CN103199280A - 用于处理功能系统的冷却装置的冷却流体的处理单元 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于处理特别是机动车的功能系统、尤其是燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的处理单元、特别是离子交换器(10)。所述处理单元(10)包括容器(12)，其具有至少一个用于待处理冷却流体的入口(14)和至少一个用于被处理的冷却流体的出口(16)并且在所述容器中在所述入口(14)与所述出口(16)之间冷却流体的流动路线(20)中布置颗粒形式的离子交换介质(18)。此外，所述处理单元(10)包括用于压缩所述离子交换介质(18)的压缩装置(24)。所述压缩装置具有至少一个弹性的、多孔的压缩部件、优选为开孔型泡沫材料部件(24)，所述压缩部件可由冷却流体流经地布置在入口(14)与出口(16)之间的流动路线(20)中。

Description

用于处理功能系统的冷却装置的冷却流体的处理单元

技术领域

本发明涉及一种用于处理特别是机动车的功能系统、尤其是燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的处理单元、特别是离子交换器，其包括：容器，所述容器具有至少一个用于待处理冷却流体的入口和至少一个用于被处理的冷却流体的出口，并且在所述容器中在所述入口与所述出口之间冷却流体的流动路线中布置颗粒形式的离子交换介质；和压缩装置，用于压缩离子交换介质。

背景技术

由DE102009037080A1已知了一种用于处理机动车燃料电池系统的冷却循环的冷却流体的离子交换筒。所述离子交换筒包括外罩，该外罩在上部区域中具有用于冷却流体的流出口。所述离子交换筒的筒形底部具有流入口，冷却流体可通过该流入口流入到所述离子交换筒的内部。所述离子交换筒被填充有离子交换粒料。冷却流体必须由下向上、即由流入口向流出口流经离子交换粒料，并在那里进行处理。挤压垫片通过弹性的、大致空心柱形的波纹管(Faltenbalg)固定在筒盖的、朝向离子交换筒内部的内侧上。螺旋压簧分别以一端支承在筒盖的内侧上和挤压垫片朝向所述筒盖的侧面上。挤压装置利用筒盖、挤压垫片和螺旋压簧使得：只要例如放置离子交换粒料，即自动再次调整对离子交换粒料的挤压。螺旋压簧所处的弹簧空间相对于离子交换筒的内部密封地封闭，从而没有冷却流体能进入到弹簧空间中。所述挤压装置位于冷却流体通过离子交换筒的流动路线的外部。所述挤压装置仅具有挤压离子交换介质的功能。

发明内容

本发明的目的在于，设计一种开头所述类型的处理单元，所述处理单元简单且更紧凑地构造，利用所述处理单元能够实现对冷却流体的有效处理，并且利用所述处理单元能够可靠地应对离子交换介质相对于容器的正和负地体积变化。

所述目的根据本发明通过下述方式来实现：压缩装置具有至少一个弹性的、多孔的压缩部件、优选开孔型泡沫材料部件，所述压缩部件可由冷却流体流经地布置在入口与出口之间的流动路线中。

因此，根据本发明，设置弹性的、多孔的压缩部件，所述压缩部件具有形状稳定特性并且设计有显著的弹性，从而该压缩部件简单地匹配于离子交换介质的正和负的体积变化并且使得离子交换介质始终保持紧凑的形状。优选地，所述压缩部件可以是开孔型泡沫材料部件。所述压缩部件以压簧的方式执行压缩功能。离子交换介质的体积缩小可特别是源于冷却介质组分，所述冷却介质组分能够化学地侵蚀并溶解离子交换介质的颗粒。利用弹性的压缩部件还可平衡离子交换介质在容器中的、特别是由于冷却介质吸收到离子交换介质中和/或热膨胀而引起的膨胀。利用压缩部件还可简单且有效地反作用于特别是由于冰冻作用而引起的封装密度或者容积密度的提高。同样可补偿冷却流体在容器中的工作压力的波动。通过利用弹性压缩部件进行的体积平衡，可以防止：离子交换介质特别是由于在容器的壁中或者在壁之间的连接位置处形成断裂而受到损害。这一点对处理单元的操作安全、特别是容器的密封起有利的作用。由于压缩部件维持了离子交换介质的紧凑性，所以容器可几乎完全被离子交换介质填满。通过这种方式提高所述处理单元的交换容量。此外，通过压紧离子交换介质防止了，冷却介质开辟通过离子交换介质的优选流动路线。冷却介质在流经时必须均匀地分布在离子交换介质中，从而完全流经离子交换介质并且所有颗粒均匀地与冷却介质接触。因此能够提高离子交换器的使用寿命。此外，通过压紧还防止了：离子交换介质的颗粒可能在容器中自由地到处移动，这可能会导致增加地磨损颗粒。这种磨损可能导致离子交换介质体积缩小。此外，磨损还可能引起处理单元中提高的压力损失。特别是，磨损还可能阻塞处理单元中的流体通过。通过减少磨损，可延长处理单元、特别是离子交换介质的使用寿命。此外，弹性的压缩部件可有助于阻尼容器的可能的振动。通过这种方式克服处理单元由于振动而引起的损坏。可以减少用于附加的阻尼元件的费用。这一点对安装费用、材料费用、空间需求和重量起到了有利的作用。在流动路线中布置由于其开孔结构可由冷却流体流过的压缩部件。所述压缩部件能以扩散器的形式使得冷却流体分布在流动横截面上。通过压缩部件可改进、特别是均匀化

离子交换介质中的流动比，并且由此最佳地利用离子交换效率和离子交换器容量。有利地，开孔型压缩部件的孔可小于离子交换介质的最小颗粒，从而泡沫材料部件能够挡住所述颗粒。从而，可省略用于离子交换介质的单独的阻挡元件、特别是阻滞板。这一点对于材料费用、安装费用和重量产生有利的作用。压缩部件可附加地作为用于冷却流体的过滤器，通过该过滤器可以过滤出例如包含在冷却流体中的颗粒、特别是污物颗粒和/或冷却系统的元件的磨损颗粒。因此，所述压缩部件也可被构造为过滤元件。有利地，开孔型泡沫材料部件的孔径尺寸可小于冷却流体中最小的颗粒。优选地，所述压缩部件可由一种相对于冷却介质热和/或化学方面稳定的材料构成。从而，能延长压缩部件的使用寿命。

在一种优选的实施方式中，所述压缩部件可在覆盖离子交换介质的整个流动横截面的横截面上、特别是均匀地流经。以这种方式改进了在离子交换介质中的流动，进而改进了离子交换效率和离子交换器容量。从而总体减小了在处理单元的容器内的压力损失。如果所述压缩部件布置在离子交换介质的上游，那么流经的冷却流体就能均匀地分布在离子交换介质的整个横截面上。如果所述压缩部件布置在离子交换介质的下游，则来自离子交换介质的被处理的冷却流体均匀地在整个流动横截面上从离子交换介质中流出并且流至压缩部件。

有利地，所述压缩部件可由聚氨酯或另一种基于热塑性或热固性的聚合物构成。由这种材料可实现由塑料制成的、可由流体流经的开孔型压缩部件。此外利用这种材料，可以使所述压缩部件相对于冷却流体在弹性、形状稳定性、热稳定性和化学稳定性方面达到最佳。此外，这种材料也可以简单地进行加工。

此外，所述压缩部件有利地以预紧的状态被布置在容器中。泡沫材料部件的预紧使得离子交换介质特别是在静止状态下能够以被压缩的形状保持或者能够更好地被压缩。借助预紧的压缩部件，还能够更好地补偿离子交换介质的体积缩小。此外，压缩部件也能够稳固地保持在容器中。此外，利用预紧的压缩部件，还能补偿离子交换介质在容器中的填充量的公差。因而也能简单地补偿容器的构件公差。特别是由此能够简化按照注塑工艺来制造容器。

有利地，压缩部件可关于流动路线在径向方向和/或轴向方向上预紧地布置在容器中。通过在径向方向上的预紧，压缩部件可被密封地压靠到容器的相应的周侧上。从而，冷却流体就不能在压缩部件旁流过。通过在轴向方向上的预紧，可简单地压缩离子交换介质。

在另一种有利的实施方式中，所述容器可以是柱形的或者锥形的。特别是，所述容器可具有便于脱模的锥度或者说脱模斜度

有利地，所述容器的轴线可沿着流动路线引导。柱形的容器可被构造为易于安装且节省空间。该容器可简单地被填充离子交换介质并且设有压缩装置、特别是压缩部件。在柱形的容器中，可简单地实现在流动方向上均匀的流动横截面。通以这种方式能实现均匀地装载离子交换介质。从而能延长离子交换介质的使用寿命和处理单元的使用寿命。此外，利用柱形结构还能实现结构空间与离子交换器容量之间最佳的比例。

有利地，所述压缩部件可具有柱形或锥形的形状。锥形或柱形的压缩部件可直接支承在柱形容器的端壁上，从而不需要单独的、特别是玻璃料形式的支承装置、特别是流体可通过的阻滞壁。柱形形状具有下述优点：压缩部件能够均匀密封地贴靠在柱形容器的内壁上。此外，利用锥形的压缩部件还可沿着冷却流体的流动方向形成梯度结构，借助其通过压缩部件的单侧压紧、结合在容器中可设定的压力降，能够预先规定可设定的流动状态、特别是可设定的流动走向及在压缩部件的长度上改变的流动速度。

此外，有利地在入口与离子交换介质之间布置至少一个压缩部件和/或在离子交换介质与出口之间布置至少一个压缩部件。布置在离子交换介质上游的压缩部件还可附加地用作过滤器，以防止离子交换介质受到例如包含在冷却介质中的颗粒。附加地或替代地，泡沫材料部件可布置在离子交换介质的下游。利用压缩部件能够挡住离子交换介质的颗粒。如果在离子交换介质的两侧上分别布置压缩部件，则能更好地、特别是更均匀地在两侧压紧位于其间的离子交换介质。此外，由此能够更好地抑制振动。

在另一种有利的实施方式中，压缩部件可直接支承在离子交换介质上。从而可省略用于离子交换介质的颗粒的、单独的流体可通过的阻滞板。压缩部件的表面可灵活地匹配于离子交换介质的表面。有利地，所述压缩部件在背离离子交换介质的侧面上可支承在流体可通过的板上。流体可通过的板特别是可具有预过滤器的功能，其流体开口可具有比压缩部件的孔更大的直径。以这种方式，在流体可通过的板上能够挡住可能包含在冷却流体中的、较大的颗粒，从而所述颗粒不能进入到压缩部件中。因此能够以简单的方式延长压缩部件的使用寿命并且进而离子交换介质的使用寿命。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节由下述说明书中给出，其中借助附图来详细阐述本发明的实施例。对于本领域技术人员来说，在附图、说明书和权利要求中以组合的形式公开的特征也可适宜地单独考虑并且组成有意义的其它组合。其中示意性示出了：

图1示出了机动车燃料电池系统的冷却循环的离子交换筒的第一种实施例的局部纵剖面图，其具有用于压紧离子交换粒料的泡沫材料部件；

图2示出了根据第二种实施例的离子交换筒的简化的纵剖面图，其与在图1中的离子交换筒相类似；

图3示出了离子交换筒的第三种实施例的简化的纵剖面图，其与图1和图2中的离子交换筒相类似，其中在此在离子交换粒料的两侧设置两个弹性的泡沫材料部件。

在附图中，相同的构件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出了离子交换筒10的第一种实施例，所述离子交换筒位于机动车燃料电池系统的并未示出的冷却循环中。所述冷却循环以此处不再进一步了解的方式用于排出在燃料电池系统中所产生的热量。用于热量传输的液态冷却介质与冷却系统的冷却器和其它组件接触，从而其包含正和/或负离子。由此可以形成冷却介质的导电性能。为了防止燃料电池系统的功率输出的降低或者避免损害、如短路，通过离子交换器10来引导冷却介质。通过在离子交换器10中进行处理，可以遵循冷却介质的预先给定的极限电导值(Grenzleitwert)。离子交换筒10包括圆柱形壳体12，所述壳体在一端侧上具有用于待处理的冷却介质的入口14并且在另一个端侧上具有用于被处理的冷却介质的出口16。所述入口14与冷却循环的系统此处未示出的入口管路相连接，并且所述出口16与冷却循环系统的此处未示出的出口管路相连接。

在壳体12中布置离子交换粒料18。所述离子交换粒料18由用于负离子的颗粒状的阴离子交换树脂和用于正离子的颗粒状的阳离子交换树脂构成。所述阴离子交换树脂和阳离子交换树脂以特定的、此处不再进一步了解的混合比例混合。离子交换粒料18的颗粒尺寸优选在0.4mm至1.2mm的范围内。也可设置更小或更大的颗粒尺寸。离子交换粒料18的颗粒松散地、即彼此不结合地布置在壳体12中。

冷却介质经由离子交换筒10的流动路线通过箭头20来标注。在离子交换粒料18的下游、在离子交换粒料18与壳体12下游的端壁之间布置流体可通过的阻滞板22。所述阻滞板22由烧结材料、例如玻璃、塑料或金属构成。所述阻滞板22具有定义的孔径尺寸。该孔径尺寸小于离子交换粒料18的最小的颗粒尺寸。利用阻滞板22来阻止离子交换粒料18的颗粒可能进入到出口16中。

在流动路线20中在入口14与离子交换粒料18之间设置形式为弹性的、圆柱形的泡沫材料部件24的多孔的压缩部件。所述泡沫材料部件24由具有均匀的孔结构的开孔型(offenzellig)泡沫材料、例如聚氨酯泡沫构成。所述泡沫材料部件24利用一端侧支承在壳体12的朝向入口14的、上游的端壁上。所述泡沫材料部件24利用另一个端侧支承在离子交换粒料18上。所述泡沫材料部件24在壳体12的整个横截面上延伸，其由离子交换粒料18来填充。泡沫材料部件24在关于壳体12的轴线的轴向方向上预加应力，从而其在轴向方向上压抵离子交换粒料18。所述离子交换粒料18从而以紧凑的形状保持。此外，泡沫材料部件24在径向方向上预加应力，从而将泡沫材料部件24的径向外部的周侧密封地压靠到壳体12的径向内部的周侧上。通过这种方式避免了，通过入口14进入壳体12中的冷却介质可能在径向外部流过泡沫材料部件24。

泡沫材料部件24的孔径尺寸小于离子交换粒料18的最小颗粒尺寸。因此，泡沫材料部件24挡住离子交换粒料18的颗粒并且防止这些颗粒可能进入到入口14中。此外，泡沫材料部件24的孔径尺寸小于包含在冷却介质中的颗粒、例如污物颗粒和/或冷却循环的组件的磨损颗粒。所述泡沫材料部件24、离子交换粒料18和阻滞板22位于待处理的冷却介质的流动路线20中。它们必须由冷却介质流过。

为了制造离子交换筒10，制造具有出口16的壳体罐26以及具有入口14的壳体盖28。

所述阻滞板22被设置在壳体罐26中，从而该阻滞板贴靠在下游的端壁的内侧上。接着，将离子交换粒料18填充到壳体罐26中。在，所述壳体罐26几乎被完全填满。

泡沫材料部件24在径向上被压紧并且被插入到壳体罐26的敞开的一侧中，从而所述泡沫材料部件紧密地贴靠在离子交换粒料18的那里的端侧上。松弛的泡沫材料部件24的原有的直径大于壳体罐26和壳体盖28的内径。此外，径向上预紧的泡沫材料部件24密封地贴靠在壳体罐26的径向内部的周侧上。

然后将壳体盖28布置在壳体罐26的敞开的一侧上并且以焊缝30固定在其上。壳体罐28的端壁的内侧和离子交换粒料18的朝向壳体盖28的端侧之间的间距32小于泡沫材料部件24在松弛形状下的轴向尺寸，从而所述泡沫材料部件24在已安装的离子交换筒10中预紧地布置在壳体12中。这种预紧引起了离子交换粒料18的压紧。

在冷却循环运行时，冷却介质沿流动路线20的方向而输送值入口14。冷却介质从那里流经壳体盖28的端壁并且到达泡沫材料部件24内。在泡沫材料部件24中，冷却介质在壳体12的整个横截面上均匀地分配并且大面积分布地在泡沫材料部件24的朝向离子交换粒料18的端侧上流出。从而所述泡沫材料部件24起到了扩散器的作用。

此外在泡沫材料部件24中，可能的颗粒从冷却介质中被过滤出并且由此远离于离子交换粒料18。预过滤的冷却介质以在壳体12的整个横截面上分布的方式进入到离子交换粒料18中。其必须在整个横截面上均匀分布地流经离子交换粒料18，在此以此处不再进一步了解的方式处理冷却介质。预紧的泡沫材料部件24反作用于优选的流动通道在离子交换粒料18中的形成。

被处理的冷却介质流经阻滞板22并且到达出口16，在该阻滞板上挡住了离子交换粒料18。被处理的冷却介质由此处离开离子交换筒10。

此外，利用泡沫材料部件24抑制离子交换筒10的可能的例如由于运行而引起的振动。

在图2中简化地示出了离子交换筒10的第二种实施例。那些与图1中的第一种实施例的元件相似的元件具有相同的附图标记。与第一种实施例的不同之处在于，在图2中的第二种实施例中，在流动路线20中在入口14与泡沫材料部件24之间布置第二阻滞板122，所述阻滞板可由冷却介质通过。所述第二阻滞板122可由与第一阻滞板22相同的材料构成。但是，所述第二阻滞板也可由另一种流体可通过的材料构成。其孔径尺寸可大于阻滞板22的孔径尺寸。有利地，阻滞板122的孔径尺寸可大于泡沫材料部件24的孔径尺寸。通过这种方式，所述阻滞板122可用作预过滤器，在所述预过滤器中可从冷却介质中滤出可能的较大的颗粒，以便这些颗粒不会进入到泡沫材料部件24中。通过这种方式防止了泡沫材料部件24过早地被污染，这在总体上延长了离子交换筒10的使用寿命。

在图3中示出了离子交换筒10的第三种实施例。那些与图1中的第一种实施例的元件相似的元件具有相同的附图标记。图3中的第三种实施例与图1中的第一种实施例的不同之处在于，替代阻滞板22在流动技术方面在离子交换粒料18与出口16之间布置第二泡沫材料部件124。所述泡沫材料部件124由与泡沫材料部件24相同的材料构成。其还具有同样的形状和尺寸。所述泡沫材料部件124与泡沫材料部件24类似地在径向方向上并且在轴向方向上预紧，从而其在轴向上被压靠到离子交换粒料18上并且密封地贴靠在壳体12的径向内部的周壁上。因此，离子交换粒料18在轴向方向上由两个侧压紧。所述两个泡沫材料部件24和124附加地用于更好地抑制离子交换筒10可能的由于运行而引起的振动。

在所有上述实施例中，离子交换筒10此外可进行下述修改：

本发明并不局限于燃料电池系统的冷却装置的离子交换筒10。更确切地说，其还可以应用在其它类型的功能系统的冷却装置中。其也可被用在具有离子交换器的组合式过滤系统中。本发明同样并不限于机动车。更确切地说，其也可被用于机动车技术以外的其它类型的功能系统中。本发明也可被使用在用于移动或固定的其它类型的去离子过滤器中。

替代由烧结材料制成的阻滞板22、122，也可使用其它类型的、可由液态介质通过的阻滞板。例如也可使用非织造织物，所述非织造织物被布置在支承栅格上。

替代均匀的孔结构(Zellenaufbau)，所述泡沫材料部件24、124还可具有不均匀的孔结构。

替代泡沫材料部件24、124，还可设置其它类型的弹性的、多孔的压缩部件、例如过滤元件。

替代聚氨酯，所述泡沫材料部件24还可由其它类型的开孔型泡沫材料、例如塑料、优选基于热塑性塑料或者热固性塑料的聚合物构成。

取代柱形，所述泡沫材料部件24、124还可具有其它形状、例如锥形或其它形状。以这种方式可通过单侧压紧每个泡沫材料部件24、124来设定离子交换筒10中的流动状态和/或定义的压力降。替代圆形的基面，所述泡沫材料部件24、124还可具有其它形状的、例如椭圆形或多角形的基面。

替代圆柱形，所述壳体12还可呈其它形状，例如具有其它的、例如多角形或椭圆形的基面的柱形或者锥形。有利地，所述泡沫材料部件24、124的廓型还可与壳体12的廓型相类似。

替代在壳体盖28上，所述入口14也可布置在壳体罐26上。相应地，出口16可布置在壳体盖28上。

还可设置一个以上的入口14和/或一个以上的出口16。

在图3中的第三种实施例中，替代由与泡沫材料部件24相同的材料制成，所述泡沫材料部件124还可由另一种有弹性的开孔型泡沫材料制成。所述泡沫材料部件124与泡沫材料部件24相比可具有更小或者更大的孔径尺寸。泡沫材料部件24的孔径尺寸优选可小于离子交换粒料18的最小颗粒尺寸，以便泡沫材料部件124还能同时挡住离子交换粒料18。所述泡沫材料部件124还可具有其它形状和/或尺寸。

Claims (9)

1.一种用于处理特别是机动车的功能系统、尤其是燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的处理单元、特别是离子交换器(10)，其包括：容器(12)，所述容器具有至少一个用于待处理的冷却流体的入口(14)和至少一个用于被处理的冷却流体的出口(16)，并且在所述容器中在所述入口(14)和所述出口(16)之间冷却流体的流动路线(20)中布置颗粒形式的离子交换介质(18)；和压缩装置(24；124)，用于压缩所述离子交换介质(18)，其特征在于，所述压缩装置具有至少一个弹性的、多孔的压缩部件、优选开孔型泡沫材料部件(24；124)，所述压缩部件能由冷却流体流经地布置在所述入口(14)与所述出口(16)之间的流动路线(20)中。

2.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)能在覆盖所述离子交换介质(18)的整个流动横截面的横截面上、特别是均匀地被流经。

3.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)由聚氨酯或者另一种基于热塑性或热固性的聚合物构成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)在预紧的状态中被布置在所述容器(12)中。

5.根据权利要求4所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)关于所述流动路线(20)在径向方向和/或轴向方向上预紧地布置在所述容器中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述容器(12)是柱形或锥形的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)具有柱形或锥形形状。

8.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，在所述入口(14)与所述离子交换介质(18)之间布置至少一个压缩部件(24)和/或在所述离子交换介质(18)与所述出口(16)之间布置至少一个泡沫材料部件(124)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的处理单元，其特征在于，所述压缩部件(24；124)直接支承在所述离子交换介质(18)上。

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