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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von
Anspruch 1 näher definierten Art.
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Derartige
Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik allgemein
bekannt. Typischerweise kommen als Brennstoffzellen Stapel aus Einzelbrennstoffzellen
zum Einsatz, welche auf Basis von Polymermembranen als Elektrolyt
arbeiten. Diese sogenannten PEM-Brennstoffzellenstapel haben dabei
typischerweise eine Betriebstemperatur in der Größenordnung
von ca. 90°C. In dem Brennstoffzellenstapel entsteht bei
seinem Betrieb Abwärme, welche über ein Kühlsystem
abgeführt werden muss. Aufgrund der vergleichsweise geringen
Temperaturdifferenz zur Umgebung ist das Kühlen einer solchen Brennstoffzelle
eher schwierig. In einem Fahrzeug ist daher eine vergleichsweise
große Kühlfläche für ein sicheres
und zuverlässiges Kühlen der Brennstoffzelle auf
ein Temperaturniveau, welches der Brennstoffzelle nicht schadet,
notwendig. Da in üblichen Fahrzeugen jedoch die zur Verfügung
stehende Kühlfläche, welche typischerweise im
Fahrzeug so angeordnet ist, dass sie von Fahrtwind angeströmt
wird, aufgrund von Designvorgaben und hinsichtlich des Luftwiderstands
optimierter Gestaltung sehr begrenzt ist, stellt das Kühlen
einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem für
Fahrzeuge eine entsprechende Herauforderung dar.
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Außerdem
liegen in dem Brennstoffzellensystem typischerweise verschiedene
zu kühlende Komponenten vor, welche zum Teil auf sehr unterschiedlichen
Temperaturniveaus gekühlt werden müssen. Eine
gängige und allgemein übliche Möglichkeit
besteht darin, die Komponenten in Reihe hintereinander in einem
Kühlkreislauf so anzuordnen, dass jeweils eine ausreichende
Kühlung sichergestellt ist. Dies ist aufgrund der bereits
beschriebenen Problematik mit der zur Verfügung stehenden
Kühlfläche teilweise jedoch sehr problematisch.
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Außerdem
kann es vorkommen, dass einige Komponenten ein annähernd
gleiches Temperaturniveau benötigen und somit nicht in
Reihe hintereinander, sondern parallel in den Kühlkreislauf
einbezogen werden müssen. Dadurch wird ein erheblicher
Aufwand hinsichtlich der Leitungsführung des Kühlkreislaufs
in dem Fahrzeug entstehen.
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Aus
der
US 6,743,539 B2 ist
ein Aufbau bekannt, welcher einen Hochtemperaturkühlkreislauf und
einen Niedertemperaturkühlkreislauf in einem Brennstoffzellensystem
beschreibt. Dabei sind die beiden Kreisläufe zur Kühlung
jeweils verschiedener Komponenten vorgesehen. Sie nutzen jedoch
einen gemeinsamen Fahrzeugkühler beziehungsweise in Fahrtrichtung
hintereinander geschaltete Fahrzeugkühler, welche daher über
die sie durchströmende Luft in wärmetauschendem
Kontakt zueinander stehen. Auch hier wird zwar die zur Verfügung
stehende Kühlfläche begrenzt, der zweite Kühlkreislauf
kann jedoch nie unabhängig vom ersten Kühlkreislauf
betrieben werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
für Fahrzeuge mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen
zu schaffen, welches die zur Verfügung stehende Fläche
des Fahrzeugkühlers zur Kühlung der Brennstoffzelle
ideal nutzt, und welches mit wenig Aufwand hinsichtlich der Steuerung
und der Leitungen wenigstens eine weitere zu kühlende Komponente
in einem solchen Brennstoffzellensystem zu kühlen vermag.
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Diese
Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Dadurch,
dass der weitere Kühlkreislauf vollkommen unabhängig
vom eigentlichen Brennstoffzellenkühlkreislauf aufgebaut
ist, und dass sein Kühlwärmetauscher unabhängig
vom Fahrzeugkühler in dem Fahrzeug angeordnet ist, kann
eine gezielte Kühlung der weiteren zu kühlenden
Komponente erreicht werden Diese trägt keine Abwärme
in den Brennstoffzellenkühlkreislauf ein und verschlechtert somit
die Kühlung der Brennstoffzelle nicht nachteilig. Der Kühlwärmetauscher
des Kühlkreislaufs für die weitere zu kühlende
Komponente kann dabei an beliebiger Stelle im Fahrzeug, insbesondere
in Nähe der Komponente, beispielsweise am Fahrzeugunterboden,
angeordnet sein. Seine zur Verfügung stehende Kühlfläche
kann dabei speziell auf die weitere zu kühlende Komponente
eingestellt werden, so dass mit minimalem Bedarf an Kühlfläche
deren sicherer und zuverlässiger Betrieb ermöglicht
wird.
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Bei
einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist
es dabei vorgesehen, dass jede der wenigstens einen weiteren zu
kühlenden Komponenten jeweils einen eigenen Kühlkreislauf mit
eigener Kühlmittelfördereinrichtung und eigenem Kühlwärmetauscher
aufweist. Dieser Aufbau mit einer dezentralen Kühlung der
Einzelkomponenten, unabhängig von der zentralen Kühlung
der Brennstoffzelle selbst, ermöglicht eine gezielte Kühlung
der Einzelkomponenten, ohne dass die zur Verfügung stehende
Fläche am Fahrzeugkühler für die Brennstoffzelle
nachteilig mit benutzt werden muss, und ohne dass Abwärme
aus den Komponenten in den eigentlichen Kühlkreislauf für
die Brennstoffzelle eingetragen wird.
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Damit
lässt sich eine verbesserte Kühlung der Brennstoffzelle
mit dem zur Verfügung stehenden Fahrzeugkühler
erreichen, so dass ohne den Aufbau und das Design des Fahrzeugs ändern
zu müssen, eine verbesserte Kühlung der Brennstoffzelle
und dadurch eine höhere Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht
werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels
deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher
erläutert wird.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem;
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2 eine
mögliche Bauform eines Brennstoffzellensystems gemäß der
Erfindung;
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3 eine
detailliertere Darstellung der Erfindung am Beispiel einer Komponente.
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In 1 ist
ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu
erkennen, welches ein Brennstoffzellensystem 2 aufweist.
Das Brennstoffzellensystem 2 ist beispielhaft im Bodenbereich
des Fahrzeugs angeordnet, andere Anordnungen beispielsweise im Front-
oder Heckbereich des Fahrzeuges sind selbstverständlich
ebenso denkbar. Das Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem
einen Kühlkreislauf 3 auf, welcher in 1 exemplarisch
angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 3 verbindet
das Brennstoffzellensystem 2 mit einem Fahrzeugkühler 4,
welcher im Frontbereich des Fahrzeugs 1 angeordnet ist.
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Der
Fahrzeugkühler 4 kann dabei als üblicher
Fahrzeugkühler ausgeführt sein, welcher im Allgemeinen
vom Fahrtwind durchströmt wird, und bei Bedarf durch ein
zusätzliches Gebläse 5, welches hier
schematisch angedeutet ist, angeblasen werden kann. Neben dem eigentlichen
Brennstoffzellensystem 2 ist in 1 beispielhaft
ein elektrischer Antriebsmotor 6 dargestellt, welcher hier
beispielhaft im Bereich der Hinterachse angeordnet ist. Außerdem ist
ein Brennstoffspeicher 7 angedeutet, welcher beispielsweise
als Hochdrucktank zur Aufnahme von hochverdichtetem gasförmigem
Wasserstoff als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem 2 dienen kann.
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In 1 ist
im Bereich eines Unterbodens 8 des Fahrzeugs 1 außerdem
ein Kühlwärmetauscher 9 prinzipmäßig
angedeutet, auf welchen später noch näher eingegangen
werden wird. In 2 ist nun das Brennstoffzellensystem 2 zusammen
mit der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 und dem elektrischen Antriebsmotor 6 des
Fahrzeugs 1 nochmals exemplarisch dargestellt. Der Motor 6 ist
dabei über eine beispielhaft angedeutete Elektronik 10,
beispielsweise einen geeigneten Umrichter, über Leitungselemente 11 mit
der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 2 verbunden. Üblicherweise
wird die Verbindung anders als dargestellt ausgebildet sein, beispielsweise
durch entsprechende Sammler und Leistungsverteiler sowie diverse
Elektronikkomponenten. Da dies für die vorliegende Erfindung
jedoch von untergeordneter Bedeutung ist, wurde hier die beispielhafte
Darstellung mit den Kabeln 11 und der einen Elektronikkomponente 10 gewählt.
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Die
Brennstoffzelle 12 selbst soll dabei als Stapel von einzelnen
PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Eine solche Brennstoffzelle 12 wird üblicherweise
auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Brennstoffzelle 12 weist
einen Kathodenbereich 13 und einen Anodenbereich 14 auf,
welche durch Membranen voneinander getrennt werden. Außerdem
ist im Bereich der Brennstoffzelle 12 ein Wärmetauscher 15 angeordnet,
welcher zur Kühlung der in der Brennstoffzelle 12 entstehenden
Abwärme in den Kühlkreislauf 3 eingebunden
ist. Die hier gewählte Darstellung des Wärmetauschers
15 im Bereich der Anode 14 ist rein beispielhaft zu verstehen.
Typischerweise werden derartige Wärmetauscher 15 zwischen
den Einzelzellen des Stacks angeordnet sein, so dass diese jeweils
den Anodenbereich 14 und den Kathodenbereich 13 der
Brennstoffzelle 12 entsprechend kühlen können.
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Der
Kühlkreislauf 3 weist außerdem eine Kühlmittelfördereinrichtung 16 sowie
eine Ventileinrichtung 17 auf. Über die Ventileinrichtung 17 kann der
Strom des Kühlmittels über den Fahrzeugkühler 4 oder
um diesen herum geschaltet werden. Dies kann beispielsweise beim
Start der Brennstoffzelle 12 von Interesse sein, wenn die
Zielsetzung auf einer schnellen Erwärmung der Brennstoffzelle 12 liegt
und die Abwärme für diesen Zweck genutzt werden
soll, ohne dass diese über den Fahrzeugkühler 4 bereits weggekühlt
wird. Sobald der gewünschte Betriebszustand erreicht ist,
wird die Ventileinrichtung 17 dann entsprechend so geschaltet,
dass der Kühlkreislauf 3 zur Kühlung
der Brennstoffzelle 12 über den Wärmetauscher 15 und
den Fahrzeugkühler 4 genutzt wird.
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Außerdem
ist in dem Brennstoffzellensystem 2 der 2 eine
sogenannte Rezirkulationsleitung 18 zu erkennen. Die Rezirkulationsleitung 18 führt dabei
vom Bereich nach der Anode 14 zurück in den Bereich
vor der Anode 14. Über die Rezirkulationsleitung 18 und über
eine in ihr befindliche Rezirkulationsfördereinrichtung 19 wird
unverbrauchtes Brenngas, typischerweise unverbrauchter Wasserstoff,
aus dem Bereich nach der Anode 14 in den Bereich vor der
Anode 14 zurückgeführt. Dieses bei Brennstoffzellen 12 sehr
häufig angewandte Betriebsschema erlaubt es, mit einem
entsprechenden Überschuss an Wasserstoff in den Anodenbereich 14 einzuströmen,
so dass alle Bereiche der Anode 14 bestmöglich
mit Wasserstoff versorgt werden. Unverbrauchter Wasserstoff geht
dabei nicht verloren, sondern wird über die Rezirkulationsleitung 18 und
die Rezirkulationsfördereinrichtung 19 entsprechend
zurückgeführt und steht wieder zur Verfügung.
Die Rezirkulationsfördereinrichtung 19 wird dabei
im Allgemeinen als Strömungsverdichter in Form eines Gebläses
ausgebildet und üblicherweise auch als Wasserstoffrezirkulationsgebläse
oder mit der entsprechenden englischen Abkürzung HRB (Hydrogen
Recirculation Blower) bezeichnet. In dem Bereich nach der Rezirkulationsfördereinrichtung 19 ist
eine Mischstelle 20 zu erkennen, in der sich frischer Wasserstoff
aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 mit dem rezirkulierten
Anodenabgas mischt und wieder der Anode 14 zuströmt.
Zwischen der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 und dem Mischbereich 20 ist
dabei ein Druckreduktionsventil 21 exemplarisch angedeutet.
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Neben
der Versorgung des Anodenbereichs 14 mit Wasserstoff oder
einem wasserstoffhaltigen Brenngas ist die Versorgung des Kathodenbereichs 13 mit
Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel notwendig
um die elektrische Leistung für den Motor 6 an
der Brennstoffzelle 12 bereitzustellen. Typischerweise
wird dafür Luft verwendet, welche über eine Kompressionseinrichtung 22 zu dem
Kathodenbereich 13 der Brennstoffzelle 12 gefördert
wird. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
Kompressionseinrichtung 22 dabei als Teil eines sogenannten
elektrischen Turboladers oder ETC (Electric Turbo Charger) ausgeführt.
Dieser weist neben der Kompressionseinrichtung 22 einen
Motor 23 und eine Turbine 24 auf. Über
die Turbine 24 wird in dem Abgas beziehungsweise der Abluft
nach dem Kathodenbereich 13 noch verbleibende Restenergie,
insbesondere Restdruck, umgesetzt. Je nach Betriebszustand kann
der Motor 23 dabei motorisch betrieben werden, um den Kompressor 22 entsprechend
zu unterstützen oder er kann auch generatorisch betrieben
werden, wenn durch die Turbine 24 mehr Leistung zur Verfügung
gestellt wird, als der Kompressor 22 benötigt.
Auch dieser Aufbau ist bei Brennstoffzellensystemen allgemein bekannt
und üblich. Neben der reinen Nutzung von Abluft aus dem Bereich
der Kathode 13 kann der Turbine 24 auch anderes
Gas zugeführt werden, beispielsweise ein Gemisch aus Anoden-
und Kathodenabgas, welches zuvor noch chemisch miteinander reagiert
beziehungsweise verbrannt wird, so dass neben der Druckenergie auch
thermische Energie zur Verfügung steht, welche durch die
Turbine 24 genutzt werden kann.
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Neben
dem Kühlkreislauf 3, welcher die Brennstoffzelle 12 kühlt,
sind in 2 nun vier weitere Kühlkreisläufe 25 als
dezentrale Komponenten Kühlkreisläufe 25 dargestellt,
welche mit den Bezugszeichen 25.1 bis 25.4 bezeichnet
sind. Jeder dieser Kühlkreisläufe 25 weist
wenigstens einen Kühlwärmetauscher 26 (26.1 bis 26.4)
auf, welcher zur Aufnahme von Abwärme aus der zu kühlenden Komponente
dient. Über eine jeweils eigene Kühlmittelfördereinrichtung 27 (27.1 bis 27.4)
wird das Kühlmedium dann in den Bereich eines jeweils eigenen Kühlwärmetauschers 9 (9.1 bis 9.4)
transportiert.
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Diese
Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4) können
wie schon bei der Erklärung zu 1 eingangs
erwähnt insbesondere im Bereich des Fahrzeugunterbodens 8 angeordnet
sein, so dass diese von unter dem Fahrzeug 1 strömender
Luft entsprechend gekühlt werden. Bei Bedarf können
diese Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4)
auch jeweils ein eigenes Gebläse 5 (5.1 bis 5.4)
haben. Insbesondere beim Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 im
unteren Bereich des Fahrzeugs 1 hat dies den entscheidenden
Vorteil, dass die Leitungslänge der einzelnen Kühlkreisläufe 25 (25.1 bis 25.4)
sehr kurz gehalten werden können.
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Durch
die eigenen Kühlkreisläufe 25 für
die einzelnen zu kühlenden Komponenten, im hier dargestellten
Beispiel der Kühlkreislauf 25.1 für die
Kühlung der Kompressionseinrichtung, und hier insbesondere
des ETC, den Kühlkreislauf 25.2 zur Kühlung
der bei der Verdichtung in dem Kompressor 22 erwärmten
und zum Kathodenbereich 13 strömenden Luft sowie
die Kühlkreisläufe 25.3 und 25.4 für das
Rezirkulationsgebläse 19 beziehungsweise den Motor 4,
sind dabei unabhängig vom eigentlichen Kühlkreislauf 3 des
Brennstoffzellensystems 2 ausgeführt. Sie beeinflussen
daher den eigentlichen Kühlkreislauf 3 weder thermisch
noch benötigen ihre Kühlwärmetauscher 9 (9.1 bis 9.4)
Frontfläche, die durch den Fahrzeugkühler 4 genutzt
werden könnte.
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Selbstverständlich
zeigt die Darstellung in 2 nur beispielhafte Möglichkeiten.
So ist eine dezentrale Kühlung von Komponenten sicherlich
auch bei weiteren Komponenten sinnvoll einsetzbar. Andererseits
wäre es auch denkbar, nur eine oder zwei der Komponenten,
beispielsweise das Wasserstoffrezirkulationsgebläse 19 und
den Antriebsmotor 6 über einen dezentralen Kühlkreislauf 25 zu
kühlen.
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Im
Beispiel der 3 wird nun ein solcher Kühlkreislauf 25 nochmals
am Beispiel des Komponentenkühlkreislaufs 25.3 im
Detail beschrieben. Er ist dabei am Rezirkulationsgebläse 19 als
besonders gut geeignetes Beispiel dargestellt. Das Rezirkulationsgebläse 19 weist
dabei eine rotierende Welle 28 auf, welche von einem Motor 29 des
Rezirkulationsgebläses 19 entsprechend angetrieben
wird. Die rotierende Welle 28 weist an ihrem einen Ende
ein Verdichterlaufrad beziehungsweise Gebläselaufrad 30 auf,
welches in einem entsprechenden Laufradgehäuse 31 das über
ein Leitungselement 32 einströmende, unverbrauchte
Anodenabgase entsprechend verdichtet und dann über ein
Leitungselement 33 in den Bereich der Mischstelle 20 fördert.
Das andere Ende der Welle 28 weist ebenfalls ein Verdichterlaufrad 34 auf. Über
dieses Verdichterlaufrad 34 wird das Kühlmittel
in dem Komponentenkühlkreislauf 25.3 gefördert.
Es stellt zusammen mit seinem Gehäuse also die Kühlmittelfördereinrichtung 27.3 des
Komponentenkühlkreislaufs 25.3 dar. Durch die
unmittelbare Anbindung über die rotierende Welle 28 einerseits und über
das integriert ausgeführte Gehäuse andererseits
wird im Bereich der Kühlmittelfördereinrichtung 27.3 des
Komponentenkühlkreislaufs 25.3 außerdem
die in der Rezirkulationseinrichtung 19 und hier insbesondere
im Bereich ihres Motors 29 und in nicht dargestellten Leistungselektronikkomponenten im
Bereich dieses Motors 29 anfallende Abwärme auf das
Kühlmittel übertragen. Über entsprechende
Leitungselemente gelangt das Kühlmittel im Kühlkreislauf 25.3 dann
zu dem Kühlwärmetauscher 9.3, in welchem
sie an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgeführt
wird.
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Die
Anbindung der Kühlfördereinrichtung 27.3 beziehungsweise
ihres Verdichterlaufrads 34 an die rotierende Welle 28 kann
dabei direkt erfolgen, oder bei entsprechenden Drehzahlunterschieden durch
ein geeignetes Getriebe, beispielsweise über einen Riementrieb,
eine Verzahnung oder dergleichen.
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Die
Kühlfläche des Kühlwärmetauschers 9.3 kann
dabei auf die Bedürfnisse der Kühlung des Rezirkulationsgebläses 19 optimal
abgestimmt werden, da der dezentrale Komponentenkühlkreislauf 25.3 lediglich
zur Kühlung dieser einen Komponente dient. Beim Anordnen
des Kühlers 9 im Bereich des Fahrzeugunterbodens 8 kann
außerdem ein Aufbau mit sehr kurzen Leitungslängen
realisiert werden.
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Dieser
Aufbau entlastet dann den eigentlichen Hauptkühlkreislauf 3 des
Brennstoffzellensystems 2 und kann somit zu einer verbesserten
Kühlung des Brennstoffzellensystems 2 bei gleicher
zur Verfügung stehender Fläche des Fahrzeugkühlers 4 beitragen.
Dadurch wird die Brennstoffzelle 12 in ihrer Zuverlässigkeit
und Lebensdauer optimiert.
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Wie
bereits erwähnt und in 2 an einigen Beispielen
exemplarisch dargestellt, können die Komponentenkühlkreisläufe 25 an
verschiedenen Stellen im System und in beliebiger Anzahl in dem System
eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die
zu kühlende Komponente die Rotationsenergie für
die Kühlmittelfördereinrichtung 27 selbst
bereitstellen kann, es sind jedoch auch Kreisläufe 25 mit
einer getrennt ausgebildeten Kühlmittelfördereinrichtung
mit eigenem Antrieb denkbar, über welche beispielsweise
Leistungselektronikkomponenten, Sensoren oder dergleichen gekühlt
werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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