DE19850829C1 - Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug - Google Patents
Kühl-Heiz-Kreis für ein FahrzeugInfo
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Abstract
Kühl-Heiz-Kreis für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle, mit zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises erhöhenden Einrichtungen und zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises senkenden Einrichtungen und zumindest einer Pumpe. Die temperaturerhöhenden und/oder die temperatursenkenden Einrichtungen sind zumindest teilweise ihren Betriebszuständen entsprechend, insbesondere ihren Temnperaturen entsprechend, dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet. Zur verbesserten Nutzung der Abwärme kann dem Kühl-Heiz-Kreis ein Wärmepumpenkreislauf zugeordnet sein.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug, ins
besondere, jedoch nicht ausschließlich, für ein Elektrofahrzeug mit einer Brenn
stoffzelle.
Aus der EP-0 638 712 A1 ist ein Kühl-Heiz-Kreis mit den Merkmalen des Oberbe
griffes des Anspruches 1 bekannt. Insbesondere wird dort eine Vorrichtung zum
Kühlen von Fahrzeugkomponenten beschrieben, mit einem Kühlmittelkreislauf,
in dem ein erstes zu kühlendes Aggregat, ein erster Wärmetauscher und ein
Steuergerät angeordnet sind. Das Steuergerät steuert in Abhängigkeit von Be
triebsparametern zumindest die Förderleistung einer Kühlmittelpumpe und ei
nes dem ersten Wärmetauscher zugeordneten Lüfters. Parallel zu dem ersten
Wärmetauscher ist eine mittels eines Ventiles steuerbare Bypass-Leitung im
Kühlmittelkreislauf vorgesehen, in der ein zweiter, mittels eines zweiten Lüfters
mit Frischluft beaufschlagbarer und zu Heizzwecken verwendeter Wärmetau
scher angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher ist zusätzlich von einem zwei
ten Kühlmittelkreislauf, in dem zumindest ein weiteres Aggregat angeordnet ist,
beaufschlagt. Das erste zu kühlende Aggregat kann eine Brennstoffzelle oder der
Wärmetauscher eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreises sein. Somit sind die
beiden Kühlmittelkreisläufe über einen gemeinsamen Wärmetauscher gekoppelt,
dessen Abwärme zum Beheizen des Fahrgastraumes verwendet werden kann.
Hieraus ergibt sich, daß zum einen bei geschlossenem Ventil beide Kühlmittel
kreisläufe völlig voneinander getrennt sind, wobei dann nur der zweite Kühlmit
telkreislauf zum Beheizen des Fahrgastraumes zur Verfügung steht. Im Gegen
satz hierzu dienen bei geöffnetem Ventil beide Kühlmittelkreisläufe dem Behei
zen des Fahrgastraumes. Obwohl die bekannte Vorrichtung die Aufgabe lösen
soll, zwei Fahrzeugaggregate, deren Kühlmitteltemperaturen sich auf unter
schiedlichem Niveau befinden, zu kühlen, wobei gleichzeitig die für den Fahr
gastraum bereitgestellte Heizleistung optimiert werden soll, stellt dieses System
sowohl bezüglich der bereitgestellten Kühlleistung für die Aggregate als auch be
züglich der erreichbaren Heizleistung keine vollständig zufriedenstellende Lö
sung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Kühl-
Heiz-Kreis in solch einer Weise fortzubilden, daß die an den einzelnen Einrich
tungen abgegebene und/oder aufgenommene thermische Leistung erhöht ist. An
ders ausgedrückt, ist es Aufgabe, ein Gesamtsystem mit erhöhtem Wirkungsgrad
bezüglich erzielbarer Kühl- und/oder erzielbarer Heizleistung anzugeben, insbe
sondere für zu kühlende Aggregate bzw. für einen Fahrgastinnenraum.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch einen Kühl-Heiz-Kreis mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den
abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß werden die Betriebszustände, insbesondere die Temperaturen
der temperaturerhöhenden Einrichtungen, d. h. die zur Kühlung von Aggregaten
vorgesehenen Einrichtungen und/oder der temperatursenkenden Einrichtungen,
z. B. ein zur Beheizung des Innenraums verwendeter Wärmetauscher, zumindest
teilweise bei der Zuordnung der Einrichtungen zu dem Kühl-Heiz-Kreis berück
sichtigt. Wenn z. B. elektrische Komponenten gekühlt werden sollen, so sollte
diese Kühlung an einer möglichst kalten Stelle des Kühl-Heiz-Kreises erfolgen,
wenn die Betriebstemperatur der zu kühlenden elektrischen Komponenten im
Vergleich zu anderen zu kühlenden Aggregaten am niedrigsten ist. Bezüglich der
temperatursenkenden Einrichtungen sollte beispielhaft ein zur Erwärmung des
Fahrgastraumes benutzter Wärmetauscher an der wärmsten Stelle des Kühl-
Heiz-Kreises angeordnet sein. Alternativ zu den Temperaturniveaus könnte be
züglich der Anordnung der einzelnen Einrichtungen auch deren Heizleistung
oder Kühlungsbedarf als Betriebszustand berücksichtigt werden. Die zu kühlen
den Aggregate sollten bevorzugt direkt mit dem Kühl-Heiz-Kreis wechselwirken,
so daß weniger Komponenten, z. B. lediglich eine Pumpe, erforderlich sind. Einzi
ge Ausnahme bildet eine gegebenenfalls zu integrierende Brennstoffzelle, welche
meist mit deionisiertem Wasser gekühlt wird, weshalb ein separater, diesbezügli
cher Kühlkreis bevorzugt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die temperaturerhöhenden Einrich
tungen und/oder die temperatursenkenden Einrichtungen zumindest teilweise
selektiv dem Kühl-Heiz-Kreis zuordenbar. Durch die selektive Zuordenbarkeit
kann beispielhaft ein Aggregat, welches keine Kühlung erfordert, von dem Kühl-
Heiz-Kreis ausgeschlossen werden, insbesondere mittels einer Bypass-Leitung
mit entsprechend schaltbaren Ventilen. Diese Anordnung ermöglicht z. B. auch
das selektive Ein- und Ausschalten eines zu Heizzwecken des Fahrzeuginnen
raums verwendeten Wärmetauschers.
Die temperaturerhöhenden Einrichtungen und/oder die temperatursenkenden
Einrichtungen sind vorteilhafterweise zumindest teilweise bezüglich ihrer Zu
ordnung zu dem Kühl-Heiz-Kreis, insbesondere bezüglich ihrer Reihenfolge,
schaltbar. Somit kann beispielhaft bei einem Heiz-Kühl-Kreis mit zugeordneter
elektrischer Leistungsstelle und Brennstoffzelle für den Heizbetrieb in einer
Startphase zuerst die Brennstoffzelle und anschließend die elektrische Lei
stungsstelle von dem Kühl-Heiz-Kreis beaufschlagt werden, wonach bei Errei
chen bestimmter Betriebsparameter eine entsprechende Umkehr der Reihenfolge
möglich ist. In dieser Weise wird ein sehr flexibles System erzielt, welches eine
Adaptation auf die momentanen Betriebszustände des Gesamtfahrzeuges und
insbesondere des Kühl-Heiz-Kreises ermöglicht.
Neben der festgelegten Zuordnung der temperaturerhöhenden und/oder tempe
ratursenkenden Einrichtungen in Reihenschaltung und/oder Parallelanordnung
kann diese Zuordnung auch variabel gestaltet sein, so daß bei einer bevorzugten
Ausführungsform die temperaturerhöhenden Einrichtungen und/oder die tempe
ratursenkenden Einrichtungen zumindest teilweise bezüglich ihrer Zuordnung
zu dem Kühl-Heiz-Kreis zwischen Reihen- und/oder Parallelanordnung schaltbar
sind. Die zuvor erwähnte Schaltung erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung
der Betriebszustände der einzelnen Einrichtungen; wenn beispielhaft für eine
Brennstoffzelle eine Kühlung erforderlich ist, die bezüglich Temperatur und/oder
Leistung praktisch jener für eine elektrische Leistungsstelle entspricht, so kön
nen diese beiden temperaturerhöhenden Einrichtungen selektiv im Parallelbe
trieb von dem Kühl-Heiz-Kreis beaufschlagt werden. Wenn nun, bedingt durch
sich verändernde Betriebszustände während des Fahrbetriebes des Fahrzeuges,
die Temperatur der Brennstoffzelle steigt, kann in einen Reihenschaltungsbe
trieb umgeschaltet werden, bei welchem zuerst die elektrische Leistungsstelle
und anschließend die Brennstoffzelle mit Kühlmittel beaufschlagt werden. Eine
entsprechende wahlweise Umschaltmöglichkeit kann auch für die temperatur
senkenden Einrichtungen vorgesehen sein, insbesondere vorteilhaft, wenn eine
der temperatursenkenden Einrichtungen zur Erzielung von Nutzwärme vorge
sehen ist, z. B. ein Wärmetauscher, der zum Beheizen des Fahrgastinnenraumes
dient.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühl-Heiz-
Kreises ist zumindest eine temperaturerhöhende Einrichtung eine Brennstoffzel
le oder ein Wärmetauscher eines Brennstoffzellen-Kühlkreises. Derzeit verfügba
re Brennstoffzellen werden meist mit deionisiertem Wasser gekühlt, weshalb die
Zwischenschaltung eines Wärmetauschers nötig ist, da das deionisierte Wasser
stark korrosiv wirkt, und dementsprechend möglichst wenige Leitungen und Be
standteile mit diesem deionisierten Wasser in Berührung kommen sollten.
Brennstoffzellen erlangen immer stärkere Bedeutung für elektromotorisch ange
triebene Fahrzeuge, wie auch für Hybridfahrzeuge, d. h. Fahrzeuge mit sowohl
verbrennungsmotorischem als auch elektromotorischem Antrieb.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine der temperaturerhöhenden Einrichtungen
eine elektrische Leistungsstelle oder ein Wärmetauscher eines elektrischen Lei
stungsstellen-Kühlkreislaufes. Verschiedene elektrische Einrichtungen eines
Fahrzeuge erzeugen eine nutzbare Abwärme oder erfordern eine Kühlung, so daß
sie vorteilhafterweise dem Heiz-Kühl-Kreis zugeordnet werden können. Insbe
sondere können elektronische Schaltungen, Kompressoren und ähnliche Aggre
gate unter einer elektrischen Leistungsstelle verstanden werden oder als solche
zusammengefaßt sein.
Bevorzugt ist zumindest eine der temperaturerhöhenden Einrichtungen eine
Prozeßgas-Kühleinrichtung, insbesondere ein Wärmetauscher für ein Kraftstoff
gas und/oder für komprimierte Luft. Einige Anwendungen, unter anderem der
Betrieb einer Brennstoffzelle, erfordern eine Vorbehandlung der verwendeten
Prozeßgase, insbesondere eine Komprimierung. Die Vorbehandlung von Prozeß
gasen führt häufig zu einer Temperaturerhöhung derselben, wobei diese Tempe
ratur als Nutzwärme abgeführt werden kann oder auch aus Sicherheitsgründen
abgeführt werden muß. Bei einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist
daher ein Wärmetauscher an einer geeigneten Stelle des Kühl-Heiz-Kreises zuge
ordnet bzw. zuordenbar bzw. schaltbar, insbesondere zuschaltbar, welcher zwei
separate Gasphasen aufweist, nämlich einen für komprimierte Luft, wie für
Brennstoffzellen heutzutage erforderlich, und einen für ein warmes Kraftstoff
gas. Je nach Anforderungsprofil können natürlich auch zwei getrennte Wärme
tauscher oder auch gegegenenfalls nur für eines der Gase ein Wärmetauscher
vorgesehen sein. Wenn zwei separate Wärmetauscher vorgesehen sind, können
diese auch unabhängig voneinander an jeweils geeigneten Positionen dem Kühl-
Heiz-Kreis zugeordnet werden, optional mit der Möglichkeit einer selektiven Zu-
und Abschaltung sowie einer optionalen Serien- oder Parallelschaltung bezüglich
anderer temperaturerhöhender und/oder senkender Einrichtungen.
Um den Wirkungsgrad des Gesamtkühl-Heiz-Kreises zu erhöhen oder auch um
die nutzbare Abwärme bei einem höheren Temperaturniveau bereitzustellen, ist
dem Kühl-Heiz-Kreis vorteilhafterweise ein Wärmepumpenkreislauf, insbesonde
re ein reversibler Wärmepumpenkreislauf, zugeordnet. Durch die Zuordnung ei
nes Wärmepumpenkreislaufes kann zudem auch eine Kühlung des Fahrgastin
nenraumes erreicht werden. Bei einem reversiblen Wärmepumpenkreislauf kann
in besonders einfacher Weise sowohl eine Erwärmung als auch eine Abkühlung
des Fahrgastinnenraumes erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist der Wärmepumpenkreislauf über zumindest einen Wärme
tauscher, insbesondere über zwei Wärmetauscher, dem Kühl-Heiz-Kreis zuor
denbar. Die Zuordnung dieser Wärmetauscher ermöglicht eine vollständige Flu
identkopplung des Wärmepumpenkreises von dem Kühl-Heiz-Kreis. Wenn meh
rere Wärmetauscher, insbesondere zwei Wärmetauscher, vorgesehen sind, kön
nen diese bei unterschiedlichen Temperaturniveaus dem Kühl-Heiz-Kreis zuge
ordnet werden und gegebenenfalls unterschiedliche Funktionen erfüllen, bei
spielhaft kann ein Wärmetauscher Wärme von dem Kühl-Heiz-Kreis zu dem
Wärmepumpenkreis überführen, während ein anderer Wärmetauscher Wärme
von dem Wärmepumpenkreis zu dem Kühlkreis überträgt.
Schließlich ist es bevorzugt, daß der oder die Wärmetauscher dem Kühl-Heiz-
Kreis als temperaturerhöhende und/oder temperatursenkende Einrichtung bzw.
Einrichtungen zuordenbar ist bzw. sind. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung
besteht somit die Möglichkeit, die unterschiedlichen Temperaturniveaus des
Kühl-Heiz-Kreises für den Wärmepumpenkreis auszunutzen. Es sollte verstan
den werden, daß eine entsprechende selektive Zu- und Abschaltung wie auch ein
selektives Schalten zwischen Parallel- und Seriellbetrieb auf den oder die Wär
metauscher entsprechende Anwendung finden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
folgenden detaillierten Beschreibung einiger derzeit bevorzugter Ausführungs
formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen gilt:
Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises.
Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemä
ßen Kühl-Heiz-Kreises, bei welcher ein selektives Umschalten zwischen Parallel-
und Serienbetrieb von zwei temperaturerhöhenden Einrichtungen dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung, bei welcher die Temperatur von verwendeten Prozeßgasen über einen
Wärmetauscher dem Kühl-Heiz-Kreis zugeführt werden.
Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, im we
sentlichen der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform entsprechend, jedoch mit der
zusätzlichen Schaltmöglichkeit bezüglich Seriell- und Parallelbetrieb von zwei
Wärmetauschern als temperaturerhöhende Einrichtungen.
Fig. 5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei wel
cher dem Kühl-Heiz-Kreis über einen Wärmetauscher ein Wärmepumpenkreis
lauf zugeordnet ist.
Fig. 6 zeigt schematisch eine sechste bevorzugte Ausführungsform der Erfin
dung, bei welcher dem Kühl-Heiz-Kreis unter Verwendung von zwei Wärmetau
schern ein Wärmepumpenkreislauf zugeordnet ist.
Fig. 7 zeigt schematisch eine siebte bevorzugte Ausführungsform der Erfin
dung unter Verwendung eines im Heiz-Kühl-Kreis integrierten Kondensators für
R134a oder CO2 als Kühlmittel.
Fig. 1 zeigt ein Kühl-Heiz-Kreis gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung. Der Kühl-Heiz-Kreis für ein Kraftfahrzeug umfaßt eine
Kühlmittelpumpe 2, die eine erste temperaturerhöhende Einrichtung 10, in der
gezeigten Ausführungsform eine elektrische Leistungsstelle, beaufschlagt. Die
temperaturerhöhende Einrichtung 10 kann beispielhaft eine Elektronikschal
tung, ein Kompressor oder eine andere elektrisch betriebene Einrichtung sein,
die praktisch sofort mit Inbetriebnahme Wärme auf einem relativ niedrigen Ni
veau, z. B. ca. 60°, abgibt. In Reihe geschaltet zu der ersten temperaturerhöhende
Einrichtung 10 befindet sich eine zweite temperaturerhöhende Einrichtung 20,
welche in der gezeigten Ausführungsform ein Wärmetauscher eines Brennstoff
zellen-Kühlkreises 200 ist. Diese zweite, nachgeschaltete temperaturerhöhende
Einrichtung bringt z. B. Wärme in den Kühl-Heiz-Kreis bei einem Temperaturni
veau von ca. 80° ein, so daß die Zuordnung der temperaturerhöhenden Einrich
tungen 10, 20 entsprechend den Betriebszuständen vorgesehen ist, insbesondere
den jeweils bestehenden Temperaturniveaus entsprechend. Bei Inbetriebnehmen
des Fahrzeuges kann gegebenenfalls auf eine Kühlung in der Brennstoffzelle
verzichtet werden, so daß die zweite temperaturerhöhende Einrichtung mittels
einer beim Ventil 16 vorgesehenen Bypass-Leitung umgangen werden kann. Al
ternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Bypass-Leitung auch in dem
Brennstoffzellen-Kühlkreis 200 vorgesehen sein, gesteuert über ein Ventil 26.
Der Brennstoffzellen-Kühlkreis 200 umfaßt in der dargestellten Ausführungs
form insbesondere dem Wärmetauscher 20 folgend eine Kühlmittelpumpe 22, die
Brennstoffzelle 25 selbst, ein Ausgleichsgefäß 24 und das die Bypass-Leitung an
steuernde Ventil 26. Es sollte erwähnt werden, daß in der gezeigten Ausfüh
rungsform der Brennstoffzellen-Kühlkreis 200 vollständig von dem Kühl-Heiz-
Kreis getrennt, und lediglich über den Wärmetauscher 20 gekoppelt ist, da der
Brennstoffzellen-Kühlkreis 200 derzeit mit deionisiertem Wasser betrieben wird,
so daß der Brennstoffzellen-Kühlkreis 200 möglichst klein gehalten werden soll
te.
Nach der zweiten temperaturerhöhenden Einrichtung 20, d. h. dem Brennstoff
zellen-Kühlkreis-Wärmetauscher, wird dem Kühl-Heiz-Kreis eine erste tempera
tursenkende Einrichtung 40 zugeordnet. Die temperatursenkende Einrichtung
40 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Wärmetauscher, der zur Beheizung
des Fahrgastraumes dienen kann. Der Kühler 40 wird selektiv über ein Ventil 46
angesteuert, d. h. kann je nach Temperatur und Bedarfsanforderungen beauf
schlagt oder umgangen werden. Das Ventil 46 kann entfallen, wenn im Heiz-
/Klimagerät Maßnahmen zur Vermeidung des Pickup im Sommer ergriffen wer
den. Der Wärmetauscher 40 ist über einen Lüfter 42 luftbeaufschlagbar und ver
fügt über eine zusätzliche Heizeinrichtung 44, die im Bedarfsfall elektrisch zu
sätzliche Wärme erzeugen kann. In der gezeigten Ausführungsform ist die Zu
satzheizeinrichtung 44 ein PTC-Heizregister. Schließlich wird der Kühl-Heiz-
Kreis mittels eines Ventiles 56 direkt zur Pumpe zurückgeführt (kleiner Kreis
lauf) oder einem Außenkühler 50 als zweite temperatursenkende Einrichtung
zugeführt, um von dort zu der Pumpe 2 zurückzugelangen (großer Kühlkreis).
In der gezeigten Ausführungsform ist die zweite temperatursenkende Einrich
tung 50 ein herkömmlicher Fahrzeugkühler, welcher mit einem Lüfter 52 beauf
schlagbar ist, um eine Wärmeabgabe an die Umgebung erhöhen zu können.
Wie bei den bisher bekannten Lösungen können entsprechende Steuerungen für
die Lüfter 42, 44 vorgesehen sein. Dem Kühl-Heiz-Kreis ist desweiteren ein
Ausgleichsgefäß 4 zugeordnet, mittels welchem der Kühlmittelstand in dem Ge
samtsystem aufrechterhalten werden kann. Das Ausgleichsgefäß kann entfallen,
wenn entsprechend flexible Schläuche eingesetzt werden. Bezüglich der tempera
tursenkenden Einrichtungen 40, 50 ist noch festzustellen, daß diese in Reihe ge
schaltet werden können, um für die Fahrgastinnenraumbeheizung ein maximales
Temperaturniveau von z. B. ca. 80° ausnutzen zu können, während der Au
ßenluftkühler mit Luft von maximal 50° beaufschlagt wird, so daß dessen Be
triebstemperatur bei einem leicht höheren Temperaturwert liegen sollte.
Die vorangehend beschriebene Ausführungsform zeichnet sich durch einen ins
besondere hohen Wirkungsgrad aus, bedingt durch die den Betriebszuständen
entsprechende Zuordnung von temperaturerhöhenden und temperatursenken
den Einrichtungen zu dem Kühl-Heiz-Kreis. die unterschiedlichen Temperatur
niveaus der einzelnen Einrichtungen wurde beim Stand der Technik zwar er
kannt, jedoch wurden den unterschiedlichen Temperaturniveaus nicht Rechnung
getragen, so daß diese Ausführungsform einen deutlichen technischen Fort
schritt bereitstellt. Es sollte noch erwähnt werden, daß z. B. bei der Verwendung
von Tieftemperatur-Brennstoffzellen gegebenenfalls eine Umkehr der Reihenfol
ge in Frage kommen kann.
Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises, wobei Bestandteile, die zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführung
ähnlich oder entsprechend sind, mit entsprechenden Bezugszeichen versehen
sind. Eine Beschreibung der entsprechenden Bestandteile, wie z. B. des Brenn
stoffzellen-Kühlkreises 200, soll zur knapperen Darstellung nicht wiederholt
werden. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform können in
dieser Ausführungsform die zwei temperaturerhöhenden Einrichtungen 10, 20,
d. h. daß die elektrische Leistungsstelle 10 und der zur Kopplung mit dem Brenn
stoffzellen-Kühlkreis 200 dienende Wärmetauscher 20, sowohl im Parallelbetrieb
als auch im Reihen- bzw. seriellen Betrieb mit Kühlmittel beaufschlagt werden.
Über zwei schaltbare Ventile 17, 18 kann entsprechend den Betriebszuständen
der Wärme zuführenden Einrichtungen 10, 20 wahlweise nur eine der Einrich
tungen 10, 20 dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet werden. Ferner ermöglichen es
die Ventile 17, 18, wahlweise das Kühlmittel zuerst durch die erste tempera
turerhöhende Einrichtung 10 und anschließend durch die zweite temperaturer
höhenden Einrichtung 20 oder auch umgekehrt fließen zu lassen. Schließlich er
möglichen es die Ventile 17, 18 auch, daß beide temperaturerhöhenden Einrich
tungen 10, 20 im Parallelmodus, d. h. gleichzeitig mit Kühlmittel beaufschlagt
werden. Eine entsprechende Erweiterung auf mehr als zwei temperaturerhöhen
de Einrichtungen kann in analoger Weise erfolgen, wobei einzelnen Einrichtun
gen gruppenweise in Parallel- und/oder Seriellschaltung zusammengefaßt werden
können. Die hier dargestellte Ausführungsform ermöglicht eine sehr exakte Be
aufschlagung der temperaturerhöhenden Einrichtungen 10, 20 mit Kühlmittel, je
nach Betriebszustand, insbesondere Temperatur. Beispielhaft können die Ventile
17, 18 in einer Startphase, bei welcher sowohl die elektrischen zu kühlenden Ag
gregate als auch der Wärmetauscher des Brennstoffzellen-Kreislaufes noch eine
relativ niedrige Temperatur aufweisen, diese im Parallelmodus betrieben wer
den, wonach bei Erreichen der jeweiligen Betriebstemperaturen die in Fig. 1 dar
gestellte Ausführungsform schaltungstechnisch mittels der Ventile 17, 18 reali
siert wird.
Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Heizkreises, wobei wiederum entsprechende Teile mit denselben Be
zugsziffern versehen sind und hierin nicht wiederholt im Detail beschrieben wer
den. Der Kühl-Heiz-Kreis der hier dargestellten Ausführungsform entspricht im
wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, wobei der zweiten tempe
raturerhöhenden Einrichtung 20, d. h. dem Wärmetauscher des Brennstoffzellen-
Kühlkreises 200, eine dritte temperaturerhöhende Einrichtung 30 in Parallel
schaltung zugeordnet ist. Die dritte temperaturerhöhende Einrichtung 30 ist ein
Wärmetauscher, welcher zur Abkühlung von in einer Leitung 21 geführtem
Kraftstoff sowie von in einer Leitung 23 geführter komprimierter Luft dient.
Kraftstoff, insbesondere in Gasform, und komprimierte Luft müssen häufig beim
Betreiben von Brennstoffzellen vorbehandelt werden, so daß diese Prozeßgase
eine relativ hohe Temperatur aufweisen, die dem Kühl-Heiz-Kreislauf zugeführt
werden kann.
Obwohl nicht dargestellt, könnten die drei Wärmetauscher 10, 20, 30 auch insge
samt in Serie geschaltet dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet sein. Wenn beispielhaft
die elektrische Leistungsstelle 10 als erste temperaturerhöhende Einrichtung ein
Temperaturniveau aufweist von ca. 60°, die zu kühlenden Prozeßgase etwa Tem
peraturen haben von 80° und der Wärmetauscher des Brennstoffzellen-
Kühlkreises 200 eine Temperatur von ca. 90°, so sollten die drei temperaturerhö
henden Einrichtungen 10, 20, 30 ihren Temperaturen entsprechend in Reihe ge
schaltet vorgesehen sein. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform der
Wärmetauscher 30 für sowohl Kraftstoffgas als auch für komprimierte Luft vor
gesehen ist, kann der Fachmann erkennen, daß hierfür auch separate Wärme
tauscher zum Einsatz kommen können, die dann entsprechend in Serie und/oder
parallel zueinander und bezüglich der anderen temperaturerhöhenden Einrich
tungen dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet werden können. Desweiteren kann es
bei bestimmten Anwendungen auch erforderlich sein, die Prozeßgase mittels des
Kühl-Heiz-Kreises zu erwärmen statt zu kühlen, so daß der Wärmetauscher 30
als temperatursenkende Einrichtung fingieren würde.
Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises, bei welcher im wesentlichen die Konzepte der Ausführungs
formen von Fig. 2 und Fig. 3 kombiniert sind. Das Kühlmittel tritt bei dieser
Ausführungsform von der Pumpe in die erste temperaturerhöhende Einrichtung
10, z. B. die elektrische Leistungsstelle, und erreicht nachfolgend ein Stellventil
17. Abhängig von Betriebszuständen der Einrichtung 10, 20, 30 wird mittels des
Stellventiles 17 das Kühlmittel anteilsmäßig im Parallelbetrieb auf die zwei tem
peraturerhöhenden Einrichtungen 20, 30 verteilt, das Kühlmittel direkt zum
Stellventil 18 geführt oder lediglich zu einer der temperaturerhöhenden Einrich
tungen 20, 30. Im Parallelbetrieb wird mittels des Stellventiles 18 der Kühlmit
telfluß nach Durchtritt und Erwärmung durch die zwei temperaturerhöhenden
Einrichtungen 20, 30 zusammengeführt. Bei selektiver Zuordnung von nur einer
temperaturerhöhenden Einrichtung 20, 30 wird das Kühlmittel über das Stell
ventil 18 direkt weitergeführt. Bei wahlweiser Reihenzuordnung der zwei tempe
raturerhöhenden Einrichtungen 20, 30 wird das Stellventil 18 das Kühlmittel zu
rück zum Stellventil 17 führen, von wo das Kühlmittel anschließend durch die
temperaturerhöhende Einrichtung geführt wird, welche bisher noch nicht vom
Kühlmittel durchflossen wurde.
In Fig. 5 ist eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises dargestellt, dem über einen Wärmetauscher 70 ein Wärme
pumpenkreislauf 100 zugeordnet ist. Wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh
rungsform erreicht das Kühlmittel nach der Pumpe 2 eine erste temperaturerhö
hende Einrichtung 10, z. B. eine elektrische Leistungstelle, und anschließend ei
nen Wärmetauscher 20, der den Kühl-Heiz-Kreislauf mit einem Brennstoffzellen-
Kühlkreis 200 koppelt. Der Fachmann sollte verstehen, daß die vorangegangenen
Ausführungen bezüglich Serien- und Parallelschaltung der einzelnen tempera
turerhöhenden Einrichtungen diese auf die gezeigte Ausführungsform entspre
chend anwendbar sind. Um den Gesamtwirkungsgrad des Kühl-Heiz-Kreises zu
erhöhen, wird bei dieser Ausführungform ein Wärmepumpenkreislauf 100 über
den Wärmetauscher 70 mit dem Kühl-Heiz-Kreis gekoppelt. Der Wärmepumpen
kreislauf wird mit CO2 oder R134a betrieben und ist in der dargestellten Ausfüh
rungsform vom reversiblen Typ, d. h. kann sowohl zur Erwärmung als auch zur
Kühlung des Fahrgastinnenraumes verwendet werden.
Der Wärmepumpenkreislauf 100 umfaßt neben dem Wärmetauscher 70 zwei
Kompressoren 102, 104, die jeweils einen Betrieb des Wärmepumpenkreislaufes
100 in einer Richtung ermöglichen. Alternativ zu den zwei Kompressoren 102,
104 könnte auch ein einzelner Kompressor vorgesehen sein, der entsprechend in
beiden Richtungen betrieben werden kann. Alternativ wäre auch ein einzelner
monodirektionaler Kompressor denkbar, wenn der Wärmepumpenkreislauf aus
schließlich zum Heizen des Fahrgastraumes oder ausschließlich zum Kühlen des
Fahrgastraumes verwendet werden soll. Desweiteren umfaßt der Wärmepum
penkreislauf 100 in an und für sich klassischer Weise ein Vier-Wege-Ventil 106,
einen Kondensator 107; 108 und einen Verdampfer 107; 108. Durch das Vorse
hen eines Wärmepumpenkreislaufes läßt sich das nutzbare Temperaturniveau,
z. B. zum Heizen des Fahrgastinnenraumes, drastisch erhöhen. Die Zuordnung
eines Wärmepumpenkreislaufes ist insbesondere vorteilhaft angesichts der Be
mühungen, Niedertemperatur-Brennstoffzellen zu entwickeln.
In Fig. 6 ist eine sechste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls ein mit
CO2 oder R134a betriebener Wärmepumpenkreislauf zugeordnet. Zusätzlich zu
der in Fig. 5 dargestellten Kopplung mittels des Wärmetauschers 70 ist in der
dargestellten Ausführungsform der Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufes
100 als Wärmetauscher 60 ausgebildet, welcher die Temperatur des Kühl-Heiz-
Kreises senkt. Ansonsten entspricht der Wärmepumpenkreislauf 100 im wesent
lichen dem in Fig. 5 dargestellten, so daß eine detaillierte Beschreibung der übri
gen Bestandteile hierin nicht wiederholt werden soll.
In Fig. 7 schließlich ist eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühl-Heiz-Kreises dargestellt. Bei dieser Ausführungsform, die im wesentlichen
der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform entspricht, ist zusätzlich vor der Kühl
pumpe 2 ein Kondensator 5 für einen Kühlkreis vorgesehen, der bevorzugt mit
den Kältemitteln R134a oder CO2 betrieben wird. Der Kondensator 5 stellt eine
weitere temperaturerhöhende Einrichtung bezüglich des Kühl-Heiz-Kreises dar
und kann bezüglich seiner Zuordnung und Schaltung an geeigneter Position vor
gesehen werden, wie im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die vorange
henden Ausführungsformen für die dort vorgesehenen temperaturerhöhenden
und temperatursenkenden Einrichtungen. Insbesondere sollte der Kondensator 5
für die maximale Temperaturübertragung am kältesten Punkt des Kühl-Heiz-
Kreises zugeordnet sein, d. h. beispielhaft und wie dargestellt unmittelbar hinter
dem mit Umgebungsluft beaufschlagbaren Kühler 50. Bezüglich der anderen Be
standteile des dargestellten Kühl-Heiz-Kreises wird auf die Beschreibung der
vorangegangenen Ausführungsformen verwiesen.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Wär
meheizkreis ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt wird, indem die Betriebszustände
der einzelnen temperaturerhöhenden und/oder -senkenden Einrichtungen bei
der Zuordnung, insbesondere der Anordnung oder Positionierung im Kühl-Heiz-
Kreis berücksichtigt und gegebenenfalls schaltungstechnisch beeinflußt werden
kann. Durch die Zuordnung eines Wärmepumpenkreislaufes läßt sich der Wir
kungsgrad noch weiter erhöhen mit dem zusätzlichen Vorteil eines erhöhten
nutzbaren Wärmeniveaus.
Obwohl die Erfindung im vorangegangenen im Detail unter Bezugnahme auf
derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte der Fachmann
erkennen, daß verschiedene Veränderungen möglich sind, ohne von dem erfin
dungsgemäßen Gedanken, wie in den Ansprüchen definiert, abzuweichen. Insbe
sondere sollten die verschiedensten Reihen- und/oder Parallelschaltungen mit
unterschiedlichsten Reihenfolgen jeweils in Abhängigkeit der Betriebsparameter,
insbesondere der Temperatur, als äquivalente Lösungen erachtet werden. Anders
ausgedrückt, könnten einzelne temperaturerhöhende und/oder -senkende Ein
richtungen auch gruppenweise zusammengefaßt werden, um als Gruppe in Serie
und/oder parallel dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet zu werden. Ferner sollte er
wähnt werden, daß sämtliche spezifischen Merkmale einer einzelnen bevorzug
ten Ausführungsform auf jeweils andere Ausführungsformen entsprechend über
tragbar sind. Beispielhaft könnte auch bei den in Fig. 5 und 6 gezeigten Ausfüh
rungsformen zusätzlich eine elektrische Zusatzheizung, z. B. in Form eines PTC-
Heizregisters, vorgesehen sein.
Claims (11)
1. Kühl-Heiz-Kreis für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest zwei die Temperatur
des Kühl-Heiz-Kreises erhöhenden Einrichtungen (10, 20, 30, 60, 70), zumindest
zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises senkenden Einrichtungen (40, 50,
60, 70) und zumindest einer Pumpe (2), dadurch gekennzeichnet, daß die
temperaturerhöhenden Einrichtungen (5, 10, 20, 30, 60, 70) und/oder die tempe
ratursenkenden Einrichtungen (40, 50, 60, 70) zumindest teilweise ihren Be
triebszuständen entsprechend, insbesondere ihren Temperaturen entsprechend,
dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet sind.
2. Kühl-Heiz-Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
temperaturerhöhenden Einrichtungen (5, 10, 20, 30, 60, 70) und/oder die tempe
ratursenkenden Einrichtungen (40, 50, 60, 70) zumindest teilweise selektiv dem
Kühl-Heiz-Kreis zuordenbar sind.
3. Kühl-Heiz-Kreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die temperaturerhöhenden Einrichtungen (5, 10, 20, 30, 60, 70), und/oder die
temperatursenkenden Einrichtungen (40, 50, 60, 70) zumindest teilweise bezüg
lich ihrer Zuordnung zu dem Kühl-Heiz-Kreis, insbesondere bezüglich der Rei
henfolge, schaltbar sind.
4. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die temperaturerhöhenden Einrichtungen (5, 10, 20, 30,
60, 70), und/oder die temperatursenkenden Einrichtungen (40, 50, 60, 70) zu
mindest teilweise bezüglich ihrer Zuordnung zu dem Kühl-Heiz-Kreis zwischen
Reihen- und/oder Parallelanordnung schaltbar sind.
5. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine temperaturerhöhende Einrichtung (5, 10,
20, 30, 60, 70) eine Brennstoffzelle (25) oder ein Wärmetauscher (20) eines
Brennstoffzellen-Kühlkreises (200) ist.
6. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine temperaturerhöhende Einrichtung (5, 10,
20, 30, 60, 70) eine elektrische Leistungsstelle oder ein Wärmetauscher eines
elektrischen Leistungsstellen-Kühlkreislaufes ist.
7. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine temperaturerhöhende Einrichtung (5, 10,
20, 30, 60, 70) eine Prozeßgas-Kühleinrichtung (30), insbesondere ein Wärme
tauscher (30) für ein Kraftstoffgas und/oder komprimierte Luft ist.
8. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Kühl-Heiz-Kreis ein Wärmepumpenkreislauf (100),
insbesondere ein reversibler Wärmepumpenkreislauf, zuordenbar ist.
9. Kühl-Heiz-Kreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wärmepumpenkreislauf (100) über zumindest einen Wärmetauscher (70), insbe
sondere über zwei Wärmetauscher (60, 70), dem Kühl-Heiz-Kreis zuordenbar ist.
10. Kühl-Heiz-Kreis nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die Wärmetauscher dem Kühl-Heiz-Kreis als temperaturerhöhende
und/oder temperatursenkende Einrichtung(en) (60, 70) zuordenbar ist/sind.
11. Kühl-Heiz-Kreis nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Kühl-Heiz-Kreis ein Kondensator (5) für einen Käl
tekreis mit dem Kältemittel R134a oder CO2 zuordenbar ist.
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