EP2952831A1 - Thermische konditionierung von bauteilen - Google Patents

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Publication number
EP2952831A1
EP2952831A1 EP15168353.9A EP15168353A EP2952831A1 EP 2952831 A1 EP2952831 A1 EP 2952831A1 EP 15168353 A EP15168353 A EP 15168353A EP 2952831 A1 EP2952831 A1 EP 2952831A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction vessel
component
desorptive
sorbent
sorptive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15168353.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Gralher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus DS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus DS GmbH filed Critical Airbus DS GmbH
Publication of EP2952831A1 publication Critical patent/EP2952831A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B19/00—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/08—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt

Definitions

  • the invention relates to a device for thermal conditioning of a component by means of direct or indirect body contact regardless of a position and movement of the component in space and a method for thermal conditioning of a component by means of direct or indirect body contact regardless of a position and movement of the component in space.
  • a defined heat dissipation or supply is often required to stabilize components within their operating temperature and thus the entire electrical circuit.
  • heat removal is only possible if the temperature of a heat-absorbing sink is lower than the temperature of a heat-emitting source.
  • the regulation of the temperature of components for example by using fans, technically simple and effective implement.
  • a challenge represents the heat dissipation of components in extraterrestrial applications.
  • thermally well insulating vacuum heat pipes or closed liquid cooling can be used to transport heat from a heat source to a heat sink.
  • the heat sink can be realized for example by radiation via radiators to space.
  • thermally conditioning is to use open evaporators which supply the heat to a container in which a liquid vaporizes at the vapor pressure corresponding to its temperature and releases the vapor to the environment.
  • Another option for thermal conditioning is provided by thermochemical heat storage. Exothermic or endothermic processes are used to generate or absorb heat.
  • DE102010047371A1 is a self-cooling beer keg shown as an example of a thermochemical heat storage in which desorbs a working fluid and dissipates heat.
  • the object of the invention is to provide a device for thermal conditioning of a component by means of direct or indirect body contact regardless of a position and movement of the component in space, which eliminates the aforementioned disadvantages. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for thermal conditioning of a component by means of direct or indirect body contact regardless of a position and movement of the component in space.
  • a device for the thermal conditioning of a component by means of direct or indirect body contact functions independently of a position and movement of the component in space.
  • the apparatus comprises a reaction vessel for providing a sorbent for receiving a sorbent and for delivering a desorptive having an interface for making the body contact, a lead for supplying the sorbent and a lead for discharging the desorptive.
  • the device has a device for applying the derivative with a negative pressure against an internal pressure of the reaction vessel.
  • the device may extract or supply heat directly or indirectly to one or more components via the interface.
  • it is independent of external physical conditions and can therefore also be used, among other things, in vacuum and / or weightless conditions as well as in accelerated movements such as occur in automobiles, aircraft and spacecraft.
  • a constant holding of an operating temperature is possible regardless of external conditions.
  • it is significantly lighter weight or lighter with the same cooling performance.
  • a supply line is thus also understood to mean a container opening which is closed, for example, after the supply.
  • the supply line of the reaction container preferably extends from a storage container which provides the sorptive.
  • the reaction vessel can be refilled.
  • the refilling can be done in such a way that generates adsorbing energy when taking the sorbent of the sorbent, which can then be used for heating.
  • the reaction vessel has a heat conduction structure arranged in its interior. Due to the heat conduction structure, the heat of the component can be passed homogeneously and quickly into the reaction vessel via the interface (cooling function). Likewise, the heat-conducting structure allows a fast and uniform removal of the resulting in the reaction vessel Heat to a component (heating function).
  • the heat-conducting structure is preferably designed in the form of a rib structure or a foam. This can for example consist of metal such as aluminum or an aluminum alloy or another good heat-conducting material.
  • the discharge of the device has a valve device for opening and controlling the discharge to the outside environment.
  • the derivative without the aid of vacuum pumps with a negative pressure relative to an internal pressure of the reaction vessel.
  • the device has a vacuum pump, which acts on the discharge with a negative pressure relative to an internal pressure of the reaction vessel.
  • a vacuum pump acts on the discharge with a negative pressure relative to an internal pressure of the reaction vessel.
  • the discharge of the device is connected downstream of the vacuum pump via a return line to the reservoir.
  • a return line to the reservoir.
  • the return line Through the return line a circuit is created so that the device is self-contained. With an appropriate length of the return line, this can condense the desorptive in the sorptive and feed it into the reservoir.
  • a condenser for transferring the desorptive is arranged in the return line in the sorbent. This measure allows a controlled transfer of the desorptive into the sorptive.
  • the supply line has a first valve device for opening and controlling the supply line.
  • the first valve device may, for example, in the form of a metering valve, a Stopcock and the like. This allows you to control and regulate the feeding of the sorptive.
  • a second valve means for opening and controlling the discharge is arranged in the discharge.
  • the second valve device for example in the form of a metering valve, a stopcock and the like. This measure makes it possible to control both the negative pressure in the derivative and the derivation of the desorptive and regulate.
  • a measuring system for detecting operating parameters may be provided.
  • various operating parameters such as temperature in the reaction vessel, and the negative pressure in the derivative can be detected.
  • the temperature of the reaction container for regulating the first valve device in the supply line can preferably be used.
  • the temperature of the reaction vessel for regulating the second valve device in the discharge can preferably be used.
  • a component is thermally adjusted by, for example, its target temperature that a sorptive is fed into a reaction container standing in body contact with the component in which a sorptive absorbable sorbent is provided, and / or that a desorptive formed in the reaction vessel is discharged from the reaction vessel.
  • the temperature of the component can be influenced by a supply line of the sorbent in and / or a derivative of the desorptive from the reaction vessel.
  • Vacuum can be generated independently of the external physical conditions, so that the thermal conditioning can take place independently of external influences and the orientation of the component in space.
  • the desorption of the desorptive from the reaction vessel is effected by a pressure difference between the reaction vessel and the discharge.
  • the pressure difference can be done either by a vacuum pump or by taking advantage of a possible low ambient pressure. Especially in extraterrestrial applications weight and cost can be saved.
  • the desorptive temperature and / or pressure and / or time-controlled derived from the reaction vessel allows complete derivation-side automation of the thermal conditioning of the component.
  • the sorptive is supplied to the reaction vessel as a function of at least one operating parameter. This measure allows a complete supply-side automation of the thermal conditioning of the component.
  • the desorptive is condensed to the sorptive and fed back as sorptive into the reservoir.
  • a closed circuit is created, which for example provides advantages in long-term operation, since no losses of the sorptive and / or desorptive occur.
  • the temperature or the pressure in the reaction vessel may be the control variables
  • the valve devices are used in particular for regulating the pressure, which thus act as an actuator or actuators. It is also suitable the ability to specify, for example, a desired internal pressure in the reaction vessel, which is controlled automatically by the valve devices. In this case, a measured actual pressure can be compared with the desired pressure and readjusted accordingly via the valve device.
  • FIG. 1 a first embodiment of a device 1 according to the invention for the thermal conditioning of a component 2 by means of direct or indirect body contact is shown independently of a position and movement of the component 2 in space.
  • the device 1 has a reaction container 4, which is here in direct physical contact with the component 2 and in whose interior 6 a sorbent 8 is provided. However, here is not the entire interior 6 is filled with the sorbent 8, but according to the illustration in FIG. 1 is above the sorbent 8 a free partial interior 10 is formed. A degree of filling of the reaction vessel 4 or its interior 6 depends individually, for example, on the respectively to be performed thermal conditioning and after the sorbent 8.
  • the sorbent 8 is here, for example, silica gel in granular form. In order to produce the direct body contact exemplified here, the reaction vessel 4 has an interface (not shown).
  • the interface allows, for example, a releasable positive connection in the form of a so-called snap-and-click connection or a detachable screw connection.
  • the interface may also provide a bonded connection such as an adhesive bond, a rivet joint, a crimped joint, and the like.
  • the at least one interface allows a backlash-free, resilient and also preferably large-scale direct or indirect body contact between the reaction vessel 4 and the thermally adjusted component 2.
  • the reaction container 4 is spaced from the component 2 and a thermal bridge over, for example, connecting elements with a high thermal conductivity such as heat pipes produced.
  • the reaction vessel 4 is in fluid communication with a reservoir 14.
  • a first valve device 16 designed here as a metering valve is arranged in this.
  • a sorptive 15 which can be supplied to the sorbent 8 in the reaction vessel 4. That Sorptiv 15 is matched to the sorbents 8 and water in the embodiment shown here.
  • a discharge line 18 for discharging a desorptive formed in the reaction vessel 4, which opens into a device 20 for applying the discharge with a negative pressure extends.
  • the device 20 is an openable and controllable external valve which opens into the outside environment.
  • the device is an in FIG. 2 shown negative pressure pump 22.
  • a second valve device 26 is arranged in the derivative 18.
  • the second valve means 26 comprises a shut-off valve 24 and a metering valve 25 located downstream of the shut-off valve. Upstream of the shut-off valve, a filter element 28 for retaining contaminants in the desorptive is arranged.
  • passive diaphragms can at least partially replace the active valve devices 16, 26.
  • a pressure sensor 30 which allows the measurement of a pressure in the discharge line 18 and thus an operating parameter for controlling the second valve device 26.
  • a temperature sensor 32 attached to the reaction vessel 4 can serve to monitor the temperature of the sorbent 8 or reaction vessel 4 and thus be used, for example, as an alternative to pressure or in addition to controlling the second valve device 26 and / or the first valve device 16.
  • the temperature sensor 32 can also be mounted directly on or in the component 2 to be thermally conditioned. Such a procedure offers particular advantages when complex control algorithms such as PID controllers (proportional-integral-derivative controller) are used.
  • the sorptive 15 can be conducted into the reaction vessel 4. This leads to the sorption of the sorptive 15, whereby heat is released to the reaction vessel 4. The heat gets on the component 2 is discharged, whereby it is heated.
  • the device 1 is thus used as a heat source.
  • the desorptive is to be removed from the reaction tank 4.
  • the pressure in the reaction vessel 4 is reduced.
  • a desorption and a derivative of the desorptive is initiated, whereby the reaction vessel 4 heat is removed.
  • the sorption and desorption in the reaction vessel 4 are reversible, so that a thermal conditioning of the component 2 by heat generation and / or heat removal can be achieved by controlled introduction of the sorptive 15 or by controlled dissipation of the desorptive.
  • An exclusive use of the device 1 as a heat sink is also possible independently or without a supply of the sorptive 15.
  • the reaction vessel 4 may instead be provided with a preconditioned sorbate 8, ie a sorbent 8 with a sorptive 15.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the inventive device 1 for thermal conditioning.
  • the device has for this purpose a return line 34 for returning the desorptive as condensate in the reservoir 14, which extends from a vacuum pump 22 and opens into the reservoir 14.
  • a negative pressure can be generated, which derives the desorptive with open second valve device 26 from the reaction vessel 4 and the return line 34 feeds.
  • a feed pump 38 for conveying the recovered sorptive into the reservoir 14 regardless of a position and movement of the device in the return line 34 arranged in the room.
  • the heat produced in the sorbent 8 can be conducted uniformly and quickly to the component 2 during the sorption or can be released from the component 2 to the sorbent 8, in the exemplary embodiments shown here FIGS. 1 and 2 in the interiors 6 of the reaction vessel 4 each at least partially the interiors 6 of the reaction vessel 4-filling choirleit Modellen 39, 40 according to the Figures 3 or 4 arranged.
  • the sauceleit Modellen 39, 40 are made of a material having a high thermal conductivity. For example, they are aluminum based.
  • the heat-conducting structure 39, 40 is in each case arranged in the interior 6 of the reaction container 4 in such a way that it produces the greatest possible body contact both with the sorbent 8 and with a container wall.
  • the grid-shaped perennial 39 after FIG. 3 subdivides the interior space 6, for example, into a multiplicity of ground-level chambers 41 for arranging or for receiving the sorbent 8, its lattice dividing walls 42 extending perpendicularly from the container bottom 43.
  • at least one retaining element 44 is provided in order to ensure a constant and position-independent distribution of the sorbent 8 in the reaction vessel 4.
  • the retaining element 44 is here a sieve, according to the representations of the FIGS. 3 and 4 above the Vietnameseleit Weg 39, 40 is arranged.
  • the screen is also made of a material having a high thermal conductivity. For example, it is metallic and aluminum based.
  • the retaining element 44 bounds to the partial interior space 10 per se open pores of the foam 40 and thus prevents leakage of the sorbent 8 from the pores.
  • the pores themselves can communicate with each other.
  • the foam 40 may have a honeycomb structure with a plurality of individual honeycombs.
  • the apparatus includes a reaction vessel for providing a sorbent for receiving a sorbent and for delivering a desorbtive having an interface for establishing body contact, a sorptive delivery lead, and a drain for desorbing the desorptive.
  • the apparatus has means for applying the discharge at a negative pressure to an internal pressure of the reaction container, and a method for thermally conditioning a component by means of direct or indirect body contact independently of a position and movement of the component in space.

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Abstract

Offenbart ist eine Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum. Die Vorrichtung weist einen Reaktionsbehälter zum Bereitstellen eines Sorbenten zur Aufnahme eines Sorptivs und zur Abgabe eines Desorptivs auf, der eine Schnittstelle zum Herstellen eines Rörperkantakts, eine Zuleitung zum Zuführen des Sorptivs und eine Ableitung zum Ableiten des Desorptivs hat. Darüber hinaus hat die Vorrichtung eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Ableitung mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters, und ein Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum und ein Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum.
  • Insbesondere im elektrotechnischen Bereich, der sämtliche technische Gebiete durchzieht, wird oftmals eine definierte Wärmeab- oder zufuhr benötigt um Bauteile im Rahmen ihrer Betriebstemperatur und somit die gesamte elektrische Schaltung zu stabilisieren. Eine Wärmeabfuhr ist grundsätzlich nur möglich wenn die Temperatur einer wärmeaufnehmenden Senke geringer ist als die Temperatur einer wärmeabgebenden Quelle. Insbesondere bei terrestrischen Anwendungen lässt sich die Regulierung der Temperatur von Komponenten, beispielsweise durch Verwendung von Lüftern, technisch einfach und effektiv umsetzen. Eine Herausforderung stellt die Wärmeabfuhr von Komponenten bei extraterrestrischen Anwendungen dar. Im thermisch gut isolierenden Vakuum können u.a. Wärmerohre bzw. Heat Pipes oder geschlossene Flüssigkeitskühlungen verwendet werden, um Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu transportieren. Die Wärmesenke kann beispielsweise durch Abstrahlung über Radiatoren an den Weltraum realisiert werden.
  • Eine Möglichkeit der thermischen Konditionierung besteht in der Verwendung von offenen Verdampfern, welche die Wärme einem Behälter zuführen in dem eine Flüssigkeit bei dem ihrer Temperatur entsprechenden Dampfdruck verdampft und den Dampf an die Umgebung abgibt. Eine weitere Möglichkeit der thermischen Konditionierung bieten thermochemische Wärmespeicher. Dabei werden exotherm bzw. endotherm ablaufende Prozesse zur Erzeugung bzw. zur Aufnahme von Wärme genutzt. In der DE102010047371A1 ist ein selbstkühlendes Bierfass als Beispiel für einen thermochemischen Wärmespeicher gezeigt, bei dem ein Arbeitsmittel desorbiert und Wärme abführt.
  • Extraterrestrische Systeme müssen jedoch in Schwerelosigkeit, lageunabhängig und auch bei großen äußeren Krafteinwirkungen funktionieren und zudem vorzugsweise regelbar sein. Vor allem ist die Auslegung der Behälter bei Verdampfern insofern problematisch, als dass sichergestellt werden muss, dass trotz Vakuum, Schwerelosigkeit oder beschleunigter Bewegung keine Flüssigkeit aus dem Behälter entweicht, da dann die entsprechende Verdampfungsenthalpie nicht mehr genutzt werden kann. Um den Flüssigkeitsverlust zu vermeiden basieren solche Verdampfer entweder auf Kapillarstrukturen, welche die Flüssigkeit durch deren Oberflächenspannung auf der Wärmeaustauschfläche halten, oder auf wasserundurchlässigen, aber dampfdiffusionsoffenen Membranen. Diese Systeme sind im Hinblick auf extreme Betriebsbedingungen komplex, schwer und damit auch teuer.
  • Weniger komplexe und somit kostengünstigere extraterrestrische Systeme sehen vor, eine thermische Konditionierung mittels eines Körperkontakts zwischen einem Körper mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und dem jeweiligen Bauteil herzustellen. Ein Beispiel für ein derartiges System ist ein Aluminiumkühlkörper. Nachteilig ist jedoch, dass der Aluminiumkühlkörper eine verhältnismäßig große Masse erfordert, um die entstehende Wärme abführen zu können. Ein weiteres bekanntes System zur extraterrestrischen thermischen Konditionierung eines Bauteils basiert auf dem Prinzip der Phase-Change-Material-Technologie.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts funktioniert unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum. Die Vorrichtung weist einen Reaktionsbehälter zum Bereitstellen eines Sorbenten zur Aufnahme eines Sorptivs und zur Abgabe eines Desorptivs auf, der eine Schnittstelle zum Herstellen des Körperkontakts, eine Zuleitung zum Zuführen des Sorptivs und eine Ableitung zum Ableiten des Desorptivs hat. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Ableitung mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters auf.
  • Die Vorrichtung kann einem oder mehreren Bauteil/en über die Schnittstelle direkt oder indirekt Wärme entziehen oder zuführen. Sie ist im Gegensatz zu kapillar- oder membranbasierten Systemen unabhängig von äußeren physikalischen Gegebenheiten und kann daher unter anderem auch in Vakuum- und/oder Schwerelosigkeitsbedingungen sowie bei beschleunigten Bewegungen wie sie beispielsweise in Automobilen, Luftfahrzeugen und Raumfahrzeugen auftreten eingesetzt werden. Somit ist ein konstantes Halten einer Betriebstemperatur unabhängig von äußeren Bedingungen möglich. Im Verhältnis zum vorbeschriebenen Aluminiumkörpersystem ist sie bei gleicher Kühlleistung wesentlich gewichtsreduzierter bzw. leichter. Es wird darauf hingewiesen, dass auch die Vorsehung eines vorkonditionierten Sorbats, also eines Sorbenten mit einem Sorptiv, im Reaktionsbehälter vom Wortlaut des Patentanspruchs 1 umfasst ist, da ja auch hier das Sorptiv grundsätzlich zugeführt werden muss. Unter einer Zuleitung wird somit auch eine beispielsweise nach dem Zuführen verschlossene Behälteröffnung verstanden.
  • Die Zuleitung des Reaktionsbehälters erstreckt sich bevorzugterweise von einem Vorratsbehälter, der das Sorptiv bereitstellt. Durch diese Maßnahme kann der Reaktionsbehälter nachgefüllt werden. Das Nachfüllen kann dabei derart erfolgen, das beim Aufnehmen des Sorptivs der Sorbent Adsorptionsenergie erzeugt, die dann zum Heizen genutzt werden kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reaktionsbehälter eine in seinem Innenraum angeordnete Wärmeleitstruktur auf. Durch die Wärmeleitstruktur kann die Wärme des Bauteils über die Schnittstelle homogen und schnell in den Reaktionsbehälter geleitet werden (Kühlfunktion). Ebenfalls ermöglicht die Wärmeleitstruktur ein schnelles und gleichmäßiges Abführen der im Reaktionsbehälter entstehenden Wärme an ein Bauteil (Heizfunktion). Vorzugsweise ist die Wärmeleitstruktur in Form einer Rippenstruktur oder eines Schaums ausgeführt. Diese kann beispielsweise aus Metall wie Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material bestehen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ableitung der Vorrichtung eine Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der Ableitung zur Außenumgebung auf. Insbesondere bei extraterrestrischen Anwendungen und bei kleinem Umgebungsdruck kann durch diese Maßnahme die Ableitung ohne eine Zuhilfenahme von Unterdruckpumpen mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters beaufschlagt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Unterdruckpumpe auf, die die Ableitung mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters beaufschlägt. Hierdurch ist die Funktion der Vorrichtung beispielsweise bei Atmosphärendruck, jedoch auch bei höheren Umgebungsdrücken gegeben.
  • Bevorzugterweise ist die Ableitung der Vorrichtung stromabwärts der Unterdruckpumpe über eine Rückleitung mit dem Vorratsbehälter verbunden. Durch die Rückleitung wird ein Kreislauf geschaffen so dass die Vorrichtung in sich geschlossen ist. Bei entsprechender Länge der Rückleitung kann diese das Desorptiv in das Sorptiv kondensieren und es in den Vorratsbehälter einspeisen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der Rückleitung ein Kondensator zum Überführen des Desorptivs in das Sorbtiv angeordnet. Diese Maßnahme erlaubt eine kontrollierte Überführung des Desorptivs in das Sorptiv.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zuleitung eine erste Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der Zuleitung auf. Die erste Ventileinrichtung kann beispielsweise in Form eines Dosierventils, eines Absperrhahns und dergleichen ausgeführt sein. Hierdurch lässt sich das Zuführen des Sorptivs steuern und regeln.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der Ableitung eine zweite Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der Ableitung angeordnet. Analog zur Zuleitung ist es vorteilhaft die zweite Ventileinrichtung beispielsweise in Form eines Dosierventils, eines Absperrhahns und dergleichen auszuführen. Diese Maßnahme ermöglicht es sowohl den Unterdruck in der Ableitung als auch das Ableiten des Desorptivs zu steuern und zu regeln.
  • In der Vorrichtung zur thermischen Konditionierung des Bauteils kann ein Messsystem zum Erfassen von Betriebsparametern vorgesehen sein. Hierdurch können verschiedene Betriebsparameter wie zum Beispiel Temperatur im Reaktionsbehälter, und der Unterdruck in der Ableitung erfasst werden. Beim Einsatz der Vorrichtung als Wärmequelle kann bevorzugterweise die Temperatur des Reaktionsbehälters zum Regeln der ersten Ventileinrichtung in der Zuleitung genutzt werden. Bei Einsatz der Vorrichtung als Wärmesenke kann bevorzugterweise die Temperatur des Reaktionsbehälters zum Regeln der zweiten Ventileinrichtung in der Ableitung genutzt werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum wird ein Bauteil thermisch dadurch eingestellt, beispielsweise auf seine SollTemperatur, dass ein Sorptiv in einen mit dem Bauteil im Körperkontakt stehenden Reaktionsbehälter zugeleitet wird, in dem ein das Sorptiv aufnehmbarer Sorbent bereitgestellt ist, und/oder dass ein im Reaktionsbehälter gebildetes Desorptiv aus dem Reaktionsbehälter abgeleitet wird.
  • Hierdurch kann die Temperatur des Bauteils durch eine Zuleitung des Sorptivs in und/oder eine Ableitung des Desorptivs aus dem Reaktionsbehälter beeinflusst werden. Der Unterdruck lässt sich unabhängig von den äußeren physikalischen Gegebenheiten erzeugen, sodass die thermische Konditionierung unabhängig von äußeren Einflüssen und der Ausrichtung des Bauteils im Raum erfolgen kann.
  • Bevorzugterweise erfolgt das Ableiten des Desorptivs aus dem Reaktionsbehälter durch eine Druckdifferenz zwischen dem Reaktionsbehälter und der Ableitung. Vorteilhafterweise kann die Druckdifferenz dabei entweder durch eine Unterdruckpumpe oder durch ein Ausnutzen eines möglichen niedrigen Umgebungsdrucks erfolgen. Insbesondere bei extraterrestrischen Anwendungen können hierdurch Gewicht und Kosten eingespart werden.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Desorptiv temperatur- und/oder druck- und/oder zeitgesteuert aus dem Reaktionsbehälter abgeleitet. Diese Maßnahme ermöglicht eine vollständige ableitungsseitige Automatisierung der thermischen Konditionierung des Bauteils.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Sorptiv in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter dem Reaktionsbehälter zugeleitet. Diese Maßnahme ermöglicht eine vollständige zuleitungsseitige Automatisierung der thermischen Konditionierung des Bauteils.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Desorptiv zum Sorptiv kondensiert und als Sorptiv in den Vorratsbehälter rückgespeist. Hierdurch wird ein geschlossener Kreislauf geschaffen, der beispielsweise Vorteile bei einem langfristig vorgesehenen Betrieb schafft, da keine Verluste des Sorptivs und/oder Desorptivs auftreten.
  • Zum Verdeutlichen der erfindungsgemäßen Funktionsweise sei mit anderen Worten erwähnt, dass beispielsweise die Temperatur oder der Druck im Reaktionsbehälter die Regelgrößen sein können, die Ventileinrichtungen jedoch werden insbesondere zum Regeln des Drucks genutzt, die somit als Stellglied bzw. Stellglieder wirken. Es bietet sich auch die Möglichkeit an, beispielsweise einen Soll-Innendruck im Reaktionsbehälter vorzugeben, der durch die Ventileinrichtungen selbsttätig geregelt wird. Hierbei kann ein gemessener Ist-Druck mit dem Soll-Druck verglichen werden und entsprechend über die Ventileinrichtung nachgeregelt werden.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Rückführung,
    Fig. 3
    einen Schnitt durch einen Bereich eines Reaktionsbehälters mit einer in seinem Innenraum angeordneten rippenförmigen Wärmeleitstruktur, und
    Fig. 4
    einen Schnitt durch einen Bereich eines Reaktionsbehälters mit einer in seinem Innenraum angeordneten schaumförmigen Wärmeleitstruktur.
  • In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
  • In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur thermischen Konditionierung eines Bauteils 2 mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils 2 im Raum gezeigt.
  • Die Vorrichtung 1 hat einen Reaktionsbehälter 4, der sich hier im direkten Körperkontakt mit dem Bauteil 2 befindet und in dessen Innenraum 6 ein Sorbent 8 bereitgestellt ist. Allerdings ist hier nicht der gesamte Innenraum 6 mit dem Sorbenten 8 aufgefüllt, sondern gemäß der Darstellung in Figur 1 ist oberhalb des Sorbents 8 ein freier Teilinnenraum 10 gebildet. Ein Füllgrad des Reaktionsbehälters 4 bzw. dessen Innenraum 6 richtet sich individuell beispielsweise nach der jeweils zu leistenden thermischen Konditionierung und nach dem Sorbenten 8. Der Sorbent 8 ist hier beispielsweise Kieselgel in Granulatform. Zur Herstellung des hier beispielhaften direkten Körperkontakts hat der Reaktionsbehälter 4 eine nicht gezeigte Schnittstelle. Die Schnittstelle erlaubt beispielsweise eine lösbare Formschlussverbindung in Form einer sogenannten Snap-and-Click-Verbindung oder eine lösbare Schraubverbindung. Alternativ kann die Schnittstelle auch eine Stoffschlussverbindung wie eine Klebeverbindung, eine Nietverbindung, eine Crimpverbindung, und dergleichen ermöglichen. Insbesondere ermöglicht die zumindest eine Schnittstelle einen spielfreien, belastbaren und zudem bevorzugterweise größflächigen direkten oder indirekten Körperkontakt zwischen dem Reaktionsbehälter 4 und dem thermisch einzustellenden Bauteil 2. Bei einem indirekten Körperkontakt ist der Reaktionsbehälter 4 von dem Bauteil 2 beabstandet und eine Wärmebrücke über beispielsweise Verbindungselemente mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie Wärmerohre hergestellt.
  • Über eine Zuleitung 12 steht der Reaktionsbehälter 4 mit einem Vorratsbehälter 14 in Fluidverbindung. Zum Auf- und Zusteuern der Zuleitung 12 ist in dieser eine hier als Dosierventil ausgeführte erste Ventileinrichtung 16 angeordnet. In dem Vorratsbehälter 14 befindet sich ein Sorptiv 15, welches dem Sorbenten 8 im Reaktionsbehälter 4 zugeführt werden kann. Dass Sorptiv 15 ist auf den Sorbenten 8 abgestimmt und im hier gezeigten Ausführungsbeispiel Wasser.
  • Von dem Reaktionsbehälter 4 erstreckt sich eine Ableitung 18 zum Ableiten eines im Reaktionsbehälter 4 gebildeten Desorptivs, die in eine Einrichtung 20 zum Beaufschlagen der Ableitung mit einem Unterdruck mündet. Im Falle von extraterrestrischer Anwendung kann es genügen, wenn die Einrichtung 20 ein auf- und zusteuerbares Außenventil ist, das in die Außenumgebung mündet. Im Falle von terrestrischen Anwendungen ist die Einrichtung beispielsweise eine in Figur 2 gezeigte Unterdruckpumpe 22. In der Ableitung 18 ist eine zweite Ventileinrichtung 26 angeordnet. Die zweite Ventileinrichtung 26 umfasst ein Absperrventil 24 und ein stromabwärts des Absperrventils angeordnetes Dosierventil 25. Stromaufwärts des Absperrventils ist ein Filterelement 28 zum Rückhalten von Verunreinigungen im Desorptiv angeordnet. Je nach Anforderungen können auch passive Blenden zumindest teilweise die aktiven Ventileinrichtungen 16, 26 ersetzen.
  • Zudem befindet sich in der Ableitung 18 stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 26 ein Drucksensor 30, der die Messung eines Drucks in der Ableitung 18 und damit eines Betriebsparameters zur Regelung der zweiten Ventileinrichtung 26 ermöglicht. Weiterhin kann ein am Reaktionsbehälter 4 angebrachter Temperatursensor 32 zur Temperaturüberwachung des Sorbenten 8 bzw. Reaktionsbehälters 4 dienen und somit beispielsweise alternativ zum Druck oder ergänzend zur Regelung der zweiten Ventileinrichtung 26 und/oder der ersten Ventileinrichtung 16 herangezogen werden. Der Temperatursensor 32 kann auch direkt am oder im thermisch zu konditionierenden Bauteil 2 angebracht werden. Solch ein Vorgehen bietet insbesondere dann Vorteile, wenn komplexe Regelalgorithmen wie beispielsweise PID Regler (Proportional-Integral-Derivative Controller) angewandt werden.
  • Befindet sich der Sorbent 8 in einem sorbierbaren Zustand, so kann durch Öffnen des zulaufseitigen Dosierventils 16 das Sorptiv 15 in den Reaktionsbehälter 4 geleitet werden. Hierbei kommt es zur Sorption des Sorptivs 15, wodurch Wärme an den Reaktionsbehälter 4 abgegeben wird. Die Wärme wird an das Bauteil 2 abgegeben, wodurch dieses erwärmt wird. Die Vorrichtung 1 wird somit als Wärmequelle genutzt.
  • Zur Verwendung der Vorrichtung 1 als Wärmesenke ist aus dem Rekationsbehälter 4 das Desorptiv abzuführen. Durch Öffnen des Absperrventils 24 bzw. der zweiten Ventileinrichtung 26 wird der Druck im Reaktionsbehälter 4 reduziert. Hierbei wird eine Desorption und eine Ableitung des Desorptivs eingeleitet, wodurch dem Reaktionsbehälter 4 Wärme entzogen wird. Die Sorption und Desorption im Reaktionsbehälter 4 sind reversibel, sodass durch kontrolliertes Einleiten des Sorptivs 15 bzw. durch kontrolliertes Ableiten des Desorptivs eine thermische Konditionierung des Bauteils 2 durch Wärmeerzeugung und/oder Wärmeentzug erreicht werden kann. Eine ausschließliche Verwendung der Vorrichtung 1 als Wärmesenke ist auch unabhängig oder ohne eine Zuführung des Sorptivs 15 möglich. Dabei kann der Reaktionsbehälter 4 stattdessen mit einem vorkonditionierten Sorbat 8, also eines Sorbenten 8 mit einem Sorptiv 15, versehen sein.
  • Die Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur thermischen Konditionierung. Im wesentlichen Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erlaubt das zweite Ausführungsbeispiel eine Kreislaufführung und insbesondere eine geschlossene Kreislaufführung. Die Vorrichtung hat hierzu eine Rückleitung 34 zum Rückführen des Desorptivs als Kondensat in den Vorratsbehälter 14, die sich von einer Unterdruckpumpe 22 erstreckt und in dem Vorratsbehälter 14 mündet. Mittels der Unterdruckpumpe 22 ist ein Unterdruck erzeugbar, der das Desorptiv bei geöffneten zweiten Ventileinrichtung 26 aus dem Reaktionsbehälter 4 ableitet und der Rückleitung 34 zuführt. Zur gezielten Bildung des Kondensats und somit zur gezielten Umwandlung des Desorptivs in das Sorptiv ist in der Rückleitung 34 optional ein Kondensator 36 und stromabwärts des Kondensators 36 eine Förderpumpe 38 zum Fördern des gewonnen Sorptivs in den Vorratsbehälter 14 unabhängig von einer Lage und Bewegung der Vorrichtung 1 im Raum angeordnet.
  • Damit die im Sorbenten 8 entstehende Wärme während der Sorption gleichmäßig und schnell an das Bauteil 2 geleitet werden kann oder vom Bauteil 2 an den Sorbenten 8 abgegeben werden kann, ist in den hier zeigten Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 in den Innenräumen 6 der Reaktionsbehälter 4 jeweils zumindest teilweise die Innenräume 6 der Reaktionsbehälter 4 ausfüllende Wärmeleitstrukturen 39, 40 gemäß den Figuren 3 oder 4 angeordnet. Die Wärmeleitstrukturen 39, 40 bestehen aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise sind sie aluminiumbasiert.
  • Die Wärmeleitstruktur 39, 40 ist jeweils derart in dem Innenraum 6 des Reaktionsbehälters 4 angeordnet, dass diese sowohl mit dem Sorbenten 8 als auch mit einer Behälterwandung einen größtmöglichen Körperkontakt herstellt. Die gitterförmige Wärmeleitstruktur 39 nach Figur 3 unterteilt den Innenraum 6 beispielsweise in eine Vielzahl von bodennahen Kammern 41 zum Anordnen bzw. zur Aufnahme des Sorbenten 8, wobei sich seine Gittertrennwände 42 senkrecht vom Behälterboden 43 erstrecken. Um eine konstante und lageunabhängige Verteilung des Sorbenten 8 im Reaktionsbehälter 4 sicherzustellen, ist zumindest ein Rückhalteelement 44 vorgesehen.
  • Das Rückhalteelement 44 ist hier ein Sieb, das gemäß den Darstellungen nach den Figuren 3 und 4 oberhalb der Wärmeleitstrukturen 39, 40 angeordnet ist. Bevorzugterweise besteht das Sieb ebenfalls aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise ist es metallisch und aluminiumbasiert.
  • Bezogen auf die gitterförmige Wärmeleitstruktur 39 begrenzt das Sieb deren Kammern zum Teilinnenraum 10 nach oben. Bei Ausbildung der Wärmeleitstruktur 40 als Schaum gemäß Figur 4, begrenzt das Rückhalteelement 44 zum Teilinnenraum 10 an sich offene Poren des Schaums 40 und verhindert somit einen Austritt des Sorbents 8 aus den Poren. Die Poren selbst können untereinander in Verbindung stehen. Alternativ kann der Schaum 40 eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Einzelwaben aufweisen.
  • Offenbart ist eine Vorrichtung zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum. Die Vorrichtung weist einen Reaktionsbehälter zum Bereitstellen eines Sorbenten zur Aufnahme eines Sorptivs und zur Abgabe eines Desorptivs auf, der eine Schnittstelle zum Herstellen eines Körperkontakts, eine Zuleitung zum Zuführen des Sorptivs und eine Ableitung zum Ableiten des Desorptivs hat. Darüber hinaus hat die Vorrichtung eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Ableitung mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters, und ein Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils im Raum.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Vorrichtung zur thermischen Konditionierung
    2.
    Bauteil
    4.
    Reaktionsbehälter
    6.
    Innenraum
    8.
    Sorbent
    10.
    freier Teilinnenraum
    12.
    Zuleitung
    14.
    Vorratsbehälter
    15.
    Sorptiv
    16.
    erste Ventileinrichtung
    18.
    Ableitung
    20.
    Einrichtung zum Beaufschlagen der Ableitung mit Unterdruck
    22.
    Unterdruckpumpe
    24.
    Absperrventil
    25.
    Dosierventil
    26.
    zweite Ventileinrichtung
    28.
    Filterelement
    30.
    Drucksensor
    32.
    Temperatursensor
    34.
    Rückleitung
    36.
    Kondensator
    38.
    Förderpumpe
    39.
    gitterförmige Wärmeleitstruktur
    40.
    schaumförmige Gitterstruktur
    41.
    Kammer zur Aufnahme des Sorbenten
    42.
    Gitterwand
    43.
    Behälterboden
    44.
    Rückhalteelement

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur thermischen Konditionierung eines Bauteils (2) mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils (2) im Raum, mit einem Reaktionsbehälter (4) zum Bereitstellen eines Sorbenten (8) zur Aufnahme eines Sorptivs (15) und zur Abgabe eines Desorptivs, der eine Schnittstelle zum Herstellen eines Körperkontakts, eine Zuleitung (12) zum Zuführen des Sorptivs (15) und eine Ableitung (18) zum Ableiten des Desorptivs hat, und mit einer Einrichtung (20) zum Beaufschlagen der Ableitung (18) mit einem Unterdruck gegenüber einem Innendruck des Reaktionsbehälters (4).
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei sich die Zuleitung (12) von einem Vorratsbehälter (14) zum Bevorraten des Sorptivs (15) erstreckt.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Innenraum des Reaktionsbehälters (4) eine Wärmeleitstruktur (39, 40) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Einrichtung (20) eine Ventileinrichtung zum Auf- und Zusteuern der Ableitung (18) zur Außenumgebung aufweist.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (20) eine Unterdruckpumpe (22) aufweist.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Ableitung (18) stromabwärts der Unterdruckpumpe (22) über eine Rückleitung (34) mit dem Vorratsbehälter (14) verbunden ist.
  7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei in der Rückleitung (34) ein Kondensator (36) zum Überführen des Desorptivs in das Sorbtiv (15) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Zuleitung (12) eine erste Ventileinrichtung (16) zum Auf- und Zusteuern der Zuleitung (12) aufweist.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Ableitung (18) eine zweite Ventileinrichtung (26) zum Auf- und Zusteuern der Ableitung (18) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Messsystem (30, 32) zum Erfassen von Betriebsparametern vorgesehen ist.
  11. Verfahren zur thermischen Konditionierung eines Bauteils (2) mittels direkten oder indirekten Körperkontakts unabhängig von einer Lage und Bewegung des Bauteils (2) im Raum, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Zuleiten eines Sorptivs (15) in einen mit dem Bauteil (2) im Körperkontakt stehenden Reaktionsbehälters (4), in dem ein das Sorptiv (15) aufnehmbarer Sorbent (8) bereitgestellt ist, und/oder durch Ableiten eines im Reaktionsbehälter (4) gebildeten Desorptivs aus dem Reaktionsbehälter (4) mittels Unterdruck das Bauteil (2) thermisch eingestellt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Desorptiv durch eine Druckdifferenz zwischen dem Reaktionsbehälter (4) und einer Ableitung (18) aus dem Reaktionsbehälter (4) abgeleitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Desorptiv temperatur- und/oder druck- und/oder zeitgesteuert aus dem Reaktionsbehälter (4) abgeleitet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Desorptiv kondensiert wird und als Sorptiv (15) in den Vorratsbehälter (14) rückgespeist wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Sorptiv (15) in Abhängigkeit von Betriebsparametern dem Reaktionsbehälter (4) zugeleitet wird.
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