(57)【要約】  本発明は、少なくとも1つの流体循環通路(13)を備える少なくとも1つの流体回路と、金属合金または塩などの相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセルとを備える熱交換器モジュール(1)に関する。少なくとも1つのセルは、第2の金属板材(10.1、10.2、10.3)に溶接、拡散溶接、またはろう付けできる少なくとも1つの第1の金属板材(10.1、10.2、10.3)の壁(10)によって画定される。本発明は、関連する製造方法と、高温での使用にも関する。
2015535923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの流体回路(13、13.1、13.2)を備えた熱交換器モジュール(1)を製作するためのプロセスであって、前記流体回路が、少なくとも1つの流体循環通路(13)と、相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセル(15)とを備え、各通路が少なくとも1つのセルに隣接し、前記プロセスが、
a)  少なくとも一端において開口する少なくとも1つの溝を金属板材(10.1、10.2、10.3)に加工するステップと、
b)  加工された板材の少なくとも1つの溝がセルの一部を画定するように、前記加工された板材に対して別の金属板材(10.1、10.2、10.3)を位置決めするステップと、
c)  前記金属板材同士の間で拡散溶接を得るために熱間等方加圧(HIP)もしくは熱間一軸加圧(HUP)、または、ろう付けのいずれかによって、前記金属板材同士を互いに組み立てるステップであって、他方の板材と組み立てられた前記加工された板材の少なくとも1つの溝が、少なくとも一端において開口するセルを画定する、ステップと、
d)  金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を、液体状態で注ぐこと、または、固体状態で挿入することのいずれかによって、各セルに充填するステップと、
e)  PCM物質で充填された各セルの各開口端を閉じるために、閉止板材と称される別の金属板材を、すでに組み立てられた板材に対して位置決めするステップと、
f)  溶接、または、ろう付けのいずれかによって、前記閉止板材と前記すでに組み立てられた板材とを組み立てるステップと
を含むプロセス。
【請求項２】
少なくとも1つの流体回路(13、13.1、13.2)を備えた熱交換器モジュール(1)を製作するためのプロセスであって、前記流体回路が、少なくとも1つの流体循環通路(13)と、相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセル(15)とを備え、各通路が少なくとも1つのセルに隣接し、前記プロセスが、
a1)  少なくとも1つの溝を金属板材(10.1、10.2、10.3)に加工するステップと、
b1)  金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を、液体状態で注ぐこと、または、固体状態で挿入することのいずれかによって、少なくとも1つの容器に充填するステップと、
b2)  PCM物質で充填された前記容器を真空中に配置して漏れ止めするステップと、
b3)  前記容器を前記溝へと嵌めるステップと、
b4)  加工された板材の少なくとも1つの溝が、PCM物質で充填された前記容器を収容するセルの一部を画定するように、前記加工された板材に対して別の金属板材(10.1、10.2、10.3)を位置決めするステップと、
c1)  前記金属板材同士と前記容器との間で拡散溶接を得るために熱間等方加圧(HIP)もしくは熱間一軸加圧(HUP)、または、ろう付けのいずれかによっての、前記金属板材同士を互いとおよび前記容器と組み立てるステップであって、他方の板材と組み立てられた前記加工された板材の少なくとも1つの溝が、PCM物質で充填された前記容器を収容するセルを画定する、ステップと
を含むプロセス。
【請求項３】
ステップc)またはc1)によって組み立てられた複数の前記金属板材のうちの1つ金属板材の壁が、前記交換器の流体回路の通路の一部を形成する、請求項1または2に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項４】
ステップa)またはa1)が、両端で開口する少なくとも1つの溝を得るために実施され、ステップb)およびc)、またはステップb4)およびc1)が、両端で開口する流体循環通路を画定する他方の板材と組み立てられた前記加工された板材の少なくとも1つの溝を得ることを可能にし、前記ステップd)からf)までが、前記流体循環通路を両端において開口させたままにするために実施されず、前記通路は前記交換器の流体回路の通路を形成する、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項５】
ステップb)およびc)、またはステップb4)およびc1)によって位置決めおよび組み立てられた前記他方の金属板材も、少なくとも一端で開口すると共にセルの一部を形成する少なくとも1つの溝が加工される、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項６】
ステップa)からf)まで、または、ステップa1)からc1)までが、2つの別々の回路を画定する一組の流体通路と、PCM物質を収容する一組のセルとを作り出すために実施される、請求項1から5のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項７】
熱間等方加圧(HIP)のステップc)またはc1)の前に、あらかじめ形成された管が各溝へと挿入され、前記管は、PCM物質を収容するためのセルの一部、または、前記交換器の流体回路の通路の一部を形成する、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項８】
熱間等方加圧(HIP)のステップc)またはc1)の前に、可溶要素が各溝へと挿入される、請求項1から7のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項９】
前記金属板材は、炭素鋼、ステンレス鋼、または、ニッケル系もしくはチタン系の合金から作られ、ステップc)またはc1)は、(HIP)加圧または(HUP)加圧によって実施され、ステップf)は溶接によって実施される、請求項1から8のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項１０】
前記セルと、適切であれば前記流体循環通路とは、黒鉛、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si3N4)、またはナノラメラ材料(MAX相)などのセラミック材料に加工された溝から成り、ステップc)またはc1)およびf)はろう付けによって実施される、請求項9に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項１１】
ステップc)またはc1)の前に、少なくとも1つの平らな金属板材(12.1、12.2)が、溝付きとされた金属板材の加工されていない面に対して位置決めされ、溝付きとされた板材に対して位置決めされた金属板材と対向する他の平らな金属板材の面が、周囲媒体を起源とする熱流束と接触するように意図された前記交換器モジュールの外面を形成する、請求項1から10のいずれか一項に記載の熱交換器モジュールを製作するためのプロセス。
【請求項１２】
少なくとも1つの流体循環通路(13、13.1、13.2)を備える少なくとも1つの流体回路と、金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセルであって、第2の金属板材(10.1、10.2、10.3)に溶接、拡散溶接、またはろう付けのいずれかがされた少なくとも1つの第1の金属板材(10.1、10.2、10.3)の壁(10)によって画定されたセルと、
前記第1および第2の金属板材のうちの一方または両方に溶接され、PCM物質が充填された各セルの各開口端を閉止する閉止板材、または、前記少なくとも1つのセルに収容されたPCM物質が充填された容器のいずれかとを備える熱交換器モジュール(1)。
【請求項１３】
周囲媒体を起源とする熱流束と接触するように意図された少なくとも1つの外面(12.1)を備える、請求項12に記載の熱交換器モジュール。
【請求項１４】
前記回路は軸線Xに沿う細長い形のものであり、前記セルは軸線X1に沿う細長い形のものである、請求項12または13のいずれか一項に記載の熱交換器モジュール。
【請求項１５】
各セルは、2mmと250mmとの間の、前記軸線Xを横断して測定される幅または高さを有する、請求項14に記載の熱交換器モジュール。
【請求項１６】
前記セルは、その軸線X1が前記流体循環通路の前記軸線Xと実質的に直角となるように配置される、請求項14または15に記載の熱交換器モジュール。
【請求項１７】
前記周囲媒体を起源とする前記熱流束との間での熱交換が高温で実施される、請求項12から16までのいずれか一項に記載の熱交換器モジュールの使用。
【請求項１８】
前記熱を、前記熱の後での使用を目的として蓄えるための、請求項17に記載の使用。
【請求項１９】
前記流体回路の温度変動を平滑にするための、請求項17に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1つの流体循環通路を備える少なくとも1つの流体回路と、相変化物質(PCM)を収容している少なくとも1つのセルとを備える熱交換器モジュールを製作するためのプロセスに関する。本発明による熱交換器モジュールは、周囲媒体を起源とする熱流束と接触するように意図された少なくとも1つの外面を備え得る。
【０００２】
本発明のプロセスによって得られた交換器は、それが含有している相変化物質のおかげで、蓄熱すること、または、システムの温度変動を平滑にすることを可能にする。
【０００３】
本発明による交換器によって対象とされている用途は数多くあり、熱交換が高温で実施されるプロセスに関する。本発明の目的に関して、「高温」という表現は、200℃超の温度、好ましくは、400℃と800℃との間の温度を意味すると理解される。
【０００４】
より具体的には、蓄熱については、本発明による交換器は、後で使用するためにエネルギーを保存できる。例えば、本発明による交換器は、昼間の間に太陽熱受熱器によって生成された熱を、加熱の目的のために夜間にまたは夜通し使用するために蓄えることができるか、または、別のプロセスに供給するために産業(鋳造作業、製鉄作業)プロセスによって周期的に失われた熱を回収できる。
【０００５】
より具体的には、温度変動を平滑にすることについては、本発明による熱交換器は、システムの運転温度を保障でき、したがって、システムの安全性を確保したり、または、システムの耐用期間を長くしたりする。例えば、本発明による交換器は、日射の変化(雲の通過)に対して集光型太陽熱発電所の部品を保護したり、過熱に対して超小型電子部品を保護したり、または、電池の熱サイクルを制限したりできる。
【０００６】
公知の熱交換器は、内部流体循環通路を備えた1つまたは少なくとも2つの回路を備えている。単一の回路を備えた交換器では、熱交換は、回路と、その回路が浸された周囲流体との間で起こる。少なくとも2つの回路を備えた交換器では、熱交換は2つの流体回路の間で起こる。
【０００７】
連続するプロセスを実施する化学反応器が知られており、そのプロセスに従って、好ましくは混合器が搭載された第1の流体回路の入口では、触媒がある状態またはない状態で、少量の共反応物質が同時に注入され、前記第1の回路の出口で得られる化学物質が回収される。これらの公知の化学反応器の中には、ユーティリティと一般的に称されている第2の流体回路を備えるものもあり、その回路の役目は、化学反応に必要とされる熱を提供することによって、または、反対に化学反応によって発せられた熱を除去することによってのいずれかで、化学反応を温度制御することである。ユーティリティを備えた2つの流体回路を有するこのような化学反応器は、一般的に、交換反応器と称されている。
【０００８】
相変化物質を収容している熱交換器が、以下で詳細に説明されるように知られている。概して、それらは、複数の流体循環通路を備えた単一の流体回路と、相変化物質(PCM)を収容している複数のセルとを備えており、各々の通路はセルに隣接している。複数の流体通路を使用するが、PCM物質を収容している単一のセルを使用する交換器も存在する。
【０００９】
本発明は、いくつかの流体同士の間の熱交換を実施する少なくとも1つの流体回路を有する熱交換器の製作、外表面から流体への流束の伝達を確保する吸熱体の製作、または、化学反応が通路のうちの1つで起こる一方で1つまたはいくつかの他の通路は温度を制御する役目がある交換反応器の製作にも同様に関する。
【００１０】
そのため、「熱交換器」という表現は、熱交換機能、蓄熱機能および熱回収機能のうちの少なくとも１つを有する相変化物質を収容している交換反応器と熱交換器との両方を意味するように、本発明の文脈においては理解されるべきである。
【背景技術】
【００１１】
相変化物質(PCM)は、可逆的な物理相変化を呈することができる物質であり、物理的相変化に伴うエンタルピ(または潜熱)変化が、熱エネルギーを保存および解放させることができることが知られている。体積密度の観点から、PCM物質の保存能力は、典型的には、顕熱によって達成することができる保存能力より3倍から4倍大きい。PCM物質の相変化は、等温の性質のものであり、つまり、一定の温度で起こる。したがって、例えば参考として、銅の溶解の潜熱は、24.5J/mol/Kの熱容量に対して13.3kJ/molであり、つまり、潜熱によるのと同じエネルギーを顕熱によって保存するためには、500℃超の温度差が必要とされる[1](非特許文献1)。
【００１２】
PCM物質についての相変化は4種類あり、それぞれ固体-固体、固体-液体、固体-気体、および液体-気体である。PCM物質の潜熱変化と体積変化とは、相転移に伴う(エントロピ変化によって与えられる)次数の変化が大きいとき、さらにより大きくなる。したがって、例えば、固体-気体の次数変化は固体-液体の次数変化より大きく、固体-液体の次数変化自体は固体-固体の次数変化より大きい。液体-気体の相変化は体積の非常に大きな増加によって達成され、一方、固体-固体の相変化は、小さい体積変化を生じさせるという利点を持つが、典型的には数十kJ/kgの、非常に小さな潜熱しかもたらさない。液体-固体の相変化は、典型的にはわずかな体積変化に対して数百kJ/kgの、相変化の大きな潜熱をもたらす。
【００１３】
単一物質から複合物質までの範囲のPCM物質のいくつかの族があり、具体的には発行物[2](非特許文献2)の図2が参照できる。単一物質の中では、従来から有機物質と無機物質との間で区別がされている。複合物質の中では、有機-有機、有機-無機、および無機-無機の種類の共晶化合物の間で区別が行われている。PCM物質のこれらの族は、パラフィン、脂肪酸、含水塩、硝酸エステルなど、物質の化学的性質に従って分類することもできる。PCM物質の族の分類を蓄熱の体積密度の関数として図示した発行物[2]を参照することができる。
【００１４】
具体的には、PCM物質を、物質が意図されているシステムの運転温度の関数として選択することが、知られている。
【００１５】
しかしながら、潜熱は、発行物[2]の著者によって示されているように、PCM物質(PCM)を利用するための唯一の基準ではない。その発行物は、PCM物質の選択は、概して、次のように列挙できる様々な基準を考慮することで行われ得ることを明記している。
-  熱力学:適切な相変化温度、大きな潜熱、大きな熱伝導率、および、大きな熱拡散率。
-  固有の物理的特性:大きな密度、小さな体積変化率、再現性、および安定性。
-  化学的特性:長期的化学安定性、システムの他の物質との親和性、相変化の可逆性、化学分解のないこと、非毒性、非引火性、非爆発性。
-  亜飽和のないこと、非過冷却、分離のないこと。
-  経済性:豊富さ、入手性、低コスト、リサイクル性。
【００１６】
蓄熱を可能にするPCMの選択は幅広く、文献はこれらの選択に関するいくつかの総説を提供しており、発行物[2]、発行物[3](非特許文献3)、および発行物[4](非特許文献4)を参照することができる。
【００１７】
太陽熱を蓄えるなどの高温で運転するプロセス、および、高温熱を改質または利用するためのプロセスに関し得る温度範囲では、主に使用されるPCM物質は、融解塩および金属物質である。
【００１８】
融解塩は、概して、非常に大きい潜熱と、低いまたは特に非常に低い伝導性を特徴としている。例えば、リチウム塩(LiOH)は、875kJ/kgの次数の液体-固体の相変化の潜熱を有するが、1W/m/Kの伝導性を有している。これらの物質の使用は、具体的には、物質の収容セルの具体的な設計、および、外装を構成する要素の具体的な設計による熱流束の効率的な管理と、外装の耐腐食性の良好な抑制とを含み、発行物[5](非特許文献5)を参照することができる。この発行物では、典型的には1%から30%までである、溶解中の体積の大きな増加、過冷却、およびコストが、融解塩の使用上の制約であることがさらに示唆されている。
【００１９】
金属物質は、融解塩の潜熱より概して小さい潜熱であるが、融解塩に代わるものを形づくる。したがって、発行物[6](非特許文献6)の著者は、Al-Cu、Al-Si、Al-Cu-Mg、およびAl-Si-Mgの金属合金を、化石燃料の燃焼を使用するプロセスに適していると特定しており、Mg2Si-Si合金を太陽光の用途に適していると特定している。発行物[7](非特許文献7)の著者自身は、温度が430℃と730℃との間である用途に向けて、新規の三元金属合金を提案している。
【００２０】
PCM物質を収容するように意図された外装の製造に関して、これらの外装のセルは、PCM物質を収容することと外装の完全性とを保障するために、PCM物質に対して低い化学反応性を有していなければならない。
【００２１】
区別は、PCM物質の寸法の関数として前記外装の構造の間で行われてもよい。
【００２２】
概してミリメートルの程度の小さな寸法に関して、外装は、PCMのマイクロカプセル化によって表され得るものを形成し、発行物[1]および米国特許第4,873,038号に記載されるように、固定床、流動床、または懸濁液で使用される。
【００２３】
特許出願WO2010/034954は、ガス分離プロセスに適用されるPCMのマイクロカプセルの塊を製造するためのプロセスを開示しており、そのPCMは、プロセスの効率を制限する温度変動を抑制する役目がある。
【００２４】
特許出願WO2010/146197は、PCM物質として、LiOH/KOH混合物で部分的に満たされた炭素構造から形成された複合材料を説明している。LiOH/KOH混合物の小さい熱伝導率が、炭素の大きい熱伝導率によって補われている。目標の相変化温度は、LiOH/KOH混合物の2つの成分の各々の選択された組成に応じて、225℃から488℃までの範囲となる。
【００２５】
概してセンチメートルの程度から約10センチメートルのより大きな寸法に関して、外装は、PCMのマクロカプセル化によって表され得るものを形成する。したがって、これらのマクロカプセル化の外装の設計は、要求に適した保存能力と、熱伝達流体との十分な熱交換容量、または、表面交換の場合には流束に曝される表面とを保障する。先に示したように、PCMが塩である場合、その小さい伝導性が、フィン、ハニカム、発泡体、または、熱交換を促進する任意の他の器具のいずれかを備えた、PCMの収容セルと外装を構成する要素との特定の設計を課すことになる。さらなる詳細については、発行物[5]及び発行物[8](非特許文献8)を参照することができる。PCMが金属である場合、熱伝導率はもはや要因を制限することはなく、より大きな寸法の収容セルが使用できる。さらなる詳細については、発行物[9](非特許文献9)及び発行物[10](非特許文献10)を参照することができる。
【００２６】
様々な資料が、流体循環通路を備えた少なくとも1つの流体回路と、PCM物質を収容しているセルとを備え、各セルが少なくとも1つのセルと隣接している熱交換器の製作を説明している。
【００２７】
米国特許第7718246号は、PCM収容セルを含有している一部多孔性のハニカム構造と、セルに隣接した交換流体循環通路とを開示している。
【００２８】
米国特許第4124018号は、比較的低温の用途にいくぶん専用とされた、PCM物質を収容する交換器に連結された太陽熱受熱器を説明している。交換器を製作するためのプロセスが説明されており、そのプロセスは、表面の一部がマスクされる一連の平らな板材を拡散溶接によって組み立てることにあり、そして、組み立てられた交換器は流体循環通路を形成するために加圧され、PCMの収容セルが形成される。次に、形成されたセルは開口を通じて融解PCMで充填される一方で、セルに含まれた空気は通気口を通じて排出される。そして、開口および通気口は漏れ止めされる。この米国特許第4124018号に説明された製造技術は、薄い壁厚を必要とし、その結果、交換器の小さい機械的強度をもたらし、そのため、その用途の分野を制限してしまう。したがって、このような交換器の使用は、高圧および高温のうちの一方または両方では検討できない。
【００２９】
特許DE102010004358は、押出技術によって得られたセラミックのハニカム交換器構造を開示しており、この構造は、典型的には800℃超である高い融解点を有するPCM(塩または金属)の貯蔵を可能にしている。典型的には2mm未満である流体循環通路およびPCMセルの非常に小さい大きさが、優れた熱交換を得ることを可能にしている一方で、押出技術によって得ることができる形は限定されてしまう。実際、押出によって得られる通路は直線的だけであり得る。この形状の限定は、通路の湾曲が反応物質の混合と熱交換とを確保するために必須である交換器については、これらの技術の採用を却下することになる。
【００３０】
発明者の知る限りでは、流体循環通路を備えた少なくとも1つの流体回路と、金属または塩の種類のPCM物質を収容するセルとを備える熱交換器であって、各通路が少なくとも1つのセルに隣接しており、典型的には5mmと500mmとの間で、大きな体積保存能力と高い速さの加熱/熱回収とを得るために、必要に応じて適合できるセルの寸法および形を得ることを可能にする熱交換器の製作を説明する先行技術はない。
【００３１】
さらに、様々な技術によってPCM物質を収容しない、プレート熱交換器と称される、既存の熱交換器を製作することが知られている。
【００３２】
これらの交換器の循環通路は、板材を引き抜くことで、また適切であれば、フィンの形態で曲げられた条片を追加することで、または、溝を加工することで、製作できる。加工は、例えばフライス加工によってといった機械的手段によって、または、化学的手段によって実施できる。化学加工は、通常、化学エッチングまたは電気化学エッチングと称される。
【００３３】
板材同士を互いと組み立てる目的は、交換器の漏れ止めおよび機械的強度のうちの一方または両方、具体的には、内部の流体循環の圧力に対する耐性を確保することである。
【００３４】
いくつかの組立技術が知られており、望まれるプレート交換器の種類に応じて用いられる。したがって、組立は、積み上げをその端に位置決めされた2枚の厚くて頑丈な板材の間で挟んで維持するタイロッドなど、機械的手段によって得ることができる。したがって、通路の漏れ止めは、追加されたシールを圧縮することで得られる。組立は、概して板材の周辺に限定された溶接であって、流体の圧力に対する耐性を可能にするために、交換器を溶接に引き続いてシェルに挿入することを求める場合もある溶接によって、得ることもできる。組立は、特にフィンが追加されている交換器については、ろう付けによって得ることもできる。最後に、組立は、拡散溶接によって得ることもできる。
【００３５】
言及された後の2つの技術は、機械的な強度の観点で特に良好に機能する熱交換器を製作することを可能にする。実際、これらの2つの技術のおかげで、組立は、板材の周辺だけでなく、交換器の内部でも得られる。
【００３６】
拡散溶接によって得られたプレート熱交換器は、ろう付けに必要とされる溶加材がないという事実のため、ろう付けによって得られた交換器の結合よりも機械的にはるかに優れて機能する結合を有している。
【００３７】
拡散溶接は、所与の時間の間、組み立てられる部品に熱間力を加えることで、固体状態で組立を得ることにある。加えられた力は、2つの機能を有している。すなわち、加えられた力は、位置合わせ、つまり、溶接される表面同士を接触させることを可能にし、また、拡散クリープによって、結合(境界面)の残留する空隙の除去を容易にする。
【００３８】
力は、例えば、炉が搭載されたプレスを用いて、一軸加圧によって加えられてもよく、または、組み立てられる部品の積み重ねの上部に置かれた重りの補助具だけで加えられてもよい。このプロセスは、一軸の拡散溶接と一般的に称され、プレート熱交換器の製造に産業上適用される。
【００３９】
一軸の拡散溶接のプロセスの重大な制約は、一軸加圧力を加える方向に対して、任意の配向の結合を溶接することを可能にはできないことから生じる。
【００４０】
別の代替のプロセスは、この欠点を克服している。この他のプロセスでは、力が、真空中の漏れ止め容器を用いて、ガスの圧力によって加えられる。このプロセスは、熱間等方加圧(HIP)と一般的に称される。一軸の拡散溶接のプロセスと比較して、HIP拡散溶接プロセスの別の利点は、HIP拡散溶接プロセスが産業規模において相当により一般的なことである。実際、HIPは、鋳造品のバッチ処理や、粉末圧縮でも使用されている。
【００４１】
HIP拡散溶接プロセスでは、部品の積み重ねは、ガスが溶接される表面同士によって形成される境界面へと浸透するのを防止するために、漏れ止めの容器に最初に封入される。通例用いられるガス圧力は、500から2000barまでの程度で、典型的には1000barの高さである。HIPを実施するのに適した産業上の室の最小運転圧力自体は、40barと100barとの間である。
【００４２】
図1を参照して説明されるのは、自身の面のうちの1つにおいて、周囲媒体を起源とする熱流束を受け入れ、その熱流束を熱伝達流体へと伝達する熱交換器1の公知の製造である。溝が、2つの金属板材10.1、10.2に、化学加工または機械加工によって作られている。そして、金属板材10.1、10.2は洗浄され、容器11においてそれらの溝が向き合う状態で、互いに対して位置決めされている。板材12.1、12.2は、容器11の内部で、2つの溝付きの板材10.1、10.2のいずれかの側面に位置付けられている。そして、溶接に有害なガスを容器から抽出するために、真空が容器の内部に印加されてから、熱間等方加圧(HIP)サイクルが適用され、板材10.1、10.2、12.1、12.2の拡散溶接を得ることを可能にする。したがって、熱伝達流体の循環のための通路13は、板材10.1、10.2自体の溝によって形成されており、板材10.1、10.2の縁は拡散溶接によって組み立てられる。
【００４３】
熱交換器をHIP拡散溶接によって製作する一方で、通路の形状と境界面の品質とを制御するために、いくつかの解決策がすでに知られている。
【００４４】
第1の公知の解決策は、各通路用にあらかじめ作られた管を使用し、このあらかじめ形成された管の少なくとも一端を漏れ止めとなっている容器へと、漏れ止めの手法で溶接することにある。各管は、最初に、板材の溝へと挿入され、次に、同一の板材の溝へと挿入された管が、隣接する別の溝付きまたは溝のない板材で挟まれる。この公知の製造の解決策は図2を参照して説明され、あらかじめ形成された管14は、板材10.1、10.2の間の溝へと個別に挿入される。したがって、熱伝達流体の循環のための通路13は、管14によって形成されており、拡散溶接によって管14と共に組み立てられた板材10.1、10.2の溝によって画定される。
【００４５】
第2の公知の解決策は、特許出願WO2006/067349に説明されている。解決策は、基本的に、溶接される境界面が通路へと開放するのを防止することにある。したがって、この特許出願による解決策は、金属板材に、金属板材の上部で開いた断面を有する溝を製作し、次に、これらの上部を個別に薄い金属条片を溶接することで封止しつつ、溝の一端または両端を加圧ガスが通れるようにしたまますることにある。
【００４６】
第3の公知の解決策WO2011/036207は、2つの固体の板材の間に重ねた状態で可溶部材を含む板材に中空領域を製作してから、先ず、中空領域内に加圧ガスを浸透させることなく板材同士の間で最初の拡散溶接を実現し、次に、可溶部材を溶解することによってガスを中空領域内に浸透させて拡散溶接を完了することができるようするために、温度条件および圧力条件を変化させることでHIPサイクルを実施することにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４７】
【特許文献１】米国特許第4873038号明細書
【特許文献２】国際公開第2010/034954号
【特許文献３】国際公開第2010/146197号
【特許文献４】米国特許第7718246号明細書
【特許文献５】米国特許第4124018号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第102010004358号明細書
【特許文献７】国際公開第2006/067349号
【特許文献８】国際公開第2011/036207号
【非特許文献】
【００４８】
【非特許文献１】Maruoka N.、Sato K.、Yagi J.、Akiyama T.、「Development of PCM for Recovering High Temperature Waste Heat and Utilization for Producing Hydrogen by Reforming Reaction of Methane」、ISIJ International、2002年、第42巻、第2号、p. 215-219
【非特許文献２】Nomura T.、「Technology of Latent Heat Storage for High Temperature Application: A Review」、ISIJ International、2010年、第50巻、第9号、p.1229-1239
【非特許文献３】Kenisarin M.、「High-temperature phase change materials for thermal energy storage」、Renewable and Sustainable Energy Reviews、2010年、第14巻、p. 955-970
【非特許文献４】Farid M.M.(外3名)、「A review on phase change energy storage: materials and applications」、Energy Conversion and Management、2004年、第45巻、p.1597-1615
【非特許文献５】Liwu Fan、J.M.Khodadadi、「Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage: A review」、 Renewable and Sustainable Energy Reviews、2011年、第15巻、p.24-46
【非特許文献６】Birchenall C. Ernest、Riechman Alan F.、「Heat storage in Eutectic Alloys」、Metallurgical Transactions、1980年、第11A巻、p. 1415-1420
【非特許文献７】Farkas D.、Birchenall C. E.、「New Eutectic Allots and Their Heats of Transformation」、Metallurgical Transactions、1985年、第15A巻、p 323-327
【非特許文献８】N. Sharifi、Th. L. Bergman、A.Faghri、「Enhancement of PCM melting in enclosures with horizontally-finned internal surfaces」、International Journal of Heat and Mass Transfer、2011年、第54巻、p.4182-4192
【非特許文献９】Bo M.L.(外5名)、「Research of Steam Boiler Using High Temperature Heat Pipe Based on Metal Phase Change Material」、2011年、International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring
【非特許文献１０】Guansheng C.、Renyuan Z.、Feng L.、Shidong L.、Li Z.、「Numerical Simulation and Experimental Research of Heat Charging Process of Cylindrical Units with PCM of Al-Si Alloy」、2011年、International Conference on Engineering Materials、Energy、Management and Control、MEMC 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４９】
本発明の概括的な目的は、少なくとも1つの流体循環通路を備えた少なくとも1つの流体回路と、金属または塩の種類のPCM物質を収容する少なくとも1つのセルとを備える熱交換器であって、各通路が少なくとも1つのセルに隣接しており、典型的には2mmと250mmとの間で、大きな体積保存能力と高い速さの熱的加熱とを、適切であれば回収によって得るために、必要に応じて適合できるセルの寸法および形を得ることを可能にする熱交換器を製作するための提案を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
これを行うために、本発明の一主題は、第1の代替策によれば、軸線Xに沿う細長い形の少なくとも1つの流体回路を備えた熱交換器モジュールを製作するためのプロセスであって、流体回路が、少なくとも1つの流体循環通路と、相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセルとを備え、各通路が少なくとも1つのセルに隣接する、プロセスである。
【００５１】
本発明のこの第1の代替策によれば、プロセスは以下のステップを含む。
a)端のうちの少なくとも一方において開口する少なくとも1つの溝を金属板材に加工するステップ。
b)加工された板材の少なくとも1つの溝がセルの一部を画定するように、加工された板材に対して別の金属板材を位置決めするステップ。
c)金属板材同士の間で拡散溶接を得るために熱間等方加圧(HIP)もしくは熱間一軸加圧(HUP)によって、または、ろう付けによってのいずれかで、金属板材同士を互いと組み立てるステップであって、他方の板材と組み立てられた加工された板材の少なくとも1つの溝が、端のうちの少なくとも一方において開口するセルを画定する、組み立てるステップ。
d)金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を、液体状態で注ぐことによって、または、固体状態で挿入することによってのいずれかで、各セルに充填するステップ。
e)PCM物質で充填された各セルの各開口端を閉じるために、閉止板材と称される別の金属板材を、すでに組み立てられた板材に対して位置決めするステップ。
f)溶接によって、または、ろう付けによってのいずれかで、閉止板材をすでに組み立てられた板材と組み立てるステップ。
【００５２】
本発明の別の主題は、第2の代替策によれば、少なくとも1つの流体回路を備えた熱交換器モジュールを製作するためのプロセスであって、流体回路が、少なくとも1つの流体循環通路と、相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセルとを備え、各通路が少なくとも1つのセルに隣接する、プロセスである。
【００５３】
本発明のこの第2の代替策によれば、プロセスは以下のステップを含む。
a1)少なくとも1つの溝を金属板材に加工するステップ。
b1)金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を、液体状態で注ぐことによって、または、固体状態で挿入することによってのいずれかで、少なくとも1つの容器に充填するステップ。
b2)PCM物質で充填された容器を真空中に配置して漏れ止めするステップ。
b3)容器を溝へと嵌めるステップ。
b4)加工された板材の少なくとも1つの溝が、PCM物質で充填された容器を収容するセルの一部を画定するように、加工された板材に対して別の金属板材を位置決めするステップ。
c1)金属板材同士と容器との間で拡散溶接を得るために熱間等方加圧(HIP)もしくは熱間一軸加圧(HUP)によって、または、ろう付けによってのいずれかで、金属板材同士を互いとおよび容器と組み立てるステップであって、他方の板材と組み立てられた加工された板材の少なくとも1つの溝が、PCM物質で充填された容器を収容するセルを画定する、組み立てるステップ。
【００５４】
別の言い方をすれば、この第2の代替策によるプロセスは、先ず、相変化物質(PCM)を固体状態または液体状態で容器へと挿入することにあり、その容器の形は、板材の組立によって形成されたセルへの相変化物質の挿入を可能にし、そして、この容器を真空中に配置し、容器に漏れ止めをする。ここで、第1の代替策によるステップd)、e)、f)は、もはや必要ではない。
【００５５】
いくつかの容器が組立に使用されて並置されてもよい。
【００５６】
この第2の代替策は、PCM物質の充填が、完全な交換器モジュールではなく個々のセルにおいてより簡単に実施できるため有利であり、容器の交換器との拡散溶接が、溶解による直接的な組立より優れた機械的強度を保障する。HIPのステップc1)の間のPCMの溶解は、PCMが容器に収容されたままであるため、不都合ではない。
【００５７】
本発明により得られた交換器モジュールが、周囲媒体を起源とする熱流束に曝されるように意図された外面を備えるとき、流束温度が、溶接、拡散溶接、またはろう付けを悪化させ得ないことは言うまでもない。別の言い方をすれば、これらの交換器モジュールの運転温度は、交換器の原料物質の溶解温度と、選択的な溶接およびろう付けに使用される物質の溶解温度とを下回ったままであることが確保されている。
【００５８】
本発明による拡散溶接またはろう付けによる組立は、流体通路に関して、および、PCM物質を収容するためのセルに関しても、すべての種類の形状を検討することと、溝を加工する段階から始まって、通気口、充填ノズル、および、セルを充填するために必要なPCMセル同士の間の連通を備えることとを可能にしている。本発明によれば、真っ直ぐ、湾曲、ジグザグといった、任意の種類の形を流体回路に対して得ることができる。
【００５９】
本発明による製造プロセスは、先行技術によるPCM物質を含有する熱交換器を製造するためのプロセスとは、特には特許DE102010004358とは、反応物質の混合と熱交換とを促進するために任意の形状に従って、また、ミリメートルまたはセンチメートルの尺度で任意の寸法に、PCMセルを成形する一方で、実施するのが簡単であり、より低いコストとすることを可能にする点で、明確に区別される、
【００６０】
発明者は、PCM物質を収容するためのセルを製作するために、拡散溶接による、または、ろう付けによる組立から成る、プレート交換器を製造するためのすでに実績のある技術を適用することを考えた。驚いたことに、実施するのは簡単であるが、これまで誰もそれをしようと思わなかった。実際、拡散溶接は、かなりの小型の部品を製作するために、これまで用いられてきた。しかしながら、この製造技術を適用することで、典型的には80%までといった、非常に高い空隙率、つまり、流体循環体積と物質の全体積との間の比率を達成することができる。そのため、交換器では、多くの相変化物質収容体積を得ることで、良好な熱性能と良好な小型化とを達成することが可能である。具体的には、本発明の文脈内において、HIPステップc)の間にセルの変形を回避するために可溶挿入物を使用することが可能であり、これは、大量のPCM収容セルを得ることを可能にし、そのため、PCMが良好な熱伝導体であるとき(これは、金属物質についての場合である)、非常に好ましい。
【００６１】
セルの特徴的な寸法は、交換される熱出力に合わせて、必要な保存能力と物質の機械的特性および熱的特性へと適合され、それらは典型的には2mmから250mmまでの範囲であり得る。
【００６２】
本発明によるプロセスのおかげで、別の言い方をすれば、少なくとも1つの流体回路を備え、高い機械的強度と大きな蓄熱容量とを有する相変化物質PCMを含有する熱交換器が得られ、その熱交換器は、専用の面にわたって熱流束によって直接的に、または、セルのPCM物質によって保存された熱の回収によって間接的に、のいずれかで、回路で循環している熱伝達流体を素早く加熱できる。
【００６３】
ある好ましい変形例によれば、ステップa)からf)まで、または、ステップa1)からc1)までが、2つの別々の回路を画定する一組の流体通路と、PCM物質を収容する一組のセルとを作り出すために実施される。
【００６４】
ある実施形態の変形例によれば、ステップc)またはc1)によって組み立てられた金属板材のうちの1つの壁が、交換器の流体回路の通路の一部を形成する。
【００６５】
ある実施形態の変形例によれば、ステップa)またはa1)が、両端で開口する少なくとも1つの溝を得るために実施され、ステップb)およびc)またはb4)およびc1)が、両方の端において開口する流体循環通路を画定する他方の板材と組み立てられた加工された板材の少なくとも1つの溝を得ることを可能にし、ステップd)からf)までが、流体循環通路を両端において開口させたままにするために実施されず、前記通路は交換器の流体回路の通路を形成する。
【００６６】
ある有利な実施形態の変形例によれば、ステップb)およびc)またはb4)およびc1)によって位置決めおよび組み立てられた他方の金属板材も、端のうちの少なくとも一方で開口しつつセルの一部を形成する少なくとも1つの溝が加工される。
【００６７】
好ましくは、ステップa)からf)まで、または、ステップa1)からc1)までが、2つの別々の回路を画定する一組の流体通路と、PCM物質を収容する一組のセルとを作り出すために実施される。
【００６８】
熱間等方加圧(HIP)のステップc)またはc1)の前に、あらかじめ形成された管が各溝へと有利に挿入され、管は、PCM物質を収容するためのセルの一部、または、交換器の流体回路の通路の一部を形成する。したがって、HIPを、信頼できる手法において高圧で実施することができる。
【００６９】
熱間等方加圧(HIP)のステップc)またはc1)の前に、可溶要素が各溝に有利に挿入されてもよい。HIPの間に発生され得る変形が回避されるか、または、最小限に抑えられる。可溶要素は、化学的に分解されるか、または、溶解によって排出されるかのいずれかである。
【００７０】
好ましくは、金属板材は、炭素鋼、ステンレス鋼、または、ニッケル系もしくはチタン系の合金から作られ、ステップc)またはc1)は、(HIP)加圧または(HUP)加圧によって実施され、ステップf)は溶接によって実施される。
【００７１】
ある好ましい実施形態の変形例によれば、セルと、適切であれば流体循環通路とは、黒鉛、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si3N4)、またはナノラメラ材料(MAX相)などのセラミック材料に加工された溝から成り、ステップc)またはc1)およびf)はろう付けによって実施される。
【００７２】
周囲媒体を起源とする熱流束と接触するように意図された熱交換器モジュールを製作するように望まれるとき、ステップc)またはc1)の前に、少なくとも1つの平らな金属板材が、溝付きとされた金属板材の加工されていない面に対して位置決めされ、溝付きとされた板材に対して位置決めされた金属板材と対向する他の平らな金属板材の面が、交換モジュールの外面を形成する。
【００７３】
本発明は、その態様のうちの別のものにおいて、少なくとも1つの流体循環通路を備える少なくとも1つの流体回路と、金属合金または塩の種類の相変化物質(PCM)を収容する少なくとも1つのセルであって、少なくとも1つの第2の金属板材に溶接、拡散溶接、またはろう付けのいずれかがされた少なくとも1つの第1の金属板材の壁によって画定されたセルと、第1および第2の金属板材のうちの一方または両方に溶接され、PCM物質が充填された各セルの各開口端を閉止する閉止板材、または、少なくとも1つのセルに収容されたPCM物質が充填された容器のいずれかとを備える熱交換器モジュールにも関する。
【００７４】
ある有利な実施形態によれば、モジュールは、熱流束と接触するように意図された少なくとも1つの外面を備える。
【００７５】
ある特徴によれば、回路は、軸線Xに沿う細長い形のものであり、セルは軸線X1に沿う細長い形のものである。
【００７６】
有利には、各セルは、2mmと250mmとの間の、軸線Xを横断して測定される幅または高さを有する。
【００７７】
ある実施形態の変形例によれば、セルは、その軸線X1が流体循環通路の軸線Xと実質的に直角となるように配置される。
【００７８】
最後に、本発明は、周囲媒体を起源とする熱流束との間での熱交換が高温で実施される、前述の熱交換器モジュールの使用にも関する。
【００７９】
本発明による交換器によって対象とされている用途は数多くあり、熱交換が高温で実施されるプロセスに関している。本発明の目的に関して、「高温」という表現は、200℃超の温度、好ましくは、400℃と800℃との間の温度を意味すると理解される。本発明による交換モジュールのある有利な使用は、熱を、熱の後での使用を目的として蓄えるためである。
【００８０】
別の有利な使用は、流体回路の温度変動を平滑にするためである。
【００８１】
本発明の他の有利な利点および特徴は、以下の図を参照しつつ、図示によって非限定的に提供されている本発明の例示の実施形態の詳細な説明を読むことで、より明確に分かることになる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】従来技術によるHIP加圧製造プロセスの間に使用される熱交換器および漏れ止め容器の様々な部品の分解概略図である。
【図２】図1の変形例によるHIP加圧製造プロセスの間に使用される熱交換器および漏れ止め容器の様々な部品の分解概略図である。
【図３】本発明による相変化物質PCMを含有する熱交換器モジュールの概略的な横方向断面図である。
【図４】図3による交換器モジュールの様々な部品の分解概略図である。
【図５ａ】PCM物質を備えた本発明による交換器モジュールのセルを充填する様々なステップの長手方向断面図である。
【図５ｂ】PCM物質を備えた本発明による交換器モジュールのセルを充填する様々なステップの長手方向断面図である。
【図５ｃ】PCM物質を備えた本発明による交換器モジュールのセルを充填する様々なステップの長手方向断面図である。
【図５ｄ】PCM物質を備えた本発明による交換器モジュールのセルを充填する様々なステップの長手方向断面図である。
【図６】熱挙動の数値シミュレーションが実施された、本発明による相変化物質PCMを含有する熱交換器モジュールの斜視図である。
【図７】図6による熱交換器モジュールの熱挙動を示す曲線である。
【図８】図6による熱交換器モジュールの熱挙動を示す曲線である。
【図９】図6による熱交換器モジュールの熱挙動を示す曲線である。
【図１０ａ】循環通路とPCM物質を収容するセルとが互いに対して90°で配向されている交換器モジュールの実施形態の変形例の図である。
【図１０ｂ】循環通路とPCM物質を収容するセルとが互いに対して90°で配向されている交換器モジュールの実施形態の変形例の図である。
【図１１】交換器モジュールのさらに別の実施形態の変形例の図である。
【図１２】交換器モジュールのさらに別の実施形態の変形例の図である。
【図１３】交換器モジュールのさらに別の実施形態の変形例の図である。
【図１４】交換器モジュールのさらに別の実施形態の変形例の図である。
【図１５ａ】2つの流体を分離する壁としての交換器モジュールの実施形態および使用の変形例の図である。
【図１５ｂ】2つの流体を分離する壁としての交換器モジュールの実施形態および使用の変形例の図である。
【図１６】2つの流体循環回路を備える交換器モジュールの実施形態の変形例の図である。
【図１７ａ】化学反応の交換反応器としての、2つの流体回路を備える熱交換器モジュールの実施形態の変形例の図である。
【図１７ｂ】化学反応の交換反応器としての、2つの流体回路を備える熱交換器モジュールの実施形態の変形例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
分かりやすくするために、先行技術による熱交換器と本発明によるPCM物質を含有する熱交換器モジュールとの同じ要素を示す同じ符号が、図1〜図17bのすべてについて用いられている。
【００８４】
様々な要素、具体的には、本発明による流体循環通路およびPCM物質を収容するためのセルは、単に分かりやすくするために表されており、一定の縮尺ではないことを明記しておく。
【００８５】
先行技術によるプレート熱交換器の製作に関する図1および図2は、「背景技術」においてすでに論評している。それらは、ここでは詳細に説明しない。
【００８６】
本発明によるPCM物質を含有する熱交換器モジュール1は、その板材10.1、10.2、10.3、12.1、12.2が熱間等方加圧(HIP)によって溶接されており、図3に示されている。熱交換器モジュール1は、PCM物質を収容するためのセル15の列を備え、セル15の各々は、熱伝達流体の循環のための通路13の上方で通路13に向かい合っている。通路13もまた、通路の列を形成している。交換器1は、PCM物質を含有するセル15の列の上方に配置された面12.1を追加的に備え、この面12.1は、高温の熱流束を受けるように意図されている。
【００８７】
本発明によるこの熱交換器モジュールを得るために、次のステップが実施されている。
【００８８】
ステップa):細長い形の同一の溝が3つの金属板材10.1、10.2、10.3に加工される。収容セル15を形成するように意図された溝は、それらの端のうちの一方のみにおいて開口しており、流体循環通路13を形成するように意図された溝は、その両方の端において開口している。図4に示すように、溝は、例えば矩形の断面のものといった、すべて同一であってよい。
【００８９】
ステップb):加工された金属板材10.2は、加工された板材10.1に対して、それらの溝が流体循環通路13の一部を各々画定するように個々に向かい合う状態で、位置決めされる。同様に、加工された金属板材10.3は、加工された板材10.1に対して、加工された金属板材10.3の各溝がPCM物質を収容するためのセルの一部を画定するように、位置決めされる(図4)。最後に、固体の金属板材12.1が板材10.3に対して位置決めされ、この固体の板材12.1は、高温の熱流束に曝される交換器の面を画定する。同じことが、板材10.2に対して金属板材12.2にも行われる。
【００９０】
ステップc):金属板材10.1、10.2、10.3、12.1、12.2は、熱間等方加圧(HIP)サイクルを適用することによって互いと組み立てられる。適用されるHIPサイクルは、1〜2時間の持続時間の間、典型的には1000℃といった高温で、また、典型的には1000barといった高圧で、有利に実行される。したがって、拡散溶接が、具体的には溝13、15の縁の周りにおいて、金属板材同士の間で得られる。
【００９１】
ステップd):そして、各セル15は、金属または塩の種類の相変化物質(PCM)で充填される。
【００９２】
充填は、PCM物質を液体状態で注ぐことによって(図5a、図5b、図5c)、または、固体状態でPCM物質を挿入することによって(図5d)のいずれかで、実施される。
【００９３】
したがって、セル15を液体状態のPCM物質で充填することに関しては、液相温度超へとあらかじめ加熱されたPCMを重力で注ぐだけで実施することが可能である。したがって、セル15に最初に存在する空気は、充填通路16自体を介して(図5a)、または、セル15の一端においてこの目的のために作られた通気口17を介して(図5b)のいずれかで逃げて行く。酸化の問題を抑制するために、液体状態のPCM物質は、好ましくは、保護雰囲気において、または、真空において注がれる。図5bに示されるように、溝を加工するステップa)によりこの目的のために設けられた通路18を介して、セル15同士の間で連通が行われてもよい。
【００９４】
ある好ましい変形例によれば、ステップc)によって得られた熱交換器モジュールと、固体状態のPCM物質とは、漏れ止め容器19(図5c)に最初に配置されている。そして、組立体は、酸素含有量を減らすために脱気される。組立体をPCM物質の液相温度を超えて加熱することで、PCMをセル15へと流すことができる(図5c)。
【００９５】
他の変形例によれば、セルの充填は、円筒または平行六面体の固体状態のPCMを、この目的のために設けられた通路20を通してセル15へと挿入することによって実施される(図5d)。PCMの溶解の間にPCMの膨張を可能とするために、円筒または平行六面体のPCM物質の単位体積がセル15の単位体積より小さいことが、当然ながら確保されている。
【００９６】
ステップe):PCM物質で充填された各セル15の各開口端を閉じるために、閉止板材と称される少なくとも1つの別の金属板材が、すでに組み立てられた板材に対して位置決めされる。
【００９７】
ステップf):最後に、溶接によって、または、ろう付けによってのいずれかで、閉止板材が、すでに組み立てられた板材と組み立てられる。
【００９８】
高温で運用するプロセスについてすでに説明したPCM物質を含有する熱交換器モジュールの可能な用途を有効とするために、熱挙動の数値シミュレーションが実施されている。
【００９９】
シミュレーションの対象となった交換器モジュール1が図6に概略的に示されており、その交換器モジュール1は、PCM物質を収容する4つのセル15の列に向かい合う4つの流体循環通路13の列を形成するように、インコネル600ニッケル系合金で構成される。各通路13は、各セル15と一致する形および寸法を有している。通路13は、5mmの高さhと10mmの幅lとを有している。交換器モジュールの全長Loは180mmであり、その高さHは16mmでその幅Laは48mmである。側方の壁10は1mmの厚さe1を有し、他の壁10は2mmの厚さe2を有する。シミュレーションの例では、すべての通路13およびセル15は、交換器1の長手方向軸線と平行な軸線X1、Xにそれぞれ沿って延在されている。
【０１００】
したがって、交換器の様々な部品に用いられる寸法は、26%の空隙率(流体体積/全体積)と、26%のPCM(PCM体積/全体積)とをもたらす。
【０１０１】
交換器は、その上面12.1にわたって周期的に熱流束に曝され、300℃の温度で通路13において循環する流体によって冷却される。
【０１０２】
流体の入口温度、つまり、通路13の入口における温度は、時間と共に変わることのないようにされている。通路13の壁と流体との間の熱交換は、500W/m2/Kの一定の熱交換係数によってモデル化されている。
【０１０３】
数値シミュレーションに使用された板材およびPCMの材料の熱特性は、以下の表にまとめられている。使用されたPCM物質の物理的特性は、アルミニウム-シリコン(AlSi)合金のものである。AlSi合金が例示によって言及されているだけであることは、言うまでもない。
【０１０４】
【表１】
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【０１０５】
シミュレーションは、図7からグラフによって表されるように、上面12.1に加えられる熱流束を250kW/m2から150kW/m2まで変化させつつ、600秒間にわたって実施される。
【０１０６】
この周期的な熱流束の適用に応じて、通路13からの流体の出口温度の時間に対する変化が監視される。
【０１０７】
遷移状態の開始の間、適用される流束は250kW/m2であり、これは、おおよそ70sの時間の後にPCMの溶解をもたらす(図8)。
【０１０８】
連続するサイクルの間、PCM物質の相変化は、交換器で温度変化を平滑にすることを可能にし、図8において交差位置によってグラフで示されるように、ほとんど一定である流体と交換される熱流束となる。
【０１０９】
図9で示されるのは、曲線の形態における、サイクルの経過での本発明によるPCM物質がある状態またはない状態での様々な壁A、B、Cの温度の変化である。この図9から、セル15のPCM物質も、ほとんど一定である通路13、15の壁A、B、Cの温度になることは、明白である。この図9で、PCM物質を備えないセル15は、代わりに銅を備えることが明記されている。
【０１１０】
したがって、物質の相変化によって吸収または解放されるエネルギーは、300kJ/m、つまり、54.4kJに等しく、各サイクルにおける、240kJ/m、つまり、43.2kJに等しい付随的な出力変化と、160W/m/Kに等しいPCM物質の高い熱伝導率とを補い、物質のすべてを素早く結集することを可能にする。
【０１１１】
この図9で分かるように、外方の壁Aにおける温度変化は、PCMのない状態の交換器の場合で125℃の程度のものであり、PCM物質を含有する本発明による交換器の場合、約20℃に抑制されている。流体循環通路13内の温度変化自体は、銅を備えたセル15については100℃であるが、PCM物質で充填されたセル15については5℃未満である。
【０１１２】
別の言い方をすれば、この数値シミュレーションに基づいて、PCM物質を自身のセル15に含有している本発明による交換器モジュールは、交換器の通路13の出口で流体の温度変動を平滑にし、そのため、交換器の下流に配置されたシステムの部品に安定した運転条件を提供する能力があると結論付けられ得る。このような平滑化は、交換器自体において、および、交換器の下流にあるシステムの部品において、熱疲労の問題を抑制することができる。別の言い方をすれば、本発明のおかげで、流体循環を伴う交換器モジュールの耐用期間、および、下流部品の部品の耐用期間を長くすることができる。
【０１１３】
説明したシミュレーションの例では、通路13とPCMを収容するセル15とは平行である。代替の変形例として、流体循環通路13とPCM物質を収容するセル15とは直交して製作できる。このような代替の変形例は、図10aおよび図10bに示されており、セルの軸線X1は、通路13が製作される交換器の長手方向軸線Xに対して90°となっている。このような変形例は、PCM物質の溶解/固化の間に、PCM物質の体積変化によって引き起こされる応力に対する交換器の機械的な耐性をさらに向上させることが可能であるため、有利である。
【０１１４】
ある実施形態の変形例によれば、流体とPCM物質との間の熱交換をさらに向上するために、流体循環通路13に対して千鳥とされた列に、PCMを収容するセル15を配置するように提供され得る(図11)。
【０１１５】
ある実施形態の変形例によれば、ステップb)が実施される間、正方形または矩形の断面のあらかじめ形成された金属管14が、通路13およびセル15のための溝へと個別に挿入されてもよい(図12〜図14)。そして、熱間等方加圧HIPのステップc)が、圧力を管の内部にも加えることによって実施される。さらに、セル15だけが管から構成され、そのため通路13が溝から構成されてもよく、また、その逆であってもよい。図13に示した変形例では、セル15の列のいずれかの側面に流体通路13を製作することが可能であり、通路13は、周囲媒体と接触している交換器の各々の面12.1、12.2の近くにあることが、さらに見て取れる。
【０１１６】
セル15または通路13を画定するために、ステップb)の間に挿入物を溝の中に埋め込むことが可能であり、その挿入物の役目は、熱間等方加圧サイクルの間に、通路またはセルの何らかの重大な変形を防止することである。そして、挿入物は、組立体が得られると、溶接温度未満の融解点を有する物質の場合は溶解によって、または、酸による腐食によってのいずれかで除去されることになる。
【０１１７】
例えばPCM物質が金属のときといった、大きな熱伝導率を有するPCM物質が選択された場合、セル15の寸法を小さくし、セル15の数を増やすことは、有利であり得る。より小さな寸法のセル15の周りに構造材料の壁があることで、交換器に、PCM物質の溶解/固化の間にPCM物質の体積変化によって引き起こされる応力に対するより優れた機械的な耐性をもたらす。
【０１１８】
ある変形例は、システムの温度変化を平滑にするために、2つの流体を異なる温度で分離するために、本発明による交換器モジュール1を壁10として用いることから成ってもよい。壁10の形は、用途に合わせて適合でき、具体的には、円筒形(図15a)、平形(図15b)、または、任意の他の形であってよい。分離する壁10としてのこのような使用は、例えば、化石燃料もしくはバイオマスの燃焼システムに対して、または、高温ガスを周期的に排出する産業システムに対してあり得る。
【０１１９】
本発明による熱交換器モジュール1は、流体のうちの一方の温度変化を平滑にするために、2つの分離流体循環回路13.1、13.2を備えるように製作されてもよい(図16)。
【０１２０】
熱交換器モジュールは、単一の通路13.1での反応剤流体循環回路を備える交換反応器を形成してもよく、また、通路13.1の両側に通路13.2の2つの列で単一のユーティリティ流体循環回路を形成してもよい(図17aおよび図17b)。PCM物質を収容するためのセル15は、通路13.1と通路13.2との間に挿入されてもよく(図17a)、または、使用される流体の循環のために通路13.2の外側に挿入されてもよい(図17b)。これらの場合、PCM材料は、交換反応器の温度上昇率を大幅に低減させることが可能となり、運転者の介入、もしくは制御装置の応答、またはその両方を容易にする。
【０１２１】
本発明は、安全性を保障するために、または、システムの部品および熱交換器モジュール自体の部品の耐用期間を長くするために、説明された形態のうちの1つで、蓄熱に、または、温度変動の平滑化に適用され得る。部品の温度変動を平滑にすることが特に有利であるとして、具体的には、タービン、スターリング機関、交換器などに言及できる。
【０１２２】
同様に、本発明による交換器モジュールの可能な用途の非網羅的な列挙に言及できる。
-  夜間にまたは夜通し使用するために日中に太陽熱受熱器によって生成された熱の保存。
-  別のプロセスに供給するために産業(鋳造作業、製鉄作業)プロセスによって周期的に失われた熱の回収。
-  日射の変化(雲の通過)の間の集光型太陽熱発電所での熱伝達流体の温度低下の抑制。
-  超小型電子システムの部品の保護。
-  交換反応器内の発熱反応または吸熱反応の場合における熱サイクルの制限。
-  電気化学セル(電池、高温水蒸気電解(HTSE)セル)の温度の安定化。
-  化石燃料もしくはバイオマスの燃焼装置のガスの温度振動の減衰。
【０１２３】
本発明は、説明した例に限定されず、具体的には、それらの例を、例示されていない変形例で示された例の特徴と組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【０１２４】
1  熱交換器モジュール
10  壁
10.1  板材
10.2  板材
10.3  板材
11  容器
12.1  板材
12.2  板材
12.1  上面
13  流体循環通路
13  溝
13.1  通路
13.2  通路
14  金属管
15  収容セル
15  溝
18  通路
19  漏れ止め容器
20  通路
A  壁
B  壁
C  壁
e1  厚さ
e2  厚さ
H  高さ
h  高さ
l  幅
Lo  全長
La  幅
X1  軸線
X  軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【国際調査報告】
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