TWI439649B - 用於太陽能式吸附冷凍系統的部件，及該等部件的製造方法 - Google Patents

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Description

用於太陽能式吸附冷凍系統的部件，及該等部件的製造方法
本發明大體上是有關於熱泵或系統(如冷凍系統)、用於此類系統的材料及製造此類材料的方法。更明確地，本發明是有關用於吸附冷凍系統(adsorption refrigeration systems)的吸附材料及製造此材料的方法。
用來低溫儲存食物、藥品和其他品項的冷凍室一般包括一隔熱結構或容器，且使用蒸汽壓縮循環式電動機械壓縮機來冷卻之。將氣態或蒸汽態的冷卻劑或冷凍劑(如Freon熱傳流體)引入壓縮機中，以壓縮冷凍劑(進而加熱蒸汽)。冷凝器從蒸汽中移除過量的熱並將蒸汽凝結成處於沸點的液體。高壓冷凍劑接著通過膨脹閥，在此處壓力驟然下降。壓力突降會造成快速蒸發(flash evaporation)並且冷卻冷凍劑。冷卻的冷凍劑接著行經吸熱單元的蒸發器盤管(coil)，以冷卻隔熱容器的內容物。冷凍劑蒸汽接著返回壓縮機入口而完成熱力循環。
壓縮機和其他冷凍室部件需要電力來運轉，其傳統上由交流電(AC)輸出等方式提供電力。若無法容易地取得AC電源，例如當冷凍室做為移動式用途時(也就是將冷凍室從某一處移到另一處)，則可使用其他諸如發動機(如柴油內燃機)和產生器等電源。然而倚賴發動機和產生器供電的移動式冷凍系統相當龐大笨重、運作又昂貴。例如，一般需 要如汽油等燃料來源來運轉發動機，以產生足夠的電力輸出來驅動該單元，其不易取得及/或取得費用較高。系統亦可能佔用相當大的空間，以容納傳統採用的電機系統。
吸附型冷凍系統或許可做為移動式冷凍系統，其使用吸附材料於冷凍循環期間吸附及脫附冷凍劑流體(如氣體)。然而，先前用於吸附型冷凍室及/或其他應用的吸附材料不適合用於吸附和脫附循環時間較快的冷凍應用中。
本發明的多種態樣是有關於冷凍系統、系統採用之材料(如吸附劑)，及製造和使用此材料與系統的方法。
在一態樣中，本發明有關於一種吸附結構，包含：至少一個由吸附材料組成的吸附構件；以及至少一個多孔構件，其設置成接觸一部分的吸附構件，以允許氣體進出該部分的吸附構件。
在另一態樣中，本發明有關於製造吸附結構的方法，包含：提供一多孔材料且其接觸一吸附材料的表面，該吸附材料用來儲存及傳送冷凍劑流體，該多孔材料則使冷凍劑流體橫越吸該附材料表面；以及提供至少一個導熱構件且其接觸該吸附構件，該導熱構件用來在吸附材料與熱傳流體之間轉移熱量。
再一態樣是有關於一種吸附型冷凍系統，包含：一吸附結構，該吸附結構包含至少一個吸附構件、至少一個多孔構件且接觸該至少一個吸附構件，以及一導熱構件且該 導熱構件設置成接觸該吸附構件，其中該導熱構件用來傳遞熱量進出吸附構件，且該多孔構件設計成允許冷凍劑流體進出該吸附材料。
在又一態樣中，本發明是有關於製造吸附材料的方法，包含：提供具有第一密度的第一活性碳前驅物；提供具有第二密度的第二活性碳前驅物，且其接觸該第一活性碳前驅物而形成一結構；以及熱解該結構而形成一種內含複數個微孔(pore)的吸附材料，吸附材料包含對應第一活性碳前驅物的第一區域和對應第二活性碳前驅物的第二區域；其中第一區域和第二區域之間至少在微孔尺寸與微孔分布其中一者上不相同。
本發明之另一態樣是有關於形成吸附構件的方法，包含：形成一第一聚合物構件；形成一第二聚合物構件；使第一聚合物構件接觸第二聚合物構件，且將設置第一聚合物構件或第二聚合物構件至少其中一者，使得第一聚合物構件和第二聚合物構件之間具有空間；以及熱解第一構件和第二構件，而於第一構件與第二構件內形成相對較小的微孔，並且在對應該些空間的位置處形成較大微孔。
在又一態樣中，本發明是關於形成吸附構件的方法，包含：提供一構件，其包含置於聚合物基質內的第一材料；移除該第一材料；以及熱解該構件而於該聚合物基質內形成微孔。
本發明之再一態樣是關於一種吸附材料，其包含：具有第一微孔分布的第一區域；具有第二微孔分布的第二區 域；其中第一區域由具有第一密度的第一聚合材料構成，第二區域由具有第二密度的第二聚合材料構成。
在另一態樣中，本發明是關於一種提高用於吸著物氣體(sorbate gas)之碳吸附劑容量的方法，包含在高溫和高壓條件下，使碳吸附劑保持在吸著物氣體環境中一段充足時間，以增加碳吸附劑上的吸著物氣體容量。
本發明之其他態樣、特徵和實施例在參閱以下說明和後附申請專利範圍後，將變得更清楚易懂。
本發明的多種態樣是有關於冷凍系統、系統內採用之材料(如吸附劑)，及製造和使用此材料與系統的方法。雖然本發明是以特定特徵和元件來說明以下的各個實施例，但應理解本發明之系統、設備、組成、製程和方法可使用文中所揭露之特徵和元件的各種組合和排列加以變化，這些變化形式與配置當視為明確揭示。
在本發明實施例中，吸附材料是用於熱泵和系統中，特別是用於吸附型冷凍系統(例如移動式冷凍裝置)。吸附材料包括微孔結構，以允許冷凍劑流體(如氣體)在冷凍循環期間能較快速地吸附及脫附。此吸附材料可用於吸附/脫附速率限制流體傳遞的系統與應用中，例如熱泵、冷凍室等。根據一示範實施例，諸如多孔金屬或陶磁板等特徵結構(其也可具有導熱性)可設置成鄰接該吸附材料的一或多個表面，讓流體經由表面進出吸附材料。根據另一示範 實施例，吸附材料的微孔結構乃控制成更適合用於冷凍用途。
吸附型冷凍系統的運作需要較少的能量，且比採用機電系統的傳統冷凍系統更小及/或更輕。不像傳統冷凍系統倚賴傳統蒸汽壓縮系統和能量供應器，吸附型冷凍系統主要使用熱太陽能或廢熱供給和熱壓縮機系統。
根據一示範實施例，冷凍系統利用固態吸附劑和工作流體以熱驅動吸附循環方式來致冷而達到冷凍壓縮效果。由於其是利用熱能運轉，而非電力，因此系統的電力容量將大幅降低。此系統因使用不同的部件子系統(如熱vs.光電、熱壓縮vs.機械壓縮)，故相較於機電型冷凍系統而言，此系統具有較佳的可靠度、在特定比製冷功率(SCP)下具有較佳的系統性能係數(COP)，以及較少的系統預計成本。
第1圖為冷凍系統100的局部示意圖。系統包括冷凍容器110，設有與之相連的蒸發器112。吸附裝置或吸附系統120包括吸附材料124，用以吸附及脫附冷凍劑流體(如氣體)，例如氨氣(NH3 )。為了簡化說明，圖中未繪示系統100的其他特徵(如太陽能收集器、吸著產生器、冷凝器等)，然熟習吸附型冷凍系統的人士將能輕易理解，其他特徵當可設置於操作系統來促進冷凍循環。
第2圖為根據一示範實施例之吸附裝置120的局部截面圖。根據一示範實施例，吸附裝置120包括多片吸附材料124，例如根據一示範實施例為三片或更多片。每片吸附材料124具有導熱構件，例如設置在吸附材料124之一 或多個表面上的導熱片或導熱板122，導熱板可由金屬或其他適合材料製成，例如金屬基質複合材料(如CPS公司商業販售的碳化鋁矽金屬基質複合材料)。熱交換流體以類似於傳統熱交換器的方式通過(如接觸)導熱板122。可以一間隔來隔開相鄰的導熱板122(如第2圖所示)，或者相鄰的導熱板122可彼此接觸，且在相鄰導熱板中形成一挖空區(cutout)讓熱傳流體流經導熱板之間。
根據另一示範實施例，可安排冷凍劑流體(如氨氣(NH3 )或其他氣體)繞行進入與離開該吸附裝置，使冷凍劑流體在冷凍循環期間被吸附材料124吸附/脫附。根據另一示範實施例，間隔物(未繪示)設置在導熱板122與吸附材料124之間而形成間隔或孔隙，以供冷凍劑流體(如氣體)流動於金屬板與吸附材料之間。
導熱板和吸附材料的方位可不同於第2圖所示者(例如，導熱板和吸附材料以另一種方式堆疊，使得第2圖所示結構旋轉90度或呈任何其他的適當方位)。應注意金屬板和吸附材料片(或塊)的組成、數量、尺寸、形狀及/或構造視各個示範實施例而有所不同。
根據一示範實施例，冷凍劑流體(如氣體)包含氨氣(NH3 )。根據其他示範實施例，冷凍劑可包含水及/或甲醇。這些冷凍劑(氨氣、水和甲醇)每單位體積的潛熱較大。比較氨氣和R134A冷凍劑的製冷量，R134A－碳系統需要三倍的碳量才能夠達到接近氨氣－碳吸附系統的性能。R32和丁烷冷凍劑也有類似的情形。
吸附材料包括活性碳。也可使用其他吸附材料(如沸石)。
吸附材料可以是活性碳塊吸附劑，或以活性碳塊吸附劑為基料，例如用於氣體儲存與輸送系統的吸附劑，其可購自位於美國康乃迪克州丹伯里市(Danbury)的先進科技材料股份有限公司(ATMI)，如第3至4圖照片中所顯示的二種吸附活性碳材料塊)。活性碳材料及/或氣體儲存與輸送系統的例子描述於下列美國專利中，其內容一併入本文中供作參考：授予Carruthers之美國專利證書號6,743,278、授予Tom等人之美國專利證書號5,518,528、授予Tom等人之美國專利證書號5,985,008、授予Tom之美國專利證書號5,761,910、授予Tom之美國專利證書號5,916,245、授予Tom等人之美國專利證書號6,764,755、授予Brestovansky等人之美國專利證書號6,991,671、授予Tom等人之美國專利證書號6,027,547、授予Tischler等人之美國專利證書號6,019,823、授予Tom之美國專利證書號5,917,140、授予Tom等人之美國專利證書號5,993,766、授予Tom等人之美國專利證書號5,704,965、授予Tom等人之美國專利證書號5,707,424、和授予Tom等人之美國專利證書號5,704,967。
雖然活性碳塊吸附劑做為特殊應用的孔隙度變化範圍很廣，但在各實施例中所採用的活性碳塊是奈米孔材料(nanoporous material)。在一實施例中，奈米孔材料之總孔隙度的至少30%是由大小約0.3奈米至約0.72奈米的狹縫 形微孔組成，且總孔隙度的至少20%是由直徑小於2奈米的微孔組成。在其他實施例中，奈米孔材料具有不同的微孔組成，例如可能具有較多比例的較大微孔以提高材料滲透性)。
關於數種用於吸附冷凍和熱泵應用中之活性碳的熱物性，在表1中比較塊狀碳樣品和上述市售ATMI活性碳的代表值。
使用碳塊的優點之一為，此結構具有相對較高體積比的微孔，故每單位體積的冷凍劑儲量大。相對於會隨著時間逐漸減弱的粒狀或珠狀吸附劑而言，其他有利特徵包括相對較高的導熱性，且可製成符合非常小的單件幾何規格公差的能力。
可適當建構吸附材料的結構以提升做為冷凍應用時的性能。例如，材料可最佳化而改善其質傳能力及/或其導熱性，且不會對其他性質造成不良影響。較佳使吸附材料在 期望的吸著特性與較佳熱傳和質傳性質之間取得平衡。
使活性碳材料的物性達到最佳化會面臨一些取捨。例如，提高材料滲透性(如改善質傳及增進在快速循環熱吸著壓縮系統的整體系統性能)通常需減少材料密度。如此會降低導熱性和材料的體積儲量。熟諸此技藝者可依據文中揭露內容，來設計活性碳塊性質的整體情況以提升系統性能。
一般說來，活性碳塊可以是適當活性碳前驅物的熱解產物，適當活性碳前驅物係例如聚合材料或其他適當材料，如聚偏二氯乙烯(polyvinylidene chloride)、酚甲醛樹脂(phenol－formaldehyde resins)、聚呋喃醇(polyfurfuryl alcohol)、椰子殼、花生殼、桃子核、橄欖核、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚丙烯胺(polyacrylamide)等，和其他可壓塑性材料(如模製壓力高達約20000psi或更高)。就本文目的而言，活性碳前驅物較佳為聚合材料，但應理解到，根據其他示範實施例，當可採用其他適合的活性前驅物。
材料經高壓模鑄成「未熟(green)樹脂」主體，並以低於1000℃的溫度進行熱解(pyrolyzed)，較佳不超過約900℃，如介於約500℃至約900℃的範圍，更佳介於約600℃至約900℃的範圍。熱解製程可在非氧化氛圍中進行，以於塊體內形成微孔(如藉由釋放塊體內的氯化氫或其他氣體)並且活化該些碳，而提供可將冷凍劑流體(如氣體)吸附至塊體中的位置。製造吸附碳塊之方法的其他細節和此碳塊的特性描述於授予Carruthers的美國專利證書號6,743,278，其內容以參考形式納入本文中。
以授予Carruthers之美國專利證書號6,743,278所述之方法製造的活性碳塊具有相對較均勻的微孔(如微孔大致均勻遍及塊體，且大小相當均一，例如介於約0.5奈米至1.0奈米之間)。
吸附材料的尺寸、形狀和構造呈多樣化，例如各示範實施例的尺寸、形狀和構造可以改變。例如，吸附材料的塊體尺寸為約150毫米(mm)×150mm×4mm至300mm×300mm×25mm(例如250mm×250mm×10mm)。
如第2圖所示，根據一示範實施例，許多片的吸附材料124配置成吸附結構120。每片吸附材料124的任一面設有導熱片或導熱板122。熱交換流體通過(如接觸)導熱板122。相鄰的導熱板122可以一間隔來隔開(如第2圖所示)，或是可彼此接觸且相鄰導熱板中形成一挖空區讓熱傳流體流經導熱板之間，注意到熱傳流體與冷凍劑流體隔離開來。
具有如第2圖所示配置方式之吸附系統的一相關課題是，該結構的質傳受限於構成導熱板122的固態金屬材料。因此，儘管冷凍劑流體(如氣體)能穿過材料未與導熱板122接觸的表面(如第2圖所示位於上、下緣的表面126、128)而相對自由地進出吸附材料124，流體(如氣體)仍受到與吸附材料124接觸的導熱板122所限制。由於冷凍劑流體(如氣體)離開吸附材料的行經位置數量遭到限制，因此質傳速率和系統效率可能不適合相對較快循環應用，例如太陽能式吸附冷凍系統。
根據一示範實施例，多孔材料(如類似過濾用途使用的多孔金屬材料)製成的板子可用來改善系統的質傳效率。被吸附材料所吸附或脫附的冷凍劑流體(如氣體)可通過多孔金屬，而不會像第2圖實施例般受到限制。
第5圖為用於冷凍系統之吸附系統220的局部截面圖。吸附系統220包括複數個多孔板222(如多孔金屬板)，其各自接觸或靠近吸附材料片或吸附材料塊224(如活性碳)的表面。多孔板222和吸附材料224夾設在該些金屬板223(也就是非多孔板)之間，藉以在系統與熱傳流體之間轉移熱量。
多孔板222和吸附材料224的方位可不同於第5圖所示者，例如，多孔板和吸附材料以另一種方式互相堆疊而使第5圖所示結構旋轉90度，或可配置成任合其他的適當方位，包括不同的形狀和尺寸。
構成多孔板222的材料為相對較多孔的材料且容許冷凍劑流體(如氣體)自由地穿過其中。如此，被吸附材料224所吸附或脫附的冷凍劑流體(如氣體)不僅可經由吸附材料224未被覆蓋住的表面(如表面226、228)來進出吸附材料224，還可通過位於一或多個多孔板222旁的吸附材料表面(如第5圖之表面230)來進出吸附材料224，因而提高系統的質傳效率。
任一種多孔導熱材料可用來形成多孔板222，包括多孔金屬(如銀、鋁、鎳、銅)、多孔金屬合金、多孔陶瓷、和其他適合的多孔材料。例如，可使用過濾應用採用的多 孔金屬。此類材料的其一範例為1/16英吋厚的316L不銹鋼多孔金屬片，其可購自莫特多孔金屬公司(Mott Porous Metals Inc.)。多孔導熱材料一般可為任何形態，並可包括任一適合的導熱材料。例如，多孔導熱材料包含金屬材料，如燒結金屬基質材料、編織或非編織金屬布、金屬網或其他小孔金屬片材料，以及含金屬粒子或其他非連續體且在熱與壓力下形成單一個多孔物的聚集或複合材料。
根據一示範實施例，多孔板222的孔隙度容許冷凍劑流體(如氣體)自由地穿過多孔板222。例如，多孔板222的孔隙度介於約25%至40%之間，平均孔徑為約0.1微米至100微米。多孔金屬的孔隙度和孔徑視期望的板子性能特性而定。
根據第6圖顯示的另一示範實施例，吸附結構320包括多片或多層吸附材料324，其各自設有二導熱板323供吸附材料324進行熱傳。多孔板322設置成與吸附系統320中之吸附材料324的二面接觸。如此，冷凍劑流體(如氣體)可進出吸附材料324的二表面(如表面330、332)。
雖然第5至6圖的吸附系統是將相當平坦的吸附材料板設置成與大致平坦的多孔金屬板接觸，但也可採取其他構造。
例如，第7至9圖為吸附裝置或系統400的局部截面圖。系統400包括外殼或外框402，其由金屬(如鋁、鎳、銅、銀)、金屬合金(如鋁、鎳、銅或其他適合金屬之合金、不銹鋼等)、陶瓷或其他適合材料所形成。根據一示範實施 例，外殼402包括一或多個孔洞或開口(未繪示)，讓冷凍劑流體(如氣體)進出外殼402而被外殼402內的吸附材料所吸附/脫附。
外殼402內設有一結構或配置404，包括由如活性碳之吸附材料所組成的多個構件或元件(以下稱「吸附構件」)以及由例如多孔金屬之多孔材料所組成的多個構件或元件(以下稱為「多孔構件」)。吸附和多孔構件的尺寸、形狀、組成及/或構造可根據不同的示範實施例而變化。根據一示範實施例，所有的吸附材料大致呈直角平行六面體(rectangular parallelpiped)，且每個吸附構件具有類似或相同的組成和微孔構造。在其他示範實施例中，採用具有變化之微孔構造的吸附構件。
如第9圖所示，多個大致呈直角平行六面體的吸附構件410與外殼402和其他片狀或板狀多孔構件的吸附構件相隔開來。多孔金屬板421、422、423、424、425、426設置成與外殼402的六邊接觸，而多孔構件427、428定義出大致垂直的網柵或矩陣，以將該些吸附構件410彼此隔開。
如第9圖所示，多孔構件428從多孔構件423延伸到多孔構件424，多孔構件427則在二個多孔構件428(如參見多孔構件427a)之間、或在多孔構件428與多孔構件421或422(如參見多孔構件427b)之間延伸。應理解其他的多孔構件配置構造亦可定義出類似第9圖的網柵或矩陣，且亦屬於本發明範圍內。
如同第5至6圖之實施例，使用多孔構件(如多孔構件421－428)有利冷凍劑流體(如氣體)在吸附裝置400內更有效地進行質傳。
根據第10至11圖所示之另一示範實施例，吸附裝置500包括大致呈圓柱形的外殼或外框502，其末端504、506耦接或整合至管狀構件508。多孔金屬構件521(如大致呈圓盤狀)設置成與外殼502的末端504接觸，且一大致管狀的多孔金屬構件521則設置成與外殼502的管狀構件508接觸。利用多孔金屬構件522、523、524將大致呈圓盤或圓柱形的吸附材料510和圓環512、514、516彼此隔開。
吸附裝置500包括多層吸附構件和多孔金屬構件，且以大致圓形的多孔金屬盤525隔開各層。根據其他示範實施例，吸附構件(如構件510、512、514、516)和多孔金屬構件(如構件522、523、524)沿著圓柱形吸附結構的整個軸長延伸，也就是沒有諸如多孔金屬盤525等構件來隔開相鄰的各層)。
第12至13圖繪示吸附裝置600，其中多個多孔構件(如多孔金屬構件)置於吸附材料基質中。吸附裝置包括大致呈直角平行六面體的外殼或外框602，但其他示範實施例的外殼尺寸、形狀和構造可有所不同。
外殼內設置吸附材料610，其內含有多個多孔構件或元件620(如多孔金屬構件)。如圖所示，多孔構件620為截面大致呈圓形的長棍。根據其他示範實施例，構件620的截面為方形、矩形或其他形狀。選用性的多孔金屬板(未 繪示)也可設置成與外殼602的一或多個內面接觸，以隔開吸附材料610。
至於吸附/多孔金屬結構的其他可能配置構造，通常期望利用吸附材料在吸附結構中佔有較大體積比例的配置結構，以盡可能地增加裝置的總吸附量。意即，多孔金屬片/環/圓柱在隔開二相鄰吸附材料塊的方向上最好非常薄。熟諳此技藝者可依據文中揭露內容裁製吸附材料和多孔金屬的最佳尺寸(和金屬的孔隙度)以做為特定應用。
使用如第7至13圖之多孔金屬構件的一有利特徵為，金屬的良好導熱性有助於吸附裝置中的熱傳作用，同時金屬的孔隙度有助於吸附物的質傳作用。
前述實施例之多孔金屬材料可預先形成，或可和吸附結構一同形成。例如，可於熱解前在「未熟」聚合物內形成孔洞(如在材料中鑽孔)。接著在熱解之前或之後，將多孔金屬(如海綿鎳材料)置於孔洞中。孔洞內亦可置入非多孔性金屬，以改善吸附材料的導熱性。由於多孔和非多孔性金屬的熱傳能力均比吸附材料要高，故能有效提高所形成之吸附材料的熱傳特性。
為改善吸附材料(如上述示範實施例之吸附材料)的熱傳特性，吸附材料中可含有不同材料當作第二相(熱解前或後)。第二相能相對較快速地傳導熱量及迅速傳送相同材料內的吸著物氣體。
在一實施例中，第二相材料為類鑽碳。其他實施例可使用其他材料做為第二相材料，包括鑽石奈米結晶或微 晶、奈米碳管、或其他適合之碳材料或非碳材料。在一特定實施例中，第二相材料包括碳纖，其可為美國亞利桑那州天普市(Tempe)之Cytec Engineered Materials公司市售的商品Thermalgraph。在其他實施例中，第二相材料包括鎳微粒、鎳發泡材料、鎳線、金屬網、金屬珠或纖維、或CIP/HIP排列纖維。其他材料也可使用。
第二相材料可以任一適合方法置於吸附材料基質中，並可原位(in－situ)或異位(ex－situ)形成。在一實施例中，第二相材料(如類鑽碳之異位鑽石材料)於壓製及熱解之前(熱解條件應小心控制，以免氧化鑽石材料)，直接與形成吸附材料的聚合物混合。在其他實施例中，材料中可加入催化劑，以於高溫熱解時產生類鑽碳或其他預期的第二相材料。
在不同實施例中，第二相材料一旦置入聚合材料後可加以排列。例如，可利用聲音或磁性裝置(如使用磁場)來排列第二相材料的粒子或纖維。在一特定實施例中，聚合物塊經擠壓，使得內含之第二相材料於擠壓過程中排列。其他排列微粒的方法亦可使用(如將高導熱性纖維旋塗於聚合物中；施加靜電電荷至聚合物基質內的纖維，以在將聚合物壓製成塊或其他形狀之前，透過外部電場來排列纖維)。
在又一實施例中，金屬薄板或棍棒(或其他預定形狀)可於熱解前混入組成吸附材料的聚合材料中。完成熱解後，材料內含金屬成分而能增進材料的熱傳能力。
根據另一實施例，在熱解之前或之後，藉由在材料中鑽出一或多個孔洞且使用第二相材料回填入孔洞內(以致例如產生金屬棍棒穿過一部分的材料)的方式，可將第二相材料添加到吸附材料中。在另一實施例中，使材料的孔洞及/或微孔吸附含金屬之氣體分子(如六氟化鎢(WF6 ))，接著使分子熱分解。在又一實施例中，諸如鎢之金屬沉積於材料的孔洞及/或微孔。再一實施例採用含金屬之溶液，使材料吸收該含金屬容易，在分解該含浸的化合物(如檸檬酸鎳)後，於吸附材料中留下金屬。
第二相材料可均勻遍佈整個吸附材料、或可只配置在吸附材料的選定位置。如第14圖所示，一片或一塊吸附材料600(如活性碳)已混進均勻分布的第二相材料610(以材料內的圓點表示)。
或者，第二相僅配置在吸附材料的選定位置中，及/或選定位置處的第二相順序或第二相材料濃度可以不同。例如，選擇性地只在聚合物中欲增強熱傳的位置處置入第二相材料；熱解前，一旦聚合物壓製成預定形狀，第二相材料留在同一位置。
藉由調整第二相材料的用量及/或位置，可改變吸附材料的導熱能力。若達到材料的滲透極限，則其例如可透過鑽石與鑽石接觸點提供連續的導熱途徑。
根據第15至16圖之又一示範實施例，吸附結構700包括導熱(如金屬)構件710，其設於吸附材料基質720中。在基材中鑽出孔洞且填入導熱材料。鑽孔和填充步驟可施 行於熱解前的聚合物構件或熱解後吸附材料，並可以任一適合方法填充孔洞。填充孔洞的其一方法為將金屬澆鑄到孔洞內。
導熱材料可視各種要求來決定，包括期望的材料導熱性，以及吸附材料與傳導材料之間的熱膨脹差異。在一實施例中，矽做為導熱材料。在另一實施例中，使用鋁或鋁合金、或其他金屬或金屬合金。
雖然文中所述的吸附冷卻系統是描述用於諸如移動式冷凍室之冷凍系統，但應注意此吸附系統也可應用於其他系統。例如，使用文中各種所述材料的吸附系統可用於被動冷卻或加熱游泳池的系統。又例如，使用文中各種所述材料的吸附系統可用於冷卻設備(如實驗室設備、製造設備等)的系統中或提供家用空氣調節的系統中。將可理解，吸附系統亦可廣泛應用到需要冷凍或冷卻的系統。
應注意說明書提及之相對位置(如「上」和「下」)僅為辨別各元件於圖式中的方位。應理解特定部件的方位可視應用類型而大幅更動。
就本文目的而言，「耦接」是指直接或間接接合二構件。接合本質上可為固定式或活動式。可利用二構件完成接合，或者二構件和任何附加中間構件可與另一構件或二構件整合成單一個整體主體，或者二構件和任何附加中間構件可互相依附。使接合在本質上可為永久固定，或本質上為可拆卸或鬆開。
若欲製造微孔輪廓大致均一(如整個材料的微孔尺寸 和微孔數量相當一致)的吸附材料，則將由聚合材料(如聚偏二氯乙烯)製成之壓縮塊、片或其他構件放在加熱室或爐管內，藉以大致均勻加熱聚合材料(如在低於1000℃下利用熱對流來加熱)。懸掛聚合材料，使用來懸掛聚合材料的棍棒或其他結構只接觸該聚合材料外表面的一小部分，以確保對流能大致均勻地加熱該材料。
根據一示範實施例，可使用包括不同微孔尺寸及/或不同微孔密度之微孔輪廓的吸附材料(如活性碳材料)。根據一實施例，直徑約0.5奈米至1.0奈米之較小微孔形成在吸附材料的一或多個區域中，而直徑約1.5奈米至4.0奈米的較大微孔形成在吸附材料的一或多個其他區域中。
雖然吸附材料具大量較小微孔能儲存更多的冷凍劑流體或氣體，但缺少較大的「進料」微孔會限制快速循環氣體進出吸附材料的能力，然而快速循環氣體對於某些冷凍系統應用來說很重要。吸附材料除了有適合儲存吸附冷凍氣體的較小微孔(如微孔直徑約0.5奈米至1.0奈米)外，在吸附材料內形成供冷凍氣體快速進出活性碳材料的較大進料微孔(如微孔直徑約1.5奈米至4.0奈米或更大)，可加快吸附材料的質傳速率(即分子擴散進出吸附材料的速率)。藉由控制材料的大、小微孔位置，可得到具有有效質傳作用且仍維持較大的冷凍氣體吸附量的材料。
第17至19圖繪示製造吸附材料的方法，且材料的不同區域有不同的孔隙度。可設置多層不同的聚合材料層202、204、206、208、210。根據一示範實施例，層202、 204、206、208、210處於r未熟」狀態(如熱解前，pre－pyrolysis)，並且由密實材料組成，例如聚偏二氯乙烯(PVDC)。
如第17圖所示，層202、206、210的密度大於層204、208的密度。例如，層202、206、210以更大的壓力壓縮而比層204、208更密實。根據一示範實施例，PVDC層202、206、210的密度為約1.58至1.68克/毫升，層204、208的密度為約1.70至1.78克/毫升。
如第18圖所示，層202、204、206、208、210設置成互相接觸而形成一吸附構件200(如片狀、板狀、塊狀或其他適當結構)。根據一示範實施例，各層可層壓(laminated)在一起。根據其他示範實施例，利用其他方法形成該構件200。
當構件200在高溫下接受熱解製程處理時，預期熱解期間產生之微孔特性將視材料密度而定。如第19圖所示，密度較大的膜層(如層202、206、210)將變成熱解結構200中具有數量較多之較小微孔的膜層(如層212、216、220)，而密度較小的膜層(如層204、208)將變成熱解結構200中具有數量較少之較大微孔的膜層(如214、218)。故在熱解前提供不同密度之聚合材料層，可按預期的方式來控制熱解構件200的整體微孔結構。
根據其他示範實施例可實施不同的構造。例如，第20圖繪示一實施例，其中結構300的形成是利用二種以上不同密度的膜層(如層302、310具高密度，層304、308具中 等密度，層306具低密度)。
膜層數量、尺寸、位置和構造亦可根據其他示範實施例改變。例如，根據其他示範實施例，可使用五個以上或五個以下的膜層。如第21圖所示，結構400包括三層402、404、406，其中外層402、406的密度比中間層404要小。又，中間層404的厚度大於外層402、406的厚度。
不同密度之構件的位置也可選擇其他方式。即，不只單純地將不同密度之薄片層壓在一起，也可在各層內設置密度較大或較小的區域。如第22圖所示，吸附結構500的層502、504有不同的密度。密度較小之區域506設於層502內(如層502內形成挖空區或通道，且密度較小之材料以任一適當手段填入其中而構成區域506)。
雖然第17至22圖之各區域具有相同組成(即其由同樣的聚合前驅物材料組成)而只有密度不同，但其也可具有不同的組成及/或其他特性。例如，根據另一示範實施例，吸附結構內一或多個區域(如膜層等)的組成不同於其他區域(即某一型聚合前驅物熱解形成的微孔尺寸、形狀、構造等不同於其他聚合物)。不同組成的膜層或區域可取代或額外加入不同密度的膜層或區域。
區域或膜層可各自經不同的熱解前處理，以改變熱解時產生的微孔結構(如前驅物及/或第二相材料可置於不同區域或膜層，以改變區域或膜層的特性)。例如，其他類型的碳、沸石或其他高擴散性材料可在熱解前與聚合材料混合，以增進材料的整體擴散性。
根據又一示範實施例，熱解後，熱淬火(themal quench)吸附材料(例如，快速冷卻至約－196℃至5℃之間)可改變吸附材料的擴散係數。藉由快速冷卻熱解後的吸附材料，可排列碳孔結構，進而提高冷凍劑流體(如氣體)的擴散係數。
儘管所述提高吸附材料之擴散係數的方法對系統導熱性有負面影響，然此影響可藉由混入高導熱性材料(如由諸如金屬、類鑽碳或其他適合材料組成的高傳導性填充物、薄板、棍棒等)到吸附材料中來解決。
其他不同實施例可在熱解前提供包括一或多個不同密度、組成、預處理等區域或膜層的吸附結構。
其他方法亦可用來引發吸附材料(如活性碳)內產生不同的微孔結構。例如，使未熟狀態之聚合材料具有各種可供熱解時形成較大微孔的特徵結構或構造。
如第23至24圖所示，如鑄模或其他結構之裝置600可用來形成含有特徵結構的未熟聚合材料，其對齊其他類似聚合物構件時，且於熱解期間，可產生孔洞或微孔。如第23圖所示，裝置600包括由二個部分604、606界定出來的凹洞602。
如第24圖所示，鑄造未熟聚合材料後，提供多個聚合材料並且使之互相接觸，例如將第24圖之聚合物構件610、620層壓在一起。
聚合物構件610、620經配置而在二構件之間產生一或多個空間630，聚合物構件610、620的該些部分經放大說明；構件間隔為約1至100微米，且空間的特定尺寸、形 狀、構造和其他特徵結構視各示範實施例而定。
熱解時，相鄰的聚合物構件將熔合在一起並且於材料塊內形成微孔。聚合材料於熱解期間形成相對較小微孔時，相鄰材料之間的間隔(如第24圖的空間630)形成熱解材料中的相對較大微孔(如第25圖的微孔640)。
也可利用模鑄法以外的方法來製造具有引發微孔產生之特徵的未熟聚合物構件。例如，根據一示範實施例，形成相對較平坦或不具紋路(untextured)之聚合物構件(如片狀)後，可修飾該構件使其含有引發微孔產生的特徵。
第26圖繪示未熟聚合材料薄片700，且薄片經處理而形成在熱解時可引發微孔產生的特徵。如第26圖所示，具有特徵704的滾軸702型構件可用來修飾薄片700結構，而使如使薄片700具有「波紋」或「細摺」構造。應注意根據其他示範實施例，可以不同方式修飾聚合材料，例如在材料內形成挖空區等。
修飾聚合材料的結構之後，已修飾之結構接著用來形成將於後續進行熱解的構件或元件(如未熟聚合物主體或結構)。如第27圖所示，捲繞或盤繞薄片700，以形成將於後續壓製或壓縮成待熱解之未熟主體的結構710。當未熟聚合材料壓縮成預定形狀的構件時，已修飾之薄片700的結構將於結構710內產生孔洞或空間。如第28圖所示，接著進行熱解而於吸附材料720內產生相對較大微孔722(其亦包括熱解造成的較小微孔)。
根據其他示範實施例(如第29圖所示)，已修飾之薄片 700’可摺疊或與其他類似薄片堆疊成結構730，以於後續壓製或壓縮成待進行熱解的未熟主體。如第30圖所示，接著進行熱解而於吸附材料740內產生相對較大微孔742(其亦包括熱解造成的較小微孔)。
根據另一示範實施例，預先形成預定形狀的未熟聚合材料可一起壓合成一待熱解之未熟主體。壓縮材料時，預先形成的材料形狀將導致在該些材料之間產生空間或空隙，該些空間或空隙於未熟主體進行熱解時將變成最終吸附材料內的微孔。
舉例來說，第31圖繪示大致呈圓形或橢圓形的聚合物構件810。構件810接著壓縮成待熱解之未熟主體，相鄰構件810則因其圓形形狀而於二者間形成間隔或孔隙。如第32圖所示，熱解時，聚合材料內將形成小微孔，構件810之間的間隔則變成吸附材料814內的較大微孔812。
雖然第31－32圖繪示使用大致呈圓形或橢圓形的聚合物構件，但其他示範實施例當可採用其他形狀。例如，第33至32圖繪示使用大致呈矩形的構件820以於吸附材料824內形成細長微孔822，第35至36圖繪示使用細長構件830以於吸附材料834內形成細長微孔832。根據其他示範實施例，預先形成之聚合物構件可具有其他尺寸、形狀或構造。
根據其他示範實施例，犧牲材料或可移除材料(例如可於熱解之前、期間或之後被移除，而在材料內產生孔隙、通道等的填充材料)可混入聚合材料中，以幫助在吸附材料 內形成相對較大微孔。
第37至42圖繪示犧牲材料依不同構造配置於聚合物基質中，為簡化說明，不論構造或組成，犧牲材料皆以元件符號902來標示，聚合物基質則以元件符號904來標示。
第43至45圖繪示之結構910包括置於聚合物構件914表面上的棒狀或管狀犧牲材料912。如第44圖所示，多個類似於結構910的結構一起壓縮成聚合材料的未熟主體911，同時犧牲材料912置於聚合物基質中。如第45圖所示，後續熱解時，吸附材料916內將產生通道或孔隙918。第43至45圖之方法可配合使用各種尺寸、形狀與配置構造的犧牲材料和聚合物構件，第43至45圖之實施例不限於任一配置構造。
熱解時或之後，可以任一適合手段(如灰化、使用化學劑溶解犧牲材料、將材料轉換成更易從吸附材料中移除的不同材料、或其他方法)來移除吸附材料內的犧牲材料，而於吸附材料內形成微孔或孔隙。移除犧牲材料的方式視許多因素而定，包括犧牲材料的種類。
根據一示範實施例，第37至45圖之犧牲材料由諸如鋁(如鋁絲或其他類型微粒)等材料組成。接著，氣相存有氯化氫氣體(如因PVDC熱解所致)或另行引進入結構中而與鋁反應形成三氯化鋁(AlCl3 )，其在熱解或後續加熱操作的高溫下為氣體。AlCl3 氣體能從吸附材料的微孔逸出而留下吸附材料的微孔、通道或其他結構。根據其他示範實施例，犧牲材料可由其他材料組成，例如離子鹽，其可溶 於水或其他溶劑。根據又一示範實施例，犧牲材料由碳酸鹽組成，其可分解並且離開該吸附材料。
應注意犧牲材料可在熱解之前、期間或之後，以適當手段移除，且犧牲材料的尺寸、形狀、構造和組成視各示範實施例而定。
其他方法亦可用來形成吸附材料內的較大微孔。例如，自底往上熱解的碳或珠狀碳可於熱解前加到聚合材料中。可使用任一適合方法來添加碳。根據一示範實施例，期望控制所添加碳的分布情形，例如在壓製前，可旋轉晶粒以分配碳珠濃度，如此聚合材料的外表面有最高的碳珠和孔隙濃度。
可使用任何適合的碳珠材料。根據一示範實施例，可在聚合物中添加較大珠狀物(如Kureha BAC G70R，尺寸介於約350至450微米之間)及/或較小珠狀物(如Takachiho ABF14－03，尺寸介於約120至150微米之間)。這些材料將維持其形貌，還可做為其與聚合物在熱解時產生碳結構間的孔隙間隔。
根據另一示範實施例，熱解前，利用放電或雷射剝除可於活性碳前驅物(如聚合材料)內形成具有控制直徑與深度的孔洞。雷射剝除使用釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)或二氧化碳(CO2 )等準分子源產生之非常短的高強度雷射脈衝來昇華及移除材料，而不會將大量的熱轉移至材料的其餘部分。此製程可用於熱解步驟之前或之後，藉以形成預設的孔洞或通道結構，以加強氣體輸送。
熱解前，利用放電可形成分支狀(branched)通道結構。對聚合物施予超過介電崩潰強度的高壓，將導致沿著放電路徑的部分材料發生物性和化性的變化。放電造成部分碳化及裂解之聚合物產生類似裂縫的樹狀圖案。完成熱解後，此結構提供氣體在塊體內快速傳遞的路徑。
根據又一示範實施例，藉由攙混碳與氧化劑(如過氧化氫)可改質熱解產生之微孔，氧化劑在適度熱處理下將氧化該些較具反應性的無定形碳及清掃通道，進而更快速地傳遞氣體。其他方法包括在高溫下使氧分布隨時間變化擴散至吸附主體，以控制吸附主體邊緣而非內部的微孔氧化作用。根據再一示範實施例，使碳吸附極性氣體，接著加熱(如利用微波加熱)以「吹拂」孔洞及暢通吸附材料的微孔結構。
或者，或此外，上述方法還可修飾吸附材料結構而改善預定方向上的質傳效果，如第46至47圖所示。在第46圖中，吸附結構1000包括吸附材料1010，例如具有鄰接或接觸吸附材料表面之二金屬板1020、1022的活性碳。為促進氣流方向上的質傳作用(如第46圖箭頭所示)，吸附材料1010具有沿著流體(如氣體)流動方向延伸穿過材料的通道，如第47圖所示(其為沿著第46圖之線A－A截切吸附結構1000的截面圖)。通道具有相對較小的直徑(如約1至100微米)且截面可為任一適合形狀(如圓形、橢圓形、三角形、菱形、方形、矩形等)。根據一示範實施例，朝流體(如氣體)流動方向觀之，吸附材料的通道乃配置成「蜂巢」構造。
根據一示範實施例，利用諸如鋁或鋁合金等犧牲材料構成之結構可定義出通道結構(如鋁蜂巢結構)。未熟聚合物可引到結構內的選定位置(例如，使液態聚合物流至結構內的選定位置，然後加以凝固)。熱解期間或之後，存有之氯化氫(HCl)氣體或另行引進氯化氫氣體以與鋁反應形成AlCl3 氣體，接著使AlCl3 氣體離開吸附材料而留下吸附材料基質中的通道。其他方法也可用來形成通道於基質內(例如，引用後續可溶於水或其他溶劑的管狀或棒狀鹽類材料)。
為促進吸附材料吸附及脫附氣體，可在吸附材料的一或多個外表面上形成通道或挖空區。其中一種達成方法為採用蝕刻技術(如光微影蝕刻技術)。
如第48圖所示，基材1100(聚合前驅物或熱解後的吸附材料)表面有一層光阻材料1110。雖然以下實施例是描述使用正型光阻，但應理解其他示範實施例也可使用負型光阻。
在第48圖中，光源選擇性曝照光阻1110，使得光阻1110的區域1112產生化學變化而變得較易溶於顯影材料。在第49圖中，使用顯影劑選擇性移除光阻1110的區域1112而露出底下的基材1100。
如第50圖所示，接著以任一適合方法蝕刻露出的基材1100，而於基材1100中形成特徵1102(如溝槽、挖空區、通道等)，隨後如第51圖所示，剝除光阻1110。
特徵1102用來改善吸附材料的質傳效果，同時減低材 料的密度損失。第51圖顯示之含蝕刻特徵的吸附材料層可互相接觸，如此該些特徵(如通道)可供質傳進出該吸附材料的選定位置。
根據一示範實施例，複數個通道形成在吸附材料的至少一表面中讓冷凍劑流體(如氣體)進行質傳。根據其他示範實施例，可採用其他的特徵構造。蝕刻特徵的數量、尺寸、形狀、間距、構造和其他特性視其預期的性能特性和其他特徵而定。根據一示範實施例，該些特徵的尺寸相對較小，例如深度為約100奈米至100微米，寬度為約100奈米至100微米。
在本發明之不同實施例中，可製造微孔輪廓(pore profile)不均一的吸附材料(如碳塊、片、板或其他結構)。此結構可提供吸附材料在某一方向上具期望程度的導熱性，在另一方向上具期望程度的質傳或材料傳送特性(例如，二方向為垂直)。換言之，所製得之吸附材料能在單一吸附材料內很快地傳導熱量及迅速傳送吸著物氣體。
在不同實施例中，吸附材料內的微孔尺寸及/或數量可不相同。例如，材料的第一區域和第二區域之間呈梯度變化，以致第一區域有較少的較大微孔，第二區域有較多的較小微孔。根據一示範實施例，第一和第二區域的微孔尺寸為逐漸改變。
第52圖繪示根據一示範實施例之由壓縮聚合材料組成的基材200。如第52圖所示，基材200置於加熱室或爐管220進行熱解，以於材料內形成微孔，及活化材料(如使 其透過分子力來吸附材料)。如同傳統活性碳形成方法，熱對流作用於基材200，如第52圖曲線箭頭所示。
除了熱解基材200引起的熱對流外，熱解時，一或多個板狀、塊狀、棒狀(或其他適當形狀)構件或元件(如構件210、212)可設置成接觸基材200’的一或多個表面。構件(如構件210、212)用來產生溫度梯度及/或局部加熱或冷卻基材200的區域，藉以形成不均一的微孔輪廓遍且整個基材200。一般來說，基材200的高溫區域會先熱解，進而密實或經由低溫區域去除熱解產物的氣體，以致在高溫區域形成較小微孔。根據其他示範實施例，除了構件210、212外，或是取代構件210、212，可於爐管內形成溫度梯度，導致材料內產生溫度梯度。
根據一示範實施例，構件210、212由諸如陶瓷或金屬材料(如Inconel 600)組成，以增進構件210、212和基材間的熱傳作用，又不會與工件發生反應。
根據一示範實施例，構件210、212的溫度大於腔室200內的周遭氛圍溫度。例如，當腔室溫度為約260至280℃時，構件210、212的溫度為約300至340℃。根據其他示範實施例，腔室和構件的溫度視許多因素而定，包括欲在基材200內形成的期望微孔輪廓。
如第52圖的基材200的明暗標示，基材200的微孔尺寸及/或形狀從靠近構件210、212的區域或位置202、204到遠離構件210、212的區域或位置206(位於基材200中央)呈現變化。例如，根據一示範實施例，直徑約0.5至1.0 奈米之較小微孔形成在區域202、204中，直徑約1.5至4.0奈米或以上的較大微孔則形成在區域206中。應理解接觸加熱法亦可於基材200的選定位置處產生不同數量的微孔。
基材200的多個區域之間的過渡區(如位於區域206與區域202、204之間)的微孔尺寸及/或形狀可能平順地改變，或者相距構件210、212一段距離之處可劇烈地改變，例如遠離構件210、212一定距離時，傳導加熱作用會壓過構件210、212的接觸加熱作用，故除了靠近構件210、212的區域外，將於基材200內形成相當均一的微孔尺寸及/或形狀。
接觸基材之一或多個表面的構件尺寸、形狀、構造、數量和溫度視各示範實施例而定。例如，可設置一個以上的構件接觸基材200的一或多個表面。構件可覆蓋住所有表面或基材200的部分特定表面。
雖然上述構件210、212的溫度超過腔室或爐管220內的溫度，但根據其他示範實施例，構件210、212的溫度小於周遭氛圍溫度。換言之，構件可用來形成基材200的低溫區域。使用一或多個比周遭氛圍低溫的構件預期與使用比周遭氛圍高溫的構件的結果相反(例如比基材的高溫區域產生的微孔還大)。根據另一示範實施例，結合使用局部冷卻部分基材200的構件和局部加熱部分基材200的構件的方式，可於基材200中形成期望的微孔輪廓。
基材200中不同位置的微孔尺寸及/或形狀視各示範 實施例而定。例如，不使用第52圖的二構件210、212，而是使用不同數量的構件。檢視全文後將可理解，改變構件尺寸、形狀、位置及/或溫度亦會影響碳塊的微孔分布。
或者或此外，熱解時，如灰色箭頭所示，上述第52圖之構件210、212還可應用輻射加熱(如利用雷射、紅外線加熱源、及/或微波加熱)於基材200內形成不均一的微孔輪廓(如第6圖所示)。此幅射加熱可局部或擴及所有或部分的基材200表面。如第53圖所示，基材200的微孔輪廓類似利用第52圖構件210、212產生的微孔輪廓。其他示範實施例可採用其他加熱方式得到任一預定的微孔輪廓(如第54圖所示，除了輻射加熱(灰色箭頭)外，尚設置構件(如構件214、216)接觸基材的一或多個部分以進行加熱或冷卻)。
輻射加熱能快速加熱基材表面，並可調整熱量穿過基材的預定區域及/或深度。改變輻射加熱的脈衝強度和持續時間可控制工件上的熱曲線輪廓。由於此法屬於非接觸式，故其可用於複雜形狀及選擇性加熱表面區域，以產生更複雜的溫度和熱解響應。例如，在將基材之剩餘部分處理成吸附劑前，藉由熱解、加熱、火焰熔射特定材料、過濾出包括可溶與不溶材料之複合基材的可溶材料、微晶磨蝕處理、或其他適合技術，可於任一選定位置上及/或基材內形成預定之孔隙度特性。在特定實施例中，基材之剩餘部分可或不需進一步處理，並可做為多孔構件來構成整合式複合層，然應理解多層複合結構亦落在本發明之保護範 圍內。
根據一示範實施例，第52至53圖顯示之接觸加熱及/或輻射加熱可同時、或在對流加熱之後進行。
基材200內形成不均一微孔輪廓的一有利特徵在於可改善基材的質傳效果，又能保留一定數量的位置來儲存冷凍劑流體(如氣體)。例如，相信較大微孔(如微孔直徑約1.5奈米至4.0奈米或更大)更適合讓冷凍劑流體(如氣體)快速進出活性碳材料；冷凍劑流體(如氣體)進入吸附材料後，較小微孔(如微孔直徑約0.5奈米至1.0奈米)則更適合儲存吸附之冷凍劑流體(如氣體)。換言之，大微孔用來快速循環冷凍劑流體(如氣體)進出吸附材料，一旦引進冷凍劑流體(如氣體)通過較大微孔，小微孔則用來儲存冷凍劑流體(如氣體)。藉由控制材料的大、小微孔位置，可得到最有效地進行質傳且吸附冷凍劑流體(如氣體)量依然很大的材料。
可選擇性地進行熱解後處理來改變吸附材料(如活性碳或其他適合材料的塊體、薄片、巨塊等)的內部結構。例如，另採行熱、機械及/或化學製程，可改變吸附材料的擴散係數或質傳特性。這些處理製程可用於微孔輪廓均一或不均一的吸附材料。
根據一示範實施例，引進如水蒸汽或甲醇蒸汽之蒸汽至材料微孔中之後，可以低於約0℃的溫度來處理吸附材料(如活性碳)。其他適合蒸汽包括極性分子，例如異丙醇。第55圖繪示活性碳塊或其他適合材料塊之吸附材料300， 其置於含有蒸汽312的容器310內(蒸汽以容器310內的圓點表示)。
一旦結凍，蒸汽分子因膨脹而擴大微孔尺寸及/或改變活性碳材料的內部結構。例如，根據一示範實施例，水蒸汽結冰會增加微孔尺寸(如直徑)。根據另一示範實施例，水蒸汽結冰會造成材料的其他結構變化，例如改變微孔形狀及/或相鄰微孔的間距。
以低於結凍溫度處理活性碳材料前，可引進蒸汽至微孔，並且在後續加熱操作時，水自活性碳材料蒸發而離開微孔。任何適合方法皆可用來引進蒸汽至材料微孔。另外，可利用高壓(如使用加壓容器和鈍氣氛圍)輔助引進蒸汽至材料及/或維持蒸汽在材料的預定位置，直到完成結凍步驟。
根據一示範實施例，大致均勻地引進蒸汽遍及整個吸附材料。如此，後續蒸汽結凍步驟將相當均勻地改變材料四處的微孔尺寸、形狀及/或位置。
根據另一示範實施例，若蒸汽只引到活性碳材料的選定區域，則可控制改變這些區域之吸附材料的微孔結構(如僅增加選定材料位置的微孔尺寸或改變微孔結構)。例如，可以抗蒸汽材料覆蓋或遮蔽材料的一或多個表面，讓蒸汽只能穿過材料未覆蓋或遮蔽住的位置(例如參見第56圖，選擇性罩幕320、322覆蓋材料300的二表面，僅讓蒸汽穿過吸附材料的頂面、底面、正面和背面)。除了覆蓋/遮蔽步驟外，尚可藉由限制接觸材料的蒸汽量、控制系統溫度 及/或壓力使蒸汽於一段時間後結凍、及/或利用任何未知或待開發之適合方法，控制蒸汽穿過材料的深度。
也可使用會升溫膨脹的材料來改變吸附材料的微孔結構。根據一示範實施例，多孔碳塊會吸附具有強偶極矩之氣體，如氨氣(NH3 )。填充之碳塊引至用於氣體吸附物之一的射頻(RF)源，藉以快速加熱吸附材料的現有微孔結構。氣體的局部壓力會隨溫度提高而上升，導致微孔結構敞開或微孔間的部分內連線遭機械斷裂。更暢通的結構預期能更快速地傳送氣體，但導熱性降低有限。RF加熱期間加入強磁場將限制偶極的移動，並可順著較佳方向改質微孔。
另一種熱解後製程涉及利用化學處理來提高吸附材料的碳吸附容量，其可配合具有均一或不均一微孔輪廓的吸附材料來使用，及/或施予其他熱解後處理，例如，使用上述冷凍蒸汽或採行其他如熱解後加熱處理的方法來改變微孔尺寸及/或形狀。
根據一示範實施例，所有或部分的吸附材料經過改質而具有官能基，例如用來增加氨氣或其他適合氣體之吸附作用的含氮官能基。在吸附材料內提供官能基的一有利特徵在於，吸附材料每單位體積的容量較大。由於具有較少大微孔之吸附材料的吸附面積比具有較多小微孔之材料的吸附面積要小，故此處理尤其有益於所有或部分微孔較大(如1.5－4.0奈米或更大)的吸附材料。藉由增進吸附材料之可用位置的吸附效率，可稍微減少容量損失。
就配合氨氣(NH3 )冷凍劑使用的活性碳吸附材料而 言，利用含氮前驅物(如NH3 、尿素(NH2 CONH2 )、和其他含氮之有機與無機化合物)來改質碳表面，可增加容量。其他適合的前驅物(如臭氧之含氧前驅物或如過氧化苯之有機過氧化物)亦可用來提高NH3 吸附的親合性。另外，在使用不同吸附材料及/或不同冷凍氣體的其他示範實施例中，可在吸附材料的表面上修飾以不同的官能基。
為了改質吸附材料的微孔表面使官能基形成其上，乃於存在有預定前驅物(如尿素)的環境中加熱該吸附材料達一高溫，例如介於室溫至2000℃之間，更佳介於約400℃至800℃之間，最佳介於約200℃至400℃之間。可在一流動系統(若反應物種在處理條件下為蒸汽形態)或固定態系統(如在容器中混合碳和尿素固體粉末及加熱)中執行該處理。該些前驅物可在加熱該吸附材料之前或於加熱期間引入系統。
利用在高溫下供應前驅物來改質吸附材料之微孔表面的步驟可視為熱解製程的一部分，或者其可在完成熱解製程後執行之。例如，熱解製程期間，可將含官能基的氣體可引入腔室中，進而將氣體引至吸附材料中的微孔內。
根據一示範實施例，提供含有期望官能基的前驅物，並且使該前驅物相當均勻地穿過吸附材料各處，或者將含有期望官能基的前驅物只引入該吸附材料的選定位置，以控制性地提高該吸附材料之所選位置處的容量，例如，使用遮蔽技術及/或控制預定物質穿過吸附材料的深度)。
應注意第55至56圖亦可用來說明利用化學處理來改 變吸附材料容量(capacity)的方法，其中元件符號312表示含有期望官能基的前驅物(相對於以上表示的蒸汽)。
用來改變吸附材料之質傳特性的另一種化學處理方法是移除吸附材料中的殘餘材料。例如，使用如聚合物之含碳材料來形成活性碳材料時，微孔結構內仍殘留一些碳。殘餘材料會減慢冷凍劑流體(如氣體)擴散通過微孔的速度，此類似於有路障妨礙道路交通的情形。
根據一示範實施例，微孔中可能含有殘餘碳材料(如無定形碳)，移除殘餘碳材料的方法包括進行低溫氧化步驟來處理該吸附材料，其中在含氧氛圍中加熱該吸附材料至約150到200℃。此氧化步驟將產生含碳/氧物質，例如羧基(－CO3 H)和酚類(－COH)物種。接著利用任何適合方法移除該吸附材料中的含碳/氧物種，例如加熱該吸附材料至約700到900℃之間的更高溫度，以分解該些物種，且CO和CO2 氣態分子自碳結構中逸出。
閱讀全文後應可理解到，移除吸附材料微孔內之殘餘材料的方法可配合具有均一或不均一微孔輪廓的吸附材料來合併使用，及/或施予其他熱解後處理(post－pyrolyzation processing)，例如，使用上述冷凍蒸汽或採行其他如熱解後加熱處理的方法來修飾微孔尺寸及/或形狀)。
應注意文中所述概念可以任一適當方式彼此組合。例如，可利用接觸加熱來改質該結構表面附近的微孔結構來製造吸附結構，接著如文中所述般地實施後續步驟以進一步改質微孔結構。
故本發明涵蓋不脫離本發明廣義範圍下的各種特定實施例。本發明之特定實施例包括下述實施例。
一特定實施例是關於一種吸附結構，包含：至少一由吸附材料組成的吸附構件；以及至少一多孔構件，其設置成與部分的吸附構件接觸，以允許氣體進出該部分的吸附構件。
此吸附構件可更包含至少一導熱構件，其設置成與該吸附構件接觸，並且用來在吸附構件與熱傳流體之間轉移熱量。此結構中的導熱構件較佳包含金屬。
在上述吸附結構的另一實施例中，吸附材料包含活性碳，至少一多孔構件包含一多孔金屬，且該多孔金屬包含之材料係選自於由鎳、鋁、銅和其合金與組合物所構成之群組中。在一特定實施例中，此結構中之多孔金屬的孔隙度介於約25%至60%之間。
在上述吸附結構的又一實施例中，至少一多孔構件包含一多孔金屬板，且該多孔金屬板設置成與該吸附構件的至少一表面接觸。
再一實施例中，上述吸附結構包含複數個吸附構件且該些吸附構件被多個多孔金屬構件彼此隔開來。
在另一實施例中，上述吸附結構包含複數個混入吸附材料基質中的多孔金屬構件。
在又一實施例中，上述吸附結構更包含置於吸附材料內的一材料，用以提高該吸附材料的熱傳特性，其中用來提高吸附材料之熱傳特性的材料為置於吸附構件內的金 屬。
此吸附結構中用來提高吸附材料之熱傳特性的材料做為在該吸附材料中的第二相。此結構中用來提高該吸附材料之熱傳特性的材料可包含選自於由類鑽碳、鑽石奈米結晶、鑽石微晶和奈米碳管構成群組之材料。在另一實施例中，該吸附結構設置有用來提高吸附材料之熱傳特性的材料，其包含多個實質排列好的纖維。
本發明之另一特定實施例是關於一種製造吸附結構的方法，包含：提供一多孔材料並且與一吸附材料的表面接觸，該吸附材料用來儲存及傳送冷凍劑流體，該多孔材料則允許冷凍劑流體橫越該吸附材料的表面；以及提供至少一導熱構件並且與該吸附構件接觸，該導熱構件用來在該吸附材料與一熱傳流體之間轉移熱量。
此方法更包含於吸附材料內提供一材料，以提升吸該附材料的熱傳特性。方法可額外包含排列該些用來提升吸附材料之熱傳特性的材料，其中該排列步驟使用一外部磁場。
本發明之又一特定實施例是關於一種吸附型冷凍系統，包含：一吸附結構，其包含至少一吸附構件、至少一多孔構件並且與該至少一吸附構件接觸、以及一導熱構件並且設置成與該吸附構件接觸，其中該導熱構件用來傳遞熱量進出該吸附構件，且該多孔金屬構件設計成允許冷凍劑流體進出該吸附材料。
吸附型冷凍系統可配置成使至少一部分之多孔構件的 孔隙度介於約25%至40%之間。
吸附型冷凍系統還可包含利用冷凍劑流體來加以冷卻的腔室。
在另一實施例中，上述吸附型冷凍系統採用之吸附構件包含至少一材料，其選自於由聚偏二氯乙烯、酚甲醛樹脂、聚呋喃醇、椰子殼、花生殼、桃子核、橄欖核、聚丙烯腈和聚丙烯胺構成之群組中，其中該吸附構件包含多個奈米孔，且奈米孔具有大致均一的孔徑且遍及該吸附構件。
本發明之再一特定實施例是關於一種製造吸附材料的方法，包含：提供具有第一密度的第一活性碳前驅物；提供具第二密度的第二活性碳前驅物，並且與第一活性碳前驅物接觸而形成一結構；以及熱解該結構而形成內含複數個微孔的吸附材料，該吸附材料包含對應第一活性碳前驅物的第一區域和對應第二活性碳前驅物的第二區域；其中第一區域和第二區域在的微孔尺寸或微孔分布至少其中一者上不相同。
此方法之特徵更在於包括一或多個以下特徵：(i)第一和第二活性碳前驅物為聚合材料；(ii)第一和第二活性碳前驅物各自是由一或多個選自於由聚偏二氯乙烯、酚甲醛樹脂、聚呋喃醇、椰子殼、花生殼、桃子核、橄欖核、聚丙烯腈和聚丙烯胺構成之群組的材料組成；(iii)第一區域包含具有第一尺寸的多個微孔，第二區域包含具有第二尺寸的多個微孔，且第二尺寸大於第一尺寸；(iv)第一密度大於第二密度；(v)提供第一和第二活性碳前驅物的步驟包含 提供含有第一活性碳前驅物的第一層，以及將含有第二活性碳前驅物的第二層層壓至該第一層；(vi)提供第一和第二活性碳前驅物的步驟包括提供第二活性碳前驅物於第一活性碳前驅物內；和(vii)更包含在該熱解步驟前，提供具有第三密度的第三活性碳前驅物，且第三密度不同於第一密度和第二密度。
本發明之另一特定實施例是關於一種形成吸附構件的方法，包含：形成一第一聚合物構件；形成一第二聚合物構件；提供該第一聚合物構件接觸第二聚合物構件，且配置第一聚合物構件或第二聚合物構件至少其中一者，以於第一聚合物構件和第二聚合物構件之間產生多個空間；以及熱解該第一構件和第二構件，而於第一構件與第二構件內形成相對較小微孔，並於對應該些空間的位置處形成較大微孔。
此方法之特徵在於，(i)形成第一和第二聚合物構件之步驟包括鑄造或修飾該些構件的形狀，例如，修飾該構件的形狀包括蝕刻該構件；或(ii)提供第一和第二聚合物構件的步驟包括提供複數個附加聚合物構件，以及壓縮該些附加聚合物構件而形成一結構，且在該結構中形成有多個空間。
本發明之又一特定實施例是關於一種形成吸附構件的方法，包含：提供一構件，其包含置於聚合物基質內的第一材料；移除第一材料；以及熱解該構件而於聚合物基質內形成微孔。
在此方法中，第一材料為犧牲材料，例如其可被灰化或溶解第一材料的步驟所移除。第一材料可包含鋁，且移除第一材料之步驟包含引進氯化氫氣體至聚合物基質中而形成三氯化鋁(AlCl3 )氣體。移除第一材料的步驟可在熱解步驟之前、期間或之後進行。
本發明之再一特定實施例是關於一種吸附材料，包含：具有第一微孔分布的第一區域；具有第二微孔分布的第二區域；其中第一區域是由具有第一密度的第一聚合材料構成，第二區域由具有第二密度之第二聚合材料構成。
此吸附材料可呈各種組成方式，其中第一聚合材料和第二聚合材料具有相同組成，及/或第一區域的微孔比第二區域之微孔要大，及/或第一微孔分布之每單位體積的微孔數比第二區域的要少。吸附材料可包含活性碳。在一特定實施例中，第一聚合材料和第二聚合材料具有相同組成。
在另一態樣中，本發明涵蓋利用高壓和高溫處理來改質(modification)冷凍劑，藉以提高吸附劑的流體儲量。高壓和高溫處理可在可增加吸附劑上之吸著物流體儲量的壓力、溫度與時間條件下持續進行一段時間，例如在一實施例中為持續數天，或在另一實施例中為6至170小時。
根據此處理方式和因此處理而提高流體儲量的一實施例，將充滿砷化三氫的二個圓筒經高溫和高壓處理一週的時間來改質碳吸附材料，而增加吸附材料的流體攝入量。在此示範實施例中，二個圓筒的最初流體輸送壓力分別為673托耳(圓筒A)和634托耳(圓筒B)。接著將圓筒放進烤 箱，然後緩緩升溫至70℃並維持此溫度達一週之久。升溫也會造成圓筒壓力上升。隨時間監測圓筒內壓和烤箱溫度。所得數據繪於第57圖，其為烤箱溫度與圓筒內壓隨時間變化的圖形。圓筒A的曲線以序號S3A6457表示，圓筒B的曲線以序號S3A6818表示。圖中的溫度曲線顯示，70℃的烤箱溫度維持了6至172小時。經過約5小時後，圓筒A的內壓為57psig，圓筒B的內部壓力為54psig，且在大部分的測試期間，各圓柱的內壓幾乎相疊在一起。將可理解到，處理的升溫範圍可以很廣，例如可從40℃到100℃，並且密閉容器含有吸著物氣體環境會導致容器內壓上升，例如相較於周遭環境條件(如25℃)的壓力升高10%至500%。
維持此高溫和高壓條件一段時間後，使各圓筒冷卻至室溫，並且測量各圓筒內含氣體的輸送壓。圓筒A的輸送壓為461托耳，圓筒B的輸送壓為452托耳。這些數值比圓筒原始的輸送壓力低了約30%。接著在室溫、低於大氣壓的條件下，再使該些圓筒靜置21天。在此條件下，圓筒A的輸送壓力進一步降至353托耳。
輸送壓從約650托耳降至450托耳相當於碳吸附劑上額外吸附約55克的砷化三氫，而輸送壓從約650托耳降至353托耳相當於碳吸附劑上額外吸附約96克的砷化三氫。
從圓筒的高溫和高壓處理結果可知，此處理條件能讓氣體進入吸附劑中在經過處理之前氣體所無法抵達的吸附位置。至於高溫和高壓處理何以實質增加吸附量，對此並 不侷限於任何理論或解釋，但可能是因為高溫和高壓條件擴大了吸附劑中的微孔體積。
接著，評估圓筒A，以判斷後續分配操作是否能移除額外負載的砷化三氫氣體。為此，測量在分配壓力範圍從353托耳下至25托耳時的可輸送氣體量。結果列於表2，其比較圓筒A和充滿砷化三氫且含碳吸附劑的典型JY圓筒(購自美國康乃迪克州丹伯里市的ATMI公司，商標為SDS3)。
這些數據顯示，圓筒A輸送的砷化三氫氣體比典型的 SDS3砷化三氫圓筒要少，此亦表示圓筒A中碳吸附劑額外負載的砷化三氫較不易被移除，且當圓筒減壓及降回室溫時，加熱及加壓吸附劑的吸附變化是可逆的。本發明涵蓋利用高溫/高壓處理來避免此狀況發生，並永久改變碳吸附劑的結構，以增加吸著物氣體的攝入量和提高可輸送量。此外，本發明涵蓋利用高溫進行分配操作，如此隨後在分配操作時，因高溫/高壓處理而額外負載在碳吸附劑上的吸著物將進行熱脫附，故後續分配操作可相應地實現更高的吸附劑容量。
將可理解，熟諳此技藝者可憑經驗輕易決定出可增加碳吸附劑容量的特定高溫和高壓條件，其中溫度與壓力和高溫/高壓維持時間可視達到期望碳吸附劑容量的各種製程條件而定，而對應的分配條件同樣可憑經驗決定。
故本發明涵蓋提高用於吸著物氣體之碳吸附劑容量的方法，包含在高溫和高壓條件下，使碳吸附劑於吸著物氣體環境中保持一段充足時間，以增加碳吸附劑上的吸著物氣體容量。本發明還涵蓋此方法中，吸附之吸著物氣體隨後在高溫脫附條件下，自碳吸附劑上脫附。
雖然本發明已以氣態冷凍劑流體說明於上，但應理解本發明當可包含不同流體形態的冷凍媒介，包括液體、氣體、液體/氣體混合物等。冷凍劑可包含任何適合之冷凍材料，包括單一成分和多重成分的材料。在不同實施例中，冷凍劑包含氨氣、水、鹵化碳、乙二醇、醇類(如甲醇、乙醇、異丙醇等)、碳氫化合物(如丁烷、丙烷等)、胺類、聚 胺類、或其他廣泛應用於本發明的材料。
各示範實施例中所顯示之吸附系統的部件結構和配置僅為舉例說明而已。儘管本文只詳述少數實施例，然熟諳此技藝者，將可明瞭到在不脫離本發明新穎態樣的情況下做出許多變化，例如改變大小、尺寸、結構、形狀和各元件比例、參數值、裝設排列方式、使用材料、顏色、方位等)。例如，整合式元件可由多個零件或元件構成，元件位置可設成反向或其他方位，獨立元件的本質及/或數量或位置可加以變化。在替代實施例中，可改變或重新安排製程或方法步驟的順序。另可更換、修飾、改變和省略各示範實施例的設計、操作條件和排列方式，此亦不脫離本發明所欲保護之範圍。
100‧‧‧冷凍系統
110‧‧‧容器
112‧‧‧蒸發器
120‧‧‧吸附裝置/系統/結構
122‧‧‧導熱板
124‧‧‧吸附材料
126、128‧‧‧表面
200‧‧‧構件/結構
200‧‧‧基材
202、204、206、208、210、212、214、216、218、220‧‧‧層
202、204、206‧‧‧區域/位置
210、212、214、216‧‧‧構件
220‧‧‧吸附系統
220‧‧‧爐管/腔室
222‧‧‧多孔板
223‧‧‧金屬板
224‧‧‧吸附材料
226、228、230‧‧‧表面
300‧‧‧結構
300’‧‧‧材料
302、304、306、308、310‧‧‧層
310‧‧‧容器
312‧‧‧蒸汽/前驅物
320‧‧‧吸附結構/系統
320、322‧‧‧罩幕
322‧‧‧多孔板
323‧‧‧導熱板
324‧‧‧吸附材料
330、332‧‧‧表面
400‧‧‧裝置/系統
400‧‧‧結構
402‧‧‧外殼/外框
402、404、406‧‧‧層
404‧‧‧結構
410‧‧‧吸附構件
421－426‧‧‧金屬板/多孔構件
427－428、427a－b‧‧‧多孔構件
500‧‧‧裝置
500‧‧‧結構
502‧‧‧外殼/外框
502、504‧‧‧層
504、506‧‧‧末端
506‧‧‧區域
508‧‧‧管狀構件
510‧‧‧吸附材料/構件
512、514、516‧‧‧圓環/構件
521、522、523、524‧‧‧構件
525‧‧‧金屬盤
600‧‧‧裝置/吸附材料
600’‧‧‧裝置
602‧‧‧外殼/外框
602‧‧‧凹洞
604、606‧‧‧部分
610‧‧‧構件/第二相材料
610、620‧‧‧構件
620‧‧‧多孔構件/元件
630‧‧‧空間
640‧‧‧微孔
700‧‧‧吸附結構
700‧‧‧薄片
702‧‧‧滾軸
704‧‧‧特徵結構
710‧‧‧構件
710、730‧‧‧結構
720‧‧‧基質
720、740‧‧‧吸附結構
722、742‧‧‧微孔
810、820、830‧‧‧構件
812、822、832‧‧‧微孔
814、824、834‧‧‧吸附材料
902、912‧‧‧犧牲材料
904‧‧‧基質
910‧‧‧結構
911‧‧‧主體
914‧‧‧構件
916‧‧‧吸附材料
918‧‧‧孔隙
1000‧‧‧結構
1010‧‧‧吸附材料
1020、1022‧‧‧金屬板
1100‧‧‧基材
1102‧‧‧特徵結構
1110‧‧‧光阻(材料)
1112‧‧‧區域
第1圖為根據一示範實施例之吸附型冷凍系統的示意圖。
第2圖為吸附裝置的截面圖，其做為第1圖之冷凍系統的部件。
第3至4圖顯示根據一示範實施例所作之活性碳塊的照片。
第5圖為根據一示範實施例之吸附系統或裝置的截面圖，其採用多孔金屬板。
第6圖為根據另一示範實施例之吸附系統或裝置的截面圖，其採用多孔金屬板。
第7圖為根據一示範實施例之吸附結構的截面圖，其採用吸附材料和多孔金屬材料。
第8圖為第7圖之吸附結構的另一截面圖。
第9圖為第7圖之吸附結構的另一截面圖。
第10圖為根據另一示範實施例之吸附結構的截面圖，其採用吸附材料和多孔金屬材料。
第11圖為第10圖之吸附結構的另一截面圖。
第12圖為根據又一示範實施例之吸附結構的截面圖，其採用吸附材料和多孔金屬材料。
第13圖為第12圖之吸附結構的另一截面圖。
第14圖為根據一示範實施例，內含第二相材料之吸附材料的截面圖。
第15－16圖繪示使用設置於吸附材料基質內的導熱構件。
第17圖為根據一示範實施例之數層聚合材料的截面圖，且相鄰材料層具有不同的密度。
第18圖顯示第17圖之各層互相接觸且在熱解之前的截面圖。
第19圖為第17圖之各層在經過熱解後的截面圖。
第20圖為根據另一示範實施例之吸附結構的截面圖，顯示其具有多個不同密度的區域。
第21圖為根據又一示範實施例之吸附結構的截面圖，顯示其具有多個不同密度的區域。
第22圖為根據再一示範實施例之吸附結構的截面 圖，顯示其具有多個不同密度的區域。
第23圖為一鑄模的局部示意圖，其用來形成根據一示範實施例之待進行熱解以形成吸附材料的未熟聚合材料。
第24圖為利用第23圖之鑄模所形成的未熟聚合材料構件，且其設置成與一類似的未熟聚合材料構件相接觸。
第25圖為利用第24圖之聚合物構件所形成的吸附材料示意圖。
第26圖為根據一示範實施例用來修飾未熟聚合物構件結構的方法示意圖。
第27至30圖繪示根據二個示範實施例，利用第26圖之未熟聚合物構件來形成吸附材料。
第31至36圖繪示根據一示範實施例，使用預先形成之聚合物元件來形成內含微孔的吸附材料。
第37至45圖繪示根據一示範實施例，用於聚合物構件內的犧牲材料，其將會進行熱解反應而於吸附材料內形成微孔。
第46圖為根據一示範實施例之吸附結構的局部截面圖。
第47圖為沿著第46圖之A－A線截切吸附結構的截面圖。
第48至51圖繪示根據一示範實施例，利用蝕刻製程於吸附材料表面形成特徵的方法。
第52圖為根據一示範實施例，於加熱室內進行熱解之材料(如壓縮聚合材料)的截面圖，其中使用接觸加熱來控 制形成在材料內的微孔輪廓。
第53圖為根據另一示範實施例，於加熱室內進行熱解之材料(如壓縮聚合材料)的截面圖，其中使用輻射加熱來控制形成在材料內的微孔輪廓。
第54圖為根據又一示範實施例，於加熱室內進行熱解之材料(如壓縮聚合材料)的截面圖，其中接觸加熱和輻射加熱皆有使用。
第55圖為進行熱解後處理之吸附材料的截面圖。
第56圖為進行熱解後處理之吸附材料的另一截面圖，其中部分吸附材料被遮蔽或覆蓋住。
第57圖為二個吸附容器之溫度與壓力隨時間變化的圖形，該些吸附容器含有碳吸附劑且充滿砷化三氫(arsine，胂)，並且已經過高溫和高壓處理一週的時間。
220‧‧‧吸附系統
222‧‧‧多孔板
223‧‧‧金屬板
224‧‧‧吸附材料
226、228、230‧‧‧表面

Claims (42)

  1. 一種吸附結構，包含：由一吸附材料形成的至少一吸附構件，其中該吸附材料包括一微孔結構；以及至少一多孔構件，該多孔構件具有一表面設置成接觸該吸附構件的一表面，以允許冷凍劑氣體通過該至少一多孔構件以進出該吸附構件之該表面，以於一冷凍循環期間增進該冷凍劑氣體進入該吸附材料之該微孔結構的吸附速度，及該冷凍劑氣體離開該吸附材料之該微孔結構的脫附速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，更包含至少一導熱構件，設置成接觸該吸附構件並經配置以在該吸附構件與一熱傳流體之間轉移熱量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之吸附結構，其中該至少一導熱構件包含一金屬。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，其中該吸附材料包含活性碳，其中該至少一多孔構件包含一多孔金屬，且其中該多孔金屬包含一材料選自由鎳、鋁、銅和其合金與組合物所構成之群組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之吸附結構，其中該多孔金屬的孔隙度為約25%至60%之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，其中該至少一多孔構件包含一多孔金屬板，其設置成與該吸附構件的至少一表面接觸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，其中該吸附結構包含複數個吸附構件，該複數個吸附構件係藉由多個多孔金屬構件而彼此隔開。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，其中該吸附結構包含複數個多孔金屬構件置入一吸附材料基質中。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之吸附結構，更包含置於該吸附材料內的一材料，以提高該吸附材料的熱傳特性，其中用來提高該吸附材料之熱傳特性的該材料是置於該吸附構件內的一金屬。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之吸附結構，其中用來提高該吸附材料之熱傳特性的該材料係作為該吸附材料中的一第二相。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之吸附結構，其中用來提高該吸附材料之熱傳特性的該材料包含選自由類鑽碳、鑽 石奈米結晶、鑽石微晶和奈米碳管所構成之群組中的一材料。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之吸附結構，其中用來提高該吸附材料之熱傳特性的該材料包含複數個實質已排列的纖維。
  13. 一種製造一吸附結構的方法，包含：提供一多孔材料接觸一吸附材料的一表面，該吸附材料經配置以允許儲存並傳送一冷凍劑流體，藉此該多孔材料允許該冷凍劑流體橫越該吸附材料的該表面；以及提供至少一導熱構件接觸該吸附材料，該導熱構件經配置以在該吸附材料與一熱傳流體之間轉移熱量。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，更包含提供一材料於該吸附材料內，以提高該吸附材料的熱傳特性。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，更包含排列用來提升該吸附材料之熱傳特性的該材料，其中該排列步驟使用一外部磁場。
  16. 一種吸附型冷凍系統，包含：一吸附結構，其包含至少一吸附構件、至少一多孔構件接觸該至少一吸附構件， 以及一導熱構件設置成接觸該吸附構件；其中該導熱構件經配置以傳遞熱量進出該吸附構件；且其中該多孔構件經配置以允許一冷凍劑流體進出該吸附構件。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之吸附型冷凍系統，其中該多孔構件的至少一部分之孔隙度介於約25%至40%之間。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之吸附冷凍系統，更包含藉由該冷凍劑流體冷卻的一腔室。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之吸附型冷凍系統，其中該吸附構件包含至少一材料選自由聚偏二氯乙烯(polyvinylidene chloride)、酚甲醛樹脂(phenol-formaldehyde resins)、聚呋喃醇(polyfurfuryl alcohol)、椰子殼、花生殼、桃子核、橄欖核、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)和聚丙烯胺(polyacrylamide)所構成之群組，其中該吸附構件包含多個奈米孔，其中該等奈米孔具有大致均一的孔尺寸且遍及該吸附構件。
  20. 一種製造吸附材料的方法，包含：提供具有第一密度的一第一活性碳前驅物；提供具有第二密度的一第二活性碳前驅物接觸該第一活性碳前驅物，以形成一結構；以及 熱解該結構以形成內含複數個微孔的一吸附材料，該吸附材料包含對應該第一活性碳前驅物的一第一區域和對應該第二活性碳前驅物的一第二區域，其中該第一區域和該第二區域的微孔尺寸與微孔分布中之至少一者不相同。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該第一活性碳前驅物和該第二活性碳前驅物為聚合材料。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該第一活性碳前驅物和該第二活性碳前驅物各自是由選自由聚偏二氯乙烯、酚甲醛樹脂、聚呋喃醇、椰子殼、花生殼、桃子核、橄欖核、聚丙烯腈和聚丙烯胺所構成之群組中的一或多個材料所形成。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該第一區域包含具有一第一尺寸的多個微孔，且該第二區域包含具有一第二尺寸的多個微孔，且該第二尺寸大於該第一尺寸。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該第一密度大於該第二密度。
  25. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中提供該第一活性碳前驅物和該第二活性碳前驅物的步驟包含：提供一 第一層，該第一層包含該第一活性碳前驅物；以及將一第二層層壓至該第一層，該第二層包含該第二活性碳前驅物。
  26. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中提供該第一活性碳前驅物和該第二活性碳前驅物的步驟包含：於該第一活性碳前驅物內提供該第二活性碳前驅物。
  27. 如申請專利範圍第20項所述之方法，更包含：在該熱解步驟之前，提供具有第三密度的一第三活性碳前驅物，且該第三密度不同於該第一密度和該第二密度。
  28. 一種形成一吸附構件的方法，包含：形成一第一聚合物構件；形成一第二聚合物構件；使該第一聚合物構件接觸該第二聚合物構件，該第一聚合物構件與該第二聚合物構件中之至少一者經配置使得該第一聚合物構件和該第二聚合物構件之間產生空間；以及熱解該第一聚合物構件和該第二聚合物構件，以於該第一聚合物構件與該第二聚合物構件內形成相對較小的微孔，且於對應該等空間的位置處形成相對較大的微孔。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其中形成該第一聚合物構件和該第二聚合物構件的步驟包含：鑄造或修飾該第一和該第二聚合物構件的形狀。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中修飾該等構件之形狀的步驟包含蝕刻該等構件。
  31. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其中形成該第一和第二聚合物構件的步驟包含：提供複數個附加聚合物構件；以及壓縮該等附加聚合物構件，以形成一結構，且該等空間形成在該結構中。
  32. 一種形成吸附構件的方法，包含：提供一構件，該構件包含置於一聚合物基質內的一第一材料；移除該第一材料；以及熱解該構件而於該聚合物基質內形成微孔。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之方法，其中該第一材料為一犧牲材料。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中移除該第一材料的步驟包含灰化或溶解該第一材料。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中該第一材料包含鋁，且移除該第一材料的步驟包含：將氯化氫氣體引入該聚合材料中而形成三氯化鋁(AlCl3 )氣體。
  36. 如申請專利範圍第32項所述之方法，其中移除該第一材料的步驟是在該熱解步驟期間進行，或其中移除該第一材料的步驟是在該熱解步驟之後進行，或其中移除該第一材料的步驟是在該熱解步驟之前進行。
  37. 一種吸附材料，包含：一第一區域，其具有一第一微孔分布；一第二區域，其具有一第二微孔分布；其中該第一區域由具有第一密度的一第一聚合材料形成，且該第二區域由具有第二密度的一第二聚合材料形成。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之吸附材料，其中該第一聚合材料和該第二聚合材料具有相同組成，及/或其中該第一區域的微孔比該第二區域的微孔要大，及/或其中該第一微孔分布之每單位體積的微孔數比該第二區域的要少。
  39. 如申請專利範圍第37項所述之吸附材料，其中該吸附材料包含活性碳。
  40. 如申請專利範圍第37項所述之吸附材料，其中該第一聚合材料和該第二聚合材料具有相同組成。
  41. 一種提高一碳吸附劑對一吸著物氣體之容量的方法，包含：在範圍自40℃至100℃之升溫和範圍自0至673 托耳之升壓下，將該碳吸附劑保持在一吸著物氣體環境中達範圍自6至170小時之充足時間，以增加該碳吸附劑上之該吸著物氣體的量。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中已被吸附的吸著物氣體隨後在升溫脫附條件下，從該碳吸附劑脫附。
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