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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, wobei der Brennstoffzellenantrieb eine Wasserableitung aufweist und eine mittels Verdunstung von Wasser gekühlte Fahrgastzelle aufweisend eine Tragsäule sowie ein Dach ausbildend einen Dachzwischenraum zwischen einem äußeren Blech und einem inneren Blech.
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Bekannte Verdunstungskühler für Fahrzeuge arbeiten in einem Kreisprozess, bei dem das verdunstende Fluid das zu kühlende Objekt kühlt und das verdunstete Fluid in einem Rückkühler kondensiert und gekühlt wird. Derartige Kreisprozesse verwenden dauerhaft die gleiche Flüssigkeit, sodass diese vor einem Gefrieren geschützt sein muss. Des Weiteren sind derartige Verdunstungskühler mit einer hohen Dichtheit auszuführen. Dadurch und auch durch den notwendigen Rückkühler sind Kreisprozessverdunstungskühler aufwendig in der Herstellung, schwer sowie bauraumbeanspruchend.
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Bekannte Verdunstungskühler ohne Rückkühler, also offene Prozesse mit Verwerfung des gasförmigen Fluids, weisen den Nachteil auf, dass Verdunstungsrückstände wie Salze oder Kalke die Verdunstungsflächen zusetzen, die Effizienz verringern und eine regelmäßige Reinigung der Verdunstungsflächen notwendig machen. Des Weiteren ist das Fluid aufgrund des notwendigen erheblichen Verdunstungsvolumens nach wenigen Betriebsstunden nachzufüllen. Da das Fluid nach dem Verdampfen verworfen wird, ist Wasser als Fluid verbreitet, wobei bei Minusgraden das Gefrieren zu berücksichtigen ist, sodass ein Belüften des Verdunstungskühlers und des Vorratsbehälters unter Verwerfung des Wasservorrats vorzusehen ist.
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Eine Kühlvorrichtung für Fahrgasträume der genannten Art ist aus der
DE 10 2017 126 281 A1 bekannt, die bevorzugt eine unter dem Dach angeordnete Kühlfläche aufweist, die aus einem Textil und aus wasserundurchlässigen Schichten besteht, die einen Luft- und Befeuchtungskanal ausbilden. Das Textil wird mittels aus einem Vorratsbehälter gepumpten Wassers benetzt. Das Wasser wird zum Erzeugen von Verdunstungskälte mit einem Luftstrom verdunstet, wobei der Luftstrom ein Umgebungsluftstrom sein kann, der bevorzugt mittels eines Gebläses angetrieben wird.
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Aus der
DE 10 2015 003 660 A1 ist eine Klimatisierungseinrichtung zum Temperieren eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs, die zum Erzeugen von Verdunstungskälte ein Textil mit einer Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter benetzt, bekannt. Hierzu wird Luft durch einen ersten Luftkanal, das das zu benetzende Textil aufweist, geleitet, sodass ein an den ersten Luftkanal angrenzender zweiter Luftkanal die Innenraumluft kühlt.
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Es ist weiterhin durch die WO 2006 / 079 234 A2 eine Anordnung mit einer textilen Struktur zur Kühlung mittels Flüssigkeitsverdunstung bekannt, die als Dachauskleidung eines Kraftfahrzeugs dienen kann, wobei die Verdunstung mittels Fahrgastraumlauft vorgesehen ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdunstungskühler der eingangs genannten Art für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb derart auszuführen, dass er einfach herzustellen sowie leicht und kompakt ist, wobei ein Nachfüllen von Kühlflüssigkeit und eine Reinigung von Verdunstungsflächen aufgrund von Verdunstungsrückständen nicht notwendig ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verdunstungskühler für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verdunstungskühler für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb vorgesehen, wobei der Brennstoffzellenantrieb eine Wasserableitung aufweist, zum Ableiten des beim Betrieb des Brennstoffzellenantriebs anfallenden Wassers und eine mittels Verdunstung des anfallenden Wassers gekühlte Fahrgastzelle, wobei die Fahrgastzelle zumindest eine Tragsäule sowie ein Dach aufweist, wobei das Dach einen Dachzwischenraum zwischen einem äußeren Blech und einem inneren Blech ausbildet. Die Wasserableitung leitet das anfallende Wasser zum Kühlen mittels Verdunstung über Tragsäulen in den Dachzwischenraum, wobei mittels einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung ein Umgebungsluftaustausch in dem Dachzwischenraum erfolgt. Unter Fahrzeugen werden insbesondere Schienenfahrzeuge sowie Kraftfahrzeuge wie Omnibusse, Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen verstanden. Unter Brennstoffzellenantrieb wird insbesondere eine Brennstoffzelle verstanden, die elektrische Leistung für elektrische Traktionsmaschinen erzeugt. Das innere Blech und das äußere Blech können aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus Stählen, bestehen, wobei zumindest das innere Blech eine gute Wärmeanbindung, bevorzugt durch eine gute Leitfähigkeit zum Fahrgastraum, aufweist.
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Es kann somit vorteilhafterweise auf einen aufwendig herzustellenden Kreisprozessverdunstungskühler verzichtet werden, ohne dass der Verdunstungskühler die Nachteile eines offenen Prozesses aufweist. Das durch den Fahrzeugbetrieb anfallende Wasser ist frei von Salz und Kalk, sodass eine Reinigung der Verdunstungsfläche, die erfindungsgemäß zumindest durch den Dachzwischenraum ausgebildet wird, aufgrund von Salz- oder Kalkablagerungen unnötig ist. Des Weiteren ist kein Auffüllen eines Vorratsbehälters notwendig, da das Wasser im Betrieb anfällt. Ein Einfrieren der geringen Wassermenge, die im Betrieb zum Herunterkühlen vorhanden ist, ist in einfacher Weise vermeidbar. Bei geringen Umgebungstemperaturen wird das anfallende Wasser in bekannter Weise direkt verworfen, da eine Kühlung des Fahrgastraums nicht notwendig ist. Bei höheren Umgebungstemperaturen kann das Wasser nach Fahrtende bevorzugt mit einer Wasserpumpe der Verdunstungsfläche zugeführt werden, über die es verdunstet. Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann dies vor einem planmäßigen Fahrtantritt zum Kühlen des Fahrgastraums geschehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wasserableitung eine Wasserpumpe sowie einen Abkühlbehälter und/oder einen Kühler zum Kühlen des Wassers auf. Durch die Wasserpumpe ist ein bedarfsabhängiger Wasserfluss einstellbar, der den Wasserfluss an die geforderte Kühlleistung, den Umgebungsluftaustausch sowie den Witterungsbedingungen anpassen kann. Durch einen Abkühlbehälter, der als Kühler dienen kann, und insbesondere durch einen Kühler wird das Kondensieren sowie das Abkühlen des anfallenden Wassers sichergestellt.
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Eine besonders praxisrelevante Ausführungsform sieht eine Eingangsöffnung vor, die im vorderen Bereich des Dachzwischenraums, also beispielsweise im vordersten Viertel des Dachzwischenraums, angeordnet ist. Dies kann beispielsweise durch eine Eingangsöffnung realisiert werden, die den Dachzwischenraum unmittelbar zur Umgebung öffnet und bevorzugt mittels eines Spoilers eine definierte Luftzufuhr ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Eingangsöffnung durch eine Tragsäule ausgebildet, wobei die Tragsäule bevorzugt bei einem Kraftfahrzeug eine A-Säule ist, die Umgebungsluft durch die A-Säule aus einem Motorraum in den Dachzwischenraum leitet. Die A-Säule ist hierzu zum Leiten von Umgebungsluft ausgebildet und weist eine Öffnung zum Motorraum sowie eine Öffnung zum Dachzwischenraum auf.
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In vorteilhafter Weise ist die Ausgangsöffnung am Fahrzeugheck, insbesondere unterhalb eines Spoilers angeordnet, sodass bei einer frontseitig angeordneten Eingangsöffnung sichergestellt wird, dass der gesamte Dachzwischenraum von dem Umgebungsluftstrom durchströmt wird. Durch eine Ausgangsöffnung unterhalb eines Spoilers wird bereits durch die Position der Ausgangsöffnung ein Verschmutzen der durch den Dachzwischenraum ausgebildeten Verdunstungsfläche verringert. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist auch die Eingangsöffnung am Fahrzeugheck angeordnet, sodass beispielsweise mittels eines Gebläses Umgebungsluft heckseitig in den Dachzwischenraum gefördert und durch eine Struktur durch den Dachzwischenraum geleitet wird, bevor sie am Fahrzeugheck durch die Austrittsöffnung austritt. Auf eine aufwendigere frontseitige Anordnung der Eingangsöffnung kann verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Umgebungsluft durch die Relativbewegung des Fahrzeugs zur Umgebungsluft angetrieben, hierdurch kann auf ein Gebläse verzichtet werden. Dadurch wird ein besonders günstiger und leichter Verdunstungskühler ermöglicht. Alternativ wird der Umgebungsluftstrom durch ein Gebläse realisiert, wodurch unabhängig von einer Fahrzeuggeschwindigkeit ein Umgebungsluftstrom an der Verdunstungsfläche ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise wird die Umgebungsluft durch Luftfilter gereinigt, sodass eine Verschmutzung insbesondere der Verdunstungsfläche durch die Umgebungsluft verringert wird, wodurch die Verdunstungsfläche dauerhaft und wartungsarm effizient funktioniert.
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Eine besonders praxisrelevante Ausführungsform sieht einen zumindest dem Fahrgastraum zugewandten Bereich des Dachzwischenraums mit einem inneren Blech vor, das, bevorzugt vollflächig, mit einem Textil ausgekleidet ist, wobei das innere Blech thermisch an den Fahrgastraum angebunden ist und bevorzugt der dem Fahrgastraum abgewandte Bereich des Dachzwischenraums kein Textil aufweist. Durch ein Textil wird eine erhebliche Oberflächenvergrößerung des Dachzwischenraums ermöglicht, wodurch die Verdunstungsrate erhöht werden kann. Durch die gute thermische Anbindung an den Fahrgastraum wird ein großer Anteil der Verdunstungsenergie dem Fahrgastraum entzogen. Um einen möglichst ungehinderten Umgebungsluftstrom in dem Dachzwischenraum ausbilden zu können, weist der dem Fahrgastraum abgewandte Bereich des Dachzwischenraums bevorzugt kein Textil auf.
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Bevorzugt erfolgt der Wassertransport in dem Textil mittels der Kapillarwirkung, wobei sich das Textil bevorzugt bis zum Brennstoffzellenantrieb erstreckt. Durch die Kapillarwirkung wird ein besonders einfaches, großflächiges Benetzen des Textils ermöglicht, wobei auf eine Wasserpumpe verzichtet werden kann, wenn sich das Textil bis zum Brennstoffzellenantrieb erstreckt, wodurch ein besonders günstiger und robuster Verdunstungskühler herstellbar ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen Abkühlbehälter und/oder einen Kühler auf, der bzw. die entleerbar ist oder sind, wobei bevorzugt die Wasserableitung zum Verwerfen des Wassers einstellbar ist. Es wird vorteilhafterweise erreicht, dass auf ein Verdunsten des Wassers zu Frostschutzzwecken verzichtet werden kann und bei geringen Umgebungstemperaturen kein Wasser aufgefangen wird.
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Bevorzugt sind die Säulen der Fahrgastzelle und weiter bevorzugt die weitere, die Fahrgastzelle umgebende Karosserie dazu eingerichtet, mittels Verdunstung den Fahrgastraum zu kühlen, sodass eine höhere Gesamtkühlleistung erreicht werden kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltung an das Fahrzeug angepasst sein können. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen in
- 1 ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, das einen Verdunstungskühler aufweist;
- 2 ein Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, das einen Verdunstungskühler aufweist;
- 3 ein Detail eines Dachzwischenraums.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb 1 mit einer Wasserableitung 2 zum Verwerfen des durch den Brennstoffzellenbetrieb 1 anfallenden Wassers unter Belüftung des einen Kühlers 3 oder in einer anderen Einstellung zum Herabkühlen des anfallenden Wassers mittels des Kühlers 3, der ein Kondensatorkühler ist und den dampfförmigen Teil des anfallenden Wassers kondensiert und herabkühlt. Das Wasser wird durch die Wasserableitung 2 mittels einer Wasserpumpe 4, die vorliegend eine Umwälzpumpe ist, durch die Tragsäule 5, die in dieser Ausführungsform eine A-Säule ist, des Kraftfahrzeugs bis zu einem Textil 6 mit einer großen Oberfläche in den Dachzwischenraum 7 befördert. Das Wasser verbreitet sich mittels Kapillarkräften über das Textil 6, das flächig und thermisch leitend mit einem inneren Blech 8 des Dachs verbunden ist. Die Verdunstungskälte des verdunstenden Wassers wird durch das innere Blech 8 in den Fahrgastraum geleitet, dem es Wärme entzieht.
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Zur Verdunstung des Wassers fördert ein Gebläse 9 durch nicht dargestellte Filter Umgebungsluft aus dem Motorraum, also dem Kraftfahrzeugbereich vor der Fahrgastzelle, mittels Luftleitflächen innerhalb der A-Säule durch eine Eingangsöffnung 10 in den Dachzwischenraum 7, der durch das innere Blech 8 und das äußere Blech 11 begrenzt wird, in der die Umgebungsluft insbesondere oberhalb des Textils von der Windschutzscheibe zum Fahrzeugheck gefördert wird und Wasser in Form von Wasserdampf aufnimmt, bevor es aus einer Ausgangsöffnung 12 unterhalb des Spoilers austritt.
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2 zeigt ein Nutzfahrzeug mit einer Wasserableitung 2 zum Verwerfen des durch den Brennstoffzellenantrieb 1 anfallenden Wassers unter Belüftung des einen Kühlers 3 oder in einer anderen Einstellung zum Herabkühlen des anfallenden Wassers mittels des Kühlers 3, der ein Kondensatorkühler sowie ein Zwischenspeicher ist und den dampfförmigen Teil des anfallenden Wassers kondensiert und herabkühlt. Das Wasser wird durch die Wasserableitung 2 mittels einer Wasserpumpe 4, die vorliegend eine Umwälzpumpe ist, durch die Tragsäule 5, die in dieser Ausführungsform eine B-Säule ist, bis zu dem Textil 6 gefördert, das flächig und thermisch leitend mit einem inneren Blech 8 des Dachs verbunden ist.
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Zur Verdunstung des Wassers fördert ein Gebläse 9, das oberhalb einer Windschutzscheibe durch einen Spoiler verdeckt angeordnet ist, Umgebungsluft durch eine oberhalb der Windschutzscheibe angeordnete Eingangsöffnung 10 in den Dachzwischenraum 7, der durch das innere Blech 8 und das äußere Blech 11 begrenzt wird. Die Umgebungsluft wird insbesondere oberhalb des Textils von der Windschutzscheibe zum hinteren Ende der Fahrerkabine gefördert und nimmt Wasser in Form von Wasserdampf auf, bevor es aus der Ausgangsöffnung 12 austritt.
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In 3 ist ein Detail eines Dachzwischenraums 7 dargestellt, in der die Wasserableitung 2 endet und Wasser in das Textil 6 fördert, das an dem inneren Blech 8 angebracht ist. Zwischen dem Textil 6 und dem äußeren Blech 11 strömt die Umgebungsluft unter Aufnahme von Wasserdampf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenantrieb
- 2
- Wasserableitung
- 3
- Kühler
- 4
- Wasserpumpe
- 5
- Tragsäulen
- 6
- Textil
- 7
- Dachzwischenraum
- 8
- inneres Blech
- 9
- Gebläse
- 10
- Eingangsöffnung
- 11
- äußeres Blech
- 12
- Ausgangsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017126281 A1 [0004]
- DE 102015003660 A1 [0005]
