Befeuchter

Beschreibung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme eines Befeuchtermoduls, wobei das Gehäuse durch Gehäusedeckel verschließbar ist und wobei zumindest ein erstes Dichtelement vorgesehen ist, welches das Befeuchtermodul gegenüber dem Gehäuse abdichtet.

Stand der Technik

Derartige Befeuchter sind aus der JP 2004028490 A bekannt. Diese finden in Brennstoffzellen, insbesondere in PEM-Brennstoffzellen ihre Verwendung. Diese Brennstoffzellen benötigen für den Betrieb befeuchtete Luft, um ein Austrocknen der Brennstoffzellen-Membranen zu verhindern. Das Gehäuse des Befeuchter ist häufig ein zylindrischer Körper in dem zumindest ein Befeuchtermodul angeordnet ist. Das Gehäuse ist mehrteilig aufgebaut und besteht aus einem zylindrischen Gehäuseabschnitt an dem an den beiden Stirnseiten Gehäusedeckel befestigt sind. Die Verbindungsstelle von Gehäuseabschnitt und Gehäusedeckel erfolgt dabei häufig mit O-Ringen, die in einer Nut des Gehäuseabschnittes oder des Befeuchtermoduls angeordnet sind. Dabei ist nachteilig, dass für die erforderliche Dichtheit hohe Toleranzanforderungen bestehen. Des Weiteren ist der Befeuchter

Temperaturschwankungen unterworfen, die aufgrund verschiedener Materialien für Gehäuse und Befeuchtermodul zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen

führen. Bei fest eingespannten Befeuchtermodulen führt dies zu Spannungen oder zu Leckagen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter bereitzustellen, der eine spannungsfreie Einbindung der Befeuchtermodule erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Zur Lösung der Aufgabe liegt das Befeuchtermodul am ersten Dichtelement axial und/oder radial gleitbeweglich an. Dabei liegt das Dichtelement einerseits dichtend am Außenumfang des Befeuchtermoduls an und andererseits ist die Anpressung des Dichtelements an das Befeuchtermoduls so gewählt, dass das Befeuchtermodu) bei hoher Dichtheit in axialer Richtung beweglich ist und damit eine Loslagerdichtung bildet, um beispielsweise Wärmedehnungen oder Toleranzen insbesondere bezüglich des Durchmessers auszugleichen. Dafür ist ein Ausgleichsraum vorgesehen, der durch den Gehäusedeckel, dem Befeuchtermodul und dem ersten Dichtelement begrenzt wird. In diesen Ausgleichsraum kann sich das Befeuchtermodul erstrecken. Durch das Dichtelement werden zum einen der feuchte Luftstrom, der zu befeuchtende Luftstrom und diese beiden Luftströme gegenüber der Umgebung abgedichtet. Dabei treten zwischen den beiden Luftströmen Druckdifferenzen bis etwa 100 mbar und zwischen den Luftströmen und der Umgebung Druckdifferenzen bis etwa 2,5 bar auf, die durch die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung zuverlässig abgedichtet werden. Das Befeuchtermodul kann rund oder rechteckig ausgebildet sein. Runde Befeuchtermodule weise eine besonders günstige Strömungsführung auf und rechteckige Befeuchtermodule weisen eine besonders günstige Raumnutzung auf. Die Gehäusedeckel können mittels Schraubverbindungen an dem Gehäuse befestigt sein. Schraubverbindungen können besonders einfach hergestellt werden. Bei Schraubverbindungen kann

durch Wahl bestimmter Anzugsdrehmomente eine genau definierte Anpresskraft der Deckel erzielt werden, was insbesondere für die erste Dichtung relevant ist. Durch das Anzugsdrehmoment ergibt sich die Normalkraft die über das Dichtelement radial auf das Befeuchtermodul wirkt. Das Moment wird so gewählt, dass ein axiales Verschieben bei Wärmedehnungen möglich ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere bei umhüllungslosen Befeuchtermodul vorteilhaft. Befeuchtermodule mit Austauscherflächen bestehend aus Hohlfasern weisen meist eine Umhüllung auf in denen die Hohlfasern dichtend an beiden Stirnseiten durch eine Vergussmasse beispielsweise ein Kunstharz (z.B. Epoxidharz) eingegossen und fixiert sind. Diese Befeuchtermodule mit Umhüllung werden in ein Befeuchtergehäuse eingesetzt und befestigt. Die Hohlfasern können auch direkt in einem Gehäuse angeordnet werden. Ein derartiger Befeuchter umfasst ein Gehäuse mit Deckel und Dichtung und wenigstens ein Bündel aus Hohlfasern die an beiden Stirnseiten durch ein Kunstharz miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine größere Formenvielfalt und die Befeuchtermodule können jeder Gehäuseform angepasst werden. Dazu werden die Hohlfasern in dem Gehäuse angeordnet und an den Stirnseiten verschlossen, das Fixieren mit Kunstharz erfolgt anschließend direkt in dem Gehäuse. Allerdings treten bei diesem Verfahren Schrumpfungen des mit Kunstharz fixierten Hohlfaserbündels auf, so dass sich eine umlaufende Fuge zwischen Hohlfaserbündel und Gehäuse ergeben kann. Diese Fuge wird durch die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung zuverlässig abgedichtet.

Das Befeuchtermodul kann an einer ersten Stirnseite einen umlaufenden Bund aufweisen, wobei in dem das Gehäuse innenumfangsseitig im Bereich des Bundes ein umlaufender Vorsprung angeordnet sein kann und wobei zwischen Bund und Vorsprung ein zweites Dichtelement angeordnet ist und wobei das Gehäuse einen zweiten innenumfangsseitig umlaufenden Vorsprung aufweist, der der zweiten Stirnseite des Befeuchtermoduls zugeordnet ist, wobei der

zweite Vorsprung einen Einbauraum begrenzt in dem das erste Dichtelement angeordnet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird entweder auf dem Befeuchtermodul oder in dem Gehäuse die erste Dichtung angeordnet und das Befeuchtermodul wird in das Gehäuse eingeführt. Danach wird das erste Dichtelement in dem Einbauraum platziert. Das Befeuchtermodul ist in dieser Ausgestaltung besonders einfach in das Gehäuse einführbar und das Gehäuse sowie das Befeuchtermodul weisen einen einfachen Aufbau auf. Die Dichtstelle des zweiten Dichtelements bildet dabei ein Festlager und die Dichtstelle des ersten Dichtelements bildet ein Loslager, welches ermöglicht, Längenänderungen des Befeuchtermoduls beispielsweise durch

Temperaturänderungen auszugleichen. Es kann beiderseits des Bundes des Befeuchtermoduls jeweils ein zweites Dichtelement angeordnet werden. Im Bereich des zweiten Dichtelements weist das Befeuchtermodul dadurch keine oder nur einen geringen direkten Kontakt mit dem umgebenden Gehäuse auf. Durch den Elastomerkörper gibt es auch keinen direkten Kontakt mit dem

Deckel. Dadurch ergibt sich eine schwingungsentkoppelte Anordnung, wodurch Lärmentwicklung vermieden wird. Dabei kann das zweite Dichtelement durch einen Elastomerkörper gebildet sein. Der Elastomerkörper kann als O-Ring oder als eine Besen ichtung aus elastomerem Material ausgebildet sein. O- Ringe sind seit langem als statische Dichtelemente bekannt und sind preiswert verfügbar. O-Ringe sind in verschiedensten Durchmessern und Querschnitten erhältlich.

Das Befeuchtermodul kann an beiden Dichtelementen gleitbeweglich angeordnet sein. Bei dieser Ausführung wird das Befeuchtermodul beiderseits durch Dichtelemente geführt, die so in dem Gehäuse verspannt werden, dass sich eine radiale Anpressung an das Befeuchtermodul ergibt, wodurch ein axiales Verschieben verhindert wird. Allerdings ermöglicht diese Verbindung ein axiales Verschieben beim Auftreten von Wärmespannungen. Des Weiteren können durch diese Anordnung in einem weiten Bereich Toleranzen ausgeglichen werden.

Beide Dichtelemente können an ihren nach innen weisenden Flanke und ihren nach außen weisenden Flanke eben ausgebildet sein. Da die Stirnseiten der Dichtelemente ebenfalls eben ausgebildet sind, weist das Dichtelement einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Dadurch wird ein Verdrehen des Dichtelements bei der Montage des Dichtelementes in die Aufnahme verhindert. Des Weiteren ermöglicht diese Anordnung eine einfache Montage des Befeuchtermoduls. Alternativ kann bei dieser Ausgestaltung das Dichtelement auch nach der Montage des Befeuchtermoduls in der Aufnahme angeordnet werden, wodurch die Montage zusätzlich vereinfacht ist. Aufgrund der rechteckigen Formgebung füllt das Dichtelement die Aufnahme im

Wesentlichen vollständig aus und bereits geringe durch den Gehäusedeckel aufgebrachte Axialkräften führen zu einer hohen Dichtheit an der abzudichtenden Verbindungsstelle. Die Toleranzanforderung sind geringer als bei O-Ring Abdichtungen. Das Dichtelement kann auf der dem Gehäusedeckel zugewandten Stirnseite eine umlaufende Erhebung aufweisen. Die Erhebung ist dabei vorzugsweise radial außerhalb der mittleren Weite, im Bereich der nach außen weisenden Flanke angeordnet. Die mittlere Weite bestimmt sich durch Bildung des Mittelwertes aus innerer Weite und äußerer Weite des Dichtelementes. Durch die Erhebung ergibt sich eine größere Dichtfläche an der nach außen weisenden Flanke und dadurch eine nochmals verbesserte Dichtwirkung. Das Dichtelement kann auf der dem Gehäuseabschnitt zugewandten Stirnseite eine umlaufende erste Vertiefung aufweisen. Durch die Vertiefung ergibt sich eine verbesserte Krafteinwirkung auf die Flanken des Dichtelementes und dadurch eine verbesserte Dichtwirkung. Das Dichtelement kann auf der dem Gehäusedeckel zugewandten Stirnseite eine umlaufende zweite Vertiefung aufweisen. Dabei kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gehäusedeckel eine kongruent ausgebildete Erhebung aufweisen, die in die Vertiefung eingreifbar ist. Dadurch ist das Dichtelement in seiner Lage fixiert. Die gedachte Weite der tiefsten Stelle der zweiten Vertiefung kann sich von der mittleren Weite des Dichtelements unterscheiden. Die mittlere Weite bestimmt sich wiederum durch Bildung des Mittelwertes aus innerer Weite und äußerer Weite des Dichtelementes. Durch diese asymmetrische Ausgestaltung

ergibt sich eine asymmetrische Krafteinleitung durch den Gehäusedeckel in das Dichtelement. Dadurch erfährt, je nach Ausgestaltung, eine der beiden Flanken, entweder die Innenseite oder die Außenseite, eine höhere Flächenpressung. Der gedachte Durchmesser der der tiefsten Stelle der zweiten Vertiefung kann kleiner sein als der mittlere Durchmesser des Dichtelements. Dadurch ist die Flächenpressung an der Außenseite des Dichtelementes höher als an dessen Innenseite. Das an der Innenseite des Dichtelementes anliegende, abzudichtende Befeuchtermodul wird bei dieser Ausgestaltung weniger verpresst, wobei eine axiales Verschieben des Befeuchtermoduls ermöglicht ist. Das Dichtelement kann an der nach innen weisenden Flanke und/oder an der nach außen weisenden Flanke zumindest eine umlaufende Dichtwulst aufweisen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind an der nach innen weisenden Flanke und der nach außen weisenden Flanke jeweils drei Dichtwülste angeordnet. Die Dichtwülste verbessern zusätzlich die Dichtwirkung des Dichtelementes bei verringerten

Toleranzanforderungen an die Dichtungsgeomefrie. Das Dichtelement kann aus einem Elastomer mit einer Shore-Härte kleiner 70 gebildet sein. Derartige Dichtelemente sind einfach montierbar und können mit einfachen Mitteln verpresst werden.

Das erste Dichtelement kann als X-Ring ausgebildet sein. X-Ringe sind ebenfalls seit langem als statische Dichtelemente bekannt und in verschiedenen Ausführungen erhältlich. In der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorteilhaft, dass X-Ringe bei einer geringen Verpressung eine gute Dichtwirkung erzielen. Dadurch sind die X-Ringe einfach montierbar. Des Weiteren gleichen X-Ringe aufgrund ihrer Geometrie Toleranzen des Einbauraums aus.

Das erste Dichtelement kann eine im Wesentlichen radial nach innen ragende umlaufende Dichtlippe aufweisen. Diese Dichtlippe ist in axialer Richtung und auch in radialer Richtung sehr beweglich. Das bedeutet, dass die Dichtlippe große Toleranzen des Befeuchtermoduls in axialer Richtung oder bezüglich des

Durchmessers überbrückt und unempfindlich gegenüber Wärmedehnungen ist. Die Dichtlippe liegt dichtend an dem Außenumfang des Befeuchtermoduls an.

Zumindest der dem ersten Dichtelement zugeordnete Gehäusedeckel kann eine umlaufende Erhebung aufweisen, die an dem ersten Dichtelement anliegt. Durch die umlaufende Wulst ergibt sich in diesem Bereich eine stärkere Verpressung und es erfolgt eine Verdrängung des Materials des Dichtelementes. Dadurch erhöht sich die Anpressung des Dichtelementes in den radial angrenzenden Bereichen. Bei dieser Ausgestaltung verbessert sich nochmals die Dichtheit zwischen Gehäuseabschnitt und Befeuchtermodul.

Das erste und/oder das zweite Dichtelement können aus EPDM bestehen. EPDM ist heißwasser- und dampfbeständig und daher zum Einsatz in Befeuchtern besonders geeignet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Befeuchters werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit X-Ring;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßer Befeuchter mit rechteckigem Dichtelement;

Fig. 3 ein in dem Befeuchter angeordnetes Dichtelement; Fig. 4 ein Dichtelement mit umlaufenden Wülsten;

Fig. 5 ein Dichtelement mit beidseitigen Vertiefungen;

Fig. 6 ein Dichtelement mit einer Montagekante;

Fig. 7 ein beidseitig axial verschieblich eingespanntes Befeuchtermodul;

Fig. 8 ein Befeuchter; Fig. 9 ein Dichtelement mit einer innenumfangsseitig angeordneten Dichtlippe.

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Befeuchter 1 , bestehend aus einem Gehäuse 2 aus metallischem Werkstoff in dem ein Befeuchtermodul 9 angeordnet ist, welches im Wesentlichen aus Kunststoff besteht. Das Befeuchtermodul 9 beinhaltet Hohlfasern zum Stoffaustausch. Das einen runden oder rechteckigen

Querschnitt aufweisende Befeuchtermodul 9 weist an einer ersten Stirnseite 3 einen umlaufenden Bund 24 auf und das Gehäuse 2 weist innenumfangsseitig im Bereich des Bundes 24 einen umlaufenden Vorsprung 25 auf. Zwischen Bund 24 und Vorsprung 25 ist ein zweites Dichtelement 26 angeordnet welches in dieser Ausführung als O-Ring ausgebildet ist. Das Gehäuse 2 weist einen zweiten innenumfangsseitig umlaufenden Vorsprung 27 auf, der der zweiten Stirnseite 28 des Befeuchtermoduls 9 zugeordnet ist. Der zweite Vorsprung 28 begrenzt einen Einbauraum 29 in dem ein erstes Dichtelement 6 angeordnet ist, welches in dieser Ausführung als X-Ring ausgeführt ist. Durch den Gehäusedeckel 4, das Befeuchtermodul 9 und dem ersten Dichtelement 6 wird ein Ausgleichsraum 23 begrenzt in den sich das Befeuchtermodul 9 erstrecken kann. Das Gehäuse 2 an seinen beiden Stirnseiten 3, 28 durch Gehäusedeckel 4 mittels Schraubverbindungen 31 verschließbar. Der der ersten Stirnseite 3 zugeordnete Gehäusedeckel 4 weist eine Erhebung 20 auf, der an dem Bund 24 des Befeuchtermoduls 9 anliegt und dadurch das zweite Dichtelement 26 in axialer Richtung verpresst. Zwischen Erhebung 20 und Bund 24 ist ein Elastomerkörper 32 angeordnet, der hier als O-Ring ausgebildet ist und der primär der Schwingungsdämpfung dient. Der Befeuchter 1 wird in PEM- Brennstoffzellen eingesetzt, um die Brennstoffzellen-Zuluft zu befeuchten.

Figur 2 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß Figur 1 mit einem zylinderförmigen oder rechteckigen Gehäuse 2 an dessen einer Stirnseite 3 ein Gehäusedeckel 4 angeordnet, wobei Gehäuseabschnitt 2 und Gehäusedeckel 4 miteinander verschraubt sind. An der dem Gehäusedeckel 4 zugewandten Stirnseite 3 des Gehäuseabschnitts 2 ist eine Aufnahme 5 für ein Dichtelement 6 angeordnet.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt des in Figur 2 beschriebenen Befeuchters 1. Das in der Aufnahme 5 angeordnete erste Dichtelement 6 weist einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt auf und ist an seiner nach innen weisenden Flanke 7 und seiner nach außen weisenden Flanke 8 eben ausgebildet. In dem Gehäuseabschnitt 2 ist ein Befeuchtermodul 9 angeordnet, wobei das

Dichtelement 6 an der Außenwand 10 des Befeuchtermoduls 9 dichtend anliegt und damit ein erstes Medium, welches das Befeuchtermodul 9 durchströmt und in dem Befeuchtermoduls 9 angeordnete Hohlfasern umströmt von einem zweiten Medium trennt, welches die Hohlfasern durchströmt. Der Gehäusedeckel 4 weist eine umlaufende Erhebung 11 auf und das

Dichtelement 6 weist eine kongruent geformte zweite Vertiefung 16 auf, die in die Erhebung 11 eingreift. Die Vertiefung ist derart auf dem Dichtelement 6 angeordnet, dass sich die gedachte Weite 17 der tiefsten Stelle 18 der zweite Vertiefung 16 von der mittleren Weite 19 des Dichtelements 6 unterscheidet. In dieser Ausführung ist die gedachte Weite 17 der der tiefsten Stelle 18 der zweiten Vertiefung 16 kleiner als die mittlere Weite 19 des Dichtelements 6. Die mittlere Weite 19 bestimmt sich durch Bildung des Mittelwertes aus innerer Weite (beispielsweise Innendurchmesser) und äußerer Weite (beispielsweise Außendurchmesser) des Dichtelementes 9. Das Dichtelement 6 weist außerdem eine auf der dem Gehäusedeckel 4 zugewandten Stirnseite 12 umlaufende Erhebung 13 auf, die benachbart zu der zweiten Vertiefung 16 angeordnet ist. Das Dichtelement 6 ist aus einem Elastomer mit einer Shore- Härte kleiner 70 gebildet.

Figur 4 zeigt ein Dichtelement 6 gemäß Figur 3, wobei das Dichtelement 6 zusätzlich an der nach innen weisenden Flanke und an der nach außen weisenden Flanke jeweils drei materialeinheitlich und einstückig mit dem Dichtelement 6 ausgebildete umlaufende Dichtwülste 20 aufweist.

Figur 5 zeigt ein Dichtelement 6 gemäß Figur 3, wobei das Dichtelement 6 auf der dem Gehäuseabschnitt 2 zugewandten Stirnseite eine umlaufende erste Vertiefung 15 und auf der dem Gehäusedeckel zugewandten Stirnseite eine

zweite Vertiefung 16 aufweist. Das Dichtelement 6 ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet.

Figur 6 zeigt ein Dichtelement 9 gemäß Figur 3, wobei das Dichtelement 6 auf der dem Gehäuseabschnitt 2 zugewandten Stirnseite eine umlaufende Ausnehmung 21 aufweist. Die dadurch entstandene Erhebung 22 ist dazu geeignet, in eine kongruent gestaltete Nut der in dem Gehäuseabschnitt 2 angeordneten Aufnahme 5 einzugreifen und dadurch die Montage zu vereinfachen.

Figur 7 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß Figur 2 bei dem beide Dichtelement 6, 26 so angeordnet sind, dass das Befeuchtermodul 9 an beiden Dichtelementen 6, 26 axial gleitbeweglich ist. Dazu ist das zweite Dichtelement 26 kongruent zu dem ersten Dichtelement 6 ausgebildet.

Figur 8 zeigt einen Befeuchter 1 gemäß Figur 1 , wobei das erste Dichtelement 6 in dieser Ausführung durch den Gehäusedeckel 4 verspannt wird, so dass sich eine erhöhte Normalkraft auf den Außenrand des Befeuchtermoduls 9 ergibt.

Figur 9 zeigt im Detail ein erstes Dichtelement 6 für einen Befeuchter 1 gemäß einem der vorherigen Figuren. Das erste Dichtelement 6 weist einen zylinderförmigen Körper 34 auf von dem etwa mittig eine Dichtlippe 28 radial nach innen abragt. Die Länge der Dichtlippe 28 entspricht der halben Länge des Körpers 34. Das erste Dichtelement 6 wird in Nuten 5 eingelegt die in Gehäuse 2 und Gehäusedeckel 4 eingebracht sind und es wird durch Befestigen des Gehäusedeckels 4 verspannt. Das erste Dichtelement 6 ist in dieser Ausführung aus EPDM gebildet.