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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, mit dessen Hilfe ein Kraftfahrzeugaggregat eines Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann.
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Ein Kraftfahrzeug weist in der Regel einen geschlossenen Kühlkreiskauf auf, bei dem mit Wasser als Arbeitsmittel ein Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekühlt werden kann. Aus
DE 202 09 972 U1 ist bekannt, dass dieser Kühlkreiskauf zusätzlich mit einem Stickstoffkühlkreislauf gekühlt werden kann, bei dem flüssiger Stickstoff aus einem Stickstoffbehälter dem Stickstoffkühlkreislauf zugeführt, in dem Stickstoffkühlkreislauf verdampfter Stickstoff aus dem Stickstoffkühlkreislauf abgeführt und in einem Druckbehälter gespeichert wird.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis ein Kraftfahrzeugaggregat bei Bedarf stark und kostengünstig kühlen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine bei Bedarf eine starke und kostengünstige Kühlung von Kraftfahrzeugaggregaten ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Kühlsystem zum Kühlen eines Kraftfahrzeugaggregats eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem direkt oder indirekt thermisch an dem zu kühlenden Kraftfahrzeugaggregat anschließbaren Kühlelement, einem mit dem Kühlelement fluidisch verbundenen Vorratsbehälter, wobei der Vorratsbehälter eine verdampfbare Kühlsubstanz enthält, einem in Strömungsrichtung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Kühlelement vorgesehenen Ventil zum Verdampfen der Kühlsubstanz und einem an dem Kühlelement fluidisch angeschlossenen Auslasselement zum Ablassen der verdampften Kühlsubstanz an die Umgebung.
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Die Kühlsubstanz kann in dem Vorratsbehälter, insbesondere bei hohen Druck und niedriger Temperatur, im Wesentlichen im festen und/oder flüssigen Aggregatszustand vorliegen. Am Auslasselement kann der Umgebungsdruck und die Umgebungstemperatur anliegen. Wenn die Kühlsubstanz über das Ventil mit dem Auslasselement fluidisch in Verbindung tritt, kann ein Teil der Kühlsubstanz verdampfen und mit einer sehr geringen Temperatur dem Kühlelement zugeführt werden, ohne dass hierzu ein externer Energieeintrag erforderlich ist. Das Kühlelement kann dadurch das Kraftfahrzeugaggregat mit einer entsprechend geringen Temperatur kühlen, wodurch eine besonders hohe Kühlleistung erreicht werden kann, die durch einen geschlossenen luftgekühlten Wasserkühlkreislauf bei gleichem Massenstrom nicht möglich wäre. Über das, beispielsweise als Schalldämpfer ausgestaltete, Auslasselement kann die erwärmte gasförmige Kühlsubstanz an die Umgebung abgegeben werden, so dass es nicht erforderlich ist durch einen Energieeintrag die Kühlsubstanz auf die ursprünglichen Zustandswerte im Vorratsbehälter zurückzubringen. Wenn ein Kraftfahrzeugaggregat sehr plötzlich eine sehr starke Kühlung benötigt, wie dies insbesondere bei einem plötzlichen starken Beschleunigen eines Sportwagen in einen hohen Drehzahlbereich hinein auftreten kann, ist es möglich durch ein Öffnen des Ventils mit Hilfe der verdampften Kühlsubstanz bei einer sehr niedrigen Temperatur das Kraftfahrzeugaggregat zu kühlen und auch in einer Extremsituation eine ausreichende Kühlung sicherzustellen. Eine kostenintensive Aufbereitung der Kühlsubstanz im verdampften Aggregatszustand kann eingespart werden. Stattdessen kann es ausreichend sein den Vorratsbehälter, insbesondere während einer routinemäßigen Wartungsmaßnahme, mit Kühlsubstanz aufzufüllen, um einen zwischenzeitlichen Verbrauch auszugleichen. Durch die im Vorratsbehälter bevorratete und bei Bedarf verdampfbare Kühlsubstanz, die nach der Kühlung des Kraftfahrzeugaggregats an die Umgebung abgegeben wird, kann ad hoc bei einem minimalen externen Energieeinsatz eine sehr starke Kühlleistung erreicht werden, so dass bei Bedarf eine starke und kostengünstige Kühlung von Kraftfahrzeugaggregaten ermöglicht ist.
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Das Kühlelement kann beispielsweise als Kühlschlange oder Wärmetauscherplatte ausgestaltet sein, um direkt oder indirekt von dem zu kühlenden Kraftfahrzeugaggregat einen Wärmestrom aufzunehmen. Es ist aber auch möglich, dass die verdampfte Kühlsubstanz von dem Auslasselement direkt auf eine Oberfläche des zu kühlenden Kraftfahrzeugaggregats geleitet wird, um das Kraftfahrzeugaggregat zu kühlen. In diesem Fall erfüllt das Auslasselement gleichzeitig auch die Kühlfunktion, so dass das Kühlelement und das Auslasselement in einem gemeinsamen Bauteil zusammenfallen. Vorzugsweise sind jedoch das Kühlelement und das Auslasselement als separate Bauteile ausgestaltet, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die durch die verdampfte Kühlsubstanz erreichbare Kühlleistung kann dadurch besser eingestellt werden. Zudem kann die Gefahr von durch thermische Spannungen verursachten Beschädigungen des Kraftfahrzeugaggregats reduziert oder sogar eliminiert werden.
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Insbesondere ist die Kühlsubstanz ausgewählt aus der Gruppe aufweisend festes Ammoniak, flüssiges Ammoniak, festes Distickstoffmonoxid, flüssiges Distickstoffmonoxid, flüssiger Stickstoff, festes Kohlenstoffdioxid, flüssiges Kältemittel und/oder flüssiger Halogenkohlenwasserstoff. Eine derartige Kühlsubstanz kann bei geringem Volumen leicht in dem Vorratsbehälter gespeichert werden und im verdampften Zustand auf besonders niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Zudem ist eine derartige Kühlsubstanz bei den benötigten vergleichsweise geringen Mengen für die Umwelt ungefährlich.
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Vorzugsweise sind mehrere parallel und/oder in Reihe geschaltete Kühlelemente zum Kühlen mindestens eines Kraftfahrzeugaggregats vorgesehen. Dadurch ist es möglich ein Kraftfahrzeugaggregat an mehreren zueinander beabstandeten Stellen zu kühlen und/oder mehrere Kraftfahrzeugaggregate gleichzeitig zu kühlen. Wenn mehrere. Kühlelemente parallel zueinander geschaltet sind, ist es möglich die verdampfte Kühlsubstanz den jeweiligen Kühlelementen mit derselben Temperatur zuzuführen, so dass beispielsweise ein Kraftfahrzeugaggregat von mehreren Kühlelementen gleichmäßig gekühlt werden kann. Wenn mehrere Kühlelemente in Serie zueinander geschaltet sind, ist es möglich mit einer möglichst geringen Menge an verdampfter Kühlsubstanz mehrere Kühlelemente zu speisen und eine Temperaturdifferenz der verdampften Kühlsubstanz zur Umgebungstemperatur für Kühlungszwecke möglichst weit auszunutzen.
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Besonders bevorzugt erfolgt eine Förderung der verdampften Kühlsubstanz ausschließlich durch eine Druckdifferenz zwischen einem Innendruck des Vorratsbehälters und einem Außendruck am Auslasselement. Das Kühlsystem kann ausgestaltet sein den Massenstrom der verdampften Kühlsubstanz alleine durch den Innendruck des Vorratsbehälters bereitzustellen. Ein Verdichter oder eine Pumpe zum Fördern der Kühlsubstanz ist nicht erforderlich und kann eingespart werden. Das Kühlsystem ist dadurch antriebslos ausgestaltet und/oder für eine rein passive Druckförderung ausgestaltet.
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Insbesondere weist der Vorratsbehälter im gefüllten Ausgangszustand einen Innendruck pi von pi ≥ 10 bar, insbesondere pi ≥ 30 bar, vorzugsweise pi ≥ 60 bar und besonders bevorzugt pi ≥ 100 bar auf, wobei insbesondere pi ≤ 200 bar, vorzugsweise pi ≤ 150 bar und besonders bevorzugt pi ≤ 100 bar gilt. Bei einem derartigen Innendruck im Vorratsbehälter kann im Wesentlichen die gesamte Kühlsubstanz im festen und/oder flüssigen Aggregatszustand gehalten werden.
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Vorzugsweise weist der Vorratsbehälter im gefüllten Ausgangszustand eine Temperatur T von T ≤ 0°, insbesondere T ≤ -30°, vorzugsweise T ≤ -60° und besonders bevorzugt T ≤ -80° auf, wobei insbesondere T ≥ -100° und vorzugsweise T ≥ -80° gilt. Bei einer derartigen Temperatur im Vorratsbehälter kann im Wesentlichen die gesamte Kühlsubstanz im festen und/oder flüssigen Aggregatszustand gehalten werden. Zudem ist für die Kühlsubstanz bereits eine besonders geringe Temperatur vorgesehen, die durch ein Verdampfen am Ventil noch weiter abgesenkt werden kann, um eine besonders hohe Kühlleistung zu erreichen.
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Besonders bevorzugt ist der Vorratsbehälter mit einer wärmedämmenden Ummantelung versehen. Die durch die Ummantelung erreichte Wärmedämmung ermöglicht es über einen möglichst langen Zeitraum in dem Vorratsbehälter eine möglichst niedrige Temperatur beizubehalten. Eine unnötige Druckerhöhung im Vorratsbehälter durch eine Erwärmung der Kühlsubstanz und eine Verdampfung der Kühlsubstanz im Vorratsbehälter in einem unerwünschten Ausmaß kann dadurch vermieden werden.
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Insbesondere ist das Ventil als einstellbares Druckregelventil ausgestaltet. Dadurch kann das Ventil bei Bedarf stärker oder weniger stark geöffnet und geschlossen werden, wodurch der Massenstrom der Kühlsubstanz geregelt und/oder an einen sich plötzlich ändernden Kühlbedarf angepasst werden kann.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Kühlelement an einem als elektrische Maschine und/oder als Umrichter für eine elektrische Maschine und/oder als Kraftfahrzeuggetriebe und/oder als Brennkraftmaschine ausgestaltetes Kraftfahrzeugaggregat thermisch angeschlossen. Das Kühlsystem kann insbesondere in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug verbaut sein. Insbesondere bei einer sportlichen Fahrweise kann es immer wieder vorkommen, dass der elektrischen Maschine und den im Antriebsstrang nachfolgenden Komponenten plötzlich eine hohe Leistung abgefordert wird, die zu einer plötzlichen starken Wärmeentwicklung führt und durch die verdampfte Kühlsubstanz des Kühlsystems schnell und effektiv kompensiert werden kann. Auch in extremen Betriebssituationen kann ein gewünschter Temperaturbereich für die jeweiligen Kraftfahrzeugaggregate eingehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Kühlelement an einem geschlossenen Kühlkreislauf zum Kühlen des Kraftfahrzeugaggregats thermisch angeschlossen, wobei das Kühlelement das Kraftfahrzeugaggregat mittelbar über ein von dem Kühlelement gekühltes, insbesondere verflüssigtes, Arbeitsmittel des Kühlkreislaufs kühlt. Der Kühlkreislauf kann als reguläre standardmäßige Kühlung für das jeweilige Kraftfahrzeugaggregat vorgesehen sein. Wenn in einer bestimmten, insbesondere extremen, Betriebssituation die Kühlleistung des Kühlkreislaufs nicht ausreichen sollte, kann die verdampfte Kühlsubstanz durch ihre thermische Anbindung an den Kühlkreislauf das Arbeitsmittel des Kühlkreislaufs zusätzlich kühlen. Der Kühlkreislauf kann dadurch eine Kühlleistung für das Kraftfahrzeugaggregat bereitstellen, für die der Kühlkreislauf ohne die thermische Unterstützung durch die verdampfte Kühlsubstanz gar nicht ausgelegt ist. Dies ermöglicht es den Kühlkreislauf für eine geringere Kühlleistung kostengünstig auszulegen und für vereinzelt auftretende Kühlleistungsspitzen die Kühlleistung des Kühlkreislaufs mit Hilfe der verdampften Kühlsubstanz zu erhöhen („boosten“).
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Kühlsystems und
- 2: eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kühlsystems.
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Das in 1 dargestellte Kühlsystem 10 weist einen mit einer nicht dargestellten Wärmedämmung versehenen Vorratsbehälter 12 auf in dem eine feste und/oder flüssige Kühlsubstanz 14 vorgesehen ist. Insbesondere wenn der Vorratsbehälter 12 sich bereits etwas geleert hat, kann ein Teil der Kühlsubstanz 14 verdampft sein und in dem Vorratsbehälter 12 als Dampf vorliegen. Die Kühlsubstanz 14 ist durch ein als Druckregelventil ausgestaltetes Ventil 16 in dem Vorratsbehälter 12 eingeschlossen. Wenn das Ventil 16 geöffnet wird, kann ein Teil der Kühlsubstanz 14 angetrieben durch den Innendruck des Vorratsbehälters 12 den Vorratsbehälter 12 verlassen, verdampfen und einem, beispielsweise als Kühlschlange ausgestalteten, Kühlelement 18 zugeführt werden. Das Kühlelement 18 kann thermisch an einem Kraftfahrzeugaggregat 20 angeschlossen sein, um das Kraftfahrzeugaggregat 20 zu kühlen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere in Reihe geschaltete Kühlelemente 18 vorgesehen, die jeweils ein Kraftfahrzeugaggregat 20 kühlen. Bei den Kraftfahrzeugaggregaten 20 kann es beispielsweise um eine elektrische Maschine, einen Umrichter und ein Kraftfahrzeuggetriebe eines Antriebstrangs für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug handeln. Die von den Kraftfahrzeugaggregaten 20 erwärmte verdampfte Kühlsubstanz 14 kann über ein beispielsweise als Schalldämpfer ausgestaltetes Auslasselement 22 an die Umgebung abgegeben werden. Das Kühlsystem 10 ist offen ausgestaltet, so dass die Kühlsubstanz 14 verbraucht und nicht mit Hilfe externer Energie wiederaufgearbeitet werden muss.
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Wie in 2 dargestellt ist es auch möglich, dass das Kraftfahrzeugaggregat 20 von dem in 1 dargestellten Kühlsystem 10 indirekt über einen zwischengeschalteten geschlossenen Kühlkreislauf 24 gekühlt wird. Der Kühlkreislauf 24 kann beispielsweise als Kompressionskälteanlage ausgestaltet sein, bei der ein Kompressor 26 ein, beispielsweise als Kältemittel ausgestaltetes, gasförmiges Arbeitsmittel komprimiert und zu einem Kondensator 28 fördert, wo das Arbeitsmittel verflüssigt wird und Wärme an die Umgebung abgibt. Das in einem Sammler 30 gesammelte flüssige Arbeitsmittel wird einer Drossel 32 zugeführt, um das Arbeitsmittel zu entspannen und abzukühlen. In einem Verdampfer 34 wird das Arbeitsmittel verdampft, wobei hierbei das Kraftfahrzeugaggregat 20 gekühlt wird. Das verdampfte Arbeitsmittel wird dann wieder dem Kompressor 26 zugeführt. Falls in einer extremen Betriebssituation die Kühlleistung des Verdampfers 34 nicht ausreichen sollte, kann das Ventil 16 geöffnet werden, so dass die verdampfte Kühlsubstanz 14 über das Kühlelement 18 das Arbeitsmittel des Kühlkreislaufs 24, beispielsweise zwischen dem Sammler 30 und der Drossel 32, zusätzlich abkühlen kann. Das Arbeitsmittel liegt dadurch mit einer deutlich niedrigeren Temperatur in dem Verdampfer 34 vor und kann dadurch eine größere Wärmemenge aufnehmen.
