DE102021129383A1 - Pressure equalization and volume equalization in the cooling circuit - Google Patents
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Abstract
Kühlanordnung (8) zur Kühlung eines Objekts (4), mit einem Kühlkreislauf (10) für ein inkompressibles Fluid (12), mit einem Ausgleichsbehälter (16) am Kühlkreislauf (10) mit einem Fluidraum (20) für das Fluid (12), wobei der Ausgleichsbehälter (16) einen starren ersten Wandabschnitt (28a) und einen zweiten Wandabschnitt (28b) aufweist, die zusammen den Fluidraum (20) umgrenzen, wobei zumindest ein Teil des zweiten Wandabschnittes (28b) als Bewegungsbereich (34) relativ zum ersten Wandabschnitt (28a) beweglich ist, um das Volumen (VR) des Fluidraumes (20) zu verändern, wobei A) der zweite Wandabschnitt (28b) insgesamt als Bewegungsbereich (34) starr und relativ zum ersten Wandabschnitt (28a) beweglich ausgeführt ist, und/oder B) eine Gestalt des Bewegungsbereiches des zweiten Wandabschnittes veränderbar ist.Eine Objektanordnung (6) enthält die Kühlanordnung (8) und das Objekt (4).Ein Flugzeug (2) enthält die Objektanordnung (6), wobei das Flugzeug (2) im Flug durch die aus den Brennstoffzellen als Teil des Objekts gewonnene elektrische Energie angetrieben ist und / oder dessen Stromnetz durch die Brennstoffzellen gespeist ist.Cooling arrangement (8) for cooling an object (4), with a cooling circuit (10) for an incompressible fluid (12), with an expansion tank (16) on the cooling circuit (10) with a fluid space (20) for the fluid (12), wherein the expansion tank (16) has a rigid first wall section (28a) and a second wall section (28b) which together delimit the fluid chamber (20), with at least a part of the second wall section (28b) as a movement area (34) relative to the first wall section (28a) is movable in order to change the volume (VR) of the fluid chamber (20), wherein A) the second wall section (28b) is designed to be rigid overall as a movement area (34) and movable relative to the first wall section (28a), and/ or B) a shape of the movement range of the second wall section can be changed.An object arrangement (6) contains the cooling arrangement (8) and the object (4).An aircraft (2) contains the object arrangement (6), the aircraft (2) in the Flight is powered by the electrical energy generated from the fuel cells as part of the object and/or whose power grid is fed by the fuel cells.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Objekts. Die Kühlanordnung enthält einen Kühlkreislauf / Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Objekts, der im Betrieb zirkulierend von einem die Kühlung des Objekts bewirkenden inkompressiblen Fluid / Kühlmittel durchströmt ist. Das Fluid unterliegt bei einer Änderung des Temperaturniveaus einer Volumenänderung, bezogen auf einen bestimmten Druck, d.h. z.B. bei Atmosphärendruck. Steht kein Raum zur Volumenänderung zur Verfügung, reagiert das Fluid mit einer Druckänderung im Kühlkreislauf. Dies gilt insbesondere für inkompressible Fluide.The invention relates to a cooling arrangement for cooling an object. The cooling arrangement contains a cooling circuit/coolant circuit for cooling the object, through which an incompressible fluid/coolant which causes cooling of the object flows circulating during operation. When the temperature level changes, the fluid is subject to a change in volume in relation to a certain pressure, i.e. at atmospheric pressure, for example. If there is no space available for the volume change, the fluid reacts with a pressure change in the cooling circuit. This applies in particular to incompressible fluids.
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf eine Kühlanordnung vorzuschlagen.The object of the present invention is to propose improvements in relation to a cooling arrangement.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung 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 cooling arrangement according to
Die Kühlanordnung dient bzw. ist eingerichtet zur Kühlung eines Objekts. Insbesondere dient die Kühlanordnung dazu bzw. ist dazu eingerichtet, im Betrieb einen vorgebbaren Druck in einem Fluid einzustellen, welches in einem Kühlkreislauf der Kühlanordnung zirkuliert.The cooling arrangement serves or is set up to cool an object. In particular, the cooling arrangement serves or is set up to set a predefinable pressure in a fluid during operation, which circulates in a cooling circuit of the cooling arrangement.
Die Kühlanordnung enthält einen Kühlkreislauf. Dieser dient bzw. ist eingerichtet zur Kühlung des Objekts. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühlanordnung ist der Kühlkreislauf zirkulierend von einem die Kühlung des Objekts bewirkenden inkompressiblen Fluid durchströmt. 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. Hierzu ist der Kühlkreislauf insbesondere mit einer Förderpumpe für das Fluid ausgerüstet. Das Volumen des Fluids im Kühlkreislauf variiert. Dies rührt daher, dass das Fluid einer Wärmeausdehnung bei Temperaturänderung unterliegt. Diese hier angesprochene Temperaturausdehnung des Fluid betrifft dieses als Ganzes. Gemeint ist also hier nicht die Temperaturschwankungen des Fluid bei Zirkulation im Kühlkreislauf, sondern die Änderung des Temperaturniveaus im Kühlkreislauf insgesamt.The cooling arrangement includes a cooling circuit. This serves or is set up to cool the object. When the cooling arrangement is operated as intended, an incompressible fluid that causes the cooling of the object flows circulating through the cooling circuit. 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. For this purpose, the cooling circuit is equipped in particular with a feed pump for the fluid. The volume of fluid in the cooling circuit varies. This is because the fluid undergoes thermal expansion as the temperature changes. The temperature expansion of the fluid discussed here affects it as a whole. What is meant here is not the temperature fluctuations of the fluid during circulation in the cooling circuit, but the change in the temperature level in the cooling circuit as a whole.
Bei dem „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. Tatsächlich steht jedoch dem Fluid im Kühlkreislauf nur dessen (kontantes) Volumen / Gesamtvolumen zur Verfügung. Eine o.g. „Volumenzunahme“ könnte also im Kühlkreislauf (unter Zwang des gegebenen Volumens des Kühlkreislaufes) nicht stattfinden. Stattdessen würde das Fluid - gerade wegen dessen Inkompressibilität - mit einer starken Druckerhöhung im Kühlkreislauf reagieren. Daher ist ein Ausgleichsvolumen (Fluidraum) in Form eines Ausgleichsbehälters am Kühlkreislauf vorgesehen, um das zusätzliche Fluid-Volumen aus dem Kühlkreislauf abzuleiten und damit die zwangsweise Druckerhöhung zu vermeiden. Bei abnehmendem Volumen wird Fluid aus dem Fluidraum zurück in den Kühlkreislauf gebracht.The "volume" of the fluid refers to the volume that the fluid would assume without external force, i.e. e.g. at atmospheric pressure, if it was at the appropriate temperature. In fact, however, only its (constant) volume / total volume is available to the fluid in the cooling circuit. A "volume increase" mentioned above could therefore not take place in the cooling circuit (under constraint of the given volume of the cooling circuit). Instead, the fluid - precisely because of its incompressibility - would react with a strong increase in pressure in the cooling circuit. A compensating volume (fluid space) in the form of a compensating tank is therefore provided on the cooling circuit in order to derive the additional fluid volume from the cooling circuit and thus avoid the forced increase in pressure. When the volume decreases, fluid is brought back into the cooling circuit from the fluid space.
„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 Grad kompressibel, reagieren jedoch mit einer - im Vergleich z.B. zu Gasen wie Luft oder Stickstoff - mit einer 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 extent, but react with a - compared to e.g. gases such as air or nitrogen - with a significantly greater increase in pressure in a closed volume under otherwise identical conditions (volume, temperature change, ...).
Die Kühlanordnung enthält weiterhin das Fluid.The cooling arrangement also contains the fluid.
Die Kühlanordnung enthält außerdem einen bzw. den oben genannten Ausgleichsbehälter (auch „Druckausgleichsbehälter“). Der Ausgleichsbehälter enthält einen Fluidraum (Ausgleichsvolumen). Dieser ist am Kühlkreislauf „angeschlossen“, d.h. über eine Ausgleichsöffnung oder Ausgleichsleitung fluidisch kommunizierend mit diesem verbunden. Fluid kann also zwischen Kühlkreislauf und Fluidraum über die Ausgleichsöffnung / -leitung hin und her fließen. Der Fluidraum ist im Betrieb der Kühlanordnung zumindest teilweise - insbesondere vollständig, d.h. ausschließlich / ohne Gas- oder Luftraum - mit dem Fluid gefüllt.The cooling arrangement also contains a surge tank (also referred to as "surge tank") mentioned above. The expansion tank contains a fluid space (compensation volume). This is “connected” to the cooling circuit, i.e. it is fluidically connected to it via an equalization opening or equalization line. Fluid can therefore flow back and forth between the cooling circuit and the fluid space via the equalizing opening/line. During operation of the cooling arrangement, the fluid space is at least partially--in particular completely, i.e. exclusively/without a gas or air space--filled with the fluid.
Unter „Ausgleich“ bzw. „Druckausgleich“ 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 tritt überschüssiges (bei gleichem bzw. ähnlichem Fluiddruck nicht mehr in den Kühlkreislauf „passendes“) Fluid / Volumen in den Ausgleichsbehälter bzw. Fluidraum über oder Fluid aus dem Ausgleichsbehälter strömt zurück in den Kühlkreislauf, um letzteren bei Volumenabnahme des Fluids mit weiterem Fluid aufzufüllen. In anderen Worten wird also mehr oder weniger (Teil-)Volumen des Fluid aus dem Kühlkreislauf in den Fluidraum „ausgelagert“.Strictly speaking, “compensation” or “pressure compensation” means the following: the expansion tank is actually more of a volume expansion tank than a pressure expansion tank ter. Because if the volume of the fluid changes due to a change in temperature, excess fluid/volume (which no longer "fits" in the cooling circuit at the same or similar fluid pressure) escapes into the expansion tank or fluid space, or fluid from the expansion tank flows back into the cooling circuit to fill the latter to be filled with more fluid if the volume of the fluid decreases. In other words, more or less (partial) volume of the fluid is "outsourced" from the cooling circuit to the fluid space.
Der Ausgleichsbehälter weist einen starren ersten Wandabschnitt auf. Dieser enthält insbesondere eine Einlassöffnung in den Fluidraum, durch welche der oben erläuterte Volumenaustausch / -ausgleich von Fluid zwischen Kühlkreislauf und Fluidraum erfolgt. Die Einlassöffnung ist also die Ausgleichsöffnung oder das Ende der am Kühlkreislauf angeschlossenen Ausgleichsleitung.The expansion tank has a rigid first wall section. This includes, in particular, an inlet opening into the fluid space, through which the above-explained volume exchange/compensation of fluid between the cooling circuit and the fluid space takes place. The inlet opening is therefore the equalization opening or the end of the equalization line connected to the cooling circuit.
Alternativ oder zusätzlich ist eine derartige Einlassöffnung in einem zweiten Wandabschnitt vorgesehen. Der Ausgleichsbehälter weist den zweiten Wandabschnitt auf. Erster und zweiter Wandabschnitt zusammen (bzw. wenigstens ein jeweiliger Abschnitt von erstem und zweitem Wandabschnitt) umgrenzen den Fluidraum, bilden also vollständig dessen Wandung. Neben (zumindest Teilen von) erstem und zweitem Wandabschnitt enthält die Wandung des Fluidraums also keine weiteren Anteile.Alternatively or additionally, such an inlet opening is provided in a second wall section. The expansion tank has the second wall section. The first and second wall section together (or at least one respective section of the first and second wall section) delimit the fluid space, ie completely form its wall. In addition to (at least parts of) the first and second wall section, the wall of the fluid space therefore contains no further parts.
Zumindest ein Teil des zweiten Wandabschnittes bildet einen Bewegungsbereich des Ausgleichsbehälters. Der Bewegungsbereich kann auch mit dem zweiten Wandabschnitt identisch sein. Der Bewegungsbereich ist relativ zum ersten Wandabschnitt beweglich, um das Volumen des Fluidraumes zu verändern. „Beweglich“ ist hier insbesondere im Sinne von „aktiv veränderbar“ zu verstehen, d.h. steuerbar / einstellbar / vorgebbar. Dies stellt eine Abgrenzung z.B. zu der - in diesem Sinne „passiven“ bekannten Membran als zweitem Wandabschnitt / Bewegungsbereich in einem Ausgleichsbehälter dar. Denn eine solche Membran wird passiv durch den Druck des Fluids verändert, verformt, verschoben, gedehnt und reagiert allenfalls mit einer Gegenspannkraft auf die Volumenänderung des Fluids im Ausgleichsbehälter (in der Regel Kompression von Gas jenseits der Membran). Vorliegend wird die Form / Lage des zweiten Wandabschnittes / Bewegungsbereiches insbesondere jedoch tatsächlich aktiv vorgegeben / unter äußerem Zwang z.B. durch einen Aktor eingestellt, d.h. das Volumen des Fluidraumes wird fest vorgegeben bzw. eingestellt. Hierauf reagiert das Fluid dann (bei dessen je nach Temperaturniveau gegebenem Volumen) mit einem bestimmten Druck im Kühlkreislauf/ Fluidraum.At least part of the second wall section forms a movement area of the expansion tank. The range of movement can also be identical to the second wall section. The movement portion is moveable relative to the first wall portion to vary the volume of the fluid space. "Movable" is to be understood here in particular in the sense of "actively changeable", i.e. controllable / adjustable / specifiable. This represents a distinction, e.g. from the - in this sense "passive" known membrane as the second wall section / area of movement in an expansion tank. Because such a membrane is passively changed, deformed, shifted, stretched by the pressure of the fluid and reacts at most with a counter-tensioning force on the change in volume of the fluid in the expansion tank (usually compression of gas beyond the diaphragm). In the present case, however, the shape/position of the second wall section/movement area is in particular actually actively specified/set under external pressure, e.g. by an actuator, i.e. the volume of the fluid space is firmly specified or set. The fluid then reacts to this (at its volume, which depends on the temperature level) with a certain pressure in the cooling circuit/fluid space.
Die entsprechende Volumenanpassung erlaubt das Einströmen / Ausströmen von Fluid in den oder aus dem Fluidraum und dabei die Einstellung des Drucks des Fluids (im Kühlkreislauf und auch im Fluidraum). Denn entscheidend für den Fluiddruck ist lediglich das tatsächliche Volumen des Fluids, welches es bei Atmosphärendruck einnehmen würde und der tatsächlich für das Fluidvolumen zur Verfügung stehende Hohlraum, den es ausfüllen kann. Mit anderen Worten erlaubt die Volumenanpassung des Fluidraums also eine Druckbeeinflussung im Fluid. Insofern ist es gemäß der Erfindung möglich, das Fluid hinsichtlich seines Drucks einzustellen bzw. zu steuern, ohne hierfür das Fluid einem Kontakt mit Sauerstoff aussetzen zu müssen.The corresponding volume adjustment allows the inflow / outflow of fluid into or out of the fluid space and the adjustment of the pressure of the fluid (in the cooling circuit and also in the fluid space). The decisive factor for the fluid pressure is only the actual volume of the fluid that it would occupy at atmospheric pressure and the cavity actually available for the fluid volume that it can fill. In other words, the volume adjustment of the fluid space allows the pressure in the fluid to be influenced. In this respect it is possible according to the invention to adjust or control the pressure of the fluid without having to expose the fluid to contact with oxygen for this purpose.
Für den zweiten Wandabschnitt sind nun zwei Varianten möglich, die alternativ oder gemeinsam auftreten können:
- In einer Variante A) ist der zweite Wandabschnitt insgesamt als Bewegungsbereich ausgeführt. Der zweite Wandabschnitt ist dann - wie der erste Wandabschnitt - ebenfalls starr ausgeführt und in seiner Gänze relativ zum ersten Wandabschnitt beweglich ausgeführt. Insbesondere ist dabei der zweite Wandabschnitt nach Art eines Kolbens im ersten Wandabschnitt nach Art eines Zylinders verschiebbar geführt, wobei der Kolben-/Zylinder-Vergleich nur für den Bewegungsbereich des zweiten Wandabschnitts im ersten Wandabschnitt gelten muss, ansonsten können die Wandabschnitte beliebig geformt sein.
- In a variant A), the second wall section is designed overall as a movement area. The second wall section is then—like the first wall section—also designed to be rigid and to be movable in its entirety relative to the first wall section. In particular, the second wall section is slidably guided in the manner of a piston in the first wall section in the manner of a cylinder, with the piston/cylinder comparison only having to apply to the range of motion of the second wall section in the first wall section, otherwise the wall sections can be of any shape.
In einer Variante B) ist eine Gestalt des Bewegungsbereiches des zweiten Wandabschnittes veränderbar. Unter „Gestalt“ ist hier eine Form / Lage zu verstehen. Unter „Veränderbar“ ist daher eine Verformung / Verkrümmung / Lageänderung des Bewegungsbereiches relativ zum ersten Wandabschnitt zu verstehen. Insofern ist also eine Lage einzelner Orte / Abschnitte des Bewegungsbereiches relativ zueinander und/oder zum ersten Wandabschnittes oder zu einem nicht zum Bewegungsbereich gehörenden (festen) Teil / Abschnitt des zweiten Wandabschnittes veränderbar. In diesem Sinne ist also der Bewegungsbereich beweglich zum ersten Wandabschnitt ausgeführt.
Der zweite Wandabschnitt bildet damit eine „Trennvorrichtung“ im Ausgleichsbehälter, die den Fluidraum vom restlichen Raum (Arbeitsvolumen, z.B. Gasraum / Luftraum) des Ausgleichsbehälters trennt. Das Arbeitsvolumen steht hier mit der Umgebung des Ausgleichsbehälters in Verbindung und weist dessen Druckniveau auf.In a variant B), the shape of the movement area of the second wall section can be changed. “Gestalt” here means a form/position. “Changeable” is therefore to be understood as meaning a deformation/bending/change in position of the movement area relative to the first wall section. In this respect, the position of individual locations/sections of the movement area relative to one another and/or to the first wall section or to a (fixed) part/section of the second wall section that does not belong to the movement area can be changed. In this sense, the movement area is designed to be movable relative to the first wall section.
The second wall section thus forms a “separator” in the expansion tank, which separates the fluid space from the rest of the space (working volume, eg gas space/air space) of the expansion tank. The working volume is in connection with the surroundings of the expansion tank and shows its pressure level.
Die gemäß der Erfindung dargestellten Varianten A und / oder B eröffnen viele Möglichkeiten des Druck- / Volumenausgleichs in einer Kühlanordnung.The variants A and/or B presented according to the invention open up many possibilities of pressure/volume balancing in a cooling arrangement.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kühlanordnung wenigstens einen Aktor. Dieser ist zur aktiven Verstellung des Bewegungsbereiches eingerichtet. Der Aktor bewirkt also die aktive zwangsweise Vorgabe der Bewegung / Form / Lage des Bewegungsbereiches, insbesondere des gesamten zweiten Wandabschnitts relativ zum ersten Wandabschnitt. Damit wird das Volumen des Fluidraums aktorisch zwangsweise eingestellt / vorgegeben. Über das gegebene Volumen des Fluids bei einem bestimmten Temperaturniveau ist damit dessen Druck einstellbar. Der Aktor ist insbesondere als Direktantrieb für den Bewegungsbereich, insbesondere Linearantrieb, ausgeführt. Alternativ kann jedoch auch eine Hebelmechanik, ein Getriebe, ein Scherengelenk, usw. eine Bewegungskopplung zwischen Aktor und Bewegungsbereich bewirken.In a preferred embodiment, the cooling arrangement contains at least one actuator. This is set up for active adjustment of the range of motion. The actuator thus causes the active compulsory specification of the movement/shape/position of the movement area, in particular of the entire second wall section relative to the first wall section. Thus, the volume of the fluid space is forcibly adjusted/specified by actuators. The pressure of the fluid can thus be adjusted via the given volume of the fluid at a specific temperature level. The actuator is designed in particular as a direct drive for the range of motion, in particular a linear drive. Alternatively, however, a lever mechanism, a gear, a scissors joint, etc., can cause a movement coupling between the actuator and the movement area.
Insbesondere enthält die Kühlanordnung wenigstens einen Drucksensor zur Erfassung eines aktuellen Drucks / Druckniveaus des Fluids an einem bestimmten Punkt / Bereich des Kühlkreislaufs / Fluidraumes. Der Aktor kann dann in Abhängigkeit von druckkorrelierten Daten, die vom Sensor erfasst werden, betrieben werden. In particular, the cooling arrangement contains at least one pressure sensor for detecting a current pressure/pressure level of the fluid at a specific point/area of the cooling circuit/fluid space. The actuator can then be operated as a function of pressure-correlated data recorded by the sensor.
Insbesondere kann so ein bestimmter Druck im Fluid eingestellt (gesteuert oder geregelt) werden. Die Kühlanordnung enthält insbesondere auch eine Steuerung für den Aktor, um so eine bestimmte Bewegung / Stellung des Bewegungsbereiches zu verursachen / einzustellen. Insbesondere erfolgt die Steuerung auf Basis einer vom Drucksensor bereitgestellten druckkorrelierten Größe. Insbesondere kann so - zum Beispiel durch eine Regelung - der Druckwert des Fluids zwischen einem unteren und oberen Schwellwert gehalten werden.In particular, a specific pressure in the fluid can be adjusted (controlled or regulated) in this way. In particular, the cooling arrangement also contains a controller for the actuator in order to cause/adjust a specific movement/position of the movement area. 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 can thus be kept between a lower and an upper threshold value, for example by regulation.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausführungsform ist der Aktor ein elektrischer und/oder hydraulischer und/oder pneumatischer Antrieb. Somit ergeben sich mannigfaltige Möglichkeiten zur Manipulation des Bewegungsbereiches.In a preferred variant of the above embodiment, the actuator is an electric and/or hydraulic and/or pneumatic drive. This results in a variety of options for manipulating the range of motion.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kühlanordnung wenigstens ein kompressibles Pufferelement, das im Fluidraum angeordnet ist. Ein entsprechendes Pufferelement dient ebenfalls einem Druck- / Volumenausgleich des Fluids im Fluidraum / Kühlkreislauf. Ein entsprechendes Pufferelement wirkt wie die oben erläuterte passive Membran. Das Pufferelement enthält bzw. bildet in diesem Sinne das oben genannte Vorspannvolumen. „Kompressibel“ steht hier in Relation zu „Inkompressibel“ und bedeutet, dass das Pufferelement wesentlich kompressibler als das Fluid ist. Somit können insbesondere kleinere Volumen- / Druckschwankungen im Fluid durch das Pufferelement aufgefangen werden, ohne hierfür den Bewegungsbereich bewegen zu müssen. Insbesondere kann so der oben genannte Aktor geschont werden, indem dieser von entsprechend kleinen Korrekturbewegungen des Bewegungsbereichs entlastet ist und der Druck im Fluid dennoch innerhalb der gewünschten Grenzen bleibt.In a preferred embodiment, the cooling arrangement contains at least one compressible buffer element, which is arranged in the fluid space. A corresponding buffer element also serves to equalize the pressure/volume of the fluid in the fluid space/cooling circuit. A corresponding buffer element acts like the passive membrane explained above. In this sense, the buffer element contains or forms the above-mentioned pretensioning volume. Here, "compressible" is related to "incompressible" and means that the buffer element is significantly more compressible than the fluid. Thus, in particular smaller volume/pressure fluctuations in the fluid can be absorbed by the buffer element without having to move the movement area for this purpose. In particular, the above-mentioned actuator can be protected in this way, in that it is relieved of correspondingly small corrective movements of the movement area and the pressure in the fluid nevertheless remains within the desired limits.
Insbesondere enthält der Fluidraum (zusammen mit dem Kühlkreislauf, einer Ausgleichsleitung usw.) ausschließlich das Fluid und das Pufferelement und ansonsten keinerlei Elemente. Hierdurch herrschen genau bekannte Gegebenheiten im Kühlkreislauf / Fluidraum.In particular, the fluid space (together with the cooling circuit, an equalizing line, etc.) contains only the fluid and the buffer element and no other elements. As a result, there are precisely known conditions in the cooling circuit / fluid space.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Pufferelement ein kompressibles loses Gas oder ein kompressibler elastischer Gegenstand. Das lose Gas liegt insbesondere als Gasblase im Fluidraum vor, also als Gasraum bzw. Gasvolumen, also ein gasgefüllter Teilraum des Fluidraumes, in dem kein Fluid vorhanden ist. „Elastisch“ ist hier im Sinne von kompressibel, aber „fest / nicht gasförmig“ zu verstehen. In a preferred variant of this embodiment, the buffer element is a compressible loose gas or a compressible elastic object. The loose gas is present in particular as a gas bubble in the fluid space, ie as a gas space or gas volume, ie a gas-filled partial space of the fluid space in which no fluid is present. "Elastic" is to be understood here in the sense of compressible but "solid / not gaseous".
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 Kissen oder ein Schaumkörper aus geschlossenzelligem Schaum. Die einzelnen geschlossenen Schaumzellen entsprechen dann in etwa einer Vielzahl gasgefüllter elastischer Körper / Teil-Gegenstände.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 enthält die Kühlanordnung wenigstens ein Federelement, das den zweiten Wandabschnitt oder den Bewegungsbereich in Bezug auf eine Komprimierung des Fluidraumes (ein kleineres, abnehmendes Volumen des Fluidraum) hin federnd vorspannt. Somit ist z.B. kein Aktor notwendig, um in Variante A) den zweiten Wandabschnitt oder in Variante B) den Bewegungsbereich in Bezug auf eine Komprimierung / in Richtung zu kleineren Volumina des Fluidraumes hin zu bewegen. Das Federelement bewirkt damit insbesondere einen bestimmten Mindestdruck im Fluid. Insbesondere ist das Federelement jedoch mit einem Aktor kombiniert, so dass der Aktor vom Federelement unterstützt wird. Insbesondere weist das Federelement eine lineare Federkennlinie auf. Insbesondere weist das Federelement eine in Richtung zu einem größeren Volumen des Fluidraumes hin degressive Federkennlinie auf. Dies ermöglicht einen größeren Federhub (und damit Bewegungsspielraum des Bewegungsbereiches und damit Volumenausgleich im Fluidraum) bei gleichen Federkräften im Vergleich zu einer linearen Federkennlinie.In a preferred embodiment, the cooling arrangement includes at least one spring element that resiliently biases the second wall portion or the range of motion in relation to compression of the fluid space (a smaller, decreasing volume of the fluid space). Thus, for example, no actuator is necessary in order to move the second wall section in variant A) or the movement area in variant B) in relation to a compression/in the direction of smaller volumes of the fluid space. The spring element thus effects in particular a certain minimum pressure in the fluid. In particular, however, the spring element is combined with an actuator, so that the actuator is supported by the spring element. In particular, the spring element has a linear spring characteristic. In particular, the spring element has a degressive spring characteristic in the direction of a larger volume of the fluid space. This enables a larger spring stroke (and thus more freedom of movement of the movement area and thus volume compensation in the fluid space) with the same spring forces in comparison to a linear spring characteristic.
In einer bevorzugten Variante der oben genannten Ausführungsform mit Aktor ist der zweite Wandabschnitt nach Variante A) ausgeführt und der Aktor ist ein Linearantrieb zur Verschiebung des zweiten Wandabschnittes im ersten Wandabschnitt. Insbesondere bilden die Wandabschnitte die oben erläuterte „Kolben im Zylinder“-Konfiguration. Somit erfolgt eine besonders einfache motorische aktive Verstellung / Einstellung der Größe des Fluidraumes, insbesondere des Kolbens im Zylinder. Insbesondere kann diese Ausführungsform auch mit dem oben genannten Federelement kombiniert werden. Je nach Auslegung der Federkraft in Bezug auf die notwendigen Niederhaltekräfte des zweiten Wandabschnittes kann es erforderlich sein, dass der Aktor alleine Zugkräfte oder auch alleine Druckkräfte oder auch Zug- und Druckkräfte auf den zweiten Wandabschnitt ausüben muss. So können entsprechend viele Varianten von Aktorkonfigurationen gefunden werden.In a preferred variant of the above-mentioned embodiment with an actuator, the second wall section is designed according to variant A) and the actuator is a linear drive for displacing the second wall section in the first wall section. In particular, the wall sections form the "piston in cylinder" configuration discussed above. A particularly simple, motor-driven, active adjustment/adjustment of the size of the fluid space, in particular of the piston in the cylinder, is thus achieved. In particular, this embodiment can also be combined with the spring element mentioned above. Depending on the design of the spring force in relation to the necessary hold-down forces of the second wall section, it may be necessary for the actuator to exert tensile forces alone or compressive forces alone or also tensile and compressive forces on the second wall section. In this way, a correspondingly large number of variants of actuator configurations can be found.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wandabschnitt nach Variante B) ausgeführt und der Ausgleichsbehälter weist ein starres Gehäuse auf. Zumindest ein Teil des Gehäuses bildet den ersten Wandabschnitt. Im Innenraum des Gehäuses bzw. des Ausgleichsbehälters ist ein Dehnelement angeordnet. Zumindest ein Teil der Oberfläche des Dehnelements bildet den zweiten Wandabschnitt, insbesondere den Bewegungsbereich. Das Volumen des Dehnelements ist veränderbar, um die Gestalt des Bewegungsbereiches des zweiten Wandabschnittes zu verändern. So lassen sich besonders variantenreiche Ausführungsformen der Kühlanordnung bedarfsgerecht entwerfen. Das Dehnelement befindet sich also - insbesondere vollständig - im Ausgleichsbehälter und begrenzt (zusammen mit dem ersten Wandabschnitt) den Fluidraum. Das Fluid befindet sich außerhalb des Dehnelements.In a preferred embodiment, the second wall section is designed according to variant B) and the expansion tank has a rigid housing. At least part of the housing forms the first wall section. An expansion element is arranged in the interior of the housing or the expansion tank. At least part of the surface of the expansion element forms the second wall section, in particular the movement area. The volume of the expander is variable to change the shape of the range of motion of the second wall section. In this way, particularly varied embodiments of the cooling arrangement can be designed as required. The expansion element is therefore located—in particular completely—in the expansion tank and delimits (together with the first wall section) the fluid space. The fluid is outside of the expansion element.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist das Dehnelement ein in seiner Form und/oder Länge veränderbarer Faltenbalg. Durch Änderung von Form und/oder Länge ergibt sich eine Volumenänderung des Faltenbalges bzw. Dehnelements. Insbesondere ist der Faltenbalg einzig in einer Längserstreckungsrichtung eindimensional veränderbar, d.h. erfährt keine Biege-, sondern alleine eine Dehn- oder Stauchbewegung, um eine Volumenänderung zu bewirken. Somit ergibt sich eine besonders einfache Lösung für ein Dehnelement.In a preferred variant of this embodiment, the expansion element is a bellows whose shape and/or length can be changed. A change in shape and/or length results in a change in volume of the bellows or expansion element. In particular, the bellows can only be changed one-dimensionally in a direction of longitudinal extent, i.e. it does not undergo a bending movement, but only an expansion or compression movement in order to bring about a change in volume. This results in a particularly simple solution for an expansion element.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wandabschnitt nach Variante B) ausgeführt. Zumindest ein Teil des Ausgleichsbehälters und damit des Fluidraumes ist selbst als Dehnelement ausgeführt. Das Fluid befindet sich hier also - im Gegensatz zu oben - innerhalb des Dehnelements. Der erste Wandabschnitt ist zumindest teilweise durch einen Einlassbereich des Ausgleichsbehälters, ggf. des Dehnelements gebildet. Der Einlassbereich ist derjenige, der eine Einlassöffnung für das Fluid zum Anschluss an den Kühlkreislauf aufweist. Zumindest ein Teil des Bewegungsbereiches ist durch einen verformbaren Bereich des Dehnelements gebildet. Auch dies führt zu einer alternativen Lösung für einen Ausgleichsbehälter.In a preferred embodiment, the second wall section is designed according to variant B). At least a part of the expansion tank and thus of the fluid space is itself designed as an expansion element. So here fluid is - contrary to above - within expansion element. The first wall section is at least partially formed by an inlet area of the expansion tank, possibly the expansion element. The inlet area is that which has an inlet opening for the fluid for connection to the cooling circuit. At least part of the movement area is formed by a deformable area of the expansion element. This also leads to an alternative solution for an expansion tank.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist auch hier das Dehnelement ein in seiner Form und/oder Länge veränderbarer Faltenbalg. Der Bewegungsbereich oder zumindest der oben genannte Teil des Bewegungsbereiches ist dann durch zumindest einen Teil eines Balgbereiches des Faltenbalges gebildet. Die oben für den Faltenbalg (Fluid ist außerhalb diesem) getroffenen Aussagen gelten sinngemäß auch hier.In a preferred variant of this embodiment, the expansion element is also a bellows that can be changed in terms of its shape and/or length. The area of movement or at least the above-mentioned part of the area of movement is then formed by at least part of a bellows area of the bellows. The statements made above for the bellows (the fluid is outside of it) apply here as well.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform mit dem oben genannten Aktor ist der zweite Wandabschnitt zumindest teilweise auch durch zumindest einen Teil eines Angriffsbereiches des Aktors am Faltenbalg gebildet. Der Angriffsbereich dient dazu, dass der Aktor Form und / oder Länge des Faltenbalges aktiv verändern kann. Der Aktor dient also dazu bzw. ist dazu eingerichtet, den Faltenbalg in seiner Form / Länge zu manipulieren, insbesondere diesen ausschließlich linear zu dehnen oder zu stauchen. Dann ist der Aktor insbesondere ein Linearantrieb. Da aufgrund der aktorischen Bewegung auch der Angriffsbereich bewegt wird, bietet sich dieser besonders als Teil des zweiten Wandabschnittes, insbesondere Teil des Bewegungsbereiches an.In a preferred variant of this embodiment with the above-mentioned actuator, the second wall section is at least partially also formed by at least part of an area where the actuator acts on the bellows. The attack area is used so that the actuator can actively change the shape and/or length of the bellows. The actuator is therefore used or is set up to manipulate the shape/length of the bellows, in particular to stretch or compress it exclusively linearly. Then the actuator is in particular a linear drive. Since the attack area is also moved as a result of the actuator movement, this is particularly suitable as part of the second wall section, in particular part of the movement area.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Objektanordnung nach Anspruch 13. Diese enthält die erfindungsgemäße Kühlanordnung und das Objekt.The object of the invention is also achieved by an object arrangement according to claim 13. This contains the cooling arrangement according to the invention and the object.
Die Objektanordnung und zumindest ein Teil deren möglicher Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung erläutert.The object arrangement and at least some of its possible embodiments and the respective advantages have already been explained in connection with the cooling arrangement according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Objekt eine Brennstoffzellenanordnung. Diese enthält wenigstens eine durch die Kühlanordnung zu kühlende Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine solche in einem elektrisch angetriebenen Flugzeug und / oder in einem Flugzeug, bei dem ein Stromnetz des Flugzeuges dauerhaft oder zeitweise durch die aus den Brennstoffzellen gewonnene elektrische Energie gespeist ist. Mit anderen Worten könnte es sich alternativ oder zusätzlich auch um eine Brennstoffzelle handeln, die (nur) für eine Strom- oder Notstromversorgung (und gegebenenfalls nicht den Antrieb) des Flugzeugs genutzt wird. „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 dem 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 is a fuel cell assembly. This contains at least one fuel cell to be cooled by the cooling arrangement. The fuel cell is in particular one in an electrically powered aircraft and/or in an aircraft in which a power supply system of the aircraft is fed permanently or temporarily by the electrical energy obtained from the fuel cells. In other words, it could alternatively or additionally also be a fuel cell that (only) is used for power or emergency power supply (and if not the engine(s) of the aircraft is used. "Powered" is understood to refer to the aircraft's main engine for flight. So the aircraft is not driven by internal combustion engines / turbines / engines, but by electric motors, eg 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/regulation properties.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Flugzeug gemäß Patentanspruch 15. Dieses enthält die oben beschriebene Objektanordnung mit der Brennstoffzellenanordnung als Objekt. Das Flugzeug ist bzw. wird wie oben beschrieben im Flug durch die aus den Brennstoffzellen gewonnene elektrische Energie angetrieben und / oder ein Stromnetz des Flugzeugs ist bzw. wird dauerhaft oder zeitweise durch die aus den Brennstoffzellen gewonnene elektrische Energie gespeist.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 Objektanordnung und der erfindungsgemäßen Kühlanordnung erläutert.The aircraft and at least some of its possible embodiments and the respective advantages have already been explained in connection with the object arrangement according to the invention and the cooling arrangement 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 der Idee der Entwicklung eines Ausgleichsbehälters mit insbesondere aktiver Reglung des Fluidvolumens unter Ausschluss von Kontakt des Fluids mit Sauerstoff in kompakter bzw. raumsparender Bauweise.The invention is based on the idea of developing a compensating tank with, in particular, active regulation of the fluid volume while excluding contact of the fluid with oxygen in a compact and space-saving design.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass es aus der Praxis bzw. dem Stand der Technik bekannt ist, ein Ausgleichsgefäß mit einem Gasraum (Vorspannvolumen / Membran / Ausgleichsvolumen, passiv) zu nutzen: Im Allgemeinen werden in Fluidkreisläufen passive Ausgleichsbehälter zur Kompensation der Wärme- / Volumenausdehnung der Fluide verwendet. Hierbei wird eine Gasblase (Vorspannvolumen) bei Ausdehnung der Flüssigkeit komprimiert. Nur durch einen ausreichend großen Gasraum (Vorspannvolumen) entsteht ein flacher Druckanstieg.The invention is based on the observation that it is known from practice or the state of the art to use an expansion tank with a gas space (preload volume/membrane/equalization volume, passive): In general, passive expansion tanks are used in fluid circuits to compensate for the heat / Volume expansion of the fluids used. Here, a gas bubble (preload volume) is compressed when the liquid expands. Only with a sufficiently large gas space (preload volume) does a flat increase in pressure occur.
Die Erfindung beruht auf folgender Idee: Um den Systemdruck (Druck im Fluid) konstant zu halten bzw. auf einen gewünschten Wert einzustellen, wird der Ausgleichsbehälter insbesondere als Zylinder mit einem Kolben / Faltenbalg ausgeführt. „Unterhalb“ des Kolbens (auf der dem Fluidraum zugewandten Seite des Kolbens) befindet sich das Fluid und optional ein kleiner Gasraum (Pufferelement). Bei Ausdehnung des Fluids wird der Druckanstieg (im Kühlkreislauf / Fluidraum) optional durch Sensoren detektiert und der Kolben / Faltenbalg durch eine von außen wirkende Kraft (z.B. Linearantrieb (Aktor) etc. und / oder Federkraft) direkt oder mittels Hebelmechanik (zwischen Aktor und zweitem Wandabschnitt / Bewegungsbereich) herausgezogen und damit das zur Verfügung stehende Volumen (des Fluidraumes) vergrößert. Dadurch wird dem durch die Ausdehnung des Fluids entstehenden Druckanstieg im Kühlkreislauf / Fluidraum entgegengewirkt, um den Druck z.B. unterhalb eines Maximaldrucks zu halten. Ein kleiner Gasraum (Pufferelement, evtl. als abgeschlossener Ballon) dient der Pufferung von Druckstößen und ermöglicht eine feine Regelung. Bei Abkühlung sinkt der Systemdruck (Druck im Fluid) was ebenfalls durch die Sensorik erfasst wird und der Kolben / Faltenbalg wird nach innen (zum Fluidraum hin) gedrückt um das Volumen (des Fluidraumes) wieder zu verkleinern. Dies bedingt einen Druckanstieg (im Fluid), der den Druckabfall durch die Abkühlung (Volumenabnahme des Fluids) kompensiert, um z.B. einen Minimaldruck im Fluid aufrecht zu erhalten.The invention is based on the following idea: In order to keep the system pressure (pressure in the fluid) constant or set it to a desired value, the expansion tank is designed in particular as a cylinder with a piston/bellows. “Below” the piston (on the side of the piston facing the fluid space) is the fluid and optionally a small gas space (buffer element). When the fluid expands, the increase in pressure (in the cooling circuit / fluid space) is optionally detected by sensors and the piston / bellows is released by an external force (e.g. linear drive (actuator) etc. and / or spring force) directly or by means of a lever mechanism (between the actuator and the second Wall section / range of motion) pulled out and thus the available volume (of the fluid space) increased. This counteracts the pressure increase in the cooling circuit/fluid space caused by the expansion of the fluid, in order to keep the pressure below a maximum pressure, for example. A small gas space (buffer element, possibly as a closed balloon) is used to buffer pressure surges and enables fine control. When it cools down, the system pressure (pressure in the fluid) drops, which is also recorded by the sensors and the piston / bellows is pressed inwards (towards the fluid space) to reduce the volume (of the fluid space) again. This causes an increase in pressure (in the fluid) that compensates for the drop in pressure due to the cooling (decrease in volume of the fluid) in order, for example, to maintain a minimum pressure in the fluid.
Durch diese Art der Drucksteuerung / -regelung kann der Ausgleichsbehälter deutlich kleiner ausgeführt werden als bei der aus dem Stand der Technik bekannten passiven Gasblase (Vorspannvolumen), da diese schlicht entfällt. Dies bedingt gerade im Flugzeug deutliche Einsparungen beim Gewicht (Umhüllung des Vorspannvolumens entfällt) und dem Bauraum (Vorspannvolumen entfällt). Außerdem werden eine feinere Druckregelung und damit ein kleinerer Systemgesamtdruck (insbesondere weniger Schwankung des Drucks im Fluid) möglich.This type of pressure control/regulation means that the expansion tank can be made significantly smaller than in the case of the passive gas bubble (preload volume) known from the prior art, since this is simply not required. This requires significant savings in terms of weight (no encasing of the prestressed volume) and installation space (no prestressed volume) in aircraft. In addition, a finer pressure control and thus a smaller total system pressure (in particular less fluctuation of the pressure in the fluid) are possible.
Durch die Kombination eines kleinen Gasraums (Pufferelement) zur Pufferung von Druckspitzen mit der motorischen Veränderung des Volumens (Aktor) können sehr kleine Ausgleichsbehälter verwendet werden, die gleichzeitig eine sehr feine Druckregelung erlauben.The combination of a small gas space (buffer element) for buffering pressure peaks with the motorized change in volume (actuator) means that very small expansion tanks can be used, which at the same time allow very fine pressure control.
Gemäß der Erfindung ergibt sich somit ein insbesondere aktiv geregelter Ausgleichsbehälter, der mittels mechanischer Verstellung (Aktor / Federelement) einer Trennvorrichtung (zweiter Wandabschnitt / Bewegungsbereich) den gewünschten Druck (im Fluid) einsteuert / einregelt. Gleichzeitig wird ein Kontakt des Fluids zu Sauerstoff vermieden.According to the invention, this results in a particularly actively controlled expansion tank, which by means of mechanical adjustment (actuator/spring element) of a separating device (second wall deflector section / range of motion) controls / regulates the desired pressure (in the fluid). At the same time, contact of the fluid with oxygen is avoided.
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 einer Brennstoffzelle, die von einer Kühlanordnung gekühlt wird, -
2 einenzu 1 alternativen Ausgleichsbehälter mit enthaltenem Dehnelement außerhalb des Fluids, -
3 einenzu 1 alternativen Ausgleichsbehälter mit fluidgefülltem Dehnelement, -
4 einenzu 1 alternativen Ausgleichsbehälter mit Federelement, -
5 einenzu 1 alternativen Ausgleichsbehälter mit verlängertem Federelement, -
6 unterschiedliche Federkennlinien für dieFederelemente aus 4 und5 .
-
1 an aircraft with a fuel cell cooled by a cooling arrangement, -
2 one to1 alternative reservoir with included expansion element outside the fluid, -
3 one to1 alternative expansion tank with fluid-filled expansion element, -
4 one to1 alternative reservoir with spring element, -
5 one to1 alternative reservoir with extended spring element, -
6 different spring characteristics for thespring elements 4 and5 .
Das Flugzeug 2 enthält daher eine Objektanordnung 6; diese umfasst das Objekt 4 sowie eine Kühlanordnung 8 zur Kühlung des Objekts 4, hier der dargestellten Brennstoffzelle. Die Kühlanordnung 8 dient also zur Kühlung des Objekts 4.The
Die Kühlanordnung 8 enthält einen Kühlkreislauf 10 zur eigentlichen Kühlung des Objekts 4. Im Betrieb ist der Kühlkreislauf 10 von einem inkompressiblen Fluid 12 (Medium, in
Aufgrund von Änderungen des gesamten Temperaturniveaus des Fluids 12 unterliegt dieses einer Ausdehnung bei Erwärmung und Schrumpfung bei Abkühlung, d.h. das Volumen VF des Fluids 12 variiert. Bei dem Volumen VF des Fluids 12 ist hierbei dasjenige Volumen angesprochen, welches das Fluid 12 ohne Zwang, d.h. z.B. bei Atmosphärendruck annehmen würde. Tatsächlich steht jedoch für das Fluid 12 lediglich das Gesamtvolumen von Kühlkreislauf 10 (dieses wird vorliegend stets als konstant angenommen) zuzüglich des Volumens VR des Fluidraum 20 zur Verfügung. Die (vom Fluid „erwünschte“) Ausdehnung führt (wenn diese nicht stattfinden kann) zu einer Druckerhöhung des Drucks p des Fluids 12 im Kühlkreislauf 10 und Fluidraum 12 (wenn dieser konstantes Volumen VR aufweist).Due to changes in the overall temperature level of the fluid 12, it expands when heated and contracts when cooled, i.e., the volume VF of the fluid 12 varies. The volume VF of the fluid 12 refers to the volume that the fluid 12 would assume without being forced, i.e. at atmospheric pressure, for example. In fact, however, only the total volume of the cooling circuit 10 (this is always assumed to be constant in the present case) plus the volume VR of the
Um diese Volumenänderung im Fluid 12 auszugleichen, ist am Kühlkreislauf 10 ein Ausgleichsbehälter 16 angeschlossen. Der „Anschluss“ ist hier durch eine Ausgleichsleitung 18 symbolisch dargestellt. Der Ausgleichsbehälter 16 kann jedoch alternativ auch direkt am Kühlkreislauf angeschlossen sein. Der Ausgleichsbehälter 16 weist einen Fluidraum 20 auf, der hier vollständig gefüllt ist und ein gesamtes Volumen VR aufweist. Ein Teil der Füllung besteht aus dem Fluid 12, der restliche Teil der Füllung aus einem kompressiblen Pufferelement 22. Das Pufferelement 22 ist hier ein kompressibel elastischer Gegenstand 26, hier eine mit Gas gefüllte elastische Blase. Das Pufferelement 22 ist ebenfalls Teil der Kühlanordnung 8. Vorliegend ist also der Fluidraum 20 nur teilweise mit dem Fluid 12 gefüllt.In order to compensate for this change in volume in the fluid 12 , a compensating
Der Ausgleichsbehälter 16 weist einen ersten starren Wandabschnitt 28a auf, der hier nach Art eines topfförmigen Zylinders mit Boden ausgeführt ist. Der Ausgleichsbehälter 16 weist auch einen zweiten, hier ebenfalls starren Wandabschnitt 28b auf, der hier gemäß einer Variante A) der Erfindung nach Art eines Kolbens ausgeführt ist, der im Zylinder mit einem einzigen Freiheitsgrad linear gleiten kann. Hier ist also der zweite Wandabschnitt 28b insgesamt starr und relativ zum ersten Wandabschnitt 28a beweglich ausgeführt. Die ausschließlich lineare eindimensionale Beweglichkeit ist in der
Erster Wandabschnitt 28a (dessen bis zum Kolben reichender unterer Teil) und zweiter Wandabschnitt 28b umgrenzen zusammen den Fluidraum 20. Der Fluidraum 20 ist also einzig durch die Wandabschnitte 28a und 28b vollständig umgrenzt. Die Beweglichkeit des Bewegungsbereiches 34 in Richtung des Doppelpfeils 32 führt dazu, dass das Volumen VR des Fluidraums 20 veränderbar ist.
Bei einer Zunahme des Volumens VF (wenn dieses sich ungehindert ausdehnen kann) des Fluids 12 im Kühlkreislauf 10 aufgrund von Temperaturerhöhung (gesamtes Temperaturniveau aller Anteile des Fluids 12) weicht ein so entstehender zusätzlicher Volumenanteil des Fluids über die Ausgleichsleitung 18 in den Ausgleichsbehälter 16 bzw. den Fluidraum 20 aus. Durch aktives Verschieben des zweiten Wandabschnittes 28b (in
Um die entsprechende Bewegung des zweiten Wandabschnittes 28b zu bewerkstelligen, enthält die Kühlanordnung 8 einen Aktor 36, hier ein elektrischer Antrieb in Form eines Linearmotors, der ein Abtriebselement 38 aufweist, welches in Richtung des Doppelpfeils 40 linear verfahrbar ist. Der Aktor 36 bzw. das Abtriebselement 38 ist direkt - also ohne Zwischenschaltung eines Hebelgetriebes oder einer sonstigen Übertragungsanordnung - mit dem zweiten Wandabschnitt 28b verbunden. Der Aktor 36 ist damit als eine Betätigungseinheit (elektromechanischer Linearantrieb) zur aktiven Verstellung des Bewegungsbereiches 34 eingerichtet.In order to bring about the corresponding movement of the
Durch die aktorische Verstellung (Aktor 36) des Bewegungsbereiches 34 / zweiten Wandabschnittes 28b und damit des Volumens VR des Fluidraums 20 wird auch das Gesamtvolumen, welches für das Fluid 12 in der Kühlanordnung 8 (einschließlich Kühlkreislauf 10) zur Verfügung steht, verändert. Im Verhältnis der Volumina, welche das Fluid 12 aufgrund seiner Temperatureigenschaften (im drucklosen Zustand) einnehmen möchte (Fluidvolumen VF), und welches tatsächlich für das Fluid 12 zur Verfügung steht (hier Betrachtung des Fluidraumvolumens VR, da nur dieses veränderbar ist) ergibt sich so ein Druck p im Fluid 12. Durch die Einstellung des Volumens VR, welches also für das Fluid 12 zur Verfügung gestellt wird, kann der Druck p im Fluid 12 eingestellt werden. Insbesondere kann dieser somit in einem Bereich zwischen einem Minimaldruck pmin und einem Maximaldruck pmax gehalten werden (in
Insgesamt zeigt
Der starre Wandabschnitt 28a ist hier Teil eines starren Gehäuses 42 des Ausgleichsbehälters 16. Um die Bewegung des zweiten Wandabschnittes zu ermöglichen, verfügt der Ausgleichsbehälter 16 bzw. das Gehäuse 42 über einen Raum in Form eines Arbeitsvolumens 68, dass sich auf der dem Fluidraum 20 gegenüberliegenden Seite des zweiten Wandabschnittes 28b befindet. Das Gehäuse 42 bzw. der Ausgleichsbehälter 16 enthält einen Einlassbereich 52. Dieser wiederum enthält eine Einlassöffnung 54 für das Fluid 12 zum Einströmen in den / aus dem Ausgleichsbehälter 16. Die Einlassöffnung 54 dient damit zum Anschluss des Ausgleichsbehälters an die Ausgleichsleitung 18 bzw. über diese an den Kühlkreislauf 10.The
Das Dehnelement 44 ist hier als Faltenbalg 48 ausgeführt, der in seiner Form bzw. Länge veränderbar ist. Vorliegend ist der Faltenbalg entlang seiner Längserstreckungsrichtung 49 linear dehnbar oder stauchbar. Die Längenveränderung ist wieder durch einen Pfeil 32 angedeutet. Der Aktor 36 ist entsprechend
Auch
Der erste Wandabschnitt 28a ist hier ausschließlich durch den Einlassbereich 52 des Ausgleichsbehälters 16 gebildet, welcher wieder die Einlassöffnung 54 für das Fluid 12 in den Ausgleichsbehälter 16 enthält. Die Einlassöffnung 54 dient damit zum Anschluss an den Kühlkreislauf 10 bzw. die Ausgleichsleitung 18. Das Arbeitsvolumen 68 umgibt den Faltenbalg 48 innerhalb des Gehäuses 42.The
Auch hier ist der zweite Wandabschnitt 28b also nach Variante B) der Erfindung ausgeführt. Der Bewegungsbereich 34 ist - wie in Figur zwei - durch einen verformbaren Bereich des Dehnelements 44 gebildet. Dieser verformbare Bereich ist wie oben der Balgbereich 56 des Faltenbalges 48. Ein weiterer Teil des zweiten Wandabschnittes 28b (außerhalb des formveränderlichen Bewegungsbereiches 34) ist hier ebenfalls wie oben durch den Angriffsbereich 50 des Faltenbalges 48 für den Aktor 36 bzw. dessen Abtriebselement 38 gebildet. Auch hier dient der Aktor 36 also dazu, die Form bzw. Länge des Faltenbalges 48 bzw. von dessen Balgbereich 56 zu verändern. Dies erfolgt wieder durch Dehnen und Stauchen entlang der Längserstreckungsrichtung 49 des Faltenbalges 48.Here, too, the
Auch
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- FlugzeugAirplane
- 44
- Objektobject
- 66
- Objektanordnungobject arrangement
- 88th
- Kühlanordnungcooling arrangement
- 1010
- Kühlkreislaufcooling circuit
- 1212
- FluidFluid
- 1414
- PfeilArrow
- 1515
- Pumpepump
- 1616
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 1818
- Ausgleichsleitungcompensation line
- 2020
- Fluidraumfluid space
- 2222
- Pufferelementbuffer element
- 2424
- Gas (lose)gas (loose)
- 2626
- GegenstandObject
- 28a28a
- erster Wandabschnittfirst wall section
- 28b28b
- zweiter Wandabschnittsecond wall section
- 3232
- Doppelpfeildouble arrow
- 3434
- Bewegungsbereichrange of motion
- 3636
- Aktoractuator
- 3838
- Abtriebselementoutput element
- 4040
- Doppelpfeildouble arrow
- 4242
- GehäuseHousing
- 4444
- Dehnelementstretching element
- 4646
- Oberflächesurface
- 4848
- Faltenbalgbellows
- 4949
- Längserstreckungsrichtunglongitudinal direction
- 5050
- Angriffsbereichattack range
- 5252
- Einlassbereichentry area
- 5454
- Einlassöffnungintake port
- 5656
- Balgbereichbellows area
- 6060
- Federelementspring element
- 6262
- PfeilArrow
- 6464
- Führungguide
- 6666
- Federraumspring room
- 6868
- Arbeitsvolumenvolume of work
- 7070
- Federkernlinie innerspring line
- VRVR
- Volumen (Fluidraum)volume (fluid space)
- VDvd
- Volumen (Dehnelement)Volume (expansion element)
- VFvf
- Volumen (Fluid)volume (fluid)
- pp
- DruckPrint
- pminpmin
- Minimaldruckminimal pressure
- pmaxpmax
- Maximaldruckmaximum pressure
- Ff
- Federkraftspring force
- ss
- Federwegtravel
- LL
- Federlängespring length
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102017001447 A1 [0002]DE 102017001447 A1 [0002]
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