TW201321691A - 吸附熱交換器裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於固體吸著致冷系統(1)之吸附熱交換器裝置(11、30)。此裝置包括一熱交換器(12)，該熱交換器(12)具有經配置以用於在使用時延伸至該系統(1)之一被吸附物中之複數個突出物(17)。一吸附結構(13、31)形成於該熱交換器(12)上以用於吸附該被吸附物(adsorbate)。該吸附結構(13、31)包含自該熱交換器(12)之該等突出物(17)中每一者向外延伸之複數個細長吸附元件(20)。

Description

吸附熱交換器裝置
本發明大體上係關於供固體吸著致冷系統中使用之吸附熱交換器裝置。本發明提供吸附熱交換器裝置，連同用於製造此等裝置之方法及併入此等裝置之設備。
固體吸著致冷系統受到固體物質(吸附劑)對致冷蒸氣(被吸附物)之吸附及解吸附驅動，該固體物質(吸附劑)通常係高度地多孔的。與受到機械壓縮機驅動之習知蒸氣壓縮冷卻系統對比，無需電能來驅動致冷循環。基本循環涉及吸附階段及解吸附階段。在吸附階段中，藉由吸附物質吸附致冷蒸氣，從而引起熱之釋放。在解吸附階段中，將熱施加至吸附劑，從而造成致冷劑之解吸附。在此等程序期間所轉移之熱係藉由熱交換器而在吸附劑與熱轉移流體(例如，水或水-乙二醇混合物)或外部環境之間傳送。吸附及解吸附程序係結合蒸發器/冷凝器中致冷劑之蒸發及冷凝而發生。氣體致冷劑之吸附會降低蒸氣壓力，從而增進蒸發器中液體致冷劑之蒸發。在此蒸發期間，自待冷卻環境抽取熱，從而引起致冷。藉由將熱經由熱交換器而供應至吸附劑，將經吸附致冷劑釋放成蒸氣相，因此再生用於下一吸附循環之吸附材料。現在的氣體被吸附物傳遞至發生對環境之排熱之冷凝器。如在習知蒸氣壓縮冷卻中，使液體致冷劑通過控制裝置(例如，膨脹閥)而傳回至蒸發器中，且接著可重複該循環。
致冷循環完全地受到在解吸附階段期間之熱輸入驅動，而不進一步輸入機械功。因此，固體吸著冷卻相比於習知蒸氣壓縮冷卻可較佳，在該習知蒸氣壓縮冷卻中，可易於(例如)自太陽(太陽能冷卻)得到或作為來自其他來源(諸如，資料中心之功率耗散)之廢熱而得到過量熱。另一優點為，不像通常用於蒸氣壓縮冷卻中之氟碳化合物致冷劑，用於固體吸著冷卻中之常見致冷劑(諸如，水及甲醇)係環保的且對全球暖化之作用係可忽略的。
儘管具有該等優點，但固體吸著冷卻系統之冷卻能力相比於具有相同大小之蒸氣壓縮冷卻系統極低。低比冷卻能力係部分地歸因於吸附材料之不良熱轉移特性。在第一代系統中，吸附器單元使用位於金屬熱交換器表面上之鬆散吸附顆粒之床。改良吸附劑之熱導率之最近成果包括使用單體吸附劑而非粒狀吸附材料，及使用具有高熱導率之吸附材料。固結吸附材料已由石墨、金屬發泡體或束縛於諸如樹脂之基質中之吸附顆粒形成。複合吸附材料亦已自吸附粒子及具有較高熱導率之粒子的混合物產生。此等固結材料通常遭受對被吸附物蒸氣之不良滲透性，藉以，結構內之被吸附物之流動受到顯著地阻礙。歸因於至粒狀或固結吸附劑之吸附位點之長擴散路徑，在內部吸附表面附近之蒸氣壓力不輕易適應於系統壓力之變化，藉此限制吸附劑之冷卻及再生速率。新近，已藉由用薄膜吸附塗層來塗佈熱交換器散熱片或管子而改良熱交換器與吸附材料之間的熱界面處之熱轉移，該等薄膜吸附塗層係藉由分散於合 適基質中之吸附材料或藉由吸附劑之直接合成(通常為沸石類型)而形成於外部熱交換器表面上。2010年12月22日申請之吾人的同在申請中之歐洲專利申請案第10196440.1號揭示提供熱轉移係數之進一步改良的整合式吸附熱交換器裝置。
美國專利申請公告第2010/0196249 A1號揭示用於眾多已敍述應用之對準型碳奈米管整體結構，該等結構包括用於氣體儲存及輸送之熱耗散材料、諸如熱交換器之熱導體、電導體、電極、電池、電容器及超電容器、發射裝置或吸附劑。經受用於超電容器電極之增強型操作之活化程序的碳奈米管亦在如下兩者中得以論述：Frackowiak等人之「Enhanced capacitance of carbon nanotubes through chemical activation」，Chemical Physics Letters 361，(2002年)第35至41頁；及Hiraoka等人之「Compact and Light Supercapacitor Electrodes from a Surface-Only Solid by Opened Carbon Nanotubes with 2200m2g-1 Surface Area」，Advanced Functional Materials，2010年，第20卷，第422至428頁。
本發明之一態樣之一實施例提供一種用於一固體吸著致冷系統之吸附熱交換器裝置。該裝置包含：一熱交換器，其具有經配置以用於在使用時延伸至該系統之一被吸附物中之複數個突出物；及一吸附結構，其形成於該熱交換器上以用於吸附該被吸 附物，該吸附結構包含自該熱交換器之該等突出物中每一者向外延伸之複數個細長吸附元件。
在體現本發明之吸附熱交換器裝置中，該熱交換器具有在該裝置之吸附側上之突出物，該等突出物經配置以便在使用時延伸至含有該被吸附物的該系統之吸附區中。該熱交換器(其當然係無孔的且因此使該被吸附物實質上不能透過以抑制被吸附物通過該系統且因此抑制被吸附物自該系統逸出)具有形成於其上之一吸附結構。此結構為在使用時吸附被吸附物蒸氣作準備。該吸附結構包含細長吸附元件，該等細長吸附元件經配置成使得複數個此等吸附元件自該等熱交換器突出物中每一者向外延伸至該吸附區中。此裝置配置提供該吸附區之一階層式分割或細分，藉此在使用時提供含有該被吸附物蒸氣之空隙之一階層式分支。一第一分割/分支層級係藉由該等熱交換器突出物提供。自該等熱交換器突出物向外延伸之該等細長吸附元件接著進一步分割突出物之間的區域，從而相比於該第一層級以一較小尺度提供一第二分支層級。熱交換器及吸附結構之此階層式結構化組態提供熱路徑之一高度有效率配置而給出優良熱輸送特性，以及提供一有效率階層式質量輸送網路而准許被吸附物蒸氣至吸附位點之高度有效輸送。相比於先前系統，本發明之實施例因此提供改良型熱導率而不損害對被吸附物蒸氣之滲透性。亦可達成本發明之實施例之熱及質量轉移優點而不損害吸附劑之體積填充分率(亦即，非活性體積或「死空間」之量)，損害吸附劑之體 積填充分率可為上文所描述之先前薄膜塗佈系統之一缺點。下文將更詳細地論述本發明之實施例之此等及另外優點。
一般而言，該等熱交換器突出物可包含任何突出構造且可具有一規則或不規則結構。此等突出物之實例包括散熱片、銷、薄片、彎曲物及摺疊物，等等。然而，在較佳實施例中，該熱交換器之該等突出物具有在延伸至該被吸附物中之方向上細長之一橫截面。此處，特定實例包括散熱片、銷及薄片。在延伸至該吸附區中之方向上大體上長且薄之此等高縱橫比結構提供至吸附劑之尤其有效率熱流動路徑，連同用於該上覆吸附結構之一大表面積。當然，可設想如下裝置：其中並非所有該等熱交換器突出物皆具有形成於其上之吸附元件，但理想地，吸附元件形成於每一突出物上以達到最大效率。在尤其較佳實施例中，每一細長吸附元件實質上垂直於經形成有該細長吸附元件的該熱交換器突出物之表面而延伸。該等吸附元件之此實質上垂直配置(例如，在任何撓曲/曲率之條件下與垂線成約5°之範圍內，如下文所論述)提供用於如下文詳細地所描述之格外有效率裝置結構之基礎。在一些此等裝置中，該等熱交換器突出物之配置及該等熱交換器突出物上之該等吸附元件之配置可使得鄰近突出物上之吸附元件交錯。鄰近突出物上之吸附元件之此重疊配置提供高度有效率之空間使用。在尤其有效率配置中，一給定熱交換器突出物上之吸附元件實質上相互對準。亦即，一熱交換器突出物上之該 等吸附元件之一些或全部在實質上相同方向上延伸。
該結構之該等吸附元件為在使用時吸附該被吸附物作準備且因此係完全地或至少部分地吸附的。在一些裝置中，該等吸附元件係由一固有吸附材料且最佳地係由一活化吸附材料(亦即，係固有地吸附且已經受一活化程序以增加活性表面積且增強吸附性之一材料)形成。下文將描述特定實例。在其他實施例中，該等吸附元件可由具有一吸附材料之一導熱材料形成。此處，該吸附材料可為諸如多孔矽石或沸石之一吸附劑之一塗層(例如，類膜塗層(其無需均一或完全地連續))，或一粒狀吸附材料。
在較佳實施例中，該等吸附元件包含纖維，亦即，某一適當材料之大體上長而薄之撚線或纖絲。碳奈米管提供固有吸附纖維之一尤其較佳實例。非吸附材料之實例包括金屬或陶瓷纖維，吸附劑接著可如上文所描述而施加至該等金屬或陶瓷纖維。
即使在該等吸附元件係固有地吸附之情況下，該吸附結構亦較佳地包括施加至該等吸附元件且包含具有一第一大小之吸附粒子的一第一微粒材料，該第一大小准許該等粒子進入於該結構之鄰近吸附元件之間。此情形促成額外吸附性而增加用於吸附之裝填密度，且提供該裝置之總體階層式結構之另一層級而進一步劃分該吸附區以增加曝露於被吸附物之活性表面積。在尤其較佳裝置中，該吸附結構進一步包括施加至該等吸附元件之一次級微粒材料。此次級微粒材料包含具有小於該第一大小之一第二大小之次級 粒子，該第二大小准許該等次級粒子在該第一微粒材料之鄰近吸附粒子之接觸點附近進入於該等鄰近吸附粒子之間。微粒吸附劑之此雙峰式大小分佈改良該吸附結構之裝填密度及熱導率兩者。較小的次級粒子有效地擴大較大的第一粒子之間的該等接觸點，藉此改良熱接觸。該等次級粒子亦向該總體階層式結構提供一另外層級。因此，體現本發明之較佳裝置為該吸附區空隙之多層級階層式分支作準備，從而提供異常吸附效率以及極佳熱輸送特性。下文將描述較佳實施例之另外特徵及優點。
本發明之一第二態樣之一實施例提供用於一固體吸著致冷系統之吸附器設備。該設備包含根據本發明之該第一態樣之一或多個吸附熱交換器裝置，該(該等)裝置界定用於使被吸附物通過之一吸附區且經配置成使得該等熱交換器突出物延伸至該吸附區中。
本發明之一第三態樣之一實施例提供一種用於製造用於一固體吸著致冷系統之一吸附熱交換器裝置之方法。該方法包含在具有複數個突出物之一熱交換器上形成一吸附結構以用於吸附該系統之被吸附物，該吸附結構包含自該熱交換器之該等突出物中每一者向外延伸之複數個細長吸附元件。
一般而言，在本文參考本發明之一態樣之一實施例來描述特徵的情況下，可在本發明之另一態樣之實施例中提供對應特徵。
現在將參看隨附圖式而作為實例來描述本發明之較佳實施例。
圖1a及圖1b為例示性固體吸著致冷系統1之示意性說明，在該系統中可使用體現本發明之吸附及熱交換器裝置。該兩個圖說明致冷循環之兩個主要階段，其中實線箭頭在每一狀況下表示熱流動。此簡單系統包括兩個吸附器單元2、冷凝器3及蒸發器4。用於使冷凝物自冷凝器3傳遞至蒸發器4之管子終止於控制裝置5中，此處，控制裝置5為膨脹閥。吸附器單元2經由單向閥6、7而連接至蒸發器4及冷凝器3，如該圖所指示。
系統1之每一單元2包括吸附設備，吸附設備包含下文將詳細地描述之複數個吸附熱交換器裝置。吸附熱交換器裝置配置於每一單元中，使得在吸附階段期間經由閥6而自蒸發器4所接收之致冷蒸氣傳遞至吸附區中，在吸附區中，致冷蒸氣遍及該等裝置之吸附結構而流動。在解吸附期間經由此等結構朝向冷凝器3而為蒸氣取道，從而使蒸氣在此階段期間經由閥7而自該單元逸出。在此等程序期間，通常以水為基礎之熱轉移流體(HTF)遍及該等裝置之熱交換器結構而流動且藉由此等結構而在單元2之流體入口與出口(該等圖中未圖示)之間被取道。處於不同溫度之三個儲集器(未圖示)用於系統1之操作：高溫(「熱」)儲集器、低溫(「冷硬」)儲集器，及中間溫度(「冷」)儲集器，如下文進一步所論述。實務上，每一儲集器可藉由分離的HTF環路而連接至圖1a及圖1b中之系統。供將致冷劑 及HTF遞送至每一吸附單元2中之吸附熱交換器裝置及自每一吸附單元2中之吸附熱交換器裝置遞送致冷劑及HTF的特定機構將取決於此等裝置之精確形式及配置。此等機構在吸附系統之領域中為吾人所熟知，且用於給定配置之合適機構對於熟習此項技術者將易於顯而易見。
該等圖中說明用於右手吸附器單元2之基本操作循環。圖1a說明該循環之解吸附階段。在此階段開始時，致冷流體(例如，水或甲醇)完全地吸附於吸附器單元2內。接著藉由將熱HTF供應至吸附器單元來加熱該單元。因此，熱經由熱交換器而轉移至吸附結構，從而造成致冷劑之蒸發且因此造成致冷劑之解吸附。致冷蒸氣經由閥7而傳遞至冷凝器3，在冷凝器3處，該蒸氣在由解吸附程序引起之高壓下冷凝。熱在此程序期間排出至環境且轉移至冷HTF。當冷凝完成時，吸附階段開始。液體致冷劑通過膨脹閥5而傳遞至蒸發器4中，從而造成部分汽化。如圖1b所示，蒸發器4中之減壓引起致冷劑之進一步蒸發，從而在此程序期間自環境汲取熱且因此造成環境冷卻及冷硬HTF之低溫。致冷蒸氣經由閥6而傳遞至吸附器單元2且被再吸附，從而縮減系統壓力且增進進一步汽化。在吸附期間藉由致冷劑排出之熱經由單元2中之熱交換器而轉移至處於中間溫度之冷HTF。吸附階段繼續直至致冷劑被完全地吸附為止，且循環因而完成。
為了獲得更連續之冷卻，可與右手單元反相地驅動系統1中之左手吸附器單元，使得一個單元中之吸附與另一單 元中之解吸附同時地發生。實際上，儘管在所示之簡單系統中提供兩個吸附器單元，但實務上，系統可使用以適當相移而操作之多個單元，以產生更有效率且連續之冷卻。
圖2說明供系統1之吸附器單元2中使用的體現本發明之吸附器設備。吸附器設備10包含一對實質上等同吸附熱交換器裝置11，該等吸附熱交換器裝置中之一者係出於簡單起見而在該圖中藉由虛線指示。吸附熱交換器裝置11之基本結構係藉由該圖所示之下部裝置的示意性橫截面圖指示。裝置11由熱交換器12組成，熱交換器12具有形成於其一側上之吸附結構13。在此實例中，熱交換器12呈具有一系列突出物之金屬板14之形式，該等突出物呈高縱橫比散熱片之形式，該等突出物與板14之兩個表面實質上成直角而延伸。該圖中在板14之下側上之散熱片15界定用於在操作中傳送熱轉移流體(HTF)之通道16。在板14之相對吸附側上之散熱片17提供針對吸附結構13之支撐且延伸至該設備之吸附區中。詳言之，兩個裝置11經配置成使得其吸附側彼此面對，藉以，兩個板14之間的區界定用於在使用時使被吸附物蒸氣通過之吸附區。在延伸至吸附區中之方向上的散熱片17之細長橫截面具有高縱橫比，較佳地為約20：1或甚至更高，其中在此實施例中相似地形成HTF側上之散熱片15。該圖示意性地所說明之各種結構之尺寸將取決於用以製造裝置11之特定材料及程序。下文給出材料及程序之詳細實例。然而，作為說明，此實施例中之散熱片高度可為大約5 mm，散熱片週期性可為約2 mm，且板14 之厚度可為大約0.5 mm。
形成於熱交換器散熱片17上之吸附結構13包含自散熱片17中每一者向外延伸至鄰近散熱片之間的吸附空隙中之複數個細長吸附元件。此等吸附元件為在使用時吸附被吸附物作準備。此實施例之吸附元件為固有吸附纖維，此處呈藉由下文進一步所論述之程序直接地生長於熱交換器散熱片17之表面上之碳奈米管的形式。圖3及圖4中更清晰地指示奈米管20。圖3展示圖2中之吸附結構13之所指示部分的示意性放大圖。圖4展示說明鄰近散熱片17之間的奈米管之配置的較大尺度圖。在每一散熱片17上，奈米管20實質上相互對準且實質上垂直於彼散熱片之表面及範圍而延伸。舉例而言，奈米管可以與垂線成約5°內之角度而延伸。然而，應注意，奈米管無需遍及其長度完全地剛硬。因此，儘管奈米管之初始生長角可為(例如)約90°±5°，但奈米管之撓曲/彎曲/曲率可引起自垂線之偏差朝向奈米管之自由端增加。奈米管20之長度及散熱片17之分離度係使得鄰近散熱片17上之奈米管彼此交錯，如圖4示意性地所說明。儘管奈米管20固有地多孔且吸附用於系統1中之被吸附物(水或甲醇)，但奈米管20之吸附性藉由下文所描述之活化程序而進一步增強。活化程序藉由移除奈米管20中之材料來建立孔隙21之開放式網路，從而增加活性表面積且因此增加可用吸附位點。
實質上垂直於突出至吸附區中之熱交換器散熱片17而延伸的密集型、對準型及交錯型活化碳奈米管之所得配置提 供裝置11之固相及空隙相(吸附區)兩者之高縱橫比階層式結構化。熱交換器散熱片提供階層式結構之第一層級，從而提供至吸附區中之有效率熱流動，且支撐吸附結構，吸附結構直接地合成於熱交換器上以藉由原位活化而隨後產生吸附位點來給出高壁熱轉移係數。高縱橫比吸附結構提供第二階層式層級，從而促進將熱進一步輸送至吸附區中且提供對被吸附物具有高滲透性之大活性表面積。因此，此階層式裝置結構為高度有效率之熱及質量(吸附劑)流動路徑作準備，如圖3及圖4中之虛線箭頭所指示。因此，此實施例之裝置11提供優良熱導率，以及對被吸附物之高滲透性，從而導致高度有效率之操作。
圖5展示供冷卻系統1中使用之吸附熱交換器裝置之第二較佳實施例。此較佳裝置30併入上文所描述之裝置11之基本結構，且在圖5中藉由類似參考數字表示類似元件。詳言之，裝置30包括基本熱交換器12，及在熱交換器散熱片17上之吸附元件(此處為奈米管20)，如參看圖2至圖4已描述。然而，藉由添加吸附粒子以浸潤高縱橫比吸附奈米管且進一步延伸上文所描述之階層式結構來進一步增強裝置30之總體吸附結構31。在此尤其較佳實施例中，雙峰式粒子大小分佈用於額外微粒材料，其中一模式顯著地小於另一模式。圖5之放大截面中示意性地說明所得吸附結構31之形成。
如放大中所說明，吸附結構31包括第一微粒(亦即，粒狀)材料，第一微粒材料包含第一吸附粒子(亦即，小 粒)32，第一吸附粒子32施加至碳奈米管20。此等第一粒子32之大小係使得該等粒子可如圖所示而進入於鄰近奈米管20之間，但該大小亦足夠大(例如，此處大於約0.2 mm)以使得該等粒子之間的空隙空間33保持足以促進質量轉移。微粒吸附劑32可為多孔碳，多孔碳展現相似於已存在於吸附結構中之活化碳奈米管之吸附行為的吸附行為。或者，可使用不同吸附材料(諸如，沸石或矽膠)以展現不同吸附屬性且形成複合吸附系統。當遭遇吸附劑之大溫度擺動時(此時，諸如矽膠之吸附劑將傾向於在較低溫度下釋放被吸附物之大分率，而活化碳將傾向於在較高溫度下釋放被吸附物之大分率)，此複合吸附系統可有益。因此，當遍及大溫度範圍供應驅動熱時，複合吸附系統可勝過單數吸附系統。
吸附結構31進一步包括施加至碳奈米管20之次級微粒材料。此材料包含相比於第一粒子32具有較小之大小之次級粒子34。大小差異係使得次級粒子34可在鄰近之第一粒子32之接觸點附近進入於鄰近之第一粒子32之間。第二粒子34之特性大小應為第一粒子之特性大小的至少約1/10且理想地為至少約1/100。在次級粒子大小足夠小的情況下，次級粒子34將累積於第一粒子32之間的接觸點附近，從而經由吸附結構31而增強熱接觸且因此改良熱導率。
次級粒子34可為吸附粒子，例如，矽膠之吸附粒子，在該狀況下，第一粒子及次級粒子兩者皆用以增強吸附性且改良裝置30中之吸附劑體積填充分率。或者，次級粒子未 必需要充當吸附劑，而可僅充當用於改良型熱導率之試劑。在此狀況下，可使用具有較高熱導率之次級粒子，例如，氧化鋁或銀之次級粒子。可藉由在高溫下燒結以結合次級粒子且縮減或消除次級粒子之間的空隙來進一步改良由次級粒子組成之聚結物之熱導率。
裝置30保持上文所論述之裝置11之益處且提供又另外優點。詳言之，對準型奈米管直接地生長於熱交換器散熱片上結合如所描述的藉由原位活化及用微粒吸附劑進行填充而隨後產生吸附位點會允許最佳化該裝置以用於熱及質量轉移。添加具有雙峰式大小分佈之微粒材料會延伸吸附熱交換器設備之固相及空隙相之階層式結構化。沿著熱及被吸附物之流動路徑具有逐步較小之特徵大小的所得多層級階層式結構進一步增強該設備之熱及質量輸送屬性。另外，雙峰式微粒材料增加吸附劑之體積密度且改良粒子之間的接觸區處之熱導率。熱死質量(thermal dead mass)亦低，此係因為吸附材料無黏合劑。碳奈米管之高度定向熱導率與上文所描述之雙峰式微粒屬性的組合提供優於先前系統之熱交換速率及每單位質量及體積之較高冷卻能力。總體而言，經由相比於先前系統的活性質量及體積之分率之各種改良以及在吸附劑內之改良型熱及質量轉移，本發明之實施例提供用於未來高效能固體吸著冷卻裝置之重要路徑。
可使用多種通常已知處理技術來製造體現本發明之吸附熱交換器裝置，此對於熟習此項技術者將易於顯而易見。 以下描述一些實例。
可(例如)藉由LIGA(微影、電鍍及模製)或相關程序來生產具有低於1 mm之週期性及高縱橫比散熱片(例如，超過20：1)之熱交換器散熱片。用於生產高縱橫比熱交換器結構之其他技術包括金屬之切割(削片)、銑削、放電或超音波/噴水切割。
來自用於生產對準型及密集型碳奈米管材料(例如，如早先所參考之US 2010/0196249 A1中所論述)之各種已知製造方法之技術可用於在熱交換器散熱片上生產碳奈米管(CNT)之吸附結構。可藉由化學氣相沈積(CVD)使用諸如短鏈烴(CH4、C2H2、C2H4)之氣體含碳原料而垂直於散熱片表面來生長CNT。使用諸如鐵、鎳或鈷之催化劑會增強CNT生長速率，且可將諸如水之生長增強劑添加至原料氣體，以便達成長CNT(亦即，大於1 mm之管子長度)。此等工序在CNT合成之領域中為吾人所熟知。可經由諸如電鍍、無電極電鍍或蒸鍍之普通技術將催化劑塗佈於熱交換器上。熱交換器可由具有高熱導率之任何習知材料形成。此處，金屬鋁或銅提供常用實例。或者，熱交換器自身可由催化活性材料(例如，鋼(含有鐵)或鎳)建構。
在使CNT生長於熱交換器散熱片上之後，藉由氧化介質中之活化程序擴大CNT之表面積。可藉由在空氣、CO2或H2O中加熱至至少500℃或在(例如)ZnCl2或H3PO4中藉由化學處理而加熱至至少500℃或在KOH中加熱至至少700℃來執行此活化。此等活化技術在活化碳之領域中為吾人所熟 知且經由形成具有小於(例如)2 nm之尺寸之微孔隙來擴大吸附位點之數目。應小心確保在活化期間熱交換器材料之惰性。舉例而言，較佳地在惰性氛圍(氮或氬)中，可結合鎳熱交換器來執行藉由KOH之化學活化。較佳地使用鋼、銅或鎳作為熱交換器材料來執行在空氣、CO2或蒸汽中之活化。
為了提供大吸附能力，本發明之實施例中所使用之CNT可為單壁式或多壁式品種。此係因為在活化步驟中產生最終表面積之較大分率且可用單壁式CNT及多壁式CNT兩者來執行此產生。與CNT之電子或光學屬性受到主要關注之應用對比，為了獲得高縱橫比結構之所要益處，純化措施在體現本發明之方法中並非必要的。在CNT生長之後以煙灰、碳黑或其他sp2混成碳結構之形式存在的非管狀碳經歷與活化後CNT之表面積增加相似的表面積增加且因此亦促成吸附位點。
在經由活化之高縱橫比CNT生長及吸附位點產生之後，可將另外吸附劑(例如)以如上文所論述之微粒形式添加至系統，以增加吸附能力且改良每單位體積之冷卻能力。用於進行此情形之較佳方法係藉由將吸附粒子之懸浮液施配至熱交換器結構之吸附側上之CNT上。微粒吸附劑將沈降且傾向於在載體溶液蒸發後即形成滲濾網路。載體溶液較佳地含水且可含有某一(例如，小於約50重量%)質量分率之界面活性劑，以便分散微粒吸附劑。如早先所描述，在使用雙峰式微粒材料的情況下，可引入在高溫下之燒結步 驟以經由較小的次級粒子而改良熱輸送且有效地擴展較大粒子之接觸點。
儘管上文已詳細地描述較佳實施例，但應瞭解，可對所描述之例示性實施例進行許多改變及修改。作為實例，吸附器設備10可包括(例如)以堆疊而配置之一對以上裝置11、30。體現本發明之吸附熱交換器裝置亦可以不同於上文所描述之大體上類板結構的多種總體形狀而形成。舉例而言，所描述之基本結構可以某一方式摺疊、彎曲或在其他方面塑形，及/或形成為諸如具有圓柱形、六角形或其他所要橫截面形狀之管子的閉合結構以含有HTF且為HTF取道(必要時)。當然，熱交換器結構在HTF及吸附側上無需對稱。舉例而言，散熱片高度可不同，或散熱片可在HTF側上被省略或藉由某一其他表面構造替換。又，在一些實施例中，環境與熱交換器結構之間的熱轉移可藉由直接輻照或對流發生，而非經由HTF發生，且可相應地調適熱交換器結構。舉例而言，熱可藉由太陽能輻照供應。在此狀況下，整合式裝置之熱交換器結構可充當吸附設備之外部外殼。可設想眾多其他建構，且一般而言，體現本發明之吸附器設備可包含經配置以界定用於使被吸附物蒸氣通過之吸附區之一或多個吸附熱交換器裝置。
儘管散熱片提供用於吸附側上之熱交換器突出物之尤其較佳實施，但在其他實施例中，此等突出物可為諸如銷、薄片、彎曲物、摺疊物或其他突出構造之不同特徵，且一般而言，可為規則或不規則構造。在其他實施例中，熱交 換器之任一側上之散熱片或其他突出物自身可被階層式地圖案化。亦即，舉例而言，散熱片可以具有較小表面散熱片之較大散熱片之階層式重複圖案形成，該等較小表面散熱片又具有較小表面散熱片，等等，只要所使用之處理技術允許即可。在此狀況下，隨後形成之吸附結構的細長吸附元件可自熱交換器散熱片之最小階層式層級的表面向外延伸。
除了(例如)藉由如上文所描述之CNT之氧處理來產生孔隙而活化吸附纖維以外，或作為(例如)藉由如上文所描述之CNT之氧處理來產生孔隙而活化吸附纖維的替代例，亦可經由可易於接取纖維之間的空隙空間之溶膠-凝膠程序(例如，使用多孔矽石或沸石)而將吸附材料沈積於纖維上。溶膠-凝膠程序在材料科學中為吾人所熟知且此處無需予以詳細地描述。在溶膠-凝膠程序期間，可再次以通常已知方式使用模板劑(templating agent)，以引入具有已界定孔隙大小之孔隙階層之另一層級，該已界定孔隙大小對於質量輸送係有益的。應注意，在此狀況下，歸因於高縱橫比纖維及吸附塗層之實質上連續性質而亦維持吸附劑之高熱導率。
儘管諸如CNT之吸附元件之活化通常較佳，但若使用溶膠-凝膠程序而用吸附劑來塗佈該等元件，或若藉由微粒吸附劑環繞該等元件，則未必需要活化該等元件。實際上，在替代實施例中，吸附元件無需完全地由固有吸附材料形成。詳言之，吸附元件可由具有吸附材料之導熱材料 形成。具有高熱導率之合適元件之實例包括金屬或陶瓷纖維，吸附劑接著可施加至金屬或陶瓷纖維。此處，吸附材料可為類膜塗層(例如，經由溶膠-凝膠程序而施加之多孔矽石或沸石)，及/或可具有如上文所描述之雙峰式大小分佈之微粒吸附材料。然而，應注意，若使用非吸附導熱纖維來形成吸附元件，則此等纖維增加裝置之死質量且應理想地佔據儘可能小之體積且具有低密度。
儘管碳奈米管提供固有吸附纖維之尤其較佳實例，但可設想其他吸附材料之纖維，例如，多孔二氧化鈦、氧化鋁或矽石。細長吸附元件之其他形式(尤其是未使用材料纖維而形成之元件)亦可能用於本發明之實施例中。
可在不脫離本發明之範疇的情況下對上文所描述之實施例進行許多其他改變及修改。
1‧‧‧固體吸著致冷系統/冷卻系統
2‧‧‧吸附器單元
3‧‧‧冷凝器
4‧‧‧蒸發器
5‧‧‧控制裝置/膨脹閥
6‧‧‧單向閥
7‧‧‧單向閥
10‧‧‧吸附器設備
11‧‧‧吸附熱交換器裝置
12‧‧‧熱交換器
13‧‧‧吸附結構
14‧‧‧金屬板
15‧‧‧散熱片
16‧‧‧通道
17‧‧‧散熱片/突出物
20‧‧‧碳奈米管/細長吸附元件
21‧‧‧孔隙
30‧‧‧吸附熱交換器裝置
31‧‧‧吸附結構
32‧‧‧第一吸附粒子/微粒吸附劑/吸附材料
33‧‧‧空隙空間
34‧‧‧次級粒子/第二粒子/吸附材料
圖1a及圖1b說明固體吸著致冷系統之基本操作階段；圖2為使用體現本發明之第一吸附熱交換器裝置之吸附器設備的示意性說明；圖3為圖2中之吸附熱交換器裝置之吸附元件的放大說明；圖4為展示圖2之裝置中鄰近熱交換器突出物上之吸附元件的另一放大說明；及圖5為體現本發明之第二吸附熱交換器裝置的示意性說明。
10‧‧‧吸附器設備
11‧‧‧吸附熱交換器裝置
12‧‧‧熱交換器
13‧‧‧吸附結構
14‧‧‧金屬板
15‧‧‧散熱片
16‧‧‧通道
17‧‧‧散熱片/突出物

Claims (15)

  1. 一種用於一固體吸著致冷系統之吸附熱交換器裝置，該裝置包含：一熱交換器，其具有經配置以用於在使用時延伸至該系統之一被吸附物中之複數個突出物；及一吸附結構，其形成於該熱交換器上以用於吸附該被吸附物，該吸附結構包含自該熱交換器之該等突出物中每一者向外延伸之複數個細長吸附元件。
  2. 如請求項1之裝置，其中該熱交換器之該等突出物具有在延伸至該被吸附物中之方向上細長之一橫截面。
  3. 如請求項2之裝置，其中該熱交換器之該等突出物包含散熱片、銷及薄片中至少一者。
  4. 如請求項3之裝置，其中每一細長吸附元件實質上垂直於經形成有彼元件的該突出物之表面而延伸。
  5. 如請求項4之裝置，其中該等熱交換器突出物及該等細長吸附元件經配置成使得鄰近突出物上之吸附元件交錯。
  6. 如請求項5之裝置，其中該突出物上之吸附元件實質上相互對準。
  7. 如請求項6之裝置，其中該等吸附元件包含纖維。
  8. 如請求項7之裝置，其中該等吸附元件係由一固有吸附材料形成，較佳地係由一活化吸附材料形成。
  9. 如請求項8之裝置，其中該等吸附元件包含碳奈米管，且其中該吸附結構包括施加至該等吸附元件之一吸附材 料。
  10. 如請求項7之裝置，其中該等吸附元件係由具有一吸附材料之一導熱材料形成。
  11. 如請求項10之裝置，其中該吸附材料包含施加至該導熱材料且包含具有一第一大小之吸附粒子的一第一微粒材料。
  12. 如請求項9之裝置，其中該吸附結構包括施加至該等吸附元件且包含具有一第一大小之吸附粒子的一第一微粒材料，該第一大小准許該等粒子進入於該結構之鄰近吸附元件之間。
  13. 如請求項11或12之裝置，其中該吸附結構包括施加至該等吸附元件且包含具有小於該第一大小之一第二大小之次級粒子的一次級微粒材料，該第二大小准許該等次級粒子在該第一微粒材料之鄰近吸附粒子之接觸點附近進入於該等鄰近吸附粒子之間。
  14. 一種用於一固體吸著致冷系統之吸附器設備，該設備包含如前述請求項中任一項之一或多個吸附熱交換器裝置，該一或多個裝置界定用於使被吸附物通過之一吸附區且經配置成使得該等突出物延伸至該吸附區中。
  15. 一種用於製造用於一固體吸著致冷系統之一吸附熱交換器裝置之方法，該方法包含：在具有複數個突出物之一熱交換器上形成一吸附結構以用於吸附該系統之一被吸附物，該吸附結構包含自該熱交換器之該等突出物中每一者向外延伸之複數個細長吸附元件。
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