DE102018107513A1 - Method for operating a cooling arrangement - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung (1) für zumindest eine elektrische Komponente (2), wobei die Kühlanordnung (1) zumindest einen von einem Kühlfluid (3) beaufschlagten Kühlkörper (4), einen Wärmeübertrager (5) und eine den Kühlkörper (4) und den Wärmeübertrager (5) verbindende Zuleitung (6) für das Kühlfluid (3) aufweist, wobei der Kühlkörper (4) zur Kühlung der zumindest einen elektrischen Komponente (2) vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager (5) stromaufwärts des Kühlkörpers (4) angeordnet ist; wobei das Kühlfluid (3) eine vorbekannte Verdampfungstemperatur (7) aufweist; wobei das Kühlfluid (3) stromaufwärts des Kühlkörpers (4) in dem Wärmeübertrager (5) erwärmt wird.Method for operating a cooling arrangement (1) for at least one electrical component (2), wherein the cooling arrangement (1) at least one of a cooling fluid (3) acted upon cooling body (4), a heat exchanger (5) and the heat sink (4) and the heat exchanger (5) connecting supply line (6) for the cooling fluid (3), wherein the heat sink (4) for cooling the at least one electrical component (2) is provided, wherein the heat exchanger (5) upstream of the heat sink (4) is; wherein the cooling fluid (3) has a previously known evaporation temperature (7); wherein the cooling fluid (3) is heated upstream of the heat sink (4) in the heat exchanger (5).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung. Die Kühlanordnung ist zur Kühlung zumindest einer elektrischen Komponente vorgesehen, z. B. einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeuges.The invention relates to a method for operating a cooling arrangement. The cooling arrangement is provided for cooling at least one electrical component, for. B. a power electronics of a motor vehicle.
Für elektrische Komponenten können Kühlfluide eingesetzt werden, bei denen die Kühlwirkung durch einen Phasenübergang des Kühlfluids (also z. B. von flüssig zu gasförmig) realisiert wird. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausgestaltung ist, dass ein großer Wärmeübergang zwischen dem verdampfenden Kühlfluid und dem zur Kühlung der elektrischen Komponente vorgesehenen Kühlkörper realisiert werden kann. Weiter kann eine isotherme Verdampfung des Kühlfluids realisiert werden.For electrical components, it is possible to use cooling fluids in which the cooling effect is realized by a phase transition of the cooling fluid (that is to say, for example, from liquid to gaseous). An advantage of such a configuration is that a large heat transfer between the evaporating cooling fluid and the heat sink provided for cooling the electrical component can be realized. Furthermore, an isothermal evaporation of the cooling fluid can be realized.
Aufgrund der gleichbleibenden Temperatur des verdampfenden Kühlfluids entstehen keine (wesentlichen) Temperaturdifferenzen in der zu kühlenden elektrischen Komponente, so dass die Lebensdauer der elektrischen Komponente verlängert werden kann.Due to the constant temperature of the evaporating cooling fluid arise no (significant) temperature differences in the electrical component to be cooled, so that the life of the electrical component can be extended.
Problematisch ist allerdings eine Unterkühlung des Kühlfluids. Dabei findet bei der Wärmezufuhr von der elektrischen Komponente auf das Kühlfluid zuerst eine Erwärmung des flüssigen Kühlfluids, zunächst ohne dessen Verdampfung, statt. Dabei sinkt der Wärmeübergang und es findet eine Temperaturänderung bis zur Verdampfungstemperatur des Kühlfluids statt. Der Vorteil einer Kühlung mit dem verdampfenden Kühlfluid ist dann zumindest eingeschränkt bzw. aufgehoben.However, a problem is a hypothermia of the cooling fluid. In this case, in the heat supply from the electrical component to the cooling fluid first, a heating of the liquid cooling fluid, initially without its evaporation instead. In this case, the heat transfer decreases and there is a temperature change to the evaporation temperature of the cooling fluid instead. The advantage of cooling with the evaporating cooling fluid is then at least limited or canceled.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung vorgeschlagen werden, durch das eine möglichst gleichmäßige Kühlung einer elektrischen Komponente ermöglicht wird.The object of the present invention is at least partially to solve the problems mentioned with reference to the prior art. In particular, a method for operating a cooling arrangement is to be proposed, by which the most uniform possible cooling of an electrical component is made possible.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.To solve these problems, a method with the features according to
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung vorgeschlagen. Die Kühlanordnung ist zumindest einer elektrischen Komponente zugeordnet, z. B. einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeuges. Die Kühlanordnung weist zumindest einen von einem Kühlfluid beaufschlagten Kühlkörper, einen Wärmeübertrager und eine den Kühlkörper und den Wärmeübertrager verbindende Zuleitung für das Kühlfluid auf. Der (mindestens eine) Kühlkörper ist zur Kühlung der zumindest einen elektrischen Komponente vorgesehen (also z. B. in unmittelbarer Nachbarschaft und/oder in wärmeleitender Verbindung zur zumindest einen elektrischen Komponente angeordnet). Der Wärmeübertrager ist stromaufwärts des Kühlkörpers angeordnet. Das Kühlfluid (z. B. Wasser oder Glykol, oder Ähnliches) weist eine vorbekannte Verdampfungstemperatur auf. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Erhöhen einer Temperatur des Kühlfluids durch den Wärmeübertrager auf eine erste Temperatur, die höchstens der Verdampfungstemperatur entspricht, wobei das Kühlfluid nach der Erhöhung der Temperatur in einem flüssigen ersten Zustand vorliegt;
- b) Leiten des Kühlfluids über die Zuleitung zu dem Kühlkörper und Überführen zumindest eines Teils des Kühlfluids in einen dampfförmigen zweiten Zustand.
- a) increasing a temperature of the cooling fluid through the heat exchanger to a first temperature which corresponds at most to the evaporation temperature, wherein the cooling fluid is in a liquid first state after the increase in temperature;
- b) passing the cooling fluid through the supply line to the heat sink and transferring at least a portion of the cooling fluid into a vaporous second state.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Erwärmung des Kühlfluids stromaufwärts des Kühlkörpers. Insbesondere wird das Kühlfluid möglichst nahe an die (unter den vorliegenden Umgebungsbedingungen, also z. B. Druck, etc.) vorbekannte Verdampfungstemperatur erwärmt. Dabei wird insbesondere sichergestellt, dass das Kühlfluid weiterhin in einem flüssigen Zustand vorliegt. Eine teilweise Verdampfung kann aber stattfinden, wobei dadurch die Effizienz der Kühlung einerseits reduziert werden würde, andererseits eine Unterkühlung des Kühlfluids mit höherer Sicherheit verhindert werden kann. Die Verdampfung des Kühlfluids soll dann an bzw. im Kühlkörper erfolgen, wobei durch die Erwärmung des Kühlfluids nahe an die Verdampfungstemperatur eine möglichst sofortige Verdampfung des Kühlfluids nach Beaufschlagung des Kühlkörpers erfolgen soll. Damit kann eine möglichst homogene Abkühlung des Kühlkörpers bzw. der elektrischen Komponente erreicht werden (also eine möglichst geringe Temperaturdifferenz über die durch den Kühlkörper gekühlte Oberfläche der elektrischen Komponente).The proposed method involves heating the cooling fluid upstream of the heat sink. In particular, the cooling fluid is heated as close as possible to the previously known (under the existing ambient conditions, ie, for example, pressure, etc.) evaporation temperature. In particular, it is ensured that the cooling fluid is still in a liquid state. However, a partial evaporation can take place, whereby the efficiency of the cooling would be reduced on the one hand, on the other hand, a supercooling of the cooling fluid can be prevented with greater certainty. The evaporation of the cooling fluid should then take place on or in the heat sink, wherein the heating of the cooling fluid should be effected as close as possible to the evaporation temperature as immediate as possible evaporation of the cooling fluid after acting on the heat sink. In this way, the cooling of the heat sink or of the electrical component which is as homogeneous as possible can be achieved (ie the lowest possible temperature difference over the surface of the electrical component cooled by the heat sink).
Insbesondere liegt die erste Temperatur um maximal 5 Kelvin, bevorzugt maximal 2 Kelvin unterhalb der Verdampfungstemperatur.In particular, the first temperature is at most 5 Kelvin, preferably at most 2 Kelvin below the evaporation temperature.
Besonders bevorzugt liegt die erste Temperatur um maximal 1 Kelvin unterhalb der Verdampfungstemperatur.Particularly preferably, the first temperature is at most 1 Kelvin below the evaporation temperature.
Der Wärmeübertrager kann insbesondere jede Form einer Heizeinrichtung für das Kühlfluid umfassen (z. B. eine elektrische Heizung, einen Wärmetauscher, etc.).The heat exchanger can in particular any form of a heater for the cooling fluid include (eg, an electric heater, a heat exchanger, etc.).
Insbesondere ist der Wärmeübertrager mit dem Kühlkörper zusätzlich über eine Rückleitung verbunden. In dem Wärmeübertrager wird das zu erwärmende und zur Zuleitung strömende Kühlfluid durch das dem Wärmeübertrager über die Rückleitung zugeführte Kühlfluid erwärmt. Als Wärmeübertrager können Gleichstromwärmeübertrager (Kühlfluid in der Zuleitung weist innerhalb des Wärmeübertragers im Wesentlichen die gleiche Strömungsrichtung wie Kühlfluid in der Rückleitung auf) oder auch Gegenstromwärmeübertrager (Kühlfluid in der Zuleitung weist innerhalb des Wärmeübertragers im Wesentlichen die entgegengesetzte Strömungsrichtung wie Kühlfluid in der Rückleitung auf) eingesetzt werden.In particular, the heat exchanger is additionally connected to the heat sink via a return line. In the heat exchanger, the cooling fluid to be heated and flowing to the supply line is heated by the cooling fluid supplied to the heat exchanger via the return line. As a heat exchanger DC heat exchanger (cooling fluid in the supply line has substantially the same flow direction as cooling fluid in the return line within the heat exchanger) or countercurrent heat exchanger (cooling fluid in the supply line has within the heat exchanger substantially the opposite flow direction as cooling fluid in the return line) become.
Insbesondere ist zumindest die Zuleitung zwischen dem zumindest einen Kühlkörper und dem Wärmeübertrager gegenüber einer Umgebung thermisch isoliert ausgeführt, so dass eine erneute Abkühlung des Kühlfluids möglichst weitgehend verhindert wird. Insbesondere erfolgt eine Abkühlung des Kühlfluids während der Durchströmung der Zuleitung und im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühlanordnung um höchstens 1 Kelvin.In particular, at least the supply line between the at least one heat sink and the heat exchanger with respect to an environment designed to be thermally insulated, so that a renewed cooling of the cooling fluid is prevented as much as possible. In particular, a cooling of the cooling fluid takes place during the flow through the supply line and during normal operation of the cooling arrangement by at most 1 Kelvin.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Zuleitung beheizbar ausgeführt. Insbesondere ist eine elektrische Heizung vorgesehen, über welche das die Zuleitung durchströmende Kühlfluid beheizbar ist.According to another embodiment, the supply line is designed to be heatable. In particular, an electric heater is provided, via which the cooling fluid flowing through the supply line can be heated.
Insbesondere kann eine Abkühlung des Kühlfluids während der Durchströmung der Zuleitung und im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühlanordnung komplett verhindert werden. Ggf. ist auch eine weitere Aufheizung des Kühlfluids in der Zuleitung möglich.In particular, a cooling of the cooling fluid during the flow through the supply line and during normal operation of the cooling arrangement can be completely prevented. Possibly. is also possible further heating of the cooling fluid in the supply line.
Insbesondere kann der Wärmeübertrager auch unmittelbar benachbart zum Kühlkörper angeordnet sein, so dass die Zuleitung als Leitung mit bestimmter Länge entfällt. Die Zuleitung bezeichnet insbesondere nur die strömungstechnische Verbindung zwischen Wärmeübertrager und Kühlkörper.In particular, the heat exchanger can also be arranged directly adjacent to the heat sink, so that the supply line is omitted as a line with a certain length. The supply line designates in particular only the fluidic connection between heat exchanger and heat sink.
Insbesondere wird die Kühlanordnung über eine Steuereinheit geregelt, wobei ein Massenstrom des Kühlfluids so geregelt wird, dass das Kühlfluid unmittelbar stromabwärts des Kühlkörpers eine zweite Temperatur aufweist, die höchstens 5 Kelvin, bevorzugt höchstens 2 Kelvin oberhalb der Verdampfungstemperatur liegt.In particular, the cooling arrangement is controlled by a control unit, wherein a mass flow of the cooling fluid is controlled so that the cooling fluid immediately downstream of the heat sink has a second temperature which is at most 5 Kelvin, preferably at most 2 Kelvin above the evaporation temperature.
Bevorzugt wird die Kühlanordnung über eine Steuereinheit geregelt, wobei ein Massenstrom des Kühlfluids in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der zumindest einen elektrischen Komponente geregelt wird.Preferably, the cooling arrangement is controlled by a control unit, wherein a mass flow of the cooling fluid is regulated as a function of at least one operating parameter of the at least one electrical component.
Insbesondere wird eine Wärmeabgabe der zumindest einen elektrischen Komponente in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter berechnet.In particular, a heat output of the at least one electrical component is calculated as a function of the at least one operating parameter.
Ein Betriebsparameter ist z. B. eine an der elektrischen Komponente angelegte elektrische Spannung, ein die Komponente durchströmender elektrischer Strom, eine Dauer der Beaufschlagung mit elektrischer Energie, etc. Insbesondere kann über den mindestens einen Betriebsparameter die Wärmeentwicklung der elektrischen Komponente ermittelt oder sogar prognostiziert werden.An operating parameter is z. As an applied voltage to the electrical component, a component flowing through the electrical current, a duration of exposure to electrical energy, etc. In particular, the heat development of the electrical component can be determined or even predicted on the at least one operating parameter.
Insbesondere kann über die Steuereinheit der Massenstrom (auch im Vorgriff, also eine erforderliche höhere Kühlleistung antizipierend) so geregelt werden, dass eine Erwärmung des Kühlkörpers (bzw. eine Erwärmung der elektrischen Komponente) zumindest weitgehend verhindert werden kann.In particular, the mass flow (also anticipated, ie anticipating a required higher cooling capacity) can be regulated via the control unit so that heating of the heat sink (or heating of the electrical component) can be at least largely prevented.
Die zumindest eine elektrische Komponente kann zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, wobei sich der mindestens eine Betriebsparameter in Abhängigkeit von einem Betrieb des Kraftfahrzeuges verändert.The at least one electrical component can be used to provide an electrical drive power of a motor vehicle, wherein the at least one operating parameter changes depending on an operation of the motor vehicle.
Weiter wird eine Kühlanordnung für zumindest eine elektrische Komponente vorgeschlagen, zumindest aufweisend einen von einem Kühlfluid beaufschlagten Kühlkörper, der zur Kühlung der zumindest einen elektrischen Komponente vorgesehen ist, einen stromaufwärts des Kühlkörpers angeordneten Wärmeübertrager sowie eine den Kühlkörper und den Wärmeübertrager verbindende Zuleitung. Die Kühlanordnung ist mit dem bereits beschriebenen Verfahren betreibbar.Furthermore, a cooling arrangement is proposed for at least one electrical component, at least comprising a cooling body acted upon by a cooling fluid, which is provided for cooling the at least one electrical component, a heat exchanger arranged upstream of the cooling body, and a supply line connecting the cooling body and the heat exchanger. The cooling arrangement can be operated by the method already described.
Weiter wird ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest aufweisend eine elektrische Komponente, die zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges einsetzbar ist. Der Antriebsstrang weist die beschriebene Kühlanordnung für zumindest die eine elektrische Komponente auf.Further, a drive train for a motor vehicle is proposed, at least comprising an electrical component which can be used to provide an electrical drive power of the motor vehicle. The drive train has the described cooling arrangement for at least the one electrical component.
Weiter wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest mit dem beschriebenen Antriebsstrang, der insbesondere eine Antriebseinheit zum Antrieb des Kraftfahrzeuges umfasst.Furthermore, a motor vehicle is proposed, at least with the described drive train, which in particular comprises a drive unit for driving the motor vehicle.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf den Antriebsstrang und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.The remarks on the method are particularly applicable to the drive train and the motor vehicle and vice versa.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. By way of precaution, it should be noted that the numerical terms used here ("first", "second",...) Primarily (only) serve to distinguish a plurality of similar objects, variables or processes, ie in particular no dependence and / or order of these objects, quantities or mandate processes to one another. Should a dependency and / or order be required, this is explicitly stated here or it obviously follows for the person skilled in the art when studying the concretely described embodiment.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das angeführte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind.
Das Kraftfahrzeug
Die Kühlanordnung
In Schritt b) des Verfahrens wird das Kühlfluid
Das Verfahren umfasst die Erwärmung des Kühlfluids
Der Wärmeübertrager
Die Kühlanordnung
Die Kühlanordnung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kühlanordnungcooling arrangement
- 22
- Komponentecomponent
- 33
- Kühlfluidcooling fluid
- 44
- Kühlkörperheatsink
- 55
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 66
- Zuleitungsupply
- 77
- VerdampfungstemperaturEvaporation temperature
- 88th
- erste Temperaturfirst temperature
- 99
- erster Zustandfirst condition
- 1010
- zweiter Zustandsecond state
- 1111
- Rückleitungreturn
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1313
- Massenstrommass flow
- 1414
- zweite Temperatursecond temperature
- 1515
- Betriebsparameteroperating parameters
- 1616
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 1717
- Antriebsstrangpowertrain
- 1818
- Pumpepump
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018107513.8A DE102018107513A1 (en) | 2018-03-28 | 2018-03-28 | Method for operating a cooling arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102018107513.8A DE102018107513A1 (en) | 2018-03-28 | 2018-03-28 | Method for operating a cooling arrangement |
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Publication Number | Publication Date |
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DE102018107513A1 true DE102018107513A1 (en) | 2019-10-02 |
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DE102018107513.8A Pending DE102018107513A1 (en) | 2018-03-28 | 2018-03-28 | Method for operating a cooling arrangement |
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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2018
- 2018-03-28 DE DE102018107513.8A patent/DE102018107513A1/en active Pending
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