DE102011079586A1

DE102011079586A1 - Modul für eine Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102011079586A1
Application number: DE102011079586A
Authority: DE
Inventors: Roland Burk; Thomas Wolff; Hans-Heinrich Angermann; Steffen Thiele; Thomas SCHIEHLEN; Eberhard Zwittig; Holger Schroth; Stefan Felber; Steffen Brunner
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013011102A3; EP2734795A2; WO2013011102A2; US20140223955A1; US9829225B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Wärmepumpe, umfassend einen Adsorptions-Desorptionsbereich (2) wobei in dem Bereich ein Bündel von fluiddurchströmbaren Rohren (4) angeordnet ist und ein Gehäuse die Rohrbündel sowie ein verlagerbares Arbeitsmittel dichtend einschließt, wobei eine Stützstruktur (11) eine mechanische Abstützung einer Wand (1a, 1b) des Gehäuses (1) gegen die Wirkung eines Außendrucks ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
WO 2010/112433 A2 beschreibt eine Wärmepumpe, die Stapel aus Hohlelementen aufweist, in denen jeweils eine Adsorptions-Desorptionszone und eine Kondensations-Verdampfungszone angeordnet ist. Die Hohlelemente sind jeweils mit einem Arbeitsmittel befüllt, das zwischen den beiden Bereichen verlagerbar ist. Ein Adsorptionsmittel ist auf Blechen aufgebracht, welche Durchzüge zur Durchführung von Rohren aufweisen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Modul für eine Wärmepumpe anzugeben, das eine druckfeste, insbesondere unterdruckfeste Bauform aufweist.
Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes Modul erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Vorsehen einer Stützstruktur kann mit einfachen Mitteln eine verbesserte Druckfestigkeit des Gehäuses, insbesondere gegenüber einem höheren Außendruck, erzielt werden.
Mehrere solcher Module können zu einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe zusammengeschlossen werden, zum Beispiel gemäß der Lehre der WO 2010/112433 A2 .
Im Allgemeinen herrscht in einem solchen Modul zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Unterdruck gegenüber der Umgebung, was besondere Anforderungen an die Auslegung des Gehäuses stellt. Durch die Stützstruktur können die von außen wirkenden Druckkräfte wirksam abgefangen und/oder verteilt werden.
Eine solche Stützstruktur kann zum Beispiel als ein Trapezblech ausgebildet sein, das Längsfaltungen umfasst, die quer zu in einem Gehäusedeckel vorgesehenen Längssicken ausgerichtet sind. Alternative Detailgestaltungen der Stützstruktur sind möglich, zum Beispiel als Gitter, Mehrzahl von Stäben u. ä..
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Moduls umfasst dieses in dem ersten Bereich (Adsorptions-Desorptionszone) Adsorberstrukturen, umfassend zumindest ein Rohr, das von einem wärmetragenden Fluid durchströmbar ist, und ein Adsorptionsmittel, wobei das Arbeitsmittel an dem Adsorptionsmittel adsorbiert und desorbiert werden kann und das Adsorptionsmittel in thermischer Verbindung mit dem Rohr steht, wobei das Adsorptionsmittel als zumindest ein, insbesondere mehrere, Formkörper ausgebildet ist, der unmittelbar an eine Rohrwand eines der Rohre angrenzt.
Durch die Ausbildung des Adsorptionsmittels als unmittelbar an der Rohrwand anliegender Formkörper ist ein unmittelbarer Wärmeübergang von dem Fluid durch die Rohrwand auf den Formkörper erreicht. Dies kann im Weiteren die bauliche Gestaltung vereinfachen, Bauraum und Baukosten sparen und insgesamt die Effektivität erhöhen.
Unter einem unmittelbaren Angrenzen im Sinne der Erfindung ist dabei die geometrisch unmittelbare Anlage der Formkörper an die Form der Rohre zu verstehen. Je nach Detailgestaltung können dabei zwischen einem tragenden Material der Rohrwände und den Formkörpern eine oder mehrere weitere Schichten vorhanden sein, zum Beispiel Klebstoff, Wärmeleitpaste und/oder eine Korrosionsschutzschicht der Rohrwand.
Ein bevorzugtes, aber nicht notwendiges Arbeitsmittel zur Adsorption und Desorption ist Methanol. Das Adsorptionsmittel basiert vorteilhaft auf Aktivkohle.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Formkörper eine Dicke von wenigstens etwa 1 mm, bevorzugt wenigstens etwa 2 mm. Solche relativ großen Dicken ermöglichen eine hohe Effektivität und Optimierung des Bauraums. Eine obere Grenze für die Dicken der Formkörperstrukturen liegt in diesem Sinne vorteilhaft bei etwa 10 mm und besonders bevorzugt bei etwa 6 mm.
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Formkörper mittels einer bevorzugt elastischen Klebstoffschicht mit der Rohrwand verbunden ist. Besonders bevorzugt hat dabei die Klebstoffschicht eine Silikonbasis, wodurch eine gute Elastizität bei zugleich hoher Wärmebeständigkeit und chemischer Beständigkeit erzielt wird. Ein beispielhafter bevorzugter Klebstoff auf Silikonbasis ist ELASTOSIL^® E43 der Wacker Chemie AG, München, Deutschland.
Bevorzugt, aber nicht notwendig hat die Klebstoffschicht zudem Zuschlagstoffe zur Erhöhung einer Wärmeleitfähigkeit. Es kann sich dabei beispielhaft um Bornitrid und/oder fein gemahlenes, Grafit, expandiertes Grafit und/oder Ruß handeln.
Die Klebstoffschicht hat bevorzugt eine zumindest kurzzeitige Temperaturstabilität von etwa 250°C, so dass eine wenigstens einmalige vollständige Adsorberdesorption, zum Beispiel im Zuge einer Erstinstallation, ermöglicht ist. Eine dauerhafte Beständigkeit der Klebstoffschicht gegenüber dem Arbeitsmittel, insbesondere Methanol, ist bis zumindest etwa 130°C gegeben.
Die Klebstoffschicht ist bevorzugt so gewählt, dass eine Reißdehnung bzw. Bruchdehnung von wenigstens etwa 200%, bevorzugt etwa 300%, vorliegt. Hierdurch wird ein Abplatzen der Formkörper von der Rohrwand bei größeren Temperaturänderungen vermieden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, die bei der thermischen Zyklierung auftretenden thermomechanischen Spannungen mittels in die Adsorber-Formkörper eingebrachten Sollbruchstellen abzubauen. Dadurch können auch weniger elastische Klebertypen und/oder sehr dünne Klebeschichten zum Einsatz kommen, die nur geringere thermische Dehnungsdifferenzen ausgleichen können.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest einer von mehreren Formkörpern kraftbeaufschlagt, bevorzugt reibschlüssig, an der Rohrwand des Rohres anliegt. Hierbei wird auf eine stoffschlüssige Festlegung bzw. Verklebung verzichtet, so dass unterschiedliche Wärmedehnungen optimal kompensierbar sind. Die kraftbeaufschlagte Halterung bewirkt einen definierten, noch direkteren und damit höheren Wärmeübergang.
Bei einer bevorzugten Detailgestaltung hat dabei zumindest eines von beiden, Rohr oder Formkörper, einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt, wobei insbesondere zumindest eines der beiden in einer Keilrichtung kraftbeaufschlagt gehalten ist. Bevorzugt werden dabei flache Keilwinkel von wenigen Grad gewählt.
Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Adsorberstruktur sowohl stoffschlüssig als auch rein kraftschlüssig gehaltene Formkörper umfassen.
Bei einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohr als Flachrohr ausgebildet, wobei der Formkörper bevorzugt an Breitseiten des Flachrohres angrenzt. Flachrohre sind einfach und kostengünstig herstellbar und weisen große Flächen für den Wärmeübergang auf. Grundsätzlich sind je alle bekannten Bauformen von Flachrohren für den Einsatz denkbar, zum Beispiel geschweißte und/oder gelötete Rohre, Rohre mit Bördelnaht, Snap-Over-Rohre und/oder B-Type-Rohre.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohr im Wesentlichen als Rundrohr oder Vieleck-Rohr ausgebildet, wobei das Rohr durch zwei oder mehr Formkörper eingebettet ist. Eine solche Bauform ermöglicht eine weitgehend dichte Stapelung in zwei Raumrichtungen, was der Ausnutzung des Bauraums besonders entgegen kommt. In bevorzugter Detailgestaltung haben die das Rohr einbettenden Formkörper dabei insgesamt einen vieleckigen, insbesondere sechseckigen Außenumriss, so dass eine im Wesentlichen geometrisch dichte Stapelung erzielbar ist.
Bei einer möglichen Detailgestaltung sind dabei die Formkörper im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet, wobei sie jeweils mehrere Einbuchtungen zur teilweisen Umfassung mehrerer der Rohre aufweisen. Auf diese Weise kann eine gute Raumnutzung mit wenigen Einzelteilen erzielt werden.
Allgemein vorteilhaft hat der Formkörper eine Ausnehmung, die zumindest teilweise einen Dampfkanal für das Adsorptionsmittel und/oder eine Sollbruchstelle des Formkörpers ausbildet. So ist auch bei einer räumlich dichten Anordnung aneinander angrenzender Formkörper eine effektive Zuführung und Abführung des Arbeitsmittels durch die Kanäle gegeben. Die alternative oder ergänzende Funktion als Sollbruchstelle ermöglicht ein definiertes Brechen, zum Beispiel aufgrund einer lokal zu hohen Wärmedehnung. Dabei bleibt die mechanische und thermische Integrität der Gesamtstruktur insbesondere der thermische Kontakt zwischen Rohr und Adsorptionsmittel erhalten. Durch die Bildung definierter Risse parallel zur Wärmeleitungsrichtung wird die Zutrittsfläche des Arbeitsmittels und die Kinetik des Stofftransportes verbessert.
Allgemein vorteilhaft besteht das Rohr im Wesentlichen aus einer Legierung auf Eisenbasis. Solche Legierungen sind besonders robust gegen viele Arbeitsmittel, insbesondere Methanol.
In bevorzugter Detailgestaltung besteht das Rohr dabei aus einem ferritischen Edelstahl (geringer Ausdehnungskoeffizient) und/oder einem verzinnten Edelstahl. Es kann auch aus einem normalen verzinnten Stahl bestehen, etwa aus kostengünstigem Weißblech. Eine weitere Variante ist es, verzinkten Grundwerkstoff, insbesondere verzinkten Stahl zu verwenden.
Bei Ausbildung als Flachrohre liegt bevorzugt ein hydraulischer Durchmesser von weniger als etwa 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm, vor.
Die Wandstärken der Flachrohre liegen vorteilhaft im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 mm.
Bei Ausbildung als Rundrohre haben diese bevorzugt einen Durchmesser im Bereich zwischen 4 mm und 6 mm. Die Rundrohre besitzen vorteilhaft Wandstärken im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm und bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm. Die Rundrohre können mit Turbulenzeinlagen zur Erhöhung des innenseitigen Wärmeübergangskoeffizienten bestückt sein
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Moduls sind die Adsorberstrukturen als mechanische Abstützung des Gehäuses ausgebildet, was zu einer besonders hohen Festigkeit gegenüber einem Außendruck führt. Hierbei wird zugleich eine räumlich besonders dichte Anordnung der Formkörper und Rohre ausgenutzt.
Die Gehäusewand des Moduls besteht bevorzugt aus einer Eisenbasislegierung, zum Beispiel Stahl, Edelstahl, verzinnter oder verzinkter Stahl oder ähnliches. Insbesondere kann das Material einem Material der Rohre entsprechen.
In bevorzugter Detailgestaltung liegt in dem Verdampfungs-Kondensationsbereich keine Abstützung des Gehäuses durch die inneren Rohre und mit ihnen verbundenen Strukturen zur Anlagerung und Abgabe des Arbeitsmittels vor. Da dieser Bereich meist schmäler ist als der Adsorptionsbereich, ist dieser Bereich freitragend vom Gehäuse überbrückbar, muss sich also nicht auf den in diesem Bereich vorliegenden empfindlichen inneren Verdampfungs-Kondensationsstrukturen abstützen. Insbesondere bevorzugt kann dabei ein Abstützrahmen im Inneren des Gehäuses zwischen den beiden Bereichen vorgesehen sein, um ein zu starkes Einfallen des Gehäuses in diesem Bereich zu verhindern.
Bei einem bevorzugten Modul nimmt der Adsorptions-Desorptionsbereich einen größeren Teil des Moduls ein als der Verdampfungs-Kondensationsbereich. Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis der von diesen Bereichen jeweils innerhalb des Gehäuses beanspruchten Volumina zwischen etwa 2,5 und etwa 4.
Wenn das Modul keinen Kondensations-Verdampfungsbereich umfasst, kann zum Beispiel eine Anwendung als adsorptiver Wärme- und/oder Kältespeicher oder in einem klassischen Adsorptions-Wärmepumpenkonzept mit mehreren Adsorptionsreaktoren, aber gemeinsamem aber separatem Kondensator und Verdampfer vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßer Formkörper mit einem Adsorptionsmittel für eine Wärmepumpe besteht aus einem Gemisch, umfassend ein Adsorptionsmittel und ein Bindemittel, das einen keramischen Binder umfasst. Der keramische Binder basiert auf Silikaten, bevorzugt, aber nicht notwendig, auf Alumosilikaten. Auch silikatische Keramiken wie z. B. Magnesiumsilikate (Beispiel Steatit), Magnesiumaluminiumsilikate (Beispiel Cordierit) sind möglich.
Der Gewichtsanteil des keramischen Binders im Formkörper liegt zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 15% und 30%.
Das Gemisch beinhaltet vorteilhaft ein Pulver aus einem sorptionsaktiven Grundmaterial in einer Partikelgröße im Bereich zwischen 2 μm und 500 μm, bevorzugt zwischen 5 μm und 100 μm. Das sorptionsaktive Grundmaterial kann zum Beispiel Aktivkohle sein.
Das Gemisch kann Hilfsstoffe zur Verbesserung der Wärmeleitung enthalten, zum Beispiel expandiertes Graphit und/oder Bornitrid und/oder Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid. Die Zusatzstoffe haben bevorzugt einen Massenanteil zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 10% und 35%.
Alternativ oder ergänzend können anorganische Fasern beigemengt sein, die die Wärmeleitfähigkeit und/oder die mechanische Stabilität verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind aktivierte Kohlefasern beigemengt, die vorteilhaft sowohl eine Wärmeleitfunktion und/oder mechanische Stabilisierung beinhalten als auch eine Adsorptionsfunktion ausüben können.
Ein Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Formkörper kann z. B. Extrudieren und/oder Sintern umfassen. Das Sintern kann unter Inertgas erfolgen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine räumliche geöffnete Ansicht eines Moduls mit Adsorberstrukturen gemäß der Erfindung.
2 zeigt das Modul aus 1 in einer explodierten Darstellung.
3 zeigt eine explodierte Darstellung von Gehäuseteilen des Moduls aus 1.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch das Modul aus 1.
5 zeigt eine räumliche Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Adsorberstruktur der Erfindung mit stoffschlüssiger Halterung.
6 zeigt eine Schnittansicht durch eine gestapelte Anordnung von mehreren der Adsorberstrukturen aus 5.
7 zeigt eine räumliche Ansicht von in zwei Raumrichtungen gestapelten Adsorberstrukturen aus 5.
8 zeigt Schnittansichten mehrerer Bauformen von Flachrohren der Adsorberstrukturen aus 5 bis 7 und eine Schnittansicht eines in einem Rohrboden eingesetzten Flachrohrs.
9 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführung von Adsorberstrukturen mit kraftschlüssiger Halterung.
10 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform aus 9 mit keilförmigen Flachrohren.
11 zeigt eine räumliche Darstellung eines weiteren Beispiels einer Adsorberstruktur der Erfindung mit einem runden Rohr.
12 zeigt eine Stapelung von Adsorberstrukturen nach 11 in zwei Raumrichtungen.
13 zeigt einen plattenförmigen Formkörper einer weiteren Ausführungsform einer Adsorberstruktur.
14 zeigt eine Abwandlung des Formkörpers aus 13.
15 zeigt eine Adsorberstruktur mit Rundrohren und Formkörpern nach 13 und 14.
Das in 1 gezeigte Modul ist eines von mehreren zusammengeschlossenen Modulen einer Wärmepumpe. Es umfasst ein Gehäuse 1, in dem ein erster Bereich als Adsorptions-Desorptionsbereich 2 und ein zweiter Bereich als Kondensations-Verdampfungsbereich 3 nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Bereiche 2, 3 umfasst eine Mehrzahl von Rohren 4, vorliegend Flachrohren, die in zwei Raumrichtungen gestapelt als Bündel angeordnet sind.
Die Rohre 4 des ersten Bereichs sind dabei jeweils als eine Adsorberstruktur 5 (siehe 5) ausgebildet. Dabei sind die breiten Seiten der Flachrohre 4 jeweils mit einem Formkörper 6 flächig verbunden, vorliegend durch Klebung. Der Formkörper 6 besteht aus einem Gemisch von Adsorptionsmittel, vorliegend Aktivkohle, und Bindemittel.
Eine Klebstoffschicht 7 zur Verbindung der Formkörper 6 mit den Rohren 4 umfasst einen elastischen Kleber auf einer Silikonbasis, vorliegend Elastosil E43 der Wacker Chemie AG.
In den Formkörpern sind Ausnehmungen 6a, 6b ausgebildet, die als Dampfkanäle 6a zur gesammelten Zu- und Abfuhr von Arbeitsmittel und/oder Sollbruchstellen 6b dienen, durch die ein Abplatzen der Formkörper von dem Rohr 4 bei übermäßiger thermischer Verspannung vermieden wird.
Die Rohre 4 stehen in Endbereichen 4a über die Formkörper 6 hinaus und münden in Durchzügen 10a von Rohrböden 10.
Die Flachrohre 4 können auf beliebige Weise ausgebildet sein, zum Beispiel nach 8 als Laser-längsgeschweisstes Rohr, Snap-Over-Rohr, B-Type-Rohr oder Bördelrohr (von links nach rechts).
9 und 10 zeigen Ausführungsformen mit Flachrohren 4, bei denen die Formkörper 6 nicht verklebt bzw. stoffschlüssig angebunden sind, sondern kraftschlüssig, vorliegend reibschlüssig.
Im Beispiel nach 9 sind die Formkörper leicht keilförmig ausgebildet und die Flachrohre sind herkömmlich ausgebildet. Jeder Formkörper 6 erstreckt sich in einer Tiefenrichtung über mehrere Flachrohre 4. In der Längsrichtung bzw. Stapelrichtung wechseln sich die Orientierungen der Formkörper 6 ab.
Im Beispiel nach 10 sind sowohl die Formkörper 6 als auch die Flachrohre 4 leicht keilförmig geformt. Bei dieser Abwandlung erstreckt sich jeweils ein Formkörper über ein Flachrohr, wobei in Tiefenrichtung hintereinander liegende Reihen von Flachrohren in umgekehrter Orientierung dargestellt sind. Vorzugsweise (in 10 nicht dargestellt) stehen die Formkörper wie auch in 9 in der Tiefenrichtung über die Flachrohre über, so dass die Formkörper über Stützmittel oder elastisch kraftbeaufschlagende Mittel (nicht dargestellt) in der Keilrichtung gehalten sind. In der Stapelrichtung sind endseitig jeweils Halteelemente 8 vorgesehen, die zumindest die endseitigen Formkörper statisch oder elastisch kraftbeaufschlagt in dieser Richtung abstützen. Zumindest ein Teil der Stützkraft in Stapelrichtung kann auch von den in Durchzügen aufgenommenen Rohren 4 abgefangen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 11 liegen an Stelle von Flachrohren Rundrohre 4 vor, die je nach Abwandlung auch vieleckig ausgebildet sein können.
Die Rundrohre 4 werden von jeweils mehreren, vorliegend zwei, Formkörpern 6 jeweils teilweise umfangen. Die Formkörper 6 betten das Rohr 4 insgesamt vollständig (bis auf Toleranz- bzw. Klebespalte) ein, wobei sie insgesamt einen vorliegend sechseckigen Außenumriss aufweisen. Hierdurch können die aus je einem Rohr 4 und zwei Formkörpern 6 bestehenden Adsorberstrukturen 5 in dichter Packung in zwei Raumrichtungen gestapelt werden (siehe 12).
Die bevorzugte Dicke der Formkörper 6 ergibt sich aus der mittleren Länge des Wärmeleitungspfades wofür für sämtliche Formgebungen dieselben Angaben gelten (bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 6 mm).
Erkennbar sind die Kanten der Außenumrisse der Formkörper definiert verrundet, so dass in dem Stapel jeweils Dampfkanäle 6a gebildet sind.
Durch (nicht gezeigte) Segmentierung der Formkörper in Rohr-Längsrichtung und Beabstandung der Segmente können quer zur Rohrlängsachse verlaufende, zusätzliche Dampfkanäle ausgebildet sein.
Das Beispiel nach 11, 12 kann je nach Anforderungen mit stoffschlüssiger und/oder kraftschlüssiger Anbindung der Formkörper 6 an die Rohre 4 ausgebildet sein. Bezüglich der bevorzugten stoffschlüssigen Anbindung kann dasselbe Klebersystem wie in den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Bei dem Beispiel nach 13 bis 15 sind die Formkörper 6 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet, wobei jede der Platten 6 mehrere Ausbuchtungen 9 zum teilweisen Umfangen der Rohre 4 aufweist. Die Rohre sind vorliegend, aber nicht notwendig, Rundrohre.
Die Formkörper 6 weisen jeweils Ausnehmungen 6a, 6b zur Ausbildung von Dampfkanälen und Sollbruchstellen auf. Es versteht sich, dass eine Ausnehmung 6a, 6b auch beide Funktionen zugleich erfüllen kann. Bevorzugt sind diese entweder in der neutralen Fläche des Wärmeflusses und/oder als schmale Spalte in Wärmeflussrichtung ausgeführt und angeordnet.
15 zeigt eine Adsorberstruktur 5, die einen Stapel aus mehreren der Formkörper nach 3 und 4 mit dazwischen angeordneten Reihen von Rundrohren 4 umfasst.
Allgemein haben die vorstehend beschriebenen Adsorberstrukturen bevorzugt folgende Eigenschaften:
Die Rohre der Bündel sind gut wärmeleitend mit den Formkörpern verbunden, wobei endseitige Überstände von 5 mm bis 15 mm reichen.
Die Rohre der Rohrbündel sind charakterisiert durch:
Grundwerkstoff Fe-Basis-Werkstoff, besonders bevorzugt ferritischer Edelstahl; dieser besitzt geringere thermischen Ausdehnungskoeffizienten als austenitische Edelstähle.
Alternativ kann als Rohrmaterial – je nach gewähltem Fügeverfahren – auch verzinnter Edelstahl oder verzinnter Stahl (Weißblech) zum Einsatz kommen. Eine weitere Variante ist es, verzinkten Grundwerkstoff, insbesondere verzinkten Stahl zu verwenden.
Die Flachrohre 4 (5 bis 10) besitzen einen hydraulischen Durchmesser von < 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 2 mm. Die Wandstärken der Flachrohre liegen im Bereich 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm.
Die Rundrohre (11 bis 15) besitzen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich zwischen 4 und 6 mm. Die Rundrohre 4 besitzen Wandstärken im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm.
Die Formkörper der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen insbesondere bevorzugt Merkmale gemäß nachfolgender Beispiele auf bzw. werden bevorzugt auf nachfolgende Weise hergestellt:
Beispiel 1:

1. Verwendung eines hochporösen Adsorbens in Pulverform als adsorptionsaktives Grundmaterial zur Adsorption von Methanol mit folgenden Eigenschaften: 1.1. Vorzugsweise aufweisend eine Adsorptionsisotherme des Typs 1.
2. Adsorber-Compound bestehend aus: 2.1. Pulver des sorptionsaktiven Grundmaterials mit einer Partikelgröße im Bereich zwischen 2 μm und 500 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 100 μm. 2.2. Keramischer Binder auf Basis von silikatischen Keramiken wie z. B. Magnesiumsilikaten (Beispiel Steatit), Magnesiumaluminiumsilikaten (Beispiel Cordierit) und Alumosilikaten (Beispiele Steingut, Porzellan). Der Gewichtsanteil des keramischen Binders im Formkörper liegt zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 15% und 30%. 2.3. Wärmeleitende Zusätze, insbesondere expandiertes Grafit, BN, SiC, AlN, im Massenanteil zwischen 5% und 50%, bevorzugt von 10% bis 35%. 2.4. Optional anorganische Fasern zur Verstärkung und Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. 2.5. Optional aktivierte Kohlefasern, die sowohl sorptive Eigenschaften haben als auch Wärmeleitfunktion übernehmen können.
3. Aus Adsorber-Compound durch folgendes Verfahren hergestellte Formkörper:

Variante 1:

3.1. Herstellung einer plastischen Masse bestehend aus den oben unter 1., 2. aufgeführten Komponenten sowie Wasser und einem Plastifizierungs-Hilfsmittel.
3.2. Extrusion z. B. zu einer Folie oder zu einem Strang, der zu einer Folie gewalzt wird mit anschließendem Schneiden.
3.3. Alternativ Extrusion zu einer Folie mit dem bereits vorgesehenen Profil und anschließendem Schneiden zu Streifen.
3.4. Trocknen, je nach Bedarf mit Maßnahmen zur Formerhaltung.
3.5. Sintern unter Inertgas bei einer Temperatur und Haltezeit, die für das Aushärten bzw. Sintern des Alumosilikatbinders zu einer stabilen Matrix erforderlich ist.

Variante 2:
Herstellung eines Granulates bestehend aus den oben aufgeführten Komponenten und einem Additiv (z. B. einem Wachs), welches nach einem Pressvorgang die Funktion eines Grünbinders übernimmt. Ein Beispiel für einen solchen Herstellprozess ist die Sprühgranulatherstellung.

3.6. Einfüllen des Granulates in eine Form und Verpressen zu der Form der Adsorberstruktur.
3.7. Sintern unter Inertgas bei einer Temperatur und Haltezeit, die für das Aushärten bzw. Sintern des Alumosilikatbinders zu einer stabilen Matrix erforderlich ist.
3.8. Zur Einstellung einer bestimmten Porosität sowie einer definierten Porenstruktur kann der Ausgangsmischung optional ein Porenbildner, z. B. in Form von pulverförmigen Polymeren oder in Form von organischen Fasern, zugegeben werden.

Zur geometrischen Ausgestaltung der Formkörper sind folgende Merkmale bevorzugt vorgesehen:
Eine Plattenform mit einer Dicke im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 2 und 6 mm.
Ein- oder beidseitige Rillenstruktur mit einem Rillenabstand der um einen Faktor zwischen 0,5 und 2 mit der Plattendicke korreliert. Eine Rillenbreite ist < 1 mm, bevorzugt < 0,5 mm.
Eine Rillentiefe, die mit einem Faktor zwischen 0,2 und 0,8 mit der Plattendicke korreliert.
Für die Klebstoffschicht 7 zur Anbindung der Formkörper 6 an Rohre 4 liegen bevorzugt folgende Merkmale vor:
Elastische Kleberschicht charakterisiert durch:

– vollflächige Benetzung der Kontaktfläche zwischen Adsorptionskörper und Metallträger;
– optionale Teilnutzung des Rillenvolumens als Kleber-Verdrängungsvolumen zur Erzielung dünner Kleberschichten;
– Temperaturstabilität bis 250°C zwecks Adsorberdesorption vor einer Installation;
– Dauerhafte Stabilität gegenüber dem Arbeitsmittel, bevorzugt Methanol, bis 130°C;
– je nach Bedarf Anreicherung mit Wärmeleit-Hilfsstoffen wie BN, fein gemahlenem Grafit, expandiertem Grafit oder Ruß;
– Reißdehnung (Bruchdehnung) bei Raumtemperatur beträgt mindestens 300%

Das die Rohre 4 durchströmende Wärmeträgerfluid kann beliebig gewählt sein, ist aber vorzugsweise ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch.
Das in 1 bis 4 gezeigte Modul für eine Wärmepumpe hat in seinem ersten Bereich 2 bevorzugt, aber nicht notwendig Adsorberstrukturen nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. In dem zweiten Bereich 3 können beliebige Verdampfungs-Kondensationsstrukturen angeordnet sein, bevorzugt aber Strukturen nach der Druckschrift EP 1 918 668 B1 .
Das Gehäuse 1 des Moduls umfasst einen unteren Gehäuseteil 1a und einen oberen Gehäuseteil 1b, die jeweils in einer ersten Richtung (Durchströmungsrichtung) eingeprägte Längssicken zur Versteifung aufweisen.
Das Gehäuse 1 umfasst zudem die Böden 10 mit den Durchzügen 10a, in die die Rohre 4 eingesteckt sind. Die Ränder der Böden werden von den beiden Gehäuseteilen 1a, 1b hermetisch dichtend umfangen.
Zwischen Gehäuseteilen 1a, 1b und den ersten und zweiten Bereichen 2, 3 sind jeweils Stützstrukturen 11 vorgesehen. Die Stützstrukturen 11 sind flächig ausgebildet, vorliegend als Trapezbleche (siehe insbesondere 2 und 3). Eine Faltung der Trapezbleche 11 ist senkrecht zu den Längssicken der Gehäuseteile 1a, 1b orientiert. Die Trapezbleche liegen von innen an den Gehäuseteilen 1a, 1b an und sind mit diesen mittels stoffschlüssigem Fügeverfahren, z. B. Widerstandspunktschweissen, fest verbunden.
Durch die Überkreuzung der Längssicken und der Faltungen ergibt sich insgesamt eine hohe Druckstabilität der Gehäusewände, insbesondere gegen äußeren Überdruck sowie eine gute thermische Entkoppelung zwischen Innenstrukturen und den Gehäuseteilen.
Eine weitere Abstützung stellen die gestapelten Adsorberstrukturen 5 in dem ersten Bereich dar. Zumindest bei Betriebstemperaturen und/oder unter entsprechenden Druckeinfluss (Montage mit minimal notwendigem Spiel) liegen die Formkörper 6 in der Senkrechten aneinander und an den Trapezblechen des Gehäuses an, so dass eine optimale Abstützung gegen den meist höheren Außendruck erfolgt.
Die Böden 10 sind von außen mit Wasserkästen 12 aus Kunststoff versehen, wie es im Prinzip aus dem Wärmetauscherbau bekannt ist. Die Wasserkästen 12 haben Anschlüsse 12a zur Zuführung und Abführung von Wärmeträgerfluid.
In den Böden 10 sind Anschlüsse 13 zur Befüllung des Moduls mit Arbeitsmittel, vorliegend Methanol, vorgesehen. In der Darstellung nach 4 ist ein Anschluss 14 als Überdruckventil mit betätigbarem Ventilstempel ausgebildet. Hierdurch kann eine erhöhte Betriebssicherheit und/oder eine mehrfache Befüllung des Moduls erreicht werden.
Ein Stützrahmen 15 ist in dem Modul zwischen dem ersten Bereich 2 und dem zweiten Bereich 3 angeordnet, um die mechanische Stabilität insbesondere in der Nähe des zweiten Bereichs 3 weiter zu verbessern. Im allgemeinen ist es im Gegensatz zu den Adsorberstrukturen 5 des ersten Bereichs 2 nicht vorgesehen, dass die aktiven Strukturen zur Verdampfung und Kondensation des zweiten Bereichs nach Art einer mechanischen Abstützung aneinander anliegen. Damit wird verhindert, dass kondensiertes Arbeitsmittel zwischen den Strukturen von oben nach unten abfließen kann.
Für den Aufbau des Moduls und speziell des Gehäuses 1 gelten bevorzugt folgende Merkmale:
Beide Rohrbündel der Bereiche 2, 3 münden endseitig in den Rohrböden 10 und sind mit diesen stoffschlüssig verbunden. Die Rohrböden weisen folgende Merkmale auf:
Gering wärmeleitender Metall-Grundwerkstoff, vorzugsweise Edelstahl 1.4301 oder 1.4404. Ein Dickenbereich des Rohrbodens liegt zwischen 0,3 mm und 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 mm. Je nach verwendetem Rohr-Herstellungstyp und Fügeverfahren können auch verzinnte oder verzinkte Grundwerkstoffe zum Einsatz kommen.
Eine Beabstandung der Rohrboden-Durchführungen zur thermischen Entkoppelung der beiden Bereiche 2, 3 in Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit der Rohrböden ist vorgesehen (adiabate Zone 16).
Die Rohrböden 10 haben angeformte Rohrdurchzüge 10a und weisen eine optionale Beschichtung auf, die an den eingesetzten Rohrtyp und das realisierte fluiddichte Fügeverfahren angepasst ist, beispielsweise eine Zinnschicht für den Fall des Fügens mittels Weichlöten.
Eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung kann durch Remote-Laserstrahlschweißen hergestellt werden, charakterisiert durch:

– Stanzlochung und Durchstellen eines Kragens gleicher Höhe (8);
– Verwendung eines Laser-längsgeschweißten Rohres (8);
– stirnseitige Bördelnahtschweißung im Wärmeleitungsbereich;

Alternativ oder ergänzend kann eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung durch Weichlöten erzielt werden, charakterisiert durch:

– Verwendung eines der in 8 dargestellten Rohre, bevorzugt jedoch B-Typ-, Snap-Over-, Bördelrohr oder Rundrohr;
– Spaltbreiten zwischen 0 mm und 0,5 mm;
– Verwendung entweder unbeschichteter Grundwerkstoffe und Verwendung von Flussmittel oder Verwendung beschichteter Grundwerkstoffe und Vermeidung von Flussmittel;
– Fügen durch Tauch-, Schwall-, Strahlungs-, Heißgas, Induktiv- und/oder durch Ofenlötung von mit Lot vorbeschichteten Grundwerkstoffen. Optional kann dabei zusätzlichses Lot zur Spaltfüllung in Form von Lotfolie, Lotpaste und dgl. nach dem Stand der Technik zugeführt werden.

Alternativ oder ergänzend kann eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung durch Kleben erzielt werden, charakterisiert durch:

– Verwendung von Flachrohren (8), keilförmigen Flachrohren (10) oder Rundrohren (11 bis 15);
– Verwendung eines geeigneten Klebers vorzugsweise aus der Gruppe der Epoxydharzkleber;
– Klebefuge < 0,2 mm.

Das Gehäuse 1 des Hohlelementes ist bevorzugt charakterisiert durch:

– Grundmaterial aus Edelstahl bevorzugt austenitisch;
– Schalenbauweise mit zwei Gehäuseteilen 1a, 1b aufweisend;
– Längssicken in Richtung der Rohrlängsachsen, zum Rand hin auslaufend;
– ebener Rand zur stoffschlüssigen, fluiddichten Verbindung mit den Rohrböden 10 über Bördelnahtverschweißung, Weichlöten und/oder Kleben;
– U-förmiger Falz an je einer der Längskanten (Längskantenversteifung und Spritzschutz beim optionalen Laserschweißen);

Besonders bevorzugt besteht eine Verstärkung durch ein Trapezblech 11 mit einer Falzkantenrichtung senkrecht zur Außenversickung, charakterisiert durch:

– Trapezhöhe abgestimmt zur Abstützung der inneren Trapezflächen auf der Adsorberstruktur;
– Ausnehmungen zur 90°-Umformung zu den Seitenflächen hin;
– Punktverschweißung mit den Außenschalen;
– die Gehäusehalbschalen 1a, 1b sind vorzugsweise durch Durchschweißen des Ober- und Unterbleches mittels Laserstrahltiefschweißen stoffschlüssig und hermetisch miteinander verbunden,
– die Boden-Gehäuseverbindung erfolgt durch Bördelnahtschweißung,;
– eine optionale zusätzliche Abdichtung erfolgt mittels Dichtkleber in Klebefuge 17 (4).)
– alternativ zur fluiddichten Teileverbindung mittels Schweißtechnologien kann Weichlöten und/oder Kleben zum Einsatz kommen.

Der Stützrahmen 15 ist im Bereich der adiabaten Zone 16 zwischen der Sorptionszone 2 und der Phasenwechselzone 3 angeordnet und bevorzugt charakterisiert durch:

– Rahmen mit U- oder L-förmig abgewinkelten Stegen;
– Rahmenhöhe abgestimmt auf die lichte Weite zwischen den Innenflächen des Trapezbleches.

Die Anschlüsse 13, 14 zum Evakuieren und Befüllen bestehen bevorzugt aus am Rohrboden mittels Widerstandsschweißen eingeschweißten Edelstahl- oder Kupfer-Stutzen, in die je ein Evakuier- und Befüllrohr aus Kupfer, zum Abquetschen, Ultraschallverschweißung und/oder Zulöten, eingelötet sind. Alternativ kann es sich um in die Stutzen eingeschraubte und mittels Metalldichtung abgedichtete Edelstahlfittinge handeln, in die ein Evakuier-/Befüllrohr aus Kupfer zum Abquetschen und Zulöten oder Ultraschallverschweißen eingelötet ist.
Die Wasserkästen 12 bestehen bevorzugt aus einem spritzgegossenen und weitgehend hydrolysebeständigen Kunststoff-Innenteil, vorzugsweise aus PA oder PPS, aufweisend:

– Elastomer-Dichtung zur Abdichtung gegen den Rohrboden;
– je einen Fluidanschluss;
– je einen Entlüftungsstutzen;

Eine optionale Anpressglocke aus Metall (nicht dargestellt) kann aufweisen:

– Glockentiefe abgestimmt zur Abstützung des innenliegenden, abdichtenden Kunststoff-Innenteils;
– Führungen und Abstützelemente für Spannbänder;
– Spannbänder zur Anpressung je zweier gegenüberliegender Wasserkästen an die Rohrböden der Rohrbündel für die Sorptionszone 2 und die Phasenwechselzone 3;
– Spannbalken mit Spannschrauben zur Anpressung je zweier gegenüberliegender Wasserkästen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/112433 A2 [0002, 0005]
EP 1918668 B1 [0089]

Claims

Modul für eine Wärmepumpe, umfassend einen Adsorptions-Desorptionsbereich (2) wobei in dem Bereich ein Bündel von fluiddurchströmbaren Rohren (4) angeordnet ist und ein Gehäuse die Rohrbündel sowie ein verlagerbares Arbeitsmittel dichtend einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützstruktur (11) eine mechanische Abstützung einer Wand (1a, 1b) des Gehäuses (1) gegen die Wirkung eines Außendrucks ausbildet.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul zudem ein Kondensations-Verdampfungsbereich (3) vorgesehen ist, in dem ein Bündel von fluiddurchströmbaren Rohren (4) angeordnet ist, wobei das Arbeitsmittel zwischen dem Adsorptions-Desorptionsbereich und dem Kondensations-Verdampfungsbereich (3) verlagerbar ist.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Adsorberstruktur, umfassend zumindest ein Rohr (4), das von einem wärmetragenden Fluid durchströmbar ist, und ein Adsorptionsmittel, wobei ein Arbeitsmittel an dem Adsorptionsmittel adsorbiert und desorbiert werden kann und das Adsorptionsmittel in thermischer Verbindung mit dem Rohr (4) steht, wobei das Adsorptionsmittel als zumindest ein, insbesondere mehrere, Formkörper (6) ausgebildet ist, der unmittelbar an eine Rohrwand eines der Rohre (4) angrenzt.
Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) eine mechanische Abstützung einer Wand (1a, 1b) des Gehäuses gegen die Wirkung eines Außendrucks ausbildet.
Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer von mehreren Formkörpern (6) kraftbeaufschlagt, insbesondere reibschlüssig, an der Rohrwand des Rohres (4) anliegt.
Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines von beiden, Rohr (4) oder Formkörper (6), einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweist, wobei insbesondere zumindest eines der beiden in einer Keilrichtung kraftbeaufschlagt gehalten ist.
Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) als Flachrohr ausgebildet ist, wobei insbesondere der Formkörper (6) an einer Breitseite des Flachrohrs angrenzt.
Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) im Wesentlichen als Rundrohr oder Vieleck-Rohr ausgebildet ist, wobei das Rohr (4) durch zwei oder mehr Formkörper (6) eingebettet ist.
Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das Rohr (4) einbettenden Formkörper (6) insgesamt einen vieleckigen, insbesondere sechseckigen Außenumriss aufweisen.
Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (6) im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind, wobei er jeweils mehrere Einbuchtungen (9) zur teilweisen Umfassung mehrerer der Rohre (4) aufweist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand des Moduls aus einer Eisenbasislegierung besteht, insbesondere Stahl, Edelstahl, verzinnter Stahl oder verzinkter Stahl.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdampfungs-Kondensationsbereich keine Abstützung durch die inneren Rohre und mit ihnen verbundenen Strukturen zur Anlagerung und Abgabe des Arbeitsmittels vorliegt.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorptions-Desorptionsbereich einen größeren Teil des Moduls einnimmt als der Verdampfungs-Kondensationsbereich, wobei insbesondere das Verhältnis der von diesen Bereichen jeweils innerhalb des Gehäuses beanspruchten Volumina zwischen etwa 2,5 und etwa 4 beträgt.