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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entionisieren eines Kühlmittels eines Brennstoffzellensystems entsprechend dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zum Entionisieren sind als Ionentauscher bekannt. Diese haben generell die Aufgabe, einem Medium Ionen zu entziehen. Bei Brennstoffzellensystemen hat der Ionentauscher die konkrete Aufgabe, die Leifähigkeit des Kühlmittels dauerhaft auf ein definiertes Maß zu begrenzen. Bleibt das Kühlmittel unbehandelt, leitet es Elektronen durch Ionen gelöster Salze. In Brennstoffzellen kann es dabei zur Kontaktbildung zwischen den einzelnen Zellen kommen, was wiederum zu einem Kurzschlussstrom führen kann. Sowohl die dabei eintretenden Wirkungsgradverluste als auch der negative Einfluss auf die Lebensdauer des gesamten Stapelmoduls sollen vermieden werden. Der Ionentauscher wird dabei üblicherweise so dimensioniert, dass er für einen definierten Durchflussvolumenstrom eine wirtschaftliche Standzeit bei begrenztem Druckverlust aufweist. Die Dimensionierung wird dabei regelmäßig an die jeweilige Anwendung angepasst. Üblicherweise werden Leitfähigkeiten von unter 50µS/cm, oftmals von unter 5µS/cm gefordert. Die Wirkungsweise von Ionentauschern, die gelöste Ionen gegen andere Ionen ersetzen, weil einige Ionen stärker an den Ionentauscher gebunden werden als andere, ist bekannt. Auch die Anwendung von Anionen- und Kationentauscherharzen sowie deren Kombination in Form von Mischbettionentauschern, bevorzugt bei der Verwendung im Fahrzeug, ist bekannt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 085 222 A1 beschreibt eine großflächige Demineralisierungseinrichtung für eine Brennstoffzelle, die insbesondere das Auftreten eines Differenzdrucks aufgrund einer Ionenharzschicht verringern soll, so dass Kühlmittel gleichmäßig hindurch strömt. Zu diesem Zweck umfasst die Demineralisierungseinrichtung ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung, durch welche Kühlmittel eingeleitet wird, ein plattenförmiges Filterelement im Innenraum des Gehäuses, welches in senkrechter Richtung durchströmt wird, sowie eine Auslassöffnung, durch die das Kühlmittel abgeführt wird. Das Ionenharz, das beispielsweise in Form von kleinen Körnern vorliegt, ist von einem Gitternetz umgeben, das verhindern soll, dass das Ionenharz ausgetragen wird. Die Körner des Ionenharzes bilden eine Schüttung, die auch als Festbett bezeichnet wird.
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Die
DE 10 2009 037 080 A1 betrifft eine Kühlvorrichtung eines Funktionssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, mit einem Leitungssystem für ein Kühlfluid. Mit dem Leitungssystem ist eine Aufbereitungseinheit, insbesondere ein Ionentauscher, zur Aufbereitung des Kühlfluids fluidleitend verbunden. Das Leitungssystem weist weiterhin einen Behälter für das Kühlfluid auf, wobei der Behälter eine Aufnahme für die Aufbereitungseinheit aufweist. Der Behälter kann eine verschließbare Öffnung aufweisen, durch die die Aufbereitungseinheit, insbesondere eine lonentauscherkartusche in einen Innenraum des Behälters austauschbar eingebracht werden kann.
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Auch aus der Patentschrift
DE 10 2009 012 379 B4 ist eine Ionenaustauschkartusche für ein Kühlmittelsystem eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Die lonentauscherkartusche umfasst ein Gehäuse mit einem darin angeordneten lonentauscherharz. Das Gehäuse umfasst einen Einlass und zumindest ein fluidpermeables Auslassfenster für den Durchfluss von Kühlmittel. Die lonentauscherkartusche ist derart angepasst, um in dem Kühlmittelsystem entfernbar angeordnet zu sein. Die lonentauscherkartuschenordnung steht dabei mit ihrem Einlass in abgedichteter Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteleinlass eines Kühlmitteltanks.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2016/0051714 A1 offenbart ein Brennstoffzellenaggregat mit wechselbarer Entionisierungseinrichtung, die nicht unmittelbar im Kühlkreislauf angeordnet, sondern über eine Verbindungseinheit mit diesem verbunden ist. Bei der Wartung des Brennstoffzellenaggregats wird die Entionisierungseinrichtung entfernt und durch eine frische Entionisierungseinrichtung ersetzt. Die neue Entionisierungseinrichtung kann in Form, Länge und/oder Durchmesser von der alten abweichen, was eine Skalierbarkeit an die Ionenbelastung des Kühlmittels ermöglicht. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Verbindung zwischen Kühlkreislauf und Entionisierungseinrichtung von einer Verbindungseinheit bestimmt, wobei die Verbindung zwischen der Verbindungseinheit und der Entionisierungseinrichtung als Steck- und/oder Drehverbindung ausgebildet ist, beispielsweise als Schraub-, Bajonett- oder Rastverbindung.
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In der
DE 196 10 172 A1 ist ein Wasseraufbereitungsgerät mit Trinkwasserfilter offenbart, bei dem einzelne, auswechselbare Filterkartuschen in einem zylindrischen, rohrförmigen Filtergehäuse eingesetzt werden können.
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Der Stand der Technik weist allgemein den Nachteil auf, dass die Ionentauscher für jede Anwendung individuell ausgelegt und konstruiert werden müssen. Dies umfasst ebenfalls die Konstruktion und Herstellung der entsprechenden Herstellungswerkzeuge, beispielsweise für die Gehäuse. Skalierbarkeit im Stand der Technik wird durch Austausch eines Ionentauschers durch einen größeren erreicht, was wiederum mehrere unterschiedlich konstruierte und hergestellte Ionentauscher erfordert.
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Auch das Patent
US 9,149,742 B1 , das eine Multisegment-Filterkartusche in Rohrboden-Bauart beschreibt, kann diese Nachteile nicht überwinden. Derartige Rohrböden, die üblicherweise in Wärmetauschern zur Trennung von Primär- und Sekundärmedium eingesetzt werden, bestehen aus vorzugsweise kreisförmigen Blechscheiben mit einer Vielzahl von nach einem bestimmten Muster angeordneten Bohrungen, die jeweils ein verlängertes Rohrelement aufnehmen. Genanntes Patent schlägt vor, mehrere solcher Rohrböden konzentrisch hintereinander anzuordnen, so dass die Muster der Bohrungen deckungsgleich sind. Die Rohrböden werden mittels eines oder mehrerer Befestigungsmittel zueinander festgelegt. Dabei können zwischen benachbarten Rohrböden Schichten mit aktivem Material, wie Filter- oder lonentauscherschichten, angeordnet und eingeklemmt sein, die keine Bohrungen aufweisen.
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Schließlich beschreibt die
US2009/0008318 A1 ein modulares Wasserreinigungssystem, welches anwendungsspezifisch angepasst werden kann. Dieses Dokument wird als nächstliegender Stand der Technik erachtet.
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Aufgabe der Erfindung
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Ionentauscher für Kühlmittel zu verbessern, so dass die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Ionentauscher für Kühlmittel vorzuschlagen, der für eine Vielzahl von Anwendungsfällen skalierbar Einsatz findet. Schließlich ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Ionentauscher zur Verfügung zu stellen, der bei Hochskalierung wirkungsvoll Druckverluste mindert oder verhindert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch einen modularisierten Ionentauscher zur Dionisierung von Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes eines Brennstoffzellensystems, vorzugsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs, entsprechend den gegenständlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Der modularisierte Ionentauscher umfasst ein erstes Endstück und ein zweites Endstück und einen segmentierten Grundkörper, wobei das erste Endstück eine Einlassöffnung zum Zuführen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den segmentierten Grundkörper aufweist und wobei das zweite Endstück eine Auslassöffnung zum Abführen des Kühlmittels aus dem segmentierten Grundkörper in den Kühlmittelkreislauf aufweist, wobei der segmentierte Grundkörper zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück reversibel festlegbar angeordnet ist, so dass eine geschlossene, vorzugsweise dichtende Kühlmittelverbindung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung gebildet ist. Der erfindungsgemäße modularisierte Ionentauscher besteht demnach aus wenigstens 3 Modulen, welche reversibel festlegbar, also lösbar und wiederverbindbar, vorzugsweise dichtend zueinander angeordnet sind. Die Grundform des Ionentauschers kann beliebig sein, z. B. quader- oder zylinderförmig. Je nach Grundform kommen verschiedene Arten zum Festlegen der Module zueinander in Frage, beispielsweise mittels Schraubgewinde, Bajonettverschluss oder Verrastung. Zur dichtenden Anordnung kann eine elastische Dichtung, vorzugsweise kühlmittelbeständig, zwischen den Modulen angeordnet sein, wobei vorzugsweise jede Verbindung innerhalb des modularisierten Ionentauschers und mit dem modularisierten Ionentauscher fachmännisch als dichte Verbindung ausgeführt ist. Der Ionentauscher bildet somit prinzipiell eine zur Umwelt geschlossene Kühlmittelverbindung, allgemein als Fluidverbindung bzw. als in Fluidkommunikation stehend bezeichnet, zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung, die gegen austretendes Kühlmittel gesichert ist. Die Einlass- und Auslassöffnung ist derart gestaltet, dass sie mit der Kühlmittelleitung, die das von einer Kühlmittelpumpe über das Brennstoffzellensystem und weitere Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, wie einem Wärmetauscher, geförderte Kühlmittel beinhaltet, verbindbar, vorzugsweise reversibel verbindbar ist.
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Der erfindungsgemäße modularisierte Ionentauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass der segmentierte Grundkörper aus wenigstens zwei aneinander reversibel, vorzugsweise dichtend festlegbaren Segmenten gebildet ist, wobei jedes Segment eine Segmenthülle aufweist, deren Querschnitt an den beiden axialen Enden vorzugsweise vollständig, jedoch in Abhängigkeit des verwendeten lonentauschermittels, durch je ein kühlmitteldurchlässiges Gitternetz abgedeckt bzw. verschlossen oder überspannt ist, und wobei zwischen den an den axialen Enden jedes Segmentes angeordneten Gitternetzen ein lonentauschermittel angeordnet ist. Da der Grundkörper aus einzelnen Segmenten gebildet ist, weisen die Segmente denselben Querschnitt auf, wie der Grundkörper. Daraus ergibt sich auch die Art der Festlegung der Segmente zueinander. Vorzugsweise weisen die Segmente eine zylindrische Grundform auf, was eine Verschraubung der einzelnen Segmente aneinander ermöglicht und bevorzugt. Damit ergibt sich für die Segmenthülle eine hohlzylindrische, also rohrförmige Form. Als Grundform sind auch Prismen, z. B. Quader, denkbar, die beispielsweise über eine Verrastung miteinander verbunden werden können. In jedem Fall muss das Segment hohl und an den axialen Enden offen, also kühlmitteldurchlässig, sein, damit die oben beschriebene Kühlmittelverbindung gebildet werden kann.
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Jedes Segment umfasst einen Teil des Ionenaustauschmittels des modularisierten Ionentauschers. Dazu sind beide axialen Enden jedes Segmentes verschlossen. Der Verschluss besteht aus einem kühlmitteldurchlässigen Gitternetz, auch Grenzschicht, Membran oder Siebkörper genannt, beispielsweise einem Kunststoff- oder Metallsieb oder allgemein einem Maschen-Material, dessen Maschenweite groß genug ist, Kühlmittelmoleküle hindurchzulassen und klein genug ist, lonentauschermittel nicht hindurchzulassen. Der Verschluss muss sich vorzugsweise und in Abhängigkeit des verwendeten lonentauschermittels über den gesamten Querschnitt jedes Segmentes erstrecken. Zwischen den beiden axialen Verschlüssen jedes Segmentes ist das lonentauschermittel angeordnet bzw. eingeschlossen oder immobilisiert. lonentauschermittel sind an sich bekannt, z. B. lonentauscherharze, Zeolithe, Aluminiumoxide u. v. m.
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Die Erfindung weist überraschend deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. So ist der Ionentauscher grundsätzlich skalierbar, also beliebig erweiterbar, und kann damit an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Brennstoffzellensysteme weisen je nach Anwendungsfall eine unterschiedliche Zahl von Zellen auf, die mit unterschiedlichen und angepassten Kühlmittelmengen temperiert werden müssen und damit einen spezifisch dimensionierten Ionentauscher benötigen. Die im Stand der Technik bekannten Lösungen bestehen dabei aus einer Mindestanzahl an Bauteilen, die für jeden Anwendungsfall spezifisch ausgelegt, konstruiert und produziert werden müssen, z. B. die wenigstens als Gehäuse dienende Kartusche. Demgegenüber sind die Bauteile des erfindungsgemäßen Ionentauschers immer gleich und müssen lediglich in der entsprechenden Menge verbaut werden. Unabhängig vom Verbau von Gleichteilen und damit auch der Skalierbarkeit ist der Grundaufbau des erfindungsgemäßen Ionentauschers wenigstens im Hinblick auf die Fertigungstechnik, beispielsweise die Anzahl notwendiger Werkzeuge, wesentlich effizienter, vom lediglich einmalig durchzuführenden Konstruktionsaufwand von Bauteilen und Werkzeugen ganz abgesehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens eins der beiden vorzugsweise formstabilen Gitternetze jedes Segmentes reversibel festlegbar angeordnet. Bewährt haben sich auch hier Schraubverschlüsse, Bajonettverschlüsse und Rastverschlüsse (Verrastungen). Damit ist vorteilhafterweise der Austausch des Ionentauschmittels in einer wesentlich kürzeren Zeit im Vergleich zur sonst üblichen Regenerationszeit möglich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Segmenthülle wenigstens einen axial verlaufenden und beide Stirnflächen der Segmenthülle verbindenden Kühlmittelkanal auf. Das Verbinden über einen Kühlmittelkanal wird auch als Fluidverbindung bzw. Fluidkommunikation bezeichnet. Ein Kühlmittelkanal ist eine Einrichtung zum gezielten Beeinflussen der Kühlmittelfließrichtung und/oder des Kühlmittelvolumenstroms. Der die beiden Stirnflächen der Segmenthülle verbindende Kanal ermöglicht vorteilhafterweise ein Aufteilen des Kühlmittelstroms, so dass der Staudruck, Gesamtdruck bzw. Druckverlust des gesamten Ionentauschers verringert werden kann, was wiederum zu einer geringer dimensionierten Kühlmittelpumpe beitragen kann und damit einen Beitrag zur Optimierung des Gesamtsystems Brennstoffzellensystem bzw. Brennstoffzellenfahrzeug leisten kann. In dieser Ausgestaltung ist der Kühlmittelkanal vorzugsweise vollständig in der Segmenthülle angeordnet, also vollständig von dieser umschlossen. Der Querschnitt des Kühlmittelkanals kann beliebig sein, z. B. zylinderförmig, prismenförmig oder beliebig geformt, beispielsweise der Kontur der Segmenthülle folgend. Wesentliche Parameter, anhand derer der Fachmann den optimalen Querschnitt bestimmen kann, sind die Querschnittsfläche, und damit der druckabhängige Volumenstrom des Kühlmittels, sowie mögliche Herstellungsmethoden.
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In einer speziellen Ausgestaltung ist der wenigstens eine axial verlaufende und beide Stirnflächen der Segmenthülle verbindende Kühlmittelkanal wenigstens teilweise mit dem von der Segmenthülle umschlossenen Segmentvolumen verbunden. Der Kühlmittelkanal kann in Form einer in Richtung Innenseite der Segmenthülle offenen Nut ausgestaltet sein oder vollständig in der Segmenthülle angeordnet sein und lediglich einen oder mehrere Durchbrüche zwischen dem Segmentvolumen und dem Kühlmittelkanal aufweisen. Damit wird eine Kühlmittelverbindung bzw. Fluidverbindung zwischen dem Segmentvolumen und dem Kühlmittelkanal geschaffen. Neben der Aufteilung des Kühlmittelstroms kann dabei vorteilhaft eine turbulente Strömung erzeugt werden, die den lonentauscherdurchsatz erhöhen kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Segmenthülle an wenigstens einer axialen Stirnfläche der axialen Enden eine wenigstens teilweise radial umlaufende Ringnut mit wenigstens teilweiser Überdeckung mit dem wenigstens einen axial verlaufenden Kühlmittelkanal auf, wobei die Ringnut wenigstens radial nach außen, vorzugsweise radial nach außen und nach innen, keine Fluidverbindung mit der Umwelt, vorzugsweise mit der Umwelt und dem Segmentvolumen, aufweist, und wobei der Querschnitt der Ringnut durch wenigstens einen Einsatz veränderbar ist. Die Ringnut hat den großen Vorteil, dass bei der Festlegung der einzelnen Segmente zueinander die jeweiligen Kühlmittelkanäle nicht deckungsgleich übereinander gebracht werden müssen. Insbesondere bei zylindrischen Grundkörpern mit Schraubverschluss ergibt sich damit ein Vorteil bei der Montage. Durch die Veränderung des Querschnitts der Ringnut kann die Aufteilung des Kühlmittelstroms variiert werden, was insbesondere in Abhängigkeit der Anzahl der hintereinander festgelegten Segmente vorteilhaft ist. Die Querschnittsveränderung durch wenigstens einen Einsatz zu erzielen, ist besonders vorteilhaft, weil besonders einfach, sowohl in der Herstellung des Einsatzes als auch in der Art der Anbringung, unter anderem, weil nur ein Einsatz pro Ionentauscher verwendet werden muss, zumindest für den Fall, dass der wenigstens eine axial verlaufende Kühlmittelkanal vollständig in der Segmenthülle angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung weisen das erste Endstück und/oder das zweite Endstück jeweils wenigstens einen Kühlmittelkanal auf, der jeweils die Segmentanlagefläche des ersten Endstückes und/oder des zweiten Endstückes mit dem Kühlmittelkreislauf verbindet, wobei die Verbindung als eigenständiger Kühlmittelkanal bzw. Verbindungskanal oder lediglich als Einkerbung bzw. Einbuchtung in den Endstückhüllen ausgeführt ist. Durch diese Verbindung wird sichergestellt, dass der Kühlmittelstrom in Strömungsrichtung vor dem Erreichen des lonentauschermittels aufgeteilt wird, damit der Staudruck, Gesamtdruck bzw. Druckverlust definiert eingestellt werden kann. Die Einmündung, also der Einlass, der Verbindung mit dem Kühlmittelkreislauf kann an verschiedenen Stellen erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt die Einmündung in das erste Endstück in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem ersten Segment, also vor Eintritt des Kühlmittels in das erste lonentauschersegment. Die Ausmündung, also der Auslass, der Verbindung erfolgt analog dazu in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem letzten Segment, also nach Austritt des Kühlmittels aus dem letzten lonentauschersegment, und wird in jeder möglichen Ausgestaltung als analog zur Einmündung angesehen. Die Einmündung kann auch in die Einlassöffnung des ersten Endstückes oder in Strömungsrichtung unmittelbar nach der Einlassöffnung erfolgen. Schließlich kann die Einmündung des Verbindungskanals in den Kühlmittelkreislauf auch in Strömungsrichtung vor der Einlassöffnung und damit vor dem modularisierten Ionentauscher erfolgen. In diesem Falle wird eine zusätzliche Einlassöffnung im ersten Endstück (im zweiten Endstück analog eine zusätzliche Auslassöffnung) gebildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Verlauf des wenigstens einen jeweils die Segmentanlagefläche des ersten Endstückes und des zweiten Endstückes mit dem Kühlmittelkreislauf verbindenden Kühlmittelkanal ein regelbarer und/oder steuerbarer Durchflussmengenvariator, beispielsweise ein Ventil, insbesondere ein regelbares oder steuerbares Ventil, angeordnet. Damit kann vorteilhafterweise der Kühlmittelstrom unabhängig von den verwendeten bzw. eingesetzten Bauteilen variiert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung steht der steuerbare und/oder regelbare Durchflussmengenvariator in Verbindung mit wenigstens einem Mittel zum Bestimmen und Ausgeben einer Kühlmittelleitfähigkeit und/oder eines Kühlmittelleitungsvolumenstroms und/oder eines Kühlmittelleitungsdrucks, wobei das Mittel vorzugsweise an der Einlassöffnung angeordnet ist und wobei die Kühlmitteldurchflussmenge in Abhängigkeit der Kühlmittelleitfähigkeit und/oder des Kühlmittelleitungsvolumenstroms und/oder des Kühlmittelleitungsdrucks geregelt und/oder gesteuert wird. Vorteilhafterweise wird dadurch die Feinanpassung des Ionentauschers an den tatsächlichen Bedarf ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung ist wenigstens an dem ersten Endstück oder an dem zweiten Endstück, insbesondere an dem in Strömungsrichtung des Kühlmittels stromab gelegenen Endstück, also an dem zweiten Endstück, oder an dem räumlich oben gelegenen Endstück eine verschließbare Entlüftungsöffnung angeordnet. Damit ist eine vorteilhafte und problemlose Entlüftung des Ionentauschers ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das lonentauschermittel als körniges Schüttgut direkt oder als vorgepacktes Paket unter Nutzung einer kühlmitteldurchlässigen Verpackungshülle oder als einstückiger, das Segmentvolumen ausfüllender Materialblock zwischen den an den axialen Enden jedes Segmentes angeordneten Gitternetzen angeordnet. Im Falle eines einstückigen lonentauschermittels können die Maschen des Gitternetzes so groß sein, dass nicht mehr von einem Gitter bzw. Sieb im herkömmlichen Sinne geredet werden kann. Die Funktion des Gitternetzes ist das Zurückhalten des lonentauschermittels. Wenn dies beispielsweise über eine an der Innenseite der Segmenthülle hervorstehende Nase/Vorsprung ermöglicht wird, ist diese Nase/Vorsprung ein Gitternetz und somit auch ein Verschluss im Sinne vorliegender Erfindung.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die schematisch in den Figuren dargestellt sind.
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Hierbei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen modularisierten Ionentauscher,
- 2 die Längsschnitte der Endstücke und eines Segmentes,
- 3 den Querschnitt eines Segmentes,
- 4 die Längsschnitte verschieden ausgestalteter Endstücke und
- 5 den Längsschnitt eines Endstückes mit Entlüftungsstutzen.
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Der in 1 gezeigte modularisierte Ionentauscher 1 besteht beispielsweise aus drei Modulen, einem ersten Endstück 2, einem aus mehreren Segmenten 6 zusammengesetzten segmentierten Grundkörper sowie einem zweiten Endstück 3. Das erste Endstück 2 weist eine Einlassöffnung 4 und das zweite Endstück 3 weist eine Auslassöffnung 5 auf. Einlassöffnung 4 und Auslassöffnung 5 sind relativ zur Strömungsrichtung 24 angegeben und können selbstverständlich auch umgekehrt angeordnet sein, wenn die Strömungsrichtung 24 in die andere Richtung führt. Jedes Segment 6 weist weiterhin zwei kühlmitteldurchlässige Gitternetze 7 auf, von denen je eins an jedem axialen Ende des Segmentes 6 angeordnet ist. Zwischen den Gitternetzen 7 eines Segmentes sind lonentauschermittel angeordnet, hier in Form von mit lonentauscherharz gefüllten Harzbeuteln 8.
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2 zeigt die beiden Endstücke 2 und 3 sowie ein Segment 6, die mittels Schraubverbindungen aneinander reversibel festgelegt werden können. Das erste Endstück 2 weist ein Innengewinde 11, das zweite Endstück 3 ein Außengewinde 12 und jedes Segment 6 je ein Innengewinde 11 und ein Außengewinde 12 auf. Dadurch kann eine beliebige Anzahl an Segmenten 6 hintereinander verschraubt werden. Jedes Segment 6 besteht grundsätzlich aus einer Segmenthülle 9, die das Innere des Segmentes 6, nämlich das Segmentvolumen 10, von der Umgebung trennt. Innerhalb des Segmentvolumens 10 wird ein Bereich von den beiden an den axialen Enden des Segmentes 6 angeordneten Gitternetzen 7 abgetrennt, in dem das lonentauschermittel, z. B. die in 1 dargestellten Harzbeutel 8, angeordnet sind. Die Gitternetze 7 können als formstabiles Kunststoff- oder Metallsieb ausgeführt sein oder als flexible Membran in Form eines Maschen-Materials mit definierter Maschenweite. Dabei kann das Gitternetz 7 auch als Filter ausgeführt sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Gitternetz 7 reversibel an der Segmenthülle 9 festlegbar, beispielsweise mittels eines Schraubgewindes. Dies weist den Vorteil auf, dass das lonentauschermittel ohne großen Aufwand gewechselt werden kann, wodurch die Segmente 6 wiederverwendet werden können. Neben den bereits genannten Kosten- und Skalierungsvorteilen ist der erfindungsgemäße modularisierte Ionentauscher 1 damit auch besonders umweltschonend, sowohl in der Herstellung als Gleichteil als auch in der Nutzung durch Wiederverwertung.
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3 zeigt den Querschnitt eines Segmentes 6 des erfindungsgemäßen modularisierten Ionentauschers 1. Dabei ist das Außengewinde 12 sowie eines der Gitternetze 7 schematisch dargestellt. Letzteres ist über den gesamten Querschnitt des Segmentvolumens 10 gespannt, um das lonentauschermittel innerhalb des Segmentvolumens 10 zu fixieren bzw. zu immobilisieren. Ist das lonentauschermittel beispielsweise in formstabilen Harzbeuteln 8 untergebracht, reicht es aus, diese formstabilen Harzbeutel 8 zu fixieren, wobei die Fixierung nicht über ein Netz oder eine Gitterstruktur erfolgen muss. Im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich jedoch auch bei derartigen Fixierungsmöglichkeiten um ein Gitternetz 7. Im Vergleich zu den 1 und 2 sind in 3 axiale Kühlmittelkanäle 13 dargestellt, die mittels einer Ringnut 14, die die axialen Kühlmittelkanäle 13 teilweise überdeckt, verbunden sind. Die Ringnut 14 dient dabei dem ungehinderten oder gedrosselten Kühlmittelfluss bei hintereinander festgelegten Segmenten 6, wenn das deckungsgleiche Ausrichten der axialen Kühlmittelkanäle 13 aufwändig ist. Die Ringnut 14 kann entfallen, wenn eine definierte Ausrichtung der axialen Kühlmittelkanäle 13 zweier Segmente 6 eindeutig zueinander erfolgt, beispielsweise mittels asymmetrischer Verrastungen oder einer asymmetrischen Bajonettverbindung. Über die axialen Kühlmittelkanäle 13 kann ein definierter Kühlmittelstrom an dem lonentauschermittel vorbeigeleitet werden. Die Ringnut 14 kann dabei so ausgebildet sein, dass eine Drossel, beispielsweise in Form einer definiert radial geschlitzten Dichtung, eingelegt werden kann. Dies ermöglicht die gezielte Beeinflussung bzw. Aufteilung des Kühlmittelstroms in Abhängigkeit des Gesamtpaketes des modularisierten Ionentauschers 1, indem der Querschnitt einer gewissen Anzahl axialer Kühlmittelkanäle 13 komplett oder teilweise abgedeckt wird. Weisen die axialen Kühlmittelkanäle 13 keine Verbindung zum Segmentvolumen 10 auf und reichen diese damit bei mehreren hintereinander festgelegten Segmenten 6 von der Einlassstirnseite des ersten Segmentes 6 bis zur Auslassstirnseite des letzten Segmentes 6, reicht vorteilhafterweise der Einsatz einer Drossel je modularisiertem Ionentauscher 1. Bei Verwendung von bis zu drei Segmenten 6 kann dabei eine Drossel ohne Schlitz verbaut werden, damit der gesamte Kühlmittelstrom über das lonentauschermittel geleitet wird. Beim Einsatz von bis zu fünf Segmenten 6 kann ein radialer Schlitz über einen Mittelpunktwinkel in der Drossel vorgesehen sein, der genau so groß ist wie der Mittelpunktwinkel zweier Kanalmittelpunkte von zwei axialen Kühlmittelkanälen, so dass der Querschnitt genau eines axialen Kühlmittelkanals freigegeben ist, unabhängig von der tatsächlichen Winkellage der Drossel. Beim Einsatz von sechs oder sieben Segmenten 6 kann der Schlitz über den Mittelpunktwinkel dreier axialer Kühlmittelkanäle 13 reichen und so weiter. Der Fachmann wählt dabei in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung die notwendige Kühlmittelstromaufteilung. Diese kann abhängig sein von der Anzahl der verwendeten Segmente 6, dem verwendeten lonentauschermittel, dem Ioneneintrag in das Kühlmittel, z. B. aufgrund verwendeter Materialien, und weiteren dem Fachmann an sich bekannten Einflussgrößen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weisen das erste Endstück 2 und/oder das zweite Endstück 3 wenigstens einen Kühlmittelkanal auf, der die Stirnfläche des ersten Endstückes 2 und/oder des zweiten Endstückes 3 mit dem Kühlmittelkreislauf verbindet. 4 zeigt zwei verschiedene mögliche Ausgestaltungen des Endstück-Kühlmittelkanals 15. Bei den Ausgestaltungen 15a und 15b am ersten Endstück 2 ist zu erkennen, dass der in Strömungsrichtung 24 betrachtete Kühlmittelkanalauslass jeweils in einer senkrecht zur lonentauscherachse befindlichen Ebene, an der ein Segment 6 anliegt und die daher als Segmentanlagefläche bezeichnet werden kann, in axialer Richtung unmittelbar benachbart zum Innengewinde 11 austritt, in das ein Segment 6 eingeschraubt wird und dessen axialer Kühlmittelkanal 13 deckungsgleich mit dem Kühlmittelkanalauslass angeordnet ist, wodurch eine Fluidverbindung zwischen dem axialen Kühlmittelkanal 13 und dem Endstück-Kühlmittelkanal 15 entsteht. Die Ausgestaltung 15a weist einen Kühlmittelkanaleinlass im vom ersten Endstück 2 umfassten Endstückvolumen auf, wobei in Ausgestaltung 15b der Kühlmittelkanaleinlass außerhalb des Endstückes angeordnet ist. In beiden Ausgestaltungen ist damit eine Fluidverbindung zwischen Kühlmittelkreislauf und axialem Kühlmittelkanal 13 in der Segmenthülle 9 geschaffen. Ausgestaltung 15b weist den weiteren Vorteil auf, dass ein außerhalb des ersten Endstückes 2 befindliches Absperrventil in dem Endstück-Kühlmittelkanal 15 angeordnet werden kann, wodurch die Kühlmittelstromaufteilung gesteuert und/oder geregelt werden kann.
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5 zeigt schließlich den Längsschnitt eines ersten Endstückes 2 mit Entlüftungsstutzen 16. Im vorliegenden Fall ist das erste Endstück 2 räumlich über den Segmenten 6 und dem zweiten Endstück 3 angeordnet. Daher lässt sich der Entlüftungsstutzen 16 vorteilhafterweise hier anordnen, um den Ionentauscher zu entlüften und den hydrostatischen Druck innerhalb des Ionentauschers auf ein gewünschtes Niveau zu bringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- modularisierter Ionentauscher
- 2
- erstes Endstück
- 3
- zweites Endstück
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Auslassöffnung
- 6
- Segment
- 7
- Gitternetz
- 8
- Harzbeutel
- 9
- Segmenthülle
- 10
- Segmentvolumen
- 11
- Innengewinde
- 12
- Außengewinde
- 13
- axialer Kühlmittelkanal
- 14
- Ringnut
- 15
- Endstück-Kühlmittelkanal
- 15a
- Ausgestaltungen am ersten Endstück 2
- 15b
- Ausgestaltungen am ersten Endstück 2
- 16
- Entlüftungsstutzen
- 24
- Strömungsrichtung
