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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverdampfer mit einer Heizvorrichtung und einer offenporösen metallischen Struktur.
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Verdampfer für Flüssigkeiten bestehen üblicherweise aus Flüssigkeitsträgern, die durch externe Heizer oder eine interne Verrohrung mit hindurchfließenden Wärmeträgern erwärmt werden. Nachteilig an derartigen Vorrichtungen ist deren komplizierter Aufbau, was sie fehleranfällig macht und den Wirkungsgrad reduziert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsverdampfer zu entwickeln, der die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also in effizienter Weise Flüssigkeiten energieeffizient und schonend verdampft werden können und gleichzeitig eine Ausfallrate aufgrund einer möglichst einfachen Bauart reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Flüssigkeitsverdampfer nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Flüssigkeitsverdampfer weist eine Heizvorrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit zumindest bis zu einem Erreichen der Siedetemperatur der Flüssigkeit auf. Außerdem weist der Flüssigkeitsverdampfer eine mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur auf, die zu einem Aufnehmen der Flüssigkeit ausgebildet ist. Die Öffnungsgröße, d.h. die Größe der Öffnungen, und Porosität der mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur sind derart gewählt, dass die Flüssigkeit durch Kapillarkräfte in die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur gelangt.
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Durch Vorsehen einer mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur zum Aufnehmen der zu verdampfenden Flüssigkeit bzw. zum Durchströmen der Flüssigkeit durch die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur kann die Flüssigkeit in einfacher Weise geführt und gezielt erwärmt werden. Der Einsatz von Kapillarkräften zum Führen der Flüssigkeit erlaubt es hierbei, einen einfachen Aufbau ohne weitere Geräte wie beispielsweise Pumpen zu erhalten. Indem eine mögliche Heizfläche durch eine geeignete Struktur erhöht wird, wird eine energieeffiziente und schonende Verdampfung bei geringen Übertemperaturen erreicht.
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Die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur kann Poren und bzw. oder Kanäle als Öffnungen aufweisen. Die Struktur selbst kann metallisch sein, also aus einem Metall ausgebildet sein, oder aus einer elektrisch leitfähigen Keramik ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur eine offenporöse, metallische Struktur. Als ein elektrisch leitfähiger Werkstoff soll hierbei ein Werkstoff gelten, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens 104 S/m beträgt.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung als eine elektrische betriebene Heizvorrichtung ausgebildet ist, um eine besonders effiziente Erwärmung der Flüssigkeit zu erhalten.
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Typischerweise ist die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur zumindest Bestandteil der elektrisch betriebenen Heizvorrichtung und an eine elektrische Stromquelle bzw. an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform, bei der ein direkter Durchgang eines elektrischen Stroms durch die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur erfolgt, diese Struktur hierbei erhitzt und in einfacher Weise auch die in der mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur enthaltene Flüssigkeit bis zum Erreichen der Siedetemperatur erwärmt und die Flüssigkeit somit verdampft. Die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur weist hierfür typischerweise einen Querschnitt auf, der einen ausreichend großen elektrischen Widerstand für eine Verdampfung bereitstellt.
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Für eine verbesserte Kapillarwirkung kann vorgesehen sein, dass die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur eine Oxidschicht auf ihrer Oberfläche aufweist. Diese Oxidschicht kann durch eine Wärmebehandlung oder durch Aufbringen einer entsprechenden Beschichtung ausgebildet werden.
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Eine Größe der Öffnungen der mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur, vorzugsweise die Öffnungsgröße bzw. Porengröße der offenporösen metallischen Struktur, liegt typischerweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und 1,5 mm. Diese Größen, Porengrößen bzw. Porenweiten ermöglichen es, die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur mit geringen Abmessungen herzustellen und dennoch ausreichend Flüssigkeit durch Kapillarkräfte aufzunehmen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Porosität, also insbesondere ein Verhältnis zwischen dem Volumen der Öffnungen bzw. Poren und dem Gesamtvolumen, zwischen 40 % und 96 %, vorzugsweise zwischen 50 % und 95 %, besonders bevorzugt zwischen 85 % und 95 % betragen. Durch das Einhalten dieser Werte ist wiederum eine effiziente Flüssigkeitsaufnahme in der mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur erreichbar.
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Vorzugsweise ist die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur mit einem Stirnseitenbereich in ein Flüssigkeitsreservoir hineinragend angeordnet. In dem Flüssigkeitsreservoir kann die zu verdampfende Flüssigkeit enthalten sein, bevor sie in die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur gelangt. Ebenso kann das Flüssigkeitsreservoir kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten mit Flüssigkeit nachgefüllt werden. Alternativ kann auch auf das Flüssigkeitsreservoir verzichtet werden und die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur selbst als Flüssigkeitsreservoir dienen, das heißt, dass nur die in der mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur befindliche Flüssigkeit erwärmt wird und verdampfte Flüssigkeit nicht ersetzt werden kann. Beim Verdampfen kann eine eigentliche Verdampferfläche vom Flüssigkeitsreservoir getrennt sein, so dass das Flüssigkeitsreservoir nicht auf Siedetemperatur gehalten werden muss. Dadurch entfallen entsprechende Wärmeverluste und ein Wirkungsgrad des Flüssigkeitsverdampfers ist gegenüber konventionellen Verdampfern deutlich größer.
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Die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur und die Heizvorrichtung sowie, sofern vorgesehen, das Flüssigkeitsreservoir können stoffschlüssig miteinander verbunden sein, um einen kompakten Aufbau zu erreichen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur und die Heizvorrichtung sowie, sofern vorgesehen, das Flüssigkeitsreservoir als ein einziges Bauteil ausgebildet sind, was eine mechanische Stabilität des Flüssigkeitsverdampfers und seinen Aufbau weiter vereinfacht.
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Typischerweise ist die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur als Metallschaum ausgebildet. In besonders bevorzugter Weise ist der Metallschaum aus Ni80Cr20 oder Ni22Fe22Cr6Al ausgebildet, das heißt der Metallschaum weist Ni80Cr20 oder Ni22Fe22Cr6Al auf bzw. besteht daraus.
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Bei einem Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit gelangt die Flüssigkeit durch Kapillarkräfte durch eine mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur, deren Öffnungesgröße bzw. Porengröße und Porosität entsprechend gewählt sind, und wird durch eine Heizvorrichtung zumindest bis zu einem Erreichen der Siedetemperatur der Flüssigkeit erwärmt.
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Das beschriebene Verfahren ist typischerweise mit der umschriebenen Vorrichtung durchführbar bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Darstellung des Flüssigkeitsverdampfers, und
- 2 ein Diagramm einer Saugwirkung eines metallischen Schaums.
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In 1 ist ein Flüssigkeitsverdampfer dargestellt, bei dem in einer offenporösen metallischen Struktur 3 aus Ni80Cr20 als einer mit Öffnungen versehenen, elektrisch leitfähigen Struktur die Porengröße und die Porosität derart gewählt sind, dass eine Flüssigkeit 2 durch Kapillarkräfte in die offenporöse metallische Struktur 3 gelangt. Die offenporöse metallische Struktur 3 ist elektrisch mit einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung 1 verbunden, durch die ein elektrischer Strom durch die offenporöse metallische Struktur 3 geführt wird, der die Flüssigkeit 2 bis zu einem Erreichen der Siedetemperatur der Flüssigkeit 2 erwärmt, so dass diese verdampft.
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Mit ihrer Stirnseite, das heißt in 1 ihrem unteren Ende, ist die offenporöse metallische Struktur 3 in ein Flüssigkeitsreservoir 5 hineinragend angeordnet. Aus dem Flüssigkeitsreservoir 5 gelangt die Flüssigkeit 2 in die offenporöse metallische Struktur 3.
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In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die offenporöse metallische Struktur 3, die elektrische Heizvorrichtung 1 sowie das Flüssigkeitsreservoir 5 stoffschlüssig miteinander verbunden. Darüber hinaus sind in diesem Ausführungsbeispiel die offenporöse metallische Struktur 3, die Heizvorrichtung 1 sowie das Flüssigkeitsreservoir 5 als einziges Bauteil ausgebildet.
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Mit dem dargestellten Flüssigkeitsverdampfer, der auch als direkt beheizter Kapillarverdampfer beschrieben werden kann, macht eine direkte Strombeheizung weitere Heizelemente überflüssig und der Flüssigkeitsverdampfer führt durch seine Kapillarkräfte zu einem kontinuierlichen Nachschub der zu verdampfenden Flüssigkeit 2. Die offenporöse metallische Struktur 3 weist hierbei Zellengrößen auf, die klein genug sind, um Kapillarkräfte aufzubauen. Dabei wird die offenporöse metallische Struktur 3 im direktem Stromdurchgang beheizt. Da unbehandelte metallische Strukturen üblicherweise nur schwache Kapillarkräfte aufbauen, da ein Benetzungswinkel für Flüssigkeiten ungefähr bei 90° liegen kann, ist die im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigte offenporöse metallische Struktur 3 mit einer Oxidschicht 4 zum Unterstützen der Kapillarkräfte überzogen. Durch eine Wärmebehandlung eines Substrats der offenporösen metallischen Struktur 3 bei z. B. 400 °C über einen Zeitraum von 30 Minuten kann eine ausreichend stabile Oxidschicht 4 auf einer Oberfläche der offenporösen metallischen Struktur 3 aufgebaut werden, die den Benetzungswinkel des Substrats soweit herabsetzt, dass bei Zellenweiten von 0,1 mm bis 3 mm, das heißt bei Porengrößen von 0,1 mm bis 3 mm Kapillarkräfte entstehen.
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Diese Kapillarkräfte halten einerseits die zu verdampfende Flüssigkeit 2 im Bereich einer stromdurchflossenen Beheizungszone und sind andererseits geeignet, aus dem Flüssigkeitsreservoir 5 entnommene Flüssigkeit 2 kontinuierlich zu ersetzen. Die Beheizungszone kann hierbei einen gesamten Bereich der offenporösen metallischen Struktur 3 zwischen beiden Stirnseiten umfassen, es kann jedoch auch nur ein einzelner Bereich zwischen den beiden Stirnseiten ausgewählt sein, so dass die Beheizungszone beispielsweise maximal eine halbe Länge der offenporösen metallischen Struktur 3 umfasst. Das Ersetzen der Flüssigkeit 2 kann so schnell erfolgen, dass der Verdampfungsvorgang kontinuierlich bis zur Verdampfung des gesamten Flüssigkeitsvorrats des Flüssigkeitsreservoirs 5 abläuft. Außerdem kann die offenporöse metallische Struktur 3, die auch als metallische zellulare Struktur oder als metallische Hohlstruktur bezeichnet werden kann, bei entsprechender Dimensionierung selbst als integriertes Flüssigkeitsreservoir 5 dienen.
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Da die Heizvorrichtung 1, eine Flüssigkeitszuführung und ggfs. auch ein Flüssigkeitsspeicher wie das Flüssigkeitsreservoir 5 als ein Bauteil ausgeführt werden können bzw. in einem Bauteil kombiniert werden können, ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau, bei dem durch eine große Oberfläche der offenporösen metallischen Struktur 3 eine besonders effektive Verdampfung mit geringen Übertemperaturen ermöglicht wird. Die direkte elektrische Beheizung sorgt für eine homogene Beheizung und macht eine genauere Einstellung von der Temperatur der offenporösen metallischen Struktur 3 möglich. Für den Fall einer gewünschten Trennung von Flüssigkeiten 2 ist somit auch eine höhere Trennschärfe erreichbar.
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Anwendungsgebiete des beschriebenen Flüssigkeitsverdampfers sind verschiedenste Geräte und Anlagen, die zur Verdampfung benutzt werden. Eine Anwendung, der die Einfachheit des Aufbaus zugutekommt, ist ein Verdampfer von E-Zigaretten. Hier kann das offenporöse Metall einen komplexeren und anfälligeren Aufbau mit separatem Heizer, Verdampfer und möglicherweise auch Flüssigkeitsspeicher ersetzen. Die beschriebenen Eigenschaften des diskutierten Flüssigkeitsverdampfers machen einen Betrieb mit kommerziell verfügbaren Batteriezellen als Stromquelle bzw. Spannungsquelle möglich.
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Günstig für das Herausbilden der Kapillarkräfte ist hierbei, wenn die Porengröße im Bereich zwischen 0,1 mm und 3 mm und die Porosität zwischen 40 % und 96 % liegt.
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In 2 ist eine Saugwirkung eines metallischen Schaums aus einer Legierung Ni22Fe22Cr6Al dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in der vorhergehenden Figur versehen.
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Ein offenzelliger bzw. offenporöser Metallschaum aus der Legierung Ni22Fe22Cr6Al und einer Zellenweite, das heißt einer Porengröße, von 0,58 mm wurde in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer Wärmebehandlung bei 1280 °C unter Luft unterzogen. Der so behandelte Metallschaum zeigt signifikante Kapillarkräfte für eine Mischung aus 50 % Glyzerin und 50 % Glykol. Das Saugverhalten bzw. die Saugwirkung eines Bauteils mit einer Geometrie von 70 mm x 20 mm x 1,9 mm ist in 2 über der Zeit aufgetragen.
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Eine derartige Struktur kann, beispielsweise mit den Abmessungen 50 mm x 6 mm x 1,9 mm, von einer Batterie durch direkten Stromfluss von 3,5 A bei einer Spannung von 1,4 V auf eine Temperatur von 240 °C gebracht werden. Durch Eintauchen eines unbeheizten Teils der direkt beheizten offenporösen metallischen Struktur 3, das heißt des direkt beheizten Metallschaums, in eine Schale, die als das Flüssigkeitsreservoir 5 dient, mit der oben genannten Flüssigkeit 2 wird eine kontinuierliche Verdampfung erzeugt. Dabei fließt die Flüssigkeit 2 aufgrund der Kapillarkräfte von der Schale nach oben in den beheizten Teil der netzwerkartigen Struktur 3. Dort verdampft die Flüssigkeit 2 durch die Wärmeeinwirkung.
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Alternativ kann die mit Öffnungen versehene, elektrisch leitfähige Struktur auch aus einer elektrisch leitfähigen Keramik aufgebaut sein, die typischerweise eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 104 S/m aufweist. In bevorzugter Weise wird jedoch ein Ni80Cr20-Schaum für die offenporöse, metallische Struktur 3 verwendet, der eine Porosität von 92 % aufweist.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
