CN104633992A - 热驱动的液化单元以及吸附式加热或致冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热驱动的液化单元以及一种配备有该液化单元的吸附式加热装置，该吸附式加热装置可作为吸附式热泵、吸附式致冷装置、储热和/或储冷装置来用。热驱动的液化单元将热压缩器(4、24)和冷凝器(7、16、17)集成在模块化的构件中。

Description

热驱动的液化单元以及吸附式加热或致冷装置

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的热驱动的液化单元以及按权利要求9前序部分所述的吸附式加热或致冷装置。

背景技术

WO 2007/068481 A1公开了一种吸附式热泵，它由多个中空元件构成，这些中空元件分别具有吸附-解吸区域和蒸发-冷凝区域或相位变换区域。这些中空元件在每个区域中都被传递热量的流体流过，其中关于流体流动的周期性改变通过相互连接的中空元件中的阀门装置实现。在此，由工作介质填充的多个中空元件的缺点是安装成本高。

WO 2013/011102 A2描述了一种吸附模块的概念，其中设置在共同壳体中的管束一方面用来将吸附-解吸热量传递到吸附结构上，另一方面将冷凝和蒸发的热量传递到相位变换结构上，其中该壳体概念具有支撑结构，该支撑结构能够适应外部大气压和工作介质腔中的真空之间的压差。缺点是，在工作介质从吸附区中解吸时，一部分工作介质在壳体壁板的冷却位置上冷凝并且由于后续的蒸发而消失。该消失的冷凝物在再次蒸发时额外地冷却了壳体壁板，并且在下一次局部循环时借助重新冷凝形成冷却面，从而在该壳体壁板上又会出现不期望的错误冷凝。因此会影响功率和效率。此外在机动车上应用时不能排除这种可能性：大量已经冷凝的工作介质通过壳体壁板上的振动而导致抖落丢失。另一缺点是：吸附模块的结构很复杂，它的制造需要昂贵的模具。

迄今已知的是，具有集成的冷凝和蒸发结构的吸附模块的缺点是迄今还不能实现储冷功能。这要求在冷凝结构和蒸发结构之间具有外部可操控的流体截止功能。这一点虽然已在具有单独冷凝器的已知方案中给出，但为此需要用于解吸蒸气的止回阀，并且它们必须具有一能够承受压力损失的开启压力和一横截面，该横截面对于工作介质的蒸气密度来说是足够的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种热驱动的液化单元以及一种吸附式加热或致冷装置，在其中，所有冷凝热量既均可用于可选的加热目的，并且大量的冷凝物可用于后续蒸发以便从低温热源中提取热量，并且还能几乎无损失地存储吸附热量和/或蒸发制冷量。

这一点通过权利要求1和/或权利要求9的特征得以实现。

一个实施例涉及热驱动的液化单元，其具有热压缩器，其中热压缩器与冷凝器构成一模块化的部件。该模块化的、热驱动的液化单元将工作介质的热压缩和冷凝集成在一个模块中。

有利的是，热压缩器具有壳体，该壳体在其内部构成液密的工作介质腔，构成为吸附式热交换器的热压缩器设置在该工作介质腔中，并且吸附式热交换器与第一流体引导系统相连，该第一流体引导系统与一吸附结构热连接，其中冷凝器由从外面包围着壳体的外罩构成，该外罩具有第二流体引导系统，其用来引导冷却剂且用来在吸附结构的解吸阶段吸收冷凝热量。通过吸附式热交换器与热激活的壳体壁板的结合，避免了由外部冷凝和随后的外部介质蒸发引起的损耗机制，从而提高了具有这种设计的热泵或致冷装置的性能和效率。

在一个实施例中，该壳体构造为近似圆柱形，它在底侧借助伸出壳体的冷凝物收集装置封闭，其中连接有一包含第一止回阀的冷凝物排出导管。由于壳体的圆柱形构造以及围绕壳体的外罩，形成的冷凝物由于重力的作用在基本上竖直设置的外罩的内侧上流下来，并且由冷凝物收集装置收集。冷凝物收集装置在此可构成为顶部敞开的通道或环形通道。然后借助第一止回阀，冷凝物能够从热驱动的液化单元中导出来。

在一变形的方案中，第一止回阀的横截面和/或开启压力这样设计，即，使得流体工作介质在压降可忽略时能够通过第一止回阀。可忽略在此上下文中意味着，液态工作介质的饱和温度在通过第一止回阀时只下降几摄氏度，例如小于5K摄氏度。在存在气态工作介质的情况下，阀门的横截面由于明显减小的蒸气密度而限制了体积流。因此，该第一止回阀起过冷调节机构的作用。

在实施例中，冷凝物收集装置构成为收集通道，其与冷凝物排出导管形成梯度。因此确保冷凝物从热驱动的液化单元中排出，而无需附加的辅助器件来输送冷凝物。

但备选地，还可形成压差来排出冷凝物，其方式是，主动或被动地冷却连接到它上面的流体收集器。存储在流体收集器中的冷凝物的饱和蒸气压力保持在冷凝压力之下，因此在需要时，冷凝物在无辅助器件的情况下也能克服重力、并克服止回阀的开启压力从冷凝物收集装置中排出来。

止回阀在随后的吸附工艺中避免了工作介质从流体收集器回流到热压缩器中。

高压侧的止回阀能够设计得明显更小且成本更低，这尤其对于采用水作为工作介质的情况来说是有利的，其在液态和气态之间具有大的密度差别。

此外有利的是，在壳体上设置有用来吸入气态工作介质的吸管接口，该吸管接口设置有第二止回阀。借助该吸管接口，使例如从蒸发器吸入的工作介质蒸气达到蒸发压力水平上，并且在排出吸附热量的情况下被吸附进吸附结构中。在会相应提高压力水平的后续解吸和冷凝过程中，该第二止回阀防止工作介质蒸气回到蒸发器中。

在一构造方案中，外罩和壳体之间的中间腔具有持续穿过其流动的冷却液流，该冷却液流与圆柱形壳体的轴平行。因此能够省略流体控制器件，这简化了冷凝热量的排出。

在一实施例中，外罩和/或冷凝物收集装置的内表面这样构成，即在冷凝压力和蒸发压力之间进行压力交变时只有少量液态的工作介质保持在工作介质腔中。这一点例如能够通过功能器件的几何布局实现，无需额外的辅助器件。

本发明的改进方案涉及一种吸附式加热或致冷装置，其包括至少一个热驱动的液化单元。在吸附式加热或致冷装置(其能够构成为吸附式热泵或吸附式储热和/或储冷器)中，如果液化单元按本保护权申请的特征之一构成，则所有冷凝热量均可用于可选的加热目的，并且大量冷凝物可用于后续蒸发以便从低温热源中提取热量。在这种装置中，能够将任意多的液化单元安装和组合在吸附式加热或致冷装置中，从而能简单地使吸附式加热或致冷装置(例如热泵)的功率和存储能力适应现有的要求。

在变形方案中，该至少一个液化单元通过流体导管和吸管与蒸发单元相连，该蒸发单元将流体收集器、可电控的膨胀阀和用来冷却流体的蒸发器集成到另一模块中。为了流体连接多个液化单元，存在着多种可能性，以实现大功率密度，或实现具有有效热量回收的高COP值。液化单元能够与蒸发单元的不同实施例组合起来。因此，蒸发器可例如用来冷却致冷载体，亦或用来直接冷却空气。

通过下面的附图描述和从属权利要求描述了其它有利的构造方案。

附图说明

下面以至少一个实施例为基础并且借助附图详细地阐述了本发明,其中

图1示出了热驱动的液化单元的第一实施例；

图2示出了按本发明的图1所示的液化单元的管套的另一实施例；

图3示出了按图1的液化单元的管套的另一实施例；

图4示出了吸附式热交换器的管束的实施例；

图5示出了热驱动的液化单元的另一实施例；

图6示出了吸附式热泵或冷热存储器的实施例。

具体实施方式

图1示出了按本发明的热驱动的液化单元的第一实施例。该液化单元1构成为包括壳体2的模块，该壳体在其内部构成有液密的工作介质腔3。一吸附式热交换器4设置在工作介质腔3的内部，该吸附式热交换器具有流体接口5、6。通过流体接口5、6形成流体引导系统，它与另外的吸附结构(未示出)处于热接触状态。通过流体引导系统的至少一个入口5和至少一个出口6，使得吸附式热交换器4能够由变温的传热介质穿流，从而能够实现吸附结构的热循环。通过工作介质的吸附和解吸作用，使得工作介质腔3内产生了压力交替变化。

构成为圆柱形的壳体2从外面由外罩7包围，该外罩可构成为任意期望的形状，但在此实施例中同样按圆柱形壳体2构成为圆柱形，并且与该壳体一起构成可供流体环流的液密中间腔13。该中间腔是第二流体引导系统的一部分，该第二流体引导系统在吸附结构的吸附阶段中吸收壳体2内壁上由冷却剂环流产生的冷凝热量，并因此在解吸阶段将工作介质的压力限定为冷凝压力。该壳体2在外罩区域的下端内侧上具有冷凝物收集装置8。该冷凝物收集装置8优选构成为用来容纳冷凝物的环形通道，因为形成的冷凝物会在壳体2(其优选构成为竖直的)的内侧流流下来并且由冷凝物收集装置8收集。冷凝物通过一具有止回阀10的冷凝物排出导管9从液化单元1朝外排出。此外，在壳体2上设置有用来吸入工作介质蒸气的吸管接口12，其具有第二止回阀11。

设置在冷凝物收集装置8上的止回阀10的横截面以及开启压力这样设计，即，使得流体工作介质在压降可忽略的情况下可通过该止回阀。“可忽略”意味着，工作介质的饱和温度在通过止回阀时只下降几摄氏度，优选小于5摄氏度。在存在气态工作介质的情况下，阀门的横截面由于明显更小的蒸气密度而限制了体积流。因此，该止回阀起到过冷调节机构的作用，其类似于具有非常小节流的孔口，并且是压缩制冷技术中已知的。

外罩7和壳体2之间的中间腔13内供应有冷凝热量载体，该冷凝热量载体通过设置在壳体2上方的冷凝热量载体入口14导入中间腔13中并且通过冷凝热量载体出口15从中间腔13中导出，该冷凝热量载体入口和出口呈对角地设置在外罩7的相对而置的侧面上。因此在本实施例中，冷凝热量载体基本上平行于圆柱形壳体2从上朝下流经液化单元1。

液化单元1的外罩7的壁板被平行地持续穿流，以便在无流体控制器件的情况下排出冷凝热。此外，壳体2和/或冷凝物收集装置8的内表面这样构成：在冷凝压力和蒸发压力之间存在压力交变时，没有或只有数量可忽略的流体工作介质保持在工作介质腔3和冷凝物收集装置8中，这例如通过功能部件的几何布局来实现。这一点可通过壳体2和冷凝物收集装置8内侧的结构和/或涂层实现。

图2和3示出了管套16和17的两个实施例，它同时将壳体2和外罩7结合起来并且形成构造单元。每个管套16、17在此都由单个的、优选圆柱形的金属管构成，它在端部18处逐渐变细并且在另一端部19变宽处变宽。该管套16、17例如也可通过IHU或轧制工艺配备一个或多个外围的环形卷边或螺旋卷边，以允许纵向伸展的变化，并且确保外围形状(优选圆环形)的稳定性。

图2示出的内部管套20优选由钢或不锈钢制成并且由至少一个扁管绕组21缠绕，该内部管套20与外部管套22导热地(例如借助导热的粘贴剂)相连。按图2的实施例可以低成本将呈不绣钢管形式的两个部件结合起来，该不锈钢管只略微变形，优选作为圆柱形的壳体外罩，且具有多层扁管，该多层扁管例如能够由挤制铝材制成并且成型为扁管绕组21。还可考虑将扁管绕组与管套结合起来，这是上述基本原理的更深入的变形方案。

在按图3的管套17的实施例中，借助端侧上直径匹配的内部管套20和另一外部管套22形成环形间隙23，该环形间隙可供冷却剂穿流。为了形成定义的穿流并且稳定优选呈圆环形的横截面，该环形间隙23配备有间隔器(未示出)，例如腹板、小块、卷边或折边，它们优选通过成形加工技术形成。内部和外部管套20、22材料锁合地连接在一起，优选通过焊接、尤其是激光焊接在至少一端侧上彼此连接。此外，间隔器(未进一步示出)还可用来确保引导定义的强制流穿过环形间隙23，并且尤其均匀地调节了管套17的温度。与图2的实施例类似，螺旋流是尤其有利的。

管套21、22的外侧面(其借助流体环流器件热激活)除了排出外罩壁板上的冷凝热量以外，同时还能稳定优选呈圆环形的横截面，这对于内外之间变化的压差而言是尤其稳定的。

按图3的第二实施例(其具有两个交错插插入的圆筒)取消粘胶层和扁管壁的厚度，因而可以实现冷却剂和内部管套20的外侧面之间的更直接的热接触。

为了封闭工作介质腔3的管套16、17的端面，可以采用深拉或以其它方式成型的金属管板25、27，其中至少在管板25、27中的一个上设置有朝向位于内部的吸附式热交换器24的流道。在图4中示出了这种吸附式热交换器24的优选实施例。管束26在端侧上通过材料锁合的连接技术(例如激光焊接)能够真空密封地与两个不同形状的管板25和27相连。这些管板25、27这样来设定尺寸，即，盒式管束26的整个端部都插入管套16和/或17中并且与之连接成真空密封的壳体。为此，较小的管板25与管套16的逐渐变细的端部18的直径相匹配，较大的管板27与管套16的变宽变宽的端部19的直径相匹配。如图4所示，较小的管板25具有更高的边缘，其在与管套16或17接合的状态下会导致在管套16或17和管板25之间产生环状通道8。因此在圆柱形的液化单元1竖直放置时，其收集在管套16的内壁上流下来的冷凝物，并且能够通过冷凝物排出导管9以及设置在它里面的第一止回阀10朝外排出。

图5示出了所述的液化单元1的组装状态，其还为了完成吸附式热交换器24而增设了水箱28、29，它们借助此处未进一步详细阐述的技术和密封件液密地与管板25、27的外侧相连。

在此实施例中，冷凝物收集装置8可通过调节为不同温度的区域8和29的间隔与吸附式热交换器4实现非热耦合，以便将从吸附式热交换器4至冷凝区23和冷凝物收集装置8的有害热影响降至最低。

在右边视图中再次示出了在端侧呈台阶形逐渐变细或变宽的内部管套20，以便无间隙地容纳按图4的管板25、27。管束26的管子在外侧具有热接触良好的、未进一步示出的吸附结构，它能够借助随时间可调温的热交换器循环地调节在两个温度极限之间的温度。为了经受热机械的膨胀差和/或应力，管板25、27设计成所谓的薄膜板和/或具有伸缩卷边的圆柱形外罩。

在此所述的这些部件作为热驱动的液化单元1工作，其中首先从蒸发压力至冷凝压力产生了压力交变。这一点通过以下方式实现，即吸附式热交换器24通过不断变热的热量载体穿流。通过随之引起的压力上升，首先关闭了吸入端的第二止回阀11。

另一方面，通过液化单元1实现了解吸和冷凝的目的。这一点通过以下方式实现，吸附式热交换器24由热的热量载体继续穿流，其中工作介质在高压时解吸。该高压保持了吸入侧的止回阀11的闭合。工作介质在内部管套20的冷却壁板上冷凝并且在所述环形通道8的壁板上流下，并在环形通道8处通过为液相设计的止回阀10从工作介质腔3中排出并且优选进入流体收集器(此处未示出)中。如果收集装置是空的，则在很大程度上阻止了工作介质蒸气在主动或被动冷却的流体收集器中的进一步流出，从而将冷凝压力和流体过冷调节到沸点温度附近。

此外，所述的这些部件可实现从冷凝压力到蒸发压力的压力交变。为此，流过吸附式热交换器24的热量载体的温度逐渐减小。由于会相应的引起压力减小，因而使冷凝停止并且封闭了流体侧的止回阀10。在达到蒸发压力时，吸管12中的第二止回阀11打开。

作为液化单元的额外功能，可实现蒸气吸入和吸附。吸附式热交换器4、24还可通过使热交换器再冷却形成流过其的额外流道，其中在蒸发器中蒸发的工作介质在低压时被吸入和吸附。

此处所述的液化单元是一个模块，它能够与任意许多其它液化单元结合起来。在所示的热驱动的液化单元的基础上，模块化的热驱动的热泵或者冷却装置能够借助可结合的储热或储冷功能如下地构成。在此情况下，在图6中有三个液化单元1与流体收集器30相连。但根据应用情况，这些数量是可改变的。该流体收集器30通过可闭锁的和/或脉冲宽度调制的膨胀阀31与蒸发器32相连，蒸发器32的吸管33与三个液化单元1的吸入接口34相连。在此变形方案中，蒸发器32具有通过风扇35产生的穿过其流动的气流。但是备选地，蒸发器32也可设计成冷凝器。

使热驱动的液化单元1变得完整的部件包括流体收集器30、可电控的(优选可脉冲宽度调制的)膨胀阀31以及用来冷却流体的蒸发器32。此处介绍的、设置在散热器36和热源37之间的装置实现了不同的功能。该装置可例如作为热驱动的热泵，以用于加热目的。例如可采用燃料加热器、燃烧器或类似装置实现高温加热。散热器36是待加热的目标，例如为建筑物、房间或车辆驾驶舱，其中的吸附热量和冷凝热量以中等温度水平排出。在蒸发器32中，从周围环境(例如外部空气)、地面探针或太阳能收集器中吸收低温热量。

此外，本发明的装置还可当作热驱动的制冷装置来用。在此，使用任意工艺或装置产生的废热或多余热量或燃料加热器产生的热量作为高温热量。周围环境作为散热器，吸附和冷凝热量排放到周围环境中。在蒸发器中，直接或间接地从待冷却的目标物或空间吸收低温热量并且由此将其冷却。

此外，本发明的装置还可当作吸附式储冷器或储热器来用。当外部可控制的膨胀阀31关闭时，能够积聚和存储致冷能量，其方式是：使一个或多个液化单元模块解吸并且存储相应的冷凝物在流体收集器30中，该流体收集器30在容量方面这样设计，即，它能够容纳所有液化单元1中的所有工作介质。此外，使至少一个(优选所有)液化单元1达到再冷却温度，从而准备获得高的致冷功率。在有制冷需求时，膨胀阀31打开或者通过脉冲宽度调制方法反复开闭，以释放出期望的蒸发功率。由于工作介质蒸汽被模块吸入并被吸附，模块将升温并且释放出吸附热量，该吸附热量用来对马达或类似物体进行预加热。在排放存储的热能和致冷能量之前，第一液化单元1开始解吸以调节静态致冷功率。

附图标记清单

1  液化单元

2  壳体

3  工作介质腔

4  吸附式热交换器

5  流体接口

6  流体接口

7  外罩

8  冷凝物收集装置

9  冷凝物排出导管

9a 流体导管

10 止回阀

11 止回阀

12 吸管接口

13 中间腔

14 冷凝热量载体入口

14 冷凝热量载体出口

16 管套

17 管套

18 管套的变细端部

19 管套的变宽端部

20 内部管套

21 扁管绕组

22 外部管套

23 环形间隙

24 吸附式热交换器

25 管板

26 管束

27 管板

28 水箱

29 水箱

30 流体收集器

31 膨胀阀

32 蒸发器

33 吸管

34 吸入接口

35 风扇

36 散热器

37 热源

Claims (10)

1.一种热驱动的液化单元，其具有热压缩器，其特征在于，热压缩器(4、24)与冷凝器(7、16、17)构成一模块化的部件。

2.根据权利要求1所述的热驱动的液化单元，其特征在于，热压缩器(4)具有壳体(2)，该壳体(2)在其内部构成液密的工作介质腔(3)，构成为吸附式热交换器(4)的热压缩器设置在该工作介质腔中，并且吸附式热交换器(4)与第一流体引导系统(5、6)相连，该第一流体引导系统(5、6)与一吸附结构热连接，其中冷凝器(7)由从外面包围壳体(2)的外罩(7)构成，该外罩具有第二流体引导系统(14、15)，其用来引导冷却剂且用来在吸附结构的解吸阶段吸收冷凝热。

3.根据权利要求2所述的热驱动的液化单元，其特征在于，该壳体(2)构造为近似圆柱形，它在底侧借助伸出壳体(2)的冷凝物收集装置(8)封闭，其中一包含第一止回阀(10)的冷凝物排出导管(9)连接到冷凝物收集装置(8)上。

4.根据权利要求3所述的热驱动的液化单元，其特征在于，第一止回阀(10)的横截面和开启压力设计为用于使流体工作介质在压降可忽略时通过该第一止回阀(10)。

5.根据权利要求3或4所述的热驱动的液化单元，其特征在于，冷凝物收集装置(8)构成为收集通道，其与冷凝物排出导管(9)形成梯度。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的热驱动的液化单元，其特征在于，在壳体(2)上设置有一用来吸入气态工作介质的吸管接口(12)，该吸管接口设置有第二止回阀(11)。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的热驱动的液化单元，其特征在于，外罩(7)和壳体(2)之间的中间腔(13)具有持续穿过其流动的冷却液流，该冷却液流与圆柱形壳体(2)的轴平行。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的热驱动的液化单元，其特征在于，外罩(7)和/或冷凝物收集装置(8)的内表面这样构成，即在冷凝压力和蒸发压力之间进行压力交变时只有少量液态的工作介质保持在工作介质腔(3)中。

9.一种吸附式加热或致冷装置，其包括至少一个热驱动的液化单元，其特征在于，液化单元(1)按权利要求1至8中至少一项构成。

10.根据权利要求9所述的吸附式加热装置，其特征在于，该至少一个液化单元(1)通过流体导管(9a)和吸管(33)与蒸发单元相连，该蒸发单元将流体收集器(30)、可电控的膨胀阀(31)和用来冷却流体的蒸发器(32)集成到另一模块中。