DE102016203650A1

DE102016203650A1 - Gaserzeuger sowie Wärmemanagementsystem mit einem Gaserzeuger

Info

Publication number: DE102016203650A1
Application number: DE102016203650.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gaserzeuger zur Verdampfung eines in einer Flüssigkeit enthaltenen Kondensats oder zur Erhitzung einer Flüssigkeit für eine chemische Zersetzung, insbesondere einen Verdampfer für ein Wärmemanagementsystem eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Heizfläche sowie einen Behälter, wobei im Behälter eine Zerstäubervorrichtung zur Zerstäubung der Flüssigkeit angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaserzeuger zur Verdampfung eines in einer Flüssigkeit enthaltenen Kondensats oder zur Erhitzung einer Flüssigkeit für eine chemische Zersetzung, insbesondere einen Verdampfer für ein Wärmemanagementsystem eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Heizfläche sowie einen Behälter. Zudem betrifft die Erfindung ein Wärmemanagementsystem mit einem Gaserzeuger.
Wärmemanagementsysteme, also insbesondere Kältemittel- oder Zweiphasenkreisläufe, sind stets nach einem an sich bekannten Prinzip aufgebaut und umfassen typischerweise eine Verdampfereinheit, auch kurz Verdampfer oder Gaserzeuger genannt, sowie weitere Baueinheiten, wie zum Beispiel eine Entspannungseinheit und/oder eine Pumpe. Bezüglich der Details der Umsetzung unterscheiden sich die Wärmemanagementsysteme jedoch mitunter sehr deutlich, was den unterschiedlichen Anforderungsbedingungen und unterschiedlichen Anwendungszwecken geschuldet ist.
So ist zum Beispiel in vielen Fällen unter anderem ein möglichst kompakter Aufbau und/oder ein möglichst geringes Gesamtgewicht bei vorgegebenen Leistungsdaten gefordert oder gewünscht, insbesondere dann, wenn ein entsprechendes Wärmemanagementsystem in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen soll.
Häufig werden dabei entsprechende Anforderungen nicht nur an das Gesamtsystem, also das gesamte Wärmemanagementsystem oder den gesamten Kältemittelkreislauf, gestellt, vielmehr müssen auch die einzelnen Komponenten eines solchen Kältemittelkreislaufs in der Regel bestimmte Anforderungen erfüllen. So muss zum Beispiel ein Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug unter anderem auch unempfindlich gegen Vibrationen, Erschütterungen und wechselnde Beschleunigungen sein, die typischerweise im Betrieb eines entsprechenden Kraftfahrzeuges auftreten.
Derartige Eigenschaften weist beispielsweise ein Verdampfer auf, bei dem ein Kältemittel (R134a, 1234yf, R744) in flüssigem Zustand in einen röhrenförmigen Wärmetauscher eingeleitet wird und nachfolgend auf dem Weg durch den entsprechenden Wärmetauscher durch Wärmeaufnahme aus der den Wärmetauscher umströmenden Luft verdampft.
Nachteilig bei derartigen Verdampfern ist dabei, dass diese vor allem für die Anwendung in einem Luftstrom als Wärmeträgermedium ausgelegt sind und daher zum Beispiel keine leistungssteigernden Kapillarbeschichtungen oder Ähnliches aufweisen, wie dies bei anderen Verdampfertypen typischerweise der Fall ist.
Da zudem für den Verdampfer in einem Kraftfahrzeug typischerweise nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, lassen sich mit einem solchen Verdampfer in einem Kraftfahrzeug nur begrenzte spezifische Verdampferleistungen realisieren.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaft ausgestalteten Gaserzeuger sowie ein vorteilhaft ausgestaltetes Wärmemanagementsystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gaserzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Wärmemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf den Gaserzeuger angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Wärmemanagementsystem übertragbar und umgekehrt.
Der Erfindung liegt dabei unter anderem die Idee zugrunde, zunächst einmal den bisher üblicherweise im Kraftfahrzeug eingesetzten Verdampfertyp durch einen geeigneteren zu ersetzen. Als Basis oder Ausgangspunkt dient hierbei ein Verdampfertyp, bei dem der Wärmetauscher in einem Bad aus einem Kondensat, beispielsweise aus flüssigem Kältemittel oder Kältemittelkondensat, einliegt, da sich mit einem solchen Verdampfertyp prinzipiell höhere spezifischere Verdampferleistungen erreichen lassen.
Allerdings besteht hier das Problem, dass die Verdampferleistung empfindlich vom Grad der partiellen Umspülung oder der Umspülung des Wärmetauschers abhängt, weswegen der Wärmetauscher eigentlich mit großer Genauigkeit waagerecht ausgerichtet und gleichmäßig im Kondensat (teil-)eingetaucht sein muss. Gerade diese Bedingung lässt sich jedoch in einem Kraftfahrzeug nicht permanent aufrecht erhalten, da das Kondensat im Verdampfer durch Vibrationen, Erschütterungen und wechselnde Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges in Bewegung versetzt wird. Dieses Schwappen des Kondensats wirkt sich negativ auf die Verdampferleistung aus, weswegen ein derartiger Verdampfertyp eigentlich für eine automotive Anwendung als ungeeignet angesehen wird.
Zudem ließe sich aufgrund des im Verdampfers vorrätig gehaltenen Kondensats, in dem der Wärmetauscher einliegt, der Verdampfungsvorgang nicht ohne Weiteres spontan oder abrupt abbrechen, da die Verdampfung auch nach einer Unterbrechung der Wärmezufuhr und der weiteren Kondensatzufuhr noch eine gewisse Zeit lang fortschreiten würde. Aus diesem Grund müsste für eine spontane Unterbrechung der Dampferzeugung ein hermetisch dichtendes Gasventil im Bereich eines Verdampferausgangs für den Dampf vorgesehen werden. Ein entsprechendes Ventil wäre jedoch verhältnismäßig teuer und zudem relativ voluminös, so dass hierfür zusätzlicher Bauraum vorzusehen wäre.
Um nun dennoch die Vorteile dieses Verdampfertyps nutzen und einen entsprechenden Verdampfer in einem Kraftfahrzeug verwenden zu können, wird der entsprechende Verdampfertyp modifiziert.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer ist hierbei insbesondere für ein Wärmemanagementsystem oder Energiemanagementsystem ausgebildet und dementsprechend bevorzugt für den Einsatz in einem Wärmemanagementsystem ausgelegt. Im verbauten Zustand ist der Verdampfer dann Teil eines entsprechenden Wärmemanagementsystems, also insbesondere Bestandteil eines Heizsystems oder Kühlsystems, wie zum Beispiel einer sogenannten Klimaanlage.
Ein derartiges Wärmemanagementsystem wiederum ist bevorzugt für den Einsatz in einem Fahrzeug ausgelegt und wird dementsprechend zum Beispiel in einem Wasserfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder einem Landfahrzeug, wie beispielsweise einem Personenkraftwagen, einem Lastkraftwagen oder einer Arbeitsfahrmaschine, eingesetzt. Alternativ ist ein entsprechendes Energiemanagementsystem Teil eines immobilen Energiemanagementsystems, beispielsweise Teil einer Notstromvorrichtung, oder bildet eine entsprechende Notstromvorrichtung aus.
Das erfinderische Konzept lässt sich jedoch nicht nur zur Verdampfung einer Flüssigkeit vorteilhaft nutzen, sondern darüber hinaus auch zur Erhitzung einer Flüssigkeit für eine chemische Reaktion oder eine chemische Zersetzung. Der wesentliche Unterschied ist dabei darin zu sehen, dass die Wärme, zum Beispiel aus einem Wärmeträgermedium, nicht genutzt wird, um durch eine Phasenumwandlung Dampf oder Gas zu generieren, stattdessen wird Gas infolge einer chemischen, insbesondere einer endothermen, Reaktion erzeugt, die durch permanente Zuführung einer Flüssigkeit und die Erhitzung dieser Flüssigkeit mittels Wärme am Laufen gehalten wird. Dieses Prinzip lässt sich vorteilhaft beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellentechnik oder auch für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor nutzen, wobei hier Wasserstoffgas generiert wird, in dem beispielsweise als Flüssigkeit ein Carbazolderivat in Perhydro-Form erhitzt wird.
Da sich das erfinderische Prinzip sowohl zur Verdampfung einer Flüssigkeit, in welcher insbesondere ein zu verdampfendes Kondensat enthalten ist oder welche ein zu verdampfendes Kondensat ausbildet, als auch zur Erhitzung einer Flüssigkeit für eine chemische Reaktion und insbesondere eine chemische Zersetzung vorteilhaft nutzen lässt und bevorzugt auch genutzt wird, wird nachfolgend allgemein der Begriff Gaserzeuger verwendet, wenn eine Ausführungsvariante für beide Anwendungszwecke geeignet ist und bevorzugt auch genutzt wird, wohingegen der Begriff Verdampfer für Ausführungsvarianten verwendet wird, die vorrangig zur Verdampfung einer Flüssigkeit ausgebildet sind und hierfür eingesetzt werden.
Dabei weist der Gaserzeuger unabhängig vom konkreten Anwendungszweck einen Behälter sowie eine Heizfläche auf, wobei die Heizfläche zur Einkoppelung von Wärme in eine Flüssigkeit ausgebildet ist, um diese zu erhitzen oder zu verdampfen. Jene Heizfläche ist dabei beispielsweise Teil eines Wärmetauschers, mit dessen Hilfe Wärme aus einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Umgebungsluft, Abgas oder Kühlwasser, in die Flüssigkeit eingekoppelt wird, und/oder Teil des Behälters, insbesondere sofern dieser eine doppelwandige Außenhülle aufweist. Außerdem umfasst der Gaserzeuger eine im Behälter angeordnete oder zumindest in den Behälter hineinragende Zerstäubervorrichtung zur Zerstäubung der Flüssigkeit, also beispielsweise zur Zerstäubung von Wasser oder eines Wasser-Glykol-Gemisches.
Mit Hilfe der Zerstäubervorrichtung lässt sich unter anderem eine vorteilhafte Benetzung der Heizfläche mit der Flüssigkeit realisieren, was sich beispielsweise vorteilhaft auf einen Verdampfungsprozess und somit die Effektivität eines als Verdampfer ausgebildeten Gaserzeugers auswirkt. Hierdurch wiederum lassen sich erhöhte volumetrische oder gravimetrische Leistungsdichten, zumindest bezüglich des Volumen- bzw. des Massenstroms des erzeugten Gases oder Dampfes, erreichen und zudem lassen sich auf diese Weise die Kaltstartdynamik, die Betriebsdynamik und die betriebspunktadaptive Teillastfähigkeit des Gaserzeugers erhöhen.
Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn ein entsprechender Gaserzeuger als Verdampfer für den Kraftfahrzeugbereich ausgebildet ist. Hier lassen sich zum Beispiel Leistungsdaten in einem Bereich zwischen etwa 1 kW bis etwa 100 kW für die Verdampferleistung oder die Reaktionsenthalpie relativ frei wählen und vorgeben, da die hierfür notwendige Anpassung des Verdampfers dank einer guten Skalierbarkeit ohne größeren technischen Aufwand umsetzbar ist. Bevorzugt werden dabei insbesondere stationäre Leistungsdaten vorgegeben, die in einem Bereich bis 10 kW liegen. Dabei liegt der Bauraumbedarf eines solchen Verdampfers typischerweise in einem Bereich von ca. 2 l bis ca. 10 l.
Bevorzugt ist der Behälter dabei hinsichtlich seiner geometrischen Gestaltung einfach gehalten und zum Beispiel zylinderförmig ausgestaltet. Hierbei bildet weiter bevorzugt eine Innenseite einer Wandung des Behälters die Heizfläche aus, also diejenige Fläche oder Wandung, über die im Betrieb Wärme beispielsweise aus einem Wärmeträgermedium an die Flüssigkeit übertragen wird. Günstig ist dabei insbesondere eine Ausgestaltung des Behälters, bei dem dieser als doppelwandiger Behälter mit einer Innenwandung und einer Außenwandung ausgebildet ist und bei dem ein Wärmeträgermedium im Betrieb zwischen der Innenwandung und der Außenwandung hindurchgeführt wird. Hierbei bildet dann der Behälter selbst mit seiner Doppelwandung einen Wärmetauscher aus.
Für die Effektivität des Gaserzeugers ist es des Weiteren von Vorteil, wenn die Heizfläche oder vielmehr die die Heizfläche ausbildende Wandung, also zum Beispiel die Innenwandung des Behälters eine Struktur und insbesondere eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweist, also zum Beispiel mit einer porösen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Von Vorteil sind dabei insbesondere Strukturen, wie sie in der auf die Anmelderin zurückgehenden und noch nicht veröffentlichten DE 10 2015 226 618.4 beschrieben und beispielsweise in den Darstellungen 4 bis 8 angedeutet sind. Derartige Strukturierungen sind bevorzugt auch bei einem hier beschriebenen Gaserzeuger realisiert, weswegen an dieser Stelle ausdrücklich auf die besagte Anmeldung verwiesen wird. Dabei wird ausdrücklich auf den gesamten Offenbarungsgehalt der entsprechenden Anmeldung Bezug genommen.
Des Weiteren weist der Behälter zweckdienlicherweise einen Gasauslass oder Dampfauslass für das im Gaserzeuger erzeugte Gas bzw. den erzeugten Dampf auf, wobei dieser Gasauslass bzw. Dampfauslass bevorzugt an einer Oberseite des Behälters positioniert ist. Zweckmäßig ist zudem ein Einlass für die Flüssigkeit, der beispielsweise in einem Bereich nahe dem Boden oder an der oberen Innenwand des Behälters positioniert ist. Des Weiteren ist es günstig, wenn ein zusätzlicher Abfluss im Bereich des Bodens des Behälters angeordnet ist, über den sich dann zum Beispiel im Falle eines Verdampfers überschüssige Flüssigkeit und/oder eine Beimischung, insbesondere ein Frostschutzmittel, herausführen lässt, die nicht mit verdampft und sich dementsprechend ansonsten im Behälter ansammeln würde. Insbesondere auch in diesem Fall ist es dann zudem vorteilhaft, wenn der Boden des Behälters nicht eben gestaltet ist, sondern eine ausgeprägte Kegelform aufweist.
Weiter sind je nach Anforderungsprofil unterschiedliche Zerstäubervorrichtungen vorgesehen und werden dementsprechend auch in Abhängigkeit des entsprechenden Anforderungsprofils eingesetzt. Einer Ausführungsvariante entsprechend weist die Zerstäubervorrichtung dabei wenigstens eine aus der Zerstäubungstechnik prinzipiell bekannte Zerstäuberdüse auf, die insbesondere im Bereich des Bodens oder oder der oberen Innenwandung des Behälters angeordnet ist und in den Innenraum des Behälters, beispielsweise in Richtung Behälteroberseite zeigt. Jene Zerstäuberdüse ist dabei nicht zur Ausbildung eines Flüssigkeitsstrahls ausgestaltet, sondern zur Zerstäubung der Flüssigkeit, also insbesondere zur Ausbildung eines Aerosols oder Nebels, in dem die Flüssigkeit in Form von Flüssigkeitstropfen über ein möglichst großes Volumen fein verteilt ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu weist die Zerstäubervorrichtung einen Ultraschallerzeuger auf, bei dem die Zerstäubung der Flüssigkeit mittels Ultraschall realisiert wird. Die Generierung von Ultraschall erfolgt dabei zum Beispiel mittels zumindest eines Piezo-Elements, welches beispielsweise im Bereich des Bodenbehälters angeordnet ist und die generierten Ultraschallwellen in Richtung Innenraum des Behälters abstrahlt. Hierbei ist es günstig, wenn der Ultraschallerzeuger zur Zerstäubung von Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbad einliegt, aus dem die Ultraschallwellen dann im Betrieb Flüssigkeitströpfchen herausschleudern.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Zerstäubervorrichtung bevorzugt zur Erzeugung eines Aerosols aus der Flüssigkeit ausgebildet und zwar insbesondere mit Flüssigkeitströpfchen, deren mittlerer Tröpfchendurchmesser im Bereich von 0,1 µm bis etwa 10 µm und insbesondere im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 2,0 µm liegt.
Zur weiteren Steigerung der Effektivität des Gaserzeugers und insbesondere zur Realisierung einer fortwährenden günstigen Benetzung der Heizfläche, weist der Gaserzeuger weiter bevorzugt einen Impulsgeber auf zur Kraftausübung auf die Flüssigkeitströpfchen der zerstäubten Flüssigkeit, so dass diese aktiv der Heizfläche zugeführt werden. Jener Impulsgeber ist hierbei gemäß einer Ausführungsvariante des Gaserzeugers durch einen im Behälter angeordneten Rotor als Drehimpulsgeber ausgebildet, der ein im Behälter vorhandenes Gas in Richtung der Heizfläche treibt. Dabei werden die Flüssigkeitströpfchen mit dem Gas mitgerissen und auf diese Weise der Heizfläche aktiv zugeführt. Im Gegensatz zu der auf die Anmelderin zurückgehenden und noch nicht veröffentlichten Anmeldung DE 10 2015 226 618.4 hat der Rotor dabei bevorzugt keine unmittelbar auf die Flüssigkeit wirkende Förder- oder Transportfunktion, sondern dient lediglich mittelbar der Beschleunigung der Flüssigkeitströpfchen durch die Beschleunigung des Gases im Innenraum des Behälters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Impulsgeber zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und zur Beladung der Flüssigkeitströpfchen mit Ladungsträgern ausgebildet, so dass die Flüssigkeitströpfchen als geladene Partikel mittels eines elektrischen Feldes der Heizfläche aktiv zugeführt werden. Diese Ausgestaltungsvariante des Impulsgebers wird bevorzugt, wenn für den Betrieb des Gaserzeugers im Behälter sehr geringe Drücke vorgesehen sind, also für einen Betrag in einem hohen Teilvakuum.
Bevorzugt ist der Impulsgeber hierbei zur Ausbildung eines elektrischen Feldes mittels einer Hochspannung im kV-Bereich ausgebildet sowie zur Beladung der Flüssigkeitströpfchen mit Ladungsträgern mit Hilfe einer Hochspannungselektrode, die insbesondere Teil der Zerstäubervorrichtung ist. In diesem Fall wird dann beispielsweise an die Hochspannungselektrode eine Spannung von 10 kV angelegt und ergänzend hierzu wird die Heizfläche geerdet.
Des Weiteren ist eine Ausführungsvariante des Gaserzeugers bevorzugt, bei der der Behälter und/oder der Impulsgeber derart ausgebildet ist bzw. sind, dass sich im Betrieb räumlich voneinander getrennte Benetzungs-Bereiche und Verdampfungs-Bereiche auf der Heizfläche ausbilden. Das heißt also, dass im Betrieb nur bestimmten Bereichen auf der Heizfläche, den Benetzungs-Bereichen, aktiv Flüssigkeitströpfchen der zerstäubten Flüssigkeit zugeführt werden, wohingegen anderen Bereichen den Verdampfungs-Bereichen, keine Flüssigkeitströpfchen aktiv zugeführt werden. In den Verdampfungs-Bereichen erfolgt dann bevorzugt die Verdampfung oder Gaserzeugung, zumindest sofern auf der Heizfläche ein Flüssigkeitstransfer zwischen den Benetzungs-Bereichen und den Verdampfungs-Bereichen erfolgt. Auf diese Weise lässt sich ein stationärer Zustand im Betrieb des Gaserzeugers erreichen, bei dem die Strömungen hin zur Heizfläche einerseits und weg von der Heizfläche andererseits räumlich voneinander getrennt sind und sich dementsprechend nicht gegenseitig behindern.
Eine solche räumliche Trennung wird vorzugsweise mit Hilfe eines Impulsgebers realisiert, der zur Ausbildung eines elektrischen Feldes ausgebildet ist. Hierzu wird der Impulsgeber derart ausgestaltet, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes verstärkt hin zu den Benetzungs-Bereichen verlaufen.
Alternativ oder ergänzend hierzu lassen sich der Behälter und insbesondere die Heizfläche derart ausgestalten, dass ein entsprechender Feldlinienverlauf realisiert wird. Hierzu ist die Heizfläche beispielsweise in den Verdampfungsbereichen elektrisch oder elektrostatisch isoliert und/oder weist eine geeignete Strukturierung auf.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist die Zerstäubervorrichtung derart ausgestaltet, dass die Ströme hin zur Heizfläche einerseits und weg von der Heizfläche andererseits zeitlich voneinander getrennt sind, indem die Zerstäubervorrichtung beispielsweise für einen gepulsten Betrieb ausgebildet ist und hierfür insbesondere eine Steuereinheit aufweist, mit deren Hilfe ein entsprechender gepulster Betrieb realisiert wird. Diese zeitliche Trennung der Ströme hin zur Heizfläche einerseits und weg von der Heizfläche andererseits stellt dabei einen eigenständigen erfinderischen Ideenansatz dar, der jedoch insbesondere in Kombination mit einem hier vorgestellten Gaserzeuger vorteilhaft umsetzbar ist.
Wie zuvor bereits dargelegt, wird typischerweise zur Erhitzung oder Verdampfung der Flüssigkeit Wärme aus einem Wärmeträgermedium genutzt, welche mittels eines Wärmetauschers der Flüssigkeit zugeführt wird. Alternativ ist die Heizfläche Teil einer elektrischen Heizvorrichtung, die insbesondere zur Generierung von Wärmestrahlung ausgebildet ist, welche im Betrieb in den Innenraum des Behälters abgestrahlt wird. Dabei ist es gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Erhitzung oder Verdampfung der Flüssigkeit oder vielmehr der Flüssigkeitströpfchen der zerstäubten Flüssigkeit im Wesentlichen ohne direkten Kontakt zur Heizfläche erfolgt, also allein durch Einkoppelung von Wärmestrahlung in die im Innenraum des Behälters befindlichen Flüssigkeitstropfen.
Einer weiteren Ausführungsvariante entsprechend ist ein derartiger Wärmestrahler in eine Gasableitung des Behälters integriert, über die Gas oder Dampf aus dem Behälter abgeführt wird. Alternativ weist eine entsprechende Gasableitung einen Wärmetauscher zur Wärmenachbehandlung auf, also beispielsweise im Falle eines Verdampfers zur Verdampfung von Restflüssigkeit.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist zudem eine Vorwärmung der dem Behälter zugeführten Flüssigkeit vorgesehen, wobei in diesem Fall dann ein entsprechender Wärmestrahler oder ein entsprechender Wärmetauscher in die Flüssigkeitszuleitung hin zum Behälter integriert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer Art Blockschaltbilddarstellung ein Gaserzeuger mit mit einem Behälter und einer Zerstäubervorrichtung,
2 in einer Art Blockschaltbilddarstellung der Gaserzeuger mit einer alternativen Ausführung der Zerstäubervorrichtung,
3 in einer Art Blockschaltbilddarstellung der Gaserzeuger mit einem zusätzlichen Rotor als Impulsgeber,
4 in einer Art Blockschaltbilddarstellung der Gaserzeuger mit einem alternativen Impulsgeber,
5 in einer Art Blockschaltbilddarstellung der Gaserzeuger mit einer alternativen Ausführung des Behälters mit einer elektrischen Heizeinrichtung sowie
6 in einer ausschnittsweise vergrößerten Darstellung eine Wandung des Behälters.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein nachfolgend exemplarisch beschriebener Gaserzeuger 2 ist als Verdampfer ausgebildet und Teil eines nicht näher dargestellten Wärmemanagementsystems eines Kraftfahrzeuges, welches insbesondere als Klimaanlage zur Klimatisierung des Kraftfahrzeuges ausgestaltet ist.
Der entsprechende Gaserzeuger 2 weist dabei einen Behälter 4 auf, der im Wesentlichen zylinderförmig gestaltet ist und einen ausgeprägten kegelförmigen Boden 6 aufweist. Weiter ist der Behälter 4 als doppelwandiger Behälter 4 mit einer Innenwandung 8 und einer Außenwandung 10 ausgeführt, wobei im Betrieb durch den Zwischenraum zwischen der Innenwandung 8 und der Außenwandung 10 ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Umgebungsluft oder ein Wasser-Glykol-Gemisch geführt wird. Hierdurch wird Wärme aus dem Wärmeträgermedium über die Innenwandung 8 in den Innenraum des Behälters 4 übertragen, so dass die Innenseite der Innenwandung 8 als Heizfläche 12 des Behälters 4 wirkt.
Über eine Zuleitung 14, beispielsweise im Bereich des Bodens 6 des Behälters 4, wird im Betrieb eine Flüssigkeit in den Behälter 4 eingeleitet, dort mittels der Wärme aus dem Wärmeträgermedium zumindest teilweise verdampft und als Dampf über eine Ableitung 16 an der Oberseite des Behälters 4 abgeführt. Dabei wird über die Ableitung 16 im Betrieb auch der Druck im Behälter 4 reguliert und vorgegeben, der im Fall von Wasserdampf typischerweise einen Bereich kleiner 50 mbar abs liegt.
Zudem ist im Ausführungsbeispiel als Flüssigkeit eine Mischung aus Wasser und Glykol vorgesehen, wobei die Betriebsbedingungen derart gewählt sind, dass lediglich das Wasser verdampft, wohingegen das Glykol als Flüssigkeit zurückbleibt. Um größere Glykol-Ansammlungen und/oder Ansammlungen nicht-verdampften Wassers zu vermeiden, weist der Behälter zusätzlich einen Abfluss 18 auf, über welchen sich Glykol und Wasser, die sich im Behälter 4 gesammelt haben, aus dem Behälter 4 herausgeführt werden können.
Die den Behälter 4 im Betrieb über die Zuleitung 14 zugeführte Flüssigkeit wird erfindungsgemäß nicht einfach in den Behälter 4 eingeleitet oder einspritzt, sondern mittels einer Zerstäubervorrichtung 20, die im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Zerstäuberdüse 22 ausgebildet ist, zerstäubt. Auf diese Weise wird aus der Flüssigkeit ein feiner Flüssigkeitsnebel erzeugt, welcher sich im Innenraum des Behälters 4 verteilt und die Heizfläche 12 gleichmäßig benetzt.
Alternativ wird die Zerstäubung und somit die effektive und gezielte Benetzung der Heizfläche 12 mit Hilfe von Ultraschallwellen realisiert, die mittels eines Piezo-Elements 24 generiert werden. Hierzu ist das Piezo-Element 24 in einer Schale 26 positioniert, in die die Zuleitung 14 mündet und die im Betrieb mit der Flüssigkeit gefüllt ist, so dass das Piezo-Element 24 in einem Flüssigkeitsbad einliegt. Aus diesem Flüssigkeitsbad werden dann durch die Ultraschallwellen feine Tröpfchen der Flüssigkeit herausgeschleudert, was wiederum die Bildung eines Aerosols ermöglicht.
Einige Ausführungsvarianten des Gaserzeugers 2 weisen zudem einen Impulsgeber 28 auf, mit dessen Hilfe die Flüssigkeitströpfchen der Heizfläche 12 aktiv zugeführt werden. Jener Impulsgeber 28 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 als Rotor 30 ausgeführt, der das Gas im Behälter 4 in Richtung der Heizfläche 12 beschleunigt, welches dann die Flüssigkeitströpfchen mit in Richtung der Heizfläche 12 mitführt. Hierbei ist der Rotor beispielsweise als Flügel- oder Schaufelrad mit sich radial zu einer Rotationsachse 32 erstreckenden Schaufeln ausgebildet, welches um die Rotationsachse 32 rotiert. Dabei sind insbesondere auch die Schaufeln des Schaufelrads derart ausgebildet, dass deren radiale Erstreckung nah zu der Innenwandung 8 bzw. zu der Heizfläche 12 ausgestaltet ist und/oder dass der Bereich an oder nahe der Rotationsachse 32 weitestgehend ausspart ist, so dass das den Rotor 30 ausbildende Schaufelrad in einem Bereich entlang der Rotationsache 32 keine Schaufeln aufweist. Im Gegensatz zu der auf die Anmelderin zurückgehenden und noch nicht veröffentlichten Anmeldung DE 10 2015 226 618.4 hat der Rotor 30 dabei bevorzugt keine unmittelbar auf die Flüssigkeit wirkende Förder- oder Transportfunktion, sondern dient lediglich mittelbar der Beschleunigung der Flüssigkeitströpfchen durch die unmittelbare Beschleunigung des Gases bzw. Dampfes im Innenraum des Behälters. In diesem Fall ist dann die Zerstäuberdüse 22 bzw. das Piezo-Element 24 mit der Schale 26 bevorzugt in Richtung der Rotationsachse 32 ausgerichtet.
Alternativ ist der Impulsgeber 28 zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und zur Beladung der Flüssigkeitströpfchen mit Ladungsträgern ausgestaltet, so dass die Flüssigkeitströpfchen quasi als geladene Partikel mittels des elektrischen Feldes hin zur Heizfläche 12 beschleunigt werden. Eine derartige Ausgestaltungsvariante ist in 4 angedeutet. Hier ist an der Zerstäubervorrichtung 20 eine Hochspannungselektrode 34 realisiert, an der im Betrieb eine Hochspannung im kV-Bereich, also beispielsweise 10 kV, anliegt. Ergänzend hierzu ist die Heizfläche 12 in diesem Ausführungsbeispiel geerdet, so dass sich eine entsprechende Potentialdifferenz einstellt.
Einer weiteren Ausführungsvariante entsprechend ist die Innenwandung 8 des Behälters 4 und somit die Heizfläche 12 nicht als glatte, ebene Fläche, ausgebildet. Stattdessen weist diese eine Rillenstruktur 36 auf, wie sie in 6 dargestellt ist. Zudem ist in diesem Ausführungsbeispiel die Innenwandung 8 mit einer kapillaren oder porösen Oberflächenbeschichtung 38 beschichtet und die Außenwandung 10 weist auf der Innenseite Leitstege oder Leitbleche 40 auf, die das Wärmeträgermedium an der Innenwandung 8 entlangführen und auf diese Weise für eine gute Wärmeübertragung sorgen. In Kombination mit einem ein elektrisches Feld ausbildenden Impulsgeber 28 bilden dann die Vertiefungen Verdampfungsbereiche 42 aus und die Erhebungen bilden räumlich davon getrennte Benetzungs-Bereiche 44 aus. Das heißt, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes vorwiegend zu den Benetzungsbereichen 44 hin verlaufen, wodurch auch die geladenen Flüssigkeitströpfchen in den Benetzungs-Bereichen 44 auf die Heizfläche 12 gelangen. Über die poröse Oberflächenbeschichtung 38 gelangt die der Heizfläche 12 zugeführte Flüssigkeit dann auch in die Verdampfungs-Bereiche 42, wo verstärkt die Verdampfung stattfindet. Auf diese Weise sind dann die Ströme hin zur Heizfläche 12 einerseits und die Ströme weg von der Heizfläche 12 andererseits räumlich voneinander getrennt, also der Strom an Flüssigkeitströpfchen hin zur Heizfläche 12 und der Dampfstrom weg von der Heizfläche 12.
Eine weitere Ausführungsvariante des Gaserzeugers 2 ist in 5 skizziert. Hier wird zur Verdampfung der Flüssigkeit nicht die Wärme aus einem Wärmeträgermedium genutzt, stattdessen weist der Behälter 4 eine elektrische Heizfläche 46 auf, die beispielsweise als Infrarotstrahler wirkt und Infrarotstrahlung in den Innenraum des Behälters 4 abstrahlt.
Zudem weist diese Ausführungsvariante zur Vorwärmung der Flüssigkeit einen zusätzlichen Wärmetauscher 48 auf, der in die Zuleitung 14 integriert ist. Alternativ oder ergänzend hierzu weist auch die Ableitung 16 zur Wärmenachbehandlung einen solchen zusätzlichen Wärmetauscher 48 oder eine elektrische Heizfläche 46 auf.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Gaserzeuger
4: Behälter
6: Boden
8: Innenwandung
10: Außenwandung
12: Heizfläche
14: Zuleitung
16: Ableitung
18: Abfluss
20: Zerstäubervorrichtung
22: Zerstäuberdüse
24: Piezo-Element
26: Schale
28: Impulsgeber
30: Rotor
32: Rotationsachse
34: Hochspannungselektrode
36: Rillenstruktur
38: poröse Oberflächenbeschichtung
40: Leitblech
42: Verdampfungs-Bereich
44: Benetzungs-Bereich
46: elektrische Heizfläche
48: zusätzlicher Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015226618 [0023, 0028, 0052]

Claims

Gaserzeuger (2) zur Verdampfung eines in einer Flüssigkeit enthaltenen Kondensats oder zur Erhitzung einer Flüssigkeit für eine chemische Zersetzung, insbesondere Verdampfer (2) für ein Wärmemanagementsystem eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine Heizfläche (12) sowie einen Behälter (4), dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (4) eine Zerstäubervorrichtung (20) zur Zerstäubung der Flüssigkeit angeordnet ist.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubervorrichtung (20) eine Zerstäuberdüse (22) aufweist.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubervorrichtung (20) einen Ultraschallerzeuger (24) aufweist, der insbesondere durch zumindest ein Piezo-Element (24) ausgebildet ist.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallerzeuger (24) zur Zerstäubung von Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbad (26) einliegt.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubervorrichtung (20) zur Erzeugung eines Aerosols aus der Flüssigkeit ausgebildet ist mit Flüssigkeitströpfchen, deren mittlerer Tröpfchendurchmesser im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm und insbesondere im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 2 µm liegt.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Impulsgeber aufweist zur Kraftausübung auf die Flüssigkeitströpfchen der zerstäubten Flüssigkeit, so dass diese aktiv der Heizfläche zugeführt werden.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (28) einen im Behälter (4) angeordneten Rotor (30) aufweist.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) allein zur mittelbaren Beschleunigung der Flüssigkeitströpfchen durch eine Beschleunigung eines im Behälter (4) befindlichen Gases ausgebildet ist.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (28) zur Ausbildung eines elektrischen Feldes und zur Beladung der Flüssigkeitströpfchen mit Ladungsträgern ausgebildet ist.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (28) zur Ausbildung eines elektrischen Feldes mittels einer Hochspannung im kV-Bereich ausgebildet ist und zur Beladung der Flüssigkeitströpfchen mit Ladungsträgern eine Hochspannungselektrode (34) aufweist, die insbesondere zudem Teil der Zerstäubervorrichtung (20) ist.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) und/oder der Impulsgeber (28) derart ausgebildet ist bzw. sind, dass sich im Betrieb räumlich voneinander getrennte Benetzungs-Bereiche (44) und Verdampfungs-Bereiche (42) auf der Heizfläche (12) ausbilden.
Gaserzeuger (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) eine als Heizfläche (12) ausgebildete und strukturierte Wandung (8) derart aufweist, dass sich im Betrieb räumlich voneinander getrennte Benetzungs-Bereiche (44) und Verdampfungs-Bereiche (42) auf der Heizfläche (12) ausbilden.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubervorrichtung (20) für einen gepulsten Betrieb ausgebildet ist und hierfür insbesondere eine Steuereinheit ausweist.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (12) Teil einer elektrischen Heizeinrichtung (46) ist, die insbesondere zur Generierung von Wärmestrahlung ausgebildet ist, welche im Betrieb in einen Behälterinnenraum abgestrahlt wird, in dem ein Aerosol oder Flüssigkeitsnebel enthalten ist.
Gaserzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) eine Flüssigkeitszuleitung (14) und eine Gasableitung (16) aufweist, wobei die Flüssigkeitszuleitung (14) für eine Vorwärmung der Flüssigkeit ausgebildet ist und/oder wobei die Gasableitung (16) für eine Wärmenachbehandlung ausgebildet ist.
Wärmemanagementsystem, insbesondere Klimatisierungsanlage, für den Kraftfahrzeugbereich mit einem Gaserzeuger (2) nach einem der vorherigen Ansprüche.