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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeträgeranordnung zur Kühlung einer Brennstoffzelle mit einem Kühlmittelkühler und einer Wasserzerstäubungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer solchen Wärmeübertrageranordnung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle mit einer solchen Wärmeübertrageranordnung.
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Die Kühlung einer Brennstoffzelle unterscheidet sich von der Kühlung eines Verbrennungsmotors stark bezüglich einer maximalen Abwärme und einer maximalen Kühlmitteltemperatur, um eine ausreichende Kühlung ohne Schädigung gewährleisten zu können. Bei dem Verbrennungsmotor wird ein Großteil der Abwärme über das Abgas abgeführt, was bei der Brennstoffzelle nicht oder nur in deutlich geringerem Umfang möglich ist. Zudem kann eine maximale Kühlmitteltemperatur beim Verbrennungsmotor deutlich höher liegen, beispielsweise zwischen 90 und 100 °C, während diese maximale Kühlmitteltemperatur bei der Brennstoffzelle lediglich zwischen 75 und 90 °C liegt. Aus diesem Grund ist für die Kühlung eines Brennstoffzellenfahrzeugs ein Wärmeübertrager mit deutlich gesteigerter, spezifischer Wärmeübertragung im Vergleich zum Verbrennungsmotor erforderlich.
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Dies kann erreicht werden, indem beispielsweise der Kühler bzw. Wärmeübertrager vergrößert wird, was jedoch aus Kosten- und Bauraumgründen nicht beliebig möglich ist. Auch eine beliebige Steigerung einer durch den Wärmeübertrager strömenden Luftmenge zur Steigerung der Kühlleistung ist aus Bauraumgründen, Gewichtsgründen und Kostengründen nicht möglich. Außerdem reduziert auch eine erforderliche elektrische Lüfterleistung die für den Vortrieb zur Verfügung stehende Batteriekapazität.
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Zur Erhöhung einer Kühlleistung ist es bereits bekannt, eine Verdunstungskühlung oder eine Berieselung eines Kühlluftstroms mit Wasser einzusetzen.
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Aus der
US 4,771,822 B ist eine gattungsgemäße Wärmeübertrageranordnung bekannt, mit einem Kühlmittelkühler und einer Wasserzerstäubungseinrichtung, welche zur Erhöhung der Kühlwirkung zumindest eine Düse aufweist und Wasser stromauf des Kühlmittelkühlers in einen Luftstrom einbringt. Ebenfalls vorgesehen ist eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des zu zerstäubenden Wassers.
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Aus der
DE 23 58 631 A1 ist eine weitere Wärmeübertrageranordnung mit einem Kühlmittelkühler und einer Wasserzerstäubungseinrichtung mit zumindest einer Düse bekannt, die stromauf des Kühlmittelkühlers in einen Luftstrom Wasser einbringt.
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Aus der
DE 10 2010 036 502 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, der wiederum eine Düse in einen einen Kühlmittelkühler durchströmenden Luftstrom einsprüht und dadurch dessen Kühlwirkung erhöhen soll. Ein derartiger Kühler ist auch aus der
US 5,101,775 A bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Wärmeübertrageranordnungen ist jedoch, dass diese einen vergleichsweise gro-ßen Bauraumbedarf und einen hohen Energieeinsatz erfordern.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Wärmeübertrageranordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kühlleistung einer Wärmeübertrageranordnung durch Einsprühen von zerstäubtem Wasser in einen einen Kühlmittelkühler durchströmenden Luftstrom zu bewirken und zuvor das einzusprühende Wasser durch das Kühlmittel des Kühlmittelkühlers zu temperieren, insbesondere aufzuheizen. Hierdurch ist es möglich, auf eine separate Temperierungseinrichtung zum Temperieren, insbesondere zum Aufheizen, des zu zerstäubenden Wassers zu verzichten und hierfür die Energie des in dem Kühlmittelkühler vorhandenen Kühlmittels zu nutzen, wodurch dieses gekühlt und dadurch die Kühlleistung nochmals gesteigert werden kann. Die erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung besitzt dabei in bekannter Weise den zuvor beschriebenen Kühlmittelkühler und eine Wasserzerstäubungseinrichtung, wobei der Kühlmittelkühler derart ausgebildet ist, dass durch diesen von einem Verteilerkasten über einen Wärmeübertragerblock, beispielsweise mit Flachrohren, zu einem Sammelkasten ein Kühlmittelstrom und quer dazu ein Luftstrom strömt. Dies entspricht der gängigen Bauweise bekannter Kühlmittelkühler. Die Wasserzerstäubungseinrichtung besitzt zumindest eine Düse, über die das Wasser zerstäubbar und stromauf des Kühlmittelkühlers in den Luftstrom einbringbar ist. Stromauf der Düse ist auch eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren, insbesondere zum Aufheizen, des zu zerstäubenden Wassers vorgesehen, die nun erfindungsgemäß zumindest ein Zuführrohr aufweist, welches durch den Verteilerkasten oder den Sammelkasten des Kühlmittelkühlers verläuft, wobei selbstverständlich auch alternativ zwei Zuführrohre vorgesehen sein können, wovon ein erstes Zuführrohr durch den Verteilerkasten und ein zweites Zuführrohr durch den Sammelkasten des Kühlmittelkühlers verläuft. Durch den Sammelkasten bzw. Verteilerkasten verlaufen soll dabei bedeuten, dass zumindest ein Teil des Zuführrohrs durch den Verteilerkasten bzw. den Sammelkasten verläuft und dort das in dem Zuführrohr geführte und zur Zerstäubung vorgesehene Wasser durch das im Kühlmittelkühler vorhandene heiße Kühlmittel erwärmt. Vorteilhafterweise ist dabei zumindest ein Zuführrohr vorgesehen, welches durch den Verteilerkasten des Kühlmittelkühlers verläuft, da dort das vergleichsweise heiße Kühlmittel noch viel Wärmeenergie an das Wasser übertragen kann. Durch das erhitzte Wasser ist eine besonders effektive Kühlung möglich. Dies liegt darin begründet, dass heißes Wasser schneller von der Luft sublimiert werden kann, das heißt, es kann mehr Wasser in derselben Zeit von der Luft aufgenommen werden, wodurch sich die Effektivität des Sublimationsprozesses erhöht. Dadurch wird der Luft mehr Wärme entzogen, die Luft wird stärker abgekühlt. Zugleich kann die erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrageranordnungen mit separaten Temperierungseinrichtungen nicht nur kostengünstiger, sondern auch hinsichtlich eines Bauraumbedarfs optimiert werden. Von besonderem Vorteil ist jedoch die hohe Effektivität der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung, da das zu zerstäubende Wasser nicht mehr separat aufgeheizt wird, sondern über das vergleichsweise heiße Kühlmittel, insbesondere im Verteilerkasten des Kühlmittelkühlers, so dass dessen Wärmeenergie zur Erhitzung des zu zerstäubenden Wassers genutzt werden kann und hierfür keine separate, insbesondere elektrische Energie, aufgewendet werden muss. Durch die Beaufschlagung des Luftstroms mit zerstäubtem Wasser kann sowohl der Effekt der direkten Kühlung durch Auftreffen der Wassertröpfchen auf einen Wärmeübertragerblock des Kühlmittelkühlers (Berieselung) erhöht werden, als auch durch einen Verdunstungseffekt.
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Zweckmäßig ist das Zuführrohr als Metallrohr, insbesondere als Aluminiumrohr oder als ein Rohr aus einem gleichen Material wie der Sammelkasten oder Verteilerkasten, ausgebildet und steht innerhalb des jeweiligen Kastens in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel. Innerhalb des Zuführrohrs strömt somit Wasser zur Düse, während das Zuführrohr innerhalb des jeweiligen Kastens außen vom Kühlmittel umgeben ist. Um dabei einen möglichst hohen Wärmeübertrag erreichen und das in dem Zuführrohr strömende Wasser auf eine möglichst hohe Temperatur erhitzen zu können, ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Zuführrohr zumindest teilweise im Verteilerkasten des Kühlmittelkühlers, in welchem eine Temperatur des Kühlmittels höher ist als im Sammelkasten, verläuft. Durch ein derartiges Metallrohr ist ein vergleichsweise hoher Wärmeübertrag auch auf kurzer Strecke möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist der Verteilerkasten und/oder der Sammelkasten als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet, wobei das zumindest eine Zuführrohr mit eingespritzt ist. Ein derartiges Zuführrohr kann dabei aus Kunststoff ausgebildet sein, vorzugsweise ist es jedoch aus Metall ausgebildet und wird beispielsweise in ein Kunststoffspritzgießwerkzeug eingelegt. Hierdurch lässt sich eine vergleichsweise einfache, qualitativ hochwertige und trotzdem kostengünstige Fertigung des Verteilerkastens bzw. des Sammelkastens erreichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind außen an zumindest einem Zuführrohr im Bereich des Verteilerkastens und/oder des Sammelkastens Wärmeübertragerelemente, insbesondere Rippen, angeordnet. Derartige Wärmeübertragerelemente erhöhen die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche und bewirken dabei auf einer vergleichsweise kurzen Strecke des Zuführrohrs im Verteilerkasten bzw. im Sammelkasten einen hohen Wärmeübertrag vom Kühlmittel auf das zu zerstäubende Wasser.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Temperierungseinrichtung zusätzlich einen separaten Wärmeübertrager Und/oder eine separate elektrische Temperierungseinrichtung auf. Dies bietet die Möglichkeit, bei besonders hoher geforderter Kühlleistung das zu zerstäubende Wasser zusätzlich und schnell zu temperieren, insbesondere aufzuheizen, und dadurch den Kühleffekt zu verstärken. Eine derartige elektrische Temperierungseinrichtung kann beispielsweise als Rohrbegleitheizung ausgebildet und kostengünstig hergestellt werden. Über entsprechende Schaltkreise kann diese im Bedarfsfall eingeschaltet und zu einer zusätzlichen Erwärmung des zu zerstäubenden Wassers im Zuführrohr genutzt werden. Auch die Einbindung eines zusätzlichen Wärmeübertragers, beispielsweise eines Kältemittelkühlers, durch welchen ein entsprechendes Zuführrohr verläuft, ist denkbar.
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Zweckmäßig ist die Wasserzerstäubungseinrichtung über Steckverbindungen oder Clipsverbindungen mit dem Kühlmittelkühler verbunden. Insbesondere bei einem in den Sammelkasten bzw. Verteilerkasten eingespritzten Zuführrohr ist denkbar, dass an dessen freiem Ende eine Steckkupplung vorgesehen ist, über welche ein vergleichsweise einfaches Anstecken der Wasserzerstäubungseinrichtung bzw. entsprechender Düsen möglich ist. Auch kann ein Verteilerrohr der Wasserzerstäubungseinrichtung über entsprechende Halteclips am Kühlmittelkühler fixiert werden. Hierdurch kann insbesondere eine schnelle und kostengünstige Montage erfolgen. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es zudem im Wartungsfall möglich, die Wasserzerstäubungseinrichtung bzw. die Düse vergleichsweise einfach durch Lösen der Steckverbindung bzw. Clipsverbindungen vom Kühlmittelkühler zu trennen. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass eine derartige Verbindung zwischen der Wasserzerstäubungseinrichtung und dem Kühlmittelkühler bzw. zwischen dem Zuführrohr und einer Düse beispielsweise geklebt ist. Hierdurch kann auf Schnellkupplungen verzichtet werden und eine kostengünstige Klebeverbindung, beispielsweise durch ein koaxiales Ineinanderstecken des Zuführrohrs und eines Rohrs der Wasserzerstäubungseinrichtung bzw. der Düse erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einer Wärmeübertrageranordnung entsprechend den vorherigen Absätzen auszustatten. Besonders bei Brennstoffzellenfahrzeugen, bei welchen nur ein geringer Teil der erzeugten Abwärme über ein Abgas (Kondensat) im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor abgeführt werden kann, und zudem eine deutlich geringere maximale Kühlmitteltemperatur von ca. 75 bis 90 °C erreicht wird, bietet sich der Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung an, da diese im Vergleich zu bisherigen Wärmeübertrageranordnungen eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichem oder sogar reduziertem Bauraum und ohne zusätzlichen Energieaufwand, wie beispielsweise einem stärkeren Lüfter, ermöglicht. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug macht sich dabei die Grundidee der Erfindung zu Nutze, das zu zerstäubende Wasser nicht nur zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers durch Berieselung eines Wärmeübertragerblocks und Verdunstung zu nutzen, sondern zugleich das zu zerstäubende Wasser zur Leistungssteigerung durch das im Kühlmittelkühler strömende Kühlmittel vorzuerhitzen und dadurch das Kühlmittel selbst ebenfalls zu kühlen. Hierdurch kann eine bauraumoptimierte, leistungsstarke und verbrauchsarme Wärmeübertrageranordnung geschaffen werden. Dies trägt alles zu einer Leistungssteigerung des Brennstoffzellenfahrzeugs, insbesondere zu einer Steigerung dessen Reichweite bei.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das Wasser für die Wasserzerstäubungseinrichtung Kondensat aus der Brennstoffzelle auf. Das in der Brennstoffzelle während des Betriebs entstehende Kondensat, welches ebenfalls bereits eine erhöhte Temperatur aufweist, kann so in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug ebenfalls zur Kühlung des Kühlmittelkühlers herangezogen werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöht.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle mit einer Wärmeübertrageranordnung entsprechenden den vorherigen Absätzen anzugeben, bei dem ein Kühlmittelkühler durch den Verteilerkasten über den Wärmeübertragerblock zu dem Sammelkasten von einem Kühlmittelstrom und quer dazu von einem Luftstrom durchströmt wird. Die Wasserzerstäubungseinrichtung zerstäubt mit zumindest einer Düse Wasser und bringt dieses stromauf des Kühlmittelkühlers in einen den Kühlmittelkühler durchströmenden Luftstrom ein. Zur Erhitzung des zur Zerstäubung vorgesehen Wassers wird dieses durch ein durch den Verteilerkasten oder den Sammelkasten, vorzugsweise durch den Verteilerkasten, des Kühlmittelkühlers verlaufendes Zuführrohr geführt und darin stromauf der Düse der Wasserzerstäubungseinrichtung erhitzt. Hierdurch kann ein besonders energieeffizientes Kühlen des Kühlmittelkühlers erfolgen, wodurch dessen Leistungsfähigkeit gesteigert und insgesamt auch ein Wirkungsgrad im Bereich der Kühlung erhöht werden kann. Zusätzlich ist auch denkbar, dass das Temperieren, insbesondere das Aufheizen, des zu zerstäubenden Wassers durch eine separaten Wärmeübertrager oder eine separate elektrische Temperierungseinrichtung erfolgt, die jedoch im optimalen Fall lediglich als Zusatzheizung fungiert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Wasser für die Wasserzerstäubungseinrichtung Kondensat aus der Brennstoffzelle verwendet. Hierdurch kann das bereits vorerwärmte Kondensat aus der Brennstoffzelle als vorerwärmtes Wasser zum Zerstäuben in dem Luftstrom vor dem Kühlmittelkühler genutzt werden und dadurch die dem Kondensat eigene Wärmeenergie, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend 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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Frontalansicht auf eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer Ansicht von oben,
- 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer Ansicht von oben,
- 5 eine nicht unter die Erfindung fallende Wärmeübertrageranordnung mit einem separaten Wärmeübertrager bzw. einer separaten Temperierungseinrichtung zur Erhitzung des zu zerstäubenden Wassers,
- 6 eine Ansicht von oben auf die gemäß der 5 gezeigte Wärmeübertrageranordnung,
- 7 eine Darstellung wie in 5, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
- 8 eine Darstellung wie in 7, jedoch bei einer Ansicht von oben.
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Entsprechend den 1 bis 4, weist eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung 1 zur Kühlung einer Brennstoffzelle 2 einen Kühlmittelkühler 3 sowie eine Wasserzerstäubungseinrichtung 4 auf. Der Kühlmittelkühler 3 besitzt dabei einen Verteilerkasten 10, einen Sammelkasten 11 sowie einen bezüglich eines Kühlmittelstroms 12 dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock 13. Die Wasserzerstäubungseinrichtung 4 besitzt dabei zumindest eine Düse 5, über die Wasser 6 zerstäubbar und stromauf des Kühlmittelkühlers 3 in einen Luftstrom 7 (vgl. die 2 und 4) einbringbar ist. Stromauf der jeweiligen Düse 5 bzw. der Düsen 5 ist darüber hinaus eine Temperierungseinrichtung 8 zum Temperieren, insbesondere zum Aufheizen, aber ggf. auch zum Kühlen, des zu zerstäubenden Wassers 6 vorgesehen, wobei diese Temperierungseinrichtung 8 zumindest ein Zuführrohr 9, 9' aufweist, das durch den Verteilerkasten 10 (vgl. 1 und 2) oder den Sammelkasten 11 des Kühlmittelkühlers 3 verläuft oder wobei zwei Zuführrohre 9, 9' vorgesehen sind, wovon ein erstes Zuführrohr 9 durch den Verteilerkasten 10 und ein zweites Zuführrohr 9' durch den Sammelkasten 11 des Kühlmittelkühlers 3 verläuft (vgl. 3 und 4).
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Mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 ist es somit erstmals möglich, die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 3 durch Zerstäuben von Wasser 6 stromauf des Kühlmittelkühlers 3 in Bezug auf den Luftstrom 7 zu erreichen und dadurch die erhöhte Kühlleistung weiter dadurch zu unterstützen, dass das zu zerstäubende Wasser 6 vor dem Zerstäuben erhitzt wird und zwar durch das Kühlmittel des Kühlmittelkühlers 3. Hierzu läuft zumindest ein Zuführrohr 9, 9' zumindest bereichsweise durch den Kühlmittelkühler 3 bzw. den Verteilerkasten 10 und/oder den Sammelkasten 11 desselben und nutzt dabei die höhere Temperatur des Kühlmittels zur Erwärmung des zu zerstäubenden Wassers 6 aus. Hierdurch kann ein besonders effektiver und leistungsstarker Kühlmittelkühler 3 geschaffen werden, der einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Das Zuführrohr 9 kann vorzugsweise als Metallrohr, insbesondere als Aluminiumrohr oder als Rohr aus demselben Material wie der Sammelkasten 11 bzw. der Verteilerkasten 10 ausgebildet sein und steht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel, das heißt dem Kühlmittelstrom 12. Denkbar ist hierbei auch, dass der Verteilerkasten 10 und/oder der Sammelkasten 11 als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet und das jeweilige Zuführrohr 9, 9' als Einlegeteil mit in den jeweiligen Kasten 10, 11 eingespritzt wird. Hierdurch kann die Idee der Erfindung kostengünstig, qualitativ hochwertig und zugleich fertigungstechnisch einfach umgesetzt werden.
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Vorzugsweise kann bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 auf eine separate Temperierungseinrichtung 14 bzw. einen separaten Wärmeübertrager 15, wie dies bei den Ausführungsformen gemäß den 5 bis 8 dargestellt ist, verzichtet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind außen an zumindest einem Zuführrohr 9, 9' im Bereich des Verteilerkastens 10 und/oder des Sammelkastens 11 Wärmeübertragerelemente 16 (vgl. beispielsweise die 4) vorgesehen, die in der Art von Kühlrippen für den Kühlmittelstrom 12 fungieren und einen verbesserten Wärmeübertrag vom Kühlmittelstrom 12 auf das zu zerstäubende Wasser 6 bewirken.
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Die Wasserzerstäubungseinrichtung 4 kann beispielsweise über Steckverbindungen 17 oder Clipsverbindungen 18 mit dem Kühlmittelkühler 3 verbunden sein, wodurch eine vergleichsweise einfache, bauraumoptimierte und schnelle und damit auch kostengünstige Montage sowie gegebenenfalls auch eine Demontage vom Kühlmittelkühler 3 möglich ist. Eine Düse 5 der Wasserzerstäubungseinrichtung 4 kann beispielsweise mit dem jeweiligen Zuführrohr 9 über eine Schnellkupplung 19 verbunden sein. Sind mehrere Düsen 5 vorgesehen, so können dazwischen auch Verteilerrohre 20 in der Art eines Common Rails vorgesehen werden.
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Betrachtet man die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 gemäß den 1 und 2, so erfolgt hier eine Zuführung von zu zerstäubendem Wasser 6 von rechts in das Zuführrohr 9 durch den Verteilerkasten 10 zur Wasserzerstäubungseinrichtung 4 und über eine Verbindungsleitung 21 zu einer am Sammelkasten 11 angeordneten Wasserzerstäubungseinrichtung 4 mit ebenfalls fünf Düsen 5. Demgegenüber weist die Wärmeübertrageranordnung 1 gemäß den 3 und 4 keine derartige Verbindungsleitung 21 zwischen den zwei Wasserzerstäubungseinrichtungen 4 auf, so dass in diesem Fall eine separate Zuführung von zu zerstäubendem Wasser 6 über das Zuführrohr 9' durch den Sammelkasten 11 zur Wasserzerstäubungseinrichtung 4 mit den Düsen 5 und separat dazu die Zuführung von zu zerstäubendem Wasser 6 durch das Zuführrohr 9 durch den Verteilerkasten 10 zur Wasserzerstäubungseinrichtung 4 mit den Düsen 5 erfolgt.
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Unabhängig von der gewählten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 kann zum Temperieren, insbesondere zum Aufheizen oder Kühlen, des zur Zerstäubung vorgesehenen Wassers 6 auch noch ein separater Wärmeübertrager 14 und/oder eine separate elektrische Temperierungseinrichtung 15, wie sie mit unterbrochen gezeichneter Linie in 1 dargestellt ist, genutzt werden.
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Bei den gemäß den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsformen, welche nicht unter die Erfindung fallen, wird das zur Zerstäubung vorgesehene Wasser 6 ausschließlich durch einen separat zum Kühlmittelkühler 3 angeordneten Wärmeübertrager 14 bzw. eine separat dazu angeordnete Temperierungseinrichtung 15 erhitzt bzw. temperiert. Die Leitungsführung bei der Wärmeübertrageranordnung 1 gemäß den 5 und 6 ist dabei analog zur Leitungsführung bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 entsprechend den 1 und 2. Gleiches gilt für die Wärmeübertrageranordnung 1 gemäß den 7 und 8, welche nicht unter die Erfindung fallen, zu den erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnungen 1 gemäß den 3 und 4.
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Allen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass eine Verbindung der Düsen 5 mit den Verbindungsleitungen 20 bzw. generell der Wasserzerstäubungseinrichtung 4 mit den Düsen 5 über einfache Steck- bzw. Clipsverbindungen 17, 18 und/oder Schnellkupplungen 19 ermöglicht wird. Alternativ ist selbstverständlich auch ein Verkleben zwischen derartigen Verbindungen denkbar, was den Vorteil einer schnellen und kostengünstigen Montage bietet.
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Eingesetzt werden kann die erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung 1 entsprechend den 1 und 4 aber auch die nicht unter die Erfindung fallende Wärmeübertrageranordnung 1 gemäß den 5 bis 8 bei einem Brennstoffzellenfahrzeug 22 mit einer Brennstoffzelle 2, wobei in diesem Fall sogar Kondensat der Brennstoffzelle 2 als zu zerstäubendes Wasser 6 verwendet werden kann. Dies ist gemäß der 1 angedeutet. Hierdurch ist es möglich, bereits vorerwärmtes Wasser 6 zur Zerstäubung zu verwenden und dadurch den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs 2 zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung beruht auch auf einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer solchen Brennstoffzelle 2 mit der gemäß den 1 bis 4 dargestellten Wärmeübertrageranordnung 1, bei dem der Kühlmittelkühler 3 durch den Verteilerkasten 10 über den Wärmeübertragerblock 13 zu dem Sammelkasten 11 von dem Kühlmittelstrom 12 und quer dazu von dem Luftstrom 7 durchströmt wird. Die Wasserzerstäubungseinrichtung 4 mit zumindest einer Düse 5 zerstäubt dabei Wasser 6 und bringt dieses stromauf des Kühlmittelkühlers 3 in den Luftstrom 7 ein. Stromauf der Düse 5 wiederum ist eine Temperierungseinrichtung 8, insbesondere zum Erhitzen des zu zerstäubenden Wassers 6, vorgesehen, wobei das Temperieren des zu zerstäubenden Wassers 6 durch ein durch den Verteilerkasten 10 oder den Sammelkasten 11 des Kühlmittelkühlers 3 verlaufendes Zuführrohr 9, 9' erfolgt. Hierdurch kann eine besonders hohe Energieausnutzung und eine besonders hohe Kühlleistung der Wärmeübertrageranordnung 1 erreicht werden.
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Zusätzlich kann das Temperieren, insbesondere das Aufheizen, des zu zerstäubenden Wassers 6 auch durch einen im separaten Wärmeübertrager 14 bzw. eine separate elektrische Temperierungseinrichtung 15 erfolgen. Über Peltierelemente kann dabei ein Heizen oder Kühlen erfolgen. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass das System eventuell bei heißen Umgebungsbedingungen besser funktioniert, wenn man es kühlt, statt heizt.
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Vorzugsweise wird als Wasser 6 bei einem Brennstoffzellenfahrzeug 22 mit einer solchen erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung 1 für die Wasserzerstäubungseinrichtung 4 Kondensat aus der Brennstoffzelle 2 verwendet, wodurch der Wirkungsgrad weiter erhöht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4771822 [0005]
- DE 2358631 A1 [0006]
- DE 102010036502 A1 [0007]
- US 5101775 A [0007]
