[0001] Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] In Kraftfahrzeugen kommen in wachsendem Maße elektronische Baugruppen zum Einsatz.
Da die Elektronik während des Betriebes Verlustwärme erzeugt, müssen die elektronischen
Baugruppen gekühlt werden.
Brennkraftmaschinen als Antrieb von Kraftfahrzeugen erzeugen bekanntlich ebenfalls
beträchtliche Verlustwärme. Ein für den Antriebsmotor vorgesehener Kühler erreicht
Temperaturen von 110 - 120°C. Derartig hohe Temperaturen sind für die Kühlung elektrischer
Baugruppen ungeeignet.
[0003] D. h.: Werden z. B. in einem Kraftfahrzeug Bauteile und Komponenten eingesetzt, die
aufgrund der auftretenden Verluste gekühlt werden müssen, ergibt sich oft das Problem,
dass das Temperaturniveau des konventionellen Kühlkreislaufs zu hoch ist. Im "worst
case" ist hier mit Wasservorlauftemperaturen von bis zu 120°C zu rechnen, während
der Temperaturunterschied zum Rücklauf mit ca 5°C bis 7°C eher gering ausfällt, so
dass sich nach dem Kühler Wassertemperaturen von deutlich über 110°C ergeben können.
[0004] Soll nun ein thermisch empfindliches Bauteil gekühlt werden, geschieht dies normalerweise,
indem ein paralleler (zweiter) Kreislauf aufgebaut wird, wie Fig. 3 zeigt. Daraus
sind die beiden, baulich getrennten Kreisläufe I und II ersichtlich, sowie der damit
verbundene Mehraufwand an Baueinheiten. Als zu kühlendes Elektronik-Bauteil ist hier
beispielsweise ein Wechselrichter eingezeichnet. Neben einer zweiten Pumpe muss auch
zwangsläufig ein zweiter Kühlflüssigkeitsbehälter verwendet werden.
[0005] In der vorbekannten Patentschrift DE 32 08 199 C2 wird ein Kühl wasserkreis zur Kühlung
eines Kraftfahrzeugmotors beschrieben, wobei der Kühlwasserkreislauf gleichzeitig
zur Kühlung weiterer, Verlustwärme erzeugender Aggregate herangezogen wird. über ein
Dreiwegeventil werden verschiedene Zweige der Kühleranordnung mit Kühlflüssigkeit
versorgt. Allerdings wird die Kühlflüssigkeit von der Kühlkreislaufpumpe immer über
den Verbrennungsmotor gedrückt. Durch die Abwärme des Verbrennungsmotors erreicht
die Kühlwassertemperatur ca 120°C, die auf Dauer für elektrische und elektronische
Bauteile nicht genutzt werden kann. Will man elektrische Bauteile, wie z. B. die in
einem Wechselrichter enthaltenene Leistungselektronik und/oder Steuerelektronik kühlen,
so benötigt man ein Kühlmedium von maximal 80°C.
Da die mit der DE 32 08 199 C2 aufgezeigte technische Lehre trotz Verwendung eines
Dreiwegeventils nicht in der Lage ist, ein Kühlsystem mit zwei unterschiedlich hohen
Temperaturen zu schaffen, wird nach wie vor üblicherweise eine weitere Kühlkreisanordnung
mit einem weiteren Kühler gewählt.
[0006] Die DE 43 27 281 C1 schlägt vor, Aggregate, die zueinander unterschiedliche Kühltemperaturniveaus
benötigen, jeweils einem separaten Kühlmittelkreislauf zuzuordnen, wie z. B. aus Fig.
1 der genannten Patentschrift ersichtlich ist, sind zwei Kühlkreise 1 und 2 durch
den gemeinsamen Wärmetauscher-Kühler (10) voneinander getrennt. Der Wärmetauscher-Kühler
(10) ist ein technisch aufwendiges Bauteil, denn es stellt nicht nur eine thermische
Verknüpfung zwischen den beiden Kreisen 1 und 2 dar, sondern sorgt zudem für einen
Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft mit Hilfe eines Kühlerventilators (22). Zudem
ist für jeden Kühlkreislauf eine separate Umwälzpumpe erforderlich. Aus alledem geht
hervor, dass zur Erlangung zweier unterschiedlicher Kühltemperaturen ein ziemlich
großer Aufwand getrieben werden muß.
[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine relativ einfache und damit
preiswerte Kühlkreisanordnung für zwei unterschiedliche Temperaturniveaus zu schaffen.
[0008] Wie insbesondere aus Anspruch 1 hervorgeht, sieht die erfindungsgemäße Lösung eine
einheitliche Kühlkreisanordnung vor, in der das zu kühlende Elektronik-Bauteil <z.
B. ein Wechselrichter) in einem Nebenkreislauf integriert ist. über ein Taktventil
kann nun entweder der Zweig I <Verbrennungsmotor-Kreislauf> oder der Zweig II (Wechselrichter-Kreislauf)
bedarfsgerecht bedient werden. Da beide Kühlzweige (Kreislauf I und II) über die Umwälzpumpe
einerseits und das Taktventil andererseits miteinander verbunden sind, wird insgesamt
auch nur ein einziger Ausgleichsbehälter benötigt.
[0009] Weitere vorteilhafte Ausführungsdetails der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0010] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Kühlsystems jeweils anhand eines Blockschaltbildes; Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen
Aufbau, ebenfalls als Blockschaltbild.
[0011] Das in Fig. 3 dargestellte konventionell aufgebaute Kühlsystem 2' besteht aus zwei
voneinander völlig getrennten Kühlkreisläufen I' und II'. Jeder der beiden Kreisläufe
I' bzw. II' weist sämtliche für den Betrieb erforderlichen Aggregate auf: Jeweils
einen Kühler 4, 6, jeweils eine Umwälzpumpe 8, 10, Jeweils einen Ausgleichsbehälter
12, 14 und jeweils mindestens ein Verlustwärme erzeugendes Bauteil.
Im vorliegenden Fall befindet sich im Kreis I' der Kühlmantel des Verbrennungsmotors
16 und der Kühlmantel eines Generators/Elektromotors 18. Der Motor-Kühler 4 ist ein
Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher, dem ein Lüfter-Ventilator 20 zugeordnet ist. Die
Aggregate sind durch Rohr- bzw. Schlauchleitungen 22a miteinander verbunden, wobei
der Kühlmantel des Verbrennungsmotors 16, der Kühlmantel des Stators 18, der Kühler
4 und die Umwälzpumpe 8 den geschlossenen Kühlkreislauf I' bilden. Der Kreis II' umfasst
den Kühler 6, die Umwälzpumpe 10, den Kühlmantel eines Verlustwärme erzeugenden Wechselrichters
24 und den Ausgleichsbehälter 14. Wechselrichter 24, Kühler 6 und Pumpe 10 bilden
hier den durch Rohr- bzw. Schlauchleitungen 22b verbundenen, geschlossenen Kühlkreis
II'.
[0012] Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 2 weist
nur einen einzigen Kühlkreis auf, wobei jeweils ein Verlustwärme produzierendes Bauteil
in zwei parallel zueinander angeordneten Zweigen I. II integriert ist. Der gemeinsame
Zweig des Kühlsystems 2 weist eine Umwälzpumpe 8 auf. über ein Dreiwegeventil 26 verzweigt
sich der Kühlkreis auf die beiden Zweige I und II. Der Zweig I weist einen Kühler
4 nebst Lüfterventilator 20, den Kühlmantel eines Elektromotors <Stators) 18 und den
Kühlmantel einer Brennkraftmaschine 16 auf. Die aufgezählten Aggregate sind in herkömmlicher
Weise durch Kühlflüssigkeit führende Rohre oder Schläuche 22 miteinander verbunden.
Ein Ausgleichsbehälter 12 kann an jeder beliebigen Stelle an das Rohr/Schlauchsystem
22 angeschlossen sein. Der dem Kühler 4 zugeordnete Lüfter-Ventilator 20 kann bedarfsgerecht
in Betrieb gesetzt werden. Der Zweig II weist einen weiteren (Nebenaggregate-)Kühler
6 und den Kühlmantel eines Elektronik-Bauteils (z. B. eines Wechselrichters) 24 auf.
Durch eine thermostatische Steuerung des Dreiwege-Ventils 26 können in den beiden
Zweigen I, II des Kühlsystems 2 unterschiedliche Temperaturniveaus eingestellt werden.
[0013] Die Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kühlsystems
2. Wie gemäß Fig. 1 befindet sich in einem gemeinsamen Zweig eine Umwälzpumpe 8, während
in den beiden über ein Dreiwege-Ventil 26 gebildeten Zweigen I, II jeweils mindestens
ein Verlustwärme erzeugendes Bauteil 18, 24 integriert ist.
[0014] Im Zweig I ist statt der Folge: Kühler 4 - Stator 18-Motor 16 die Folge: Stator 18
- Motor 16 - Kühler 4 vorgesehen. Außerdem ist in dem Zweig I ein Ausgleichsbehälter
12 angeschlossen.
[0015] Der Kreis II weist hier - ebenso wie gemäß Fig. 1 - einen <Nebenaggregate-)Kühler
8 und den Kühlmantel eines Elektronik-Bauteils 24 auf. An den <Nebenaggregate->Kühler
6 kann ein Lüfter-Ventilator 28 angeschlossen sein.
[0016] Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können in den beiden Zweigen Jeweils voneinander
unterschiedliche Temperaturniveaus eingestellt werden. Auch kann in jedem Zweig I,
II des Kühlsystems 2 Jeweils mehr als ein einziges, Verlustwärme erzeugendes Bauteil
integriert sein. Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann die Kühlleistung
des Motorkühlers 4 für die Kühlung der in dem Zweig II integrierten Elektronik-Bauteile
mit benutzt werden.
[0017] Mit Jeder der beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems 2
sind folgende Zustandsänderungen einstellbar:
1. Kein Bauteil muß gekühlt werden:
- Da kein Kühlbedarf besteht, bleibt die Umwälzpumpe ausgeschaltet.
- Das Dreiwegeventil wird nicht getaktet.
2. Nur der Verbrennungsmotor muss gekühlt werden:
- Das Dreiwegeventil (Taktventil) schaltet den Zweig II aus.
- Die Kühlmittelführung erfolgt nur über den Verbrennungsmotor-Zweig I.
3. Nur das andere, Verlustwärme erzeugende Bauteil (z. B. ein Wechselrichter) muss
gekühlt werden:
- Das Dreiwegeventil (Taktventil) schaltet den Verbrennungsmotor-Zweig I aus.
- Die Kühlmittelführung erfolgt nur über den Wechselrichter-Zweig II.
4. Wechselrichter und Verbrennungsmotor müssen gekühlt werden:
- Das Dreiwegeventil (Taktventil) schaltet nun unter Berücksichtigung der tatsächlich
in den Bauteilen (Verbrennungsmotor und Wechselrichter) vorliegenden und gewünschten
Temperaturen, über ein Steuergerät getaktet (z. B. mit Hilfe einer digitalen Motoreketronik),
bedarfsgerecht zwischen den beiden Zweigen I und II hin und her.
Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug
Bezugszeichenliste
[0018]
- 2
- Kühlsystem
- 2'
- konventionelles Kühlsystem
- I
- (Kühl-)Zweig I
- II
- <Kühl->Zweig II
- I'
- erster konventioneller Kühlkreis
- II'
- zweiter konventioneller Kühlkreis
- 4
- <Motor->Kühler
- 6
- (Nebenaggregate->Kühler, <Elektronikbauteile->Kühler
- 8
- Umwälzpumpe
- 10
- (weitere) Umwälzpumpe
- 12
- Ausgleichsbehälter
- 14
- <zweiter> Ausgleichsbehälter
- 16
- Kühlmantel der Brennkraftmaschine
- 18
- Kühlmantel eines E-Motors (Stators); weiteres, Verlustwärme erzeugendes Aggregat
- 20
- Kühler-Lüfter, Lüfter-Ventilator
- 22
- Rohr/Schlauchleitungen
- 22a, 22b
- "
- 24
- Elektronik-Bauteil, z. B. Wechselrichter
- 26
- Dreiwege-Ventil
- 28
- Lüfter-Ventilator
1. Kühlsystem (2) - insbesondere für ein Kraftfahrzeug -, das
- einen Kühlmantel (16) für die Brennkraftmaschine,
- einen als Kühler (4) dienenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher,
- eine Umwälzpumpe (8) und
- einen Ausgleichsbehälter (12) aufweist, wobei Motor-Kühlmantel (16), Kühler (4)
und Umwälzpumpe (8) mittels eines Kühlflüssigkeit führenden Rohr/Schlauch-Leitungssystems
(22) einen in sich geschlossenen Kreislauf bilden,
und wobei in dem Kühlsystem (2) ein Mehrwege-Ventil integriert ist, dem ein weiteres
Verlustwärme erzeugendes Bauteil (24) nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein erster Zweig (I) des Kühlsystems (2) einen Kühler (4) und den Kühlmantel
eines Verbrennungsmotors (16),
- dass ein zweiter Zweig (II) ein weiteres zu kühlendes Aggregat (24), und
- dass ein gemeinsamer Zweig eine Umwälzpumpe <8) aufweist.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mehrwegeventil ein Dreiwege-Ventil (26) ist, an dessen Anschlüssen einerseits
der gemeinsame Zweig und andererseits der erste (I) und der zweite Zweig (II) angeschlossen
sind.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mehrwege-Ventil (26) durch zeitliches Takten thermostatisch regelbar ist.
4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in mindestens einem der beiden Zweige <I bzw. II> mindestens ein weiteres, Verlustwärme
erzeugendes Aggregat (18) integriert ist.
5. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der als Kühler dienenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (4,
6) einen Kühlerventilator ("Lüfter") (20, 28) aufweist.
6. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Kühlerventilatoren (20, 28) thermostatisch steuerbar ist.