DE4440970C2 - Mehrkanalige Wärmetauscheranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrkanalige Wärmetauscher­ anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere in Form einer Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges.

In der Patentschrift DE 36 34 908 C2 ist ein mehrkanaliges taktge­ steuertes Heizungssystem eines Fahrzeuges beschrieben, bei dem verschiedene Fahrzeugkabinenbereiche durch einen geteilten Wär­ metauscher unterschiedlich beheizt werden können. Der Wärmetau­ scher besitzt eine Zuflußöffnung für den Hauptfluidkreislauf und getrennte Auslauföffnungen für die anschließenden Teilfluid­ kreisläufe, in denen jeweils ein Taktventil angeordnet ist und die sich strömungsabwärts von den Ventilen wieder zu dem gemein­ samen Hauptfluidkreislauf vereinigen. Auf diese Weise können z. B. die Fahrer- und die Beifahrerseite des Fahrzeugs mit unter­ schiedlich temperierter Frischluft versorgt werden, indem die zugehörigen Luftströmungen an verschiedenen der abgeteilten Wär­ metauscherbereiche vorbeigeführt werden. Die Taktung der Ventile erfolgt bei diesem bekannten Heizungssystem mit einer gemeinsa­ men Taktperiode sowie dadurch, daß alle Ventile jeweils gleich­ zeitig in ihre Offenstellung gesteuert und anschließend zu einem für den entsprechenden Teilfluidkreislauf passenden Zeitpunkt wieder in ihre Geschlossenstellung umgeschaltet werden. Dabei wird die Öffnungsdauer jedes Taktventils abhängig von den Öff­ nungsdauern der anderen Taktventile so eingestellt, daß die zum betreffenden Teilfluidkreislauf gehörige Fluiddurchflußmenge un­ abhängig von den Stellungen der anderen Taktventile möglichst unverändert bleibt.

Eine solche synchrone Ventilansteuerung, bei der jeweils alle Ventile gleichzeitig getaktet in ihre Öffnungsstellung gesteuert werden, kann in manchen Anwendungsfällen zu unerwünschten Effek­ ten führen. Zum Beispiel kann es beim Einsatz in einer Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges im Fall von Gasverunreini­ gungen des vom Verbrennungsmotor abgezweigten Heizwassers bei kleinen Ventilöffnungszeiten zu einer unbeabsichtigten asymme­ trischen Temperaturverteilung durch ungleiche Aufteilung des Heizwasserstromes zwischen linker und rechter Wärmetauscherseite kommen. Etwaige einseitige Verunreinigungen des Heizungswärme­ tauschers mit Gas oder Luft können zudem bei kleinen Ventilöff­ nungszeiten kaum ausgespült werden. Der Mehrfachimpuls zum Öff­ nen der Ventile kann außerdem ein im Fahrzeuginnenraum störendes Klopfgeräusch verursachen, insbesondere wenn dadurch bei glei­ cher Solldurchflußmenge in den Teilfluidkreisläufen auch alle Ventilkörper gleichzeitig geschlossen werden und folglich simul­ tan auf ihren jeweiligen Dichtflächen aufschlagen.

Bei einer aus der Offenlegungsschrift DE 39 16 166 A1 bekannten Heizungsanlage für Kraftfahrzeuge mit einem funktionell dreige­ teilten Wärmetauscher werden zwei Ventile, von denen das eine die Durchflußmenge im ersten Wärmetauscherteil und das andere diejenige im zweiten Wärmetauscherteil bestimmt, nach einem gat­ tungsgemäßen Verfahren getaktet angesteuert, wobei der dritte Wärmetauscherteil immer dann durchströmt wird, wenn der erste und/oder der zweite Wärmetauscherteil durchflossen werden. Dabei werden die beiden Ventile grundsätzlich unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet, wobei ihre Einschaltdauer und Taktfre­ quenz in Abhängigkeit vom eingestellten Temperaturniveau und der tatsächlichen Temperatur festgelegt werden. Bei Bedarf ist es möglich, eine Phasenverschiebung zwischen den Taktzeiten der beiden Taktventile in Abhängigkeit gewünschter Parameter verän­ derlich oder alternativ festbleibend einzustellen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer mehrkanaligen Wärmetauscheranlage der eingangs genannten Art zugrunde, welche die vorstehenden Schwierigkeiten vermeidet und eine zuverlässige komfortable Fluiddurchflußmengenregelung für die mehreren parallelen Teilfluidkreisläufe ermöglicht.

Dieses Problem wird durch eine Wärmetauscheranlage mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ventile der parallelen, end­ seitig in einen gemeinsamen Hauptfluidkreislauf mündenden Teilfluidkreisläufe werden bei dieser Anlage in jeder Betriebs­ art, insbesondere auch unabhängig vom jeweils eingestellten Taktverhältnis, in äquidistanten Zeitabständen zueinander pha­ senverschoben in ihre Öffnungsstellung gesteuert. Dies ermög­ licht einen sehr gleichmäßigen zeitlichen Verlauf der Summe der Fluiddurchflußmengen der verschiedenen Teilfluidkreisläufe und damit im Fall einer Heizungs- oder Klimaanlage die Erzielung ei­ ner sehr symmetrischen Temperaturverteilung, falls gleiche Tem­ peraturen für die Bereiche der einzelnen Teilfluidkreisläufe an­ gestrebt werden. Unterschiedliche Temperaturen lassen sich durch individuelle Veränderung des Taktverhältnisses jedes Ventils einstellen, d. h. die einzelnen Ventile bleiben jeweils während einer individuell festgelegten Zeitdauer geöffnet. Zudem werden durch das phasenverschobene Öffnen der Ventile störende Auswir­ kungen auf das System aufgrund einer ungleichen Fluidverteilung durch mitgeführte Gas- beziehungsweise Luftverunreinigungen im Heizwasser oder aufgrund strömungstechnischer Unregelmäßigkeiten im Zufluß- oder Abflußbereich des Heizungswärmetauschers vermie­ den. Außerdem werden störende Klopfgeräusche aufgrund gleichzei­ tigen Öffnens oder Schließens aller Ventile verhindert, da die Ventile zu verschiedenen Zeitpunkten geöffnet und im allgemeinen auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten wieder geschlossen werden.

Speziell können z. B. zwei Teilfluidkreisläufe vorgesehen sein, deren beiden Ventile um die halbe Taktperiodendauer phasenver­ schoben in ihre Öffnungsstellung gesteuert werden. Solange die Ventile nicht länger als die halbe Periodendauer geöffnet sind, ist zu jedem Zeitpunkt höchstens ein Teilfluidkreislauf geöff­ net. Wenn beide Ventile jeweils länger als die halbe Perioden­ dauer geöffnet bleiben, führt das um die halbe Periodendauer phasenverschobene Öffnen beider Ventile dazu, daß zu jedem Zeit­ punkt höchstens ein Ventil geschlossen ist. Verglichen mit einer synchronen Regelung, bei der zunächst beide Ventile offen und schließlich am Ende einer Periodendauer beide Ventile geschlos­ sen sind, ergibt dieses Vorgehen eine gleichmäßigere Steuerung der Fluiddurchflußmenge, da stets ein Teilfluidkreislauf geöff­ net bleibt, so daß nur geringere Schwankungen der Gesamtfluid­ durchflußmenge durch beide Teilfluidkreisläufe auftreten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein ausschnittweises Blockdiagramm eines links/rechts­ getrennten, wasserseitigen Heizleistungsregelsystems mit zweigeteiltem Heizungswärmetauscher und Doppelwasserven­ til als Teil einer Heizungs- und Klimaanlage eines Fahr­ zeugs und

Fig. 2 bis 4 jeweils ein Paar von Signalverläufen für die Ansteuerung des linksseitigen beziehungsweise des rechtsseitigen Ventilteils des Doppelwasserventils von Fig. 1, wobei jede Ventilseite in den verschiedenen Figuren jeweils mit unterschiedlichem Taktverhältnis angesteuert wird.

Das in Fig. 1 gezeigte Heizleistungsregelungssystem einer Hei­ zungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges beinhaltet als Hauptfluidkreislauf einen Heizwasserkreislauf (1), der sich am Ende eines an der Eintrittseite (11) eines Heizungswärmetau­ schers (10) in zwei parallele Teilkreisläufe für das durchströ­ mende Heizwasser (9) aufteilt. Der Wärmetauscher (10) ist an­ schließend an die Verzweigungsstelle (11) in eine linke Wärme­ tauscherkammer (2) und in eine dazu parallele, getrennte, rechte Wärmetauscherkammer (3) aufgeteilt. Die beiden Kammern (2, 3) besitzen getrennte Austrittsöffnungen, an die zwei getrennte Heizwasserleitungen (4, 5) angeschlossen sind, die zur Eingangs­ seite einer Doppelwasserventilanordnung (6) geführt sind. Die Doppelwasserventilanordnung (6) enthält zwei getrennte Ventile (7, 8), die einzeln elektrisch getaktet ansteuerbar sind und von denen jeweils eines in einer der beiden parallelen, vom Wärme­ tauscher (10) abführenden Heizwasserleitungen (4, 5) liegt. In Strömungsrichtung hinter den beiden Ventilen (7, 8) vereinigen sich diese beiden parallelen Leitungen (4, 5) an einer Vereini­ gungsstelle (12) wieder zu einem gemeinsamen Heizwasserrücklauf (1b), der ebenso wie der in den Wärmetauscher (10) einmündende Heizwasservorlaufbereich (1a) sowie der nicht gezeigte, zwischen Rücklauf (1b) und Vorlauf (1a) befindliche Heizwasserkreislauf­ abschnitt einen Teil des gemeinsamen Heizwasserkreislaufes (1) bildet, der lediglich zwischen Wärmetauschereinlaß (11) und Ver­ einigungsstelle (12) in die beiden parallelen Heizwasser- Teilkreisläufe aufgeteilt ist.

Zur Ansteuerung der beiden Ventile (7, 8) der Doppelwasserven­ tilanordnung (6) dient eine Ventilsteuereinheit (13), die zwei getrennte Ausgangssignale (U_L, U_R) für die beiden Ventile (7, 8) erzeugt. Durch geeignete Ansteuerung der beiden Ventile (7, 8) über diese Steuereinheit (13) läßt sich die jeweils gewünschte Heizwasserdurchflußmenge für jeden der beiden Heizwasser- Teilkreisläufe und damit für jede der beiden Wärmetauscherkam­ mern (2, 3) getrennt einstellen. An den Außenseiten der mit Rip­ pen versehenen Wärmetauscherkammern (2, 3) wird in üblicher Wei­ se Luft für den Fahrzeuginnenraum vorbeigeführt, wobei die auf der Fahrerseite auszublasende Luft über die linke Wärmetauscher­ kammer (2) und die beifahrerseitig auszublasende Luft über die rechte Wärmetauscherkammer (3) geführt wird, so daß den beiden Fahrzeuginnenraumbereichen Luft mit einer jeweils gewünschten Temperatur, die sich für die beiden Seiten unterscheiden kann, zugeführbar ist.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 das Ver­ fahren zur Ansteuerung der Ventile (7, 8) der Doppelwasserven­ tilanordnung (6) näher beschrieben. In diesen Figuren sind die Ansteuersignale (U_L, U_R), wie sie von der Ventilsteuerungseinheit (13) generiert werden, jeweils in einem ungefähr zwei Taktperi­ oden langen Zeitfenster in untereinanderstehenden Signalver­ laufsdiagrammen dargestellt, wobei jeweils das obere Diagramm das Ansteuersignal (U_L) für das mit der linken Wärmetauscherkam­ mer (2) verknüpfte Ventil (7) und das untere Diagramm das An­ steuersignal (U_R) für das mit der rechten Wärmetauscherkammer (3) verknüpfte Ventil (8) wiedergibt. Wie aus den Fig. 2 bis 4 wei­ ter hervorgeht, bilden die Ansteuersignale (U_L, U_R) jeweils Rechtecksignale mit gemeinsamer, gleichbleibender Periodendauer (T), wobei die Signale (U_L, U_R) normiert abgetragen sind. Dem Signalwert null entspricht der stromlose, geöffnete Ventilzu­ stand, während dem Signalwert eins der bestromte, geschlossene Ventilzustand entspricht. Die gezeigten Steuersignale unter­ scheiden sich im allgemeinen sowohl innerhalb einer Figur als auch von einer Figur zur anderen durch das jeweilige Taktver­ hältnis, d. h. das Verhältnis der Ventilöffnungsdauer während ei­ nes Ventilöffnungstaktes zur Periodendauer (T). Dabei sind für das mit der linksseitigen Teilkreislaufsteuerung verknüpfte Si­ gnal (U_L) die jeweilige Ventilöffnungsdauer mit t_lo und die Ven­ tilschließdauer mit t_ls bezeichnet, und analog sind für das mit der rechtsseitigen Teilkreislaufsteuerung verknüpfte Ventilan­ steuerungssignal (U_R) die Ventilöffnungsdauer eines Taktes mit t_ro und die Ventilschließdauer eines Taktes mit t_rs bezeichnet. Die Fig. 2 bis 4 veranschaulichen dabei drei unterschiedliche Steuerungszustände des Systems zur Erzielung jeweils gewünschter Zulufttemperaturen für Fahrer- bzw. Beifahrerseite.

Im Zustand von Fig. 2 werden das linksseitige Ventil (7) durch die Steuereinheit (13) mit einem Taktverhältnis von t_lo/T = 5% und das rechtsseitige Ventil (8) mit einem Taktverhältnis von t_ro/T = 15% angesteuert, so daß sich für die rechte Wärmetauscher­ kammer (3) eine etwas größere Heizwasserdurchflußmenge ergibt, was in einer gegenüber der linken Wärmetauscherseite (2) höheren Heizleistung resultiert. Dabei sind die Heizleistungen beider Wärmetauscherkammern (2, 3) und damit die zugeordneten Zuluft­ temperaturerhöhungen aufgrund der niedrigen Taktverhältnisse re­ lativ gering. Wie aus Fig. 2 weiter hervorgeht, werden die bei­ den Ventile (7, 8) der Doppelwasserventilanordnung (6) durch die zugehörigen Ansteuersignale (U_L, U_R) von der Steuereinheit (13) um eine vorgegebene Zeitdauer (dt) phasenverschoben in ihre Öff­ nungsstellung gesteuert, wobei diese Phasenverschiebung vorlie­ gend auf den Wert der halben Periodendauer (T/2) gesetzt ist. Diese Art der phasenverschobenen Ansteuerung der beiden Ventile (7, 8), die in allen Betriebsarten beibehalten wird, wie dies auch in den Fig. 3 und 4 dokumentiert ist, hat im Regelungszu­ stand von Fig. 2 erkennbar die Folge, daß zu keinem Zeitpunkt beide Ventile (7, 8) gleichzeitig geöffnet oder geschlossen wer­ den und daß zu jedem Zeitpunkt höchstens eines der Ventile (7, 8) geöffnet ist. Die Gesamtdurchflußmenge an Heizwasser schwankt dadurch im zeitlichen Verlauf nur zwischen null und der maxima­ len Durchflußmenge eines Teilkreislaufs, ohne daß zusätzlich Zeiträume auftreten, in denen der gesamte Heizwasserfluß der Summe der maximalen Durchflüsse durch beide Teilkreisläufe ent­ spricht, wie dies bei einem gleichzeitigen Öffnen beider Ventile (7, 8) für einen gewissen anschließenden Zeitraum der Fall wäre.

Im Lufttemperaturregelungszustand des Systems, wie er in Fig. 3 illustriert ist, werden beide Ventile (7, 8) von der Steuerein­ heit (13) mit einem Taktverhältnis von t_lo/T = t_ro/T = 50% angesteu­ ert, d. h. beide Ventile (7, 8) sind jeweils für gleich lange Taktdauern (t_lo, t_ls, t_ro, t_rs) geöffnet bzw. geschlossen. Da je­ doch, wie oben bereits gesagt, auch hier die Steuerung der bei­ den Ventile (7, 8) in die Öffnungsstellung um die halbe Peri­ odendauer (dt = T/2) phasenverschoben erfolgt, ist zu jedem Zeit­ punkt eines der Ventile (7, 8) geöffnet und das andere geschlossen, wie dies aus den zeitgleich untereinanderliegenden Diagrammen für das linksseitige (U_L) bzw. das rechtseitige An­ steuerungssignal (U_R) in Fig. 3 deutlich hervorgeht. Dies bedeu­ tet, daß das System für beide Wärmetauscherseiten (2, 3) den halben maximalen Heizwasserdurchfluß bereitstellt, wobei die phasenverschobene Ansteuerung in die Öffnungsstellung in diesem Regelungszustand dafür sorgt, daß erstens der gesamte Heizwas­ serfluß zeitunabhängig auf dem der Durchflußmenge eines Teil­ kreislaufs entsprechenden Wert konstant bleibt und zweitens zu keinem Zeitpunkt beide Ventile gleichzeitig geöffnet und an­ schließend wieder geschlossen werden, sondern stets das eine Ventil mit dem Öffnen des anderen Ventils geschlossen wird.

Im Regelungszustand von Fig. 4 werden das linksseitige Ventil (7) mit einem Taktverhältnis von t_lo/T = 70% und das rechtsseitige Ventil (8) mit einem Taktverhältnis von t_ro/T = 60% angesteuert. Wiederum sind dabei die fallenden Flanken der zugehörigen An­ steuerungssignale (U_L, U_R), mit denen das jeweils zugehörige Ven­ til seinen stromlosen, geöffneten Zustand einnimmt, um den vor­ gegebenen, zeitlichen Versatz (dt) einer halben Periodendauer (dt = T/2) phasenverschoben. Im Regelungszustand von Fig. 4, in welchem beide Ventile (7, 8) länger geöffnet als geschlossen sind, hat diese Maßnahme der phasenverschobenen Ventilöffnung zur Folge, daß zu keinem Zeitpunkt beide Ventile (7, 8) ge­ schlossen sind, wie dies bei einem synchronen Öffnen der Ventile jeweils am Ende einer Taktperiode der Fall wäre. Folglich schwankt der gesamte Heizwasserdurchfluß im Verlauf der Zeit le­ diglich zwischen der maximalen Durchflußmenge eines Teilkreis­ laufs und der Summe der beiden maximalen Durchflußmengen, ohne auf den Wert null abzusinken. Zudem ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß durch diese Ventilansteuerung zu keinem Zeitpunkt beide Ven­ tile (7, 8) gleichzeitig umgeschaltet werden.

Aus der obigen Beschreibung des Ventilansteuerungsverfahrens an­ hand der Fig. 2 bis 4 wird deutlich, daß durch das Verfahren in jedem Regelungszustand des Systems die Ventile der Teilkreisläu­ fe dergestalt phasenverschoben in ihre Öffnungsstellung gesteu­ ert werden, daß der Gesamtfluidfluß des Hauptkreislaufs sehr zu­ verlässig, im zeitlichen Verlauf sehr gleichmäßig und unter Ver­ meidung gleichzeitiger Öffnungsbewegungen mehrerer Ventile auf die Teilfluidkreisläufe aufgeteilt werden kann. Es versteht sich, daß unter Beibehaltung dieser vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens Modifikationen des oben spezi­ ell beschriebenen Verfahrensbeispiels möglich sind. So kann das Verfahren auch für den Fall von mehr als zwei Teilfluidkreisläu­ fen und folglich mehr als zwei Ventilen angewendet werden. Die Öffnungszeitpunkte der einzelnen Ventile sind auch dann so auf­ einander abgestimmt, daß jeweils nach äquidistanten Zeitabstän­ den eines der Ventile geöffnet wird, wobei die geöffneten Venti­ le je nach der geforderten Durchflußmenge im zugeordneten Teilfluidkreislauf wieder geschlossen werden. Bei drei Ventilen erfolgt daher ein sukzessives Öffnen derselben nach jeweils ei­ ner drittel Periodendauer, bei vier Ventilen nach jeweils einer viertel Periodendauer etc. Selbstverständlich ist das Verfahren nicht auf die Anwendung in Heizungs- und Klimaanlagen von Fahr­ zeugen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Hauptfluidkreislauf in einem Abschnitt in mehrere paral­ lele Teilfluidkreisläufe aufgeteilt ist, deren Durchflußmengen separat mit ansteuerbaren Taktventilen regelbar sein sollen.

Claims (1)

1. Mehrkanalige Wärmetauscheranlage, insbesondere Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit

   • 1. - einem Wärmetauscher (10), der in mehrere parallele, ge­ trennte Wärmetauscherkammern (2, 3) aufgeteilt ist,
   • 2. - einem Fluidkreislauf, der eine der Anzahl von Wärmetau­ scherkammern entsprechende Anzahl von parallelen Teilfluidkreisläufen mit zugehörigen Zweigleitungen (4, 5), von denen jede mit der einen Anschlußseite einer zuge­ ordneten Wärmetauscherkammer in Verbindung steht, und ei­ nen gemeinsamen Hauptfluidkreislauf (1) aufweist, der ei­ nerseits über einen gemeinsamen Anschluß (11) mit der an­ deren Anschlußseite der Wärmetauscherkammern und anderer­ seits über eine gemeinsame Vereinigungsstelle (12) mit den Zweigleitungen (4, 5) in Verbindung steht, und
   • 3. - einer der Anzahl von Wärmetauscherkammern entsprechenden Anzahl von Ventilen (7, 8), die mit gemeinsamer Taktperi­ odendauer (T) getaktet ansteuerbar sind, wobei in jeder Zweigleitung (4, 5) eines der Ventile zur Einstellung der Fluiddurchflußmenge angeordnet ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. - die Ventile (7, 8) unabhängig von ihren jeweils eingesteu­ erten Taktverhältnissen stets um eine vorgegebene Zeitdau­ er (dt), die gleich der Periodendauer (T) dividiert durch die Anzahl der Ventile ist, zueinander versetzt in ihre Öffnungsstellung gesteuert werden.