DE102012207258A1 - Wasserführende Kühlanlage - Google Patents

Abstract

Bei einer wasserführenden Kühlanlage, bei der Kühlwasser in metallischen Kanälen geführt ist, wird zumindest ein Teil der wasserführenden Kanäle mit einer hydrophilen Oberfläche ausgestattet, um die Anlage von Gasblasen zu vermeiden und den Wärmeübergang zu verbessern.

Description

• Die Erfindung betrifft eine wasserführende Kühlanlage, in welcher Kühlwasser in metallischen Kanälen geführt ist. Wasserführende Kühlanlagen werden heute in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Die dabei verwendeten Wärmetauscher und Rohrleitungen bestehen häufig aus Edelstahl. Insbesondere bei hochtechnischen Anwendungen, bei denen es auf eine möglichst intensive oder geräuscharme Kühlung ankommt, tritt das Problem der Blasenbildung innerhalb des Kühlwasserkreislaufes auf. Es zählt zwar zum Stand der Technik durch Gasabscheider, Vakuumentgaser und dergleichen, den Gasanteil innerhalb des Kühlwasserkreislaufes zu verringern. Eine hohen technischen Ansprüchen genügende Lösung gibt es jedoch nicht.
• Dabei lagern sich kleinste Gasbläschen, insbesondere dort an, wo sie nicht erwünscht sind, sei es, weil sie den Wärmeübergang verschlechtern oder sei es weil sie Geräusche verursachen.
• Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wasserführende Kühlanlage mit möglichst einfachen technischen Mittel so auszubilden, dass die vorgenannten Probleme im Zusammenhang mit der Gasblasenbildung vermieden, zumindest deutlich verringert werden.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Kühlanlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
• Die erfindungsgemäße Kühlanlage bzw. das erfindungsgemäße Kühlsystem, welches mit Kühlwasser als Wärmeträgermedium arbeitet, welches in metallischen Kanälen geführt ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der wasserführenden Kanäle mit einer hydrophilen Oberfläche ausgestattet ist. Kühlwasser im Sinne der Erfindung ist eine Kühlflüssigkeit auf Wasserbasis. Das Kühlwasser kann daher mit Zusatzstoffen, beispielsweise Glykol, angereichert sein, wobei die Menge der Zusatzstoffe nicht beschränkt ist, so dass ggf. der Wasseranteil kleiner sein kann als der der Zusatzstoffe.
• Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es somit, die wasserführenden Kanäle der Kühlanlage vollständig oder zumindest an neuralgischen Punkten mit einer hydrophilen Oberfläche auszustatten, was dazu führt, dass das Kühlwasser zumindest in diesem Bereich diese Oberfläche vollflächig benetzen kann und sich somit in diesem Bereich keine Gasblasen ansammeln können. Dies führt insbesondere dann, wenn die hydrophile Oberfläche in den Bereichen vorgesehen wird, in welchen ein Wärmeaustausch zum Wärmeträgermedium Wasser erfolgt, dazu, dass eine bessere Wärmeübertragung und damit in der Regel auch eine intensivere Kühlung erfolgt. Weiterhin ist dies Voraussetzung dafür, dass die gegebenenfalls im Kühlwasser befindlichen Gasblasen sich nicht an der Oberfläche von Kanälen absetzen und ansammeln können, sondern mit der Flüssigkeit mitgeführt und somit gezielt abgeschieden werden können. Hierdurch wird bei üblicher Kreislausführung des Kühlwassers ein nahezu vollständiges Abscheiden der Gasblasen ermöglicht, was wiederum insbesondere in der Unterseeboottechnik den erheblichen Vorteil hat, dass die Strömungsgeräusche in den Leitungen vermindert oder gar vermieden werden können.
• Insbesondere wenn die metallischen Kanäle aus Edelstahl gebildet sind, sei es dass es sich um Leitungen oder auch um Kanäle im Bereich von zu kühlenden Geräten, wie beispielsweise Brennstoffzellenstapel handelt, kann eine solche hydrophile Oberflächenausstattung vorteilhaft durch Beschichtung erfolgen. Die Herstellungsprozesse müssen also nicht grundlegende geändert sondern lediglich hinsichtlich des Beschichtungsschrittes angepasst werden.
• Besonders vorteilhaft ist es, im Bereich eines Wärmetauschers den wasserführenden Teil hydrophil zu beschichten, da insbesondere dort, wo der Wärmeübergang stattfindet, sich Luftblasen bilden und auch anlagern können. Durch die hydrophile Beschichtung kann eine Gasblasenbildung zwar nicht verhindert, jedoch die Anlagerung derselben vermieden werden.
• Als besonders kritischer Punkt haben sich die Kühlkanäle in Brennstoffzellen der PEM-Bauart erwiesen, die typischerweise zu Stapeln verbaut werden und unter katalytischer Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser Strom erzeugen. Bei derartigen Brennstoffzellen ist die Temperaturführung für den Wirkungsgrad extrem wichtig, da bei zu geringer Temperatur die Aktivität nachlässt und bei zu hoher Temperatur die PEM-Membran austrocknet und damit den Ionendurchtritt und somit den katalytischen Prozess behindert. Gerade in diesem Bereich tritt das Problem der Gasblasenanlagerung vermehrt auf, weshalb es besonders vorteilhaft ist, die Kühlkanäle des Brennstoffzellenstapels hydrophil zu beschichten. Da die hydrophile Beschichtung dieser Kühlkanäle wegen der dort üblicherweise verwendeten Kühlkarten, die aus aufeinander angeordneten Edelstahlblechen bestehen, technisch wenig aufwändig ist, kann der Brennstoffzellenstapel mit nur geringem Mehraufwand hergestellt aber sehr effektiv und störungsfrei betrieben werden, da der Wärmeübergang, dadurch dass sich hier keine Gasblasen mehr sammeln, stets gleich ist und somit der Prozess gut steuerbar ist.
• Auch fertigungstechnisch ist die hydrophile Beschichtung dieser Platten unproblematisch, da sie ohnehin auf der anderen, dem Reaktanden zugewandten Seite typischerweise mit Gold beschichtet werden. Eine hydrophile Beschichtung der Kühlwasserseite dieser Platten ist somit fertigungstechnisch ohne weiteres in den Fertigungsprozess eingliederbar.
• Um eine weitgehende Gasabscheidung innerhalb eines Kühlwasserkreislaufes zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, sämtliche Kühlkanäle der Anlage, welche Kühlwasser führen, hydrophil auszustatten.
• Eine hydrophile Beschichtung kann in geeigneter Weise erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen einer Oxidschicht, insbesondere von Siliziumoxid oder Titanoxid. Je nach Anwendung kann jedoch auch eine hydrophile Beschichtung durch Zeolithe oder Silane gebildet werden.
• Die Beschichtung kann durch Plasmabehandlung oder auch in anderer geeigneter Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kühlanlage auf einem militärischen Unterseeboot einsetzbar, da durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zum einen die Strömungsgeräusche innerhalb der Kühlanlage erheblich reduziert werden können und damit einen positiven Einfluss auf die Signatur des Bootes haben und andererseits insbesondere der Betrieb der Brennstoffzellenanlage weiter optimiert werden kann, da die Temperaturführung wesentlich genauer als beim Stand der Technik erfolgen kann.

Claims (10)

1. Wasserführende Kühlanalage, bei welcher Kühlwasser in metallischen Kanälen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der wasserführenden Kanäle mit einer hydrophilen Oberfläche ausgestattet ist.
2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der metallischen Kanäle aus Edelstahl gebildet und mit einer hydrophilen Beschichtung versehen ist.
3. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen wasserführender Teil hydrophil beschichtet ist.
4. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PEM-Brennstoffzellenstapel eingebunden ist und dass die Kühlkanäle des Brennstoffzellenstapels hydrophil beschichtet sind.
5. Kühlanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellenstapel Metallplatten, insbesondere Edelstahlplatten zur Bildung von Kühlkanälen vorgesehen sind, welche an ihrer wasserführenden Seite hydrophil beschichtet sind.
6. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle wasserführenden Kanäle hydrophil ausgestattet sind.
7. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Beschichtung durch eine Oxidschicht, insbesondere eine Siliziumoxid- oder Titanoxidschicht gebildet ist.
8. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Beschichtung durch Zeolithe oder Silane gebildet ist.
9. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Beschichtung durch Plasmabehandlung gebildet ist.
10. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanlage Teil eines militärischen Unterseebootes bildet.