JPH05501891A - 蓄熱媒体 - Google Patents
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- JPH05501891A JPH05501891A JP2514833A JP51483390A JPH05501891A JP H05501891 A JPH05501891 A JP H05501891A JP 2514833 A JP2514833 A JP 2514833A JP 51483390 A JP51483390 A JP 51483390A JP H05501891 A JPH05501891 A JP H05501891A
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- C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
- C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- Non-Silver Salt Photosensitive Materials And Non-Silver Salt Photography (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
i=を先
本発明は蓄熱媒体に係り、詳細には、通用範囲にわたって蓄熱容量の高い蓄熱媒
体に関する。
これまで、加熱目的の比較的高温度での蓄熱から、空気調和などの低温使用の目
的の比較的低温度での蓄熱までの適用範囲にわたって蓄熱媒体を使用することが
捉案されてきた。
蓄熱媒体を選択する際に、考慮すべき多数の関連要因があり、とりわけその媒体
に相変化がある場合、比熱、時には潜熱と相関関係のある媒体の蓄熱容量は考慮
すべきである。例えば、水を貯蔵媒体として使用することもできる。水は比熱が
高く、氷又は蒸気に相変化する際に高い潜熱を伴う。水はまた、使用に際し安全
である。しかしながら、水の潜熱特性を利用することは通常において、使用の際
の温度範囲が相変化を含むことを要求する。
所望の温度範囲が、例えば水の氷点以下であると、かかる潜熱特性の利用は不可
能である。
さらに他の蓄熱媒体も使用されてはいるが、これらは低比熱特性及びその材料の
潜熱特性の使用が不可能であることの少なくともいずれか一方の理由により、質
量の大きい材料を含むことがしばしばあった。
広範囲の適用に対して、蓄熱媒体の改良が待ち望まれていた。かかる媒体によっ
て、断続的な冷気又は熱供給が必要とされる適用の利用が可能となる。さらに冷
気又は熱源を使用して、実質的に一定割合で蓄熱媒体を供給することができ、冷
気又は熱は要求に応じて断続的に取り除かれることもある。
例えば、1日当たり数時間にわたってピーク需要時に冷却を必要とする空気調和
システムは、実質的に一定割合でピーク需要以下で作動する冷凍システムによっ
て供給されてもよく、ピーク需要は一部は冷凍システムから、また、一部は蓄熱
器から補充される。
しかしながら、蓄熱器が効果的であるようにするには、単位容積光たりの蓄熱容
量が高くなければならないことを意図するようなコンパクトなものであることで
ある。
さらに、コスト有効性があり、比較的低コストの材料を含む必要がある。その蓄
熱器は有毒材料を含むものでないことが好ましく、即ち、その材料はアルカリ性
又は酸性度が高かったり、有毒ガスを放出したりしてはならず、さらに、そうで
ない場合でも環境に対し害になるものであってはならない。
本発明の目的は、媒体の潜熱及び比熱の少なくともどちらか一方の寄与によって
可能とされるものより大きい向上した蓄熱容量を提供する蓄熱媒体と蓄熱方法を
提供することである。
本発明の一形態によると、熱エネルギー蓄積方法は、熱交換関係にある流体をあ
る温度で水性媒体と化合した活性アルミナ又は酸化アルミニウムを含む蓄熱媒体
の境内を通過させることを含み、それにより、その水性媒体の水分がエンタルピ
ー変化でアルミナと結合したり分離されたりすることになる。水性媒体の水分が
アルミナの重量に対し100%までを構成することは都合がよい。
水分は重量に対し70パ一セント未満であることが好ましい。温度は最高200
℃までの範囲内であればよく、最高170℃までであることが好ましい。
この水性媒体は実質的に全体が水、又は媒体の相変化が生じる温度に影響を及ぼ
す材料と化合した水であってもよい。かかる材料はグリコール、塩化ナトリウム
、タラスレート化合物などから選択してもよい。
アルミナは、水の存在下で熱の付加又は除去によって水と結合したり分離したり
することの可能な活性酸化アルミニウムを誘導するために、以下の式において酸
化アルミニウム三水和物を加熱することによって活性化されることもある。
2Al (OH)3 =Al、O,+3H20アルミナが所望のエンタルピー変
化がなかったり、又は軽減されている形態の焼結アルミナに転化し出さないこと
を保証するために、熱交換媒体の温度上限は170°C未満であることが好まし
い。
媒体の所望の温度範囲が水性媒体の気化温度を越える場合、媒体はかかる気化を
抑止するために加圧状態に維持されることもある。
活性アルミナの物体間に散在する粉末焼結アルミナ、高比熱の焼結アルミナ等の
他の材料を蓄熱媒体に媒体のエンタルピー効果なしに混合することもできる。
温度範囲には、その塊が融解する温度が含まれているので、それにより融解によ
る潜熱から生じる蓄熱効果をさらに得ることができる。 。
本発明はまた、活性アルミナ又は酸化アルミニウムと、アルミナと密接結合され
る水性媒体と、を含む蓄熱システムのための蓄熱媒体を提供する。
水性媒体は、アルミナの重量に対して10乃至100%の割合であればよ(,2
0乃至80%の重量比であることが好ましい。水性媒体が低比率の場合、アルミ
ナによって吸収される水は十分ではない。高比率の場合には、アルミナによって
吸収できる以上の水が存在する。しかしながら、水性媒体の割合は利用すべき温
度範囲に応じて異なる。
アルミナは、1mm乃至10C111の範囲内で、好ましくは41の大きさの分
割微粒子、粒状又はスフエロイド形状であってもよい。アルミナは、アルミニウ
ムカンパニー・オヴ・アメリカ(Alcoa)から入手可能なFl、F200、
T2O、T162又はCPNアルミナが便利であって、水性媒体の水分を吸水し
やすい。
本発明の別の一形態によって提供される蓄熱システムは、外囲容器内に封入され
る蓄熱媒体の塊を含み、さらに上記蓄熱媒体の塊との熱交換が行なわれる熱交換
手段を有するものであって、その蓄熱媒体は、活性アルミナ又は酸化アルミニウ
ムと、アルミナと密接結合される水性媒体と、を含み、それにより該塊との熱交
換時に熱エネルギーは該境内のエンタルピーを用いて塊へ及び塊から外へ伝送さ
れる。
容器は蓄熱媒体のための断熱容器であって、蓄熱媒体を通過する熱交換流体材料
用のコンジット(導管)を含むものが好ましい。
本発明の蓄熱媒体の比熱と熱伝導性は比較的高い。さらに媒体の温度を上昇及び
下降させる場合、媒体の蓄熱容量は比熱計算のみからめられる値を越える。これ
は、活性アルミナと媒体の水分との間に起こる化学変化から生じるエンタルピー
によるものであり、その結果、熱交換が設定されると、比較的大量の熱交換が行
なわれることになる。このように、化学変化によって媒体内の発熱反応及び吸熱
反応が生じることになる。
化学変化は少なくとも一定温度範囲にわたって全体として可逆的であり、このこ
とは媒体が、熱エネルギーが一定且つ周期的に媒体に付加且つ取り去られるよう
な蓄熱媒体として使用されることを意味する。
媒体の発熱及び吸熱化学反応の化学作用は十分に評価されるべく残っているが、
この化学作用は活性アルミナと水分子との間の反応に関連し、イオン交換を含む
ことは明白である。発熱及び吸熱反応は水の氷点よりかなり下の方からの温度範
囲にわたって起こることが考えられる。水又は他の水性媒体が固体形状である時
でさえ、媒体の温度変化によって化学反応が生じることは驚くべきことである。
吸熱変化は発熱変化とは幾分異なった温度において生じるが、但し、有効温度範
囲内に両反応が含まれることを規定することによって、化学変化は反転される。
蓄熱媒体は化学的に無害であって、入手に際して豊富且つ比較的安価である。
熱交換適用の温度範囲が0°Cを含む時に氷融解による潜熱を用いた十分な効果
が利用される場合において、蓄熱媒体は水性媒体としての水のみを含むこ七もあ
る。他の材料を水乙こ加えることによって、融解が生しる温度は変化し、最も有
効な温度範囲が得られる。このように、水性媒体は融解温度を下げるために塩水
であってもよい。
同じ目的のためにグリコールを付加することもできる。
この点について有効となり得る他の添加物として、硫酸ナトリウムとクラスレー
ト化合物が上げられる。媒体の蓄熱容量がその応用次第で、特に蓄熱媒体が冷凍
、空気調和及び同様の目的に対して低温で使用されるべき場合には、かかる水性
媒体の使用によって改良され得ることは理解されるだろう。
冷凍の場合、熱交換流体源は冷凍手段であってもよく、流体は蓄熱媒体が冷却さ
れるべき時にクーラント(冷媒)としての働きをする。媒体中の冷気が取り去ら
れるべき時に、冷媒又は他の流体を使用して、蓄積された冷気を媒体から取り除
くことができる。通常において、これは冷凍要求が冷凍手段の容量を越える場合
に生じる。
このように、冷凍手段の冷凍容量はシステムの最大冷凍要求よりも実質的に小さ
いものであり、かかる冷凍要求は限定した時間において蓄熱システムにより提供
される。冷凍要求が少なかったり、又はゼロの時の期間中に、冷凍手段は冷凍源
を補充するために媒体の塊を冷却するように作動することができる。このように
して、ピーク要求よりも実質的に小さい容量ではあるが、蓄熱媒体によってピー
ク要求を満たすことのできる冷凍手段が提供される。
例えば、冷凍プラントは一例として24時間中に8時間にわたって1100kの
要求があり、残りの16時間においての要求はゼロになる。この要求を満たすた
めの1100kの容量の冷凍プラントを有する代わりに、33’/3kwの容量
をもち、且つ24時間、即ち、連続して作動するプラントであってもよい。
冷凍要求が1100kである間に、蓄熱媒体からは66t/3kwの、また、冷
凍プラントからは33’/3kwの容量がそれぞれ供給される。
蓄熱媒体の塊は異なった材料の組み合わせであってもよく、これら材料は各々、
必要な温度範囲にわたって所望の熱的性質の付与に寄与する。かかる材料は、シ
ステムの操作モードに応じて冷却及び被冷却のいずれか一方の目的のために熱交
換媒体が通過する材料によるセル又は封入体の形状に収容される。熱交換流体の
通過の間、蓄熱媒体は冷却又は加熱されて、その位相を液体から固体へ、又はそ
の反対に変化し、さらに熱を吸収又は放出するように化学変化が生じられる。異
なった材料の蓄熱媒体を配置させて、システムの蓄熱特性を高めるために所望の
温度範囲の異なる部分にわたって必要な変化をもたらすこともできる。
このようにして、小量の材料を有する比較的小さなシステムによって、熱交換率
が相対的に高い比較的大きな熱容量が提供されることもある。さらに、同システ
ムは高容量加熱又は冷凍手段を必要とせずに所望の熱交換及び蓄熱サイクル内で
作動されてもよい。
冷凍又は加熱要求が少ないか、又は存在しない時でさえ、低容量の冷凍又は加熱
手段が全負荷で作動されて、熱エネルギ′−が蓄積されるので、冷凍又は加熱手
段は有効且つ全負荷で作動され得る。
蓄熱媒体のセル又は封入体は、その蓄熱特性が使用されるべき場所から離れた位
置で冷却又は充填され得る。
この場合に熱交換流体は、冷凍又は加熱手段を保持するある位置でセル内を通過
され、他の位置ではセルは熱交換流体に結合されて、セルの蓄熱容量が利用され
ることになる。
蓄熱媒体は、例えば、温水加熱目的用の蓄熱のために比較的高温で使用されるこ
ともある。かかる目的のために、水性媒体が沸騰又は気化する温度を上昇させる
ために材料を水性媒体に付加してもよい。その代わりとして、又は付加的に、か
かる温度上昇を提供するためにその媒体を加圧袋体内に収納することもできる。
さらに別の方法として、ガス又は蒸気を発生させ、さらにそれを受け器に収納し
、ことによると加圧することによって、その結果、蒸気の潜熱を利用して、気化
プロセスを逆転させることができる。
本発明の効果を例証するために試験が実施されたが、以下はその例である。
蓄熱媒体は、水36.67kgによって飽和且つ密接に混合された活性アルミナ
73.64kgから成る。
アルミナはAlcoaによって提供されたF200アルミナであった。
水は、英国、チルフォード(Telford )の水道により得られた。
活性アルミナは平均直径が3IIIlのスフェロイド形状のアルミナであった。
これは、水を除去するために酸化アルミニウム三水和物を加熱することによって
以下の式に従って製造される。
2AL (OH)3 =AL、O,+3H,0アルミナ 水
(酸化アルミニウム)
初期の乾燥アルミナは、熱交換流体用の一連の並列配置されたコンジットが配置
された断熱容器から成るカロリーメータ(熱量計)において水と密接に混合され
たものである。蓄熱媒体はコンジットを包囲するように容器内に配置されて、熱
交換流体は媒体の温度範囲を30時間で一20°Cから+42°Cの間において
変化させるためにコンジットに沿って通過された。こうした温度変化の間に、温
度変化をもたらすのに必要な熱量が測定された。
アルミナ/水混合物の温度を30時間で一20℃から+42℃に上昇させるため
の測定された入熱は28.37kwであった。
この入熱は、構成要素の周知の比熱と水の融解による潜熱を使用して同じ温度範
囲にわたって、水の熱要求に付加される乾燥アルミナの温度を上昇するための計
算済み熱要求と比較され得る。このようにして、以下のデータを使用する。
*氷点より下位にある水の比熱
・・・2.095 kj/kg/’C
*アルミナの比熱
・ ・ ・0.4 kj/kg/’C
*水の融解の潜熱
・・・335 kj/kg
*氷点より上側にある水の比熱
・・・4.187 kj/kg/”C
温度を一20″Cがら0℃に上昇するための全体の理富1的熱要求は以下の通り
である。
水36.67kgx2.095kj/kg/’Cx20= 1536.47kj
アルミナ13. 64 k gXo、4 k j/k g/”cx20= 58
9.12kj
合計・・・2125.59kj
融解の潜熱による全体の熱要求は、以下の通りである水36.67kgX335
kj/kg
= 12284.45kj
アルミナ・・・・・NIL
温度をO″Cがら42°Cに上昇するための全体の理論的熱要求は以下の通りで
ある。
水36.67kgX4.187kj/kg/”CX42= 6448.57kj
フルミ+73. 64 k gxO,4k j/k g/”CX42−1237
.15kj
合計・・・7685.72kj
従って、全体の比較可能な熱要件は、
2125.59+12284.45+7685.72= 22095.76kj
のようになる。
論 この場合、30時間では入熱量6.137kwが必要とされる。
これは28.37kwの水と混合したアルミナの実際の入熱要求と比較される。
a このようにして、入熱20.233kwが混合物内の化学反応から生じるエ
ンタルピーに帰せられることが示される。吸熱/発熱可逆反応が所定温度に対し
限定とされるものでないが、特定の温度範囲における連続的人出熱であることが
理解された。
蓄熱システムにおける蓄熱媒体の応用例は、図面を参照して述べられる。
1 図1は蓄熱セルの平断面図、
図2は図1のセルの側断面図、
図3は蓄熱システムへの蓄熱セルの組み込みを示す概略図、
図4は別の蓄熱システムの線図、
図5は蓄熱充填部の蓄熱セルの使用を示す概略図、図6は冷却位置で使用される
場合の蓄熱セルを示す概略図、さらに
図7は別の形態の蓄熱セルを示す斜視図である。
まず、図1と図2には、必要な蓄熱容量に応じた大きさをもつ蓄熱セル10が示
されている。さらに、このセルは適応性を付与するために直列又は並列配置に他
のセルと結合されることもある。セル10は断熱性の側部11を有する断熱エン
クロージャ(封入器)であり、このエンクロージャは熱交換流体用の複数のへび
状又はエンボス状プレートコイル19を収納し、これらコイルは直列的又は並列
に結合されている。
壁部11とコイル19との間のスペースは微粒子、粒状又はスフェロイド状の活
性アルミナ15で充填されている。焼結アルミナ、又はその他適切なパウダー等
のより小さい材料によって、活性アルミナの各物体間のスペースを充填してもよ
い。水のみ、又は水と塩化ナトリウム等の相変化材料を付加して、アルミナと密
接接触状態になるようにアルミナを飽和する。
コイル19は並行状態に支持され、アルミナ及び水性媒体に埋め込まれて、図示
の配列にあるように、これらり用の共通へ7ダ17と18に結合されるか、又は
コイルは相互に直列に結合されてもよい。
このように、冷媒としての働きをするコイル内への熱交換流体の通過によって、
セルはアルミナと水性媒体とを含む蓄熱媒体が冷却又は加熱される蓄熱器を提供
する。
冷却もしくは加熱後のセルは、この冷気もしくは熱を媒体から取り除くように熱
交換流体を通過させることによって冷却又は加熱容量源としてもまた使用できる
。
図3を参照すると、コイル19の周囲にクーラントを通すためにセル10と連通
ずる冷凍手段20を含む設置においてセル10が示されている。3方向バルブ2
1によって、セル10と熱負荷22とを介し、さらにポンプ23によって冷凍手
段20に戻る熱交換流体の流れが制御される。バルブ21が作動することによっ
て、この設置はセル10のみを冷却することと、熱負荷22を介してクーラント
を通すことの少なくともいずれか一方の動作が可能である。冷凍手段20を蓄積
媒体を加熱するための熱源に置き換えることもできる。
図4には、熱交換セル10がチラー(冷房機)30内に組み込まれ、−次性冷却
剤がセル10に熱を伝送するために使用される。満液式(フラッデッド・タイプ
)熱ることができ、交換器31は蒸発器32に直列接続される。切換えバルブ3
3によって、冷凍コンプレ、す(圧縮機)34が充填中にセルを冷却することが
可能になる。
かかる手段によって、同システムの有効性は高まる。グリコール等の流体につい
ては、同システムの適用がそれを要求しない場合、例えば、システムが+5°C
で冷却水を供給しているのであれば、二次冷却回路では必要とされない。
図5と図6とに示される設置を参照すると、セル1゜がその蓄熱容量が利用され
ている場所とは異なった位置で充填されている。図5では、セルが解除可能なっ
なぎ25を介して冷凍手段又は熱生成手段20に接続されており、それにより冷
却又は加熱流体がポンプ23によってセル内を通されることになる。
つなぎ25の解除後に、セル10は他の位置に移動されて、図6でセルは冷却又
は加熱される必要がある負荷22に解除可能に接続されて、熱交換流体は熱又は
冷気を負荷からセルに伝送するポンプ26によってセルから負荷を介して通され
る。
セルの冷却又は加熱効果が利用される位置は、冷凍又は加熱手段20からアクセ
ス不可能な離れたところにあってもよい。
取外し可能なつなぎは、セルが分離されている場合には、熱交換流体を保持する
ための適切な自閉バルブを組み入れることになる。
セルの冷却又は加熱効果が減損された後、セルは冷凍位置で再充填される。
本発明の蓄熱媒体を、媒体を冷却又は加熱する冷凍又は加熱手段からの熱交換流
体を備えたものとしての記載とは異なる方法において位置決め且つ配置してもよ
いことは理解されるだろう。異なる熱交換媒体を使用して、同時に又は冷却もし
くは加熱動作とは異なる時間において材料の蓄熱容量を減少させたり増加させた
りすることもできる。
蓄熱媒体の冷凍モード又は加熱モードへの適用例は多数見られる。
冷凍モードの一例として、蓄熱媒体は食品貯蔵又は加工において使用され得る。
食品貯蔵システム、例えば小売り単位では、中央の冷凍プラントが利用される。
冷凍プラントでの需要は、個別の冷凍単位の熱要求を小売り単位の購買領域に蓄
積するために蓄熱媒体が中央の冷凍プラントの蓄熱システムで使用できるように
、開店時間と閉店時間との間で変化する。
食品冷凍器のクーラントは蓄熱システムから供給され、かかるクーラントは冷凍
プラントによって蓄積システムに供給されるクーラントとは異なることもある。
図7には、冷凍位置における冷却後にクーラントとして蓄熱媒体を密閉袋体又は
パッケージ4oに使用することができ、そのパンケージは直接かがる冷凍を受け
る。
この冷却されたパッケージは、冷却源の寿命を長期化させるためにスポーツの負
傷等のための「アイスパック」としての使用を見出すものである。パッケージ4
oは負傷箇所に当てられる面から離れた側の40Aの一側面にかけて断熱されて
いる。この袋体は所望の形状に順応させるために適応性材料から作られている。
かかるパッケージ4oは、例えば食品を保温する際の熱源としての応用をさらに
見出すことができる。
間際調査報告
1++*m++i++nml aeauema、N。PCT/GB 90101
634嗜j瞳ず11峠mmlammm1a++mma、PCT/GO90101
634S^ 41210
tpo rosy paah’
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.熱交換関係にある流体をある温度で水性媒体と化合した活性アルミナ又は酸 化アルミニウムを含む蓄熱媒体の塊を通過させることによって、水性媒体の水分 がエンタルピー変化で活性アルミナと結合及び分離されることを含む熱エネルギ ーの蓄積方法。 2.媒体の温度は最高200℃までの範囲内とする請求項1記載の方法。 3.水性媒体は活性アルミナの重量に対し最高100%までを構成する水を含む 請求項1又は2記載の方法。 4.水は活性アルミナの重量に対し最高70%までを構成する請求項3記載の方 法。 5.水性媒体は相変化材料を含むことにより、水の相変化が発生する温度が変更 される請求項1、2、3又は4に記載の方法。 6.相変化材料はグリコール、塩化ナトリウム及びクラスレート化合物より選択 される請求項5記載の方法。 7.活性アルミナは以下の式にあるように酸化アルミニウム三水和物を加熱する ことによって形成されることにより、活性アルミナが熱の付加又は除去によって 水と結合又は分離される機能を有する酸化アルミニウムである前記請求項1乃至 6の一つに記載の方法。 2Al(OH)3=Al2O3+3H2O8.温度範囲は融解及び気化相変化の 内の一方又は両方を含む前記請求項1乃至7の一つに記載の方法。 9.活性アルミナは1mm乃至10cmの範囲の大きさの分割微粒子、粒状又は スフェロイド状である前記請求項1乃至8の一つに記載の方法。 10.活性アルミナ及び活性アルミナに密接結合された水性媒体とを含む蓄熱シ ステムのための蓄熱媒体。 11.水性媒体は活性アルミナの重量に対し10乃至100%の割合にある請求 項10記載の媒体。 12.活性アルミナは1mm乃至10cmの範囲の大きさの分割微粒子、粒状又 はスフェロイド状である請求項10又は11に記載の媒体。 13.活性アルミナの物体間のスペースを占有するために活性アルミナ内に散在 する焼結アルミニウムを含む請求項10、11又は12に記載の媒体。 14.水性媒体は相変化材料を含むことにより、媒体の融解温度と気化温度の少 なくともいずれか一方の温度が変化する請求項10乃至13の一つに記載の媒体 。 15.袋体又は容器内に封入され、且つ熱交換手段を有する蓄熱媒体の塊を含む ことにより、その蓄熱媒体の塊との熱交換が行なわれ、蓄熱媒体は活性アルミナ とその活性アルミナと密接結合状態の水性媒体とを含むことにより、その塊との 熱交換時に熱エネルギーが塊内のエンタルピーを利用して塊へ及び塊から伝送さ れる蓄熱システム。 16.容器は蓄熱媒体用の断熱容器であり、蓄熱媒体内を通過する熱交換流体材 料用のコンジットを含む請求項15記載の蓄熱システム。 17.コンジット内の流体は蓄熱媒体を加熱又は冷却するために熱エネルギー源 と連通する請求項16記載のシステム。 18.容器はその吐き出し位置から離れた位置において熱エネルギーで充填され 得る請求項15、16又は17に記載のシステム。 19.容器は熱交換流体のコンジットヘの進入のための取外し可能な入口及び出 口つなぎを有する請求項16乃至18の一つに記載のシステム。 20.熱エネルギー源は冷凍手段であり、一次冷却剤が前記コンジット内を通さ れる請求項17記載のシステム。 21.実質的に図面を参照して説明された蓄熱システム。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| GB8924232.5 | 1989-10-27 | ||
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