DE102012112493A1

DE102012112493A1 - Thermoelektrizitäts-Anordnung für den Einsatz in einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges sowie Kühlsystem mit einer derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnung

Info

Publication number: DE102012112493A1
Application number: DE102012112493.0A
Authority: DE
Inventors: Bastian Freese; Reyk Bienert; Robert Fleischhacker; Maik-Uwe Zillich; Martin Knorr; Markus Rösler; Christian Heneka; Dirk Neumeister
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Behr GmbH and Co KG; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18
Also published as: US20140165596A1; US9829219B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Thermoelektrizitäts-Anordnung für den Einsatz in einem Kühlsystem (4, 6) eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermopaar (8), das ein erstes, wärmeabgebendes Thermoelement (10), ein zweites, wärmeaufnehmendes Thermoelement (12) sowie ein stromdurchflossenes Leiterelement (14) aufweist, wobei das erste Thermoelement (10) in mindestens einem Kühlkreislauf (16, 18, 20) und das zweite Thermoelement (12) in mindestens einem Heizkreislauf (48) angeordnet ist, wobei mindestens zwei Kühlkreisläufe (16, 18, 20) vorgesehen sind, wobei eine erste Verbindungsleitung (22) vorgesehen ist, in der das erste Thermoelement (10) angeordnet ist und die über Ventilanordnungen (24, 26; 28, 30; 32, 34) eingangs- und ausgangsseitig vom ersten Thermoelement mit den jeweiligen Kühlkreisläufen (16, 18, 20) fluidisch verbunden ist. Des Weiteren wird ein Kühlsystem mit einer derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermoelektrizitäts-Anordnung für den Einsatz in einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermopaar, das ein erstes, wärmeabgebendes Thermoelement, ein zweites, wärmeaufnehmendes Thermoelement sowie ein stromdurchflossenes Leiterelement aufweist, wobei das erste Thermoelement in mindestens einem Kühlkreislauf und das zweite Thermoelement in mindestens einem Heizkreislauf angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kühlsystem mit einer derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnung.
Thermoelektrizitäts-Anordnungen zum Einsatz in Kühlsystemen von Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 2 292 454 A1 einen Kühlkreislauf für einen Elektromotor mit einer Thermoelektrizitäts-Anordnung, die ein Peltier-Element aufweist. Optional zur Kühlung eines Energiespeichers kann eine weitere Thermoelektrizitäts-Anordnung mit einem weiteren Peltier-Element vorgesehen sein. Es sollte deutlich sein, dass ein Einsatz einer größeren Anzahl von derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnungen einen hohen Herstellungsaufwand, was sowohl die Montage als auch die Kosten betrifft, verursacht.
Ziel der Erfindung ist es daher, eine Thermoelektrizitäts-Anordnung bzw. ein Kühlsystem mit einer derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnung bereitzustellen, die den oben genannten Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens zwei Kühlkreisläufe vorgesehen sind, wobei eine erste Verbindungsleitung vorgesehen ist, in der das erste Thermoelement angeordnet ist und die über Ventilanordnungen eingangs- und ausgangsseitig vom ersten Thermoelement mit den jeweiligen Kühlkreisläufen fluidisch verbunden ist. Auf diese einfache und kostengünstige Weise ergibt sich die Möglichkeit, eine Thermoelektrizitäts-Anordnung für verschiedene Kühlkreislaufe zu nutzen. Auch ist es natürlich möglich, in gleicher Art mehrere Heizkreisläufe an eine derartige Thermoelektrizitäts-Anordnung anzuschließen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Kühlkreislauf stromauf des ersten Thermoelementes über eine erste Anschlussleitung mit einem 2/2-Wege-Ventil verbunden und ist stromab des ersten Thermoelementes eine zweite Anschlussleitung mit einem im Kühlkreislauf angeordneten 3/2-Wege-Ventil verbunden. Hierdurch ist für jeden Kühlkreislauf auf einfache Weise eine Durchströmung des ersten Thermoelementes, aber auch eine Bypassierung des ersten Thermoelementes realisierbar.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Heizkreislauf eine zweite Verbindungsleitung mit dem zweiten Thermoelement aufweist, eine Bypassleitung vorgesehen ist, die von der zweiten Verbindungsleitung stromauf des zweiten Thermoelementes abzweigt und über ein 3/2-Wege-Ventil mit der zweiten Verbindungsleitung stromab des zweiten Thermoelementes verbunden ist.
In besonders vorteilhafter Weise ist das Thermopaar als Peltier-Element ausgeführt.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Kühlsystem mit einer derartigen Thermoelektrizitäts-Anordnung, wobei ein erster Kühlkreislauf zur Kühlung eines Elektroantriebes und gegebenenfalls einer zugeordneten Leistungselektronik vorgesehen ist, wobei ein zweiter Kühlkreislauf zur Kühlung einer Hochvoltbatterie vorgesehen ist und wobei ein dritter Kühlkreislauf für einen Außenluft-Wärmeaustausch vorgesehen ist. Hierbei kann in vorteilhafter Weise der erste Kühlkreislauf stromab der Thermoelektrizitäts-Anordnung über eine Ventilanordnung mit einem Kühlkreislauf verbunden sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass auch bei nicht ausreichender Kühlleistung der Thermoelektrizitäts-Anordnung der Elektroantrieb und gegebenenfalls die zugeordnete Leistungselektronik ausreichend gekühlt werden können.
In vorteilhafter Weise kann der Heizkreislauf einen Wärmetauscher für eine Innenraumheizung aufweisen. Hierbei ist es vorteilhaft, beispielsweise bei extrem niedrigen Außentemperaturen, wenn der Heizkreislauf einen Hochvolt-Zuheizer aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Thermoelektrizitäts-Anordnung,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems mit der Thermoelektrizitäts-Anordnung aus 1, und
3 eine alternative Ausführung zum erfindungsgemäßen Kühlsystem aus 2.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Thermoelektrizitäts-Anordnung 2 für den Einsatz in einem Kühlsystem 4 bzw. 6 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeuges. Die erfindungsgemäße Thermoelektrizitäts-Anordnung 2 weist ein Thermopaar 8 auf, das ein erstes wärmeabgebendes Thermoelement 10, ein zweites, wärmeaufnehmendes Thermoelement 12 sowie einen dazwischen angeordneten stromdurchflossenes Leiterelement 14 besitzt. Das Thermopaar 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Peltier-Element ausgeführt. Des Weiteren sind Leitungsteile eines ersten Kühlkreislaufes 16, eines zweiten Kühlkreislaufes 18 und eines dritten Kühlkreislaufes 20 vorgesehen. Das erste Thermoelement 10 ist nun derart, in die Kühlkreisläufe 16, 18, 20 integriert, dass eine Verbindungsleitung 22 vorgesehen ist, die über Ventilanordnungen 24, 26; 28, 30; 32, 34 über jeweilige erste und zweite Anschlussleitungen 36, 38; 40, 42; 44, 46 stromauf und stromab des ersten Thermoelementes 10 mit den jeweiligen Kühlkreisläufen 16, 18, 20 verbunden sind. So zweigt beispielsweise vom ersten Kühlkreislauf 16 eine erste Anschlussleitung 36 ab, die über ein 2/2-Wege-Ventil 24 mit der ersten Verbindungsleitung 22 verbunden ist, so dass der erste Kühlkreislauf 16 in dieser Form fluidisch mit dem ersten Thermoelement 10 verbindbar ist. Stromab des ersten Thermoelementes 10 zweigt wiederum eine zweite Anschlussleitung 38 von der Verbindungsleitung 22 ab, wobei diese Anschlussleitung 38 über ein 3/2-Wege-Ventil wiederum mit dem Kühlkreislauf 16 verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine bedarfsgerechte Durchströmung des ersten Thermoelementes 10 im jeweiligen Kühlkreislauf 16, 18, 20 vorzusehen. Die Anbindung des zweiten Kühlkreislaufes 18 und des dritten Kühlkreislaufes 20 erfolgt entsprechend.
Das zweite Thermoelement 12 ist in einen Heizkreislauf 48 eingebunden, der beispielsweise der Innenraumbenutzung dient. Hierzu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zweite Verbindungsleitung 50 vorgesehen, von der stromauf des zweiten Thermoelementes 12 eine Bypassleitung 52 abzweigt, die über ein 3/2-Wege-Ventil 54 stromab des zweiten Thermoelementes 12 mit der Verbindungsleitung 50 verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, dass im Heizkreislauf 48 das Thermopaar 8 auf einfache Weise bypassiert wird.
2 zeigt nun eine erste Ausführungsform eines Kühlsystems 4 mit der erfindungsgemäßen Thermoelektrizitäts-Anordnung 2. Der Heizkreislauf 48 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf bekannte Weise einen Heizungswärmetauscher 56 sowie eine erste Fluidpumpe 58 auf. Des Weiteren ist auf bekannte Weise ein Hochvolt-Zuheizer 60 vorgesehen, um bei extrem niedrigen Außentemperaturen eine ausreichende Heizungsleistung zu gewährleisten.
Der erste Kühlkreislauf 16 dient der Kühlung eines Elektroantriebes 62 sowie der zugeordneten Leistungselektronik 64. Auch dieser Kühlkreislauf weist auf bekannte Weise eine zweite Fluidpumpe 66 auf. Um eine ausreichende Kühlung des Elektroantriebes 62 und der Leistungselektronik 64 gewährleisten zu können, ist dieser erste Kühlkreislauf 16 über zwei 3/2-Wege-Ventile 68, 70, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem dritten Kühlkreislauf 20 verbunden. Der zweite Kühlkreislauf 18 dient der Kühlung einer Hochvoltbatterie 74 und eines Ladegerätes 78. Auch dieser Kühlkreislauf weist auf bekannte Weise eine dritte Fluidpumpe 80 auf. Des Weiteren besitzt dieser zweite Kühlkreislauf 18 einen Hochvolt-Zuheizer 82, der bei besonders niedrigen Außentemperaturen eine Minimaltemperatur für die Hochvoltbatterie 74 gewährleisten kann. Auf bekannte Weise ist dieser zweite Kühlkreislauf 18 über einen Chiller 84 mit einem vierten Kühlkreislauf 72 verbunden. Dieser vierte Kühlkreislauf 72 kann auch als Kältekreislauf beschrieben werden und weist insbesondere an sich bekannte Ventilanordnungen 86, 88, eine vierte Fluidpumpe/Verdichter 90, einen Verdampfer 92 sowie Kondensatoren 94, 96 auf. Des Weiteren ist ein dritter Kühlkreislauf 20 vorgesehen, der, wie bereits beschrieben, mit dem ersten Kühlkreislauf 16 verbunden ist. Der dritte Kühlkreislauf 20 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Hochtemperaturkühler 98, 100 sowie zugeordnete Lüfter 102, 104 auf, die auf bekannte Weise dem Motorkühlkreislaufsystem zugeordnet sind und einen Wärmeaustausch mit der Außenluft vorsehen. Auch dieser Kühlkreislauf 20 weist eine fünfte Fluidpumpe 106 auf.
3 zeigt nun in schematischer Ansicht ein leicht abgewandeltes Kühlsystem 6 mit der erfindungsgemäßen Thermoelektrizitäts-Anordnung 2. Es wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede zum bereits beschriebenen Kühlsystem 4 eingegangen. Im Wesentlichen wurde im Kühlsystem 6 der Hochvolt-Zuheizer 82 aus 2 weggelassen und die Möglichkeit einer Wärmerückgewinnung über einen im dritten Kühlkreislauf 20 angeordneten Wärmetauscher 108 vorgesehen. Damit eine derartige Wärmerückgewinnung flexibel realisiert werden kann, ist im dritten Kühlkreislauf 20 über eine Ventilanordnung 110 eine Bypassierung der Hochtemperaturkühler 98, 100 vorgesehen.
Es sollte deutlich sein, dass die dargestellten Kühlsysteme lediglich Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Thermoelektrizitäts-Anordnung 2 aufzeigen. Weitere Ausgestaltungen der Kühlsysteme sind denkbar.
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

EP 2292454 A1 [0002]

Claims

Thermoelektrizitäts-Anordnung für den Einsatz in einem Kühlsystem (4, 6) eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermopaar (8), das ein erstes, wärmeabgebendes Thermoelement (10), ein zweites, wärmeaufnehmendes Thermoelement (12) sowie ein stromdurchflossenes Leiterelement (14) aufweist, wobei das erste Thermoelement (10) in mindestens einem Kühlkreislauf (16, 18, 20) und das zweite Thermoelement (12) in mindestens einem Heizkreislauf (48) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kühlkreisläufe (16, 18, 20) vorgesehen sind, wobei eine erste Verbindungsleitung (22) vorgesehen ist, in der das erste Thermoelement (10) angeordnet ist und die über Ventilanordnungen (24, 26; 28, 30; 32, 34) eingangs- und ausgangsseitig vom ersten Thermoelement mit den jeweiligen Kühlkreisläufen (16, 18, 20) fluidisch verbunden ist.
Thermoelektrizitäts-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkreislauf (16, 18, 20) stromauf des ersten Thermoelementes über eine erste Anschlussleitung (36, 40, 44) mit einem 2/2-Wege-Ventil (24, 28, 32) verbunden ist und stromab des ersten Thermoelementes (10) eine zweite Anschlussleitung (38, 42, 46) mit einem im Kühlkreislauf (16, 18, 20) angeordneten 3/2-Wege-Ventil (26, 30, 34) verbunden ist.
Thermoelektrizitäts-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (48) eine zweite Verbindungsleitung (50) mit dem zweiten Thermoelement (12) aufweist, eine Bypassleitung (52) vorgesehen ist, die von der zweiten Verbindungsleitung (50) stromauf des zweiten Thermoelementes (12) abzweigt und über ein 3/2-Wege-Ventil (54) mit der zweiten Verbindungsleitung (50) stromab des zweiten Thermoelementes (12) verbunden ist.
Thermoelektrizitäts-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermopaar (8) als Peltier-Element ausgeführt ist.
Kühlsystem mit einer Thermoelektrizitäts-Anordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kühlkreislauf (16) zur Kühlung eines Elektroantriebes (62) und gegebenenfalls einer zugeordneten Leistungselektronik (64) vorgesehen ist, dass ein zweiter Kühlkreislauf (18) zur Kühlung einer Hochvoltbatterie (74) vorgesehen ist und dass ein dritter Kühlkreislauf (20) für einen Außenluft-Wärmeaustausch vorgesehen ist.
Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (16) stromab der Thermoelektrizitäts-Anordnung (2) über eine Ventilanordnung (68, 70) mit einem Kühlkreislauf (20) verbunden ist.
Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (48) einen Wärmetauscher (56) für eine Innenraumheizung aufweist.
Kühlsystem zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (48) einen Hochvolt-Zuheizer (60) aufweist.