ADSORBERSTRUKTUR UND MODUL FÜR EINE WÄRMEPUMPE

Adsorberstruktur und Modul für eine Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft eine Adsorberstruktur nach dem Oberbegriff des AnSpruchs 1 sowie ein Modul mit einer erfindungsgemäßen Adsorberstruktur und einen Formkörper mit einem Adsorptionsmittel.

WO 2010/1 12433 A2 beschreibt eine Wärmepumpe, die Stapel aus Hohlelementen aufweist, in denen jeweils eine Adsorptions-Desorptionszone und eine Kondensations-Verdampfungszone angeordnet sind. Die Hohlelemente sind jeweils mit einem' Arbeitsmittel befüllt, das zwischen den beiden Bereichen verlagerbar ist. Ein Adsorptionsmittel ist auf Blechen aufgebracht, welche Durchzüge zur Durchführung von Rohren aufweisen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Adsorberstruktur für eine Wärmepumpe anzugeben, die besonders effektiv einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Adsorberstruktur erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Ausbildung des Adsorptionsmittels als unmittelbar an der Rohrwand anliegender Formkörper ist ein unmittelbarer Wärmeübergang von dem Fluid durch die Rohrwand auf den Formkörper erreicht, Dies kann im Weiteren die bauliche Gestaltung vereinfachen, Bauraum und Baukosten sparen und insgesamt die Effektivität erhöhen.

Unter einem unmittelbaren Angrenzen im Sinne der Erfindung ist dabei die geometrisch unmittelbare Anlage der Formkörper an die Form der Rohre zu verstehen. Je nach Detailgestaltung können dabei zwischen einem tragen- den Material der Rohrwände und den Formkörpern eine oder mehrere weitere Schichten vorhanden sein, zum Beispiel Klebstoff, Wärmeleitmittel, eine Korrosionsschutzschicht und/oder eine sonstige Beschichtung, zB zum Zwecke des Lötens. Ein bevorzugtes, aber nicht notwendiges Arbeitsmittel zur Adsorption und Desorption ist Methanol. Das Adsorptionsmittel basiert vorteilhaft auf Aktivkohle.

In einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Formkörper eine Dicke von wenigstens etwa 1 mm, bevorzugt wenigstens etwa 2 mm. Solche relativ großen Dicken ermöglichen eine hohe Bauraumausnutzung mit sorptionsaktivem Material bei noch vertretbarer Effektivität der Gesamtstruktur. Eine obere Grenze für die Dicken der Formkörperstrukturen liegt in diesem Sinne vorteilhaft bei etwa 10 mm und besonders bevorzugt bei etwa 6 mm.

Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Formkörper mittels einer bevorzugt elastischen Klebstoffschicht mit der Rohrwand verbunden ist. Besonders bevorzugt hat die Klebstoff schiebt eine Silikonbasis, wodurch eine gute Elastizität bei zugleich hoher Wärmebeständigkeit und chemischer Beständigkeit erzielt wird. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können auch polysulfonbasierte Klebstoffe eingesetzt werden.

Bevorzugt, aber nicht notwendig hat die Klebstoffschicht zudem Zuschlag- Stoffe zur Erhöhung einer Wärmeleitfähigkeit. Es kann sich dabei beispielhaft um Bornitrid und/oder fein gemahlenes, Graphit und/oder Ruß handeln.

Die Dicke der Klebstoffschicht beträgt < 0,5 mm, bevorzugt s 0,3 mm und besonders bevorzugt 5 0,2 mm.

Die Klebstoff schicht hat bevorzugt eine zumindest kurzzeitige Temperatur- Stabilität von etwa 250 °C, so dass eine wenigstens einmalige vollständige Adsorberdesorption, zum Beispiel im Zuge einer Erstinstallation _» ermöglicht ist. Eine dauerhafte Beständigkeit der Klebstoffschicht gegenüber dem Ar- beitsmittel, insbesondere Methanol, ist bis zumindest etwa 130 °C gegeben.

Die Klebstoffschicht ist bevorzugt so gewählt, dass eine Reißdehnung bzw. Bruchdehnung von wenigstens etwa 200%, bevorzugt etwa 300%, vorliegt. Hierdurch wird ein Abplatzen der Formkörper von der Rohrwand bei größe- ren Temperaturänderungen vermieden.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest einer von mehreren Formkörpern kraftbeaufschlagt, bevorzugt reibschlüssig, an der Rohrwand des Rohres anliegt. Hierbei wird auf eine stoffschlüssige Festlegung bzw. Verklebung verzichtet, so dass unterschiedliche Wärmedehnungen optimal kompensierbar sind. Die kraftbeaufschlagte Halterung bewirkt einen definierten, hohen Wärmeübergang.

Bei einer bevorzugten Detailgestaltung hat dabei zumindest eines von bei- den, Rohr oder Formkörper, einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt, wobei insbesondere zumindest eines der beiden in einer Keilrichtung kraft- beaufschlagt gehalten ist. Bevorzugt werden dabei flache Keilwinkel von wenigen Grad gewählt.

Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Adsorberstruktur sowohl stoffschlüssig als auch rein kraftschlüssig gehaltene Formkörper umfassen.

Bei einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohr' als Flachrohr ausgebildet, wobei der Formkörper bevorzugt an Breitseiten des Flachrohres angrenzt. Flachrohre sind einfach und kostengünstig herstellbar und weisen große Flächen für den Wärmeübergang auf. Grundsätzlich sind alle bekannten Bauformen von Flachrohren für den Einsatz denkbar, zum Beispiel geschweißte und/oder gelötete Rohre, Rohre mit Bördelnaht, Snap-Over-Rohre und/oder B-Type-Rohre.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohr im Wesentlichen als Rundrohr oder Vieleck-Rohr ausgebildet, wobei das Rohr durch zwei oder mehr Formkörper eingebettet ist. Eine solche Bauform ermöglicht eine weitgehend dichte Stapelung in zwei Raumrichtungen, was der Ausnutzung des Bauraums besonders entgegen kommt. In bevorzugter Detailgestaltung haben die das Rohr einbettenden Formkörper dabei insgesamt einen vieleckigen, insbesondere sechseckigen Außenumriss, so dass eine im Wesentlichen geometrisch dichte Stapelung erzielbar ist.

Bei einer möglichen Detailgestaltung sind dabei die Formkörper im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet, wobei sie jeweils mehrere Einbuchtungen zur teilweisen Umfassung mehrerer der Rohre aufweisen. Auf diese Weise kann eine gute Raumnutzung mit wenigen Einzelteilen erzielt werden.

Allgemein vorteilhaft hat der Formkörper eine Ausnehmung, die zumindest teilweise einen Dampfkanal für das Adsorptionsmittei und/oder eine Sollbruchstelle des Formkörpers ausbildet. So ist auch bei einer räumlich dich- ten Anordnung aneinander angrenzender Formkörper eine effektive Zuführung und Abführung des Arbeitsmittels durch die Kanäle gegeben. Die alternative oder ergänzende Funktion als Sollbruchstelle ermöglicht ein definiertes Brechen, zum Beispiel aufgrund einer lokal zu hohen Wärmedehnung, 5 Dabei bleibt die mechanische und thermische Integrität der Gesamtstruktur erhalten und die Funktion wird durch neu gebildete Mikro-Strömungskanäle und Zugangsflächen von Arbeitsmittel in bzw. aus der Adsorberstruktur verbessert. Auch ist es möglich, die Sollbruchstelle schon vor dem Betrieb zu brechen, um weitere Diffusionspfade des Arbeitsmittels in die Adsoberstruk- 10 tur zu öffnen.

Allgemein vorteilhaft besteht das Rohr im Wesentlichen aus einer Legierung auf Eisenbasis. Solche Legierungen sind besonders robust gegen viele Arbeitsmittel, insbesondere Methanol. Für andere Arbeitsmittel, wie zum Beil s spiel Wasser, kommen aber auch Aluminium-basierte Werkstoffe in Frage.

In bevorzugter Detailgestaltung besteht das Rohr dabei aus einem ferritischen rostfreien Edelstahl (geringer Ausdehnungskoeffizient) und/oder einem verzinnten ferritischen rostfreien Edelstahl. Es kann auch aus einem 20 verzinnten Edelstahl oder Stahl bestehen, etwa aus kostengünstigem Weißblech. Eine weitere Variante ist es, verzinkten Grundwerkstoff, insbesondere verzinkten Stahl zu verwenden. Möglich ist es auch, niedriglegierten Edelstahl oder Stahl, wie z:B. DC03 zu verwenden. Beide letzteren Werkstoffe sind gegen trockenes Methanol beständig.

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Bei Ausbildung als Flach röhre liegt bevorzugt ein hydraulischer Durchmesser von weniger als etwa 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm, vor.

30 Die Wandstärken der Flachrohre liegen vorteilhaft im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 mm. Bei Ausbildung als Rund röhre haben diese bevorzugt einen Durchmesser im Bereich zwischen 4 mm und 6 mm. Die Rund röhre besitzen vorteilhaft Wandstärken im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm und bevorzugt zwi- sehen 0,1 mm und 0,3 mm

Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Modul für eine Wärmepumpe, umfassend einen Adsorptions-Desorptionsbereich, wobei in dem Bereich ein Bündel von fluiddurchströmbaren Rohren angeordnet ist und ein Gehäuse die Rohrbündel sowie ein Arbeitsmittel dichtend einschließt, gelöst, welches in seinem Adsorptions-Desorptionsbereich eine erfindungsgemäße Adsorberstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist zudem ein Kondensations- Verdampfungsbereich in dem Gehäuse vorgesehen, in dem ein Bündel von fluiddurchströmbaren Rohren angeordnet ist, wobei das Arbeitsmittel zwischen dem Adsorptions-Desorptionsbereich und dem Kondensations- Verdampfungsbereich verlagerbar ist. Mehrere solcher Module können zu einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe zusammengeschlossen werden, zum Beispiel gemäß der Lehre der WO 2010/1 12433 A2.

Wenn das Modul keinen Kondensations- Verdampfungsbereich umfasst, kann zum Beispiel eine Anwendung als adsorptiver Wärme- und/oder Kältespeicher oder in einem klassischen Adsorptions-Wärmepumpenkonzept mit mehreren Adsorptionsreaktoren, aber gemeinsamem Kondensator und Verdampfer vorgesehen sein.

In bevorzugter Ausführungsform bildet dabei eine Stützstruktur eine mechanische Abstützung einer Wand des Gehäuses gegen die Wirkung eines Au- ßendrucks aus. Im Allgemeinen herrscht in einem solchen Modul zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Unterdruck gegenüber der Um- gebung, was besondere Anforderungen an die Auslegung des Gehäuses stellt. Durch die Stützstruktur können die von außen wirkenden Druckkräfte wirksam abgefangen und/oder verteilt werden. Eine solche Stützstruktur kann zum Beispiel als ein Trapezblech ausgebildet sein, das Längsfaltungen umfasst, die quer zu in einem Gehäusedeckel vorgesehenen Längssicken ausgerichtet sind. Alternative Detailgestaltungen der Stützstruktur sind möglich, zum Beispiel als Gitter, Mehrzahl von Stäben, T-Profilen u, ä.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Moduls sind die Ad- sorberstrukturen als mechanische Abstützung des Gehäuses ausgebildet, was zu einer besonders hohen Festigkeit gegenüber einem Außendruck führt. Hierbei wird zugleich eine räumlich besonders dichte Anordnung der Formkörper und Rohre ausgenutzt. Die Gehäusewand des Moduls besteht bevorzugt aus einer Eisenbasislegierung, zum Beispiel Stahl, Edelstahl, verzinnter oder verzinkter Stahl oder ähnliches. Insbesondere kann das Material einem Material der Rohre entsprechen, also bei Verwendung anderer Arbeitsmittel als Methanol auch aus Aluminium-basierten Werkstoffen.

In bevorzugter Detailgestaltung liegt in dem Verdampfungs- Kondensationsbereich keine Abstützung durch die inneren Rohre und mit ihnen verbundenen Strukturen zur Anlagerung und Abgabe des Arbeitsmittels vor. Da dieser Bereich meist eine geringere Ausdehnung hat als der Ad- sorptionsbereich, wird die mechanische Stabilität nicht wesentlich beeinträchtigt. Insbesondere bevorzugt kann dabei ein Abstützrahmen im Inneren des Gehäuses zwischen den beiden Bereichen und/oder innerhalb eines der beiden Bereiche vorgesehen sein. Bei einem bevorzugten Modul nimmt der Adsorptions-Desorptionsbereich einen größeren Teil des Moduls ein als der Verdampfungs- Kondensationsbereich. Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis der von diesen Bereichen jeweils innerhalb des Gehäuses beanspruchten Volumina bei Verwendung flüssiger Wärmeträger zwischen etwa 2 und etwa 4. Ein erfindungsgemäßer Formkörper mit einem Adsorptionsmittel für eine Wärmepumpe besteht aus einem Gemisch, umfassend ein Adsorptionsmittel und ein Bindemittel, das einen keramischen Binder umfasst. Der keramische Binder basiert bevorzugt, aber nicht notwendig, auf silikatischen Keramiken. Besonders bevorzugt können diese Alumosilikate umfassen.

Das Gemisch beinhaltet vorteilhaft ein Pulver aus einem sorptionsaktiven Grundmaterial in einer Partikelgröße im Bereich zwischen 2 μιτι und 500 pm, bevorzugt zwischen 5 pm und 100 pm. Das sorptionsaktive Grundmaterial kann zum Beispiel Aktivkohle sein.

Das Gemisch kann Hilfsstoffe zur Verbesserung der Wärmeleitung enthalten, zum Beispiel expandiertes Graphit und/oder Bornitrid und/oder Silizi- umcarbid und/oder Aluminiumnitrid und/oder einem Ruß und/oder metallische Partikel. Die Zusatzstoffe haben in ihrer Summe bevorzugt einen Mas- senanteil bezogen auf die Masse des Formkörpers zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 10% und 35%.

Alternativ oder ergänzend können anorganische Fasern beigemengt sein, die die Wärmeleitfähigkeit und/oder die mechanische Stabilität verbessern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind aktivierte Kohlefasern beigemengt, die vorteilhaft sowohl eine Wärmeleitfunktion und/oder mechanische Stabilisierung beinhalten, als auch eine Adsorptionsfunktion ausüben können. Ein Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Formkörper kann zB, Extrudieren, Trocknen und/oder Sintern umfassen. Das Sintern kann unter Inertgas erfolgen. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin- dung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine räumliche geöffnete Ansicht eines Moduls mit Adsor- berstrukturen gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt das Modul aus Fig. 1 in einer explodierten Darstellung.

Fig. 3 zeigt eine explodierte Darstellung von Gehäuseteilen des Moduls aus Fig. 1. Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch das Modul aus Fig. 1 ,

Fig. 5 zeigt eine räumliche Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Adsorberstruktur der Erfindung mit stoffschlüssiger Halterung.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht durch eine gestapelte Anordnung von mehreren der Adsorberstrukturen aus Fig.. 5.

Fig. 7 zeigt eine räumliche Ansicht von in zwei Raumrichtungen gesta- pelten Adsorberstrukturen aus Fig. 5. Fig. 8 zeigt Schnittansichten mehrerer Bauformen von Flachrohren der Adsorberstrukturen aus Fig.5 bis Fig. 7 und eine Schnittansicht eines in einem Rohrboden eingesetzten Flachrohrs.

Fig. 9 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführung von Adsorberstrukturen mit kraftschlüssiger Halterung.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform aus Fig. 9 mit keilförmigen Flachrohren.

Fig. 1 1 zeigt eine räumliche Darstellung eines weiteren Beispiels einer Ädsorberstruktur der Erfindung mit einem runden Rohr.

Fig. 12 zeigt eine Stapelung von Adsorberstrukturen nach Fig. 1 1 in zwei Raumrichtungen..

Fig. 13 zeigt einen plattenförmigen Formkörper einer weiteren Ausführungsform einer Ädsorberstruktur.

Fig. 14 zeigt eine Abwandlung des Formkörpers aus Fig. 13.

Fig. 15 zeigt eine Ädsorberstruktur mit Rundrohren und Formkörpern nach Fig. 13 und Fig. 14.

Fig. 18 zeigt eine auf ein Flachrohr aufgebrachte Ädsorberstruktur mit einer Sackloch-Perforierung, und

17 zeigt einen Schnitt durch die mit Sacklöchern versehene Ädsorberstruktur gemäß Figur 16. Das in Fig. 1 gezeigte Modul ist eines von mehreren zusammengeschlossenen Modulen einer Wärmepumpe, Es umfasst ein Gehäuse 1 , in dem ein erster Bereich als Adsorptions-Desorptionsbereich 2 und ein zweiter Bereich als Kondensations-Verdampfungsbereich 3 nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Bereiche 2, 3 umfasst eine Mehrzahl von Rohren 4 (siehe Fig. 5, Fig. 18, Fig. 17), vorliegend Flachrohren, die in zwei Raumrichtungen gestapelt als Bündel angeordnet sind.

Die Rohre 4 des ersten Bereichs sind dabei jeweils als eine Adsorberstruktur 5 (siehe Fig. 5} ausgebildet. Dabei sind die breiten Seiten der Flachrohre 4 jeweils mit einem Formkörper 6 flächig verbunden, vorliegend durch Klebung. Der Formkörper 6 besteht aus einem Gemisch von Adsorptionsmittel, vorliegend Aktivkohle, und Bindemittel. Eine Klebstoffschicht 7 (siehe Fig. 6) zur Verbindung der Formkörper 6 mit den Rohren 4 umfasst einen elastischen Kleber auf einer Silikonbasis.

In den Formkörpern sind rillen- und/oder sacklochartige Ausnehmungen 6a, 6b ausgebildet, die als Dampfkanäle 6a zur gesammelten Zu- und Abfuhr von Arbeitsmittel und/ oder Sollbruchstellen 6b dienen, durch die ein Abplatzen der Formkörper von dem Rohr 4 bei übermäßiger thermomechanischer Verspannung vermieden wird.

Die Rohre 4 stehen in Endbereichen 4a über die Formkörper 6 hinaus und münden in Durchzügen 10a von Rohrböden 10.

Die Flachrohre 4 können auf beliebige Weise ausgebildet sein, zum Beispiel nach Fig. 8 als Laser-längsgeschweißtes Rohr, Snap-Over-Rohr, B-Type- Rohr oder Bördelrohr (von links nach rechts). Fig. 9 und Fig. 10 zeigen Ausführungsformen mit Flachrohren 4, bei denen die Formkörper 6 nicht verklebt bzw. stoffschlüssig angebunden sind, sondern kraftschlüssig, vorliegend reibschlüssig. Im Beispiel nach Fig. 9 sind die Formkörper leicht keilförmig ausgebildet und die Flachrohre sind herkömmlich ausgebildet. Jeder Formkörper 6 erstreckt sich in einer Tiefenrichtung über mehrere Flachrohre 4. in der Längsrichtung bzw. Stapelrichtung wechseln sich die Orientierungen der Formkörper 6 ab. Im Beispiel nach Fig. 10 sind sowohl die Formkörper 6 als auch die Flachrohre 4 leicht keilförmig geformt. Bei dieser Abwandlung erstreckt sich jeweils ein Formkörper über ein Flachrohr, wobei in Tiefenrichtung hintereinander liegende Reihen von Flachrohren in umgekehrter Orientierung dargestellt sind. Vorzugsweise (in Fig. 10 nicht dargestellt) stehen die Formkör- per wie auch in Fig. 9 in der Tiefenrichtung über die Flachrohre über, so dass die Formkörper über Stützmittel oder elastisch kraftbeaufschlagende Mittel (nicht dargestellt) in der Keilrichtung gehalten sind. In der Stapelrichtung sind endseitig jeweils Halteglieder 8 vorgesehen, die zumindest die endseitigen Formkörper statisch oder elastisch kraftbeaufschlagt in dieser Richtung ab- stützen. Zumindest ein Teil der Stützkraft in Stapelrichtung kann auch von den in Durchzügen aufgenommenen Rohren 4 abgefangen werden. Zusätzliche Stützkräfte können durch Spannbänder, Zuganker oder dergleichen zwischen den Haltegliedem aufgenommen werden, was jedoch in den .Figuren nicht gezeigt ist.,

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 1 liegen an Stelle von Flachrohren Rundrohre 4 vor, die je nach Abwandlung auch vieleckig ausgebildet sein können. Die Rund röhre 4 werden von jeweils mehreren, vorliegend zwei, Formkör- pern 6 jeweils teilweise umfangen. Die Formkörper 6 betten das Rohr 4 ins- gesamt vollständig (bis auf Toleranz- und/oder Klebespalte) ein, wobei sie insgesamt einen vorliegend sechseckigen Außenumriss aufweisen. Hierdurch können die aus je einem Rohr 4 und zwei Formkörpern 6 bestehenden Adsorberstrukturen 5 in dichter Packung in zwei Raumrichtungen gestapelt werden (siehe Fig. 12).

Die bevorzugte Dicke der Formkörper 6 ergibt sich aus der mittleren Länge des Wärmeleitungspfades, wofür für sämtliche Formgebungen dieselben Angaben gelten (bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm, besonders bevor- zugt zwischen 2 mm und 6 mm).

Erkennbar sind die Kanten der Außenumrisse der Formkörper definiert verrundet, so dass in dem Stapel jeweils Dampfkanäle 6a gebildet sind. Das Beispiel nach Fig. 1 1 , Fig. 12 kann je nach Anforderungen mit stoffschlüssiger und/oder kraftschlüssiger Anbindung der Formkörper 6 an die Rohre 4 ausgebildet sein. Bezüglich der bevorzugten stoffschlüssigen Anbindung kann dasselbe Klebstoffsystem wie in den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.

Bei dem Beispiel nach Fig. 13 bis Fig. 15 sind die Formkörper 6 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet, wobei jede der Platten 6 mehrere Ausbuchtungen 9 zum teilweisen Umfangen der Rohre 4 aufweist. Die Rohre sind vorliegend, aber nicht notwendig, Rundrohre.

Die Formkörper 6 weisen jeweils Ausnehmungen 6a, 6b zur Ausbildung von Dampfkanälen und Sollbruchstellen auf. Es versteht sich, dass eine Ausnehmung 6a, 6b auch beide Funktionen zugleich erfüllen kann. Bevorzugt sind diese entweder in der neutralen Fläche des Wärmeflusses und/oder als schmale Spalte in Wärmeflussrichtung ausgeführt und angeordnet. Fig. 15 zeigt eine Adsorberstruktur 5 _» die einen Stapel aus mehreren der Formkörper nach Fig. 3 und Fig. 4 mit dazwischen angeordneten Reihen von Rundrohren 4 umfasst. Allgemein haben die vorstehend beschriebenen Adsorberstrukturen bevorzugt folgende Eigenschaften:

Die Rohre der Bündel sind gut wärmeleitend mit den Formkörpern verbunden, wobei endseitige Überstände von 5 mm bis 15 mm reichen.

Die Rohre der Rohrbündel sind charakterisiert durch:

Grundwerkstoff Fe-Basis-Werkstoff, besonders bevorzugt ferritischer rostfreier Edelstahl wie beispielsweise 1 .4509 oder 1 .4512; dieser besitzt geringere thermische Ausdehnungskoeffizienten als austenitische rostfreie Edel- stähle.

Alternativ kann als Rohrmaterial - je nach gewähltem Fügeverfahren - auch verzinnter Edelstahl, verzinnter Stahl (Weißblech) oder niedriglegierter Stahl wie zB DC03 und Edelstahl zum Einsatz kommen. Eine weitere Variante ist es, verzinkten Grundwerkstoff, insbesondere verzinkten Stahl, zu verwenden.

Die Flachrohre 4 (Fig. 5 bis Fig. 10) besitzen einen hydraulischen Durchmesser von < 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 2 mm. Die Wandstärken der Flachrohre liegen im Bereich 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm.

Die Rund röhre (Fig. 1 1 bis Fig. 15) besitzen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich zwischen 4 und 6 mm. Die Rundrohre 4 besitzen Wandstärken im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm. Die Formkörper der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen insbesondere bevorzugt Merkmale gemäß nachfolgender Beispiele auf bzw. werden bevorzugt auf nachfolgende Weise hergestellt:

Beispiel 1 :

1 . Verwendung eines hochporösen Adsorbens in Pulverform als adsorptionsaktives Grund materiai zur Adsorption von Methanol mit folgen- den Eigenschaften:

1 .1 . Vorzugsweise aufweisend eine Adsorptionsisotherme des Typs 1 für die Adsorption von Methanol.

2. Adsorber-Compound bestehend aus:

2.1 . Pulver des sorptionsaktiven Grundmaterials mit einer Partikelgrö- ße im Bereich zwischen 2 pm und 500 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und

100 pm.

2.2. Keramischer Binder auf Basis von silikatischen Keramiken wie zB Magnesiumsilikaten (Beispiel Steatit), Magnesiumaluminiumsilikaten (Beispiel Cordierit) und Alumosilikaten (Beispiele Steingut, Porzellan). Der Gewichtsanteil des keramischen Binders im Formkörper liegt zwischen 5% und 50%, besonders bevorzugt zwischen 15% und 30%.

2.3. Wärmeleitende Zusätze, insbesondere expandiertes Grafit, Ruß, BN, SiC, AIN, metallische Partikel und Mischungen davon im Massenanteil zwischen 5% und 50%, bevorzugt von 5% bis 35%.

2,4. Optional anorganische Fasern zur mechanischen Strukturverstärkung und Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit.

2.5. Optional aktivierte Kohlefasern, die sowohl sorptive Eigenschaften haben als auch Wärmleitfunktion übernehmen können.

3. Aus Adsorber-Compound durch folgendes Verfahren hergestellte Formkörper: Variante 1 :

3.1 . Herstellung einer plastischen Masse bestehend aus den oben unter 1., 2. aufgeführten Komponenten sowie Wasser und einem Plastifizie- rungs-Hilfsmittel.

3.2. Extrusion zB zu einer Folie oder zu einem Strang, der zu einer

Folie gewalzt wird mit anschließendem optionalem Einbringen von Sacklöchern und nachfolgendem Schneiden.

3.3. Alternativ Extrusion zu einer Folie mit dem bereits vorgesehenen Profil und anschließendem Schneiden zu Streifen.

3.4. Trocknen, je nach Bedarf mit Maßnahmen zur Formerhaltung.

3.5. Sintern unter Inertgas bei einer Temperatur und Haltezeit, die für das Aushärten bzw. Sintern des keramischen Binders zu einer stabilen Matrix erforderlich ist. Variante 2:

Herstellung eines Granulates bestehend aus den oben aufgeführten Komponenten und einem Additiv (zB einem Wachs), welches nach einem Pressvorgang die Funktion eines Grünbinders übernimmt. Ein Beispiel für einen solchen Herstellprozess ist die Sprühgranulatherstellung.

3.6. Einfüllen des Granulates in eine Form und Verpressen zu der

Form der Adsorberstruktur.

3.7. Sintern unter Inertgas bei einer Temperatur und Haltezeit, die für das Aushärten bzw. Sintern des keramischen Binders zu einer stabilen Matrix erforderlich ist.

3.8. Zur Einstellung einer bestimmten Porosität sowie einer definierten

Porenstruktur kann der Ausgangsmischung optional ein Porenbildner, zB in Form von pulverförmigen Polymeren oder in Form von organischen Fasern, zugegeben werden. Dies bezieht sich auf beide genannten Herstellungsvarianten. Zur geometrischen Ausgestaltung der Formkörper sind folgende Merkmale bevorzugt vorgesehen:

Eine Plattenform mit einer mittleren Dicke in Wärmetransportrichtung im Be- reich zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 2 und 6 mm.

Ein- oder beidseitige Rillenstruktur mit einem Rillenabstand, der um einen Faktor zwischen 0,5 und 2 mit der Plattendicke korreliert.

Eine Rillentiefe, die mit einem Faktor zwischen 0,2 und 0,8 mit der Plattendicke korreliert. Eine Rillenbreite < 1 mm, bevorzugt < 0,5 mm.

Einseitig eingebrachte Sacklochstruktur zur Vergrößerung der Dampf- Zutrittsfläche bei gleichzeitiger Verkürzung der Diffusionswege des Arbeits- mitteldampfes. Bevorzugt wird durch eine der Maßnahmen das Oberflächen/Volumenverhältnis der Adsorberstruktur um mindestens einen Faktor 1 ,5 bevorzugt durch mindestens einen Faktor 2 vergrößert.

Für die Klebstoffschicht 7 zur Anbindung der Formkörper 6 an Rohre 4 lie- gen bevorzugt folgende Merkmale vor:

Elastische Klebstoffschicht charakterisiert durch:

-vollflächige Benetzung sowohl der Adsorptionskörperfläche als auch der Fläche des Metallträgers;

- kurzzeitigeTemperaturstabilität bis 250°C zwecks Adsorberdesorption vor einer Installation;

-Dauerhafte Stabilität gegenüber dem Arbeitsmittel, bevorzugt Methanol, bis 130°C;

-je nach Bedarf Anreicherung mit Wärmeleit-Hilfsstoffen wie BN, fein gemahlenem expandiertem Graphit oder Ruß;

-Reißdehnung (Bruchdehnung) bei Raumtemperatur beträgt mindestens 300% eine Schichtdicke der Klebstoffschicht beträgt zwischen 10 pm und 500 pm, bevorzugt zwischen 50 pm und 1 50 pm.

Das die Rohre 4 durchströmende Wärmeträgerfluid kann beliebig gewählt sein, ist aber vorzugsweise ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch.

Das in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigte Modul für eine Wärmepumpe hat in seinem ersten Bereich 2 bevorzugt, aber nicht notwendig, Adsorberstrukturen nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. In dem zweiten Bereich 3 können beliebige Verdampfungs-Kondensationsstrukturen angeordnet sein, bevorzugt aber Strukturen nach der Druckschrift EP 1 918 668 B1 .

Das Gehäuse 1 des Moduls umfasst einen unteren Gehäuseteil 1 a und ei- nen oberen Gehäuseteil 1 b, die jeweils in einer ersten Richtung (Durchströmungsrichtung) eingeprägte Längssicken zur Versteifung aufweisen.

Das Gehäuse 1 umfasst zudem die Böden 10 mit den Durchzügen 10a, in die die Rohre 4 eingesteckt sind. Die Ränder der Böden werden von den beiden Gehäuseteilen 1 a, 1 b hermetisch dichtend umfangen.

Zwischen Gehäuseteilen 1 a, 1 b und den ersten und zweiten Bereichen 2, 3 sind jeweils Stützstrukturen 1 1 vorgesehen. Die Stützstrukturen 1 1 sind flächig ausgebildet, vorliegend als Trapezbleche (siehe insbesondere Fig. 2 und Fig. 3). Eine Faltung der Trapezbleche 1 1 ist senkrecht zu den Längssicken der Gehäuseteile 1 a, 1 b orientiert und die Trapezbleche liegen von innen an den Gehäuseteüen 1 a, 1 b an. Sie können an den Gehäuseteilen festgelegt sein (zB angepunktet) oder nur reibschlüssig aufliegen. Durch die Überkreuzung der Längssicken und der Faltungen ergibt sich insgesamt eine hohe Druckstabilität der Gehäusewände, insbesondere gegen äußeren Überdruck sowie eine gute thermische Entkoppelung zwischen Innenstrukturen und den Gehäuseteilen.

Eine weitere Abstützung stellen die gestapelten Ad so rbe rstru ktu re n 5 in dem ersten Bereich dar. Zumindest bei Betriebstemperaturen und/oder unter entsprechenden Druckeinfluss (Montage mit minimal notwendigem Spiel) liegen die Formkörper 6 in der Senkrechten aneinander und an den Trapezblechen an, so dass eine optimale Abstützung gegen den meist höheren Außendruck erfolgt.

Die Böden 10 sind von außen mit Wasserkästen 12 aus Kunststoff versehen (Fig. 1 ), wie es im Prinzip aus dem Wärmetauscherbau bekannt ist. Die Wasserkästen 12 haben Anschlüsse 12a zur Zuführung und Abführung von Wärmeträgerfluid.

In den Böden 10 sind Anschlüsse 13 zur Befüllung des Moduls mit Arbeitsmittel, vorliegend Methanol, vorgesehen. In der Darstellung nach Fig. 4 ist ein Anschluss 14 als Überdruckventil mit betätigbarem Ventilstempel ausgebildet. Hierdurch kann eine erhöhte Betriebssicherheit und/oder eine mehrfa- che Befüllung des Moduls erreicht werden.

Ein weiterer Stützrahmen 15 ist in dem Modul zwischen dem ersten Bereich 2 und dem zweiten Bereich 3 angeordnet (Fig. 3), um die mechanische Stabilität insbesondere in der Nähe des zweiten Bereichs 3 weiter zu verbes- sern. Im Allgemeinen ist es im Gegensatz zu den Adsorberstrukturen 5 des ersten Bereichs 2 nicht vorgesehen, dass die aktiven Strukturen zur Verdampfung und Kondensation des zweiten Bereichs nach Art einer mechanischen Abstützung aneinander anliegen. Für den Aufbau des Moduls und speziell des Gehäuses 1 gelten bevorzugt folgende Merkmale: Beide Rohrbündel der Bereiche 2, 3 münden endseitig in den Rohrböden 10 und sind mit diesen stoffschlüssig verbunden. Die Rohrböden weisen folgende Merkmale auf:

Gering wärmeleitender Metall-Grundwerkstoff, vorzugsweise austenitischer Edelstahl 1.4301 oder 1.4404. Ein Dickenbereich des Rohrbodens liegt zwischen 0,3 mm und 1 ,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 mm. Je nach verwendetem Rohr-Herstellungstyp und Fügeverfahren können auch ver- zinnte oder verzinkte Grundwerkstoffe zum Einsatz kommen.

Eine Beabstandung der Rohrboden-Durchführungen zur thermischen Entkoppelung der beiden Bereiche 2, 3 in Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit der Rohrböden ist vorgesehen (adiabate Zone 16).

Die Rohrböden 10 haben angeformte Rohrdurchzüge 10a und mit einer optionalen Beschichtung, die an den eingesetzten Rohrtyp und das realisierte fluiddichte Fügeverfahren angepasst ist. Eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung kann durch Remote- Laserstrahlschweißen hergestellt werden, charakterisiert durch:

-Stanzlochung und Durchstellen eines Kragens gleicher Höhe (Fig. 8);

-Verwendung eines Laser-längsgeschweißten Rohres (Fig. 8);

-bei Bedarf stirnseitige Bördelnahtschweißung;

-Laserstrahlschweißung im Wärmeleitungsbereich;

Alternativ oder ergänzend kann eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung durch Weichlöten erzielt werden, charakterisiert durch:

-Verwendung eines der in Fig. 8 dargestellten Rohre, bevorzugt jedoch B- Typ-, Snap-Over- oder Bördelrohr;

-Spaltbreiten zwischen 0 mm und 0,5 mm; -Verwendung entweder unbeschichteter Grundwerkstoffe und Verwendung von Flussmittel oder Verwendung beschichteter Grundwerkstoffe und Vermeidung von Flussmittel;

- Bei Weichlöten ohne Flussmittel sollte ein verwendeter Edelstahl nicht Ti- stabilisiert sein;

-Fügen durch Tauch-, Schwall-, Strahlungs-, Heißgas, Induktions- und/oder durch Ofenlötung von mit Lot vorbeschichteten Grundwerkstoffen.

Alternativ oder ergänzend kann eine fluiddichte Rohr-Bodenverbindung durch Kleben erzielt werden, charakterisiert durch:

-Verwendung von Flachrohren (Fig 8), keilförmigen Flachrohren (Fig 10) oder

Rundrohren (Fig 1 1 bis 5);

-Verwendung eines geeigneten Klebstoffes;

-Klebefuge < 0,2 mm.

Das Gehäuse 1 des Hohlelementes ist bevorzugt charakterisiert durch:

-Grundmaterial aus Edelstahl bevorzugt austenitisch;

-Schalenbauweise mit zwei Gehäuseteilen 1 a, 1 b aufweisend;

-Längssicken in Richtung der Rohriängsachsen zum Rand hin auslaufend;

-ebener Rand zur schweißtechnischen fluiddichten Verbindung mit den Rohrböden 10 über Bördelnahtverschweißung;

-U-förmiger Falz an je einem der Längskanten (zur Längskantenversteifung und Spritzschutz beim Laserschweißen);

Besonders bevorzugt besteht eine Verstärkung durch ein Trapezblech 1 1 mit einer Falzkantenrichtung senkrecht zur Außenversickung, charakterisiert durch:

-Trapezhöhe abgestimmt zur Abstützung der inneren Trapezflächen auf der Adsorberstruktur;

-Ausnehmungen zur 90°-Umformung zu den Seitenflächen hin;

-Punktverschweißung mit den Außenschalen; -die Gehäusehalbschalen 1 a, 1 b sind miteinander verschweißt, die Boden- Gehäuseverbindung erfolgt vorzugsweise durch Durchschweißen des Ober- und Unterbleches durch Laserstrahltiefschweißen;

-eine optionale zusätzliche Abdichtung erfolgt mittels Dichtkleber in Klebefu- ge l 7 (Fig. 4),

Der Stützrahmen 15 ist im Bereich der adiabaten Zone zwischen der Sorptionszone 2 und der Phasenwechselzone 3 angeordnet und bevorzugt charakterisiert durch:

-Rahmen mit U- oder L-förmig abgewinkelten Stegen;

-Rahmenhöhe abgestimmt auf die lichte Weite zwischen den Innenflächen des Trapezbleches.

Die Anschlüsse 13, 14 zum Evakuieren und Befüllen bestehen bevorzugt aus am Rohrboden mittels Widerstandsschweißen eingeschweißten Edelstahl-Stutzen. Alternativ kann es sich um eingeschraubte und mittels Metalldichtung abgedichtete Edelstahlstutzen handeln. Ein Kupferrohr zum Abquetschen und Zulöten ist angelötet. Die Wasserkästen 12 bestehen bevorzugt aus einem spritzgegossenem und weitgehend hydrolysebeständigem Kunststoff-Innenteil, vorzugsweise aus PA oder PPS, aufweisend:

-Elastomer-Dichtung zur Abdichtung gegen den Wasserkasten;

-je einen Fluidanschluss;

-je einen schraubverschließbaren Entlüftungsstutzen;

Eine optionale Anpressglocke aus Metalf (nicht dargestellt) kann aufweisen: -Glockentiefe abgestimmt zur Abstützung des innenliegenden, abdichtenden Kunststoff-Innenteils;

-Führungen und Abstützelemente für Spannbänder; -Spannbänder zur Anpressung je zweier Wasserkästen an die Rohrböden der Rohrbündel für die Sorptionszone 2 und die Phasenwechselzone 3;

-Spannbalken mit Spannschrauben zur Anpressung je zweier gegenüberliegender Wasserkästen.

Die Figuren 16 und 17 zeigen eine weitere Ausführungsform von Rohren 4, insbesondere von Rohre 4 des ersten Bereichs, die jeweils eine Adsorbers- truktur 5 tragen. Dabei sind die breiten Seiten der Flachrohre 4 jeweils mit einem Formkörper 6 flächig verbunden, wie insbesondere durch Klebung. Der Formkörper 6 besteht aus einem Gemisch von Adsorptionsmittel, vorliegend Aktivkohle und Bindemittel. Eine Klebstoffschicht 7 zur Verbindung der Formkörper 6 mit den Rohren 4 umfasst insbesondere einen elastischen Kleber auf einer Silikonbasis. In den Formkörpern sind sacklochartige Ausnehmungen 6a ausgebildet, die als Dampfkanäle zur gesammelten Zu- und Abfuhr von Arbeitsmittel und/ oder Sollbruchstellen dienen, durch die ein Abplatzen der Formkörper von dem Rohr 4 bei übermäßiger thermomechanischer Verspannung vermieden wird. Die Sacklöcher sind dabei über den Formkörper regelmäßig verteilt, wie in Reihen ausgerichtet.

Die Rohre 4 stehen in Endbereichen 4a über die Formkörper 6 hinaus und münden in Durchzügen 10a von Rohrböden 10.