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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Festkörpersorptionskühlung und spezieller auf Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheiten zur Verwendung in Festkörpersorptionskühlsystemen zusammen mit Verfahren zum Herstellen von derartigen Einheiten und Vorrichtungen und Systemen, in denen diese Einheiten eingebaut sind.
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Festkörpersorptionskühlsysteme werden durch die Adsorption und Desorption eines Kühlmitteldampfs (des Adsorbats) durch eine feste Substanz (das Adsorptionsmittel) gesteuert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfkompressionskühlsystemen, die durch einen mechanischen Kompressor gesteuert werden, ist zum Steuern des Kühlzyklus keine elektrische Energie notwendig. Der grundlegende Zyklus schließt eine Adsorptionsphase und eine Desorptionsphase ein. In der Adsorptionsphase wird der Kühlmitteldampf durch die adsorbierende Substanz adsorbiert, was zu einer Abgabe von Wärme führt. In der Desorptionsphase wird Wärme auf das Adsorptionsmittel angewendet, was eine Desorption des Kühlmittels verursacht. Die Wärme, die während dieser Prozesse transferiert wird, wird mittels eines Wärmeaustauschers zwischen dem Adsorptionsmittel und einem Wärmetransferfluid des Systems transportiert. Das Wärmetransferfluid wird daher auf eine hohe Temperatur erwärmt, um die für die Desorption erforderliche Arbeitswärme zuzuführen, und auf eine niedrige Temperatur abgekühlt, um die während der Adsorption abgeführte Wärme aufzunehmen. Die Adsorptions- und Desorptionsprozesse treten in Verbindung mit einer Verdampfung und Kondensation eines Kühlmittels in einem Verdampfer/Kondensator auf. In einem einfachen System wird das Adsorbat, das während der Desorptionsphase verdampft wird, von der Adsorbereinheit zu einem Kondensator geführt, wo der Dampf unter Abgabe von Wärme unter dem hohen Druck kondensiert, der aus dem Desorptionsprozess resultiert. Nach der Wärmeabführung in dem Kondensator wird das flüssige Kühlmittel durch eine Steuereinheit (z. B. ein Expansionsventil oder einen Syphon) in einen Verdampfer des Systems geleitet. Hier bewirkt der verringerte Systemdruck, dass das kondensierte Kühlmittel verdampft. Während der Verdampfung wird Wärme aus der Umgebung extrahiert, was zu einer Kühlung führt. Während dieses Prozesses tritt eine Re-Adsorption des Kühlmitteldampfs in der Adsorbereinheit auf, was den Systemdruck verringert und die Verdampfung fördert, bis das Adsorptionsmittel mit dem Kühlmitteldampf gesättigt ist.
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Der Kühlzyklus kann zur Erwärmung oder Abkühlung einer Umgebung verwendet werden, indem entweder die Abgabe von Wärme während der Kondensation oder der Entzug von Wärme während der Verdampfung ausgenutzt werden. Eine kontinuierliche Erwärmung oder Abkühlung kann durch Betreiben von mehreren Adsorbereinheiten mit einer geeigneten Phasenverschiebung zwischen den Betriebszyklen in jedem erreicht werden. Zum Beispiel können zwei Einheiten in Antiphase oder vier Einheiten mit einer Phasenverschiebung von 90° und so weiter betrieben werden. In jedem Fall wird der Betrieb des Systems voll und ganz durch Zuführung von Wärme während der Desorptionsphase ohne eine weitere Zuführung von mechanischer Arbeit gesteuert. Eine Festkörpersorptionskühlung wird daher insbesondere dort gegenüber einer herkömmlichen Dampfkompressionskühlung bevorzugt, wo überschüssige Wärme ohne Weiteres zur Verfügung steht, z. B. von natürlichen Quellen oder als ein Nebenprodukt eines anderen Prozesses. Zum Beispiel geht das Vorhandensein einer reichlichen Wärmezufuhr von der Sonne häufig Hand in Hand mit der Notwendigkeit für ein Kühlen, was zu einer Vielfalt von Solarkühlungsanwendungen für diese Technologie führt. Des Weiteren ist das Kühlmittel, das in Festkörpersorptionssystemen verwendet wird, typischerweise Wasser oder Methanol. Beide von diesen sind umweltfreundlich und tragen, anders als die Kühlmittel aus Fluorkohlenstoffen, die typischerweise in Dampfkompressionssystemen verwendet werden, nicht zur globalen Erwärmung bei.
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Im Hinblick auf gegenwärtige Tendenzen in Richtung Wiederverwendung von Abwärme und Kraft-Wärme-Kälte-Systemen (tri-generation systems) (gleichzeitige Erzeugung von Elektrizität, Erwärmung und/oder Kühlung) ist zu erwarten, dass sich wärmegesteuerte Kühltechnologien signifikant entwickeln, was den Bedarf an Elektrizität verringert und allgemein zu einer verbesserten Energieeffizienz beiträgt. Die Kühlleistung von Festkörpersorptionskühlsystemen ist jedoch im Vergleich zu Dampfkompressionssystemen der gleichen Größe sehr gering. Der Hauptgrund dafür ist der schleppende Wärmetransport, der zu langsamen Adsorptions- und Desorptionszyklen führt. Insbesondere ist die spezifische Kühlleistung von Festkörpersorptionssystemen durch schlechte Wärmetransfercharakteristika zwischen dem Wärmetransferfluid und dem adsorbierenden Material begrenzt. Der begrenzende Gesamtwärmetransferkoeffizient in Festkörpersorptionssystemen ist vom Wärmefluss von dem Wärmetransferfluid zu dem Wärmeaustauscher und von dem Wärmeaustauscher zu dem adsorbierenden Material abhängig. Die spezifische Kühlleistung ist von dem Gesamtwärmetransferkoeffizient ebenso wie von dem Wärmefluss innerhalb des adsorbierenden Materials selbst abhängig.
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In Adsorptionskühlsystemen der ersten Generation verwendeten die Adsorbereinheiten Pulverbetten. In diesen Einheiten bildete ein Bett aus losem adsorbierendem Pulver, das auf der Oberfläche des Metallwärmeaustauschers lag, die grundlegende Adsorptionseinheit. In einem typischen derartigen Bett kann das adsorbierende Pulver eine thermische Leiffähigkeit λ im Bereich von 0,1 W/(m·K) aufweisen. Dieser Wert ist aufgrund des hohen Hohlraumanteils, der thermischen Grenzflächen zwischen den Partikeln und des gewundenen Wärmepfades signifikant niedriger als jener des Volumenmaterials (Glas 5 W/m·K; Kohlenstoff 100 W/m·K). Ein typischer Wert für den Gesamtwärmetransferkoeffizienten h zwischen dem Wärmetransferfluid und dem adsorbierenden Material kann im Bereich von 20 W/(m2·K) liegen. Bestrebungen, die spezifische Kühlleistung dieser Systeme zu verbessern, beinhalteten die Verwendung von monolithischen Adsorptionsmitteln anstelle von granularem adsorbierendem Material und die Verwendung von adsorbierenden Materialien mit hohen thermischen Leitfähigkeiten. Kompakte adsorbierende Materialien wurden aus Graphit, metallischen Schaumstoffen oder adsorbierenden Körnern gebildet, die in einer Matrix, wie Harz, gebunden sind. Außerdem wurden adsorbierende Verbundmaterialien aus einem Gemisch von adsorbierenden Partikeln und Partikeln mit höherer thermischer Leiffähigkeit hergestellt. Mit derartigen Materialien kann der Wärmetransferkoeffizient h auf um 200 W/(m2·K) herum mit einer thermischen Leiffähigkeit λ im Bereich von 0,3 W/(m·K) erhöht werden. Diese kompakten Materialien leiden jedoch im Allgemeinen an einer schlechten Permeabilität für den Adsorbatdampf. In jüngerer Zeit wurde der Wärmetransfer an der thermischen Grenzfläche zwischen dem Wärmeaustauscher und dem adsorbierenden Material verbessert, indem die Rippen oder Röhren des Wärmeaustauschers mit dem adsorbierenden Material beschichtet wurden, entweder verteilt in einer geeigneten Matrix oder mittels direkter Synthese des Adsorptionsmittels, üblicherweise einer Art von Zeolith, auf der externen Oberfläche des Wärmeaustauschers. In derartigen Systemen wurden Wärmetransferkoeffizienten h im Bereich von 1.000 W/(m2·K) erzielt. Bei anderen Vorgehensweisen wurden die Form, die Anordnung oder die Kopplung der Kanäle oder Röhren des Wärmeaustauschers im Hinblick auf eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit, der Kosten, der Zuverlässigkeit oder der Kompaktheit des Wärmeaustauschers selbst angegangen.
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Weitere Bauformen von Wärmeaustauschern finden sich in der einschlägigen Patentliteratur. Die Druckschrift
DE 44 05 669 A1 zeigt eine Beschichtung auf einer metallischen Fläche eines Wärmeaustauschers mit pulverförmigem, festem Adsorptionsmittel mit einem Korndurchmesser zwischen 1 und 50 μm, das durch feinverteiltes, enthärtetes Bindemittel verklebt ist. Die Dicke der Beschichtung beträgt dabei weniger als 4 mm. Erreicht wird eine Adsorptionsgeschwindigkeit für Wasserdampf bei einem Dampfdruck von weniger als 20 mbar, die innerhalb von 30 Minuten zu einer Gewichtszunahme von mindestens 5% (bezogen auf das Adsorptionsmittel) führt. Die Druckschrift
DE 102 07 854 A1 zeigt einen anderen Adsorber/Desorber, bei dem ein von einem Fluid durchströmtes Rohr von Zeolith-Pellets umgeben ist. Auf dem Rohr sind Lamellen in einem Abstand voneinander aufgebracht, der dem zulässigen größten Pellet entspricht. Ferner sind die Lamellen im Bereich ihrer äußeren Ränder aufgebördelt. Der Abstand zwischen den aufgebördelten Rändern und der benachbarten Lamelle ist dabei kleiner als das nach der vorgegebenen Toleranz kleinste Pellet ist.
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Ungeachtet aller vorstehenden Verbesserungen bleibt mit den derzeit einfach herstellbaren Wärmeaustauschern der Gesamtwärmetransferkoeffizient in Festkörpersorptionskühlsystemen mitunter unerwünscht niedrig, womit die Kühlrate begrenzt ist, die für eine gegebene Wärmezufuhrrate und eine gegebene Fläche des Wärmeaustauschers und ein adsorbierendes Material erzielbar ist. Somit kann eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von besonders effizienten Wärmetauschern gesehen werden.
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Diese Aufgabe wird grundsätzlich gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit für ein Festkörpersorptionskühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren umfasst das Bilden sowohl einer porösen Adsorptionsstruktur, die durchlässig für ein Adsorbat des Systems ist, als auch einer Wärmeaustauscherstruktur, die undurchlässig für das Adsorbat ist, für einen Wärmeaustausch mit der porösen Adsorptionsstruktur während des Betriebs des Systems in einem festen Material. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden der Wärmeaustauscherstruktur mittels Bearbeiten eines Teils des festen Materials, um jenen Teil nicht-porös und folglich undurchlässig für das Adsorbat zu machen. Wiederum kann ein derartiger Schritt außerdem inhärent die Adsorptionsstruktur als einfach den verbleibenden, porösen Teil der Einheit bilden, oder es kann eine zusätzliche Bearbeitung für diesen Zweck erforderlich sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einigen Verfahren, welche die Erfindung verkörpern, ist das feste Grundmaterial nicht-porös, und das Verfahren beinhaltet das Bilden der porösen Adsorptionsstruktur mittels Bearbeiten eines Teils des festen Materials, um jenen Teil porös und daher durchlässig für das Adsorbat zu machen. In einigen Fällen kann dieser Schritt außerdem inhärent die Wärmeaustauscherstruktur als einfach den verbleibenden, nicht-porösen Teil der Einheit bilden. In anderen Fällen kann die Bildung der endgültigen Wärmeaustauscherstruktur eine zusätzliche Bearbeitung einschließen, wie zum Beispiel eine maschinelle Bearbeitung von Rippen.
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Einige Verfahren, welche die Erfindung verkörpern, können das Abscheiden eines adsorbierenden Materials auf den Oberflächen der Poren der porösen Adsorptionsstruktur beinhalten, um das Adsorptionsvermögen bereitzustellen oder zu verbessern, wie vorstehend erörtert. Verfahren können außerdem das Bilden von vorspringenden Oberflächenausbildungen auf wenigstens einer von der porösen Adsorptionsstruktur und der Wärmeaustauscherstruktur beinhalten, wie vorstehend erörtert.
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Das Produkt einer Durchführungsform der beanspruchten Verfahren stellt eine integrierte Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit für ein Festkörpersorptionskühlsystem bereit. Diese Einheit weist ein festes Material auf, das darin ausgebildet sowohl eine poröse Adsorptionsstruktur, die durchlässig für ein Adsorbat des Systems ist, als auch eine Wärmeaustauscherstruktur, die undurchlässig für das Adsorbat ist, für einen Wärmeaustausch mit der porösen Adsorptionsstruktur während des Betriebs des Systems aufweist.
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In Varianten dieser Einheit sind die Adsorptions- und Wärmeaustauscherstrukturen in dem gleichen festen Material integriert, wobei die Adsorptionsstruktur eine poröse Struktur in diesem Material ist. Es kann daher eine kontinuierliche feste Phase erhalten werden, innerhalb der ein Wärmefluss erleichtert ist. Da die Wärmeaustauscher- und die porösen Adsorptionsstrukturen aus dem gleichen Material als eine integrale Einheit gebildet sind, können thermische Grenzflächen beseitigt werden. Dies führt wiederum zu verbesserten Wärmetransferkoeffizienten mit Verbesserungen der Leistungsfähigkeit. Außerdem kann die thermische Leitfähigkeit aufgrund der kontinuierlichen festen Phase in der adsorbierenden Struktur verbessert werden. Diese Merkmale ermöglichen eine effiziente Erwärmung der integrierten Einheit auf eine gewünschte Temperatur. Die integrierte Struktur erlaubt außerdem eine Verringerung des Abstands zwischen dem Wärmetransferfluid und dem adsorbierenden Medium im Vergleich zu früheren Systemen, was den Wärmetransfer zwischen den beiden weiter verbessert. Außerdem ist die Adsorptionsstruktur aufgrund ihrer inhärenten Porosität durchlässig für das Adsorbat, wobei das Netzwerk von Poren eine großflächige und vollständig zugängliche Adsorptionsoberfläche bereitstellt. Dies bietet eine hohe Permeabilität für den Adsorbatdampf mit einem schnellen Dampfzugang, was die Effizienz des Adsorptionsprozesses fördert. Außerdem kann eine inaktive thermische Masse in den Adsorptions-/Wärmeaustauscherstrukturen im Vergleich zu früheren Systemen verringert werden, was zu höheren Leistungszahlen führt. Die höheren spezifischen Kühlleistungen, die mit integrierten Einheiten erzielbar sind können ermöglichen, dass Kühlsysteme kompakter gemacht werden. Insgesamt können die beschriebenen Einheiten daher Verbesserungen der Leistungsfähigkeit in Festkörpersorptionskühlsystemen bieten, was einen effizienten Betrieb und verringerte Betriebszykluszeiten ermöglicht.
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In Durchführungsformen der beanspruchten Verfahren können Einheiten unter Verwendung einer Vielfalt von Techniken aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Die Funktionalität der Einheit erfordert offensichtlich ein Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit λ, und je höher im Allgemeinen λ ist, desto besser. Es können ohne Weiteres Materialien mit thermischen Leitfähigkeiten ausgewählt werden, die höher als das λ = 0,1 W/(m·K) von frühen Pulverbetten sind. Bevorzugte Materialien weisen thermische Volumenleitfähigkeiten von wenigstens etwa 5 W/(m·K) auf, wobei Werte von wenigstens etwa 100 W/(m·K) bevorzugter sind. Ein weiterer Faktor, der die Materialauswahl beeinflusst, ist die Eignung für eine bestimmte Prozesstechnik (bestimmte Prozesstechniken), die zum Bilden der adsorbierenden Strukturen und der Wärmeaustauscherstrukturen der Einheit zu verwenden ist (sind). Es kann hier eine Vielfalt von Techniken eingesetzt werden, wie nachstehend detaillierter erörtert. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Material gewählt, das sich für eine Mikrobearbeitung und die Synthese einer geeigneten porösen Adsorptionsstruktur anbietet, wobei Beispiele hier Silicium oder glasartiger Kohlenstoff sind. Weitere geeignete Materialien umfassen Keramiken, wie TiC oder SiC, bei denen die Porosität zum Beispiel durch Chlorierung induziert werden kann, und Metalle, wie Al, Cu oder Ni, bei denen die Porosität zum Beispiel durch Ablegieren induziert werden kann. Beispielhafte Prozesstechniken und Materialien werden nachstehend detaillierter erörtert.
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Die Adsorptionsstruktur der integrierten Einheit ist jener Teil der Einheit, in dem im Gebrauch Adsorption/Desorption auftritt. Die Porosität dieser Struktur ermöglicht, dass der Adsorbatdampf während der Adsorption die Struktur ganz und gar durchdringt und durchzieht. In einigen Ausführungsformen ist die poröse Adsorptionsstruktur aufgrund ihrer Porosität inhärent adsorbierend. Alternativ oder zusätzlich kann das Adsorptionsvermögen durch Anbringen eines adsorbierenden Materials an der porösen Grundstruktur bereitgestellt oder verbessert werden. In einigen Ausführungsformen kann die poröse Adsorptionsstruktur daher ein adsorbierendes Material aufweisen, das auf den Oberflächen der Poren derselben abgeschieden ist. Zum Beispiel kann das adsorbierende Material auf den Oberflächen der Poren in einer makroporösen oder mesoporösen Struktur abgeschieden sein, um eine adsorbierende Beschichtung für diese internen Oberflächen zu bilden. Eine derartige adsorbierende Beschichtung (die keine gleichmäßige oder kontinuierliche Schicht zu sein braucht) kann die Abmessungen der resultierenden Aperturen oder Spalten, die dem Adsorbat ausgesetzt sind, auf Nanometerniveau herunterbringen, wodurch eine effiziente Adsorption gefördert wird. Hier stellt die darunterliegende mikroporöse Struktur ein großflächiges internes Oberflächengebiet für das Auftreten einer Adsorption und eine inhärente Zugangserleichterung für das Adsorbat überall in der Struktur bereit.
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Die Wärmeaustauscherstruktur der integrierten Einheit ist undurchlässig für den Adsorbatdampf, was einen Durchgang und folglich einen Austritt des Dampfs durch die Wärmeaustauscherstruktur verhindert. Diese Struktur bewirkt den Wärmeaustausch zwischen der porösen Adsorptionsstruktur und der Umgebung, der während der Adsorptions- und Desorptionsprozesse während des Betriebs des Systems auftritt. Es können einfache Systeme ins Auge gefasst werden, in denen der Wärmetransfer zwischen der Umgebung und der Wärmeaustauscherstruktur durch direkte Bestrahlung oder Konvektion auftritt, und die Wärmeaustauscherstruktur kann für derartige Systeme in geeigneter Weise angepasst werden. Öfter wird die Wärmeaustauscherstruktur jedoch für einen direkten Kontakt mit einem Wärmetransferfluid des Systems angepasst, um Wärme zwischen dem Fluid und der porösen Adsorptionsstruktur auszutauschen.
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Die spezielle Form der Wärmeaustauscherstruktur kann variieren, und allgemein kann die Wärmeaustauscherstruktur eine Vielfalt von Gesamtformen mit oder ohne zusätzliche Oberflächenmerkmale aufweisen. In einer besonders einfachen Bauform kann der Wärmeaustauscher zum Beispiel eine im Allgemeinen flache Schicht aus dem Material der Einheit mit einer glatten oder strukturierten Oberfläche aufweisen. Typischerweise weist die Wärmeaustauscherstruktur jedoch vorspringende Oberflächenausbildungen auf, um das Oberflächengebiet für einen Wärmetransfer zu vergrößern, z. B. das Oberflächengebiet, das im Gebrauch dem Wärmetransferfluid ausgesetzt ist. Die vorspringenden Oberflächenausbildungen können zum Beispiel mittels Biegungen und Falten in der Einheit selbst oder mittels Vorsprüngen, wie Rippen, gebildet werden, die sich von der dem Fluid zugewandten Oberfläche der Einheit nach außen erstrecken. Vorsprünge, wie Rippen, können auch dazu dienen, das Fluid im Gebrauch effektiv entlang seines Fließpfades zu leiten. Weiterhin kann die integrierte Einheit als ein Zylinder oder eine ähnliche geschlossene Gesamtheit ausgebildet sein, wobei die Wärmeaustauscherstruktur die innere Oberflächenschicht in der Form einer Röhre zum Transportieren des Wärmetransferfluids aufweist. Es können jedoch zahlreiche weitere Formen der Struktur ins Auge gefasst werden, und im Allgemeinen kann eine Wärmeaustauscherstruktur so gebildet sein, dass sie das Wärmetransferfluid enthält oder leitet, oder kann einfach einen Durchgang dieses Fluids über die Wärmeaustauscheroberfläche zur Verfügung stellen.
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Die poröse Adsorptionsstruktur kann außerdem eine Vielfalt von Formen annehmen, von einer einfachen porösen Schicht bis zu einer komplexeren Struktur. Wie für den Wärmeaustauscher erörtert, kann die äußere, dem Adsorbat zugewandte Oberfläche der Adsorptionsstruktur im Allgemeinen glatt sein oder kann vorspringende Oberflächenausbildungen aufweisen, wie Falten oder Rippen, um das Oberflächengebiet zu vergrößern, das dem Adsorbat ausgesetzt ist, und gegebenenfalls auch das Adsorbat entlang seines Fließpfades zu leiten.
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In weiteren Varianten weist die integrierte Einheit eine Schicht aus einem festen Material auf, wobei die poröse Adsorptionsstruktur und die Wärmeaustauscherstruktur in entgegengesetzten Oberflächen derselben ausgebildet sind. Dies bildet eine effiziente Anordnung, bei welcher der Abstand zwischen der Wärmeaustauscher- und der Adsorptionsstruktur minimiert sein kann, um einen optimalen Wärmetransfer zwischen den beiden zu ergeben. Die grundlegende Schicht kann hier im Allgemeinen flach, eine Schicht in der Art einer dünnen Lage sein oder kann gefaltet, gebogen oder auf andere Weise in irgendeiner Art und Weise geformt und/oder in eine geschlossene Struktur geformt sein, wie eine Röhre mit einer zylindrischen, hexagonalen oder einer anderen Querschnittform. Geschlossene röhrenartige Einheiten können praktischerweise eines oder beides von dem Wärmetransferfluid und dem Adsorbat enthalten und leiten, wie vorstehend erwähnt. Es kann mehr als eine derartige Einheit verwendet werden, um eine Adsorptions-/Wärmeaustauschervorrichtung zu bilden. Eine exemplarische Vorrichtung kann zwei Schichten aufweisen, wie vorstehend bei den zwei Wärmeaustauscherstrukturen (oder den zwei Adsorptionsstrukturen) beschrieben, die einander zugewandt sind, wodurch die aktiven Oberflächen verdoppelt werden. Eine spezielle Adsorptionseinheit kann einen Stapel dieser Doppelschichtmodule einsetzen. Röhrenartige Anordnungen können in ähnlicher Weise aus mehr als einer grundlegenden Schicht einer Einheit gebildet werden, und es kann mehr als eine Röhre in einer Adsorptionseinheit eingesetzt werden, z. B. in einem Stapel von parallelen Röhren. Hexagonale oder andere derartige Querschnitte können hier besonders zweckmäßig sein, um zu ermöglichen, dass eine Gruppe von benachbarten Röhren effizient zusammenpasst.
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Allgemein können dort, wo hierin Merkmale unter Bezugnahme auf eine Einheit beschrieben sind, entsprechende Merkmale in einem Verfahren bereitgestellt werden, welches die Erfindung verkörpert.
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Nunmehr werden als Beispiel bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1a und 1b verschiedene Betriebsphasen eines Festkörpersorptionskühlsystems darstellen;
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2 eine erste integrierte Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit darstellt;
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3 eine zweite integrierte Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit darstellt;
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4a bis 4d aufeinanderfolgende Stadien in einem ersten Verfahren zum Herstellen einer integrierten Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit darstellen;
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5a bis 5d aufeinanderfolgende Stadien in einem zweiten Verfahren zum Herstellen einer integrierten Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheit darstellen; und
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6 Erwärmungs- und Abkühlprofile für ein herkömmliches adsorbierendes Material und eine integrierte Einheit vergleicht.
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Die 1a und 1b sind schematische Darstellungen eines exemplarischen Festkörpersorptionskühlsystems 1, in dem integrierte Adsorptions- und Wärmeaustauschereinheiten eingesetzt werden können. Die zwei Figuren stellen die zwei Hauptphasen des Kühlzyklus dar, wobei die ausgefüllten Pfeile in jedem Fall den Wärmefluss repräsentieren. Dieses einfache System beinhaltet eine Adsorbervorrichtung, die aus zwei Adsorbereinheiten 2, einem Kondensator 3 und einem Verdampfer 4 besteht. Eine Röhre für einen Durchgang von Kondensat vom Kondensator 3 zum Verdampfer 4 endet in einer Steuereinheit 5, hier einem Expansionsventil. Die Adsorbereinheiten 2 sind über Einwegeventile 6, 7 mit dem Verdampfer 4 und dem Kondensator 3 verbunden, wie in der Figur angezeigt.
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Jede Adsorbereinheit 2 des Systems weist eine Vielzahl von integrierten Adsorptions-/Wärmeaustauschereinheiten auf, die nachstehend im Detail zu beschreiben sind. Diese Einheiten sind in jeder Einheit derart angeordnet, dass der Kühlmitteldampf, der während der Adsorptionsphase über das Ventil 6 von dem Verdampfer 4 empfangen wird, über die adsorbierenden Strukturen der Einheiten strömt und während der Desorption über diese Strukturen zu dem Kondensator 3 hin geleitet wird, wobei er während dieser Phase über das Ventil 7 aus der Einheit austritt. Während dieser Prozesse strömt ein Wärmetransferfluid (HTF), üblicherweise auf der Basis von Wasser, über die Wärmeaustauscherstrukturen der integrierten Einheiten und wird von diesen Strukturen zwischen Fluideinlässe und -auslasse (in den Figuren nicht gezeigt) der Einheit 2 geleitet. Für den Betrieb des Systems 1 werden drei Reservoire (nicht gezeigt) bei unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt: ein Reservoir mit hoher Temperatur (”heiß”), ein Reservoir mit niedriger Temperatur (”gekühlt”) und ein Reservoir mit mittlerer Temperatur (”kalt”), wie nachstehend weiter erörtert. In der Praxis kann jedes Reservoir über separate HTF-Schleifen mit dem System in den 1a und 1b verbunden sein. Der spezielle Mechanismus, über den das Kühlmittel und das HTF den integrierten Adsorptions-/Wärmeaustauschereinheiten in jeder Adsorptionseinheit 2 zugeführt und von diesen abgeführt werden, ist von der genauen Form und Anordnung dieser Einheiten abhängig. Derartige Mechanismen sind jedoch auf dem Gebiet der Adsorptionssysteme allgemein bekannt, und geeignete Mechanismen für einen gegebenen Fall sind für den Fachmann ersichtlich.
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Der grundlegende Betriebszyklus ist in den Figuren für die Adsorbereinheit 2 auf der rechten Seite dargestellt. 1a stellt die Desorptionsphase des Zyklus dar. Zu Beginn dieser Phase ist das Kühlmittelfluid (z. B. Wasser oder Methanol) innerhalb der Adsorbereinheit 2 vollständig adsorbiert. Dann wird die Adsorbereinheit mittels Zuführen eines heißen HTF zu der Einheit erwärmt. Die Wärme wird so über die Wärmeaustauscherstrukturen zu den adsorbierenden Strukturen transferiert, was eine Verdampfung und folglich eine Desorption des Kühlmittels bewirkt. Der Kühlmitteldampf gelangt über das Ventil 7 zu dem Kondensator 3, wo der Dampf unter dem hohen Druck kondensiert, der aus dem Desorptionsprozess resultiert. Während dieses Prozesses wird Wärme an die Umgebung abgegeben und zu einem kalten HTF transferiert. Die Adsorptionsphase beginnt, wenn die Kondensation vollendet ist. Das flüssige Kühlmittel wird durch das Expansionsventil 5 in den Verdampfer 4 geführt, was eine teilweise Verdampfung bewirkt. Wie in 1b gezeigt, führt der verringerte Druck im Verdampfer 4 zu einer weiteren Verdampfung von Kühlmittel, wobei während dieses Prozesses der Umgebung Wärme entzogen wird und somit eine Abkühlung der Umgebung und eine niedrige Temperatur des gekühlten HTF bewirkt wird. Der Kühlmitteldampf gelangt über das Ventil 6 zu der Adsorbereinheit 2 und wird re-adsorbiert, was den Druck des Systems verringert und eine weitere Verdampfung fördert. Wärme, die während der Adsorption von dem Kühlmittel abgegeben wird, wird über die Wärmeaustauscherstrukturen in der Einheit 2 zu kaltem HTF bei mittlerer Temperatur transferiert. Die Adsorptionsphase fährt fort, bis das Kühlmittel vollständig adsorbiert ist, und dann ist der Zyklus vollendet.
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Um eine kontinuierlichere Kühlung zu erzielen, kann die Adsorbereinheit im System 1 auf der linken Seite in Antiphase zu der Einheit auf der rechten Seite betrieben werden. So tritt die Adsorptionsphase von einer Einheit gleichzeitig mit der Desorptionsphase der anderen Einheit auf. Während in dem gezeigten einfachen System lediglich zwei Adsorbereinheiten bereitgestellt sind, können in der Praxis mehrere Einheiten mit geeigneten Phasenverschiebungen betrieben werden, um eine effizientere und kontinuierlichere Kühlung zu erzeugen. Außerdem kann der Wärmetransfer in einfacheren Systemen durch direkte Bestrahlung oder Konvektion anstelle über ein HTF realisiert werden. In jedem Fall wird der grundlegende Zyklus in jeder Adsorbereinheit 2 ganz und gar durch die Wärmezufuhr aus dem HTF gesteuert (1a). Diese Tatsache macht diese Systeme in Szenarien besonders nützlich, in denen ohne Weiteres eine Abwärme oder überschüssige Wärme zur Verfügung steht. Eine hier ins Auge gefasste exemplarische Anwendung, die als Solarkühlung bekannt ist, ist eine, bei der das heiße HTF durch Sonnenbestrahlung erzeugt wird. Eine weitere exemplarische Anwendung ist eine, bei der das heiße HTF durch die Abwärme von Servern in einem Datenzentrum bereitgestellt wird. Die Abwärme kann bei einer geeignet hohen Temperatur durch eine geeignete Kühltechnologie des Datenzentrums gesammelt werden, wie zum Beispiel von Brunschwiler et al. in IBM Journal of Research and Development 53(3) (2009) 1 bis 13 beschrieben. Die Abwärme des Datenzentrums wird zum Abkühlen für das Datenzentrum selbst umgewandelt oder um anderen peripheren Kühlanforderungen zu genügen.
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Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 2 eine erste Ausführungsform einer integrierten Adsorptions-/Wärmeaustauschereinheit beschrieben, die in den vorstehenden Systemen verwendet werden kann. Die grundlegende Struktur der Einheit wird durch die in der Figur gezeigte schematische Querschnittansicht angezeigt. Die integrierte Einheit 20 dieser Ausführungsform liegt in der Form einer im Allgemeinen flachen Schicht oder einer dünnen Lage aus festem Material vor, die eine in einer Oberfläche ausgebildete poröse Adsorptionsstruktur 21 und eine in ihrer entgegengesetzten Oberfläche ausgebildete Wärmeaustauscherstruktur 22 aufweist. Die Adsorptionsstruktur 21 weist eine Oberflächenschicht der Einheit 20 auf, die bearbeitet wurde, wie nachstehend beschrieben, um diese Schicht porös und folglich durchlässig für das mit der Einheit zu verwendende Adsorbat zu machen. In diesem Beispiel weist die Adsorptionsstruktur eine Dicke von ungefähr 60 μm und eine Abmessung der Poren von weniger als etwa 10 nm auf. (Die tatsächliche Dicke der Adsorptionsschicht, die Struktur und die Abmessung der Poren ist von den speziellen Materialien und Prozessen abhängig, die eingesetzt werden, wie nachstehend weiter erörtert, es sind jedoch Abmessungen der Poren von weniger als etwa 10 nm bevorzugt, da eine effektive Adsorption mit geringeren Abmessungen der Poren, z. B. weniger als etwa 2 nm, ideal ist). Der verbleibende, nicht-poröse Teil der Einheit bildet die Wärmeaustauscherstruktur 22. Diese Struktur weist eine Reihe von Rippen 23 auf, die aus der Oberfläche 24 derselben herausragen. Diese Rippen vergrößern das Oberflächengebiet, das während des Betriebs in Kontakt mit dem HTF ist, was die Effizienz des Wärmetransfers verbessert, und definieren geeignete Kanäle zum Transportieren des HTF im Gebrauch. Wenngleich in der Figur nicht dargestellt, sind die Oberflächenrippen 23 in dieser Ausführungsform hierarchisch strukturiert. Das heißt, die Rippen sind in einer sich hierarchisch wiederholenden Struktur aus größeren Rippen gebildet, die Rippen mit einer kleineren Oberfläche aufweisen, die wiederum Rippen mit einer kleineren Oberfläche aufweisen, und so weiter, so weit es die Prozesstechniken (nachstehend erörtert) erlauben. Vom Fachmann können ohne Weiteres alternative HTF-Kanalstrukturen ins Auge gefasst werden, wie Strahlauftreff-Verteiler oder Vorbeifließ-Strukturen. In diesem Beispiel beträgt die Rippenhöhe ungefähr 100 μm, und der Abstand zwischen der inneren Oberfläche 24 des Wärmeaustauschers und der porösen Adsorptionsstruktur 21 beträgt ungefähr 10 μm.
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Die Porosität der Adsorptionsstruktur 21 im Nanobereich macht diese Struktur inhärent adsorbierend. Insbesondere kann in dieser Struktur eine effiziente Adsorption ohne Hinzufügen von weiterem adsorbierendem Material stattfinden. Die Porosität stellt ein großflächiges internes Oberflächengebiet für die Adsorption bereit, wobei ein kontinuierliches poröses Netzwerk einen leichten Zugang und ein schnelles Durchdringen des Adsorbats durch die Struktur hindurch bereitstellt. Die kontinuierliche feste Phase in der Adsorptionsstruktur 21 verbessert die thermische Leitfähigkeit, und alle thermischen Barrieren, die den Wärmetransport in früheren Einheiten erschweren, sind in der integrierten Einheit 20 beseitigt. Die Bildung der integrierten Einheit 20 in der Art einer dünnen Lage ermöglicht außerdem eine minimale Separation der Oberfläche 24 des Wärmeaustauschers (und folglich des HTF im Gebrauch) von der Adsorptionsstruktur 21. Dieser Abstand ist lediglich von der Notwendigkeit für eine strukturelle Integrität begrenzt, und Abstände von weniger als 10 μm können in Abhängigkeit von der Materialauswahl möglich sein. In jedem Fall vergrößert ein minimaler Abstand hier die thermische Effizienz weiter und verringert außerdem das Verhältnis von aktiver zu toter Masse in der Einheit. Insgesamt stellt die Einheit 20 daher eine außerordentliche Wärmetransfereffizienz zwischen dem HTF und dem Adsorbat während des Betriebs des Adsorptionssystems bereit.
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3 zeigt eine zweite integrierte Einheit. Diese Einheit 30 ist weitgehend ähnlich zu der vorstehenden Einheit 20, wobei sie eine poröse Adsorptionsstruktur 31 und eine Wärmeaustauscherstruktur 32 aufweist, die integral in dem gleichen festen Material ausgebildet sind. Die Adsorptionsstruktur 31 ist jedoch ebenfalls mit vorspringenden Oberflächenausbildungen gebildet, wiederum in der Form von hierarchisch strukturierten Rippen 34, um das Oberflächengebiet, das dem Adsorbat ausgesetzt ist, für eine verbesserte Adsorptionseffizienz zu vergrößern. Die resultierenden Kanäle lenken ebenfalls den Strom des Adsorbatdampfs im Gebrauch. Die Rippen 34 sind in diesem Beispiel im Wesentlichen von der gleichen Höhe wie die Rippen des Wärmeaustauschers, zum Beispiel etwa 100 μm. Im Allgemeinen kann sich jedoch die Höhe der Rippen (und das Ausmaß irgendeiner hierarchischen Strukturierung) auf beiden Seiten unterscheiden und kann nach Bedarf in Abhängigkeit von gewünschten Charakteristika und den speziellen Fluiden variiert werden, die in einem System eingesetzt werden. In einigen Fällen kann eine adäquate Wärmetransporteffizienz durch Bilden von Rippen (oder anderen vorspringenden Ausbildungen) lediglich auf der Adsorptionsseite einer Einheit erzielt werden. Es können auch Einheiten mit im Wesentlichen glatten Oberflächen (d. h. ohne vorspringende Ausbildungen) auf beiden Seiten ins Auge gefasst werden.
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Integrierte Einheiten können aus einer Vielfalt von Materialien unter Verwendung verschiedener unterschiedlicher Prozesstechniken gebildet werden. Durch Auswahl eines geeigneten Materials für die vorstehend beschriebenen Einheiten kann eine Mikrobearbeitungstechnologie angewendet werden, um Mikrokanalverteiler für das Wärmetransferfluid auf einer Seite ebenso wie eine poröse adsorbierende Struktur auf der anderen Seite herzustellen. Folglich bietet sich das bevorzugt verwendete Material gut für eine Mikrobearbeitung und die Synthese einer geeigneten porösen Struktur an. Die thermische Leitfähigkeit ist ebenfalls implizit relevant für die Funktionalität der Einheit, und diese Eigenschaft kann (zusammen mit weiteren Parametern der Einheit) nach Bedarf gewählt werden, um ein gewünschtes Niveau der Leistungsfähigkeit zu erzielen. Allgemein ist jedoch der Wärmetransport umso besser, je höher die thermische Leitfähigkeit λ ist, und es werden idealerweise Materialien mit einem Volumen-λ von wenigstens etwa 100 W/(m·K) eingesetzt.
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Besonders bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Einheiten setzen eine Vorgehensweise für eine Herstellung ”von oben nach unten” ein, die eine subtraktive Fertigung der verschiedenen Elemente einer Einheit einschließt. Nunmehr wird ein Beispiel für ein derartiges Verfahren zum Herstellen der integrierten Einheit von 2 beschrieben. Die 4a bis 4d sind schematische Darstellungen von aufeinanderfolgenden Stadien in dem subtraktiven Fertigungsprozess. Der Prozess verwendet ein monolithisches Ausgangsmaterial 41, das unter nachstehend beschriebenen, geeigneten Materialien ausgewählt wird, wie in 4a gezeigt. In einem ersten Schritt, der in 4b dargestellt ist, werden die HTF-Kanäle 42 hergestellt. Dann wird die adsorbierende Struktur 44 mittels eines durch Pfeile 43 in 4c dargestellten Prozesses von oben nach unten eingebracht, der chemische, elektrochemische oder physikalische Techniken einschließen kann, wie nachstehend erörtert. Die Dauer und die Intensität dieses Prozesses werden angepasst, um die gewünschte Dicke der Adsorptionsstruktur in der endgültigen integrierten Einheit 45 von 4d zu erzielen. Variationen in der Abfolge der Prozessschritte und der Direktionalität der Erzeugung der Porosität, die in diesen Figuren dargestellt sind, können in Abhängigkeit von der Wahl des Ausgangsmaterials erwünscht sein.
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Die 5a bis 5d sind schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Stadien in einem weiteren Herstellungsprozess, der eine Schablonen-Synthese auf der Grundlage von Kohlenstoff verwendet. In diesem Prozess ist das poröse Netzwerk durch eine Opferschablone aus anorganischem Material definiert. Beispiele für Schablonenmaterialien, die hier verwendet werden können, beinhalten Zeolithe und Siliciumdioxid. Das Schablonenmaterial ist von der Form her granular und ist selbst in hohem Maße porös, wobei die Abmessung der Poren der endgültigen Einheit durch den festen Bruchteil des Schablonenmaterials definiert ist. In einem ersten Schritt wird, wie in 5a angezeigt, das anorganische Schablonenmaterial 50 in einer geeigneten Form (nicht gezeigt) platziert. Als Nächstes wird, wie in 5b angezeigt, das Schablonenmaterial 50 durch eine geeignete Kohlenstoffquelle infiltriert, z. B. ein kohlenstoffhaltiges Harz, das nachfolgend pyrolysiert wird, um eine kontinuierliche feste Phase 52 mit einem hohen Kohlenstoffgehalt zu liefern. Als Nächstes wird das Schablonenmaterial mittels eines Prozesses, wie Säureextraktion, aus der Kohlenstoffphase 52 entfernt, um die in 5c gezeigte poröse Adsorptionsstruktur 53 zu erzeugen. Dann werden die HTF-Kanäle und die Rippen 54 in der Oberfläche des Wärmeaustauschers hergestellt. Die resultierende integrierte Einheit 52 ist in 5d gezeigt.
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Techniken zur Herstellung von HTF-Mikrokanälen, wie sie durch die (bevorzugt hierarchisch strukturierten) Oberflächenrippen in den vorstehenden Ausführungsformen definiert sind, sind auf dem Fachgebiet im Allgemeinen gut bekannt und brauchen hierin nicht im Detail beschrieben werden. Ein wichtiger Aspekt der Mikrokanalausgestaltung und -herstellung ist die gleichzeitige Erfüllung von kurzen Wärmetransferpfaden von dem HTF zu dem Wärmeaustauschermaterial und ein effizientes Fluidverteilungsnetzwerk. Mitunter werden diese Techniken auch angewendet, um hierarchische Oberflächenausbildungen auf der Adsorptionsstruktur zu erzeugen, wie in der Einheit 30 von 3. Der spezielle, bevorzugte Herstellungsprozess ist selbstverständlich abhängig von dem Grundmaterial der integrierten Einheit. Beispiele für Technologien zum Erzeugen von effizienten Mikrokanal-Wärmeaustauscher/Adsorptionsstrukturen umfassen: lithographische Techniken auf der Grundlage von zum Beispiel anisotropem nasschemischem Ätzen oder tiefem reaktivem Ionenätzen (zum Beispiel für Silicium- oder Siliciumcarbid-Einheiten); Sauerstoff-Ionenstrahlätzen für Strukturen aus Kohlenstoff; LIGA (Lithographie, Elektroplattieren und Gießen) für eine Vielfalt von Materialien, die Metalle, Keramiken, Polymere und Gläser umfassen; mechanische Techniken, z. B. Schneiden (Abtragen in dünnen Lagen), Fräsen, Funkenerosion und Ultraschall/Wasserstrahl-Schneiden zum Beispiel für Metallstrukturen; und Laserbearbeitung, z. B. für Kohlenstoff.
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Eine Adsorptionsvorrichtung setzt typischerweise eine Vielzahl von integrierten Einheiten ein, wie jene vorstehend beschriebenen. Zum Beispiel können die aktiven Oberflächen durch Anordnen von zwei derartigen Einheiten mit ähnlichen Strukturen (d. h. die zwei Adsorptionsstrukturen oder die zwei Wärmeaustauscherstrukturen), die einander zugewandt sind, verdoppelt werden. Als ein Beispiel für ein derartiges ”Doppelschichtmodul” können zwei Einheiten 20 oder 30 so angeordnet werden, dass die Rippen ihrer Wärmeaustauscher ineinandergreifen und voneinander beabstandet sind, um die HTF-Kanäle zu definieren. Eine der zwei Einheiten in einer derartigen Anordnung kann außerdem eine flache Wärmeaustauscheroberfläche aufweisen. In ähnlicher Weise können Adsorptionsmodule aufgebaut werden, bei denen die Adsorptionsstrukturen einander zugewandt sind. Besondere Adsorptionseinheiten umfassen einen Stapel von derartigen Modulen, um die aktiven Oberflächengebiete in der Einheit als Ganzes zu vergrößern.
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Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können verschiedene weitere Herstellungstechniken verwendet werden, um integrierte Einheiten herzustellen. Einige Beispiele sind im Folgenden beschrieben.
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Poröser Kohlenstoff kann unter Verwendung verschiedener unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Expandiertes Graphit kann durch Einweichen eines geeigneten Graphits in einer Lösung hergestellt werden, die ein Intercalat enthält, wie H2SO4, gefolgt von einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Intercalats und einer damit einhergehenden Abblätterung der Graphitschichten. Als Ausgangsmaterial kann auch ein glasartiger Kohlenstoff verwendet werden, wobei in diesem Fall die inhärente geschlossene Mikroporosität mittels geeigneter Aktivierüngstechniken zugänglich gemacht werden kann, die chemische oder elektrochemische Prozesse umfassen. Im Anschluss an die Aktivierung liegen die erzielten Abmessungen der Poren im Nanometerbereich, womit sie per se als adsorbierendes Material in den Einheiten der 2 und 3 geeignet sind. Poröse Kohlenstoffstrukturen können auch mittels Chlorierung aus Siliciumcarbid oder Titancarbid erhalten werden. Das verbleibende kohlenstoffhaltige Netzwerk ist in hohem Maße porös und zur Verwendung als eine adsorbierende Struktur geeignet.
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In Einheiten, die auf Silicium als einem Ausgangsmaterial basieren, kann auf eine anodische Polarisierung in Fluorwasserstoff-Lösungen hin eine poröse Siliciumstruktur in einem Silicium vom p-Typ gebildet werden. Eine Umwandlung der Porenoberfläche in hydratisiertes Siliciumdioxid kann durch Oxidation bei moderaten Temperaturen (z. B. 300°C) und Einwirkung von Wasser erzielt werden. Poröses Silicium zeigt typische Porendurchmesser von unter 10 nm und bietet somit geeignete chemische und strukturelle Merkmale, um als Adsorptionsmittel zu wirken.
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Verschiedene weitere Materialien und Prozesse zum Herstellen von Einheiten mit inhärent adsorbierenden porösen Strukturen sind für den Fachmann ersichtlich. In weiteren Varianten kann das Adsorptionsvermögen der porösen Adsorptionsstruktur jedoch durch die Anwendung eines adsorbierenden Materials auf die poröse Grundstruktur bereitgestellt oder verbessert werden. Als ein Beispiel können in Einheiten, die auf Metallen basieren, verschiedene bekannte Techniken verwendet werden, um eine poröse Metallstruktur mit Abmessungen der Poren im Bereich von mehreren zehn Millimetern oder größer zu erzeugen. Kommerziell bevorzugte Herstellungstechniken umfassen: Sprudeln von Gas durch die Schmelze; Rühren eines schaumbildenden Mittels in die Schmelze; Konsolidierung eines Metallpulvers mit einem schaumbildenden Mittel; Herstellung eines keramischen Gusses aus einem geeigneten Vorprodukt, gefolgt von einem Ausbrennen des Vorprodukts. Insbesondere können gerichtete Poren in Metallen durch unidirektionale Verfestigung unter Druckgas erhalten werden. Poröse Metalle, die für Wärmesenken-Anwendungen geeignet sind und durch die vorstehend erwähnten Verfahren hergestellt wurden, umfassen Aluminium, Kupfer und Nickel. Im Allgemeinen sind die Abmessungen der Poren in diesen Strukturen jedoch zu groß, und das damit verknüpfte Oberflächengebiet pro gegebenem Einheitsvolumen zu klein, für eine direkte Verwendung als adsorbierendes Material. Hier ist daher die Abscheidung eines adsorbierenden Materials auf den Oberflächen der Poren als eine zusätzliche Schicht bevorzugt. Eine derartige adsorbierende Beschichtung kann unter Verwendung von allgemein bekannten Techniken angebracht werden, z. B. durch eine direkte Synthese eines Adsorptionsmittels auf der porösen Struktur oder durch Anbringung in einer geeigneten Matrix. Im Allgemeinen ist es jedoch für ein derartiges zusätzliches adsorbierendes Material erwünscht, dass es dem Grundmaterial der Einheit so ähnlich wie möglich ist, um thermische Grenzflächen zu minimieren. Je näher beieinander die Schallgeschwindigkeit in den zwei Materialien liegt, desto geringer ausgeprägt ist die thermische Grenzfläche. Folglich sollte die Materialauswahl sowohl die Materialdichte als auch das Elastizitätsmodul berücksichtigen, da diese Eigenschaften die Hauptfaktoren sind, welche die Schallgeschwindigkeit in dem Material festlegen. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Wirkung von jeglicher thermischen Grenzfläche, die durch eine derartige Beschichtung eingebracht wird, durch die Vorteile der darunterliegenden porösen Struktur beträchtlich abgeschwächt wird, was ein großflächiges und vollständig zugängliches poröses Netzwerk mit einer hohen Permeabilität und einem schnellen Zugang für einen Adsorbatdampf bereitstellt.
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Nanoporöse Metalle können mittels bekannter Ablegierungs-Techniken erzeugt werden. Derartige Materialien können entweder mit einer zusätzlichen adsorbierenden Beschichtung oder in dem Zustand, wie sie erzeugt wurden, in integrierten Metalleinheiten verwendet werden, wobei sie ein ausreichend hohes Verhältnis von Oberflächengebiet zu Volumen bieten, um direkt als ein Adsorptionsmittel zu wirken. Ein weiteres Verfahren zum Erzeugen von auf einer Nanoskala porösen Strukturen in Metallen, z. B. Aluminium, ist die anodische Oxidation.
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Bei Verwendung von Fertigungstechniken, die auf porösen Metallen basieren, kann es bevorzugt sein, die poröse Struktur vor einer Mikrobearbeitung der HTF-Kanäle zu fertigen. Es ist ein Merkmal der vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren, dass die Tiefe der porösen Schicht während einer Bearbeitung derart gesteuert werden kann, dass ausreichendes Volumenmaterial für eine Fertigung der HTF-Kanäle verbleibt. Im Allgemeinen ist jedoch die Reihenfolge der Prozessschritte nicht kritisch und kann nach Wunsch variiert werden. Zum Beispiel können Einheiten hergestellt werden, indem zuerst Rippen mit einem hohen Aspektverhältnis auf beiden Seiten einer Trägerstruktur strukturiert werden. Eine Seite der Struktur wird dann weiter bearbeitet, z. B. durch anodische Oxidation, um die Adsorptionsstruktur zu erzeugen, während die andere Seite mit den Rippen mit hohem Aspektverhältnis für die HTF-Kanäle verbleibt. Um das Verhältnis von aktiver zu toter Masse anzuheben, können auch adsorbierende Partikel zwischen den Rippen auf der Seite der Adsorptionsstruktur abgeschieden werden. Wie bereits erörtert, sollten derartige Partikel jedoch aus einem Material bestehen, das dem Grundmaterial der Einheit so ähnlich wie möglich ist, um thermische Grenzflächen zu minimieren.
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In den vorstehenden Prozessen führt die Herstellung der porösen Struktur von oben nach unten (subtraktive Herstellung) mittels chemischer, elektrochemischer oder physikalischer Mittel, die fremde Spezies beinhalten, inhärent zu einem offenen porösen Netzwerk mit vollständig zugänglichen Poren und einer intrinsisch niedrigen Tortuosität und hohen Permeabilität gegenüber dem Adsorbatdampf. Eine derartige poröse Struktur ist hinsichtlich der Sorptionskinetik im Vergleich zu herkömmlichen Einheiten, wie isotropen granularen Betten, klar überlegen. Während die beschriebenen Verfahren das Bilden einer porösen Struktur in einem nicht-porösen Ausgangsmaterial beinhalten, können jedoch Ausführungsformen ins Auge gefasst werden, bei denen das feste Grundmaterial porös ist und eine Wärmeaustauscherstruktur mittels Bearbeiten eines Teils des festen Materials gebildet wird, um jenen Teil nicht-porös zu machen. Als ein Beispiel kann hier poröses Siliciumdioxid als ein Ausgangsmaterial Agenzien ausgesetzt werden, die Poren blockieren, wie Kohlenwasserstoffen, die in einer Lösung oder mittels Gasphasenabscheidungsprozessen angebracht werden, um eine nicht-poröse Wärmeaustauscherstruktur zu erzeugen. Für den Fachmann sind hier alternative Materialien und Prozesse ersichtlich.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass durch Integrieren der Wärmeaustauscher- und Adsorptionsstrukturen in dem gleichen Material in hohem Maße effiziente Adsorptions- und Wärmeaustauschermechanismen für Festkörpersorptionskühlsysteme erhalten werden. Insbesondere ist der Wärmetransferkoeffizient der integrierten Wärmeaustauscher-/Adsorptionsstruktur in bevorzugten Ausführungsformen einem herkömmlichen granularen adsorbierenden Bett, das auf einem metallischen Wärmeaustauscher gepackt ist, um wenigstens zwei Größenordnungen überlegen. Des Weiteren ist die thermische Leitfähigkeit der Einheit gegenüber dem herkömmlichen Fachgebiet aufgrund der kontinuierlichen festen Phase in der adsorbierenden Struktur um wenigstens eine Größenordnung überlegen. Die Zeitspanne, die zum Erwärmen der integrierten Einheit auf eine gewünschte Temperatur erforderlich ist, ist daher signifikant kürzer als für das granulare adsorbierende Bett, was zu schnelleren Betriebszyklen und kompakteren Systemen mit höheren Leistungszahlen führt. Zur Veranschaulichung vergleicht die graphische Darstellung von 6 die Leistungsfähigkeit eines herkömmlichen Festkörpersorptionssystems auf Siliciumdioxidgel-Basis mit einer integrierten Wärmeaustauscher-/Adsorptionseinheit mit Siliciumdioxid. Die graphische Darstellung zeigt die durchschnittliche Temperatur des Adsorptionsmittels während Erwärmungs- und Abkühlzyklen zwischen einem hohen Temperaturniveau (Generatortemperatur) und einem Zwischentemperaturniveau (Adsorbertemperatur) für konstante Wärmequellen- und Wärmesenkentemperaturen von 65°C beziehungsweise 30°C. Physikalische Charakteristika von porösem Siliciumdioxid wurden zum Berechnen der zeitlichen Entwicklung der Temperaturprofile verwendet. Die Dicke des adsorbierenden Materials betrug 1 cm. Die Wärmetransferkoeffizienten betrugen 20 W/(m2·K) (granulares Adsorptionsmittel) und 2.000 W/(m2·K) (integrierte Einheit), während die thermischen Leitfähigkeiten 0,1 W/(m·K) beziehungsweise 10 W/(m·K) betrugen. Wie durch die graphischen Profile von 6 dargestellt, wurde die Zeit, die notwendig ist, damit das adsorbierende Material einen Zyklus zwischen den Temperaturextremen durchläuft, von 2.550 s mit der herkömmlichen Technologie auf 128 s mit der integrierten Einheit verringert. Demgemäß wurde die spezifische Kühlleistung (SCP) um einen Faktor von etwa 20 erhöht.
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Es ist selbstverständlich ersichtlich, dass viele Änderungen und Modifikationen an den vorstehend beschriebenen Beispielen durchgeführt werden können. Insbesondere können andere Oberflächenmerkmale als Rippen ins Auge gefasst werden, die verschiedene weitere hierarchisch strukturierte Elemente umfassen. Integrierte Einheiten können auch mit einer Vielfalt von Gesamtformen gebildet werden, die anders als die vorstehend beschriebenen flachen Strukturen in der Art einer dünnen Lage sind. Derartige dünne Lagen können zum Beispiel in Röhren mit einer Vielfalt von Querschnittformen gebildet werden, wie zuvor erörtert. Außerdem kann der Wärmetransfer zwischen der Umgebung und der Wärmeaustauscherstruktur in einigen Ausführungsformen mittels direkter Bestrahlung oder Konvektion anstelle über das HTF stattfinden, und die Wärmeaustauscherstruktur kann entsprechend angepasst werden. Wärme kann zum Beispiel durch Solarstrahlung zugeführt werden. In diesem Fall kann die Wärmeaustauscherstruktur der integrierten Einheit als das externe Gehäuse der Adsorptionsvorrichtung dienen.
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Adsorbereinheiten können mehrere integrierte Einheiten in verschiedenen Anordnungen enthalten, und es können mehr als zwei Adsorbereinheiten, die mit geeigneten Phasenverschiebungen arbeiten, zur Erzielung eines gewünschten Grades an kontinuierlicher Kühlung eingesetzt werden. Es können auch mehrere Einheiten angeordnet werden, um bekannte Wärmewellen- und Massenrückgewinnungskonzepte einzusetzen. Ein Wärmewellenbetrieb ist besonders vorteilhaft für Adsorptionseinheiten mit niedrigem thermischem Widerstandswert, da die Ausströmung des ersten Behälters zum Vorerwärmen des nächsten Behälters verwendet werden kann, und so weiter. Dies minimiert die Verwendung von Energie relativ zu der Menge an desorbiertem Medium.
