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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Hydraulikfluid gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Weiter betrifft die Erfindung eine hydraulische Schaltung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs.
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Weiter betrifft die Erfindung in Verfahren zum Kühlen eines Hydraulikfluids gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein hydraulisches System hat typischerweise eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad und muss deswegen gekühlt werden. Ein dabei verwendetes Hydraulikfluid, beispielsweise Hydrauliköl, altert mit zunehmender thermischer Belastung, wobei sich dessen für einen störungsarmen Betrieb wichtige Eigenschaften verschlechtern, wie beispielsweise eine Viskosität. Das Hydraulikfluid sowie andere hydraulische Komponenten des hydraulischen Systems haben üblicherweise eine maximal zulässige Temperatur von etwa 60–80°C, was darüber hinaus Gründe für eine Kühlung des hydraulischen Systems sind.
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Üblicherweise ist ein hydraulisches System mit einer Druckmittelsenke, aus der ein hydraulischer Verbraucher des hydraulischen Systems mit einem Hydraulikfluid versorgbar ist, mittels eines herkömmlichen Wärmetauschers, beispielsweise eines Öl-Luft-Wärmetauschers, kühlbar. Dabei ist insbesondere das Hydraulikfluid kühlbar, das in einem Hydraulikfluid-Rückstrompfad von dem hydraulischen Verbraucher hin zu der Druckmittelsenke strömt.
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Dies ist jedoch wegen eines hohen Wärmewiderstands des Wärmetauschers zu seiner Umgebung, insbesondere bestimmt von einer geringen Wärmekapazität und einer geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft, lediglich bei geringen Kühlleistung von beispielsweise weniger als 10 kW wirtschaftlich, da ansonsten eine Kühlfläche des Wärmetauschers sehr groß dimensioniert werden müsste. Auch ist die maximale Temperaturdifferenz durch die maximal zulässige Temperatur des Hydraulikfluids (siehe oben) eingeschränkt, was eine erzielbare Kühlleistung weiter negativ beeinflusst.
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Selbst bei Verwendung eines Öl-Wasser-Wärmetauschers mit höherer Kühlleistung wegen des im Vergleich zu dem oben genannten Öl-Luft-Wärmetauscher geringeren Wärmewiderstands ist die derartige Kühlung des Hydraulikfluids aufwändig und wenig wirtschaftlich, da ein Kühlwasserkreislauf eingerichtet und gewartet werden muss. Zudem ist auch hier die erzielbare Kühlleistung wegen der maximal zulässigen Temperatur des Hydraulikfluids (siehe oben) eingeschränkt. Darüber hinaus muss oftmals die vom hydraulischen System aufgenommene Wärmeenergie mittels eines zusätzlichen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauschers an die Umgebung abgegeben werden.
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Eine Verwendung einer Kompressorkältemaschine in Kombination mit dem oben beschriebenen Öl-Wasser-Wärmetauscher bringt zwar den Vorteil, dass eine Temperatur an einem Kondensator der Kompressorkältemaschine erhöht ist und somit eine Wärmeabgabefähigkeit bei gleicher Kühlfläche vergrößert, aber da für den Verdichtungsvorgang zusätzliche Energie aufgebracht werden muss, relativiert sich dieser Vorteil wieder, wenn er nicht gar deswegen aufgehoben ist.
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In der
EP 2 034 257 A2 ist ein Lebensmittel-Kühlschrank offenbart, der ein Auftau-/Kühl-Abteil aufweist, das mittels eines magnetokalorischen Elements betrieben ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Hydraulikfluids mit einer erhöhten thermodynamischen Effizienz zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, beziehungsweise gemäß den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Weiter ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische Schaltung zur Verfügung zu stellen, bei der ein Kühlen eines Hydraulikfluids mit einer erhöhten thermodynamischen Effizienz ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für ein Hydraulikfluid, mit dem ein hydraulischer Verbraucher versorgbar ist, ist das in einem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad von dem hydraulischen Verbraucher hin zu einer Druckmittelsenke strömende Hydraulikfluid mit einem oberen Betriebstemperaturniveau mittels der Kühlvorrichtung kühlbar, oder ist das Hydraulikfluid mit einem oberen Betriebstemperaturniveau zur Kühlung aus der Druckmittelsenke zu der Kühlvorrichtung hin förderbar. Die Kühlvorrichtung ist als eine magnetokalorische Wärmepumpe ausgebildet.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist, dass eine thermodynamische Effizienz einer magnetokalorischen Kühlvorrichtung deutlich höher ist als beispielsweise bei konventionellen Verdichtungszyklen herkömmlicher Kompressoren. Wegen eines dadurch bedingten geringeren Energieverbrauchs ist eine Kostenreduktion von bis zu etwa 35% möglich.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist, dass wegen eines Verzichts auf einen Verdichter bei dem herkömmlichen Kompressor beim Betrieb der Kühlvorrichtung quasi keine Vibrationen entstehen, was sich wegen eines dadurch verringerten Verschleißes in einer erhöhten Lebensdauer der Kühlvorrichtung äußern kann. Darüber hinaus ist dadurch auch ein vibrationsbedingtes Geräuschniveau reduziert beziehungsweise vermieden. Da die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Kühllösungen keinerlei synthetische Kältemittel benötigt, die einen Treibhauseffekt fördern, und/oder brennbar und/oder toxisch und/oder explosiv sind wie beispielsweise Ammoniak, Butan oder Propan, ist auch die Sicherheit und Umweltfreundlichkeit erhöht und eine geringere Komplexität der Kühlvorrichtung erreicht.
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Bei einem mittels der magnetokalorischen Wärmepumpe genutzten magnetokalorischen Effekt erwärmt sich ein magnetokalorisches Material, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt ist ("Erwärmungsphase" im Sinne der vorliegenden Erfindung) und kühlt wieder ab, sobald es dem Magnetfeld nicht mehr ausgesetzt ist ("Abkühlphase" im Sinne der vorliegenden Erfindung). Grund dafür ist eine durch das Magnetfeld bedingte Ausrichtung von in dem Material enthaltener magnetischer Momente, die proportional zu einer Stärke des Magnetfelds ist. Eine Gesamtentropie eines Systems ist konstant oder steigt, wobei bei dem magnetokalorischen Effekt die Gesamtentropie aus einer thermischen und einer magnetischen Entropie besteht. Da die Ausrichtung der magnetischen Momente ohne einen Wärmeaustausch mit einer Umgebung (adiabat) abläuft, sinkt die magnetische Entropie. Somit muss die thermische Entropie als Ausgleich steigen und somit die Temperatur des magnetokalorischen Materials.
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Vorteilhafterweise enthält die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eine erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung und eine zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung.
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Insbesondere weisen die magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen jeweils mindestens einen Fluidkanal auf, der im Wesentlichen axial ausgerichtet sein kann.
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Die beiden magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen können abwechselnd mit einem, insbesondere gerichteten und/oder homogenen, Magnetfeld beaufschlagbar sein, um bei der jeweils mit dem Magnetfeld beaufschlagten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung eine Erwärmungsphase zu bewirken und bei der jeweils anderen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung eine Abkühlphase zu bewirken. Somit steht immer eine magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung in der Erwärmungsphase und eine magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung in der Abkühlphase zur Verfügung, was im Vergleich zu einer Verwendung einer einzelnen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung vorhandene Wartezeit vom Erreichen der Erwärmungsphase bis zum Erreichen der Abkühlphase verringert und so eine vergleichsweise erhöhte Anzahl von Kühlzyklen für das Hydraulikfluid ermöglicht.
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Das Hydraulikfluid kann, insbesondere nach dessen Kühlung, von der Kühlvorrichtung hin zu der Druckmittelsenke förderbar sein. Somit steht das gekühlte Hydraulikfluid, das zur Kühlung aus der Druckmittelsenke zu der Kühlvorrichtung hin gefördert ist, wieder in der Druckmittelsenke zur Verfügung.
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Insbesondere ist das Hydraulikfluid oder ein Kühlfluid jeweils mittels der sich jeweils in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmbar.
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Vorteilhafterweise ist zum Abkühlen des Hydraulikfluids oder des Kühlfluids von dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau ein Wärmetauscher vorgesehen. Somit ist das Hydraulikfluid, das durch die sich in der Erwärmungsphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung strömt, auf ein derartiges Temperaturniveau abkühlbar, das eine wirkungsvolle Kühlung des Hydraulikfluids mittels der sich in der Abkühlungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung ermöglicht.
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Insbesondere ist das Hydraulikfluid oder ein Kühlfluid mittels der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung von dem niedrigen Temperaturniveau auf ein unteres Betriebstemperaturniveau abkühlbar.
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Vorteilhafterweise ist zum Kühlen des Hydraulikfluids in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau ein Rückstrom-Wärmetauscher vorgesehen. Somit ist der magnetokalorische Effekt wirksam zur Kühlung des Hydraulikfluids genutzt.
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Insbesondere ist das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid mittels einer Kühlkreislaufpumpe in einem Kühlkreislauf mit der sich in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung und dem Wärmetauscher umwälzbar.
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Der Wärmetauscher kann als ein Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher oder Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet sein.
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Insbesondere ist zur Kühlung des von dem hydraulischen Verbraucher hin zu der Druckmittelsenke strömenden Hydraulikfluids mit dem oberen Betriebstemperaturniveau auf ein unteres Betriebstemperaturniveau die sich jeweils in der Abkühlphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad anordenbar, insbesondere ist dazu die sich jeweils in der Abkühlphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung fluidisch in den Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad schaltbar.
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Der Kühlkreislauf kann als ein Abkühlkreislauf ausgebildet sein und lediglich die sich in der Erwärmungsphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung, und die Kühlkreislaufpumpe, und lediglich den einen Wärmetauscher, und entsprechende Ventile zur Strömungssteuerung enthalten.
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Alternativ dazu kann der Kühlkreislauf als ein separater Kühlkreislauf ausgebildet sein, der vorzugsweise mit Kühlfluid befüllt ist, und den Rückstrom-Wärmetauscher und die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung und den Wärmetauscher und die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung und die Kühlkreislaufpumpe und entsprechende Ventile zur Strömungssteuerung enthält. Der separate Kühlkreislauf kann mit Hydraulikfluid befüllt sein, um Lagerhaltungskosten zu reduzieren, da somit kein extra Kühlfluid bevorratet werden muss.
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Insbesondere ist zur Abkühlung des Hydraulikfluids oder des Kühlfluids von dem niedrigen Temperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau die sich in der Abkühlphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung in dem separaten Kühlkreislauf dem Wärmetauscher fluidisch nachschaltbar beziehungsweise nachgeschaltet.
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Zur Kühlung des von dem hydraulischen Verbraucher hin zu der Druckmittelsenke strömenden Hydraulikfluids mit dem oberen Betriebstemperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau kann der Rückstrom-Wärmetauscher, insbesondere ausgebildet als ein Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher oder ein Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher, in dem separaten Kühlkreislauf vorgesehen sein. Dabei kann der Rückstrom-Wärmetauscher einerseits von dem Kühlfluid mit dem unterem Betriebstemperaturniveau und andererseits von dem Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad durchströmbar sein.
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Insbesondere liegt das obere Betriebstemperaturniveau bei etwa 60°C, und das erhöhte Temperaturniveau bei etwa 75°C, insbesondere etwa in einem Bereich von 50–75°C, und das niedrige Temperaturniveau liegt bei etwa 25°C, insbesondere in einem Bereich von etwa 25–50°C, und das untere Betriebstemperaturniveau liegt bei etwa 10°C. Somit ist eine wirksame Kühlung des Hydraulikfluids sichergestellt.
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Vorteilhafterweise ist die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung fluidisch zwischen einem ersten Wegeventil und einem zweiten Wegeventil in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad angeordnet. Insbesondere ist die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung fluidisch parallel zu der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung angeordnet. Somit ist die in der Abkühlphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung zur Kühlung des Hydraulikfluids im Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad von dem Abkühlkreislauf in den Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad schaltbar, und die in der Erwärmungsphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung ist zur Abkühlung des damit erwärmten Hydraulikfluids im Abkühlkreislauf von dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad in den Abkühlkreislauf schaltbar. Der Abkühlkreislauf ist dabei vorteilhafterweise mit Hydraulikfluid befüllt, wobei das Hydraulikfluid, mit dem der hydraulische Verbraucher versorgbar ist, in dem Abkühlkreislauf nutzbar ist. Ein aufwändiger separater Kühlkreislauf, insbesondere mit einem zweiten Wärmetauscher, und insbesondere mit einem Kühlfluid, ist somit zur wirksamen Kühlung des Hydraulikfluids nicht erforderlich. Weiter von Vorteil ist, dass mittels einer Temperaturerhöhung im Abkühlkreislauf eine Wärmeabgabefähigkeit des Wärmetauschers erhöht ist. Darüber hinaus müssen lediglich in dem Abkühlkreislauf verwendete Komponenten für das erhöhte Temperaturniveau ausgelegt sein. Außerhalb des Abkühlkreislaufs verwendete Komponenten, die mit demselben Hydraulikfluid in Kontakt kommen, müssen lediglich für das obere Betriebstemperaturniveau ausgelegt sein, was Kosten spart.
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Die Wegeventile können als 4/2 Wegeventile ausgebildet sein.
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In dem separaten Kühlkreislauf kann der Rückstrom-Wärmetauscher über ein erstes Ventil fluidisch mit der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung verbindbar sein, die fluidisch über ein zweites Ventil mit dem Wärmetauscher verbindbar sein kann, der fluidisch über ein drittes Ventil mit der zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung verbindbar sein kann, die über ein viertes Ventil fluidisch mit dem Rückstrom-Wärmetauscher verbindbar sein kann.
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Insbesondere ist das Magnetfeld mit einem Magneten erzeugbar, der als ein Permanentmagnet oder als ein Elektromagnet ausgebildet sein kann.
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Vorteilhafterweise ist der Magnet derart bewegbar angeordnet, dass das Magnetfeld des Magneten auf die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung oder die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung von dem Magnetfeld einwirkbar ist, oder dass die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung oder die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung in das Magnetfeld bewegbar ist. Somit ist quasi unabhängig von der konstruktiven Ausführung und/oder der Beweglichkeit des Magneten und/oder der magnetokalorische Wärmetauscheinrichtungen sichergestellt, dass das Magnetfeld auf die jeweilige magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung einwirkbar ist.
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Alternativ dazu kann der Magnet einen unbeweglichen ersten Magneten aufweisen, der insbesondere der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung zugeordnet ist, und kann einen unbeweglichen zweiten Magneten aufweisen, der insbesondere der zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung zugeordnet ist. Vorteilhafterweise ist von dem ersten Magneten ein erstes Magnetfeld erzeugbar, das auf die unbewegliche erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung einwirkbar ist. Weiter vorteilhaft ist, insbesondere abwechselnd dazu, von dem zweiten Magneten ein zweites Magnetfeld erzeugbar, das auf die unbewegliche zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung einwirkbar ist. Somit ist bei einer vereinfachten Konstruktion ohne bewegbaren Magneten und/oder ohne bewegbare magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung sichergestellt, dass das Magnetfeld auf die jeweilige magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung einwirkbar ist. Insbesondere bei einer Verwendung von Elektromagneten kann der jeweilige Elektromagnet zum Auslösen der Erwärmungsphase bei der jeweiligen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung einfach aktiviert beziehungsweise eingeschaltet werden und zum Auslösen der Abkühlphase bei der jeweiligen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung einfach deaktiviert beziehungsweise ausgeschaltet werden, insbesondere mittels einer auf den Kühlvorgang abstimmbaren Steuerung.
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Vorteilhafterweise weist mindestens eine der magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen mehrere hintereinandergeschaltete magnetokalorische Elemente mit jeweils absteigender Curie-Temperatur auf. Dabei ist das magnetokalorische Element mit der höchsten Curie-Temperatur bevorzugt an einem Endabschnitt der Wärmetauscheinrichtung angeordnet, der einer warmen Seite der Wärmepumpe zugewandt ist. Somit ist ein höherer Temperaturunterschied zwischen der warmen Seite und einer kalten Seite der Wärmepumpe und damit eine verbesserte Kühlleistung erreicht.
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Die materialspezifische Curie-Temperatur (nach Pierre Curie) bezeichnet eine Temperatur, bei deren Erreichen ferromagnetische Eigenschaften eines Materials vollständig verschwunden sind, so dass es oberhalb dieser Temperatur in Bezug auf seine magnetischen Eigenschaften lediglich eine paramagnetische Eigenschaft aufweist, also nur so lange eine von Null verschiedene Magnetisierung aufweist, wie es sich in einem externen Magnetfeld befindet (Quelle: Wikipedia).
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Vorteilhafterweise ist zur Bündelung von magnetischen Feldlinien in einem gerichteten Magnetfeld, das auf die jeweilige magnetokalorische, insbesondere paramagnetische, Wärmetauscheinrichtung einwirkbar ist, ein diamagnetisches Element an oder in der jeweiligen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung vorgesehen. Somit ist das Magnetfeld an für den Kühlvorgang wichtigen Stellen verstärkbar.
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Vorteilhafterweise enthält mindestens eine der magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen ein offenzelliges poröses magnetokalorisches Material. Insbesondere ist das magnetokalorische Material für die jeweilige magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung aus magnetokalorischen Werkstoffen auswählbar, die in der
WO 2009/133048 als geeignet für Wärmetauscher, Kühlkörper und dergleichen offenbart sind. Mindestens eine der magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen kann ein Gehäuse aufweisen, in dem das offenzellige poröse magnetokalorische Material enthalten ist. Das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid ist vorteilhafterweise durch das Gehäuse und das magnetokalorische Material durchleitbar. Somit ist eine magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung mit einer hohen Wärmeübertragung, und/oder einem geringen Durchflusswiderstand und/oder einer hohen magnetokalorischen Dichte realisierbar.
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Eine erfindungsgemäße hydraulische Schaltung enthält einen hydraulischen Verbraucher und eine mittels eines Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfads damit verbindbare Druckmittelsenke, aus der ein Hydraulikfluid förderbar ist, mit dem der hydraulische Verbraucher versorgbar ist. Das in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad von dem hydraulischen Verbraucher hin zu der Druckmittelsenke strömende Hydraulikfluid mit einem oberen Betriebstemperaturniveau ist mittels einer Kühlvorrichtung kühlbar, oder zur Kühlung aus der Druckmittelsenke zu einer Kühlvorrichtung hin förderbar. Die erfindungsgemäß hydraulische Schaltung enthält eine Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung.
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Ein Vorteil der hydraulischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Kühlung des darin enthaltenen Hydraulikfluids mittels einer erfindungsgemäßen magnetokalorischen Kühlvorrichtung eine deutlich höhere thermodynamische Effizienz aufweist als beispielsweise konventionelle Verdichtungszyklen herkömmlicher Kompressoren. Die oben dazu beschriebenen weiteren Vorteile treffen auch hier zu.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen eines Hydraulikfluids, mit dem ein Verbraucher versorgbar ist, wird das in einem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad von dem hydraulischen Verbraucher hin zu der Druckmittelsenke strömende Hydraulikfluid mit einem oberen Betriebstemperaturniveau mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt, oder wird zur Kühlung aus der Druckmittelsenke hin zu einer Kühlvorrichtung gefördert. Die Kühlvorrichtung arbeitet nach dem magnetokalorischen Wirkprinzip.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine thermodynamische Effizienz einer Kühlvorrichtung nach dem magnetokalorischen Wirkprinzip deutlich höher ist als beispielsweise bei konventionellen Verdichtungszyklen herkömmlicher Kompressoren. Die oben dazu beschriebenen entsprechenden weiteren Vorteile treffen auch hier sowie bei den nachfolgenden Merkmalen zu.
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Vorteilhafterweise weisen eine erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung und eine zweite magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung jeweils mindestens einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Fluidkanal auf, wobei sie abwechselnd mit einem, insbesondere gerichteten und/oder homogenen, Magnetfeld beaufschlagt werden, um bei der jeweils mit dem Magnetfeld beaufschlagten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung eine Erwärmungsphase zu bewirken und bei der jeweils anderen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung eine Abkühlphase zu bewirken.
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Insbesondere wird in einem Erwärmungsschritt das Hydraulikfluid oder ein Kühlfluid mittels der sich jeweils in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmt.
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Vorteilhafterweise wird, insbesondere nach dem Erwärmungsschritt, in einem Wärmeaustauschschritt das erwärmte Hydraulikfluid, oder das erwärmte Kühlfluid, mittels eines Wärmetauschers von dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau abgekühlt, wobei das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid mittels einer Kühlkreislaufpumpe in einem Kühlkreislauf mit der sich in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung und dem Wärmetauscher umgewälzt wird.
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In einem Abkühlschritt kann das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid mittels der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung von dem niedrigen Temperaturniveau auf ein unteres Betriebstemperaturniveau abgekühlt werden.
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In einem Kühlungsschritt kann das Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad mittels eines Rückstrom-Wärmetauschers auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt werden, oder mittels der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung gekühlt werden, die in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad angeordnet werden kann, insbesondere in den Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad geschaltet werden kann.
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Vorteilhafterweise wird der Rückstrom-Wärmetauscher einerseits von dem Kühlfluid mit dem unteren Betriebstemperaturniveau und andererseits von dem Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad durchströmt.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen hydraulischen Schaltung ist ein hohes Standardisierungspotential, da damit nahezu jede Kühlaufgabe optimierbar ist, beispielsweise Kühlung von elektromechanischen Antrieben und/oder Kühlung von Leistungselektronik, insbesondere in einem Schaltschrank. Darüber hinaus ist eine dabei entstehende Abwärme nutzbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Teilschnitt einer hydraulischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem ersten Schaltzustand;
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2 einen Teilschnitt der hydraulischen Schaltung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Schaltzustand;
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3 eine symbolhafte Darstellung einer hydraulischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem ersten Schaltzustand;
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4 eine symbolhafte Darstellung der hydraulischen Schaltung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einem zweiten Schaltzustand; und
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5 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kühlen eines Hydraulikfluids.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Mit der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 ist ein Hydraulikfluid eines hydraulischen Verbrauchers 2 in seinem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 kühlbar, wobei das Hydraulikfluid ein oberes Betriebstemperaturniveau von beispielsweise etwa 60°C aufweist. Der Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 erstreckt sich von dem hydraulischen Verbraucher 2 bis zu einer Druckmittelsenke 3. Dazu ist in einem mit einem Kühlfluid befüllten separaten Kühlkreislauf 5 ein Rückstrom-Wärmetauscher 6 vorgesehen, der hier als Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet ist und einerseits von dem Kühlfluid der Kühlvorrichtung 1 und andererseits von dem Hydraulikfluid des hydraulischen Verbrauchers 2 in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad durchströmt ist.
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Bei dem hier dargestellten ersten Schaltzustand nimmt das Kühlfluid dabei etwa das obere Betriebstemperaturniveau des Hydraulikfluids an und wird von einer Kühlkreislaufpumpe 8 über ein in eine erste Schaltstellung geschaltetes erstes Ventil 10 durch eine mit dem Rückstrom-Wärmetauscher 6 fluidisch verbundene erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 gepumpt, die hier als ein magnetokalorisches Material mit im Wesentlichen axial ausgerichteten Fluidkanälen ausgebildet ist.
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Ein Magnet 14 ist in eine erste Stellung geschaltet, dass sein Magnetfeld auf die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 einwirkt und damit das Kühlfluid wegen des eingangs beschriebenen magnetokalorischen Effekts weiter auf ein erhöhtes Temperaturniveau, beispielsweise etwa 75°C, erwärmt. Die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 befindet sich in einer Erwärmungsphase.
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Die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 ist fluidisch über ein in eine erste Schaltstellung geschaltetes zweites Ventil 16 mit einem Wärmetauscher 18 verbunden, der hier als Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet ist und einerseits von dem Kühlfluid und andererseits von einer Umgebungsluft durchströmt ist. Das Kühlfluid wird so von etwa dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau abgekühlt, hier etwa auf eine Umgebungstemperatur von beispielsweise 25°C.
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Über ein in eine erste Schaltstellung geschaltetes drittes Ventil 20 ist der Wärmetauscher 18 mit der zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 22 fluidisch verbunden und somit von der Kühlkreislaufpumpe 8 durch die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 gepumpt, die hier als ein magnetokalorisches Material mit im Wesentlichen axial ausgerichteten Fluidkanälen ausgebildet ist. Da der Magnet 14 in seiner ersten Stellung vor dem beschriebenen Zyklus von der zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 22 entfernt wurde, befindet diese sich in einer Abkühlphase. Somit wird das Kühlfluid von seinem niedrigen Temperaturniveau auf ein unteres Betriebstemperaturniveau, beispielsweise 10°C, abgekühlt.
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Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 ist über ein in eine erste Schaltstellung geschaltetes viertes Ventil 24 fluidisch mit dem Rückstrom-Wärmetauscher 6 verbunden. Da, wie oben erwähnt, der Rückstrom-Wärmetauscher 6 einerseits von dem Kühlfluid und andererseits von dem Hydraulikfluid in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad 4 durchströmt ist, ist das Hydraulikfluid in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad 4 von seinem oberen Betriebstemperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt.
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Anschließend an den in 1 dargestellten ersten Schaltzustand durchläuft das Kühlfluid nun den Kühlkreislauf gemäß dem in 2 dargestellten zweiten Schaltzustand, der sich von dem ersten Schaltzustand dadurch unterscheidet, dass sich die Ventile 10, 16, 20, 24 und der Magnet 14 in der jeweils anderen Schaltstellung befinden.
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Der Wechsel der beiden Schaltzustände ist erforderlich, um zwischen einer Erwärmungsphase und einer Abkühlphase bei der jeweiligen magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22 wechseln zu können.
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Bei dem hier dargestellten zweiten Schaltzustand nimmt das Kühlfluid dabei etwa das obere Betriebstemperaturniveau des Hydraulikfluids an und wird von der Kühlkreislaufpumpe 8 über das in eine zweite Schaltstellung geschaltete erste Ventil 10 durch die mit dem Rückstrom-Wärmetauscher 6 fluidisch verbundene zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 gepumpt.
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Der Magnet 14 ist in seiner zweiten Stellung angeordnet, dass sein Magnetfeld auf die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 2 einwirkt und damit das Kühlfluid wegen des eingangs beschriebenen magnetokalorischen Effekts weiter auf das erhöhte Temperaturniveau, beispielsweise etwa 75°C, erwärmt. Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 befindet sich in einer Erwärmungsphase.
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Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 ist fluidisch über das in eine zweite Schaltstellung geschaltete zweite Ventil 16 mit dem Wärmetauscher 18 verbunden. Das Kühlfluid wird so von etwa dem erhöhten Temperaturniveau auf das niedrige Temperaturniveau abgekühlt, hier etwa auf die Umgebungstemperatur von beispielsweise 25°C.
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Über das in eine zweite Schaltstellung geschaltete dritte Ventil 20 ist der Wärmetauscher 18 mit der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 12 fluidisch verbunden und somit von der Kühlkreislaufpumpe 8 durch die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 gepumpt. Da der Magnet 14, wie oben erwähnt, vor dem hier beschriebenen Zyklus von der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 12 entfernt wurde, befindet diese sich nun in einer Abkühlphase. Somit wird das Kühlfluid von seinem niedrigen Temperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau, beispielsweise 10°C, abgekühlt.
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Die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 ist über ein in eine zweite Schaltstellung geschaltetes viertes Ventil 24 fluidisch mit dem Rückstrom-Wärmetauscher 6 verbunden. Da, wie oben erwähnt, der Rückstrom-Wärmetauscher 6 einerseits von dem Kühlfluid und andererseits von dem Hydraulikfluid in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad 4 durchströmt ist, ist das Hydraulikfluid in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad 4 von seinem oberen Betriebstemperaturniveau auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt.
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Die Ventile 10, 16, 20, 24 und der Magnet 14 sind drehfest mit einer gemeinsamen Welle verbunden und von einem Stellmotor 26 von der ersten in die zweite Schaltstellung beziehungsweise Stellung drehbar beziehungsweise schwenkbar.
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Bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 in einem ersten Schaltzustand ist in dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 ein erstes Wegeventil 28 und ein zweites Wegeventil 30 vorgesehen, mittels derer die fluidisch zwischen den Wegeventilen 28, 30 liegenden magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen 12, 22 jeweils mit dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 oder mit einem Abkühlkreislauf 27 fluidisch verbindbar sind. Die Wegeventile 28, 30 sind hier als 4/2-Wegeventile ausgebildet.
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Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 befindet sich in der Erwärmungsphase, ist also mit dem Magnetfeld des Magneten 14 beaufschlagt, und ist mittels der Wegeventile 28, 30 mit dem Abkühlkreislauf 27 fluidisch verbunden. Das Hydraulikfluid wird zunächst beim Durchströmen der zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 22 von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf das erhöhte Temperaturniveau erwärmt.
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In dem Abkühlkreislauf 27 sind die Kühlkreislaufpumpe 8 und der Wärmetauscher 18 vorgesehen. Der Wärmetauscher 18 ist hier als Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgebildet ist und ist einerseits von dem Hydraulikfluid und andererseits von der Umgebungsluft durchströmt. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 18 wird das Hydraulikfluid von etwa dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau abgekühlt, hier etwa auf eine Umgebungstemperatur von beispielsweise 25°C.
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Die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 befindet sich in der Abkühlphase, ist also nicht mit dem Magnetfeld des Magneten 14 beaufschlagt, und mittels der Wegeventile 28, 30 mit dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 fluidisch verbunden. Die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 ist etwa auf dem unteren Betriebstemperaturniveau, wodurch das Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 somit beim Durchströmen der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 12 auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt wird.
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Der in 4 dargestellte zweite Schaltzustand des zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 erfolgt mittels Umschalten des Magneten 14 von der zweiten magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 zu der ersten magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 und derartigem Umschalten der Wegeventile 28, 30, dass die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 von dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 zu dem Abkühlkreislauf 27 umgeschaltet ist und die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 von dem Abkühlkreislauf 27 in den Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 umgeschaltet ist.
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Wegen des auf die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 wirkenden Magnetfelds des Magneten 14 befindet sich die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 in der Erwärmungsphase und ist mittels der Wegeventile 28, 30 mit dem Abkühlkreislauf 27 fluidisch verbunden.
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Das Hydraulikfluid wird zunächst beim Durchströmen der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 12 von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf das erhöhte Temperaturniveau erwärmt.
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Beim Durchströmen des Wärmetauschers 18 wird das Hydraulikfluid von etwa dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau abgekühlt, hier etwa auf eine Umgebungstemperatur von beispielsweise 25°C.
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Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 befindet sich wegen des entfernten Magnetfelds und der daraus resultierenden magnetokalorischen Abkühlung in der Abkühlphase und mittels der Wegeventile 28, 30 mit dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 fluidisch verbunden. Die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22 ist etwa auf dem unteren Betriebstemperaturniveau, wodurch das Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 somit beim Durchströmen der ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung 12 auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt wird.
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Bei der Kühlvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel enthält der Abkühlkreislauf 27 jeweils die sich in der Erwärmungsphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22, das heißt, abwechselnd die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 und die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22.
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Der Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4 enthält jeweils die sich in der Abkühlphase befindliche magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22, das heißt, abwechselnd die erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12 und die zweite magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 22.
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Somit befindet sich stets eine der magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtungen 28, 30 in der Abkühlphase und in dem Hydraulikfluid-Rückstrompfad 4, wodurch das sich darin strömende Hydraulikfluid kühlbar ist.
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Das Umschalten des Magneten 14 von der sich jeweils in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22 zu der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22 kann temperaturabhängig erfolgen. Vorteilhafterweise ist der Magnet 14 jeweils zu der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22 umschaltbar, sobald sich eine Temperatur der sich jeweils in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung 12, 22 zu hoch wird, insbesondere sich dem oberen Betriebstemperaturniveau nähert beziehungsweise dieses erreicht.
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Bei dem in 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 wird im Unterschied zu dem in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel auf einen separaten Kühlkreislauf 5 verzichtet. Da in dem Abkühlkreislauf 27 schon das Hydraulikfluid abgekühlt wird, erfolgt die Kühlung des Hydraulikfluids hier ohne Umweg über das oben zum ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Kühlen des Kühlfluids in dem separaten Kühlkreislauf 5.
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Der in 5 dargestellte Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kühlen des Hydraulikfluids zeigt einen Erwärmungsschritt (32), in dem das Hydraulikfluid oder ein Kühlfluid mittels der sich jeweils in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung (12, 22) von dem oberen Betriebstemperaturniveau auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmt wird.
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Nach dem Erwärmungsschritt (32) wird in einem Wärmeaustauschschritt (34) das erwärmte Hydraulikfluid, oder das erwärmte Kühlfluid, mittels eines Wärmetauschers (18) von dem erhöhten Temperaturniveau auf ein niedriges Temperaturniveau abgekühlt, wobei das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid mittels einer Kühlkreislaufpumpe (8) in einem Kühlkreislauf (5, 27) mit der sich in der Erwärmungsphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung (12) und dem Wärmetauscher (18) umgewälzt wird.
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In einem darauf folgenden Abkühlschritt (36) kann das Hydraulikfluid oder das Kühlfluid mittels der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung (12, 22) von dem niedrigen Temperaturniveau auf ein unteres Betriebstemperaturniveau abgekühlt werden.
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In einem Kühlungsschritt kann das Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad (4) mittels eines Rückstrom-Wärmetauschers (6) auf das untere Betriebstemperaturniveau gekühlt werden, oder mittels der sich jeweils in der Abkühlphase befindlichen magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung (12, 22) gekühlt werden, die in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad (4) angeordnet werden kann, insbesondere in den Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad (4) geschaltet werden kann.
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Zur Kühlung des Hydraulikfluids mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad (4) wird der Rückstrom-Wärmetauscher (6) einerseits von dem Kühlfluid mit dem unterem Betriebstemperaturniveau und andererseits von dem Hydraulikfluid mit dem oberen Betriebstemperaturniveau in dem Hydraulikfluid-Rücklaufströmungspfad (4) durchströmt.
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Offenbart ist eine Kühlvorrichtung für ein Hydraulikfluid nach dem magnetokalorischen Prinzip, bei dem das Hydraulikfluid zur Kühlung mittels einer sich in einer Erwärmungsphase befindlichen ersten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung zunächst erwärmbar ist, bevor es – zwischenzeitlich mittels eines Wärmetauschers auf etwa Umgebungstemperatur abkühlbar – mittels einer sich in einer Abkühlphase befindlichen zweiten magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung kühlbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- hydraulischer Verbraucher
- 4
- Hydraulikfluid-Rückstrompfad
- 5
- separater Kühlkreislauf
- 6
- Rückstrom-Wärmetauscher
- 8
- Kühlkreislaufpumpe
- 10
- erstes Ventil
- 12
- erste magnetokalorische Wärmetauscheinrichtung
- 14
- Magnet
- 16
- zweites Ventil
- 18
- Wärmetauscher
- 20
- drittes Ventil
- 22
- zweite magnetokalorischen Wärmetauscheinrichtung
- 24
- viertes Ventil
- 26
- Stellmotor
- 27
- Abkühlkreislauf
- 28
- erstes Wegeventil
- 30
- zweites Wegeventil
- 32
- Erwärmungsschritt
- 34
- Wärmeaustauschschritt
- 36
- Abkühlschritt
- 38
- Kühlungsschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2034257 A2 [0009]
- WO 2009/133048 [0044]
