DE102015014463A1

DE102015014463A1 - Adsorptions-Kälteanlage und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102015014463A1
Application number: DE102015014463.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Krobok; Marco Ranalli
Original assignee: Gentherm GmbH
Current assignee: Gentherm GmbH
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Es ist eine Adsorptions-Kälteanlage (2) und ein Verfahren zu deren Betrieb offenbart. Die Anlage (2) umfasst mindestens zwei separate, über einen Fluidkreislauf (12) fluidisch miteinander gekoppelten Adsorptions-Einrichtungen (4, 6), wobei eine erste Absorptions-Einrichtung (4) adsorbierende Eigenschaften und eine zweite Adsorptions-Einrichtung (6) desorbierende Eigenschaften aufweist. Die Anlage (2) umfasst zudem mindestens zwei zu temperierende elektrische Komponenten (18, 20), sowie einen Kondensator (22, 22') sowie einen Verdampfer (24), die jeweils mit dem Fluidkreislauf (12) fluidisch gekoppelt sind. Der Fluidkreislauf (12) stellt eine die mindestens zwei elektrischen Komponenten (18, 20) kühlende Fluidversorgung zwischen den Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und den zu temperierenden elektrischen Komponenten (18, 20) her. Eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung der ersten elektrischen Komponente (18) weist einen höheren Temperaturwert auf als eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung der zweiten elektrischen Komponente (18).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Adsorptions-Kälteanlage gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, insbesondere den zugehörigen Fluidkreislauf zur Bereitstellung eines Adsorptionsprozesses. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Adsorptions-Kälteanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 12.
Fahrzeuge können mit Fahrzeugsystemen ausgestattet sein, welche zur Sicherstellung einer zuverlässigen Funktionsweise entweder beheizt oder gekühlt werden müssen. Dies betrifft insbesondere Fahrzeuge, die mit leistungsfähigen elektrischen Energieversorgungssystemen ausgestattet sind, besonders wenn diese nicht nur der Versorgung von Hilfsantrieben und elektrischen Fahrzeugausstattungen dienen, sondern Antriebsaufgaben erfüllen müssen. So kann bspw. kann eine Batterie bzw. ein Akkumulator, insbesondere in Gestalt einer Lithium-Ionen-Batterie vorhanden sein, welche für den Fahrzeugantrieb genutzt wird. Derartige Batterien produzieren im Belastungszustand, aber auch bei schnellen Ladezyklen erhebliche Wärmemengen.
Bei vielen Einsatzbedingungen ist es notwendig, solche Batterien zu kühlen, da ansonsten die Effizienz oder die Lebensdauer der Batterien beeinträchtigt werden kann. Zum Kühlen von Batterien oder weiterer sich im Fahrzeuginnenraum befindlicher Bauteile werden oftmals Adsorptions-Kälteanlagen eingesetzt. Aus der WO 2006/135346 A1 ist eine solche Elektro-Adsorptions-Kälteanlage bekannt, welche einen druckbeaufschlagten Kreislauf zur Ableitung von Umgebungswärme nutzt. Die Adsorptions-Kälteanlage umfasst dazu einen Kondensator zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit, einen Verdampfer, um Wärme aus der Umgebung abzuleiten, und zwei Reaktionskammern, welche mit dem Kondensator und dem Verdampfer in fluidischem Kontakt stehen. Dabei verfügen die Reaktionskammern über eine Menge an Absorptionsmittel und sind dazu geeignet, in einem Adsorptions- sowie in einem Desorptions-Modus zu wirken. Die Kälteanlage umfasst darüber hinaus zwei thermoelektrische Einrichtungen, welche jeweils in den entsprechenden Reaktoren aufgenommen sind. Bei dieser bekannten Anordnung wird jedoch keine vorhandene Abwärme genutzt. Zudem kann jeweils nur ein einziger elektrischer Verbraucher gekühlt werden.
Angesichts der bekannten Adsorptions-Kälteanlagen besteht eine vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine solche Adsorptions-Kälteanlage weiterzuentwickeln, um die Nachteile des Standes der Technik weitgehend zu vermeiden und damit eine Konfiguration bereitzustellen, die nicht nur eine Nutzung von vorhandener Abwärme im Bereich der Adsorptions-Kälteanlage erlaubt, sondern die auch die Kühlung mehrerer zu kühlender Nutzer bzw. elektrischer Aggregate ermöglicht.
Die obige Aufgabe wird mittels einer Adsorptions-Kälteanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zu deren Betrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die jeweils davon abhängigen Ansprüche beschrieben.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Adsorptions-Kälteanlage mit mindestens zwei separaten, über wenigstens einen Fluidkreislauf fluidisch miteinander gekoppelten Adsorptions-Einrichtungen vor, wobei wenigstens eine erste Absorptions-Einrichtung adsorbierende Eigenschaften und wenigstens eine zweite Adsorptions-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist. Im Fluidkreislauf zirkuliert ein geeignetes Kühlmittel, z. B. Wasser oder ein Gemisch mit Alkohol und Wasser wie etwa Wasser-Glykol. Mit dem wenigstens einen Fluidkreislauf sind mindestens zwei zu temperierende, insbesondere zu kühlende elektrische Nutzer und/oder elektrische Komponenten fluidisch gekoppelt. Außerdem sind mit dem Fluidkreislauf mindestens ein Kondensator sowie mindestens ein Verdampfer fluidisch gekoppelt. Der Fluidkreislauf kann auf diese Weise eine die mindestens zwei Nutzer, insbesondere die zwei elektrischen Nutzer und/oder elektrischen Komponenten kühlende Fluidversorgung zwischen den Adsorptions-Einrichtungen und den zu temperierenden bzw. zu kühlenden Nutzern bzw. elektrischen Nutzen und/oder elektrischen Komponenten herstellen. Dabei ist vorgesehen, dass eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des ersten zu kühlende Nutzers bzw. der ersten elektrischen Komponente einen höheren Temperaturwert aufweist als eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des zweiten zu kühlende Nutzers bzw. der zweiten elektrischen Komponente.
Bei der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage kann der Kühlmittelkreislauf wenigstens einen Haupt-Kreislauf und wenigstens einen Hilfs-Kreislauf umfassen, wobei der wenigstens eine erste elektrische Nutzer und/oder die wenigstens eine erste zu kühlende Komponente im Hilfs-Kreislauf angeordnet und mit diesem fluidisch gekoppelt ist. Zudem kann der wenigstens eine zweite zu kühlende Nutzer und/oder die wenigstens eine zweite elektrische Komponente im Haupt-Kreislauf angeordnet und mit diesem direkt oder über einen Wärmeübertrager fluidisch gekoppelt sein.
Der erste zu kühlende Nutzer bzw. der erste elektrische Nutzer bzw. die erste elektrische Komponente kann bspw. durch einen Gleichspannungswandler oder einen sog. DC/DC-Konverter o. dgl. gebildet sein. Der zweite elektrische Nutzer bzw. die zweite elektrische Komponente kann insbesondere durch einen Akkumulator oder eine Fahrzeugbatterie gebildet sein.
Eine Strömungsrichtung des sich in dem Kühlmittelkreislauf befindlichen und dort zirkulierenden und für den Wärmetransport sorgenden Kühlmittels kann vorzugsweise mittels schaltbarer Ventile verändert werden.
Weiterhin kann bei der Adsorptions-Kälteanlage vorgesehen sein, dass zumindest eine thermoelektrische Einrichtung einen Wärmeübertragungsbereich zwischen wenigstens einer der Adsorptions-Einrichtungen und dem wenigstens einen Fluidkreislauf herstellt. Wahlweise kann vorgesehen sein, dass jeweils eine thermoelektrische Einrichtung einen Wärmeübertragungsbereich zwischen jeder der wenigstens zwei Adsorptions-Einrichtungen und dem wenigstens einen Fluidkreislauf herstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Kühleinrichtung zur Kühlung des sich in dem Fluidkreislauf befindlichen und dort zirkulierenden Kühlmittels eine externe Einrichtung, insbesondere einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher umfasst, welche/welcher eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus einer Fahrzeugkabine erzeugt und/oder eine Motorkühlungseinrichtung umfasst.
Wahlweise kann eine isolierende Schicht vorgesehen sein, die den Verdampfer und den Kondensator und/oder den Wärmetauscher voneinander abschirmt.
Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer zusätzlichen Kondensations-Einrichtung fluidisch gekoppelt ist, die einen Teilstrom des Kühlfluids des Kühlmittelkreislaufs aufnimmt. Hierbei kann insbesondere ein variabler Teilstrom unter Umgehung der ersten und/oder zweiten Adsorptions-Einrichtung durch die Kondensations-Einrichtung geleitet werden.
Die Adsorptions-Kälteanlage gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens zwei voneinander beabstandete Adsorber-Einrichtungen, wobei eine erste Adsorber-Einrichtung adsorbierende Eigenschaften, und eine zweite Adsorber-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist. Weiterhin sind mindestens zwei zu kühlende elektrische Nutzer vorhanden. Bei den elektrischen Nutzern kann es sich bspw. um eine Fahrzeugbatterie oder einen Spannungskonverter, insbesondere einen DC/DC-Konverter handeln. Ein Fluidkreislauf, welcher ein Kühlmittel enthält und im Folgenden als Kühlmittelkreislauf bezeichnet wird, sorgt für eine betriebszustandsgemäße Kühlung der elektrischen Nutzer, indem der Kühlmittelkreislauf die Adsorber-Einrichtungen, die an den Adsorptions-Einrichtungen angebrachten thermoelektrischen Einrichtungen, die zu kühlenden elektrischen Nutzer sowie wenigstens einem Kondensator und einem Verdampfer verbindet. Für einen optimalen Kühlvorgang besteht der Kühlmittelkreislauf aus einem Haupt-Kreislauf und einem Hilfs-Kreislauf. Der Haupt-Kreislauf stellt eine Kühlmittelverbindung zwischen den beiden parallel geschalteten Adsorber-Einrichtungen, dem wenigstens einen Kondensator sowie dem wenigstens einen Verdampfer, durch welchen die Kühlung eines zweiten Nutzers vorgenommen werden kann, bereit. Durch den Hilfs-Kreislauf erfolgt eine Kühlmittelverbindung zwischen an den beiden Adsorber-Einrichtungen angebrachten thermoelektrischen Einrichtungen (TED), und einem ersten Nutzer. Der Kühlmittelkreislauf zwischen den TED und dem ersten zu kühlenden Nutzer kann bspw. mittels eines Zwei-Wege-Ventils geregelt werden. Mit Hilfe des Hilfs- und des Haupt-Kreislaufs kann eine betriebszustandsgemäße Kühlung des ersten sowie des zweiten Nutzers bereitgestellt werden, wobei die Kühlmitteltemperatur zur Kühlung des ersten Nutzers einen höhere Temperaturwert aufweist als die Kühlmitteltemperatur des zweiten Nutzers. Dazu kann der Haupt-Kreislauf, welcher einen Adsorptions-Kreislauf darstellt, mit Wasser gefüllt sein, der Hilfs-Kreislauf, ein Hochtemperatur-Kreislauf, mit einem Wasserglykol.
Während des Adsorptions-Prozesses der ersten Adsorber-Einrichtung, welche adsorbierende Eigenschaften aufweist, entsteht Wärme. Über die mit der ersten Adsorber-Einrichtung verbundene TED wird die entstandene Wärme in den Kühlmittelkreislauf gepumpt. Während des Verbleibs in dem Kühlkreislauf wird das Kühlmittel auf eine mittlere Temperatur aufgeheizt. Anschließend durchströmt das Kühlmittel die Kühleinrichtung des ersten zu kühlenden Nutzers, bei welchem es sich bspw. um einen Spannungskonverter handeln kann, und kühlt diesen ab.
Nach diesem Vorgang verfügt die thermische Energie des Kühlmittels über ein hohes Temperaturniveau. Sofern das jeweils eingesetzte Medium über einen Phasenwechsel hinaus erhitzt wird, so dass es verdampft, lässt sich die Wärmekapazität noch effektiver ausnutzen. Zudem könnte ein Stofftransport durchgeführt werden, der einem Heatpipe-Prinzip entspricht. Ggf. wäre hierzu ein weiterer bzw. zusätzlicher Kondensator sinnvoll, der bspw. am externen Kühlkreislauf ergänzt werden kann.
Das erhitzte Kühlmittel wird anschließend der zweiten Adsorber-Einrichtung zugeführt, welche desorbierende Eigenschaften aufweist. Dadurch kühlt sich das Kühlmittel entsprechend ab. Sofern diese Abkühlung des Kühlmittels nicht ausreichend ist, kann eine zusätzliche Abkühlung über eine weitere Kühlungs-Einrichtung, bspw. einem nachgeschalteten Umgebungs-Wärmetauscher, erfolgen, bevor das Kühlmittel erneut der Wärmeaufnahme aus dem Adsorptionsprozess zugeführt wird. Mittels Ventilen kann dabei die Flussrichtung des Kühlmittels gesteuert werden.
Sobald der Adsorber der zweiten Adsorber-Einrichtung einen gesättigten Zustand erreicht, wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf mittels eines Zwei-Wege-Ventils und die Polarität der TED (sofern vorhanden) umgeschaltet. Dadurch kann gesättigtes Adsorber-Material durch eine Wasserabgabe desorbiert werden. Im Interesse eines höheren Wirkungsgrades kann es auch sinnvoll sein, mehrere Adsorber mit jeweils unterschiedlichen Sättigungsgraden parallel zu betreiben und diese bei Bedarf zeitversetzt umzuschalten. Während des Desorptionsprozesses wird Wasserdampf frei. Dieser wird durch den sich ebenfalls im Kühlmittelkreislauf befindlichen Kondensator wieder verflüssigt und dem Verdampfer zugeführt. Dies kann ggf. auch mehrere Kühlkreisläufe und/oder einen Hilfskreislauf betreffen, wobei ggf. jeweils unterschiedliche Medien eingesetzt werden können. Durch den Verdampfer kann ein zweiter zu kühlender Nutzer gekühlt werden. Bei dem zweiten zu kühlenden Nutzer kann es sich bspw. um eine Fahrzeugbatterie handeln. Der Verdampfer kühlt während dieses Vorgangs den zweiten Nutzer bei einer im Vergleich zu dem ersten Nutzer niedrigeren Temperatur ab. Das Kühlmittel wird nach dem Kühlungsprozess des zweiten Nutzers erneut der ersten Adsorber-Einrichtung zugeführt, wobei eine durch den Adsorptionsprozess entstehende Wärme erneut mittels der TED in den Kühlkreislauf gepumpt wird.
Durch diese Vorgehensweise kann ein effizientes Kühlaggregat realisiert werden, wodurch zwei unterschiedliche Nutzer, welche sich auf einem unterschiedlichem Temperaturniveau befinden, gekühlt werden können. Einkoppelnde, desorbierende, und auskoppelnde, adsorbierende, Wärmeströme können je nach Umgebungssituation gesteuert werden.
Als weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage kann eine Anordnungsweise genutzt werden, welche eine Batteriepackung, umfassend eine Fahrzeugbatterie sowie einen Spannungskonverter, vorsieht, die mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen, wie Kühlplatten, gekühlt werden müssen. Typischerweise ist dazu eine Kühltemperatur der Fahrzeugbatterie von ca. 25°C und des Spannungskonverters von ca. 70°C notwendig.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorber-Einrichtungen benötigte Wärme wird dabei aus der von dem Spannungskonverter abgegebenen Hitze gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf genutzt werden. Das Kühlmittel erreicht die erste Adsorber-Einrichtung bei rund 35°C, wird anschließend an den Kondensator weitergeleitet, um den Spannungskonverter zu kühlen, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht. Darauf folgend wird das erwärmte Kühlmittel zur Regeneration der zweiten Adsorber-Einrichtungen verwendet. Mittels Umschaltventilen oder einer Pumpe wird die Flussrichtung des Kühlmittels zu den Adsorber-Einrichtungen vertauscht. Zur Kühlung des Kühlmittels kann zudem bspw. eine Einrichtung, welche eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt, oder eine Motorkühlungseinrichtung genutzt werden.
Als weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage kann eine Anordnungsweise genutzt werden, welche eine Batteriepackung, umfassend eine Fahrzeugbatterie sowie einen Spannungskonverter, vorsieht, die mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen, wie Kühlplatten, gekühlt werden müssen. Typischerweise ist dazu eine Kühltemperatur der Fahrzeugbatterie von 25°C und des Spannungskonverters von 70°C notwendig.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorber-Einrichtungen benötigte Wärme wird dabei aus der von dem Spannungskonverter abgegebenen Hitze gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf genutzt werden. Das Kühlmittel erreicht die erste Adsorber-Einrichtung mit rund 35°C, und wird anschließend an den Kondensator weitergeleitet, um den Spannungskonverter zu kühlen, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht. Darauf folgend wird das erwärmte Kühlmittel zur Regeneration der zweiten Adsorber-Einrichtungen verwendet. Bei den jeweiligen Adsorber-Einrichtungen sind Kondensatoren angeordnet. Der Kühlmittelfluss wird derartig geleitet, dass der Querstrom des Kühlmittels eine Kühlung des Kondensators ermöglicht, sobald die jeweilige Adsorber-Einrichtung regeneriert. Wird also die erste Adsorber-Einrichtung regeneriert, erfolgt eine Kühlung des ersten Kondensators. Mittels Umschaltventilen wird die Flussrichtung des Kühlmittels zu den Adsorber-Einrichtungen vertauscht. Alternativ kann auch eine Pumpe verwendet werden, welcher eine Umkehrung der Flussrichtung des Kühlmittels ermöglicht. Zur Kühlung des Kühlmittels kann zudem bspw. eine Einrichtung, welche eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt, oder eine Motorkühlungseinrichtung genutzt werden.
Weitere Varianten der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage können vorsehen, dass die Adsorptions- und/oder Desorptionsflächen oder -körper durch zusätzliche Mittel temperiert werden. Diese zusätzliche Mittel können bspw. TED, Heizelemente o. dgl. sein. Mit dem Begriff der Temperierung kann eine Beheizung oder Kühlung gemeint sein. Mittels dieser zusätzlichen Temperierung der Adsorptions- und/oder Desorptionsflächen oder -körper kann insbesondere zumindest zeitweise oder auch dauerhaft die Ad-/Desorptionsfähigkeit eingestellt bzw. gesteigert werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass durch zusätzliche Mittel wie bspw. den TEDs oder den erwähnten Heizelementen Wärme zwischen den Adorber-/Desorberflächen oder -körper ausgetauscht bzw. transportiert werden kann.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe schlägt die Erfindung weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptions-Kälteanlage, insbesondere einer Adsorptions-Kälteanlage gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten vor, bei der mindestens zwei separate Adsorptions-Einrichtungen über wenigstens einen Fluidkreislauf mit darin zirkulierendem Kühlmittels fluidisch miteinander gekoppelt sind, wobei wenigstens eine erste Absorptions-Einrichtung adsorbierende Eigenschaften und wenigstens eine zweite Adsorptions-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist. Bei dem Verfahren ist weiterhin vorgesehen, dass mindestens zwei zu temperierende, insbesondere zu kühlende elektrische Nutzer und/oder elektrische Komponenten mit dem Fluidkreislauf fluidisch gekoppelt sind, wobei mindestens ein Kondensator sowie mindestens ein Verdampfer jeweils mit dem Fluidkreislauf fluidisch gekoppelt sind. Der Fluidkreislauf stellt eine die mindestens zwei elektrischen Nutzer und/oder elektrischen Komponenten kühlende Fluidversorgung zwischen den Adsorptions-Einrichtungen und den zu temperierenden bzw. zu kühlenden elektrischen Nutzen und/oder elektrischen Komponenten her. Bei dem Verfahren liegt eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des ersten zu kühlende Nutzers bzw. der ersten elektrischen Komponente höher als eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des zweiten zu kühlende Nutzers bzw. der zweiten elektrischen Komponente.
Der Kühlmittelkreislauf kann wenigstens einen Haupt-Kreislauf und wenigstens einen Hilfs-Kreislauf umfassen, wobei der wenigstens eine erste elektrische Nutzer und/oder die wenigstens eine erste elektrische Komponente vom Kühlmittel im Hilfs-Kreislauf durchströmt werden, und wobei der wenigstens eine zweite elektrische Nutzer und/oder die wenigstens eine zweite elektrische Komponente vom Kühlmittel im Haupt-Kreislauf durchströmt werden. Vorzugsweise kann eine Strömungsrichtung des sich in dem Kühlmittelkreislauf befindlichen und dort für den Wärmetransport zirkulierenden Kühlmittels über verstellbare Ventilen verändert werden.
Zumindest eine thermoelektrische Einrichtung kann zudem einen Wärmeübertragungsbereich zwischen wenigstens einer der Adsorptions-Einrichtungen und dem wenigstens einen Fluidkreislauf herstellen. Wahlweise kann jeweils eine thermoelektrische Einrichtung einen Wärmeübertragungsbereich zwischen jeder der wenigstens zwei Adsorptions-Einrichtungen und dem Fluidkreislauf herstellen. Außerdem kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass wenigstens eine Kühleinrichtung zur Kühlung des sich in dem Fluidkreislauf befindlichen Kühlmittels eine externe Einrichtung, insbesondere einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher umfasst, welche/welcher eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus einer Fahrzeugkabine erzeugt und/oder eine Motorkühlungseinrichtung umfasst.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer zusätzlichen Kondensations-Einrichtung fluidisch gekoppelt ist, die einen Teilstrom des Kühlfluids des Kühlmittelkreislaufs aufnimmt. Wahlweise kann ein variabler Teilstrom unter Umgehung der ersten und/oder zweiten Adsorptions-Einrichtung durch die Kondensations-Einrichtung strömen.
Weitere Varianten des Verfahrens können vorsehen, dass die Adsorptions- und/oder Desorptionsflächen oder -körper durch zusätzliche Mittel temperiert werden. Diese zusätzliche Mittel können bspw. TED, Heizelemente o. dgl. sein. Mit dem Begriff der Temperierung kann eine Beheizung oder Kühlung gemeint sein. Mittels dieser zusätzlichen Temperierung der Adsorptions- und/oder Desorptionsflächen oder -körper kann insbesondere zumindest zeitweise oder auch dauerhaft die Ad-/Desorptionsfähigkeit eingestellt bzw. gesteigert werden. Weiterhin kann das Verfahren vorsehen, dass durch zusätzliche Mittel wie bspw. den TEDs oder den erwähnten Heizelementen Wärme zwischen den Adorber-/Desorberflächen oder -körper ausgetauscht bzw. transportiert werden kann.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass einzelne Elemente in den Figuren stark schematisch dargestellt sind und deshalb nicht den realen Größenverhältnissen entsprechen müssen; zudem sind einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante der Adsorptions-Kälteanlage.
3 zeigt eine gegenüber der Ausführungsvariante gemäß 2 leicht abgewandelte Variante der Adsorptions-Kälteanlage.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage.
5 zeigt eine gegenüber der Ausführungsvariante gemäß 4 leicht abgewandelte Variante der Adsorptions-Kälteanlage.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente bei den in den 1 bis 6 gezeigten und nachfolgend näher erläuterten Ausführungsvarianten der Erfindung werden in der Regel identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der besseren Übersichtlichkeit halber teilweise nur solche Bezugszeichen in einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
Die schematische Ansicht der 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer durch eine thermoelektrische Einrichtung unterstützten Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst zwei separate und/oder voneinander beabstandete Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6. Die erste Adsorber- oder Adsorptions-Einrichtung 4 besitzt dabei adsorbierende Eigenschaften, die zweite Adsorber- bzw. Adsorptions-Einrichtungen 6 desorbierende Eigenschaften. Diese beiden Adsorber- bzw. Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 sind jeweils mit ihnen zugeordneten thermoelektrischen Einrichtungen 8 und 10 verbunden, die im folgenden Zusammenhang teilweise auch verkürzt als TED 8 bzw. TED 10 bezeichnet werden sollen. Über einen Kühlmittelkreislauf 12, welcher sich aus einem Haupt-Kreislauf 14 und einem Hilfs-Kreislauf 16 zusammensetzt, sind die Adsorber- bzw. Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 bzw. die thermoelektrischen Einrichtungen (TED) 8 und 10 mit zu temperierenden, insbesondere zu kühlenden elektrischen Nutzern 18 und 20 und/oder elektrischen Komponenten 18, 20, verbunden, bei welchen es sich bspw. um einen DC/DC-Konverter 18, d. h. um einen Gleichspannungswandler 18, und eine Fahrzeugbatterie 20 handeln kann.
Der Haupt-Kreislauf 14 ist in einer Weise aufgebaut bzw. verschaltet, dass die separaten, aber parallel geschalteten Adsorber-Einrichtungen 4 und 6 mit einem Kondensator 22, welcher sich in thermischer Verbindung zu der Batterie 20 befindet, und einem Verdampfer 24 in Reihe angeordnet sind. Die Zu- und Ableitungen 50 der Adsorber-Einrichtungen 4 und 6 sind jeweils mit Ventilen 26 versehen, um die Flussrichtung des sich in dem Kühlmittelkreislauf 14 befindlichen Kühlmittels und somit die Durchströmungsrichtungen der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 regeln bzw. ändern zu können. Bei dem Kühlmittel des Adsorptions-Kreislaufs 14 kann es sich bspw. um Wasser oder um ein anderes geeignetes Kühlfluid handeln. Zusätzlich kann bedarfsweise weiteres Kühlmittel 36 dem Kreislauf 14 zugeführt werden.
Der Hilfs-Kreislauf 16 verbindet die ersten und zweiten thermoelektrischen Einrichtungen (TED) 8 und 10 mit dem zu kühlenden DC/DC-Konverter 18. Der Hilfs-Kreislauf 16 ist in einer Weise aufgebaut, dass die Flussrichtung des Kühlmittels 36 mittels eines Zwei-Wege-Ventils 28 verändert werden kann. Da es sich bei dem Hilfs-Kreislauf 16 um einen Hochtemperatur-Kreislauf handelt, kann als Kühlmittel 36 bspw. eine Mischung aus Wasser und Glykol (Wasserglykol) verwendet werden. Um eine zusätzliche Kühlung für das Kühlmittel 36 bereitzustellen, kann eine externe Kühleinrichtung 30 in den Kühlmittelkreislauf 16 integriert werden. Die Strömungs- bzw. Flussrichtung des Kühlmittels 36 im Hilfskreislauf 16 ist beispielhaft durch Pfeile 32 angedeutet.
Während des Adsorptions-Prozesses der ersten Adsorber-Einrichtung 4, die definitionsgemäß adsorbierende Eigenschaften aufweist, entsteht Wärme. Über die mit der ersten Adsorber-Einrichtung 4 verbundene erste thermoelektrische Einrichtung (TED) 8 wird die entstandene Wärme in den Kühlmittelkreislauf 16 überführt bzw. gepumpt. Die abgegebene Wärme wird anhand der Pfeile 34 verdeutlicht. Während des Verbleibs in dem Kühlkreislauf 16 wird das Kühlmittel 36 auf eine mittlere Temperatur aufgeheizt. Anschließend durchströmt das Kühlmittel 38 die Kühleinrichtung 38 des DC/DC-Konverters 18 und kühlt diesen. Die Wärmeabgabe wird durch weitere Pfeile 34' symbolisiert.
Nach diesem Vorgang verfügt das Kühlmittel 36 über eine hohe thermische Energie, da sich das Kühlmittel 36 auf hohem Temperaturniveau befindet. Das solcherart erhitzte Kühlmittel 36 wird anschließend aufgrund der Einstellung des Zwei-Wege-Ventils 28 der zweiten thermoelektrischen Einrichtung (TED) 10 zugeleitet, welche mit der desorbierend wirkenden zweiten Adsorptions-Einrichtung 6 verbunden ist. Die Wärme 34'' des Kühlmittels 36 wird an die zweite thermoelektrische Einrichtung (TED) 10 übertragen. Dadurch kühlt sich das Kühlmittel 36 entsprechend ab. Sofern die Abkühlung des Kühlmittels 36 nicht ausreichend ist, kann eine weitere Abkühlung 34''' über einen Umgebungs-Wärmetauscher 30 erfolgen, bevor das Kühlmittel 36 erneut der Wärmeaufnahme aus dem Adsorptions-Prozess zugeführt wird.
Sobald der Adsorber der zweiten Adsorptions-Einrichtung 6 einen gesättigten Zustand erreicht hat, wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels 36 in dem Kühlmittelkreislauf 16 bzw. dem Hilfs-Kreislauf 16 mittels des Zwei-Wege-Ventils 28 und der Polarität der thermoelektrischen Einrichtungen (TED) 8 und 10 umgeschaltet. Dadurch kann gesättigtes Adsorber-Material durch die Abgabe von Wasser desorbiert werden. Während dieses Desorptions-Prozesses wird Wasserdampf frei. Dieser wird durch den mit dem Kühlmittelkreislauf 14 bzw. dem Haupt-Kreislauf 14 verbundenen Kondensator 22 wieder verflüssigt und dem Verdampfer 24 zugeführt. Wie erwähnt, kann mittels des Verdampfers 24 die Batterie 20 gekühlt werden. Der Verdampfer 24 kühlt während dieses Vorgangs die Batterie 20 bei einer im Vergleich zu dem DC/DC-Konverter 18 niedrigeren Temperatur ab. Das Kühlmittel 36 wird nach dem Kühlungsprozess der Batterie 20 erneut der ersten Adsorptions-Einrichtung 4 zugeführt, wobei eine durch den Adsorptions-Prozess entstehende Wärme 34' wiederum mittels der ersten thermoelektrischen Einrichtung (TED) 8 in den Kühlkreislauf 16 zurückgeführt bzw. zurückgepumpt wird.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in 1 gezeigten beiden Kreisläufe normalerweise als erste und zweite Kreisläufe oder als Kreislauf und Hilfskreislauf bezeichnet und angesehen werden können.
Das schematische Blockschaltbild der 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst eine Batteriepackung 46, welche sich aus einem Gleichspannungswandler 18 bzw. einem DC/DC-Konverter 18 und einer Fahrzeugbatterie 20 zusammensetzt. Der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 sowie die Fahrzeugbatterie 20 müssen mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen gekühlt werden. Typischerweise ist zur Kühlung des Gleichspannungswandlers (DC/DC-Konverters) 18 eine Kühltemperatur von ca. 70°C und zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 20 eine Kühltemperatur von ca. 25°C sinnvoll bzw. notwendig. Deshalb sind zwischen dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 und der Fahrzeugbatterie 20 ein Kondensator 22 und ein Verdampfer 24 angeordnet. Der Kondensator 22 ist von dem Verdampfer 24 mittels einer isolierenden Schicht 40 getrennt bzw. abgeschirmt. Über einen Kühlmittelkreislauf 12 ist der Kondensator 22 mit einer ersten und einer zweiten Adsorptions-Einrichtung 4 und 6 gekoppelt bzw. fluidisch verbunden, wobei die erste Adsorptions-Einrichtung 4 adsorbierende Eigenschaften und die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 desorbierende Eigenschaften aufweist. Temperieren bedeutet insbesondere ”Heizen”. Es kann jedoch auch ”Kühlen” oder ”auf gleicher Temperatur halten” bedeuten.
Zudem befindet sich in dem Kühlmittelkreislauf 12 eine Kühleinrichtung 42, wobei der Kühlmittelkreislauf 12 an den Verbindungen mit der Kühleinrichtung 42 ein Zwei-Wege-Ventil 28 aufweist, durch das der Kühlmittelfluss zwischen der Kühleinrichtung 42 und der ersten Absorptions-Einrichtung 4 bzw. der zweiten Adsorptions-Einrichtung 6 geregelt werden kann. Bei der Kühleinrichtung 42 kann es sich insbesondere um einen Fahrzeugmotorkühler oder, wie in 3 dargestellt, eine Einrichtung handeln, welche eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Über Umschaltventile 44 ist der Verdampfer 24 jeweils mit den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 verbunden.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 benötigte Wärme wird aus der von dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 abgegebenen Hitze gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf 12 genutzt werden. Das Kühlmittel 36 (vgl. 1) erreicht die erste Adsorptions-Einrichtung 4 bei bspw. rund 35°C und wird anschließend an den Kondensator 22 weitergeleitet. Dadurch kann der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 gekühlt werden, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht hat. Die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 verwendet darauf folgend das erwärmte Kühlmittel 36 zur Regeneration. Mittels Umschaltventilen 44 oder einer Pumpe (nicht gezeigt) wird die Flussrichtung des Kühlmittels 36 zu den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 vertauscht bzw. umgeschaltet.
Das schematische Blockschaltbild der 3 zeigt eine gegenüber der in 2 gezeigten zweiten Variante kaum veränderte weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst auch hier wieder eine Batteriepackung 46, welche sich aus einem Gleichspannungswandler 18 bzw. einem DC/DC-Konverter 18 und einer Fahrzeugbatterie 20 zusammensetzt. Der Gleichspannungswandler 18 sowie die Fahrzeugbatterie 20 müssen mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen gekühlt werden. Typischerweise ist zur Kühlung des Gleichspannungswandlers 18 eine Kühltemperatur von ca. 70°C und zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 20 eine Kühltemperatur von ca. 25°C sinnvoll bzw. notwendig. Deshalb sind zwischen dem Gleichspannungswandler 18 und der Fahrzeugbatterie 20 ein Kondensator 22 und ein Verdampfer 24 angeordnet. Der Kondensator 22 ist von dem Verdampfer 24 durch eine isolierende Schicht 40 getrennt bzw. abgeschirmt. Über einen Kühlmittelkreislauf 12 ist der Kondensator 22 mit einer ersten und einer zweiten Adsorptions-Einrichtung 4 und 6 gekoppelt bzw. fluidisch verbunden, wobei die erste Adsorptions-Einrichtung 4 adsorbierende Eigenschaften und die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 desorbierende Eigenschaften aufweist.
Bei der Kühleinrichtung 42 kann es sich insbesondere um einen Fahrzeugmotorkühler oder, wie in 3 dargestellt, eine Einrichtung handeln, welche eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Wie bei der Ausführungsvariante gemäß 2 befindet sich in dem Kühlmittelkreislauf 12 eine Kühleinrichtung 42, die hier durch eine Einrichtung bzw. einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' gebildet ist, die/der eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Der Kühlmittelkreislauf 12 weist an den Verbindungen mit der Kühleinrichtung 42 bzw. dem Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' ein Zwei-Wege-Ventil 28 auf, durch das der Kühlmittelfluss zwischen der Kühleinrichtung 42 bzw. Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' und der ersten Absorptions-Einrichtung 4 bzw. der zweiten Adsorptions-Einrichtung 6 geregelt werden kann. Über Umschaltventile 44 ist der Verdampfer 24 jeweils mit den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 verbunden.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 benötigte Wärme wird aus der von dem Gleichspannungswandler 18 abgegebenen Wärmeenergie gewonnen, wobei der gezeigte Kühlmittelkreislauf 12 genutzt werden kann. Das Kühlmittel 36 (vgl. 1) erreicht die erste Adsorptions-Einrichtung 4 bei bspw. rund 35°C und wird anschließend an den Kondensator 22 weitergeleitet. Dadurch kann der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 gekühlt werden, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht hat. Die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 verwendet das dadurch erwärmte Kühlmittel 36 zur Regeneration. Mittels Umschaltventilen 44 oder einer Pumpe (nicht gezeigt) wird die Flussrichtung des Kühlmittels 36 zu den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 vertauscht bzw. umgeschaltet.
Die schematische Darstellung der 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst eine Batteriepackung 46, welche sich aus einem Gleichspannungswandler 18 bzw. einem DC/DC-Konverter 18 und einer Fahrzeugbatterie 20 zusammensetzt. Der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 sowie die Batterie 20 müssen mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen gekühlt werden. Typischerweise ist zur Kühlung des Gleichspannungswandlers (DC/DC-Konverters) 18 eine Kühltemperatur von ca. 70°C und zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 20 eine Kühltemperatur von ca. 25°C sinnvoll bzw. notwendig. Deshalb sind zwischen dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 und der Fahrzeugbatterie 20 ein Wärmetauscher bzw. ein DC-Kühler 48 und ein Verdampfer 24 lokalisiert. Der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 ist von dem Verdampfer 24 mittels einer isolierenden Schicht 40 getrennt bzw. abgeschirmt. Über einen Kühlmittelkreislauf 12 ist der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 mit der ersten und einer zweiten Adsorptions-Einrichtung 4 und 6 verbunden, wobei der erste Adsorber 4 bzw. die erste Adsorptions-Einrichtung 4 adsorbierende Eigenschaften aufweist, während der zweite Adsorber 6 bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist.
Direkt an den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 sind jeweils Kondensatoren 22 bzw. 22' angeordnet. Des Weiteren befindet sich in dem Kühlmittelkreislauf 12 eine Kühleinrichtung 42, wobei der Kühlmittelkreislauf 12 an den Verbindungen mit der Kühleinrichtung 42 ein Zwei-Wege-Ventil 28 aufweist, so dass mittels des Zwei-Wege-Ventils 28 der Kühlmittelfluss geregelt werden kann. Bei der Kühleinrichtung 42 kann es sich um einen Motorkühler oder, wie in 5 dargestellt, um einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' handeln, der eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Über Umschaltventile 44 ist der Verdampfer 24 mit den Adsorptions-Einrichtungen 4,6 verbunden.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 benötigte Wärme wird aus der von dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 abgegebenen Wärmeenergie gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf 12 genutzt werden. Das Kühlmittel erreicht die erste Adsorptions-Einrichtung 4 bei einer Temperatur von bspw. rund 35°C und wird anschließend an den Kondensator 22 weiter geleitet. Dadurch kann mittels des Wärmetauschers bzw. des DC-Kühlers 48 der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 gekühlt werden, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht. Die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 verwendet daraufhin das erwärmte Kühlmittel zur Regeneration. Aufgrund des Verlaufs des Kühlmittelkreislaufs 12 kann der Querstrom des Kühlmittels so genutzt werden, dass eine Kühlung des jeweiligen Kondensators 22 und/oder 22' ermöglicht wird, sobald die erste bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung 4 bzw. 6 regeneriert wird. Befindet sich also die erste Adsorptions-Einrichtung 4 im Regerations-Prozess, erfolgt eine Kühlung des ersten Kondensators 22'. Mittels Umschaltventilen 44 oder einer Pumpe wird die Flussrichtung des Kühlmittels zu den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 bedarfsweise vertauscht.
Die schematische Darstellung der 5 zeigt eine gegenüber der in 4 gezeigten weiteren Variante nur leicht abgewandelte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst eine Batteriepackung 46, welche sich aus einem Gleichspannungswandler 18 bzw. einem DC/DC-Konverter 18 und einer Fahrzeugbatterie 20 zusammensetzt. Der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 sowie die Batterie 20 müssen mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen gekühlt werden. Typischerweise ist zur Kühlung des Gleichspannungswandlers (DC/DC-Konverters) 18 eine Kühltemperatur von ca. 70°C und zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 20 eine Kühltemperatur von ca. 25°C sinnvoll bzw. notwendig. Deshalb sind zwischen dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 und der Fahrzeugbatterie 20 ein Wärmetauscher bzw. ein DC-Kühler 48 und ein Verdampfer 24 lokalisiert. Der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 ist von dem Verdampfer 24 mittels einer isolierenden Schicht 40 getrennt bzw. abgeschirmt. Über einen Kühlmittelkreislauf 12 ist der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 mit der ersten und einer zweiten Adsorptions-Einrichtung 4 und 6 verbunden, wobei der erste Adsorber 4 bzw. die erste Adsorptions-Einrichtung 4 adsorbierende Eigenschaften aufweist, während der zweite Adsorber 6 bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist.
Direkt an den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 sind jeweils Kondensatoren 22 bzw. 22' angeordnet. Zudem befindet sich in dem Kühlmittelkreislauf 12 eine Kühleinrichtung 42 bzw. ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42', wobei der Kühlmittelkreislauf 12 an den Verbindungen mit der Kühleinrichtung 42 bzw. dem Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' ein Zwei-Wege-Ventil 28 aufweist, so dass mittels des Zwei-Wege-Ventils 28 der Kühlmittelfluss geregelt werden kann. Bei der Kühleinrichtung 42 kann es sich insbesondere um einen mit einer Fahrzeugkabine des mit der Anlage 2 ausgestatteten Fahrzeuges verbundenen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' handeln, der eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Über Umschaltventile 44 ist der Verdampfer 24 mit den Adsorptions-Einrichtungen 4, 6 verbunden.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 benötigte Wärme wird aus der von dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 abgegebenen Wärmeenergie gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf 12 genutzt werden. Das Kühlmittel erreicht die erste Adsorptions-Einrichtung 4 bei einer Temperatur von bspw. rund 35°C und wird anschließend an den Kondensator 22 weiter geleitet. Dadurch kann mittels des Wärmetauschers bzw. des DC-Kühlers 48 der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 gekühlt werden, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht. Die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 verwendet daraufhin das erwärmte Kühlmittel zur Regeneration. Aufgrund des Verlaufs des Kühlmittelkreislaufs 12 kann der Querstrom des Kühlmittels so genutzt werden, dass eine Kühlung des jeweiligen Kondensators 22 und/oder 22' ermöglicht wird, sobald die erste bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung 4 bzw. 6 regeneriert wird. Befindet sich also die erste Adsorptions-Einrichtung 4 im Regerations-Prozess, erfolgt eine Kühlung des ersten Kondensators 22'. Mittels Umschaltventilen 44 oder einer Pumpe wird die Flussrichtung des Kühlmittels zu den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 bedarfsweise vertauscht.
Die schematische Darstellung der 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Adsorptions-Kälteanlage 2. Die gezeigte Adsorptions-Kälteanlage 2 umfasst eine Batteriepackung 46, welche sich aus einem Gleichspannungswandler 18 bzw. einem DC/DC-Konverter 18 und einer Fahrzeugbatterie 20 zusammensetzt. Der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 sowie die Batterie 20 müssen mit unterschiedlich temperierten Kühleinrichtungen gekühlt werden. Typischerweise ist zur Kühlung des Gleichspannungswandlers (DC/DC-Konverters) 18 eine Kühltemperatur von ca. 70°C und zur Kühlung der Fahrzeugbatterie 20 eine Kühltemperatur von ca. 25°C sinnvoll bzw. notwendig. Deshalb sind zwischen dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 und der Fahrzeugbatterie 20 ein Wärmetauscher bzw. ein DC-Kühler 48 und ein Verdampfer 24 lokalisiert. Der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 ist von dem Verdampfer 24 mittels einer isolierenden Schicht 40 getrennt bzw. abgeschirmt. Über einen Kühlmittelkreislauf 12 ist der Wärmetauscher bzw. der DC-Kühler 48 mit der ersten und einer zweiten Adsorptions-Einrichtung 4 und 6 verbunden, wobei der erste Adsorber 4 bzw. die erste Adsorptions-Einrichtung 4 adsorbierende Eigenschaften aufweist, während der zweite Adsorber 6 bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung desorbierende Eigenschaften aufweist.
Direkt an den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 sind jeweils Kondensatoren 22 bzw. 22' angeordnet. Des Weiteren befindet sich in dem Kühlmittelkreislauf 12 eine Kühleinrichtung 42, wobei der Kühlmittelkreislauf 12 an den Verbindungen mit der Kühleinrichtung 42 ein Zwei-Wege-Ventil 28 aufweist, so dass mittels des Zwei-Wege-Ventils 28 der Kühlmittelfluss geregelt werden kann. Bei der Kühleinrichtung 42 kann es sich um einen Motorkühler oder, wie in 3 und in 5 dargestellt, um einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 42' handeln, der eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus der Fahrzeugkabine erzeugt. Über Umschaltventile 44 ist der Verdampfer 24 mit den Adsorptions-Einrichtungen 4, 6 verbunden.
Die zur abwechselnden Regeneration der Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 benötigte Wärme wird aus der von dem Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 abgegebenen Wärmeenergie gewonnen. Bei dieser Vorgehensweise kann ein einzelner Kühlmittelkreislauf 12 genutzt werden. Das Kühlmittel erreicht die erste Adsorptions-Einrichtung 4 bei einer Temperatur von bspw. rund 35°C und wird anschließend an den Kondensator 22 weiter geleitet. Dadurch kann mittels des Wärmetauschers bzw. des DC-Kühlers 48 der Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) 18 gekühlt werden, bis dieser eine Temperatur von rund 80°C erreicht. Die zweite Adsorptions-Einrichtung 6 verwendet daraufhin das erwärmte Kühlmittel zur Regeneration. Aufgrund des Verlaufs des Kühlmittelkreislaufs 12 kann der Querstrom des Kühlmittels so genutzt werden, dass eine Kühlung des jeweiligen Kondensators 22 und/oder 22' ermöglicht wird, sobald die erste bzw. die zweite Adsorptions-Einrichtung 4 bzw. 6 regeneriert wird. Befindet sich also die erste Adsorptions-Einrichtung 4 im Regerations-Prozess, erfolgt eine Kühlung des ersten Kondensators 22'. Mittels Umschaltventilen 44 oder einer Pumpe wird die Flussrichtung des Kühlmittels zu den Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 bedarfsweise vertauscht.
In der in 6 gezeigten Ausführungsvariante befindet sich eine zusätzliche Kondensations-Einrichtung 52 im Kühlmittelkreislauf 12, durch die ein Teilstrom 12' geleitet wird, der somit nicht zur oder von der zweiten Adsorptions-Einrichtung 6 bzw. zur oder von der ersten Adsorptions-Einrichtung 4 hin- bzw. hergeleitet wird, sondern direkt durch die Kondensations-Einrichtung 52 strömen kann. Sofern benötigt, kann somit eine variable Abkühlung bzw. insbesondere eine zusätzliche Abkühlung des durch die Kühleinrichtung 42 geleiteten Kühlfluids 36 (vgl. 1) erfolgen, ohne dass dies zuvor die ersten und zweiten Adsorptions-Einrichtungen 4 und 6 durchströmen muss. Die variable Beaufschlagung der Kondensations-Einrichtung 52 mit einem größeren oder kleineren Teilstrom 12' des durch den Kreislauf 12 geleiteten Gesamtstroms ermöglicht somit eine bessere Variabilität der Temperatureinstellungen der unterschiedlichen zu temperierenden Komponenten der Adsorptions-Kälteanlage.
Insbesondere kann bei dieser vorteilhaften Auslegung des Kühlsystem auf zwei getrennte Kondensatoren 22 und 22' verzichtet werden. Zur Kondensation des Wasserdampfes wird nur ein Kondensor 52 benötigt.
Die zur variablen Einstellung der im Teilstrom 12' enthaltenen Kühlmittelmenge ggf. erforderlichen Steuerventile sind hier nicht dargestellt, können jedoch in den Leitungen zur und von der Kondensations-Einrichtung 52 vorhanden sein.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Adsorptions-Kälteanlage
4: Erste Adsorptions-Einrichtung
6: Zweite Adsorptions-Einrichtung
8: Erste thermoelektrische Einrichtung (TED)
10: Zweite thermoelektrische Einrichtung (TED)
12: Kühlmittelkreislauf, Fluidkreislauf
14: Haupt-Kreislauf
16: Hilfs-Kreislauf
18: Erster zu temperierender/kühlender elektrischer Nutzer, erste zu temperierende/kühlende elektrische Komponente, DC/DC-Konverter, Gleichspannungswandler
20: Zweiter zu temperierender/kühlender Nutzer, zweite zu temperierende/kühlende elektrische Komponente, Fahrzeugbatterie
22: Kondensator
22': Kondensator
24: Verdampfer
26: Ventil
28: Zwei-Wege-Ventil
30: Externe Kühleinrichtung, Umgebungs-Wärmetauscher
32: Kühlmittelflussrichtung, Strömungsrichtung
34: Wärmeabgabe
34': Wärmeabgabe
34'': Wärmeabgabe
34''': Wärmeabgabe
36: Kühlmittel, weiteres Kühlmittel, Kühlfluid, Wasser
38: Kühleinrichtung
40: Isolierende Schicht
42: Kühleinrichtung
42': Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher
44: Umschaltventil
46: Batteriepackung
48: Wärmetausche bzw. DC-Kühler
50: Zu- und Ableitungen (der Adsorptions-Einrichtungen)
52: Kondensations-Einrichtung, zusätzliche Kondensations-Einrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/135346 A1 [0003]

Claims

Adsorptions-Kälteanlage (2) mit: – mindestens zwei separaten, über wenigstens einen Fluidkreislauf (12) fluidisch miteinander gekoppelten Adsorptions-Einrichtungen (4, 6), wobei wenigstens eine erste Absorptions-Einrichtung (4) adsorbierende Eigenschaften und wenigstens eine zweite Adsorptions-Einrichtung (6) desorbierende Eigenschaften aufweist, und wobei der Fluidkreislauf (12) ein Kühlmittel (36) enthält; – mit mindestens zwei zu temperierenden, insbesondere zu kühlenden elektrischen Nutzern und/oder elektrischen Komponenten (18, 20), die mit dem wenigstens einen Fluidkreislauf (12) fluidisch gekoppelt sind; – mit mindestens einem Kondensator (22, 22') sowie mit mindestens einem Verdampfer (24), die jeweils mit dem Fluidkreislauf (12) fluidisch gekoppelt sind; – wobei der Fluidkreislauf (12) eine die mindestens zwei Nutzer und/oder elektrischen Komponenten (18, 20) kühlende Fluidversorgung zwischen den Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und den zu temperierenden Nutzern und/oder elektrischen Komponenten (18, 20) herstellt, – und wobei eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des ersten zu kühlende Nutzers bzw. der ersten elektrischen Komponente (18) einen höheren Temperaturwert aufweist als eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung des zweiten zu kühlende Nutzers bzw. der zweiten elektrischen Komponente (18).
Adsorptions-Kälteanlage nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkreislauf (12) wenigstens einen Haupt-Kreislauf (14) und wenigstens einen Hilfs-Kreislauf (16) umfasst, wobei der wenigstens eine erste zu kühlende Nutzer und/oder die wenigstens eine erste elektrische Komponente (18) im Hilfs-Kreislauf (16) angeordnet und mit diesem fluidisch gekoppelt ist, und wobei der wenigstens eine zweite zu kühlende Nutzer und/oder die wenigstens eine zweite elektrische Komponente (20) im Haupt-Kreislauf (14) angeordnet und mit diesem direkt oder einen Wärmeübertrager fluidisch gekoppelt ist.
Adsorptions-Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der erste zu kühlende Nutzer bzw. die erste elektrische Komponente (18) durch einen Gleichspannungswandler gebildet ist.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der zweite elektrische Nutzer bzw. die zweite elektrische Komponente (20) durch einen Akkumulator oder eine Fahrzeugbatterie gebildet ist.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine Strömungsrichtung (32) des sich in dem Kühlmittelkreislauf (12) befindlichen Kühlmittels (36) mittels Ventilen (26, 28) veränderbar ist.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zumindest eine thermoelektrische Einrichtung (8, 10) einen Wärmeübertragungsbereich zwischen wenigstens einer der Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und dem wenigstens einen Fluidkreislauf (12) herstellt.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jeweils eine thermoelektrische Einrichtung (8, 10) einen Wärmeübertragungsbereich zwischen jeder der wenigstens zwei Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und dem wenigstens einen Fluidkreislauf (12) herstellt.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der wenigstens eine Kühleinrichtung (42) zur Kühlung des sich in dem Fluidkreislauf (12) befindlichen Kühlmittels (36) eine externe Einrichtung, insbesondere einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher (42') umfasst, welche/welcher eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus einer Fahrzeugkabine erzeugt und/oder eine Motorkühlungseinrichtung umfasst.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine isolierende Schicht (40) den Verdampfer (24) und den Kondensator (22, 22') oder den Wärmetauscher voneinander abschirmt.
Adsorptions-Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Kühlmittelkreislauf (12) mit wenigstens einer zusätzlichen Kondensations-Einrichtung (52) fluidisch gekoppelt ist, die einen Teilstrom (12') des Kühlfluids (36) des Kühlmittelkreislaufs (12) aufnimmt.
Adsorptions-Kälteanlage nach Anspruch 10, bei welcher ein variabler Teilstrom (12') unter Umgehung der ersten und/oder zweiten Adsorptions-Einrichtung (4, 6) durch die Kondensations-Einrichtung (52) strömt.
Verfahren zum Betreiben einer Adsorptions-Kälteanlage (2), insbesondere einer Adsorptions-Kälteanlage (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der mindestens zwei separate Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) über wenigstens einen Fluidkreislauf (12) mit darin zirkulierendem Kühlmittels (36) fluidisch miteinander gekoppelt sind, wobei wenigstens eine erste Absorptions-Einrichtung (4) adsorbierende Eigenschaften und wenigstens eine zweite Adsorptions-Einrichtung (6) desorbierende Eigenschaften aufweist, – wobei mindestens zwei zu temperierende, insbesondere zu kühlende elektrische Nutzer und/oder elektrische Komponenten (18, 20) mit dem Fluidkreislauf (12) fluidisch gekoppelt sind, wobei mindestens ein Kondensator (22, 22') sowie mindestens ein Verdampfer (24) jeweils mit dem Fluidkreislauf (12) fluidisch gekoppelt sind, – wobei der Fluidkreislauf (12) eine die mindestens zwei elektrischen Nutzer und/oder elektrischen Komponenten (18, 20) kühlende Fluidversorgung zwischen den Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und den zu temperierenden bzw. zu kühlenden elektrischen Nutzen und/oder elektrischen Komponenten (18, 20) herstellt, – und wobei eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des ersten zu kühlende Nutzers bzw. der ersten elektrischen Komponente (18) höher liegt als eine Kühlmitteltemperatur zur Temperierung bzw. Kühlung des zweiten zu kühlende Nutzers bzw. der zweiten elektrischen Komponente (18).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Kühlmittelkreislauf (12) wenigstens einen Haupt-Kreislauf (14) und wenigstens einen Hilfs-Kreislauf (16) umfasst, wobei der wenigstens eine erste elektrische Nutzer und/oder die wenigstens eine erste elektrische Komponente (18) vom Kühlmittel (36) im Hilfs-Kreislauf (16) durchströmt werden, und wobei der wenigstens eine zweite elektrische Nutzer und/oder die wenigstens eine zweite elektrische Komponente (20) vom Kühlmittel (36) im Haupt-Kreislauf (14) durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem eine Strömungsrichtung (32) des sich in dem Kühlmittelkreislauf (12) befindlichen Kühlmittels (36) über verstellbare Ventilen (26, 28) verändert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem zumindest eine thermoelektrische Einrichtung (8, 10) einen Wärmeübertragungsbereich zwischen wenigstens einer der Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und dem wenigstens einen Fluidkreislauf (12) herstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem jeweils eine thermoelektrische Einrichtung (8, 10) einen Wärmeübertragungsbereich zwischen einer oder mehreren der wenigstens zwei Adsorptions-Einrichtungen (4, 6) und dem wenigstens einen Fluidkreislauf (12) herstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem wenigstens eine Kühleinrichtung (42) zur Kühlung des sich in dem Fluidkreislauf (12) befindlichen Kühlmittels (36) eine externe Einrichtung, insbesondere einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher (42') umfasst, welche/welcher eine Kühlwirkung mit Hilfe der Luft aus einer Fahrzeugkabine erzeugt und/oder eine Motorkühlungseinrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Kühlmittelkreislauf (12) mit wenigstens einer zusätzlichen Kondensations-Einrichtung (52) fluidisch gekoppelt ist, die einen Teilstrom (12') des Kühlfluids (36) des Kühlmittelkreislaufs (12) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem ein variabler Teilstrom (12') unter Umgehung der ersten und/oder zweiten Adsorptions-Einrichtung (4, 6) durch die Kondensations-Einrichtung (52) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Adsorptions- oder Desorptionsflächen oder -körper durch zusätzliche Mittel temperiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem durch zusätzliche Mittel wie TEDs Wärme zwischen den Adorber-/Desorberflächen oder -körper ausgetauscht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem mehrere Adsorber und/oder Desorber mit jeweils unterschiedlichen Sättigungsgraden betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem in unterschiedlichen Fluidkreisläufen jeweils gleiche oder unterschiedliche Medien oder Stoffgemische verwendet werden.