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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung. Die Kühlanordnung ist zur Kühlung zumindest einer elektrischen Komponente vorgesehen, z. B. einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeuges.
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Für elektrische Komponenten können Kühlfluide eingesetzt werden, bei denen die Kühlwirkung durch einen Phasenübergang des Kühlfluids (also z. B. von flüssig zu gasförmig) realisiert wird. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausgestaltung ist, dass ein großer Wärmeübergang zwischen dem verdampfenden Kühlfluid und dem zur Kühlung der elektrischen Komponente vorgesehenen Kühlkörper realisiert werden kann. Weiter kann eine isotherme Verdampfung des Kühlfluids realisiert werden.
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Aufgrund der gleichbleibenden Temperatur des verdampfenden Kühlfluids entstehen keine (wesentlichen) Temperaturdifferenzen in der zu kühlenden elektrischen Komponente, so dass die Lebensdauer der elektrischen Komponente verlängert werden kann.
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Problematisch ist allerdings eine Unterkühlung des Kühlfluids. Dabei findet bei der Wärmezufuhr von der elektrischen Komponente auf das Kühlfluid zuerst eine Erwärmung des flüssigen Kühlfluids, zunächst ohne dessen Verdampfung, statt. Dabei sinkt der Wärmeübergang und es findet eine Temperaturänderung bis zur Verdampfungstemperatur des Kühlfluids statt. Der Vorteil einer Kühlung mit dem verdampfenden Kühlfluid ist dann zumindest eingeschränkt bzw. aufgehoben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung vorgeschlagen werden, durch das eine möglichst gleichmäßige Kühlung einer elektrischen Komponente ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung vorgeschlagen. Die Kühlanordnung ist zumindest einer elektrischen Komponente zugeordnet, z. B. einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeuges. Die Kühlanordnung weist zumindest einen von einem Kühlfluid beaufschlagten Kühlkörper, einen Wärmeübertrager und eine den Kühlkörper und den Wärmeübertrager verbindende Zuleitung für das Kühlfluid auf. Der (mindestens eine) Kühlkörper ist zur Kühlung der zumindest einen elektrischen Komponente vorgesehen (also z. B. in unmittelbarer Nachbarschaft und/oder in wärmeleitender Verbindung zur zumindest einen elektrischen Komponente angeordnet). Der Wärmeübertrager ist stromaufwärts des Kühlkörpers angeordnet. Das Kühlfluid (z. B. Wasser oder Glykol, oder Ähnliches) weist eine vorbekannte Verdampfungstemperatur auf. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Erhöhen einer Temperatur des Kühlfluids durch den Wärmeübertrager auf eine erste Temperatur, die höchstens der Verdampfungstemperatur entspricht, wobei das Kühlfluid nach der Erhöhung der Temperatur in einem flüssigen ersten Zustand vorliegt;
- b) Leiten des Kühlfluids über die Zuleitung zu dem Kühlkörper und Überführen zumindest eines Teils des Kühlfluids in einen dampfförmigen zweiten Zustand.
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Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Erwärmung des Kühlfluids stromaufwärts des Kühlkörpers. Insbesondere wird das Kühlfluid möglichst nahe an die (unter den vorliegenden Umgebungsbedingungen, also z. B. Druck, etc.) vorbekannte Verdampfungstemperatur erwärmt. Dabei wird insbesondere sichergestellt, dass das Kühlfluid weiterhin in einem flüssigen Zustand vorliegt. Eine teilweise Verdampfung kann aber stattfinden, wobei dadurch die Effizienz der Kühlung einerseits reduziert werden würde, andererseits eine Unterkühlung des Kühlfluids mit höherer Sicherheit verhindert werden kann. Die Verdampfung des Kühlfluids soll dann an bzw. im Kühlkörper erfolgen, wobei durch die Erwärmung des Kühlfluids nahe an die Verdampfungstemperatur eine möglichst sofortige Verdampfung des Kühlfluids nach Beaufschlagung des Kühlkörpers erfolgen soll. Damit kann eine möglichst homogene Abkühlung des Kühlkörpers bzw. der elektrischen Komponente erreicht werden (also eine möglichst geringe Temperaturdifferenz über die durch den Kühlkörper gekühlte Oberfläche der elektrischen Komponente).
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Insbesondere liegt die erste Temperatur um maximal 5 Kelvin, bevorzugt maximal 2 Kelvin unterhalb der Verdampfungstemperatur.
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Besonders bevorzugt liegt die erste Temperatur um maximal 1 Kelvin unterhalb der Verdampfungstemperatur.
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Der Wärmeübertrager kann insbesondere jede Form einer Heizeinrichtung für das Kühlfluid umfassen (z. B. eine elektrische Heizung, einen Wärmetauscher, etc.).
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Insbesondere ist der Wärmeübertrager mit dem Kühlkörper zusätzlich über eine Rückleitung verbunden. In dem Wärmeübertrager wird das zu erwärmende und zur Zuleitung strömende Kühlfluid durch das dem Wärmeübertrager über die Rückleitung zugeführte Kühlfluid erwärmt. Als Wärmeübertrager können Gleichstromwärmeübertrager (Kühlfluid in der Zuleitung weist innerhalb des Wärmeübertragers im Wesentlichen die gleiche Strömungsrichtung wie Kühlfluid in der Rückleitung auf) oder auch Gegenstromwärmeübertrager (Kühlfluid in der Zuleitung weist innerhalb des Wärmeübertragers im Wesentlichen die entgegengesetzte Strömungsrichtung wie Kühlfluid in der Rückleitung auf) eingesetzt werden.
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Insbesondere ist zumindest die Zuleitung zwischen dem zumindest einen Kühlkörper und dem Wärmeübertrager gegenüber einer Umgebung thermisch isoliert ausgeführt, so dass eine erneute Abkühlung des Kühlfluids möglichst weitgehend verhindert wird. Insbesondere erfolgt eine Abkühlung des Kühlfluids während der Durchströmung der Zuleitung und im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühlanordnung um höchstens 1 Kelvin.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Zuleitung beheizbar ausgeführt. Insbesondere ist eine elektrische Heizung vorgesehen, über welche das die Zuleitung durchströmende Kühlfluid beheizbar ist.
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Insbesondere kann eine Abkühlung des Kühlfluids während der Durchströmung der Zuleitung und im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kühlanordnung komplett verhindert werden. Ggf. ist auch eine weitere Aufheizung des Kühlfluids in der Zuleitung möglich.
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Insbesondere kann der Wärmeübertrager auch unmittelbar benachbart zum Kühlkörper angeordnet sein, so dass die Zuleitung als Leitung mit bestimmter Länge entfällt. Die Zuleitung bezeichnet insbesondere nur die strömungstechnische Verbindung zwischen Wärmeübertrager und Kühlkörper.
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Insbesondere wird die Kühlanordnung über eine Steuereinheit geregelt, wobei ein Massenstrom des Kühlfluids so geregelt wird, dass das Kühlfluid unmittelbar stromabwärts des Kühlkörpers eine zweite Temperatur aufweist, die höchstens 5 Kelvin, bevorzugt höchstens 2 Kelvin oberhalb der Verdampfungstemperatur liegt.
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Bevorzugt wird die Kühlanordnung über eine Steuereinheit geregelt, wobei ein Massenstrom des Kühlfluids in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der zumindest einen elektrischen Komponente geregelt wird.
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Insbesondere wird eine Wärmeabgabe der zumindest einen elektrischen Komponente in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter berechnet.
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Ein Betriebsparameter ist z. B. eine an der elektrischen Komponente angelegte elektrische Spannung, ein die Komponente durchströmender elektrischer Strom, eine Dauer der Beaufschlagung mit elektrischer Energie, etc. Insbesondere kann über den mindestens einen Betriebsparameter die Wärmeentwicklung der elektrischen Komponente ermittelt oder sogar prognostiziert werden.
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Insbesondere kann über die Steuereinheit der Massenstrom (auch im Vorgriff, also eine erforderliche höhere Kühlleistung antizipierend) so geregelt werden, dass eine Erwärmung des Kühlkörpers (bzw. eine Erwärmung der elektrischen Komponente) zumindest weitgehend verhindert werden kann.
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Die zumindest eine elektrische Komponente kann zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, wobei sich der mindestens eine Betriebsparameter in Abhängigkeit von einem Betrieb des Kraftfahrzeuges verändert.
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Weiter wird eine Kühlanordnung für zumindest eine elektrische Komponente vorgeschlagen, zumindest aufweisend einen von einem Kühlfluid beaufschlagten Kühlkörper, der zur Kühlung der zumindest einen elektrischen Komponente vorgesehen ist, einen stromaufwärts des Kühlkörpers angeordneten Wärmeübertrager sowie eine den Kühlkörper und den Wärmeübertrager verbindende Zuleitung. Die Kühlanordnung ist mit dem bereits beschriebenen Verfahren betreibbar.
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Weiter wird ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest aufweisend eine elektrische Komponente, die zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges einsetzbar ist. Der Antriebsstrang weist die beschriebene Kühlanordnung für zumindest die eine elektrische Komponente auf.
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Weiter wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest mit dem beschriebenen Antriebsstrang, der insbesondere eine Antriebseinheit zum Antrieb des Kraftfahrzeuges umfasst.
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Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf den Antriebsstrang und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das angeführte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in der Figur erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 16.
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Das Kraftfahrzeug 16 umfasst einen Antriebsstrang 17, der eine elektrische Komponente 2 aufweist, die zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges 16 einsetzbar ist. Der Antriebsstrang 17 weist eine Kühlanordnung 1 für die elektrische Komponente 2 auf. Die Kühlanordnung 1 umfasst eine Pumpe 18 zur Förderung des Fluids 3 durch die Kühlanordnung
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Die Kühlanordnung 1 ist der elektrischen Komponente 2 zugeordnet. Die Kühlanordnung 1 weist einen von einem Kühlfluid 3 beaufschlagten Kühlkörper 4, einen Wärmeübertrager 5 und eine den Kühlkörper 4 und den Wärmeübertrager 5 verbindende Zuleitung 6 für das Kühlfluid 3 auf. Der (mindestens eine) Kühlkörper 4 ist zur Kühlung der elektrischen Komponente 2 vorgesehen (also in unmittelbarer Nachbarschaft und in wärmeleitender Verbindung zur elektrischen Komponente 2 angeordnet). Der Wärmeübertrager 5 ist stromaufwärts des Kühlkörpers 4 und der Zuleitung 6 angeordnet. Das Kühlfluid 3 (z. B. Wasser oder Glykol, oder Ähnliches) weist eine vorbekannte Verdampfungstemperatur 7 auf. Gemäß Schritt a) des Verfahrens wird eine Temperatur des Kühlfluids 3 durch den Wärmeübertrager 5 auf eine erste Temperatur 8 erhöht, die höchstens der Verdampfungstemperatur 7 entspricht, wobei das Kühlfluid 3 nach der Erhöhung der Temperatur in einem flüssigen ersten Zustand 9 vorliegt.
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In Schritt b) des Verfahrens wird das Kühlfluid 3 über die Zuleitung 6 zu dem Kühlkörper 4 geleitet und zumindest ein Teil des Kühlfluids 3 (oder das ganze den Kühlkörper 4 kontaktierende Kühlfluid 3) in einen dampfförmigen zweiten Zustand 10 überführt.
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Das Verfahren umfasst die Erwärmung des Kühlfluids 3 stromaufwärts des Kühlkörpers 4. Das Kühlfluid 3 wird möglichst nahe an die (unter den vorliegenden Umgebungsbedingungen, also z. B. Druck, etc.) vorbekannte Verdampfungstemperatur 7 erwärmt. Dabei wird sichergestellt, dass das Kühlfluid 3 weiterhin in einem flüssigen ersten Zustand 9 vorliegt. Die Verdampfung des Kühlfluids 3 soll dann an bzw. im Kühlkörper 4 erfolgen, wobei durch die Erwärmung des Kühlfluids 3 nahe an die Verdampfungstemperatur 7 eine möglichst sofortige Verdampfung des Kühlfluids 3 nach Beaufschlagung des Kühlkörpers 4 erfolgen soll. Damit kann eine möglichst homogene Abkühlung des Kühlkörpers 4 bzw. der elektrischen Komponente 2 erreicht werden (also eine möglichst geringe Temperaturdifferenz über die durch den Kühlkörper 4 gekühlte Oberfläche der elektrischen Komponente 2).
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Der Wärmeübertrager 5 ist mit dem Kühlkörper 4 zusätzlich über eine Rückleitung 11 verbunden. In dem Wärmeübertrager 5 wird das zu erwärmende und zur Zuleitung 6 strömende Kühlfluid 3 durch das dem Wärmeübertrager 5 über die Rückleitung 11 zugeführte Kühlfluid 3 erwärmt.
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Die Kühlanordnung 1 wird über eine Steuereinheit 12 geregelt, wobei ein Massenstrom 13 des Kühlfluids 3 so geregelt wird, dass das Kühlfluid 3 unmittelbar stromabwärts des Kühlkörpers 4 eine zweite Temperatur 14 aufweist, die nur knapp oberhalb der Verdampfungstemperatur 7 liegt oder sogar der Verdampfungstemperatur 7 entspricht.
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Die Kühlanordnung 1 kann über die Steuereinheit 12 so geregelt werden, dass ein Massenstrom 13 des Kühlfluids 3 in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter 15 der elektrischen Komponente 2 geregelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlanordnung
- 2
- Komponente
- 3
- Kühlfluid
- 4
- Kühlkörper
- 5
- Wärmeübertrager
- 6
- Zuleitung
- 7
- Verdampfungstemperatur
- 8
- erste Temperatur
- 9
- erster Zustand
- 10
- zweiter Zustand
- 11
- Rückleitung
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Massenstrom
- 14
- zweite Temperatur
- 15
- Betriebsparameter
- 16
- Kraftfahrzeug
- 17
- Antriebsstrang
- 18
- Pumpe
