion des Kühlmittels erst deutlich später erfolgen würde.

In einer einfachen und kostengünstigen Bauform umfasst das Stellelement bevorzugt eine drehbar gelagerte Stellklappe.

Zur Sicherstellung einer zuverlässigen Funktion ist die Verstellung des Stellelements in zumindest einer Richtung durch eine Feder kraftbeaufschlagt. Hierdurch ist insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass Ther- mostate bauartbedingt zumeist in einer Bewegungsrichtung eine größere Kraft aufbringen können als in der anderen Bewegungsrichtung. Dies gilt insbesondere für Thermostate mit Dehnstoffelement, bei denen in Ausdehnungsrichtung des Dehnstoffs regelmäßig eine größere Kraft ausübbar ist als in der Gegenrichtung, in der die Kraft durch einen Außendruck begrenzt ist.

Bei einer einfachen, raumsparenden und kostengünstigen Bauweise eines Wärmetauschers sind der zumindest eine Tauscherkanal und der Bypasska- nal in einem gemeinsamen, von dem Kühlmittel durchströmbaren Gehäuse angeordnet, wobei Bypasskanal und Tauscherkanal endseitig in gemeinsamen, das Gehäuse begrenzenden Kopfstücken aufgenommen sind. Zu einer solchen Bauweise wird beispielhaft auf die bereits genannte DE 102 03 003 A1 verwiesen.

Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfin- dungsgemäßen Wärmetauschers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauschers mit zwei Thermostaten.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Wärmetauschers. Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Wärmetauschers. Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Wärmetauschers in einer Draufsicht von der Seite.

Fig. 6 zeigt den Wärmetauscher aus Fig. 5 in einer Draufsicht von oben. Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Wärmetauschers. Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform eines Wärmetauschers.

Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher umfasst einen Tauscherbereich 1 , in dem zumindest ein, regelmäßig jedoch eine Mehrzahl von Tauscherkanälen zur Durchleitung eines Abgasstroms angeordnet ist. Parallel zu den Tauscherkanälen ist ein Bypasskanal 2 angeordnet, wobei der Abgasstrom, der in Fig. 1 bis Fig. 4 durch breite Pfeile symbolisiert ist, sowohl durch den By- passkanal 2 als auch durch die Tauscherkanäle 1 strömen kann. Zumindest die Tauscherkanäle 1 sind von einem flüssigen Kühlmittel umströmt, das ü- ber einen Einlass 3 in ein Gehäuse des Wärmetauschers einfließt und über einen Auslass 4 aus dem Gehäuse austritt.

Ein Stellelement 5 ist in einem vorliegend auslassseitigen Bereich 6 des Abgasstroms angeordnet und als über eine Drehwelle 7 drehbar gelagerte Stellklappe ausgebildet. Ein Thermostat 8 ist an dem Gehäuse des Wärmetauschers angeordnet und steht in thermischem Austausch mit dem Kühlmittel. Ein Stellglied 9 des Thermostats 8 ist über einen Hebel 10 mechanisch mit der Drehwelle 7 der Stellklappe 5 verbunden, so dass eine durch das Thermostat 8 bewirkte Bewegung des Stellglieds 9 eine Verstellung des Stellelements 5 bewirkt. Je nach Stellung des Stellelements 5 wird der Abgasstrom vorrangig durch die Tauscherkanäle oder vorrangig durch den Bypasskanal 2 geleitet. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung wird der Abgas- ström ausschließlich durch den Bypasskanal 2 geleitet. Es versteht sich, dass das Stellelement 5 auch in einem Einlassbereich des Wärmetauschers angeordnet sein kann.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt eine Erwärmung des Kühlmit- tels zu einer Ausdehnung eines nicht dargestellten Dehnstoffelements in dem Thermostat 8, wodurch das stangenartige Stellglied 9 aus dem Thermostat 8 herausgeschoben wird. Eine Erwärmung des Kühlmittels führt somit zu einer Verstellung des Stellelements 5 im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 1 und somit zu einer Durchleitung des Abgasstroms durch den Tauscherbereich 1 und die nicht im einzelnen dargestellten Tauscherkanäle. Bei vollständiger

Verstellung der Stellklappe strömt der Abgasstroms nur noch durch die Tauscherkanäle. Bei dieser Funktionalität kann der Wärmetauscher nach Fig. 1 z. B. als Abgaskühler für eine Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Bei derartigen Abgaskühlern wird der Bypasskanal zum Beispiel genutzt, um beim Kaltstart des Verbrennungsmotors eine übermäßige Kondensation des Abgases zu vermeiden, wobei eine Abgasrückführung häufig erst bei warmem Motor erfolgt. Durch entsprechend umgekehrte mechanische Anbindung des Thermostats 8 an das Stellelement 5 würde der Abgasstrom bei erwärmtem Kühlmittel vorrangig durch den Bypasskanal ge- leitet werden. Hierdurch wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der das vorrangig im kalten Zustand mittels der Wärme des Abgasstroms aufheizt. Eine solche Anordnung nutzt eine Wärmequelle des Fahrzeugs zur gezielten Aufheizung eines Kühlmittels, beispielsweise einer Heizungsanlage des Fahrzeugs.

Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel eine Abwandlung des Wärmetauschers aus Fig. 1 , bei der ein zweiter Thermostat 11 im Bereich des Kühlmittelaustritts 4 angeordnet ist, durch welchen ein Absperrschieber 12 in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels betätigbar ist. Je nach Stellung des zweiten Thermostats 11 kann der Kühlmittelfluss durch den Tauscherbereich 1 somit unterbunden oder ganz oder teilweise freigegeben werden. Der Absperrschieber 12 ist mit einer Feder 12a versehen. Hierdurch ist zugleich ein überdruckventil im Bereich der Absperrung realisiert, so dass ein unkontrolliertes Sieden des Kühlmittels oder ein übermäßiger Druckan- stieg vermieden wird. Bei der Anordnung zweier Thermostate gemäß Fig. 2 ist es auf besonders einfache Weise ermöglicht, die Verstellung des Stellelements 5 und die Verstellung des Absperrschiebers 12 bezüglich des Temperaturverlaufs verzögert zueinander auszulegen, wobei je nach Anforderungen eine öffnungsreihenfolge beliebig sein kann.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Absperrschieber 12 mit einem Federmittel 12a ebenso wie das Stellelement 5 an nur einen einzigen Thermostat 8 angebunden. Auch hier ist grundsätzlich ein verzögertes Verstellen von Stell-

element 5 und Absperrschieber 12 möglich, was in Fig. 3 durch die Ausformung des Stellglieds 9 als Doppelkolben schematisch dargestellt ist.

In dem vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist an dem Stellelement 5 eine dieses in eine Richtung vorspannende Feder 5a angeordnet, wodurch eine sichere Betätigung des Stellelements in beiden Richtungen gewährleistet ist. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass insbesondere Thermostate mit einem Dehnstoffelement in der einen Betätigungsrichtung eine größere Kraft aufbringen können als in der anderen Betätigungsrich- tung.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen eine fünfte Ausführungsform, bei der der Thermostat 8 in einem eigenen Zusatzgehäuse 13a seitlich an dem Gehäuse 13 des Wärmetauschers angeordnet ist, wobei der Thermostat 8 in ausreichender Weise von dem Kühlmittel umströmt wird. Im Fall des fünften Ausführungsbeispiels ist das Stellelement 5 in einem Einlassbereich 14 des Wärmetauschers angeordnet.

Das Stellglied 9 des Thermostats 8 ist durch eine Wand des Gehäuses 13a gleitgedichtet nach außen geführt, wobei die Gleitdichtung nicht mit dem Kühlmittel in Berührung ist. Hierzu ist ein Dehnstoffelement des Thermostats samt dem Stellglied 9 in einer Hülse aufgenommen, die innenseitig kühlmitteldicht an dem Thermostatgehäuse 13a festgelegt ist. Das Stellglied 9 führt zunächst in den Außenraum, wobei die über den Hebel 10 angetriebene Drehwelle 7 durch eine Wand in den abgasbeströmten Einlassbereich 14 durchgeführt ist.

Der Wärmetauscher nach Fig. 5 und Fig. 6 ist in detaillierterer Konstruktion insbesondere ein Wärmetauscher, der seiner Bauart nach in der Druckschrift DE 102 03 003 A beschrieben ist, wobei an Stelle einer dort z. B. in Fig. 5a gezeigten Druckdose 65 ein gemäß Fig. 5 und Fig. 6 angeordneter Thermostat 8 vorgesehen ist. Bei einem solchen Wärmetauscher sind eine Mehrzahl von schmalen, als Flachrohre ausgebildeten Tauscherkanälen sowie ein By- passkanal von größerem Querschnitt gemeinsam in endseitigen Kopfstücken verschweißt. Die Kopfstücke nehmen zwischen ihnen eine Gehäusewan-

dung mit Anschlüssen für das Kühlmittel auf. Auf eines der Kopfstücke ist der Aulassbereich aufgeschweißt und auf das andere Kopfstück der Einlassbereich mit der drehbar gelagerten Stellklappe.

Bei der sechsten Ausführungsform nach Fig. 7 handelt es sich bei dem Thermostat 8 im Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 5 um einen sogenannten Kennfeld-Thermostat. Dieser weist ein zusätzliches elektrisches Heizmittel 16 auf, welches über Kontaktdrähte mit einer Steuerelektronik verbunden ist. Durch das elektrische Heizmittel 16 wird ein Dehnstoffelement des Thermostats 8 in überlagerung mit der Temperatur des Kühlmittels be- einflusst, so dass die Regelcharakteristik des Thermostats 8 je nach Betriebsbedingungen und Anforderungen gezielt veränderbar ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist das Stellglied 9 des Thermostats 8 mit einem Ventilschieber 17 versehen. Der Kühlmittelfluss verläuft hier von einem Eintritt 3 an dem Gehäuse 13 durch den Tauscherbereich zu einem Durchtritt 18 von dem Tauscherbereich in das Gehäuse 13a des Thermostats 8. Der Kühlmittelaustritt 4 des Wärmetauschers ist ebenfalls an dem Gehäuse 13a des Thermostats 8 angeordnet, so dass der Kühlmittelstrom den Ventilschieber 17 passieren muss. Je nach Stellung des Ventilschiebers 17 gegenüber einem in dem Gehäuse 13a angeordneten Ventilsitz 19 wird der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher somit geregelt. Je nach Anforderungen ist der Durchgang für das Kühlmittel auch vollständig verschließbar.

Es versteht sich, dass die besonderen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen je nach Anforderungen sinnvoll kombinierbar sind.