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Die
Erfindung betrifft Kühlmittel-Pumpmodule
zum Einsatz in thermischen Managementsystemen und insbesondere Kühlmittel-Pumpmodule,
die eine integrierte Kühlmittelpumpe
und ein Ablenk- oder Mischventil aufweisen.
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Thermische
Managementsysteme werden bei einer Vielfalt von Anwendungen verwendet,
bei welchen eine Temperaturmodulation von Wärme erzeugenden Komponenten
erforderlich ist. Eine solche Anwendung ist ein thermisches Management
eines Brennstoff- bzw. Kraftstoffzellensystems, gleichgültig ob
stationär
oder beim Fahren, das typischerweise eine Anzahl von Wärme erzeugenden
Komponenten enthält,
die eine Temperaturmodulation erfordern. Kraftstoffzellensysteme
enthalten einen oder mehrere Wärmeübertragungskreise,
von welchen jeder seinen eigenen Wärmetauscher, seine eigene Zirkulationspumpe,
sein eigenes Mischventil und/oder sein eigenes Ablenkventil enthalten
kann.
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Um
die Komplexität,
die Kosten und Platzerfordernisse von Kraftstoffzellensystemen zu
reduzieren, ist es erwünscht,
die Anzahl von Komponenten zu reduzieren, die das thermische Managementsystem
bilden.
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Gemäß einem
Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Kühlmittel-Pumpmodul für ein thermisches Managementsystem
zur Verfügung.
Das Kühlmittel-Pumpmodul
weist ein Gehäuse,
ein Ventilelement und ein Pumpelement auf. Das Gehäuse definiert
eine erste Kammer und eine zweite Kammer, die integriert miteinander
ausgebildet sind und die über einen
Verbindungsdurchgang in Fluidkommunikation sind. Das Gehäuse hat
einen Kühlmittel-Einlasskanal, der
in Kommunikation mit der ersten Kammer vorgesehen ist, und einen
Kühlmittel-Auslasskanal, der
in Kommunikation mit der zweiten Kammer vorgesehen ist, und das
Gehäuse
hat einen Umgehungs-Einlasskanal und einen Umgehungs-Auslasskanal,
die in Fluidkommunikation mit der ersten Kammer sind. Das Ventilelement
ist in der ersten Kammer vorgesehen und ist zwischen einer ersten
Position, in welcher das Ventilelement einen Fluss von Kühlmittel zwischen
dem Kühlmittel-Einlasskanal
und dem Verbindungsdurchgang wenigstens teilweise blockiert, und
einer zweiten Position, in welcher ein erhöhter Fluidfluss zwischen dem
Kühlmittel-Einlasskanal
und dem Verbindungsdurchgang zugelassen ist, bewegbar. Das Pumpelement
ist in der zweiten Kammer zum Erhöhen der Energie von durch den
Kühlmittel-Auslasskanal
fließendem
Kühlmittel
vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nun nur anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Kühlmittel-Pumpmoduls
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Kombination mit einem Pumpgehäuse und einem externen Kühler ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht des Kühlmittel-Pumpmoduls
der 1 von unten, isoliert gezeigt, ist;
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3 eine
seitliche Aufrissansicht des Kühlmittel-Pumpmoduls
der 1 ist;
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4 eine
seitliche Aufrissansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die das
Kühlmittel-Pumpmodul der 1 in
Kombination mit einem Pumpgehäuse zeigt
und das Ventil in der offenen Konfiguration zeigt;
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5 eine
seitliche Aufrissansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die das
Kühlmittel-Pumpmodul der 1 mit
dem Ventil in der geschlossenen Konfiguration zeigt;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Kühlmittel-Pumpmoduls
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung von unten ist;
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7 eine
seitliche perspektivische Ansicht des Kühlmittel-Pumpmoduls der 6 ist;
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8 ein
Querschnitt entlang der Linie 8-8' der 6 ist, wobei
das Ventil 26 weggelassen ist;
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9 eine
seitliche Ansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die ein Kühlmittel-Pumpmodul
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt; und
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10 und 11 seitliche
perspektivische Ansichten eines Kühlmittel-Pumpmoduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind.
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Es
folgt nun eine detaillierte Beschreibung.
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Die 1 bis 5 stellen
ein Kühlmittel-Pumpmodul 10 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Kühlmittel-Pumpmodul 10 weist
ein Gehäuse 12 auf,
das aus einem ersten Teilbereich 14, der eine erste Kammer 16 definiert,
und einem zweiten Teilbereich 18, der eine zweite Kammer 20 definiert,
besteht. Das Gehäuse 12 ist
vorzugsweise aus einem metallischen oder nichtmetallischen Material
integriert ausgebildet. Geeignete nichtmetallische Materialien enthalten hitzebeständige polymere
Materialien. Der erste und der zweite Teilbereich 14, 18 des
Gehäuses 12 können durch
Netz- bzw. Rippen bzw. Flanschteilbereiche 4, 6 und 8 verbunden
sein.
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Der
erste Teilbereich 14 des Gehäuses 12 und die erste
Kammer 16 sind in den Zeichnungen derart gezeigt, dass
sie allgemein zylindrisch geformt sind, aber dies ist nicht notwendigerweise
der Fall. Vielmehr können
der erste Teilbereich 14 des Gehäuses 12 und die Kammer 16 in
Abhängigkeit
von der Anwendung und dem Typ eines eingesetzten Ventils von einer
variablen Form sein. Die allgemein zylindrische Kammer 16 definiert
eine erste Achse A.
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Der
erste Teilbereich 14 des Gehäuses 12 hat ein erstes
Ende, das mit einem Kühlmittel-Einlasskanal 22 versehen
ist, der mit einem Kühlmittel-Einlassanschlussstück 24 zur
Verbindung mit einer Kühlmittelleitung
(nicht gezeigt) versehen ist. Wo das Kühlmittel-Pumpmodul 10 in
einem Kraftstoffzellensystem (nicht gezeigt) verwendet wird, empfängt der
Kühlmittel-Einlasskanal 22 Kühlmittel
entweder direkt oder indirekt von einem Kraftstoffzellenstapel (nicht
gezeigt). Bei dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist das Kühlmittel-Einlassanschlussstück 24 parallel
zur Achse A ausgerichtet, und daher fließt das Kühlmittel entlang der Achse
A, wenn es in die erste Kammer 16 eintritt.
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Der
erste Teilbereich 14 des Gehäuses 12 hat ein gegenüberliegend
zum Kühlmittel-Einlasskanal 22 angeordnetes
zweites Ende, welches ein Ventil 26 aufnimmt. Das Ventil 26 ist
in den 4 und 5 schematisch derart gezeigt,
dass es ein Stellglied 28, einen Ventilschaft 30,
der sich entlang der Achse A erstreckt und durch das Stellglied 28 betätigt wird,
und ein Ventilelement 32, das an dem Ventilschaft 30 vorgesehen
ist und durch den Ventilschaft 30 in einen und aus einem
Eingriff mit einem Ventilsitz bewegbar ist, der eine Schulter 36 aufweisen kann,
die in der inneren Wand der ersten Kammer 16 ausgebildet
ist, aufweist. Das Ventilelement 32 kann einen hohlen Pfropfen-
bzw. Stöpselteilbereich
haben, der innerhalb eines Fluiddurchgangs 38 eng aufgenommen
ist, um eine richtige Ausrichtung des Ventils 26 beizubehalten.
Bei dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 trennt
die Schulter 36 das Innere der ersten Kammer 16 in
zwei Teilbereiche, nämlich
den Fluiddurchgang 38 mit einem ersten Durchmesser und eine
Ventilkammer 40 mit einem zweiten, größeren Durchmesser. Bevorzugte
Formen dieses Typs eines linear betätigten Ventils sind in der
US-Patentanmeldung
Nr. 11/695,985, eingereicht am 3. April 2007, beschrieben, welche
hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
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Obwohl
das Ventil 26 ein linear betätigtes Ventil aufweisen kann,
wie es oben beschrieben ist, kann es bevorzugt sein, einen alternativen
Typ einer Ventilstruktur zu verwenden, wie beispielsweise ein Blattventil.
Ebenso wird es erkannt werden, dass das Stellglied 28 ein
elektronisches Stellglied aufweisen kann, wie beispielsweise ein
Solenoid. Die Betätigung
des Solenoids kann durch eine elektrische Steuereinheit (nicht gezeigt)
gesteuert werden, die vor zugsweise Temperaturinformation von einem
oder mehreren Temperatursensoren empfangen kann, die mit dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 integriert
sein können
oder die irgendwo in dem thermischen Managementsystem angeordnet
sein können.
Alternativ dazu kann das Stellglied 28 ein thermisch empfindliches
Material, wie beispielsweise Wachs, aufweisen, das in einer Trommel
bzw. einem Fließkanal
enthalten ist und das sich ausdehnt, um eine Bewegung des Ventilschafts 30 und
des Ventilelements 32 zu veranlassen.
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Das
Gehäuse 12 weist
weiterhin einen Verbindungsdurchgang 42 mit einem ersten
Ende auf, das mit dem Inneren der ersten Kammer 16, genauer gesagt
ihrer Ventilkammer 40, kommuniziert, und mit einem zweiten
Ende, das mit dem Inneren der zweiten Kammer 20 kommuniziert.
Der Verbindungsdurchgang 42 ist ein gerader zylindrischer
Durchgang, der von einem geeigneten Durchmesser und von minimaler
Länge ist,
um einen Druckabfall eines Kühlmittels
zu minimieren, das zwischen der ersten und der zweiten Kammer 16, 20 durchläuft. Der
Verbindungsdurchgang 42 definiert eine zweite Achse B, die
bei dem bevorzugten Kühlmittel-Pumpmodul 10 senkrecht
zur Achse A ist. Weiterhin ist das erste Ende des Verbindungsdurchgangs 42 von
dem Kühlmittel-Einlasskanal 22 entlang
der Achse A beabstandet. Bei dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 erstreckt sich
der Verbindungsdurchgang durch den mittleren Flansch 6,
der den ersten und den zweiten Teilbereich 14, 18 des
Gehäuses 12 verbindet.
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Die
erste Kammer 16 ist auch mit einem Umgehungs-Auslasskanal 44 versehen,
der mit einem zylindrischen Auslassanschlussstück 46 versehen ist,
und einem Umgehungs-Einlasskanal 48, der mit einem zylindrischen
Einlassanschlussstück 50 versehen
ist. Der Umgehungs-Auslasskanal und der Umgehungs-Einlasskanal 44, 48 sind
in Flusskommunikation mit einem externen Wärmetauscher, wie beispielsweise
einem Kühler 52.
Gestrichelte Linien 54 und 56 in 1 stellen
Durchführungen
dar, die mit den Kühler-Anschlussstücken und
den Umgehungs-Anschlussstücken 46, 50 der
ersten Kammer 16 verbunden sind. Die Anschlussstücke 46, 50,
die Durchführungen 54 und 56 und
der Kühler 52 bilden zusammen
einen Umgehungskreis.
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Der
Umgehungs-Auslasskanal 44 ist in Flusskommunikation mit
dem Fluiddurchgang 38 der ersten Kammer 16 und
ist entlang der Achse A zwischen dem Kühlmittel-Einlasskanal 22 und
der Schulter 36 und dem Ventilelement 32 angeordnet. Somit
blockiert das Ventil 26 einen Fluss von Kühlmittel
zwischen dem Kühlmittel-Einlasskanal 22 und dem
Umgehungs-Auslasskanal 44 ungeachtet der Konfiguration
des Ventils 26 nicht. Jedoch blockiert das Ventilelement 32 während das
Ventil in der vollständig
offenen Position ist, die in 4 gezeigt
ist, den Fluss von Kühlmittel
zwischen dem Umgehungs-Einlasskanal 48 und dem Verbindungsdurchgang 42 vollständig, und
daher gibt es keinen Fluss von Kühlmittel
durch den Umgehungskreis, wenn das Ventil vollständig offen ist.
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Während das
Ventil 26 in der vollständig
offenen Position ist, wie es in 4 gezeigt
ist, fließt das
gesamte Kühlmittel
von dem Einlasskanal 22 durch den Fluiddurchgang 38 und
die Ventilkammer 40 der ersten Kammer 16. Das
Kühlmittel
tritt in den hohlen Ventilstöpsel 32 ein,
fließt
durch die Öffnungen
davon und ändert
die Richtung, um durch den Verbindungsdurchgang 42 und
in die zweite Kammer 20 zu fließen. Das Ventil 26 kann
während
eines anfänglichen
Startens des Kraftstoffzellensystems, bevor es sich auf eine normale
Betriebstemperatur erwärmt,
vollständig
oder teilweise offen sein. Während das
Ventil 26 teilweise offen ist, wird ein gewisser Fluss
durch den Umgehungskreis zugelassen werden, aber das Meiste des
Kühlmittels
wird aufgrund des erhöhten
Widerstands gegenüber
einem Fluss, welcher Widerstand durch den Kühler verursacht wird, insbesondere
dann, wenn das Kühlmittel
beim anfänglichen
Starten kalt und relativ viskos ist, fortgesetzt durch die erste
Kammer 16 in den Verbindungsdurchgang 42 fließen.
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Wenn
das Ventil 26 betätigt
wird, bewegt sich das Ventilelement 32 von der vollständig offenen Konfiguration
der 4 in Richtung zu der in 5 gezeigten
Konfiguration, um das Ventil 26 teilweise oder vollständig zu
schließen.
Bei der vollständig
geschlossenen Konfiguration, die in 5 gezeigt
ist, tritt ein ringförmiger
Flansch des Ventilelements 32 in Eingriff mit der Schulter 36 und
eine direkte Flusskommunikation zwischen dem Kühlmittel-Einlasskanal und dem
Verbindungsdurchgang 42 durch den Fluiddurchgang 38 und
die Ventilkammer 40 wird blockiert. Dies resultiert darin,
dass der gesamte Kühlmittelfluss
durch den Umgehungskreis geführt
wird. Das Ventilelement 32 enthält auch einen Teilbereich, der
in der ersten Kammer 16 angeordnet ist, welcher sich während einer
Betätigung
des Ventils öffnet,
um eine direkte Flusskommu nikation zwischen dem Umgehungs-Einlasskanal 48 und
dem Verbindungsdurchgang 42 zuzulassen, um dadurch einen
Fluss durch den Umgehungskreis zuzulassen. Der spezifische Betrieb
des Ventils 26 ist spezifischer in der oben angegebenen
US-Patentanmeldung Nr. 11/695,985 beschrieben.
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Es
wird erkannt werden, dass das Ventil 26 so betätigt werden
kann, dass das Ventilelement 32 in irgendeiner Position
zwischen denjenigen, die in den 4 und 5 gezeigt
sind, angeordnet ist. Somit kann der offene Bereich der Öffnungen
des Ventilelements 32 variiert werden, um den Anteil an Kühlmittelfluid,
der durch die Öffnungen
fließt,
einzustellen und folglich den Anteil an Kühlmittel, der durch den Umgehungskreis
fließt,
einzustellen.
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Der
zweite Teilbereich 18 des Gehäuses 12 und die dadurch
definierte zweite Kammer 20 sind in den Zeichnungen derart
gezeigt, dass sie allgemein zylindrisch geformt sind, aber dies
ist nicht notwendigerweise der Fall und hängt von der Anwendung und dem
Typ der für
das Kühlmittel-Pumpmodul
verwendeten Pumpe ab. Wie es in 2 gezeigt
ist, definieren der zweite Teilbereich 18 des Gehäuses 12 und die
zweite Kammer den obersten Teilbereich einer Pumpe 58.
Die Pumpe 58 kann eine Zentrifugalpumpe mit einem Flügelrad (nicht
gezeigt) zum Beschleunigen des Kühlmittels
aufweisen, nachdem es in die Pumpe 58 eintritt. Das Flügelrad ist
in einem zylindrischen Gehäuse 60 eingeschlossen,
das an seinem untersten Ende geschlossen ist und an seinem oberen
Ende gegenüber
der zweiten Kammer 20 offen ist. Das Flügelrad hat eine Drehachse,
die koaxial zur zweiten Achse B ist. Ebenso sind innerhalb des Gehäuses 60 der
Pumpe 58 der Pumpmotor (nicht gezeigt) und die Motorsteuerung
(nicht gezeigt) eingeschlossen.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, fließt das Kühlmittel entlang der zweiten
Achse B, wenn es in die zweite Kammer 20 eintritt, um durch
das Pumpenflügelrad
erregt zu werden. Eine Beschleunigung des Kühlmittels durch das Flügelrad führt dazu,
dass es radial nach außen
fließt,
wo es in einen ringförmigen Ausströmraum 62 eintritt
und dann von dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 durch
den Kühlmittel-Auslasskanal 64 herausfließt. Der
Auslasskanal 64 erstreckt sich tangential von dem zweiten
Teilbereich 18 des Gehäuses 12,
der mit einem zylindrischen Kühlmittel-Auslassanschlussstück 66 versehen
ist, durch welches das Kühlmittel
zu dem Wärmeübertragungskreis
zurückgebracht
wird.
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Die
Außenfläche des
zweiten Teilbereichs 18 des Gehäuses 12 ist mit einer
Vielzahl von Ansätzen 68 versehen,
die jeweils eine Bohrung haben, die sich parallel zur zweiten Achse
B erstreckt. Wie es in 1 gezeigt ist, richten sich
diese Ansatzstücke 68 des
Gehäuses 12 mit
Ansatzstücken 70 des
Pumpengehäuses 60 aus,
die auch mit Bohrungen (nicht gezeigt) versehen sind. Diese Ansatzstücke 68, 70 stellen
Mittel zum Befestigen des zylindrischen Gehäuses 60 an der zweiten
Kammer 20 zur Verfügung, wobei
sich Befestigungsmittel wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen
(nicht gezeigt) durch die Bohrungen erstrecken, um das Pumpengehäuse 60 und
die zweite Kammer 20 zusammenzuhalten. Es wird erkannt
werden, dass alternative Mittel zum Anbringen des Pumpengehäuses 60 an
der zweiten Kammer 20 verwendet werden können.
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In
Abhängigkeit
von der spezifischen Konfiguration des Wärmeübertragungskreises, in welchem
das Kühlmittel-Pumpmodul 10 eingebaut
ist, kann das Kühlmittel-Pumpmodul 10 mit
einer Vielzahl von Wärme
erzeugenden Komponenten verbunden sein. Beispielsweise kann der
Kühlmittel-Einlasskanal 22 Kühlmittel
vom Kühlmittel-Auslasskanal
eines Kraftstoffzellenstapels aufnehmen und kann der Kühlmittel-Auslasskanal 64 mit
dem Kühlmittel-Einlasskanal
des Kraftstoffzellenstapels verbunden sein. Zusätzlich dazu, dass es mit dem
Kraftstoffzellenstapel verbunden ist, kann das Kühlmittel-Pumpmodul 10 auch
mit dem Einlass und dem Auslass von wenigstens einer weiteren Komponente
des Kraftstoffzellensystems verbunden sein, wie beispielsweise einem
weiteren Wärmetauscher,
einem weiteren Filter oder einer weiteren Wärme erzeugenden Komponente.
Zu diesem Zweck hat das Kühlmittel-Pumpmodul 10 wenigstens
einen sekundären
Einlasskanal 72, der mit einem zylindrischen Einlassanschlussstück 74 versehen
ist, und wenigstens einen sekundären
Auslasskanal 76, der mit einem zylindrischen Auslassanschlussstück 78 versehen
ist. Der sekundäre
Einlasskanal und der sekundäre
Auslasskanal 72, 76 sind in der 3 zu
sehen.
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Bei
dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 ist
der sekundäre
Einlasskanal 72 in der zylindrischen Seitenwand des Verbindungsdurchgangs 42 vorgesehen und
erstreckt sich in einer Richtung, die senkrecht zur zweiten Achse
B ist. Der sekundäre
Auslasskanal 76 ist in dem zweiten Teilbereich 18 des
Gehäuses 12 an
dem Kühlmittel-Auslasskanal 64,
der zwischen dem Ausströmraum 62 und
dem Kühlmittel-Auslassanschlussstück 66 angeordnet
ist, vorgesehen. Der sekundäre
Auslasskanal und das Anschlussstück 76, 78 erstrecken
sich in einer Richtung, die senkrecht zum Fluss von Kühlmittel
durch den Kühlmittel-Auslasskanal 64 ist.
Die spezifischen Stellen und Ausrichtungen des sekundären Einlasskanals
und des sekundären
Auslasskanals 72, 76 und der zugehörigen Anschlussstücke 74, 78,
die in den Zeichnungen gezeigt sind, sind nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung.
Vielmehr wird es erkannt werden, dass ihre Stellen bzw. Lokalisierungen
und Ausrichtungen gegenüber
denjenigen variiert werden können,
die in den Zeichnungen gezeigt sind. Es ist jedoch bevorzugt, dass
der sekundäre
Auslasskanal 76 und das Anschlussstück 78 auf der Hochdruckseite
des Kühlmittel-Pumpmoduls 10,
d. h. an der Auslassseite der Pumpe 58 zwischen dem Pump-Ausströmraum 62 und
dem Auslasskanal 64, angeordnet sind. Es ist auch bevorzugt,
dass der sekundäre
Einlasskanal 72 und das Anschlussstück 74 auf der Niederdruckseite des
Kühlmittel-Pumpmoduls 10,
d. h. stromauf von der Pumpe 58 zwischen dem Kühlmittel-Einlasskanal 22 und
dem Pump-Ausströmraum 62,
angeordnet sind.
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Das
sekundäre
Einlassanschlussstück
und das sekundäre
Auslassanschlussstück 74, 78 verbinden
das Kühlmittel-Pumpmodul 10 mit
einer weiteren Komponente des thermischen Managementsystems, wie
beispielsweise einer zweiten Wärme
erzeugenden Komponente, einem zweiten Filter oder einem zweiten
Wärmetauscher.
Ein Teilbereich des Kühlmittels,
das durch den Auslasskanal 64 läuft, wird durch den sekundären Auslasskanal 76 und
das Anschlussstück 78 zu
der anderen Komponente abgelenkt und kehrt bei dem sekundären Einlasskanal
und dem Anschlussstück 72, 74 zu
dem Hauptkühlmittelstrom
zurück,
um in den Verbindungsdurchgang 42 einzutreten. Wo die andere
Komponente, mit welchem das Kühlmittel-Pumpmodul 10 verbunden
ist, eine Wärme
erzeugende Komponente ist, können der
sekundäre
Einlasskanal und das Anschlussstück 72, 74 vorzugsweise
im ersten Teilbereich 14 des Gehäuses 12 benachbart
zu dem Kühlmittel-Einlasskanal 22,
d. h. stromauf von dem Umgehungs-Auslasskanal 44, angeordnet
sein, so dass das Kühlmittel
in Abhängigkeit
von der Konfiguration des Ventils 26 von der Wärme erzeugenden
Komponente durch den Kühler 52 gekühlt werden
kann.
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Während eines
Kaltstarts des Kraftstoffzellensystems ist es erwünscht, das
Kühlmittel
zu erwärmen,
das in dem thermischen Managementsystem zirkuliert, um beim schnellen
Erwärmen
des Systems auf die erwünschte
Betriebstemperatur zu helfen. Während
das Kühlmittel
durch elektrische Heizer erwärmt
werden kann, die extern vom Kühlmittel-Pumpmodul 10 angeordnet
sind, kann das Kühlmittel
durch schnelles Drehen des Pumpenflügelrads gegenüber einer
Druckhöhe
wenigstens teilweise erwärmt
werden, die durch Reduzieren des Kühlmittelflusses durch die Pumpe
erzeugt werden kann. Es können
verschiedene Mittel zum Beschränken
des Flusses von Kühlmittel
vom Auslass der Pumpe verwendet werden. Beispielsweise kann der
Fluss durch Vorsehen einer Öffnungsumgehungsleitung
oder eines elektronischen Ventils zum Begrenzen des Kühlmittelflusses,
während
sich die Pumpe während
eines Startens schnell dreht, beschränkt werden. Die Umgehungsleitung
kann intern oder extern von dem Gehäuse 14 des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
sein.
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Die 6 bis 8 stellen
ein Kühlmittel-Pumpmodul 110 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Kühlmittel-Pumpmodul 110 ist
gleich dem oben beschriebenen Kühlmittel-Pumpmodul 10 und
gleiche Komponenten des Kühlmittel-Pumpmoduls 110 sind
durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Das Kühlmittel-Pumpmodul 110 unterscheidet
sich von dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 dadurch,
dass es mit einer Einrichtung zum Filtern eines Teilbereichs des
Kühlmittels
versehen ist, das durch das Kühlmittel-Pumpmodul 110 fließt. Zu diesem
Zweck ist das Kühlmittel-Pumpmodul 110 mit
einem Filter versehen, das ein Gehäuse 80 mit einer zylindrischen
Seitenwand 81, einem geschlossenen Boden 82 und
einem offenen obersten Ende 83 hat (8), das
durch eine entfernbare Aufschraubkappe 84 geschlossen ist. Das
Filtergehäuse 80 enthält ein Filterelement 85 (das
in 8 teilweise gezeigt ist), welches vorzugsweise
entfernbar und durch das offene oberste Ende 83 des Gehäuses 80 ersetzbar
ist, wie es durch einen Pfeil 87 in 8 angezeigt
ist. Das Filter kann vorzugsweise ein Entionisierungsfilter und/oder
ein Partikelfilter aufweisen.
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Die
Seitenwand 81 und der Boden 82 des Filtergehäuses 80 sind
an dem Gehäuse 12 des
Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angebracht,
und das Filtergehäuse 80 ist
vorzugsweise integriert mit dem Gehäuse 12 ausgebildet.
Das Filtergehäuse 80 hat
eine Längsachse,
die parallel zum Pfeil 87 ist. Die Achse des Filtergehäuses 80 ist
senkrecht zur ersten Achse A und parallel zur zweiten Achse B, die
oben in Zusammenhang mit dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 beschrieben
sind. Es wird jedoch erkannt werden, dass die spezifische Ausrichtung
des Filtergehäuses,
das in den Zeichnungen gezeigt ist, nicht wesentlich für die Erfindung
ist. Vielmehr kann die Ausrichtung des Filtergehäuses 80 variiert werden,
wie es nötig
ist, um die Erfordernisse irgendeiner spezifischen Anwendung zu
erfüllen,
während
vorzugsweise eine kompakte Größe beibehalten
wird. Beispielsweise kann die Achse des Filtergehäuses 80 parallel
zur ersten Achse A und senkrecht zur zweiten Achse B sein oder kann
die Achse des Filtergehäuses
parallel zu beiden Achsen A und B sein.
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Das
Filtergehäuse 80 ist
mit einem Filter-Einlassdurchgang 86 und einem Filter-Auslassdurchgang 88 versehen,
von welchen beide in 8 gesehen werden können. Ein
Teilbereich des Kühlmittels, das
durch das Kühlmittel-Pumpmodul 10 fließt, tritt
in das Filtergehäuse 80 durch
den Filter-Einlassdurchgang 86 ein, der an beiden Enden
offen ist und sich von der Hochdruckseite des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 zu einer zentralen Öffnung 94 im
Boden 82 des Filtergehäuses 80 erstreckt.
Die zentrale Öffnung kann
durch eine Seitenwand 96 umgeben sein, die beim Zentrieren
des Filterelements 85 innerhalb des Gehäuses 80 hilft. Vorzugsweise
empfängt,
wie es in 8 gezeigt ist, der Filter-Einlassdurchgang 86 Kühlmittel
von der Hochdruckseite des Moduls 10 durch eine Öffnung 98,
die an der Auslassseite der Pumpe 58 zwischen dem Pumpen-Ausströmraum 62 und
dem Auslasskanal 64 angeordnet ist. Der Filter-Einlassdurchgang 86 ist
vorzugsweise innerhalb einer Rippe oder eines Netzes bzw. Flansches
von Material 100 eingeschlossen, das sich zwischen dem Boden 82 des
Filtergehäuses 80 und
dem Gehäuse 12 des
Kühlmittel-Pumpmoduls 10 erstreckt.
Es wird jedoch erkannt werden, dass der Filter-Einlassdurchgang 86 stattdessen
extern von dem Filtergehäuse 80 und
dem Gehäuse 12 des
Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
sein kann.
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Wenn
das Kühlmittel
einmal in das Innere des Filtergehäuses 80 durch die Öffnung 94 eintritt, verläuft es radial
nach außen
durch das Filterelement 85 in eine ringförmige Kammer
zwischen dem Filterelement 85 und der Seitenwand 81 des
Filtergehäuses 80.
Der Filter-Auslassdurchgang 88 ist an beiden Enden offen
und erstreckt sich von einer Öffnung 102,
die in der Seitenwand 81 des Filtergehäuses 80 angeordnet
ist, zu einer Öffnung 104,
die in der Niederdruckseite des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
ist. Das in der ringförmigen Kammer
angeordnete gefilterte Kühlmittel
tritt daher in den Filter-Auslassdurchgang 88 durch die Öffnung 102 ein
und fließt
durch den Durchgang 88 zu der Niederdruckseite des Kühlmittel-Pumpmoduls 10.
Die Öffnung 104 ist
vorzugsweise an der Einlassseite der Pumpe 58 zwischen
dem Kühlmittel-Einlasskanal 22 und dem
Pumpen-Ausströmraum 62 angeordnet.
Wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, kann die Öffnung 104 in der
Seitenwand des Verbindungsdurchgangs 42 angeordnet sein.
Der Filter-Auslassdurchgang 88 ist vorzugsweise innerhalb
des Materials eingeschlossen, das das Filtergehäuse 80 und den ersten
Teilbereich 14 des Gehäuses 12,
die integriert ausgebildet sind, aufweist. Es wird jedoch erkannt
werden, dass der Filter-Auslassdurchgang 86 stattdessen
extern von dem Filtergehäuse 80 und
dem Gehäuse 12 des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
sein kann.
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Es
wird erkannt werden, dass nur ein Teilbereich des gesamten Flusses
von Kühlmittel
durch das Kühlmittel-Pumpmodul 10 abgelenkt
werden wird, um durch das Filter zu fließen. Die Menge an Kühlmittelfluss
durch das Filter kann durch Einstellen der Durchmesser des Filter-Einlassdurchgangs
und des Filter-Auslassdurchgangs 86, 88 und/oder
ihrer zugehörigen Öffnungen 94, 98, 102, 104 eingestellt werden.
Ein Erhöhen
des Flusses von Kühlmittel durch
das Filter hat den Effekt eines Erhöhens des gesamten Druckabfalls
des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 und
somit stellt ein Einstellen des Volumens eines Flusses durch das
Filter ein begrenztes Mittel zum Steuern des gesamten Druckabfalls über das
Kühlmittel-Pumpmodul 10 zur
Verfügung.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein Ablenken um 5–25 Prozent
des Kühlmittelflusses
zu dem Filter eine adäquate
Filterleistung zur Verfügung
stellen kann, ohne den Druckabfall über dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 zu
einem nicht akzeptierbaren Ausmaß zu erhöhen.
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Das
Kühlmittel-Pumpmodul 10 kann
auch mit einer Einrichtung zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels
versehen sein, das durch das Modul 10 fließt. Vorzugsweise
wird die Temperatur durch wenigstens zwei Temperatursensoren erfasst,
wobei ein Temperatursensor bei einer ersten Stelle stromauf von
dem Kühlmittelumgehungskreis
angeordnet ist und ein weiterer Temperatursensor an einer zweiten
Stelle stromab von dem Umgehungskreis angeordnet ist. Beispielsweise
kann, wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, ein erster Temperatursensor
mit dem Kühlmittel,
das durch das Modul 10 fließt, durch eine Öffnung 90,
die in dem ersten Teilbereich 14 des Gehäuses 12 direkt
stromab von dem Einlassanschlussstück 24 angeordnet ist,
in Kontakt sein. Ein zweiter Temperatursensor kann mit dem Kühlmittel innerhalb
des Moduls 10 durch eine Öffnung, die nahe zu dem Kühlmittel-Auslasskanal 64 direkt stromauf
von dem Kühlmittel-Auslassanschlussstück 66 angeordnet
ist, in Kontakt sein. Die Anordnung von Temperatursensoren stromauf
und stromab von dem Kühlmittelumgehungskreis,
wie bei den Stellen 90 und 92, lässt eine
Messung der Temperaturdifferenz über
dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 zu.
Die Temperaturdaten, die durch die Temperatursensoren gesammelt
sind, können
zu einer oder mehreren elektronischen Steuerungen (nicht gezeigt)
gesendet werden, die einen Betrieb des Ventils 26 und/oder
der Pumpe 58 steuern. Beispielsweise kann eine elektronische
Steuerung betätigt
werden, um eine Betätigung
des Ventils 26 zu steuern, um das Volumen eines Kühlmittelflusses
durch den Umgehungskreis zu variieren, um dadurch ein Ausmaß einer
Steuerung über
die Temperatur des Kühlmittels
zur Verfügung zu
stellen, das aus dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 austritt.
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Gleichermaßen kann
das Kühlmittel-Pumpmodul 10 mit
einer Einrichtung zum Erfassen des Drucks des Kühlmittels versehen sein, das
durch das Modul 10 fließt. Vorzugsweise wird der Druck
durch wenigstens zwei Drucksensoren erfasst, wobei ein Drucksensor
auf der Niederdruckseite des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
ist und ein zweiter Drucksensor auf der Hochdruckseite des Kühlmittel-Pumpmoduls 10 angeordnet
ist. Öffnungen 90 und 92 können auch
geeignete Stellen für
Drucksensoren zur Verfügung
stellen. Insbesondere kann ein erster Drucksensor mit dem Kühlmittel,
das durch das Modul 10 durch die Öffnung 90 fließt, welche
auf der Niederdruckseite des Moduls 10 angeordnet ist, in
Kontakt sein, und kann ein zweiter Drucksensor mit dem Kühlmittel
innerhalb des Moduls 10 durch die Öffnung 92, die auf
der Hochdruckseite des Moduls 10 angeordnet ist, in Kontakt
sein. Die Anordnung von Drucksensoren an den Stellen 90 und 92 lässt eine
Messung der Druckdifferenz über
dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 zu.
Die durch die Drucksensoren gesammelten Druckdaten können zu
einer oder mehreren elektronischen Steuerungen (nicht gezeigt) gesendet
werden, die einen Betrieb der Pumpe 58 steuern. Beispielsweise
kann eine elektronische Steuerung betätigt werden, um die Pumpengeschwindigkeit
zur Steuerung des Drucks des Kühlmittels
zu variieren, das aus dem Kühlmittel-Pumpmodul 10 austritt.
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9 stellt
ein Kühlmittel-Pumpmodul 210 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Kühlmittel-Pumpmodul 210 ist
gleich den Kühlmittel-Pumpmodulen 10 und 110,
die oben beschrieben sind, und gleiche Komponenten des Kühlmittel-Pumpmoduls 210 sind
durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Das Kühlmittel-Pumpmodul 210 unterscheidet
sich von den Kühlmittel-Pumpmodulen 10 und 110 dadurch,
dass die erste Achse A, die durch die Ventilkammer 16 definiert
ist, parallel zur zweiten Achse B ist, die durch den Verbindungsdurchgang 42 definiert
ist, während
bei den Kühlmittel-Pumpmodulen 10 und 110 die
Achsen A und B senkrecht zueinander sind.
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9 stellt
das Kühlmittel-Pumpmodul 210 mit
dem Ventil 26 in der vollständig offenen Position dar.
Bei dieser Konfiguration fließt
das gesamte Kühlmittel
von dem Einlasskanal 22 durch die Öffnungen des Ventilelements 32 und
durch den Verbindungsdurchgang 42 zu der Pumpe 58,
ohne durch den Kühlmittelumgehungskreis
zu laufen. Dies ist analog zu der Konfiguration des in 4 gezeigten
Kühlmittel-Pumpmoduls 10.
Das Ventil 26 des Kühlmittel-Pumpmoduls 210 kann
während
eines anfänglichen
Startens in der vollständig
oder teilweise offenen Konfiguration sein, bis das Kraftstoffzellensystem
die erwünschte
Betriebstemperatur erreicht. Wenn sich das System erwärmt, veranlasst
das Stellglied 28, dass sich das Ventilelement 32 in
Richtung zu einem Eingriff mit der Schulter 36 bewegt,
um den direkten Fluss von Kühlmittel
von dem Einlasskanal 22 zu dem Verbindungsdurchgang 42 teilweise
oder vollständig
zu blockieren. Mehr von dem Kühlmittel wird
dann gezwungen, durch den Umgehungskreis zu zirkulieren, während es
das Kühlmittel-Pumpmodul 210 durch
den Umgehungs-Auslasskanal 44 verlässt und durch den Umgehungs-Einlasskanal 48 zurückkehrt.
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Obwohl
es in 9 nicht dargestellt ist, kann das Kühlmittel-Pumpmodul 210 mit
einer Einrichtung zum Filtern des Kühlmittels versehen sein, wie
es oben unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 beschrieben
ist. Das Kühlmittel-Pumpmodul 210 kann auch
mit wenigstens einem sekundären
Einlasskanal und wenigstens einem sekundären Auslasskanal versehen sein,
wie es oben unter Bezugnahme auf die Kühlmittel-Pumpmodule 10, 110 beschrieben
ist, zum Zirkulieren des Kühlmittels
durch andere Komponenten des Kraftstoffzellensystems, einschließlich von
Wärmetauschern,
Filtern und/oder Wärme
erzeugen den Komponenten. Weiterhin kann das Kühlmittel-Pumpmodul 210 mit
Temperatur- und/oder Drucksensoren versehen sein, wie es oben unter
Bezugnahme auf die Kühlmittel-Pumpmodule 10, 110 beschrieben
ist.
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Die 10 und 11 stellen
ein Kühlmittel-Pumpmodul 310 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Kühlmittel-Pumpmodul 310 ist
gleich dem oben beschriebenen Kühlmittel-Pumpmodul 110 und
gleiche Komponenten des Kühlmittel-Pumpmoduls 310 sind
durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Das Kühlmittel-Pumpmodul 310 unterscheidet
sich von dem Kühlmittel-Pumpmodul 110 dadurch,
dass es ein Gehäuse 120 für die Pumpensteuerung
(nicht gezeigt) enthält,
das mit dem Gehäuse 12 des
Kühlmittel-Pumpmoduls 310 integriert
ausgebildet ist. Bei den anderen Ausführungsbeispielen, die hierin
beschrieben sind, ist die Pumpensteuerung zusammen mit dem Pumpenmotor
innerhalb des Pumpengehäuses 60 untergebracht.
Die Neuanordnung der Pumpensteuerung zu dem Gehäuse 120 behält eine
Fluidkühlung
der Pumpensteuerung bei, während
zugelassen wird, dass das Pumpengehäuse 60 bezüglich der
Größe reduziert
wird. Dieses Merkmal stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei
der Entwicklung zur Verfügung,
um beim Anpassen des Kühlmittel-Pumpenmoduls
an spezifische Raumerfordernisse zu helfen.
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Das
Kühlmittel-Pumpmodul 310 unterscheidet
sich von den anderen Kühlmittel-Pumpmodulen, die
hierin beschrieben sind, auch bezüglich einer Anzahl anderer
Aspekte. Beispielsweise hat das Kühlmittel-Pumpmodul 310 sowohl
den Kühlmittel-Einlasskanal 22 als
auch den Kühlmittel-Auslasskanal 64 in
einer flachen Fläche 122 des
Modulgehäuses 14 angeordnet,
wie es durch Raumerfordernisse diktiert wird.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt, dass sie darauf
beschränkt
ist. Vielmehr enthält
die Erfindung innerhalb ihres Schutzumfangs alle Ausführungsbeispiele,
die im Schutzumfang der folgenden Ansprüche enthalten sind.