DE102010016635B4

DE102010016635B4 - Verdampfervorrichtung

Info

Publication number: DE102010016635B4
Application number: DE201010016635
Authority: DE
Inventors: Ingo Dannenberg; Thomas Etzrodt
Original assignee: Calyxo GmbH
Current assignee: Calyxo GmbH
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: DE102010016635A1

Abstract

Verdampfervorrichtung zum Verdampfen fester und/oder flüssiger Materialien, welche die folgenden Bestandteile enthält: – einen Wärmeübertragerblock (1), – mindestens ein Heizelement zum Heizen des Wärmeübertragerblocks (1), – mindestens einen Strömungskanal (5) zur Führung eines Gemisches aus einem Trägergas und dem zu verdampfenden Material, der im Wärmeübertragerblock (1) verläuft, – mindestens einen am Wärmeübertragerblock (1) angeordneten Einlass (3) für das Gemisch aus Trägergas und zu verdampfenden Material in den Strömungskanal (5) und – mindestens einen am Wärmeübertragerblock (1) angeordneten Auslass (4) aus dem Strömungskanal (5), wobei der Wärmeübertragerblock (1) einstückig aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizelement innerhalb des Wärmeübertragerblocks (1) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Dünnschicht-Solarzelle bzw. ein daraus aufgebautes Solarmodul ist schichtförmig aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten, je nach Bauweise, Stärken von einigen Mikrometern bis hin zu wenigen Nanometern haben. Um diese dünnen Schichten zu erzeugen ist es oftmals nötig, Feststoffe in die gasförmige Phase zu überführen und diese anschließend gezielt wieder in die feste Phase zu überführen.
Dies wird beispielsweise erreicht indem das abzuscheidende Material, beispielsweise Silizium, Tellur, Cadmium-Tellurid oder Aluminiumsulfid, fein zerkleinert wird. Anschließend wird es in einem inerten Trägergas, beispielsweise Stickstoff oder ein Element aus der Gruppe der Edelgase, durch eine Verdampfervorrichtung geführt. Eine solche Vorrichtung umfasst zum Beispiel einen Wärmeübertragerblock, ein Heizelement zum Heizen des Wärmeübertragerblocks, einen Strömungskanal, der im Wärmeübertragerblock verläuft, einen am Wärmeübertragerblock angeordneten Einlass in den Strömungskanal und einen am Wärmeübertragerblock angeordneten Auslass aus dem Strömungskanal. Das Gas-Feststoffgemisch wird im Strömungskanal um ein Heizelement geführt. Damit wird es auf eine Temperatur oberhalb seiner Verdampfungstemperatur gebracht und dessen Feststoffanteil somit in den gasförmigen Zustand überführt. Eine derartige Verdampfervorrichtung mit einem aus mehreren Bauteilen aufgebauten Wärmeübertragerblock ist beispielsweise in der Patentschrift US5146869A beschrieben.
Nachteilig an dieser Art von Verdampfervorrichtungen ist jedoch, dass bei den im Verdampfungsprozess regelmäßig nötigen Temperaturen von über 1000°C bis hin zu 1500°C thermische Spannungen entstehen, bedingt durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile der Verdampfervorrichtungen. Diese Spannungen können bei häufigem Betrieb und damit verbundenen Temperaturschwankungen bis zu einem Ermüdungsbruch des Materials führen. Ebenso führt die unterschiedliche Ausdehnung der einzelnen Bauteile zu einer Anfälligkeit für Spalten und Lecke, durch welche Gas entweichen kann und somit einen Druckabfall verursacht.
Ein weiterer Nachteil liegt in dem derzeit häufig verwendeten Material Silizium-Carbid. Bei den im Verdampfungsprozess verwendeten Temperaturen von bis zu 1500°C ist es möglich, dass sich geringe Mengen des Silizium-Carbid-Materials lösen und mit in das Trägergas diffundieren. Während dies bei Solarzellen auf Siliziumbasis unkritisch ist, führt bei anderen Solarzellen, beispielsweise auf Cadmium-Tellurid-Basis, bereits eine Verunreinigung im Bereich von wenigen ppm zu einer erheblichen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Endprodukts.
Eine Verdampfervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der WO 99/43866 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verdampfervorrichtung zu entwickeln, welche durch eine geeignete Bauweise auch über einen längeren Zeitraum ihre Materialstabilität gewährleistet und damit eine längere Betriebsdauer und geringere Störungsanfälligkeit in der Fertigung und im Produktionsbetrieb gewährleistet. Gleichzeitig soll seine Gasdichtheit auch bei höheren Temperaturen gewährleistet werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Verdampfervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertragerblock einstückig aufgebaut ist. Dieser einstückige Aufbau gewährleistet, dass bei einer Erwärmung der Verdampfervorrichtung keine Verspannungen durch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten auftreten. Ebenso wird dadurch vermieden, dass sich an Verbindungsstellen von Einzelteilen gasleckende Zwischenräume bilden, welche zu einem Gasaustritt und damit verbundenem Druckabfall führen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock aus Graphit besteht. Dieses Material weist eine hohe thermische Beständigkeit und eine hohe Gasdichtigkeit auf. Für die Anwendung in dieser Verdampfervorrichtung ist es jedoch besonders geeignet, da es bei der Betriebstemperatur von teils über 1500°C zu einer Diffusion des Materials in das Trägergas im Bereich einiger ppm kommen kann. Für Solarzellen auf Cadmium-Tellurid Basis ist eine Verunreinigung durch Graphit in diesen Mengen unkritisch.
Eine spezielle Ausführungsform der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock aus miteinander versinterten Blockelementen aus Graphit besteht. Dabei werden zunächst Einzelteile aus Graphit gefertigt, diese entsprechend zusammengefügt und in einem Sinterprozess miteinander verbunden, so dass die Einzelteile übergangslos zu einem monolithischen Bauelement miteinander verschmelzen.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Verdampfervorrichtung bereitzustellen welche alle Vorteile des einstückigen Aufbaus aufweist, dabei jedoch ebenso komplex wie eine mehrstückige Vorrichtung ausgebildet sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdampfervorrichtung derart aufgebaut, dass die Heizelemente mindestens eines der folgenden Bauelemente umfasst:

– Feststoff-Heizstäbe, beispielsweise aus Silizium-Carbid
– Induktionsheizstäbe,
– Infrarotstrahler,
– Durchlauferhitzer.

Hierbei sind die Heizelemente in den Wärmeübertragerblock eingeschlossen. Zur Einpassung sind dazu innerhalb des Wärmeübertragerblocks Heizelementschächte vorgesehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verdampfervorrichtung derart aufgebaut dass die Heizelemente innerhalb des Wärmeübertragerblocks oder innerhalb und außerhalb des Wärmeübertragerblocks angeordnet sind.
Neben der Einbettung der Heizelemente in den Wärmeübertragerblock ist es auch möglich, Heizelemente außerhalb des Wärmeübertragerblocks zu verwenden. Dies kann beispielsweise durch eine Infrarotstrahlungsquelle, eine Induktionsheizung des gesamten Wärmeübertragerblocks oder das Bestromen des gesamten Wärmeübertragerblocks realisiert werden.
Eine bevorzugte technische Realisierung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente unabhängig voneinander ansteuerbar und regulierbar sind. Somit ist es möglich, innerhalb des Wärmeübertragerblocks unterschiedliche Temperaturzonen auszubilden. Dies wiederum ermöglicht beispielsweise, das einströmende Medium im Bereich der Einlasse zunächst nur moderat zu erhitzen, und die Heizleistung im Bereich der Auslasse zu verstärken. Somit kann der Temperaturgradient des zu verdampfenden Mediums exakt gesteuert werden.
Eine weitere bevorzugte technische Realisierung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal mäanderförmig durch den Wärmeübertragerblock verläuft. Diese Form ermöglicht eine möglichst lange Erstreckung des Strömungskanals. Dadurch ist eine höhere Durchlaufzeit sowie Kontaktfläche für den Wärmeübergang von den Heizelementen auf den Wärmeübertragerblock und wiederum auf das durchströmende Medium.
Eine bevorzugte Ausführung der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlasse in den Strömungskanal im Randbereich des Wärmeübertragerblocks befinden. Diese Bauweise ermöglicht einen maximalen Transportweg des durchströmenden Mediums durch den Wärmeübertragerblock und damit einen gleichmäßigen Temperaturgradienten.
Eine besonders bevorzugte Ausführung der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlasse in den Strömungskanal in unterschiedlichen Temperaturzonen des Wärmeübertragerblocks befinden. Durch diese Bauweise ist es möglich, verschiedene Materialien gemeinsam in die Verdampfervorrichtung einzuführen und miteinander zu vermischen. Durch den Zugang in unterschiedlichen Temperaturzonen kann den unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen der verschiedenen Materialien Rechnung getragen werden. Auch kann es technisch sinnvoll sein, ein Material erst hinzuzufügen, nachdem andere Materialien bereits auf eine bestimmte Reaktionstemperatur erwärmt oder miteinander in Reaktion gebracht wurden.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslasse des Strömungskanals im Zentrum des Wärmeübertragerblocks befinden. Ebenso wie das Verlegen der Einlasse in den Randbereich des Wärmeübertragerblocks ermöglicht das Positionieren der Auslasse in das Zentrum des Wärmeübertragerblocks einen möglichst langen Strömungsweg durch den Wärmeübertragerblock.
Eine besondere weitere bevorzugte Ausführung der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslasse des Strömungskanals in unterschiedlichen Temperaturzonen des Wärmeübertragerblocks befinden. Dies ermöglicht beispielsweise, die erhitzten Medien in unterschiedlichen Temperaturbereichen zu entnehmen. Insbesondere ist es hierdurch auch möglich, einen Teil des Mediums zu entnehmen, bevor eine weitere Komponente durch einen entsprechend positionierten Einlass hinzugefügt wird.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführung der Verdampfervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal eine Innenseite aufweist, auf der eine härtende und versiegelnde Beschichtung aufgebracht ist.
Figurenbeschreibung
Es zeigt:
1 die isometrische Perspektivansicht auf die Oberseite einer Ausführungsform einer Verdampfervorrichtung und
2 einen Querschnitt durch den Wärmeübertragerblock der in 1 gezeigten Ausführungsform der Verdampfervorrichtung mit Heizstäben.
1 zeigt die isometrische Perspektivansicht auf die Oberseite einer möglichen Ausführungsform einer Verdampfervorrichtung.
Die Verdampfervorrichtung umfasst einen quaderförmigen Wärmeübertragerblock 1, der aus Graphit besteht. Auf den als Graphitblock ausgebildeten Wärmeübertragerblock 1 ist dabei eine Abdeckplatte aufgesetzt. Diese enthält kreisförmige Aussparungen für die Heizelemente über Heizelementschächten 2, welche gleichmäßig symmetrisch über die Oberfläche des Blocks verteilt sind, wobei sich die Heizelementschächte 2 in den Wärmeübertragerblock hinein erstrecken. Insgesamt sind 3 Reihen mit jeweils 6 Heizelementschächten 2 vorhanden, also insgesamt 18 Heizelementschächte 2 in der Verdampfervorrichtung. Diese Ausführungsform der Verdampfervorrichtung besitzt zwei Einlässe 3 in einen oder mehrere Strömungskanäle, welcher sich durch das Innere des Wärmeübertragerblocks 1 winden. Die Einlässe 3 sind an der Oberseite des Blocks angeordnet, als Rohr ausgebildet und symmetrisch mittig im rechten und linken Randbereich der Abdeckplatte angeordnet. Im Zentrum der Abdeckplatte befindet sich ein Auslass 4 aus den Strömungskanälen, welcher in diesem Fall dieselben Abmessungen wie die Heizelementschächte aufweist.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Wärmeübertragerblock 1 der Verdampfervorrichtung aus 1 parallel zu seiner Oberseite, so dass der im Innern des Wärmeübertragerblocks 1 verlaufende Strömungskanal 5 sichtbar wird. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und die vorangehend gemachten Ausführungen gelten entsprechend.
Der Strömungskanal 5 ist als Kanalsystem ausgeführt, das sich neben den Heizelementkanälen im Körper des Wärmeübertragerblocks 1 erstreckt. Das zu verdampfende Medium wird dabei in den Einlass 3 eingeführt und in den Strömungskanal 5 geleitet, welcher sich zunächst ausgehend vom Einlass 3 in einem Randabschnitt beidseitig parallel zur längeren Außenkante des Wärmeübertragerblocks 1 erstreckt. Der Strömungskanal 5 verläuft dabei nicht geradlinig sondern mäandert senkrecht und quer und/oder parallel zur Ebene des in 2 dargestellten Querschnitts. Dies ist schematisch durch die zwischen den dargestellten Strömungskanalquerschnitten 5 angeordneten Pfeile verdeutlicht. Um diesen mäandrierenden Verlauf zu realisieren nimmt der Strömungskanal 5 zwischen den im Querschnitt gezeigten Strömungskanälen 5 einen U-förmigen Verlauf. Der mäandrierende Strömungskanal 5 wechselt im Eckbereich des Wärmeübertragerblocks 1 seine Ausbreitungsrichtung um 90°, um sich parallel zur kürzeren Außenkante des Wärmeübertragerblocks 1 fast bis zu deren Mitte zu erstrecken. Anschließend mäandert der Strömungskanal 5 in einem Zick-Zack-Verauf zwischen den Heizelementschächten 2 bis hin zum zentral im Wärmeübertragerblock 1 angeordneten Auslass 4.
Der Verlauf des Strömungskanals 5 ist so gewählt, dass dieser das Medium erst im Außenbereich des Wärmeübertragerblocks 1 führt, bevor es im Inneren des Wärmeübertragerblocks 1 mäanderförmig um die Heizelementschächte 2 strömt. Abschließend verlässt das Medium den Wärmeübertragerblock 1 über den Auslass 4 im Zentrum des Wärmeübertragerblocks 1.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertragerblock
2: Heizelementschacht
3: Einlass des Strömungskanals
4: Auslass des Strömungskanals
5: Strömungskanal

Claims

Verdampfervorrichtung zum Verdampfen fester und/oder flüssiger Materialien, welche die folgenden Bestandteile enthält: – einen Wärmeübertragerblock (1), – mindestens ein Heizelement zum Heizen des Wärmeübertragerblocks (1), – mindestens einen Strömungskanal (5) zur Führung eines Gemisches aus einem Trägergas und dem zu verdampfenden Material, der im Wärmeübertragerblock (1) verläuft, – mindestens einen am Wärmeübertragerblock (1) angeordneten Einlass (3) für das Gemisch aus Trägergas und zu verdampfenden Material in den Strömungskanal (5) und – mindestens einen am Wärmeübertragerblock (1) angeordneten Auslass (4) aus dem Strömungskanal (5), wobei der Wärmeübertragerblock (1) einstückig aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizelement innerhalb des Wärmeübertragerblocks (1) angeordnet ist.
Verdampfervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock (1) aus Graphit besteht, wobei der Wärmeübertragerblock (1) bevorzugt aus miteinander versinterten Blockelementen aus Graphit besteht.
Verdampfervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock (1) zumindest einen Heizelementeschacht (2) aufweist, der unabhängig vom Strömungskanal (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente mindestens eines der folgenden Bauelemente umfassen: – Feststoff-Heizstäbe, beispielsweise aus Silizium-Carbid, – Induktionsheizstäbe, – Infrarotstrahler, – Durchlauferhitzer.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente innerhalb des Wärmeübertragerblocks (1) oder innerhalb und außerhalb des Wärmeübertragerblocks (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente unabhängig voneinander ansteuerbar und regulierbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) mäanderförmig durch den Wärmeübertragerblock (1) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlässe (3) in den Strömungskanal (5) im Randbereich des Wärmeübertragerblocks (1) befinden und/oder dass sich die Einlässe (3) in den Strömungskanal (5) in unterschiedlichen Temperaturzonen des Wärmeübertragerblocks (1) befinden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslässe (4) des Strömungskanals (5) im Zentrum des Wärmeübertragerblocks (1) befinden und/oder dass sich die Auslässe (4) des Strömungskanals (5) in unterschiedlichen Temperaturzonen des Wärmeübertragerblocks (1) befinden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) eine Innenseite aufweist, auf der eine härtende und versiegelnde Beschichtung aufgebracht ist.