JP2018502273A - 潜熱貯蔵用の混合容器とその作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、潜熱貯蔵器１の混合容器３と貯氷庫２を作動させ、熱貯蔵流体１１を液相と固相との間で遷移させ、熱貯蔵流体が液相の時に熱伝達流体５と混合して熱貯蔵流体１１と熱伝達流体５との間に溶融熱を伝達し、液体熱貯蔵流体１１は熱伝達流体５に対して不溶性であり、液体熱貯蔵流体１１が熱伝達流体５より高い密度を有する、潜熱貯蔵器の混合容器と貯氷庫の作動方法に関する。この方法において、混合容器上部７の熱貯蔵流体１１をガス空間１４を通して熱伝達流体５内に送り、熱伝達流体５内部における熱貯蔵流体１１の流れを通じて、熱貯蔵流体１１から熱伝達流体５に熱を伝達し、流動方向の変化を通じて熱貯蔵流体１１が液体と固体が混じった状態に濃縮され、濃縮された熱貯蔵流体１１が熱伝達流体５と熱貯蔵流体１１との間にある境界層１２を通過し、熱貯蔵流体１１が境界層１２の下から熱貯蔵流体の第２の流れ２３に沿って貯氷庫２に向かって排出された後、貯氷庫２の下部で熱貯蔵流体１１が低速で水平に流れ、密度差によって熱貯蔵流体１１が固体と液体に分離される。【選択図】図１

Description

本発明は、貯氷庫に連結された潜熱貯蔵用の混合容器とその作動方法に関し、熱貯蔵流体が液相と固相との間で遷移し、液相にある時には熱伝達流体と混合されて熱貯蔵流体と熱伝達流体との間に溶融熱を伝達し、液体熱貯蔵流体は熱伝達流体にに対して不溶性であり、液体熱貯蔵流体の密度が熱伝達流体より高く、熱貯蔵流体から熱伝達流体への熱伝達後に熱伝達流体と熱貯蔵流体が再び分離される特徴を有する。

混合容器があるかまたはない潜熱貯蔵器が特許文献１〜５に紹介されている。このような装置の基本作動ステップは、熱貯蔵器からエネルギーを排出する間、凝固または固化された熱貯蔵流体が液体熱貯蔵流体から完全に分離され、二つの流体の両方とも熱伝達流体から完全に分離され、これは熱伝達流体が熱貯蔵流体の凝固点以下の温度にまで持続的に冷却されるためであるが、固体熱貯蔵流体を完全に除去しない場合、熱伝達流体を冷却する外部熱交換器が固体で詰まるようになる。熱貯蔵流体の固体と液体への分離は、液体熱貯蔵流体が熱伝達流体と持続的に接触しなければならないため、非常に重要であり、固体熱貯蔵流体が不要に動いて熱伝達流体と再び混ざれば、この過程を阻害するようになる。また、この場合、灯油やオクタンのような熱伝達流体は水のような熱貯蔵流体より遥かに高価であるため、熱伝達流体を可能な限り少なく使わなければならず、熱伝達流体と熱貯蔵流体が混合形態で存在する区域も可能な限り小さくなければならない。特許文献１では、このような分離問題が非常に重要であると繰り返し指摘している。特許文献２においても熱伝達流体と熱貯蔵流体の分離が最も重要であるとしている。このような分離を実際に簡単に行うことができなければ、前述した特許のいかなる方法も大規模で実行することができない。特許文献１においても熱伝達流体と熱貯蔵流体の分離をコアレッサー（ｃｏａｌｅｓｃｅｒ）により実現する方法について説明している。

特許文献３は熱伝達流体と熱貯蔵流体を分離する方法は全く紹介しておらず、特許文献５もこのような分離問題を言及しておらず、熱貯蔵物質を熱貯蔵容器内に閉じ込める構造を有するが、片方の流体から他方の流体や固体に熱が伝達される時に生じられる一般的な問題点を抱えている。特許文献４は熱貯蔵流体と熱伝達流体の分離について言及していない。

独国特許 ＤＥ４、３１４、５０９Ａ１ 独国特許 ＤＥ２、６０７、１６８Ｃ３ 米国特許 ＵＳＰ４、１１１、２６０Ａ 独国特許公開 ＤＥ １０ ２０１３ ２０８９７４Ａ１ 米国特許公開 ＵＳ２０１２／１６８１２６Ａ１

本発明は、エネルギー伝達中に混合容器を通過する熱伝達流体と熱貯蔵流体の新しい流路と共に混合容器の形状を用いる新しい方法であって、コアレッサーなしで従来の問題を解決することを目的とする。

本発明は、液体熱貯蔵流体と熱伝達流体が混合された後に熱伝達流体と液体−固体熱貯蔵流体を完全に分離し、固体熱貯蔵流体は簡単に貯蔵し、液体熱貯蔵流体は固体熱貯蔵流体の追加なしで循環して使用することができるように、潜熱貯蔵器の混合容器において熱貯蔵流体と熱伝達流体を混合分離する構造を基礎にする。

本発明では、混合のために、循環系から熱伝達流体を排出し、凝固熱を吸収した後に熱伝達流体を循環系に戻す。ここで、熱伝達流体は常に液体形態であって、ヒートポンププロセスの高温側に常に放熱するヒートポンプによって持続的に冷却されている。

熱貯蔵流体は混合のために液滴形態で分散される。液滴形態は体積に比べて表面積を増やすため、液滴の平均直径が減るほど熱交換表面積は増加する。

熱貯蔵流体を混合容器内に置き、混合容器の上段部は熱伝達流体で満たすか、または熱伝達流体が持続的に混合容器を通過するようにし、混合容器の下段部は液体熱貯蔵流体で満たすか、または熱貯蔵流体が持続的に混合容器を通過するようにし、空気のような薄いガス層を混合容器内につながった熱貯蔵流体の出口と熱伝達流体の表面の間のベル内にキャプチャーして、排出される熱貯蔵流体が低温熱伝達流体と接触して滴下器の出口で凍らないようにする。混合容器の上部で液体熱伝達流体と液体熱貯蔵流体を可能な限り最適に均一に混合して二つの流体の間に熱伝達を引き起こし、固体熱貯蔵流体を生成し、混合容器の形状と混合容器の流路によって熱伝達流体と液体／固体熱貯蔵流体間の分離を混合容器の下部で発生するようにする。固体や液体状態で熱伝達流体より密度が高い熱貯蔵流体が熱伝達流体下に沈み、液体熱貯蔵流体と固体熱貯蔵流体が熱伝達流体と熱貯蔵流体間の境界層から持続的に抜け出るようになり、この時、液体と固体熱貯蔵流体が排出流側で境界層から抜け出てから分離された後、固体は貯氷庫に貯蔵され、液体は再び再循環される。

従来は、主に境界層で熱伝達流体と固体−液体熱貯蔵流体が混合され、これ以上分離されず、固体が混合容器の内部に続けて蓄積されることにより、工程を停止または阻害したりした。過度に遅い分離のため、大部分の熱伝達流体が境界層付近で縛られて、実際工程の混合容器内部の熱交換に利用できないという問題を避けることができなかった。本発明はこのような問題点を解決する。

貯氷庫２を備えた潜熱貯蔵器１を示す。 混合容器３内の熱伝達流体と熱貯蔵流体の流れを示す。 別の、混合容器３内の熱伝達流体と熱貯蔵流体の流れを示す。 混合容器３の上部７の詳細図である。

図１は、貯氷庫２を備えた潜熱貯蔵器１を示す。貯氷庫２は、例えば、周囲熱を吸収しようとすれば地面に設置し、冷気を貯蔵しておき、冷却過程に使用しようとすれば地面より上方に設置する貯水槽である。水平または若干傾いた配管４を介して貯氷庫２に混合容器３が連結される。配管６を通して混合容器３の上部７に入った熱伝達流体５はポンプ８によって混合容器３を出て行くが、必要であれば、流動方向が逆になってもよい。この過程中に熱伝達流体５が熱交換器２１において続けて冷却される。混合容器３の上部７に垂直パイプ１５がつながり、ベンド９部分において長い傾斜路１０につながる。ベンド９の代わりに、流体の摩擦損失に肯定的な影響を与える措置である一つ以上のエルボによってベンド９のような方向変化を与えてもよい。混合容器の上部７を出て行く流体と熱貯蔵流体１１の方向が境界層１２付近でなす角度２９は９２°〜１７８°である。熱貯蔵流体１１は配管１９と滴下器１３を通して混合容器の上部７に入り、熱貯蔵流体１１が低温熱伝達流体５に直接に接しないようにベル２７下のガス空間１４内に滴下器１３が位置して熱貯蔵流体が凍らないようにする。

このような構造を図４のように構成することもできる。滴下器１３がガス空間１４内に位置し、ガス空間は充填排出ライン３２からなって大きさを調節することができる。混合容器の上部７を他の容器３１で緻密に完全に囲み、熱伝達流体５が配管６を通して容器３１に先に入った後、透過性壁３３を通して混合容器の上部７に入るようにする。このような透過性壁は、プラスチックや金属からなり、透過性が非常に高く、熱伝達流体５を均一に通過させる金網や他の透過性材料からなってもよい。このような構造では、滴下器１３の下部に形成される氷が外部から混合容器の上部７に入る熱伝達流体５によって透過性壁３３から落ちるようになって、混合容器の上部７に氷が積もるのを防止する。

熱貯蔵流体１１は（流れ落ちる）熱伝達流体５の内部で混合容器３を通って流れ落ち、混合容器３の形状と熱貯蔵流体１１のより大きい密度のため、熱貯蔵流体１１が傾斜路１０において濃縮されて傾斜路を経て境界層１２に流れた後、液体と固体熱貯蔵流体１１が境界層１２高さの傾斜路１０の底部、すなわち、境界層１２と傾斜路１０の交差点付近から出て行く。混合容器３は断面が円形であることが良いが、傾斜路１０の底部で熱伝達流体１１が濃縮さえすれば、長方形や他の断面形状を有してもよい。基本的に、パイプ１５が境界層１２より先に傾斜路１０に接するようにしなければならない。

混合容器３の下部水平部２０は断面が円形や長方形等であり、境界層１２の位置の設定により、十分な熱貯蔵流体１１が右側から左側に流れる一方、未だに境界層１２領域に存在する熱貯蔵流体１１の固体成分を出口２５に向かって左側に運んだ後に貯氷庫２方向に移動させるのに十分な液体熱貯蔵流体の水平流量２３が生じる（図２参照）。この時、境界層１２下に液体熱貯蔵流体の水平流量２３が生じ、境界層の上部で熱伝達流体５の水平流２４が中に若干入る。混合容器の下部水平部２０において、配管１６を通して右側から持続的に供給された熱貯蔵流体１１は、固体と液体が混合された状態で境界層１２を出て混合容器３の下部に入った後、配管２を通して貯氷庫２に入る（図２参照）。熱伝達流体１１が乱流のためにポンプ８に向かわないように、混合容器の下部水平部２０の熱伝達流体の水平流量２４が設定される。図１では配管４が直角に降りてからほぼ直角に左側に向かうが、０度〜８０度の角度で下方に向かってからほぼ水平に左側に向かってもよい。混合容器３に連結される区間での配管４の機能は、出口２５領域に入っていた熱伝達流体５が再度上方に上昇するようにすることの他に、固体と液体の熱貯蔵流体１１を前述したように底部から排出されるようにすることにあるため、熱伝達流体５が配管４連結部上にある貯氷庫２に入らないように配管４の水平部が流動方向に若干傾くようにして、貯氷庫２と混合容器３を互いに所望する間隔だけ離れるようにする。固体と液体熱貯蔵流体１１は貯氷庫２に入った後、貯氷庫２の下部で密度差によって液体熱貯蔵流体１１から固体熱貯蔵流体１１が分離された後、低密度によって上昇して貯氷庫を満たし、液体熱貯蔵流体１１は貯氷庫２の底部から排出され、ポンプ１７や（熱貯蔵流体を加熱または冷却する）熱交換器１８によって、液体熱貯蔵流体は配管１９を通して滴下器１３に、そして配管１６を通して混合容器の下部水平部２０側に循環する。貯氷庫２の内部に水−氷混合物が存在し、排出状態では氷量が非常に多く、充填状態では水のみ入っている。「充填状態」は「排出状態」よりエネルギーが高い状態をいう。

ベンド９による混合容器３における方向変化のため、図２に示すように、傾斜路１０領域に熱伝達流体と熱貯蔵流体の再循環区域２２が生じる。このような再循環区域２２のため、熱貯蔵流体１１が混合容器３の下部にさらに長時間留まって熱交換時間を延ばす。

また、図２では混合容器３内の流動状態が中間部、下部水平部２０及び配管への連結部で単純化されている。液体熱貯蔵流体１１は、混合容器の上部７から液滴形態で落ちて熱伝達流体５を通過して降りて傾斜路１０に到達するか、またはベンド９や混合容器の構成に応じて再循環区域２２に入って放熱された後、他の液滴と共に傾斜路１０に入った後、固体と液体状態で出口２５領域で境界層１２を透過する。境界層の透過を通った熱貯蔵流体１１と熱伝達流体５の分離は、傾斜路１０に沿った熱貯蔵流体１１の垂直速度成分と、熱貯蔵流体１１を熱伝達流体５の内部で下降させる熱貯蔵流体１１の高密度に基づいてなされる。流動する熱伝達流体５が密度のために境界層１２上に残って熱貯蔵流体１１の出口２５領域で横に動いて境界層１２の真上に分岐されるということが熱伝達流体５の分離に役に立つ。

境界層の位置に応じて液体熱貯蔵流体１１の水平方向の流れ２３が調整されることにより、液体熱貯蔵流体１１は左側に流れて配管１６を通して混合容器の下部水平部２０に入った後、出口２５を通して熱貯蔵流体の流動方向２６に入るため、配管４方向に境界層１２から固体と液体熱貯蔵流体１１が除去されるか、または（調節可能な）このような流れ２３によって熱貯蔵流体１１の固体成分は混合容器の下部水平部２０から出て行く熱伝達流体５の入口側とポンプ８側に熱伝達流体５の流れ２４と共に右側に流れることができず、これは、流れ２３が持続的にこのような固体成分を出口２５に向かって左側に押し、その結果、配管４に向かって熱貯蔵流体の流動方向２６に押して貯氷庫２側に送るためである。境界層１２に位置する固体熱貯蔵流体１１が、水平方向の熱伝達流体の流れ２４はより少なく、境界層下の熱貯蔵流体の流れ２３はより多いため、熱貯蔵流体の流れ２３は固体熱貯蔵流体１１を出口２５方向に運んで混合容器３を出て行くようにするほど十分に強い。

熱伝達流体５と熱貯蔵流体１１が混合容器３を反対方向に通過することもできる。その場合も、熱貯蔵流体１１は混合容器３を通して上方から下方へ前述した方向を維持する。この過程については図３を参照して説明する。

混合容器３の中間部と上部における相反した流れを通じて、熱貯蔵流体１１と熱伝達流体５間の熱交換が改善され、混合容器における熱伝達流体１１の平均残留時間が混合容器３内における熱伝達流体５の流量と滴下器１３による液滴大きさの影響を受ける。熱伝達流体５はポンプ８によって混合容器の下部水平部２０に入るが、熱伝達流体１１は配管１６を通してこちらに入り、このような流体は傾斜路１０に向かって左側に流れ（熱伝達流体の水平流量２４が図１〜２とは逆に流れる）、熱伝達流体５は混合容器３を通して斜めに流れ上がれば、熱貯蔵流体の流量２３は境界層１２を通して傾斜路１０上から流れ落ちる熱貯蔵流体１１と混合されて流動方向２６に沿って混合容器３から出て配管４を通して貯氷庫２方向に流れる。

滴下器１３から落ちる熱貯蔵流体１１の液滴が上昇中の熱伝達流体５の内部で流れ落ちて傾斜路１０に到達するように、またはこのような液滴が熱伝達流体５の流量より大きくて下端部に到達するように熱伝達流体５の流量を設定しなければならない。すなわち、熱伝達流体５内部における熱貯蔵流体１１の液滴の下降量が反対方向に流れる熱伝達流体５の流量より大きくなければならない。勿論、混合容器３の形状の影響もあり、例えば、混合容器の上部が垂直線に対して反時計方向に回転することができる。図３の再循環区域２２は混合と熱伝達を高める。混合容器３の上部において、熱伝達流体５は矢印２８方向に横に流れ上がって混合容器の上端を通して混合容器を出て行く。混合容器３の断面形状のため、熱伝達流体５の流速が混合容器３の上部７のベル２７高さで過度に遅いため、熱貯蔵流体１１が配管６を通して混合容器３を出ることができず、傾斜部３０上で濃縮されて混合容器の上部７から流れ落ちる。

Claims (10)

1. 熱貯蔵流体を液相と固相との間で遷移させ、液相の前記熱貯蔵流体を熱伝達流体と混合して前記熱貯蔵流体と前記熱伝達流体との間で溶融熱を伝達し、液相の前記熱貯蔵流体は前記熱伝達流体に不溶性であり、液相の前記熱貯蔵流体が前記熱伝達流体より高い密度を有する、潜熱貯蔵器の混合容器と貯氷庫の作動方法であって、
   ａ）前記混合容器上部の前記熱貯蔵流体をガス空間を通して前記熱伝達流体内に送るステップ、
   ｂ）前記熱伝達流体内部における前記熱貯蔵流体の流れを通じて、前記熱貯蔵流体から前記熱伝達流体に熱を伝達するステップ、
   ｃ）流れる方向の変化を通じて前記熱貯蔵流体が液体と固体が混じった状態に濃縮されるステップ、
   ｄ）濃縮された前記熱貯蔵流体が前記熱伝達流体と前記熱貯蔵流体との間にある境界層を通過するステップ、
   ｅ）前記熱貯蔵流体が前記境界層の下側を前記熱貯蔵流体の第２の流れに沿って前記貯氷庫に向かって排出されるステップ、及び
   ｆ）前記貯氷庫の下部に前記熱貯蔵流体が低速で水平に流れ、密度差によって前記熱貯蔵流体が固体と液体に分離されるステップ、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記混合容器上部の前記熱貯蔵流体がベル内部のガス空間を通してベル周縁に流れる前記熱伝達流体内に滴下器によって液滴形態で入り、前記ベル内部のガス空間の大きさが調節可能であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記混合容器上部の前記熱貯蔵流体が滴下器によって液滴形態でガス空間を通して前記熱伝達流体内に入り、前記熱伝達流体が前記混合容器の上部を密着して囲む容器内に配管を通して入った後、前記混合容器の液体透過性壁を通して前記混合容器混合容器の上部に入り、前記ガス空間に充填排出ラインがあり、前記充填排出ラインによって前記混合容器の上部内のガス空間の大きさが調節可能であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記混合容器の上部とパイプを通して垂直に流れ落ちる前記熱貯蔵流体が同じように下方に流れる前記熱伝達流体と混合されて前記熱貯蔵流体から前記熱伝達流体への熱伝達が生じ、その結果、前記熱貯蔵流体が部分的に固体状態に遷移することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記混合容器の下部でベンドにおける方向変化によって前記熱貯蔵流体が垂直線に対して９２°〜１７８°の角度をなす傾斜路において液体と固体が混じった状態に濃縮され、前記熱伝達流体より密度が高いことによって傾斜路に沿って流れ落ち、前記ベンドにおける方向変化によって前記熱伝達流体と前記熱貯蔵流体が垂直線に対して９２°〜１７８°の角度で流れることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 部分的に液体と固体が混じった状態の前記熱貯蔵流体が前記境界層下に生じた熱貯蔵流体の流れに前記境界層を通過して流入し、前記境界層を通過した前記熱貯蔵流体が前記熱貯蔵流体の流れに沿って出口領域を通って前記混合容器を出て前記貯氷庫に向かって排出され、前記熱伝達流体の一部は前記熱貯蔵流体より密度が低いことによって前記境界層まで上昇した後に水平方向に流れて前記混合容器の下部水平部を出て行き、配管を通して入ってきた前記熱伝達流体の流れは前記混合容器の下部水平部に持続的に入り、上方から降りてくる前記熱伝達流体が密度が低いために境界層を通過することができず出口領域の分離区域で右側に流れて、前記熱伝達流体と前記熱貯蔵流体の分離が促進されることを特徴とする、請求項１または４に記載の方法。
7. 前記貯氷庫の底部より若干高い位置で前記熱貯蔵流体が低速で水平に流れて密度差によって液体と固体に分離され、固体は密度が低いために貯氷庫内で上昇して貯蔵され、液体はポンプによって前記貯氷庫の底部から再循環過程に入ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記熱伝達流体がポンプによって前記混合容器の下部水平部に入って前記境界層の上で前記境界層の下を流れる前記熱貯蔵流体と平行でかつ逆方向に流れた後、前記混合容器の上部から配管を通して前記混合容器を出て行き、前記混合容器を通過する前記熱伝達流体の流量が低いため、前記熱貯蔵流体全体が前記混合容器を通って下方に下降して傾斜路上に集まって前記境界層を通過した後に配管を通して前記混合容器を出て行くことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記熱伝達流体と前記熱貯蔵流体の両方ともが循環できる再循環区域が１ヶ所以上前記境界層上に形成されるように両流体の流動経路が構成され、前記熱伝達流体内に前記熱貯蔵流体が留まる時間を増やして、前記熱貯蔵流体から前記熱伝達流体への熱伝達を改善することを特徴とする、請求項１または８に記載の方法。
10. 密度が異なり、互いに溶解しない二つの液体である熱伝達流体と熱貯蔵流体を混合して分離する、混合容器と貯氷庫を備えた装置であって、
    ａ）前記混合容器の上部に位置した前記熱伝達流体上に形成されたガス空間を通して前記熱伝達流体内に液滴を落とし、前記混合容器の上部内に前記熱伝達流体と接触しない状態で位置する滴下器、
    ｂ）ベンドや一つ以上のエルボによって方向変化をするように垂直線に対して９２°〜１７８°の角度をなす傾斜路に連結される垂直方向のパイプ、及び
    ｃ）ポンプによって前記熱伝達流体を満たすかまたは空にし、配管を通して前記熱貯蔵流体で満たされる前記混合容器の下部水平部を形成し、傾斜路を備えたパイプに横から連結される連結容器を備えた水平パイプを含み、
    前記ポンプと前記配管の領域にある前記混合容器の下部水平部の断面積を大きくして、前記熱伝達流体が境界層の上を低速で流れ、前記熱貯蔵流体も境界層の下を低速で流れ、
    前記混合容器の上部にベルがあり、
    前記混合容器が下方に傾くか、水平であるか、上方に傾いた配管を通して前記貯氷庫に連結され、
    前記混合容器の上部を他の容器で完全に囲み、前記熱伝達流体が配管を通して前記他の容器に先に入ってから透過性壁を通して前記他の容器から前記混合容器の上部に入り、
    流体が前記混合容器を通過する時、前記混合容器内に再循環区域が形成されて前記混合容器に前記熱貯蔵流体がさらに長時間残留し、その結果、前記混合容器を先に満たし前記熱伝達流体内にさらに長時間残留するようにして、前記熱貯蔵流体から前記熱伝達流体への熱伝達がよりよく生じるように前記混合容器が構成されることを特徴とする装置。

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