JP2007205710A - 潜熱蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潜熱蓄熱装置における相変化材料の低い熱伝導率という問題点を、相変化材料を高い熱伝導率を備える補助構成要素（例えば黒鉛）と組み合わせた潜熱蓄熱複合材料を提供することによって解消する。
【解決手段】容器と、容器内部に配設された相変化材料と、相変化材料と接触している少なくとも１つの熱交換インタフェースと、相変化材料のバルク内部に延在する少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートとを備える潜熱蓄熱装置とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、潜熱蓄熱装置に関する。

相変化材料（ＰＣＭ）は、潜熱の形態で熱エネルギーを保存することができる。そのような材料は、熱が供給または除去された時に相転移を受ける。例えば、固相から液相への（融解）または液相から固相への（凝固）転移、または低温および高温改質物間、水和および脱水改質物間または異なる液体改質物間での転移などである。熱が相変化材料に供給されるか、または除去された場合、相転移点に達すると、材料が完全に変わるまで温度は一定のままである。材料においていかなる温度変化も引き起こさない相転移中に供給または解放される熱は、潜熱として知られる。

相変化材料は、潜熱を潜熱蓄熱装置に保存するために使用することができる。装置は、熱が保存される相変化材料にインタフェースを通じて熱を解放する媒体からの熱（熱エネルギー）の移動によって蓄熱され、加熱される媒体へのインタフェースを通じた相変化材料からの熱の移動によって放熱される。熱がそれらとの間で伝達される媒体は、例えば、水または蒸気、空気、ヘリウムまたは窒素などとすることができる。熱交換インタフェースは、例えば、それらとの間で熱が伝達される媒体が通流する熱交換管の壁または、それらとの間で熱が伝達される媒体がその上を流れる熱交換器プレートから構成され得る。

残念なことに、ほとんどの相変化材料の熱伝導率はかなり低い（０．２Ｗ／（ｍＫ）ないし１．０Ｗ／（ｍＫ）の範囲）。結果として、潜熱蓄熱装置の蓄熱および放熱は比較的遅いプロセスである。従って、熱が相変化材料のバルクの内部で伝達されなければならない距離を縮小するために、熱交換インタフェースと隣接する相変化材料の層の厚さは、最小限にされる傾向がある。例えば熱交換管を介して相変化材料との間で熱が伝達される場合、熱が管との間で伝達されなければならないＰＣＭ層の厚さを低減するために、管間を小距離とする必要がある。１０〜５０ミリメートル（ｍｍ）の管直径を有する管間の代表的な距離は、約５０〜８０ｍｍであり得る。管間の小距離という要求条件のために、所与の容量の蓄熱装置に必要とされる管の数は極めて大きくなる。これは、管の数の多さが装置の製造、取り扱いを困難にし、かつ高額にさせるので、技術的および経済的な理由で極めて不利である。

特許文献１は、相変化材料および、５〜４０％の体積分率の膨張黒鉛粒子を含む潜熱蓄熱複合材料を使用する蓄熱装置を開示している。潜熱蓄熱複合材料のバルク床が、熱交換器プロフィールを散在させた潜熱蓄熱容器に挿入される。

米国特許出願公開第２００４−０８４６５８号明細書

相変化材料の低い熱伝導率という問題は、相変化材料を高い熱伝導率を備える補助構成要素（例えば黒鉛）と組み合わせた潜熱蓄熱複合材料を提供することによって克服できる。

潜熱蓄熱複合材料全体に、黒鉛粒子がほぼ均質に分布される。それゆえ、熱伝導のいかなる優位な方向性配向も存在しない。しかしながら、熱交換が生起するインタフェースとの間の方向での好ましい熱の伝導が、潜熱蓄熱装置の蓄熱または放熱を増強するために望ましい。

１実施形態において、本発明は、相変化材料のバルク内部に配設された少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートを備える潜熱蓄熱装置に関し、相変化材料は容器に囲まれており、熱交換インタフェースと接触している。前記潜熱蓄熱装置は、相変化材料のバルク内部で方向的に向きのある熱伝導および／または相変化材料のバルク内部で局所的に増強された熱伝導率をもたらすことができる。

黒鉛フォイルは、熱伝導率の顕著な異方性によって特徴づけられる。フォイルの平面に平行な比熱伝導率は、フォイルの平面に垂直な比熱伝導率よりも２０〜１００倍高い。それゆえ、黒鉛フォイルは、熱の方向性伝達に極めて適格である。従って、蓄熱装置における黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの体積分率は、かなり低く保つことができる。蓄熱装置における黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの代表的な体積分率は、多くとも２０％、別の実施形態では１０％未満である。

本発明の実施形態による蓄熱装置において、黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースに、例えば熱交換管またはプレートに固定され得る。この実施形態において、黒鉛フォイルのシートは熱交換インタフェースと角度をなして配設される。上記において角度をなした構成とは、熱交換インタフェースと黒鉛フォイルのシートとの間の角度がゼロとは異なる、すなわちシートが熱交換インタフェースと平行な配向になっておらず、インタフェースに対して、相変化材料のバルク内に突出しているということを意味する。１実施形態によれば、少なくとも１つのシートは熱交換インタフェースと垂直に配向される。

黒鉛フォイルのシートのこの構成によれば、熱交換インタフェースから相変化材料のバルクへの熱伝達は、その逆も同様に、黒鉛フォイルの平面に平行な熱伝導率によって助成される。相変化材料自体の内部で、熱は、黒鉛フォイルのシートの近傍で相変化材料の層の半分の厚さの短距離だけに沿って伝達されることになる。このようにして、相変化材料のバルク内部の伝熱は極めて効果的に助成されるが、蓄熱に使用可能な全体積における黒鉛フォイルのシートの体積分率は極めて小さい。より詳細には、黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの体積分率は、多くとも２０％、好ましくは１０％未満に制限され得る。

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つのシートが熱交換インタフェースとの直接的な機械的接続を伴わず相変化材料のバルク内に突出するように配設され得る。この構成は、熱交換インタフェースからかなり遠い相変化材料の当該領域における熱伝導を助成するうえで有用である。他方、熱交換インタフェースの近傍では、相変化材料内部の伝熱は、熱交換インタフェースまでの短距離のために、それほど重大ではない。熱交換インタフェースと接触してない黒鉛フォイルのシートは、相変化材料を囲んでいる容器の内壁に固定され得る。

当然ながら、両方の変種を組み合わせることができ、そのような蓄熱装置は、例えば、熱交換インタフェースと接触しており相変化材料のバルク内に突出する複数の第１の黒鉛フォイルのシートおよび、熱交換インタフェースから遠い相変化材料のバルク内部に延在する複数の第２の黒鉛フォイルのシートを備える。

種々の実施形態において、黒鉛フォイルのシートは平面幾何的なものであり得る。黒鉛フォイルのシートはまた、ジグザク状に折り曲げられるか、波形鉄板と類似の様態で波形にされ得る。あるいは、複数の黒鉛シートを組み合わせて、相変化材料のバルクに延在する非平面構成を形成することもできる。例えば、複数の黒鉛フォイルのシートをジグザク状連鎖に構成することができる。黒鉛フォイルのシートの波形またはジグザク状形状を安定化させるために、例えば、黒鉛フォイルのシートの縁端に沿ってフランジまたは襞を付けた金属またはプラスチック細片といった、補強要素を使用できる。

さらなる好ましい実施形態において、黒鉛フォイルのシートは、融解した相変化材料の流通を可能にする穿孔を備える。このようにして、相変化材料の融解時の突然の体積増加に起因する機械的張力は低減または回避される。

黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面にノブまたはバックルのような突出領域を含む構造を備えることができる。そのような突起は、スペーサの働きをし、相変化材料が液体状態にある時にシートのお互いのスリップを防ぐ。対照的に、突起のスペーサの働きのために、相変化材料を収容できる特定の空間が、隣接するシート間に常に残される。実施形態において、フォイルの突出領域の厚さと非突出領域の厚さとの比率は、２０：１ないし５：１の範囲である。突起の領域は、突起によって占有される空間が相変化材料に利用できないので、小さく保たれなければならない。そのような表面構造を備える黒鉛フォイルは、適当なプロフィールを備えるカレンダーロールの適用によって作成され得る。

本発明の実施形態によれば、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料を含む複合材料が事前に作製され、蓄熱装置内部に配設される。黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層から形成される積層物（層状複合材料）が特に好ましい。

そのような複合材料は、黒鉛フォイルのシートの表面上または黒鉛フォイルのシートのまわりに液状相変化材料を流し込み、相変化材料を凝固可能にすることによって得ることができる。相変化材料で満たされなければならない黒鉛フォイルのシートのまわりの空間は、型または他の適当な手段によって画成される。少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートが型の内部に配設される。

相変化材料の液体状態への転移は、例えば、融解または、後に複合材料から蒸発する適当な溶剤への溶解によって実現される。相変化材料は、複合材料において、黒鉛フォイルのシートの体積分率が多くとも２０％、好ましくは１０％未満であるような量で適用され得る。この実施形態の長所は、複合材料の事前作製のために、潜熱蓄熱装置の組立て中にいかなる高温の液状相変化材料も取り扱う必要がないということである。

黒鉛フォイルの作製は、米国特許第３４０４０６１号明細書に記載されたように、当業において知られている。膨張黒鉛を製造するために、例えば黒鉛硫酸水素塩または黒鉛硝酸塩などの黒鉛層間化合物または黒鉛塩が８００℃ないし１０００℃の温度まで衝撃様加熱方式で加熱される。その時点で、挿入された薬剤は放出され、黒鉛粒子の体積は２００ないし４００倍増大する。体積のこの増加は、黒鉛塩にとって典型的である６００ないし７００グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ³）から、約２〜７グラム／リットル（ｇ／１）への嵩密度の低下に相当する。

膨張黒鉛は、蠕虫または蛇腹状凝結体より構成される。膨張黒鉛が圧力の方向性作用下で圧縮された場合、黒鉛の層平面は好ましくは、個々の凝結体が互いに引っ掛け合って、圧力の作用の方向に垂直に整列される。その結果、いずれの結合剤の添加も要さずに自立した平面フォイル様構造物（「黒鉛フォイル」）が産生される。このようにして、０．１ないし３ミリメートル（ｍｍ）の厚さおよび１００ないし３０００グラム／平方センチメートル（ｇ／ｃｍ²）の面積重量を備える黒鉛フォイルが製作され得る。フォイルの平面に平行な方向での熱伝導率は７０ないし５００ワット／メートル・ケルビン（Ｗ／（ｍＫ））であるのに対し、フォイルの平面に垂直な熱伝導率は３ないし６Ｗ／（ｍＫ）にすぎない。熱異方性は、より強い圧縮が基礎面のより顕著な整列につながるので、フォイルの密度がより高くなればなるほど顕著になる傾向がある。

実施形態において、潜熱蓄熱装置は、各々が０．１ないし３ｍｍの範囲のシート厚さ、０．５ないし１．９ｇ／ｃｍ³の範囲の密度および少なくとも７０Ｗ／（ｍＫ）の面内熱伝導率を有する、１つ又は複数のシート黒鉛フォイル（例えば１つ又は複数の黒鉛フォイルのシート）を含み得る。

本発明にとって有利である黒鉛フォイルの別の特徴は、化学的攻撃および腐食に対するその抵抗性である。黒鉛フォイルは、有機溶剤、塩および塩の溶液、非酸化性の酸および塩基に対して耐性がある。

動作温度範囲において黒鉛に関して不活性であるあらゆる相変化材料が、本発明の実施形態に従った潜熱蓄熱装置において使用することができる。本発明は、様々な種類の相変化材料（例えば塩化物塩などの金属に腐食性であるものでさえ）の使用を許す。

相変化材料は、液相と固相との転移、または異なる固相または異なる液相間の転移をするものとすることができる。実施形態において、適当な相変化材料の相転移温度は、−１００℃から＋５００℃の範囲にある。５００℃を超える相転移温度の場合、周囲の酸素からの酸性攻撃から黒鉛を保護するために、より大きな配慮を払わなければならない。

適当な相変化材料としては、例えば、パラフィン、糖アルコール、ポリマー、特に熱可塑性ポリマー、水、脂肪酸のような有機酸またはカプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸およびステアリン酸のような他の有機酸およびそれらの混合物、塩水溶液、塩水和物、塩水和物の混合物、無機および有機塩ならびに塩の共融混合物、クラスレートハイドレートおよびアルカリ金属水酸化物である。相変化材料として適当なポリマーの典型的な例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリ（水素化ブタジエン）、ポリエーテルエステルエラストマー、エチレン／プロピレン／ジエン（ＥＰＤＭ）ポリスチレンおよびポリ塩化ビニルである。相変化材料として適当な塩および塩水和物の例は、アンモニウムおよびアルカリならびに、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、リチウム、バリウムの塩化物、塩素酸塩、硝酸塩、窒化物、硫化物、リン酸塩、水酸化物、炭酸塩、フッ化物、臭化物、酢酸塩、アセトアミド、過ホウ酸塩およびそれらの水和物のようなアルカリ土類金属塩を含む。相変化材料として利用可能な塩および塩水和物の典型的な代表例は、例えば硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸リチウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩素酸リチウム、およびそれらの混合物または塩化カルシウム六水和物、塩化マグネシウム六水和物、硝酸リチウム三水和物および酢酸ナトリウム三水和物である。糖アルコールの代表例は、例えばペンタエリトリトール、トリメチロールエタン、エリトリトール、マンニトール、ネオペンチルグリコールおよびそれらの混合物である。リストは、例を含むにすぎず、決してこれらに制限されるものではない。

蓄熱装置の実施形態において使用される熱交換インタフェース（管、プレートなど）は、例えば金属、黒鉛、黒鉛含有複合材料またはセラミックスから製作できる。材料の選択は、動作温度、それらとの間で熱が伝達されなければならない相変化材料および媒体の腐食性といった条件に依存する。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、黒鉛フォイルのシート２および固体状態の相変化材料（ＰＣＭ）の層３を含む層状複合材料（積層物）１の正面図および側面図を示している。積層物の中央には、貫通孔４が設けられており、積層物１を熱交換管に配設することを可能にする。

図１Ａおよび図１Ｂに図示された実施形態において、黒鉛フォイルのシート２の表面積は、固体状態の相変化材料（ＰＣＭ）の層３の表面積よりも大きい。図１Ａは、黒鉛フォイルのシート２が相変化材料の層３の表面積よりも大きい表面積を有する長方形として積層物１を示している。積層物１の代表的な寸法は、３５０×３５０×０．５ｍｍ³のシート２および３２０×３２０×５〜１０ｍｍ³の層３である。表面積の差は縁端２Ａによって表現されている。固体相変化材料の層３の縁端を越えて突出する黒鉛フォイルのシート２の縁端２Ａによって画成される空所６は、相変化材料の体積が相変化時に増加すると、埋められ得る。そのような空所を設けなければ、相変化材料の体積増加が潜熱蓄熱装置の破裂をもたらし得る。

図２は、熱交換管５への複数の積層物１のスタック状構成を図示している。各積層物１は、各積層物の貫通孔（例えば図１Ａおよび図１Ｂにおける積層物１の貫通孔４）に管５を挿入することによって管５に配置することができる。それらとの間で熱が伝達される媒体、例えば水が、管５内に通流され得る。管５の代表的な直径は１０〜５０ｍｍであり、管長は２〜１０メートルである。この実施形態において、管５の壁５Ａは伝熱インタフェースを形成する。熱交換管の積層物の数は潜熱蓄熱装置の管５の長さ、所望の熱伝達などといった要因に応じて異なり得ることは十分理解される。

管５の壁５Ａに近いＰＣＭ層３のそれらの領域において、相変化材料と熱交換インタフェースとの間の直接的な伝熱は、小距離によって助成される。他方、管５からより遠い相変化材料の層３のそれらの領域の場合、黒鉛フォイルのシート２は、熱交換インタフェースとの熱伝導接続をもたらす。相変化材料のバルク内部の伝熱は、層３の半分の厚さの近距離だけにわたり行なわれることになる。伝熱は図２において矢印で図示されている。

本発明のこの実施形態による蓄熱装置は、黒鉛フォイルのシート２およびそれに配設された相変化材料の層３より各々形成された積層物１を有する複数の熱交換管５を備え得ることが理解される。また、複数の熱交換管５が１つの積層物内に配設され得ることも十分理解される。

積層物１のような、黒鉛フォイルおよび相変化材料の積層物は、シート２に縁端２Ａを画成し、黒鉛フォイルのシート２の表面上に液状相変化材料を流し込み、相変化材料を凝固可能にし、それにより層３を形成することによって得ることができる。図１Ａおよび図１Ｂに図示の通り、シート２上の層３で相変化材料のない縁端２Ａを残して積層物が形成される。相変化材料の液体状態への転移は、例えば、融解または、後に積層物から蒸発する適当な溶剤への溶解によって実現される。相変化材料は、積層物１における黒鉛フォイルのシート２の体積分率が多くとも２０パーセントである、また実施形態では１０パーセント未満であるような量で適用される。例えば、０．５ｍｍの厚さを有する黒鉛フォイルのシート２は、５ないし１０ｍｍの厚さを有する相変化材料の層３で被覆される。

図１Ａ、１Ｂおよび２に関して説明した実施形態の長所は、積層物の事前作製のために、潜熱蓄熱装置の組立て中にいかなる高温の液状相変化材料も取り扱う必要がないということである。

各々が黒鉛のシートおよび相変化材料の層から形成された事前作製された積層物の適用は、図２に従った熱交換管による実施形態に制限されない。図には例示されていない別の実施形態において、各々が黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層から形成された複数の積層物を含むスタックが、黒鉛フォイルのシートが熱交換器プレートに対し垂直に向いているような様態で熱交換器プレート間に配置される。この構成では、積層物は中心貫通孔を備えない。

熱交換器プレートに近い相変化材料層のそれらの領域では、相変化材料と熱交換器プレートとの間の直接的な伝熱は、小距離によって助成される。他方、熱交換器プレートからより遠い相変化材料層のそれらの領域の場合、黒鉛フォイルのシートは、熱交換器プレートとの熱伝導接続をもたらす。相変化材料のバルク内部の伝熱は、層の半分の厚さの短距離だけにわたり行なわれることになる。

黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面にノブまたはバックルのような突出領域を含む構造を備えることができる。そのような随意選択の突起は、スペーサの働きをし、相変化材料が液体状態にある時にシートの互いのスリップを防ぐ。例えば、黒鉛フォイルのシート（厚さ０．５ｍｍ）は、５ｍｍの直径および５ｍｍの高さのノブが１表面に設けられる。ノブ間の距離は約２０ｍｍである。図１Ｂは、シート２の表面から突出している突起８を（点線で）示しており、その同じ表面に相変化材料の層３が流し込まれる。蓄熱装置内部で、シートは、ノブを備える表面が、相変化材料がそこに流し込まれることなく隣り合うフォイルの表面に隣接するようにして組み立てられる。

図３に図示された本発明の別の実施形態によれば、黒鉛フォイルの複数の第１のシート１２Ａが熱交換管５に配設され、黒鉛フォイルの複数の第２のシート１２Ｂが、それらが熱交換管５と直接的な機械的接触または接続をしていることなく相変化材料１３のバルク内部で延在するような様態で構成される。熱交換管５と接触してない黒鉛フォイルの第２のシート１２Ｂは、相変化材料を囲んでいる容器７の内壁に固定され得る。図３に図示された構成は、付加的な熱伝導率が、熱交換管５からかなり遠い相変化材料１３のそうした領域においてシート１２Ｂによって付与されるので、有利である。相変化材料のバルク内部の伝熱は、シート１２Ａ、１２Ｂ間のＰＣＭ１３の層の半分の厚さの短距離だけにわたり行なわれることになる。

図３の実施形態において、第１のシート１２Ａは複数の熱交換管５にわたって延在する連続シートとして設けられている。シートには管５の位置に貫通孔を備える（例えば、図３において、各々の第１のシート１２Ａは管５のための２つの貫通孔を含む）。別の実施形態では、連続シートの代わりに、中心貫通孔を備える複数の個別の黒鉛フォイルのシートが各々の熱交換管に配置され得る。

容器７に蓄熱装置を組み立てるために、第１のシート１２Ａが最初に管５に固定されることができる。管はその後、容器７に取り付けられる。あるいは、より小さい貫通孔を備える第１のシート１２Ａおよびより大きい貫通孔を備える第２のシート１２Ｂが使用される場合、両種のシートが最初に容器７に固定され、その後、管５を容器および貫通孔に通して送給できるであろう。

図３では、第１のシート１２Ａが第２のシート１２Ｂに対して平行な構成で図示されているが、本発明はこの特定の構成に制限されない。黒鉛フォイルのシートが相変化材料１３のバルクに対して意図的に貫入されるような構成となるならば、第１のシート１２Ａに対する第２のシート１２Ｂの関係に関わるあらゆる構成が採用できる。

実施形態において、第１のシート１２Ａおよび第２のシート１２Ｂが容器７に付加され、その後、相変化材料１３が、粉末またはバルク品として、または利用可能であれば液体状態で、容器７へ注入される。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために容器の空所を設けることができる。空所を形成する１方法は、容器を相変化材料１３で完全には満たさないことによるものである。

あるいは、図３の実施形態は、図１に図示された複数の事前作製された積層物を容器内部に配置することによって得ることができる。このために、中心貫通孔を備える複数の第１の事前作製された積層物が熱交換管５に配置され、複数の第２の事前作製された積層物が、これらの第２の複数の積層物の黒鉛フォイルのシートが熱交換管５と接触せずに、容器７の内壁に固定されるようにして容器７の内部に配置される。

さらに、熱交換インタフェースと接触している黒鉛フォイルの複数の第１のシートおよび、熱交換インタフェースと接触することなく相変化材料のバルク内部に延在する黒鉛フォイルの複数の第２のシートを含む構成は、熱交換管の代わりに熱交換器プレートを備える装置において使用することができる。第１の複数の黒鉛フォイルのシートは、それらがゼロとは異なる角度をなして相変化材料のバルク内にプレート表面から延在するようにして熱交換器プレートに対して配置される。第２の複数の黒鉛フォイルのシートは、それらが熱交換器プレートと直接的な機械的接続をしていることなく相変化材料のバルク内部で延在するような様態で配置される。シートの代わりに、各々が黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層から形成された事前作製された積層物が、この実施形態を組み立てるために使用され得る。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために空所が設けられるべきである。

図４は、本発明の実施形態による潜熱蓄熱装置の別の実施形態を示している。この実施形態において、黒鉛フォイルのシート２２は、ジグザク状に折り曲げられている。ジグザク状折り曲げシート２２の区分２２Ａ、２２Ｂ、…は、折り曲げシートを熱交換管５に配置可能にする整列された貫通孔を備える。シート２２のジグザク状の折り曲げのために、黒鉛フォイルは、管５の壁５Ａから０とは異なる角度をなして延在している。

図４の潜熱蓄熱装置は、各々それに黒鉛フォイルのジグザク状折り曲げシート２２、２２'、２２"…が配設された複数の熱交換管５、５'、５"…を収容する容器を含む。容器において熱交換管５、５'、５"…およびシート２２、２２'、２２"…を囲む空間は、相変化材料２３を収容する。実施形態において、管５、５'、５"…のシート２２、２２'、２２"…は、第１のシート２２の折り曲げの頂点２２Ｃが次のシート２２'の折り曲げの開口内に突出するようにして互いに配置されている。言い換えれば、各シートの頂点および谷は方向的に整列されている。この構成は、黒鉛フォイルの相変化材料のバルクへの意図的な貫入を考慮している。

熱交換管５、５'、５"…の１つに近い相変化材料２３のそれらの領域では、相変化材料２３と熱交換管の壁５Ａとの間の直接的な伝熱は、小距離によって助成される。他方、熱交換管からより遠い相変化材料層のそれらの領域の場合、黒鉛フォイルのシートが熱交換管との熱伝導接続をもたらす。相変化材料のバルク内部の伝熱は、シート２２Ａ、２２Ｂ間の相変化材料の層２３の半分の厚さの短距離だけにわたり行なわれることになる。

実施形態において、相変化材料は、粉末またはバルク品として、または利用可能であれば液体状態で、容器へ注入される。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために、例えば折り曲げシートのＶ字形開口を部分的にのみ満たすことによって、空所が設けられるべきである。

あるいは、黒鉛フォイルのシート２２および相変化材料２３を含む複合材料が、液状相変化材料を折り曲げシート２２のＶ字形開口に流し込み、相変化材料２３を凝固可能にすることによって、事前に作製される。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために、例えば事前作製された複合材料と容器の壁との間に余分な自由空間を設けることによって、空所が設けられるべきである。

相変化材料２３の凝固後に容器において事前作製された複合材料を組み立てるために、熱交換管５の移動を可能とするために複合材料に穴をあけることができる。あるいは、フォイルにおける熱交換器管のための貫通孔は、液状相変化材料をフォイル上に流し込む前に、例えば打ち抜きによって設けることができる。相変化材料をフォイル上に流し込む前に穴の位置にスペーサを配置して、液状相変化材料が熱交換器管のための貫通孔になる空間を埋めるのを防ぐようにするべきである。フォイル上に液状相変化材料を流し込み、相変化材料の凝固を認めた後、スペーサは除去するべきである。熱交換器管のための貫通孔を含むそのような事前作製された複合材料は、熱交換器管に固定されてから、容器に取り付けられることができる。

そのような事前作製された複合材料はまた、管の代わりに熱交換プレートを備える装置においても使用できる。複合材料は、ジグザク状折り曲げシートが２個の熱交換器プレート間に延在するようにプレート間に配設され得る。

ジグザク状に折り曲げられる代わりに、熱交換管５、５'、５"…に配設された黒鉛フォイルのシート２２、２２'、２２"…は、波形鋼板のように波形にすることもできる。

図５は、別の実施形態による潜熱蓄熱装置３５内部で他のものの上に積み重ねられた複数の黒鉛フォイルの波形シート３２、３２'、３２"…を備える構成の概略分解図を示している。相変化材料の層３３、３３'、…が、それぞれ、隣接するシート３２、３２'、３２"…の間に配設される。図５に図示された実施形態において、シートは、第１のシート３２の波形の方向が次のシート３２'の波形の方向に対して９０°回転されるようにして配置される。隣接するシートの波形のこの直交配向のために、相変化材料が液体状態にある時の波形シートの互いに対するスリップが抑止される。対照的に、隣接するシート３２、３２'の間には常に一定の空間が残され、これは相変化材料３３を収容することができる。

類似の構成は、第１のシートの折り曲げの方向が次のシートの折り曲げの方向に対して９０°回転されるようにして互いに積み重ねられたジグザグ状折り曲げシートにより形成することができる。

図５の実施形態は、黒鉛フォイルのシート３２、３２'、３２"…および中間のＰＣＭ３３、３３'、３３"…の層を貫通する熱交換管とともに使用され得る。あるいは、中間に相変化材料の層３３、３３'、３３"…を備える複数の黒鉛フォイルのシート３２、３２'、３２"…を含むスタックは、それぞれ、熱交換器プレートの間に組み立てることができる。

第１のシートの波形または折り曲げの方向が中間に相変化材料の層を備える次のシートの波形または折り曲げの方向に対して９０°回転されるようにして互いに積み重ねられた複数の黒鉛フォイルのシートを含む事前作製された複合材料は、シートを互いの上に積み重ねて、黒鉛フォイルのシート間の空間に液状相変化材料を流し込み、相変化材料を凝固可能にすることよって作製され得る。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために空所が設けられるべきである。

潜熱蓄熱装置のさらなる実施形態において、相変化材料を収容する複数のカプセルが、それらとの間で熱が伝達されるべき媒体を収容する容器に配設される。この実施形態において、熱交換インタフェースはカプセルの壁によって形成される。複数のカプセルにわたる配分のために、比較的大きい熱交換インタフェースが形成される。

本発明の実施形態によれば、相変化材料のバルク内部で延在する黒鉛フォイルのシートは、カプセル内部に設けることができる。融解時の相変化材料の体積増加を考慮するために空所がカプセル内部に設けられるべきである。空所を設ける必要性は、体積増加に対処できる弾性カプセル壁が設けられた場合に除かれる。そのような弾性カプセル壁に適当な材料は、蒸着アルミニウムを備えたプラスチックフォイルである。

カプセルにおいて、黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における黒鉛フォイルのシートの体積分率は、多くとも２０％、好ましくは１０％未満に制限することができる。

図６に図示された本発明の実施形態によれば、当該カプセル４５の内部に、各々が黒鉛フォイルのシート４２および相変化材料の層４３から形成された複数の積層物４１が配設され得る。そうした積層物の作成は、図１の積層物に従って説明された通りである。相変化材料の層４３は、５〜１０ｍｍの厚さを有する。

黒鉛フォイルのシート４２は、カプセルの壁４５Ａから遠い相変化材料の層４３のシート領域からの伝熱を助成する。相変化材料のバルク内部の伝熱は、層４３の半分の厚さの短距離だけにわたり行なわれることになる。

図６に図示されたカプセルにおいて、カプセル４５の容積は積層物４１で完全には満たされない。相変化時の相変化材料の体積増加を考慮するために空所４６が残される。あるいは、空所は、層の縁端の上方に突出する黒鉛フォイルのシート４２の縁端によって空所が画成されるように、黒鉛フォイルのシート４２の表面積を固体状態の相変化材料の層４３の表面積よりも大きい寸法にすることによって、図２に図示したものと類似の様態で設けることができる。そのような空所を設けなければ、相変化材料の体積増加はカプセルの破裂をもたらし得る。

空所を設ける必要性は、体積増加に対処できる弾性カプセル壁が設けられた場合には除かれる。そのような弾性カプセル壁に適切な材料は、蒸着アルミニウムを備えたプラスチックフォイルである。

あるいは、黒鉛フォイルの折り曲げまたは波形シートおよび相変化材料を含む複合材料は、折り曲げまたは波形シートがカプセルの第１の壁から対向する壁まで延在するように事前作製されカプセル内部に配設される。実施形態において、複合材料は、液状相変化材料を折り曲げまたは波形シートの開口に流し込み、相変化材料を凝固可能にすることによって事前作製される。

図７Ａおよび図７Ｂは、黒鉛フォイル５２のコイル５１（例えばコイル状シート）を含む本発明の別の実施形態を示している。図７Ａは相変化材料５３で被覆された黒鉛フォイルのコイル状シートを含む容器の側面図を示しており、図７Ｂは線Ａ−Ａ'を通る容器の断面図を示す。図７Ａおよび図７Ｂは、コイル５１の形態の相変化材料５３で被覆された黒鉛フォイル５２のシートを示している。図７Ａに図示の通り、相変化材料５３で被覆されていない黒鉛フォイル５２のシートの縁端部は、熱交換インタフェース、例えば伝熱媒体が流れる管５の壁５Ａとの熱伝導接続をもたらす。それが液体状態にある時の相変化材料５３の漏れを回避するために、コイル５１は、相変化材料５３で満たされた容器７に配設される。コイル５１は側方スペーサ５８によって制限されている。スペーサは、相変化時の相変化材料５３の体積増加を考慮するために開口を含むかもしれない。当然ながら、複数のコイル５１を熱交換インタフェースとの熱伝導接続に配設できる。実施形態において、コイル５１は、黒鉛フォイルのシートを液体状態の相変化材料の層で被覆し、その後の被覆されたシートのコイル巻きによって得られる。相変化材料の厚さは、コイルの半径に応じて異なり得る。

ここに記載された実施形態の各々において、黒鉛フォイルは、融解した相変化材料の流通を可能にする穿孔を備えることができる。このようにして、相変化材料の融解時の突然の体積増加に起因する機械的張力は、低減または回避される。フォイルに穿孔を設ける方法としては、フォイルをスパイク付きローラーによってニードリングすることによる方法がある。あるいは、穿孔は打ち抜きまたは回転切削によっても形成できる。典型的用途では、フォイルは空所を有する。

上述の通り、黒鉛フォイルは熱の方向性伝達に極めて適当である。図８は、黒鉛フォイルフィンの熱導体、異なる厚さの鋼フィンおよび、いずれの熱伝導フィンも備えない蓄熱装置について蓄熱（相変化材料の完全な転化）に必要とされる時間の線図を示している。図８は、黒鉛フォイルフィンが鋼フィンよりも著しく良好に履行することを示している。シミュレーションは、硝酸ナトリウム／硝酸カリウム（ＮａＮＯ₃／ＫＮＯ₃）の共融混合物を用いて実行され、１２ｍｍの外径を有する１２本の管を含む管配列について有効である。相変化層の厚さは８ｍｍである。

本発明の特徴とみなされる他の特徴は他の従属する請求項に記載されている。

種々の変形および構造上の変更が本発明の精神を逸脱することなく請求項および請求項と等価の範囲内において行われ得るので、本発明は前述の記載に限定されものではない。

これに関して、相変化材料を使用した潜熱蓄熱に関して記載されているが、本発明はまた、顕熱の蓄熱のための装置にも採用され得ることに留意しなければならない。

事前に作製された潜熱蓄熱積層物の平面図である。 図１Ａの事前に作製された潜熱蓄熱積層物の側面図である。 熱交換管上に複数の潜熱蓄熱積層物を構成した概略断面図である。 潜熱蓄熱装置内部での複数の黒鉛フォイルのシートの構成の概略断面図である。 異なる実施形態による潜熱蓄熱装置内部での複数の黒鉛フォイルの折り曲げシートの構成の概略断面図である。 異なる実施形態による潜熱蓄熱装置内部での複数の黒鉛フォイルの波形シートの構成の概略図である。 異なる実施形態による相変化材料および複数の黒鉛フォイルのシートを収容するカプセルの概略断面図である。 相変化材料で被覆された黒鉛のコイル状シートを有する容器の概略側面図である。 線Ａ−Ａ'を通る図７Ａの容器の断面側面図を示す。 黒鉛フォイルおよび鋼フィンの存在する際の相変化材料の蓄熱時間のグラフを示す。

符号の説明

１，４１ 層状複合材料（積層物）
２，２２，４２，５２ 黒鉛フォイルのシート
２Ａ 縁端
３，１３，２３，３３，４３，５３ 相変化材料（ＰＣＭ）の層
４ 貫通孔
５ 熱交換管
６，４６ 空所
７ 容器
８ 突起
１２Ａ 第１のシート
１２Ｂ 第２のシート
３２ 波形シート
４５ カプセル
５１ コイル

Claims (62)

1. 潜熱蓄熱装置であって、
   容器と、
   容器内部に配設された相変化材料と、
   相変化材料と接触している少なくとも１つの熱交換インタフェースと、
   相変化材料のバルク内部に延在する少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートとを備えることを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 少なくとも１つの熱交換インタフェースは、伝熱媒体を通流する熱交換管の壁もしくは伝熱媒体がその上を流れるプレートによって形成されることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
3. 蓄熱装置における黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの体積分率は、多くとも２０％であることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
4. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、０．１ないし３ｍｍの範囲のシート厚さ、０．５ないし１．９ｇ／ｃｍ³の範囲の密度、および少なくとも７０Ｗ／（ｍＫ）の面内熱伝導率を有することを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
5. 相変化材料の相転移温度は、−１００℃から＋５００℃の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
6. 相変化材料は、パラフィン、糖アルコール、熱可塑性ポリマー、有機酸、水、塩水溶液、クラスレートハイドレート、塩水和物、塩水和物の混合物、塩および塩の共融混合物、およびアルカリ金属水酸化物からなる群から選定されることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
7. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、複数の穿孔を備えており、各穿孔は液相の相変化材料の流通を可能にすることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
8. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面に突出領域を備えることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
9. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースと少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートとの間の角度がゼロとは異なるように少なくとも１つの熱交換インタフェースに固定され相変化材料のバルクに突出していることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
10. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートが固定される熱交換インタフェースと垂直に配向されていることを特徴とする請求項９記載の潜熱蓄熱装置。
11. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースと接触することなく相変化材料のバルク内部に延在していることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
12. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースと接触しておらず、相変化材料を囲んでいる容器の内壁に固定されていることを特徴とする請求項１１記載の潜熱蓄熱装置。
13. 第１の複数の黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースと黒鉛フォイルのシートとの間の角度が０とは異なるように熱交換インタフェースに固定され相変化材料のバルクに突出しており、
    第２の複数の黒鉛フォイルのシートは、熱交換インタフェースと接触することなく前記相変化材料のバルク内部に延在していることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
14. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、折り曲げられ、もしくは波形とされたものであることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
15. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、シートの縁端に沿って補強要素によって安定化されていることを特徴とする請求項１４記載の潜熱蓄熱装置。
16. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、複数の区分を含み、少なくとも１つのシートの各区分は整列された貫通孔を備えており、少なくとも１つのシートは貫通孔を通る熱交換管に配設されていることを特徴とする請求項１４記載の潜熱蓄熱装置。
17. 複数の波形もしくは折り曲げシートは、第１のシートの波形または折り曲げの頂点が第２のシートの波形または折り曲げの谷に突出するように互いに配設されていることを特徴とする請求項１４記載の潜熱蓄熱装置。
18. 複数の波形もしくは折り曲げシートは、各シートの波形または折り曲げの方向が隣接するシートの波形の方向に対して９０°回転されるように互いに配設されていることを特徴とする請求項１４記載の潜熱蓄熱装置。
19. 潜熱蓄熱装置は、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料から形成された複数の事前に作製された複合材料を備えることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
20. 複合材料は、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層から形成された積層物であることを特徴とする請求項１９記載の潜熱蓄熱装置。
21. 積層物における相変化材料の層は５〜１０ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２０記載の潜熱蓄熱装置。
22. 積層物の各々は、貫通孔を有しており、積層物の各々は貫通孔を通って延びる少なくとも１つの熱交換管に配設されていることを特徴とする請求項２０記載の潜熱蓄熱装置。
23. 積層物の各々は、黒鉛フォイルのシートが熱交換器プレートと垂直に配向されるように熱交換器プレート間に配設されていることを特徴とする請求項２０記載の潜熱蓄熱装置。
24. 各積層物における黒鉛フォイルのシートの表面積は、固体状態の相変化材料層を含む層の表面積よりも大きく、黒鉛フォイルのシートの縁端と固体相変化材料の層の縁端との間の距離によって空所が画成されていることを特徴とする請求項２０記載の潜熱蓄熱装置。
25. 複数のカプセルが容器に配設されており、複数のカプセルの各々は相変化材料を備えており、黒鉛フォイルのシートが相変化材料のバルク内部に延在していることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
26. カプセルは、黒鉛フォイルの折り曲げまたは波形シートおよび相変化材料より形成された事前に作製された複合材料を収容していることを特徴とする請求項２５記載の潜熱蓄熱装置。
27. カプセルは、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層より形成された複数の積層物を収容していることを特徴とする請求項２５記載の潜熱蓄熱装置。
28. 潜熱蓄熱装置であって、
    容器と、
    容器に配設された相変化材料と、
    容器内部に配設され相変化材料に熱伝導を行なう少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートと、
    相変化材料のうちの少なくとも１つおよび黒鉛フォイルのシートの少なくとも１つと接触している熱交換インタフェースと、
    を備えることを特徴とする潜熱蓄熱装置。
29. 熱交換インタフェースは、相変化材料および少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの各々と接触していることを特徴とする請求項２８の潜熱蓄熱装置。
30. 熱交換インタフェースは、少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートと接触していることを特徴とする請求項２９記載の潜熱蓄熱装置。
31. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、コイル状にされた部分を備えることを特徴とする請求項３０記載の潜熱蓄熱装置。
32. コイル状にされた部分は第１の部分であり、第１の部分は相変化材料と接触しており、少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートの第２の部分が熱交換インタフェースと接触していることを特徴とする請求項３１記載の潜熱蓄熱装置。
33. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料を備えることを特徴とする複合材料。
34. 複合材料の全体積における黒鉛フォイルのシートの体積分率は、多くとも２０％であることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
35. 黒鉛フォイルのシートは、０．１ないし３ｍｍの範囲の厚さ、０．５ないし１．９ｇ／ｃｍ³の範囲の密度、および少なくとも７０Ｗ／（ｍＫ）の面内熱伝導率を有することを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
36. 相変化材料の相転移温度は、−１００℃から＋５００℃の範囲にあることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
37. 相変化材料は、パラフィン、糖アルコール、熱可塑性ポリマー、有機酸、水、塩水溶液、塩水和物、塩水和物の混合物、塩および塩の共融混合物、クラスレートハイドレート、およびアルカリ金属水酸化物よりなる群から選定されることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
38. 黒鉛フォイルのシートは、折り曲げられているか、もしくは波形にされていることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
39. 黒鉛フォイルのシートは、融解した相変化材料の流通を可能にする穿孔を備えていることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
40. 黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面に突出領域を備える構造が設けられていることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
41. 複合材料は、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料の層より形成された積層物であることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
42. 相変化材料の層は、５〜１０ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項４１記載の複合材料。
43. 積層物は、それが熱交換管に配設されることを可能にする貫通孔を有することを特徴とする請求項４１記載の複合材料。
44. 黒鉛フォイルのシートの表面積は、固体状態の相変化材料を含む層の表面積よりも大きく、それにより黒鉛フォイルのシートの縁端と固体相変化材料の層の縁端との間の距離によって空所が画成されていることを特徴とする請求項４１記載の複合材料。
45. 黒鉛フォイルのシートの一部は、コイルの形状であることを特徴とする請求項３３記載の複合材料。
46. カプセルであって、
    熱が伝達されなければならない媒体との熱交換を助成する熱交換インタフェースを形成するカプセル壁と、
    カプセル内部の相変化材料と、
    相変化材料のバルク内部に延在する黒鉛フォイルのシートと、
    を備えることを特徴とするカプセル。
47. 黒鉛フォイルおよび相変化材料の全体積における黒鉛フォイルのシートの体積分率は、多くとも２０％であることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
48. 黒鉛フォイルのシートは、０．１ないし３ｍｍの範囲の厚さ、０．５ないし１．９ｇ／ｃｍ³の範囲の密度、および少なくとも７０Ｗ／（ｍＫ）の面内熱伝導率を有することを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
49. 黒鉛フォイルのシートは、折り曲げられているか、もしくは波形にされていることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
50. 黒鉛フォイルのシートは、融解した相変化材料の流通を可能にする穿孔を備えることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
51. 黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面に突出領域を備える構造を含むことを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
52. 相変化材料の相転移温度は−１００℃から＋５００℃の範囲であることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
53. 相変化材料は、パラフィン、糖アルコール、熱可塑性ポリマー、水、塩水溶液、クラスレートハイドレート、塩水和物、塩水和物の混合物、塩（特に塩化物および硝酸塩）と塩の共融混合物およびアルカリ金属水酸化物からなる群から選定されることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
54. カプセルは、黒鉛フォイルの折り曲げもしくは波形シートおよび相変化材料を含む事前に作製された複合材料を収容していることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
55. カプセルは、黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料より形成された複数の事前に作製された積層物を収容していることを特徴とする請求項４６記載のカプセル。
56. 相変化材料の層は５〜１０ｍｍの厚さを備えることを特徴とする請求項５５記載のカプセル。
57. 各積層物における黒鉛フォイルのシートの表面積は、固体状態の相変化材料層を含む層の表面積よりも大きく、それにより黒鉛フォイルのシートの縁端と固体相変化材料の層の縁端との間の距離によって空所が画成されていることを特徴とする請求項５５記載のカプセル。
58. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートおよび相変化材料を含む複合材料を製造する方法であって、
    液体状態の相変化材料を準備することと、
    相変化材料によって満たされる空間を画成する型を準備することと、
    型の内部に少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートを配設することと、
    液状相変化材料を型に流し込むことと、
    相変化材料が凝固するのを可能にすることと、
    を含むことを特徴とする方法。
59. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、折り曲げられているか、もしくは波形にされていることを特徴とする請求項５８記載の方法。
60. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、融解した相変化材料の流通を可能にする穿孔を備えることを特徴とする請求項５８記載の方法。
61. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、少なくとも１つの表面に突出領域を備える構造を含むことを特徴とする請求項５８記載の方法。
62. 少なくとも１つの黒鉛フォイルのシートは、コイルの形状を有することを特徴とする請求項５８記載の方法。

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