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Dokumentenidentifikation DE19814148C1 05.01.2000
Titel Thermo-chemischer Sorptions-Aktuator
Anmelder Aisin Seiki K.K., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Kappes, Albrecht, 34292 Ahnatal, DE;
Maurer, Thomas, 34233 Fuldatal, DE;
Sakashita, Hitoshi, 34233 Fuldatal, DE
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 30.03.1998
DE-Aktenzeichen 19814148
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2000
IPC-Hauptklasse F15B 21/06
IPC-Nebenklasse F15B 21/04   
Zusammenfassung Ein thermochemischer Sorptionsaktuator (90) weist ein Reaktionsgefäß (11), einen Gasraum (27), einen von dem Gasraum getrennten Hydraulikraum (31) und einen Stellzylinder (49) auf. Das Reaktionsgefäß umfaßt ein Metallhydrid oder verschiedene Metallhydride, die Wasserstoff ab- bzw. desorbieren. Das aus dem Metallhydrid (32) desorbierte Wasserstoffgas gelangt in den Gasraum (27), wodurch der Druck im Hydraulikraum erhöht wird. Die Druckerhöhung wird auf den Stellzylinder (49) über den Hydraulikkreislauf (21, 47, 48, 52, 56) übertragen. Der Hydraulikkreislauf (21) ist teilweise im Reaktionsgefäß (11) angeordnet, wodurch das Reaktionsgefäß (11) von dem Hydraulikmedium abgekühlt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen thermo-chemischen Sorptions-Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere einen thermochemischen Sorptions-Aktuator mit einem Hydraulikkreislauf zum Antrieb eines Stellzylinders.

Ausgangspunkt der Erfindung sind Aktuatoren, die die Temperaturabhängigkeit des Drucks bei der Sorption von Gasen an/in Feststoffen zur Realisierung eines mechanischen Stellglieds verwenden. Bekannte Konzepte nutzen hierzu die Reaktion von Metallen, Metallegierungen oder intermetallischen Verbindungen mit Wasserstoff. Bei dieser exothermen Reaktion wird Wasserstoff aus der Gasphase vom Metall absorbiert und chemisch gebunden, wodurch sogenannte Metallhydride gebildet werden. Die Reaktion ist reversibel, so daß durch Zufuhr von thermischer Energie das Metallhydrid wieder in Metall und Wasserstoff aufgespalten werden kann. Der Gleichgewichtsdruck der Bildungs- bzw. Zersetzungsreaktion ist von der Temperatur abhängig. Die Abhängigkeit kann für Feststoff/Gas-Reaktionen im thermodynamischen Gleichgewicht durch die sogenannte van't-Hoff- Gleichung beschrieben werden.

Aus der JP 1-199008 A ist ein gattungsgemäßer thermochemischer Sorptions-Aktuator bekannt. In Fig. 3 ist ein Metallhydrid 101 in einem Reaktionsgefäß 102 eingebracht, das mit einem Zylinder 103 über einen Druck-Übertrager 104 verbunden ist, wodurch der Wasserstoffdruck im Reaktionsgefäß 102 zum Zylinder 103 übertragen wird. Ein Hydraulikraum 105 ist im Zylinder 103 durch einen beweglichen Stößel 106 zur Umgebung abgeschlossen und mit einem zweiten Hydraulikraum 107 über eine Leitung 108 in Fluidverbindung. Ein Ventil 109 befindet sich in der Leitung 108, um den Stößel 106 in einer bestimmten Stellung zu halten. Der Hydraulikraum 107, der sich im Druck-Übertrager 104 befindet, ist von einem Gasraum 110 durch einen Balg 111 getrennt. Der Gasraum 110 ist mit dem Reaktionsgefäß 102 über eine Leitung 112 verbunden. Die Hydraulikräume 105 und 107 sowie die Leitung 108 sind mit einem Hydraulikmedium, z. B. Öl, gefüllt. Der Gasraum 110 und die Leitung 112 sind mit Wasserstoffgas gefüllt. Das Reaktionsgefäß 102 ist ebenfalls teilweise mit dem Wasserstoffgas gefüllt.

Geeignete Mittel sind im Reaktionsgefäß 102 vorgesehen, um das Metallhydrid 101 zu erhitzen sowie zu kühlen, womit das Metallhydrid 101 kontrolliert temperiert werden kann. Wird das Reaktionsgefäß 102 durch Wärmezufuhr (z. B. durch ein elektrisches Widerstandheizelement, Abgas, Luft) auf ein vorgegebenes Temperaturniveau erhitzt, so wird aus dem Metallhydrid 101 Wasserstoff ausgetrieben (desorbiert) bis sich der Gleichgewichtsdruck entsprechend der van't-Hoff-Gleichung einstellt. Der ansteigende Wasserstoffdruck im Reaktionsgefäß 102 bewirkt eine Erhöhung des Wasserstoffdrucks im Gasraum 110 des Druck-Übertragers 104, wodurch der Balg 111 gestaucht wird. Dadurch wird Hydraulikmedium aus dem Hydraulikraum 107 in den Hydraulikraum 105 des Zylinders 103 verdrängt, insofern das Ventil 109 geöffnet ist. Die Strömung des Hydraulikmediums bewirkt das Ausfahren des Stößels 106, so daß ein Stellmechanismus, ein sogenannten Aktuator, realisiert werden kann. Durch Schließen des Ventils 109 kann nun unabhängig vom Wasserstoffdruck der Stößel 106 in der erzielten Stellung gehalten werden.

Wird die Beheizung abgestellt, so kühlt sich das Metallhydrid 101 durch Wärmeaustausch mit seiner Umgebung ab. Dadurch wird der Wasserstoff aus der Gasphase vom Metallhydrid 101 aufgenommen (absorbiert), wodurch der Gleichgewichtsdruck sinkt. Wird das Ventil 109 wieder geöffnet, strömt das Hydraulikmedium aus dem Hydraulikraum 105 in den Hydraulikraum 107 des Druck-Übertragers 104 zurück. Aufgrund der unterschiedlichen Drücke im Hydraulikraum 107 und dem Gasraum 110 wird der Balg 111 gedehnt. Dadurch wird der Stößel 106 in seine Ausgangslage zurückgestellt.

Aus der JP 62-155310 A ist der Einsatz eines Peltierelements zur Kühlung bekannt. Das Peltierelement ist im Reaktionsgefäß 102 angeordnet, um die Umsatzgeschwindigkeit bei der Absorption des Wasserstoffs im Metallhydrid und somit die Rückstellgeschwindigkeit des Aktuators zu verbessern. Peltierelemente weisen jedoch eine vergleichsweise geringe spezifische Leistung bei hohen Anschaffungskosten auf und benötigen Antriebsenergie zur Kühlung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermochemischen Sorptions-Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß keine elektrische Energie zur Kühlung benötigt wird.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein thermo-chemischer Sorptions- Aktuator geschaffen, der aus einem Reaktionsgefäß, in das ein, ein Sorptiv ad/absorbierendes Sorbens eingebracht ist, einem im Reaktionsgefäß angeordneten Heizelement, einem Gasraum, der mit dem Reaktionsgefäß in Fluidverbindung steht, einem von dem Gasraum druckübertragbar getrennten Hydraulikraum und einem Stellzylinder besteht, der mit dem Hydraulikraum in Fluidverbindung steht, wobei der Stellzylinder über einen Hydraulikkreislauf mit dem Hydraulikraum in Fluidverbindung steht und wobei der Hydraulikkreislauf teilweise im Reaktionsgefäß angeordnet ist. Dadurch kann das Reaktionsgefäß durch das Hydraulikmedium gekühlt werden.

Vorzugsweise steht der Hydraulikraum über eine Auslaßleitung und eine Einlaßleitung mit dem Stellzylinder in Fluidverbindung und ein Kühlrohr als Teil der Einlaßleitung ist in dem Reaktionsgefäß angeordnet. Damit wird das Reaktionsgefäß von dem Hydraulikmedium abgekühlt, das durch das Kühlrohr der Einlaßleitung strömt. Dagegen wird das Reaktionsgefäß nicht gekühlt, wenn das Hydraulikmedium durch die Auslaßleitung strömt.

Vorzugsweise ist eine sich außerhalb des Reaktionsgefäßes an das Kühlrohr anschließende Rücklaufleitung, die Teil der Einlaßleitung ist, als Wärmeüberträger ausgebildet, um das von dem Kühlrohr anströmende Hydraulikmedium abzukühlen.

Ferner ist vorzugsweise ein Wärmeüberträger außerhalb des Reaktionsgefäßes in den Hydraulikkreislauf integriert. Damit wird ein im Hydraulikkreislauf strömendes Hydraulikmedium durch Wärmeübertragung an die Umgebung abgekühlt.

Die Erfindung wird durch die folgende, auf die Zeichnungen Bezug nehmende, Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines thermo-chemischen Sorptions- Aktuators gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines thermo-chemischen Sorptions- Aktuators gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 3 eine Schnittansicht eines thermo-chemischen Sorptions- Aktuators gemäß Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt einen sogenannten Metallhydrid-Aktuator 90 als ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermo-chemischen Sorptions- Aktuators. Ein zylindrisches Reaktionsgefäß 11 umfaßt Ober- und Unterräume 20, 40, die durch eine Wand 12 aufeinander getrennt sind. Im Oberraum 20 sind, aus gebogenen Rohren hergestellte, Kühlrohre 21 strahlenförmig und ein elektrisches Widerstandheizelement 22 jeweils um einen zylindrischen Füllkörper 13 angeordnet. Das Widerstandheizelement 22 wird von einer Steuerung 14 elektrisch angesteuert. Die Steuerung 14 weist eine nicht dargestellte elektrische Energiequelle (z. B. Batterie) und nicht dargestellte Schalter auf, um die Zufuhr elektrischer Energie zum Widerstandheizelement 22 und Schaltungssignale für ein Ventil 15 zu steuern. Der Oberraum 20 ist mittels eines Deckels 23 geschlossen, um Metallhydrid (Sorbens) 32 darin einzubringen. Das Metallhydrid 32 kann als Pulver, in Form einer losen Schüttung, oder verpreßt als Compact oder Pellets vorliegen. Der Deckel 23 weist eine Bohrung 24 auf, die ein poröses Filterelement 25 aufnimmt. Das Filterelement 25 wird mittels eines Sicherungsringes 26 in der Bohrung 24 fixiert. Über das Filterelement ist der Oberraum 20 mit einem Gasraum 27 verbunden. Der Gasraum 27 ist zum Hydraulikmedium in einem Hydraulikraum 31 durch von einen flexiblen, gasundurchlässigen Edelstahl-Membranbalg 28 abgetrennt, an dessen unterem Ende ein Befestigungsring 29, zur Verbindung mit dem Reaktionsgefäß 11, angebracht ist und dessen oberes Ende mittels eines Deckels 30 verschlossen ist. Nämlich ist der Gasraum 27 druckübertragbar mit dem Hydraulikraum 31 verbunden.

Der Unterraum 40 ist durch eine ringförmige Wand 43 in eine Einlaßkammer 41 und eine Auslaßkammer 42 unterteilt und mittels eines Bodens 44 zur Umgebung verschlossen. Im Oberraum 20 des Reaktionsgefäßes 11 sind Rohre 21 eingebracht, deren Enden in die Kammern 41 bzw. 42 ragen.

Die Einlaßkammer 41 steht mit einer Druckkammer 45 über eine Einlaßbohrung 46 im Boden 44, einer Zwischenleitung 47 und einer Stellzylinderleitung 44 in Fluidverbindung. Die Druckkammer 45 des Stellzylinders 49 ist durch einen beweglichen Stößel 50 zur Umgehung hin abgeschlossen. In der Zwischenleitung 47 ist das Ventil 15 angeordnet. Die Auslaßkammer 42 steht mit dem Hydraulikraum 31 über eine Auslaßbohrung 51, eine Rückleitung 52 und einer Bohrung 53 in einem Flansch 16 des Reaktionsgefäßes 11 in Fluidverbindung. Die Rückleitung 52 ist mit Kühlrippen 54 versehen, wodurch ein Wämeübertrager gebildet wird, um das in der Rückleitung 52 strömende Hydraulikmedium abzukühlen.

Auf die obere Fläche des Flansches 16 ist ein Gehäuse 55 montiert, um den Hydraulikraum 31 zur Umgebung hin abzuschließen. Der Hydraulikraum 31 steht mit der Druckkammer 45 des Stellzylinders 49 über eine Auslaßbohrung 57, die Zufuhrleitung 56 und die Stellzylinderleitung 48 in Fluidverbindung. Ein Rückschlagventil 58 ist zwischen Auslaßbohrung 57 und Zufuhrleitung 56 eingebracht. Weitere Wärmeübertrager (entsprechend 54) können auch in die Zwischenleitung 47 und/oder die Zufuhrleitung 56 integriert werden.

Wird das Metallhydrid 32 von dem Heizelement 22 erhitzt, so wird der Wasserstoff (Sorptiv) aus dem Metallhydrid 32 ausgetrieben und gelangt durch das poröse Filterelement 25 in den Gasraum 27. Dadurch bedingt erhöht sich der Druck im Gasraum 27, was eine Ausdehnung des Membranbalges 28 zur Folge hat. Das Hydraulikmedium im Hydraulikraum 31 wird dadurch in die Druckkammer 45 über die Zufuhrleitung 56 und die Stellzylinderleitung 48 verdrängt und der Stößel 50 wird ausgestellt. Zeichen 59 kennzeichnet den maximalen Stellweg des Membranbalges 28. Durch das Rückschlagventil 58 wird verhindert, daß nach dem Abstellen der Beheizung des Metallhydrids 32 das Hydraulikmedium von der Druckkammer 45 zurück in den Hydraulikraum 31 gelangt. Wird die Beheizung abgestellt, so kühlt sich das Metallhydrid 32 durch Wärmeaustausch mit seiner Umgebung ab. Dadurch wird der Wasserstoff aus der Gasphase vom Metallhydrid 32 aufgenommen (absorbiert), wodurch Drücke im Gasraum und in der Druckkammer 45 jeweils sinkt. Das Ventil 15 ist von der Steuerung 14 als geschlossen angesteuert, so kann das Hydraulikmedium von der Druckkammer 45 zurück in den Hydraulikraum 31 noch nicht gelangt. Der Hydraulikkreislauf umfaßt die Kühlrohre 21, die Zwischenleitung 47, die Rückleitung 52, die Zufuhrleitung 56 und die Stellzylinderleitung 48. Im Besonderen weist eine Auslaßleitung die Stellzylinderleitung 48 und die Zufuhrleitung 56, und eine Einlaßleitung die Kühlrohre 21, die Zwischenleitung 47, die Stellzylinderleitung 48 und die Rückleitung 52 auf.

Wenn zum Zurückstellen des Stößels 50 wird das Ventil 15 geöffnet, wodurch das Hydraulikmedium aus der Druckkammer 45 über die Stellzylinderleitung 48, die Zwischenleitung 47, die Kühlrohre 21 und die Rückleitung 52 in den Hydraulikraum 31 wegen des Druckunterschieds zwischen der Druckkammer 45 und dem Hydraulikraum 31 gelangt. Da das in den Kühlrohren 21 strömende Hydraulikmedium eine niedrigere Temperatur besitzt als das zuvor lokal begrenzt aufgeheizte Metallhydrid 32, wird das Metallhydrid 32 gekühlt, wodurch Wasserstoff aus dem Gasraum 27 von dem Metallhydrid 32 absorbiert wird. Dadurch sinkt der Druck im Gasraum 27 und der Stößel 50 wird in seine Ausgangsstellung zurückgestellt. Das aus den Kühlrohren 21 ausströmende, erwärmte Hydraulikmedium wird anschließend im Wärmeübertrager 54 gekühlt.

Fig. 2 zeigt einen Metallhydrid-Aktuator 91 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hier wird ein Wellbalg 60 anstelle des Membranbalges 28 des ersten Ausführungsbeispiels eingesetzt. Ein Deckel 61 ragt in den Wellbalg 60 ein, um das Volumen des Gasraumes 27 zu reduzieren, wodurch die, zum Druckaufbau im Gasraum erforderliche Wasserstoffmenge verringert wird. Zeichen 63 bezeichnet den maximalen Stellweg, der kürzer als der maximale Stellweg 59 ist, da Membranbälge bekanntlich größere Stellweg ermöglichen.

Zur Reduktion des Gasraumvolumens 27 kann auch eine gegenüber der Reaktion inerte Flüssigkeit oder eine Feststoffschüttung in den Gasraum 27 eingebracht werden.

Durch Einbringen eines hinsichtlich der Reaktion inerten Gases (z. B. Helium) kann die Druck-Temperatur-Charakteristik des eingesetzten Sorptionssystems (Sorptiv/Sorbens-Kombination) an den speziellen Einsatzfall angepaßt werden.

Durch bekannte Techniken zur Verbesserung des Wärmetransports im Reaktionsgefäß, z. B. durch Einbringen von Wärmeleitstrukturen (Schäume, Rippen) aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Kupfer, Aluminium, Graphit etc.) kann die Stellgeschwindigkeit des Aktuators verbessert werden.

Neben dem Sorptionssystem aus hydridbildendem Metall und Wasserstoff können auch andere Feststoff/Gas- oder Flüssigkeit/Gas-Systeme für die obigen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden. Beispielsweise sind als Sorbentia Aktivkohlen, Zeolithe, Komplexsalze oder Wasser in Kombination mit den Sorptiven wie Kohlendioxid, Ammoniak, Wasser, Stickstoff oder Sauerstoff als Sorptionssysteme bekannt.

Zusammenfassend weist ein thermo-chemischer Sorptions-Aktuator nach der Erfindung ein Reaktionsgefäß 11, einen Gasraum 27, einen von dem Gasraum getrennten Hydraulikraum 31 und einen Stellzylinder 49 auf. Das Reaktionsgefäß umfaßt ein Metallhydrid oder verschiedene Metallhydride, die Wasserstoff ab- bzw. desorbieren. Das Wasserstoffgas, das aus dem Metallhydrid 32 ausgetrieben wird, gelangt in den Gasraum 27, wodurch der Druck im Hydraulikraum 31 erhöht wird. Die Druckerhöhung wird in den Stellzylinder 49 über den Hydraulikkreislauf 21, 47, 48, 52, 56 übertragen. Der Hydraulikkreislauf 21 ist teilweise im Reaktionsgefäß 11 angeordnet, wodurch das Reaktionsgefäß 11 von dem Hydraulikmedium abgekühlt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Thermo-chemischer Sorptions-Aktuator (90; 91) bestehend aus einem Reaktionsgefäß (11), in das ein, ein Sorptiv ad/absorbierendes Sorbens (32) eingebracht ist, einem im Reaktionsgefäß (11) angeordneten Heizelement (22), einem Gasraum (27), der mit dem Reaktionsgefäß in Fluidverbindung steht, einem von dem Gasraum druckübertragbar getrennten Hydraulikraum (31) und einem Stellzylinder (49), der mit dem Hydraulikraum (31) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellzylinder (49) über einen Hydraulikkreislauf mit dem Hydraulikraum (31) in Fluidverbindung steht und daß der Hydraulikkreislauf teilweise im Reaktionsgefäß (11) angeordnet ist.
  2. 2. Thermo-chemischer Sorptions-Aktuator (90; 91) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikraum (31) über eine Auslaßleitung und eine Einlaßleitung mit dem Stellzylinder (49) in Fluidverbindung steht und daß ein Kühlrohr (21) als Teil der Einlaßleitung in dem Reaktionsgefäß (11) angeordnet ist.
  3. 3. Thermo-chemischer Sorptions-Aktuator (90; 91) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich außerhalb des Reaktionsgefäßes (11) an das Kühlrohr (21) anschließende Rücklaufleitung (52), die Teil der Einlaßleitung ist, als Wärmeüberträger (54) ausgebildet ist, um das von dem Kühlrohr (21) anströmende Hydraulikmedium abzukühlen.
  4. 4. Thermo-chemischer Sorptions-Aktuator (90; 91) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeüberträger (54) außerhalb des Reaktionsgefäßes (11) in den Hydraulikkreislauf integriert ist.






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