WO2021180388A1

WO2021180388A1 - Heating system

Info

Publication number: WO2021180388A1
Application number: PCT/EP2021/051209
Authority: WO
Inventors: Michael Bisges; Tim Böscke; Claus Jaeger
Original assignee: Infinite Flex GmbH; Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-09-16
Also published as: DE102020106740A1

Abstract

The invention relates to a heating system for supplying thermal energy to a flowable substance. In order to make it possible to rapidly heat a flowable substance, in particular including a reactive substance, a heating system is proposed in which the flowable substance comes into direct contact in a reactor exclusively with an absorber surface, but not with an electrically operated radiation source, that is located outside the reactor, for generating the electromagnetic radiation which strikes the absorber surface.

Description

Heizsystem Heating system

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem zum Zuführen thermischer Energie zu einem strömungsfähigen Stoff. The invention relates to a heating system for supplying thermal energy to a flowable substance.

Die thermische Energie wird durch Umwandlung aus einer anderen Energieform, nämlich elektrischer Energie erzeugt.The thermal energy is generated by conversion from another form of energy, namely electrical energy.

Die Wärmeübertragung auf den strömenden Stoff erfolgt im Wege der Konvektion. Bei der Konvektion bzw. dem Strömungstransport wird die thermische Energie durch den strömungsfähigen Stoff transportiert. Der konvektive Transport thermischer Energie wird daher auch als Wärmemitführung bezeichnet. Die Strömung des Stoffs kann erzwungen oder als freie Konvektion durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen. The heat transfer to the flowing material takes place by way of convection. With convection or flow transport, the thermal energy is transported through the flowable substance. The convective transport of thermal energy is therefore also referred to as heat transfer. The flow of the material can be forced or created as free convection due to thermodynamic imbalances.

Eine Heizung wird als Konvektionsheizung bezeichnet, wenn der überwiegende Teil ihrer Wärmeabgabe durch Konvektion erfolgt. Eine Konvektionsheizung gibt jedoch zugleich stets auch Wärmestrahlung ab. A heater is called convection heating if the majority of its heat is given off by convection. However, convection heating also always emits thermal radiation.

Ausgehend von diesem Stand der Technik soll ein Heizsystem, insbesondere eine Mikroheizung mit geringen Leistungen bis maximal 50 Watt und Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Heizflächen zwischen 1 mm² und 1 m² geschaffen werden, die ein schnelles Aufheizen eines strömungsfähigen Stoffs ermöglicht . Based on this state of the art, a heating system, in particular a micro heater with low power up to a maximum of 50 watts and temperatures up to 500 degrees Celsius and heating surfaces between 1 mm ² and 1 m ² , is to be created, which enables a flowable substance to be heated up quickly.

Diese Aufgabe wird durch ein Heizsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Lösung basiert auf dem Gedanken, dass der strömungsfähige Stoff in dem Reaktor ausschließlich mit derThis object is achieved by a heating system with the features of claim 1. Advantageous refinements of the invention result from the features of the subclaims. The solution is based on the idea that the flowable substance in the reactor is exclusively with the

Absorberoberfläche in direkten Kontakt gelangt, nicht jedoch mit der elektrisch betriebenen, außerhalb des Reaktors angeordneten Strahlungsquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung, die auf die Absorberoberfläche auftrifft . The absorber surface comes into direct contact, but not with the electrically operated radiation source arranged outside the reactor for generating the electromagnetic radiation which strikes the absorber surface.

In dem erfindungsgemäßen Heizsystem wird elektrische Energie in der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle in elektromagnetische Strahlung gewandelt. Die auf die Absorberoberfläche auftreffende elektromagnetische Strahlung wird in thermische Energie umgewandelt. Die thermische Energie wird im Wege der Konvektion von dem Absorber auf den strömenden Stoff in dem Reaktor übertragen. In the heating system according to the invention, electrical energy is converted into electromagnetic radiation in the electrically operated radiation source. The electromagnetic radiation hitting the absorber surface is converted into thermal energy. The thermal energy is transferred by convection from the absorber to the flowing substance in the reactor.

Der strömungsfähige Stoff kann flüssig oder gasförmig sein und umfasst insbesondere auch flüssige oder gasförmige Stoffgemische . Typische strömungsfähige Stoffe, auf die die thermische Energie übertragen wird, sind Wasser und Luft. Insbesondere bei chemisch aktiven Stoffen lässt sich das erfindungsgemäße Heizsystem vorteilhaft einsetzen, weil der Stoff ausschließlich mit der Absorberoberfläche, nicht jedoch mit der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle in Kontakt gelangt . The flowable substance can be liquid or gaseous and in particular also includes liquid or gaseous substance mixtures. Typical flowable substances to which the thermal energy is transferred are water and air. The heating system according to the invention can be used advantageously in the case of chemically active substances in particular, because the substance only comes into contact with the absorber surface, but not with the electrically operated radiation source.

Mittels der übertragenen thermischen Energie wird der Stoff erwärmt, verdampft oder zur Reaktion gebracht. By means of the transferred thermal energy, the substance is heated, vaporized or made to react.

Die Absorberoberfläche, die ausschließlich mit dem Stoff in Kontakt gelangt, besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Beständigkeit gegen chemische Einflüsse und hoher Verschleißbeständigkeit, um einen dauerhaften Betrieb des Heizsystems zu gewährleisten. Als Materialien für die Absorber kommen insbesondere Materialien der technischen Keramik oder aber auch Silizium zum Einsatz. The absorber surface, which only comes into contact with the substance, preferably consists of a material with high and high resistance to chemical influences Resistance to wear to ensure long-term operation of the heating system. The materials used for the absorbers are, in particular, materials from technical ceramics or else silicon.

Um eine hohe Effizienz des Heizsystems zu gewährleisten, werden die von der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung und der Absorber derart aufeinander abgestimmt, das der Absorptionsgrad des Absorbers mindestens 50%, im Idealfall mindestens 90% beträgt. Der Absorptionsgrad besagt, welcher Anteil der Leistung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von der Absorberoberfläche absorbiert, d.h. aufgenommen wird. Eine hohe absorbierte Energie vermehrt die thermische Energie des Absorbers und beschleunigt die Aufheizung des durch den Reaktor strömenden Stoffs. Der Absorptionsgrad hängt von der Einstrahlrichtung und der Frequenz der auf den Absorber auftreffenden elektromagnetischen Strahlung sowie vom Material des Absorbers ab. In order to ensure high efficiency of the heating system, the electromagnetic radiation generated by the electrically operated radiation source and the absorber are matched to one another in such a way that the absorber's degree of absorption is at least 50%, ideally at least 90%. The degree of absorption states what proportion of the power of the incident electromagnetic radiation is absorbed, i.e. absorbed, by the absorber surface. A high level of absorbed energy increases the thermal energy of the absorber and accelerates the heating of the substance flowing through the reactor. The degree of absorption depends on the direction of irradiation and the frequency of the electromagnetic radiation hitting the absorber as well as on the material of the absorber.

Die elektrisch betriebene Strahlungsquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise mindestens eine LED oder einen Laser aufweisen. Die Strahlungsquelle kann zusätzlich eine Optik aufweisen, die mit Hilfe von Linsen und/oder Reflektoren die Strahlung auf die Absorberoberfläche ausrichtet. Vorzugsweise ist die elektrisch betriebene Strahlungsquelle derart eingerichtet, dass elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 10 nm bis 1 mm abgestrahlt wird. Der vorgenannte Wellenlängenbereich deckt das Infrarotspektrum, das sichtbare Spektrum sowie das UV- Spektrum ab. Vorzugsweise emittiert die elektrisch betriebene Strahlungsquelle Licht im sichtbaren Spektrum im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm (Violett) bis 780 nm (Rot). The electrically operated radiation source for generating the electromagnetic radiation can for example have at least one LED or a laser. The radiation source can additionally have optics that align the radiation onto the absorber surface with the aid of lenses and / or reflectors. The electrically operated radiation source is preferably set up in such a way that electromagnetic radiation is emitted in a wavelength range between 10 nm and 1 mm. The aforementioned wavelength range covers the infrared spectrum, the visible spectrum and the UV spectrum. Preferably the electrically operated one emits Radiation source Light in the visible spectrum in the wavelength range between 380 nm (violet) and 780 nm (red).

Eine vorteilhafte Möglichkeit den Stoff mit der Absorberoberfläche in Kontakt zu bringen besteht darin, dass der Reaktor eine an jeden Strömungsweg angrenzende Reaktorwand aufweist und der Absorber ein Bestandteil dieser Reaktorwand ist. Der Absorber besitzt gegenüber der Reaktorwand sowie der Umgebung einen höheren thermischen Widerstand und zugleich eine geringe Wärmekapazität. Dadurch erhitzt er sich infolge der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung innerhalb kurzer Zeit, vorzugsweise auf Temperaturen deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius. An advantageous possibility of bringing the substance into contact with the absorber surface is that the reactor has a reactor wall adjoining each flow path and the absorber is a component of this reactor wall. Compared to the reactor wall and the environment, the absorber has a higher thermal resistance and at the same time a low heat capacity. As a result of the incident electromagnetic radiation, it heats up within a short time, preferably to temperatures well above 100 degrees Celsius.

Sofern zumindest ein im Strahlengang der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle liegender Teil der Reaktorwand für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, kann der Absorber in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung an einer Innenseite der Reaktorwand oder im Abstand zu der Reaktorwand innerhalb des Reaktors angeordnet sein.If at least one part of the reactor wall lying in the beam path of the electrically operated radiation source is permeable to the electromagnetic radiation, the absorber can be arranged in an alternative embodiment of the invention on an inside of the reactor wall or at a distance from the reactor wall within the reactor.

Die Anordnung im Abstand zu der Reaktorwand innerhalb des Reaktors hat den Vorteil, dass die gesamte Absorberoberfläche mit dem strömungsfähigen Stoff innerhalb des Reaktors in Kontakt gelangt. The arrangement at a distance from the reactor wall within the reactor has the advantage that the entire absorber surface comes into contact with the flowable substance within the reactor.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung einer Baueinheit aus Absorber und Reaktor besteht darin, dass der Absorber auf die Innenseite der Reaktorwand in Form einer Beschichtung aufgebracht ist. Die Beschichtung kann beispielsweise bei der Herstellung des Reaktors auf eine Innenseite der für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Reaktorwand aufgedampft werden. An advantageous possibility for producing a structural unit from absorber and reactor consists in that the absorber is applied to the inside of the reactor wall in the form of a coating. The coating can be applied to the inside of the electromagnetic radiation, for example during the manufacture of the reactor permeable reactor wall are vapor-deposited.

Selbstverständlich kommen auch andere Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise CVD-Verfahren zum Aufbringen der Absorberbeschichtung in Betracht. Of course, other coating processes, such as, for example, CVD processes for applying the absorber coating, can also be considered.

Um eine direkte Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung auf den strömenden Stoff weitgehend oder vollständig zu vermeiden, ist die Reaktorwand vorzugsweise lediglich teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung. Die Reaktorwand kann in dem strahlungsdurchlässigen Bereich ein Einkoppelfenster für die elektromagnetische Strahlung aufweisen. In order to largely or completely avoid direct irradiation of the electromagnetic radiation on the flowing substance, the reactor wall is preferably only partially permeable to the electromagnetic radiation. The reactor wall can have a coupling window for the electromagnetic radiation in the radiation-permeable area.

Um Reflektionsverluste zu minimieren und dadurch die Einstrahleffizienz und damit die Bestrahlungsstärke auf dem Absorber zu erhöhen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der für die elektromagnetische Strahlung durchlässige Teil der Reaktorwand auf der der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle zugewandten Seite mit einer Antireflex Beschichtung versehen. In order to minimize reflection losses and thereby increase the radiation efficiency and thus the irradiance on the absorber, in an advantageous embodiment of the invention, the part of the reactor wall that is permeable to the electromagnetic radiation is provided with an anti-reflective coating on the side facing the electrically operated radiation source.

Der Absorber ist vorzugsweise flächig ausgebildet, insbesondere weist er die Form einer Platte auf. Die im Verhältnis zur Dicke große Oberfläche reduziert die Wärmekapazität und begünstigt damit eine schnelle Erwärmung des Absorbers. Die Kontur des flächigen Absorbers kann an die Gegebenheiten des Reaktorraumes angepasst werden. Der Absorber kann jedoch auch andere, nicht flächige Formen aufweisen, soweit sich diese in den Innenraum des Reaktors integrieren lassen. Die Wärmeübertragung an den strömungsfähigen Stoff kann dadurch erhöht werden, dass der Absorber aus einem offenporigen Material besteht, welches von dem strömungsfähigen Stoff durchströmbar ist. In Betracht kommen beispielsweise poröse Keramiken in Form eines Schaumes oder in Wabenstruktur. Die offenporige Struktur vergrößert die Oberfläche des Absorbers, die mit dem strömungsfähigen Soff in Kontakt gelangt. The absorber is preferably designed to be flat, in particular it has the shape of a plate. The large surface area in relation to the thickness reduces the heat capacity and thus promotes rapid heating of the absorber. The contour of the flat absorber can be adapted to the conditions of the reactor space. However, the absorber can also have other, non-flat shapes, provided that these can be integrated into the interior of the reactor. The heat transfer to the flowable substance can be increased in that the absorber consists of an open-pored material through which the flowable substance can flow. For example, porous ceramics in the form of a foam or in a honeycomb structure come into consideration. The open-pore structure increases the surface of the absorber that comes into contact with the flowable substance.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Reaktor mehrere Einlässe und mehrere Auslässe für den strömungsfähigen Stoff auf. Zwischen jedem Einlass und jedem Auslass erstreckt sich beispielsweise ein Kanal. Der Kanalquerschnitt kann derart klein gewählt werden, dass aufgrund des Kapillareffektes der strömungsfähige Stoff in die Kanäle nachströmt. In one embodiment of the invention, the reactor has several inlets and several outlets for the flowable substance. For example, a channel extends between each inlet and each outlet. The channel cross-section can be selected to be so small that, due to the capillary effect, the flowable substance flows into the channels.

Die mehreren Kanäle bilden zusammen zumindest einen Teil des Strömungswegs zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Reaktors. Wenn mehrere Kanäle zumindest einen Teil des Strömungswegs zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Reaktors bilden, kann das offenporige Material des Absorbers in die mehreren Kanäle eingebettet werden. The plurality of channels together form at least part of the flow path between the at least one inlet and the at least one outlet of the reactor. If several channels form at least part of the flow path between the at least one inlet and the at least one outlet of the reactor, the open-pore material of the absorber can be embedded in the several channels.

Um die Übertragung thermischer Energie von dem Absorber auf den strömungsfähigen Stoff regeln zu können, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizsystem einen Temperatursensor zur Regelung der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle aufweist. Der Temperatursensor kann in den Absorber integriert sein oder im Bereich der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle angeordnet sein, um die Wärmestrahlung des Absorbers zu detektieren. Als Temperatursensoren kommen beispielsweise Heißleiter (NTC- Widerstände) oder nach dem thermoelektrischen Prinzip arbeitende Temperatursensoren, insbesondere aus mehreren Thermoelementen bestehende Thermosäulen in Betracht. In order to be able to regulate the transfer of thermal energy from the absorber to the flowable substance, it is provided in an advantageous embodiment of the invention that the heating system has a temperature sensor for regulating the electrically operated radiation source. The temperature sensor can be integrated in the absorber or in the area of the electrically operated radiation source be arranged to detect the thermal radiation of the absorber. Possible temperature sensors are, for example, NTC resistors or temperature sensors that work according to the thermoelectric principle, in particular thermopiles consisting of several thermocouples.

Um eine Abkühlung des strömenden Stoffs bzw. Kondensation des verdampften Stoffs in Strömungsrichtung hinter dem Absorber zu vermeiden, ist in vorteilhafter Ausgestaltung derIn order to avoid a cooling of the flowing substance or condensation of the evaporated substance in the flow direction behind the absorber, the is in an advantageous embodiment

Erfindung der Abstand zwischen jedem Auslass und dem Absorber deutlich geringer als der Abstand zwischen jedem Einlass und dem Absorber. Vorzugsweise ist jeder Auslass in unmittelbarer Nähe zum Absorber angeordnet. Des Weiteren stimmt der Abstand zwischen jedem Einlass und dem Absorber und jedem Auslass und dem Absorber vorzugsweise überein, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in den Stoff zu gewährleisten. Invention the distance between each outlet and the absorber is significantly less than the distance between each inlet and the absorber. Each outlet is preferably arranged in the immediate vicinity of the absorber. Furthermore, the distance between each inlet and the absorber and each outlet and the absorber is preferably the same in order to ensure a uniform introduction of heat into the substance.

Insbesondere wenn ein flüssiger Stoff verdampft werden soll, kann jeder Auslass dadurch unmittelbar an einerIn particular, if a liquid substance is to be vaporized, each outlet can thereby be connected directly to one

Absorberplatte angeordnet werden, in dem der Auslass nach Art eines Kamins in senkrechter Richtung unmittelbar oberhalb einer horizontal angeordneten Absorberoberfläche angeordnet ist. Absorber plate are arranged in which the outlet is arranged in the manner of a chimney in the vertical direction directly above a horizontally arranged absorber surface.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff, The invention is explained in more detail below on the basis of several exemplary embodiments. Show it Figure 1 shows a first embodiment of a heating system according to the invention with a flow path for the flowable substance,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff mit abweichender Anordnung des Absorbers, Figure 2 shows a second embodiment of a heating system according to the invention with a flow path for the flowable substance with a different arrangement of the absorber,

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg und abweichender Anordnung des Absorbers, FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a heating system according to the invention with a flow path and a different arrangement of the absorber,

Figur 4 ein erfindungsgemäßes Heizsystem mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff und einer Regelung der Heizleistung, FIG. 4 shows a heating system according to the invention with a flow path for the flowable substance and a control of the heating power,

Figur 5 ein erfindungsgemäßes Heizsystem mit einem mehrere Kanäle aufweisenden Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff. FIG. 5 shows a heating system according to the invention with a flow path having a plurality of channels for the flowable substance.

Figur 1 zeigt ein Heizsystem mit einem Reaktor (1) mit einem Reaktorinnenraum (6), einem Einlass (2) und einem Auslass (3). Über dem Einlass (2) wird ein strömungsfähiger Stoff (4) dem Reaktorinnenraum (6) zugeführt und über den Auslass (3) aus dem Reaktorinnenraum (6) abgeführt. Eine Reaktorwand (5) begrenzt den Reaktorinnenraum (6). Im einfachsten Fall ist der Reaktor (1) als Rohr mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt ausgestaltet. Das Heizsystem verfügt weiter über einen Absorber (7) mit einer Absorberoberfläche (8). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Absorber (7) ein Bestandteil der Reaktorwand (5). Der dem Reaktorinnenraum (6) zugewandte Teil der Absorberoberfläche (8) kommt mit dem strömungsfähigen Stoff (4) auf dem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3) unmittelbar in Kontakt. FIG. 1 shows a heating system with a reactor (1) with a reactor interior (6), an inlet (2) and an outlet (3). A flowable substance (4) is fed to the reactor interior (6) via the inlet (2) and discharged from the reactor interior (6) via the outlet (3). A reactor wall (5) delimits the interior of the reactor (6). In the simplest case, the reactor (1) is designed as a tube with a circular or rectangular cross section. The heating system also has an absorber (7) with an absorber surface (8). In the illustrated embodiment, the Absorber (7) a component of the reactor wall (5). The part of the absorber surface (8) facing the reactor interior (6) comes into direct contact with the flowable substance (4) on the flow path (9) between inlet and outlet (2, 3).

Außerhalb des Reaktors (1) ist eine elektrisch betriebene Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung (11) angeordnet, wobei die Strahlungsquelle (10) unterhalb des Absorbers (7) derart angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (11) auf die nach außen weisende Absorberoberfläche (8) des Absorbers (7) auftrifft. Der Absorber (7) weist die Form einer Platte auf, wobei die Dicke der Platte der Dicke der Reaktorwand entspricht. Der Absorber (7) besteht aus Silizium und weist aufgrund seiner Geometrie und des Materials eine geringe Wärmekapazität C_th auf. Der thermische Widerstand des Absorbers (7) gegenüber der Reaktorwand und der Umgebung ist hoch. An electrically operated radiation source (10) for generating electromagnetic radiation (11) is arranged outside the reactor (1), the radiation source (10) being arranged below the absorber (7) in such a way that the electromagnetic radiation (11) is directed towards the outside facing absorber surface (8) of the absorber (7) impinges. The absorber (7) has the shape of a plate, the thickness of the plate corresponding to the thickness of the reactor wall. The absorber (7) consists of silicon and, due to its geometry and material, has a low thermal capacity C _th . The thermal resistance of the absorber (7) to the reactor wall and the environment is high.

Die einfallende elektromagnetische Strahlung (11) erhitzt daher den Absorber (7) in kurzer Zeit auf Temperaturen deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius. Der Absorber (7) überträgt mittels der zum Reaktorinnenraum (6) weisenden Absorberoberfläche (8) die thermische Energie konvektiv auf den strömenden Stoff (4). Die dargestellte Strahlungsquelle (10) strahlt elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum ab und ist als Lichtquelle ausgeführt. Der Stoff (4) ist beispielsweise eine Flüssigkeit, die während der Strömung zwischen Ein- und Auslass (2,3) entlang des Strömungswegs (9) erhitzt wird und über den Auslass (3) abgeführt wird. Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3). Soweit das Heizsystem übereinstimmende Komponenten aufweist, sind diese mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bezeichnet . The incident electromagnetic radiation (11) therefore heats the absorber (7) to temperatures well above 100 degrees Celsius in a short time. The absorber (7) transfers the thermal energy convectively to the flowing substance (4) by means of the absorber surface (8) facing the reactor interior (6). The radiation source (10) shown emits electromagnetic radiation in the visible spectrum and is designed as a light source. The substance (4) is, for example, a liquid which is heated during the flow between the inlet and outlet (2, 3) along the flow path (9) and is discharged via the outlet (3). Figure 2 shows a second embodiment of a heating system with a flow path (9) between inlet and outlet (2, 3). Insofar as the heating system has matching components, these are labeled with matching reference numerals as in the exemplary embodiment according to FIG.

Der Reaktor (1) des Heizsystems nach Figur 2 weist eine Reaktorwand (5) auf, die teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung (12) ist. Der strahlungsdurchlässige Teil der Reaktorwand wird durch ein lichtdurchlässiges Einkoppelfenster (12) gebildet, das in die Reaktorwand (5) eingelassen ist. Das Einkoppelfenster (12) liegt im Strahlengang (13) der elektromagnetischen Strahlung (11) der Strahlungsquelle (10), die in demThe reactor (1) of the heating system according to FIG. 2 has a reactor wall (5) which is partially permeable to the electromagnetic radiation (12). The radiation-permeable part of the reactor wall is formed by a light-permeable coupling window (12) which is let into the reactor wall (5). The coupling window (12) lies in the beam path (13) of the electromagnetic radiation (11) of the radiation source (10), which is in the

Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zusätzlich eine Optik (14) aufweist, die die elektromagnetische Strahlung bündelt. Auf der der Strahlungsquelle (10) zugewandten Seite ist das Einkoppelfenster (12) mit einer Antireflexbeschichtung (15) versehen, die die Reflektionsverluste mindert und damit die Einstrahleffizienz auf den Absorber (7) erhöht. Abweichend zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist der Absorber kein Bestandteil der Reaktorwand (5), sondern im Abstand zu der Reaktorwand (5) in dem Reaktorinnenraum (6) angeordnet. The embodiment according to FIG. 2 additionally has optics (14) which bundle the electromagnetic radiation. On the side facing the radiation source (10), the coupling window (12) is provided with an anti-reflective coating (15) which reduces the reflection losses and thus increases the radiation efficiency onto the absorber (7). In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, the absorber is not part of the reactor wall (5), but is arranged in the reactor interior (6) at a distance from the reactor wall (5).

Hierzu sind der Übersichtlichkeit halber in Figur 2 nicht dargestellte Halterungen im Reaktorinnenraum (6) vorgesehen. Der Absorber (7) weist ebenfalls die Form einer Platte auf, die eine übereinstimmende Größe wie die Platte des Heizsystems nach Figur 1 aufweist. Bei gleicher Wärmekapazität weist der derart angeordnete Absorber (8) eine größere Oberfläche auf, von der aus die thermische Energie auf den Stoffstrom übertragen wird. Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) für den strömungsfähigen Stoff (4). Soweit das Heizsystem mit dem Heizsystemen nach Figur 2 übereinstimmt, werden übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Anordnung des Absorbers (7) in dem Reaktorinnenraum (6). Der Absorber (7) ist an einer Innenseite der Reaktorwand (5) in Form einer Beschichtung aufgebracht. Die Reaktorwand (5) wird in dem Teil der Beschichtung von dem Einkoppelfenster (12) für die elektromagnetische Strahlung (11) gebildet. Die Strahlungsquelle (10) mit Optik (14) stimmt mit derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 überein. For this purpose, for the sake of clarity, mounts (not shown in FIG. 2) are provided in the reactor interior (6). The absorber (7) also has the shape of a plate, which has the same size as the plate of the heating system according to FIG. With the same heat capacity, the absorber (8) arranged in this way has a larger surface from which the thermal energy is transferred to the material flow. Figure 3 shows a further embodiment of the heating system according to the invention with a flow path (9) for the flowable substance (4). As far as the heating system corresponds to the heating system according to FIG. 2, corresponding reference symbols are used. Differences arise with regard to the arrangement of the absorber (7) in the reactor interior (6). The absorber (7) is applied to the inside of the reactor wall (5) in the form of a coating. The reactor wall (5) is formed in the part of the coating by the coupling window (12) for the electromagnetic radiation (11). The radiation source (10) with optics (14) corresponds to that of the exemplary embodiment according to FIG.

Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3). Der Reaktor (1) ist entsprechend dem Reaktor nach Figur 1 aufgebaut, sodass insoweit auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen wird. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Strahlungsquelle (10), die hier als Laser-Lichtquelle (10, 16) ausgestaltet ist, deren Strahlengang (13) auf die nach außen weisende Absorberoberfläche (8) des Absorbers (7) auftrifft. Das Heizsystem verfügt zusätzlich über einen Temperatursensor (17), der in einen Regelkreis zur Steuerung der Laserleistung des Lasers (16) eingebunden ist. Der Temperatursensor (17) ist als Thermosäule ausgestaltet. Er ist benachbart zu der Laser-Lichtquelle platziert, um die von dem Absorber (8) ausgehende Wärmestrahlung (19) zu detektieren. Die Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Spektrums wird mit einem Filter (18) unterdrückt. Der Regelkreis erlaubt es beispielsweise die Heizleistung in dem Heizsystem auf einem konstanten Niveau zu halten. Figure 4 shows a fourth embodiment of a heating system according to the invention with a flow path (9) between inlet and outlet (2, 3). The reactor (1) is constructed in accordance with the reactor according to FIG. 1, so that reference is made to the description of FIG. 1 in this respect. Differences arise with regard to the radiation source (10), which is designed here as a laser light source (10, 16), the beam path (13) of which strikes the outward-facing absorber surface (8) of the absorber (7). The heating system also has a temperature sensor (17) which is integrated into a control circuit for controlling the laser power of the laser (16). The temperature sensor (17) is designed as a thermopile. It is placed adjacent to the laser light source in order to detect the thermal radiation (19) emanating from the absorber (8). The wavelength in the visible spectrum is suppressed with a filter (18). The control loop allows it for example to keep the heating power in the heating system at a constant level.

Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems, das mehrere Kanäle (20) für den strömungsfähigen Stoff aufweist. Der strömungsfähige Stoff (4) ist eine Flüssigkeit, die in dem Heizsystem verdampft wird. Der Reaktor (1) weist insgesamt vier Einlässe (2) auf. Ausgehend von den Einlässen (2) erstrecken sich die Kanäle (20) in Richtung eines in die Reaktorwand (5) eingelassenen Absorbers (7) aus beispielsweise keramischem Material. Die Kanäle (20) verlaufen in Längsrichtung der als Platte ausgebildeten unteren Reaktorwand (5). Unmittelbar oberhalb des Absorbers (7) befinden sich in einer ebenfalls als Platte ausgebildeten oberen Reaktorwand mehrere rechtwinklig zu den Kanälen (20) verlaufende Durchgänge (21), die in der Oberfläche der oberen Reaktorwand (5) münden. Die Mündungen der Durchgänge (21) sind die Auslässe (3) des Heizsystems. Die Kanäle (20) weisen beispielsweise einen Durchmesser von lOOpm und die Durchgänge (21) einen Durchmesser von 40pm auf. Die Kanäle (20) und die Durchgänge (21) bilden zusammen den Strömungsweg (9). Figure 5 shows a fifth embodiment of a heating system according to the invention, which has several channels (20) for the flowable substance. The flowable substance (4) is a liquid that is evaporated in the heating system. The reactor (1) has a total of four inlets (2). Starting from the inlets (2), the channels (20) extend in the direction of an absorber (7) made of, for example, ceramic material and embedded in the reactor wall (5). The channels (20) run in the longitudinal direction of the lower reactor wall (5) designed as a plate. Immediately above the absorber (7) there are several passages (21) which run at right angles to the channels (20) and open into the surface of the upper reactor wall (5) in an upper reactor wall also designed as a plate. The mouths of the passages (21) are the outlets (3) of the heating system. The channels (20) have, for example, a diameter of 100 pm and the passages (21) have a diameter of 40 pm. The channels (20) and the passages (21) together form the flow path (9).

Die untere Reaktorwand (5) ist unterhalb des Absorbers (7) für die elektromagnetische Strahlung durchlässig. Die elektromagnetische Strahlung wird in dem Ausführungsbeispiel von einem LED-Array (22) gebildet. An dem LED-Array (22) sind Kühlkörper (23) angeordnet. The lower reactor wall (5) is transparent to the electromagnetic radiation below the absorber (7). In the exemplary embodiment, the electromagnetic radiation is formed by an LED array (22). Heat sinks (23) are arranged on the LED array (22).

Das Heizsystem nach Figur 5 ist derart eingerichtet, dass der über die Einlässe (2) zugeführte flüssige Stoff (4) durch die Übertragung der thermischen Energie mittels des Absorbers (7) verdampft und über die unmittelbar oberhalb des Absorbers (7) befindlichen Durchgänge (21) der dampfförmige Stoff (4) an den Auslässen (3) austritt. Figur 5 ist zu entnehmen, dass das Mikro-Heizsystem beispielsweise eine Länge von 10 bis 20 mm und eine Dicke von 1 bis 2,6 mm einschließlich des LED-Arrays aufweist. Das Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße Heizsystem insbesondere zur Herstellung von Mikro- Heizsystemen geeignet ist. Diese Mikro-Heizsysteme weisenThe heating system according to FIG. 5 is set up in such a way that the liquid substance (4) supplied via the inlets (2) is caused by the transfer of thermal energy by means of the absorber (7) evaporates and the vaporous substance (4) emerges at the outlets (3) via the passages (21) located directly above the absorber (7). It can be seen from FIG. 5 that the micro-heating system has, for example, a length of 10 to 20 mm and a thickness of 1 to 2.6 mm including the LED array. The exemplary embodiment makes it clear that the heating system according to the invention is particularly suitable for producing micro-heating systems. These micro heating systems have

Heizleistungen bis maximal 50 Watt, Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Heizflächen ab 1 mm² auf. Die Aufheizzeit ist aufgrund des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsmechanismus außerordentlich kurz. Durch die erfindungsgemäße Entkopplung von Strahlungsquelle (10) und Absorber (7) können auch reaktive Stoffe ohne Beschädigung des Heizsystems erwärmt oder verdampft werden. Heating outputs up to a maximum of 50 watts, temperatures up to 500 degrees Celsius and heating surfaces from 1 mm ² . The heating time is extremely short due to the heat transfer mechanism according to the invention. By decoupling the radiation source (10) and absorber (7) according to the invention, reactive substances can also be heated or vaporized without damaging the heating system.

Claims

Patentansprüche : Patent claims:

1. Heizsystem umfassend einen Reaktor (1) mit mindestens einem Einlass (2) und mindestens einem Auslass (3) für einen strömungsfähigen Stoff (4), einen Strömungsweg (9) für den strömungsfähigen Stoff (4), der sich zwischen dem mindestens einen Einlass (2) und dem mindestens einen Auslass (3) erstreckt, einen Absorber (7) mit einer Absorberoberfläche (8), eingerichtet zur Umwandlung auftreffender elektromagnetische Strahlung (11) in thermische Energie, wobei die Absorberoberfläche (8) derart angeordnet ist, dass die Absorberoberfläche (8) zumindest teilweise mit dem strömungsfähigen Stoff (4) innerhalb des Reaktors (1) unmittelbar in Kontakt gelangt, und eine außerhalb des Reaktors (1) angeordnete elektrisch betriebene Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung (11), wobei die Strahlungsquelle (10) derart zu dem Reaktor (1) angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (11) auf die Absorberoberfläche (8) auftrifft. 1. A heating system comprising a reactor (1) with at least one inlet (2) and at least one outlet (3) for a flowable substance (4), a flow path (9) for the flowable substance (4) which extends between the at least one Inlet (2) and the at least one outlet (3), an absorber (7) with an absorber surface (8), set up to convert incident electromagnetic radiation (11) into thermal energy, the absorber surface (8) being arranged in such a way that the absorber surface (8) at least partially comes into direct contact with the flowable substance (4) inside the reactor (1), and an electrically operated radiation source (10) arranged outside the reactor (1) for generating the electromagnetic radiation (11), wherein the radiation source (10) is arranged in relation to the reactor (1) in such a way that the electromagnetic radiation (11) impinges on the absorber surface (8).

2. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsgrad des Absorbers (7) mindestens 50 % beträgt. 2. Heating system according to claim 1, characterized in that the degree of absorption of the absorber (7) is at least 50%.

3. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (11) in einem Wellenlängenbereich zwischen 10 nm bis 1 mm eingerichtet ist. 3. Heating system according to claim 1 or 2, characterized in that the electrically operated radiation source (10) is set up to generate electromagnetic radiation (11) in a wavelength range between 10 nm to 1 mm.

4. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) eine an den Strömungsweg (9) angrenzende Reaktorwand (5) aufweist und der Absorber (7) ein Bestandteil der Reaktorwand (5) ist. 4. Heating system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reactor (1) has a reactor wall (5) adjoining the flow path (9) and the absorber (7) is part of the reactor wall (5).

5. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) eine an den Strömungsweg (9) angrenzende Reaktorwand (5) aufweist, wobei zumindest ein im Strahlengang (13) der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle (10) liegender Teil der Reaktorwand (5) durchlässig für die elektromagnetische Strahlung ist und der Absorber (7) an einer Innenseite der Reaktorwand (5) oder im Abstand zu der Reaktorwand (5) innerhalb des Reaktors (1) angeordnet ist. 5. Heating system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reactor (1) has a reactor wall (5) adjoining the flow path (9), at least one lying in the beam path (13) of the electrically operated radiation source (10) Part of the reactor wall (5) is permeable to the electromagnetic radiation and the absorber (7) is arranged on an inside of the reactor wall (5) or at a distance from the reactor wall (5) within the reactor (1).

6. Heizsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (7) auf die Innenseite der Reaktorwand (5) in Form einer Beschichtung aufgebracht ist. 6. Heating system according to claim 5, characterized in that the absorber (7) is applied to the inside of the reactor wall (5) in the form of a coating.

7. Heizsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwand (5) ein für die elektromagnetische Strahlung (11) durchlässiges Einkoppelfenster (12) aufweist. 7. Heating system according to claim 5 or 6, characterized in that the reactor wall (5) has a coupling-in window (12) which is permeable to the electromagnetic radiation (11).

8. Heizsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der für die elektromagnetische Strahlung (11) durchlässige Teil der Reaktorwand (4) auf der der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle (10) zugewandten Seite mit einer Antireflexbeschichtung (15) versehen ist. 8. Heating system according to one of claims 5 to 7, characterized in that the part of the reactor wall (4) which is transparent to the electromagnetic radiation (11) is provided with an anti-reflective coating (15) on the side facing the electrically operated radiation source (10).

9. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kanäle (20) zumindest einen Teil des Strömungswegs (9) zwischen dem mindestens einen Einlass (2) und dem mindestens einen Auslass (3) des Reaktors (1) bilden. 9. Heating system according to one of claims 1 to 8, characterized in that several channels (20) form at least part of the flow path (9) between the at least one inlet (2) and the at least one outlet (3) of the reactor (1) .

10. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (7) die Form einer Platte aufweist. 10. Heating system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the absorber (7) has the shape of a plate.

11. Heizsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (7) aus einem Material mit einem offenporigen Material besteht, welches von dem strömungsfähigen Stoff durchströmbar ist. 11. Heating system according to one of claims 5 to 10, characterized in that the absorber (7) consists of a material with an open-pore material through which the flowable substance can flow.

12. Heizsystem nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das offenporige Material zumindest teilweise in die mehreren Kanäle (20) eingebettet ist. 12. Heating system according to claim 9 and 11, characterized in that the open-pore material is at least partially embedded in the plurality of channels (20).

13. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem einen Temperatursensor (17) zur Regelung der Leistung der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle (10) aufweist. 13. Heating system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the heating system has a temperature sensor (17) for regulating the power of the electrically operated radiation source (10).

14. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jedem Auslass (3) und dem Absorber (7) geringer als der Abstand zwischen jedem Einlass (2) und dem Absorber (7) ist. 14. Heating system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the distance between each outlet (3) and the absorber (7) is less than the distance between each inlet (2) and the absorber (7).

15. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene Strahlungsquelle (10) mindestens eine Leuchtdiode (22) oder mindestens einen Laser (16) aufweist. 15. Heating system according to one of claims 1 to 14, characterized in that the electrically operated radiation source (10) has at least one light-emitting diode (22) or at least one laser (16).