JPWO2018220378A5 - - Google Patents
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Description
この問題は、ＰＣＭ格納内に制御された温度領域を作成することで克服され、利用され、これにより、核形成が制御され、一貫した予測可能な選択可能な結晶化が実現する。
This problem is overcome and exploited by creating controlled temperature zones within the PCM enclosure that control nucleation and provide consistent, predictable and selective crystallization.
核形成は、種結晶の追加によって開始することもできる。例えば、これは、機械的手段、すなわち結晶点滴器または類似物を介して種結晶を追加することにより行うことができる（すなわち、種結晶をサブクール溶液または液体に滴下してバルクで結晶化を開始することに似ている）、または、一部の材料が結晶化する領域を有することによってできる。結晶化した材料とバルクのサブクール溶液／液体との接触を行い、その後、非接触にすることができ、または、制限されたジオメトリから種結晶を放出し、種結晶は存在するが、バルクのサブクール溶液または液体と十分に直接接触していないため、放出の瞬間までバルクの結晶化を引き起こさず、つまり、打ち抜きされた金属プレート／ディスクなどの亀裂のある材料が有することができる。例えば、これらは、種結晶がそれらの通常の融点よりも上に存在できる微視的な亀裂であり得、これらが起動される場合、例えば屈曲すると、亀裂が開いて種結晶が放出され、バルク溶液／液体が結晶化する。
Nucleation can also be initiated by the addition of seed crystals. For example, this can be done by adding seed crystals via mechanical means, i.e., a crystal dropper or the like (i.e., seed crystals are dropped into a subcooled solution or liquid to initiate crystallization in bulk). or by having regions where some material crystallizes. Contact between the crystallized material and the bulk subcooled solution/liquid can then be made non-contact, or the seed crystals can be released from the confined geometry and the seed crystals present but the bulk subcooled Not enough direct contact with the solution or liquid to cause bulk crystallization until the moment of release, ie cracked materials such as stamped metal plates/discs can have. For example, these can be microscopic cracks that allow the seeds to lie above their normal melting point, and when they are activated, e.g., flexed, the cracks open and release the seeds, leaving the bulk The solution/liquid crystallizes.
関連する問題は、サブクールを受動的に防止するために使用される核形成添加剤が、熱で駆動される「不活性化プロセス」によって核形成特性を失う場合があることである。この一例は、核形成剤が特定の水和物である必要がある場合、この水和物は溶解／脱水する可能性がある。したがって、ＰＣＭ格納内の能動的に制御された温度領域を使用して、核形成剤の機能を維持することもできる。
A related problem is that nucleating additives used to passively prevent subcooling may lose their nucleating properties due to a thermally driven "deactivation process." An example of this is if the nucleating agent is required to be a specific hydrate, this hydrate may dissolve/dehydrate. Therefore, actively controlled temperature zones within the PCM containment can also be used to maintain the functionality of the nucleating agent.
本発明の少なくとも１つの実施形態の目的は、サブクール相変化材料（ＰＣＭ）が制御された温度領域を介して核形成される改良された相変化材料を提供することである。
It is an object of at least one embodiment of the present invention to provide an improved phase change material in which a subcooled phase change material (PCM) is nucleated through a controlled temperature regime.
本発明の第１の態様によれば、サブクール相変化材料（ＰＣＭ）が制御された温度領域を介して核形成される蓄熱システムが提供される。
According to a first aspect of the invention, a heat storage system is provided in which a subcooled phase change material (PCM) is nucleated through a controlled temperature regime.
熱電的に、または圧縮蒸気サイクルによって、またはヒートパイプによって、または切り替え可能なヒートパイプによって維持される、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に維持する冷却スポットの存在により、放熱時にサブクールを示さないＰＣＭシステムも説明されている。
Existence of cooling spots that actively maintain some PCM crystal at all times , maintained thermoelectrically or by compression vapor cycle or by heat pipes or by switchable heat pipes, exhibit no subcooling during heat dissipation A PCM system is also described.
また、熱電的に、または圧縮蒸気サイクルによって、またはヒートパイプによって、または切り替え可能なヒートパイプによって維持される、ＰＣＭが融点に近づく場合に一部のＰＣＭ結晶を能動的に維持する冷却スポットの存在により、放熱時にサブクールを示さないＰＣＭシステムについても説明している。
Also, cooling that actively maintains some PCM crystals when the PCM approaches its melting point, maintained thermoelectrically , or by compressed vapor cycles, or by heat pipes, or by switchable heat pipes A PCM system that does not exhibit subcooling during heat dissipation due to the presence of spots is also described.
また、熱電的に、または圧縮蒸気サイクルによって、またはヒートパイプによって、または切り替え可能なヒートパイプによって、ＰＣＭが核形成剤の不活性化温度より上または近くにある場合に、一部の核形成剤をその不活性化温度以下に能動的に維持する冷却スポットの存在により、放熱時にサブクールを示さないＰＣＭシステムであるシステムについても説明している。
Also , thermoelectrically , or by compressed vapor cycles, or by heat pipes, or by switchable heat pipes, some nucleation can occur when the PCM is above or near the deactivation temperature of the nucleating agent. A system is also described that is a PCM system that does not exhibit subcooling during heat release due to the presence of cooling spots that actively maintain the agent below its inactivation temperature.
これらの結晶の塊は非常に小さい場合があり、それらは成長ポイントを提供する種結晶である。この結晶の塊を小さく保つことは利点である。この結晶の塊は、バルクＰＣＭがチャージされた（溶融）状態にある場合に連続的に冷却する必要があるため、最小限に抑えることが好ましい。
These crystal clumps can be very small and they are the seed crystals that provide the growth points. It is an advantage to keep this crystal mass small. This crystalline mass is preferably kept to a minimum, as the bulk PCM must be continuously cooled when in the charged (molten) state.
この技術的効果を図３に示す。冷却スポットの使用が達成する効果を示す。冷却スポットのあるシステムの冷却曲線は、冷却中に結晶化を経るが、冷却スポットがないシステムでは結晶化を経ず、結晶化の安定性の欠如が表される。その結果、冷却スポットを備えたシステムは、はるかに優れたエネルギー貯蔵能力を持ち、より高い温度（より高いエクセルギー）で動作する。これは、本発明および本明細書に記載の蓄熱システムの利点の１つである。
This technical effect is shown in FIG. Figure 3 shows the effect achieved by the use of cooling spots . The cooling curve for the system with cooling spots undergoes crystallization during cooling, whereas the system without cooling spots does not, indicating a lack of crystallization stability . As a result, systems with cold spots have much better energy storage capacity and operate at higher temperatures ( higher exergy). This is one of the advantages of the present invention and the heat storage system described herein.
この一例は、核形成剤が特定の水和物である必要がある場合、この水和物は溶解／脱水する可能性がある。したがって、ＰＣＭ格納内の能動的に制御された温度領域を使用して、核形成剤の機能を保つことができる。
An example of this is if the nucleating agent is required to be a specific hydrate, this hydrate may dissolve/dehydrate. Therefore, actively controlled temperature zones within the PCM containment can be used to preserve the functionality of the nucleating agents.
（ｉ）実装 ＰＣＭのチャージ段階では、内部熱交換器には高温の熱伝達流体が流れる。熱電システムが熱交換器に取り付けられている用途では、これにより、熱電デバイスの片側が高温になり、一方、反対側は、例えば材料の温度になり、つまり、温度差が存在する。
(i) Implementation During the charging phase of the PCM, the internal heat exchanger is flowed with hot heat transfer fluid. In applications where the thermoelectric system is attached to a heat exchanger, this results in one side of the thermoelectric device being at a high temperature while the other side is at the temperature of the material, for example, ie there is a temperature difference.
以上、本発明の特定の実施形態を説明したが、説明した実施形態からの逸脱は依然として本発明の範囲内に含まれ得ることが理解されよう。
［項目１］
サブクール相変化材料（ＰＣＭ）が、制御された熱領域を介して核形成される、
蓄熱システム。
［項目２］
前記制御された熱領域は低温衝撃であり、前記ＰＣＭの核形成を開始する、
項目１に記載の蓄熱システム。
［項目３］
低温衝撃は、蒸気圧縮デバイスを介して生成され、前記ＰＣＭの核形成を開始する、
項目２に記載の蓄熱システム。
［項目４］
低温衝撃は、熱電デバイスを介して生成され、前記ＰＣＭの核形成を開始する、
項目２に記載の蓄熱システム。
［項目５］
低温衝撃は、切り替え可能なヒートパイプを介して生成され、前記ＰＣＭの核形成を開始する、
項目２に記載の蓄熱システム。
［項目６］
前記制御された熱領域は、冷却スポットであり、結晶成長のための領域を提供する、
項目１に記載の蓄熱システム。
［項目７］
前記制御された熱領域は、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持する冷却スポットである、
項目６に記載の蓄熱システム。
［項目８］
前記制御された熱領域は、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持し、熱電デバイスによって維持される冷却スポットである、
項目７に記載の蓄熱システム。
［項目９］
前記制御された熱領域は、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持し、蒸気圧縮デバイスによって維持される冷却スポットである、
項目７に記載の蓄熱システム。
［項目１０］
前記制御された熱領域は、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持し、ヒートパイプによって維持される冷却スポットである、
項目７に記載の蓄熱システム。
［項目１１］
前記制御された熱領域は、常に一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持し、前記ＰＣＭよりも低い温度の領域への熱伝導経路によって維持される冷却スポットである、
項目７に記載の蓄熱システム。
［項目１２］
ＰＣＭシステムは、前記ＰＣＭがその融点に近づく場合、一部のＰＣＭ結晶を能動的に保持する維持された冷却スポットの存在により、放電時にサブクールを示さない、
項目１から１１のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目１３］
ＰＣＭシステムは、前記ＰＣＭがこれより上／近くにある場合に不活性化温度以下に一部の核形成剤を能動的に保持する維持された冷却スポットの存在により、放電時にサブクールを示さない、
項目１から１２のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目１４］
熱電デバイスは、任意選択で熱電界面間に熱拡散器がある１つまたは複数の積層された熱電デバイスと、冷却濃縮器を生じさせるための断熱材を含む熱拡散器がある最終冷却面からなる、
項目１から１３のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目１５］
前記最終冷却面は前記ＰＣＭと接触し、高温面が周囲、ＰＣＭ熱交換器、または別のＰＣＭ貯蔵システムのいずれかと熱接触する、
項目１４に記載の蓄熱システム。
［項目１６］
冷却面は冷却濃縮器を有する、
項目１４または１５に記載の蓄熱システム。
［項目１７］
前記熱電デバイスまたは蒸気圧縮デバイスの高温側は、周囲、ＰＣＭ熱交換器または別のＰＣＭ貯蔵器のいずれかと熱接触している、
項目１４から１６のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目１８］
電気貯蔵器は、熱電デバイスによって充電され、次に、同じ熱電デバイスが同じ電気貯蔵器を利用して、後で前の項目と同様に機能するように冷気を生成する、
項目１から１７のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目１９］
前記熱電デバイスは、電気貯蔵器から電力を供給され、前記電気貯蔵器はローカル電源（例えば、ネットワーク電気、１２ｖ／２４ｖ／４８ｖ車両システム）から充電される、
項目１４から１８のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目２０］
前記熱電デバイスは、パルス幅変調（ＰＷＭ）または直接駆動を介して制御される、
項目４、１４から１９のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目２１］
温度センサは情報フィードバックを提供する、
項目１から２０のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目２２］
前記ＰＣＭが格納容器に収容され、前記格納容器内に配置された熱交換器があり、前記ＰＣＭの内外への熱または冷気（熱エネルギー）の伝達を可能にする、
項目１から２１のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目２３］
前記蓄熱システムは、格納容器内に配置された熱交換器を備え、前記熱交換器は前記格納容器内に含まれるＰＣＭに浸漬され、前記熱交換器は入力および出力を有し、前記熱交換器は前記蓄熱システム用のヒートシンクとして機能する、
項目１から２２のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
［項目２４］
低温衝撃領域は、前記格納容器の上部に向かって配置され、熱電デバイスおよびヒートパイプに隣接している、
項目２３に記載の蓄熱システム。
［項目２５］
前記熱交換器は、前記蓄熱システムのヒートシンクとして機能し、低温衝撃領域が前記格納容器の底部に向かって配置される、
項目２３に記載の蓄熱システム。
［項目２６］
前記低温衝撃領域は、冷却スポットを含み、前記冷却スポットの両側には断熱領域が配置され、前記断熱領域に隣接してその下に配置されるのは、前記格納容器外部のヒートシンクを通じて周囲にあるヒートシンクである、
項目２５に記載の蓄熱システム。
［項目２７］
前記冷却スポットの消費電力は、バルクＰＣＭから前記冷却スポットへの熱伝達率に比例し、したがって、結晶を有する前記冷却スポットと前記バルクＰＣＭとの間に断熱が必要である、
項目２６に記載の蓄熱システム。
［項目２８］
前記冷却スポットの冷熱電面は、冷却濃縮器として機能するために、熱拡散器および断熱材などの高熱伝導率界面材料を有する、
項目２７に記載の蓄熱システム。
［項目２９］
断熱材は、小さなセクション（例えば、約０．０１ｍｍ～５ｍｍ、約０．１ｍｍ～２ｍｍ、約０．１ｍｍ～１ｍｍ）を除き、前記高熱伝導率界面材料を覆っていて、これは露出されたままであり、これにより１つの小さなセクションに向かって冷気が集中するため、温度が低くなるか、または消費電力が削減される、
項目２８に記載の蓄熱システム。
［項目３０］
熱電デバイスの高温側は、前記ＰＣＭそれ自体、ＰＣＭシステムの内部熱交換器または周囲の形で放熱するヒートシンクを有する、
項目２９に記載の蓄熱システム。
［項目３１］
電気貯蔵器は、燃料電池車両に組み込まれた低温衝撃を引き起こし、燃料電池の動作に許容されない周囲温度で使用されているため、使用前に前記燃料電池を予熱する必要があり、これは低温衝撃を介してＰＣＭ貯蔵器を起動することで実現できる、
項目１から３０のいずれか一項に記載の蓄熱システムの使用。
［項目３２］
電池ベースのシステムの形の新しい卸売車両であって、電源は耐冷性の電気貯蔵器を充電するために使用され、この電気貯蔵器は後日、ＰＣＭシステムを開始するために熱電デバイスを動作させるために利用可能な電源がない場合に使用され、他のシステムに伝達できる熱を生成し、これらの他のシステムを動作可能にする、
項目１から３０のいずれか一項に記載の蓄熱システムの使用。
Although specific embodiments of the invention have been described above, it will be appreciated that deviations from the described embodiments may still fall within the scope of the invention.
[Item 1]
A subcooled phase change material (PCM) is nucleated through a controlled thermal field,
heat storage system.
[Item 2]
the controlled thermal field is a cold shock to initiate nucleation of the PCM;
A heat storage system according to item 1.
[Item 3]
Cold shock is generated via a vapor compression device to initiate nucleation of the PCM;
The heat storage system according to item 2.
[Item 4]
a cold shock is generated through a thermoelectric device to initiate nucleation of the PCM;
The heat storage system according to item 2.
[Item 5]
a cold shock is generated via a switchable heat pipe to initiate nucleation of the PCM;
The heat storage system according to item 2.
[Item 6]
the controlled thermal zone is a cold spot and provides an area for crystal growth;
A heat storage system according to item 1.
[Item 7]
the controlled thermal zone is a cooling spot that actively holds some PCM crystal at all times;
A heat storage system according to item 6.
[Item 8]
The controlled thermal zone is a cooling spot that actively holds some PCM crystal at all times and is maintained by a thermoelectric device.
A heat storage system according to item 7.
[Item 9]
The controlled thermal zone is a cooling spot that actively holds some PCM crystal at all times and is maintained by a vapor compression device.
A heat storage system according to item 7.
[Item 10]
The controlled thermal zone is a cooling spot that actively holds some PCM crystal at all times and is maintained by a heat pipe.
A heat storage system according to item 7.
[Item 11]
The controlled thermal zone is a cooling spot that actively holds a portion of the PCM crystal at all times and is maintained by a thermal conduction path to an area of lower temperature than the PCM.
A heat storage system according to item 7.
[Item 12]
PCM systems do not exhibit subcooling during discharge due to the presence of sustained cooling spots that actively hold some PCM crystals when the PCM approaches its melting point;
12. The heat storage system according to any one of items 1 to 11.
[Item 13]
The PCM system does not subcool during discharge due to the presence of a maintained cooling spot that actively keeps some nucleating agents below the deactivation temperature when the PCM is above/near this.
13. The heat storage system according to any one of items 1 to 12.
[Item 14]
The thermoelectric device consists of one or more stacked thermoelectric devices, optionally with a heat spreader between the thermal field surfaces, and a final cooling surface with a heat spreader containing thermal insulation to create a cooling concentrator. ,
14. The heat storage system according to any one of items 1 to 13.
[Item 15]
the final cooling surface is in contact with the PCM and the hot surface is in thermal contact with either ambient, a PCM heat exchanger, or another PCM storage system;
15. A heat storage system according to item 14.
[Item 16]
the cooling surface has a cooling concentrator;
16. A heat storage system according to item 14 or 15.
[Item 17]
the hot side of said thermoelectric or vapor compression device is in thermal contact with either ambient, a PCM heat exchanger or another PCM reservoir;
17. The heat storage system according to any one of items 14-16.
[Item 18]
The electrical reservoir is charged by a thermoelectric device and then the same thermoelectric device utilizes the same electrical reservoir to produce cold later on, functioning similarly to the previous item.
18. The heat storage system according to any one of items 1 to 17.
[Item 19]
The thermoelectric device is powered from an electrical reservoir, and the electrical reservoir is charged from a local power source (e.g., network electricity, 12v/24v/48v vehicle system).
19. The heat storage system according to any one of items 14-18.
[Item 20]
the thermoelectric device is controlled via pulse width modulation (PWM) or direct drive;
20. A heat storage system according to any one of items 4, 14-19.
[Item 21]
A temperature sensor provides information feedback,
21. The heat storage system according to any one of items 1 to 20.
[Item 22]
The PCM is housed in a containment vessel, and there is a heat exchanger located within the containment vessel to allow the transfer of heat or cold (thermal energy) into or out of the PCM.
22. The heat storage system according to any one of items 1-21.
[Item 23]
The thermal storage system comprises a heat exchanger disposed within a containment vessel, the heat exchanger immersed in a PCM contained within the containment vessel, the heat exchanger having an input and an output, and the vessel acts as a heat sink for the heat storage system;
23. A heat storage system according to any one of items 1 to 22.
[Item 24]
a cold shock region is positioned toward the top of the containment vessel and adjacent to the thermoelectric devices and heat pipes;
24. A thermal storage system according to item 23.
[Item 25]
the heat exchanger acts as a heat sink for the thermal storage system, with a cold shock zone positioned toward the bottom of the containment vessel;
24. A thermal storage system according to item 23.
[Item 26]
The cold shock region includes a cooling spot flanked by thermally insulating regions disposed adjacent to and underlying the thermally insulating region through a heat sink external to the containment vessel. is a heatsink
26. A heat storage system according to item 25.
[Item 27]
The power consumption of the cooling spot is proportional to the heat transfer rate from the bulk PCM to the cooling spot, therefore thermal insulation is required between the cooling spot with crystals and the bulk PCM.
27. A thermal storage system according to item 26.
[Item 28]
the cold spot cold electrical surface has a high thermal conductivity interfacial material such as a heat spreader and insulation to act as a cooling concentrator;
28. A thermal storage system according to item 27.
[Item 29]
An insulating material covers the high thermal conductivity interface material except for a small section (eg, about 0.01 mm to 5 mm, about 0.1 mm to 2 mm, about 0.1 mm to 1 mm), which remains exposed. Yes, which concentrates the cold air towards one small section, resulting in lower temperatures or reduced power consumption;
29. A thermal storage system according to item 28.
[Item 30]
The hot side of the thermoelectric device has a heat sink dissipating heat in the form of the PCM itself, an internal heat exchanger of the PCM system or the surroundings.
30. A heat storage system according to item 29.
[Item 31]
Since the electric storage is built into the fuel cell vehicle causing cold shock and being used at an ambient temperature that is unacceptable for the operation of the fuel cell, it is necessary to preheat said fuel cell before use, which causes cold shock can be achieved by activating the PCM reservoir via
Use of a thermal storage system according to any one of items 1-30.
[Item 32]
A new wholesale vehicle in the form of a battery-based system, where the power source is used to charge a cold-tolerant electrical reservoir, which at a later date will operate a thermoelectric device to start the PCM system. is used when there is no power source available to the , producing heat that can be transferred to other systems, enabling these other systems to operate,
Use of a thermal storage system according to any one of items 1-30.
Claims (5)
格納容器と、
前記格納容器内に配置された相変化材料と、
前記格納容器内に配置された核形成剤と、
前記格納容器の内部に配置され、前記相変化材料に浸漬される熱交換器であって、熱伝達流体が入力および出力される、熱交換器と、
前記格納容器の内部の熱を前記格納容器の外部に放熱して、前記格納容器内の前記相変化材料の一部の温度を前記核形成剤の不活性化温度未満に維持するようにして前記核形成剤の機能を維持するための冷却スポットを、前記格納容器内に維持するヒートシンクと
を備え、
前記冷却スポットを維持することは、核形成の制御をもたらし、結果として、前記相変化材料の一貫した予測可能な選択可能な結晶化をもたらす、
蓄熱システム。 A heat storage system,
a containment vessel;
a phase change material disposed within the containment vessel;
a nucleating agent disposed within the containment vessel;
a heat exchanger disposed within said containment vessel and immersed in said phase change material, wherein a heat transfer fluid is input and output;
dissipating heat inside the containment vessel to the exterior of the containment vessel to maintain a temperature of a portion of the phase change material within the containment vessel below the deactivation temperature of the nucleating agent; a heat sink that maintains a cold spot within the containment vessel to maintain the functionality of the nucleating agent;
with
maintaining the cold spot provides controlled nucleation resulting in consistent, predictable and selectable crystallization of the phase change material ;
heat storage system.
前記格納容器を提供する段階と、
前記格納容器に前記相変化材料を配置する段階と、
前記格納容器に前記核形成剤を配置する段階と、
前記格納容器の内部に前記熱交換器を配置し、前記相変化材料に前記熱交換器を浸漬させる段階と、
前記格納容器の内部の熱を前記格納容器の外部に放熱して、前記格納容器内の前記相変化材料の一部の温度を前記核形成剤の不活性化温度未満に維持するようにして前記核形成剤の機能を維持するための前記冷却スポットを、前記格納容器内に維持するための前記ヒートシンクを配置する段階と
を備え、
前記冷却スポットを維持することは、核形成の制御をもたらし、結果として、前記相変化材料の一貫した予測可能な選択可能な結晶化をもたらす、
方法。 A method for providing cooling spots in a thermal storage system according to any one of claims 1 to 3 , comprising:
providing the containment vessel;
placing the phase change material in the containment vessel;
placing the nucleating agent in the containment vessel;
placing the heat exchanger inside the containment vessel and submerging the heat exchanger in the phase change material;
dissipating heat inside the containment vessel to the exterior of the containment vessel to maintain a temperature of a portion of the phase change material within the containment vessel below the deactivation temperature of the nucleating agent; locating the heat sink to maintain the cold spot within the containment vessel to maintain the functionality of the nucleating agent;
with
maintaining the cold spot provides controlled nucleation resulting in consistent, predictable and selectable crystallization of the phase change material ;
Method.
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