特許 6040318 相変化材による熱エネルギー輸送装置及び輸送方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6040318

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】相変化材による熱エネルギー輸送装置及び輸送方法

(51)【国際特許分類】

   F27D 17/00 20060101AFI20161128BHJP

   F28F 27/00 20060101ALI20161128BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20161128BHJP

   F28F 23/00 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   F27D17/00 101A

   F28F27/00 511M

   F28F21/08 Z

   F28F23/00 Z

【請求項の数】18

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2015-537367(P2015-537367)

(86)(22)【出願日】2013年10月21日

(65)【公表番号】特表2015-537181(P2015-537181A)

(43)【公表日】2015年12月24日

(86)【国際出願番号】IB2013002362

(87)【国際公開番号】WO2014064508

(87)【国際公開日】20140501

【審査請求日】2015年6月30日

(31)【優先権主張番号】MI2012A001791

(32)【優先日】2012年10月22日

(33)【優先権主張国】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】510152666

【氏名又は名称】ダニエリ アンド シー．オフィス メカニケ エスピーエー

【氏名又は名称原語表記】ＤＡＮＩＥＬＩ＆Ｃ．ＯＦＦＩＣＩＮＥ ＭＥＣＣＡＮＩＣＨＥ ＳＰＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100117042

【弁理士】

【氏名又は名称】森脇 正志

(72)【発明者】

【氏名】ナルダン ジョアッキーノ

【審査官】 大畑 通隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２３４３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０９８１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０６６７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２４０２４９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２７Ｄ １７／００

Ｆ２８Ｆ ２７／００、２７／０２

Ｆ２８Ｄ ２０／００、２０／０２

Ｆ２８Ｄ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

産業プロセスで発生する排ガス（２）から熱エネルギーを回収し、外部ユーザー装置（３）に前記エネルギーを輸送するための装置であって、
前記装置は、少なくとも一部が、前記産業プロセスを行うプラントの収容チャンバ（２２）内部で、前記排ガス（２）と接触して配置されるように構成されており、
少なくとも１つの熱交換モジュール（５）を有するセクション（４）を少なくとも２つ備え、
前記熱交換モジュール（５）は、
金属材料で構成される中空形状のコンテナであってその内部に第１の相変化材（７）が充填された熱交換器用のコンテナ（６）と、
前記排ガス（２）と熱エネルギーを交換するために、前記排ガス（２）と少なくとも部分的に接触して配置される、前記第１の相変化材（７）と接触して配置された回収熱交換器（８）と、
前記第１の相変化材に蓄積された熱エネルギーを回収して輸送するために前記回収熱交換器（８）に接続された配管（９）内を循環する熱媒流体（１０）と、
前記配管（９）に接続されるとともに、前記配管内を流れる前記熱媒流体（１０）の流量をセクションごとに独立して制御する輸送手段（１４、１５）とを
有し、
前記各セクション（４）内の前記熱交換モジュール（５）における前記回収熱交換器（８）は、前記配管（９）に連結された分配網（１３）に接続されていると共に
前記外部ユーザー装置（３）に繋がる流路（１７）に並列接続（１６）される
ことを特徴とする熱エネルギー回収装置。

【請求項2】

前記輸送手段（１４、１５）は、
前記少なくとも２つの各セクションで前記配管（９）を循環する前記熱媒体（１０）の流量が前記各セクション間で交互になり、前記少なくとも２つの各セクション間で前記第１の相変化材の熱物理状態が相補的になるように制御することによって、
前記外部ユーザー装置に一定の熱流を供給する
ことを特徴とする請求項１記載の熱エネルギー回収装置。

【請求項3】

前記熱媒流体（１０）は、気体であり、空気、蒸気、ＣＯ_２、窒素その他のガス、又はそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の装置。

【請求項4】

前記熱媒流体（１０）は、液体であり、水、透熱性油、溶融塩、融解金属、融解合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。

【請求項5】

前記熱交換器用のコンテナ（６）は、さらに、第２の相変化材（１１）を含み、
前記第２の相変化材（１１）は、
少なくとも部分的に前記第１の相変化材（７）に浸漬され、
前記第２の相変化材（１１）と前記第１の相変化材（７）との間には、隣接する前記第１の相変化材（７）から分離し、前記第１の相変化材（７）及び前記第２の相変化材（１１）間の熱交換を可能にする分離面（１２）を有する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。

【請求項6】

前記第２の相変化材（１１）は、前記第１の相変化材（７）の融解温度より低い相転移温度を有する
ことを特徴とする請求項５記載の装置。

【請求項7】

前記第２の相変化材（１１）は、工業用溶融塩、ＮａＮＯ_３―ＫＮＯ_３、ＫＣｌ―ＭｇＣｌ_２その他の塩類から選択される
ことを特徴とする請求項５又は６記載の装置。

【請求項8】

少なくとも２つの前記第１の相変化材（７）及び前記第２の相変化材（１１）がそれぞれ前記熱交換器用のコンテナ（６）に配置され、
前記コンテナは断面円形の分離面（１２）を有し
前記モジュール（５）の前記各熱交換器（８）は、前記第１の相変化材（７）、または外側の前記第１の相変化材（７）と異なる前記第２の相変化材（１１）の１つと接触して配置されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の装置。

【請求項9】

前記第１の相変化材（７）は、純アルミニウム又はアルミニウム合金であり、融解温度が５００℃から７００℃の間である
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。

【請求項10】

前記第１の相変化材（７）と前記第２の相変化材（１１）との間に、前記第１の相変化材料（７）と異なり、前記第１の相変化材料（７）の融解温度よりも低温で、前記第２の相変化材料（１１）の融解温度より高温の融解温度を有する、追加の相変化材を介在させ、追加の相変化材の温度を、前記第１の相変化材料（７）の融解温度より低い温度に保持させる
ことを特徴とする請求項８記載の装置。

【請求項11】

前記追加の相変化材に接するように熱電対を設置し、
その温度を測定し、
その値に従って前記回収熱交換器の回収熱量を制御する
ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記セクション（４）の前記第１の相変化材（７）の熱エネルギーを増加し、そして前記セクション（４）の前記第１の相変化材（７）から選択的に、熱エネルギーを回収するものであり、それぞれが、高温で高火力の排ガス（２）を生成する産業プロセスのフェーズ、および前記高温で高火力の排ガス（２）を生成するフェーズの後に続く産業プロセスのフェーズにおいて、構成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。

【請求項13】

請求項１〜１２のいずれかに記載の装置（１）を用いて、産業プロセスで発生する排ガス（２）から熱エネルギーを回収し、外部ユーザー装置（３）に前記エネルギーを輸送するための方法であって、
前記少なくとも２つのセクションの第１の相変化材（７）において、それぞれ、少なくとも部分的に融解又は凝固、およびその逆、の熱物理状態を確定し、
前記熱物理状態が、前記少なくとも２つの各セクションで交互になり、前記少なくとも２つの各セクション間で相補的になるように、
第１の相変化材（７）から回収される熱流を選択的に決定するために
前記少なくとも２つのセクション（４）のそれぞれの配管（９）を循環する熱媒流体（１０）の流れを制御することによって、前記少なくとも２つのセクション（４）を熱的に制御し、
前記第１の相変化材（７）が、初期に融解している場合は、その凝固を進行させるため、前記熱媒流体（１０）の流量を相対的に高くすることで、前記熱媒流体（１０）が循環するセクション（４）の前記第1の相変化材（７）について、全体的に冷却を進行させ、
前記第１の相変化材（７）が、初期に凝固している場合は、その融解を進行させるため、前記熱媒流体（１０）の流量を相対的に低くするか、流れないようにすることで、前記熱媒流体（１０）が循環するセクション（４）の前記第１の相変化材（７）について、全体的に加熱を進行させ、
各セクションの前記第１の相変化材（７）の凝固フェーズと融解フェーズとを交互にし、
前記第１の相変化材（７）の相転移状態を連続的に確定し、
前記装置の下流側の前記外部ユーザー装置に対して、全体的にエネルギーを、実質的に一定に、いずれの場合も制御して、輸送することを特徴とする方法。

【請求項14】

前記少なくとも２つの各セクション（４）を交互かつ相補的に、熱的に制御することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記排ガス（２）が高温で高火力で生成される、前記産業プロセスのフェーズの期間において、前記セクション（４）の前記第１の相変化材（７）の熱エネルギーを増加させ、
前記排ガス（２）が高温で高火力で生成される、前記産業プロセスのフェーズの後に続く前記産業プロセスのフェーズの期間において、前記セクション（４）の前記第１の相変化材（７）から熱エネルギーを回収することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。

【請求項16】

前記少なくとも２つの各セクション（４）から回収した熱量を合わせて総熱量を得るために
時間に対してほぼ一定な、または少なくとも制御可能な、熱量を回収して
前記少なくとも２つの各セクション（４）の内部で、前記第１の相変化材について凝固と融解の交互のサイクルを設定し、
相互に相補的に機能させることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項17】

前記少なくとも一つの熱交換モジュール（５）を含む前記少なくとも２つの各セクション（４）は、
前記熱交換器用のコンテナ内部の第１の相変化材（７）に少なくとも部分的に浸漬しており、前記第１の相変化材（７）との間に、隣接する前記第１の相変化材（７）から分離し、前記第１の相変化材（７）との熱交換を可能にする分離面（１２）を有する第２の相変化材（１１）を備え、
前記各セクション（４）の各前記熱交換モジュール（５）について、
前記第１の相変化材（７）を、凝固フェーズにおいては、前記第１の相変化材（７）の内部に設置された第２の相変化材（１１）の凝固温度より低くし、
融解フェーズにおいては、前記第２の相変化材の融解温度より高くする
ことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記装置（１）の個々の前記セクション（４）が、
前記第１の相変化材（７）における温度を、相転移が起こるように、前記第２の相変化材（１１）の融解温度より低くなるようにするとともに
その後、熱交換のためにその潜熱を利用することを特徴とする請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、産業プロセス（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ：工業および役務プロセス）で発生する高いエネルギーを有する排ガス（オフガス）の熱流から熱回収して外部ユーザー装置（ＵＥ）へ輸送する装置に関する。

【0002】

熱輸送は、１００℃以上の高温の排ガスと接触することで固／液相転移する相変化材（相変化型蓄熱材：ＰＣＭ）と、その相変化材に接触又は浸漬し、熱を回収して外部ユーザー装置に供給するための、熱媒流体（ｈｅａｔ−ｃａｒｒｙｉｎｇ−ｆｌｕｉｄ）が内部に流れる熱交換器（ｈｅａｔ−ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）とによって行われる。

【0003】

外部ユーザー装置は、例えば、時間が経ってから使用する、発電機及び／又は発熱装置であってもよい。更に、本発明は、公知技術を使用して、その後に行うエネルギー回収が、技術的かつ経済的に容易となるよう、本装置の下流での温度と火力（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ）のばらつきを低減する緩和効果を有する。

【0004】

高温度の排ガスから外部ユーザー装置への熱流の輸送は、外部装置の必要に応じて、抽出する量と遅延させる時間とにより管理できる。これ以降、当該熱エネルギー輸送装置は「ＴＥＴ」と総合的に記す。

【背景技術】

【0005】

増加し続けるエネルギーコストと、代替資源や回収エネルギーから熱及び電気の生産を奨励する様々な国の規則は、数多くの産業プロセスから発生する高い熱量を有する排ガスから熱エネルギーを回収する技術の開発を、長年にわたり促進し続けてきた。エネルギー回収技術は、外部ユーザー装置に供給するため、あるいは高温のガスを発生するプロセスの効率を向上させるために用いられ、この技術を使用することで、１製品又は１サービス当たりに使用されるエネルギーである、エネルギー係数を減少させる。

【0006】

装入原料や、燃焼室の燃焼を持続させる物質を予熱したり、低温及び中温で化学プロセスを開始するために、燃焼又は化学反応工程で高温のガスの熱エネルギー回収を行う装置が知られている。

【0007】

また直接熱交換を行う熱エネルギー回収装置も知られており、この種の装置では、電力及び／又は熱エネルギーを生成するために、低／高温予熱に必要な熱を装置に直接供給する熱媒流体として空気、水、透熱性油や蒸気が用いられる。

【0008】

蓄熱体（水、蒸気、油）として機能するタンクからなる汎用のユーザー装置に供給するため、温度と火力の変動を抑制する技術が知られている。

【0009】

ある公知技術に、例えば太陽熱エネルギーの分野において、熱媒流体および蓄熱体として溶融塩を使用しているものがある。

【0010】

象徴的であり限定するものでは無い例であるが、電気製鋼所においては、ガスの形で散逸するエネルギーの総量は、エネルギーの総投入量の約３８％であると言われている。

【0011】

全体のエネルギーの約２１％は排ガスから熱回収され、残りは、空気中に放出されるか又はガス浄化ラインに沿って散逸する。

【0012】

公知のエネルギー回収装置の一つに、内部に熱媒流体を流しながら外部装置に直接熱供給を行う直接交換器を採用したプロセスガスの熱回収装置がある。直接交換器は、温度変化とガス流量により変化する熱流を生成する。

【0013】

直接交換装置のデメリットは、熱交換器及び外部装置の大きさが熱流の最大値に対応するものでなければならないという点にあり、平均的な利用効率が低くなると発電機が最適な平均性能よりも低い出力で動作する可能性もある。

【0014】

装置に供給する熱流の変化を抑制する公知技術の一つに蓄熱器（アキュムレーター）があるが、特に高圧に耐えうるよう建設される場合は、非常に高価であるというデメリットがある。

【0015】

蒸気アキュムレーターにおいて、流量を可変にして、生成した蒸気を移送し、外部ユーザー装置への蒸気供給のばらつきを低減する技術も知られている。

【0016】

回収される火力のばらつきを抑えるための公知技術として、熱回収システムに追加的に加熱する装置を一体化させた技術も知られている。この場合、より大きなプラントシステムが前提となり、従来燃料に、非常に大きくかつ総合的に依存し、又は回収の経済性に悪影響を及ぼす方向性を持つ。

【0017】

電気炉の装入バスケット内のスクラップ（装入物）を予熱するという、効果的な一つの解決策がある。この場合、バスケットの搬送によりプラント構成が複雑化することに加えて、低融点装入物が生じることに起因して炉の機能と生産性を悪化してしまうという、技術的課題も残る。この他にも、予熱ガスにダイオキシンが存在する可能性、ガスの後燃焼システムを必要とするような予熱された装入物の組成により生じる有害な副生成物につながる環境問題も生じうる。

【0018】

擬似空気で希釈した後、低温（３００℃―３５０℃）で補助バーナーを用いることなく、スクラップに与えられた熱を利用して、排ガスの顕熱回収を実施することで、高温で予熱することによる装置の複雑化の問題は回避される。しかしながら、最大の省エネルギーを達成するのに最適とされる条件（６００℃―６５０℃）からはほど遠いものとなる。

【0019】

状況の改善、すなわち、既存の設備を改訂する場合、予熱システムを採用するには、搬送とプラント設計が明らかに難しくなるため、この技術の広がりは限定されてしまう。

【0020】

当回収システムは、ガスの流量と温度が適切に活用され、溶銑サイクルタイム（ｔａｐ−ｔｏ−ｔａｐ）があきらかに７０分を超えるような、高い生産性を有するプラントにおいては、興味を持たれるものである。

【0021】

共通の電極シャフトシステムを有する２つのシェルを備えた電気炉による「ツインシェル（Ｔｗｉｎ Ｓｈｅｌｌ）」プロセスと呼ばれる技術が知られている。このタイプのプロセスでは、装入物が第１のシェルで融解されている間に別のスクラップを積んだバスケットが第２のシェルに搬送され予熱され、第１のシェルがタップに移動するときに第２のシェルで融解が開始される。一般に、装入原料を融解する炉からのガスは、ローディングが行われている炉に送られる。しかしながら環境問題のため、この場合も予熱を行うバーナーの使用が時に必要となる。

【0022】

直流電流（ＤＣ）が供給されるアーク炉、いわゆる「Ｃｏｎｔｉａｒｃ」炉も知られており、そこでは、融解される金属装入物は、下部の融解速度と等しい速度で、連続してシェルの上部から投入される。そして、このスクラップ（金属装入物）が降下する間にスクラップと、スクラップを予熱するために供給される上昇ガスとが衝突する。

【0023】

また、直流電流（ＤＣ）で供給される他の電気炉（いわゆる「Ｃｏｍｅｌｔ」）は、隣接する（傾向がある）融解体から発生するガスを使用する垂直な予熱シェルを提供する。

【0024】

例えば、シェル炉又は「シャフト炉」は水冷され、融解炉より上に配置された補助シェル（又は交互に２つのシェルが使用される）を使用し、そこでスクラップを予熱するガスが生成される。この構成においても、酸素−燃料バーナーは、ガスにより放出される顕熱を集積するために設けられる。

【0025】

ダウンタイムを含めた溶銑サイクルタイムを短縮するため、融解炉への搬送技術が進歩し、いわゆる「ＣＯＮＳＴＥＥＬ（登録商標）」と呼ばれる連続供給設備が開発された。この設備では、スクラップは電気アーク炉からの高温度の排ガスにより、ベルトコンベヤー上で予熱される。これにより、必要とされる電力の約１０％を減少させ、生産性を向上させる。

【0026】

熱目的のみのエネルギー回収については、工業分野では熱量の小さい熱エネルギーは経済的重要性が低いことを考慮すると、地域暖房においては実用可能である。換言すれば、これらの廃熱のエネルギーを近くの産業施設又は民間施設に輸送する必要がある。

【0027】

その他の回収プロセスとしては、工業的にはまだ実現していないが、高融点の相変化材（ＰＣＭ）（例えば約１０８３℃で融解する銅）をベースにしたものが知られている。この技術は、炉から放出される排ガス中の熱エネルギーを相変化材に蓄積し、水素を発生させるため、メタンの水蒸気改質の吸熱反応の熱源として機能させるものである。

【0028】

製鋼所で使用されるアーク炉は、通常、複雑で大規模なエネルギー散逸用の冷却装置を必要とする大規模水冷システムを備えることを特徴とすることが知られているが、それらは熱回収をまったく行わない。
これらの冷却システムは、融解炉の天井部分のシェルの上部にあり、融解炉の第４の孔から浄化システムまでガスを送る配管の第１区画に配置されており、それらの目的は、シェルを保護し、保護される耐火物及び冷却された金属部の摩擦を減少させることである。

【0029】

公知のエネルギー回収技術は、熱媒流体として熱水と蒸気が使用されるが、これらは、熱特性が低く、比較的に低温、低圧であり、排ガスの熱流量にばらつきがあるため、その性能は制限されてしまう。

【0030】

電気アーク炉における公知のエネルギー回収技術の他の欠点は、これだけでは無いが、最大負荷を想定して装置の大きさが決定されるという問題があり、二重に非効率なことに、大抵の場合初期投資の一部しか使用されないことと、公称出力の平均的削減との関係でエネルギー回収率が制限されてしまうこととが関連している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0031】

本発明の主な目的は、産業プロセス（工業および役務プロセス）で発生する高温の排ガスから熱エネルギーを回収し、外部ユーザー装置に供給するために、回収した熱エネルギーを効率よく輸送することができる新規な装置及び方法を得ることにある。

【0032】

本発明の別の目的は、材料を、少なくとも部分的に、安定した相転移状態に維持し、従ってほとんど一定の温度状態、特に熱交換器にとって有用な状態に、維持することができる熱エネルギーの輸送装置および方法を得ることである。

【0033】

本発明の別の目的は、外部ユーザーの装置に一定の熱流を供給するために、温度及び／または流量及び／または火力が時間とともに大きく変動するプロセス、または断続的に稼働するプロセス、或いはいずれにしてもユーザー装置の要請によって制御されるプロセスから、熱エネルギーを抽出できる装置及び方法を得ることである。

【0034】

本発明の別の目的は、本質的に潜熱の形で、高温で、一定量のエネルギーを蓄積でき、エネルギーを回収する場所とは異なる工場の区域で高温の排ガスを発生するプロセスを制御するのに有用であり、遅延時間を制御できる装置を得ることである。

【0035】

本発明の別の目的は、例えば鉄鋼産業において、通常高い火力を必要とし、散逸性の高い構造を冷却及び保護するために使用される回路を、全面的あるいは部分的に置き換えが可能な装置および方法を得ることである。

【0036】

本発明の別の目的は、例えば火葬炉のシステムのような、熱処理のオフガスを冷却する必要のある、散逸性の高い熱交換方式を、全面的あるいは部分的に置き換える装置及び方法を得ることである。

【0037】

本発明の別の目的は、蒸気柱ができる可能性を排除するために、煙突に導入される周囲空気を高温まで加熱することができる装置を得ることである。

【0038】

本発明の別の目的は、５５０℃に達することがある回収温度や、相対的に高い火力及び温度を有する熱媒流体として溶融塩を使用する装置を得ることである。

【0039】

本発明の別の目的は、選択的にランキンサイクルを完遂させるか、過熱ステップだけを実行させることを可能にする装置及び方法を得ることである。これらはいずれも、処理温度が高い温度であることを考慮すれば熱力学的観点から、また、例えば腐食及び摩耗を防ぐといった技術的観点から見ても同様に、特に精密なプロセスであるといえる。

【0040】

現状技術の欠点を克服しこれら及び他の目的と利点を獲得するために、出願人は本発明を考案し、サイズ決めをし、設計し、使用するための方法を規定した。

【課題を解決するための手段】

【0041】

本発明は独立クレームに記載され特徴づけられる一方で、従属クレームは主要な発明の着想に対する本発明又は変形例の他の特性を説明する。

【0042】

産業プロセスで発生する排ガスから熱エネルギーを回収し、外部装置に前記エネルギーを輸送するための装置は、少なくとも一部が、前記産業プロセスを実施するプラントの収容（閉じ込め）チャンバ内部又は一つ以上の配管の内部で、前記排ガスと接触して配置される。

【0043】

本発明の１つの特徴によれば装置は少なくとも２つのセクションを備え、各セクションは、
金属材料でできており排ガスと熱エネルギーを交換するために、排ガスと少なくとも部分的に接触して配置される中空形状の熱交換器用のコンテナ（コンテナ／交換器と略記する）と、
コンテナ／交換器内部に設けられた第１の相変化材と、
前記排ガスと熱エネルギーを交換するために、前記排ガスと少なくとも部分的に接触して配置される第１の相変化材と接触して配置された回収熱交換器（回収交換器と略記する）と、
前記回収交換器に接続された配管内を、前記第１の相変化材により蓄積された熱エネルギーを回収して輸送するために循環する熱媒流体と、
前記配管に接続した輸送手段であり、前記配管を流れる熱媒流体を移動させ、各セクションごとに独立して、流量を制御する輸送手段と
を有する少なくとも１つの熱交換モジュールを有し
前記各セクション内の前記熱交換モジュールにおける前記回収熱交換器は、前記配管に連結された分配網に接続されていると共に
前記外部ユーザー装置に繋がる流路に並列接続されること
により規定される。

【0044】

このことは、各セクションの熱媒流体の流量を調整することにより、排ガスから熱流を回収し、合わされて、平行に輸送して、いずれに制御しても、外部ユーザー装置に対し、全体的に一定に供給することを、有利に可能にするものである。

【0045】

本発明の変形例において、熱媒流体を輸送する手段は、セクション間で交互又および相補的に、各セクションにおいて第１の相変化材の少なくとも部分的な相変化を得るよう構成される。

【0046】

本発明の１つの特徴によれば、下流の装置は、各セクションの送り又は戻り配管の直列又は並列接続ネットワークの接続により供給されることができる。

【0047】

本発明の実施例のいくつかの形において、装置はまた、第２の相変化材を有する少なくとも１つのコンテナを含む。コンテナは第１の相変化材に少なくとも部分的に浸漬され、コンテナに含まれる第２の相変化材を、隣接する第１の相変化材から分離しつつ、第１及び第２の相変化材間の熱交換を可能にする分離面を有する。

【0048】

第１の相変化材の融解温度より低い融解温度を有利に備えた第２の相変化材は、熱エネルギーを蓄積することを可能にし、第１の相変化材の蓄積熱容量の付加的な蓄積として作用する。この場合、これらのセクションにより交互に第１の相変化材の固相フェーズを過冷することが可能であり、第２の相変化材の凝固を確定することができる。この後、引き続いて第１の相変化材が加熱され、少なくとも第２の相変化材が融解する。

【0049】

本発明はまた、産業プロセスで発生する排ガスから熱エネルギーを回収し、上述のとおり、少なくとも２つのセクションからなる装置により、前記エネルギーを外部装置に輸送する方法に関する。

【0050】

本発明の１つの特徴によれば、、第1の相変化材から回収する熱流を、排ガスにより生成される熱流を選択的に決定するために、各セクションとそれに対応する回収交換器に存在する送り配管及び戻り配管を循環する熱媒流体の流れを制御することによって、各セクションを熱的に制御(強制)できる方法を提供する。
このようにして、各セクションの第１の相変化材において、少なくとも部分的に、それぞれが融解又は凝固（および、その逆）の熱物理状態を確定することが可能である。
。

【0051】

このようにして、我々は、各セクションによって、火力（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ）の送出又は吸収を切替えることにより、排ガスから本装置の下流のユーザー装置に輸送する火力の安定制御を可能とする利点を得る。

【0052】

本発明によれば、本方法は、それらのセクションを交互かつ相補的に作動させ、その結果、各セクションで交互に、そして異なるセクションの間で相補的に熱物理状態が確定する。

【0053】

本発明の別の特徴によれば、時間とともに各セクションの第１の相変化材の凝固フェーズ及び融解フェーズを入れ替えるようにし、前記第１の相変化材の相転移の連続状態を確定し、その結果、どのように制御されようと、下流のユーザー装置に対し、実質的に一定に、全エネルギーを輸送することができる。

【0054】

本発明のこれら及び他の特徴は、以下の機能説明および、添付図面を参照し非限定的な実施例として与えられる、好ましい実施形態のプロセス図から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0055】

【図1】図１は、本発明及びその機能について熱エネルギーを取入及び輸送する装置を図示する。

【図2】図２は、各熱交換モジュールの構成とその機能を示す図である。

【図3】図３は、セクション全体の構成とその機能を示す図である。

【図4】図４は、外部ユーザー装置に接続する装置の供給回路の図を示す。

【図5】図５は、排ガスに対して並列に置かれる２つのセクションからなる本発明を図示する。

【図6】図６は、排ガスに対して直列に置かれる２つのセクションからなる本発明を図示する。

【図7】図７は、図５のように構成される装置の機能的な方法を図示する。

【図8】図８は、３つのセクション（第１及び第２の対立するローディング／アンローディングと、第３の微調整のためのセクション）からなる装置の機能的な方法を図示する。

【図9】図９は、断続的に排ガスがある場合に、３つのセクションからなる装置の機能的な方法を図示する。

【図10】図１０は、本装置が組み込まれる位置を有する火葬施設を図示する。

【図11】図１１は、図１０の火葬施設と関連する新規な装置の機能的な図を示す。

【図12】図１２は、寸法と共に、図１１の装置の計画の構成を図示する。

【図13】図１３は、図１１及び図１２のような各熱交換モジュールの幾何学的構造の特性を示す。

【図14】図１４は、図１３に示すように、熱交換モジュールに排ガスがない場合のアルミニウムの温度低下を示す。

【図15】図１５は、アーク炉で鋼を生産するプロセスのエネルギー収支を図示する。

【図16】図１６は、沈降チャンバの、周期的プロセスにある高温度の排ガスの温度特性をグラフ化する。

【図17】図１７は、アーク炉の沈降チャンバへの装置の組み込みを図示する。

【図18】図１８は、沈降チャンバ内部の個別モジュール配置の平面図を示す。

【図19】図１９は、熱媒流体としてＣＯ_２を用いた装置のモジュールの構造上の特性を図示する。

【図20】図２０は、熱媒流体が溶融塩によって規定される装置のモジュールの構造上の特性を図示する。

【図21】図２１は、熱媒流体の分配網の図を示す。

【図22】図２２は、溶融塩を蓄積するためのタンクを組み合わせた装置の使用を示す。

【発明を実施するための形態】

【0056】

添付の図面に示されるように、本発明に従って製造される装置１は、相変化材を用いて熱エネルギーを輸送する装置１であって、産業プロセスからの高温の排ガス（ＯＧ）が通過する一つ以上の収容（閉じ込め）チャンバ又は流路／配管に接続されている。
１００℃以上の排ガス（ＯＧ）の特性は、各瞬間の流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）（Ｑ_ｏｇ、τ）、温度（ｔ_ｏｇ、τ）、及び熱流（ｈｅａｔ ｆｌｏｗ）又は火力（ｈｅａｔ ｐｏｗｅｒ）（Φ_ｏｇ、τ）の値の分布により表される。
特に、周期的又は断続的なプロセス（τ_ｐ）の場合、排ガス（ＯＧ）の特性は、流量（Ｑ_{ｏｇ，ｍｅｄ}）、温度（ｔ_{ｏｇ，ｍｅｄ}）及び火力（Φ_{ｏｇ，ｍｅｄ}）のメディアン値により表される。

【0057】

装置は、２つ以上のセクション（ＳＥＣ_ｎ）からなる。各セクションは、一つ以上の熱交換モジュール（ＭＯＤ_ｍ）からなる。

【0058】

各熱交換モジュール（ＭＯＤ_ｊ）は、排ガス（ＯＧ）と直接接触して置かれ、実作動温度で、大きな機械抵抗及び耐摩耗性を有する金属のコンテナ／交換器（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ／ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）（ＣＳ）を含む。

【0059】

コンテナ／交換器（ＣＳ）は、中空形状で、側壁により容積が規定されており、高い熱拡散率、即ち、１０^―７ｍ^２／ｓ以上（例えば１０^―６ｍ^２／ｓ以上）、を有する第1の相変化材からなる第1の充填体が挿入されている。以下、ここでは「伝熱材(ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ」という用語で表す。
伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）は、相転移温度（ｔ_{ｄ，ｆｕｓ}）により特徴付けられ、その温度は、考え得る実施形態において、排ガス（ｔ_{ｏｇ，ｍｅｄ}）の温度のメディアン値に等しいか、ほぼ等しいか、上回るか、又は下回る場合がある。

【0060】

コンテナ／交換器（ＣＳ）の機能は、高い熱伝導率の壁により高温のオフガス（ＯＧ）と熱流（Φ）を交換し、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）に熱流を送り、その内部に「急速に」熱流を拡散させることである。

【0061】

伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）と接触又は浸漬させて、熱交換器（回収交換器（ＳＥ）と称す）は、送り配管及び戻り配管に接続されて配置される。
セクション（ＳＥＣ_ｉ）に属する熱交換モジュール（ＭＯＤ_ｍ）の送り配管及び戻り配管は、最も完全な構成では、「セクション分配回路」（Ｄ_ｓｅｃ）という名前の共通の送り配管及び戻り配管により、互いに接続されている。

【0062】

いくつかの簡略化した実施例では、回路は戻り回路なし（開回路）で送り回路のみである。

【0063】

分配回路（Ｄ_ｓｅｃ）の方式は、熱交換の技術論に対応しており、熱交換モジュール（ＭＯＤ_ｍ）の送り配管及び戻り配管に対し、それぞれ同格に、並列、直列又はグループ構成のいずれかである。

【0064】

セクション分配回路（Ｄ_ｓｅｃ）は、「装置の供給回路」（Ｄ_ａｐｐ）という名称の、並列の接続回路によって外部ユーザー装置（ＵＥ）に順に接続されている。外部ユーザー装置（ＵＥ）は、本装置の技術的能力によってサイズを決定してもよく、条件付きの性能で既存のものであっても良い。

【0065】

セクション分配回路（Ｄ_{ｓｅｃ，ｉ}）及び回収交換器（ＳＥ）内部において、熱媒流体（ＦＴ）は、流量（Ｑ_ｆｔ）で流れ、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）から熱流（Φ_ｅｓｔ）を回収する。

【0066】

熱媒流体（ＦＴ）の流量（Ｑ_ｆｔ）の値は、セクション分配回路（Ｄ_ｓｅｃ）の上流下流間の駆動圧力（ΔＨ_ｍｏ）により確定される。

【0067】

駆動圧力（ΔＨ_ｍｏ）の値と、従って熱媒流体（ＦＴ）の流量（Ｑ_ｆｔ）の値は、液体の場合は可変流量ポンプ（ＰＯ_ｖｒ）、気体の場合は、可変流量送風機（ＶＥ_ｖｒ）により得られる。

【0068】

また、流量は、ダイバータ又は混合弁を備えた固定回転のポンプ又は送風機（ＰＯ_ｆｓ又はＶＥ_ｆｓ）、又は電気的なレギュレータ（例えばインバータ）により変更可能である。流量（Ｑ_ｆｔ）の変更により、回収交換器（ＳＥ）内部の熱媒流体の速度（Ｖ_ｆｔ）が対応して変更される。

【0069】

伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）と接触又は浸漬する一般的な回収交換器（ＳＥ）の壁の透過率（Ｕ_ｓｅ）は、熱媒流体のｌｉｍｉｎａｒｙ係数（境膜伝熱係数）（α_ｆｔ）の一般的な関数であり、またそれは、速度（Ｖ_ｆｔ）に対して増加関数となる。

【0070】

熱媒流体の流量（Ｑ_ｆｔ）と、それ故その速度（Ｖ_ｆｔ）を変化させることにより、透過率（Ｕ_ｓｅ）及び、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）から回収される熱エネルギーの流れ（Φ_ｅｓｔ）は変化する。従って、上述のパラメータは流量により増加し、その逆も同様である。

【0071】

解決策の変形例においては、駆動圧力（ΔＨ_ｍｏ）の値は、各瞬間でゼロとなるか、又は平均してゼロとなり、故に熱媒流体の速度（Ｖ_ｆｔ）もまたゼロとなり得る。
これらの解決策においては、駆動圧力（ΔＨ_ｍｏ）がゼロのセクション（ＳＥＣ_ｉ）は、受動的に動作する。

【0072】

伝熱材（ＰＣＭｄ）の各熱物理学的状態、および排ガス（ＯＧ）の各熱力学的状態におけるセクション（ＳＥＣｉ）について言及すると、各時刻（τ）において、排ガスの温度が伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）の温度より高い状態にあるときは、流量（Ｑ_{ｆｔ，ｅｑ}）及び熱媒流体の速度（Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ}）を決定するΔＨ_{ｍｏ，ｅｑ}が存在し、”バランス状態（ｂａｌａｎｃｅｄ）”と呼ばれ、熱慣性を除いて伝熱材（ＰＣＭｄ）の状態が変化しない。

【0073】

各時刻（τ）での平衡状態の流量（Ｑ_{ｆｔ，ｅｑ}）は、排ガス（ＯＧ）から伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）へ移される熱流（Φ_ｉｍｍ）と熱媒流体（ＦＴ）から回収される熱流（Φ_ｅｓｔ）とを等しくする。即ち、伝熱材に関して、熱収支ゼロとなる（ΔΦ_τ＝Φ_ｉｍｍ−Φ_ｅｓｔ＝０）。

【0074】

本装置の機能において、熱媒流体（ＦＴ）と接触する伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）の物理状態は、異なる熱物理特性（伝導率その他）の固体および液体となり得る。
熱媒流体（ＦＴ）と接触する伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）が固相か液相かどうかで、各瞬間のバランス状態の速度（Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ}）は変わる。バランス状態の速度（Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ}）は、固相の方が熱伝導率が高いため速くなる。

【0075】

一般的な時刻（τ）に対するこれらの考察は、サイクル（τ_ｐ）（サイクル時間の平均値が用いられる）の周期的プロセスに応用することができる。

【0076】

本装置の各セクション（ＳＥＣ_ｉ）に対して、プロセス周期の全サイクル時間（τ_ｐ）について考えると、平均流量（Ｑ_{ｆｔ，ｍｅｄ}）と熱媒流体の速度（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ，ｐ}）が存在し、排ガス（ＯＧ）から取り出した全エネルギーに等しい全エネルギー（Φ_{ｅｓｔ，ｅｑ}）を伝熱材から回収し、サイクルの最初の状態に戻ることなる。全プロセス時間（τ_ｐ）において、熱媒流体の速度（Ｖ_ｆｔ）をバランス状態の平均速度より高く設定すると（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ}＞Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ，ｐ}）、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）全体が冷却することとなり、初期において融解している場合、その凝固を進行させる。一般に、伝熱材からの熱エネルギーの回収は、「アンローディングフェーズ」と呼ばれている。反対に、時間（τ_ｐ）において、バランス状態の平均速度より低く（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ}＞Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ，ｐ}）、場合によってはゼロに設定すると、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）全体が加熱されることとなり、もし、初期において固相状態であると、その融解を進行させる。一般に、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）の熱エネルギーの増加は、「ローディングフェーズ」と呼ばれている。

【0077】

特に、限定するものでは無いが、回収の流量と、その流量を適用する時間を用いて、相転移のエンタルピーを用いれば、全ての伝熱材を完全に凝固させた「完全なアンローディングフェーズ」を確定することができる。
その後、時間経過後、同じく相転移のエンタルピーを用いれば、流量値を減少させることにより、たとえ初期に固相であっても、完全に融解させた「完全なローディングフェーズ」を確定することができる。
２つの完全な逆相の組合せは「完全転移サイクル」と呼ばれており、完全な融解及び完全な凝固を備えたサイクルを意味する。

【0078】

制御方法の変形例は、伝熱材について一部分に凝固および融解を限定する「部分転移サイクル」のために、本装置の各セクション（ＳＥＣ_ｉ）の熱媒流体（ＦＴ）の流量および適用時間（τ）を制御するものである。

【0079】

時間とともにローディング及びアンローディングフェーズを交互に行うことによって、一定な温度を特徴とする、伝熱材の相転移の連続状態を確定することができる。

【0080】

方法の他の変形例は、アンローディングフェーズの間は伝熱材を凝固温度より低い温度に、そして、ローディングフェーズの間は融解温度より高い温度にすることである。
この機能構成では、伝熱材の単位質量当たりに交換される熱エネルギーは、上記他の方法より大きくなる。この機能モードは「超転移サイクル」と呼ばれている。完全及び部分転移サイクルは、一定温度で起こる。超転移サイクルにおいては、伝熱材の温度は、相転移温度とは異なる温度になる。

【0081】

上記全ての機能構成において、各セクションは、高温で相当量の熱エネルギーを蓄積するものであり、特に一般的な外部ユーザー装置の利用に有用である。

【0082】

本装置の個々のセクションに関して言えば、エネルギーの抽出量を交互に入れ替えることは、もしも外部ユーザー装置へ直接供給した場合には、ユーザー側で部分的にしか利用できないというような経済的問題や、利用効率が平均的に限られていることによる技術的問題を生じさせる。

【0083】

我々は、本装置において２つ以上のセクションの構成とすること、本発明による流量を制御する方法が、どのように上記の問題を解決することができるかについて説明する。

【0084】

採用する方法は、本装置の重要な特性を活用するものであり、独立したモードで、熱媒流体（ＦＴ）の流量（Ｑ_ｆｔ）に作用することにより、各セクション（ＳＥＣｉ）の機能を制御するものである。

【0085】

簡単のため、同じ構成及び特性を有する２つのセクション（ＳＥＣ１及びＳＥＣ２）が、排ガス（ＯＧ）に並列に浸漬されている装置について考慮する。

【0086】

２つの異なる機能のフェーズ（フェーズａ及びフェーズｂ）は交互にかつ連続して設定され、ローディング及びアンローディングフェーズに関して「反対」に同時に機能するよう強制する。

【0087】

フェーズａにおいて、ＳＥＣ１は、熱媒流体の速度を平均バランス速度（ｍｅａｎ ｂａｌａｎｃｅ ｓｐｅｅｄ）より低く（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ}＜Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ，ｐ}）、また場合によってはゼロ値（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ}＝０）とすることにより、加熱（ローディング）を進行し、伝熱材全体を、部分にあるいは完全に融解し、場合によっては、さらに続けて過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔｉｎｇ）する；それと同時に、ＳＥＣ２は、熱媒流体の速度を平均バランス速度より高く（Ｖ_{ｆｔ，ｍｅｄ}＞Ｖ_{ｆｔ，ｅｑ，ｐ}）して冷却を進行し、部分に或いは完全に凝固させ、場合によっては、固相状態の伝熱材全体をさらに続けて冷却する。

【0088】

フェーズｂにおいては、フェーズａが完了すると、２つのセクションの流量値及び速度を逆転し、熱バランスの符号をその前の状態に対して逆にし、正反対の動作を確定し、その結果、ローディングフェーズにあったセクション１はアンローディングフェーズに移行し、前の段階でアンローディングフェーズにあったセクション２はローディングフェーズに移行する。

【0089】

各セクションのローディングフェーズ及びアンローディングフェーズの時間は、熱媒流体の流量及び相変化材の全熱容量（相変化材の種類及び重量）に依存する。

【0090】

基本的な本発明の特徴は、２つのセクションにより回収された２つの熱量は、外部ユーザー装置に並行して輸送され、したがってそれぞれが足し合わされて外部ユーザー装置に供給されるということである。

【0091】

本装置は、２つのセクションから構成されており、セクション１で回収された熱（Φ_１ａ）とセクション２で回収された熱（Φ_２ａ）、それぞれは平均値（Φ_{ｍｅｄ、ｐ}）よりも大きい値および小さい値となる、を足し合わせて、フェーズａの状態のユーザー装置に供給し；フェーズｂの状態においては、これらの２つの回収された熱は、その値は逆転するが、両者の合計（Φ_ｔｏｔ）は不変である。

【0092】

従って、２つのセクションからなる本装置の特色は、外部ユーザー装置に対して「交換可能」な特性を有して機能できるということである。
外部ユーザー装置に供給する全熱流量を変化させることなく、異なる熱物理状態を誘導することによって、２つのセクションにより回収される熱流を変えることが可能である。

【0093】

ローディング及びアンローディングフェーズを連続して交互に行うことにより、異なる種類のサイクルにおいても、排ガスが一定でも、変化しても、あるいは断続的でも、本装置は、回収した熱量をほとんど一定して供給でき、外部ユーザー装置（タービン、熱交換機など）にとって有益かつ最適なものとなる。

【0094】

熱量と温度がほぼ一定の特性を持つエネルギー流は、公知装置の技術的経済的な非効率を防止するのである。

【0095】

本装置は、このように構成されており、いかなる場合も、ユーザー装置の要求に応じて、火力可変に制御することができる。

【0096】

より一般的な状況において、本セクションは、伝熱材のサイズ、種類、量等により、異なる特性を備えることができ、或いは、その機能の論理を変えることなく、並列とする代わりに直列に配置したり、組み合わせた構成で配置することも可能である。

【0097】

本装置は、３つのセクションで構成することができ、第３のセクションは全体的な調整特性を改善するために設けられる。
最初の２つのセクションは、前述のように機能する一方、第３のセクションは、外部ユーザー装置に送るために回収された熱流を微調整するための統合役として、そして、他の２つのセクションのアンローディング及びローディング時間を確定するために介在するものであり、高い制御柔軟性を有している。

【0098】

本装置が４つのセクションからなる場合、２つはローディングで、もう２つはアンローディングで作動できる。４つ以上の数のセクションの場合も、前述の事柄はあてはまる。

【0099】

断続的および周期的サイクルが存在する場合、例えば、或る限られた期間に排ガスの熱量が集中する場合、または排ガスの温度や熱量が大きく変化するサイクルがある場合は、数個のセクションを備えた装置を設置することが有利である。
その場合、排ガス（ＯＧ）が高温で高い火力を有しているプロセスフェーズの期間に、排ガス（ＯＧ）があると、全てのセクションにおいて同時にローディングフェーズが起こり、他方、その後の全サイクルに亘る期間、或いは、より低い温度および火力の排ガス（ＯＧ）を処理する期間においては、アンローディングフェーズが起こるものであるが、回収された熱流（その量は限られているものの時間的に配分されて）、連続的に得ることができる。

【0100】

上述と同じ目的は、１つのセクションによっても得ることはできる。しかし、所望の特性の熱流を回収するという目的で制御するには、同等の動作信頼性と柔軟性を得ることはできない。

【0101】

セクションの数（２つであるかそれ以上であるか、）は、排ガスの温度および火力の範囲の変化および中断のレベル、規模、技術的および工場設計要因、および最終的には、（適切な規模の）新しいユーザー装置、或いは既存のユーザー装置での熱の吸収量に関連した特性に依存する。

【0102】

前記構成の変形例は、第1の相変化材と異なる第2の相変化材（「補助材(ｈｅｌｐｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ」（ＰＣＭ_ｈ）として知られている）を使用するものである。
補助材は、第１の伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）に浸漬されており、分離面によって第１の伝熱材から分離され、コンテナとしてだけでなく熱交換器としても機能し、内部交換器（ＳＩ）として知られている。

【0103】

一般に補助材（ＰＣＭ_ｈ）は、相転移温度が伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）より低いこと、相転移の潜熱が高いこと、比重が「小さい」こと、重量当たりのコストが「限られている」ことが特徴である。
補助材（ＰＣＭ_ｈ）は、装置の全熱容量に寄与し、その重量及びコストを減少させる。

【0104】

一般に、補助材は、固体及び液体状態の両方において、伝導性が低いことも特徴である（例えばＮａＮＯ_３―ＫＮＯ_３又はＫＣｌ―ＭｇＣｌ_２、その他の工業的に用いられる溶融塩）。

【0105】

補助材（ＰＣＭ_ｈ）の低い熱伝導率は、伝熱材の熱透過率を制限し、熱拡散係数を低くする。
熱透過率（Ｕ）が限られるのを防ぎ、伝熱ＰＣＭと補助ＰＣＭの間で多量の熱流を得るために、内部交換器（ＳＩ）が使用され、それぞれのコンテナ／交換器に対して交換面を大きくする（ＳＩ／ＣＳ≧１）。
低い熱拡散係数は、補助材の厚みを薄くすることで対抗することができる。

【0106】

いくつかの特定の実施形態においては、補助材（溶融塩）より低い相転移温度を有する伝熱材（例えばスズ）を採用することが可能である。ただし、装置の構造及び制御方法は変わらない。

【0107】

補助材の相転移を確定するためには、本装置のセクションを個々に制御することが必要であり、伝熱材の温度を、ほぼ補助材の相転移温度にする。

【0108】

平均温度６００℃以上の排ガスかつ７００℃以上のフェーズの場合、純又は合金（例えば５０７５ＭＧ）アルミニウムは、凝固―融解温度範囲が５２０―６６０℃であり、第１の伝熱材として用いることができ、そして、最大動作温度５９０℃かつ融解温度約２６０℃の溶融塩は、補助材として用いることができる。
５９０℃を超える融解アルミニウム合金の最高温度は、内部交換器（ＳＩ）の壁を、技術的に（例えば、腐食性、熱応力等の理由で）許容できない温度になることがある。

【0109】

この場合、アルミニウムと補助材との間に他の伝熱材（例えば、融解温度３７０℃の鉛）を、分離表面と熱交換器表面に対して挿入することにより、溶融塩が５９０℃を超える温度に達することなく、本装置を制御することができる。
熱電対が鉛の温度を測定し、その値に応じて回収交換器（ＳＥ）の回収熱量が制御され、過熱された融解鉛の温度が補助材の最高許容値を超えることを防ぐ。

【0110】

上記装置の構成の変形例は、回収交換器（ＳＥ）を補助材又は第２の伝熱材と接触させるものである。

【0111】

相変化材は（伝熱材および補助材ともに）、排ガスの最高温度で技術的問題（沸点を超えない、腐食、摩耗など）に陥らないよう、最適に選択される。

【0112】

熱交換器のサイズを決定する際、熱媒流体の最小速度を定めることが必要である。
ガス（空気、ＣＯ_２、蒸気など）の場合、最低速度はゼロもありえる一方、液体（熱水又は過熱水、透熱性油、溶融塩、融解金属（例えばナトリウム）、鉛又は他の低融点金属又は低融点合金（例えば鉛−錫、鉛−ビスマス、錫−ビスマスその他の共晶合金））の場合、異なる圧力での液体の沸点及び臨界機能（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）状態を考慮することが必要である。
溶融塩、融解金属又は融解合金の場合、腐食及びその他の問題が生じる温度にならないようにする必要がある。
透熱性油の場合、安全性及び最高温度の上限に課題がある。
過熱水の場合、局所的な蒸発及び臨界機能状態を防ぐため、異なる圧力に対し最低機能速度を確定する必要がある。

【0113】

従って、本発明における様々な変形例で構成の特徴、材料及びプラント設計を選択するための指針となる主たる技術的要素や様々な要素の機能が記載されている。

【0114】

各セクションを構成する要素は、最も複雑な構成で、第１の伝熱材（ＰＣＭ_ｄ，_１）が挿入されているコンテナ／熱交換器（ＣＳ）と、場合によっては、内部交換器（ＳＩ）にある他の伝熱材（ＰＣＭ_ｄ，_２）と、場合によっては、内部交換器（ＳＩ）にある補助材（ＰＣＭ_ｈ）と、分配回路（Ｄ_ｓｅｃ）および流量が可変なポンプ若しくは送風機（ＰＯ_ｖｒ又はＶＥ_ｖｒ）に接続されている送り配管および戻り配管を備えた回収熱交換器（ＳＥ）である。
本発明に係る装置（ＴＥＴ）は、供給網（Ｄ_ａｐｐ）によって、外部ユーザー装置に並列に接続された異なるセクション（ＳＥＣ_ｎ）の組合せからなり、共通の熱媒流体（ＦＴ）は交換器及び供給網の中を流れる。

【0115】

熱流が通過する要素は、コンテナ／交換器（ＣＳ）、内部交換器（ＳＩ）及び回収交換器（ＳＥ）であり、エネルギーを蓄積及び／又は放出する要素は、伝熱材（ＰＣＭ_ｄ）、補助材（ＰＣＭ_ｈ）であり、熱流に含まれる熱を回収する要素は熱媒流体（ＦＴ）である。

【0116】

個々のセクションを制御する要素は、そのポンプ（ＰＯ_ｖｒ）又は送風機（ＶＥ_ｖｒ）である。当該装置（ＴＥＴ）の制御は、それらのセクションのポンプ又は送風機を、相補的にそして連動させて、全体的に制御する機能である。
排ガス（ＯＧ）は、全熱エネルギーを放出し、それは外部ユーザー装置に対し、熱量として回収時点から時間経過して放出される。
本装置はまた、様々な分布の排ガスの温度を調整する。

【0117】

本発明（ＴＥＴ）は、電気回路の類推によれば、「整流回路のあとのコンデンサ」のように機能するものであり、この場合コンデンサーは、熱容量を有する相変化材である。
従って、本装置は、「熱整流機」もしくは「熱ピストンを有するヒートポンプ」と称することができる。ここで、「ポンプ」とは、熱流を輸送する機能を言い、熱ピストンは、各セクション（ピストン）の融解境界が交互に入れ替わることを言う。

【0118】

本新しい装置の性能の計算式について、以下説明する。

【0119】

本発明の主要な機能は、回収（Ｆｎ_ｅｓ）であり、高温度の排ガスの平均熱量（Φ_{ｏｇ、ｍｅｄ}）に対する回収された平均熱量（Φ_{ｅｓ、ｍｅｄ}）の比率により表される。
その他の条件を同じにして、オフガスとＰＣＭ_ｄ，１の融解温度の平均値の差が大きければ大きいほど、熱エネルギー回収の熱量が大きくなる。逆にいえば、熱力学第２法則がその下位にある。

【0120】

本発明の他の機能は、排ガス（常に温度が変動する流れ）を緩和する能力であり、最高温度（ｔ_{ｏｇ，ｍａｘ}）を下げ、最低気温（ｔ_{ｏｇ，ｍｉｎ}）を上げ、最大及び最低気温（Δｔ_ｏｇ）の差を減少させる能力であると理解でき、温度の変動（ＶＡＲ_ｔ）と標準偏差（ＤＳ_ｔ）および熱流のそれ（ＶＡＲ_Φ、ＤＳ_Φ）が低減する。

【0121】

緩和機能の効率は以下の公式により表される。
Ｅｆ_ｍｏ＝１−（ＶＡＲ_{ｔ，ｏｕｔ}／ＶＡＲ_ｔ，ｉｎ）≦１

【0122】

図１は、装置１とその機能を示す図である。本装置１は、排ガス２に接触もしくは浸漬し、そこからの熱流を、外部ユーザー装置３に輸送するものであり、工場において発電や発熱、コージェネレーションで使用する。
さらに、排ガス２との熱流の交換によって、本装置１の下流側の排ガス２自体の温度や熱量の変動が減少する。
排ガス２の温度変化が低減するのは、伝熱材７の温度より排ガス２の温度が高いとき、高温の排ガス２から熱流を引き抜き、そして、熱条件が逆の場合は、供給することによる。
装置１は、２つまたはそれ以上のセクション４からなり、各セクション４は１つまたはそれ以上の熱交換モジュール５からなる。

【0123】

図２は、熱交換モジュール５の構成とその機能を示す図である。
各熱交換モジュール５は、コンテナ／交換器６からなり、そこには熱伝達率が高い伝熱材７が備えられ、本質的に固相−液相転移する。回収交換器８は、伝熱材７と接し、送り配管と戻り配管９に接続されている。
熱媒流体１０（気体又は液体）は、交換器８及び配管９内を流れる。
コンテナ／交換器６は、排ガス２と入口と出口とで熱流を交換し、加熱および冷却により、伝熱材７に熱流が輸送される。
一般に、排ガス２に与えられた熱流については、排ガス２から回収され伝熱材７に供給されることが多い。それは排ガス２の平均温度は、伝熱材７の相転移温度よりも高いためである。
必ずという訳ではないが、場合により、熱交換モジュール５は、補助材１１として公知の他の相変化材と統合され、それは第１の伝熱材７に浸漬され、内部交換器１２と呼ばれる分離面によって分離される。
補助材１１は、伝熱材７の相転移温度より通常低い相転移温度を有する。補助材１１は入口と出口でエネルギー流を伝熱材７と交換し、熱交換モジュール５全体の潜熱に寄与し、伝熱材７と比較して相対的に費用が安くかつ重量が軽い。
熱交換モジュール５は、熱エネルギーを蓄積するものであり、排ガス２からの熱流に対して時間的に遅らせて制御する熱流により、熱エネルギーを回収するものである。

【0124】

図３は、装置１の各セクション４の構成とその機能を示す図である。
セクション４は、図２に記載のように、少なくとも一つの熱交換モジュール５（一般に複数）からなる。
セクション４は、セクション４の全ての熱交換モジュール５の送り配管および戻り配管を、全て連結する１つの分配網１３（送りと戻り）と、熱媒流体１０が液体の場合は可変流量ポンプ１４により、熱媒流体１０が気体の場合は可変流量送風機１５により、特徴付けられる。
全ての送りおよび戻り配管９とポンプ１４または送風機１５との接続形式は、偏り無く同等に、直列、若しくは並列、若しくは組み合わせたグループ構成である。
ポンプ１４又は送風機１５への流量を切り替えるには、ミキサー又はダイバーター弁を使用できる。
熱媒流体１０の流量を変化させることにより、伝熱材７及び補助材１１の熱物理状態を設定することが可能である。

【0125】

図４は、本発明１の装置と機能的な方法の供給回路の図を示し、図３に記載の２つ以上のセクション４からなる。
本装置１は、個々のセクション４に接続されている送り配管１３と戻り配管９の並列接続と、外部ユーザー装置３に接続されている送りおよび戻り配管１７への並列接続により、特徴付けられている。
本方法は、ローディング又はアンローディングフェーズに関し、各セクション４を独立に制御し（例えば、セクション４のいくつか、若しくは全部について、異なっていたり、共通であったりする、）、ポンプ１４または送風機１５の流量に作用してエネルギー流を回収する。
各セクション４により回収されるエネルギー流は、供給回路１７から並列１６に送られて、まとめられて外部ユーザー装置３へ供給される。
本装置１は、各区域４により回収されるエネルギー流を相補的に制御でき、伝熱材７と、場合により補助材１１の異なった熱物理状態を確定できる。
高温の排ガス２の特性が同じで、装置１の構成が同じなら、排ガス２の平均温度と伝熱材７の融解温度の差が大きくなればなるほど、回収機能が高くなり、緩和機能は小さくなる。逆もまた同様で、融解温度が排ガス２の平均温度に近づけば近づくほど、回収機能は低くなり、緩和機能は高くなる。

【0126】

図５は、排ガス２に対して並列に置かれる２つのセクション４からなる本発明１を例として図示する。（排ガス２の熱交換条件は同じ。）

【0127】

図６は、直列に置かれる２つのセクション４からなる本発明１を例として図示する。（排ガス２の熱力学的条件が異なるが故、熱交換条件も異なる。）
更なる変形例として、熱伝材７は異なってもよい。特に、第１のセクションから出る排ガス２の平均温度に関連させて、伝熱材７は、熱エネルギーをさらに回収するように低い転移温度のものを採用する。

【0128】

図７は、２つのセクション４（ＳＥＣ１及びＳＥＣ２）を有する装置１が機能する方法を例として図示する。
説明を簡潔にするために、セクション１及び２は、排ガス２に対して並列に置かれ、フェーズａ及びフェーズｂと呼ぶ２つのフェーズが、互いに時間的に連続して続く。
フェーズａでは、セクション１において、熱媒流体１０の流量を減少させるかゼロとすることにより、エネルギー流の回収は、排ガス２から導入されるエネルギー流より小さいか、ゼロとなり、その結果正の熱バランス（ΔΦ＞０）を確定し、伝熱材７の融解を進行させる。このフェーズは、「ローディング」フェーズと呼ばれる。
同時に、セクション２では、反対の機能を強制され、排ガス２によって放たれる熱流より大きい熱流を伝熱材７から回収し、凝固が進行し（ΔΦ＜０）、「アンローディング」フェーズと呼ばれる。
２つのセクション４の２つの供給回路１３の熱媒流体１０は、外部ユーザー装置３に供給するために、並列１６に置かれる。
フェーズｂにおいて、ポンプ１４（又は送風機１５）に作用することによって、２つのセクション４の熱流の値を逆転し、反対かつ相補的な挙動を示すことになる。
このようにして、時間とともに伝熱材７の融解と凝固とを交互に行うことが可能であり、その温度を一定（完全又は部分的転移サイクル）又は、規定された範囲内（過剰転移サイクル）に保つ。
相補性の特性は、全体的に一定な熱量を得るため、或いは如何なる制御をするも、熱交換器を設計し、調整するのに、非常に役立つ。

【0129】

図８は、３つのセクション４からなる装置１を示し、ここでは２つのセクションは図７に図示、記載されたものと逆の機能のフェーズにある。
第３のセクション（ＳＥＣ３）は、予備的な熱エネルギーを構成するものであり、ユーザー装置に対して最適となるよう、熱エネルギー流の追加回収を調整できるようにする。
２つのセクション４（ＳＥＣ１及びＳＥＣ２）は、融解又は凝固面が同調するローディング−アンローディングサイクルによって、逆のフェーズで機能し、一方、第３のセクション（ＳＥＣ３）では、回収する熱流に依存して、融解−凝固面が２方向に変わる（微調整）。

【0130】

図９は、断続的な熱流を有する排ガス２に対して並列に置かれた、例えば３つの同一のセクション４からなる装置１に関した例であり、前記装置のエネルギー流の制御を示す。
例えば、ＬＤ転炉（Ｌｉｎｚ―Ｄｏｎａｗｉｔｚ）で製鋼する場合は、高温の排ガス２の生成段階が約２０分に限られ、排ガス２がない段階が約４０分という、周期的かつ間欠的なプロセスがある。
セクション１において、ローディングフェーズとアンローディングフェーズとのバランス状態を仮定する。
排ガス２が存在するときに、他の２つのセクションはロードされ、そしてその後、残りの４０分は、順にアンロードされることになり、その間セクション１は作動しない。
このようにして、時間全体で３つのセクションのアンロードが配分されることとなり、全般的に一定な熱流の回収が確定し、外部ユーザー４装置３に送られる。
液体の伝熱材７の場合、技術的問題を避けるため、有利には、流量１０の最小値を維持する。

【0131】

図１０は、周期的かつ断続的なプロセスが発生する火葬施設を示す。処理は所用時間６０―１２０分であるが、中断は日単位や週単位となる。
火葬施設は、放熱のプロセスがあり、約４０Ｎｍ^３（Ｎｍｃ）のメタン／火葬の熱量が必要である。その火力は１ＭＷである。
図１１は、排ガス２の方向に対して、後燃焼室の下流で、放熱器の上流に、新しい装置１を挿入していることを示す。

【0132】

図１１は、燃焼用の空気を高温に予熱するための新しい装置１を備えた火葬施設のブロックダイヤグラムを示す。この場合、回路が開いており、それ故、戻り配管又は流路がないことに着目する。
装置１は２０℃（１０ａ）から約４００℃（１０ｂ）まで、空気（熱媒流体１０）を予熱するために用いる。

【0133】

セクション４及びそれに対応する熱交換モジュール５を有する装置１は、熱物理特性が既知のアルミニウムを相変化材７として採用する。
本装置１は、温度８５０℃以上（約９００℃）かつ流量約１０００Ｎｍ^３／ｈである排ガス２から、温度２０℃（１０ａ）で送風機１５により本装置に導入される熱媒流体１０である空気流に、熱流を輸送する。
総流量約５００Ｎｍ^３／ｈの燃焼用空気は、以下に考えられる３つの用途で、温度約４００℃まで加熱される（１０ｂ）。その用途とは、放出される煙を過熱し、蒸気の「柱」を除去し、同時に次の交換器で放散される熱量を減少させるため煙突への導入（１０ｃ）；例えば隣接する部屋を暖めるといった内部で使用するための回収（１０ｄ）；一次空気と二次の空気の温度を入れ換えるため、回収区域と異なる工場区域への再導入（１０ｅ）である。
棺の下部の燃焼を加速し、火葬サイクルの時間を縮めるため、４００℃の空気が木の棺の下１０ｅ１（自己発火温度が３００℃未満）に導入される。
また別の場合、発熱しない工程（特に、日または週単位で始動するときの予熱工程や、骨の仮焼の際）において、バーナーのメタン消費を約２０％減少させるために、予熱された空気を、燃焼室及び後燃焼室（１０ｅ２，１０ｅ３及び１０ｅ４）に導入しても良い。

【0134】

図１２は、排ガス２に浸漬される２つのセクション４ａ及び４ｂからなる装置１の平面構成図を示し、各セクション４は８つの熱交換モジュール５からなる。
２台の流量可変の送風機１５が図示されており、２つのセクション４、供給及び戻り流路１３に連結し、供給流路１３により入口１０ａで２０℃かつ出口１０ｂで４００℃となる、熱媒流体としての周囲空気に繋がっている。２つのセクションから来る空気は、並列１６に接続され、流路１７によって外部ユーザー装置３に送られる。
熱媒流体は、総流量約５００Ｎｍ^３／ｈの空気１０からなる。
個々のセクションの熱物理状態を変えない空気の速度は、約８ｍ／ｓ（バランス速度）である。

【0135】

既に記載したように、二つのフェーズ（フェーズａ及びフェーズｂ）がある。フェーズａにおいて、第１のセクション４に導入される空気の速度は１４ｍ／ｓ以上の値で、伝熱材７（アルミニウム）の凝固を進行（アンローディングフェーズ）させる。第２のセクション４では、設定される速度は４ｍ／ｓ未満であり、伝熱材７の融解を進行（ローディングフェーズ）する。
２つのセクション４で、速度の値を交互に入れ換えることにより、全熱媒流体１０の熱力学的条件をほぼ固定値（４００℃、５００Ｎｍ^３／ｈ）に維持することができ、また、一定温度で熱エネルギーを貯蔵する（相転移状態のアルミニウム）。
アルミニウムは、最高温度７００℃（融解温度より約７０℃高い）となり、そして最低温度５００℃（すなわち凝固温度より１３０℃低い）となる。
本装置に入る排ガス２の温度は、９００℃（２ａ）であり、本装置から出て行く排ガス２は温度７２０℃（２ｂ）である。
排ガス２から取り出され、燃焼用空気１０に与える火力は７３ｋＷである。
本装置１で使用されるアルミニウムの質量は、体積０．０８３ｍ^３あたり約２２４ｋｇであり、それは２つのセクション４と全１６台の熱交換モジュール５で分けられる。
各セクション４は、１３１，８６０ＫＪ（熱媒流体１０の速度によって変化）の熱エネルギー交換を伴う、３０分の「ローディング」及び「アンローディング」フェーズによって特徴付けられる。
外殻の総表面は６．７０ｍ^２である。

【0136】

図１３は、排ガス２に浸される各熱交換モジュール５を例示して表し、構造上の構成を示す。それは外径１００ｍｍ、例えば市販の厚み６ｍｍの金属シリンダから成り、コンテナ／交換器６を構成する。
伝熱材７がアルミニウムの場合、使用可能な交換器の高さは１ｍであり、コンテナ／交換器６の外殻の表面は０．３１４ｍ^２である。
コンテナ／交換器６内部でアルミニウムに浸漬された状態で、２つの流路が、この場合直角に挿入されており、これは、例えば厚さ２ｍｍの熱交換器８を規定する。

【0137】

好ましい変形例によれば、熱交換器８は、例えば、直径約３０ｍｍの円形断面を備えた４つの流路により確定できる。

【0138】

流路は熱交換モジュール５の外側に延長し、送り配管及び戻り配管９を構成する。
流路内部で、空気１０は０から１４ｍ／ｓまでの可変な速度で送られる。
「熱橋」により局所的に融解が始まるのを防ぐために、配管の基部は、公知のタイプの断熱ディスク１８により断熱される。
空間１９が、シリンダの上部に残され、アルミニウムの体積膨張を許容し、さらに安全を見込んで追加の「マージン」を持たせる。
上部は真空にされるか、あるいは大気圧よりわずかに高い初期圧力で不活性ガス２０（例えばＣＯ_２）で満たされる。

【0139】

図１４は高温の排ガスがない場合のアルミニウムの温度の低下を表すグラフを示す。
この低下は「ニュートンの冷却」としても知られている。
一般に、火葬場の炉は、１日８―１２時間稼働し、週末（土曜日及び日曜日）又は日曜日のみ停止（週に６日稼動）するというように断続的に稼働する。
夜の停止は１２時間、日曜日の停止は３６時間であり、最も長い停止（土曜日と日曜日）は６０時間となる。
最初の温度として、固体状態のアルミニウムにとって、最も好ましく無い温度６３０℃の場合を考察する。
１２時間後にアルミニウムの温度は５５０℃より高く、３６時間後に４９０℃に達し、そして６０時間後も４００℃（木材の自己発火温度より非常に高い）より高い。
３つの全ケースにおいて、起動を加速して、メタンの消費を減少させるために、装置１を使用して、燃焼用空気１０ｂを予熱することが可能である。
機能的な変形例として、稼働時間の終わりにおいて、アルミニウムは、図１４に示されるグラフほどは急峻でない冷却過程の融解状態にある。

【0140】

図１５は、典型的なアーク炉（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ）２１を使用した鋼の生産プロセスのエネルギーバランスを図示し、潜在的な熱の回収が示されている。
図１６はアーク炉２１の沈降チャンバ２２への入口での高温の排ガス２の温度特性をグラフ化したものである。これは、中−高生産の能力がある。

【0141】

時間依存性が、図示されており、平均温度は８００℃であり、１２００℃以上のピークを持つ。本装置の上流では、温度の分散は２０９，３３８であり、標準偏差は４５７．５である。一方、本装置の下流では、分散は４３，３１９であり、標準偏差は２０８である。その最高温度は８６７℃であり、最低気温は４１２℃である。
このような緩和により、装置の下流での熱回収を容易にする。

【0142】

図１７は、本装置の沈降チャンバ２２内への収容を図示する。

【0143】

図１８は、沈降チャンバ２２内部の熱交換モジュール５の配置の平面図を示す。排ガス２が通過する区域は５ｍｘ５ｍである。
これらのモジュールは０．１ｍの距離を置かれ、直径は１０”である。
二酸化炭素が熱媒流体１０として用いられる場合、各セクション４の熱交換モジュール５は、１００台であり、熱交換モジュール５の合計は２００台である。
溶融塩（ＮａＮＯ_３―ＫＮＯ_３又はＫＣｌ―ＭｇＣｌ_２その他）が熱媒流体１０として用いられる場合、各セクション４の熱交換モジュール５は７０台であり、熱交換モジュール５の合計は１４０台である。

【0144】

図１９は、熱媒流体１０としてＣＯ_２を圧力５バールで用いる熱交換モジュール５の構造の特徴について考えられる実施例を、図にて示す。
熱交換器８の配管は直径３”で厚さ４ｍｍである。
二酸化炭素の最高速度は１１．３ｍ／ｓ、入口温度１０ａは３００℃、出口温度１０ｂは５００℃である。
この対策においては、このセクションの回路のロードの損失は相対的に高い。

【0145】

図２０は、熱媒流体１０として工業用溶融塩を使用する熱交換モジュール５の構造の特徴について考えられる実施例を、図により示す。
熱交換器８の配管は直径１”かつ厚さ３ｍｍである。溶融塩の最高速度は０．５ｍ／ｓ、入口温度１０ａは３５０℃、出口温度１０ｂは４５０℃である。

【0146】

図２１は、それぞれ個々の熱交換モジュール５に、二酸化炭素と溶融塩の両方の対策を用い、並列接続したダイアグラムを示す。
図２２は、補助ヒーターを備えた溶融塩の貯蔵タンクと組み合わせた本装置１の使用を示す。

【0147】

この構成は、太陽熱エネルギーで使用する構成と類似する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】