(19)
(11)EP 3 690 353 A1

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
05.08.2020  Patentblatt  2020/32

(21)Anmeldenummer: 20154222.2

(22)Anmeldetag:  29.01.2020
(51)Int. Kl.: 
F25B 15/00  (2006.01)
F25B 41/04  (2006.01)
F28D 20/00  (2006.01)
F25B 15/09  (2006.01)
B60H 1/00  (2006.01)
F25B 49/04  (2006.01)
F25B 17/08  (2006.01)
F25B 17/12  (2006.01)
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME
Benannte Validierungsstaaten:
KH MA MD TN

(30)Priorität: 30.01.2019 DE 102019102270

(71)Anmelder: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
51147 Köln (DE)

(72)Erfinder:
  • WECKERLE, Christoph
    73326 Deggingen (DE)
  • BÜRGER, Inga
    70563 Stuttgart (DE)
  • LINDER, Marc Philipp
    70199 Stuttgart (DE)
  • KURZ, Christoph
    70619 Stuttgart (DE)
  • HEGNER, Robert
    70771 Leinfelden-Echterdingen (DE)
  • DITTUS, Holger
    75397 Simmozheim (DE)

(74)Vertreter: Fleck, Julia Maria 
Jeck & Fleck Patentanwälte Klingengasse 2
71665 Vaihingen/Enz
71665 Vaihingen/Enz (DE)

  


(54)VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER THERMOREGULIERUNGSANORDNUNG, THERMOREGULIERUNGSANORDNUNG UND FAHRZEUG


(57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Thermoregulierungsanordnung (1) zur Temperierung eines mit der Thermoregulierungsanordnung (1) in thermischem Kontakt stehenden Systems, das insbesondere innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet ist, bei dem in einem Reaktionsgassystem (10) Reaktionsgas von einer Reaktionsgasquelle (11) unter Zwischenschaltung einer Temperieranordnung (30) in eine Reaktionsgassenke (13) geleitet wird, wobei in der in dem Reaktionsgassystem (10) angeordneten Temperieranordnung (30) in zumindest einer Reaktorvorrichtung (14, 14') mit Reaktionsmaterial in einem Absorptionsbetrieb Wärme und anschließend in einem Desorptionsbetrieb Kälte erzeugt wird oder umgekehrt, wobei in dem Absorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeabgabe absorbiert wird und in dem Desorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeaufnahme desorbiert wird, wobei die zumindest eine Reaktorvorrichtung (14, 14') von einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme der erzeugten Wärme oder Kälte durchströmt wird, wobei im Desorptionsbetrieb ein erster Wärmeträgerkreislauf (211) und im Absorptionsbetrieb ein zweiter Wärmeträgerkreislauf (211'), mit einer anderen, vorzugsweise höheren, Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums aus der Reaktorvorrichtung (14, 14') als in dem ersten Wärmeträgerkreislauf (211), mit der Reaktorvorrichtung (14, 14') in Strömungsverbindung steht










Beschreibung


[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Thermoregulierungsanordnung zur Temperierung (thermischen Regulierung) eines mit der Thermoregulierungsanordnung in thermischem Kontakt stehenden Systems, das insbesondere innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet ist, bei dem in einem Reaktionsgassystem Reaktionsgas von einer Reaktionsgasquelle unter Zwischenschaltung einer Temperieranordnung in eine Reaktionsgassenke geleitet wird, wobei in der in dem Reaktionsgassystem angeordneten Temperieranordnung in zumindest einer Reaktorvorrichtung mit Reaktionsmaterial in einem Absorptionsbetrieb Wärme und anschließend in einem Desorptionsbetrieb Kälte erzeugt wird oder umgekehrt, wobei in dem Absorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeabgabe absorbiert wird und in dem Desorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeaufnahme desorbiert wird, und wobei die zumindest eine Reaktorvorrichtung von einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme der erzeugten Wärme oder Kälte durchströmt wird wobei im Desorptionsbetrieb ein erster Wärmeträgerkreislauf und im Absorptionsbetrieb ein zweiter Wärmeträgerkreislauf, mit einer anderen, vorzugsweise höheren, Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums aus der Reaktorvorrichtung als in dem ersten Wärmeträgerkreislauf, mit der Reaktorvorrichtung in Strömungsverbindung steht. Die Erfindung betrifft ferner eine Thermoregulierungsanordnung und ein Fahrzeug mit derselben.

[0002] Im Rahmen der Elektromobilität stellt die Fahrzeuginnenraumklimatisierung eine erhebliche Herausforderung dar. Zum einen wird durch den Einsatz konventionell elektrisch betriebener Klimaanlagen die Reichweite des Fahrzeugs um etwa 35 % bis 50 % reduziert. Zum anderen erfordern derartige Klimaanlagen den Einsatz unterschiedlicher und teilweise giftiger Kältemittel. Daher besteht Bedarf an alternativen Klimatisierungstechnologien, die gegebenenfalls auch in konventionellen Verbrennungsmotoren einsetzbar sind.

[0003] Einen vielversprechenden Ansatz stellt die Verwendung thermochemischer Gas-Feststoff-Reaktionssysteme (kurz "Reaktionssysteme") dar, wobei ein Reaktionsgas in einer exothermen, d. h. Wärme freisetzenden Reaktion reversibel an einen Feststoff als Reaktionsmaterial gebunden wird (Absorption). In der endothermen Rückreaktion unter Freisetzung des Reaktionsgases (Desorption) und Wärmeaufnahme aus der Umgebung ist Kälte erzeugbar. Als Materialpaarungen des Reaktionssystems sind beispielsweise Wasserstoff als Reaktionsgas und ein Metall als Feststoff geeignet, wobei in beladenem Zustand ein Metallhydrid entsteht. Der Antrieb dieser Systeme erfolgt bei den sogenannten geschlossenen Systemen durch eine Wärmequelle und bei den sogenannten offenen Systemen durch eine Druckdifferenz in der Reaktionsgas-Versorgung.

[0004] Ein Verfahren und eine Thermoregulierungsanordnung der eingangs genannten Art sind aus der DE 10 2014 109 580 B3 bekannt. Hierbei wird ein geschlossenes System innerhalb der Thermoregulierungsanordnung verwendet.

[0005] In der Veröffentlichung "Linder M, Kulenovic R, An energy-efficient air-conditioning system for hydrogen driven cars, Int. J Hydrogen Energy 2011, 36: 3215-3221" ist ein Versuchsaufbau mit Untersuchungen zu einer Klimaanlage zur Kälteerzeugung zum Einsatz in einem offenen System angegeben.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizienzerhöhendes Verfahren zum Betreiben einer Thermoregulierungsanordnung bereitzustellen, sowie eine entsprechend betreibbare Thermoregulierungsanordnung und ein Fahrzeug mit derselben.

[0007] Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass bei einem Wechsel von dem Absorptionsbetrieb auf den Desorptionsbetrieb oder umgekehrt die Strömungsverbindung der Reaktorvorrichtung mit dem zweiten Wärmeträgerkreislauf auf den ersten Wärmeträgerkreislauf umgeschaltet wird oder umgekehrt, wobei zunächst eine Strömungsverbindung stromauf der Reaktorvorrichtung auf den anderen Wärmeträgerkreislauf umgeschaltet wird und nach einer Umschaltzeit (einer Dauer des Umschaltevorgangs) die Strömungsverbindung stromab der Reaktorvorrichtung auf diesen anderen Wärmeträgerkreislauf umgeschaltet wird. Zur Steuerung dieses Verfahrens umfasst die Thermoregulierungsanordnung insbesondere eine entsprechend ausgebildete Steuereinrichtung.

[0008] So erfolgen die Umschaltungen der Strömungsverbindungen stromauf und stromab der Reaktorvorrichtung nicht zeitgleich, sondern mit einem Zeitversatz entsprechend der Umschaltzeit. Eine derartige asynchrone Umschaltung bewirkt, dass noch in der Reaktorvorrichtung vorhandenes Restvolumen an Wärmeträgermedium in den unmittelbar vor dem Wechsel mit der Reaktorvorrichtung gekoppelten Wärmeträgerkreislauf abströmen kann. So wird verhindert, dass das Restvolumen in den anschließend an den Wechsel gekoppelten Wärmeträgerkreislauf strömt, welcher in der Regel einen anderen Temperaturbereich, zumindest eine andere Austrittstemperatur, aufweist. Ein Eintritt von Wärmeträgermedium in den jeweils anderen Wärmeträgerkreislauf, mit einem anderen Temperaturniveau, und ein damit verbundener unerwünschter Wärme- oder "Kälte"-verlust lässt sich auf diese Weise vermeiden. Zudem kann die zunächst in der Reaktormasse gespeicherte Wärme das Restvolumen an Wärmeträgermedium weiter wärmen bzw. kühlen, so das eine Art Wärmerückgewinnung stattfinden kann. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass so die Effizienz des Systems und damit die erbrachte thermische Leistung vorteilhaft deutlich erhöht werden kann.

[0009] In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird die Umschaltzeit in Abhängigkeit einer Durchströmzeit des Wärmeträgermediums durch zumindest die Reaktorvorrichtung ermittelt, wobei die Umschaltzeit vorzugsweise (zumindest im Wesentlichen, zum Beispiel unter Berücksichtigung von Toleranzzeiten) der Durchströmzeit entspricht. Besonders vorteilhaft wird die Umschaltzeit in Abhängigkeit einer Durchströmzeit des Wärmeträgermediums eines zu durchströmenden Volumens ausgehend von einer stromauf der Reaktorvorrichtung angeordneten Kopplungsstelle (z. B. gebildet durch ein erstes Ventilmittel) bis zu einer stromab angeordneten Kopplungsstelle (z. B. gebildet durch ein zweites Ventilmittel) der Reaktorvorrichtung zur Strömungsverbindung mit dem Wärmeträgerkreislauf ermittelt. Dementsprechend kann, je nach Volumen der Reaktorvorrichtung (seitens des Wärmeträgermediums) und/oder gegebenenfalls dem Gesamtvolumen zwischen den Kopplungsstellen, und Durchflussgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums, die Umschaltzeit bestimmt und in eine Steuerung durch eine Steuereinrichtung der Thermoregulierungsanordnung implementiert werden. Auf diese Weise kann mit guter Genauigkeit sichergestellt werden, dass das Restvolumen dem entsprechend temperierten Wärmeträgerkreislauf zugeführt wird, was der Effizienz des Verfahrens zuträglich ist.

[0010] Insbesondere bei einem offenen System, das zyklisch betrieben wird, ist es vorteilhaft, wenn während der Umschaltzeit die Strömung des Reaktionsgases durch die Reaktorvorrichtung unterbrochen wird, z. B. durch Unterbrechung der Strömungsverbindung von Reaktionsgas zu der Reaktorvorrichtung (oder von der Reaktorvorrichtung). Auf diese Weise kann die Absorption (oder die Desorption) des Reaktionsgases unterbrochen werden. So wird verhindert, dass das warme bzw. kalte Restvolumen unerwünschter Weise mit dann erzeugter Kälte bzw. Wärme beaufschlagt wird.

[0011] In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden bei dem Wechsel in den Wärmeträgerkreisläufen vorhandene Ventilmittel zumindest teilweise mit der Umschaltzeit versetzt zueinander umgeschaltet, wobei zunächst ein erstes Ventilmittel stromauf der Reaktorvorrichtungen umgeschaltet wird und nach der Umschaltzeit ein zweites Ventilmittel stromab der Reaktorvorrichtungen umgeschaltet wird. Die Ventilmittel, insbesondere Wegeventile, erlauben ein einfach steuerbares bzw. regelbares Umschalten der Strömungsverbindung.

[0012] Vorzugsweise wird der Wechsel zwischen dem Absorptionsbetrieb und dem Desorptionsbetrieb in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, insbesondere eines (Betriebs-) Drucks und/oder einer Temperatur eingeleitet (gesteuert und/oder geregelt), wobei ein anderer Betriebsdruck an die Reaktorvorrichtung angelegt wird. Die Temperatur kann zum Beispiel eine Temperaturdifferenz über eine bestimmte Zeitspanne in dem Wärmeträgermedium oder in dem Reaktionsmaterial sein. Die Einstellung erfolgt vorzugsweise mittels einer Steuereinrichtung der Thermoregulierungsanordnung, die auch einem (übergeordneten) Steuergerät zugeordnet sein kann. Der Betriebsdruck der Reaktorvorrichtung entspricht einem über das Reaktionsgassystem angelegten Druck. Durch die erzeugte Druckdifferenz an der Reaktorvorrichtung ergibt sich die Triebkraft des Absorptionsbetriebs bzw. Desorptionsbetriebs. So ist die Thermoregulierungsanordnung präzise steuerbar bzw. regelbar.

[0013] Vorzugsweise wird der jeweilige Betriebsdruck in der (bzw. angelegt an die) Reaktorvorrichtung und/oder die Reaktionsgas-Massenströme zu bzw. von der Reaktorvorrichtung in Abhängigkeit von Randbedingungen (insbesondere einer erforderlichen Temperatur des Wärmeträgermediums entsprechend dessen Verwendungszweck, beispielsweise zur Klimatisierung) und/oder einer erforderlichen thermischen Leistung eingestellt. Die Betriebsdrücke liegen insbesondere zwischen einem durch die Reaktionsgasquelle, beispielsweise einer Speichereinrichtung, bereitgestellten Druck und einem durch die Reaktionsgassenke, beispielsweise eine Energiewandeleinrichtung, bereitgestellten Druck. Zur Einstellung ist vorzugsweise, neben der Steuereinrichtung, eine entsprechende Einrichtung in Leitungsmitteln des Reaktionsgassystems vorhanden. Auf diese Weise wird ein Verfahren bereitgestellt, mittels dessen flexibel auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen reagiert werden kann.

[0014] In einer besonders effizienten Betriebsweise sind zumindest zwei Reaktorvorrichtungen vorhanden, die zyklisch zueinander versetzt wechselweise im Absorptionsbetrieb und im Desorptionsbetrieb betrieben werden. Auf diese Weise kann kontinuierlich Kälte bzw. Wärme bereitgestellt werden, die einmal von der einen und, nach dem Wechsel, anschließend von der anderen Reaktorvorrichtung abgenommen wird.

[0015] Dabei wird in einem Halbzyklus eine der Reaktorvorrichtungen im Absorptionsbetrieb betrieben, wobei Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle (z. B. der Speichereinrichtung) zur Absorption in die jeweilige Reaktorvorrichtung geleitet wird und die abgegebene Wärme von dem Wärmeträgermedium aufgenommen wird. Die jeweils andere Reaktorvorrichtung wird im Desorptionsbetrieb betrieben, wobei Reaktionsgas aus der Reaktorvorrichtung in die Reaktionsgassenke (beispielsweise eine Energiewandeleinrichtung) geleitet wird, wobei Wärme aus dem Wärmeträgermedium aufgenommen und so das Wärmeträgermedium abgekühlt wird. Nach einer Halbzykluszeit werden zum Wechsel die Strömungsverbindungen des Reaktionsgases und/oder des Wärmeträgermediums umgeschaltet und anschließend in dem anderen Halbzyklus die jeweils anderen Reaktorvorrichtungen im Absorptionsbetrieb und im Desorptionsbetrieb betrieben. Die Halbzykluszeit ist abhängig von der Auslegung der Thermoregulierungsanordnung und den Betriebsparametern und kann z. B. 30 s bis 300 s, beispielsweise 60 s bis 180 s betragen. Bei einer derartigen Betriebsweise, die eine kontinuierliche Wärme- bzw. Kältebereitstellung ermöglicht, trägt das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der vergleichsweise häufigen Wechsel besonders zur Effizienzsteigerung bei.

[0016] Die Aufgabe bezüglich der Thermoregulierungsanordnung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind sinngemäß in Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten des Verfahrens angegeben.

[0017] In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Thermoregulierungsanordnung umfasst das Reaktionsmaterial einen Feststoff aufweisend ein Metallhydrid, insbesondere eine Titan-Mangan-Legierung und/oder ist das Reaktionsgas durch Wasserstoff gebildet. Durch Wasserstoff als Reaktionsgas kann eine hohe Leistungsdichte und eine schnelle Reaktionszeit erreicht werden. Für die Anwendung einer Fahrzeugklimatisierung vorteilhafte Temperaturniveaus ergeben sich durch die Verwendung einer Titan-Mangan-Legierung in Kombination mit Wasserstoff.

[0018] Die Aufgabe bezüglich des Fahrzeuges wird mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Das Fahrzeug umfasst neben der Thermoregulierungsanordnung zumindest ein damit in thermischem Kontakt stehendes zu temperierendes System. Dies kann ein Wärmetauscher zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines anderen (Kühl-) Raums des Fahrzeugs sein und/oder Leistungselektronik, eine Komponente des Antriebssystems und/oder ein anderes zu temperierendes bzw. thermisch zu regulierendes System innerhalb des Fahrzeugs.

[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein Fließschema einer beispielhaften Thermoregulierungsanordnung, die zum Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist, mit zwei Reaktorvorrichtungen, und
Fig. 2A-C
Fließschemata mit zwei Reaktorvorrichtungen zur schematischen Veranschaulichung eines Wechsels.


[0020] Fig. 1 zeigt ein Fließschema einer Thermoregulierungsanordnung 1 zur Temperaturregulierung eines oder mehrerer damit in thermischem Kontakt stehender Systeme (hier nicht gezeigt). Die Thermoregulierungsanordnung 1 und die Systeme können beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet sein. Bei den Systemen kann es sich z.B. um einen Fahrzeuginnenraum, um Leistungselektronik eines Fahrzeuges, Energieerzeugungsaggregate wie eine Brennstoffzelle und/oder einen Verbrennungsmotor und/oder eine Energiespeicheranordnung wie beispielsweise eine Batterieanordnung handeln. Die Systeme können als Wärmequelle und/oder als Wärmesenke dienen, was sich je nach System in Abhängigkeit von Randbedingungen, z. B. von der Umgebungstemperatur, ändern kann. Bei einem reinen Kältebetrieb der Thermoregulierungsanordnung, zur Abkühlung eines Systems, kann die Umgebung als Wärmesenke dienen.

[0021] Das Fahrzeug kann insbesondere einen Brennstoffzellenantrieb aufweisen, als alleiniges Antriebsaggregat oder in Kombination mit z. B. einem Elektro- und/oder Verbrennungsmotor als Hybridvariante. Das Fahrzeug umfasst ein Reaktionsgassystem 10 mit einer Reaktionsgasquelle 11 für Reaktionsgas, insbesondere Wasserstoff, und eine Reaktionsgassenke 13. Die Reaktionsgasquelle 11 kann insbesondere von einer Speichereinrichtung gebildet sein. Die Reaktionsgassenke 13 kann insbesondere von einer mit Reaktionsgas betriebenen Energiewandeleinrichtung gebildet sein. Die Reaktionsgassenke 13 steht mittelbar oder unmittelbar (d.h. gegebenenfalls unter Zwischenschaltung zumindest einer Reaktorvorrichtung 14, 14'), über Leitungsmittel 12 mit der Reaktionsgasquelle 11 in Strömungsverbindung und wird aus der Reaktionsgasquelle 11 mit Reaktionsgas versorgt. In der Reaktionsgassenke 13 wird die in dem Reaktionsgas gespeicherte Energie in eine andere Energieform umgesetzt. Bei der Reaktionsgassenke 13 kann es sich insbesondere um eine Brennstoffzelle handeln.

[0022] Die Thermoregulierungsanordnung 1 umfasst vorzugsweise Teile der in dem Fahrzeug vorhandenen (Antriebs-)Peripherie, insbesondere das Reaktionsgassystem 10 mit der Reaktionsgasquelle 11 und der Reaktionsgassenke 13. In das Reaktionsgassystem 10 ist strömungsmechanisch eine Temperieranordnung 30 der Thermoregulierungsanordnung 1 eingebunden, die basierend auf dem Prinzip der thermochemischen Reaktion (bzw. Sorption), insbesondere Absorption und Desorption, Wärme und/oder Kälte erzeugen kann. Zur Wärmeabgabe bzw. Wärmefreisetzung wird dabei das Reaktionsgas in einer exothermen Reaktion reversibel an das Reaktionsmaterial als Speichermaterial gebunden (Absorption). Zur Wärmeaufnahme bzw. "Kältefreisetzung" wird das Reaktionsgas in der endothermen Rückreaktion aus dem Reaktionsmaterial freigesetzt (Desorption). Der Beladungszustand des Feststoffes ist an ein bestimmtes Temperatur- und Druckniveau gekoppelt, welches sich im Gleichgewicht einstellt. Dieses wiederum ist abhängig von dem jeweiligen Reaktionssystem, d. h. dem verwendeten Reaktionsgas und Feststoff bzw. Reaktionsmaterial.

[0023] Die Temperieranordnung 30 weist beispielhaft zwei Reaktorvorrichtungen 14, 14' auf, die jeweils mit Reaktionsmaterial gefüllt sind. Das Reaktionsmaterial ist vorzugsweise durch einen Feststoff gebildet und umfasst bevorzugt Metallhydrid. Das Reaktionsmaterial, insbesondere Metallhydrid, und das Reaktionsgas, insbesondere Wasserstoff, bilden komplementäre Bestandteile des thermochemischen Reaktions-, insbesondere Sorptionssystems. Die Verwendung von Wasserstoff als Reaktionsgas bietet den Vorteil einer hohen Leistungsdichte. Als Feststoffe sind, insbesondere in Verbindung mit Wasserstoff, Titan-Mangan-Legierungen für die Anwendung in der Thermoregulierungsanordnung 1 besonders geeignet, insbesondere aufgrund der für den Anwendungsfall geeigneten Druck-Temperatur-Korrelationen bei Absorption und Desorption.

[0024] Die Temperieranordnung 30 mit den Reaktorvorrichtungen 14, 14' ist innerhalb der Leitungsmittel 12 zwischen der Reaktionsgasquelle 11 und der Reaktionsgassenke 13 angeordnet. In den Leitungsmitteln 12 ist eine Ventilanordnung vorhanden, mittels derer die Strömungswege des Reaktionsgases über die Leitungsmittel 12 steuerbar sind. Insbesondere können die Reaktorvorrichtungen 14, 14' einzeln oder gleichzeitig mit dem Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 11 versorgt werden. Weiterhin kann aus einer oder beiden Reaktorvorrichtungen 14, 14' Reaktionsgas über die Leitungsmittel 12 der Reaktionsgassenke 13 zugeführt werden.

[0025] Dabei sind hier beispielhaft die Leitungsmittel 12 ausgehend von der Reaktionsgasquelle 11 zunächst als ein einziger Leitungsstrang ausgebildet. Dieser Leitungsstrang teilt sich in zwei parallele Teilleitungsstränge 121, 121' zur Versorgung der jeweiligen Reaktorvorrichtungen 14, 14' auf. Für eine Umschaltbarkeit der Strömungswege bzw. Strömungsverbindungen sind in den Teilleitungssträngen 121, 121' jeweils Ventilmittel 17, 17' der Ventilanordnung, z. B. 3/2-Wegeventile, angeordnet, über die die Teilleitungsstränge 121, 121' jeweils mit den Reaktorvorrichtungen 14, 14' verbunden werden können. Je nach Ventilstellung kann dabei eine Strömungsverbindung der jeweiligen Reaktorvorrichtung 14, 14' zu der Reaktionsgasquelle 11 oder zu der Reaktionsgassenke 13 hergestellt werden.

[0026] Parallel zu den Teilleitungssträngen 121, 121' ist ein Bypassabschnitt 122 der Leitungsmittel 12 mit einem Bypassventilmittel 18 der Ventilanordnung vorhanden. Über den Bypassabschnitt 122 kann das Reaktionsgas unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung der Reaktorvorrichtungen 14, 14', von der Reaktionsgasquelle 11 zu der Reaktionsgassenke 13 strömen. So kann Reaktionsgas zusätzlich oder ausschließlich über den Bypassabschnitt 122 zu der Reaktionsgassenke 13 geführt werden. Dies kann beispielsweise bei einem hohen Reaktionsgasbedarf der Reaktionsgassenke 13, beispielsweise bei einem hohen Leistungsbedarf des Fahrzeuges, vorteilhaft sein, oder in einem Betriebsmodus der Temperieranordnung 30, wobei der Reaktionsgassenke 13 kein Reaktionsgas aus den Reaktorvorrichtungen 14, 14' zugeführt wird.

[0027] In vollständig gefülltem Zustand weist die Reaktionsgasquelle 11 vorzugsweise einen hohen Druck von z. B. mehr als 100 bar auf, um eine hohe Masse an Reaktionsgas aufnehmen zu können. Die Reaktionsgassenke 13 hingegen weist einen bedeutend niedrigeren Arbeitsdruck, beispielsweise zwischen 5 bar und 40 bar, auf. Gemäß einem Kerngedanken der Erfindung ist der Aufbau der Thermoregulierungsanordnung 1 derart, dass dieses Druckgefälle als Triebkraft für die Temperieranordnung 30 genutzt wird.

[0028] Zu diesem Zweck ist stromab der Reaktionsgasquelle 11 und stromauf der Reaktorvorrichtung/en 14, 14' bzw. der Reaktormaterialien zumindest ein erstes Druck- und/oder Durchflussregulierungsmittel angeordnet. Weiterhin ist stromauf der Reaktionsgassenke 13 und stromab der Reaktorvorrichtung/en 14, 14' zumindest ein zweites Druck- und/oder Durchflussregulierungsmittel angeordnet. Die Druck- und/oder Durchflussregulierungsmittel können beispielsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, in den Leitungssträngen stromauf und stromab der Teilleitungsstränge 121, 121', hier in Form eines ersten und eines zweiten Druck-Ventilmittels 15, 15', vorhanden sein. Auf diese Weise lässt sich der Druck aus der Reaktionsgasquelle 11 auf einen jeweiligen Betriebsdruck für die Reaktorvorrichtungen 14, 14' reduzieren. Der Betriebsdruck liegt somit zwischen dem Druck in der Reaktionsgasquelle 11 und dem Arbeitsdruck in der Reaktionsgassenke 13.

[0029] Für eine präzise Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit eines Wechsels zwischen Absorptions- und Desorptionsbetrieb sind den Reaktorvorrichtungen 14, 14' vorzugsweise jeweils zumindest ein Sensorelement 16, 16' zur Ermittlung des Betriebsdrucks und/oder einer (Betriebs-)Temperatur zugeordnet. In Fig. 1 sind die Sensorelemente 16, 16' beispielhaft jeweils den Reaktorvorrichtungen 14, 14' zugeordnet, wobei sie stromab derselben in den jeweiligen Teilleitungssträngen 121, 121' angeordnet sind. Möglich wäre auch eine Anordnung an anderer Stelle, beispielsweise innerhalb der Reaktorvorrichtungen 14, 14'.

[0030] Zur thermischen Kopplung der Temperieranordnung mit den zu temperierenden Systemen umfasst die Thermoregulierungsanordnung 1 ein Wärmetransportsystem 20. Das Wärmetransportsystem weist Leitungsmittel 21 zur Leitung eines Wärmeträgermediums auf. Das Wärmeträgermedium kann beispielsweise eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein.

[0031] Das Wärmetransportsystem 20 weist einen ersten Wärmeträgerkreislauf 211 mit einem ersten Eintritt 22 und einem ersten Austritt 23 auf, um eine Strömungsverbindung zu einer Wärmequelle, insbesondere einem zu kühlenden System, herzustellen. Weiterhin weist das Wärmetransportsystem einen zweiten Wärmeträgerkreislauf 211' mit einem zweiten Eintritt 24 und einem zweiten Austritt 25 auf, um eine Strömungsverbindung zu einer Wärmesenke, insbesondere einem zu beheizenden System oder der Umgebung, herzustellen.

[0032] Durch eine entsprechend ausgebildete Ventilanordnung des Wärmetransportsystems kann der erste Wärmeträgerkreislauf 211 wechselweise mit der Reaktorvorrichtung 14 und der Reaktorvorrichtung 14' und gleichzeitig der zweite Wärmeträgerkreislauf 211' mit der jeweils anderen Reaktorvorrichtung 14', 14 zur Wärmeübertragung von dem bzw. in das Reaktionsmaterial in Strömungsverbindung gebracht werden. Der Wechsel der Teilkreisläufe 211, 211' auf die jeweils andere Reaktorvorrichtung 14, 14' erfolgt in einem Wechsel.

[0033] Dazu weist die Ventilanordnung des Wärmetransportsystems beispielhaft stromauf der Reaktorvorrichtungen 14, 14' zwei Ventilmittel 26 und 27 auf, die vorzugsweise als Wegeventile, insbesondere 3/2-Wegeventile, ausgebildet sind. An die Ventilmittel 26, 27 sind jeweils die Zuläufe der ersten und der zweiten Teilkreisläufe 211, 211' sowie die Reaktorvorrichtung 14 (an das Ventilmittel 26) bzw. die Reaktorvorrichtung 14' (an das Ventilmittel 27) angeschlossen bzw. gekoppelt. Stromab der Reaktorvorrichtungen 14, 14' sind zwei Ventilmittel 28, 29 vorhanden, an die die Reaktorvorrichtung 14 (an das Ventilmittel 28) bzw. die Reaktorvorrichtung 14' (an das Ventilmittel 29) angeschlossen bzw. gekoppelt sind, sowie jeweils der erste und der zweite Wärmeträgerkreislauf 211, 211'.

[0034] Die Thermoregulierungsanordnung 1 wird zyklisch betrieben, wobei kontinuierlich sowohl Kälte als auch Wärme erzeugt werden. Wird lediglich die erzeugte Kälte (z. B. in einer Klimatisierungsanordnung) oder die erzeugte Wärme genutzt, kann die jeweils nicht genutzte Wärme bzw. Kälte zur Regeneration der Reaktorvorrichtung 14, 14' an die Umgebung abgeführt bzw. Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden. In einem Halbzyklus wird Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 11 in eine der Reaktorvorrichtungen 14 oder 14' geleitet und dort unter Wärmefreisetzung absorbiert. In der jeweils anderen Reaktorvorrichtung 14' oder 14 wird zeitgleich Reaktionsgas unter Wärmeaufnahme aus dem Wärmeträgermedium desorbiert. Das Reaktionsgas wird über die Leitungsmittel 12 der Reaktionsgassenke 13 zugeführt, wo es z. B. energetisch umgesetzt wird. Nach einer Halbzykluszeit von beispielsweise zwischen 30s und 300s, vorzugsweise zwischen 60s und 180s, werden die Reaktorvorrichtungen 14, 14' in einem Wechsel durch entsprechende Umschaltung der Ventilanordnungen in dem Reaktionsgassystem 10 und in dem Wärmetransportsystem 20 umgeschaltet. Nun wird der jeweils anderen Reaktorvorrichtung 14' oder 14 Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle 11 zugeführt und aus der anderen Reaktorvorrichtung 14 oder 14' Reaktionsgas an die Reaktionsgassenke 13 abgegeben.

[0035] Der Wechsel kann beispielsweise in Abhängigkeit von Signalen der vorhandenen Sensorelemente 16, 16' durch eine (hier nicht gezeigte) Steuereinrichtung eingeleitet werden, beispielsweise wenn ein bestimmtes Druck- und/oder Temperaturniveau erreicht ist. Beispielsweise kann der Wechsel eingeleitet werden, sobald der Druck an dem Sensorelement 16 bzw. 16' (je nachdem, welche der Reaktorvorrichtungen 14, 14' mit der Reaktionsgassenke 13 in Strömungsverbindung steht) den Arbeitsdruck bzw. den Versorgungsdruck der Reaktionsgassenke 13 erreicht (oder unterschreitet). Beispielsweise kann die Umschaltung auch eingeleitet werden, wenn ein in der Steuereinrichtung vorgegebener Temperaturhub oder eine Zieltemperatur innerhalb des Wärmeträgermediums nicht mehr erreicht wird.

[0036] Vorliegend bildet beispielhaft der erste Wärmeträgerkreislauf 211 einen Kältekreislauf, der an ein oder mehrere zu kühlende/s System/e bzw. Wärmequelle/n (hier nicht gezeigt) angeschlossen ist. Zur "kontinuierlichen Kälteerzeugung" im kontinuierlichen Betrieb wird die Ventilanordnung des Wärmetransportsystems so eingestellt, dass das Wärmeträgermedium über den ersten Eintritt 22 und über das Ventilmittel 26 oder 27 jeweils in die desorbierende, d. h. Wärme aufnehmende, Reaktorvorrichtung 14 oder 14' geleitet wird. Dort gibt das Wärmeträgermedium Wärme an das Reaktionsmaterial ab und wird so gekühlt. Stromab der Reaktorvorrichtung 14 oder 14' wird das Wärmeträgermedium über das Ventilmittel 28 oder 29 dem ersten Austritt 23 zugeführt.

[0037] Der zweite Wärmeträgerkreislauf 211' bildet beispielhaft einen Wärmekreislauf, der an ein oder mehrere zu erwärmende/s System/e oder die Umgebung als Wärmesenke/n (hier nicht gezeigt) angeschlossen ist. Zur "kontinuierlichen Wärmeerzeugung" im kontinuierlichen Betrieb wird die Ventilanordnung des Wärmetransportsystems so eingestellt, dass das Wärmeträgermedium über den zweiten Eintritt 24 und über das Ventilmittel 27 oder 26 jeweils an die absorbierende, d.h. wärmeabgebende, Reaktorvorrichtung 14' oder 14 geleitet wird. Dort nimmt das Wärmeträgermedium Wärme aus dem Reaktormaterial auf und wird so erwärmt. Stromab der Reaktorvorrichtung 14' oder 14 wird das Wärmeträgermedium über das Ventilmittel 29 oder 28 dem zweiten Austritt 25 zugeführt.

[0038] Zur Steigerung der Effizienz der Thermoregulierungsanordnung 1 werden die Ventilmittel 26, 27 bei dem Wechsel asynchron zu den Ventilmitteln 28, 29 geschaltet. Die einzelnen Schritte des Wechsels sind in Fig. 2A-C schematisch gezeigt, wobei die Darstellung vereinfachend weitgehend auf die Reaktorvorrichtungen 14, 14' und die Wärmeträgerkreisläufe 211, 211' mit der Ventilanordnung reduziert ist. Die Strömungsrichtungen des Wärmeträgermediums sind durch Pfeile angedeutet.

[0039] Fig. 2A zeigt den Strömungsverlauf in dem ersten Halbzyklus. Dabei strömt über die Leitungsmittel 21 und die Ventilmittel 26, 27 warmes Wärmeträgermedium (durchgezogene Pfeile) aus dem zweiten Wärmeträgerkreislauf 211' (durchgezogene Linie) in die Reaktorvorrichtung 14 und kaltes Wärmeträgermedium (gestrichelte Pfeile) aus dem ersten Wärmeträgerkreislauf 211 (gestrichelte Linie) in die Reaktorvorrichtung 14' ein. Über die stromab angeordneten Ventilmittel 28, 29 werden die erwärmten bzw. abgekühlten Ströme der Wärmeträgermedien wieder den entsprechenden Wärmeträgerkreisläufen 211, 211' zugeleitet.

[0040] Bei dem Wechsel werden nach dem Halbzyklus zunächst die Ventilmittel 26, 27 stromauf der Reaktorvorrichtungen 14, 14' umgeschaltet (vgl. Fig. 2 B). Erst nach einer Umschaltzeit werden die Ventilmittel 28, 29 stromab der Reaktorvorrichtungen 14' umgeschaltet. Die sich dadurch ergebende Strömungsführung während der Umschaltzeit (d. h. während des Wechsels) ist in Fig. 2B dargestellt. Die Umschaltzeit entspricht z. B. in etwa der Durchströmzeit des Wärmeträgermediums von den stromauf angeordneten Ventilmitteln 26, 27 zu den stromab angeordneten Ventilmitteln 28, 29. So ist die Umschaltzeit unter Kenntnis des Massen- bzw. Volumenstroms und des durchströmten Volumens zwischen den jeweiligen Ventilmitteln ermittelbar. Die Umschaltzeit kann, je nach System und Volumenstrom des Wärmeträgermediums, mehrere Sekunden, beispielsweise zwischen 5s und 30s betragen.

[0041] Fig. 2C zeigt den Strömungsverlauf in dem zweiten Halbzyklus, nach dem Wechsel bzw. Umschaltvorgang. Nun strömt über die Leitungsmittel 21 und die Ventilmittel 26, 27 warmes Wärmeträgermedium (durchgezogene Pfeile) aus dem zweiten Wärmeträgerkreislauf 211' (durchgezogene Linie) in die Reaktorvorrichtung 14' und kaltes Wärmeträgermedium (gestrichelte Pfeile) aus dem ersten Wärmeträgerkreislauf 211 (gestrichelte Linie) in die Reaktorvorrichtung 14 ein. Über die stromab angeordneten Ventilmittel 28, 29 werden die erwärmten bzw. abgekühlten Ströme der Wärmeträgermedien wieder den entsprechenden Wärmeträgerkreisläufen 211, 211' zugeleitet.

[0042] Durch die asynchrone Ventilschaltung während des Wechsels zwischen den Halbzyklen kann jeweils das restliche Volumen an Wärmeträgermedium, welches sich zwischen den stromauf angeordneten Ventilmitteln 26, 27 und den stromab angeordneten Ventilmittel 28, 29 befindet, in den entsprechenden Wärmeträgerkreislauf 211, 211' abströmen, aus dem es in die Reaktorvorrichtung 14, 14' eingeströmt ist. Erst nach dem Abströmen werden auch die stromab angeordneten Ventilmittel 28, 29 auf den anderen Wärmeträgerkreislauf 211', 211 (oder umgekehrt) umgeschaltet. Dadurch wird verhindert, dass ein Restvolumenstrom an kaltem bzw. warmem Wärmeträgermedium in jeweils den anderen Wärmeträgerkreislauf 211', 211, d.h. den warmen bzw. kalten Wärmeträgerkreislauf 211', 211 (oder umgekehrt) einströmt und dort eine unerwünschte Abkühlung bzw. Erwärmung bewirkt.

[0043] Während der Umschaltzeit kann die Absorption bzw. Reaktionsgasaufnahme in dem Reaktionsmaterial gestoppt werden, z. B. durch Unterbrechung der Strömungsverbindung des Reaktionsgases zu den Reaktorvorrichtungen 14, 14'. Die Reaktionsgassenke 13 kann, falls erforderlich, dabei über einen Bypassabschnitt 122 (vgl. Fig. 1) mit Reaktionsgas versorgt werden. Somit kann verhindert werden, dass warmes bzw. kaltes Wärmeträgermedium, welches bereits aus einem umgeschalteten Wärmeträgerkreislauf 211', 211 nachströmt, unerwünschter Weise mit Kälte bzw. Wärme innerhalb der jeweiligen Reaktorvorrichtung 14, 14' beaufschlagt wird.

[0044] Das Prinzip des asynchronen Wechsels, z. B. durch die asynchrone Ventilschaltung, wie anhand der Fig. 2A-C beschrieben, kann auch bei anderen Systemkonfigurationen als bei der in Fig. 1 gezeigten Thermoregulierungsanordnung 1 basierend auf einer thermochemischen Reaktion äußerst vorteilhaft angewandt werden. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass durch den asynchronen Wechsel die Effizienz der Thermoregulierungsanordnung 1 erheblich gesteigert wird.


Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Thermoregulierungsanordnung (1) zur Temperierung eines mit der Thermoregulierungsanordnung (1) in thermischem Kontakt stehenden Systems, das insbesondere innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet ist,
bei dem in einem Reaktionsgassystem (10) Reaktionsgas von einer Reaktionsgasquelle (11) unter Zwischenschaltung einer Temperieranordnung (30) in eine Reaktionsgassenke (13) geleitet wird,
wobei in der in dem Reaktionsgassystem (10) angeordneten Temperieranordnung (30) in zumindest einer Reaktorvorrichtung (14, 14') mit Reaktionsmaterial in einem Absorptionsbetrieb Wärme und anschließend in einem Desorptionsbetrieb Kälte erzeugt wird oder umgekehrt, wobei in dem Absorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeabgabe absorbiert wird und in dem Desorptionsbetrieb Reaktionsgas von dem Reaktionsmaterial unter Wärmeaufnahme desorbiert wird, und
wobei die zumindest eine Reaktorvorrichtung (14, 14') von einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme der erzeugten Wärme oder Kälte durchströmt wird, wobei im Desorptionsbetrieb ein erster Wärmeträgerkreislauf (211) und im Absorptionsbetrieb ein zweiter Wärmeträgerkreislauf (211'), mit einer anderen, vorzugsweise höheren, Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums aus der Reaktorvorrichtung (14, 14') als in dem ersten Wärmeträgerkreislauf (211), mit der Reaktorvorrichtung (14, 14') in Strömungsverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Wechsel von dem Absorptionsbetrieb auf den Desorptionsbetrieb oder umgekehrt die Strömungsverbindung der Reaktorvorrichtung (14, 14') mit dem zweiten Wärmeträgerkreislauf (211') auf den ersten Wärmeträgerkreislauf (211) umgeschaltet wird oder umgekehrt, wobei zunächst eine Strömungsverbindung stromauf der Reaktorvorrichtung (14, 14') auf den anderen Wärmeträgerkreislauf (211, 211') umgeschaltet wird und nach einer Umschaltzeit die Strömungsverbindung stromab der Reaktorvorrichtung (14, 14') auf diesen anderen Wärmeträgerkreislauf (211, 211') umgeschaltet wird.
 
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umschaltzeit in Abhängigkeit einer Durchströmzeit des Wärmeträgermediums durch zumindest die Reaktorvorrichtung (14, 14') ermittelt wird, wobei die Umschaltzeit vorzugsweise der Durchströmzeit entspricht.
 
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass während der Umschaltzeit die Strömung des Reaktionsgases durch die Reaktorvorrichtung (14, 14') unterbrochen wird.
 
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Wechsel in den Wärmeträgerkreisläufen (211, 211') vorhandene Ventilmittel (26, 27, 28, 29) zumindest teilweise mit der Umschaltzeit versetzt zueinander umgeschaltet werden, wobei zunächst ein erstes Ventilmittel (26, 27) stromauf der Reaktorvorrichtung (14, 14') umgeschaltet wird und nach der Umschaltzeit ein zweites Ventilmittel (28, 29) stromab der Reaktorvorrichtung (14, 14') umgeschaltet wird.
 
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wechsel zwischen dem Absorptionsbetrieb und dem Desorptionsbetrieb in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, insbesondere eines Drucks und/oder einer Temperatur, eingeleitet wird, wobei ein anderer Betriebsdruck an die Reaktorvorrichtung (14, 14') angelegt wird.
 
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein jeweiliger Betriebsdruck in der Reaktorvorrichtung (14, 14') und/oder die Reaktionsgas-Massenströme zu bzw. von der Reaktorvorrichtung (14, 14') in Abhängigkeit von Randbedingungen, insbesondere einer erforderlichen Temperatur des Wärmeträgermediums und/oder einer erforderlichen thermischen Leistung, eingestellt wird.
 
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest zwei Reaktorvorrichtungen (14, 14') vorhanden sind, die zyklisch zueinander versetzt wechselweise im Absorptionsbetrieb und im Desorptionsbetrieb betrieben werden.
 
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Halbzyklus eine der Reaktorvorrichtungen (14, 14') im Absorptionsbetrieb betrieben wird, wobei Reaktionsgas aus der Reaktionsgasquelle (11) zur Absorption in die jeweilige Reaktorvorrichtung (14, 14') geleitet wird und die abgegebene Wärme von dem Wärmeträgermedium aufgenommen wird, und die jeweils andere Reaktorvorrichtung (14', 14) im Desorptionsbetrieb betrieben wird, wobei Reaktionsgas aus der Reaktorvorrichtung (14', 14) in die Reaktionsgassenke (13) geleitet wird, wobei Wärme aus dem Wärmeträgermedium aufgenommen und so das Wärmeträgermedium abgekühlt wird,
und dass nach einer Halbzykluszeit in dem Wechsel die Strömungsverbindungen des Reaktionsgases und des Wärmeträgermediums umgeschaltet werden und anschließend in dem anderen Halbzyklus die jeweils anderen Reaktorvorrichtungen (14', 14) im Absorptionsbetrieb und im Desorptionsbetrieb betrieben werden.
 
9. Thermoregulierungsanordnung (1) zur Temperierung eines damit in thermischem Kontakt stehenden Systems, insbesondere innerhalb eines Fahrzeugs, das dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, wobei eine Steuereinrichtung mit einer entsprechend ausgebildeten Steuerung vorhanden ist.
 
10. Thermoregulierungsanordnung (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reaktionsmaterial einen Feststoff aufweisend ein Metallhydrid, insbesondere eine Titan-Mangan-Legierung, umfasst und/oder
dass das Reaktionsgas durch Wasserstoff gebildet ist.
 
11. Fahrzeug mit einer Thermoregulierungsanordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, mit zumindest einem mit der Thermoregulierungsanordnung (1) in thermischem Kontakt stehenden zu temperierenden System.
 




Zeichnung

















IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente




In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur