CN101203719A - 热泵 - Google Patents

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德里克·威廉·爱德华兹
安德鲁·威尔逊
弗里德里克·托马斯·墨菲
保罗·大卫·伯纳德·布耶克
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Abstract

一种热泵装置，其温度差是由在两个热交换器之间的工作流体、蒸汽或气体的循环膨胀和压缩脉冲而产生的，所述的工作流体、蒸汽或气体通过设于所述热交换器之间的多孔吸附剂固体。

Description

热泵
本发明涉及一种热泵装置，特别是用于空调、制冷和热泵系统。本装置特别涉及不含已知对平流臭氧层有害的流体或不含已知相对于二氧化碳具有高度全球变暖潜势的流体的系统。本装置可为当前使用机械蒸汽再压缩或制冷剂/吸附溶剂的冷泵或热泵系统的任何设备提供直接的替换。
在本说明书中，“热泵”一词是指所有逆着温度梯度将热量从来源处传向接受处，而需用动力推动的装置。冰箱是热泵的一种特殊形式，其中为了达到预期的应用而需要较低的温度。“热泵”一词也能以比本说明书中更为狭窄的意义使用，以描述在需要较高的温度处，将热量从来源处传向接受处的用动力推动的装置。冰箱和狭义的热泵的区别仅仅在于它们预期的使用目的不同，而不在于工作原理。确实，许多空调系统被设计成为根据用户在特定时间的需要而制热或制冷。
氯氟烃(CFCs，例如CFC 11、CFC 12)和氢氯氟烃(HCFCs，例如HCFC 22、HCFC 123)是稳定、低毒性和不易燃的，在制冷和空调系统中可提供低危险性的工作条件。当其被释放后，它们扩散入平流层并攻击可保护环境免受紫外线损害的臭氧层。由超过160个国家签订的国际环境协定——《蒙特利尔议定书》要求按照议定的时间表逐步淘汰CFCs和HCFCs。
CFCs和HCFCs已经在新的空调、冷藏和热泵设备中被氢氟烃(HFCs，例如HFC134a、HFC 125、HFC 32)以纯流体或混合物的形式所取代。为了加速逐步淘汰CFC和HCFC，现有的元件已经被改进以配合的HFC混合物使用。尽管HFCs不会消耗平流层的臭氧，但它会导致全球变暖是已知的。根据《京都议定书》的规定，各国政府已经采取措施以限制或停止生产和排放这些化合物。一些国家已经决定应在下一个十年中的某个时间开始逐步淘汰HFCs，并会积极促进不含卤素的流体的发展。
在装置中意图用于替代含HFC的元件的流体必须具有非常低的，或优选为零的全球变暖潜势。它们应优选为自然的化合物，并且已经熟知其性质，避免由于人为释放而对环境造成损害。此外，装置至少应该与被它们所取代的含HFC的元件的能效一样，以确保他们对于火力发电厂的排放废气而致的全球变暖的影响不会变大。优选地，该些装置应该具有更好的能效。
根据本发明的一种热泵装置包括：
至少一个热交换器；
由多孔吸附剂材料制成的主体，其设有进口和出口并设置成与热交换器进行热接触；
用于使工作流体流经主体的设备以及
用于在工作流体中产生循环压缩及膨胀脉冲的设备，所述的压缩或膨胀脉冲使工作流体从进口流至出口，以在进口和出口之间的主体内产生温度梯度。
本发明提供一种热泵装置，其中温度差是由于工作流体、蒸汽或气体的循环膨胀和压缩脉冲而产生的，其流经位于一个或更多热交换器中的吸附剂多孔材料固体。
本装置也可以特定地设置，以便在第一位置或热交换器的末端排出较高温度的热量，并在第二位置或热交换器的末端吸收较低温度。
本装置在使用时，工作流体带着较高的压力进入吸附剂固体的一端，而带着较低的压力离开，或者工作流体在第二端被抽走。
本装置也可包括热传递流体。
在优选实施例中，本装置包括热传递流体、用于使与热交换器进行热接触的热传递流体通过的设备，该设备的设置使得热传递流体的流动能从热交换器中移除热量或将热量传至热交换器中。
优选地，热传递流体的流动根据工作流体的压缩和膨胀脉冲的变化而变化。
更为优选地，热传递流体的流动方向根据工作流体的压缩和膨胀脉冲的变化而逆向流动。
在特别优选的实施例中，热传递流体的逆向流动与所述的脉冲相同步。
工作流体循环运动的频率可以与热传递流体循环运动的频率相一致。
工作流体可为蒸汽、气体或液体，优选为蒸汽或气体。在循环的第一部分中，热传递流体在使用时从热交换器温度较低的末端流向温度较高的末端，以从热交换器温度较高的末端移除热量，并将热量排放至合适的热接收器中。在循环的第二部分中，热传递流体以相反的方向从热交换器温度较高的末端流向温度较低的末端。其中，热传递流体在进入冷却室前会先被冷却。为了完成循环操作，热传递流体可沿着热交换器以与工作流体的循环压缩和膨胀同样的频率来回波动(即脉冲)。当工作流体在压缩的作用下进入多孔固体时，热传递流体就与工作流体反向流动。当工作流体在抽吸的作用从多孔固体移除时，热传递流体就与工作流体同向流动。
用于在工作流体中产生脉冲的设备可为容积式压缩机。
或者，用于在工作流体中产生脉冲的装置可以包括开关阀系统和压缩机。优选地，该开关阀系统交替地将吸附材料的主体连接至工作流体的高压和低压贮存处。
可选地而优选地，该装置还包括另一个热交换器，其用于在工作流体的蒸汽或气体在接触吸附剂前，将压缩所产生的热量从其中移除。
所产生的较高或较低的温度取决于本发明的各实施例的特定的应用场合，特别是取决于是需要应用在冰箱中还是空调中。在本文中，空调理解为既能令房间变暖又能令房间变凉。该装置可取决于使用者的要求，既能进行制热又能进行制冷，故有时该装置被称为可逆空调。
优选地，温度梯度包括在进口处相对较高的温度和出口处温度相对较低的温度。
在一替代性的实施例中，工作流体为吸附力相对较强的流体和吸附力相对较弱的流体的混合物。这些流体相互之间无强的相互作用。吸附力较弱的流体可在抽吸时将吸附力较强的流体从吸附剂上冲洗下来，并在压缩时将其运送至吸附剂处。这些组合的例子为：二氧化碳/氮气和二氧化碳/氩气，并使用多孔活性炭作为吸附剂。在一优选的实施例中，所述的混合物为吸附力相对较强的气体(特别是氨气或二氧化碳)和质量较轻气体(氢气、氦气和两者的组合物)的组合物。该质量较轻气体与质量较重的工作流体、气体或蒸汽相比，具有更高的导热系数，故能够在质量较重的工作流体的吸附和脱附时，提高传向吸附剂和移除来自于吸附剂的热传递。氦气和二氧化碳的组合是特别优选的，因为该混合物不易燃。
本发明的另一个实施例中选择了两种或更多种工作流体的混合物，以便一种流体的吸附力比另一种强。当该热泵在相对较低的负载下运作时，吸附力较低的工作流体在循环流体中所占的浓度比其在原先注入该元件内的混合物内所占的浓度高。相反地，吸附力较高的成分在残留在吸附剂内的混合物中所占的浓度比其在原来的混合物中所占的比例高。当该热泵在高负载下运作时，循环流体浓度中较大部分为吸附力较高的流体，并且循环流体的成分比例接近于所加入的混合物。通过使用具有这些性质的混合物，该热泵能够因应负载的变化而调整其操作，进而最大化其能效。该混合物的例子有丙烷和二氧化碳的混合物，并使用多孔碳吸附剂。
对于用于单个房间的空调，使用的热传递流体通常为空气。在制冷模式中，较低的温度一般大约为5至15℃，而较高的温度一般大约为35至60℃。制冷功率一般大约为3kW至100kW。在制热模式中，向房间输出的温度一般大约为20至30℃，而从外界的空气中输入的温度一般大约为2至15℃。制热功率一般大约为4kW至150kW。一些装置被设计为仅仅能够制热，虽然这些装置一般也能够称为热泵，但是该用语所指的范围比本说明书中所指的范围要小得多。
对于用于设有多间房间的大型建筑物(例如酒店、办公楼)的空调，热传递流体可为水。其中水能够经由管道输送到每间房间，在房间中，空气会吹过输送的温度较低的水的管道以提供所需的降温。该系统与常规的冷却器装置相类似。流入系统内的水温一般大约为5至10℃，而流回该装置内的水温一般大约为10至15℃。在制热模式中，从装置流出的水温一般大约为25至40℃，而流回该装置内的水温一般大约为15至30℃。制冷功率一般为50kW至10MW。冷却器也能用于加工工业领域，例如，用于冷却蒸馏装置的冷凝水。
在本发明的一个实施例中，该装置用于提供一般大约低至-30℃的制冷效果。在该应用中，优选使用冰点相对较低的热传递液体。在本发明的另一个实施例中，设备的性能通过运行两级或以上的热泵过程而优化。该方法对于温度低于大约-20℃的应用特别具有优势。虽然二氧化碳对于冷凝器温度低于大约0℃的兰金循环热泵来说是优良的制冷剂，但是它的临界温度为31℃而具有较高的临界压力(72巴)。由于这点理由，当输出的温度在0℃以上时，二氧化碳便不适合在热泵中使用。
特别优选的实施例包括常规的兰金热循环的一个级，其中以二氧化碳为工作流体，热量从温度一般大约为-55至-10℃处吸入，并以一般大约为-20至0℃的温度排出至利用本发明的第二级装置的温度较低的一侧。按照本发明设立的第二级装置当在大约为10至30巴的最大压力下运作时，排出的热量的温度大约在35至70℃，相当于现时使用HFC的制冷设备。
工作流体可选自任何化学性质稳定的流体，只要其能够可逆地吸附于合适的多孔固体并能从其中脱附。优选的流体包括二氧化碳、空气及氮气。工作流体可为单种氟碳化合物或多种沸点在-140℃至40℃之间的氟碳化合物的混合物，优选沸点的范围为-90℃至0℃，更为优选地为-90℃至-20℃。CFC、HCFC及HFC在那些允许其使用的地区是可接受的，但是由于它们对环境有害，故这些化合物不是优选的。优选的流体是天然形成的。当易燃性不成问题时，可使用烃和氢气作为工作流体。当能够避免人类和动物与其接触时，氨水也能用作为工作流体。在优选使用含氟的流体的应用场合下，可使用相对于CO2有较低全球变暖潜势值的HFC、全氟碘化物及含有2至6个碳原子的不饱和氟化物，这些物质的潜势值优选小于150，更为优选小于100，最为优选小于10。优选的化合物为氟烯烃。更为优选的为含有三氟乙烯基的氟烯烃。最为优选地为至少含有一个氢原子的氟烯烃。特别优选的为氟代丙烷及其混合物。当不适用含氟的化合物时，最为优选的工作流体为具有低环境影响和低毒性和不易燃性质的CO2和N2。
在字面上，“多孔固体”一词是指具有很多种性质的材料。许多固体具有非常有限的孔隙度，包括在金属表面的保护性氧化层。在本说明书中，“多孔固体”一词用于描述具有特定性质组合的材料。
第一，优选的多孔固体的内表面的面积大于大约10m2g-1，更为优选的大于大约100m2g-1，最为优选的大于大约1000m2g-1。
第二，优选的多孔固体中孔隙空间的分布为大孔的、中孔的和微孔的组合。该多孔固体的最少10％孔隙空间为直径小于大约2nm的微孔的形式，而最少5％孔隙空间为直径小于大约50nm的中孔的形式。
第三，优选的多孔固体能够减少与其接触的工作流体、蒸汽或气体的压力，即能够吸附该工作流体。
第四，吸附过程必须是可逆的。例如，减少工作流体压力或提高多孔固体的温度的方法能够使工作流体脱附。
第五，优选的多孔固体必须能够在工作流体的临界温度之上吸附该工作流体。
有很多种多孔材料都可在装置中使用。可使用硅，例如气相二氧化硅、粒状硅或硅气凝胶(包括粒状、块状和柔软的气凝胶层)。可使用天然的或人工的玻璃、陶瓷或分子筛。可使用碳，包括粒状、块状、片状、气凝胶或薄膜状的碳。可适用于本发明的多孔碳的例子已经在专利申请PCT/GB01/04222中描述，本说明书亦有引用为参考以将其内容与本说明书相结合。可使用多种的有机材料，包括间苯二酚-甲醛泡沫材料或气凝胶、聚氨脂、聚苯乙烯或其他形式为泡沫或气凝胶的聚合物。本身就具有多孔性的聚合物也适用于本发明，其中，所述的孔的大小是由具有特定几何结构的合适的前驱体分子的三维联接而形成的。一系列的合成物都是可接受的，包括硅碳合成物。
多孔材料可通过吹制聚合物泡沫材料制得，或通过溶胶-凝胶过程来生产多孔致密的陶瓷、硅或其他无机气凝胶或有机气凝胶。有机材料(例如椰子和煤)可以通过热解，并通过进一步处理(例如使用蒸汽处理)以生产活性炭。热解聚合物气凝胶可以产生碳气凝胶，热解烃则可以产生碳膜。分子筛和碳黑或者通过等离子过程制备，例如采用CTech有限公司开发的APNEP(常压非平衡等离子)系统。基于碳类的材料是特别优选的，因为它们从可持续的资源中获得，并在生产中消耗最少量的能源，还能有效地将二氧化碳以碳的形式保存于热泵装置中。此类材料的例子有从生物质前躯体(如椰子壳)衍生出来的活性炭。在该装置的工作寿命结束时，所述的碳吸附剂能够被移除，恢复及燃烧，并借此恢复其原先在形成时所具有的能量值。所述的能量值在生物质形成时给保留着，燃烧后会将二氧化碳释放至大气中。既然气体从该来源中获得，那么燃烧过程中不会产生额外的CO2。优选地，所述的碳吸附剂应在垃圾填埋场或在俯冲带内板块结构的边界内填埋，或者将碳吸附剂在新设备中循环再用。这样可确保所述的碳能永久地从大气中移除。
通过热解可获得无机的多孔材料，例如利用氢氧焰或等离子过程把四氯化硅制成气相二氧化硅。有机-无机前驱体可通过热解处理以生产分子筛。天然矿物的水合物可被热解，例如蛭石和珍珠岩。
在本发明的一个实施例中，热泵装置包括了吸附剂多孔固体混合物，其性质在管状吸附床的高温和低温两端之间会有变化。
在本发明的另一个实施例中，选定多孔物质以便其对沿着管道流动的气体的渗透性低得足以能够在压缩过程和抽吸过程中沿着管道产生压力梯度。吸附剂的渗透性可以通过多种方法控制。例如可根据管子的长度和横截面的面积及工作流体的流速选定粒状物的尺寸大小的范围，以产生理想的压力梯度。或者多孔固体的粒状物可以与合适的粘结剂一起压缩成为块状物，以便能够产生需要的压力梯度。
气态或者蒸汽状的工作流体可以与优选的多孔固体相配合，例如：碳(例如石墨、活性炭、木炭、气凝胶)，二氧化硅(例如气相、气凝胶、烷基气凝胶)、氧化铝、铝硅酸盐(例如分子筛)和有机聚合物(例如聚苯乙烯、聚亚氨脂、聚丙烯酸脂、聚甲基丙烯酸酯、聚胺、聚酰胺、纤维素)、海绵金属(例如Ni、Ti、Fe)以及由有机聚合物或碳支持的金属或金属络合物。
并不是所有以上气体以及它们与可用的多孔固体的组合都是适合的。尽管发展中国家仍然持续生产及使用CFCs和HCFCs，但根据蒙特利尔议定书它们现正逐步淘汰。在某些国家内继续使用这些含氯流体仍然是合法的，那么这些物质就可以与活性炭、二氧化硅或有机聚合物共同使用。SO2和HFCs可与碳、二氧化硅、氧化铝或有机聚合物〔特别是那些具有“碱性”原子(例如氧和氮)或“酸性的”氢原子〕一起使用。在尚未考虑逐步淘汰使用HFCs的国家，在本发明中使用是可以接受的，但并非优选的，因为它们致使全球变暖的潜势值大大高于以上列出的其他某些气体。SO2因其具有毒性而并非是优选的。
烃可与碳、烷基硅或有机聚合物(特别是烃类聚合物，例如聚苯乙烯)一起使用。虽然烃比含有卤素的流体和SO2更为优选，但其应用只限于能够对其显著的易燃性采取适当的预防措施的场合，例如在大型工业应用场合或低库存场合或密封系统(比如家用冰箱)中。另外一个缺点是烃的吸着/脱附的焓变少于极性更大的气体(特别是CO2、SO2和NH3)的焓变。在某些国家使用烃也是受到限制的，因为当其泄漏到大气中和暴露在阳光下可产生“光化学烟雾”。
氢气易于从各种金属合金(特别是那些含有镍的合金)中被吸着和脱附。氢气比烃类化合物更优选，因为氢气与金属的相互作用比烃类化合物与上述的吸附剂的反应更为强烈。像烃类化合物一样，氢与大气中的羟基自由基反应。羟基自由基在除去自然释放的烃类化合物和人为的污染物质(例如HFCs)方面起到关键的作用。氢气排放的增加可因此间接地加剧全球变暖。
氨水可与碳、氧化硅或有机聚合物一起使用。其适合用于可将其毒性和易燃性控制的场合，例如大型的商业和工业应用场合或低库存的场合、密封的家用场合。
最优选的工作流体为二氧化碳。尽管来自矿物燃料的二氧化碳是致使全球变暖单一的最大的因素，但在本发明中所需的量是很小的。通过从自然资源(例如生物质发酵)中获取二氧化碳，则从装置中散发的气体对全球变暖没有影响。二氧化碳具有低毒性，是非易燃的并易于被多种多孔固体〔包括碳、氧化硅和有机聚合物，特别是那些含有碱性原子例如氧原子并特别是氮原子的吸附剂〕所吸附。该多孔固体吸附CO2的能力可以通过用含有能与流体相互作用的基团的化合物浸润所述的固体而增强。所述的化合物可为含氮和氧的物质。优选的物质为：胺类化合物、酰胺类化合物、醇类化合物、酯类化合物和酮类化合物。更为优选的物质为：具有较高沸点的胺类化合物、酰胺类化合物和聚氨酯类化合物，优选地高于100℃。特别优选的物质为：每个N原子的分子量小于200，优选地小于100，更优选地小于60的物质。特别优选的物质为聚乙烯亚胺。
对于涉及低于-55℃，需要很低温度的制冷效果时，就不能使用二氧化碳，因为其三相点为-56.7℃。对于低于-55℃的情况，使用氮气作为工作流体与吸附剂(如活性炭)共同使用为较佳。优选的热传递流体是经冷却的封闭的大气，在许多情况下是空气。这种设计能够提供-130℃至-40℃的冷却效果，并将温度为-55至-25℃的热量排向温度较高的那一级。
在本发明的另一个实施例中可使用混合的气体和蒸汽，条件是它们不会产生化学反应。这样，烃(例如丙烷)就能与二氧化碳混合使用。
优选地，当流体可逆地吸附和脱附时所产生的温度的变化大于5℃，更为优选地大于10℃。
七个重要的参数可能导致温度的变化：
(a)在吸附剂工作的最低压和最高压时测量到的集成吸附热(IHA)
(b)吸附剂的热容(HCA)
(c)吸附剂的密度(DA)
(d)吸附剂的内部表面积(SAA)
(e)最大工作压力(MP)
(f)吸附/脱附速率，和
(g)吸附剂的导热系数。
集成吸附热(IHA)是表示流体和多孔固体相互作用的函数。其定义为由于压力从低压升高至高压，而流体吸附到固体时所产生的总热量。IHA越高，则流体和固体的相互作用就越强烈。优选地，IHA至少应该为50kJ/kg，更优选为高于100kJ/kg。最为优选地IHA(以kJ/mol的单位表示)应该与现有冷却剂的冷凝潜热相当。
IHA越高，则在吸附剂上的流体的压力就越低。在排出热量时，刚刚低于大约2巴的最大工作压力是有优势的，因为它能够将装置内任何一处的压力保持在要实行压力调节的压力之下。这就使该装置的生产成本降低。这确实需要大吞吐量、高生产能力的压缩机(例如离心式压缩机)，并且这特别适用于的大型水冷机组(例如用于公共建筑物的空调器)。能显著将在吸附剂上的流体压力降低至2巴以下的IHA装置不是优选的，因为其增加了部件的体积，特别是压缩机的体积，而没有经济效益。
在具有大约2巴以上的最大工作压力的装置中，应优先选择的IHA是：在装置的最低工作压力下，吸附剂的压力不小于大约1巴，以防止那些多孔固体不能显著吸附的大气气体进入。优选的IHA是：在指定的应用中，最低工作压力不小于1.5巴。
本发明的特别的优点在于其能产生甚至低于5℃，相对小的温度变化，该温度变化由通过流体的吸附和脱附未产生在吸附剂管子的末端之间所需要的实际的温度差，例如，在一般的空调应用场合中需要产生10℃的冷空气和45℃的热空气，便需要35℃的温度差。虽然本发明具有这个优点，但更大的温度变化使得在吸附床和外部热传递流体之间的热交换变得更为容易。优选地，吸附和脱附之间的温度变化应大于5℃，更为优选地应大于10℃。MA越高，所能获得的温度变化就越大。较低的吸附剂热容量(HCA)也能够提供较高的温度变化。优选地，HCA小于2.00kJ/kgK，更为优选地小于1kJ/kgK，最为优选地小于0.8kJ/kgK。特别优选地，用于吸附氢气而使用的多孔碳材料和金属吸附剂的HCA小于0.75kJ/kgK。
虽然多种吸附剂可具有相似的IHA，但是它们对于工作流体的吸附容量(CA)是取决于每个单位物质上所具有活性区域的数量。活性区域的数量倾向于与流体分子可到达的多孔固体的内表面的面积(ISA)相关的。那么，ISA越高，则每个单位物质的固体能够在特定压力下所能吸附的流体的容量也就越大。最优选的ISA为至少1000m3/g。
如果用于某一特定流体的一系列吸附剂的IHA、SHA和ISA是相似的，则温度变化实际是与它们的密度不相关的。但是，温度的变化也取决于制造吸附剂管子的材料的热容量，。在不影响吸附剂的其他上述物理性质的情况下，就可通过选定高密度的多孔固体，将这些材料的数量减至最小。此外，用于从吸附剂管子移除热量和输送热量至吸附剂管子的热交换流体容量也可以决定温度的变化。少量和高流速的热交换流体是优选的。
高的最大吸附剂压力可以使吸附剂对于吸附工作流体的容量最大化。然而，随着压力的增大，所增加的吸附剂的容量会减小，而管道的规格需要增加以抵御增大的压力，管道的质量随之增大并因此使热交换器的热容量增加。后者减少了由吸附和脱附作用而获得的温度的变化。最佳的最大压力取决于压力/多孔固定的吸附性质。对于CO2和活性炭的组合，最佳的工作压力大约在20巴左右。
吸附剂的导热系数是很重要的。多孔固体(特别是微粒状和粒状的多孔固体)具有较低的导热系数，因此在吸附和脱附期间的热传递限制了吸附床的循环时间。在优选的实施例中，热泵包括一根或更多根的吸附管道，其中管道的长度比它们的宽度或直径长。该管道能够优化地将热量从其一端移除或传送至另一端。优选地，该管道的长度和直径的比例应大于大约5∶1，更为优选地大于大约10∶1，最优选地大于大约20∶1。
为了提高吸附剂的导热性，其可以优选地部分或全部由导热材料组成。后者可以包括石墨(优选地为薄片状、纤维状或泡沫状的石墨)；网眼状、粉末状、线状或纤维状的金属，更为优选地包括例如为铜和铝的高导热系数的金属；高导热系数的有机聚合物，例如苯胺类化合物、聚吡咯烷类化合物或两者的混合物。所述的聚合物，其中至少的一种化学形态具有优良的导热和导电性质。
在本发明的优选实施例中就使用了所述具有良好导热性质的聚合物，其包含呈碱性的氮原子，并组成了所述多孔固体的至少一部分。所述的多孔固体也可以有助于二氧化碳的吸附。压制成块状的该多孔固体也有助于提高热传导系数。
表1中列出了不同种吸附剂及其导热系数的例子。这显示加入导热添加剂实质上能够提高吸附剂的导热系数。
表1
  吸附剂   导热系数W/(m.K)
  固化沸石13X   0.58
  固化沸石+膨胀石墨   5-15
  熔融氧化硅   1.3
  硅胶+20-30％膨胀石墨   10-20
  块状碳   0.27-0.60
  粒状碳   0.1
  块状碳+薄片状铝   20
优选的吸附剂具有高于0.5W/(m.K)的导热系数，更优选的具有高于5W/(m.K)的导热系数，最为优选的具有高于50W/(m.K)的导热系数。
用于吸附的热交换器的结构也对传递到多孔固体或从多孔固体移除的热量的传递有影响。在不增加热交换器的金属部件的导热系数的情况下，使热交换器的效率最大化是很重要的，这样就能使温度的变化不会小于优选的5℃。
通过实施例对本发明作进一步的描述，但用于参考的附图不对发明产生限制：
图1所示为设有含热传递流体的外部管道，并设有吸附剂的热交换器；
图2为图1中热交换器组件的横截面图；
图3为设于圆柱形热传递液体的管道内的多条吸附剂管子的横截面图；
图4为设于六边形热传递液体的管道内的多条吸附剂管子的横截面图；
图5所示为在纵向和螺旋方向设有热传递鳍片的单个吸附剂管的一部分。
图6所示为设有内部热传递流体管道的具有吸附剂管的热交换器；
图7所示为图6中所示的热交换器的横截面图。
图8为设有带有多条热传递流体的管子的吸附剂管子的横截面图。
图9所示为螺旋状设置的热吸附剂管子；
图10为设于管道中的螺旋状设置的热交换器的横截面图。
图11为按照本发明的第一装置的示意图；
图12为按照本发明的第二装置的示意图；
图13a至13g为按照本发明的第三装置的示意图；
图14为按照本发明的第四装置的示意图；
图1和图2所示为本发明的第一实施例。
如图1和2所示，在这个实施例中，热传递流体是液体，该液体在外部管道内流动，该外部管道跟吸附剂管是同心的。热传递流体管道1包含吸附剂管道。工作流体通过吸附剂管的流动受到阀1.2和1.3的控制。当吸附剂管在抽吸的作用下，阀1.6开启，阀1.7侧关闭。如图所示，工作流体就从阀1.6中流出。同时，热传递流体从1.4流入管道而从1.5流出管道。当该元件受到压缩作用时，阀1.6会关闭而阀1.7就会开启。而热传递液体就会反向流动，即从1.5流入管道而从1.4流出管道。在图2中所示为包含管道2.4的吸附剂2.1、热传递液体2.2及热传递液体管道2.3。对于如图3和4所示较大型的装置，在单个液体管道中可设有多条吸附剂管。3.1和4.1是吸附剂，3.2和4.2是热传递流体，3.3和4.3是热传递流体管道，3.4和4.4是吸附剂管。该管道的横截面可为圆形的、正方形的、六边形的或任何其他形状，只要该横截面适合于特定应用便可。如图5所示，吸附剂管的外表面可具有鳍片或者其他凸出的部件以增强热传递的效果。纵向或螺旋状的鳍片是优选的。如图5所示，部件5.1和5.4是吸附剂，5.2和5.5分别是纵向和螺旋状的鳍片，5.3和5.6是吸附剂管。为了加强从吸附剂至吸附剂管的内壁的热传递，可以在吸附床内设置垂直于管子轴线的有孔的金属片状物、盘状物或其他由金属网状物或纤维状物组成的部件。为了达到理想的热传递效果，这些部件应与内壁紧密地接触。
如图6和7所示，在本发明的另一个实施例中，热传递液体流经一条设于吸附剂管内的管道。部件6.1是含有吸附剂的管道。如图6所示，当吸附剂在抽吸作用下，阀6.2开启并且阀6.3关闭，以便脱附的工作流体可以从6.6处流出。热传递流体从6.4处流入中央管道，而从6.5处流出。当吸附剂在压缩作用下，阀6.2关闭并且阀6.3开启。同时，热传递流体从6.5处流入，而从6.4处流出。图7所示为含有热传递流体7.2的热管7.3，而热管7.3为吸附剂7.1所包围。为了增强吸附剂和液体管道之间的热传递，可以设置热传递鳍片，所述的鳍片垂直于管子的轴线或者以螺旋状的方式设置在液体管道上。优选地，所述的鳍片安装在与液体管道的外表面接近之处或者附接在该处，但是不与吸附管的内表面相接触。这可如在图7中示，其中7.3与热传递鳍片7.5(只显示部分)相接触。7.5上设有孔，可使工作流体通过。吸附剂于外部管道7.4中。该热传递流体管道的横截面可以是圆形的。而压成椭圆形的横截面是具有优势的，因为其保留了其表面积但减小了内部的体积。这种几何形态对于一定流量的热传递液体提供了更高的线性速率，从而提高了金属/液体热传递系数。
在本发明的一个实施例中，气体的流动经优选地缩紧，以沿着吸附剂管产生压力梯度。这可以通过多种方式实现，可以是单种的方式，也可以是多种方式的结合。例如，一种方式是：使用无孔的盘状的固体热交换鳍片，该鳍片垂直于吸附管和液体管道的轴线，以致在它们的边缘和吸附管的内壁之间形成小间隙，工作流体就受限制地在该些小间隙间压缩通过。第二种方式为：将鳍片和内壁之间的间隙用聚合物垫圈密封起来，但在鳍片上设有小孔，以限制气体的流动。通过改变所使用的鳍片的数量、在它们的边缘之间间隙的大小和/或孔的直径和数量，就能获得所需的压力梯度。
在另一个实施例中，吸附管的内壁上设有低导热系数的衬垫。这可以抑制从吸附剂至吸附剂管的管壁的热传递。这种设置具有如下优点：在吸附剂的热循环过程中，所包含的管子的热容量不会显著地减小温度变化的值。所述的衬垫也可以作为放置吸附剂和热传递液体管的容器，以使得它们在插入吸附管前可装配在一起。这样设计的另一个优点在于不需要用于热传递的吸附管能由例如软钢或不锈钢的材料制成，这些材料的固有的强度大于铜或铝(当优选高导热系数的材料时，一般都会使用到这些金属)。除了成本和重量的因素外，选择管壁的厚度便没有限制，而可以选择使其能够承受较高压力的材料。当在使用如图8所示多个热传递液体管道时，这就特别地具有优势。隔热材料8.6将管道8.4和它所盛载的吸附剂8.1隔离。8.2为热传递流体，其盛载于管道8.3中。热传递鳍片8.5(显示中有部分被切开)增强了从吸附剂至热传递流体管道的热传递。优选地，所述的衬垫由低导热系数的有机聚合物制成。更为优选地，由开孔的有机泡沫材料(例如聚氨酯泡沫材料)制成。以固体聚合物管道或者以表面层在外部加强的有机泡沫材料是特别优选的，其能够提供较高的机械强度。在本发明的一个实施例中，吸附床所包含的管道是由工程聚合物(例如聚醚醚酮)制成的。优选地，管道是由例如碳纤维的一种材料来强化。这种高强度的组合物在航空航天工业中是众所周知的，在重量较轻的结构具有优势的情况下是优选的。在本发明中，在需要较轻重量的设备时(例如用于车辆车厢内空调装置中)，该种材料是优选的。携带热传递流体的管道优选地用金属制成，以便进行热传递。优选地，所述的管道由高导热系数的金属制成，例如铜或铝。这样设置的另一个优势在于所述的管道是暴露在外部的气体压力之下而不是暴露在内部的气体压力之下。在这种模式下，机械强度小于钢的铜或铝都是可接受的。
在本发明的另一个实施例中，如图9和10所示，吸附剂管以螺旋状方式制成，设于两个同心的管道的环面内，并构成了液体管道。吸附剂9.2设于吸附剂管9.1内。这种设计所具有的特殊优势在于它可使所述的吸附剂床中具有长的有效长度管道可设置于比该长度大为缩短的长度内。在一个实施例中，如图10所示，管壁与吸附剂管以较近的距离进行安装。吸附剂10.1包含在管道10.3内，而管道10.3绕在内管壁10.2上并被外管壁10.4包围。热传递流体受压缩地流经由吸附剂管和内、外管道形成的螺旋状的通道。这种设置可以将热交换器内的热传递液体的量减至最少，并因此有助于保持最大的温度变化。为了减少该装置从周围环境获取热量或该装置的热量流失至周围环境，液体管道可优选地制成隔热的，例如采用聚乙烯、聚氨酯泡沫或玻璃纤维材料为外层10.5。
在本发明的另一个实施例中，热传递流体为气体，优选为空气。可以令该流体沿着吸附剂管的外表面流动。管道的表面安装了纵向或螺旋状的鳍片以提供较优良的热传递。为了加强从吸附剂至吸附剂管的内壁的热传递，可设置有孔的金属片状物、其他由金属网或纤维状物的盘状物组成的部件，优选地，这些部件垂直于管道轴线。为了达到优化的热传递效果，这些部件应与内壁紧密地接触。这些盘状物也可以用于收紧工作流体气体的流动以沿着吸附剂管产生压力梯度。例如，如果使用有孔的金属片状物，就需要选定片状物的数量、孔的直径和孔的数量，以产生理想的压力梯度。
为了达到优化的性能，无疑希望在吸附剂和热传递流体之间具有优良的热传递。可以氢气一起使用的金属吸附剂是特别优选，因为它们比非金属材料(例如碳、沸石、硅胶)具有更高的导热系数。
流体/吸附剂的组合的选择取决于许多因素。这些所选定的因素的价值必须可以为设有吸附剂的热交换器的特定应用和设计提供最适宜的性能。如上所述，吸附剂可设于管道内。吸附剂可设于并联的若干组管道内，其中每组管道同时地进行压缩和抽吸过程。或者，吸附剂可设于用导管串联的若干组管道内。尽管在单个管道之间的压降可能是小的，但通过限制在连接的导管之间的气体的流动，就可在该串管道之间形成相当大的压力梯度。在本发明的另一个实施例中，吸附剂设于一对板中，该对板的边缘是密封起来的，进口和出口设于该对板相对的末端处。热传递流体通过在该对板的外表面上的流动移除或者传入热量。这种构造产生了设有吸附板的热交换器。多组设有该吸附板的热交换器可以并联组装为一模块，以便热传递流体可以流经每对热交换器。
在本发明的优选的实施例中，该装置包括工作流体、由机械能驱动的容积式压缩机和多孔吸附剂固体，通过该固体受压缩的工作流体能够脉冲式地膨胀。通过减少与固体一端相接触的气体的压力，工作流体即从多孔固体上脱附，从而产生了制冷的效果；而通过压力使得工作流体在固体的另一末端实现吸附，则产生了制热的效果。优选的工作流体和吸附剂固体的组合可选定为以便吸附和脱附时产生的热量大于压缩时产生的热量。更为优选地，吸附和脱附时产生的热量应与基于传统兰金循环体系的装置中用作为工作流体的CFC、HCFC、HFC、烃和氨气的汽化潜热相当，这些装置是本发明意图取代的。
图11所示为本发明的一种结构。压缩机包括活塞11.1，其在汽缸11.2中移动，并由连接于曲柄轴11.4的活塞杆11.3驱动，曲柄轴11.4由电动马达或其他动力能源(未图示)提供动力。压缩机设有两个阀，阀11.5和11.6。当在活塞和汽缸顶之间的排气容积刚好低于热交换器11.7中的压力时，进口或抽气阀11.5敞开。当活塞朝向底部的尽头运动时，就会发生上述情况。相反地，当在活塞和汽缸顶之间的排气容积刚好高于热交换器11.9中的压力时，出口或排气阀11.6敞开。当活塞朝向顶部的尽头运动时，就会发生上述情况。热交换器11.8将压缩时产生的热量排到大气中。本身是吸附剂的多孔固体11.10与工作流体相互作用，把工作流体的压力减少到装置设计的水平并对其流动产生阻力，以便能保持在热交换器11.7和11.9之间的压力差。该装置充满了足够的工作流体，以便使热泵的工作能力提至最高，但不影响到该装置的压力限制。一般地，该装置能够承受最高达30barg的工作压力。为了生产低成本的装置，工作压力最好不要超过20barg。
本装置以循环方式操作，按如下步骤描述。该步骤以此状态作为起始：往复式压缩机的吸气冲程刚刚完成，压缩冲程刚刚开始，即活塞在底部的尽头。
(a)活塞被推入汽缸，气态工作流体的温度和压力同时升高，直到排气阀11.6打开并使压缩气体排进热交换器11.8。
(b)热交换器11.8将压缩时产生的热量排入气流、水流或者其他合适的散热器中。
(c)冷却的压缩气体然后进入高温的设有多孔固体的热交换器11.9中，在此其被吸附，并且吸附热被释放至气流中，气流因此被加热。
(d)在由压缩机在固体两侧所产生的压力梯度的影响下，工作流体穿过多孔固体流向低温热交换器11.7。
(e)活塞向反方向运动，因此降低了汽缸内的压力，从而使进气阀11.5开启，以致工作流体从低温热交换器11.7中的多孔固体中脱附。脱附所需的热量由外部气流来提供，气流因此被冷却。
(f)活塞再一次向反方向运动，并开始压缩气体，使进气阀关闭，从而完成循环。
为了使装置在上述模式中能成功地运行，很重要的一点是：在连接热交换器11.7和11.9的多孔固体内任何点上的气体的压力围绕一个平均值来回波动，以便工作流体能通过一连串由压缩机引起的吸附和脱附来穿过多孔固体。这个过程将对热交换器11.7和11.9内的焓变起主要作用。为了优化所述装置的性能，外部气流也应该沿着热交换器如图11所示般来回波动。所述的来回波动的相位是可调整的，以便在CO2由于抽吸作用而从吸附床上脱附的过程中，气流可与CO2的同向流动。相反地，在CO2由于压缩作用而吸附的过程中，气流可与CO2的反向流动。
如图11示的往复式压缩机可由任何容积式压缩机(包括旋转式、滑片式或隔膜式)取代。如压缩机的排气容积内的滑动表面需由液体润滑剂润滑，在压缩机和吸附床之间就需要油分离器，以防止细滴状的油污染吸附床。因此无油压缩机是优选的，即压缩机的排气容积内与工作流体相接触的滑动表面不需液体润滑剂润滑。特别优选的是隔膜式压缩机，首先其可通过较大表面的隔膜使工作流体能有效地冷却，其次在某些装置中压缩机顶部因循环液压油冷却并驱动隔膜而加强，以上原因使隔膜式压缩机以更接近于等温而不是等熵的条件运行。隔膜式压缩机的能效可比往复式压缩机的能效更佳。隔膜和压缩机外壳之间形成良好的密封，使流体泄漏率大大降低，而无油往复式压缩机则缺少传统的往复式压缩机的油膜所具有的卓越的密封性能。对于小功率的应用场合，例如家用冰箱和室内空调设备，隔膜式压缩机比传统的注油密封往复式和旋转式压缩机更具优势，因其结合了优良气封性和外部电动机。后者所产生的热可通过简单的冷却扇来散发。在传统的密封系统中，油能部分地冷却电动机，把热传递至外壳，另一部分由制冷剂来冷却，将热传递到冷凝器中。消除了电动机的内部冷却的需要，循环的能效便能提高。
压缩机设计有很多种，只要它们设置为向吸附床的温度较高的末端以脉冲式传递压缩气体，并在温度较低的末端以脉冲式移除膨胀气体的都可采用。图11简略地表示了实现这个目标的其中一种方法。该方法特别适用于具有高导热系数的吸附剂，并因此通过这些吸附剂向外部气流进行优良的热传递。氢气/多孔金属吸附剂的组合特别适用于该种方法。该种组合的性能可以通过在吸附床中周期性地进行隔热而得以加强。例如，在吸附床内断续地加入堵住多孔聚合物的塞。
图12所示为本发明的另一实施例。使用的是任何能够达到所需压力比的类型的压缩机12.3，在两个容器之间保持了压力差，容器12.1的压力较低，而容器12.2的压力较高。压缩机包括脉冲容积式的和连续输送涡轮/离心式的，如有必要还可使用多级式的。通过周期性地开关电动阀12.6，压缩工作流体气体或蒸汽以脉冲式传递到吸附床12.5的热/高压力热交换器12.4。通过周期性地开关电动阀12.8，膨胀的工作流体以脉冲式从冷/低压力热交换器12.7上移除。在图12中所示的设计比图11中所示的设计优势包括：压缩脉冲和抽吸脉冲的相位独立，以及使用连续传递压缩机的能力。热交换器12.9将压缩时产生的热排放到大气。如图12所示的结构可使应用于吸附床上的压缩/吸入脉冲的循环时间显著地比容积式压缩机驱动系统的循环时间长。该种设计特别优选地适用于当所使用的吸附剂的导热系数低于多孔金属的情况下。
多孔固体(例如活性炭)对于蒸汽和气体而言具有卓越的吸附容量，但却是不良导热体，其需要较长的循环时间(例如大于1分钟)才能使得热量在抽吸过程中被抽吸而在压缩过程中被排放出。若根据所述方式操作，当热泵用于制冷时，其仅能在半个循环操作过程中提供制冷效果。本发明的另一个优选的实施例就克服了这种限制，该装置包括两个以180°反相工作的吸附床，以便当一个吸附床正处于抽吸/脱附过程时，另一个吸附床处于压缩/吸附过程中。这个使用一对吸附管的装置的实施例如图13a至13f所示。该装置计划用于封闭空间(例如房间或车辆的座舱)的空调中。输入至封闭空间的低温空气的温度一般为10至15℃，而排放至外界环境的气体的温度一般为35至60℃。如图13b所示，吸附剂设于两个设有鳍片的管道13.1和13.2中，所述的两个管道则设于两个空气导管13.12和13.13中。空气被风扇13.5和13.9引导而流经导管。风扇13.9从正在被调节温度的房间内吸入需要排除的空气，同时风扇13.5抽进外界的空气。由两个风扇导致的空气的流动在13.12和13.13之间是周期性地和同时地进行交替的。如图13c所示，这种交替通过调节可移动叶片13.14和13.15实现。在后者的情况下，叶片显示为当需要排出的房间中的空气流入导管13.12中时，从风扇13.5流入的外部空气可被吹入导管13.13中。点划线显示了所述叶片的另一个位置。工作流体被由电动机13.16驱动的压缩机13.6压缩。压力平衡阀13.3及转换阀13.7和13.8控制工作流体通过设备的流动，转换阀13.7和13.8用于周期性地将工作流体的流动在13.1和13.2之间转换，以便当一个处于抽吸过程时，另一个处于压缩过程。压缩时产生的热量通过热交换器13.10排出，空气通过风扇13.11驱动。图13d、13e和13f示意性地显示了带有设置为两组的多个吸附剂管的装置，其说明了其用于室内空调装置的运作。工作流体通过压缩机13.6的作用得以循环。为了加强热传递，每个吸附床由多个装满吸附剂的管道并联组成，其使暴露于气流的表面积扩至最大。循环工作的原理通过下列例子进行描述，但实施方式不限于此。该循环操作的启始状态如图13d所示。吸附床13.1的温度与房间中需要排出的空气的温度相同，并设有处于最大工作压力下被吸附的工作流体，例如20℃和20巴。13.2的温度与外界周围环境的温度相同，并在体系中设有处于最小工作压力下被吸附的工作流体，例如30℃和1巴。
a.如无空气流经任一吸附床，压缩机是关闭的，并且阀13.7和13.8也是关闭的，而阀13.3是开启的，工作流体就从13.1流向13.2。或者，工作流体可流经压缩机或另一个发动机以平衡压力，此具有由从压缩机或发动机中获得有用的功的优势。绝热过程的结果为13.1的温度下降至低于排出的空气的温度。相反地，当流体被吸附时，13.1的温度升高到高于外界周围的温度。
b.当压力大体上平衡时，13.3关闭。如图13e所示，13.7和13.8敞开和压缩机13.6开启，以便工作流体从13.1(脱附)被泵入至13.2(吸附)中。通过风扇13.5，周围外部的空气流过13.1，并因此被降温，而以理想的较低的温度(例如10℃)流入房间内。相反地，房间中需要排出的等量的空气通过风扇13.9从房间中移除，流过13.2，并在排向大气前加热到高于外部周围环境的温度。
c.因为13.1和13.2的长度被设计为大大地超过其直径，故从每个设有吸附剂的热交换器中流出气流的温度大致上为一常数，直到13.1大体上沿着其整个长度被加热至跟周围环境的温度相一致，同时13.2大体上被冷却到与排出的空气的温度相一致。
d.当达到上述的状态时，该装置会达到一个与初始条件(a)相类似的状态，但是此时13.1的压力和周围的温度处于较低的值，13.2的压力和排出的温度处于较高的值。换而言之，13.1和13.2相互转换了它们的角色。
e.循环一直如上述步骤(a)至(c)继续着，直到该装置回到其初始状态。如图13f所示，为了达到这种结果，叶片13.14和13.15会转换，并因此反转了流经导管13.12和13.13的气体的流向。同时，阀13.7和13.8会复位，以使压缩机将工作流体从13.2传递向13.1。
在本装置的另一个优选的实施例中，使用了多于一对的设有吸附剂的热交换器，以便当其中一对热交换器之间的压力达到平衡时，压缩机继续在另一对的两个热交换器之间传递工作流体。这种设置具有提供有效的连续的热泵这个优点。
在本发明的另一个实施例中，利用了循环流动的液体来冷却和加热吸附剂床。图14所示为本装置的一个可能的设计。设有内部热传递管道的吸附剂管的回路包括压缩机14.7、压力平衡阀14.11、流动转换阀14.3和14.4和排出压缩时所产生的热量的热交换器14.12。所述的液体控制回路包括：设于两个桥型整流器14.5和14.6内的八个流体逻辑二极管、可周期性反转输入和输出流体的液体泵14.10和两个外部热交换器14.8和14.9。这种设计可使液体以同一个方向通过外部热交换器14.8和14.9，并使液体在吸附剂热交换器内来回波动。热传递液体的回路在图14中用实线表示。所述的循环过程大致上与在图13d、13e、13f中描述的循环方式相同。工作流体从一个吸附床上脱附，并由压缩机14.7的作用，被压缩入另一个吸附床内。点划线显示了工作流体回路。在本发明的一个实施例中，液体通过在吸附剂床内的一根或多根管道或管路。或者，液体也可以流经位于吸附剂管外部的导管。如图14所示的装置适用于冷却装置和水冷机组，大部分的空气将经此水冷机组流回至房间或建筑物内的空调系统。
合适的热传递液体需要具有根据其将要应用的场合而决定的各种性质。对于空调，空气就是一个不错的选择。当使用液体时，优选地，其粘度是较低的以尽可能减少泵的能源消耗。液体的动力粘度应小于0.025Pas，优选地小于0.01Pas，最为优选地小于0.001Pas。当液体循环系统处于合适的压力的情况下，就应考虑具有不同沸点的液体。优选地，为了方便操作，液体的常压沸点应高于吸附剂会达至的最高温度。液体也不能在所述的装置产生的最低的温度下凝结。优选地，液体的闪点应高于100℃，更为优选地高于130℃，最为优选地高于200℃。最为优选的液体应为不易燃的。优选的液体包括那些对工业上已知的作为第二级制冷剂的液体。这些物质包括：水、盐水、乙二醇、酒精、石蜡油、硅油和含卤化合物(包括部分氟化醚、全氟醚和氯化液体)。如这些液体是相互兼容的，那么它们可以混合使用。
对于需要低至-50℃的制冷温度，则需要具有较宽的液体范围的组合物，并需要保持高于100℃的闪点和高于最高温度的常压沸点的性质。优选的物质包括酯及含有3个或更多个碳原子的醚(脂肪族或环状)。优选的物质包括，但不限于乙二醇或多羟基的环状的碳酸酯和环状的酯。特别优选的为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和二甲基异山梨醇。也可使用酯、醚和乙二醇之间的混合物和它们与水的混合物。液体中还可以包括用于增强一个或更多组合物的性质的添加剂，所述的性质可为更低冰点、更高的沸点、更低的粘度或更高的闪点等。如所述的添加剂是单独使用的，那么它们不是优选的，但当它们在混合物的质量比重中所占比例小于50％时，则是可接受的。
为了避免对环境产生有害的影响，对于含氟或氯物质的组合物，这些组合物应优选地具有很低的蒸汽压或含有如双键或三键的活性基团，使其在对流层中能被活性物质快速分解。

Claims (49)

1.一种热泵装置，包括：
至少一个热交换器；
设有进口和出口的多孔吸附剂材料主体，该吸附剂材料的主体设置成与热交换器进行热接触，
用于使工作流体流经主体的设备，
用于在工作流体中产生循环压缩或膨胀脉冲的设备，所述的压缩或膨胀脉冲导致工作流体从进口流至出口，以在进口和出口之间的吸附剂材料主体产生温度梯度。
2.如权利要求1所述的装置，还包括热传递流体，用于使热传递流体通过而与热交换器进行热接触的设备，以便热传递流体的流动从热交换器中移除热量或传入热量至热交换器中。
3.如权利要求2所述的装置，其中热传递流体的流动方向随工作流体压缩和膨胀脉冲的变化而变化。
4.如权利要求3所述的装置，其中热传递流体的流动方向随工作流体压缩和膨胀脉冲的变化而逆向流动。
5.如权利要求4所述的装置，其中热传递流体的逆向流动是与所述的脉冲是同步的。
6.如权利要求3至5中任意一项所述的装置，其中工作流体循环运动的频率是与热传递流体循环运动的频率一致的。
7.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中用于在工作流体中产生脉冲的设备为容积式压缩机。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的装置，其中用于在工作流体中产生脉冲的设备包括转换阀的系统和压缩机。
9.如权利要求8所述的装置，其中转换阀的系统交替地将吸附剂材料的主体连接至工作流体的高压贮藏处和低压贮藏处。
10.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中包括另一个热交换器，其用于在工作流体接触吸附剂材料前，从中移除压缩时所产生的热量。
11.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中温度梯度包括在进口端相对较高的温度和在出口端相对较低的温度。
12.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中工作流体选自蒸汽、气体或两者的混合物。
13.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中包括多个热交换器。
14.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为单种氟碳化合物或多种沸点在-140℃至40℃之间的氟碳化合物的混合物。
15.如权利要求14所述的装置，其中工作流体的沸点在-90℃至0℃之间。
16.如权利要求15所述的装置，其中工作流体的沸点在-90℃至-20℃之间。
17.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为烃，选用的烃为甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和丁烷，和其混合物。
18.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为氮气。
19.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为二氧化碳。
20.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为氢气。
21.如权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中工作流体为稀有气体。
22.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中多孔固体的最少10％孔隙空间为直径小于2nm的微孔的形式。
23.如权利要求22所述的装置，其中多孔固体的最少10％孔隙空间为直径小于50nm的中孔的形式。
24.如权利要求23所述的装置，其中多孔固体少于20％孔隙空间为直径大于50nm的大孔的形式。
25.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为具有碳基的物质。
26.如权利要求25所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为炭类物质。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为活性炭物质。
28.如权利要求25所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为基于有机聚合物的物质。
29.如权利要求25所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体大体上是无机的物质。
30.如权利要求29所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为金属或类金属元素的氧化物，或其组合物。
31.如权利要求29所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为沸石。
32.如权利要求29所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为筛。
33.如权利要求29所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体选自氧化硅、氧化铝、二氧化钛及其混合物。
34.如权利要求1至21中任意一项所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体为气凝胶。
35.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体以低挥发性的溶剂所浸润。
36.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中所述的多孔吸附剂固体包括能增强导热性的添加剂。
37.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中在热交换器内吸附和脱附的焓变实质上是相等的。
38.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中所述的脉冲的持续时间为1秒至10分钟。
39.如权利要求36所述的装置，其中持续时间为1秒至30秒。
40.如权利要求39所述的装置，其中持续时间为1秒至10秒。
41.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中在进口和出口之间具有工作流体的压力梯度。
42.如前述任意一项权利要求所述的装置，其中工作流体是混合物。
43.如权利要求42所述的装置，其中工作流体是具吸附力强的流体和吸附力弱的流体的混合物。
44.如权利要求42或43所述的装置，其中工作流体是二氧化碳和氮气的混合物。
45.如权利要求42或43所述的装置，其中工作流体是二氧化碳和氩气的混合物。
46.如权利要求42或43所述的装置，其中工作流体是一种混合物，其中一种成分为二氧化碳或氨气，另一种成分为氢气、氦气或其混合物。
47.如权利要求42或43所述的装置，其中工作流体是二氧化碳和丙烷的混合物。
48.一种热泵装置，其两个热交换器之间的温差是由在两个热交换器之间的工作流体、蒸汽或气体的循环膨胀和压缩脉冲而产生的，所述的工作流体、蒸汽或气体通过设于热交换器之间的多孔吸附剂固体。
49.如权利要求39所述的装置，其中每个热交换器和外部，单相的热传递液体之间的温度差实质上是一个常数。
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