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Die
Erfindung betrifft einen Arbeitsmittelspeicher mit einem Sorptionsmittel,
einen Arbeitsmittelspeicher mit kapillarischen Spaltbereichen, einen Wärmeübertrager
mit zwei Arbeitsmittelspeichern sowie eine Wärmepumpe nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
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EP 1 918 668 A1 beschreibt
kapillarische Strukturen zur Aufnahme eines Fluids.
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WO 2007/068481 A1 beschreibt
eine Wärmepumpe aus einem fest miteinander verbundenen Stapel
von plattenartigen Hohlelementen, wobei die Hohlelemente Adsorber-Desorber-Bereiche
sowie Verdampfungs-Kondensations-Bereiche umfassen und an den Hohlelementen
Strömungskanäle für wärmetransportierende
Fluide in thermischem Kontakt vorgesehen sind. Die Strömungskanäle
werden über Paare von Rotationsventilen wechselnd seriell miteinander
verschaltet.
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Eine
solche Wärmepumpe hat viele mögliche Anwendungen,
z. B. die Abwärmenutzung in Stationärtechnik,
z. B. Gebäudetechnik, solare Klimatisierung, Kraft-Wärme-Kältekopplungsanlagen
oder auch Fahr- und Standklimaanlagen für Fahrzeuge, insbesondere
Nutzkraftwagen.
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Die
Hohlelemente der bekannten Wärmepumpe können als
Wärmeübertrager aufgefasst werden, wobei die Wärme
als Latentwärme des Arbeitsmittels zwischen dem Adsorber/Desorberbereich
und dem Verdampfer-Kondensations-Bereich transportiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Arbeitsmittelspeicher anzugeben,
der ein hohes Speichervermögen und eine hohe Be- und Entladekinetik aufweist.
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Diese
Aufgabe wird für einen Arbeitsmittelspeicher mit einem
Sorptionsmittel erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruch 1 gelöst. Die nicht notwendig, aber in bevorzugter
Ausführungsform stoffschlüssige Verbindung von
Sorptionsmittel und Blechschicht ermöglicht im Gegensatz
zu rein kraft- oder formschlüssigen Verbindungen neben
einer einfachen und sicheren Montage einen verbesserten Wärmeübertrag
von dem Arbeitsmittel über das Sorptionsmittel auf die
Blechschicht. Unter einer Blechschicht im Sinne der Erfindung sind
sowohl separate Bleche als auch Schichten zum Beispiel eines im
Zickzack gefalteten Blechstreifens zu verstehen. Aktivkohle ist
ein bevorzugtes Sorptionsmittel, wobei die Erfindung nicht auf dieses
Sorptionsmittel beschränkt ist. Eine insbesondere bei Verwendung
von Aktivkohle mögliches, aber nicht notwendiges Arbeitsmittel
ist Methanol. Die Bleche können bei einer bevorzugten Ausführungsform
aus Kupfer bestehen, wobei die thermisch kontaktierten weiteren
Strukturen aus Messing bestehen und mit den kupfernen Blechen hartverlötet
sind. Die Hartverlötung kann mittels bekannten Verfahren
wie etwa „Cuprobraze” erfolgen. Bevorzugt wird
auf Flussmittel im Bereich der Bleche verzichtet. Maßnahmen
wie zum Beispiel Vibrationen und/oder Schutzgas- oder Formiergasatmosphären
können ergriffen werden, um die Oberflächen bei
der Verlötung zu reduzieren, Oxidation zu verhindern und/oder
Oxidschichten aufzureißen.
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In
bevorzugter Ausführungsform ist das Sorptionsmittel als
insbesondere extrudierter Formkörper ausgebildet, wodurch
eine optimale Füllung des zur Verfügung stehenden
Raums erreichbar ist. Die Extrusion von Aktivkohle kann zum Beispiel
als Gemisch von pulverisierter Aktivkohle mit einem Bindemittel
erfolgen, welches bevorzugt nach der Herstellung und/oder stoffschlüssigen
Verbindung des Formkörpers karbonisiert werden kann. Der
Formkörper kann insbesondere streifenförmig bzw.
ein flacher Quader sein.
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In
weiterer Ausführungsform hat zumindest eines von beiden,
Sorptionsmittel oder mit dem Sorptionsmittel verbundene Blechschicht,
eine Strukurierung bezüglich einer thermischen Dehnungsrichtung. Durch
eine solche Strukturierung können thermisch bedingte Materialdehnungen
kompensiert werden, ohne dass zum Beispiel das Sorptionsmittel von
der Blechschicht abplatzt. Bei einem möglichen Beispiel umfasst
die Strukturierung Querrillen im häufig spröden
Sorptionsmittel, die zum Beispiel als Sollbruchstellen dienen und
bevorzugt zugleich als Dampfkanäle für das Arbeitsmittel
fungieren. Bei einem weiteren, alternativen oder ergänzenden
Beispiel weist die Blechschicht Querrillen oder ähnliche
Faltungen auf, die die thermische Ausdehnung aufnehmen können.
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Allgemein
bevorzugt sind die weiteren Strukturen als Rohre, insbesondere Flachrohre,
ausgebildet, wobei in den Blechschichten Durchzüge zur Durchführung
der Rohre ausgebildet sind. Auf diese Weise kann Latentwärme
des Arbeitsmittels mit einem in den Rohren strömenden,
wärmeführenden Fluid ausgetauscht werden. Das
Fluid kann dabei je nach Anwendung flüssig, gasförmig
oder mehrphasig (Nassdampf) sein.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
haben die Blechschichten zumindest im Bereich der stoffschlüssigen
Verbindung mit dem Sorptionsmittel eine bevorzugt galvanisch erzeugte
Aufrauung der Oberfläche. Die Aufrauung kann auch auf andere
Weise, etwa durch Ätzung, erzeugt werden. Durch galvanische
Verfahren kann aber eine besonders geeignete Strukturierung durch
Aufwachsen von zum Beispiel säulenartigen Kristalliten
erzeugt werden. Durch die Aufrauung kann eine gute, zumindest teilweise
formschlüssige stoffschlüssige Verbindung mit
dem Sorptionsmittel erreicht werden, wobei auch die Wärmeübertragung durch
vergrößerte Kontaktflächen verbessert
ist.
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Allgemein
vorteilhaft übersteht die stoffschlüssige Verbindung
Temperaturen oberhalb von 300°C, wobei sie bevorzugt mittels
zumindest einem von beiden, anorganischer Klebstoff oder karbonisierter
organischer Klebstoff, ausgebildet ist. Hierdurch ist eine Verlötung,
insbesondere Hartverlötung, zum Beispiel der Blechschichten
mit den weiteren Strukturen nach Aufbringung des Sorptionsmittels möglich.
Unter einem anorganischen Klebstoff kann zum Beispiel ein silikatbasierter
Kleber, etwa Wasserglas, verstanden werden. Im Fall von organischen Klebstoffen
sind solche zu bevorzugen, die einen hohen Kohlenstoffanteil aufweisen,
zum Beispiel Phenolharze. Diese Klebstoffe ermöglichen
eine stabile Karbonisierung, etwa durch Erhitzen in einer Schutzgasatmosphäre.
Die Karbonisierung des Klebstoffs kann insbesondere im Rahmen einer
Hartverlötung von Bauteilen des Arbeitsmittelspeichers
in einem Lötofen erfolgen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für einen Arbeitsmittelspeicher
mit kapillarischen Spalten zur Speicherung einer kondensierten Phase
des Arbeitsmittels mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Durch
stapelartige Schichtung der strukturierten Bleche, die in unmittelbarem
Kontakt miteinander stehen, lassen sich große Mengen Arbeitsmittel
einfach und kostengünstig speichern.
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Bei
einer möglichen Ausführungsform umfassen die strukturierten
Bereiche jeweils eine Mehrzahl von Rillen. In alternativer oder
ergänzender Ausführungsform können die
strukturierten Bereiche jeweils eine Mehrzahl von Noppen umfassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform grenzen die strukturierten
Bereiche an zwischen den Blechschichten ausgebildeten Hauptdampfkanälen an.
In bevorzugter aber nicht notwendiger Detailgestaltung verlaufen
die Hauptdampfkanäle dabei benachbart der wärmeleitend
kontaktierten Struktur. Bei dieser Struktur kann es sich insbesondere
um fluidführende Rohre handeln, zum Beispiele Flachrohre, die
durch Durchzüge in den Blechschichten hindurchgeführt
sind.
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In
vorteilhafter Detailgestaltung sind dabei zwischen zwei der Blechschichten
zumindest zwei Hauptdampfkanäle ausgebildet, wobei zumindest
einer dieser Hauptdampfkanäle einen größeren
Querschnitt aufweist. Zumindest der Hauptdampfkanal mit dem größeren
Querschnitt läuft bevorzugt bei Sättigung des
Arbeitsmittelspeichers nicht voll, so dass jederzeit eine gute Zirku lation
von dampfförmigem Arbeitsmittel zwischen den Blechschichten
gegeben ist.
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Allgemein
vorteilhaft haben die Oberflächen der Blechschichten eine
Bearbeitung zur Verbesserung einer Benetzbarkeit mit dem Arbeitsmittel,
insbesondere mittels galvanischer Behandlung. So kann eine Aufrauung
geeigneter Dimensionierung bereits die Benetzung der Oberflächen
verbessern. Dabei wird zum einen ein schnelleres Kondensieren und
Verdampfen erzielt und zum anderen die maximale Arbeitsmittelkapazität
des Speichers verbessert.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für einen Wärmeübertrager
mit zwei Arbeitmittelspeichern durch die Merkmale des Anspruchs
13 gelöst. Dabei ist bei einer bevorzugten, aber nicht
notwendigen Ausgestaltung zumindest einer der Arbeitsmittelspeicher
als ein Arbeitsmittelspeicher nach einem der Ansprüche
1 bis 12 ausgebildet.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist auch der jeweils andere
der beiden Arbeitsmittelspeicher nach einem der Ansprüche
1 bis 6 oder nach einem der Ansprüche 7 bis 12 ausgebildet.
Ein solcher Wärmeübertrager hat einen ersten Arbeitsmittelspeicher
mit einem Sorptionsmittel zur Adsorption und Desorption einer Gasphase
des Arbeitsmittels sowie einen weiteren Arbeitsmittelspeicher zur Kondensation
und Verdampfung des Arbeitsmittels.
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In
effektiver und günstiger Bauweise sind die beiden Arbeitsmittelspeicher
in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen, wobei die wärmeleitend kontaktierten
Strukturen als stirnseitige Böden des Gehäuses
durchgreifende, zumindest ein Fluid führende Rohre ausgebildet
sind. Zum Beispiel in Anwendungen einer Wärmepumpe können
die Rohre dabei zwei verschiedene Fluide, führen, zum Beispiel die
mit dem ersten Arbeitsmittelspeicher in thermischem Austausch stehenden
Rohre eine Flüssigkeit und die mit dem zweiten Arbeitsmittelspeicher
in thermischem Kontakt stehenden Rohre ein Gas wie z. B. zu klimatisierende
Luft. Dabei können diese beiden Rohre bzw. Rohrgruppen
auch verschiedene Größen und Querschnitte aufweisen.
Wesentlich im Sinne der erfinderischen Detailgestaltung ist dabei
der fluid- und arbeitsmitteldichte Anschluss der Rohre an die Böden.
So wird es ermöglicht, bewährte Konstruktionsprinzipien
von Rohrbündel-Wärmetauschern in ihren Vorteilen
zu nutzen, um sie mit einer Latentwärmeübertragung
mittels Arbeitsmittelspeichern und einem Arbeitsmittel erfindungsgemäß zu
kombinieren.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager
als Modul ausgebildet, wobei wenigstens zwei der Module sequentiell in
Richtung der Rohre fluiddicht stapelbar sind. Auf diese Weise lassen
sich je nach Anforderungen Wärmeübertrager verschiedener
Größe und Übertragungskapazität
aus einem in günstiger Serienfertigung erzeugten Modul
herstellen. In einfacher und zweckmäßiger Detailgestaltung
haben die Böden dabei eine Dichtfläche, wobei
die Dichtfläche zur fluiddichten Stapelung mit einer Dichtung
zusammenwirkt. Bei der Dichtfläche kann es sich beispielhaft um
einen umlaufenden Wulst und bei der Dichtung um eine an den Wulst
angepresste Flachdichtung handeln. Bei einem anderen Beispiel ist
die Dichtfläche als Nut ausgebildet, in die eine umlaufende
Ringdichtung eingelegt ist. Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung
ist ein Wasserkasten mittels der Dichtfläche fluiddicht
an dem Boden festlegbar. Hierdurch kann erreicht werden, dass auch
endständige Module eines Modulstapels keine abweichende
Ausgestaltung erfordern.
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Allgemein
vorteilhaft hat der Wärmeübertrager einen Gehäusemantel,
wobei der Gehäusemantel und die Böden einen geschlossenen
Hohlraum umschließen, in dem die Arbeitsmittelspeicher
angeordnet sind. Ein solcher Gehäusemantel kann in einfacher
Gestaltung zum Beispiel ein umlaufender, an einer Nahtstelle verschlossener
Blechstreifen sein. Die Festlegung des Gehäusemantels an
den Böden kann insbesondere in einem nachgeordneten Verfahrensschritt
erfolgen, nachdem zunächst bei zum Beispiel Arbeitsmittelspeicher
und Rohre miteinander hartverlötet wurden. Der Gehäusemantel
kann hiernach z. B. verklebt, weichverlötet, verschweisst
oder auch hartverlötet werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird zudem für eine eingangs genannte
Wärmepumpe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine räumliche Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe.
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2 zeigt
eine Explosionsansicht der Wärmepumpe aus 1.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die Wärmepumpe aus 1 von
der Seite.
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4 zeigt
eine schematische räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers.
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5 zeigt
eine räumliche Darstellung von Teilen des Wärmeübertragers
aus 4.
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6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch den Wärmeübertrager
aus 4 im Bereich eines ersten Arbeitsmittelspeichers
mit einem Sorptionsmittel.
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7 zeigt
mehrere Ansichten einer Blechschicht des Arbeitsmittelspeichers
aus 6.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Blechschicht aus 7.
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9 zeigt
eine weitere Schnittansicht und Draufsicht des Arbeitsmittelspeichers
aus 7.
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10 zeigt
eine teilweise Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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11 zeigt
eine gesamte schematische Schnittansicht des Wärmeübertragers
aus 10.
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12 zeigt
eine schematische räumliche Ansicht des Wärmeübertragers
aus 10.
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13 zeigt
eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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14 zeigt
mehrere Ansichten einer Blechschicht eines zweiten Arbeitsmittelspeichers
mit kapillarischen Strukturen.
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15 zeigt
eine Schnittansicht des Wärmeübertragers aus 6 im
Bereich eines zweiten Arbeitsmittelspeichers mit Blechschichten
nach 14.
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16 zeigt
eine Schnittansicht durch den Arbeitsmittelspeicher aus 15 parallel
zu den Blechschichten.
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17 zeigt
mehrere Ansichten einer ersten Abwandlung des Arbeitsmittelspeichers
aus 15.
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18 zeigt
eine Schnittansicht durch eine weitere Abwandlung des Arbeitsmittelspeichers
aus 15 parallel zu den Blechschichten.
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19 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines zweiten Arbeitsmittelspeichers
mit kapillarischen Strukturen.
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In 1 ist
eine Wärmepumpe dargestellt, bei der eine Mehrzahl von
vorliegend insgesamt zwölf Wärmeübertragern 1 nach
Art eines Stapels parallel zueinander angeordnet sind. Der Stapel
aus Wärmeübertragern 1 ist über
Zuganker 2 lösbar zu einer baulichen Einheit verbunden.
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Jeder
der Wärmeübertrager 1 hat eine erste Zone
A in Form einer Adsorbtions/Desorptionszone und eine zweite Zone
B in Form einer Verdampfungs/Kondensationszone. Die erste Zone A
wird für jeden der Wärmeübertrager 1 von
einem jeweils ersten Strömungskanal 3 eines umströmenden, über eine
nicht dargestellte Pumpe geförderten Fluids durchgriffen
und die zweite Zone B wird für jeden der Wärmeübertrager 1 von
einem zweiten Strömungskanal 4 des Fluids durchgriffen.
Jeder der Strömungskanäle 3, 4 hat
dabei stirnseitige Anschlüsse 3a, 3b,
die sich entgegengesetzt gegenüberliegen und jeweils als
Zuführungen oder Abführungen für das
die Strömungskanäle 3, 4 durchströmende
Fluid dienen.
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Der über
die Zuganker 2 zusammengehaltene Stapel aus Wärmeübertragern 1 ist
in einem Tragrahmen 5 der Wärmepumpe angeordnet.
Außenseitig des Tragrahmens 5 sind insgesamt vier
Rotationsventile angeordnet und mit dem Stapel von Wärmeübertragern 1 verbunden,
wobei zwei im Wesentlichen baugleiche Rotationsventile 6 mit
den Zu- und Abführungen 3a, 3b der Sorptionsseite
A verbunden sind. Zwei hiervon insbesondere bezüglich der
Anzahl der im Ventil separierten Strömungskanäle
im Allgemeinen abweichend gebaute, jedoch zueinander baugleiche
Rotationsventile 7 sind mit der zwei ten Zone bzw. Verdampfungs/Kondensationsseite
B der Wärmeübertrager 1 verbunden.
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Die
Rotationsventile 6, 7 sind sämtlich parallel
zueinander ausgerichtet, wobei zentrale Drehwellen 6a, 7a der
Rotationsventile 6, 7 mit einer modulartigen Antriebseinheit 8 verbunden
sind, die in 2 schematisch dargestellt ist.
Die Antriebseinheit 8 umfasst einen Elektromotor 8a,
durch den über einen Zahnriemen 8b vier Antriebsräder 8c zum
Antrieb der jeweiligen Achsen 7a, 6a der Rotationsventile 6, 7 synchronisiert
bewegt werden. Bei der vorliegenden Konstruktion werden sämtliche
Rotationsventile 6, 7 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
angetrieben.
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Die
Rotationsventile
6 der Sorptionsseite A der Wärmeübertrager
1 haben
einen Zuführbereich
6b, der über zwölf
separate Zuführungen
6c verfügt, so dass
jeder der zwölf Wärmeübertrager
1 einem separaten
Kanal innerhalb des Rotationsventils
6 entspricht. Die
Rotationsventile
7 der Verdampferseite B haben eine kleinere
Anzahl von nur vier separaten Zuführungen
7c in
einem Zuführbereich
7b, da auf dieser Seite der
Wärmepumpe in der Regel keine so stark differenzierte Trennung
der Strömungskanäle notwendig ist wie auf der
Sorptionsseite. Entsprechend sind jeweils mehrere bzw. vorliegend
drei der Hohlelemente
1 bezüglich ihrer zweiten
Zone B mit jeweils einem der Strömungskanäle in
den Ventilen
7 gleichzeitig verbunden. Hierzu und zum Funktionsprinzip
der Wärmepumpe wird auf die Erläuterungen im Stand
der Technik
WO
2007/068481 A1 verwiesen.
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Die
benachbarten Wärmeübertrager 1 sind zueinander
beabstandet gehalten, was vorliegend durch geeignete Abstandsstücke 9 zwischen
den Hohlelementen erreicht wird. Zwischen den Wärmeübertragern 1 verbleibt
somit jeweils ein Luftspalt, so dass sie thermisch gut voneinander
isoliert sind. Zur weiteren Verbesserung der thermischen Isolation können
nicht dargestellte Dämmplatten, z. B. aus geschäumten
Polymer oder faserigen Dämmstoffen eingelegt sein.
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Die
einzelnen Anschlüsse 3a, 3b, 4a, 4b der Wärmeübertrager 1 sind
mit korrespondierenden Anschlüssen 6d, 7d der
Rotationsventile 6, 7 verbun den, welche sich jeweils
in einer Reihe ausgerichtet radial von den Wänden eines
Abführbereichs der wesentlichen zylindrisch geformten Rotationsventile
erstrecken. Zum Ausgleich von thermisch bedingten Dehnungen der
Wärmepumpe sind die Anschlüsse 7d, 6d der
Rotationsventile 6, 7 mit den Anschlüssen 3a, 3b, 4a, 4b des
Stapels aus Wärmeübertragern 1 über
elastische Verbindungsstücke, z. B. Schlauchstücke
oder Wellbälge, verbunden.
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Gemäß 4 sind
die Wärmeübertrager 1 der Wärmepumpe
so aufgebaut, dass ein Arbeitsmittelspeicher auf einer Sorptionsseite
A und ein Arbeitsmittelspeicher auf einer gegenüberliegenden Verdampfungsseite
B in einem Gehäuse 9 angeordnet sind. Das Gehäuse 9 umfasst
zwei parallele Böden 10 mit Durchzügen,
in denen die Enden von Flachrohren 11 aufgenommen sind.
Die Böden 10 werden von einem umlaufenden Gehäusemantel 12 zu
einem arbeitsmitteldichten Hohlraum abgeschlossen. In dem Gehäusemantel 12 sind
ein oder mehrere Füllröhrchen 13 vorgesehen,
mittels derer der Hohlraum evakuiert und mit Arbeitsmittel befüllt
werden kann. Insbesondere kann es sich um eine Dauerfüllung
handeln, wobei zum Beispiel die Füllröhrchen nach
dem Befüllen durch Deformation dauerhaft verschlossen werden.
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Eine
erste Gruppe von Flachrohren 11 im Bereich des ersten Arbeitsmittelspeichers
A bildet den Strömungskanal 3 für ein
erstes wärmeführendes Fluid und eine zweite Gruppe
von Flachrohren 11 im Bereich des zweiten Arbeitsmittelspeichers
B bildet den Strömungskanal 4 für ein
weiteres wärmeführendes Fluid. Zwischen den Gruppen
von Flachrohren 11 ist ein freier Abstand C ausgebildet,
der die Funktion einer adiabaten Zone zwischen den Bereichen A, B
ausübt. Durch diese Zone soll möglichst keine
Wärmeleitung erfolgen, wobei jedoch gasförmiges
Arbeitsmittel als Träger von Latenzwärme durch
diese Zone zwischen den Arbeitsmittelspeichern in den Bereichen
A, B verlagerbar ist.
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5 zeigt
eine teilweise Darstellung des Wärmeübertagers 1,
bei der die Arbeitsmittelspeicher nicht gezeigt sind. Die Flachrohre 11 sind
innerhalb des Hohlraums von weiteren Stützböden 14 mechanisch
abgestützt, um größere Festigkeit gegenüber
Differenzdrücken des Arbeitsmittels zur Umgebung hin zu
erzielen. Die Stützböden 14 haben nur stützende,
aber keine dichtende Funktion. Im Bereich der adiabaten Zone C sind
die Stützböden geteilt, um die Zonen A, B thermisch
besser voneinander zu isolieren.
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In 6 ist
der Wärmeübertrager zudem mit einem aufgesetzten
Sammlerkasten 15 gezeigt, der einen der stirnseitigen Anschlüsse 3a für
das erste, sorptionsseitige Fluid aufweist.
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Die
Schnittansicht 6 verläuft zudem durch
den ersten Bereich A und den ersten Arbeitsmittelspeicher. Dieser
besteht aus einem Stapel von parallelen Blechen bzw. Blechschichten 16 aus
Kupferblechen, auf denen jeweils Streifen eines Sorptionsmittels,
je nach Anforderungen ein- oder beidseitig, festgelegt sind.
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7 zeigt
mehrere Draufsichten auf eines der Bleche 16. Das Kupferblechhat
eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 mm, bevorzugt nicht mehr als etwa
0,1 mm.
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Bei
dem Sorptionsmittel handelt es sich um Aktivkohle, die zu Formkörpern
in Form von Streifen 17 extrudiert wurde. Die Streifen 17 haben
eine bevorzugte Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm, bevorzugt
etwa 1,5 mm. Hierdurch wird ein gutes Verhältnis zwischen
aktiven Massen (Sorptionsmittel) und passiven Massen (Bleche) des
Arbeitsmittelspeichers geschaffen, wobei zugleich ein effektiver Wärmeübertrag
bei Adsorption oder Desorption des Arbeitsmittels gewährleistet
ist. Bei dem Arbeitsmittel handelt es sich in den vorliegenden Ausführungsbeispielen
um Methylalkohol (Methanol).
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Die
Aktivkohlestreifen 17 sind stoffschlüssig, insbesondere
mittels eines Klebstoffs, auf dem Kupferblech 16 festgelegt,
um einen möglichst guten Wärmekontakt zu gewährleisten.
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Zwischen
den Aktivkohlestreifen 17 sind Reihen von Durchzügen 18 ausgebildet,
durch die die Flachrohre 11 verlaufen. Die Flachrohre bestehen vorliegend
aus Messing. Sie sind in ihren Kontaktbereichen mit den Durchzügen 18 der
Bleche 16 hartverlötet, zum Beispiel mittels des „Cuprobraze”-Lötverfahrens.
In diesem Fall sind die Bleche 16 aus Kupfer und die Rohre 11 aus
Messing mit einem Zinkanteil von 14% und belotet. Optional kann
vor der Lötung ein Beizen durchgeführt werden,
um die Benetzung zu verbessern.
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Alternativ
zum Hartlötverfahren ist ein Weichlötverfahren
einsetzbar, bei dem die Bleche 16 im Bereich der Rohrdurchzüge 18 nur
teilweise (z. B. lokales verzinnen) in den Bereichen 18a (siehe 8)
der Rohrdurchzüge 18 vorbelotet sind. Es wird
vorgeschlagen, dazu ein Band walztechnisch entsprechend der mittleren
gezeigten Zone in 8 zu Schneiden und in einem
weiteren Schritt die Fahnen nach hinten umzubiegen. Dieser Schritt
kann auch nach dem Kassettieren der Bleche 16 direkt vor oder
beim Durchschieben der Rohre 11 erfolgen. Bei diesem Fügeverfahren
sind auch die Messingrohre mindestens außen belotet. Nach
dem Durchschieben der Flachrohre 11 kommen die beloteten
Blechteile mit den beloteten Rohren 11 in Kontakt und bilden beim
Erreichen der Schmelztemperatur vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre
ohne zusätzliches Flussmittel eine stoffschlüssige
Verbindung. Um den Fließprozess zu unterstützen,
kommen oxidschichtaufreißende Zusatzmaßnahmen
wie mechanische Schwingungen oder eine reduzierende Gasatmosphäre
in Betracht Es ist auch möglich, unmittelbar vor dem Löten
einen Beizprozess durchzuführen.
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Die
Rohre 16 stellen wärmeleitend mit den Blechschichten 16 kontaktierte
Strukturen dar, über die ein Wärmeaustausch stattfindet.
Die Wärme wird über die Rohre mit dem wärmeführenden
Fluid, vorliegend etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch, ausgetauscht.
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Insbesondere
im Fall der Verlötung der Bleche 16 ist die stoffschlüssige
Verbindung zwischen Blechen 16 und Sorptionsmittel 17 hochtemperaturfest,
insbesondere für Temperaturen oberhalb 300°C, ausgelegt.
Dies kann bevorzugt durch Verwenden eines anorganischen Klebstoffs,
zum Beispiel silikatbasierend (z. B. Wasserglas), erfolgen. Alternativ
kann auch ein organischer Klebstoff verwendet werden, der nach dem
Aufbringen der Aktivkohlestreifen 17 karbonisiert wird,
zum Beispiel im Zuge des Hartverlötens. Bei der Karbonisierung
wird durch Hitze Wasserstoff abgespalten, und es verbleibt ein mechanisch
ausreichend stabiles Kohlenstoffgerüst des Klebers.
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Gut
geeignete organische Kleber, zum Beispiel Phenolharze, haben daher
meist eine hohe Kohlenstoffdichte.
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Zur
Verbesserung der stoffschlüssigen Verbindung wird die Oberfläche
des Bleches 16 zumindest bereichsweise einer Aufrauung
unterzogen. Diese erfolgt vorliegend durch ein kontrolliertes galvanisches
Verfahren, mittels dessen Mikrokristallite von hohem Aspektverhältnis
auf die Oberfläche aufgewachsen werden.
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Die
Aktivkohlestreifen 17 haben auf ihrer Oberseite eine Strukturierung
bezüglich einer thermischen Dehnungsrichtung in Form einer
Querriffelung 17a. Die Kerben der Riffelung dienen als
Sollbruchstellen, um ein Abplatzen der Aktivkohle 17 von
den Blechen 16 bei übermäßiger
thermischer Ausdehnung zu verhindern. Zugleich bilden die Kerben
der Querriffelung zusätzliche Dampfkanäle, um
einen optimalen Dampftransport in und aus der Aktivkohle zu gewährleisten.
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Unabhängig
von der konkreten Ausgestaltung der Arbeitsmittelspeicher in den
Bereichen A, B verdeutlichen 10 bis 12 eine
erfindungsgemäße Konstruktion des Wärmeübertragers 1 als
in Richtung der Rohre 11 stapelbares Modul. Hierzu ist zumindest
einer der beiden Böden 10, bevorzugt beide Böden 10,
mit einer Dichtfläche 10a ausgestattet. Die Dichtfläche 10a ist
vorliegend nach Art einer die Gruppen 3, 4 von
Flachrohren 11 umlaufenden, geschlossenen Wulst ausgeformt.
Zwischen zwei aufeinander gestapelten Wärmeübertragern 1 ist
eine Flachdichtung 19 eingelegt, an der die Wulste 10a dichtend
anliegen. Auf diese Weise bleiben die Strömungskanäle 3, 4 der
beiden Bereiche A, B durchgehend voneinander getrennt.
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Am
Ende des Stapels kann auf gleiche Weise ein Wasserkasten 15 an
Stelle eines weiteren Wärmeübertragers 1 festgelegt
sein.
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Der
Stapel aus Wärmeübertragern 1 und (optional)
Wasserkästen 15 wird von Zugankern 20 zusammengehalten
(siehe 10 und 12).
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13 zeigt
einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager,
bei dem die Flachrohre 11 des ersten Bereichs A und des
zweiten Bereichs B unterschiedlich ausgeformt sind. Im ersten Bereich
liegen einfache, schmale Flachrohre zur Durchströmung mit einem
flüssigen Fluid von hoher Wärmekapazität
vor. Im zweiten Bereich B haben die Flachrohre einen erheblich größeren
Querschnitt und zudem eine Innenberippung 11a zur Verbesserung
des Wärmeübergangs zwischen Flachrohr 11 und
Fluid. Dies ist insbesondere bei gasförmigen Fluiden wie
etwa Luft vorteilhaft, die einen kleinen Wärmekapazitätsstrom liefern.
Rein schematisch sind in 13 die
beiden unterschiedlichen Arbeitsmittelspeicher angedeutet. Der Adosrptions-Desorptions-Arbeitsmittelspeicher im
Bereich A steht thermisch mit dem flüssigen Fluid in Kontakt,
während der Verdampfungs-Kondensations-Arbeitsmittelspeicher
mit kapillarischen Strukturen im Bereich B mit dem gasförmigen
Fluid in thermischem Kontakt steht.
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14 bis 19 betreffen
Arbeitsmittelspeicher mit kapillarischen Strukturen, in denen eine flüssige
Phase eines Arbeitsmittels gehalten werden kann. Grundsätzlich
kann ein solcher Arbeitsmittelspeicher eigenständig ausgebildet
sein oder auch, wie in den vorliegenden konkreten Beispielen, integriert
in einen Wärmeübertrager 1, der vorliegend zum
Aufbau einer Wärmepumpe (zum Beispiel, aber nicht notwendig
mit einer Fluidsteuerung nach 1) dient.
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14 zeigt
mehrere Ansichten einer Blechschicht bzw. eines Blechs 21.
In dem Blech 21 sind Reihen von Durchzügen 18 zur
Durchführung der Rohre 11 vorgesehen. Zwischen
den Reihen sind streifenförmige, strukturierte Bereiche 22 vorgesehen,
wobei die Strukturierungen aus vorliegend durch Riffelungen bzw.
Mikrowellungen gebildet sind. Allgemein können solche Strukturierungen
durch einen Walzschritt in das Blech eingebracht werden, insbesondere
in einem Endlosverfahren.
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Die
Bleche 21 sind zur Ausbildung eines Arbeitsmittelspeichers
parallel unter unmittelbarer Berührung übereinander
gestapelt, wobei sich beim Stapeln eines Pakets von Blechen an den
sich spiegelbildlich gegeneinander abge stützten Wellungen Kapillarspalte
bilden, die kondensiertes Arbeitsmittel durch Kapillarkraft festhalten.
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15 zeigt
einen Schnitt durch einen bereits vorstehend in seinem Aufbau beschriebenen Wärmeübertrager 1 im
Bereich B des zweiten Arbeitsmittelspeichers. Ferner ist eine Ausschnittsvergrößerung
dargestellt, die die gestapelten und sich berührenden Mikrowellungen 22 zeigt.
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In 16 ist
die Funktion des Arbeitsmittelspeichers näher verdeutlicht.
Die Wellungen sind in der Schnittdarstellung als senkrechte, gerade
Linien erkennbar. Die ovalen, die Linien umgebenden Bereiche stellen
kondensiertes und kapillarisch im Spalt gehaltenes Arbeitsmittel
dar. Die Pfeile zeigen die Strömungswege des dampfförmigen
Arbeitsmittels an. Zwischen benachbarten Wellungen verlaufen zumindest
bei nur teilweise gefüllten Speicher kleinere Dampfkanäle 23 (in
der Zeichnungsebene von oben nach unten), die in Hauptdampfkanäle 24 münden. Die
Hauptdampfkanäle 24 verlaufen parallel zu den Reihen
von Flachrohren entlang des Rands der strukturierten Bereiche 22.
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Bei
der Abwandlung nach 17 sind die Strukturierungen
senkrecht zur Blechebene dergestalt asymmetrisch ausgeformt, dass
einige der Hauptdampfkanäle 24' einen größeren
Querschnitt aufweisen als die anderen Hauptdampfkanäle 24. Hierdurch
werden im Zuge der Füllung des Arbeitsmittelspeichers zunächst
die kleineren Hauptdampfkanäle 24 mit Flüssigkeit
gefüllt, während die großen Hauptdampfkanäle 24' bis
zuletzt frei bleiben, um einen effektiven Arbeitsmittelaustausch
zu gewährleisten.
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Im
Beispiel nach 17 werden im Bereich der Hauptdampfkanäle
abwechselnd breitere und schmalere Blechabstände generiert.
Dies hat den Vorteil, dass auch bei maximaler Arbeitsfüllung
der kapillarischen Strukturen immer ein Hauptdampfkanal 24' zwischen
zwei benachbarten Blechen offen bleibt, während der schmale
Kanal 24 vollständig mit Flüssigkeit
gefüllt sein kann. Auf diese Weise bilden sich jeweils
kammförmige Flüssigkeitsbrücken (siehe 17 links),
wobei je nach Ebene die Kammspitzen einmal nach oben zeigen und
in dem benachbarten Zwischenraum nach unten zeigen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung
des Paketes aus kapillarischen Strukturen liegt darin, dass das
gesamte Paket zu mindestens 50 Volumenprozenten mit Flüssigkeit
gefüllt werden kann, ohne das Dampftransportsystem zu verstopfen,
was eine sehr hohen Speicherdichte bedeutet.
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In
einer weiteren Ausführungsform entsprechend 18 werden
Blechschichten 21 eingesetzt, die in den Bereichen zwischen
den Rohren 11 zwei überlagerte Mikrowellungen
aufweisen. Dabei ergibt sich bei entsprechender Ausführung
eine punktförmige gegenseitige Abstützung der
Bleche nach oben an den sich überlagernden Wellenbergen
und nach unten an den sich überlagernden Wellentälern.
In analoger Weise entstehen bei teilweiser Füllung mit
Kondensat die gefüllt und ungefüllt dargestellten
Flüssigkeitsbrücken in den Bereichen der engsten
Spalte. Dadurch wird die verfügbare volumenspezifische Phasengrenzfläche
für die Verdampfung nochmals erhöht. Kapillarische
Strukturen 22 gemäß 18 können
auch durch Einprägung von Noppen in die Bleche 21 erzeugt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung sind die Bleche aus Metallfolie, insbesondere
Kupferfolie, ausgeführt, deren Oberflächen so
behandelt ist, dass sich eine möglichst gute Benetzung
der Struktur ergibt. Zum Beispiel erfolgt dies durch galvanische
Behandlung wodurch die die gesamte Blechfläche mit einem Flüssigkeitsfilm überzogen
wird, was eine nochmalige Erhöhung der volumenspezifischen
Phasengrenzfläche mit gleichzeitig sehr dünner
Flüssigkeitsgrenzschicht bewirkt.
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In
einer hier nicht näher dargestellten Ausführung
können die Maßnahmen aus 17 und 18 auch
kombiniert werden, wodurch sich eine sowohl eines Flüssigkeitsaufnahmevermögen
als auch eine große Phasengrenzfläche ergeben
würde.
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19 zeigt
eine alternative Ausführungsform eines zweiten Arbeitsmittelspeichers,
bei dem die kapillarischen Strukturen gemäß der
Lehre der Druckschrift
EP
1 918 668 A1 ausgebildet sind. Auch solche Strukturen sind
zur Bereitstellung eines Arbeitsmittelspeichers, etwa zur Ausbildung
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
geeignet.
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Zur
Herstellung von erfindungsgemäßen Wärmeübertragern 1 kommt
die Kombination verschiedener stoffschlüssigerer Fügetechnologien
aus der Gruppe Hartlöten, Weichlöten, Schweißen
mit allen Ihren prozesstechnischen Varianten in Frage. Vorzugsweise
wird der Verbund aus Rohren 11, Blechschichten 16, 21 und
Rohrböden 10 mittels Cuprobraze-Verfahren gelötet,
bei dem die Rohre vorbelotet sind. In einem zweiten Verfahrensschritt
wird der offene Block dann mit dem Gehäusemantel 12, vorzugsweise
mit einem Fügeverfahren, komplettiert, bei dem der vorgelötete
Block aus Rohren und Arbeitsmittelspeichern die ursprüngliche
Löttemperatur zumindest als Ganzes nicht mehr erreicht.
Dafür kommen grundsätzlich alle Löt-
und Schweißtechnologien in Frage.
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Allgemein
bevorzugt berühren die Arbeitsmittelspeicher der Bereiche
A, B den Gehäusemantel 12 des Wärmeübertragers 1 nicht,
wodurch ihre Isolation verbessert ist.
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Es
versteht sich, dass die besonderen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele
je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1918668
A1 [0002, 0080]
- - WO 2007/068481 A1 [0003, 0048]