DE102009037080A1

DE102009037080A1 - Kühlvorrichtung eines Funktionssystems

Info

Publication number: DE102009037080A1
Application number: DE102009037080A
Authority: DE
Inventors: Markus Beylich; Michael Fasold; Peter Teuschel
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung (10) eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beschrieben. Kühlvorrichtung (10) umfasst ein Leitungssystem (14, 22) für ein Kühlfluid, das zur Kühlung mit dem Funktionssystem (12) verbunden ist. Ein Behälter (20) der Kühlvorrichtung (10) für das Kühlfluid ist mit dem Leitungssystem (14, 22) fluidleitend verbunden. Eine Aufbereitungseinheit, insbesondere ein Ionentauscher (24), zur Aufbereitung des Kühlfluids ist mit dem Leitungssystem (14, 22) fluidleitend verbunden. Der Behälter (20) weist eine Aufnahme für die Aufbereitungseinheit (24) auf.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Leitungssystem für ein Kühlfluid, das zur Kühlung mit dem Funktionssystem verbunden ist, mit einem Behälter für das Kühlfluid, der mit dem Leitungssystem fluidleitend verbunden ist, und mit einer Aufbereitungseinheit, insbesondere einem Ionentauscher, zur Aufbereitung des Kühlfluids, die mit dem Leitungssystem fluidleitend verbunden ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Aufbereitungseinheit, insbesondere einen Ionentauscher, zur Aufbereitung eines Kühlfluids einer Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die mit einem Leitungssystem der Kühlvorrichtung für das Kühlfluid, und das mit einem Behälter für das Kühlfluid, der mit dem Leitungssystem fluidleitend verbunden ist, fluidleitend verbindbar ist.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Kühlfluidbehälter, insbesondere Ausgleichsbehälter, einer Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, der mit einem Leitungssystem für ein Kühlfluid fluidleitend verbindbar ist, das zur Kühlung mit dem Funktionssystem verbunden ist, wobei das Leitungssystem fluidleitend mit einer Aufbereitungseinheit, insbesondere einem Ionentauscher, zur Aufbereitung des Kühlfluids verbunden ist.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Ionentauscherkartusche zur Aufbereitung eines Fluides, insbesondere eines Kühlfluids, mit einem Kartuschendeckel und darin angeordnetem granulatartigem Ionentauschermedium.
Stand der Technik
Es ist vom Markt her bekannt, Brennstoffzellensysteme, Brennkraftmaschinen und andersartige wärmeerzeugende Funktionssysteme im mobilen oder stationären Einsatz mit Kühlkreisläufen auszustatten, um sie zu Gewährleistung ihrer Funktion in einem optimalen Temperaturbereich zu halten. In den Kühlkreisläufen zirkulieren vorzugsweise flüssige Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser oder Mischungen aus Kühlwasser und Glykol. In den Kühlkreisläufen befinden sich Ausgleichsbehälter für das flüssige Kühlmittel. Um eine optimale Kühlung und Lebensdauer aller Bauteile des Kühlkreislaufs und des Funktionssystems zu gewährleisten, ist es bekannt, das Kühlmittel im Kühlkreislauf mit entsprechenden zusätzlichen Aufbereitungseinheiten aufzubereiten. Bekanntermaßen werden hierbei Filter und/oder Ionentauscher im Kühlmittelkreislauf eingesetzt, mit denen das Kühlmittel im Betrieb gereinigt beziehungsweise von unerwünschten Ionen befreit werden kann. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen ist es notwendig, dass das Kühlfluid entsalzt wird, da ansonsten die Gefahr eines Kurzschlusses durch die Leitfähigkeit des Kühlfluids gegeben ist. Die Aufbereitungseinheiten erhöhen den Platzbedarf der Kühlvorrichtung, zumal sie zu Wartungszwecken möglichst gut zugänglich sein sollten. Diese Bedingungen sind insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, wo nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht, nicht einfach zu erfüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung, eine Aufbereitungseinheit, einen Kühlfluidbehälter und eine Ionentauscherkartusche der eingangs genannten Art zu gestalten, die einfach und zuverlässig eine Behandlung des Fluides ermöglichen, die für die Funktion des Fluides optimal ist, insbesondere die Temperatur und die Zusammensetzung des Fluides optimieren, und möglichst platzsparend aufgebaut sind.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Behälter eine Aufnahme für die Aufbereitungseinheit aufweist.
Erfindungsgemäß ist also die Aufbereitungseinheit platzsparend in dem Behälter integriert, so dass der Behälter und die Aufbereitungseinheit ein geschlossenes Bauteil bilden. Die Form des Behälters kann einfach an einen zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Der Behälter mit der Aufbereitungseinheit kann an einer gut zugänglichen Stelle montiert werden, so dass der Behälter und die Aufbereitungseinheit insbesondere zu Wartungszwecken einfach erreichbar ist. Fluidanschlüsse der Aufbereitungseinheit sind im Behälter integriert, so dass die Gesamtzahl der Anschlüsse verringert wird, was die Montage vereinfacht. Separate Leitungen von der Aufbereitungseinheit zum Leitungssystem, wie dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen üblich ist, entfallen. Durch die Verringerung der außerhalb des Behälters liegenden Anschlüsse und Leitungen wird außerdem die Gefahr von Leckagen verringert. Der Behälter und die Aufbereitungseinheit können auf der kalten Seite der Kühlvorrichtung, insbesondere in Strömungsrichtung des Kühlfluids vor dem Funktionssystem, oder auf der heißen Seite der Kühlvorrichtung, insbesondere in Strömungsrichtung hinter dem Funktionssystem, oder in einer Bypass-Leitung angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann die Kühlvorrichtung einen Kühlfluidkreislauf aufweisen, in dem das Funktionssystem angeordnet ist. Der Behälter kann auch Teil eines Kühlers, insbesondere ein Sammler, sein, so dass die Aufbereitungseinheit im Kühler integriert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Behälter ein Ausgleichsbehälter sein. Der Ausgleichsbehälter, der in einer insbesondere als Kühlkühlkreislauf ausgestalteten Kühlvorrichtung häufig ohnehin vorhanden ist, kann auf der kalten Seite der Kühlvorrichtung angeordnet werden, so dass die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit der Aufbereitungseinheit geringer sein können. Die Aufbereitungseinheit kann so einfacher und preiswerter ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Behälter insbesondere räumlich oben eine verschließbare Öffnung aufweisen, durch die die Aufbereitungseinheit in einen Innenraum des Behälters insbesondere austauschbar eingebracht werden kann. Auf diese Weise ist eine wartungsfreundlicher Austausch von Austauschteilen der Aufbereitungseinheit oder der ganzen Aufbereitungseinheit von oben möglich. Dies ist insbesondere bei der Verwendung bei Kraftfahrzeugen von großen Vorteil, wo aufgrund des begrenzten Einbauraums bei aus dem Stand der Technik bekannten Kühlvorrichtungen der Austausch von Austauschteilen der Aufbereitungseinheit bisher nur von unten möglich war. Hierzu muss das Kraftfahrzeug angehoben oder über einer Grube platziert werden und eine Bodenverkleidung abgenommen werden, um an das Austauschteil zu gelangen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Aufbereitungseinheit einen Ionentauscher aufweisen, insbesondere eine Ionentauscherkartusche sein. Mit einem Ionentauscher kann einfach und effizient vorzugsweise mittels Umsalzung, Teilentsalzung oder Vollentsalzung insbesondere die Leitfähigkeit eines wässrigen Kühlfluids reduziert werden, was insbesondere bei Brennstoffzellensystemen erforderlich ist. Es können auch Ionentauscher verwendet werden, die zur Enthärtung von wässrigem Kühlfluid geeignet sind, um eine Kalkabscheidung in der Kühlvorrichtung zu vermindern oder gänzlich zu unterbinden. Ionentauscherkartuschen können einfach ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise kann der Ionentauscher eine Presseinrichtung zur Pressung eines granulatartigen Ionentauschermediums aufweisen. Durch die Pressung wird verhindert, dass das Kühlfluid bei der Durchströmung des Ionentauschers bevorzugte Strömungswege bildet, was zu einer ungleichmäßigen Belastung des Ionentauschermediums und zu einer Verkürzung der Standzeit führt. Die Presseinrichtung kann vorzugsweise eine mit einer vorgespannten Feder belasteten Pressscheibe aufweisen. Die Feder kann dabei vorzugsweise so angeordnet sein, dass sie mit dem Kühlfluid nicht in Berührung kommt, so dass eine Korrosion oder eine andersartige chemische Reaktion mit dem Material der Feder ausgeschlossen wird.
Ferner kann vorteilhafterweise der Behälter und/oder die Aufbereitungseinheit wenigstens ein Bauteil, insbesondere eine Ummantelung für die Aufbereitungseinheit, aufweisen, das eine Strömung des Kühlfluids durch die Aufbereitungseinheit vorgibt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Kühlfluid die Aufbereitungseinheit durchströmt und entsprechend aufbereitet wird.
Um zu verhindern, dass das Kühlfluid bei Bewegungen des Behälters hin und her schwappt, können vorteilhafterweise in dem Behälter Schwall- oder Schwappeinrichtungen, insbesondere Schwallwände und/oder Schwallrippen, für das Kühlfluid angeordnet sein. Insbesondere bei der Verwendung bei Kraftfahrzeugen, bei denen der Behälter bei einer Fahrt bewegt wird, ist dies von großem Vorteil.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Aufbereitungseinheit so ausgestaltet ist, dass sie in einer entsprechenden Aufnahme des Behälters angeordnet werden kann. Die oben genannten Vorteile der Kühlvorrichtung gelten für die Aufbereitungseinheit entsprechend.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Aufbereitungseinheit einen Ionentauscher aufweisen, insbesondere eine Ionentauscherkartusche sein, der eine Presseinrichtung zur Pressung eines granulatartigen Ionentauschermediums aufweist.
Die Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlfluidbehälter eine Aufnahme zur Integration der Aufbereitungseinheit aufweist. Die oben genannten Vorteile der Kühlvorrichtung gelten für die Kühlfluidbehälter entsprechend.
Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch die Ionentauscherkartusche mit einer Presseinrichtung zum Pressen des Ionentauschermediums. Dies hat den Vorteil, dass das Ionentauschermedium gleichmäßig gepresst und die Ausbildung von bevorzugten Strömungskanälen verhindert wird. Das Ionentauschermedium wird von dem aufzubereitenden Fluid gleichmäßig durchströmt, was Ionentausch-Effizienz und die Standzeiten erhöht. Auf diese Weise kann die Ionentauscherkartusche kompakt und platzsparend aufgebaut sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen
1 schematisch einen Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Austauschbehälter, in dem eine Ionentauscherkartusche integriert ist;
2 schematisch eine erste Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Austauschbehälters mit Ionentauscherkartusche, wie sie in dem Kühlkreislauf aus der 1 Verwendung finden;
3 schematisch eine zweite Seitenansicht des Austauschbehälters aus der 2;
4 schematisch eine Ansicht des Austauschbehälters aus der 2 von schräg oben;
5 schematisch einen Längsschnitt des Austauschbehälters aus der 2 entlang der dortigen Linie V-V;
6 schematisch einen Querschnitt des Austauschbehälters aus der 2 entlang der dortigen Linie VI-VI;
7 schematisch einen Längsschnitt eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Austauschbehälters mit Ionentauscherkartusche, wie sie in dem Kühlkreislauf aus der 1 Verwendung finden;
8 schematisch einen Längsschnitt eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines Austauschbehälters mit Ionentauscherkartusche, wie sie in dem Kühlkreislauf aus der 1 Verwendung finden;
9 schematisch eine isometrische Darstellung einer zu der Ionentauscherkartusche aus der 8 ähnlichen Ionentauscherkartusche;
10 schematisch einen Kartuschendeckel der Ionentauscherkartusche aus der 9;
11 schematisch einen Schnitt des Kartuschendeckels aus den 9 und 10;
12 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Kühlers, in dessen Sammler eine Ionentauscherkartusche angeordnet ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Kühlkreislauf 10 eines Brennstoffzellensystems 12 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 12 kann eine oder mehrere Brennstoffzellen aufweisen.
Der Kühlkreislauf 10 umfasst ein Hauptleitungssystem 14 für ein Kühlfluid, welches aus Kühlwasser oder einer wässrigen Kühlfluid-Mischung besteht. Das Hauptleitungssystem 14 ist zur Kühlung mit dem Brennstoffzellensystem 12 verbunden. Im Hauptleitungssystem 14 befindet sich ferner eine Pumpe 16 für das Kühlfluid und ein Wärmetauscher 18 in Form eines Kühlers.
Der Kühlkreislauf 10 umfasst ferner einen in den 2 bis 6 im Detail gezeigten Ausgleichsbehälter 20 für das Kühlfluid. Der Ausgleichsbehälter 20 befindet sich in einer Bypass-Leitung 22, die mit dem Hauptleitungssystem 14 fluidleitend verbunden ist. In dem Ausgleichsbehälter 20 ist eine Ionentauscherkartusche 24 zur Aufbereitung des Kühlfluids integriert. Mit der Ionentauscherkartusche 24 wird die Leitfähigkeit des Kühlfluids verringert. In dem Hauptleitungssystem 14 ist ein Thermoventil 26 angeordnet. Über das Thermoventil 26 wird in hier nicht weiter interessierender Weise die Strömung des Kühlfluids durch die Bypass-Leitung 22 und den Ausgleichsbehälter 20 gesteuert.
Der in der 5 im Schnitt gezeigte Ausgleichsbehälter 20 umfasst ein Basisteil 30, der mit einem Deckelteil 32 dicht verschlossen ist. Das Deckelteil 32 ist mit dem Basisteil 30 verschweißt.
In dem Ausgleichsbehälter 20 sind Schwallwände 34 für das Kühlfluid angeordnet, die den Ausgleichsbehälter 20, wie in 6 gezeigt, in 6 Kammern 36 unterteilt. Die Schwallwände 34 verhindern, dass das Kühlfluid bei Bewegungen des Ausgleichsbehälters 20 hin und her schwappt. Die Schwallwände 34 weisen im unteren Bereich Durchströmöffnungen 38 auf, durch die das Kühlfluid zwischen den Kammern 36 strömen kann. In ihren oberen Bereichen weisen die Schwallwände 34 Ausgleichsöffnungen 40 auf, durch die insbesondere zum Druckausgleich Luft zwischen den Kammern 36 strömen kann.
In einer Aufnahmekammer 42 des Ausgleichsbehälters 20 ist die Ionentauscherkartusche 24 angeordnet. Die Aufnahmekammer 42 ist durch einen Innenzylinder 44 begrenzt, in dem die Ionentauscherkartusche 24 eingesteckt ist. Der Innenzylinder 44 ist, wie in der 5 gezeigt, umfänglich dicht mit dem Boden des Ausgleichsbehälters 20 verbunden. Der Boden des Ausgleichsbehälters 20 bildet auch einen Kammerboden 46 der Aufnahmekammer 42. Der obere Rand des Innenzylinders 44 ist frei, so dass dort Verbindungsöffnungen 48 zu den an den Innenzylinder 44 angrenzenden Kammern 36 des Ausgleichsbehälters 20 realisiert sind. Der abgestufte, insgesamt trichterartig geformte Kammerboden 46 begrenzt einen Zulaufraum 50, in den ein Zulaufstutzen 52 führt. Der Zulaufstutzen 52 ist zur Zuführung von Kühlfluid in den Ausgleichsbehälter 20 mit der Bypass-Leitung 22 verbunden. An der der Ionentauscherkartusche 24 zugewandten Innenseite des Kammerbodens 46 ist ein zum Innenzylinder 44 koaxialer Auflagering 54 angeformt, auf den sich die Ionentauscherkartusche 24 in axialer Richtung abstützt.
Die Schwallwände 34, der Innenzylinder 44 und das Basisteil 30 sind vorzugsweise einstückig bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet.
Die Ionentauscherkartusche 24 ist über den Zulaufraum 50 und den Zulaufstutzen 52 mit der Bypass-Leitung 22 fluidleitend verbunden.
Neben der Aufnahmekammer 42 ist im Boden des Ausgleichsbehälters 20 eine in der 6 gezeigte Austrittsöffnung 54 angeordnet, die an der Außenseite des Ausgleichsbehälters 20 von einem in den 2 und 3 dargestellten Austrittsstutzen 56 umgeben ist. Der Austrittsstutzen 56 ist zur Abführung von Kühlfluid aus dem Ausgleichsbehälter 20 mit der Bypass-Leitung 22 verbunden.
Der Ausgleichsbehälter 20 weist räumlich oben am Deckelteil 32 einen Aufnahmenstutzen 58 mit einer zu dem Innenzylinder 44 der Aufnahmekammer 42 koaxialen Aufnahmeöffnung 60 auf. Durch die Aufnahmeöffnung 60 kann die Ionentauscherkartusche 24 in die Aufnahmekammer 42 des Ausgleichsbehälters 20 eingebracht und einfach ausgetauscht werden. Der Aufnahmestutzen 58 weist ein Innengewinde auf, in das zum Verschließen der Aufnahmeöffnung 60 ein becherförmiger Aufnahmedeckel 62 mit einem Außengewinde eingeschraubt ist. Der Aufnahmedeckel 62 weist eine umfängliche Dichtungsnut 64 mit einer Ringdichtung 66 auf, die den Aufnahmedeckel 62 gegen den Aufnahmestutzen 58 abdichtet. Die offene Stirnseite des Aufnahmedeckels 62 zeigt zum Inneren des Ausgleichsbehälters 20 hin. Im Inneren des Aufnahmedeckels 62 ist ein sich in axialer Richtung erstreckender hohler Schubzylinder 68 befestigt, vorzugsweise einstückig mit dem Aufnahmedeckel 62, dessen freier Rand beim Einschrauben des Aufnahmedeckels 62 axial zum Innenzylinder 44 gegen eine Pressscheibe 70 der Ionentauscherkartusche 24 drückt.
Neben dem Aufnahmestutzen 58 ist am Deckelteil 32 ein Nachfüllstutzen 72 zum Nachfüllen von Kühlfluid angeordnet. Der Nachfüllstutzen 72 ist mit einem in den 1 bis 6 nicht gezeigten Schraubverschluss verschließbar, welcher über ein nicht weiter interessierendes Druckausgleichssystem verfügt.
Die Ionentauscherkartusche 24 ist gefüllt mit in der 5 lediglich angedeutetem Ionentauscher-Granulat 73, auf dessen Wirkungsweise hier nicht weiter eingegangen wird. Die Ionentauscherkartusche 24 weist eine Ummantelung 74 auf, die in einem oberen Bereich Ausströmöffnungen 76 für das Kühlfluid aufweist. Die Ausströmöffnungen 76 fluchten mit den Verbindungen 48 des Innenzylinders 44. Ein Kartuschenboden 78 der Ionentauscherkartusche 24 weist in der 6 gezeigte Einströmöffnungen 80 auf, durch die das Kühlfluid aus dem Zulaufraum 50 in das Innere der Ionentauscherkartusche 24 strömen kann.
Das Kühlfluid muss das Ionentauscher-Granulat 73 von unten nach oben in Richtung eines Pfeils 81 durchströmen und wird dort aufbereitet. Es kann nur durch die Ausströmöffnungen 76 aus der Ionentauscherkartusche 24 gelangen. Auf diese Weise ist die Strömung des Kühlfluids durch die Ionentauscherkartusche 24 vorgeben. Von den Ausströmöffnungen 76 strömt das aufbereitete Kühlfluid durch die Verbindungsöffnungen 48 in die Kammern 36. Von dort aus strömt das Kühlfluid über die Austrittsöffnung 54 und den Austrittsstutzen 56 in die Bypass-Leitung 22b.
Der Innenzylinder 44 ummantelt die Ionentauscherkartusche 24 zusätzlich. Bei der Verwendung einer nicht gezeigten alternativen Ionentauscherkartusche mit fluiddurchlässiger, beispielsweise gitterartiger Ummantelung gibt der Innenzylinder 44 die Strömung des Kühlfluids durch die Ionentauscherkartusche vor, indem er verhindert, dass das Kühlfluid bereits in einem unteren Bereich der Ionentauscherkartusche 24 durch die Ummantelung aus dieser austritt, ohne das gesamte Ionentauscher-Granulat 73 durchströmt zu haben.
Die Ummantelung 74 ist im Bereich des Kartuschenbodens 78 abgestuft und an die Form des Kammerbodens 46 angepasst. Die Ummantelung 74 weist eine umfängliche Dichtungsnut 82 mit einer Ringdichtung 84 auf. Die Ringdichtung 84 dichtet die Ummantelung 74 radial gegen einen in axialer Richtung verlaufenden Bereich am Kammerboden 46 ab.
An ihrer oberen Stirnseite ist die Ionentauscherkartusche 24 mit der Pressscheibe 70 verschlossen, welche in der Ummantelung 74 der Ionentauscherkartusche 24 in axialer Richtung verschiebbar ist. Beim Einschrauben des Schraubdeckels 62 wird die Pressscheibe 70 mit dem Schubzylinder 68 in axialer Richtung gedrückt und presst so das Ionentauscher-Granulat von 70. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Kühlfluid bevorzugte Strömungswege im Ionentauscher-Granulat 73 bildet.
Der Ausgleichsbehälter 20 verfügt ferner über einen in den 5 und 6 gezeigten Füllstandsensor 86 mit einem Schwimmer 88. Ein in den 2, 3 und 5 gezeigter Anschluss 90 des Füllstandsensors 86 ist von außen zugänglich am Boden des Ausgleichsbehälters 20 angeordnet.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in der 7, sind diejenigen Elemente, die zu denen des ersten, in den 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiels ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von ersten dadurch, dass ein Kartuschendeckel 110 vorgesehen ist, der mittels Rastverbindungen 112 fest auf die Ummantelung 74 der Ionentauscherkartusche 24 aufgesteckt ist.
Die Rastverbindungen 112 umfassen paarweise zusammenwirkende Rastnasen und Rastösen. Die Rastnasen befinden sich an der radial äußeren Umfangsseite der Ummantelung 74. Die Rastösen sind an dem Randbereich des Kartuschendeckels 110 angeordnet. Der Schubzylinder 68 des Schraubdeckels 62 ist in axialer Richtung kürzer ausgebildet als beim ersten Ausführungsbeispiel. Der freie Rand des Schubzylinders 68 greift an dem Kartuschendeckel 110 an und drückt so die gesamte Ionentauscherkartusche 24 in axialer Richtung in die Aufnahmekammer 42.
Auf der dem Inneren der Ionentauscherkartusche 24 zugewandten Innenseite des Kartuschendeckels 110 ist die Pressscheibe 70 über einen elastischen, etwa hohlzylindrischen Faltenbalg 114 befestigt. Der Faltenbalg 114 ist zur Ummantelung 74 koaxial. Er ermöglicht eine axiale Bewegung der Pressscheibe 70 in der Ummantelung 74. Die Pressscheibe 70 und der Faltenbalg 114 können einstückig oder aus separaten Bauteilen zusammengesetzt sein.
Der freie Rand des Faltenbalgs 114 ist in einer Nut des Kartuschendeckels 110 befestigt und zwischen dem Kartuschendeckel 110 und dem freien Rand der Ummantelung 74 dicht eingeklemmt. Der Kartuschendeckel 110, der Faltenbalg 114 und die Pressscheibe 70 begrenzen einen Federraum 116. Der Federraum 116 ist gegenüber dem Innenraum der Ionentauscherkartusche 24 dicht verschlossen, so dass kein Kühlfluid in den Federraum 116 gelangen kann. Der Kartuschendeckel 110 weist eine Druckausgleichsöffnung 118 zum Innenraum des Schubzylinders 68 auf. Der Aufnahmedeckel 62 verfügt über einen Angriffszylinder 120, an dem zum Öffnen und Schließen des Kartuschendeckels 110 mit einem Spezialwerkzeug angegriffen werden kann. Auf diese Weise wird erschwert, dass der Kartuschendeckel 110 unbefugt geöffnet werden kann. In dem Federraum 116 ist eine zur Ummantelung 74 koaxiale Spiraldruckfeder 122 angeordnet. Die Spiraldruckfeder 122 stützt sich jeweils mit einem Ende an der Innenseite des Kartuschendeckels 110 und an der dem Kartuschendeckel 110 zugewandten Seite der Pressscheibe 70 ab. Zur Zentrierung der Spiraldruckfeder 122 sind an der Innenseite des Kartuschendeckels 110 und an der entsprechenden Seite der Pressscheibe 70 jeweils ein ringförmiger Führungskragen 124 und 126 angeordnet.
Die Presseinrichtung mit dem Kartuschendeckel 110, der Pressscheibe 70 und der Spiraldruckfeder 122 bewirkt, dass die Pressung automatisch nachgestellt wird, sobald sich beispielsweise das Ionentauscher-Granulat 73 setzt.
In der 7 ist der Nachfüllstutzen 72 mit einem Schraubverschluss 128 verschlossen gezeigt. Der Schraubverschluss 128 weist ein Druckausgleichssystem 130 auf.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in der 8, sind diejenigen Elemente, die zu denen des zweiten, in der 7 beschriebenen Ausführungsbeispiels ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von zweiten dadurch, dass der Aufnahmestutzen 58 ein Außengewinde und der Aufnahmedeckel 62 ein Innengewinde aufweist und der Aufnahmedeckel 62 auf den Aufnahmestutzen 58 geschraubt ist.
Der Kartuschendeckel 110 ist becherförmig ausgestaltet, wobei die Spiraldruckfeder 122 sich mit einem Ende in einer Senke im Boden des Kartuschendeckels 110 abstützt. Die Pressscheibe 70 verfügt über einen äußeren beweglichen Randbereich 132, der im Profil halbkreisförmig zum Federraum 116 hin gewölbt ist. Der bewegliche Randbereich 132 ist mit seinem radial äußeren Rand in einer Nut in der Stirnseite des Randes des Kartuschendeckels 110 befestigt und zwischen dem stirnseitige Rand der Ummantelung 74 und dem stirnseitige Rand des Kartuschendeckels 110dicht eingeklemmt. Der bewegliche Randbereich 132 ermöglicht analog zum Faltenbalg 114 beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Beweglichkeit der Pressscheibe 70 axial zur Ionentauscherkartusche 24, wobei der Federraum 116 dicht gegen den Innenraum der Ionentauscherkartusche 24 verschlossen ist.
In den 9 bis 11 ist eine Ionentauscherkartusche 24 mit einem Kartuschendeckel 110 gezeigt, der zu der Ionentauscherkartusche 24 aus dem dritten Ausführungsbeispiel aus 8 ähnlich ist. Bei dem Kartuschendeckel 110 aus den 9 bis 11 ist an der Stirnseite seines Randes keine Nut für den äußeren Rand des beweglichen Randbereichs 132 vorgesehen.
In der 12 ist ein Kühler 218 eines ansonsten nicht gezeigten Kühlkreislaufs, der zu dem in der 1 gezeigten ähnlich ist, in Explosionsdarstellung gezeigt. Der Kühler 218 umfasst in 12 oben einen Verteiler 222 mit einem Zulaufstutzen für Kühlfluid. In 12 unten ist ein Sammler 220 des Kühlers 218 dargestellt, der einen Ablaufstutzen 256 für das Kühlfluid aufweist. Zwischen dem Verteiler 222 und dem Sammler 220 ist ein Kühlkörper 223 angeordnet. Der Sammler 220 ist ein Behälter im Sinne der Erfindung. In dem Sammler 220 ist ein Innenzylinder 244 angeordnet, der an beiden Stirnseiten offen ist. Der Innenzylinder 244 dient als Aufnahme 242 für die Ionentauscherkartusche 24, deren Ummantelung in diesem Ausführungsbeispiel durchgängig gitterartig ist. Der Sammler 220weist an einer Seite eine verschließbare Öffnung 260 auf, durch die die Ionentauscherkartusche 24 in den Innenzylinder 244 geschoben werden kann.
Anstelle des Sammlers 220 kann auch jeder andere Bereich eines Kühlers, der geeignet ist eine Aufnahme für die Ionentauscherkartusche 24 aufzuweisen, als Behälter im Sinne der Erfindung betrachtet werden.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des Kühlkreislaufs 10, der Ausgleichsbehälter 20, der Ionentauscherkartuschen 24, und des Kühlers 218 sind unter anderem folgende Modifikationen möglich:
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Kühlkreisläufe 10 von Brennstoffzellensystemen 12 von Kraftfahrzeugen. Sie kann auch bei stationären Brennstoffzellensystemen oder bei Kühlvorrichtungen von andersartigen Funktionssystemen, beispielsweise Brennkraftmaschinen oder Klimaanlagen, verwendet werden.
Anstelle der Ionentauscherkartuschen 24 können auch andersartige Ionentauscher oder andersartige Aufbereitungseinheiten, beispielsweise Filter, für Kühlfluid in den Ausgleichsbehältern 20 oder dem Kühler 218 integriert sein.
Die Ionentauscherkartuschen 24 können statt austauschbar auch fest in den Ausgleichsbehältern 20 angeordnet sein. Beispielsweise können auch selbst regenerierende Aufbereitungseinheiten vorgesehen sein, welche nicht ausgetauscht werden müssen.
Die Aufnahmeöffnungen 60 für die Ionentauscherkartuschen 24 können statt oben auch seitlich oder unten in den Ausgleichsbehältern 20 sein.
Statt in den Ausgleichsbehältern 20 können die Ionentauscherkartuschen 24 oder andersartige Aufbereitungseinheiten auch in andersartigen Behältern für das Kühlfluid integriert sein.
Anstelle der Innenzylinder 44 mit nur oben mit Durchlassöffnungen 46 versehenen Ummantelungen 74 der Ionentauscherkartuschen 24 können auch andersartige Bauteile vorgesehen sein, die die Strömung des Kühlfluids durch die Ionentauscherkartuschen 24 vorgeben. Es können auch entweder die Innenzylinder 44 oder die nur oben offenen Ummantelungen 74 der Ionentauscherkartusche 24 vorgesehen sein. Bei der Verwendung von Innenzylindern 44 können auch Ionentauscherkartuschen verwendet werden, die über ihre ganze Höhe fluiddurchlässige Ummantelungen aufweisen.
Anstelle der Schwallwände 34 können auch andersartige Schwall- oder Schwappeinrichtungen, beispielsweise Schwallrippen, für das Kühlfluid in den Ausgleichsbehältern 20 angeordnet sein.
Der Kühlkreislauf 10 kann auch in anderer Weise aufgebaut sein. Beispielsweise können die Ausgleichsbehälter 20 statt in der Bypass-Leitung 22 auch an anderer Stelle, auch im Hauptleitungssystem 14, angeordnet sein. Die Ausgleichsbehälter 20 mit dem Ionentauscherkartusche 24 können auch auf der heißen Seite des Kühlkreislaufs 10 angeordnet sein.
Die Deckelteile 32 können mit dem Basisteilen 30 der Ausgleichsbehälter 20 statt verschweißt auch in anderer Weise dicht verbunden, beispielsweise verschraubt, sein.
Die Ionentauscherkartuschen 24 können statt bei Kühlvorrichtungen auch bei andersartigen Vorrichtungen zur Aufbereitung von unterschiedlichen Fluiden verwendet werden.
Die Strömung des Kühlfluids durch den Ausgleichsbehälter 20 kann auch in umgekehrter Richtung erfolgen. Die Funktionen des Zulaufstutzens 52 und des Austrittsstutzens 56 sind dann vertauscht. Die Ionentauscherkartusche 24 wird dann von oben nach unten durchströmt. Die Zuführung des Kühlfluids in den Ausgleichsbehälter kann auch von oben erfolgen.

Claims

Kühlvorrichtung (10) eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Leitungssystem (14, 22) für ein Kühlfluid, das zur Kühlung mit dem Funktionssystem (12) verbunden ist, mit einem Behälter (20; 220) für das Kühlfluid, der mit dem Leitungssystem (14, 22) fluidleitend verbunden ist, und mit einer Aufbereitungseinheit, insbesondere einem Ionentauscher (24), zur Aufbereitung des Kühlfluids, die mit dem Leitungssystem (14, 22) fluidleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (20; 220) eine Aufnahme (42; 242) für die Aufbereitungseinheit (24) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Ausgleichsbehälter (20) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (20; 220) insbesondere räumlich oben eine verschließbare Öffnung (60; 260) aufweist, durch die die Aufbereitungseinheit (24) in einen Innenraum des Behälters (20; 220) insbesondere austauschbar eingebracht werden kann.
Kühlvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit einen Ionentauscher aufweist, insbesondere eine Ionentauscherkartusche (24) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionentauscher (24) eine Presseinrichtung (70; 110, 122) zur Pressung eines granulatartigen Ionentauschermediums (73) aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (20; 220) und/oder die Aufbereitungseinheit (24) wenigstens ein Bauteil, insbesondere eine Ummantelung (44, 74; 244) für die Aufbereitungseinheit (24), aufweist, das eine Strömung des Kühlfluids durch die Aufbereitungseinheit (24) vorgibt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (20) Schwall- oder Schwappeinrichtungen, insbesondere Schwallwände (34) und/oder Schwallrippen, für das Kühlfluid angeordnet sind.
Aufbereitungseinheit, insbesondere Ionentauscher (24), zur Aufbereitung eines Kühlfluids einer Kühlvorrichtung (10) eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die mit einem Leitungssystem (14, 22) der Kühlvorrichtung (10) für das Kühlfluid, und mit einem Behälter (20; 220) für das Kühlfluid, der mit dem Leitungssystem (14, 22) fluidleitend verbunden ist, fluidleitend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit (24) so ausgestaltet ist, dass sie in einer entsprechenden Aufnahme (42; 242) des Behälters (20; 220) angeordnet werden kann.
Aufbereitungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ionentauscher aufweist, insbesondere eine Ionentauscherkartusche (24) ist, der eine Presseinrichtung (70; 110, 122) zur Pressung eines granulatartigen Ionentauschermediums (73) aufweist.
Kühlfluidbehälter, insbesondere Ausgleichsbehälter (20), einer Kühlvorrichtung (10) eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, der mit einem Leitungssystem (14, 42) für ein Kühlfluid fluidleitend verbindbar ist, das zur Kühlung mit dem Funktionssystem (12) verbunden ist, wobei das Leitungssystem (14, 42) fluidleitend mit einer Aufbereitungseinheit, insbesondere einem Ionentauscher (24), zur Aufbereitung des Kühlfluids verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlfluidbehälter (20) eine Aufnahme (42) zur Integration der Aufbereitungseinheit (24) aufweist.
Ionentauscherkartusche (24) zur Aufbereitung eines Fluides, insbesondere eines Kühlfluids, mit einem Kartuschendeckel (110) und darin angeordnetem granulatartigem Ionentauschermedium (73), gekennzeichnet durch eine Presseinrichtung (70, 110, 122) zum Pressen des Ionentauschermediums (73).