AT524204B1 - Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium - Google Patents

Abstract

Es sind Temperiervorrichtungen für gasförmige Medien mit einer ersten Wärmetauscherlage (10), in der ein Medienkanal (12) für ein zu temperierendes Gas ausgebildet ist, und einer zweiten Wärmetauscherlage (18; 19), über die der ersten Wärmetauscherlage (10) Wärme entziehbar und/oder zuführbar ist, bekannt. Um bei einem Bruch der ersten Wärmetauscherlage (10) ein Eindringen des Gases in das Kühlmittel zuverlässig zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass zwischen der ersten Wärmetauscherlage (10) und der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) eine Diffusionsschicht (36) angeordnet ist, welche für das zu temperierende Gas diffusionsoffen ist.

Description

Beschreibung

TEMPERIERVORRICHTUNG FÜR EIN GASFÖRMIGES MEDIUM

[0001] Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium mit einer ersten Wärmetauscherlage, in der ein Medienkanal für ein zu temperierendes Gas ausgebildet ist und einer zweiten Wärmetauscherlage, über die der ersten Wärmetauscherlage Wärme entziehbar und/oder zuführbar ist.

[0002] Solche Temperiervorrichtungen werden beispielsweise in Systemen zur Verbrauchsmessung von Kraftstoffen, insbesondere von verdichtetem Erdgas oder von Wasserstoff, eingesetzt, wo sie einen Bestandteil einer Konditioniereinrichtung bilden, die dazu dient den Kraftstoff auf einen vordefinierten Druck und eine vordefinierte Temperatur zu regeln, um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten. Als Messinstrumente werden dabei zumeist Coriolis-Durchflussmesser verwendet. Ein solches System zur Verbrauchsmessung wird beispielsweise in der WO 2020/ 186279 A1 beschrieben.

[0003] Problematisch an den bekannten Temperiervorrichtungen ist, dass die eingesetzten Wärmetauscher zumeist zu träge sind, um schnelle Temperaturwechsel vornehmen zu können, um auf diese Weise eine konstante Temperatur des Kraftstoffs zur korrekten Messung mittels der Durchflusssensoren vornehmen zu können.

[0004] Um diesen Problemen zu begegnen, werden in der AT 516611A4 und in der AT 516 385 A4 Temperiereinheiten vorgeschlagen, die aus einer ersten Wärmetauscherlage bestehen, in der ein spiralförmiger Strömungskanal für den Kraftstoff ausgebildet ist, einer zweiten Lage bestehen, in der thermoelektrische Elemente angeordnet sind und einer dritten Lage bestehen, in der ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist, über den die Wärme von der warmen Seite der thermoelektrischen Elemente beim Kühlen des zu temperierenden Medienstroms abgeführt werden soll.

[0005] Problematisch bei diesen Temperiereinheiten ist es jedoch, dass an den einzelnen Wärmetauscherlagen aufgrund der vorhandenen Spannungen, die nicht zuletzt durch die teilweise hohen Temperaturdifferenzen entstehen, Haarrisse entstehen können. Wenn das zu temperierende Gas nun beispielsweise Wasserstoff ist, muss es ausgeschlossen werden können, dass der Wasserstoff in das Kühlmittel diffundiert. Liegen beide Wärmetauscherlagen dicht aufeinander ist es jedoch nicht auszuschließen, dass trotz des in der Medienleitung für das Kühlmittel vorhandenen Druckes Wasserstoff in das Kühlmittel eindringt, wodurch das Kühlmittel beispielsweise brennbar würde. Dies stellt ein Problem für Kältemaschinen dar, welche die Kühlflüssigkeit kühlen und nicht für explosive und/oder brennbare Medien ausgelegt sind.

[0006] Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium zur Verfügung zu stellen, mit der ein Eindringen des zu kühlenden Mediums in das Kühlmittel oder in umgekehrter Richtung zuverlässig verhindert werden kann, und zwar ohne dass der Wärmeübergang zwischen den verschiedenen Wärmetauscherlagen negativ beeinflusst wird. Des Weiteren soll eine möglichst schnelle und genaue Regelung der Temperatur des Medienstroms möglich werden und zwar unabhängig davon, ob dem Medienstrom Wärme zugeführt oder entzogen werden muss.

[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

[0008] Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium weist eine erste Wärmetauscherlage auf, die beispielsweise als Wärmetauscherplatte aus einem Edelstahl ausgeführt ist. In dieser Wärmetauscherlage ist ein Medienkanal für ein zu temperierendes gasförmiges oder flüssiges Gas ausgebildet. Dieses kann insbesondere Erdgas oder Wasserstoff sein. Der Medienkanal kann entweder in die Wärmetauscherlage eingesetzt sein und somit eigene Kanalwände aufweisen oder einstückig als kanalbildende Öffnungen im Innern der Wärmetauscherplatte ausgeführt werden. Des Weiteren weist die Temperiervorrichtung eine zweite Wär-

metauscherlage auf, die wiederum als Wärmetauscherplatte ausgeführt sein kann und einen Kanal aufweisen kann, der einstückig mit der Platte in Form von inneren Öffnungen ausgebildet ist oder der als Einlegeteil in der Wärmetauscherlage ausgebildet ist. Die zweite Wärmetauscherlage kann jedoch auch anderweitig der ersten Wärmetauscherlage Wärme entziehen oder zuführen, wie beispielsweise über thermoelektrische Elemente, wie Peltier-Elemente. Unabhängig von der Ausführung der zweiten Wärmetauscherlage dient diese somit dazu der ersten Wärmetauscherlage Wärme zu entziehen und/oder zuzuführen.

[0009] Um einen Übergang eines Mediums in die jeweils andere Lage des Wärmetauschers möglichst auszuschließen, ist erfindungsgemäß zwischen der ersten Wärmetauscherlage und der zweiten Wärmetauscherlage eine Diffusionsschicht angeordnet, welche für das zu temperierende Gas diffusionsoffen ist. Dies hat zur Folge, dass das zu temperierende Gas entlang der Diffusionsschicht nach außen dringen kann und dort über entsprechende Detektoren aufgespürt werden kann. Diffusionsoffen bedeutet entsprechend, dass das Gas sich entlang der Erstreckung der Diffusionsschicht bewegen kann und zwar mit einem Strömungswiderstand der geringer ist als der Strömungswiderstand der gegenüberliegenden Wärmetauscherlage. Somit sucht sich das Gas den leichtesten Weg nach außen. Dies geschieht auch deshalb, weil beispielsweise bei der Verwendung von Wasserstoff als zu temperierendes Gas dieser unter hohem Druck steht und somit auch durch Haarrisse aus dem Medienkanal gedrückt wird. Da auch ein Kühlmittel, wenn ein solches in der anliegenden Wärmetauscherlage vorhanden ist, mit einem Druck über Atmosphärendruck gefördert wird, wird der Strömungswiderstand bei korrekter Wahl der Diffusionsschicht geringer sein, so dass der Wasserstoff entlang der Diffusionsschicht gedrückt wird und nach außen dringt. Ein unbemerktes Eindringen des Wasserstoffs oder eines Erdgases in das Kühlmittel kann so zuverlässig ausgeschlossen werden.

[0010] Vorzugsweise ist die Diffusionsschicht durch eine Folie gebildet. Diese wird zwischen gegenüberliegenden Wärmetauscherlagen platziert, die dann aneinander befestigt werden können. Die Folie bildet somit einen Strömungsraum zwischen den Wärmetauscherlagen für das zu temperierende Medium, falls dieses aus dem Medienkanal austreten sollte. Unterschiedliche Wärmedehnungen der beiden Wärmetauscherlagen können ebenfalls durch die Folie ausgeglichen werden, da diese mechanisch entkoppelnd wirkt. Dadurch wird es möglich, dass Materialien mit grob unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden werden. Dies ist insbesondere bei Medien wie Wasserstoff vorteilhaft, welche die Materialauswahl für die Wärmetauscherlage stark einschränken. Des Weiteren können durch eine solche Folie Unebenheiten an den Oberflächen der Wärmetauscherlagen ausgeglichen werden, was dazu führt, dass die Wärme übertragende Kontaktfläche im Vergleich zu einer Ausbildung, bei der die Lagen direkt aneinander befestigt werden, vergrößert wird.

[0011] Besonders vorteilhaft ist es, die Diffusionsschicht aus Graphit herzustellen. Eine Diffusionsschicht aus Graphit kombiniert eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einem sehr geringen thermischen Kontaktwiderstand. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Diffusionsschicht aus einem pyroelektrischem Graphit gebildet ist. Bei einer Ausführung als Graphitfolie besteht der zusätzliche Vorteil, dass sich diese sehr gut an die Kontaktflächen anpassen, so dass eine große Wärmeübergangsfläche geschaffen wird und Unebenheiten ausgeglichen werden können. Die Wärmeleitfähigkeit ist dabei zwar richtungsabhängig, jedoch können Folien geschaffen werden, bei denen lediglich in z-Richtung also in Dickenrichtung der Folie eine geringere Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, was jedoch unerheblich ist, da diese Folien mit Schichtdicken von unter 20um hergestellt werden können, so dass dennoch eine ausreichende schnelle Wärmeleitung gegeben ist. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit in z-Richtung mit größer als etwa 15W/°C immer noch signifikant höher als herkömmliche Wärmeleitfolien, welche in z- Richtung eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1W/C° aufweisen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmeleitfolien stellen diese Folien somit keinen signifikanten Wärmeleitungswiederstand dar.

[0012] Im Allgemeinen ist Graphit nicht richtungsabhängig (gepresstes amorphes Graphitpulver zum Beispiel). Die Wärmeleitfähigkeit von pyroelektrischem Graphit ist allerdings in z-Richtung (normal zur Kontaktfläche) niedriger als die von Metallen wie Kupfer oder Aluminium, was jedoch unerheblich ist, da diese Folien mit Schichtdicken von unter 20um hergestellt werden können.

Die Verwendung von pyroelektrischem Graphit hat zudem den Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Kontaktschicht (entspricht der x-y-Ebene) besonders hoch ist. Diese ist insbesondere bis zu 5-mal so effizient wie bei Kupfer und somit nur etwas weniger wärmeleitend als Diamant, welcher als der beste bekannte Wärmeleiter gilt. Dadurch ist es folglich möglich, durch eine gleichmäßigere Wärmeverteilung in der Wärmetauscherlage eine gesamte Effizienz des Wärmetauschers zu steigern.

[0013] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Graphit ein pyrolytischer Graphit ist. Dieser weist eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1950 — und damit fünfmal höhere Wärme-

leitfähigkeit als Kupfer auf. Des Weiteren besteht eine effiziente Wärmeverteilung in x- und yRichtung, also in Erstreckungsrichtung bei Verwendung einer Folie. Entsprechend besteht ein hervorragender vollflächiger Wärmeübergang zwischen dem pyrolytischen Graphit und den anliegenden Wärmetauscherlagen. Des Weiteren ist dieser pyrolytische Graphit diffusionsoffen, so dass der durch die Diffusionsschicht gebildete Raum zur Strömung des zu kühlenden Mediums genutzt werden kann.

[0014] Der Diffusionskoeffizient von beispielsweise Wasserstoff in Graphit eignet sich zwar nicht um nennenswerte Mengen an Wasserstoff nach außen zu transportieren. Die transportierte Menge ist aber aufgrund der zur Verfügung stehenden sehr empfindlichen Gasdetektoren kein Nachteil. Im Gegenteil: Die Konzentration an Prozessgas in der Umgebung muss sowieso unabhängig von Wärmetauscher auf Bruchteile eines Prozents limitiert werden, um eine explosive Umgebung zu verhindern. Detektoren sollten also unabhängig vom Wärmetauscher schon bei wenigen ppm Volumensanteil Prozessgas in der Umgebung ansprechen.

[0015] Die Wärmeleitfähigkeit der Diffusionsschicht sollte vorzugsweise über 700 — insbesondere über 1000 — betragen, wodurch sichergestellt wird, dass durch die Diffusionsschicht keine Verschlechterung des Wärmübergangs zwischen den beiden Wärmetauscherlagen erzeugt wird.

[0016] In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der zweiten Wärmetauscherlage ein Kühlmittelkanal ausgebildet. Durch dieses Kühlmittel kann bei entsprechend hohen Kühlmittelströmen und hohen Temperaturdifferenzen in kurzer Zeit eine sehr große Wärmemenge aus dem Medienkanal der ersten Wärmetauscherlage abgeführt werden.

[0017] Die Diffusionsschicht liegt in einer solchen Ausführung vorteilhafterweise gegen die erste Wärmetauscherlage und die zweite Wärmetauscherlage unmittelbar an, so dass unterschiedliche Wärmedehnungen ebenso ausgeglichen werden können wie Unebenheiten, wodurch eine großflächige Auflage erreicht wird, die zu sehr guten Wärmeübergängen führt.

[0018] In einer hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen der ersten Wärmetauscherlage und der zweiten Wärmetauscherlage thermoelektrische Elemente angeordnet. Diese dienen vor allem dazu, das zu temperierende Gas in kurzer Zeit und sehr exakt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die thermoelektrischen Elemente erwärmen zu können. Solche thermoelektrischen Elemente sind beispielsweise Peltierelemente.

[0019] In einer Weiterführung dieser vorteilhaften Ausführung ist zwischen den thermoelektrischen Elementen und der ersten Wärmetauscherlage eine Diffusionsschicht angeordnet, so dass der Wasserstoff bereits vor dem Eindringen zu den thermoelektrischen Elementen aus der Temperiervorrichtung abgeführt wird. Zusätzlich wird der Wärmeübergang zu den thermoelektrischen Elementen verbessert, da eine sehr gute Wärmeleitung entlang der Diffusionsschicht erfolgt, wodurch Temperaturunterschiede zwischen Bereichen, die unmittelbar an den thermoelektrischen Elementen anliegen und den zwischenliegenden Bereichen sehr gut ausgeglichen werden.

[0020] Des Weiteren ist es sinnvoll, wenn zwischen den thermoelektrischen Elementen und der zweiten Wärmetauscherlage eine Diffusionsschicht angeordnet ist, wodurch ebenfalls ein Eindringen von Wasserstoff zum Kühlmittel oder umgekehrt vermieden und dadurch ein Haarriss durch Austreten von Kühlmittel über die Diffusionsschicht ermöglicht wird und der Wärmeübergang zu den thermoelektrischen Elementen verbessert wird.

[0021] Eine noch bessere Kühl- und/oder Heizwirkung wird erreicht, wenn beidseits der ersten Wärmetauscherlage jeweils eine zweite Wärmetauscherlage angeordnet ist, wobei zwischen jeder zweiten Wärmetauscherlage und der ersten Wärmetauscherlage eine Diffusionsschicht ausgebildet ist. Des Weiteren wird für beide Seiten das Eindringen des zu temperierenden Mediums in den Kühlmittelstrom beziehungsweise in die zweite Wärmetauscherlage vermieden und ein druckverlustarmer Strömungspfad für austretendes Gas zur Verfügung gestellt. Selbstverständlich können auch beidseits die thermoelektrischen Elemente zwischen die erste Wärmetauscherlage und die zweite Wärmetauscherlage platziert werden.

[0022] Vorzugsweise sind der Medienkanal für das zu temperierende Gas und/oder der Kühlmittelkanal spiralförmig ausgebildet. Durch die Spiralform wird eine lange Kühlstrecke mit einer längeren Verweilzeit des zu kühlenden Mediums bei gleichzeitig möglichst gleichmäßiger Temperaturverteilung im Wärmetauscher und daraus folgend ein großer Kühlwirkungsgrad erreicht. Insbesondere eine gegenläufige Spiralstrecke in der ersten Wärmetauscherlage und in der zweiten Wärmetauscherlage ist vorteilhaft, da hierdurch ein Gegenstromwärmetauscher geschaffen wird, bei dem die maximal mögliche erreichbare Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt und dem Austritt des zu temperierenden Mediums größer ist.

[0023] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die erste und/oder die zweite Wärmetauscherlage additiv hergestellt sind. So entfallen zusätzliche Wärmeübergänge zwischen den jeweiligen Kanal begrenzenden Materialien und der jeweiligen Lage des Wärmetauschers selbst, also der Platte, in der beispielsweise eine Kühlschlange angeordnet wird. Die Herstellung ist kostengünstig und einfach durchführbar. Unter additivem Herstellungsverfahren wird insbesondere ein 3-D Druck verstanden.

[0024] Vorzugswiese ist der Kühlmittelkanal in der zweiten Wärmetauscherlage mit einer Kühlmittelleitung verbunden, in der ein Kühlmittelregelventil angeordnet ist. Uber dieses Kühlmittelregelventil ist es möglich, den Kühlmittelstrom entweder komplett zu sperren oder genau zu regeln, wodurch auch die Wärmeabfuhr genau regelbar ist und so eine Solltemperatur des zu temperierenden Mediums eingestellt werden kann.

[0025] Die thermoelektrischen Elemente werden vorzugsweise zur Erwärmung des zu temperierenden Mediums derart bestromt, dass maximal die volle Nennleistung des thermoelektrischen Elementes erreicht wird, während das Kühlmittelregelventil geschlossen ist. Dies bedeutet, dass die Reglung zur Aufheizung des zu temperierenden Medienstroms vollständig über die thermoelektrischen Elemente erfolgt. Der Kühlmittelstrom ist aufgrund der üblicherweise niedrigeren Temperatur des Kühlmittelstroms abzustellen, um keine zu hohe Temperaturdifferenz am thermoelektrischen Element zu erzeugen, welche wiederum eine Nachregelung des Stroms und damit einhergehend zu einer erhöhten Verlustwärmeleistung im Peltierelement führen würde, die der gewünschten Wärmeleistung zur Übertragung auf die erste Wärmetauscherlage entgegenwirken würde.

[0026] Grundsätzlich kann es zwar günstig sein, wenn 100 % der Nennleistung der thermoelektrischen Elemente erreicht wird, bevorzugt werden jedoch. die thermoelektrischen Elemente zur Kühlung des zu temperierenden Mediums derart bestromt, dass maximal die halbe Nennleistung der thermoelektrischen Elemente erreicht wird, während das Kühlmittelregelventil zumindest teilweise geöffnet ist. Dies bedeutet, dass die Kühlleistung vor allem durch das Kühlmittel eingebracht wird. Das thermoelektrische Element wird so angesteuert, dass es einen minimalen Wärmeleitwiderstand bildet und möglichst geringe Wärmeströme erzeugt, die sonst wieder abgeführt werden müssten. Das thermoelektrische Element wird somit unterstützend eingesetzt, um die Temperaturdifferenz zu verringern und die Dynamik der Regelung zu erhöhen, die durch den Kühlmittelstrom alleine nicht eingebracht werden kann. Bei der Bestromung ist insbesondere wichtig, dass im Gegensatz zum Heizbetrieb die Stromrichtung durch die Peltier-Elemente umgekehrt wird (warme Seite wird zur kalten Seite und umgekehrt).

[0027] Es wird somit eine Temperiervorrichtung für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere für Wasserstoff oder Erdgas geschaffen, mit der einerseits eine hohe Dynamik der Regelung sowohl bei der Erwärmung als auch bei der Kühlung des Medienstroms erreicht wird

und andererseits ein Eindringen des zu kühlenden Gases in den Kühlmittelstrom zuverlässig verhindert wird. Es wird ein schmaler Raum geschaffen durch den das zu temperierende Gas druckverlustarm nach außen dringen kann, wodurch eine Kontamination des Kühlmittels ausgeschlossen werden kann.

[0028] Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Temperiervorrichtungen für ein gasförmiges Medium sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

[0029] Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung als Draufsicht.

[0030] Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Temperiervorrichtung der Figur 1.

[0031] Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer alternativen erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung.

[0032] Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch die mittlere Lage der Temperiervorrichtung der Figur 1 und der Figur 3.

[0033] Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung besteht aus einer ersten Wärmetauscherlage 10, in deren Innern ein spiralförmiger Medienkanal 12 für ein zu temperierendes Medium, insbesondere Wasserstoff ausgebildet ist. Der spiralförmige Kanal 12 wird über einen radial äuBeren Medieneinlassstutzen 14 mit dem Wasserstoff versorgt, welches den Medienkanal 12 über einen radial inneren Medienauslassstutzen 16 wieder verlassen kann. In diesem Medienkanal können Drücke von bis zu 30 bar herrschen.

[0034] Oberhalb und unterhalb der ersten Wärmetauscherlage 10 ist jeweils eine zweite Wärmetauscherlage 18, 19 an der ersten Wärmetauscherlage 10 über Schrauben 20 befestigt, die durch Schraubenaugen 22 an den flanschförmigen Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 ragen.

[0035] An der oberen zweiten Wärmetauscherlage 18 ist ein erster innerer Kühlmitteleinlassstutzen 24 und ein radial äußerer, erster Kühlmittelauslassstutzen 26 ausgebildet, die über einen inneren spiralförmigen Kühlmittelkanal 28 in der oberen zweiten Wärmetauscherlage 18 miteinander verbunden sind. In gleicher Weise ist an der unteren Wärmetauscherlage 18, 19 ein zweiter innerer Kühlmitteleinlassstutzen 30 und ein radial äußerer, zweiter Kühlmittelauslassstutzen 32 ausgebildet, die ebenfalls über einen inneren spiralförmigen Kühlmittelkanal 34 in der zweiten Wärmetauscherlage 19 miteinander verbunden sind. Beide Kühlmittelkanäle 28, 34 werden somit in einer gleichen Strömungsrichtung durchströmt, die der Strömungsrichtung des Wasserstoffs im Medienkanal 12 entgegengesetzt ist, so dass ein Gegenstromwärmetauscher geschaffen wird.

[0036] Eine derartig aufgebaute Temperiervorrichtung wird, um einerseits eine ausreichende chemische Beständigkeit aufzuweisen und andererseits ein geringes Gewicht aufzuweisen, beispielsweise so ausgeführt, dass die erste Wärmetauscherlage 10 aus Edelstahl in einem additiven Fertigungsverfahren, wie dem 3D-Druck hergestellt wird und die zweiten Wärmetauscherlagen 18, 19 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Neben den gegebenenfalls unterschiedlichen Materialien treten auch in den verschiedenen Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 sehr große Temperaturunterschiede auf. All dies kann zu Spannungen zwischen den Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 oder auch bei Temperaturwechseln zu inneren Spannungen in den Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 führen, was wiederum dazu führen kann, dass mikroskopisch kleine Risse entstehen. Auch durch die hohen Drücke im Medienkanal werden solche Haarrisse wahrscheinlicher und das Gas wird durch die Haarrisse gedrückt. Insbesondere wenn als zu temperierendes Gas Wasserstoff oder ein anderes brennbares Gas verwendet wird, ist dringend auszuschließen, dass dieses Gas in das Kühlmittel eindringt, wodurch dieses über das Kühlmittel zum Kühlaggregat gelangen könnte, welches für brennbare oder explosive Medien nicht ausgebildet und/oder zugelassen ist.

[0037] Wichtig bei der Ausführung der derartig aufgebauten Temperiervorrichtung ist insbesondere auch eine maximal große Wärmeleitfähigkeit. Die erste Wärmetauscherlage 10 könnte demnach auch aus Silizium gefertigt werden. Eine dritte Möglichkeit wäre es, die erste Wärmetauscherlage 10 aus einer speziellen Aluminiumlegierung, wie zum Beispiel AIMgSi zu fertigen.

Diese Legierungen weisen die beste Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Tauglichkeit in Verbindung mit H2 auf. Meist ist aber gerade Kupfer ein Bestandteil von Aluminiumlegierungen damit es besser verarbeitbar wird.

[0038] Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zwischen den Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 eine Diffusionsschicht 36 auszubilden, welche für das zu temperierende Gas diffusionsoffen ist, So dass das Gas durch das Innere der Diffusionsschicht 36 strömen kann. Durch den Druck im Medienkanal 12 wird das Gas durch die Diffusionsschicht 36 in die den Wärmetauscher umgebende Luft gedrückt. Aus diesem Grund kann ein Eindringen des Gases in einen der Kühlmittelkanäle 28, 34 ausgeschlossen werden, da in den Kühlmittelkanälen 28, 34 ebenfalls Überdruck herrscht, weswegen sich das Gas den Weg des geringsten Widerstandes entlang der Diffusionsschicht 36 sucht und dort, außerhalb der Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 detektiert werden kann.

[0039] Als Diffusionsschicht 36 wird insbesondere eine pyrolytische Graphitfolie eingesetzt, welche eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen etwa 700 — und 1900 — aufweist. Neben die-

ser sehr hohen Wärmeleitfähigkeit weist diese Folie eine gewisse Elastizität auf, wodurch Unebenheiten der gegenüberliegenden Oberflächen der Wärmetauscherlagen 10, 18, 19 ausgeglichen werden können, was dazu führt, dass die Kontaktfläche erhöht wird, was wiederum zu einem insgesamt verbesserten Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherlagen führt, obwohl eine zusätzliche Zwischenschicht vorhanden ist.

[0040] Eine Regelung der Temperatur des zu temperierenden Mediums erfolgt durch eine Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch die spiralförmigen Kühlmittelkanäle 28, 34 mittels eines Kühlmittelregelventils 38, dass in einer zu den zweiten Wärmetauscherlagen 18, 19 führenden Kühlmittelleitung 40 angeordnet ist sowie einer Kühlmitteltemperatur, die durch einen äußeren zusätzlichen Wärmetauscher und/oder ein vollwertiges Kühlaggregat mit Wärmepumpe eingestellt werden könnte.

[0041] Um jedoch auf eine Temperaturregelung des Kühlmittels vollständig verzichten zu können und eine schnelle und effektive Temperaturregelung des Medienstroms vornehmen zu können und dabei das zu temperierende Gas sowohl abkühlen als auch aufheizen zu können, können, wie es in der Figur 3 dargestellt ist, zwischen der ersten Wärmetauscherlage 10 und den zweiten Wärmetauscherlagen 18, 19 jeweils mehrere thermoelektrische Elemente 42, insbesondere Peltierelemente angeordnet werden.

[0042] Durch Bestromung der thermoelektrischen Elemente 42 kann eine Aufheizung des Medienstroms im spiralförmigen Medienkanal 12 durchgeführt werden, wobei die zum Medienkanal 12 gerichtete Seite der thermoelektrischen Elemente 42 erwärmt wird, während die zu den zweiten Wärmetauscherlagen 18, 19 gerichtete Seite der thermoelektrischen Elemente 42 durch die anliegende Spannung abkühlt. In diesem Zustand wird das Kühlmittelregelventil 38 geschlossen, so dass keine Wärme über das Kühlmittel abgeführt wird.

[0043] Soll im Folgenden eine Abkühlung des zu temperierenden Mediums vorgenommen werden, wird in einem ersten Schritt die Spannung am thermoelektrischen Elemente 42 reduziert, wodurch eine Wärmezufuhr reduziert wird. Reicht dies nicht aus wird das Kühlmittelregelventil 38 wieder geöffnet, so dass Wärme von den thermoelektrischen Elementen 42 und vor allem vom zu temperierenden Gas abgeführt wird. Hierbei wird eine Spannungsumkehr an den thermoelektrischen Elementen 42 vorgenommen, wodurch die warme Seite und die kalte Seite getauscht werden. Hierbei ist es wichtig, die Bestromung lediglich zum Erreichen einer Nennleistung der thermoelektrischen Elementen 42 im Bereich von ca. 10% bis 30% vorzunehmen, da in den thermoelektrischen Elementen 42 Verlustwärme gebildet wird, die ebenfalls abzuführen wäre. Durch die geringe Bestromung der thermoelektrischen Elementen 42 wird deren Wärmeleitwiderstand herabgesetzt, so dass durch das geförderte Kühlmittel dem zu temperierenden Gas über die leitenden thermoelektrischen Elemente 42 Wärme entzogen werden kann. Schnelle Temperaturänderungen bei geringen Temperaturdifferenzen können dann durch Änderung der Bestromung der thermoelektrischen Elementen 42 durchgeführt werden.

[0044] Bei dieser Ausführung sind in vorliegendem Ausführungsbeispiel sowohl zwischen den

thermoelektrischen Elementen 42 und der ersten Wärmetauscherlage 10 als auch zwischen den thermoelektrischen Elementen 42 und der zweiten Wärmetauscherlage 18, 19 jeweils Diffusionsschichten 36 in Form von pyrolytischen Graphitfolien angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Wasserstoff erneut entlang der Diffusionsschichten 36 diffundiert und so nach außen zwischen der ersten Wärmetauscherlage 10 und der zweiten Wärmetauscherlage 18, 19 gefördert wird, ohne in den Bereich der Kühlmittelkanäle 28, 34 dringen zu können. Wasserstoff beziehungsweise das zu temperierende Gas kann entsprechend zu einem Detektor gelangen, ohne in das Kühlmittel einzudringen.

[0045] Des Weiteren wirken die vorhandenen Diffusionsschichten 36 als hervorragende Wärmeleitelemente, durch die die Anbindung der thermoelektrischen Elemente 42 sowohl zur ersten Wärmetauscherlage 10 als auch zu den zweiten Wärmetauscherlagen 18, 19 deutlich verbessert wird. Vor allem die in Erstreckungsrichtung der Graphitfolien sehr gute Wärmeleitung führt dazu, dass eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung an den Wärmetauscherlagen 18, 19 entsteht, auch wenn keine vollflächige Anbindung der thermoelektrischen Elemente 42 vorhanden ist.

[0046] Entsprechend können sehr genaue Temperaturregelungen vorgenommen werden und vorhandene Wärmeverluste minimiert werden. Gleichzeitig besteht eine hohe Sicherheit vor Schäden durch brennbares Kühlmittel.

[0047] Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. So können auch mehrere erste und zweite Kühlmittellagen jeweils abwechselnd übereinander angeordnet werden. Auch kann lediglich eine zweite Wärmetauscherlage verwendet werden.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium mit einer ersten Wärmetauscherlage (10), in der ein Medienkanal (12) für ein zu temperierendes Gas ausgebildet ist, und einer zweiten Wärmetauscherlage (18; 19), über die der ersten Wärmetauscherlage (10) Wärme entziehbar und/oder zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Wärmetauscherlage (10) und der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) eine Diffusionsschicht (36) angeordnet ist, welche für das zu temperierende Gas diffusionsoffen ist.

2. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (36) durch eine Folie gebildet ist.

3. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (36) aus Graphit ist.

4. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit ein pyrolytischer Graphit ist.

5. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Diffusionsschicht (36) über 700 — insbesondere über 1000 —

beträgt.

6. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) ein Kühlmittelkanal (28; 34) ausgebildet ist.

7. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (36) gegen die erste Wärmetauscherlage (10) und die zweite Wärmetauscherlage (18; 19) unmittelbar anliegt.

8. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Wärmetauscherlage (10) und der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) thermoelektrische Elemente (42) angeordnet sind.

9. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen (42) und der ersten Wärmetauscherlage (10) eine Diffusionsschicht (36) angeordnet ist.

10. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den thermoelektrischen Elementen (42) und der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) eine Diffusionsschicht (36) angeordnet ist.

11. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits der ersten Wärmetauscherlage (10) jeweils eine zweite Wärmetauscherlage (18,

19) angeordnet ist, wobei zwischen jeder zweiten Wärmetauscherlage (18, 19) und der ersten Wärmetauscherlage (10) eine Diffusionsschicht (36) ausgebildet ist.

12. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienkanal (12) für das zu temperierende Gas und/oder der Kühlmittelkanal (28, 34) spiralförmig ausgebildet sind.

13. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauscherlage (10) und/oder die zweite Wärmetauscherlage (18; 19) additiv hergestellt sind.

14. Temperiervorrichtung für ein gasförmiges Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (28; 34) in der zweiten Wärmetauscherlage (18; 19) mit einer Kühlmittelleitung (40) verbunden ist, in der ein Kühlmittelregelventil (38) angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen