JP2013517451A - Heat transfer interface - Google Patents

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Abstract

本発明の実施形態は、１２０°Ｃから１，３００°Ｃの範囲内の温度における、熱管理システムのためのシステムおよび方法を提供する。本システムは、球形、円筒形、または他の形状を有し、広温度範囲内の熱を吸収し、長時間にわたって、そのような熱を一定温度で返す、熱伝達デバイスを含有するように構成される、種々の熱伝達チャンバから成る。複数の熱伝達粒子を含む熱管理システムであって、複数の熱伝達粒子のそれぞれは、外側容器内に封入される内側熱伝達媒体から成り、外側容器は、熱源に対して不活性であり、熱源からの１２０°Ｃから１，３００°Ｃの範囲内の温度における熱の高速捕捉と、一定の時間にわたる一定温度におけるその後の熱の放出とを可能にする、システム。Embodiments of the present invention provide systems and methods for thermal management systems at temperatures in the range of 120 ° C to 1,300 ° C. The system is configured to contain a heat transfer device that has a spherical, cylindrical, or other shape, absorbs heat in a wide temperature range, and returns such heat at a constant temperature over time. Consisting of various heat transfer chambers. A heat management system comprising a plurality of heat transfer particles, each of the plurality of heat transfer particles comprising an inner heat transfer medium enclosed within an outer container, the outer container being inert to a heat source; A system that allows fast capture of heat at a temperature in the range of 120 ° C. to 1,300 ° C. from a heat source and subsequent release of heat at a constant temperature over a period of time.

Description

本発明は、熱管理の分野に関する。特に、本発明の実施形態は、生産工程から熱を蓄え、長時間にわたって、一定温度において、そのような熱を回収するシステムおよび方法に関する。   The present invention relates to the field of thermal management. In particular, embodiments of the present invention relate to systems and methods for storing heat from a production process and recovering such heat at a constant temperature for an extended period of time.

今日、多くの生産工程は、蒸発塔（すなわち、冷却塔）内に消散される、冷却水に伝達される、蒸気に変換される、または周囲環境に廃棄される、大量の廃熱を発生している。さらに、多数の産業活動は、本質的に、断続的であって、したがって、それらの工程で発生する熱は、連続せず、限定された時間の間のみ継続し、それらの熱源の温度は、大幅に変動し、したがって、熱回収および熱のリサイクルを困難かつ煩雑にする。その結果、大量のエネルギーが、日常的に、低グレードの蒸気である、冷却水流中に廃棄され、または単に消散され、したがって、そのような生産工程を必要以上にエネルギー集約的にする。   Today, many production processes generate large amounts of waste heat that is dissipated in an evaporation tower (ie, cooling tower), transferred to cooling water, converted to steam, or discarded to the surrounding environment. ing. Moreover, many industrial activities are inherently intermittent, so the heat generated in these processes is not continuous and lasts only for a limited time, and the temperature of their heat source is It fluctuates greatly, thus making heat recovery and heat recycling difficult and cumbersome. As a result, large amounts of energy are routinely discarded or simply dissipated in cooling water streams, which are low grade steam, thus making such production processes more energy intensive than necessary.

さらに、石油化学産業における多くの発熱ポリマー反応は、一般的に、冷却水を伴う、二重壁反応器を使用して達成される、精密な温度制御を必要とする。しかしながら、そのような反応器が、外側シェル内の大量の冷却水および乱流を利用する場合でも、温度制御は、熱が、内側反応器の体積全体を通して、そして冷却壁から離れて、発生されるため、困難である。さらに、それらの冷却システムは、効果的熱回収にとって低過ぎる温度において、大量の冷却水を発生させる。その結果、それらの石油化学工程は、相当量の熱および水を廃棄し、かつそのような廃棄物を排出する前に、水処理設備に実質的コストを被る。   Furthermore, many exothermic polymer reactions in the petrochemical industry generally require precise temperature control that is achieved using a double wall reactor with cooling water. However, even when such a reactor utilizes a large amount of cooling water and turbulence in the outer shell, temperature control is generated through the entire volume of the inner reactor and away from the cooling wall. Therefore, it is difficult. In addition, these cooling systems generate large amounts of cooling water at temperatures that are too low for effective heat recovery. As a result, these petrochemical processes incur a substantial cost to the water treatment facility before discarding a significant amount of heat and water and discharging such waste.

溶融塩システムは、高温で熱を蓄えるように開発されており、主に、太陽集光器と併用される。そのようなシステムは、典型的には、単位質量当たりの比熱より遥かに大きい、溶融熱に依存し、凝固または凍結に応じて、その熱を継続的に放出することが可能である。ナトリウム金属もまた、より高い温度において、蓄熱のために使用されるが、ナトリウムの場合、蓄熱は、主に、液体ナトリウムをより高い温度まで加熱することによって、生じる。従来の溶融塩システムおよび溶融ナトリウムシステムは、２つの主要な問題に悩まされる。すなわち、システムの故障および塩またはナトリウムが凍結する時の対処と、準粘性媒体を高温で圧送する必要性である。   Molten salt systems have been developed to store heat at high temperatures and are primarily used in conjunction with solar concentrators. Such systems typically rely on heat of fusion, much greater than the specific heat per unit mass, and can release that heat continuously upon solidification or freezing. Sodium metal is also used for heat storage at higher temperatures, but in the case of sodium, heat storage occurs primarily by heating liquid sodium to higher temperatures. Conventional molten salt systems and molten sodium systems suffer from two major problems. That is, what to do when the system fails and salt or sodium freezes, and the need to pump the semi-viscous medium at high temperatures.

故に、熱を高温で吸収することができ、長時間にわたって、そのような熱を一定温度で送達することができ、殆どまたは全く整備を必要とせず、信頼性があり、かつ熱伝達媒体が凍結する場合でも、容易に操作することができる、安価な熱伝達媒体の必要性が存在する。   Therefore, heat can be absorbed at high temperatures, such heat can be delivered at a constant temperature over a long period of time, requires little or no maintenance, is reliable, and the heat transfer medium is frozen. However, there is a need for an inexpensive heat transfer medium that can be easily operated.

溶融塩を使用した、エネルギーまたは熱の管理あるいは貯蔵に関連する、多数の技術が存在する。しかしながら、これらの技術の多くは、異なる機能性を伴うために、本発明にほとんど関連性をもたらさない。このように、多くは、イオン交換樹脂、いくつかは、ポリマーシステム、いくつかは、熱可塑性物質に関連し、それらはすべて、比較的に中温において、熱劣化を受けやすいことで知られている、有機ポリマーを伴い、その他は、封入されることが滅多にない、炭化水素鉱床および材料の地熱処理に関し、または相変化インク、トナー組成物、および撮像システムに関する。いくつかの技術は、医薬または生物学系に関する一方、その他は、難燃剤または防火材に関するが、それらはすべて、相変化塩を使用する、熱管理または蓄熱システムに殆ど関連しない。   There are a number of techniques related to energy or heat management or storage using molten salts. However, many of these techniques have little relevance to the present invention because they involve different functionalities. Thus, many are associated with ion exchange resins, some with polymer systems, some with thermoplastics, all known to be susceptible to thermal degradation at relatively medium temperatures. , With organic polymers, and others, with respect to geothermal heat treatment of hydrocarbon deposits and materials, which are rarely encapsulated, or to phase change inks, toner compositions, and imaging systems. Some technologies relate to pharmaceutical or biological systems, while others relate to flame retardants or fire retardants, but they are all little related to thermal management or storage systems that use phase change salts.

多くの技術は、主に、塩である、相変化材料を採用し、多くは、種々の塩の共晶組成物を採用するが、それらは、封入されることが滅多になく、したがって、凝固に応じた凍結の問題を共有する。   Many technologies employ phase change materials, which are primarily salts, and many employ eutectic compositions of various salts, but they are rarely encapsulated and thus solidify. Share freezing issues according to

いくつかの技術は、相変化材料に基づく、エネルギー貯蔵システムに関連し、熱交換器を含む、そのような蓄熱システムと接続される、熱パイプを採用する。その他は、粉末形態にコンパクト化され、圧延プロセスによって、封入される、相変化材料を採用する。しかしながら、溶融塩を使用する、熱交換器の使用に関して遭遇する通常の問題は、悪化し、採用される封入方法は、高価な製造を伴い、単純な形状に制限される。   Some technologies employ heat pipes associated with energy storage systems based on phase change materials and connected to such heat storage systems, including heat exchangers. Others employ phase change materials that are compacted into powder form and encapsulated by a rolling process. However, the usual problems encountered with the use of heat exchangers using molten salts are exacerbated and the encapsulation method employed involves expensive manufacturing and is limited to simple shapes.

他の技術は、固相と液相との間の密度変化を最小限にする、水和金属硝酸塩を採用する。しかしながら、水和塩は、加熱に応じて、容易に水和水を損失させ、そのような化学変化は、典型的には、それらの物質の溶融点に到達時またはその前に、生じる。その結果、いかなる遊離水も、蒸発する可能性があり、任意の封入体内における圧力蓄積につながる。故に、これらの技術の重要な特徴は、それらを前述の用途における使用に適切にすることである。   Other techniques employ hydrated metal nitrates that minimize density changes between the solid and liquid phases. However, hydrated salts readily lose water of hydration in response to heating, and such chemical changes typically occur when or before the melting point of these materials is reached. As a result, any free water can evaporate, leading to pressure buildup in any enclosure. Thus, an important feature of these technologies is that they are suitable for use in the aforementioned applications.

いくつかの技術は、相変化材料の凝固の温度を下げるように、結晶化阻害剤の使用を伴う一方、その他は、別個の結晶核形成剤を使用する、類似システムを採用する。   Some techniques involve the use of crystallization inhibitors to lower the temperature of solidification of the phase change material, while others employ similar systems that use a separate crystal nucleation agent.

他の技術は、種々の相変化塩材料および多孔性支持構造を使用することによって、広温度範囲内の熱を蓄える方法に関する。しかしながら、すべてのそのような相変化システムにおける共通の困難性は、流動性の欠如、すなわち、相変化材料が凍結するのに伴って、流動を停止するという事実である。   Other techniques relate to methods of storing heat within a wide temperature range by using various phase change salt materials and porous support structures. However, a common difficulty in all such phase change systems is the lack of fluidity, ie the fact that the flow stops as the phase change material freezes.

依然として、他の技術は、相変化材料全体を通して、均一な熱分布を提供するように構成される、熱交換器と併せて、無水ナトリウム硫酸塩および類似相変化塩を採用する。しかしながら、そのようなシステムの共通の欠陥は、前述と同じ、すなわち、凍結に応じて、そのような材料が、完全に、流動性を喪失するという事実である。   Still other techniques employ anhydrous sodium sulfate and similar phase change salts in conjunction with heat exchangers that are configured to provide uniform heat distribution throughout the phase change material. However, a common deficiency of such systems is the same as before, i.e. the fact that in response to freezing, such materials completely lose their fluidity.

他の方法は、熱パイプと、パイプから塩の共晶混合物を掻爬するための機構と、を採用する一方、溶融塩は、水を沸騰させるための熱を提供する。しかしながら、共晶組成物は、そのような塩混合物が、相変化塩を封入する材料に対して、より溶解性を呈する傾向があるという問題を提起する。   Other methods employ a heat pipe and a mechanism for scraping the eutectic mixture of salt from the pipe, while the molten salt provides heat to boil the water. However, eutectic compositions pose the problem that such salt mixtures tend to be more soluble in materials encapsulating phase change salts.

本発明の実施形態は、種々の熱源からの１２０°Ｃから１，３００°Ｃの範囲内の温度における熱の高速捕捉熱と、長時間にわたって、一定温度における、そのような熱のその後の放出と、を可能にする、熱管理のための改良された方法を提供する。システムは、円筒形、球形、または他の形状であり得、熱源に対して、不活性である、外側容器内に封入される、内側熱伝達媒体を含むことができる。熱伝達媒体は、塩、金属、またはセラミック組成物を含むことができ、熱源から融解熱を吸収することによって、熱を除去可能である。封入容器は、熱源に対して、非反応性であって、かつ熱伝達媒体に対して、非反応性である、金属、プラスチック、またはセラミック組成物を含むことができる。システムの実施形態では、封入容器のサイズおよび形状は、熱源の性質および化学特性によって、ならびに単位体積当たりおよび単位時間当たりの熱除去または放出の観点からの熱伝達要件によって、判定される。   Embodiments of the present invention provide fast capture heat of heat at temperatures in the range of 120 ° C. to 1,300 ° C. from various heat sources and subsequent release of such heat at a constant temperature over time. And provide an improved method for thermal management. The system can be cylindrical, spherical, or other shape, and can include an inner heat transfer medium enclosed in an outer container that is inert to the heat source. The heat transfer medium can include a salt, metal, or ceramic composition and can remove heat by absorbing heat of fusion from a heat source. The enclosure may include a metal, plastic, or ceramic composition that is non-reactive to a heat source and non-reactive to a heat transfer medium. In system embodiments, the size and shape of the enclosure is determined by the nature and chemical characteristics of the heat source and by heat transfer requirements in terms of heat removal or release per unit volume and per unit time.

図１ａおよび１ｂは、封入された熱伝達デバイスの２つの実施形態の立面図である。1a and 1b are elevational views of two embodiments of an encapsulated heat transfer device. 図２ａおよび２ｂは、内側コーティングを伴う、熱伝達デバイスの実施形態である。Figures 2a and 2b are embodiments of a heat transfer device with an inner coating. 図３ａおよび３Ｂは、内側および外側コーティングを伴う、熱伝達デバイスの立面図である。Figures 3a and 3B are elevational views of a heat transfer device with inner and outer coatings. 図４ａおよび４ｂは、異なる熱伝達反応器構成の内側の２つの可能性として考えられる熱伝達デバイスの実施形態を示す。Figures 4a and 4b show two possible heat transfer device embodiments inside different heat transfer reactor configurations. 図５ａは、二重壁石油化学反応器チャンバの概略図である。図５ｂは、無秩序に散在される、熱伝達デバイスを伴う、簡略化された石油化学反応器である。FIG. 5a is a schematic view of a double wall petrochemical reactor chamber. FIG. 5b is a simplified petrochemical reactor with a heat transfer device that is randomly distributed. 図６は、熱回収チャンバを伴う、鋼鉄塩基性酸素変換器の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a steel basic oxygen converter with a heat recovery chamber. 図７は、熱回収チャンバを伴う、往復ボイラーシステムの概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a reciprocating boiler system with a heat recovery chamber. 図８ａおよび８ｂは、熱伝達デバイスを伴う、同軸熱回収二重チャンバの立面図および平面図である。8a and 8b are elevation and plan views of a coaxial heat recovery dual chamber with a heat transfer device.

本発明の実施形態は、ある場合には、例示的形態において、または１つ以上の図を参照することによって、本明細書に開示される。しかしながら、特定の実施形態のいずれのそのような開示も、例示に過ぎず、発明の全範囲を示すものではない。   Embodiments of the invention are disclosed herein, in certain cases, in an exemplary form, or by reference to one or more figures. However, any such disclosure of specific embodiments is exemplary only and does not represent the full scope of the invention.

本発明の実施形態は、種々の生産工程からの熱管理、回収、およびリサイクルのためのシステム、方法、および装置を含む。好ましい実施形態は、１２０°Ｃから１，３００°Ｃの温度範囲内で動作し、ユーザ介入を伴わずに、数時間、数日、または数ヶ月にわたって、その範囲に類似する温度において、完全自動熱回収を提供する、広範囲の熱吸収チャンバを提供する。例えば、本明細書に開示されるシステムは、２、４、６、８ヶ月以上の間、ユーザ制御または介入を伴わずに、稼働することができる。好ましい実施形態では、システムは、１、２、３、４、５、６、７、８年以上の間、自動的に、稼働することができる。   Embodiments of the present invention include systems, methods, and apparatus for thermal management, recovery, and recycling from various production processes. The preferred embodiment operates within a temperature range of 120 ° C to 1,300 ° C and is fully automatic at temperatures similar to that range for hours, days, or months without user intervention. An extensive heat absorption chamber is provided that provides heat recovery. For example, the system disclosed herein can operate without user control or intervention for 2, 4, 6, 8 or more months. In a preferred embodiment, the system can operate automatically for 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 years or more.

本発明の実施形態は、利用可能な廃熱量およびその温度に比例した速度において、熱伝達チャンバに流出入するための種々の形状およびサイズの封入された熱伝達デバイスを提供する。したがって、剛性の不浸透性封入体内への熱伝達デバイスの封入は、そのようなデバイスに、典型的には、塩または塩の混合物である、封入された材料の状態に関わらず、機械的システムの重力によって推進される流動を可能にし、したがって、流動性を提供する。熱が利用可能である時、最初に、溶融点に到達するまで、加熱し、次いで、封入された材料のすべてが、溶融状態となるまで、融解熱を継続して吸収する、封入されている相変化材料によって、容易に吸収される。熱が必要とされる時、封入された材料は、別の熱伝達チャンバに伝達され、溶融相変化材料が、凝固を開始し、したがって、以前に吸収された、同一融解熱を放出する。   Embodiments of the present invention provide encapsulated heat transfer devices of various shapes and sizes for entering and exiting a heat transfer chamber at a rate proportional to the amount of waste heat available and its temperature. Thus, encapsulating a heat transfer device within a rigid, impermeable enclosure would result in such a mechanical system, regardless of the state of the encapsulated material, typically a salt or a mixture of salts. Allows flow driven by gravity and thus provides fluidity. When heat is available, it is first encapsulated that heats until the melting point is reached, and then continues to absorb the heat of fusion until all of the encapsulated material is in a molten state It is easily absorbed by the phase change material. When heat is needed, the encapsulated material is transferred to another heat transfer chamber and the melt phase change material begins to solidify, thus releasing the same heat of fusion previously absorbed.

熱伝達チャンバは、熱利用可能な熱量、そのような熱が利用可能な時間の長さ、およびその温度に適合可能な任意の形状およびサイズであることができる。それらの３つの変数は、利用可能な熱のものと等しい伝達チャンバ内の滞留時間を有し、および相変化材料のその質量が、利用可能な熱量および温度に適切となるように、使用される熱伝達デバイスのサイズおよび形状を判定する。   The heat transfer chamber can be of any shape and size that can accommodate the amount of heat available, the length of time such heat is available, and the temperature. Those three variables are used so that they have a residence time in the transfer chamber equal to that of the available heat and that the mass of the phase change material is appropriate for the amount of heat and temperature available. Determine the size and shape of the heat transfer device.

熱伝達チャンバの重要な特性は、重力流等によって、そのようなチャンバ内外から熱伝達デバイスの移動を可能にすることであるが、機械的輸送の他の形態が、採用されてもよい。   An important property of the heat transfer chamber is to allow movement of the heat transfer device from inside and outside such chamber, such as by gravity flow, but other forms of mechanical transport may be employed.

熱伝達デバイスの重要な特性は、耐久性があって、安価に加工でき、かつ熱的に効果的であることである。耐久性は、デバイスの封入体材料と内側相変化材料との間の化学相互作用がないことが必要である。安価な製造は、封入された相変化材料が、圧着された金属円筒、金属またはセラミック球体等、加工が容易な不浸透性容器内に封入されることを必要とする。熱有効性は、封入材料の厚さが、小さく、かつ熱的に伝導性であって、熱を提供する外部環境または相変化材料の内部環境のいずれにも、化学的に反応しないことを必要とする。   An important characteristic of heat transfer devices is that they are durable, can be processed inexpensively, and are thermally effective. Durability requires that there be no chemical interaction between the encapsulant material of the device and the inner phase change material. Inexpensive manufacture requires that the encapsulated phase change material be encapsulated in an impermeable container that is easy to process, such as a crimped metal cylinder, metal or ceramic sphere. Thermal effectiveness requires that the encapsulant material thickness be small and thermally conductive and not chemically react to either the external environment providing heat or the internal environment of the phase change material. And

図１Ａおよび１Ｂに示されるもの等の好ましい実施形態では、熱伝達デバイス（１）は、無機塩または塩の混合物であり得る、相変化材料（３）で充填される、封入材料（２）を備える、円筒または球体、あるいは類似形状から成る。円筒または球体は、銅またはアルミニウム、あるいは類似の安価な金属等の金属から作製される。他の実施形態では、封入材料（２）は、金属粉末または鉋屑を組み込むことによって、熱的に伝導性にされる、薄いセラミックまたはポリマー材料であってもよい。好ましい実施形態では、封入材料（２）は、圧着されたアルミニウム、銅、または類似金属管、溶接された管、あるいはネジキャップと嵌合される管または類似形状から成る。   In preferred embodiments, such as those shown in FIGS. 1A and 1B, the heat transfer device (1) comprises an encapsulant (2) filled with a phase change material (3), which can be an inorganic salt or a mixture of salts. It comprises a cylinder or sphere, or a similar shape. The cylinder or sphere is made from a metal such as copper or aluminum, or a similar inexpensive metal. In other embodiments, the encapsulating material (2) may be a thin ceramic or polymeric material that is made thermally conductive by incorporating metal powder or sawdust. In a preferred embodiment, the encapsulating material (2) consists of a crimped aluminum, copper, or similar metal tube, a welded tube, or a tube or similar shape that is fitted with a screw cap.

図２ａおよび２ｂは、封入材料の内側表面が、封入材料（２）または相変化材料（３）と化学的に非反応性である、不活性物質（２１）でコーティングされる、熱伝達デバイス（１）の代替実施形態を例証する。本願で使用されるように、「非反応性」とは、完全に非反応性である材料と、化学的に反応するが、反応が、非常にゆっくりまたは僅かであるため、熱伝達デバイスの材料または構造の化学特性に感知できるほどの影響を及ぼさない材料の両方を包含する。好適なコーティングとして、電着金属および合金、塗料、セラミック組成物、またはポリマーが挙げられる。銅、アルミニウム、および類似材料上の安価なコーティングの実施例として、炭化物、窒化物、酸化物が挙げられる。コーティング方法の実施例として、化学蒸着、静電蒸着、陽極酸化処理、電解、および塗膜が挙げられる。腐食およびコーティングに関する有用情報は、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇに提供されており、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる。   2a and 2b show a heat transfer device (in which the inner surface of the encapsulating material is coated with an inert material (21) that is chemically non-reactive with the encapsulating material (2) or the phase change material (3)). 1 illustrates an alternative embodiment of 1). As used herein, “non-reactive” means a material for a heat transfer device that reacts chemically with a material that is completely non-reactive, but the reaction is very slow or slight. Or both materials that do not appreciably affect the chemical properties of the structure. Suitable coatings include electrodeposited metals and alloys, paints, ceramic compositions, or polymers. Examples of inexpensive coatings on copper, aluminum, and similar materials include carbides, nitrides and oxides. Examples of coating methods include chemical vapor deposition, electrostatic vapor deposition, anodizing, electrolysis, and coating. Useful information regarding corrosion and coating is provided in Handbook of Corrosion Engineering and is hereby incorporated by reference in its entirety.

図３ａおよび３ｂは、封入材料（２）の内側および外側表面の両方が、封入材料（２）、相変化材料（３）、または熱伝達デバイスが動作する外部環境のいずれとも、化学的に非反応性である、不活性物質（２１）および（３１）でコーティングされる、熱伝達デバイス（１）の代替実施形態を例証する。好適なコーティングとして、電着金属および合金、塗料、セラミック組成物、またはポリマーが挙げられる。銅、アルミニウム、および類似材料上の安価なコーティングの実施例として、炭化物、窒化物、酸化物が挙げられる。コーティング方法の実施例として、化学蒸着、静電蒸着、陽極酸化処理、電解、および塗膜が挙げられる。   Figures 3a and 3b show that both the inner and outer surfaces of the encapsulant (2) are chemically non-existent with either the encapsulant (2), the phase change material (3) or the external environment in which the heat transfer device operates. 3 illustrates an alternative embodiment of a heat transfer device (1) that is coated with inert materials (21) and (31) that are reactive. Suitable coatings include electrodeposited metals and alloys, paints, ceramic compositions, or polymers. Examples of inexpensive coatings on copper, aluminum, and similar materials include carbides, nitrides and oxides. Examples of coating methods include chemical vapor deposition, electrostatic vapor deposition, anodizing, electrolysis, and coating.

図４ａは、熱を含有する流体媒体の流動に対して、十分な間隙率を提供するように、無秩序に配設される、複数の熱伝達デバイス（１）を含有する、円筒形構成から成る、熱伝達チャンバ（４）の可能性として考えられる実施形態の１つを例証する。図４ｂは、熱を含有する流体媒体の流動に対して、十分な間隙率を提供するように、無秩序に配設される、複数の熱伝達デバイス（１）を含有する、長方形構成から成る、熱伝達チャンバ（４）の別の実施形態を例証する。熱伝達デバイスを含有するために使用される、他の幾何学形状もまた、可能である。当業者は、円筒形または長方形形状が、例示に過ぎず、異なる産業用途では、熱源の種類によって課される空間制限に適合するように、他の形状が利用されてもよいことを認識するであろう。   FIG. 4a consists of a cylindrical configuration containing a plurality of heat transfer devices (1) arranged randomly so as to provide a sufficient porosity for the flow of a fluid medium containing heat. Illustrates one possible embodiment of the heat transfer chamber (4). FIG. 4b consists of a rectangular configuration containing a plurality of heat transfer devices (1) arranged randomly to provide sufficient porosity for the flow of a fluid medium containing heat. 4 illustrates another embodiment of a heat transfer chamber (4). Other geometries used to contain the heat transfer device are also possible. Those skilled in the art will recognize that a cylindrical or rectangular shape is merely exemplary and that other shapes may be utilized in different industrial applications to meet the space limitations imposed by the type of heat source. I will.

図５ａは、発熱反応を伴う、触媒プロセスの典型である、二重壁石油化学反応器の簡略化された略図である。図５ａでは、反応器（６）は、反応器体積（６１）内で発生される発熱に対して、冷却を提供するように、冷却水を、ポート（６２）を通して流入させ、かつポート（６３）を通して流出させる、２つの同心円筒形タンクから成る。そのような反応器は、化学産業において、反応温度を制御するために、広範囲に使用されており、大量の冷却水およびポンプの大量使用を必要とすることで知られている。図５ｂは、発熱反応のより効率的冷却を提供する、単一タンクおよび複数の熱伝達デバイス（１）を備える、反応器（６）から成る、簡略化された反応器構成を例証する。   FIG. 5a is a simplified schematic diagram of a double wall petrochemical reactor typical of a catalytic process with an exothermic reaction. In FIG. 5a, the reactor (6) has cooling water flowing through port (62) and port (63) to provide cooling for the heat generated in the reactor volume (61). ) Through two concentric cylindrical tanks. Such reactors are widely used in the chemical industry to control reaction temperatures and are known to require large amounts of cooling water and pumps. FIG. 5b illustrates a simplified reactor configuration consisting of a reactor (6) with a single tank and multiple heat transfer devices (1) that provides more efficient cooling of the exothermic reaction.

図６は、製鉄所内の塩基性酸素転炉（７）からの熱回収を例証する。典型的には、それらの転炉は、特殊な難溶性物質（７１）で裏打ちされ、最初は、溶鉱炉からの溶融鉄（７２）、いくつかの溶剤、および溶融鉄を冷却する役割を果たす、いくつかの鋼屑（７３）で充満されている。転炉が充満されると、酸素ランス（７４）が、溶融鉄内の過剰な量の炭素を酸化し、鋼鉄を生成するように、酸素を溶融鉄中に吹き込む。酸素と溶融鉄中に溶解された炭素の反応は、溶融充満の温度を上昇させ、通常、１，５００°Ｃを超える温度の大量の超高温ガスを生成する、超発熱反応である。大部分がＣＯ２から成る、高温ガスは、転炉の上部から流出し、フード（７５）内で収集される。高温ガスは、チャンバ内側の滞留時間が、高温ガスによって産生される熱量を精密に平衡に保つように、熱伝達チャンバ（５）内側を流動している、熱伝達デバイス（１）によって大部分が捕捉される、大量の熱を搬送する。 FIG. 6 illustrates heat recovery from a basic oxygen converter (7) in a steel plant. Typically, these converters are lined with special sparingly soluble materials (71) and initially serve to cool the molten iron (72) from the blast furnace, some solvents, and the molten iron, Filled with some steel scrap (73). When the converter is full, an oxygen lance (74) blows oxygen into the molten iron to oxidize excess amounts of carbon in the molten iron and produce steel. The reaction of oxygen and carbon dissolved in the molten iron is a super-exothermic reaction that raises the temperature of the melt-fill and produces a large amount of ultra-high temperature gas, usually above 1500 ° C. Hot gas, consisting mostly of CO 2 , exits from the top of the converter and is collected in the hood (75). The hot gas is largely due to the heat transfer device (1) flowing inside the heat transfer chamber (5) so that the residence time inside the chamber precisely balances the amount of heat produced by the hot gas. It carries a large amount of heat that is captured.

図７は、産業用ボイラー（８）からの熱回収を例証する。典型的には、バーナー（８１）は、火室内の燃料を燃焼することによって、必要な熱を提供する。高温燃焼ガスは、最初、熱を複数の高圧蒸気管（８２）に、続いて、複数の水沸騰管（８３）、および予加熱チャンバ（８４）に伝達し、煙突（８５）から流出する。煙突（８５）に接続される、熱伝達チャンバ（５）は、燃焼排ガス中に含有される熱を捕捉するために必要とされる滞留時間に比例した速度において、チャンバ（５）を通って移動する、複数の熱伝達デバイス（１）に熱を伝達することによって、高温燃焼排ガス中に含有される熱を回収する。   FIG. 7 illustrates heat recovery from an industrial boiler (8). Typically, the burner (81) provides the necessary heat by burning fuel in the firebox. The hot combustion gas initially transfers heat to the plurality of high pressure steam tubes (82), followed by the plurality of water boiling tubes (83), and the preheating chamber (84), and exits the chimney (85). A heat transfer chamber (5), connected to the chimney (85), moves through the chamber (5) at a rate proportional to the residence time required to capture the heat contained in the flue gas. The heat contained in the high-temperature combustion exhaust gas is recovered by transferring heat to the plurality of heat transfer devices (1).

図８ａおよび８ｂは、熱伝達デバイス（１）からの有用な熱を回収するためのシステム（９）の立面図および平面図を例証する。図８ａでは、２つの同心チャンバ（９１）および（９２）は、超高温における高温熱伝達デバイス（１１）に、より低い温度において、熱回収の時間を延長させるように、より低い温度の熱伝達デバイス（１２）に熱を伝達することを可能にする。したがって、超高温であるが、限定された時間の間、捕捉された熱は、より低い温度において、継続的ベースで利用可能となる。当業者に理解されるように、高温から低温に熱を伝達するために、異なる構成を使用することができ、かつ円筒形または長方形チャンバ以外の他の形状が使用されてもよい。   Figures 8a and 8b illustrate elevation and plan views of the system (9) for recovering useful heat from the heat transfer device (1). In FIG. 8a, the two concentric chambers (91) and (92) have a lower temperature heat transfer so that the high temperature heat transfer device (11) at ultra high temperature extends the time of heat recovery at the lower temperature. Allows heat to be transferred to the device (12). Thus, although at a very high temperature, but for a limited time, the trapped heat is available on a continuous basis at a lower temperature. As will be appreciated by those skilled in the art, different configurations can be used to transfer heat from high temperature to low temperature, and other shapes other than cylindrical or rectangular chambers may be used.

熱伝達デバイスは、任意の好適な材料から作製することができる。相変化媒体を封入するための例示的材料として、金属、ガラス、合成物、セラミック、プラスチック、石、セルロース材料、繊維材料等が挙げられるが、それらに限定されない。所望に応じて、材料の混合物を使用することができる。当業者は、各具体的目的のために、好適な材料を判定することが可能であろう。選択された材料は、有意な破裂、破壊、他の損傷、または環境中への毒性材料の浸出を伴うことなく、長時間高温使用に耐えることが可能であることが好ましい。所望に応じて、異なるサイズのデバイスを、異なる材料から作製することができる。例えば、高温熱伝達デバイスのための封入体は、鋼鉄、チタン、または種々の合金等の金属から作製することができ、相変化媒体は、高溶融点を有する、塩から成ることができる。選択された材料は、好ましくは、加熱プロセスによる、耐破壊、錆、または破裂性であり得る。表１は、好適な封入体材料の選択を促進するために、その溶融点およびその融解熱とともに、いくつかの金属を列挙する。   The heat transfer device can be made from any suitable material. Exemplary materials for encapsulating the phase change medium include, but are not limited to, metals, glass, composites, ceramics, plastics, stones, cellulosic materials, fiber materials, and the like. If desired, a mixture of materials can be used. One skilled in the art will be able to determine suitable materials for each specific purpose. The selected material is preferably capable of withstanding high temperature use for extended periods of time without significant rupture, destruction, other damage, or leaching of toxic materials into the environment. If desired, different sized devices can be made from different materials. For example, an enclosure for a high temperature heat transfer device can be made from a metal such as steel, titanium, or various alloys, and the phase change medium can be composed of a salt having a high melting point. The selected material may preferably be resistant to fracture, rust, or burst by a heating process. Table 1 lists several metals, along with their melting points and their heats of fusion, to facilitate the selection of suitable inclusion body materials.

表２は、いくつかの塩を列挙し、昇順に配列された溶融点ならびに対応する融解熱を提供する。表２の情報は、異なる産業用途および種々の温度における熱回収のための好適な相変化媒体を選択する役割を果たす。 Table 2 lists several salts and provides melting points arranged in ascending order as well as corresponding heats of fusion. The information in Table 2 serves to select suitable phase change media for different industrial applications and heat recovery at various temperatures.

相変化材料に加え、還元／酸化（酸化還元）を伴う、化学反応もまた、蓄熱および制御された熱放出を提供することができ、したがって、熱伝達用途のための媒体として使用することができる。例えば、炭酸塩／重炭酸塩反応は、典型的には、温度の微小変化に応じて、逆にすることができる、化学変化を伴う。したがって、重炭酸アンモニウムは、温度が、数度変化すると、炭酸アンモニウムに分解し、本反応熱は、吸収または放出され、それによって、相変化材料のものと類似する機能性を提供することができる。 In addition to phase change materials, chemical reactions involving reduction / oxidation (redox) can also provide heat storage and controlled heat release and can therefore be used as a medium for heat transfer applications. . For example, carbonate / bicarbonate reactions typically involve chemical changes that can be reversed in response to minute changes in temperature. Thus, ammonium bicarbonate decomposes into ammonium carbonate when the temperature changes several degrees, and the heat of reaction is absorbed or released, thereby providing functionality similar to that of phase change materials. .

本願で使用されるように、酸化還元反応は、１つ以上の電子が交換され、したがって、単に酸素を酸化剤として伴うものより広範囲の化学反応群を包含するものを含む。   As used herein, redox reactions include those in which one or more electrons are exchanged and thus encompass a wider group of chemical reactions than those that simply involve oxygen as an oxidant.

典型的には、本願における着目化学反応として、反応物が、有機材料であるものが挙げられる。そのような化学反応は、システムの温度に大幅に依存する、反応熱によって、特徴付けられる。   Typically, the chemical reaction of interest in the present application includes one in which the reactant is an organic material. Such chemical reactions are characterized by the heat of reaction, which depends greatly on the temperature of the system.

当業者は、これらの方法およびデバイスが、目標を達成し、前述の目的および利点ならびに種々の他の利点および効果を得るように適応され、かつ適応され得ることを理解するであろう。本明細書に説明される、方法、手順、およびデバイスは、現在、好ましい実施形態の代表であって、かつ例示であって、発明の範囲の制限として意図されるものではない。本発明の精神内に包含され、本開示の範囲によって定義される、本明細書の変更および他の用途は、当業者に想起されるであろう。   Those skilled in the art will appreciate that these methods and devices are and can be adapted to achieve the goals and obtain the aforementioned objectives and advantages as well as various other advantages and effects. The methods, procedures, and devices described herein are presently representative of preferred embodiments, are exemplary, and are not intended as limitations on the scope of the invention. Modifications and other uses of the present specification will occur to those skilled in the art that are encompassed within the spirit of the invention and are defined by the scope of the disclosure.

本明細書に例証的に説明される本発明は、好適には、本明細書に具体的に開示されない、任意の要素または複数の要素、制限または複数の制限が無くても、実践することができる。採用される用語および表現は、制限ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語および表現の使用は、図示および説明される特徴の均等物またはその一部の排除を示す意図はない。種々の修正が、開示される発明の範囲内で可能であることを認識されたい。したがって、本発明は、好ましい実施形態ならびに随意の特徴によって、具体的に開示されたが、本明細書に開示される概念の修正および変形例は、当業者によって再分類されてもよく、そのような修正および変形例は、本開示によって定義される、本発明の範囲内であると見なされることを理解されたい。   The invention described herein by way of example is preferably practiced without any element or elements, limitations or restrictions, not specifically disclosed herein. it can. The terms and expressions employed are used for purposes of explanation, not limitation, and the use of such terms and expressions is not intended to indicate an equivalent or illustrated exclusion of features illustrated and described. It should be recognized that various modifications are possible within the scope of the disclosed invention. Thus, although the present invention has been specifically disclosed by means of preferred embodiments and optional features, modifications and variations of the concepts disclosed herein may be reclassified by those of ordinary skill in the art. It should be understood that all such modifications and variations are considered within the scope of the invention as defined by this disclosure.

Claims (18)

複数の熱伝達粒子を含む熱管理システムであって、前記複数の熱伝達粒子のそれぞれは、外側容器内に封入される内側熱伝達媒体から成り、前記外側容器は、熱源に対して不活性であり、熱源からの１２０°Ｃから１，３００°Ｃの範囲内の温度における熱の高速捕捉と、一定の時間にわたる一定温度におけるその後の熱の放出とを可能にする、システム。   A heat management system including a plurality of heat transfer particles, each of the plurality of heat transfer particles comprising an inner heat transfer medium enclosed in an outer container, the outer container being inert to a heat source. A system that allows fast capture of heat at a temperature in the range of 120 ° C. to 1,300 ° C. from a heat source and subsequent release of heat at a constant temperature over a period of time. 前記熱伝達媒体は、塩、金属、およびセラミック組成物から成る群から選択される材料を含み、前記熱源からの融解熱を吸収することによって、環境から熱を除去可能である、請求項１に記載のシステム。   The heat transfer medium comprises a material selected from the group consisting of a salt, a metal, and a ceramic composition, and is capable of removing heat from the environment by absorbing heat of fusion from the heat source. The described system. 前記容器は、前記熱源に対して非反応性であり、かつ、前記熱伝達媒体に対して非反応性である、金属、プラスチック、またはセラミック組成物から成る群から選択される材料を含む、請求項１に記載のシステム。   The container includes a material selected from the group consisting of a metal, plastic, or ceramic composition that is non-reactive to the heat source and non-reactive to the heat transfer medium. Item 4. The system according to Item 1. 前記熱伝達媒体は、１２０°Ｃ〜１，３００°Ｃの範囲内の融解温度を有する、請求項２に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the heat transfer medium has a melting temperature in the range of 120 ° C. to 1,300 ° C. 前記熱伝達媒体は、塩化物、酸塩化物、フッ化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、重炭酸塩、ホウ酸塩、ヒ酸塩、アルミン酸塩、臭化物、クロム酸塩、水素化物、マンガン酸塩、ケイ酸塩、硫化物、チタン酸塩、テルル化物、セレン化物、酸化物、水酸化物、金属、およびそれらからの混合物から成る群から選択される材料を含む、請求項２に記載のシステム。   The heat transfer medium is chloride, acid chloride, fluoride, sulfate, sulfite, carbonate, bicarbonate, borate, arsenate, aluminate, bromide, chromate, hydride, 3. A material comprising a material selected from the group consisting of manganates, silicates, sulfides, titanates, tellurides, selenides, oxides, hydroxides, metals, and mixtures thereof. The described system. 前記熱伝達媒体は、その融解温度より少なくとも１００°Ｃ高い沸点または分解温度を有する物質を含む、請求項２に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the heat transfer medium comprises a material having a boiling point or decomposition temperature that is at least 100 ° C. above its melting temperature. 前記熱伝達媒体は、その融解温度において非常に低い蒸気圧を有する物質を含む、請求項２に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the heat transfer medium comprises a material having a very low vapor pressure at its melting temperature. 前記熱伝達媒体は、所与の温度において化学的に反応し、それによって、その反応熱を吸収する２つ以上の物質を含む、請求項２に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the heat transfer medium includes two or more substances that chemically react at a given temperature and thereby absorb the heat of reaction. 前記熱伝達媒体は、所与の温度において分解し、それによって、前記環境に反応熱を放出する、請求項８に記載のシステム。   The system of claim 8, wherein the heat transfer medium decomposes at a given temperature, thereby releasing reaction heat to the environment. 前記容器は、銅、アルミニウム、クロム、鉄、鉛、マグネシウム、ニッケル、金属合金、フッ化炭素またはクロロフルオロカーボン等の高温プラスチック、ならびにケイ酸塩、アルミナ、および類似難溶性組成物等のセラミックから成る群から選択される材料を含む、請求項３に記載のシステム。   The container consists of copper, aluminum, chromium, iron, lead, magnesium, nickel, metal alloys, high temperature plastics such as fluorocarbons or chlorofluorocarbons, and ceramics such as silicates, alumina, and similar sparingly soluble compositions. The system of claim 3, comprising a material selected from the group. 前記容器の内側表面は、前記熱伝達媒体と非反応性である物質によってコーティングされる、請求項３に記載のシステム。   The system of claim 3, wherein an inner surface of the container is coated with a material that is non-reactive with the heat transfer medium. 前記容器の外側表面は、前記熱源と非反応性である物質によってコーティングされる、請求項３に記載のシステム。   The system of claim 3, wherein an outer surface of the container is coated with a material that is non-reactive with the heat source. 前記容器のコーティングは、炭化物、酸化物、ケイ酸塩、ポリマー、金属、または類似の前記熱伝達媒体に対して非反応性の組成物から成る群から選択される材料を含む、請求項９に記載のシステム。   10. The container coating according to claim 9, wherein the container coating comprises a material selected from the group consisting of carbides, oxides, silicates, polymers, metals, or similar non-reactive compositions to the heat transfer medium. The described system. 前記容器のコーティングは、炭化物、酸化物、ケイ酸塩、ポリマー、金属、または類似の前記熱源に対して非反応性の組成物から成る群から選択される材料を含む、請求項１０に記載のシステム。   11. The container coating of claim 10, wherein the container coating comprises a material selected from the group consisting of carbides, oxides, silicates, polymers, metals, or similar non-reactive compositions to the heat source. system. 前記熱伝達粒子は、前記システムが、前記粒子から、種々の一定温度において、熱を回収するように、ある範囲の温度に適した複数の相変化材料を含む、請求項１に記載の熱管理システム。   The thermal management of claim 1, wherein the heat transfer particles comprise a plurality of phase change materials suitable for a range of temperatures such that the system recovers heat from the particles at various constant temperatures. system. 前記熱源は、発熱反応を処理する化学反応器からの廃熱を含む、請求項１３に記載のシステム。   The system of claim 13, wherein the heat source comprises waste heat from a chemical reactor that processes an exothermic reaction. 前記熱源は、製鋼炉からの廃熱を含む、請求項１３に記載のシステム。   The system of claim 13, wherein the heat source comprises waste heat from a steelmaking furnace. 前記熱源は、工業用ボイラーからの廃熱を含む、請求項１３に記載のシステム。   The system of claim 13, wherein the heat source comprises waste heat from an industrial boiler.
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