CN1161742A - 改进的快速吸附冷却或冷冻设备 - Google Patents

Abstract

一种能提供快速冷却和/或冷冻的设备，包括一个有一个冷却室(26)的机箱或容器，一台或多台反应器(14，32，42)，每台反应器装有一种通过在一种金属盐上吸附一种极性气体而形成的配位化合物，在反应器中该极性气体在配位化合物上被交替地吸附和解吸，并且在金属盐上吸附极性气体的过程中通过限制体膨胀和控制密度而形成配位化合物，因此该配位化合物能在大约20分钟或更短时间中以超过15摩尔每摩尔小时配位化合物的速率吸附所说极性气体，一个冷凝极性气体的冷凝器(16)，一个热暴露于冷却室中在冷却室中提供冷却的蒸发器(20)，以及将所说极性气体从一台或多台反应器(14)引向冷凝器(16)，从冷凝器(16)引向蒸发器(20)，再从蒸发器(20)引向一台或多台反应器的管道(17，18，22，29)和一个或多个阀门(13，23，25，27)。

Description

改进的快速吸附冷却或冷冻设备

发明背景

在美国专利5,298,231，5,328,671和5,441,716中公开了为在极性气体和某些金属盐类之间获得高吸附/解吸反应速率的改进设备和方法。这些在技术文献中通常被称为“吸收”或“化学吸附”的吸附/解吸反应产生成为有效致冷，蓄热，热泵和有高能量密度的动力系统的基础的配位化合物。所公开的上述方法使得气体和配位化合物之间的反应速度被提高或达到最大，即吸附给定量气体到配位化合物，或从配位化合物解吸给定量气体所用的时间被减少或达到最少，使该系统能提供的功率得到提高或改善，亦即在一段时间周期中能提供更多能量，表现为该设备有较大的冷却能力。在美国专利5,328,671和5,290,231中公开了改进的配位化合物反应器，其中配位化合物吸附剂是那些通过限制在金属盐和极性气体之间的至少初始吸附反应过程中造成的配位化合物的体膨胀，而使其密度为最佳而形成的吸附剂。和使用在这一反应过程中不限制体膨胀及控制密度而形成的配位化合物的反应速率相比，这样得到的配位化合物的吸附和解吸反应速度得到了提高。反应速度的提高表现为在少于60分钟的吸收或解吸循环时间中每摩尔配位化合物每小时所吸附和/或解吸的极性气体摩尔数的增加。

在上述申请中，美国专利5,441,716公开了为获得与热和质量扩散路径长度被加以重要限定的吸附反应器相结合的改善的反应速度而采取的进一步的改进方法和设备。该反应器和所得到的反应使人们能获得单位质量吸附剂的最大功率密度，单位反应器质量的最大功率密度，以及所希望或需要的单位反应器容积的最大功率密度。

在美国专利5,161,389中公开了一种能迅速将放在设备冷却室中的组合物冷却或冷冻的设备，该设备由一组包括装有氨和金属盐的配位化合物的反应器的部件组成。该反应器包括装有氨和一种金属盐的配位化合物的第一和第二反应器，氨致冷剂的一个蒸发器和一个冷凝器，同时该设备通过在反应器之间经过蒸发器和冷凝器交替地和连续地吸附和解吸氨致冷剂进行操作。

发明概述

在本发明的一种实施方案中冷却设备能进行选择性间歇或分批操作以得到快速冷却或冷冻，它使用一台装有一种配位化合物(或配位化合物的混合物)的单一反应器或反应器组，一台用于冷凝致冷剂的冷凝器和一台为冷却室提供冷却的蒸发器。该设备还可包括一个聚集冷凝的致冷剂的储罐。该设备通过从反应器解吸致冷剂到冷凝器来装料。该设备通过从冷凝器或储罐将致冷剂排料经过蒸发器到反应器进行快速吸附的选择性操作，得到间歇或分批地快速冷却或冷冻。换句话说将冷凝的致冷剂供给蒸发器，然后致冷剂被蒸发和加料到反应器中以实现冷却/冷冻操作。在另一种实施方案中使用一对或多对反应器，一台反应器用于吸附致冷剂，而另一台反应器则解吸致冷剂，该设备能提供连续的冷却或冷冻。在又一种实施方案中，该设备包括一台或多台第一和第二反应器，第一和第二反应器的每一台装有一种不同的配位化合物，第一反应器包括一台在冷却室中作为蒸发器的有相对低温度的反应器，而第二反应器在较高温度下操作，并离开冷却室设置在外部。该设备通过从高温的第二反应器解吸极性气体到第一反应器中进行吸附来加料。然后将极性气体致冷剂从第一反应器选择性解吸到第二反应器，通过吸热解吸提供快速冷却或冷冻。上述设备中所用的反应器被设计和布置成可提供最大或最佳的反应速度。通过限制反应器中配位化合物的体膨胀和控制其密度也得到了改善的反应速度和高功率密度。

附图详述

图1和2示意说明了本发明的第一种实施方案，图1表示了安装在冷却室外面的反应器，储罐和冷凝器组件，而图2则表示了装在冷却室内部的蒸发器；

图3和4说明了本发明的另一种实施方案，图3表示了安装在冷却室外部的高温反应器组件，而图4则表示了装在冷却室内部用于实现快速冷却或冷冻的低温反应器组件；以及

图5和6说明了包括向蒸发器加入致冷剂使用的浮子控制装置的蒸发器组件。

发明详述

本发明的冷却设备包括一台有一个冷却室的以冷冻机或致冷机型式的设备，在冷却室中装有一种需被快速冷却或冷冻的组合物或产品。这种设备包括一个有隔室或冷却室的机箱或容器，可通过一个可开启的门或顶盖对其进行存取。蒸发器，或冷却反应器热暴露于冷却室中，有一个空气处理部件或风扇使冷却室内的空气通过蒸发器或冷却反应器的翅片，或一台协同操作的热交换器的冷却部件进行循环。

按照本发明的改进，快速冷却或冷冻设备使用装有通过在一种金属盐上吸收一种极性气体而形成的配位化合物的一台或多台固体-蒸气吸收反应器，在反应器中通过限制所形成的配位化合物的体膨胀来进行吸附反应。在化学吸附反应中使用的极性气体致冷剂能和金属盐形成共价配位键。如象在前文中被引述的共同未决申请中所述的物质一样，该配位化合物是在美国专利4,848,994中所报道的那些化合物，在此将该专利的叙述引为参考。优选的极性气体反应物是氨，水，二氧化硫，低级链烷醇(C₁-C₅)，烷基胺，聚胺和膦。优选的金属盐类包括碱金属，碱土金属，过渡金属，特别是铬，锰，铁，钴，镍，铜，钽和铼，以及锌，镉，锡和铝的硝酸盐，亚硝酸盐，高氯酸盐，草酸盐，硫酸盐，亚硫酸盐和卤化物，特别是氯化物，溴化物和碘化物。其中至少一种金属是碱或碱土金属，铝，铬，铜，锌，锡，锰，铁，镍或钴的双金属氯化物盐类也是有用的。另一种有特殊意义的盐是NaBF₄。在美国专利5,186,020和5,263,330中报道了其它有用的配位化合物，在此将它们引为参考。优选的用于本发明反应的配位化合物为如下化合物，或包含有至少一种如下化合物作为一种组分的吸附/解吸组合物，而最优选的配位化合物包括SrBr₂，CaBr₂，CoCl₂，FeCl₂和FeBr₂的含氨配合物：

        表I配位化合物              X值SrCl₂·X(NH₃)      0-1，1-8CaCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-4，4-8ZnCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-4，4-6ZnBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-4，4-6ZnI₂·X(NH₃)       0-1，1-2，2-4，4-6CaBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6CoCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6CoBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6CoI₂·X(NH₃)       0-2，2-6BaCl₂·X(NH₃)      0-8MgCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6MgBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6MgI₂·X(NH₃)       0-2，2-6FeCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6FeBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6FeI₂·X(NH₃)       0-2，2-6NiCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6NiBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6NiI₂·X(NH₃)       0-2，2-6Srl₂·X(NH₃)       0-1，1-2，2-6，6-8SrBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-8SnCl₂·X(NH₃)      0-2.5，2.5-4，4-9SnBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-3，3-5，5-9BaBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-4，4-8MnCl₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6  MnBr₂·X(NH₃)      0-1，1-2，2-6MnI₂·X(NH₃)       0-2，2-6CaI₂·X(NH₃)       0-1，1-2，2-6，6-8CrCl₂·X(NH₃)      0-3，3-6LiCl·X(NH₃)        0-1，1-2，2-3，3-4LiBr·X(NH₃)        0-1，1-2，2-3，3-4NaCl·X(NH₃)        0-5NaBr·X(NH₃)        0-5.25NaI·X(NH₃)         0-4.5K₂FeCl₅·X(NH₃)   0-5，5-6，6-11K₂ZnCl₄·X(NH₃)   0-5，5-12Mg(ClO₄)₂·X(NH₃) 0-6Mg(NO₃)·X(NH₃)    0-2，2-4，4-6Sr(ClO₄)₂.X(NH₃)  0-6，6-7CrBr₃·X(NH₃)      0-3CrCl₂·X(NH₃)      0-3，3-6VCl₃.X(NH₃)        0-3，3-5，5-6，6-7，7-1 2AlCl₃·X(NH₃)      0-1，1-3，3-5，5-6，6-7，7-14CuSO₄·X(NH₃)      0-1，1-2，2-4，4-5

在本发明的快速冷却或冷冻设备所用的反应器中交替地吸附和解吸极性气体的配位化合物能获得单位质量吸附剂的最大功率密度，单位质量反应器的最大功率密度，以及单位所要求或需要反应器容积的最大功率密度。本设备所使用的配位化合物的这种功率密度特性在于极性反应物能被迅速吸附，以及迅速解吸，借此至少对排料阶段而言与改善的反应速度相关的吸附或解吸反应在少于30分钟，尤其是少于大约20分钟，而一般是在大约3-15分钟之间完成。反应比速，在本文中有时被称为“最佳反应速度”，决定于包括吸附剂密度，质量扩散路程长度，热量或热控散路程长度，以及热力学操作条件的许多独立参数。操作条件包括总的工艺条件，即过程进行的特定的温度和压力条件，压力差或ΔP，即操作或系统压力与配位化合物平衡压力之间的差值，以及接近温度或ΔT，它对第一吸附反应来说一般超过8°K。最后必须考虑特定的盐和在这种盐和一种特别选定的极性气体之间形成的配位化合物的参数，当然这类盐和所得到的配位化合物的特性，包括它们的平衡压力，在平衡上述参数以优化反应条件和得到有最大反应速度的系统中是重要的。如在本文中有时所用的，“优化反应产物”或“优化配位化合物”是一种配位化合物，在这种化合物中极性气体在金属盐上的吸附过程在能得到一种有上述特性的能产生经济最佳值的配位化合物反应产物的工艺条件下进行。

每个反应室或反应器模块的尺寸提供了分别测量或确定热扩散路程长度(传热)和质量扩散路程长度(传质)的基础。热扩散路程长度是从一个高导热表面到配位化合物质量中心的距离。导热翅片是这种导热表面的一个例子。在这个例子中在一台给定反应器中的热扩散主要是翅片计数的一个函数，即每单位长度(高度)反应器模块上的翅片数目。单位反应器长度上的翅片数越多，热扩散就越好，热扩散路程也越短。热扩散路程是从相距最远的配位化合物颗粒到最近的导热面的路程。这样，简化的热扩散路程长度是两个相邻翅片或板之间距离的一半。按照本发明，热扩散路程长度小于4.5mm，最好是大约4mm或更小，尤其是大约3.0mm或更小。使用本文所报道的一组优选的盐类，最优选的热路程长度在0.6-3.2mm之间。这也相当于每英寸至少4个翅片，如果在制造上可行的话为满足优化的功率密度要求最好是每英寸大约9-25个翅片(1.4-0.5mm热扩散路程长度)或更多的翅片计数。在前述申请序号104，427中报道了对某些特殊盐类优选的热扩散路程长度，在此被引为参考。当然这样一种简化的路程长度确定方法未考虑到管壁，尽管管壁表面对热路程也有贡献。一般适用和实用的翅片厚度在大约0.07-2mm之间变化。当热扩散路程长度相对较短时通常选用较小的翅片厚度。与解吸或吸附的接近温度相比，一般将翅片厚度确定为在翅片上给出较小的温度降或温度升的值。对于任何三维反应室可以很容易地确定或测定热扩散路程长度。

翅片或热交换器或导热面的大小和形状是根据本领域技术人员所熟悉的普通传热计算确定的。例如反应器可能包括许多沿着一根热交换流体管道垂直和径向延伸的热交换表面，翅片或板。在上述专利5,298,231和5,441,716中说明了这种类型的反应器。在这个例子中由于在相邻的并非平行的板之间不同的反应室为楔形的，因而翅片或板之间的距离是变化的。但是可以在各个板的内缘和外缘之间的中点上来测量两相邻板之间的平均距离。在翅片高度非常低或小，或者翅片计数少的反应器中，一个盐或配位化合物分子和主要传热面，例如管或板的接近程度在确定热路程长度中也变得重要了。可以在不考虑从穿过该反应器的一根或多根热交换管道伸出并与之进行热传递的相邻固体翅片或反应室壁面的形状和大小的情况下测量和确定热扩散路程长度。这些热交换表面，壁面，板或翅片通常也包括在该反应器中定义或形成一个或多个反应室的不透气的反应器模块壁面。

反应器的核心也可包括一个利用多根管子将热传递流体导引通过该反应器，和在板或翅片与一个可透气的壁面间限定的吸附层保持热接触的管翅反应器。在美国专利5,441,716中说明和介绍了这种和其它反应器的例子。

虽然热扩散路程长度是一个非常重要的参数，但是如前所述质量扩散路程长度，即一个致冷剂分子到达或离开一个吸附颗粒或分子的路程长度在按照本发明通过限制体膨胀控制了其中反应产物密度的反应器或反应室中也是十分关键的。为了获得本发明的高反应速度，一台反应器或反应设备必须被设计成能在相当短的时间周期中在吸附剂内移送相当大量的致冷剂。由于这个原因反应器的质量扩散路程长度具有极端的重要性。质量扩散路程长度是通过测量气体进入吸附物质(反应室或模块)的点或面和反应室相对的一端或壁面之间的距离确定的，它代表了在吸附和解吸循环中气体到达和离开配位化合物分子或颗粒所必须走过的最大距离。对于任何大小和形状的反应室，这个尺寸都很容易测量。但是在确定合乎需要的，优选的或最佳的质量扩散路程长度时重要的是必须考虑吸附剂颗粒相对于气体分布装置，即气体通入和离开反应室内吸附剂物质的进气口，出气口等的整个质量。还应注意到致冷剂通过吸附剂物质到达和离开吸附点的流动并不简单地决定于气体对多孔介质的渗透性或穿透能力，也不仅决定于气体对装在有限空间中的致密产物的穿透力。而对本化学吸附反应过程来说配位化合物吸附剂在它配位和吸附气体分子的整个过程中都改变着自己的性质。由于配位作用一般是一种极性气体成一个或多个配位球而被吸附到配位化合物上，吸附速度受到配位格点覆盖率和在吸附过程中因配位的极性气体分子的聚集而形成的对逸来的极性气体分子的屏蔽这二者的影响。因此质量流动路程长度或平均质量扩散路程对于获得本发明的高反应速度和功率密度变得极为重要和关键。于是在任何反应器中不仅应考虑到一个吸附剂颗粒的最大传质距离，而且应该考虑气体到达和离开吸附物质的所有颗粒的平均距离。正如在本文中所使用的，平均质量扩散路程长度或距离被定义为对全部颗粒所取的每个颗粒到一个毗连该化合物的可透气表面，气体入口，出口或其它气体分布装置的最短距离的算术平均值。这样平均质量扩散路程长度 $=\frac{\underset{l=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i}{n}$

其中d_i＝从第i个颗粒到一个可透气表面的最短距离，而n＝颗粒数。

按照本发明对于至少在吸附循环(排料阶段)中在少于大约30分钟，最好是少于20分钟内吸附相当大量的理论上可利用的致冷剂配位球的快速吸附和解吸反应来说，平均质量扩散路程长度为小于15mm，更可取的是大约13mm或更小，而最好是小于8mm。为了满足这个严格要求，反应器或反应室或有吸附剂存在的设备室，以及气体分布组件，即管子，反应器壁，通道，入口，进气口，排气口等最好能设计成使得在这样一台反应器中如上定义的平均质量扩散路程为15mm或更小。对于本文中报道的一组优选的金属盐类而言，优选的平均质量扩散路程长度在3-7mm。在反应器或反应室中最好至少60wt％的金属盐或配位化合物处在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。在美国专利5,441,716中报道了某些特殊的盐类特别优选的平均质量扩散路程长度范围。

由上所述很显然热和质量扩散路程长度这两者可通过选择或设计一个有所需翅片深度和反应室高度的反应室(模块)的反应器来改变或变更。增加翅片计数，或单位反应器长度的翅片数可以增加系统的导热性并降低热路程长度。同样地通过选择或设计一个在交替的吸附和解吸反应阶段中气体反应物可以通过的可透气设备和反应室相对的另一端之间有较长或较短距离的反应器来选择质量扩散路程长度。例如在反应器组合体设计中可以使用附加的沟槽，气体管路或可透气材料，如耐火砖，多孔水泥，多孔塑料，烧结金属或陶瓷，丝网等来增加气体入口和出口的暴露，从而降低质量扩散路程长度。在设计或选择反应器和反应室构型时可以考虑和选择这两个独立参数，从而得到一台有所需热扩散和质量扩散路程长度的反应室，能给出最佳或择优反应速度的反应器。因此能获得本发明所希望的反应速度和功率密度的最佳反应器要具有前面所述的热和质量扩散路程长度。

在设计反应器的中心部分以优化符合本发明要求的反应器模块或反应室尺寸时虽然从反应速度观点看希望选用相对短的气体扩散路程，但热交换器硬件和吸附剂的重量比可能变得不能被接受。为了平衡这些特点，可以采用以下原则。可以用一种有比在配位化合物中低的气体流动阻力的导热和透气材料来制造延伸的传热面。为能获益于此可将反应器中心翅片板本身设计成使气体能通过翅片或板表面直接到达在它们的每一侧或与翅片板接触的吸附剂层中。适合的翅片板材料的例子包括烧结或粉末烧结金属，金属泡沫材料，或高导热的非金属陶瓷或其它多孔材料。使用这种能同时传导热量和分布气体的翅片板，上述的传质距离将不再适用，因为相邻的翅片或板之间的距离将成为所考虑的热和质量传递路程距离这两者。其次当不希望使用可透气的反应器翅片板来同时进行热量和质量传递时，可在反应器翅片板之间的间隔中使用可透气的组件或材料。这种能和固体反应物及气体致冷剂相容的可透气材料可提供低气体阻力，并能大大增强或贡献于在整个固体吸附剂中加强的气体分布。

增加气体在配位化合物中扩散的第三种措施是采用一种加到金属盐中的可透气或多孔材料，将这样的混合物装入反应器的中心部分。有特殊意义的材料是可以和吸附剂盐混合，并具有一种几何特性，因而使气体在盐和配位化合物中能形成定向流动的材料。本文中将这类材料称为气体定向流动混合组分或气体分布混合组合物。可使用这些材料来加强气体或致冷剂到达和离开配位化合物或混合物的吸附位的总传递过程，这种混合物含有配位化合物并包含有加长或延伸的微孔表面，例如微孔管或其它适合的材料几何形状的组分，这些组分能透气，并且在吸附和/或解吸过程中气体传递阻力低于配位化合物吸附剂。在美国专利5,441,716中有对这类材料进一步的说明和介绍。

另一个需要确定的参数是单位反应腔室容积中盐的质量，或加到反应器中的固体散粒金属盐的装载密度，以及为在吸附和解吸气体反应物到达和离开配位化合物时获得最佳或所需反应速度或功率密度而得到的配位化合物反应产物的最佳密度。为能在一台有固定容积的反应器中获得所需或最佳配位化合物密度，加到各反应室中的未反应盐的数量或体积必须是足够的，以使在吸附反应过程中产生配位化合物反应物结构时体积膨胀能使每个反应室或模块被新形成的有所需密度的配位化合物结构组合物所填充。通常所形成的配位化合物的密度要低于初始反应以前盐的密度，虽然完全被吸附的配位化合物的密度经常较高。配位化合物的密度也会随操作条件，即压力和温度而变化。每种盐和配位化合物在不同的温度和压力下的反应多少有些不同。因此必须要考虑这些操作条件，以及配位化合物的平衡压力和趋近压力。所以在这些操作条件下每种配位化合物的最佳密度也必须被独立确定。按照本发明，用于在热交换器空腔中和氨反应的吸附剂盐的装料密度最好在大约0.2-1.0g/cc，尤其是大约0.3-0.8g/cc，但是对于有高堆积或倾倒密度的盐类，装料密度可超过1g/cc，特别对于有相对高分子量的吸附剂。但是按照本发明这些密度范围也必须考虑以上报道的热和质量传递参数。因此在上述范围中选择的盐密度将被用在一台有以上所述的热扩散路程长度和/或质量扩散路程长度的反应器或反应室中。在上述美国专利5,441,716的表1中给出了某些特定的用于氨致冷剂的盐类优选的装料密度范围。

下面给出最优先选用的CaBr₂，SrBr₂，CoCl₂，FeCl₂和FeBr₂盐的含氨配位化合物的密度，质量扩散路程长度和热量扩散路程长度。密度数值是对NH₃的配位作用步骤的整个范围中的配位化合物而言的。所给出的压力是一台系统蒸发器一般使用或碰到的压力，或一台解吸反应器到另一台系统反应器，或一台冷凝器或其它吸附反应器的压力。密度值以g/cc，平均质量扩散路程长度和热扩散路程长度值以mm为单位表示。如果盐的装料密度超过会导致对完全气体吸收来说不充分的体积的数值，实际气体吸收可能低于该配位步骤。

                表II配位化合物    压力(psia)          最优范围    优选范围FeBr₂和CaBr₂＞40        密度    0.5-0.8     0.4-0.8·2-6(NH₃)            质量     3-6         2-8

                     热量     0.6-3       0.5-4FeBr₂和CaBr₂ ＜40    密度        0.5-0.8     0.4-0.8·2-6(NH₃)          质量        3-6         2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4FeBr₂和CaBr₂ ＜10    密度        0.4-0.7     0.3-0.7·2-6(NH₃)          质量        3-6         2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4

SrBr₂       25-   密度        0.5-0.9     0.5-1.1·2-8(NH₃)    40    质量        3-6         2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4SrBr₂      ＜25    密度        0.4-0.9     0.4-1.1·2-8(NH₃)          质量        2.5-6       2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4CoCl₂      ＞40    密度        0.4-0.8     0.3-0.8·2-6(NH₃)          质量        3-6         2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4CoCl₂      ＜40    密度        0.3-0.8     0.2-0.8·2-6(NH₃)          质量        3-6         2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4CoCl₂      ＜      密度        0.2-0.7     0.15-0.7·2-6(NH₃)    15    质量        2.5-6       2-8

                   热量        0.6-3       0.5-4FeCl₂      ＞40    密度        0.4-0.8     0.3-0.9·2-6(NH₃)          质量      3-6       2-8

                 热量      0.6-3     0.5-4FeCl₂      ＜40    密度      0.3-0.8   0.2-0.8·2-6(NH₃)          质量      3-6       2-8

                 热量      0.6-3     0.5-3

通过优化热扩散和质量扩散路程长度以及配位化合物密度对反应速度产生的具体改进引起反应器经济性的重大改进和提高。这种改进显著地影响了配位化合物的效率，并相伴随地影响了在一个给定的反应循环周期中系统或设备所能提供的能量数量。例如在某些设备应用中大约10-15摩尔/摩尔·小时的反应速度意味着半循环周期为大约10-12分钟，即为从配位化合物吸附或解吸所需数量的气体配位体需要10分钟时间。相比之下25-35摩尔/摩尔·小时的反应速度意味着半循环周期为大约5-7分钟，因此在给定的操作时间周期中从这个系统中可以得到大约加倍的能量。采用如前所述的优化反应器所得到的高反应速度不仅能持续短循环周期，而且能持续长达20分钟，或更长的周期。因此6摩尔/摩尔·小时以上，一般10-20摩尔/摩尔·小时的反应速度可以持续至少6分钟，一般长达12-15分钟，而对某些反应可长达20-30分钟。上述反应速度值是根据到反应进行完全或换言之反应被终止时对反应速度的平均所取的平均值。

本发明的在吸收反应过程中配位化合物的体膨胀受到限制的反应器在反应时间为30分钟或更短时每分钟每cc吸附剂能吸收，即吸附和解吸至少0.02克(20毫克)NH₃。并且在反应时间被限制到30分钟或更短时这种反应器每分钟每cc总反应器包围容积能吸收0.01克(10毫克)NH₃，即在加压反应器壳体的总容积内，如果在短于30分钟内达到饱和，此过程可受吸收可能提早完成所限制。

反应速度一般决定于反应完成的程度。可用如下形式的公式来描述反应随时间的进程：

                  ΔN＝ΔN_max(l-e^-kt)式中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)(本文称k为反应常数)。

上式使用了可用于本发明的配位化合物吸收反应的术语和单位。反应常数k表述了任何时刻反应进程对时间的依存关系。可从一个包含k和时间的表达式中得到反应速度：

式中仍使用对本文所述吸收反应来说方便的单位。作为使用这些公式的一个例子，在1-8步中SrCl₂·NH₃可配位多达7摩尔的氨，因此ΔN_max为7。当时间为6分钟(360秒)，k值为0.004秒^-1时ΔN为5.3摩尔氨每摩尔盐。至此在6分钟内反应的进行要求在这6分钟周期中平均速度为53摩尔/摩尔·小时。反应常数为0.0004时在6分钟内得到的ΔN为0.94，或平均反应速度为9.4摩尔/摩尔·小时。对使用任何盐的任何吸附器构造，如果给定反应常数(k)，很容易确定在任意时刻的反应完成程度和反应速度。被吸附的致冷剂的实际量确实决定于吸附步骤，ΔN_max的大小。本发明可得到的吸附速度导致了以下反应常数的最小值：

ΔN_max                  k到4.5摩尔/摩尔          0.00044.5-6摩尔/摩尔          0.0003超过6摩尔/摩尔          0.0002

这种确定反应速度的方法可用于小于大约30分钟的吸附和/或解吸周期。

开始时在盐上吸附少量的一种不同于将用于配位化合物的气体反应物的气体配位体可以进一步加强这些盐的反应活性。可以使用上述任何极性气体反应物，特别优选的是水，氨，低分子量脂族醇类，胺类，或膦。加和物的数量最好在盐重量的大约0.05-10％。为此目的使用含有被吸附在盐上的少量但却是有效数量的水的水合盐是令人满意的。

图1和2的设备被设计成在一种选择性间歇基础上进行操作，有时被称为“分批”操作。对于这种操作，设备的装料是通过从一台或多台反应器中的配位化合物解吸极性致冷剂，并在冷凝器或储罐，或在蒸发器中冷凝和聚集被冷凝的致冷剂气体，直到设备将被用于冷却或冷冻操作。在开始冷冻操作以前最好将已被装料，解吸的吸收器冷却到环境温度或接近环境温度，以接近配位化合物的平衡。在间歇操作中由于仅仅在吸附过程中实现快速冷冻，所以与解吸速度相比，很快的吸附速度相对讲是更重要的。但为得到较快的再生，也需要提高解吸速度。

在图1中表示了快速冷却或冷冻设备12机箱的一块背板或侧板28，在它上面安装或设置有一台反应器14，冷凝器16和储罐21。管道18将从反应器14解吸的极性气体送到冷凝器16。在管道18上设有一个止回阀13，或其它可选择性地操作，即手动或靠电磁操作的阀门。在所示的优选实施方案中，该设备包括一台用来接受或聚集从冷凝器16经过管道22来的被冷凝的致冷剂的储罐21。该储罐被设置在冷凝器下方，可以靠重力进行冷凝致冷剂的加料。设有风扇15和19分别用于帮助冷却冷凝器和反应器。管道17将冷凝的致冷剂从储罐送到蒸发器去。如果不使用储罐，冷凝的致冷剂就直接从冷凝器流到蒸发器去。在图2中示出了安设在冷却室26内部的蒸发器20，用风扇24来循环与蒸发器20的传热表面组件热接触的冷却室空气。设有一个阀门25，用来控制在储罐21和蒸发器20之间致冷剂的流动。该阀门可以是一种膨胀阀，即一个恒温膨胀阀，或一个电磁阀，或其它适于控制到蒸发器的致冷剂流动的阀门。致冷剂气体从蒸发器20通过单向阀27经管道29流到反应器14进行吸附。如果使用一种液体过量进料或溢流型蒸发器，则设备的操作是在开始一个冷冻循环以前将一批致冷剂加料到蒸发器，并在蒸发器和反应器之间的管道29上用一个选择操作切断阀23来选择性地开始和停止一个冷冻循环。

虽然只画出了一个单一蒸发器和冷凝器，但也可将该设备设计成包括两台或多台蒸发器和/或两台或多台冷凝器，尤其像在下文中将进一步介绍的当使用了许多反应器或反应器组时。用另一种方法，正如美国专利5,186,020所述该设备可以包括由单独一台在蒸发器和冷凝器功能间交替变更的热交换器组成的蒸发器和冷凝器设备，在此将该专利引为参考。但是这样一种实施方案通常仅适用于一种分批或间歇操作设备，在这种设备中吸收器被直接冷却，即被空气冷却，这样就不再利用或需要靠冷凝器功能来排出吸收器的热量。

在操作中为了对图1和2实施方案的设备进行装料，将阀13打开，并加热反应器14中的配位化合物，使吸附在配位化合物上的氨或其它极性气体致冷剂解吸。解吸的致冷剂经管道18流到冷凝器16。接着将致冷剂冷凝液收集并保存在冷凝器或储罐中，直到该设备被用于快速冷却或冷冻。如果使用一种液体过量加料或溢流式蒸发器，冷凝的致冷剂则流到并聚集在该蒸发器中。如果在开始冷却或冷冻循环之前将反应器冷却可使性能得到改善。这样在开始冷却/冷冻操作以前最好使反应器冷却到环境温度或接近环境温度，以使设备得到“均衡”。这是通过关闭阀门25，同时使风扇19运转，以帮助冷却反应器而实现的。根据所用配位化合物，解吸过程中的反应器温度等的不同，均衡时间可能从大约30秒到几分钟上下。吸收器的冷却是极为有益的，并能大大改善其吸附效率，即配位化合物(盐)吸附剂对气体致冷剂的的吸附速度。

通过供电给各风扇和打开阀25可选择性地开始已装料(解吸)设备的快速冷冻操作。可提供一个开关11或其它开启设备以开始选择性快速冷却或冷冻操作，借此打开阀门25，给风扇19和24供电，使冷凝的致冷剂经阀25流过蒸发器20，并回到反应器14，在那里被吸附。此操作可一直继续到所有聚集的致冷剂凝液都被蒸发并在反应器14中被吸附，抑或可通过关闭阀25，或用另外方法终止致冷剂流向和流出蒸发器20而中断此操作。可以配合管道17和阀门25使用各种设施，例如一个或多个阀门或闸阀，连同控制器，以便如前所述开始以及中断致冷剂在储罐和蒸发器之间，以及从蒸发器到反应器的流动。该设备一般还可包括有在操作上和控制器相连接的开关11的切换设施，以便如前所述通过加热反应器14中的配位化合物来开始装料阶段。例如可提供许多开关或控制器，一个用于开始装料阶段，另一个用于开始快速冷却或冷冻操作(排料阶段)。可以和用于计量或按需要调节致冷剂凝液从冷凝器到蒸发器的流动，以保持冷却室中所需温度的适合的装置，例如阀门或闸阀可使用其它部件，例如一个用于自动控致冷却室26中温度的恒温器。为进行蒸发器的解冻，或冷却室中冷冻物品，食品或产品的部分解冻，可以使热的解吸极性气体流过蒸发器，或可提供电阻加热元件。这些和其它相当的解冻部件是致冷领域的技术人员所熟悉的。

虽然在图1中表示了一个单一的反应器14，但可以使用许多这样的反应器或许多反应器组，这些反应器或反应器组中的每一台同时或顺序动作，在冷却或冷冻操作过程中吸附来自蒸发器的极性气体，并在装料阶段解吸气体致冷剂。在美国专利5,161,369中介绍了一种适合的使用两台反应器的设备设计，在此将其引为参考。也可以和所需的管道一起使用适合的阀门，以便将气体引向各台反应器。还可以为一台或多台反应器提供加热设备，例如内阻加热元件，它们在装料阶段被通电时加热配位化合物，并推动解吸反应。另外可以使用其它加热配位化合物的设备来推动解吸过程，例如象在前述专利和申请所报道，并为本领域技术人员所熟悉的利用外部加热设备，燃烧器，锅炉等的热量。气体燃烧器，特别是丙烷，丁烷或天然气燃烧器可能特别适用于本文所介绍的家用设备。

多反应器设备可以使用装有相同配位化合物并按如上所述操作的多台反应器，或可使用装有不同配位化合物的许多台反应器。这种实施方案规定在一台反应器中使用一种高压高效的配位化合物吸附剂，以便使初始蒸发温度迅速降低，接着分别在一台或多台其它反应器中使用一种或多种低压配位化合物吸附剂，以获得所需的最终蒸发器温度。这种多反应器或反应器组系统可以使不同反应器按时间顺序操作，或使吸附循环重叠操作，乃至使用平行的反应循环，因为不同配位化合物各自的反应速度如果选择得当的话会得到所需的设备冷却曲线。如果硬件，包括蒸发器和其它设备冷却部件的初始温度为环境温度或接近环境温度，即一般为大约20-35℃的室温时，这种实施方案是非常有利的。这样本实施方案的一台设备可以使用例如一个二反应器系统，每台反应器用一种不同的配位化合物，或一个三或多反应器系统，用三种或多种不同的配位化合物，每一种有一个不同的蒸气压。虽然多于三反应器，有三种化合物的反应器组系统也在考虑之中，但这些系统可能多少有些不切实际。优选的高压配位化合物是那些在氨和CaCl₂，CaBr₂，SrCl₂，SrBr₂，MgCl₂，MgBr₂，MnCl₂或MnBr₂之间形成的化合物。优选的低压配位化合物是那些氨和CaBr₂，SrBr₂，CoCl₂，CoBr₂，FeCl₂，FeBr₂，MgCl₂，MgBr₂，MnCl₂或MnBr₂的化合物。可用于这种实施方案的配位化合物的不同组合的例子包括(a)SrCl₂·1-8(NH₃)/SrBr₂·2-8(NH₃)，(b)SrBr₂·2-8(NH₃)/CaBr₂·2-6(NH₃)，(c)SrBr₂·2-8(NH₃)/CoCl₂·2-6(NH₃)，(d)SrCl₂·1-8(NH₃)/SrBr₂·2-8(NH₃)/CaBr₂·2-6(NH₃)。在这些例子中第一种配位化合物是被用在第一反应器或反应器组中进行初始吸附的高压化合物，接着是第二(和第三)种化合物在它们各自的反应器或反应器组中进行的顺序，重叠或平行吸附。在第一反应器中的吸附通常是非常迅速的，这样就要求化合物具有如前所报道的高吸附速度效率。在本实施方案的系统操作中，在达到所需的最终或最低蒸发器温度以前，第一反应器吸附至少已取得明显进展或事实上已完成，并且第二(和其后的)反应器吸附通常已开始。这样第一配位化合物能够吸附使蒸发器温度例如从室温冷却下降至-10℃，其后在第二反应器中的致冷剂吸附至少要占优势，使蒸发器冷却到大约-30℃或其它需要的低端温度。根据美国专利Re.34，259所报道的温度范围可以选择其它配位化合物和组合方式，该专利的叙述被引为参考。在本实施方案的一个二反应器或反应器组设备中，操作或操作时间(吸附)可根据盐类的选择，所需操作温度等在反应器之间进行划分，初始的高压化合物吸附通常占据为完成所需的最终产品冷冻/冷却过程所需的总吸附过程或操作时间的不到50％，尽管也可以采用50％或更多的初始反应器操作过程或时间。这种设备将包括为控制和实现所要求的设备冷却操作和功能，包括如果选择顺序模式，在不同反应器中提供顺序吸附而逐步冷却蒸发器和产品所必须的控制器，定时器，加热器和阀门等。

在另一种实施方案中，该设备可包括一对或多对反应器的操作，以提供在延长的时间中的快速冷却或冷冻，和/或连续冷却或冷冻。这种设备事实上可按在我们前述的美国专利5,161,369中所示进行配置，并按其中所述进行操作，在此将该专利的叙述引为参考。这种设备也可如前所述包括一台聚集来自冷凝器的冷凝的致冷剂的储罐。在这种操作中，成对的反应器或反应器组中的一台吸附来自蒸发器的致冷剂蒸气，而该对的另一台反应器或反应器组则将致冷剂解吸到冷凝器中进行装料。这样每台反应器事实上和前面所述的单一反应器系统一样操作，反应器各自在一个不同的交替吸附和解吸半周期中同时操作，即非同相位操作。

其它相当的设备可被用来代替前文所述的膨胀阀，在图5和6中表示了它们的实例。这两套设备在一个浮子室中采用了浮子控制，以驱动或操作一个阀门使液体致冷剂加料到蒸发器组件中去。在图5中一个浮子系统包括一个浮子室55，在浮子室中浮子52浮在浮子室中的液体致冷剂表面，因而可以上下运动。浮子由任何适合的对致冷剂为惰性的轻质材料制成。当致冷剂是比重低到0.55的氨时，适合的浮子材料的例子包括聚丙烯和尼龙。一块磁铁54嵌在或附在浮子52上，传感器56检测到它时便操作电磁阀58。电磁阀包括一个在液体致冷剂进料管道17和浮子室55之间的小孔。电磁阀打开和关闭这个小孔。当浮子室中的液体致冷剂液位下降，浮子移过传感器时电磁阀被驱动，阀门打开，使液体致冷剂流入该室。浮子室还起一种汽液分离器的作用，以防止液氨进入吸入管线或管道29，该管道例如像在图2中所示通向在蒸发器和反应器之间管线上的止回阀。

图6说明另一种用在蒸发器组件60中的浮子控制设备，可称其为一种“触须”阀和浮子设备。在这种设备中一根加长的丝或“触须”64的一端附在一个柱塞65上，柱塞在一个弹簧67的作用下偏压或受压于阀座62上。在浮子室66中放置一个浮子68，因而当浮子室中的液位较低时浮子接触到触须64相对于阀座的另一端。在浮子室中致冷剂液位低到使浮子68座在触须64相对于阀座的另一端，使触须移动，造成柱塞65相对于阀座62产生偏移或倾斜，因而使液体致冷剂从管道17进入浮子室。也可以用机械或物理方法将浮子连接或固定到触须上，这样就可以将触须定位在浮子上面。图示部件的其它物理变更可被用来实现相同的目的和功能。采用图6所示的浮子控制的一个好处是取消了液位传感器和电磁阀，并可优先选用在小型冷却/致冷设备中。图5和6中所示的浮子控制阀和蒸发器部件中的任何一种都可被使用在图1和2所示的设备中。

上述设备，不管是被设计用在间歇操作中的一种单一或多反应器设备，或是被设计用于连续冷却/冷冻的成对反应器，它的重要特点在于采用装有配位化合物，或配位化合物混合物的反应器，有如前所述的增加反应速度的能力。如果需要，有可能以超过6摩尔/摩尔·小时的平均反应速度进行这类反应至少6分钟。在一种被解吸的条件下，这类配位化合物能在少于30分钟，尤其是在大约3-20分钟的操作时间中以超过15摩尔氨每摩尔小时配位化合物的吸附速度吸附其保持容量至少50％的极性气体。当需要最高冷却或冷冻能力时，在所述时间中需要有20摩尔/摩尔·小时或更高的反应速度。由于有这样高的反应速度，依被冷冻的物品的一致性和密度不同，本发明的设备能在大约20分钟或更少的时间内将大多数在低于大约80°F(27℃)的环境温度下的食品或组合物冷冻。但是不管试样的大小和组成，以及初始试样温度，冷冻时间都明显少于常规冷冻机。可将用本发明的设备迅速冷却和/或冷冻的食品或其它物品，原料或组合物当作“冷却负荷”的一部分，除这些物品外冷却负荷还包括蒸发器，冷却室壁面和室中的空气。

上述快速冷冻设备，无论是单一或多反应器设计还都可被用于延长冷却/冷冻操作。这样一旦放在冷却室中的食品等被快速冷冻或冷却，就可通过该设备的持续操作将其保持在所要求的冷冻或冷却温度。可以安装用于这种操作的适合的恒温监示器和控制部件，包括一旦达到内容物的一个选定温度，为将物品保持在一个所要求的温度下而自动切换到持续操作(连续式或间歇式)的部件。这种持续操作可以如前所述以一种单一反应器(吸收器)设备，或采用同相的多反应器操作，或异相多反应器操作的形式提供和实现。

图3和4表示了本发明的快速冷却或冷冻设备的另一种实施方案，其中前述实施方案中的蒸发器已被一台反应器组件所替代。更确切地说，在图3和4中所图示的设备包括一台或多台内反应器，即位于冷却室中的反应器或与冷却室有热接触或热交换的反应器，以及一台或多台不在冷却室中，一般在设备的机箱或容器外面的第二反应器。第一和第二反应器组件的每一个包括一台或多台单一反应器，最好是许多一般有许多加长的装有配位化合物的反应器芯或管子的反应器。在图4中第一反应器组件或多台第一反应器42装设在设备中，热暴露于冷却室46。热暴露可以是如图所示直接的，或是间接地包括一台或多台适合的热交换器。在图3中第二反应器32事实上如图所示未热暴露于冷却室，而是例如固定在设备外面暴露于周围的空气，进行对流冷却，也可以利用风扇等来帮助冷却。最好将外部的第二反应器32设计成被周围空气有效地冷却。第二反应器还包括加热配位化合物的加热设施，以驱动解吸反应。可以使用如前所报道的电阻加热元件，或可用气体燃烧器等产生的热量。虽然不需要包括配位化合物的加热设施，但第一冷却反应器52可具有相似的结构。该设备还包括一台风扇45或在冷却室中使空气循环通过冷却反应器表面的其它空气处理设施，以及在第一和第二反应器之间引导极性气体致冷剂流动的管道35和阀门34。设置了集管33和37以便引导和分散极性气体到达和离开各反应器。用于选择性驱动或开动该设备的开关41最好包括，为第二反应器32的加热器通电，打开和关闭阀门34，并为风扇45通电的控制器，定时器等，所有这些按合适的时间顺序进行，以便选择性地开始和终止本设备的操作。

在这种实施方案中，重要的是在各个第一和第二反应器中的配位化合物要有一个平衡温度差。“平衡温度差”一词被用来表示在相同或大体上相同的操作压力下，在本发明的设备中一般在大约0.1和35巴之间，任何两种不同的配位化合物平衡温度间的差值。这一平衡温度差将保证为能在放热的致冷剂吸附过程中排出热量而有足够的实际温升，但仍处在实际和安全范围中。被选用于第一冷却反应器的配位化合物为BaCl₂，CaCl₂和SrCl₂，的氨配合物，它们可被称为高压低温配位化合物。特殊的配位化合物包括BaCl₂·0-8(NH₃)，CaCl₂·4-8(NH₃)，CaCl₂·2-4(NH₃)，或SrCl₂·1-8(NH₃)。在第二反应器中优选的配位化合物包括LiCl·0-3(NH₃)，SrBr₂·2-8(NH₃)，CaBr₂·2-6(NH₃)，CaCl₂·0-1(NH₃)，CaCl₂·1-2(NH₃)，CaCl₂·2-4(NH₃)，CoCl₂·2-6(NH₃)，SrCl₂·1-8(NH₃)，NiCl₂·2-6(NH₃)，FeCl₂·2-6(NH₃)，FeBr₂·2-6(NH₃)，SnCl₂·0-2.5(NH₃)或NaBF₄·0.5-2.5(NH₃)。

为操作图3和4的设备，通过加热高温低压第二反应器32中的配位化合物使极性致冷剂解吸，使其通过管道35和已被选择性打开的阀门34流到第一反应器42来进行系统的装料。在此加料阶段中极性气体致冷剂被吸附到第一反应器中的配位化合物上，第一反应器因放热的吸附反应而变热。因此最好在该设备不被用来冷却的时间中进行系统的装料。设备设计可包括与风扇45配合的放气窗或翻板阀，将外面的环境空气引入和排出冷却室以便在加料阶段中冷却吸附反应器，或直接引向未安装成直接暴露在冷却室中的反应器进行冷却。在装料完成后关闭阀34，使系统冷却到室温或接近室温条件。为开始冷却或冷冻，可通过手动开关41，或靠自动开关的定时和/或控制功能的指令打开阀34。由于在第一和第二反应器中不同配位化合物间的平衡压力差，第一反应器中的配位化合物因吸热反应被解吸时从第一反应器42吸出极性致冷剂，为冷却室46提供冷却作用。解吸的极性致冷剂在第二反应器32中被吸附，吸附反应产生的热量被排放到冷却室外面的环境中。这种实施方案的要点还是配位化合物快速吸附和解吸的能力，利用它可以在相对短的时间周期中获得显著的冷却。虽然可以通过前述公式确定配位化合物的反应速度，但在本实施方案中冷却室中吸附器的解吸反应速度是重要的。此外和蒸发器相比这种冷却反应器有更大的热质量。因此为得到相同的性能，在一种被吸附的条件下冷却室中的配位化合物应能在30分钟或更短的时间内以大约8-10摩尔氨每摩尔小时配位化合物的解吸速度解吸至少50％的极性气体。在美国专利5,271,239中报道了配位化合物优选配对的补充叙述。也可使用一个恒温器或其它温度控制器来调节阀34，以控制致冷剂从第一反应器42中解吸的速度，从而控制该设备的冷却温度。虽然在图3和4的实施方案中只表示出一对第一和第二反应器，这种设备可包括两对或多对，每一对在相对或相反的循环中操作。

可以选择任何上述设备中冷却室的大小以满足任何使用要求，例如家庭或休闲设备，一般在大约2-40立升之间，冷却功率大约在50和1500瓦之间，以及放大到较大的冷冻机系统，或缩小为较小的设备，例如为实验室使用，为快速冷却或冷冻试管，或小型器具，如制冰块机，制冰冻茶机，饮料冷却机，例如用于快速冷却酒瓶，制冰冻饮料等。作为与如图所示的主要靠对流冷却设计的典型的蒸发器不同的另一种方式，也可将用于任何上述设备实施方案的蒸发器设计成靠接触冷却/冷冻。因此可以将蒸发器的形状设计成和一个存放要被快速冷冻的组合物或物品的容器有很大接触，或相反也可使其具有适合于和要被冷冻的产品或物品保持直接接触的形状。采用多少有些伸缩性的或可成形的金属或塑料蒸发器盘管，通过成型或铸模以增加与物品，产品或容器的接触，也可以使这种接触得到加强。另一方面也可将该设备设计成使蒸发器在冷却室外面，和冷却室内部保持热交换接触。可以采用本领域技术人员熟悉的其它特殊的设备设计和特点。该设备也可以是一个组合设备的一个组件，这种组合设备可如前所述被用于快速冷却和/或冷冻，同时兼有一台微波炉的功能。在美国专利5,161,389中介绍了这种实施方案。也可将该设备和一台传统的致冷机和/或冷冻机组合起来。例如本发明的设备可以是传统的蒸汽压缩或吸收致冷机或冷冻机的一个附属设备，或作为一个积成部件组合到传统设备中，用快速冷却/冷冻设备的冷却室作为传统设备冷却或冷冻隔室的一个子隔室，即类似于一台制冰机组合体。这种实施方案的一个优点是使本发明设备的冷却室和它的冷却部件，例如蒸发器，壁面等暴露于传统设备的冷隔室而将其预冷却，这样可以改善快速冷却/冷冻设备的效率，并且特别当传统冷冻机的蒸发器同时操作能帮助快速冷冻/快速冷却时甚至可进一步减少快速冷冻所需的时间。这种设备可包括将被快速冷冻的物品从快速冷冻子隔室自动出料到传统冷冻机隔室中的分送设施，例如抽屉，滑道，托盘等，以及控制器和操作部件。本发明的这些以及上述其它一些使用和优点被认为是在本文所公开的本发明的权利要求范围中。

Claims (83)

1.一种能提供快速冷却和/或冷冻的设备，包括：

(a)一个在其中有一个冷却室的机箱或容器；

(b)一台或多台反应器，每台装有一种通过在一种金属盐上吸附

一种极性气体而形成的配位化合物，在反应器中所说极性气

体在所说配位化合物上被交替地吸附和解吸，所说金属盐包

括一种碱金属，碱土金属，过渡金属，锌，镉，锡或铝的卤

化物，硝酸盐，亚硝酸盐，草酸盐，高氯酸盐，硫酸盐或亚

硫酸盐，或氟硼酸钠或一种双金属氯化物，或它们的混合物，

而且其中在所说的一台或多台反应器中的所说配位化合物是

通过在所说极性气体在所说金属盐上的所说吸附作用过程中

限制它们的体膨胀和控制它们的密度而形成的，因此所说配

位化合物与一种不限制其体膨胀和不控制其密度而形成的配

位化合物相比可具有在分别少于60分钟的吸附或解吸时间

中以每摩尔所说配位化合物在每小时中所吸附和/或解吸的

所说极性气体摩尔数为单位表示的增加的反应速度，而且其

中在一种被解吸的条件下的所说配位化合物能以一个足以在

大约30分钟或更短时间内实现快速冷却或冷冻的速度吸附

所说极性气体；

(c)用于冷凝极性气体的冷凝器装置和热暴露于所说冷却室以便

在其中提供冷却的蒸发器装置，以及与它们配合以便将所说

极性气体从所说一台或多台反应器引向所说冷凝器装置，和

从所说蒸发器装置引向所说一台或多台反应器的管道和一个

或多个阀门；以及

(d)和所说一台或多台反应器配合以便加热其中的所说配位化

合物的加热装置。

2.权利要求1的设备，其中所说一台或多台反应器包括一个或多个最大平均质量扩散路程长度小于大约15mm的反应室。

3.权利要求2的设备，其中所说一个或多个反应室有一个在大约0.6-3mm之间的最大热扩散路程长度，一个在大约2.5-7mm之间的最大平均质量扩散路程长度，并且所说盐或所说配位化合物有一个在大约0.2-0.9g/cc反应室容积之间的密度。

4.权利要求2的设备，包括许多沿所说反应器延伸并和所说金属盐发生传热的传热翅片，其中所说翅片间的距离为2.8mm或更小。

5.权利要求2的设备，其中所说一个或多个反应室的最大热扩散路程长度小于大约4.5mm。

6.权利要求2的设备，其中所说配位化合物或所说金属盐有一个在所说反应器中的在大约0.2-1.0g/cc反应室容积之间的密度。

7.权利要求2的设备，包括在所说一个或多个反应室中引导所说极性气体到达和离开所说金属盐或所说配位化合物的气体分布装置，并且其中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

8.权利要求2的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

9.权利要求2的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

10.权利要求2的设备，其中所说金属盐和所说配位化合物分别包括一种它们的混合物，其中一种可透气混合组合物有一种微孔表面，以便将所说极性气体分散在所说混合物中。

11.一种权利要求1的冷却设备，其中所说一台或多台反应器包括一个或多个最大热扩散路程长度小于1.5mm的反应室。

12.权利要求11的设备，包括在所说反应室中引导所说极性气体到达和离开所说金属盐或所说配位化合物的气体分布装置，并且其中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

13.权利要求11的设备，其中所说一个或多个反应室的最大平均质量扩散路程长度小于大约15mm。

14.权利要求11的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

15.权利要求11的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

16.权利要求11的设备，其中所说金属盐和所说配位化合物分别包括一种它们的混合物，其中一种可透气混合组合物有一种微孔表面，以便将所说极性气体分散在所说混合物中。

17.权利要求1的设备，其中所说一台或多台反应器包括一个或多个反应室，在反应室中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

18.权利要求17的设备，其中所说一个或多个反应室的最大热扩散路程长度小于1.5mm。

19.权利要求17的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

20.权利要求17的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

21.权利要求1的设备，包括与其配合的为提供在所说冷凝器中选择性聚集被解吸和冷凝的极性气体，以及为选择性地将所说极性气体从所说冷凝器引向所说蒸发器和所说一台或多台反应器进行所说吸附的阀门装置和控制装置。

22.权利要求1的设备，其中在一种被解吸条件下的所说配位化合物能在30分钟或更短的时间里以一个至少15摩尔每摩尔小时所说配位化合物的速度吸附其气体保持能力至少50％的所说极性气体。

23.权利要求1的设备，其中所说配位化合物能在大约3-20分钟之间以至少20摩尔每摩尔小时所说配位化合物的速度吸附所说极性气体。

24.权利要求l的设备，其中所说极性气体是氨，并且其中所说配位化合物能分别吸附和/或解吸至少0.02克氨每cc每分钟吸附或解吸循环时间。

25.权利要求1的设备，其中所说极性气体是氨，并且其中所说配位化合物能吸附和/或解吸至少0.01克氨每分钟每cc总反应室容积。

26.权利要求1的设备，包括一个用于接受和聚集来自所说冷凝器设备的被冷凝的极性气体的储罐，以及引导被冷凝的极性气体从所说冷凝器装置到所说储罐和从所说储罐到所说蒸发器装置的管道。

27.权利要求26的设备，包括一个或多个与所说管道相配合的用于选择性地终止冷凝的极性气体从所说储罐到所说蒸发器装置的流动的阀门。

28.权利要求2的设备，其中所说阀门中的一个是用于选择性地终止极性气体从所说蒸发器装置到所说一台或多台反应器的流动的。

29.权利要求26的设备，其中所说阀门中的一个是用于选择性地终止极性气体从所说蒸发器装置到所说一台或多台反应器的流动的。

30.权利要求1的设备，其中所说阀门中的一个是用于选择性地终止冷凝的极性气体从所说冷凝器装置到所说蒸发器装置的流动的。

31.权利要求27的设备，包括一台单一反应器。

32.权利要求1的设备，包括一对所说反应器，以便分别在相反的吸附/解吸半循环中同时操作。

33.权利要求1的设备，包括一个与一条管道和所说蒸发器相配合的浮子控制装置，以便将冷凝的极性气体加料到所说蒸发器中。

34.权利要求33的设备，其中所说浮子控制装置包括一个在其中有一个浮子的浮子室和一个受所说浮子移动所驱动的阀门，以便根据所说浮子在所说浮子室中的位置将冷凝的极性气体引到所说蒸发器。

35.权利要求1的设备，其中所说冷凝器装置包括一台或多台冷凝器，同时所说蒸发器装置包括一台或多台蒸发器。

36.权利要求1的设备，其中所说冷凝器装置和所说蒸发器装置包括一台交替地起一台冷凝器和一台蒸发器作用的热交换器。

37.权利要求2的设备，其中所说配位化合物是CaBr₂·2-6(NH₃)，所说盐或配位化合物的密度是0.4-0.8g/cc，平均质量扩散路程长度是3-6mm，而热扩散路程长度是0.6-3.0mm。

38.权利要求2的设备，其中所说配位化合物是SrBr₂·2-8(NH₃)，所说盐或配位化合物的密度是0.4-0.9g/cc，平均质量扩散路程长度是2.5-6mm，而热扩散路程长度是0.6-3mm。

39.权利要求1的设备，其中所说配位化合物是CoCl₂·2-6(NH₃)，所说密度是0.2-0.8g/cc，所说平均质量扩散路程长度是2.5-6mm，而所说热扩散路程长度是0.6-3mm。

40.权利要求1的设备，其中所说配位化合物是FeCl₂·2-6(NH₃)，所说密度是0.3-0.8g/cc，所说平均质量扩散路程长度是3-6mm，而所说热扩散路程长度是0.6-3mm。

41.权利要求1的设备，其中所说配位化合物是FeBr₂·2-6(NH₃)，所说密度是0.3-0.8g/cc，所说平均质量扩散路程长度是3-6mm，而所说热扩散路程长度是0.6-3mm。

42.权利要求1的设备，包括一台或多台装有一种第一配位化合物的第一反应器和一台或多台装有不同于所说第一配位化合物的一种第二配位化合物的第二反应器，并且其中所说第一配位化合物有一个高于所说第二配位化合物的蒸汽压。

43.权利要求42的设备，其中所说第一配位化合物包含一种含氨的选自CaCl₂，CaBr₂，SrCl₂，SrBr₂，MgCl₂，MgBr₂，MnCl₂和MnBr₂的金属盐。

44.权利要求42的设备，其中所说第二配位化合物包含一种含氨的选自CaBr₂，SrBr₂，CoCl₂，CoBr₂，FeCl₂，FeBr₂，MgCl₂，MgBr₂，MnCl₂和MnBr₂的金属盐。

45.权利要求42的设备，包括一台或多台装有一种不同于所说第一和所说第二配位化合物，并具有一个低于所说第一和所说第二配位化合物的蒸气压的第三配位化合物的第三反应器。

46.一种操作权利要求42的设备的方法，包括在所说一台或多台第一反应器中吸附所说极性气体，以便将一个热载荷初始冷却到一个第一温度，以及在所说一台或多台第二反应器中吸附所说极性气体，以便将所说热载荷冷却到一个低于所说第一温度的第二温度。

47.一种操作权利要求45的设备的方法，包括分别在所说第一，第二和第三反应器中吸附所说极性气体，以便逐渐冷却一个热载荷。

48.一种操作权利要求1的设备的方法，包括：

(a)加热在所说一台或多台反应器中的所说配位化合物，并从中将

   所说极性气体解吸到所说冷凝装置中去；以及

(b)选择性地将所说冷凝的极性气体引到所说蒸发器装置，并在其

中蒸发所说极性气体以冷却所说冷却室，将所说极性气体从所

说蒸发器装置引到所说一台或多台反应器，并以足以在30分

钟或更短时间内实现快速冷却或冷冻的速度在反应器中的所

说配位化合物上吸附所说极性气体。

49.权利要求48的方法，包括引导和在所说蒸发器装置中聚集被冷凝的极性致冷剂，并驱动一个关闭阀终止致冷剂从所说蒸发器到所说一台或多台反应器的流动，使所说一台或多台反应器冷却，并选择性地打开所说关闭阀以开始一次冷却操作。

50.权利要求48的方法，其中所说吸附在一种被解吸的配位化合物上进行，其中所说配位化合物的至少50％的气体保持容量以至少15摩尔/摩尔·小时的速度在30分钟或更短时间内被吸附。

51.权利要求48的方法，其中所说极性气体在所说配位化合物上的吸附速度在大约3-20分钟之间超过20摩尔每摩尔小时所说配位化合物。

52.权利要求48的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

                 ΔN＝ΔN_max(l-e^-kt)

其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个高达4.5摩尔/摩尔的反应程度，并且其中k的最小值为0.0004。

53.权利要求48的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

                 ΔN＝ΔN_max(l-e^-kt)

其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个在4.5-6摩尔/摩尔之间的反应程度，并且其中k的最小值为0.0003。

54.权利要求48的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

                ΔN＝ΔN_max(l-e^-Kt)其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个超过6摩尔/摩尔的反应程度，并且其中k的最小值为0.0002。

55.一种能提供选择性间歇式快速冷却和/或冷冻的冷却设备，包括：

(a)一个在其中有一个冷却室的机箱或容器；

(b)一台或多台第一反应器及一台或多台第二反应器，所说第一

  反应器的每一台装有一种第一配位化合物，而所说第二反应

  器的每一台装有一种不同于所说第一配位化合物的第二配位

  化合物，所说第一和第二配位化合物是通过在一种金属盐上

  吸附一种极性气体形成的，在一台或多台第一和第二反应器

  中所说极性气体被交替地在所说配位化合物上吸附和解吸，

  所说金属盐包括一种碱金属，碱土金属，过渡金属，锌，镉，

  锡或铝的卤化物，硝酸盐，亚硝酸盐，草酸盐，高氯酸盐，

  硫酸盐或亚硫酸盐，或氟硼酸钠或一种双金属氯化物，或它

  们的混合物，并且其中在所说的一台或多台第一和第二反应

  器中的所说配位化合物是通过所说极性气体在所说金属盐上

的所说吸附过程中限制它们的体膨胀而形成的，因此所说配

位化合物与一种不限制其体膨胀而形成的配位化合物相比可

具有在分别少于60分钟的吸附或解吸时间中以每摩尔所说

配位化合物在每小时中所吸附和/或解吸的所说极性气体摩

尔数为单位表示的增加的反应速度，并且其中所说第一和第

二配位化合物能以一个足以在大约30分钟或更短时间内实

现快速冷却或冷冻的速度吸附和解吸所说极性致冷剂，其中

所说第一配位化合物的平衡温度与所说第二配位化合物的平

衡温度在相同操作压力下相差大约20-150℃，其中所说一台

或多台第一反应器热暴露于所说冷却室以提供在其中的冷却

作用，而其中所说一台或多台第二反应器事实上不热暴露于

所说冷却室；以及

(c)与所说一台或多台第二反应器配合的加热装置，用于选择性

地加热所说第二配位化合物以推动发生在其中的解吸反应。

56.权利要求55的冷却设备，其中所说第一配位化合物选自BaCl₂·0-8(NH₃)，CaCl₂.4-8(NH₃)，CaCl₂·2-4(NH₃)，SrCl₂·1-8(NH₃)和NaBF₄·0.5-2.5(NH₃)。

57.权利要求55的冷却设备，其中所说第二配位化合物选自LiCl·0-3(NH₃)，SrBr₂·2-8(NH₃)，CaBr₂·2-6(NH₃)，CaCl₂·2-4(NH₃)，CaCl₂·1-2(NH₃)，CaCl₂·0-1(NH₃)，CoCl₂·2-6(NH₃)，SrCl₂·1-8(NH₃)，NiCl₂·2-6(NH₃)，FeCl₂·2-6(NH₃)，SnCl₂·0-2.5(NH₃)，FeBr₂·2-6(NH₃)和NaBF₄·0.5-2.5(NH₃)。

58.权利要求56的冷却设备，其中所说第二配位化合物选自LiCl·0-3(NH₃)，SrBr₂·2-8(NH₃)，CaBr₂·2-6(NH₃)，CaCl₂·2-4(NH₃)，CaCl₂·1-2(NH₃)，CaCl₂·0-1(NH₃)，CoCl₂·2-6(NH₃)，SrCl₂·1-8(NH₃)，NiCl₂·2-6(NH₃)，FeCl₂·2-6(NH₃)，SnCl₂·0-2.5(NH₃)，FeBr₂·2-6(NH₃)和NaBF₄·0.5-2.5(NH₃)。

59.权利要求55的设备，其中所说第一和第二反应器包括一个或多个最大平均质量扩散路程长度小于大约15mm的反应室。

60.权利要求59的冷却设备，其中所说一个或多个反应室有一个在大约0.6-3mm之间的最大热扩散路程长度，一个在大约2.5-7mm之间的最大平均质量扩散路程长度，并且所说盐或所说配位化合物有一个在大约0.2-0.9g/cc反应室容积之间的密度。

61.权利要求59的设备，包括许多沿所说反应器延伸并与所说配位化合物和所说金属盐发生传热的传热翅片，其中所说翅片间的距离为2.8mm或更小。

62.权利要求59的设备，其中所说一个或多个反应室的最大热扩散路程长度小于大约4.5mm。

63.权利要求59的设备，其中所说配位化合物或所说金属盐有一个在所说反应器中的在大约0.2-1.0g/cc反应室容积之间的密度。

64.权利要求59的设备，包括在所说一个或多个反应室中引导所说极性气体到达和离开所说金属盐或所说配位化合物的气体分布装置，并且其中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

65.权利要求59的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

66.权利要求59的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

67.权利要求59的设备，其中所说金属盐和所说配位化合物分别包括一种它们的混合物，其中一种可透气混合组合物有一种微孔表面，以便将所说极性气体分散在所说混合物中。

68.一种权利要求55的冷却设备，其中所说一台或多台反应器包括一个或多个最大热扩散路程长度小于1.5mm的反应室。

69.权利要求68的设备，包括在所说反应室中引导所说极性气体到达和离开所说金属盐或所说配位化合物的气体分布装置，并且其中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

70.权利要求68的设备，其中所说一个或多个反应室的最大平均质量扩散路程长度小于大约15mm。

71.权利要求68的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

72.权利要求68的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

73.权利要求68的设备，其中所说金属盐和所说配位化合物分别包括一种它们的混合物，其中一种可透气混合组合物有一种微孔表面，以便将所说极性气体分散在所说混合物中。

74.权利要求55的设备，其中所说一台或多台反应器包括一个或多个反应室，在反应室中至少60wt％的所说金属盐或所说配位化合物在距离一个气体分布装置25mm或更小的范围中。

75.权利要求74的设备，其中所说一个或多个反应室的最大热扩散路程长度小于1.5mm。

76.权利要求74的设备，包括一个或多个与所说金属盐和所说配位化合物保持热接触的热交换面，并且包括一种可透气材料。

77.权利要求74的设备，包括一个或多个延伸到所说一个或多个反应室中的可透气表面，所说可透气表面的至少一部分与所说金属盐和所说配位化合物保持接触。

78.权利要求55的设备，其中在一种被吸附条件下的所说配位化合物能以一个至少8摩尔/摩尔小时所说配位化合物的速度在30分钟或更短的时间内解吸至少50％它所解吸的极性气体。

79.权利要求55的设备，其中所说配位化合物能以一个至少20摩尔/摩尔小时所说配位化合物的速度在大约3-20分钟之间吸附所说极性气体。

80.一种操作权利要求55的冷却设备的方法，包括：

通过加热在所说一台或多台第二反应器中的所说第二配位化合物从中解吸所说极性气体，并将所说被解吸的极性气体吸附到在所说一台或多台第一反应器中的所说第一配位化合物上，对所说冷却设备进行装料，以及

通过从在所说一台或多台第一反应器中的所说第一配位化合物解吸所说极性气体，并将所说被解吸的极性气体吸附到在所说一台或多台第二反应器中的所说第二配位化合物上，选择性地对所说冷却设备进行排料，以便在其中提供冷却作用，其中所说吸附和所说解吸是以一个足以实现在30分钟或更短的时间内快速冷却或冷冻的速度完成的。

81.权利要求80的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

              ΔN＝ΔN_max(1-e^-kt)

其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个高达4.5摩尔/摩尔的反应程度，并且其中k的最小值为0.0004。

82.权利要求80的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

                     ΔN＝ΔN_max(l-e^-kt)

其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个在4.5-6摩尔/摩尔之间的反应程度，并且其中k的最小值为0.0003。

83.权利要求80的方法，其中所说极性气体是氨，其中反应速度由下式确定

                    ΔN＝ΔN_max(1-e^-kt)

其中：

ΔN＝反应程度(摩尔/摩尔)

ΔN_max＝最大反应程度(摩尔/摩尔)

t＝时间(秒)

k＝反应动力学值(秒^-1)

其中该反应进行到一个超过6摩尔/摩尔的反应程度，并且其中k的最小值为0.0002。

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