固体吸附制冷 |
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| 申请号 | CN201180062202.3 | 申请日 | 2011-11-30 | 公开(公告)号 | CN103270378B | 公开(公告)日 | 2016-01-27 |
| 申请人 | 国际商业机器公司; | 发明人 | B·米歇尔; P·鲁赫; | ||||
| 摘要 | 集成的 吸附 和 热交换器 设备以及用于制造这样的设备的方法被提供用于固体吸附制冷系统(1)。集成的吸附和热交换器设备(20，30，45，52)包括其中形成有多孔吸附结构(21，31，44，53)和热交换器结构(22，32)的固体材料，所述多孔吸附结构是所述系统(1)的吸附质可通过的，所述热交换器结构是所述吸附质不可通过的，用于在所述系统(1)的运行中与所述多孔吸附结构进行热交换。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于固体吸附制冷系统(1)的集成的吸附和热交换器设备(20、30、45、52)，该设备包括其中已经形成有多孔吸附结构(21、31、44、53)和热交换器结构(22、32)的固体材料，所述多孔吸附结构是所述系统(1)的吸附质可通过的，所述热交换器结构是所述吸附质不可通过的，用于在所述系统的运行中与所述多孔吸附结构进行热交换。 |
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| 说明书全文 | 固体吸附制冷[0002] 固体吸附制冷系统通过固体物质(吸附剂)对制冷剂蒸气(吸附质)的吸附和解吸被驱动。与由机械压缩机驱动的传统蒸气压缩冷却系统相比，不需要电能来驱动制冷循环。基本的循环涉及吸附阶段和解吸阶段。在吸附阶段中，制冷剂蒸气被吸附剂物质吸附，导致热释放。在解吸阶段，热被应用于吸附剂，导致制冷剂的解吸。在这些过程期间传递的热通过热交换器在吸附剂与系统的热传递流体之间传输。热传递流体因此被加热至高温以提供解吸所需要的工作热量并且被冷却至低温以接收在吸附期间排出的热量。吸附和解吸过程结合在蒸发器/冷凝器中的制冷剂的蒸发和冷凝而进行。在简单的系统中，解吸阶段中所蒸发的吸附质被从吸附器单元提供给冷凝器，在冷凝器处蒸气在由解吸过程所引起的高压下冷凝，散出热量。在冷凝器中的热量散出之后，流体制冷剂通过控制设备(例如膨胀阀或虹吸管)被传送到系统的蒸发器中。这里，降低后的系统压强使得冷凝的制冷剂蒸发。在蒸发期间，热量从环境中被抽取，导致制冷。在这个过程期间，制冷剂蒸气的再次吸附发生在吸附器单元中，降低系统压强并且促进蒸发，直到吸附剂被充满制冷剂蒸气为止。 [0003] 制冷循环可以被用于通过利用在冷凝期间的热释放或者在蒸发期间的热抽取加热或冷却环境。连续的加热或冷却可以通过操作多个吸附器单元并且每个吸附器单元中的操作循环之间有适当的相移来实现。例如，两个单元可以反相地运行，或者具有90°相移的四个单元等等。在任何情况下，系统运行都是完全通过在解吸阶段中的热输入而被驱动的，没有另外的机械功的输入。因此，在过量的热量可方便得到(例如来自自然热源或者作为另一过程的副产品)的情况下，固体吸附冷却相对于传统蒸气压缩冷却而言非常优选的。例如，来自太阳的充足热量供应的可用性与对于冷却的需求经常一起出现，导致针对该技术的各种太阳能冷却应用。此外，固体吸附系统中所使用的制冷剂通常是水或甲醇。这两者都是环保的并且不会造成全球变暖，不同于蒸气压缩系统中通常所使用的氟碳制冷剂。 [0004] 考虑到当前的废热重用和三联产系统(电、加热和/或冷却的同时产生)的趋势，热驱动制冷技术被预期会有非常大的发展，总体上减少电需求量并且有助于提升能量效率。然而，固体吸附制冷系统的冷却功率与相同大小的蒸气压缩系统相比是非常小的。这个问题的主要原因是缓慢的热传输，导致很慢的吸附和解吸循环。特别是，固体吸附系统的单位制冷功率受热传递流体与吸附剂材料之间的很差的热传递特性的限制。固体吸附系统中的限制性的总体热传递系数取决于从热传递流体到热交换器以及从热交换器到吸附剂材料的热流动。单位制冷功率取决于总体热传递系数以及吸附剂材料本身内的热流动。 [0005] 在第一代吸附制冷系统中，吸附器单元使用粉末床。在这些单元中，铺在金属热交换器表面上的松散吸附剂粉末床形成了基本的吸附设备。在典型的这种粉末床中，吸附剂粉末可能具有在0.1W/(m.K)的范围内的热导率λ。因为高空隙度、颗粒之间的热界面以及曲折的热路径，这个值大大低于体材料的热导率(玻璃5W/m.K；碳100W/m.K)。热传递流体2 和吸附剂材料之间的总体热传递系数h的典型值可能在20W/(m.K)的范围内。提高这些系统的单位制冷功率的努力包括使用单片吸附剂代替颗粒吸附材料以及使用具有高热导率的吸附剂材料。合成(consolidated)的吸附剂材料已经由石墨、金属泡沫或者结合到诸如树脂之类的基质中的吸附剂颗粒构成。复合吸附剂材料也已经由吸附剂颗粒与具有更高的 2 热导率的颗粒的混合物产生。利用这样的材料，热传递系数h可以被提高到大约200W/(m.K)，热导率λ在0.3W/(m.K)的范围内。然而，这些合成材料通常会受累于对吸附质蒸气的很差的渗透性。最近，在热交换器与吸附剂材料之间的热界面处的热传递已经通过以下方式被提高了，即，用被分散在合适的基质中的吸附剂材料涂覆热交换器散热片或导管或者将吸附剂(通常是一种沸石)直接合成在外部热交换器表面上。在这样的系统中，已经得 2 到了在1000W/(m.K)的范围内的热传递系数h。在其它方法中，热交换器通道或管道的形状、布置或耦接已经被处理以改进热交换器本身的性能、成本、可靠性或紧凑性。然而，尽管有了全部的上述改进，固体吸附制冷系统中的总体热传递系数仍然不合要求地低，从而限制了针对给定速率的热输入以及给定面积的热交换器和吸附剂材料可得到的制冷速率。 [0006] 本发明的一方面的一个实施例提供了一种用于固体吸附制冷系统的集成吸附和热交换器设备。该设备包括其中形成有多孔吸附结构和热交换器结构的固体材料，所述多孔吸附结构是所述系统的吸附质可通过的，所述热交换器结构是所述吸附质不可通过的，用于在所述系统的操作中与所述多孔吸附结构进行热交换。 [0007] 在体现本发明的设备中，吸附和热交换器结构与作为固体材料中的多孔结构的吸附结构被集成在相同的固体材料中。因此，可以得到连续固相，在其中便于热流动。在体现本发明的设备中，由于热交换器和多孔吸附结构用相同的材料被形成为一个整体单元，所以现有设备中所存在的热界面可以被消除。这进而导致更大的热传递系数以及性能的提高。此外，借助于吸附剂结构中的连续固相，在体现本发明的设备中，热导率可以被提高。这些特征使得集成的设备能够高效地被加热到所想要的温度。该集成结构还允许热传递流体与吸附剂介质之间的距离相对于现有系统而言被减小，进一步增强这两者之间的热传递。此外，由于其固有的多孔性，吸附结构是吸附质可通过的，这个具有孔的网络提供了大规模且充分可接触的吸附表面。这提供了吸附质蒸气的高渗透性以及快速蒸气到达，提高了吸附过程的效率。在吸附/热交换器结构中的不活动热质量相对于现有系统而言也可以被减少，导致更高的性能系数。利用体现本发明的集成设备可以实现的更高的单位制冷功率可以允许制冷系统被做得更加小型化。因此，总体上，本发明的实施例可以提供固体吸附制冷系统的性能改进，允许高效运行以及更少的循环操作时间。 [0008] 体现本发明的设备可以利用各种技术用各种材料来形成。设备的功能性明显需要具有好的热导率λ的材料，并且一般来说λ越高越好。可以方便地选择具有大于早期粉末床的λ≈0.1W/(m.K)的热导率的材料。优选的材料具有至少大约5W/(m.K)的体热导率，至少大约100W/(m.K)的值是更优选的。影响材料选择的另一因素是对被用于形成设备的吸附剂和热交换结构的特定处理技术的适应性。这里可以利用各种技术，如下面更详细讨论的。在优选实施例中，选择了本身适合于微细加工以及适当的多孔吸附结构的合成的材料，例如硅或类似玻璃的碳。其它合适的材料包括诸如TiC或SiC之类的陶瓷(其中多孔性可以例如通过氯化来引入)，以及诸如Al、Cu或Ni之类的金属(其中多孔性可以例如通过去合金来引入)。下面会对示例性的处理技术和材料进行更详细的讨论。 [0009] 集成设备的吸附结构是在使用时该设备中吸附/解吸发生的部分。该结构的多孔性允许吸附质蒸气在吸附期间渗透并弥漫整个结构。在一些实施例中，多孔吸附结构由于其多孔性所以本质上是吸附性的。替代地或者作为附加，吸附性可以通过应用吸附剂材料到基本多孔结构上而被提供或者增强。在一些实施例中，因此，多孔吸附结构可以具有被沉积在其孔表面上的吸附剂材料。例如，吸附剂材料可以被沉积在大孔或中孔结构中的孔的表面上以形成用于这些内部表面的吸附涂层。这样的吸附涂层(该涂层不需要是均匀的或连续的层)可以使所得到的被暴露给吸附质的孔径或裂缝的尺寸降至纳米量级，从而促进高效的吸附。这里，下层的微孔结构提供了供吸附发生的很大的内部表面区域并且自然地使吸附质容易到达整个结构。 [0010] 集成设备的热交换器结构是吸附质蒸气不可通过的，禁止蒸气通过进而选出热交换器结构。这个结构实现多孔吸附结构与环境之间的热交换，该热交换发生在系统运行中的吸附和解吸过程中。简单的系统可以被设想，其中环境与热交换器结构之间的热传递通过直接辐射或对流进行，并且热交换器结构可以针对这样的系统适当地被适配。然而，更常见的是，热交换器结构被适配为与系统的热传递流体直接接触以在所述流体与多孔吸附结构之间交换热量。 [0011] 在本发明的实施例中，热交换器结构的具体形式可以变化，并且总地来说热交换器结构可以具有带有或没有附加的表面特征的各种整体形状。在特别简单的实施例中，例如热交换器可以简单地包括一个具有光滑或有图案的表面的设备材料的大体平坦的层。然而，通常，热交换器结构将具有突出表面构造以增大用于热传递的表面面积，例如在使用时被暴露至热传递流体的表面面积。突出表面构造可以例如由设备自身中的弯曲或折痕或者由从设备面向流体的表面向外延伸的诸如散热片之类的突起物形成。诸如散热片之类的突起物还可以用于在使用时引导(channel)流体有效地顺着其流动路径流动。在其它实施例中，集成设备可以被形成为圆柱体或者类似的封闭实体，热交换器结构包括采用用于传送热传递流体的管道的形式的内部表面层。然而，可以设想多种其它形式的结构，并且一般来说热交换器结构可以形成为容纳或引导热传递流体或者可以简单地提供该流体在热交换器表面上的通行。 [0012] 多孔吸附结构还可以采用各种形式，从简单的多孔层到更复杂的结构。如针对热交换器所讨论的，吸附结构的外侧的面向吸附质的表面可以是总体上光滑的或者可以具有像折痕或散热片那样的突出表面构造以增大暴露给吸附质的表面面积并且还可能引导流体顺着其流动路径流动。 [0013] 在特别优选的实施例中，集成设备包括一层固体材料，该层固体材料具有形成在其相对的表面中的多孔吸附结构和热交换器结构。这构成了一种高效率的布置，其中热交换器与吸附结构之间的距离可以被最小化以在两者之间提供最佳热传递。这里的基本层可以是总体上平坦的薄片状的一层，或者可以被折叠、弯曲或者用某种方式做成其它形状并且/或者被形成在封闭结构中，例如具有圆柱形、六角形或其它横截面形状的管道。封闭的管状设备可以方便地容纳并引导热传递流体和吸附质中的一个或两者，如以上所提到的。多于一个的这种设备可以被用于构成体现本发明的吸附/热交换器装置。一种示例性装置可以包括如上所述的两层，其中两个热交换器结构(或者两个吸附结构)面对彼此，从而使有效表面加倍。特定的吸附单元可以利用这些双层模块的堆叠。管状布置可以类似地用不止一个基本设备层来形成，并且不止一个管道可以被用在吸附单元中，例如以平行管道堆叠的形式。六角形或者其它这样的横截面在这里可能特别便于使一组相邻的管道高效地装配到一起。基于所描述的基本的集成吸附/热交换器设备可以设想大量的其它构造。 [0014] 本发明的第二方面的实施例提供了一种用于制造用于固体吸附制冷系统的集成的吸附和热交换器设备的方法。该方法包括在固体材料中形成多孔吸附结构和热交换器结构，所述多孔吸附结构是所述系统的吸附质可通过的，所述热交换器结构是所述吸附质不可通过的，用于在所述系统的运行中与所述多孔吸附结构进行热交换。 [0015] 在体现本发明的一些方法中，基本固体材料是非多孔性的并且该方法包括通过以下方式形成多孔吸附结构，即处理固体材料的一部分以使该部分呈现多孔并且因而是吸附质可通过的。在一些情况下，由于简单地该设备的余下的非多孔部分，这个步骤还可以自然地形成热交换器结构。在其它情况下，最终的热交换器结构的形成可能涉及额外的处理，例如散热片的加工。 [0016] 还可以设想其中基本固体材料是多孔材料的实施例，该方法包括通过以下方式形成热交换器结构，即，处理固体材料的一部分以使该部分呈现非多孔性并且因而是吸附质不可通过的。同样，这个步骤也可以自然地形成吸附结构作为简单地该设备的余下的多孔部分，或者可能需要额外的处理用于这一目的。 [0017] 体现本发明的一些方法可以包括将吸附剂材料沉积在多孔吸附结构的孔表面上以提供或增强吸附性，如以上所讨论的。这些方法也可以包括在多孔吸附结构和热交换器结构中的至少一个上形成突出表面构造，如以上所讨论的。 [0018] 一般来说，在这里参考体现本发明的设备描述了一些特征的情况下，可以在体现本发明的方法中提供相应的特征，反之亦然。 [0020] 图1a和1b图示了固体吸附制冷系统的不同工作阶段； [0021] 图2图示了体现本发明的第一集成吸附和热交换器设备； [0022] 图3图示了体现本发明的第二集成吸附和热交换器设备； [0023] 图4a至4d图示了用于制造集成吸附和热交换器设备的第一方法中的连续步骤； [0024] 图5a至5d图示了用于制造集成吸附和热交换器设备的第二方法中的连续步骤；以及 [0025] 图6对比了针对传统吸附材料和体现本发明的集成设备的加热和制冷概况。 [0026] 图1a和1b是示例性固体吸附制冷系统1的示意性图示，其中体现集成吸附和热交换器设备可以使用。这两个图示出了制冷循环的两个主要阶段，实线箭头表示在每种情况下的热流。这个简单的系统包括由两个吸附器单元2、冷凝器3和蒸发器4构成的吸附器装置。用于将冷凝剂从冷凝器3传送到蒸发器4的管道终止于控制设备5中，这里控制设备5为膨胀阀。吸附器单元2经由单向阀6，7连接到蒸发器4和冷凝器3，如图中所示。 [0027] 该系统的每个吸附器单元2包括下面将详细描述的多个集成吸附/热交换器设备。这些设备被布置在每个单元中以使得在吸附阶段中经由阀6从蒸发器4接收到的制冷剂蒸气流过设备的吸附剂结构并且在解吸期间经由这些结构被引导至冷凝器3，在该阶段中经由阀7逸出所述单元。在这些过程期间，通常是水基的热传递流体(HTF)流经集成设备的热交换器结构并且由这些结构引导在单元2的流体入口与出口(图中未示出)之间。不同温度的三个贮水池(未示出)被用于系统1的运行：高温(“热”)贮水池、低温(“冷冻”)贮水池以及中间温度(“冷”)贮水池，下面将进一步讨论。在实践中，每个贮水池可以通过单独的HTF回路连接到图1a和1b中的系统。制冷剂和HTF通过其被传送给以及传送自每个吸附单元2中的集成吸附/热交换器设备的特定机制将取决于这些设备的确切形式和布置。然而，这样的机制在吸附系统领域中是普遍公知的，并且针对给定情况的合适的机制对于本领域技术人员来说将是显而易见的。 [0028] 基本操作循环在针对右手边吸附器单元2的图中被示出。图1a图示了该循环的解吸阶段。在该阶段开始时，制冷剂流体(例如水或甲醇)被充分吸附在吸附器单元2内。然后，通过向该单元提供热的HTF，吸附器单元被加热。因而，热量经由热交换器结构被传递到吸附剂结构，导致制冷剂的蒸发并因而解吸。制冷剂蒸气经由阀7传送到冷凝器3，在冷凝器3处蒸气在由于解吸过程而产生的高压下冷凝。在该过程中热被排到环境中并且被传递给冷的HTF。当冷凝完成时吸附阶段开始。液体制冷剂通过膨胀阀5被传送到蒸发器 4中，导致部分蒸发。如图1b中所示，蒸发器4中降低的压强导致制冷剂的进一步蒸发，在该过程中从环境中抽取热量并且因而导致环境冷却以及低温的冷冻HTF。制冷剂蒸气经由阀6传送到吸附器单元2并且被再次吸附，降低系统压强并且促进进一步的蒸发。在吸附期间由制冷剂排放的热量经由单元2中的热交换器结构被传递给中间温度的冷HTF。吸附阶段继续进行直到制冷剂被完全吸附，然后该循环完成。 [0029] 为了获得更加连续的制冷，系统1中左手边的吸附器单元可以被驱动为与右手边的单元成反相。因而，一个单元的吸附阶段与另一单元的解吸阶段同时发生。虽然在所示出的简单系统中只提供了两个吸附单元，但是在实践中多个单元可以在有适当的相移的情况下运行以产生更高效和连续的制冷。此外，在更简单的系统中，热传递可以通过直接辐射或对流来实现，而不是经由HTF来实现。在任何情况下，在每个吸附单元2中，基本循环完全由来自HTF的热输入驱动(图1a)。这一事实使得这些系统在有可用的废弃或者过量的热量的情况下尤其有用。这里所设想的被称为太阳能制冷的示例性应用是其中热HTF由太阳能辐射生成的应用。另一示例性应用是其中热HTF由来自数据中心中的服务器的废弃热量提供的应用。废弃热量可以通过合适的数据中心制冷技术在适当的高温下收集，所述数据中心制冷技术例如Brunschwiler等人在IBM Journal of Research and Development53(3)(2009)1-13中所描述的。数据中心废热被转变为用于数据中心自身的制冷或者满足其它外围设备的制冷需求。 [0030] 现在将参考图2描述可以用在以上系统中的集成吸附/热交换器设备的第一实施例。该设备的基本结构由图中所示的示意性横截面视图来表示。该实施例的集成设备20采用总体上平坦的固体材料层或薄片的形式，所述固体材料层或薄片具有形成在一个表面中的多孔吸附结构21和形成在其相对的表面中的热交换器结构22。吸附结构21包括设备20的表面层，该表面层已经按照下面所描述的方式被处理以使该层呈现多孔性并且因而是设备要使用的吸附质可通过的。在该示例中，吸附结构具有大约60μm的厚度以及小于大约10nm的孔尺寸。(实际的吸附层厚度、结构和孔尺寸将取决于如下面要进一步讨论的所使用的具体材料和处理，但是为了有效的吸附，小于大约10nm的孔尺寸是优选的，更小的孔尺寸(例如小于大约2nm)是理想的。)该设备的余下的非多孔性部分构成热交换器结构 22。这个结构具有从其表面24突出来的一系列散热片23。这些散热片增大了在操作中接触HTF的表面面积，提高热传递效率，并且限定了方便的通道用于在使用时传送HTF。虽然图中未示出，但是在该实施例中，表面散热片23是按层级图案形成的。就是说，这些散热片按照层级重复图案形成，在该图案中，较大的散热片具有更小的表面散热片，这些更小的表面散热片又具有更小的表面散热片，依此类推到(下面要讨论的)处理技术所允许的程度。 本领域技术人员可以自然地想到诸如射流冲击歧管或旁流(flow-by)架构之类的替代HTF通道结构。散热片高度在本示例中大约是100μm并且内部热交换器表面24与多孔吸附结构21之间的距离为大约10μm。 [0031] 吸附结构21的纳米级多孔性使该结构呈现固有的吸附性。具体而言，高效的吸附可以发生在该结构中，而不需要添加更多的吸附剂材料。多孔性提供了用于吸附的很大的内部表面面积，连续的多孔网络使吸附质能够很容易地到达并快速弥漫整个结构。吸附结构21中的连续固相提高了热导率，并且现有技术中妨碍热传输的所有热屏障在集成设备20中都被消除了。集成设备20的片状构造还实现了热交换器表面24(以及在使用时的HTF)与吸附结构21的分隔距离最小。这个距离只受结构完整性的需要的限制，并且根据材料的选择，小于10μm的距离是可能的。在任何情况下，这里的最小距离进一步提高了热效率并且还减小了设备中的活性料与死料的比。因此总体上，在吸附系统的操作中，设备20提供了HTF与吸附质之间的非常高的热传递效率。 [0032] 图3示出了体现本发明的第二优选集成设备。该实施例的设备30总体上类似于上面的设备20，具有一体地形成在同一固体材料中的多孔吸附结构31和热交换器结构32。然而，吸附结构31还形成有突出表面构造，同样采用层级图案的散热片34的形式，以增大暴露至吸附质的表面面积以得到更高的吸附效率。在使用时，所产生的通道还引导吸附质蒸气的流动。在该示例中，散热片34与热交换器的散热片是基本相同高度的，例如大约 100μm。然而，一般来说，散热片的高度(以及任意层级图案形成的程度)在两侧上可能是不同的，并且可以依赖于所想要的特性和系统中所使用的具体流体按需要而改变。在一些情况下，足够的热传输效率可以通过只在设备的吸附侧上形成散热片(或其它突起构造)来得到。也可以设想在两侧上具有基本平滑的表面(即没有突起构造)的设备。 [0033] 体现本发明的集成设备可以利用各种不同的处理技术用各种材料来形成。通过为上述设备选择合适的材料，微加工技术可以应用以在一侧上制造用于热传递流体的微通道歧管以及在另一侧上制造多孔吸附结构。因而，所使用的材料优选地使其自身适合于微加工以及合适的多孔结构的合成。热导率还意味着与设备的功能性相关，并且这个属性(与其它设备参数一起)可以根据需要来选择以实现所希望的性能水平。然而，一般来说，热导率λ越高，热传输就越好，并且理想情况下，使用具有至少大约100W/(m.K)的体热导率λ的材料。 [0034] 特别优选的设备制造方法利用“从上而下”的制造方法，包括各个设备特征的减材(subtractive)制造。现在将描述这样一种用于制造图2中的集成设备的方法的示例。图4a至4d是对减材制造过程中的连续步骤的示意性图示。该过程使用在下述合适的材料中选择的单片起始材料41，如图4a中所示。在图4b中所示的第一步骤中，制造HTF通道42。 然后，通过图4c中的箭头43所表示的从上而下的过程引入吸附剂结构44，该过程涉及下面要讨论的化学、电化学或物理技术。该过程的持续时间和强度被调节以得到在图4d的最终集成设备45中的吸附结构的期望厚度。取决于起始材料的选择，可能需要对处理步骤的顺序以及这些图中所示出的多孔生成的方向性的作出改动。 [0035] 图5a至5d是对另一制造过程中的连续步骤的示意性图示，该制造过程使用基于碳的模板合成。在该过程中，多孔网络由无机材料的牺牲模板限定。这里可以使用的模板材料的示例包括沸石和硅。模板材料是颗粒状的并且本身是高度多孔的，最终设备的孔尺寸由模板材料的固相率限定。在如图5a中所示的第一步骤中，无机模板材料50被置于合适的模具(未示出)中。接下来，如图5b中所示，模板材料50被合适的碳源(例如碳树脂)渗透，然后被热解以得到具有高碳含量的连续固相52。接下来，模板材料通过诸如酸浸之类的过程被从碳相52中去除以产生图5c中所示的多孔吸附结构53。然后，HTF通道和散热片54被制作在热交换器表面中。所得到的集成设备55在图5d中示出。 [0036] 制造如以上实施例中的(优选为层级图案的)表面散热片所限定的HTF微通道的技术是本领域中所普遍公知的并且这里不需要详细描述。微通道设计和制造的一个重要方面是同时实现从HTF到热交换器材料的短热传递路径和高效的流体分布网络。大量的层级结构已经被设计出来并展示以实现这一目的，并且这些已知的技术可以很方便地应用在本发明的实施例中，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在优选实施例中，这些技术也被应用于在吸附结构上产生层级表面构造，如图3的设备30中的那样。优选的具体制造过程当然将取决于集成设备的基本材料。用于产生高效的微通道热交换器/吸附结构的技术的示例包括：例如基于各向异性湿法化学蚀刻或深反应离子蚀刻的光刻技术(例如用于硅或碳化硅设备)；用于碳结构的氧离子束蚀刻；用于包括金属、陶瓷、聚合物和玻璃在内的各种材料的LIGA(光刻、电镀和成型)；机械技术，例如用于金属结构的切割(削磨)、研磨、电子放电和超声波/水喷射切割；以及激光加工，例如用于碳。 [0037] 体现本发明的吸附装置通常使用诸如上述那些集成设备之类的多个集成设备。例如，有效表面可以通过布置面向彼此的具有类似结构(即两个吸附结构或两个热交换器结构)的两个这样的设备而加倍。作为这样的“双层模块”的一个示例，两个设备20或30可以布置成使得它们的热交换器散热片彼此交错并间隔开以限定HTF通道。这种布置中的两个设备中的一个设备也可以具有平的热交换器表面。类似地，吸附模块可以用面向彼此的吸附结构来构建。特别优选的吸附单元包括这种模块的堆叠以增大作为整体的单元中的有效表面面积。 [0038] 本领域技术人员将明白，各种其它制造技术可以用于制造体现本发明的集成设备。下面描述一些示例。 [0039] 多孔碳可以利用各种不同的方法来制造。膨胀石墨可以通过以下处理来产生，即，将合适的石墨浸泡在包含插层剂(例如H2SO4)的溶液中，然后进行用于去除插层剂的热处理以及石墨层的伴随剥离。玻璃状碳也可以用作起始材料，在这种情况下，固有的封闭微孔可以通过包括化学或电化学过程的合适的激活技术变成可进入的。在激活之后，所得到的孔尺寸是纳米范围内的，因而本身就适合作为如图2和图3的设备中的吸附剂材料。多孔碳结构也可以通过氯化碳化硅或碳化钛制得。余下的含碳网络是高度多孔的并且适合用作吸附剂结构。 [0040] 在基于以碳作为起始材料的设备中，一旦在氟化氢溶液中发生阳极极化，多孔硅结构就可以形成在p型硅中。孔表面到水合氧化硅的转变可以通过在适宜温度(例如300℃)下的氧化以及暴露于水中来实现。多孔硅呈现典型的10nm以下的孔直径并且因而提供了合适的化学和结构特征以用作吸附剂。 [0041] 用于产生具有固有吸附剂多孔结构的设备的各种其它材料和过程对于本领域技术人员而言将是显而易见的。然而，在本发明的其它实施例中，多孔吸附结构的吸附性可以通过将吸附剂材料应用于基本的多孔结构而得到提供或增强。作为示例，在基于金属的设备中，各种已知的技术可以用于产生孔尺寸在几十毫米或者更大尺寸的范围内的多孔金属结构。商业上优选的制造技术包括：在熔化物中吹入气泡；将发泡剂搅拌入熔化物中；将金属粉末与发泡剂混合；用合适的前体制造陶瓷模具，然后再将前体烧掉。值得注意的是，通过在压缩气体下的单向凝固，在金属中可以得到定向孔。适合用于散热应用并且已通过上述方法生产的多孔金属包括铝、铜和镍。然而，一般来说在这些结构中，孔尺寸太大，对于直接用作吸附剂材料来说，每给定单位体积的相关联的表面面积太小。因此，这里优选将吸附剂材料作为附加的一层沉积在孔表面上。这样的吸附剂涂层可以利用普遍公知的技术来施加，例如通过在多孔结构上直接合成吸附剂或者通过在合适的基质中进行施加。然而，一般来说，希望这样的附加吸附材料尽可能地与基本设备材料相似以使热界面最小化。两个材料中的声速越接近，产生的热界面越小。因而，材料的选择应当考虑材料密度以及杨氏模量两者，这些属性是决定材料中的声速的主要因素。然而，应当理解由这种涂层所引入的任何热界面的影响将因为下面的多孔结构的优点而被大大减轻，这提供了针对吸附质蒸气具有高渗透性和快速到达性的非常大且充分可进入的多孔网络。 [0042] 纳米多孔金属可以用已知的去合金技术来生产。这样的材料可以与附加的吸附剂涂层一起或者就按生产出来时的状态用在体现本发明的集成金属设备中，提供足够大的表面面积与体积比以直接用作吸附剂。用于在金属(例如铝)中产生纳米量级的多孔结构的另一方法是阳极氧化。 [0043] 当使用基于多孔金属的制造技术时，可能优选在HTF通道的微加工之前制造多孔结构。上述制造方法的一个特征是多孔层的深度在处理期间可以受到控制以使得留下足够的体材料用于HTF通道的制造。然而，一般来说，处理步骤的顺序不是关键的并且如果需要可以改变。例如，体现本发明的设备可以通过首先在支持结构的两侧上形成高长宽比的散热片的图案来生产。然后，该结构的一侧被进一步处理，例如通过阳极氧化以产生吸附结构，同时另一侧保留高长宽比的散热片用于HTF通道。为了提升活性料与死料之比，吸附颗粒也可以沉积在吸附结构侧上的散热片之间。然而，如以上已讨论过的，这种颗粒应当由尽可能类似于基本设备材料的材料制造以最小化热界面。 [0044] 在以上的过程中，利用涉及外来物质的化学、电化学或物理手段从上而下(减材)制造多孔结构，会自然地产生具有充分可进入的孔以及本质上针对吸附质蒸气的低弯曲度和高渗透性的开放式多孔网络。这样的多孔结构与诸如各向同性颗粒床之类的传统设备相比在吸附动力学方面明显是更优越的。然而，虽然所描述的方法涉及在非多孔性起始材料中形成多孔结构，但是可以设想如下的实施例，在这些实施例中，基本固体材料是多孔的并且通过处理固体材料的一部分以使该部分呈现非多孔性来形成热交换器结构。作为这里的一个示例，作为起始材料的多孔二氧化硅可以暴露至在溶液中或者通过蒸气沉积过程应用的诸如烃之类的孔阻塞剂以构建非多孔性热交换器结构。本领域技术人员将清楚可作为替代的材料和过程。 [0045] 从之前的描述中可以看出，通过将热交换器和吸附结构集成在相同的材料中，本发明的实施例提供了用于固体吸附制冷系统的非常高效的吸附和热交换器机制。具体而言，优选实施例中的集成热交换器/吸附结构的热传递系数比封装在金属热交换器上的传统颗粒吸附床高至少两个量级。此外，由于吸附剂结构中的连续固相，该设备的热导率比传统技术高至少一个量级。因此，将集成设备加热到所希望的温度所花费的时间大大短于针对颗粒吸附床的时间，导致更快的工作循环以及具有更高性能系数的更小型的系统。通过图示的方式，图6中的图比较了传统的基于硅胶的固体吸附系统与体现本发明的集成硅胶热交换器/吸附设备的性能。该图显示在加热和制冷循环期间的平均吸附剂温度在分别为65℃和30℃的针对固定热源和散热片温度的高温水平(发生器温度)和中间温度水平(吸附器温度)之间。多孔二氧化硅的物理特性被用于计算温度形态(profile)随时间的2 2 变化。吸附剂材料的厚度为1cm。热传递系数为20W/(m.K)(颗粒吸附剂)和2000W/(m.K)(集成设备)，而热导率分别为0.1W/(m.K)和10W/(m.K)。如图6中的图形轮廓所示，在温度极值之间循环吸附剂材料所需要的时间从传统技术的2550s减少到集成设备的128s。 因此，单位制冷功率(SCP)提高了大约20倍。 [0046] 当然将理解可以对上述示例性实施例做出很多改变和修改。例如，可以设想包括各种其它层级图案的特征的不同于散热片的表面特征。体现本发明的集成设备也可以形成为不同于上述平的薄片状结构的各种整体结构。这些薄片例如可以形成在具有之前所讨论的各种横截面形状的管道中。此外，在一些实施例中，环境与热交换器结构之间的热传递可以通过直接辐射或对流进行，而不通过HTF进行，并且热交换器结构可以相应地被适配。热量例如可以通过太阳能辐射提供。在这种情况下，集成设备的热交换器结构可以用作吸附装置的外壳。 [0047] 在不同的布置中，吸附器单元可以包含多个集成设备，并且按照合适的相移工作的两个以上的吸附器单元可以被用来实现所需要程度的连续制冷。多个单元也可以布置多个单元以利用已知的热波和质量恢复概念。热波操作对于低热电阻吸附单元而言尤其有用，因为第一个容器的流出通量可以用于预热下一个容器，依此类推。这最小化了相对于被解吸介质的量所用的能量。 [0048] 可以对所描述的实施例进行很多其它的改变和修改而不脱离本发明的范围。 |
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