DE102017204804A1

DE102017204804A1 - Integriertes Thermomanagementsystem

Info

Publication number: DE102017204804A1
Application number: DE102017204804.2A
Authority: DE
Inventors: James Tasiopoulos; Alex Dziubinschi; John Meyer
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: JP2017171281A; KR20170110497A; CN107444060B; KR101866529B1; CN107444060A; US10279647B2; JP6431558B2; CN111959225A; US20170274727A1

Abstract

Ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug weist ein Gehäuse mit einer Lüftungseinheit, einem ersten Kreislauf, einem zweiten Kreislauf und einem Steuerungsschnittstellenmodul auf. Die Lüftungseinheit weist ein Gehäuse und ein variables Gebläse auf, das so gestaltet ist, dass es einen Luftstrom durch das Gehäuse schafft. Der erste Kreislauf weist einen Kompressor, einen Kondensator in thermischer Kommunikation mit der Lüftungseinheit, einen Sammler-Trockner, ein Expansionsventil und einen Chiller, in Reihe geschaltet, auf. Der zweite Kreislauf weist eine erste Schleife mit dem Chiller des ersten Kreislaufs, eine zweite Schleife mit dem Radiator in thermischer Kommunikation mit der Lüftungseinheit und eine dritte Schleife mit dem Heizer auf. Das Steuerungsschnittstellenmodul ist so gestaltet, das es jede der Lüftungseinheit, des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs steuert.

Description

Querverweis zu ähnlichen Anwendungen
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung, Anmeldenummer 62/312,159, angemeldet am 23. März, 2016, deren Offenbarung durch die Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit enthalten ist.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein integriertes System um thermische Energie in der Fahrzeugelektronik zu managen und im Speziellen auf ein Thermomanagementsystem für die Elektronik in einem autonomen Fahrzeug.
Stand der Technik
Üblicherweise wird Thermomanagement von Fahrzeugelektronikeinrichtungen durch eine primäre Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HLK-Anlage) verwirklicht, wobei eine Heiz- und Kühlleistung, welche primär zur Steuerung eines Klimas in einer Fahrgastzelle gedacht ist, umgeleitet werden kann um die Temperatur von Hilfssystemen, wie zum Beispiel die elektronischen Einrichtungen, zu steuern. Jedoch haben Anforderungen an eine verbesserte Fahrzeugeffizienz Reduktionen von Größe, Gewicht und Energieverbrauch von Fahrzeug-HLK-Anlagen angetrieben, wobei die Fahrzeug-HLK-Anlagen optimiert sind, die Thermomanagement-Anforderungen der Fahrgastzelle zu erfüllen, ohne zusätzliche Thermomanagement-Anforderungen zu berücksichtigen.
In den letzten Jahren hat sich Elektronik in Fahrzeugen zum Betrieb von verschiedenen Fahrzeugsystemen stark verbreitet. Insbesondere werden moderne Fahrzeuge mit fortgeschrittenen Navigationssystemen entwickelt, die einen autonomen Betrieb ermöglichen können. Autonome Fahrzeuge enthalten eine Vielzahl an elektronischen Einrichtungen, einschließlich Sensoren, Prozessoren, Controllern und Sendern die Informationen betreffend die Navigation des Fahrzeugs sammeln, verarbeiten und kommunizieren. Als Nebenerzeugnis zum normalen Betrieb erzeugen viele Elektronikeinrichtungen eine erhebliche Menge an thermischer Energie, die gemanagt werden muss, um ein Überhitzen der Elektronikeinrichtungen zu verhindern.
Daher gibt es konkurrierende Interessen in der Fahrzeugauslegung, wobei Anforderungen an eine verbesserte Fahrzeugeffizienz Reduktionen und Optimierungen der primären Fahrzeug-HLK-Anlage antreiben, während eine starke Zunahme an Fahrzeugelektronik die Nachfrage für ein leistungsfähiges Thermomanagement in einem Kraftfahrzeug gesteigert hat.
Dementsprechend geht aus dem Stand der Technik die Notwendigkeit für ein dediziertes Thermomanagementsystem hervor, das unabhängig von der primären HLK-Anlage ist und dass so gestaltet ist, dass es dediziertes Thermomanagement für Fahrzeugelektronikeinrichtungen bereitstellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise ein dediziertes Thermomanagementsystem aufgefunden, das unabhängig von einer primären HLK-Anlage ist und welches so gestaltet ist, dass es dediziertes Thermomanagement für Fahrzeugelektronikeinrichtungen bereitstellt.
Eine erste Ausführungsform des Thermomanagementsystems für ein Fahrzeug weist ein Gehäuse mit einer Lüftungseinheit auf, einen ersten Kreislauf, einen zweiten Kreislauf und ein Steuerungsschnittstellenmodul auf. Die Lüftungseinheit weist ein Gehäuse auf und ein variables Gebläse das so gestaltet ist, dass es einen Luftstrom durch das Gehäuse erzeugt. Der erste Kreislauf weist in Reihe geschaltet, einen Kompressor, einen Kondensator der in thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom steht, einen Sammler-Trockner, ein Expansionsventil und einen Chiller, auf. Der zweite Kreislauf weist eine erste Schleife auf, welche den Chiller des ersten Kreislaufs aufweist und einen zweiten Kreislauf, der einen Radiator in thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom durch die Lüftungseinheit aufweist und eine dritte Schleife, die einen Heizer aufweist. Das Steuerungsschnittstellenmodul ist so gestaltet, dass es jede der Lüftungseinheit, des ersten Kreislaufs und des zweiten Kreislaufs steuert.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung weist ein Verfahren zum Managen thermischer Energie von elektronischen Einrichtungen in einem Fahrzeug auf. Das Verfahren weist ein Konfigurieren eines Thermomanagementsystems in einen Hochkühlmodus oder einen Niedrigkühlmodus oder einen Heizmodus auf. Im Hochkühlmodus ist das Thermomanagement so gestaltet, dass es eine maximierte thermische Energieabtragerate von den elektronischen Einrichtungen schafft. Sowohl eine Lüftungseinheit als auch ein erster Kreislauf sind dabei aktiviert und eine erste Schleife eines zweiten Kreislaufs ist geöffnet um direkte thermische Kommunikation zwischen dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf zu schaffen. Im Niedrigkühlmodus ist das Thermomanagementsystem so gestaltet, dass es eine zweite thermische Energieabtragerate ermöglicht, die niedriger ist als die maximierte thermische Energieabtragerate. Dabei ist die Lüftungseinheit aktiviert, der erste Kreislauf deaktiviert und eine zweite Schleife des zweiten Kreislaufs ist geöffnet um thermische Kommunikation zwischen einem Luftstrom durch die Lüftungseinheit und dem zweiten Kreislauf zu schaffen. Im Heizmodus ist das Thermomanagement so gestaltet, dass es ein Hinzufügen von thermischer Energie zu den elektronischen Einrichtungen ermöglicht. Die Lüftungseinheit und der erste Kreislauf sind dabei deaktiviert und eine dritte Schleife des zweiten Kreislaufs ist geöffnet. Ein Heizer, der in der dritten Schleife angeordnet ist, ist aktiviert.
In noch einer weiteren Ausführungsform weist ein Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug einen ersten Kreislauf und einen zweiten Kreislauf auf. Der erste Kreislauf weist einen Kondensator auf, der innerhalb einer Lüftungseinheit angeordnet ist, und einen Chiller, der stromabwärts des Kondensators angeordnet ist, hinsichtlich einer Strömungsrichtung eines ersten Wärmetransportfluids durch den ersten Kreislauf. Der zweite Kreislauf weist eine erste Schleife, eine zweite Schleife und eine dritte Schleife auf. Die erste Schleife weist den Chiller auf und steht durch den Chiller in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kreislauf. Die zweite Schleife weist einen Radiator auf, der innerhalb der Lüftungseinheit angeordnet ist. Die dritte Schleife umgeht sowohl den Kondensator als auch den Chiller. Eine Strömung durch jede der ersten Schleife, der zweiten Schleife und der dritten Schleife wird durch ein erstes Mehrwegeventil selektiv gesteuert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das oben Aufgeführte, sowie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann leicht ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere im Hinblick auf die Zeichnungen, welche folgend beschrieben werden.
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform eines integrierten Thermomanagementsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung von 1, wobei das System in einen Hochkühlmodus konfiguriert ist.
3 ist eine schematische Darstellung von 1, wobei das System in einen Niedrigkühlmodus konfiguriert ist.
4 ist eine schematische Darstellung von 1, wobei das System in einen Heizmodus konfiguriert ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die angehängten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann zu befähigen, die Erfindung herzustellen und zu benützen und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. Hinsichtlich der offengelegten Verfahren sind die dargelegten Schritte von beispielhafter Natur und daher ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder von entscheidender Bedeutung. Für illustrative Zwecke sind aktive Fluidkreisläufe in den Zeichnungen durch durchgezogene Linien symbolisiert, während inaktive Fluidkreisläufe durch Punktlinien symbolisiert sind. Elektrische Kommunikationskreisläufe sind als Strichlinien dargestellt.
Wie in 1–4 dargestellt, wird ein Thermomanagementsystem 10 zum thermischen Management von elektronischen Einrichtungen 100 in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das System 10 weist ein Gehäuse 12 auf mit einem ersten Kreislauf 14 und einem zweiten Kreislauf 16, die zumindest teilweise darin angeordnet sind. Das Gehäuse weist ferner eine Lüftungseinheit 18 auf und ein Steuerungsschnittstellenmodul 20, welche darin angeordnet ist.
In der dargestellten Ausführungsform sind sowohl der erste Kreislauf 14 als auch der zweite Kreislauf 16 so gestaltet, dass sie ein Wärmetransportfluid zirkulieren. Insbesondere zirkuliert der erste Kreislauf 14 ein erstes Wärmetransportfluid, wie zum Beispiel ein übliches Kühlmittel, beispielsweise R134a, R152a und CO2. Der zweite Kreislauf 16 ist so gestaltet, dass er thermische Energie mit den elektronischen Einrichtungen 100 austauscht und zirkuliert ein zweites Wärmetransportfluid wie beispielsweise Glykol. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass andere geeignete Wärmetransportfluide zirkuliert werden können, sowohl von dem ersten Kreislauf 14 als auch dem zweiten Kreislauf 16.
Der erste Kreislauf 14 des Systems 10 weist einen Kompressor 22, einen Kondensator 24, einen Sammler-Trockner 26, ein Expansionsventil 28 und einen Chiller 30 auf, die alle in Reihe geschaltet sind. Wie abgebildet, ist der Kompressor 22 ein elektrisch angetriebener Kompressor 22 und wird durch eine externe Stromquelle, wie zum Beispiel eine Batterie oder ein Generator, angetrieben. Da der Kompressor 22 im Vergleich zu dem Steuerungsschnittstellenmodul 20 von einem relativem Hochspannungsstrom angetrieben wird, kann der Kompressor 22 außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sein um das Risiko einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen der Hochspannung des Kompressors 22 und der Niederspannung des Steuerungsschnittstellenmoduls 20 zu minimieren. In alternativen Ausführungsformen kann der Kompressor innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, wobei eine Isolierung verwendet werden kann, um die Hochspannung des Kompressors zu isolieren.
Der Kondensator 24 steht in Fluidkommunikation mit dem Kompressor 22 und empfängt eine komprimierte erste Wärmetransportfluid-Strömung von dem Kompressor 22 wenn der Kompressor 22 eingeschaltet ist und der erste Kreislauf 14 aktiviert ist. Wie abgebildet hat der Kondensator 24 eine minimale Größe und ist innerhalb der Lüftungseinheit 18 angeordnet, wie nachfolgend beschrieben. Der Kondensator 24 steht in thermischer Kommunikation mit einem Luftstrom 32 durch die Lüftungseinheit 18, wobei die thermische Energie zwischen dem Luftstrom 32 und dem ersten Wärmetransportfluid 14 des ersten Kreislaufs ausgetauscht wird, wenn die Lüftungseinheit 18 und der erste Kreislauf 14 aktiviert sind. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kondensator 24 ein Mehrwege-Kondensator 24, wobei das erste Wärmetransportfluid von dem Kompressor 22 durch einen ersten Einlass empfangen wird, dann durch den Kondensator 24 strömt und zu dem Sammler-Trockner 26 austritt. Das erste Wärmetransportfluid wird dann von dem Sammler-Trockner 26 zu einem zweiten Einlass des Kondensators 24 zurückgeführt, strömt dann durch den Kondensator 24 zurück und tritt zu dem Expansionsventil 28 aus, durch einen zweiten Auslass des Kondensators 24. In alternativen Ausführungsformen kann der Kondensator 24 ein Einweg-Kondensator 24 sein, wobei das erste Wärmetransportfluid vom Sammler-Trockner 26 zum Expansionsventil 28 strömt, ohne zum Kondensator 24 zurückzukehren.
Der Chiller 30 ist stromabwärts des Kondensators 24 und des Exansionsventils 28 angeordnet, hinsichtlich der Strömung des ersten Wärmetransportfluids durch den ersten Kreislauf 14 und empfängt das erste Wärmetransportfluid von dem Expansionsventil 28. Wie abgebildet steht der Chiller 30 in Fluidkommunikation mit sowohl dem ersten Kreislauf 14 als auch dem zweiten Kreislauf 16 und ist so gestaltet, dass er eine direkte thermische Kommunikation zwischen dem ersten Kreislauf 14 und dem zweiten Kreislauf 16 schafft.
Vom Chiller 30 wird das erste Wärmetransportfluid zum Kompressor 22 kommuniziert und damit wird erste Kreislauf abgeschlossen.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass der erste Kreislauf 14 zusätzliche Komponenten zur Behandlung und Steuerung des ersten Wärmetransportfluids aufweisen kann, wie zum Beispiel Filter, Regler, und Steuerungsventile.
Unter erneuter Bezugnahme zu 1–4 weist der zweite Kreislauf 16 einen Einlass 34, ein erstes Mehrwegeventil 36, einen Radiator 38, den Chiller 30, einen Kühlmittelbehälter 40, eine Kühlmittelpumpe 42, einen Heizer 44, ein zweites Mehrwegeventil 46 auf und mehrere Auslässe 48 um das zweite Wärmetransportfluid aus dem Gehäuse 12 abzuführen.
Der zweite Kreislauf 16 steht zumindest mit einem der elektronischen Einrichtungen 100 des Fahrzeugs durch den Einlass 34 und die Auslässe 48 in thermischer Kommunikation. In einer Ausführungsform weist jede der elektronischen Einrichtungen 100 eine Wärmesenke 50 mit einem darin ausgebildeten Kanal 52 auf, wobei der Kanal 52 von jeder der elektronischen Einrichtungen 100 in Fluidkommunikation mit dem Einlass 34 und einem der Auslässe 48 des zweiten Kreislaufs 16 steht, um eine Übertragung von thermischer Energie zwischen dem zweiten Kreislauf 16 und jeder der elektronischen Einrichtungen 100 zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann der zweite Kreislauf 16 in indirekter thermischer Kommunikation mit den elektronischen Einrichtungen 100 des Systems 10 stehen, wobei Zwischenwärmetauscher (nicht dargestellt) und Kanäle eine Übertragung von thermischer Energie zwischen den elektronischen Einrichtungen 100 und dem zweiten Kreislauf 16 ermöglichen.
Das erste Mehrwegeventil 36 steht in Fluidkommunikation mit dem Einlass 34 und empfängt eine Strömung des zweiten Wärmetransportfluids von diesem. Das erste Mehrwegeventil 36 steht in Fluidkommunikation sowohl mit einer ersten Schleife 54, als auch einer zweiten Schleife 56, und einer dritten Schleife 58 des zweiten Kreislaufs 16 und ist so gestaltet, dass es eine Strömung des zweiten Wärmetransportfluids durch jede der ersten Schleife 54, der zweiten Schleife 56 und der dritten Schleife 58, selektiv steuert auf der Grundlage von Input des Steuerungsschnittstellenmoduls.
Die erste Schleife 54 des zweiten Kreislaufs 16 weist den Chiller 30 auf, wobei das zweite Wärmetransportfluid dem Chiller 30 von dem ersten Mehrwegeventil 36 bereitgestellt wird, und umgeht den Radiator 38. Wie bereits oben beschrieben stehen sowohl der erste Kreislaufs 14 als auch die erste Schleife 54 des zweiten Kreislaufs 16 in Fluidkommunikation mit dem Chiller 30, wobei der Chiller 30 so gestaltet ist, dass er eine direkte thermische Kommunikation zwischen dem ersten Kreislauf 14 und dem zweiten Kreislauf 16 schafft.
Die zweite Schleife 56 des ersten Kreislaufs 16 weist den Radiator 38 auf und umgeht den Chiller 30. Der Radiator 38 ist ein Wärmetauscher von minimaler Größer und ist so gestaltet, dass er in der Lüftungseinheit 18 angeordnet ist, wobei der Radiator durch die Lüftungseinheit 18 in direkter thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom 32 steht. In der dargestellten Ausführungsform ist der Radiator 38 separat vom Kondensator 24 des ersten Kreislaufs 14 ausgebildet und stromabwärts des Kondensators 24 platziert, wobei der Luftstrom 32 durch die Lüftungseinheit 18 den Kondensator 24 und den Radiator 38 in Reihe durchströmt. In alternativen Ausführungsformen kann der Radiator 38 integral mit dem Kondensator 24 des ersten Kreislaufs 14 ausgebildet sein. Alternativ kann der Radiator 38 auch stromaufwärts des Kondensators 24 angeordnet sein. Der Radiator 38 der dargestellten Ausführungsform ist ein Einweg-Wärmetauscher. Jedoch kann der Radiator 38 in alternativen Ausführungsformen ein Mehrwege-Wärmetauscher sein, wie er im Stand der Technik bekannt ist.
Die dritte Schleife 58 umgeht sowohl den Radiator 38 als auch den Chiller 30 und schafft eine Fluidkommunikation von dem zweiten Wärmetransportfluid von dem Einlass 34 des zweiten Kreislaufs 16 zu einem Abschnitt des zweiten Kreislaufs 16 stromaufwärts des Behälters 40.
In der dargestellten Ausführungsform treffen die erste Schleife 54, die zweite Schleife 56 und die dritte Schleife 58 alle stromaufwärts des Behälters zusammen, wobei jede der ersten Schleife 54, der zweiten Schleife 56 und der dritten Schleife einen gemeinsamen Abschnitt 60 des zweiten Kreislaufs 16 mit dem Behälter 40, der Pumpe 42, dem Heizer 44, dem zweiten Mehrwegeventil 46 und den Auslässen 48, teilen. Jedoch kann in alternativen Ausführungsformen der Heizer 44 in einem Abschnitt der dritten Schleife 58 stromaufwärts des gemeinsamen Abschnitts 60 angeordnet sein, wobei nur die dritte Schleife 58 des zweiten Kreislaufs 16 den Heizer 44 aufweist.
Wie abgebildet ist die Pumpe 42 stromabwärts des Behälters 40 angeordnet und stromaufwärts des Heizers 44 und ist so gestaltet, dass sie ein zweites Wärmetransportfluid durch den zweiten Kreislauf 16 zirkuliert. Insbesondere saugt die Pumpe 42 das zweite Wärmetransportfluid von dem Behälter 40 an, welches zu dem Heizer 44 kommuniziert werden soll. In alternativen Ausführungsformen kann die Pumpe 42 stromaufwärts oder stromabwärts zu sowohl dem Heizer 44 als auch dem Behälter 40 angeordnet sein. Wie gezeigt ist die Pumpe 42 eine elektrische Pumpe 42. Jedoch ist es ersichtlich, dass jegliche Art von Pumpe 42 verwendet werden kann, die geeignet ist, das zweite Wärmetransportfluid zu pumpen. Der Heizer 44 ist ein elektrischer Heizer 44 der so gestaltet ist, dass er das zweite Wärmetransportfluid heizt, wenn der Heizer 44 angeschaltet ist.
In der dargestellten Ausführungsform befindet sich das zweite Mehrwegeventil 46 stromabwärts des Heizers 44 und ist so gestaltet, dass es eine Strömung des zweiten Wärmetransportfluids zu den Auslässen 48 des zweiten Kreislaufs 16 selektiv steuert. Der zweite Kreislauf 16 kann eine Umgehungsleitung aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie verhindert, dass das zweite Mehrwegeventil 46 eine kontinuierliche zweite Wärmetransportfluid-Strömung zu mindestens einer der elektronischen Einrichtungen 100 schafft. Zum Beispiel kann die Umgehungsleitung 62 in Fluidkommunikation mit einer Steuerung stehen oder anderen kritischen elektronischen Einrichtungen 100 welche ein kontinuierliches Thermomanagement benötigen.
Die Lüftungseinheit 18 des Gehäuses 12 weist ein Gehäuse 64 mit einem Einlass 66 zum Empfangen von Umgebungsluft von außerhalb des Gehäuses 12 auf, einen Kanal 68 und einen Auslass 70 der in Kommunikation mit der Außenseite des Gehäuses 12 steht. Die Lüftungseinheit 18 weist ferner ein variables Gebläse 72 auf, das so gestaltet ist, dass es den Luftstrom 32 durch das Gehäuse 64 erzeugt. Es ist ersichtlich, dass ein konstantes Gebläse verwendet werden kann, falls gewünscht. Zusätzlich können andere Kanäle, Auslässe, Klappen und dergleichen verwendet werden um den Luftstrom 32 durch oder von der Lüftungseinheit 18 zu ändern oder zu variieren. Wie dargestellt sind der Kondensator 24 des ersten Kreislaufs 14 und der Radiator 38 des zweiten Kreislaufs 16 beide jeweils in dem Kanal 68 des Gehäuses 64 angeordnet, wobei sowohl der Kondensator 24 als auch der Radiator 38 durch das Gehäuse 64 in thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom 32 stehen.
Das Steuerungsschnittstellenmodul 20 ist in das System 10 integriert um eine Controller Area Network (CAN) Kommunikationsschnittstelle mit einer externen Steuereinheit (nicht gezeigt), wie zum Beispiel einem Hauptcomputer einer autonomen Anlage oder einem anderen Steuerungsmodul, zu schaffen. Das Steuerungsschnittstellenmodul 20 steuert den Betrieb des ersten Kreislaufs 14, des zweiten Kreislaufs 16 und der Lüftungseinheit 18. Insbesondere hat das Steuerungsschnittstellenmodul 20 ein Kommunikationsmittel und eine Logik um die Geschwindigkeit des Kompressor 22, eine Geschwindigkeit der Pumpe 42, den Betrieb der Multiwegeventile 34, 44 und eine Geschwindigkeit des Gebläses 72 wie gewünscht zu steuern. Das Steuerungsschnittstellenmodul 20 steht in Kommunikation mit mehreren Temperatursensoren 74 und Drucksensoren 76 an jedem des ersten Kreislaufs 14 und des zweiten Kreislaufs 16, wobei Feedback das von den Sensoren 74, 76 empfangen wird, dazu verwendet wird, den Betrieb zu bestimmen von jedem des ersten Kreislaufs 14, des zweiten Kreislaufs 16 und der Lüftungseinheit 18.
Im Einsatz ist das System 10 so gestaltet, dass es in mindestens drei Modi, aufweisend einen Hochkühlmodus, einen Niedrigkühlmodus und einen Heizmodus, arbeitet.
In 2 ist das System 10 gezeigt, das für einen Betrieb im Hochkühlmodus konfiguriert ist. Das System 10 kann in dem Hochkühlmodus arbeiten, wenn die benötigte thermische Energieabtragerate von den elektronischen Einrichtungen 100 maximiert werden muss. Wie zum Beispiel in Perioden, wo die Umgebungstemperatur höher ist als die gewünschte Betriebstemperatur der elektronischen Einrichtungen 100, oder wenn die elektronischen Einrichtungen 100 unter relativ hohen Betriebslasten betrieben werden.
Im Hochkühlmodus ist die Lüftungseinheit 18 aktiviert um einen Luftstrom durch das Gehäuse 64, und insbesondere durch den Kondensator 24 und den Radiator 38 zu schaffen.
Der erste Kreislauf 14 des Systems 10 ist ebenfalls aktiviert, wobei das erste Wärmetransportfluid des ersten Kreislaufs 14 darin zirkuliert wird. Wenn der erste Kreislauf 14 aktiviert ist, erhöht sich ein Druck des ersten Wärmetransportfluids, das durch den Kompressor 22 strömt und somit wird eine Temperatur des ersten Wärmetransportfluids auf eine erste Temperatur erhöht. Das komprimierte erste Wärmetransportfluid strömt dann durch den Kondensator 24, wobei thermische Energie von dem ersten Wärmetransportfluid zu dem Luftstrom 32 durch das Gehäuse 64 übertragen wird und dadurch das erste Wärmetransportfluid zu einer zweiten Temperatur abgekühlt wird und der Luftstrom 32 aufgeheizt wird, wobei die thermische Energie, die zu dem Luftstrom 32 übertragen wird, von der Lüftungseinheit 18 abgegeben wird. Das erste Wärmetransportfluid strömt dann durch das Expansionsventil 28, wo der Druck des ersten Wärmetransportfluids sich erniedrigt und die Temperatur des ersten Wärmetransportfluids auf eine dritte Temperatur sinkt. Das erste Wärmetransportfluid strömt dann zu dem Chiller 30.
Im Hochkühlmodus ist die erste Schleife 54 des zweiten Kreislauf 16 ebenfalls geöffnet um eine Strömung des zweiten Wärmetransportfluids darin zu ermöglichen, während die zweite Schleife 56 und die dritte Schleife 58 geschlossen sind. Grundsätzlich ist die erste Schleife 54 des zweiten Kreislaufs 16 so gestaltet, dass sie das Abtragen von thermischer Energie von den elektronischen Einrichtungen 100 maximiert, wobei eine aufgeheizte Strömung des zweiten Wärmetransportfluids von den elektronischen Einrichtungen 100 empfangen wird und durch den Chiller 30 strömt um durch das erste Wärmetransportfluid abgekühlt zu werden.
Insbesondere wird das zweite Wärmetransportfluid von dem Einlass 34 von den elektronischen Einrichtungen 100 empfangen und von dem ersten Mehrwegeventil 36 durch die erste Schleife 54 geleitet. In der ersten Schleife 54 strömt das zweite Wärmetransportfluid durch den Chiller 30. Innerhalb des Chillers 30 verursacht eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur des ersten Wärmetransportfluids und einer Temperatur des zweiten Wärmetransportfluids, dass thermische Energie von dem zweiten Wärmetransportfluid zu dem ersten Wärmetransportfluid übertragen wird und somit das zweite Wärmetransportfluid abgekühlt wird. Das abgekühlte zweite Wärmetransportfluid wird dann bei Bedarf über die Pumpe 42, das zweite Mehrwegeventil 46 und die Umgehungsleitung 62, zu den Auslässen 48 des zweiten Kreislaufs 16 gepumpt. Das zweite Wärmetransportfluid wird dann durch die entsprechenden elektronischen Einrichtungen 100 zirkuliert, wobei thermische Energie von den elektronischen Einrichtungen 100 übertragen wird und strömt dann zu dem Einlass 34 zurück, wobei die Schritte des Hochkühlmodus wiederholt werden.
In 3 ist das System 10 dargestellt, das für einen Betrieb im Niedrigkühlmodus konfiguriert ist. Das System 10 kann in dem Niedrigkühlmodus arbeiten, wenn die benötigte thermische Energieabtragerate von den elektronischen Einrichtungen 100 niedriger ist als die maximierte thermische Energieabtragerate, welche in Bezug zu dem Hochkühlmodus oben erläutert wurde. Zum Beispiel kann der Niedrigkühlmodus aktiviert sein, wenn die elektronischen Einrichtungen 100 unter normalen Betriebslasten arbeiten und/oder wo die Umgebungstemperatur niedriger als oder gleich wie eine gewünschte Betriebstemperatur der elektronischen Einrichtungen 100 ist.
Im Niedrigkühlmodus ist die Lüftungseinheit 18 aktiviert wie bereits oben in Bezug auf den Hochkühlmodus beschrieben. Jedoch ist im Niedrigkühlmodus, im Gegensatz zum Hochkühlmodus, der erste Kreislauf 14 deaktiviert, wobei das erste Wärmetransportfluid nicht darin hindurch zirkuliert wird.
Wie in 3 gezeigt, ist die zweite Schleife 56 des zweiten Kreislaufs 16 geöffnet, während die erste Schleife 54 und die dritte Schleife 58 geschlossen sind. Grundsätzlich ist die zweite Schleife 56 des zweiten Kreislaufs 16 so gestaltet, dass sie thermische Energie von den elektronischen Einrichtungen 100 abträgt, mit einer Rate die niedriger ist als die Abtragerate der ersten Schleife 54, wobei eine Strömung des zweiten Wärmetransportfluids von den elektronischen Einrichtungen 100 empfangen wird und durch den Radiator 38 geleitet wird um thermische Energie zu dem Luftstrom 32 durch das Gehäuse 64 zu übertragen.
Insbesondere wird das zweite Wärmetransportfluid von dem Einlass 34 der elektronischen Einrichtungen 100 empfangen und durch das erste Mehrwegeventil 36 durch die zweite Schleife 56 geleitet. In der zweiten Schleife 56 strömt das zweite Wärmetransportfluid durch den Radiator 38, wo thermische Energie durch die Lüftungseinheit 18 von dem zweiten Wärmetransportfluid zu dem Luftstrom 32 übertragen wird und eine Temperatur des zweiten Wärmetransportfluids gesenkt wird. Von dem Radiator 38 strömt das zweite Wärmetransportfluid zu dem Behälter und wird bei Bedarf über die Pumpe 42, das zweite Mehrwegeventil 46 und die Umgehungsleitung 62 zu den Auslässen 48 des zweiten Kreislaufs 16 gepumpt.
In der dargestellten Ausführungsform ist es ersichtlich, dass im Hochkühlmodus und im Niedrigkühlmodus das zweite Wärmetransportfluid durch den Heizer 44 im gemeinsamen Abschnitt 60 des zweiten Kreislaufs 16 gepumpt wird. Jedoch ist der Heizer 44 deaktiviert, wenn das System sich im Hochkühlmodus und dem Niedrigkühlmodus befindet und es wird keine thermische Energie durch den Heizer 44 zu dem zweiten Wärmetransportfluid hinzugefügt.
In 4 ist das System 10 gezeigt, das für einen Betrieb im Heizmodus konfiguriert ist. Das System 10 kann im Heizmodus 10 arbeiten, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als die gewünschte Betriebstemperatur der elektronischen Einrichtungen 100.
Im Heizmodus sind die Lüftungseinheit 18 und der erste Kreislauf 14 beide deaktiviert, während die dritte Schleife 58 des zweiten Kreislaufs 16 geöffnet ist und der Heizer 44 aktiviert ist. Wie dargestellt sind sowohl die erste Schleife 54 als auch die zweite Schleife in dem Heizmodus geschlossen. Grundsätzlich ist die dritte Schleife 54 des zweiten Kreislaufs 16 so gestaltet, dass sie thermische Energie zu den elektronischen Einrichtungen hinzufügt, um deren Temperatur zu erhöhen.
Insbesondere das zweite Wärmetransportfluid wird durch den Einlass 34 von den elektronischen Einrichtungen 100 empfangen und durch das erste Mehrwegeventil 36 durch die dritte Schleife 58 geleitet. In der dritten Schleife 58 umgeht das zweite Wärmetransportfluid, das von dem Einlass 34 des zweiten Kreislaufs 16 empfangen wird, den Radiator 38 und den Chiller 30 und strömt direkt zu dem Behälter 40. Von dem Behälter 40 wird das zweite Wärmetransportfluid zu dem Heizer 44 gepumpt, wobei thermische Energie zu dem zweiten Wärmetransportfluid hinzugefügt wird, um dessen Temperatur zu erhöhen. Das zweite Wärmetransportfluid strömt dann zu den elektronischen Einrichtungen 100 durch die Auslässe 48 des zweiten Kreislaufs 16 über das zweite Mehrwegeventil 46 und die Umgehungsleitung 62, wobei das zweite Wärmetransportfluid verursacht, dass eine Temperatur der elektronischen Einrichtungen 100 sich auf die gewünschte Betriebstemperatur erhöht.
Das System 10 der vorliegenden Erfindung stellt vorteilhafterweise ein integriertes, eigenständiges, Thermomanagement-Mittel für elektronische Einrichtungen in einem Fahrzeug bereit und insbesondere für ein autonomes System für ein Fahrzeug. Die offengelegte Konfiguration ermöglicht, dass das System 10 vorteilhafterweise in dem Hochkühlmodus, dem Niedrigkühlmodus oder dem Heizmodus arbeiten kann, in Abhängigkeit von dem Bedarf der jeweiligen elektronischen Einrichtungen 100, ohne nachteilige Auswirkungen auf die primäre HLK-Anlage des Fahrzeugs.
Die Integration des Systems 10 in ein einziges Gehäuse 12 schafft ferner eine Verbesserung der Fahrzeugmontage, da das System 10 im Wesentlichen vor der Fahrzeugmontage vormontiert werden kann.
Aus der vorangegangene Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung feststellen und kann, ohne von ihrem Grundgedanken und Umfang abzuweichen, verschiedenartige Änderungen und Modifikationen der Erfindung vornehmen um sie für verschiedene Verwendungszwecke und Bedingungen anzupassen.

Claims

Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug aufweisend: ein Gehäuse; eine Lüftungseinheit, die in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Lüftungseinheit so gestaltet ist, dass sie einen Luftstrom schafft; einen ersten Kreislauf, der einen Chiller und einen Kondensator aufweist, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Kondensator in thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom steht; einen zweiten Kreislauf, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine erste Schleife, eine zweite Schleife und eine dritte Schleife aufweist, wobei die erste Schleife den Chiller aufweist, die zweite Schleife einen Radiator in thermischer Kommunikation mit dem Luftstrom durch die Lüftungseinheit, aufweist, und die dritte Schleife einen Heizer aufweist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Kreislauf mindestens eine elektronische Einrichtung aufweist, die darin angeordnet ist, wobei die mindestens eine elektronische Einrichtung in Fluidkommunikation mit jeder der ersten Schleife, der zweiten Schleife und der dritten Schleife steht.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 1, wobei der Chiller so gestaltet ist, dass er eine thermische Kommunikation zwischen dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf schafft.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Kreislauf ein erstes Wärmetransportfluid und der zweite Kreislauf ein zweites Wärmetransportfluid aufweist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 1, wobei das Thermomanagementsystem in einen Hochkühlmodus, einen Niedrigkühlmodus und einen Heizmodus konfigurierbar ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 5, wobei im Hochkühlmodus die Lüftungseinheit aktiviert ist, der erste Kreislauf aktiviert ist und die erste Schleife des zweiten Kreislaufs offen ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 5, wobei im Niedrigkühlmodus die Lüftungseinheit aktiviert ist, der erste Kreislauf deaktiviert ist und die zweite Schleife des zweiten Kreislaufs offen ist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 5, wobei im Heizmodus die Lüftungseinheit und der erste Kreislauf deaktiviert sind, die dritte Schleife des zweiten Kreislaufs offen ist und der Heizer der dritten Schleife aktiviert ist.
Verfahren zum Managen thermischer Energie von elektronischen Einrichtungen in einem Fahrzeug aufweisend: Konfigurieren eines Thermomanagementsystems mit einem Hochkühlmodus, einem Niedrigkühlmodus und einem Heizmodus, wobei der Hochkühlmodus eine maximierte thermische Energieabtragerate von den elektronischen Einrichtungen ermöglicht, wobei jeweils eine Lüftungseinheit und ein erster Kreislauf aktiviert sind und eine erste Schleife eines zweiten Kreislaufs geöffnet ist, um im Hochkühlmodus thermische Kommunikation zwischen dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf zu schaffen, wobei der Niedrigkühlmodus eine zweite thermische Energieabtragerate von den elektronischen Einrichtungen ermöglicht, wobei die zweite thermische Energieabtragerate niedriger ist als die maximierte thermische Energieabtragerate, und wobei die Lüftungseinheit aktiviert ist, der erste Kreislauf deaktiviert ist, und eine zweite Schleife des zweiten Kreislaufs geöffnet ist, um im Niedrigkühlmodus thermische Kommunikation zwischen der Lüftungseinheit und dem zweiten Kreislauf zu schaffen, und wobei der Heizmodus eine Zugabe von thermischer Energie zu den elektronischen Einrichtungen ermöglicht, wobei die Lüftungseinheit und der erste Kreislauf deaktiviert sind, eine dritte Schleife des zweiten Kreislaufs geöffnet ist und ein Heizer, der in der dritten Schleife angeordnet ist, im Heizmodus aktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei thermische Energie im Hochkühlmodus durch die Lüftungseinheit von einem ersten Wärmetransportfluid auf einen Luftstrom übertragen wird, und wobei thermische Energie im Hochkühlmodus von einem zweiten Wärmetransportfluid auf das erste Wärmetransportfluid übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei thermische Energie im Niedrigkühlmodus durch die Lüftungseinheit direkt von dem zweiten Wärmetransportfluid auf den Luftstrom übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die thermische Energie im Heizmodus von dem Heizer auf das zweite Wärmetransportfluid übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite Schleife und die dritte Schleife des zweiten Kreislaufs im Hochkühlmodus geschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schleife und die dritte Schleife des zweiten Kreislaufs im Niedrigkühlmodus geschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schleife und die zweite Schleife des zweiten Kreislaufs im Heizmodus geschlossen sind.
Thermomanagementsystem für ein Fahrzeug aufweisend: einen ersten Kreislauf, der einen Kondensator, welcher innerhalb einer Lüftungseinheit angeordnet ist, und einen Chiller aufweist, welcher stromabwärts des Kondensators hinsichtlich einer Strömungsrichtung eines ersten Wärmetransportfluids durch den ersten Kreislauf angeordnet ist; einen zweiten Kreislauf, der eine erste Schleife, eine zweite Schleife, und eine dritte Schleife aufweist, wobei die erste Schleife den Chiller aufweist und durch den Chiller in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kreislauf steht, die zweite Schleife einen Radiator aufweist, der innerhalb der Lüftungseinheit angeordnet ist und die dritte Schleife, sowohl den Chiller als auch den Radiator umgeht, und wobei eine Strömung durch jede der ersten Schleife, der zweiten Schleife und der dritten Schleife durch ein erstes Mehrwegeventil selektiv gesteuert wird.
Thermomanagementsystem aus Anspruch 16, wobei die erste Schleife, die zweite Schleife und die dritte Schleife einen gemeinsamen Abschnitt teilen.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 17, wobei der gemeinsame Abschnitt einen Behälter, eine Pumpe, einen Heizer und ein zweites Mehrwegeventil aufweist.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 18, wobei das zweite Mehrwegeventil so gestaltet ist, dass es eine Strömung eines zweiten Wärmetransportfluids durch zumindest einen Auslass des zweiten Kreislaufs selektiv steuert.
Thermomanagementsystem nach Anspruch 18, wobei der zweite Kreislauf eine Umgehungsleitung aufweist, die so gestaltet ist, dass sie eine kontinuierliche Strömung eines zweiten Wärmetransportfluids zu mindestens einem Auslass des zweiten Kreislaufs schafft.