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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein Kühlsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems.
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Ein Fahrzeug kann ein Kühlsystem mit einem Kühlmedium aufweisen. Falls das Fahrzeug als konventionelles Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ausgebildet ist, wird das Kühlsystem aufgrund einer Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt und für das Kühlmedium ein Vordruck erzeugt, wobei ein Volumen des flüssigen Kühlmediums und eines Gases ausgedehnt werden, wobei ein Dampfdruck des Gases erhöht wird. Bei einer großen Last und bei einer Temperatur über 100 °C innerhalb des Kühlsystems ist ein Überdruck des Gassystems in Vergleich zur Umgebung, bspw. in einem Druckpolster eines Ausgleichsbehälters (AGB), messbar. Bei hohen Drehzahlen einer Pumpe für das flüssige Medium entsteht dabei die Gefahr, dass vor der Pumpe dynamisch sehr niedrige Drücke entstehen, was zu einer Bildung von Dampfblasen und einer Kavitation innerhalb des Kühlsystems führen kann, was bislang durch einen statisch eingestellten Druck aufgrund einer Eigenerwärmung und Anordnung des Ausgleichsbehälters direkt vor der Pumpe reduziert wurde.
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Bei einem Fahrzeug mit einem Elektroantrieb erreicht das Kühlmedium im laufenden Betrieb in seltensten Fällen eine Temperatur von mehr als 100 °C. In der Regel liegt ein Niveau der Temperatur des Kühlmediums weit darunter. Falls ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle angetrieben wird, darf das Kühlmedium bauteilbedingt nur maximal eine Temperatur von 90 °C erreichen. Bei derartigen vergleichsweise niedrigen Temperaturen ist ein dampfdruckinduzierter statischer Druck innerhalb des Kühlsystems gering. Aufgrund der hohen Wärmemengen, die bei einem derartigen Fahrzeug abgeführt werden, sind jedoch auch bei niedrigen Temperaturen hohe Volumenströme für das Kühlmedium erforderlich. Dies erfordert weiterhin eine hohe Druckdifferenz über der Pumpe und dementsprechend einen sehr niedrigen Saugdruck. Auch hier ist zu beachten, dass für den Fall, dass der Druck des Kühlmediums vor einem Pumpenrad der Pumpe kleiner als ein Dampfdruck ist, Dampfblasen gebildet werden und eine Gefahr für ein Auftreten von Kavitationen besteht. Weiterhin kann ein Volumenstrom des Kühlmediums einbrechen, sodass eine Menge des über die Pumpe geförderten Kühlmediums verringert wird. Außerdem kann ein zu geringer Druck ein Zusammenziehen von Schläuchen des Kühlsystems verursachen.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Kühlmittelstands in einem Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind in der Druckschrift
DE 10 2012 216 237 A1 beschrieben.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 013 921 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen eines flüssigen Kühlmittels.
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Ein Kühlsystem und ein Betriebsverfahren hierfür sind aus der Druckschrift
DE 10 2016 212 125 A1 bekannt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einen Druck eines Kühlmediums geeignet einzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Anordnung und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist für ein Kühlsystem vorgesehen, das mehrere Komponenten aufweist, in denen sich jeweils ein Kühlmedium befindet. Die Anordnung weist mindestens eine Gasdruckquelle auf, die mit mindestens einer Komponente des Kühlsystems, bspw. über eine Leitung, verbunden und dazu ausgebildet ist, dem Kühlsystem unter Druck stehendes Gas bereitzustellen, dieses Gas in das Kühlsystem zu fördern, das Kühlmedium mit dem Gas zu beaufschlagen und einen Wert eines Drucks des Kühlmediums von außen einzustellen.
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Mit der Anordnung ist es somit möglich, den Druck des Kühlmediums von außen bzw. extern zu regulieren. Das Kühlsystem umfasst mehrere Komponenten, bspw. eine Pumpe zum Fördern des Kühlmediums und einen Auffangbehälter für das Kühlmedium, der wiederum ein Druckpolster aufweist, mit dem es ebenfalls möglich ist, einen Druck des Kühlmediums zu beeinflussen. Als weitere Komponenten weist das Kühlsystem Verbindungen, bspw. Leitungen und/oder elastisch verformbare Schläuche auf, die die weiteren Komponenten des Kühlsystems miteinander verbinden, wobei das üblicherweise flüssige Kühlmedium, bspw. Wasser, durch die Verbindungen zwischen den weiteren Komponenten des Kühlsystems gefördert wird.
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Die Gasdruckquelle ist dazu ausgebildet, ein Niveau des Drucks in dem Kühlsystem zu erhöhen. Abhängig davon, welches als Gas ausgebildete Fluid von der externen Gasdruckquelle gefordert wird und wie dieses mit dem Kühlmedium verträglich ist, ist es möglich, dass das Gas auf einen Kühlkreislauf des Kühlmediums innerhalb des Kühlsystems wirkt. In Ausgestaltung wird der Druck in einem Ausgleichsvolumen des Ausgleichsbehälters aufgebracht, indem sich ein Gemisch aus dem Kühlmedium, bspw. Wasser, und dem bereitgestellten Gas, bspw. Luft, befindet. Somit ist es je nach Temperatur des Kühlmediums möglich, dass sich in dem Ausgleichsbehälter ein Gemisch aus Luft und dampfförmigem Wasser bzw. Wasserdampf befindet. Der Druck in dem Kühlsystem wird durch Hinzufügen des Gases erhöht. Dabei ist es möglich, Gas, das im Rahmen des Verfahrens dem Kühlsystem hinzugefügt worden ist, aus dem Kühlsystem auch wieder zu entfernen. Hierzu weist eine bspw. als Ausgleichsbehälter ausgebildete Komponente des Kühlsystems ein Überdruckventil als Deckel auf, das zu einer Umgebung des Kühlsystems geöffnet wird, wenn innerhalb des Kühlsystems ein kritischer Druck erreicht wird.
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Die Anordnung weist in Ausgestaltung ein Druckreguliergerät, bspw. ein Druckregulierventil, auf, das mit der Gasdruckquelle und/oder ggf. mit der mindestens einen Komponente des Kühlsystems verbunden und bspw. in der als Leitung ausgebildete Verbindung zwischen der Gasdruckquelle und der mindestens einen Komponente angeordnet sowie dazu ausgebildet ist, den Wert des Drucks des Gases und somit den Wert des Drucks des Kühlmediums einzustellen.
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Die mindestens eine Gasdruckquelle ist bspw. mit einer als Ausgleichsbehälter ausgebildeten Komponente des Kühlsystems verbindbar. Dabei ist es möglich, dass der Ausgleichsbehälter in einer Strömungsrichtung innerhalb des Kühlkreislaufs vor der Pumpe, bspw. einer Hauptpumpe, zum Fördern des Kühlmediums, bspw. von Wasser, angeordnet ist.
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Die Anordnung und das Kühlsystem sind bspw. als Komponenten eines Fahrzeugs ausgebildet. Die mindestens eine Gasdruckquelle ist als Luftverdichter einer Brennstoffzellenanlage, als Kompressor eines Fahrwerks, als Turbolader und/oder als Kolbenmaschine einer bzw. der Brennstoffzellenanlage ausgebildet.
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Die Anordnung weist mindestens einen Sensor auf, der dem Kühlsystem zugeordnet und dazu ausgebildet ist, mindestens einen thermodynamischen Parameter des Kühlmediums, bspw. eine Temperatur und/oder einen Druck, zu erfassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Kühlsystems vorgesehen, das mehrere Komponenten aufweist, in denen sich jeweils ein flüssiges Kühlmedium befindet. Dabei wird mindestens eine Komponente des Kühlsystems, bspw. über eine Leitung, mit mindestens einer bspw. außerhalb des Kühlsystems angeordneten Gasdruckquelle verbunden. Mit der mindestens einen Gasdruckquelle wird unter Druck stehendes Gas bereitgestellt und zu der mindestens einen Komponente gefördert, mit dem das Kühlmedium innerhalb des Kühlsystems beaufschlagt wird, wobei ein Wert eines Drucks des Kühlmediums mit der mindestens einen Gasdruckquelle bspw. von außen eingestellt und somit verändert, bspw. reduziert oder erhöht, wird.
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Der Wert des Drucks des Kühlmediums wird von der Gasdruckquelle abhängig von einem bislang aktuell gemessenen Wert mindestens eines thermodynamischen Parameters des Kühlmediums, bspw. des Drucks und/oder der Temperatur des Kühlmediums, eingestellt und demnach reguliert. So ist es bspw. möglich, den Wert des Drucks ausgehend von dem aktuell gemessenen Wert mit der externen Gasdruckquelle auf einen neuen Wert zu reduzieren oder zu erhöhen.
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Mit der Anordnung und dem Verfahren ist es möglich, dem Kühlsystem und somit dem darin befindlichen, in der Regel flüssigen Kühlmedium einen Druck aufzuprägen und somit dieses extern zu beaufschlagen, wobei die Gasdruckquelle als externe Einrichtung außerhalb des Kühlsystems verwendet wird.
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Falls das Kühlsystem und die Anordnung innerhalb eines Fahrzeugs zum Betreiben desselben angeordnet sind, ist es möglich, für die Pumpe des Kühlsystems auch bei einer geringen Temperatur des Kühlmediums bzw. eines entsprechenden Kühlmittels eine hohe Drehzahl für die Pumpe zum Fördern des Kühlmediums sowie einen hohen Volumenstrom für das Kühlmedium zu erreichen.
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In Ausgestaltung wird mit der Gasdruckquelle, die mit der mindestens einen Komponente des Kühlsystems verbunden ist, für das darin befindliche Kühlmedium ein statischer Druck erzeugt. Somit ist es bspw. möglich, elastische, als Schläuche ausgebildete Verbindungen innerhalb des Kühlkreislaufs, die zum Fördern des Kühlmediums ausgebildet sind, durch Erhöhen des Drucks des Kühlmediums und/oder des Gases vorzuspannen und/oder aufzupumpen.
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Falls als Gasdruckquelle bei einem Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle deren Luftverdichter verwendet wird, ergibt sich, dass als Gas, das von der Druckluftquelle dem Kühlsystem bereitgestellt und somit in dieses gefördert wird, vorgefilterte Luft aus der Brennstoffzelle verwendet wird, wobei leistungsabhängig ein Druck von bis zu ca. drei bar erzeugbar ist. Mit dem Druckreguliergerät oder einer geeigneten Regeleinheit, das auch als Druckminderer einsetzbar und/oder ausgebildet ist, ist es möglich, das Kühlsystem „vorzuspannen“.
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Mit der Anordnung und/oder dem Verfahren ist es möglich, eine Kavitationsneigung der Pumpe zu reduzieren. Durch Erhöhen des Niveaus des Drucks in dem Kühlkreislauf des Kühlsystems wird eine Bildung von Dampfblasen in dem Kühlmedium verringert, da mit der Anordnung verhindert wird, dass bspw. auf einer Saugseite der Pumpe ein bspw. als Dampfdruck ausgebildeter Druck des Kühlmediums einen kritischen Wert unterschreitet.
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Weiterhin ist es möglich, dem Kühlsystem das Gas aus einer Gasdruckquelle bereitzustellen und somit in das Kühlsystem zu fördern, die als Kompressor eines Fahrwerks ausgebildet ist, wobei dieser Kompressor über eine Leitung und ein als Druckminderer ausgebildetes Druckreguliergerät mit der mindestens einen Komponente des Kühlsystems verbunden ist. Es ist jedoch auch möglich, als Gasdruckquelle eine Luftpumpe oder eine gleichwertige Gasfördereinrichtung zu verwenden. Falls das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader aufweist, ist es möglich, den Turbolader als Gasdruckquelle zu verwenden. Falls das Fahrzeug eine Brennstoffzelle aufweist, ist dieser üblicherweise einer Kolbenmaschine zugeordnet. Diese Kolbenmaschine ist dazu ausgebildet, Wasserstoff von einem hohen Druck von bspw. mehr als ca. 700 bar auf einen Betriebsdruck der Brennstoffzelle zu entspannen. Bei einem derartigen Entspannen des Wasserstoffs ist es möglich, dass mit der Kolbenmaschine Luft komprimiert wird, die weiterhin der mindestens einen Komponente des Kühlsystems bereitgestellt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2 ist hier mit einem Kühlsystem 4 verbunden und als externe Einrichtung außerhalb des Kühlsystems 4 angeordnet. Dabei sind die Anordnung 2 und das Kühlsystem 4 als Komponenten eines Fahrzeugs 6 ausgebildet und in diesem angeordnet. Das Kühlsystem umfasst mehrere Komponenten 8, 10, die über Verbindungen 12 als weitere Komponenten des Kühlsystems 4 miteinander verbunden sind. Zwischen den Komponenten 8, 10 wird über die Verbindungen 12 innerhalb des Kühlsystems 4 ein flüssiges Kühlmedium gefördert, wobei die Komponenten 8, 10 sowie die Verbindungen 12 einen Kühlkreislauf für das Kühlmedium bilden. Dabei ist hier vorgesehen, dass eine erste Komponente 8 als Ausgleichsbehälter (AGB) und eine zweite Komponente 10 als Pumpe bzw. Hauptpumpe zum Fördern des Kühlmediums, bspw. von Wasser, ausgebildet ist.
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Die Anordnung 2 weist eine Gasdruckquelle 14 auf, die hier über eine Leitung 16 mit der ersten Komponente 8, d. h. dem Ausgleichsbehälter des Kühlsystems 4 verbunden ist, der hier weiterhin in einer vorgesehenen Strömungsrichtung des Kühlmediums der Pumpe als zweiter Komponente 10 vorgeschaltet ist. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit der Ausführungsform der Anordnung 2 durchführbar ist, ist vorgesehen, dass ausgehend von der Gasdruckquelle 14 der ersten Komponente 8 und somit dem Kühlsystem 4 Gas bereitgestellt wird, wodurch wiederum ein Druck des Kühlmediums in dem Kühlsystem 4 von außen einstellbar bzw. regulierbar ist.
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Hierbei ist es weiterhin möglich, auch einen Wert des Gases, das dem Kühlsystem 4 bereitstellbar ist, zu regeln. Dabei ist hierfür in der und/oder an der Leitung 16 ein Druckreguliergerät 22 für das Gas aus dem Gasdruckspeicher 14 angeordnet, das dazu ausgebildet ist, einen Wert des Drucks des Gases aus der Gasdruckquelle 14 einzustellen und je nach Bedarf zu erhöhen oder zu reduzieren.
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Als weitere Komponenten der Anordnung 2 sind hier ein Steuergerät 18 und mindestens ein Sensor 20 zum Erfassen mindestens eines thermodynamischen Parameters des Kühlmediums und/oder des Kühlsystems 4 vorgesehen, wobei dieser mindestens eine Sensor 20 hier in und/oder an einer Komponente 8, 10 des Kühlsystems 4 anordenbar ist. Es ist auch möglich, dass dieser mindestens eine Sensor 20 ohnehin in dem Kühlsystem 4 angeordnet ist und auch für andere Zwecke unabhängig von dem vorgestellten Verfahren verwendet wird. Mit dem bspw. als Temperatur- oder als Drucksensor ausgebildeten mindestens einen Sensor 20 ist es möglich, jeweils einen aktuellen Wert des mindestens einen thermodynamischen Parameters des Kühlmediums, bspw. dessen Temperatur und/oder Druck, zu ermitteln und an das Steuergerät 18 weiterzugeben. Das Steuergerät 18 ist wiederum dazu ausgebildet, die Gasdruckquelle 14 und/oder das Druckreguliergerät 22 anzusteuern und dabei bspw. eine Menge des Gases, das dem Kühlsystem 4 bereitgestellt wird und/oder dessen Druck einzustellen. Hierbei ist es möglich, dass von dem Steuergerät 18 Betriebsparameter des Kühlsystems 4 und/oder des Fahrzeugs 6 berücksichtigt werden. In Ausgestaltung ist es möglich, dass bspw. auch eine Drehzahl der als Pumpe ausgebildeten zweiten Komponente 10 des Kühlsystems 4 von dem Steuergerät 18 berücksichtigt wird, wobei der Wert des Drucks des Gases aus der Gasdruckquelle 14 auch abhängig von dem Wert der Drehzahl zuzüglich des Werts des mindestens einen thermodynamischen Parameters eingestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216237 A1 [0004]
- DE 102014013921 A1 [0005]
- DE 102016212125 A1 [0006]
