DE102005001056A1

DE102005001056A1 - Sorptionsspeicherelement und Verfahren zur dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005001056A1
Application number: DE200510001056
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Busse; Georg Dr. Schmitz; Walter Mittelbach
Original assignee: Sortech AG
Current assignee: Access eV; Sortech AG
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-08
Also published as: DE102005001056B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements, umfassend die Verfahrensschritte: DOLLAR A - Eine Form zur Festlegung der äußeren Kontur des Sorptionsspeicherelements wird wenigstens teilweise mit einer Schüttung aus Sorbensmaterial in granularer Form befüllt und DOLLAR A - in die Zwischenräume der Schüttung aus Sorbensmaterial in granularer Form wird ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK infiltriert, welches einen offenporigen Festkörper ausbildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sorptionsspeicherelemente und ein Verfahren zur deren Herstellung, insbesondere Sorptionsspeicherelemente die einen offenporigen schwammförmigen Festkörper mit darin eingelagerten Sorbensmaterialien umfassen sowie insbesondere ein Sorptionswärmespeichersystem, das ein solches Sorptionsspeicherelement umfasst.
Sorptionsspeicherelemente, die auch als Latentwärmespeicher bezeichnet werden, nutzen die bei einem Phasenwechsel eines gewählten Arbeitsmediums freiwerdende latente Wärme. Ein Beispiel hierfür ist die Kondensation eines zunächst dampfförmigen Arbeitsmediums, welches als Sorptiv bezeichnet wird, an einem festen Material, einem so genannten Sorbensmaterial. Durch die Zuführung von Energie kann dann wiederum eine reversible Desorption erfolgen. Charakteristisch für ein solches Feststoff-Sorbensmaterial ist eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Typisch hierfür sind Materialien mit offener Porosität, wobei dies meist kleinste Poren bis in den Nanometerbereich sind. Solche Sorbensmaterialien können Oberflächengrößen von einigen 100 m² je Gramm Sorbensmaterial aufweisen, wobei woraus die Fähigkeit resultiert, mehr als die Hälfte des Eigengewichts adsorbiertes Arbeitsmedium (Sorpt) aufzunehmen. Typische Beispiele für Materialien mit einer solchen offenporigen Struktur sind Tone, etwa Bentonit, Silikagel oder Zeolithe. In Kombination zu diesen Sorbensmaterialien wird typischerweise als Arbeitsmedium Wasser verwendet, welches eine große Kondensationswärme von etwa 2000 kJ/kg aufweist und so eine hohe Energiespeicherdichte ermöglicht.
Zum Austreiben des im Sorbensmaterial adsorbierten Arbeitsmediums ist es notwendig, in effektiver Weise Wärmeenergie zuzuführen. Entsprechend muss während des Adsorptionsvorgangs eine Möglichkeit zum effektiven Abtransport der frei werdenden latenten Wärme gegeben sein. Die bekannten Sorbensmaterialien weisen typischerweise eine schlecht Wärmeleitfähigkeit auf.
Damit ergibt sich die Notwendigkeit, das Sorbensmaterial in einen Wärmetauscher einzubringen. Im einfachsten Fall wird das Sorbensmaterial in granularer Form als freie Schüttung in einem geeignet geformten Wärmetauscher untergebracht.
Aufgrund der beschränkten Wärmeübertragungsfähigkeit insbesondere jener Anteile des Sorbensmaterials, die nicht unmittelbar an die Wandung des Wärmetauschers angrenzen, ist dieser Ansatz jedoch als nachteilig anzusehen. Darüber hinaus wurde erkannt, dass nach einiger Zeit in solchen freien Schüttungen von Sorbensmaterialien Verfestigungseffekte auftreten, welche die Porosität herabsetzen und den freien Durchtritt des Arbeitsmediums durch die Schüttung behindern. Hieraus resultiert eine abnehmende Adsorptionsfähigkeit des Sorbensmaterials.

Als geeignete Lösung dieser Problematik hat sich die Einbringungen von Sorbensmaterial in eine schwammartige Struktur mit offener Porosität, welche aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, herausgestellt. Offenporige Festkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit und insbesondere Metallschwämme, die beispielsweise von der DE 101 59 652 C2 beschrieben werden, haben sich hierfür als geeignet erwiesen.

Metallschwämme können beispielsweise mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens oder durch die Verwendung von Polyurethan-Hartschaums als Positivform, wie in der US 3 616 841 offenbart, hergestellt werden. Ein alternatives Herstellungsverfahren wird durch die DE 197 25 210 C1 beschrieben, bei dem die Poren durch einen granularen, pelletförmigen Stoff bestehend aus einem mineralischen Anteil und einem Binder auf anorganischer Basis hergestellt werden. Dieser granulare Stoff wird nach der Einbringung des den Metallschwamm bildenden Metalls aus den Hohlräumen desselben entfernt, in einem weiteren Verfahrensschritt wird die so entstandene offenporige Struktur mit einem geeigneten Sorbensmaterial befüllt. Eine solche Beladung kann durch mechanische Maßnahmen, etwa Rütteln, oder durch das Anlegen einer erhöhten Temperatur sowie eines Vakuums verbessert werden. Ferner sollte die Körnung des Sorbensmaterials an die Größenverteilung der Porenstruktur des schwammförmigen Grundkörpers angepasst sein. Zur Einbringung von Sorbensmaterialien in eine offenporige Matrix wird beispielhaft auf nachfolgende Druckschriften verwiesen: DE 101 59 652 C2 , DE 102 17 443 B4 , DE 41 12 358 A1 , JP 60138394 A und DE 199 29 861 A1 .

Die bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Herstellung einer offenporigen, schwammartigen Matrix mit angelagerten Sorbensmaterialien, haben sich insofern als nachteilig erwiesen, da der Herstellungsschritt einer nachträglichen Einbringung von Sorbensmaterialien aufwendig ist und eine nachträgliche Beladung nur bis zu einem gewissen Grad gelingt. Alternativ sind daher Verfahren bekannt geworden, bei denen poröses Material mit pulverförmigen oder granularen Sorbensmaterialien vermischt wird. Beispielhaft gehen solche Materialmischungen aus der JP 6109142 A und der JP 57155098 A hervor. Hierbei dient das poröse Material insbesondere der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, um die Wärmezufuhr bzw. den Wärmetransport vom und zum Sorbensmaterial zu verbessern. Nachteilig an solchen Schüttungen ist jedoch, dass im Gegensatz zu den offenporigen, schaumförmigen Festkörpern keine hinreichend mechanisch stabile Struktur vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Sorptionsspeicherelement und dessen Herstellungsverfahren anzugeben, welches eine offenporige, schwammartige Matrix umfasst, dessen Poren mit einem Sorbensmaterial ausgekleidet sind. Das Sorptionsspeicherelement sollte sich durch eine vereinfachte Herstellung sowie durch eine besonders hohe Beladungsdichte mit Sorbensmaterialien auszeichnen. Ferner werden Sorptionsspeicherelemente bevorzugt, die eine möglichst freie Formgestaltung ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, Sorptionsspeicherelemente umfassend eine mit Sorbensmaterialien beladene, schwammartige Matrix mit offenen Poren besonders einfach dadurch herzustellen, dass das Sorbensmaterial selbst in eine granulare Form gebracht wird und dazu dient, die Porenstruktur des offenporigen, schwammartigen Trägers auszubilden. Während des Prozess der Porenausbildung wird das Sorbensmaterial mit den Poreninnenwandungen verbunden bzw. auf diesen abgelagert, so dass der nachträgliche Verfahrensschritt der Beladung der offenporigen Struktur mit Sorbensmaterialien entfällt.

Erfindungsgemäß wird demnach die offenporige, schwammartige Matrix durch die Verwendung des Sorbensmaterials als Formstoff in einem Urformverfahren hergestellt. Hierbei wird unter einem Urformverfahren ein solches Verfahren verstanden, das Ausgangsstoffe, die in flüssigem oder plastischem oder körnigem oder pulverförmigem Zustand vorliegen, zu einer räumlichen Gestalt formt. Hiervon abgegrenzt sind Umformverfahren, welche mittels Druck-, Zug-, Biege- oder Schubbeanspruchung die vorhandene räumliche Gestalt abändern.

Die Art des verwendeten Urformverfahrens zur Herstellung des mit Sorbensmaterialien ausgekleideten offenporigen Metallschwamms hängt von der Materialwahl ab. Bevorzugt werden Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit. In der vorliegenden Anmeldung wird hierunter eine Wärmeleitfähigkeit ≥ 10 W/mK verstanden. Als geeignete Materialien kommen Metalle oder Metalllegierungen aber auch Kunststoffe und Keramiken mit entsprechend hoher Wärmeleitfähigkeit in Frage. Besonders bevorzugt werden Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 100 W/mK, wobei insbesondere Silber oder Kupfer oder Aluminium oder hiervon abgeleitete Legierungen in Frage kommen. Je nach Materialwahl können als Urformverfahren Gussverfahren oder Sinterverfahren verwendet werden.

Durch die erfindungsgemäße Wahl eines Materials mit guter Wärmeleitfähigkeit für den offenporigen Träger kann den typischerweise thermisch schlecht leitenden Sorbensmaterialien effizient Wärme zugeführt, bzw. von diesen abgeführt werden.

Weiterhin ist es jedoch notwendig, den auf den offenporigen Träger übergehenden Wärmestrom auch zum Außenbereich des Sorptionsspeicherelements weiter zu transportieren, oder diesen vom Außenbereich in den offenporigen Träger einzuleiten. Aus diesem Grund wird bevorzugt, die sorbensbeladene offenporige Matrix in einen guten thermischen Kontakt mit einer Vorrichtung zum Ein- und/oder Auskoppeln von Wärmeenergie zu bringen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein Wärmeaustauscher in eine Form, beispielsweise eine Sandform beim Metallguss, eingebracht wird, in welche das granulare Sorbensmaterial sowie die Materialien zur Ausbildung einer offenporigen Matrix mittels eines Urformverfahrens verfüllt werden. Hierbei ist es denkbar, als Vorrichtung zum Ein- und Auskoppeln von Wärmeenergie ein Rohrsystem zur Zirkulation eines Wärmeträgers durch die offenporige Matrix auszubilden. Alternativ kann zur Wärmeeinbringung auch ein Widerstandsdraht verwendet werden. Solche Ausführungsformen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sorptionsspeicherelement in einer mobilen Anwendung, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, als Latentwärmespeicher eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Sorptionsspeicherelement wird in einem Sorptionswärmespeichersystem üblicherweise in einem Behälter platziert, der das Austreten des Sorbensmaterials verhindert. Dieser kann beispielsweise als geschlossenes System ausgebildet sein, indem der Sorptions- bzw. der Desorptionsvorgang des Arbeitsmediums abgeschlossen von der Umgebung durchgeführt wird. In diesem Fall wird das System mit dem Außenbereich lediglich in Form von Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme oder durch die Zuführung von elektrischer Energie für einen eventuell vorgesehenen Heizdraht in Austausch treten. In einer Ausführungsform des Behälters besteht ein direkter Kontakt zwischen Behälterinnenwandung und der offenporigen Matrix des Sorptionsspeicherelements. Dabei ist es entsprechend einer Weitergestaltung möglich, dass Behälter und die offenporige Matrix einstückig ausgebildet sind und möglicherweise aus dem gleichen Material bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass der das Sorptionsspeicherelementumgebende Behälter Anschlussmöglichkeiten für externe Anlagen, wie beispielsweise Vakuumpumpen, Strom- und Spannungsversorgungen, ermöglicht sowie mechanische Befestigungen aufweist.

Das erfindungsgemäße Sorptionsspeicherelement kann zur Adsorption/Desorption eines Arbeitsmediums in einem Sorptionswärmespeichersystem verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung ist eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe entsprechend der DE 102 17 443 . Typischerweise umfasst eine solche Feststoff-Sorptionswärmepumpe eine Adsorber/Desorbereinheit und eine Kondensator-Verdampfer-Einheit, wobei das Arbeitsmedium in desorbierter Form, d. h. in der Gasphase zwischen der Adsorber-/Desorber-Einheit und der Kondensator-Verdampfer-Einheit ausgetauscht werden kann. Als Anwendung des erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherelements bietet sich zum einen die Adsorber-/Desorber-Einheit an. Hierbei würde das entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Sorptionsspeicherelement klassische Schüttungen von Sorbensmaterialien, bzw. eine offenporige Matrix, die nach Herstellung mit einem Sorbensmaterial befüllt wurde, ersetzen.

Entsprechend der Funktionsweise einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe kann mittels einer Hochtemperaturquelle der Adsorber-/Desorber-Einheit Wärmeenergie zugeführt werden, wodurch das im Sorbensmaterial gebundene Arbeitsmediums desorbiert und über eine Verbindungsleitung der Kondensator-Verdampfer-Einheit zugeführt wird. In dieser findet eine Kondensation des Arbeitsmediums unter Freisetzung von Wärme statt, die beispielsweise zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. In einer zweiten Betriebsphase der Adsorptionsphase wird der Kondensator-Verdampfer-Einheit über eine Niedertemperaturquelle Wärme zugeführt, wobei eine Verdampfung des Arbeitsmediums resultiert. Dieses wird dann wiederum in die Adsorber-/Desorber-Einheit überführt, bei der eine Adsorption unter Wärmefreisetzung erfolgt. In einer Weitergestaltung ist es möglich, für die Kondensator-Verdampfer-Einheit einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe eine offenporige Matrix mit einem in deren Poren befindlicher Adsorbermaterial zu verwenden, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Hierbei sollten Sorbensmaterialien mit tieferer Adsorptionstemperatur im Vergleich zu den in der Adsorber-/Desorber-Einheit eingesetzten Sorbensmaterialien verwendet werden. Der Vorteil in der Verwendung einer offenporigen Matrix mit Sorbensmaterial in der Kondensator-Verdampfer-Einheit ist darin zu sehen, dass kein flüssiges Arbeitsmedium in einem Sumpf in der Kondensator-Verdampfer-Einheit vorliegt, was insbesondere bei mobilen Systemen aufgrund von möglicherweise auftretenden Wellenbewegungen als nachteilig anzusehen ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erlaubt es nun, eine offenporige Matrix mit gewählten Sorbensmaterialien an die geometrische Gestaltung einer Kondensator-Verdampfer-Einheit anzupassen. Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eine fertigungstechnische Vereinfachung und damit eine kostengünstige Herstellung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen genauer beschrieben. Hierbei zeigt
1 den Verfahrensablauf zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherelements.
2 stellt eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe mit Sorptionsspeicherelementen dar.
1 zeigt in schematisch vereinfachter Form die erfindungsgemäße Herstellung eines Sorptionsspeicherelements. Zunächst wird eine weitere Form, die die Außengestalt des späteren Sorptionsspeicherelements im Wesentlichen bestimmt, hergestellt. Die Art der Form richtet sich nach der Materialwahl für die offenporige Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Wird beispielsweise hierfür ein Metall verwendet, so bietet sich insbesondere für Gussverfahren die Verwendung einer Sandform an. Alternativ kann auch eine keramische oder metallische Form verwendet werden. Letzteres ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Form zugleich als Außenwandung, bzw. als Behälter des Sorptionsspeicherelements nach dessen Herstellung weiter verwendet wird.
Entsprechend eines zweiten Verfahrensschritts wird die Form wenigstens teilweise mit einer losen Schüttung aus einem Sorbensmaterial befüllt. Das Sorbensmaterial liegt hierbei in granularer Form vor, so dass sich zwischen den einzelnen Körnern des Sorbensmaterials Zwischenräume bilden, die dann später von einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit infiltriert werden, das in diesen Zwischenräumen unter Ausbildung eines offenporigen Festkörpers erstarrt, bzw. verfestigt wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, ein granulares Material mit einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt 0,5 bis 5 mm und insbesondere bevorzugt 0,5 bis 2 mm zu verwenden. Unter der mittleren Korngröße wird bei einem unregelmäßig geformten granularen Sorbensmaterial die Größe in Richtung der maximalen Ausdehnung des Sorbensgranulats verstanden. Hierbei kann das granulare Sorbensmaterial die Form von Kugeln oder von Quadern oder von Zylindern oder von unregelmäßig geformten Strukturen annehmen, auch Mischungen von unterschiedlichen Formen für das granulare Sorbensmaterial sind möglich.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Körner zweier Größen zu verwenden, somit Körner eines größeren Durchmessers und Körner eines kleineren Durchmessers. Dabei werden die Durchmesser der kleineren Körner derart gewählt, dass die kleineren Körner gerade in die Zwischenräume zwischen einander benachbarten größeren Körnern passen. Dies führt zu einer höheren Porosität.
In einer Ausgestaltung bestehen die einzelnen Körner des granularen Sorbensmaterials wiederum aus kleineren Sorbensgranulaten, welche mechanisch verdichtet sind und/oder mittels eines geeigneten Bindemittels zusammengehalten werden. Hierbei sollte das granulare Sorbensmaterial so weit mechanisch stabil sein, dass die Zwischenräume bei der weiteren Behandlung, insbesondere der Infiltration mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit zur Ausbildung eines offenporigen Festkörpers, erhalten bleiben. Weiterhin wird entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, granulares Sorbensmaterial mit einer bimodalen oder multimodalen Korngrößenverteilung zu verwenden. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Gestaltung der Zwischenräume, die später verfüllt werden, so anzulegen, dass eine offenporige Matrix mit einem besonders hohen Porenanteil entsteht.
Als bevorzugtes granulares Sorbensmaterial wird eine Schüttung aus granularem Silikagel, Zeolith, Bentonit, Blähton oder Ton verwendet.
In einer möglichen Ausgestaltung wird in die Form zusätzlich zur losen Schüttung aus granularem Sorbensmaterial eine Vorrichtung zum Ein- und/oder Auskoppeln von Wärmeenergie eingebracht. Dies kann zum einen ein Rohrsystem sein, welches die Zirkulation eines Wärmeträgers erlaubt. Dies dient wiederum dazu, Wärmeenergie auf den offenporigen Festkörper und damit auf das Sorbensmaterial des Sorptionsspeicherelements zu übertragen bzw. von diesem abzuziehen. Weiterhin ist es möglich, zusätzliche Wärmequellen, beispielsweise durch die Einbringung eines Heizdrahtes, im Sorptionsspeicherelement vorzusehen. Diese haben insbesondere für die Anwendung im Kraftfahrzeugbereich, bei dem ein erfindungsgemäßes Sorptionsspeicherelement als Wärmespeicher verwendet wird, einen vorteilhaften Anwendungszweck.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden sodann die verbleibenden Zwischenräume, insbesondere die Zwischenräume in der losen Schüttung aus granularem Sorbensmaterial mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit befüllt. In der vorliegenden Erfindung wird unter einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ein solches verstanden, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 10 W/mK aufweist, insbesondere bevorzugt wird ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 100 W/mK. Hierbei haben sich als bevorzugte Materialien Metalllegierungen oder Kunststoffe oder Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit herausgestellt. Insbesondere bevorzugt wird die Verwendung von Silber oder Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen.
Entsprechend der Materialwahl unterscheidet sich die Art der Infiltration sowie die Ausbildung eines Festkörpers mit offenporiger Matrixstruktur. Im Fall eines Metalls wird üblicherweise schmelzflüssiges Metall in die Zwischenräume der Schüttung aus granularem Sorbensmaterial infiltriert, welches darin erstarrt und so die offenporige Struktur mit guter Wärmeleitfähigkeit ausbildet. Wird stattdessen ein keramisches Material zur Ausbildung des offenporigen Festkörpers verwendet, so wird üblicherweise ein Schlickerguss mit nachfolgender Versinterung Anwendung finden. Das so entstandene Kompositmaterial aus offenporigem Festkörper und Sorbensmaterial im Inneren der Porenstruktur erlaubt es einem Arbeitsmedium, beispielsweise in dampfförmiger Form in die offenen Poren des Festkörpers einzudringen, wo es am Sorbensmaterial, das auch nach Fertigstellung des Kompositmaterials seine Adsorptions-/Desorptionseigenschaften beibehält, einen Phasenwechsel, beispielsweise eine Kondensation, zu vollziehen.
In einer möglichen Weitergestaltung wird das Sorptionsspeicherelement mit einem Behälter umkleidet, der beispielsweise eine thermische Isolation sowie elektrische Anschlüsse und/oder Vakuum- und/oder Gasanschlüsse und/oder mechanische Befestigungen umfasst. Ferner ist es möglich, die Form selbst als Behälter zu verwenden, wobei insbesondere bevorzugt wird, wenn ein direkter Kontakt zwischen dem Kompositmaterial aus offenporigen Festkörper und Sorbensmaterial und der Form selbst besteht. Hierbei es vorteilhaft, wenn die Behälterwandung und das Kompositmaterial einstückig ausgebildet sind.
In einer möglichen Ausgestaltung ist der Behälter für das Sorbensmaterial als geschlossene Einheit für das Arbeitsmedium ausgebildet, d. h. es wird im Wesentlichen dem Behälter nur Energie zu- bzw. abgeführt. Hierbei sind insbesondere Anwendungen für den Kraftfahrzeugbereich denkbar.
Gemäß einer Weitergestaltung ist es auch möglich, ein Sorptionsspeicherelement in einem solchen Behälter anzubringen, der einen Übertritt des Arbeitsmediums vom Behälter mit dem Sorptionsspeicherelement in weitere Bereiche eines Sorptionswärmespeichersystems erlaubt. Als mögliche Anwendung ist hierbei insbesondere eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe zu sehen, welche nachfolgend anhand von 2 genauer beschrieben wird.
Eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 umfasst als Grundkomponenten eine Adsorber-/Desorber-Einheit 2 und eine Kondensator-Verdampfer-Einheit 3, zwischen denen ein Austausch gasförmigen Arbeitsmediums über das Verbindungselement 4 erfolgt. Der Adsorber-/Desorber-Einheit 2 ist ein erster Wärmetauscher zugeordnet, welcher wahlweise an eine Hochtemperaturquelle oder an einen ersten thermischen Verbraucher angeschlossen ist. Entsprechend wird der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 ein zweiter Wärmetauscher 6 zugeordnet, der wahlweise mit einem zweiten thermischen Verbraucher oder einer Niedertemperatur-Wärmequelle verbindbar ist. Dies ist im Einzelnen nicht in 2 dargestellt. Eine erste Verwendung für das erfindungsgemäße Sorptionsspeicherelement besteht in einer Anordnung eines ersten Sorptionsspeicherelements 7 in der Adsorber-/Desorber-Einheit 2. Der erste Wärmetauscher 5 ist dann im Inneren des ersten Sorptionsspeicherelements 7 ausgebildet. Wird dann gemäß einer ersten Betriebsphase von einer Hochtemperaturquelle dem ersten Sorptionsspeicherelement 7 Wärme zugeführt, so findet eine Desorption des Arbeitsmediums im ersten Sorptionsspeicherelement 7 statt, das Arbeitsmedium in gasförmiger Form kann dann durch das Verbindungselement 4 der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 zugeführt werden, in der eine Kondensation unter Freisetzung von Wärme des Arbeitsmediums stattfinden kann. Die so in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 freigesetzte Wärme wird wiederum durch den zweiten Wärmetauscher 6 aus der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 entnommen und einem zweiten thermischen Verbraucher zugeführt. Diese erste Betriebsphase wird üblicherweise als Desorptions-Phase bezeichnet.
In einer zweiten Betriebsphase, der so genannten Adsorptions-Phase, wird über eine Niedertemperaturquelle der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 mittels des zweiten Wärmetauschers 6 Wärmeenergie zugeführt, was zu einer Verdampfung des darin befindlichen Kondensats führt. Das hierdurch entstehende dampfförmige Arbeitsmedium kann wieder der Adsorber-/Desorber-Einheit 2 zugeführt werden, in der durch eine Adsorption im ersten Sorptionsspeicherelement 7 Wärmeenergie freigesetzt wird, die wiederum durch den ersten Wärmetauscher 5 aus der Adsorber-/Desorber-Einheit 2 entnommen und einem ersten thermischen Verbraucher zugeführt werden kann. Entsprechend des Wirkprinzips der Feststoff-Sorptionswärmepumpe findet die Adsorption im ersten Sorptionsspeicherelement 7 innerhalb des Adsorber-/Desorber-Einheit 2 bei einer höheren Temperatur statt, verglichen zur Verdampfung in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3. In einer Weitergestaltung ist es nun möglich, auch in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 ein erfindungsgemäß hergestelltes Sorptionsspeicherelement zu verwenden, das im Folgenden als zweites Sorptionsspeicherelement 8 bezeichnet wird.
Entsprechend des Wirkprinzips der Wärmepumpe muss sich das gewählte Materialsystem für das erste Sorptionsspeicherelement 7 in der Adsorber-/Desorber-Einheit 2 und das zweite Sorptionsspeicherelement 8 in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 unterscheiden, da die Adsorption beim ersten Sorptionsspeicherelement im Vergleich zum zweiten Sorptionsspeicherelement auf einem höheren Temperaturniveau stattfindet. Sowohl das erste wie auch das zweite Sorptionsspeicherelement 8 können jeweils in separaten Gehäusen untergebracht sein, die mittels des Verbindungselements 4, das eine gute thermische Trennung bewirkt, jedoch den Übergang von gasförmigem Arbeitsmedium erlaubt, getrennt sind. In 2 ist schematisch vereinfacht zusätzlich ein die Adsorber-/Desorber-Einheit 2 und die Kondensator-Verdampfer-Einheit 3 umgebendes äußeres Gehäuse 9 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Herstellung von Sorptionsspeicherelementen wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben:
Entsprechend eines ersten Ausführungsbeispiels wird in eine Sandform, die die äußere Form des späteren Sorptionsspeicherelements festlegt, als granulares Sorbensmaterial ein Silikagelgranulat eingebracht. Das verwendete Silikagelgranulat ist kommerziell erhältlich, wobei es üblicherweise als Trocknungsmittel verwendet wird. Mittels einer konventionellen, induktiv erschmolzenen Aluminiumlegierung wird unter Verwendung eines Schwerkraftgussverfahrens die mit der Silikagelschüttung gefüllte vorgeheizte Form ausgegossen. Bei diesem Verfahrensschritt findet eine Infiltration der Zwischenräume zwischen dem Silikagelgranulat durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung statt. Nach Abkühlung des Gussstücks kann die äußere Sandform entfernt werden. Bei dem so entstandenen Verbundwerkstoff aus Silikagel und Aluminium sind die Adsorptions-/Desorptionseigenschaften des Silikagels im Inneren der offenporigen Aluminiumstruktur auch nach der Infiltration durch die heiße metallische Schmelze erhalten geblieben, so dass das Sorptionsspeicherelement beispielsweise ein gasförmig vorliegendes Arbeitsmedium wie Wasser absorbieren und binden kann, wobei die Kondensationswärme effektiv durch die metallische Matrix abgeführt wird. Entsprechend kann beim umgekehrten Vorgang der Desorption des Arbeitsmediums aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium dem Sorbensmaterial effizient Wärme zugeführt werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Sorptionsspeicherelement für eine Kondensator-Verdampfer-Einheit. Als granulares Sorbensmaterial wird kommerzieller Blähton verwendet, welches typischerweise für Pflanzen-Hydrokulturen Anwendung findet. Dies wird in Form einer Schüttung in eine Feingussform aus Aluminiumoxid eingebracht. Sodann wird eine induktiv erschmolzene, konventionelle Aluminiumlegierung mittels eines Vakuumschleudergussverfahrens in die Zwischenräume der Blähtonschüttung eingeschleudert, wobei vorteilhafterweise die Feingussform vorgeheizt ist. Nach Befüllung der Form ist ein Entfernen des Gussstücks möglich. Die Adsorptions-/Desorptionseigenschaften des Blähtons im so entstandenen Verbundwerkstoff mit Aluminium bleiben auch nach der Kontaktierung mit der heißen metallischen Aluminiumschmelze erhalten.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft einen Widerstandsdraht aus Kanthal, der mittels eines Schlickers aus Aluminiumoxid beschichtet wird, wobei die Beschichtung zunächst getrocknet und dann eingebrannt wird. Sodann wird der Heizdraht zusammen mit einer Schüttung aus kommerziellem Blähtongranulat in eine Gussform eingebracht. Als Material guter Wärmeleitfähigkeit zur Ausbildung der offenporigen Matrix wird eine konventionelle Aluminiumlegierung (A356) induktiv erschmolzen und mittels eines Vakuumschleudergussverfahrens in die vorgeheizte Form eingeschleudert. Durch diesen Gussvorgang werden die Zwischenräume im granularen Sorbensmaterial, hier dem Blähtongranulat, verfüllt und der Verbundwerkstoff aus Blähton und Aluminium mit dem eingegossenen Heizleiter kann nach Abkühlung als Gussstück aus der Form entnommen werden. Auch hier bleiben die Adsorptions-/Desorptionseigenschaften des Blähtons auch nach dem Kontakt mit der heißen metallischen Schmelze erhalten.
Das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Herstellung eines Sorptionsspeicherelements für eine Kondensator-Verdampfer-Einheit umkleidet von einem Behälter aus Aluminium. Als granulares Sorbensmaterial wird wiederum kommerzieller Blähton verwendet, der als freie Schüttung in einen Aluminiumbehälter eingebracht wird. Eine konventionelle Aluminiumlegierung (A356) wird induktiv erschmolzen und mit Hilfe eines Vakuumschleudergussverfahrens in die Zwischenräume der Blähtonschüttung infiltriert. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Aluminiumbehälter vorgeheizt ist. Der so entstehende Verbundwerkstoff aus Blähton und Aluminium verbleibt im Aluminiumbehälter, d. h. die Behälterwandung und das offenporige Material im Inneren des Behälters in einstückig und im vorliegenden Fall aus artgleichem Material aufgebaut. In der Behälterwandung können wiederum Ausnehmungen zum Anbringen von äußeren mechanischen oder elektrischen Anschlüssen oder für Halterungen vorgesehen sein. Auch eine nachträgliche Anbringung derselben ist möglich. Auch für diesen Fall bleiben die Adsorptions-/Desorptionseigenschaften des im vorliegenden Fall als Sorbensmaterial verwendeten Blähtons auch nach dem Kontakt mit der heißen metallischen Aluminiumschmelze erhalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements, umfassend die Verfahrensschritte: 1.1 eine Form zur Festlegung der äußeren Kontur des Sorptionsspeicherelements wird wenigstens teilweise mit einer Schüttung aus Sorbensmaterial in granularer Form befüllt; 1.2 in die Zwischenräume der Schüttung aus Sorbensmaterial in granularer Form wird ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK infiltriert, welches einen offenporigen Festkörper ausbildet.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorbensmaterial aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Silikagel, Zeolith, Bentonit, Blähton und Ton gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in granularer Form vorliegende Sorbensmaterial in Richtung der Maximalausdehnung eine mittlere Korngröße zwischen 0,5 und 10 mm, bevorzugt 0,5 und 5 mm und insbesondere bevorzugt 0,5 und 2 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das granulare Sorbensmaterial im Wesentlichen in Form von Kugeln und/oder Quadern und/oder Zylindern und/oder unregelmäßig geformten Strukturen vorliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements, dadurch gekennzeichnet, dass das granulare Sorbensmaterial aus kleineren Sorbensgranulaten zusammengesetzt ist.
Verfahren zur Herstellung von Sorptionsspeicherelementen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das granulare Sorbensmaterial eine bimodale oder multimodale Korngrößenverteilung aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsspeicherelement eine Vorrichtung zum Ein- und/oder Auskoppeln von Wärmeenergie in den Außenbereich umfasst, welche vor der Infiltration der Zwischenräume der Schüttung aus granularen Sorbensmaterial in die Form eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zum Ein- und/oder Auskoppeln von Wärmeenergie wenigstens ein Rohr eingebracht wird, welches vom Außenbereich des Sorptionswärmespeichers in ein Wärmeträger eingeleitet werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsspeicherelement einen Widerstandsdraht mit einem elektrischen Anschluss zum Außenbereich des Sorptionsspeicherelements umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK ein Metall oder eine Metalllegierung oder ein Kunststoff oder eine Keramik verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK ein Metall oder eine Metalllegierung verwendet wird, welche Silber oder Kupfer oder Aluminium umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Festkörpers ein Gussverfahren verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Festkörpers ein Sinterverfahren verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper aus der Form herausgenommen und in einen Behälter eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine thermische Isolation umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter elektrische Anschlüsse und/oder mechanische Befestigungen und/oder Vakuumanschlüsse und/oder Gasanschlüsse umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form nach der Ausbildung des Festkörpers bestehen bleibt.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form eine Isolation umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsspeicherelements nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form elektrische Anschlüsse und/oder mechanische Befestigungen und/oder Gasanschlüsse und/oder Vakuumanschlüsse umfasst.
Sorptionsspeicherelement hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Verwendung eines Sorptionsspeicherelements hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe.
Verwendung eines Sorptionsspeicherelements nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsspeicherelement in einer Adsorber/Desorber-Einheit und/oder einer Kondensator-Verdampfer-Einheit der Feststoff-Sorptionswärmepumpe verwendet wird.