(57)【要約】  本発明は、潜熱蓄熱構造（１００）およびその運転方法に関する。その中心となる思想は、熱伝達、並びに、従って、熱量を潜熱蓄熱装置（１０）からおよび／または潜熱蓄熱装置（１０）へ伝達するために設けられた熱伝達流体システム（５０）を、外部の系（８０）または周囲（８０）に対して、閉鎖され、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、熱的に連結されているように形成し、且つ、特に、単一の熱伝達流体を使用して運転することである。
2014511989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱構造（１００）であって、
少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）と、
上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）から、外部の系（８０）または周囲（８０）へ、および／または上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）へ、外部の系（８０）または周囲（８０）から、熱量を伝達するための１つの熱伝達流体システム（５０）と、を有し、
上記熱伝達流体システム（５０）は、閉鎖されたサイクルとして、上記外部の系（８０）または周囲（８０）に対して、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、制御可能および／または調節可能に熱的に連結できるか、または連結されて形成されている潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項２】
上記熱伝達流体システム（５０）は、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）の熱量を熱負荷、および放熱するために、単一の熱伝達流体を有する、請求項１に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項３】
上記熱伝達流体システム（５０）は、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）の熱量を熱負荷、および放熱するために、単一の熱伝達流体サイクル（４０）を行う、請求項１または２に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項４】
上記熱伝達流体システム（５０）は、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置（１０）の熱量を熱負荷、および放熱するために、熱負荷サイクルと放熱サイクルとを行う、請求項１または２に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項５】
上記熱負荷サイクルおよび放熱サイクルは、物質的および／または流動的に互いに連結および／または交わるように形成されている、請求項４に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項６】
上記熱伝達流体システム（５０）及び、特に、それぞれの熱伝達流体サイクル（４０）、上記熱負荷サイクルおよび／または上記放熱サイクルを熱的に連結するために、１つまたは複数の熱交換器（２０）、または、１つまたは複数の熱伝達器（２０）が、上記外部の系（８０）または周囲（８０）に連結されているか、または連結可能である、請求項１から５までのいずれか１項に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項７】
熱量により熱負荷するために、および熱量を放熱するために、それぞれ１つの熱交換器（２０）、または熱伝達器（２０）が形成されている、請求項６に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項８】
複数、特に、２つの潜熱蓄熱装置（１０、１１、１２）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項９】
上記複数の潜熱蓄熱装置（１０、１１、１２）は、全体として、または、グループごとに、平行して、および／または、交替で／逐次的に運転されるか、または運転可能である、請求項８に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項１０】
それぞれの上記潜熱蓄熱装置（１０、１１、１２）は、１つまたは複数の相転移材料を含んで形成される、請求項１から９までのいずれか１項に記載の潜熱蓄熱構造（１００）。
【請求項１１】
特に、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の記潜熱蓄熱構造（１００）の運転方法であって、熱伝達流体システム（５０）が設けられ、上記熱伝達流体システム（５０）は、熱量を潜熱蓄熱装置（１０）から外部の系（８０）または周囲（８０）へ、および／または潜熱蓄熱装置（１０）へ外部の系（８０）または周囲（８０）から伝達するために、閉鎖されたサイクルとして、上記外部の系（８０）または周囲（８０）に対して、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、制御可能および／または調節可能に熱的に連結されて運転される運転方法。
【請求項１２】
熱負荷、および熱量を放熱するために、単一の熱伝達流体システム（５０）が、特に、単一の熱伝達流体を使用して、用いられる、請求項１１に記載の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、潜熱蓄熱装置および潜熱蓄熱装置の運転方法に関する。
【０００２】
発明の背景技術
熱エネルギーまたは熱量を一時的に蓄えるために、いわゆる潜熱蓄熱装置または潜熱蓄熱構造が設けられることが多くなっている。蓄熱の原理は、供給された熱量または熱エネルギーを、蓄熱媒体の可逆的な構造変化のエネルギー、および／または可逆的な物質変化のエネルギーに変換することに基づく。
【０００３】
公知の潜熱蓄熱装置においては、熱を供給する媒体と熱を回収する媒体とを変えることによって、それらの媒体が、潜熱蓄熱器、またはそれぞれの蓄熱媒体とさえも直接接触することが問題となる。このことは、熱伝達の効率を高めることに貢献し得るが、しかし、その反面、交互に与える熱的負荷に関連する問題を発生させる。その交互に与える熱的負荷に関連する問題は、一方では、例えば、蓄熱または熱負荷と、放熱との間の切替え時に生じるいわゆる蒸気ハンマに関する。上記問題は、他方では、重要な装置が、熱を供給および回収する媒体に直接接触するため、例えば、供給管または回収管、潜熱蓄熱器自体、或いは、蓄熱媒体さえも汚染され得ることである。
【０００４】
発明の概要
本発明の課題は、特に簡易な、且つ、障害のない手段で、熱エネルギーまたは熱量を一時的に蓄え、且つ、再利用できる、潜熱蓄熱構造および潜熱蓄熱構造の運転方法を提供することである。
【０００５】
本発明の根底にある課題は、本発明に基づき、独立請求項１の特徴を有する潜熱蓄熱構造によって解決される。本発明の根底にある課題は、さらに、本発明に基づき、独立請求項１１の特徴を有する潜熱蓄熱構造の運転方法によって解決される。有利なさらなる構成は従属請求項の各対象である。
【０００６】
本発明の一局面においては、少なくとも１つの潜熱蓄熱装置と、当該少なくとも１つの潜熱蓄熱装置から、外部の系または周囲へ、および／または上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置へ、外部の系または周囲から、熱量を伝達するための１つの熱伝達流体システムとを有し、上記熱伝達流体システムは、閉鎖されたサイクルとして、上記外部の系または周囲に対して、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、制御可能および／または調節可能に熱的に連結できるか、または連結されるように形成されている、潜熱蓄熱構造が実現される。すなわち、本発明の中心的な思想は、設けられた熱伝達流体システムを、閉鎖されたサイクルとして形成し、上記外部の系または上記周囲に対して上記熱伝達流体システムを、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、確かに上記外部の系または上記周囲と制御可能および／または調節可能に熱的に連結できる、または、連結されているように形成することにある。ここで、上記外部の系または上記周囲に関して熱が吸収され、または、放出される。すなわち、上記外部の系または上記周囲は熱源または熱吸収源として用いられる。このようにして、一方では、外部の系または周囲と、内部システム、すなわち熱伝達流体システムおよび潜熱蓄熱器、との間に好適な熱伝達が保証され、しかし、外部に対する上記熱伝達流体システムの閉鎖、および物質的に連結されていないことにより、内部の汚染は回避される。さらに、上記熱伝達流体システムが閉鎖されていることにより、熱負荷プロセスと放熱プロセスとの間の切替え時に、蒸気ハンマの発生も回避される。
【０００７】
上記熱伝達流体システムは、好ましくは、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置の熱量を熱負荷および放熱するために、単一の熱伝達流体を有し、且つ、当該単一の熱伝達流体を用いて運転されてもよい。すなわち、単一の熱伝達流体が使用される場合に、本発明の潜熱蓄熱構造の構成および運転はとりわけ簡単、且つ、安全になる。
【０００８】
代替的に、または追加的に、上記熱伝達流体システムは、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置の熱量を熱負荷および放熱するために、単一の熱伝達流体サイクルを行うように構成されていることがとりわけ有利である。単一の熱伝達流体サイクルが、特に、単一の熱伝達流体と組合せて設けられる場合には、さらなる簡易化が実現される。ここで、上記単一の熱伝達流体サイクルは、必ずしも物質的に非連結である必要がない複数の配管を有してもよい；一方では、上記配管は１つの熱負荷配管、または、複数の潜熱蓄熱装置を設ける場合、複数の熱負荷配管であり、他方では、同様に上記配管は、１つの放熱配管、または複数の放熱配管であってもよい。
【０００９】
上記熱伝達流体システムは、上記少なくとも１つの潜熱蓄熱装置の熱量を熱負荷、および放熱するために、熱負荷サイクルと放熱サイクルとを有していてもよい。
【００１０】
それぞれの熱負荷サイクル、およびそれぞれの放熱サイクルは、物質的および／または流動的に互いに連結、および／または交わるように形成されていてもよい。
【００１１】
上記熱伝達流体システムと、特に、それぞれの熱伝達流体サイクル、上記熱負荷サイクルおよび／または上記放熱サイクルとを熱的に連結するために、１つまたは複数の熱交換器、または、１つまたは複数の熱伝達器が設けられ、上記外部の系または周囲に連結されているか、または連結可能となっていてもよい。熱伝達流体システム、すなわち、熱伝達のための内部システムと、外部の系または周囲との間の熱的な連結、一方では、物質的な非連結のために、１つまたは複数の熱伝達器、または、１つまたは複数の熱交換器が設けられていてもよい。これにより、とりわけ高い効率および安全性が保障される。
【００１２】
熱量で熱負荷、および、熱量を放熱するために、それぞれ厳密に１つの熱交換器、または熱伝達器が形成されていてもよい。
【００１３】
複数、特に、２つの潜熱蓄熱装置が設けられていてもよい。
【００１４】
複数の潜熱蓄熱装置が設けられている場合、これらは全体として、または、グループごとに、平行して、および／または、交替で／逐次的に運転されるか、または運転可能であってもよい。
【００１５】
複数の潜熱蓄熱装置、または、潜熱蓄熱器を平行して運転することにより、上記潜熱蓄熱装置の容量、または熱的性能は、全体的に高められ、しかし、一時的な必要にも適応可能である。
【００１６】
それぞれの潜熱蓄熱装置、または潜熱蓄熱器を交替で、または、逐次的に運転する場合には、例えば、整備作業時に連続運転が保証されているか、または保証されうる。この連続運転においては、１つの潜熱蓄熱装置を用いて運転する間に、他の１つの潜熱蓄熱装置が整備され、修理され、または取り替えられる。
【００１７】
それぞれの潜熱蓄熱装置は、１つまたは複数の相転移材料を含んで形成されていてもよい。ここで、基本的に、熱エネルギーまたは熱量の一時的な吸収と、制御および／または調節された放出とを可能にするすべての潜熱蓄熱材料が考えられる。
【００１８】
場合によっては代替的なＰＣＭ塩および／または他のＰＣＭ材料を含む、例えば、逐次的および／または平行する運転のために、特に、同じであるか、異なる相転移材料を含む、複数のＰＣＭ−ＨＸ−システム、熱交換器、または熱伝達器が設けられていてもよい。これにより、特に、熱を様々な温度レベルで吸収および／または放出することができ、それゆえ、本発明によれば、応用範囲および使用範囲を広げることができる。
【００１９】
本発明の他の局面においては、特に本発明により形成された潜熱蓄熱構造の運転方法も挙げられる。上記運転方法には、それぞれ熱伝達流体システムが設けられ、当該熱伝達流体システムは、熱量を、潜熱蓄熱装置から、外部の系または周囲へ、および、潜熱蓄熱装置へ外部の系または周囲から伝達するために、閉鎖されたサイクルとして、上記外部の系または周囲に対して、物質的に分離され、遮断され、連結されていないが、しかし、制御可能および／または調節可能に熱的に連結されて運転される。
【００２０】
熱量を熱負荷、および放熱するために、単一の上記熱伝達流体システムが、特に、単一の熱伝達流体を使用して、用いられてもよい。
【００２１】
この、およびさらなる局面は、添付の模式的な図面に基づいて例示的に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】１つの潜熱蓄熱装置が用いられている、本発明の潜熱蓄熱構造の第１の実施形態の模式的図面である。
【図２】複数の潜熱蓄熱装置が用いられている、本発明の潜熱蓄熱構造の他の一実施形態の模式的な図面である。
【００２３】
実施形態の詳細な説明
以下に、本発明の実施形態について説明する。本発明のすべての実施形態およびその技術的な特徴と性質とは、個々に分離され、または自由に選択されて編成され、相互に任意かつ制限無く組み合わされうる。
【００２４】
構造的および／または機能的に同一、類似または同様の効果を奏する特徴または構成要素は、以下、図面との関連において、同一の符号により示される。すべての場合に、これらの特徴または構成要素の詳細な説明を繰り返すことは行わない。
【００２５】
図は、本発明を、実施例により模範的に、および模式的方法により示し、且つ、断り書きがなければ、縮尺どおりではない。
【００２６】
まず、図面に基づいて説明する。
【００２７】
しばしば設けられている、潜熱蓄熱器１０の接続においては、例えば、熱負荷プロセスのために、高温の熱媒体、例えば、蒸気または高温の液体、例えば、水が、熱伝達流体として、蓄熱器１０を通って流される。当該蓄熱器１０は、例えば、ＰＣＭ材料の溶融により熱負荷（蓄熱）され、その熱エネルギー、または熱量を吸収する。
【００２８】
これまで、放熱には、一般に多くの場合、他の媒体、例えば、水が、同じ配管システムを通って流され、潜熱蓄熱器１０と接触し、自身の温度上昇、すなわち、放熱媒体の温度上昇を伴って、潜熱蓄熱器１０から熱を吸収する。放熱媒体における相転移、例えば、液体から蒸気の状態への相転移によるエネルギー変化も考えられる。
【００２９】
このような接続の不利な点は、熱負荷から放熱、あるいは、その逆に切り替える時に、いわゆる蒸気ハンマを完全には回避できないことである。
【００３０】
さらに、長期的には、熱負荷媒体および放熱媒体が、外部から直接潜熱蓄熱器１０に接続されて運転される時には、それぞれの管、または、パイプの中が汚染され得る。この汚染に加えて、追加的に、蓄熱器自体、または、ＰＣＭ材料さえも不利なことに汚染され得る。
【００３１】
このようなモデルにおいては、熱負荷媒体および放熱媒体が互いを汚染するため、熱負荷および放熱のために熱媒体を変えることはほとんど実施できない。
【００３２】
このような構造に基づいてそれぞれの潜熱蓄熱器１０が圧力容器として設計されなければならない場合には、それはかなりの設計および検査のための労力を伴うため、さらなる問題が発生し得る。
【００３３】
本発明によれば、熱負荷および放熱のために、蓄熱媒体を変えない。上記潜熱蓄熱器１０は、例えば、ＰＣＭ貯蔵体として、単一の熱伝達媒体または熱媒体のみを用いて運転される。当該熱媒体は、例えば、管路４３、４４を通って円筒多管式熱交換器を経由して流される。目的に応じて、熱伝達媒体ＰＣＭを分離するために、ＰＷＴも用いられる。
【００３４】
上記熱媒体がサイクルの中で蓄熱器、すなわち、潜熱蓄熱装置を通って流されることにより、運転が行われる。上述した方法と異なり、蓄熱器には、例えば、水ではなく、いわゆるＰＣＭグラファイトモジュールが入れられる。
【００３５】
次に、図に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
図１は、模式的に、ブロック図により、本発明の潜熱蓄熱構造１００の第１の実施形態を示す。
【００３７】
本発明の潜熱蓄熱構造１００の本実施形態の本質は、単一の潜熱蓄熱装置１０、または、単一の潜熱蓄熱器１０で構成されることである。当該潜熱蓄熱器１０は、適した蓄熱材料１３で充填されており、熱交換管１４が通っている。
【００３８】
さらに、潜熱伝達流体システム５０が備えられており、当該潜熱伝達流体システム５０は、熱的に外部の系８０または周囲８０と相互作用し、その外部の系８０または周囲８０から熱エネルギーまたは熱量を吸収し、または、その外部の系８０または周囲８０に熱エネルギーまたは熱量を放出する。上記熱伝達流体システム５０は、熱負荷管４３および放熱管４４を有する。熱負荷管４３および放熱管４４は、供給管４３および排出管４４とも称することができ、熱伝達流体システム５０が熱エネルギーまたは熱量を伝達するようにし、蒸気潜熱蓄熱器１０およびその蒸気潜熱蓄熱器１０の熱伝達管１４に接続されている。
【００３９】
これにより、上記熱伝達流体システム５０は、本発明によれば、供給管４３と排出管４４を介して、外部の系８０及び周囲８０に対して閉鎖された熱伝達流体サイクル４０を形成する。
【００４０】
外部の系８０または周囲８０に対する閉鎖のために、および、外部の系８０または周囲８０との熱伝達のために、図１による実施形態では、第１の熱交換器２１および第２の熱交換器２２は、本発明の潜熱蓄熱構造１００の熱伝達器２０として設けられ、上記熱伝達流体サイクル４０、並びに、その熱伝達流体サイクル４０の、供給管４３および排出管４４に結合されている。ここで、第１の熱伝達器２１は、周囲８０の熱源８１に対応し、第２の熱伝達器２２は、周囲８０の熱吸収源８２との熱交換を実現する。
【００４１】
上記潜熱蓄熱器１０の、供給部および排出部の領域、すなわち、熱伝達管１４への接続部の直前および直後には、温度測定装置４７または温度センサ４７が備えられている。当該温度測定装置４７または温度センサ４７の測定値は、適合する測定線４８、制御線４８、および／または調節線４８を経由して、中央の制御部４９および／または調節部４９に送信され、中央制御部４９および／または調節部４９において前処理され、評価される。
【００４２】
さらに、上記測定線４８、制御線４８、および／または調節線４８を介して、バルブ４５が接続されている。当該バルブ４５は、上記供給管４３および上記排出管４４の途中に配置され、それぞれ１つの放熱プロセスまたは１つの熱負荷プロセスが実現可能であるように、上記供給管４３、上記排出管４４、および、これらの接続を形成することに用いられる。
【００４３】
さらに、１つのさらなる測定線４８、制御線４８、および／または調節線４８を介して、ポンプ４６が、上記中央の制御部４９および／または調節部４９に接続されている。
【００４４】
測定データの評価、および、場合によっては、外部のさらなる制御データおよび／または調節データの受け取りにより、一方では、上記ポンプ４６の制御および／または調節が行われ、他方では、熱負荷または放熱のためのプロセスの種類に応じて上記バルブ４５の調整が行われる。
【００４５】
図２による実施形態と、図１による実施形態とは、高い類似性を示す。しかし、図２による実施形態では、２つの潜熱蓄熱装置１０、すなわち、第１の潜熱蓄熱装置１１および第２の潜熱蓄熱装置１２が、互いに流動的に並列接続されて設けられている。第２の潜熱蓄熱装置１２も、供給管４３および排出管４４の、熱伝達管１４への接続部の領域に適した温度センサ４７を有して形成される。さらに、そのバルブ４５により第２の潜熱蓄熱装置に直接接続されている上記供給管４３が開かれ、または、遮断されうる追加的なバルブ４５も設けられている。
【００４６】
このようにして、第１の潜熱蓄熱装置１１および第２の潜熱蓄熱装置１２を同時、且つ、平行して運転するか、または、第１の潜熱蓄熱装置１１および第２の潜熱蓄熱装置１２の１つのみを単独運転することが可能である。単独運転する場合には、それぞれ運転されていない潜熱蓄熱装置を、例えば、整備し、修理し、または取り替えることができる。
【００４７】
図１および２に基づく実施形態により、とりわけ、熱伝達流体システム５０のために、それ自体が閉鎖されているサイクルを設けることにある本発明の技術思想が実現される。そのサイクルは、熱的には周囲８０と連結されているが、しかし、流動的、および従って物質的には周囲８０と分離されている。これにより、物質的な交換、およびこれに伴う汚染も起こりえない。
【００４８】
それ自体が閉鎖されているシステムの使用は、特に安全で、且つ、信頼性が高く、さらに、放熱プロセスから熱負荷プロセス、またはその逆の切り替え時に、蒸気ハンマまたは類似の問題を防止する。
【００４９】
ここで、熱伝達流体システム５０および熱伝達流体サイクル４０の、供給管４３および排出管４４からなる配管システムには、好ましくは、単一の熱伝達流体が、すなわち、特に、繋がっている流体区画の方式で、用いられる。ここで、熱負荷および放熱のためのそれぞれの繋がり、および、それぞれの接続は、それぞれのバルブ４５を中央の制御装置４９および／または調節装置４９で切り替えることにより行われる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  潜熱蓄熱装置、潜熱蓄熱器
１１  第１の潜熱蓄熱装置、第１の潜熱蓄熱器
１２  第２の潜熱蓄熱装置、第２の潜熱蓄熱器
２０  熱交換器、熱伝達器
２１  第１の熱交換器、第１の熱伝達器
２２  第２の熱交換器、第２の熱伝達器
４０  熱伝達流体サイクル
４１  熱負荷サイクル
４２  放熱サイクル
４３  熱負荷管、供給管
４４  放熱管、回収管
４５  バルブ
４６  ポンプ
４７  温度測定装置、温度センサ
４８  測定線、制御線、および／または調節線
４９  測定装置、制御装置、および／または調節装置
５０  熱伝達流体システム
８０  外部の系、周囲
８１  熱源
８２  熱吸収源
１００  潜熱蓄熱構造
【図１】
2014511989.tif 000003
【図２】
2014511989.tif 000004
【国際調査報告】
2014511989.tif 000005
2014511989.tif 000006
2014511989.tif 000007
2014511989.tif 000008
2014511989.tif 000009
2014511989.tif 000010