KR20140039171A

KR20140039171A - 흡착 압축기를 위한 흡착 셀 및 그것의 작동 방법

Info

Publication number: KR20140039171A
Application number: KR1020137024748A
Authority: KR
Inventors: 요한네스 파스 버거; 로버트 잔 메이저
Original assignee: 쿨 서스테인에이블 에너지 솔루션 비.브이.
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2014-04-01
Also published as: TR201909690T4; KR102039196B1; CN103582789B; US10132531B2; CN103582789A; US20140116073A1; EP2678619A2; JP2014505854A; US20140102119A1; CN103597298A; KR20140058413A; WO2012115514A3; CN103597298B; EP2678619B1; JP6073254B2; WO2012115513A3; EP2678620A2; KR101941309B1; WO2012115513A2; EP2678620B1

Abstract

본 발명은 길쭉한 고체 흡착 물질; 및 상기 고체 흡착 물질의 외부 표면과 직접적으로 열 전달 접촉하는 길쭉한 열 전달 유체(HTF) 채널을 포함하고, 상기 흡착 물질의 특징적인 치수 r(예를 들어, 반경) 및 길이 L는 L/r>10, 더 바람직하게 15보다 크게, 가장 바람직하게 20보다 크게 되도록 선택되는, 열 파동으로 작동되는 흡착 압축기에 적합한 흡착 셀에 관한 것이다.

Description

흡착 압축기를 위한 흡착 셀 및 그것의 작동 방법{ADSORPTION CELL FOR AN ADSORPTION COMPRESSOR AND METHOD OF OPERATION THEREOF}

본 발명은 흡착 압축기 및 그것의 작동 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 열 펌프 내에 통합된 흡착 압축기에 관한 것이며, 압축기들은 고체 흡착제들의 베드(bed)를 통해 열 파동을 이용한다.

압축기들은 예를 들어, 여기에 전체로서 포함된, US-A-4　610　148 내에 설명되고, 흡착제들의 두 개의 베드들(beds)이 사용되며, 그것들은 열 교환 채널들이 배치되는 쉘(shell) 내에 배치된다. 열 교환 채널들은 한 세트의 펌프들, 냉각 작용을 구비하는 추가적인 열 교환기 및 가열 작용을 구비하는 열 교환기를 포함하는 열 교환 유체의 폐쇄된 도관에 연결된다. 이러한 흡착제 베드들의 쉘 측들은 응축기, 팽창 밸브 및 증발기를 포함하는 열 펌프에 연결된다. 이러한 두 개의 베드들은 각각 체크 밸브들에 의해 열 펌프의 증발기 측 및 응축기에 모두 연결된다. 흡착 열 펌프들 내의 열 파동들(thermal waves)을 논하는 공보들의 추가적인 예시들은 US-A-4　637　218; Jones J.A. (열 회수 시스템들 & CHP 13(1993)363-371); Pons M., Applied thermal engineering, 16(1996)395-404); Sun L.M. et al. (Int. J. 열 물질 전달, 40(1997)281-293); Zheng W. et al. (열 및 물질 전달 31(1995)1-9); Wang, R.Z. (재생 가능하고 유지 가능한 에너지 검토들 5(2001)1-37); 및 Critoph, R.E. et al. (Applied Thermal Engineering 24(2004)661-678).

US-A-4　610　148에서의 베드들은 제올라이트(zeolite)를 포함하고, 적용된 냉각제 또는 흡착 증기는 물이다. 흡착 베드들로부터 생기는 물 증기는 한 세트의 체크 밸브들을 통해 열 펌프의 응축기에 안내된다. 물 증기는 고압 응축기 내에서 응축되고, 응축된 물은 압력 해제 밸브(pressure release valve)을 통해 안내되고, 줄 톰슨 효과(Joules Thomson effect)에 의해, 온도가 실질적으로 단열적으로(adiabatically) 감소하여 냉방 능력(cooling capacity)을 제공한다. 저압 증발기에서, 물은 다시 증발되고 한 세트의 체크 밸브들을 통해 차갑고 흡착하기 위해 증기를 수용하는(accepting) 흡착 베드로 리턴(return)될 수 있다. 증발기는 열 펌프의 실질적인 열적 냉각 강도(thermal cooling power)를 제공한다.

흡착 증기는 열 전달 유체를 구비하여 물질을 가열하는 것에 의해 고체 흡착 물질의 밖으로 내보내진다. 증발기 내에 실질적으로 일정한 냉각 강도를 구비하기 위해, 두 개의 흡착 베드들이 선택된다. 하나의 베드는 흡착 증기를 밖으로 내보내도록 가열되는 반면, 다른 것은 흡착 증기의 재-흡착(re-adsorption)을 제공하기 위해 냉각된다.

일련의 체크 밸브들은 실질적으로 항상, 상대적인 저압 증기가 증발기로부터 물러나는 동안 고압 증기가 응축기에 제공되도록, 이러한 교대하는 작동을 허용한다.

흡착 물질의 배치 가열 및 배치 냉각과 관련하여 효율을 증가시키기 위해, 고체 물질을 통해 앞뒤로 이동하는 온도 프로파일(moving temperature profile)을 적용하는 것에 의해 고체 흡착 물질을 가열 및 냉각하는 것이 열 펌프 성능을 실질적으로 증가시킨다는 것을 알게 되었다. 상대적으로 길쭉한 물질을 통해 온도 프로파일을 앞뒤로 이와 같이 미는(pushing) 것은 열 파동으로 알려져 있다.

그러한 열 파동의 적용은 추가적인 이점들이 있으며, 그것은 오직 두 개의 흡착 셀들(adsorption cells)이 요구되고, 상대적으로 간단한 공정 플로우 다이어그램(process flow diagram)이 요구되고 전체 사이클 동안 상대적으로 균일한 냉각제 물질 흐름이 제공될 수 있다는 것이다.

추진 열(driving heat)은 낮은 칼로리의 폐열 또는 태양열로부터 발생할 수 있고 사용된 흡착 증기들 또는 가스들은 오존층에 무해한, 비-프레온(non-freon) 유형들로부터 선택될 수 있으므로 이러한 시스템들이 사용된다.

이러한 시스템들의 단점들은 응축기, 증발기 및 두 개의 흡착제 층들이 비교적 크기가 크다는 것이다. 물이 냉각제로서 사용되므로, 전체 시스템은 감소된 압력들에서 오직 작동할 수 있으며, 이는 이러한 시스템의 특정 냉각 강도(SCP)를 낮춘다.

흡착제로서 제올라이트를 이용하는 대안적인 열 펌프는, 여기에 전체로서 포함된, US-A-4　637　218에 나타내진다. 이러한 시스템에서, 다시, 물이 냉각제 매체로서 사용된다. 이 공보에서 흡착 베드의 배치들 같이 단일 블록(mono block) 및 흡착 베드들의 쉘-및-튜브 배치(shell-and-tube arrangement)가 제안된다. 이러한 시스템은, 다시, 물 증기의 응축 및 증발을 위해 적용된 상대적인 저압들에 의해 보다 큰 크기로부터 고생하게 된다.

P. Hu et al. (Energy Conversion and Management 50(2009)255-261)는 환형 용기 내에 흡착제 베드를 포함하는 냉각 시스템을 설명하고, 열 교환 유체는 내부 상에 있다.

A. Sateesh et al. (International Journal of Hydrogen Energy 35(2010)6950-6958) 는 단일-단계 (single-stage) 금속 하이브리드(hydride) 열 펌프를 설명한다. 이러한 열 펌프는 흡착 공정에 기초되며, 금속 하이브리드 파우더는 화학적 변화를 겪는다. “흡착 공정(absorption process)”이라는 용어는 일반적으로 화학적 흡착에 기초된 공정들로 정해지는 반면, “흡착 공정”은 물리적인 흡착을 언급한다.

Z. Dehouche et al. (Applied Thermal Engineering 18(1998)457-480)는 다중-하이브리드 시스템을 위한 열 파동 개념을 설명한다. 이러한 시스템은 또한 본 발명에 따라 물리적 변화들보다, 화학적 변화들에 기초된다.

흡착 열 펌프 시스템들에 기초된 공지된 열 파동이 효율, 특히, 성능 개수(COP) 및 특정 냉각 강도(SCP)에 대하여 개선을 초래하나, 여전히 COP 및 SCP에 대하여 개선하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 그것의 이점들을 유지하고 및/또는 개선하면서, 종래 기술에서의 흡착 압축기들 및 열 펌프들의 전술된 및/또는 다른 문제점들을 해결하거나 완화시키는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 그것의 작동 시 보다 경제적이고 효율적인 방법 및 시스템을 제공하기 위해, 보다 실질적인 베드 배치들을 제공하기 위해, 흡착 압축기의 크기 및 완전한 열 펌프의 크기를 감소시키기 위한 것일 수 있다. 추가적인 목적은 개선된 COP 및 SCP를 구비하는 흡착 압축기를 작동하는 방법을 제공하는 것이다.

이것들 및/또는 다른 목적들은 다음을 포함하는 열 파동으로 작동되는 흡착 압축기에 대해 적합한 흡착 셀에 의해 달성된다:

- 길쭉한 고체 흡착 물질;

- 고체 흡착 물질의 외부 표면 영역과 직접적으로 열 전달 접촉하는(in direct heat transferring contact) 길쭉한 열 전달 유체(HTF) 채널;

상기 흡착 물질의 특징적인 치수 r(예를 들어, 반경) 및 길이 L은 L/r > 10, 보다 바람직하게 15보가 크게, 더 바람직하게 20보다 크게, 더더욱 바람직하게 25보다 크게, 예를 들어 50 및 150 사이가 되도록 선택된다.

10보다 큰 이러한 종횡 비율(aspect ratio)은 열 파동이 분산되는 것을 방지하여 효과적인 작동을 보증한다는 것이 발견되었다.

바람직하게 고체 흡착 물질과 HTF 채널의 접촉 면적은 고체 흡착 물질의 총 외부 면적으로부터 50% 이상, 더 바람직하게 70% 이상, 더더욱 바람직하게 80% 이상, 일반적으로 80-100%이다.

바람직하게 특징적인 치수(반경 또는 등가 반경)는 1cm보다 작고, 바람직하게 0.5cm보다 작고, 보다 바람직하게 0.4cm보다 작고, 예를 들어 0.2 및 0.4cm 사이이다.

바람직하게 흡착 물질은 원통형이고 HTF 채널은 상기 흡착 물질 주위에서 환형이다.

고체 흡착 물질은 단일 부분으로 될 수 있다. 또한 두 개 이상의 구획들로 분할될 수 있다. 체크 밸브들은 단일의 흡착 물질 유닛을 이루는 다른 구획들을 연결하기 위해 사용될 수 있다.

바람직하게 열 전달 유체 채널(2A)에는 방사상 전도체(radial conductor; 61), 특히 주름 잡힌 플레이트가 제공된다.

본 발명의 흡착 셀들은 흡착 셀들의 매트릭스를 포함하는 클러스터로 결합될 수 있으며, 개별적인 흡착 셀들의 HTF 채널들은 HTF 매니폴드(13)와 유체 연결에 있는 양쪽의 말단부들 상에 있고 개별적인 흡착 셀들의 냉각제 채널들은 냉각제 매니폴드(18)와 유체 연결에 있는 하나 또는 양쪽의 말단부들 상에 있다.

그러한 클러스터(26, 26A-F)에서 바람직하게 HTF 매니폴드(82, 106) 및 냉각제 매니폴드(78, 100)는 길쭉한 흡착 셀들(1)의 단부들에 배치된 실질적으로 플레이트 형상의 분배 요소들(71, 72) 내에 배치된다.

바람직하게 클러스터(26, 26A-F)에서 분배 요소들은 다음의 세 개의 적층된 플레이트들을 포함한다:

흡착 셀들(1)의 외부 벽(11)을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들(105)을 구비하는 제1 폐쇄 플레이트(77, 94),

흡착 셀들(1)의 내부 벽(12)을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들(85A, 102)을 구비하는 중간 플레이트(76, 93),

제2 폐쇄 플레이트(75, 91),

열 전달 매니폴드(82, 83, 106)는 제1 폐쇄 플레이트(77, 94) 및 중간 플레이트(76, 93) 사이에 배치되고 냉각제 매니폴드(78, 79, 100)는 중간 플레이트(76, 93) 및 제2 폐쇄 플레이트(75, 91) 사이에 배치된다.

클러스터(26, 26A-F)의 열 전달 매니폴드(82, 83, 106)는 중간 플레이트(76, 93) 및/또는 제1 폐쇄 플레이트(77, 94) 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나, 엠보싱될 수 있으며; 및/또는 냉각제 매니폴드(78, 79, 100)는 중간 플레이트(76, 93) 및/또는 제2 폐쇄 플레이트(75, 91) 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나, 엠보싱될 수 있고; 및/또는 클러스터의 각각의 측에서 플레이트들(75-77, 91-94)은 함께 접착되거나, 용접되거나, 납땜되거나 볼트로 체결될 수 있다.

본 발명의 클러스터 또는 셀에서 길쭉한 고체 흡착 물질은 바람직하게 열 전도성 박판(heat conductive lamellae; 62A)에 의해 서로로부터 분리되는, 두 개 이상의 유닛들(68B)을 포함하는 라미네이트(laminate)를 포함한다. 각각의 상기 유닛들(68B) 및 전도성 박판(62A)은 열 전도성 물질로부터 컵(cup)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 필(pill)에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 방사상 채널들(69)은 유닛(68B) 내에 바람직하게 존재한다.

바람직하게 본 발명의 클러스터 또는 셀 내에서 적어도 하나의 냉각제 채널(70)은 두 개 이상의 유닛들로 제공되고, 바람직하게 상기 유닛들의 외주부(circumference)에서, 축 방향으로 채널이 나아간다. 외주부 상에 채널들을 구비하는 이점은 적합한 돌출부(protrusion)를 구비하는 몰드(mould)를 이용하는 것에 의해 제작하기 더 쉽다는 것이다.

다른 실시예에서, 본 발명의 클러스터는 스페이서들에 의해 분리된, 두 개의 주름 잡힌 플레이트들(110A, 110B)을 적층하는 것에 의해 마련되며, 두 개의 플레이트들 사이에서 상기 HTF는 흐를 수 있으며, 주름 잡힌 플레이트들의 두 개의 상기 적층들(stacks)은 그것들의 돌출된 리브들의 길이의 적어도 부분을 따라 서로에게 연결되어, 상기 길쭉한 흡착 물질을 위한 공간을 형성한다. 이는 비교적 간단한 구조를 허용한다.

본 발명의 방법은 적절한 순서로 실행될 다음의 단계들을 포함할 수 있다:

a) 15에 따라 흡착 압축기를 제공하는 단계,

b) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제1 클러스터(26A) 내부에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26A)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 히터(32)로부터 나가는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터(26A) 내의 흡착 물질(10)을 제1 모드로 가열하는 단계, 흡착된 냉각제는 비교적 높은 압력에서 제1 클러스터(26A)의 흡착 물질(10)로부터 탈착되고, 응축기(46)를 향해 체크 밸브(41A)를 통해 향해지고, 응축되고 팽창 밸브(48)를 통해 향해지고 증발된 채로 남아 있고 증발기(49) 내에서 냉각 작용을 수행함,

c) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제2 클러스터(26C) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26C)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)를 통해 층류로 냉각기(31)로부터 나가는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터(26C) 내의 흡착 물질(10)을 제1 모드로 단계 b) 동안 냉각하는 단계, 냉각제는 비교적 낮은 압력에서 제2 클러스터(26C)의 흡착 물질에 의해 흡착되고, 그것은 체크 밸브(42A)를 통해 증발기(4)에서 일어남,

d) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제1 클러스터(26A) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26A)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 냉각기(31)로부터 나오는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터(26A) 내의 흡착 물질(10)을 냉각하는, 제2 모드로, 미리 정해진 때에 전환하는 단계, 냉각제는 비교적 낮은 압력에서 제1 클러스터(26A)의 흡착 물질(10)에 의해 흡착되고, 이는 체크 밸브(41B)를 통해 증발기(4)로부터 일어남.

e) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 열 파동이 유지되고 제2 클러스터(26C) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26C)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 히터(32)로부터 나오는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터(26C) 내의 흡착 물질(10)을 제2 모드로 단계 d) 동안 가열하는 단계, 흡착된 냉각제는 비교적 높은 압력에서 제2 클러스터(26C)의 흡착 물질(10)로부터 탈착되고, 응축기(46)를 향해 체크 밸브(42B)를 통해 향해지고, 응축되고 팽창 밸브(48)를 통해 향해지고 팽창된 채로 남아 있고 증발기(49) 내에서 냉각 작용을 수행함,

f) 제1 모드로 다시 전환하고 단계 a-f를 반복하는 단계.

본 발명에 따른 흡착 압축기 시스템을 작동하는 방법은 바람직하게 뜨거운 공급원 및 차가운 공급원 및 적어도 제1 및 제2 흡착 베드를 포함하는 시스템을 이용하고, 상기 제1 베드는 상기 제2 베드의 초기 온도보다 낮은 초기 온도를 구비하고, 상기 시스템에서 열은 열 전달 유체(HTF)를 이용하여 순환되고,

상기 방법은 단계 A) 및 단계 B)를 포함하고,

상기 단계 A)는,

상기 제1 베드 내에 열 파동을 유지하면서, 임의적으로 상기 뜨거운 공급원을 통해, 상기 제2 베드로부터 나오는, 그것에 HTF를 공급하는 것에 의해 상기 제1 흡수 베드를 가열하는 단계; 및

상기 제2 베드 내에 열 파동을 유지하면서, 임의적으로 상기 차가운 공급원을 통해, 상기 제1 베드로부터 나오는, 그것에 HTF를 공급하는 것에 의해 상기 제2 흡수 베드를 냉각하는 단계; 상기 제1 베드 및 상기 제2 베드의 출구 온도가 본질적으로 동일할 때까지 단계 A)가 유지됨;

을 포함하고,

상기 단계 B)는,

상기 제1 베드 안으로 다시 상기 뜨거운 공급원으로부터 그리고 상기 뜨거운 공급원에 상기 제1 베드의 상기 HTF 유출물을 공급하는 단계; 및

상기 제2 베드 안으로 다시 상기 차가운 공급원으로부터 그리고 상기 차가운 공급원에 상기 제2 베드의 상기 HTF 유출물을 공급하는 단계, 상기 단계 B)는 상기 제1 베드 내의 온도가 본질적으로 동종이고 상기 제2 베드 내의 온도 또한 본질적으로 동종이고 상기 제1 베드의 온도보다 낮을 때까지 유지되고, 상기 제1 및 제2 베드를 통해 상기 HTF의 흐름 속도들은 단계 A)에서 보다 높을 수 있음;

를 포함한다.

종래 기술의 열 파동 시스템들에서, 단일의 HTF 루프는 그것들 사이에 위치된 가열 및 냉각 디바이스를 구비하는 두 개의 흡착 베드들을 포함하여 사용된다. 적합한 전환 밸브들(switching valves)을 구비하는 가역(reversible) 펌프 또는 한-방향 펌프는 일단 파동이 베드의 단부들 중 하나에 도달하면 베드들을 통해 열 파동을 반대로 하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 완전한 사이클은 두 개의 반-사이클들(half-cycles)로 나뉜다. 각각의 반-사이클은 열 전달 유체의 흐름 방향이 반대로 된 후에 시작한다. 흐름 역전(flow reversal)의 전환 이동은 열 파동이 나가기 전에, 즉 베드의 다른 측에 도달할 때 이루어진다.

이론에 의해 제한되기를 원하지 않고, 본 발명자들은 실제로, 열 파동이 종래 기술(예를 들어, US-A-4　610　148 및 US-A-4　637　218)에서 원래 제안된 것보다 상당히 덜 가파르다고 믿는다. 이는 셀의 단부를 향해 많은 흡착된 냉각제가 파동이 바뀔 때 흡착 또는 탈착되지 않고, SCP를 상당히 제한하도록 열 파동이 셀의 길이를 따라 꽤 편평한 온도 프로파일을 구비한다는 것을 의미한다. 이를 개선하기 위한 한 가지 방법은 많은 냉각제가 흡착 또는 탈착되게 하는 것이고 하나의 반-사이클 동안 많은 냉각제가 흡착 및 탈착될 수 있도록 열 파동이 셀의 단부를 향해 보다 전진하도록 허용된다면 더 높은 SCP 값들이 획득될 수 있다. 그러나, 이러한 상황에서 COP는 가열 및 냉각 디바이스들에 대하여 점진적으로 증가된 온도 차이들에 의해 급격하게 악화된다. 그러므로 COP 및 SCP 사이에는 모순(trade-off)이 있다.

본 발명은 높은 COP를 유지하면서 SCP를 개선하는 새로운 열 파동 사이클을 제공한다.

본 발명은 도 29A-D를 참조하면서 설명될 수 있다. 간략화를 위해 이 도면에서는 HTF의 흐름 방향 만이 설명되고, 냉각제 흐름 연결들 및 흐름들은 도시되지 않는다. 냉각제 유체 연결들이 베드들 중 어느 한 측 또는 심지어 베드의 양 측에 위치될 수 있다는 것이 이해되게 하기 위한 것이다. 이러한 마지막 상황에서, 일 측은 체크 밸브를 통해 냉각제 고압 라인에 연결될 수 있으며 타 측은 체크 밸브를 통해 냉각제 저압 라인에 연결될 수 있다.

냉각제는 이론적으로 이러한 목적을 위해 종래에 공지된 성분들일 수 있다. 바람직하게 냉각제는 암모니아, 물(증기), 이산화탄소, 메탄올 n-부탄 등으로부터 선택된다. 가장 바람직한 것은 특히 흡착 물질로서 활성 탄소와 결합되는 암모니아이다.

흡착제는 이론적으로 이러한 목적을 위해 종래에 공지된 성분일 수 있다. 바람직하게 활성 탄소, 제올라이트, 금속 유기 골격 구조들, BaCl₂ 등으로부터 선택된다.

본 발명에 따라 전체 흡착 및 탈착 사이클은 네 개의 (대신에 두 개의) 단계들로 분할되고, 단계 A 및 C는 열 재생 단계들이고 단계 B 및 D는 비 열 재생 단계들(non heat regenerating phases)이다. 시스템 내의 흡착 베드들은 열 파동이 작동되는 흡착 압축기에 적합할 필요가 있다.

단계 A에서, 베드(1)은 뜨거운 공급원으로부터 고온 HTF에 의해 가열된다. 열 파동 작동에 의해, 초기 저온 HTF는 베드(1)를 나가고, 그 후에 HTF는 차가운 공급원에 의해 더 냉각된다. 동시에, 베드(2)는 차가운 공급원으로부터 저온 HTF에 의해 냉각된다. 다시 열 파동 작동에 의해, 초기 고온 HTF는 베드(2)를 나가고, 그 후에 HTF는 뜨거운 공급원에 의해 더 가열된다.

특정 시점에서 단계 2가 시작되고, 기본적으로 베드(1 및 2)를 나가는 HTF의 두 개의 온도들이 본질적으로 서로 동일한 때이다. 이러한 출구 온도들은 출구 온도들 사이의 절대적인 온도 차이가 뜨겁고 차가운 공급원들 사이의 온도 차이의, 40%보다 적게, 바람직하게 30%보다 적게, 보다 바람직하게 20%보다 적게, 훨씬 더 바람직하게 10%보다 적게, 일반적으로 0-5%에 있을 때 본질적으로 동일한 것으로 간주된다. HTF 전환 시스템은 베드들의 온도들이 본질적으로 균일할 때까지, 열 재생 없이 베드들 내의 열 파동을 마무리 짓기 위해 차가운 공급원에 직접 베드(2) 그리고 뜨거운 공급원에 직접 베드(1)를 연결하기 사용될 수 있다.

단계 A에서 열은 양쪽의 베드들 사이에서 재생된다. 도 28에서 도시된 예시에서 재생될 수 있는 열의 최대 양은 (시간에서 일정한 HTF 흐름의 가정 하에서) 영역 X에 비례한다. 열의 최대 양은 제1 베드 및 제2 베드의 출구 온도들이 전술된 것과 본질적으로 동일할 때 얻어진다.

단계 B에서, 베드 온도들은 입구 및 출구 온도들 사이의 절대적인 차이가 뜨겁고 차가운 공급원 사이의 온도 차이의 30%보다 적은, 바람직하게 20%보다 적은, 더 바람직하게 10%보다 적은, 훨씬 더 바람직하게 5%보다 적을 때 본질적으로 동종인 것으로 고려된다.

도 12 및 28은 단계들 A 및 B 동안 베드(1) 및 베드(2)의 출구 온도들의 예시들을 도시한다. 음영이 넣은 영역(A)은 열 재생 단계 동안 HTF에 히터에 의해 공급될 필요가 있는 열에 비례하고, 음영이 넣은 영역(B)은 비 재생 단계 동안 공급될 필요가 있는 열에 비례한다.

단계 B의 끝에서, 우선 차가웠던 제1 베드는 이제 더 뜨거운 베드이고, 우선 뜨거웠던 제2 베드는 이제 더 차가운 베드이다. 작동은 전술된 것과 같이 반복될 수 있으나, 이제 두 개의 베드들의 역할들이 교환된다.

예를 들어, 다음에, 새로운 열 재생 단계는 단계 C에서 시작될 수 있다. 작동은 단계 A와 유사하나 베드들(1 및 2)의 역할은 반대로 된다: 베드(1)는 냉각되고 베드(2)는 가열된다. 이는 단계 D에 의해 이어지고, 그것은 베드들(1 및 2)의 역할이 반대로 되는 다른 비-재생 단계이다.

본 발명의 시스템에서 베드들 내의 열 파동의 방향은 모든 단계들에 대하여 동일할 수 있으며 이것이 바람직할 수 있다. 그 대신에, 단계들 A 및 B 이후에 HTF 흐름 방향 및 열 파동 방향은 도 30에 개략적으로 도시된 것과 같이, 단계들 C 및 D에서 반대로 될 수 있다. 이것은 그러나, 다르고 더 복잡한 HTF 유체 전환 시스템을 요구한다.

많은 변경들 및 대안들이 전술된 이론에 기초하여 가능할 수 있고, 다음에서 명백해질 것이다.

예를 들어, 단계들 사이의 전환은 전환 밸브들, 특히 3-방향 밸브들을 이용하여 수행될 수 있다. 그 대신에 도 32a-d에서 도시된 바와 같이, 2-방향 밸브들을 구비하는 분리된 라인들이 사용될 수 있다. 4-방향 밸브들 또한 사용될 수 있으며, 도 33a-d를 보기 바란다.

본 발명의 추가적인 이점들 중의 하나는 펌프들이 오직 일 방향으로 작동하도록 사용되고, 이는 표준 부품들 및 공학 실무들에서의 사용을 허용한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 흡착 셀은 길쭉한 고체 흡착 물질; 고체 흡착 물질과 접촉하여 직접적으로 열을 전달하는 길쭉한 열 전달 유체 채널을 포함하는 열 파동으로 작동되는 흡착 압축기에 적합하게 제공되고; 흡착 물질의 특징적인 치수γ는 다음의 관계식이 성립되도록 선택된다:

이때, λ_eff는 유효 열 전도율이고, γ는 설계 변수이고 SCP는 특정 냉각 강도이며, γ< 0.0025 K·m³/kg이고, SCP > 250 W/kg이고 0.5 < λ_eff < 20 W/mK이다. 특징적인 치수γ는 흡착 셀이 원형 단면을 구비할 경우 흡착 물질의 반경과 같이 취해질 수 있다. 단면이 비-원형(예를 들어, 다각형 또는 타원형)인 경우, γ는 등가 반경, 즉 문제가 되는 비-원형 단면과 동일한 표면적을 구비하는 원의 반경이다.

열 전달 유체 채널의 특징적인 치수 d_HTF는 다음의 관계식이 성립하도록 선택될 수 있다:

이때, Biot는 비오 수이고, λ_HTF는 열 전달 유체의 유효 열 전도율이고, Nu는 넷셀 수(Nusselt Number)이고, d_HTF는 열 전달 채널의 특징적인 치수이고, 0.1 < λ_HTF < 10 W/m·K, Biot Number > 1 및 4 < Nu < 6이다.

이러한 특정 치수들에 의해, 이하에서 보다 상세히 설명되는 것과 같이, 효과적인 작동이 획득될 수 있다.

열 전달 유체 채널의 특징적인 치수는 1　mm보다 작을 수 있고 흡착 물질의 특징적인 치수는 바람직하게 1cm이다. 흡착 물질은 축 방향 냉각제 채널이 제공되는, 내부 원통형 벽 내에 배치될 수 있다. 열 전달 유체 채널은 내부 (원통형) 벽 및 외부 (원통형) 벽 사이에서 흡착 물질 주위에 동축으로 배치된, 환형 열 전달 유체 채널일 수 있다.

본 발명은 전술된 것과 같이 흡착 셀들의 매트릭스를 포함하는 클러스터에 관한 것이고, 개별적인 흡착 셀들의 환형 열 전달 유체 채널들은 열 전달 유체를 분배하거나 수집할 수 있는 매니폴드인, 열 전달 유체 헤더와 함께 양쪽의 말단부 상에서 유체 연결에 있으며 개별적인 흡착 셀들의 축 방향 냉각제 채널들은 냉각제를 분배하거나 수집할 수 있고 또한 매니폴드인, 냉각제 헤더와 함께 양쪽의 또는 하나의 말단부 상에서 유체 연결에 있다.

클러스터의 냉각제 매니폴드 및 열 전달 유체 매니폴드는 길쭉한 흡착 셀들의 단부들에 배치될 수 있는 실질적으로 플레이트 형상으로 된 분배 요소들 내에 배치될 수 있다.

분배 요소들은 세 개의 적층된 플레이트들을 포함할 수 있다: 흡착 셀들의 외부 벽을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들을 구비하는 제1 폐쇄 플레이트, 흡착 셀들의 내부 벽을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들을 구비하는 중간 플레이트, 제2 폐쇄 플레이트. 열 전달 매니폴드는 제1 폐쇄 플레이트 및 중간 플레이트 사이에 배치되고 냉각제 매니폴드는 중간 매니폴드 및 제2 폐쇄 플레이트 사이에 배치된다.

열 전달 매니폴드는 중간 플레이트 및/또는 제1 폐쇄 플레이트 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나(pressed), 펀칭되거나(punched) 엠보싱될(embossed) 수 있다. 냉각제 매니폴드는 유사하게 중간 및/또는 제2 폐쇄 플레이트 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나, 펀칭되거나 엠보싱될 수 있다.

플레이트들은 클러스터의 각각의 말단부에 있을 수 있고 함께 접착되거나, 용접되거나 납땜되거나 볼트로 체결될 수 있다.

클러스터는 평행하는 셀들을 포함할 수 있고 각각의 개별적인 흡착 셀의 환형 열 전달 유체 채널들은 하나 또는 양쪽의 말단부들에서 냉각제 커넥터들 및 그것들의 말단부들에서 분배 커넥터들에 연결된다.

분배 커넥터들은 어떠한 형상으로 될 수 있으며 이상적으로 각각의 개별적인 셀들 내에 동일한 흐름을 초래한다. 그것들은 예를 들어 회전 대칭적인 스파이더 형상으로 된 커넥터들일 수 있으며, 각각의 열 전달 유체 다리는 다른 열 전달 유체 다리들과 같이 실질적으로 동일한 형상을 구비한다. T-커넥터는 열 전달 매니폴드들에 또는 각각의 분배 커넥터들에 연결될 수 있거나, 그 대신에, 분배 커넥터들 또는 열 전달 매니폴드들에는 두 개의 분리된 커넥터들이 제공된다.

본 발명은 흡착 압축기에 관한 것이고, 적어도 두 개의 전술된 클러스터들을 포함하고, 클러스터들의 제1 측들의 T-커넥터들의 각각의 암들은 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 전환 측과 유체 연결에 있고, 이러한 방식으로 각각의 개별적인 T-커넥터의 다른 암들은 다른 3 방향 밸브의 전환 측과 유체 연결에 있고 클러스터들의 제2 측들의 T-커넥터들의 각각의 암들은 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 전환 측과 유체 연결에 있고 이러한 방식으로 각각의 개별적인 T-커넥터의 다른 암들은 다른 3 방향 밸브의 전환 측과 유체 연결에 있다.

제1 쌍의 3 방향 밸브들의 베이스 측들은 관통하는 열 전달 유체의 온도를 높이도록 구성된, 히터 또는 열 교환기와 유체 연결에 있을 수 있으며 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 베이스 측들은 관통하는 열 전달 유체를 냉각하도록 구성된, 냉각기 또는 열 교환기와 유체 연결에 있을 수 있다. 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 제1 3 방향 밸브의 베이스 측 및 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 제1 3 방향 밸브의 베이스 측은 열 교환기 또는 히터와 유체 연결에 있고 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 제2 3 방향 밸브의 베이스 측 및 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 제2 3 방향 밸브는 열 교환기 또는 냉각기와 유체 연결에 있다.

열 전달 유체 채널에는 예를 들어, 주름 잡힌 플레이트 같은 방사상 전도체가 제공될 수 있다.

각각의 셀들 또는 클러스터들의 냉각제 채널 및/또는 흡착 물질은 한 세트의 체크 밸브들을 통해 냉각제 루프와 유체 연결에 있으며, 그것은 냉각제가 클러스터들 또는 셀들의 흡착 물질의 안팎으로 허용되고 냉각제 루프를 통해서 한 방향으로만 수행되도록 허용되는 방식으로 구성된 팽창 밸브, 증발기, 응축기를 포함할 수 있다.

분리된 셀들 또는 클러스터들은 밸브를 포함하는 압력 평형 도관(pressure equalizing conduit)에 의해 서로 연결될 수 있다. 냉각제 루프는 흡착 물질(adsorption mass) 및 온도 제어 가능한 히터를 포함하는, 보조적인 용기와 유체 연결에 있을 수 있다.

본 발명은 또한 열 파동 작동에 적합한 흡착 압축기에 관한 것이며, 흡착 셀들의 두 개의 클러스터들을 포함하고, 각각의 클러스터는 열 전달 유체 채널을 포함하고, 개별적인 클러스터들의 열 전달 유체 채널들은 매니폴드와 유체 연결에 있고, 매니폴드는 T-커넥터에 연결되고, 클러스터들의 제1 측들의 T-커넥터들의 각각의 암들은 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 전환 측과 유체 연결에 있고, 이러한 방식으로 각각의 개별적인 T-커넥터의 다른 암들은 다른 3 방향 밸브의 전환 측과 유체 연결에 있고 클러스터들의 제2 측들의 T-커넥터들의 각각의 암들은 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 전환 측과 유체 연결에 있고, 이러한 방식으로 각각의 개별적인 T-커넥터의 다른 암들은 다른 3 방향 밸브의 전환 측과 유체 연결에 있다.

제1 쌍의 3 방향 밸브들의 베이스 측들은 관통하는 열 전달 유체의 온도를 높이도록 구성된, 히터 또는 열 교환기와 유체 연결에 있을 수 있고 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 베이스 측들은 관통하는 열 전달 유체를 냉각하도록 구성된, 냉각기 또는 열 교환기와 유체 연결에 있을 수 있다.

제1 쌍의 3 방향 밸브들의 제1 3 방향 밸브의 베이스 측 및 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 제1 3 방향 밸브들은 열 교환기 또는 히터와 유체 연결에 있을 수 있고 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 제2 3 방향 밸브의 베이스 측 및 제2 쌍의 3 방향 밸브들의 제2 3 방향 밸브는 열 교환기 또는 냉각기와 유체 연결에 있을 수 있다.

본 발명은 흡착 물질을 포함하는 흡착 셀에 관한 것이고 흡착 물질은 축 방향 냉각제 채널이 제공된, 원통형 내부 벽 내에 배치되고 환형 열 전달 유체 채널은 내부 벽 및 외부 벽 사이에서 흡착 물질 주위에 동축으로 배치된다.

본 발명은 또한 전술된 것과 같이 흡착 셀들의 매트릭스를 포함하는 클러스터를 포함하고, 개별적인 흡착 셀들의 환형 열 전달 채널들은 열 전달 유체 매니폴드와 유체 연결에 있고 개별적인 흡착 셀들의 축 방향 냉각제 채널들은 냉각제 매니폴드와 유체 연결에 있다. 열 전달 매니폴드 및 냉각제 매니폴드는 길쭉한 흡착 셀들의 단부들에 배치된 실질적으로 플레이트 형상으로 된 분배 요소들 내에 배치될 수 있다.

클러스터 내의 분배 요소들은 세 개의 적층된 플레이트들을 포함할 수 있다: 흡착 셀들의 외부 벽을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들을 구비하는 제1 폐쇄 플레이트, 흡착 셀들의 내부 벽을 둘러싸고 거기에 연결된 개구들을 구비하는 중간 플레이트, 제2 폐쇄 플레이트, 열 전달 매니폴드는 중간 플레이트 및 제1 폐쇄 플레이트 사이에 배치되고 냉각제 매니폴드는 제2 폐쇄 플레이트 및 중간 플레이트 사이에 배치된다. 열 전달 매니폴드는 중간 플레이트 내에 에칭되거나 기계 가공될 수 있고 냉각제 매니폴드는 중간 또는 제2 폐쇄 플레이트 내에 에칭되거나 기계 가공될 수 있다.

플레이트들은 클러스터의 각각의 측에 함께 접착되거나, 용접되거나, 납땜되거나 볼트로 체결될 수 있다.

본 발명은 또한 가스 불꽃 같은 높은 칼로리의 열 공급원 또는 폐열 흐름 또는 태양 보일러 같은 상대적으로 낮은 칼로리의 열을 이용하는 것에 의해, 냉각 또는 가열하는 방법에 관한 것이고, 방법은 적절한 순서로 실행될 다음의 단계들을 포함한다: a) 전술된 것과 같은 흡착 압축기를 제공하는 단계, b) 클러스터의 흡착 셀들의 열 전달 유체 채널을 통해 층류로 히터로부터 나가는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터 내의 흡착 물질을 제1 모드로 가열하는 단계, 축방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제1 클러스터 내의 길쭉한 흡착 셀들을 따라 서서히 밀리게 되고, 흡착된 냉각제는 상대적으로 고압에서 제1 클러스터의 흡착 물질로부터 탈착되고, 응축기를 향해 체크 밸브를 통해 향하게 되고, 응축되고 팽창 밸브를 통해 향하게 되고 증발하기 위해 남겨지고 증발기 내에서 냉각 작동을 수행함, c) 클러스터의 흡착 셀들의 열 전달 유체 채널을 통해 층류로 냉각기로부터 나가는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터 내의 흡착 물질을 단계 B) 동안 제1 모드로 냉각하는 단계, 축방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제2 클러스터 내의 길쭉한 흡착 셀들의 길이를 따라 서서히 밀리게 되고, 냉각제는 상대적으로 저압에서 제2 클러스터의 흡착 물질에 의해 흡착되고, 그것은 체크 밸브를 통해 증발기로부터 생김, d) 미리 정해진 순간에, 제2 모드로 전환할 때, 클러스터의 흡착 셀들의 열 전달 유체 채널을 통해 층류로 냉각기로부터 나오는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터 내의 흡착 물질을 냉각하는 단계, 축방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동은 유지되고 제1 클러스터 내의 길쭉한 흡착 셀들의 길이를 따라 서서히 밀리고, 냉각제는 상대적으로 저압에서 제1 클러스터의 흡착 물질에 의해 흡착되고, 그것은 체크 밸브를 통해 증발기로부터 생김, e) 클러스터의 흡착 셀들의 열 전달 유체 채널을 통해 층류로 히터로부터 나오는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터 내의 흡착 물질을 제2 모드로 단계 d) 동안 가열하는 단계, 축방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 즉 열 파동은 유지되고 제2 클러스터 내의 길쭉한 흡착 셀들의 길이를 따라 서서히 밀리고, 흡착된 냉각제는 비교적 고압에서 제2 클러스터의 흡착 물질로부터 탈착되고, 응축기를 향해 체크 밸브를 통해 향해지고, 응축되고 팽창 밸브를 통해 향해지고 증발하기 위해 남겨지고 증발기 내에서 냉각 작동을 수행함, f) 제1 모드로 다시 전환하는 단계 및 단계 a-f를 반복하는 단계.

이 모드에서, 제1 및 제2 모드 그리고 반대의 경우도 마찬가지로 그 사이에서 전환하는 것은 일련의 3 방향 밸브들에 의해 수행될 수 있다. 흐름의 방향은 모드들 사이에서 매 전환마다 리턴될 수 있어, 클러스터 및 클러스터는 뜨겁고 차가운 측을 구비하고 상대적으로 가파른 온도 프로파일은 개별적인 클러스터들을 통해 앞뒤로 보내지고, 모드의 전환은 클러스터 단부에서 온도 프로파일의 도착에 의해 매번 트리거되며(triggered), 문제가 되는 클러스터가 실질적으로 완전히 가열되고 다른 클러스터는 실질적으로 냉각되거나 반대의 경우도 마찬가지가 되는 것을 나타낸다.

이 모드 내의 흐름의 방향은 클러스터들 내부에서 유지되어, 그 결과 증가하고 감소하는 온도의 가파른 온도 프로파일들 또는 열 파동들은 오직 한 방향으로 클러스터들을 통해 밀린다. 제1 모드 및 제2 모드 사이에서 그리고 제2 모드 및 제1 모드 사이에서, 매번 온도 평형 모드는, 오직 히터로 회로 내의 가열될 클러스터를 숏컷(shortcutting)하는 것에 의해 전환될 수 있으며 동시에 오직 냉각기로 회로 내의 냉각될 클러스터를 숏컷하는 것에 의해 전환될 수 있다. 클러스터들을 숏컷하여 전환하기 위한 트리거는 양쪽의 클러스터를 나가는 열 전달 유체 온도가 실질적으로 동일할 때 일 수 있다.

여기에서 설명된 방법은 다음의 등식을 따르는 사이클 시간을 구비할 수 있다:

t _cycle은 흡착 셀 또는 클러스터의 총 사이클 시간, 즉 흡착 및 탈착 모드를 위한 총 사이클 시간, Δh는 냉각 강도를 제공하는 냉각제 가스의 엔탈피 변화[J/g] 및 Δx_net는 그램 흡착 물질당 그램 가스로 표현되는, 하나의 흡착 및 탈착 사이클 내의 탄소 같은, 흡착 물질로부터 흡착 및 탈착된 가스의 순량이다.

이러한 열 펌프의 성능은 일반적으로 두 개의 변수들에 의해 표현되고, 첫째는 성능 계수(COP) 그리고 둘째는 특정 냉각 강도(SCP)이다. 성능 계수는 열 냉각 강도 P _cooling 및 열 입력 강도 P _in 사이의 비율이다.

(1)

특정 냉각 강도는 열 냉각 강도가 흡착제의 질량(m_adsorber)에 의해 나뉜 것이다.

(2)

본 발명에 따른 열 펌프에서, 사용된 흡착 물질은 예를 들어 물질을 포함하는 고체 비결정 탄소일 수 있고, 냉각제 또는 흡착 가스는 NH₃일 수 있다. 흡착 물질 및 흡착 가스의 이러한 구체적인 조합을 구비하여, 높은 SCP가 획득될 수 있으며, 상대적으로 소형이고 가벼운 압축기를 이끌 수 있다.

열 펌프의 추가적인 이점들은 상대적으로 높은 COP 및 상대적으로 높은 열역학적 효율, SCP 및 COP를 약화시키지 않는 상대적으로 높은 온도 유연성, 상대적으로 일정한 냉기(cold) 또는 열기(heat)의 생성, 빠른 개시, 일반적으로 분 범위 내의 정지 시간들 및 상대적으로 알맞은 가격이다.

본 발명의 추가적인 측면은 흡착 압축기를 위한 셀이며, 셀은 흡착 물질의 외부와 접촉하여 열 전달하는 적어도 하나의 분리된 열 전달 유체 채널을 포함하고, 열 전달 채널의 직경 또는 높이의 상대적인 치수들, 즉, 높이에 대한 열 전달 유체 채널의 특징적인 치수 또는 흡착 물질의 특징적인 치수 및 그것의 물질 특성값은 비오 수에 의해 좌우되며, 비오 수는 1보다 크거나 동일하다.

비오 수는 여기에서 흡착 물질 내의 열 저항 및 열 전달 유체 내의 열 저항의 비율을 나타내고, 등식 3에 나타내진 것과 같다.

흡착 물질의 열 저항은 기하학 및 물질 특성값들로부터 밝혀질 수 있으며, 열 전달 유체 내의 열 저항은 열 전달 유체 채널 내부에 주요한 흐름 상황(dominant flow regime)에 대한 관련된 넛셀 관계(Nusselt relation) 및 열 전달 유체 채널의 기하학 측면들로부터 밝혀질 수 있다. 요컨대 단일성(unity) 하에서 비오의 값이 더 낮아질수록, 흡착 물질의 열 전도율 및 주어진 특징적인 치수(예를 들어, 반경)에 대하여 원치 않은 보다 평평해진(분산된) 열 파동을 궁극적으로 이끌 흡착 물질 내부 대신에, 열 전달 유체 내에서 방사상 열 차이가 더 많이 발견된다. 따라서, 비오 수는 효율적인 작동을 위해 1보다 커야 한다. 흡착 물질을 포함하는 길쭉한 원형 튜브 주위에 동심의 열 전달 유체 쟈켓(jacket)에 대하여 관련된 비오 관계(Biot relation)는 다음과 같이 나타내질 수 있다.

(3)

이때 R_inside 및 R_surface는 각각 열 전달 유체 채널 및 흡착제들의 열 저항들이다. 비오 수를 증가시키고 흡착 물질의 주어진 유효한 열 전도율(λ_ads) 및 흡착 물질의 주어진 특징적인 치수(예를 들어 반경, r)에 대하여 열 파동을 가파르게 하기 위해, 일련의 설계 측면들은, 예를 들어 열 전달 유체 채널의 직경(d_HTF) 같은 특징적인 치수를 감소시키거나 열 전달 유체의 유효한 열 전도율(λ_HTF)을 증가시키도록 고려될 수 있다.

이러한 관계에서 넛셀 수는 층류에 대하여 대략 5이다. 난류는 바람직하게 압력 강하는 낮게 유지하게 위해 피해지며, 이러한 수는 바람직하게 변화되지 않는다.

열 전달 유체가 물일 때, λ_HTF는 대략 0.6 W/mK이고, 흡착 물질이 상업적으로 이용 가능한 비결정 탄소일 때 λ_ads는 대략 0.8 W/mK이고 흡착 물질의 특징적인 치수(예를 들어, 반경)가 0.5 cm로 선택될 때 열 전달 채널의 직경은 1 mm보다 작거나, 흡착 물질의 특징적인 치수(예를 들어, 반경)의 대략 1/5보다 작아야 한다.

결론적으로, 흡착 압축기의 적절한 효율적인 작동을 위해, 흡착 물질의 높이 또는 특징적인 치수(예를 들어, 반경) 및 열 전달 채널의 높이 또는 직경 사이의 치수적인 관계는 다음을 따르게 된다:

(4)

이것으로부터 그것은 열 전달 유체 채널이 작아야 한다는 것을 따른다. 한편으론, 열 전달 채널의 길이에 대한 증가된 유압 강하에 의한 효율 손실에 의해, 열 전달 유체 채널의 높이 또는 직경은 너무 작은 것으로 선택되지 않을 수 있다. 층류에 대하여 환형 길쭉한 채널에 대한 압력 강하 Δp는 다음에 의해 주어진다:

(5)

이때,

는 환형 채널을 통해 열 전달 유체의 질량 흐름이고, μ_HTF는 열 전달 유체의 동적 점성이고, r은 환형 채널의 내부 (등가) 반경이고 d_HTF은 환형 채널의 높이이다.

채널을 통한 질량 유량은 셀 내에 요구되는 열 강도(thermal power) P_in _, _HTF,냉각기에 대한 온도의 차이 ΔT 또는 히터를 들어가는 열 전달 유체의 온도 및 히터를 나가는 열 전달 유체의 온도 사이의 평균 온도 차이에 기초된 사이클 시간에 의해 좌우된다.

(6)

요구되는 열 강도는, 실제 열적 냉각 강도 P_cooling를 COP로 나눈 값으로 나타낼 수 있다.

(7)

이때 냉각 강도는 특정 냉각 강도를 실제 셀 내부의 흡착 물질의 질량으로 곱한 것이고, 등식 2를 보면, 흡착 물질의 부피를 밀도ρ_ads로 곱한 것으로 다시 쓰여질 수 있다.

(8)

등식 5와 등식 6-8을 결합하여, 압력 강하는 문제가 되는 열 전달 유체의 특정 특성값들 및 설계 변수들만으로 다시 표현될 수 있다.

(9)

압력 강하에서 너무 많은 효율을 잃지 않기 위해, 이것은 열 전달 유체가 물일 때 대략 1 bar보다 크지 않아야 한다. 열 오일들이 사용되는 경우, 약간의 bar 압력을 초과하지 않아야 한다.

본 발명의 추가적인 측면은 열 전달 유체 채널을 구비하는 열 전달 연결 내에 또는 그것에 의해 둘러싸인, 흡착 물질의 셀들의 클러스터들 또는 적어도 두 개의 셀들로 이루어지는 흡착 압축기이고, 클러스터들은 각각 그것들의 열 전달 유체 입구들 및 출구들에서 T-커넥터들을 포함하고, T-커넥터의 각각의 분기들(branches)은 밸브와 유체 연결에 있다.

셀들 또는 클러스터들에 밀접한 T-커넥터의 구체적인 배치에 의해, 열 전달 유체 도관들의 매우 제한적인 구역만이 차갑고 뜨거운 열 전달 유체 모두와 직면된다. 이러한 구역이 더 작을수록, 뜨겁고 차가운 유체 사이의 혼합 손실이 더 적게 발생하여, 이러한 혼합 손실이 최소화된다.

T-커넥터의 각각의 분기들은 밸브와 유체 연결에 있는 반면, T 커넥터의 스템은 문제가 되는 셀들의 클러스터 또는 셀의 열 전달 유체 채널과 유체 연결에 있다. 바람직하게 밸브들은 3 방향 밸브들이나, 2 방향 밸브들의 적절한 결합이 그 대신에 적용될 수 있다. 히터 및 냉각기는 그러한 배치 내에 3 방향 밸브들과 유체 연결에 있을 수 있으며, 열 전달 유체는, 3 방향 밸브들의 세팅(setting)에 따라, 네 개의 작동 모드들 주위에서 펌핑될 수 있다. 네 개의 모드들은 제1 모드를 포함하고, 이때 단일 루프는 히터, 제1 셀 또는 클러스터, 냉각기, 제2 셀을 통해 열 전달 유체에 배치되고 다시 히터 내에 뒤로 리턴한다. 제2 모드는 두 개의 분리된 숏컷 회로들을 포함하고, 그 중 하나는 열 전달 유체가 히터에서 제1 셀 또는 클러스터로 흐르고 다시 히터로 리턴하고, 하나는 열 전달 유체가 냉각기로부터 제2 셀 또는 클러스터로 흐르고 냉각기로 다시 뒤로 리턴한다. 제3 모드는 다시 하나의 루프 또는 회로를 포함하고, 이제 열 전달 유체는 히터로부터 제2 셀 또는 클러스터, 냉각기, 제1 셀 또는 클러스터 내에 흐르고 히터 내에 다시 돌아온다. 마지막으로 제4 모드는 다시 두 개의 분리된 루프들을 포함하고, 하나의 루프는 폐쇄된 루프로 제2 셀 또는 클러스터와 함께 히터를 연결하고 추가적인 루프는 제1 셀 또는 클러스터와 함께 냉각기를 연결한다.

본 발명의 추가적인 측면은 열 전달 유체 채널과 열 전달 연결 내에 있고 거기에 둘러싸인, 흡착 물질의 셀들의 적어도 두 개의 셀들 또는 클러스터들을 포함하는 흡착 압축기이고, 클러스터들은 각각 그것들의 열 전달 유체 입구들 및 출구들에서 교차-커넥터들을 포함하고, 각각의 셀들의 셀 또는 클러스터의 교차 커넥터들 각각의 제1 분기는 제1 또는 제2 3 방향 밸브와 함께 유체 연결에 있어, 셀들의 클러스터들 또는 양쪽의 셀들의 각각은 다른 3 방향 밸브와 유체 연결에 있고, 교차-커넥터들의 남아있는 두 개의 분기들은 각각 매니폴드에 유체 연결에 있다.

셀들 또는 클러스터들에 밀접한 교차-커넥터의 구체적인 배치에 의해, 열 전달 유체 도관들의 매우 제한된 구역만이 차갑고, 뜨겁고 그리고 순간적으로 따뜻한 열 전달 유체와 직면된다. 이러한 구역이 더 작아질수록, 뜨겁고 차가운 유체 사이의 혼합 손실들이 더 적게 발생하여, 이러한 혼합 손실은 최소화된다.

본 발명의 추가적인 측면은 전술된 것과 같이 두 개의 흡착 클러스터들을 포함하는, 흡착 압축기를 작동하는 방법이고, 뜨겁고 차가운 열 전달 유체는 열 전달 채널을 통해 펌핑되고 이러한 식으로 클러스터 또는 셀의 길이에 대하여 실질적으로 연속적으로 이동하는 열 파동이 발생된다.

본 발명의 추가적인 측면은 열 펌프이고, 냉각제 루프에서 버퍼 용기를 구비하는 분기(branch off)가 배치되고, 흡착 물질 및 온도 제어기가 제공된다. 그러한 시스템에서, 버퍼의 온도를 제어하는 것에 의해, 흡착된 냉각제의 양이 제어될 수 있으며, 냉각 작동들을 위해 이용 가능한 냉각제가 제어될 수 있다. 냉각제의 양을 줄이는 것에 의해, 응축 및/또는 증발 압력들은 개별적으로 응축기 및 증발기에서 제어될 수 있다. 이러한 압력은 증발기 및 응축기의 작동의 온도들에 관련된다.

그러므로 예를 들어, 냉각 온도를 조절하는 명확한 방법이 제공되어, 열 펌프의 온-오프 모드가 피해질 수 있으며, 예를 들어 보다 정확하고, 일정한 냉각 온도들이 제공될 수 있다. 온도가 제어된 흡착 버퍼가 여기에서 설명된 것과 같이 열 펌프들 내에서 실용적일 수 있으나, 현존하는 열 펌프들 내에서 실질적으로 사용될 수 있다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

본 발명을 보다 명확하게 하기 위해, 예시적인 실시예들이 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 흡착 셀의 개략적인 측단면도이다;
도 2는 도 1의 측면 단면도에서 절단부의 확대도(cut out detail)이다;
도 3은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 셀 클러스터(cell cluster)의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 스파이더 커넥터(spider connector)의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 3에 따른 클러스터의 개략적인 측면도이다;
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 매니폴드들 또는 커넥터 헤더들을 구비하는 흡착 셀들의 클러스터의 개략적인 사시도이다;
도 7은 제1 작동 모드 내에서 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압축기에서 열 전달 유체 흐름들의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 8은 제2 작동 모드 내에서 도 7의 플로우 다이어그램이다;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 흡착 압축기를 포함하는 열 펌프의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 10a-i는 본 발명의 추가적인 대안적인 실시예에서 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 11a-d는 본 발명의 추가적인 대안적인 실시예에서 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 12는 본 발명에 따른 두 개의 흡착 베드 클러스터들의 출구들에서 개략적인 온도 프로파일을 나타낸다;
도 13은 본 발명에 따른 COP 및 SCP 사이의 일반적인 관계를 나타낸다;
도 14는 본 발명에 따른 결합된 플롯(plot)으로 등식들 3 및 9를 표현하는 결합된 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 열 교환 채널의 대안적인 실시예의 단면도이다;
도 16은 본 발명에 따른 열 전달 유채 채널들 및 흡착 물질의 기하학(geometry)의 추가적인 대안적인 실시예의 단면도이다;
도 17은 본 발명에 따른 열 전달 유체 채널들 및 흡착 물질의 기하학의 추가적인 대안적인 실시예의 단면도이다;
도 18a은 본 발명에 따른 열 전달 유체 채널들 및 흡착 물질의 기하학의 추가적인 대안적인 실시예의 개략적인 사시도이다;
도 18b는 본 발명에 따른 흡착 물질의 실시예의 개략적인 사시도이다;
도 19는 본 발명에 따른 냉각 플로우 다이어그램의 대안적인 실시예를 개략적으로 나타낸다;
도 20은 본 발명에 따른 흡착 셀 클러스터의 대안적인 실시예의 개략적인 사시도이다;
도 21a는 도 20에 따른 클러스터의 개략적인 평면도이다;
도 21b는 도 20에 따른 클러스터의 개략적인 측면도이다;
도 21c는 도 20에 따른 클러스터의 개략적인 정면도이다;
도 21d는 도 20에 따른 클러스터의 라인 A-A을 관통한 개략적인 단면도이다;
도 21e는 도 21d에서 절단부의 개략적인 확대도이다;
도 21f는 도 21에서 절단부의 개략적인 확대도이다;
도 22a-c는 도 21f의 분배 요소의 개략적인 분해 사시도이다;
도 23a는 도 20에 따른 클러스터의 부분적으로 절단되어 개방된 개략적인 사시도이다;
도 23b는 도 23a의 개략적인 확대도이다;
도 24는 본 발명에 따른 흡착 셀 클러스터의 추가적인 대안적인 실시예이다;
도 25a는 도 24에 따른 클러스터의 개략적인 평면도이다;
도 25b는 도 24에 따른 클러스터의 개략적인 정면도이다;
도 25c는 도 25b에 따른 클러스터의 라인 A-A를 통한 개략적인 단면도이다;
도 25d는 도 25c에서 절단부의 개략적인 확대도이다;
도 26a-d는 도 24에 따른 클러스터의 분배 요소의 개략적인 분해 사시도이다;
도 27a는 도 24에 따른 클러스터의 부분적으로 절단되어 개방된 개략적인 사시도이다;
도 27b는 도 27a의 클러스터에서 절단부의 개략적인 확대도이다;
도 28은 본 발명에 따른 두 개의 흡착 베드 클러스터들의 출구들에서 개략적인 온도 프로파일을 나타낸다;
도 29a-29d는 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램을 도시하는 본 발명의 방법에 내재되는 원리들의 예시들이다;
도 30은 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 31A-B는 본 발명의 추가적인 대안적인 실시예에서 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 32a-d는 본 발명의 추가적인 대안적인 실시예에서 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 33a-d는 본 발명의 추가적인 대안적인 실시예에서 열 전달 유체 흐름의 개략적인 공정 플로우 다이어그램이다;
도 34는 본 발명에 따른 열 전달 유체 채널들 및 흡착 물질의 기하학의 추가적인 대안적인 실시예의 단면도이다;
도 35는 본 발명에 다른 흡착 물질의 실시예의 개략적인 사시도이다;
도 36은 본 발명에 따른 두 개의 흡착 베드 클러스터들의 입구들 및 출구들에서 측정된 온도 프로파일을 나타낸다.

여기에서 사용되는 “효과적인 열 전도율(effective thermal conductivity)”이라는 표현은 주요한 열 전달 방향 내에서의 열 전도율[W/mK]로 이해될 수 있으나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다. 예를 들어, 흡착제들에서, 이것은 동축으로 배치된 튜브 설계 내에서, 방사상 방향으로 전도율이다. 이러한 열 전도율은 도 18에 제안된 것과 같이 열 전도 팔레트들(heat conducting platelets)에 의해 향상될 수 있다.

열 전달 유체에서, 동축 튜브 설계와 유사하게, 이것은 방사상 방향으로 열 전도율이다. 주름 잡힌(corrugated) 전도 물질이 열 전달 유체 채널 내부에 위치된 때, 주요한 열 전달 방향은 접선 방향, 즉 주름 잡힌 플레이트의 꼬불꼬불한 흐름들(meanders)에 대하여 실질적으로 수직할 것이다.

여기에서 사용되는 “특징적인 치수(characteristic dimension)”는 주요한 열 전달의 방향으로 취해진 유체 전달 채널의 또는 흡착 물질의 두께 또는 (등가) 반경, 직경, 폭, 상대 높이로 이해될 수 있으나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다. 예를 들어, 동축 튜브 설계에서, 흡착 물질의 특징적인 치수는 그것의 (등가) 반경이고, 열 교환 채널의 특징적인 치수는 그것의 폭 또는 높이이다. 적층된 플레이트 설계의 경우에, 흡착제들의 플레이트들은 열 교환 유체 채널들 사이에 끼워지고, 특징적인 치수는 흡착제들 물질의 높이의 절반이며, 열 교환은 흡착제 물질 층의 양 표면들에 실질적으로 대칭적으로 발생한다. 이것이 또한 열 전달 유체 채널에 대하여 적용되는 경우에, 특징적인 치수는 열 전달 유체 채널의 높이의 절반이다.

또 다시 도 15에 도시된 것과 같이, 주름 잡힌 전도 요소가 적용된, 열 전달 유체 채널에서, 특징적인 치수는 주름 잡힌 전도 요소의 두 개의 연속적인 꼬불꼬불한 흐름들 사이의 폭의 절반이다.

여기에서 사용되는“특정 냉각 강도(Specific cooling power)”라는 표현은 흡착 압축기의 질량에 의해 나눠지는 열 냉각 강도[W/kg]로 이해될 수 있으나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다.

여기에서 사용되는“γ”양은 흡착 물질의 밀도에 의해 나뉘는 흡착 물질에 대한 주요한 열 전달의 방향 내에서 열 파동 내부에 최대 온도 차이를 반영하는 설계 변수로 이해될 수 있으나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다. “γ”양은 이하에서 등식 10에서 나타내진 것과 같이 정의된다.

여기에서 사용되는 “3 방향 밸브의 베이스 측(base side of a three way valve)”이라는 표현은 어느 쪽의 유체 연결이 베이스 측 및 두 개의 전환(switching) 측들의 위 사이에 획득되도록, 밸브를 전환하는 것에 의해, 3 방향 밸브의 제1 또는 제2 전환 측 중의 어느 하나에 연결될 수 있는, 3 방향 밸브의 연결 측으로 이해될 수 있으나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다. 이 명세서 및 청구항들에서 사용되는 길쭉한(elongated) 이라는 표현은 예를 들어 제1 치수에서 측정값 또는 크기가 다른 두 치수들에서의 측정값 또는 크기보다 훨씬 큰, 하나의 치수의 물리적인 본질(physical entity)의 특성값으로 이해되나, 그것에 국한되는 것으로 고려되지 않는다. 일반적으로 다른 두 개로부터 적어도 하나의 요인 2에 의해 벗어나는 적어도 하나의 치수는 예를 들어 길쭉한 것으로 인식될 수 있다.

도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시하고 어떠한 방법 또는 형태로 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 상세한 설명 및 도면들 전반적으로 동일하거나 대응하는 참조 부호들은 동일하거나 대응하는 요소들에 대하여 사용된다.

도 1에서 본 발명에 따른 흡착 셀(adsorption cell)의 개략적인 측단면도가 도시된다. 도 2에서 보다 상세히 보여질 수 있는, 흡착 셀에서, 제1 열 전달 유체 커넥터(first heat transfer fluid connector; 2) 및 제2 열 전달 유체 커넥터(second heat transfer fluid connector; 3)는 캡들(caps; 5)에 의해 환형 열 전달 유체 채널(annular heat transfer fluid channel; 2a)과 함께 유체 연결(fluid connection) 내에 있다. 캡(5)에는 원통형 벽(cylindrical wall; 11) 상에 캡을 연결하기 위해 스커트(skirt; 7) 및 열 전달 유체 연결 도관(heat transfer fluid connection conduit)에 대한 연결을 위해 제1 커넥터(6)가 제공된다. 원통형 벽(11)은 흡착의 외부 쉘 및 열 전달 유체 채널(2a)의 외부 쉘을 형성한다. 관형 외부 쉘(tubular outer shell; 11)에서, 내부 쉘(12)은 동축으로 배치된다. 내부 쉘은 열 전달 채널(2a)의 내부 관형 벽을 형성한다. 내부 관형 벽(12) 내부에 고체 흡착 물질의 베드(10)가 배치된다. 내부 관형 벽(12)은 증기 커넥터(vapor connector; 4)가 제공되는 캡들(8)에 의해 유지된다. 환형 열 교환 채널(2a)은 작은 치수들로 선택되며, 외부 및 내부 관형 벽 사이의 캡 공간은 1mm 또는 그보다 적은 범위 내에 있다. 고체 흡착 물질을 구비하는 내부 벽(12)의 내부 직경은 2cm보다 적게, 예를 들어, 대략 1.5cm보다 적게 되도록 선택될 수 있다. 흡착 물질 내부에서, 증기 통로 채널(vapor passage channel)이 배치될 수 있다. 이 채널은 개별적으로, 외부 및 내부 관형 벽들(11 및 12)과 함께 동축으로 배치될 수 있다.

내부 벽(12)을 정확하게 위치시키기 위해, 환형 채널(2a)에는 스페이서들(spacers)이 제공될 수 있다. 스페이서들은 예를 들어, 외부 관형 쉘(11) 내에 잘 정의된 자국들(impressions)에 의해 획득될 수 있으며, 그것은 내부 관형 벽을 제 위치에 유지하는 스터드들(studs)을 형성할 수 있다.

도 4는 도 1 및 2에 도시되고 설명된 것과 같이 흡착 셀들의 클러스터를 도시한다. 도 3의 실시예에서, 8개의 셀들이 클러스터 내에 배치되고, 열 전달 유체 커넥터들은 분배 커넥터(distribution connector; 15)에 연결되며, 그것은 대칭적인 다리들을 구비하는 스파이더(spider) 형상의 커넥터일 수 있으며, 그것의 턴 상에서 T-커넥터(16)에 연결된다. 증기 도관들(4)은 일측에서 흡착 셀들(1)의 내부 원통형 벽(12) 내부의 흡착 물질에 연결되고 타측에서 열 펌프의 응축기 또는 증발기 중의 어느 하나에 한 세트의 체크 밸브들을 통해 증기 도관들(4)을 연결하는, 증기 도관 커넥터들(vapor conduit connectors; 17)에 연결된다.

도 4는 스파이더 형상의 분배 커넥터(13)의 확대도이다.

도 5는 도 3에 따른 흡착 셀 클러스터의 개략적인 측면도이다. 도 5에서 길쭉한 흡착 셀들의 길쭉한 클러스터의 양 단부들 상에서 열 전달 커넥터들이 T-히터 연결(T-heater connection; 16)에 스파이더 커넥터(15)에 의해 각각의 흡착 셀들의 환형 열 전달 채널들을 연결하도록 배치되는 것을 볼 수 있다. 타단에서 증기 도관들은 이 실시예에서 길쭉한 셀 클러스터의 측들 중 하나에만 연결된다. 증기 도관들은 그 대신에 또한 길쭉한 흡착 셀들의 양 단부들에 위치될 수 있으며, 이는 상대적으로 뜨겁거나 상대적으로 차가운 측 중의 어느 하나를 따라 증기 유입 또는 배출이 안내되게 하는 데 바람직할 수 있다.

도 6은 개략적인 사시도로 두 개의 흡착 셀 클러스터들의 배치를 나타낸다. 제1 흡착 셀 클러스터(first adsorption cell cluster; 26a)는 열 전달 T-커넥터(16a)에 의해 열 전달 입구 매니폴드(또는 헤더(header))(heat transfer inlet manifold; 20) 및 열 전달 출구 매니폴드(heat transfer outlet manifold; 21)에 연결된다. 증기 매니폴드들(18a 및 18b)은 각각 커넥터들(23 및 22)을 통해 증기 매니폴드(25)에 연결된다. 도관들(23 및 22) 모두는 증기 매니폴드(25)에 이러한 도관들을 연결하는, T-커넥터(24)에 연결된다.

도 7에서, 개략적인 공정 플로우 다이어그램(process flow diagram)에는 제1 작동 모드에서 흡착 셀 클러스터들(26a, 26b, 26c 및 26d)을 통한 열 전달 유체 순환이 도시된다. 본 발명을 보다 명확하게 하기 위해, 증기 흐름 도관들은 배제된다. 그러나, 각각의 흡수 베드들(26a, 26b, 26c 및 26d)은 증기 도관들에 의해 그리고 한 세트의 체크 밸브들을 통해, 응축기, 압력 해제 밸브 및 증발기에 연결된다. 그러한 배치는 열 펌프들 및 냉장고들에서 보여질 수 있다(추가적인 상세사항을 위해 도 9를 보기 바란다).

도 7에서, 히터 또는 열 교환기(heater or heat exchanger; 32)는 재가열된(reheated) 흡착 클러스터들(26A 및 26B) 각각의 뜨거운 측들(39A 및 39B)로부터 또는 재가열된 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D) 각각의 뜨거운 측들(39C 및 39D)로부터, 그것의 개별적인 냉각 모드들 동안 생기는, 상대적으로 뜨거운 열 전달 유체를 히터 또는 열 교환기(32)에 공급하는 출구 도관(34)에 배치된다. 히터 또는 열 교환기(32)는 그것들의 개별적인 가열 모드 동안 각각의 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)의 뜨거운 측(39C 및 39D) 또는 각각의 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)의 뜨거운 측(39A 및 39B) 중의 어느 하나에 재가열된 열 전달 유체를 안내하기 위해 입구 도관(36)에 추가적으로 연결된다.

히터 또는 열 교환기(32)는 예를 들어 태양-열 시스템으로부터 생기는, 보통의 보조적인 열 교환 유체에 의해 공급된 열 교환기 또는 가스를 연료로 하는 히터일 수 있다. 도 7에서, 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)은 냉각 모드(cooling down)에 있는 반면, 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)은 가열 모드(heating up)에 있다. 히터 또는 열 교환기(32)를 나가는 뜨거운 열 전달 유체는 3-방향 밸브(27)에 의해 입구 매니폴드(20c)를 통해 흡착 셀 클러스터들(26c 및 26d)에 안내된다. 이 모드 동안, 흡착 물질은 이 모드의 시작에서 뜨거운 단부들(39C 및 39D)에 근접한 꽤 가파른 온도 프로파일 또는 프론트(front)를 구비하여, 구체적인 방식으로 가열된다. 흡착 셀 클러스터들의 뜨거운 단부에서 뜨거운 열 전달 유체의 유입(influx) 동안, 온도 프로파일 또는 프론트는, 또한 US-A-4　610　148에서 열 파동과 같이 언급된 것과 같이, 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)의 차가운 측들(40C 및 40D)에 각각 도달할 때까지 개별적인 셀들을 통해 통과된다.

흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)의 열 전달 채널들(2A) 내에 뜨거운 열 전달 유체의 유입 동안, 꽤 가파른 온도 프로파일에 의해, 상대적으로 차가운 열 전달 유체는 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)의 차가운 측들(40C 및 40D)을 나간다. 상대적으로 차가운 열 전달 유체는 출구 매니폴드(21A)를 통해, 3 방향 밸브(29)를 통해 그리고 출구 도관(38)을 통해 냉각기 또는 열 교환기(31)에 보내진다.

흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)로부터 발생하는 열 전달 유체는 상대적으로 차가우나, 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26C)을 다시-냉각시키기 위해 추가적으로 냉각될 필요가 있다.

3 방향 밸브들(27-30)과 결합하여 열 전달 유체 T-커넥터들(16)의 적용에 의해, 오직 매우 제한된 양의 열이 열 전달 유체의 차갑고 따뜻한 부분들을 혼합하는 것에 의해 손실된다. 매번, T-커넥터들(16)의 하나의 암(arm) 및 거기에 연결된 매니폴드들은 기능이 전환되나, 다른 암 및 거기에 연결된 관련된 매니폴드들은 막힌(dead) 단부 도관에 연결되어 사용되지 않는다(idle). 그러므로 모드 1에서, 도 7에 따라, 출구 매니폴드들(21B 및 21C)은 흐름이 막히고, 게다가 입구 매니폴드들(20A 및 20D)로 마찬가지이다. 그러므로, 모드 2에서, 도 8에 의해 나타내진 바와 같이, 출구 매니폴드들(21A 및 21D)은 흐름이 막히고, 게다가 입구 매니폴드들(20C 및 20B)도 마찬가지이다. 3 방향 밸브들(27-30) 및 T-커넥터들(16)을 포함하는 매니폴드들(20A-D 및 21A-C), 모든 도관들(33-36)은 적절하게 열적 고립되고, 열 손실은 최소로 감소된다.

열 프로파일 또는 프론트가 차가운 측들(40C 및 40D)에 도달할 때, 열 감지기(미도시)가 제어기(미도시)에 신호를 제공할 것이며, 이것은 네 개의 3 방향 밸브들(27,28,29 및 30)이 전환하게 할 수 있다. 3 방향 밸브들(27-30)을 전환하는 것에 의해, 시스템은 즉각적으로 제2 모드로 전환한다.

제2 모드에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 흡착 셀 클러스터들(26C 및 26D)은 냉각 모드에 있는 반면, 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)은 가열 모드에 있다. 히터 또는 열 교환기(32)를 나가는 뜨거운 열 전달 유체는 3-방향 밸브(27)에 의해 입구 매니폴드(20D)를 통해 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)에 안내된다. 이러한 모드 동안, 흡착 물질은 이 모드의 시작에서 뜨거운 단부들(39A 및 39B)에 근접한 꽤 가파른 온도 프로파일 또는 프론트를 구비하여, 흡착 셀 클러스터들이 제1 모드에 있는 것과 동일한 방식으로 가열된다. 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)의 뜨거운 단부에서 뜨거운 열 전달 유체의 유입 동안, 온도 프로파일 또는 프론트는, 또한 US-A-4　610　148에서 온도 파동으로 언급되는 것과 같이, 각각 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)의 차가운 측들(40A 및 40B)에 도달할 때까지 개별적인 셀들을 통해 통과된다.

흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)의 열 전달 채널들(12A) 내에 뜨거운 열 전달 유체의 유입 동안, 꽤 가파른 온도 프로파일에 의해, 상대적으로 차가운 열 전달 유체는 흡착 셀 클러스터들(26A 및 26B)의 차가운 측들(40A 및 40B)을 나간다. 온도 프로파일 또는 프론트가 차가운 측들(40A 및 40B)에 도달할 때, 열 감지기(미도시)는 제어기(미도시)에 신호를 제공할 수 있으며, 이것은 네 개의 3 방향 밸브들(27,28,29 및 30)이 전환되게 할 수 있다. 3 방향 밸브들(27-30)을 전환하는 것에 의해, 시스템은 순간적으로 제1 모드로 다시 전환하여, 사이클이 새로이 시작할 수 있다.

열 교환기 또는 냉각기(31)는 흡착 베드들을 냉각시키기 위해 사용되는 열 전달 유체의 부분을 냉각한다. 흡착 베드들(26c 및 26d)의 입구 내에서 뜨거운 열 전달 유체는 클러스터들(26c 및 26d) 내부에서 개별적인 흡착 셀들의 환형 벽들을 통해 안내될 것이고 개별적인 흡착 셀들의 내부 벽(11) 안에 흡착 물질을 점차 가열할 것이다. 클러스터들의 뜨거운 측들의 T-커넥터들의 각각의 암들은, 각각의 개별적인 T-커넥터의 다른 암들이 다른 3 방향 밸브의 전환 측과 유체 연결에 있는 것과 동일한 방식으로, 제1 쌍의 3 방향 밸브들의 전환 측과 유체 연결에 있다.

흡착 물질을 가열하는 것에 의해, 흡착된 증기는 흡착 물질로부터 점차 해제될 것이다. 개별적인 흡착 셀들의 길이방향에서 뜨거운 열 전달 유체의 프론트는 출구 매니폴드(21a)를 향해 개별적인 셀들 내부에 환형 열 전달 채널들을 통해 차가운 열 전달 유체를 느리게 배출할 것이다. 이러한 출구 매니폴드는 냉각기/열 교환기(31)를 향해 열 전달 유체 3-방향 연결 밸브(29)에 연결된다.

도 9에서 흡착 셀들 또는 클러스터들의 튜브 측 및 흡착된 냉각제 플로우 다이어그램의 개략적인 표현이 도시된다. 흡착 셀들(26A-D)의 클러스터들의 튜브 측들은 매니폴드들(25A 및 25B)을 통해 그리고 한 세트의 체크 밸브들(41A, 41B 및 42A, 42B)을 통해 응축기(46) 및 증발기(49)에 연결된다. 응축기(46)는 도관(47) 및 팽창 밸브(48)를 통해 증발기(49)에 연결된다.

흡착 셀들(26A 및 26B)의 클러스터들의 가열 동안, 냉각제 가스는 흡착 물질의 밖으로 내보내지는 상대적으로 고압에 있고 응축기(46)를 향해 체크 밸브(41A 및 41B)에 의해 안내될 것이다. 응축기(46)에서, 열은 액체로 응축되도록 고압 가스로부터 제거된다. 응축기를 나갈 때, 액화 가스는 팽창 밸브(46) 위에 고정되고(chocked), 가스의 온도 및 압력은 상당히 떨어진다. 저압에서, 압축된 가스는 증발기(49) 내에서 끓기 시작할 것이고, 가스를 다시-증발시키기 위해 그것의 주위로부터 열을 수집할 것이다. 증발기(49)를 나가는 저압 냉각제 가스는 체크 밸브들(42A 및 42B)을 통해, 가스를 수집하고 흡착하는, 냉각 모드에 있는 흡착제에 안내될 것이다.

도시되지 않았으나, 시스템의 효율을 보다 향상시키기 위해, 카운터 플로우(counter flow) 열 교환기가 도관들(45 및 50) 내에 포함될 수 있다. 그러므로 도관(45) 내의 상대적으로 따뜻한 냉각제는 응축기(46) 내에서 응축되기 전에 도관(50)으로부터의 상대적으로 차가운 냉각제에 의해 냉각될 수 있다.

도 7, 8 및 9의 플로우 다이어그램들은 많은 상대적은 낮은 칼로리의 열 공급원에 의해 결합된 설치를 구비하여, 상대적으로 높은 열 냉각 작용이 일련의 밸브들 및 체크 밸브들 이외의 기계 장비 없이 실질적으로 수행될 수 있도록, 실제는 결합된다.

대안적인 실시예에서, 클러스터들(26A-D) 또는 셀들(1)의 길이를 따라 보여지는 온도 프로파일이 (축방향 분산에 의해) 상대적으로 평평해질 때, 흐름을 전환하기 위해 트리거(trigger)는, 냉각으로 전환 또는 가열로 전환 중의 어느 하나로 흡착제 셀들의 효과적인 작용을 위해 곧 발생할 수 있다. 그러므로 성능 계수는 경제적 서비스(economical service)보다 매우 낮을 수 있다. 열 전달 유체의 열의 이용을 최대화하기 위해, 사이클들의 차갑고 따뜻한 부분들 모두에 숏컷들(shortcuts)이 통합될 수 있다. 냉각될 클러스터들(26A, 26B 또는 26C and 26D)은 냉각기(31)에 연결될 수 있고 가열될 클러스터들(26C 및 26D 또는 26A 및 26B)은 열 교환기 또는 히터(32)에 연결될 수 있다. 그러므로 실질적으로 네 개의 작동 모드들이 가능하다. 이는 두 가지 방식으로 수행될 수 있으며, 첫째는 클러스터들(26A-D) 또는 셀들(1)의 쉘 측들 내에 흐름 방향들을 유지하는 것에 의한 것이고 두 번째는 냉각에서 가열로 그리고 반대의 경우도 마찬가지로 전환할 때 흐름의 방향을 전환하는 것에 의한 것이다.

도 10a-d에서 클러스터들(26A-D) 내에 흐름의 방향에 변화가 없는, 숏컷들을 구비하는 제1 대안이 나타내진다. 유사한 흐름 체계는 도 10e- 10i에서 도시되며, 개별적인 요소들의 배치만이 다르고, 흐름 라인들은 도 10a-d에서와 동일하다. 도 10a에서 사이클의 제1 모드가 나타내지고, 열 전달 유체는 히터(32)로부터 3 방향 밸브(53)를 통해 클러스터(26A)에 펌프되고(pumped), 흡착 물질은 가열된다. 클러스터들(26A)을 나가는 열 전달 유체는, 클러스터(26)를 통해 열 파동의 이동 동안 여전히 상대적으로 차갑고 3 방향 밸브(55)를 통해 냉각기(31)에 안내된다. 여기에서 상대적으로 차가운 열 전달 유체는 추가적으로 냉각된다. 냉각된 열 전달 유체는 3 방향 밸브(56)를 통해 냉각 모드에 있는, 클러스터(26C)에 안내되고, 그것의 튜브들 내부에서 흡착 물질 내의 가스를 흡착한다. 클러스터(26C)를 나가는 열 전달 유체는 여전히 상대적으로 뜨겁고 3 방향 밸브(54)를 통해 히터(32)에 안내된다.

그러므로 클러스터(26A)는 가열되면, 뜨거운 열 파동 프론트는 위로 이동하고, 클러스터(26C)는 냉각되면, 차가운 열 파동 프론트는 아래로 이동한다.

상대적으로 평평해진 (분산된) 열 파동이 나갈 때, 특정한 이동에서 사이클은 도 10b에 나타내진, 제1 숏컷 모드로 전환된다. 전환하는 최적의 시점은 이하에서 도 12를 참조하여 설명된다. 전환 동안, 3 방향 밸브들(54 및 55)이 전환되어, 히터(32) 및 클러스터(26A)는 제1 분리된 사이클 내에 있고 냉각기(31) 및 클러스터(26C)는 제2 분리된 사이클 내에 있게 된다. 그러므로 열 전달 흐름의 출구 흐름(stream)은 이제 냉각기(31) 대신에 가열기(32)로 다시 안내되는 동안, 클러스터(26A)는 여전히 추가적으로 가열된다. 반면 출구 흐름이 히터(32) 대신에 냉각기(31)에 리턴되는 동안, 클러스터(26C)는 여전히 냉각된다.

그때 열 파동은 완전히 나아가게 되고 클러스터(26C)의 추가적인 냉각뿐만 아니라 클러스터(26A)의 추가적인 가열 또한 불가능하다.

그때 냉각된 클러스터(26C)가 재-가열되고, 가열된 클러스터(26A)가 재-냉각되도록, 사이클은 반대로 될 것이다. 이는 도 10c에 나타내진 바와 같이, 제3 작동 모드에 전환하는 것에 의해 수행될 수 있다.

이 도면에서, 클러스터(26A)는 이제 냉각되고, 클러스터(26C)는 이제 가열된다. 일단 상대적으로 평평해진 (분산된) 열 파동들이 클러스터(26A 및 26C) 내에서 나가면, 사이클은 도 10d에 나타내진 바와 같이, 제2 숏컷 모드로 전환된다. 도면에서, 히터(32) 및 클러스터(26B)는 제3 폐쇄된 사이클을 형성하는 반면, 냉각기(31) 및 클러스터(26A)는 제4 폐쇄된 사이클을 형성한다. 완전한 열 파동들이 양쪽의 클러스터들(26A 및 26C)을 나갈 때, 시스템은 제1 작동 모드로 다시 전환된다.

도 10a-10d에서, 양쪽의 뜨겁고 차가운 열 파동들은 모두 클러스터들(26A 및 26C)을 통해 한 방향으로 이동하는 반면, 도 7 및 8의 실시예에서, 열 파동은 클러스터들(26A-D)의 앞뒤로 보내진다. 따라서 도 10a-d에서 클러스터들(26A 및 26C)은 뜨겁고 차가운 측을 더 이상 구비하지 않는다.

실제로 또한 클러스터들 내부에서 앞뒤로 열 파동들을 보내는 것이 가능한 반면, 여전히 평평해진 (분산된) 열 파동들에 의해 효율 손실을 극복하고 있다. 도 11a-11d에서 그러한 작동을 위한 개략적인 공정 플로우 다이어그램이 나타내진다. 이러한 다이어그램들에서 클러스터들은 각각의 단부에 T 커넥터들 대신에 교차 커넥터들(cross connectors)이 제공된다.

제1 모드에서, 도 11a에 의해 나타내진 바와 같이 클러스터(26E)는 가열되고, 클러스터(26F)는 냉각된다. 클러스터(26E)에서, 열 전달 유체는 위로 흐르고, 클러스터(26F)에서, 열 전달 유체는 아래로 흐른다. 일단 열 파동들이 나아가면, 작동은 제2 모드로 전환된다. 제1 모드에서 나아가는 열 파동들은 사실 클러스터(26E)의 차가운 측(40E)에 도달하는 뜨거운 프론트 및 동시적으로 클러스터(26F)의 뜨거운 단부(39F)에 도달하는 차가운 프론트이다. 도 7 및 8에 나타내진 것과 같은 실시예에서, 이때 클러스터들 내부의 흐름은 반대로 될 수 있다. 그러나 열 파동이 보다 평평해질 수 있으므로 (분산될 수 있으므로), 성능을 얻기 위해, 제2 모드에서, 클러스터(26E)는 추가적으로 가열되고 클러스터(26F)는 추가적으로 냉각되나, 나가는 흐름은 반대로 된다. 이 모드에서, 도 11B에 도시된 바와 같이, 클러스터(26E)의 나가는 흐름은 냉각기(31B) 대신에 히터(32B)에 이끌어지고 한편 클러스터(26F)의 나가는 흐름은 히터(32B) 대신에 냉각기(31B)에 안내된다.

열 파동 테일들(tails)이 나갈(break through) 때, 양쪽의 클러스터들(26E 및 26F) 내의 흐름의 방향은 역으로 된다. 도 11c에 나타내진, 이 모드에서, 클러스터(26F)는 가열되는 반면, 클러스터(26E)는 냉각된다. 클러스터(26E) 내의 흐름 방향은 아래로 향해지고 클러스터(26F) 내의 흐름 방향은 위로 향해진다. 일단 제3 모드에서 열 파동이 클러스터들(26E 및 26F) 내에서 나아가기 시작하면, 시스템은 도 11d에 나타내진 바와 같이, 제4 모드로 전환된다. 이 모드에서, 클러스터(26E) 및 냉각기(31B)는 제1 사이클 내에 결합되고, 클러스터(26F) 및 히터(32B)는 하나의 사이클 내에 결합된다.

열 파동들의 테일들이 나갈 때, 시스템은 제1 작동 모드로 다시 전환된다.

밸브들 및 매니폴드들의 배치는 오직 도관들의 작은 부분을 구비하도록 설계되고, 뜨겁고 차가운 열 전달 유체는 통과할 필요가 있다. 그러므로 본 발명에 따른 시스템들의 실시예들 내에서, 단일의 밸브는 뜨겁고 차가운 열 전달 유체 흐름들과 직면하는 것은 아니다. 그러므로 효율 손실은 최소화될 수 있다.

사이클의 제1 모드에서 제2 숏컷 모드로 전환하기 위한 옳은 시점의 결정은 시스템의 COP 또는 총 효율을 최대화하는 것에 따른다.

입증된 모델링으로부터 실제로 열 파동들은 도 12에 나타내진 바와 같이, 꽤 평평한 (분산된) 것으로 보인다. 이 도면에서, 도 10a-d에서 보여지고 전술된 바와 같이, 클러스터들(26A 및 26C)의 유출(outflow) 온도들은 열 파동이 이러한 클러스터들을 통하는 시간에 관하여 도시된다. 이러한 출구 온도들은 이론적으로 다른 클러스터를 가열하거나 냉각하는 데 사용될 수 있는 열 전달 유체의 온도들이다. 다른 클러스터를 들어가기 전에, 열 전달 유체의 온도들은 냉각기(31) 및 히터(32) 내의 원래 레벨들로 다시 보내진다. 이러한 온도들이 원래 온도로부터 벗어날수록 더 많은 온도가 차이가 극복될 필요가 있고 더 많은 노력이 소비될 필요가 있다. 이상적인 상황에서 열 파동은 매우 가파르고 온도 편차는 상대적으로 작으며 제1 모드 동안 실질적으로 일정하다.

도 12에서 실선은 클러스터(26A)의 출구에서의 온도를 나타낸다. 클러스터(26A)는 시간 0에서 뜨겁고 냉각 모드에 있고 클러스터(26C)는 차갑고 가열 모드에 있다. 클러스터(26A)의 온도들은 몇몇 시간 간격들에 대하여 설명된다:

0 - 100s. 밖으로 흐르는 유체의 온도의 선형 감소가 있다. 상대적으로 차가운 열 전달 유체가 안에 흐르므로, 클러스터(26A)의 제1 부분은 급격히 냉각된다. 상당한 흡착이 흡착 베드의 부분에 발생하여 전체 베드는 감압된다. 이러한 압력 감소에 의해, 흡착 베드의 따뜻한 부분은 탈착되기 시작할 것이다. 탈착(desorption)의 열이 요구되고, 이는 베드의 온도를 낮춘다. 셀은 열 교환기와 같이 제작되므로, 클러스터(26A)를 통과하고 나가는 열 유체 또한 냉각될 것이다.

100 - 550s. 클러스터(26A)는 낮은 압력에 있고, 가스는 클러스터(26A)의 흡착 물질 측 안으로 흐르고 흡착된다. 유출(out-flow) 온도는 잠시 동안 얼마간‘플래토(plateau)’에 실질적으로 일정하게 남아 있으나, 그런 다음 점차 250 s에서 떨어진다. 실제로 도 12에서의 결과들은 열 구배들이 예를 들어 US-A-4　610　148에 설명되고 예상되는 것만큼 가파르지 않다는 것을 나타낸다.

550 - 1200s. 클러스터(26A) 밖으로 흐르는 열 전달 유체의 온도는 클러스터(26C) 밖으로 흐르는 열 전달 유체의 그것보다 여전히 낮다.

550s에서, 클러스터(26C) 밖으로 흐르는 열 전달 유체의 온도는 클러스터(26A) 밖으로 흐르는 열 전달 유체의 그것보다 더 높아진다. 그 지점에서, 시스템은 도 10b에 나타내진 바와 같이, 제1 모드로부터 제2 숏컷 모드로 전환되어야 한다.

바로 그 때에, 클러스터(26A)를 나가는 열 전달 유체를 가열하고 클러스터(26C)를 추가적으로 가열하기 위해 그것을 사용하는 것은 덜 효과적이다. 열 전달 유체를 냉각시키고 클러스터(26A)를 추가적으로 냉각시키기 위해 동일한 클러스터(26A) 내에서 그것을 재사용하는 것이 보다 효과적이다.

전환 모드의 모든 작동들에서, 도 7-11에 나타내진 것과 같이, 분리된 셀들 또는 분리된 클러스터들의 흡착 측들 내의 압력이 흡착에서 탈착으로 그리고 반대의 경우도 마찬가지로 전환하는 것 사이에 평형화될 때 추가적인 효율 이득이 획득될 수 있다. 그러한 선택은 도 9에서 점선들로 나타내진 숏컷 밸브(short cut valve; 63B)를 구비하는 추가적인 숏컷 라인(short cut line; 62B)을 요구한다.

도 1, 2 및 10a-d에서 도시된 바와 같이, 동축의 쉘 및 튜브 설계 내의 입증된 수 시뮬레이션들로부터, COP 및 SCP 사이의 관계가 획득될 수 있고, 그것은 도 13에 도시된 그래프로 나타내진다. 도면에서 가로 좌표(abscises) 상에 결합된 변수(γ)는 세로 좌표 상에 COP에 대하여 나타내진다. 결합된 변수(γ)는 다음과 같이 정의된다.

(10)

이때 λ-_ads는 흡착 물질의 열 전도율이고 r는 길쭉한 튜브 내 흡착 물질의 (등가) 직경이다. 도면으로부터 γ의 높은 값에서, COP는 0.4의 값에 이르고, 이는 배치(batch) 가열 및 냉각을 구비하는 압축기를 나타내며, 열 파동은 존재하지 않는다는 것이 밝혀질 수 있다. SCP는 손실될 수 있을지라도, 작은 (등가) 직경을 구비하여 상대적으로 높은 COP에 도달될 수 있다는 것이 추가적으로 밝혀질 수 있다.

COP 및 SCP는 기술적인 사양들 및 상업적인 이유들에 의해 지시된, 일반적으로 요구되는 양들이다. 일단 이것들이 주어지고 구체적인 흡착 물질이 선택되면, 도면으로부터, 흡착 물질의 (등가) 직경이 밝혀질 수 있다.

이 도면의 결과들은 다음을 암시한다:

- 증가하는 γ를 구비하는 COP의 감소는 열이 흡착 물질의 안 또는 밖을 흐르는 열 파동의 위치에서 확대된 방사상 구배들(radial gradients)의 발생에 의해 유발된다. 이러한 방사상 구배들은 열 파동의 가파름을 감소시키는 것으로 믿어지고, 사실 상 열 파동은 흡착 셀(1)의 길쭉한 방향 안팎으로 약간 스며들게 되고, 출구 온도가 뜨거운 셀 내에서 더 일찍 감소되고 차가운 셀 내에서 더 일찍 증가하게 한다.

- 확대된 방사상 구배들은 다음의 방식으로 결합된 변수(γ) 내에서 세 개의 변수들(SCP, r 및 λ)에 의해 영향을 받는다:

- SCP에 비례하여 SCP는 셀의 전력 입력(power input)에 직접적으로 관련되므로, 논리적으로 방사상 구배들은 전력 입력에 직접적으로 관련된다.

- 흡착 물질의 (등가) 반경의 제곱에 비례하여, 입력 전력은 SCP 상수를 유지하기 위해 셀 내부의 흡착 물질의 질량과 함께 증가하여야 하고, 셀의 질량은 r의 제곱에 비례한다.

- 흡착 물질의 방사상 열 전도율에 역비례하여, 전도성 열 수송(conductive heat transport)이 높아질수록 열 구배들은 낮아진다.

COP는 셀들이 길쭉하게 남아 있는 한, 셀의 길이에 실질적으로 관련되지 않으며, 적어도 10의 직경보다 큰 길이가 타당한 것으로 보인다. 실제적으로 말해서, COP에서의 차이는 1m의 20셀들 또는 0.5m의 40셀들 중 어느 하나를 취하는 것에 의해 획득되지 않는다. 양쪽의 상황들에서 SCP는 일정하게 유지된다. 그러나, 셀들의 길이는 등식 9로부터 밝혀질 수 있는 바와 같이, 열 전체 유체 채널 내의 점성 압력 강하에 의해 전력 손실들에 상당한 영향을 미친다.

따라서 최대 COP는 최소 SCP에서 얻어지고, 이는 공지된 모순(trade off)이다. 보다 흥미로운 것은 흡착 물질의 열 전도율이 높다는 것이고, 덜 공지된 것은 흡착 물질의 (등가) 반경을 감소시키는 것이 보다 중요하다는 것이다. 이 등식 10에서 흡착 물질의 (등가) 반경을 최소화하는 것이 γ에 대한 가장 높은 영향을 가지는 것으로 보인다.

그러나 흡착 물질의 더 작은 (등가) 반경은 더 많은 수의 셀들을 초래한다. 셀들의 수는 다음의 등식으로 계산될 수 있다.

(11)

이러한 (등가) 반경 및 등식 4와 함께 열 전달 유체 채널의 최대 직경이 결정될 수 있다. 거기에 더불어, 등식 9로부터, 최대 압력 강하가 밝혀질 수 있다. 압력 강하 및 비오 수(Biot number)는 도 14에 도시된 바와 같이, 열 전달 유체 채널의 두께에 대하여 도시될 수 있다.

도면에서 압력 강하는 우측 세로 좌표에서 평가되고 비오 수는 좌측 세로 좌표에서 평가되며, 환형 열 전달 유체 채널의 직경은 가로 좌표에서 평가된다. 라인 L1은 계산된 압력 강하를 나타내고, 라인 L2는 계산된 비오 수를 나타낸다. 이 도면으로부터, 한편으론 유압 강하에 의해 전력 손실이 너무 높지 않고 다른 한편으론 비오 수가 너무 낮지 않게 직경이 주어지든지 간에 밝혀질 수 있다.

이 도면은 열 전달 유체로서 물, 흡착 가스 또는 냉각제로서 NH₃,흡착제들로서 비결정 탄소의 결합에 대하여, 동축 튜브 설계에서, 작동 윈도우(working window)가 제공되는 것을 도시한다. 이 윈도우는 열 전달 유체 채널의 직경이 대략 0.1 및 0.4mm 사이에 있게 한다.

열 오일들(thermal oils)이 열 전달 유체로서 사용되는 경우, 상대적으로 낮은 열 전도율에 의해, 비오는 대단히 좁은 열 전달 유체 채널을 요구하고, 허용 불가능한 압력 강하를 이끈다. 작동 범위를 여전히 제공하기 위해, 방사상 열 전도체들이 열 전달 채널 내부에 삽입될 수 있다.

열 전달 유체의 열 전도율은 대략 0.1 및 10 W/Mk 사이에서 선택될 수 있으며, 수은 같은, 가능한 유체들에 대하여, 열 전도율은 대략 7-10 W/Km이고, 물은 대략 0.3-1.0 W/Km이다. 열 오일들은 0.1-0.6 W/Km의 열 전도율을 구비할 수 있다. 따라서 작동 가능한 범위들은 0.1 및 10 W/Km 사이에 있을 수 있으나, 대부분은 0.1 및 1 W/Km 사이에 놓일 수 있다.

사이클 시간에 대하여 다음의 등식이 주어진다.

(12)

t_cycle은 수착(sorption) 셀 또는 클러스터의 총 사이클 시간, 즉 흡착 및 탈착 모드에 대한 총 사이클 시간이고, Δh는 (암모니아에 대하여 일반적으로 1.2 MJ/kg) 냉각 강도를 제공하는 냉각제 가스의 엔탈피 변화[J/g] 이고 Δx_net는 하나의 흡착 및 탈착 사이클에서 탄소로부터 흡착 및 탈착된 가스의 순량(net amount)이고, 그램 흡착 물질당 그램 가스로 표현된다(일반적으로 그램 탄소 당 0.15 그램 암모니아).

도 15에서, 방사상 전도체들의 예시가 나타내진다. 도면에서 주름 잡힌 얇은 금속 시트(61)가 흡착 물질(10)의 내부 벽(12) 주위에 부착된다.

도 16에서 흡착 물질(10), 내부 벽(12) 및 외부 벽(11)의 추가적인 대안적인 기하학이 제시된다. 이 실시예에서, 흡착 물질을 포함하는 일련의 튜브들은 외부 벽(11)에 의해 쟈켓된다(jacketed). 분리된 인접한 튜브들 사이에서, 외부 벽은 함께 용접되거나 납땜될 수 있다. 이러한 배치의 이점은 더 큰 용량의 냉각기들 또는 열 펌프들이 흡착 물질의 상당한 양을 필요로 하고, 많은 채널들이 연결되고 한 단계에서 생산될 때보다 빨리 제조될 수 있다는 것이다.

그 대신에, 도 17에서 도시된 바와 같이, 또한 사실상의 3차원 구조들로 마련될 수 있으며, 열 전달 유체 채널들이 흡착 물질에 의해 사실상 둘러싸인다. “거짓 흐름들(false flows)”이 흡착 압축기의 효율을 빨리 손상시킬 수 있으므로, 길쭉한 방향 또는 단면 방향 중 어느 쪽도 아닌, 클러스터 내부에서 열 전달 유체 채널의 직경이 실질적으로 변화하지 않을지라도, 3차원 구조의 부정형들(infinitive shapes)이 가능할 수 있다. 실제로 이러한 기하학들에서 흡착 물질의 치수들 및 열 전달 유체 채널들의 상대적인 치수들은 그것의 기하학적 등가(geometrical equivalent) 또는 등식 4를 여전히 준수할 것이다.

흡착 물질의 방사상 전도율을 개선하기 위하여, 예를 들어 방사상 전도체들이 흡착 물질 내에 삽입될 수 있다. 예를 들어 열 전도성 박판(heat conductive lamellae; 62A)은, 도 18a에 도시된 것과 같이, 일반적으로 원통형 형상인, 예를 들어 필들(pills)의 형태인, 개별적인 흡착 유닛들(68B) 사이에, 흡착 물질(10) 내부에 배치될 수 있다. 다른 해결책들은 비결정 탄소 내부에 열 전도성 탄소 섬유들을 포함하는 것이다. 이러한 탄소 섬유들은 버키 튜브들(bucky tubes)과 같이 탄소 나노섬유들을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 그것의 흡착 셀 또는 클러스터는 열 전도성 물질로부터 컵(cup)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 필에 의해 형성된 전도성 박판(62A) 및 유닛들(68B)을 포함하고, 컵은 필을 포함한다. 밀접하게 꼭 맞는 컵들은 바람직하게 셀 및 컵들 사이에 열 팽창 부조화(mismatch)의 효과를 최소화하기 위해, 일반적으로 스테인리스 스틸인, 셀 벽과 동일한 물질로 마련될 수 있다. (알루미늄 또는 그래파이트 같은) 높은-전도성 물질의 분리된 얇은 시트가 흡착 필들 안으로 셀 벽으로부터 우수한 열 전달을 보증하기 위해 컵의 바닥의 하나 또는 양 측들 상에 추가될 수 있다. 이 실시예는 도 35에 개략적으로 도시된다.

또한 알루미늄 같은, 전도성 물질이 완전히 컵(111)에 제공될 수 있다.

컵은 냉각제를 위한 채널로서 쓸모가 있는 하나 이상의 개구들(70)을 포함할 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 적용될 수 있는 대안적인 흡착 물질들은 활성화된 탄소들, 제올라이트들, 실리카 겔들 및 금속 유기 골격 구조들이다. 그 대신에 적용될 수 있는 냉각제들은 카본 다이옥시드, 하이드로플로로카본(R-134a 냉각제 같은 HFC?), 하이드로클로로플루오로카본(R-123 냉각제 같은 HCFC's), 물, 메탄올, 에탄올, 에탄, 프로판, 이소부텐, 이소펜탄, 프로필렌, 포름알데히드 및 비닐 플루오르화물이다. 다른 적합한 냉각제들은 또한 본 발명의 범위 내부에 적용될 수 있다.

도 18b에서 개별적인 흡착 필들(68B)이 흡착 물질의 삼투율을 향상시키기 위하여 방사상 마이크로 채널들(radial micro channels; 69)이 제공된다. 흡착 물질의 삼투율이 낮아지는 경우, 이러한 채널들은 냉각제 가스 또는 증기의 방사상 수송이 흡착 압축기의 효율에서 제한 인자가 되는 것을 방지할 수 있다. 마이크로 채널들은 냉각제 채널(70)로부터 그리고 냉각제 채널(70)로 냉각제의 수송을 지지할 수 있다.

흡착 필들(68B)의 제조 동안, 방사상 마이크로 채널들(69)의 형상은 이미 흡착 필 프레스 주형 내에 존재할 수 있어, 흡착 필들의 기계 가공이 이후에 수행될 필요가 없다. 그 대신에, 이러한 마이크로 채널들(69)은 흡착 물질 안으로 에칭되거나(etched) 기계로 만들어질 수 있다. 이러한 마이크로 채널들(69)은 개별적인 필들(68B)의 단부들에 향하는 하나 또는 양쪽에서 적용될 수 있다.

도 19에서 흡착 물질(10)을 포함하는 버퍼 용기(buffer container)는 도 9의 냉각제 루프(refrigerant loop) 내에 포함된다. 루프 내에서 냉각제의 양은 버퍼 용기(63A)의 온도를 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 이 온도에서 제어기(65)는 미리 정해진 값으로 온도를 유지하기 위해 밸브(68A)를 규제할 수 있다. 루프 내부에 냉각제의 양을 조절하는 것에 의해, 응축기(46) 및 증발기(49) 내의 압력이 변화될 수 있으며, 끓음 및 응축 온도를 변화시킬 수 있다. 그러므로 이러한 온도들을 설정하는 명확한 방법이 획득될 수 있다. 팽창 밸브(48)를 조절하는 것은 또한 증발기(49) 및 응축기(46) 모두에서 상대적인 압력들 및 온도들을 조절하기 위해 수행될 수 있다.

도 20-23b에서 대안적인 흡착 셀 클러스터()가 도시된다. 이 흡착 셀 클러스터(26)에서 10 x 10 평행 흡착 셀들(1)의 매트릭스가 두 개의 분배 요소들(71 및 72) 사이에 배치된다. 분배 요소들(71 및 72)은 한 세트의 세 개의 플레이트들(75, 76 및 77)을 포함한다.

제1 플레이트, 냉각제 도관 플레이트(75)는 예를 들어 도 9 또는 19에서 나타내진 것과 같이 냉각제 루프에 이끄는 냉각제 도관(22, 25)에 냉각제 매니폴드(78)를 연결하기 위해 냉각제 가스 개구(refrigerant gas opening; 73)를 포함한다. 냉각제 매니폴드(78)는 냉각제 도관 플레이트(75)의 물질로부터 에칭되거나 기계 가공된다. 냉각제 매니폴드(78)는 10개의 냉각제 서브 매니폴드들(refrigerant sub manifolds; 79)과 함께 유체 연결에 있다. 서브 매니폴드들(78)은 분리 리브들(separation ribs; 81)에 의해 서로로부터 분리된다. 서브 매니폴드들(78)에서 냉각제 안내 스터브들(refrigerant guiding stubs)이 흡착 셀들(1)의 내부 튜브(12)의 안팍으로 냉각제를 안내하도록 배치된다.

매니폴드(78) 및 서브 매니폴드들(79)은 열 전달 도관 플레이트(76)의 하부 측에 의해 폐쇄된다. 열 전달 도관 플레이트(76)의 상부 측은 열 전달 유체 매니폴드(82)를 포함하고, 그것은 열 전달 유체 개구(74)를 통해 열 전달 유체 T-커넥터(16)에 연결될 수 있다. 매니폴드(82)는 10개의 열 전달 유체 서브 커넥터들(83)과 함께 유체 연결에 있다. 이러한 서브 매니폴드들(83)은 개별적인 흡착 셀들(1)의 환형 열 전달 유체 채널들(2A)과 함께 유체 연결에 있다.

매니폴드(82) 및 서브 매니폴들(83)는 폐쇄 플레이트(77)에 의해 폐쇄된다. 폐쇄 플레이트(77)는 폐쇄 플레이트(77)에 외부 원통형 벽(11)을 연결하기 위해 개구들을 포함한다.

플레이트들(75, 76 및 77)은 접착(gluing), 납땜(soldering) 및 용접에 의해 서로 연결될 수 있다. 개별적인 흡착 셀들의 외부(11) 및 내부(12) 원통형 벽들은 유사하게 개별적으로 플레이트들(77 및 76)에 용접되고, 접착되고 및/또는 납땜될 수 있다.

도 23b의 개략적인 절단도에서, 세 개의 플레이트들의 배치가 보다 상세히 도시된다. 도면에서, 개별적인 흡착 셀들(1)의 외부 원통형 벽들(11)은 폐쇄 플레이트(77) 내의 개구들에 연결된다. 외부 원통형 벽들(11)의 단부들은 폐쇄 플레이트(77)의 내부 면과 실질적으로 평평하게 된다. 내부 원통형 벽들(12)은 더 연장하고 열 전달 유체 도관 플레이트(76)의 연결 개구들(85A) 내에 연결된다. 그러므로 유체 연결은 환형 열 전달 유체 채널(2A) 및 열 전달 유체 서브 매니폴드들(83) 사이에 획득될 수 있다.

개별적인 흡착 셀들의 내부 원통형 벽(12)의 단부들은 열 전달 도관 플레이트(76)와 연결된다. 내부 원통형 벽들(12)의 단부들은 열 전달 유체 도관 플레이트의 상부 면과 실질적으로 평평하게 된다. 그러므로 유체 연결은 흡착 물질(10)과 냉각제 서브 매니폴드들(79) 사이에 획득될 수 있다.

도 24에서, 클러스터들의 분배 요소들의 대안적인 배치가 도시된다. 분리된 플레이트들(91, 93, 94) 및 개스킷(92)은 한 세트의 볼트들(90)에 의해 함께 유지된다. 이 배치에서, 폐쇄 플레이트(91)에는 일련의 강화 리브들(reinforcement ribs; 89) 및 강화 링들(reinforcement rings; 95)이 제공된다. 리브들(89) 및 링들(95)은 폐쇄 플레이트(91)에 구조적 일체성을 제공하고 냉각제 가스의 압력들을 견디기 위해 그것에 강도를 준다. 폐쇄 플레이트의 강화 링들(95), 개스킷(92) 내의 볼트 구멍들(97), 두 개의 도관들 플레이트(93) 내의 볼트 구멍들(103) 및 폐쇄 플레이트(94) 내의 볼트 구멍들(104)을 통해 볼트들은 위치될 수 있다.

한 쌍의 도관 플레이트(93)에는 그것의 상부 측에 냉각제 매니폴드(100)가 제공되고 그것의 하부 측에 열 전달 유체 매니폴드(106)가 제공된다. 이러한 매니폴드들(100 및 106)은 한 쌍의 도관들 플레이트(93)의 물질로부터 기계 가공되거나 그 대신에 그 물질로 에칭될 수 있다. 냉각제 매니폴드(100)에서, 대략 10 바까지, 상당한 압력이 존재할 수 있다. 시스템 및 매니폴드 내부에 냉각제를 포함하기 위해, 개스킷은 폐쇄 플레이트(91) 및 한 쌍의 도관들 플레이트(93) 사이에 위치될 수 있다.

도 26a-d에 도시된 실시예에서, 냉각제 및 열 전달 유체 모두에 대하여 단일의 매니폴드가 도시되었으나, 그 대신에 또한 하나의 매니폴드 및 분리된 서브 매니폴드들을 구비하는 배치가 적용될 수 있으며, 이는 도 22a-c에 도시된 실시예들에서 수행된다.

그 대신에 제2 개스킷은 열 전달 유체를 포함하기 위해, 폐쇄 플레이트(94) 및 한 쌍의 도관들 매니폴드 사이에 적용될 수 있다.

도 27a 및 27b에서, 도 24에 따른 클러스터의 절단부가 개방된 확대도(detailed cut open view)가 도시된다. 이 배치에서 개별적인 흡착 셀들의 열 전달 유체 채널들(2A)은 열 전달 유체 매니폴드(106)과 함께 유체 연결에 있고, 흡착 물질(10)은 냉각제 헤더(refrigerant header; 100)와 함께 유체 연결에 있다.

냉각제 헤더(100)는 도 9 또는 19에 나타내진 것과 같이 냉각제 루프와 유체 연결에 있을 수 있는 냉각제 도관(86)에 연결된다. 열 전달 헤더(106)는 T-커넥터(88)의 스템(stem)에 연결된, 열 전달 도관(87)과 함께 유체 연결에 있다.

그러므로 클러스터들(26)은 클러스터들(26A-D)을 대체하여, 도 7-9, 10a-i에 도시된 것과 같이 개략적인 플로우 다이어그램들에 통합될 수 있다.

클러스터(26)는 도 11a-d에 따른 공정 플로우 다이어그램 내에 유사하게 통합될 수 있으나, 그러한 경우에, T-커넥터들(88)은 안에 끼우기 위해 교차 커넥터들로 교체될 필요가 있다. 하나의 클러스터 내부에 동시에 이동하는 열 파동들을 제공하기 위해, 주요한 흐름 저항이 열 전달 채널들(2A) 내부에 남아 있어야 한다. 이는 열 전달 유체 매니폴드들(82, 106)이 그것들의 흐름 저항이 하나의 클러스터 내부에 모든 셀들의 모든 열 전달 유체 채널들(2A)의 총 흐름 저항보다 적어도 작은 크기의 수가 되도록 설계될 필요가 있다는 것을 의미한다.

클러스터들의 냉각제 연결들은 전술된 것과 같이 두 측들에서 또는 하나에서 있을 수 있다.

열 전달 유체 도관들 내의 T-커넥터들은 클러스터의 각각의 단부에 매니폴드들(82, 106)의 두 개의 열 전달 출구들에 의해 교체될 수 있다.

플레이트들(75-77, 91-95)은 함께 접착되고, 용접되고, 납땜되고 및/또는 그것의 조합으로 될 수 있다. 원통형 벽들은 플레이트들 상에 또는 내에 나사로 고정되고, 접착되고, 수축하여 끼워지고, 용접될 수 있다.

흡착 셀들(1)의 매트릭스가 정사각형의 매트릭스로 나타내지나, 대안적인 배치들은 벌집 유형의 배치와 유사할 수 있다.

본 발명은 특히 폐열이 이용 가능할 때, 자동차 적용들, 특히 트럭들 같은, 공기 청정기들로부터; 냉장고들 및 다른 적용들까지 미치는, 다양한 분야들에서 적용될 수 있다.

예시

실험적인 구성(set-up)은 열 파동 작동에 적합한 설명된 흡착 압축기 베드와 결합하여, 열 파동의 작동의 본 발명의 방법으로부터 야기되는 성능 개선들을 확인하도록 마련된다. 구성은 다음의 시스템 구성요소들을 포함한다:

두 개의 흡착 압축기 베드들, 각각은 도 6b에 도시된 것과 같이 8개의 흡착 셀들의 두 개의 클러스터들로 구성된다.

도 10f - 10i에 따라 전환될 수 있고, 도 10에 도시된 것과 같이 연결된, 히터, 냉각기 및 네 개의 3-방향 밸브들을 구비하는 HTF 시스템.

도 9에 도시된 것과 같이 체크 밸브들, 응축기, 증발기 및 흐름 저항을 포함하는 냉각제 루프.

3-방향 밸브들을 조절하고, 관련된 온도들, 압력들, 흐름들 및 전력들을 측정하기에 적합한 제어 시스템.

실험적인 구성을 구비하여 열 파동의 작동의 청구된 방법이 명확하게 나타내지고, 예측된 열 펌프 작동이 입증되고, 높은 SCP와 결합하여 개선된 COP를 초래한다. 도 36은 시간의 요소로서 두 개의 흡착 베드들의 최종적인 입구(112, 114) 및 출구(113, 115) 온도들의 일반적인 측정값을 나타낸다. 도시된 축 X는 이 사이클 내에서 두 개의 층들 사이에 재생된 열의 양에 비례한다. 특별한 측정값에서 온도 차이는 사이클의 끝에 남아 있고, 이것은 이러한 실험적인 구성 내에서 압축기 베드들의 안 좋은 열적 고립의 결과라는 것에 주목하기 바란다.

본 발명은 명세서에서 설명되고 도면들에서 도시된 예시적인 실시예들에 한정되지 않는 것으로 이해된다. 다양한 변경들은, 청구항들에 기술된 본 발명의 구성, 사상 및 범위의 부분인 변형들로 고려된다.

1: 흡착 셀
2A: 환형 열 전달 유체 채널
2: 열 전달 유체 커넥터
3: 열 전달 유체 커넥터
4: 증기 커넥터
5: 캡
6: 도관 커넥터
7: 스커트
8: 내부 캡
9: 내부 캡 연결 부분
10: 흡착 물질
11: 외부 원통형 벽
12: 내부 원통형 벽
13: 분배 커넥터
14: 연결 개구
15: 헤더 커넥터
16: 열 전달 유체 T-커넥터
17: 증기 도관 커넥터
18: 증기 헤더 매니폴드
19: 증기 헤더 커넥터
20: 열 전달 유체 입구 헤더
20a-d: 열 전달 유체 입구 매니폴드들
21a-d: 열 전달 유체 출구 매니폴드들
21: 열 전달 유체 출구 헤더
22: 증기 도관
23: 증기 도관
24: 증기 매니폴드 T-커넥터
25: 증기 매니폴드
26a-d: 흡착 셀 클러스터
27: 뜨거운 열 전달 유체 3-방향 입구 밸브
28: 뜨거운 열 전달 유체 3-방향 출구 밸브
29: 차가운 열 전달 유체 3-방향 출구
30: 차가운 열 전달 유체 3-방향 입구 밸브
31: 냉각기/열 교환기
32: 히터/열 교환기
33: 차가운 열 전달 유체 입구 도관
34: 뜨거운 열 전달 유체 출구 도관
35: 차가운 열 전달 유체 출구 도관
36: 뜨거운 열 전달 유체 입구 도관
37: 펌프
38: 펌프
39A-F: 뜨거운 측들
40A-F: 차가운 측들
41A-B: 체크 밸브들
42A-B: 체크 밸브들
43: 고압 가스 도관
44: 고압 가스 도관
45: 고압 가스 매니폴드
46: 응축기
47: 팽창 도관
48: 팽창 밸브
49: 증발기
50: 저압 가스 매니폴드
51: 저압 가스 도관
52: 저압 가스 도관
53: 3 방향 밸브
54: 3 방향 밸브
55: 3 방향 밸브
56: 3 방향 밸브
57: 3 방향 밸브
58: 3 방향 밸브
59; 매니폴드
60: 매니폴드
61: 주름 잡힌 시트
62A: 박판
62B: 평형 도관
63A: 버퍼 용기
63B: 평형 밸브
64: 히터
65: 온도 제어기
66: 버퍼 도관
67: 밸브
68A: 제어 밸브
68B: 흡착 필
69: 방사상 마이크로 채널
70: 냉각제 가스 채널
71: 분배 요소
72: 분배 요소
73: 냉각제 가스 개구
74: 열 전달 유체 개구
75: 냉각제 도관 플레이트
76: 열 전달 도관 플레이트
77: 폐쇄 플레이트
78: 냉각제 매니폴드
79: 냉각제 서브 매니폴드
80: 흡착 물질 유지 스터브
81: 분리 리브
82: 열 전달 유체 매니폴드
83: 열 전달 유체 서브 매니폴드
84: 분리 리브
85A: 내부 튜브 연결 개구
85B: 분배 요소
86: 냉각제 도관
87: 열 전달 유체 도관
88: T-커넥터
89: 강화 리브
90: 볼트
91: 폐쇄 플레이트
92: 개스킷
93: 한 쌍의 도관들 플레이트
94: 폐쇄 플레이트
95: 강화 링
96: 볼트 구멍
97: 볼트 구멍
98: 리브
99: 가장자리
100: 냉각제 매니폴드
101; 스페이서 링
102: 내부 튜브 연결 개구
103: 볼트 구멍
104: 볼트 구멍
105: 외부 튜브 연결 개구
106: 열 전달 유체 매니폴드
L1: 라인, 비오 수를 나타냄
L2: 라인, 압력 강하를 나타냄
P1-P4: 펌프들
107A-H: 2-방향 밸브
108A-B: 4-방향 밸브
109: 열 전달 유체 채널
110A-B: 주름 잡힌 플레이트
111: 컵
112: 베드 1 입구 온도
113: 베드 1 출구 온도
114: 베드 2 입구 온도
115: 베드 2 출구 온도

Claims

열 파동으로 작동되는 흡착 압축기에 적합한 흡착 셀에 있어서,
길쭉한 고체 흡착 물질; 및
상기 고체 흡착 물질의 외부 표면과 직접적으로 열 전달 접촉하는 길쭉한 열 전달 유체(HTF) 채널;
을 포함하고,
상기 흡착 물질의 특징적인 치수 r(예를 들어, 반경) 및 길이 L는 L/r>10, 더 바람직하게 15보다 크게, 가장 바람직하게 20보다 크게 되도록 선택되는, 열 파동으로 작동되는 흡착 압축기에 적합한 흡착 셀.
제1항에 있어서,
상기 특징적인 치수 r은 1cm보다 작고, 바람직하게 0.5cm보다 작고, 가장 바람직하게 0.4cm보다 작은 흡착 셀.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 HTF 채널의 특징적인 치수 d _HTF 는 1mm보다 작고, 바람직하게 0.75mm보다 작고, 더 바람직하게 0.5mm보다 작은 흡착 셀.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡착 물질은 원통형이고 상기 HTF 채널은 상기 흡착 물질 주위에서 환형인 흡착 셀.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 흡착 물질은 두 개 이상의 고체 흡착 구획들을 포함하는 흡착 셀.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 전달 유체 채널(2A)에는 방사상 전도체(61), 특히 주름 잡힌 플레이트가 제공되는 흡착 셀.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 흡착 셀들의 매트릭스를 포함하고, 개별적인 흡착 셀들의 HTF 채널들은 양쪽의 말단부 상에서 HTF 매니폴드(13)와 유체 연결에 있고 상기 개별적인 흡착 셀들의 냉각제 채널들은 하나 또는 양쪽의 말단부 상에서 냉각제 매니폴드(18)와 유체 연결에 있는 클러스터.
제7항에 있어서,
상기 HTF 매니폴드(82, 106) 및 냉각제 매니폴드(78, 100)는 상기 길쭉한 흡착 셀들(1)의 단부들에 배치된 실질적으로 플레이트 형상의 분배 요소들(71, 72) 내에 배치되는 클러스터(26, 26A-F).
제8항에 있어서,
상기 분배 요소들은 세 개의 적층된 플레이트들을 포함하고,
상기 세 개의 적층된 플레이트들은,
흡착 셀들(1)의 외부 벽(11)을 둘러싸고 상기 외부 벽(11)에 연결되는 개구들(105)을 구비하는 제1 폐쇄 플레이트(77, 94),
상기 흡착 셀들(1)의 내부 벽(12)을 둘러싸고 상기 내부 벽(12)에 연결되는 개구들(85A, 102)을 구비하는 중간 플레이트(76, 93), 및
제2 폐쇄 플레이트(75, 91),
를 포함하고,
상기 열 전달 매니폴드(82, 83, 106)는 상기 제1 폐쇄 플레이트(77, 94) 및 상기 중간 플레이트(76, 93) 사이에 배치되고,
상기 냉각제 매니폴드(78, 79, 100)는 상기 중간 플레이트(76, 93) 및 상기 제2 폐쇄 플레이트(75, 91) 사이에 배치되는 클러스터(26, 26A-F).
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 열 전달 매니폴드(82, 83, 106)는 상기 중간 플레이트(76, 93) 및/또는 상기 제1 폐쇄 플레이트(77, 94) 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나, 엠보싱되고; 및/또는
상기 냉각제 매니폴드(78, 79, 100)는 상기 중간 플레이트(76, 93) 및/또는 상기 제2 폐쇄 플레이트(75, 91) 내에 기계 가공되거나, 에칭되거나, 프레스되거나, 엠보싱되고; 및/또는
상기 클러스터의 각각의 측에서 상기 플레이트들(75-77, 91-94)은 함께 접합되거나, 용접되거나, 납땜되거나 볼트로 체결되는 클러스터(26, 26A-F).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 길쭉한 고체 흡착 물질은 열 전도성 박판(62A)에 의해 서로로부터 분리되는, 두 개 이상의 유닛들(68B)을 포함하는 라미네이트를 포함하는 셀 또는 클러스터.
제11항에 있어서,
각각의 상기 유닛들(68B) 및 전도성 박판(62A)은 열 전도성 물질로부터 컵에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 필에 의해 형성되는 셀 또는 클러스터.
제12항에 있어서,
하나 이상의 방사상 채널들(69)이 상기 유닛(68B) 내에 존재하는 셀 또는 클러스터.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 냉각제 채널(70)이 상기 두 개 이상의 유닛들 내에 제공되고, 바람직하게 상기 유닛들의 외주부에서, 축 방향으로 나아가는 셀 또는 클러스터.
제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
HTF 채널들은 스페이서들에 의해 분리되는 두 개의 주름 잡힌 플레이트들(110A,110B)을 적층하는 것에 의해 형성되고, 상기 두 개의 플레이트들 사이에서 상기 HTF는 흐를 수 있고, 주름 잡힌 플레이트들의 두 개의 상기 적층들은 그것들의 돌출된 리브들의 길이의 적어도 부분을 따라 서로에게 연결되어, 상기 길쭉한 흡착 물질을 위한 공간을 형성하는 클러스터.
예를 들어, 가스 화염 같은 높은 칼로리의 열 공급원 또는 폐열 증기 또는 태양열 보일러 같은 비교적 낮은 칼로리의 열을 이용하는 것에 의해 냉각 또는 가열하는 방법에 있어서,
제1항 내지 제15항에 따른 흡착 셀 또는 클러스터의 이용을 포함하고,
상기 방법은,
a) 제15항에 따른 흡착 압축기를 제공하는 단계;
b) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제1 클러스터(26A) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26A)의 상기 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 히터(32)로부터 나가는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터(26A) 내의 상기 흡착 물질(10)을 제1 모드로 가열하는 단계, 상기 흡착된 냉각제는 비교적 높은 압력에서 상기 제1 클러스터(26A)의 흡착 물질(10)로부터 탈착되고, 체크 밸브(41A)를 통해 응축기(46)를 향해 나아가게 되고, 응축되고 팽창 밸브(48)를 통해 나아가게 되고 증발된 채로 남아 있고 증발기(49) 내에서 냉각 작용을 수행함,
c) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제2 클러스터(26C) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26C)의 상기 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)를 통해 층류로 냉각기(31)로부터 나가는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터(26C) 내의 흡착 물질(10)을 제1 모드로 단계 b) 동안 냉각하는 단계, 냉각제는 비교적 낮은 압력에서 제2 클러스터(26C)의 흡착 물질에 의해 흡착되고, 체크 밸브(42A)를 통해 증발기(4)에서 일어남;
d) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 증가하는 열 프로파일, 즉 열 파동이 유지되고 제1 클러스터(26A) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26A)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 냉각기(31)로부터 나오는 차가운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제1 클러스터(26A) 내의 흡착 물질(10)을 냉각하는, 제2 모드로, 미리 정해진 때에 전환하는 단계, 냉각제는 비교적 낮은 압력에서 제1 클러스터(26A)의 흡착 물질(10)에 의해 흡착되고, 체크 밸브(41B)를 통해 증발기(4)에서 일어남;
e) 축 방향으로 실질적으로 가파르게 감소하는 열 프로파일, 열 파동이 유지되고 제2 클러스터(26C) 내에서 길쭉한 흡착 셀들(1)의 길이를 따라 서서히 밀리도록, 클러스터(26C)의 흡착 셀들(1)의 열 전달 유체 채널(2A)을 통해 층류로 히터(32)로부터 나오는 뜨거운 열 전달 유체를 서서히 펌핑하는 것에 의해 제2 클러스터(26C) 내의 흡착 물질(10)을 제2 모드로 단계 d) 동안 가열하는 단계, 흡착된 냉각제는 비교적 높은 압력에서 제2 클러스터(26C)의 흡착 물질(10)로부터 탈착되고, 체크 밸브(42B)를 통해 응축기(46)를 향해 나아가게 되고, 응축되고 팽창 밸브(48)를 통해 나아가게 되고 팽창된 채로 남아 있고 증발기(49) 내에서 냉각 작용을 수행함; 및
f) 제1 모드로 다시 전환하고 단계 a-f를 반복하는 단계;
를 포함하고,
적절한 순서로 실행되는 방법.