DE102008062176A1

DE102008062176A1 - Einrichtung und Verfahren zum Temperieren von elektrischen Elementen

Info

Publication number: DE102008062176A1
Application number: DE200810062176
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Mohrlok; Jan Dipl.-Ing. Böbel; Axel Dipl.-Ing. Fezer
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2008-12-13
Filing date: 2008-12-13
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Temperieren von elektrischen Elementen (1), beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrischen Elemente mit einem Kühlmittel (KüM) im Wärmeaustausch stehen, welches gemeinsam mit dem Kältemittel (KäM) einer Klimaanlage einen Wärmetauscher (3) durchläuft, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kompressor (4), einen Kondensator (5), ein Expansionsventil (6) und einen Verdampfer (7) aufweist, die mittels einer Kältemittelleitung (8) verbunden sind. Eine kostengünstige Einrichtung mit guten Funktionseigenschaften wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Wärmetauscher (3) an derjenigen Kältemittelleitung (8) angeschlossen ist, die zwischen dem Kondensator/Gaskühler (5) und einem Expansionsventil (6) liegt. Ein dementsprechendes Verfahren zum Betreiben der Einrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Temperieren von elektrischen Elementen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrischen Elemente mit einem Kühlmittel im Wärmeaustausch stehen, welches gemeinsam mit dem Kältemittel einer Klimaanlage einen Wärmetauscher durchläuft, wobei dessen Kreislauf einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist, die mittels einer Kältemittelleitung verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der Einrichtung.
Eine bekannte Einrichtung ( DE 102 02 807 B4 ) zum Temperieren elektrischer Elemente in einem Voll-Gehäuse sieht einen Kühl- oder Heizkreislauf vor. Das Kühl- oder Heizmittel ist die Kühlflüssigkeit des Motors eines Kraftfahrzeuges. Dieses wird außerhalb des Voll-Gehäuses entsprechend aufgewärmt oder gekühlt, um seine Aufgabe erfüllen zu können. Dazu sind Pumpen, Lüfter, Regler, Heizelemente, Ausgleichsgefäße, etc. erforderlich.
Wesentliche Merkmale der vorstehend angegebenen Einrichtung sind aus der JP 11-307139 A bekannt. Dort sind die Elemente ebenfalls in einem Voll-Gehäuse angeordnet und werden von einem Silikonöl als Kühlmittel lediglich gekühlt. Das Silikonöl weist elektrisch isolierende Eigenschaft auf. Es wird wiederum vom Kältemittel einer Klimaanlage in einem Wärmetauscher unmittelbar an dem Voll-Gehäuse gekühlt. Das verwendete Kältemittel wird nach dem Expansionsventil des Klimakreislaufes, also auf der Niederdruckseite des Klimakreislaufs, abgezweigt und vor dem Kompressor wieder in denselben zurückgebracht.
In der DE 10 2006 010 063 A wird ebenfalls ausschließlich eine Kühlung der elektrischen Elemente mittels der Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine vorgenommen. Die Elemente befinden sich nicht in einem Voll-Gehäuse, sondern in einem so genannten Basisgehäuse und werden nur partiell gekühlt. Auch dort wurde erwähnt, dass es allgemein bekannt sei, eine Kühlflüssigkeit mittels der Klimaanlage des Fahrzeugs zu kühlen, ohne jedoch nähere Angaben dazu zu machen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Temperierung also zur Kühlung oder zur Erwärmung von elektrischen Elementen vorzuschlagen, welche, verglichen mit der einleitend beschriebenen Einrichtung, weniger Aufwand bei guten Funktionseigenschaften aufweisen soll.
Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt mittels einer Einrichtung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Weil das Kältemittel nach dem Kondensator (z. B. bei R134a) oder dem Gaskühler (z. B. bei R744) und vor dem Expansionsventil – also auf der Hochdruckseite des Kreislaufs – entnommen bzw. verwendet wird und das Kühlmittel mit dem dort entnommenen Kältemittel entweder erwärmt oder gekühlt wird, wird der Aufwand, verglichen mit der einleitend beschriebenen Einrichtung, deutlich reduziert. Die Zurückführung des Kältemittels kann vorzugsweise vor – also auf der Hochdruckseite des Kreislaufs – jedoch auch nach dem Expansionsventil, also auf der Niederdruckseite des Kreislaufs, vorgenommen werden. Es wurde gefunden, dass das Kältemittel an der vorgeschlagenen Stelle des Kältemittel-Kreislaufes die notwendigen Eigenschaften aufweist, um die Temperierung ausführen zu können.
Es ist von Vorteil, dass das Kühlmittel ein Niedertemperatur-Kühlmittel aus einem separaten Niedertemperaturkreislauf des Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine ist. Es liegt dann ein zur Temperierung der Batterien günstiger Temperaturbereich des Kühlmittels von etwa 40°C vor. Diese Weiterbildung der Erfindung kann z. B. bei Hybridfahrzeugen vorgesehen werden. Bei einem Fahrzeug ohne Brennkraftmaschine, also bei einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, handelt es sich um einen Kühlkreislauf, der beispielsweise auch zur Kühlung von Leistungselektronik vorgesehen sein könnte.
Um die Temperierung des Kühlmittels vornehmen zu können, ist vorgesehen, dass wenigstens ein Wärmetauscher angeordnet ist, der auf der einen Seite von dem Kältemittel und auf der anderen Seite von dem Kühlmittel durchströmt wird.
Es ist vorgesehen, dass ein weiteres regelbares Expansionsventil für das Kältemittel eingesetzt wird, das nach dem Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher und das weitere Expansionsventil sind im Wesentlichen die einzigen zusätzlichen Bauteile.
Weitere Bauraumvorteile ergeben sich dadurch, dass wenigsten zwei Expansionsventile – das standardmäßige und das weitere Expansionsventil – baulich in einem Ventil vereinigt sind.
Die Temperatur des Kältemittels nach dem Kondensator/Gaskühler wird – je nach Anwendung – auf die Solltemperatur im Temperaturbereich zwischen etwa 30° und 50°C geregelt. Die Regelung wird durch eine entsprechende Einstellung des Kältemitteldruckes erreicht, wobei die Temperatur des Kältemittels über den Wärmetauscher nahezu konstant bleibt. Es ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher etwa in der Nähe des Kondensators/Gaskühlers angeordnet ist.
Es ist Weiter vorgesehen, dass das Kühlmittel aus einer im Fahrzeug rückwärtigen Positionen zum vorne angeordneten Wärmetauscher hin und zurück gefördert wird. Die Vorgehensweise gemäß den letztgenannten zwei Merkmalen ist kostenmäßig wesentlich günstiger als das Verlegen von Leitungen für das Kältemittel, das unter einem hohen Druck steht und deshalb teure Leitungen und Verbindungen erfordert. Es ist außerdem vorgesehen, dass der Kondensator/Gaskühler einen Kondensations- und einen Unterkühlabschnitt aufweist, die so dimensioniert sind, dass die Temperatur des Kältemittels im angegebenen Temperaturbereich erreicht wird. Der Anteil des Unterkühlabschnitts kann etwas größer sein als gewöhnlich.
Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibung enthält weitere Merkmale der Erfindung und deren Wirkungen.
Die 1 zeigt einen Klimakreislauf mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung.
Die 2 zeigt einen Klimakreislauf gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Die 3 zeigt einen Klimakreislauf mit zwei Expansionsventilen hinter dem Wärmetauscher.
Die 4 zeigt einen Kühlmittelkreislauf zur Temperierung elektrischer Elemente.
Der Wärmetauscher 3 ist an die Kältemittelleitung 8 angeschlossen, die direkt vom Kondensator/Gaskühler 5 kommt. Er liegt dabei parallel zum Hauptexpansionsventil 6 des Kältemittelkreislaufes, direkt im Anschluss an den Kondensator/Gaskühler 5, also auf der Hochdruckseite des Systems. Im Anschluss an den Wärmetauscher 3 befindet sich ein zweites regelbares Expansionsventil 6a. Die Expansionsventile sind aufeinander abgestimmt, sodass ein regelbarer Anteil des Volumenstroms durch den Wärmetauscher 3 und ein anderer Anteil direkt durch das Hauptexpansionsventil strömt. Der Wärmetauscher 3 des Ausführungsbeispiels besitzt ein Gehäuse 20 und weist einen Eingang 33 und einen Ausgang 34 für das Kältemittel KäM sowie einen Eingang 31 und einen Ausgang 32 für das Kühlmittel KüM auf. Das Kühlmittel KüM kommt aus einem nicht gezeigten Niedertemperaturkreislauf, bei dem es sich beispielsweise um einen vom Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine abgezweigten Kreislauf handelt, in dem deutlich niedrigere Kühlmitteltemperaturen aufrechterhalten werden als im Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine vorherrschen.
Ist eine Kühlung der Batterie erforderlich, wird die Temperatur des Kältemittels im Wärmetauscher 3 beispielsweise auf etwa 35°C eingestellt. Bei notwendiger Auf wärmung der Batterien wird das Kältemittel im Wärmetauscher 3 etwa auf eine Temperatur von 45°C gebracht. Erreicht wird das dadurch, dass das Kältemittel KäM einen Druckverlust im Wärmetauscher erfährt. Die entsprechende Steuerung des Volumenstroms des Kältemittels wird mittels des zusätzlichen Expansionsventils 6a vorgenommen. Auf diese Art und Weise wird auch dafür gesorgt, dass die Temperatur des Kühlmittels im Niedertemperaturkreislauf gesteuert wird. Je nach Anwendungsfall kann allerdings vorgesehen werden, im Niedertemperaturkreislauf einen Kühler zu integrieren, der sich dann gewöhnlich im Frontbereich des Fahrzeuges befindet, um die Batteriekühlung zu unterstützen. Es kann auch ein Wärmeübertrager 11 zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel im Hauptkreislauf und dem Kühlmittel KüM im Niedertemperaturkreislauf sinnvoll sein, um die Batterieaufwärmung zu unterstützen. (siehe 4) Der Kondensator/Gaskühler kann hinsichtlich seiner Ausgestaltung so modifiziert sein, dass die Temperatur des Kältemittels nach Verlassen des Unterkühlabschnitts etwa 1–2 K niedriger/höher liegt als bei gewöhnlichen Klimaanlagen. Damit erreicht man einen größeren Spielraum bezüglich des Wärmeaufnahme bzw. -abgabevermögens des Kältemittels, der zur Batteriekühlung oder -erwärmung genutzt werden kann.
Bei einem Hybridfahrzeug kann es sich um etwa 200 W handeln, die zur Kühlung/Erwärmung der Batterie notwendig sind. Diese erforderliche Wärmeleistung führt lediglich zu einer Erhöhung oder Reduzierung der Temperatur des Kältemittels von etwa 1,5 K.
Die 2 unterscheidet sich von der 1 durch die Integration von zwei Expansionsventilen 6 in einer Baueinheit.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 sieht zwei zusätzliche Expansionsventile 6a, 6b und ein Sammelgefäß 10 hinter dem Wärmetauscher 3 vor. Das eine Expansionsventil 6a erhält flüssiges Kältemittel aus dem Sammler 10 und das andere Expansionsventil 6b erhält gasförmiges Kältemittel. Dementsprechend ist die eine Leitung im Bodenbereich des Sammlers 10 angeschlossen und die andere Leitung liegt im oberen Bereich des Sammlers 10. Mit dieser Variante soll die Funktionsweise der Expansionsventile sichergestellt werden, die bei der Zuführung von zweiphasig gemischtem Kältemittel nicht immer gewährleistet ist. Der Sammler 10 kann auch im Wärmetauscher 3 integriert werden. Außerdem lassen sich auch hier die Expansionsventile 6, 6a, 6b in einer einzigen Baueinheit integrieren.
Die Expansionsventile 6 steuern den Durchfluss des Kältemittels durch dieselben auch in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels nach dem Wärmetauscher 3 bzw. nach dem Verdampfer 7.
Die elektrischen Elemente 1 befinden sich im Ausführungsbeispiel gemäß 4 in einem Gehäuse 2, das von dem Kühlmittel KüM durchströmt wird und dabei die Elemente 1 kühlt oder erwärmt. Das Gehäuse 2 mit den Elementen 1 befindet sich im hinteren Teile eines Kraftfahrzeuges. Ein Kühlmittelkreislauf 12 ist erkennbar, enthaltend eine elektrische Kühlmittelpumpe 9, einen Wärmetauscher 11, der vom Kühlmittel KüM und von einem anderen Kühlmittel durchströmt wird und den vorne beschriebenen Wärmetauscher 3, der vom Kältemittel KäM und vom Kühlmittel KüM durchströmt wird. Der Wärmetauscher 11 unterstützt die Temperierung der Batterien 1. Der Wärmetauscher 3 befindet sich in der Nähe des luftgekühlten Kondensators 5 im Frontbereich des Kraftfahrzeuges. Der Wärmetauscher 11 kann sich, falls er vorhanden ist, an einer an sich beliebigen Stelle beispielsweise im Motorraum des Kraftfahrzeuges befinden. Die Kühlmittelleitungen 12 transportieren das Kühlmittel KüM vom Frontbereich in den hinteren Teil zur Temperierung der Elemente 1 und wieder zurück.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10202807 B4 [0002]
- JP 11-307139 A [0003]
- DE 102006010063 A [0004]

Claims

Einrichtung zum Temperieren von elektrischen Elementen (1), beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrischen Elemente mit einem Kühlmittel (KüM) im Wärmeaustausch stehen, welches gemeinsam mit dem Kältemittel (KäM) einer Klimaanlage einen Wärmetauscher (3) durchläuft, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kompressor (4), einen Kondensator (5), ein Expansionsventil (6) und einen Verdampfer (7) aufweist, die mittels einer Kältemittelleitung (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) an derjenigen Kältemittelleitung (8) angeschlossen ist, die zwischen dem Kondensator/Gaskühler (5) und einem Expansionsventil (6) liegt.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel vor oder nach dem Expansionsventil (6) in den Kreislauf zurückführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KüM) ein Niedertemperatur-Kühlmittel aus einem separaten Niedertemperaturkreislauf ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel aus einem Kreislauf stammt, welches auch zur Kühlung von z. B. Leistungselektronik dient.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres regelbares Expansionsventil (6a) vorgesehen ist, das nach dem Wärmetauscher (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten zwei Expansionsventile baulich in einem Ventil vereinigt sind.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (KäM) im Temperaturbereich zwischen etwa 30° und 50°C regelbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung durch eine entsprechende Einstellung des Kältemitteldruckes erreichbar ist, wobei die Temperatur des Kältemittels nahezu konstant bleibt.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, speziell für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) etwa in der Nähe des Kondensators/Gaskühlers (5) im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, speziell für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (KüM) aus einer im Fahrzeug rückwärtigen Positionen zum Wärmetauscher (3) hin und zurück gefördert wird.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator/Gaskühler einen Kondensations- und einen Unterkühlabschnitt aufweist, die so dimensioniert sind, dass die Temperatur des Kältemittels (KäM) im angegebenen Temperaturbereich erreicht wird.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrischen Elemente (1) in einem Gehäuse (2) befinden, das von dem Kühlmittel (KüM) durchströmbar ist.
Verfahren zum Betreiben der Einrichtung, die gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (KäM) – in dessen Strömungsrichtung gesehen – nach dem Kondensator/Gaskühler (5) und vor dem Expansionsventil (6) zur Kühlung oder Erwärmung des Kühlmittels (KüM) herangezogen bzw. abgezweigt und anschließend dem Kältemittelkreislauf wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (KäM) mittels eines weiteren regelbaren Expansionsventils (6a) auf die Solltemperatur geregelt wird.