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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Kühlen zumindest einer Wärmequelle in einem Kühlkreislauf, insbesondere eines Luftfahrzeugs, mit zumindest zwei Wärmequellen sowie mit einer gemeinsamen Kühleinrichtung, die durch den Kühlkreislauf miteinander in Strömungsverbindung stehen, und mit einer Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels im Kühlkreislauf derart, dass im Betrieb das Kühlmittel die zumindest eine Wärmequelle durchströmt und in der Wärmequelle Wärme aufnehmen und/oder in der Kühleinrichtung Wärme abgeben kann, sowie ein Verfahren zur Regelung eines Kühlmittelstroms zum Kühlen mehrerer Wärmequellen in einem Kühlsystem.
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Konventionelle Antriebstechnologien beruhen zumeist auf der Umwandlung von chemisch gespeicherter Energie in mechanische Energie, welche beispielsweise zum Vortrieb eines Fahrzeugs genutzt wird. Bei der Umwandlung wird ein Großteil der Energie in Verlustwärme umgewandelt, die über ein Kühlsystem aus dem System abgeführt werden muss. Die Antriebsmaschine, im Folgenden als Wärmequelle bezeichnet, beispielsweise eine thermische Verbrennungsmaschine, Brennstoffzelle oder ein Elektromotor oder auch zu kühlende Leistungselektronik, besitzt eine definierte optimale Betriebstemperatur bzw. einen optimalen Betriebstemperaturbereich. Nach einem Kaltstart ist es vorteilhaft, diese Betriebstemperatur bzw. diesen Betriebstemperaturbereich schnell zu erreichen und/oder im Betrieb konstant zu halten. Hierfür zirkuliert in dem Kühlsystem zumeist ein Kühlmittel, welches die Wärmequelle zur Kühlung durchströmt und anschließend durch eine Kühleinrichtung geleitet wird, um die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abzugeben.
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Aus der
DE 10 2014 009 772 A1 ist ein Kühlsystem für ein Fahrzeug bekannt, welches eine Antriebsmaschine als Wärmequelle, eine Kühleinrichtung, eine Kühlmittelpumpe sowie eine Brennstoffzellenanlage als Range-Extender aufweist, wobei diese Komponenten über einen gemeinsamen Kühlkreislauf miteinander in Verbindung stehen. Zusätzlich ist in diesem Kühlsystem eine Einrichtung zum Umgehen der Kühleinrichtung, ein sogenanntes Thermostatventil, vorgesehen. Durch dieses Thermostatventil kann das Kühlmittel die Kühleinrichtung über eine Bypassleitung umgehen und unmittelbar der Antriebsmaschine zugeführt werden. Nach einem Kaltstart ist dadurch ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur ermöglicht, da das Kühlmittel nicht durch die Kühleinrichtung abgekühlt wird. Das Thermostatventil ist thermisch geregelt, sodass nach dem Erreichen einer definierten Kühlmitteltemperatur das Ventil selbstständig regelt und ein Teilvolumenstrom des Kühlmittels der Kühleinrichtung zugeführt wird. Dadurch kann eine konstante Betriebstemperatur der Antriebsmaschine erreicht werden. Durch dieses Kühlsystem können zwar mehrere Wärmequellen gekühlt werden, jedoch müssen diese dieselbe Betriebstemperatur aufweisen, um in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden zu können.
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Die
DE 10 2014 102 573 A1 gibt ein Kühlmittelsteuerungsverfahren für ein Fahrzeug an, bei dem bei einer nach einem Temperaturvergleich als zu gering bewerteten Temperatur ein Thermostatventil geschlossen wird und eine Kühlmittelströmung aus einem Motor heraus blockiert.
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Die
DE 10 2010 034 484 A1 zeigt ein Kühlsystem für ein Elektrofahrzeug mit zumindest zwei zu kühlenden Komponenten in unterschiedlichen Kühlkreisläufen. Ein individueller Kühl- bzw. Heizbedarf kann durch das Vorhandensein eines Thermoelements bzw. zweier Thermoelemente gedeckt werden, welche/s zusätzlich zu zumindest einer Kühleinrichtung in zumindest einem der Kreisläufe vorhanden sein kann/können.
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Die
DE 10 2010 042 405 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem sowie ein Verfahren zum Regeln eines Kühlmittelstroms vorzuschlagen, durch welches die Kühlung mehrerer Wärmequellen mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen in einem gemeinsamen Kühlkreislauf möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Regelung eines Kühlmittelstroms gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch ein Kühlsystem gemäß der Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist vorgesehen, dass den Wärmequellen jeweils ein Regelventil (welches auch ein Steuerventil sein kann) zugeordnet ist, das stromaufwärts zu der Wärmequelle im Kühlkreislauf vorhanden ist, wobei das Regelventil einen ersten Einlass, insbesondere für einen warmen Kühlmittelstrom, aufweist, der unter Zwischenschaltung der Kühlwasserpumpe mit der Wärmequelle in Strömungsverbindung steht, und einen zweiten Einlass, insbesondere für einen durch die Kühleinrichtung gekühlten kalten Kühlmittelstrom, der mit der Kühleinrichtung in Strömungsverbindung steht, sowie einen Auslass für einen Kühlmittelmischstrom aus dem kalten und/oder dem warmen Kühlmittelstrom, der mit der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle in Strömungsverbindung steht. Insbesondere werden dem Regelventil ein warmer Teilvolumenstrom des Kühlmittelstroms sowie ein kalter Teilvolumenstrom des Kühlmittelstroms über die beiden Einlässe zugeführt. Durch das Regelventil ist eine unabhängige Regelung (bzw. Steuerung) der beiden Kühlmittelströme ermöglicht, sodass der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle ein entsprechend (insbesondere hinsichtlich Temperatur und/oder Volumenstrom) geregelter Kühlmittelstrom zur Kühlung zugeführt werden kann. Durch ein solches Regelventil ist es möglich, mehrere Wärmequellen in einem gemeinsamen Kühlkreislauf vorzusehen, wobei die Wärmequellen unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen können. Sowohl die Temperatur als auch der Volumenstrom des jeweiligen der Wärmequelle zugeführten Kühlmittelmischstroms kann dabei individuell auf eine Betriebstemperatur der und/oder einen bestimmten Volumenstrom für die Wärmequelle angepasst sein bzw. werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Kühlsystems kann vorgesehen sein, dass mehrere Wärmequellen vorhanden sind, denen jeweils ein Regelventil zugeordnet ist, wobei jedes Regelventil mit dem Auslass nur mit der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle unter Bildung eines separaten Kühlmittelführungspfads in Strömungsverbindung steht, um der Wärmequelle den, insbesondere bzgl. einer Temperatur und/oder eines Volumenstroms geregelten, Kühlmittelmischstrom zuzuführen. Dadurch kann jeder Wärmequelle ein individuell geregelter Kühlmittelstrom zugeführt werden, der auf unterschiedliche Betriebstemperaturen der Wärmequellen abgestimmt ist. Die Regelung des Kühlmittelstroms erfolgt dabei insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der jeweiligen Wärmequelle, sodass eine an die Betriebsbedingungen angepasste Kühlmitteltemperatur und/oder ein angepasster Volumenstrom des Kühlmittels der Wärmequelle zugeführt werden kann.
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Vorzugsweise sind die jeweiligen separaten Kühlmittelführungspfade, zwischen den jeweiligen Auslässen der Regelventile und Einlässen der Wärmequellen, strömungsmechanisch parallel zueinander angeordnet, wobei zwischen den Kühlmittelführungspfaden keine Strömungsverbindung besteht. Dies erlaubt eine (weitgehend) voneinander entkoppelte, präzise individuelle Temperatur- und/oder Volumenstromregelung, abgestimmt auf die jeweiligen Wärmequellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kühlsystems kann das Regelventil zur Temperatur- und/oder Volumenstromregelung ausgebildet sein, wobei die Volumenströme (insbesondere Teilvolumenströme) des durch den ersten Einlass strömenden, warmen, Kühlmittels und des durch den zweiten Einlass strömenden, kalten, Kühlmittels getrennt voneinander regelbar bzw. geregelt sind. Die Regelung der einzelnen Volumenströme kann innerhalb des Regelventils oder stromaufwärts desselben erfolgen. Dadurch, dass die über den ersten und zweiten Einlass strömenden Kühlmittelströme unterschiedlicher Temperatur unabhängig voneinander regelbar sind, kann ein großer Temperaturbereich und/oder Volumenstrombereich des durch das Regelventil geregelten Kühlmittelstroms abgedeckt werden. Weiterhin kann der Volumenstrom bei Temperaturänderung des Kühlmittels z. B. zum Erhalt eines weitgehend konstanten Volumenstroms nachreguliert werden. Die Temperatur des reinen warmen Kühlmittelstroms bildet dabei die maximale Kühlmitteltemperatur, die des reinen kalten Kühlmittelstroms die minimale Kühlmitteltemperatur. Bei Mischung beider Ströme stellt sich eine den Anteilen entsprechende Mischtemperatur ein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die das Regelventil in Abhängigkeit eines Regelparameters, insbesondere eines Temperaturwerts und/oder eines Volumenstromwerts der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle, ansteuert. Dadurch kann ein thermisch geregeltes und/oder volumenstromgeregeltes Regelventil vorgesehen sein, welches eine Volumenstromregelung in Abhängigkeit des Regelparameters, insbesondere eines externen Regelparameters, ermöglicht. Dieser Parameter kann beispielsweise eine Betriebstemperatur, insbesondere eine optimale Betriebstemperatur, der Wärmequelle oder ein Durchflusswert des die Wärmequelle durchströmenden Volumenstroms sein. Auf diese Weise kann die Kühlmitteltemperatur und/oder der Volumenstrom des Kühlmittelstroms an die Betriebsbedingungen der Wärmequelle angepasst werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Kühlsystems kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf eine gemeinsame Kühlmittelpumpe, zusätzlich zu der gemeinsamen Kühleinrichtung, für die zumindest zwei Wärmequellen aufweist, die in einem Hauptkühlmittelführungspfad des Kühlkreislaufs angeordnet ist. Der Hauptführungspfad ist (wie die separaten, den einzelnen Wärmequellen zugeordneten Kühlmittelführungspfade) Bestandteil des Kühlkreislaufs und leitet mindestens zwei zusammengeführte Teilvolumenströme. Vorzugsweise werden die Kühlmittelpumpe von dem gesamten Kühlmittelstrom (d. h. dem Gesamtvolumenstrom an Kühlmittel) und die Kühleinrichtung von dem gesamten kalten Kühlmittelstrom durchströmt.
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So werden einzelne Komponenten des Kühlsystems gemeinsam genutzt, was die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert. Auf diese Weise werden vorteilhaft sowohl Gewicht als auch Kosten gesenkt, was insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt von Vorteil ist. Zudem wird dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert, sodass auch sicherheitstechnische Vorteile erreicht werden können.
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Vorzugsweise ist in dem Kühlkreislauf eine Bypassleitung zum Ausgleich eines Überdrucks vorhanden, die aus dem Hauptkühlmittelführungspfad, insbesondere stromabwärts der Kühlmittelpumpe und stromaufwärts oder stromabwärts der Kühleinrichtung, abzweigt und stromaufwärts der Kühlmittelpumpe oder der Kühleinrichtung wieder in den Hauptkühlmittelführungspfad mündet. Insbesondere kann in der Bypassleitung ein Überdruckventil vorhanden sein, das bei Überschreitung eines bestimmten, maximalen Drucks die Bypassleitung freigibt. Auf diese Weise kann ein sich in dem Kühlkreislauf aufbauender Druck, z. B. aufgrund einer den Volumenstrom reduzierenden Regelung des Regelventils, auf einen maximalen Druck beschränkt werden. Eine Beschädigung der Komponenten durch überhöhten Druckaufbau wird so vermieden. Alternativ kann die Kühlmittelpumpe drehzahlgeregelt ausgebildet sein. Alternativ hierzu können die Komponenten entsprechend druckfest ausgelegt sein.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Kühlen zumindest einer Wärmequellen in einem Kühlsystem gelöst, aufweisend die Schritte,
- - dass ein Kühlmittel von mindestens einer Kühlmittelpumpe in einem Kühlkreislauf zirkulierend gefördert wird,
- - dass das Kühlmittel zumindest zwei insbesondere strömungsmechanisch parallel angeordnete Wärmequellen zur Kühlung durchströmt, wodurch das Kühlmittel erwärmt werden kann,
- - dass einer gemeinsamen Kühleinrichtung zumindest ein Teilvolumenstrom des erwärmten Kühlmittels zum Abkühlen zugeführt werden kann, wobei der Teilvolumenstrom stromabwärts der Kühleinrichtung als nun kalter Kühlmittelstrom in weitere Teilvolumenströme aufgeteilt wird,
- - dass wenigstens einem von den Wärmequellen zugeordneten Regelventilen zumindest ein Teilvolumenstrom des warmen Kühlmittelstroms sowie zumindest einer der Teilvolumenströme des kalten Kühlmittelstroms zugeführt werden kann und
- - dass, insbesondere durch das Regelventil, eine voneinander unabhängige Volumenstromregelung der Teilvolumenströme des warmen Kühlmittels und des kalten Kühlmittels erfolgt und ein aus den Teilvolumenströmen des warmen und/oder kalten Kühlmittelstroms mittels des Regelventils gebildeter Kühlmittelmischstrom der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle zugeführt wird,
- - wobei insbesondere jeweils ein voneinander getrennter Kaltvolumenstrom bzw. kalter Kühlmittelstrom, ein Warmvolumenstrom bzw. warmer Kühlmittelstrom und ein Hauptvolumenstrom bzw. Gesamtvolumenstrom (von den Wärmequellen stromabwärts zusammengeführte Volumenströme) vorhanden sind.
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Durch ein solches Verfahren können sowohl der Volumenstrom als auch die Temperatur der den Wärmequellen zugeführten Kühlmittelmischströme jeweils einzeln unabhängig voneinander und auch gleichzeitig geregelt werden. Auf diese Weise kann der dem Regelventil zugeordneten Wärmequelle ein Kühlmittelstrom zur Kühlung zugeführt werden, der exakt und instantan, mit hoher Dynamik, an die entsprechenden Kühlerfordernisse der Wärmequelle angepasst ist. Indem jeder Wärmequelle ein Regelventil zugeordnet ist, ist es zudem ermöglicht jeder Wärmequelle einen Kühlmittelstrom mit einer unterschiedlichen Kühlmitteltemperatur und/oder einem unterschiedlichen Volumenstrom zuzuführen.
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Dabei wird vorzugsweise jeder Wärmequelle unabhängig voneinander durch ein ihr zugeordnetes Regelventil ein aus den Teilvolumenströmen des warmen und/oder kalten Kühlmittelstroms gebildeter Kühlmittelmischstrom zugeführt.
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In einer effizienten, druckverlust- und teileoptimierten Ausführungsvariante des Verfahrens wird der Gesamtvolumenstrom stromab der Kühlmittelpumpe auf Teilvolumenströme aufgeteilt, insbesondere ohne ein zu diesem Zweck zusätzlich zu dem Regelventil vorhandenes Ventilmittel, wobei die Teilvolumenströme des warmen Kühlmittelstroms (insbesondere zur Zufuhr zu dem/den Regelventil/en) abgezweigt werden und bei Kühlbedarf einer der Teilvolumenströme der Kühleinrichtung zugeführt wird, der stromab der Kühleinrichtung weiter in die Teilvolumenströme des kalten Kühlmittelstroms (insbesondere zur Zufuhr zu dem/den Regelventil/en) aufgeteilt wird. Die Aufteilung erfolgt vorzugsweise (einfach) durch entsprechende Abzweigungen von Leitungen innerhalb des Kühlkreislaufs, insbesondere aus einem Hauptkühlmittelführungspfad. Die entsprechenden Anteile der Teilvolumenströme an dem Gesamtvolumenstrom ergeben sich insbesondere durch die Einstellungen der Regelventile, die den Wärmequellen zugeordnet sind.
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In einer effizienten Ausführungsvariante des Verfahrens kann der Kühlmittelmischstrom in einer Fluidkammer innerhalb des Regelventils erzeugt werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- 1 ein Schaltschema eines Kühlsystems zum Kühlen mehrerer Wärmequellen als Stand der Technik und
- 2 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zum Kühlen mehrerer Wärmequellen
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1 zeigt als Stand der Technik ein vereinfachtes Schaltschema eines Kühlsystems 10 zum Kühlen von zwei Wärmequellen 11, 12 in einem gemeinsamen Kühlkreislauf 13. Diese Wärmequellen 11, 12 können beispielsweise als thermische Verbrennungsmaschinen, als Brennstoffzellen, als Elektromotor und/oder als Kühlung erfordernde Leistungselektronik ausgebildet sein. Durch den gemeinsamen Kühlkreislauf 13 sind die Wärmequellen 11, 12 thermisch miteinander verbunden, bilden jedoch voneinander getrennte mechanische und/oder elektrische Systeme. In dem Kühlkreislauf 13 zirkuliert ein Kühlmittel, welches die beiden Wärmequellen 11, 12 zur Kühlung durchströmt. Zum Fördern des Kühlmittels ist stromabwärts zu den Wärmequellen 11, 12 eine Kühlmittelumpe 14 vorgesehen.
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Die Kühlmittelpumpe 14 führt das Kühlmittel zwei thermisch geregelten Wärmetauscherumgehungsventilen 16, 17 zu. Die Wärmetauscherumgehungsventile 16, 17 sind jeweils einer Wärmequelle 11, 12 zugeordnet und über einen Kühlmittelführungspfad 18, 19 mit dieser Wärmequelle 11, 12 verbunden. Zudem sind die Wärmetauscherumgehungsventile 16, 17 mit einer gemeinsamen Kühleinrichtung 21 zum Kühlen des Kühlmittels verbunden. In Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur können die Wärmetauscherumgehungsventile 16, 17 den Kühlmittelstrom entweder der Kühleinrichtung 21 und/oder der dem jeweiligen Wärmetauscherumgehungsventil 16, 17 zugeordneten Wärmequelle 11, 12 zuführen.
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Das durch die Kühleinrichtung 21 geführte Kühlmittel wird durch die Kühleinrichtung 21 abgekühlt und über eine Kühlmittelzuführung 22 den Wärmequellen 11, 12 zugeführt. Die Kühlmittelzuführung 22 mündet jeweils zwischen den Wärmequellen 11, 12 und den Wärmetauscherumgehungsventilen 16, 17 in die beiden Kühlmittelführungspfaden 18, 19. In den Kühlmittelführungspfaden 18, 19 kann eine Mischung des von der Kühleinrichtung 21 kommenden abgekühlten Kühlmittels mit dem von den Wärmetauscherumgehungsventilen 16, 17 kommenden warmen Kühlmittel erfolgen. Durch diese Verbindung ist zwischen den Wärmequellen 11, 12 folglich eine thermische Abhängigkeit gebildet. Diese thermische Abhängigkeit bewirkt, dass in diesem Kühlsystem 10 nur Wärmequellen 11, 12 vorgesehen werden können, die einen gleichen oder zumindest ähnlichen optimalen Betriebstemperaturbereich aufweisen. Eine Temperaturregelung kann nicht genau definiert erfolgen, da die Temperatur sich in Abhängigkeit der Stellung des Wärmetauscherumgehungsventils 16 verändert. Folgendes Beispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen:
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Die erste Wärmequelle 11 weist beispielsweise eine optimale Betriebstemperatur von 50 °C auf und die zweite Wärmequelle 12 eine optimale Betriebstemperatur von 60 °C. Dementsprechend erfolgt die thermische Regelung durch das Wärmetauscherumgehungsventil 16, welches der ersten Wärmequelle 11 zugeordnet ist, bei einer Kühlmitteltemperatur von 50 °C und die thermische Regelung durch das Wärmetauscherumgehungsventil 17, welches der zweiten Wärmequelle 12 zugeordnet ist, bei einer Kühlmitteltemperatur von 60 °C.
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Solange das Kühlmittel eine Kühlmitteltemperatur von weniger als 50 °C aufweist, sind beide Wärmetauscherumgehungsventile 16, 17 in einer Schließstellung und das Kühlmittel wird ausschließlich den Wärmequellen 11, 12 zugeführt. Die Wärmequellen 11, 12 werden auf diese Weise von dem Kühlmittel durchströmt, sodass nach einem Kaltstart durch das sich stetig erwärmende Kühlmittel ein schnelles Erreichen der optimalen Betriebstemperatur ermöglicht ist.
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Erreicht das Kühlmittel eine Kühlmitteltemperatur von 50 °C, nimmt das erste Wärmetauscherumgehungsventil 16 eine zumindest teilweise Öffnungsstellung ein und führt zumindest einen Teilvolumenstrom des Kühlmittels der Kühleinrichtung 21 zu. Anschließend wird der abgekühlte Teilvolumenstrom des Kühlmittels über die Kühlmittelzuführung 22 dem Kühlmittelführungspfad 18 zugeführt und der abgekühlte Teilvolumenstrom des Kühlmittels und der erwärmte Teilvolumenstrom des Kühlmittels miteinander vermischt, sodass eine Kühlmitteltemperatur vorgesehen ist, bei der die Wärmequelle 11 bei der optimalen Betriebstemperatur von 50 °C betrieben werden kann.
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Zu diesem Zeitpunkt hat die zweite Wärmequelle 12 noch nicht ihre optimale Betriebstemperatur von 60 °C erreicht. Durch die Verbindung zwischen der Kühlmittelzuführung 22 sowie dem Kühlmittelführungspfad 19 wird der zweiten Wärmequelle 12 trotzdem ein durch die Kühleinrichtung 21 gekühlter Teilvolumenstrom des Kühlmittels zugeführt. Die zweite Wärmequelle 12 wird folglich gekühlt, obwohl diese die optimale Betriebstemperatur von 60 °C noch nicht erreicht hat.
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Aufgrund der ausgebildeten thermischen Abhängigkeit ergibt sich folglich eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Wärmequellen 11, 12, welche das Bereitstellen von individuellen Kühlmitteltemperaturen für die Wärmequellen 11, 12 verhindert. Dieses Kühlsystem 10 kann somit nur in Kombination mit Wärmequellen 11, 12 eingesetzt werden, die eine vergleichbare oder zumindest ähnliche optimale Betriebstemperatur aufweisen. Bei unterschiedlichen optimalen Betriebstemperaturen ist zumindest eine der beiden Wärmequellen 11, 12 nicht bei der optimalen Betriebstemperatur betreibbar. Daraus kann sich beispielsweise eine reduzierte Leistung der Wärmequelle 11, 12 ergeben und/oder die Wärmequelle 11, 12 kann höheren Belastungen, verbunden mit einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit, ausgesetzt sein.
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2 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 10, zum Kühlen zweier Wärmequellen 11, 12 in einem gemeinsamen Kühlkreislauf 13. Dieses Kühlsystem 10 ermöglicht das Bereitstellen verschiedener Kühlmitteltemperaturen, sodass Wärmequellen 11, 12 mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen jeweils mit einer angepassten Kühlmitteltemperatur versorgt werden können. Durch eine entsprechende Erweiterung des Kühlsystems 10 können auch mehr als zwei Wärmequellen 11, 12 in dem Kühlkreislauf 13 vorgesehen werden.
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Die Wärmequellen 11, 12 können wie bei dem Kühlsystem 10 gemäß 1 als thermische Verbrennungsmaschinen, als Brennstoffzellen, als Elektromotor oder als Kühlung erfordernde Leistungselektronik ausgebildet sein. Insbesondere ist bei dem Kühlsystem 10 eine Kombination verschiedener Wärmequellen 11, 12 vorgesehen, beispielsweise eine Kombination aus einer thermischen Verbrennungsmaschine mit einer Brennstoffzelle oder einem Elektromotor, oder mehrere Brennstoffzellen mit unterschiedlichen optimalen Betriebstemperaturen. Das Kühlsystem 10 mit den Wärmequellen 11, 12 kann dadurch als Hybridsystem ausgebildet sein. Solche Kühlsysteme mit verschiedenen Wärmequellen 11, 12 können beispielsweise vorteilhaft in Luftfahrzeugen, insbesondere in Flugzeugen, zum Einsatz kommen. Dabei übernehmen beispielsweise thermische Strömungsmaschinen die Funktion des Antriebs und eine zusätzliche Brennstoffzelle die elektrische Versorgung der Bordsysteme, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet. Aber auch in Kraftfahrzeugen und/oder Schiffen kommen zunehmend solche Hybridsysteme mit unterschiedlichen Wärmequellen 11, 12 zum Einsatz.
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In dem Kühlsystem 10 gemäß 2 sind die Wärmequellen 11, 12 durch den gemeinsamen Kühlkreislauf 13 thermisch und strömungsmechanisch miteinander verbunden, bilden jedoch voneinander getrennte mechanische und/oder elektrische Systeme. In dem Kühlkreislauf 13 zirkuliert ein Kühlmittel, welches die beiden Wärmequellen 11, 12 zur Kühlung durchströmt. Die Wärmequellen sind strömungsmechanisch parallel zueinander angeordnet.
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Zum Fördern des Kühlmittels ist stromabwärts zu den Wärmequellen 11, 12 eine Kühlmittelpumpe 14 vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 14 ist in einem Hauptkühlmittelführungspfad des Kühlkreislaufes 13 angeordnet, der an dieser Stelle von dem gesamten, durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten Kühlmittelvolumenstrom des Kühlmittels durchströmt wird. Der Kühlkreislauf 13 ist mit einem Ausgleichsbehälter 15 verbunden. Dieser dient dem Ausgleich von Volumenänderungen des Kühlmittels im Kühlkreislauf 13 sowie zur Bevorratung von Kühlmittel. Um einen Überdruck in dem Kühlkreislauf 13 zu vermeiden, weist der Kühlkreislauf 13 zudem eine Bypassleitung 23 mit einem Überdruckventil 24 auf. Alternativ zur Bypassleitung 23 können die Komponenten im Kühlkreislauf 13 auch für ein höheres Druckniveau ausgelegt sein. Ebenso kann die Kühlmittelpumpe 14 drehzahlgeregelt sein, um ein Überdruck im Kühlkreislauf 13 zu vermeiden.
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Die Kühlmittelpumpe 14 steht mit einer Kühleinrichtung 21, umfassend einen Wärmetauscher, sowie mit Regelventilen 26 in Strömungsverbindung. Jeweils ein Regelventil 26 ist jeweils einer der Wärmequellen 11, 12 zugeordnet und stromauf der Wärmequellen 11, 12 angeordnet. Die Strömungsverbindung ist konkret derart ausgebildet, dass der Gesamtvolumenstrom des Kühlmittels stromab der Kühlmittelpumpe 14 in mehrere Teilvolumenströme aufgeteilt wird. Einer der Teilvolumenströme wird bei Kühlbedarf der Kühleinrichtung 21 zugeführt. Durch die Kühleinrichtung 21 wird das durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmte Kühlmittel gekühlt. Stromabwärts der Kühleinrichtung 21 wird der Kühlmittelstrom als nun kalter Kühlmittelstrom 36 in weitere Teilvolumenströme, insbesondere einen Teilvolumenstrom pro Wärmequelle 11, 12 bzw. Regelventil 26, aufgeteilt und anschließend über eine Kühlmittelzuführung 22 jeweils den Regelventilen 26 zugeführt.
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Die weiteren Teilvolumenströme Kühlmittelpumpenstromabwärts werden, ohne Zwischenschaltung einer weiteren Komponente, unmittelbar als warmer, ungekühlter Kühlmittelstrom 37 den Regelventilen 26 zugeführt. Die Regelventile 26 stehen somit neben der Kühleinrichtung 21 mit der Kühlmittelpumpe 14 unmittelbar in Strömungsverbindung, sodass diesen neben dem Teilvolumenstrom des kalten Kühlmittelstroms 36 auch zumindest ein Teilvolumenstrom des durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten warmen Kühlmittelstroms 37 zuführbar ist bzw. zugeführt wird. Der warme Kühlmittelstrom wird dabei über einen ersten Einlass 32 und der kalte Kühlmittelstrom über einen zweiten Einlass 33 dem jeweiligen Regelventil 26 zugeführt. Jedes der Regelventile 26 ist über einen separaten Kühlmittelführungspfad 18, 19 mit der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12 verbunden.
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Die Regelventile 26 sind insbesondere thermisch geregelt. Hierfür ist eine Regeleinrichtung 25 vorgesehen, die mit den Regelventilen in Datenübertragungsverbindung steht (vgl. 2, gestrichelte Linien). Die Regeleinrichtung 25 steuert die Regelventile 26 in Abhängigkeit zumindest eines Regelparameters an. Dieser Regelparameter ist insbesondere ein erfasster Temperaturwert und/oder ein Volumenstrom im Kühlkreislauf 13 und/oder in der jeweiligen Wärmequelle 11, 12. Insbesondere ist der Regelparameter eine Betriebstemperatur der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12, eine Ein- oder Austrittstemperatur des Kühlmittels dieser Wärmequelle 11, 12 und/oder eine optimale Betriebstemperatur oder ein optimaler Betriebstemperaturbereich dieser Wärmequelle 11, 12 oder ein die Wärmequelle 11, 12 durchströmender Kühlmittelstrom.
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In dem Regelventil 26 können z. B. zwei nicht näher dargestellte, unabhängig voneinander verstellbare Ventile vorhanden sein, wobei ein Ventil zur Regelung des warmen Kühlmittelstroms 37 vorgesehen ist und das andere Ventil zur Regelung des kalten Kühlmittelstroms 36. Die Ventile können z. B. verschiedene Schaltstellungen einnehmen und sind zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung bewegbar. In der vollständigen Öffnungsstellung kann der maximale Teilvolumenstrom des Kühlmittelstroms 36, 37 das jeweilige Ventil durchströmen, in der Schließstellung ist das Ventil für den entsprechenden Teilvolumenstrom des Kühlmittelstroms 36, 37 vollständig geschlossen. Zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung kann z. B. jedes Ventil in beliebigen Zwischenstellungen angeordnet werden, wodurch eine stufenlose Regelung der Volumenströme der Kühlmittelströme 36, 37 ermöglicht ist. Die verschiedenen Schaltstellungen der Ventile werden durch die Regeleinrichtung 25 vorgegeben.
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Insbesondere werden die Ventile unabhängig voneinander eingestellt und in der Öffnungsstellung, der Schließstellung und/oder in unterschiedlichen Zwischenpositionen angeordnet. Dadurch sind die Volumenströme des warmen Kühlmittelstroms 37 und des kalten Kühlmittelstroms 36 unabhängig voneinander einstellbar bzw. regelbar. Die eingestellten Kühlmittelströme 36, 37 werden in dem Regelventil 26 miteinander vermischt, wodurch ein Kühlmittelmischstrom 40 erzeugt wird, der das jeweilige Regelventil 26 durch einen Auslass 34 verlässt.
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Die Temperatur des Kühlmittelmischstroms 40 kann durch die Einstellung der Anteile des kalten und warmen Kühlmittelstroms 36, 37 präzise und instantan an die erforderliche Kühlmitteltemperatur der dem Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12 zwischen der Kühlmitteltemperatur des kalten und des warmen Kühlmittelstroms 36, 37 liegend angepasst werden. Zudem ist über die Einstellung der Durchflussmengen der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 unabhängig von dessen Temperatur veränderbar. Werden beispielsweise die Ventile synchron zueinander verstellt, beispielsweise beide Ventile im gleichen Verhältnis geöffnet oder geschlossen, ändert sich der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40, jedoch bleibt die Temperatur des Kühlmittelmischstroms 40 konstant, da das Mischungsverhältnis zwischen dem kalten und warmen Kühlmittelstrom 36, 37 durch die synchrone Verstellung der Ventile nicht verändert wird. Andererseits kann durch eine aufeinander abgestimmte asynchrone Verstellung der Ventile die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund des veränderten Mischungsverhältnisses zwischen dem warmen und kalten Kühlmittelstrom 36, 37 erhöht oder gesenkt werden, wobei der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund der aufeinander abgestimmten Verstellung der Ventile konstant bleibt. Durch das Regelventil 26 können somit der Volumenstrom und die Temperatur des Kühlmittelmischstroms 40 sowohl gleichzeitig als auch unabhängig voneinander eingestellt bzw. geregelt werden.
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Gemäß 2 sind die Wärmequellen 11, 12 in einer Parallelschaltung in dem Kühlkreislauf 13 angeordnet. In einer alternativen Ausgestaltung des Kühlsystems 10 ist auch eine Reihenschaltung der Wärmequellen 11, 12, z. B. mit jeweils einem vorgeschalteten Regelventil, denkbar.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kühlsystems lässt sich das Systemgewicht reduzieren. Dies ist insbesondere in der Luftfahrt von Vorteil, wobei eine kontinuierliche Reduzierung des Systemgewichts angestrebt wird. Durch die reduzierte Bauteilanzahl unter gemeinsamer Nutzung einzelner Komponenten (z. B. Kühlmittelpumpe 14, Kühleinrichtung 21) wird zudem eine Reduzierung der Kosten erreicht. Die Reduzierung der Bauteileanzahl bewirkt zudem eine Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit, sodass dadurch auch sicherheitstechnische Vorteile erreicht werden.
