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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei heutigen Kraftfahrzeugen sind insbesondere durch gestiegene Motorleistungen und Emissionsvorgaben hohe Wärmeleistungen über jeweilige Kühlvorrichtungen abzuführen. Durch gesetzliche Vorgaben, zum Beispiel im Bereich Fußgängerschutz, steht für eine leistungsfähige Kühlanlage ein nur geringer Bauraum zur Verfügung. Dadurch stoßen Kühlvorrichtungen heute vermehrt an ihre Grenzen. Entscheidend für eine gute Kühlleistung ist neben einer hinreichend großen Stirnfläche auch eine gute Anströmung der Kühlvorrichtung, insbesondere eines Wärmetauschers dieser, da beispielsweise eine Erhöhung einer Kühlmitteltemperatur bei einem Einsatz von Glykol und Wasser nicht möglich ist.
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Aus der
DE 10 2011 016 070 A1 ist eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einem von einem ersten Arbeitsmedium durchströmbaren ersten Kühlkreislauf bekannt, welcher zumindest einen Kompressor zum Verdichten des ersten Arbeitsmediums und zumindest eine Kühleinheit zum Kühlen des verdichteten ersten Arbeitsmediums aufweist. Ferner weist die Kühlvorrichtung einen zweiten Kühlkreislauf auf, welcher von einem zweiten Arbeitsmedium durchströmt und mit dem ersten Kühlkreislauf über wenigstens einen ersten Wärmetauscher gekoppelt ist. Mittels des Wärmetauschers ist thermische Energie vom zweiten Arbeitsmedium auf das erste Arbeitsmedium übertragbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche eine besonders hohe Kühlleistung und einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine besonders hohe Kühlleistung und einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist, sodass beispielsweise die Kühlleistung bei gleicher Kühlerfläche erhöht werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Kühlkreislauf zur Zirkulation des ersten Arbeitsmediums ausschließlich im gasförmigen Zustand ausgebildet ist. Mit anderen Worten zirkuliert im ersten Kühlkreislauf ein rein beziehungsweise ausschließlich gasförmiges Arbeitsmedium. Der erste Kühlkreislauf ist somit zur Zirkulation des gasförmigen Arbeitsmediums derart ausgebildet, dass an keiner Stelle im ersten Kühlkreislauf gezielt ein Phasenübergang des gasförmigen Arbeitsmediums bewirkt wird.
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Die Kühleinheit des ersten Kühlkreislaufs weist beispielsweise eine Stirnfläche oder Kühlerfläche auf, welche von einem Medium, insbesondere Luft, umströmbar ist. Das erste Arbeitsmedium ist dabei infolge eines Wärmeübergangs von dem ersten Arbeitsmedium über die Kühleinheit an die Luft zu kühlen. Durch den ersten Kühlkreislauf kann nun die Stirnfläche (Kühlerfläche) der Kühleinheit optimal homogen genutzt werden und eine besonders hohe spezifische Kühlleistung kann realisiert werden. Somit wird der Grenzwert für eine realisierbare Kühlleistung nach oben verschoben.
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Um ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem eine besonders hohe Kühlleistung und ein besonders geringer Bauraumbedarf der Kühlvorrichtung realisierbar sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Arbeitsmedium ausschließlich gasförmig durch den ersten Kühlkreislauf zirkuliert.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, jeweils unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung eine Kühlvorrichtung 10 eines Kraftfahrzeugs. Die Kühlvorrichtung 10 weist einen von einem ersten Arbeitsmedium durchströmbaren ersten Kühlkreislauf 12 auf, welcher zumindest einen Kompressor 14 zum Verdichten des ersten Arbeitsmediums und zumindest eine Kühleinheit 16 zum Kühlen des verdichteten ersten Arbeitsmediums aufweist. Ferner weist die Kühlvorrichtung einen von einem zweiten Arbeitsmedium durchströmbaren zweiten Kühlkreislauf 18 auf, welcher mit dem ersten Kühlkreislauf 12 über wenigstens einen ersten Wärmetauscher 22 gekoppelt ist, mittels welchem thermische Energie von dem zweiten Arbeitsmedium auf das erste Arbeitsmedium übertragbar ist.
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Um eine besonders hohe Kühlleistung der Kühlvorrichtung 10 zu realisieren sowie gleichzeitig den Bauraumbedarf der Kühlvorrichtung 10 gering zu halten, ist der erste Kühlkreislauf 12 zur Zirkulation des ersten Arbeitsmediums ausschließlich im gasförmigen Zustand ausgebildet. Aus der Figur ist erkennbar, dass die Kühlvorrichtung 10 als ein zweistufiges Kühlsystem ausgebildet ist. Dabei wird Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 18 mittels des ersten Wärmetauschers 22 in den ersten Kühlkreislauf 12 übertragen. Anschließend wird die Wärme aus dem ersten Kühlkreislauf 12 über die Kühleinheit 16 an die Umgebung abgeführt. Durch die Kühleinheit 16 erfolgt dabei eine Übertragung der Wärme aus dem ersten Arbeitsmedium an Umgebungsluft. Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs der Kühleinheit 16 wird das erste Arbeitsmedium stromauf der Kühleinheit 16 auf ein besonders hohes Temperaturniveau gebracht, indem das erste Arbeitsmedium mittels des Kompressors 14 verdichtet wird. Dadurch wird das Arbeitsmedium erwärmt.
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Um eine besonders vorteilhafte Wärmeübertragung aus dem zweiten Kühlkreislauf 18 in den ersten Kühlkreislauf 12 über den ersten Wärmetauscher 22 zu ermöglichen, wird das erste Arbeitsmedium stromauf des Wärmetauschers 22 gekühlt. Dazu wird das gasförmige erste Arbeitsmedium mittels einer Expansionsvorrichtung 20 vor dem ersten Wärmetauscher 22 entspannt, damit das erste Arbeitsmedium im ersten Wärmetauscher 22 bei niedrigem Druck und Temperatur Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 18 effizient aufnehmen kann. Mit anderen Worten erfolgt in der Expansionsvorrichtung 20 eine Expansion des bereits mittels der Kühleinheit 16 gekühlten ersten Arbeitsmediums.
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Die Kühleinheit 16 ist beispielsweise ein Wärmetauscher, mittels welchem das erste Arbeitsmedium infolge eines Wärmeübergangs von dem ersten Arbeitsmedium über die Kühleinheit 16 an die Kühleinheit 16 umströmenden Luft gekühlt wird. Bei dieser die Kühleinheit 16 umströmenden Luft handelt es sich insbesondere um Fahrtwind, welcher aus einer Fahrt, insbesondere Vorwärtsfahrt, des Kraftfahrzeugs resultiert.
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Bei der Expansionsvorrichtung 20 kann es sich beispielsweise um eine Turbine handeln, welche mittels des ersten Arbeitsmediums angetrieben wird. Dabei erfolgen eine Expansion und somit eine weitere Abkühlung des ersten gasförmigen Arbeitsmediums auf ein Temperaturniveau, welches niedriger als ein stromauf der Turbine (Expansionsvorrichtung 20) herrschendes Temperaturniveau des ersten Arbeitsmediums ist. Durch das Antreiben der Turbine kann im ersten Arbeitsmedium enthaltene Energie genutzt werden, um beispielsweise einen Kompressor anzutreiben. Mit anderen Worten kann wenigstens ein Kompressor vorgesehen sein, welcher von der Turbine antreibbar ist. Mittels des Kompressors kann dann ein Medium, insbesondere ein Gas, verdichtet werden.
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Das erste gasförmige Arbeitsmedium wird mittels des Kompressors 14 stromab des ersten Wärmetauschers 22 verdichtet, wodurch der Druck und die Temperatur des ersten gasförmigen Arbeitsmediums erhöht werden. Für diese Kompression des ersten gasförmigen Arbeitsmediums, wird Energie benötigt. Diese zusätzlich benötigte Kompressionsenergie wird dem Prozess beziehungsweise dem Kompressor 14 zugeführt. Nach der Kompression wird das erste Arbeitsmedium mittels der Kühleinheit 16 gekühlt und strömt dann gekühlt bei hohem Druck und geringerer Temperatur wieder zur Expansionsvorrichtung 20, in der das erste Arbeitsmedium wieder entspannt und noch weiter heruntergekühlt wird. Das heruntergekühlte erste gasförmige Arbeitsmedium kann nun, das heißt nach der Expansionsvorrichtung 20, wieder Wärmemengen auf einem niedrigen Temperaturniveau von dem zweiten Kühlkreislauf 18 aufnehmen, indem von dem zweiten Arbeitsmedium thermische Energie auf das erste Arbeitsmedium mittels des ersten Wärmetauschers 22 übertragen wird.
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Durch die Druckerhöhung im Kompressor 14 und die damit einhergehende Temperaturerhöhung kann ein besonders hoher Temperaturunterschied zwischen dem ersten Arbeitsmedium und der Umgebung beziehungsweise der die Kühleinheit 16 umströmenden Umgebungsluft dargestellt werden, sodass ein besonders hoher Wärmeaustrag aus dem ersten Arbeitsmedium an der Kühleinheit 16 erfolgen kann. Somit ist eine besonders hohe Kühlleistung darstellbar. Gleichzeitig kann eine Stirn- oder Kühlfläche der Kühleinheit 16, welche über die Kühlerfläche von der Umgebungsluft angeströmt wird, besonders gering gehalten werden, sodass auch der Bauraumbedarf der Kühlvorrichtung 10 besonders gering gehalten werden kann. Im Vergleich zu einstufigen Systemen mit nur einem Kühlkreislauf kann durch den besonders hohen Temperaturunterschied somit bei gleicher Kühlerfläche die Kühlleistung erhöht werden. So kann eine Hochleistungskühlung für das Kraftfahrzeug erreicht werden, welche mit geringem und begrenztem Bauraum für die Kühlvorrichtung auskommt beziehungsweise welche bei vorgegebenem geringem Bauraum eine hohe Kühlleistung ermöglicht. Das hat den Vorteil, dass die Kühlung in einem hohen Leistungsbereich für z. B. Sportwagen oder schwere Nutzfahrzeuge sichergestellt werden kann.
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Um sicherzustellen, dass das erste Arbeitsmedium ausschließlich im gasförmigen Zustand im ersten Kühlkreislauf 12 zirkuliert, können weitere, in der Figur nicht gezeigte Komponenten des ersten Kühlkreislaufs 12 vorgesehen sein. Bei einer solchen zusätzlichen Komponente handelt es sich beispielsweise um ein Regelelement für einen Dampfanteil, welches beispielsweise als Druckregler ausgebildet ist. Der Druckregler kann dabei dazu ausgelegt sein, Überdruck im ersten Kühlkreislauf 12 abzulassen oder zu einer Druckerhöhung im ersten Kühlkreislauf 12 (zum Beispiel bei einem Systemstart) beizutragen, indem Luft zur Druckerhöhung zugeströmt wird.
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Neben den gegebenenfalls zusätzlich vorgesehenen Komponenten im ersten Kühlkreislauf 12 können spezielle Anforderungen an das erste gasförmige Arbeitsmedium gestellt werden. Demnach weist das gasförmige Arbeitsmedium vorzugsweise eine hohe spezifische Wärmekapazität auf. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das erste Arbeitsmedium kompressibel ist. Bei dem gasförmigen ersten Arbeitsmedium kann es sich beispielsweise um Dampf handeln. Der Dampfanteil sollte geregelt werden, um eine besonders vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Kühlkreislauf 12 und dem zweiten Kühlkreislauf 18 mittels des ersten Wärmetauschers 22 durch eine möglichst hohe spezifische Wärmekapazität zu erreichen. Für das Wirkprinzip des Kompressors 14, für den Fall, dass als erstes gasförmiges Arbeitsmedium Dampf verwendet wird, sollte das erste Arbeitsmedium kompressibel sein. Ein Vorteil des Arbeitsmediums Dampf ist die gute Technologiebasis der Wärmetauscher im Bereich der Ladeluftkühlung. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragung durch Erreichen eines guten Wärmeverhältnisses Druckverlust/Wärmeübertragung durch entsprechende Turbulenzmaßnahmen erreichen.
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Der zweite Kühlkreislauf 18 weist zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 22 eine Pumpe 26 zur Förderung des zweiten Arbeitsmediums in dem zweiten Kühlkreislauf 18 auf. Der zweite Kühlkreislauf 18 ist dazu ausgelegt, mittels des zweiten Arbeitsmediums Wärme von einer Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Motor, aufzunehmen und diese Wärme mittels des ersten Wärmetauschers 22 an das in dem ersten Kühlkreislauf 12 zirkulierende gasförmige Arbeitsmedium abzugeben. In dem zweiten Kühlkreislauf 18 zirkuliert beispielsweise als das zweite Arbeitsmedium ein flüssiges Kältemittel. Der zweite Kühlkreislauf 18 kann somit als Wasserkühlkreis ausgebildet sein, mittels welchem die Antriebseinheit mittels einer Kühlflüssigkeit in Form des zweiten Arbeitsmediums gekühlt wird.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, kann die Kühlvorrichtung 10 einen dritten Kühlkreislauf 28 aufweisen. Der dritte Kühlkreislauf 28 ist dabei mit dem ersten Kühlkreislauf 12 über einen zweiten Wärmetauscher 30 gekoppelt. Der zweite Wärmetauscher 30 ist – bezogen auf den ersten Kühlkreislauf 12 – stromauf des ersten Wärmetauschers 22 angeordnet. Der dritte Kühlkreislauf 28 kann dazu verwendet werden, Nebenaggregate der Antriebseinheit wie beispielsweise Getriebe, ein Schmiermittel wie Öl für einen Motor und/oder ein Getriebe, Ladeluft, elektrische Komponenten wie einen Elektromotor, eine Leistungselektronik und/oder eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, zu kühlen. Ein solches Nebenaggregat ist in der Figur beispielhaft gezeigt und mit 32 bezeichnet. Der dritte Kühlkreislauf 28 kann dabei eine Pumpe zum Fördern eines dritten Arbeitsmediums und zumindest eine zweite Kühleinheit zum Kühlen des dritten Arbeitsmediums aufweisen. Mit anderen Worten kann mittels der zweiten Kühleinheit Wärme von dem dritten Arbeitsmedium an die Umgebung oder ein weiteres Arbeitsmedium abgegeben werden. Der dritte Kühlkreislauf 28 kann dabei völlig eigenständig mit eigener Pumpe und Kühleinheit betrieben werden. Dadurch ergeben sich auch Vorteile im Bereich einer Niedertemperaturkühlung durch die Nutzung der deutlich höheren Temperaturdifferenz.
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Die Anordnung des zweiten Wärmetauschers 30 direkt hinter, das heißt stromab der Expansionsvorrichtung 20 und vor dem, das heißt stromauf des ersten Wärmetauschers 22 ist vorteilhaft, da hier eine Temperatureinkopplung auf einem niedrigen Temperaturniveau realisiert werden kann, ehe die Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 18 in den ersten Kühlkreislauf 12 eingekoppelt wird. Zusätzlich zu dem dritten Kühlkreislauf 28 können auch die bereits beschriebenen Nebenaggregate über einen eigenen Kühlkreislauf mit eigenen Wärmetauschern mit dem ersten Kühlkreislauf 12 gekoppelt werden, was die Freiheitsgrade weiter erhöht, aber zusätzliche Wärmetauscher nötig macht.
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Anstelle des oder zusätzlich zum dritten Kühlkreislauf 30 kann parallel zum zweistufigen Kühlsystem (erster Kühlkreislauf 12 und zweiter Kühlkreislauf 18) noch ein separater Klimakreis einer Klimatisierungseinrichtung vorgesehen sein, welche auch als HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) bezeichnet wird. Dieser Klimakreis kann mit dem ersten Kühlkreislauf 12 über einen Wärmetauscher gekoppelt sein.
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Der erste Wärmetauscher 22 und der zweite Wärmetauscher 30 sind auf der Seite des ersten Kühlkreislaufs 12 als Gas- oder Luft- oder Dampf-Wärmetauscher und auf der anderen Seite, das heißt auf der Seite des zweiten Kühlkreislaufs 18 beziehungsweise des dritten Kühlkreislaufs 28, als Flüssigkeitswärmetauscher ausgebildet, in dem beispielsweise Wasser oder Öl als das zweite beziehungsweise dritte Arbeitsmedium zirkuliert. Demnach sind die Wärmetauscher 22, 30 für eine Wärmeübertragung von Flüssigkeit zu Gas auszulegen. Ferner ist die Kühleinheit 16, welche als Wärmetauscher ausgebildet sein kann, für eine Wärmeübertragung von Dampf oder Gas zu Gas oder Luft auszulegen. Eine weitere Besonderheit kann bei der Auslegung des ersten Kühlkreislaufs 12 zu beachten sein. Bei der Auslegung des ersten Kühlkreislaufs 12 ist der Volumenstrom des ersten gasförmigen Arbeitsmediums, die Dichtigkeit, sowie die Temperaturfestigkeit zu berücksichtigen. Die Kühlvorrichtung 10 kann für Kraftfahrzeugarten wie beispielsweise konventionelle Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Hybridfahrzeuge mit Verbrennungs- und Elektromotoren und auch für Elektrofahrzeuge mit Elektromotoren vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlvorrichtung
- 12
- erster Kühlkreislauf
- 14
- Kompressor
- 16
- Kühleinheit
- 18
- zweiter Kühlkreislauf
- 20
- Expansionsvorrichtung
- 22
- erster Wärmetauscher
- 24
- Antriebseinheit
- 26
- Pumpe
- 28
- dritter Kühlkreislauf
- 30
- zweiter Wärmetauscher
- 32
- Nebenaggregat
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016070 A1 [0003]
