WO2014090537A1 - Ionentauscher für einen kühlkreislauf - Google Patents

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Markus KÜMMERLING
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Definitions

  • the invention relates to an ion exchanger for a refrigeration cycle according to the preamble of claim 1.
  • an ion exchanger for the cooling circuit of a fuel cell is known.
  • unwanted ions are to be removed from the coolant, which may arise, for example, by the contact of the coolant with a metal housing.
  • the ion exchanger has a cartridge, in which an ion exchange resin is taken, which is flowed through by the coolant.
  • the lonenleyerkartusche is provided with an inlet and a drain, which are each covered by a porous cover to hold the ion exchange resin in the housing of the cartridge while the coolant flows through them.
  • a comparable device is also known from DE 10 2009 037 080 A1, which also discloses an ion exchanger in the coolant circuit of a fuel cell.
  • the cartridge is formed as an upstanding, cylindrical body having a bottom inlet, wherein the ion exchange resin is retained via a sieve above the inlet.
  • the invention is based on the object to produce an ion exchanger for a coolant circuit with simple measures. This object is achieved with the features of claim 1.
  • the dependent claims indicate expedient developments.
  • the ion exchanger according to the invention is used in coolant circuits to remove positively or negatively charged ions from the coolant.
  • coolant Circuits are used for example in fuel cell systems for cooling, in which electricity is generated by electrochemical means, for example for driving an electric motor in a vehicle.
  • the ion exchanger can be used in a coolant circuit for a vehicle battery. In principle, however, is an application of the ion exchanger for cooling circuits in stationary units into consideration.
  • the ion exchanger has a housing made of plastic with an inlet and a drain for the coolant.
  • the housing receives a lonenleyerstoff, which is flowed through by the coolant, wherein the ions in the coolant, so the anions and cations are removed via the lonenleyerstoff from the coolant.
  • the ion exchange agent is, for example, a granular resin which may comprise a negative ion exchange anion exchange resin and a positively charged ion exchange cation exchange resin.
  • the ion exchange resins for the anions and cations are present in a defined mixing ratio.
  • a plastic filter element is arranged at least in the process, but expediently also in the inlet.
  • the plastic filter element in the inlet also has the task to filter the incoming coolant and remove entrained dirt particles.
  • the housing is designed as a plastic injection-molded component, which is produced by injection molding.
  • the plastic filter element is overmolded. If a plastic filter element is provided both in the outlet and in the inlet, these two plastic filter elements are encapsulated in the housing.
  • the plastic filter element is produced in a separate production step by sintering the powdery material and then inserting it into the injection mold. Furthermore, it is advantageous that a subsequent fixing of the plastic filter element in the housing is not required. By encapsulating the plastic filter element with the plastic of the housing, the filter element is sufficiently fixed in its desired position in the outlet or inlet of the housing. In addition, no fastening measures are required.
  • the plastic filter element is designed, for example, as a sieve or frit and has a plurality of pores, through which the coolant flows through, but whose diameter is small enough to retain the lonenhielerstoff.
  • plastic filter elements are arranged both in the sequence and in the inlet, they are expediently identical or at least identically formed.
  • plastic material can penetrate into the peripheral pores of the plastic filter element, whereby a positive connection to the plastic material of the housing is created.
  • contour of the plastic filter element can be encompassed by the plastic material of the housing, which also provides a positive connection to the housing.
  • the plastic materials of the housing and filter element have at least approximately the same melting point.
  • the prefabricated plastic filter element is held in place in the mold and overmolded by the plastic material forming the housing. Due to the same or at least similar melting point, the plastic filter element can melt in its edge region and form a material connection to the material.
  • plastics of the same type for the housing and the filter element.
  • At least one plastic filter element in the drain advantageously one plastic filter element in the outlet and inlet of the housing to be manufactured in the tool is arranged and by means of suitable holding devices in Posi- held.
  • the plastic material of the housing is injected by injection molding and the plastic filter element encapsulated, wherein optionally the pressure during injection molding is increased in order to influence the plastic filter element, in particular to reduce the pore size of the plastic filter element.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a cooling circuit for a fuel cell system with integrated ion exchanger
  • Fig. 2 of the ion exchanger in a perspective view Fig. 3 is a section along the ion exchanger.
  • a coolant circuit 1 for a fuel cell system 2 is shown in a highly schematic manner, which produces electricity by electrochemical means, for example in a vehicle for driving an electric motor.
  • a heat exchanger 3 is integrated, is dissipated via the heat.
  • the flow circuit is maintained by means of a pump 4.
  • an ion exchanger 5 is integrated, which is provided with a lonen (2004)er- medium, which is flowed through by the coolant in the coolant circuit. In this way, ions in the coolant can be bound to the ion exchange agent and thereby removed from the coolant.
  • the ion exchanger 5 As an ion exchanger is, for example, a granulatformiges anion exchange resin and cation exchange resin into consideration, both types of resin are taken mixed in the ion exchanger 5 mixed and are in a defined ratio to one another.
  • the ion exchanger 5 has a cylindrical housing 6, in which the suggestively illustrated, granular ion exchange resin 9 - anion exchange resin and cation exchange resin - is accommodated.
  • an inlet 7 and a drain 8 for the supply and discharge of the coolant are introduced at opposite end faces.
  • plastic filter element 10 intended to prevent the ion exchanger resin 9 from being flushed out of the housing 6.
  • the plastic filter elements 10 also have a filtration function in that at least on the inlet side dirt particles, which are entrained in the coolant, are screened out on the plastic filter element 10.
  • the plastic filter elements 10 in the inlet 7 and outlet 8 are preferably made identical.
  • the housing 6 of the ion exchanger 5 is made of plastic and is manufactured by plastic injection molding.
  • the two plastic filter elements 10 are encapsulated by the plastic material during the production of the housing 6, so that both the plastic housing 6 and the prefabricated plastic filter elements 10 are integrated into the housing 6 in a common working step.
  • the plastic filter elements 10 are held and fixed in their position in the tool by means of suitable holding devices, for example punches, in which the plastic for the housing is extrusion-coated.
  • suitable holding devices for example punches, in which the plastic for the housing is extrusion-coated.
  • the punches or holding devices fix the plastic filter elements 10 in particular via their front side, so that penetration of the overmolded plastic into the end faces of the plastic filter elements 10 is prevented. This ensures that the pores in the plastic filter element 10 remain at least substantially free of plastic material and the coolant can be introduced into or removed from the housing via the inlet or outlet.
  • connection between the plastic filter elements 10 and the housing 6 takes place in a positive and cohesive manner.
  • a plastic material having a similar or identical melting point and the same is preferred chemical structure as used for the plastic of the housing, so that the peripheral side of the plastic filter elements melt during injection of the housing plastic and a cohesive connection between the plastic filter elements and the housing is made.
  • the plastic material of the housing can penetrate the circumference slightly in the radial direction into the plastic filter element and in this way create a cohesive connection.
  • the plastic material of the housing at least slightly overlap the end edges of the plastic filter elements on one or both end faces, whereby a positive connection is likewise produced.

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Abstract

Ein lonentauscher für einen Kühlmittelkreislauf weist ein Gehäuse mit einem Zulauf und einem Ablauf für ein Kühlmittel auf. Das Gehäuse besteht aus Kunststoff und ist als Spritzgussbauteil hergestellt, wobei im Ablauf ein Kunststofffilterelement angeordnet ist, das in das Gehäuse eingespritzt ist.

Description

Beschreibung lonentauscher für einen Kühlkreislauf Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen lonentauscher für einen Kühlkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .
Stand der Technik
Aus der DE 10 2009 012 379 A1 ist ein lonentauscher für den Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle bekannt. Mittels des lonentauschers sollen unerwünschte Ionen aus dem Kühlmittel entfernt werden, die beispielsweise durch den Kontakt des Kühlmittels mit einem Metallgehäuse entstehen können. Der lonentauscher weist eine Kartusche auf, in der ein lonentauscherharz aufgenommen ist, das von dem Kühlmittel durch- strömt wird. Hierfür ist die lonentauscherkartusche mit einem Zulauf und einem Ablauf versehen, die jeweils von einer porösen Abdeckung überdeckt sind, um das lonentauscherharz in dem Gehäuse der Kartusche zu halten, während das Kühlmittel diese durchströmt. Eine vergleichbare Vorrichtung ist auch aus der DE 10 2009 037 080 A1 bekannt, die ebenfalls einen lonentauscher im Kühlmittelkreislauf einer Brennstoffzelle offenbart. Die Kartusche ist als aufrecht stehender, zylindrischer Körper ausgebildet, die einen unten liegenden Zulauf aufweist, wobei das lonentauscherharz über ein Sieb oberhalb des Zulaufs zurückgehalten wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen einen lonentauscher für einen Kühlmittelkreislauf herzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Der erfindungsgemäße lonentauscher wird in Kühlmittel kreisläufen eingesetzt, um positiv bzw. negativ geladene Ionen aus dem Kühlmittel zu entfernen. Derartige Kühlmittel- kreisläufe werden beispielsweise in Brennstoffzellensystemen zur Kühlung eingesetzt, in denen auf elektrochemischem Wege Strom erzeugt wird, beispielsweise zum Antrieb eines Elektromotors in einem Fahrzeug. Als weiteres Anwendungsbeispiel kann der lonentauscher in einem Kühlmittelkreislauf für eine Fahrzeugbatterie eingesetzt werden. Grundsätzlich kommt aber auch eine Anwendung des lonentauschers für Kühl kreisläufe in stationären Aggregaten in Betracht.
Der lonentauscher weist ein aus Kunststoff gefertigtes Gehäuse mit einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmittel auf. Das Gehäuse nimmt ein lonentauschermittel auf, welches von dem Kühlmittel durchströmt wird, wobei die Ionen im Kühlmittel, also die Anionen und Kationen, über das lonentauschermittel aus dem Kühlmittel entfernt werden. Das lonentauschermittel liegt beispielsweise als granulatförmiges Harz vor, welches ein Anionentauscherharz für negativ geladene Ionen und ein Kationen- tauscherharz für positiv geladene Ionen umfassen kann. Die lonentauscherharze für die Anionen und Kationen liegen hierbei in einem definierten Mischungsverhältnis vor.
Um ein Ausschwemmen des lonentauschermittels aus dem Gehäuse zu vermeiden, ist zumindest im Ablauf, zweckmäßigerweise aber auch im Zulauf jeweils ein Kunststoff- filterelement angeordnet. Das Kunststofffilterelement im Zulauf hat zudem die Aufgabe, das zufließende Kühlmittel zu filtrieren und mitgeführte Schmutzpartikel zu entfernen.
Für eine vereinfachte Herstellung des lonentauschers ist das Gehäuse als Kunststoff- Spritzgussbauteil ausgeführt, das im Spritzgussverfahren hergestellt wird. Das Kunststofffilterelement wird umspritzt. Sofern sowohl im Ablauf als auch im Zulauf jeweils ein Kunststofffilterelement vorgesehen ist, sind diese beiden Kunststofffilterelemente im Gehäuse umspritzt.
Dies hat den Vorteil, dass kostengünstige Kunststofffilterelemente eingesetzt werden können und auf kostenintensivere Filterelemente aus porösen metallischen Werkstoffen oder Glas-Sinterplatten verzichtet werden kann.
Des Weiteren ist vorteilhaft, dass das Kunststofffilterelement in einem separaten Fertigungsschritt hergestellt wird, indem das pulverförmige Material gesintert und im An- schluss daran in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird. Vorteilhaft ist des Weiteren, dass ein nachträgliches Fixieren des Kunststofffilterelements im Gehäuse nicht erforderlich ist. Durch das Umspritzen des Kunststofffilterelementes mit dem Kunststoff des Gehäuses wird das Filterelement in ausreichender Weise in seiner Sollposition im Ablauf bzw. Zulauf des Gehäuses fixiert. Darüber hinaus sind keine Befestigungsmaß- nahmen erforderlich.
Das Kunststofffilterelement ist beispielsweise als Sieb bzw. Fritte ausgeführt und weist eine Vielzahl von Poren auf, durch die das Kühlmittel hindurchströmt, deren Durchmesser jedoch klein genug ist, um das lonentauschermittel zurückzuhalten. Soweit Kunststofffilterelemente sowohl im Ablauf als auch im Zulauf angeordnet sind, sind diese zweckmäßigerweise identisch oder zumindest gleichartig ausgebildet.
Während des Spritzgießens kann Kunststoffmaterial in die randseitigen Poren des Kunststofffilterelementes eindringen, wodurch eine formschlüssige Verbindung zum Kunststoffmaterial des Gehäuses geschaffen wird. Zusätzlich kann die Kontur des Kunststofffilterelementes vom Kunststoffmaterial des Gehäuses umgriffen werden, wodurch ebenfalls eine formschlüssige Verbindung zum Gehäuse geschaffen wird.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Kunststoffmaterialien von Gehäuse und Filterelement zumindest annähernd den gleichen Schmelzpunkt auf. Während des Herstellungsprozesses wird das vorgefertigte Kunststofffilterelement in seiner Position in der Gießform gehalten und vom Kunststoffmaterial, welches das Gehäuse bildet, umspritzt. Auf Grund des gleichen oder zumindest ähnlichen Schmelzpunktes kann das Kunststofffilterelement in seinem Randbereich anschmelzen und eine stoffschlüssige Verbindung zum Material eingehen. Somit besteht nicht nur eine formschlüssige, sondern darüber hinaus auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststofffilterelement und dem Gehäuse.
Es kann vorteilhaft sein, für das Gehäuse und das Filterelement sortengleichen Kunst- stoff zu verwenden.
Bei dem Herstellungsverfahren wird mindestens ein Kunststofffilterelement im Ablauf, vorteilhafterweise je ein Kunststofffilterelement im Ablauf und Zulauf des zu fertigenden Gehäuses im Werkzeug angeordnet und mittels geeigneten Halteeinrichtungen in Posi- tion gehalten. Das Kunststoffmaterial des Gehäuses wird im Spritzgießverfahren eingespritzt und das Kunststofffilterelement umspritzt, wobei ggf. der Druck während des Spritzgießens erhöht wird, um Einfluss auf das Kunststofffilterelement zu nehmen, insbesondere die Porengröße des Kunststofffilterelementes zu verringern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Weise einen Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem mit integriertem lonentauscher,
Fig. 2 der lonentauscher in perspektivischer Ansicht, Fig. 3 einen Schnitt längs durch den lonentauscher.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist in stark schematisierter Weise ein Kühlmittelkreislauf 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 dargestellt, das auf elektrochemischem Wege Strom produziert, beispielsweise in einem Fahrzeug zum Antreiben eines Elektromotors. In den Kühlmittelkreislauf 1 ist ein Wärmetauscher 3 integriert, über den Wärme abgeleitet wird. Der Strömungskreislauf wird mittels einer Pumpe 4 aufrechterhalten. Des Weiteren ist in den Kühlmittelkreislauf 1 ein lonentauscher 5 integriert, der mit einem lonentauscher- mittel versehen ist, welches von dem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf durchströmt wird. Auf diese Weise können Ionen im Kühlmittel an das lonentauschermittel gebunden und dadurch aus dem Kühlmittel entfernt werden. Als lonentauscher kommt beispielsweise ein granulatformiges Anionentauscherharz und Kationentauscherharz in Betracht, wobei beide Harzarten im lonentauscher 5 durchmischt aufgenommen sind und in einem definierten Mengenverhältnis zueinander stehen. Wie der Darstellung des lonentauschers 5 gemäß den Figuren 2 und 3 zu entnehmen, weist der lonentauscher 5 ein zylindrisches Gehäuse 6 auf, in welchem das andeutungsweise dargestellte, granulatförmige lonentauscherharz 9 - Anionentauscher- harz und Kationentauscherharz - aufgenommen ist. In das Gehäuse 6 sind an gegen- überliegenden Stirnseiten ein Zulauf 7 und ein Ablauf 8 für die Zufuhr bzw. Ableitung des Kühlmittels eingebracht.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, befindet sich im Zulauf 7 sowie im Ablauf 8 jeweils benachbart zum Innenraum des Gehäuses 6 ein Kunststofffilterelement 10, das ein Aus- schwemmen des lonentauscherharzes 9 aus dem Gehäuse 6 verhindern soll. Den Kunststofffilterelementen 10 kommt außerdem eine Filtrationsfunktion zu, indem zumindest zulaufseitig Schmutzpartikel, welche im Kühlmittel mitgeführt werden, an dem Kunststofffilterelement 10 ausgesiebt werden. Die Kunststofffilterelemente 10 im Zulauf 7 und Ablauf 8 sind vorzugsweise identisch ausgeführt.
Das Gehäuse 6 des lonentauschers 5 besteht aus Kunststoff und ist im Kunststoff- Spritzgießverfahren hergestellt. Die beiden Kunststofffilterelemente 10 werden während der Herstellung des Gehäuses 6 vom Kunststoffmaterial umspritzt, so dass in einem gemeinsamen Arbeitsschritt sowohl das Kunststoffgehäuse 6 hergestellt als auch die vor- gefertigten Kunststofffilterelemente 10 in das Gehäuse 6 integriert werden.
Während der Herstellung werden die Kunststofffilterelemente 10 über geeignete Halteeinrichtungen, beispielsweise Stempel, in ihrer Position im Werkzeug gehalten und fixiert, in dem der Kunststoff für das Gehäuse umspritzt wird. Die Stempel bzw. Hal- teeinrichtungen fixieren die Kunststofffilterelemente 10 insbesondere über deren Stirnseite, so dass ein Eindringen des umspritzten Kunststoffes in die Stirnseiten der Kunststofffilterelemente 10 verhindert wird. Damit wird sichergestellt, dass die Poren im Kunststofffilterelement 10 zumindest im Wesentlichen frei von Kunststoffmaterial bleiben und das Kühlmittel über den Zulauf bzw. Ablauf in das Gehäuse eingeführt bzw. aus diesem abgeleitet werden kann.
Die Verbindung zwischen den Kunststofffilterelementen 10 und dem Gehäuse 6 erfolgt auf form- und stoffschlüssige Weise. Bevorzugt wird für die Kunststofffilterelemente ein Kunststoffmaterial mit einem ähnlichen oder identischen Schmelzpunkt und gleichem chemischen Aufbau wie für den Kunststoff des Gehäuses verwendet, so dass die Um- fangsseite der Kunststofffilterelemente beim Einspritzen des Gehäusekunststoffes anschmelzen und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kunststofffilterelementen und dem Gehäuse hergestellt wird. Zugleich kann das Kunststoffmaterial des Gehäuses umfangsseitig geringfügig in Radialrichtung in das Kunststofffilterelement eindringen und auf diese Weise eine stoffschlüssige Verbindung schaffen. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Kunststoffmaterial des Gehäuses die Stirnkanten der Kunststofffilterelemente an einer oder an beiden Stirnseiten zumindest geringfügig übergreifen, wodurch ebenfalls eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird.

Claims

Ansprüche
1 . lonentauscher für einen Kühlmittelkreislauf (1 ), mit einem Gehäuse (6), das einen Zulauf (7) und einen Ablauf (8) für ein Kühlmittel aufweist, wobei im Gehäuse (6) ein lonentauschermittel aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) aus Kunststoff besteht und als Spritzgussbauteil hergestellt ist, wobei im Ablauf (8) ein Kunststofffilterelement (10) angeordnet ist, das vom Kunststoff umspritzt ist.
2. lonentauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf (7) ein Kunststofffilterelement (10) angeordnet ist, das vom Kunststoff umspritzt ist.
3. lonentauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff- filterelemente (10) im Ablauf (8) und im Zulauf (7) gleichartig ausgebildet sind.
4. lonentauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Kunststofffilterelements (10) und der Kunststoff des Gehäuses (6) zumindest annähernd den gleichen Schmelzpunkt aufweisen.
5. lonentauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in randseitigen Poren des Kunststofffilterelements (10) Kunststoffmaterial des Gehäuses (6) aufgenommen ist.
6. lonentauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche des Kunststofffilterelements (10) durch das Einspritzen des
Kunststoffmaterials des Gehäuses (6) angeschmolzen sind.
7. Kühlmittelkreislauf mit einem lonentauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Fahrzeugbatterie mit einem Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 7.
9. Brennstoffzellensystem mit einem Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 7.
10. Verfahren zur Herstellung eines lonentauschers mit einem Gehäuse, insbesondere eines lonentauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Gehäuse (6) als Kunststoff-Spritzgussbauteil hergestellt wird, wobei in einen Ablauf (8) des Gehäuses (6) ein Kunststofffilterelement (10) umspritzt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen erhöhten Druck während des Spritzgießens die Porengröße des Kunststofffilterelements (10) verringert wird.
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