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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 61/643 559, eingereicht am 7. Mai 2012.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und im Spezielleren die Ausgestaltung eines Feuchtigkeitsstromöffnungskanals, der unter Frostbedingungen nicht blockiert wird, sowie Verfahren für die Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems unter Frostbedingungen, sodass ein Blockieren auf Grund von Eisbildung verhindert wird.
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff über elektrochemische Reaktionen in nutzbare Elektrizität um. Ein wesentlicher Vorteil solch eines Energie erzeugenden Mittels besteht darin, dass dies erreicht wird, ohne auf eine Verbrennung als einen Zwischenschritt angewiesen zu sein. Brennstoffzellen als solche besitzen verschiedene umweltrelevante Vorteile gegenüber Brennkraftmaschinen (ICEs) und ähnlichen Leistungserzeugungsquellen. In einer typischen Brennstoffzelle – wie z. B. einer Protonenaustauschmembran oder einer Polymerelektrolytmembran(in beiden Fällen, PEM)-Brennstoffzelle ist ein Paar von mit einem Katalysator versehenen Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium (z. B. NafionTM) getrennt. Die elektrochemische Reaktion findet statt, wenn ein gasförmiges Reduktionsmittel (wie z. B. Wasserstoff, H2) zu der Anode eingeleitet und an dieser ionisiert und dann dazu gebracht wird, durch das ionendurchlässige Medium hindurch zu strömen, sodass es sich mit einem gasförmigen Oxidationsmittel (wie z. B. Sauerstoff, O2) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) hindurch eingeleitet wurde; diese Kombination von Reaktanden bildet Wasser als harmloses Nebenprodukt. Die Elektronen, die in der Ionisation des Wasserstoffs abgegeben wurden, bewegen sich in der Form von Gleichstrom (DC) über einen äußeren Stromkreis zu der Kathode, der typischerweise eine Last umfasst, an der Nutzarbeit geleistet werden kann. Die durch diesen Fluss von DC-Elektrizität produzierte Leistungserzeugung kann durch Kombinieren vieler solcher Zellen, um einen Brennstoffzellenstapel oder eine ähnliche Anordnung zu bilden, welche ein Brennstoffzellensystem ausmacht, erhöht werden.
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Verschiedene Betriebsbedingungen von Brennstoffzellensystemen können zu einem hohen Wassergehalt in einem oder beiden der Reaktandenströme führen. Zum Beispiel kann sich Wasser, das während des Betriebs des Brennstoffzellensystems erzeugt wird, in einem oder beiden von dem Anodenstrom und dem Kathodenstrom aufbauen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es wünschenswert, übermäßige Feuchtigkeit zu entfernen, um sicherzustellen, dass eine Eisblockade von wichtigen Strömungspfaden unter Bedingungen vermieden wird, unter denen dieses Wasser Frosttemperaturen oder ähnlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein kann. Das Entfernen von Wasser aus dem Anodenkreis der Brennstoffzelle ist besonders schwierig, da es nicht die großvolumige und schnelle Gasströmungsantriebskraft aufweist, welche der Kathodenkreis als Möglichkeit aufweist, jegliches überschüssige Wasser zu entfernen. Als solches wird das Starten eines Fahrzeug-Brennstoffzellensystems, bei dem Feuchtigkeit in einem oder beiden der Reaktandenfluidströme vorhanden ist, unter kalten Umgebungsbedingungen behindert, wenn die niedrigen Temperaturen zu einer Eis oder einer ähnlichen Blockade der Durchgänge führen, die normalerweise den Reaktanden zu oder von den/dem Brennstoffzellen oder -stapel befördern. Wenn ein Strömungspfad, der zu der Anode führt, mit Eis blockiert ist, wird die Strömung von H2 zu dem Stapel verhindert, was wiederum zu einem gestörten kalten katalytischen Aufheiz(CCH, vom engl. cold catalytic heating)-Vorgang und dem folgenden Unvermögen des Fahrzeugs führt, zu starten.
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Eine Möglichkeit, die Heizung innerhalb einer Brennstoffzelle nach einer Ruheperiode zu unterstützen, ist als kalte katalytische Stapelheizung (CCSH, vom engl. cold catalytic stack heating) bekannt. Dieser Ansatz ermöglicht die Strömung von Wasserstoff von der Anode zu der Kathode als eine Möglichkeit, das Aufheizen während Brennstoffzellen-Kaltstarts zu unterstützen. Damit der Kaltstart erfolgreich ist, muss die Strömung von Wasserstoff innerhalb von zwei Sekunden nach dem Start stattfinden. Wenn der Öffnungskanal in dem Ventil mit Eis blockiert ist, findet keine CCSH statt und der Kaltstart wird abgebrochen. Es können auch zusätzliche Energievorrichtungen (einschließlich solcher, die in der Lage sind, Wärme oder eine Schwingung auf Risikokomponenten zu übertragen) verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit einer eisbedingten Blockade der Brennstoffzellen-Komponenten zu reduzieren. Gleichwohl erhöhen solche Maßnahmen erheblich die Kosten und die Komplexität des gesamten Brennstoffzellensystems.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung umfasst eine passive Öffnungskanalausgestaltung, die selbst unter ein Einfrieren auslösenden Umgebungstemperaturen offen bleibt. Der Öffnungskanal erlaubt die Strömung von feuchtem Gas unter derartigen Minustemperaturen ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Energievorrichtungen und vereinfacht dadurch den gesamten Aufbau und reduziert die Kosten, das Gewicht, die Größe, die Zuverlässigkeit und die Systemeffizienz.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine schalenförmige Vorrichtung oder Komponente in einen oder beiden von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad hinein gebildet. In einer bestimmten Ausgestaltung ist die Schale als ein Konus mit einem Öffnungskanal mit einem Durchmesser von etwa 2 Millimeter an der Basis geformt. In einer Form beträgt die Wandstärke solch einer Schale etwa 0,08 Millimeter und sie kann aus Aluminium der Serie 1100 hergestellt sein. In einer bevorzugten Form ist die schalenförmige Komponente als ein Einsatz ausgestaltet, sodass sie schnell in einen vorhandenen Ventilströmungspfad eingesetzt werden kann. In einer anderen bevorzugten Form ist der Öffnungskanal vulkanförmig in Bezug auf den Rest der Komponente, sodass der Rand des Öffnungskanals den Ausgangspunkt des Durchgangs des Reaktanden durch den Öffnungskanal hindurch definiert.
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Eine Variante dieses Aspekts umfasst ein Brennstoffzellensystem, das – zusätzlich zu dem oben erwähnten eisbeständigen Ventil – aus einer oder mehreren Brennstoffzellen gebildet ist. Es wird einzusehen sein, dass in Fällen, in denen eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen vorhanden ist, diese Zellen als ein Stapel oder eine ähnliche Brennstoffzellenanordnung angeordnet sein können. Jede Zelle ist aus einer Anode zum Aufnehmen eines Wasserstoff führenden Reaktanden, einer Kathode zum Aufnehmen eines Sauerstoff führenden Reaktanden und einem Medium (wie z. B. dem zuvor erwähnten NafionTM oder dergleichen) gebildet, um eine PEM zu bilden. Solch eine Ausgestaltung begünstigt die Zufuhr zumindest eines katalytisch ionisierten Teils des Wasserstoff führenden Reaktanden von der Anode zu der Kathode. Zusätzliche Komponenten wie ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad helfen dabei, die Reaktanden zu den entsprechenden Seiten der PEM zu liefern. Das Ventil ist fluidtechnisch mit einem oder beiden von den Strömungspfaden verbunden, um eine Kombination eines Teils des Wasserstoff führenden Reaktanden und des Sauerstoff führenden Reaktanden zu bilden. Wie bei dem vorherigen Aspekt definiert das Ventil einen Fluidreaktandendurchgang mit einem scharfkantigen Öffnungskanal, der zulässt, dass innerhalb des Reaktanden (ob Wasserstoff führend oder Sauerstoff führend) enthaltene Feuchtigkeit auf einem Oberflächenabschnitt des Fluidreaktandendurchganges abscheidet, der sich benachbart zu dem Öffnungskanal befindet. Auf diese Weise wird die abgeschiedene Feuchtigkeit (die in Tröpfchenform vorhanden sein kann) weg befördert, um anderswo gesammelt zu werden, sodass, wenn das Ventil Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, in denen die Feuchtigkeit zum Gefrieren neigen kann, solch ein Gefrieren von dem Öffnungskanal oder anderen Teilen des Fluidreaktandendurchganges entfernt stattfindet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems vorgesehen. In einer Ausführungsform ist die schalenförmige Vorrichtung als ein Einsatz in den Anodenströmungspfad ausgestaltet. Dieses Verfahren könnte ebenso gut auf eine Kathode angewendet werden. Durch Vorsehen eines freien Pfades in einer passiven Weise kann feuchtes Gas unter Frostbedingungen ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Vorrichtungen geliefert werden.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verhindern einer Blockade eines Reaktandenströmungspfades eines Brennstoffzellensystems vorgesehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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1 eine aufgeschnittene Ansicht eines Reaktandenströmungspfades nach dem Stand der Technik ist, bei dem der Öffnungskanal zum Eisaufbau neigt;
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2 die Anordnung eines Solenoidventils in Bezug auf einen Brennstoffzellenstapel zur Erleichterung eines CCH während Brennstoffzellen-Kaltstarts und einer ähnlichen Eisblockaden-Verhinderung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine aufgeschnittene Ansicht ist, welche die Anordnung eines Einsatzes in einem Reaktandenströmungspfad gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hervorhebt;
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4 eine aufgeschnittene Ansicht ist, welche den Einsatz von 3 in größerem Detail zeigt; und
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5 eine aufgeschnittene Ansicht eines Kraftfahrzeuges ist, das ein Brennstoffzellensystem mit den Eisblockaden-Verhinderungsmerkmalen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Als erstes Bezug nehmend auf 1 ist ein herkömmliches Ventil 1 nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Ventil 1 umfasst einen Ventilkörper 1A, der einen Fluidreaktandendurchgang 1B hindurch definiert, sodass das Ventil 1 den Durchgang des Reaktanden von dem Ventileinlass 1C zu dem Ventilauslass 1D und dann zu verschiedenen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystem selektiv zulassen kann. Ein Öffnungskanal 1E ist integral in den Ventilkörper 1A entweder an dem Einlass (wenn sich das Ventil 1 in horizontaler Befestigungsorientierung befindet) oder als Teil eines Tellersitzes des Ventilkörpers 1A (wie in 1 gezeigt) gebildet. In einer üblichen Ausgestaltung besteht der Öffnungskanal aus einer Variante einer flachen Platte. Andere Vorrichtungen, die Ventile in Verbindung mit Fluiden verwenden, die Frostbedingungen ausgesetzt sind (z. B. ein Eiszubereiter eines Haushaltskühlschrankes), werden das Ventil typischerweise in einer warmen umliegenden Umgebung befindlich aufweisen und werden ferner typischerweise einen offenen Wasserfall(anstelle eines Rohr)-Aufbau(s) zum Verhindern einer Eisblockade verwenden. Solch eine Ausgestaltung ist für Brennstoffzellenanwendungen im Allgemeinen und für Kraftfahrzeugbrennstoffzellenanwendungen im Besonderen, bei denen zu erwarten ist, dass die Vorrichtung mit dem Ventil und dem Öffnungskanal Frostbedingungen (manchmal über ausgedehnte Zeitperioden hinweg) ausgesetzt ist und sich gegebenenfalls in Orientierungen befinden muss, die eine einfache Abscheidung von dem sich ansammelnden Wasser nicht zulassen, nicht verfügbar. In Ausgestaltungen, in denen das Ventil 1 für die Verwendung in Umgebungen ausgestaltet ist, in denen Frosttemperaturen erwartet werden können, macht die relativ große Speichermasse des Ventils 1 (das typischerweise aus einem dichten Metall wie z. B. Eisen oder dergleichen hergestellt ist) dieses anfällig für Eisbildung und eine diesbezügliche Blockade.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 sind die Hauptkomponenten eines Fahrzeuges 10 und eines Brennstoffzellensystems 15, das verwendet wird, um Antriebskraft an das Fahrzeug 10 bereitzustellen, gezeigt. Das System 15 umfasst einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 20, der/die Brennstoff von einem Brennstoffspeichersystem 30 (das aus einem oder mehreren Brennstofftanks gebildet ist) empfangen, das ausgestaltet ist, um einen Wasserstoff führenden Reaktanden aufzunehmen. Wenngleich nicht gezeigt, kann auch ein optionales Brennstoff verarbeitendes System verwendet werden; solch ein System kann ein Umwandlungssystem (wie z. B. einen Methanisierungsreaktor oder eine andere derartige Fachleuten bekannte Einrichtung) umfassen, um eine Wasserstoff führenden Vorstufe in eine Form umzuwandeln, die für eine katalytische Reaktion in den Brennstoffzellenstapeln 20 geeignet ist. Es wird für Fachleute auch einzusehen sein, dass andere Brennstoffzufuhr und Brennstoffverarbeitungssysteme zur Verfügung stehen. Gleichermaßen können die Merkmale eines Luftversorgungssystems für den Sauerstoff führenden Reaktanden zwischen einer Sauerstoffquelle (wie z. B. die umliegenden Umgebung) und dem Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet sein. Solch ein System kann eine Fluidversorgungsvorrichtung in der Form einer Leitung, von Ventilen, Verdichtern, Controllern oder dergleichen (keines davon ist gezeigt) umfassen. Wie Fachleute einsehen werden, ist der Stapel 20 eine sich wiederholende Anordnung von vielen einzelnen Brennstoffzellen, sodass der Leistungsausgang hinreichend ist, um die Kraftübertragung 50 durch die Energieumwandlungsvorrichtung 40 oder eine andere Last zu betreiben.
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Andere Merkmale des Fahrzeugs 10 können eine mit einer Kraftübertragung 50 (wie z. B. einer Antriebswelle oder dergleichen) gekoppelte Energieumwandlungsvorrichtung 40 (z. B. in der Form eines Elektromotors, der als eine Last für den von dem Brennstoffzellensystem 15 erzeugten Strom wirkt) und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 60 umfassen, die fiktiv als ein Rad gezeigt ist/sind. Andere zusätzliche Einrichtungen können eine oder mehrere Batterien 70 sowie eine Elektronik 80 in der Form von Controllern oder ähnlicher Systemmanagement-Hardware, -Software oder Kombinationen davon umfassen. Während das vorliegende System 10 für mobile(wie z. B. Fahrzeug)-Anwendungen gezeigt ist, werden Fachleute einsehen, dass die Verwendung des Brennstoffzellenstapels 20 und seiner zusätzlichen Einrichtungen gleichermaßen auf feststehende Anwendungen wie z. B. eigenständige Stromerzeugungseinrichtungen oder dergleichen anwendbar ist.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist die allgemeine Ausgestaltung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit einem Ventil 28, das verwendet wird, um eine selektive Kombination aus den Anoden und den Kathodenreaktanden (wie z. B. für einen CCSH-Vorgang) zu ermöglichen, gezeigt. Die Strömungskanäle 22, 24 bilden den Teil eines Anodenströmungspfades und eines Kathodenströmungspfades, die als Leitung für die Zufuhr von Reaktanden zu den jeweiligen Anoden und Kathoden der vielen Brennstoffzellen 26 in dem Stapel 20 dienen. In dem vorliegenden Kontext können Durchgänge, Ströme, Kanäle, Leitungen, Kreise, Strömungspfade und ähnliche Begriffe auf Fluidbasis austauschbar verwendet werden, um die Förderung eines Fluids von einem Ort an einen anderen zu beschreiben; ihre Bedeutung sollte aus dem Kontext offensichtlich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Reaktand, der durch den Strömungskanal 22 geleitet wird, ein Wasserstoff führendes Fluid (wie z. B. das in dem Brennstofflagersystem 30 enthaltene und von diesem gelieferte), während der zweite Reaktand, der durch den Strömungskanal 24 hindurch geleitet wird, Luft oder ein ähnliches sauerstoffreiches Fluid ist. Jede Brennstoffzelle 26 innerhalb des Stapels 20 umfasst eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytschicht (keine davon ist gezeigt), die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Eine Last (z. B. in der Form eines Motors oder einer ähnlichen Energieumwandlungsvorrichtung 40) ist elektrisch mit dem Stapel 20 gekoppelt, sodass ein dadurch erzeugter Strom verwendet werden kann, um Nutzarbeit zu leisten.
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In einer Form kann das Ventil 28 in einem der Strömungskanäle 22, 24 der jeweiligen Reaktanden gebildet sein. In einer anderen Form (wie gezeigt), kann ein separater Strömungskanal 27 mit beiden Strömungskanälen 22, 24 gekoppelt sein, um die selektive Kombination zuzulassen, während das Ventil 28 in jeder Version verwendet wird, um zu steuern, wenn solch eine Kombination hergestellt wird. In einer bevorzugten (aber nicht notwendigen) Ausführungsform, ist das Ventil 28 ein Solenoidventil, das durch ein geeignetes elektrisches Signal betrieben werden kann. Die durch das Ventil 28 möglich gemachte elektrochemische Kombination von Reaktanden hilft dabei, die Wahrscheinlichkeit einer Strömungspfad-Eisbildung zu reduzieren oder zu beseitigen; solch ein Ansatz ist insbesondere während der Brennstoffzellensystem 15-Inbetriebnahme über eine CCSH oder dergleichen vorteilhaft, da diese katalytische Reaktion des innerhalb der Reaktanden enthaltenen Wasserstoffs und Sauerstoffs Wärme produziert, die verwendet werden kann, um die Temperatur benachbarter Strömungspfade und Komponenten zu erhöhen. In einer Form wird zugelassen, dass das Ventil 28 lange genug (vielleicht nur wenige Sekunden) offen bleibt, um die gewünschte Kombination und die nachfolgende System-Erwärmung über die katalytische Reaktion zu unterstützen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3 und 4 sind zusätzliche Details des Aufbaus des Ventils 28 gezeigt. Wie hierin erläutert, kann das Ventil 28 in einer Form als ein Solenoidventil ausgestaltet sein, wenn ein elektrischer Strom, der durch eine eingewickelte Spule (nicht gezeigt) fließt, einen magnetisch konformen Aktuator (z. B. auf Eisenbasis) oder einen ähnlichen Kolben (nicht gezeigt) dazu zwingen kann, eine Klappe oder einen ähnlichen Schließmechanismus (nicht gezeigt) in dem Ventil 28 zu bewegen, um die Reaktandenströmung hierdurch zu regeln. Ein Ventilkörper 28A bildet die Hauptstruktur, durch die hindurch eine Bohrung definiert ist, welche einen Fluidreaktandendurchgang 28B bildet. Ein Einlass 28C und ein Auslass 28D befinden sich an jeweiligen Enden des Fluidreaktandendurchganges 28B.
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Ein schalenförmiger Einsatz 29 ist derart dimensioniert, dass er in einen vergrößerten Bereich innerhalb des Einsatzes 28C passt. In einer Form definiert der Einsatz 29 eine leichte Verjüngung nach innen entlang der Reaktandenströmungsrichtung F. Ferner definiert der Einsatz 29 einen allgemein ebenen Pfad mit allmählichen (und nicht abrupten) Oberflächenkonturänderungen. Solch eine Formgebung hilft dabei, eine kontinuierliche Strömung eines Fluids (sowohl mit darin enthaltener Feuchtigkeit als auch getrennt davon) zu einem gewünschten Ort zum Sammeln oder eine weitere Stromabwärtsbewegung zu begünstigen. In einer Form ist der Einsatz 29 aus einem kostengünstigen Material (z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung) hergestellt, das gepresst oder sonst wie auf kostengünstige Art und Weise gebildet werden kann, um einen passiven Pfad zu definieren, damit der Reaktand dadurch strömen kann. Es können auch andere Herstellungsansätze verwendet werden, sofern die Oberflächengüte sehr glatt bleibt, um eine hydrophile Oberfläche zu schaffen, die eine/n Tropfenbildung und -aufbau vermeidet, wie auch die Wandstärke sehr dünn (z. B. bis zu der oben erwähnten Stärke) bleibt, um ein rasches Erwärmen zu begünstigen. Somit wäre, während die maschinelle Bearbeitung des Teils, und dass dieses anschließend einer Elektropolitur unterzogen wird, funktionieren würde, solch ein Verfahren kostenverhindernd. In einer bevorzugten Form liegt die Rauigkeit unter einem geeigneten Profil oder Flächenwert wie durch einen geeigneten AMSE (z. B. ASME Y14.36M), ANSI, ISO (z. B. ISO 1302) oder einen ähnlichen Standard festgelegt. In einer stärker bevorzugten Form sind diese Werte ein Rz von etwa 10 und ein Rt von etwa 12. Darüber hinaus ist der obere Rand des Einsatzes 29 dimensioniert, um eine sichere Schnappsitzverbindung zwischen dem Einsatz 29 und einer Lippe an dem passend dimensionierten und geformten Bereich innerhalb des Einlasses 28C zu möglichen. Ein Öffnungskanal 29A bildet eine strömungsregulierende Öffnung, bevorzugt mit einer genau bekannten Größe, um eine kalibrierte oder gemessene Menge der Fluidströmung mit einem Druckabfall zu versehen, der auftritt, wenn das Fluid dadurch strömt. Während der Öffnungskanal 29A nützliche Strömungs oder Steuerfunktionen erfüllt, machen ihn gerade die Größe, die Form, die Orientierung und Genauigkeit, die notwendig sind, um seine strömungsregulierende Funktion herzustellen, auch besonders anfällig für die Art von Eisblockierungen, die mit dem Rest des Ventils 28 in Zusammenhang stehen. Um die Neigung zu verringern, dass sich Wassertropfen auf dem Öffnungskanal 29A bilden – und in dessen Nähe bleiben –, haben die gegenständlichen Erfinder ihn so geformt, dass er eine nach oben vorstehende Kante (oder Lippe) 29B um seinen Umfang herum definiert, sodass er eine allgemein dreidimensionale Struktur definiert. In einer bevorzugten Form definieren der Öffnungskanal 29A und die Kante 29B ein vulkanartiges Profil, wobei die erhöhte Kante 29B der erste Teil des Öffnungskanals 29A ist, auf welchen die/der ankommende Strömung oder Reaktand entlang der Strömungsrichtung F trifft. Die Kante 29B ist bevorzugt sehr dünn, was die Instabilität jeglichen Wassers begünstigt, welches damit in Kontakt gelangt. Gleichermaßen erhöht die vulkanartige Form des Einsatzes 29 die durch Kapillarwirkung angetriebene Strömung von Wasser von dem Öffnungskanal 29A weg, da ein Tröpfchen auf der Spitze des Vulkans (d. h. auf der Kante 29B) sehr instabil ist. Als solches wird durch den vorliegenden Aufbau des Einsatzes 29 – mit dessen Verwendung einer dünnen Metallausgestaltung und einer scharfen Kante 29B – Instabilität in die Wassertröpfchen eingebracht, indem der Gas/Flüssigkeits-Oberflächenbereich in einer Art und Weise maximiert wird, die allgemein dem Ablegen eines Wassertropfens auf einer Nadelspitze analog ist. Dieser Zustand kann abgestellt werden, indem die Wassertröpfchen auf andere, energie-verträglichere Oberflächen bewegt werden, die eine Ablaufrinne 29C und eine Ecke 29D umfassen, welche geformt sind, um einen gleichmäßigen Übergang weg von der instabilen Kante 29B bereitzustellen, die den Einsatz 29 bildet. Auf diese Weise hilft die Verwendung der oben erläuterten konturierten Elemente in dem Einsatz 29 dabei zu vermeiden, dass die Wassertröpfchen, die aus dem Reaktanden in der unmittelbaren Nähe des Öffnungskanals 29A kondensieren, dort verbleiben und sich bei Frostbedingungen in Eis verwandeln. Stattdessen minimiert der vorliegende Einsatz 29 die Oberflächenenergie der kondensierten Tröpfchen, indem sie an Stellen gesammelt werden, die den Gas/Flüssigkeits-Oberflächenbereich zu einem als Concus-Finn-Zustand bekannten Zustand reduzieren. Die dadurch beschriebene Oberflächenenergie ist auch bedeutsam zum Beschreiben der Kapillarbewegung in Richtung solcher Niedrigenergie-Geometrien. Diese Ausgestaltung (mit ihrer Verwendung gleichmäßiger, allmählicher Oberflächenänderungen) begünstigt eine neutrale Oberflächenenergie; diese Begünstigung wird durch das Vermeiden von Riefen durch maschinelle Bearbeitung, Materialausbruch, Welligkeit oder anderen ähnlichen Wellungen entlang der Einsatz 29-Oberfläche verstärkt, die sich andernfalls mit Wasser füllen und die Oberflächenenergie unerwünschterweise für größere Wassertropfen ändern würde (sie im Wesentlichen hydrophiler macht). Eine weitere Begründung für das Vermeiden oder Minimieren von Oberflächenriefen besteht darin, dass solche Riefen auch die Kapillarbewegung in Richtung des Öffnungskanals 29A begünstigen könnten. Die gegenständlichen Erfinder haben festgestellt, dass sie durch Begünstigen einer neutralen Oberflächenenergie der Bildung einer hydrophilen Oberfläche (und des damit einhergehenden Überlaufens von Wasser über dem Öffnungskanal 29A) verhindern könnten. In ähnlicher Weise würde die Begünstigung einer neutralen Oberfläche der Bildung des Gegenteils (d. h. einer hydrophoben Oberfläche) verhindern, die ansonsten dazu neigen würde, die Kapillarbewegung des Wassers in Richtung der und das Zurückhalten in der Ecke 29D zu reduzieren.
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Ein Spalt G ist zwischen dem verjüngten Abschnitt des Einsatzes 29 und der Innenwand des Bereiches innerhalb des Einlasses 28C gebildet. In einer bevorzugten Form (wie insbesondere in den 3 und 4 gezeigt), ist das Ventil 28 horizontal befestigt. Auf diese Weise laufen Wassertröpfchen, die sich auf einer Seite oder Oberfläche des Einsatzes 29 bilden, um die scharfe Kante 29B und in die Ablaufrinne 29C und Ecke 29C ab, während die Wassertröpfchen, die sich auf der anderen Seite oder Oberfläche des Einsatzes 29 bilden, entlang der durch die Ablaufrinne 29C gebildeten stufenweisen äußeren Kontur ablaufen, um sich in dem Spalt G zu sammeln. Von hier würde jede angesammelte Flüssigkeit entweder in das durch das Ventil 28 strömende Gas hinein absorbiert oder sich ansammeln, bis es über die an dem Einlassanschluss zwischen dem Einsatz 29 und dem Ventil 28 gebildete Lippe und dann über die Fläche der Komponente läuft, in der das Ventil 28 eingebaut ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Angaben hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise „ausgestaltet” ist oder eine spezielle Eigenschaft oder Funktion in einer speziellen Weise erfüllt, strukturelle Angaben im Gegensatz zu Angaben einer vorgesehenen Verwendung sind. Im Spezielleren bezeichnen die Bezugnahmen auf die Art, in der eine Komponente „ausgestaltet” ist, hierin einen bestehenden physikalischen Zustand der Komponente und sind als solche als eine eindeutige Anführung der strukturellen Eigenschaften der Komponenten zu verstehen. In gleicher Weise wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „allgemein”, „üblicherweise” und „typischerweise”, wenn sie hierin verwendet werden, nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke spezielle Aspekte einer Ausführungsform nur kennzeichnen oder alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen” und „ungefähr” hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Ausdrücke „im Wesentlichen” und „ungefähr” werden hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Nach der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Ausführungsformen abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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