DE102017212309B3 - Coolant circuit with at least two cooling circuits and a latent heat storage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf (100, 200) zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen (1, 2, 3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aufweisend ein Kühlmittel mit einem Kühlfluid und einem vorbestimmten Volumenanteil eines Latentwärmespeichers (4, 5, 6, 7), einen ersten Kühlkreis (11) zur Kühlung einer ersten, wärmeren Wärmequelle (1), einen zweiten Kühlkreis (13, 25) zur Kühlung einer zweiten, kühleren Wärmequelle (2), und einen Wärmetauscher (18) mit einer Wärmetauscherstrecke (19), die ein Teil beider Kühlkreise (11, 13, 25) ist, sowie ein Verfahren zur Anpassung des Kühlmittelkreislaufs.

Figure DE102017212309B3_0000
The invention relates to a coolant circuit (100, 200) for cooling at least two heat sources (1, 2, 3), in particular in a motor vehicle, comprising a coolant with a cooling fluid and a predetermined volume fraction of a latent heat accumulator (4, 5, 6, 7), a first cooling circuit (11) for cooling a first, warmer heat source (1), a second cooling circuit (13, 25) for cooling a second, cooler heat source (2), and a heat exchanger (18) with a heat exchanger section (19) a part of both cooling circuits (11, 13, 25), and a method for adjusting the coolant circuit.
Figure DE102017212309B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Anpassung eines Kühlmittelkreislaufs.The invention relates to a coolant circuit for cooling at least two heat sources, in particular in a motor vehicle, and to a method for adapting a coolant circuit.

In Kraftfahrzeugen werden vielfach Kühlmittelkreisläufe zur Kühlung unterschiedlicher Wärmequellen eingesetzt, insbesondere zur Kühlung von Antriebskomponenten, Energiespeichern oder elektrischen Verbrauchern. Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen bedeutet das häufig, dass mit der Verbrennungskraftmaschine einerseits und mit elektrischen Komponenten (zum Beispiel einer Traktionsbatterie, einem SuperCap, einer Brennstoffzelle, aber auch der elektrischen Maschine eines Hybridfahrzeugs) andererseits Wärmequellen mit sehr unterschiedlichen Betriebstemperaturen gekühlt werden müssen.In motor vehicles, coolant circuits are often used for cooling different heat sources, in particular for cooling drive components, energy stores or electrical consumers. In motor vehicles with internal combustion engines, this often means that with the internal combustion engine on the one hand and with electrical components (for example a traction battery, a SuperCap, a fuel cell, but also the electric machine of a hybrid vehicle) on the other hand heat sources with very different operating temperatures must be cooled.

Bei Verbrennungskraftmaschinen muss - insbesondere wegen der Verbrennungsvorgänge - mittels des Kühlmittels vielfach Wärme von Oberflächen abgeführt werden, die eine Oberflächentemperatur von mehreren 100 °C aufweisen. Bei elektrischen Maschinen liegt diese Temperatur im Regelfall nicht viel höher als 80 °C, weil die typischerweise verwendeten Magnete bei höheren Temperaturen Schaden nehmen, könnten. Bei einem ähnlichen Temperaturniveau werden beispielsweise SuperCaps oder Brennstoffzellen mit einer Protone Exchange Membran (PEM) betrieben, die dementsprechend ebenfalls auf ein solches Temperaturniveau gekühlt werden müssen. Bei der Traktionsbatterie von Hybridfahrzeugen muss häufig eine Maximaltemperatur im Bereich von 25 bis 40 °C gehalten werden können, wobei alkalische Zellchemien eher in einem Temperaturbereich zwischen 30 und 40 °C, Li-Ion-basierte Zellchemien eher in einem Temperaturbereich unter 30 °C betrieben werden.In internal combustion engines - in particular because of the combustion processes - by means of the coolant often heat must be removed from surfaces having a surface temperature of several 100 ° C. For electrical machines, this temperature is usually not much higher than 80 ° C, because the typically used magnets could be damaged at higher temperatures. At a similar temperature level, for example, SuperCaps or fuel cells are operated with a Proton Exchange Membrane (PEM), which accordingly must also be cooled to such a temperature level. In the traction battery of hybrid vehicles often a maximum temperature in the range of 25 to 40 ° C must be maintained, with alkaline cell chemistries rather in a temperature range between 30 and 40 ° C, Li-ion-based cell chemistries rather in a temperature range below 30 ° C operated become.

Daher sind beispielsweise bei gängigen Hybridfahrzeugen zwei oder drei getrennte Kühlmittelkreisläufe vorgesehen, die hinsichtlich ihrer geometrischen Gestaltung, dem eingesetzten Kühlmittel-Volumen und/oder der Auswahl des verwendeten Kühlmittels an das Temperaturniveau der einen bzw. der anderen Wärmequelle angepasst sind.Therefore, for example, in common hybrid vehicles, two or three separate coolant circuits are provided, which are adapted to the temperature level of one or the other heat source in terms of their geometric design, the volume of coolant used and / or the selection of the coolant used.

Bekannt sind, beispielsweise aus der DE 10 2009 023 724 A1 , auch Kraftfahrzeuge, bei welchen Wärmequellen mit unterschiedlichem Temperaturniveau mit einem Kühlmittelkreislauf mit einem gemeinsamen Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr gekühlt werden. Integrierte Kühlmittelkreisläufe weisen den Vorteil auf, dass sie insbesondere wegen der gemeinsamen Wärmetauscherstrecke weniger Bauraum und weniger Montage erfordern und damit weniger Gewicht aufweisen und geringere Kosten verursachen.Are known, for example from the DE 10 2009 023 724 A1 , including motor vehicles, in which heat sources with different temperature levels are cooled with a coolant circuit with a common heat exchanger for heat dissipation. Integrated coolant circuits have the advantage that they require less space and less assembly, in particular because of the common heat exchanger section and thus have less weight and lower costs.

Diese Kühlmittelkreisläufe weisen allerdings den Nachteil auf, dass bei der wärmeren, zu kühlenden Wärmequelle eine höhere Temperaturdifferenz zum Kühlmittel vorliegt als bei (der) kühleren, zu kühlenden Wärmequelle(n). Wegen des damit verbundenen, besserer Wärmeübergangs zwischen der wärmeren Temperaturquelle und dem Kühlmittel kann diese besser gekühlt werden als die kühlere(n) Wärmequelle(n).However, these coolant circuits have the disadvantage that there is a higher temperature difference to the coolant in the warmer, to be cooled heat source than in (the) cooler, to be cooled heat source (s). Because of the associated, better heat transfer between the warmer temperature source and the coolant, this can be better cooled than the cooler heat source (s).

Eine ausreichend niedrige Kühlmitteltemperatur, um auch die kühlere Wärmequelle aufgrund einer ausreichenden Temperaturdifferenz optimal zu kühlen, kann - insbesondere mit einer vorteilhaft einfach bauenden Luftkühlung - nur sehr schwer erreicht werden.A sufficiently low coolant temperature in order to optimally cool the cooler heat source due to a sufficient temperature difference can also be achieved only with great difficulty, in particular with an advantageously simple air cooling system.

Aus der DE 10 2012211 140 A1 ist ein geschlossener Fluidmedium-Strömungspfadkreis bekannt, in welchem durch mehrere Kühlrippen hindurch ein flüssiges Kühlmittel mit Mikro-Phase-Change-Material zirkuliert werden kann, um eine Fahrzeugbatterie zu kühlen. Das Kühlmittel kann von einem Einlass durch einen Kühlströmungspfad hindurch zu einem Auslass gelangen, wobei der Strömungspfad die Form vieler, im Wesentlichen paralleler, einzelner Pfade oder Kanäle annehmen kann. Zwischen dem Auslass und dem Einlass ist nötigenfalls ein Wärmetauscher angeordnet.From the DE 10 2012211140 A1 For example, a closed fluid medium flow path circuit is known in which a liquid coolant with micro phase change material can be circulated through a plurality of cooling fins to cool a vehicle battery. The coolant may pass from an inlet through a cooling flow path to an outlet, wherein the flow path may take the form of many, substantially parallel, individual paths or channels. If necessary, a heat exchanger is arranged between the outlet and the inlet.

Aus den Dokumenten DE 103 18 044 A1 , DE 196 54 035 A1 , DE 10 2005 061 195 A1 , DE 10 2010 009 181 A1 , DE 10 2010 040 829 A1 , JP 2003/129844 A und US 2004/0019123 A1 sind jeweils weitere Gestaltungen eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kühlkreis bekannt, dessen Kühlmittel ein Phasenwechselmaterial aufweist.From the documents DE 103 18 044 A1 . DE 196 54 035 A1 . DE 10 2005 061 195 A1 . DE 10 2010 009 181 A1 . DE 10 2010 040 829 A1 . JP 2003/129844 A and US 2004/0019123 A1 In each case further designs of a coolant circuit with a cooling circuit are known, the coolant has a phase change material.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kühlmittelkreislauf zur Kühlung von wenigstens zwei Wärmequellen bereitzustellen.Against this background, it is an object of the invention to provide an improved coolant circuit for cooling at least two heat sources.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlmittelkreislauf mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a coolant circuit with the features of claim 1 and by a method having the features of claim 11. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kühlmittelkreislauf zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Der Kühlmittelkreislauf weist auf: (a) ein Kühlmittel mit einem Kühlfluid und einem vorbestimmten Volumenanteil eines Latentwärmespeichers, (b) einen ersten Kühlkreis zur Kühlung einer ersten, wärmeren Wärmequelle, die insbesondere eine höhere Betriebstemperatur einer zu kühlenden Oberfläche aufweist, (c) wenigstens einen zweiten Kühlkreis zur Kühlung einer zweiten, kühleren Wärmequelle, die insbesondere eine niedrigere Betriebstemperatur einer zu kühlenden Oberfläche aufweist, und (d) einen Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherstrecke, die vorzugsweise ein Teil beider Kühlkreise, also insbesondere des ersten und des zweiten sowie ggf. jedes weiteren Kühlkreises, ist.According to one aspect of the invention, a coolant circuit for cooling at least two heat sources, in particular in a motor vehicle, is provided. The coolant circuit comprises: (a) a coolant having a cooling fluid and a predetermined volume fraction of a latent heat accumulator, (b) a first cooling circuit for cooling a first, warmer heat source, in particular a higher operating temperature of a surface to be cooled, (c) at least one second cooling circuit for cooling a second, cooler heat source, in particular a lower operating temperature of a surface to be cooled, and (d) a heat exchanger with a heat exchanger section, preferably a part of both Cooling circuits, ie in particular the first and the second and possibly each other cooling circuit, is.

Der zweite Kühlkreis weist eine Unterkühlstrecke auf, die konfiguriert ist, das Kühlmittel - insbesondere nach einer Kühlung (= Wärmeentzug aus dem Kühlmittel, beispielsweise mittels einer Luftkühlung) im Wärmetauscher - weiter abzukühlen, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb einer Phasenwechseltemperatur des Latentwärmespeichers. Gemäß einer Ausführung wird das Kühlmittel in der Unterkühlstrecke ausreichend tiefer als die Phasenwechseltemperatur abgekühlt und/oder ausreichend lange in der Unterkühlstrecke geführt, damit sich der Phasenwechsel des Latentwärmespeichers, insbesondere möglichst vollständig, vollziehen kann.The second cooling circuit has a subcooling section which is configured to further cool the coolant, in particular to a temperature below a phase change temperature of the latent heat accumulator, in particular after cooling (= removal of heat from the coolant, for example by means of air cooling) in the heat exchanger. According to one embodiment, the coolant in the subcooling section is cooled sufficiently lower than the phase change temperature and / or sufficiently long out in the subcooling, so that the phase change of the latent heat accumulator, in particular as completely as possible, can take place.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Anpassung eines Kühlmittelkreislaufs, insbesondere gemäß einer Ausführung des zuvor beschriebenen Aspekts, bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte auf: (i) Bestimmen einer Betriebstemperatur der zweiten Wärmequelle, (ii) Ermitteln einer gewünschten Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der zweiten Wärmequelle, und (iii) Mischen des Kühlmittels aus einem Kühlfluid und einem Latentwärmespeicher mit der ermittelten Phasenwechseltemperatur.According to a further aspect of the invention, a method for adapting a coolant circuit, in particular according to an embodiment of the aspect described above, is provided. The method comprises the steps of: (i) determining an operating temperature of the second heat source, (ii) determining a desired phase change temperature of the phase change material as a function of the operating temperature of the second heat source, and (iii) mixing the coolant from a cooling fluid and a latent heat storage with the determined phase change temperature.

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Kühlmittelkreislauf hinsichtlich seiner geometrischen und/oder Kühlmittel-bezogenen Auslegung normalerweise nur auf eine (einzige) bestimmte Temperaturdifferenz zwischen einer Betriebstemperatur des Kühlmittels an der zu kühlenden Oberfläche der Wärmequelle einerseits und einer Betriebstemperatur der zu kühlenden Oberfläche selbst andererseits optimiert werden kann und dass zudem bei der zumeist angestrebten Luftkühlung wegen der durch die Umgebungsluft vorgegebenen Lufttemperatur nur ein umso geringerer Temperaturgradient erreicht werden kann, je näher die Temperatur der zu kühlenden Oberfläche an der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Insbesondere eine Kühlung zweier Wärmequellen mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen der jeweils zu kühlenden Oberfläche kann höchstens für eine dieser Oberflächen im optimierten Bereich stattfinden; zumeist für die höher temperierte Oberfläche, weil dort der Wärmeübergang - insbesondere auf ein fluidbasiertes Kühlmittel - aufgrund der höheren Temperaturdifferenz stärker ausgeprägt ist.The invention is based inter alia on the finding that a coolant circuit with respect to its geometrical and / or coolant-related design normally only to a (single) certain temperature difference between an operating temperature of the coolant to be cooled surface of the heat source on the one hand and an operating temperature of Cooling surface itself can be optimized on the other hand and that also in the most desired air cooling due to the air temperature predetermined by the ambient air only a lesser temperature gradient can be achieved, the closer the temperature of the surface to be cooled is at the temperature of the ambient air. In particular, cooling of two heat sources with different operating temperatures of the respective surface to be cooled can take place at most for one of these surfaces in the optimized region; usually for the higher temperature surface, because there the heat transfer - especially on a fluid-based coolant - is more pronounced due to the higher temperature difference.

Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, in einem Kühlmittelkreislauf sowohl ein herkömmliches Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser mit einem Frostschutzmittel, als auch einen Anteil eines Latentwärmespeichers, wie beispielsweise ein geeignetes Paraffin, vorzusehen.The invention is based inter alia on the idea of providing in a coolant circuit both a conventional cooling fluid, such as water with an antifreeze, and a portion of a latent heat storage, such as a suitable paraffin.

Insbesondere ist nun ein erster Kühlkreis derart ausgelegt, dass mit dem Kühlfluid eine wärmere Wärmequelle optimiert gekühlt werden kann, und ein zweiter Kühlkreis derart ausgelegt, dass mit dem Latentwärmespeicher eine kühlere Wärmequelle optimiert gekühlt werden kann.In particular, a first cooling circuit is now designed such that a warmer heat source can be cooled optimally with the cooling fluid, and a second cooling circuit is designed such that a cooler heat source can be cooled optimally with the latent heat storage.

Zwar ist es - insbesondere bei einer reinen Luftkühlung - auch mit einer Unterkühlstrecke für den zweiten Kühlkreis schwierig, dem Kühlfluid eine ausreichend niedrige Temperatur für einen optimierten Wärmeübergang an der zweiten Wärmequelle zu vermitteln. Jedoch kann das hohe Wärmeaufnahmevermögen des Latentwärmespeichers beim Phasenwechsel, verwendet werden, um trotzdem eine verhältnismäßig große Menge Wärme abzuführen.Although it is - especially in a pure air cooling - difficult even with a subcooling for the second cooling circuit, the cooling fluid to convey a sufficiently low temperature for an optimized heat transfer to the second heat source. However, the high heat capacity of the latent heat storage during the phase change, can be used to still dissipate a relatively large amount of heat.

Zudem kann gemäß einer Ausführung insbesondere durch den Einbau eines Volumenstrombegrenzers, beispielsweise einer Drossel, die Verweildauer des Kühlmediums in den kühler betriebenen Kühlkreisen, und insbesondere in der zugehörigen Unterkühlstrecke, erhöht werden, wodurch eine stärkere Abkühlung des Kühlmedium in diesen Kühlkreisen erreicht werden kann. Diese stärkere Kühlung kann dann in Verbindung mit dem höheren Wärmetragvermögen dank Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials arbeiten.In addition, according to an embodiment, in particular by the installation of a flow restrictor, such as a throttle, the residence time of the cooling medium in the cooler operated cooling circuits, and in particular in the associated subcooling, can be increased, whereby a greater cooling of the cooling medium can be achieved in these cooling circuits. This stronger cooling can then work in conjunction with the higher heat capacity thanks to phase change of the phase change material.

Dazu ist gemäß einer Ausführung in dem zweiten Kühlkreis, insbesondere zwischen der Unterkühlstrecke, und der zweiten Wärmequelle, eine Volumenstrombegrenzung angeordnet, die insbesondere eine Drossel aufweist.For this purpose, according to an embodiment in the second cooling circuit, in particular between the subcooling section, and the second heat source, a volumetric flow limitation is arranged, which in particular has a throttle.

Um einen zuverlässigen Phasenwechsel hin zum festen Zustand des Latentwärmespeichers sicherzustellen, ist gemäß einer Ausführung die Unterkühlstrecke zwischen der Wärmetauscherstrecke und der zweiten Wärmequelle angeordnet.In order to ensure a reliable phase change to the solid state of the latent heat storage, according to one embodiment, the subcooling between the heat exchanger section and the second heat source is arranged.

Zur Sicherstellung einer kompakten und einfachen Bauform des Kühlmittelkreislaufes ist gemäß einer Ausführung die Unterkühlstrecke an dem Wärmetauscher angeordnet. Dabei ist insbesondere zwischen der Wärmetauscherstrecke und der Unterkühlstrecke eine Verzweigungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkreis angeordnet.To ensure a compact and simple design of the coolant circuit according to one embodiment, the subcooling is arranged on the heat exchanger. In this case, a branch point between the first and the second cooling circuit is arranged in particular between the heat exchanger section and the subcooling.

Um ein Absetzen des Latentwärmespeichers im Kühlmittelkreislauf zu vermeiden und/oder eine gleichmäßige Verteilung des Latentwärmespeichers im Kühlmittelkreislauf sicherzustellen, weist gemäß einer Ausführung der Latentwärmespeicher eine Vielzahl von Mikrokapseln auf, in welchen ein Phasenwechselmaterial (auch als „phase change material“ (PCM) oder microencapsulated phase change materials slurries (mPCMS) bezeichnet), beispielsweise ein geeignetes Paraffin oder ein Salz, fluidfest gekapselt ist.In order to avoid settling of the latent heat accumulator in the coolant circuit and / or to ensure a uniform distribution of the latent heat accumulator in the coolant circuit has, according In one embodiment of the latent heat storage device, a plurality of microcapsules in which a phase change material (also referred to as "phase change material" (PCM) or microencapsulated phase change materials slurries (mPCMS)), for example a suitable paraffin or a salt, is fluid-tightly encapsulated.

Um einen zuverlässigen Betrieb in Verbindung mit einem Kühlfluid auf Wasserbasis zu ermöglichen - wie gemäß einer Ausführung vorgesehen -, weisen gemäß einer Ausführung die Mikrokapseln einen wenigstens im Wesentlichen inerten Polymerwerkstoff mit einer thermischen Beständigkeit bis wenigstens 150 ℃, insbesondere von wenigstens 250 ℃, insbesondere mit einer Wandstärke von weniger als 2 % bis weniger als 25 % des Durchmessers der Mikrokapsel, auf. Die Wand der Mikrokapseln kann jeweils beispielsweise einen Durchmesser von zwischen 0,5 µm und 30 µm aufweisen.In order to enable reliable operation in conjunction with a water-based cooling fluid, as provided in one embodiment, the microcapsules according to one embodiment comprise an at least substantially inert polymeric material having a thermal stability of at least 150 ℃, especially at least 250 ℃, especially a wall thickness of less than 2% to less than 25% of the diameter of the microcapsule, on. The wall of the microcapsules may each have, for example, a diameter of between 0.5 μm and 30 μm.

Um den Kühlmittelkreislauf an unterschiedliche Einsatzbedingungen (wie zum Beispiel Oberflächentemperatur der kühleren zu kühlenden Wärmequelle, Größe und/oder Form der zu kühlenden Oberfläche der kühleren Wärmequelle, etc.) anpassen zu können, beträgt gemäß einer Ausführung der vorbestimmte Volumenanteil des Latentwärmespeichers am Volumen des gesamten Kühlmittels zwischen 10 % und 25 %, vorzugsweise zwischen 15 % und 20 %.In order to be able to adapt the coolant circuit to different conditions of use (such as surface temperature of the cooler heat source to be cooled, size and / or shape of the surface to be cooled of the cooler heat source, etc.), according to one embodiment, the predetermined volume fraction of the latent heat accumulator is the volume of the entire Coolant between 10% and 25%, preferably between 15% and 20%.

Eine Anpassung an die Einsatzbedingungen kann auch durch eine geeignete Auswahl des Phasenwechselmaterials erfolgen. Gemäß einer Ausführung kann das Phasenwechselmaterial ein Paraffin, einen Fettsäureester, ein Salz und/oder ein geeignetes anderes PCM enthalten, wobei sich die Eignung unter anderem aus der Phasenwechseltemperatur ergeben kann.An adaptation to the conditions of use can also be done by a suitable selection of the phase change material. According to one embodiment, the phase change material may contain a paraffin, a fatty acid ester, a salt, and / or a suitable other PCM, the suitability of which may result inter alia from the phase change temperature.

Je nach benötigter Phasenwechseltemperatur können beispielsweise Paraffine mit einer unterschiedlichen Anzahl an Kohlenstoffatomen verwendet werden, insbesondere mit 14 bis 34 Kohlenstoffatomen in einem paraffinischen Kohlenwasserstoff. Damit können Phasenwechseltemperaturen zwischen 5,5 °C (z.B. Paraffin mit 14 Kohlenstoffatomen) und 76 °C (z.B. Paraffin mit 34 Kohlenstoffatomen) erreicht werden. Beispielsweise kann vorliegend zum Kühlen einer Hybrid-Kfz-Traktionsbatterie ein Paraffin mit 20 C-Atomen verwendet werden, welches eine Phasenwechseltemperatur von knapp 37 Grad Celsius aufweist, während ein Elektromotor beispielsweise mit einem Paraffin mit 27 C-Atomen gekühlt werden kann, das bei knapp 59 °C die Phase wechselt. Zur Feineinstellung einer bestimmten Phasenwechseltemperatur können gemäß einer Ausführung Mikrokapseln mit unterschiedlichen Paraffinen verwendet werden, wobei das Mischungsverhältnis dann insbesondere in Abhängigkeit von der einzustellenden Phasenwechseltemperatur zu wählen ist.For example, depending on the required phase change temperature, paraffins having a different number of carbon atoms can be used, especially with 14 to 34 carbon atoms in a paraffinic hydrocarbon. Thus, phase change temperatures between 5.5 ° C (e.g., 14 carbon paraffin) and 76 ° C (e.g., 34 carbon paraffin) can be achieved. For example, in the present case for cooling a hybrid automotive traction battery, a paraffin with 20 C atoms can be used, which has a phase change temperature of almost 37 degrees Celsius, while an electric motor can be cooled, for example, with a paraffin with 27 C atoms, which is scarce 59 ° C the phase changes. For fine adjustment of a specific phase change temperature, microcapsules with different paraffins can be used according to an embodiment, wherein the mixing ratio is then to be selected in particular as a function of the phase change temperature to be set.

Wenn ein Kühlfluid auf Wasserbasis verwendet wird, kann gemäß einer Ausführung vorgesehen sein, dem Wasser einen anwendungsspezifisch benötigten Anteil eines geeigneten Frostschutzmittels wie beispielsweise Glykol beizumischen. Typischerweise kann ein Kühlfluid in etwa jeweils gleiche Mengen Wasser und Glykol aufweisen, beispielsweise im Wesentlichen jeweils zur Hälfte aus Wasser bzw. Glykol bestehen.If a water-based cooling fluid is used, it may be provided according to an embodiment to add an application-specific required amount of a suitable antifreeze such as glycol to the water. Typically, a cooling fluid may comprise approximately equal amounts of water and glycol, for example, substantially one-half of water or glycol, respectively.

Ferner dient das Kühlfluid vorzugsweise der Aufnahme und dem Transport des Latentwärmespeichers, insbesondere der Mikrokapseln, im Kühlmittelkreislauf.Furthermore, the cooling fluid preferably serves to receive and transport the latent heat accumulator, in particular the microcapsules, in the coolant circuit.

Um eine optimierte Kühlleistung bezüglich (der) kühleren Wärmequelle(n) bereitzustellen, weist gemäß einer Ausführung das Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur auf, welche auf eine Betriebstemperatur der zweiten und/oder weiteren Wärmequelle abgestimmt ist.In order to provide optimized cooling performance with respect to the cooler heat source (s), according to one embodiment, the phase change material has a phase change temperature which is tuned to an operating temperature of the second and / or further heat source.

Um mehr als zwei Wärmequellen mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen kühlen zu können, weist gemäß einer Ausführung der Kühlmittelkreislauf einen dritten Kühlkreis zur Kühlung einer dritten, noch kühleren Wärmequelle auf, wobei die Wärmetauscherstrecke, und vorzugsweise auch die Unterkühlstrecke des zweiten Kühlkreises, ein Teil des dritten Kühlkreises ist, und wobei der Latentwärmespeicher ein zweites Phasenwechselmaterial mit einer zweiten Phasenwechseltemperatur aufweist, welche insbesondere auf eine Betriebstemperatur der dritten Wärmequelle abgestimmt ist.In order to be able to cool more than two heat sources with different operating temperatures, according to one embodiment, the coolant circuit to a third cooling circuit for cooling a third, even cooler heat source, wherein the heat exchanger section, and preferably the subcooling of the second cooling circuit is part of the third cooling circuit , and wherein the latent heat storage device has a second phase change material with a second phase change temperature, which is tuned in particular to an operating temperature of the third heat source.

Dabei weist gemäß einer Ausführung der dritte Kühlkreis eine weitere Unterkühlstrecke auf, die insbesondere konfiguriert ist, das Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb der zweiten Phasenwechseltemperatur abzukühlen.In this case, according to one embodiment, the third cooling circuit has a further subcooling path, which is in particular configured to cool the coolant to a temperature below the second phase change temperature.

Um mehr als drei Wärmequellen mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen kühlen zu können, weist gemäß einer Ausführung der Kühlmittelkreislauf wenigstens einen weiteren Kühlkreis mit einer weiteren Unterkühlstrecke auf, insbesondere zur Kühlung einer weiteren Wärmequelle mit einer anderen Betriebstemperatur.In order to be able to cool more than three heat sources with different operating temperatures, according to one embodiment the coolant circuit has at least one further cooling circuit with a further subcooling path, in particular for cooling a further heat source with a different operating temperature.

Insbesondere bei einer Anwendung einer Ausführung der Erfindung in einem Kraftfahrzeug kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Wärmequelle ein Verbrennungsmotor und die zweite Wärmequelle eine Elektromaschine ist. Es kann aber auch genauso vorgesehen sein, dass die erste Wärmequelle ein Verbrennungsmotor und die zweite Wärmequelle ein elektrischer Verbraucher oder eine Energiespeichervorrichtung beispielsweise für einen elektrischen Antrieb ist, oder dass die erste Wärmequelle eine Elektromaschine und die zweite Wärmequelle ein elektrischer Verbraucher ist. Vorzugsweise ist die erste Wärmequelle ein Verbrennungsmotor und die zweite Wärmequelle eine Elektromaschine und die dritte Wärmequelle eine Energiespeichervorrichtung wie eine Fahrzeugbatterie, beispielsweise eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeugs.In particular, in an application of an embodiment of the invention in a motor vehicle, for example, be provided that the first heat source is an internal combustion engine and the second heat source is an electric machine. But it can also be provided that the first heat source is an internal combustion engine and the second heat source is an electrical consumer or a Energy storage device, for example, for an electric drive, or that the first heat source is an electric machine and the second heat source is an electrical consumer. Preferably, the first heat source is an internal combustion engine and the second heat source is an electric machine and the third heat source is an energy storage device such as a vehicle battery, for example a hybrid or an electric vehicle.

Um einen zuverlässigen Betrieb des Kühlmittelkreislaufs sicherzustellen, weist dieser gemäß einer Ausführung eine Kühlmittelpumpe auf, die insbesondere zwischen einem Zusammenfluss der beiden Kühlkreise und der Wärmetauscherstrecke angeordnet ist.In order to ensure reliable operation of the coolant circuit, according to one embodiment, this has a coolant pump, which is arranged in particular between a confluence of the two cooling circuits and the heat exchanger section.

Gemäß einer Ausführung wird eine Betriebstemperatur der ersten Wärmequelle bestimmt, eine Temperaturdifferenz zwischen den Betriebstemperaturen der beiden Wärmequellen ermittelt und eine Länge und/oder Wärmeabfuhr der Unterkühlstrecke in Abhängigkeit von dieser Temperaturdifferenz ermittelt. Damit kann die Unterkühlstrecke auf den Anwendungsfall angepasst werden.According to one embodiment, an operating temperature of the first heat source is determined, a temperature difference between the operating temperatures of the two heat sources is determined, and a length and / or heat dissipation of the subcooling path is determined as a function of this temperature difference. Thus, the subcooling can be adapted to the application.

Aus dieser Temperaturdifferenz kann gemäß einer Ausführung auch der vorbestimmte Anteil des Latentwärmespeichers am Volumen des gesamten Kühlmittels ermittelt werden, um eine optimierte Kühlwirkung, insbesondere an der kühleren Wärmequelle, zu erreichen.From this temperature difference, according to an embodiment, the predetermined proportion of the latent heat storage can be determined in the volume of the entire coolant in order to achieve an optimized cooling effect, in particular at the cooler heat source.

Gemäß einer Ausführung kann in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur einer dritten Wärmequelle eine weitere gewünschte Phasenwechseltemperatur für ein weiteres Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers ermittelt und das Kühlmittel mit zwei unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien gemischt werden.According to one embodiment, depending on the operating temperature of a third heat source, a further desired phase change temperature for a further phase change material of the latent heat accumulator can be determined and the coolant can be mixed with two different phase change materials.

Insbesondere können auch die in dieser Anmeldung für zwei Kühlkreise beschriebenen Verfahrensschritte analog für einen Kühlmittelkreislauf mit weiteren Kühlkreisen und einer entsprechenden Anzahl verschiedener Phasenwechselmaterialien durchgeführt werden.In particular, the method steps described in this application for two cooling circuits can also be carried out analogously for a coolant circuit with further cooling circuits and a corresponding number of different phase change materials.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:

  • 1 einen Kühlmittelkreislauf gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit zwei Kühlkreisen in einer schematischen Ansicht; und
  • 2 einen Kühlmittelkreislauf gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit drei Kühlkreisen in einer schematischen Ansicht.
Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the figures. Show it:
  • 1 a coolant circuit according to an exemplary embodiment of the invention with two cooling circuits in a schematic view; and
  • 2 a coolant circuit according to another exemplary embodiment of the invention with three cooling circuits in a schematic view.

In 1 ist ein Kühlmittelkreislauf 100 zur Kühlung einer ersten Wärmequelle 1 und einer zweiten Wärmequelle 2 gezeigt. Die erste Wärmequelle 1 ist im Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb und weist an einer zu kühlenden Oberfläche eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius auf. Die zweite Wärmequelle 2 ist im Ausführungsbeispiel ein Elektromotor des Kraftfahrzeugs und weist an einer zu kühlenden Oberfläche eine Betriebstemperatur von ca. 80 °C auf. Bei ähnlichen Temperaturniveaus könnte in anderen Ausführungsbeispielen mit einem beispielhaften Kühlkreislauf mit den nachfolgend beschriebenen Merkmalen (ggf. nötige geometrische Anpassungen bei der Anbindung der Wärmequelle vorausgesetzt) auch eine SuperCap-Anordnung oder eine PEM-Brennstoffzelle gekühlt werden.In 1 is a coolant circuit 100 for cooling a first heat source 1 and a second heat source 2 shown. The first heat source 1 is in the embodiment, an internal combustion engine of a motor vehicle with hybrid drive and has a temperature of several hundred degrees Celsius on a surface to be cooled. The second heat source 2 is in the embodiment, an electric motor of the motor vehicle and has an operating temperature of about 80 ° C on a surface to be cooled. At similar temperature levels could be cooled in other embodiments with an exemplary cooling circuit with the features described below (if necessary, necessary geometric adjustments in the connection of the heat source) and a SuperCap arrangement or a PEM fuel cell.

Der Kühlmittelkreislauf 100 weist einen ersten Kühlkreis 11 zur Kühlung des Verbrennungsmotors 1 auf. Die Kühlmittelleitungen des ersten Kühlkreises 11 sind mit durchgezogenen Pfeilen eingezeichnet. An der zu kühlenden Oberfläche des Verbrennungsmotors 1 weist der erste Kühlkreis 11 vorzugsweise eine Laststrecke 12 auf, entlang welcher die Wärme des Verbrennungsmotors auf das Kühlmittel, und zwar insbesondere auf das Kühlfluid, übertragen wird. Damit ist vorgesehen, dass das Kühlfluid (im Ausführungsbeispiel in etwa gleiche Mengen Wasser und Glykol) im flüssigen Zustand verbleibt, insbesondere eine Temperatur von 130 °C nicht überschreitet.The coolant circuit 100 has a first cooling circuit 11 for cooling the internal combustion engine 1 on. The coolant lines of the first cooling circuit 11 are marked with solid arrows. At the surface of the internal combustion engine to be cooled 1 indicates the first cooling circuit 11 preferably a load path 12 along, along which the heat of the internal combustion engine is transferred to the coolant, in particular to the cooling fluid. It is thus provided that the cooling fluid (in the exemplary embodiment in approximately equal amounts of water and glycol) remains in the liquid state, in particular does not exceed a temperature of 130 ° C.

Ferner weist der Kühlmittelkreislauf 100 einen zweiten Kühlkreis 13 zur Kühlung des Elektromotors 2 auf. Die Kühlmittelleitungen des zweiten Kühlkreises 13 sind mit lang gestrichenen Pfeilen eingezeichnet. An der zu kühlenden Oberfläche des Elektromotors 2 weist der zweite Kühlkreis 13 vorzugsweise eine Laststrecke 14 auf, entlang welcher die Wärme des Elektromotors auf das Kühlmittel übertragen wird. Der Wärmeübertrag im zweiten Kühlkreis 13 findet bei geringerer Temperatur statt als im ersten Kühlkreis 11 beim Verbrennungsmotor. Der Wärmeübergang von der zu kühlenden Oberfläche des Elektromotors 2 auf das Kühlfluid ist daher eingeschränkt.Furthermore, the coolant circuit 100 a second cooling circuit 13 for cooling the electric motor 2 on. The coolant lines of the second cooling circuit 13 are drawn with long-drawn arrows. At the surface of the electric motor to be cooled 2 indicates the second cooling circuit 13 preferably a load path 14 along, along which the heat of the electric motor is transmitted to the coolant. The heat transfer in the second cooling circuit 13 takes place at a lower temperature than in the first cooling circuit 11 in the internal combustion engine. The heat transfer from the surface of the electric motor to be cooled 2 on the cooling fluid is therefore limited.

Beide Kühlkreise 11 und 13 vereinigen sich vor einer Kühlmittelpumpe 16, welche das Kühlmittel (also das Kühlfluid und die darin aufgenommenen Mikrokapseln) durch den Kühlmittelkreislauf 100 pumpt.Both cooling circuits 11 and 13 unite in front of a coolant pump 16 which the coolant (ie the cooling fluid and the microcapsules received therein) through the coolant circuit 100 inflated.

Von der Pumpe 16 bis zu einem Wärmetauscher 18 sind die beiden Kühlkreise 11 und 13 in einer Pumpstrecke 17 gemeinsam ausgebildet. Im dem Wärmetauscher 18 ist eine Wärmetauscherstrecke 19 ausgebildet, an deren stromabwärtigem Ende eine Verzweigungsstelle 20 vorgesehen ist, an welcher sich der erste Kühlkreis 11 und der zweite Kühlkreis 13 trennen.From the pump 16 up to a heat exchanger 18 are the two cooling circuits 11 and 13 in a pumping section 17 trained together. In the heat exchanger 18 is a heat exchanger section 19 formed at the downstream end of a branching point 20 is provided, at which the first cooling circuit 11 and the second cooling circuit 13 separate.

Während der erste Kühlkreis 11 von der Verzweigungsstelle 20 aus direkt zum zu kühlenden Verbrennungsmotor 1 geführt wird, durchläuft der zweite Kühlkreis 13 zunächst eine Unterkühlstrecke 22, in welcher das Kühlmittel noch über das Kühlniveau des Wärmetauschers 18 hinaus weiter abgekühlt wird, nämlich auf eine Temperatur unterhalb der Phasenwechseltemperatur des beispielhaft vorgesehenen Phasenwechselmaterials (Paraffin mit 27 C-Atomen) von knapp 59 °C. Die Länge der Unterkühlstrecke 22 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass aufgrund einer Temperierung von deutlich unter 59 °C und/oder aufgrund einer längeren Aussetzung der Mikrokapseln in einer Temperatur unter 59 °C das Paraffin in der Unterkühlstrecke 22 in den festen Zustand übergeht. Nach dem Passieren der Unterkühlstrecke 22 wird das Kühlmittel dem zu kühlenden Elektromotor 2 zugeführt. During the first cooling cycle 11 from the branching point 20 from directly to the internal combustion engine to be cooled 1 is passed, passes through the second cooling circuit 13 first a subcooling line 22 in which the coolant is still above the cooling level of the heat exchanger 18 is further cooled, namely to a temperature below the phase change temperature of the example provided phase change material (paraffin with 27 carbon atoms) of almost 59 ° C. The length of the subcooled section 22 is preferably carried out so that due to a temperature of well below 59 ° C and / or due to a prolonged exposure of the microcapsules in a temperature below 59 ° C, the paraffin in the subcooling 22 goes into the solid state. After passing through the subcooling section 22, the coolant is the electric motor to be cooled 2 fed.

Der Kühlmittelkreislauf weist ein Kühlmittel mit einer Mischung aus Wasser und Glykol als Kühlfluid (nicht dargestellt) auf, in welchem ein vorbestimmter Volumenanteil eines Latentwärmespeichers fließt, der symbolisch mit den Bezugszeichen 4 und 5 bezeichnet wird. Die Bezugszeichen 4 und 5 sind auf ein Paraffin mit 27 C-Atomen als Phasenwechselmaterial gerichtet, dessen Phasenwechseltemperatur in an sich bekannter Art und Weise durch die Zusammensetzung des Paraffins auf knapp 59 °C eingestellt ist. Der Latentwärmespeicher liegt im Kühlmittelkreislauf in Form von Mikrokapseln vor.The coolant circuit comprises a coolant with a mixture of water and glycol as the cooling fluid (not shown), in which a predetermined volume fraction of a latent heat storage flows, symbolically with the reference numerals 4 and 5 referred to as. The reference numerals 4 and 5 are directed to a paraffin with 27 C atoms as a phase change material whose phase change temperature is set in a conventional manner by the composition of the paraffin to just 59 ° C. The latent heat storage is in the coolant circuit in the form of microcapsules.

Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine exemplarische Mikrokapsel, bei welcher das Phasenwechselmaterial in flüssigem Zustand vorliegt (T > 59°C). Zur besseren Veranschaulichung sind an Stellen im Kühlmittelkreislauf, an welchen das Paraffin überwiegend flüssig vorliegt, die Mikrokapseln in der Fig. mit einer Vielzahl kleiner Punkte als Füllung eingezeichnet.The reference number 4 denotes an exemplary microcapsule in which the phase change material is in the liquid state (T> 59 ° C). For a better illustration, the microcapsules in the FIGURE are marked with a multiplicity of small dots as filling at locations in the coolant circulation at which the paraffin predominantly is liquid.

Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine exemplarische Mikrokapsel, bei welcher das Phasenwechselmaterial in festem Zustand vorliegt (T < 59°). Zur besseren Veranschaulichung sind an Stellen im Kühlmittelkreislauf, an welchem das Paraffin überwiegend fest vorliegt, die Mikrokapseln in der Fig. mit einem Rautenmuster als Füllung eingezeichnet.The reference number 5 denotes an exemplary microcapsule in which the phase change material is in a solid state (T <59 °). For better illustration, the microcapsules in the figure with a diamond pattern as filling are drawn in places in the coolant circulation, in which the paraffin is predominantly solid.

Der 1 ist daher zu entnehmen, dass in der Unterkühlstrecke 22 die Mikrokapseln in einen festen Zustand 5 überführt und anschließend dem zu kühlenden Elektromotor 2 geführt werden. Damit nötigenfalls sichergestellt ist, dass das Kühlmittel ausreichend lange in der Unterkühlstrecke 22 verbleibt, kann eine Volumenstrombegrenzung, insbesondere stromabwärts der Unterkühlstrecke vorgesehen sein. Diese ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 als steuerbare Drossel 21 ausgeführt. Wenn keine Volumenstrombegrenzung benötigt wird, kann die Drossel insbesondere vollständig offen gestellt werden.Of the 1 can therefore be seen that in the subcooling 22 the microcapsules in a solid state 5 transferred and then the to be cooled electric motor 2 be guided. Thus, if necessary, it is ensured that the coolant sufficiently long in the subcooling 22 remains, a volumetric flow limitation, in particular be provided downstream of the subcooling. This is in the embodiment of 1 as a controllable throttle 21 executed. In particular, if no volumetric flow limitation is required, the throttle can be completely opened.

Am Elektromotor 2 wird das Phasenwechselmaterial entlang der Laststrecke 14 in einen Temperaturbereich oberhalb seiner Phasenwechseltemperatur überführt, weshalb das Kühlmittel wegen der Mikrokapseln Wärmeenergie des Elektromotors 2 aufnehmen und für das Schmelzen (den Phasenwechsel von fest nach flüssig) des Paraffins verwenden kann. Nach dem Passieren der Laufstrecke 14 liegen die Mikrokapseln wieder im flüssigen Zustand 5 vor, und können über die Pumpe 16 wiederum dem Wärmetauscher 18 und später der Unterkühlstrecke 22 zugeführt werden.At the electric motor 2 becomes the phase change material along the load path 14 converted into a temperature range above its phase change temperature, which is why the refrigerant absorb heat energy of the electric motor 2 due to the microcapsules and for the melting (the phase change from solid to liquid) of the paraffin can use. After passing the running track 14 the microcapsules are again in the liquid state 5 before, and can over the pump 16 turn the heat exchanger 18 and later the subcooling line 22 be supplied.

In 2 ist ein Kühlmittelkreislauf 200 gezeigt, der zur Kühlung dreier unterschiedlich temperierter Wärmequellen 1, 2 und 3 vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Wärmequelle 1 der Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeuges, die Wärmequelle 2 ein Elektromotor des Fahrzeuges und die Wärmequelle 3 ein Energiespeicherpaket (hier beispielhaft eine Traktionsbatterie mit alkalischer Zellchemie) des Fahrzeuges.In 2 is a coolant circuit 200 shown, for cooling three different tempered heat sources 1 . 2 and 3 is provided. In the embodiment, the heat source 1 the internal combustion engine of a hybrid vehicle, the heat source 2 an electric motor of the vehicle and the heat source 3 an energy storage package (exemplified here a traction battery with alkaline cell chemistry) of the vehicle.

Typische Kühlbedingungen eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors sind zu 1 beschrieben. Die Traktionsbatterie 3 des Fahrzeuges darf hingegen wegen der Zellchemie lediglich Temperaturen in der Höhe von 30 °C bis 40 °C erreichen, je nach Bauart.Typical cooling conditions of an internal combustion engine and an electric motor are too 1 described. The traction battery 3 Due to the cell chemistry, however, the vehicle may only reach temperatures of 30 ° C to 40 ° C, depending on the design.

Um nun mit einem einzigen Kühlmittelkreislauf 200 auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus für eine optimierte Kühlung sorgen zu können, unterscheidet sich der Kühlmittelkreislauf 200 von dem gemäß 1 insbesondere dadurch, dass ein dritter Kühlkreis 25 mit einer Laststrecke 26 zur Kühlung der Traktionsbatterie 3 vorgesehen ist. Die Kühlmittelleitungen des dritten Kühlkreises 25 sind mit kurz gestrichenen Pfeilen eingezeichnet.Order now with a single coolant circuit 200 To provide for optimized cooling at three different temperature levels, the coolant circuit is different 200 from the according to 1 in particular in that a third cooling circuit 25 with a load route 26 for cooling the traction battery 3 is provided. The coolant lines of the third cooling circuit 25 are drawn with short-dashed arrows.

Der dritte Kühlkreis 25 weist eine eigene Unterkühlstrecke 28 auf, die von Kühlmittel durchflossen wird, welches nach dem Durchlaufen der ersten Unterkühlstrecke 22 von dem zweiten Kühlkreis 13 abgezweigt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist stromabwärts der Unterkühlstrecke 22 eine Drossel 21 zur Volumenstrombegrenzung angeordnet. Ebenso weist der dritte Kühlkreislauf eine Volumenstrombegrenzung in Form einer Drossel 27 auf, welche stromabwärts der Unterkühlstrecke 28 angeordnet ist.The third cooling circuit 25 has its own subcooling line 28 which is traversed by coolant, which after passing through the first subcooling 22 of the second cooling circuit 13 is branched off. Also in this embodiment is downstream of the subcooling 22 a throttle 21 arranged for flow limitation. Likewise, the third cooling circuit has a flow limitation in the form of a throttle 27 on which downstream of the subcooled section 28 is arranged.

Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 200 weist als Latentwärmespeicher eine Mischung von Mikrokapseln mit zwei unterschiedlichen Paraffinen auf. So ist eine Vielzahl von Mikrokapseln mit einem 27-C-Paraffin im Kühlmittel enthalten, dessen Phasenwechseltemperatur auf den Elektromotor 2 zur Kühlung im zweiten Kühlkreis 13 abgestimmt ist, und eine Vielzahl von Mikrokapseln mit einem 20-C-Paraffin (Phasenwechsel bei knapp 37 °C), dessen Phasenwechseltemperatur auf die Traktionsbatterie 3 zur Kühlung im dritten Kühlkreis 25 abgestimmt ist. Dafür kommt je nach Bauart der Traktionsbatterie (insbesondere hinsichtlich der geforderten maximalen Betriebstemperatur der verwendeten Traktionsbatterie) beispielsweise auch eine Phasenwechseltemperatur von 30, 35 oder 40 °C infrage, mit entsprechend angepasster Paraffinmischung. Mit einem solchen dritten Kühlkreislauf kann beispielsweise in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch eine Traktionsbatterie mit einer alkalischen Zellchemie gekühlt werden.The coolant of the coolant circuit 200 has as latent heat storage on a mixture of microcapsules with two different paraffins. Thus, a plurality of microcapsules containing a 27-C paraffin in the coolant, the phase change temperature of the electric motor 2 for cooling in the second cooling circuit 13 is matched, and a variety of microcapsules with a 20-C paraffin (phase change at just 37 ° C), its phase change temperature on the traction battery 3 for cooling in the third cooling circuit 25 is tuned. For this purpose, depending on the design of the traction battery (in particular with regard to the required maximum operating temperature of the traction battery used), for example, a phase change temperature of 30, 35 or 40 ° C in question, with appropriately adapted paraffin mixture. With such a third cooling circuit, for example, in another embodiment, a traction battery with an alkaline cell chemistry can be cooled.

In einer anderen beispielhaften Ausführung kann der dritte Kühlkreislauf auch eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs auf Basis von Lithiumzellen kühlen. Weil diese Batterietypen häufig eine niedrigere maximale Betriebstemperatur im Bereich unterhalb von 30 °C aufweisen, muss dann allerdings gegebenenfalls - insbesondere bei einem Einsatz in sogenannten Heißländern - auch eine zusätzlich Wärmepumpe verbaut werden, um die geforderte Kühlwirkung bereitstellen zu können.In another exemplary embodiment, the third cooling circuit may also cool a traction battery of the vehicle based on lithium cells. Because these types of batteries often have a lower maximum operating temperature in the range below 30 ° C, but then, if necessary - especially for use in so-called hot countries - also an additional heat pump must be installed to provide the required cooling effect can.

Symbolisch sind in 2 die Mikrokapseln aus 1 zwar kleiner aber mit den gleichen Symbolen und den Bezugszeichen 4 und 5 dargestellt. Die Mikrokapseln zur Kühlung der Traktionsbatterie 3 sind zur Unterscheidbarkeit mit dünneren Randlinien ausgeführt. Der flüssige Zustand ist mit dem Bezugszeichen 6, der feste Zustand mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.Symbolic are in 2 the microcapsules 1 although smaller but with the same symbols and the reference numbers 4 and 5 shown. The microcapsules for cooling the traction battery 3 are designed for distinctness with thinner edge lines. The liquid state is denoted by the reference numeral 6 , the solid state by the reference numeral 7 designated.

Wenn das Kühlmittel die Wärmetauscherstrecke 19 verlässt, sind beide Typen von Mikrokapseln im flüssigen Zustand (Bezugszeichen 4 und 6). Hier wird ein Teil des Kühlmittels dem ersten Kühlkreis 11 zugeführt. Der andere Teil wird in die erste Unterkühlstrecke 22 geführt, wo die Mikrokapseln mit einer Phasenwechseltemperatur von 59 °C den festen Zustand (Bezugszeichen 5) annehmen. Stromabwärts der ersten Unterkühlstrecke 22 wird ein Teil des Kühlmittels dem zweiten Kühlkreis 13 zugeführt. Der verbleibende Teil wird in die weitere Unterkühlstrecke 28 eingeführt, wo auch die Mikrokapseln mit der niedrigeren Phasenwechseltemperatur von 37 °C den festen Zustand annehmen (Bezugszeichen 7). Diese Mikrokapseln kühlen anschließend die Traktionsbatterie 3, indem sie beim Phasenwechsel dessen Wärmeenergie aufnehmen.When the coolant is the heat exchanger section 19 leaves, both types of microcapsules in the liquid state (reference numerals 4 and 6 ). Here, part of the coolant becomes the first cooling circuit 11 fed. The other part will be in the first subcooled section 22 where the microcapsules with a phase change temperature of 59 ° C the solid state (reference numeral 5 ) accept. Downstream of the first subcooling section 22 Part of the coolant is supplied to the second cooling circuit 13. The remaining part is in the further subcooling 28 introduced where the microcapsules with the lower phase change temperature of 37 ° C assume the solid state (reference numeral 7 ). These microcapsules then cool the traction battery 3 by absorbing its heat energy during phase change.

Zum Bestimmen der Zusammensetzung des Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf 100 gemäß 1 oder 200 gemäß 2 werden die Betriebstemperaturen der kühleren zu kühlenden Wärmequelle(n) 2 (und 3) bestimmt und daraus die gewünschte Phasenwechseltemperatur des/der Phasenwechselmaterials/ien ermittelt. Der Volumenanteil der Mikrokapseln am Kühlmittel kann im Normalfall bis zu 20% betragen, ohne die Viskosität des Kühlmittels relevant zu beeinflussen, und kann beispielsweise in Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen zwischen den zu kühlenden Wärmequellen und/oder von einer an einer Wärmequelle abzuführenden Wärmemenge ermittelt werden.For determining the composition of the coolant in a coolant circuit 100 according to 1 or 200 according to 2 the operating temperatures of the cooler heat source (s) 2 (and 3) to be cooled are determined and from this the desired phase change temperature of the phase change material (s) is determined. The volume fraction of the microcapsules on the coolant can be up to 20% in the normal case, without affecting the viscosity of the coolant relevant, and can be determined, for example, as a function of temperature differences between the heat sources to be cooled and / or from an amount of heat to be dissipated at a heat source.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erste Wärmequelle (Verbrennungsmotor)first heat source (internal combustion engine)
22
zweite Wärmequelle (Elektromotor)second heat source (electric motor)
33
dritte Wärmequelle (Traktionsbatterie)third heat source (traction battery)
44
Mikrokapsel (höhere Phasenwechseltemperatur / flüssig)Microcapsule (higher phase change temperature / liquid)
55
Mikrokapsel (höhere Phasenwechseltemperatur / fest)Microcapsule (higher phase change temperature / solid)
66
Mikrokapsel (niedrigere Phasenwechseltemperatur / flüssig)Microcapsule (lower phase change temperature / liquid)
77
Mikrokapsel (niedrigere Phasenwechseltemperatur / fest)Microcapsule (lower phase change temperature / solid)
1111
erster Kühlkreisfirst cooling circuit
1212
erste Laststreckefirst load route
1313
zweiter Kühlkreissecond cooling circuit
1414
zweite Laststreckesecond load path
1616
KühlmittelpumpeCoolant pump
1717
Pumpstreckepump track
1818
Wärmetauscherheat exchangers
1919
Wärmetauscherstreckeheat exchange path
2020
Verzweigungsstellebranching point
2121
Drossel im zweiten KühlkreisThrottle in the second cooling circuit
2222
UnterkühlstreckeUnder cooling section
2525
dritter Kühlkreisthird cooling circuit
2626
dritte Laststreckethird load route
2727
Drossel im dritten KühlkreisThrottle in the third cooling circuit
2828
weitere Unterkühlstreckefurther subcooling section
100100
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
200200
weiterer Kühlmittelkreislaufanother coolant circuit

Claims (14)

Kühlmittelkreislauf (100, 200) eingerichtet zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen (1, 2, 3), aufweisend - ein Kühlmittel mit einem Kühlfluid und einem vorbestimmten Volumenanteil eines Latentwärmespeichers (4, 5, 6, 7), - einen ersten Kühlkreis (11), der zur Kühlung einer ersten, wärmeren Wärmequelle (1) eingerichtet ist, - wenigstens einen zweiten Kühlkreis (13, 25), der zur Kühlung einer zweiten, kühleren Wärmequelle (2, 3) eingerichtet ist, wobei der zweite Kühlkreis (13, 25) eine Unterkühlstrecke (22, 28) aufweist, die konfiguriert ist, das Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb einer Phasenwechseltemperatur des Latentwärmespeichers (5, 7) abzukühlen, und - einen Wärmetauscher (18) mit einer Wärmetauscherstrecke (19), die ein Teil beider Kühlkreise (11, 13, 25) ist.Coolant circuit (100, 200) arranged for cooling at least two heat sources (1, 2, 3), comprising - a coolant with a cooling fluid and a predetermined volume fraction of a latent heat accumulator (4, 5, 6, 7), - a first cooling circuit (11) adapted to cool a first, warmer heat source (1); - at least one second cooling circuit (13, 25) adapted to cool a second, cooler heat source (2, 3); second cooling circuit (13, 25) has a subcooling section (22, 28) which is configured to cool the coolant to a temperature below a phase change temperature of the latent heat accumulator (5, 7), and - a heat exchanger (18) having a heat exchanger section (19) which is part of both cooling circuits (11, 13, 25). Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß Anspruch 1, wobei die Unterkühlstrecke (22) zwischen der Wärmetauscherstrecke (19) und der zweiten Wärmequelle (2, 3) angeordnet ist.Coolant circuit (100, 200) according to Claim 1 wherein the subcooling section (22) is arranged between the heat exchanger section (19) and the second heat source (2, 3). Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei in dem zweiten Kühlkreis (13, 25) eine Volumenstrombegrenzung (21, 27) angeordnet ist.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein in the second cooling circuit (13, 25), a flow restriction (21, 27) is arranged. Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Unterkühlstrecke (22, 28) an dem Wärmetauscher (18) angeordnet ist.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the subcooling section (22, 28) is arranged on the heat exchanger (18). Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Latentwärmespeicher eine Vielzahl von Mikrokapseln (4, 5, 6, 7) aufweist, in welchen ein Phasenwechselmaterial fluidfest gekapselt ist.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the latent heat storage comprises a plurality of microcapsules (4, 5, 6, 7), in which a phase change material is fluid-tightly encapsulated. Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorbestimmte Volumenanteil des Latentwärmespeichers am Volumen des gesamten Kühlmittels zwischen 10 % und 25 % beträgt.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the predetermined volume fraction of the latent heat accumulator in the volume of the total coolant is between 10% and 25%. Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur aufweist, welche auf eine Betriebstemperatur der zweiten Wärmequelle (2) abgestimmt ist.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the phase change material has a phase change temperature, which is tuned to an operating temperature of the second heat source (2). Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend einen dritten Kühlkreis (25) der zur Kühlung einer dritten, noch kühleren Wärmequelle (3) eingerichtet ist, wobei die Wärmetauscherstrecke (19) ein Teil des dritten Kühlkreises (25) ist, und wobei der Latentwärmespeicher ein zweites Phasenwechselmaterial (6, 7) mit einer zweiten Phasenwechseltemperatur aufweist, welche auf eine Betriebstemperatur der dritten Wärmequelle (3) abgestimmt ist.Coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, comprising a third cooling circuit (25) which is designed to cool a third, even cooler heat source (3), wherein the heat exchanger section (19) is a part of the third cooling circuit (25), and wherein the latent heat accumulator has a second phase change material (6, 7) with a second phase change temperature, which is tuned to an operating temperature of the third heat source (3). Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß Anspruch 8, wobei der dritte Kühlkreis (25) eine Unterkühlstrecke (28) aufweist, die konfiguriert ist, das Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb der zweiten Phasenwechseltemperatur abzukühlen.Coolant circuit (100, 200) according to Claim 8 wherein the third cooling circuit (25) includes a subcooling section (28) configured to cool the coolant to a temperature below the second phase change temperature. Kühlmittelkreislauf (100, 200) gemäß Anspruch 8 oder 9, aufweisend wenigstens einen weiteren Kühlkreis mit einer weiteren Unterkühlstrecke, die zur Kühlung einer weiteren Wärmequelle mit einer anderen Betriebstemperatur eingerichtet ist.Coolant circuit (100, 200) according to Claim 8 or 9 , comprising at least one further cooling circuit with a further subcooling section, which is set up for cooling a further heat source with a different operating temperature. Verfahren zur Anpassung eines Kühlmittelkreislaufs (100, 200) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend die Schritte: - Bestimmen einer Betriebstemperatur der zweiten Wärmequelle (2), - Ermitteln einer gewünschten Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials (4, 5) in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der zweiten Wärmequelle (2), - Mischen des Kühlmittels aus einem Kühlfluid und einem Latentwärmespeicher (4, 5) mit der ermittelten Phasenwechseltemperatur.Method for adapting a coolant circuit (100, 200) according to one of the preceding claims, comprising the steps: Determining an operating temperature of the second heat source (2), Determining a desired phase change temperature of the phase change material (4, 5) as a function of the operating temperature of the second heat source (2), - Mixing of the coolant from a cooling fluid and a latent heat storage (4, 5) with the determined phase change temperature. Verfahren gemäß Anspruch 11, zusätzlich aufweisend die Schritte: - Bestimmen einer Betriebstemperatur der ersten Wärmequelle (1), - Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen den Betriebstemperaturen der beiden Wärmequellen (1, 2), - Ermitteln einer Länge der Unterkühlstrecke (22) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.Method according to Claim 11 additionally comprising the steps of: determining an operating temperature of the first heat source, determining a temperature difference between the operating temperatures of the two heat sources, determining a length of the subcooling path as a function of the temperature difference. Verfahren gemäß Anspruch 12, zusätzlich aufweisend die Schritte: - Ermitteln des vorbestimmten Volumenanteils des Latentwärmespeichers (4, 5, 6, 7) am Volumen des gesamten Kühlmittels in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz.Method according to Claim 12 additionally comprising the steps of: determining the predetermined volume fraction of the latent heat accumulator (4, 5, 6, 7) in the volume of the total coolant as a function of the temperature difference. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Anpassung eines Kühlmittelkreislaufs (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der dritten Wärmequelle (3) eine weitere gewünschte Phasenwechseltemperatur für ein weiteres Phasenwechselmaterial (6, 7) des Latentwärmespeichers (4, 5, 6, 7) ermittelt und das Kühlmittel mit zwei unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien gemischt wird.Method according to one of Claims 11 to 13 for adapting a coolant circuit (100, 200) according to one of Claims 8 to 10 , wherein depending on the operating temperature of the third heat source (3) determines a further desired phase change temperature for another phase change material (6, 7) of the latent heat accumulator (4, 5, 6, 7) and the coolant is mixed with two different phase change materials.
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