DE102016102625A1

DE102016102625A1 - Kühlsystem für einen Klimatisierungskreis eines Kraftfahrzeugs und Verwendung des Kühlsystems

Info

Publication number: DE102016102625A1
Application number: DE102016102625.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Karl; Daniel NEVEU; Kamel Azzouz; Jérémy Blandin
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2016-08-25
Also published as: FR3033035A1; CN106004342A; FR3033035B1

Abstract

Kühlsystem zum Kühlen eines Kühlfluids, das innerhalb eines Kraftfahrzeugklimatisierungskreises zirkuliert, wobei der Klimatisierungskreis einen Wasserkondensator (38) aufweist und das Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreis mit einem Wärmetauscher (24) ausgestattet ist, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei der Wärmetauscher (24) mit dem Wasserkondensator (38) verbunden ist und ein Luftkondensator (40) ferner mit dem Wasserkondensator (38) verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, wie etwa für ein Kraftfahrzeug, das mittels einer Brennstoffzelle angetrieben wird, und sie betrifft genauer gesagt ein Kühlsystem für einen Kühlkreis des Kraftfahrzeugs und die Verwendung des Kühlsystems innerhalb des Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Das System zum Antreiben von Kraftfahrzeugen umfasst in bekannter Weise im Allgemeinen einen Verbrennungsmotor. Seit einigen Jahren werden jedoch von den Automobilherstellern Kraftfahrzeuge entwickelt, bei denen das Antriebssystem eine Brennstoffzelle umfasst. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verwendung einer Brennstoffzelle innerhalb des Kraftfahrzeugs insbesondere zwei Nachteile hat.
Der erste Nachteil betrifft das Abführen der Abwärme, die mit der Verwendung der Brennstoffzelle zusammenhängt. Der Wert der Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle ist in bekannter Weise sehr niedrig und somit vergleichsweise viel niedriger als der Wert der Betriebstemperatur einer Verbrennungskraftmaschine. Die mit dem Betrieb des Kraftfahrzeugmotors mit Brennstoffzelle zusammenhängende Abwärme hat folglich ebenso eine sehr niedrige Temperatur. Der Temperaturunterschied zwischen der Abwärme und der Umgebungsluft außerhalb des Kraftfahrzeugs ist somit sehr klein. Infolgedessen ist das Abführen der Abwärme für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Brennstoffzelle verwendet wird, schwer optimal durchzuführen.
Der zweite Nachteil betrifft die Menge der Abwärme, die abzuführen ist. Für ein Kraftfahrzeug, bei dem ein Verbrennungsmotor verwendet wird, kann in bekannter Weise etwa ein Drittel der Abwärme über die Abgase des Kraftfahrzeugs abgeführt werden. Für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Brennstoffzelle verwendet wird, muss jedoch die gesamte Abwärme abgeführt werden, wobei dies dadurch erfolgt, dass die mit der Abwärme zusammenhängende Wärme mit einem Fluid, wie etwa Wasser ausgetauscht wird. Diese hohe Menge an Abwärme, die abzuführen ist, stellt eine hohe Belastung hinsichtlich der Struktur und der Anordnung des Kühlsystems, das zum Abführen der Abwärme vorgesehen ist, dar.
Um den Betrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Brennstoffzelle verwendet wird, zu optimieren, hat es sich als nötig erwiesen, die oben genannten Nachteile bezüglich der Abwärme zu überwinden, um starke Beeinträchtigungen hinsichtlich des Betriebs des Kraftfahrzeugs zu verhindern.
Gegenstand der Erfindung
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Kühlen eines Kühlfluids, das in einem Klimatisierungskreis eines Kraftfahrzeugs zirkuliert, wobei der Klimatisierungskreis einen Wasserkondensator aufweist und das Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreis mit einem Wärmetauscher ausgestattet ist, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei der Wärmetauscher mit dem Wasserkondensator verbunden ist und ferner ein Luftkondensator mit dem Wasserkondensator verbunden ist.
Der Wärmetauscher ist somit mit dem Wasserkondensator verbunden, um einen ersten Kühlschritt mit dem Wärmeträgerfluid durchzuführen, und der Luftkondensator ist mit dem Wasserkondensator verbunden, um einen zweiten Kühlschritt durchzuführen.
Luft, die aus zwei getrennten Luftkreisen stammt, kann vorteilhafterweise durch den Wärmetauscher und den Luftkondensator strömen. Die Luftkreise weisen jeweils eine getrennte Luftversorgungsquelle auf, so dass der Wärmetauscher und der Luftkondensator mit unabhängigen Luftdurchsätzen gespeist werden können.
Der Luftkondensator ist vorteilhafterweise auf Höhe des Durchgangs eines Rads des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Der Wärmetauscher ist vorteilhafterweise ein Tieftemperaturheizkörper.
Der Wasserkondensator und der Luftkondensator haben vorteilhafterweise eine Verbindung durch Materialkontinuität. Mit anderen Worten sind der Wasserkondensator und der Luftkondensator miteinander verschachtelt oder ineinander integriert, so dass sie sich gemeinsame Elemente teilen, wie etwa eine Sammelkammer mit Innenwänden, und ein einziges Modul des Klimatisierungskreises bilden.
Der Wasserkondensator ist vorteilhafterweise auf Höhe des Durchgangs eines Rads des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Das Kühlsystem weist ferner vorteilhafterweise einen zweiten Kühlkreis mit einem Hauptwärmetauscher, wie etwa einen Hochtemperaturheizkörper auf.
Der zweite Kühlkreis weist vorteilhafterweise einen sekundären Wärmetauscher, wie etwa einen Hochtemperaturheizkörper auf, der auf Höhe des Durchgangs eines Rads des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines Kühlsystems, wobei das Kühlsystem bei einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
Das Kraftfahrzeug wird vorteilhafterweise mittels einer Brennstoffzelle angetrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Ziele, Gegenstände und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie ihre Vorteile ergeben sich besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems, die anhand der Zeichnungen gegeben ist. Darin zeigen:
1 schematisch gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die vordere Struktur eines Kraftfahrzeugs, das insbesondere eine Brennstoffzelle und ein Kühlsystem umfasst,
2 schematisch den Betrieb des in 1 gezeigten Kühlsystems.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Ziel der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ist es, die Erfindung ausreichend klar und vollständig insbesondere anhand von Beispielen darzulegen, sie ist jedoch nicht als Einschränkung des Schutzumfangs auf die nachfolgend aufgezeigten besonderen Ausführungsformen und Beispiele zu verstehen.
1 zeigt die vordere Struktur 10 eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs.
Die vordere Struktur 10 weist einen vorderseitigen Teil oder ein vorderseitiges Modul 12 auf. Der vorderseitige Teil 12 ist ein Strukturelement, das in der Längsachse des Kraftfahrzeugs liegt und eine oder mehrere Vorrichtungen aufnehmen kann, die dem Betrieb des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind. Die Vorrichtungen umfassen beispielsweise ein optisches Modul, das die Scheinwerfer des Kraftfahrzeugs, eine Hupe oder einen Wärmetauscher enthält.
Die vordere Struktur 10 weist auch die Vorderräder 14, 16 des Kraftfahrzeugs auf. Bei der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „in der Nähe des Rads” oder „auf Höhe des Raddurchgangs” dazu verwendet, eine Stelle zu bezeichnen, die in der gleichen vertikalen Ebene liegt wie jedes betreffende Vorderrad 14, 16. Die Stelle entspricht beispielsweise dem Volumen, das um jedes Vorderrad 14, 16 und in der Nähe eines (nicht gezeigten) optischen Moduls verfügbar ist. Die Stelle deckt zum Beispiel ein Volumen, das in einem Abstand von etwa 20 cm bis 50 cm um jedes Vorderrad 14, 16 liegt. Bei der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „in der Nähe des Rads” beim Vorderrad 14 angewandt, um die Übereinstimmung mit der in 1 gezeigten Ausführungsform einzuhalten. Der Begriff „in der Nähe des Rads” kann somit analog dazu beim Vorderrad 16 angewandt werden.
Wie in 1 gezeigt, weist die vordere Struktur 10 einen Elektromotor 18 auf, der dazu vorgesehen ist, das Kraftfahrzeug anzutreiben.
Die vordere Struktur 10 weist auch eine Brennstoffzelle 20 vom Typ mit Membran auf, um den Elektromotor 18 mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die vordere Struktur 10 weist auch eine Leistungssteuerungsvorrichtung 22 zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors 18 auf.
Wie in 1 gezeigt, weist das erfindungsgemäße Kühlsystem einen ersten Kühlkreis auf, der als Tieftemperaturkreis bezeichnet wird und durch gestrichelte Linien angegeben ist. Der erste Kühlkreis soll die Vorrichtungen kühlen, die dem Betrieb des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind und für die der Wert der Betriebstemperatur zwischen etwa 40°C und 60°C beträgt. Die Vorrichtungen umfassen insbesondere den Elektromotor 18 und die Leistungssteuervorrichtung 22.
Gemäß 1 weist der erste Kühlkreis einen ersten Wärmetauscher 24, wie etwa einen als Tieftemperaturheizkörper bezeichneter Heizkörper, sowie einen ersten Ventilator 26 auf. Der erste Wärmetauscher 24 und der erste Ventilator 26 befinden sich innerhalb des vorderseitigen Teils 12. Ein Wärmeträgerfluid zirkuliert innerhalb des ersten Kühlkreises.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist einen zweiten Kühlkreis auf, der als Hochtemperaturkreis bezeichnet wird und durch punktierte Linien angegeben ist. Der zweite Kühlkreis ist dazu vorgesehen, die dem Betrieb des Kraftfahrzeugs zugeordneten Vorrichtungen zu kühlen, für die der Wert der Betriebstemperatur zwischen etwa 80°C und 100°C beträgt. Diese Vorrichtungen umfassen insbesondere die Brennstoffzelle.
Gemäß 1 weist der zweite Kühlkreis einen als Hauptwärmetauscher bezeichneten zweiten Wärmetauscher 28 auf, wie etwa einen als Hochtemperaturheizkörper bezeichneten Heizkörper, und einen dritten Wärmetauscher 30, der als sekundärer Wärmetauscher bezeichnet wird, wie etwa einen als Hochtemperaturheizkörper bezeichneten Heizkörper, sowie einen zweiten Ventilator 32 auf. Der zweite Wärmetauscher 28 liegt innerhalb des vorderseitigen Teils 12 in der gleichen vertikalen Ebene wie der erste Wärmetauscher 24. Der dritte Wärmetauscher 30 liegt seitlich in der Nähe des Vorderrads 14.
Wie in 1 gezeigt, weist das Kraftfahrzeug auch einen Klimatisierungskreis mit geschlossener Schleife auf, der durch die strichpunktierten Linien angegeben ist. Der Klimatisierungskreis weist einen Verdampfer 34, einen Verdichter 36, einen Wasserkondensator 38, einen Luftkondensator 40, eine Dehydratationsflasche 42 und einen Druckminderer 44 auf. Ein Kühlfluid zirkuliert innerhalb des Klimatisierungskreises.
Wie in 2 gezeigt, weist der Luftkondensator 40 mehrere erste Radiatorrohre oder Platten auf, die einen Kühlbereich A bilden, um das Kühlen des Kühlfluids durchzuführen und einen flüssigen Zustand des Kühlfluids zu erhalten. Der Luftkondensator 40 weist auch mehrere zweite Radiatorrohre oder Platten auf, die einen Unterkühlungsbereich B bilden, wie in 2 gezeigt ist, um das Unterkühlen des Kühlfluids in der Flüssigphase durchzuführen, d. h. ein Kühlen unter die Kondensationstemperatur des Kühlfluids.
Die Abscheide- und Dehydratationsflasche 42, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist zwischen den mehreren ersten und zweiten Platten integriert und ermöglicht das Filtern und Dehydrieren des Kühlfluids, wie in 2 gezeigt ist. Mit der Dehydratationsflasche 42 ist es somit möglich, die Volumenänderungen des Kühlfluids zu kompensieren. Mit der Dehydratationsflasche 42 ist es auch möglich, eine Trennung zwischen der Flüssigphase und der Gasphase des Kühlfluids beizubehalten, so dass lediglich das Kühlfluid in der Flüssigphase im Unterkühlungsbereich B zirkuliert.
Gemäß 1 ist der Wasserkondensator 38 auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 angeordnet. Alternativ kann der Wasserkondensator 38 auch innerhalb der Vorderseite 12 angeordnet sein.
Gemäß 1 sind der Luftkondensator 40 und die Dehydratationsflasche 42 auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 angeordnet.
2 zeigt eine ausführliche Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems mit dem Wasserkondensator 38, dem Luftkondensator 40 und der Dehydratationsflasche 42, die während des Betriebs des Kühlsystems auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 angeordnet sind.
Wie in 2 gezeigt, zirkuliert das gasförmige Kühlfluid, das aus dem Verdichter 36 stammt, in Richtung des Pfeils 50 innerhalb des Wasserkondensators 38.
Sofern der Wasserkondensator 38 auch mit dem ersten Kühlkreis und genauer gesagt mit dem ersten Wärmetauscher 24 verbunden ist, kann das Kühlfluid eine bestimmte Wärmemenge mit dem Wärmeträgerfluid austauschen, das wie in 2 gezeigt aus dem ersten Kühlkreis stammt und in Richtung der Pfeile 46, 48 zirkuliert. Das Kühlfluid kondensiert somit teilweise oder vollständig und zirkuliert in Richtung des Pfeils 52. Aufgrund der Position des Wasserkondensators 38, des Luftkondensators 40 und der Dehydratationsflasche 42 auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 ist auch ein Luftstrom außerhalb des Kraftfahrzeugs vorhanden, wie mit dem Pfeil 49 gezeigt ist. Der Luftstrom trägt somit auch zum Kühlen des Kühlfluids bei. Das Kühlfluid zirkuliert in Richtung des Pfeils A1 anschließend innerhalb des Luftkondensators 40 im Kühlbereich A. Beim Austreten aus dem Kühlbereich A strömt das Kühlfluid durch die Dehydratationsflasche 42, um einem Filterungs- und Dehydratationsverfahren ausgesetzt zu werden. Anschließend zirkuliert das Kühlfluid in Richtung des Pfeils B1 erneut im Luftkondensator 40 im Unterkühlungsbereich B. Schließlich zirkuliert dann das unterkühlte Kühlfluid in Richtung des Pfeils 54 außerhalb des Luftkondensators 40.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Wasserkondensator 38 einen ersten Schritt zum Kühlen des Kühlfluids durchführt. In Abhängigkeit von der Position des Wasserkondensators 38 erfolgt dieser erste Kühlschritt innerhalb der Vorderfläche 12 oder in der Nähe des Durchgangs des Vorderrads 14. Anschließend führt der Luftkondensator 40 zusätzlich einen zweiten Schritt zum Kühlen des Kühlfluids durch. Dieser zweite Schritt findet lediglich in der Nähe des Durchgangs des Vorderrads 14 statt.
Die erfindungsgemäße funktionale Verbindung des Wasserkondensators 38 und des Luftkondensators 40 und die Position des Luftkondensators auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 ermöglichen vorteilhafterweise eine Optimierung der Verwaltung des Kühlens des Kühlfluids des Klimatisierungskreises.
Das Kühlsystem ermöglicht nämlich einerseits das Kühlen des Kühlfluids des Klimatisierungskreises in zwei getrennten Kühlschritten, wodurch eine optimale Kühlung des Kühlfluids gewährleistet ist.
Die Baugruppe, die durch den Wasserkondensator 24, der in der Vorderfläche 12 liegt, und dem Luftkondensator 40 gebildet ist, der auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14 liegt, ermöglicht andererseits eine Verteilung der bestimmten Wärmemenge, die in optimaler Weise zu kühlen ist, indem das an der Kraftfahrzeugstruktur verfügbare Volumen genutzt wird. Im Stand der Technik liegen der Luftkondensator und der Wasserkondensator innerhalb der Vorderfläche. Bei der vorliegenden Erfindung ist es durch die räumliche Trennung des Luftkondensators und des Wasserkondensators möglich, das Volumen der in der Vorderfläche des Kraftfahrzeugs vorhandenen Vorrichtungen vorteilhaft zu reduzieren und somit den Luftdurchsatz zu erhöhen, der in die Vorderfläche eintritt. Die Ansammlung von Wärme in der Vorderfläche ist folglich begrenzt. Die anderen Vorrichtungen, die dem Betrieb des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind und in der Vorderfläche liegen, unterliegen keinen Beeinträchtigungen, die mit einer hohen Wärmemenge, die in der Vorderfläche vorhanden ist, zusammenhängen.
Der erste und der zweite Ventilator 26, 32 liegen außerdem auch an zwei verschiedenen Stellen, d. h. innerhalb der Vorderfläche 12 und auf Höhe des Durchgangs des Vorderrads 14. Entsprechend den Betriebsbedingungen des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann somit der Benutzer den Betrieb des ersten und zweiten Ventilators 26, 32 unabhängig voneinander steuern und somit deren jeweiligen Leistungsverbrauch kontrollieren.
Der Wärmetauscher 24 und der Luftkondensator 40 können somit von zwei getrennten Luftkreisen gespeist werden, wobei die Luftkreise eine getrennte Luftquelle umfassen, nämlich den ersten und den zweiten Ventilator 26, 32, so dass der Wärmetauscher 24 und der Luftkondensator 40 mit unabhängigen Luftdurchsätzen gespeist werden können.

Claims

Kühlsystem zum Kühlen eines Kühlfluids, das innerhalb eines Kraftfahrzeugklimatisierungskreises zirkuliert, wobei der Klimatisierungskreis einen Wasserkondensator (38) aufweist und das Kühlsystem mit einem ersten Kühlkreis mit einem Wärmetauscher (24) ausgestattet ist, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei der Wärmetauscher (24) mit dem Wasserkondensator (38) verbunden ist und ein Luftkondensator (40) ferner mit dem Wasserkondensator (38) verbunden ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, bei dem Luft, die aus zwei getrennten Luftkreisen stammt, durch den Wärmetauscher (24) und den Luftkondensator (40) strömen kann.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Luftkondensator (40) auf Höhe des Durchgangs eines Rads (14, 16) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Wärmetauscher (24) um einen Tieftemperaturheizkörper handelt.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wasserkondensator (38) und der Luftkondensator (40) eine Verbindung durch Materialkontinuität haben.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wasserkondensator (38) auf Höhe des Durchgangs eines Rads (14, 16) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kühlsystem ferner einen zweiten Kühlkreis mit einem Hauptwärmetauscher (28), wie etwa einen Hochtemperaturheizkörper umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 7, bei dem der zweite Kühlkreis einen sekundären Wärmetauscher (30), wie etwa einen Hochtemperaturheizkörper aufweist, der auf Höhe des Durchgangs eines Rads (14, 16) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Verwendung eines Kühlsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kühlsystem bei einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
Verwendung eines Kühlsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kraftfahrzeug mittels einer Brennstoffzelle angetrieben wird.