用于气态介质的温度控制装置的制作方法

本发明涉及一种用于气态介质的温度控制装置，其具有第一热交换器层和第二热交换器层，在所述第一热交换器层中形成用于待控制温度的气体的介质通道，通过所述第二热交换器层可以从第一热交换器层提取热量和/或向第一热交换器层供应热量。

背景技术：

1、这种温度控制装置例如用于测量燃料消耗、尤其是压缩天然气或氢气消耗的系统中，在所述系统中它们形成用于将燃料调节到预定压力和温度的调节装置的一部分，以便获得可靠的测量结果。科里奥利流量计是最常用的测量仪器。例如，在wo2020/186279a1中描述了这种用于测量消耗的系统。

2、已知的温度控制装置的问题在于，所使用的热交换器大多太慢，以至于不能以流量传感器正确测量的方式进行快速的温度变化以便能够实现燃料的恒定温度。

3、为了解决这些问题，在at 516 611a4和at 516 385a4中提出了温度控制单元，其由第一热交换器层、第二热交换器层和第三热交换器层组成，在第一热交换器层中形成有用于燃料的螺旋流动通道，在第二热交换器层中布置有热电元件，在第三热交换器层中形成有冷却剂通道，当冷却要被温度控制的介质流时，来自热电元件的暖侧的热量将通过所述冷却剂通道消散。

4、然而，这些温度控制单元的问题是，由于现有的应力，特别是由有时高的温差引起的应力，在单个热交换器层上可能出现毛细裂缝。例如，如果要进行温度控制的气体是氢气，则必须能够排除氢气扩散到冷却剂中的可能性。然而，如果两个热交换器层紧密地位于彼此的顶部，则不能排除这样的情况，即尽管冷却剂的介质管线中有压力，但是氢气会渗透到冷却剂中，这例如会使冷却剂变得易燃。这给冷却冷却剂并且不是为爆炸和/或易燃介质设计的制冷机带来了问题。

技术实现思路

1、因此，问题是提供一种用于气态介质的温度控制装置，利用该装置可以可靠地防止待冷却的介质渗透到冷却剂中或者沿相反方向渗透，并且其不会负面地影响不同热交换器层之间的热传递。此外，应该能够尽可能快速和精确地控制介质流的温度，而不管热量是否必须被添加到介质流中或从介质流中移除。

2、这个问题通过具有主权利要求1的特征的用于气态介质的温度控制装置来解决。

3、根据本发明的用于气态介质的温度控制装置具有第一热交换器层，该第一热交换器层例如被设计为由不锈钢制成的热交换器板。在该第一热交换器层中形成用于待控制温度的气态或液态气体的介质通道。这尤其可以是天然气或氢气。介质通道可以插入到热交换器层中并因此具有其自身的通道壁，或者一体地构造为热交换器板内部的通道形成的开口。此外，温度控制装置具有第二热交换器层，该第二热交换器层则可以被设计为热交换器板，并且可以具有通道，所述通道以内部开口的形式与该板一体形成，或者所述通道被设计为热交换器层中的插件。然而，第二热交换器层也可以以其他方式向第一热交换器层提取或供应热量，例如通过热电元件，例如珀耳帖元件。不管第二热交换器层的设计如何，它因此用于从第一热交换器层吸热和/或向第一热交换器层供热。

4、为了尽可能地排除介质转移到热交换器的相应另一层中，根据本发明，扩散层布置在第一热交换器层和第二热交换器层之间，该扩散层对于待控制温度的气体的扩散是开放的。这具有这样的结果，即待控制温度的气体可以沿着扩散层渗透到外部，并且可以在那里通过相应的检测器被检测到。因此，扩散开放意味着气体可以沿着扩散层移动，其流动阻力低于相对的热交换器层的流动阻力。因此，气体寻找最容易的出路。这也是因为，例如，当氢气用作待控制温度的气体时，它处于高压力，因此也通过毛细裂缝被挤出介质通道。如果冷却剂存在于相邻的热交换器层中，由于冷却剂也在高于大气压的压力下被输送，所以如果扩散层被正确地选择，流动阻力将会较低，使得氢气沿着扩散层被挤压并渗透到外部。因此，可以可靠地排除氢气或天然气不经意地渗透到冷却剂中。

5、优选地，扩散层由箔形成，该箔放置在相对的热交换器层之间，然后这些热交换器层可以彼此附接。因此，箔在热交换器层之间形成用于待控制温度的介质的流动空间，以防其从介质通道中逸出。两个热交换器层的不同热膨胀也可以由箔补偿，因为它具有机械去耦效果。这使得膨胀系数大致不同的材料可以连接在一起。这对于诸如氢气之类的介质尤其有利，氢气极大地限制了热交换器层材料的选择。此外，这种箔可以补偿热交换器层表面上的不均匀性，与其中层彼此直接附接的设计相比，这导致传热接触面积的增加。

6、由石墨制造扩散层是特别有利的。由石墨制成的扩散层结合了高导热率和非常低的接触热阻。

7、特别地，如果扩散层由热电石墨形成则是有利的。在石墨箔设计的情况下，存在额外的优点，即它们非常好地适应接触表面，从而产生大的传热表面，并且可以补偿不均匀性。虽然导热率取决于方向，但是可以产生仅在z方向(即箔的厚度方向)上具有较低导热率的箔，但是这并不重要，因为这些箔可以以小于20μm的层厚度生产，从而仍然有足够快的热传导。此外，在z方向上大于约15w/℃的导热率仍然显著高于常规导热箔，常规导热箔在z方向上具有约1w/℃的导热率。与传统的导热箔相比，这些箔因此不表现出显著的导热阻力。

8、一般来说，石墨是没有方向性的(例如，压制的无定形石墨粉)。然而，热电石墨在z方向(垂直于接触区域)上的导热率低于金属(如铜或铝)的导热率，但是这并不重要，因为这些箔可以生产为具有小于20μm的层厚度。使用热电石墨还具有在接触层方向(对应于x-y平面)上的导热率特别高的优点。特别是，这比铜的效率高5倍，因此导热率仅比金刚石稍低，金刚石被认为是最著名的导热体。结果，可以通过在热交换器层中更均匀地分配热量来提高热交换器的整体效率。

9、如果石墨是热解石墨则是特别有利的。这种材料具有高达的优异导热率，因此比铜的导热率高五倍。此外，当使用箔时，在x和y方向上，即在延伸方向上，存在有效的热分布。因此，在热解石墨和相邻的热交换器层之间有极好的全表面热传递。此外，这种热解石墨易于扩散，因此由扩散层形成的空间可用于待冷却介质的流动。

10、例如，氢气在石墨中的扩散系数不适于将大量的氢气输送到外部。然而，由于可用的非常灵敏的气体探测器，输送的量并不是一个缺点。相反，环境中的工艺气体浓度必须限制在百分之几，无论热交换器如何，以防止爆炸性环境。因此，检测器应在环境中对仅几个ppm的工艺气体的体积做出响应，无论热交换器如何。

11、扩散层的导热率应该优选高于特别是高于这确保了扩散层不会降低两个热交换器层之间的热传递。

12、在优选实施例中，冷却剂通道形成在第二热交换器层中。利用这种冷却剂，可以在短时间内从第一热交换器层的介质通道中带走非常大量的热量，同时具有相应的高冷却剂流量和高温差。

13、在这样的实施例中，扩散层有利地直接抵靠第一热交换器层和第二热交换器层，使得不同的热膨胀以及不均匀性可以得到补偿，由此实现大面积的支撑，这导致非常好的热传递。

14、在本发明的替代实施例中，热电元件布置在第一热交换器层和第二热交换器层之间。这些元件主要用于通过向热电元件施加电压而在短时间内非常精确地加热待控制温度的气体。这种热电元件例如是珀耳帖元件。

15、在该有利实施例的延续中，扩散层布置在热电元件和第一热交换器层之间，使得氢气在渗透到热电元件之前已经从温度控制装置中移除。此外，改善了向热电元件的热传递，因为沿着扩散层发生了非常好的热传导，从而非常好地补偿了与热电元件直接相邻的区域和它们之间的区域之间的温差。

16、此外，如果扩散层设置在热电元件和第二热交换器层之间，则是有用的，这也防止了氢气渗透到冷却剂中，反之亦然，从而允许冷却剂在出现毛细裂缝时经由扩散层逸出，并改善了到热电元件的热传递。

17、如果第二热交换器层布置在第一热交换器层的两侧，由此在每个第二热交换器层和第一热交换器层之间形成扩散层，则实现甚至更好的冷却和/或加热效果。此外，在两侧防止了待控制温度的介质渗入冷却剂流或第二热交换器层，并且提供了用于气体逸出的低压力损失的流动路径。当然，热电元件也可以放置在第一热交换器层和第二热交换器层之间的两侧。

18、优选地，用于待控制温度的气体的介质通道和/或冷却剂通道是螺旋形的。螺旋形状实现了长的冷却距离和待冷却介质的更长的停留时间，同时在热交换器中实现了最均匀的温度分布，并因此实现了高冷却效率。特别地，第一热交换器层和第二热交换器层中的反向旋转螺旋部分是有利的，因为这产生了逆流热交换器，在该逆流热交换器中，待控制温度的介质的入口和出口之间的最大可能可实现温差更大。

19、此外，如果添材地制造第一和/或第二热交换器层则是有利的。这消除了在热交换器本身的相应层和相应的通道边界材料之间的额外热传递，例如，热交换器本身的相应层即其中布置有冷却盘管的板。制造过程成本低廉且易于实施。增材制造工艺被理解为特别是指3d打印。

20、优选地，第二热交换器层中的冷却剂通道连接到冷却剂管线，冷却剂控制阀布置在该冷却剂管线中。通过该冷却剂控制阀，可以完全阻断或者精确控制冷却剂流，由此也可以精确控制散热，并且因此可以设定待控制温度的介质的目标温度。

21、热电元件优选地被供应电流以加热要被温度控制的介质，使得在冷却剂控制阀关闭时最多提供热电元件的全部额定功率。这意味着用于加热待控制温度的介质流的控制完全通过热电元件来执行。由于冷却剂流的温度通常较低，所以必须切断冷却剂流，以便不在热电元件处产生过高的温差，这又会导致电流的重新调整，从而导致珀尔帖元件中的热损失增加，这将抵消向第一热交换器层的期望热传递输出。

22、原则上，如果提供热电元件的100％的额定功率则是有利的，但是优选地，热电元件被提供电流以用于冷却要被温度控制的介质，使得当冷却剂控制阀至少部分打开时，最多达到热电元件的额定功率的一半。这意味着冷却功率主要由冷却剂引入。热电元件以这样的方式被控制，使得它形成最小的热阻并产生尽可能少的热流，否则热流将不得不再次被耗散。因此，热电元件以支持的方式被使用，以减小温差并增加控制的动态性，这不能仅由冷却剂流引入。通电时，特别重要的是，与加热操作相反，帕尔贴元件会反转电流方向(暖侧变为冷侧，反之亦然)。

23、由此产生了一种用于气体或液体介质、尤其是氢气或天然气的温度控制装置，利用该装置，一方面在介质流的加热和冷却期间实现了高动态控制，另一方面可靠地防止了待冷却的气体渗透到冷却剂流中。产生了一狭窄的空间，通过该空间，要被控温的气体可以以低的压力损失渗透到外部，从而可以排除冷却剂的污染。