DE102017223128B3 - Heat transfer circuit with several cooling circuits and a heat transfer pressure control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmeträgerkreislauf (100, 200) zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen (1, 2, 3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aufweisend einen fluiden Wärmeträger, einen ersten Kühlkreis (10) zur Kühlung einer ersten, wärmeren Wärmequelle (1), wenigstens einen zweiten Kühlkreis (20, 30) zur Kühlung einer zweiten, kühleren Wärmequelle (2, 3), sowie in wenigstens einem der Kühlkreise (10, 20 ,30) ein vor der Wärmequelle angeordnetes Volumenstromregelungsmittel (13, 23, 33) und ein nach der Wärmequelle angeordnetes Druckregelungsmittel (14, 24, 34), sowie ein Verfahren zur Anpassung eines Wärmeträgerkreislaufs (100, 200).The invention relates to a heat transfer circuit (100, 200) for cooling at least two heat sources (1, 2, 3), in particular in a motor vehicle, comprising a fluid heat carrier, a first cooling circuit (10) for cooling a first, warmer heat source (1), at least one second cooling circuit (20, 30) for cooling a second, cooler heat source (2, 3), and in at least one of the cooling circuits (10, 20, 30) arranged in front of the heat source volume flow control means (13, 23, 33) and a arranged after the heat source pressure control means (14, 24, 34), and a method for adjusting a heat carrier circuit (100, 200).
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeträgerkreislauf zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Anpassung eines Wärmeträgerkreislaufs.The invention relates to a heat carrier circuit for cooling at least two heat sources in a motor vehicle and to a method for adapting a heat transfer circuit.
In Kraftfahrzeugen werden vielfach Wärmeträgerkreisläufe 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 mit einer Traktionsbatterie, sogenannten SuperCaps, einer Brennstoffzelle, aber auch einer elektrischen Antriebsmaschine eines Hybridfahrzeugs) andererseits Wärmequellen mit sehr unterschiedlichen Betriebstemperaturen gekühlt werden müssen.In motor vehicles, heat transfer medium circuits are often used for cooling different heat sources, in particular for cooling drive components, energy storage devices 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 with a traction battery, so-called SuperCaps, a fuel cell, but also an electric drive 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 Wärmeträgers 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 Halbleiter und/oder 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-lon-basierte Zellchemien eher in einem Temperaturbereich unter 30 °C betrieben werden. Für die Klimatisierung des Fahrgastraumes ist schon immer eine Wärmepumpe erforderlich.In internal combustion engines must - especially because of the combustion processes - by means of the heat transfer often heat dissipated by 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 semiconductors and / or 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-lon-based cell chemistry rather in a temperature range below 30 ° C operated become. For the air conditioning of the passenger compartment, a heat pump has always been required.
Daher sind beispielsweise bei gängigen Hybridfahrzeugen zwei oder drei oder mehrere getrennte Kühl- und/oder Kältemittelkreisläufe vorgesehen, die hinsichtlich ihrer geometrischen Gestaltung, dem eingesetzten Wärmeträger-Volumen und/oder der Auswahl des verwendeten Wärmeträgers an das Temperaturniveau der einen bzw. der anderen Wärmequelle angepasst sind.Therefore, for example, in common hybrid vehicles, two or three or more separate cooling and / or refrigerant circuits are provided which are adapted to the temperature level of one or the other heat source in terms of their geometric design, the heat transfer volume used and / or the selection of the heat carrier used are.
Derartige, getrennte Kühlsysteme, bei welchen die Kühlkreise unterschiedliche Kühl- und/oder Kältemittel aufweisen, erfordern, dass jede Kühlkreis-Komponente wie beispielsweise die Rohrleitungen, ein Ausgleichsbehälter, ein Wärmetauscher, ein Verdichter oder eine Wärmeträgerpumpe, mehrfach vorliegt. Diese Redundanz bedingt Nachteile hinsichtlich Kosten, Gewicht und Bauraum.Such separate cooling systems, in which the cooling circuits have different refrigerants and / or refrigerants, require that each refrigeration cycle component such as the piping, a surge tank, a heat exchanger, a compressor or a heat transfer pump, be present multiple times. This redundancy causes disadvantages in terms of cost, weight and space.
Bekannt sind deshalb auch Kraftfahrzeuge, bei welchen Wärmequellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus mit einem einzigen Wärmeträgerkreislauf zur Wärmeabfuhr gekühlt werden. Diese integrierten Wärmeträgerkreisläufe weisen den Vorteil auf, dass sie insbesondere wegen der gemeinsamen Wärmetauscherstrecke weniger Bauraum und weniger Montageaufwand erfordern und damit weniger Gewicht aufweisen und geringere Kosten verursachen.Therefore, motor vehicles are also known in which heat sources are cooled at different temperature levels with a single heat carrier circuit for heat dissipation. These integrated heat transfer medium circuits have the advantage that they require less space and less installation effort, in particular because of the common heat exchanger section and thus have less weight and lower costs.
Diese Wärmeträgerkreisläufe weisen allerdings den Nachteil auf, dass bei der wärmeren, zu kühlenden Wärmequelle eine höhere Temperaturdifferenz zum Wärmeträger vorliegt als bei (der) kühleren, zu kühlenden Wärmequelle(n). Wegen des besseren Wärmeübergangs zwischen der wärmeren Temperaturquelle und dem Wärmeträger kann diese besser gekühlt werden als die kühlere(n) Wärmequelle(n).However, these heat transfer medium circuits have the disadvantage that in the warmer, to be cooled heat source, a higher temperature difference to the heat transfer medium than in (the) cooler, to be cooled heat source (s). Because of the better heat transfer between the warmer temperature source and the heat transfer medium, it can be cooled better than the cooler heat source (s).
Eine ausreichend niedrige Wärmeträgertemperatur, um auch die kühlere(n) Wärmequelle(n) aufgrund einer ausreichenden Temperaturdifferenz optimal zu kühlen, kann - insbesondere mit einer vorteilhaft einfach bauenden Luftkühlung - nur sehr schwer erreicht werden.A sufficiently low heat carrier temperature in order to optimally cool the cooler heat source (s) due to a sufficient temperature difference can also be achieved only with great difficulty, in particular with an advantageously simple air cooling system.
Zum technischen Umfeld wird auf die
Ferner wird zum technischen Umfeld auf die
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeträgerkreislauf zur Kühlung von wenigstens zwei Wärmequellen, insbesondere solchen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an improved heat carrier circuit for cooling at least two heat sources, in particular those at different temperature levels.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeträgerkreislauf mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Anpassung eines Wärmeträgerkreislaufs mit den Merkmalen von Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a heat carrier circuit with the features of
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmeträgerkreislauf zur Kühlung wenigstens zweier Wärmequellen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Die Wärmequellen weisen vorzugsweise unterschiedliche Betriebstemperaturen der jeweils zu kühlenden Oberfläche auf. According to one aspect of the invention, a heat carrier circuit is provided for cooling at least two heat sources, in particular in a motor vehicle. The heat sources preferably have different operating temperatures of the respective surface to be cooled.
Der Wärmeträgerkreislauf weist auf: a) einen fluiden Wärmeträger, wobei der Begriff Wärmeträger derart zu verstehen ist, dass darunter allgemein Wärmeträger fallen, die im Sinne eines Kühlmittels und/oder eines Kältemittels eingesetzt werden können, b) einen ersten Kühlkreis zur Kühlung einer ersten, wärmeren Wärmequelle, c) wenigstens einen zweiten Kühlkreis zur Kühlung einer zweiten, kühleren Wärmequelle, sowie gemäß einer Ausführung auch einen dritten Kühlkreis zur Kühlung einer dritten, noch kühleren Wärmequelle, sowie d) in allen Kühlkreisen ein, insbesondere im Fluidstrom, vor der Wärmequelle angeordnetes Volumenstromregelungsmittel und ein, insbesondere im Fluidstrom, nach der Wärmequelle angeordnetes Druckregelungsmittel. Vorzugsweise ist, insbesondere als ein Teil beider und/oder aller Kühlkreise, zwischen dem Druckregelungsmittel und dem Volumenstromregelungsmittel ein, vorzugsweise als Kondensator ausgebildeter, Wärmetauscher, und ggf. eine Wärmeträgerpumpe und/oder ein Verdichter angeordnet.The heat transfer medium circuit comprises: a) a fluid heat transfer medium, the term heat transfer medium being understood to mean that there are generally heat transfer media which can be used in the sense of a coolant and / or a refrigerant, b) a first cooling circuit for cooling a first, warmer heat source, c) at least one second cooling circuit for cooling a second, cooler heat source, and according to an embodiment, a third cooling circuit for cooling a third, even cooler heat source, and d) in all cooling circuits, in particular in the fluid flow, arranged in front of the heat source Volume flow control means and a, in particular in the fluid flow, arranged after the heat source pressure control means. Preferably, in particular as a part of both and / or all cooling circuits, between the pressure control means and the volume flow control means, preferably designed as a condenser, heat exchanger, and optionally a heat transfer pump and / or a compressor.
Ferner weist der Wärmeträgerkreislauf e) ein Steuermittel auf, welches dazu eingerichtet ist, mittels des Volumenstromregelungsmittels und mittels des Druckregelungsmittels einen Wärmeträgerdruck, insbesondere des verwendeten Wärmeträgers, in einer Laststrecke, insbesondere zwischen dem Volumenstromregelungsmittel und dem Druckregelungsmittel, dieses Kühlkreises zu steuern, und damit vorzugsweise eine Siedetemperatur des Wärmeträgers an der Wärmequelle einzustellen. Das Steuermittel ist dazu eingerichtet, den Wärmeträgerdruck so einzustellen, dass der Wärmeträger bei Erreichen der Betriebstemperatur der Wärmequelle verdampft.Further, the heat transfer circuit e) comprises a control means which is adapted to control by means of the flow control means and by means of the pressure control means a heat transfer pressure, in particular of the heat carrier used, in a load path, in particular between the flow control means and the pressure control means, this cooling circuit, and thus preferably set a boiling temperature of the heat carrier at the heat source. The control means is adapted to adjust the heat carrier pressure so that the heat transfer medium evaporates when the operating temperature of the heat source is reached.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Anpassung eines Wärmeträgerkreislaufs gemäß eine Ausführung der Erfindung, bereitgestellt, aufweisend die Schritte: i) Bestimmen einer Betriebstemperatur der Wärmequelle wenigstens eines Kühlkreises, ii) Ermitteln einer geeigneten Siedetemperatur des Wärmeträgers in der Laststrecke des Kühlkreises in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur der Wärmequelle, iii) Ermitteln eines Wärmeträgerdrucks, bei welchem die ermittelte Siedetemperatur des Wärmeträgers erreicht werden kann, iv) Bestimmen - und bei einem Betrieb des Kühlkreislaufs vorzugsweise auch Ansteuern - eines jeweils geeigneten Öffnungsgrads des Volumenstromregelungsmittels, um einen dem Kühlungsbedarf angepassten Volumenstrom einzustellen, und v) Bestimmen - und bei einem Betrieb des Kühlkreislaufs vorzugsweise auch Ansteuern - eines jeweils geeigneten Öffnungsgrads des Druckregelungsmittels, um den ermittelten Wärmeträgerdruck, insbesondere in Abhängigkeit von dem Öffnungsgrad des Volumenstromregelungsmittels, einzustellen.According to a further aspect of the invention, a method for adapting a heat carrier circuit according to an embodiment of the invention, comprising the steps: i) determining an operating temperature of the heat source of at least one cooling circuit, ii) determining a suitable boiling temperature of the heat carrier in the load path of the cooling circuit in Dependent on the specific operating temperature of the heat source, iii) determining a heat carrier pressure at which the determined boiling temperature of the heat carrier can be achieved, iv) determining - and preferably operating an operation of the cooling circuit also - each opening of the volume flow control means to a cooling demand adjust adjusted flow rate, and v) determining - and in an operation of the cooling circuit preferably also driving - a respectively suitable opening degree of the pressure control means to the determined heat carrier pressure , in particular in dependence on the opening degree of the volume flow control means to adjust.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass in der Praxis der Entwicklung von zu kühlenden Komponenten im Kraftfahrzeugbau häufig diejenige Abteilung für die Komponentenkühlung zuständig ist, welche die Komponente selbst entwirft. Praktisch führt das häufig dazu, dass Antriebskomponenten einerseits und Peripheriekomponenten andererseits getrennt gekühlt werden. Mit der aufkommenden Integration von weiteren elektrischen Verbrauchern oder auch elektrischen Antriebskomponenten und Energieträgern kommen weitere zu kühlende Komponenten im Fahrzeug hinzu, die häufig separat gekühlt werden.Among other things, the invention is based on the finding that, in practice, the development of components to be cooled in the automotive industry is often the responsibility of that department for the component cooling which designs the component itself. In practice, this often means that drive components on the one hand and peripheral components on the other hand are cooled separately. With the upcoming integration of other electrical consumers or electric drive components and energy sources are added to be cooled components in the vehicle, which are often cooled separately.
Zudem ergibt sich eine immer größere Spreizung der Betriebstemperaturen der verschiedenen zu kühlenden Oberflächen. Der Ansatzpunkt der Erfindung ist nun die Erkenntnis, dass entgegen der häufig gelebten Praxis bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen optimalerweise ein einziger Wärmeträgerkreislauf im Fahrzeug ausreichen müsste, um mehrere zu kühlende Komponenten - auch bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen - kühlen zu können. Bisher waren solche Lösungen häufig daran gescheitert, dass bei Verwendung eines einzigen Wärmeträgers (was ja eine Voraussetzung für die Ausbildung eines einzelnen, integrierten Kühlkreislaufs ist), der Wärmeabtransport normalerweise nur bei einer bestimmten Betriebstemperatur optimal sein kann.In addition, there is an ever greater spread of the operating temperatures of the various surfaces to be cooled. The starting point of the invention is now the realization that, contrary to the practice often practiced in the development of motor vehicles optimally a single heat transfer medium circuit in the vehicle would have to be enough to cool several components to be cooled - even at different operating temperatures. So far, such solutions have often failed because when using a single heat carrier (which is indeed a prerequisite for the formation of a single, integrated cooling circuit), the heat removal can normally be optimal only at a certain operating temperature.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, dass einerseits beispielsweise ein Phasenübergang des verwendeten Wärmeträgers - insbesondere von flüssig nach gasförmig - wegen der Aufnahme der Verdampfungsenergie bezüglich der Betriebstemperatur ein sehr guter Betriebspunkt für eine Komponentenkühlung sein kann. Die in die Verdampfung investierte Energie kann im Wesentlichen vollständig aus abgeführter Wärme aufgebracht werden.The invention is based inter alia on the idea that, on the one hand, for example, a phase transition of the heat carrier used - in particular from liquid to gaseous - can be a very good operating point for component cooling because of the absorption of the evaporation energy with respect to the operating temperature. The energy invested in the evaporation can be applied substantially completely from heat dissipated.
Andererseits basiert die Erfindung zudem auf der Idee, dass mit einem einzigen, festgelegten Wärmeträger durch Beeinflussung der Druckverhältnisse an der zu kühlenden Komponente (sprich der an dieser Laststrecke zu kühlenden Wärmequelle) eben dieser Betriebspunkt hinsichtlich der Temperatur, bei welcher die Verdampfung auftritt, beeinflusst werden kann.On the other hand, the invention is also based on the idea that with a single, defined heat transfer medium by influencing the pressure conditions on the component to be cooled (ie the heat source to be cooled at this load path) just this operating point with respect to the temperature at which the evaporation occurs, are affected can.
So weist beispielsweise ein und derselbe Wärmeträger bei einem niedrigeren Druckniveau einen niedrigeren Verdampfungspunkt (= Siedepunkt) auf als bei einem höheren Druckniveau. Diesen Zusammenhang macht sich die Erfindung zu Nutze, indem mittels eines Volumenstromregelungsmittels und eines Druckregelungsmittels für jeden Kühlkreis ein Druckniveau eingestellt werden kann, das auf die Betriebstemperatur der zu kühlenden Oberfläche der Wärmequelle abgestimmt ist (hinsichtlich des Siedepunktes). Als Wärmeträger können Wasser, Alkohole oder auch in der Klimatisierungstechnik übliche Kältemittel verwendet werden, letzteres insbesondere, wenn in einem der Kühlkreise ein Betriebsfall auftreten kann, in welchem eine Kühlung auf ein Temperaturniveau unterhalb der Umgebungstemperatur erforderlich ist.For example, one and the same heat carrier at a lower pressure level has a lower evaporation point (= boiling point) on than at a higher pressure level. This connection makes use of the invention by a pressure level can be adjusted for each cooling circuit by means of a volume flow control means and a pressure control means, which is tuned to the operating temperature of the surface to be cooled of the heat source (in terms of boiling point). As a heat carrier water, alcohols or in the air conditioning conventional refrigerants can be used, the latter in particular, if in one of the cooling circuits an operating case may occur in which a cooling to a temperature level below the ambient temperature is required.
Auf diese Weise ist es beispielsweise mit einer Wasser-Glykol-Mischung als Wärmeträger möglich, mittels eines integrierten Kühlkreislaufs Wärmequellen auf ganz unterschiedliche Temperaturniveaus zu kühlen: dazu wird der Wärmeträger beispielsweise mit einem verhältnismäßig hohen Druck und mit einem verhältnismäßig hohen Volumenstrom in eine erste Laststrecke zur Kühlung des Verbrennungsmotors eingebracht, mit einem niedrigeren Druck in eine zweite Laststrecke zur Kühlung elektrischer Verbraucher oder eines elektrischen Antriebsmotors, und mit noch niedrigerem Druck in eine dritte Laststrecke zur Kühlung einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs.In this way, it is possible, for example, with a water-glycol mixture as a heat carrier to cool by an integrated cooling circuit heat sources to very different temperature levels: this is the heat transfer, for example, with a relatively high pressure and a relatively high flow in a first load path to Cooling of the internal combustion engine introduced, with a lower pressure in a second load path for cooling electrical loads or an electric drive motor, and with even lower pressure in a third load path for cooling a traction battery of the motor vehicle.
Welche Kombination aus Wärmeträger-Druck und Wärmeträger-Volumenstrom an welcher der Laststrecken (und damit der einzelnen Kühlkreise) vorliegen muss, um die jeweils entstandene Wärme zuverlässig abführen zu können, kann im Einzelfall entsprechend der Thermodynamik für die jeweils vorliegende Fahrzeugkonstellation ermittelt und gemäß einer Ausführung mittels einer Steuereinheit vorgegeben werden.Which combination of heat transfer pressure and heat transfer volume flow at which of the load paths (and thus the individual cooling circuits) must be able to reliably dissipate the heat generated in each case can be determined in each case according to the thermodynamics for each vehicle configuration present and according to an embodiment be predetermined by means of a control unit.
Auf diese Weise kann ein einziger, integrierter Kühlkreislauf für alle im Fahrzeug benötigten Wärmeabtransporte mittels des Wärmeträgers zur Verfügung gestellt werden. Verschiedenste Redundanzen bei den Kühlkreislauf-Komponenten und die damit verbundenen Nachteile bezüglich Kosten, Gewicht und Bauraum fallen damit gegebenenfalls weg.In this way, a single, integrated cooling circuit can be made available for all heat dissipations in the vehicle by means of the heat carrier. Diverse redundancies in the refrigeration cycle components and the associated disadvantages in terms of cost, weight and space are thus possibly eliminated.
Ein solcher Kühlkreislauf kann gemäß einer Ausführung mehrere Kühlkreise aufweisen, wobei dann in jeweils einem der Kühlkreise beispielsweise der Verbrennungsmotor bei einer Temperatur von bis zu 120° C, eine elektrische Maschine bei 80 °C, eine Brennstoffzelle bei 80 °C, SuperCaps bei 40 °C und/oder eine Traktionsbatterie bei unter 30° C gekühlt wird. Ebenso kann in einem der Kühlkreisläufe eine Ladeluft des Verbrennungsmotors gekühlt werden, beispielsweise bei einer Temperatur der zu kühlenden Oberfläche von 20° C (angegebene Temperaturen sind Circawerte und auf die zu kühlende Oberfläche bezogen).According to one embodiment, such a cooling circuit can have a plurality of cooling circuits, in each case one of the cooling circuits, for example, the internal combustion engine at a temperature of up to 120 ° C, an electric machine at 80 ° C, a fuel cell at 80 ° C, SuperCaps at 40 ° C and / or a traction battery is cooled at below 30 ° C. Likewise, in one of the cooling circuits, a charge air of the internal combustion engine can be cooled, for example, at a temperature of the surface to be cooled of 20 ° C (indicated temperatures are circa values and based on the surface to be cooled).
Der Wärmeträger des Kühlkreislaufs kann in einer Ausführung als, beispielsweise wasserbasiertes, Kühlmittel ausgebildet sein, wenn keine der zu kühlenden Komponenten bei einer Temperatur unterhalb einer zu erwartenden Umgebungstemperatur gekühlt werden muss.In one embodiment, the heat carrier of the cooling circuit can be designed as, for example, water-based, coolant, if none of the components to be cooled has to be cooled at a temperature below an expected ambient temperature.
Ist eine solche Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur hingegen schon zu erwarten, wie beispielsweise bei der Kühlung von Batterien oder der Ladeluft, muss hingegen ein Kältemittel, beispielsweise auf Alkoholbasis, verwendet werden, das sich dadurch auszeichnet, dass im Kraftfahrzeug unter wirtschaftlichen und energieeffizienten Bedingungen ein Siedepunkt unterhalb der Umgebungstemperatur einstellbar ist (insbesondere mittels Volumenstromregelungsmittels und mittels des Druckregelungsmittels des entsprechenden Kühlkreises).If such a cooling below the ambient temperature, however, already to be expected, such as in the cooling of batteries or the charge air, however, a refrigerant, for example, alcohol-based, must be used, which is characterized in that in the motor vehicle under economic and energy-efficient conditions, a boiling point is adjustable below the ambient temperature (in particular by means of volume flow control means and by means of the pressure control means of the corresponding cooling circuit).
Um den Wärmeträgerkreislauf an unterschiedlich warme Wärmequellen anpassen zu können, ist gemäß einer Ausführung das Steuermittel dazu eingerichtet, den Wärmeträgerdruck in der Laststrecke und damit insbesondere auch die Siedetemperatur in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur, insbesondere einer zu kühlenden Oberfläche, der Wärmequelle einzustellen, die dem Kühlkreis zugeordnet ist.In order to be able to adapt the heat carrier circuit to heat sources of different warmth, the control means is adapted to adjust the heat carrier pressure in the load path and thus in particular also the boiling temperature as a function of an operating temperature, in particular a surface to be cooled, the heat source that the cooling circuit assigned.
Vorzugsweise kann der Wärmeträgerdruck in Verbindung mit einem Druckerfassungsmittel geregelt werden. Das Druckerfassungsmittel kann insbesondere einen Drucksensor und/oder ein, vorzugsweise erfahrungsbasiertes, Druckmodell aufweisen. Das Druckmodell kann insbesondere ein Teil eines Betriebsmodells des Kühlkreislaufs sein. Das Druckerfassungsmittel ist vorzugsweise eingerichtet, einen aktuellen Wärmeträgerdruck an wenigstens einer der Laststrecken zu ermitteln, wobei das Steuermittel dazu eingerichtet ist, die ermittelten Werte bei der Steuerung des Wärmeträgerdrucks zu berücksichtigen.Preferably, the heat carrier pressure can be controlled in conjunction with a pressure sensing means. In particular, the pressure-sensing device can have a pressure sensor and / or a pressure-based, preferably experience-based, model. In particular, the pressure model may be part of an operating model of the refrigeration cycle. The pressure-detecting means is preferably set up to determine a current heat carrier pressure at at least one of the load paths, wherein the control means is arranged to take into account the determined values in the control of the heat carrier pressure.
Gemäß einer Ausführung wird der Wärmeträgerdruck geregelt, indem der Öffnungsgrad des Volumenstromregelungsmittels und des Druckregelungsmittels zusätzlich in Abhängigkeit von einem aktuell ermittelten Wert des Wärmeträgerdrucks bestimmt - und bei einem Betrieb des Kühlkreislaufs auch vorzugsweise angesteuert - wird.According to one embodiment, the heat carrier pressure is controlled by the degree of opening of the volume flow control means and the pressure control means additionally determined in dependence on a currently determined value of the heat transfer fluid - and also preferably controlled in an operation of the cooling circuit - is.
Damit der Wärmeträgerdruck an der Laststrecke in jedem der Kühlkreisläufe separat steuerbar ist, sind das Volumenstromregelungsmittel und das Druckregelungsmittel in einem separat für den jeweiligen Kühlkreis ausgebildeten Leitungsabschnitt angeordnet.So that the heat carrier pressure at the load path in each of the cooling circuits can be controlled separately, the volume flow control means and the pressure control means are arranged in a separately formed for the respective cooling circuit line section.
Gemäß einer Ausführung weist der Wärmeträgerkreislauf einen Wärmetauscher, insbesondere mit einer Wärmetauscherstrecke, auf, der/die ein Teil beider und/oder aller Kühlkreise ist. Damit kann Bauraum eingespart werden, insbesondere verglichen mit dem Vorsehen eines separaten Wärmetauschers für jeden Kühlkreis. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher als Kondensator, insbesondere mit einer Kondensatorstrecke, ausgebildet, um den an den Laststrecken gegebenenfalls verdampften Wärmeträger wieder in einen flüssigen Zustand zu überführen. According to one embodiment, the heat carrier circuit has a heat exchanger, in particular with a heat exchanger section, which is part of both and / or all cooling circuits. This space can be saved, especially compared to the provision of a separate heat exchanger for each cooling circuit. The heat exchanger is preferably designed as a condenser, in particular with a condenser section, in order to convert the heat carrier, which may have been vaporized on the load paths, back into a liquid state.
Gemäß einer Ausführung wird vor dem Wärmetauscher mittels eines Verdichters der Druck des Fluids erhöht, um dessen Siedepunkt ausreichend herabzusetzen.According to one embodiment, the pressure of the fluid is increased before the heat exchanger by means of a compressor in order to reduce its boiling point sufficiently.
Um beliebig viele Wärmequellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus mit einem integrierten Wärmeträgerkreislauf kühlen zu können, weist der Wärmeträgerkreislauf gemäß einer Ausführung wenigstens einen weiteren Kühlkreis zur Kühlung jeweils einer weiteren, noch kühleren Wärmequelle auf. Dabei ist in dem weiteren Kühlkreis im Fluidstrom vor der Wärmequelle ein Volumenstromregelungsmittel und im Fluidstrom nach der Wärmequelle ein Druckregelungsmittel angeordnet ist, wobei das Steuermittel dazu eingerichtet ist, mittels des Volumenstromregelungsmittels und mittels des Druckregelungsmittels eine Siedetemperatur des verwendeten Wärmeträgers in einer Laststrecke dieses Kühlkreises zwischen dem Volumenstromregelungsmittel und dem Druckregelungsmittel einzustellen.In order to be able to cool any number of heat sources at different temperature levels with an integrated heat carrier circuit, the heat transfer circuit according to one embodiment has at least one further cooling circuit for cooling a further, even cooler heat source. In this case, in the further cooling circuit in the fluid flow in front of the heat source, a flow control means and in the fluid flow to the heat source, a pressure control means is arranged, wherein the control means is adapted by means of the flow control means and by means of the pressure control means a boiling temperature of the heat carrier used in a load path of this cooling circuit between the Volume flow control means and the pressure control means to adjust.
Vorzugsweise weist in wenigstens einem der Kühlkreise das Volumenstromregelungsmittel und/oder das Druckregelungsmittel eine Drossel und/oder ein Ventil auf. Beispielsweise können im Kühlkreislauf alle Volumenstromregelungsmittel jeweils als elektromagnetisch aktuierbares Ventil und alle Druckregelungsmittel jeweils als elektrisch aktuierbare Drossel ausgebildet sein.Preferably, in at least one of the cooling circuits, the volume flow control means and / or the pressure regulating means comprises a throttle and / or a valve. For example, in the cooling circuit, all volume flow control means may each be designed as an electromagnetically actuable valve and all pressure control means may each be designed as an electrically actuable throttle.
Um gegebenenfalls einen Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig an der Laststrecke (insbesondere an der zu kühlenden Oberfläche) zu unterstützen, weist gemäß einer Ausführung in wenigstens einem der Kühlkreise das Volumenstromregelungsmittel eine Düse auf, die dazu eingerichtet ist, den Wärmeträger in die Laststrecke einzusprühen. Vorzugsweise ist dann eine Hauptsprühachse der Düse auf die mittels des Kühlkreises zu kühlende Wärmequelle gerichtet.In order optionally to support a phase change from liquid to gaseous at the load path (in particular at the surface to be cooled), according to an embodiment in at least one of the cooling circuits, the volume flow control means has a nozzle which is adapted to spray the heat carrier into the load path. Preferably, then a main spray axis of the nozzle is directed to the means of the cooling circuit to be cooled heat source.
Verfahren, die nach einer Ausführung der Erfindung durchgeführt werden, können sowohl für einen, als auch für mehrere oder jeden der Kühlkreis durchgeführt werden.Methods that are practiced according to an embodiment of the invention may be practiced for one or more or each of the refrigeration cycles.
Um eine einfache Anpassung der Kühlleistung des Wärmeträgerkreislaufs zu ermöglichen, ist gemäß einer Ausführung der Öffnungsgrad des Volumenstromregelungsmittels und der Öffnungsgrad des Druckregelungsmittels derart aufeinander abgestimmt, dass auch bei einer Veränderung des Wärmeträger-Volumenstroms durch die Laststrecke ein eingestellter Wärmeträgerdruck zumindest im Wesentlichen konstant bleibt. Insbesondere erfolgt die Druckanpassung zur Einstellung des günstigen Siedepunkts im Zusammenspiel des Volumenstromregelungsmittels und des Druckregelungsmittels. Wenn also der Kühlungsbedarf steigt, wird insbesondere der Querschnitt (bzw. der Öffnungsgrad) des Volumenstromregelungsmittels und gleichzeitig in einem geeigneten (durch das Steuermittel bestimmten) Ausmaß auch der Querschnitt (bzw. der Öffnungsgrad) des Druckregelungsmittels größer, damit der Druckverlust am Druckregelungsmittel einen konstanten Druck in der Laststrecke ermöglicht.In order to enable a simple adaptation of the cooling capacity of the heat carrier circuit, the opening degree of the volume flow control means and the opening degree of the pressure control means is coordinated according to one embodiment such that even with a change in the heat transfer volume flow through the load path a set heat transfer pressure remains at least substantially constant. In particular, the pressure adjustment to adjust the favorable boiling point in the interaction of the flow control means and the pressure control means. In particular, when the cooling demand increases, in particular, the cross-section (or opening degree) of the flow control means and at a suitable (determined by the control means) extent and the cross-section (or the degree of opening) of the pressure control means becomes larger, so that the pressure loss at the pressure control means a constant Pressure in the load path allows.
Um den Kühlkreislauf auf die zu kühlenden Wärmequellen und deren Betriebstemperatur abzustimmen, wird gemäß einer Ausführung die Betriebstemperatur der Wärmequelle 1) einmal vor Inbetriebnahme des Wärmeträgerkreislaufes bestimmt, und/oder 2) mehrfach, in regelmäßigen Abständen und/oder kontinuierlich bestimmt, und der jeweils geeigneten Öffnungsgrad der Volumenstromregelungsmittel und der Druckregelungsmittel an gegebenenfalls ermittelte Veränderungen der Betriebstemperatur angepasst.In order to match the cooling circuit to the heat sources to be cooled and their operating temperature, the operating temperature of the heat source 1) is determined according to an embodiment once before starting the heat transfer circuit, and / or 2) repeatedly, at regular intervals and / or determined continuously, and the respectively suitable Opening degree of the volume flow control means and the pressure control means adapted to optionally determined changes in the operating temperature.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
-
1 einen Wärmeträgerkreislauf gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit drei parallelen Kühlkreisen und einem Wärmetauscher in einer schematischen Ansicht; -
2 einen Wärmeträgerkreislauf gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit drei parallelen Kühlkreisen und einer Wärmetauscheranordnung in einer schematischen Ansicht.
-
1 a heat transfer circuit according to an exemplary embodiment of the invention with three parallel cooling circuits and a heat exchanger in a schematic view; -
2 a heat transfer circuit according to another exemplary embodiment of the invention with three parallel cooling circuits and a heat exchanger assembly in a schematic view.
In
Jeder der Kühlkreise
An der Zuführleitungsanordnung
Der Wärmeträger wird aus den Kühlkreisen
Der erste Kühlkreis
Im Wärmeträgerstrom vor der Laststrecke
Im Wärmeträgerstrom nach der Laststrecke
Der zweite Kühlkreis
Analog zu dem ersten Kühlkreis
Der dritte Kühlkreis
Analog zu dem ersten Kühlkreis
Nachfolgend ist die Funktionsweise des in
In der Laststrecke
Die absolute, abzuführende Wärmemenge ist damit im Ausführungsbeispiel bei den meisten Betriebszuständen im Kühlkreis
Entsprechend der im jeweiligen Kühlkreis abzutransportieren Wärmemenge kann mittels des jeweiligen Volumenstromregelungsmittel
Um die einzelnen Kühlkreise
Dabei wird im Ausführungsbeispiel in jeder Laststrecke
Wegen des Kühlniveaus bei ca. 30° in dem Kühlkreis
Die zu erwartenden Betriebstemperaturen der zu kühlenden Oberflächen in den einzelnen Laststrecken
So kann mittels des Steuermittels
Unter Berücksichtigung geeigneter Druckmodelle und/oder Volumenstrommodelle, welche im Betriebsmodell
Ein Wärmeträgerkreislauf
In
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Zur Durchführung eines beispielhaften Verfahrens zur Anpassung eines der beispielhaft vorgestellten Wärmeträgerkreisläufe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- WärmeträgerkreislaufHeat transfer circuit
- 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
- ZuführleitungsanordnungZuführleitungsanordnung
- 55
- AbführleitungsanordnungAbführleitungsanordnung
- 66
- Wärmetauscher (Kondensator)Heat exchanger (condenser)
- 77
- Steuermittelcontrol means
- 88th
- Betriebsmodelloperating model
- 99
- Wärmeträgerverdichter Heat carrier compressor
- 1010
- erster Kühlkreisfirst cooling circuit
- 1111
- Laststreckeload path
- 1212
- WärmeträgerdüseWärmeträgerdüse
- 1313
- VolumenstromregelungsmittelFlow control means
- 1414
- Druckregelungsmittel Pressure control means
- 2020
- zweiter Kühlkreissecond cooling circuit
- 2121
- Laststreckeload path
- 2222
- WärmeträgerdüseWärmeträgerdüse
- 2323
- VolumenstromregelungsmittelFlow control means
- 2424
- Druckregelungsmittel Pressure control means
- 3030
- dritter Kühlkreisthird cooling circuit
- 3131
- Laststreckeload path
- 3232
- WärmeträgerdüseWärmeträgerdüse
- 3333
- VolumenstromregelungsmittelFlow control means
- 3434
- Druckregelungsmittel Pressure control means
- 4040
- Ausgleichsbehälter surge tank
- 200200
- WärmeträgerkreislaufHeat transfer circuit
- 205205
- AbführleitungsanordnungAbführleitungsanordnung
- 205a,b,c205a, b, c
- Abführleitungdischarge
- 206206
- Wärmetauscheranordnung (Kondensatoranordnung)Heat exchanger arrangement (capacitor arrangement)
- 206a,b,c206a, b, c
- Wärmetauscherheat exchangers
- 209a,b,c209a, b, c
- Verdichtercompressor
- 215a,b,c215a, b, c
- Drosselnthrottle
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-
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |