JP2022502625A - 蓄熱容器内の流体の流れ - Google Patents

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Abstract

熱システムにおいて使用される蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とし、前記蓄熱容器が、蓄熱容器ハウジングと、流体注入口および流体吐出口と、相変化物質を含み、流体の流れをハウジング内側の異なる部分に導くように構成されている複数の通路を画成する、1つまたは複数のカプセルと、を備えており、流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、流体が流れるすべてのセクションを通じて流体注入口と流体吐出口との間で測定される直接的な長さよりも長い、蓄熱容器。関連する装置および方法も説明する。【選択図】 図7A

Description

[関連出願]
本出願は、米国仮特許出願第62/824,914号(出願日:2019年3月27日)、米国仮特許出願第62/824,575号(出願日:2019年3月27日)、および米国仮特許出願第62/824,541号(出願日:2019年3月27日)の優先権を主張し、これらの特許出願は、国際特許出願第PCT/IB2018/001091号(出願日:2018年9月25日)の優先権を主張し、この国際特許出願は、米国仮特許出願第62/685,147号「CONFIGURABLE THERMAL ENERGY STORAGE ARRAY」(出願日:2018年6月14日)および米国仮特許出願第62/562,562号「CONFIGURABLE THERMAL ENERGY STORAGE ARRAY」(出願日:2017年9月25日)の優先権を主張する。
上のすべての出願の内容は、本明細書に全体が記載されているのと同様に、参照により本明細書に組み込まれている。
本発明は、そのいくつかの実施形態においては、熱容器(thermal-container)に関し、より詳細には、以下に限定されないが、蓄熱システムの蓄熱容器内の相変化物質に隣接する流体の流れによって熱を交換することに関する。
先進国におけるエネルギ消費に関する多くの研究では、1年間に発生するピークエネルギ(電気)消費が400〜300時間(時間の5%)未満であることが指摘されている。このピークエネルギ需要のかなりの量は、ヒートポンプに依存するチラー、空調システム、暖房システムなどの構造的冷却システムに起因しうる。したがって、配電網の変動を相殺することのできる効率的かつ費用効果の高い冷却システムを提供するニーズが高まっている。
このニーズへの1つの対応として、熱エネルギ貯蔵システム、特に氷蓄熱システムが開発され、このシステムは、配電網の電力を消費するチラーやヒートポンプをオフピーク時に稼働させることによって低温または高温のエネルギを蓄えて、ピーク時またはその他の時間に、蓄えられたエネルギを放出する。いくつかの現在のシステムの欠点として、商業ビルと両立しない、モジュール性が欠如している、および設置面積が大きい(十分な熱エネルギ貯蔵を提供するために建物の高価な不動産資産の使用がしばしば必要となる)。結果として、このエネルギ貯蔵方法は、ピーク需要現象の大きな要因である商業セクタ(オフィスビル、ショッピングモール、ホテル、病院など)にはほぼまったく存在しない。
熱エネルギを貯蔵するためのこのような従来システムの最も一般的なタイプは、「アイスオンコイル(ice-on-coil)」貯蔵システムとして知られている。これらのシステムは、特に、液体の水から氷への相変化を利用することによって熱を蓄えるための相変化媒体(PCM)として水/氷で満たされたタンクを備えている。これらのシステムは、水/氷と熱を交換する目的でタンクの内側の水中に配置されているコイルをさらに備えている。このタイプのシステムを蓄熱している間、大きなブロックを形成するために、コイルの周囲に氷が蓄積する。これらのシステムは効率が著しく低く、なぜなら水の凍結は通常ではコイルにおいて始まり、凍った水は極めて良好な断熱材であるためである。したがって、潜熱エネルギを蓄える目的でコイルによって約0℃以下までタンクが冷やされると、コイル上の氷の層の厚さが増す。結果として、断熱層が大きくなることによって、貯蔵タンクの全容積を凍結させるのがますます困難になる。これは、「氷蓄積(ice-build-up)」問題として知られている。したがって従来のシステムは、コイルを冷却するのに極めて低い温度を使用しなければならず、これは非効率的である。さらには、低すぎる温度での動作によって、チラーのCOP(性能係数)が低下する。
さらに、従来の別のタイプの熱エネルギ貯蔵システムは、「カプセルアイス(encapsulated ice)」貯蔵システムとして知られており、このシステムでは、エネルギを蓄えるための相変化媒体(PCM)としての水を含む複数の容器がタンクの内側に配置されている。容器の内側の水/氷と熱を交換するためのさらなる媒体(例えば水−グリコール混合物)が、必要に応じてタンクを通るように送り込まれる。しかしながら現在のところ、このタイプの熱エネルギ貯蔵システムも、効率および信頼性に欠ける。
いくつかの現在のシステム、特に、水/氷を使用する「カプセルアイス」システムおよび「アイスオンコイル」システムの非効率性の1つは、氷核生成が遅い、または一貫性がないことであり、結果として熱エネルギの貯蔵および放出が非効率的である。一貫性のない氷核形成および生成は、一般には、所望の温度で凍結しない過冷却水によって引き起こされる。
いくつかの現在のシステムのさらなる制限として、貯蔵流体(水)の体積と総システム容積との間の比率が制限される、および/または、貯蔵流体(水)と熱伝達流体(グリコールなど)との間の接触が限られ、その原因として、放熱サイクルが進むにつれてカプセルの内側の貯蔵流体と熱伝達流体の間に水のバリア(water barrier)が成長する、または貯蔵流体容器の充填率が低い、または貯蔵流体容器の設計が悪く十分な表面積が熱伝達流体に露出しない、または熱伝達流体の流れが遮断されて、蓄熱の効率が大きく低下するためである。一部のシステムにおけるさらなる制限は、放熱プロセスが非効率的である結果として、システムに貯蔵されている氷のすべてが溶けないことである。さらに従来のシステムでは、放熱率が不十分であり特に低下し、負荷需要をサポートするのに十分ではない。言い換えれば、従来の氷蓄熱システムは、通常では、不安定かつ低下する放熱挙動/放熱曲線という問題を抱えている。
エネルギ貯蔵媒体として水/氷を使用する一部の熱エネルギ貯蔵システムのさらなる問題点は、例えば材料の疲労やシステムの流れ特性の変化に起因して、年月の経過に伴ってシステム性能が低下することである。特に、現在の「カプセルアイスシステム」の場合、凍結するときに水の体積の膨張・収縮が繰り返されることによって、このような問題が生じることがある。相変化媒体(PCM)として水を使用する一部の従来の熱エネルギ貯蔵システムの1つのさらなる問題点は、放熱サイクルの後半において出力率(power rate)が低下することである。この現象は、カプセル内の溶けた水が、熱交換/熱伝導に対するバリアとして機能することによるものであり、この熱バリアは氷が溶けるにつれて常に大きくなる。
上記および本明細書全体を通じて記載されているすべての参考文献の開示、およびそれらの参考文献内に記載されているすべての参考文献の開示は、参照により本明細書に組み込まれている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換するための、熱システムにおいて使用される前記蓄熱容器であって、蓄熱容器ハウジングと、流体注入口および流体吐出口と、相変化物質を含み、流体の流れをハウジング内側の異なる部分に導くように構成されている複数の通路を画成する、1つまたは複数のカプセルと、を備えている、蓄熱容器、を提供する。
オプションとして、1つまたは複数の上流のカプセルが、ハウジングの下流に配置されている1つまたは複数の下流のカプセルに対して横向きにハウジング内に配置されている。
オプションとして、長手方向軸が蓄熱容器を通って定義されており、1つまたは複数のカプセルが、1つまたは複数の下流のカプセルに対して長手方向軸を中心として少なくとも30゜の角度の向きを有する。
オプションとして、1つまたは複数のカプセルが水平方向であり、1つまたは複数のすぐ下流のカプセルが垂直方向である。
オプションとして、カプセルを通じた流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さは、一般的な流れの方向において流体注入口と流体吐出口の間で測定される長さよりも長い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、蓄熱容器の中を流れる流体によって熱を交換する方法であって、
流体を、流体注入口を介して蓄熱容器の中に挿入するステップと、
蓄熱容器のセクションの内側で、流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、
流体の流れ方向を、蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、
蓄熱容器の別の部分において、交換するステップおよび修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、
流体を、蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、
を含む、方法、を提供する。
オプションとして、セクションを通じた流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さは、流体が中を流れるセクションすべてを通じて流体注入口と流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い。
オプションとして、交換するステップは、セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルとの交換である。
オプションとして、修正するステップは、セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルの向きを変化させることによる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、熱エネルギ貯蔵アレイは、複数の氷ブリック(ice brick)を備えており、氷ブリックの各々が複数のカプセルを備えており、氷ブリックは、氷ブリックの中を流れる第1の流体の流体連通のために相互に接続されており、氷ブリックは、モジュール構造配置に構成されており、モジュール構造配置は、ブリックが上下に積み重ねられている、ブリックが端から端まで配置されている、またはブリックが互いに横に配置されている、の1つまたは複数を含む。
オプションとして、アレイは、ブリックのモジュール構造配置の外面を囲む断熱パネルをさらに備えている。これらの断熱パネルは、モジュールの外面を囲むように設けられている。その一方で、外側以外の面には断熱パネルが設けられていない。断熱パネルは、ブリックの計画されたモジュール式配置に従って1つまたは複数のブリックの上に取り付けられるように設計されている。結果として、氷ブリック構造が均一であり、設置が容易であり、解体も容易である。この構造により、必要なトータルの断熱が節約され、なぜならアレイ全体の外面のみを断熱すればよく、すべてのブリックのすべての表面を断熱する必要がないためである。
オプションとして、カプセルは第2の流体を含む。オプションとして、この第2の流体は水を含む。オプションとして、アレイは、流体分配システムをさらに備えている。オプションとして、第1の流体は、第2の流体よりも低い凝固点を有する。オプションとして、第2の流体は、氷核生成材を含む。オプションとして、この氷核生成材は石英である。オプションとして、ブリックは、カプセルの内側に含まれる65%〜85%の第2の流体を含む。オプションとして、アレイは、第1の流体を冷却するTESチラーをさらに備えている。
オプションとして、TESチラーの凝縮部は第3の流体によって冷却され、第3の流体は、アレイによってサービス提供される構造内の負荷をさらに冷却する。オプションとして、アレイは、エアコンプレッサをさらに備えている。オプションとして、カプセルは、カプセルに第2の流体を最大限まで満たすことができるように、カプセルの上側角部に配置されている充填ノズルを備えている。オプションとして、カプセルは、1つまたは複数の狭側面スペーサおよび広側面スペーサを備えており、これらのスペーサは、ブリックの内側にカプセルが詰め込まれているときにカプセルの間に隙間を形成する。オプションとして、カプセルの表面は、カプセルの周囲の第1の流体の乱流を増大させるようにされている突起を備えている。オプションとして、ブリックは長方形である。オプションとして、ブリックは、50×50×400cmのサイズを有する。オプションとして、ブリックは、25×25×400cmのサイズを有する。オプションとして、ブリックは、750〜1200Lの容積を有する。オプションとして、ブリックは、15〜23TRHのエネルギ貯蔵容量を有する。オプションとして、カプセルは、シクロヘキサン形状を備えている。オプションとして、シクロヘキサン形状のカプセルは、ブリックの内側で自由に落ち着くようにブリックの内側に配置される。
オプションとして、ブリックは、地下に配置されるようにされている。オプションとして、ブリックは、円筒状であり、ブリックを地下に配置することができるように、ブリックの外側に沿って延びるらせん状の金属補強部を備えた管を備えている。オプションとして、カプセルは、ブリックの内側の固定位置に配置されている。オプションとして、ブリックは、カプセルの間に挿入される複数のスペーサをさらに備えており、これらのスペーサは、ブリック内を通る第1の流体の流れを確保し、またスペーサは、第2の流体が溶けることによってカプセルの間の隙間が増大するときに乱流を最大にする。
本発明のいくつかの実施形態によれば、負荷の冷却のために熱エネルギ貯蔵(TES)システムを放熱する方法は、TESシステムを提供するステップであって、TESシステムが、氷ブリックのアレイ、コントローラ、および流体分配システムを備えており、アレイが、流体分配システムによって、氷ブリックの複数のサブセットに分割され、コントローラがコンピューティングデバイスである、ステップと、負荷の冷却のために第1の流体が複数のサブセットの第1のサブセットを流れるように、第1のサブセットをコントローラによって有効化するステップと、第1の流体の温度をコントローラによって監視するステップと、第1の流体の温度がしきい値を超えるとき、負荷の冷却のために第1の流体が複数のサブセットのさらなるサブセットを流れるように、そのさらなるサブセットをコントローラによって有効化するステップであって、さらなるサブセットが、アクティブな放熱プロセス中に有効化されていないサブセットである、ステップと、前の2つのステップを繰り返すステップと、を含む。
オプションとして、第1の流体がすべての有効化されたサブセットを流れるように、さらなるサブセットは、第1のサブセットに加えて有効化される。オプションとして、本方法は、複数のサブセットすべてが有効化されたかをコントローラによって判定するステップと、複数のサブセットすべてが有効化されたときに、コントローラによって放熱を終了するステップと、をさらに含む。オプションとして、流体分配システムは、少なくとも1つのポンプおよび少なくとも1つの流れ制御機構を備えており、サブセットを有効化するステップは、第1の流体がそのサブセットを流れるように、少なくとも1つのポンプおよび少なくとも1つの流れ制御機構を作動させるステップを含む。オプションとして、氷ブリックそれぞれは、カプセルを含む容器を備えており、この容器は、アレイ内で第1の流体の流体連通を可能にするための注入口および吐出口の管を備えている。オプションとして、カプセルは、放熱の前に第1の流体の温度より低い温度を有する第2の流体を含み、第1の流体が氷ブリックの中を流れるにつれてカプセルが第1の流体を冷却する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、熱エネルギ貯蔵ユニットであって、第1の流体のための少なくとも1つの注入口および少なくとも1つの吐出口を有するチューブと、第2の流体を中に有する複数のカプセルであって、複数のカプセルがチューブの内側に配置されている、複数のカプセルと、を備えており、第1の流体が、第2の流体と熱を交換するための熱伝達流体であり、第2の流体が相変化媒体であり、注入口から吐出口までの第1の流体の実際の流路の平均長さが、チューブの長さより大きい、熱エネルギ貯蔵ユニット、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、熱エネルギ貯蔵ユニットであって、第1の流体のための少なくとも1つの注入口および少なくとも1つの出口を有するチューブと、第2の流体を中に有する複数の板状カプセルであって、複数のカプセルがチューブの内側に重ねられている、または複数のカプセルが、カプセルの複数のスタックを形成するようにチューブの内側に配置されている、複数のカプセルと、を備えており、第1の流体が、第2の流体と熱を交換するための熱伝達流体であり、第2の流体が相変化媒体であり、第1の流体のための複数の定義された狭いかまたは浅い流路が、カプセルの間に設けられる、熱エネルギ貯蔵ユニット、を提供する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、流路がその少なくとも一部において蛇行パターンで提供されるようにされているカプセル、を有する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、チューブが長方形であるように構成されており、チューブの幅に対するチューブの長さの比が約4〜50の範囲内である、および/または、チューブの高さに対するチューブの幅の比が約0.5〜2の範囲内である。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、チューブの形状が長方形であるように構成されており、チューブの幅に対するチューブの長さの比が12〜20の範囲内でありオプションとして約16である、および/または、チューブの高さに対するチューブの幅の比が約1である。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、複数のカプセルの第2の流体の合計体積が、チューブの総容積の50%〜90%、オプションとして65%〜85%であるように、構成されている。これは、チューブの総容積に対する第2の流体の体積の最適または最適に近い比率であることが証明されている。流体と熱を交換できるようにする目的で、第1の流体のための十分な空間が存在しなければならず、その一方で、熱を蓄えるためのできる限り多くの利用可能な容量が存在しているべきである。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、a)注入口および吐出口がチューブの同じ端部に設けられている、かつ、b)各カプセルの上の、注入口から吐出口までの第1の流体の流れが本質的に二方向である、ように、熱エネルギの貯蔵が提供されるように構成されている。例えば、カプセルのほぼ中央に配置されているゴム製の密封要素は、チューブの内側の第1の流体の流れの分割器として機能することができる。したがって、異なる温度を有することのできる第1の流体のほぼ二方向の2つの流れが、カプセルのそばを通過することができる。結果として、カプセルは、第1の流体の2つの異なる流れによって影響され、2つの異なる温度によって加熱または冷却され、したがってカプセルの内側に温度勾配が発生する。この温度勾配の結果として、カプセルの内側で第2の流体(水)が有利に循環し、この循環は、カプセルの内部における熱輸送効果をもたらし、カプセルの内側の溶けた水の分離バリアの蓄積を妨げるように追加的に作用する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、箱状または板状のカプセルの広い側面が凹状(形状)であるように構成されている。凹状の壁を有するこのようなカプセルは、少なくとも中央において、壁のある程度の柔軟性をもたらす。したがって第2の流体の相変化時に壁が損傷することなく第2の流体の体積が増大できるように、カプセルの壁が曲がることができる。さらに、広い側面の凹形状により、並べて重ねられているカプセルの間に、狭い形状の定義された流路が形成される。カプセルの壁の広い側面の凹形状により、スタックの隣り合うカプセルの間に、第1の流体のための狭い(または浅い)流れ通路が形成される。結果として、円筒状の通路と比較してのこの通路の容積に対する表面の比率が改善され、カプセルの広い側面に接触する第1の流体の面が増大する。したがって、第1の流体のための流れ通路(および流路)およびカプセルの対応する(狭い)形状を提供することによって、カプセルと第1の流体との間の接触面を通じた熱交換が改善され、これはさらに、空間を節約する解決策である。言い換えれば、対応する平坦な流れ通路を間に有する平坦なカプセルを設けることによって、カプセルと第1の流体との間の熱交換比率を著しく改善することができる。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルの少なくとも1つの表面が、チューブの中の第1の流体の流れの乱れを発生させるかまたは増大させるようにされている突起を備えているように、構成されている。これによりシステムの効率が高まる可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、複数のカプセルの各カプセルが同じタイプである、または複数のカプセルの各カプセルが第2の流体の同じ容積を有するように、構成されている。これにより製造コストが下がり、定義された流路を有するカプセルのスタックを形成するのが容易になる可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルの間に配置されている剛性のスペーサをさらに備えている。したがって、金属またはプラスチックから作製されている剛性の(例:格子型の)スペーサが、カプセルの平たい壁の間に配置されており、格子は、長方形穴、ひし形穴、または正方形穴の格子溶接タイプまたはチェーンロックタイプなど、多数の形状を有することができる。オプションとしてスペーサは、カプセルの壁が広がるための十分な自由空間が存在するような寸法であり、自由空間は、カプセルの容積の15%より大きいが、スペーサが存在しないときのカプセル間の仮想自由流れ領域の30%未満であるべきである。金属格子は、8本の垂直棒および6本の水平棒を有する寸法310×140mmの矩形マッシュ形状(square mash configuration)に溶接された、直径約2.8mmのステンレス鋼棒から作製することができる。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルの間に配置されている可撓性のスペーサをさらに備えており、可撓性のスペーサはフラップ(flap)を備えている。これらの可撓性のフラップは、カプセルの蓄熱状態に従って自身を調整する柔軟な流れ制御を提供する可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルがほぼ箱状または板状であるように構成されている。スペーサは、2つのカプセルの広い側面の間の自由流れ面積が、スペーサが存在しないときのカプセルの間の自由流れ面積の15%〜30%の範囲内であるような寸法を有する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、少なくとも1つのカプセルが核生成材(オプションとして石英)を含むように、構成されている。結果として、カプセルの冷却温度を、従来の氷蓄熱システムと比較して、より高くできる可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルが熱伝達片(heat transfer strip)を備えているように構成されており、熱伝達片は、オプションとして、カプセルの内部に熱を伝えるように配置されている。水を含む一部の従来のカプセルの問題点は、水の熱伝達率が極めて低いことである。したがってカプセルの内部深くから外側への熱伝達が、壁の近くに位置する水/氷によって遮断される。熱伝達片を使用することによって、この問題が解決する可能性があり、なぜなら熱伝達片はカプセルの内部にも効率的な熱伝達をもたらすためである。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、熱伝達片がアルミニウムから作製されているように、構成されている。この材料は、良好な熱伝導率を提供する。これに代えて、熱伝達片を、良好な熱伝導率を有する別の材料(例えばステンレス鋼)から作製することができる。オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、熱伝達片が、標準条件下で10W/(m*K)より大きい熱伝導率kを有する材料から作製されているように、構成されている。オプションとして、熱伝達片の熱伝導率kは、標準条件下で75W/(m*K)より大きい。これにより、カプセル内側の氷生成プロセスがさらに改善される可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、熱伝達片が、厚さ0.4〜4mm、長さ35〜350mm、幅5〜10mmを有するように、構成されている。これらの寸法は、カプセル内部への良好な熱伝達率をもたらす可能性がある。さらに、これらの熱伝達片は、小さい開口部を通じてカプセルの内側に容易に配置することができる。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルがほぼ箱状または板状であるように構成されており、カプセルは、カプセルの角部に1つの充填口を備えている。この形状は、高い表面−容積比率を有する。これにより、第1の流体と第2の流体との間の熱交換率が改善される可能性がある。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルがほぼ箱状または板状であるように構成されており、カプセルは、カプセルが互いに間隔をあけて配置されるように隆起部(ridge)を備えている。隆起部により、カプセルの間の第1の流体の定義された流路のための自由空間を形成することが可能になる。
カプセルは、平坦な広い側面、または全体には平坦ではない広い側面を有するため、重ねられた2つのカプセルの間に狭い(または浅い)空間が形成される。結果として、高い熱交換率を可能にする、第1の流体のための改善された定義された流路が形成される。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、チューブの外形が角柱であるように構成されており、角柱状のチューブの長さが、その最大直径の4倍である。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルが基体および突起部を有し、突起部が基体から突き出しており、基体が、第1の半径を有するほぼ球であり、突起部が、第2の半径を有するほぼ半球の形状を有し、第2の半径が第1の半径より少なくとも50%小さいように、構成されている。この好ましい実施形態は、シクロヘキサン形状のカプセル(後述する)に関連する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、突起部が基体の表面上に均一に分布しているように、構成されている。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、カプセルが12個の突起部を有し、したがってシクロヘキサン形状であるように、構成されている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、熱エネルギ貯蔵システムであって、上に述べた複数の熱エネルギ貯蔵ユニットを備えたシステムにおいて、熱エネルギ貯蔵ユニットが、建物の構造的配置要素(structural arrangement)の一部であり、構造的配置要素が、壁、床、または天井である、または壁、床、または天井の組合せであることを特徴とする、熱エネルギ貯蔵システム、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、熱エネルギ貯蔵システムであって、上に述べた複数の熱エネルギ貯蔵ユニットを備えたシステムにおいて、流れ切断面積(flow-cut-area)に対する、複数のチューブの合計長さの比が、約40〜400(cm/cm)の範囲内、オプションとして約60〜150(cm/cm)の範囲内であり、流れ切断面積が、カプセルあたりのチューブ内の第1の流体のための断面自由流れ面積(cross sectional free flow area)として定義されることを特徴とする、熱エネルギ貯蔵システム、を提供する。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵システムは、チューブの数が3〜5、オプションとして4であるように、構成されている。
オプションとして、熱エネルギ貯蔵システムは、複数のチューブの合計長さが10〜30メートル、オプションとして16メートルであるように、構成されている。この構成では、システムの最適または最適に近い熱交換率がもたらされることが証明された。
本発明のいくつかの実施形態によれば、上に説明した熱エネルギ貯蔵システムまたは熱エネルギ貯蔵ユニットのためのカプセルであって、カプセルが氷核生成材(オプションとして石英を含む)を含む、カプセル、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、上に説明した熱エネルギ貯蔵システムまたは熱エネルギ貯蔵ユニットのためのカプセルであって、カプセルが少なくとも1つの熱伝達要素(オプションとして金属片)を含む、カプセル、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、熱システムにおいて使用される蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とし、前記蓄熱容器が、蓄熱容器ハウジングと、流体注入口および流体吐出口と、相変化物質を含み、流体の流れをハウジング内側の異なる部分に導くように構成されている複数の通路を画成する、1つまたは複数のカプセルと、を含み、流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、流体が中を流れるすべてのセクションを通じて流体注入口と流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い、蓄熱容器、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、流体が中を流れるすべてのセクションを通じて流体注入口と流体吐出口の間で測定される直接的な長さの2倍よりも長い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、容器内のすべてのカプセルの合計熱交換面積との間の比として4.5×10−5〜45×10−5を有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、容器内のすべてのカプセルの合計熱交換面積との間の比として1×10−5〜100×10−5を有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、150cm/cmより大きいガンマ比を有し、ガンマ比は、熱伝達流体の流路の直線長さ(単位:センチメートル(cm))と、カプセルあたりの自由流れ断面積(単位:cm)との間の比として定義される。
本発明のいくつかの実施形態によれば、複数の通路が、ハウジングの内側で流体の蛇行流を引き起こすように構成されている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、1つまたは複数の上流のカプセルが、ハウジングの下流に配置されている1つまたは複数の下流のカプセルに対して横向きにハウジング内に配置されている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、長手方向軸が蓄熱容器を通って定義されており、1つまたは複数のカプセルが、1つまたは複数の下流のカプセルに対して長手方向軸を中心として少なくとも30゜の角度の向きを有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、1つまたは複数のカプセルが水平方向であり、1つまたは複数のすぐ下流のカプセルが垂直方向である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、カプセルを通じた流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、一般的な流れの方向において流体注入口と流体吐出口の間で測定される長さよりも長い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内に配置されているカプセルが、カプセルの輪郭の間に隙間を画成する、凹状の外形および凸状の外形の組合せを有する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、カプセルが金属片を含み、金属片の長さがカプセルの幅よりも長い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、1つまたは複数の乱流発生器(turbulator)を含む。
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、蓄熱容器の中を流れる流体によって熱を交換する方法であって、
流体を流体注入口を介して蓄熱容器の中に挿入するステップと、蓄熱容器のセクションの内側で、流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、流体の流れ方向を、蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、蓄熱容器の別の部分において、交換するステップおよび修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、流体を、蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、を含む、方法、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、修正するステップが、蓄熱容器の内側で流体の蛇行流を引き起こすことによる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、セクションを通じた流体注入口から流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、流体が中を流れるセクションすべてを通じて流体注入口と流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い。
本発明のいくつかの実施形態によれば、交換するステップは、セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルとの交換である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、修正するステップは、セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルの向きを変化させることによる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、カプセルの熱交換面の上に乱流を発生させるステップ、をさらに含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、カプセルの熱交換面の上に蛇行流を発生させるステップ、をさらに含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、修正するステップは、蓄熱容器内で乱流と蛇行流との間で流れを交互に変えることによる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、流体の流れは、蓄熱容器内の流体の流路の少なくとも35%において100〜300W/(m*K)の範囲内の強い乱流である。
本発明のいくつかの実施形態によれば、流体の流れは、蓄熱容器内の流体の流路の少なくとも35%において100W/(m*K)を超える熱伝達率を生成する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、蓄熱システムであって、熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とする、前記複数の蓄熱容器と、熱伝達流体入力部と、少なくともいくつかの蓄熱容器を直列に接続する配管と、流れ制御機構と、熱伝達流体出力部と、を含み、流れ制御機構が、熱伝達流体が蓄熱容器の中を通ることなく蓄熱容器を迂回して熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、蓄熱システム、を提供する。
本発明のいくつかの実施形態によれば、流れ制御機構は、電動弁であり、電動弁を制御するコントローラをさらに含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、コントローラは、通信線を通じて制御命令を受信するように構成されている。
本発明のいくつかの実施形態によれば、流れ制御機構は、圧力逃し弁である。
本発明のいくつかの実施形態の一態様によれば、蓄熱容器の中を流れる熱伝達流体によって熱を交換する方法であって、蓄熱システムを提供するステップであって、蓄熱システムが、蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る熱伝達流体の流れによって熱を交換するための、熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器と、熱伝達流体入力部と、少なくともいくつかの蓄熱容器を直列に接続する配管と、流れ制御機構と、熱伝達流体出力部と、を含み、流れ制御機構が、熱伝達流体が蓄熱容器の中を通ることなく蓄熱容器を迂回して熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、ステップと、熱伝達流体がより下流の蓄熱容器を迂回するための流路を開くための制御信号を、流れ制御機構に供給するステップと、を含む、方法、を提供する。
上に述べた実施形態の技術的な効果について、以下にさらに詳しく説明する。蓄熱システムの重要な性能基準の1つは、必要な温度制限の中で放熱の有効期間全体にわたり維持することのできる、貯蔵容量に対する平均放熱率である。特定の容量を保持する一般的なシステムは、例えば4時間の期間の間に貯蔵容量のできる限り多くを放熱し、第1の流体の最終出口温度を5℃以下に維持できるべきである。
上述した要件の結果として、所与のカプセルの有効熱伝達率は、できる限り高いべきである。カプセルの熱伝達率は、詳しくは以下によって決まる。
1.以下を含む熱の伝達の面積
i.カプセル715内側の氷材料(例:塊)の有効伝達面積(熱伝達はカプセルの壁の内部表面積全体から始まり、氷材料が溶け始めると減少し、氷の形成時はこの逆である)
ii.カプセルの壁の内側面積(すなわちカプセルの材料への氷/水の熱伝達面積)
iii.カプセルの壁の外側面積(すなわち第1の流体への外側熱伝達面積)
2.以下を含む熱伝達率(HTC)
i.第2の流体(すなわち氷から水(融解)または水から氷(凍結))
ii.カプセル内側の水のさらなる影響(すなわちカプセルの内側から水自体を通じた熱伝導)
iii.第2の流体からカプセル材料(いわゆる膜HTC、すなわち例えばカプセル内側の第2の流体の循環に依存する境界効果)
iv.カプセル材料自体、例えばポリマ(すなわちカプセルの材料自体の熱伝導)
v.カプセルの材料から第1の流体(例えばカプセルの外側を流れる第1の流体の速度および乱流に依存する境界効果)
3.以下を含む温度差
i.カプセルの内部と第1の流体の間の合計温度差
ii.段階2i〜2vあたりの個々の差
いくつかの変数はほぼ一定であるとみなすことができる(1ii,1iii,2i,2ii,2iii,2iv,3i)。それ以外の変数は放熱のプロセス中に変化する。詳細は以下である。
1i 氷材料(塊)の表面積は放熱プロセス中に著しく減少する。減少率は、必ずしも溶けた氷の割合に対して線形関係ではない。
2v カプセル材料から第1の流体120への熱伝達率は、第1の流体120の流れ特性に大きく依存する。氷が溶けることにより流路の空間が大きくなり続ける(カプセルが「水で満たされたときのサイズ」まで収縮する)結果として熱伝達流体の速度が減少し、それとともにプラスチックから熱伝達流体表面への熱伝達率(HTC)が低下する(流れのレイノルズ数によっては、必ずしも溶けた氷の割合に対して線形比例しない)。
上に説明した実施形態では、上に述べた項目1〜3のいくつかを考慮する。例えば、板状または箱状のカプセルは、カプセルの容積に対するカプセルの表面積が大きい。剛性ポリマを使用することでカプセルの材料の厚さを小さくすることによって、カプセルの壁を通じた熱伝達率(HTC)が改善される。カプセルの内側に金属の伝達片を提供することによって、氷から水へのHTCおよび水のHTCが改善される。各カプセルを第1の流体の温度の異なる二方向の流れに接触させることにより、カプセル内側の第2の流体の内部循環を引き起こす結果として、カプセル内側で第2の流体の体積が有利に交換され、これにより、循環によって熱の伝導が促進されるためカプセルの内部HTCが改善される。カプセルの表面に突起を追加することによって第1の流体の流路に乱流プロファイルを提供する結果として、同様に第1の流体自体の移動によって熱伝導が促進されるため、カプセルの壁と第1の流体との間のより効率的な熱伝達につながる。対照的に、純粋な層流プロファイルは熱伝達率にマイナスに影響し、なぜならカプセルの境界における第1の流体の速度が0に近づくためであり(これは境界現象に起因する)、したがって純粋な層流の場合、第1の流体自体の移動によって熱伝達が提供されない、またはわずかな熱伝達が提供される。カプセルの間のスペーサまたは格子に金属または他の材料を使用する結果として、乱流プロファイルおよび定義された流路が得られる。スペーサとカプセルとの間に狭い流路を維持する可変/可撓性のスペーサを使用することによっても、熱伝達率が高まる。
上記を要約すると、本発明の提示された実施形態および態様のいくつかは、放熱の後半を通じて放熱率を安定させる可能性があり、また、商業ビルと両立するものとしてセルを位置づける可能性があり、したがって安全、クリーン、効率的、かつ非高価な方法で、水がエネルギの有用な貯蔵媒体になることを可能にする。
特に定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術および/または科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により通常理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様のまたは等価な方法および材料を、本発明の実施形態の実践または試験に使用することができるが、例示的な方法および/または材料を下記に記載する。矛盾する場合、定義を含む特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、必ずしも限定を意図するものではない。
用語「氷ブリック」は、特に、熱伝達流体(すなわち第1の流体)と、相変化媒体(PCM)(すなわち第2の流体)を含む複数のカプセルとを収容するようにされている熱エネルギ貯蔵ユニットとして理解することができる。
用語「チューブ」は、長さが直径の少なくとも2倍、好ましくは6倍である細長い中空体として理解することができる。チューブの断面は、円形、楕円形、正方形、長方形、または多角形とすることができる。オプションとして、チューブの断面は長方形であり、チューブの全長にわたり本質的に一定である。
用語「カプセル」は、相変化媒体(PCM)(水または水の混合物など)を永久的に貯蔵するための囲まれた容積として理解することができる。これに加えて、この囲まれた容積の内側に、いくつかのさらなる要素または成分を格納することができる。
用語「熱」は、蓄える、および交換することのできる熱エネルギを意味する。
熱交換器の効率または有効性は、最大可能な熱伝達率に対する、熱交換器における実際の熱伝達率の比である。
断面は、チューブの幅方向における断面図を示している。
本発明の方法およびシステムの実施は、特定の選択されたタスクまたはステップを、手操作で、または自動的に、またはこれらの組合せによって、実行または完了することを含む。さらには、本発明の方法およびシステムの好ましい実施形態の実際の機器および装置に応じて、いくつかの選択されたステップを、ハードウェアによって、または任意のオペレーティングシステム上のソフトウェアによって、または任意のファームウェアによって、またはこれらの組合せによって、実施することができる。例えば、ハードウェアとしては、本発明の選択されたステップを、チップまたは回路として実施することができる。ソフトウェアとしては、本発明の選択されたステップを、任意の適切なオペレーティングシステムを使用するコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実施することができる。いずれの場合も、本発明の方法およびシステムの選択されたステップは、データプロセッサ(複数の命令を実行するコンピューティングプラットフォームなど)によって実行されるものとして説明することができる。
本発明は、「コントローラ」、「コンピューティングデバイス」、「コンピュータ」、または「モバイルデバイス」に関連して説明されているが、オプションとして、データプロセッサおよび1つまたは複数の命令を実行する能力を特徴とする任意の装置(以下に限定されないが、任意のタイプのパーソナルコンピュータ(PC)、PLC(プログラマブルロジックコントローラ)、サーバー、分散サーバー、仮想サーバー、クラウドコンピューティングプラットフォーム、携帯電話、IP電話、スマートフォン、またはPDA(携帯情報端末)を含む)が、コンピュータとして説明されうることに留意されたい。互いに通信する2つ以上のそのようなデバイスは、オプションとして「ネットワーク」または「コンピュータネットワーク」を備えることができる。
当業者には理解されるように、本発明のいくつかの実施形態は、システム、方法、またはコンピュータプログラム製品として実施することができる。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態(ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む)、またはソフトウェアの側面とハードウェアの側面を組み合わせた実施形態、の形をとることができ、これらはいずれも本明細書においては、一般に「回路」、「モジュール」、または「システム」と称することがある。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、コンピュータ可読プログラムコードを実装した1つまたは複数のコンピュータ可読媒体に実施されたコンピュータプログラム製品の形をとることができる。本発明のいくつかの実施形態の方法および/またはシステムの実施は、選択されたタスクを、手動で、または自動的に、またはこれらを組み合わせて、実行および/または完了することを含むことができる。さらに、本発明の方法および/またはシステムのいくつかの実施形態の実際の機器および装置によれば、いくつかの選択されたタスクを、ハードウェアによって、またはソフトウェアによって、またはファームウェアによって、および/またはこれらの組合せによって(例:オペレーティングシステムを使用して)、実施することができる。
例えば、本発明のいくつかの実施形態に係る選択されたタスクを実行するハードウェアは、チップまたは回路として実施することができる。ソフトウェアとしては、本発明のいくつかの実施形態に係る選択されたタスクは、任意の適切なオペレーティングシステムを使用するコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実施することができる。本発明の例示的な一実施形態においては、本明細書に記載されている方法および/またはシステムのいくつかの例示的な実施形態に係る1つまたは複数のタスクは、複数の命令を実行するコンピューティングプラットフォームなどのデータプロセッサによって実行される。オプションとして、データプロセッサは、命令および/またはデータを記憶する揮発性メモリ、および/または、命令および/またはデータを記憶する不揮発性記憶装置(例えば磁気ハードディスクおよび/またはリムーバブル媒体)、を含む。オプションとして、ネットワーク接続も提供される。ディスプレイ、および/または、キーボードやマウスなどのユーザ入力デバイスも、オプションとして提供される。
1つまたは複数のコンピュータ可読媒体の任意の組合せを、本発明のいくつかの実施形態において利用することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体とすることができる。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、以下に限定されないが、電子式、磁気式、光学式、電磁式、赤外線式、または半導体のシステム、装置、またはデバイス、またはこれらの任意の適切な組合せとすることができる。コンピュータ可読記憶媒体のさらに具体的な例(すべてを網羅するリストではない)は、以下、すなわち、1本または複数の線を有する電気接続、携帯型のコンピュータディスク、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)、消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、光ファイバ、携帯型のコンパクトディスク読み取り専用メモリ(CD−ROM)、光記憶装置、磁気記憶装置、またはこれらの任意の適切な組合せ、を含む。本文書の文脈においては、コンピュータ可読記憶媒体は、命令を実行するシステム、装置、またはデバイスによって、または関連して使用するためのプログラムを含むかまたは格納することのできる任意の有形媒体、とすることができる。
コンピュータ可読信号媒体としては、コンピュータ可読プログラムコードが、例えばベースバンドにおいて、または搬送波の一部として実施されている、伝搬されるデータ信号、が挙げられる。このような伝搬信号は、さまざまな形(以下に限定されないが、電磁気、光、またはこれらの任意の適切な組合せを含む)のいずれかをとることができる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、かつ、命令を実行するシステム、装置、またはデバイスによって、または関連して使用するためのプログラムを伝える、伝搬させる、または運ぶことのできる、任意のコンピュータ可読媒体、とすることができる。
コンピュータ可読媒体に実施されているプログラムコード、および/または、このようなプログラムコードによって使用されるデータは、任意の適切な媒体(以下に限定されないが、ワイヤレス、有線、光ファイバケーブル、無線周波数など、またはこれらの任意の適切な組合せを含む)を使用して送信することができる。
本発明のいくつかの実施形態の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、1種類または複数種類のプログラミング言語(オブジェクト指向プログラミング言語(Java、Smalltalk、C++など)および従来の手続き型プログラミング言語(「C」プログラミング言語または類似するプログラミング言語など)を含む)の任意の組合せにおいて書くことができる。プログラムコードは、その全体を使用者のコンピュータ上で実行する、またはその一部を独立したソフトウェアパッケージとして使用者のコンピュータ上で実行する、または一部を使用者のコンピュータ上で実行しかつ一部を遠隔のコンピュータ上で実行する、または全体を遠隔のコンピュータまたはサーバー上で実行する、ことができる。後者のシナリオでは、遠隔のコンピュータは、任意のタイプのネットワーク(ローカルエリアネットワーク(LAN)またはワイドエリアネットワーク(WAN)を含む)を通じて使用者のコンピュータに接続することができる、または、(例えばインターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを通じて)外部のコンピュータへの接続を形成してもよい。
本発明のいくつかの実施形態は、本発明の実施形態に係る方法、装置(システム)、およびコンピュータプログラム製品の流れ図および/またはブロック図を参照しながら、以下に説明されていることがある。流れ図および/またはブロック図の各ブロック、および、流れ図および/またはブロック図におけるブロックの組合せを、コンピュータプログラム命令によって実施できることが理解されるであろう。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、またはマシンを形成する他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供することができ、したがってこれらの命令(コンピュータまたは他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行される)は、流れ図および/またはブロック図の1つまたは複数のブロックに指定されている機能/動作を実施する手段を形成する。
これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他の装置に、特定の方法で機能するように指示することのできるコンピュータ可読媒体に格納してもよく、したがって、コンピュータ可読媒体に格納されている命令は、流れ図および/またはブロック図の1つまたは複数のブロックに指定されている機能/動作を実施する命令を含む製品を形成する。
コンピュータまたは他のプログラマブル装置で実行される命令が、流れ図および/またはブロック図の1つまたは複数のブロックに指定されている機能/動作を実施するためのプロセスを提供するように、コンピュータプログラム命令を、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他の装置にロードして、一連の動作ステップがコンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、または他の装置で実行されて、コンピュータによって実施されるプロセスが生成されるようにしてもよい。
本明細書に記載されている方法のいくつかは、一般的にコンピュータによる使用のみを目的として設計されており、専門家が純粋に手動で実行するには適していない、または実用的ではないかもしれない。類似するタスク(熱エネルギの貯蔵を制御するなど)を手動で実行することを望む専門家は、まったく異なる方法(例えば、専門知識および/または人の脳のパターン認識能力を利用する)を使用することが予想され、それは本明細書に記載されている方法のステップを手動で行うよりもはるかに効率的である。
冷凍トン(TR)という用語(RTとも称される)は、いくつかの国において(特に北米において)、冷凍設備および空調設備の熱抽出能力を表すために使用される出力単位である。TRは、米トン、2000ポンド、または907kgの0℃の純氷が24時間で凍るかまたは溶ける熱伝達率として定義される。
冷凍トンは、約12,000BTU/hまたは3.5kWに等しい。
本発明のいくつかの実施形態について、その例示のみを目的として添付の図面を参照して本明細書に記載する。以下、特に図面を詳細に参照して示す細部は、例示を目的とし、また本発明の実施形態の詳細な説明を目的とすることを強調する。同様に、図面と共に説明を見ることで、本発明の実施形態をどのように実践し得るかが当業者には明らかとなる。
本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る蓄熱アレイの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷ブリックの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルの図解である。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る円筒状の氷ブリックを示している。 氷ブリックの個別のサブセットをコントローラによって有効化することのできるTES(熱エネルギ貯蔵)システムを示している。 TESシステムの動作の流れ図を示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、TESシステムの動作からの実験データを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。 チューブおよびカプセルを含む熱エネルギ貯蔵ユニットと、熱エネルギ貯蔵ユニットの断面図とを示している。 チューブおよびカプセルを含む熱エネルギ貯蔵ユニットと、熱エネルギ貯蔵ユニットの断面図とを示している。 チューブおよびカプセルを含む熱エネルギ貯蔵ユニットと、熱エネルギ貯蔵ユニットの断面図とを示している。 チューブおよびカプセルを含む熱エネルギ貯蔵ユニットと、熱エネルギ貯蔵ユニットの断面図とを示している。 金属片を含むカプセルを示している。 金属片を含むカプセルを示している。 カプセルの間のスペーサを示している。 カプセルの間のスペーサを示している。 本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側の熱交換流体の流れの簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側の熱交換流体の流れの簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側で熱交換流体を流す方法の簡略流れ図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の側面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の側面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の側面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器において使用されるカプセルの斜視図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の配置編成の斜視図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。 本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器のデータシートの例である。 本発明の例示的な実施形態に係る、ブリックおよび迂回機構の簡略図である。 本発明の例示的な実施形態に係る、ブリックおよび2つの弁の簡略図である。 本発明の例示的な実施形態に係る、3つのブリックおよび弁の簡略図である。 本発明の例示的な実施形態に係る、蓄熱容器の中を流れる熱伝達流体によって熱を交換する方法の簡略流れ図である。 本発明の例示的な実施形態を使用して実行された実験の結果を示す様々なグラフである。
本発明は、そのいくつかの実施形態においては、熱容器に関し、より詳細には、以下に限定されないが、蓄熱システムの蓄熱容器において相変化物質に隣接する流体の流れによって熱を交換することに関する。
[概要]
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、蓄熱容器の内側で熱交換面に隣接する長い流路を有する熱交換流体によって熱を交換する、蓄熱容器、に関する。
いくつかの実施形態によれば、長い経路とは、流体が流体注入口から流体吐出口までまっすぐに進む場合に容器の全長を既知の速度で流れるのに必要な時間よりも、その既知の速度において流体が熱交換面の近傍においてより長い時間がかかる流れの長さ、として定義される。
いくつかの実施形態によれば、熱交換流体は、熱交換面に沿って画成されている通路の中を、注入口から吐出口まで1つまたは複数の経路内を流れる。いくつかの実施形態においては、流路の長さは、1cm未満の半径の乱流を無視して80%の流体が移動する流れの長さの中央値として定義される。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内の流れの長さは、流体の注入口と吐出口の間に流路に沿った蛇行流を有することによって延びる。
いくつかの実施形態によれば、容器内の流れの長さは、数値シミュレーションによって抽出される。
いくつかの実施形態によれば、流れの形状は、幅広く浅い。いくつかの実施形態においては、流れは、容器内の狭い通路内で浅くなるように制限され、これらの通路における流れ切断面積は小さい。いくつかの実施形態においては、流路は1つまたは複数の方向転換(ターン)を定義しており、流れはその狭い面を中心に方向転換する。いくつかの実施形態によれば、容器は、流れの流路の長さと流れ切断面積の間の大きい比を定義している。いくつかの実施形態においては、小さい流れ切断面積を有する容器は、その長さに沿って小さい断面積を有し、断面積と長さの間の比が小さい。いくつかの実施形態においては、流れの長さと流れ切断面積の間の比は、10〜800cm/cmの範囲内であるべきである。いくつかの実施形態においては、流れの長さと流れ切断面積の間の比は、20〜600cm/cmの範囲内であるべきである。いくつかの実施形態においては、流れの長さと流れ切断面積の間の比は、40〜400cm/cmの範囲内であるべきである。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内の長い流路は、流体的に接続された2つ以上のチャンバ(それぞれにおいて異なる一般的な流れ方向に流体が流れる)を有することによって画成される。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、蓄熱容器であって、相変化物質を収容するカプセルを有し、カプセルの側面である熱交換面に隣接する流路を有する熱交換流体によって熱を交換する、蓄熱容器、に関する。
いくつかの実施形態によれば、熱交換流体のほとんどが、相変化物質に隣接している。いくつかの実施形態においては、熱交換流体の体積の少なくとも60%が、相変化物質の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、熱交換流体の体積の少なくとも75%が、相変化物質の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、熱交換流体の体積の少なくとも90%が、相変化物質の5mm以内である。
いくつかの実施形態によれば、カプセル内の相変化物質が氷を含むとき、カプセルの横を流れる熱交換流体のほとんどが、氷に隣接している。いくつかの実施形態においては、流路の設計によって、氷の大部分がクーラントの近くであるようにすることができる。いくつかの実施形態においては、カプセル内の氷の少なくとも70%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、カプセル内の氷の少なくとも80%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、カプセル内の氷の少なくとも90%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、氷の大部分が熱交換面から5mm以内である。いくつかの実施形態においては、氷の大部分が熱交換面から3mm以内である。いくつかの実施形態においては、氷の大部分が熱交換面から2mm以内である。
いくつかの実施形態によれば、相変化物質の大部分が、熱交換流体に隣接している。いくつかの実施形態においては、相変化物質の体積の少なくとも30%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、相変化物質の体積の少なくとも70%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、相変化物質の体積の少なくとも80%が、熱交換流体の5mm以内である。いくつかの実施形態においては、相変化物質の体積の少なくとも40%が、熱交換流体の7mm以内である。
いくつかの実施形態によれば、カプセルは平坦であり、通路に沿った流れは乱流であり、流体の混合によって境界効果を回避することに関連して、より広い流れ通路がより狭い流れ通路として機能することを可能にする。
いくつかの実施形態によれば、流体が熱交換面に接触している合計時間を増やすために、カプセルは、流れをより長い経路に蛇行させるように構成されている。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、流体注入口と流体吐出口の間で蓄熱容器の中を流体が流れることによって熱を交換する、蓄熱容器、に関し、熱交換面の上に流体が存在している時間が、流体注入口と流体吐出口の間の流れ時間の少なくとも90%である。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、蓄熱容器の中を流体が流れることによって熱を交換し、流れを複数の副流に分割し、副流を混合して副流おける温度成層を低減する、蓄熱容器、に関する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器に関し、蓄熱容器はカプセルを含み、各カプセルは、蓄熱容器を通る流体の流れと2つ以上の表面を通じて熱を交換するための2つ以上の熱交換面を有する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、蓄熱容器の内側の相変化物質に接触している熱交換面の上の乱れた流体の流れによって熱を交換する、蓄熱容器、に関する。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、1つまたは複数の部分であって、少なくとも部分の中で所望の流体流れプロファイルを設定するように構造化されている部分、を備えている。いくつかの実施形態においては、流体流れプロファイルを設定することは、下流の部分における流れプロファイルに影響を及ぼす。
いくつかの実施形態によれば、プロファイルを設定することは、乱れた流体の流れプロファイルを生成することを含む。いくつかの実施形態においては、流体の所望の流れプロファイルは、乱流強度(turbulence intensity)を有する。いくつかの実施形態においては、流体の流れプロファイルを設定することは、乱流強度を高めることを含む。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、複数のカプセルを有し、流れパラメータを設定することは、流れの経路または大きさを制御するようにカプセルの向きを定めることによる。いくつかの実施形態においては、流れパラメータは、容器の長さに沿ってさまざまな向きにカプセルを配置することによって、修正される。
いくつかの実施形態によれば、上流の部分におけるカプセルが、下流の部分におけるカプセルとは異なる向きに配置される。いくつかの実施形態においては、カプセルの向きは、別のカプセルに対して横にカプセルを向けることによって修正される。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、長手方向軸に沿って長手方向に延びている。いくつかの実施形態においては、カプセルの向きは、長手方向軸を基準に定義される。いくつかの実施形態においては、カプセルの向きは、長手方向軸を中心とする回転の角度として定義される。いくつかの実施形態においては、容器のいくつかの部分におけるカプセルの向きは、別の部分におけるカプセルの向きに直角である。いくつかの実施形態においては、1つの部分におけるカプセルの向きは、下流の部分または上流の部分におけるカプセルの向きに直角である。
いくつかの実施形態によれば、カプセルの少なくともいくつかが垂直な向きにあり、したがってそれらの熱交換面が垂直な姿勢にある。いくつかの実施形態においては、垂直な姿勢とは、垂直姿勢の向きにあり蓄熱容器の長手方向軸に平行である熱交換面として定義される。いくつかの実施形態においては、容器のいくつかの部分におけるカプセルの向きは水平であり、したがってそれらの熱交換面は水平である。いくつかの実施形態においては、隣接する部分は、交互に変わるカプセルの向きを有し、いくつかが垂直な向きにあり、いくつかが水平な向きにある。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、蓄熱容器の内側の相変化物質に隣接する複雑な経路(labyrinth)を通る流体の流れによって熱を交換する、蓄熱容器、に関する。
いくつかの実施形態によれば、複雑な経路は、相変化物質を含むカプセルによって画成され、したがって相変化物質がクーラントと混合しない。いくつかの実施形態においては、複雑な経路は、相変化物質の凍結によってカプセルが膨張するときに流体の通路を維持するように構成されている。いくつかの実施形態においては、複雑な経路は、流体の通路が塞がれることを防止するスペーサを有する。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、蓄熱容器(すなわちブリック)を直列に接続し、オプションとして必要なときにブリックを迂回するように熱伝達流体を構成することに関する。
カプセルの所与の構成(形状および材料)における貯蔵容量の放熱割合を高める目的で、1つの可能な構成は、ブリックを直列に接続することである。
ブリックを直列に接続することの潜在的な恩恵として以下が挙げられる。
下流のカプセル(さらに完全に蓄熱することができる、または容量のわずかな部分のみが放熱されている)が、熱伝達流体を所望の温度(例えば5℃未満)に冷却し続ける可能性があり、またブリックの直列の配置では、上流に位置する大きく放熱されたカプセルから冷却能力を引き出し続ける可能性がある。
メインヘッダへの接続が少ない
潜在的な欠点としては、ブリックを直列に接続しないときより、またはブリックを短い直列に接続するときよりも、大きい圧力降下が発生しうる。
いくつかの実施形態においては、オプションの迂回装置として機能するように構成されている流れ制御機構(放熱ヘッダに接続されているオン/オフ弁または圧力逃し弁など)が、オプションとして設置されている。このような場合、圧力降下を低減する目的で、オプションとして、より下流の凍結したブリックを迂回することができる。
いくつかの実施形態においては、ブリックを直列に接続することと、命令時に迂回できるようにすることを組み合わせることにより、圧力降下を必要な限界値以下に維持しながら、必要に応じた放熱率を可能にできる可能性がある。
本発明の少なくとも1つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、必ずしもその用途が、以下の記載に示す、および/または図面および/または実施例で例示する、構成の詳細および要素の配置および/または方法に限定されるものではないことを理解するべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、さまざまな手段で実施または実行することが可能である。
本明細書には、蓄熱容器についてと、熱貯蔵システムの蓄熱容器内の相変化物質に隣接する流体の流れによって熱を交換することが説明されている。これに加えて、さらなる説明が国際特許出願第PCT/IB2018/001091号に記載されていることを記しておく。
[流体の流れのパラダイム]
図10Aおよび図10Bを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側の熱交換流体の流れの簡略概略図である。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、熱交換流体を受け入れて、この流体を蓄熱容器の内側に伝えて熱交換面の上に流体を流し、この流体を出力するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、熱交換は、蓄熱容器の入口と出口の間で流体の温度を下げることを目的とする。いくつかの実施形態においては、熱交換面は、相変化物質を使用することによって冷却される冷たい表面である。
図10Aおよび図10Bに示したように、熱交換流体1004は、蓄熱容器1002内の次の流れステーション(flow stations)を有する。
入口1010:いくつかの実施形態においては、流体は、流体注入口を介して蓄熱容器1002に入る。
出口1012:いくつかの実施形態においては、流体は、流体吐出口を介して蓄熱容器1002から出る。
いくつかの実施形態においては、例えば図10Aに示したように、入口1010および出口1012が、蓄熱容器1002の同じ側面にある。いくつかの実施形態においては、例えば図10Bに示したように、入口1010および出口1012が、蓄熱容器1002’の反対の側面にある。いくつかの実施形態においては、入口1010および出口1012は、互いに反対ではない蓄熱容器1002’の異なる(例えば互いに直角な)側面にある。
いくつかの実施形態によれば、流体は、入口1010と出口1012の間で、所望の流体流れプロファイルを有する複数のステーション1014の中を流れる。
いくつかの実施形態によれば、ステーション1014の1つまたは複数は、流体経路を蛇行として設定する。蛇行流を有する潜在的な利点は、熱交換面の上の、容器1002内の流れの長さが増大し、蓄熱容器の長さあたりの熱対流が広がることである。
いくつかの実施形態によれば、ステーション1014の1つまたは複数は、流体の流れが乱流であるように設定する。いくつかの実施形態においては、流れを蛇行させることによって乱流強度が高まる。
乱流の潜在的な利点は、流体が混合されて、流体の層の形成が防止されることである。流体が混合されることにより、蓄熱容器の長さあたりの、熱交換面と熱を交換する流体の量が増える可能性がある。いくつかの実施形態においては、乱流を増やすことによって、流体の温度がより速く下がる。いくつかの実施形態によれば、容器1002/1002’の内側の流体の流れのレイノルズ数は、流れステーション1014によって定義される流れのパラダイムによって制御される。いくつかの実施形態においては、ステーション1014の1つまたは複数においてレイノルズ数が高められ、これによって高い熱伝達率がもたらされる可能性がある。レイノルズ数を高めることによって、流体の温度がより均一になる可能性がある。
いくつかの実施形態においては、流体の流れ1004は、蓄熱容器1002内の(入口1010と出口1012の間の)流体の流路の少なくとも35%において、強い乱流である(例:100〜300W/(m*K)の範囲内)。いくつかの実施形態においては、流体の流れ1004は、蓄熱容器1002内の(入口1010と出口1012の間の)流体の流路の少なくとも50%において、強い乱流である。いくつかの実施形態においては、流体の流れ1004は、蓄熱容器1002内の(入口1010と出口1012の間の)流体の流路の少なくとも70%において、強い乱流である。いくつかの実施形態においては、流路の残りにおいては、流れは弱い乱流である。いくつかの実施形態においては、流路の残りにおいては、流れは層状である。
いくつかの実施形態によれば、流れが強い乱流に遷移するとき、流体の圧力降下の増大は15%未満である。
いくつかの実施形態によれば、流体の流れが複数の副流に分割され、副流の蛇行によって副流が混合される。副流に分割することの潜在的な利点は、熱交換面との流体の接触が増すことである。副流を混合することの潜在的な利点は、流路に沿った流れの中の温度勾配が減少することである。
図10Aに示したように、いくつかの実施形態においては、流れステーションの1つまたは複数は、流れ1004の方向のターン1016(例えば流体吐出口の方へのUターン)である。いくつかの実施形態においては、流れ1004は、入口1010と出口1012との間に複数のターン1016を有する。いくつかの実施形態においては、ターンは、5〜90゜の範囲内である。いくつかの実施形態においては、ターンは、15〜75゜の範囲内である。いくつかの実施形態においては、ターンは、30〜60゜の範囲内である。いくつかの実施形態においては、ターンは水平面内である。いくつかの実施形態においては、ターンは垂直面内である。
[熱交換流体を流す例示的な方法]
図11を参照し、図11は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側で熱交換流体を流す方法の簡略流れ図である。
図11は、図10Aおよび図10Bで説明した流れのパラダイムの1つまたは複数を有する熱交換流体を流す実施形態の例である。流体を流す方法は以下のステップを有することができる。流れのパラダイムを生成する。
流体注入口を介して熱交換流体を蓄熱容器の中に挿入するステップ1102。
いくつかの実施形態によれば、流体は、0.2〜1.5m/Hr per RTの流量で蓄熱容器の中に送り込まれる(RTは冷凍トン単位で測定される冷却率)。いくつかの実施形態においては、流体の送り込みは、0.3〜1.0m/時の割合である。いくつかの実施形態においては、流体の送り込みは、0.5〜0.7m/時の割合である。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、圧力容器として定義される。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義される容器の中に、1〜4バール(g)の圧力で送り込まれる。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義される容器の中に、1.5〜3.5バール(g)の圧力で送り込まれる。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義される容器の中に、2〜3バール(g)の圧力で送り込まれる。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器は、圧力容器として定義されない。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義されない容器の中に、0.1〜2バール(g)の圧力で送り込まれる。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義されない容器の中に、0.3〜1.5バール(g)の圧力で送り込まれる。いくつかの実施形態においては、流体は、圧力容器として定義されない容器の中に、0.7〜1バール(g)の圧力で送り込まれる。
蓄熱容器のセクション内に熱交換流体を導くステップ1104。
いくつかの実施形態によれば、導くステップ1104は、セクションの内側で相変化物質と熱エネルギを交換することを目的とする。いくつかの実施形態においては、導くステップ1104は、セクション内で1つまたは複数の流路の方に流れの方向を変化させるステップを含む。
いくつかの実施形態によれば、容器は、連続的な向きで設置されており間に連続的な均一な断面を有するカプセル、を有し、したがって容器の内側に複数のセクションを有さない。
セクションの内側で熱交換面の上に乱流を発生させるステップ1106。
いくつかの実施形態によれば、発生させるステップ1106は、乱流の強度を高めるステップを含む。
熱交換面の上で流れを蛇行させるステップ1108。
導くステップ1104と、発生させるステップ1106と、蛇行させるステップ1108の1つまたは複数を繰り返すステップ。いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器は、複数(n)個のセクションを有し、繰り返すステップ1110は、蓄熱容器の他のセクションにおいて1回または複数回繰り返す。いくつかの実施形態においては、セクションの数(n)は、3〜30の間である。いくつかの実施形態においては、セクションの数(n)は、5〜20の間である。いくつかの実施形態においては、セクションの数(n)は、6〜10の間である。いくつかの実施形態においては、繰り返すステップ1110は、流れが、流体吐出口を有するセクションであるときに終了する。
流体吐出口を介して流体を蓄熱容器から出力するステップ1112。
いくつかの実施形態によれば、ステップ1104〜ステップ1110の順序は、図11に示した順序と異なる。例えば、蛇行させるステップ1108を、発生させるステップ1106の前とすることができ、また、蛇行させるステップ1108を、発生させるステップ1106と同時に行う、または部分的に重なるように行うことができる。
いくつかの実施形態によれば、熱システムは、流体的に接続された複数の蓄熱容器を含み、これらの蓄熱容器においてステップ1102〜ステップ1112を繰り返す。
[蓄熱容器の構造]
図12A〜図12Eを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の側面図および断面図の簡略概略図である。
いくつかの実施形態によれば、例えば図12A〜図12Eに示したように、蓄熱容器1200は、ハウジング1202と、流体注入口1204と、流体吐出口1206とを備えている。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200は、2つ以上の流体注入口1204を有する。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200は、例えば容器1200を下流の複数の容器に流体的に接続する目的で、2つ以上の流体吐出口1206を有する。
図12Dおよび図12Eに示した蓄熱容器1200は、複数のセクション1210(例:セクション1210−1〜1210−4)を備えている。セクション1210の各々は、相変化物質を含みかつ熱交換面を有する1つまたは複数のカプセル1212を収容する。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200内のセクションの数は、21以上である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200のセクションの数は、3〜30の間である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200のセクションの数は、5〜20の間である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200のセクションの数は、6〜10の間である。いくつかの実施形態においては、セクション内のカプセルの数は4以上である。いくつかの実施形態においては、セクション内のカプセルの数は6以上である。いくつかの実施形態においては、セクション内のカプセルの数は11以上である。
図12A〜図12Cに示したように、容器1200は縦長(longitudinal)であり、一般的な長手方向軸Xを有する。図12A〜図12Cに示したように、ハウジング1202の断面は、オプションとして長手方向軸Xに沿って均一である。いくつかの実施形態においては、長手方向軸Xに垂直に切断したハウジング1202の断面は、蓄熱容器1200の長さに沿って変化する寸法を有する均一な形状を有する。いくつかの実施形態によれば、長手方向軸Xに垂直に切断した蓄熱容器1200の断面は、多角形である。いくつかの実施形態においては、断面は、1つまたは複数の曲線縁を含む。いくつかの実施形態においては、断面は、2つ以上の直線縁を有する。図12Cに示したように、蓄熱容器1200の断面は長方形である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200の高さはその幅より短く、したがって蓄熱容器1200は、低い輪郭を有する。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200の幅はその高さより短く、したがって蓄熱容器1200は、狭い輪郭を有する。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200の断面は正方形である。
図12Dおよび図12Eを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る、断面X1−X1および断面X2−X2における蓄熱容器1200の断面図の簡略概略図である。
実施形態によれば、例えば図12D〜図12Fに示したように、セクション1210の各々は、相変化物質を含みかつ熱交換面(例:カプセル1212−1の1214−1/2、カプセル1212−2の1214−3/4)を有する1つまたは複数のカプセル1212を収容している。
いくつかの実施形態によれば、カプセル1212は、熱交換面1214の間の複数の流体流れ通路1216を有するように配置されている。いくつかの実施形態においては、流体流れ通路1216は、隣り合う熱交換面1214の間に画成されている。いくつかの実施形態においては、本明細書の他の個所で説明しているように、カプセルの少なくともいくつかは、接続されたカプセルの対として配置されており、各カプセルは、他方のカプセルの熱交換面に面している熱交換面を有し、これらの面の間には、流体の通路である隙間がある。いくつかの実施形態においては、本明細書の他の個所で説明しているように、例えば内側の相変化物質の凍結に起因してカプセルが膨張するときに通路が塞がることを、スペーサが防止している。
いくつかの実施形態によれば、通路1216は、流れの複雑な経路を定義しており、この複雑な経路では、流れは変化する方向に導かれる。いくつかの実施形態においては、流れの複雑な経路は、熱交換面に隣接している。いくつかの実施形態においては、流体注入口および流体吐出口が蓄熱容器の反対の側面に配置されているとき、複雑な経路の長さは、蓄熱容器の長さより長い。いくつかの実施形態においては、流体注入口および流体吐出口が蓄熱容器の同じ側面に配置されているとき、複雑な経路の長さは、蓄熱容器の長さの2倍より長い。
図13および図14を参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。
蓄熱容器1300,1400は、蓄熱容器1200に類似しており、異なる点として、流体注入口1304/1404および流体吐出口1306/1406がハウジング1302/1402の同じ側面にある。図13および図14に示したように、容器1300/1400の内側の流体の流れは、長手方向軸Xに沿って2つの方向にある。第1の方向は注入口1304/1404に従って定義され、第2の方向は吐出口1306/1406に従って定義される。
いくつかの実施形態によれば、容器1300/1400は隔壁1308/1408を有し、隔壁1308/1408は、2つの方向に流れる流体を隔てている。いくつかの実施形態においては、壁1308/1408は、容器1300/1400の構造に剛性を加えている。いくつかの実施形態によれば、異なる主流れ方向を有するセクションの間の分割は、異なる流れ方向を有するセクション(例:セクション1410−4および1410−5)に配置されている隣り合うカプセルの壁を当接させる(abut)ことよって行われ、したがって当接しているカプセルの間に流路は画成されていない。いくつかの実施形態においては、当接は、カプセルの狭い面において隣り合うカプセルを結合することによる。いくつかの実施形態においては、当接は、隣り合うカプセルの狭い面を互いに押し付けることにより、一方で、これらのカプセルの反対側の面が容器のハウジングに押し付けられる。
いくつかの実施形態によれば、例えば図13の拡大図に示したように、隔壁1308は少なくとも1つの開口部1310を有する。いくつかの実施形態においては、開口部1310は、セクションの間を流体的に接続している。いくつかの実施形態においては、開口部1310は、流体の流れが、例えば注入口1304によって定義される内側方向から、吐出口1306によって定義される外側方向に方向を変えることを可能にする。
いくつかの実施形態によれば、例えば図14に示したように、隔壁1308は、セクションを流体的に接続している1つまたは複数の管1410を有する。いくつかの実施形態においては、管1410は、流体の流れが、例えば注入口1404によって定義される内側方向から、吐出口1406によって定義される外側方向に方向を変えることを可能にする。いくつかの実施形態においては、管1410は、注入口1404とは反対側のハウジング1402の側面に配置されている。
いくつかの実施形態においては、カプセルと容器の壁との間に空間を維持するように構成されている1つまたは複数のスペーサが、注入口ターン点および/または吐出口の横に存在しており、これにより流体の流れが注入口と最初のカプセル列との間で広がってターンし、最後の列と吐出口の間でターンすることが可能になる。
[蓄熱容器の内側のカプセルのいくつかの例示的なレイアウト]
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器の内部レイアウトは、蓄熱容器の内側の流体の流路を制御するように定義される。いくつかの実施形態においては、内部のレイアウトによって流れの向きが変化し、結果として蓄熱容器の長さに沿って蛇行する流れパターンが得られる。
図7A〜図7D、および図12D〜図14に示したように、カプセルは、蓄熱容器を満たしており、蓄熱容器のハウジングの壁と係合している。カプセルのこの内部レイアウトによって、カプセルの熱交換面の上(隙間が画成されている)を流れるように流体が導かれる。いくつかの実施形態においては、壁に面する熱交換面が存在しないときには、カプセルと容器の壁との間に面一接触(flush contact)が存在する。
流体を熱交換面に導くことの潜在的な利点は、カプセルに蓄えられている熱容量の放熱の高い効率である。もう1つの潜在的な利点は、特に容器を部分的に蓄熱するときの高速な蓄熱である。
図12Dおよび図12Eに示したように、いくつかの実施形態によれば、ハウジング1202内の1つまたは複数のセクション1210に収まるようにカプセル1212がグループ化される。いくつかの実施形態においては、カプセル1212のグループは、流れの経路/複雑な経路を画成するためにカプセルの熱交換面の間の隙間のみを残して、セクションの内部容積の大部分を満たす。
いくつかの実施形態によれば、カプセルが、凍結した相変化物質を有するとき、カプセルの熱交換面の間の隙間は、0.5cm〜10cmの間である。いくつかの実施形態によれば、カプセルが、凍結した相変化物質を有するとき、カプセルの熱交換面の間の隙間は、2cm〜7cmの間である。いくつかの実施形態によれば、カプセルが、凍結した相変化物質を有するとき、カプセルの熱交換面の間の隙間は、4cm〜5cmの間である。
図2H、図7A、および図14に示したように、セクション1410の1つまたは複数は、(熱交換面ではない)狭い面において互いに隣接して並べられた複数のカプセル114,715,1412を含む。
図12Dおよび図12Eに示したように、氷カプセル1212の向きは、セクション1210の間で異なる。いくつかの実施形態においては、1つのセクション1210におけるカプセル1212の向きは、下流または上流のセクションにおけるカプセル1212の向きとは異なる。いくつかの実施形態においては、カプセル1212の向きは、いくつかのセクション1210におけるカプセル1212を、別のセクション1210におけるカプセル1212に対して横に向けることによって、変更される。
いくつかの実施形態においては、セクション1212は、均一な向きを有するカプセル1212のセット/グループを有する、蓄熱容器1200の部分、として定義される。いくつかの実施形態においては、セクション1212は、均一なタイプのカプセル1212のセット/グループを有する、蓄熱容器1200の部分、として定義される。いくつかの実施形態においては、カプセルのタイプは、カプセルの形状によって定義される。いくつかの実施形態においては、カプセルのタイプは、カプセル内の相変化物質によって定義される。
いくつかの実施形態によれば、カプセル1212の向きは、蓄熱容器1200の長手方向軸Xに対して定義される。いくつかの実施形態においては、カプセル1212の向きは、長手方向軸Xを中心とする回転角を含む。図12A〜図14に示したように、いくつかの実施形態においては、いくつかのセクション1210におけるカプセル1212の向きは、別のセクション1210におけるカプセル1212の向きに対して直角である。いくつかの実施形態においては、1つのセクション1210(例:1210−2)におけるカプセル1212の向きは、下流または上流のセクション1210(例:1210−3)におけるカプセル1212の向きに対して直角である。
例えば図12A〜図14、図2H、図7Aに示したように、いくつかの実施形態によれば、いくつかのセクション1210におけるカプセル1212の向きは、垂直である。いくつかの実施形態においては、垂直な向きは、垂直な姿勢かつ蓄熱容器の長手方向軸Xに平行な向きにあるカプセル1212(例:114/715/1212−1)として定義される。図12A〜図14に示したように、いくつかの実施形態においては、いくつかのセクション1210におけるカプセル1212の向きは、水平である。
いくつかの実施形態においては、隣接するセクション(例:1210−1および1210−2)は、カプセル1212の交互に変わる向きを有し、いくつかのセクション1210は垂直なカプセル1212を有し、いくつかのセクション1210は水平なカプセル1212を有する。
交互に変わる向き(例:水平/垂直)にカプセルを配置することの潜在的な利点は、カプセルのセット毎に、容器内の流体の流れが、水平な向きから垂直な向きに(およびこの逆に)交互に変わることである。流体の流れを交互に変えることによって、カプセルの熱交換面の間の隙間を流れている間に流体の速度、乱れ、長さ、および方向が変化する可能性がある。これらの変化によって、下流のセクションにおける熱交換面の上で強い乱流(渦型)が発生する可能性がある。
いくつかの実施形態によれば、セクション内のカプセルの向きが、均一ではない。いくつかの実施形態においては、1つのセクション内で、カプセルは別のカプセルに対して横向きにある。いくつかの実施形態においては、1つのセクション内で、いくつかのカプセルが垂直であり、いくつかのカプセルが水平である。
図15Aおよび図15Bを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図である。
図15Aおよび図15Bに示したように、蓄熱容器1500/1500’は、オプションとして、熱交換面1506を有する複数のカプセル1502を含み、これらのカプセルは、熱交換面1506が(長手方向軸Xにおける)一般的な流れ方向に対して横切る方向を向くようにハウジング1510内に配置されている。ハウジング1510の内側のカプセル1502のこの内部レイアウトによって、長手方向軸Xに沿った蛇行流路1504が画成される。カプセル1502は、流れ1504が、カプセル1502とハウジング1510との間に画成される隙間1508を介して熱交換面1506の間を導かれるような向きにある。いくつかの実施形態においては、例えば図15Aに示したように、熱交換面1506と一般的な流れ方向との間の角度は、90゜未満である。図15Bは、熱交換面1506と一般的な流れ方向との間の角度が90゜であるような向きにあるカプセルの例を示している。
いくつかの実施形態によれば、図15Aおよび図15Bの断面図は、上面視における蓄熱容器1500/1500’の断面図であり、したがって流れ1504は、少なくとも部分的に水平方向においてターンしている。いくつかの実施形態においては、図15Aおよび図15Bの断面図は、側面視における蓄熱容器1500/1500’の断面図であり、したがって流れ1504は、少なくとも部分的に垂直方向においてターンしている。
図15Aは、個々のカプセル1502によって画成される蛇行流路の例を示している。いくつかの実施形態においては、例えば図15Bに示したように、蛇行流路1504は、カプセルのグループ1512によって画成される。いくつかの実施形態においては、流路1504は、ハウジング1510の壁に係合している、グループ1512内のカプセル1502の1つによって塞がれたとき、方向を変えるように導かれる。いくつかの実施形態においては、グループ1512内の1つまたは複数のカプセルはハウジング1510の壁に係合しておらず、複数のカプセルの熱交換面を通る平行な流体の流れが可能となる。
図16を参照し、図16は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図である。
例えば図16に示したように、蓄熱容器1600は、ハウジング1610内に配置されている複数のカプセル1602と、カプセル1602の間に配置されている複数の流れ遮断体(flow blocker)1604とを含む。動作時、軸Xの一般的な流れ方向に流れる流れ1606が遮断体1604に当たると、流れ1606のプロファイルが変化する。いくつかの実施形態においては、遮断体1604に当たると、流れ1606の方向が変化する。いくつかの実施形態においては、遮断体1604に当たることによって、流れ1606の乱れが強くなる。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器1600の断面図は上面視であり、したがってカプセルは垂直である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1600の断面図は側面視であり、したがってカプセルは水平である。
図17を参照し、図17は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図である。
例えば図17に示したように、蓄熱容器1700は、ハウジング1710内に配置されている複数のカプセル1704および1706を含むことができ、これらのカプセルは長手方向軸Xに関して互いに直角な向きにある。
いくつかの実施形態によれば、流れ1712の方向を変更することは、カプセル1706の熱交換面の間に1つまたは複数の流れガイド(flow guider)1708を結合することによる。いくつかの実施形態においては、1つまたは複数の流れガイド1708がカプセル1706に結合される。いくつかの実施形態においては、ガイド1708は、カプセル1706の熱交換面に画成されるリブ(rib)である。いくつかの実施形態においては、ガイド1708は、上流のカプセル1704から受け取った流れ1712を、ガイド1708の間を蓄熱容器の下流に流れるように導く。いくつかの実施形態においては、ガイド1708は、上流のカプセル1704から受け取った流れ1712を下流のカプセル1714の方に導く。
いくつかの実施形態によれば、流れ1712を上流のカプセル1704と下流のカプセル1714との間で導くことによって、流れ1712が混合する。
図17の断面図は、蓄熱容器1700の上面視を表すことができ、カプセル1704は垂直である。図17の断面図は、蓄熱容器1700の側面視を表すこともでき、カプセル1704は水平である。
[カプセル上の二方向流れ]
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内で熱交換面の上の流れの長さを延ばすことは、蓄熱容器内に配置されている1つまたは複数のカプセル上で二方向に流れるように流れを導くことによる。
図18Aおよび図18Bを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の断面図の簡略図である。
例えば図18Aおよび図18Bに示したように、蓄熱容器1800は、ハウジング1810内に配置されている複数のカプセル1802を有する。カプセル1802は、箱状であり、他の面より大きい面積を有する2つの面を有する。大きい方の2つの面は、熱交換面1812の役割を果たし、流れ1808に垂直な方向に延びている。熱交換面1812の1つまたは複数は、カプセル分割部1804によって第1の部分1806−1および第2の部分1806−2に分割されている。いくつかの実施形態によれば、分割部1804は、カプセル1802の1つまたは複数の側面に結合されたゴムの密封リングである。いくつかの実施形態においては、分割部1804は、熱交換面1812の突出部分である。いくつかの実施形態においては、分割部1804は、熱交換面1812に形成されたリブである。いくつかの実施形態においては、すべてのカプセル1802が分割部1804を含む。いくつかの実施形態においては、カプセル1802の一部が分割部1804を有し、カプセル1802のいくつかには分割部1804が存在しない。いくつかの実施形態においては、分割部が存在しないいくつかのカプセルを有することによって、流れの混合が発生する。
図18Aに示したように、蓄熱容器1800内の流体の流れは、熱交換面1812の上で二方向であり、面1812の1つの部分では第1の方向に流れ、面1812のもう1つの部分では第2の方向に流れる。流れ1808は、注入口から1つの方向1808−1において始まり、カプセル1802の第1の部分1806−1の上を流れ、ハウジング1810の終端壁でターンし、カプセル1802の第2の部分1806−2の上を流れることによって吐出口の方に方向1808−2において戻る。
いくつかの実施形態においては、二方向の流れによって、カプセル1802内の相変化流体の内部循環が引き起こされる。いくつかの実施形態においては、第1の部分1806−1における熱交換面の部分は、第2の部分1806−2における熱交換面の部分とは異なる温度を有する。いくつかの実施形態によれば、第1の部分1806−1および第2の部分1806−2の温度は、流体の流れによる影響を受け、カプセル1802の内側に温度勾配を発生させる。いくつかの実施形態においては、第1の部分1806−1では、より暖かい流体との熱交換の理由で、第2の部分1806−2よりも速く溶ける(上流の流体は、冷却された下流の流体よりも暖かい)。いくつかの実施形態においては、注入口および吐出口の位置が、溶ける速度に影響する。温度勾配の潜在的な利点は、カプセル1802の内側の相変化物質の循環が発生することであり、これによりカプセル1802の内部に混合効果がもたらされる。この混合は、カプセル1802の内側で、溶けた相変化物質の分離バリアが蓄積する可能性を低減することができる。
いくつかの実施形態によれば、第1の部分1806−1がカプセル1802の上側部分であるとき、上側部分における相変化物質は、下側部分における相変化物質よりも速く溶ける。図18Bに示したように、カプセル1802内の内部循環によって、凍っている物質が上方に浮かび、その一方で、流体の流れによる放熱サイクルにより、カプセル1802の上側部分1806−1が最初に溶ける。このようにして液体と氷が混合し、放熱率は、相変化物質が混合されないときよりも高い可能性があり、なぜなら氷とカプセルの壁との間の溶けた液体の水のバリアが減少するためである。
カプセルを分割するもう1つの潜在的な利点は、カプセルがより速く蓄熱されることである。蓄熱サイクル中に冷たい流体が流れている間に相変化物質が混合されるとき、カプセルがより速く凍結し、このとき冷たい流体はカプセルの下側部分を通じて蓄熱容器の中に挿入される。
[カプセルの形状]
本明細書の他の個所で説明し、図2R、図7A、図12A〜図14に示したように、いくつかの実施形態に係るカプセルは、他の面より大きい表面積の2つの面を有する箱状または板状のカプセルである。いくつかの実施形態によれば、より大きい2つの面は、熱交換面の役割を果たす。
熱交換面の面積が大きいことにより、1回の通過でより大きな体積の流体が流れて熱を交換できる可能性がある。いくつかの実施形態においては、より大きな面の幅および高さは、20〜60cmの範囲内である。いくつかの実施形態においては、より大きな面の幅および高さは、25〜50cmの範囲内である。いくつかの実施形態においては、より大きな面の幅および高さは、30〜45cmの範囲内である。
狭いカプセルでは、カプセルおよび熱交換面の内側で溶けた相変化物質が、溶けていない材料を囲むことによって形成される熱バリアが減少する可能性がある。いくつかの実施形態においては、凍結していない状態におけるカプセルの最小幅は、1〜10cmの範囲内である。いくつかの実施形態においては、凍結していない状態におけるカプセルの幅は、2〜8cmの範囲内である。いくつかの実施形態においては、凍結していない状態におけるカプセルの幅は、2.5〜5cmの範囲内である。
いくつかの実施形態によれば、設置するための蓄熱容器1200を準備するときには、ハウジング1202の内側にカプセル1212のグループを配置するステップを含む。いくつかの実施形態においては、配置するステップは、ハウジング1202の内側にグループをすべらせることによる。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器1200の製造時にカプセル1212のグループがハウジング1202の内側に配置される。
いくつかの実施形態によれば、カプセルのグループは、長方形断面を有する。いくつかの実施形態においては、この断面は、ハウジング1202の断面に収まる。いくつかの実施形態においては、断面は正方形である。カプセルのグループおよびハウジングの正方形断面の潜在的な利点は、配置の向きに従って異なるカプセルのグループを定義することなく、カプセルのグループを、蓄熱容器のセクションの内側に垂直向きまたは水平向きのいずれでも収めることができることである。
いくつかの実施形態によれば、箱状のカプセルの4つの面のうち、熱交換面より小さい面積を有する1つまたは複数の面は、蓄熱容器内に配置されたときにカプセルを支持するように構成されている側面である。いくつかの実施形態においては、側面の1つまたは複数は、容器の壁に係合するような形状である。いくつかの実施形態においては、容器の壁に側面を係合させるのは、カプセルの外向きの面と蓄熱容器の壁との間の隙間を排除するためである。いくつかの実施形態においては、カプセルは、蓄熱容器内の流体の流れをカプセルの間の隙間を介して導くような形状である。いくつかの実施形態においては、カプセルは、側面と容器の壁との間に隙間がある状態で容器内に配置されており、この隙間を通じて流体の流れを導く。
図19を参照し、図19は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の断面図である。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器の1つまたは複数の壁が湾曲している。図19に示したように、蓄熱容器1900の断面は、2つの湾曲壁1902−1/2を有する。蓄熱容器1900は、湾曲壁1902および隣のカプセルに隣接して蓄熱容器1900の内側に配置されるような形状のカプセル1904によって満たされている。カプセル1904の間の隙間1906は、カプセル1904の熱交換面上の流路を画成している。
いくつかの実施形態によれば、カプセルは円筒状である。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器が湾曲壁を有さないときに円筒状である。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内に配置されているカプセルは、カプセルの輪郭の間に隙間を画成する、凹状輪郭および凸状輪郭の組合せを有する。
いくつかの実施形態によれば、カプセルは長く、長さに沿ってねじれている。いくつかの実施形態においては、カプセルは長く、円筒状である。いくつかの実施形態においては、カプセルは長く、1つまたは複数の長い平坦な表面を有する。いくつかの実施形態においては、カプセルは長く、十字形状である断面を有する。
いくつかの実施形態によれば、例えば図12Fに示したように、カプセル1210は、流体の流れを蛇行パターンに導くように構成されている1つまたは複数の突起面1216を含む。
カプセルを、湾曲形状または他の形状の容器に収めることもできる。カプセルをカスタムメイドとすることができる。カプセルは、曲がった形状を有することができる。
[システムにおける蓄熱容器]
いくつかの実施形態によれば、熱システムは、上に定義されるような複数の蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、熱システムは、同じ内部の向きおよび構造を有する複数の蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な外形寸法を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な蓄熱プロファイル(例:蓄熱率、蓄熱容量)を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な放熱プロファイル(例:放熱率、放熱温度)を有する。
いくつかの実施形態においては、熱システムは、異なる内部レイアウトを有する複数の蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、違いはカプセルの向きである。いくつかの実施形態においては、熱システム内に接続されている蓄熱容器は、異なる外形寸法を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、異なる蓄熱プロファイル(例:蓄熱率、蓄熱容量)を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、異なる放熱プロファイル(例:放熱率、放熱温度)を有する。
いくつかの実施形態によれば、熱システムは、異なる技術タイプの蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、熱システムは、本明細書の他の個所で開示した1つまたは複数の蓄熱容器と一緒に、1つまたは複数のアイスオンコイル容器を含む。
いくつかの実施形態によれば、異なる技術タイプの容器が、直列に接続されている。いくつかの実施形態によれば、異なる技術タイプの容器が、並列に接続されている。いくつかの実施形態においては、容器の動作を調整するために1つまたは複数のコントローラが使用される。
図20は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の配置編成の斜視図の簡略概略図である。
図21は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の断面図の簡略概略図である。
[システムの例示的なパラメータ]
本発明のいくつかの実施形態においては、容器内の流路の長さ(例:流れの80%に対応する中央値の経路長)は、例えば1〜100メートルの間、例えば1〜20メートルの間、20〜50メートルの間、50〜100メートルの間、および/または中間の値、またはより長い経路(100〜200メートルの間もしくはそれ以上など)である。本発明のいくつかの実施形態においては、この長さは、15〜20メートルの間(例えば約16メートル)である。
本発明のいくつかの実施形態においては、容器内の熱交換面の表面積は、1〜200平方メートルの間、例えば1〜30平方メートルの間、30〜80平方メートルの間、80〜200平方メートルの間、および/または中間の値、またはより大きい面積である。本発明のいくつかの実施形態においては、この面積は、30〜45平方メートルの間(例えば約37平方メートル)である。
いくつかの実施形態によれば、カプセルは、−8.0℃〜−2.0℃の温度で凍結する相変化物質によって満たされている。
相変化物質は、過(低温冷凍)冷却(super (deep freezing) cooling)要件の理由で、より低い温度で凍結する。これは、核生成材を加えることによって、およびオプションとして攪拌手段(振動、超音波など)を使用しないことによって、行うことができる。いくつかの実施形態においては、相変化物質は、−7℃〜−2.5℃の温度で凍結する。いくつかの実施形態においては、相変化物質は、−5℃〜−4℃の温度で凍結する。
いくつかの実施形態によれば、動作時、熱交換面に接触する、容器内を流れる流体の体積は、容器の中に挿入された流体の少なくとも70%である。いくつかの実施形態においては、熱交換面に接触する、容器内を流れる流体の体積は、容器の中に挿入された流体の少なくとも90%である。
いくつかの実施形態によれば、流れ切断面積と熱交換面の面積との間の比は、0.008〜0.05の範囲内である。いくつかの実施形態においては、流れ切断面積と、ブリックあたりの熱交換面の面積との間の比は、約1:35,600=0.000029cm/cmである、および/または、カプセルあたりの比は、約0.000560cm/cmである。
蓄熱容器内の流れを記述するさらなるパラメータは、流れの断面積と、蓄熱容器内の全カプセルの合計熱交換面積との間の比である。なお、本明細書に記載されている実施形態のいくつかにおいては、流れの断面積は流路に沿って変化することに留意されたい。このような場合、比は、オプションとして、容器内の流路に沿った「平均」流れ断面積と、容器内の全カプセルの合計熱交換面積との間の比として計算される。なお、この比は面積の間の比であり、したがって無次元数であることに留意されたい。
いくつかの実施形態においては、流れの断面積と、蓄熱容器内の全カプセルの合計熱交換面積との間の比は、4.5×10−5〜45×10−5の範囲内であり、一般的な比は14×10−5とすることができる。いくつかの実施形態においては、この範囲は、1×10−5〜100×10−5の間とすることができる。いくつかの実施形態においては、この範囲は、0.5×10−5〜200×10−5の間とすることができる。
いくつかの実施形態においては、16mの合計流体長さ(total fluid length)を有する容器においては、流れ切断面積は5〜20(cm)の間である。いくつかの実施形態においては、流れ切断面積は10〜15(cm)の間である。いくつかの実施形態によれば、流れは、流れの長さの少なくとも35%において乱流である。
本明細書の他の個所で開示した蓄熱容器を有する熱システムの潜在的な利点は、放熱サイクル時の高い放熱率である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、4時間において貯蔵エネルギの少なくとも70%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、4時間において貯蔵エネルギの少なくとも85%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、4時間において貯蔵エネルギの少なくとも90%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、4時間において貯蔵エネルギの少なくとも85%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、4時間において貯蔵エネルギの少なくとも85%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、2時間において貯蔵エネルギの少なくとも85%である。いくつかの実施形態においては、放熱率は、1時間において貯蔵エネルギの少なくとも75%である。
いくつかの実施形態においては、蓄熱容器に蓄えられた熱容量の70%が使用されるまで、高い放熱率が維持される。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器に蓄えられた熱容量の80%が使用されるまで、高い放熱率が維持される。いくつかの実施形態においては、蓄熱容器に蓄えられた熱容量の90%が使用されるまで、高い放熱率が維持される。
図22は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器のデータシートの例である。
いくつかの実施形態によれば、4mの長さを有し、2つの内部経路内を導かれる流れを有する(したがって流れの全長は8mである)容器では、流れは容器の内側を80(秒)かけて通過する。この例では、熱交換面の上でカプセルの間の空間を流れている間の流体の速度は、約0.1〜0.09(m/秒)である。
次に図1A〜図1Eを参照し、これらの図は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る熱エネルギ貯蔵システムの概略図である。図示したように、熱エネルギ貯蔵(TES)システム100は、設備内の空調(HVAC)システムのHVACチラー102を使用する。設備の非制限的な例としては、オフィスビル、住宅建物、ショッピングモール、空港ターミナル、工場、サーバールームなどが挙げられる。本発明のシステム100なしで運転されるときには、HVACチラー102が第3の流体124を冷却し、この流体が設備全体を循環して負荷130を冷却する。第3の流体124は、オプションとして水である。
上に説明したように、本発明の目的は、TES100を使用して「冷却を蓄える」ことである。これに代えて、同じシステム100を使用して熱を蓄えることができる。TES100は、流体分配システム104を備えており、流体分配システム104は、第1の流体120、第2の流体122、および第3の流体124をシステム100全体を通じて分配するための必要な構成要素を備えている。したがって分配システム104は、1基または複数のポンプ106と、配管108と、弁などの流れ制御機構107と、例えばシステム100の内部の温度や流量を監視する監視要素109と、を備えている。オプションとして、監視要素109は、後からさらに説明するようにチラー102,150、熱交換器(HE)170、負荷130、アレイ110、および流体分配システム104の要素の制御を介して凍結プロセスおよび/または冷却プロセスを制御する目的で、コントローラ105にデータを送る。通常の使用では、HVACチラー102は第3の流体124を冷却し、第3の流体124は、流体分配システム104によってHVACチラー102から管108Cを介して管108Lに導かれて負荷130を流れる。
TES100は、蓄熱アレイ110をさらに備えている。アレイ110は、複数の氷ブリック112を備えている。各氷ブリック112は、第1の流体120によって囲まれている複数の氷カプセル114を備えている。氷ブリック112および氷カプセル114の実施形態については、図2A〜図2Uおよび図3を参照しながら後からさらに説明する。氷カプセル114は、第2の流体を含む閉じたカプセルまたは密封されたカプセルである。第2の流体は、オプションとして水であり、したがってカプセル114を、カプセル114の周囲の低温の第1の流体120に接触させる結果として、カプセル114が冷却され、したがって第2の流体122が冷却されて相が氷に変化する。
第1の流体120は、オプションとして、第2の流体122より低い凝固点を有する。第1の流体120の非制限的な例としては、エチレングリコール、水と混合したエチレングリコール、塩水、または類似する流体が挙げられる。TES100は、第1の流体120を第2の流体122の凝固点より低い温度まで冷却するためのTESチラー150をさらに備えている。TESチラー150は、空冷式または水冷式の一方である。
第2の流体122は、オプションとして、氷核生成材と混合された水である。氷核生成材は、オプションとして石英である。使用される石英の種類は、ハーキマーダイヤ、水晶、紫水晶、アメトリン、薔薇石英、玉髄、隠微晶質石英、紅玉髄、玉髄、砂金石、めのう、オニキス、碧玉、乳石英、煙水晶、虎眼石、黄水晶、プラシオライト、ルチル入り水晶、またはデュモルチェライトクォーツのいずれかとすることができ、ただしこれらに限定されない。石英は、安価かつ入手が容易であり、第2の流体の反復される凍結サイクルにも耐える。さらに石英は、氷を凍結させるのに必要な開始温度を数度だけ上昇させる。したがって核生成材は、熱エネルギ貯蔵システム100の効率および応答性を向上させる。
オプションとして、第2の流体122は、カプセル114の内側の第2の流体122中に浮く金属片を備えており、これらの金属片は、カプセル114の内側での氷の形成の均一な分布をもたらす。オプションとして、金属はアルミニウムである。オプションとして、金属片は最大で0.5mmの厚さである。オプションとして、金属片は最大で30cmの長さであり、オプションとして金属片は最大で1cmの幅である。このオプションの面については、図8を参照しながらさらに詳しく説明する。
各氷ブリック112は、オプションとして、カプセル114と第1の流体120との間の効率的な熱伝達を可能にするために、図2E〜図2Hに示したように長く狭いフォームファクタを有する。長いフォームファクタを有する氷ブリック112は、オプションとして、最大の幅Wおよび/または高さHの少なくとも3倍または4倍である長さLを有する。ブリック112は、オプションとして、端部と端部を接続して、複数のブリック112を備えた長い直線状モジュールを形成することができる。使用されるモジュール構造およびブリック112の数は、設備あたりの正確な熱エネルギ貯蔵需要に対して提供するように、放出されるエネルギの速度の制御を可能にし、また必要に応じてアレイ110を構成することができるため、柔軟な設置オプションを提供する。このオプションの面については、図8Aおよび図8Bを参照しながらさらに詳しく説明する。
表面積と、凍結させる第2の流体122の体積との間の全体的な比率を高める目的で、オプションとして、カプセル114はブリック112内でわずかに間隔をあけて配置されている。オプションとして、ブリック112は、65%〜85%の第2の流体122を含む。オプションとして、ブリック112は、75%の第2の流体122を含む。オプションとして、カプセル114は、ポリ塩化ビニルなどのポリマ、または耐久性があり低コストの他の適切な材料を含む。オプションとして、カプセル114は、第1の流体120が流れるようにカプセル114の間に間隔を形成するためと、第1の流体120の乱流を増大させるために、その外面に突起または隆起部を備えている。
図1Aに示したシステム100の使用時、TESチラー150は、オプションとして第2の流体122の凝固点より低い温度まで、第1の流体120を冷却する。第1の流体120は、TESチラー150から管108Gを介して送り込まれ、流体分配システム104によって管108Tを介してアレイ110の中に導かれて第2の流体122を凍結させる(本明細書では「蓄熱プロセス」とも称する)。温度が上昇した第1の流体120は、管108Tを介してアレイ110を出て、流体分配システム104によって管108Gを介してチラー150に戻され、そこで再び冷却される。蓄熱プロセスの間、第1の流体120の供給は連続的または不連続とすることができる。オプションとして、1つまたは複数のブリック112内で第1の流体120の所望の温度に達したとき、または事前定義される時間が経過したとき、または事前定義される量のエネルギがアレイ110に蓄えられたとき、蓄熱プロセスが停止される。(完全に)蓄熱されたアレイ110は、通常、第2の流体122が凍結状態にある複数のカプセル114を含む。
アレイ110が蓄熱されると、冷却プロセス(本明細書では放熱プロセスとも称する)を使用して、アレイ110を用いて負荷130を冷却する。アレイ110の内側の第1の流体120は、管108Tを介して分配システム104に導かれ、さらに管108Sを通じて熱交換器170に導かれ、そこで第1の流体120は第3の流体124を冷却する。次に分配システム104は、冷却された第3の流体124を、管108Hを通じて管108Cに導いてHVACチラー102の中を流し、次いで(管108Lを介して)負荷130に流す。
これに代えて、第3の流体124は、HVACチラー102に導かれるのと平行して、管108Hを通じて流体分配システム104によって管108Lを介して負荷130に直接導かれる。第3の流体124は熱交換器170において第1の流体120によって冷却されているため、オプションとしてHVACチラー102を稼働させる必要がなく、したがってエネルギの節約がもたらされる。第1の流体120が熱交換器170とアレイ110の間を循環するにつれて、凍結した第2の流体122を含むカプセル114が第1の流体120を冷却し、第1の流体120が直接的または間接的に第3の流体124および負荷130を冷却する。オプションとして、熱交換器170に入る第1の流体120の温度は、注入口における5℃と吐出口における10℃の間である。カプセル114が第1の流体120を冷却するにつれて、凍結した第2の流体122は徐々に相変化を起こして溶け、最終的にアレイ110はもはや十分に第1の流体120を冷却しなくなり、これをアレイ110が放熱したと言う。(完全に)放熱したアレイ110は、通常、第2の流体122が液体状態であるカプセル114を含む。
オプションとして、蓄熱プロセスはオフピーク時(配電網の負荷が小さい時間)に行われ、一方で放熱プロセスは、オプションとして、たとえピーク時であっても負荷130の需要に従って行われる。オプションとして、第1の流体120のカットオフ温度に達したとき、または事前定義される時間が経過したとき、または事前定義される量のエネルギがアレイ110から出力されたとき、または負荷130が制御下にあるとき、または負荷130における冷却の需要が所望のレベルまで下がったとき、放熱プロセスが停止される。蓄熱プロセス中のアレイ110内の第1の流体120の流れの方向は、放熱プロセス中の第1の流体120の流れの方向と同じであってよい、または異なっていてよい。
これに代えて、システム100は暖房に使用される。暖房の場合、TESチラー150は、オプションとしてヒートポンプとして動作する。TESチラー150は、オプションとしてオフピーク時に第1の流体120を加熱する。第1の流体120は、TESチラー150から管108Gを介して送り込まれ、流体分配システム104によって管108Tを介してアレイ110の中に導かれて第2の流体122を温める(本明細書では蓄熱プロセスとも称する)。温度が下がった第1の流体120はアレイ110を出て、流体分配システム104によって管108Tおよび管108Gを通じてTESチラー150に導かれ、再び暖められる。加熱プロセスの間、第1の流体120の供給は連続的または不連続とすることができる。オプションとして、1つまたは複数のブリック112内で第1の流体120の所望の温度に達したとき、または事前定義される時間が経過したとき、または事前定義される量のエネルギがアレイ110に蓄えられたときなどには、加熱プロセスが停止される。アレイにおいて相変化は起こらない。
アレイ110が蓄熱されると、暖房プロセス(本明細書では放熱プロセスとも称する)を使用して、アレイ110を用いて負荷130を暖める。アレイ110の内側の第1の流体120が、分配システム104によって管108Tおよび管108Sを通じて熱交換器170に導かれ、そこで第1の流体120が第3の流体124を暖める。次に分配システム104は、暖められた第3の流体124を、管108Hから管108Cに導いてHVACチラー102の中を流し、次いで(管108Lを介して)負荷130に流す。これに代えて、第3の流体124は、HVACチラー102に導かれるのと平行して、管108Hを通じて流体分配システム104によって管108Lを介して負荷130に直接導かれる。第3の流体124は熱交換器170において第1の流体120によって暖められているため、オプションとして、(ヒートポンプとして機能する)HVACチラー102は、第3の流体124が暖められているため稼働させる必要がなく、したがってエネルギの節約がもたらされる。第1の流体120が熱交換器170とアレイ110の間を循環するにつれて、暖められた第2の流体122を含むカプセル114が第1の流体120を暖め、第1の流体120が直接的または間接的に第3の流体124および負荷130を暖める。
オプションとして、蓄熱プロセスはオフピーク時(配電網の負荷が小さい時間)に行われ、一方で放熱プロセスは、オプションとして、たとえピーク時であっても負荷130の需要に従って行われる。
流体分配システム104の監視要素109は、オプションとして、次の温度、すなわち、アレイ110に入る前の第1の流体120の温度、アレイ110内のいずれかの位置における第1の流体120の温度、アレイ110を出た後の第1の流体120の温度、1つまたは複数のカプセル114内の第2の流体122の温度、1つまたは複数の氷ブリック112の温度、熱交換器170に入る前の第1の流体120の温度、熱交換器170を出るときの第1の流体120の温度、の少なくとも1つを監視する1つまたは複数の温度モニタを備えている。これに加えて、またはこれに代えて、監視要素109は、アレイ110の前、内側、および後ろの第1の流体120の流れ、および、熱交換器170の前、内側、および後ろの第1の流体120の流れ、の少なくとも1つを監視する1つまたは複数の流量モニタ(図示していない)を備えている。
図1A〜図1Eは、チラー102,150、熱交換器170、負荷130、アレイ110、および流体分配システム104の構成要素をそれぞれ1つずつ示しているが、TES 100は、これらの構成要素を任意の適切な数だけ備えていてよいことを理解されたい。
図1Bのシステム100は、図1Aのシステム100と同様に機能するが、図示した実施形態は、エアコンプレッサ140を備えている。コンプレッサ140は、ブリック112それぞれの上部から空気126を引き込む。オプションとして、この空気126は、10〜20バールの範囲内に圧縮され、これにより圧縮の結果として空気126が暖まる。次にこの圧縮空気126が、空気間熱交換器(air to air heat exchanger)142および/または膨張弁(図示していない)を通じてブリック112それぞれの下部に送り込まれ、−20℃〜−30℃の範囲内の温度まで下がる。この空気126は、ブリック112それぞれを通じて気泡化されて内容物をさらに冷やした後、−5℃〜+5℃の範囲内でブリック112の上部を通じて出る。次にこの冷たい空気126がもう一度コンプレッサ140に送られ、冷却閉ループ108Pが形成される。簡潔さを目的として、冷却ループ108Pは蓄熱アレイ110に直接接続されているものとして示してあるが、オプションとして、冷却ループ108Pは流体分配システム104の一部であり、本明細書に説明されているように他の配管システムのように制御される。この実施形態では、第2の流体122は、オプションとして、第2の流体122の凝固点を下げるため、塩または他の適切な物質と組み合わされる。
図1Cのシステムは、図1Aのシステムと同様に機能するが、TESチラー150の凝縮サイクルが水冷式である場合、第3の流体124が送られる熱交換器152を備えている。この実施形態では、負荷の管108Kは、TESチラー150における熱交換器152に接続されるようにされている。負荷の管108Kは、HVACチラー102によって(一般には7〜12℃(ただしこれに限定されない)の範囲内の温度まで)冷やされた第3の流体124を伝える。
次にTESチラー150は、第1の流体120を熱交換器154を介して第2の流体122の凝固点より低い温度まで冷却し、したがって第1の流体120をアレイ110に送り込んで、カプセル114の内側の第2の流体122を凍結させることができる。次に、他の実施形態の場合のように、熱交換器170において放熱プロセスが行われる。この配置構成では、TESチラー150は、負荷130が部分的または完全に使用されないときに(例えばオフィスビルでの夜間の使用(ただしこれに限定されない))利用可能な冷却された第3の流体124の豊富な供給を利用することができ、TESチラー150のエネルギ効率が高まる。オプションとして、HVACチラー102は、エネルギの使用をより効率的かつ安価にする目的で、外部温度が低く電気料金が安い夜間に第3の流体124を冷却する。水冷式TESチラー150はより効率的であるため、空冷式チラーが使用される他の実施形態よりも小型にすることもできる。
図1Dのシステムは、図1Bの機能と図1Cの機能を組み合わせており、エアコンプレッサ140からの圧縮冷却によって補われる、熱交換器152を介して第3の流体に接続されているTESチラー150を提供する。
図1Eのシステムは、図1Aのシステムと同様に機能するが、図示した実施形態では、氷ブリック112のいくつかまたはすべてがカプセル114を備えていない。図1Eの実施形態では、TES100は、氷ブリック112に第1の流体120を蓄えるように使用される。したがって第1の流体120はチラー150によって冷却され、この冷却された第1の流体120が氷ブリック112に送り込まれて貯蔵され、別の時間に(熱交換器170を介して)第3の流体を冷却するために使用される。前述したように、第1の流体120の非制限的な例としては、エチレングリコール、水と混合したエチレングリコール、水と混合した塩、または「スラッシュ(slush)」もしくは類似する流体を形成するためのこれらの流体または別の流体の他の組合せ、が挙げられる。
次に図2A〜図2Uを参照し、これらの図は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリック、氷カプセル、および蓄熱アレイの図解である。図2A〜図2Dは、カプセル114の好ましい実施形態を示している。カプセル114は、カプセル114の効率的な充填を可能にしながらカプセル114に最大限まで第2の流体122を満たすことができるように、カプセル114の上側角部に配置されている充填ノズル202を備えている。カプセル114は、オプションとして、狭い側面のスペーサ204および広い側面のスペーサ206を備えている。スペーサ204,206が設けられているときには、カプセル114がブリック112の内側に一緒に詰め込まれているとき、カプセル114の間にスペーサ204,206によって隙間が形成される。この隙間は、カプセル114の内側の第2の流体122を凍結させる目的でカプセル114の間を第1の流体120が流れることができるようにするために必要である。カプセル114は、第2の流体122のより効率的な熱伝達のために、より薄い氷片の周囲により大きな表面積を形成するため、深さDに対する長さLおよび高さHの高い比率を有する。
図2E〜図2Hは、カプセル114を備えた氷ブリック112の好ましい実施形態を示している。氷ブリック112は、複数のカプセル114を囲むための長方形の容器220を備えている。カプセル114は、ブリック112の内側に含まれる第2の流体122の量が最大になるように詰め込まれる。ブリックは、カプセル114を整列させるための整列または支持パネル227と、密封されたときにブリック112が防水性となるようなブリック端部密封パネル226とを、各端部に備えている。ブリック112は、注入管/吐出管224を介してアレイ110に接続される。後からさらに説明するように、ブリック112をアレイ110内の固定位置に取り付けるための取り付けブラケット222が設けられている。ブリック112は、注入管/吐出管224と、ブリックを接続するために使用される相互接続配管228を除き、ブリック112の中を流れる第1の流体120を完全に含むように完全に密封されている。
オプションとして、ブリック112は、50×50×400cmのサイズを有する。オプションとして、ブリック112は、1000Lの容積を有し、75%(750L)の第2の流体122を含む。オプションとして、ブリック112は、19.8trh|69kWhのエネルギ貯蔵能力を有する。これに代えて、ブリック112は、25×25×400cmのサイズを有する。ブリック112のサイズは、十分なエネルギ貯蔵と、アレイの構造上のモジュール性との間のバランスが得られるように選択される。
図2I〜図2Nは、蓄熱アレイ110の柔軟な構成におけるブリック112の好ましい実施形態を示している。ブリック112は、任意の所望のレイアウトおよび容量のアレイ110を構成するための基本ブロックとして使用される。図2Iおよび図2Jに示したように、ブリック112は上下に積み重ねられ、端から端まで配置され、互いに横に配置される。この場合、注入管/吐出管224および相互接続配管228を使用して、アレイ内のブリック112の間に第1の流体120のための流体接続を提供する。ブリック112は、並列に、あるいは直列に、あるいは並列接続および直列接続の組合せで、流体的に接続されている。
図2K〜図2Nに示したように、所望の容量(ブリック112の数)および形状(ブリック112の配置)でアレイ110が構築されると、アレイを完全に断熱してブリック112内の蓄熱を保存するため、アレイ110の外面に断熱パネル230が取り付けられる。この構造では、必要な合計の断熱が節約され、なぜならすべてのブリック112のすべての面ではなく、アレイ110全体の外面のみを断熱すればよいためである。オプションとして、アレイ110は、オプションとして下面が断熱された下部架台232の上に組み立てられる。
特定の設備において要求される構造上の配置編成を形成する目的で、アレイ110が、図2Mの長方形の箱、または図2Nの平坦なプラットフォーム、またはこれらの任意の組合せなどの所望の形態に配置されると、この形態を、蓄熱システム100によってサービス提供される構造に統合することができる。非制限的な例として、図2Nのプラットフォームは、TESシステム100によってサービス提供されるビル/構造物の内側、横、またはその上の床として機能することができる、または壁として機能するように垂直に立てることができる、または床および壁の両方として機能することができる、または持ち上がったプラットフォームとして機能することができる。
図2O〜図2Rは、カプセル114を備えた氷ブリック112のさらなる好ましい実施形態を示しており、この実施形態ではカプセル114が中央部分において狭くなっており、したがって第1の流体120が流れるための隙間がカプセル114の間に形成される。
図2S〜図2Uは、カプセル114のさらなる好ましい実施形態を示しており、この実施形態では、カプセル114は支持隆起部250を有する幅の広い中央部を備えており、したがってカプセル114の内側に氷が形成されるときに上側部256および下側部254の形が崩れない。隆起部250および隆起部252は、ブリック112の内側にカプセル114が詰め込まれたときにカプセル114の間に隙間を形成する。この隙間は、カプセル114の内側の第2の流体122を凍結させる目的でカプセル114の間を第1の流体120が流れることができるようにするために必要である。突起260は、カプセル114の外側の第1の流体120のレイノルズ数を高め、これにより第1の流体120の乱流の程度が増し、したがってカプセル114の内側の氷の形成が良好に分布する。
図2Vは、突起260、隆起部252、および充填ノズル202を有するカプセル114の側面図を示している。充填ノズルは、長方形のカプセル114の一般的な外形から自身が突き出さないように配置されている。図2Wは、図2Vの図に直角な別の側面図において、図2Vのカプセルを示している。図2Xは、図2Vおよび図2Wのカプセルを正面図で示しており、カプセル114の広い側面と、第1の流体120の一般的な流れ方向290とを示してある。カプセル114は突起260を有し、突起260は、カプセル114のそばを通過する第1の流体120の流路が蛇行パターン291(または曲がりくねったパターン)に形成されるように配置されている。本発明の意味における蛇行パターン291は、流れの方向が繰り返し変化することにおいて特徴付けられる。オプションとして、蛇行パターン291は、流れの方向が規則的に変化することにおいて特徴付けられる。さらに好ましいのは、蛇行パターンの少なくとも一部において、蛇行パターンが中心線に対してほぼ対称であることである。参照数字292は、突起260の間のカプセル114の平坦な領域を指している。図2Yは、図2V、図2W、および図2Xに示したカプセル114の斜視図を示している。
次に図3を参照し、図3は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る氷カプセルを示している。図3に示したように、カプセル114Cyは、オプションとして、シクロヘキサン形状に設けられている。使用時、複数のシクロヘキサン形状のカプセル114Cyが、ブリック112の内側で自由に落ち着くようにブリック112の内側に配置される。したがってカプセル114Cyは、ブリック112の内側で固定されない。シクロヘキサン形状のカプセル114Cyの不規則な形状は、カプセル114Cyの内側の第2の流体122を凍結させるためにカプセル114Cyの周囲を第1の流体120が流れるための隙間を可能としながら、ブリック112内の高い詰め込み率を可能にする。さらに、複数のシクロヘキサン形状のカプセル114Cyは、ブリック112の内側に、定義された流路を提供し、なぜならそのような定義されたシクロヘキサン形状のカプセル114Cyは、密閉された容積内に複数のカプセル114Cyを配置するとき、これらのカプセル114Cyの定義された幾何学的パターンを形成するためである。
次に図4を参照し、図4は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る円筒状の氷ブリックを示している。図4に示したオプションの実施形態においては、氷ブリック112Cは円筒状であり、1つまたは複数のアレイに配置されたカプセル114Cを備えている。オプションとして、ブリック112C内に異なる高さに配置された複数のアレイが存在する。オプションとして、円筒状のブリック112Cは、地下に配置されるようにされている。ブリック112Cは、ブリック112Cを地下に配置することを可能にするため、ブリック112Cの外側に沿って延びる、らせん状の金属補強(図示していない)を備えた管から製造されている。氷ブリック112Cの容積は、オプションとして100〜10,000立方メートルの範囲内である。
次に図5A、図5B、および図5Cを参照し、図5Aは、氷ブリックの個別のサブセットをコントローラによって有効化することのできるTESシステムを示しており、図5Bは、TESシステムの動作の流れ図を示しており、図5Cは、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、TESシステムの動作からの実験データを示している。図5Aに示したように、TESシステム100は、図1AのTESシステム100に従った構造を有し、図1AのTESシステム100のように動作する。オプションとして、図1A〜図1Eの実施形態のいずれも、図5Bを参照しながら説明されているように使用することができる。図5Aの実施形態においては、システム100はN個の氷ブリック112を備えており、Nは3以上の整数である。なお上述したように、アレイ110は、オプションとして、十分な熱エネルギ貯蔵を提供するために必要な数の氷ブリック112を備えていることを理解されたい。氷ブリック112は、注入管/吐出管224および相互接続配管228を使用して相互に接続されており、さらに、流体分配システム104の構成要素を使用して相互に接続されている。流体分配システム104の流れ制御機構107は、アレイ110を、後から説明するように個別に有効化することのできる氷ブリック112のサブセット520に分割することを可能にする。
上述したように、第1の流体120は、蓄熱および放熱において氷ブリック112の中を流れる。図5Bの放熱プロセス500では、ステップ501において、放熱プロセスを開始する。プロセス500のステップは、オプションとして、上述したようにシステム100の構成要素を制御するコントローラ105によって制御される。放熱プロセスを稼働させるステップは、ポンプ106を作動させるステップ、流れ制御機構107の弁を開くかまたは閉じるステップ、流体120,122,124の温度および流量を、監視要素109を使用して監視するステップなど(ただしこれらに限定されない)、いくつかのステップを含みうる。
有効化プロセスの一部としてのステップ502においては、コントローラ105が、氷ブリック112の第1のサブセット520Aを有効化し、第1の流体120がこの第1のサブセット520Aのみに送り込まれ、他の氷ブリック112には送り込まれない。図5Aに示したように、第1のサブセット520Aは氷ブリック112A,112Bを含むが、サブセットには任意の数の氷ブリック112、場合によっては1つの氷ブリック112を含めることができ、サブセット520の中の2つの氷ブリック112という例は、本発明を制限するようにはみなされないものとする。オプションとして、ステップ502において2つ以上のサブセット520を有効化する。第1の流体120が第1のサブセット520Aの中を通るにつれて、第1の流体120が冷やされる一方で第2の流体122が暖まる。ステップ503においては、第1の流体120がアレイ110を出るときの第1の流体120の温度を、例えば監視要素109によって監視する。オプションとして、システム100内の別の流体の温度も、ステップ503において測定する。
決定ステップ504において、監視要素109は、監視された温度が、定義されているしきい値より上昇したかを示す。監視された温度がしきい値を超えていない場合、コントローラ105は何らの動作も行わず、監視するステップ503を継続する。監視要素109が、定義されているしきい値(オプションとしてコントローラ105において定義される)より温度が上昇したことを示すときには、サブセット520Aの第2の流体122の温度が上昇したために、サブセット520Aの中を通る第2の流体122がサブセット520Aによってもはや十分に冷やされていないことを意味する。非制限的な例においては、第1の流体120の温度がアレイ110の吐出口において5℃を超えている場合、サブセット520Aはもはや第1の流体120を十分に冷やしていない。
決定ステップ505において、コントローラ105は、氷ブリック112のすべてのサブセットが有効化されたかをチェックする。氷ブリック112のすべてのサブセットが有効化されていないと判定されるとき、コントローラ105は、ステップ506において、氷ブリック112の次のサブセット520Bを有効化する。上記と同様に、図5Aは、氷ブリック112C,112Dのみを含むサブセット520Bを示しているが、これは本発明を制限するものではなく、サブセット520Bは任意の数の氷ブリック112を含むことができる。オプションとして、サブセット520Bは、サブセット520Aに加えて有効化される。これに代えて、サブセット520Bが有効化されるとき、サブセット520Aが無効化される。オプションとして、ステップ506において、2つ以上のサブセットが有効化される。サブセット520Bを有効化する結果として、ステップ503において監視要素109によって監視される温度が下がる。
ステップ505において、氷ブリック112のすべての利用可能なサブセット(サブセット520Nまで)が利用されたと判定されてステップ507において放熱プロセス500が停止されるまで、ステップ503、ステップ504、およびステップ505が図5Bに示したように繰り返される。
図5Cは、TESシステムの動作からの実験データを示している。図5Cのグラフに示したように、アレイ110の吐出口において第1の流体120の温度が監視され、放熱プロセスが稼働された以降に経過した時間の関数として線532としてプロットされている。実験システムにおいては、時刻=0において3つの氷ブリック112が有効化され、図示したように、温度は−5℃から、点530に示した時刻において約5℃まで上昇した。時刻530において、最初の3つの氷ブリックに加えて別の氷ブリックが有効化され、これによりグラフ532が示すように吐出口の温度がただちに約0℃まで下がった。この第4の氷ブリックも放熱されるにつれて、温度が再び徐々に約5℃まで上昇した。実験グラフ532からわかるように、氷ブリック112または氷ブリックのサブセット520を段階的に有効化することによって、よりバランスのとれたTESシステム100の放熱が得られ、放熱時間が長くなって負荷130の長いTES冷却期間が得られ、また各氷ブリック112の良好な利用につながり、それぞれがより完全に放熱される。
次に図6A〜図6Gを参照し、これらの図は、本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る、氷ブリックにおいて使用するためのスペーサを示している。スペーサ600,620は、氷ブリック112の内側のカプセル114の間に挿入される。氷ブリック112は、オプションとして、複数のスペーサ600あるいはスペーサ620を備えている。
これに代えて、氷ブリック112は、スペーサ600およびスペーサ620の組合せを備えている。
図6Dおよび図6Eは、スペーサ600またはスペーサ620が存在しないときの、放熱された(図6D)状態および蓄熱された(図6E)状態における2つのカプセル114を示している。図6Fおよび図6Gは、スペーサ620が存在するときの、放熱された(図6F)状態および蓄熱された(図6G)状態における2つのカプセル114を示している。簡潔さを目的として2つのカプセル114を示してあるが、当然ながら、必要に応じて任意の数のカプセルおよびスペーサをブリック112の内側に設けることができる。スペーサ600,620の目的は、カプセル114の周囲に最小限の流れ領域630を維持することである。流れ領域630が必要であるのは、カプセル114が完全に蓄熱された(水などの第2の流体122が氷に変化した)ときにカプセル114が膨張する(図6E)ためである。カプセル114によるこの膨張によって、流れ領域630が締め付けられることにより(図6E)第1の流体120の流れが遮断されることがあり、第1の流体120が氷ブリック112の中を通ることが妨げられ、したがって第1の流体120の効率的な冷却が阻止される。さらに、第2の流体122(水など)が放熱された状態にあるときには(図6D)、カプセル114が収縮してカプセル114の間の流れ領域630が大きくなり、これにより第1の流体の流速が著しく減少し、このことは蓄熱および放熱の両方における熱伝達に影響する。
図6Aの実施形態においては、スペーサ600は、カプセル114が膨張して流れ領域を占有することができないようにカプセル114の間に収まることによって、十分な流れ領域630を確保する。スペーサ600の孔604は、第1の流体120の流れを可能にする。カプセル114が放熱するとき、可撓性のフラップ602が、流れ領域630を占有するようにスペーサから離れる方向に開き、したがって第1の流体の流速を高める。
図6B、図6C、図6F、および図6Gの実施形態においては、スペーサ620は、凍結中にカプセル114が膨張して流れ領域630を占有することができないようにカプセル114の間に収まることによって、十分な流れ領域630を確保する。図6Cは、スペーサ620の断面A’−A’を示している。スペーサ620における垂直棒621と水平棒622の間の隙間624は、第1の流体120が流れることを可能にする。図6Fに示したように、スペーサ620はカプセル114の間に収まり、垂直棒621および水平棒622が、流れ領域630を通る第1の流体の流速を高める。図6Gに示したように、カプセル114が蓄熱されて膨張するとき、カプセル114が流れ領域630を塞ぐことをスペーサ620が阻止し、したがってカプセル114の周囲の第1の流体120の継続した流れが確保される。
次に図7A〜図7Dを参照し、これらの図は、氷ブリック112、すなわち熱エネルギ貯蔵ユニット711を示している。
図7Aの熱エネルギ貯蔵ユニット711は、細長い中空体の形状を有するチューブ712を備えている。チューブ712は、オプションとして、金属(例:炭素鋼またはステンレス鋼)から作製されている。前端要素713Aおよび後端要素713Bは、長方形形状の容器が形成されるように、両端においてチューブを閉じるように配置されている。要素713Aおよび要素713Bのいずれも、オプションとして金属(例:ステンレス鋼または炭素鋼)から作製されており、熱エネルギ貯蔵ユニット711を例えば支持手段(図示していない)に取り付けるための手段を提供する。前端要素713Aは注入口714Aを有し、後端要素713Bは吐出口714Bを有する。注入口714Aおよび吐出口714Bは、さらなる熱エネルギ貯蔵ユニット112、配管10、および/または流体分配システム104に接続することができる。チューブ712の内側には、複数のカプセル715が配置されている。カプセル715は、板またはレンガの形状を有する。さらに、カプセル715は、その主面の(すなわち広い側面の)凹形状または窪んだ形状を有する。チューブの内側のカプセル715の配置は、オプションとして、カプセル715の複数の水平に配置されたスタック717によって構成されている(すなわちスタックはチューブ712の幅方向に重ねられている)。例えば16または8つのカプセル715が、カプセル715の1つのスタック717を形成することができる。複数のスタック717が、チューブ712の長さに沿って順次配置されている。カプセルは、水などの第2の流体122としての相変化物質と、好ましくは石英などの核生成材を含む。カプセル715の間と、カプセルとチューブ712の間には、空間716が設けられており、第1の流体120(例:水/グリコールの混合物)はチューブ712の内側でこの空間内を注入口714Aから吐出口714Bまで流れることができる。
この配置構成では、カプセル715の壁を介して第1の流体120と第2の流体122の間で熱を効率的に交換することができる。カプセル715と第1の流体120との間の実際の熱交換率は、流れの速度、第1の流体120の流れとカプセル715との間の接触面の有効面積、流れのタイプ(例:乱流または層流)を含むいくつかの要因によって決まる。図7Aの実施形態は、これらの要因すべてを改善する。これについて以下に詳しく説明する。
カプセル715のスタック状の配置と組み合わされるチューブの細長い形状により、空間716の内側に残留自由空間が画成され、結果として、カプセルの横に第1の流体の複数の事前定義される流路718が得られる。注入口714Aにおける第1の流体120の全体的な流れが、複数の事前定義される流路718に分割され、流路718それぞれは、チューブ712の長さに沿って複数のカプセルのそばを通る。さらに、カプセル715は、カプセル715の凍結した(膨張した)状態と、カプセル715の凍結していない(膨張していない)状態において、流路718が画成されるように構成されている。言い換えれば、特に相が変化する間の第2の流体の体積変化に起因するカプセルの変化する体積を考慮しながら、第1の流体120のための複数の、事前定義されるかまたは固定された流れ通路がカプセル715の間に形成される。したがって、従来のタンクに基づく熱エネルギ貯蔵ユニットとは対照的に、熱を交換するための第1の流体120の複数の流路718の事前定義されるシステムが提供される。従来のタンクに基づく熱エネルギ貯蔵ユニットにおける熱伝達流体の流れは、ランダム性の程度が高く、例えば第1の流体がタンクの縁部に達することが難しい。
さらに、カプセル715の板形状は、カプセル715の表面(すなわち容積に対する表面の比)を幾何学的に増加させ、カプセル715の最大の表面(すなわち広い側面)が、熱を交換するための主面を有利に画成する。
したがって、図7Aの各流路718は、カプセル715のこの主面に平行に整列している狭い形状を有する。画成される流路718の狭い形状は、熱伝達率が高まるようにカプセル715の主面を利用する。言い換えれば、熱エネルギ貯蔵ユニット711の上述した配置構成では、圧力降下を許容可能なレベル(例:1バール未満)に維持しながら、熱を交換するための接触面の有効面積が著しく増大する。
チューブ712の細長い形状は、従来のシステムよりも著しく長い、第1の流体120の定義された流路を提供する。したがって、カプセル715をフロスト(frosting)またはデフロスト(defrosting)している間にスタック717が徐々に有効化されるため、複数のスタック717との第1の流体120の熱の交換が最適化される。
さらに、流路の平均長さが増大して、チューブ712の長さLより長い。これにより、熱伝達率がさらに高まる。
図7Bは、空のチューブ712の断面を示している。図7Cは、液体(凍結していない)状態の水を有するカプセル715のスタック717を含むチューブ712の断面を示している。したがって図7Cの熱エネルギ貯蔵ユニット711は完全に放熱されている。図7Dは、凍結/固体状態の水を有するカプセル715のスタック717を含むチューブ712の断面を示している。したがって図7Dの熱エネルギ貯蔵ユニット711は、完全に蓄熱されている。図7Bのチューブ712は、カプセル715が存在しないと考えた場合に、第1の流体120のためにチューブの断面全体(すなわち断面積)712Aを理想的に有する。カプセル715のスタック717がチューブ712の内側に配置される場合、カプセル715の間に狭い形状の流路が形成され、図7Cでは、これらの狭い流路718の1つが複数の円(第1の流体120の流れ方向を示す)によって示されている。第1の流体120のための流路718は、2つのカプセル715それぞれの間の断面領域に形成され(流路のためのこれらの自由流れ断面積の1つを、図7Cでは参照数字718Aで示してある)、図7Cの左側および右側では、一番左のカプセル715および一番右のカプセル715とチューブ712の壁との間の断面積に形成される。流路718を画成するこれらの断面積の1つを、図7Cにおいて参照数字718Aで示してある。図7Dは、図7Cとほぼ同じ構造を示しているが、重要な違いとして、カプセル715の間を第1の流体120が流れるための残っている断面積が小さく、なぜならカプセル715が、その内側の凍結した第2の流体122によって膨張しているためである。第1の流体120の流路718を画成するこれらの自由流れ断面積の1つを、図7Dにおいて参照数字718Bによって示してある。複数のスタック717は、連続する流路718が一般にチューブの前端から後端までチューブの長さに沿って形成されるように、配置されている。これらの流路718の平均長さは、チューブ712自体の長さより長い。オプションとして、カプセル715のスタック717は、同じ数のカプセル715を有する。オプションとして、スタック717は、複数のスタック717自体によって流路718が形成されるように、互いに横に連続的に配置されている。
蓄熱/凍結している間に水はその体積を膨張させるため、図7Dのカプセル715は、図7Cのカプセルより多くの空間を必要とする。この効果は、カプセル715の「呼吸効果(breathing−effect)」とも呼ばれる。この呼吸効果のため、第1の流体120のための残る空間は、カプセル715の内側の第2の流体122の状態に従って変化する。流路718を定義するときには、カプセル715の呼吸効果を考慮しなければならない。第一に、スタック717は、蓄熱された状態および放熱された状態において流路718が塞がれないように、適合されていなければならない。第二に、スタック717は、凍結したカプセル715の場合および凍結していないカプセル715の場合において、流路718によってもたらされる圧力降下が許容可能であるように、適合されていれなければならない。第三に、熱エネルギ貯蔵ユニット711の全体的な熱力学構造が最適化されていなければならない。特に、カプセル715と第1の流体120との間の効率的な熱伝達が起こり得るように、流路718における第1の流体120の流れ力学を構成するべきである。
上に述べた最初の項目は、第1の流体120の流れを常に提供できるように確保するためである。
上に述べた2番目の項目は、次のようにさらに詳しく説明される。流路が長いほど、または流路の断面積が小さいほど、圧力降下の増大が大きい。大きな圧力降下は、デメリットとして、ポンピングの電力消費量が大きく(すなわちシステム損失が大きく、システムの全体的な効率が下がる)、またシステム全体の機械的要件が増す。したがって、蓄熱ユニットの注入口714Aから吐出口714Bまでの圧力降下は、1バール(気圧)未満でなければならない。オプションとして、熱エネルギ貯蔵ユニットは、完全に蓄熱された状態および完全に放熱された状態において圧力降下が0.5バール未満であるように、構成される。
上に述べた3番目の項目に関しては、流れ切断面積に対する、複数のチューブ(または1本の極めて長いチューブ)の合計長さの比が、約40〜200(cm/cm)の範囲内、オプションとして約60〜150(cm/cm)の範囲内である。流れ切断面積と複数のチューブの合計長さ(すなわち直列に接続された、いくつかのチューブ712の合計長さ)のこれらの比では、効率的な熱伝達率とともに許容可能な圧力降下がもたらされる。
これにより、注入口に最も近く配置されているカプセル(このカプセルではその内側で溶ける氷に起因して熱伝達率が低下する)が、より低い熱伝達率およびより低い交換温度において第1の流体120への熱伝達をより長い時間にわたり継続することができ、その一方で、第1の流体120の流れのさらに下流に位置するカプセル715は、より高い熱伝達率において熱伝達を継続する。
用語「流れ切断面積」は、次のように計算される値である。
AFFCAp=(TCSA−(CCSA−LS+CCSA−FS)/2×CPS)/CPS
式中の変数は次のように定義される。
AFFCAp:カプセルあたりの平均の自由流れ切断面積
TCSA:チューブの全体的な利用可能断面積712A(図7Bを参照)
CCSA−LS:第2の流体の液体状態(すなわち放熱された状態、図7Cを参照)におけるカプセル断面積715
CCSA−FS:第2の流体の凍結状態(すなわち蓄熱された状態、図7Dを参照)におけるカプセル断面積715
CPS:平行に設置されたカプセル715の数
上に述べた式では、カプセル715あたりの平均の自由流れ断面積(すなわちAFFCAp)を使用して、チューブの断面における利用可能な合計流れ面積を計算する。次にその結果を使用して、カプセルあたりの平均断面流れ面積(すなわち流れ切断面積)を計算する。
計算された流れ切断面積を使用してガンマ比を計算することができ、ガンマ比は、以下のようにカプセルと第1の流体との間の熱伝達の効率の良好な指標である。
ガンマ比=複数のチューブの合計長さ/流れ切断面積(長さの単位として例えばセンチメートル、面積の単位として平方センチメートルを使用する)[cm/cm
ガンマ比はいくつかの要因によって決まるが、そのいくつかとしてカプセルの特性および流路の特性が挙げられる。
ガンマ比[GR](熱伝達流体の流路の直線長さ(単位:cm)と、上述したカプセルあたりの自由流れ断面積(cm)との比)は、ブリック内に設置されているカプセルの熱的性能およびさらなる別のパラメータに依存する。
高いガンマ比では、氷に蓄えられたエネルギの大部分を所望の速度で溶かすための、カプセルと熱伝達流体との間の十分な熱交換相互作用が可能になる可能性がある。一方でガンマ比が高いと、一般には移動距離が長くなり、通路が狭くなり、これにより圧力降下が大きくなる可能性があり、それに起因して高いポンピング損失、および/または、ブリックの壁に対する高い機械的負荷が発生しうる。
一般的には、カプセルの性能[CP]および熱交換流体の熱伝達率[HTC]に対するガンマ比(GR)の依存性は以下である。
GR=K*(1/CP*HTC)
式中、Kは実験的因子である。
CP(カプセルの性能)を改善する(高める)代表的な因子は以下である。
カプセルの容積に対するカプセルの面積の比(cm/cm
カプセルの壁の厚さの逆数(1/cm)
カプセルの壁の材料(熱伝導率)(W/(m*K))。いくつかの非制限的な例として、高密度ポリエチレン(HDPE)の熱伝導率は、約0.5(W/(m*K))、アルミニウムの熱伝導率は、約200(W/(m*K))である
内部の熱伝達片の使用
HTC(熱伝達率)を改善する(高める)代表的な因子は以下である。
蛇行形状を有するように構成された流路長さ
流れの、高い平均レイノルズ数。この値は一般には流速および「流れ切断面積」の水力直径に依存する。
局所レイノルズ数(Local Reynolds number)。この値は、いくつかの非制限的な例として、流路に沿ったカプセルの向きの変化、カプセルの壁における突起、流路に含まれる乱流発生器、に依存する。乱流発生器とは、層状の境界層を乱流の境界層にする装置である。乱流発生器としては、バッフル、角度のついた金属片、らせん状のブレード、コイル状のワイヤが挙げられ、流路内に挿入される。
流れ切断面積に対する、複数のチューブの合計長さのガンマ比として有用な値の例は、約150cm/cmである。上に説明した要件に従って構成されたシステムでは、5℃未満の第1の流体の許容可能な出口温度および許容可能な圧力降下(約0.5バール)において、80%より高い歩留まり値(4時間の期間の放熱率の間に溶けた第2の流体の割合)が実証された。(上に説明した実施形態に従ったカプセルの形状で)比を200cm/cmに高めると、圧力降下が増大して所望の限界を超える。比を40cm/cm未満に下げると、放熱中の歩留まり率が50%に下がる。60〜90cm/cmの範囲内の比でも、ユニット711の妥当な効率が得られる。さらに、本実施形態は、従来の「カプセルアイス」システムとは対照的に、平坦かつ安定した放熱曲線(挙動)をもたらす。
いくつかの実施形態においては、例えば後から節「ブリックを直列および/または並列に接続する」の中で説明するように、最初の方のブリックが、圧力降下の問題を依然として回避しながら200〜500(cm/cm)のオーダーの高い「ガンマ比」を可能にする可能性がある。
なお、ガンマ比の上記の範囲および値は、上の実施形態の場合の理論的および実際の実験の結果であることに留意されたい。
図8Aは、事前定義される直径を有する充填ノズル202を備えたカプセル114を示している。平坦な金属片801が、カプセル114の内側に配置されるように提供される。金属片の幅は、金属片をカプセル114の中に挿入できるように充填ノズル202の直径に適合される。なお図8Aにおいて充填ノズル202に配置されている金属片801は、説明のみを目的として示してあることに留意されたい。最終的に蓄熱ユニットにおいて使用されるカプセル114は、カプセル114の内部に完全に配置された金属片801のみを備えている。金属片801の長さは、カプセル114の長さの内側に収まるような寸法であることが好ましい。このようにして金属片801は、カプセル114の内部の所定の位置に収まり、カプセル114の内部容積の大部分に影響を及ぼす。オプションとして、カプセル114の全体的な熱伝達効率を高める目的で、複数の金属片が使用される。これらの金属片801は熱伝達要素として機能し、カプセル114の内側の熱の伝達を改善し、個々のカプセルの全体的な熱伝達効率を改善する。
図8Bは、事前定義される直径を有する充填ノズル202を備えたカプセル114を示している。らせん状の平型金属片802が、カプセル114の内側に配置されるように提供される。金属片の幅は、金属片をカプセル114の中に挿入できるように充填ノズル202の直径に適合される。なお図8Bにおいて充填ノズル202に配置されている金属片802は、説明のみを目的として示してあることに留意されたい。らせん状の平型金属片802は、カプセル114の内部におけるさらに良好な熱分布をもたらす。
図9Aは、垂直棒621と、水平棒622と、棒の間の隙間624とを有する剛性スペーサ620を示している。剛性スペーサ600は、2つの隣り合うカプセル114の間に設けられる。図6Bおよび図6C、ならびに対応する説明を参照されたい。この剛性スペーサは、例えば、図7に関連して説明した実施形態と組み合わせて使用することができる。
蓄熱している間に(すなわち第2の流体122が凍結する間に)カプセルの壁が隣接するカプセルの壁の方に変形するとき、水平棒622がその付近の自由流路を維持し、これにより第1の流体120の平行な流れ650が可能になり、これによりカプセルの幅全体にわたり氷が溶ける。直角の垂直棒は、曲線矢印640によって描いたように乱流を発生させ、これによりカプセルの壁と第1の流体120の流れとの間の熱伝達率が改善される。
図9Bは、フラップ602を有する可撓性のスペーサ600を示している。可撓性のスペーサ600は、2つの隣り合うカプセル114の間に設けられる。図6Aおよび対応する説明を参照されたい。さらに、さらなる乱流を形成する目的で突起603が設けられている。この可撓性のスペーサ600は、例えば、図7に関連して説明した実施形態と組み合わせて使用することができる。
フラップ602(隣接するカプセル114の平らな壁に押し付けられるように予荷重されている)を備えた可撓性のスペーサ600を配置することによって、第1の流体がカプセル114の壁の間の狭い隙間を流れるように強制される。これにより、カプセル114との第1の流体120の熱伝達率が高まる。これに加えて、流れの乱れも増大する。このことは図9Bに線900によって描いてある。蓄熱された状態における最小の間隙(すなわち隙間の最小サイズ)は、各側面において約1mmであるべきである。
さらには、(氷が溶けることによって)隙間が各側面において約3〜5mmに増大するように、可撓性のスペーサ600を構成することができる。これにより第1の流体120の流体流れの速度が、チューブ内の最大速度の1/4まで有利に低下する。
まっすぐな板から離れる方向に広がってカプセルの壁の方に動き、カプセル114付近に第1の流体120が流れるための狭い隙間を維持するようにプリセットされたフラップ(羽根)は、上述したように性能の低下を防止する。
[ブリックを直列および/または並列に接続する]
カプセルの所与の構造(形状および材料)における貯蔵容量の放熱割合を高める目的で、1つの可能な構成は、ブリックを直列に接続することである。
下流のカプセル(依然として完全に蓄熱されている、または容量の一部のみが放熱されている)は、熱伝達流体を所望の温度(例えば5℃未満)まで冷却し続ける可能性があり、ブリックを直列に配置することによって、上流に配置されている大きく放熱されたカプセルから冷却能力を取り出し続ける可能性がある。
ブリックを直列に接続することのさらなる潜在的な利点は、メインヘッダへの接続が少ないことである。
このような配置の潜在的なデメリットは、ブリックを直列に接続しないときより、または短い直列の場合よりも、特に放熱の最初の段階時に、大きい圧力降下が発生することであり、その原因は以下である。
必要な流れは、オプションとして必要な放熱率および(熱交換器の注入口と吐出口の間の)温度差によって決まる。
放熱率は、ブリックセットの蓄えられた冷却容量および目標期間によって影響される可能性があり、したがって、より多数のブリックが直列に接続されている場合、所望の放熱期間を維持するためには、より高い放熱率が要求される可能性がある。
圧力降下は、移動距離の長さに、流速の2乗を乗算した値に比例するため、圧力降下はブリック数の増大の3乗に比例する。
以下は非制限的な例である。
直列構造における2つのブリックを、直列構造における3つのブリックに増やす場合:
A)2つのブリックにおける基準値の例は以下である。
・容量:2×10=20RTH
・所望の放熱期間:4時間
・計算上の放熱率:5RT
・計算上の放熱流量(温度差5℃に基づく):5×0.6=3m/時
・放熱の第1段階中の圧力降下:0.3バール(一般的な試験結果)
B)3つのブリックの場合に上の例の値を使用する。
・容量:3×10=30RTH
・所望の放熱期間:4時間
・計算上の放熱率:7.5RT
・計算上の放熱流量(温度差5℃に基づく):7.5×0.6=4.5m/時
・放熱の第1段階中の圧力降下:0.3×1.53=0.3×3.375=1.0125バール
3つのブリックの場合の圧力降下は、一般的な所望の限界値より高いものと考えられる。
いくつかの実施形態においては、放熱期間の初期段階中、第2のブリックを出て第3のブリックに入る熱伝達流体の温度は、非制限的な例として、0℃に極めて近い。結果として、中間の熱交換器において熱を伝達させるための利用可能な温度差は5℃より高く、7〜8℃にもなりうるため、流量を減らして入口圧力を必要な制限以下に維持することができる。
いくつかの実施形態においては、オプションとして、放熱ヘッダに接続されるオン/オフ弁や圧力逃し弁などの迂回装置が取り付けられ(後の図23A〜図23Cおよび図24の説明を参照)、圧力降下をさらに低減する目的で、最後の凍結したブリックをオプションとして迂回することができる。
いくつかの実施形態においては、上に述べた現象と、本明細書に記載されている蓄熱容器とを組み合わせることによって、必要な限界未満に圧力降下を維持しながら、必要に応じた放熱率を可能にできる可能性がある。
いくつかの実施形態においては、オプションとして、迂回構造は、任意の数の直列のブリック(直列に構成された3〜5個の範囲内のブリック、さらには直列に構成された2〜10個の範囲内のブリック)において、適用される。
次に図23Aを参照し、図23Aは、本発明の例示的な実施形態に係る、ブリックおよび迂回機構の簡略図である。
図23Aは、最小の構成(直列に接続された2つのブリック2304,2316および弁2312を示している。
いくつかの実施形態においては、弁2312は、圧力逃し弁である。
いくつかの実施形態においては、弁2312は、コントローラ2310(オプションとして電気的コントローラ)によって制御される弁、オプションとして制御ソフトウェアの制御下にある弁、またはネットワークを通じて制御コンピュータによって制御される弁とすることができる。
入ってくる流体2302は第1のブリック2304の中を流れ、第1のブリック2304に直列の第2のブリック2316を流れ続けて、図23Aに示した構造から出る(2318)。
いくつかの実施形態においては、弁2312は、熱伝達流体の流れが、第2のブリック2316を迂回して、図23Aに示した構造から出る(2314)ことを可能にする。なお弁2312が、熱伝達流体がこの弁2312を通って流れることを可能にするときには、この流体経路は第2のブリック2316の中を流れるよりも抵抗が小さいため、一般に熱伝達流体の大部分またはすべてが弁2312を流れることに留意されたい。
次に図23Bを参照し、図23Bは、本発明の例示的な実施形態に係る、ブリックおよび2つの弁の簡略図である。
図23Bは、より複雑な構造(直列に接続された2つのブリック2324,2338および2つの弁2330,2331)を示している。
いくつかの実施形態においては、第1の弁2331は、コントローラ2333(オプションとして電気的コントローラ)によって制御される弁、オプションとして制御ソフトウェアの制御下にある弁、またはネットワークを通じて制御コンピュータによって制御される弁とすることができる。第1の弁2331は、オプションとして、開くように、または閉じるように制御することができる。
いくつかの実施形態においては、第2の弁2330は圧力逃し弁とすることができ、なぜなら第1の弁2331を閉じることによって、熱伝達流体の流れに対する背圧が発生する可能性があるためである。
いくつかの実施形態においては、第2の弁2330は、コントローラ2332によって制御される弁とすることができ、オプションとして、第1の弁2331が閉じるように制御されるときに開くように制御される。
入ってくる流体2322は第1のブリック2324の中を通り、第1の弁2331と、第1のブリック2324に直列の第2のブリック2338の中を流れ続けて、図23Bに示した構造から出る(2339)。第1の弁2331が閉じており第2の弁2330が開いているとき、熱伝達流体は、第2のブリック2338を迂回して、図23Bに示した構造から流れ出る(2334)。
上の図23Aおよび図23Bは、熱伝達流体がブリックを迂回することを可能にする2つの可能な構造を示している。上述した構造の一方を、オプションとして、任意の上流のブリックと下流のブリックとの間に配置することができる。
以下では、3つのブリックを有する構造の場合の、1つのさらなる迂回構造について説明する。当業者には、本明細書に記載されている説明に基づいて、さらなる構成を考案することができるであろう。
次に図23Cを参照し、図23Cは、本発明の例示的な実施形態に係る、3つのブリックおよび弁の簡略図である。
図23Cは、直列に接続された3つのブリック2342,2344,2354および弁2348を有する構造を示している。
いくつかの実施形態においては、弁2348は圧力逃し弁とすることができる。
いくつかの実施形態においては、弁2348は、コントローラ2350(オプションとして電気的コントローラ)によって制御される弁、オプションとして制御ソフトウェアの制御下にある弁、またはネットワークを通じて制御コンピュータによって制御される弁とすることができる。弁2348は、オプションとして、開くように、または閉じるように制御することができる。
入ってくる熱伝達流体2322は第1のブリック2342の中を通り、第1のブリック2342に直列の第2のブリック2344に流入し(2343)、第2のブリック2344に直列の第3のブリック2354を流れ続け(2345)、図23Cに示した構造から出る(2356)。
弁2348が開いているときには、熱伝達流体は、図23Cに示した構造から流れ出て(2351)、第3のブリック2354を迂回する。
次に図24を参照し、図24は、本発明の例示的な実施形態に係る、蓄熱容器の中を流れる熱伝達流体によって熱を交換する方法の簡略流れ図である。
図24の方法は、以下のステップを含む。
蓄熱システムを提供するステップ(2402)であって、蓄熱システムが、蓄熱容器と、熱伝達流体注入口と、蓄熱容器の少なくともいくつかを直列に接続する配管と、流れ制御機構と、熱伝達流体吐出口と、を含む、ステップ、および、
より下流の蓄熱容器を迂回するために熱伝達流体の流路を開く目的で、制御信号を流れ制御機構に供給するステップ(2404)
[蓄熱システムにおける流れ制御]
蓄熱容器がその容量の高い割合まで凍結すると、出てくる熱伝達流体(HTF)の温度は、要求されるより冷えていることがある。蓄熱システムから伝達されるエネルギは、システムを出る熱伝達流体(HTF)の流量と、熱伝達流体(HTF)の温度とに依存する。
いくつかの実施形態においては、直列に接続された、いくつかの容器を有するシステムから出てくる熱伝達流体(HTF)の温度が要求されるより冷たいときには、オプションとして、直列の容器の1つまたは複数を迂回して、要求される温度に近い温度において熱伝達流体(HTF)を提供する。
いくつかの実施形態においては、システムから出てくる熱伝達流体(HTF)の温度が要求されるより冷たいときには、以下の方法の1つまたは複数を使用して、システムから出る熱伝達流体(HTF)の流量を減らす。
流れ制御弁を使用して流れを減らす
可変周波数ドライブ(VFD:Variable Frequency Drive)を使用して、可変速度のポンプ動作を提供する
例えば、出ていく熱伝達流体(HTF)の温度が5℃ではなく2℃であるときには、比5/8(=0.6)だけ流れを減らすことができる。
流量を減らすことの潜在的に有利な効果として、システムにおける圧力降下が、比5/8(=0.4)だけ減少する。
次に図25を参照し、図25は、本発明の例示的な実施形態を使用して実行された実験の結果を示す様々なグラフである。
図25の上段は以下を示している。
最初のグラフ2501は、実験時の相対湿度を示している。
2番目のグラフ2502は、実験時の温度を示している。
3番目のグラフ2503は、実験時の全体的な太陽放射を示している。
4番目のグラフ2504は、実験中に供給された合計エネルギ(18.189trh(冷凍トン時))を示している。
5番目のグラフ2505は、供給された合計エネルギに等価の氷の量(687.56Kg)を示している。
6番目のグラフ2506は、55041.29Kcalとして表される等価のエネルギ量を示している。
図25は下段に7番目のグラフ2510を示しており、このグラフ2510は、実験の期間全体にわたるいくつかの実験パラメータを示している。
7番目のグラフ2509は、X軸が時間(19:00から22:30過ぎまで)、左側のY軸が温度(単位:℃)(7番目のグラフ内のいくつかの線に関連する)、右側のY軸が温度(単位:℃)を示している。
7番目のグラフ2509は、以下を示している。
第1の線2510は、出力率(単位:冷凍トン)を示している。出力率の値は、放熱サイクルの終了時において3.554であった。
第2の線2511は、流れ(右側のY軸に基づく)を示している。流れの値は、放熱サイクルの終了時において2.967m/時であった。
第3の線2512は、出ていく冷たい水の温度を示している。出ていく冷たい水の温度の値は、放熱サイクルの終了時において5.229℃であった。
第4の線2513は、システムに入る比較的暖かい水の温度を示している。システムに入る比較的暖かい温度の値は、放熱サイクルの終了時において8.852℃であった。
第5の線2514は、実験場所の周囲温度を示している。放熱サイクルの終了時における周囲温度の値は28℃であった。
本出願から発生する特許権の存続期間中、数多くの関連する蓄熱容器が開発されることが予測されるが、用語「蓄熱容器」の範囲は、このようなあらゆる新規の技術を含むように意図されている。
本明細書において使用される語「約」は、−60%〜+200%を意味する。
用語「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(having)」およびその活用形は、「限定されるものではないが、含む(including but not limited to)」を意味する。
「からなる」という用語は、「含み、限定される」ことを意味する。
「から実質的になる」という用語は、組成物、方法または構造が追加の成分、工程および/または部分を含み得ることを意味する。但しこれは、追加の成分、工程および/または部分が、請求項に記載の組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特性を実質的に変更しない場合に限られる。
本明細書において、単数形を表す「a」、「an」および「the」は、文脈が明らかに他を示さない限り、複数をも対象とする。
本願全体を通して、本発明のさまざまな実施形態は、範囲形式にて示され得る。範囲形式での記載は、単に利便性および簡潔さのためであり、本発明の範囲の柔軟性を欠く制限ではないことを理解されたい。したがって、範囲の記載は、可能な下位の範囲の全部、およびその範囲内の個々の数値を特異的に開示していると考えるべきである。例えば、1〜6といった範囲の記載は、1〜3、1〜4、1〜5、2〜4、2〜6、3〜6等の部分範囲のみならず、その範囲内の個々の数値、例えば1、2、3、4、5および6も具体的に開示するものとする。これは、範囲の大きさに関わらず適用される。
本明細書において数値範囲を示す場合、それは常に示す範囲内の任意の引用数(分数または整数)を含むことを意図する。第1の指示数と第2の指示数「との間の範囲」という表現と、第1の指示数「から」第2の指示数「までの範囲」という表現は、本明細書で代替可能に使用され、第1の指示数および第2の指示数と、それらの間の分数および整数の全部を含むことを意図する。
明確さのために別個の実施形態に関連して記載した本発明の所定の特徴はまた、1つの実施形態において、これら特徴を組み合わせて提供され得ることを理解されたい。逆に、簡潔さのために1つの実施形態に関連して記載した本発明の複数の特徴はまた、別々に、または任意の好適な部分的な組み合わせ、または適当な他の記載された実施形態に対しても提供され得る。さまざまな実施形態に関連して記載される所定の特徴は、その要素なしでは特定の実施形態が動作不能でない限り、その実施形態の必須要件であると捉えてはならない。
本発明をその特定の実施形態との関連で説明したが、多数の代替、修正および変種が当業者には明らかであろう。したがって、そのような代替、修正および変種の全ては、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に含まれることを意図するものである。
本明細書で言及した全ての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許および特許出願のそれぞれについて具体的且つ個別の参照により本明細書に組み込む場合と同程度に、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本願におけるいかなる参考文献の引用または特定は、このような参考文献が本発明の先行技術として使用できることの容認として解釈されるべきではない。また、各節の表題が使用される範囲において、必ずしも限定として解釈されるべきではない。
さらに、本出願の(1つまたは複数の)優先権文書は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
100 エネルギ貯蔵(TES)システム
102/150 チラー
104 流体分配システム
105 コントローラ
106 ポンプ
107 流れ制御機構
108〜108T 配管
109 監視要素
110 アレイ
112,112B,112C,112D 氷ブリック
114,114C,114Cy 氷カプセル
120 第1の流体
122 第2の流体
124 第3の流体
126 空気
130 冷却負荷
140 エアコンプレッサ
142,152,170 熱交換器(HE)
202 充填ノズル
204 狭い側面のスペーサ
206 広い側面のスペーサ
220 長方形の容器
222 取り付けブラケット
224 注入管/吐出管
226 端部パネル
227 支持パネル
228 相互接続配管
232 下部架台
250,252 隆起部
254 下側部
256 上側部
260 突起
290 一般的な流れの方向
291 蛇行パターン
500 放熱プロセス
520,520A,520B サブセット
600,620 スペーサ
602 フラップ
603 突起
621 垂直棒
622 水平棒
624 隙間
630 流れ領域
640 曲線矢印
650 流れ
712 チューブ
712A チューブの断面全体
713A 前端要素
713B 後端要素
714A 注入口
714B 吐出口
715 カプセル
716 スペーサ
717 カプセルのスタック
718 流路
718A 第2の流体の液体状態における自由流れ断面領域
718B 第2の流体の凍結状態における自由流れ断面領域

Claims (28)

  1. 熱システムにおいて使用される蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とし、前記蓄熱容器が、
    蓄熱容器ハウジングと、
    流体注入口および流体吐出口と、
    前記相変化物質を含み、前記流体の流れを前記ハウジング内側の異なる部分に導くように構成されている複数の通路を画成する、1つまたは複数のカプセルと、
    を備えており、
    前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れるすべてのセクションを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い、
    蓄熱容器。
  2. 前記流体注入口から前記流体吐出口までの前記実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れるすべてのセクションを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さの2倍よりも長い、請求項1に記載の蓄熱容器。
  3. 前記容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、前記容器内のすべての前記カプセルの合計熱交換面積との間の比として4.5×10−5〜45×10−5を有する、請求項1または請求項2に記載の蓄熱容器。
  4. 前記容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、前記容器内のすべての前記カプセルの合計熱交換面積との間の比として1×10−5〜100×10−5を有する、請求項1または請求項2に記載の蓄熱容器。
  5. 150cm/cmより大きいガンマ比を有し、前記ガンマ比が、熱伝達流体の流路のセンチメートル(cm)単位での直線長さと、カプセルあたりのcm単位での自由流れ断面積との間の比として定義される、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  6. 前記複数の通路が、前記ハウジングの内側で前記流体の蛇行流を引き起こすように構成されている、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  7. 1つまたは複数の上流のカプセルが、前記ハウジングの下流に配置されている1つまたは複数の下流のカプセルに対して横向きに前記ハウジング内に配置されている、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  8. 長手方向軸が前記蓄熱容器を通って定義されており、1つまたは複数のカプセルが、1つまたは複数の下流のカプセルに対して長手方向軸を中心として少なくとも30゜の角度の向きを有する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  9. 1つまたは複数のカプセルが水平方向であり、1つまたは複数のすぐ下流のカプセルが垂直方向である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  10. 前記カプセルを通じた前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、一般的な流れの方向において前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される長さよりも長い、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  11. 前記蓄熱容器内に配置されている前記カプセルが、前記カプセルの輪郭の間に隙間を画成する、凹状の外形および凸状の外形の組合せを有する、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  12. 前記カプセルが金属片を含み、前記金属片の長さが前記カプセルの幅よりも長い、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  13. 前記蓄熱容器が、1つまたは複数の乱流発生器を備えている、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
  14. 蓄熱容器の中を流れる流体によって熱を交換する方法であって、
    前記流体を、流体注入口を介して前記蓄熱容器の中に挿入するステップと、
    前記蓄熱容器のセクションの内側で、前記流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、
    前記流体の流れ方向を、前記蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、
    前記蓄熱容器の別の部分において、前記交換するステップおよび前記修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、
    前記流体を、前記蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、
    を含む、方法。
  15. 前記修正するステップが、前記蓄熱容器の内側で前記流体の蛇行流を引き起こすことによる、請求項14に記載の方法。
  16. 前記セクションを通じた前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れる前記セクションすべてを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い、請求項14または請求項15に記載の方法。
  17. 前記交換するステップが、前記セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルとの交換である、請求項14から請求項16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記修正するステップが、前記セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルの向きを変化させることによる、請求項14から請求項17のいずれか一項に記載の方法。
  19. カプセルの熱交換面の上に乱流を発生させるステップ、をさらに含む、請求項14から請求項18のいずれか一項に記載の方法。
  20. カプセルの熱交換面の上に蛇行流を発生させるステップ、をさらに含む、請求項14から請求項19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記修正するステップが、前記蓄熱容器内で乱流と蛇行流との間で流れを交互に変えることによる、請求項14から請求項20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 流体の流れが、前記蓄熱容器内の前記流体の流路の少なくとも35%において強い乱流である、請求項14から請求項21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 流体の流れが、前記蓄熱容器内の前記流体の流路の少なくとも35%において100W/(m*K)を超える熱伝達率を生成する、請求項14から請求項22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 蓄熱システムであって、
    熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とする、前記複数の蓄熱容器と、
    熱伝達流体入力部と、
    少なくともいくつかの前記蓄熱容器を直列に接続する配管と、
    流れ制御機構と、
    熱伝達流体出力部と、
    を備えており、
    前記流れ制御機構が、熱伝達流体が前記蓄熱容器の中を通ることなく前記蓄熱容器を迂回して前記熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、
    蓄熱システム。
  25. 前記流れ制御機構が、電動弁であり、前記電動弁を制御するコントローラをさらに備えている、請求項24に記載の蓄熱システム。
  26. 前記コントローラが、通信線を通じて制御命令を受信するように構成されている、請求項25に記載の蓄熱システム。
  27. 前記流れ制御機構が圧力逃し弁である、請求項24に記載の蓄熱システム。
  28. 蓄熱容器の中を流れる熱伝達流体によって熱を交換する方法であって、
    蓄熱システムを提供するステップであって、前記蓄熱システムが、
    前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る熱伝達流体の流れによって熱を交換するための、熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器と、
    熱伝達流体入力部と、
    少なくともいくつかの前記蓄熱容器を直列に接続する配管と、
    流れ制御機構と、
    熱伝達流体出力部と、
    を備えており、
    前記流れ制御機構が、熱伝達流体が前記蓄熱容器の中を通ることなく前記蓄熱容器を迂回して前記熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、
    ステップと、
    前記熱伝達流体がより下流の前記蓄熱容器を迂回するための流路を開くための制御信号を、前記流れ制御機構に供給するステップと、
    を含む、方法。
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