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Die
Erfindung betrifft eine Sorptionsvorrichtung, insbesondere zur Klimatisierung
von Fahrzeuginnenräumen,
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Aus
der
EP 0 590 443 A1 ist
eine Sorptionsvorrichtung zur Verwendung in einem Klimagerät bekannt. Diese
Sorptionsvorrichtung besteht aus mehreren, langgestreckten Sorptionsbehältern, die über einen
Teil ihrer Länge
mit Sorptionsstoffen gefüllt
sind und in diesem Teil eine Kocheradsorberzone bilden und deren
anderer Teil der Länge
eine Kondensatorverdampferzone bildet. Die Sorptionsbehälter rotieren
in zwei koaxialen Gehäusen
auf einer Kreisbahn und befinden sich dabei mit dem Kocheradsorberteil
in dem einen Gehäuse und
mit dem Kondensatorverdampferteil in dem anderen Gehäuse. Das
die Kocheradsorberteile umschließende Gehäuse weist lediglich einen Zutritt
und einen Auslaß für das gasförmige Wärmeträgermedium
auf, so daß das
Wärmeträgermedium
auf seinem Strömungsweg
durch das Gehäuse
den Kocheradsorberteilen sowohl Wärme entzieht als auch Wärme zuführt. Bei
der Verwendung der Sorptionsvorrichtung zur Kühlung der Luft in Klimatisierungsanlagen
kann ein Trocknen der zuführenden
Luft erfolgen, wobei die aus dem Kondensatorverdampferbereich abgeführte Wärme ausgenutzt
wird.
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Die
aus der
EP 0 590 443
A1 bekannte Sorptionsvorrichtung ist jedoch für den Einsatz
in Kraftfahrzeugen nicht geeignet, da zur Erreichung einer ausreichenden
Kühlwirkung
ein großvolumiges
Gerät und
ein erheblicher Energieeinsatz erforderlich sind. In diesem Zusammenhang
sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die bekannte Anordnung innerhalb
des rotierenden Zylinders einen toten Bauraum aufweist und auch
die Lagerung des schweren, die Sorptionselemente tragenden Rotors
sehr aufwendig ist. Diesbezüglich
muß auch das
Gehäuse
entsprechend ausgelegt werden, da es wie in dem beschriebenen Beispiel
als kompliziert gestaltetes und mit großem Gewicht behaftetes Gußgehäuse ausgeführt ist.
Auch die Herstellung und Beschichtung der Sorptionselemente selbst
ist kompliziert und die wärmeübertragende
Oberfläche
im Verhältnis
zum benötigten
Bauraum relativ gering. Aufgrund der mehrfachen 180°-Umlenkungen
des Luftstromes ergibt sich ein hoher luftseitiger Druckabfall,
der nur durch eine entsprechend hohe Gebläseleistung kompensiert werden kann.
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Aus
der
DE 1 551 323 A ist
ein Absorber für
periodisch arbeitende Kältemaschinen
bekannt, der aus satzweise zusammengefügten und an Heizelemente angeschlossenen
Absorberelementen besteht. Die paketweise zusammengefügten Absorber-Plattenelemente
sind durch jeweils zwei aufeinanderliegende Bleche gebildet, von
denen wenigstens eines durch Gasführungskanäle verbundene Ausbuchtungen
zur Aufnahme von Absorptionsmaterial aufweist. Die Bleche sind am
Rand und zwischen den Ausbuchtungen und Gasführungskanälen flächig miteinander verschweißt.
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Es
wurden bereits auch Adsorptionssysteme mit Silicagel oder Zeolith
als Sorptionsmittel vorgeschlagen, die jedoch aus unterschiedlichen
technischen Gründen
in der Fahrzeugklimatisierung noch keine Realisierung gefunden haben.
Auch die bereits vorgeschlagenen Speichersysteme, die einen Kältespeicher
umfassen, sind noch nicht zur Serienreife ge langt, da die zur Klimatisierung
benötigte
Kälte durch
ein Latentmedium wie beispielsweise Wassereis nur für eine begrenzte
Zeit gespeichert werden kann. Ferner besitzen Speichersysteme den
Nachteil, daß sie
zur Beladung einen erheblichen Teil der während der Fahrt erzeugten Kälteleistung
benötigen
und dadurch die Verfügbarkeit
von Kälte
abhängig
vom Fahr- und Klimaprofil stark eingeschränkt ist. Weiterhin greift ein
solches Gerät
in den konventionellen Kältekreislauf
ein, so daß es
nicht als wahlweise adaptierbares Kompaktmodul, beispielsweise als
Sonderzubehör
für ein
Fahrzeug, ausführbar
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sorptionsvorrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen,
die einfach im Aufbau ist und einen geringen Bauraum benötigt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Sorptionsvorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Die
wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Sorptionsvorrichtung
einfach im Aufbau ist und die Sorptionselemente im Gehäuse ruhend
angeordnet sind. Der luftseitige Druckabfall ist durch ein Minimum
von Richtungsänderungen
des Strömungsweges
deutlich reduziert und durch Vermeidung von totem Bauraum weist
die Sorptionsvorrichtung ein geringes Bauvolumen auf.
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Damit
die Phasenumwandlung innerhalb der Sorptionselemente begünstigt wird,
ist es zweckmäßig, daß der Adsorber/Desorber-Bereich
in einem oberen und der Verdampfer/Kondensator-Bereich in einem
unteren feil des Gehäuses
ausgebildet ist. Die zyklische Beaufschlagung der Luftkanäle zum Erreichen
einer Adsorber/Desorber- bzw. Verdampfungs/Kondensationswirkung
wird nicht durch Ortsveränderung
der Sorptionselemente erreicht, sondern es sind Mittel zur Steuerung
der zyklischen Beaufschlagung der Luftkanäle bezüglich der Durchströmungsrichtung
und/oder der Durchströmungsdauer
vorgesehen.
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Bevorzugterweise
sind die Luftkanäle
derart angeordnet, daß sie
in seitlich des Scheibenstapels befindlichen Verteil- und Sammelräumen münden. Die
Verteil- und Sammelräume
bestehen vorzugsweise aus zylindrischen Rohren, die im wesentlichen
orthogonal zur Längsrichtung
der Luftkanäle
ver laufende Verteilzylinder bilden. Für die gesamte Sorptionsvorrichtung
sind vier Verteilzylinder vorgesehen, von denen jeder mit einem
Lufteintritt und einem Luftaustritt versehen ist.
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Die
Luftkanäle
im Adsorber/Desorber-Bereich sind zu zwei Gruppen zusammengefaßt, wobei
jeweils eine der Gruppen mit Kühlluft
und eine andere Gruppe mit erhitzter Luft beaufschlagt ist. Die
Beaufschlagung der jeweiligen Gruppen erfolgt zyklisch nach vorgegebenen
Parametern, wobei zweckmäßigerweise
eine Verschiebung der jeweiligen Gruppe zum nächstfolgenden Luftkanal erfolgt.
Einer der Verteilzylinder im Adsorber/Desorber-Bereich ist einerseits
mit einem Kühlluftanschluß und andererseits
mit Fortluftanschluß versehen und
der Lufteintritt und Luftaustritt am anderen Verteilzylinder dieses
Adsorber/Desorber-Bereichs sind über einen
Umlenkkanal verbunden. In diesem Umlenkkanal befindet sich eine
Heizvorrichtung, die vorzugsweise als Brennstoffheizung ausgebildet
ist, so daß durch
die Gruppe der Luftkanäle,
die den jeweiligen Desorptionsluftstrom führen, die erwärmte Luft
geleitet wird, um auf der Innenseite der Sorptionselemente die Desorption zu
bewirken. Eine Brennstoffheizung hat den Vorteil, daß der Klimatisierungsbetrieb
auch im Stand des Fahrzeugs, das heißt stillstehender Brennkraftmaschine,
möglich
ist, ohne das elektrische Bordnetz bzw. die Batterie stark zu belasten.
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Die
Luftkanäle
im Verdampfer/Kondensator-Bereich sind zu vier Gruppen zusammengefaßt, wobei eine
erste Gruppe von einem Kühlluftstrom
und eine zweite Gruppe von einem dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren
Luftstrom beaufschlagt ist, und zwischen diesen Gruppen jeweils
eine Gruppe vorgesehen ist, die entsprechend dem Zyklus der Beaufschlagung
temporär
verschlossen ist. Dadurch ergeben sich vier Abschnitte innerhalb
des Verdampfer/Kondensator-Bereichs, die zyklisch durch den Stapel
wandern, so daß diese
in einer vorbestimmten Folge von einem Kühlluftstrom oder von einem
Umluftstrom beaufschlagt sind und jeweils zwischen diesen Beaufschlagungsphasen
ein Zeitabschnitt ohne Luftbeaufschlagung liegt. An einem Ende eines
der Verteilzylinder des Verdampfer/Kondensator-Bereichs ist ein
Kühlluftkanal
und am anderen Ende ein mit dem Fahrzeuginnenraum verbundener Kaltluftkanal
angeschlossen. An dem anderen Verteilzylinder ist auf der dem Kühlluftkanal
benachbarten Seite des Stapels ein mit dem Fahrzeuginnenraum verbundener
Umluftkanal und an dem anderen Ende des Verteilzylinders ein Fortluftkanal
vorgesehen.
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Eine
besonders zweckmäßige Ausgestaltung
von Verteilvorrichtungen in den Verteilzylindern ist dadurch erreicht,
daß in
den Verteilzylindern gewendelte Trennwände angeordnet sind, die um
ihre Längsachse drehbar
gelagert sind. Um eine klare Trennung der jeweiligen Luftströmung durch
die Luftkanäle
zu erreichen und Zwischenstellungen mit indifferenter Luftbeaufschlagung
ausgeschlossen sind, ist es zweckmäßig, daß die Verteilvorrichtungen
ringsegmentartige Fahnen umfassen, die sich entlang der Außenkanten
der gewendelten Trennwände
erstrecken und der Form der Innenwandung der Verteilzylinder angepaßt sind.
Die Verteilvorrichtungen sind vorzugsweise mit einem gemeinsamen
Steuergerät
verbunden, wobei Mittel zum synchronen Antrieb der Verteilvorrichtungen
aller Verteilzylinder vorgesehen sind. Auf diese Weise wird eine
exakte Einhaltung des vorgegebenen Zyklus in allen Luftkanälen und
auch die Abstimmung zwischen dem Adsorber/Desorber-Bereich und dem
Verdampfer/Kondensator-Bereich erreicht. Als geeignete Ausführung eines solchen
Synchronantriebs wird angesehen, daß zwei auf derselben Seite
des Stapels befindliche Verteilvorrichtun gen ein gemeinsamer Schrittmotor
zugeordnet ist und die Verteilvorrichtungen über Getriebemittel schlupffrei
gekoppelt sind. Diese Getriebemittel bestehen zweckmäßigerweise
aus miteinander kämmenden Zahnrädern gleicher
Zähnezahl.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Sorptionselemente wird darin gesehen, daß die die Sorptionselemente
bildenden Scheiben aus jeweils zwei profilierten Metallplatten bestehen.
Diese Metallplatten sind entlang der Außenkontur der Scheiben durch
Löten,
Schweißen
oder auf andere geeignete Weise gasdicht verbunden. Die Scheiben
sind zweckmäßigerweise
im wesentlichen kissenförmig
gestaltet und weisen eine in Durchströmungsrichtung der Luftkanäle gewellte
Wandung auf. Zweckmäßigerweise
weist jede Scheibe mehrere Hohlräume
auf, insbesondere werden vier Hohlräume als geeignet angesehen,
die sich im wesentlichen orthogonal zu den Luftkanälen erstrecken
und als Dampfkanäle
dienen, die sich teilweise im Adsorber/Desorber-Bereich und teilweise
im Verdampfer/Kondensator-Bereich erstrecken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
sind die profilierten Metallplatten auf der Innenseite der Scheiben
mit einer Sorptionsschicht versehen, die beispielsweise aus Zeolith
oder Silicagel besteht. Auch Aktivkohle als Sorptionsmittel in Verbindung
mit geeigneten Kohlenwasserstoffen, aber auch Ammoniak ist geeignet.
Um eine ausreichend große
Menge des Sorbens mit gutem Wärmekontakt
und Haftung an der Scheibeninnenseite zu binden, ist es zweckmäßig, daß die Scheiben
im Adsorber/Desorber-Bereich mit einer gut wärmeleitenden Armierungsstruktur
versehen sind, auf der die Sorptionsschicht aufgebracht ist. Diese
Armierungsstruktur besteht vorzugsweise aus einem aufgelöteten Streckmetall
oder Drahtgestrick. Im Verdampfer/Kondensator-Bereich sind die Scheiben
auf der Innenseite mit einem komprimierten Drahtgestrick oder einem
feinmaschigen Metallgewebe versehen, so daß eine Kapillarwirkung für das kondensierende
Medium erzeugt wird. Damit zwischen den Scheiben Luftkanäle mit im
wesentlichen konstanten Querschnitt gebildet werden, ist es von
Vorteil, jeweils zwei benachbarte Scheiben des Stapels derart gegeneinander
zu versetzen, daß die
gewellten Wandungen benachbarter Scheiben parallel verlaufen und
somit der Abstand zwischen den benachbarten Scheiben jeweils konstant
ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Sorptionsvorrichtung mit Adsorber/Desorber-Bereich
und Verdampfer/Kondensator-Bereich und jeweiligen seitlichen Verteilzylindern,
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2 einen
Schnitt durch den Adsorber/Desorber-Bereich entlang der Linie II-II
in 1,
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3 einen
Schnitt durch den Verdampfer/Kondensator-Bereich entlang der Linie
III-III in 1,
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4 die
Vorderansicht eines als Scheibe ausgebildeten Sorptionselementes,
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5 einen
Schnitt entlang der Linie V-V in 4 mit zwei
benachbarten Sorptionselementen,
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6 eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit VI in 5,
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7 eine
Ausführungsvariante
zu 6,
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8 eine
Darstellung ähnlich
der 5, jedoch aus dem unteren, im Verdampfer/Kondensator-Bereich
angeordneten Abschnitt der Scheibe,
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9 den
zyklischen Ablauf des qualitativen Temperaturganges am Sorptionsmaterial,
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10 den
zyklischen Ablauf des qualitativen Temperaturganges des Kältemittels,
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11 eine
schematische Darstellung des Kreisprozesses während des Zyklus.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorderansicht einer Sorptionsvorrichtung 1,
bei der innerhalb eines Gehäuses 2 im
oberen Teil ein Adsorber/Desorber-Bereich 4 und im unteren
Teil ein Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 gebildet werden.
In dem Gehäuse 2 befindet
sich, wie dies insbesondere aus den später noch näher erläuterten 2 und 3 ersichtlich
ist, ein Stapel aus Sorptionselementen 3, die als Scheiben
in dem Gehäuse 2 hintereinander
stehen und mehrere Hohlräume 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 aufweisen,
die jeweils zum Teil in dem Adsorber/Desorber-Bereich 4 und
zum anderen Teil in dem Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 liegen. Zwischen
dem Adsorber/Desorber-Bereich 4 und dem Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 sind
Trennelemente 6 vorgesehen, die sich zwischen den gestapelten
Sorptionselementen 3 erstrecken und beispielsweise als
einfache Wand oder als doppelte Trennwand ausgebildet sein können, wie dies
in 1 dargestellt ist.
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Das
Gehäuse 2 ist
sowohl im Adsorber/Desorber-Bereich 4 als auch im Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 mit
seitlichen Öffnungen
versehen, die entlang des Gehäuses 2 in
der in 2 und 3 gezeigten Stapelrichtung verlaufen,
wobei entlang dieser Öffnungen
sich Verteil- und Sammelvorrichtungen für ein zwischen den Sorptionselementen 3 strömendes Fluid
vorgesehen sind. Diese Verteil- und Sammelvorrichtungen bestehen
aus einem ersten Verteilzylinder 8 und einem zweiten Verteilzylinder 9,
die dem Adsorber/Desorber-Bereich 4 zugeordnet sind, und
aus einem dritten und vierten Verteilzylinder 16 und 17,
die dem Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 zugeordnet sind.
Die Verteilzylinder 8 und 9 bestehen aus einem
zylindrischen Rohr 8.1 bzw. 9.1 mit jeweils einem
in der Rohrwandung in Längsrichtung
des Rohres 8.1 bzw. 9.1 verlaufenden Langloch 8.2 bzw. 9.2,
so daß ein
innerhalb des Verteilzylinders 8 gebildeter Verteil- und
Sammelraum 10 mit den Zwischenräumen der gestapelten Sorptionselemente 3 verbindbar
ist, ebenso wie ein innerhalb des Verteilzylinders 9 gebildeter
Verteil- und Sammelraum 11.
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In
dem Verteilzylinder 8 ist eine Verteileinrichtung 12 angeordnet
und in dem Verteilzylinder 9 befindet sich eine Verteileinrichtung 13,
die jeweils aus einer gewendelten Trennwand 14 gebildet
ist, welche um eine in Längsrichtung
des Verteilzylinders 8 bzw. 9 verlaufende Drehachse
D drehbar ist und die zylindrischen Verteil- und Sammelräume 10 bzw. 11 in
je zwei gewendelte Hohlräume 10a, 10b und 11a, 11b unterteilt.
An den radial außenliegenden
Kanten der gewandelten Trennwände 14 der
Verteileinrichtungen 12 und 13 sind ringsegmentartige
Fahnen 15 angeordnet, deren Krümmungsradius der Innenwandung
der zylindrischen Rohre 8.1 und 9.1 entspricht,
und somit an dieser Innenfläche
der zylindrischen Rohre in Rotationsrichtung entlang gleiten. Die
Größe des Bogenmaßes der
Fahnen 15 ist so bemessen, daß bei einer Drehbewegung der
Verteileinrichtungen 12 und 13 die Öffnungen 8.2 und 9.2 kurzzeitig
ganz verschlossen werden, bevor der komplementäre Verteilraum 10a und 11a mit
den Öffnungen 8.2 und 9.2 in
Verbindung gebracht wird.
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Entlang
des Verdampfer/Kondensator-Bereichs 5 erstrecken sich Verteilzylinder 16, 17 in
Form von zylindrischen Rohren 16.1 und 17.1, deren
Durchmesser wesentlich geringer ist als derjenige der dem Adsorber/Desorber-Bereich 4 zugeordneten
Verteilzylindern 8 und 9. Die zylindrischen Rohre 16.1 und 17.1 sind
mit in Rohrlängsrichtung
verlaufenden Öffnungen 16.2 und 17.2 versehen,
so daß der
Verteil- und Sammelraum 18 des Verteilzylinders 16 und
der Verteil- und Sammelraum 19 des Verteilzylinders 17 mit
den zwischen den Sorptionselementen 3 gebildeten Zwischenräumen verbindbar
ist. In den Verteilzylindern 16 und 17 befinden sich
Verteileinrichtungen 20 und 21, die jeweils eine
gewendelte Trennwand 22 umfassen, die um eine koaxial zu
den zylindrischen Rohren 16.1 und 17.1 verlaufende
Drehachse D rotierend gelagert sind und völlig analog zu den beiden anderen
Verteil- und Sammelzylindern den zylindrischen Verteilraum in zwei
gewendelte, halbzylindrische Verteil- und Sammelräume 18a, 18b und 19a, 19b unterteilt.
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Die
gewandelten Trennwände 22 sind
an ihren radial äußeren Kanten
mit ringsegmentartigen Fahnen 23 versehen, deren Bogenwinkel
deutlich größer ist
als der der Fahnen 15 an den gewandelten Trennwänden 14.
Aufgrund des großen
Bogenwinkels der ringsegmentartigen Fahnen 23 wird während eines
Winkelbereichs der Rotation der Trennwand 22 die Öffnung 16.2 bzw. 17.2 im
Bereich einiger Luftkanäle
zwischen den Sorptionselementen 3 während etwa einem Viertel der
Umlaufzeit vollständig
verschlossen, so daß während dieses
Zeitabschnittes der Durchtritt eines Luftstromes vom Innenraum des
Gehäuses 2 bezüglich dieser
Luftkanäle
zu den Verteil- und
Sammelräumen 18 bzw. 19 vollständig unterbunden
ist.
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Die
Rotation der Verteileinrichtungen 12, 13, 20 und 21 erfolgt
zur Durchführung
eines bestimmten Zyklus der Beaufschlagung der Außenseite
der gestapelten Sorptionselemente 3 mit geeignet temperierten
Medien, worauf später
noch näher
eingegangen wird. Wichtig ist jedoch, daß die Verteileinrichtungen 12, 13, 20 und 21 synchron
bewegt werden, was beispielsweise durch die in 1 dargestellte
Anordnung erreicht werden kann. Hierzu ist in 1 eine
elektrische Steuervorrichtung 25 vorgesehen, die über Steuerleitungen 26 mit
zwei Schrittmotoren 24 verbunden ist. Einer der Schrittmotoren 24 ist
in unmittelbarer Nähe
des Verteilzylinders 8 angeordnet, wobei ein in der Zeichnung
nicht dargestelltes Ritzel des Schrittmotors 24 mit einem ebenfalls
nicht dargestellten Zahnkranz eines mit der Verteileinrichtung 12 umlaufenden
Zahnrades kämmend in
Eingriff steht. Die Verteileinrichtung 20 ist mit einem
Zahnrad 27 versehen, das bezüglich Durchmesser und Zähnezahl
demjenigen der Verteileinrichtung 12 entspricht, so daß eine völlig synchrone
und phasengerechte Rotation der gewendelten Trennwände 14 und 22 erfolgt.
Eine ebenso gestaltete Antriebsanordnung aus einem Schrittmotor 24' mit dem nicht
dargestellten Zahnrad der Verteileinrichtung 13 und dem
aus der Zeichnung ersichtlichen Zahnrad 27' der Verteileinrichtung 21 ist
auf der anderen Seite des Gehäuses 2 vorgesehen.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt durch den Adsorber/Desorber-Bereich 4 der Sorptionsvorrichtung 1 entlang
der Linie II-II
in 1. Aus dieser Ansicht ist ersichtlich, daß eine Vielzahl
von Sorptionselementen 3 zu einem Stapel jeweils aufeinanderfolgend
angeordnet sind, wobei die Vorderseite und die Rückseite des Stapels mit Abdeckblechen 28, 29 versehen
sind. Die Sorptionselemente 3 sind als Scheiben 30 ausgeführt, wobei
jede Scheibe 30 aus zwei profilierten Metallplatten 31 und 32 gebildet
ist. Die Scheiben 30 sind im wesentlichen kissenförmig gestaltet,
so daß sie
eine gewellte Wandung aufweisen und zwischen den Metallplatten 31, 32 die
vier Hohlräume 7.1 bis 7.4 gebildet
sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Scheiben 30, 30' bzw. 30' und 30'' sind Luftkanäle 33 gebildet, die
jeweils in die seitlich des aus den Scheiben 30 gebildeten
Stapels vorgesehenen Verteilzylinder 8 und 9 münden.
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Die
als Verteilzylinder 8 und 9 dienenden zylindrischen
Rohre 8.1 und 9.1 sind durch die darin befindlichen
Verteileinrichtungen 12 bzw. 13 in zwei Kammern 34 und 35 unterteilt,
wobei diese Kammern 34 bzw. 35 an einem stirnseitigen
Ende des zylindrischen Rohres 8.1 bzw. 9.1 offen
und an dem anderen stirnseitigen Ende mittels einer Wand 36 verschlossen
sind. Aufgrund der durch die Trennwände 14 in den Verteilzylindern 8 und 9 gebildeten
Kammern 34, 35 sind die Luftkanäle 33 des
gesamten Stapels aller Scheiben 30 in zwei Gruppen von
Luftkanälen
unterteilt, wobei eine der Gruppen der Luftkanäle 33 mit der ersten
Kammer 34 und die andere Gruppe der Luftkanäle mit der
zweiten Kammer 35 in Verbindung stehen. An dem zylindrischen Rohr 8.1 ist
an einem stirnseitigen Ende ein Lufteintritt 37, an dem
ein Kühlluftkanal 39 angeschlossen
ist, und am anderen Ende ein Luftaustritt 38 vorgesehen,
an dem ein Fortluftkanal 40 angeschlossen ist.
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An
dem Verteilzylinder 9 sind stirnseitig ebenfalls Wände 36 vorgesehen,
die jeweils eine der Kammern 34 bzw. 35 verschließen und
einen Lufteintritt 37.1 und einen Luftaustritt 38.1 an
den stirnseitigen Enden des Verteilzylinders 9 freigeben.
An dem Verteilzylinder 9 ist ein Gehäuseteil 41 montiert,
innerhalb dessen ein von dem Luftaustritt 38.1 zu dem Lufteintritt 37.1 führender
Umlenkkanal 42 gebildet ist, so daß sich ein Luftströmungsweg
durch die in 2 gezeigte Sorptionseinrichtung 1 derart
ergibt, daß Kühlluft am
Lufteintritt 37 des Verteilzylinders 8 eintritt
und in der Kammer 34 auf die dieser zugeordneten Luftkanäle 33 verteilt
wird. Die in dem Verteilzylinder 9 gebildete Kammer 34 dient
als Sammelraum, die die Einzelluftströme aus den Luftkanälen 33 zusammenfaßt und durch
die Luftaustrittsöffnung 38.1 in
den Umlenkkanal 42 führt.
In dem Umlenkkanal 42 befindet sich eine Heizvorrichtung 43,
die vorzugsweise als Brennstoffheizung ausgeführt ist. Diese Heizvorrichtung 43 erwärmt die
Luft, die an dem Lufteintritt 37.1 in die Kammer 35 eintritt
und dort auf die an dieser Kammer angeschlossenen Luftkanäle 33 aufteilt.
Diese parallelen Luftströme
werden in der Kammer 35 im Verteilzylinder 8 wiederum
zusammengefaßt
und durch den Luftaustritt 38 in einen Fortluftkanal 40 geführt.
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In 2 kommunizieren
die hellgrau unterlegten Bereiche, welche Mantelflächen der
durch die Trennwand 14 gebildeten Kammern 34 darstellen,
mit den Luftkanälen 33.
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Die 3 zeigt
einen Schnitt durch den Verdampfer/Kondensator-Bereich 5 der
Sorptionsvorrichtung 1 entlang der Linie III-III in 1.
Es wird aus dieser Darstellung deutlich, daß die Scheiben 30, 30' auch im Verdampfer/Kondensator-Bereich
die gleiche Konfiguration aufweisen wie in dem Adsorber/Desorber-Bereich, der
in 2 dargestellt ist. Auch das vordere Abdeckblech 28 und
das hintere Abdeckblech 29 sind in gleicher Weise vorhanden
und auch die jeweils aufeinanderfolgenden Scheiben 30, 30' sind versetzt
zueinander angeordnet, so daß sich
Luftkanäle 44 zwischen
benachbarten Scheiben 30, 30' mit konstantem Abstand bilden. Diese
Luftkanäle 44 sind
gegenüber
den im Adsorber/Desorber-Bereich befindlichen Luftkanälen 33 getrennt, wie
dies durch die in 1 dargestellten Trennelemente 6 ausgeführt ist.
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In
dem Verteilzylinder 16 befindet sich die Verteileinrichtung 20,
durch die zwei in dieser Ansicht schwer darstellbare, spiralig verlaufende
und halbzylindrische Kammern gebildet werden, wobei die eine Kammer
an einem stirnseitigen Ende des zylindrischen Rohres 16.1 eine
Luftaustrittsöffnung 49 aufweist,
während die
entsprechende Kammer am anderen stirnseitigen Ende mittels einer
Wand 47 geschlossen ist. Eine zweite Kammer in der Verteileinrichtung 20 weist
einen Lufteintritt 48 auf, während das andere stirnseitige
Ende dieser Kammer durch eine Wand 47 verschlossen ist.
Durch zwei in unterschiedlichen Grau-Abstufungen dargestellte, spiralig
auf der Zylinder-Mantelfläche
umlaufende Bänder 45, 46 sind
diejenigen Bereiche gekennzeichnet, mit denen eine Verbindung zu
den Luftkanälen 44 hergestellt
werden kann, die übrigen,
nicht schattierten Bereiche kennzeichnen Mantelflächen, die
durch die Fahnen 23 abgedeckt sind.
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Auf
der anderen Seite des aus Scheiben 30 gebildeten Stapels
befindet sich der Verteilzylinder 17, wobei in dem zylindrischen
Rohr 17.1 die Verteileinrichtung 21 angeordnet
ist, die gleich derjenigen in dem Verteilzylinder 16 ist
und die darüber
hinaus bereits zu 1 beschrieben wurde. An dem
Lufteintritt 48 der Verteileinrichtung 20 ist
ein Kühlluftkanal 50 angeschlossen,
während
an dem Luftaustritt 49.1 an der Verteileinrichtung 21 ein
Fortluftkanal 51 vorgesehen ist. Der Kühlluftkanal 50 und
der Fortluftkanal 51 stehen über die jeweils in Abhängigkeit
des Zyklus beauf schlagten Luftkanäle 44 in Verbindung.
Am anderen Ende des Verteilzylinders 17 ist ein vom Fahrzeuginnenraum
kommender Umluftkanal 52 und auf derselben Seite des Stapels am
Verteilzylinder 16 ein Kaltluftkanal 53 angeschlossen,
der wiederum zum Fahrzeuginnenraum zurückführt.
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Da
sich die Verteileinrichtungen 20 und 21 synchron
mit den übrigen
Verteileinrichtungen drehen, wie dies in 1 dargestellt
ist, werden fortschreitend stets andere Gruppen von Luftkanälen 44 mit
dem am Lufteintritt 48 eintretenden Kühlluftstrom und eine andere
Gruppe von Luftkanälen 44 mit
dem am Lufteintritt 48.1 eintretenden Umluftstrom beaufschlagt.
Wie aus 3 weiter deutlich wird, befindet
sich zwischen den jeweils luftbeaufschlagten Gruppen von Luftkanälen 44 eine
Gruppe, die temporär
nicht von einem Luftstrom beaufschlagt ist, wie dies durch die in 1 gezeigten,
ringsegmentartigen Fahnen 23 erreicht wird. Die entsprechenden
Abschnitte der ringsegmentartigen Fahnen 23 sind auch in 3 mit
diesem Bezugszeichen versehen.
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In 4 ist
die Vorderansicht eines Sorptionselementes 3 gezeigt, das
den in 2 und 3 gezeigten Scheiben 30 entspricht.
Die Scheibe 30 weist vier Hohlräume 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 auf,
die gleich groß sind
und nahezu über
die gesamte Höhe
der Scheibe 30 reichen. Auf der in 4 linken
Seite sind neben dem Hohlraum 7.1 obere und untere Abschnitte 54 und 55 gebildet,
deren seitliche Kontur bogenförmig
ist und dem Radius der jeweiligen Verteilzylinder 8 und 16 entspricht.
Auf der rechten Seite der Scheibe 30 befinden sich ebenfalls
Abschnitte 54, 55 mit einer den Verteilzylindern 9 und 17 angepaßten Kontur,
jedoch ist der Abstand zu dem benachbarten Hohlraum 7.4 wesentlich
größer, so
daß insgesamt
eine asymmetrische Anordnung der Hohlräume 7.1 bis 7.4 bezogen
auf die Länge
der Scheibe 30 gegeben ist.
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Diese
asymmetrische Anordnung dient dazu, daß die in 5 dargestellten,
kissenartigen Scheiben 30 und 30' versetzt gegeneinander derart
angeordnet werden, daß sich
der gewellte Verlauf der die Scheiben bildenden Metallplatten 31 und 32 der
jeweils benachbarten Scheiben 30, 30' einen Luftkanal 33 mit
konstantem Abstand zwischen den Scheiben 30 und 30' bilden. Wie
aus 5 weiter deutlich wird, besitzen die Scheiben 30 und 30' exakt die gleiche
Länge,
die ja auch dem Abstand zwischen. den seitlichen Verteilzylindern
entspricht, es sind nur die Hohlräume 7.1 bis 7.4 der
benachbarten Scheiben 30 und 30' um die Hälfte des Abstandes einer Wellung
gegeneinander versetzt. Seitlich neben den Hohlräumen 7.1 und 7.4 befinden
sich die Abschnitte 54, in denen die Metallplatten 31, 32 miteinander
verbunden sind.
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In 6 ist
eine vergrößerte Darstellung
der Einzelheit VI in 5 gezeigt. Dieser Ausschnitt
macht deutlich, daß im
Randbereich der Scheibe 30 die beiden Metallplatten 31 und 32 unmittelbar
aufeinander liegen und miteinander gasdicht verbunden sind. Im Bereich
des Hohlraumes 7.1 sind die Metallplatten 31 und 32 auf
der Innenseite mit einer wärmeleitenden
Armierungsstruktur versehen, die im Falle der 6 als
ein an den Metallplatten 31, 32 angelötetes Drahtgestrick 56 ausgeführt ist.
In die Tiefe dieses Drahtgestrickes 56 hinein ist bis zur
Metallplatteninnenseite ein Sorptionsmittel 58 aus Zeolith
oder Silicagel oder ggf. auch einem anderen geeigneten Sorbens eingebracht.
Die Armierungsstruktur erfüllt
dabei die Funktion einer mechanischen Halterung und Stabilisierung
der Sorptionsmittelschicht und eine gute thermische Anbindung an die
Metallplatte mit sehr kurzen Wärmeleitwegen
innerhalb des schlecht wärmeleitenden
Sorptionsmittels.
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Die 7 zeigt
eine Ausführungsvariante
zu 6, wobei die dargestellten Metallplatten 31 und 32 genauso
gestaltet sind wie in der bereits beschriebenen Figur. In 7 ist
jedoch auf der Innenseite der Metallplatten 3i, 32 innerhalb
des Hohlraums 7.1 ein Streckmetall 57 vorzugsweise
durch Löten
befestigt, so daß eine
gute wärmeleitende
Verbindung gegeben ist. Die Innenseite der Metallplatten 31, 32 sowie
die Oberfläche des
Streckmetalls sind mit dem Sorptionsmittel 58 beschichtet.
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Die 8 zeigt
eine Darstellung ähnlich
derjenigen der 6, jedoch aus dem unteren Bereich
der Scheibe 30, also demjenigen Teil, der in dem Verdampfer/Kondensator-Bereich
der Sorptionsvorrichtung angeordnet ist. In diesem Bereich sind
die Metallplatten 31, 32 auf der Innenseite, also
im Hohlraum 7.1 mit einem komprimierten Drahtgestrick oder
einem feinmaschigen Metallgewebe versehen, so daß eine Struktur 59 geschaffen
ist, die eine Vielzahl feiner Kapillarspalten bildet.
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Die
Arbeitsweise der Vorrichtung wird nachfolgend anhand der bereits
beschriebenen Figuren, insbesondere den 1 bis 3 erläutert, wobei
zusätzlich
auf die in den 9 und 10 dargestellten
Temperaturgänge
sowie den Kreisprozeß in 11 Bezug
genommen wird. Eine thermische Zyklierung der Sorptionselemente
kommt dadurch zustande, daß die
Verteileinrichtung 12, 13 sowie 20, 21 in
den Verteilzylindern 8, 9, 16, 17 um
ihre Längsachse
gedreht werden, wodurch die Bereiche der jeweils zu- bzw. abgeführten Luft in
einer Richtung orthogonal zur Ebene der Scheiben 30 weiterwandern.
Eine exakte Trennung der jeweiligen Luftströme ge schieht durch die ringsegmentartigen
Fahnen 15 und 23, die in Umfangsrichtung so bemessen sind,
daß beim
Drehen der Verteileinrichtung 12, 13 jeder Luftkanal 33 beim Übergang
von einem auf den anderen Luftstrom immer erst durch die Fahnen 15 vollständig von
der bisherigen Luftbeaufschlagung getrennt ist. Auf diese Weise
durchlaufen alle Sorptionselemente 3 einen entsprechend
der Lage im Stapel der Scheiben 30 zeitlich versetzten
Temperaturzyklus, wodurch eine quasi kontinuierliche Betriebsweise
entsteht.
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Die
beiden Verteilzylinder 8, 9 im Adsorber/Desorber-Bereich 4 steuern
die Belüftung
des Abschnitts der Scheiben 30 bzw. der Hohlräume 7.1 bis 7.4,
die auf der Innenseite mit dem Sorptionsmaterial beschichtet sind.
Dies geschieht derart, daß eine
Wärmerückgewinnung
stattfindet, indem die zur Abkühlung
der den Scheiben zugeführte
und durch diese aufgeheizte Kühlluft
der Heizvorrichtung 43 zur weiteren Erwärmung zugeführt wird. Durch diesen Vorgang
durchlaufen die das Sorptionsmaterial enthaltenden Hohlräume 7.1 bis 7.4 der
Scheiben einen Temperaturzylklus, wie er in 9 dargestellt
ist. Der gesamte Zyklus unterteilt sich demnach in vier Bereiche
I–IV,
die im Druck/Temperatur/Beladungsdiagramm gem. 11 im
wesentlichen in vier idealisierte Teilprozesse unterteilt ist. Diese
vier Bereiche können
wie folgt definiert werden:
- 1. Isostere Aufwärmung I
- 2. Isobare Desorption II
- 3. Isostere Abkühlung
III
- 4. Isobare Adsorption IV.
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In
diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff "Isostere" eins Kurve konstanter Beladung, bei
der der Druck und die Temperatur in einem bestimmten Verhältnis stehen.
Da die erste und zweite Phase I, II eine Wärmezufuhr und die dritte und
vierte Phase III, IV eine Wärmeabfuhr
benötigen,
erfolgt die luftseitige Steuerung in lediglich 2 Phasen, nämlich einer
Wärmezufuhr
durch Heißluft
in der ersten und zweiten Phase I, II und einer Wärmeabfuhr
durch Kühlluft
in der dritten und vierten Phase III, IV. Der Temperaturgang in 9 stellt
zwei beispielhafte Temperaturkurven dar, nämlich Temperatur des Lufteintritts
TL1 und Temperatur der Sorptionsschicht
TS.
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Die
Verteilzylinder
16,
17 im Verdampfer/Kondensator-Bereich
5 steuern
die Belüftung
des Verdampfungs/Kondensations-Bereiches der Sorptionselemente
3.
Diese sind so ausgebildet, daß sich
dort auch für die
Luft Steuerung vier Phasen I–IV
ergeben, indem zwischen die Verdampfungs- und die Kondensationsphase
jeweils eine Phase ohne Belüftung
der Sorptionselemente
3 zur adiabatischen Aufwärmung bzw.
Abkühlung geschoben
wird. Dies wird dadurch möglich,
daß die
Fahnen
23 an den gewandelten Trennwänden
22 einen zeitlich
definierten Abschluß einiger
Luftkanäle
44 bewirken.
Um eine optimale Funktionsweise des Gesamtsystems zu gewährleisten,
müssen
diese vier Phasen I–IV
des Verdampfungs/Kondensations-Bereichs in einer nachfolgend genau
definierten Phasenlage, bezogen auf die Luftsteuerung des im Adsorber/Desorber-Bereichs
befindlichen Teils des Scheibenstapels zugeordnet sein:
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Aus 10 ergibt
sich der qualitative Temperaturgang des Kältemittels TK in
den vier Phasen I–IV.
Da eine Luftbeaufschlagung der Luftkanäle 44 lediglich in
den Phasen II und IV erfolgt, ist der Temperaturgang der Luft TL2 nur in diesen Phasen eingetragen.
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Mit
diesem Luftverteilkonzept ist es prinzipiell möglich, eine mehrfache Durchströmung des
Stapels der Sorptionselemente 3 zur Optimierung der inneren
Wärmeübertragung
darzustellen. Für
diesen Fall müssen
die betreffenden Verteilzylinder mit beispielsweise vier Kammern
ausgestattet sein. Auf diese Weise kann das Wärmeverhältnis des Systems noch verbessert
werden, allerdings auf Kosten einer erhöhten Luftförderleistung zur Überwindung
der Druckverluste. Die Wahl geeigneter Paarungen von Adsorptionsmittel
und Kältemittel
wird von mehreren Faktoren beeinflußt. Ein neben der Umweltverträglichkeit
wichtiger Faktor ist die langfristige Betriebssicherheit und Wartungsfreiheit.
Als Kältemittel
in Kombination mit Zeolith oder Silicagel als Sorbens eignen sich
u.a. Wasser oder auch Methanol, aber auch Aktivkohle in Kombination
mit Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak können geeignete Stoffpaarungen
darstellen. Grundsätzlich
müssen
die eingesetzten Stoffe in angewandten Temperaturbereichen chemisch
inert sein und dürfen
vor allem keine gasförmigen
Folgeprodukte erzeugen, die den Dampftransport des Kältemittels
in den Sorptionselementen behindern.