DE102021129205A1 - Pressure equalization and volume equalization in a fluid circuit - Google Patents
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Abstract
Eine Fluidanordnung (8), mit einem Fluidkreislauf (10) mit inkompressiblem Fluid (12) mit variierendem Gesamtvolumen (VF) enthält eine Ausgleichsanordnung (18) mit einem Ausgleichsbehälter (16) mit Behältervolumen (VB), der im Betrieb mit einem Ausgleichsvolumen (VA) des Fluids (12) und einem kompressiblen Vorspannelement (32) mit Vorspannvolumen (VV) mit Vorspanndruck (pV) gefüllt ist, mit einer Abfuhrleitung (20) mit Abfuhrventil (26) von einer Abfuhröffnung (22) zum Ausgleichsbehälter (16), und mit einer Zufuhrleitung (26) mit Zufuhrventil (30) vom Ausgleichsbehälter (16) zu einer Zufuhröffnung (28), wobei das Fluid (12) an der Abfuhröffnung (22) einen Abfuhrdruck (pA) und an der Zufuhröffnung (28) einen Zufuhrdruck (pZ) kleiner dem Abfuhrdruck (pA) aufweist, wobei die Ausgleichsanordnung (18) drucktechnisch abgeschlossen ist, und ein Druckbereich des Vorspanndrucks (pV) so gewählt ist, dass der aktuelle Vorspanndruck (pV) stets zwischen dem Zufuhrdruck (pZ) und dem Abfuhrdruck (pA) liegt.Eine Objektanordnung (6) enthält die Fluidanordnung (8) und ein vom Fluid (12) durchströmtes Objekt (4) im Fluidkreislauf (10).Ein Flugzeug (2) enthält die Objektanordnung (6) als Kühlanordnung für Brennstoffzellen (5) als Objekt (4) zum Antrieb des Flugzeugs (2).Beim Betreiben der Fluidanordnung (8) oder der Objektanordnung (6) oder des Flugzeuges (2) wird das Abfuhrventil (24) und / oder das Zufuhrventil (30) geöffnet, um Fluid (12) aus oder in den Fluidkreislauf (10) zu führen, um den Druck p im Fluid (12) zu senken oder zu erhöhen.A fluid arrangement (8) with a fluid circuit (10) with incompressible fluid (12) with a varying total volume (VF) contains a compensating arrangement (18) with a compensating tank (16) with a tank volume (VB) which, during operation, has a compensating volume (VA ) of the fluid (12) and a compressible preload element (32) with preload volume (VV) with preload pressure (pV), with a discharge line (20) with discharge valve (26) from a discharge opening (22) to the expansion tank (16), and with a supply line (26) with a supply valve (30) from the expansion tank (16) to a supply opening (28), the fluid (12) having a discharge pressure (pA) at the discharge opening (22) and a supply pressure (pA) at the supply opening (28) pZ) is smaller than the discharge pressure (pA), the compensation arrangement (18) being closed off in terms of pressure, and a pressure range of the preload pressure (pV) being selected such that the current preload pressure (pV) is always between the supply pressure (pZ) and the discharge pressure ( pA).An object arrangement (6) contains the fluid arrangement (8) and an object (4) through which the fluid (12) flows in the fluid circuit (10).An aircraft (2) contains the object arrangement (6) as a cooling arrangement for fuel cells (5 ) as an object (4) for driving the aircraft (2). When operating the fluid arrangement (8) or the object arrangement (6) or the aircraft (2), the discharge valve (24) and / or the supply valve (30) is opened to To lead fluid (12) from or into the fluid circuit (10) in order to reduce or increase the pressure p in the fluid (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Fluidanordnung, z.B. eine Kühlanordnung. Die Fluidanordnung enthält einen Fluidkreislauf, zum Beispiel einen Kühlkreislauf zur Kühlung eines im Kühlkreislauf vorhandenen Objekts, der im Betrieb zirkulierend von einem inkompressiblen Fluid, z.B. einem Kühlmittel, durchströmt ist. Das Fluid unterliegt bei einer Änderung seines Temperaturniveaus einer Volumenänderung, bezogen auf einen bestimmten Druck, d.h. z.B. bei Atmosphärendruck. Es weist also ein in diesem Sinne variierendes Gesamtvolumen auf. Steht jedoch kein Raum zur Volumenänderung für das Fluid zur Verfügung, reagiert das Fluid mit einer Druckänderung im Fluidkreislauf. Dies gilt in besonderem Maße für inkompressible Fluide.The invention relates to a fluid assembly, such as a cooling assembly. The fluid arrangement contains a fluid circuit, for example a cooling circuit for cooling an object present in the cooling circuit, through which an incompressible fluid, e.g. a coolant, circulates during operation. With a change in its temperature level, the fluid is subject to a change in volume in relation to a certain pressure, i.e. at atmospheric pressure, for example. It therefore has a total volume that varies in this sense. However, if there is no space for the fluid to change volume, the fluid reacts with a pressure change in the fluid circuit. This applies in particular to incompressible fluids.
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf eine Fluidanordnung vorzuschlagen.The object of the present invention is to propose improvements in relation to a fluid arrangement.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fluidanordnung gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The object is achieved by a fluid arrangement according to patent claim 1. Preferred or advantageous embodiments of the invention and other categories of the invention result from the further claims, the following description and the attached figures.
Die Fluidanordnung enthält einen Fluidkreislauf. In einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Fluidanordnung ist der Fluidkreislauf zirkulierend von einem inkompressiblen Fluid durchströmt. Das Volumen des Fluids im Fluidkreislauf variiert über der Zeit. Dies rührt daher, dass das Fluid einer Wärmeausdehnung bei Temperaturänderung unterliegt. Diese hier angesprochene Wärmeausdehnung des Fluids betrifft dieses als Ganzes. Gemeint ist also hier nicht die Temperaturschwankung des Fluids bei Zirkulation im Fluidkreislauf, z.B. einem Kühlkreislauf, der in der Regel naturgemäß Abschnitte mit unterschiedlicher Fluidtemperatur aufweist, sondern die Änderung des Temperaturniveaus im Fluidkreislauf insgesamt. Insbesondere dient die Fluidanordnung dazu bzw. ist dazu eingerichtet, im Betrieb ein vorgebbares Druckniveau in dem Fluid einzustellen, welches in dem Fluidkreislauf zirkuliert. Hierzu ist der Fluidkreislauf insbesondere mit einer Pumpe bzw. Förderpumpe für das Fluid ausgerüstet.The fluid assembly includes a fluid circuit. When the fluid arrangement is operated as intended, an incompressible fluid circulates through the fluid circuit. The volume of fluid in the fluid circuit varies over time. This is because the fluid undergoes thermal expansion as the temperature changes. The thermal expansion of the fluid discussed here affects the fluid as a whole. What is meant here is not the temperature fluctuation of the fluid during circulation in the fluid circuit, e.g. a cooling circuit, which usually naturally has sections with different fluid temperatures, but the change in the temperature level in the fluid circuit as a whole. In particular, the fluid arrangement serves or is set up to set a predeterminable pressure level in the fluid during operation, which circulates in the fluid circuit. For this purpose, the fluid circuit is equipped in particular with a pump or feed pump for the fluid.
Die Fluidanordnung ist z.B. eine Kühlanordnung; diese dient bzw. ist dann eingerichtet zur Kühlung eines Objekts, welches sich im Fluidkreislauf - der dann ein Kühlkreislauf ist - befindet. Mit anderen Worten zirkuliert das Fluid durch den bzw. entlang des Kühlkreislaufes, nimmt dabei Wärme vom Objekt auf und gibt diese insbesondere an andere Stelle im Kühlkreislauf wieder ab, z.B. an einem Kühler.The fluid assembly is, for example, a cooling assembly; this serves or is then set up for cooling an object which is in the fluid circuit--which is then a cooling circuit--is located. In other words, the fluid circulates through or along the cooling circuit, absorbing heat from the object and releasing it to another point in the cooling circuit, e.g. to a cooler.
Bei dem sich ändernden „Volumen“ des Fluids ist hierbei dasjenige Volumen angesprochen, welches das Fluid ohne äußeren Zwang, d.h. z.B. bei Atmosphärendruck annehmen würde, wenn es die entsprechende Temperatur aufweist und eine Volumenänderung tatsächlich durchführen kann. Tatsächlich steht jedoch dem Fluid im Fluidkreislauf nur das (konstante) Volumen / Innenraum des Fluidkreislaufes zur Verfügung. Eine o.g. „Volumenzunahme“ kann also im Fluidkreislauf (unter Zwang des gegebenen Volumens des Fluidkreislaufes) nicht stattfinden. Stattdessen reagiert das Fluid - gerade wegen dessen Inkompressibilität - mit einer starken Druckerhöhung im Fluidkreislauf. Daher ist, wie nachfolgend erläutert wird, ein Ausgleichsbehälter am Fluidkreislauf vorgesehen, um durch Temperaturänderung verursachtes „zusätzliches“ oder „fehlendes“ Fluid-Volumen aus dem Fluidkreislauf abzuleiten oder diesem zuzuführen und damit die zwangsweise Druckerhöhung / -erniedrigung im Fluidkreislauf zu vermeiden.The changing "volume" of the fluid refers to the volume that the fluid would assume without external constraint, i.e. e.g. at atmospheric pressure, if it has the appropriate temperature and can actually carry out a volume change. In fact, however, only the (constant) volume/internal space of the fluid circuit is available to the fluid in the fluid circuit. A "volume increase" mentioned above cannot take place in the fluid circuit (due to the constraints of the given volume of the fluid circuit). Instead, the fluid reacts - precisely because of its incompressibility - with a strong increase in pressure in the fluid circuit. Therefore, as explained below, a compensating tank is provided on the fluid circuit in order to drain or supply "additional" or "missing" fluid volume caused by temperature changes in the fluid circuit and thus to avoid the forced increase / decrease in pressure in the fluid circuit.
„Inkompressibel“ ist hier im Sinne der üblichen Inkompressibilität von Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser oder Öl zu verstehen. Tatsächlich sind diese Flüssigkeiten zu einem gewissen, aber sehr geringen Grad kompressibel, reagieren daher mit einer - im Vergleich z.B. zu kompressiblen Medien, z.B. Gasen wie Luft oder Stickstoff - wesentlich größeren Druckerhöhung in einem abgeschlossenen Volumen bei ansonsten gleichen Verhältnissen (Volumen, Temperaturänderung, ...)."Incompressible" is to be understood here in the sense of the usual incompressibility of liquids such as water or oil. In fact, these liquids are compressible to a certain, but very small degree, and therefore react with a significantly greater increase in pressure in a closed volume - compared to e.g. compressible media, e.g. gases such as air or nitrogen - with otherwise the same conditions (volume, temperature change, . ..).
Die Fluidanordnung enthält das Fluid. Im obigen Sinne weist das Fluid ein mit seinem Temperaturniveau variierendes Gesamtvolumen auf.The fluid assembly contains the fluid. In the above sense, the fluid has a total volume that varies with its temperature level.
Die Fluidanordnung enthält außerdem eine Ausgleichsanordnung. Diese enthält den oben genannten Ausgleichsbehälter (auch „Druckausgleichsbehälter“). Der Ausgleichsbehälter weist ein konstantes Behältervolumen auf. Der Ausgleichsbehälter ist am Fluidkreislauf „angeschlossen“, d.h. über eine Abfuhr- / Zufuhröffnung bzw. Abfuhr- / Zufuhrleitung (siehe unten) fluidisch kommunizierend mit diesem verbunden. Fluid kann also zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter über die Öffnungen / Leitungen hin und her fließen.The fluid assembly also includes a balancing assembly. This contains the expansion tank mentioned above (also "pressure expansion tank"). The expansion tank has a constant tank volume. The expansion tank is “connected” to the fluid circuit, ie connected to it in fluid communication via a discharge/supply opening or discharge/supply line (see below). Fluid can therefore between mechanical fluid circuit and expansion tank flow back and forth via the openings / lines.
Der Ausgleichsbehälter ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Fluidanordnung vollständig wie folgt gefüllt: Einerseits ist der Ausgleichsbehälter gefüllt mit Fluid in Menge bzw. Größe eines Ausgleichsvolumens. Andererseits ist er gefüllt mit einem kompressiblen Vorspannelement; dieses nimmt ein Vorspannvolumen im Ausgleichsbehälter ein und weist dabei jeweils einen aktuellen Vorspanndruck auf. Beide Komponenten zusammen füllen den Behälter vollständig. Je mehr Fluid (Ausgleichsvolumen) also im Ausgleichsbehälter bzw. Behältervolumen vorhanden ist, desto mehr ist das Vorspannelement komprimiert auf das restliche Behältervolumen, nämlich das Vorspannvolumen. Die Summe aus Ausgleichsvolumen und Vorspannvolumen ist also stets konstant und gleich dem Behältervolumen.When the fluid arrangement is operated as intended, the equalizing tank is completely filled as follows: On the one hand, the equalizing tank is filled with fluid in the amount or size of an equalizing volume. On the other hand, it is filled with a compressible prestressing element; this occupies a preload volume in the expansion tank and in each case has a current preload pressure. Both components together fill the container completely. The more fluid (compensation volume) that is present in the compensation tank or tank volume, the more the preload element is compressed onto the remaining tank volume, namely the preload volume. The sum of the compensating volume and the preload volume is therefore always constant and equal to the container volume.
Unter „Ausgleichs-“ bzw. „Druckausgleichs-" behälter ist hier streng genommen folgendes zu verstehen: der Ausgleichsbehälter ist eigentlich mehr ein Volumen-Ausgleichsbehälter als ein Druck-Ausgleichsbehälter. Denn bei einer Volumenänderung des Fluids aufgrund von Temperaturänderung wird überschüssiges (bei gleichem bzw. ähnlichem Fluiddruck nicht mehr in den Fluidkreislauf „passendes“) Fluid / Volumen in den Ausgleichsbehälter als Ausgleichsvolumen(anteil) übergeleitet. Andererseits wird Fluid aus dem Ausgleichsbehälter zurück in den Fluidkreislauf geleitet, um letzteren bei Volumenabnahme des Fluids mit weiterem Fluid aufzufüllen, um einen bestimmten Fluiddruck im Fluidkreislauf wieder herzustellen. Mit anderen Worten wird also mehr oder weniger (Teil-)Volumen des Fluids aus dem Fluidkreislauf als Ausgleichsvolumen in den Ausgleichsbehälter „ausgelagert“.Strictly speaking, the term "compensation" or "pressure compensation" tank means the following: the compensation tank is actually more of a volume compensation tank than a pressure compensation tank. Because if the volume of the fluid changes due to a temperature change, excess (at the same or . similar fluid pressure no longer in the fluid circuit "suitable") fluid / volume in the expansion tank as compensation volume (proportion) transferred. On the other hand, fluid is routed from the expansion tank back into the fluid circuit in order to fill the latter with more fluid when the volume of the fluid decreases in order to create a In other words, more or less (partial) volume of the fluid is “outsourced” from the fluid circuit to the expansion tank as an equalization volume.
Die entsprechende Kompressibilität des Vorspannelements erlaubt das Einströmen / Ausströmen von Fluid in den oder aus dem Ausgleichsbehälter und dabei die Einstellung des Drucks des Fluids im Fluidkreislauf. Ein entsprechender Vorspanndruck im Vorspannvolumen stellt sich dann - je nach aktuell vorhandenem Ausgleichsvolumen - ein. Denn entscheidend für den Fluiddruck im Fluidkreislauf ist das hypothetische Volumen des Fluids, welches es bei Atmosphärendruck einnehmen würde und der jedoch tatsächlich für das Fluidvolumen zur Verfügung stehende Hohlraum, den es ausfüllen kann. Mit anderen Worten erlaubt die Auslagerung einer bestimmten Menge / Ausgleichsvolumen von Fluid aus dem Fluid Kreislauf also eine Druckbeeinflussung im Fluid im Fluidkreislauf. Insofern ist es gemäß der Erfindung möglich, das Fluid hinsichtlich seines Drucks im Fluidkreislauf einzustellen bzw. zu steuern, ohne hierfür das Fluid einem Kontakt mit Sauerstoff aussetzen zu müssen, wenn das Vorspannelement keinen Sauerstoff (zumindest an der Grenze zum Fluid) enthält.The corresponding compressibility of the prestressing element allows fluid to flow into or out of the expansion tank and thereby adjust the pressure of the fluid in the fluid circuit. A corresponding preload pressure in the preload volume is then established - depending on the currently available compensation volume. The hypothetical volume of the fluid that it would occupy at atmospheric pressure and the cavity that is actually available for the fluid volume, which it can fill, are decisive for the fluid pressure in the fluid circuit. In other words, the evacuation of a specific amount/compensation volume of fluid from the fluid circuit allows the pressure in the fluid in the fluid circuit to be influenced. In this respect it is possible according to the invention to adjust or control the fluid with regard to its pressure in the fluid circuit without having to expose the fluid to contact with oxygen if the prestressing element does not contain oxygen (at least at the boundary with the fluid).
Ein entsprechendes Vorspannelement dient also einer Druckbeaufschlagung des Fluids im Ausgleichsbehälter. Das Vorspannelement enthält bzw. bildet das oben genannte Vorspannvolumen. „Kompressibel“ steht hier in Relation zu „Inkompressibel“ und bedeutet, dass das Vorspannelement wesentlich kompressibler als das Fluid ist.A corresponding pretensioning element is therefore used to apply pressure to the fluid in the expansion tank. The prestressing element contains or forms the prestressing volume mentioned above. Here, "compressible" is related to "incompressible" and means that the biasing element is significantly more compressible than the fluid.
Eine Trennvorrichtung im Ausgleichsbehälter zwischen Fluid und Vorspannelement kann vorhanden sein, ist jedoch optional. Denkbar wäre z.B. eine Membran, die das Fluid vom restlichen Behältervolumen (Vorspannvolumen, z.B. Gasraum / Luftraum) des Ausgleichsbehälters trennt. Das Vorspannvolumen steht hier nicht mit der Umgebung des Ausgleichsbehälters in Verbindung, sondern ist von diesem abgesperrt.A separator in the surge tank between the fluid and the biasing element may be present but is optional. A membrane would be conceivable, for example, which separates the fluid from the remaining volume of the reservoir (preload volume, e.g. gas space/air space) of the expansion tank. The preload volume is not connected to the environment of the expansion tank, but is blocked from it.
Die Ausgleichsanordnung enthält eine Abfuhrleitung. Die Abfuhrleitung führt von einer Abfuhröffnung des Fluidkreislaufs zum Ausgleichsbehälter bzw. verbindet beide Elemente Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter zum Austausch von Fluid. Die Abfuhrleitung enthält ein - regelmäßig bzw. in einem Grundzustand geschlossenes (kein Fluidstrom durch die Abfuhrleitung möglich) - Abfuhrventil, welches jedoch zur Freigabe der Abfuhrleitung (Fluidstrom möglich) geöffnet werden kann. Das Fluid weist im Fluidkreislauf im Betrieb der Fluidanordnung an der Abfuhröffnung einen aktuellen Abfuhrdruck auf. Die Abfuhrleitung kann auch eine „Nullleitung“ sein, d.h. es ist nur das Abfuhrventil zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter vorhanden. Die Abfuhrleitung dient bzw. ist eingerichtet dazu, (bei geöffnetem Abfuhrventil) eine Abfuhr von Fluid aus dem Fluidkreislauf in den Ausgleichsbehälter zu erlauben, ein entsprechendes Druckgefälle vom Fluidkreislauf zum Ausgleichsbehälter vorausgesetzt, siehe unten. Bei geschlossenem Abfuhrventil ist der Fluidkreislauf vom Ausgleichsbehälter abgesperrt, d.h. das Volumen / Innenraum von Fluidkreislauf (einschl. Abfuhrleitung bis zum Abfuhrventil) und Ausgleichsbehälter (einschl. Abfuhrleitung bis zum Abfuhrventil) sind jeweils konstante und voneinander abgesperrte Volumina.The compensation arrangement contains a discharge line. The discharge line leads from a discharge opening of the fluid circuit to the expansion tank or connects both elements of the fluid circuit and expansion tank to exchange fluid. The discharge line contains a discharge valve which is closed regularly or in a basic state (no fluid flow through the discharge line possible), but which can be opened to release the discharge line (fluid flow possible). In the fluid circuit, the fluid has a current discharge pressure at the discharge opening when the fluid arrangement is in operation. The drain line can also be a "zero line", i.e. there is only the drain valve between the fluid circuit and the expansion tank. The discharge line serves or is set up to (when the discharge valve is open) allow fluid to be discharged from the fluid circuit into the expansion tank, provided there is a corresponding pressure drop from the fluid circuit to the expansion tank, see below. When the drain valve is closed, the fluid circuit is shut off from the equalizing tank, i.e. the volume / interior space of the fluid circuit (including the drain line up to the drain valve) and the equalizing tank (including the drain line up to the drain valve) are constant and mutually blocked volumes.
Die Ausgleichsanordnung enthält eine prinzipiell der Abfuhrleitung entsprechende Zufuhrleitung. Die Zufuhrleitung führt vom Ausgleichsbehälter zu einer Zufuhröffnung des Fluidkreislaufs bzw. verbindet ebenso beide Elemente zum Austausch von Fluid. Die Zufuhrleitung enthält auch ein - regelmäßig bzw. in einem Grundzustand geschlossenes - Zufuhrventil, welches zur Freigabe der Zufuhrleitung (Fluidstrom möglich) geöffnet werden kann. Das Fluid weist im Fluidkreislauf im Betrieb der Fluidanordnung an der Zufuhröffnung einen aktuellen Zufuhrdruck auf. Die Zufuhrleitung kann auch ebenso eine „Nullleitung“ sein, d.h. es ist nur das Zufuhrventil zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter vorhanden. Die Zufuhrleitung dient bzw. ist eingerichtet dazu, (bei geöffnetem Zufuhrventil) eine Zufuhr von Fluid aus dem Ausgleichsbehälter in den Fluidkreislauf zu erlauben, ein entsprechendes Druckgefälle vom Ausgleichsbehälter zum Fluidkreislauf vorausgesetzt, siehe unten. Bei geschlossenem Zufuhrventil ist der Fluidkreislauf vom Ausgleichsbehälter abgesperrt, d.h. das Volumen / Innenraum von Fluidkreislauf (einschl. Zufuhrleitung bis zum Zufuhrventil) und Ausgleichsbehälter (einschl. Zufuhrleitung bis zum Zufuhrventil) sind jeweils konstante und voneinander abgesperrte Volumina.The compensating arrangement contains a supply line which basically corresponds to the discharge line. The supply line leads from the expansion tank to a supply opening of the fluid circuit or also connects both elements for the exchange of fluid. The supply line also contains a supply valve which is closed regularly or in a basic state and which can be opened to release the supply line (fluid flow is possible). In the fluid circuit during operation of the fluid arrangement, the fluid has a current at the supply opening supply pressure up. The supply line can also be a "zero line", ie there is only the supply valve between the fluid circuit and the expansion tank. The supply line serves or is set up to allow fluid to be supplied from the equalizing tank into the fluid circuit (when the supply valve is open), provided there is a corresponding pressure drop from the equalizing tank to the fluid circuit, see below. When the supply valve is closed, the fluid circuit is shut off from the equalizing tank, ie the volume / interior space of the fluid circuit (including the supply line up to the supply valve) and the equalizing tank (including the supply line up to the supply valve) are each constant and mutually blocked volumes.
Zufuhrventil und/oder Abfuhrventil können entweder als rein binär steuerbares Ventil (offen / geschlossen) oder als stufenlos steuerbares Ventil ausgeführt sein.The supply valve and/or discharge valve can be designed either as a purely binary controllable valve (open/closed) or as a steplessly controllable valve.
Der Zufuhrdruck im Fluidkreislauf ist bei dessen bestimmungsgemäßem Betrieb stets kleiner dem Abfuhrdruck. Letzteres ist eine Eigenschaft des Fluidkreislaufes, die diesem im bestimmungsgemäßen Betrieb eigen ist, z.B. aufgrund von strömungsdynamischen Gegebenheiten im Fluidkreislauf. Die betreffende Eigenschaft des Fluidkreislaufes wird für die vorliegende Erfindung vorausgesetzt.The supply pressure in the fluid circuit is always lower than the discharge pressure when it is operated as intended. The latter is a property of the fluid circuit that is inherent in normal operation, e.g. due to flow-dynamic conditions in the fluid circuit. The relevant property of the fluid circuit is assumed for the present invention.
Der Ausgleichsbehälter enthält insbesondere zwei Öffnungen durch welche der oben erläuterte Volumenaustausch / -ausgleich von Fluid zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter erfolgt. Die Öffnungen sind also Ausgleichsöffnungen bzw. Enden der Ab- / Zufuhrleitungen oder -ventile.In particular, the expansion tank contains two openings through which the above-explained volume exchange/compensation of fluid between the fluid circuit and the expansion tank takes place. The openings are therefore equalization openings or ends of the discharge/supply lines or valves.
Die Ausgleichsanordnung ist - wie auch der Fluidkreislauf - drucktechnisch abgeschlossen ausgeführt. Es handelt sich also um eine in diesem Sinne passive Ausgleichsanordnung: Nur die Zu- /Abfuhrventile können geöffnet oder geschlossen werden, kein (Teil-) Volumen der Ausgleichsanordnung und auch der gesamten Fluidanordnung ist veränderbar. Der Vorspanndruck ist nicht von außen veränderbar, sondern stellt sich wie oben erläutert lediglich durch die Menge des Ausgleichsvolumens sowie des Temperaturniveaus des Fluids / Vorspannelements ein. Kein Fluid kann die Fluidanordnung verlassen oder dieser hinzugefügt werden. Es ist ausschließlich der Austausch von Fluid zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter möglich. Das Vorspannelement ist passiv, konstant, gleichbleibend ausgeführt. Diesem können (zumindest im regulären Betrieb, z.B. während der Einstellung des Fluiddrucks im Fluidkreislauf durch Austausch von Fluid mit dem Ausgleichsbehälter) keine Anteile hinzugefügt oder weggenommen werden. Nicht betrachtet sind hierbei besondere Betriebszustände der Fluidanordnung, wie zum Beispiel deren Inbetriebnahme / Wartung / Instandsetzung der Fluidanordnung (Initiales Einbringen / Austausch von Fluid / Vorspannelement z.B. wegen Alterung / Diffusionsverlusten / ...).Like the fluid circuit, the compensating arrangement is designed to be closed in terms of pressure. It is therefore a passive compensation arrangement in this sense: only the supply/discharge valves can be opened or closed, no (partial) volume of the compensation arrangement and also of the entire fluid arrangement can be changed. The preload pressure cannot be changed externally, but, as explained above, is only set by the amount of the compensation volume and the temperature level of the fluid/preload element. No fluid can leave or be added to the fluid assembly. Only the exchange of fluid between the fluid circuit and the expansion tank is possible. The biasing element is passive, constant, consistent. No parts can be added to or removed from this (at least in regular operation, e.g. during the adjustment of the fluid pressure in the fluid circuit by exchanging fluid with the expansion tank). Not considered here are special operating states of the fluid arrangement, such as its commissioning/maintenance/repair of the fluid arrangement (initial introduction/replacement of fluid/preloading element e.g. due to aging/diffusion losses/...).
In der Fluidanordnung ist ein Druckbereich des Vorspanndrucks so gewählt, dass der aktuelle Vorspanndruck für alle bestimmungsgemäßen Betriebszustände der Fluidanordnung stets zwischen dem aktuellen Zufuhrdruck und dem aktuellen Abfuhrdruck liegt. „Druckbereich“ ist hier der mögliche Druck des Vorspannelements zu jeder Zeit in allen möglichen bestimmungsgemäßen Betriebszuständen der Fluidanordnung, da der tatsächliche aktuelle Vorspanndruck - wie oben erläutert - im regulären Betrieb der Fluidanordnung schwankt bzw. variiert.In the fluid arrangement, a pressure range of the preload pressure is selected such that the current preload pressure for all intended operating states of the fluid arrangement is always between the current supply pressure and the current discharge pressure. "Pressure range" here is the possible pressure of the prestressing element at any time in all possible intended operating states of the fluid arrangement, since the actual current prestressing pressure - as explained above - fluctuates or varies in regular operation of the fluid arrangement.
Insbesondere ist das Druckniveau des Fluids im Fluidkreislauf in einem vorgebbaren (im entsprechenden Sinne zu „Druckbereich“ zu verstehenden) Niveaubereich oder auf einem bestimmten Niveau zu halten. Dies geschieht unter wahlweiser und bedarfsweiser Öffnung des Abfuhrventils oder des Zufuhrventils. Hierdurch kann - wie oben erläutert - ein Volumenanteil von Fluid dem Fluidkreislauf entnommen oder hinzugefügt werden, um - bei einem gegebenen aktuellen Volumen / Temperaturausdehnungszustand des Fluids eine entsprechende Menge dessen im Fluidkreislauf vorzusehen, damit sich dort ein gewünschter Druck / Druckniveau einstellt. Durch bedarfsweises Öffnen der Ventile erfolgt stets eine Abfuhr oder Zufuhr von Fluid aus dem / in den Fluidkreislauf.In particular, the pressure level of the fluid in the fluid circuit must be kept in a predeterminable level range (to be understood in the corresponding sense of “pressure range”) or at a specific level. This takes place with the selective and required opening of the discharge valve or the supply valve. In this way - as explained above - a volume fraction of fluid can be removed from or added to the fluid circuit in order to provide a corresponding quantity of the fluid in the fluid circuit for a given current volume / temperature expansion state, so that a desired pressure / pressure level is set there. By opening the valves as required, fluid is always discharged or supplied from/into the fluid circuit.
Dadurch, dass der Druckbereich des Vorspanndrucks entsprechend gewählt ist, liegt auch der aktuelle Vorspanndruck stets zwischen dem aktuellen Zufuhrdruck und dem aktuellen Abfuhrdruck. So ergibt sich ein jeweiliges Druckgefälle zwischen Abfuhröffnung und Ausgleichsbehälter bzw. zwischen Ausgleichsbehälter und Zufuhröffnung, um stets in den oben genannten Richtungen eine Fluidabfuhr aus dem Fluidkreislauf an der Abfuhröffnung und eine Fluidzufuhr in den Fluidkreislauf an der Zufuhröffnung zu gewährleisten. Dies geschieht dann alleine durch Öffnen der betreffenden Ventile ohne zusätzlichen Einsatz von Pumpen oder sonstigen Hilfsmitteln.Due to the fact that the pressure range of the preload pressure is selected accordingly, the current preload pressure is always between the current supply pressure and the current discharge pressure. This results in a respective pressure drop between the discharge opening and the equalizing tank or between the equalizing tank and the supply opening, in order to always ensure fluid is discharged from the fluid circuit at the discharge opening and fluid is supplied into the fluid circuit at the supply opening in the above-mentioned directions. This is then done simply by opening the relevant valves without the additional use of pumps or other aids.
Das gesamte konstante Volumen / Innenraum der Fluidanordnung setzt sich also aus den Teilen: konstante Volumina von Fluidkreislauf, Abfuhrleitung, Zufuhrleitung und Ausgleichsbehälter zusammen. Dieses Volumen ist daher auch insgesamt konstant. Sämtliche Ausgleichsvorgänge usw. spielen sich innerhalb dieses konstanten, abgeschlossenen Volumens ab.The entire constant volume / interior space of the fluid arrangement is therefore made up of the parts: constant volumes of fluid circuit, discharge line, supply line and expansion tank. This volume is therefore constant overall. All balancing processes etc. take place within this constant, closed volume.
Am Fluidkreislauf kann optional ein passives Pufferelement angeschlossen sein, z.B. als weiterer, jedoch fachüblicher Ausgleichsbehälter in Form bzw. vergleichbar mit einem solchen aus der oben genannten
Optional können Rückschlagventile im Fluidkreislauf implementiert werden, um jeweils eine bestimmte Strömungsrichtung für das Fluid zu gewährleisten, z.B. falls dieser Verzweigungen und parallele Teilleitungen enthält.Optionally, check valves can be implemented in the fluid circuit in order to ensure a specific flow direction for the fluid, e.g. if it contains branches and parallel sub-lines.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckbereich des Vorspanndrucks durch eine Wahl des Behältervolumens und der Menge und Art des Vorspannelements gewählt. Hintergrund hierfür ist, dass das Volumen / Innenraum des Fluidkreislaufes (das für das Fluid zur Verfügung steht) sowie der Zufuhr- und Abfuhrleitungen als nach Designvorgaben / geometrischen / thermischen / fluidischen Randbedingungen usw. gegeben bzw. unveränderbar vorausgesetzt werden. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass in diesem Sinne auch die Menge an Fluid in der Fluidanordnung sowie dessen thermische Expansionseigenschaften und der Temperaturbereich, dem das Fluid ausgesetzt sein kann, gegeben sind. Durch die Wahl des Behältervolumens wird dann bestimmt, wie viel Platz - im Lichte des benötigten Ausgleichsvolumens für das Fluid - für das Vorspannelement zur Verfügung steht. So kann ein geeignetes Vorspannelement gewählt werden, das dann in Betrieb unter den gegebenen Rahmenbedingungen den gewünschten Druckbereich hinsichtlich des sich ergebenden Vorspanndruckes aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Vorspannelement (Material, Menge, Größe) gewählt werden und im Hinblick auf dessen dann bekannten Eigenschaften das Behältervolumen geeignet gewählt werden.In a preferred embodiment, the pressure range of the biasing pressure is selected through a choice of container volume and the amount and type of biasing element. The background to this is that the volume / interior of the fluid circuit (which is available for the fluid) and the supply and discharge lines are given or are assumed to be unchangeable according to design specifications / geometric / thermal / fluidic boundary conditions etc. Furthermore, it is assumed that the quantity of fluid in the fluid arrangement as well as its thermal expansion properties and the temperature range to which the fluid can be exposed are also given in this sense. The choice of container volume then determines how much space is available for the pretensioning element, in view of the required compensation volume for the fluid. In this way, a suitable prestressing element can be selected, which then has the desired pressure range in terms of the resulting prestressing pressure in operation under the given framework conditions. Alternatively or additionally, the pretensioning element (material, quantity, size) can also be selected and the container volume can be selected appropriately with regard to its then known properties.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckbereich des Vorspanndrucks so gewählt, dass der aktuelle Vorspanndruck für alle bestimmungsgemäßen Betriebszustände der Fluidanordnung stets über dem aktuellen Zufuhrdruck zuzüglich einem unteren Reservedruck liegt. Alternativ oder zusätzlich ist das Druckniveau so gewählt, dass der aktuelle Vorspanndruck für alle bestimmungsgemäßen Betriebszustände der Fluidanordnung stets unter dem aktuellen Abfuhrdruck abzüglich eines oberen Reservedrucks liegt. Somit ist sichergestellt, dass zwischen Fluidkreislauf und Ausgleichsbehälter stets mindestens ein Druckgefälle in Höhe des unteren (Zufuhrleitung) oder oberen (Abfuhrleitung) Reservedrucks besteht, um durch Öffnen des entsprechenden Ventils Fluid sicher aus dem Fluidkreislauf ab- oder diesem zuführen zu können. Ein sicherer Fluidtransport durch die entsprechende Leitung kann so auch unter Berücksichtigung von zwangsweise vorhandenen Druckabfällen, z.B. in den Ab- /Zufuhrleitungen oder -ventilen, erfolgen.In a preferred embodiment, the pressure range of the preload pressure is selected such that the current preload pressure for all intended operating states of the fluid arrangement is always above the current supply pressure plus a lower reserve pressure. Alternatively or additionally, the pressure level is selected such that the current preload pressure for all intended operating states of the fluid arrangement is always below the current discharge pressure minus an upper reserve pressure. This ensures that there is always at least a pressure gradient between the fluid circuit and the expansion tank at the level of the lower (supply line) or upper (discharge line) reserve pressure in order to be able to safely drain or supply fluid to or from the fluid circuit by opening the corresponding valve. Safe fluid transport through the corresponding line can also take place taking into account the pressure drops that are inevitably present, e.g. in the discharge/supply lines or valves.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Fluidkreislauf eine das Fluid im Betrieb durch den Fluidkreislauf fördernde Pumpe. Der Kreislauf enthält weiterhin ein von dem Fluid durchströmtes Objekt. Die Abfuhröffnung ist stromabwärts der Pumpe zwischen dieser und dem Objekt angeordnet. Die Zufuhröffnung ist stromaufwärts der Pumpe zwischen dieser und dem Objekt angeordnet. Zu- und Abführöffnung sind insbesondere nahe / unmittelbar an der Pumpe angeordnet. Insbesondere im Fall einer einzigen Pumpe sind dies in einem Fluidkreislauf diejenigen Orte, die - im Fluidkreislauf - den kleinsten (stromaufwärts vor dem bzw. am Pumpeneingang) und größten Fluiddruck (stromabwärts nach dem bzw. am Pumpenausgang) aufweisen. Somit steht in Bezug auf den - durch die Ab- und Zufuhrleitung nach Art einer Reihenschaltung zwischen Ab- und Zufuhröffnung geschalteten Ausgleichsbehälter ein maximales Druckgefälle zur Verfügung, um Fluid in oder aus dem Ausgleichsbehälter zu fördern.In a preferred embodiment, the fluid circuit contains a pump that conveys the fluid through the fluid circuit during operation. The circuit also contains an object through which the fluid flows. The discharge opening is arranged downstream of the pump between the latter and the object. The supply port is located upstream of the pump, between the latter and the object. The supply and discharge openings are arranged in particular close to/directly on the pump. Particularly in the case of a single pump, these are those locations in a fluid circuit which—in the fluid circuit—have the lowest (upstream before or at the pump inlet) and greatest fluid pressure (downstream after or at the pump outlet). Thus, in relation to the equalizing tank, which is connected by the discharge and supply line in the manner of a series connection between the discharge and supply opening, a maximum pressure drop is available in order to pump fluid into or out of the equalizing tank.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zufuhrventil ein Automatikventil, das in Richtung zur Zufuhröffnung hin auf einen vorgebbaren Automatikdruck eingestellt ist. Bei dessen Unterschreitung öffnet es automatisch und bei dessen Überschreitung schließt es automatisch. Insbesondere ist hier eine fachübliche Hysterese vorgesehen, um zu häufiges Öffnen / Schließen usw. zu vermeiden. Das Automatikventil ist insbesondere ein Druckminderer, dessen (geminderter) Einstelldruck dem Automatikdruck entspricht. Sobald also der Zufuhrdruck unter den Automatikdruck fällt, öffnet das Automatikventil und Fluid wird durch die Zufuhröffnung in den Fluidkreislauf gespeist, bis der Zufuhrdruck in Höhe des Automatikdrucks wieder erreicht ist. Sodann stoppt die Zufuhr von weiterem Fluid. Damit ist sichergestellt, dass der Zufuhrdruck nicht unter den Automatikdruck sinkt; insbesondere auf diesem (in Grenzen, je nach Hysterese) konstant gehalten wird. Für ein entsprechendes Ventil ist keine weitere (aktive), von außen, z.B. durch eine Steuereinrichtung implementierte, Ventilsteuerung nötig. Dies führt zu einer einfachen Drucksteuerung im Fluidkreislauf. Ein Ventil statt eines Druckminderers sorgt jedoch für einen reduzierten Druckverlust über dem Ventil anstelle des Druckminderers. Dies ermöglicht einen kleineren Ausgleichsbehälter. Der Druckminderer dagegen ist vorteilhafterweise selbstregelnd, weist jedoch nachteilig einen höheren Druckverlust über dem Druckminderer auf, was einen größeren Ausgleichsbehälter erforderlich macht.In a preferred embodiment, the supply valve is an automatic valve which is set to a predeterminable automatic pressure in the direction of the supply opening. If it falls below this value, it opens automatically and if it is exceeded, it closes automatically. In particular, a customary hysteresis is provided here in order to avoid too frequent opening/closing etc. The automatic valve is in particular a pressure reducer whose (reduced) setting pressure corresponds to the automatic pressure. Thus, as soon as the supply pressure falls below the automatic pressure, the automatic valve opens and fluid is fed into the fluid circuit through the supply opening until the supply pressure is again reached at the level of the automatic pressure. Then the supply of further fluid stops. This ensures that the supply pressure does not fall below the automatic pressure; in particular, is kept constant on this (within limits, depending on the hysteresis). No further (active) valve control implemented externally, for example by a control device, is required for a corresponding valve. This leads to easy pressure control in the fluid cycle. However, a valve instead of a pressure regulator provides a reduced pressure drop across the valve instead of the pressure regulator. This allows for a smaller expansion tank. The pressure reducer, on the other hand, is advantageously self-regulating, but has the disadvantage of a higher pressure loss across the pressure reducer, which necessitates a larger expansion tank.
Diese Lösung ist alternativ auch für das Abfuhrventil möglich; der Automatikdruck entspricht dann einem gewünschten Abfuhrdruck, der automatisch eingeregelt wird.Alternatively, this solution is also possible for the discharge valve; the automatic pressure then corresponds to a desired discharge pressure, which is automatically adjusted.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Fluidanordnung eine Steuereinrichtung. Diese weist einen Eingang für einen aktuellen Messdruck auf. Der Messdruck ist der (aktuell) erfasste Fluiddruck an einer Messstelle im Fluidkreislauf. Die Steuereinrichtung ist mit dem Abfuhrventil und/oder dem Zufuhrventil verbunden. Die Steuereinrichtung ist weiterhin dazu eingerichtet, bedarfsweise und wahlweise: das Abfuhrventil und / oder das Zufuhrventil zu öffnen, um wenigstens einen der aktuellen Messdrücke durch Ab- und/oder Zufuhr von Fluid in den Fluidkreislauf in einem jeweiligen Zulässigkeitsbereich zu bringen oder zu halten. „Bedarfsweise und wahlweise“ ist so zu verstehen, dass hierfür zunächst entscheidend ist, welches der Ventile überhaupt mit der Steuereinrichtung verbunden ist, denn nur verbundene Ventile können angesteuert werden. Je nachdem, ob der Druck dann zu senken oder zu heben ist, um den Messdruck in den gewünschten Druckbereich zu bringen oder in diesem zu halten, wird dann das Abfuhrventil oder das Zufuhrventil geöffnet, um den Druck / das Druckniveau im Fluidkreislauf durch Zuführen oder Abführen von Fluid zu senken oder zu heben.In a preferred embodiment, the fluid assembly includes a controller. This has an input for a current measurement pressure. The measuring pressure is the (currently) detected fluid pressure at a measuring point in the fluid circuit. The control device is connected to the discharge valve and/or the supply valve. The control device is also set up, as required and optionally: to open the discharge valve and/or the supply valve in order to bring or maintain at least one of the current measured pressures in a respective permissible range by discharging and/or supplying fluid into the fluid circuit. “As required and optionally” is to be understood in such a way that it is initially decisive which of the valves is actually connected to the control device, because only connected valves can be controlled. Depending on whether the pressure is then to be lowered or raised in order to bring the measuring pressure into the desired pressure range or to keep it in this range, the discharge valve or the supply valve is then opened in order to supply or discharge the pressure/pressure level in the fluid circuit of fluid to lower or raise.
Hierbei kann die Druckerfassung / -messung direkt an demjenigen Ort im Fluidkreislauf als Messstelle erfolgen, an dem ein bestimmter Druck interessiert bzw. einzustellen ist. Alternativ kann die Druckmessung jedoch auch an einer anderen Messstelle im Fluidkreislauf erfolgen und - z.B. empirisch oder durch Versuche oder theoretische Überlegungen - hieraus auf den Druck an einem anderen Ort im Fluidkreislauf geschlossen werden, an dem ein bestimmter Druck interessiert / einzustellen ist. Als interessierende Orte für Fluiddruck im Fluidkreislauf sind z.B. ein maximaler Druck am Eingang eines Objekts, z.B. an einem Brennstoffzelleneingang, denkbar, ggf. zzgl. einer geschätzten Druckdifferenz zwischen Brennstoffzelleneingang und Messstelle. Grund hierfür ist zum Beispiel, dass das Objekt nicht mit einem höheren Fluiddruck belastet werden darf. Denkbar wäre auch als interessierender Ort ein minimaler Druck an einem Pumpeneinlass, um Kavitationen in der Pumpe zu vermeiden, ggf. zzgl. eines geschätzten Druckabfalls zwischen Pumpeneinlass und Messstelle. Die Ansteuerung des Zu- /Abfuhrventils entfällt zum Beispiel bei der oben genannten Ausführungsform als Automatikventil.In this case, the pressure can be recorded/measured directly at that location in the fluid circuit as a measuring point at which a specific pressure is of interest or is to be set. Alternatively, however, the pressure can also be measured at another measuring point in the fluid circuit and - e.g. empirically or through tests or theoretical considerations - the pressure at another location in the fluid circuit at which a specific pressure is of interest/is to be set can be deduced from this. Possible points of interest for fluid pressure in the fluid circuit are, for example, a maximum pressure at the entrance of an object, e.g. at a fuel cell entrance, possibly plus an estimated pressure difference between the fuel cell entrance and the measuring point. The reason for this is, for example, that the object must not be subjected to a higher fluid pressure. A minimum pressure at a pump inlet would also be conceivable as a point of interest in order to avoid cavitation in the pump, possibly plus an estimated pressure drop between the pump inlet and the measuring point. The control of the supply/discharge valve is omitted, for example, in the above-mentioned embodiment as an automatic valve.
Insbesondere enthält die Fluidanordnung wenigstens einen Drucksensor / - aufnehmer zur Erfassung eines aktuellen Messdrucks des Fluids an einem bestimmten Punkt / Bereich des Fluidkreislaufes als Messstelle. Die Steuereinrichtung kann dann in Abhängigkeit von druckkorrelierten Daten, die vom Sensor erfasst werden, betrieben werden. Insbesondere kann so ein bestimmter Druck im Fluid an der Messstelle eingestellt (gesteuert oder geregelt) werden. Insbesondere erfolgt die Steuerung auf Basis einer vom Drucksensor bereitgestellten druckkorrelierten Größe. Insbesondere kann so - zum Beispiel durch eine Regelung - der Druckwert des Fluids im Fluidkreislauf zwischen einem unterer und oberen Schwellwert an der Messstelle gehalten werden. Durch Schätzwerte von Druckabfällen zwischen interessierendem Ort und Messstelle können auch Drücke an anderen interessierenden Orten als der Messstelle eingestellt werdenIn particular, the fluid arrangement contains at least one pressure sensor/recorder for detecting a current measured pressure of the fluid at a specific point/area of the fluid circuit as a measuring point. The controller can then operate in response to pressure-correlated data collected from the sensor. In particular, a specific pressure in the fluid at the measuring point can be set (controlled or regulated). In particular, the control takes place on the basis of a pressure-correlated variable provided by the pressure sensor. In particular, the pressure value of the fluid in the fluid circuit can be kept between a lower and an upper threshold value at the measuring point, for example by regulation. Estimated values of pressure drops between the location of interest and the measuring point can also be used to set pressures at locations of interest other than the measuring point
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Fluidanordnung ein Objekt und/oder eine Pumpe, das oder die im Fluidkreislauf angeordnet ist. Das Objekt bzw. die Pumpe ist von dem Fluid durchströmt und weist daher einen entsprechenden Einlass für Fluid auf. Wenigstens einer der aktuellen Messdrücke ist mit dem Druck des Fluids am stromaufwärtigen Einlass des Objekts / der Pumpe korreliert. Die Messstelle kann dabei - wie oben erläutert - direkt am Einlass liegen (Korrelation ist dann Identität) oder an einem anderen Ort im Fluidkreislauf, dessen Fluiddruck über eine vermutete / bekannte Druckdifferenz mit dem Fluiddruck am Einlass korreliert ist. Insbesondere kann so das Objekt / die Pumpe vor Überdruck oder zu niedrigem Druck von Fluid geschützt werden.In a preferred variant of this embodiment, the fluid arrangement contains an object and/or a pump which is arranged in the fluid circuit. The object or the pump has the fluid flowing through it and therefore has a corresponding inlet for fluid. At least one of the current gauge pressures is correlated to the pressure of the fluid at the upstream inlet of the object/pump. As explained above, the measuring point can be directly at the inlet (correlation is then identity) or at another location in the fluid circuit whose fluid pressure is correlated with the fluid pressure at the inlet via an assumed/known pressure difference. In particular, the object/the pump can thus be protected from excess pressure or fluid pressure that is too low.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung geht davon aus, dass in einem bestimmungsgemäßen Temperaturbereich das variierende Gesamtvolumen des Fluids immer zwischen einem Mindestvolumen und einem um ein bekanntes Zusatzvolumen größeren Maximalvolumen liegt. Der Temperaturbereich wird dabei als bekannt vorausgesetzt. Dieser entspricht zum Beispiel den nach Entwurfsvorgaben zulässigen Betriebsbedingungen für die Fluidanordnung. Das Gesamtvolumen des Fluids wird dann aufgrund der Bekanntheit von dessen Eigenschaften bezüglich Temperaturausdehnung sowie der bekannten Menge des Fluids in der Fluidanordnung ebenfalls als bekannt vorausgesetzt. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Behältervolumen wie folgt bemessen (beide nachfolgenden Bedingungen müssen erfüllt sein):
- 1.) Wenn das Zusatzvolumen an Fluid vollständig im Ausgleichsbehälter einliegt bzw. einliegen würde, gilt: Das Vorspannelement ist dann maximal komprimiert und weist dann als Vorspanndruck höchstens einen bestimmungsgemäßen Mindestwert des Abfuhrdruckes auf. Dieser Fall gilt insbesondere, wenn das Fluid sein maximal zulässiges Temperaturniveau erreicht hat, das Fluid also maximal ausgedehnt ist und somit eine Maximalmenge von Fluid in den Ausgleichsbehälter ausgelagert ist.
- 2.) Wenn kein Zusatzvolumen an Fluid im Ausgleichsbehälter einliegt bzw. einliegen würde, gilt: Das Vorspannelement ist dann maximal ausgedehnt und weist dann als Vorspanndruck wenigstens einen bestimmungsgemäßen Höchstwert des Zufuhrdruckes auf. Dieser Fall gilt insbesondere, wenn das Fluid sein minimal zulässiges Temperaturniveau erreicht hat, das Fluid also minimal ausgedehnt ist und somit überhaupt kein Fluid in den Ausgleichsbehälter ausgelagert ist. Dann ist allenfalls eine Mindestreserve / Sicherheitsreserve (damit der Ausgleichsbehälter nicht leerläuft) an Fluid noch im Ausgleichsbehälter vorhanden.
- 1.) When the additional volume of fluid is completely in the reservoir or is included The following applies: The prestressing element is then maximally compressed and then has at most a specified minimum value of the discharge pressure as prestressing pressure. This case applies in particular when the fluid has reached its maximum permissible temperature level, ie the fluid has expanded to the maximum and a maximum amount of fluid has therefore been transferred to the expansion tank.
- 2.) If there is or would be no additional volume of fluid in the expansion tank, the following applies: The prestressing element is then maximally expanded and then has at least one specified maximum value of the supply pressure as the prestressing pressure. This case applies in particular when the fluid has reached its minimum permissible temperature level, ie the fluid has expanded to a minimum and therefore no fluid at all has been transferred to the expansion tank. Then there is at most a minimum reserve / safety reserve (so that the expansion tank does not run empty) of fluid in the expansion tank.
Material und Menge des Vorspannelements sowie dessen Druckeigenschaften werden dabei ebenfalls als gegeben bzw. bereits gewählt vorausgesetzt. In Zusammenschau mit Menge und Eigenschaften des Vorspannelements wird also das passende Behältervolumen gewählt: So, dass bei Erhöhung der Fluidmenge im Ausgleichsbehälter um das Zusatzvolumen gilt: Es erfolgt eine Kompression des Vorspannelements und damit eine Druckerhöhung des Vorspanndruckes, die wenigstens bei dem bestimmungsgemäßen Höchstwert des Zufuhrdruckes beginnt und spätestens bei dem bestimmungsgemäßen Mindestwert des Abfuhrdruckes endet.The material and quantity of the pretensioning element and its pressure properties are also assumed to be given or already selected. In combination with the quantity and properties of the preload element, the appropriate reservoir volume is selected: In such a way that when the fluid quantity in the reservoir is increased by the additional volume, the preload element is compressed and the pressure in the preload pressure increases, at least at the specified maximum value of the supply pressure starts and ends at the latest at the specified minimum value of the discharge pressure.
Im Ergebnis ist so sichergestellt, dass der Vorspanndruck unterhalb des kleinstmöglichen Abfuhrdruckes gehalten wird, eine Abfuhr von Fluid aus dem Kühlkreislauf an der Abfuhröffnung ist daher stets möglich. Weiterhin wird der Vorspanndruck immer über dem größtmöglichen Zufuhrdruck gehalten; auch eine Zufuhr von Fluid in den Kühlkreislauf an der Zufuhröffnung ist damit stets möglich.As a result, it is ensured that the preload pressure is kept below the lowest possible discharge pressure, and fluid can therefore always be discharged from the cooling circuit at the discharge opening. Furthermore, the preload pressure is always kept above the highest possible supply pressure; it is also always possible to supply fluid to the cooling circuit at the supply opening.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform sind hier die Vorspanndrücke jeweils sinngemäß zu oben um einen unteren Reservedruck erhöht und/oder um einen oberen Reservedruck abgesenkt, um die sich einstellenden Druckdifferenzen zwischen Ausgleichsbehälter und Fluidkreislauf nicht unter entsprechende minimale Werte (Reservedrücke) sinken zu lassen.In a preferred variant of this embodiment, the preload pressures are each increased by a lower reserve pressure and/or lowered by an upper reserve pressure, so that the pressure differences that occur between the expansion tank and the fluid circuit do not drop below corresponding minimum values (reserve pressures).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vorspannelement ein kompressibles loses Gas oder ein kompressibler elastischer Gegenstand. Das lose Gas enthält insbesondere keinen Sauerstoff. Es liegt insbesondere als lose Gasblase im Ausgleichsbehälter vor, also als Gasraum bzw. Gasvolumen, also ein gasgefüllter Teilraum des Ausgleichsbehälters, in dem kein Fluid vorhanden ist. „Elastisch“ ist hier im Sinne von kompressibel, aber „fest / nicht gasförmig“ zu verstehen. Der Gegenstand kann jedoch insbesondere z.B. gasgefüllt sein, wobei die Kompressibilität / Elastizität dann insbesondere im Wesentlichen durch das Gas / die Gasfüllung erreicht wird. Der Gegenstand ist insbesondere ein gasgefülltes dehnbares Kissens oder ein Schaumkörper aus geschlossenzelligem Schaum. Die einzelnen geschlossenen Schaumzellen entsprechen dann in etwa einer Vielzahl gasgefüllter elastischer Körper / Teil-Gegenstände.In a preferred embodiment, the biasing element is a compressible loose gas or a compressible elastic object. In particular, the loose gas contains no oxygen. It is present in particular as a loose gas bubble in the expansion tank, ie as a gas space or gas volume, ie a gas-filled partial space of the expansion tank in which no fluid is present. "Elastic" is to be understood here in the sense of compressible but "solid / not gaseous". However, the object can in particular be gas-filled, for example, in which case the compressibility/elasticity is then essentially achieved by the gas/the gas filling. In particular, the object is a gas-filled stretchable cushion or a foam body made of closed-cell foam. The individual closed foam cells then roughly correspond to a large number of gas-filled elastic bodies/partial objects.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fluidanordnung eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Objekts. Der Fluidkreislauf ist dann ein Kühlkreislauf für das zu kühlende Objekt, der insbesondere das zu kühlende Objekt enthält. Das Fluid ist ein die Kühlung des Objekts bewirkendes Fluid. Für derartige Kühlkreisläufe ist die Erfindung besonders geeignet.In a preferred embodiment, the fluid arrangement is a cooling arrangement for cooling an object. The fluid circuit is then a cooling circuit for the object to be cooled, which in particular contains the object to be cooled. The fluid is a fluid effecting the cooling of the object. The invention is particularly suitable for such cooling circuits.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Objektanordnung nach Anspruch 12. Diese enthält die erfindungsgemäße Fluidanordnung und ein Objekt, das im Fluidkreislauf enthalten ist und im Betrieb vom Fluid durchströmt ist.The object of the invention is also achieved by an object arrangement according to
Die Objektanordnung und zumindest ein Teil deren möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidanordnung erläutert.The object arrangement and at least some of its possible embodiments as well as the respective advantages have already been explained in connection with the fluid arrangement according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Objektanordnung eine Kühlanordnung und das Objekt ist eine Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung enthält wenigstens eine durch die Kühlanordnung zu kühlende, d.h. vom Fluid zu durch/umströmende Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine solche in einem elektrisch angetriebenen Flugzeug. „Angetrieben“ ist dabei so zu verstehen, dass sich dies auf den Hauptantrieb des Flugzeuges für dessen Flug bezieht. Das Flugzeug wird also nicht durch Verbrennungsmotoren / Turbinen / Triebwerke angetrieben, sondern durch Elektromotoren, z.B. mit Propellern. Die elektrische Energie für die Elektromotoren und damit den Flug / Vortrieb des Flugzeuges wird durch die Brennstoffzellen erzeugt. Das elektrisch angetriebene Flugzeug enthält also eine Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoffzellen, die ihrerseits durch die Kühlanordnung gekühlt sind. Insbesondere in diesem Einsatzfall ist das erfindungsgemäße Kühlsystem wegen seiner Drucksteuer- / - regeleigenschaften besonders vorteilhaft.In a preferred embodiment, the object assembly is a cooling assembly and the object is a fuel cell assembly. The fuel cell arrangement contains at least one fuel cell that is to be cooled by the cooling arrangement, i.e. that the fluid flows through/around. The fuel cell is, in particular, one in an electrically powered aircraft. "Powered" is understood to refer to the aircraft's main engine for flight. So the aircraft is not powered by internal combustion engines / turbines / engines, but by electric motors, e.g. with propellers. The electrical energy for the electric motors and thus the flight / propulsion of the aircraft is generated by the fuel cells. The electrically powered aircraft thus contains a fuel cell arrangement with fuel cells, which in turn are cooled by the cooling arrangement. In this application in particular, the cooling system according to the invention is particularly advantageous because of its pressure control/regulating properties.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Flugzeug gemäß Patentanspruch 14. Dieses enthält die oben beschriebene Objektanordnung in Form der Kühlanordnung mit der Brennstoffzellenanordnung als Objekt. Das Flugzeug ist wie oben beschrieben im Flug durch die aus den Brennstoffzellen gewonnene elektrische Energie angetrieben.The object of the invention is also achieved by an aircraft according to
Das Flugzeug und zumindest ein Teil dessen möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidanordnung und der erfindungsgemäßen Objektanordnung erläutert.The aircraft and at least some of its possible embodiments and the respective advantages have already been explained in connection with the fluid arrangement according to the invention and the object arrangement according to the invention.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15. Dieses dient zum Betreiben der erfindungsgemäßen Fluidanordnung oder der erfindungsgemäßen Objektanordnung oder des erfindungsgemäßen Flugzeuges. Bei dem Verfahren wird das Abfuhrventil geöffnet, um Fluid über die Abfuhrleitung von der Abfuhröffnung aus dem Fluidkreislauf zum Ausgleichsbehälter zu führen, um den aktuellen Abfuhrdruck zu senken, und/oder wird das Zufuhrventil geöffnet, um Fluid über die Zufuhrleitung vom Ausgleichsbehälter zu der Zufuhröffnung und in den Fluidkreislauf zu führen, um den aktuellen Zufuhrdruck zu erhöhen.The object of the invention is also achieved by a method according to
Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidanordnung, der erfindungsgemäßen Objektanordnung und dem erfindungsgemäßen Flugzeug erläutert.The method and at least some of its possible embodiments and the respective advantages have already been explained in connection with the fluid arrangement according to the invention, the object arrangement according to the invention and the aircraft according to the invention.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.The invention is based on the following findings, observations and considerations and also has the following embodiments. The embodiments are sometimes also referred to as “the invention” for the sake of simplicity. The embodiments can also contain parts or combinations of the above-mentioned embodiments or correspond to them and/or optionally also include embodiments that have not been mentioned before.
Die Erfindung beruht auf folgender Beobachtung: Der Betrieb von Brennstoffzellen für den elektrifizierten Antrieb von Flugzeugen erfordert die Kühlung der Brennstoffzellen. Für die Kühlung kommt ein inkompressible Fluid / Thermofluid zum Einsatz. Aufgrund von Temperaturschwankungen kommt es zu thermisch bedingten Druckschwankungen im System, also innerhalb des Kühlsystems / Kühlkreislaufes. Diese müssen gezielt ausgeglichen werden, um im vorliegenden Fall einen Maximaldruck am Einlass der Brennstoffzellen nicht zu überschreiten. Der Druck am Einlass von Brennstoffzellen-Stacks darf z.B. einen Druck von in diesem Falle 2,5 bar nicht überschreiten. Die gekühlten Stacks sind per Design nur auf diesen maximalen Druck ausgelegt. Gleichzeitig soll verhindert werden, dass der Druck soweit absinkt, dass es zu Kavitation in den Pumpen kommt. Der Druck am Einlass der Pumpen, die für die Kühlung der Brennstoffzellen-Stacks verwendet werden, darf z.B. einen Druck von ca. 1,5 bar nicht unterschreiten, um Kavitation zu vermeiden. Demzufolge ist eine Druckregelung in einem definierten Bereich erforderlich. Der Druck muss also in einem vorgegebenen Bereich gehalten werdenThe invention is based on the following observation: the operation of fuel cells for the electrified propulsion of aircraft requires the fuel cells to be cooled. An incompressible fluid / thermal fluid is used for cooling. Due to temperature fluctuations, there are thermally induced pressure fluctuations in the system, i.e. within the cooling system / cooling circuit. These have to be compensated in a targeted manner in order not to exceed a maximum pressure at the inlet of the fuel cells in the present case. The pressure at the inlet of fuel cell stacks, for example, must not exceed 2.5 bar in this case. The cooled stacks are only designed for this maximum pressure. At the same time, it should be prevented that the pressure drops so far that cavitation occurs in the pumps. The pressure at the inlet of the pumps that are used to cool the fuel cell stacks must not fall below a pressure of around 1.5 bar, for example, in order to avoid cavitation. As a result, pressure control within a defined range is required. The pressure must therefore be kept within a specified range
Eine Möglichkeit wäre, einen dauerhaft mit dem Kühlkreislauf kommunizierenden Ausgleichsbehälter vergleichbar dem aus
Grundidee der Erfindung ist es, die Masse des Thermofluids zur Druckregelung aus dem Kühlsystem in ein angrenzendes System (Ausgleichsanordnung bzw. Ausgleichsbehälter) zu verlagern und umgekehrt. Dieses angrenzende System stellt ein abgeschlossenes System dar, wenn die Ventile (Ab- / Zufuhrventil) zum Kühlsystem (Kühlkreislauf) nicht geöffnet sind. Ein Ventil (Zufuhrventil) kann geöffnet werden, um gezielt den Druck am Einlass der Brennstoffzellen-Stacks anzuheben. Ein weiteres Ventil (Abfuhrventil) kann geöffnet werden, um den Druck am Einlass der Brennstoffzellen-Stacks gezielt abzusenken. Die Massenverlagerung (Fluid vom Kühlkreislauf in den Ausgleichsbehälter und umgekehrt) erfolgt bei den geöffneten Ventilstellungen jeweils aufgrund der Druckunterschiede (Abfuhrdruck / Vorspanndruck / Zufuhrdruck) bezugnehmend auf das angrenzende System.The basic idea of the invention is to shift the mass of the thermal fluid for pressure control from the cooling system to an adjacent system (compensating arrangement or compensating tank) and vice versa. This adjacent system represents a closed system when the valves (discharge / supply valve) to the cooling system (cooling circuit) are not open. A valve (supply valve) can be opened to selectively increase the pressure at the inlet to the combustion engine to raise fabric cell stacks. Another valve (discharge valve) can be opened to specifically reduce the pressure at the inlet of the fuel cell stack. The mass transfer (fluid from the cooling circuit to the expansion tank and vice versa) takes place in the open valve positions due to the pressure differences (discharge pressure / preload pressure / supply pressure) with reference to the adjacent system.
Es erfolgt die bedarfsgerechte Verlagerung der Kühlflüssigkeit (Fluid) aus dem Kühlsystem (Kühlkreislauf) in einen angrenzenden, vom Kühlsystem abgeschlossenen Bereich (Ausgleichsbehälter) sowie in das Kühlsystem aus einem angrenzenden, vom Kühlsystem abgeschlossenen Bereich zur Druckregelung (Messdruck) des Systems an ausgewählten Stellen des Systems (Messstellen oder damit bekannt druckkorrelierte Stellen, z.B. Einlass der Brennstoffzellen / Pumpeneinlass) ausschließlich unter Nutzung der vorhandenen Systemdrücke und unter Nutzung von Absperreinrichtungen (Ab- / Zufuhrventil) bzw. Drosselorganen (Automatikventil). Demzufolge sind keine zusätzlichen rotierenden oder beweglichen Teile zur Druckerzeugung nötig.The coolant (fluid) is shifted as required from the cooling system (cooling circuit) to an adjacent area that is closed off from the cooling system (expansion tank) and into the cooling system from an adjacent area that is closed off from the cooling system for pressure control (measurement pressure) of the system at selected points of the Systems (measuring points or known pressure-correlated points, e.g. inlet of the fuel cells / pump inlet) exclusively using the existing system pressures and using shut-off devices (shut-off / supply valve) or throttle devices (automatic valve). As a result, no additional rotating or moving parts are required to generate pressure.
Idee der Erfindung ist dabei auch die Nutzung von unterschiedlichen Drücken an unterschiedlichen Stellen des Fluidkreislaufes, Platzierung der Ab- und Zufuhröffnung dort, und die Kombination mit der Nutzung von getrennten Zu- und Ableitungen, d.h. Nutzung des Druckgefälles zwischen Ab- und Zufuhröffnung und der Reihenschaltung von Abfuhrleitung - Ausgleichsbehälter - Zufuhrleitung.The idea of the invention is also the use of different pressures at different points in the fluid circuit, placement of the discharge and supply opening there, and the combination with the use of separate supply and discharge lines, i.e. use of the pressure drop between discharge and supply opening and the series connection from discharge line - expansion tank - supply line.
Die (Haupt-)Druckregelung erfolgt dabei ohne dauerhaft kommunizierenden Druckbehälter, welcher in regelmäßigen Abständen neu befüllt bzw. ausgetauscht werden müsste. Die (Haupt-)Druckregelung erfolgt ohne zusätzliche Komponenten zur Druckerhöhung, wie z.B. einer Stickstoffflasche.The (main) pressure control takes place without a permanently communicating pressure vessel, which would have to be refilled or replaced at regular intervals. The (main) pressure control takes place without additional components for increasing the pressure, such as a nitrogen bottle.
Die Erfindung ist generell für alle entsprechenden Fluidkreisläufe geeignet, nicht nur für Kühlkreisläufe, und wird vorliegend allenfalls stellvertretend anhand von Kühlkreisläufen erläutert.The invention is generally suitable for all corresponding fluid circuits, not just for cooling circuits, and is at best explained here on the basis of cooling circuits as representative.
Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Druckregelung innerhalb eines Fluidkreislaufes, insbesondere Kühlsystems für wasserstoffbetriebene Flugzeuge, ausschließlich durch die Nutzung der vorhandenen Systemdrücke über die gezielte Schaltung von Ventilen. Insbesondere ergibt sich ein Verfahren zur Druckregelung innerhalb eines Kühlsystems für wasserstoffbetriebene Flugzeuge. Insbesondere ergibt sich eine Regelung des Systemdrucks eines Kühlsystems für wasserstoffbetriebene Flugzeuge durch gezielte Thermofluidmassenverlagerung unter Nutzung der vorhandenen Systemdrücke.According to the invention, the pressure is regulated within a fluid circuit, in particular a cooling system for hydrogen-powered aircraft, exclusively by using the existing system pressures via the targeted switching of valves. In particular, a method for pressure control within a cooling system for hydrogen-powered aircraft results. In particular, the system pressure of a cooling system for hydrogen-powered aircraft is regulated by targeted thermal fluid mass displacement using the existing system pressures.
Gemäß der Erfindung ergibt sich ein vergleichsweise kleiner Ausgleichsbehälter; keine zusätzlichen rotierenden / beweglichen Teile zur Druckbeaufschlagung, ein Zurückgreifen auf vorhandene Unterkomponenten (Ventile), eine einfache Ausführung, geringe Kosten, kleine, leichte Bauteile (keine Druckgasflasche) und hohe Laufzeiten, da z.B. Magnetventile mit Schaltzyklen > 100.000.000 verfügbar sind.According to the invention, there is a comparatively small reservoir; no additional rotating / moving parts for pressurization, recourse to existing sub-components (valves), simple design, low costs, small, light components (no compressed gas cylinder) and long service lives, since e.g. solenoid valves with switching cycles > 100,000,000 are available.
Es ergibt sich die Kühlung wasserstoff-elektrischer Systeme für den Flugverkehr sowie ein Verfahren zur Druckregelung innerhalb eines Kühlsystems für brennstoffzellenbetriebene Flugzeuge ohne zusätzliche Druckbehälter, die in regelmäßigen Abständen getauscht / neu befüllt werden müssen.The result is the cooling of hydrogen-electric systems for air traffic and a method for pressure control within a cooling system for fuel cell-powered aircraft without additional pressure vessels that have to be replaced / refilled at regular intervals.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 ein Flugzeug mit Brennstoffzellen, die von einer Fluidanordnung gekühlt werden, -
2 eine zu1 alternative Fluidanordnung mit Automatikventil, -
3 eine zu1 alternative Fluidanordnung mit alternativer Zufuhröffnung, -
4 eine zu1 alternative Fluidanordnung mit zwei Messstellen für Messdrücke, -
5 Druckverhältnisse in der Fluidanordnung.
-
1 an aircraft with fuel cells cooled by a fluid assembly, -
2 one to1 alternative fluid arrangement with automatic valve, -
3 one to1 alternative fluid arrangement with alternative feed opening, -
4 one to1 alternative fluid arrangement with two measuring points for measuring pressures, -
5 Pressure conditions in the fluid arrangement.
Das Flugzeug 2 enthält daher eine Objektanordnung 6; diese umfasst das Objekt 4 sowie eine Fluidanordnung 8 in Form einer Kühlanordnung zur Kühlung des Objekts 4, hier der dargestellten Brennstoffzellen 5.The
Die Fluidanordnung 8 enthält einen Fluidkreislauf 10, hier einen Kühlkreislauf zur eigentlichen Kühlung des Objekts 4. Im Betrieb ist der Kühlkreislauf 10 von einem inkompressiblen Fluid 12 (Medium) durchströmt, das in
Da in der Objektanordnung 6 insgesamt drei Brennstoffzellen 5 vorhanden sind, teilt sich der Fluidkreislauf 10 an einem Filter-Mixer 17 in drei parallele Zweige auf, die jeweils eine der drei Brennstoffzellen 5 und Pumpen 15 enthalten. Zwischen Pumpen 15 und Kühler 11 vereinen sich die drei Zweige wieder. Im Folgenden wird exemplarisch die Erfindung nur anhand eines der drei Zweige erläutert. Hier nicht näher erläuterte Rückschlagventile 38 sorgen unter anderem für das Einhalten der Strömungsrichtung des Fluid 12 in Richtung der Pfeile 14.Since there are a total of three
Aufgrund von Änderungen des gesamten Temperaturniveaus des Fluids 12 unterliegt dieses einer Ausdehnung bei Erwärmung und Schrumpfung bei Abkühlung, d.h. das Gesamtvolumen VF des Fluids 12 variiert. Bei dem Gesamtvolumen VF des Fluids 12 ist hierbei dasjenige Volumen angesprochen, welches das Fluid 12 ohne Zwang, d.h. z.B. bei Atmosphärendruck oder einem bestimmten Druck p (Druckverteilung / Druckniveau) annehmen würde. Tatsächlich steht jedoch für das Fluid 12 lediglich das Gesamtvolumen des Kühlkreislaufes 10 (dieses wird vorliegend stets als konstant angenommen) zur Verfügung. Die (vom Fluid „erwünschte“) Ausdehnung führt (wenn diese aufgrund der äußeren Beschränkung / Zwang nicht stattfinden kann) zu einer Druckerhöhung des Drucks p des Fluids 12 im Fluidkreislauf 10.Due to changes in the overall temperature level of the fluid 12, it expands when heated and contracts when cooled, i.e. the total volume VF of the fluid 12 varies. The total volume VF of the fluid 12 refers to the volume that the fluid 12 would assume without being forced, i.e. for example at atmospheric pressure or a specific pressure p (pressure distribution/pressure level). In fact, however, only the total volume of the cooling circuit 10 (this is always assumed to be constant in the present case) is available for the fluid 12 . The expansion (“desired” by the fluid) leads (if this cannot take place due to the external restriction/constraint) to a pressure increase of the pressure p of the fluid 12 in the
Um diese Volumenänderung im Fluid 12 auszugleichen, ist am Kühlkreislauf 10 eine Ausgleichsanordnung 18 (gestrichelt umrahmt) angeschlossen. Diese enthält den Ausgleichsbehälter 16 sowie eine Abfuhrleitung 20, die von einer Abfuhröffnung 22 des Fluidkreislaufs 10 zum Ausgleichsbehälter 16 führt. Die Abfuhrleitung 20 enthält ein elektrisch ansteuerbares Abfuhrventil 24 zur Freigabe der Abfuhrleitung 20, so dass Fluid 12 durch diese strömen kann. Das Fluid 12 weist im Betrieb an der Abfuhröffnung 22 einen aktuellen Abfuhrdruck pA auf.In order to compensate for this change in volume in the fluid 12 , a compensation arrangement 18 (framed in dashed lines) is connected to the
Die Ausgleichsanordnung 18 enthält weiterhin eine Zufuhrleitung 26, die vom Ausgleichsbehälter 16 zu drei Zufuhröffnungen 28 des Fluidkreislaufes10 führt, wobei die Zufuhrleitung 26 ein elektrisch steuerbares Zufuhrventil 30 zur Freigabe der Zufuhrleitung 26 enthält, so dass Fluid 12 durch diese strömen kann. Das Fluid 12 weist im Betrieb an der Zufuhröffnung 28 einen aktuellen Zufuhrdruck pZ auf, der kleiner dem Abfuhrdruck pA ist.The
Der Ausgleichsbehälter 16 kann alternativ direkt am Fluidkreislauf 10 angeschlossen sein, d.h. die Zufuhrleitung 26 und / oder die Abfuhrleitung 20 entarten zu Nullleitungen und zwischen Fluidkreislauf 10 und Ausgleichsbehälter 16 sind nur das Abfuhrventil 24 und / oder das Zufuhrventil 30 angeordnet.The
Der Ausgleichsbehälter 16 weist ein konstantes Behältervolumen VB auf. Im Betrieb der Fluidanordnung 8 ist der Ausgleichsbehälter 16 teilweise mit einem aktuellen Ausgleichsvolumen VA des Fluids 12 gefüllt. Ansonsten ist er mit einem kompressiblen Vorspannelement 32 gefüllt, das ein aktuelles Vorspannvolumen VV und einen aktuellen Vorspanndruck pV aufweist.The
Die Summe aus Ausgleichsvolumen VA und Vorspannvolumen VV ist stets konstant und gleich dem Behältervolumen VB. Das heißt, Fluid 12 und Vorspannelement 32 füllen den Ausgleichsbehälter 16 vollständig. Ein Teil der Füllung des Ausgleichsbehälter 16 besteht also aus einer variablen Menge (aktuelles Ausgleichsvolumen VA) von Fluid 12, der restliche Teil der Füllung aus dem kompressiblen Vorspannelement 32. Das Vorspannelement 32 ist hier eine Gasblase aus losem Gas 34, alternativ ein kompressibler elastischer Gegenstand 36, hier eine mit Gas gefüllte elastische Blase. Das Vorspannelement 32 ist ebenfalls Teil der Ausgleichsanordnung 18.The sum of the compensation volume VA and the preload volume VV is always constant and equal to the container volume VB. That is, fluid 12 and biasing
Die Ausgleichsanordnung 18 ist (wie auch der Fluidkreislauf 10) drucktechnisch abgeschlossen ausgeführt. Ein Druckbereich 35 (siehe
Bei einer Zunahme des Gesamtvolumens VF (wenn dieses sich ungehindert ausdehnen könnte) des Fluids 12 im Fluidkreislauf 10 aufgrund von Temperaturerhöhung (gesamtes Temperaturniveau aller Anteile des Fluids 12) wird ein so entstehender zusätzlicher Volumenanteil des Fluids 12 über die Abfuhrleitung 20 in den Ausgleichsbehälter 16 abgeführt. Dies geschieht durch Öffnen des Abfuhrventils 24. Das Ausgleichsvolumen VA im Ausgleichsbehälter 16 nimmt zu, das Vorspannelement 32 wird komprimiert, der Vorspanndruck pV steigt. Das Fluid 12 strömt dabei wegen des Druckgefälles zwischen dem Vorspanndruck pV und dem höheren Abfuhrdruck pA in Richtung der Pfeile 37. Nachdem eine ausreichende Menge von Fluid 12 aus dem Fluidkreislauf 10 entfernt wurde, so dass der Druck p und der Abfuhrdruck pA des Fluids 12 im Fluidkreislauf 10 wieder wunschgemäß abgesunken ist, wird das Abfuhrventil 24 wieder geschlossen.In the event of an increase in the total volume VF (if this could expand unhindered) of the fluid 12 in the
Bei Temperaturabnahme und Volumenverkleinerung im Fluid 12 wird dagegen das Zufuhrventil 30 geöffnet. Somit strömt eine entsprechende Menge Fluid 12 aus dem Ausgleichsbehälter 16 durch die Zufuhrleitung 26 in den Kühlkreislauf 10 zurück. Das Ausgleichsvolumen VA im Ausgleichsbehälter 16 nimmt ab, das Vorspannelement 32 dehnt sich aus, der Vorspanndruck pV sinkt. Das Fluid 12 strömt dabei wegen des Druckgefälles zwischen dem Vorspanndruck pV und dem niedrigeren Zufuhrdruck pZ in Richtung der Pfeile 39. Nachdem eine ausreichende Menge von Fluid 12 in den Fluidkreislauf 10 eingebracht wurde, sodass der Druck p und Zufuhrdruck pZ des Fluids 12 im Fluidkreislauf 10 wieder wunschgemäß angestiegen ist, wird das Zufuhrventil 30 wieder geschlossen.On the other hand, when the temperature decreases and the volume in the fluid 12 decreases, the
Die Steuerung des Drucks p geschieht dabei folgendermaßen anhand einer Steuereinrichtung 40, die hier nur symbolisch angedeutet ist: Sollgröße / -wert für den Druck p ist der (stromaufwärtige) Einlassdruck des Fluids 12 an der Brennstoffzelle 5. Dieser soll maximal 2,5bar betragen. Der Druck p wird daher an einer Messstelle 42 im Fluidkreislauf 10 als aktueller Messdruck pM ermittelt, hier am Filter-Mixer 17, da der Druck p des Fluids 12 dort dem Druck am Einlass der Brennstoffzelle 5 entspricht. Die Steuereinrichtung 40 enthält einen Eingang 44 für den Messdruck pM. Zur elektrischen Ansteuerung von Abfuhrventil 24 und Zufuhrventil 30 ist die Steuereinrichtung 40 mit diesen verbunden. Steigt der Messdruck pM über 2,5 bar öffnet die Steuereinrichtung 40 das Abfuhrventil 24, bis der Messdruck pM wieder unter 2,5 bar liegt.The pressure p is controlled as follows using a
Mit anderen Worten: Wenn der Druck im Filter-Mixer 17, der idealisiert dem Druck am Einlass der Brennstoffzellen 5 entspricht, größer 2,5 bar wird, wird das Abfuhrventil 24 zwischen dem Auslass der Pumpen 15 und dem Einlass des Ausgleichsbehälters 16 (auch „aktives Reservoirs“) geöffnet. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Offset (oberer Reservedruck pRO, siehe unten) implementiert werden, z.B. um Sicherheit vor Überschwingen zu verringern. Fluid 12 bzw. Flüssigkeit wird dann aus dem Fluidkreislauf 10 wird in den Ausgleichsbehälter 16 als aktives Reservoir verlagert, das nach Schließen der Ab- und Zufuhrventile 24,30 vom Rest des Systems (Fluidkreislauf 10) getrennt ist.In other words: If the pressure in the filter-
Ein weiterer Sollwert für den Druck p ist der stromaufwärtige Einlassdruck an den Pumpen 15, der nicht unter 1,5 bar absinken darf, um Kavitation in den Pumpen 15 zu vermeiden. Dieser Druck ist gleich dem Zufuhrdruck pZ an der Zufuhröffnung 28. Dieser Druck wird jedoch nicht direkt durch Messung am entsprechenden Ort ermittelt. Another target value for the pressure p is the upstream inlet pressure at the
Stattdessen ist aus dem Systemdesign der Fluidanordnung 8 bekannt, dass der Druck am Eingang der Pumpen 15 um ca. 0,5bar niedriger liegt als am Filter-Mixer 17. Diese Druckdifferenz von 0,5 bar wurde unter Berücksichtigung der Druckabfälle vom Einlass in die Brennstoffzellen 5 bis zum Einlass der Pumpen 15 empirisch ermittelt (abhängig von NPSH (Net Positive Suction Head) der Pumpen 15 unter Berücksichtigung der Betriebsparameter wie Drehzahlen, Dichte / Viskosität des Fluids 12 etc.). Damit ergibt sich ein Minimalwert von 2,0bar für den Messdruck pM an der Messstelle 42. Sinkt der Messdruck pM daher unter 2,0 bar, öffnet die Steuereinrichtung 40 das Zufuhrventil 30, bis der Messdruck pM des Fluids 12 entsprechend angestiegen ist. Der Einlassdruck an den Pumpen kann dann als 1,5bar angenommen werden.Instead, it is known from the system design of the
Mit anderen Worten: Wenn der Druck im Filter-Mixer 17, der idealisiert dem Druck am Einlass der Brennstoffzellen 5 entspricht, kleiner 2,0 bar wird, wird das Zufuhrventil 30 zwischen dem Ausgleichsbehälter 16 (aktives Reservoir) und den Sauggasleitungen der Pumpen 15 (dort liegen die Zufuhröffnungen 28) geöffnet. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Offset (unterer Reservedruck pRU, siehe unten) implementiert werden, z.B. um Sicherheit vor Überschwingen zu verringern. Fluid 12 bzw. Flüssigkeit wird dann aus dem Ausgleichsbehälter 16 in Form des aktiven Reservoirs in den Fluidkreislauf 10 verlagert.In other words: If the pressure in the filter-
Die Steuereinrichtung 40 bringt oder hält damit den aktuellen Messdruck pM durch Ab- und/oder Zufuhr von Fluid 12 in den Fluidkreislauf 10 in einem Zulässigkeitsbereich von hier 2,0 bis 2,5 bar. Der aktuelle Messdruck pM ist mit dem Druck p des Fluids 12 am stromaufwärtigen Einlass des Objekts 4 korreliert bzw. ist dieser Druck. Außerdem ist er mit dem Druck am stromaufwärtigen Einlass der Pumpe 15 korreliert, hier über eine geschätzte Druckdifferenz von 0,5bar.The
In der Ausgleichsanordnung 18 sind also zwei aktiv angesteuerte Ventile (Ab- / Zufuhrventil 24,30) mit deren Ventilstellungen als Stellgrößen (open / closed, optional stufenlos) vorhanden.In the compensating
Voraussetzung für das oben erläuterte Vorgehen ist folgendes: Der Druck am Pumpenauslass und damit an der Abfuhröffnung 22 (Abfuhrdruck pA) ist stets größer als der Druck im aktiven Reservoir, also dem Ausgleichsbehälter 16, nämlich dem Vorspanndruck pV. Dieser Druck im Ausgleichsbehälter 16 ist außerdem stets größer als der Druck am Pumpeneinlass, nämlich der Zufuhrdruck pZ an der Zufuhröffnung 28 unter Vermeidung von Kavitation.The prerequisite for the procedure explained above is the following: the pressure at the pump outlet and thus at the discharge opening 22 (discharge pressure pA) is always greater than the pressure in the active reservoir, So the
Dabei gelten vorliegend folgende Randbedingungen: für alle bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen der Pumpen 15 gilt, dass deren Ausgangsdruck niemals kleiner als 6,5 bar ist, daher ist der Abfuhrdruck pA niemals kleiner als 6, 5 bar. Der Pumpeneingangsdruck wird stets konstant auf 1, 5 bar gehalten, daher beträgt der Zufuhrdruck pZ stets höchstens 1, 5 bar.The following boundary conditions apply here: for all specified operating conditions of the
Vorliegend soll zwischen dem Abfuhrdruck pA und dem Vorspanndruck pV sowie zwischen diesem und dem Zufuhrdruck pZ stets eine Druckdifferenz von 0, 5 bar nicht unterschritten werden. Dies wird in Höhe eines oberen und unteren Reservedrucks pRU und pRO von 0,5 bar gewährleistet. Daher ist der Vorspanndruck pV stets über dem aktuellen bzw. konstanten und damit über einem Höchstwert des Zufuhrdrucks pZ von 1,5 bar zuzüglich einem unteren Reservedruck pRU von 0,5 bar, also über 2,0 bar zu halten. Außerdem ist der Vorspanndruck pV stets unterhalb dem aktuellen und damit unter einem Mindestwert des Abfuhrdrucks pA von 6,5 bar abzüglich eines oberen Reservedrucks pRO von ebenfalls 0, 5 bar, also unter 6,0 bar zu halten.In the present case, the pressure difference between the discharge pressure pA and the preload pressure pV and between this and the supply pressure pZ should always not drop below 0.5 bar. This is guaranteed with an upper and lower reserve pressure pRU and pRO of 0.5 bar. Therefore, the preload pressure pV must always be kept above the current or constant and thus above a maximum value of the supply pressure pZ of 1.5 bar plus a lower reserve pressure pRU of 0.5 bar, i.e. above 2.0 bar. In addition, the preload pressure pV must always be kept below the current and thus below a minimum value of the discharge pressure pA of 6.5 bar minus an upper reserve pressure pRO of also 0.5 bar, i.e. below 6.0 bar.
Das aktive Reservoir in Form des Ausgleichsbehälters 16 muss daher so ausgelegt werden, dass es unter den gegebenen thermischen Randbedingungen (-55°C bis 120 °C für das Fluid 12) diesen Druckbereich 35 zwischen 2,0 bar und 6,0 bar hält. Somit ergibt sich vorliegend ein Behältervolumen VB des Ausgleichsbehälters 16 von 45 I gesamt, d.h. für Fluid 12 (Ausgleichsvolumen VA) und Vorspannelement 32 (Vorspannvolumen VV). Hierbei wurde berücksichtigt, dass im genannten Temperaturbereich das Fluid 12 ausgehend von dessen Mindestvolumen (bei -55°C) um höchstens ein Zusatzvolumen VZ von 22 Litern auf dessen Maximalvolumen Vmax (bei 120°C) steigt. Das Ausgleichsvolumen VA muss also mindestens 22 Liter betragen, zzgl. einer Mindestreserve von z.B. 1-3, hier 2 Litern an Fluid 12, die immer im Ausgleichsbehälter 16 verbleiben soll. Ausgehend hiervon wird das Behältervolumen VB so gewählt, dass bei gegebenem Material / Gas 34 des Vorspannelements 32 dieses bei Kompression auf das jeweils verbleibende Vorspannvolumen VV die gewünschten Vorspanndrücke pV erzeugt. Insofern wird oder ist das Druckniveau des Vorspanndrucks pV durch eine Wahl des Behältervolumens VB und der Menge und Art des Vorspannelements 32 gewählt. The active reservoir in the form of the
Insofern gilt: Das Behältervolumen VB ist wie folgt bemessen: Wenn das Zusatzvolumen VZ an Fluid 12 vollständig im Ausgleichsbehälter 16 einliegt, weist das Vorspannelement 32 als Vorspanndruck pV höchstens einen bestimmungsgemäßen Mindestwert von 6,5bar des Abfuhrdruckes pA abzüglich des oberen Reservedrucks pRO von 0,5bar auf, wenn aber kein Zusatzvolumen VZ an Fluid 12 im Ausgleichsbehälter 16 einliegt (sondern nur noch die Mindestreserve von 2 Litern), weist das Vorspannelement 32 als Vorspanndruck pV wenigstens einen bestimmungsgemäßen Höchstwert von 1,5bar des Zufuhrdruckes pZ zuzüglich des unteren Reservedrucks pRU von 0,5 bar auf.In this respect, the following applies: The tank volume VB is dimensioned as follows: If the additional volume VZ of
Am Fluidkreislauf 10 in
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- FlugzeugAirplane
- 44
- Objektobject
- 55
- Brennstoffzellefuel cell
- 66
- Objektanordnungobject arrangement
- 88th
- Fluidanordnungfluid arrangement
- 1010
- Fluidkreislauffluid circuit
- 1111
- Kühlercooler
- 1212
- FluidFluid
- 1414
- PfeilArrow
- 1515
- Pumpepump
- 1616
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 1717
- Filter-Mixerfilter mixer
- 1818
- Ausgleichsanordnungbalancing arrangement
- 2020
- Abfuhrleitungdischarge line
- 2222
- Abfuhröffnungdischarge opening
- 2424
- Abfuhrventildischarge valve
- 2626
- Zufuhrleitungsupply line
- 2828
- Zufuhröffnungfeed opening
- 3030
- Zufuhrventilsupply valve
- 3232
- Vorspannelementbiasing element
- 3434
- Gasgas
- 3535
- Druckbereichprint area
- 3636
- GegenstandObject
- 3737
- PfeilArrow
- 3838
- Rückschlagventilcheck valve
- 3939
- PfeilArrow
- 4040
- Steuereinrichtungcontrol device
- 4242
- Messstellemeasuring point
- 4444
- EingangEntry
- 4646
- Reservoir (passiv)reservoir (passive)
- 4848
- Automatikventilautomatic valve
- VFvf
- Gesamtvolumen (Fluid)total volume (fluid)
- VBvb
- Behältervolumencontainer volume
- VAv.a
- Ausgleichsvolumen (Fluid)Compensation Volume (Fluid)
- VVvv
- Vorspannvolumenbias volume
- VZvz
- Zusatzvolumen (Fluid)additional volume (fluid)
- pp
- DruckPrint
- pApA
- Abfuhrdruckdischarge pressure
- pZpZ
- Zufuhrdrucksupply pressure
- pVpv
- Vorspanndruckpreload pressure
- pMpM
- Messdruckmeasurement pressure
- pTpT
- Automatikdruckautomatic printing
- pRUpRU
- Reservedruck untenreserve pressure below
- pROPer
- Reservedruck obenreserve pressure above
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102017001447 A1 [0002, 0026, 0052]DE 102017001447 A1 [0002, 0026, 0052]
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2021
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