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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sorptionsmodul für eine Sorptionstemperiereinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit wenigstens einem derartigen Sorptionsmodul ausgestattete Sorptionstemperiereinrichtung.
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Aus der
WO 2013/011102 A2 ist ein gattungsgemäßes Sorptionsmodul bekannt, das in einem Gehäuse eine Sorptionszone und eine Phasenwechselzone aufweist. In der Sorptionszone ist eine Sorptionsstruktur angeordnet, die mit einem Sorptionpfad zum Führen eines Sorptionpfadmediums wärmeübertragend gekoppelt ist. In der Phasenwechselzone ist eine Phasenwechselstruktur angeordnet, die mit einem Phasenwechselpfad zum Führen eines Phasenwechselpfadmediums wärmeübertragend gekoppelt ist. Das Gehäuse umschließt die Sorptionszone und die Phasenwechselzone und dient zur dichten Aufnahme eines Arbeitsmediums, das je nach Betriebsphase des Sorptionsmoduls zwischen der Sorptionszone und der Phasenwechselzone verlagerbar ist.
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Beim bekannten Sorptionsmodul sind die Sorptionsstruktur und die Phasenwechselstruktur jeweils als quaderförmige Blöcke konzipiert, die im Gehäuse nebeneinander angeordnet sind, so dass auch das Gehäuse quaderförmig gestaltet ist. Während einer Abkühlphase, die auch als Nutzprozess bezeichnet werden kann, wird das in der Phasenwechselzone im flüssigen Zustand angeordnete Arbeitsmedium verdampft. Die hierzu erforderliche Verdampfungswärme wird der Phasenwechselstruktur über den Phasenwechselpfad und das Phasenwechselpfadmedium zugeführt. Die Phasenwechselstruktur arbeitet dabei als Verdampfer und ermöglicht eine Kühlung des Phasenwechselpfadmediums. Das verdampfte, gasförmige Arbeitsmedium gelangt aufgrund der vorliegenden Differenzdrücke in die Sorptionszone und wird dort von der Sorptionsstruktur adsorbiert. Die hierzu erforderliche Sorptionswärme wird vom Arbeitsmedium auf die Sorptionsstruktur übertragen und kann über den Sorptionspfad und das Sorptionspfadmedium abgeführt werden. Die Sorptionsstruktur, die dabei als Adsorber arbeitet, ermöglicht dadurch eine Erwärmung des Sorptionspfadmediums. Während einer Aufwärmphase, die auch als Regenerationsprozess bezeichnet werden kann, wird dagegen Wärme über den Sorptionpfad in die Sorptionsstruktur eingeleitet, wodurch das adsorbierte Arbeitsmedium aus der Sorptionsstruktur desorbiert wird, sich also davon wieder löst. Die Sorptionsstruktur arbeitet dann als Desorber und ermöglicht dabei eine Kühlung des Sorptionspfadmediums. Das gasförmige oder dampfförmige Arbeitsmedium gelangt dabei aufgrund der nunmehr im Arbeitsraum vorliegenden Druckgradienten von der Sorptionszone zur Phasenwechselzone. An der Phasenwechselstruktur kann das gasförmige Arbeitsmedium kondensieren, wobei es Kondensationswärme an die Phasenwechselstruktur abgibt. Überschüssige Wärme kann über den Phasenwechselpfad abgeführt werden. Die Phasenwechselstruktur arbeitet hierbei als Kondensator und ermöglicht somit eine Erwärmung des Phasenwechselpfadmediums.
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Derartige Sorptionsmodule bzw. Sorptionstemperiereinrichtungen benötigen vergleichsweise wenig elektrische Energie, da insbesondere keine Kompressionspumpe erforderlich ist.
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Aus der
WO 2007/068418 A1 ist ein weiteres Sorptionsmodul bekannt, das jedoch einen anderen Aufbau aufweist. Dort ist eine Vielzahl von Hohlelementen parallel in einem Block angeordnet, wobei jedes Hohlelement eine Sorptionszone und eine Phasenwechselzone enthält und ein entsprechendes Volumen an Arbeitsmedium in hermetisch abgedichteter Form umschließt. Die Sorptionszonen sämtlicher Hohlelemente sind mit einem gemeinsamen Sorptionspfad wärmeübertragend gekoppelt, während die Phasenwechselzonen sämtlicher Hohlelemente mit einem gemeinsamen Phasenwechselpfad wärmeübertragend gekoppelt sind.
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Ein zusätzliches Gehäuse, das einen Arbeitsraum zur Unterbringung des Arbeitsmediums umschließt, ist hier nicht erforderlich.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Sorptionsmodul bzw. für eine damit ausgestattete Sorptionstemperiereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte energetische Effizienz auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Außenwandung des Gehäuses, die den Arbeitsraum von einer Umgebung des Gehäuses trennt, zumindest teilweise, also wenigstens in einem Abschnitt doppelwandig auszugestalten, so dass die Außenwandung in dem doppelwandigen Abschnitt eine Außenwand, die der Umgebung ausgesetzt ist, und eine Innenwand aufweist, die dem Arbeitsraum ausgesetzt ist. Ferner ist die Außenwandung im doppelwandigen Abschnitt so ausgestaltet, dass zwischen der Außenwand und der Innenwand ein Hohlraum ausgebildet ist. Der Phasenwechselpfad ist nun durch diesen Hohlraum hindurchgeführt. Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Phasenwechselzone und somit letztlich auch die Phasenwechselstruktur an einer Innenseite der Innenwand anzuordnen. Da die Außenwandung im doppelwandigen Abschnitt durch die Integration des Phasenwechselpfads zu einer aktiven Komponente des Sorptionsmoduls wird, werden passive Komponenten, insbesondere passive Wandabschnitte, innerhalb des Sorptionsmoduls reduziert. Hierdurch erhöht sich die Leistungsdichte des Sorptionsmoduls.
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Insbesondere an einer Außenwandung kann während der Aufwärmphase eine Fremdkondensation des Arbeitsmediums stattfinden. Bei herkömmlicher Bauweise kann die dabei an die Außenwand abgegebene Kondensationswärme nicht über den Phasenwechselpfad abgeführt werden, sondern wird als Verlustwärme vom Gehäuse in die Umgebung abgestrahlt. Eine derartige Fremdkondensation ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Zum Einen geht ein Teil der Kondensationswärme ungenutzt verloren, zum Anderen steht das sich an den Wandflächen niederschlagende Kondensat einem nachfolgenden Nutzprozess mit dabei erfolgender Wiederverdampfung zur Kälteerzeugung nicht mehr zur Verfügung. Beim hier vorgestellten Sorptionsmodul kann zwar ebenfalls eine Kondensation an der Innenseite der Außenwandung stattfinden. Durch die Integration des Phasenwechselpfads in die Außenwandung kann die dabei freigesetzte Kondensationswärme jedoch über den Phasenwechselpfad abgeführt werden, wodurch die vorstehend beschriebenen Nachteile der nicht genutzten Kondensationswärme und des Kondensatverlusts weitgehend vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Sorptionszone in einer Umfangsrichtung des Gehäuses von der Phasenwechselzone umschlossen sein. Die Umfangsrichtung kann sich dabei auf eine Längsmittelachse des Gehäuses beziehen. Bezüglich dieser Längsmittelachse ist demnach die Sorptionszone radial innerhalb der Phasenwechselzone angeordnet. Des Weiteren wird vorgeschlagen, den doppelwandigen Abschnitt der Außenwandung so auszugestalten, dass er die Phasenwechselzone in der Umfangsrichtung umschließt. Bezüglich der Längsmittelachse ist somit die Phasenwechselzone radial zwischen der Sorptionszone und dem doppelwandigen Abschnitt der Außenwandung angeordnet. Der Phasenwechselpfad wird nun so in den doppelwandigen Abschnitt integriert, dass die Phasenwechselzone vom Phasenwechselpfad in der Umfangsrichtung umschlossen ist. Demnach ist bezüglich der Längsmittelachse des Gehäuses die Phasenwechselzone radial zwischen der Sorptionszone und dem Phasenwechselpfad angeordnet. Durch diese Bauweise können leistungsmindernde Verluste des Sorptionsmoduls weitgehend vermieden werden.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher das Gehäuse zylindrisch ausgestaltet ist und einen Mantel aufweist, der sich bezüglich der Längsmittelachse des Gehäuses in der Umfangsrichtung erstreckt und der die doppelwandige Außenwandung bzw. den doppelwandigen Abschnitt der Außenwandung bildet oder aufweist. Ein derartiger zylindrischer Aufbau zeichnet sich ebenfalls durch eine besonders hohe Leistungsdichte aus. Insbesondere erfordert ein derartiges zylindrisches Gehäuse eine im Vergleich zu einem quaderförmigen Gehäuse relativ kleine Außenwandung. Dementsprechend lassen sich thermische Verluste durch Konvektion und Wärmeabstrahlung der Außenwandung reduzieren. Das zylindrische Gehäuse kann dabei einen kreisförmigen Querschnitt oder einen elliptischen oder ovalen Querschnitt aufweisen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann zumindest ein Federelement vorgesehen sein, das die Phasenwechselstruktur gegen die Innenwand vorspannt. Je höher dieser Anpressdruck, desto besser ist der Wärmeübergang aufgrund von Wärmeleitung. Dabei kann grundsätzlich ein direkter Kontakt zwischen Phasenwechselstruktur und Innenwand vorgesehen sein. Ebenso ist denkbar, zwischen Phasenwechselstruktur und Innenwand eine Wärmeleitschicht anzuordnen, zum Beispiel in Form einer Wärmeleitpaste. Ebenso ist denkbar, die Phasenwechselstruktur mit der Innenwand zu verkleben. Bevorzugt kann hierbei ein wärmeleitender Klebstoff zum Einsatz kommen. Auch ist eine Lötverbindung zwischen Phasenwechselstruktur und Innenwand denkbar. Durch die Vorspannung wird ein Anpressdruck erzeugt, der die Phasenwechselstruktur an die Innenwand ständig oder auch nur während der Applikation andrückt.
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Das Federelement kann beispielsweise ein Federband sein, das in der Umfangsrichtung des Gehäuses um die Längsmittelachse des Gehäuses schraubenförmig gewickelt ist. Ein derartiges schraubenförmiges Federelement kommt bevorzugt dann zum Einsatz, wenn das Gehäuse zylindrisch ist. Das schraubenförmige Federelement erstreckt sich dann entlang des Mantels des Gehäuses. Ein derartiges Federelement lässt sich besonders einfach montieren.
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Alternativ kann das Federelement ein Federblech sein, das in der Umfangsrichtung des Gehäuses um die Längsmittelachse des Gehäuses gebogen ist. Auch diese Variante kommt bevorzugt bei einem zylindrischen Gehäuse zum Einsatz. Das Federblech ist dann ebenfalls zylindrisch geformt. Auch hier ergibt sich eine einfache Montage mit effizienter Vorspannung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Federelement perforiert sein, so dass die Sorptionszone durch das Federelement hindurch fluidisch auf direkterem radialem Weg mit der Phasenwechselzone verbunden ist. Auf diese Weise kann im Betrieb des Sorptionsmoduls verdampftes Arbeitsmedium besonders einfach von der Phasenwechselzone zur Sorptionszone gelangen oder umgekehrt.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Phasenwechselstruktur bandförmig ausgestaltet sein und sich um die Längsmittelachse des Gehäuses schraubenförmig entlang der Außenwandung erstrecken. Insbesondere kann somit ein einziges, durchgehendes Band verwendet werden, um die Phasenwechselstruktur zu bilden. Dies kann fertigungstechnisch von Vorteil sein. Eine derartige Ausführungsform eignet sich insbesondere für eine stehende Anordnung des Phasenwechselmoduls. Eine stehende Anordnung liegt dann vor, wenn sich die Längsmittelachse des Gehäuses, das vorzugsweise zylindrisch ausgestaltet ist, im Wesentlichen vertikal erstreckt, wobei die Formulierung „im Wesentlichen“ Abweichungen zur Vertikalrichtung von maximal 15° beinhaltet.
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Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die bandförmige Phasenwechselstruktur in mehreren Windungen entlang der Außenwandung um die Längsmittelachse, wobei axial zwischen benachbarten Windungen ein Spalt ausgebildet ist. Dieser Spalt ist zweckmäßig so dimensioniert, dass er eine parallel zur Längsmittelachse orientierte Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur unterbricht. Durch den Spalt wirkt die Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur nicht über die gesamte Höhe des Gehäuses, sondern nur über die Höhe der jeweiligen Windung. Hierdurch lässt sich eine homogene Verteilung des kondensierten Arbeitsmediums innerhalb der Phasenwechselstruktur verbessern.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Phasenwechselstruktur mehrere bandförmige Streifen aufweisen, die sich jeweils in der Umfangsrichtung des Gehäuses erstrecken und parallel zur Längsmittelachse des Gehäuses benachbart entlang der Außenwandung angeordnet sind. Diese Maßnahme vereinfacht einen modularen Aufbau innerhalb des Sorptionsmoduls, da durch die Anzahl der verwendeten Streifen die Größe des Sorptionsmoduls in der Längsrichtung des Gehäuses variiert werden kann. Auch diese Ausführungsform eignet sich bevorzugt für eine stehende Anordnung des Sorptionsmoduls.
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Gemäß einer Weiterbildung kann auch hier axial zwischen benachbarten Streifen ein Spalt ausgebildet sein, der eine parallel zur Längsmittelachse orientierte Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur unterbricht. Auch hier führt der Spalt dazu, dass innerhalb der einzelnen Streifen eine homogene Verteilung des Arbeitsmediums verbessert werden kann.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Phasenwechselstruktur mehrere bandförmige Streifen aufweisen, die sich jeweils parallel zur Längsmittelachse des Gehäuses erstrecken und in der Umfangsrichtung des Gehäuses benachbart entlang der Außenwandung angeordnet sind. Auch diese Bauform unterstützt die Modularität des Sorptionsmoduls. Über die Anzahl der verwendeten Streifen kann der Umfang des Gehäuses bestimmt werden. Diese Ausführungsform eignet sich in besonderer Weise für eine liegende Anordnung des Sorptionsmoduls. Bei einer liegenden Anordnung erstreckt sich die Längsmittelachse des Gehäuses im Wesentlichen horizontal, wobei die Formulierung „im Wesentlichen“ Abweichungen gegenüber der Horizontalrichtung um maximal 15° zulässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann in der Umfangsrichtung zwischen benachbarten Streifen ein Spalt ausgebildet sein, der sich parallel zur Längsmittelachse erstreckt. Auch diese Maßnahme kann eine in der Umfangsrichtung wirkende Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur unterbrechen, um eine homogene Verteilung des flüssigen Arbeitsmediums innerhalb der einzelnen Streifen der Phasenwechselstruktur zu unterstützen.
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Zweckmäßig kann das vorstehend genannte Federelement als Träger für die Phasenwechselstruktur dienen. Hierzu kann die Phasenwechselstruktur auf geeignete Weise mit dem jeweiligen Federelement verbunden sein. Denkbar sind beispielsweise Clipsverbindungen sowie Lötverbindungen und Klebverbindungen. Zweckmäßig ist die geometrische Struktur des jeweiligen Federelements an die geometrische Struktur der jeweils verwendeten Phasenwechselstruktur angepasst. Wird beispielsweise eine schraubenförmig konfigurierte Phasenwechselstruktur verwendet, kann zweckmäßig auch das Federelement schraubenförmig konfiguriert sein. Sind dagegen mehrere streifenförmige Elemente für die Phasenwechselstruktur vorgesehen, können ebenfalls mehrere bandförmige Federelemente zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Phasenwechselstruktur als Kapillarstruktur ausgestaltet sein. Mit Hilfe der Kapillarstruktur wird erreicht, dass beim Kondensationsbetrieb der Phasenwechselstruktur das anfallende Kondensat in der Phasenwechselstruktur festgehalten werden kann, so dass es bei einem späteren Verdampferbetrieb möglichst homogen verteilt innerhalb der Phasenwechselstruktur zur Verfügung steht. Eine geeignete Kapillarstruktur ist beispielsweise aus der
EP 1 918 668 B1 bekannt, auf deren Inhalt durch diese Bezugnahme vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Die Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur kann bei stehendem Gehäuse parallel zur Längsmittelachse des Gehäuses oder bei liegendem Gehäuse in Umfangsrichtung des Gehäuses ausgerichtet sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Außenwand einen Zuführanschluss zum Zuführen des Phasenwechselpfadmediums zum Phasenwechselpfad aufweisen. Außerdem kann die Außenwand einen Abführanschluss zum Abführen des Phasenwechselpfadmediums aus dem Phasenwechselpfad aufweisen, der in einer Längsrichtung des Gehäuses, die sich parallel zur Längsmittelachse des Gehäuses erstreckt, vom Zuführanschluss beabstandet ist. Bevorzugt ist nun im Bereich des Zuführanschlusses im Hohlraum ein Verteilerkanal ausgebildet, der sich zweckmäßig in der Umfangsrichtung des Gehäuses erstreckt und dadurch eine Verteilung des zugeführten Phasenwechselpfadmediums auf den sich im Wesentlichen in der Längsrichtung des Gehäuses erstreckenden, ringförmigen oder zylindrischen Phasenwechselpfad ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ kann im Bereich des Abführanschlusses im Hohlraum ein Sammelkanal ausgebildet sein, der sich bevorzugt in der Umfangsrichtung des Gehäuses erstreckt und dementsprechend das aus dem Phasenwechselpfad kommende Phasenwechselpfadmedium aufnehmen und dem Abführanschluss zuführen kann. Quer zur Längsrichtung des Gehäuses ist ein Querschnitt des Verteilerkanals und/oder des Sammelkanals größer als ein Querschnitt des Phasenwechselpfads axial zwischen Verteilerkanal und Sammelkanal.
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Der Abstand zwischen Außenwand und Innenwand zur Ausbildung des Hohlraums ist vergleichsweise klein im Vergleich zu den Abmessungen des Gehäuses. Zur Ausbildung dieses Hohlraums können zwischen Innenwand und Außenwand entsprechende Distanzelemente angeordnet sein. Anstelle separater Distanzelemente werden jedoch lokale Erhebungen und/oder Sicken bevorzugt, die in die Außenwand bzw. in die Innenwand integriert sind, z.B. in Form von Einprägungen.
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Eine erfindungsgemäße Sorptionstemperiereinrichtung umfasst zumindest ein Sorptionsmodul der vorstehend beschriebenen Art. Bevorzugt kann die Sorptionstemperiereinrichtung mehrere derartige Sorptionsmodule aufweisen. Die Sorptionstemperiereinrichtung ist außerdem mit wenigstens einem Sorptionskreis ausgestattet, in dem das jeweilige Sorptionspfadmedium zirkuliert und in dem der jeweilige Sorptionspfad des jeweiligen Sorptionsmoduls eingebunden ist. Ferner umfasst die Sorptionstemperiereinrichtung zumindest einen Phasenwechselkreis, in dem das Phasenwechselpfadmedium zirkuliert und in den der jeweilige Phasenwechselpfad des jeweiligen Sorptionsmoduls eingebunden ist.
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Die Sorptionsstruktur ist bevorzugt aus einem porösen Feststoff gebildet. Zweckmäßig ist der Sorptionspfad in die Sorptionsstruktur integriert. Beispielsweise kann der Sorptionspfad einen durch mehrere parallel verlaufende Rohre gebildeten Rohrblock aufweisen, wobei die einzelnen Rohre mit einem Sorptionsmaterial beschichtet sind bzw. in Sorptionsmaterial eingebettet sind.
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Bevorzugt sind der Sorptionspfad und der Phasenwechselpfad fluidisch voneinander getrennt. Vorzugsweise ist der Sorptionspfad fluidisch vom Arbeitsraum getrennt. Bevorzugt ist der Phasenwechselpfad vom Arbeitsraum fluidisch getrennt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen vereinfachten Längsschnitt eines Sorptionsmoduls mit stehender Anordnung,
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2 ein Querschnitt des Sorptionsmoduls aus 1,
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3 ein vereinfachter Längsschnitt des Sorptionsmoduls mit liegender Anordnung sowie bei einer anderen Ausführungsform,
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4 ein Querschnitt des Sorptionsmoduls aus 3,
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5 eine isometrische Ansicht eines Federelements für ein Sorptionsmodul,
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6 eine isometrische Ansicht des Federelements bei einer anderen Ausführungsform mit teilweise angebrachten Kapillarstrukturpaketen,
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7 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Sorptionstemperiereinrichtung mit mehreren Sorptionsmodulen,
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8 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Sorptionsmoduls.
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Entsprechend den 1 bis 8 umfasst ein Sorptionsmodul 1 ein Gehäuse 2, das einen Arbeitsraum 3 umschließt. Im Arbeitsraum 3, also im Gehäuse 2 sind eine Sorptionszone 4 sowie eine Phasenwechselzone 5 angeordnet. Im Arbeitsraum 3 ist ein nicht näher dargestelltes Arbeitsmedium dicht eingeschlossen, wobei es zwischen der Sorptionszone 4 und der Phasenwechselzone 5 reversibel verlagerbar ist.
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In der Sorptionszone 4 ist eine Sorptionsstruktur 6 angeordnet, die mit einem durch Pfeile angedeuteten Sorptionspfad 7 wärmeübertragend gekoppelt ist. Der Sorptionspfad 7 dient zum Führen eines hier nicht dargestellten Sorptionspfadmediums. In der Phasenwechselzone 5 ist eine Phasenwechselstruktur 8 angeordnet, die mit einem durch Pfeile angedeuteten Phasenwechselpfad 9 wärmeübertragend gekoppelt ist. Der Phasenwechselpfad 9 dient zum Führen eines hier nicht gezeigten Phasenwechselpfadmediums.
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Das Gehäuse 2 weist eine Außenwandung 10 auf, die in einem Abschnitt 11 doppelwandig ausgestaltet ist, so dass die Außenwandung 10 in diesem Abschnitt 11 eine Außenwand 12 und eine Innenwand 13 aufweist. Die Außenwandung 10 begrenzt den Arbeitsraum 3 gegenüber einer Umgebung 14 des Gehäuses 2 bzw. des Sorptionsmoduls 1. Die Außenwand 12 ist dabei der Umgebung 14 ausgesetzt, während die Innenwand 13 dem Arbeitsraum 3 ausgesetzt ist. Zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 13 ist ein Zwischenraum oder Hohlraum 15 ausgebildet. Zweckmäßig erstreckt sich dieser Hohlraum 15 über den gesamten doppelwandigen Abschnitt 11. Der Phasenwechselpfad 9 ist nun durch diesen Hohlraum 15 hindurchgeführt, derart, dass im Betrieb des Sorptionsmoduls 1 das Phasenwechselpfadmedium durch den Hohlraum 15 strömt und darin durch die Innenwand 13 und die Außenwand 12 axial bzw. seitlich geführt ist und so durch die Außenwandung 10 hindurch geführt ist. Der Hohlraum 15 bildet dadurch einen Bestandteil des Phasenwechselpfads 9. Die Phasenwechselzone 5 ist an einer dem Arbeitsraum 3 zugewandten Innenseite 16 der Innenwand 13 angeordnet. Dementsprechend befindet sich auch die Phasenwechselstruktur 8 an oder benachbart zu der Innenseite 16 der Innenwand 13.
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Bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen ist das Gehäuse 2 zylindrisch ausgestaltet, so dass es einen in einer Umfangsrichtung 17 umlaufenden Mantel 18 und axial stirnseitig zwei Endböden 19, 20 aufweist. Die Axialrichtung ist dabei durch eine Längsmittelachse 21 des Gehäuses 2 definiert. Die Umfangsrichtung 17 bezieht sich ebenfalls auf die Längsmittelachse 21. Die Axialrichtung entspricht dabei gleichzeitig einer Längsrichtung des Gehäuses 2. Der Mantel 18 bildet oder enthält den doppelwandigen Abschnitt 11 der Außenwandung 10 des Gehäuses 2. Insofern erstreckt sich der Hohlraum 15 zylindrisch. Ferner ist die Sorptionszone 4 in der Umfangsrichtung 17 von der Phasenwechselzone 5 umschlossen. Der doppelwandige Abschnitt 11 bzw. der Mantel 18 umschließt die Phasenwechselzone 5 in der Umfangsrichtung 17. Schließlich umschließt der Phasenwechselpfad 9 die Phasenwechselzone 5 in der Umfangsrichtung 17. Gemäß den 2 und 4 ist der Querschnitt des Gehäuses 2 kreiszylindrisch. Andere Zylinderformen sind grundsätzlich ebenso vorstellbar, beispielsweise mit einem elliptischen oder ovalen Querschnitt.
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Die Außenwand 12 kann einen Zuführanschluss 22 zum Zuführen des Phasenwechselpfadmediums zu dem Phasenwechselpfad 9 aufweisen. Ferner weist die Außenwand 12 einen Abführanschluss 23 zum Abführen des Phasenwechselpfadmaterials aus dem Phasenwechselpfad 9 auf. Der Abführanschluss 23 und der Zuführanschluss 22 sind in der Längsrichtung des Gehäuses 2 voneinander beabstandet. Beispielsweise befindet sich der Zuführanschluss 22 proximal zu dem einen Endboden 19, während sich der Abführanschluss 23 proximal zum gegenüberliegenden anderen Endboden 20 befindet. Im Bereich des Zuführanschlusses 22 kann im Hohlraum 15 ein Verteilerkanal 24 ausgebildet sein, der sich in der Umfangsrichtung 17 ringförmig geschlossen erstreckt. Im Bereich des Abführanschlusses 23 kann im Hohlraum 15 ein Sammelkanal 25 ausgebildet sein, der sich in der Umfangsrichtung 17 erstreckt. Erkennbar ist der Hohlraum 15 axial zwischen Verteilerkanal 24 und Sammelkanal 25 mit einem deutlich kleineren durchströmbaren Querschnitt ausgestattet als der Verteilerkanal 24 und der Sammelkanal 25, wobei die durchströmbaren Querschnitte senkrecht zur Längsmittelachse 21 gemessen sind.
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Die Phasenwechselstruktur 8 ist zweckmäßig als Kapillarstruktur ausgestaltet. Insbesondere kann innerhalb dieser Kapillarstruktur eine bevorzugte Orientierung für die Kapillarwirkung vorgesehen sein, die zweckmäßig parallel zur Längsrichtung, also parallel zur Längsmittelachse 21 orientiert sein kann.
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Die Phasenwechselstruktur 8 kann mit Hilfe wenigstens eines Federelements 26 gegen die Innenwand 13 angedrückt sein, wobei ein unmittelbarer Kontakt zwischen Phasenwechselstruktur 8 und Innenwand 13 bevorzugt ist. Grundsätzlich können jedoch auch Wärmeleitpasten und dergleichen zum Einsatz kommen, um die Wärmeübertragung zwischen Phasenwechselstruktur 8 und Innenwand 13 zu verbessern. In den 5 und 6 sind rein exemplarisch Beispiele für derartige Federelemente 26 dargestellt, die jeweils als Blechkörper ausgestaltet sind und analog zum Gehäuse 2 bzw. zu dessen Mantel 18 in der Umfangsrichtung 17 um die Längsmittelachse 21 gebogen sind. Das in 5 gezeigte, als Federblech ausgestaltete Federelement 26 ist mit mehreren Öffnungen 27 perforiert, die sich in der Umfangsrichtung 17 erstrecken.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist das Federelement 26 ebenfalls perforiert, wobei eine entsprechende Perforation hier mit 28 bezeichnet ist und mit Hilfe einer Vielzahl von separaten Löchern realisiert ist. Die Perforation 28 bzw. die zuvor genannten Öffnungen 27 ermöglichen eine fluidische Verbindung der innenliegenden Sorptionszone 4 mit der außenliegenden Phasenwechselzone 5 durch das Federelement 26 hindurch. In 6 sind außerdem Teile der Phasenwechselstruktur 8 angedeutet. Auf die Ausgestaltung der Phasenwechselstruktur 8 wird weiter unten noch näher eingegangen.
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Anstelle eines derartigen, blechförmigen Federelements 26 können auch bandförmige Federelemente 26 zum Einsatz kommen. Denkbar ist beispielsweise, dass mehrere derartige bandförmige Federelemente 26 verwendet werden, die sich jeweils in der Umfangsrichtung 17 erstrecken und in der Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
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In 1 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein einziges bandförmiges Federelement 26 verwendet wird, das in der Umfangsrichtung 17 um die Längsmittelachse 21 schraubenförmig gewickelt ist.
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Analog zu unterschiedlichen Ausgestaltungen der Federelemente 26 lassen sich auch die Phasenwechselstrukturen 8 geometrisch unterschiedlich gestalten. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Phasenwechselstruktur 8 analog zum Federelement 26 bandförmig ausgestaltet und dabei so angeordnet, dass sie sich um die Längsmittelachse 21 schraubenförmig entlang der Außenwandung 10 erstreckt. Zweckmäßig sind dabei die Abmessungen des Federelements 26 und der Phasenwechselstruktur 8 so aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam in das Gehäuse 2 eingewickelt werden können. Sofern sich die Phasenwechselstruktur 8 wie hier über mehrere Windungen entlang der Außenwandung 10 erstreckt, ist eine Wicklung bevorzugt, bei der sich axial zwischen benachbarten Windungen ein Spalt 29 ausbildet. Analog zur schraubenförmigen Wicklung der Phasenwechselstruktur 8 erstreckt sich der Spalt 29 ebenfalls schraubenförmig. Der Spalt 29 ist so dimensioniert, dass er eine parallel zur Längsmittelachse 21 orientierte Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur 8 unterbricht.
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Die Phasenwechselstruktur 8 kann bei einer anderen Ausführungsform auch mehrere bandförmige Streifen aufweisen, die sich jeweils in der Umfangsrichtung 17 erstrecken und in der Längsrichtung benachbart entlang der Außenwandung 10 angeordnet sind. Auch hier kann zweckmäßig zwischen axial benachbarten Streifen der Phasenwechselstruktur 8 je ein Spalt 29 vorgesehen sein, um die Kapillarwirkung der Phasenwechselstruktur 8 in der Längsrichtung des Gehäuses 2 zu unterbrechen. Eine derartige Ausgestaltung und die zuvor mit Bezug auf 1 beschriebene Ausgestaltung ist dann bevorzugt, wenn das Sorptionsmodul 1 wie in 1 angedeutet stehend angeordnet ist, so dass sich die Längsmittelachse 21 im Wesentlichen vertikal erstreckt.
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Im Unterschied dazu zeigt 3 eine liegende Anordnung des Sorptionsmoduls 1, bei der sich die Längsmittelachse 21 im Wesentlichen horizontal erstreckt. Bei einer derartigen liegenden Anordnung kann die Phasenwechselstruktur 8 gemäß den 3, 4 und 6 zweckmäßig mehrere bandförmige Streifen 30 aufweisen, die sich jeweils parallel zur Längsmittelachse 21 erstrecken und in der Umfangsrichtung 17 zueinander benachbart entlang der Außenwandung 10 angeordnet sind. Zweckmäßig kann auch hier vorgesehen sein, dass nunmehr in der Umfangsrichtung 17 zwischen benachbarten Streifen 30 jeweils ein Spalt 31 ausgebildet ist, wobei sich der jeweilige Spalt 31 ebenfalls parallel zur Längsmittelachse 21 erstreckt.
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Gemäß den 1 und 3 weist das Gehäuse 2 außerdem einen Einlass 32 für das Sorptionspfadmedium, der an den Sorptionspfad 7 angeschlossen ist, und einen Auslass 33 für das Sorptionspfadmedium auf, der ebenfalls an den Sorptionspfad 7 angeschlossen ist. Im Beispiel ist der Einlass 32 in einen Verteilerraum 49 geführt, der von dem einen Endboden 19 und einem gewölbten Deckel 50 begrenzt ist, während der Auslass 33 am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 2 mit einem Sammelraum 51 verbunden ist, der von dem anderen Endboden 20 und einem anderen gewölbten Deckel 52 begrenzt ist.
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Gemäß 2 kann der Sorptionspfad 7 durch eine Vielzahl separater Rohrkörper 34 gebildet sein, die zu einem Rohrblock 35 zusammengefasst sind, in dem sie parallel zueinander und nebeneinander angeordnet sind. Die einzelnen Rohre 34 sind mit einem Sorptionsmaterial 36 umschlossen, das in seiner Gesamtheit die Sorptionsstruktur 6 bildet. Hierdurch ist der Sorptionspfad 7 in die Sorptionsstruktur 6 integriert. Gleichzeitig wird dabei eine intensive wärmeübertragende Kopplung erreicht. Das Sorptionsmaterial 36 ist bevorzugt ein Feststoff. Grundsätzlich kann für die Sorptionsstruktur 6 auch ein anderer geeigneter Aufbau gewählt werden. In 2 ist nur ein Teil der Phasenwechselstruktur 8 angedeutet. Der angedeutete Bereich erstreckt sich nur über ein Sechstel des Umfangs der Innenwand 13. Zweckmäßig erstreckt sich die Phasenwechselstruktur 8 jedoch über den gesamten Umfang.
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Entsprechend 7 kann eine Sorptionstemperiereinrichtung 37 mehrere Sorptionsmodule 1 der vorstehend beschriebenen Art aufweisen. Rein exemplarisch sind in 7 zwei Sorptionsmodule 1 dargestellt. Es ist klar, dass grundsätzlich beliebig viele Sorptionsmodule 1 vorgesehen sein können. Die Sorptionstemperiereinrichtung 37 weist außerdem zumindest einen Sorptionskreis 38 auf, in dem das Sorptionspfadmedium zirkuliert und in den die Sorptionspfade 7 der Sorptionsmodule eingebunden sind. Ferner weist die Sorptionstemperiereinrichtung 37 zumindest einen Phasenwechselkreis 39 auf, in dem das Phasenwechselpfadmedium zirkuliert und in den die Phasenwechselpfade 9 der Sorptionsmodule 1 eingebunden sind.
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Der Sorptionskreis 38 kann zum Antreiben des Sorptionspfadmediums eine Pumpe 40 enthalten. Ebenso kann mindestens ein Wärmetauscher 41 vorgesehen sein, über den in Verbindung mit einem Fluidstrom 42 Wärme aus dem Sorptionskreis 38 abgeführt oder darin eingeleitet werden kann. Steuerelemente 43, zum Beispiel in Form von Ventileinrichtungen, ermöglichen es, die einzelnen Sorptionsmodule 1 einerseits unabhängig und separat sowie andererseits hinsichtlich des Volumenstroms gesteuert mit Sorptionspfadmedium zu beaufschlagen. Üblicherweise kann der Sorptionskreis 38 mit hier nicht dargestellten Ventilmitteln abwechselnd mit einer Hochtemperatur-Wärmequelle oder mit einer Mitteltemperatur-Wärmesenke verbunden werden, je nach Betriebszustand der Sorptionstemperiereinrichtung 37. Insbesondere können hierzu auch wenigstens zwei Sorptionskreise 38 vorgesehen sein, um die Kopplung mit der Hochtemperatur-Wärmequelle einerseits und mit der Mitteltemperatur-Wärmesenke andererseits zu vereinfachen.
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Analog dazu kann der Phasenwechselkreis 39 mit einer Pumpe 44 zum Antreiben des Phasenwechselpfadmediums ausgestattet sein. Auch hier kann mindestens ein Wärmetauscher 45 vorgesehen sein, mit dessen Hilfe in Verbindung mit einem Fluidstrom 46 Wärme aus dem Phasenwechselkreis 39 abgeführt bzw. darin eingeleitet werden kann. Auch hier können Steuerelemente 47 vorgesehen sein, zum Beispiel in Form von Ventileinrichtungen, um die Sorptionsmodule 1 einerseits separat und unabhängig voneinander und andererseits hinsichtlich der Volumenströme gesteuert mit Phasenwechselpfadmedium beaufschlagen zu können. Üblicherweise kann der auch der Phasenwechselkreis 39 mit hier nicht dargestellten Ventilmitteln abwechselnd mit einer Mitteltemperatur-Wärmesenke oder mit einer Niedertemperatur-Wärmequelle verbunden werden, je nach Betriebszustand der Sorptionstemperiereinrichtung 37. Insbesondere können hierzu auch wenigstens zwei Phasenwechselkreise 39 vorgesehen sein, um die Kopplung mit der Niedertemperatur-Wärmequelle einerseits und mit der Mitteltemperatur-Wärmesenke andererseits zu vereinfachen.
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Der Sorptionskreis 38 und der Phasenwechselkreis 39 sind in 7 jeweils als geschlossene Kreise dargestellt. Es ist klar, dass der Sorptionskreis 38 oder der Phasenwechselkreis 39 auch als offener Kreis konzipiert sein kann. Ebenso ist denkbar, sowohl den Sorptionskreis 38 als auch den Phasenwechselkreis 39 als offene Kreise auszugestalten. Bei mehreren Sorptionskreisen 38 und/oder bei mehreren Phasenwechselkreisen 39 gilt entsprechendes.
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Die Funktionsweise der Sorptionstemperiereinrichtung 37 bzw. eines derartigen Sorptionsmoduls 1 wird nachfolgend kurz anhand von 8 näher erläutert. Grundsätzlich wird zwischen einer Lade- und einer Entladephase unterschieden, die sich zyklisch abwechseln, wodurch der Betrieb der Sorptionstemperiereinrichtung 37 einen zyklischen Prozess repräsentiert.
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Der zyklische Prozess beginnt im Allgemeinen mit einer Ladephase, da sich das Arbeitsmedium im thermisch ausgeglichenen Zustand weitgehend in der Sorptionszone 4 befindet, was auf die größere Affinität der Sorptionszone 4 für das Arbeitsmedium zurückzuführen ist. Während der Ladephase wird der Sorptionsstruktur 6 über den Sorptionspfad 7 Wärme zugeführt. Diese Wärme stammt dabei aus einer Hochtemperatur-Wärmequelle, die dadurch gekühlt werden kann.
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Hierdurch desorbiert das Arbeitsmedium aus der Sorptionsstruktur 6 und kann gasförmig von der Sorptionszone 4 zur Phasenwechselzone 5 verlagert werden. Die Sorptionsstruktur 6 arbeitet währen der Ladephase als Desorber. In der Phasenwechselzone 5 kann sich das gasförmige Arbeitsmedium an der Phasenwechselstruktur 8 niederschlagen, wobei die Phasenwechselstruktur 8 als Kondensator arbeitet. Die dabei freigesetzte Wärme kann über den Phasenwechselpfad 9 abgeführt werden. Die abgeführte Wärme kann dabei von einer Mitteltemperatur-Wärmesenke aufgenommen werden, die dadurch erwärmt werden kann. Die Ladephase kann grundsätzlich solange durchgeführt werden, bis ein von den Temperaturniveaus abhängiger möglichst hoher Anteil des Arbeitsmediums in die Phasenwechselzone 5 verlagert ist.
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Während einer nachfolgenden Entladephase wird das Sorptionsmodul 1 so betrieben, dass das Arbeitsmedium, das sich zu Beginn der Entladephase weitgehend in der Phasenwechselzone 5 befindet, von der Phasenwechselzone 5 zur Sorptionszone 4 verlagert wird. Eine entsprechende Verlagerung des Arbeitsmediums ist in 8 durch einen Doppelpfeil angedeutet und mit 48 bezeichnet. Während der Entladephase wird über den Phasenwechselpfad 9 und über nicht dargestellte Ventilmittel Wärme aus einer Niedertemperatur-Wärmequelle zugeführt, wodurch die Phasenwechselstruktur 8 als Verdampfer für das Arbeitsmedium wirkt. In der Folge verdampft das Arbeitsmedium und gelangt aufgrund der sich einstellenden Druckverteilung innerhalb des Arbeitsraums 3 gasförmig von der Phasenwechselzone 5 zur Sorptionszone 4. Die zum Verdampfen des Arbeitsmediums erforderliche Wärme bewirkt eine Kühlung des zugeführten Phasenwechselpfadmediums. In der Sorptionszone 4 wird das dampfförmige Arbeitsmedium von der Sorptionsstruktur 6 adsorbiert, wodurch Adsorptionswärme entsteht. Diese wird über den Sorptionspfad 7 abgeführt und über nicht dargestellte Ventilmittel in üblicher Weise zu einer Mitteltemperatur-Wärmesenke geführt. Die Sorptionsstruktur 6 arbeitet während der Entladephase als Adsorber. Die Entladephase kann solange durchgeführt werden, bis ein von den Temperaturniveaus abhängiger, möglichst hoher Anteil des Arbeitsmediums von der Phasenwechselzone 5 zur Sorptionszone 4 verlagert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/011102 A2 [0002]
- WO 2007/068418 A1 [0005]
- EP 1918668 B1 [0024]
