WO2023232537A1 - Cooling device, control device and cooling system for cooling a cooling fluid by means of air and evaporation cooling - Google Patents

Cooling device, control device and cooling system for cooling a cooling fluid by means of air and evaporation cooling Download PDF

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WO2023232537A1
WO2023232537A1 PCT/EP2023/063630 EP2023063630W WO2023232537A1 WO 2023232537 A1 WO2023232537 A1 WO 2023232537A1 EP 2023063630 W EP2023063630 W EP 2023063630W WO 2023232537 A1 WO2023232537 A1 WO 2023232537A1
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WO
WIPO (PCT)
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cooling
channel
fluid
evaporative
cooling fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/063630
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German (de)
French (fr)
Inventor
Max WAGENBLAST
Robin HAAS
Jan Swoboda
Jürgen Köhler
Original Assignee
Man Truck & Bus Se
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Publication date
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D5/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
    • F28D5/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F25/00Component parts of trickle coolers
    • F28F25/02Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
    • F28F25/06Spray nozzles or spray pipes

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling, a method for cooling the cooling fluid by means of the cooling device and a motor vehicle comprising the cooling device.
  • the invention further relates to a control device for a cooling device designed to cool a cooling fluid, preferably the cooling device, a cooling system with the cooling device and a motor vehicle comprising the cooling system.
  • a possible solution is the use of a vehicle-autonomous evaporative cooling system, in which the product water from the fuel cell is collected in order to spray it onto the front heat cooler in the vehicle and thereby achieve an increase in cooling performance through evaporation of the sprayed water on the cooler surface.
  • the evaporation water can e.g. B. can also be provided by filling a water tank.
  • the basic principle is to utilize the necessary enthalpy of evaporation for the phase change of water from liquid to gaseous. This makes it possible to achieve locally very high heat flux densities through the simultaneous mass and heat transfer.
  • Non-adiabatic evaporation occurs on the cooler surface (ie the cooling fins and the pipe surfaces), with the evaporation of the water occurring simultaneously with heat transfer from the cooler to the water.
  • adiabatic evaporation occurs in the air flow. If the cooling air is not yet completely saturated (the relative humidity is less than 100%), the incoming cooling air cools down due to the extracted heat of evaporation. The air inlet temperature drops and the temperature difference between the cooling fluid and the incoming cooling air increases. This increases the heat transfer ability of the cooler.
  • a well-known vehicle-side implementation is the attachment of one or more nozzles in the air flow (upstream) for targeted water injection.
  • the nozzles are arranged in such a way that the surface of the cooler is wetted and the air flow is humidified.
  • this known arrangement of the nozzles has some disadvantages.
  • the nozzles have to be accommodated in the front of the vehicle, which requires additional installation space and, by blocking the air path, reduces the cooling air mass flow under otherwise identical conditions.
  • the cooling performance of the heat transfer is reduced accordingly.
  • the air-side heat transfer typically represents the limiting factor of the entire heat transfer.
  • a very large amount of air is required, which in turn means a high use of electrical energy in the form of fan power.
  • Introducing the nozzles creates a further obstacle that the cooling air must overcome in order to be able to provide a sufficient cooling effect.
  • the increase in cooling performance due to evaporative cooling is lower at higher vehicle speeds, since a secondary air flow through the cooler, which, among other things, depends on the space available for the cooler, a large part of the sprayed water is directed past the cooler.
  • the spray cone of the nozzles changes depending on the vehicle speed.
  • the sprayed area can therefore only be optimized for one operating point (mainly characterized by vehicle speed and fan speed of a fan). This requires a high level of application effort when commissioning and testing the motor vehicle.
  • the spraying of water cannot wet the entire radiator surface in the motor vehicle, despite the complex nozzle alignment.
  • the non-optimal positioning of the nozzles due to limited installation space and other vehicle components means that part of the radiator surface is not reached by water and remains unused to increase cooling performance.
  • the excess water that has not evaporated does not contribute to increasing cooling performance and remains unused.
  • a cooling device for cooling a cooling fluid using air and evaporative cooling.
  • the cooling device includes at least one cooling module.
  • the at least one cooling module has a first channel for the cooling fluid (i.e. for guiding the cooling fluid), a second channel for an evaporative cooling fluid (i.e. for guiding the evaporative cooling fluid), and air-coolable cooling elements which are arranged on the first channel for thermal coupling.
  • the air-coolable cooling elements can, for. B. be designed as cooling fins and / or have a fin and louver geometry.
  • cooling air paths for the passage of cooling air flowing through can be formed in the cooling elements and/or between the cooler elements and the first channel. The cooling air paths can in particular run perpendicular to a longitudinal direction of the first channel and/or a flow direction of the cooling fluid in the first channel.
  • the first channel and the air-coolable cooling elements expediently serve as heat exchangers of a heat flow from the cooling fluid to a cooling air.
  • the cooling air flowing along the surfaces of the cooling elements and the first channel (and thus flowing through the cooling air paths) can thus absorb heat from the mostly hot cooling fluid.
  • the driving force for heat transfer is the temperature difference between the cooling fluid and the cooling air.
  • the mass flow of the cooling air which is influenced by a pressure loss along the cooling air paths and the heat-transferring surfaces, can be decisive for the performance of the heat transfer.
  • the second channel has a perforation for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid.
  • the second channel is integrated and/or arranged (e.g. inserted) within the first channel.
  • the second channel further has an outer wall section common to the first channel, which faces the cooling elements and on (and/or in) which the perforation is formed.
  • the first channel is expediently fluidly separated from the second channel, with in particular an interior of the first channel being fluidly separated from the perforation.
  • the cooling device can e.g. B. a combination of a (known) heat exchanger, comprising the first channel for the cooling fluid and the air-coolable cooling elements, and one or more (integrated) dispensing devices (or spraying devices) for dispensing the evaporative cooling fluid, comprising the second channel for the evaporative cooling fluid.
  • the cooling device can therefore also be referred to as a hybrid cooling device.
  • the present disclosure thus provides a solution with improved cooling, in particular a more efficient use of evaporative cooling by wetting with the evaporative cooling fluid.
  • the arrangement of the second channel and the perforation means that the surfaces of the cooling elements can be wetted as directly as possible with the evaporative cooling fluid, i.e. H.
  • Essentially exclusive non-adiabatic evaporative cooling is implemented.
  • Non-adiabatic evaporative cooling is significantly more effective in terms of a possible increase in cooling performance with the same amount of water compared to adiabatic evaporation (humidification of the cooling air by the evaporative cooling fluid). Therefore, the adiabatic evaporation, the ratio between the increase in cooling performance achieved and the amount of evaporative cooling fluid used is significantly lower than with direct wetting of the cooling surfaces, can be avoided if possible or at least greatly reduced with the cooling device.
  • the evaporative cooling fluid By arranging the second channel within the first channel (and thus at least in sections within the cooling fluid), the evaporative cooling fluid also absorbs part of the waste heat to be dissipated from the cooling fluid by heat conduction. Since the enthalpy of evaporation varies from e.g. B. Water as an evaporative cooling fluid only changes slightly with increasing temperature in the range of 25 ° C and 100 ° C, the heat flow of the cooling fluid to the evaporative cooling fluid only results in a negligible reduction in the increase in cooling performance due to evaporation. In addition, it can Heat absorbed by the evaporative cooling fluid is transferred to the cooling air when discharged through the perforation.
  • Cooling air flowing past which typically has a lower temperature than the cooling fluid, absorbs heat from the surfaces of the cooling elements and thereby cools the cooling elements.
  • the first channel itself cannot be flowed through by the cooling air, so that due to its design, the air-side pressure loss of the cooling air is increased as it flows through the cooling device. The higher the pressure loss, the lower the cooling air mass flow and thus the cooling performance. Since the second channel is arranged within the first channel, this does not lead to any further increase in pressure loss.
  • the nozzles for dispensing the evaporative cooling fluid according to the prior art are arranged upstream of a heat exchanger, therefore represent an obstacle for the cooling air in the direction of the heat exchanger, and thus additionally contribute to the pressure loss.
  • the perforation is arranged such that the evaporative cooling fluid is discharged (or injected) into cooling air paths formed by the cooling elements and the first channel.
  • surface sections of the cooling elements are preferably arranged directly opposite the individual openings of the perforation. This results in the heat-transferring surfaces of the cooling elements being wetted more evenly or homogeneously with the evaporative cooling fluid, which simultaneously results in a lower film height of the evaporative cooling fluid on the surfaces. Wetting of the heat-transferring surfaces and an increase in the film height leads to the geometric cross-section that is important for the air flow being narrowed.
  • the air mass flow is subject to a higher pressure loss. With the same boundary conditions, a lower air mass flow occurs and the heat transfer decreases. This effect can be greatly reduced by uniform networking.
  • the film height of the evaporative cooling fluid on the surfaces forms an additional thermal conduction resistance between the cooling fluid and the cooling air, which must be overcome.
  • a lower film height, which can be achieved by the cooling device, also means that the thermal conduction resistance is kept as low as possible. If the cooling elements have a lamella and louver geometry, the more uniform wetting with the evaporative cooling fluid can also prevent or at least limit the louvers from being covered with the evaporative cooling fluid. Covering the Louver would result in the turbulatory effect of the Louver being reduced or completely disappearing. The air flow through the cooling elements would therefore be less turbulent or even laminar. The ratio of heat conduction in the air flow would be lower than the convective heat transport in the cooling air (compared to conventional cooling without evaporative cooling), ie less heat would be removed from the cooling fluid.
  • the common outer wall section can be formed by an outer wall section of the second channel and an outer wall section of the first channel, which are arranged adjacent to one another (e.g. overlapping) and have common passages (e.g. aligned passages in the outer wall section of the second Channel and the outer wall section of the first channel) to form the perforation.
  • the common passages are designed to be fluidically sealed to an interior of the first channel.
  • the first channel can be formed by a first tube, in particular a flat tube.
  • the second channel can be formed by a second tube, in particular a round tube.
  • a wall section of the second tube, in which first openings are formed, can rest on a wall section of the first tube, in which second openings arranged in alignment with the first openings are formed, to form the perforation.
  • the at least one cooling module can comprise a plurality of cooling modules which are arranged adjacent to one another, in particular in such a way that the cooling elements of one of the plurality of cooling modules are arranged on the first channel of another one of the plurality of cooling modules in addition to the thermal coupling.
  • the cooling modules can be arranged in one plane and aligned in the same way.
  • the cooling modules can in particular form a stack. This offers e.g. B. the possibility of adapting the cooling device to the corresponding application and the installation space.
  • the number of cooling modules and thus the number of the first channels can e.g. B. from the quantity to cooling fluid and the temperature to which the cooling fluid is to be cooled down.
  • the cooling device may further comprise a first supply line for the evaporative cooling fluid and a second supply line for the evaporative cooling fluid.
  • the first supply line and the second supply line can be fluidly connected to at least one evaporative cooling fluid reservoir.
  • an evaporative cooling fluid delivery device for adjusting a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid, which is supplied to the first supply line and the second supply line can be arranged between the evaporative cooling fluid reservoir and the first supply line and between the evaporative cooling fluid reservoir and the second supply line.
  • the second channel may have a first end that is fluidly connected to the first supply line and a second end that is fluidly connected to the second supply line.
  • the second channel can thus be used on both sides, e.g. B. with the same fluid pressure as the evaporative cooling fluid. This allows the evaporative cooling fluid to emerge evenly from the openings of the perforation and the cooling elements to be wetted evenly.
  • the first feed line and/or the second feed line can be arranged at least in sections at the end of the first channel, in particular adjacent to it.
  • the first supply line and the second supply line can run parallel to one another at least in sections.
  • the first feed line and the second feed line can run at least in sections perpendicular to the second channel.
  • the first supply line, the second supply line and the second channels of the plurality of cooling modules can form a ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid. This results in a design that is as easy to implement as possible for supplying and discharging the evaporative cooling fluid. Due to the end-side arrangement of the first supply line and/or the second supply line, part of the waste heat to be dissipated can also be absorbed from the cooling fluid by heat conduction.
  • the first channels of the plurality of cooling modules e.g. B. meandering, fluidly connected to each other.
  • an end of the first channel of one of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to an end of the first channel of an adjacent one of the plurality of cooling modules.
  • the fluidically connected first channels can have two ends for connecting a cooling fluid circuit (and/or integrating the first channels into a cooling fluid circuit).
  • the second channels of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another, in particular through the first supply line and the second supply line.
  • the perforation can extend in the longitudinal direction of the second channel.
  • the cooling elements can be arranged essentially in the longitudinal direction of the first channel.
  • a width of the cooling elements can be smaller than or substantially equal to a width of the first channel.
  • the first channel and the second channel can run parallel to one another and/or in the same plane.
  • the second channel can extend beyond the first channel on both sides and/or can be led out of the first channel at the end (on both end sides of the first channel), preferably in a fluid-tight manner.
  • the at least one cooling module can have a third channel for the evaporative cooling fluid.
  • the third channel can e.g. B. be arranged outside the first channel, preferably adjacent.
  • the third channel can have a perforation facing the cooling elements for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid.
  • the networking of the cooling elements can be improved even further.
  • the third channel can serve to wet outer areas of the cooling elements that can only be reached with difficulty by the perforation of the second channel.
  • the third channel can be arranged in particular on a front side of the first channel, preferably seen in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
  • the third channel and the second channel can run parallel to each other.
  • the third channel can be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel. This design and arrangement of the third channel allows the additional pressure loss of the cooling air to be kept as low as possible. If the third channel is arranged at the front of the first channel, the third channel creates a slipstream for the first channel and additionally an air-conducting effect, so that the pressure loss for the cooling air is only slightly increased by the additional third channel.
  • the third channel can e.g. B. be attached to the first channel by an adhesive, weld or screw connection. This makes it possible to manufacture the third channel separately from the arrangement of the first and second channels and to attach it later in a modular manner.
  • the perforation of the third channel may be formed in an outer wall of the third channel and extend in the longitudinal direction of the third channel (and preferably parallel to the perforation of the second channel).
  • the perforation of the third channel can be tapered towards the cooling elements.
  • the third channel and the second channel can be designed to be fluidically separated.
  • the cooling device may further comprise a third supply line for the evaporative cooling fluid and a fourth supply line for the evaporative cooling fluid.
  • the third channel may have a first end fluidly connected to the third supply line and a second end fluidly connected to the fourth supply line.
  • the third channel can also be used on both sides, e.g. B. with the same fluid pressure as the evaporative cooling fluid.
  • the third feed line and the fourth feed line can run parallel to one another at least in sections.
  • the third feed line and the fourth feed line can run at least in sections perpendicular to the third channel.
  • the third supply line, the fourth supply line and the third channels of the plurality of cooling modules can form a (second) ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
  • the at least one cooling module can have further channels for the evaporative cooling fluid.
  • the at least one cooling module can z. B. have a fourth channel for the evaporative cooling fluid.
  • the fourth channel can e.g. B. be arranged outside the first channel, preferably adjacent.
  • the fourth channel can have a perforation facing the cooling elements for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid.
  • the fourth channel can be arranged on a rear side of the first channel, particularly as seen in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements be.
  • the fourth channel and the second channel can run parallel to each other.
  • the fourth channel can be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel.
  • the fourth channel can e.g. B. can be attached to the first channel by an adhesive, weld or screw connection.
  • the perforation of the fourth channel may be formed in an outer wall of the fourth channel and extend in the longitudinal direction of the fourth channel (and preferably parallel to the perforation of the second channel).
  • the perforation of the third channel can be tapered towards the cooling elements.
  • the fourth channel, the third channel and the second channel can be designed to be fluidically separated.
  • the cooling device may further comprise a fifth supply line for the evaporative cooling fluid and a sixth supply line for the evaporative cooling fluid.
  • the fourth channel may have a first end fluidly connected to the fifth supply line and a second end fluidly connected to the sixth supply line.
  • the fifth feed line and the sixth feed line can run parallel to one another at least in sections.
  • the fifth feed line and the sixth feed line can run at least in sections perpendicular to the fourth channel.
  • the fifth supply line, the sixth supply line and the fourth channels of the plurality of cooling modules can form a (third) ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
  • the first channel, the second channel and the cooling elements (and preferably the third channel and the fourth channel) of the at least one cooling module can be the same material, preferably a metal, e.g. B. aluminum.
  • a metal e.g. B. aluminum.
  • This can z. B. good thermal conductivity from the cooling fluid within the first channel to the cooling elements or to the evaporative cooling fluid in the other channels can be guaranteed.
  • Aluminum is particularly suitable because, in addition to its high thermal conductivity, aluminum also has high strength, good corrosion resistance and a low specific weight, which is particularly suitable for the production of the cooling device.
  • a method for cooling a cooling fluid includes providing the cooling device as disclosed herein.
  • the method further comprises supplying the cooling fluid into the first channel of the at least one cooling module of the cooling device and supplying a Evaporative cooling fluid into the second channel of the at least one cooling module of the cooling device.
  • the method further comprises discharging the evaporative cooling fluid by means of the perforation of the cooling device and wetting the cooling elements of the cooling device with the evaporative cooling fluid.
  • a motor vehicle preferably a commercial vehicle
  • the cooling device can preferably be arranged on a vehicle front of the motor vehicle. In this way, driving air can be used as cooling air that flows past the cooling elements.
  • the cooling device can include a fan for generating a cooling air flow.
  • the cooling device in particular the first channel of the at least one cooling module, can be integrated in a cooling circuit for a fuel cell arrangement.
  • the motor vehicle can be a motor vehicle with a fuel cell drive. This can at least partially solve the cooling problem of fuel cells at high ambient temperatures.
  • the use of the cooling device can lead to an increase in the efficiency and performance of the cooling system.
  • the motor vehicle can also be an electrically driven motor vehicle.
  • the cooling device can e.g. B. contribute to improved cooling during fast charging. When fast charging while stationary, the driving air is missing as cooling air for cooling the vehicle batteries and the other components that need to be cooled. Evaporative cooling using the cooling device can significantly increase the cooling performance. Ferry operations produce significantly lower amounts of waste heat than fast charging.
  • the cooling device allows the design of the components of the vehicle-side cooling system to be reduced and thereby made cheaper. The entire cooling system of the motor vehicle can therefore be made smaller.
  • a water source e.g. B. for filling a reservoir for the evaporative cooling fluid
  • z. B. a stationary water connection at charging stations.
  • a control device e.g.
  • a vehicle control unit for a cooling device designed to cool a cooling fluid (for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling), e.g. B. the cooling device as disclosed herein of a motor vehicle.
  • Air-coolable cooling elements e.g. B. the cooling elements as disclosed herein can also be wetted with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect.
  • the control device is designed to adjust an air mass flow of cooling air flowing along the cooling elements and a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid to wet the cooling elements in order to cool the cooling fluid to a target temperature.
  • the control device can basically be used for any cooling device designed to cool a cooling fluid using air and evaporative cooling, e.g. B. the cooling device as disclosed herein.
  • control device can usefully refer to electronics (e.g. with microprocessor(s) and data memory) which, depending on its training, can take on control tasks and/or regulation tasks and/or processing tasks. Even if the terms “setting” and/or “control” are used here, they can also appropriately include or mean “rules” or “control with feedback” and/or “processing”.
  • the present disclosure thus provides a solution with improved cooling, in particular a more efficient use of evaporative cooling by wetting with the evaporative cooling fluid.
  • a control device is provided which can implement an evaporative cooling operating strategy for distributing and dispensing the evaporative cooling fluid as efficiently as possible.
  • the air mass flow and the fluid mass flow can be adjusted simultaneously, in particular depending on one another, in such a way that the necessary cooling performance is achieved in order to cool the cooling fluid to the target temperature.
  • the simultaneous adjustment of the air mass flow and the fluid mass flow leads to an increased evaporation rate, which describes the ratio of the evaporative cooling fluid applied to the evaporating amount of the evaporative cooling fluid.
  • the evaporative cooling fluid can be used for targeted water evaporation with higher efficiency.
  • the control device can also be designed to set the target temperature, e.g. B. depending on an operating state of the motor vehicle, to be determined and / or selected from several stored target temperatures.
  • the operating state can include ferry operation of the motor vehicle, preferably with additional consideration of the vehicle speed.
  • the operating state can include charging operation of the (electrically driven) motor vehicle (while stationary).
  • control device can further be designed to determine a target air mass flow to which the air mass flow is to be adjusted based on, for. B. in a memory of the control device, to determine stored maps depending on a specific fluid mass flow of the evaporative cooling fluid.
  • the maps can (in a manner known to those skilled in the art) e.g. B. through simulations and/or experiments, e.g. B. test drives with the motor vehicle. This makes it possible to first determine the necessary amount of evaporative cooling fluid for wetting the cooling elements in order to then determine the air mass flow that is necessary for the most optimized possible evaporative cooling or the most optimized combination of air and evaporative cooling.
  • control device can further be designed to further determine the target air mass flow as a function of at least one of the following variables: a vehicle speed of the motor vehicle, an air speed of a cooling air before entering the cooling device and / or after exiting the cooling device, a Humidity of the cooling air before entering the cooling device and/or after exiting the cooling device, and/or an air temperature of the cooling air before entering the cooling device and/or after exiting the cooling device.
  • control device can further be designed to determine a target fluid mass flow to which the fluid mass flow is to be adjusted, depending on an outlet temperature of the cooling fluid when it exits the cooling device and the target temperature. Accordingly, it can be taken into account how much evaporative cooling fluid is necessary to cool the cooling fluid down to the desired target temperature.
  • control device can further be designed to additionally determine the target fluid mass flow as a function of at least one of the following variables: an inlet temperature of the cooling fluid when entering the cooling device; a level of an evaporative cooling fluid reservoir; and/or an operating state of the motor vehicle.
  • control device can further be designed to activate or deactivate a supply of the evaporative cooling fluid depending on at least the outlet temperature of the cooling fluid. This means that evaporative cooling can be switched on as required or the cooling device can only be operated with air cooling if this is sufficient for the necessary cooling.
  • control device can further be designed to adjust the fluid mass flow of the evaporative cooling fluid by means of a control, preferably by means of a PI control.
  • a cooling system includes the control device as disclosed herein, and a cooling device for cooling a cooling fluid, comprising air-coolable cooling elements that are thermally coupled to one or more channels for the cooling fluid and are additionally wettable with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect.
  • the cooling device can e.g. B. the cooling device as disclosed herein and the cooling elements may be the cooling elements as disclosed herein.
  • the one or more channels for the cooling fluid may correspond to the first channel of the at least one cooling module as disclosed herein.
  • the cooling device can further have a plurality of dispensing devices for dispensing the evaporative cooling fluid and wetting the Have cooling elements to which the fluid mass flow adjustable by the control device can be divided.
  • the plurality of delivery devices may include the second channel and the third channel (and preferably the fourth channel) of the at least one cooling module as disclosed herein. It is Z. B.
  • the arrangement of the third feed line, the fourth feed line and the third channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein corresponds to a first delivery device
  • the arrangement of the first feed line, the second feed line and the second channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein discloses corresponds to a second delivery device
  • the arrangement of the fifth feed line, the sixth feed line and the fourth channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein corresponds to a third delivery device.
  • the plurality of delivery devices can be arranged one behind the other in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
  • control device can further be designed to set a plurality of, preferably at least partially different, partial fluid mass flows of the evaporative cooling fluid for the plurality of delivery devices for wetting the cooling elements.
  • the multiple partial fluid mass flows can each be supplied to one of the multiple delivery devices.
  • the control device can be used to implement an optimal distribution of the amount of evaporation cooling fluid to the individual delivery devices and positions for evaporation.
  • control device can further be designed to provide a first target partial fluid mass flow, to which a partial fluid mass flow for one of the plurality of application devices is to be set, based on at least one stored fluid characteristic map as a function of an air humidity and/or an air temperature Determine entry into the cooling device.
  • Data for the at least one fluid map can (in a manner known to those skilled in the art) e.g. B. through simulations and/or experiments, e.g. B. test drives with the motor vehicle.
  • One of the several delivery devices can z. B. correspond to a frontmost delivery device of the plurality of delivery devices in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements. This allows the application rate of evaporative cooling fluid to be optimized, e.g. B.
  • control device can further be designed to distribute, preferably uniformly, a remaining fluid mass flow reduced by the first target partial fluid mass flow among the remaining of the plurality of delivery devices.
  • control device can further be designed to reduce a first partial fluid mass flow of one of the plurality of delivery devices by a constant value, for example by 5%, if the humidity of the cooling air after exiting the cooling device is above a set threshold, e.g. B: a relative humidity of 95%.
  • the control device can further be designed to reduce a respective partial fluid mass flow of the remaining of the plurality of application devices, preferably uniformly, until the air humidity is below the stored threshold. This can z. B. an excessively high application rate of evaporative cooling fluid can be prevented.
  • the cooling system may further include an evaporative cooling fluid reservoir and an evaporative cooling fluid delivery device, which is arranged (with respect to an evaporative cooling fluid flow and/or fluidically) between the evaporative cooling fluid reservoir and the cooling device and can be controlled by the control device for adjusting the fluid mass flow, include.
  • the evaporative cooling fluid conveying device can, for. B. each have a conveyor device, in particular a pump, a valve and / or a pressure reducer, between the evaporative cooling fluid reservoir and one of several delivery devices of the cooling device.
  • the evaporative cooling fluid reservoir may be designed to provide the evaporative cooling fluid unheated and/or at a temperature of between (typically) 25 and 45°C.
  • the cooling system can further comprise an air conveying device, preferably a fan.
  • a parameter of the air delivery device preferably a rotation speed, can be used to adjust the air mass flow the control device can be controlled.
  • the control device can further be designed to determine the parameter of the air delivery device as a function of the air mass flow and to control the air delivery device to set the specific parameter.
  • the cooling system can further comprise at least one cooling fluid sensor device, which is arranged at a cooling fluid inlet and/or cooling fluid outlet of the cooling device and is connected in terms of signals to the control device for detecting an inlet temperature and/or outlet temperature of the cooling fluid.
  • at least one cooling fluid sensor device which is arranged at a cooling fluid inlet and/or cooling fluid outlet of the cooling device and is connected in terms of signals to the control device for detecting an inlet temperature and/or outlet temperature of the cooling fluid.
  • the cooling system can further comprise at least one air sensor device which is arranged in front of and/or behind the cooling device and is connected in terms of signals to the control device for detecting air humidity and/or air temperature.
  • a motor vehicle preferably a commercial vehicle
  • the cooling device of the cooling system can preferably be arranged on a vehicle front of the motor vehicle. In this way, air that flows past the cooling elements can be used as cooling air.
  • Figure 1 shows a schematic sectional view of cooling modules of a cooling device according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • Figure 2 shows a schematic oblique view of the cooling device according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • FIGS 3-5 schematic sections of the cooling device with different perforation configurations
  • Figures 6-10 show schematic oblique sections of the cooling device according to further exemplary embodiments of the present disclosure
  • Figure 11 shows a schematic representation of a control device according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • Figure 12 shows a schematic representation of a cooling system according to an exemplary embodiment of the present disclosure
  • Figure 13 shows schematic representations of various exemplary embodiments of an evaporative cooling fluid conveying device
  • Figure 14 shows a schematic representation of characteristic maps for determining a first target partial fluid mass flow
  • Figure 15 shows a schematic representation of an exemplary control for adjusting the fluid mass flow
  • Figure 16 shows schematic arrangements of the control device, the cooling device and sensor devices according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • cooling devices 10, 10A-10D or cooling device 150 shown are aligned in the same way in the figures with respect to the indicated X, Y and Z directions.
  • FIG. 1 shows two cooling modules 20 arranged one above the other of a cooling device 10 for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling in a sectional view.
  • the cooling device 10 comprises at least one cooling module 20, preferably several cooling modules 20.
  • Each cooling module 20 has a first channel 22 for the cooling fluid and a second channel 24 for an evaporative cooling fluid.
  • the first channel 22 and the second channel 24 can in particular run parallel to one another and/or in the same plane.
  • the first Channel 22 can be formed by a first tube, in particular a flat tube.
  • the second channel 24 can be formed by a second tube, in particular a round tube.
  • Each cooling module 20 also has air-coolable cooling elements 50, preferably cooling fins.
  • the cooling elements 50 are arranged on the first channel 22 for thermal coupling, preferably in the longitudinal direction.
  • the second channel 24 has a perforation 60 for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements 50 with the evaporative cooling fluid. Furthermore, the second channel 24 is integrated and/or arranged within the first channel 22, in particular in such a way that the second channel 24 has an outer wall section common to the first channel 22, which faces the cooling elements 50 and on which the perforation 60 is formed.
  • the common outer wall section can in particular be formed by an outer wall section of the second channel 24 and an outer wall section of the first channel 22, which are adjacent to one another, e.g. B. are arranged overlapping and have common passages to form the perforation 60.
  • the perforation 60 can extend in particular in the longitudinal direction of the second channel 24.
  • cooling device 10 comprises a plurality of cooling modules 20, these several cooling modules 20 can be arranged adjacent to one another, in particular in such a way that the cooling elements 50 of one of the plurality of cooling modules 20 are arranged in addition to the thermal coupling on the first channel 22 of another of the plurality of cooling modules 20.
  • the plurality of cooling modules 20 are in particular aligned parallel to one another in a plane.
  • the first channels 22 of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another.
  • the second channels 24 of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another.
  • Each cooling module 20 may have additional channels for the evaporative cooling fluid, e.g. B. a third channel 26 and/or a fourth channel 28.
  • the further channels can in particular be arranged outside the first channel 22, preferably adjacent. If the cooling module 20 has the third channel 26 and the fourth channel 28, the two channels 26, 28 can rest in particular on two opposite outer surfaces of the first channel 22.
  • the channels 26, 28 arranged outside on the first channel 22 can also each have a perforation 62, 64 facing the cooling elements 50 for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements 50 with the evaporative cooling fluid.
  • the perforation 62 can extend in the longitudinal direction of the third channel 26 and the perforation 64 can extend in the longitudinal direction of the fourth channel 28.
  • the other channels e.g. B. the third channel 26 and the fourth channel 28, and the second channel 24 can be designed to be fluidly separated from one another and/or run parallel to one another.
  • the further channels can be designed analogously to the second channel 24, i.e. H. each be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel 24.
  • the cooling fluid is supplied to the first channel 22 and the evaporative cooling fluid to the second channel 24, and optionally additionally to the third and fourth channels 26, 28.
  • Heat from the cooling fluid is transferred via heat conduction to the cooling elements 50, which in turn are cooled by the cooling air flowing along the surfaces of the cooling elements 50.
  • the flow direction of the cooling air which is indicated by the arrow in Figure 1, runs in particular perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the first channel.
  • the evaporative cooling fluid is discharged through the perforation(s) to wet the cooling elements 50.
  • cooling is carried out by evaporative cooling by transferring the heat to the evaporative cooling fluid until it evaporates.
  • the cooling device 10 z. B. can be installed in a motor vehicle to cool vehicle components, in particular a fuel cell arrangement.
  • the cooling device 10 can be arranged in particular on a vehicle front of the motor vehicle in order to use the wind as cooling air.
  • Figure 2 shows the cooling device 10 according to an exemplary embodiment.
  • the cooling device 10 may further include a first supply line 32 and a second supply line 34 for the evaporative cooling fluid.
  • the second channel 24 of each cooling module 20 may have a first end fluidly connected to the first supply line 32 and a second end fluidly connected to the second supply line 32.
  • the first feed line 32 and/or the second feed line 34 can be arranged at least in sections at the end on the first channel 22.
  • the first supply line 32 can be arranged on a first end side of the first channel 22 and the second supply line 34 can be arranged on a second end side of the first channel 22 opposite the first end side.
  • the first feed line 32 and the second feed line 34 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the second channel 22 at least in sections.
  • the first supply line 32, the second supply line 34 and the second channels 24 of the plurality of cooling modules 20 can form a ladder-shaped line arrangement (i.e. in the form of a ladder with rungs and two bars) for the evaporative cooling fluid.
  • each cooling module 20 includes the third channel 26
  • the cooling device 10 may further comprise a third supply line 36 and a fourth supply line 38 for the evaporative cooling fluid.
  • the third channel 26 may have a first end fluidly connected to the third supply line 36 and a second end fluidly connected to the fourth supply line 38.
  • each cooling module 20 includes the fourth channel 28, the cooling device 10 may further comprise a fifth supply line 40 and a sixth supply line 42 for the evaporative cooling fluid.
  • the fourth channel 28 may have a first end fluidly connected to the fifth supply line 40 and a second end fluidly connected to the sixth supply line 42.
  • the further supply lines 36, 38, 40, 42 can also be arranged at least in sections at the ends of the first channel 22. Furthermore, the third feed line 36 and the fourth feed line 38 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the third channel 26 at least in sections. The fifth feed line 40 and the sixth feed line 42 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the fourth channel 28 at least in sections.
  • the further supply lines 36, 38, 40, 42 can be arranged such that the third supply line 36, the fourth supply line 38 and the third channels 26 of the plurality of cooling modules 20 form a second ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid and/or the fifth supply line 40 , the fourth Supply line 42 and the fourth channels 28 of the plurality of cooling modules 20 form a third ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
  • Figures 3-5 show schematic sections of the cooling device 10 with different perforation configurations, for example the perforation 62 of the third channel 26.
  • the perforation can be arranged in such a way that it corresponds to the cooling elements 50 arranged above it ( Figure 3) or the cooling elements arranged below it 50 ( Figure 4) are facing for wetting.
  • the perforation 62 can also have two rows of openings in order to be able to wet the cooling elements 50 above and below.
  • the perforation 60 which is formed in the second channel 24 and in the first channel 22, and the perforation 64 of the fourth channel 28 can be designed or aligned analogously to the perforation 62.
  • the lines leading out of the openings of the perforation 62 in Figures 3-5 represent only an example of an application direction of the evaporative cooling fluid.
  • FIGS. 6-10 show further exemplary embodiments of the cooling device.
  • the respective front sides of the cooling devices 10A-10E shown show vertical lines to illustrate the cooling elements 50, with the modular division into cooling modules and thus the arrangement of the cooling elements 50 between two first channels 22 not being shown merely for the sake of simplified representation.
  • Cooling device 10A ( Figure 6) has fewer channels for the evaporative cooling fluid than cooling device 10.
  • cooling device 10A includes z. B. in addition to the cooling modules 20 there are also cooling modules that only have the first channel 20 and no channels for the evaporative cooling fluid.
  • These differently designed cooling modules can be arranged in such a way that, for. B. only every second cooling module has the second channel 24 and optionally the further channels 26, 28 for the evaporative cooling fluid.
  • the cooling devices 10B ( Figure 7) and 10C ( Figure 8) have channels for the evaporative cooling fluid in only one area. All you need is one, e.g. B. a lower or upper section of the cooling devices 10B, 10C is formed from the cooling modules 20, while the cooling devices 10B, 10C further comprise cooling modules which only have the first channel 20 and no channels for the evaporative cooling fluid.
  • Figures 7 and 8 only show the third channels 26 with the corresponding supply lines 36, 38.
  • the cooling devices 10B, 10C additionally include the second channels 24 and optionally the fourth channels 28, which are designed analogously to the third channels 26.
  • the cooling devices 10D ( Figure 9) and 10E ( Figure 10) have channels for the evaporative cooling fluid, which are only in sections, e.g. B. one half, extend in the respective cooling modules.
  • the channels 24, 26, 28 are fluidly connected to the respective supply line 32, 36, 40 only at the respective first end and can therefore only be acted upon by the evaporative cooling fluid on one side.
  • the respective second end of the channels 24, 26, 28 is additionally fluidly connected to a branch line of the respective supply line 34, 38, 42. This can be done, for example: B.
  • the third and fourth supply lines 36, 38 can be fluidly connected via the intermediate line 38A, at which the branch line 38B, which is fluidly connected to the respective second end of the third channels 26, branches off.
  • Branch lines for the second channels 24 and optionally the fourth channels 28 can be designed analogously to the branch line 38B.
  • Figure 11 shows schematically a control device 100 for a cooling device 150 designed to cool a cooling fluid, in particular for the cooling device 10, of a motor vehicle.
  • the control device 100 is designed to adjust an air mass flow of cooling air flowing along the cooling elements and a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid for wetting the cooling elements in order to cool the cooling fluid to a target temperature.
  • the control device 100 can take into account different input variables for the air mass flow and the fluid mass flow as output variables.
  • control device 100 can further be designed to determine a target fluid mass flow to which the fluid mass flow is to be adjusted, depending on a cooling fluid temperature, in particular an outlet temperature of the cooling fluid when it exits the cooling device 150, and the target temperature.
  • the target fluid mass flow can e.g. B. additionally depend on an inlet temperature of the cooling fluid when entering the cooling device 150, a motor vehicle operating state and / or a fill level of an evaporative cooling fluid reservoir 70.
  • the control device 100 can further be designed to have a target air mass flow to which the air mass flow is to be set, depending on a specific one Fluid mass flow of the evaporative cooling fluid and preferably additionally as a function of an air temperature, speed and / or humidity of the cooling air before entering the cooling device 150 and / or after exiting the cooling device 150. Furthermore, a motor vehicle operating state, e.g. B. a vehicle speed of the motor vehicle can be taken into account.
  • the target air mass flow can be determined in particular using stored maps depending on the parameters mentioned.
  • FIG 12 shows schematically a cooling system 200, which includes the control device 100 and a cooling device 150, e.g. B. the cooling device 10, for cooling a cooling fluid.
  • the cooling device 150 has air-coolable cooling elements, e.g. B. the cooling elements 50, which are thermally coupled to one or more channels for the cooling fluid and can also be wetted with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect.
  • the cooling system 200 may further include an evaporative cooling fluid reservoir 70 and an evaporative cooling fluid conveyor 72, which is arranged between the evaporative cooling fluid reservoir and the cooling device 150 and is controllable by the control device 100 to adjust the fluid mass flow.
  • the control device 100 and the evaporative cooling fluid conveying device 72 can be connected in terms of signals via the signal connection 102.
  • the cooling system 200 can further include an air conveying device 90, in particular a fan.
  • a parameter of the air delivery device 90 preferably a rotational speed, can be controllable by the control device 100 to adjust the air mass flow.
  • the control device 100 and the air conveying device 90 can be connected in terms of signals via the signal connection 104.
  • the cooling device 150 can be in a cooling fluid circuit 122, which is used in particular to cool a drive device 120 for a motor vehicle, e.g. B. a fuel cell arrangement, and preferably other motor vehicle components, can be integrated.
  • a motor vehicle e.g. B. a fuel cell arrangement, and preferably other motor vehicle components, can be integrated.
  • the cooling device 150 can also have a plurality of delivery devices 152, 154, 156 for delivering the evaporative cooling fluid and wetting the cooling elements, to which the fluid mass flow adjustable by the control device 100 is divisible.
  • the multiple delivery devices 152, 154, 156 can be arranged one behind the other, in particular in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
  • the control device 100 can also be designed to set multiple partial fluid mass flows of the evaporative cooling fluid for the multiple delivery devices 152, 154, 156 for wetting the cooling elements, the multiple partial fluid mass flows each being one of the several Delivery devices 152, 154, 156 are supplied.
  • the evaporative cooling fluid conveying device 72 can be designed accordingly and can be controlled by the control device 100.
  • the evaporative cooling fluid delivery device 72 can be fluidically connected to each of the plurality of delivery devices 152, 154, 156 separately via a respective partial fluid connection 74A.
  • the division of the fluid connection 74 into the several partial fluid connections 74A can also be carried out independently of the evaporative cooling fluid conveying device 72, e.g. B. in front of the evaporative cooling fluid conveyor 72.
  • Figure 13 shows various exemplary embodiments of the evaporative cooling fluid conveying device 72.
  • a pressure reducer 72A and a valve 72B can be arranged in each of the partial fluid connections 74A.
  • the evaporative cooling fluid can be generated by generating pressure, e.g. B. compressed air, within the evaporative cooling fluid reservoir 70 are promoted.
  • the pressure generation can also be controlled by the control device 100.
  • a pump 72C in particular a high-pressure pump, can be arranged in each of the partial fluid connections 74A.
  • a single pump 72D may be disposed in the fluid connection 74 and a valve 72B in each of the sub-fluid connections 74A
  • the division of the fluid mass flow to be set into several partial fluid mass flows can, for. B. done in that a first target partial fluid mass flow, to which a partial fluid mass flow for one of the several application devices 152, 154, 156 is to be set, is stored by the control device 100 based on one or more Fluid maps are determined. Data from the fluid maps can e.g. B. via substance data, which can be determined simulatively or experimentally or from literature values. Such a determination based on the fluid characteristics is shown as an example in Figure 14.
  • the first target partial fluid mass flow rhwasser can be determined depending on input variables such as an air temperature T ajr and an air humidity y ajr of the cooling air before entering the cooling device 150.
  • an algorithm that is implemented in software on the control device can determine a cooling air inlet state at at least one delivery location of one of the multiple delivery devices 152, 154, 156, comprising the air temperature T ajr and the air humidity y ajr .
  • the first target partial fluid mass flow rhwasser can be z. B. can be calculated by interpolation.
  • an air mass flow rtiAir of a section of the cooling elements e.g. B. a single slat can be taken into account at at least one application location.
  • the air mass flow rh A ir can be calculated using a stored total front area of an individual slat and the stored fluid maps to determine the entire target air mass flow.
  • the result based on the fluid maps can also be a maximum evaporable amount of water, from which the target partial fluid mass flow rhwasser can be determined.
  • the actual amount of water injected should always be less than the maximum amount of water that can be evaporated.
  • the one of the plurality of delivery devices 152, 154, 156, for which the first target partial fluid mass flow is determined and adjusted, can in particular correspond to the foremost delivery device 152, 154, 156 in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
  • the remaining fluid mass flow, reduced by the first target partial fluid mass flow, can preferably be divided evenly among the remaining of the plurality of delivery devices 152, 154, 156.
  • the control device 100 can further be designed to reduce a first partial fluid mass flow of one of the plurality of delivery devices 152, 154, 156 by a constant value, for example by 5%, if the humidity of the cooling air after exiting the cooling device 150 is above a stored threshold , e.g. B. a relative humidity of 95%. This correction can be carried out in particular after the air mass flow and the fluid mass flow have been adjusted.
  • control device 100 can also be designed to reduce a respective partial fluid mass flow of the remaining of the plurality of delivery devices 152, 154, 156, preferably evenly, until the humidity is below the stored threshold.
  • the control device 100 can further be designed to adjust the fluid mass flow of the evaporative cooling fluid through a control system.
  • FIG. 15 An exemplary control (comprising a control strategy and system) for adjusting the fluid mass flow is shown in Figure 15.
  • the evaporative cooling and thus the supply of the evaporative cooling fluid can be activated or deactivated depending on at least the outlet temperature of the cooling fluid.
  • a PI controller which is implemented in software on the control device, is activated by an activation signal, e.g. B. is output by an activation module of the control device 100, activated.
  • the PI controller attempts to regulate a control deviation between a target temperature TKuehimittei,soii of the cooling fluid and an actual temperature TKuehimittei st after exiting the cooling device 150.
  • the resulting manipulated variable is the fluid mass flow, referred to here as rhf ee d.
  • cooling device 150 comprises a plurality of delivery devices 152, 154, 156 (referred to as perforated rows of tubes or m_row_of_tubes_1 to m_row_of_n) in FIG on the control device is implemented on the software side, to which several delivery devices are divided.
  • the division can e.g. B. using the fluid maps, as described above.
  • the fan speed at which the fan speed is to be determined can be determined via implemented maps depending on the required fluid mass flow rhf ee d, the vehicle speed v-rruck st of the motor vehicle and the (relative) humidity and the air temperature of the cooling air in front of the cooling device Fan must be operated to provide the air mass flow required for evaporation.
  • This size can also be incorporated into the control for adjusting the fluid mass flow.
  • control device 100 can be connected to various sensor devices for signaling purposes.
  • Figure 16 shows possible arrangements of the control device 100, the cooling device 150 and sensor devices.
  • the cooling system 200 may further include at least one cooling fluid sensor device 110, 112 and at least one air sensor device 114, 116.
  • the control device 100 can be connected via a signal connection 106A to a cooling fluid sensor device 110 at a cooling fluid inlet for detecting a temperature of the cooling fluid when it enters the cooling device 150.
  • the control device 100 can also be connected via a signal connection 106B to a cooling fluid sensor device 112 at a cooling fluid outlet for detecting a temperature of the cooling fluid as it exits the cooling device 150.
  • the control device 100 can also be connected in terms of signals to the air sensor devices 114, 116 via the signal connections 108A, 108B.
  • Sensor device 114 can be arranged in front of the cooling device 150 and designed to detect air humidity and/or air temperature of the cooling air before entering the cooling device 150.
  • the air sensor device 116 can be arranged behind the cooling device 150 and designed to detect air humidity and/or air temperature of the cooling air after it exits the cooling device 150.
  • the cooling device 150 can be the cooling device 10 with the cooling elements 50 act, the channels for the evaporative cooling fluid, e.g. B. the second channels 24, the first supply line 32 and the second supply power, have only been omitted for simplified representation, but can be present for the implementation of the cooling system 200.
  • the invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope of protection.
  • the invention also claims protection for the subject matter and features of the subclaims, regardless of the claims referred to.
  • the individual features of the independent claims are each disclosed independently of one another.
  • the features of the subclaims are also disclosed independently of all features of the independent claims.

Abstract

The invention relates to a cooling device (10) for cooling a cooling fluid by means of air and evaporation cooling, comprising at least one cooling module (20). The cooling module (20) comprises a first channel (22) for the cooling fluid, a second channel (24) for an evaporation cooling fluid, and air-coolable cooling elements (50), preferably cooling lamellas, which are arranged for thermally coupling to the first channel (22). The second channel (24) has a perforation (60) for releasing the evaporation cooling fluid and for wetting the cooling elements (50) with the evaporation cooling fluid. The second channel (24) is integrated and/or arranged within the first channel (22) and has an outer wall section in common with the first channel (22), which is facing the cooling elements (50) and on which the perforation (60) is formed. The invention also relates to a method for cooling the cooling fluid by means of the cooling device (10) and a motor vehicle comprising the cooling device (10).

Description

Kühlvorrichtung, Steuervorrichtung und Kühlsystem zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung Cooling device, control device and cooling system for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung, ein Verfahren zum Kühlen des Kühlfluides mittels der Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug, umfassend die Kühlvorrichtung. Die Erfindung betrifft alternativ oder zusätzlich ferner eine Steuervorrichtung für eine zum Kühlen eines Kühlfluides ausgebildete Kühlungsvorrichtung, vorzugsweise der Kühlvorrichtung, ein Kühlsystem mit der Kühlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug, umfassend das Kühlsystem. The invention relates to a cooling device for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling, a method for cooling the cooling fluid by means of the cooling device and a motor vehicle comprising the cooling device. Alternatively or additionally, the invention further relates to a control device for a cooling device designed to cool a cooling fluid, preferably the cooling device, a cooling system with the cooling device and a motor vehicle comprising the cooling system.
Eine der größten Herausforderungen bei dem Betrieb von mit Brennstoffzellen antreibbaren Kraftfahrzeugen ist die Kühlung der Brennstoffzellensysteme bei hohen Umgebungstemperaturen. Eine mögliche Lösung ist der Einsatz eines fahrzeugautarken Verdunstungskühlungssystems, bei dem das Produktwasser der Brennstoffzelle gesammelt wird, um es auf den Frontwärmekühler im Fahrzeug aufzuspritzen und dadurch eine Kühlleistungssteigerung durch Verdunstung des aufgespritzten Wassers auf der Kühleroberfläche zu erzielen. Das Verdunstungswasser kann z. B. aber auch durch das Füllen eines Wassertanks zur Verfügung gestellt werden. One of the biggest challenges in operating vehicles powered by fuel cells is cooling the fuel cell systems at high ambient temperatures. A possible solution is the use of a vehicle-autonomous evaporative cooling system, in which the product water from the fuel cell is collected in order to spray it onto the front heat cooler in the vehicle and thereby achieve an increase in cooling performance through evaporation of the sprayed water on the cooler surface. The evaporation water can e.g. B. can also be provided by filling a water tank.
Das grundlegende Prinzip dabei ist die Ausnutzung der nötigen Verdunstungsenthalpie für den Phasenwechsel des Wassers von flüssig zu gasförmig. Dadurch lassen sich lokal sehr hohe Wärmestromdichten durch den gleichzeitig stattfindenden Stoff- und Wärmeübergang erzielen. Dabei erfolgt eine Nicht-adiabate Verdunstung auf der Kühleroberfläche (d. h. den Kühllamellen und den Rohroberflächen), wobei die Verdunstung des Wassers gleichzeitig mit einer Wärmeübertragung vom Kühler auf das Wasser stattfindet. Gleichzeitig erfolgt eine adiabate Verdunstung im Luftstrom. Ist die Kühlluft noch nicht vollständig gesättigt (die relative Luftfeuchtigkeit ist kleiner als 100%), so kühlt sich die eintretende Kühlluft durch die entzogene Verdunstungswärme ab. Die Lufteintrittstemperatur sinkt, die Temperaturdifferenz zwischen Kühlfluid und eintretender Kühlluft wird vergrößert. Dadurch steigt die Wärmeübertragungsfähigkeit des Kühlers. Zusätzlich wird der in den Kühler eintretende Wärmekapazitätsstrom der Kühlluft durch das eingespritzte Wasser erhöht. Folglich wird die ganzheitliche Wärmeabfuhr verbessert. Eine bekannte, fahrzeugseitige Umsetzung ist die Anbringung einer oder mehrerer Düsen im Luftstrom (stromaufwärts) für die gezielte Wassereinspritzung. Die Düsen sind dabei so angeordnet, dass die Oberfläche des Kühlers benetzt und dabei der Luftstrom befeuchtet wird. Diese bekannte Anordnung der Düsen bringt jedoch einige Nachteile mit sich. The basic principle is to utilize the necessary enthalpy of evaporation for the phase change of water from liquid to gaseous. This makes it possible to achieve locally very high heat flux densities through the simultaneous mass and heat transfer. Non-adiabatic evaporation occurs on the cooler surface (ie the cooling fins and the pipe surfaces), with the evaporation of the water occurring simultaneously with heat transfer from the cooler to the water. At the same time, adiabatic evaporation occurs in the air flow. If the cooling air is not yet completely saturated (the relative humidity is less than 100%), the incoming cooling air cools down due to the extracted heat of evaporation. The air inlet temperature drops and the temperature difference between the cooling fluid and the incoming cooling air increases. This increases the heat transfer ability of the cooler. In addition, the heat capacity flow of the cooling air entering the cooler is increased by the injected water. Consequently, the holistic heat dissipation is improved. A well-known vehicle-side implementation is the attachment of one or more nozzles in the air flow (upstream) for targeted water injection. The nozzles are arranged in such a way that the surface of the cooler is wetted and the air flow is humidified. However, this known arrangement of the nozzles has some disadvantages.
Die Düsen müssen in der Fahrzeugfront untergebracht werden, was zusätzlichen Bauraum benötigt und dabei, durch die Verblockung des Luftpfads, den Kühlluftmassenstrom unter sonst gleichen Randbedingungen erniedrigt. Die Kühlleistung des Wärmeübertrages wird entsprechend reduziert. Bei der konventionellen Wärmeübertragung stellt der luftseitige Wärmeübergang typischerweise den limitierenden Faktor der gesamten Wärmeübertragung dar. Für die Abführung einer hohen Abwärmemenge mittels konventioneller Kühlung an die Umgebung wird eine sehr hohe Luftmenge benötigt, was wiederum einen hohen elektrischen Energieeinsatz in Form von Lüfterleistung bedeutet. Eine Einbringung der Düsen führt zu einem weiteren Hindernis, das die Kühlluft überwinden muss, um eine ausreichende Kühlwirkung zur Verfügung stellen zu können. The nozzles have to be accommodated in the front of the vehicle, which requires additional installation space and, by blocking the air path, reduces the cooling air mass flow under otherwise identical conditions. The cooling performance of the heat transfer is reduced accordingly. In conventional heat transfer, the air-side heat transfer typically represents the limiting factor of the entire heat transfer. To dissipate a large amount of waste heat to the environment using conventional cooling, a very large amount of air is required, which in turn means a high use of electrical energy in the form of fan power. Introducing the nozzles creates a further obstacle that the cooling air must overcome in order to be able to provide a sufficient cooling effect.
Ferner wird die Kühlleistungssteigerung durch die Verdunstungskühlung mit höherer Fahrzeuggeschwindigkeit geringer, da durch eine sekundäre Luftdurchströmung des Kühlers, die u. a. vom zur Verfügung stehenden Bauraum des Kühlers abhängt, ein großer Teil des aufgespritzten Wassers am Kühler vorbei geleitet wird. Furthermore, the increase in cooling performance due to evaporative cooling is lower at higher vehicle speeds, since a secondary air flow through the cooler, which, among other things, depends on the space available for the cooler, a large part of the sprayed water is directed past the cooler.
Zudem ändert sich der Sprühkegel der Düsen in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die besprühte Fläche kann folglich nur für einen Betriebspunkt (maßgeblich charakterisiert durch Fahrzeuggeschwindigkeit und Lüfterdrehzahl eines Lüfters) optimiert werden. Dies erfordert einen hohen Applikationsaufwand bei der Inbetriebnahme und Erprobung des Kraftfahrzeugs. In addition, the spray cone of the nozzles changes depending on the vehicle speed. The sprayed area can therefore only be optimized for one operating point (mainly characterized by vehicle speed and fan speed of a fan). This requires a high level of application effort when commissioning and testing the motor vehicle.
Das Aufspritzen des Wassers kann zudem im Kraftfahrzeug trotz aufwendiger Düsenausrichtung nicht die komplette Kühleroberfläche benetzen. Die nicht optimale Positionierung der Düsen aufgrund eines beschränkten Bauraums und durch andere Fahrzeugbauteile führt dazu, dass ein Teil der Kühleroberfläche nicht vom Wasser erreicht wird und für die Kühlleistungssteigerung ungenutzt bleibt. In addition, the spraying of water cannot wet the entire radiator surface in the motor vehicle, despite the complex nozzle alignment. The non-optimal positioning of the nozzles due to limited installation space and other vehicle components means that part of the radiator surface is not reached by water and remains unused to increase cooling performance.
Die Wassermenge kann auch nicht optimal verteilt aufgespritzt werden, da an manchen Stellen eine für die Verdunstung unter gegebenen äußeren Randbedingungen zu hohe Wassermenge aufgespritzt wird. Das überschüssige nicht verdunstete Wasser trägt nicht zur Kühlleistungssteigerung bei und bleibt ungenutzt. The amount of water cannot be sprayed on optimally, as in some places it is too high for evaporation under the given external conditions amount of water is sprayed. The excess water that has not evaporated does not contribute to increasing cooling performance and remains unused.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine derartige Lösung bereitzustellen, mit der die Nachteile der bisherigen Lösungen zumindest teilweise vermieden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine möglichst effiziente Technik zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung bereitzustellen. It is therefore the object of the invention to provide such a solution with which the disadvantages of previous solutions are at least partially avoided. In particular, it is an object of the invention to provide the most efficient possible technology for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben. The task is solved by the features of the independent claims. Advantageous further developments are specified in the dependent claims and the description.
Gemäß einem ersten allgemeinen Aspekt wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung bereitgestellt. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest ein Kühlmodul. Das zumindest eine Kühlmodul weist einen ersten Kanal für das Kühlfluid (d. h. zur Führung des Kühlfluides), einen zweiten Kanal für ein Verdunstungskühlfluid (d. h. zur Führung des Verdunstungskühlfluides), und luftkühlbare Kühlelemente, die zur thermischen Kopplung am ersten Kanal angeordnet sind, auf. Die luftkühlbaren Kühlelemente können z. B. als Kühllamellen ausgeführt sein und/oder eine Lamellen- und Louvergeometrie aufweisen. Ferner können Kühlluftpfade zur Hindurchführung von hindurchströmender Kühlluft in den Kühlelementen und/oder zwischen den Kühlerelementen und den ersten Kanal ausgebildet sein. Die Kühlluftpfade können insbesondere senkrecht zu einer Längsrichtung des ersten Kanals und/oder einer Strömungsrichtung des Kühlfluides im ersten Kanal verlaufen. According to a first general aspect, a cooling device for cooling a cooling fluid using air and evaporative cooling is provided. The cooling device includes at least one cooling module. The at least one cooling module has a first channel for the cooling fluid (i.e. for guiding the cooling fluid), a second channel for an evaporative cooling fluid (i.e. for guiding the evaporative cooling fluid), and air-coolable cooling elements which are arranged on the first channel for thermal coupling. The air-coolable cooling elements can, for. B. be designed as cooling fins and / or have a fin and louver geometry. Furthermore, cooling air paths for the passage of cooling air flowing through can be formed in the cooling elements and/or between the cooler elements and the first channel. The cooling air paths can in particular run perpendicular to a longitudinal direction of the first channel and/or a flow direction of the cooling fluid in the first channel.
Der erste Kanal und die luftkühlbaren Kühlelemente dienen zweckmäßig als Wärmeübetrager eines Wärmestroms vom Kühlfluid auf eine Kühlluft. Die an Oberflächen der Kühlelemente und des ersten Kanals entlang strömende (und damit durch die Kühlluftpfade hindurchströmende) Kühlluft kann so Wärme des meist heißen Kühlfluides aufnehmen. Die treibende Kraft für die Wärmeübertragung ist dabei die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid und der Kühlluft. Maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertrages kann neben dem Wärmeleitwiderstand und der Temperatur der Massenstrom der Kühlluft sein, der durch einen Druckverlust entlang der Kühlluftpfade und der wärmeübertragenden Oberflächen beeinflusst ist. The first channel and the air-coolable cooling elements expediently serve as heat exchangers of a heat flow from the cooling fluid to a cooling air. The cooling air flowing along the surfaces of the cooling elements and the first channel (and thus flowing through the cooling air paths) can thus absorb heat from the mostly hot cooling fluid. The driving force for heat transfer is the temperature difference between the cooling fluid and the cooling air. In addition to the thermal conduction resistance and the temperature, the mass flow of the cooling air, which is influenced by a pressure loss along the cooling air paths and the heat-transferring surfaces, can be decisive for the performance of the heat transfer.
Der zweite Kanal weist eine Perforation zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente mit dem Verdunstungskühlfluid auf. Der zweite Kanal ist innerhalb des ersten Kanals integriert und/oder angeordnet (z. B. eingesetzt). Der zweite Kanal weist ferner einen mit dem ersten Kanal gemeinsamen Außenwandungsabschnitt auf, der den Kühlelementen zugewandt ist und an (und/oder in) dem die Perforation ausgebildet ist. Der erste Kanal ist zweckmäßig vom zweiten Kanal fluidisch getrennt, wobei insbesondere ein Innenraum des ersten Kanals fluidisch von der Perforation getrennt ist. The second channel has a perforation for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid. The second channel is integrated and/or arranged (e.g. inserted) within the first channel. The second channel further has an outer wall section common to the first channel, which faces the cooling elements and on (and/or in) which the perforation is formed. The first channel is expediently fluidly separated from the second channel, with in particular an interior of the first channel being fluidly separated from the perforation.
Die Kühlvorrichtung kann z. B. eine Kombination eines (bekannten) Wärmeübertragers, umfassend den ersten Kanal für das Kühlfluid und die luftkühlbaren Kühlelemente, und eine oder mehrere (integrierte) Ausbringvorrichtungen (oder Aufdüsvorrichtungen) zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides, umfassend den zweiten Kanal für das Verdunstungskühlfluid, darstellen. Die Kühlvorrichtung kann daher auch als Hybridkühlvorrichtung bezeichnet sein. The cooling device can e.g. B. a combination of a (known) heat exchanger, comprising the first channel for the cooling fluid and the air-coolable cooling elements, and one or more (integrated) dispensing devices (or spraying devices) for dispensing the evaporative cooling fluid, comprising the second channel for the evaporative cooling fluid. The cooling device can therefore also be referred to as a hybrid cooling device.
Durch die vorliegende Offenbarung gemäß dem ersten allgemeinen Aspekt wird somit eine Lösung mit einer verbesserten Kühlung, insbesondere einer effizienteren Nutzung der Verdunstungskühlung durch Benetzen mit dem Verdunstungskühlfluid, bereitgestellt. The present disclosure according to the first general aspect thus provides a solution with improved cooling, in particular a more efficient use of evaporative cooling by wetting with the evaporative cooling fluid.
Die Anordnung des zweiten Kanals und der Perforation führt dazu, dass die Oberflächen der Kühlelemente möglichst direkt mit dem Verdunstungskühlfluid benetzt werden können, d. h. es wird eine im Wesentlichen ausschließliche nicht-adiabatische Verdunstungskühlung umgesetzt. Die nicht-adiabate Verdunstungskühlung ist wesentlich effektiver hinsichtlich einer möglichen erzielbaren Kühlleistungssteigerung bei gleicher Wassermenge gegenüber der adiabaten Verdunstung (Befeuchtung der Kühlluft durch das Verdunstungskühlfluid). Daher kann die adiabate Verdunstung, deren Verhältnis zwischen erzielter Kühlleistungssteigerung und eingesetzter Menge an Verdunstungskühlfluid deutlich geringer ist als bei einer direkten Benetzung der Kühloberflächen, mit der Kühlvorrichtung möglichst vermieden oder zumindest stark reduziert werden. The arrangement of the second channel and the perforation means that the surfaces of the cooling elements can be wetted as directly as possible with the evaporative cooling fluid, i.e. H. Essentially exclusive non-adiabatic evaporative cooling is implemented. Non-adiabatic evaporative cooling is significantly more effective in terms of a possible increase in cooling performance with the same amount of water compared to adiabatic evaporation (humidification of the cooling air by the evaporative cooling fluid). Therefore, the adiabatic evaporation, the ratio between the increase in cooling performance achieved and the amount of evaporative cooling fluid used is significantly lower than with direct wetting of the cooling surfaces, can be avoided if possible or at least greatly reduced with the cooling device.
Durch die Anordnung des zweiten Kanals innerhalb des ersten Kanals (und damit zumindest abschnittsweise innerhalb des Kühlfluides) nimmt das Verdunstungskühlfluid ferner bereits einen Teil der abzuführenden Abwärme durch Wärmeleitung aus dem Kühlfluid auf. Da sich die Verdunstungsenthalpie von z. B. Wasser als Verdunstungskühlfluid bei zunehmender Temperatur in dem Bereich von 25°C und 100°C nur geringfügig ändert, hat der Wärmestrom des Kühlfluides auf das Verdunstungskühlfluid nur eine zu vernachlässigende Reduzierung der Kühlleistungssteigerung durch Verdunstung zur Folge. Zudem kann die vom Verdunstungskühlfluid aufgenommene Wärme beim Ausbringen durch die Perforation an die Kühlluft übergeben werden. By arranging the second channel within the first channel (and thus at least in sections within the cooling fluid), the evaporative cooling fluid also absorbs part of the waste heat to be dissipated from the cooling fluid by heat conduction. Since the enthalpy of evaporation varies from e.g. B. Water as an evaporative cooling fluid only changes slightly with increasing temperature in the range of 25 ° C and 100 ° C, the heat flow of the cooling fluid to the evaporative cooling fluid only results in a negligible reduction in the increase in cooling performance due to evaporation. In addition, it can Heat absorbed by the evaporative cooling fluid is transferred to the cooling air when discharged through the perforation.
Ferner findet bekanntermaßen durch Wärmeleitung ein Wärmestrom aus dem Kühlfluid im ersten Kanal über dessen Außenwandung an die Kühlelemente, insbesondere Kühllamellen, statt. Vorbeiströmende Kühlluft, die typischerweise eine geringere Temperatur als das Kühlfluid aufweist, nimmt Wärme von den Oberflächen der Kühlelemente auf und kühlt die Kühlelemente dadurch. Der erste Kanal kann selbst nicht von der Kühlluft durchströmt werden, sodass er bauartbedingt dazu führt, dass der luftseitige Druckverlust der Kühlluft bei der Durchströmung durch die Kühlvorrichtung erhöht wird. Umso höher der Druckverlust, desto geringer der Kühlluftmassenstrom, und damit die Kühlleistung. Da der zweite Kanal innerhalb des ersten Kanals angeordnet ist, führt dieser zu keiner weiteren Erhöhung des Druckverlusts. Im Vergleich dazu sind die Düsen zur Ausbringung des Verdunstungskühlfluides gemäß dem Stand der Technik stromaufwärts vor einem Wärmeübertrager angeordnet, stellen daher ein Hindernis für die Kühlluft in Richtung des Wärmeübertragers dar, und tragen so zusätzlich zum Druckverlust bei. Furthermore, as is known, a heat flow from the cooling fluid in the first channel via its outer wall to the cooling elements, in particular cooling fins, takes place through heat conduction. Cooling air flowing past, which typically has a lower temperature than the cooling fluid, absorbs heat from the surfaces of the cooling elements and thereby cools the cooling elements. The first channel itself cannot be flowed through by the cooling air, so that due to its design, the air-side pressure loss of the cooling air is increased as it flows through the cooling device. The higher the pressure loss, the lower the cooling air mass flow and thus the cooling performance. Since the second channel is arranged within the first channel, this does not lead to any further increase in pressure loss. In comparison, the nozzles for dispensing the evaporative cooling fluid according to the prior art are arranged upstream of a heat exchanger, therefore represent an obstacle for the cooling air in the direction of the heat exchanger, and thus additionally contribute to the pressure loss.
Aufgrund der Anordnung des zweiten Kanals ist die Perforation derart angeordnet, dass das Verdunstungskühlfluid in Kühlluftpfade, die durch die Kühlelemente und den ersten Kanal gebildet sind, hinein ausgebracht (bzw. injiziert) werden. Entsprechend sind Oberflächenabschnitte der Kühlelemente den einzelnen Öffnungen der Perforation vorzugsweise direkt gegenüberliegend angeordnet. Dies führt dazu, dass die wärmeübertragenden Oberflächen der Kühlelemente gleichmäßiger bzw. homogener mit dem Verdunstungskühlfluid benetzt werden, wodurch gleichzeitig eine geringere Filmhöhe des Verdunstungskühlfluides auf den Oberflächen erzielt wird. Eine Benetzung der Wärmeübertragendenden Oberflächen und ein Zuwachs der Filmhöhe führt nämlich dazu, dass der für die Luftdurchströmung maßgebliche geometrische Querschnitt verengt wird. Der Luftmassenstrom unterliegt einem höheren Druckverlust. Bei gleichen Randbedingungen stellt sich daher ein geringerer Luftmassenstrom ein und die Wärmeübertragung sinkt. Dieser Effekt kann durch die gleichmäßige Vernetzung stark reduziert werden. Due to the arrangement of the second channel, the perforation is arranged such that the evaporative cooling fluid is discharged (or injected) into cooling air paths formed by the cooling elements and the first channel. Accordingly, surface sections of the cooling elements are preferably arranged directly opposite the individual openings of the perforation. This results in the heat-transferring surfaces of the cooling elements being wetted more evenly or homogeneously with the evaporative cooling fluid, which simultaneously results in a lower film height of the evaporative cooling fluid on the surfaces. Wetting of the heat-transferring surfaces and an increase in the film height leads to the geometric cross-section that is important for the air flow being narrowed. The air mass flow is subject to a higher pressure loss. With the same boundary conditions, a lower air mass flow occurs and the heat transfer decreases. This effect can be greatly reduced by uniform networking.
Hinzu kommt, dass die Filmhöhe des Verdunstungskühlfluides auf den Oberflächen einen zusätzlichen Wärmeleitwiderstand zwischen Kühlfluid und Kühlluft bildet, der überwunden werden muss. Eine geringere Filmhöhe, die durch die Kühlvorrichtung erzielt werden kann, führt somit auch dazu, dass der Wärmeleitwiderstand möglichst geringgehalten wird. Weisen die Kühlelemente eine Lamellen- und Louvergeometrie auf, so kann durch die gleichmäßigere Benetzung mit dem Verdunstungskühlfluid ferner ein Bedecken der Louver mit dem Verdunstungskühlfluid verhindert oder zumindest eingeschränkt werden. Ein Bedecken der Louver hätte zur Folge, dass der turbulatorische Effekt der Louver reduziert wird bzw. ganz verschwindet. Die Luftströmung durch die Kühlelemente wäre dadurch weniger turbulent oder sogar auch laminar. Das Verhältnis der Wärmeleitung im Luftstrom würde gegenüber dem konvektiven Wärmetransport in der Kühlluft (im Vergleich zur konventionellen Kühlung ohne Verdunstungskühlung) geringer, d. h. dem Kühlfluid würde weniger Wärme entzogen. In addition, the film height of the evaporative cooling fluid on the surfaces forms an additional thermal conduction resistance between the cooling fluid and the cooling air, which must be overcome. A lower film height, which can be achieved by the cooling device, also means that the thermal conduction resistance is kept as low as possible. If the cooling elements have a lamella and louver geometry, the more uniform wetting with the evaporative cooling fluid can also prevent or at least limit the louvers from being covered with the evaporative cooling fluid. Covering the Louver would result in the turbulatory effect of the Louver being reduced or completely disappearing. The air flow through the cooling elements would therefore be less turbulent or even laminar. The ratio of heat conduction in the air flow would be lower than the convective heat transport in the cooling air (compared to conventional cooling without evaporative cooling), ie less heat would be removed from the cooling fluid.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der gemeinsame Außenwandungsabschnitt durch einen Außenwandungsabschnitt des zweiten Kanals und einen Außenwandungsabschnitt des ersten Kanals gebildet sein, die angrenzend zueinander (z. B. überlappend) angeordnet sind und gemeinsame Durchgänge (z. B. fluchtend angeordnete Durchgänge im Außenwandungsabschnitt des zweiten Kanals und dem Außenwandungsabschnitt des ersten Kanals) zur Ausbildung der Perforation aufweisen. Die gemeinsamen Durchgänge sind fluidisch abgedichtet zu einem Innenraum des ersten Kanals ausgebildet. According to a particular embodiment, the common outer wall section can be formed by an outer wall section of the second channel and an outer wall section of the first channel, which are arranged adjacent to one another (e.g. overlapping) and have common passages (e.g. aligned passages in the outer wall section of the second Channel and the outer wall section of the first channel) to form the perforation. The common passages are designed to be fluidically sealed to an interior of the first channel.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Kanal durch ein erstes Rohr, insbesondere ein Flachrohr, ausgebildet sein. Der zweite Kanal kann durch ein zweites Rohr, insbesondere ein Rundrohr, ausgebildet sein. Ein Wandungsabschnitt des zweiten Rohrs, in dem erste Öffnungen ausgebildet sind, kann an einem Wandungsabschnitt des ersten Rohrs, in dem fluchtend zu den ersten Öffnungen angeordnete zweite Öffnungen ausgebildet sind, zur Ausbildung der Perforation anliegen. Dies bietet eine einfach umsetzbare Ausführungsform der Kühlvorrichtung. According to one embodiment, the first channel can be formed by a first tube, in particular a flat tube. The second channel can be formed by a second tube, in particular a round tube. A wall section of the second tube, in which first openings are formed, can rest on a wall section of the first tube, in which second openings arranged in alignment with the first openings are formed, to form the perforation. This offers an easy-to-implement embodiment of the cooling device.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann das zumindest eine Kühlmodul mehrere Kühlmodule umfassen, die angrenzend nebeneinander angeordnet sind, insbesondere derart, dass die Kühlelemente eines der mehreren Kühlmodule zusätzlich zur thermischen Kopplung am ersten Kanal eines weiteren der mehreren Kühlmodule angeordnet sind. Die Kühlmodule können in einer Ebene angeordnet und gleich ausgerichtet sein. Die Kühlmodule können insbesondere einen Stapel bilden. Dies bietet z. B. die Möglichkeit, die Kühlvorrichtung für den entsprechenden Anwendungsfall und den Bauraum anzupassen. Die Anzahl der Kühlmodule und damit die Anzahl der ersten Kanäle kann z. B. von der Menge an zu kühlendem Kühlfluid und der Temperatur, auf die das Kühlfluid runtergekühlt werden soll, abhängen. According to one embodiment variant, the at least one cooling module can comprise a plurality of cooling modules which are arranged adjacent to one another, in particular in such a way that the cooling elements of one of the plurality of cooling modules are arranged on the first channel of another one of the plurality of cooling modules in addition to the thermal coupling. The cooling modules can be arranged in one plane and aligned in the same way. The cooling modules can in particular form a stack. This offers e.g. B. the possibility of adapting the cooling device to the corresponding application and the installation space. The number of cooling modules and thus the number of the first channels can e.g. B. from the quantity to cooling fluid and the temperature to which the cooling fluid is to be cooled down.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung ferner eine erste Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid und eine zweite Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Die erste Zuführleitung und die zweite Zuführleitung können mit zumindest einem Verdunstungskühlfluid-Reservoir fluidisch verbunden sein. Ferner kann eine Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung zum Einstellen eines Fluidmassenstroms des Verdunstungskühlfluides, das der ersten Zuführleitung und der zweiten Zuführleitung zugeführt wird, zwischen dem Verdunstungskühlfluid-Reservoir und der ersten Zuführleitung und zwischen dem Verdunstungskühlfluid-Reservoir und der zweiten Zuführleitung angeordnet sein. Der zweite Kanal kann ein erstes Ende, das mit der ersten Zuführleitung fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Zuführleitung fluidisch verbunden ist, aufweisen. Mittels der ersten und zweiten Zuführleitung kann der zweite Kanal somit beidseitig, z. B. mit dem gleichen Fluiddruck, mit dem Verdunstungskühlfluid beaufschlagt werden. Dadurch kann das Verdunstungskühlfluid aus den Öffnungen der Perforation gleichmäßig austreten und die Kühlelemente so gleichmäßig benetzt werden. According to one embodiment, the cooling device may further comprise a first supply line for the evaporative cooling fluid and a second supply line for the evaporative cooling fluid. The first supply line and the second supply line can be fluidly connected to at least one evaporative cooling fluid reservoir. Furthermore, an evaporative cooling fluid delivery device for adjusting a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid, which is supplied to the first supply line and the second supply line, can be arranged between the evaporative cooling fluid reservoir and the first supply line and between the evaporative cooling fluid reservoir and the second supply line. The second channel may have a first end that is fluidly connected to the first supply line and a second end that is fluidly connected to the second supply line. By means of the first and second supply lines, the second channel can thus be used on both sides, e.g. B. with the same fluid pressure as the evaporative cooling fluid. This allows the evaporative cooling fluid to emerge evenly from the openings of the perforation and the cooling elements to be wetted evenly.
Gemäß einer Ausführungsform können die erste Zuführleitung und/oder die zweite Zuführleitung zumindest abschnittsweise endseitig am ersten Kanal, insbesondere anliegend, angeordnet sein. Die erste Zuführleitung und die zweite Zuführleitung können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Die erste Zuführleitung und die zweite Zuführleitung können zumindest abschnittsweise senkrecht zum zweiten Kanal verlaufen. Die erste Zuführleitung, die zweite Zuführleitung und die zweiten Kanäle der mehreren Kühlmodule können eine leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. Dadurch wird eine möglichst einfach umsetzbare Konstruktion für die Zuführung und das Ausbringen des Verdunstungskühlfluides erzielt. Durch die endseitige Anordnung der ersten Zuführleitung und/oder der zweiten Zuführleitung kann ferner bereits einen Teil der abzuführenden Abwärme durch Wärmeleitung aus dem Kühlfluid aufgenommen werden. According to one embodiment, the first feed line and/or the second feed line can be arranged at least in sections at the end of the first channel, in particular adjacent to it. The first supply line and the second supply line can run parallel to one another at least in sections. The first feed line and the second feed line can run at least in sections perpendicular to the second channel. The first supply line, the second supply line and the second channels of the plurality of cooling modules can form a ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid. This results in a design that is as easy to implement as possible for supplying and discharging the evaporative cooling fluid. Due to the end-side arrangement of the first supply line and/or the second supply line, part of the waste heat to be dissipated can also be absorbed from the cooling fluid by heat conduction.
Gemäß einer Ausführungsform können die ersten Kanäle der mehreren Kühlmodule, z. B. mäanderförmig, miteinander fluidisch verbunden sein. Insbesondere kann ein Ende des ersten Kanals eines der mehreren Kühlmodule mit einem Ende des ersten Kanals eines angrenzenden der mehreren Kühlmodule fluidisch verbunden sein. Die fluidisch verbundenen ersten Kanäle können zwei Enden zum Anschließen eines Kühlfluidkreislaufes (und/oder Einbinden der ersten Kanäle in einen Kühlfluidkreislauf) aufweisen. Die zweiten Kanäle der mehreren Kühlmodule können, insbesondere durch die erste Zuführleitung und die zweite Zuführleitung, miteinander fluidisch verbunden sein. According to one embodiment, the first channels of the plurality of cooling modules, e.g. B. meandering, fluidly connected to each other. In particular, an end of the first channel of one of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to an end of the first channel of an adjacent one of the plurality of cooling modules. The fluidically connected first channels can have two ends for connecting a cooling fluid circuit (and/or integrating the first channels into a cooling fluid circuit). The second channels of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another, in particular through the first supply line and the second supply line.
Gemäß einer Ausführungsform kann sich die Perforation in Längsrichtung des zweiten Kanals erstrecken. Die Kühlelemente können im Wesentlichen in Längsrichtung des ersten Kanals angeordnet sein. Eine Breite der Kühlelemente kann kleiner oder im Wesentlichen gleich einer Breite des ersten Kanals sein. Die dadurch gleichmäßige Verteilung der Öffnungen der Perforation entlang der Kühlelemente verhilft zu einer gleichmäßigeren Benetzung der Kühlelemente mit dem Verdunstungskühlfluid. According to one embodiment, the perforation can extend in the longitudinal direction of the second channel. The cooling elements can be arranged essentially in the longitudinal direction of the first channel. A width of the cooling elements can be smaller than or substantially equal to a width of the first channel. The resulting uniform distribution of the openings of the perforation along the cooling elements helps to ensure more uniform wetting of the cooling elements with the evaporative cooling fluid.
Gemäß einer Ausführungsvariante können der erste Kanal und der zweite Kanal parallel zueinander und/oder in einer gleichen Ebene verlaufen. Der zweite Kanal kann sich beidseitig über den ersten Kanal hinaus erstrecken und/oder endseitig (an beiden Endseiten des ersten Kanals) aus dem ersten Kanal, vorzugsweise fluiddicht, herausgeführt sein. According to one embodiment variant, the first channel and the second channel can run parallel to one another and/or in the same plane. The second channel can extend beyond the first channel on both sides and/or can be led out of the first channel at the end (on both end sides of the first channel), preferably in a fluid-tight manner.
Gemäß einer Ausführungsform kann das mindestens eine Kühlmodul einen dritten Kanal für das Verdunstungskühlfluid aufweisen. Der dritte Kanal kann z. B. außerhalb am ersten Kanal, vorzugsweise anliegend, angeordnet sein. Der dritte Kanal kann eine den Kühlelementen zugewandte Perforation zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente mit dem Verdunstungskühlfluid aufweisen. Durch die Anordnung des dritten Kanals kann die möglichst gleichmäßige Vernetzung der Kühlelemente noch weiter verbessert werden. Insbesondere kann der dritte Kanal dazu dienen, Außenbereiche der Kühlelemente zu benetzen, die von der Perforation des zweiten Kanals nur schwierig erreicht werden können. According to one embodiment, the at least one cooling module can have a third channel for the evaporative cooling fluid. The third channel can e.g. B. be arranged outside the first channel, preferably adjacent. The third channel can have a perforation facing the cooling elements for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid. By arranging the third channel, the networking of the cooling elements can be improved even further. In particular, the third channel can serve to wet outer areas of the cooling elements that can only be reached with difficulty by the perforation of the second channel.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann der dritte Kanal insbesondere an einer, vorzugsweise in Strömungsrichtung der entlang der Kühlelemente strömenden Kühlluft gesehenen, Vorderseite des ersten Kanals angeordnet sein. Der dritte Kanal und der zweite Kanal können parallel zueinander verlaufen. Der dritte Kanal kann durch ein Rundrohr ausgebildet sein und/oder gleiche Maße wie der zweite Kanal aufweisen. Durch diese Ausbildung und Anordnung des dritten Kanals kann der zusätzliche Druckverlust der Kühlluft möglichst geringgehalten werden. Ist der dritte Kanal an der Vorderseite des ersten Kanals angeordnet, so erzeugt der dritte Kanal einen Windschatten für den ersten Kanal und zusätzlich einen luftleitenden Effekt, sodass der Druckverlust für die Kühlluft durch den zusätzlichen dritten Kanal nur unwesentlich gesteigert wird. Der dritte Kanal kann z. B. durch eine Klebe-, Schweiß oder Schraubverbindung am ersten Kanal angebracht sein. Dadurch ist es möglich, den dritten Kanal getrennt von der Anordnung des ersten und zweiten Kanals zu fertigen und später modular anzubringen. According to an embodiment variant, the third channel can be arranged in particular on a front side of the first channel, preferably seen in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements. The third channel and the second channel can run parallel to each other. The third channel can be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel. This design and arrangement of the third channel allows the additional pressure loss of the cooling air to be kept as low as possible. If the third channel is arranged at the front of the first channel, the third channel creates a slipstream for the first channel and additionally an air-conducting effect, so that the pressure loss for the cooling air is only slightly increased by the additional third channel. The third channel can e.g. B. be attached to the first channel by an adhesive, weld or screw connection. This makes it possible to manufacture the third channel separately from the arrangement of the first and second channels and to attach it later in a modular manner.
Die Perforation des dritten Kanals kann in einer Außenwandung des dritten Kanals ausgebildet sein und sich in Längsrichtung des dritten Kanals (und vorzugsweise parallel zur Perforation des zweiten Kanals) erstrecken. Die Perforation des dritten Kanals kann zu den Kühlelementen hin angeschrägt ausgebildet sein. The perforation of the third channel may be formed in an outer wall of the third channel and extend in the longitudinal direction of the third channel (and preferably parallel to the perforation of the second channel). The perforation of the third channel can be tapered towards the cooling elements.
Gemäß einer Ausführungsvariante können der dritte Kanal und der zweite Kanal fluidisch getrennt ausgebildet sein. Die Kühlvorrichtung kann ferner eine dritte Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid und eine vierte Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Der dritte Kanal kann ein erstes Ende, das mit der dritten Zuführleitung fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der vierten Zuführleitung fluidisch verbunden ist, aufweisen. Dadurch kann auch der dritte Kanal beidseitig, z. B. mit dem gleichen Fluiddruck, mit dem Verdunstungskühlfluid beaufschlagt werden. Zudem ist es möglich, dass der zweite und dritte Kanal unabhängig voneinander mit dem Verdunstungskühlfluid beaufschlagt werden können, um so das Ausbringen des Verdunstungskühlfluides je nach Kühlungsbedarf und für eine möglichst gleichmäßige Benetzung für beide Kanäle eigenständig einstellen zu können. According to one embodiment variant, the third channel and the second channel can be designed to be fluidically separated. The cooling device may further comprise a third supply line for the evaporative cooling fluid and a fourth supply line for the evaporative cooling fluid. The third channel may have a first end fluidly connected to the third supply line and a second end fluidly connected to the fourth supply line. This means that the third channel can also be used on both sides, e.g. B. with the same fluid pressure as the evaporative cooling fluid. In addition, it is possible for the second and third channels to be supplied with the evaporative cooling fluid independently of one another in order to be able to independently adjust the application of the evaporative cooling fluid depending on the cooling requirement and for the most even wetting possible for both channels.
Die dritte Zuführleitung und die vierte Zuführleitung können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Die dritte Zuführleitung und die vierte Zuführleitung können zumindest abschnittsweise senkrecht zum dritten Kanal verlaufen. Die dritte Zuführleitung, die vierte Zuführleitung und die dritten Kanäle der mehreren Kühlmodule können eine (zweite) leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. The third feed line and the fourth feed line can run parallel to one another at least in sections. The third feed line and the fourth feed line can run at least in sections perpendicular to the third channel. The third supply line, the fourth supply line and the third channels of the plurality of cooling modules can form a (second) ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
Es ist ferner auch möglich, dass das zumindest eine Kühlmodul weitere Kanäle für das Verdunstungskühlfluid aufweist. Das mindestens eine Kühlmodul kann z. B. einen vierten Kanal für das Verdunstungskühlfluid aufweisen. Der vierte Kanal kann z. B. außerhalb am ersten Kanal, vorzugsweise anliegend, angeordnet sein. Der vierte Kanal kann eine den Kühlelementen zugewandte Perforation zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente mit dem Verdunstungskühlfluid aufweisen. It is also possible for the at least one cooling module to have further channels for the evaporative cooling fluid. The at least one cooling module can z. B. have a fourth channel for the evaporative cooling fluid. The fourth channel can e.g. B. be arranged outside the first channel, preferably adjacent. The fourth channel can have a perforation facing the cooling elements for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements with the evaporative cooling fluid.
Der vierte Kanal kann an einer, insbesondere in Strömungsrichtung der entlang der Kühlelemente strömenden Kühlluft gesehenen, Rückseite des ersten Kanals angeordnet sein. Der vierte Kanal und der zweite Kanal können parallel zueinander verlaufen. Der vierte Kanal kann durch ein Rundrohr ausgebildet sein und/oder gleiche Maße wie der zweite Kanal aufweisen. Der vierte Kanal kann z. B. durch eine Klebe-, Schweiß oder Schraubverbindung am ersten Kanal angebracht werden. The fourth channel can be arranged on a rear side of the first channel, particularly as seen in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements be. The fourth channel and the second channel can run parallel to each other. The fourth channel can be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel. The fourth channel can e.g. B. can be attached to the first channel by an adhesive, weld or screw connection.
Die Perforation des vierten Kanals kann in einer Außenwandung des vierten Kanals ausgebildet sein und sich in Längsrichtung des vierten Kanals (und vorzugsweise parallel zur Perforation des zweiten Kanals) erstrecken. Die Perforation des dritten Kanals kann zu den Kühlelementen hin angeschrägt ausgebildet sein. The perforation of the fourth channel may be formed in an outer wall of the fourth channel and extend in the longitudinal direction of the fourth channel (and preferably parallel to the perforation of the second channel). The perforation of the third channel can be tapered towards the cooling elements.
Der vierte Kanal, der dritte Kanal und der zweite Kanal können fluidisch getrennt ausgebildet sein. Die Kühlvorrichtung kann ferner eine fünfte Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid und eine sechste Zuführleitung für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Der vierte Kanal kann ein erstes Ende, das mit der fünften Zuführleitung fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der sechsten Zuführleitung fluidisch verbunden ist, aufweisen. The fourth channel, the third channel and the second channel can be designed to be fluidically separated. The cooling device may further comprise a fifth supply line for the evaporative cooling fluid and a sixth supply line for the evaporative cooling fluid. The fourth channel may have a first end fluidly connected to the fifth supply line and a second end fluidly connected to the sixth supply line.
Die fünfte Zuführleitung und die sechste Zuführleitung können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. Die fünfte Zuführleitung und die sechste Zuführleitung können zumindest abschnittsweise senkrecht zum vierten Kanal verlaufen. Die fünfte Zuführleitung, die sechste Zuführleitung und die vierten Kanäle der mehreren Kühlmodule können eine (dritte) leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. The fifth feed line and the sixth feed line can run parallel to one another at least in sections. The fifth feed line and the sixth feed line can run at least in sections perpendicular to the fourth channel. The fifth supply line, the sixth supply line and the fourth channels of the plurality of cooling modules can form a (third) ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste Kanal, der zweite Kanal und die Kühlelemente (und vorzugsweise der dritte Kanal und der vierte Kanal) des zumindest einen Kühlmoduls das gleiche Material, vorzugsweise ein Metall, z. B. Aluminium, umfassen. Dadurch kann z. B. eine gute Wärmeleitfähigkeit vom Kühlfluid innerhalb des ersten Kanals zu den Kühlelementen bzw. zum Verdunstungskühlfluid in den anderen Kanälen gewährleistet sein. Aluminium ist er dabei besonders geeignet, da Aluminium neben der hohen Wärmeleitfähigkeit auch eine hohe Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein niedriges spezifisches Gewicht aufweist, was für die Fertigung der Kühlvorrichtung besonders geeignet ist. According to a further embodiment, the first channel, the second channel and the cooling elements (and preferably the third channel and the fourth channel) of the at least one cooling module can be the same material, preferably a metal, e.g. B. aluminum. This can z. B. good thermal conductivity from the cooling fluid within the first channel to the cooling elements or to the evaporative cooling fluid in the other channels can be guaranteed. Aluminum is particularly suitable because, in addition to its high thermal conductivity, aluminum also has high strength, good corrosion resistance and a low specific weight, which is particularly suitable for the production of the cooling device.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen eines Kühlfluides bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen der Kühlvorrichtung wie hierin offenbart. Das Verfahren umfasst ferner ein Zuführen des Kühlfluides in den ersten Kanal des zumindest einen Kühlmoduls der Kühlvorrichtung und ein Zuführen eines Verdunstungskühlfluides in den zweiten Kanal des zumindest einen Kühlmoduls der Kühlvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner ein Ausbringen des Verdunstungskühlfluides mittels der Perforation der Kühlvorrichtung und ein Benetzen der Kühlelemente der Kühlvorrichtung mit dem Verdunstungskühlfluid. According to a further general aspect of the invention, a method for cooling a cooling fluid is provided. The method includes providing the cooling device as disclosed herein. The method further comprises supplying the cooling fluid into the first channel of the at least one cooling module of the cooling device and supplying a Evaporative cooling fluid into the second channel of the at least one cooling module of the cooling device. The method further comprises discharging the evaporative cooling fluid by means of the perforation of the cooling device and wetting the cooling elements of the cooling device with the evaporative cooling fluid.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen zuvor rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale der Kühlvorrichtung auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. To avoid repetition, features of the cooling device that were previously disclosed purely in accordance with the device should also be considered disclosed in accordance with the method and can be claimed.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, mit der Kühlvorrichtung wie hierin offenbart bereitgestellt. Die Kühlvorrichtung kann vorzugsweise an einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Auf diese Weise kann Fahrtluft als Kühlluft, die entlang der Kühlelemente vorbeiströmt, verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann der Kühlvorrichtung einen Lüfter zur Erzeugung eines Kühlluftstroms umfassen. According to a further general aspect of the invention, a motor vehicle, preferably a commercial vehicle, is provided with the cooling device as disclosed herein. The cooling device can preferably be arranged on a vehicle front of the motor vehicle. In this way, driving air can be used as cooling air that flows past the cooling elements. Alternatively or additionally, the cooling device can include a fan for generating a cooling air flow.
Gemäß einer Ausführungsform des Kraftfahrzeugs kann die Kühlvorrichtung, insbesondere der erste Kanal des zumindest einen Kühlmoduls, in einem Kühlkreislauf für eine Brennstoffzellenanordnung eingebunden sein. According to one embodiment of the motor vehicle, the cooling device, in particular the first channel of the at least one cooling module, can be integrated in a cooling circuit for a fuel cell arrangement.
Das Kraftfahrzeug kann ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb sein. Dadurch kann die Kühlungsproblematik von Brennstoffzellen bei hohen Umgebungstemperaturen zumindest teilweise behoben werden. Der Einsatz der Kühlvorrichtung kann zur Effizienz- und Leistungssteigerung der Kühlung führen. The motor vehicle can be a motor vehicle with a fuel cell drive. This can at least partially solve the cooling problem of fuel cells at high ambient temperatures. The use of the cooling device can lead to an increase in the efficiency and performance of the cooling system.
Das Kraftfahrzeug kann ferner ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein. Die Kühlvorrichtung kann z. B. zur verbesserten Kühlung beim Schnellladen beitragen. Beim Schnellladen im Stand fehlt die Fahrtluft als Kühlluft für die Kühlung der Fahrzeugbatterien und den weiteren zu kühlenden Komponenten. Eine Verdunstungskühlung mittels der Kühlvorrichtung kann die Kühlleistung erheblich steigern. Im Fährbetrieb entstehen wesentlich geringere Abwärmemengen als beim Schnellladen. Durch die Kühlvorrichtung kann die Auslegung der Komponenten des fahrzeugseitigen Kühlsystems reduziert und dadurch vergünstigt werden. Somit kann das gesamte Kühlsystem des Kraftfahrzeugs kleiner dimensioniert werden. Als Wasserquelle, z. B. zum Füllen eines Reservoirs für das Verdunstungskühlfluid, bietet sich z. B. ein stationärer Wasseranschluss an Ladestationen an. Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird eine Steuervorrichtung (z. B. ein Fahrzeugsteuergerät) für eine zum Kühlen eines Kühlfluides ausgebildete Kühlungsvorrichtung (zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung), z. B. der Kühlvorrichtung wie hierin offenbart, eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. In der Kühlungsvorrichtung sind luftkühlbare Kühlungselemente, z. B. die Kühlelemente wie hierin offenbart, für eine erhöhte Kühlwirkung zusätzlich mit einem Verdunstungskühlfluid benetzbar. The motor vehicle can also be an electrically driven motor vehicle. The cooling device can e.g. B. contribute to improved cooling during fast charging. When fast charging while stationary, the driving air is missing as cooling air for cooling the vehicle batteries and the other components that need to be cooled. Evaporative cooling using the cooling device can significantly increase the cooling performance. Ferry operations produce significantly lower amounts of waste heat than fast charging. The cooling device allows the design of the components of the vehicle-side cooling system to be reduced and thereby made cheaper. The entire cooling system of the motor vehicle can therefore be made smaller. As a water source, e.g. B. for filling a reservoir for the evaporative cooling fluid, z. B. a stationary water connection at charging stations. According to a further general aspect of the invention, a control device (e.g. a vehicle control unit) for a cooling device designed to cool a cooling fluid (for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling), e.g. B. the cooling device as disclosed herein of a motor vehicle. Air-coolable cooling elements, e.g. B. the cooling elements as disclosed herein can also be wetted with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect.
Die Steuervorrichtung ist ausgebildet, zum Kühlen des Kühlfluides auf eine Solltemperatur einen Luftmassenstrom einer entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft und einen Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides zum Benetzen der Kühlungselemente einzustellen. The control device is designed to adjust an air mass flow of cooling air flowing along the cooling elements and a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid to wet the cooling elements in order to cool the cooling fluid to a target temperature.
Die Steuervorrichtung kann grundlegend für jede Kühlungsvorrichtung verwendet werden, die zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung ausgeführt ist, z. B. die Kühlvorrichtung wie hierin offenbart. The control device can basically be used for any cooling device designed to cool a cooling fluid using air and evaporative cooling, e.g. B. the cooling device as disclosed herein.
Der Begriff „Steuervorrichtung“ kann sich zweckmäßig auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben und/oder Verarbeitungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin die Begriffe „Einstellen“ und/oder „Steuern“ verwendet werden, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ und/oder „Verarbeiten“ umfasst bzw. gemeint sein. The term “control device” can usefully refer to electronics (e.g. with microprocessor(s) and data memory) which, depending on its training, can take on control tasks and/or regulation tasks and/or processing tasks. Even if the terms “setting” and/or “control” are used here, they can also appropriately include or mean “rules” or “control with feedback” and/or “processing”.
Durch die vorliegende Offenbarung wird somit eine Lösung mit einer verbesserten Kühlung, insbesondere einer effizienteren Nutzung der Verdunstungskühlung durch Benetzen mit dem Verdunstungskühlfluid bereitgestellt. Insbesondere wird eine Steuervorrichtung bereitgestellt, die eine Betriebsstrategie der Verdunstungskühlung zum möglichst effizienten Verteilen und Ausbringen des Verdunstungskühlfluides umsetzen kann. The present disclosure thus provides a solution with improved cooling, in particular a more efficient use of evaporative cooling by wetting with the evaporative cooling fluid. In particular, a control device is provided which can implement an evaporative cooling operating strategy for distributing and dispensing the evaporative cooling fluid as efficiently as possible.
So sind der Luftmassenstrom und der Fluidmassenstrom gleichzeitig, insbesondere voneinander abhängig, derart einstellbar, dass eine nötige Kühlleistung erzielt wird, um das Kühlfluid auf die Solltemperatur zu kühlen. The air mass flow and the fluid mass flow can be adjusted simultaneously, in particular depending on one another, in such a way that the necessary cooling performance is achieved in order to cool the cooling fluid to the target temperature.
Ferner führt das gleichzeitige Einstellen des Luftmassenstroms und des Fluidmassenstroms zu einer erhöhten Verdunstungsrate, welche das Verhältnis des ausgebrachten Verdunstungskühlfluides zur verdunstenden Menge des Verdunstungskühlfluides beschreibt. Das Verdunstungskühlfluid kann entsprechend zur gezielten Wasserverdunstung mit höherer Effizienz genutzt werden. Furthermore, the simultaneous adjustment of the air mass flow and the fluid mass flow leads to an increased evaporation rate, which describes the ratio of the evaporative cooling fluid applied to the evaporating amount of the evaporative cooling fluid. The evaporative cooling fluid can be used for targeted water evaporation with higher efficiency.
Die Steuervorrichtung kann ferner ausgebildet sein, die Solltemperatur, z. B. in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, zu bestimmen und/oder aus mehreren hinterlegten Solltemperaturen auszuwählen. Der Betriebszustand kann einen Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise unter zusätzlicher Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit, umfassen. Der Betriebszustand kann einen Ladebetrieb des (elektrisch antreibbaren) Kraftfahrzeugs (im Stand) umfassen. The control device can also be designed to set the target temperature, e.g. B. depending on an operating state of the motor vehicle, to be determined and / or selected from several stored target temperatures. The operating state can include ferry operation of the motor vehicle, preferably with additional consideration of the vehicle speed. The operating state can include charging operation of the (electrically driven) motor vehicle (while stationary).
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, einen Soll-Luftmassenstrom, auf den der Luftmassenstrom einzustellen ist, anhand von, z. B. in einem Speicher der Steuervorrichtung, hinterlegten Kennfeldern in Abhängigkeit von einem bestimmten Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides zu bestimmen. Die Kennfelder können (auf fachmännisch bekannte Weise) z. B. durch Simulationen und/oder Experimente, z. B. Erprobungsfahrten mit dem Kraftfahrzeug, bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, zunächst die notwendige Menge an Verdunstungskühlfluid zur Benetzung der Kühlungselemente zu bestimmen, um anschließend den Luftmassenstrom zu bestimmen, der für eine möglichst optimierte Verdunstungskühlung bzw. eine möglichst optimierte Kombination der Luft- und Verdunstungskühlung nötig ist. According to a special embodiment, the control device can further be designed to determine a target air mass flow to which the air mass flow is to be adjusted based on, for. B. in a memory of the control device, to determine stored maps depending on a specific fluid mass flow of the evaporative cooling fluid. The maps can (in a manner known to those skilled in the art) e.g. B. through simulations and/or experiments, e.g. B. test drives with the motor vehicle. This makes it possible to first determine the necessary amount of evaporative cooling fluid for wetting the cooling elements in order to then determine the air mass flow that is necessary for the most optimized possible evaporative cooling or the most optimized combination of air and evaporative cooling.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, den Soll- Luftmassenstrom ferner in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Größen zu bestimmen: eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, eine Luftgeschwindigkeit einer Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung und/oder nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung, eine Luftfeuchtigkeit der Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung und/oder nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung, und/oder eine Lufttemperatur der Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung und/oder nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung. According to one embodiment, the control device can further be designed to further determine the target air mass flow as a function of at least one of the following variables: a vehicle speed of the motor vehicle, an air speed of a cooling air before entering the cooling device and / or after exiting the cooling device, a Humidity of the cooling air before entering the cooling device and/or after exiting the cooling device, and/or an air temperature of the cooling air before entering the cooling device and/or after exiting the cooling device.
Dadurch kann z. B. berücksichtigt werden, wieviel an verdunstetem Verdunstungskühlfluid durch die Kühlluft aufnehmbar ist und/oder inwieweit ein aktives Einstellen des Luftmassenstroms notwendig bzw. nötig ist. Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsvariante kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, einen Soll-Fluidmassenstrom, auf den der Fluidmassenstrom einzustellen ist, in Abhängigkeit von einer Austrittstemperatur des Kühlfluides beim Austritt aus der Kühlungsvorrichtung und der Solltemperatur zu bestimmen. Entsprechend kann so berücksichtigt werden, wie viel an Verdunstungskühlfluid notwendig ist, um das Kühlfluid auf die gewünschte Solltemperatur runter zu kühlen. This can z. B. take into account how much evaporated evaporative cooling fluid can be absorbed by the cooling air and / or to what extent an active adjustment of the air mass flow is necessary or necessary. According to a further special embodiment variant, the control device can further be designed to determine a target fluid mass flow to which the fluid mass flow is to be adjusted, depending on an outlet temperature of the cooling fluid when it exits the cooling device and the target temperature. Accordingly, it can be taken into account how much evaporative cooling fluid is necessary to cool the cooling fluid down to the desired target temperature.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, den Soll- Fluidmassenstrom zusätzlich in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Größen zu bestimmen: eine Eintrittstemperatur des Kühlfluides beim Eintritt in die Kühlungsvorrichtung; ein Füllstand eines Verdunstungskühlfluid-Reservoirs; und/oder ein Betriebszustand des Kraftfahrzeugs. According to one embodiment, the control device can further be designed to additionally determine the target fluid mass flow as a function of at least one of the following variables: an inlet temperature of the cooling fluid when entering the cooling device; a level of an evaporative cooling fluid reservoir; and/or an operating state of the motor vehicle.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, eine Zufuhr des Verdunstungskühlfluides in Abhängigkeit von zumindest der Austrittstemperatur des Kühlfluides zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dadurch kann die Verdunstungskühlung je nach Bedarf hinzugeschaltet werden bzw. die Kühlungsvorrichtung nur mit der Luftkühlung betrieben werden, wenn dies für die notwendige Kühlung ausreichend ist. According to one embodiment, the control device can further be designed to activate or deactivate a supply of the evaporative cooling fluid depending on at least the outlet temperature of the cooling fluid. This means that evaporative cooling can be switched on as required or the cooling device can only be operated with air cooling if this is sufficient for the necessary cooling.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, den Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides durch eine Regelung, vorzugsweise mittels einer PI-Regelung, einzustellen. According to an embodiment variant, the control device can further be designed to adjust the fluid mass flow of the evaporative cooling fluid by means of a control, preferably by means of a PI control.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Kühlsystem bereitgestellt. Das Kühlsystem umfasst die Steuervorrichtung wie hierin offenbart, und eine Kühlungsvorrichtung zum Kühlen eines Kühlfluides, aufweisend luftkühlbare Kühlungselemente, die mit einem oder mehreren Kanälen für das Kühlfluid thermisch gekoppelt sind und für eine erhöhte Kühlwirkung zusätzlich mit einem Verdunstungskühlfluid benetzbar sind. Die Kühlungsvorrichtung kann z. B. die Kühlvorrichtung wie hierin offenbart und die Kühlungselemente können die Kühlelemente wie hierin offenbart sein. Die ein oder mehreren Kanäle für das Kühlfluid können dem ersten Kanal des zumindest einen Kühlmoduls wie hierin offenbart entsprechen. According to a further general aspect of the invention, a cooling system is provided. The cooling system includes the control device as disclosed herein, and a cooling device for cooling a cooling fluid, comprising air-coolable cooling elements that are thermally coupled to one or more channels for the cooling fluid and are additionally wettable with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect. The cooling device can e.g. B. the cooling device as disclosed herein and the cooling elements may be the cooling elements as disclosed herein. The one or more channels for the cooling fluid may correspond to the first channel of the at least one cooling module as disclosed herein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Kühlungsvorrichtung ferner mehrere Ausbringungseinrichtungen zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und Benetzen der Kühlungselemente aufweisen, auf die der von der Steuervorrichtung einstellbare Fluidmassenstrom aufteilbar ist. Die mehreren Ausbringeinrichtungen können den zweiten Kanal und den dritten Kanal (und vorzugsweise den vierten Kanal) des zumindest einen Kühlmoduls wie hierin offenbart umfassen. Es ist z. B. auch möglich, dass die Anordnung aus der dritten Zuführleitung, der vierten Zuführleitung und den dritten Kanälen der mehreren Kühlmodule wie hierin offenbart einer ersten Ausbringungseinrichtung entspricht, die Anordnung aus der ersten Zuführleitung, der zweiten Zuführleitung und den zweiten Kanälen der mehreren Kühlmodule wie hierin offenbart einer zweiten Ausbringungseinrichtung entspricht, und vorzugsweise die Anordnung aus der fünften Zuführleitung, der sechsten Zuführleitung und den vierten Kanälen der mehreren Kühlmodule wie hierin offenbart einer dritten Ausbringungseinrichtung entspricht. According to one embodiment, the cooling device can further have a plurality of dispensing devices for dispensing the evaporative cooling fluid and wetting the Have cooling elements to which the fluid mass flow adjustable by the control device can be divided. The plurality of delivery devices may include the second channel and the third channel (and preferably the fourth channel) of the at least one cooling module as disclosed herein. It is Z. B. also possible that the arrangement of the third feed line, the fourth feed line and the third channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein corresponds to a first delivery device, the arrangement of the first feed line, the second feed line and the second channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein discloses corresponds to a second delivery device, and preferably the arrangement of the fifth feed line, the sixth feed line and the fourth channels of the plurality of cooling modules as disclosed herein corresponds to a third delivery device.
Gemäß einer Ausführungsform können die mehreren Ausbringungseinrichtungen in Strömungsrichtung der entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft hintereinander angeordnet sein. According to one embodiment, the plurality of delivery devices can be arranged one behind the other in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, mehrere, vorzugsweise zumindest teilweise unterschiedliche, Teil-Fluidmassenströme des Verdunstungskühlfluides für die mehreren Ausbringungseinrichtungen zum Benetzen der Kühlungselemente einzustellen. Die mehreren Teil-Fluidmassenströme können jeweils einem der mehreren Ausbringungseinrichtungen zugeführt werden. Dadurch kann mittels der Steuervorrichtung eine für die Verdunstung optimale Verteilung der Menge an Verdunstungskühlfluid auf die einzelnen Ausbringungseinrichtungen und -Positionen umgesetzt werden. According to an embodiment variant, the control device can further be designed to set a plurality of, preferably at least partially different, partial fluid mass flows of the evaporative cooling fluid for the plurality of delivery devices for wetting the cooling elements. The multiple partial fluid mass flows can each be supplied to one of the multiple delivery devices. As a result, the control device can be used to implement an optimal distribution of the amount of evaporation cooling fluid to the individual delivery devices and positions for evaporation.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, einen ersten Soll-Teil-Fluidmassenstrom, auf den ein Teil-Fluidmassenstrom für eine der mehreren Ausbringungseinrichtungen einzustellen ist, anhand zumindest eines hinterlegten Fluid- Kennfelds in Abhängigkeit von einer Luftfeuchtigkeit und/oder einer Lufttemperatur vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung zu bestimmen. Daten für das zumindest eine Fluid- Kennfeld können (auf fachmännisch bekannte Weise) z. B. durch Simulationen und/oder Experimente, z. B. Erprobungsfahrten mit dem Kraftfahrzeug, bestimmt werden. Die eine der mehreren Ausbringungseinrichtungen kann z. B. einer in Strömungsrichtung der entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft vordersten Ausbringungseinrichtung der mehreren Ausbringungseinrichtungen entsprechen. Dadurch kann die Ausbringmenge an Verdunstungskühlfluid optimiert werden, um z. B. die erreichbaren Oberflächen der Kühlungselemente möglichst gleichmäßig zu benetzen und gleichzeitig eine maximal verdunstbare Menge an Verdunstungskühlfluid (bzw. einen oberen Grenzwert der Luftfeuchtigkeit) nicht zu überschreiten. Eine zu hohe Ausbringmenge würde zu einer höheren Filmhöhe des Verdunstungskühlfluids und damit zu einem erhöhten kühlluftseitigen Druckverlust und zu einer geringeren Kühlleistung führen. According to one embodiment, the control device can further be designed to provide a first target partial fluid mass flow, to which a partial fluid mass flow for one of the plurality of application devices is to be set, based on at least one stored fluid characteristic map as a function of an air humidity and/or an air temperature Determine entry into the cooling device. Data for the at least one fluid map can (in a manner known to those skilled in the art) e.g. B. through simulations and/or experiments, e.g. B. test drives with the motor vehicle. One of the several delivery devices can z. B. correspond to a frontmost delivery device of the plurality of delivery devices in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements. This allows the application rate of evaporative cooling fluid to be optimized, e.g. B. the accessible surfaces of the To wet cooling elements as evenly as possible and at the same time not to exceed a maximum evaporable amount of evaporative cooling fluid (or an upper limit of air humidity). An application rate that is too high would lead to a higher film height of the evaporative cooling fluid and thus to an increased pressure loss on the cooling air side and to a lower cooling performance.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, einen um den ersten Soll-Teil-Fluidmassenstrom reduzierten, verbleibenden Fluidmassenstrom, vorzugsweise gleichmäßig, auf die verbleibenden der mehreren Ausbringungseinrichtungen aufzuteilen. According to one embodiment, the control device can further be designed to distribute, preferably uniformly, a remaining fluid mass flow reduced by the first target partial fluid mass flow among the remaining of the plurality of delivery devices.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Steuervorrichtung ferner ausgebildet sein, einen ersten Teil-Fluidmassenstrom einer der mehreren Ausbringungseinrichtungen um einen konstanten Wert, beispielsweise um 5 %, zu reduzieren, wenn eine Luftfeuchtigkeit der Kühlluft nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung oberhalb einer hinterlegten Schwelle, z. B: eine relative Luftfeuchtigkeit von 95 %, liegt. Die Steuervorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen jeweiligen Teil-Fluidmassenstrom der verbleibenden der mehreren Ausbringungseinrichtungen, vorzugsweise gleichmäßig, zu reduzieren, bis die Luftfeuchtigkeit unterhalb der hinterlegten Schwelle liegt. Dadurch kann z. B. einer zu hohen Ausbringmenge an Verdunstungskühlfluid vorgebeugt werden. According to an embodiment variant, the control device can further be designed to reduce a first partial fluid mass flow of one of the plurality of delivery devices by a constant value, for example by 5%, if the humidity of the cooling air after exiting the cooling device is above a set threshold, e.g. B: a relative humidity of 95%. The control device can further be designed to reduce a respective partial fluid mass flow of the remaining of the plurality of application devices, preferably uniformly, until the air humidity is below the stored threshold. This can z. B. an excessively high application rate of evaporative cooling fluid can be prevented.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kühlsystem ferner ein Verdunstungskühlfluid- Reservoir und eine Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung, die (in Bezug auf einen Verdunstungskühlfluidstrom und/oder fluidisch) zwischen dem Verdunstungskühlfluid- Reservoir und der Kühlungsvorrichtung angeordnet ist und zum Einstellen des Fluidmassenstroms durch die Steuervorrichtung steuerbar ist, umfassen. Die Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung kann z. B. jeweils eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, ein Ventil und/oder ein Druckminderer, zwischen dem Verdunstungskühlfluid-Reservoir und einer von mehreren Ausbringungseinrichtungen der Kühlungsvorrichtung aufweisen. Das Verdunstungskühlfluid-Reservoir kann ausgebildet sein, das Verdunstungskühlfluid ungewärmt und/oder mit einer Temperatur von zwischen (typischerweise) 25 und 45 °C bereitzustellen. According to one embodiment, the cooling system may further include an evaporative cooling fluid reservoir and an evaporative cooling fluid delivery device, which is arranged (with respect to an evaporative cooling fluid flow and/or fluidically) between the evaporative cooling fluid reservoir and the cooling device and can be controlled by the control device for adjusting the fluid mass flow, include. The evaporative cooling fluid conveying device can, for. B. each have a conveyor device, in particular a pump, a valve and / or a pressure reducer, between the evaporative cooling fluid reservoir and one of several delivery devices of the cooling device. The evaporative cooling fluid reservoir may be designed to provide the evaporative cooling fluid unheated and/or at a temperature of between (typically) 25 and 45°C.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann das Kühlsystem ferner eine Luftfördereinrichtung, vorzugsweise einen Lüfter, umfassen. Ein Parameter der Luftfördereinrichtung, vorzugsweise eine Drehgeschwindigkeit, kann zum Einstellen des Luftmassenstroms durch die Steuervorrichtung steuerbar sein. Die Steuervorrichtung kann ferner ausgebildet sein, den Parameter der Luftfördereinrichtung in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom zu bestimmen und die Luftfördereinrichtung zum Einstellen des bestimmten Parameters zu steuern. According to one embodiment variant, the cooling system can further comprise an air conveying device, preferably a fan. A parameter of the air delivery device, preferably a rotation speed, can be used to adjust the air mass flow the control device can be controlled. The control device can further be designed to determine the parameter of the air delivery device as a function of the air mass flow and to control the air delivery device to set the specific parameter.
Das Kühlsystem kann ferner zumindest eine Kühlfluid-Sensoreinrichtung umfassen, die an einem Kühlfluideintritt und/oder Kühlfluidaustritt der Kühlungsvorrichtung angeordnet ist und mit der Steuervorrichtung zum Erfassen einer Eintrittstemperatur und/oder Austrittstemperatur des Kühlfluides signaltechnisch verbunden ist. The cooling system can further comprise at least one cooling fluid sensor device, which is arranged at a cooling fluid inlet and/or cooling fluid outlet of the cooling device and is connected in terms of signals to the control device for detecting an inlet temperature and/or outlet temperature of the cooling fluid.
Das Kühlsystem kann ferner zumindest eine Luft-Sensoreinrichtung umfassen, die vor und/oder hinter der Kühlungsvorrichtung angeordnet ist und mit der Steuervorrichtung zum Erfassen einer Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur signaltechnisch verbunden ist. The cooling system can further comprise at least one air sensor device which is arranged in front of and/or behind the cooling device and is connected in terms of signals to the control device for detecting air humidity and/or air temperature.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, mit dem Kühlsystem wie hierin offenbart bereitgestellt. Die Kühlungsvorrichtung des Kühlsystems kann vorzugsweise an einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Auf diese Weise kann Fahrtluft, die entlang der Kühlungselemente vorbeiströmt, als Kühlluft, verwendet werden. According to a further general aspect of the invention, a motor vehicle, preferably a commercial vehicle, is provided with the cooling system as disclosed herein. The cooling device of the cooling system can preferably be arranged on a vehicle front of the motor vehicle. In this way, air that flows past the cooling elements can be used as cooling air.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen, Varianten und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsformen, Varianten und Merkmale der Kühlvorrichtung und der Steuervorrichtung beliebig miteinander kombinierbar, jedoch sollen die Kühlvorrichtung und die Steuervorrichtung auch unabhängig voneinander beanspruchbar sein. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: The previously described embodiments, variants and features of the invention can be combined with one another in any way. In particular, the previously described embodiments, variants and features of the cooling device and the control device can be combined with one another in any way, but the cooling device and the control device should also be able to be used independently of one another. Further details and advantages of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht von Kühlmodulen einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Figure 1 shows a schematic sectional view of cooling modules of a cooling device according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
Figur 2 eine schematische Schrägansicht der Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Figure 2 shows a schematic oblique view of the cooling device according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
Figuren 3-5 schematische Ausschnitte der Kühlvorrichtung mit verschiedenen Perforation- Konfigurationen; Figuren 6-10 schematische Schräganschnitte der Kühlvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung; Figures 3-5 schematic sections of the cooling device with different perforation configurations; Figures 6-10 show schematic oblique sections of the cooling device according to further exemplary embodiments of the present disclosure;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Figure 11 shows a schematic representation of a control device according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
Figur 12 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Figure 12 shows a schematic representation of a cooling system according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
Figur 13 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele einer Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung; Figure 13 shows schematic representations of various exemplary embodiments of an evaporative cooling fluid conveying device;
Figur 14 schematische Darstellung von Kennfeldern zur Bestimmung eines ersten Soll- Teil-Fluidmassenstroms; Figure 14 shows a schematic representation of characteristic maps for determining a first target partial fluid mass flow;
Figur 15 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Regelung zum Einstellen des Fluidmassenstroms; und Figure 15 shows a schematic representation of an exemplary control for adjusting the fluid mass flow; and
Figur 16 schematische Anordnungen der Steuervorrichtung, der Kühlungsvorrichtung und Sensoreinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Figure 16 shows schematic arrangements of the control device, the cooling device and sensor devices according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Zum vereinfachten Vergleich sind die gezeigten Kühlvorrichtungen 10, 10A-10D bzw. Kühlungsvorrichtung 150 in den Figuren bezüglich der angezeigten X-, Y- und Z-Richtung gleich ausgerichtet. The exemplary embodiments shown in the figures are at least partially the same, so that similar or identical parts are provided with the same reference numbers and for their explanation reference is also made to the description of the other exemplary embodiments or figures in order to avoid repetitions. For simplified comparison, the cooling devices 10, 10A-10D or cooling device 150 shown are aligned in the same way in the figures with respect to the indicated X, Y and Z directions.
Figur 1 zeigt zwei übereinander angeordnete Kühlmodule 20 einer Kühlvorrichtung 10 zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung in einer Schnittansicht. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst zumindest ein Kühlmodul 20, vorzugweise mehrere Kühlmodule 20. Figure 1 shows two cooling modules 20 arranged one above the other of a cooling device 10 for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling in a sectional view. The cooling device 10 comprises at least one cooling module 20, preferably several cooling modules 20.
Jedes Kühlmodul 20 weist einen ersten Kanal 22 für das Kühlfluid und einen zweiten Kanal 24 für ein Verdunstungskühlfluid auf. Der erste Kanal 22 und der zweite Kanal 24 können insbesondere parallel zueinander und/oder in einer gleichen Ebene verlaufen. Der erste Kanal 22 kann durch ein erstes Rohr, insbesondere ein Flachrohr, ausgebildet sein. Der zweite Kanal 24 kann durch ein zweites Rohr, insbesondere ein Rundrohr, ausgebildet sein. Each cooling module 20 has a first channel 22 for the cooling fluid and a second channel 24 for an evaporative cooling fluid. The first channel 22 and the second channel 24 can in particular run parallel to one another and/or in the same plane. The first Channel 22 can be formed by a first tube, in particular a flat tube. The second channel 24 can be formed by a second tube, in particular a round tube.
Jedes Kühlmodul 20 weist ferner luftkühlbare Kühlelemente 50, vorzugsweise Kühllamellen, auf. Die Kühlelemente 50 sind zur thermischen Kopplung, vorzugsweise in Längsrichtung, am ersten Kanal 22 angeordnet. Each cooling module 20 also has air-coolable cooling elements 50, preferably cooling fins. The cooling elements 50 are arranged on the first channel 22 for thermal coupling, preferably in the longitudinal direction.
Der zweite Kanal 24 weist eine Perforation 60 zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente 50 mit dem Verdunstungskühlfluid auf. Ferner ist der zweite Kanal 24 innerhalb des ersten Kanals 22 integriert und/oder angeordnet, insbesondere derart, dass der zweite Kanal 24 einen mit dem ersten Kanal 22 gemeinsamen Außenwandungsabschnitt aufweist, der den Kühlelementen 50 zugewandt ist und an dem die Perforation 60 ausgebildet ist. The second channel 24 has a perforation 60 for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements 50 with the evaporative cooling fluid. Furthermore, the second channel 24 is integrated and/or arranged within the first channel 22, in particular in such a way that the second channel 24 has an outer wall section common to the first channel 22, which faces the cooling elements 50 and on which the perforation 60 is formed.
Der gemeinsame Außenwandungsabschnitt kann insbesondere durch einen Außenwandungsabschnitt des zweiten Kanals 24 und einen Außenwandungsabschnitt des ersten Kanals 22 gebildet sein, die angrenzend zueinander, z. B. überlappend, angeordnet sind und gemeinsame Durchgänge zur Ausbildung der Perforation 60 aufweisen. Die Perforation 60 kann sich insbesondere in Längsrichtung des zweiten Kanals 24 erstrecken. The common outer wall section can in particular be formed by an outer wall section of the second channel 24 and an outer wall section of the first channel 22, which are adjacent to one another, e.g. B. are arranged overlapping and have common passages to form the perforation 60. The perforation 60 can extend in particular in the longitudinal direction of the second channel 24.
Umfasst die Kühlvorrichtung 10 mehrere Kühlmodule 20, so können diese mehreren Kühlmodule 20 angrenzend nebeneinander angeordnet sein, insbesondere derart, dass die Kühlelementen 50 eines der mehreren Kühlmodule 20 zusätzlich zur thermischen Kopplung am ersten Kanal 22 eines weiteren der mehreren Kühlmodule 20 angeordnet sind. If the cooling device 10 comprises a plurality of cooling modules 20, these several cooling modules 20 can be arranged adjacent to one another, in particular in such a way that the cooling elements 50 of one of the plurality of cooling modules 20 are arranged in addition to the thermal coupling on the first channel 22 of another of the plurality of cooling modules 20.
Die mehreren Kühlmodule 20 sind insbesondere parallel zueinander in einer Ebene ausgerichtet. Die ersten Kanäle 22 der mehreren Kühlmodule können miteinander fluidisch verbunden sein. Ferner können die zweiten Kanäle 24 der mehreren Kühlmodule miteinander fluidisch verbunden sein. The plurality of cooling modules 20 are in particular aligned parallel to one another in a plane. The first channels 22 of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another. Furthermore, the second channels 24 of the plurality of cooling modules can be fluidly connected to one another.
Jedes Kühlmodul 20 kann weitere Kanäle für das Verdunstungskühlfluid aufweisen, z. B. einen dritten Kanal 26 und/oder einen vierten Kanal 28. Each cooling module 20 may have additional channels for the evaporative cooling fluid, e.g. B. a third channel 26 and/or a fourth channel 28.
Die weiteren Kanäle können insbesondere außerhalb am ersten Kanal 22, vorzugsweise anliegend, angeordnet sein. Weist das Kühlmodul 20 den dritten Kanal 26 und den vierten Kanal 28 auf, so können die beiden Kanäle 26, 28 insbesondere an zwei gegenüberliegenden Außenflächen des ersten Kanals 22 anliegen. Die außerhalb am ersten Kanal 22 angeordneten Kanäle 26, 28 können ferner jeweils eine den Kühlelementen 50 zugewandte Perforation 62, 64 zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente 50 mit dem Verdunstungskühlfluid aufweisen. Die Perforation 62 kann sich in Längsrichtung des dritten Kanals 26 und die Perforation 64 kann sich in Längsrichtung des vierten Kanals 28 erstrecken. The further channels can in particular be arranged outside the first channel 22, preferably adjacent. If the cooling module 20 has the third channel 26 and the fourth channel 28, the two channels 26, 28 can rest in particular on two opposite outer surfaces of the first channel 22. The channels 26, 28 arranged outside on the first channel 22 can also each have a perforation 62, 64 facing the cooling elements 50 for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements 50 with the evaporative cooling fluid. The perforation 62 can extend in the longitudinal direction of the third channel 26 and the perforation 64 can extend in the longitudinal direction of the fourth channel 28.
Die weiteren Kanäle, z. B. der dritte Kanal 26 und der vierte Kanal 28, und der zweite Kanal 24 können voneinander fluidisch getrennt ausgebildet sein und/oder parallel zueinander verlaufen. Ferner können die weiteren Kanäle analog zum zweiten Kanal 24 ausgebildet sein, d. h. jeweils durch ein Rundrohr ausgebildet sein und/oder gleiche Maße wie der zweite Kanal 24 aufweisen. The other channels, e.g. B. the third channel 26 and the fourth channel 28, and the second channel 24 can be designed to be fluidly separated from one another and/or run parallel to one another. Furthermore, the further channels can be designed analogously to the second channel 24, i.e. H. each be formed by a round tube and/or have the same dimensions as the second channel 24.
Im Betrieb der Kühlvorrichtung 10 wird das Kühlfluid dem ersten Kanal 22 und das Verdunstungskühlfluid dem zweiten Kanal 24, und optional zusätzlich den dritten und vierten Kanälen 26, 28 zugeführt. Wärme des Kühlfluides wird per Wärmeleitung an die Kühlelemente 50 übertragen, die wiederum durch die an den Oberflächen der Kühlelemente 50 entlang strömende Kühlluft gekühlt werden. Die Strömungsrichtung der Kühlluft, die durch den Pfeil in Figur 1 angezeigt ist, verläuft insbesondere senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlfluides im ersten Kanal. Des Weiteren wird das Verdunstungskühlfluid durch die Perforation(en) zum Benetzen der Kühlelemente 50 ausgebracht. Dadurch erfolgt, zusätzlich zur Luftkühlung der Kühlelemente 50, eine Kühlung durch Verdunstungskühlung, indem die Wärme auf das Verdunstungskühlfluid übertragen wird, bis dieses verdunstet. During operation of the cooling device 10, the cooling fluid is supplied to the first channel 22 and the evaporative cooling fluid to the second channel 24, and optionally additionally to the third and fourth channels 26, 28. Heat from the cooling fluid is transferred via heat conduction to the cooling elements 50, which in turn are cooled by the cooling air flowing along the surfaces of the cooling elements 50. The flow direction of the cooling air, which is indicated by the arrow in Figure 1, runs in particular perpendicular to the flow direction of the cooling fluid in the first channel. Furthermore, the evaporative cooling fluid is discharged through the perforation(s) to wet the cooling elements 50. As a result, in addition to the air cooling of the cooling elements 50, cooling is carried out by evaporative cooling by transferring the heat to the evaporative cooling fluid until it evaporates.
Die Kühlvorrichtung 10 z. B. in einem Kraftfahrzeug zu Kühlung von Fahrzeugkomponenten, insbesondere von einer Brennstoffzellenanordnung, verbaut werden. In dem Fall kann die Kühlvorrichtung 10 insbesondere an einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, um den Fahrtwind als Kühlluft zu nutzen. The cooling device 10 z. B. can be installed in a motor vehicle to cool vehicle components, in particular a fuel cell arrangement. In this case, the cooling device 10 can be arranged in particular on a vehicle front of the motor vehicle in order to use the wind as cooling air.
Figur 2 zeigt die Kühlvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Figure 2 shows the cooling device 10 according to an exemplary embodiment.
Die Kühlvorrichtung 10 kann ferner eine erste Zuführleitung 32 und eine zweite Zuführleitung 34 für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Der zweite Kanal 24 jedes Kühlmoduls 20 kann ein erstes Ende, das mit der ersten Zuführleitung 32 fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Zuführleitung 32 fluidisch verbunden ist, aufweisen. Die erste Zuführleitung 32 und/oder die zweite Zuführleitung 34 können zumindest abschnittsweise endseitig am ersten Kanal 22 angeordnet sein. Die erste Zuführleitung 32 kann an einer ersten Endseite des ersten Kanals 22 und die zweite Zuführleitung 34 kann an einer der ersten Endseite gegenüberliegenden zweiten Endseite des ersten Kanal 22 angeordnet sein. The cooling device 10 may further include a first supply line 32 and a second supply line 34 for the evaporative cooling fluid. The second channel 24 of each cooling module 20 may have a first end fluidly connected to the first supply line 32 and a second end fluidly connected to the second supply line 32. The first feed line 32 and/or the second feed line 34 can be arranged at least in sections at the end on the first channel 22. The first supply line 32 can be arranged on a first end side of the first channel 22 and the second supply line 34 can be arranged on a second end side of the first channel 22 opposite the first end side.
Die erste Zuführleitung 32 und die zweite Zuführleitung 34 können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen und zumindest abschnittsweise senkrecht zum zweiten Kanal 22 verlaufen. Insbesondere können die erste Zuführleitung 32, die zweite Zuführleitung 34 und die zweiten Kanäle 24 der mehreren Kühlmodule 20 eine leiterförmige Leitungsanordnung (d. h. in Form einer Leiter mit Sprossen und zwei Holmen) für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. The first feed line 32 and the second feed line 34 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the second channel 22 at least in sections. In particular, the first supply line 32, the second supply line 34 and the second channels 24 of the plurality of cooling modules 20 can form a ladder-shaped line arrangement (i.e. in the form of a ladder with rungs and two bars) for the evaporative cooling fluid.
Umfasst jedes Kühlmodul 20 den dritten Kanal 26, so kann die Kühlvorrichtung 10 ferner eine dritte Zuführleitung 36 und eine vierte Zuführleitung 38 für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Der dritte Kanal 26 kann ein erstes Ende, das mit der dritten Zuführleitung 36 fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der vierten Zuführleitung 38 fluidisch verbunden ist, aufweisen. If each cooling module 20 includes the third channel 26, the cooling device 10 may further comprise a third supply line 36 and a fourth supply line 38 for the evaporative cooling fluid. The third channel 26 may have a first end fluidly connected to the third supply line 36 and a second end fluidly connected to the fourth supply line 38.
Umfasst jedes Kühlmodul 20 den vierten Kanal 28, so kann die Kühlvorrichtung 10 ferner eine fünfte Zuführleitung 40 und eine sechste Zuführleitung 42 für das Verdunstungskühlfluid umfassen. Der vierte Kanal 28 kann ein erstes Ende, das mit der fünften Zuführleitung 40 fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der sechsten Zuführleitung 42 fluidisch verbunden ist, aufweisen. If each cooling module 20 includes the fourth channel 28, the cooling device 10 may further comprise a fifth supply line 40 and a sixth supply line 42 for the evaporative cooling fluid. The fourth channel 28 may have a first end fluidly connected to the fifth supply line 40 and a second end fluidly connected to the sixth supply line 42.
Die weiteren Zuführleitungen 36, 38, 40, 42 können ebenfalls zumindest abschnittsweise endseitig am ersten Kanal 22 angeordnet sein. Ferner können die dritte Zuführleitung 36 und die vierte Zuführleitung 38 zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen und zumindest abschnittsweise senkrecht zum dritten Kanal 26 verlaufen. Die fünfte Zuführleitung 40 und die sechste Zuführleitung 42 können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen und zumindest abschnittsweise senkrecht zum vierten Kanal 28 verlaufen. Insbesondere können die weiteren Zuführleitungen 36, 38, 40, 42 so angeordnet sein, dass die dritte Zuführleitung 36, die vierte Zuführleitung 38 und die dritten Kanäle 26 der mehreren Kühlmodule 20 eine zweite leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden und/oder die fünfte Zuführleitung 40, die vierte Zuführleitung 42 und die vierten Kanäle 28 der mehreren Kühlmodule 20 eine dritte leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. The further supply lines 36, 38, 40, 42 can also be arranged at least in sections at the ends of the first channel 22. Furthermore, the third feed line 36 and the fourth feed line 38 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the third channel 26 at least in sections. The fifth feed line 40 and the sixth feed line 42 can run parallel to one another at least in sections and can run perpendicular to the fourth channel 28 at least in sections. In particular, the further supply lines 36, 38, 40, 42 can be arranged such that the third supply line 36, the fourth supply line 38 and the third channels 26 of the plurality of cooling modules 20 form a second ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid and/or the fifth supply line 40 , the fourth Supply line 42 and the fourth channels 28 of the plurality of cooling modules 20 form a third ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
Die Figuren 3-5 zeigen schematische Ausschnitte der Kühlvorrichtung 10 mit verschiedenen Perforation-Konfigurationen, exemplarisch die Perforation 62 des dritten Kanals 26. So kann die Perforation derart angeordnet sein, dass sie den darüber angeordneten Kühlelementen 50 (Figur 3) oder den darunter angeordneten Kühlelementen 50 (Figur 4) zur Benetzung zugewandt sind. Ferner kann die Perforation 62 auch zwei Öffnungsreihen aufweisen, um so die Kühlelemente 50 darüber und darunter benetzen zu können. Figures 3-5 show schematic sections of the cooling device 10 with different perforation configurations, for example the perforation 62 of the third channel 26. The perforation can be arranged in such a way that it corresponds to the cooling elements 50 arranged above it (Figure 3) or the cooling elements arranged below it 50 (Figure 4) are facing for wetting. Furthermore, the perforation 62 can also have two rows of openings in order to be able to wet the cooling elements 50 above and below.
Die Perforation 60, die im zweiten Kanal 24 und im ersten Kanal 22 ausgebildet ist, und die Perforation 64 des viertens Kanals 28 können analog zur Perforation 62 ausgebildet bzw. ausgerichtet sein. Die in den Figuren 3-5 aus den Öffnungen der Perforation 62 herausführenden Striche stellen lediglich exemplarisch eine Ausbringrichtung des Verdunstungskühlfluides dar. The perforation 60, which is formed in the second channel 24 and in the first channel 22, and the perforation 64 of the fourth channel 28 can be designed or aligned analogously to the perforation 62. The lines leading out of the openings of the perforation 62 in Figures 3-5 represent only an example of an application direction of the evaporative cooling fluid.
Figuren 6-10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Kühlvorrichtung. Die jeweilige Vorderseite der gezeigten Kühlvorrichtungen 10A-10E zeigen senkrechte Striche zur Verdeutlichung der Kühlelemente 50, wobei die modulare Unterteilung in Kühlmodule und damit die Anordnung der Kühlelemente 50 zwischen jeweils zwei ersten Kanälen 22 lediglich zur vereinfachten Darstellung nicht eingezeichnet sind. Figures 6-10 show further exemplary embodiments of the cooling device. The respective front sides of the cooling devices 10A-10E shown show vertical lines to illustrate the cooling elements 50, with the modular division into cooling modules and thus the arrangement of the cooling elements 50 between two first channels 22 not being shown merely for the sake of simplified representation.
Kühlvorrichtung 10A (Figur 6) weist weniger Kanäle für das Verdunstungskühlfluid auf als die Kühlvorrichtung 10. Dazu umfasst Kühlvorrichtung 10A z. B. neben den Kühlmodulen 20 ferner Kühlmodule, die lediglich den ersten Kanal 20 und keine Kanäle für das Verdunstungskühlfluid aufweisen. Diese verschieden ausgebildeten Kühlmodule können derart angeordnet sein, dass z. B. nur jedes zweite Kühlmodul den zweiten Kanal 24 und optional die weiteren Kanäle 26, 28 für das Verdunstungskühlfluid aufweist. Cooling device 10A (Figure 6) has fewer channels for the evaporative cooling fluid than cooling device 10. For this purpose, cooling device 10A includes z. B. in addition to the cooling modules 20 there are also cooling modules that only have the first channel 20 and no channels for the evaporative cooling fluid. These differently designed cooling modules can be arranged in such a way that, for. B. only every second cooling module has the second channel 24 and optionally the further channels 26, 28 for the evaporative cooling fluid.
Die Kühlvorrichtungen 10B (Figur 7) und 10C (Figur 8) weisen Kanäle für das Verdunstungskühlfluid lediglich in einem Bereich auf. Dazu ist jeweils lediglich ein, z. B. ein unterer oder oberer, Abschnitt der Kühlvorrichtungen 10B, 10C aus den Kühlmodulen 20 gebildet, während die Kühlvorrichtungen 10B, 10C darüber hinaus Kühlmodule, die lediglich den ersten Kanal 20 und keine Kanäle für das Verdunstungskühlfluid aufweisen, umfassen. Die Figuren 7 und 8 zeigen zur vereinfachten Darstellung jeweils lediglich die dritten Kanäle 26 mit den entsprechenden Zuführleitungen 36, 38. Die Kühlvorrichtungen 10B, 10C umfassen zusätzlich die zweiten Kanäle 24 und optional die vierten Kanäle 28, die analog zu den dritten Kanälen 26 ausgebildet sind. The cooling devices 10B (Figure 7) and 10C (Figure 8) have channels for the evaporative cooling fluid in only one area. All you need is one, e.g. B. a lower or upper section of the cooling devices 10B, 10C is formed from the cooling modules 20, while the cooling devices 10B, 10C further comprise cooling modules which only have the first channel 20 and no channels for the evaporative cooling fluid. For simplified representation, Figures 7 and 8 only show the third channels 26 with the corresponding supply lines 36, 38. The cooling devices 10B, 10C additionally include the second channels 24 and optionally the fourth channels 28, which are designed analogously to the third channels 26.
Die Kühlvorrichtungen 10D (Figur 9) und 10E (Figur 10) weist Kanäle für das Verdunstungskühlfluid auf, die sich lediglich abschnittsweise, z. B. einer Hälfte, in den jeweiligen Kühlmodulen erstrecken. In der Kühlvorrichtung 10D sind die Kanäle 24, 26, 28 nur am jeweiligen ersten Ende mit der jeweiligen Zuführleitung 32, 36, 40 fluidisch verbunden und damit nur einseitig mit dem Verdunstungskühlfluid beaufschlagbar. In der Kühlvorrichtung 10E ist zusätzlich das jeweilige zweite Ende der Kanäle 24, 26, 28 mit einer Abzweigleitung der jeweiligen Zuführleitung 34, 38, 42 fluidisch verbunden. Dazu können z. B. die dritte und vierte Zuführleitung 36, 38 über die Zwischenleitung 38A fluidisch verbunden sein, an der die Abzweigleitung 38B, welche mit dem jeweiligen zweiten Ende der dritten Kanäle 26 fluidisch verbunden ist, abzweigt. Abzweigleitungen für die zweiten Kanäle 24 und optional den vierten Kanälen 28 können analog zur Abzweigleitung 38B ausgebildet sein. The cooling devices 10D (Figure 9) and 10E (Figure 10) have channels for the evaporative cooling fluid, which are only in sections, e.g. B. one half, extend in the respective cooling modules. In the cooling device 10D, the channels 24, 26, 28 are fluidly connected to the respective supply line 32, 36, 40 only at the respective first end and can therefore only be acted upon by the evaporative cooling fluid on one side. In the cooling device 10E, the respective second end of the channels 24, 26, 28 is additionally fluidly connected to a branch line of the respective supply line 34, 38, 42. This can be done, for example: B. the third and fourth supply lines 36, 38 can be fluidly connected via the intermediate line 38A, at which the branch line 38B, which is fluidly connected to the respective second end of the third channels 26, branches off. Branch lines for the second channels 24 and optionally the fourth channels 28 can be designed analogously to the branch line 38B.
Figur 11 stellt eine Steuervorrichtung 100 für eine zum Kühlen eines Kühlfluides ausgebildete Kühlungsvorrichtung 150, insbesondere für die Kühlvorrichtung 10, eines Kraftfahrzeugs schematisch dar. Figure 11 shows schematically a control device 100 for a cooling device 150 designed to cool a cooling fluid, in particular for the cooling device 10, of a motor vehicle.
Die Steuervorrichtung 100 ist ausgebildet, zum Kühlen des Kühlfluides auf eine Solltemperatur einen Luftmassenstrom einer entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft und einen Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides zum Benetzen der Kühlungselemente einzustellen. The control device 100 is designed to adjust an air mass flow of cooling air flowing along the cooling elements and a fluid mass flow of the evaporative cooling fluid for wetting the cooling elements in order to cool the cooling fluid to a target temperature.
Für den Luftmassenstrom und den Fluidmassenstrom als Ausgangsgrößen kann die Steuervorrichtung 100 verschiedene Eingangsgrößen berücksichtigen. The control device 100 can take into account different input variables for the air mass flow and the fluid mass flow as output variables.
So kann die Steuervorrichtung 100 ferner ausgebildet sein, einen Soll-Fluidmassenstrom, auf den der Fluidmassenstrom einzustellen ist, in Abhängigkeit von einer Kühlfluidtemperatur, insbesondere einer Austrittstemperatur des Kühlfluides beim Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150, und der Solltemperatur zu bestimmen. Der Soll-Fluidmassenstrom kann z. B. zusätzlich von einer Eintrittstemperatur des Kühlfluides beim Eintritt in die Kühlungsvorrichtung 150, einem Kraftfahrzeug-Betriebszustand und/oder einem Füllstand eines Verdunstungskühlfluid- Reservoirs 70 abhängen. Thus, the control device 100 can further be designed to determine a target fluid mass flow to which the fluid mass flow is to be adjusted, depending on a cooling fluid temperature, in particular an outlet temperature of the cooling fluid when it exits the cooling device 150, and the target temperature. The target fluid mass flow can e.g. B. additionally depend on an inlet temperature of the cooling fluid when entering the cooling device 150, a motor vehicle operating state and / or a fill level of an evaporative cooling fluid reservoir 70.
Die Steuervorrichtung 100 kann ferner ausgebildet sein, einen Soll-Luftmassenstrom, auf den der Luftmassenstrom einzustellen ist, in Abhängigkeit von einem bestimmten Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides und vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit von einer Lufttemperatur, -geschwindigkeit und/oder -feuchtigkeit der Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung 150 und/oder nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 zu bestimmen. Ferner kann auch ein Kraftfahrzeug- Betriebszustand, z. B. eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, berücksichtigt werden. Der Soll-Luftmassenstrom kann insbesondere anhand von hinterlegten Kennfeldern in Abhängigkeit von den genannten Parametern bestimmt werden. The control device 100 can further be designed to have a target air mass flow to which the air mass flow is to be set, depending on a specific one Fluid mass flow of the evaporative cooling fluid and preferably additionally as a function of an air temperature, speed and / or humidity of the cooling air before entering the cooling device 150 and / or after exiting the cooling device 150. Furthermore, a motor vehicle operating state, e.g. B. a vehicle speed of the motor vehicle can be taken into account. The target air mass flow can be determined in particular using stored maps depending on the parameters mentioned.
Figur 12 zeigt schematisch ein Kühlsystem 200, das die Steuervorrichtung 100 und eine Kühlungsvorrichtung 150, z. B. die Kühlvorrichtung 10, zum Kühlen eines Kühlfluides umfasst. Die Kühlungsvorrichtung 150 weist luftkühlbare Kühlungselemente, z. B. die Kühlelemente 50, auf, die mit einem oder mehreren Kanälen für das Kühlfluid thermisch gekoppelt sind und für eine erhöhte Kühlwirkung zusätzlich mit einem Verdunstungskühlfluid benetzbar sind. Figure 12 shows schematically a cooling system 200, which includes the control device 100 and a cooling device 150, e.g. B. the cooling device 10, for cooling a cooling fluid. The cooling device 150 has air-coolable cooling elements, e.g. B. the cooling elements 50, which are thermally coupled to one or more channels for the cooling fluid and can also be wetted with an evaporative cooling fluid for an increased cooling effect.
Das Kühlsystem 200 kann ferner ein Verdunstungskühlfluid-Reservoir 70 und eine Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung 72, die zwischen dem Verdunstungskühlfluid- Reservoir und der Kühlungsvorrichtung 150 angeordnet ist und zum Einstellen des Fluidmassenstroms durch die Steuervorrichtung 100 steuerbar ist, umfassen. Hierzu kann die Steuervorrichtung 100 und die Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung 72 über die Signalverbindung 102 signaltechnisch verbunden sein. The cooling system 200 may further include an evaporative cooling fluid reservoir 70 and an evaporative cooling fluid conveyor 72, which is arranged between the evaporative cooling fluid reservoir and the cooling device 150 and is controllable by the control device 100 to adjust the fluid mass flow. For this purpose, the control device 100 and the evaporative cooling fluid conveying device 72 can be connected in terms of signals via the signal connection 102.
Das Kühlsystem 200 kann ferner eine Luftfördereinrichtung 90, insbesondere einen Lüfter, umfassen. Ein Parameter der Luftfördereinrichtung 90, vorzugsweise eine Drehgeschwindigkeit, kann zum Einstellen des Luftmassenstroms durch die Steuervorrichtung 100 steuerbar sein. Hierzu kann die Steuervorrichtung 100 und die Luftfördereinrichtung 90 über die Signalverbindung 104 signaltechnisch verbunden sein. The cooling system 200 can further include an air conveying device 90, in particular a fan. A parameter of the air delivery device 90, preferably a rotational speed, can be controllable by the control device 100 to adjust the air mass flow. For this purpose, the control device 100 and the air conveying device 90 can be connected in terms of signals via the signal connection 104.
Die Kühlungsvorrichtung 150 kann in einem Kühlfluidkreis 122, der insbesondere zur Kühlung einer Antriebsvorrichtung 120 für ein Kraftfahrzeug, z. B. einer Brennstoffzellenanordnung, und vorzugsweise weiteren Kraftfahrzeug-Komponenten vorgesehen ist, eingebunden sein. The cooling device 150 can be in a cooling fluid circuit 122, which is used in particular to cool a drive device 120 for a motor vehicle, e.g. B. a fuel cell arrangement, and preferably other motor vehicle components, can be integrated.
Die Kühlungsvorrichtung 150 kann ferner mehrere Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und Benetzen der Kühlungselemente aufweisen, auf die der von der Steuervorrichtung 100 einstellbare Fluidmassenstrom aufteilbar ist. Die mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 können insbesondere in Strömungsrichtung der entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft hintereinander angeordnet sein. The cooling device 150 can also have a plurality of delivery devices 152, 154, 156 for delivering the evaporative cooling fluid and wetting the cooling elements, to which the fluid mass flow adjustable by the control device 100 is divisible. The multiple delivery devices 152, 154, 156 can be arranged one behind the other, in particular in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements.
Liegen mehrere Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 vor, so kann die Steuervorrichtung 100 ferner ausgebildet sein, mehrere Teil-Fluidmassenströme des Verdunstungskühlfluides für die mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 zum Benetzen der Kühlungselemente einzustellen, wobei die mehreren Teil-Fluidmassenströme jeweils einem der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 zugeführt werden. Dazu kann die Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung 72 entsprechend ausgebildet und von der Steuervorrichtung 100 steuerbar sein. If there are several delivery devices 152, 154, 156, the control device 100 can also be designed to set multiple partial fluid mass flows of the evaporative cooling fluid for the multiple delivery devices 152, 154, 156 for wetting the cooling elements, the multiple partial fluid mass flows each being one of the several Delivery devices 152, 154, 156 are supplied. For this purpose, the evaporative cooling fluid conveying device 72 can be designed accordingly and can be controlled by the control device 100.
Zur Zuführung des jeweiligen Teil-Fluidmassenstroms zur entsprechenden Ausbringungseinrichtung 152, 154, 156 kann die Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung 72 mit jedem der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 separat über jeweils eine Teil-Fluidverbindung 74A fluidisch verbunden sein. Die Aufteilung der Fluidverbindung 74 in die mehreren Teil-Fluidverbindungen 74A kann auch unabhängig von der Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung 72, z. B. vor der Verdunstungskühlfluid- Fördereinrichtung 72, erfolgen. To supply the respective partial fluid mass flow to the corresponding delivery device 152, 154, 156, the evaporative cooling fluid delivery device 72 can be fluidically connected to each of the plurality of delivery devices 152, 154, 156 separately via a respective partial fluid connection 74A. The division of the fluid connection 74 into the several partial fluid connections 74A can also be carried out independently of the evaporative cooling fluid conveying device 72, e.g. B. in front of the evaporative cooling fluid conveyor 72.
Figur 13 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Verdunstungskühlfluid- Fördereinrichtung 72. Figure 13 shows various exemplary embodiments of the evaporative cooling fluid conveying device 72.
So kann z. B. jeweils ein Druckminderer 72A und ein Ventil 72B in jedem der Teil- Fluidverbindungen 74A angeordnet sein. Das Verdunstungskühlfluid kann durch Druckerzeugung, z. B. Druckluft, innerhalb dem Verdunstungskühlfluid-Reservoir 70 gefördert werden. Auch die Druckerzeugung kann von der Steuervorrichtung 100 steuerbar sein. Alternativ kann jeweils eine Pumpe 72C, insbesondere eine Hochdruck-Pumpe, in jedem der Teil-Fluidverbindungen 74A angeordnet sein. Ferner alternativ kann eine einzelne Pumpe 72D in der Fluidverbindung 74 und jeweils ein Ventil 72B in jedem der Teil- Fluidverbindungen 74A angeordnet sein So can e.g. B. a pressure reducer 72A and a valve 72B can be arranged in each of the partial fluid connections 74A. The evaporative cooling fluid can be generated by generating pressure, e.g. B. compressed air, within the evaporative cooling fluid reservoir 70 are promoted. The pressure generation can also be controlled by the control device 100. Alternatively, a pump 72C, in particular a high-pressure pump, can be arranged in each of the partial fluid connections 74A. Further alternatively, a single pump 72D may be disposed in the fluid connection 74 and a valve 72B in each of the sub-fluid connections 74A
Die Aufteilung des einzustellenden Fluidmassenstroms in mehrere Teil-Fluidmassenströme kann z. B. dadurch erfolgen, dass ein erster Soll-Teil-Fluidmassenstrom, auf den ein Teil- Fluidmassenstrom für eine der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 einzustellen ist, durch die Steuervorrichtung 100 anhand eines oder mehrerer hinterlegter Fluid-Kennfelder bestimmt wird. Daten der Fluid-Kennfelder können z. B. über Stoffdaten, welche simulativ oder experimentell oder aus Literaturwerten bestimmt werden können, umfassen. Eine solche Bestimmung anhand der Fluid-Kennfelder ist beispielhaft in Figur 14 dargestellt. Der erste Soll-Teil-Fluidmassenstrom rhwasser kann in Abhängigkeit von Eingangsgrößen wie eine Lufttemperatur Tajr und eine Luftfeuchtigkeit yajr der Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung 150 bestimmt werden. The division of the fluid mass flow to be set into several partial fluid mass flows can, for. B. done in that a first target partial fluid mass flow, to which a partial fluid mass flow for one of the several application devices 152, 154, 156 is to be set, is stored by the control device 100 based on one or more Fluid maps are determined. Data from the fluid maps can e.g. B. via substance data, which can be determined simulatively or experimentally or from literature values. Such a determination based on the fluid characteristics is shown as an example in Figure 14. The first target partial fluid mass flow rhwasser can be determined depending on input variables such as an air temperature T ajr and an air humidity y ajr of the cooling air before entering the cooling device 150.
Beispielsweise kann ein Algorithmus, welcher auf der Steuervorrichtung softwareseitig implementiert ist, einen Kühllufteintrittszustand an zumindest einem Ausbringort der einen der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156, umfassend die Lufttemperatur Tajr und die Luftfeuchtigkeit yajr, bestimmen. Anhand des Kühllufteintrittszustands und der Fluid- Kennfelder kann der erste Soll-Teil-Fluidmassenstrom rhwasser z. B. durch Interpolation berechnet werden. For example, an algorithm that is implemented in software on the control device can determine a cooling air inlet state at at least one delivery location of one of the multiple delivery devices 152, 154, 156, comprising the air temperature T ajr and the air humidity y ajr . Based on the cooling air inlet state and the fluid characteristics, the first target partial fluid mass flow rhwasser can be z. B. can be calculated by interpolation.
Ferner kann z. B. auch ein Luftmassenstrom rtiAir eines Abschnitts der Kühlungselemente, z. B. einer einzelnen Lamelle am zumindest einen Ausbringort berücksichtigt werden. Die Luftmassenstrom rhAir kann über eine hinterlegte Gesamtfrontfläche einer einzelnen Lamelle und den hinterlegten Fluid-Kennfeldern zu Bestimmung des gesamten Soll- Luftmassenstroms berechnet werden. Furthermore, e.g. B. also an air mass flow rtiAir of a section of the cooling elements, e.g. B. a single slat can be taken into account at at least one application location. The air mass flow rh A ir can be calculated using a stored total front area of an individual slat and the stored fluid maps to determine the entire target air mass flow.
Das Ergebnis anhand der Fluid-Kennfelder kann auch eine maximal verdunstbare Wassermenge sein, aus der sich der Soll-Teil-Fluidmassenstrom rhwasser bestimmen lässt. Die tatsächliche eingespritzte Wassermenge sollte stets geringer als der maximal verdunstbare Wassermenge sein. The result based on the fluid maps can also be a maximum evaporable amount of water, from which the target partial fluid mass flow rhwasser can be determined. The actual amount of water injected should always be less than the maximum amount of water that can be evaporated.
Die eine der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156, für die der erster Soll-Teil- Fluidmassenstrom bestimmt und eingestellt wird, kann insbesondere der in Strömungsrichtung der entlang der Kühlungselemente strömenden Kühlluft vordersten Ausbringungseinrichtung 152, 154, 156 entsprechen. Der um den ersten Soll-Teil- Fluidmassenstrom reduzierte, verbleibende Fluidmassenstrom, kann vorzugsweise gleichmäßig, auf die verbleibenden der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 aufgeteilt werden. The one of the plurality of delivery devices 152, 154, 156, for which the first target partial fluid mass flow is determined and adjusted, can in particular correspond to the foremost delivery device 152, 154, 156 in the flow direction of the cooling air flowing along the cooling elements. The remaining fluid mass flow, reduced by the first target partial fluid mass flow, can preferably be divided evenly among the remaining of the plurality of delivery devices 152, 154, 156.
Dieses Vorgehen kann einer zu hohen Ausbringmenge vorbeugen. Wird die maximal verdunstbare Wassermenge überschritten, so würde Wasser an den Kühlungselementen, z. B. in den Lamellen, unmittelbar nach den Ausbringorten auskondensieren und zu einem erhöhten kühlluftseitigen Druckverlust führen. Dies würde die eintretende Kühlluftmenge reduzieren und zu einer geringeren Kühlleistung führen. This procedure can prevent an application rate that is too high. If the maximum amount of water that can be evaporated is exceeded, water would reach the cooling elements, e.g. B. in the slats, condense out immediately after the delivery locations and become one lead to increased pressure loss on the cooling air side. This would reduce the amount of cooling air entering and lead to lower cooling performance.
Die Steuervorrichtung 100 kann ferner ausgebildet sein, einen ersten Teil-Fluidmassenstrom einer der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 um einen konstanten Wert, beispielsweise um 5 %, zu reduzieren, wenn eine Luftfeuchtigkeit der Kühlluft nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 oberhalb einer hinterlegten Schwelle, z. B. einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95%, liegt. Diese Korrektur kann insbesondere dann durchgeführt werden, nachdem der Luftmassenstrom und der Fluidmassenstrom eingestellt worden sind. The control device 100 can further be designed to reduce a first partial fluid mass flow of one of the plurality of delivery devices 152, 154, 156 by a constant value, for example by 5%, if the humidity of the cooling air after exiting the cooling device 150 is above a stored threshold , e.g. B. a relative humidity of 95%. This correction can be carried out in particular after the air mass flow and the fluid mass flow have been adjusted.
Ist die Luftfeuchtigkeit der Kühlluft nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 weiterhin zu hoch, so kann die Steuervorrichtung 100 ferner ausgebildet sein, einen jeweiligen Teil- Fluidmassenstrom der verbleibenden der mehreren Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156, vorzugsweise gleichmäßig, zu reduzieren, bis die Luftfeuchtigkeit unterhalb der hinterlegten Schwelle liegt. If the humidity of the cooling air continues to be too high after it exits the cooling device 150, the control device 100 can also be designed to reduce a respective partial fluid mass flow of the remaining of the plurality of delivery devices 152, 154, 156, preferably evenly, until the humidity is below the stored threshold.
Die Steuervorrichtung 100 kann ferner ausgebildet sein, den Fluidmassenstrom des Verdunstungskühlfluides durch eine Regelung einzustellen. The control device 100 can further be designed to adjust the fluid mass flow of the evaporative cooling fluid through a control system.
Eine beispielhafte Regelung (umfassend eine Regelstrategie und -strecke) zum Einstellen des Fluidmassenstroms ist in Figur 15 dargestellt. Die Verdunstungskühlung und damit die Zufuhr des Verdunstungskühlfluides kann in Abhängigkeit von zumindest der Austrittstemperatur des Kühlfluides aktiviert oder deaktiviert werden. Ist die Verdunstungskühlung aktiviert, wird ein PI-Regler, welcher auf der Steuervorrichtung softwareseitig implementiert ist, durch ein Aktivierungssignal, das z. B. von einem Aktivierungsmodul der Steuervorrichtung 100 ausgegeben wird, aktiviert. Der PI-Regler versucht eine Regelabweichung zwischen einer Solltemperatur TKuehimittei,soii des Kühlfluides und einer Ist-Temperatur TKuehimittei st nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 zu regeln. Die daraus resultierende Stellgröße ist der Fluidmassenstrom, hier als rhfeed bezeichnet. An exemplary control (comprising a control strategy and system) for adjusting the fluid mass flow is shown in Figure 15. The evaporative cooling and thus the supply of the evaporative cooling fluid can be activated or deactivated depending on at least the outlet temperature of the cooling fluid. If evaporative cooling is activated, a PI controller, which is implemented in software on the control device, is activated by an activation signal, e.g. B. is output by an activation module of the control device 100, activated. The PI controller attempts to regulate a control deviation between a target temperature TKuehimittei,soii of the cooling fluid and an actual temperature TKuehimittei st after exiting the cooling device 150. The resulting manipulated variable is the fluid mass flow, referred to here as rhf ee d.
Umfasst die Kühlungsvorrichtung 150 mehrere Ausbringungseinrichtungen 152, 154, 156 (in der Figur 15 als perforierten Rohrreihen bzw. m_Rohrreihe_1 bis m_Rohrreihe_n bezeichnet) zum Ausbringen zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und Benetzen der Kühlungselemente, so kann die Steuervorrichtung 100 den bestimmten Fluidmassenstrom mittels eines Subalgorithmus, welcher auf der Steuervorrichtung softwareseitig implementiert ist, auf die mehrere Ausbringungseinrichtungen aufteilen. Die Aufteilung kann z. B. mittels der Fluid-Kennfelder, wie zu vor beschrieben, erfolgen. If the cooling device 150 comprises a plurality of delivery devices 152, 154, 156 (referred to as perforated rows of tubes or m_row_of_tubes_1 to m_row_of_n) in FIG on the control device is implemented on the software side, to which several delivery devices are divided. The division can e.g. B. using the fluid maps, as described above.
Wie ferner in Figur 15 gezeigt ist, kann über implementierte Kennfelder in Abhängigkeit des benötigten Fluidmassenstroms rhfeed, der Fahrzeuggeschwindigkeit v-rruck st des Kraftfahrzeugs und der (relativen) Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur der Kühlluft vor der Kühlvorrichtung bestimmt werden, auf welche Lüfterdrehzahl der Lüfter betrieben werden muss, um den für die Verdunstung nötige Luftmassenstrom zur Verfügung zu stellen. Auch diese Größe kann in die Regelung zum Einstellen des Fluidmassenstroms einfließen. As further shown in Figure 15, the fan speed at which the fan speed is to be determined can be determined via implemented maps depending on the required fluid mass flow rhf ee d, the vehicle speed v-rruck st of the motor vehicle and the (relative) humidity and the air temperature of the cooling air in front of the cooling device Fan must be operated to provide the air mass flow required for evaporation. This size can also be incorporated into the control for adjusting the fluid mass flow.
Zum Erfassen der verschiedenen Parameter, die für das Einstellen des Fluid- und Luftmassenstroms berücksichtigt werden, kann die Steuervorrichtung 100 signaltechnisch mit verschiedenen Sensoreinrichtungen verbunden sein. Figur 16 zeigt mögliche Anordnungen der Steuervorrichtung 100, der Kühlungsvorrichtung 150 und Sensoreinrichtungen. In order to record the various parameters that are taken into account for setting the fluid and air mass flow, the control device 100 can be connected to various sensor devices for signaling purposes. Figure 16 shows possible arrangements of the control device 100, the cooling device 150 and sensor devices.
Das Kühlsystem 200 kann ferner zumindest eine Kühlfluid-Sensoreinrichtung 110, 112 und zumindest eine Luft-Sensoreinrichtung 114, 116 umfassen. Die Steuervorrichtung 100 kann über eine Signalverbindung 106A mit einer Kühlfluid-Sensoreinrichtung 110 an einem Kühlfluideintritt zum Erfassen einer Temperatur des Kühlfluides bei Eintritt in die Kühlungsvorrichtung 150 signaltechnisch verbunden sein. Die Steuervorrichtung 100 kann ferner über eine Signalverbindung 106B mit einer Kühlfluid-Sensoreinrichtung 112 an einem Kühlfluidaustritt zum Erfassen einer Temperatur des Kühlfluides bei Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 signaltechnisch verbunden sein. The cooling system 200 may further include at least one cooling fluid sensor device 110, 112 and at least one air sensor device 114, 116. The control device 100 can be connected via a signal connection 106A to a cooling fluid sensor device 110 at a cooling fluid inlet for detecting a temperature of the cooling fluid when it enters the cooling device 150. The control device 100 can also be connected via a signal connection 106B to a cooling fluid sensor device 112 at a cooling fluid outlet for detecting a temperature of the cooling fluid as it exits the cooling device 150.
Die Steuervorrichtung 100 kann ferner über die Signalverbindungen 108A, 108B mit den Luft-Sensoreinrichtungen 114, 116 signaltechnisch verbunden sein. Die Luft-The control device 100 can also be connected in terms of signals to the air sensor devices 114, 116 via the signal connections 108A, 108B. The air-
Sensoreinrichtung 114 kann vor der Kühlungsvorrichtung 150 angeordnet sein und zum Erfassen einer Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur der Kühlluft vor Eintritt in die Kühlungsvorrichtung 150 ausgebildet sein. Die Luft-Sensoreinrichtung 116 kann hinter der Kühlungsvorrichtung 150 angeordnet sein und zum Erfassen einer Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur der Kühlluft nach Austritt aus der Kühlungsvorrichtung 150 ausgebildet sein. Sensor device 114 can be arranged in front of the cooling device 150 and designed to detect air humidity and/or air temperature of the cooling air before entering the cooling device 150. The air sensor device 116 can be arranged behind the cooling device 150 and designed to detect air humidity and/or air temperature of the cooling air after it exits the cooling device 150.
In Figur 16 ist ferner die Kühlungsvorrichtung 150 mit den Kühlungselementen 160 in einer Front- und Seitenansicht gezeigt. Wie im Vergleich mit z. B. Figur 2 zu erkennen ist, kann es sich bei der Kühlungsvorrichtung 150 um die Kühlvorrichtung 10 mit den Kühlelementen 50 handeln, wobei die Kanäle für das Verdunstungskühlfluid, z. B. die zweiten Kanäle 24, die erste Zuführleitung 32 und die zweite Zuführleistung, lediglich zu vereinfachten Darstellung weggelassen wurden, jedoch für die Umsetzung des Kühlsystems 200 vorhanden sein können. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale der unabhängigen Ansprüche jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche offenbart. 16 also shows the cooling device 150 with the cooling elements 160 in a front and side view. As in comparison with e.g. B. Figure 2 can be seen, the cooling device 150 can be the cooling device 10 with the cooling elements 50 act, the channels for the evaporative cooling fluid, e.g. B. the second channels 24, the first supply line 32 and the second supply power, have only been omitted for simplified representation, but can be present for the implementation of the cooling system 200. The invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope of protection. In particular, the invention also claims protection for the subject matter and features of the subclaims, regardless of the claims referred to. In particular, the individual features of the independent claims are each disclosed independently of one another. In addition, the features of the subclaims are also disclosed independently of all features of the independent claims.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 Kühlvorrichtung 10 cooling device
20 Kühlmodul 20 cooling module
22 Erster Kanal 22 First channel
24 Zweiter Kanal 24 Second channel
26 Dritter Kanal 26 Third Channel
28 Vierter Kanal 28 Fourth channel
32 Erste Zuführleitung 32 First feed line
34 Zweite Zuführleitung 34 Second supply line
36 Dritte Zuführleitung 36 Third feed line
38, 38A, 38B Vierte Zuführleitung 38, 38A, 38B Fourth feed line
40 Fünfte Zuführleitung 40 Fifth feed line
42 Sechste Zuführleitung 42 Sixth feed line
50 Luftkühlbare Kühlelemente 50 air-coolable cooling elements
60, 62, 64 Perforation 60, 62, 64 perforations
70 Verdunstungskühlfluid-Reservoir 70 evaporative cooling fluid reservoir
72 Verdunstungskühlfluid-Fördereinrichtung72 evaporative cooling fluid conveyor
72A, 72B, 72C Fördereinrichtung 72A, 72B, 72C conveyor
74 Fluidverbindung 74 fluid connection
74A Teil-Fluidverbindung 74A partial fluid connection
90 Luftfördereinrichtung 90 air conveyor
100 Steuervorrichtung 100 control device
102, 104 Signalverbindung 102, 104 signal connection
106A, 106B Signalverbindung 106A, 106B signal connection
108A, 108B Signalverbindung 108A, 108B signal connection
110, 112 Kühlfluid-Sensoreinrichtung 110, 112 Cooling fluid sensor device
114, 116 Luft-Sensoreinrichtung 114, 116 air sensor device
120 Antriebsvorrichtung 120 drive device
122 Kühlfluidkreislauf 122 cooling fluid circuit
150 Kühlungsvorrichtung 150 cooling device
152, 154, 156 Ausbringungseinrichtung 152, 154, 156 delivery device
150 Kühlungselemente 150 cooling elements
200 Kühlsystem 200 cooling system

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen eines Kühlfluides mittels Luft- und Verdunstungskühlung, umfassend zumindest ein Kühlmodul (20), das aufweist: einen ersten Kanal (22) für das Kühlfluid; einen zweiten Kanal (24) für ein Verdunstungskühlfluid; und luftkühlbare Kühlelemente (50), vorzugsweise Kühllamellen, die zur thermischen Kopplung am ersten Kanal (22) angeordnet sind; wobei der zweite Kanal (24) eine Perforation (60) zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente (50) mit dem Verdunstungskühlfluid aufweist, und wobei der zweite Kanal (24) innerhalb des ersten Kanals (22) integriert und/oder angeordnet ist und einen mit dem ersten Kanal (22) gemeinsamen Außenwandungsabschnitt aufweist, der den Kühlelementen (50) zugewandt ist und an dem die Perforation (60) ausgebildet ist. 1 . Cooling device (10) for cooling a cooling fluid by means of air and evaporative cooling, comprising at least one cooling module (20), which has: a first channel (22) for the cooling fluid; a second channel (24) for an evaporative cooling fluid; and air-coolable cooling elements (50), preferably cooling fins, which are arranged on the first channel (22) for thermal coupling; wherein the second channel (24) has a perforation (60) for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements (50) with the evaporative cooling fluid, and wherein the second channel (24) is integrated and/or arranged within the first channel (22). and has an outer wall section common to the first channel (22), which faces the cooling elements (50) and on which the perforation (60) is formed.
2. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei der gemeinsame Außenwandungsabschnitt durch einen Außenwandungsabschnitt des zweiten Kanals (24) und einen Außenwandungsabschnitt des ersten Kanals (22) gebildet ist, die angrenzend zueinander angeordnet sind und gemeinsame Durchgänge zur Ausbildung der Perforation (60) aufweisen. 2. Cooling device (10) according to claim 1, wherein the common outer wall section is formed by an outer wall section of the second channel (24) and an outer wall section of the first channel (22), which are arranged adjacent to one another and have common passages for forming the perforation (60). exhibit.
3. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Kanal (22) durch ein erstes Rohr, insbesondere ein Flachrohr, ausgebildet ist, und/oder der zweite Kanal (24) durch ein zweites Rohr, insbesondere ein Rundrohr, ausgebildet ist. 3. Cooling device (10) according to claim 1 or 2, wherein the first channel (22) is formed by a first tube, in particular a flat tube, and / or the second channel (24) is formed by a second tube, in particular a round tube is.
4. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Kühlmodul (20) mehrere Kühlmodule (20) umfasst, die angrenzend nebeneinander angeordnet sind, insbesondere derart, dass die Kühlelemente (50) eines der mehreren Kühlmodule (20) zusätzlich zur thermischen Kopplung am ersten Kanal (22) eines weiteren der mehreren Kühlmodule (20) angeordnet sind. 4. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one cooling module (20) comprises a plurality of cooling modules (20) which are arranged adjacent to one another, in particular in such a way that the cooling elements (50) of one of the plurality of cooling modules (20) additionally are arranged for thermal coupling on the first channel (22) of another one of the plurality of cooling modules (20).
5. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die ersten Kanäle (22) der mehreren Kühlmodule (20) miteinander fluidisch verbunden sind und/oder die zweiten Kanäle (24) der mehreren Kühlmodule (20) miteinander fluidisch verbunden sind. 5. Cooling device (10) according to claim 4, wherein the first channels (22) of the plurality of cooling modules (20) are fluidly connected to one another and / or the second channels (24) of the plurality of cooling modules (20) are fluidly connected to one another.
6. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine erste Zuführleitung (32) für das Verdunstungskühlfluid; und eine zweite Zuführleitung (34) für das Verdunstungskühlfluid, wobei der zweite Kanal (24) ein erstes Ende, das mit der ersten Zuführleitung (32) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Zuführleitung (32) fluidisch verbunden ist, aufweist. 6. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, further comprising: a first supply line (32) for the evaporative cooling fluid; and a second supply line (34) for the evaporative cooling fluid, the second channel (24) having a first end which is fluidly connected to the first supply line (32) and a second end which is fluidly connected to the second supply line (32), having.
7. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4 und 6, wobei die erste Zuführleitung (32), die zweite Zuführleitung (34) und die zweiten Kanäle (24) der mehreren Kühlmodule (20) eine leiterförmige Leitungsanordnung für das Verdunstungskühlfluid ausbilden. 7. Cooling device (10) according to claim 4 and 6, wherein the first supply line (32), the second supply line (34) and the second channels (24) of the plurality of cooling modules (20) form a ladder-shaped line arrangement for the evaporative cooling fluid.
8. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Zuführleitung (32) und/oder die zweite Zufuhrleitung (34) zumindest abschnittsweise endseitig am ersten Kanal (22) angeordnet sind/ist, und/oder die erste Zuführleitung (32) und die zweite Zuführleitung (34) zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, und/oder die erste Zuführleitung (32) und die zweiten Zuführleitung (34) zumindest abschnittsweise senkrecht zum zweiten Kanal (22) verlaufen. 8. Cooling device (10) according to claim 6 or 7, wherein the first supply line (32) and / or the second supply line (34) are/is arranged at least in sections at the end of the first channel (22), and / or the first supply line (32 ) and the second feed line (34) run parallel to one another at least in sections, and/or the first feed line (32) and the second feed line (34) run at least in sections perpendicular to the second channel (22).
9. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Perforation (60) in Längsrichtung des zweiten Kanals (24) erstreckt und/oder die Kühlelemente im Wesentlichen in Längsrichtung des ersten Kanals (22) angeordnet sind. 9. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, wherein the perforation (60) extends in the longitudinal direction of the second channel (24) and / or the cooling elements are arranged substantially in the longitudinal direction of the first channel (22).
10. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kanal (22) und der zweite Kanal (24) parallel zueinander und/oder in einer gleichen Ebene verlaufen. 10. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, wherein the first channel (22) and the second channel (24) run parallel to one another and/or in the same plane.
11. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Kühlmodul (20) einen dritten Kanal (26, 28) für das Verdunstungskühlfluid aufweist. 11. Cooling device (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one cooling module (20) has a third channel (26, 28) for the evaporative cooling fluid.
12. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 11 , wobei der dritte Kanal (26, 28) außerhalb am ersten Kanal (22), vorzugsweise anliegend, angeordnet ist und eine den Kühlelementen (50) zugewandte Perforation (62, 66) zum Ausbringen des Verdunstungskühlfluides und zum Benetzen der Kühlelemente (50) mit dem Verdunstungskühlfluid aufweist. 12. Cooling device (10) according to claim 11, wherein the third channel (26, 28) is arranged outside the first channel (22), preferably adjacent, and a perforation (62, 66) facing the cooling elements (50) for discharging the evaporative cooling fluid and for wetting the cooling elements (50) with the evaporative cooling fluid.
13. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der dritte Kanal (26, 28) und der zweite Kanal (24) fluidisch getrennt ausgebildet sind und/oder parallel zueinander verlaufen. 13. Cooling device (10) according to claim 11 or 12, wherein the third channel (26, 28) and the second channel (24) are fluidically separated and / or run parallel to each other.
14. Kühlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der dritte Kanal (26, 28) durch ein Rundrohr ausgebildet ist und/oder gleiche Maße wie der zweite Kanal (24) aufweist. 14. Cooling device (10) according to one of claims 11 to 13, wherein the third channel (26, 28) is formed by a round tube and / or has the same dimensions as the second channel (24).
15. Kühlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner umfassend: eine dritte Zuführleitung (36, 40) für das Verdunstungskühlfluid; und eine vierte Zuführleitung (38, 42) für das Verdunstungskühlfluid, wobei der dritte Kanal (26, 28) ein erstes Ende, das mit der dritten Zuführleitung (36, 40) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der vierten Zuführleitung (38, 40) fluidisch verbunden ist, aufweist. 15. Cooling device (10) according to one of claims 11 to 14, further comprising: a third supply line (36, 40) for the evaporative cooling fluid; and a fourth supply line (38, 42) for the evaporative cooling fluid, the third channel (26, 28) having a first end fluidly connected to the third supply line (36, 40) and a second end fluidly connected to the fourth supply line (38, 40) is fluidly connected.
16. Verfahren zum Kühlen eines Kühlfluides, umfassend: a) Bereitstellen einer Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b) Zuführen des Kühlfluides in den ersten Kanal (22) des zumindest einen Kühlmoduls (20) der Kühlvorrichtung (10), c) Zuführen eines Verdunstungskühlfluides in den zweiten Kanal (24) des zumindest einen Kühlmoduls (20) der Kühlvorrichtung (10); d) Ausbringen des Verdunstungskühlfluides mittels der Perforation der Kühlvorrichtung und Benetzen der Kühlelemente (50) der Kühlvorrichtung (10) mit dem Verdunstungskühlfluid. 16. A method for cooling a cooling fluid, comprising: a) providing a cooling device (10) according to one of the preceding claims; b) supplying the cooling fluid into the first channel (22) of the at least one cooling module (20) of the cooling device (10), c) supplying an evaporative cooling fluid into the second channel (24) of the at least one cooling module (20) of the cooling device (10); d) Dispensing the evaporative cooling fluid by means of the perforation of the cooling device and wetting the cooling elements (50) of the cooling device (10) with the evaporative cooling fluid.
17. Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit einer Kühlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, vorzugsweise wobei die Kühlvorrichtung (10) an einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. 17. Motor vehicle, preferably commercial vehicle, with a cooling device (10) according to one of claims 1 to 15, preferably wherein the cooling device (10) is arranged on a vehicle front of the motor vehicle.
18. Kraftfahrzeug nach Anspruch 17, wobei die Kühlvorrichtung (10), insbesondere der erste Kanal (22) des zumindest einen Kühlmoduls (20), in einem Kühlkreislauf für eine Brennstoffzellenanordnung eingebunden ist. 18. Motor vehicle according to claim 17, wherein the cooling device (10), in particular the first channel (22) of the at least one cooling module (20), is integrated in a cooling circuit for a fuel cell arrangement.
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