WO2018100075A1

WO2018100075A1 - Zwei-phasen-kühlung für ein elektrisches antriebssystem

Info

Publication number: WO2018100075A1
Application number: PCT/EP2017/081009
Authority: WO
Inventors: Gunter Freitag; Andreas REEH; Guillermo ZSCHAECK
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2019-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hocheffiziente Kühlung eines elektrischen Antriebssystems. Hierzu wird ein Kühlmittel vorgeschlagen, welches ein primäres, flüssiges Kühlmedium umfasst, dem ein sekundäres Kühlmedium in festem Zustand zugesetzt ist. Das sekundäre Kühlmedium ist derart ausgewählt, dass es bei der Kühlung bewirkt durch eine von der zu kühlenden Komponente aufgenommene Wärme einen Phasenwechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand vollzieht.

Description

Beschreibung

Zwei-Phasen-Kühlung für ein elektrisches Antriebssystem Die Erfindung betrifft eine hocheffiziente Kühlung eines elektrischen Antriebssystems.

Für mobile Anwendungen, bspw. zum Antrieb von Luftfahrzeugen wie etwa Flugzeugen oder Helikoptern oder auch für elektrisch angetriebene Wasserfahrzeuge etc., werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem, welches als rein elektrisches oder auch als hybrid-elektrisches An- triebssystem ausgebildet sein kann, weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Fahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin ist eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors vorgesehen, die bspw. in Form einer Batterie oder in Form einer als Generator ausgebildeten weiteren elektrischen Maschine ausgebildet sein kann. Desweiteren umfasst das elektrische Antriebssystem in der Regel eine Leistungselektronik, mit deren Hilfe der

Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid- elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und bspw. den bereits erwähnten Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in der Batterie gespeichert

und/oder dem Elektromotor zugeführt werden kann.

Derartige Systeme werden bspw. in WO2015106993A1 ,

WO2015128121A1 oder auch in WO2017025224A1 beschrieben. Die Komponenten derartiger elektrischer Antriebssysteme, d.h. insbesondere die elektrische Energiequelle, bspw. der Generator und/oder die Batterie, sowiedie Leistungselektronik und der Elektromotor, erzeugen im Betrieb Abwärme durch Verlust- leistungen. Diese Abwärme muss abgeführt werden, um ein Überhitzen der jeweiligen Komponente zu verhindern. Werden diese Komponenten zu heiß, kann es zu Reduzierungen der Lebensdauern der Komponenten und/oder zu Beschädigungen kommen, wobei sich letzteres auf die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems auswirkt und insbesondere für den Fall einer Anwendung des elektrischen Antriebssystems in einem Luftfahrzeug im Fehlerfall erhebliche Gefahren für Passagiere bedeutet sowie nennenswerte Sachschäden mit sich bringt.

Es werden daher Kühlsysteme benötigt, um die Gefahr der Überhitzung zu reduzieren. Typische Kühlsysteme sind jedoch vergleichsweise schwer, was sich generell für mobile Anwendungen als erheblicher Nachteil herausstellt. Es wird daher ange- strebt, die benötigten Kühlsysteme möglichst kompakt bzw. leicht und effizient auszugestalten. Um dies zu erreichen sind ein großer Wärmeübergangskoeffizient sowie eine hohe Wärmekapazität des Kühlmediums des Kühlsystems notwendig. Es sind diverse Ansätze zur Kühlung der Komponenten eines derartigen elektrischen Antriebssystems bekannt, bpsw. aktive oder passive LuftkühlSysteme , Direktkühlungen wie etwa Öl- kühlSysteme, Flüssigkeitskühlungen oder aber Siedemedium- KühlSysteme .

Luft hat den geringsten Wärmeübergangskoeffizienten sowie die geringste Wärmekapazität der generell in Frage kommenden Kühlmedien, d.h. das für eine bestimmte Kühlleistung benötigte Volumen des Kühlmediums Luft ist am größten. Konsequenter- weise werden die Luft als Kühlmedium verwendenden Geräte bzgl . des benötigten Bauraums und des Gewichts am größten, so dass die Leistungsdichte des Gesamtsystems am geringsten ist.

Die Ölkühlung hat für elektrische Maschinen den Vorteil, dass direkt an dem Ort gekühlt wird, an dem die Verlustwärme entsteht, nämlich an den Statorwicklungen. Die entsprechend ausgestatteten elektrischen Maschinen bauen kompakt und sind vergleichsweise leicht, so dass die Leistungsdichte dieser elektrischen Maschinen vergleichsweise groß ist. Das gilt jedoch nicht für die Leistungselektronik, weil Wärmekapazität und Wärmeübergangskoeffizient des Mediums Öl geringer sind, als bspw. diejenigen von Wasser.

Das Kühlmedium Wasser hat einen größeren Wärmeübergangskoeffizienten als Öl und die unter den in Frage kommenden Kühlmedien größte Wärmekapazität. Wasser kann aber nicht direkt an die stromführenden Teile der Maschine geführt werden.

Die Siedemedien-Kühlung basiert auf der Ausnutzung des Phasenübergangs zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand des Kühlmediums. Das flüssige Medium wird zu der zu kühlenden Komponente geführt und verdampft dort, was in einer Kühlung der Komponente resultiert. Nachteilig wirkt sich die Volumenzunahme bei der Entstehung des Gases sowie die technische Behandlung der zwei Phasen-Strömung des Kühlmediums aus. Auch ist die Einbaulage bei diesen Systemen kritisch und hat erheblichen Einfluss auf die Effizienz, weil die Gasphase leichter ist als die Flüssigphase, was diese Kühlungen gerade für Anwendungen in der Luftfahrt problematisch macht.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Kühlung von Komponenten eines elektrischen Antriebssystems insbesondere in einer mobilen Anwendung anzugeben.

Der hier vorgestellte Ansatz verfolgt das Konzept, ein Kühlmittel zur Kühlung einer Komponente insbesondere eines elektrischen Antriebssystems einzusetzen, wobei das Kühlmittel ein flüssiges primäres Kühlmedium umfasst, welchem ein sekundäres Kühlmedium zugesetzt ist, wobei das sekundäre Kühlmedium im Grundzustand in festem Zustand in dem Kühlmittel vorliegt. Das Kühlmittel umfasst demnach das primäre Kühlmedium sowie das sekundäre Kühlmedium. Der Grundzustand ist derjenige Zu- stand, in dem das Kühlmittel noch keine Wärme von der zu kühlenden Komponente aufgenommen hat. Mit anderen Worten umfasst das Kühlmittel zur Kühlung der Komponente also ein flüssiges primäres Kühlmedium, dem ein Feststoff als sekundäres Kühlmedium zugesetzt ist. Das sekundäre Kühlmedium ist derart ausgewählt, dass es in dem Grundzustand als Feststoff vorliegt und bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang hin zu einer Flüssigkeit vollzieht. Bei diesem Phasenübergang nimmt das sekundäre Kühlmedium Wärme aus der Umgebung auf, bewirkt also eine Abkühlung. Das sekundäre Kühlmedium ist demnach derart ausgewählt, dass es bei der Kühlung der Komponente bewirkt durch eine von der Komponente aufgenommene Wärme den Phasenwechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand vollzieht. In der Praxis bedeutet dies, dass die Schein- Wärmekapazität des Kühlmittels erhöht wird.

Das sekundäre Kühlmedium ist insbesondere bzgl . der bestimmten Temperatur derart gewählt und an die zu kühlende Komponente des elektrischen Antriebssystems angepasst, dass die Temperatur der zu kühlenden Komponente im Normalbetrieb in einem Temperaturbereich liegt, in dem die zu kühlende Komponente eine maximale Effizienz aufweist. Der Normalbetrieb beschreibt dabei den Betrieb des Antriebssystems und insbesondere denjenigen der zu kühlenden Komponente unter Normalbe- dingungen, d.h. es liegt bspw. kein Fehlerfall vor.

Als primäres, flüssiges Kühlmedium kann bspw. Wasser oder Öl zum Einsatz kommen. Die Verwendung von Wasser ist zumindest insofern vorteilhaft, als dass Wasser einen sehr hohen Wärme- Übergangskoeffizienten sowie eine sehr große Wärmekapazität aufweist. Im Fall des Einsatzes von Öl als primäres Kühlmedium können stromführende Komponenten direkt gekühlt werden

Als sekundäres Kühlmedium kann Paraffin verwendet werden. Das sekundäre Kühlmedium kann dabei bspw. eine Vielzahl von von einem Tensid ummantelte Paraffinvolumina, insbesondere Paraffinkugeln, umfassen. Die Tensidummantelung der Paraffinkugeln bewirkt bspw. , dass die Paraffinkugeln nach dem Schmelzen nicht verklumpen und sich dementsprechend wieder in der Ursprungsform wie vor dem Verflüssigen verfestigen können. Dies bewirkt auch, dass das Kühlmittel als nach wie vor durch das entsprechende Leitungssystem gepumpt werden kann, ohne dieses zu verstopfen.

Ein entsprechendes Kühlsystem verwendet dieses Kühlmittel mit primärem und sekundärem Kühlmedium. Dabei kann sowohl das Kühlsystem selbst als auch die zu kühlende Komponente jeweils Teil eines elektrischen Antriebssystems sein, bspw. für eine elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug.

Die zu kühlende Komponente kann bspw. eine Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder eines Generators, oder die Maschine selbst, sowie auch eine Leistungselektronik oder eine Batterie sein. Bspw. eignet sich das Kühlsystem zur Kühlung eines Rotors oder eines

Stators einer elektrischen Maschine. Ein entsprechendes elektrisches Antriebssystem, insbesondere für eine Luftfahrzeug, umfasst typischerweise eine Vielzahl von zu kühlenden Komponenten sowie ein Kühlsystem zur Kühlung von zumindest einer der Vielzahl von Komponenten wie oben beschrieben .

Das Kühlverfahren zur Kühlung einer Komponente mit einem derartigen Kühlmittel umfasst in einem Basisprozess drei Schritte: In einem ersten Schritt wird das Kühlmittel mit dem im festen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium zu der zu kühlenden Komponente geführt. In einem zweiten Schritt nehmen das Kühlmittel und mit ihm das sekundäre Kühlmedium Wärme von der zu kühlenden Komponente auf, woraufhin das sekundäre Kühlmedium in einen flüssigen Zustand übergeht. In einem dritten Schritt wird das Kühlmittel mit dem im flüssigen Zu- stand befindlichen sekundären Kühlmedium von der zu kühlenden Komponente weg geführt. Das Kühlmittel kann bspw. in einem Kreislauf zirkulieren, wobei sich an den Basisprozess ein vierter Schritt anschließt, in dem das von der zu kühlenden Komponente weg geführte Kühlmittel mit dem im flüssigen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium an einer Wärme tauschenden Einrichtung Wärme abgibt, so dass das sekundäre Kühlmedium wieder in den festen Zustand übergeht. Nach diesem vierten Schritt wird, der Basisprozess mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten

Schritt erneut ausgeführt.

Alternativ hierzu kann das Kühlmittel nach dem dritten

Schritt aus dem Kühlsystem abgeleitet werden.

Das flüssige, primäre Kühlmedium transportiert also das zu- nächst im festen Zustand befindliche sekundäre Kühlmedium zur Verlustwärmequelle, d.h. zur zu kühlenden Komponente. Der dort aufgrund der im Betrieb vorherrschenden Temperatur der zu kühlenden Komponente stattfindende Phasenübergang des sekundären Kühlmediums von fest nach flüssig erlaubt im Ver- gleich zur Verwendung des primären Kühlmediums allein eine höhere Aufnahme von Wärme und damit eine verstärkte Kühlwirkung .

Technisch wird hierbei eine Flüssigkeit transportiert. Die Menge des einzusetzenden Kühlmittels kann verringert werden, da die Gesamtwärmekapazität des Kühlmittels größer ist, als die des primären Kühlmediums allein. Die Baugröße des Kühl- systems und damit das Gewicht werden verringert, was sich positiv auf die Leistungsdichte des Antriebssystems auswirkt.

Aufgrund der beschriebenen Verwendung des besonderen Kühlmittels mit dem sekundären Kühlmedium, welches einen Phasenübergang von fest zu flüssig vollzieht und dadurch eine Kühlung der zu kühlenden Komponente bewirkt, ergibt sich zunächst der Vorteil, dass eine geringere Kühlmittelmenge verwendet werden muss, als wenn das primäre Kühlmittel alleine zum Einsatz käme. Dies resultiert darin, dass das Kühlsystem einschließlich des Kühlmittels ein geringeres Gewicht aufweist und kompakter gebaut werden kann. Darüber hinaus muss das Kühlsystem das Kühlmittel lediglich im quasi-flüssigen Zustand transportieren und bspw. im Unterschied zur Siedemedien-Kühlung nicht teilweise im flüssigen und teilweise im gasförmigen Zustand. Weiterhin wirkt sich vorteilhaft aus, dass grundsätzlich auf bereits bestehende Kühlsysteme zurück gegriffen werden kann, bspw. auf solche, die als Wasserkühlsysteme ausgelegt sind.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch glei- che Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Aus- führungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert. Desweiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren dargestellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird. Es zeigt:

FIG 1 ein Antriebssystem für ein Luftfahrzeug,

FIG 2 einen Ausschnitt eines Leitungssystems eines Kühl

tems mit Kühlmittel,

FIG 3 Details des sekundären Kühlmediums .

Mit dem Begriff „elektromagnetische Wechselwirkung" ist die bei einer elektrischen Maschine bekannte Wechselwirkung zwi- sehen den Magnetfeldern der magnetischen Mittel des Rotors, bspw. Permanentmagnete, und den magnetischen Mitteln des Stators, bspw. stromdurchflossene Spulen in einem oder mehreren Statorwicklungssystemen, gemeint, aufgrund derer der Elektromotor sein Drehmoment entwickelt bzw. aufgrund derer ein Generator einen elektrischen Strom liefert.

Eine „drehfeste" Verbindung zweier Komponenten, bspw. eines Rotors mit einer Welle, soll sich dadurch auszeichnen, dass sich eine Rotation einer der Komponenten grundsätzlich auf die andere Komponente überträgt. Gleiches gilt für den Fall, dass eine der Komponenten abgebremst wird. In diesem Fall wird aufgrund der drehfesten Verbindung auch die jeweils andere Komponente gebremst. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Rotationsfrequenzen bzw. Drehzahlen zweier drehfest miteinander verbundener Komponenten stets identisch sind.

Die FIG 1 zeigt exemplarisch und lediglich schematisiert ein hybrid-elektrisches Antriebssystem 1, wie es bspw. in einem Flugzeug zum Einsatz kommen kann, welches von einem Vortriebsmittel bzw. Propeller 10 angetrieben wird. Andere mobile Anwendungen dieses elektrischen Antriebssystems 1 sind natürlich denkbar, bspw. zum Antrieb eines Schienen- oder Wasserfahrzeugs .

Das Antriebssystem 1 umfasst den bereits erwähnten Propeller 10, der von einem Antrieb 20 angetrieben wird, wobei der Antrieb 20 einen Elektromotor 100 umfasst. Der Propeller 10 ist über eine Welle 130 drehfest mit einem Rotor 110 des Elektro- motors 100 verbunden, wobei an dem Rotor 110 Permanentmagnete 111 angeordnet sind. Der Elektromotor 100 weist desweiteren einen Stator 120 mit einem Statorwicklungssystem 121 auf. Der Elektromotor 100 und insbesondere dessen

Statorwicklungssystem 121 ist über eine Leistungselektronik 60 mit einer elektrischen Energieversorgung 30 des Antriebssystems 1 verbunden, welche eingerichtet und von einer Regelung/Steuerung 40 gesteuert ist, um einen elektrischen Strom in das Statorwicklungssystem 121 einzuspeisen. Dies führt da- zu, dass das Statorwicklungssystem 121 magnetische Felder erzeugt, welche mit den magnetischen Feldern der Permanentmagnete 111 elektromagnetisch wechselwirken, so dass in der Konsequenz der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 sowie der Propeller 10 in Rotation versetzt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieses Konzept des Elektromotors 100 hinlänglich bekannt ist und daher an dieser Stelle nicht tiefer erläutert werden muss . Die Energieversorgung 30 umfasst im hier zur Veranschaulichung erläuterten Beispiel eine Batterie 310 sowie eine weitere elektrische Maschine 200, welche in diesem Fall als Generator 200 ausgebildet ist. Der Generator 200 weist einen Rotor 210 mit Permanentmagneten 211 sowie einen Stator 220 mit zumindest einem Statorwicklungssystem 221 auf. Der Rotor 210 ist drehfest mit einer Welle 230 verbunden. Die Welle 230 ist desweiteren ebenfalls drehfest mit einer Verbrennungs- kraftmachine 50, bspw. eine Turbine, verbunden und durch die Verbrennungskraftmaschine 50 antreibbar. Bei durch die Ver- brennungskraftmaschine 50 angetriebener Welle 230 rotiert der Rotor 210 mit den Permanentmagneten 211, welche mit dem

Statorwicklungssystem 221 des Generators 200 derart elektromagnetisch wechselwirken, dass in dem Statorwicklungssystem 221 eine elektrische Spannung induziert wird. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieses Konzept des Generators 200 hinlänglich bekannt ist und daher an dieser Stelle nicht tiefer erläutert werden muss .

Die Regelung/ Steuerung 40 steuert die Energieversorgung 30 bspw. in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie 310 und/oder von der vom Elektromotor 100 benötigten elektrischen Energie derart, dass dem Motor 100 die benötigte Energie von den Batterie 310 und/oder vom Generator 200 zugeführt wird. Die Regelung/ Steuerung 40 kann auch bewirken, dass eine vom Generator 200 bereitgestellte elektrische Energie zumindest teilweise der Batterie 310 zugeführt wird, um diese aufzuladen. Ein dabei ggf. übrig bleibender Teil der vom Generator 200 bereit gestellten elektrischen Energie kann dem Elektro- motor 100 zugeführt werden. Das beschriebene Führen der elektrischen Energie zwischen Generator 200, Batterie 310 und Elektromotor 100 bzw. Leistungselektronik 60 wird mit Hilfe von Schaltern 31, 32 realisiert, die von der Rege- lung/ Steuerung 40 je nach Bedarf betätigt werden. Die möglichen Strömungsrichtungen der elektrischen Energie sind durch entsprechende Pfeile angedeutet.

Die vom Generator 200 und/oder von der Batterie 310 bereitge- stellte elektrische Energie wird von der Leistungselektronik 60 in die zum Betrieb des Elektromotors 100 benötigte Form gewandelt .

Im Betrieb des Antriebssystems 1 mit Propeller 10, Antrieb 20, Leistungselektronik 60, elektrischer Energieversorgung 30 und Verbrennungskraftmaschine 50 wird an diversen Komponenten des Systems 1 Wärme entstehen, die wie einleitend beschrieben abgeführt werden muss . Hierzu ist ein Kühlsystem 70 vorgesehen, welches ein Kühlmittel 73 nutzt, das der jeweils zu küh- lenden Komponente über ein Leitungssystem 71 zugeführt wird. Im Folgenden wird rein exemplarisch davon ausgegangen, dass die zu kühlenden Komponente der Stator 120 des Elektromotors 100 ist. Dementsprechend zeigt die FIG 1 hinsichtlich des Leitungssystems 71 lediglich eine Verbindung mit dem Stator 120, nicht aber mit anderen ggf. zu kühlenden Komponenten des Antriebssystems 1. Es sollte jedoch klar sein, dass bspw. auch der Rotor 110 des Motors 100, die Leistungselektronik 60, Rotor 210 und Stator 220 des Generators 200, die Batterie 310 sowie anderen Komponenten, an denen im Betrieb des An- triebssystems 1 Wärme entsteht, jeweils als „zu kühlende Komponente" verstanden werden können, dass das Kühlmittel 73 also auch diesen Komponenten über das entsprechend erweiterte Leitungssystem 71 zugeführt werden kann, um sie zu kühlen. Das nicht Zeigen dieser Ausprägung des Leitungssystems 71 soll keinesfalls dahingehend verstanden werden, dass die hier beschriebene Lösung nur zur Kühlung des Stators 120 Verwendung finden soll. Das Leitungssystem 71 kann bspw. ein Rohrsystem sein, in dem das Kühlmittel 73 wie durch die Pfeile angedeutet geführt wird. Die grundlegende Funktionsweise des Kühlsystems 70 beruht auf dem Konzept, dass Wärme von der zu kühlenden Kompo- nente, d.h. in dem hier vorliegenden Beispiel vom Stator 120, auf das am Stator 120 vorbei strömende Kühlmittel 73 übergeht. Im Beispiel des Stators 120 kann das derart realisiert sein, dass das Kühlmittel 73 die (nicht dargestellten)

Statorbleche des Stators 120 umströmt und somit in direktem Kontakt mit den Statorblechen ist. Das dabei aufgewärmte

Kühlmittel 73 strömt weiter und verlässt somit den Bereich der zu kühlenden Komponente, bspw. um die aufgenommene Wärme an anderer Stelle, bspw. an einem Wärmetauscher 72 des Kühlsystems, wieder abzugeben, bspw. an die Umgebung. Für den Fall, dass das Kühlsystem 70 als Kreislauf ausgebildet ist, kann das somit wieder abgekühlte Kühlmittel 73 anschließend erneut verwendet und bspw. wieder der gleichen oder aber einer anderen zu kühlenden Komponente zugeführt werden. Die FIG 2 zeigt einen Ausschnitt des Leitungssystems 71 in nicht maßstabsgetreuer Darstellung und dabei insbesondere das Kühlmittel 73. Das Kühlmittel 73 zur Kühlung der jeweiligen Komponente umfasst ein primäres, flüssiges und homogen verteiltes Kühlmedium 73-1, welches durch die angedeuteten Wel- len repräsentiert wird. Dem primären Kühlmedium 73-1 ist ein sekundäres Kühlmedium 73-2 zugesetzt. Das sekundäre Kühlmedium 73-2 ist insbesondere derart ausgewählt, dass es sich in einem festen Zustand befindet, solange das Kühlmittel 73 eine erste, niedrige Temperatur Tl aufweist, und dass es bei der Kühlung der Komponente bewirkt durch die von der Komponente aufgenommene Wärme und den entsprechenden Temperaturanstieg des Kühlmittels 73 auf eine zweite, höhere Temperatur T2>Tl einen Phasenwechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand vollzieht.

Der hier zur Anwendung kommende Ansatz zur Kühlung beruht also auf dem Konzept der besonders effizienten Zwei-Phasen- Kühlung. Dabei liegt das sekundäre Kühlmedium 73-2 also ins- besondere dann in festem Zustand vor, wenn das Kühlmittel 73 noch keine Wärme von der zu kühlenden Komponente aufgenommen hat. Dies ist zumindest dann der Fall, wenn sich das Kühlmittel 73 auf dem Weg vom Wärmetauscher 72, in dem es ggf. abge- kühlt wurde, zur zu kühlenden Komponente befindet. Nach ausreichendem thermischen Kontakt mit der zu kühlenden Komponente und entsprechendem Übergang der Wärme von der zu kühlenden Komponente auf das Kühlmittel 73 sowie dem damit verbundenen Phasenübergang des sekundären Kühlmediums 73-2 von fest nach flüssig, strömt das Kühlmittel 73 umfassend das nun flüssige sekundäre Kühlmedium 73-2 und das ohnehin flüssige primäre Kühlmedium 73-1 durch das Leitungssystem 71 zum Wärmetauscher 72, um dort wie bereits beschrieben Wärme an die Umgebung abzugeben, wobei das sekundäre Kühlmedium 73-2 vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Es sei angemerkt, dass dieser

Übergang von flüssig nach fest nicht erst im Wärmetauscher 72 erfolgen muss, sondern ggf. auch auf dem Weg durch das Leitungssystem 71 zwischen zu kühlender Komponente und Wärmetauscher 72.

Das quasi als Trägersubstanz zum Einsatz kommende primäre Kühlmedium 73-1, welches typischerweise ständig in flüssiger Form vorliegt, kann bspw. ein Öl oder alternativ Wasser sein. Für den exemplarischen Fall, in dem die zu kühlende Komponen- te der Stator 120 ist, sollte ein Kühlmittel 73 Verwendung finden, welches nicht leitend ist, weswegen in diesem Fall ein Öl als primäres Kühlmedium 73-1 vorzuziehen wäre.

Als sekundäres Kühlmedium 73-2, welches bei Erwärmung den Phasenübergang von fest zu flüssig vollzieht, kann bspw. Paraffin verwendet werden. Vorzugsweise liegt das Paraffin in einer Vielzahl von kleinen Kugeln 73 -2a mit Durchmessern von jeweils bspw. l-ΙΟμιη vor, welche jeweils wie in der FIG 3 gezeigt von einem Tensid 73 -2b ummantelt sind, wobei das sekun- däre Kühlmedium 73-2 insgesamt bspw. einen Gewichtsanteil von 10-40% des Kühlmittels 73 ausmachen kann. Die optionale

Tensidummantelung 73 -2b bewirkt, dass die Paraffinkugeln 73- 2a nicht miteinander verklumpen, so dass der Prozess rever- sible bleibt und das so gestaltete Kühlmittel 73 wiederholt in einem Kreislauf zwischen Wärmetauscher 72 und der zu kühlenden Komponente geführt werden kann, wobei das sekundäre Kühlmedium 73-2 in jedem Umlauf Phasenübergänge von fest nach flüssig und von flüssig nach fest vollzieht.

Als Tensid kommen handelsübliche Tenside in Betracht, bspw. sog. „Tween40" oder auch „Tween 60", ggf. gemischt mit sog. „SpanöO". Andere Tenside wären aber ebenfalls geeignet.

Das zum Einsatz kommende Kühlverfahren lässt sich demnach so zusammenfassen, dass zur Kühlung der zu kühlenden Komponente, bspw. zur Kühlung des Stators 120, mit dem das primäre 73-1 sowie das sekundäre Kühlmedium 73-2 umfassenden Kühlmittel 73 in einem drei Schritte umfassenden Basisprozess im ersten

Schritt das Kühlmittel 73 mit dem im festen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium 73-2 zu der zu kühlenden Komponente geführt wird, im zweiten Schritt das Kühlmittel 73 und mit ihm das sekundäre Kühlmedium 73-2 Wärme von der zu kühlenden Komponente aufnimmt, wobei und wodurch das sekundäre Kühlmedium 73-2 in einen flüssigen Zustand übergeht, und im dritten Schritt das Kühlmittel 73 mit dem im flüssigen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium 73-2 von der zu kühlenden Komponente weg geführt wird.

Vorzugsweise zirkuliert das Kühlmittel 73 in einem Kreislauf. Dabei schließt sich an den Basisprozess ein vierter Schritt an, in dem das von der zu kühlenden Komponente weg geführte Kühlmittel 73 mit dem noch im flüssigen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium 73-2 an einer Wärme tauschenden Einrichtung 72, bspw. am Wärmetauscher, Wärme abgibt, so dass das sekundäre Kühlmedium 73-2 wieder in den festen Zustand übergeht. Nach diesem vierten Schritt kann der Basisprozess mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schritt erneut ausgeführt werden.

Alternativ könnte das Kühlmittel 73 nach dem dritten Schritt aus dem Kühlsystem 70 abgeleitet werden. Es sei angemerkt, dass die diversen Verbindungen der Regelung/Steuerung 40 mit den unterschiedlichen Komponenten des Antriebssystems 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind. Es ergibt sich aber aus dem jeweiligen Zusammenhang, dass und auch wie die Regelung/ Steuerung 40 mit der jeweiligen Komponente verbunden sein muss . Bspw. ist die Regelung/Steuerung 40 zumindest über eine Datenverbindung mit der Batterie 310 verbunden, um deren Ladezustand zu ermitteln. Ebenso muss die Regelung/ Steuerung 40 in entsprechender Weise mit der Energieversorgung 30 verbunden sein, um zum Einen den elektrischen Strom einstellen zu können, der dem Elektromotor 100 zugeführt wird, um letztlich den Propeller 10 in der gewünschten Weise zur Erzeugung eines bestimmten Vortriebs einzustellen, und um zum Anderen die Schalter 31, 32 zu bestätigen, so dass der Fluss der elektrischen Energie auch innerhalb der Energieversorgung 30 eingestellt wird.

Bezugszeichen

1 hybrid-elektrisches AntriebsSystem

10 Propeller

20 Antrieb

100 elektrische Maschine, Elektromotor

130 Welle

110 Rotor

111 Permanentmagnet

120 Stator

121 Statorwicklungssystem

60 Leistungselektronik

30 elektrische Energieversorgung

40 Regelung/Steuerung

310 Batterie

200 elektrische Maschine, Generator

210 Rotor

211 Permanentmagnete

220 Stator

221 Statorwicklungssystem

230 Welle

50 Verbrennungskraftmachine

31 Schalter

32 Schalter

70 KühlSystem

73 Kühlmittel

71 Leitungssystem

72 Wärmetauscher

73-1 primäres Kühlmedium

73-2 sekundäres Kühlmedium

73-2a Paraffin

73 -2b Tensidummantelung

Claims

Patentansprüche

1. Kühlmittel (73) zur Kühlung einer Komponente, insbesondere zur Kühlung einer Komponente (120) eines elektrischen An- triebssystems (1), wobei das Kühlmittel (73) ein primäres, flüssiges Kühlmedium (73-1) umfasst, dem ein sekundäres Kühlmedium (73-2) in festem Zustand zugesetzt ist.

2. Kühlmittel (73) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Kühlmedium (73-2) derart ausgewählt ist, dass es bei der Kühlung der Komponente (120) bewirkt durch eine von der Komponente (120) aufgenommene Wärme einen Phasenwechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand vollzieht .

3. Kühlmittel (73) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Kühlmedium (73-2) ein auf Paraffin basierendes Kühlmedium ist.

4. Kühlmittel (73) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Kühlmedium (73-2) eine Vielzahl von jeweils ummantelten Paraffinvolumina (73 -2a) , insbesondere Paraffinkugeln, umfasst.

5. Kühlmittel (73) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (73 -2b) eines jeweiligen Paraffinvolumina (73-2a) der von einem Tensid (73-2b) gebildet ist.

6. Kühlmittel (73) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmedium (73-1) Wasser oder Öl ist.

7. Kühlsystem (70) zur Kühlung von zumindest einer Komponente (120) mit einem Kühlmittel (73) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Kühlsystem (70) nach Anspruch 7, wobei sowohl das Kühlsystem (70) als auch die zu kühlende Komponente (120) jeweils Teil eines elektrischen Antriebssystems (1) sind.

9. Kühlsystem (70) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Komponente (120) eine Komponente einer elektrischen Maschine (100, 200), insbesondere eines Elektromotors (100) oder eines Generators (200), eine Leistungselektronik (60) oder eine Batterie (310) ist.

10. Kühlsystem (70) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Komponente ein Stator (120, 220) oder ein Rotor (110, 210) der elektrischen Maschine (100, 200) ist .

11. Elektrisches Antriebssystem (1), insbesondere für eine Luftfahrzeug, umfassend eine Vielzahl von Komponenten (60, 100, 110, 120, 200, 210, 220, 310) sowie ein Kühlsystem (70) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Kühlung von zumindest einer (120) der Vielzahl von Komponenten (60, 100, 110, 120, 200, 210, 220, 310) .

12. Verfahren zur Kühlung einer Komponente (120) mit einem Kühlmittel (73) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass in einem Basisprozess

- in einem ersten Schritt das Kühlmittel (73) mit dem im festen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium (73-2) zu der zu kühlenden Komponente (120) geführt wird,

- in einem zweiten Schritt das Kühlmittel (73) und mit ihm das sekundäre Kühlmedium (73-2) Wärme von der zu kühlenden

Komponente (120) aufnimmt und dadurch in einen flüssigen Zustand übergeht,

- in einem dritten Schritt das Kühlmittel (73) mit dem im flüssigen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium (73-2) von der zu kühlenden Komponente (120) weg geführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (73) in einem Kreislauf zirkuliert, wobei - sich an den Basisprozess ein vierter Schritt anschließt, in dem das von der zu kühlenden Komponente (120) weg geführte Kühlmittel (73) mit dem im flüssigen Zustand befindlichen sekundären Kühlmedium (73-2) an einer Wärme tauschenden Einrichtung (72) Wärme abgibt, so dass das sekundäre Kühlmedium (73-2) wieder in den festen Zustand übergeht, und

- nach dem vierten Schritt der Basisprozess mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Schritt erneut ausgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (73) nach dem dritten Schritt aus dem Kühlsystem (70) abgeleitet wird.