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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Steigerung einer Kühlleistung eines Antriebsaggregates mit einem Kühlkreislauf, insbesondere einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf mit einem Hochtemperatur-Kühler.
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An die Kühlung von Antriebsaggregaten werden erhöhte Anforderungen gestellt, da bei ihrem Betrieb hohe Wärmeverluste durch einen Wirkungsgrad von ~50% entstehen, wobei diese großteils an ein Kühlmittel abgeführt werden. Bei dem Betrieb derartiger Antriebsaggregate darf zudem eine maximale Temperatur des Kühlmittels nicht überschritten werden, woraus sich geringe Temperaturdifferenzen zwischen Kühlmitteltemperatur und Umgebungstemperatur am Kühlmittelkühler ergeben.
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Aus dem Dokument
DE 10 2014 109 524 A1 ist ein Luftklimaanlagensystem-Steuerverfahren für ein Fahrzeug bekannt. Dabei ist ein mehrkreisiger Kühlkreislauf eines Brennstoffzellenfahrzeugs offenbart, der Wärme von einer Antriebskomponente aufnimmt und diese mittels einer Flüssigkeit auf einen zweiten Kreislauf mit Verdampfer überträgt.
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Das Dokument
WO 2004 033 859 A1 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie, bei dem eine Brennstoffzelle eines Fahrzeuges Wärme über einen Zwischenkreis an einen weiteren Fluidkreislauf mit einem Kondensator abgibt.
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Aus dem Dokument
DE 10 2014 111 971 A1 ist eine Klimaanlage für ein Fahrzeug offenbart, die einen Kältekreislauf umfasst, der mehrere Wärmetauscher aufweist, mit denen Wärme des Kältekreislaufs auf ein Kühlmittel übertragen wird und dann von dem Kühlmittel über weitere Wärmetauscher an eine Umgebung abgegeben wird.
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Aus den im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen ergibt sich der Nachteil, dass die Kühlleistung derartiger Verfahren und Vorrichtungen nicht ausreichend ist. Zudem ist es erforderlich, einen zusätzlichen Wärmeüberträger in einem Frontbereich eines Fahrzeuges zu platzieren. Dies hat den Nachteil, dass eine zusätzliche Gefahrenquelle im Frontbereich des Fahrzeugs eingebracht wird, da brennbare Kältemittel durch einen Crashbereich in dem Frontbereich des Fahrzeuges geführt werden müssen.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kühlsystem bereitzustellen, das die Kühlleistung eines Antriebsaggregates bzw. eines Brennstoffzellensystems verbessert und die Sicherheit des Kühlsystems erhöht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 7 aufweist, sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, gelöst.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem zur Steigerung einer Kühlleistung eines Antriebsaggregates mit einem Kühlkreislauf, insbesondere einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf, umfassend ein den Kühlkreislauf durchlaufendes Kühlmittel und einen Hochtemperatur-Kühler. Das Kühlsystem ist vorzugsweise im Bereich des Antriebsaggregates bzw. eines Brennstoffzellensystems angeordnet. Dabei kann das Antriebsaggregat in einem Frontbereich oder einem Heckbereich eines Brennstoffzellenfahrzeuges ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß umfasst das Kühlsystem mindestens einen Zwischenkreislauf mit einem jeweiligen den jeweiligen Zwischenkreislauf durchlaufenden Zwischenmedium und weiter im Zwischenkreislauf mindestens einen Chiller, der dazu ausgebildet ist, Wärme aus dem Kühlkreislauf an das mindestens eine Zwischenmedium zu übertragen und damit eine Kühlleistung bereitzustellen. Der mindestens eine Chiller ist als ein indirekter Verdampfer ausgebildet, der vorzugsweise eingerichtet ist, das Kühlmittel zu kühlen. Die durch den mindestens einen Chiller dem Kühlmittel entzogene Wärme wird in dem mindestens einen Zwischenkreislauf einem jeweiligen Zwischenmedium zugeführt. Weiter in dem mindestens einen Zwischenkreislauf umfasst das Kühlsystem mindestens einen indirekten Kondensator, der dazu ausbildet ist, Wärme von dem jeweiligen Zwischenmedium an ein jeweiliges Medium in einem jeweiligen vom Kühlsystem umfassten Kreislauf zu übertragen. Bei dem jeweiligen indirekten Kondensator findet ein Wärmeübergang von dem jeweiligen Zwischenmedium auf das jeweilige Medium statt, im Gegensatz zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrag auf eine Umgebungsluft.
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Durch den Chiller wird dem Kühlmittel, welches im Kühlkreislauf den Hochtemperatur-Kühler durchläuft, somit zusätzlich Wärme entzogen, wodurch die Kühlleistung des Kühlsystems erhöht wird. Zudem kann vorteilhaft eine Kühlmittelmenge verringert werden und auf einen Akkumulator oder Sammler verzichtet werden. Hierdurch lässt sich der komplexe Aufbau des Kühlsystems verringern, wodurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht wird. Des Weiteren ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Wärmeüberträger in dem Frontbereich des Fahrzeuges zu platzieren. Dies bietet den Vorteil, dass keine zusätzliche Gefahrenquelle im Frontbereich des Fahrzeuges geschaffen werden muss, und es somit vermieden werden kann, ein zusätzliches Kältemittel, das möglicherweise brennbar ist, durch einen Crashbereich in dem Frontbereich oder in einem Heckbereich des Brennstoffzellenfahrzeuges zu führen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der indirekte Kondensator und der Chiller in dem Zwischenkreislauf angeordnet. Dabei umfasst der Zwischenkreislauf vorzugsweise den indirekten Kondensator, den Chiller, ein Expansionsventil und einen Verdichter. Durch den Zwischenkreislauf mit dem indirekten Kondensator und dem Chiller, der die Kühlleistung bereitstellt, wird es ermöglicht, den indirekten Kondensator in das Kühlsystem zu integrieren und die Kühlleistung des Kühlkreislaufs, insbesondere des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs, zu steigern. Optional kann das Kühlsystem mindestens einen weiteren Zwischenkreislauf ausbilden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der indirekte Kondensator in einem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers angeordnet. Die Platzierung des indirekten Kondensators in dem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Kühlsystems bei einer gleichzeitigen Steigerung der Kühlleistung. Zudem werden der Zwischenkreislauf und der Kühlkreislauf durch die Platzierung des indirekten Kondensator in dem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers miteinander verbunden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Zwischenmedium kühlbar ausgebildet. Wie beschrieben, ist der indirekte Kondensator dazu ausgebildet, Wärme dem Zwischenmedium zu entziehen und einem Medium zuzuführen. Durch die indirekte Kondensation wird eine Kondensationswärme des Zwischenkreislaufs nicht direkt an die Umgebungsluft abgegeben, sondern zunächst an ein Medium eines Kreislaufs. Dadurch kann die Kühlleistung des Kühlsystems des Antriebaggregates gesteigert werden und gleichzeitig die Betriebssicherheit erhöht werden. Zudem kann auf einen Akkumulator verzichtet werden. Somit kann die Menge an brennbaren Flüssigkeiten in dem Kühlsystem verringert werden. Durch die Kühlbarkeit des Zwischenmediums wird die Kühlleistung des Kühlsystems gesteigert. Optional ist das Zwischenmedium derart eingerichtet, dass es mehrfach kühlbar ist.
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Das Zwischenmedium umfasst vorzugsweise ein Kältemittel. Die Ausgestaltung des Zwischenmediums ist vorzugsweise anpassbar. Dabei kann das Zwischenmedium verwendungsbedingt durch ein Kältemittel gebildet werden, welches bspw. aus einer von fluorierten Halogenwasserstoffen, insbesondere Freonen, gebildeten Stoffklasse entnommen wird.
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Ist der indirekte Kondensator in einem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers angeordnet, so handelt es sich bei dem Medium, an das der indirekte Kondensator Wärme abgibt, um das Kühlmittel des Kühlkreislaufs. Da der indirekte Kondensator im Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers angeordnet ist, kann die an dieser Stelle dem Kühlmittel zugeführte Wärme im Hochtemperatur-Kühler gleich wieder abgegeben werden, z. B. an die Umgebungsluft.
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In einer weiteren alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist an den indirekten Kondensator ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordnet, der ausgebildet ist, eine Wärme des indirekten Kondensators aufzunehmen. Der Niedertemperatur-Kühlkreislauf ist an den indirekten Kondensator angebunden und ist zur Aufnahme von Wärme des indirekten Kondensators ausgebildet. Der Niedertemperatur-Kühlkreislauf kann die Kühlleistung des Kühlsystems erhöhen, indem er die Wärme des indirekten Kondensators wenigstens teilweise aufnimmt und bspw. an die Umgebungsluft abgibt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Steigerung einer Kühlleistung eines Antriebsaggregats mit einem Kühlkreislauf, insbesondere einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf, umfassend ein voranstehend beschriebenes Kühlsystem.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches ein den Kühlkreislauf durchlaufendes Kühlmittel, einen Hochtemperatur-Kühler, mindestens einen Zwischenkreislauf mit einem jeweiligen den jeweiligen Zwischenkreislauf durchlaufenden Zwischenmedium, weiter im Zwischenkreislauf mindestens einen Chiller, der dazu ausgebildet ist, Wärme aus dem Kühlkreislauf an das mindestens eine Zwischenmedium zu übertragen und noch weiter im Zwischenkreislauf mindestens einen indirekten Kondensator aufweist, wird der mindestens eine indirekte Kondensator in einem Kreislauf angeordnet, wobei der Kreislauf ein den Kreislauf durchlaufendes Medium aufweist, und es wird durch den indirekten Kondensator Wärme aus dem jeweiligen Zwischenmedium an das Medium übertragen.
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Der Zwischenkreislauf umfasst vorzugsweise des Weiteren einen Verdichter und ein Expansionsventil. Beim Durchlaufen des Zwischenmediums durch den Zwischenkreislauf mit dem indirekten Kondensator und dem Chiller erfolgt in dem indirekten Kondensator eine Abgabe von Wärme aus dem Zwischenmedium und in dem Chiller eine Aufnahme von Wärme durch das Zwischenmedium. Dabei wird in dem Zwischenkreislauf der indirekte Kondensator, ein Verdichter, ein Chiller und ein Expansionsventil durchlaufen. Der Chiller kühlt das Kühlmittel und stellt somit die Kühlleistung bereit. Der Zwischenkreislauf ermöglicht es, die indirekte Kondensation in das Kühlsystem zu integrieren und die Kühlleistung des Kühlkreislaufs, insbesondere des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs, zu steigern und zu verbessern.
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In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens, wird der indirekte Kondensator in einem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs durchlaufen. Der indirekte Kondensator überträgt an dieser Stelle Wärme aus dem Zwischenkreis an das Kühlmittel. Das Durchlaufen des indirekten Kondensators, der in dem Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs angeordnet ist, ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Kühlsystems bei einer gleichzeitigen Steigerung der Kühlleistung. Vorteilhaft ist der Chiller im Kühlkreislauf nach dem Hochtemperatur-Kühler angeordnet und trägt zu einer weiteren Abkühlung des Kühlmittels, das zuvor im Hochtemperatur-Kühler abgekühlt wurde, bei.
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In einer alternativen Weiterbildung des Verfahrens wird bei dem durch den mindestens einen in einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordneten indirekten Kondensator Wärme aus dem Zwischenkreislauf an ein den Niedertemperatur-Kühlkreislauf durchlaufendes Medium übertragen. Der Niedertemperatur-Kühlkreislauf kann diese Wärme über einen Niedertemperatur-Kühler wieder abführen. Dies erhöht die Kühlleistung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Brennstoffzellenfahrzeug umfassend ein voranstehend beschriebenes Kühlsystem, welches dazu ausgelegt ist, ein voranstehend beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfassend einen Kühlkreislauf, wobei der indirekte Kondensator in einem Vorlauf eines Hochtemperatur-Kühlers angeordnet ist,
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfassend einen Kühlkreislauf, wobei an dem indirekten Kondensator ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordnet ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kühlsystems 10 zur Steigerung einer Kühlleistung für ein Antriebsaggregat mit einem Kühlkreislauf mit einem von einem Brennstoffzellensystem kommenden Zweig 11 und einem zum Brennstoffzellensystem gehenden Zweig 12, insbesondere einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf, umfassend einen Hochtemperatur-Kühler 18, wobei das Kühlsystem 10 einen indirekten Kondensator 13 und einen Chiller 15 umfasst. Der indirekte Kondensator 13 ist in einem Zwischenkreislauf 14 angeordnet. Der Chiller 15 ist eingerichtet, ein Kühlmittel zu kühlen und somit eine Kühlleistung bereitzustellen. Der indirekte Kondensator 13 ist in einem Vorlauf 19 des Hochtemperatur-Kühlers 18 angeordnet. Durch die Integrierung des indirekten Kondensators 13 in den Vorlauf 19 des Hochtemperatur-Kühlers 18 wird eine besonders kompakte Bauweise erzielt. Die Verwendung eines zusätzlichen indirekten Kondensators 13 ermöglicht es zudem, die Kältemittelmenge zu verringern und auf einen Akkumulator oder Sammler zu verzichten. Hierdurch lässt sich der komplexe Aufbau des Kühlsystems 10 verringern, wodurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht wird. Des Weiteren ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Wärmeüberträger in einem Frontbereich eines Fahrzeuges zu platzieren. Der Zwischenkreislauf 14 weist zudem einen Verdichter 16 und ein Expansionsventil 17 auf. Der Zwischenkreislauf 14 ermöglicht es, den indirekten Kondensator 13 in das Kühlsystem 10 zu integrieren und die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 11 und 12, insbesondere des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs, zu steigern. Der indirekte Kondensator 13 ist ausgebildet, Wärme, insbesondere Kondensationswärme dem Kühlmittel im Vorlauf 19 des Hochtemperatur-Kühlers 18 abzugeben. Durch den indirekten Kondensator 13 wird die Kondensationswärme somit nicht direkt an die Luft abgegeben, sondern sie wird an ein Medium, hier das Kühlmittel des Kühlkreislaufs 11 und 12 abgegeben. Dadurch kann die Kühlleistung des Kühlsystems 10 des Antriebaggregates gesteigert werden und gleichzeitig die Betriebssicherheit erhöht werden. Das Zwischenmedium ist dabei vorzugsweise kühlbar ausgebildet. Durch die Verwendung eines indirekten Kondensators 13 fällt die benötigte Kühlmittelmenge gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten System geringer aus. Zudem kann auf einen Akkumulator verzichtet werden, wodurch die Menge an brennbaren Flüssigkeiten in dem Kühlsystem 10 verringert werden kann.
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Zudem zeigt die 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung einer Kühlleistung eines Antriebsaggregats mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf 11 und 12 umfassend ein Kühlsystem 10, wie oben beschrieben, mit einem Hochtemperatur-Kühler 18, einem Zwischenkreislauf 14, mit einem indirekten Kondensator 13, einem Chiller 15, einem Verdichter 16 und einem Expansionsventil 17. Es wird der Zwischenkreislauf 14 mit dem indirekten Kondensator 13 durchlaufen und Wärme wird durch den indirekten Kondensator 13 dem Zwischenmedium entzogen. Dabei wird in dem Zwischenkreislauf 14 der indirekte Kondensator 13, der Chiller 15 sowie der Verdichter 16 und das Expansionsventil 17 durchlaufen. Der Chiller 15 kühlt das Kühlmittel, wobei Wärme auf das Zwischenmedium übertragen wird, und stellt somit eine Kühlleistung bereit. Der Zwischenkreislauf 14 ermöglicht es, eine indirekte Kondensation durch den indirekten Kondensator 13 in das Kühlsystem 10 zu integrieren und die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 11 und 12, insbesondere des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs, zu steigern.
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In der 2 ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 20 zur Steigerung einer Kühlleistung für ein Antriebsaggregat mit einem Kühlkreislauf 11 und 12, insbesondere einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf, wobei das Kühlsystem 20 einen indirekten Kondensator 13, der eingerichtet ist, Wärme von einem Zwischenmedium abzugeben, und einen Chiller 15, der eingerichtet ist, eine Kühlleistung bereitzustellen, umfasst. Der indirekte Kondensator 13 ist ausgebildet, Wärme, insbesondere Kondensationswärme aus dem Zwischenmedium auf ein einen Niedertemperatur-Kreislauf 21 und 22 durchlaufendes Medium abzugeben. Das Zwischenmedium ist dabei vorzugsweise kühlbar ausgebildet. Wie in 2 gezeigt, umfasst das Kühlsystem 20 einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf mit einem Niedertemperatur-Kühler 23, und ist dazu ausgebildet ist, Wärme des indirekten Kondensators 13 aufzunehmen und durch den Niedertemperatur-Kühler 23 an eine Umgebungsluft abzugeben. Durch die Ausbildung eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs kann die Kühlleistung des erfindungsgemäßen Kühlsystems 20 zusätzlich gesteigert werden.
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Zudem zeigt die 2 eine alternative Ausführungsform des Verfahrens zur Steigerung einer Kühlleistung eines Antriebsaggregats mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf umfassend ein Kühlsystem, einen Kühlkreislauf 11 und 12, einen Hochtemperatur-Kühler 18 und weiter umfassend einen Zwischenkreislauf 14 mit einem indirekten Kondensator 13, einem Expansionsventil 17, einem Chiller 15 und einem Verdichter 16. Der Zwischenkreislauf 14 mit dem indirekten Kondensator 13 wird von dem Zwischenmedium durchlaufen. Dem Zwischenmedium wird durch den indirekten Kondensator 13 Wärme entzogen, während der Chiller 15 Wärme an das Zwischenmedium abgibt. Der Chiller 15 kühlt dabei ein Kühlmittel, das den Kühlkreislauf 11 und 12 durchläuft, und stellt somit eine Kühlleistung bereit. Die von dem Chiller 15 dem Kühlmittel entzogene Wärme wird an das Zwischenmedium abgegeben. Anschließend erfolgt wieder eine Kühlung des Zwischenmediums durch den indirekten Kondensator 13, wobei die Kühlleistung des indirekten Kondensators 13 gegenüber dem in 1 gezeigten Verfahren noch gesteigert werden kann, indem der indirekte Kondensator 13 Wärme an einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf 21 und 22 mit einem Niedertemperatur-Kühler 23 abgibt. Der Niedertemperatur-Kühlkreislauf 21 und 22 gibt durch den Niedertemperatur-Kühler 23 die Wärme an die Umgebungsluft ab, wodurch eine zusätzliche Steigerung der Kühlleistung des Kühlsystems 20 erzielbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlsystem
- 11
- Kühlkreislauf (vom Brennstoffzellensystem kommend)
- 12
- Kühlkreislauf (zum Brennstoffzellensystem gehend)
- 13
- indirekter Kondensator
- 14
- Zwischenkreislauf
- 15
- Chiller
- 16
- Verdichter
- 17
- Expansionsventil
- 18
- Hochtemperatur-Kühler
- 19
- Vorlauf des Hochtemperatur-Kühlers
- 20
- Kühlsystem mit zusätzlichem Niedertemperatur-Kreislauf
- 21
- Niedertemperatur-Kreislauf (zum Niedertemperatur-Kühler gehend)
- 22
- Niedertemperatur-Kreislauf (vom Niedertemperatur-Kühler kommend)
- 23
- Niedertemperatur-Kühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014109524 A1 [0003]
- WO 2004033859 A1 [0004]
- DE 102014111971 A1 [0005]
