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Dokumentenidentifikation DE102005004678B4 13.09.2007
Titel Start-und Bremshilfe für elektrische Antriebe
Anmelder Türk & Hillinger GmbH, 78532 Tuttlingen, DE
Erfinder Härter, Eberhard, 78532 Tuttlingen, DE
Vertreter Neymeyer & Partner GbR, 78052 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 02.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005004678
Offenlegungstag 03.11.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse B60L 11/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01C 1/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für elektromotorische Antriebe, insbesondere für mit Brennstoffzellen betriebene Antriebe von Fahrzeugen mit einem aus wenigstens einem elektrischen, wassergekühlten Heizwiderstand bestehenden Verbraucher elektrischer Energie, die in der Anlaufphase einer Brennstoffzelle und/oder beim Generatorbetrieb des elektrischen Antriebsmotors entsteht, wobei der Heizwiderstand wärmeübertragend an einem von flüssigem Kühlmittel durchflossenen Durchlaufrohr angeordnet und elektrisch über eine elektronische Steuereinheit mit der jeweils die elektrische Energie liefernden Energiequelle verbunden ist (DE 296 23 879 U1).

Bei derartigen Antriebssystemen fällt sowohl in der Anlaufphase der Brennstoffzelle als auch beim elektromotorischen Bremsen, d.h. wenn der elektrische Antriebsmotor auf Generatorbetrieb umgestellt wird, hohe elektrische Energie an, die schnell und effektiv in einem geeigneten Verbraucher auf unschädliche und/oder nützliche Weise verbraucht werden muß.

Aus DE 296 23 879 U1 ist ein Temperaturregelungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs von einem Brennstoffzellenstapel mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Brennstoffzellenstapel wird von einem Kühlmittel gekühlt, das einen Kühlmittelweg durchläuft, in dem sich ein mit einer elektrischen Energiequelle verbundener Widerstand befindet, durch den vom Bremsen des Fahrzeugs abgeleitete elektrische Energie in der Weise rückgewonnen werden kann, dass das Kühlmittel vom elektrischen Widerstand erwärmt wird. Wie der zur Rückgewinnung der Energie auf diese Art benötigte Wärmetauscher aufgebaut und ausgebildet ist, läßt sich diesem Dokument nicht entnehmen.

Aus DE 42 12 074 C1 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer bekannt, der ein Durchflußrohr und einen Rohrheizkörper aufweist, die beide in einem gemeinsamen Strangpreßteil aus Aluminium eingelagert sind. Dabei sind das Strangpreßteil und die in ihm eingelagerten Rohrheizkörper insgesamt so miteinander verformend verpresst, dass die Wandung des Durchflußrohres parallel zu den Rohrkörpern verlaufende, den Querschnitt des Rohres verändernde Einbuchtungen aufweist. Ziel dieser Ausgestaltung ist es, eine lange Betriebszeit bei hohen thermischen Belastungen zu gewährleisten und einen guten Wärmeübergang zwischen Rohrheizkörper und dem zu erwärmenden Medium zu erreichen. Schon auf Grund der angegebenen, auf den Anwendungzweck zugeschnittenen Bauweise und der offenen elektrischen Anschlüsse der Rohrheizkörper kommt dieser Durchlauferhitzer für den gattungsgemäß vorgesehenen Zweck nicht in Betracht.

Auch der aus DE 203 05 742 U1 bekannte röhrenförmige Flüssigkeitserhitzer, bei dem eine Mehrzahl von geschichteten metallischen Rohren bestehenden Wärmeabsorbern in einem Gehäuse zusammengefasst ist, läßt sich für den gattungsgemäßen Zweck nicht verwenden, weil die dort vorgesehene Bauweise zu viel Raum beansprucht und die Durchlauflänge des zu erwärmenden Mediums zu groß ist, um bei der geforderten Kompaktheit die erforderliche hohe und schnelle Leistungsaufnahme zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit und kompakter, raumsparender Bauweise eine hohe und schnelle Leistungsaufnahme mit hoher Betriebssicherheit gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mehrere jeweils mit einem oder mehreren Heizwiderständen versehene, zueinander parallel verlaufende Durchlaufrohre mittels Verbindungsgehäusen, zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, wobei die Verbindungsgehäuse einen gemeinsamen Kühlmittelzulauf bzw. einen gemeinsamen Kühlmittelablauf enthalten, die über separate Rohrstutzen mit den einzelnen Durchlaufrohren in Verbindung stehen, und wobei wenigstens eines der beiden Verbindungsgehäuse mit einer elektronischen Steuereinheit für die Heizwiderstände versehen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einer kompakten, raumsparenden Bauweise nicht nur einfach und kostengünstig herstellbar, sondern sie gewährleistet auch eine hohe und betriebssichere Leistungsaufnahme dadurch, dass die zu verbrauchende elektrische Energie direkt in Wärme umgewandelt und dem Kühlmittel auf kürzestem Wege über gut leitendes Material zugeführt wird. Dadurch, dass gleichzeitig mehrere zueinander parallele Durchlaufrohre von dem zu erwärmenden und somit Energie abführenden Medium durchflossen werden, ergibt sich infolge des hohen Flüssigkeitsdurchsatzes bei kleiner Bauweise eine hohe Leistungsaufnahmefähigkeit. D.h. es können auf kurzer Strecke große Mengen des Kühlmediums in kurzer Zeit große Mengen von elektrisch produzierter Wärme aufnehmen und abführen. Dabei ist diese Art des Energieverbrauchs nicht nur unschädlich, sondern sie kann auch nutzbringend angewendet werden, beispielsweise zum Heizendes Innenraumes eines Fahrzeuges, wie das ja bei den üblichen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen üblich ist.

Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen, die normalerweise keine Wasserkühlung benötigen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Wärmequelle sinnvoll eingesetzt werden.

Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht der zu verbrauchenden elektrischen Energie leistungsmäßig angepaßt und in ein Kühlsystem mit Kühlmittelkreislauf eingesetzt werden.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 eröffnet die Möglichkeit die Leistungsaufnahme den jeweiligen Erfordernissen wahlweise anzupassen, zum Beispiel durch Parallelschaltung eine hohe Leistungsaufnahme und durch Reihenschaltung eine geringere Leistungsaufnahme zu erhalten.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 beruht auf einem bewährten Heizsystem von Rohrheizkörpern, das für den erfindungsgemäßen Zweck vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Gemäß Anspruch 4 lassen sich die Verbindungsgehäuse einfach herstellen, wobei es zweckmäßig ist, die Verbindungsgehäuse jeweils aus zwei Halbschalen herzustellen und die beiden Schalenteile jeweils zu einem Gesamtverbindungsgehäuse miteinander dicht zu verschweißen, wodurch das Einsetzen elektrischer Verbindungs- und Steuerelemente in eines der Verbindungsgehäuse nach Anspruch 1 erleichtert wird.

Während die Ausgestaltung nach Anspruch 5 der Erhöhung der Betriebssicherheit dient, ist mit der Ausgestaltung nach Anspruch 6 die Möglichkeit geschaffen, die elektrischen Verbindungen an den Enden der Heizwiderstände jeweils innerhalb der Verbindungsgehäuse unterzubringen und eine einfache und geschützte und somit sichere Verbindung zwischen den beiden Verbindungsgehäusen zu schaffen, so dass die elektrische Energiezufuhr und Steuerung über eines der Verbindungsgehäuse erfolgen kann.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ergibt sich eine einfache, sichere und dichte Verbindung zwischen den jeweils mit einem Kühlmittelzulauf bzw. Kühlmittelablauf versehenen Verbindungsgehäusen und den Durchlaufrohren der elektrischen Heizwiderstände, wobei diese Verbindung auch leicht herstellbar ist.

Bezüglich der Montage von Vorteil ist auch die Ausgestaltung nach Anspruch 8, in dem sie ermöglicht, die Installation der elektrischen Verbindungen innerhalb der einzelnen Verbindungsgehäuse in leicht zugänglicher Weise durchzuführen, nachdem die Steckverbindungen zwischen den Durchlaufrohren und den Verbindungsgehäusen hergestellt sind, die einander zugekehrten Stirnseiten der Verbindungswände aber noch offen sind.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 9 erreicht man eine kurze Bauweise, die in den meisten Anwendungsfällen von Vorteil ist.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine 3D-Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2 die Einzelteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer 3D-Explosionsdarstellung;

3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht;

4 eine Stirnansicht IV aus 3;

5 eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie V-V aus 4, wobei die zwischen den beiden Verbindungsgehäusen verlaufenden Heizwiderstände nicht geschnitten dargestellt sind;

6 einen Schnitt VI-VI aus 3;

7 einen Schnitt VII-VII aus 5;

8 eine abnehmbare Stirnwand eines Verbindungsgehäuses in 3D-Darstellung;

9 das untere Verbindungsgehäuse der 5 in vergrößertem Maßstab;

10 eine Widerstandseinheit als Einzelbauteil in isometrischer Darstellung;

11 den Querschnitt einer Widerstandseinheit in vergrößerter Darstellung nach der Schnittlinie XI-XI aus 6;

12 die Stirnansicht XII aus 10.

Die in 1 als komplette Baueinheit dargestellte Vorrichtung für elektromotorische Antriebe, insbesondere für mit Brennstoffzellen betriebene Antriebe von Fahrzeugen, stellt einen Verbraucher für elektrische Energie dar, die beispielsweise in der Anlaufphase einer Brennstoffzelle und/oder beim Generatorbetrieb des elektrischen Antriebsmotors entsteht. Im wesentlichen handelt es sich dabei um eine oder mehrere Widerstandseinheiten 1 und 2, die jeweils wenigstens aus einem elektrischen, wassergekühlten Rohrheizkörper 6 besteht, der wärmeübertragend an einem metallenen Durchlaufrohr 4 angeordnet ist. Das Durchlaufrohr 4 wird von einem flüssigen Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, durchflossen. Elektrisch ist der Rohrheizkörper 6 über Anschlüsse 3 an eine elektronische Steuereinheit 5 angeschlossen, mit der jeweils die die elektrische Energie liefernde Energiequelle verbunden ist. Diese Energiequelle ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Widerstandseinheiten 1 und 2 weisen jeweils zwei aus den Rohrheizkörpern 6 bestehende Heizwiderstände auf, die zusammen mit einem Durchlaufrohr 4 in einem metallenen Strangpreßteil 7, vorzugsweise aus Aluminium, eingelagert und mit diesem verpreßt sind. Dabei verlaufen die Rohrheizkörper 6 jeweils achsparallel am Umfang des Durchlaufrohres 4. Die Rohrheizkörper 6 selbst bestehen jeweils aus einem zentralen Heizleiter 8, der von einer verdichteten und isolierenden Metalloxydschicht 9 und einem Metallrohr 10 umschlossen ist (11). Das Durchlaufrohr 4 weist zwei zylindrische Endabschnitte 4' auf, die jeweils axial aus dem Strangpreßteil 7 herausragen.

Mit diesen Endabschnitten 4' sind die Durchlaufrohre 4 der beiden Widerstandseinheiten 1 und 2 in zylindrische Rohrstutzen 15 und 16 bzw. 17 und 18 mit jeweils eingelagerten Dichtungsringen 19 dicht verbunden. Diese Rohrstutzen 15 und 16 bzw. 17 und 18 sind jeweils einstückige Bestandteile eines Verbindungsgehäuses 20 bzw. 21, die jeweils einen als Rohrstutzen ausgebildeten Kühlmittelzulauf 22 bzw. einen Kühlmittelablauf 23 aufweisen, mit denen die Rohrstutzen 15 und 16 bzw. 17 und 18 jeweils verbunden sind. Diese Kühlmittelzu- und abläufe 22 bzw. 23 können, wie in der Zeichnung dargestellt, als Schlauchnippel ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, sie als Schraubverbindung auszubilden.

Mit Hilfe dieser Kühlmittelzu- und abläufe 22 und 23 können die mit Hilfe der beiden Verbindungsgehäuse 20 und 21 zu einer baulichen Verbrauchereinheit zusammengefaßten Widerstandseinheiten 1 und 2 in einen Kühlmittelkreislauf, z. B. in ein Wasserkühlungssystem, integriert werden.

Die in der Zeichnung nur schematisch dargestellte elektronische Steuereinheit 5 ermöglicht es, die Rohrheizkörper 6 wahlweise oder leistungsabhängig parallel oder in Reihe zu schalten.

Die Verbindungsgehäuse 20 und 21 werden vorzugsweise zweischalig als Spritzgußteile oder Druckgußteile hergestellt und mit geeigneten Mitteln und Maßnahmen dichtend zusammengefügt, so dass ein absolut leckfreier Kühlmitteldurchlauf gewährleistet ist.

Die beiden Verbindungsgehäuse 20 und 21, deren äußere Form beliebig wählbar ist, sind vorzugsweise quaderförmig ausgebildet und mit abgeschrägten Längskanten versehen. Sie weisen jeweils eine planebene äußere Stirnseite 24 bzw. 25 auf.

Das Verbindungsgehäuse 20 ist zusätzlich mit außen aufgesetzten Anschlußgehäusen 41 und 42 für nicht dargestellte elektrische Anschlüsse versehen.

Auf den einander zugekehrten Stirnseiten sind die beiden Verbindungsgehäuse 20 und 21 jeweils mit nachträglich befestigbaren Stirnwänden 26 und 27 versehen, von denen eine in 8 in Vergrößerung dargestellt ist. Da diese beiden Stirnwände vollkommen gleich ausgebildet sind, genügt es, an dieser Stelle die in 8 dargestellte Stirnwand 27 näher zu beschreiben.

Diese Stirnwand 27 ist mit einem axial vorspringenden Rahmen 28 versehen, in dem sich in symmetrischer Anordnung mehrere als Federelemente ausgebildete Riegelzungen 29 befinden, die in nutenartige Ausnehmungen 30 der einzelnen Wände des Verbindungsgehäuses 21 bzw. 20 eingreifen können. Zur Aufnahme der Widerstandseinheiten 1 und 2 sind diese Stirnwände 26 und 27 jeweils mit Durchbrüchen 31 und 32 versehen. Die Querschnittsformen dieser Durchbrüche 31, 32 sind den Strangpreßteilen 7 der beiden Widerstandseinheiten 1 und 2 angepaßt, damit die Stirnwände 26 und 27 auf diesen Strangpreßteilen 7 verschiebbar sind.

Zwischen den beiden Durchbrüchen 31 und 32 befindet sich in mittiger Anordnung eine Bohrung 33 zur Aufnahme einer elektrischen Verbindungsleitung 35. Diese Verbindungsleitung 35 ist mit einem Schutzmantel versehen und dient zur Verbindung der Heizleiteranschlüsse 3 zwischen den beiden Verbindungsgehäusen 20 und 21. Durch diese Verbindungsleitung 35 sind die im Verbindungsgehäuse 21 liegenden Anschlüsse 3 der Heizleiter 8 mit der elektronischen Steuereinheit 5 im anderen Verbindungsgehäuse 20 verbunden.

Zur Begrenzung der Kühlmitteltemperatur sind elektrische Thermoschalter 37 vorgesehen, die zweckmäßiger Weise an den ablaufseitigen Enden 4' der Durchlaufrohre 4 angeordnet und in geeigneter Weise in die elektrische Schaltung integriert sind.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform sind die als Rohrstutzen ausgebildeten Kühlmittelzu- und abläufe 22 bzw. 23 jeweils rechtwinklig zu den Längsachsen der Widerstandseinheiten 1 und 2 angeordnet. Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, diese für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf vorgesehenen Rohrstutzen an den Stirnseiten 24 bzw. 25 der Verbindungsgehäuse 20 und 21 vorzusehen.

Darüber hinaus ist es ohne weiteres denkbar und möglich, einen erfindungsgemäßen Verbraucher statt mit zwei Widerstandseinheiten 1 und 2 mit mehreren solcher Widerstandseinheiten zu versehen, wobei der prinzipielle Aufbau der gleiche sein könnte. Selbstverständlich müssen dann die Verbindungsgehäuse 20 und 21 mit mehreren Rohrstutzen 15 bis 18 für die einzelnen Durchlaufrohre versehen sein.


Anspruch[de]
Vorrichtung für elektromotorische Antriebe, insbesondere für mit Brennstoffzellen betriebene Antriebe von Fahrzeugen, mit einem aus wenigstens einem elektrischen, wassergekühlten Heizwiderstand bestehenden Verbraucher elektrischer Energie, die in der Anlaufphase einer Brennstoffzelle und/oder beim Generatorbetrieb des elektrischen Antriebsmotors entsteht, wobei der Heizwiderstand wärmeübertragend an einem von flüssigem Kühlmittel durchflossenen Durchlauf (4) angeordnet und elektrisch über eine elektronische Steuereinheit (5) mit der jeweils die elektrische Energie liefernden Energiequelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere jeweils mit einem oder mehreren Heizwiderständen versehene, zueinander parallel verlaufende Durchlaufrohre (4) mittels Verbindungsgehäusen (20, 21) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, wobei die Verbindungsgehäuse (20, 21) einen gemeinsamen Kühlmittelzulauf (22) und einen gemeinsamen Kühlmittelablauf (23) enthalten, die über separate Rohrstutzen (15 bis 18) mit den einzelnen Durchlaufrohren (4) in Verbindung stehen, und wobei wenigstens eines der beiden Verbindungsgehäuse (20, 21) mit einer elektronischen Steuereinheit (5) für die Heizwiderstände versehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstände (3) der Baueinheit wahlweise oder leistungsabhängig parallel oder in Reihe schaltbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens zwei aus Rohrheizkörpern (6) bestehende Heizwiderstände (3) zusammen mit einem Durchlaufrohr (4) in einem metallenen Strangpreßteil (7) eingelagert und mit diesem zu einer Widerstandseinheit (1, 2) verpreßt sind, wobei die Rohrheizkörper (6) jeweils achsparallel am Umfang des Durchlaufrohres (4) angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsgehäuse (20, 21) aus Druckgußteilen oder Spritzgußteilen bestehen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Kühlmitteltemperatur elektrische Thermoschalter (37) vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Verbindungsgehäusen (20, 21) eine in einem Schutzmantel untergebrachte elektrische Verbindungsleitung (35) verläuft, welche die Heizleiterenden in dem nicht mit den elektrischen Anschlüssen versehenen Verbindungsgehäuse (21) mit den elektrischen Anschlüssen und/oder mit der elektronischen Steuerungsplatine (5) im anderen Verbindungsgehäuse (20) verbindet. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsgehäuse (20, 21) jeweils achsparallele, zylindrische Rohrstutzen (15 bis 18) mit eingelagerten Dichtungsringen (19) zur Aufnahme der zylindrischen Rohrenden (4') der einzelnen Durchlaufrohre (4) aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsgehäuse (20, 21) an ihren einander zugekehrten Stirnseiten jeweils mit Stirnwänden (26, 27) versehen sind, welche den Querschnittsformen der Strangpreßteile (7) der einzelnen Widerstandseinheiten (1, 2) angepaßte Durchbrüche (31, 32) und jeweils eine Bohrung (33) für die Verbindungsleitung (35) aufweisen und welche mit den ihnen jeweils zugeordneten Verbindungsgehäusen (20, 21) verbindbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzulauf (22) des einen Verbindungsgehäuses (20) und der Kühlmittelablauf (23) des anderen Verbindungsgehäuses (21) jeweils aus einem seitlich und im wesentlichen rechtwinklig zu den Rohrstutzen (15 bis 18) aus dem jeweiligen Verbindungsgehäuse (20, 21) hervortretenden Rohrstück bestehen, das als Schlauchanschluß oder Schraubanschluß ausgebildet ist.






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