冷却系统的制作方法

冷却系统
1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于机动车辆的燃料电池的冷却系统。
2.在机动车辆的燃料电池中，由于发生的化学过程而产生废热，并且燃料电池通常被冷却。但是，用于燃料电池的冷却剂回路与机动车辆内燃机的传统冷却剂回路有所不同。区别尤其在于能够散发的最大热量和冷却剂的最高温度。在内燃机中，通过废气散发的废热约为40％并且通过冷却剂散发的废热约为25％。相比之下，在燃料电池中，废热只能通过废气散发约5％。因此，废热在很大程度上被传递到冷却剂回路中的冷却剂中。为了避免损坏燃料电池，冷却剂的最高允许温度约为75
°
至90
°
。因此，它大大低于用于内燃机的冷却剂回路中的冷却剂的最高允许温度——约为90
°
至100
°
。因此，在用于燃料电池的冷却剂回路中需要更有效的热交换器来冷却冷却剂。
3.通过扩大热交换器本身(即热交换器的体积和/或正面)能够提高热交换器的性能，但这会导致安装空间要求、重量和成本的增加。由于有关行人保护的法律规定，热交换器不能具有任何所需的尺寸。当用空气冷却热交换器中的冷却剂时，空气的量也能导致热交换器性能的提高。此处，借助更高性能的风扇能够增加空气的量，但这同样会导致安装空间要求、重量和成本的增加。此外，燃料电池为风扇供应能量，这反过来又减少了可用于推进的能量。
4.从现有技术中可以知道，通过向热交换器施加水或洒水能够提高热交换器的性能。当向热交换器施加水或洒水时，直接进行冷却和/或通过水的蒸发进行冷却。从de 10 2008 051 368 a1、us 4 771 822 a、us 4 215 753a、kr 100 634 870b1、de 196 37 926a1、us 5 101 775 a、us 6 298 809b1、de 23 58 631 a1、us 4 494 384 a、de 10 2017 209 735 a1、de 11 2007001 422b4，fr 28 33 803 a1，de 10 2017 002 741 a1，de 10 2010 036 502a1，de 10 2016 106 919 a1中已经得知一些解决方案。不利的是，所提出的解决方案要么在实施中成本高昂，要么不能充分提高热交换器的性能。
5.因此，本发明的目的在于为通用类型的冷却系统提出一种改进的或至少是替代的实施例，通过该实施例来克服所描述的缺点。特别的是，该冷却系统会提高热交换器的性能，并且能够以简化的高成本效益的方式实施。
6.根据本发明，该目的通过独立权利要求1的主题来解决。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
7.提供了一种用于机动车辆的燃料电池的冷却系统。该冷却系统包括闭合的冷却剂回路，用于冷却燃料电池的冷却剂在该冷却剂剂回路中循环。在冷却剂回路中流体地包含用于冷却冷却剂的至少一个热交换器。此处，热交换器能够被空气从进气面向出气面流过，而且通过冷却管被冷却剂流过。此外，冷却系统包括开放的喷洒回路，用于冷却热交换器的喷洒流体在喷洒回路中流动。根据本发明，在喷洒回路中流体地包含具有多个通道的通道结构，该通道结构的通道与热交换器的进气面平行且直接相邻地布置。此处，相应的通道包括用于喷洒流体的多个出口喷嘴，通过这些喷嘴将流体施加到冷却管。
8.冷却剂和喷洒流体是液体。冷却剂主要是水，如果需要，还会添加添加剂。冷却剂
主要是水-甘氨酸(glysantin)混合物，这是针对燃料电池专门开发的。喷洒流体是纯水，例如在燃料电池中借助于化学过程产生。因此，热交换器是液体-空气-热交换器。热交换器包括两个流体箱，冷却管通过管板流体引入其中。此处，流体箱能够设计成将流出管的冷却剂收集的收集箱和将冷却剂分配到冷却管中的分配箱。然后，冷却剂沿一个方向通过所有冷却管从分配箱流向收集箱。或者，这些液体箱能够设计为分配器和收集箱以及重定向箱。然后，冷却剂沿一个方向通过一些冷却管从分配器和收集箱流向重定向箱，在重定向箱中被重定向，并从重定向箱沿另一个方向通过剩余的冷却管流向分配器和收集箱。冷却剂回路是闭合的，或者冷却剂既不能从冷却剂回路中出来也不能被添加到冷却剂回路中。相比之下，喷洒回路是开放的，或者喷洒流体从喷洒回路中喷出来并被连续添加到喷洒回路中以保持相同。
9.在根据本发明所述的冷却系统中，通道结构与热交换器的进气面直接相邻地布置，使得喷洒流体能直接施加到热交换器的冷却管。在此过程中，热交换器被空气从进气面向出气面地流过。当冷却系统安装在机动车辆中时，进气面实际上沿流动方向布置在出气面前方。通过这种热交换器的布置，热交换器被逆风吹过，并且从通道结构流出的喷洒流体被带入热交换器。通过这种方式，热交换器内的冷却管也能受到喷洒流体的影响，并且从而更好地冷却。
10.有利的是，通道结构能够包括两个保持单元。所述两个保持单元彼此间隔开且彼此平行地整体模制在热交换器上或附接到热交换器。所述两个保持单元布置在进气面的两侧。然后，通道结构的通道由柔性软管形成。柔性软管在张力下蜿蜒曲折地布置在所述两个保持单元之间，并以这种方式附接到热交换器。然后，在在冷却系统运行期间实际上位于通道结构上方的柔性软管的一侧将喷洒流体供应到通道结构中。为此，能够在软管上布置快动联接器，通过该快动联接器将软管流体连接到喷洒回路的其他管线。
11.例如，保持单元能够附接到流体箱或热交换器的管板上。保持单元能够焊接或粘合到流体箱或管板。替代地，保持单元能够附接到热交换器的冷却管。为此，能够将保持单元焊接或粘合到例如多个地方的一些冷却管。或者，各个保持单元能够以多个夹子的形式实现，这些夹子夹在冷却管上或热交换器的管板上。或者，保持单元能够整体模制在流体箱上。因此，例如流体箱能够由塑料模制而成，而由塑料制成的保持单元能够模制到流体箱上。
12.为了容纳柔性软管，保持单元优选地包括容纳元件，其以力配合的方式容纳软管。在张力下对柔性软管进行布置，以便将其容纳在保持单元中，以防止其滑动。软管既能够在安装到保持单元中后被张紧，也能够以已经处于张力状态的情况下安装到保持单元中。这种有利的方式，简化了通道结构在热交换器上的布置。此外，通道结构具有减少的安装空间要求。
13.作为上述通道结构实施例的替代方案，通道结构的通道能够由刚性管和至少一条分配管线形成。然后，相应的分配管线将每个管在一侧彼此流体连接。然后，管局部地嵌入在热交换器中并且相应的分配结构完全地嵌入在热交换器中。在相应分配结构的一侧供应喷洒流体，在冷却系统运行期间，该分配结构实际上位于通道结构上方。为此，能够在分配管线上布置快动联接器，通过该快动联接器将通道结构流体连接到喷洒回路的其他管线。
14.当热交换器的流体箱由塑料制成时，作为插入部件的管能够用塑料包覆成型。相
应分配结构能够集成到相应的流体箱中。以这种有利的方式，通道结构能够更容易地附接到热交换器上。此外，通道结构需要的安装空间减少。
15.在通道结构的另一替代实施例中，通道结构的通道由刚性管和至少一条分配管线形成。在那里，相应分配管线将每个管在一侧彼此流体连接。然后将管和相应的分配结构整体连接到通道结构，并且通道结构以力配合或材料配合或形状配合的方式连接到热交换器上。因此，管能够粘合或熔焊或软焊到相应的分配结构。然后能够将通道结构粘合、熔焊或软焊到热交换器。或者，通道结构也能通过夹紧附接到热交换器上。在相应分配结构的一侧供应喷洒流体，在冷却系统运行期间，该分配结构实际上位于通道结构上方。为此，能够在分配管线上布置快动联接器，通过该快动联接器将通道结构流体连接到喷洒回路的其他管线。
16.在通道结构的另一替代实施例中，冷却系统包括具有多个细长壁元件的单独通道壁板。这些壁元件布置在热交换器的冷却管的正前方，并以流体密封的方式连接到这些冷却管。这些壁元件能够整体连接到冷却管，例如通过熔焊或软焊。然后在壁元件和冷却管之间形成通道结构的通道，并且向外由壁元件和冷却管界定。有利的是，在通道结构的通道中流动的喷洒流体直接从外部围绕热交换器的冷却管流动，使得冷却管中的冷却剂被进一步冷却。此外，冷却管能通过喷洒被进一步冷却。该喷洒通过出口喷嘴进行，出口喷嘴是沿着相应的壁元件和相应的冷却管之间的连接线形成的。
17.有利的是，通道结构的通道能够至少局部地向外具有翅片，从而增加通道的外表面。因此，通道结构中的喷洒流体在供应到出口喷嘴时能够进一步冷却。总之，热交换器中冷却剂的冷却能够得到改进。
18.有利的是，通道的流动横截面在喷洒流体的流动方向上能够减小，使得在通道结构中的喷洒流体的压力是均匀的。当通道结构中喷洒流体的压力均匀时，从出口喷嘴能够流出大约相同量的喷洒流体并且喷洒流体能够均匀地施加到热交换器的冷却管。因此，热交换器中冷却剂的冷却能够均匀有效地进行。为了在通道结构中实现均匀的压力，能够考虑喷洒流体的重力，通道结构中的压降和各个通道的长度。
19.有利的是，相应通道能够由多孔材料形成，出口喷嘴由材料中的孔形成。或者，相应通道能够由流体密封材料形成，出口喷嘴由材料中朝向进气面开放的开口形成。此处，开口能够通过机械或热方式导入通道材料中。
20.在冷却系统的有利实施方式中，规定通道结构的通道彼此平行地定向，并且每个通道布置在热交换器的冷却管的正前方。通道结构完全覆盖了热交换器的进气面，从而形成用于热交换器的石护罩。因此，不需要传统的石护罩，并且冷却系统中的成本以及安装空间要求得以降低。
21.在冷却系统的有利实施方式中，在喷洒回路中流体地包含用于对喷洒流体进行温度控制的散热器。散热器能够被喷洒流体流过并且被通过第二冷却剂回路的第二冷却剂流过。在散热器中，喷洒流体能够被冷却，其中借助于喷洒流体的较低温度，在热交换器的冷却管中的冷却剂的冷却由于受到散热器喷洒流体的影响而被直接强化。然后，第二冷却剂回路的温度水平实际上低于喷洒回路。或者，喷洒流体也能在散热器中加热，因此，在热交换器的冷却管中的冷却剂的冷却通过借助于冷却管上的加热的喷洒流体的蒸发而实现的喷洒流体的较高温度来间接强化。然后，第二冷却剂回路实际上具有比喷洒回路更高的温
度水平。能够提供第二冷却剂回路，例如用来利用第二冷却剂(例如水)冷却机动车辆的电池。或者，能够提供第二冷却剂回路，用来利用制冷剂对机动车辆内部进行空气调节。
22.有利的是，在喷洒回路中能够流体地包含用于收集喷洒流体的收集容器。该收集容器连接在通道结构的上游，并且在冷却系统运行期间，布置在通道结构上方。另外，该收集容器能够形成在热交换器中或附接到热交换器。因此，该收集容器能焊接到热交换器的横向部分。热交换器的横向部分与热交换器的冷却管平行布置，并将热交换器的流体箱或管板相互连接。
23.总之，借助于根据本发明所述的冷却系统，喷洒流体bf能够直接施加到热交换器的冷却管，由此实现对冷却管中流动的冷却剂的均匀有效的冷却。
24.本发明的其他重要特征和优点借助于附图从从属权利要求、附图和相关的附图描述中获得。
25.应当理解，上述特征以及尚待在下文中解释的特征不仅能够用于各自已陈述的组合中，而且能够在不脱离本发明的保护范围的前提下用于其它组合中或单独使用。
26.本发明的优选示例性实施例在附图中示出，并在下文的描述中得到更详细的解释，其中相同的附图标记涉及相同的或相似的或功能相同的部件。
27.分别示意性地示出了：
28.图1和图2为第一实施例中的根据本发明所述的冷却系统的视图，
29.图3和图4为第二实施例中的根据本发明所述的冷却系统的视图，
30.图5和图6为第一实施例中的根据本发明所述的带有散热器的冷却系统的视图，
31.图7和图8为第二实施例中的根据本发明所述的带有散热器的冷却系统的视图，
32.图9和图10为第三实施例中的根据本发明所述的冷却系统的视图，
33.图11为第四实施例中的根据本发明所述的冷却系统的局部视图，
34.图12为第五实施例中的根据本发明所述的冷却系统的局部视图。
35.图1示出了第一实施例中的根据本发明所述的冷却系统1的正视图。图2示出了第一实施例中的根据本发明所述的冷却系统1的平面图。此处，冷却系统1提供用于机动车辆的燃料电池，并且包括具有热交换器3的闭合的冷却剂回路2。此处，冷却剂回路2未被进一步示出，其能够包括燃料电池、冷却剂泵、膨胀箱、阀、传感器、冷却剂管线和其他部件。热交换器3包括流体箱4a和4b。另外，热交换器3包括管块5，多个冷却管6和多个波纹翅片7在管块5中沿堆叠方向st交替。冷却管5一方面通过管板18a流体进入流体箱4a，另一方面通过管板18b进入流体箱4b并能被冷却剂流过。冷却剂沿横向于堆叠方向st从一个流体箱4a流向另一流体箱4b。因此，在该示例性实施例中，流体箱4a和4b形成为分配箱和收集箱。波纹翅片7能被空气流过，其中空气通过管块5横向于堆叠方向st从进气面8a流动到出气面8b。因此，从燃料电池流出的冷却剂在热交换器3中被空气冷却并进一步引导到燃料电池。冷却剂回路2是闭合的，或冷却剂既不从冷却剂回路2中流出，又不能被添加到冷却剂回路2中。
36.此外，冷却系统1包括开放的喷洒回路9，用于冷却热交换器3的喷洒流体bf在喷洒回路9中流动。在喷洒回路9中流体地包含通道结构10。通道结构10包括多个通道11，在通道11中形成有出口喷嘴12。在冷却系统1的第一实施例中，通道结构10由多个刚性管13和两条分配管线14a、14b组成。管13和分配管线14a、14b以引导流体和材料接合的方式相互连接，并且通道结构10附接到热交换器3。在冷却系统1运行期间，喷洒流体bf通过分配管线14a流
入通道结构10并从出口喷嘴12流出。流出的喷洒流体bf被流经热交换器3的空气lf带走，并从外部施加到冷却管6上。由此，冷却管6中的冷却剂通过喷洒流体bf的对流和/或蒸发被进一步冷却。喷洒回路9是开放的，或者喷洒流体bf从喷洒回路9中流出，并且为了维持喷洒回路9而一直添加喷洒流体bf。
37.图3示出了第二实施例中的根据本发明所述的冷却系统1的正视图。图4示出了第二实施例中的根据本发明所述的冷却系统1的平面图。与第一实施例不同，在第二实施例中，喷洒流体bf通过两条分配管线14a、14b流入通道结构10。除此以外，冷却系统1的第一实施例和第二实施例彼此对应。
38.图5示出了第一实施例中的冷却系统1的正视图。图6示出了第一实施例中的冷却系统1的平面图。此处的冷却系统1还包括散热器15，其连接在喷洒回路9中的通道结构10的上游。散热器15能被喷洒流体bf流过并且被第二冷却剂回路的第二冷却剂zf流过。在散热器15中，喷洒流体bf被第二冷却剂zf冷却或加热，从而强化热交换器3的冷却管6中的冷却剂的冷却。例如，能够提供第二冷却剂回路，用来冷却机动车辆的电池或用于机动车辆内部的空气调节。
39.图7示出了第二实施例中的冷却系统1的正视图。图8示出了第二实施例中的冷却系统1的平面图。此处，已经在图5和图6中示出的散热器15连接在通道结构10的上游。为了避免重复，关于此参考图5和图6对散热器15的描述。需要理解的是，图5和图6中冷却系统1的第一实施例与图7和图8中冷却系统1的第二实施例之间的差异得以保持。
40.图9和图10示出了第三实施例中的根据本发明所述的冷却系统1的视图。在此处示出的冷却系统1中，通道结构10包括柔性软管16，该柔性软管16借助于保持单元17a、17b附接到热交换器3。保持单元17a、17b各自由多个夹子形成。在图9中，保持单元17a、17b或夹子将软管16固定到热交换器3的冷却管6。在图10中，软管16附接到管板18a、18b。此处，柔性软管16在张力下布置在所述两个保持单元17a、17b之间。
41.图11示出了根据本发明所述的冷却系统1的局部视图。此处，冷却系统1包括具有多个细长壁元件25的单独通道壁板24。壁元件25布置在热交换器3的冷却管6的正前方，并以流体密封的方式连接到这些冷却管6。这样，通道结构10的通道11形成在冷却管6和壁元件25之间。因此，喷洒流体bf从外部直接围绕冷却管6流动。通道壁板24的壁元件25布置在冷却管6的正前方，并因此另外形成石护罩19，该石护罩19保护热交换器3的冷却管6免受石块撞击。
42.图12示出了根据本发明所述的冷却系统1的局部视图。此处，石护罩19由通道结构10描绘。在那里，通道结构10的通道11布置在热交换器3的冷却管6的正前方并保护它们免受石块撞击。石护罩19能够由第一实施例或第二实施例中的通道结构10形成。
43.此外，冷却系统1包括收集箱20，该收集箱20集成在热交换器3的横向部分21中并连接在喷洒回路9中的通道结构10的上游。在收集箱20中，喷洒流体bf能够在需要时被收集并引导到通道结构10中。此外，冷却剂泵22和阀23连接在喷洒回路9中。在图12中，冷却系统1被适当地布置以运行，并且收集箱20位于通道结构10的上方。由此，喷洒流体bf能够由于重力而流入通道结构10中。此处示出的收集箱20能够设置在冷却系统1的第一实施例或第二实施例或第三实施例中。
44.总之，喷洒流体bf能够借助于根据本发明所述的冷却系统1直接施加到热交换器3
的冷却管6，并且由此能够实现对冷却管6中流动的冷却剂进行均匀有效的冷却。此外，在冷却系统1的一些实施例中，喷洒流体bf能够从外部围绕冷却管6流动，因此，在冷却管6中流动的冷却剂的冷却被进一步强化。