JP2021520478A - 相変化材料を凍結するための熱交換システム及び相変化材料を凍結する方法 - Google Patents

Abstract

熱交換システムはタンクと、該タンク内に保持された相変化材料(ＰＣＭ)と、タンク内に保持される非混和性の液体層と、非混和性の液体層内に配置された熱交換器と、熱交換器の上に配置された分配器を含む。非混和性の液体層は、ＰＣＭより低い密度を有してＰＣＭの上に位置する。分配器は複数のＰＣＭ液滴を非混和性の液体層且つ熱交換器の上に導入するように構成される。【選択図】図１

Description

ここに開示される１つまたは複数の実施形態は、相変化材料と冷却流体との間で熱を効率的に交換するためのシステム及び熱を効率的に交換する方法、ならびにエネルギー貯蔵システムのためのシステム及びエネルギー貯蔵方法に関する。

エネルギ貯蔵は、電力のピーク需要の時間帯に電力網からのストレスを軽減することができる(例えば、空調負荷の低減)。熱エネルギ貯蔵システムは市販されているが、静的な性質のために熱伝達率が低くなる。熱抵抗性の凍結層が、凍結中に熱交換器の表面に付着し、溶融中に静的な液体が熱交換器を囲む。低い熱伝達率を補うために、大面積の熱交換器が使用され、システムのコストが増加する。市販の氷ベースの蓄熱システムは、水槽に沈められたチューブの大きなバンクに熱伝達流体を通過させることによって動作する。この構成から、単純さが得られるが、効率、コスト、及びエネルギー密度が失われる。効率に関しては、停滞した水を冷却コイルで直接凍結すると、熱伝達に対する熱抵抗が増加し、熱伝達のために大きな表面積が必要になる。チューブの大きな束、特に銅で構築されたものは、システムのコストを増加させる。貯蔵タンク内では、チューブが占める体積を氷で占めることができないため、全体的な熱エネルギー貯蔵密度がさらに低下する。実際、停滞した相変化材料(ＰＣＭ)の凍結は、熱エネルギー貯蔵分野全体で非常に一般的である。この手法は、パラフィン及び塩水和物ＰＣＭに使用されている。

静的な冷凍に加えて、外面に水を連続的に流して表面に氷を凍らせるなど、他の多くの技術が業界で一般的である。一旦、十分な量の材料が凍結したら、表面が加熱され、表面から氷が取り除かれる。そのようなシステムは米国特許第8720211号に開示されている。

他の従来のシステムにおいて、氷はチューブ表面の内側で凍り、材料は、機械式スクレーパーを使用して表面から継続的に削り取られる。しかし、削り取るのに必要なエネルギーは重大であり、且つ氷を機械的に除去すると、システムが摩耗する。

他の従来のシステムにおいて、水は開いた堅い容器に入れられ、上から冷却される。水が上から下に凍結するときに発生する圧縮力により、氷は表面から外れる。その後、容器を逆さにして氷を落とし、プロセスを最初からやり直す。課題は、熱伝達の制限と一貫性のない自己解放である。

他の従来のシステムにおいて、塩水溶液を冷光溶媒の泡と直接接触させることによって氷のスラリーが生成される。そのようなシステムは、ある量の冷光溶媒が塩水溶液に溶解し、それによって水の凍結温度を変えるため、一貫した氷スラリーを生成しない可能性がある。そのようなシステムは米国特許公開第2016/0273819号に開示されている。

請求項に係る実施形態の概要
ここに開示された１以上の実施形態は、熱交換システムに関し、該熱交換システムはタンクと、タンク内に保持された相変化材料(ＰＣＭ)、タンク内に保持された非混和性の液体層、非混和性の液体層内に配置された熱交換器、及び熱交換器の上に配置された分配器を含む。非混和性の液体層はＰＣＭより低い密度を有してＰＣＭの上に位置する。分配器は、複数のＰＣＭ液滴を非混和性の液体層内及び熱交換器の上に導入するように構成される。

ここに開示された他の実施形態は、エネルギー貯蔵システムに関し、該エネルギー貯蔵システムはタンクと、タンク内に保持された相変化材料(ＰＣＭ)、タンク内に保持された非混和性の液体層、非混和性の液体層内に配置された熱交換器、及び熱交換器の上に配置された分配器を含む。エネルギー貯蔵システムはさらに、熱交換器入口及び熱交換器出口を含み、熱交換器入口及び熱交換器出口は、蓄熱及び放熱中にエネルギー貯蔵システムと１以上のプロセスユニットとの間の熱伝導を付与する。

ここに開示された他の実施形態は、エネルギー貯蔵方法に関し、該エネルギー貯蔵方法は、液体ＰＣＭを凍結することによってエネルギー貯蔵システムに蓄熱するステップと、凍結したＰＣＭを溶融することによってエネルギー貯蔵システムから放熱するステップを含む。エネルギー貯蔵方法は、蓄熱中に熱交換器に凍結したＰＣＭが蓄積するのを防ぐ。

他の態様及び利点は、以下の記載と添付の特許請求の範囲から明らかであろう。
ここに開示された実施形態に従った熱エネルギー貯蔵システムの図である。 ここに開示された実施形態に従ったフィン付きチューブ熱交換アセンブリの図である。 ここに開示された実施形態に従ったコイルタイプの熱交換アセンブリの図である。 ここに開示された実施形態に従ったコイルタイプの熱交換アセンブリの図である。 ここに開示された実施形態に従ったＰＣＭを凍結する熱交換方法の図である。 ここに開示された実施形態に従ったエネルギー貯蔵蓄熱方法を示す。 ここに開示された実施形態に従ったエネルギー貯蔵放熱方法を示す。 ここに開示された実施形態に従ったエネルギー貯蔵放熱方法を示す。

ここに開示されるのは、低コストであり、大規模な熱エネルギー貯蔵の熱伝達効率及びエネルギー密度を増加させることができる熱交換システム及びその方法である。停滞したＰＣＭを冷却面で直接凍結する代わりに、液体ＰＣＭは熱交換器の表面に亘って移動される。凍結したＰＣＭは、熱交換器の表面への凍結した材料の接着力が弱いために、形成されたときに、重力によって連続的に除去される。熱交換面は、熱交換器の表面材料の選択及び非混和性の流体の潤滑によって、ＰＣＭと熱交換器の表面との間の接着力を制限する「疎氷性」になるように構成され得る。凍結のために最初の状態の熱伝達面を維持することにより、熱交換器は従来の凍結型熱交換器の最大１０分の１の大きさになる。

ここに開示された１以上の実施形態にて、熱交換器の表面は、疎水性又は疎氷性のポリマー材料でコーティングされ得る。滑らかなポリマー表面の適用は、基材の疎氷性を高めるための最も簡単なオプションである。このようなコーティングのため、表面の薄い疎水性液体層はせん断応力に耐えることができず、凍結した材料は流れや重力などの他の力で除去される。

ここに開示された１以上の実施形態は、熱伝達用のシステムである。システムはタンク、熱交換器、熱伝達性の流体、非混和性の流体、相変化材料(ＰＣＭ)、及び液滴分配システムを含み得る。システムは、エネルギー需要が高い期間中に使用するためのオフピークの熱エネルギーの貯蔵を可能にし得る。１以上の実施形態にて、ＰＣＭは水又は塩水である。ＰＣＭは、ヨウ化銀またはシュードモナスシリンゲ(またはそこから抽出された不活化タンパク質)などの１つまたは複数の氷核形成剤をさらに含み得るが、氷核形成剤はこれらに限定されない。氷核剤は、ＰＣＭの過冷却、ヒステリシスを制限又はまたは防止し、それにより、ＰＣＭの予測可能な凝固点をもたらす。ＰＣＭはまた、１つまたは複数の抗菌成分を含み、システム内の生物製剤の成長に対する耐性を提供する。１以上の実施形態にて、ＰＣＭは、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９８％、または９９％を超える水などの５０％を超える水であり、残りは１つ以上の塩、酸または塩基、タンパク質、および核剤の１つ以上である。さらに、熱伝達流体は、１又は複数のグリコールベースの流体、Ｒ１３４ａなどの蒸発冷媒、または他の冷媒であり得る。

１以上の実施形態にて、システムはＰＣＭを熱交換器に導くことによって蓄熱モードで動作する。冷たい熱伝達流体が熱交換器を通過し、熱交換器に分配される液体のＰＣＭ液滴から熱を熱伝導し、熱交換器の表面との接触を失う前に、液滴を部分的に凍結させる。放熱モードでは、熱交換器は温かい熱伝達流体から凍結したＰＣＭに熱を伝導する。１以上の実施形態にて、放熱モードは液体のＰＣＭを用いて、１つまたは複数のプロセスユニットから熱を伝導するが、タンクからプロセスユニット熱交換器にポンプで送り、加熱した液体ＰＣＭをタンクに戻して固体ＰＣＭに接触させる。

熱交換器の内面は、熱伝達流体に接し、熱伝達流体は熱交換システム及び蓄熱システムの外部の機器を流れ、該熱交換システム及び蓄熱システムの外部の機器と相互作用する。熱交換器の外面は、疎水性又は疎氷性の材料でコーティングされていてもよく、非混和性の流体及びＰＣＭ液滴と接触していてもよい。非混和性の流体は熱交換器を取り囲み、ＰＣＭが占めていない体積を占め得る。

１以上の実施形態にて、非混和性の流体は、液体及び固体ＰＣＭよりも密度が低く、固体ＰＣＭは液体ＰＣＭよりも密度が低い。従って、液体ＰＣＭ、固体ＰＣＭ、及び非混和性の流体がタンク内に存在する場合、それらは、下部に液体ＰＣＭ、中央に固体ＰＣＭ、上部に非混和性の流体を含む分離した別個の層を形成し得る。そのような層化は、液体ＰＣＭが液滴または材料のパケットの形で非混和性の流体を通過することを可能にする。ＰＣＭ液滴は、熱交換器に熱的に接触して、液体ＰＣＭと熱交換器内の冷たい熱伝達流体との間で熱エネルギーを交換する。液滴分配システムは、蓄熱中に使用されて、非混和性の層に入る前に液体ＰＣＭを小さな液滴に分配する。

熱交換器は、完全に非混和性の流体層内に配置することができ、一方、液滴分配システムは、熱交換器の上に、また非混和性の流体層内に、または非混和性の流体層の上に配置され得る。そのような位置により、液体ＰＣＭが非混和性の流体を通過し、熱交換器に接触し、凍結し、そして液体ＰＣＭ層に向かって移動し続けることが可能になる。固体又は凍結されたＰＣＭは、非混和性の流体よりも密度が高く、液体ＰＣＭよりも密度が低いため、固体ＰＣＭは、液体ＰＣＭと非混和性の流体層との間の界面に蓄積し得る。

熱交換方法は２つの動作モードである、蓄熱と放熱を含む。蓄熱中、液体ＰＣＭはタンクの底から液滴分配システムにポンプで送られ、バルク材は複数の液滴に分配され、それらは分散されて、熱交換器が部分的または完全に浸漬され得る非混和性の層に入る。浮力と重力により、ＰＣＭ液滴が落下し、熱交換器の表面に接触し、該熱交換器の表面は、冷たい熱伝達流体によって冷却される。液滴は、熱交換器の表面と接触している間に凍結し、固体又は凍結した材料(固体/凍結ＰＣＭ)を形成し、落下し続ける。部分的又は完全に凍結した液滴は、熱交換器から液体ＰＣＭと非混和性の流体層の間の界面に向かって落下し、この界面の周りに蓄積する。この界面のレベルは、タンクの底から液体ＰＣＭをポンプで送ることによって積極的に制御される。１以上の実施形態にて、タンクの底からポンプで送られる液体ＰＣＭは、液滴分配器に供給されるか、タンクの外側にある二次貯蔵容器にポンプで送られるか、又はその両方であるか、又は冷却のためにプロセスユニット又はＨＶＡＣに直接ポンプで送られる。液体ＰＣＭが二次貯蔵容器にポンプで送られる１以上の実施形態にて、液滴分配システムは、二次貯蔵容器から供給され得る。

放熱中に、二次貯蔵容器からタンクの底に液体ＰＣＭをポンプで送ることにより、凍結したＰＣＭと非混和性の流体の間の界面を上げることができ、凍結したＰＣＭの可成りの部分が熱交換器の表面に接触する。同時に、非混和性の流体はタンクから二次貯蔵容器にポンプで送られる。熱交換器内の冷たい熱伝達流体の流れは停止され、温かい熱伝達流体は熱交換器を通して供給される。熱交換器を通過する温かい熱伝達流体は、ＰＣＭを溶融し、それにより、温かい熱伝達流体から熱を吸収する。

更に、１以上の実施形態にて、蓄熱中に液体ＰＣＭと非混和性の流体層の間の界面は、熱交換器の下にあり、凍結したＰＣＭが蓄積するのに十分なクリアランスを許す。放熱中、界面により、可成りの量の凍結したＰＣＭが熱交換器に接触することができる。

１以上の実施形態にて、放熱中に、液体ＰＣＭをタンクの底に送り込むことにより、凍結したＰＣＭを熱交換器の表面に接触させる代わりに、液体ＰＣＭと非混和性の流体層の間の界面の高さは変動する可能性があるが、比較的安定したままである。そのような実施形態にて、液体ＰＣＭは引き続き分配システムに供給され、熱交換器の表面を通過して固体ＰＣＭと接触する可能性がある。タンク内の液体ＰＣＭは、凝固点またはその近くにあって冷たいから、温かい熱伝達流体を冷却し、それによってＰＣＭを加熱するだけで十分である。加熱されたＰＣＭがタンク内に落下し続けると、凍結したＰＣＭに接触し、凍結したＰＣＭを溶かし得る。何れかの方法において、冷凍エネルギー貯蔵の可成りの部分は、凍結したＰＣＭ内に含まれ得る。

１以上の実施形態にて、放熱中に、液体ＰＣＭは建物を通る冷水パイプなど外部の熱交換器またはプロセスユニットに直接供給することができるが、外部の熱交換器は冷水パイプに限定されない。液体ＰＣＭがプロセスユニットを冷却すると、液体は温まり、液滴分配システムに戻されて熱交換器の表面を通過し、固体ＰＣＭと接触する。熱交換器には、この放熱モード中に内部を循環する熱伝達流体が含まれる場合と含まれない場合がある。温められたＰＣＭがタンク内に落下し続けると、凍結したＰＣＭに接触し、凍結したＰＣＭを少なくとも部分的に溶かす。そのような放熱モード中に、冷凍エネルギー貯蔵の可成りの部分は、凍結したＰＣＭ内に含まれ得る。

図１を参照して、熱エネルギー貯蔵システムの実施形態が示される。一次タンク１０９は、熱損失から保護するために断熱される。一次タンク１０９は、フィン１０４を備えた熱交換器１０６、ＰＣＭ１０１、非混和性の流体層１０２、及びＰＣＭ液滴分配システム１０３を含む。ＰＣＭ１０１は、液体、固体、または液体と固体の混合物として存在し得る。熱エネルギー貯蔵システムの場合、ＰＣＭ１０１は、固体ＰＣＭの密度よりも大きい液体密度を有する。ＰＣＭ層１０１の上に配置され得る非混和性の液体層１０２は、ＰＣＭ層１０１と非混和性の層１０２とを分離する界面１０５を形成する。非混和性の層１０２は、ＰＣＭ層１０１と非混和性の層１０２が混合しないように選択することができ、非混和性の層１０２は、液体及び固体ＰＣＭの両方よりも低い密度を有する。

フィン１０４を備えた熱交換器１０６は、熱交換器が存在する非混和性の層１０２内に完全に位置する。プレート間のピッチまたは間隔は、予測されるＰＣＭ液滴直径の約１.５−２.５倍である可能性があり、これにより目詰まりを防ぐことができる。そのようなピッチは、０.２５インチから１インチの間の距離に対応する。プレートの角度は、ＰＣＭ液滴が表面に蓄積することなく熱交換表面に接触するように選択される。ほぼ垂直な角度は、接触が少なく、熱伝達が不十分になる可能性がある。従って、水平から１０度から９０度、例えば水平から２０度から７０度、または水平から２０度から５０度の間のプレートの角度は、適切な凍結ポテンシャルを提供する一方、液滴が非混和性の層１０２を通って界面１０５に妨げられることなく進むことを可能にする。１以上の実施形態にて、プレートの角度には、１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、又は６０度のいずれかの下限と、４０度、５０度、６０度、７０度、８０度、８５度、または９０度のいずれかの上限がある。下限は、任意の上限と組み合わせて使用され得る。

熱交換器１０６は、非混和性の層１０２内に複数の通路を有する。例えば、熱交換器は、タンク内で１パス(直線)から１００パス、またはそれ以上のパスを持つことができる。更に、プレートの長さは８インチから１８インチ、又は１０インチ(２５.４ｃｍ)から１２インチ(３０.５ｃｍ)のように、３インチから３フィートである。更に、プレートは中空であり、それにより熱交換流体がプレート内を通ることができる流路を形成する。

示すように、熱交換器１０６は、チューブ式又はフィン付き熱交換器として表わされるが、コイル式又は枕木式の他のタイプの熱交換器が使用される。例えば、チューブ及びフィン付き熱交換器に代えて、複数のコイルが使用され得る。そのような実施形態では、複数のコイルは、非混和性の層内のバンク内に配置されて、コイルの２層から２０層が互いの上に配置される。各層は更に５個から５０個のコイルを含む。コイルは、液体ＰＣＭ液滴が上部コイルに接触すると、液滴が部分的に凍結し、下部コイルに落下するように配置される。このプロセスは、ＰＣＭが部分的または完全に凍結し、凍結したＰＣＭが熱交換器コイルの周囲の領域を出て、液体ＰＣＭと非混和性層の間の界面に蓄積するまで、コイルの各層で繰り返される。更に、コイルの各層は隣接する層からオフセットされて、液滴が熱交換器を通過するときにＰＣＭ液滴が各層の少なくとも１つのコイルに接触する可能性を高める。１以上の実施形態にて、コイルは、２５％、３３％、または５０％のオフセットなど、各々から１０％から９０％オフセットされる。各層内のコイルはまた、下層の少なくとも１つのコイルがその上の層の少なくとも１つのコイルの下に少なくとも部分的にある(又は重なる)ように、十分に接近して配置されるべきである。

他の実施形態は、１つの熱交換器を伴う複数のパスとは対照的に、複数の熱交換器を含む。そのような実施形態は、熱交換器内のより効率的な熱伝達又はより低い圧力降下を可能にし得る。熱交換器１０６は、液体、蒸気、ガス、蒸発流体、凝縮流体、超臨界流体、スラリー、またはそれらの組み合わせとして、熱交換器を通って流れる熱伝達流体を有する。熱交換器１０６を通過する熱伝達流体は、幾つかの外部デバイス(ヒートポンプ、１つまたは複数のプロセスデバイス、１つまたは複数の外部熱交換、構造内の冷却パイプ、またはＨＶＡＣシステムなど)またはプロセスと相互作用して、高エネルギー需要期間中に冷却を行う。熱伝達流体及び/又は液体ＰＣＭは、通常の操作中に熱エネルギー貯蔵システムに出入りする唯一の材料である。

なおも、図１を参照して、液滴分配システム１０３は液体ＰＣＭ液滴を生成し、非混和性の液体層１０２に送達される手段を提供する。液滴は、非混和性の層に存在するＰＣＭ材料の小さなパケットとして定義される。液滴分配システムの機能は、主にバルクＰＣＭから液滴を生成し、ＰＣＭ液滴を一次タンクの水平断面全体に分配することであり、それによって非混和性の層に空間的に一貫した液滴の流れを提供する。液滴分配システム１０３は、アルミニウム、銅、または鋼などの金属で作られたベース材を備えたスプレーノズルのアレイである。液体ＰＣＭ液滴が非混和性の流体層の一部を通って落下した後、それらは熱交換器に熱的に接触する。熱接触は、ここではＰＣＭ液滴が、熱交換器表面に非常に近いか、または熱交換器表面に接触しているものとして定義される。

非混和性の液体に曝される熱交換器表面は、疎水性または疎氷性コーティングでコーティングされる。このような疎氷性コーティングは、ポリイソブチレン(ＰＩＢ、ブチルゴム)、パラフィン、ポリｔ−ブチルメタクリレート(ＰｔＢＭＡ)、ポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)、ポリプロピレン(ＰＰ)、ポリエチレン(ＰＥ)、ポリブタジエン、ナイロン10,10、ポリトリフルオロエチレン、ポリn-ブチルメタクリレート(ＰｎＢＭＡ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、またはポリスチレン(ＰＳ)を含むコーティング、又はポリ(ヘキサフルオロプロピレン)、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、フッ素化エチレンプロピレン(ＦＥＰ)、パーフルオロアルコキシアルカン(ＰＦＡ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)、ポリトリフルオロエチレン、またはそれらの組み合わせを含むフルオロポリマーコーティングを含むが、これらに限定されない。

更に、非混和性の液体層１０２は、水と実質的に反応せず、動作温度で気体ではない材料である。非混和性の液体層１０２は、ポリアルファオレフィン(ＰＡＯ)油、シリコーン油、炭化水素鉱油、炭化水素液体、エステル油、パーフルオロ炭化水素、または式Ｃ_ｎＦ^２ｎ＋２を有する他のフッ素化炭化水素のうちの１つ以上であり、ここでｎは２から１０である。

液体ＰＣＭが熱交換器プレート１０４を通過すると、液体ＰＣＭは凍結し得る。液体及び固体のＰＣＭ１０１は、熱交換器１０６の周りに出て、非混和性の流体層１０２を通って落下し続ける。固体ＰＣＭ材料は、液体ＰＣＭ１０１と非混和性の液体層１０２との間の界面１０５の周りに蓄積する。界面の上下にある固体ＰＣＭの量は、重力及び/又は浮力によって決定される。熱交換器１０６の周りの非混和性の流体層１０２の量は、凍結されたＰＣＭの通過が妨げられないように、澄んだままである。熱交換器１０６の周囲の領域を澄んだ状態に保つために、蓄熱中、界面１０５のレベルは、界面１０５の上に存在する固体ＰＣＭが熱交換器１０６に接触しないように積極的に管理される。界面１０５は、タンクに材料を除去及び追加することによって積極的に管理される。

ポンプ１０７は、一次タンクに出入りする全ての材料の移送を管理する。二次貯蔵容器１０８は、ポンプ１０７によって供給される量の材料を貯蔵することができる。ポンプ１０７は、ＰＣＭが熱交換器１０６によって凍結されている期間中に、一次タンクから幾らかの量の液体ＰＣＭ１０１を除去し得、一次タンクに幾らかの量の非混和性の流体層１０２を追加し得る。凍結したＰＣＭが溶融している期間中に、ポンプ１０７は、液体ＰＣＭ１０１を一次タンクに追加し、非混和性の液体層１０２の少なくとも一部を除去することができる。ポンプ１０７はまた、凍結プロセス中に液体ＰＣＭ１０１を液滴分配システム１０３に搬送するために、又は液体ＰＣＭ１０１を１つ以上の外部プロセスユニット、ＨＶＡＣ、または１つ以上の外部熱交換器に搬送するために使用される。

示すように、ポンプ１０７と二次貯蔵容器１０８は、僅かに単純化されている。実際の設置では、複数のポンプ１０７、複数の二次貯蔵容器１０８、配管、弁、及び当業者が上記の機能を実行するために必要であると考える他の機器があり得る。

図２Ａはここに開示された実施形態に従った熱交換器の１つの可能性がある例を示す。例えば、フィン付きのチューブを有する熱交換器が示される。

フィン２０１は、ＰＣＭと熱伝達流体との間の熱伝達に役立つ熱伝導性材料から構成される。フィン表面ならびにチューブ２０２の外面は、滑らかな、低表面エネルギーの疎水性又は疎氷性のコーティング２０４によってコーティングされ得る。チューブとパイプという言葉は、疎氷性と疎水性という言葉と同様に、互換性があるように使用される。疎水性コーティング２０４は、凍結ＰＣＭが熱交換器の表面に付着するのを防ぐのを手助けする。疎水性コーティングは、熱伝達流体とＰＣＭとの間の熱抵抗を最小にするために、可能な限り薄くされる。チューブ２０２は、全てのフィン２０１を通過することができ、フィン２０１の主な機能は、熱伝達に利用可能な拡張された表面積を提供することである。熱伝達流体２０３はチューブ２０２を通過する。熱伝達流体２０３は熱伝達システムと相互作用した後に、該熱伝達システムを出て外部システムと相互作用して、熱伝達システムに再循環して戻る。冷却されたフィン２０１及びチューブ２０２は、重力及び浮力故に非混和性の液体を通って滑り落ちるときに、ＰＣＭ液滴を凍結するのに役立つ。浮力は、熱交換アレイ全体が沈められている非混和性の流体の密度が低いことに影響を受ける可能性がある。

図２Ａに符号２０１として示される熱交換器のフィンは、ＰＣＭが凍結することを許す一方で、ＰＣＭが熱交換器領域を通過することができる角度に向けられる。この角度は、液滴が凍結する速度を部分的に決定する。液滴がプレート上にあるのに必要な時間は、システムの熱伝達係数によって決定される。更に、液滴がプレート上にある時間は、液滴の速度を調整することで調節され得る。これは、様々な方法で実現される。例えば、フィンの角度、非混和性の流体の粘度、液滴の直径、プレートの長さ、プレートのピッチ、及び疎氷性ポリマーコーティングの厚さは全て、液滴の速度を決定する要因となり得る。

熱交換器のフィン２０１はまた、凍結したＰＣＭを溶融させるのにも用いられる。放熱中、液体ＰＣＭと非混和性層との間の界面は、固体ＰＣＭが熱交換器の表面領域の少なくとも一部と接触するように調整される。熱交換器のフィンを或る角度に設定することによって、固体ＰＣＭは、熱交換器とより簡単に熱接触する。凍結したＰＣＭは、浮力のために垂直に移動するが、その経路は、傾斜した熱交換器のフィン２０１によって遮断され、それにより、凍結したＰＣＭを溶融し、温かい熱伝達流体を冷却する。

図２Ｂ及び図２Ｃは、ここに開示された実施形態に従った熱交換器の他の可能性のある例を示す。例えば、図２Ｂは以前に記載したコイルタイプの熱交換器の可能性がある構成を示す。図２Ｂに示すように、コイルは、層内に配置されて、各層内のコイルは十分に接近して間隔を置き、下層の少なくとも１つのコイルはその上の層の少なくとも１つのコイルに対し、少なくとも部分的に(または重なり合う)下側に位置する。図２Ｃは他の例のコイルタイプの熱交換器を示す。示すように、コイルは層状に前後にループし、少なくとも部分的に互いに重なり合うため、液体ＰＣＭ液滴が接触する表面積は最適化される。

図３に言及して、ここの１以上の実施形態に従った凍結プロセスが示される。液体ＰＣＭ液滴３０１が示されており、冷却された表面３０５と熱的に相互作用し始めた直後は液滴は完全に液体である。液滴３０１は、疎水性コーティング３０６と周囲の非混和性流体３０７の両方故に、高い接触角を示す。観察された接触角は、空気に晒された同じ表面上の液滴で観察された接触角よりも大きい。場合によっては、水が空気中で粗い表面で８５°(滑らかな表面で９５°)を超える接触角を示す場合、空気を非混和性の油に置き換えると、表面は氷の非付着性を示すはずである。液滴がプレートを下に移動し続けると(重力と浮力のため)、液滴の温度は、固体ＰＣＭが形成され始める温度である核形成または凍結温度に達するまで低下し得る。核形成時に、液滴と疎水性コーティングの間の界面に少量の凍結ＰＣＭが形成される場合がある。この凍結ＰＣＭは、液滴の底部の薄い層、液滴内に延びる樹状突起、または液滴内に形成されている他の形態の凍結材料の形態をとる。凍結プロセスのこの段階は、部分的に凍結した液滴を伴う３０２として示されている。

凍結プロセスの最終段階は、３０３として示され、液滴がプレートを下って移動し続けるにつれて、液滴の凍結部分が成長した。重力と浮力が氷の付着力よりも大きいため、液滴は核形成後も動き続けることができる場合がある。部分的には疎水性コーティングのために、接着力がさらに低下し得る。使用される疎水性コーティングは非常に滑らかであり、それにより氷の界面も滑らかになる。２つの滑らかな表面を有することにより、液滴が受ける摩擦の全体量を減らすことができ、従って少なくとも部分的に相が変化したにもかかわらず、凍結した液滴が移動し続けることができる。

部分的に凍結した液滴がプレートの端に到達すると、凍結した液滴は残りの非混和性の層を通って落下し、液体ＰＣＭ層の界面の上に載る、何故なら液体ＰＣＭは固体ＰＣＭよりも密度が高いからである。次に、ＰＣＭ液滴の固体部分３０４は、液体ＰＣＭと非混和性の流体との間の界面に留まる。

このプロセスにて、液滴はプレートを出る前に完全に凍結しない場合がある。液滴上に残っている液体は、液滴の凍結部分とともに落下し、液体ＰＣＭと非混和性の流体の間の固体ＰＣＭの層に到達する。液体ＰＣＭの密度と固体ＰＣＭの密度の違いにより、液滴が落下した後、残りの液体部分は、蓄積された固体ＰＣＭを下方に運び(wick down)、バルク液体ＰＣＭに再び結合し、液滴分配システムにポンプで戻されて、リサイクルされる。

ここでの１以上の実施形態に従って、熱伝達流体の温度は２５℃と−２５℃の間である。ＰＣＭ内に存在する塩、核剤、または抗菌剤のために、液体ＰＣＭの凝固点は、熱伝達流体の温度に大凡近似している可能性があり、即ち、２５℃から−２５℃の間である可能性がある。幾つかの実施形態にて、液体ＰＣＭの凝固点は１０℃から−１０℃の間である。

上記の熱エネルギー貯蔵システムが冷却しているシステム又はプロセス機器に応じて、熱伝達流体は、用途と必要な冷却温度によって異なる場合がある。しかしながら、多くの場合、熱伝達流体は、１以上のグリコールベースの冷却剤である。他の実施形態にて、熱伝達流体は、液体-気体遷移温度に基づいて選択された冷媒である。

ここでの１以上の実施形態は、熱伝達流体と相変化材料(ＰＣＭ)との間で熱を交換するための熱交換システム及び方法を指向する。システム及び方法は、液体ＰＣＭを保持することができるタンク、液体ＰＣＭ及び固体ＰＣＭの上の非混和性の流体層、非混和性の層内の熱交換器、及び熱交換器上であって非混和性の層上又は非混和性の層内の流体分配システムを含む。

流体分配システムは、タンクの上部に近接するタンクに複数の液体ＰＣＭ液滴を供給し、液体ＰＣＭ液滴は重力により落下し、熱交換器の表面に接触して液体ＰＣＭ液滴が凍結し、固体ＰＣＭを生成する。蓄熱中、液体ＰＣＭ液滴は、ほぼ凍結状態で液体としてタンクに供給される。

次に、固体ＰＣＭは、液体ＰＣＭと非混和性の流体層との間の界面に蓄積する。凍結中、疎氷性ポリマーコーティング及び／又は熱交換器の形状により、熱交換器の表面への固体ＰＣＭの蓄積が妨げられる場合がある。

１以上の実施形態にて、流体分配システムからタンクに供給される液体ＰＣＭは、タンク内の液体ＰＣＭからポンプで送られるか、タンクの外部の二次貯蔵容器からポンプで送られるか、またはその両方であり、又は冷却後に１以上の外部プロセスユニット、ＨＶＡＣ、又は外部の熱交換器からポンプで送り出される。更に、タンクと二次貯蔵容器の間に液体ＰＣＭをポンプで送ることによって、蓄積された固体ＰＣＭの上部と熱交換器の下部の間の高さは一定のままになる。

上記の如く、エネルギー貯蔵システム及びエネルギー貯蔵方法は、規則的な蓄熱と放熱サイクルの下、作動する。

図４Ａに示す如く、蓄熱中に、液体ＰＣＭは外部チラー４０１から熱交換器４０２にポンプで送られる冷たい熱伝達流体との熱接触によって、タンク４０３内で凍結され得る。１以上の実施形態にて、システムの蓄熱は、液相ＰＣＭをタンクの底からタンクの上部にポンプで送り、流体分配システムによって液滴として分散させることによって達成される(図１に関して記載したように)。液体ＰＣＭ液滴は、次に熱交換器４０２の冷たい表面に接して凍結し、それによって凍結したＰＣＭを生成する。次に、凍結したＰＣＭは、タンク４０３内の液相ＰＣＭと非混和性の液体層(図示せず)との間の界面に蓄積する。外部チラー４０１によって生成された廃熱は、冷却塔４０４によって大気に排出される。

図４Ｂに示すように、放熱中に、固体ＰＣＭは熱交換器４０２に接して(図１に関して記載したように)、外部の熱交換器４０５を通ってポンプで送られる温かい熱伝達流体との熱接触によってシステム内で溶融され、それによって温かい熱伝達流体の温度を下げ、熱交換器４０５のような外部装置に接続された１以上の外部のプロセスユニット(図示せず)を冷却する。熱接触は、非混和性の流体層の少なくとも一部をタンクから二次貯蔵容器(図１)に除去し、及び/又は二次容器からタンクに液体ＰＣＭを追加し、それによって凍結したＰＣＭを熱交換器と接触させることによって達成することができる。ＰＣＭを凍結するために使用される冷たい熱伝達流体は循環が停止され、温かい熱伝達流体は熱交換器４０２及び外部の熱交換器４０５を通してポンプで送られる。凍結したＰＣＭが溶融して、温かい熱伝達流体の温度が下がる。次に、この冷却された熱伝達流体は高エネルギー需要の期間中に冷却媒体として使用するために、１以上のプロセスユニット、ヒートポンプ、冷却管、またはＨＶＡＣシステムに送られる。

或いは、凍結したＰＣＭを、温かい熱伝達流体を備えた熱交換器と接触させて冷却に影響を与える代わりに、図５に示すように、冷たい液体ＰＣＭはタンク４０３の底部からポンプで送られ、外部の熱交換器４０５を通して供給される。この冷たい液体ＰＣＭは外部の熱交換器４０５内の温かい熱伝達流体と熱接触するにつれて温度が上昇する。次に、温められた液体ＰＣＭは、流体分配システムを介してタンク４０３にフィードバックされて、該タンクにて該液体ＰＣＭは、固体ＰＣＭと接触し、固体ＰＣＭの少なくとも一部を溶融する。

示されていないが、放熱の他の方法がタンク４０３の底部から液滴分配システムに冷たい液体ＰＣＭをポンプで送ることによって達成することができる。次に、液体ＰＣＭ液滴は、温かい熱伝達流体を含む熱交換器４０２の表面を通過し、固体ＰＣＭと接触する。タンク内の液体ＰＣＭは、凝固点またはその近くの低温であるため、熱交換器内の温かい熱伝達流体を冷却するのに十分であり、それによってＰＣＭを加熱し、固体ＰＣＭを少なくとも部分的に溶融する。そのような実施形態にて、液体ＰＣＭと非混和性の流体層の間の界面の高さは変動する可能性があるが、比較的安定したままであり、固体ＰＣＭは熱交換器と直接接触しない可能性がある。次に、冷却された熱伝達流体は、高エネルギー需要の期間中に冷却媒体として使用するために、１以上の複数のプロセスユニット又はＨＶＡＣシステムに送られる。

任意の実施形態において、エネルギー貯蔵システムの貯蔵された冷却能力の大部分は、液体ＰＣＭと非混和性流体との間の界面に位置する凍結されたＰＣＭに由来する。更に、蓄熱中、液体ＰＣＭがほぼ凍結状態でタンクに供給されるので、バルク液体ＰＣＭ層もまた、ＰＣＭの凍結温度またはその近くにあり得、それにより、システム全体のエネルギー貯蔵をさらに増加させる。

本開示は限られた数の実施形態を含むが、本開示の利益を有する当業者は、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。従って、技術的範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

Claims (19)

1. 熱交換システムであって、
   タンクと、
   前記タンク内に保持された相変化材料(ＰＣＭ)と、
   前記タンク内に保持されて、ＰＣＭより低い密度を有してＰＣＭの上に位置する非混和性の液体層と、
   非混和性の液体層内に配置された熱交換器と、
   複数のＰＣＭ液滴を非混和性の液体層且つ熱交換器の上に導入するように構成され、熱交換器の上に配置された分配器を含む、熱交換システム。
2. 熱交換器は、疎氷性ポリマーコーティングでコーティングされている、請求項１に記載のシステム。
3. 疎氷性ポリマーコーティングは、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、フッ素化エチレンプロピレン(ＦＥＰ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)、ポリトリフルオロエチレン、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２に記載のシステム。
4. ＰＣＭは水であり、任意選択で、１以上の複数の氷核剤または塩を含む、請求項１に記載のシステム。
5. ＰＣＭの凝固点は−１０℃から１０℃の間である、請求項４に記載のシステム。
6. 分配器はスプレーノズルである、請求項１に記載のシステム。
7. 前記熱交換器は、プレートに基づく熱交換器である、請求項１に記載のシステム。
8. 熱交換器は更に、
   複数のチューブ流路と、
   水平から４５°から９０°の角度を有するプレートと、１０インチ(２５.４ｃｍ)から２０インチ(５０.８ｃｍ)の長さのプレ−トとを含む１以上のプレートを備え、
   該１以上のプレートは、中空であり、熱交換流体がプレートを通ることを許す、請求項７に記載のシステム。
9. 更に、タンクの外側にある１以上の二次貯蔵容器を備える、請求項１に記載のシステム。
10. 請求項１の熱交換システムを含むエネルギー貯蔵システムであって、更に、
    熱交換器入口及び熱交換器出口を含み、該熱交換器入口及び熱交換器出口は、蓄熱及び放熱中に、エネルギー貯蔵システムと１以上のプロセスユニットとの間の熱伝導を付与する、エネルギー貯蔵システム。
11. 更に、タンクの外側にある１以上の二次貯蔵容器を備える、請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
12. 更に、ＰＣＭ、非混和性の流体、又はその両方をタンクと１以上の二次貯蔵容器又は外部装置との間で移送するための１以上のポンプを備える、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵システム。
13. 熱伝達流体と相変化材料(ＰＣＭ)の間で熱を交換するための熱交換方法であって、
    タンク内に非混和性の流体層を保持するステップと、
    複数の液体ＰＣＭ液滴をタンクの上部に近接するタンクに供給するステップと、
    複数の液体ＰＣＭ液滴を熱交換器に接触させ、液体ＰＣＭを凍結して、固体ＰＣＭを生成するステップと、
    タンク内に固体ＰＣＭを蓄積するステップとを含む、方法。
14. 更に、熱交換器の表面の疎氷性ポリマーコーティングによって、熱交換器の表面に固体ＰＣＭが蓄積するのを禁止するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 更に、タンクから液体ＰＣＭをポンプで送り、前記ポンプで送られた液体ＰＣＭを、供給ステップにおける複数の液体ＰＣＭ液滴として使用するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 請求項１のシステムを用いたエネルギー貯蔵方法であって、
    液体ＰＣＭを凍結することによりシステムを蓄熱するステップと、
    凍結したＰＣＭを溶融させてシステムを放熱するステップとを含み、
    蓄熱中に熱交換器上に凍結したＰＣＭが蓄積するのを禁止する、エネルギー貯蔵方法。
17. 蓄熱するステップは更に、
    タンクの底部からタンクの上部に液体層のＰＣＭをポンプで送るステップと、
    液体層のＰＣＭを熱交換器に接触させるステップと、
    冷たい熱伝達流体を用いて、熱交換器に接触した液体層のＰＣＭを凍結させて、凍結したＰＣＭを生成するステップと、
    熱交換器の下方である液体層のＰＣＭと非混和性の流体層との間の界面に、凍結したＰＣＭを蓄積させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 放熱するステップは、
    二次貯蔵容器からタンクへ液体ＰＣＭを付加して、それによって凍結したＰＣＭを熱交換器に接触させるステップと、
    温かい熱伝達流体を熱交換器を通してポンプで送るステップと、
    凍結したＰＣＭを溶融させるステップと、
    温かい熱伝達流体の温度を下げるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 更に、タンクから二次貯蔵容器への非混和性の流体層の少なくとも一部を除去するステップを含む、請求項１８に記載の方法。

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