-
Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug, mit einer Anzahl von Adsorbern, mit einem Adsorptionskreis, zur Wärmeabgabe, mit einem Desorptionskreis, zur Wärmeaufnahme, mit einer Ventilgruppe, welche eine Anzahl von Ventileinheiten aufweist, und mit einer Steuereinheit, zur Steuerung der Ventilgruppe. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Ventileinheit sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmemanagementsystems.
-
Ein Wärmemanagementsystem ist in der auf der Anmelderin zurückgehenden und unveröffentlichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2014 215 891.5 beschrieben.
-
In einem Fahrzeug ist typischerweise eine Vielzahl von Fahrzeugkomponenten verbaut, die entweder Wärme generieren, beheizt werden sollen oder je nach Betriebsmodus des Fahrzeugs entweder gekühlt oder beheizt werden sollen. Beispielsweise umfasst ein Fahrzeug häufig ein Klimagerät, zur Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs. Dazu weist das Klimagerät selbst z.B. einen Klima-Verdampfer zum Kühlen und einen Heizwärmetauscher zum Heizen auf. Der Klima-Verdampfer ist typischerweise in einem Kältekreis angeordnet, welcher zusätzlich einen Kompressor und ein Expansionsventil umfasst. Der Kompressor stellt jedoch eine besonders leistungs- und kostenintensive sowie zusätzlich sehr laute Fahrzeugkomponente dar. Insbesondere da der Kompressor häufig für eine beim Start des Fahrzeugs durchaus hohe Spitzenlast von mehreren Kilowatt ausgelegt sein muss, um eine adäquate Klimatisierung zu erzielen. Zudem sind die im Kältekreis verwendeten Kältemittel typischerweise umweltschädlich.
-
Daher werden für den Betrieb in Fahrzeugen zunehmend Adsorptionsanlagen untersucht, die mittels eines zyklischen Adsorptions- und Desorptionsvorgangs Wärme generieren beziehungsweise aufnehmen. Dazu wird beispielsweise ein Zeolith-Wasser-System verwendet, bei welchem mittels Adsorption von Wasser am Zeolith Adsorptionswärme freigesetzt wird. Durch Beheizen des auf diese Weise beladenen Zeoliths, d.h. durch Wärmeaufnahme ist es andersherum möglich, das adsorbierte Wasser zu desorbieren. Die Desorption und die Adsorption sind also reversibel. Durch Verwendung einer solchen Adsorptionsanlage ist es dann möglich, auf einen herkömmlichen Kältekreis und insbesondere auf einen Kompressor sowie konventionelle Kältemittel zu verzichten.
-
Vorliegend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Wärmemanagementsystem anzugeben, bei welchem eine möglichst flexible Nutzung der Adsorber realisiert ist, d.h. es soll möglichst flexibel und bedarfsangepasst Wärme aus den Adsorbern entnommen werden oder in diesen gespeichert werden. Dazu soll das Wärmemanagementsystem eine möglichst flexible Verschaltung der Adsorber untereinander sowie mit einem Adsorptions- und einem Desorptionskreis aufweisen. Weiterhin sollen ein geeignetes Verfahren zum Betrieb des Wärmemanagementsystems sowie eine Ventileinheit für das Wärmemanagementsystem angegeben werden.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wärmemanagementsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, eine Ventileinheit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 16 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Zusammenhang mit dem Wärmemanagementsystem genannten Vorteile und Weiterbildungen sinngemäß auch für die Ventileinheit sowie das Verfahren und umgekehrt.
-
Das Wärmemanagementsystem ist zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgebildet und eignet sich besonders zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Hybridfahrzeug oder auch einem rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug, alternativ jedoch auch in einem Elektrofahrzeug. Das Wärmemanagementsystem weist eine Anzahl von Adsorbern auf, zumindest einen und vorzugsweise mehrere. Weiterhin weist das Wärmemanagementsystem einen Adsorptionskreis zur Wärmeabgabe, einen Desorptionskreis zur Wärmeaufnahme, eine Ventilgruppe, welche eine Anzahl von Ventileinheiten umfasst, und eine Steuereinheit auf, zur Steuerung der Ventilgruppe. Die Ventilgruppe weist zumindest eine, vorzugsweise mehrere Ventileinheiten auf. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass jeder der Adsorber mittels einer der Ventileinheiten (bedarfsweise und individuell) zwischen einem Desorptions- und einem Adsorptionsmodus umgeschaltet wird. Weiterhin weist jede Ventileinheit mehrere Anschlüsse auf, nämlich einen Adsorbervorlauf und einen Adsorberrücklauf, über welche die Ventileinheit an eine Anzahl von Adsorbern angeschlossen ist, sowie zwei Eingänge und zwei Ausgänge, nämlich einen Adsorptionskreiseingang und einen Adsorptionskreisausgang, zum Verbinden eines Adsorbers mit dem Adsorptionskreis, und einen Desorptionskreiseingang und einen Desorptionskreisausgang, zum Verbinden eines Adsorbers mit einem Desorptionskreis. Innerhalb einer jeden Ventileinheit ist der Adsorbervorlauf mit einem der Eingänge der Ventileinheit verbindbar und der Adsorberrücklauf mit einem der Ausgänge der Ventileinheit. Derjenige Adsorber, welcher über den Adsorbervorlauf und den Adsorberrücklauf an eine der Ventileinheiten angeschlossen ist, ist demnach über diese Ventileinheit mit dem Adsorptionskreis und dem Desorptionskreis verbindbar.
-
Ein jeweiliger Adsorber ist lediglich einer der Ventileinheiten zugeordnet und an diese über deren Adsorbervorlauf und Adsorberrücklauf angeschlossen. Mit anderen Worten: jeder Adsorber ist nicht an mehrere Adsorbervorläufe oder Adsorberrückläufe unterschiedlicher Ventileinheiten angeschlossen. Vorzugsweise ist an jede Ventileinheit lediglich genau ein Adsorber angeschlossen, denkbar ist jedoch auch, dass mehrere Adsorber gemeinsam als ein Adsorbermodul an eine jeweilige Ventileinheit angeschlossen sind. Insgesamt ist somit jedem Adsorber genau eine Ventileinheit zugeordnet, mittels welcher der Adsorber an den Adsorptions- und an den Desorptionskreis anschließbar ist.
-
Die Adsorber werden insbesondere bedarfsweise zwischen dem Adsorptions- und dem Desorptionsmodus umgeschaltet, d.h. ein jeweiliger Adsorber wird in Abhängigkeit einer Klimatisierungsanforderung entweder in den Adsorptionsmodus oder in den Desorptionsmodus umgeschaltet.
-
Die Adsorber werden insbesondere individuell zwischen dem Adsorptions- und dem Desorptionsmodus umgeschaltet, d.h. die Ventileinheiten sind unabhängig voneinander schaltbar, sodass der an eine jeweilige Ventileinheit angeschlossene Adsorber oder das an eine jeweilige Ventileinheit angeschlossene Adsorbermodul unabhängig von denjenigen Adsorbern umschaltbar ist, welche an die anderen Ventileinheiten angeschlossen sind.
-
In den Adsorbern ist jeweils eine Wärmemenge gespeichert, welche durch eine jeweilige feste Wärmespeicherkapazität auf eine maximale Wärmemenge begrenzt ist. Beim Betrieb des Wärmemanagementsystems werden die Adsorber jeweils zyklisch im Adsorptionsmodus, zur Erhöhung der Wärmemenge, und im Desorptionsmodus, zur Verringerung der Wärmemenge, betrieben. Mittels der Ventilgruppe werden die Adsorber jeweils umgeschaltet, wobei die Ventilgruppe mittels der Steuereinheit gesteuert wird und mehrere Ventileinheiten aufweist, welche jeweils einen Adsorbervorlauf und einen Adsorberrücklauf aufweisen, an welche zumindest ein Adsorber angeschlossen ist, welcher mittels der Ventileinheit zwischen dem Adsorptionsmodus und dem Desorptionsmodus umgeschaltet wird. Dazu wird der Adsorber im Adsorptionsmodus an den Adsorptionskreis angeschlossen, zur Wärmeabgabe an diesen, und im Desorptionsmodus an den Desorptionskreis, zur Wärmeaufnahme aus diesem.
-
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass mittels der speziellen Ausgestaltung und Ansteuerung der Ventilgruppe jeder der Adsorber je nach Wärmemenge, welche in dem Adsorber gespeichert ist, und je nach Klimatisierungsanforderung, welche das Wärmemanagementsystem bedienen soll, auf optimale Weise an den Adsorptionskreis oder den Desorptionskreis angeschlossen wird. Dadurch wird einerseits die zur Verfügung stehende Wärmemenge besonders effizient genutzt. Andererseits wird auch die Wärmekapazität der Adsorber besonders effizient zur Speicherung von Wärme genutzt. Je nachdem, wie viel Wärme in einem Adsorber zu einem gegebenen Zeitpunkt gespeichert ist, wie viel Wärme aus dem Desorptionskreis gespeichert werden muss und wie viel Wärme im Adsorptionskreis benötigt wird, wird dieser Adsorber entweder in den Adsorptionsmodus oder in den Desorptionsmodus umgeschaltet, d.h. entweder entladen oder mit Wärme beladen.
-
Beim Betrieb des Wärmemanagementsystems erfolgt somit vorteilhaft eine besonders effiziente Verteilung von Wärme, welche im Betrieb des Fahrzeugs generiert wird. Der zyklische Betrieb der Adsorber ist hierbei von entscheidender Bedeutung, da dieser die ständige Nutzung eines Adsorbers entweder als Wärmespeicher im Desorptionsmodus oder als Wärmequelle im Adsorptionsmodus gewährleistet. Zweckmäßigerweise werden die Adsorber zudem gerade nicht gleichzeitig umgeschaltet, sondern zeitlich versetzt, d.h. sozusagen phasenverschoben. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt zumindest ein Adsorber Im Adsorptionsmodus für Heizaufgaben oder zur Aufnahme eines Sorbats z.B. Wasserdampf verwendbar ist und zumindest ein anderer Adsorber im Desorptionsmodus für Kühlaufgaben bzw. zur Speicherung von Wärme unter Abgabe eines Sorbats z.B Wasserdampf. Dieser nicht-gleichzeitige Betrieb der diversen Adsorber wird insbesondere durch die spezielle ausgestaltete und angesteuerte Ventilgruppe und deren Verschaltung mit den Adsorbern ermöglicht.
-
Ein wesentliches Merkmal der Ventileinheit ist die flexible Zuordnung eines der Eingänge zu einem der Ausgänge, wobei dazwischen in jedem Fall der Adsorber durchlaufen wird. Eine jeweilige Ventileinheit leitet dann ein Wärmeträgermedium über einen der Eingänge durch den Adsorber und zu einem der Ausgänge.
-
Ein jeweiliger Adsorber weist ein Sorptionsbett auf, welches insbesondere als druckfester Behälter oder Gefäß für ein Sorbens ausgebildet ist. Das Sorbens ist beispielsweise ein Zeolith mit oder ohne Bindemittel. Die Sorptionsbetten sind mit einem ersten Reservoir verbunden, welches der Speicherung eines Sorbats dient, beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch.
-
Die Adsorber sind jeweils in zumindest zwei Modi betreibbar, nämlich dem Adsorptionsmodus und dem Desorptionsmodus. Im Adsorptionsmodus wird dem Reservoir Sorbat entzogen und am Sorbens adsorbiert. Die dabei entstehende Adsorptionswärme steht dann am entsprechenden Adsorber als Wärme zur Verfügung. Der jeweilige Adsorber stellt in diesem Fall eine Wärmequelle dar. Durch die Adsorption von Sorbat im Adsorber wird weiteres Sorbat im Reservoir verdampft, wodurch sich dieses abkühlt. Das Reservoir stellt in diesem Fall eine Wärmesenke dar. Um die Abwärme abzuführen, ist im Adsorber zweckmäßigerweise ein Wärmetauscher angeordnet, welcher dann über die zugeordnete Ventileinheit insbesondere an den Adsorptionskreis oder den Desorptionskreis angeschlossen wird. Unter „Anschließen eines Adsorbers“ wird demnach insbesondere verstanden, dass ein Wärmetauscher des Adsorbers angeschlossen wird.
-
Das oben im Zusammenhang mit der Adsorption und dem Adsorptionskreis Gesagte gilt sinngemäß auch für die Desorption und den Desorptionskreis. Das Desorbieren wird auch als Trocknen oder Trockenheizen bezeichnet und erfolgt in der Desorptionsphase mittels Wärme aus dem Desorptionskreis. Wird ein jeweiliger Adsorber entladen, so wird diesem mittels des Desorptionskreises Wärme zugeführt und das adsorbierte Sorbat desorbiert.
-
Beim Be- und Entladen eines jeweiligen Adsorbers durchläuft dieser den oben bereits angedeuteten Zyklus, welcher insbesondere in vier Phasen aufgeteilt ist. Erstens: Vor-Adsorbieren im Adsorptionskreis; zweitens: Fertig-Adsorbieren; darauffolgend: Umschalten in den Desorptionskreis; drittens: Vor-Desorbieren im Desorptionskreis; viertens: Fertig-Desorbieren; darauffolgend: Wechsel in den Adsorptionskreis. Die erste und zweite Phase bilden den Adsorptionsmodus, die dritte und die vierte Phase den Desorptionsmodus.
-
Das erste Reservoir wirkt insbesondere als Verdampfer, welcher dann zur Aufnahme von Wärme verwendbar ist, das heißt insbesondere zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrgastraums. Geeigneterweise umfasst die Adsorptionsanlage zudem ein zweites Reservoir, welches insbesondere ausschließlich als Kondensator betrieben wird. Durch die Verwendung des zweiten Reservoirs als Kondensator ist es insbesondere möglich, Wärme aus der Adsorptionsanlage abzuführen.
-
Bevorzugterweise wird diese Wärme dem Adsorptionskreis zugeführt, nämlich über einen Kondensatorkreis, welcher mit dem Adsorptionskreis insbesondere hydraulisch verbunden ist, und im Rahmen des phasenverschobenen Betriebs der Adsorber zur Desorption zumindest eines Adsorbers im Desorptionsbetrieb verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Wärme über einen Kühler abgeführt, welcher an den Adsorptionskreis angeschlossen ist.
-
Der Adsorptionskreis und der Desorptionskreis und allgemein alle Kreise, welche an die Ventilgruppe angeschlossen sind, werden auch als Primärkreise bezeichnet. In den Primärkreisen zirkuliert jeweils ein geeignetes Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, insbesondere unter einem hohen Betriebsdruck von beispielsweise mehreren 10 bar. Das Wärmeträgermedium ist insbesondere geeignet für die in den Primärkreisen herrschenden Temperaturen, die beispielsweise im Bereich von 70 bis 350 °C liegen.
-
Zweckmäßigerweise ist zumindest einem Reservoir ein Wärmetauscher eines Sekundärkreises zugeordnet zum Austausch von Wärme zwischen dem Reservoir und dem Sekundärkreis. Der Sekundärkreis ist allgemein ein Wärmemittelkreis und beispielsweise der Kondensatorkreis.
-
Insgesamt dient das Wärmemanagementsystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, genauer gesagt von Komponenten des Fahrzeugs, z.B. eines Fahrgastraums, eines Verbrennungsmotors, eines elektrischen Antriebsstrangs, eines Hochvoltspeichers, einer Leistungselektronik oder Ähnlichem. Dabei wird zunächst eine Klimatisierungsanforderung in Form einer Heiz- und/oder Kühlanforderung vorgegeben, beispielsweise durch die Steuereinheit aufgrund von Messdaten oder einer Nutzereingabe. Liegt eine Heizanforderung oder eine Kühlanforderung vor, wird zumindest einer der Adsorber in den Adsorptionsmodus umgeschaltet. Liegt nutzbare Abwärme z.B. im Abgasstrang eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor vor, wird zumindest einer der Adsorber in den Desorptionsmodus umgeschaltet. Wie viele Adsorber umgeschaltet werden hängt insbesondere von der benötigten Leistung ab, d.h. von der Menge an Wärme, welche zugeführt oder abgeführt werden muss, um die Klimatisierungsanforderung zu bedienen, oder von der momentan nutzbaren Abwärmemenge.
-
Geeigneterweise wird bei einer Kühl- oder Heizanforderung derjenige Adsorber an den Adsorptionskreis angeschlossen, in welchem die kleinste Sorbatmenge gespeichert ist. Umgekehrt wird bei nutzbarer Abwärme vorzugsweise derjenige Adsorber an den Desorptionskreis angeschlossen, in welchem die größte Sorbatmenge gespeichert ist.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung weist eine jeweilige Ventileinheit einen weiteren Eingang und einen weiteren Ausgang auf, nämlich einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang, zum seriellen Verschalten mit den anderen Ventileinheiten über deren serielle Eingänge und Ausgänge. Dadurch sind die Adsorber mittels der Ventilgruppe vorteilhaft bedarfsweise und beliebig seriell und/oder parallel miteinander verschaltbar. Mit anderen Worten: die Adsorber, genauer: die jeweiligen Wärmetauscher in den Sorptionsbetten, sind im Adsorptionskreis oder im Desorptionskreis sowohl zueinander parallel als auch seriell verschaltbar. Insbesondere sind die Adsorber wahlweise seriell oder parallel zueinander verschaltbar, d.h. die Adsorber sind zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung umschaltbar und daher besonders flexibel miteinander kombinierbar. Bei der Serienschaltung ist insbesondere die Rücklauftemperatur eines im Desorptionskreis zirkulierenden Wärmeträgermediums vorteilhaft nach einem seriellen Durchströmen mehrerer Sorptionsbetten signifikant reduziert.
-
Im Falle des Desorptionskreises ist es insbesondere möglich, die an diesen angeschlossenen Adsorber wahlweise entweder direkt aus einer Wärmequelle der Desorptionskreises zu versorgen oder durch serielles Verschalten aus einem entsprechend vorgeschalteten Adsorber. Bei seriell verschalteten Adsorbern wird dann vorteilhafterweise in stromabwärts liegenden Adsorbern zunächst eine Vor-Desorption durchgeführt. Die Desorption wird dabei im Rahmen eines Fertig-Desorbierens dann bei aufrecht erhaltener serieller Verschaltung im am weitesten stromaufwärts liegenden Adsorber abgeschlossen, bzw. nach Umschaltung in den Parallelbetrieb.
-
Aufgrund des phasenverschobenen Betriebs weisen zwei Adsorber im Desorptionsmodus möglicherweise unterschiedliche Sorbatmengen auf. Vorteilhafterweise wird dann derjenige Adsorber, welcher die größere Sorbatmenge aufweist, zur Vor-Desorption stromab des anderen Adsorbers an den Desorptionskreis angeschlossen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Mischschaltung eingestellt, d.h. mehrere Adsorber werden im Adsorptionskreis oder im Desorptionskreis mittels der Steuerung seriell und parallel zueinander geschaltet. In Kombination mit einer reinen seriellen oder parallelen Verschaltung ist das Wärmemanagementsystem dann besonders geeignet, um auf dynamische Klimatisierungsanforderungen des Fahrzeugs zu reagieren. Es wird dann je nach Bedarf zwischen einer seriellen Verschaltung, einer parallelen Verschaltung oder einer Mischschaltung der Adsorber umgeschaltet.
-
Für den Adsorptionskreis gilt entsprechend analog, dass die Adsorptionswärme zweckmäßigerweise entweder direkt über die Wärmesenke des Adsorptionskreises abgeführt wird oder im Falle einer seriellen Verschaltung zunächst an einen nachgeschalteten Adsorber weitergereicht wird. Dadurch lässt sich insbesondere eine bei der Desorption verbliebene Restwärme aus der vorhergehenden Desorptionsphase des Adsorbers auf einem deutlich höheren Temperaturniveau in die Umgebung abführen. Insbesondere im Falle der seriellen Verschaltung ist die Vorlauftemperatur eines im Adsorptionskreis zirkulierenden Wärmeträgermediums im zeitlichen Mittel vorteilhaft erhöht.
-
Geeigneterweise ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass zwei Adsorber mittels derer beiden zugehörigen Ventileinheiten seriell geschaltet werden, indem ein serieller Ausgang der einen Ventileinheit mit einem seriellen Eingang der anderen Ventileinheit verbunden wird. Die seriellen Ein- und Ausgänge der Ventileinheiten stellen somit eine Art Bussystem dar, an welches die Adsorber hintereinander anschließbar sind. Grundsätzlich ist es dann insbesondere auch möglich, alle Adsorber sowohl vom Adsorptions- als auch vom Desorptionskreis zur trennen, indem jeder serielle Eingang an jeweils einen der seriellen Ausgänge angeschlossen wird und dadurch ein Serienkreis hergestellt wird. Vorzugsweise bleiben jedoch zu einem gegebenen Zeitpunkt zumindest ein serieller Eingang und ein serieller Ausgang frei, sodass die Adsorber immer mit dem Adsorptions- und/oder dem Desorptionskreis verbunden sind. Dabei wird dann zur Förderung des Wärmeträgermediums durch die Adsorber eine Pumpe verwendet, welche im Adsorptions- oder Desorptionskreis angeordnet ist. Auf eine zusätzliche Pumpe in der Serienschaltung, d.h. insbesondere im Serienkreis, wird vorteilhaft verzichtet.
-
Beispielsweise werden ein erster und ein zweiter Adsorber über deren Ventileinheiten, nämlich eine erste und eine zweite Ventileinheit seriell miteinander verschaltet, indem der serielle Ausgang der ersten Ventileinheit an den seriellen Eingang der zweiten Ventileinheit angeschlossen wird und der Adsorptionskreiseingang der ersten Ventileinheit sowie der Adsorptionskreisausgang der zweiten Ventileinheit jeweils an den Adsorptionskreis. Das jeweilige Anschließen erfolgt hierbei durch Ansteuerung der Ventilgruppe mittels der Steuereinheit.
-
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass mehrere Adsorber mittels deren zugehöriger Ventileinheiten parallel geschaltet werden, indem entweder bei jeder der Ventileinheiten ein Adsorptionskreiseingang mit dem Adsorptionskreis verbunden wird oder indem bei jeder der Ventileinheiten ein Desorptionskreiseingang mit dem Desorptionskreis verbunden wird. Für die parallele Verschaltung werden die seriellen Ein- und Ausgänge der Ventileinheiten somit nicht benötigt. Vielmehr weisen der Adsorptions- und der Desorptionskreis mehrere Abzweigungen auf, über welche jeweils eine der Ventileinheiten anschließbar ist, sodass sich beim tatsächlichen jeweiligen Anschließen über die Adsorptionskreiseingänge, -ausgänge und Desorptionskreiseingänge sowie -ausgänge insgesamt eine Parallelschaltung der Adsorber ergibt.
-
Grundsätzlich wird ein jeweiliger Adsorber zwischen einem Adsorptions- und einem Desorptionsmodus bedarfsweise angeschaltet. Vorzugsweise weist das Wärmemanagementsystem mehr als zwei Adsorber auf, welche von der Steuereinheit jeweils bedarfsweise zwischen dem Adsorptionsmodus und dem Desorptionsmodus umgeschaltet werden. Durch die Verwendung von mehr als zwei Adsorbern insbesondere in Kombination mit dem phasenverschobenen Betrieb ist vorteilhaft gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt ein Adsorber mit geeigneter Sorbatmenge zur Verfügung steht, um eine gegebene Klimatisierungsanforderung zu bedienen.
-
Durch die zwei unterschiedlichen Betriebsmodi für die Adsorber weist das Wärmesystem zwei Gruppen von Adsorbern auf, nämlich eine Adsorptionsgruppe, d.h. die Gesamtheit aller Adsorber im Adsorptionsbetrieb, und eine Desorptionsgruppe, d.h. die Gesamtheit aller Adsorber im Desorptionsbetrieb. Aufgrund der flexiblen Verschaltungsmöglichkeit und des zyklischen Betriebs ist es möglich, dass entweder alle oder lediglich eine Teilanzahl der Adsorber zu einem bestimmten Zeitpunkt einer jeweiligen Gruppe angehören. Insbesondere wechselt die Zugehörigkeit aufgrund des zyklischen Betriebs. Hierzu ist die Steuereinheit vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass jeder der Adsorber abwechselnd und wiederkehrend einer der zwei Gruppen zugeordnet wird, nämlich der Adsorptionsgruppe, welche an den Adsorptionskreis angeschlossen ist, und der Desorptionsgruppe, welche an den Desorptionskreis angeschlossen ist.
-
Die Sorbatspeicherkapazität eines jeden Adsorbers ist endlich, d.h. einem beladenen Adsorber kann im Adsorptionsmodus lediglich eine endliche Wärmemenge entnommen werden, bevor dieser Adsorber in den Desorptionsmodus umgeschaltet werden muss, um in diesem erneut Wärme zu speichern, d.h. erneut vom Sorbat entladen zu werden. Daher wird ein jeweiliger Adsorber zweckmäßigerweise dann in den Desorptionsmodus umgeschaltet, wenn dessen Wärmemenge erschöpft ist, d.h. einen bestimmten unteren Grenzwert erreicht, beispielsweise weniger als 5% der Wärmespeicherkapazität.
-
Ein besonders geeigneter Indikator zur Bestimmung der Wärmemenge, welche in einem Adsorber gespeichert ist, ist die Temperaturdifferenz des ein- und auslaufenden Wärmeträgermediums, d.h. die Größe einer Temperaturänderung, welche vom Adsorber erzeugt wird. Zur Ermittlung der der Wärmemenge wird daher zweckmäßigerweise diese Temperaturänderung gemessen, vorzugsweise mit Temperatursensoren, welche die Temperatur des Wärmeträgermediums stromauf und stromab des Adsorbers messen. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Wärmemanagementsystem hierzu einen Vorlauf-Temperatursensor auf, zur Messung einer Vorlauftemperatur stromauf eines der Adsorber, und einen Rücklauf-Temperatursensor, zur Messung einer Rücklauftemperatur stromab des Adsorbers, und die Steuereinheit schaltet den Adsorber in den Desorptionsmodus um, falls die Vor- und Rücklauftemperatur sich um eine vorgegebene Temperaturdifferenz unterscheiden, insbesondere wenn die Vorlauftemperatur um weniger als z.B. 3K, insbesondere weniger als 1K von der Rücklauftemperatur abweicht, d.h. falls der Temperaturunterschied weniger als z.B. 3K, insbesondere weniger als 1K beträgt. Dadurch wird ein jeweiliger Adsorber mittels der Steuereinheit im Betrieb automatisch z.B. in den Desorptionsmodus umgeschaltet, falls im Adsorber keine praktisch nutzbare Wärme mehr gespeichert ist also das Sorbens näherungsweise vom Sorbat gesättigt ist.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Wärmemanagementsystem einen Heizbetrieb auf, in welchem zumindest einer der Adsorber über einen Heizkreiseingang und einen Heizkreisausgang der Ventilgruppe an einen Heizkreis angeschlossen wird, zur Wärmeabgabe an einen Heizwärmetauscher. Dieser ist insbesondere ein Teil eines Klimageräts des Fahrzeugs und dient zur Innenraumbeheizung, d.h. zur Beheizung des Fahrgastraums.
-
Zweckmäßigerweise weisen mehrere, vorzugsweise alle Ventileinheiten jeweils einen Heizkreiseingang und einen Heizkreisausgang auf und der Heizkreis ist im Heizbetrieb seriell mit zwei Adsorbern verschaltet und zwischen diesen angeschlossen. Der Heizkreis wird somit seriell mit den Adsorbern insbesondere in den Adsorptions- oder den Desorptionskreis hineingeschaltet. Grundsätzlich ist es alternativ denkbar, den Heizkreis direkt in den Adsorptionskreis zu integrieren, die genannte Trennung hat jedoch insbesondere den Vorteil, dass der Heizkreis bedarfsweise sozusagen hinzugeschaltet wird, falls eine Heizanforderung, insbesondere für den Fahrgastraum vorliegt und ansonsten das Wärmemanagementsystem unabhängig zyklisch betrieben wird, die Adsorber also wechselweise mit dem Adsorptions- und dem Desorptionskreis verbunden werden.
-
Außerdem wird in einer vorteilhaften Variante ein Adsorber mittels der zusätzlichen Heizkreisanschlüsse ausschließlich an den Heizkreis angeschlossen und sowohl vom Adsorptions- als auch vom Desorptionskreis getrennt betrieben, insbesondere im Adsorptionsmodus, um Wärme an den Heizkreis abzugeben. Diese Variante ist insbesondere durch die getrennte Ausführung und die separaten Heizkreisanschlüsse ermöglicht.
-
Im Heizbetrieb ist der Heizkreis geeigneterweise an den Adsorptionskreis angeschlossen, insbesondere mittelbar über die Ventilgruppe, falls mehrere Adsorber im Adsorptionsmodus betrieben werden und seriell miteinander verschaltet sind. Alternativ ist es zwar möglich, den Heizkreis mit Adsorbern im Desorptionsbetrieb zu verbinden, bevorzugt wird der Heizkreis jedoch mit Adsorbern im Adsorptionsbetrieb verbunden, da diese ja gerade Wärme abgeben sollen, während Adsorber im Desorptionsbetrieb eher Wärme aufnehmen sollen. Eine Verbindung mit Adsorbern im Desorptionsbetrieb und mit dem Desorptionskreis erfolgt demnach insbesondere lediglich dann, wenn keine Adsorber im Adsorptionsbetrieb zur Verfügung stehen.
-
Falls mehrere Adsorber im Adsorptionsmodus betrieben werden und seriell miteinander verschaltet sind wird der Heizkreis im Heizbetrieb zweckmäßigerweise zwischen dem ersten und dem zweiten Adsorber in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums angeschlossen wird. Dadurch wird die Effizienz des Wärmemanagementsystems verbessert. Beim Durchströmen mehrerer Adsorber im Adsorptionsbetrieb nimmt das Wärmeträgermedium mehr und mehr Wärme auf und dessen Temperatur steigt an. Da bereits stromab des ersten Adsorbers die Temperatur des Wärmeträgermediums typischerweise oberhalb der am Heizungswärmetauscher üblicherweise benötigten Temperatur von etwa 50 bis 100°C liegt oder zumindest in diesem Bereich, wird bereits hier die zum Heizen benötigte Wärme entnommen, da die Temperatur weiter stromab bereits unvorteilhaft hoch wäre. Ein weiterer Vorteil ist insbesondere, dass das Wärmeträgermedium vor dem Durchströmen des nächsten Adsorbers Wärme abgibt und dann eine verringerte Temperatur aufweist, wodurch eine nachfolgende Wärmeaufnahme effizienter ist.
-
Falls mehrere Adsorber dagegen im Desorptionsmodus betrieben werden und seriell miteinander verschaltet sind, wird im Heizbetrieb der Heizkreis in Strömungsrichtung zwischen dem letzen und dem vorletzten Adsorber angeschlossen. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass im Desorptionsmodus das Wärmeträgermedium in Strömungsrichtung durch die Adsorber Wärme abgibt und dadurch abgekühlt wird. Da das Wärmeträgermedium beim Eintreten in die Serienschaltung aus Adsorbern typischerweise eine hohe Temperatur von z.B. 200°C aufweist, wird der Heizkreis zweckmäßigerweise möglichst weit stromab innerhalb der Serienschaltung angeschlossen, d.h. vor dem letzten Adsorber, welcher durchströmt wird, bevor das Wärmeträgermedium im Desorptionskreis wieder Wärme aufnimmt. Die Temperatur vor dem letzten Adsorber beträgt üblicherweise wenige bis einige 10K weniger als vor dem ersten Adsorber der Serienschaltung und liegt z.B. zwischen etwa 100 und 190°C. Durch die Wärmeentnahme vor dem letzten Adsorber ist insbesondere im Fall von mehr als zwei seriell verschalteten Adsorbern zudem sichergestellt, dass zumindest der erste und der zweite Adsorber mit hinreichend viel Wärme versorgt und dadurch effizienter desorbiert werden.
-
Um einen möglichst effizienten Betrieb des Wärmemanagementsystems zu gewährleisten, werden dessen Komponenten zweckmäßigerweise hinsichtlich deren thermischer Eigenschaften optimiert. Dies betrifft zum Einen die Leitungen zum Transport des Wärmeträgermediums, zum Anderen aber besonders die Ventileinheiten. Konventionelle Ventileinheiten sind oft schwer und voluminös und stellen eine entsprechend große thermische Masse dar. Bei der Durchleitung des Wärmeträgermediums geht dann typischerweise Nutzwärme verloren und/oder die Dynamik beim Wechsel zwischen verschiedenen Schaltzuständen ist eingeschränkt, es entstehen Schleppfehler. Geeigneterweise ist zumindest eine der Ventileinheiten aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Vorzugsweise sind alle Ventileinheiten derart ausgebildet und in einer zweckmäßigen Variante sogar sämtliche medienführenden Bauelemente, wie z.B. Gehäuse und Medienanschlüsse. In dieser Ausgestaltung ist dann vorteilhaft ein Leichtbau realisiert, bei welchem diejenigen Komponenten, welche mit dem Wärmeträgermedium in Kontakt kommen, mit einer besonders geringen thermischen Masse ausgebildet sind. Gegenüber den konventionellen, insbesondere metallischen Werkstoffen weist ein für diese Anwendung geeigneter Werkstoff insbesondere ein Kunststoff eine besonders geringe massenspezifische Wärmekapazität und/oder eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. In der faserverstärkten Ausführung sind die Komponenten zudem mit geringeren Wandstärken als üblich herstellbar und halten trotzdem den im Betrieb herrschenden Drücken stand. Als Kunststoffe sind z.B. PA und PP geeignet.
-
Zweckmäßigerweise erfolgt auch eine thermische Trennung einzelner Komponenten sowie einzelner Teile einer jeweiligen Komponente. In einer geeigneten Ausgestaltung umfasst zumindest eine der Ventileinheiten mehrere Ventilelemente, welche voneinander thermisch isoliert sind. Beispielsweise sind hierbei einzelne Teile des Ventils, insbesondere ein Ventilgehäuse oder eine strömungsmechanische Medienführung, durch einen Luftspalt bzw. – soweit wie gestalterisch und fertigungstechnisch möglich – durch eine bauliche Trennung innerhalb der Ventileinheit oder durch einen thermischen Isolator thermisch voneinander isoliert. Ein thermischer Isolator ist zweckmäßigerweise innerhalb einer Ventileinheit flächig ausgestaltet, und isoliert zwei oder mehr unterschiedlich temperierte Ströme des Wärmeträgermediums voneinander. In dem zyklisch betriebenen Wärmemanagementsystem wird auf diese Weise die sogenannte parasitäre Wärmemenge reduziert, welche ansonsten den Wirkungsgrad des Wärmemanagementsystems reduzieren würde.
-
In einer geeigneten Ausgestaltung weist eine Ventileinheit eine Medienführung auf, zur Förderung des Wärmeträgermediums, und entlang der Medienführung ist eine Kante angeordnet, welche im Betrieb von Kühlmittel überströmt wird und welche einen Krümmungsradius aufweist, welcher wenigstens 1/20, insbesondere wenigstens 1/10 eines Innendurchmessers der Medienführung aufweist. Dadurch wird insgesamt eine Verrundung der Kante erzielt, welche den strömungsmechanischen Druckverlust beim Durchströmen der Ventileinheit signifikant reduziert und bei einem gegebenen Druckverlust die Auswahl einer geringeren Nennweite der Medienführung ermöglicht, wodurch letztendlich die Bauteilmasse reduziert wird. Die Medienführung wird z.B. mittels Druckfließläppen, d.h. mittels sogenanntem Abrasive Flow Machining abgerundet oder verrundet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest die Kanten, alternativ die gesamte Ventileinheit z.B. durch ein Gießverfahren oder durch Rapid Prototyping direkt abgerundet hergestellt.
-
Konventionelle Ventile weisen häufig Dichtungen auf, mit einer maximalen Betriebstemperatur, welche unterhalb der maximalen Betriebstemperatur des Wärmeträgermediums im vorliegend beschriebenen Wärmemanagementsystem liegen. Daher weist eine Ventileinheit in einer weiteren geeigneten Ausgestaltung zwei Teile auf, welche zum Umschalten zueinander beweglich sind, wobei die Teile dichtungsfrei aneinander anliegen und zueinander ein Spiel aufweisen, welches wenigstens eine Qualität IT6 aufweist. Darunter wird insbesondere verstanden, dass einzelne Bauelemente der Ventileinheit, insbesondere ein Ventilgehäuse oder mehrere Stellelement, welche relativ zueinander geführt werden, z.B. axial oder rotatorisch, und gegeneinander abzudichtende Medienströme führen, wenigstens im Bereich der Mediendichtung eine enge Spielpassung aufweisen, die somit als Spaltdichtung wirkt. Die Spielpassung ist insbesondere gemäß einschlägiger Normen wenigstens mit der Qualität IT6 ausgeführt, insbesondere mit IT7, ggf. sogar besser. Eine Verwendung einer solchen dichtungslosen Spaltdichtung führt möglicherweise zu inneren Leckageströmen, welcher vorliegend allerdings energetisch und volumetrisch vernachlässigbar sind. Von deutlichem Vorteil ist dann ein Wegfall der maximalen Betriebstemperatur sowie eine Reduktion der Stellkräfte beim Umschalten der Ventileinheit. Dadurch wird vorteilhaft die wartungsfreie Betriebsdauer erhöht.
-
In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung weist die Ventileinheit mehrere Ventilstellungen auf, welche jeweils stromlos haltbar sind. Darunter wird insbesondere verstanden, dass einzelne Bauelemente des Ventils, insbesondere Stellelemente, in einer jeweiligen Zwischen- oder Endposition mechanisch durch eine reib- oder formschlüssige Arretierung fixiert werden z.B. durch einen Reibsitz mittels einer Klemmfeder oder durch einen Kegelsitz oder mittels eines Dauermagneten. Insbesondere bei einem beidseitig wirkenden Antrieb werden durch eine solchen Arretierung mehrere, vorzugsweise jedoch alle Ventilstellungen, insbesondere Endstellungen, der Ventileinheit vorteilhaft ohne äußere Energiezufuhr und auch betriebssicher gehalten.
-
In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung weist zumindest eine der Ventileinheiten zwei Ventilstellungen auf und ist zwischen diesen umschaltbar, wobei ein Stellkörper angeordnet ist, welcher lediglich in einer axialen Richtung verschiebbar ist und welcher zum Einstellen der Ventilstellungen in zwei unterschiedlichen Positionen stromlos arretierbar ist. Darunter wird insbesondere verstanden, dass einzelne Bauelemente des Ventils, insbesondere Stellelemente, in einer jeweiligen Endposition mechanisch durch eine formschlüssige Arretierung fixiert werden, die bei zyklisch wechselnder Betätigung einen Stellkörper wechselweise in zwei definierten unterschiedlichen Positionen arretiert. Insbesondere bei einem lediglich einseitig wirkenden Antrieb wird durch eine solche Ausgestaltung ein Umschalten zwischen verschiedenen Ventilstellungen durch einen besonders einfachen Stellantrieb realisiert, welcher zur Aktivierung, d.h. zum Umschalten stets lediglich in einer Richtung betätigt zu werden braucht. Diese Ausgestaltung ist somit besonders kompakt, kostengünstig und zuverlässig. Zweckmäßigerweise weist der Stellantrieb eine Rückstellfeder auf, um den einseitigen Antrieb zu vereinfachen. Insbesondere wechselt das Stellelement zwischen den beiden Ventilstellungen jeweils durch Betätigung des bevorzugt nur einseitig wirkenden Stellantriebs, dadurch, dass bei Erreichen der ersten Ventilstellung das Stellelement mittels der Stellbewegung in eine Arretiervorrichtung, z.B. eine mechanische Verriegelung mit Halteklinke, geführt wird und von dieser dort gehalten wird. Zum Umschalten in die zweite Ventilstellung wird der Stellkörper dann mit einer in dieselbe Richtung wirkenden Stellkraft des einseitig wirkenden Stellantriebs aus der Arretiervorrichtung herausgeführt, z.B. ausgeklinkt, und sodann nach Deaktivieren des einseitig wirkenden Stellantriebs von einer Rückstellfeder in die zweite Ventilstellung verfahren und z.B. von dieser dort betriebssicher gehalten. Der Stellantrieb weist beispielsweise eine Kombination aus einer Elektrospule und einem Ankerkern auf oder ist hierdurch gebildet, wobei der Ankerkern durch einen Teil des axial verschieblichen Stellkörpers gebildet wird.
-
In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung weist eine Ventileinheit einen Sensor auf, zur Messung eines Wertes eines Parameters eines Kühlmittels oder eines Ventils im Betrieb. Der Sensor ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Menge von Sensoren, umfassend: Temperatursensor, Drucksensor, Gassensor, Leitfähigkeitssensor, Lagesensor. Darunter wird insgesamt insbesondere verstanden, dass einzelne Bauelemente des Ventils, insbesondere Stellelemente oder medienführende Ventilkomponenten mit einem Temperatursensor, z.B. einem Thermoelement, oder mit einem Drucksensor, z.B. einem Piezodruckaufnehmer, oder mit einem Lagesensor, z.B. einem Magnetschalter oder einer Spule, oder mit einem sonstigen Sensor, z.B. zur Aufnahme von Medienzusammensetzungen, ausgerüstet sind. Besonders die Bestimmung der Medienzusammensetzung ist von Interesse, da hierbei in einer geeigneten Ausgestaltung eine Degradation des Wärmeträgermediums ermittelt wird, z.B. eine Zerstörung des Frostschutzmittels, um eine Warnung auszugeben, falls das Wärmeträgermedium nicht mehr zum Betrieb des Wärmemanagementsystems geeignet ist.
-
Zusätzlich oder alternativ weist die Ventileinheit geeigneterweise eine Ventilsteuereinheit auf, zum Umschalten zwischen verschiedenen Ventilzuständen. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die Ventileinheit als Ventilsteuereinheit z.B. einen Mikrocontroller aufweist, welcher zweckmäßigerweise mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensoren und/oder mit einem oder mehreren Stellantrieben der Ventileinheit verbunden ist. Die Ventilsteuereinheit ist insbesondere ein Teil der Steuereinheit oder zumindest mit dieser verbunden.
-
Mittels der oben beschriebenen Sensoren und/oder der lokal am Ventil verbauten Ventilsteuereinheit ist das Ventil zweckmäßigerweise an ein übergeordnetes Signalnetz des Wärmemanagementsystems oder des Fahrzeugs angeschlossen, z.B. an einen CAN-Bus. Alternativ oder zusätzlich gibt die Ventilsteuereinheit aufgrund von z.B. Bus-Signalen oder Sensorsignalen eines Sensors, einen. Schaltzustand für die Ventileinheit vor, sodass diese ihren Ventilzustand sozusagen selbständig anpasst. Die Ventileinheit wird in diesem Zusammenhang auch als ein „intelligenter Aktuator“ bezeichnet. Dadurch ist insbesondere auch der Verkabelungsaufwand im gesamten Wärmemanagementsystem signifikant reduziert.
-
In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung weist eine Ventileinheit ein Gehäuse auf sowie ein Stellelement, welches in unterschiedlichen Ventilzuständen unterschiedliche Positionen einnimmt und zumindest teilweise aus dem Gehäuse herausgeführt ist und als Ventilzustandsanzeiger dient. Darunter wird insbesondere verstanden, dass ein Bauelement des Ventils, insbesondere ein Stellelement, mit einem Stellsegment versehen ist, welches aus dem Gehäuse herausgeführt oder zumindest von außen zugänglich ist, z.B. durch eine Achsverlängerung einer Drehachse eines Stellantriebs, und dass dieses Stellsegment mit einer von außen einsehbaren oder mechanisch fühlbaren Lagemarkierung, z.B. einem axialen Fräsabsatz, versehen ist, oder dass dieses Stellsegment mit einer Werkzeugaufnahme, z.B. einen Innensechskant, oder einem Stellgriff, z.B. Flügeln in der Art einer Flügelmutter, ausgerüstet ist. Mittels des von außen einsehbaren Stellsegments und der Lagemarkierung kann insbesondere durch eine einfache Sichtkontrolle der Ventilzustand der Ventileinheit festgestellt werden. Im Falle eines Ventilfehlers oder eines unklaren Gesamtsystemzustands ist dadurch ein wirkungsvoller Service durchführbar sowie vorzugsweise auch mittels der Werkzeugaufnahme der Ventilzustand in eine für einen Notbetrieb des Systems verträgliche Ventilstellung einstellbar oder überführbar.
-
Die oben im Zusammenhang mit einer einzelnen Ventileinheit beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen werden zweckmäßigerweise auf sämtliche Ventileinheiten der Ventilgruppe angewendet. Bevorzugterweise sind ganz allgemein alle Ventileinheiten der Ventilgruppe gleichartig ausgebildet, sodass zur Realisierung der Ventilgruppe lediglich ein Typ der Ventileinheit benötigt wird.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
-
1 ein Wärmemanagementsystem,
-
2 eine Ventileinheit für das Wärmemanagementsystem, und
-
3a–3h eine Ventilgruppe des Wärmemanagementsystems jeweils in unterschiedlichen Schaltzuständen.
-
In 1 ist ein Wärmemanagementsystem 2 für ein nicht näher gezeigtes Fahrzeug dargestellt. Das Wärmemanagementsystem 2 weist mehrere, hier vier Adsorber 4 auf, welche als Wärmespeicher dienen und zyklisch betrieben werden um jeweils wechselweise in einem Adsorptionsmodus Wärme an einen Adsorptionskreis 6 abzugeben und in einem Desorptionsmodus Wärme aus einem Desorptionskreis 8 aufzunehmen. Mittels des Adsorptionskreises 6 wird dann eine Beheizung von nicht weiter dargestellten Fahrzeugkomponenten durchgeführt und/oder die Wärme wird als Abwärme z.B. über einen Kühler an die Umgebung abgegeben. Mittels des Desorptionskreises 8 werden dagegen nicht gezeigte Fahrzeugkomponenten abgekühlt, z.B ein Wärmetauscher im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Insgesamt dient das Wärmemanagementsystem 2 somit zur Klimatisierung, d.h. Kühlung und/oder Beheizung diverser Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrgastraums 10.
-
Die Adsorber 4 sind jeweils als Sorptionsbett ausgebildet, d.h. als Gefäß, in welchem ein Sorbens, z.B. ein Zeolith angeordnet ist. Durch Aufnahme eines Sorbats, z.B. Wasser, in das Sorbens, d.h. durch Adsorption von Sorbat generiert ein jeweiliger Adsorber 4 Adsorptionswärme, welche als Abwärme zur Verfügung steht. Umgekehrt wird das Sorbens durch Zufuhr von Wärme getrocknet und das Sorbat wird wieder abgegeben, d.h. der Adsorber 4 wird desorbiert. Somit ist der Adsorber 4 ein reversibler Wärmespeicher, mit einer bestimmten maximalen Wärmekapazität und einer zu einem bestimmten Zeitpunkt im Adsorber 4 gespeicherten Wärmemenge. Zum Adsorbieren wird ein jeweiliger Adsorber 4 dann in einem Adsorptionsbetrieb betrieben und an den Adsorptionskreis 6 angeschlossen. Zum Desorbieren wird ein jeweiliger Adsorber 4 entsprechend in einem Desorptionsbetrieb betrieben und an den Desorptionskreis 8 angeschlossen.
-
Das Sorbat wird im gezeigten Ausführungsbeispiel über ein System aus zwei Reservoiren 12, 14 bereitgestellt, nämlich ein erstes Reservoir 12 und ein zweites Reservoir 14, welche als Speicher für das Sorbat dienen und fluidtechnisch mit den Gefäßen der Adsorber 4 verbunden sind, zum Austausch von Sorbat. Die Reservoire 12, 14 sind jedoch nicht fluidtechnisch mit den beiden Kreisen 6, 8 verbunden.
-
Zum Austausch von Wärme zwischen den Adsorbern 4 und einem Wärmeträgermedium, welches im Adsorptions- und im Desorptionskreis 6, 8 zirkuliert, weist ein jeweiliger Adsorber 4 einen Wärmetauscher 16 auf, mittels welchem der zugehörige Adsorber 4 an die Kreise 6, 8 anschließbar ist. Zum besonders flexiblen Verschalten der diversen Adsorber 4 untereinander weist das Wärmemanagementsystem 2 eine Ventilgruppe 18 auf, welche wiederum mehrere Ventileinheiten 20 aufweist, wobei jedem Adsorber 4 genau eine Ventileinheit 20 zugeordnet ist. Grundsätzlich ist es möglich, dass einer Ventileinheit 20 mehrere Adsorber 4 zugeordnet sind, in 1 ist jedoch jeder Ventileinheit 20 genau ein Adsorber 4 zugeordnet. Die Ventileinheit 20 dient nun zum Anschließen der Adsorber 4 zwecks Durchströmen mit dem Wärmeträgermedium sowie zum Umschalten zwischen dem jeweiligen Adsorptions- und Desorptionsbetrieb.
-
Eine einzelne Ventileinheit 20 ist in 2 in einem Ersatzschaltbild mit sechs 3/2-Wegeventilen näher dargestellt. Die Ventileinheit 20 weist zunächst zwei Anschlüsse 22, 24 für den Adsorber 4 auf, nämlich einen Adsorbervorlauf 22, über welchen das Wärmeträgermedium dem Adsorber 4, genauer gesagt dem Wärmetauscher 16 zugeführt wird, und einen Adsorberrücklauf 24, über welchen das Wärmeträgermedium vom Adsorber 4 wieder der Ventileinheit 20 zugeführt wird. Weiterhin weist die Ventileinheit 20 zusätzliche Anschlüsse 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40 auf, in dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel nämlich vier Eingänge 26, 30, 34, 38 sowie vier Ausgänge 28, 32, 36, 40. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Ventileinheit 20 ist es vorliegend möglich, einen beliebigen der Eingänge 26, 30, 34, 38 mit dem Adsorbervorlauf 22 zu verbinden und den Adsorberrücklauf 24 mit einem beliebigen der Ausgänge 28, 32, 36, 40.
-
Im Folgenden werden die Anschlüsse 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40 anhand der 1 und 2 näher erläutert. Zunächst weist die Ventileinheit 20 einen Adsorptionskreiseingang 26 und einen Adsorptionskreisausgang 28 auf, mittels welchen der Adsorber 4 an den Adsorptionskreis 6 anschließbar ist. Weiter weist die Ventileinheit 20 einen Desorptionskreiseingang 30 und einen Desorptionskreisausgang 32 auf, mittels welchen der Adsorber 4 an den Desorptionskreis 8 anschließbar ist. Dabei wird die Ventileinheit 20 jedoch im Betrieb insbesondere derart angesteuert, dass ein jeweiliger Adsorber 4 entweder an den Adsorptionskreis 6 oder an den Desorptionskreis 8 angeschlossen ist, nicht jedoch an beide gleichzeitig, sondern lediglich zyklisch wechselnd. Ein jeweiliger Adsorber ist allenfalls kurzzeitig, jedoch nicht dauerhaft an beide Kreise 6, 8 gleichzeitig angeschlossen. Wie aus 1 deutlich wird, sind die Ventileinheiten 20 innerhalb der Ventilgruppe 18 zudem derart miteinander verschaltet, dass sich eine Parallelschaltung mehrerer Adsorber 4 ergibt, falls diese mehreren Adsorber 4 jeweils über den zugehörigen Adsorptionskreiseingang 26 und den Adsorptionskreisausgang 28 an den Adsorptionskreis 6 angeschlossen sind oder jeweils über den zugehörigen Desorptionskreiseingang 30 und den Desorptionskreisausgang 32 an den Desorptionskreis 8.
-
Zur Herstellung einer Serienschaltung mehrerer Adsorber 4 weist die Ventileinheit weiter einen seriellen Eingang 34 und einen seriellen Ausgang 36 auf. Ein jeweiliger serieller Ausgang 36 ist dabei mit genau einem seriellen Eingang 34 verbunden, sodass die Adsorber über die seriellen Ein- und Ausgänge 34, 36 im Sinne eines Kreislaufs hintereinander angeordnet sind. Durch entsprechendes Steuern und Umschalten der Ventileinheiten 20 sind die Adsorber 4 somit insgesamt beliebig seriell und/oder parallel miteinander verschaltbar.
-
Speziell in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Ventileinheit 20 zwei weitere Anschlüsse 38, 40 auf, zum Verbinden mit einem als Heizkreis 42 ausgebildeten Sekundärkreises des Wärmemanagementsystems 2, nämlich einen Heizkreiseingang 38 und einen Heizkreisausgang 40. Dabei ist im Betrieb der Heizkreis 42 zusätzlich zwischen zwei Adsorber 4 schaltbar, d.h. mit diesen dann seriell verschaltet, und dann entsprechend an den Adsorptionskreis 6 oder den Desorptionskreis 8 angeschlossen. Der Heizkreis 42 dient in einem Heizbetrieb des Wärmemanagementsystems 2 zur Beheizung des Fahrgastraums 10 des Fahrzeugs. Dazu ist im Heizkreis 42 ein Heizwärmetauscher 44 angeordnet, welcher ein Teil eines Klimageräts 46 des Fahrzeugs ist. Es ist ebenso möglich, einen oder mehrere Adsorber jeweils direkt mit dem Heizkreis 42 zur Abfuhr von Adsorptionswärme mittels des Eingangs 38 und des Ausgangs 40 sowie der im Heizkreis angeordneten Pumpe 54 zu verschalten. Weiterhin ist es daher ebenso möglich, die Adsorber 4 in einer Kombination aus Parallel- und Serienschaltung, die ihrerseits jeweils über die Eingänge 34 und die Ausgänge 36 erfolgt, über den Heizkreis 42 zum Beheizen des Heizungswärmetauschers 44 zu betreiben.
-
In der in 1 gezeigten Ausführungsform dient weiterhin das erste Reservoir 12 als Verdampfer, an welchen zusätzlich ein weiterer Sekundärkreis thermisch angeschlossen ist, welcher ein Kühlkreis 48 ist. An diesen ist ein Kühlwärmetauscher 50 angeschlossen, welcher wie auch der Heizwärmetauscher 44 ein Teil des Klimageräts 46 ist, jedoch zur Kühlung des Fahrgastraums 10 dient. Das zweite Reservoir 14 dient dagegen als Kondensator, an welchen zu dessen Kühlung ein Kondensatorkreis 52 thermisch angeschlossen ist. Da das zweite Reservoir 14 somit im Betrieb eine Wärmequelle darstellt, ist dieses hier über den Kondensatorkreis 52 hydraulisch mit dem Adsorptionskreis 6 verbunden, zur Wärmeabfuhr.
-
Zur bedarfsgerechten Förderung des Wärmeträgermediums ist im Adsorptionskreis 6, im Desorptionskreis 8, im Heizkreis 42 und im Kondensatorkreis 52 jeweils eine Pumpe 54 angeordnet. Zur Förderung über die seriellen Eingänge 34 und Ausgänge 36 wird dagegen keine Pumpe benötigt.
-
Im Folgenden wird der Betrieb des Wärmemanagementsystems 2 anhand der 3a bis 3h näher erläutert. Diese zeigen jeweils die Ventilgruppe 18 gemäß 1 mit Ventileinheiten 20 gemäß 2, welche mittels der Steuereinheit 56 angesteuert werden, wobei die einzelnen Ventileinheiten 20 derart eingestellt werden, dass die Adsorber 4 zum Einen zyklisch adsorbiert und desorbiert werden und zum Anderen eine optimale und möglichst effiziente Wärmeverteilung im Fahrzeug gewährleistet ist. Die jeweilige Verschaltung wird dabei durch eine verstärkte Linie verdeutlicht. Außerdem ist der jeweilige Betriebsmodus einer jeden Ventileinheit 20 mit Adsorber 4 gekennzeichnet, nämlich mit einem A für Adsorptionsmodus und mit einem D für Desorptionsmodus. Lediglich beispielhaft sind vier Ventileinheiten 20 gezeigt, an welche jeweils ein Adsorber 4 angeschlossen ist. In einer Variante ist jedoch eine andere Anzahl von Ventileinheiten 20 und Adsorbern 4 vorhanden und wird miteinander verschaltet, insbesondere mehr als die gezeigten vier Ventileinheiten 20 mit je einem Adsorber 4.In einer weiteren Variante ist jedoch auch eine geringere Anzahl von Ventileinheiten 20 und Adsorbern 4 miteinander verschaltet insbesondere drei oder zwei oder nur eine Ventileinheit 20 mit jeweils einem Adsorber 4. In den 3b bis 3h wurde der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung der Steuereinheit 56 und der Adsorber 4 verzichtet.
-
3a zeigt alle Adsorber 4 in einer Serienschaltung und im Desorptionsbetrieb. Dazu sind die erste Ventileinheit 20 über deren Desorptionskreiseingang 30 und die letzte Ventileinheit 20 über deren Desorptionskreisausgang 32 an den Desorptionskreis 8 angeschlossen. Ansonsten wird das Wärmeträgermedium jeweils über die seriellen Eingänge 34 und Ausgänge 36 nacheinander durch alle Adsorber 4 geführt. Ausgehend von einer Wärmequelle im Desorptionskreis 8 durchströmt das erwärmte Wärmeträgermedium dann nacheinander die Adsorber 4 und gibt Wärme an diese zur Desorption ab, d.h. es wird Wärme in den Adsorbern 4 gespeichert.
-
In 3a ist mit einer gestrichelten Linie ein alternativer Betrieb gezeigt, nämlich ein Heizbetrieb, in welchem der Heizkreis 42 zwischen die letzten beiden Adsorber 4 in die Serienschaltung integriert ist. Dazu wird das Wärmeträgermedium ausgehend vom vorletzten Adsorber 4 nicht über den seriellen Ausgang 36 dem letzten Adsorber 4 zugeführt, sondern zunächst über den Heizkreisausgang 40 dem Heizkreis 42 und erst nach dem Durchströmen des Heizwärmetauschers 44 über den Heizkreiseingang 38 der letzten Ventileinheit 20 dem letzten Adsorber.
-
Soll z.B. der Fahrgastraum 10 gekühlt werden, wird wie in 3b dargestellt, einer der Adsorber 4 in den Adsorptionsbetrieb umgeschaltet. Durch Adsorption von Sorbat aus dem ersten Reservoir 12 wird weiteres Sorbat in diesem ersten Reservoir 12 verdampft, sodass über den Kühlkreis 48 und den Kühlwärmetauscher 50 dem Fahrgastraum 10 Wärme entnommen wird.
-
In 3b ist somit einer der Adsorber 4 an den Adsorptionskreis angeschlossen, d.h. einer Adsorptionsgruppe zugeordnet, und die übrigen Adsorber 4 sind an den Desorptionskreis angeschlossen, d.h. einer Desorptionsgruppe zugeordnet. Dagegen ist in 3a keiner der Adsorber 4 der Adsorptionsgruppe zugeordnet.
-
In 3c wurde ein weiterer Adsorber 4 der Adsorptionsgruppe hinzugefügt und in den Adsorptionsbetrieb umgeschaltet, um insbesondere eine erhöhte Kühlanforderung für den Fahrgastraum 10 zu bedienen. Dabei sind die beiden Adsorber 4 im Adsorptionsbetrieb seriell miteinander verschaltet.
-
Weiterhin ist durch die gestrichelte Linie in 3c eine Variante mit zusätzlichem Heizbetrieb angedeutet, bei welcher der Heizkreis 42 nunmehr nicht mit den Adsorbern 4 im Desorptionsbetrieb verschaltet wird, sondern mit den Adsorbern 4 im Adsorptionsbetrieb. Letztere sollen ja gerade Wärme abgeben, weshalb ein Anschließen des Heizkreises 42 an diese Adsorber 4 der Adsorptionsgruppe insgesamt effizienter ist.
-
Ist die im ersten Adsorber 4 gespeicherte Wärmemenge hinreichend weit aufgebraucht, so wird dieser wie in 3d gezeigt automatisch in den Desorptionsbetrieb umgeschaltet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird dazu der umgeschaltete erste Adsorber 4 mit den beiden letzten Adsorbern 4, welche weiterhin im Desorptionsmodus betrieben werden, verschaltet, und zwar stromab von diesen, sodass der gerade entladene Adsorber nachrangig bezüglich der übrigen Adsorber desorbiert wird.
-
Als Kriterium für das Umschalten zum erneuten Desorbieren dienen z.B. die Temperaturen des Wärmeträgermediums stromauf und stromab des Adsorbers 4, genauer gesagt deren Temperaturunterschied, welcher ein Indikator für die Wärmemenge ist, welche noch im Adsorber 4 gespeichert ist. Beträgt der Temperaturunterschied weniger als z.B. 3K, insbesondere weniger als 1K, wird der Adsorber 4 umgeschaltet. Die Temperatur stromauf des Adsorbers 4 wird dabei insbesondere mittels eines Vorlauf-Temperatursensors 58 am Adsorbervorlauf 22 gemessen. Die Temperatur stromab des Adsorbers 4 wird insbesondere mittels eines Rücklauf-Temperatursensors 60 am Adsorberrücklauf 24 gemessen.
-
Anhand der 3a bis 3d wird in einer Gesamtschau zudem deutlich, wie trotz der begrenzten Wärmemenge in jedem der Adsorber 4 eine kontinuierliche Innenraumkühlung möglich ist, indem die Adsorber 4 nacheinander zunächst in den Adsorptionsbetrieb umgeschaltet werden und nach im Wesentlichen vollständiger Adsorption zunächst ein anderer Adsorber 4 in den Adsorptionsmodus geschaltet wird und der entladene Adsorber 4 wieder zurück in den Desorptionsmodus.
-
In 3e ist ein Betrieb dargestellt, in welchem eine große Klimatisierungsanforderung vorliegt, welche den Betrieb von dreien der Adsorber 4 im Adsorptionsmodus erfordert. Diese Adsorber 4 sind untereinander seriell verschaltet, analog den Adsorbern 4 in 3a, mit dem Unterschied, dass die Serienschaltung aus Adsorbern nunmehr an den Adsorptionskreis 6 angeschlossen ist. Die gestrichelte Linie zeigt wieder eine Variante mit Heizbetrieb an, in welchem der Heizkreis 42 zwischen den ersten beiden Adsorbern 4 in die Serienschaltung eingefügt ist, im Gegensatz zu 3a, in welcher der Heizkreis 42 möglichst weit hinten in der Serienschaltung angeordnet ist. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass im Adsorptionsmodus die Temperaturverteilung im Wärmeträgermedium entlang dessen Strömungsrichtung durch die Serienschaltung der Adsorber 4 hindurch zunimmt. Die Wärme daher in diesem Fall möglichst früh entnommen, um insbesondere ein optimales Vor-Adsorbieren der an zweiter und dritter Stelle durchströmten Adsorber 4 zu ermöglichen und gleichfalls ein günstiges Temperaturniveau für den Heizwärmetauscher 44 bereitzustellen.
-
3f zeigt das Resultat eines Umschaltens des ersten Adsorbers 4 ausgehend von 3e. und stellt eine der 3c äquivalente Verschaltungssituation dar.
-
In 3g sind alle Adsorber 4 in den Adsorptionsmodus geschaltet und in Serie an den Adsorptionskreis 6 angeschlossen.
-
3g schließlich zeigt einen Zustand, welcher letztendlich äquivalent zu dem in 3e gezeigten Zustand ist und in Kombination hiermit insbesondere den zyklischen und phasenverschobenen Betrieb der Adsorber 4 zum kontinuierlichen Bedienen einer Klimatisierungsanforderung verdeutlicht.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Wärmemanagementsystem
- 4
- Adsorber
- 6
- Adsorptionskreis
- 8
- Desorptionskreis
- 10
- Fahrgastraum
- 12
- erstes Reservoir
- 14
- zweites Reservoir
- 16
- Wärmetauscher
- 18
- Ventilgruppe
- 20
- Ventileinheit
- 22
- Adsorbervorlauf
- 24
- Adsorberrücklauf
- 26
- Adsorptionskreiseingang
- 28
- Adsorptionskreisausgang
- 30
- Desorptionskreiseingang
- 32
- Desorptionskreisausgang
- 34
- serieller Eingang
- 36
- serieller Ausgang
- 38
- Heizkreiseingang
- 40
- Heizkreisausgang
- 42
- Heizkreis
- 44
- Heizwärmtauscher
- 46
- Klimagerät
- 48
- Kühlkreis
- 50
- Kühlwärmetauscher
- 52
- Kondensatorkreis
- 54
- Pumpe
- 56
- Steuereinheit
- 58
- Vorlauf-Temperatursensor
- 60
- Rücklauf-Temperatursensor
