DE19850829C1 - Kühl-Heiz-Kreis für ein Fahrzeug - Google Patents

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.