DE102006047574A1

DE102006047574A1 - Leitungsoptimierung zum Verhindern von Einfrieren

Info

Publication number: DE102006047574A1
Application number: DE102006047574A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Peter Riedel; Thomas Winkeler
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20100032042A1; US7967029B2; EP2076931A1; WO2008040433A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen durch eine geschlossene Leitung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellentrieben.
Ein Einfrieren der Leitungen wird dadurch verhindert, dass ein Teil der innenwandigen Strömungspassagen oder Strömungsräume mit einem Flies aus Edelstahl versehen ist, welches bei niedrigen Temperaturen durch seine kapillare Wirkung Flüssigkeit in verteilter Form aufnimmt und eine vorzeitige Eisbildung hemmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen, welche ein Einfrieren und somit Verstopfen der Leitung weitgehend verhindert. Solche Vorrichtungen werden besonders bei modernen Brennstoffzellenantrieben im Fahrzeugbau verwendet, um den Betriebstemperaturbereich solcher Antriebe auszuweiten. Besonders kritisch zeigt sich hierbei wie auch bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren die Kaltstartphase in der noch keine Prozesswärme der Hauptaggregate zum Auftauen zur Verfügung steht.
Die DE 3129836 C1 offenbart ein Verfahren zum Einbringen einer Kapillarstruktur wie beispielsweise ein Edelstahlnetz auf die Innenseite eines langen, innen glatten Rohres, um Flüssigkeit über den Innenumfang des Rohres durch Kapillarkräfte gleichmäßig zu verteilen. Durch die Ausnutzung der Kapillarwirkung kann der Gerierpunkt etwas niedriger gehalten werden und somit ein Zufrieren der Leitungen hinausgezögert werden.
Auch die DE 10063254 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Freihalten von Leitungen durch Verteilen von flüssigem Wasser mittels Kapillarkräften. Dazu wird eine poröse Beschichtung aus beispielsweise Alumosilikat oder Zeolith auf der Innenseite der Rohrleitung aufgebracht, welche bei niedrigeren Temperaturen Wasser in verteilter Form aufnimmt und bei höheren Temperaturen das Wasser mindestens zum Teil wieder abgibt. Solche Beschichtungen, die bei niedrigen Temperaturen Wasser in verteilter Form aufnehmen, wodurch die Bildung von Wassertropfen und das Zusammenlaufen von Wassertropfen zu größeren Wassermengen verhindert werden soll, haben jedoch nur eine begrenzte Kapazität zur Flüssigkeitsaufnahme.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen zu schaffen, welche ein Einfrieren und somit Verstopfen der Leitung weitgehend verhindert und welche es ohne weiters ermöglicht, einen störungsfreien Betrieb bei Minustemperaturen aufzunehmen, ohne dass ausgeschiedenes und zu größeren Mengen angesammeltes Wasser durch Einfrieren den Betrieb des Brennstoffzellenantriebs behindert oder die Vorrichtung gar durch Frost beschädigt.
Diese Aufgabe zur Vorrichtung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein Vorteil der Erfindung liegt in einem Flies auf mindestens einem Teil der innenwandigen Strömungspassagen oder Strömungsräume, welches bei niedrigen Temperaturen Flüssigkeit in verteilter Form aufnimmt.
Somit beruht die Erfindung auf der physikalischen Erkenntnis, dass es kapillare, räumliche Strukturen gibt, die bei niedrigeren Temperaturen Flüssigkeiten in verteilter Form aufnehmen, womit die Bildung von beispielsweise Wassertropfen und das Zusammenlaufen von größeren Flüssigkeitsansammlungen, die dann in einer zusammenhängenden, blockbildenden Struktur einfrieren können, verhindert oder zumindest erschwert wird. Selbst wenn es zu einem Einfrieren kommen sollte, wäre die Eisbildung durch das Flies nur lokal auf einzelne Kristallisationskeime beschränkt, womit Frostschäden verhindert wären.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen, welche das Einfrieren und somit Verstopfen der Leitung weitgehend verhindert, wird das Flies in Edelstahl ausgeführt. Damit werden gerade bei großen Temperaturbändern wahrscheinliche Verunreinigungen durch unbeabsichtigte Korrosionen oder gar Materialablösungen, welche zu einer Fehlfunktion oder gar Beschädigung des Brennstoffzellenantriebs führen könnten, weitgehend vermieden.
Zu einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Flies mehrlagig ausgeführt. Damit wird eine funktionelle Differenzierung der verschiedenen Lagen des Flies möglich.
Die Mehrlagigkeit des Flies wird folgendermaßen ausgeführt:

– das Flies zur Tragfunktion ist mit einer groben Maschenstruktur zur wandseitigen Leitungsoberfläche hin gerichtet; diese Lage hat die Funktion, den kompletten Fliesverbund statisch in der Leitung in Form zu halten, aber ihm auch während des Einführvorgangs eine gewisse, zur Montage notwendige Stabilität zu geben.
– das Flies zur Kapillarwirkung ist mit einer feinen Maschenstruktur zur Leitungsmitte hin gerichtet und steht somit in direkter Berührung zu der Flüssigkeit oder den feuchten Gasen des Brennstoffzellenprozesses. Statisch getragen durch die Flieslage mit der groben Maschenstruktur besteht die funktionelle Aufgabe der Flieslage mit dem feinen Maschenstruktur darin, die Oberflächenstruktur so kleinporig dazustellen, dass kondensierende Flüssigkeit quasi kapillar aufgesaugt wird und somit keine größeren Flüssigkeitsansammlungen, welche einfrieren und zu einer Verstopfung des Brennstoffzellensystems führen könnten, auf der Fliesoberfläche verbleiben können.

Weitere vorteilhaften Ausgestaltungen der Flieslagen bestehen darin, das Flies mit feiner Maschenstruktur zur Vermeidung von Kondensatbildung mit speziellen Chemikalien zu beschichten. Als praktikable Beschichtungen haben sich Aluminiumsilikate und Polymere mit Säure- oder Laugenresten bewährt. Solche hydrophilen Beschichtungen mit ihrer chemischen Affinität zu Wasser vermindern zusätzlich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, womit wiederum größere Flüssigkeitsansammlungen welche einfrieren und zu einer Verstopfung des Brennstoffzellensystems führen könnten, vermieden werden.
Falls bei extrem tiefen Temperaturen weder die vorab beschriebene physikalische Kapillarwirkung noch die chemische hydrophile Wirkung der Fliesbeschichtung ein Einfrieren verhindern können, ist zur Freihaltung der Leitung und des Fliesgewebes ein Heizleiter eingebaut. Ein solcher Heizleiter mit elektrischen Heizdrähten ist in der tragenden, groben Maschenstruktur der wandseitigen Flieslage vorteilhaft eingearbeitet. In einer weiteren Ausführung kann beispielsweise die wandseitige Flieslage wiederum selbst zweilagig aufgebaut werden und der Heizleiter zwischen den beiden Lagen der wandseitigen Flieslage eingepresst oder eingeklebt sein. Der Heizleiter ist nur so lange in Betrieb, bis die Prozesswärme des Brennstoffzellenantriebs ein Einfrieren verhindert, um die Elektrik des Fahrzeugs nicht unnötig zu belasten.
Zusätzlich wird ein vorteilhaftes Verfahren zum Befüllen der geschlossenen Leitung mit dem Flies oder Fliesverbund beschrieben. Dabei wird das Flies in eingerolltem Zustand in die geschlossene Leitung eingeführt und erst an der endgültigen zur Funktion notwendigen Stelle in der Leitung aufgerollt. Das Durchziehen des eingerollten Flies kann beispielsweise an den vorab durch die Leitung gezogenen Anschlussdrähten der Heizelemente erfolgen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist anhand der Zeichnungen dargestellt.
Dabei werden folgende Querschnitte dargestellt:
1 Leitung mit einem Flies
2 Leitung zweilagigem Fliesverbund
3 Leitung dreilagigem Fliesverbund
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Leitung 1 zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen mit einem Flies 2 aus Edelstahl. Das Flies 2 schmiegt sich an die Innenwand der Leitung 1 abschnittsweise an.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Leitung 1 zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen mit einem zweilagigen Fliesverbund mit einem Flies zur Tragfunktion mit einer groben Maschenstruktur 3 zur wandseitigen Leitungsoberfläche 1 hin gerichtet und einem Flies zur Kapillarwirkung mit einer feinen Maschenstruktur 4 zur Leitungsmitte hin gerichtet, welche in direkter Berührung zu der Flüssigkeit oder den feuchten Gasen steht.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Leitung 1 zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen mit einem dreilagigen Fliesverbund mit einem zweilagig aufgebauten Flieslage zur Tragfunktion mit einer groben Maschenstruktur mit einer zur wandseitigen Leitungsoberfläche 1 hin gerichteten Außenschicht 5 sowie einer innenliegenden Schicht 7. Zwischen diesen beiden tragenden Flieslagen sind die Heizdrähte 6 des Heizelementes plaziert. Das Flies zur Kapillarwirkung mit der feinen Maschenstruktur 8 ist zur Leitungsmitte hin gerichtet in direkter Berührung zu der Flüssigkeit oder den feuchten Gasen auf der innenliegenden Schicht 7 des zweilagig aufgebauten Flies zur Tragfunktion angeordnet.

Claims

Vorrichtung zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder feuchten Gasen durch eine geschlossene Leitung (1) dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der innenwandigen Strömungspassagen oder Strömungsräume mit einem Flies (2) versehen ist, welches bei niedrigen Temperaturen Flüssigkeit in verteilter Form aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Flies (2) aus Edelstahl hergestellt ist
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Flies (2) mehrlagig ausgeführt ist
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Flies (2) zur Tragfunktion eine grobe Maschenstruktur (3) und zur Kapillarwirkung eine feine Maschenstruktur (4) aufweist
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Flies (2) zur Tragfunktion mit grober Maschenstruktur (3) zur wandseitigen Leitungsoberfläche hin gerichtet ist und das Flies zur Kapillarwirkung mit feiner Maschenstruktur (4) zur Leitungsmitte hin gerichtet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Flies mit feiner Maschenstruktur (4) zur Vermeidung von Kondensatbildung eine Beschichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf der feinen Maschenstruktur (4) als Aluminiumsilikat ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf der feinen Maschenstruktur (4) als Polymer mit Säure- oder Laugenresten ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Flies mindestens abschnittsweise geheizt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Fliesgewebe mit grober, tragender Maschenstruktur (3) mindestens abschnittsweise als Heizleiter ausgeführt ist.
Verfahren zum Befüllen der geschlossenen Leitung mit dem Flies dadurch gekennzeichnet, dass das Flies (2) in eingerolltem Zustand in die geschlossene Leitung (1) eingeführt wird und erst an der endgültigen, zur Funktion notwendigen Stelle, aufgerollt wird.