吸附热交换器装置制造方法
【专利摘要】为固体吸附制冷系统（1）提供吸附热交换器装置（11、30）。这样一种装置包括具有多个突起（17）的热交换器（12），这些突起（17）被布置成延伸到在使用中的系统（1）的被吸附物中。吸附结构（13、31）形成在热交换器（12）上，用于所述被吸附物的吸附。吸附结构（13、31）包括多个从热交换器（12）的所述多个突起（17）中的每一个突起向外延伸的细长吸附元件（20）。
【专利说明】吸附热交换器装置
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及用在固体吸附致冷系统中的吸附热交换器装置。提供吸附热交换器装置、以及用来制造这样的装置的方法和包括这些装置的设备。
【背景技术】
[0002]固体吸附制冷系统通过由固体物质(吸附剂)对制冷剂蒸汽(被吸附物)的吸附和解吸而驱动，该固体物质通常是高度多孔的。与由机械压缩机驱动的常规蒸汽-压缩冷却系统相反，不需要电能驱动制冷循环。基本循环涉及吸附阶段和解吸阶段。在吸附阶段中，制冷剂蒸汽由吸附剂物质吸附，导致热量的释放。在解吸阶段中，将热量施加到吸附剂上，引起制冷剂的解吸。在这些过程期间传递的热量由热交换器在吸附剂与热传递流体(例如，水或水乙二醇混合物)或外部环境之间输送。吸附和解吸过程与在蒸发器/冷凝器中的制冷剂的蒸发和冷凝一道发生。气态制冷剂的吸附降低蒸汽压力，促进在蒸发器中液体制冷剂的蒸发。在这种蒸发期间，从待被冷却的环境中抽取热量，导致制冷。通过将热量经热交换器供给到吸附剂，吸附的制冷剂释放成蒸汽相，因而再生用于下个吸附循环的吸附剂材料。现在气态被吸附物通到冷凝器，在该处，到环境中的热量丢弃发生。如在常规蒸汽-压缩冷却中那样，液体制冷剂通过控制装置(例如，膨胀阀)回到蒸发器中，并且然后可重复循环。
[0003]制冷循环完全由在解吸阶段期间的热量输入而驱动，而没有机械功的进一步输入。因此在例如从太阳(太阳能冷却)或作为来自诸如在数据中心中的功率消耗之类的其它源的废热，余热是容易可得到的场合，固体吸附冷却可能优于常规蒸汽-压缩冷却。另一个优点是，在固体吸附冷却中使用的通常制冷剂，如水和甲醇，是环境友好的，并且使对于全球变暖的影响是可忽略的，不像在蒸汽-压缩冷却中典型使用的氟碳制冷剂。
[0004]尽管有这些优点，但固体吸附冷却系统的冷却功率与相同大小的蒸汽压缩冷却系统相比非常低。低比率冷却功率部分归因于吸附剂材料的不良传热特性。在第一代系统中，吸附器单元使用松散吸附剂粒的床，这些松散吸附剂粒铺设在金属热交换器表面上。改进吸附剂的导热性的最近努力包括单块吸附剂而不是粒状吸附剂材料的使用、和具有高导热性的吸附剂材料的使用。合并吸附剂材料已经由石墨、金属泡沫、或吸附剂粒形成，这些吸附剂粒约束在诸如树脂之类的基体中。复合吸附剂材料也已经由吸附剂微粒和具有较高导热性的微粒的混合物生产。这些合并材料一般具有对于被吸附物蒸汽的不良渗透性，由此显著地妨碍在结构内的被吸附物的流动。由于在粒状或合并吸附剂中到吸附部位的长扩散路径，在内吸附剂表面附近的蒸汽压力适应系统压力的变化很慢，由此限制吸附剂的冷却和再生的速率。最近，通过用薄膜吸附剂涂层涂敷热交换器翅片或管、或通过在外部热交换器表面上吸附剂，通常是一种类型的沸石，的直接合成，已经改进在热交换器与吸附剂材料之间的热界面处的热传递，这些薄膜吸附剂涂层由分散在适当基体中的吸附剂材料而形成。在2010年12月22日提交的我们的共同待决欧洲专利申请N0.10196440.1公开了集成吸附热交换器装置，这些集成吸附热交换器装置提供了传热系数的进一步改进。[0005]美国专利申请公报N0.2010/0196249A1公开了用于多种正式的用途的对准碳纳米管散装结构，这些对准碳纳米管散装结构包括散热材料、诸如热交换器之类的热导体、电导体、电极、电池、电容器和超级电容器、发射装置、或用于气体存储和运输的吸附齐U。为了超级电容器电极的增强操作而经受活化过程的碳纳米管也在Frackowiak等的“Enhanced Capacitance of carbon nanotubes through chemical activation，，, ChemicalPhysics Letters361 (2002) 35-41、和 Hiraoka 等的 “Compact and Light SupercapacitorElectrodes from a Surface-Only Solid by Opened Carbon Nanotubeswith2200m2g_1Surface Area”，Advanced Functional Materials, 2010，20，422-428 中讨论。
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面的一个实施例提供用于固体吸附制冷系统的吸附热交换器装
置。装置包括:
[0007]热交换器，具有被布置成延伸到在使用中的系统的被吸附物中的多个突起；和
[0008]形成在热交换器上的吸附结构，用于所述被吸附物的吸附，该吸附结构包括多个从热交换器的所述多个突起中的每一个突起向外延伸的细长吸附元件。
[0009]在实施本发明的吸附热交换器装置中，热交换器在装置的吸附侧上具有突起，突起被布置成延伸到系统的吸附区域中，该系统在使用中包含被吸附物。热交换器(它当然是非多孔的，并所以对于被吸附物是基本上不能渗透的，以禁止被吸附物从系统的通过和因此逃逸)具有形成在其上的吸附结构。这种结构提供在使用中被吸附物蒸汽的吸附。吸附结构包括细长吸附元件，这些细长吸附元件布置成使得这些吸附元件中的多个从每一个热交换器突起向外延伸到吸附区域中。这种装置布置提供吸附区域的分级划分、或细分，由此提供空隙的分级分支，该空隙在使用中包含被吸附物蒸汽。第一级划分/分支由热交换器突起提供。从热交换器突起向外延伸的细长吸附元件然后进一步划分在突起之间的区域，按比第一级小的规模提供第二级分支。热交换器和吸附结构的这种分级构造地结构提供给出良好传热特性的热通路与高效分级质量运输网相耦合的高效布置，该高效分级质量运输网容许被吸附物蒸汽到吸附部位的高度有效运输。与现有系统相比，本发明的实施例因而提供改进的导热性，而不折衷对于被吸附物蒸汽的渗透性。还可实现本发明的实施例的热和质量传递的优越性，而不折衷吸附剂的体积填充百分率(即，非活性体积或“不流动(dead)空间”的量)，这种折衷是以上描述的现有薄膜涂层系统的缺陷。本发明实施例的这些和进一步优点将在下面更详细地讨论。
[0010]热交换器突起一般可包括任何突出形式，并且可具有规则或不规则结构。这样的突起的例子包括翅片、销、叶片、弯曲和折叠、等等。然而，在优选实施例中，热交换器的突起具有在延伸到被吸附物中的方向上细长的横截面。这里的具体例子包括翅片、销及叶片。这样的高纵横比结构-它们在延伸到吸附区域中的方向上一般长且薄，提供到吸附剂的特别高效热流动路径、以及用于覆在吸附结构上面的大表面面积。当然可想到其中不是所有热交换器突起都具有形成在其上的吸附元件的装置，尽管理想吸附元件为了最大效率形成在每个突起上。在特别优选的实施例中，每个细长吸附元件与它形成在其上的热交换器突起的表面基本上垂直地延伸。吸附元件的这种基本上垂直布置(例如，在垂线的约5°内经受任何挠曲/弯曲，如下面讨论的那样)为格外高效装置结构提供基础，如下面详细讨论的那样。在一些这样的装置中，热交换器突起的布置、和其上吸附元件的布置可以使得在相邻突起上的吸附元件交错。在相邻突起上的吸附元件的这样一种交叠布置提供了空间的高效使用。在特别高效的布置中，在一个给定热交换器突起上的各吸附元件基本上相互对准。就是说，在一个热交换器突起上的吸附元件的一些或全部在基本上相同方向上延伸。
[0011]该结构的吸附元件提供在使用中被吸附物的吸附，并因此是全部或至少部分地吸附剂。在一些装置中，吸附元件由固有吸附剂材料形成，并且最优选地，由活化吸附剂材料形成，即一种固有吸附剂并且已经经受活化过程以增大活性表面面积和增强吸附性的材料。下面将描述具体例子。在其它实施例中，吸附元件可以由导热材料形成，这种导热材料在其上具有吸附剂材料。这里的吸附剂材料可以是涂层，例如诸如多孔硅石或沸石之类的吸附剂的膜状涂层(它不必是均匀的或完全连续的)、或粒状吸附剂材料。
[0012]在优选实施例中，吸附元件包括纤维，即一些适当材料的一般长的、细的线或丝。碳纳米管提供固有吸附剂纤维的特别优选例子。非吸附剂材料的例子包括金属或陶瓷纤维，吸附剂然后可涂敷到这些金属或陶瓷纤维上，如以上描述的那样。
[0013]即使在吸附元件是固有吸附剂的场合，吸附结构也优选地包括第一微粒材料，该第一微粒材料涂敷到吸附剂元件上，并且包括第一尺寸的吸附剂微粒，该第一尺寸容许微粒进入该结构的相邻吸附元件之间。这有助于附加的吸附性，增大用于吸附的充填密度，并且提供装置的整体分级结构的另一个级，进一步划分吸附区域，以增大暴露于被吸附物的活性表面面积。在特别优选的装置中，吸附结构还包括涂敷到吸附剂元件上的第二微粒材料。这包括第二尺寸的第二微粒，该第二尺寸小于第一尺寸，容许第二微粒进入第一微粒材料的相邻吸附剂微粒之间并在其接触点附近。微粒吸附剂的这种双模态尺寸分布既改进充填密度，又改进吸附剂结构的导热性。较小第二微粒有效地加大在较大第一微粒之间的接触点，由此改进热接触。第二微粒也为整体分级结构提供了进一步的级。实施本发明的优选装置因此提供吸附区域空隙的多级分级分支，提供优越的吸附效率以及优良的传热特性。下面将描述优选实施例的进一步特征和优点。
[0014]本发明第二方面的实施例提供用于固体吸附制冷系统的吸附器设备。设备包括根据本发明第一方面的一个或多个吸附热交换器装置，该装置限定用于被吸附物的通过的吸附区域，并且布置成使得热交换器突起延伸到吸附区域中。
[0015]本发明第三方面的实施例提供一种用来制造用于固体吸附制冷系统的吸附热交换器装置的方法。该方法包括在热交换器上形成用于所述系统的被吸附物的吸附的吸附结构，该热交换器具有多个突起，吸附结构包括多个从热交换器的每一个所述突起向外延伸的细长吸附元件。
[0016]一般地，在特征参考本发明一个方面的实施例被描述的情况下，对应特征可以提供在本发明另一个方面的实施例中。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]现在作为例子参照附图将描述本发明的优选实施例，在这些附图中:
[0018]图1a和Ib表明固体吸附制冷系统的基本操作阶段；
[0019]图2是吸附器设备的示意说明，该吸附器设备采用实施本发明第一吸附热交换器
装置；[0020]图3是在图2中的吸附热交换器装置的吸附元件的放大说明；
[0021]图4是另一种放大说明，表示在图2装置中的相邻热交换器突起上的吸附元件；及
[0022]图5是实施本发明的第二吸附热交换器装置的示意说明。
【具体实施方式】
[0023]图1a和Ib是示范固体吸附制冷系统I的示意说明，在该示范固体吸附制冷系统I中，可以采用实施本发明的吸附和热交换器装置。两个图表明制冷循环的两个主要阶段，使实线箭头代表在每种情况下的热量流动。这个简单系统包括两个吸附器单元2、冷凝器3及蒸发器4。用于冷凝物从冷凝器3到蒸发器4的通过的管子终止在控制装置5中，该控制装置5这里是膨胀阀。吸附器单元2经单向阀6、7连接到蒸发器4和冷凝器3上，如在图中指示的那样。
[0024]系统I的每个单元2包括吸附设备，该吸附设备包括下面要详细描述的多个吸附热交换器装置。吸附热交换器装置布置在每个单元中，从而在吸附阶段期间经阀6从蒸发器4接收的制冷剂蒸汽通到吸附区域中，在该处，它流过装置的吸附剂结构。蒸汽在解吸期间经这些结构向冷凝器3引导，在这个阶段期间经阀7从单元逸出。在这些过程期间，通常是水基的传热液体(HTF)流过装置的热交换器结构，并且由这些结构在单元2的流体进口和出口(在图中未表示)之间引导。为了系统I的操作采用在三个不同温度下的三个储罐(未表示):高温(“热”)储罐、低温(“冷冻”)储罐、及中间温度(“冷”)储罐，如下面进一步讨论的那样。在实际中，每个储罐可以由分离HTF环路连接到在图1a和Ib中的系统上。这些具体机构将取决于这些装置的精确形式和布置，制冷剂和HTF经这些具体机构输送到吸附热交换器装置、和从其输送。这样的机构在吸附系统的领域中是熟知的，并且用于给定布置的适当机构对于本领域的技术人员将是显而易见的。
[0025]用于右边吸附器单元2的基本操作循环表明在图中。图1a表明循环的解吸阶段。在这个阶段的开始处，制冷剂流体(例如，水或甲醇)完全吸收在吸附器单元2内。吸附器单元然后通过将热HTF供给到单元而被加热。热量因而经热交换器传递到吸附剂结构，引起制冷剂的蒸发和因此解吸。制冷剂蒸汽经阀7通到冷凝器3，在该处，蒸汽在由解吸过程生成的高压力下冷凝。热量在这个过程期间丢弃到环境中，并且传递到冷HTF。当冷凝完成时，吸附阶段开始。液体制冷剂通过膨胀阀5进入蒸发器4中，引起部分蒸发。如图1b所示，在蒸发器4中的减小压力导致制冷剂的进一步蒸发，在这个过程期间从环境中抽吸热量，并因而引起环境冷却和冷冻HTF的低温。制冷剂蒸汽经阀6通到吸附器单元2，并且被再吸附，减小系统压力和促进进一步蒸发。在吸附期间由制冷剂丢弃的热量经在单元2中的热交换器传递到在中间温度下的冷HTF。吸附阶段继续，直到制冷剂被完全吸附，并且循环然后完成。
[0026]为了得到更连续的冷却，在系统I中的左边吸附器单元可相对于右边单元按反相驱动，从而在一个单元中的吸附与在另一个单元中的解吸同时地发生。的确，尽管两个吸附器单元提供在表示的简单系统中，但在实际中，系统可以使用多个单元，这些多个单元按适当相移操作，以产生更高效和连续的冷却。
[0027]图2表明用在系统I的吸附器单元2中的吸附器设备，该吸附器设备实施本发明。吸附器设备10包括一对基本上相同的吸附热交换器装置11，该对的一个为了简单起见在图中由虚线指示。吸附热交换器装置11的基本结构由在图中表示的下部装置的示意横截面图指示。装置11包括热交换器12，该热交换器12具有形成在其一侧上的吸附结构13。在这个例子中，热交换器12为金属板14的形式，这些金属板14具有一系列突起，这些突起为高纵横比翅片的形式，对于板14的两个表面都基本上按直角延伸。在图中在板14的下侧上的翅片15限定通道16，这些通道16在操作中用来输送传热流体(HTF)。在板14的相对吸附侧上的翅片17为吸附结构13提供支撑，并且延伸到设备的吸附区域中。具体地说，将两个装置11布置成，使它们的吸附侧彼此面对，借此在两块板14之间的区域限定在使用中用于被吸附物蒸汽的通过的吸附区域。在延伸到吸附区域中的方向上的翅片17的细长横截面具有高纵横比，优选地约20:1或甚至更高，在这个实施例中使在HTF侧上的翅片15类似地形成。在图中示意表明的各种结构的尺寸将取决于用来构造装置11的具体材料和过程。材料和过程的详细例子在下面给出。然而，作为说明，在这个实施例中的翅片高度可以是近似5_，翅片周期性可以是约2_，并且板14的厚度可以是近似0.5_。
[0028]在热交换器翅片17上形成的吸附结构13包括多个细长吸附元件，这些多个细长吸附元件从翅片17的每一个向外延伸到在相邻翅片之间的吸附空隙中。这些吸附元件保证在使用中被吸附物的吸附。这个实施例的吸附元件是固有吸附剂纤维，这些固有吸附剂纤维这里为碳纳米管的形式，这些碳纳米管通过下面进一步讨论的过程直接生长在热交换器翅片17的表面上。纳米管20更清楚地指示在图3和4中。图3表示在图2中的吸附结构13的指示部分的示意放大图。图4表示较大比例视图，表明在相邻翅片17之间的纳米管的布置。在每个翅片17上，20基本上相互对齐，并且对于该翅片的表面和范围基本上垂直地延伸。例如，纳米管可以以在垂线的约5°内的角度延伸。然而，注意，纳米管在它们的长度上不必是完全刚性的。因而，尽管纳米管的初始生长角可以是例如约90° ±5°，但纳米管的挠曲/弯曲/曲率可能导致向它们的自由端部离开垂线的增大偏离。纳米管20的长度和翅片17的分离是这样的，从而在相邻翅片17上的纳米管彼此交织，如在图4中示意表明的那样。尽管在系统I中使用了对于被吸附物(水或甲醇)的固有多孔吸附剂，但纳米管20的吸附性通过下面描述的活化过程进一步增强。活化过程通过在纳米管20中材料的去除而建立微孔21的敞开网，增大活性表面面积，并因此增大可得到的吸附部位。
[0029]密集的、对齐的及交织的活化碳纳米管的生成布置、其中活化碳纳米管对于突出到吸附区域中的热交换器翅片17基本上垂直地延伸，提供装置11的固体阶段和空隙阶段(吸附区域)二者都高纵横比的分级结构。热交换器翅片提供分级结构的第一级，将高效热量流动提供到吸附区域中，并且支撑吸附结构，该吸附结构直接合成在热交换器上，以借助于通过现场活化的吸附部位的以后产生而给出高壁传热系数。高纵横比吸附结构提供分级的第二级，促进进一步到吸附区域中的热量运输，并且提供巨大活性表面面积，该巨大活性表面面积具有对于被吸附物的高度渗透性。这种分级装置结构因而保证高度有效的热量和质量(吸附剂)流动路径，如在图3和4中由虚线箭头指示的那样。这个实施例的装置11因而提供与对于被吸附物的高度渗透性相耦合的良好导热性，导致高度有效操作。
[0030]图5表示用在冷却系统I中的吸附热交换器装置的第二优选实施例。这个优选装置30包括以上描述的装置11的基本结构，并且类似元件在图5中由类似附图标记指示。具体地说，装置30包括基本热交换器12、和在热交换器翅片17上的吸附元件-这里是纳米管20，如参照图2至4已经描述的那样。然而，装置30的整体吸附结构31通过吸附剂微粒的添加而进一步增强，以渗入高纵横比吸附剂纳米管中，并且进一步扩展以上描述的分级结构。在这个特别优选的实施例中，对于添加的微粒材料采用双模态微粒尺寸分布，使一种形态显著地小于另一种。生成吸附结构31的形式示意地表明在图5的放大部分中。
[0031]如在放大图中表明的那样，吸附结构31包括第一微粒(S卩，粒状)材料，该第一微粒材料包括第一吸附剂微粒(即，粒)32，这些第一吸附剂微粒32涂敷到碳纳米管20上。这些第一微粒32的尺寸是这样的，从而微粒可进入所表示的相邻纳米管20之间，但尺寸也足够大，例如这里比约0.2mm大,从而在微粒之间的空隙空间33保持足以促进质量(mass)传递。微粒吸附剂32可以是多孔碳，这种多孔碳呈现与在吸附结构中已经存在的活性碳纳米管相似的吸附特性。可选择地，可以采用不同吸附剂材料，如沸石或硅胶，以呈现不同的吸附性能和形成复合吸附剂系统。当遇到吸附剂的巨大温度波动时，这样一种复合吸附剂系统可能是有益的，此时诸如硅胶之类的吸附剂将势必在较低温度下释放大部分被吸附物，而活化碳将势必在较高温度下释放大部分被吸附物。当驱动热量在巨大温度范围上供给时，复合吸附剂系统因此可能胜过单一吸附剂系统。
[0032]吸附结构31还包括第二微粒材料，该第二微粒材料涂敷到碳纳米管20上。这种材料包括尺寸比第一微粒32小的第二微粒34。尺寸差别是这样的，从而第二微粒34可进入相邻第一微粒32之间并在其接触点附近。第二微粒34的特征尺寸应该小于第一微粒的特征尺寸至少约10的因数，并且理想地至少约100的因数。以足够小的第二微粒尺寸，第二微粒34将积累在第一微粒32之间的接触点附近，增强热接触，并因而改进通过吸附结构31的导热性。
[0033]第二微粒34可以是例如硅胶的吸附剂微粒，在这种情况下，第一和第二微粒都用来增强吸附性，并且改进在装置30中的吸附剂体积填充百分率。可选择地，第二微粒不必必须起吸附剂的作用，而是可以仅用作用于改进的导热性的试剂。在这种情况下，可以使用具有较高导热性的第二微粒，例如氧化铝或银的第二微粒。通过在高温下烧结以粘结第二微粒和减少或消除在第二微粒之间的空隙，可以进一步改进包括第二微粒的成块制品的导热性。
[0034]装置30保持以上讨论的装置11的好处，并且提供更进一步的优点。具体地说，在热交换器翅片上对齐纳米管的直接生长、与通过现场活化的吸附部位的以后生成和用所描述的微粒吸附剂的填充相结合，允许装置为了热量和质量传递而优化。具有双模态尺寸分布的微粒材料的添加扩展吸附热交换器设备的固体和空隙相的分级结构。因而生成的多级分级结构-具有沿热量和被吸附物的流动路径逐渐较小的特征尺寸，进一步增强设备的热量和质量运输性能。另外，双模态微粒材料增大吸附剂的体积密度，并且改进在微粒之间接触区域处的导热性。热失效质量也很低，因为吸附剂材料没有粘合剂。碳纳米管的高度-定向导热性和以上描述的双模态微粒性质的结合提供优于现有系统的热交换速率和每单位质量的较高冷却容量和体积。总之，通过活性质量和体积的百分率的各种改进以及与现有系统相比在吸附剂内的改进热量和质量传递，本发明的实施例为将来高性能固体吸附冷却装置提供重要路径。
[0035]实施本发明的吸附热交换器装置可使用各种一般已知处理技术而制造，如将对于本领域的技术人员显而易见的那样。下面描述一些例子。
[0036]具有Imm以下周期性和高纵横比(例如，超过20:1)翅片的热交换器翅片可例如通过LIGA (石版印刷、电镀及模压)或相关过程而生产。用于高纵横比热交换器结构的生产的其它技术包括金属的切削(切片)、碾磨、放电超声波/水射流切削。
[0037]来自用于对齐和密集碳纳米管材料的生产的各种已知制造方法的技术，例如如在较早提到的US2010/0196249A1中讨论的那样，可在生产在热交换器翅片上的碳纳米管(CNT)的吸附剂结构时采用。CNT可以借助于化学气相淀积(CVD)使用气态含碳给料，如短链烃(CH4、C2H2、C2H4)，与翅片表面垂直地生长。诸如铁、镍或钴之类的催化剂的使用提高CNT生长速率，并且诸如水之类的生长增强剂可以添加到给料气体中，以便实现长CNT(S卩，大于Imm的管长度)。这样的过程在CNT合成的领域中是熟知的。催化剂可以经普通技术，如电镀、化学镀或蒸发涂敷在热交换器上。热交换器可以由具有高导热性的任何方便材料形成。金属铝或铜提供这里的常用例子。可选择地，热交换器本身可以由催化活性材料建造，例如由钢(含铁)或镍建造。
[0038]在热交换器翅片上CNT的生长之后，CNT的表面面积由在氧化介质中的活化过程而加大。这种活化可以通过在空气、CO2或H2O中加热到至少500°C、或者通过在高达至少5000C的ZnCl2或H3PO4中、或在高达至少700°C的KOH中的化学处理而进行。这样的活化技术在活化碳的领域中是熟知的，并且通过具有例如小于约2nm的尺寸的微孔的形成而加大吸附部位的数量。应该小心以便保证在活化期间热交换器材料的惰性。例如，通过KOH的化学活化可与镍热交换器结合地、优选地在惰性气氛(氮气或氩气)中进行。在空气、CO2或蒸汽中的活化优选地使用钢、铜或镍作为热交换器材料而进行。
[0039]为了提供巨大吸附容量，在本发明的实施例中使用的CNT可以是单壁或多壁的种类。这是因为最终表面面积的主要部分在活化步骤中产生，并且这可以单和多壁CNT 二者都进行。与其中CNT的电子或光学性能具有主要影响的应用相反，为了得到高纵横比结构的希望好处，净化措施在实施本发明的方法中不是必要的。非管状碳-它在CNT生长之后以烟灰、炭黑或其它sp2-杂交碳结构的形式存在，在活化时经历与CNT相似的表面面积的增大，并因而也影响吸附部位。
[0040]在高纵横比CNT生长和通过活化的吸附部位生成之后，将进一步的吸附剂添加到系统中，例如按以上所讨论的微粒形式，以增大吸附容量和改进每单位体积冷却容量。用来进行这个过程的优选方法是通过将吸附剂微粒的悬浮液分配到在热交换器结构的吸附剂侧上的CNT上而进行的。微粒吸附剂在载体溶液的蒸发时将沉积并且往往形成渗透网。载体溶液优选地是含水的，并且可以包含一定(例如，按重量小于约50%)质量百分率的表面活性剂，以便分散微粒吸附剂。如较早描述的那样，在采用双模态微粒材料的场合，在升高温度下的烧结步骤可以被引入，以经由较小第二微粒改进热量运输，并且有效地扩大较大微粒的接触点。
[0041]尽管以上已经详细描述了优选实施例，但将认识到，对于描述的示范实施例可进行多种变更和修改。作为例子，吸附器设备10可包括多于一对的装置11、30，例如这些装置11、30按堆叠布置。实施本发明的吸附热交换器装置也可形成有除以上描述的一般板状结构之外的各种整体形状。例如，描述的基本结构可折叠、弯曲或否则按某种样式成形，并且/或者形成封闭结构，如具有圆柱形、六边形或其它希望横截面形状的管，以便如果希望则包含和引导HTF。热交换器结构在HTF和吸附剂侧上当然不必是对称的。翅片高度可以例如不同，或者翅片在HTF侧上可以省略或者由一些其它表面成形代替。而且，在一些实施例中，在环境与热交换器结构之间的热传递可通过直接辐射或对流而不是经由HTF而发生，并且热交换器结构可相应地相适应。热量可以比如由太阳辐射供给。在这种情况下，集成装置的热交换器结构可用作吸附设备的外部壳体。可想到多种其它构造，并且一般地，实施本发明的吸附设备可包括一个或多个吸附热交换器装置，该一个或多个吸附热交换器装置布置成限定用于被吸附物蒸汽的通过的吸附区域。
[0042]尽管翅片提供用于在吸附侧上的热交换器突起的特别优选实施，但在其它实施例中，这些突起可以是不同特征，如销、叶片、弯曲、折叠或其它突出形式，并且一般可以是规则或不规则形式。在其它实施例中，在热交换器的任一侧上的翅片或其它突起本身可分级地形成图案。就是说，翅片比如可以形成为较大翅片的分级重复性图案中，这些较大翅片具有较小表面翅片，这些较小表面翅片又具有更小表面翅片，并且以此类推，只要采用的处理技术允许。在这样一种情况下，以后形成的吸附结构的细长吸附元件可从热交换器翅片的分级的最小级的表面向外延伸。
[0043]除了通过微孔创建，例如通过以上所描述的CNT的氧气处理的吸附剂纤维的活化以外，或者作为替代，吸附剂材料可经由溶胶过程(例如，使用多孔硅石或沸石)淀积在纤维上，该溶胶过程可容易地接近在纤维之间的空隙空间。溶胶过程在材料科学中是熟知的，并且这里不必详细地描述。在溶胶过程期间，可以同样按一般已知方式使用模板剂，以引入具有限定微孔尺寸的微孔分级的另一个级，这对于质量运输是有益的。注意，吸附剂的高导热性也在这种情况下由于高纵横比纤维和吸附剂涂层的基本上连续性质而保持。
[0044]尽管诸如CNT之类的吸附剂元件的活化是一般地优选的，但如果这些元件使用溶胶过程涂有吸附剂，或者如果它们由微粒吸附剂包围，则这些元件不必必须活化。的确，在替代实施例中，吸附元件不必全部由固有吸附剂材料形成。具体地说，吸附元件可以由导热材料形成，该导热材料在其上具有吸附剂材料。具有高导热性的适当元件的例子包括金属或陶瓷纤维，吸附剂然后可涂敷到这些金属或陶瓷纤维上。吸附剂材料这里可以是膜状涂层，例如经溶胶过程涂敷的多孔硅石或沸石、和/或微粒吸附剂材料，该微粒吸附剂材料可以具有以上所描述的双模态尺寸分布。然而，注意，如果吸附元件使用非吸附剂导热纤维而形成，则这些纤维增加到装置的不流动质量上，并且应该理想地占据尽可能小的体积和具有低密度。
[0045]尽管碳纳米管提供分级吸附剂纤维的特别优选例子，但可想到其它吸附剂材料的纤维，比如多孔二氧化钛、氧化铝或硅石。在本发明的实施例中，也可以采用其它形式的细长吸附元件，特别是未使用材料纤维形成的元件。
[0046]对于以上描述的实施例可进行多种其它变更和修改，而不脱离本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于固体吸附制冷系统(I)的吸附热交换器装置(11、30)，所述装置包括: 热交换器(12 )，具有被布置成延伸到在使用中的系统(I)的被吸附物中的多个突起(17);和 形成在热交换器(12)上的吸附结构(13、31)，用于所述被吸附物的吸附，该吸附结构(13、31)包括多个从热交换器(12)的所述多个突起(17)中的每一个突起向外延伸的细长吸附元件(20)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，热交换器(12)的突起(17)具有在延伸到被吸附物中的方向上细长的横截面。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，热交换器(12)的突起(17)包括翅片、销和叶片中的至少一种。
4.根据上述任一项权利要求所述的装置，其中，每个细长吸附元件(20)与突起(17)的表面基本上垂直地延伸，该细长吸附元件形成在该突起(17)的表面上。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，热交换器的突起(17)和细长吸附元件(20)被布置成使得在相邻突起上的吸附元件交错。
6.根据上述任一项权利要求所述的装置，其中，在一个所述突起(17)上的各吸附元件(20)基本上相互对准。
7.根据上述任一项权利要求所述的装置，其中，吸附元件(20)包括纤维。
8.根据上述任一项权利要求所述的装置，其中，吸附元件(20)由固有吸附剂材料形成。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，吸附元件(20)由活化吸附剂材料形成。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，吸附元件(20)包括碳纳米管。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，吸附结构(13、31)包括涂敷到吸附元件(20)上的吸附剂材料(32、34)。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，吸附元件由导热材料形成，该导热材料在其上具有吸附剂材料(32、34)。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述吸附剂材料包括第一微粒材料，该第一微粒材料涂敷到该导热材料上并且包括具有第一尺寸的吸附剂微粒(32)。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，吸附结构(13、31)包括第一微粒材料，该第一微粒材料涂敷到吸附元件(20)上并且包括具有第一尺寸的吸附剂微粒(32)，该第一尺寸容许所述微粒进入该结构的相邻吸附元件(20)之间。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其中，吸附结构(13、31)包括第二微粒材料，该第二微粒材料涂敷到吸附元件上并且包括具有第二尺寸的第二微粒(34)，该第二尺寸小于该第一尺寸，容许第二微粒(34)进入第一微粒材料的相邻吸附剂微粒(32)之间并在其接触点附近。
16.一种用于固体吸附制冷系统(I)的吸附器设备(10)，所述设备包括根据上述任一项权利要求所述的一个或多个吸附热交换器装置(11、30)，所述一个或多个装置限定用于被吸附物的通过的吸附区域，并且被布置成使得所述突起(17)延伸到吸附区域中。
17.一种用来制造用于固体吸附制冷系统(I)的吸附热交换器装置(11、30)的方法，所述方法包括:在具有多个突起(17)的热交换器(12)上形成吸附结构(13、31 )，用于所述系统的被吸附物的吸附，所述吸附结构(13、31)包括多个从热交换器(12)的所述多个突起(17)中的每一个突起向外延伸的细长吸附 元件(20 )。
【文档编号】F25B37/00GK103597299SQ201280026254
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】P·鲁赫, B·米歇尔, J·V·科艾可奇 申请人:国际商业机器公司