CN103329327A - 用于净化液体流体的离子交换器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一个用于净化功能系统的液体流体、尤其汽车的尤其燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的离子交换器。该离子交换器包括离子交换容器（30），它具有用于要被净化的流体的入口（38）和用于净化的流体的出口（40）。在离子交换容器（30）里面在入口（38）与出口（40）之间流体技术地设置颗粒状的离子交换介质（32）。一柔性的袋（30）具有迂回走向的流体通道（78）。该通道（78）使入口（38）与出口（40）连接。离子交换介质（32）位于通道（78）里面。

Description

用于净化液体流体的离子交换器

技术领域

本发明涉及一个用于净化功能系统的液体流体、尤其汽车的尤其燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的离子交换器，具有离子交换容器，它具有用于要被净化的流体的入口和用于净化的流体的出口，并且在容器里面在入口与出口之间流体技术地设置颗粒状的离子交换介质。

背景技术

由EP 1 736 242 A2已知一个在汽车中使用的离子交换容器，通过它使含水尿素溶液中的水分量处于脱钙，为了氧化氮的氧还原喷射尿素溶液到废气流里面。离子交换容器具有用于容纳离子交换介质的外壳。含水尿素溶液通过输入管道输送到离子交换容器，并且在通流离子交换介质以后再通过排出管道排出。离子交换容器包括两个相互嵌套的外壳，其中内部外壳容纳离子交换介质。尿素熔液通过位于内部部位底部的开孔流入到内部外壳的内室里面。尿素熔液从下向上通流内室以及位于那里的离子交换介质，并且通过位于内部外壳顶部的中心排流接管排出到排出管道。为了在内部外壳的整个横截面上充分利用离子交换介质，使入口和出口设置在内部外壳的对置侧面上。在选择用于离子交换器尤其在汽车里面的安装空间时必需考虑这种布置。通过入口与出口之间的距离限制用于净化液体流体的通流的离子交换介质长度。

发明内容

本发明的目的是，实现上述形式的离子交换器，通过它可以可靠且高效地净化液体流体，它是简单的并且可以适配于不同的安装空间和/或使用范围。

这个目的按照本发明由此实现，一个柔性的袋具有迂回走向的流体通道，该通道使入口与出口连接并且离子交换介质位于通道里面。

按照本发明所述离子交换介质设置在柔性袋里面，袋可以方便地在其形状和/或尺寸上适配于现有的结构空间。在袋里面实现迂回走向的流体通道，它给定流体的流动路径。必需被流体通流的通道长度方便地通过迂回的数量给定。通过延长流动路径提高离子交换器的交换容量。流动路径的长度不受到入口与出口之间的距离限制。可通流的通道长度与其横截面的比例大于由现有技术已知的离子交换器。由此减少在离子交换介质中通过通流的流体形成优先的流动路径。所述通道横截面与其长度的比例与由现有技术已知的离子交换器相比可以减小，由此无需采取用于使要被净化的流体分布在横截面上的措施。通过相应的通道导向可以比在由现有技术已知的离子交换器中更自由地给定入口和出口在袋上的位置。此外通道的迂回走向抵制在离子交换介质中形成优先的流动路径。所述柔性的袋还可以方便地通过离子交换介质充满，这减少加工费用。

所述迂回走向的通道具有彼此平行且相互邻接的通道段。

在有利的实施例中，所述袋卷绕成基本圆柱体。由此可以非常紧凑地形成袋。通过这种方式可以进一步优化用于袋的空间需求。通过卷绕可以紧密地包装离子交换介质，这抵制通过通流的流体在离子交换器运行时在离子交换介质中形成优先的流动路径。

有利地通过袋卷绕扁平的、柔性的保护材料、尤其无纺布。所述保护材料作为附加的保护层，由此使袋的外表面不直接相互接触。通过这种方式防止，袋的外表面尤其由于振动相互摩擦并且可能磨透。

此外可以有利地使所述卷绕的袋包装到弹性的支撑套、尤其压缩套里面。通过支撑套可以使离子交换介质保持位置，用于防止离子介质在袋里面尤其由于重力和/或由于振动滑移。此外通过支撑套可以密实离子交换介质。尤其可以减小在离子交换介质与袋内侧面之间的空心空间，由此使离子交换介质直接顶靠在内侧面上。所述支撑套总体上防止在离子交换介质里面形成优先的流动路径。卷绕成圆柱体的袋可以方便地包装到弹性的支撑套里面。所述支撑套可以是弹性的编织物或者是非编织的材料。所述支撑套可以网状或栅状地构成。

在另一有利的实施例中，所述袋可以由塑料制成并且所述通道可以通过许多尤其平行的连接曲线、尤其焊缝限制，沿着焊缝使所述袋的两个对置内侧面相互连接，并且所述焊缝交替地从袋的第一边缘一直延伸到与对置的第二边缘的一个间隔，该间隔尤其对应于在相邻的连接曲线之间的通道宽度，并且从第二边缘一直延伸到与第一边缘的一个间隔、尤其相同的间隔。通过这种方式可以方便且节省空间地实现最好相同的流动通道。塑料可以方便地加工、尤其焊接、粘接或成形。可以完全放弃金属部件。由此不会有金属离子加入到流体里面。放弃金属对于离子交换器的以后再循环或废料处理具有积极影响。用于入口和出口的接头尤其可以方便地焊接或粘接在塑料袋上。它们也可以一体地与袋连接。可以设有抑制装置、尤其过滤器或筛子，通过它们可以防止离子交换介质通过入口和/或出口从袋逸出。抑制装置可以方便地组合到入口和/或出口里面。塑料袋可以方便地尤其由连续的塑料软管制成。在加工工艺中可以在一端上封闭塑料软管并且沿着连接曲线配有焊缝。塑料软管的敞开端部可以起到一种漏斗的作用，通过它可以充入离子交换介质到袋里面。在充满过程以后可以在敞开的一侧上封闭袋。可以分开漏斗。

有利地可以使所述入口和出口位于袋的同一边缘附近。通过这种方式可以使入口和出口节省空间地并排设置。由此可以使离子交换器方便且节省空间地适配于不同的功能系统、尤其冷却装置的冷却管道。所述入口和出口尤其可以这样设置在袋上，使它们在卷绕后位于袋的同一端面上。

在另一有利的实施例中，所述袋可以设置在最好刚性的保护外壳里面，它尤其由两个半壳组成。在保护外壳里面卷绕的袋免受环境影响、尤其机械负荷、温度影响、免受污染和/或化学物质影响。保护外壳可以在产生过压时保护袋不损坏。袋可以方便地安装在两个半壳之间，接着使它们可靠地相互连接。代替两个半壳也可以由其它形式可封闭的外壳体组成保护外壳。

有利地可以使在保护外壳与袋之间的空心空间以最好不可压缩的填充介质、尤其液体或发泡充满。通过充满空心空间进一步改善袋相对于过压的耐压性。为了充入灌冲介质可以在保护外壳里面设有至少一独立的充入孔，通过它在组装保护外壳以后充入灌冲介质并且接着可以封闭充入孔。通过充满袋与保护外壳之间的空心空间可以使袋固定在保护外壳里面。通过这种方式尤其可以防止在保护外壳上磨透袋和/或相互接触的袋表面。

此外可以有利地在袋与保护外壳之间设置防磨措施、尤其由热固塑料、最好聚乙烯或聚氨酯制成。在卷绕的袋与保护外壳之间可以设有空心空间，在其中设置防磨透措施。通过防磨透措施尤其防止通常直接顶靠在保护外壳上的袋的粘接缝或焊缝磨透，尤其是由于振动。

此外所述袋有利地利用去张力措施固定在保护外壳的接头段上。在接头段里面可以设有用于流体输入和排出的软管接头，它们与袋的入口或出口连接。为了改善机械稳定性、尤其耐压性并且为了保持离子交换介质的密封，可以使入口和出口所在的袋部分通过浇注物质与接头段连接。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节由下面的描述给出，在描述中借助于附图详细解释本发明的实施例。专业人员也可以适宜地逐一地考虑在附图、描述和权利要求中组合公开的特征，并且组成有意义的其它组合。附图简示出：

图1  燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的离子交换器的袋部件的分解图，袋与离子交换颗粒卷绕成圆柱体，

图2  图1的离子交换器的袋的展开状态，

图3  图1和2的袋在加工状态期间，

图4  图1的组装的离子交换器局部剖视图，其中图1至3的袋配有软管接头并且通过去张力措施与离子交换器外壳的接头段连接，

图5  图4的软管接头的细节图。

在附图中相同的零部件配有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出用于净化汽车的燃料电池系统的通常未示出的冷却装置的冷却流体的离子交换器10的一些零部件的分解图。

离子交换器10包括由刚性塑料制成的保护外壳12，它由两个半壳14和16组成。组装的保护外壳12具有圆柱形状，在图4中示出。

在图1中后面的半壳14的接头段18在图1上部具有用于在图4和5中所示的软管接头42的输入管道接头通孔22，用于在那里所示的要被净化的冷却流体的输入管道23。在半壳16的接头段20里面设置用于软管接头42的排出管道接头通孔24，用于净化的冷却流体的排出管道25。

输入管道接头通孔22侧面向着半壳14的边缘敞开，半壳14在装配状态与半壳16连接。在半壳16的连接段20里面设有空隙26，它与输入管道接头通孔22的敞开侧面对中。

具有排出管道接头通孔24的接头段20的部位27突出于面对半壳14的半壳16边缘。在后面的半壳14的接头段18里面设有第二空隙28，它与上述部位27互补。在装配状态部位27嵌入到第二空隙28里面。通过这种方式实现啮合，它使保护外壳12在装配状态稳定。附加地使啮合作为装配时的导向辅助。

排出管道接头通孔24在其面对半壳14的一侧上敞开。排出管道接头通孔24和输入管道接头通孔22是侧面敞开的，由此可以使软管接头42方便地从侧面插入。

在保护外壳12里面设置由弹性塑料薄膜制成的柔性袋30，在其中容纳离子交换颗粒32。已经充分地公知离子交换颗粒32的工作原理。在图2中示出离子交换颗粒32。在图2中展开地示出袋30。

如图1所示，袋30卷绕成圆柱体。通过袋30卷绕扁平的、柔性的无纺布34形式的保护材料，它能够保护袋30外侧面免受磨透。通过无纺布34卷绕的袋30包装到由弹性织物制成的弹性支撑套36里面。在图1中以网的形式表示的支撑套36具有压缩套的功能。它使卷绕的袋30稳定地保持其形状并且压缩袋和含有的离子交换颗粒32。

用于要被净化的冷却流体的入口38和用于净化的冷却流体的出口40位于面对保护外壳12的接头段18和20的卷绕袋30的端面上。在离子交换器10的装配状态入口38对应于输入管道接头通孔22，出口40对应于排出管道接头通孔24。

在入口38和出口40上分别设有软管接头42。在图4和5中示出入口38的软管接头42。软管接头42分别具有焊接环片43。通过焊接环片43使软管接头42与袋30的各焊接表面68焊接，软管接头包围入口38的入口孔44和出口40的出口孔46。在每个软管接头42里面设置筛网48，通过它防止离子交换颗粒32通过软管接头42从袋30逸出来。

软管接头42分别具有去张力措施50，通过它使软管接头固定在半壳14的接头段18里面。软管接头42和面对接头段18和20的卷绕袋30部分还在接头段18和20中通过浇注物质52浇注。由此提高离子交换器10的机械强度、尤其耐压性并且保持离子交换颗粒的密实性。

每个软管接头42在其自由端上构成楔形进入的快速接头54，在其上插上输入管道23或排出管道25并且例如可以通过软管卡圈固定。

在与入口38和出口40对置的卷绕的袋30的底部端面与保护外壳12的底部56之间设置聚乙烯制成的保护板58。通过保护板58保护袋30底部边缘64上的焊缝免受磨透，例如由于振动。

袋30由在图3中示出的、扁平挤压的塑料软管60制成。塑料软管60在两个敞开的端部上焊接，如图2所示，它们形成总体上基本矩形袋30的接头边缘62和底部边缘64。

接头边缘62在袋30侧面边缘76部位形成接头板66。在接头板66里面存在入口孔44和出口孔46和各焊接面68。

从接头边缘62三个连续的、平行于侧面边缘76的焊缝70在底部边缘64的方向上延伸。通过焊缝70使两个对置的塑料软管60的内侧面相互连接。焊缝70以与底部边缘64的间隔72终结。

从底部边缘64在接头边缘62方向上延伸两个焊缝74，它们平行于焊缝70。它们同样与接头边缘62间隔72地终结。焊缝74分别中间地位于两个相邻焊缝70之间。

相邻的焊缝70与74之间的距离和外部焊缝70与袋30侧面边缘76之间的距离对应于间隔72。总体上实现用于冷却流体的迂回走向的流动通道78，它在其整个流动长度上具有相同的对应于间隔72的宽度。流动通道78连接入口38与出口40。离子交换颗粒32位于流动通道78里面。

为了加工袋30扁平挤压塑料软管60并且在敞开的端部上为了形成接头边缘62和接头板66配有连续的密封焊缝。对置的袋30内侧面通过平行的焊缝70和74连续密封地连接。在此焊缝74突出于以后的底部边缘64，它在图3中以虚线表示。

袋30与以后的底部边缘64间隔地在与接头边缘62对置的一侧上与塑料软管60分开。在以后的底部边缘64与袋30的敞开端部之间的段作为漏斗段80。

接着这样设置袋30，使漏斗段80的敞开侧面是空间上的上部。离子交换颗粒32充入到漏斗段80里面，直到在焊缝70与74之间形成流动通道78的中间空间以离子交换颗粒32充满到以后的底部边缘64。

然后使袋30沿着在图3中虚线表示的线连续密封地焊接。分开漏斗段80。

无纺布34平面地放置在袋30上并且与它一起卷绕成圆柱体。接着将卷绕到一起的袋30插入到支撑套36里面。

软管接头42通过焊接环片43焊接在入口38和出口40的焊接面68上。

卷绕到一起的袋30在中间衬入保护板58的条件下放到半壳14里面，由此使软管接头42通过排出管道接头通孔24和输入管道接头通孔22导引。软管接头42的去张力措施50与接头段18连接。插上半壳16并且与半壳16焊接。

通过在图1中在半壳16中所示的充入孔82将硬化的浇注物质充入到袋30的接头边缘62之间的空心空间和半壳14和16的接头段18和20里面。接着封闭充入孔82。

通过第二充入孔84充入硬化的泡沫88，通过它充满保护外壳12与卷绕的袋30之间的空心空间90和在袋30的卷圈之间的空心空间，如图2所示的那样。接着封闭第二充入孔84。

在离子交换器10运行时，要被净化的冷却流体从进入管道23通过入口侧的软管接头42流到入口38。冷却流体通过流动通道78在图2所示的箭头86方向上流动。由此使冷却流体通流离子交换颗粒32并且以公知的方式净化。

净化的冷却流体通过出口40离开袋30，并且通过出口侧的软管接头42从保护外壳12流到冷却装置的排出管道25。

在所有上述的离子交换器10的实施例中可以实现下面的变化：

本发明不局限于汽车燃料电池的冷却装置的离子交换器10。而是也可以在其它形式的功能系统的离子交换器中用于净化其它液体流体，例如在电火花机床中的用于水去离子的离子交换器，在静止的燃料电池应用或者用于净化含水的尿素溶液中使用，尿素溶液例如喷射到内燃机的废气流里面，用于氧化氮的氧气还原。本发明也可以在净化饮用水、冷却水、锅炉水或者其它形式的消耗水中使用。

代替弹性的塑料薄膜也可以由非弹性的、但是柔性的塑料制成袋30。

也可以放弃用于浇注软管接头42与连接段18和20的浇注物质52。

代替快速接头54也可以使用其它形式的软管接头，例如用于使输入管道23与排出管道25连接的软管接头。

代替筛网48也可以使用其它形式的筛网或过滤措施，用于防止离子交换颗粒32从袋30逸出来。代替设置在软管接头42里面，筛网48也可以设置在袋30上。

代替由聚乙烯制成保护板58，也可以由其它形式的保护材料、最好是热固塑料、例如聚氨酯制成保护板。

在简化的离子交换器10实施例中可以省去保护无纺布34以及保护板58。

也可以省去在保护外壳12与袋30之间和/或在袋30的卷圈之间的空心空间90通过第二充入孔84发泡。代替硬化的泡沫也可以使用其它在最终状态不可压缩的介质、例如液体、最好是由水和乙二醇组成的等量混合物。

迂回走向的流动通道78也可以通过多于或少于5个的焊缝70和74实现。

代替平行直线形式的焊缝70和74，也可以实现至少部分非平行的直线或曲线的焊缝。

代替在其流动长度上也可以使流动通道78具有加宽和/或变窄。

代替在接头边缘62附近也可以在对置的边缘或者侧面边缘上或者也在端部边缘与侧面边缘之间的袋表面内部设置入口38和出口40。

在简化的实施例中也可以省去弹性的支撑套36。

代替卷绕成圆柱体，也可以以其它方式成形袋30，例如折叠。

代替由两个半壳14和16组成保护外壳12，也可以在轴向上由两个部件、例如外壳钵和盖制成保护外壳。保护外壳也可以由多于两个的部件组成。

代替相互焊接半壳14和16，也可以以其它方式相互连接，例如相互粘接、螺栓连接或卡接。

代替焊缝70和74和在接头边缘62上和在底部边缘64上的焊缝，也可以使用其它形式的连续的袋内表面连接，例如粘接。

Claims (11)

1. 一种用于净化功能系统的液体流体、尤其汽车的尤其燃料电池系统的冷却装置的冷却流体的离子交换器（10），具有离子交换容器（30），它具有用于要被净化的流体的入口（38）和用于净化的流体的出口（40），并且在容器里面在入口（38）与出口（40）之间流体技术地设置颗粒状的离子交换介质（32），其特征在于，所述离子交换容器设计成柔性的袋（30），其中该柔性的袋（30）具有迂回走向的、用于流体的通道（78），它使入口（38）与出口（40）连接并且离子交换介质（32）位于通道里面。

2. 如权利要求1所述的离子交换器（10），其特征在于，所述迂回走向的通道具有彼此平行且相互邻接的通道段。

3. 如权利要求2所述的离子交换器（10），其特征在于，所述袋（30）卷绕成基本圆柱体。

4. 如权利要求3所述的离子交换器（10），其特征在于，用袋（30）卷绕扁平的、柔性的保护材料、尤其无纺布（34）。

5. 如权利要求3或4所述的离子交换器（10），其特征在于，所述卷绕的袋（30）包装到弹性的支撑套、尤其压缩套（36）里面。

6. 如上述权利要求中任一项所述的离子交换器（10），其特征在于，所述袋（30）由塑料制成并且所述通道（78）通过许多尤其平行的连接曲线、尤其焊缝（68,70）限制，沿着焊缝使所述袋（30）的两个对置内侧面相互连接，并且所述焊缝交替地从袋（30）的第一边缘（62）一直延伸到与对置的第二边缘（64）的间隔（72），该间隔尤其对应于在相邻的连接曲线（68,70）之间的通道（78）宽度，并且从第二边缘（64）一直延伸到与第一边缘（62）的间隔、尤其相同的间隔（72）。

7. 如上述权利要求中任一项所述的离子交换器（10），其特征在于，所述入口（38）和出口（40）位于袋（30）的同一边缘（62）附近。

8. 如上述权利要求中任一项所述的离子交换器（10），其特征在于，所述袋（30）设置在最好刚性的保护外壳（12）里面，它尤其由两个半壳（14,16）组成。

9. 如权利要求8所述的离子交换器（10），其特征在于，在保护外壳（12）与袋（30）之间的空心空间（90）以最好不可压缩的填充介质、尤其液体或发泡（88）充满。

10. 如权利要求8或9所述的离子交换器（10），其特征在于，在袋（30）与保护外壳（12）之间设置防磨措施（58）、尤其由热固塑料、最好聚乙烯或聚氨酯制成。

11. 如权利要求8至10中任一项所述的离子交换器（10），其特征在于，所述袋（30）利用去张力措施（50）固定在保护外壳（12）的接头段（18）上。

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