WO2022012857A1

WO2022012857A1 - Kühlsystem

Info

Publication number: WO2022012857A1
Application number: PCT/EP2021/066623
Authority: WO
Inventors: Richard BRÜMMER; Christian BÜRCK; Achim Koppehel; Rainer Lutz; Jan Schultes; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN115812257A; DE102020208712A1; KR20230038198A; US20230311713A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (1) für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs. Das Kühlsystem (1) umfasst einen geschlossenen Kühlkreislauf (2), in dem ein Kühlfluid zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert. In dem Kühlkreislauf (2) ist wenigstens ein Wärmeübertrager (3) zum Kühlen des Kühlfluids fluidisch eingebunden, der von einer Lufteintrittsfläche (8a) zu einer Luftaustrittsfläche (8b) von Luft (LF) und durch Kühlrohre (6) hindurch vom Kühlfluid durchströmbar ist. Das Kühlsystem (1) umfasst einen offenen Berieselungskreislauf (9), in dem ein Berieselungsfluid (BF) zum Kühlen des Wärmeübertragers (3) strömt. Erfindungsgemäß ist in dem Berieselungskreislauf (9) eine Kanalstruktur (10) mit mehreren Kanälen (11) fluidisch eingebunden, die zur Lufteintrittsfläche (8a) des Wärmeübertragers (3) parallel und unmittelbar benachbart angeordnet ist. Der jeweilige Kanal (11) weist mehrere Austrittsdüsen (12) für das Berieselungsfluid (BF) auf, durch die das Berieselungsfluid (BF) die Kühlrohre (6) beaufschlagt.

Description

Kühlsystem

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs wird aufgrund ablaufender chemi scher Prozesse Abwärme erzeugt und die Brennstoffzelle wird üblicherweise ge kühlt. Der Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle unterscheidet sich jedoch von dem herkömmlichen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs. Die Unterschiede liegen dabei insbesondere in der maximal abführbaren Wärme menge und in der maximalen Temperatur des Kühlfluids. Bei dem Verbrennungs motor wird die Abwärme zu ca. 40% über das Abgas und zu ca. 25% über das Kühlfluid abgeführt. Bei der Brennstoffzelle kann hingegen die Abwärme nur zu ca. 5% über das Abgas abgeführt werden. Die Abwärme wird demnach größten teils an das Kühlfluid in dem Kühlkreislauf abgegeben. Um eine Schädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden, liegt die maximal zulässige Temperatur des Kühl fluids bei 75°-90°. Sie ist dabei wesentlich niedriger als die maximal zulässige Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf für den Verbrennungsmotor, die bei ca. 90°-100° liegt. In dem Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle ist somit ein leistungsstärkerer Wärmeübertrager zum Kühlen des Kühlfluids notwendig.

Die Leistung des Wärmeübertragers kann dabei über die Vergrößerung des Wär meübertragers an sich - also des Volumens und/oder der Stirnfläche des Wär meübertragers - erfolgen, was jedoch zur Erhöhung des Bauraumbedarfs, des Gewichts und der Kosten führt. Auch wegen gesetzlichen Sicherheitsvorschriften zum Fußgängerschutz kann der Wärmeübertrager nicht beliebig groß sein. Wird das Kühlfluid in dem Wärmeübertrager mit Luft gekühlt, so kann auch die Luft menge zur Steigerung der Leistung des Wärmeübertragers führen. Die Luft menge kann dabei durch die höhere Leistung des Lüfters vergrößert werden, was jedoch auf gleiche Weise zur Erhöhung des Bauraumbedarfs, des Gewichts und der Kosten führt. Ferner werden die Lüfter mit Energie der Brennstoffzelle ver sorgt, was wiederum die zum Vortrieb zur Verfügung stehende Energie reduziert.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Leistung des Wärmeübertra gers durch Beaufschlagung bzw. Berieselung des Wärmeübertragers mit Wasser erhöht werden kann. Bei der Beaufschlagung bzw. Berieselung des Wärmeüber tragers mit Wasser erfolgt die Kühlung direkt und/oder durch Verdunstung des Wassers. Einige Lösungen sind bereits aus DE 102008051 368 A1,

US 4771 822 A, US 4215753 A, KR 100634870 B1 , DE 19637926 A1 ,

US 5 101 775 A, US 6298809 B1 , DE 2358631 A1 , US 4494384 A,

DE 102017209735 A1 , DE 11 2007001 422 B4, FR 2833803 A1 ,

DE 102017002741 A1, DE 102010036502 A1, DE 102016 106919 A1 bekannt. Nachteiligerweise sind die vorgeschlagenen Lösung entweder kostspie lig in der Umsetzung und/oder steigern die Leistung des Wärmeübertragers nicht ausreichend.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Kühlsystem der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll das Kühlsystem die Leistung des Wärmeübertrages steigern und eine vereinfachte kostengünstige Umsetzung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhän gigen Ansprüche.

Ein Kühlsystem ist für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Kühlsystem umfasst einen geschlossenen Kühlkreislauf, in dem ein Kühlfluid zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert. In dem Kühlkreislauf ist wenigstens ein Wär meübertrager zum Kühlen des Kühlfluids fluidisch eingebunden. Der Wärmeüber trager ist dabei von einer Lufteintrittsfläche zu einer Luftaustrittsfläche von Luft und durch Kühlrohre hindurch vom Kühlfluid durchströmbar. Das Kühlsystem um fasst ferner einen offenen Berieselungskreislauf, in dem ein Berieselungsfluid zum Kühlen des Wärmeübertragers strömt. Erfindungsgemäß ist in dem Beriese lungskreislauf eine Kanalstruktur mit mehreren Kanälen fluidisch eingebunden, die zur Lufteintrittsfläche des Wärmeübertragers parallel und unmittelbar benach bart angeordnet ist. Der jeweilige Kanal weist dabei mehrere Austrittsdüsen für das Berieselungsfluid auf, durch die das Berieselungsfluid die Kühlrohre beauf schlagt.

Das Kühlfluid und das Berieselungsfluid sind Flüssigkeiten. Bei dem Kühlfluid geht es in erster Linie um Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen. Insbesondere geht es bei dem Kühlfluid in erster Linie um ein Wasser-Glysantin-Gemisch, das speziell für die Brennstoffzelle entwickelt ist. Das Berieselungsfluid ist reines Wasser, das beispielweise in der Brennstoffzelle durch chemische Prozesse ent standen ist. Bei dem Wärmeübertrager geht es also um einen Flüssigkeit-Luft- Wärmeübertrager. Der Wärmeübertrager umfasst dabei zwei Fluidkasten, in die die Kühlrohre über Rohrböden fluidisch münden. Die Fluidkasten können dabei als ein Sammelkasten zum Sammeln des Kühlfluids aus den Kühlrohren und ein Verteilkasten zum Verteilen des Kühlfluids in die Kühlrohre ausgebildet sein. Das Kühlfluid strömt dann von dem Verteilkasten zu dem Sammelkasten durch alle Kühlrohre in eine Richtung. Alternativ können die Fluidkasten als ein Verteil- und Sammelkasten und ein Umlenkkasten ausgebildet sein. Das Kühlfluid strömt dann von dem Verteil- und Sammelkasten zu dem Umlenkkasten durch einige der Kühlrohre in eine Richtung, wird in dem Umlenkkasten umgelenkt und strömt von dem Umlenkkasten zu dem Verteil- und Sammelkasten über die restlichen Kühlrohre in eine andere Richtung. Der Kühlkreislauf ist geschlossen bzw. das Kühlfluid wird aus dem Kühlreislauf weder entnommen noch dem Kühlkreislauf zugegeben. Der Berieselungskreislauf ist dagegen offen bzw. das Berieselungs fluid wird dem Berieselungskreislauf entnommen und zum Aufrechterhalten des Berieselungskreislaufs diesem stets hinzugefügt.

In dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist die Kanalstruktur unmittelbar benach bart an der Lufteintrittsfläche des Wärmeübertragers angeordnet, so dass das Berieselungsfluid die Kühlrohre des Wärmeübertragers unmittelbar beaufschla gen kann. Der Wärmeübertrager wird dabei von Luft von der Lufteintrittsfläche zu der Luftaustrittsfläche durchströmt. Ist das Kühlsystem in dem Kraftfahrzeug montiert, so ist die Lufteintrittsfläche zweckgemäß in Fahrtrichtung vor der Luft austrittsfläche angeordnet. Bei dieser Anordnung des Wärmeübertragers wird dieser vom Fahrwind durchströmt und das aus der Kanalstruktur austretende Be rieselungsfluid wird in den Wärmeübertrager reingetragen. Dadurch können die Kühlrohre auch innerhalb des Wärmeübertragers mit dem Berieselungsfluid be aufschlagt und dadurch besser gekühlt werden.

Vorteilhafterweise kann die Kanalstruktur zwei Halteeinheiten aufweisen. Die bei den Halteeinheiten sind dabei zueinander beabstandet und zueinander parallel an dem Wärmeübertrager befestigt oder integral ausgeformt. Die beiden Hal teeinheiten sind dabei beidseitig zu der Lufteintrittsfläche angeordnet. Die Kanäle der Kanalstruktur sind dann durch einen flexiblen Schlauch gebildet. Der flexible Schlauch ist dabei unter Spannung mäanderartig zwischen den beiden Halteein heiten geführt und so an dem Wärmeübertrager befestigt. Die Zuführung von Be rieselungsfluid in die Kanalstruktur erfolgt dann an einer Seite des flexiblen Schlauchs, die im Betrieb des Kühlsystems zweckgemäß oberhalb der Kanal struktur liegt. Dazu kann an dem Schlauch eine Schnellkupplung angeordnet sein, über die der Schlauch mit weiteren Leitungen des Berieselungskreislaufs fluidisch verbunden ist. Die Halteeinheiten können beispielweise an den Fluidkasten oder an Rohrböden des Wärmeübertragers befestigt sein. Dabei können die Halteeinheiten mit den Fluidkasten oder mit den Rohrböden verschweißt oder verklebt sein. Alternativ können die Halteeinheiten an den Kühlrohren des Wärmeübertragers befestigt sein. Dazu können die Halteeinheiten beispielweise an mehreren Stellen mit eini gen Kühlrohren verschweißt oder verklebt sein. Alternativ können die jeweiligen Halteeinheiten in Form mehrerer Klipse ausgeführt sein, die mit den Kühlrohren oder mit den Rohrböden des Wärmeübertragers verclipst sind. Alternativ können die Halteeinheiten integral an den Fluidkasten ausgeformt sein. So können die Fluidkasten beispielweise aus Kunststoff geformt sein und die Halteeinheiten aus Kunststoff an diese angespritzt sein.

Zur Aufnahme des flexiblen Schlauchs weisen die Halteeinheiten vorzugsweise Aufnahmeelemente auf, die den Schlauch kraftschlüssig aufnehmen. Der flexible Schlauch wird dabei unter Spannung geführt, so dass dieser rutschsicher in den Halteeinheiten aufgenommen ist. Der Schlauch kann dabei sowohl nach der Montage in den Halteeinheiten gespannt werden als auch bereits unter Span nung in den Halteeinheiten montiert werden. Die Kanalstruktur kann auf diese vorteilhafte Weise vereinfacht an dem Wärmeübertrager angeordnet werden. Fer ner weist die Kanalstruktur einen reduzierten Bauraumbedarf auf.

Alternativ zu der oben beschriebenen Ausführungsform der Kanalstruktur können die Kanäle der Kanalstruktur durch steife Rohre und wenigstens eine Verteillei tung gebildet sein. Die jeweilige Verteilleitung verbindet dabei die Rohre jeweils einseitig fluidisch miteinander. Die Rohre sind dann bereichsweise und die jewei lige Verteilstruktur vollständig in den Wärmeübertrager eingebettet. Die Zufüh rung von Berieselungsfluid erfolgt dabei an einer Seite der jeweiligen Verteilstruk tur, die im Betrieb des Kühlsystems zweckgemäß oberhalb der Kanalstruktur liegt. Dazu kann an der Verteilleitung eine Schnellkupplung angeordnet sein, über die die Kanalstruktur mit weiteren Leitungen des Berieselungskreislaufs fluidisch verbunden ist.

Sind die Fluidkasten des Wärmeübertragers aus Kunststoff hergestellt, so kön nen die Rohre als Einlegeteile mit Kunststoff umspritzt werden. Die jeweilige Ver teilstruktur kann dabei in dem jeweiligen Fluidkasten integriert sein. Die Kanal struktur kann auf diese vorteilhafte Weise vereinfacht an dem Wärmeübertrager befestigt werden. Ferner weist die Kanalstruktur einen reduzierten Bauraumbe darf auf.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Kanalstruktur ist vorgese hen, dass die Kanäle der Kanalstruktur durch steife Rohre und wenigstens eine Verteilleitung gebildet sind. Dabei verbindet die jeweilige Verteilleitung die Rohre jeweils einseitig fluidisch miteinander. Die Rohre und die jeweilige Verteilstruktur sind dann stoffschlüssig zu der Kanalstruktur verbunden und die Kanalstruktur ist an dem Wärmeübertrager kraftschlüssig oder stoffschlüssig oder formschlüssig befestigt. So können die Rohre mit der jeweiligen Verteilstruktur verklebt oder verschweißt oder verlötet sein. Die Kanalstruktur kann dann an dem Wärmeüber trager angeklebt, angeschweißt oder angelötet sein. Alternativ kann die Kanal struktur an dem Wärmeübertrager auch klemmend befestigt sein. Die Zuführung von Berieselungsfluid erfolgt dabei an einer Seite der jeweiligen Verteilstruktur, die im Betrieb des Kühlsystems zweckgemäß oberhalb der Kanalstruktur liegt. Dazu kann an der Verteilleitung eine Schnellkupplung angeordnet sein, über die die Kanalstruktur mit weiteren Leitungen des Berieselungskreislaufs fluidisch ver bunden ist.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Kanalstruktur ist vorgese hen, dass das Kühlsystem eine separate Kanalwandungsplatte mit mehreren länglichen Wandungselementen aufweist. Die Wandungselemente sind dabei un mittelbar vor den Kühlrohren des Wärmeübertragers angeordnet und mit diesen fluiddicht verbunden. Die Wandungselemente können mit den Kühlrohren stoff schlüssig verbunden - beispielweise verlötet oder verschweißt - sein. Die Kanäle der Kanalstruktur sind dann zwischen den Wandungselementen und den Kühl rohren gebildet und nach außen durch die Wandungselemente und die Kühlrohre begrenzt. Vorteilhafterweise umströmt das in den Kanälen der Kanalstruktur strö mende Berieselungsfluid die Kühlrohre des Wärmeübertragers unmittelbar von außen, so dass das Kühlfluid in den Kühlrohren zusätzlich gekühlt wird. Durch das Berieseln können die Kühlrohre zudem zusätzlich gekühlt werden. Das Berie seln findet dabei über die Austrittsdüsen statt, die beispielweise entlang einer Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Wandungselement und des jeweiligen Kühlrohrs gebildet sind.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Kanäle der Kanalstruktur zu mindest bereichsweise nach außen berippt sind und dadurch eine Außenfläche der Kanäle erhöht ist. Dadurch kann das Berieselungsfluid in der Kanalstruktur beim Zuführen zu den Austrittsdüsen zusätzlich gekühlt werden. Insgesamt kann dadurch die Kühlung des Kühlfluids in dem Wärmeübertrager verbessert werden.

Vorteilhafterweise kann ein Strömungsquerschnitt der Kanäle in Strömungsrich tung des Berieselungsfluids abnehmen, so dass der Druck des Berieselungsfluid in der Kanalstruktur gleichmäßig ist. Ist der Druck des Berieselungsfluid in der Kanalstruktur gleichmäßig, so können etwa gleiche Menge des Berieselungsflu ids aus den Austrittsdüsen austreten und die Kühlrohre des Wärmeübertragers gleichmäßig mit dem Berieselungsfluid beaufschlagt werden. Die Kühlung des Kühlfluids in dem Wärmeübertrager kann dadurch gleichmäßig und effizient erfol gen. Um den gleichmäßigen Druck in der Kanalstruktur zu erreichen, können die Gewichtskraft des Berieselungsfluids, der Druckabfall in der Kanalstruktur sowie die Länge der jeweiligen Kanäle berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Kanal aus einem po rösen Material gebildet ist und die Austrittsdüsen durch Poren in dem Material ge bildet sind. Alternativ kann der jeweilige Kanal aus einem fluiddichten Material ge bildet sein und die Austrittsdüsen durch zur Lufteintrittsfläche hin offene Öffnun gen in dem Material gebildet sein. Die Öffnungen können dabei mechanisch oder thermisch in das Material der Kanäle eingebracht sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems ist vorgesehen, dass die Kanäle der Kanalstruktur zueinander parallel ausgerichtet und jeweils unmit telbar vor den Kühlrohren des Wärmeübertragers angeordnet sind. Die Kanal struktur bedeckt die Lufteintrittsfläche des Wärmeübertragers vollständig und bil det dadurch ein Steinschlagschutzgitter für den Wärmeübertrager. Dadurch ent fällt ein herkömmliches Steinschlagschutzgitter und Kosten sowie der Bauraum bedarf werden in dem Kühlsystems reduziert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems ist vorgesehen, dass in dem Berieselungskreislauf ein Kühler zum Temperieren von Berieselungsfluid flu- idisch eingebunden ist. Der Kühler ist vom Berieselungsfluid und von einem Zweitkühlfluid eines Zweitkühlkreislaufes durchström bar. In dem Kühler kann das Berieselungsfluid gekühlt werden, wobei durch die niedrigere Temperatur des Be rieselungsfluids die Kühlung des Kühlfluids in den Kühlrohren des Wärmeübertra gers direkt durch Beaufschlagen mit dem kühleren Berieselungsfluid intensiviert wird. Der Zweitkühlkreislaufes weist dann zweckgemäß ein niedriges Tempera turniveau als der Berieselungskreislauf. Alternativ kann das Berieselungsfluid in dem Kühler auch erwärmt werden, wobei durch die höhere Temperatur des Be- rieselungsfluids die Kühlung des Kühlfluids in den Kühlrohren des Wärmeübertra gers indirekt durch die Verdunstung des erwärmten Berieselungsfluids auf den Kühlrohren intensiviert wird. Der Zweitkühlkreislaufes weist dann zweckgemäß ein höheres Temperaturniveau als der Berieselungskreislauf auf. Der Zweitkühl kreislauf kann beispielweise zum Kühlen von Batterie des Kraftfahrzeugs mit ei nem Zweitkühlfluid - beispielweise Wasser - vorgesehen sein. Alternativ kann der Zweitkühlkreislauf zum Klimatisieren eines Innenraums des Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittel vorgesehen sein.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in dem Berieselungskreislauf ein Sammelbehälter zum Sammeln von Berieselungsfluids fluidisch eingebunden ist. Der Sammelbehälter ist dabei der Kanalstruktur vorgeschaltet und ist im Betrieb des Kühlsystems oberhalb der Kanalstruktur angeordnet. Der Sammelbehälter kann zudem in dem Wärmeübertrager ausgebildet oder an dem Wärmeübertra ger befestigt sein. So kann der Sammelbehälter an einem Seitenteil des Wärme übertragers angelötet sein. Das Seitenteil des Wärmeübertragers ist dabei paral lel zu den Kühlrohren des Wärmeübertragers angeordnet und verbindet die Fluid kasten bzw. Rohrböden des Wärmeübertragers miteinander.

Zusammenfassend kann durch das erfindungsgemäße Kühlsystem das Beriese lungsfluid die Kühlrohre des Wärmeübertragers unmittelbar beaufschlagen und dadurch kann eine gleichmäßige und effektive Kühlung des in den Kühlrohren strömenden Kühlfluids erreicht werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 und 2 Ansichten eines erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 3 und 4 Ansichten des erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 und 6 Ansichten des erfindungsgemäßen Kühlsystems in der ersten Ausführungsform mit einem Kühler;

Fig. 7 und 8 Ansichten des erfindungsgemäßen Kühlsystems in der zweiten Ausführungsform mit einem Kühler;

Fig. 9 und 10 Ansichten des erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 11 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer vierten Ausführungsform; Fig. 12 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems in einer fünften Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 in einer ersten Ausführungsform. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Kühlsystems 1 in der ersten Ausführungsform. Das Kühlsystem 1 ist dabei für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und umfasst einen ge schlossenen Kühlkreislauf 2 mit einem Wärmeübertrager 3. Der Kühlkreislauf 2 ist hier nicht weiter dargestellt und kann die Brennstoffzelle, Kühlmittelpumpe(n), Ausgleichsbehälter, Ventil(e), Sensor(en), Kühlmitteleitung(en) und weitere Kom ponenten umfassen. Der Wärmeübertrager 3 umfasst Fluidkasten 4a und 4b. Ferner umfasst der Wärmeübertrager 3 einen Rohrblock 5, in dem mehrere Kühl rohre 6 und mehrere Wellrippen 7 sich in Stapelrichtung ST abwechseln. Die Kühlrohre 5 münden fluidisch einerseits über einen Rohrboden 18a in dem Fluid kasten 4a und andererseits über einen Rohrboden 18b in dem Fluidkasten 4b und sind von einem Kühlfluid durchström bar. Das Kühlfluid strömt dabei quer zur Stapelrichtung ST von dem einen Fluidkasten 4a zu dem anderen Fluidkasten 4b. Die Fluidkasten 4a und 4b sind also in diesem Ausführungsbeispiel als ein Ver teilkasten und ein Sammelkasten ausgebildet. Die Wellrippen 7 sind von Luft durchström bar, wobei Luft quer zur Stapelrichtung ST von einer Lufteintrittsfläche 8a zu einer Luftaustrittsfläche 8b den Rohrblock 5 durchströmt. In dem Wärme übertrager 3 wird also das von der Brennstoffzelle strömende Kühlfluid von Luft gekühlt und weiter zur Brennstoffzelle geführt. Der Kühlkreislauf 2 ist geschlos sen bzw. das Kühlfluid wird aus dem Kühlreislauf 2 weder entnommen noch dem Kühlkreislauf 2 zugegeben.

Das Kühlsystem 1 umfasst zudem einen offenen Berieselungskreislauf 9, in dem ein Berieselungsfluid BF zum Kühlen des Wärmeübertragers 3 strömt. In dem Berieselungskreislauf 9 ist dabei eine Kanalstruktur 10 fluidisch eingebunden. Die Kanalstruktur 10 weist dabei mehrere Kanäle 11 auf, in denen Austrittsdüsen 12 ausgebildet sind. In der ersten Ausführungsform des Kühlsystems 1 ist die Kanal struktur 10 durch mehrere steife Rohre 13 und zwei Verteilleitungen 14a und 14b gebildet. Die Rohre 13 und die Verteilleitungen 14a und 14b sind miteinander flu idleitend und stoffschlüssig verbunden und die Kanalstruktur 10 ist an dem Wär meübertrager 3 befestigt. Das Berieselungsfluid BF strömt dabei in die Kanal struktur 10 über die Verteilleitung 14a ein und tritt im Betrieb des Kühlsystems 1 aus den Austrittsdüsen 12 raus. Das ausgetretene Berieselungsfluid BF wird von den Wärmeübertrager 3 durchströmender Luft LF mitgenommen und beauf schlagt die Kühlrohre 6 von außen. Dadurch wird das Kühlfluid in den Kühlrohren 6 durch Konvektion und/oder Verdunstung des Berieselungsfluids BF zusätzlich gekühlt. Der Berieselungskreislauf 9 ist offen bzw. das Berieselungsfluid BF wird dem Berieselungskreislauf 9 entnommen und zum Aufrechterhalten des Beriese lungskreislaufs 9 stets hinzugefügt.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Kühlsystems 1 in der zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform strömt das Berieselungsfluid BF in der zweiten Ausführungs form über die beiden Verteilleitungen 14a und 14b in die Kanalstruktur 10 ein. Im Übrigen stimmen die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform des Kühlsystems 1 überein.

Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht des Kühlsystems 1 in der ersten Ausführungs form. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf das Kühlsystems 1 in der ersten Ausfüh rungsform. Hier weist das Kühlsystem 1 zusätzlich einen Kühler 15 auf, der der Kanalstruktur 10 in dem Berieselungskreislauf 9 vorgeschaltet ist. Der Kühler 15 ist vom Berieselungsfluid BF und von einem Zweitkühlfluid ZF eines Zweitkühl kreislaufes durchströmbar. In dem Kühler 15 wird das Berieselungsfluid BF durch das Zweitkühlfluid ZF gekühlt oder erwärmt und dadurch die Kühlung des Kühlflu ids in den Kühlrohren 6 des Wärmeübertragers 3 intensiviert. Der Zweitkühlkreis lauf kann beispielweise zum Kühlen von Batterie des Kraftfahrzeugs oder zum Klimatisieren eines Innenraums des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.

Fig. 7 zeigt eine Vorderansicht des Kühlsystems 1 in der zweiten Ausführungs form. Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf das Kühlsystems 1 in der zweiten Ausfüh rungsform. Hier ist der Kanalstruktur 10 der bereits in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigte Kühler 15 vorgeschaltet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die Beschreibung des Kühlers 15 zu Fig. 5 und Fig. 6 verwiesen. Es versteht sich, dass die Unterschiede zwischen der ersten Ausführungsform des Kühlsys tems 1 in Fig. 5 und Fig. 6 und der zweiten Ausführungsform des Kühlsystems 1 in Fig. 7 und Fig. 8 beibehalten bleiben.

Fig. 9 und Fig. 10 zeigen Ansichten des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 in ei ner dritten Ausführungsform. In dem hier gezeigten Kühlsystem 1 weist die Ka nalstruktur 10 einen flexiblen Schlauch 16, der mittels Flalteeinheiten 17a und 17b an dem Wärmeübertrager 3 befestigt ist. Die Flalteeinheiten 17a und 17b sind dabei jeweils durch mehrere Klipse gebildet. In Fig. 9 legen die Flalteeinhei ten 17a und 17b bzw. Klipse den Schlauch 16 an den Kühlrohren 6 des Wärme übertragers 3 fest. In Fig. 10 ist der Schlauch 16 an den Rohrböden 18a und 18b befestigt. Der flexible Schlauch 16 ist dabei unter Spannung zwischen den beiden Flalteeinheiten 17a und 17b geführt.

Fig. 11 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1. Hier weist das Kühlsystem 1 eine separate Kanalwandungsplatte 24 mit mehreren längli chen Wandungselementen 25 auf. Die Wandungselemente 25 sind unmittelbar vor den Kühlrohren 6 des Wärmeübertragers 3 angeordnet und mit diesen fluid dicht verbunden. Dadurch sind zwischen den Kühlrohren 6 und den Wandungs elementen 25 die Kanäle 11 der Kanalstruktur 10 gebildet. Das Berieselungsfluid BF umströmt also die Kühlrohre 6 unmittelbar von außen. Die Wandungsele mente 25 der Kanalwandungsplatte 24 sind dabei unmittelbar vor den Kühlrohren 6 angeordnet und bilden dadurch zusätzlich ein Steinschlagschutzgitter 19, das die Kühlrohre 6 des Wärmeübertragers 3 vor Steinschlag schützt.

Fig. 12 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1. Hier ist das Steinschlagschutzgitter 19 durch die Kanalstruktur 10 abgebildet. Dabei sind die Kanäle 11 der Kanalstruktur 10 unmittelbar vor den Kühlrohren 6 des Wärme übertragers 3 angeordnet und schützen diese vor Steinschlag. Das Steinschlag schutzgitter 19 kann durch die Kanalstruktur 10 in der ersten oder zweiten Aus führungsform gebildet sein.

Zudem weist das Kühlsystem 1 hier einen Sammelbehälter 20 auf, der in einen Seitenteil 21 des Wärmeübertragers 3 integriert und der Kanalstruktur 10 in dem Berieselungskreislauf 9 vorgeschaltet ist. In dem Sammelbehälter 20 kann das Berieselungsfluid BF gesammelt und bei Bedarf in die Kanalstruktur 10 geleitet werden. In den Berieselungskreislauf 9 sind zudem eine Kühlmittelpumpe 22 und ein Ventil 23 angeschlossen. In Fig. 12 ist das Kühlsystem 1 betriebsgerecht an geordnet und der Sammelbehälter 20 liegt oberhalb der Kanalstruktur 10.

Dadurch kann das Berieselungsfluid BF in die Kanalstruktur 10 unter Gewichts kraft strömen. Der hier gezeigte Sammelbehälter 20 kann in der ersten oder zwei ten oder dritten Ausführungsform des Kühlsystems 1 vorgesehen sein.

Zusammenfassend kann durch das erfindungsgemäße Kühlsystem 1 das Berie selungsfluid BF die Kühlrohre 6 des Wärmeübertragers 3 unmittelbar beaufschla- gen und dadurch kann eine gleichmäßige und effektive Kühlung des in den Kühl rohren 6 strömenden Kühlfluids erreicht werden. Zusätzlich kann das Beriese lungsfluid BF in einigen Ausführungsformen des Kühlsystems 1 die Kühlrohre 6 bereichsweise von außen umströmen, wodurch die Kühlung des in den Kühlroh ren 6 strömenden Kühlfluids weiter intensiviert wird.

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Claims

Ansprüche

1. Kühlsystem (1) für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs,

- wobei das Kühlsystem (1) einen geschlossenen Kühlkreislauf (2) umfasst, in dem ein Kühlfluid zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert,

- wobei in dem Kühlkreislauf (2) wenigstens ein Wärmeübertrager (3) zum Küh len des Kühlfluids fluidisch eingebunden ist, der von einer Lufteintrittsfläche (8a) zu einer Luftaustrittsfläche (8b) von Luft (LF) und durch Kühlrohre (6) hin durch vom Kühlfluid durchströmbar ist,

- wobei das Kühlsystem (1) einen offenen Berieselungskreislauf (9) umfasst, in dem ein Berieselungsfluid (BF) zum Kühlen des Wärmeübertragers (3) strömt, dadurch gekennzeichnet,

- dass in dem Berieselungskreislauf (9) eine Kanalstruktur (10) mit mehreren Kanälen (11 ) fluidisch eingebunden ist, die zur Lufteintrittsfläche (8a) des Wär meübertragers (3) parallel und unmittelbar benachbart angeordnet ist, und

- dass der jeweilige Kanal (11) mehrere Austrittsdüsen (12) für das Beriese lungsfluid (BF) aufweist, durch die das Berieselungsfluid (BF) die Kühlrohre (6) beaufschlagt.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

- dass die Kanalstruktur (10) zwei Halteeinheiten (17a, 17b) aufweist, wobei die Halteeinheiten (17a, 17b) zueinander beabstandet und zueinander parallel an dem Wärmeübertrager (3) und beidseitig zu der Lufteintrittsfläche (8a) integral ausgeformt oder befestigt sind, und

- dass die Kanäle (11) der Kanalstruktur (10) durch einen flexiblen Schlauch (16) gebildet sind, der mäanderartig zwischen den beiden Halteeinheiten (17a, 17b) unter Spannung geführt ist und so an dem Wärmeübertrager (3) befestigt ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

- dass die Kanäle (11) der Kanalstruktur (10) durch steife Rohre (13) und we nigstens eine Verteilleitung (14a, 14b) gebildet sind, wobei die jeweilige Ver teilleitung (14a, 14b) die Rohre (13) jeweils einseitig fluidisch miteinander ver bindet, und

- dass die Rohre (13) bereichsweise und die jeweilige Verteilstruktur (14a, 14b) vollständig in den Wärmeübertrager eingebettet sind.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

- dass die Rohre (13) und die jeweilige Verteilstruktur (14a, 14b) zu der Kanal struktur (10) stoffschlüssig verbunden sind und die Kanalstruktur (10) an dem Wärmeübertrager (3) kraftschlüssig oder stoffschlüssig oder formschlüssig be festigt ist.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

- das Kühlsystem (1) eine separate Kanalwandungsplatte (24) mit mehreren länglichen Wandungselementen (25) aufweist, die unmittelbar vor den Kühl rohren (6) des Wärmeübertragers (3) angeordnet und mit diesen fluiddicht ver bunden sind, und - dass die Kanäle (11) der Kanalstruktur (10) zwischen den Wandungselemen ten (25) und den Kühlrohren (6) gebildet und nach außen durch die Wandungs elemente (25) und die Kühlrohre (6) begrenzt sind.

6. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (11) der Kanalstruktur (10) zumindest bereichsweise nach außen berippt sind und dadurch eine Außenfläche der Kanäle (11 ) erhöht ist.

7. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt der Kanäle (11) in Strömungsrichtung abnimmt, so dass der Druck des Berieselungsfluid (BF) in der Kanalstruktur (10) gleichmä ßig ist.

8. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

- dass der jeweilige Kanal (11 ) aus einem porösen Material gebildet ist und die Austrittsdüsen (12) durch Poren in dem Material gebildet sind, oder

- dass der jeweilige Kanal (11 ) aus einem fluiddichten Material gebildet ist und die Austrittsdüsen (12) durch zur Lufteintrittsfläche (8a) hin offene Öffnungen in dem Material gebildet sind.

9. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kanäle (11) der Kanalstruktur (10) zueinander parallel ausgerichtet und jeweils unmittelbar vor den Kühlrohren (6) des Wärmeübertragers (3) an geordnet sind, und

- dass die Kanalstruktur (10) die Lufteintrittsfläche (8a) des Wärmeübertragers (3) vollständig bedeckt und dadurch ein Steinschlagschutzgitter (19) für den Wär meübertrager bildet.

10. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Berieselungskreislauf (9) ein Kühler (15) zum Temperieren von Be rieselungsfluid (BF) fluidisch eingebunden ist, der vom Berieselungsfluid (BF) und von einem Zweitkühlfluid (ZF) eines Zweitkühlkreislaufes durchströmbar ist.

11. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Berieselungsfluid (BF) in dem Berieselungskreislauf (9) temperiert ist.

12. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Berieselungskreislauf (9) ein Sammelbehälter (20) zum Sammeln von Berieselungsfluids (BF) fluidisch eingebunden ist, der der Kanalstruktur (10) vorgeschaltet ist, und

- dass der Sammelbehälter (20) im Betrieb des Kühlsystems (1 ) oberhalb der Kanalstruktur (10) angeordnet ist und in dem Wärmeübertrager (3) ausgebildet oder an dem Wärmeübertrager (3) befestigt ist.

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