JP3194585U - 相変化材料パック - Google Patents

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Abstract

【課題】空調システム用の相変化材料パックであり、パックと空気流との間の熱伝達を向上させる相変化材料パックを提供する。【解決手段】相変化材料(PCM:phase change material)パックは、このPCMパックの第1の外面を形成する第1の熱伝導層2と第2の外面を形成する第2の熱伝導層2との間に密封された相変化材料を備える。PCMパックの少なくとも第1または第2の外面には、複数の窪み4が設けられ、ほぼ平坦な表面の形態をとり、複数の窪みは、この平坦面からPCMパックの内部に向かって、垂直な方向に偏位する。これら窪みは、PCMパックの表面に沿って通過する空気流とパックとの間の熱伝達を向上させる。【選択図】図3

Description

考案の分野
本考案は、空調システム用の相変化材料(PCM:phase change material)パックと、このようなパックが複数積み重ねられたスタックを備える空調システムとに関する。
背景
国際公開第2009/101398号、国際公開第2010/092391号、および国際公開第2010/092393号には、複数の相変化材料パックとこれら相変化材料パックを用いた空調装置とが記載されている。相変化材料は、材料の潜熱特性を利用して熱エネルギーを蓄えるので、冷たい夜間の空気を使用して相変化材料を凍結させ、日中は、この相変化材料を使用して、例えば家庭用および商業用建物の内部の空調のために空気を冷却することができる。
相変化材料パックと空気流との間の熱伝達を最大化することが望ましい。本考案は、少なくとも複数の好適な実施形態において、この要望に応えようとするものである。
国際公開第2009/101398号 国際公開第2010/092391号 国際公開第2010/092393号
摘要
本考案によると、空調システム(または換気システム)用の相変化材料(PCM:phase change material)パックが提供される。このPCMパックは、PCMパックの第1の外面を形成する第1の熱伝導層と、PCMパックの第2の外面を形成する第2の熱伝導層との間に密封された相変化材料を備える。PCMパックの第1の外面および第2の外面の少なくともいずれかは、複数の窪みが設けられた、ほぼ平坦な表面の形態をとり、これら窪みは、この平坦面からPCMパックの内部に向かって、この平坦面に垂直な方向に偏位する。
したがって、本考案によると、PCMパックの外面に設けられた各窪みは、当該外面に沿って流れる空気流とPCMとの間の熱伝達を向上させる。窪みの内側には熱の流れを高める渦流が発生することが見出されている。
一般的に、PCMパックの第1および第2の両外面はどちらも、複数の窪みが設けられたほぼ平坦な表面の形態をとり、これら窪みはこの平坦面からPCMパックの内部に向かって、この平坦面に垂直な方向に偏位する。ただし、窪みはパックの一方の外面にのみ設けられてもよい。したがって、パックのもう一方の外面はほぼ扁平でもよく、あるいは複数の突起または窪みがそこに設けられてもよい。これら突起または窪みは他の何れか適した形状をとり得る。
通常、PCMパックはほぼ直方形であり、その長さと幅とはその奥行より何倍も大きい。これにより、PCMパックは薄型パネルを形成する。
本考案の複数の実施形態において、複数の窪みは外面全体にわたって規則的に配列される。これは必須ではなく、複数の窪みはほぼ無作為に配置されてもよい。ただし、美観、PCMパックの表面積の有効利用、および空気流の理由から、現時点では規則的配列が好ましい。
窪みは、平行する複数の列をなすように配置されてもよい。窪み列の方向は、PCMパックの外面の流体流の方向(一般的にはパックの長手(長さ)方向)に直交する方向であってもよい。したがって、窪みの列は、パックの幅方向に延在しうる。各列内の窪みのピッチは、熱伝達を最大化するべく選択され得る。隣接列間の間隔は、熱伝達を最大化するべく選択され得る。PCMパックの表面積を最大利用するために、隣接し合う列の窪み同士を、例えば窪みの半ピッチずつ、ずらして配列してもよい。
当該(または各)外面には、一般的に多数の窪みが設けられる。したがって、前記窪みが設けられたパックの各外面は、少なくとも10個の窪み、好ましくは少なくとも50個の窪み、より好ましくは少なくとも100個の窪み、より好ましくは1000個またはそれ以上の窪みを備え得る。
熱伝達を最大化するために、これら窪みはPCMパックの外面のかなり大きな割合を占め得る。したがって、これら窪みは、当該(または各)外面の平坦面の面積の15%超、場合によっては25%超、好ましくは50%超、より好ましくは75%超を占め得る。
本考案の複数の実施形態においては、PCMパックの外面に比較的小さな窪みが多数設けられる。したがって、各窪みが占める外面の平坦面の面積は、当該外面の平坦面の面積全体の5%未満、場合によっては1%未満、または0.5%未満、さらには0.1%未満、になり得る。各窪みが占める外面の平坦面の面積は、その窪みのフットプリントと考えることができる。
望ましい渦流を発生させるために、各窪みは、そのフットプリントに比べ、相対的に浅いことが現時点では好ましい。したがって、PCMパックの平坦面に垂直な方向(深さ方向)における各窪みの最大深さは、その窪みが占める外面の平坦面の面積の平方根の75%未満、場合によっては50%未満、さらには25%未満、になり得る。
ただし、渦流を効果的に発生させるには、窪みは浅すぎてはいけない。したがって、PCMパックの平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、窪みが占める外面の平坦面の面積の平方根の10%超、場合によっては20%超、さらには30%超、になり得る。
窪みが有効な渦流を発生させるために、パックの平坦面に垂直な平面における各窪みの断面は滑らかな曲線を形成することが望ましい。この曲線は、円形、楕円形、双曲線、または他の何れか適した形状でよい。
各窪みのフットプリントは、何れか適した形状、例えば楕円または多角形、でよい。本考案の複数の実施形態において、各窪みは、ほぼ円形の形状を平坦な外面の平面に有する。そのような形態は製造を容易にする。
したがって、現時点で好適な一実施形態において、各窪みはほぼ球状の面によって画成される。例えば、各窪みはほぼ半球形でもよく、または半球未満で設けられてもよい。
相変化材料は、含水塩、尿素、またはパラフィンのうちの少なくとも1つを含んでもよい。混合物も含め、他の相変化材料を使用してもよい。特に、米国ミネソタ州プリマスのエントロピー・ソリューションズ・インコーポレイテッド(Entropy Solutions,Inc.)から「Pure Temp」の商標で販売されている材料など、植物性産物から作られた有機質の相変化材料を使用してもよい。具体的な相変化材料として、独国ベルリンのルビサーム・ゲーエムベーハー(Rubitherm Gmbh)製の「SP Blend」など、パラフィンと含水塩との混合物が挙げられる。
含水塩は、硫酸ナトリウムの水和物、および/または塩化カルシウムの水和物、を含んでもよい。例えば、含水塩は、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、塩化カルシウム四水和物、塩化カルシウム二水和物、またはこれらのうちの2つ以上から成る混合物でもよい。他の適した含水塩は、チオ硫酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、または炭酸ナトリウムの水和物、またはこれら水和物と他の含水塩とから成る適切な混合物である。
相変化材料は、硫酸ナトリウムの水和物と、0重量%と15重量%の間の塩化ナトリウムとを含んでもよい。塩化ナトリウムを使用すると、硫酸ナトリウム水和物の融点を要求されるレベルに下げることができる。同様に、相変化材料は塩化カルシウムの水和物と0重量%と15重量%の間の塩化カリウム、塩化ナトリウム、および/または塩化アンモニウムを含んでもよい。
一般的に、相変化材料の融点は、−15℃と100℃の間、好ましくは15℃と40℃の間、より好ましくは20℃と30℃の間である。融点が−5℃と15℃の間の冷凍用パックに使用されることができる相変化材料もあれば、融点が40℃を超える加熱システム用パックに使用されることができる相変化材料もある。上記範囲内の最小および最大温度は、相変化材料の融点範囲を規定するために、互換的に使用され得る。
熱伝導材料は、アルミニウムまたはステンレス鋼などの金属でもよく、防食被覆を設けてもよい。あるいは、熱伝導材料は、金属−プラスチック複合材料、例えばアルミニウム被覆付きのプラスチック、または熱伝導率を高めるための添加剤入りHDPE、を含んでもよい。窪みは、型成形、加圧成形、機械加工、または他の何れか適した方法によって熱伝導材料に形成され得る。
本考案の範囲は、複数のPCMパックを備えた空調システムにも及ぶ。このシステムにおいて、これらパックは、各パックの外面に沿って空気を流すために、隣接パック間に間隔を設けてスタック状に配置される。パック間の間隔は、このスタックでの圧力降下を最小化する一方で、熱伝達を最大化するべく選択される。
所望される空気流をスタック内に発生させるために、各PCMパックの平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さを隣接パック間の間隔の90%未満、できれば75%未満、場合によっては50%未満、場合によっては未満40%、さらには25%未満にし得る。一般に、各PCMパックの平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、隣接パック間の間隔の25%より大きい。
PCMパックの複数の窪みの一利点は、熱伝導率を向上させて溶融および凍結プロセスを助けるために、パックの厚みを周期的に減らすことにある。
以下においては、添付の図面を参照して本考案の複数の実施形態をさらに説明する。
本考案の一実施形態によるPCMパックを示す。 本考案の一実施形態による空調システムを模式的に示す。 本考案の一実施形態によるPCMパックの詳細を破断図で示す。 図3のPCMパックの表面に沿った空気流を示す。 図3のPCMパックの構成を模式的に示す。 ディンプル加工パネルの4つの例示的配列を示す。 ある流量範囲における図6の各パネルの熱伝達係数を示す。 ある圧力降下範囲における図6の各パネルの熱伝達係数を示す。 ある圧力降下範囲における図6のパネル群から選択されたパネルの熱伝達係数の比較である。
詳細な説明
図1は、本考案の一実施形態による相変化材料(PCM:phase change material)パック1を示す。本PCMパックは、PCMを閉じ込めるために縁端部同士が封着された2つの熱伝導材料層2から形成される。これら熱伝導材料層は、この実施形態において、PCMパック1のフットプリント内の2つの接続箇所3においても接続される。各接続箇所3は一方の熱伝導材料層2に形成された窪みの中のリベットの形態をとり、このリベットは2つの層を接続し、機械的安定性をPCMパック1にもたらす。
図1に示されているように、PCMパック1の表面には、PCMパックの表面性状を形成する窪み4が規則的配列で設けられる。これら窪み4の重要性について、以下の図を参照してより詳細に説明する。図1には、ほぼ矩形の輪郭を有する窪み4が示されている。ただし、窪み4の輪郭は、例えば図3に示されているように、円形でもよい。他の輪郭、例えば楕円形または多角形など、も可能である。
図2は、単純な空調システムにおける図1のPCMパック1を示す。これらPCMパック1は、空気流のための間隔を隣接パック1間に設けて、スタック状に配置されている。ファン5が空気を強制的に空気入口6から空気出口7までPCMパック1のスタックに通す。入口弁8が空気入口6のための空気源を選択する。空気源は、建物内部からの空気でも、建物外部からの空気でもよい。同様に、出口弁9は空気出口7からの空気の経路を選択する。
本空調システムは、PCMパック1内のPCMを凍結させるために建物の外側からの冷たい夜気を利用するべく構成されるので、日中、ファン5によって空気をPCMパック1に沿って強制的に流して空気から熱を伝達させてPCMを溶融することによって空気を冷却できる。空気入口弁8によって、冷却対象の空気を外気から、または、好ましくは建物内部の冷却された空気から、選択できる。
図3は、本考案の一実施形態によるPCMパック1の詳細を示す。この実施形態において、窪み4は円形の輪郭を有し、規則的配列に配置される。この実施形態において、窪み4はほぼ半球形である。ただし、他の形状の窪み4も可能であり、例えば窪みは卵形の形状でもよい。図3に見られるように、本PCMパックは、パック1の両主面に窪み4を備える。
図4は、この図の上方の矢印の方向にPCMパック1の表面に沿って通過する空気の流れプロファイルを示す。図4に見られるように、PCMパック1の表面に窪み4が設けられているので、渦流が窪み4に発生する。この渦流は、PCMパック1と通過する空気との間の熱伝達を増大させることが見出されている。これは、扁平な表面のみを有するPCMパックに比べ、PCMパック1の効率を向上させる。
図5は、PCMパック1の表面に設けられた複数の窪み4の配列の寸法を示す。図5に示されているように、ほぼ半球形の窪み4は、空気流の方向(図5の左から右)に直交する千鳥配列に配置される。位置合わせされた列同士の間の間隔は、パラメータSによって示されている。各窪みの直径はパラメータdで示され、各列内の窪みの中心間の間隔(ピッチ)はパラメータpで示されている。図5に示されているように、隣接する列の窪み4同士は、流れの方向に直角な方向に互いに変位量p/2だけずれている。スタック内の隣接PCMパック間の間隔、すなわちPCTパック1間の空気流路の高さ、はパラメータHで示されている。PCMパック1の表面からの窪みの深さは、パラメータHdで示されている。
本考案の現時点で好適な複数の実施形態は、以下の範囲内のパラメータ比率を有する。
・ 0.2<H/d<1.5
・ 0.1<Hd/d<0.3
・ 0.25<d/S<0.57
・ 0.35<S/p<2.0
図6に示されているように、4つのディンプル加工レイアウトがテスト用に選択された。この例における隣接PCMパック間の間隔は8mmであった。選択された各レイアウトの特性を以下に示す。
Figure 0003194585
テストを目的として、選択されたディンプル加工レイアウトは、450×150mmの8mm厚のアルミニウム板の一方の面にそれぞれ機械加工された(図4)。ディンプル加工流路を形成するために、各ディンプル加工レイアウトのパネルが2枚1組で製造された。流路の高さを要求されるレベル(8mmまたは10mm)に設定するために、専用のT字型断面のインサートで側縁同士が封着された。ディンプル加工板の裏面は、冷却用流路の壁温度を要求レベルにまで制御可能な熱電冷却アセンブリに取り付けられた。ディンプル加工流路の性能を評価するために、専用のテスト装置が用いられた。テスト流路は、滑らかな壁を有する事前調整通路を介して、加圧室に接続された。この加圧室内の空気温度は、要求される流入温度をテスト区画において実現するために、PID制御装置に接続されたハロゲン電球によって調節された。空気流量は、複数の可変速DCファンを用いて加圧室に供給され、この流量は、供給ファンの上流で標準のインレットコーン装置によって測定された。テスト区画の入口と出口の両方において、空気温度と相対湿度とが求められた。各板の側面から穴明けされた長さ40mmの複数の流路に挿入された複数の熱電対プローブによって、板温度が6つの異なる位置で測定された。各温度プローブとディンプル加工板の本体との間の良好な接触を保証するために、各流路は熱伝導性ペーストで充填された。
さまざまな流動様式下で伝熱性能を評価するために、各ディンプル加工レイアウトがさまざまな流量でテストされた。2組の測定が実施された。第1組の測定では、流路高さ8mmを用いて、滑らかな壁の流路に対する複数のディンプル加工レイアウトの比較に焦点が当てられた。第2ラウンドでは、最良性能のディンプル加工板が既存のPCMパネルと比較された。以降の測定のために、ディンプル加工流路の高さが10mmに増やされた。
図7に示されているように、ディンプル加工板の熱伝達係数(htr)は、滑らかな板に比べ、層流範囲において約20%という大幅な増加を示した。流動様式がより乱流の範囲に変化するに伴い、ディンプル加工流路におけるhtrも、滑らかな流路内のhtrに比べ、80乃至90%まで安定した割合で増加した。「基準」および「オプション3」の窪みは、熱伝達の増加に最大に寄与した。オプション2およびオプション1のレイアウトもhtrを改良する傾向に追従したが、その割合は目立って低かった。
図8は、各パネルの熱伝達性能が、設計に関係なく、特定の圧力損失との明確な関係に従うことを示す。ただし、所与の圧力において一定の熱伝達レベルを達成するために必要な空気量(または面速)は、さまざまな設計間で大きく異なり得る。一例として、何れの設計でも約20Paの圧力損失で25W/mKのhtrを達成可能であるが、扁平板の場合に必要な空気量は最大5.5l/sになり得るのに対し、オプション3のレイアウトの場合は約3.5l/sに過ぎない。したがって、熱電池(PCMパック)を介して供給される空気量に対して所望される熱伝達および圧力損失を実現するために、ディンプル加工レイアウトを適合化可能である。
第2組の測定中の周囲温度は、大幅に低く、17〜20℃であった。入口温度は27〜30℃の範囲内に設定され、流路壁の温度は20℃と23℃の間に設定された。この組の測定のために、「オプション3」のレイアウトが選択された。その理由は、このレイアウトは、調査された他のレイアウトに比べ、その性能が最高範囲内にあったことによる。測定は、流路高さ8mmおよび10mmの両方で実施された。さらに、扁平壁流路が基準事例としてテストされた。2枚のPCMパネルで作られた、ディンプル加工流路と等しい幅(150mm)の、単一流路も調査された。図9は、この流路における圧力降下に対する各板の熱伝達係数を示す。図9から分かるように、オプション3の構成の熱伝達は、所与の圧力降下に対して最大であった。
要約すると、空調システム用の相変化材料(PCM)パック1は、このPCMパックの第1の外面を形成する第1の熱伝導層2とこのPCMパックの第2の外面を形成する第2の熱伝導層2との間に密封された相変化材料を備える。PCMパックの少なくとも第1または第2の外面は、複数の窪み4が設けられたほぼ平坦な表面の形態をとり、これら窪み4は、この平坦面からPCMパックの内部に向かって、この平坦面に垂直な方向に偏位する。これら窪みは、PCMパックの表面に沿って通過する空気流とパックとの間の熱伝達を向上させる。
本願明細書の説明および実用新案登録請求の範囲を通して、単語「を備える/含む("comprise")」および「を含む/含有する/収容する("contain")」、ならびにこれらの変化形は、「を含むが、これだけに限定されない("including but not limited to")」ことを意味する。すなわち、他の部分、添加物、構成要素、完全体、またはステップを排除することを意図するものではない(および実際に排除しない)。本願明細書の説明および実用新案登録請求の範囲を通して、文脈上別様に解釈すべき場合を除き、単数形は複数形を包含するものとする。特に、不定冠詞が使用される場合、文脈上別様に解釈すべき場合を除き、本願明細書は単数形ならびに複数形を予想していると理解されたい。
本考案の特定の側面、実施形態、または実施例に関連して記述されている特徴、完全体、特性、化合物、化学成分、または化学基は、本願明細書に記載されている何れか他の側面、実施形態または実施例に、これらと相容れない場合を除き、適用可能であると理解されるものとする。本願明細書(および添付の実用新案登録請求の範囲、要約、および図面)に開示されている全ての特徴、および/または開示されている何れかの方法またはプロセスの全てのステップは、如何なる組み合わせにも組み合わせられ得る。ただし、このような特徴および/またはステップの少なくとも一部が相互に排他的である組み合わせは除く。本考案は、上述の何れの実施形態の詳細にも限定されるものではない。例えば、空気以外の流体を利用した流体調整システムに本考案のパックを用いることも可能である。本考案は、本願明細書(および添付の何れかの請求項、要約、および図面)に開示されている特徴のうちの何れか1つの新規特徴、または何れかの新規組み合わせにまで、あるいは開示されている何れかの方法またはプロセスのステップのうちの何れか1つの新規ステップ、または何れかの新規組み合わせにまで及ぶ。

Claims (18)

  1. 空調システム用の、相変化材料パックすなわちPCMパックであって、
    前記PCMパックの第1の外面を形成する第1の熱伝導層と、前記PCMパックの第2の外面を形成する第2の熱伝導層との間に密封された相変化材料を備え、
    前記第1の外面および前記第2の外面の少なくとも一方は、複数の窪みが設けられたほぼ平坦な表面の形態を有し、
    前記複数の窪みは、前記平坦面から前記PCMパックの内部に向かって、前記平坦面に垂直な方向に偏位する、
    PCMパック。
  2. 前記PCMパックの前記第1および第2の両外面はどちらも、複数の窪みが設けられた、ほぼ平坦な表面の形態をとり、前記複数の窪みは、前記平坦面から前記PCMパックの内部に向かって、前記平坦面に垂直な方向に偏位する、請求項1に記載のPCMパック。
  3. 前記複数の窪みは、前記外面の全体にわたって規則的配列に配置される、請求項1または2に記載のPCMパック。
  4. 前記複数の窪みが設けられた前記パックの各外面は、少なくとも10個の窪みを備える、請求項1から3の何れかに記載のPCMパック。
  5. 前記複数の窪みは、前記複数の窪みが設けられた前記外面の前記平坦面の面積の15%超を占める、請求項1から4の何れかに記載のPCMパック。
  6. 各窪みが占める前記外面の前記平坦面の面積は、前記外面の前記平坦面の面積全体の5%未満である、請求項1から5の何れかに記載のPCMパック。
  7. 前記PCMパックの前記平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、前記窪みが占める前記外面の前記平坦面の面積の平方根の75%未満である、請求項1から6の何れかに記載のPCMパック。
  8. 前記PCMパックの前記平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、前記窪みが占める前記外面の前記平坦面の面積の平方根の10%より大きい、請求項1から7の何れかに記載のPCMパック。
  9. 前記パックの前記平坦面に垂直な平面における各窪みの横断面は滑らかな曲線を形成する、請求項1から8の何れかに記載のPCMパック。
  10. 前記窪みは、前記平坦な外面の平面における形状がほぼ円形である、請求項1から9の何れかに記載のPCMパック。
  11. 前記窪みはほぼ球形の面によって画成される、請求項1から10の何れかに記載のPCMパック。
  12. 前記相変化材料は、含水塩、尿素、またはパラフィンのうちの少なくとも1つを含む、請求項1から11の何れかに記載のPCMパック。
  13. 前記相変化材料は−5乃至35℃の範囲内に融点を有する、請求項1から12の何れかに記載のPCMパック。
  14. 前記熱伝導材料はアルミニウムまたはステンレス鋼を含む、請求項1から13の何れかに記載のPCMパック。
  15. 前記熱伝導材料は金属−プラスチック複合材料を含む、請求項1から14の何れかに記載のPCMパック。
  16. 請求項1から15の何れかに記載のPCMパックを複数備えた空調システムであって、前記複数のPCMパックは、各パックの外面に沿って空気を流すために、隣接パック間に間隔を設けてスタック状に配置される、空調システム。
  17. 各PCMパックの前記平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、隣接パック間の前記間隔の75%未満である、請求項16に記載の空調システム。
  18. 各PCMパックの前記平坦面に垂直な方向における各窪みの最大深さは、隣接パック間の前記間隔の25%より大きい、請求項16または17に記載の空調システム。
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