DE102015122491A1

DE102015122491A1 - Kühlsystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015122491A1
Application number: DE102015122491.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Engler; Jens Diebener
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Ein Kühlsystem mit einem Wärmetauscher (10), der zur Durchströmung mit einem ersten Kühlmittel und zur Um- oder Durchströmung mit einem zweiten Kühlmittel vorgesehen ist, ist durch eine Unterdruckvorrichtung (20) gekennzeichnet, die ein einen Strömungsraum (22) begrenzendes Gehäuse aufweist, wobei der Strömungsraum (22) einen ersten Einlass (24), einen zweiten Einlass (26) und einen Auslass (28) für das zweite Kühlmittel aufweist sowie eine Querschnittsverengung (30) ausbildet und wobei der zweite Einlass (26) zwischen dem ersten Einlass (24) und dem Auslass (30) angeordnet ist. Eine Ausgangsströmung des zweiten Kühlmittels, die auf beliebige Weise erzeugt werden kann und die der Unterdruckvorrichtung (20) zur Durchströmung des Strömungsraums (22) über entweder den ersten Einlass (24) oder den zweiten Einlass (26) zugeführt wird, bewirkt dem Kontinuitätsgesetz sowie dem Bernoulli-Effekt entsprechend eine Zusatzströmung des zweiten Kühlmittels, die über den jeweiligen anderen Einlass (24, 26) angesaugt wird und die zusammen mit der Ausgangsströmung eine Gesamtströmung ausbildet, die durch den Wärmetauscher (10) geführt werden kann. Das Kühlsystem ermöglicht somit die Erzeugung einer relativ großen Gesamtströmung des zweiten Kühlmittels und damit die Möglichkeit der Erzielung einer entsprechend hohen Kühlleistung, für die jedoch lediglich eine relativ kleine Ausgangsströmung aktiv bereitgestellt werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit einem Wärmetauscher, der zur Durchströmung mit einem ersten Kühlmittel, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, und zur Um- oder Durchströmung mit einem zweiten Kühlmittel, insbesondere Kühlluft, vorgesehen ist und der vorzugsweise weiterhin eine Fördervorrichtung für das zweite Kühlmittel, insbesondere ein Gebläse, aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kühlsystem.
In Kraftfahrzeugen kommen Kühlsysteme zum Einsatz, um die dortigen Komponenten, wie beispielsweise einen zur Erzeugung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehenen Verbrennungs- oder Elektromotor, Traktionsbatterien, die der Versorgung eines solchen Elektromotors mit elektrischer Energie dienen, oder auch eine Leistungselektronik, die der geregelten Versorgung des Elektromotors mit elektrischen Energie dient, zu kühlen. Sofern mittels solcher Kühlsysteme zumindest zeitweise erhebliche Mengen von Wärmeenergie von den zu kühlenden Komponenten abgeführt werden sollen, verwenden diese in der Regel ein flüssiges Kühlmittel, das die von den Komponenten abgegebene Wärmeenergie aufnimmt und zu einem Wärmetauscher transportiert, in dem diese Wärmeenergie wiederum an Kühlluft übertragen wird.
Konventionelle Kühlsysteme, die zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sind, weisen einen als Hauptkühler vorgesehenen Wärmetauscher auf, der zwei Kühlerkästen umfasst, die in paralleler Ausrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind und die über ein sogenanntes Rohrpaket mit einer Mehrzahl von Rohrleitungen miteinander verbunden sind, durch die die Kühlflüssigkeit zwischen den Kühlerkästen überströmen kann. Eine Kühlluftströmung, die zeitweise (unterstützend) von einem (Axial-)Gebläse erzeugt wird, das in geringer Entfernung stromauf oder stromab des Hauptkühlers und in Überdeckung des Rohrpakets angeordnet ist, umströmt die Rohrleitungen des Rohrpakets, wodurch die für die Kühlung des Kühlmittels erforderliche Abfuhr von Wärmeenergie erreicht wird. Um diesen Wärmeübergang von dem Kühlmittel auf die Kühlluft zu verbessern ist für einen solchen Hauptkühler in der Regel weiterhin vorgesehen, die Rohrleitungen des Rohrpakets mit sogenannten Lamellen zu versehen, bei denen es sich um flächige Elemente aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere Aluminium, handelt und deren Funktion ein Abführen von Wärmeenergie von den Rohrleitungen und das verbesserte Abführen der Wärmeenergie an die Kühlluft infolge einer Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche des Hauptkühlers ist. Die Lamellen können beispielsweise in Form von Wellblechen ausgebildet sein, die jeweils zwischen zwei Rohrleitungen des Rohrpakets angeordnet sind und diese miteinander verbinden, wodurch zusätzlich die strukturelle Stabilität des Rohrpakets erhöht wird.
Ergänzt wird eine solche Kombination eines Hauptkühlers und eines Gebläses in der Regel noch durch eine so genannte Hutze, die eine kreisförmige Öffnung ausbildet, innerhalb der das Gebläse angeordnet ist und die den Wärmetauscher in denjenigen Abschnitten des Rohrpakets überdeckt, in dem dieses nicht in Überdeckung mit dem Gebläse ist. Eine solche Hutze soll insbesondere eine möglichst gleichmäßige Verteilung der von dem Gebläse erzeugten Kühlluftströmung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Rohrpakets bewirken.
Nachteilig an einer solchen Kombination aus Wärmetauscher, Gebläse und Hutze ist die erhebliche Verblockung des zu durchströmenden Rohrpakets, wenn die Kühlluftströmung nicht durch das Gebläse sondern infolge einer Bewegung des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Um diese Verblockung zu verringern ist es bekannt, in eine solche Hutze sogenannte Staudruckklappen zu integrieren, die bei einer durch eine Bewegung des Kraftfahrzeugs erzeugten Kühlluftströmung selbsttätig öffnen. Die vorteilhafte Wirkung solcher Staudruckklappen ist jedoch beschränkt. Die erhebliche Verblockung des Wärmetauschers durch das Gebläse und die Hutze erfordert daher regelmäßig, Eintrittsöffnungen für Kühlluft in der Front des Kraftfahrzeugs größer auszuführen, als es für die meisten Betriebszustände des Kraftfahrzeug erforderlich ist. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Aerodynamik und damit den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs.
In der DE 10 2012 020 882 A1 ist ein als Mikrokanalkühler bezeichneter Wärmetauscher für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, der zwei beabstandet zueinander angeordnete Kühlerkästen aufweist, die jeweils einen Anschlussflansch für entweder die Zufuhr oder die Abfuhr eines Kühlmittels ausbilden. Zwischen den Kühlerkästen erstrecken sich eine Vielzahl von rohrförmigen Kühlleitungen in paralleler, zueinander beabstandeter Anordnung, die ein Überströmen des Kühlmittels von dem einen Kühlerkasten zu dem anderen Kühlerkasten ermöglichen. Zur Kühlung des die Kühlleitungen durchströmenden Kühlmittels werden diese mit Kühlluft umströmt. Die Wandstärke der Kühlleitungen soll beispielsweise weniger als 0,5 mm und der Innendurchmesser weniger als 1 mm betragen können. Dieser Mikrokanalkühler soll sich durch eine besonders gute Kühlleistung auszeichnen.
Die DE 102 59 827 B3 offenbart ein für die Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums vorgesehenes Kühlsystem mit zwei Kühlkreisen, die einen gemeinsamen Kompressor und jeweils einen Verdampfer umfassen. Der Kompressor ist in einen gemeinsamen Zweig beider Kühlkreise integriert, wobei stromab von diesem eine Vorrichtung mit einer Venturidüse vorgesehen ist, in der die beiden Kühlkreise zusammengeführt werden. Die Unterdruckvorrichtung ermöglicht, in den nicht-gemeinsamen Abschnitten der beiden Kühlkreise unterschiedliche Drücke vorzusehen und diese für den gemeinsam genutzten Kompressor wieder anzugleichen.
In der DE 10 2012 018 571 B3 ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem ein Teilstrom des von einem Gebläse erzeugten Kühlluftstroms abgezweigt wird, bevor der restliche Kühlluftstrom den als Hauptkühler dienenden Wärmetauscher durchströmt. Der abgezweigte Teilstrom wird durch eine Venturidüse geleitet, wodurch Partikel von einem Luftfilter, der in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist, abgesaugt werden sollen.
In der US 2010/0226787 A1 ist ein Lüfter beschrieben, der ein in einem geschlossenen Fuß angeordnetes Gebläse umfasst, wobei die von dem Gebläse erzeugte Luftströmung in einen sich an Fuß anschließenden Lüfterring geführt wird, wobei diese an dessen Innenseite über den gesamte Umfang verteilt austritt. Diese Ausgangsluftströmung bewirkt ein Mitreißen von Umgebungsluft, wodurch sich eine von dem Lüfter erzeugte Gesamtluftströmung ergibt, die einem Vielfachen der von dem Gebläse erzeugten Ausgangsluftströmung entsprechen soll.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für insbesondere ein Kraftfahrzeug anzugeben, das sich durch eine hohe Kühlleistung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mittels eines Kühlsystems gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kühlsystem ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlsystems und damit des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein Kühlsystem, das zumindest einen Wärmetauscher, der zur Durchströmung mit einem (insbesondere in einem Kühlkreis des Kühlsystems geführten) ersten Kühlmittel (insbesondere eine Kühlflüssigkeit) und zur Um- oder Durchströmung mit einem zweiten Kühlmittel (insbesondere Kühlgas, vorzugsweise Kühlluft) vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß durch eine Unterdruckvorrichtung gekennzeichnet, die ein einen Strömungsraum begrenzendes Gehäuse aufweist, wobei der Strömungsraum einen ersten Einlass, einen zweiten Einlass und einen Auslass für jeweils das zweite Kühlmittel aufweist sowie eine Querschnittsverengung ausbildet und wobei der zweite Einlass (in einem Abschnitt) zwischen dem ersten Einlass und dem Auslass angeordnet ist.
Eine Ausgangsströmung des zweiten Kühlmittels, die auf beliebige Weise erzeugt werden kann und die der Unterdruckvorrichtung zur Durchströmung des Strömungsraums über entweder den ersten Einlass oder den zweiten Einlass zugeführt wird, bewirkt dem Kontinuitätsgesetz sowie dem Bernoulli-Effekt entsprechend eine Zusatzströmung des zweiten Kühlmittels, die über den jeweiligen anderen Einlass angesaugt wird und die zusammen mit (zumindest) der Ausgangsströmung eine Gesamtströmung ausbildet, die durch den Wärmetauscher geführt werden kann. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ermöglicht somit die Erzeugung einer relativ großen Gesamtströmung des zweiten Kühlmittels und damit die Möglichkeit der Erzielung einer entsprechend hohen Kühlleistung, für die jedoch lediglich eine relativ kleine Ausgangsströmung aktiv bereitgestellt werden muss.
Dem Bernoulli-Effekt entsprechend ist die lokale Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Querschnittsverengung am größten und damit der statische Druck dort am geringsten, so das vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass der zweite Einlass im Bereich der Querschnittsverengung angeordnet ist. Dies kann insbesondere für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems gelten, bei dem ausschließlich, d.h. in sämtlichen Betriebszuständen, vorgesehen ist, dass über den zweiten Einlass ausschließlich eine Zusatzströmung des zweiten Kühlmittels in den Strömungsraum der Unterdruckvorrichtung angesaugt wird.
Unter einer Anordnung „im Bereich der Querschnittsverengung“ wird dabei verstanden, dass der zweite Einlass derart in der Nähe der Querschnittsverengung angeordnet ist, dass der dort infolge einer Durchströmung des Strömungsraums erzeugte Druckabfall zu der Ansaugung von zweitem Kühlmittel über den zweiten Einlass ausgenutzt werden kann. Da der Druckabfall in dem engsten Strömungsquerschnitt am größten sein kann, kann eine möglichst exakte dortige Anordnung des zweiten Einlasses vorteilhaft sein.
Insbesondere für Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, bei dem zumindest zeitweise eine Ausgangsströmung über den zweiten Einlass in den Strömungsraum eingebracht wird, kann jedoch auch eine Anordnung des zweiten Einlasses, die stromauf der Querschnittsverengung angeordnet ist, von Vorteil sein. Demnach kann in einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass der zweite Einlass zwischen dem ersten Einlass und der Querschnittsverengung angeordnet ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Kühlsystem eine Fördervorrichtung für das zweite Kühlmittel aufweist. Bei der Verwendung eines zweiten Kühlmittels in Form eines Kühlgases und insbesondere von Kühlluft kann die Fördervorrichtung vorzugsweise als Gebläse, d.h. Strömungsverdichter ausgebildet sein. Insbesondere kann dann noch vorgesehen sein, dass zumindest in einem Betriebszustand des Kühlsystems die Ausgangsströmung des zweiten Kühlmittels von der Fördervorrichtung bereitgestellt wird, durch die dann erfindungsgemäß die Zusatzströmung des zweiten Kühlmittels angesaugt wird. Somit kann mittels einer Fördervorrichtung, die zumindest hinsichtlich des von ihr erzeugbaren Fördervolumenstroms relativ klein dimensioniert ist, eine relativ große Gesamtströmung des zweiten Kühlmittels erzeugt werden.
Alternativ oder in einem anderen Betriebszustand des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann auch vorgesehen sein, dass die Ausgangsströmung des zweiten Kühlmittels dadurch erzeugt wird, dass das Kühlsystem oder zumindest die Unterdruckvorrichtung derart durch eine aus dem zweiten Kühlmittel gebildete Umgebung bewegt wird, dass sich in zumindest einem der Einlässe ein Staudruck ausbildet.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, das vorzugsweise radbasiert und weiterhin bevorzugt für eine Nutzung auf Straßen vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein erfindungsgemäßes Kühlsystem umfasst. Dabei kann das Kühlsystem insbesondere der Kühlung eines oder mehrerer Antriebsmotoren des Kraftfahrzeugs dienen. Der oder die Antriebsmotoren können dabei als Verbrennungsmotor(en) und/oder als Elektromotor(en) ausgebildet sein. Weitere Komponenten des Kraftfahrzeugs können ebenfalls mittels des Kühlsystems gekühlt werden. Bei diesen Komponenten kann es sich beispielsweise um einen Kühler für ein Getriebeöl, einen Kühler für ein Motoröl, einen Ladeluftkühler, einen Verdichter, eine Turbine (eines Abgasturboladers), eine Traktionsbatterie, die der Versorgung eines als Antriebsmotor vorgesehenen Elektromotors mit elektrischer Energie dient, und/oder um eine Leistungselektronik, die der Regelung der einem als Antriebsmotor vorgesehenen Elektromotor zugeführten elektrischen Energie dient, handeln. Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem kann weiterhin bevorzugt zur Kühlung einer Brennstoffzelle, die insbesondere der Erzeugung von elektrischer Energie für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs dienen kann, genutzt werden. Auch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer flüssigkeitsgekühlten Klimaanlage kann vorteilhaft sein.
Ein besonderer Vorteil, der sich hinsichtlich der Möglichkeit einer Integration eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in ein Kraftfahrzeug ergeben kann, liegt darin, dass eine Eintrittsöffnung in einer Karosserie des Kraftfahrzeugs, die derart angeordnet ist, dass diese bei einer Bewegung des Kraftfahrzeugs infolge der Erzeugung eines Staudrucks die Bereitstellung einer Ausgangsströmung des zweiten Kühlmittels, konkret von Kühlluft, ermöglicht, relativ klein dimensioniert werden kann. Dies kann sich insbesondere positiv auf den Strömungswiderstandskoeffizienten des Kratffahrzeugs und damit auf den aus dem Fahrbetrieb resultierenden Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs auswirken. Da die Zusatzströmung für das zweite Kühlmittel (Kühlluft) durch die Wirkung der Unterdruckvorrichtung angesaugt wird und für deren Erzeugung folglich kein entsprechender Staudruck erforderlich ist, kann diese über eine Ansaugöffnung zugeführt werden, die hinsichtlich der Aerodynamik des Kraftfahrzeugs vorteilhaft, beispielsweise innerhalb eines Motorraums des Kraftfahrzeugs, angeordnet ist und sich dadurch nicht in einem relevanten Maße negativ auf den Strömungswiderstandskoeffizienten der Karosserie auswirkt.
Ein weiterer Vorteil, den die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Kühlsystems insbesondere hinsichtlich der Integration in ein Kraftfahrzeug ermöglicht, kann darin liegen, dass das zweite Kühlmittel (Kühlluft), das infolge einer Bewegung des Kraftfahrzeugs und/oder infolge eines Betriebs der Fördervorrichtung (Gebläses) durch eine Eintrittsöffnung der Karosserie (diese kann auch von einem der Einlässe der Unterdruckvorrichtung ausgebildet sein) dem Wärmetauscher zugeführt wird, bis zu dem Wärmetauscher geführt werden kann, ohne die Fördervorrichtung um- oder durchströmen zu müssen. Strömungsverluste, die sich infolge der Um- oder Durchströmung der (gegebenenfalls nicht im Betrieb befindlichen) Fördervorrichtung ergeben würden, können dadurch vermieden werden. Hierzu sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung (das Gebläse) stromauf der Unterdruckvorrichtung angeordnet ist. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Fördervorrichtung in die Unterdruckvorrichtung zu integrieren (d.h. in dem Strömungsraum anzuordnen) oder stromab von dieser (und gegebenenfalls auch stromab des Wärmetauschers) anzuordnen. Weiterhin bevorzugt sollte dazu vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung (das Gebläse) nicht mit demjenigen Einlass in fluidleitender Verbindung steht, der mit der Eintrittsöffnung der Karosserie in fluidleitender Verbindung steht, sondern vielmehr mit dem entsprechenden anderen Einlass der Unterdruckvorrichtung.
Die Flexibilität der Anordnung der Fördervorrichtung, die durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kühlsystem ermöglicht wird, kann auch ermöglichen, eine Fördervorrichtung des Kühlsystems beliebig auszugestalten. Eine Fördervorrichtung in Form eines Gebläses kann beispielsweise in Form eines Axialgebläses, eines Radialgebläses oder eines Rootsgebläses ausgebildet sein. Eine sich aus dem funktionalen Aufbau eines konventionellen Kühlsystems ergebende Beschränkung auf ein mit dem Wärmetauscher (Hauptkühler) zusammenwirkendes Axialgebläse ist für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem nicht gegeben.
Grundsätzlich vorteilhaft kann sein, wenn die Fördervorrichtung in fluidleitender Verbindung mit dem zweiten Einlass der Unterdruckvorrichtung steht, weil die Unterdruckvorrichtung vorzugsweise zwischen dem ersten Einlass und dem Auslass einen möglichst strömungsgünstigen Strömungspfad ausbilden kann. Dies kann dann auch für den Gesamtströmungspfad zwischen einer mit dem ersten Einlass der Unterdruckvorrichtung in fluidleitender Verbindung stehenden (oder von diesem ausgebildeten) Eintrittsöffnung und dem Auslass der Unterdruckvorrichtung beziehungsweise dem Wärmetauscher gelten, wenn die Fördervorrichtung nicht in diesen Strömungspfad integriert ist. Im Hinblick auf ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann dies insbesondere ermöglichen, den ersten Einlass direkt mit einer Einlassöffnung der Karosserie eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zu verbinden (oder diesen Einlass als entsprechende Einlassöffnung vorzusehen), wodurch nicht nur ein relativ geringer Strömungswiderstand für die Zusatzströmung des zweiten Kühlmittels (Kühlluft) erreicht werden kann, die in einem Betriebszustand des Kühlsystems infolge eines Betriebs der Fördervorrichtung (des Gebläses) und der von diesem geförderten Ausgangsströmung angesaugt wird, sondern insbesondere auch für eine Strömung, die infolge einer Bewegung des Kraftfahrzeugs erzeugt wird und die in einem anderen Betriebszustand des Kühlsystems, in dem die Fördervorrichtung (das Gebläse) insbesondere deaktiviert sein kann, als Ausgangsströmung dient, durch die dann eine Zusatzströmung über den zweiten Einlass (die das (gegebenenfalls deaktivierte) Gebläse um- oder durchströmt) angesaugt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann ein den zweiten Einlass ausbildender Einlasskanal vorgesehen sein, der derart ausgebildet ist, dass eine Strömung, die aus diesem in den Strömungsraum eintritt, eine Strömungsrichtungskomponente in Richtung des Auslasses aufweist. Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Fördervorrichtung in fluidleitender Verbindung mit dem zweiten Einlass der Unterdruckvorrichtung steht, weil dann in einem Betriebszustand des Kühlsystems vorgesehen sein kann, dass (ausschließlich) mittels der Fördervorrichtung die Ausgangsströmung erzeugt wird, durch die dann eine Zusatzströmung über den ersten Einlass angesaugt wird. Hierzu ist gemäß dem Kontinuitätsgesetz und dem Bernoulli-Effekt eine Strömung des zweiten Kühlmittels in Richtung des Auslasses erforderlich, was durch die entsprechende Formgebung für den Einlasskanal realisiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann ein geschlossenes Leitungssystem zur Führung des zweiten Kühlmittels zwischen der Fördervorrichtung und der Unterdruckvorrichtung und/oder zwischen der Unterdruckvorrichtung und dem Wärmetauscher vorgesehen sein, durch das die jeweilige Strömung des zweiten Kühlmittels möglichst gut von der Umgebung separiert wird. Dadurch können Druck- und Strömungsverluste in den Strömungen des zweiten Kühlmittels möglichst weitgehend vermieden werden.
Ebenso vorteilhaft kann es sein, wenn zwischen der Unterdruckvorrichtung und dem Wärmetauscher ein Strömungsabschnitt vorgesehen ist, in dem die die Ausgangsströmung und die Zusatzströmung kombinierende Strömung des zweiten Kühlmittels nicht in einem geschlossenen Leitungssystem geführt ist, weil dadurch ermöglicht wird, dass von dieser Strömung noch zusätzliches zweites Kühlmittel aus der Umgebung mitgerissen wird, wodurch sich die zur Durchströmung des Wärmetauschers vorgesehene Gesamtströmung des zweiten Kühlmittels weiter vergrößern kann.
Um ein hinsichtlich des Strömungswiderstands möglichst vorteilhaftes Einströmen des über den zweiten Einlass dem Strömungsraum der Unterdruckvorrichtung zugeführten zweiten Kühlmittels zu erreichen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der zweite Einlass teilweise oder vollständig ringförmig umlaufend ausgebildet ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystem und damit des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann zudem ein stromab des Wärmetauschers angeordneter (Unterdruck-)Konfusor, d.h. ein Strömungskanal, der sich in Strömungsrichtung verkleinernde Strömungsquerschnitte aufweist, für das zweite Kühlmittel vorgesehen sein. Mittels eines solchen Konfusors kann stromab des Wärmetauschers ein Druckabfall in der Gesamtströmung des zweiten Kühlmittels realisiert werden, der sich positiv auf die Durchströmung des Wärmetauschers auswirken kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Kühlsystems kann zwar ein vergleichsweise großer Volumenstrom des zweiten Kühlmittels realisiert werden, gleichzeitig ist jedoch die Druckerhöhung, die insbesondere mittels der Fördervorrichtung erzielt werden kann, relativ gering. Vorzugsweise sollte daher vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher derart ausgebildet ist, dass dieser insbesondere im Verhältnis zu der erzielbaren Kühlleistung einen relativ geringen Strömungswiderstand aufweist. Dies kann durch eine Ausgestaltung des Wärmetauschers als Mikrokanalwärmetauscher erreicht werden, der durch eine Vielzahl von beabstandet zueinander angeordneten Kühlmittelleitungen gekennzeichnet ist, die von der Kühlluft umströmt werden können und deren größte Außenquerschnittsabmessungen (Außendurchmesser bei den vorzugsweise vorgesehenen rohrförmigen Kühlmittelleitungen mit ringförmigen Querschnitten) maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm und besonders bevorzugt maximal 1 mm betragen. Ein solcher Mikrokanalwärmetauscher kann 1000 oder mehr Kühlmittelleitungen umfassen. Weiterhin bevorzugt kann dann noch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelleitungen nicht durch sogenannte Lamellen miteinander verbunden sind, deren primäre Funktion die Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers ist, weil solche Lamellen den Strömungswiderstand bei der Durchströmung des Wärmetauschers durch das zweite Kühlmittel erheblich erhöhen. Allenfalls eine geringe Zahl von Verbindungselementen, deren primäre Funktion die strukturelle Stabilität der Anordnung der Kühlmittelleitungen ist, sollten vorgesehen sein. Der Mikrokanalwärmetauscher kann insbesondere entsprechend der in der DE 10 2012 020 882 A1 offenbarten Ausgestaltung ausgebildet sein. Auch kann dieser entsprechend dem darin offenbarten Verfahren hergestellt worden sein.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystem, bei dem ein Kühlgas und insbesondere Kühlluft als zweites Kühlmittel genutzt wird, kann zudem noch eine Vorrichtung zur Einbringung einer Flüssigkeit (insbesondere Wasser), insbesondere in Form von möglichst kleinen Tröpfchen (Flüssigkeitsnebel), in das Kühlgas stromauf des Wärmetauschers vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung für das mit der Flüssigkeit angereicherte Kühlgas erheblich verbessert werden. Insbesondere kann dadurch eine ausreichende Kühlleistung beim Auftreten temporärer Spitzenlasten realisiert werden, ohne dass dazu ein entsprechend großer Volumenstrom für das Kühlgas erzeugt werden müsste. Das erfindungsgemäße Kühlsystem kann dadurch hinsichtlich des maximalen (Gesamt-)Volumenstroms des dem Wärmetauscher zuzuführen Kühlgases vergleichsweise gering dimensioniert werden, während (gegebenenfalls nur temporär auftretende) Spitzenlasten durch eine zusätzliche Kühlwirkung, die aus einem Übergang der eingedüsten Flüssigkeit von der flüssigen in die gasförmige Phase resultiert, abgedeckt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem eignet sich neben der bevorzugten Verwendung in einem Kraftfahrzeug für eine Vielzahl von anderen Anwendungen, beispielsweise in einer Gebäude-Klimaanlage oder als Kühlsystem für einen Rechner.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in schematischer Darstellung:
1: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug;
2: ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in einer ersten Ausgestaltung;
3: ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in einer zweiten Ausgestaltung; und
4: ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in einer dritten Ausgestaltung.
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug. Dieses umfasst ein erfindungsgemäßes Kühlsystem, das hier in stark vereinfachter Ausgestaltung dargestellt ist. Das Kühlsystem umfasst einen als Hauptkühler vorgesehenen Wärmetauscher 10, der in einen Kühlkreis integriert ist, in dem ein erstes Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, zirkuliert. Eine Förderung der Kühlflüssigkeit erfolgt mittels einer Kühlmittelpumpe 12, die beispielsweise von einem Verbrennungsmotor 14 des Kraftfahrzeugs direkt oder von einem ausschließlich für diese vorgesehenen Elektromotor 16 angetrieben sein kann. In den Kühlkreis sind weiterhin eine oder mehrere zu kühlende Komponenten beziehungsweise Wärmetauscher für solche Komponenten integriert. Beispielsweise dargestellt ist die Integration des Verbrennungsmotors 14 beziehungsweise von Kühlkanälen, die in einem Gehäuse des Verbrennungsmotors 14 ausgebildet sind, in den Kühlkreis. Die von der Kühlmittelpumpe 12 geförderte Kühlflüssigkeit durchströmt die Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 14, wodurch diese Wärmeenergie aufnimmt, die anschließend in dem Wärmetauscher 10 auf ein zweites Kühlmittel in Form von Kühlluft übergeht und auf diese Weise aus dem Kühlsystem und dem Kraftfahrzeug insgesamt abgeführt wird.
In Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs kann eine Zufuhr der Kühlluft zu dem Wärmetauscher 10 durch eine Bewegung des Kraftfahrzeugs und den dadurch stromauf des Wärmetauschers 10 in dem Kühlsystem bewirkten Staudruck und/oder mittels einer Fördervorrichtung für die Kühlluft, die in Form eines Gebläses 18 ausgebildet ist, erzeugt werden. Das Gebläse 18 wird dabei in der Regel lediglich dann in Betrieb genommen, wenn der Kühlleistungsbedarf so hoch ist, dass dieser durch eine Kühlgasströmung, die sich aus einer Bewegung des Kraftfahrzeugs ergibt, nicht abgedeckt werden kann.
Gemäß den 2 bis 4 umfasst ein erfindungsgemäßes Kühlsystem neben einem Wärmetauscher 10 eine Unterdruckvorrichtung 20, die ein Gehäuse ausbildet, das einen Strömungsraum 22 begrenzt, der einen ersten Einlass 24, einen zweiten Einlass 26 und einen Auslass 28 (jeweils) für die Kühlluft sowie eine Querschnittsverengung 30 ausbildet, wobei der zweite Einlass 26, der vollständig ringförmig umlaufend ausgebildet ist, in einem Abschnitt zwischen dem ersten Einlass 24 und der Querschnittsverengung 30 angeordnet ist. Der zweite Einlass wird von einem dazugehörigen Einlasskanal 32 ausgebildet, dessen äußere Begrenzungswand sich in Richtung des Auslasses 28 der Unterdruckvorrichtung 20 konisch verjüngend ausgebildet ist, wodurch eine Strömung der Kühlluft, die über diesen Einlasskanal 32 und den zweiten Einlass 26 in den Strömungsraum 22 der Unterdruckvorrichtung 20 eintritt, eine Strömungsrichtungskomponente in Richtung des Auslasses 28 aufweist.
Der Strömungsraum 22 der Unterdruckvorrichtung 20 verjüngt sich ausgehend von dem ersten Einlass 24 konisch bis hin zu der Querschnittsverengung 30. Dies stellt einen Konfusorabschnitt des Strömungsraums 22 dar. In der Querschnittsverengung 30 weist der Strömungsraum 22 den kleinsten Strömungsquerschnitt auf. Ausgehend von der Querschnittsverengung 30 weitet sich der Strömungsraum 22 konisch bis hin zu dem Auslass 28 auf. Dies stellt einen Diffusorabschnitt des Strömungsraums 22 dar. Im Bereich der Querschnittsverengung 30 ist die Strömungsgeschwindigkeit von den Strömungsraum 22 durchströmender Kühlluft am höchsten und damit der statische Fluiddruck am geringsten. Diese Druckdifferenz in der Strömung der Kühlluft innerhalb des Strömungsraums 22 kann dazu ausgenutzt werden, eine Zusatzströmung über entweder den ersten Einlass 24 oder den zweiten Einlass 26 anzusaugen. Über welchen der Einlässe 24, 26 eine Zusatzströmung angesaugt wird hängt davon ab, auf welche Weise eine Ausgangsströmung der Kühlluft erzeugt und über welchen der Einlässe 24, 26 diese in den Strömungsraum eintritt.
In den 2 bis 4 ist dargestellt, dass die Fördervorrichtung in Form eines Gebläses 18 in fluidleitender Verbindung mit dem Einlasskanal 32 und damit dem zweiten Einlass 26 der Unterdruckvorrichtung 20 steht. Bei einer Integration eines dieser Kühlsysteme in ein Kraftfahrzeug gemäß der 1 könnte daher vorgesehen sein, den ersten Einlass 24 der Unterdruckvorrichtung 20 als einer Zufuhr von Kühlluft dienende Eintrittsöffnung 34 der Karosserie des Kraftfahrzeugs vorzusehen oder den ersten Einlass 24 und eine solche Eintrittsöffnung 34 zumindest fluidleitend miteinander zu verbinden, während der zweite Auslass 26 über das Gebläse 18 in fluidleitender Verbindung mit einer Ansaugöffnung 36 steht, die so angeordnet ist, dass diese den Strömungswiderstandskoeffizienten des Kraftfahrzeugs möglichst nicht erhöht. Hierzu kann die Ansaugöffnung 36 beispielsweise innerhalb eines Motorraums des Kraftfahrzeugs angeordnet oder in den Unterboden oder eine Seitenfläche (vgl. 1) des Kraftfahrzeugs integriert sein.
In einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, in dem dieses in Abhängigkeit von der Last, mit dem der Verbrennungsmotor 14 betrieben wird, ausreichend schnell bewegt wird, so dass mittels eines in der Eintrittsöffnung 34 der Karosserie wirksamen Staudrucks eine ausreichende Durchströmung und damit Kühlleistung des Wärmetauschers 10 realisiert werden kann, kann das Gebläse 18 deaktiviert sein. Die durch den Staudruck erzeugte Strömung von Kühlluft, die durch den ersten Einlass 24 in den Strömungsraum 22 der Unterdruckvorrichtung 20 eintritt, bewirkt dann in ihrer Funktion als Ausgangsströmung ein Ansaugen einer Zusatzströmung von Kühlluft über die Ansaugöffnung 36, das deaktivierte Gebläse 18 sowie den zweiten Einlass 26. Die Kombination aus Ausgangsströmung und Zusatzströmung stellt dann die Gesamtströmung dar, die den Wärmetauscher 10 durchströmt und dabei eine ausreichende Kühlleistung des Kühlsystems sicherstellt. Infolge der Ansaugung der Zusatzströmung über die Ansaugöffnung 36 ist hierfür lediglich eine (verglichen mit der Gesamtströmung) relativ kleine Ausgangsströmung, die über die Eintrittsöffnung 34 zugeführt werden muss, erforderlich. Dies kann ausgenutzt werden, um die Eintrittsöffnung 34 entsprechend klein zu dimensionieren, was sich positiv auf den Strömungswiderstandskoeffizienten des Kraftfahrzeugs auswirken kann.
In einem anderen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, in dem dieses beispielsweise nicht bewegt wird aber dennoch eine Kühlleistung erforderlich (beispielsweise wegen eines weiterhin betriebenen Verbrennungsmotors 14) ist, kann kein (ausreichend großer) in der Eintrittsöffnung 34 der Karosserie wirksamer Staudruck zur Verfügung stehen, so dass gegebenenfalls für eine ausreichende Kühlleistung des Kühlsystems das Gebläse 18 aktiviert, d.h. in Betrieb genommen werden muss. In diesem Fall erzeugt das Gebläse 18 eine Ausgangsströmung der Kühlluft, die über die Ansaugöffnung 36 angesaugt wird und über den zweiten Einlass 26 mit einer in Richtung des Auslasses 28 der Unterdruckvorrichtung 20 gerichteten Strömungsrichtungskomponente eintritt und somit in Richtung des Auslasses 28 strömt, wobei diese den Bereich der Querschnittsverengung 30 durchströmt. Dies führt zu einem Ansaugen einer Zusatzströmung von Kühlluft über den ersten Einlass 24 der Unterdruckvorrichtung 20 und die von diesem ausgebildete oder zumindest mit diesem in fluidleitender Verbindung stehende Eintrittsöffnung 34 der Karosserie des Kraftfahrzeugs. Auch in diesem Fall wird eine aktiv bewirkte Ausgangströmung der Kühlluft durch ein Ansaugen einer Zusatzströmung hinsichtlich des Volumenstroms vergrößert. Folglich kann für die Erzeugung der Ausgangsströmung ein hinsichtlich der Förderleistung relativ klein dimensioniertes Gebläse 18 genutzt werden, was sich positiv auf den Bauraumbedarf und die Kosten für das Gebläse 18 auswirken kann.
Im Ergebnis wird somit durch die Erzeugung einer relativ kleinen Förderleistung, durch die die Ausgangströmung bewirkt wird, eine relativ große Gesamtströmung erzeugt. Dies führt im Gegenzug dazu, dass der Überdruck, den die Gesamtströmung der Kühlluft am Auslass 28 der Unterdruckvorrichtung 20 im Vergleich zu der Umgebung, wo sie entnommen wurde, aufweist, relativ klein ist. Aus diesem Grund ist für die erfindungsgemäßen Kühlsysteme gemäß den 2 bis 4 jeweils ein Wärmetauscher 10 vorgesehen, der in Form eines Mikrokanalwärmetauschers 10 (beispielsweise gemäß der DE 10 2012 020 882 A1 ) ausgebildet ist und der sich im Verhältnis zu der Kühlleistung durch einen vergleichsweise geringen Druckabfall bei seiner Durchströmung durch die Kühlluft auszeichnet. Ein solcher Mikrokanalwärmetauscher 10 umfasst zwei Wärmetauscherkästen 38, von denen jeder einen Anschlussflansch (nicht dargestellt) ausbilden kann, über die ein solcher Mikrokanalwärmetauscher 10 in den Kühlkreis des Kühlsystems eines Kraftfahrzeugs gemäß der 1 integriert werden kann. Dabei kann einer der Wärmetauscherkästen 38 einen Einlassflansch und der andere Wärmetauscherkasten einen Auslassflansch ausbilden. Zwischen den Wärmetauscherkästen 38 erstrecken sich eine Vielzahl von rohrförmigen Kühlmittelleitungen 40, die in paralleler Ausrichtung (eine nicht-parallele Anordnung ist ebenfalls möglich) beabstandet zueinander angeordnet sind und die ein Überströmen einer Kühlflüssigkeit von dem den Einlassflansch ausbildenden Wärmetauscherkasten 38 zu dem den Auslassflansch ausbildenden Wärmetauscherkasten 38 ermöglichen. Die dabei von der Kühlflüssigkeit auf die Rohrwandungen der Kühlmittelleitungen 40 übertragene Wärmeenergie wird auf die den Mikrokanalwärmetauscher 10 durchströmende und dabei die Kühlmittelleitungen 40 umströmende Kühlluft übertragen und somit aus dem Kühlsystem und dem Kraftfahrzeug insgesamt abgeführt. Die Kühlmittelleitungen 40, die beispielsweise in einer Anzahl von mehreren Tausend je Mikrokanalwärmetauscher 10 vorgesehen sein können, können dabei vorzugsweise einen Außendurchmesser von beispielsweise 1 mm und einen Innendurchmesser von beispielsweise 0,5 mm aufweisen.
Die Kühlsysteme gemäß den 2 bis 4 können optional jeweils eine Vorrichtung 46 zur Eindüsung einer Flüssigkeit (insbesondere Wasser) in ein als zweites Kühlmittel genutztes Kühlgas aufweisen, die stromauf des Wärmetauschers 10 angeordnet ist. Dadurch kann zumindest temporär eine erhöhte Kühlleistung des Kühlsystems realisiert werden, die nicht auf einer Erhöhung der den Wärmetauscher 10 durchströmenden Gesamtströmung der Kühlluft basiert.
Die drei in den 2 bis 4 dargestellten Kühlsysteme unterscheiden sich hinsichtlich folgender Merkmale voneinander.
Bei den Kühlsystemen gemäß den 2 und 4 ist der Mikrokanalwärmetauscher 10 stromab der Unterdruckvorrichtung 20 angeordnet, während dieser bei dem Kühlsystem gemäß der 3 in die Unterdruckvorrichtung 20 integriert ist, wobei der Diffusorabschnitt und der Auslass 28 des Strömungsraums 22 der Unterdruckvorrichtung 20 von einem die Kühlmittelleitungen 40 aufnehmenden Durchströmungsabschnitt des Mikrokanalwärmetauschers 10 ausgebildet werden.
Bei den Kühlsystemen gemäß den 2 und 3 schließt sich an den jeweiligen Mikrokanalwärmetauscher 10 jeweils ein Diffusor 42 an, während anstelle dessen bei dem Kühlsystem gemäß der 4 ein Konfusor 44 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

10: (Mikrokanal-)Wärmetauscher
12: Kühlmittelpumpe
14: Verbrennungsmotor
16: Elektromotor für die Kühlmittelpumpe
18: Fördervorrichtung / Gebläse
20: Unterdruckvorrichtung
22: Strömungsraum
24: erster Einlass
26: zweiter Einlass
28: Auslass
30: Querschnittsverengung
32: Einlasskanal
34: Eintrittsöffnung
36: Ansaugöffnung
38: Wärmetauscherkasten
40: Kühlmittelleitungen
42: Diffusor
44: Konfusor
46: Vorrichtung zur Eindüsung einer Flüssigkeit

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

DE 102012020882 A1 [0006, 0029, 0045]
DE 10259827 B3 [0007]
DE 102012018571 B3 [0008]
US 2010/0226787 A1 [0009]

Claims

Kühlsystem mit einem Wärmetauscher (10), der zur Durchströmung mit einem ersten Kühlmittel und zur Um- oder Durchströmung mit einem zweiten Kühlmittel vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Unterdruckvorrichtung (20), die ein einen Strömungsraum (22) begrenzendes Gehäuse aufweist, wobei der Strömungsraum (22) einen ersten Einlass (24), einen zweiten Einlass (26) und einen Auslass (28) für das zweite Kühlmittel aufweist sowie eine Querschnittsverengung (30) ausbildet und wobei der zweite Einlass (26) zwischen dem ersten Einlass (24) und dem Auslass (30) angeordnet ist.
Kühlsystem gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Fördervorrichtung (18) für das zweite Kühlmittel.
Kühlsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (18) stromauf der Unterdruckvorrichtung (20) angeordnet ist.
Kühlsystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (18) in fluidleitender Verbindung mit dem zweiten Einlass (26) der Unterdruckvorrichtung (20) steht.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den zweiten Einlass (26) ausbildenden Einlasskanal (32), der derart ausgebildet ist, dass eine Strömung, die aus diesem in den Strömungsraum (22) eintritt, eine Strömungsrichtungskomponente in Richtung des Auslasses (28) aufweist.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (26) ringförmig umlaufend ausgebildet ist.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromab des Wärmetauschers (10) angeordneten Konfusor (44) für das zweite Kühlmittel.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) als Mikrokanalwärmetauscher (10) ausgebildet ist, der eine Vielzahl von beabstandet zueinander angeordneten Kühlmittelleitungen (40) aufweist, die von dem ersten Kühlmittel durchströmt und von dem zweiten Kühlmittel umströmt werden können und deren größte Querschnittsabmessungen maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm und besonders bevorzugt maximal 1 mm betragen.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (46) zur Eindüsung einer Flüssigkeit in ein als zweites Kühlmittel genutztes Kühlgas stromauf des Wärmetauschers (10).
Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.