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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen, die Wasserstoff speichern und
abgeben, und insbesondere solche Vorrichtungen, die Wasserstoff
infolge von Wärmeübertragung
auf oder von einem Kühlmittel,
das durch die Vorrichtung strömt,
speichern oder abgeben.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Aufgrund
von Besorgnis um die Umwelt und der Gesetze von Angebot und Nachfrage
besteht ein zunehmender Wunsch, sogenannte „alternative Brennstoffe" zu benutzen. Diesbezüglich wird
Wasserstoff in zunehmendem Maße
als solch ein „alternativer
Brennstoff" angesehen.
Zudem weist Wasserstoff außer
seiner Rolle als „alternativer
Brennstoff" viele
bekannte Anwendungen auf. Angesichts des Obenstehenden besteht ein
Wunsch nach Vorrichtungen, die Wasserstoff speichern und abgeben.
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Diesbezüglich sind
Metallhydride oder Legierungsmaterialien aufgrund ihrer Fähigkeit,
gasförmigen
Wasserstoff zu absorbieren, so wie ein Schwamm Wasser absorbiert,
zur Speicherung und Abgabe von Wasserstoff benutzt worden. Einfach ausgedrückt: Wenn
den Metallhydriden Wärme
entzogen wird, erfolgen chemische Reaktionen und werden feste Metall-Wasserstoff-Verbindungen
gebildet, wodurch gasförmiger
Wasserstoff absorbiert wird. Umgekehrt wird gasförmiger Wasserstoff abgegeben,
wenn den Metallhydriden Wärme
zugeführt wird.
Das US-Patent Nr. 6,616,738, erteilt an Iwamoto et al., offenbart
ein Beispiel für
eine Vorrichtung, bei der Metallhydride benutzt werden, um Wasserstoff
zu speichern und abzugeben. Obwohl Vorrichtungen wie diejenige,
die von Iwamoto et al. offenbart ist, sich für ihre beabsichtigte Anwendung
als zufriedenstellend erweisen können,
ist immer Raum für Verbesserungen
vorhanden.
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Kurzfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe
von Wasserstoff bereitgestellt und umfaßt ein Gehäuse und ein Bündel gestreckter
Rohre innerhalb des Gehäuses.
Das Bündel
weist eine Länge
auf, die sich parallel zu einer Längsachse zwischen einem ersten und
einem zweiten Ende des Bündels
erstreckt, wobei jedes der Rohre des Bündels einen Innenraum und eine
Außenseite
aufweist. Ein Kühlmittel-Durchflußweg erstreckt
sich parallel zu der Längsachse und
ist mindestens teilweise zwischen den Außenseiten benachbarter Rohre
innerhalb des Bündels
definiert. Mindestens einige der Rohre weisen Außenseiten mit verringerter
Querschnittsgröße auf,
die sich über
einen örtlich
begrenzten Längenabschnitt
erstrecken. In den Innenräumen
der Rohre ist ein Metallhydrid enthalten, das sich in Wärmetauschbeziehung
mit dem Kühlmittel-Durchflußweg befindet.
Die Vorrichtung umfaßt
ferner einen Wasserstoffanschluß an
dem Gehäuse,
eine Wasserstoffkammer, die angeordnet ist, um Wasserstoff zwischen dem
Wasserstoffanschluß und
dem Innenraum der Rohre zu führen,
einen ersten Kühlmittelanschluß an dem
Gehäuse,
der sich in einem Abstand von dem örtlich begrenzten Längenabschnitt
längs der
Längsachse
befindet, und einen zweiten Kühlmittelanschluß an dem
Gehäuse,
der dem örtlich
begrenzten Längenabschnitt
benachbart ist.
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Bei
einem Merkmal sind die Außenseiten
der Rohre zylindrisch, und die Rohre des Bündels sind so angeordnet, daß die Außenseiten
benachbarter Rohre auf der Länge
Linienberührung
miteinander aufweisen, mit Ausnahme von über dem örtlich begrenzten Längenabschnitt,
wo die Außenseiten
der benachbarten Rohre sich nicht berühren.
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Gemäß einem
Merkmal weist jedes der Rohre ein offenes Ende und ein geschlossenes
Ende auf, wobei jedes der offenen Enden mit der Wasserstoffkammer
verbunden ist und sich jedes der geschlossenen Enden dem ersten
Kühlmittelanschluß benachbart
befindet.
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Gemäß einem
Merkmal umfaßt
die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Wasserstoff ferner
eine erste Kühlmittelkammer,
die sich zwischen den geschlossenen Enden der Rohre und dem ersten
Kühlmittelanschluß befindet,
und eine zweite Kühlmittelkammer
in dem örtlich
begrenzten Längenabschnitt.
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Bei
einem Merkmal ist der Kühlmittel-Durchflußweg auch
zwischen dem Gehäuse
und einem äußersten
Satz der Rohre des Bündels
definiert.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe
von Wasserstoff bereitgestellt und umfaßt ein gestrecktes Gehäuse, das
sich längs
einer Längsachse
erstreckt, wobei das Gehäuse
ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und sich die Enden
längs der
Längsachse
in einem Abstand zueinander befinden. Die Vorrichtung umfaßt ferner
ein Bündel
gestreckter Rohre innerhalb des Gehäuses, die sich parallel zu der
Längsachse
erstrecken, wobei das Bündel
einen äußersten
Satz an Rohren aufweist und jedes der Rohre des Bündels einen
Innenraum und eine Außenseite
aufweist. Ein Kühlmittel-Durchflußweg erstreckt
sich parallel zu der Längsachse
und ist zwischen den Außenseiten
benachbarter Rohre innerhalb des Bündels und zwischen dem Gehäuse und den
Außenseiten
des äußersten
Satzes an Rohren des Bündels
definiert. In den Innenräumen
der Rohre ist Metallhydrid enthalten, das sich in Wärmetauschbeziehung
mit dem Kühlmittel-Durchflußweg befindet.
Die Vorrichtung umfaßt
ferner einen Wasserstoffanschluß an
dem ersten Ende des Gehäuses;
eine Wasserstoffkammer, die sich in dem Gehäuse, dem ersten Ende benachbart
befindet, um Wasserstoff zwischen dem Wasserstoffanschluß und dem
Innenraum der Rohre zu füh ren;
einen ersten Kühlmittelanschluß an dem
zweiten Ende des Gehäuses;
eine erste Kühlmittelkammer,
die sich in dem Gehäuse, dem
zweiten Ende des Gehäuses
benachbart befindet, um Kühlmittel
zwischen dem ersten Kühlmittelanschluß und dem
Kühlmittel-Durchflußweg zu
führen;
einen zweiten Kühlmittelanschluß an dem
Gehäuse
an einem Ort längs
der Achse zwischen der Wasserstoffkammer und der ersten Kühlmittelkammer;
und eine zweite Kühlmittelkammer,
die sich in dem Gehäuse
an dem Ort längs
der Achse befindet, um Kühlmittel
zwischen dem zweiten Kühlmittelanschluß und dem
Kühlmittel-Durchflußweg zu
führen.
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Bei
einem Merkmal weisen mindestens einige der Rohre Außenseiten
mit einer verringerten Querschnittsgröße an dem Ort auf, wobei die
zweite Kühlmittelkammer
mindestens teilweise von den Außenseiten
an dem Ort definiert ist.
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Gemäß einem
Merkmal befindet sich die zweite Kammer der Wasserstoffkammer benachbart.
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Gemäß einem
Merkmal sind die Außenseiten
der Rohre zylindrisch und sind die Rohre des Bündels so angeordnet, daß die Außenseiten
benachbarter Rohre auf einer Länge
der benachbarten Rohre, die sich zwischen der ersten und der zweiten Kühlmittelkammer
erstrecken, Linienberührungen miteinander
aufweisen, und sind die Außenseiten mindestens
einiger der Rohre von verringerter Größe, so daß an dem Ort die Außenseiten
benachbarter Rohre sich nicht berühren.
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Als
ein Merkmal sind die Außenseiten
benachbarter Rohre längs
der Linienberührungen
miteinander verlötet.
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Bei
einem Merkmal ist die Wasserstoffkammer zwischen dem ersten Ende
des Gehäuses
und einer Frontplatte in dem Gehäuse
definiert, wobei die Frontplatte mehrere Öffnungen aufweist, die offene Enden
der Rohre des Bündels
aufnehmen. Als ein weiteres Merkmal sind die Außenseiten mindestens einiger
der Rohre auf einer Länge
jedes Rohres, die dem offenen Ende benachbart ist, auf einen verringerten
Querschnitt geschmiedet. Als ein noch weiteres Merkmal weist jedes
der Rohre gegenüber
dem offenen Ende und der ersten Kammer benachbart ein geschlossenes
Ende auf.
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Gemäß einem
Merkmal ist die erste Kühlmittelkammer
durch ein Innenvolumen definiert, das sich zwischen dem zweiten
Ende des Gehäuses
und dem Ende des Rohrbündels
befindet.
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Bei
einem Merkmal sind Verbindungsstellen innerhalb des Gehäuses und
des Rohrbündels
zusammengelötet.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus einer Durchsicht
der gesamten Beschreibung einschließlich der angefügten Ansprüche und
Zeichnungen offensichtlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise gebrochene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung
zur Speicherung und Abgabe von Wasserstoff, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ist
eine Seitenansicht der Vorrichtung von 1 und zeigt
innere Komponenten in durchsichtiger Darstellung und durch das Entfernen
eines inneren Prallbleches modifiziert;
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3 ist
eine Ansicht von den Linien 3-3 in 2 aus; und
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4 ist
ein vergrößerter Teilabschnitt
von den Linien 4-4 in 2 aus.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Unter
Bezug auf 1 bis 3 ist eine
Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Wasserstoff 10 zum
Speichern und Abgeben von Wasserstoff durch ein Metallhydrid in
der Vorrichtung 10 bereitgestellt, die auf Wärmeübertragung
auf einen bzw. von einem Kühlmittelstrom
basiert, der in der Vorrichtung 10 erzeugt wird. Die Vorrichtung 10 umfaßt ein Gehäuse 12 und
ein Bündel 14 gestreckter Rohre 16 innerhalb
des Gehäuses 12.
Das Bündel 14 weist
eine Länge
L auf, die sich parallel zu einer Längsachse 18 zwischen
ersten und zweiten Enden 20 und 22 des Bündels 14 erstreckt,
wobei jedes der Rohre 16 des Bündels 14 einen Innenraum 24 und eine
Außenseite 26 aufweist.
Ein Kühlmittel-Durchflußweg 28 erstreckt
sich parallel zu der Längsachse 18 und
ist mindestens teilweise durch Scheitelpunkte 29 definiert,
die zwischen den Außenseiten
benachbarter Rohre 16 innerhalb des Bündels 14 gebildet sind.
Mindestens einige der Rohre 16 weisen Außenseiten
mit verringerten Querschnittsgrößen auf,
die sich in einem örtlich
begrenzten Abschnitt LR der Länge L erstrecken.
In den Innenräumen
der Rohre 16 ist ein Metallhydrid 30 (vorzugsweise
in Pulverform) enthalten, das sich in Wärmetauschbeziehung mit dem Kühlmittel-Durchflußweg 28 befindet.
Die Vorrichtung 10 umfaßt ferner einen Wasserstoffanschluß 32 an dem
Gehäuse 12,
eine Wasserstoffkammer 34, die angeordnet ist, um Wasserstoff
zwischen dem Wasserstoffanschluß 32 und
den Innenräumen 24 der Rohre 16 zu
führen,
einen ersten Kühlmittelanschluß 36 an
dem Gehäuse 12 in
einem Abstand von dem örtlich
begrenzten Längenabschnitt
LR längs
der Längsachse 18 und
einen zweiten Kühlmittelanschluß 40 an
dem Gehäuse 12,
der dem örtlich
begrenzten Abschnitt LR der Länge benachbart
ist.
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Es
versteht sich, daß,
obwohl der Kühlmittel-Durchflußweg 28 in
den bevorzugten Ausführungsformen
so gezeigt ist, daß er
sich parallel zu der Längsachse 18 erstreckt,
es in einigen Ausführungsformen
wünschens wert
sein kann, daß dort
ein örtlich begrenzter
Querstrom des Kühlmittels,
bezogen auf die Längsachse 18,
vorhanden ist, wie er durch alternierende Querprallplatten erzeugt
werden könnte, die
einen Zickzackstrom des Kühlmittels
erzeugen würden,
wenn es durch die Vorrichtung 10 strömt.
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Obwohl
jede beliebige geeignete Rohrform benutzt werden kann und viele
solcher Formen bekannt sind, sind die Außenseiten 26 der Rohre 16 vorzugsweise
zylindrisch. Wie am besten in 4 ersichtlich,
sind die Rohre 16 des Bündels 14 auch
vorzugsweise so angeordnet, daß die
Außenseiten 26 benachbarter
Rohre 16 auf der Länge
L Linienberührungen 42 miteinander
aufweisen, mit Ausnahme von über
dem örtlich
begrenzten Abschnitt LR, wo sich die Außenseiten
der benachbarten Rohre aufgrund der verringerten Querschnittsgröße, d.h.
des verringerten Außendurchmessers,
absichtlich nicht berühren. Wie
unten ausführlicher
erläutert
werden wird, öffnet diese
verringerte Querschnittsgröße die Scheitelpunkte 29 und
erzeugt in dem örtlich
begrenzten Abschnitt LR eine Freiströmungszone,
die ermöglicht, daß der Kühlmittelstrom
in den Kühlmittel-Durchflußweg 28 in
dem Rohrbündel 14 eintritt
oder daraus austritt. Die Außenseiten 26 benachbarter
Rohre 16 sind vorzugsweise längs der Linienberührungen 42 verlötet oder
in einer anderen Weise miteinander verbunden, was den einzelnen
Rohren mechanische Festigkeit verleiht. Diesbezüglich können die Rohre 16 mit
dem Metallhydrid 30 in der Form eines Metallhydridpulvers
befüllt
werden, bevor die Rohre 16 zusammengelötet werden.
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Vorzugsweise
weist jedes der Rohre 16 ein offenes Ende 44 und
ein geschlossenes Ende 46 auf, wobei jedes der offenen
Enden 44 mit der Wasserstoffkammer 34 verbunden
ist und sich jedes der geschlossenen Enden 46 dem ersten
Kühlmittelanschluß 36 benachbart
befindet. Obwohl das Ende 46 unter Benutzung beliebiger
geeigneter Mit tel verschlossen werden kann, ist in der veranschaulichten Ausführungsform
jedes Ende 46 mit einem Innenstopfen oder einer Kappe 48 versehen,
um dieses zu verschließen.
Für jedes
Rohr 16 erstreckt sich die verringerte Querschnittsgröße vorzugsweise
von dem offenen Ende 44 auf einer Länge des Rohres 16, die
der Länge
LR entspricht, wobei das Rohr geschmiedet
ist, um die verringerte Querschnittsgröße zu bilden.
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Das
Gehäuse 12 ist
vorzugsweise gestreckt und erstreckt sich längs der Achse 18 zwischen
einem ersten Ende 50 und einem zweiten Ende 52,
mit einer inneren Querschnittsform, die allgemein mit dem radialen
Außenprofil
des Rohrbündels 14,
wie definiert durch einen äußersten
Satz 54 der Rohre 16, übereinstimmt. Diesbezüglich weisen
die Außenseiten 26 des äußersten
Satzes 54 der Rohre 16 vorzugsweise auch Linienberührungen 56 mit
dem Gehäuse 12 auf
und sind längs
der Linienberührungen 56 verlötet, was
dem Gehäuse
mechanische Festigkeit verleiht. Der Kühlmittel-Durchflußweg 28 kann auch
teilweise durch die Scheitelpunkte 58 definiert sein, die
zwischen den Außenseiten 26 und
dem Gehäuse 12 gebildet
sind.
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Vorzugsweise
befindet sich eine erste Kühlmittelkammer 60 in
dem Gehäuse 12 zwischen
den geschlossenen Enden 46 der Rohre 16 und dem
ersten Kühlmittelanschluß 36,
wobei die Kammer 60 durch ein kleines Innenvolumen 62 definiert
ist, das sich zwischen dem zweiten Ende 52 des Gehäuses 12 und
dem zweiten Ende 22 des Rohrbündels 14 befindet.
Die Kammer 60 dient dazu, Kühlmittel zwischen dem Kühlmittel-Durchflußweg 28 und
dem ersten Kühlmittelanschluß 36 zu
führen,
der sich vorzugsweise an dem zweiten Ende 52 des Gehäuses 12 befindet.
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Die
Außenseiten
mit verringerter Größe 26 des örtlich begrenzten
Abschnittes LA des Rohrbündels 14 definieren
mindestens teilweise eine zweite Kühlmittelkammer 64, die
das Kühlmittel
zwischen dem zweiten Kühlmittelanschluß 40 und
dem Kühlmittel-Durchflußweg 28 führt. Wie
am besten in 2 ersichtlich, befindet sich
der zweite Kühlmittelanschluß vorzugsweise
auf einer Seite des Gehäuses 12 an
einem Ort auf der Achse 18, der dem Ort des örtlich begrenzten
Abschnittes LR entspricht.
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Die
Wasserstoffkammer 34 ist vorzugsweise zwischen dem ersten
Ende 50 des Gehäuses
und einer Frontplatte 66 definiert, die z.B. durch Löten mit dem
Innenraum des Gehäuses 12 verbunden
ist, um eine Kreuzkontamination zwischen dem Wasserstoff- und dem
Kühlmittelstrom
zu verhindern. Die Frontplatte 66 weist mehrere rohraufnehmende Öffnungen 68 auf,
wobei jede eines der offenen Enden 44 der Rohre 16 aufnimmt
und damit verbunden ist, wie z.B. durch Löten, um eine Kreuzkontamination
zwischen dem Wasserstoff- und dem Kühlmittelstrom zu verhindern.
Der Wasserstoffanschluß 32 befindet
sich vorzugsweise an dem ersten Ende 50 des Gehäuses 12.
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In
der Ausführungsform
von 1 befindet sich an dem der Frontplatte 66 entgegengesetzten Ende
der zweiten Kammer 64 ein Prallblech 70, das so
gestaltet ist, daß es
die Scheitelpunkte 58 blockiert, um so eine Umführung des
Kühlmittelstromes durch
diese hindurch zu verhindern. Obwohl das Prallblech 70 bevorzugt
sein kann, kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, das Prallblech 70 wegzulassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die oben beschriebenen Komponenten der Vorrichtung 10 aus
Aluminium (Al 3003) hergestellt. Auch sind vorzugsweise alle der
verschiedenen Verbindungs- oder Übergangsstellen
der Vorrichtung 10 verlötet
und noch stärker
bevorzugt unter Benutzung eines geeigneten Controlled-Atmospheric-Brazing-Verfahrens
verlötet.
Diesbezüglich
sei angemerkt, daß der
oben beschriebene Aufbau solch ein Lötverfahren gestattet.
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Im
Betrieb tritt ein Kühlmittelstrom
in einen der Anschlüsse 36 und 40 ein,
strömt
durch den Kühlmittel-Durchflußweg 28 und
tritt an dem anderen Anschluß 36, 40 aus.
In Abhängigkeit
von den relativen Temperaturen zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Metallhydrid 30,
das in den Rohren 16 enthalten ist, wird entweder Wärme von
dem Metallhydrid 30 auf das Kühlmittel übertragen, wodurch sich die
Speicherung von Wasserstoff innerhalb der Vorrichtung 10 ergibt,
oder Wärme
von dem Kühlmittel
an das Metallhydrid 30 in den Rohren 16 abgegeben,
wodurch sich die Abgabe von Wasserstoff aus der Vorrichtung 10 ergibt.
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Obwohl
jeder der Anschlüsse 36 und 40 als ein
Kühlmitteleinlaß oder ein
Kühlmittelauslaß dienen kann,
dient vorzugsweise der Anschluß 36 als
der Kühlmitteleinlaß und der
Anschluß 40 als
der Kühlmittelauslaß.
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Die
spezifischen Entwurfsparameter (wie z.B. Materialauswahl, Abmessungen,
Verbindungstyp) hängen
in hohem Maße
von den spezifischen Kennzeichen jeder bestimmten Anwendung ab.
In einem Beispiel für
eine geeignete Ausführungsform
weist das Gehäuse
einen Querschnitt von etwa 4,3" x
4,4" auf und ist
24" lang, umfaßt das Rohrbündel 14 39 Rohre 16,
weist jedes Rohr 16 einen Außendurchmesser von 0,688" und eine Wandstärke von
0,063" auf, sind
die Außenseiten
mit verringerter Größe auf einer
Länge LR gleich 2" auf einen Außendurchmesser von 0,563" hinab geschmiedet, ist
der Wasserstoffanschluß 32 in
Form eines FNPT-Ansatzes von 0,5" bereitgestellt
und ist jeder der Kühlmittelanschlüsse in Form
eines 0,75"-Schlauchanschlusses
mit Wulst bereitgestellt.
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Obwohl
hierin einige spezifische Ausführungsformen
offenbart und erörtert
worden sind, versteht es sich, daß es zu den spezifischen Konstruktionen,
die hierin offenbart sind, viele mögliche Alternativen gibt. Bei spielsweise
kann es in einigen Ausführungsformen
wünschenswert
sein, Rohre mit unterschiedlicher Größe und/oder andere Packungsanordnungen
der Rohre 16 innerhalb des Bündels 14 zu benutzen.
Als ein anderes Beispiel kann es in einigen Ausführungsformen wünschenswert
sein, daß erweiterte
Oberflächen
zur Wärmeübertragung
innerhalb der Rohre 14 selbst und/oder solche, die sich
in den Kühlmittel-Durchflußweg 28 erstrecken,
vorhanden sind.
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Es
versteht sich, daß der
Ausdruck Kühlmittel,
wie hierin benutzt, allgemein benutzt wird, um ein beliebiges Fluid
zu bezeichnen, sei es eine Flüssigkeits-
oder eine Gasphase, das entweder Wärme von dem Metallhydrid 30,
das in den Rohren 16 enthalten ist, absorbieren oder diesem
zuführen
kann.