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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasdruckeinstellvorrichtung mit einer in einem geschlossenen System eingebundenen Metallhydrid-Reaktorvorrichtung als reversibles Gas-Feststoff-Reaktionssystem, das mit einer steuerbaren Temperiereinrichtung versehen ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasdruckeinstellvorrichtung und auf ihre Anwendung.
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Eine Gasdruckeinstellvorrichtung dieser Art und ein Verfahren zu ihrem Betrieb sind in der
EP 0 633 420 B1 im Zusammenhang mit einer unter einem reversiblen Vakuum stehenden thermisch isolierenden Ummantelung als bekannt ausgewiesen. Ein Innenraum der Ummantelung steht in Fluidverbindung mit einem äußeren Gehäuse, das einen reversiblen nicht verdampfbaren Wasserstoffgetter mit einem bestimmten Wasserstoffgleichgewichtsdruck in Abhängigkeit der Temperatur enthält. Im Innenraum der Ummantelung ist ein Promotor-Getter mit einem höheren Wasserstoffgleichgewichtsdruck als der Wasserstoffgetter angeordnet, welcher im Wesentlichen der Temperatur einer wärmeren Wand der Ummantelung ausgesetzt ist. Mit dieser Anordnung soll in dem Innenraum der Ummantelung ein angemessenes Vakuumniveau erzeugt und aufrechterhalten werden, wobei mittels des Promotor-Getters die Rate der Wasserstofffreisetzung und/oder der Wasserstoffabsorption durch den reversiblen Wasserstoffgetter unterstützt wird.
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Eine Gasdruckeinstellvorrichtung im Zusammenhang mit einem schaltbaren Vakuumdämmelement ist auch in der
EP 3 104 099 B1 angegeben. Eine von einer gasdichten Umhüllung umgebene innere Füllkammer enthält ein grob poröses oder grob strukturiertes Dämmmaterial, Wasserstoffgas und ein mit Gettermaterial gefülltes elektrisches Heizelement zur Absorption und Desorption von Wasserstoff. In einer oder zwei äußeren Füllkammern, die ebenfalls von einer gasdichten Umhüllung umgeben sind, ist ebenfalls grob poröses oder grob strukturiertes Füllmaterial angeordnet. Der Gesamtgasdruck der äußeren Füllkammer ist größer oder gleich dem Gesamtgasdruck der inneren Füllkammer bei absorbierendem Getter.
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Die
DE 103 19 350 B4 zeigt ein Batteriekastenmodul für ein Fahrzeug mit einer wannenartigen Doppelwandkonstruktion, die eine schaltbare Vakuumdämmung aufweist, wobei das Modul eine elektrische Steuerung umfasst, die zum Schalten der Vakuumdämmung zuständig ist.
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Gasdruckeinstellvorrichtungen mit einer in einem geschlossenen System eingebundenen Metallhydrid-Reaktorvorrichtung bzw. einem reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionssystem sind auch in folgenden Veröffentlichungen abgehandelt:
- Steven D. Burch et al., Thermal Management of Batteries Using a Variable-Conductance Insulation (VCI) Enclosure;
- ZAE Bayern, Schlussbericht Schaltbare Wärmedämmung (SWD) zur Nutzung der Sonnenenergie in Gebäuden, 2003;
- Horn, R.: Entwicklung und Untersuchung einer schaltbaren Wärmedämmung zur Solarenergienutzung. Dissertation Julius-Maximilians-Universität, Würzburg, 2001;
- Catarino, I. et al., Gas gap thermal switches using neon or hydrogen and sorption pump. Vacuum 2009; 83: 1270-1273;
- Vanapalli, S. et al., A passive, adaptive and autonomous gas gap heat switch. Physics Procedia 2015;67: 1206-1211;
- Burger, J.F. et al., Fast Gas-Gap Heat Switch for a Microcooler. Cryocoolers 1999; 10: 565 - 574;
- Prina, M. et al., Assessment of Zr-V-Fe getter alloy for gas-gap heat switches. Journal of Alloys and Compounds 2002; 330-332:886 - 891;
- Benson, D. K., Design of a Variable-Conductance Vacuum Insulation, SAE 1994 Annual Meeting, Detroit, NREL/TP-452-5814.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Dämmmaterialien, die eine hohe Dämmwirkung erzielen, sodass sich unerwünschte Wärmeströme über Systemgrenzen hinweg minimieren lassen, wobei die Dämmfähigkeit sich aber nicht beeinflussen lässt und demnach in ihrer zeitlichen Auflösung wie auch in Amplitude konstant ist, ist bei dynamisch regelbaren Dämmmaterialien der vorstehend genannten Art mittels der Gasdruckeinstellvorrichtung deren Wärmedurchgang an veränderliche Bedingungen (innerhalb oder außerhalb von Systemgrenzen) anpassbar. Eine solche regelbare Wärmedämmschicht könnte etwa durch Herabsetzen der Dämmwirkung einen passiven Kühleffekt von Gebäuden in Sommernächten zulassen, während tagsüber bei maximaler Dämmung ein Überhitzen von Innenräumen durch solare Einstrahlung verhindert werden soll. Außerhalb des Gebäudesektors lässt sich, wie auch vorstehend angesprochen, der Nutzen adaptiver Dämmschichten in verschiedensten Anwendungsfeldern sehen, wie beispielsweise im Mobilitätsbereich zur Unterstützung des Thermomanagements von Elektrofahrzeugen, bei der Entwicklung funktionaler Textilien oder in der Raumfahrt.
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Die vorstehend genannten dynamisch regelbaren Dämmmaterialien beruhen auf dem Prinzip der Ausnutzung der druckabhängigen Wärmeleitfähigkeit poröser Strukturen. Die Wärmeleitfähigkeit λ in porösen Medien weist einen S-förmigen Verlauf auf, wie schematisch in 1 dargestellt ist. Dabei wird ein offenporiges Dämmmaterial, wie etwa Silica Gel oder Aerogel, gasdicht eingehüllt und der Gasdruck p im Paneel variiert, um den Wärmedurchgang zu beeinflussen. Im evakuierten Zustand weist das Dämmsystem einen sehr geringen Gasdruck auf und der Wärmedurchgang ist dominiert von der Festkörperwärmeleitfähigkeit des Materials. In diesem Zustand wird die maximale Dämmfähigkeit erreicht. Umgekehrt steigt mit zunehmendem Gasdruck im System der Wärmedurchgang entsprechend der S-förmigen Kurve bis sich bei einem gewissen Grenzwert des Gasdrucks ein Plateau der Wärmeleitfähigkeit ausbildet, was der minimalen Dämmwirkung entspricht. Entlang dieser Kurve lässt sich der Wärmedurchgang regeln.
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Die Variation des Gasdrucks in einem Dämmpaneel wird, entsprechend den vorstehend genannten bekannten Ausführungen, durch die Kombination mit einem reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionssystem realisiert. Ein mit Metallhydrid gefüllter Reaktor wird stofflich mit dem eingehüllten Dämmmaterial verbunden - die beiden Komponenten ergeben als geschlossenes System eine adaptive Wärmedämmung. In Folge der reversiblen exo-/endothermen Reaktion von Metallhydrid und Wasserstoff lässt sich durch Einstellung der Temperatur des Metallhydridbetts die Reaktion kontrollieren und der Wasserstoffdruck entlang der Van't Hoff-Geraden (wie exemplarisch in 2 dargestellt, Gasdruck 2 in Abhängigkeit von dem Reziprokwert der Temperatur 1 mit der Van't Hoff-Geraden 4) variieren. Entsprechend erfolgt die Regelung der Wärmeleitfähigkeit des Dämmpaneels durch die Regelung des Gasdrucks p. Es wird ein zur Anwendung passendes Metallhydrid ausgewählt, dessen thermodynamische Charakteristik sowie Reaktionskinetik die erforderliche Druckvariation für vollständige Schaltzyklen der Dämmwirkung in einer vorgegebenen Zeitspanne erzielt.
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Das Potential der Energieeinsparung durch die dynamische Regelung des Wärmedurchgangs hängt maßgeblich von Höhe und Dauer der Heiz- bzw. Kühlleistung ab, die notwendigerweise aufgebracht werden muss, um das Metallhydrid zu temperieren und den Wasserstoffdruck zu regeln.
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Zwar lässt sich über die reversible Gas-Feststoff-Reaktion bzw. Metallhydrid-Wasserstoff-Reaktion der Gasdruck im Dämmpaneel zeitaufgelöst variieren und auf gewünschte Drücke entlang der Gleichgewichtslinie einstellen. Zur Einstellung des Gasdrucks bedarf es der Temperierung des Metallhydrids entlang der Gleichgewichtslinie die charakteristisch für jedes einzelne Metallhydrid ausfällt.
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Zur vollständigen Nutzung der maximalen Dämmzustandsänderungen im Paneel (Schaltfaktor) bedarf es einer ausreichend hohen Änderung des Gasdrucks (in der Regel vier bis sechs Größenordnungen), was je nach verwendetem Metallhydrid mit hohen aufzubringenden Temperaturänderungen einhergeht.
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So muss beispielsweise das Metallhydrid Zirkonium-Nickel (ZrNi), das sich aufgrund des sehr geringen Gleichgewichtsdrucks bei Raumtemperatur und einer schnellen Reaktionskinetik für die Anwendung in einer dynamischen Dämmschicht eignen würde, auf mindestens 240 °C aufgeheizt werden, um einen Gasdruck zu erreichen, der einen Effekt im Wärmedurchgang bemerkbar macht. Umgekehrt muss zum Absenken des Gasdrucks das Metallhydrid um dieselbe hohe Temperaturdifferenz abgekühlt werden, was mit einem zusätzlichen Energieaufwand oder einer langen Abkühlzeit einhergeht, wodurch Effizienz oder Dynamik des Dämmsystems leiden.
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In der
US 4 402 915 A ist eine Metallhydrid-Reaktorvorrichtung gezeigt, bei der eine zur Umgebung abgedichtete Kammer mittels einer für Wasserstoff durchlässigen Zwischenwand in zwei Kompartimente unterteilt ist, in welchen zwei verschiedene Metallhydride mit unterschiedlichen thermodynamischen Charakteristiken enthalten sind. Diese Reaktorvorrichtung dient zum Bereitstellen von Wärme oder umgekehrt von Kälte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasdruckeinstellvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein möglichst effizienter Betrieb erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Gasdruckeinstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass in der Reaktorvorrichtung mehrere verschiedene Metallhydride unterschiedlicher thermodynamischer Charakteristiken kaskadiert betreibbar angeordnet sind.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass in einer Reaktorvorrichtung, in der in getrennten Kompartimenten mehrere verschiedene Metallhydride aufgenommen sind, welche bei gleichen Temperaturen verschiedene Gleichgewichtsdrücke erzielen, die Reihenfolge bei deren Beladung für eine Drucksenkung bei konstant gedachter Temperatur von dem Metallhydrid mit dem höchsten Gleichgewichtsdruck zu dem Metallhydrid mit dem niedrigsten Gleichgewichtsdruck fortschreitet und die Reihenfolge bei der Entladung für einen Druckanstieg von dem Metallhydrid mit dem niedrigsten Gleichgewichtsdruck zu dem Metallhydrid mit dem höchsten Gleichgewichtsdruck fortschreitet.
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Durch die Kaskadierung mehrerer Metallhydride in der Reaktorvorrichtung werden die Metallhydride im selben Reaktor derart hintereinandergeschaltet, dass sich durch einen vergleichsweise geringen Temperaturhub ein gleichbleibend hoher Druckunterschied gewährleisten lässt. Damit werden aufzubringende Heiz- bzw. Kühlleistungen im Reaktor zur Temperierung der Metallhydride gegenüber bisherigen Anordnungen wesentlich verringert und die Effizienz des Betriebs der Gasdruckeinstellvorrichtung wesentlich erhöht.
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Ein effizienter Betrieb wird wesentlich dadurch bestimmt, dass die unterschiedlichen thermodynamischen Charakteristiken verschiedene Gleichgewichtsdrücke bei gleicher Temperatur umfassen.
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Eine für die Funktion und den Aufbau vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erhalten, dass die verschiedenen Metallhydride innerhalb der Reaktorvorrichtung in getrennten Kompartimenten kaskadiert in Hintereinanderschaltung angeordnet sind. Mit diesen Maßnahmen lässt sich ein kompakter, z. B. modulartiger, Aufbau realisieren, wobei sich auch eine eine Wärmezuführeinrichtung aufweisende Temperiereinrichtung konstruktiv und für eine effiziente Betriebsweise konstruktiv und funktionell vorteilhaft integrieren lässt.
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Für die Steuerung und/oder Regelung einer kaskadierten Betriebsweise ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass die Kompartimente mit steuerbaren Ventilen versehen sind.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen für den Betrieb der Gasdruckeinstellvorrichtung bestehen darin, dass eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die zum Steuern oder Regeln der Reaktorvorrichtung ausgebildet ist, insbesondere in der Weise, dass die Reihenfolge bei der Beladung der Metallhydride für eine Druckabsenkung in dem geschlossenen System, bei konstant gedachter Temperatur, von dem Metallhydrid mit dem höchsten Gleichgewichtsdruck zu dem Metallhydrid mit dem niedrigsten Gleichgewichtsdruck verläuft und bei Entladung der Metallhydride für den Druckanstieg die Reihenfolge umgekehrt, von dem Metallhydrid mit dem niedrigsten Gleichgewichtsdruck zu dem Metallhydrid mit dem höchsten Gleichgewichtsdruck verläuft.
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Eine Abstimmung auf eine gegebene Einsatzsituation lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass die Metallhydride mindestens zwei Metallhydride aus den Klassen AB, AB2 und AB5 wie etwa die Metallhydridmaterialien LaNi4.3Al0.4Mn0.3, La-Ni4.1Al0.52Mn0.38, ZrNi umfassen.
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Schaltbare Wärmedämmeigenschaften lassen sich vorteilhaft dadurch realisieren, dass das geschlossene System in mindestens einem Hohlraum innerhalb einer gasundurchlässigen Umhüllung eingebrachtes poröses Material aufweist und der mindestens eine Hohlraum mit dem porösen Material mit der Reaktorvorrichtung in Gasaustauschverbindung gebracht oder bringbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten für Wärmedämmzwecke bestehen darin, dass die Umhüllung mit dem eingebetteten porösen Material Wand- oder Zwischendeckenpaneele für Gebäude oder Wandelemente für Gehäuse, wie z. B. Batteriegehäuse bilden.
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Die Temperierung der Metallhydride lässt sich vorteilhaft dadurch realisieren, dass die Wärmezuführeinrichtung als Peltiertemperiereinrichtung oder als elektrische Stromwärmeeinrichtung ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch eine Anwendung des Verfahrens zur Temperierung eines Innenraums eines Gebäudes, dessen Wände zumindest zum Teil von Paneelen gebildet sind, die als Bestandteil des geschlossenen Systems gasdicht abgeschlossene, mit porösem Material befüllte Kammern aufweisen, die mit der Reaktorvorrichtung in Gasaustauschverbindung gebracht werden.
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Weitere Vorteile bietet eine Verwendung einer Gasdruckeinstellvorrichtung mit Wandpaneelen als Wandabschnitte zur Temperierung eines Gebäudes sowie eine Verwendung einer Gasdruckeinstellvorrichtung mit Wandelementen in der Umwandung eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit poröser Medien,
- 2 eine schematische Darstellung eines Van't Hoff-Diagramms mit exemplarischer idealer Gleichgewichtslinie beispielsweise eines Metallhydrids,
- 3 ein Schaubild mit drei Desorptions-Gleichgewichtslinien dreier Metallhydride mit markiertem Temperaturhub zur Erreichung eines Druckverhältnisses von 106 für ein beispielhaftes Metallhydrid (LaNi4.1Al0.52Mn0.38),
- 4 ein Schaubild mit Desorptions-Gleichgewichtslinien dreier Metallhydride mit Visualisierung des reduzierten Temperaturhubs bei gleichbleibendem Druckverhältnis durch Nutzung einer Kaskadenschaltung mehrerer Metallhydride und
- 5 eine schematische Darstellung einer Reaktorvorrichtung mit zwei Metallhydriden, die über eine innenliegende Temperiereinrichtung beheizbar und/oder kühlbar sind.
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Wie eingangs bereits beschrieben, zeigt 2 schematisch ein Van't Hoff-Diagramm mit einer beispielhaften idealen Gleichgewichtslinie 4 beispielsweise eines Metallhydrids, die als Gasdruck p (Ordinate 2) in Abhängigkeit des Kehrwerts der Temperatur T (Abszisse 1) aufgetragen ist. Entsprechend erfolgt z. B. die Regelung der Wärmeleitfähigkeit λ, wie in 1 dargestellt, in einem Regelbereich ΔR 6 des S-förmigen Verlaufs einer Wärmeleitfähigkeitskurve 5, wobei (als Ordinate 3) die Wärmeleitfähigkeit λ einer porösen Struktur, wie z. B. eines Dämmpaneels, über dem Gasdruck p (als Abszisse 2) dargestellt ist, wie eingangs ausgeführt.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Gasdruckeinstellvorrichtung mit einem in einem geschlossenen System eingebundenen reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionssystem bzw. einer Metallhydrid-Reaktorvorrichtung 7 (vgl. 5) und die Vorgehensweise zum Betrieb der Gasdruckeinstellvorrichtung wird anhand der 3, 4 und 5 erläutert.
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3 zeigt in einem Van't Hoff-Diagramm Gleichgewichtslinien dreier Metallhydride, nämlich einer ersten Gleichgewichtslinie 40 von LaNi4.3Al0.4Mn0.3, einer zweiten Gleichgewichtslinie LaNi4.1Al0.52Mn0.38 und einer dritten Gleichgewichtslinie 42 für ZrNi. Die Gleichgewichtslinien 40, 41, 42 geben eine Desorptionscharakteristik der drei verschiedenen Metallhydride an. Die Ordinate 2 für den Gasdruck p umfasst sechs Größenordnungen, was etwa der Druckvariation entspricht, die zu einer vollständigen Schaltfaktor-Nutzung einer regelbaren Wärmedämmung gewährleistet werden soll.
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Es ist deutlich zu erkennen, dass für die Überstreichung des vollen Bereichs des Gasdrucks p mittels eines einzelnen Metallhydrids - ausgehend von einer Umgebungstemperatur T = 20 °C - hohe Temperaturänderungen in positive oder negative Richtung erforderlich sind (z. B. im Fall von LaNi4.1Al0.52Mn0.38 ergibt sich eine Temperaturspreizung von etwa ΔT ≈ -60 °C...140 °C), was in der 3 für das exemplarisch genannte Metallhydrid durch Pfeile an der Abszisse (untere x-Achse) und die eingezeichnete Markierung visualisiert ist.
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Erfindungsgemäß werden die verschiedenen Metallhydride, die eine unterschiedliche thermodynamische Charakteristik, nämlich verschiedene Gleichgewichtsdrücke bei gleicher Temperatur, aufweisen, zu einer Kaskade im selben Reaktor der Reaktorvorrichtung 7 angeordnet und betrieben. Wie 4 zeigt, lässt sich durch die Kaskadierung der Metallhydride dieselbe Druckvariation, wie in 3 für das genannte Metallhydrid dargestellt, bei erheblich verringertem Temperierungsaufwand ermöglichen. In dem angegebenen Beispiel der drei Metallhydride wird die vollständige Druckachse 2 bei einer Temperaturänderung von ΔT ≈ 20 °C... 100 °C erreicht, indem bei der Zieltemperatur der Desorption (z. B. 100 °C) die Metallhydride nacheinander bis zu ihrem jeweiligen Gleichgewichtsdruck entladen werden.
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Die Metallhydrid-Kaskade kann in einer Gasdruckeinstellvorrichtung in Anwendungen zur Gasdruckvariation bzw. Regelung des Gasdrucks in geschlossenen Systemen, wie beispielsweise der Bereitstellung des nötigen Druckhubs in einem dynamischen Vakuumdämmpaneel zur Beeinflussung des Wärmedurchgangs oder in der Gehäusewandung eines Gehäuses, wie etwa eines Batteriegehäuses, zur Beeinflussung des Wärmedurchgangs, eingesetzt werden und dabei die Effizienz durch erhebliche Reduktion der aufzubringenden Heiz- oder Kühlleistung steigern. Das Problem, dass große Druckunterschiede im geschlossenen System bzw. Paneel mit hohen aufzubringenden Heiz- bzw. Kühlleistungen im Reaktor zur Temperierung des verwendeten Metallhydrids einhergehen, wird durch die Kaskadierung mehrerer Metallhydride gelöst.
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Wie schematisch beispielsweise anhand der 5 gezeigt, werden im selben Reaktor der Reaktorvorrichtung 7 die verschiedenen Metallhydride innerhalb des von einer Umwandung 71 umgebenen Aufnahmeraums 70 der Reaktorvorrichtung 7 in separierten Kompartimenten 730, 740 aufgenommen, nämlich ein erstes Metallhydrid 73 in einem ersten Kompartiment 730 und ein zweites Metallhydrid 74 in einem zweiten Kompartiment 740. Ferner ist in dem Aufnahmeraum 70 zur Temperierung der Metallhydride eine Temperiereinrichtung mit einer Wärmezuführeinrichtung 75, wie einer Peltier-Heizung oder einer Stromwärmeheizung, angeordnet. Die Temperiereinrichtung kann zudem als Kühleinrichtung ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Die Kompartimente sind durch, insbesondere steuerbare, Ventile 90, 91 verschlossen. Die Metallhydride mit den verschiedenen getrennten Metallhydrid-Materialien können kaskadiert unter Steuerung mittels einer Steuereinrichtung 80 geeignet aufeinander abgestimmt mit Wasserstoff be- bzw. entladen werden. Die Metallhydride mit ihren unterschiedlichen thermodynamischen Charakteristiken, durch die sie bei gleichen Temperaturen verschiedene Gleichgewichtsdrücke erzielen, können je nach Anwendungsfall geeignet aufeinander abgestimmt gewählt werden. Die Reihenfolge der Beladung bzw. Absorption (zur Druckabsenkung) verläuft dabei bei konstant gedachter Temperatur von dem Metallhydrid mit dem niedrigsten Gleichgewichtsdruck zu dem mit dem höchsten Gleichgewichtsdruck, um die Kaskade optimal auszunutzen. Für den Druckanstieg, also die Desorption des Metallhydrids, verhält sich das Verfahren in umgekehrter Weise. Somit lässt sich durch die Hintereinanderschaltung der unterschiedlichen Metallhydride eine Erhöhung der Druckstufen erreichen.
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Über Gasanschlüsse 72, 72' der Reaktorvorrichtung 7 steht der Reaktor mit den zu beaufschlagenden bzw. zu entleerenden Druckräumen bzw. Vakuumräumen des geschlossenen Systems, wie z. B. in einem zugeordneten Dämmpaneel, in Gasaustauschverbindung bzw. ist gesteuert in Gasaustauschverbindung bringbar, wobei die Ventile 90, 91 z. B. in den Gasanschlüssen 72, 72' eingebaut sind.
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Unter Annahme des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels mit zwei Metallhydriden MeH I 73 und MeH II 74 wird bei der Desorption z. B. folgendermaßen vorgegangen:
- Es sei MeH I 73 das Niederdruck-Metallhydrid und MeH II 74 das Metallhydrid, das im Ausführungsbeispiel mit zwei Materialien als Hochdruckmaterial dienen soll.
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Die Metallhydridmaterialien MeH I 73 und MeH II 74 sind mit Wasserstoff beladen. Um einen Druckanstieg im gegebenen Volumen zu erreichen, werden die Metallhydridmaterialien auf die zum Zieldruck I (von Metallhydrid MeH I) passende Gleichgewichtstemperatur gebracht und das Ventil I 90 geöffnet. Entsprechend stellt sich im System ein Gasdruck gemäß der Materialcharakteristik bei der vorherrschenden Temperatur im Metallhydrid MeH I 73 ein. Bei Erreichen des Zieldrucks wird Ventil I 90 geschlossen. Je nach gewünschtem Systemdruck im Gesamtsystem wird die Temperiereinrichtung der Metallhydride MeH I und MeH II auf die entsprechende Gleichgewichtstemperatur des MeH II gebracht und Ventil II 91 geöffnet. Somit desorbiert MeH II Wasserstoff bis zum Erreichen des Gleichgewichtsdrucks, der dem Zieldruck im System (gewünschter Systemdruck) entspricht. Bei Erreichen des Zieldrucks wird Ventil II geschlossen und die Temperiereinrichtung kann abgeschaltet werden.
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Bei der Absorption wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel z. B. folgendermaßen vorgegangen:
- Je nach gewünschtem Systemdruck ist die passende Metallhydridtemperatur aufgrund von Wärmeabgabe erreicht, andernfalls wird mithilfe der Temperiereinrichtung die entsprechende Gleichgewichtstemperatur von MeH II 74 eingestellt. Ventil II 91 wird geöffnet, so dass MeH II Wasserstoff absorbiert bis der Gleichgewichtsdruck von MeH II 74 im System erreicht ist. Je nachdem wie tief der erzielte Systemdruck liegt, kann Ventil I 90 geschlossen bleiben und MeH I 73 bleibt bei der Druckabsenkung außen vor. Sollte der gewünschte Druck den Betriebsbereich von MeH II 74 unterschreiten, wird Ventil II 91 geschlossen und Ventil I 90 hingegen geöffnet, um mithilfe einer Absorption des Niederdruck-Metallhydrids MeH I 73 den Systemdruck weiter zu senken.
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Die sequenzielle Schaltung der Ventile 90, 91 verhindert ein Betreiben der einzelnen Metallhydride außerhalb der vorgesehenen Beladungsgrenzen.
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Die Temperierung der einzelnen Metallhydride kann gleichzeitig erfolgen, sofern die Abgeschlossenheit der Kompartimente durch die entsprechenden Ventile gesichert ist. Insofern ist eine einfache Anordnungsform der Metallhydridkompartimente derart, dass sie beidseitig an der Temperiereinrichtung anliegen (wie schematisch im Ausführungsbeispiel gezeigt). Darüber hinaus gibt es keine speziell bevorzugte räumliche Anordnung, solange die Gasströmung sowie die Temperierung im jeweiligen Anwendungsfall effizient ermöglicht sind.
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Die Menge der jeweiligen Metallhydride ist proportional zu dem gegebenen zu flutendem Volumen und dem zu erzielendem Druckverhältnis. Die Mengen sind insofern aufeinander abgestimmt, dass insbesondere die Menge des Metallhydrids, das den höchsten Gasdruck bereitstellt, am Größten ist. Die einzelnen Mengen ergeben sich jeweils aus zu absorbierender bzw. desorbierender Gasmenge, die insbesondere durch Volumen und Druck festgelegt sind.
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Die Metallhydrid-Kaskade ermöglicht im Vergleich zu einzeln verwendeten Metallhydrid-Materialien gemäß dem Stand der Technik eine deutliche Reduzierung der aufzubringenden Heiz- oder Kühlleistung, um einen gleichbleibenden Druckunterschied in dem geschlossenen System, wie z. B. einem Vakuumdämmpaneel, aufzubringen. Zu berücksichtigen ist, dass der Einsparung ein Leistungsaufwand abträglich ist, um die Ventile 90, 91 der Reaktorvorrichtung 7 zu schalten, die die Be- bzw. Entladungsreihenfolge der einzelnen Metallhydride bzw. der durch sie gegebenen Reservoirs wahren.
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Durch die Speicherung mehrerer Metallhydrid-Materialien in ein und demselben Reaktor der Reaktorvorrichtung 7 reduziert sich relativ zur Metallhydridmasse die passive thermische Masse des Reaktorgehäuses, die es für eine dynamische Regelung des Gasdrucks ebenfalls zügig zu temperieren gilt.
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Durch die Peltier-Elemente der Peltier-Heizeinrichtung lässt sich der Reaktor bedarfsgerecht heizen und gegebenenfalls auch kühlen. Somit lässt sich der moderate Temperaturbereich unterhalb einer Umgebungstemperatur ebenso nutzen, um die Ausnutzung der Druckregelung zu steigern und zudem kann eine Feinjustierung die Gasdruckregelung als Konsequenz der Metallhydrid-Temperatur sicherstellen.
