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. 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.
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
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
Aus den Dokumenten
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
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.
-
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
Der Kühlmittelkreislauf
Ferner weist der Kühlmittelkreislauf
Beide Kühlkreise
Von der Pumpe
Während der erste Kühlkreis
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
Das Bezugszeichen
Das Bezugszeichen
Der
Am Elektromotor
In
Typische Kühlbedingungen eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors sind zu
Um nun mit einem einzigen Kühlmittelkreislauf
Der dritte Kühlkreis
Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs
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
Wenn das Kühlmittel die Wärmetauscherstrecke
Zum Bestimmen der Zusammensetzung des Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf
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
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