JP6145808B1 - 流体ヒータ - Google Patents

Abstract

流体を加熱する装置は、加熱される流体を保持するためのタンクと、流体と流体連絡する燃料ウェハとを含んでいる、燃料板は、反応物と触媒とを含む燃料混合物、及び燃料層混合物及び触媒と熱的に連絡する電気抵抗又は他の熱源を含んでいる。【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

本願は、内容が参照として本明細書に組み込まれる米国特許出願第６１／９９９、５８２号の２０１４年８月１日の優先日の利益を主張する。

本開示は伝熱システムに関し、特に流体への伝熱装置に関する。

多くの伝熱システムは伝熱媒体として高温流体を使用する。このようなシステムは発熱のための発熱装置と、エネルギ源と熱連絡する伝熱媒体と、加熱された媒体を熱が必要とされるどこにでも移動するためのポンプとを含んでいる。その熱容量の高さ、豊富さにより、通常、伝熱流体は液相と気相の両方の水である。

多様な発熱装置が一般に使用されている。例えば、原子力発電所では、核分裂が水を加熱するエネルギを提供する。太陽エネルギを使用するソーラ式水加熱装置も存在する。しかし、ほとんどの伝熱源は発熱化学反応、特に何らかの燃料の燃焼に依存している。

一側面では、本発明は、流体を加熱する装置であって、前記装置は加熱される流体を保持するためのタンクと、前記流体と流体連絡し、反応物と触媒とを含む燃料混合物を含む燃料ウェハと、前記燃料混合物及び前記触媒と熱的に連絡する点火源とを備えることを特徴とする。該点火源又は熱源は、電気抵抗、又は、天然ガス燃焼などの燃焼に依存する加熱源、又は、誘導加熱に依存する熱源であり得る。

実施形態の一部は、燃料混合物はリチウム及び水素化アルミニウムリチウムを含む実施形態、触媒は粉末形態のニッケルなどの１０族の元素を含む実施形態、又は、その任意の組み合わせである。

他の実施形態では、粉末形態の触媒は、その有孔度を高めるように処理されている。例えば、触媒は、その有孔度を高めるように処理されたニッケル粉末である。装置は、熱源と電気的に連絡した電流源及び／又は電圧源などの電気エネルギ源も含み得る。

他の実施形態には、前記燃料ウェハが、前記熱源を含むそうと熱的に連絡する前記燃料混合物の層を有する多層構造を備える実施形態が含まれる。

更に他の実施形態では、前記燃料ウェハは、中央の加熱インサートと、前記加熱インサートのどちらかの側に配置された一対の燃料インサートとを備える。

多様なタンクを使用し得る。例えば、いくつかの実施形態では、前記タンクは前記燃料ウェハを受容する凹部を備える。これらの実施形態は、前記タンクが前記凹部を密封するためのドアを更に備える実施形態を含む。更に他の実施形態では、前記タンクは放熱シールドを備える。

同様に、実施形態は、前記電圧源と通信するコントローラを更に備える実施形態を含む。それらのうちには、前記コントローラが、前記加熱される流体の温度に応じて前記電圧を変更するように構成される実施形態を含む。

他の側面では、本発明は、流体を加熱するための装置であって、前記装置は前記流体を収容するための手段と、触媒と反応物とを含む燃料混合物を保持するための手段と、前記触媒により媒介されて一連の反応を開始し、発熱反応を引き起こす手段とを備える装置であることを特徴とする。

本発明の他の側面は、熱を発生させるための組成物であって、前記組成物は有孔度が高められたニッケル粉末、リチウム粉末、及びリチウムアルミニウム粉末の混合物を含む組成物である。前記混合物と熱的に連絡する熱源は、ニッケルにより触媒される発熱反応を開始させるために使用され得る。

更に他の側面は、熱の発生に特徴を有する。組成物は、燃料混合物と触媒を含む、触媒は、１０族の元素を含む。

実施形態は、前記触媒がニッケルを含む実施形態を含む。これらの一部は、ニッケルがニッケル粉末の形態である実施形態、及び、ニッケル粉末が、有孔度を高めるように処理されている実施形態である。

本発明の他の側面は、流体を加熱する方法であって、前記方法は、前記流体と熱的に連絡するニッケル粉末、リチウム粉末、及び水素化リチウムアルミニウムの混合物を配置することと、前記混合物を加熱し、それによって前記混合物内の発熱反応を開始することを有する、方法である。

本発明の上記又は他の特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面により明らかになるであろう。

熱源を有する伝熱システムを開示した図である。 図１の熱源の破断図である。 図２の熱源に使用されるウェハの断面図である。 図３のウェハの中央層内の例示的抵抗を示す図である。 従来の炉で動作する図１の熱源を示す図である。 直列接続された図２の熱源のような複数の熱源を示す図である。 並列接続された図２の熱源のような複数の熱源を示す図である。

図１を参照すると、伝熱システム１０は熱源１４と熱負荷１６との間の閉ループで加熱流体を輸送するための管１２を含んでいる。ほとんどの場合、例えば克服すべき流体抵抗が存在する場合は、ポンプ１８が加熱流体を推進させる。しかし、加熱流体が蒸気であるような幾つかの場合は、流体を推進するには流体自体の圧力で十分である。通常の熱負荷１６は、内部空間を加熱するために通常使用されるような放熱器を備えている。

図２に示されているように、熱源１４は、鉛（lead）複合シールドと、両方とも管１２に接続されている入口２２及び出口２４とを有するタンク２０である。タンク２０の内部は加熱される流体を格納している。多くの場合、流体は水である。しかし、他の流体が使用されてもよい。加えて、流体は液相流体である必要はなく、空気などの気相流体でもよい。

タンク２０はさらに、タンク２０内に突起するリセプタクル２８に通じるドア２６を含んでいる。放熱フィン３０がリセプタクル２８の壁からタンク２０内に突起している。伝熱を最大にするため、リセプタクル２８及びフィン３０は通常、金属などの熱伝導率が高い材料製である。適切な金属はステンレス鋼などの腐食しない金属である。

リセプタクル２８は発熱するための多層ウェハ３２を保持している。電圧源３３は前記ウェハ３２と、センサ３７によって検知されたタンク２０内の流体温度に応じて電圧源３３を制御するコントローラ３５とに接続されている。

図３に示されているように、多層燃料ウェハ３２は、２つの燃料部３６、３８の間に挟装された加熱部３４を含んでいる。加熱部３４は抵抗４２を支持するマイカなどの絶縁材料製の中央層４０を特徴的に備えている。例えば天然ガスの燃焼に依存する熱源、ならびに電気誘導に依存する熱源を含む他の熱源が使用されてもよいことに留意されたい。したがって、ガスを使用すると、反応を開始させるために電気エネルギ源を有する必要がなくなる。

図４は、穴４４を有する例示的中央層４０を示し、穴４４を通して抵抗線４２が巻回されている。この抵抗線４２は電圧源３３に接続されている。マイカ層などの第１及び第２の絶縁層４６、４８は隣接する燃料部３６、３８からの電気絶縁を提供するための中央層４０を収容している。

各々の燃料部３６、３８はスチール層などの一対の熱伝導層５０、５２を特徴的に備えている。各々一対の伝導層５０、５２の間に挟まれているのは、すべてが粉末状である、ニッケル、リチウム、及び水素化リチウムアルミニウムリチウムＬｉＡｌＨ４（「ＬＡＨ」）を含む燃料混合物を含む燃料層５４である。好適には、ニッケルは、例えばニッケル粉末の各粒子に内在する微小空洞内に存在する水を過熱するように選択された時間と温度までニッケル粉末を加熱することによってその有孔度を高めるように処理されている。その結果として生じる蒸気圧が爆発を引き起こし、それによってより大きい空洞、ならびに付加的なより小さいニッケル粒子が生じる。

各層の全体は全面が溶接されて密封されたユニットを形成する。ウェハ３２のサイズはその機能にとって重要ではない。しかし、ウェハ３２は厚さが約１／３インチで、各辺が１２インチだと取扱い易い。スチール層５０、５２の厚さは通常１ｍｍであり、保護用のポリマーコーテイングで被覆されたマイカ層４０、４８の厚さは約０．１ｍｍのオーダーである。しかし、他の厚さにしてもよい。

動作時には、電圧源３３によって電圧が印加され、抵抗４２を加熱する。抵抗４２からの熱は次いで伝導によって燃料層５４に伝達され、そこで最後の反応が可逆性である一連の反応を開始する。ニッケル粉末の存在により触媒されるこれらの反応は下記の通りである。
３ＬｉＡｌＨ４→Ｌｉ３ＡｌＨ６＋２ＡＬ＋３Ｈ２
２Ｌｉ３ＡｌＨ６→６ＬｉＨ＋２ＡＬ＋３Ｈ２
２ＬｉＨ＋２Ａｌ→２ＬｉＡｌ＋Ｈ２

いったん一連の反応が開始されれば、一連の反応が自立的に維持されるため電圧源３３はオフにされてもよい。しかし、反応率は一定ではない。したがって、反応を再活性化するために電圧源３３を所定の時間にオンにすることが望ましいことがある。電圧源３３がオンにされるべきかを判定するため、温度センサ３７がコントローラ３５に信号を供給し、そこでコントローラ３５は温度信号に応じて電圧を印加するか否かを判定する。反応が約６キロワット時のエネルギを発生した後、一連の反応を再活性化するために約１キロワット時のエネルギを印加することが望ましいことが判明している。

最終的には、ウェハ３２の効率は、一連の反応を継続的に再活性化するには不経済になるところまで低下する。そこで、ウェハ３２は単に交換されればよい。通常は、ウェハ３２は交換が望ましくなるまで約１８０日の継続動作を持続する。

燃料混合物中の粉末は大部分が、ナノメートルからマイクロメートルの範囲、例えば１ナノメートルから１００マイクロメートルの間の直径を有する球状粒子からなる。反応物と触媒との比率の変化が反応率を左右する傾向があるが、重要ではない。しかし、適切な混合物が５０％のニッケル、２０％のリチウム、及び３０％のＬＡＨの原料混合物を含むことが判明している。この混合物中で、ニッケルは反応の触媒として作用し、それ自体は反応物（reagent）ではない。ニッケルは比較的豊富であるため特に有用であるものの、その機能はプラチナ又はパラジウムなどの周期表の１０族の他の元素によっても果たされ得る。

図５−７は図１の熱源１４への様々な接続方法を示している。

図５では、熱源１４は従来の炉５６の下流側に配置されている。この場合は、コントローラ３５は従来の炉を制御するために任意に接続されている。その結果、従来の炉５６は、炉５６が始動する所定の閾値未満に熱源１４の出力温度が低下しない限りオフ状態に留まる。この構成では、従来の炉５６はバックアップユニットとして機能する。

図６では、図１−４に記載した熱源のような第１及び第２の熱源５８、６０が直列接続されている。この構成は、単一の熱源５８自体だけで得られるよりも高温の出力温度を提供する。温度を更に高めるために、追加の熱源が直列で追加されてもよい。

図７では、図１−４に記載した熱源のような第１及び第２の熱源６２、６４が並列接続されている。この構成では、出力容積は単一の伝熱ユニット自体だけで得られるよりも大きくなる。容積を更に大きくするために追加の伝熱ユニットが並列で追加されてもよい。

一実施形態では、反応物は圧力３−６バール、及び温度４００Ｃから６００Ｃの反応室内に配置される。反応炉の一方の側に陽極が配置され、反応炉の他方の側に陰極が配置される。これは１００ＫｅＶ超の極めて高いエネルギを有するに十分な程度に双方の間で電子を加速する。電子エネルギの調整は陰極と陽極との間の電界の調整によって行うことができる。

本発明、及びその好適な実施形態を記載したが、新規であるとして特許請求し、特許証によって保証されるべき発明は下記の通りである。
（付記）以下、本願に当初より記載の発明を付記する。
＜請求項１＞
流体を加熱する装置であって、前記装置は加熱される流体を保持するためのタンクと、前記流体と流体連絡し、反応物と触媒とを含む燃料混合物を含む燃料ウェハと、前記燃料混合物及び前記触媒と熱的に連絡する点火源とを備え、該点火源は誘導加熱装置と、電気抵抗と、天然ガス燃焼に依存する加熱装置と、燃料の燃焼に依存する加熱装置とからなる群から選択される装置。
＜請求項２＞
前記点火源は電気抵抗を備える請求項１に記載の装置。
＜請求項３＞
前記点火源は誘導加熱装置を備える請求項１に記載の装置。
＜請求項４＞
前記点火源は天然ガスの燃焼から熱を得る請求項１に記載の装置。
＜請求項５＞
前記燃料混合物はリチウム及び水素化アルミニウムリチウムを含む請求項１に記載の装置。
＜請求項６＞
前記触媒はニッケル粉末を含む請求項１に記載の装置。
＜請求項７＞
前記ニッケル粉末は、その有孔度を高めるように処理されている請求項１に記載の装置。
＜請求項８＞
前記触媒は１０族の元素を含む請求項１に記載の装置。
＜請求項９＞
前記点火源と電気的に連絡する電圧源を更に備える請求項１に記載の装置。
＜請求項１０＞
前記点火源と電気的に連絡する電圧源を更に備える請求項２に記載の装置。
＜請求項１１＞
前記燃料ウェハは、前記点火源を含む層と熱的に連絡する前記燃料混合物の層を有する多層構造を備える請求項１に記載の装置。
＜請求項１２＞
前記燃料ウェハは、前記点火源を含む層と熱的に連絡する前記燃料混合物の層を有する多層構造を備える請求項２に記載の装置。
＜請求項１３＞
前記燃料ウェハは、中央の加熱インサートと、前記加熱インサートのどちらかの側に配置された一対の燃料インサートとを備える請求項１に記載の装置。
＜請求項１４＞
前記タンクは前記燃料ウェハを受容する凹部を備える請求項１に記載の装置。
＜請求項１５＞
前記タンクは前記凹部を密封するためのドアを更に備える請求項１４に記載の装置。
＜請求項１６＞
前記タンクは放熱シールドを備える請求項１に記載の装置。
＜請求項１７＞
前記電圧源と通信するコントローラを更に備える請求項９に記載の装置。
＜請求項１８＞
前記コントローラは、前記加熱される流体の温度に応じて前記電圧を変更するように構成される請求項１７に記載の装置。
＜請求項１９＞
前記タンクは加熱される流体を保持するように構成され、前記燃料ウェハは前記流体と熱的に連絡するように構成され、前記抵抗は電圧源と結合されるように構成され、前記装置は更に前記電圧源と通信するコントローラと、温度センサとを備え、前記燃料混合物はリチウム、及び水素化アルミニウムリチウムを含み、前記触媒は１０族の元素を含み、前記コントローラは前記温度センサからの温度を監視し、少なくとも部分的に前記温度に基づいて前記燃料混合物内の反応を再活性化するように構成され、前記反応の再活性化は前記電圧源の電圧の変更を含む、請求項２に記載の装置。
＜請求項２０＞
前記触媒はニッケル粉末を含む請求項１９に記載の装置。
＜請求項２１＞
前記ニッケル粉末はその有孔度を高めるように処理されている請求項２０に記載の装置。
＜請求項２２＞
前記燃料ウェハは、前記電気抵抗を含む層と熱的に連絡する前記燃料混合物の層を有する多層構造を備える請求項１９に記載の装置。
＜請求項２３＞
前記燃料ウェハは、中央の加熱インサートと、前記加熱インサートのどちらかの側に配置された一対の燃料インサートとを備える請求項１９に記載の装置。
＜請求項２４＞
前記タンクは前記燃料ウェハを受ける凹部を備える請求項１９に記載の装置。
＜請求項２５＞
前記タンクは前記凹部を密封するためのドアを更に備える請求項２４に記載の装置。
＜請求項２６＞
前記タンクは放熱シールドを備える請求項１９に記載の装置。
＜請求項２７＞
前記燃料混合物内の前記反応は少なくとも部分的に可逆性である請求項１９に記載の装置。
＜請求項２８＞
前記反応は、水素化リチウムとアルミニウムを反応させて水素ガスを産生することを含む請求項２７に記載の装置。
＜請求項２９＞
流体を加熱するための装置であって、前記装置は前記流体を収容するための手段と、触媒と反応物とを含む燃料混合物を保持するための手段と、前記触媒により媒介されて一連の反応を開始し、発熱反応を引き起こす手段とを備える装置。
＜請求項３０＞
１０族の元素と反応物とを含む前記触媒はリチウム、及び水素化アルミニウムリチウムを含み、前記装置は更に前記一連の反応を周期的に再活性化する手段を備える請求項２９に記載の装置。
＜請求項３１＞
熱を発生させるための組成物であって、前記組成物は有孔度が高められたニッケル粉末、リチウム粉末、及びリチウムアルミニウム粉末の混合物を含む組成物。
＜請求項３２＞
発熱するための組成物であって、前記組成物は燃料混合物及び触媒を含み、前記触媒は１０族の元素を含む組成物。
＜請求項３３＞
前記触媒はニッケルを含む請求項３２に記載の組成物。
＜請求項３４＞
前記触媒はニッケル粉末を含む請求項３２に記載の組成物。
＜請求項３５＞
前記ニッケル粉末はその有孔度を高めるように処理されている請求項３４に記載の組成物。
＜請求項３６＞
流体を加熱する方法であって、前記方法は、前記流体と熱的に連絡するニッケル粉末、リチウム粉末、及び水素化リチウムアルミニウムの混合物を配置することと、前記混合物を加熱し、それによって前記混合物内の発熱反応を開始することを有する、方法。

１０ 伝熱システム
１２ 管
１４、５８、６０、６２、６４ 熱源
１６ 熱負荷
１８ ポンプ
２０ タンク
２２ 入口
２４ 出口
２６ ドア
２８ リセプタクル
３０ フィン
３２ 多層ウェハ
３３ 電圧源
３４ 加熱部
３５ コントローラ
３６、３８ 燃料部
３７ センサ
４０ 中央層
４２ 抵抗
４４ 穴
４６、４８ 絶縁層
５０、５２ 熱伝導層
５４ 燃料層
５６ 炉

Claims (10)

1. 流体を加熱する装置であって、前記装置は加熱される流体を保持するためのタンクと、前記流体と流体連絡し、反応物と触媒とを含む燃料混合物を含む燃料ウェハと、前記燃料混合物及び前記触媒と熱的に連絡する点火源とを備え、該点火源は、誘導加熱装置と、電気抵抗と、天然ガス燃焼に依存する加熱装置と、燃料の燃焼に依存する加熱装置とからなる群から選択され、
   前記点火源は電気抵抗を備え、
   前記タンクは加熱される流体を保持するように構成され、前記燃料ウェハは前記流体と熱的に連絡するように構成され、前記抵抗は電圧源と結合されるように構成され、前記装置は更に前記電圧源と通信するコントローラと、温度センサとを備え、前記燃料混合物はリチウムと水素化アルミニウムリチウムを含み、前記触媒は１０族の元素を含み、前記コントローラは前記温度センサからの温度を監視し、少なくとも部分的に前記温度に基づいて前記燃料混合物内の反応を再活性化するように構成され、前記反応の再活性化は前記電圧源の電圧を変更することを含むことを特徴とする装置。
2. 前記触媒はニッケル粉末を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記ニッケル粉末はその有孔度を高めるように処理されている請求項２に記載の装置。
4. 前記燃料ウェハは、前記電気抵抗を含む層と熱的に連絡する前記燃料混合物の層を有する多層構造を備える請求項１に記載の装置。
5. 前記燃料ウェハは、中央の加熱インサートと、前記加熱インサートのどちらかの側に配置された一対の燃料インサートとを備える請求項１に記載の装置。
6. 前記タンクは前記燃料ウェハを受ける凹部を備える請求項１に記載の装置。
7. 前記タンクは前記凹部を密封するためのドアを更に備える請求項６に記載の装置。
8. 前記タンクは放熱シールドを備える請求項１に記載の装置。
9. 前記燃料混合物内の前記反応は少なくとも部分的に可逆性である請求項１に記載の装置。
10. 前記反応は、水素化リチウムとアルミニウムを反応させて水素ガスを産生することを含む請求項９に記載の装置。
    

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