DE10227596A1

DE10227596A1 - Adsorptionskühlvorrichtung

Info

Publication number: DE10227596A1
Application number: DE10227596A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Sato; Katsuya Ishii; Atsushi Kosaka; Shigeo Numazawa; Seiji Inoue; Kouji Inagaki; Kazuhisa Yano; Norihiko Setoyama; Yoshiaki Fukushima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Denso Corp
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-01-09
Also published as: JP4467856B2; JP2003075015A; FR2828271B1; FR2828271A1; US6619071B2; US20030005721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskühlvorrichtung mit einem Adsorber (3), der ein Adsorptionsmittel (S) mit einer temperaturabhängigen Eigenschaft bzw. Kennlinie enthält, demnach eine adsorbierte Menge (C1) in einem Adsorptionsschritt größer als eine adsorbierende Menge (C2) in dem Desorptionsschritt selbst dann ist, wenn eine Dampfdruckrate (PSI1) in dem Adsorptionsschritt gleich oder kleiner als eine Dampfdruckrate (PSI2) in dem Desorptionsschritt ist. Selbst dann, wenn die Kühltemperatur der Außenluft zum Kühlen des Adsorptionsmittels zunimmt, kann dadurch eine ausreichende Kühlkapazität erzielt werden. Eine Differenz zwischen der in dem Adsorptionsschritt adsorbierten Menge und der in dem Desorptionsschritt adsorbierten Menge kann außerdem größer gemacht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Adsorptionskühlvorrichtung, die bevorzugt für eine Klimaanlage verwendet wird.

Wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei. 11- 37598 erläutert, erzielt eine Adsorptionskühlvorrichtung Kühlkapazität durch Verdampfen von Kältemittel, wie etwa Wasser, und sie verhindert die Erhöhung eines Innendrucks (d. h., eines Verdampfungsdrucks) eines Verdampfers durch Adsorbieren des verdampften Kältemittels in ein Adsorptionsmittel durch Durchführen einer kontinuierlichen Verdampfung in einem Adsorptionsschritt. Die Fähigkeit zur Adsorption von Kältemittel nimmt allmählich ab (d. h., gelangt allmählich in die Sättigung), wenn die Adsorption des Kältemittels fortschreitet. Wenn die Fähigkeit zum Adsorbieren des Kältemittels in die Sättigung gelangt, wird das Adsorptionsmittel erwärmt, um das Kältemittel aus dem Adsorptionsmittel zu entfernen, wodurch das Kältemittel in einem Desorptionsschritt recycelt wird. Daraufhin wird der Adsorptionsschritt unter Verwendung des entfernten Kältemittels durchgeführt.

Für diese Schritte nutzt die Adsorptionskühlvorrichtung üblicherweise zumindest zwei Adsorber. Das heißt, es sind erste und zweite Adsorber mit Behältern oder dergleichen vorgesehen, in denen Adsorptionsmittel enthalten sind. Wenn der erste Adsorber sich im Adsorptionsschritt befindet, befindet sich der zweite Adsorber im Desorptionsschritt. Wenn der zweite Adsorber sich im Adsorptionsschritt befindet, befindet sich der erste Adsorber alternativ im Desorptionsschritt. Die Kühlvorrichtung vermag deshalb ihren Kühlvorgang (Kühlkapazität) kontinuierlich durchzuführen.

Die Kühlkapazität der Adsorptionskühlvorrichtung wird auf Grundlage der zu verdampfenden Kältemittelmenge ermittelt. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Kühlkapazität insbesondere auf Grundlage der Differenz ΔC zwischen der adsorbierten Menge C1 unter der Bedingung des Adsorptionsschritts und einer Menge C2 ermittelt, die unter der Bedingung des Desorptionsschritts adsorbiert wird. Fig. 4 zeigt eine Isotherme von Silicagel. In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Dampfdruckrate ψ (d. h., relative Feuchtigkeit) aufgetragen, bei der es sich um die Rate des Partialdrucks des Wasserdampfs im Bereich des Adsorptionsmittels bis zum Dampfdruck von gesättigtem Wasser (Kältemittel) bei der Temperatur des Adsorptionsmittels handelt. Die adsorbierte Menge C ist die Masse von Wasser, die in der Einheitsmasse des Adsorptionsmittels adsorbiert wird.

Das Adsorptionsmittel erzeugt Wärme, wenn das Kältemittel adsorbiert wird (auf diese Wärme wird vorliegend als "Adsorptionswärme" Bezug genommen). Der Dampfdruck von gesättigtem Wasser bei der Temperatur des Adsorptionsmittels steigt, wenn die Temperatur des Adsorptionsmittels zunimmt, so dass die Dampfdruckrate ψ abnimmt und die Verringerung der adsorbierten Menge C hervorruft. In dem Adsorptionsschritt wird deshalb die Adsorption des Kältemittels durchgeführt, während das Adsorptionsmittel gekühlt wird. Das Adsorptionsmittel wird üblicherweise durch Außenluft gekühlt. Wenn die Außenlufttemperatur Tam zunimmt, wird die Dampfdruckrate ψ1 im Adsorptionsschritt kleiner und die adsorbierte Menge C1 in dem Adsorptionsschritt wird kleiner.

Andererseits wird in dem Desorptionsschritt das Adsorptionsmittel nach Beendigung des Adsorptionsschritts erwärmt. Wenn die Außenlufttemperatur Tam zunimmt, wird die Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und einer Wärmequelle zur Erwärmung kleiner. Die Dampfdruckrate ψ2 im Desorptionsschritt nimmt deshalb ab und die in dem Desorptionsschritt adsorbierte Menge C2 wird größer. Die Zunahme der Außenlufttemperatur Tam führt deshalb zu einer Verringerung der im Adsorptionsschritt adsorbierten Menge C1 und sie führt auch zu einer Verringerung der in dem Desorptionsschritt adsorbierten Menge C2. Die Menge des Kältemittels, die verdampft werden kann, wird dadurch geringer, so dass die Kühlkapazität der Adsorptionskühlvorrichtung verringert wird.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Berechnung der Differenz zwischen der adsorbierten Menge C1 des Kältemittels in dem Adsorptionsschritt und der adsorbierten Menge C2 des Kältemittels in dem Desorptionsschritt berechnet unter der Annahme, dass die Temperatur der Wärmequelle zum Erwärmen 90°C beträgt und die Dampftemperatur 10°C beträgt. Unter Verwendung von typischem Silicagel als Adsorptionsmittel bestand deshalb keine Differenz zwischen ihnen, wenn die Außenlufttemperatur etwa 45°C beträgt oder höher ist. In diesem Fall wird deshalb die Adsorptionskühlvorrichtung im Wesentlichen gestoppt.

Angesichts der vorstehend angesprochenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Adsorptionskühlvorrichtung zu schaffen, die Kühlkapazität selbst dann bereit stellt, wenn die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels zunimmt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist in einer Adsorptionskühlvorrichtung ein Adsorber im Innern ein Adsorptionsmittel zum adsorbieren von verdampftem Kältemittel in einem Adsorptionsschritt auf, um das in dem Adsorptionsmittel durch Erwärmen in einem Desorptionsschritt adsorbierte Kältemittel freizusetzen. Das Adsorptionsmittel weist eine temperaturabhängige Kennlinie bzw. Eigenschaft auf, demnach ein in dem Adsorptionsschritt adsorbierte Menge größer als eine in dem Desorptionsschritt adsorbierte Menge selbst dann ist, wenn eine Dampfdruckrate in dem Adsorptionsschritt gleich oder kleiner als eine Dampfdruckrate in dem Desorptionsschritt ist. Selbst dann, wenn die Dampfdruckrate in dem Adsorptionsschritt gleich der Dampfdruckrate in dem Desorptionsschritt ist, ist deshalb die in dem Adsorptionsschritt adsorbierte Menge unterschiedlich von der in dem Desorptionsschritt adsorbierten Menge. Selbst dann, wenn die Kühltemperatur von Außenluft zum Kühlen des Adsorptionsmittels zunimmt, kann deshalb eine ausreichende Kühlkapazität erzielt werden. Eine Differenz zwischen der in dem Adsorptionsschritt adsorbierten Menge und der in dem Desorptionsschritt adsorbierten Menge kann deshalb außerdem größer gemacht werden. Infolge hiervon kann die Kühlkapazität der Adsorptionskühlvorrichtung verbessert werden, während die in den Adsorber gefüllte Menge des Adsorptionsmittels kleiner gemacht werden kann, und zwar selbst dann, wenn die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels hoch ist.

Ein Verhältnis der Adsorptionswärme, die in dem Adsorptionsmittel erzeugt wird, zu einer Verdampfungslatentwärme des Kältemittels wird bevorzugt in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6 gewählt. Das in dem Adsorptionsmittel adsorbierte Kältemittel kann deshalb bei einer relativ niedrigen Temperatur problemlos freigegeben bzw. freigesetzt werden (beispielsweise bei 100°C), ohne eine zusätzliche Vorrichtung vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Adsorptionskühlvorrichtung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Kurvendarstellung einer Adsorptionsisotherme eines Adsorptionsmittels, das für die Adsorptionskühlvorrichtung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung einer Adsorptionsisotherme eines Adsorptionsmittels, das für die Adsorptionskühlvorrichtung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, und

Fig. 4 eine Kurvendarstellung einer Adsorptionsisotherme eines Adsorptionsmittels gemäß dem Stand der Technik.

Bei der im Folgenden erläuterten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung in typischer Weise auf eine Adsorptionskühlvorrichtung für eine Fahrzeugklimaanlage angewendet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Adsorptionskühlvorrichtung einen Verdampfer 1, ein Paar von Adsorbern 3 (3a, 3b) und einen Verflüssiger 6, die von einem Kreis in durchbrochenen Linien umschlossen sind.

Bei dem Verdampfer 1 handelt es sich um eine Kühleinheit, die üblicherweise unter Vakuum gehalten und hermetisch mit Kältemittel gefüllt ist. Der Verdampfer 1 umfasst einen Verdampfungskern 1a, der dazu dient, Wärmetausch zwischen einem Kältemittel und einem Wärmemedium durchzuführen. Das Wärmemedium tauscht Wärme mit Luft, die in eine Fahrgastzelle geblasen wird, in einem inneren Wärmetauscher 2. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Kältemittel um Wasser und bei dem Wärmemedium handelt es sich um ein Fluid, das durch Mischen von Wasser mit einer Ethylenglykol-Gefrierverhinderungslösung gemischt ist. Ein Adsorptionskern 4 (Wärmetauscher) ist in jedem der Adsorber 3 angeordnet und ein Adsorptionsmittel S ist mit der gesamten Oberfläche des Adsorptionskerns 4 verbunden. Ein äußerer Wärmetauscher 5 ist ein Radiator bzw. Kühler zum Abkühlen eines Wärmemediums durch Durchführen von Wärmetausch zwischen dem Wärmemedium und der Außenluft. Bei dem Verflüssiger 6 handelt es sich um einen Wärmetauscher, in dem ein Kondensationskern 6a vorgesehen ist. In dem Kondensationskern 6a des Verflüssigers 6 wird das Kühlwasser (Wasserdampf), das aus dem Adsorber 3 (dem Adsorptionsmittel S) verdampft wird, abgekühlt und durch das Wärmemedium kondensiert bzw. verflüssigt, das durch den äußeren Wärmetauscher 5 gekühlt wird.

In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Adsorptionsmittel S um ein solches mit einer temperaturabhängigen Kennlinie bzw. Eigenschaft, demnach die adsorbierte Menge C1 relativ zu der Dampfdruckrate ψ1 in einem Adsorptionsschritt (d. h., dem Schritt zum Adsorbieren des Kältemittels in das Adsorptionsmittel) größer ist als die adsorbierte Menge C2 relativ zu der Dampfdruckrate ψ2 in dem Desorptionsschritt (d. h., im Schritt zum Entfernen von Kältemittel aus dem Adsorptionsmittel). Wie vorstehend angeführt, sind in dieser Ausführungsform zwei Adsorber 3 in der Adsorptionskühlvorrichtung vorgesehen. Einer der Adsorber 3 wird als erster Adsorber 3a (auf der linken Seite von Fig. 1) bezeichnet und der andere wird als zweiter Adsorber 3b (auf der rechten Seite von Fig. 1) bezeichnet.

Ein Rückführrohr 7 ist außerdem vorgesehen, um das in dem Verflüssiger 6 kondensierte bzw. verflüssigte Wasser zum Verdampfer 1 rückzuführen, und ein Solenoidventil 7a ist in dem Rückführrohr 7 vorgesehen, um das Rückführrohr 7 zu öffnen und zu schließen. Der Verdampfer 1 und die Adsorber 3 stehen miteinander in Verbindung über Kältemittelrohre. Der Verflüssiger 6 und die Adsorber 3 stehen miteinander in Verbindung über Kältemittelrohre. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind Solenoidventile 3c-3f zum Öffnen und Schließen der Kältemittelrohre in den Kältemittelrohren vorgesehen. Jede Betätigung der Solenoidventile 3c bis 3f und 7a, von Pumpen P1 bis P3 zum Umwälzen des Wärmemediums und von elektromagnetischen Vierwegeventilen 8a, 8b zum Steuern der Strömung des Wärmemediums wird durch eine elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der Klimaanlage mit der Adsorptionskühlvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert.

Eine Pumpe P1 wird betätigt, um eine Umwälzung des Wärmemediums zwischen dem inneren Wärmetauscher 2 und dem Verdampfer 1 zu ermöglichen. Das flüssige Kältemittel (beispielsweise Wasser) in dem Verdampfer 1 kann dadurch derart verdampft werden, dass das Wärmemedium gekühlt wird und in die Fahrgastzelle zu blasende Luft wird in dem inneren Wärmetauscher 2 gekühlt. Gleichzeitig werden die Solenoidventile 3c-3f und die Vierwegeventile 8a, 8b betätigt, um mit vorbestimmten Zeitdauern ein- und ausgeschaltet zu werden, so dass einer der vorstehend genannten zwei Adsorber 3 für den Adsorptionsschritt zum Einsatz kommt, während der andere für den Desorptionsschritt zum Einsatz kommt. Wenn beispielsweise der erste Adsorber 3a für den Adsorptionsschritt verwendet wird, während der zweite Adsorber 3b für den Desorptionsschritt verwendet wird, wird das Solenoidventil 3c geöffnet und das Solenoidventil 3e wird geschlossen, so dass das durch den äußeren Wärmetauscher 5 gekühlte Wärmemedium in dem ersten Adsorber 3a umgewälzt wird. In diesem Fall wird das Solenoidventil 3d ebenfalls geschlossen. Gleichzeitig wird das durch die Wärmequelle (in der Ausführungsform den Antriebsmotor) erwärmte Wärmemedium in dem zweiten Adsorber 3b umgewälzt, während das Solenoidventil 3f geöffnet ist.

Das verdampfte Kältemittel von dem Verdampfer 1 wird in den ersten Adsorber 3a eingeleitet und daraufhin in dem Adsorptionsmittel S in dem ersten Adsorber 3a adsorbiert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Temperatur des Adsorptionsmittels S auf einer Temperatur gehalten, die im Wesentlichen der Außenlufttemperatur entspricht, und zwar durch das Wärmemedium, das in dem äußeren Wärmetauscher 5 gekühlt wird. Da andererseits das durch die Wärmequelle erwärmte Wärmemedium dem zweiten Adsorber 3b zugeführt wird, kann das in dem Adsorptionsschritt adsorbierte Kältemittel von dem Adsorptionsmittel S in den zweiten Adsorber 3b freigesetzt werden. Das entfernte Kältemittel (Wasserdampf) wird daraufhin in dem Verflüssiger 6 derart gekühlt, dass das Kältemittel verflüssigt werden kann.

Als nächstes werden die betriebsmäßigen Effekte der vorliegenden Ausführungsform erläutert.

In der Klimaanlage gemäß dieser Ausführungsform und wie in Fig. 2 gezeigt, handelt es sich bei dem verwendeten Adsorptionsmittel S um ein solches mit einer temperaturabhängigen Kennlinie bzw. Eigenschaft, demnach die adsorbierte Menge C1 in Bezug auf die Dampfdruckrate ψ1 in dem Adsorptionsschritt größer ist als die adsorbierte Menge C2 relativ zu der Dampfdruckrate ψ2 in dem Desorptionsschritt. Selbst dann, wenn die Dampfdruckrate ψ1 in dem Adsorptionsschritt gleich der Dampfdruckrate ψ2 in dem Desorptionsschritt ist, unterscheidet sich deshalb die adsorbierte Menge C1 in dem Adsorptionsschritt von der adsorbierten Menge C2 in dem Desorptionsschritt. Ausreichende Kühlkapazität kann deshalb selbst dann mit Sicherheit erzielt werden, wenn die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels S zunimmt.

Dadurch kann die Differenz ΔC zwischen der adsorbierten Menge C1 in dem Adsorptionsschritt und der adsorbierten Menge C2 in dem Desorptionsschritt im Vergleich zu einem Kältemittel vergrößert werden, das keine Temperaturabhängigkeit zeigt. Der Adsorber 3 kann dadurch miniaturisiert werden (d. h., die Füllmenge des Adsorptionsmittels S kann verringert werden), während die Kühlkapazität der Klimaanlage mit der Adsorptionskühlvorrichtung erhöht wird.

Um das Adsorptionsmittel S mit Temperaturabhängigkeit bereit zu stellen, wird die zu erzeugende Adsorptionswärme vergrößert, wenn das Adsorptionsmittel S das Kältemittel adsorbiert, wie durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung wiedergegeben. Das heißt, dies kann wiedergegeben werden durch die Gleichung (1) wie folgt:

dLn (P)/dT = ΔHvap/RT² (1),

wobei "P" ein Sättigungsdruck ist, wobei "T" eine Temperatur ist, wobei "ΔHvap" eine Adsorptionswärme ist, und wobei "R" eine Gaskonstante ist.

Wenn die Adsorptionswärme "ΔHvap" größer wird, nimmt jedoch das Vermögen zum Adsorbieren des Kältemittels (d. h., das Adsorptionsvermögen) zu, wodurch die Temperatur zum Entfernen des Kältemittels aus dem Adsorptionsmittel zunimmt. In diesem Fall besteht ein Bedarf an einer Heizvorrichtung, die dazu geeignet ist, an das Adsorptionsmittel S im Desorptionsschritt eine hohe Temperatur anzulegen. Die Herstellungskosten für die Klimaanlage mit einer wie vorstehend erläuterten Adsorptionskühlvorrichtung würden dadurch erhöht werden.

In Fig. 2 bezeichnet A eine Isotherme in einem Adsorptionsschritt bei einer Temperatur von 40°C, D1 bezeichnet eine Isotherme in dem Desorptionsschritt bei einer Temperatur von 90°C, wenn ein Verhältnis der Adsorptionswärme zur Verdampfungslatentwärme 1 beträgt, D2 bezeichnet eine Isotherme in dem Desorptionsschritt bei einer Temperatur von 90°C, wenn ein Verhältnis der Adsorptionswärme zur Verdampfungslatentwärme 1,2 beträgt, und D3 bezeichnet eine Isotherme in dem Desorptionsschritt bei einer Temperatur von 90°C, wenn ein Verhältnis der Adsorptionswärme zur Verdampfungslatentwärme 1,5 beträgt.

Aus Untersuchungen und Studien, die durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, hat sich herausgestellt, dass das Kältemittel aus dem Adsorptionsmittel bei einer niedrigen Temperatur gleich oder kleiner als 100°C dann entfernt werden kann, wenn die Adsorptionswärme das 1,2-fache oder mehr und weniger als das 1,6-fache der Verdampfungslatentwärme des Kältemittels beträgt. Ausreichend Kühlkapazität kann deshalb unter Verwendung der Abwärme von dem Motor erzielt werden, ohne dass zusätzliche eine spezielle Heizvorrichtung bereit gestellt werden muss, wenn das Verhältnis der Adsorptionswärme zur Verdampfungslatentwärme des Kältemittels im Bereich zwischen 1,2 und 1,6 liegt.

In der Klimaanlage gemäß dieser Ausführungsform wird das Adsorptionsmittel S unter Verwendung der Außenluft gekühlt. Kühlkapazität, die im praktischen Einsatz ausreicht, kann deshalb selbst dann erzielt werden, wenn die Außenlufttemperatur über etwa 40°C steigt, wenn das Adsorptionsmittel mit einer Menge von zumindest 0,15 (g/g) bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 in dem Adsorptionsschritt adsorbiert wird. Das Adsorptionsmittel mit einer Adsorptionswärme von etwa dem 1,2- fachen der Verdampfungslatentwätme des Kältemittels, und das mit einer Menge von etwa 0,15 (g/g) bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 in dem Adsorptionsschritt adsorbiert wird, wird deshalb bei dieser Ausführungsform verwendet.

Wenn die Adsorptionskühlvorrichtung für die Fahrzeugklimaanlage verwendet wird, nimmt die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels S bis hin zu etwa 40°C bis 50°C auf Grund der Wärmeabstrahlung von der Straße und der Wärmeabstrahlung von dem Motor zu. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann deshalb die Kühlkapazität in ausreichendem Umfang selbst dann erzielt werden, wenn die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels in dem Adsorptionsschritt auf 40°C bis 50°C zunimmt und wenn das Adsorptionsmittel S die vorstehend genannte temperaturabhängige Kennlinie bzw. Eigenschaft aufweist.

Wenn das Adsorptionsmittel derart verwendet wird, dass die Dampfdruckrate in dem Adsorptionsschritt in einem Bereich zwischen 0,07-0,18 liegt, kann außerdem eine ausreichende Kühlkapazität selbst dann erzielt werden, wenn die Kühltemperatur des Adsorptionsmittels sich im Bereich zwischen 40°C und 50°C befindet. Das Adsorptionsmittel wird deshalb derart eingesetzt, dass die bei der Dampfdruckrate von 0,18 in dem Adsorptionsschritt adsorbierte Menge gleich oder größer als 80% der Menge ist, die mit der Dampfdruckrate von 0,4 in dem Adsorptionsschritt adsorbiert wird. Wenn die Adsorptionskühlvorrichtung für eine Klimaanlage für ein Fahrzeug genützt wird, kann deshalb eine erforderliche Kühlkapazität in ausreichendem Umfang erzielt werden.

Die Bestandteile der Adsorptionskühlvorrichtung, die dazu bestimmt sind, in einem Motorraum angebracht zu werden, umfassen die Adsorber 3, den Verdampfer 1, den Verflüssiger 6, die Solenoidventile 3c bis 3f und dergleichen. Es hat sich herausgestellt, dass ein Aufbau von Vorteil ist, der diese Bestandteile integriert, wodurch 15 Liter an Volumen eingespart werden. Die Montagegröße des Verdampfers 1, des Verflüssigers 6, der Solenoidventile 3c bis 3f kann außerdem in einem Volumen von etwa 4,5 Liter oder einem kleineren Volumen gebildet werden. Es ist deshalb erforderlich, die Größe der Adsorber 3 mit 10,5 Litern oder einer kleineren Größe zu wählen.

Die Füllrate des Adsorptionsmittels S in dem Adsorber 3 beträgt etwa 30% und die Fülldichte des Adsorptionsmittels S beträgt etwa 0,6 kg/Liter. Das Gewicht W des zu verwendenden Adsorptionsmittels zum Befüllen der Adsorber 3 kann berechnet werden als 10,5 × 0,3 × 0,6 = 1,89 kg. Da die für die Fahrzeugklimaanlage benötigte stetige Kühlkapazität üblicherweise etwa 3 kW beträgt, kann die Kühlkapazität Q durch folgende Gleichung (2) berechnet werden:

Q = (W × ΔC × ηc × ΔH/τ) × ηh (2),

wobei "W" das Gewicht des Adsorptionsmittels ist, das zum Befüllen von einem von zwei Adsorbern 3 verwendet wird, wobei "ΔC" die Amplitude der Menge ist, die in dem Kältemittel unter den Bedingungen des Adsorptionsschritts und des Desorptionsschritts adsorbiert wird, wobei "ηc" den Amplitudenwirkungsgrad der Adsorption bezeichnet, der die Proportionen der aktuellen Adsorptionsamplituden innerhalb der Umschaltzeitperiode relativ zur Amplitude ΔG der adsorbierten Menge des Kältemittels darstellt, wobei "ΔH" eine Verdampfungslatentwärme von Wasser ist, wobei "τ" eine Umschaltzeitdauer des Adsorptionsschritts und des Desorptionsschritts ist, und wobei "ηh" der Wirkungsgrad im Hinblick auf den Verlust auf Grund der Veränderungen der Temperatur des Adsorptionsmittels und des Wärmetauschers im Bereich zwischen der Temperatur von heißem Wasser und der Temperatur von kaltem Wasser ist.

In der Gleichung (2), die vorstehend angeführt ist, bezeichnet "Q" 3 kW und "W" bezeichnet 1,89 kg/2 = 0,95 kg. Aus durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass "τ" etwa 60 Sekunden beträgt, und dass "ΔH", "ηc" und "ηh" 2500 kJ/kg, 0,6 bzw. 0,85 betragen, wobei diese Größen im Voraus erhalten worden sind. "ΔC" kann deshalb unter Verwendung dieser Werte auf Grundlage der Gleichung (2) berechnet werden. Das heißt, es gilt:

ΔC = Q/W/ηc/ΔH × τ/ηh
= 3,0/0,95/0,6/2500 × 60/0,85
= 0,149 kg/kg

Das in der Adsorptionskühlvorrichtung der Fahrzeugklimaanlage verwendete Adsorptionsmittel S erfordert deshalb folgende Kennlinie bzw. Eigenschaft: ΔC ≥ 0,15 g/g. In dieser Ausführungsform wird deshalb das Adsorptionsmittel derart verwendet, dass eine Differenz zwischen der adsorbierten Menge des Kältemittels in dem Adsorptionsschritt und der adsorbierten Menge des Kältemittels in dem Desorptionsschritt gleich oder größer als 0,15 (g/g) ist.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Adsorptionsmittels mit der vorstehend erläuterten temperaturabhängigen Kennlinie bzw. Eigenschaft wird nunmehr erläutert.

Beispiel 1

In einem Wachstumskasten mit Stickstoffzufuhr werden 72 g Tetramethoxysilan und 7,1 g Titantetraisopropoxid unter Rühren bei Raumtemperatur gemischt. Daraufhin wird Alkoxidlösung in eine Mischung aus 200 ml Methanol, 18 g ionengetauschtem Wasser und 0,125 ml 2N HCl zugesetzt und es wird weiter gerührt für 30 Minuten bei Raumtemperatur, gefolgt durch Zusetzen von 38,54 g Dodezyltrimethylammoniumbromid. Unter diesen Bedingungen wird daraufhin die Mischung für 30 Minuten weiterhin gerührt. Daraufhin werden 5 ml 2N HCl in die Mischung zugesetzt, gefolgt durch weiteres Rühren der Mischung für 1 Stunde. Daraufhin wird die Mischungslösung in ein Tablett geleert und daraufhin über Nacht zur Entfernung von Methanol unter Luftzug platziert. Die Mischung wird daraufhin für zwei Tage einem Trockner ausgesetzt, um die Mischung bei einer Temperatur von 45°C zu trocknen. Die getrocknete Mischung wird daraufhin bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden in der Atmosphäre gesintert, um aus der Mischung Alkylammoniumsalz zu entfernen.

Dadurch wird ein Adsorptionsmittel erhalten. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die adsorbierte Menge C von Kältemittel etwa 0,15 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,4- fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Die Adsorptionsisotherme wird unter Verwendung von Bell Soap (hergestellt durch Nippon Bell Co., Ltd.) gemessen. Außerdem kann die Adsorptionswärme (J/g), die erzeugt wird während des Adsorbierens der Einheitsmasse von Wasserdampf, berechnet werden durch Befüllen eines Wärmetauschers mit dem Adsorptionsmittel, Messen eines Wärmeerzeugungswerts zum Zeitpunkt der Adsorption von Wasserdampf unter vorbestimmten Bedingungen (beispielsweise Temperatur-Wasserdampfverhältnis) und die Adsorptionswärme Q1 (J/g) pro Einheitsmasse des Adsorptionsmittels wird erhalten durch Teilen des Wärmeerzeugungswerts durch die Füllmenge des Adsorptionsmittels und durch Teilen der Adsorptionswärme Q1 (J/g) durch ΔC (g/g) unter den vorbestimmten Bedingungen, die aus der Adsorptionsisotherme erhalten werden. Die Messung in jedem der nachfolgenden Beispiele wird in derselben Weise durchgeführt wie im Fall der Messung des ersten Beispiels.

Beispiel 2

In einem Wachstumskasten mit Stickstoffzufuhr werden 72 g Tetramethoxysilan und 7,1 g Titantetraisopropoxid unter Rühren bei Raumtemperatur gemischt. Die Alkoxidlösung wird in einer Mischung von 200 ml Methanol, 18 g ionengetauschtem Wasser und 0,125 ml 2N HCl zugesetzt und es wird zusätzlich für 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt, gefolgt vom Zusetzen von 35,04 g Dezyltrimethylammoniumbromid.

Unter diesen Bedingungen wird die Mischung weiter für 30 Minuten gerührt. Daraufhin werden 5 ml 2N HCl der Mischung zugesetzt, gefolgt von weiterem Rühren der Mischung für 1 Stunde. Daraufhin wird die Mischungslösung in ein Tablett geleert und daraufhin über Nacht zur Entfernung von Methanol unter Luftzug platziert. Die Mischung wird daraufhin für zwei Tage einem Trockner ausgesetzt, um die Mischung bei einer Temperatur von 45°C zu trocknen. Die getrocknete Mischung wird daraufhin bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden in der Atmosphäre gesintert, um Alkylammoniumsalz aus der Mischung zu entfernen.

Hierdurch wird ein Adsorptionsmittel erhalten. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,20 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,4-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 3

In einem Wachstumskasten mit Stickstoffzufuhr werden 72 g Tetramethoxysilan und 7,1 g Titantetraisopropoxid unter Rühren bei Raumtemperatur gemischt. Die Alkoxidlösung wird in eine Mischung aus 200 ml Methanol, 18 g ionengetauschtem Wasser und 0,125 ml 2N HCl zugesetzt und es wird bei Raumtemperatur für 30 Minuten weiterhin gerührt, gefolgt vom Zusetzen von 31,5 g Octyltrimethylammoniumbromid. Unter diesen Bedingungen wird daraufhin die Mischung für 30 Minuten weiterhin gerührt. Daraufhin werden 5 ml 2N HCl in die Mischung zugesetzt, gefolgt durch zusätzliches Rühren der Mischung für 1 Stunde. Die Mischungslösung wird daraufhin in ein Tablett geschüttet und über Nacht zur Entfernung von Methanol unter Luftzug platziert. Die Mischung wird daraufhin einem Trockner für zwei Tage ausgesetzt, um die Mischung bei einer Temperatur von 45°C zu trocknen. Die getrocknete Mischung wird bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden in der Atmosphäre gesintert, um aus der Mischung Alkylammoniumsalz zu entfernen. Dadurch wurde ein Adsorptionsmittel erhalten.

Wenn die Adsorptionsisotherme des resultierenden Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,17 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,4-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 4

Nach Mischen von 1,54 g Dezyltrimethylammoniumbromid, 2,28 g 1 N Natriumhydroxid, 71,7 g Wasser und 25 g Methanol werden 0,046 g Natriumaluminat (Reinheit 78%), aufgelöst in 1 g Wasser zugesetzt. Daraufhin wird 1,25 g Tetramethoxysilan (TMOS) (Molverhältnis von Si/Al beträgt 95/5) der Mischung zugesetzt. Der gewonnene Komplex aus porösem Körper und Tensid wird für 8 Stunden bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin über Nacht stehen gelassen. Daraufhin werden eine Saugfiltration und eine Dispersion im Wasser zweimal wiederholt durchgeführt. Die Saugfiltration wird daraufhin erneut durchgeführt und das Filtrat wird bei 45°C für 3 Tage getrocknet. Das gewonnene Pulver wird bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden erwärmt, um das Tensid aus den Poren des Pulvers zu entfernen.

Hierdurch wird ein Adsorptionsmittel erhalten. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,20 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,35-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 5

Nach Mischen von 1,54 g Dezyltrimethylammoniumbromid, 2,28 g 1N Natriumhydroxid, 72,7 g Wasser und 25 g Methanol werden 1,32 g Tetramethoxysilan (TMOS) zugesetzt. Der gewonnene Komplex aus porösem Körper und Tensid wird für 8 Stunden bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin über Nacht stehen gelassen. Daraufhin werden Saugfiltration und Dispersion im Wasser zweimal wiederholt. Daraufhin wird die Saugfiltration erneut durchgeführt und das Filtrat wird für 3 Tage bei 45°C getrocknet. Das gewonnene Pulver wird bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden erwärmt, um das Tensid aus den Poren des Pulvers zu entfernen.

Hierdurch wird ein Adsorptionsmittel erhalten. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,16 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,3-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 6

Nach Mischen von 1,54 g Dezyltrimethylammoniumbromid, 2,28 g 1 N Natriumhydroxid, 70,7 g Wasser und 25 g Methanol werden 0,046 g Natriumaluminat (Reinheit 78%), aufgelöst in 2 g Wasser, zugesetzt. Daraufhin wird 1,21 g Tetramethoxysilan (TMOS) (Molverhältnis von Si/Al beträgt 92/8) der Mischung zugesetzt. Der gewonnene Komplex aus porösem Körper und Tensid wird für 8 Stunden bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin über Nacht stehen gelassen. Daraufhin werden Saugfiltration und Dispersion im Wasser zweimal wiederholt. Die Saugfiltration wird daraufhin erneut durchgeführt, gefolgt vom Trocknen des Filtrats für 3 Tage bei 45°C. Das gewonnene Pulver wird bei einer Temperatur von 550°C für 6 Stunden erwärmt, um das Tensid aus den Poren des Pulvers zu entfernen.

Ein Adsorptionsmittel wird hierdurch erhalten. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,17 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,3-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 7

8 g Polyvinylpyrrolidon (mit einem mittleren Molekulargewicht von 40.000) wird in 200 ml Methanol gelöst. 19 g Tetramethoxysilan und 1,9 g Tretraisopropoxytitian zur Erhöhung der Oberflächenhydrophilizität in der Pore wurde daraufhin der Lösung zugesetzt. 5 ml konzentrierte Hydrochlorsäure wird außerdem tropfenweise der Lösung zugesetzt. Daraufhin wird Methanollösungsmittel aus der Lösung durch Verdampfung mit Luftzug und Rühren für 24 Stunden bei Raumtemperatur entfernt. Die erhaltene Gelverbindung wird daraufhin für 5 Stunden bei einer Temperatur von 80°C getrocknet, gefolgt vom Zerstoßen in Partikel mit einem gewünschten Größenbereich und Klassifizieren der Partikel. Die klassifizierten Partikel werden daraufhin in einem Elektroofen für 4 Stunden bei einer Temperatur von 550°C gesintert.

Ein poröser Körper mit Poren gleichmäßigen Durchmessers wird erhalten, der kein organisches Material enthält. Wenn die Adsorptionsisotherme des erhaltenen Adsorptionsmittels bei einer Temperatur von 40°C gemessen wird, beträgt die Menge C von adsorbiertem Kältemittel etwa 0,17 g/g bei einer Dampfdruckrate ψ von 0,2 und die Adsorptionswärme beträgt etwa das 1,45-fache der Verdampfungslatentwärme von Wasser.

Beispiel 8

Aluminiumhydroxid, 85% Phosphorsäure, 36% Hydrochlorsäure und gereinigtes Wasser werden miteinander derart gemischt, dass eine Gelmischung mit einem Molverhältnis von Al₂O₃ : P₂O₅ : HCl : H₂O = 1,0 : 0,8 : 1,0 : 50 gewonnen wird. Die gewonnene Gelmischung wird in einem Edelstahlautoklaven überführt. Ein geschlossenes Reaktionssystem wird erwärmt und daraufhin bei einer Temperatur von 140°C-150°C für 4 Stunden gehalten. Die resultierende Suspension wird gefiltert, um einen Feststoffgehalt zu gewinnen. Daraufhin erfolgt eine Trocknung über Nacht in der Atmosphäre. Das resultierende Produkt wird Wasserdampf bei einer Temperatur von 100°C für 24 Stunden ausgesetzt, was zu dem gewünschten Aluminophosphatzeolit führt. Als nächstes wird dieses pulverförmige Zeolit geformt, um eine gewünschte Partikelgröße zu erzielen. Eine Adsorptionsisotherme des Zeolits unter Verwendung von Wasser als Kältemittel ist in der Kurvendarstellung von Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist die Adsorptionsisotherme bei einer Temperatur von 25°C gemessen.

Wenn die Adsorptionskühlvorrichtung für eine Fahrzeugklimaanlage eingesetzt wird, kommt die Temperatur zum Kühlen des Adsorptionsmittels S in dem Adsorptionsschritt im Bereich von 40°C bis 45°C während der sommerlichen Jahreszeit zu liegen. Wenn in diesem Fall die Kältemitteltemperatur 10°C beträgt, kommt die Dampfdruckrate ψ im Bereich von 0,166-0,128 zu liegen. Wenn der Adsorber 3 unter solchen Bedingungen betrieben wird, kommt die Fähigkeit des Adsorptionsmittels S wirksam zur Wirkung, indem der größte Teil der maximalen adsorbierten Menge des Adsorptionsmittels S unter den vorstehend genannten Adsorptionsbedingungen erhalten wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Adsorptionsmenge des Adsorptionsmittels S im Wesentlichen maximal bei einer Dampfdruckrate von etwa 0,4 gesättigt. D. h., der größte Teil der gesättigten Adsorptionsmenge des Adsorptionsmittels (d. h., 80% oder mehr) kann bei der Dampfdruckrate ψ von etwa 0,4 derart adsorbiert werden, dass ausreichende Kühlkapazität erhalten werden kann, obwohl die Außentemperatur im Bereich von 40°C bis 45°C liegt.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihrer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen vollständig erläutert wurde, wird bemerkt, dass sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen derselben erschließen.

In der vorstehend angeführten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Adsorptionskühlvorrichtung typischerweise auf eine Fahrzeugklimaanlage angewendet. Diese Anwendung ist jedoch nicht die einzig mögliche. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung auf andere Kühlvorrichtungen angewendet werden.

In der vorstehend angeführten Ausführungsform werden Solenoidventile 3c-3f verwendet. Anstelle dieser Ventile 3 c--3f können jedoch Differenzdruckregelventile verwendet werden, die durch Druckdifferenzen automatisch geschlossen und geöffnet werden.

Sämtliche dieser Abwandlungen und Modifikationen fallen in den Umfang der vorliegenden Erfindung, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Adsorptionskühlvorrichtung, aufweisend:
eine Kühleinheit (1) zum Erhalten von Kühlkapazität durch Verdampfen von Kältemittel, und
einen Adsorber (3), der ein Adsorptionsmittel (S) enthält, um das verdampfte Kühlmittel in einem Adsorptionsschritt zu adsorbieren und um das Kältemittel freizugeben, das in einem Adsorptionsmittel adsorbiert ist durch Erwärmen in einem Adsorptionsschritt, wobei das Adsorptionsmittel eine temperaturabhängige Eigenschaft aufweist, demnach eine adsorbierte Menge (C1) in dem Adsorptionsschritt größer als eine adsorbierte Menge (C2) in dem Desorptionsschritt selbst dann ist, wenn eine Dampfdruckrate (ψ1) in dem Adsorptionsschritt gleich oder kleiner als eine Dampfdruckrate (ψ2) in dem Desorptionsschritt ist.

2. Adsorptionskühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Adsorptionsmittel Adsorptionswärme erzeugt, wenn es Kältemittel adsorbiert, und
ein Verhältnis der Adsorptionswärme zu einer Verdampfungslatentwärtne des Kältemittels in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6 derart gewählt ist, dass das Adsorptionsmittel die temperaturabhängige Eigenschaft zeigt.

3. Adsorptionskühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Adsorptionsschritt die adsorbierte Menge des Kältemittels gleich oder größer als 0,15 (g/g) ist, wenn die Dampfdruckrate 0,2 beträgt.

4. Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei dann, wenn das Adsorptionsmittel die temperaturabhängige Eigenschaft aufweist, das Adsorptionsmittel derart verwendet wird, dass die Kühleinheit selbst dann Kühlkapazität bzw. Kühlfähigkeit aufweist, wenn eine Kühltemperatur zum Kühlen des Adsorptionsmittels in dem Adsorptionsschritt in einem Bereich zwischen 40°C-50°C liegt.

5. Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Dampfdruckrate in dem Adsorptionsschritt in einem Bereich zwischen 0,07-0,18 liegt.

6. Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Adsorptionsmittel derart verwendet wird, dass eine Differenz zwischen der adsorbierten Menge in dem Adsorptionsschritt und der adsorbierten Menge in dem Desorptionsschritt gleich oder größer als 0,15 (g/g) ist.

7. Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Adsorptionsmittel derart verwendet wird, dass die mit der Dampfdruckrate von 0,18 im Adsorptionsschritt adsorbierte Menge gleich oder größer als 80% der Menge ist, die mit der Dampfdruckrate von 0,4 in dem Adsorptionsschritt adsorbiert wird.

8. Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Adsorptionsmittel einen ersten Adsorptionsteil (3a) und einen zweiten Adsorptionsteil (3b) aufweist, die abwechselnd den Adsorptionsschritt und den Desorptionsschritt durchführen.

9. Adsorptionskühlvorrichtung für eine Fahrzeugklimaanlage, aufweisend:
eine Kühleinheit (1, 2) zum Kühlen von Luft, die in eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs geblasen werden soll, durch Verdampfen von Kältemittel, und
einen Adsorber (3), der ein Adsorptionsmittel (S) enthält, um das verdampfte Kühlmittel in dem Adsorptionsschritt zu adsorbieren und um das Kältemittel freizugeben, das in einem Adsorptionsmittel adsorbiert ist durch Erwärmen in einem Adsorptionsschritt, wobei
das Adsorptionsmittel eine temperaturabhängige Eigenschaft aufweist, demnach eine adsorbierte Menge (C1) in dem Adsorptionsschritt größer als eine adsorbierte Menge (C2) in dem Desorptionsschritt selbst dann ist, wenn eine Dampfdruckrate (ψ1) in dem Adsorptionsschritt gleich oder kleiner als eine Dampfdruckrate (ψ2) in dem Desorptionsschritt ist,
wobei das Adsorptionsmittel Adsorptionswärme erzeugt, wenn es Kältemittel adsorbiert, und
das Adsorptionsmittel eine temperaturabhängige Eigenschaft aufweist durch Wählen eines Verhältnisses der Adsorptionswärme zur Verdampfungslatentwärme des Kältemittels in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,6.