(57)【要約】  熱交換器（１２０、２００）は、作動流体を搬送するように構成された少なくとも１つの導管（１２４、２０４ａ−２０４ｎ）を含む。当該熱交換器はまた、上記少なくとも１つの導管に近接した複数のチャンバ（１２２、２０６ａ−２０６ｎ、２０８ａ−２０８ｎ）を含み、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成される。上記少なくとも１つの導管と上記複数のチャンバとが、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達のために熱的に結合される。各チャンバの１つの壁が、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層（２１０）で形成される。
2019528421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を搬送するように構成された少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管に近接した１つ以上のチャンバであり、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成されている、１つ以上のチャンバと
を有し、
前記少なくとも１つの導管と前記１つ以上のチャンバとが、前記作動流体と各チャンバ内の前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達のために熱的に結合され、且つ
各チャンバの１つの壁が、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して各チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成されている、
熱交換器。
【請求項２】
前記１つ以上のチャンバは、第１列の隣接するチャンバと、第２列の隣接するチャンバとを有し、且つ
前記コンプライアント層は、前記第１列と前記第２列との間に配置されている、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記ＰＣＭは、凍結時に膨張する材料を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記ＰＣＭは氷／水を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記コンプライアント層は、中実のエラストマー材料の層を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記コンプライアント層は、互いに離間された２つ以上の金属フォイル層を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの導管は、各導管が対応するチャンバに近接して配置された複数の導管を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記１つ以上のチャンバは、一列の隣接するチャンバを有し、当該熱交換器は更に、
各フィンが前記隣接するチャンバのうちの２つの間に壁を形成する複数の金属フィンであり、前記作動流体と前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達を促進するように構成された複数の金属フィン、
を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの導管と、前記チャンバと、前記コンプライアント層と、前記金属フィンとが一緒になって１つの熱交換器層を形成し、当該熱交換器は、２つ以上の実質的に同じ熱交換器層を有する、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
少なくとも１つの熱源と、
少なくとも１つのヒートシンクと、
前記少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを受け取って前記少なくとも１つのヒートシンクに熱エネルギーを与えるように構成された熱交換器と
を有し、
前記熱交換器は、
作動流体を搬送するように構成された少なくとも１つの導管と、
前記少なくとも１つの導管に近接した１つ以上のチャンバであり、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成されている、１つ以上のチャンバと
を有し、
前記少なくとも１つの導管と前記１つ以上のチャンバとが、前記作動流体と各チャンバ内の前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達のために熱的に結合され、且つ
各チャンバの１つの壁が、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して各チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成されている、
システム。
【請求項１１】
前記１つ以上のチャンバは、第１列の隣接するチャンバと、第２列の隣接するチャンバとを有し、且つ
前記コンプライアント層は、前記第１列と前記第２列との間に配置されている、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＰＣＭは氷／水を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コンプライアント層は、中実のエラストマー材料の層を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コンプライアント層は、互いに離間された２つ以上の金属フォイル層を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの導管は、各導管が対応するチャンバに近接して配置された複数の導管を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記１つ以上のチャンバは、一列の隣接するチャンバを有し、当該熱交換器は更に、
各フィンが前記隣接するチャンバのうちの２つの間に壁を形成する複数の金属フィンであり、前記作動流体と前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達を促進するように構成された複数の金属フィン、
を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの導管と、前記チャンバと、前記コンプライアント層と、前記金属フィンとが一緒になって１つの熱交換器層を形成し、当該熱交換器は、２つ以上の実質的に同じ熱交換器層を有する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
当該システムは、陸上、海上、空中、又は宇宙の乗り物内に配置される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
熱交換器内の少なくとも１つの導管を通して作動流体を移動させることと、
相変化材料（ＰＣＭ）から前記作動流体に熱エネルギーを伝達させることであり、前記ＰＣＭは、前記少なくとも１つの導管に近接し且つ前記少なくとも１つの導管に熱的に結合された１つ以上のチャンバの各々内に配置され、前記ＰＣＭは、凍結時に膨張するように構成されている、伝達させることと
を有し、
各チャンバの１つの壁が、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して各チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成されている、
方法。
【請求項２０】
前記コンプライアント層は、
中実のエラストマー材料の層、又は
互いに離間された２つ以上の金属フォイル層
のうちの一方を有する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して蓄熱式熱交換器に向けられる。より具体的には、本開示は、相変化材料として氷／水を使用する蓄熱式熱交換器構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、１つの箇所から別の箇所に熱エネルギー（しばしば、単に“熱”と呼ばれる）を移動させなければならないシステムにおいて多種多様な用途を有する。同様に、過剰な熱エネルギーを一時的に貯蔵し、後にそのエネルギーを放出するために、熱エネルギー貯蔵式（thermal  energy  storage；ＴＥＳ）熱交換器が広く使用されている。これは、熱的な“負荷平準化”（負荷サイクル平均化）という利益を有し、消散されなければならない熱負荷を低減させる。多くのＴＥＳ熱交換器では、例えばパラフィンなどの相変化材料（phase  change  material；ＰＣＭ）が、その安定性及び高い蓄熱能力のために、熱交換器内の蓄熱材料として使用されている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、例えば氷／水などの凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を使用する蓄熱式熱交換器構造を用いたシステム及び方法を提供する。
【０００４】
第１の実施形態において、熱交換器は、作動流体を搬送するように構成された少なくとも１つの導管を含む。当該熱交換器はまた、上記少なくとも１つの導管に近接した１つ以上のチャンバを含み、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成される。上記少なくとも１つの導管と上記１つ以上のチャンバとが、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達のために熱的に結合される。各チャンバの１つの壁が、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成される。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、少なくとも１つの熱源と、少なくとも１つのヒートシンクと、上記少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを受け取って上記少なくとも１つのヒートシンクに熱エネルギーを与えるように構成された熱交換器とを含む。熱交換器は、作動流体を搬送するように構成された少なくとも１つの導管を含む。熱交換器はまた、上記少なくとも１つの導管に近接した１つ以上のチャンバを含み、各チャンバが、凍結時に膨張するＰＣＭを収容するように構成される。上記少なくとも１つの導管と上記１つ以上のチャンバとが、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達のために熱的に結合される。各チャンバの１つの壁が、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成される。
【０００６】
第３の実施形態において、方法は、熱交換器内の少なくとも１つの導管を通して作動流体を移動させることを含む。当該方法はまた、ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーを伝達させることを含み、ＰＣＭは、上記少なくとも１つの導管に近接し且つ上記少なくとも１つの導管に熱的に結合された１つ以上のチャンバの各々内に配置され、ＰＣＭは、凍結時に膨張するように構成されている。各チャンバの１つの壁が、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成されている。
【０００７】
その他の技術的特徴が、以下の図面、説明、及び請求項から、当業者には容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
より完全なる本開示の理解のため、ここでは、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。
【図１】本開示に従った相変化材料（ＰＣＭ）熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステムの一例を示している。
【図２】本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を例示している。
【図３】コンプライアント層が変形された状態にある図２のＰＣＭ熱交換器を例示している。
【図４】本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を使用する方法の一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明される図１−４、及び本特許文献にて本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単に例示によるものであり、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきでない。当業者が理解するように、本開示の原理は、あらゆる種類の好適に構成された装置又はシステムにて実装され得る。
【００１０】
既存の蓄熱式熱交換器は、一般的に、潜熱貯蔵材料として様々なパラフィンを使用している。パラフィンワックスは、高い融解エンタルピー（２００−２８０ｋＪ／ｋｇ）を有し、安定であり、化学的に無害であり、そして、反復可能な溶融及び凝固挙動を示すが、それらの低い熱伝導率（０．１−０．４Ｗ／ｍＫ）に起因して、ＰＣＭへの及びからの熱伝達を可能にするためにＰＣＭ熱交換器内に大量の熱拡散構造が必要とされる。パラフィンはまた、比較的低い密度（７００−９００ｋｇ／ｍ３）を有し、故に、他の既知の有機ＰＣＭ及び無機ＰＣＭよりも大きい体積の材料を必要とする。一般に、高発熱量（＞３０ｋＷ）のパラフィン系ＰＣＭ熱交換器は、約５０−７０ｋＪ／ｋｇの比エネルギー密度、及び５０−７０ＭＪ／ｍ３の体積エネルギー密度に制限される。これらの数値は、例えば新たに出現している指向性エネルギー用途といった、重量及び体積の割り当てが制約される特定の用途にとって、許容できないほど低いものである。
【００１１】
パラフィンの熱的限界に対処するため、一部の熱交換器システムは、ＰＣＭとして氷／水の使用を提案している。ＰＣＭとして氷／水を使用することの利益は、その好ましい熱物理的特性から生じる。例えば、パラフィンと比較して、氷／水は、高い融解エンタルピー（３３４ｋＪ／ｋｇ）、密度（１０００ｋｇ／ｍ３）、及び熱伝導率（０．６Ｗ／ｍＫ（液体）、２．２Ｗ／ｍＫ（固体））を有する。氷／水はまた、冷蔵を必要とする又は非常に低温のヒートシンク環境へのアクセスを有するシステムにとって特に有利である。しかしながら、氷／水はまた、水が凍結時に膨張するという点で（他の殆どの既知のＰＣＭに対して）独特である。氷／水ＰＣＭ熱交換器は、熱交換器を包囲する熱拡散構造との密接な接触を通じた効果的な熱伝達を維持しながら、この膨張を受け入れるように設計されなければならない。一般的なＰＣＭ（例えばパラフィンなど）で効果的な典型的なプレート／フィンＰＣＭ熱交換器設計は、硬いエンクロージャを特徴としており、エンクロージャの壁が凍結によって破裂することになるため、氷／水ＰＣＭには適していない。
【００１２】
氷／水をＰＣＭとして使用する一部の設計が、（熱交換器ではなく）ヒートシンク用途における可能性を示してきた。しかしながら、それらの設計は、多くの軍事的な指向性エネルギー用途でそうであるように液体の作動流体からの／への高い熱伝達率（例えば、何百キロワット）が必要とされるＴＥＳ  ＰＣＭ熱交換器には適していない。これは、設計された構造、システム構成、及び氷／水ＰＣＭに及びから熱を伝達することに伴う比較的高い伝導的な熱抵抗に起因する。同様に、他の氷／水ＰＣＭ熱交換器構造設計は、氷／水ＰＣＭに対して熱を出入りさせることに伴う高い対流的及び伝導的な熱抵抗を特徴とする。それらの設計は、低速伝達（何十ｋＷ）、比較的低エネルギー（例えば、５ＭＪ）用途では適したものとなり得るが、そのような設計は、指向性エネルギー用途において必要とされ得るものである高速（例えば＞１００ｋＷ）、高エネルギー（例えば、〜２５ＭＪ）では許容可能でない。
【００１３】
これら又はその他の問題に対処するために、本開示の実施形態は、相変化材料（ＰＣＭ）として氷／水を使用しながら、それが凍るときの氷の体積膨張による破裂を被らない熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）熱交換器を提供する。開示される実施形態は、ＰＣＭ  ＴＥＳ熱交換器の比エネルギー密度及び体積エネルギー密度を有意に改善し、それにより、熱エネルギー貯蔵による負荷平準化を採用する熱マネジメントシステム（thermal  management  system；ＴＭＳ）の大きさ及び重量を減少させる。
【００１４】
理解されることには、本開示の実施形態は、ここに記載される特徴のうちのいずれか１つ、２つ以上、又は全てを含み得る。また、本開示の実施形態は、追加的又は代替的に、ここには挙げられない他の特徴を含み得る。
【００１５】
図１は、本開示に従った相変化材料（ＰＣＭ）熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステム１００の一例を示している。図１に示すシステム１００の実施形態は、単に例示のためのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、システム１００の他の実施形態も使用され得る。当業者が認識することには、単純さ及び明瞭さのために、その他の図に関連して示されるものを含めて、一部の機構及びコンポーネントについては全ての図では明示していない。他の図に示されるものを含め、そのような機構は、システム１００に等しく適用可能であることが理解されることになる。理解されることには、図に示される機構は全て、記載される実施形態のいずれで使用されてもよい。或る機構又はコンポーネントの特定の図からの省略は、単純さ及び明瞭さの目的でのことであり、その機構又はコンポーネントがその図に関連して説明される実施形態では使用されることができないといったことを意味する意図はない。
【００１６】
図１に示すように、システム１００は、熱源コンポーネント１１０と、熱交換器１２０と、及びヒートシンクコンポーネント１３０とを含んでいる。熱源コンポーネント１１０は、熱源１１２及び導管１１４を収容する。熱源１１２は使用中に、連続的に又は一気に（短いバーストにて）のいずれかで高レベルの熱エネルギーを発生する。熱源１１２は、以下に限られないが電子部品、レーザ、及びこれらに類するものを含め、多様な熱発生源のうちのいずれであってもよい。熱源１１２は非常に様々とし得るので、熱源１１２の詳細を図示して説明することはしない。同様に、熱源１１２を収容する熱源コンポーネント１１０も非常に様々であり、熱源１１２が置かれる任意の好適構造を表し得る。一部の実施形態において、熱源コンポーネント１１０は、陸上、海上、空中、又は宇宙の乗り物の一区画を表し得る。図１は単純さのために１つの熱源コンポーネント１１０及び１つの熱源１１２を示しているが、一部の実施形態において、複数の熱源コンポーネント１１０及び／又は複数の熱源１１２が存在することができる。
【００１７】
導管１１４は、熱源１１２の近傍で熱源コンポーネント１１０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１１４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介して熱源１１２と熱エネルギーを交換する。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。図１には単一の導管１１４が示されているが、導管１１４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。動作の特定の一状況において、熱源１１２が、熱エネルギーの短いバーストを発生し、導管１１４内の作動流体が、熱源１１２から導管１１４に伝達された熱エネルギーを吸収することによって、熱源１１２を冷却する。動作の別の一状況において、熱源１１２は、アイドルモード又は別の非発熱モードにあることができ、導管１１４内の作動流体は、導管１１４を介して熱源１１２に熱エネルギーを伝え戻すことができる。
【００１８】
（１つ以上の）ヒートシンクコンポーネント１３０は、ヒートシンク１３２及び導管１３４を含んでいる。ヒートシンク１３２は、システム１００からの最終的な熱エネルギーの伝達のためのヒートシンクを表すことができる。一部の実施形態において、ヒートシンク１３２は、大気、大量の水、又は他の好適なヒートシンク媒体（これは、気体、液体、又は二相流体とし得る）とし得る。ヒートシンク１３２は非常に様々とし得るので、ヒートシンク１３２の詳細を図示して説明することはしない。同様に、ヒートシンク１３２を含むヒートシンクコンポーネント１３０も非常に様々であり、ヒートシンク１３２が置かれる任意の好適な場所又は構造を表し得る。図１は単純さのために１つのヒートシンクコンポーネント１３０及び１つのヒートシンク１３２を示しているが、一部の実施形態において、複数のヒートシンクコンポーネント１３０及び／又は複数のヒートシンク１３２が存在することができる。
【００１９】
導管１３４は、ヒートシンク１３２の近傍でヒートシンクコンポーネント１３０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１３４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介してヒートシンク１３２に熱エネルギーを伝達する。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。図１には単一の導管１３４が示されているが、導管１３４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。
【００２０】
熱交換器１２０は、熱エネルギー貯蔵材料として相変化材料（ＰＣＭ）（例えば氷／水など）を使用する熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）ＰＣＭ熱交換器である。熱交換器１２０は、ＰＣＭチャンバ１２２及び導管１２４を含んでいる。熱交換器１２０は、導管１１４、１２４、１３４を含む作動流体ループ１４０を介して、熱源コンポーネント１１０及びヒートシンクコンポーネント１３０と熱的に結合される。すなわち、ループ１４０を通り抜ける作動流体によって、熱源コンポーネント１１０と、熱交換器１２０と、ヒートシンクコンポーネント１３０との間で、熱エネルギーを輸送することができる。
【００２１】
ＰＣＭチャンバ１２２はＰＣＭを保持する。導管１２４は、ＰＣＭチャンバ１２２の近傍で熱交換器１２０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１２４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介してＰＣＭチャンバ１２２と熱エネルギーを交換する。図１には単一のＰＣＭチャンバ１２２が示されているが、大抵のＰＣＭ熱交換器は複数のＰＣＭチャンバを含んでおり、ＰＣＭチャンバ１２２は、熱交換器１２０内の任意の好適数のＰＣＭチャンバを表し得る。同様に、導管１２４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。
【００２２】
動作の一態様において、熱源１１２によって発生された熱エネルギーが、導管１１４内の作動流体に伝達される。作動流体が、その熱エネルギーを、ループ１４０を通じて、熱交換器１２０内の導管１２４まで搬送する。熱交換器１２０内で、その熱エネルギーの少なくとも一部が、導管１２４内の作動流体から対流及び伝導を介してＰＣＭチャンバ１２２内のＰＣＭに伝達される。熱交換器１２０内のＰＣＭは、その熱エネルギーを、反対方向への熱エネルギーの伝達によってそれが導管１２４内の作動流体に戻るように放出されることができるまで貯蔵することができる。そのようなときに、ＰＣＭチャンバ１２２内のＰＣＭから導管１２４内の作動流体に熱エネルギーが伝達される。作動流体は、その熱エネルギーを、ループ１４０を通じて、ヒートシンクコンポーネント１３０内の導管１３４まで運ぶ。ヒートシンクコンポーネント１３０内で、その熱エネルギーの少なくとも一部が、導管１３４内の作動流体からヒートシンク１３２に伝達される。
【００２３】
本開示によれば、熱交換器１２０内のＰＣＭは氷／水である。導管１２４からＰＣＭチャンバ１２２に熱エネルギーが伝達されるとき、ＰＣＭが熱エネルギーを吸収するにつれて、ＰＣＭは氷から水に変化する。同様に、ＰＣＭチャンバ１２２から導管１２４に熱エネルギーが伝え戻されるとき、ＰＣＭは水から氷に変化して熱エネルギーを放出する。熱交換器１２０は、更に詳細に後述するように、凍るときの氷の体積膨張を受け入れるための幾つかの有利な機構を含んでいる。
【００２４】
図１は、ＰＣＭ熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステム１００の一例を示しているが、図１には様々な変更が為され得る。例えば、熱源コンポーネント１１０、熱交換器１２０、及びヒートシンクコンポーネント１３０は、別個であるように示されているが、これは単に図示の明瞭さのためである。一部の実施形態では、コンポーネント１１０、１２０、１３０のうちの２つ以上が互いに接触していてもよく、あるいは、コンポーネント１１０、１２０、１３０のうちの２つ以上が同一構造物の一部であってもよい。また、システム１００の構成及び配置は単に例示のためのものである。他の構成では、具体的なニーズに従って、コンポーネントが追加、省略、結合、又は設置され得る。
【００２５】
図２は、本開示に従ったＰＣＭ熱交換器２００を例示している。ＰＣＭ熱交換器２００は、図１の熱交換器１２０を表し得る（あるいは、それによって表され得る）。図２に示すＰＣＭ熱交換器２００の実施形態は単に例示のためのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＰＣＭ熱交換器２００の他の実施形態も使用され得る。
【００２６】
ＰＣＭ熱交換器２００は、熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）熱交換器であり、標準的なプレート／フィン熱交換器アーキテクチャに基づく。このようなアーキテクチャは、性能対重量比（熱交換器質量１ｋｇ当たりの消散ｋＷ）を最大化することが実証されている。ＰＣＭ熱交換器は、複数の熱交換器層２０２を含む。これらの層２０２は、端部同士で、側部同士で、又はこれらの双方で積み重ね可能であり、エネルギー伝達速度及びエネルギー貯蔵容量の増大のためにＰＣＭ熱交換器２００をモジュール式且つスケーラブルにすることを可能にする。図２はＰＣＭ熱交換器２００内の３つの層２０２を示しているが、他の実施形態において、ＰＣＭ熱交換器２００は３つよりも多い又は少ない層２０２を含み得る。
【００２７】
各層２０２が、１つ以上の作動流体導管２０４ａ−２０４ｎと、複数のＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎと、コンプライアント層（追随性の層）２１０と、複数のフィン２１２とを含んでいる。
【００２８】
作動流体導管２０４ａ−２０４ｎは、熱エネルギーの伝達のためにそれを通って作動流体が流れるチャネルである。作動流体導管２０４ａ−２０４ｎは、互いに隣接して、且つＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎに近接して配置される。図２は、各作動流体導管２０４ａ−２０４ｎの断面のみを示している。すなわち、各作動流体導管２０４ａ−２０４ｎは、少なくとも一部が図２の紙面に対して実質的に垂直である細長い導管である。
【００２９】
作動流体導管２０４ａ−２０４ｎは、並列に配置され、作動流体を入力して出力し、これは、例えば図１のループ１４０などの熱マネジメント作動流体ループの一部である。作動流体導管２０４ａ−２０４ｎは、図１の導管１２４を表し得る（あるいは、それによって表され得る）とともに、同じ又は類似の構造及び動作を有し得る。作動流体導管２０４ａ−２０４ｎの壁は、例えばアルミニウム、チタン、銅、ステンレス鋼、又は、有利な熱伝達特性（例えば、良好な熱伝導率）を有する他の好適材料などの金属とすることができる。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。
【００３０】
ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎは、ＰＣＭ熱交換器２００用のＰＣＭ材料である氷／水で実質的に満たされる閉じた容器（リザーバ）である。図２に示すように、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎは積み重ね可能な列状に配置され、第１列のＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎが、第２列のＰＣＭチャンバ２０８ａ−２０８ｎから、各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの１つの壁を形成するコンプライアント層２１０によって隔てられる。各列のＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎは互いに隣接しており、隣接し合うチャンバは共通の壁を有することができる。各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの壁（コンプライアント層２１０によって形成される壁以外）は、例えばアルミニウム、チタン、銅、ステンレス鋼、又は、有利な熱輸送特性を有する他の好適材料などの金属とすることができる。各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎは概して細長く、図２は各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの断面のみを示している。すなわち、各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの最長寸法は、図２の紙面に対して実質的に垂直である。
【００３１】
コンプライアント層２１０は、２つの列をなすＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎと２０８ａ−２０８ｎとの間に配置され、各チャンバの１つの壁を形成する。コンプライアント層２１０は、熱エネルギー伝達過程中に各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎ内の氷が凍結するときに、その体積膨張を受け入れるように変形可能である。そして、氷が水へと溶けるときに、コンプライアント層２１０はその元の構成（大きさ及び形状）へと戻る。コンプライアント層２１０用の材料は、水（存在すれば）をあまり吸収するべきでなく、また、凝結せずに縮むことができるべきである。一部の実施形態において、コンプライアント層２１０は、例えばゴム、発泡ゴム、ラテックス、又はポリウレタンなどの、中実のエラストマー材料である。他の実施形態において、コンプライアント層２１０は、弾性変形可能な２つの金属フォイル膜又は層を有する。このような金属フォイル膜は、膜が自然にへこむこと（yielding）を防止するように設計され、それにより、氷が水へと溶けるのに従って膜がその元の構成に戻ることが可能にされる。
【００３２】
動作の一態様において、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎ内のＰＣＭ材料は液体状態にある。ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎからの熱エネルギーが、対流及び伝導を介して、隣接する作動流体導管２０４ａ−２０４ｎに伝達される。熱エネルギーがＰＣＭ材料を去るとき、水が氷へと凍結し、そうするにつれて膨張する。氷が形成して膨張するにつれて、コンプライアント層２１０が変形して、膨張する氷のための追加の容積を各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの内部に提供し、それにより、ＰＣＭチャンバ壁の破裂を回避する。図３は、コンプライアント層２１０が変形されたときのコンプライアント層２１０の拡大図を例示している。図３に示すように、コンプライアント層は、各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎ内の陰影領域によって示されるように、各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎおよび２０８ａ−２０８ｎの全容積を拡大するように変形する。コンプライアント層２１０が中実エラストマー材料である場合、コンプライアント層２１０は内側に縮む。コンプライアント層２１０が２つの金属フォイル層である場合、各金属フォイル層がこれらの層の間の隙間の方に変形する。後に、作動流体導管２０４ａ−２０４ｎからＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎに熱エネルギーが伝達されるとき、氷が水へと溶けて体積を減らし、コンプライアント層２１０がその静的形状へと戻る。
【００３３】
フィン２１２は、隣接するＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎのうちの隣接し合うものの間の薄くて平坦な金属壁であり、熱交換器２００内の全体的な熱抵抗を低減させ、それにより、ＰＣＭと作動流体との間でのいっそう速い熱伝達を促進する。フィン２１２の特定の構成はまた、ＰＣＭチャンバ内のコンプライアント層２１０から離れた方の水がコンプライアント層に近い方の水より前に凍結することを確実にすることによって、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの各々内での氷の方向性ある凍結を促進する。これは、コンプライアント層２１０へ方への氷の膨張を確実にし、フィン２１２を変形させる可能性がある横方向凍結を防止する。
【００３４】
図２はＰＣＭ熱交換器２００の一例を示しているが、図２には様々な変更が為され得る。例えば、直方体として示されているが、作動流体導管２０４ａ−２０４ｎ並びにＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎは各々、円筒形であってもよく、あるいは、その他の好適形状を有していてもよい。また、ＰＣＭ熱交換器２００の構成及び配置は単に例示のためのものである。他の構成では、具体的なニーズに従って、コンポーネントが追加、省略、結合、又は設置され得る。例えば、作動流体導管２０４ａ−２０４ｎがＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎと平行に一対一の構成で示されているが、これは単なる一例である。他の実施形態では、作動流体導管２０４ａ−２０４ｎがＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎに対して垂直に向けられてもよく、あるいは、作動流体導管２０４ａ−２０４ｎとＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎとの間での熱エネルギーの伝達を促進するその他の好適構成にされてもよい。また、他の実施形態は、より少ない作動流体導管２０４ａ−２０４ｎと、より多いＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎとを含んでいてもよく、あるいは、その逆であってもよい。一部の実施形態において、１つのみのＰＣＭチャンバ又は１つのみの作動流体導管が存在してもよい。
【００３５】
図４は、本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を使用する方法４００の一例を示している。方法４００は、図２のＰＣＭ熱交換器２００を用いて実行され得る。しかしながら、方法４００は、何らかの他の好適システムと共に使用されてもよい。
【００３６】
ステップ４０１にて、作動流体が熱交換器内の少なくとも１つの導管を通って移動する。これは、例えば、１つ以上の導管２０４ａ−２０４ｎを通って作動熱伝達流体が移動することを含み得る。
【００３７】
ステップ４０３にて、ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーが伝達される。ＰＣＭは、上記少なくとも１つの導管に近接し且つそれに熱的に結合された複数のチャンバの各々内に配置されている。これは、例えば、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの各々内のＰＣＭから、導管２０４ａ−２０４ｎの各々内の作動流体に、熱エネルギーが伝達することを含み得る。このＰＣＭは、凍結時に膨張するように構成される材料である。
【００３８】
各チャンバの１つの壁が、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの容積を増大させるように構成されたコンプライアント層で形成されている。これは、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの各々の１つの壁をコンプライアント層２１０が形成することを含み得る。ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーが移動するにつれて、ＰＣＭが凍結して膨張する。ＰＣＭが膨張するにつれて、コンプライアント層２１０が変形してＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの容積を増大させる。
【００３９】
ステップ４０５にて、作動流体からＰＣＭに熱エネルギーが伝達される。これは、例えば、各導管２０４ａ−２０４ｎ内の作動流体から各ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎ内のＰＣＭに熱エネルギーが伝達することを含み得る。作動流体からＰＣＭに熱エネルギーが伝わるにつれて、ＰＣＭが溶けて収縮する。ＰＣＭが収縮するにつれて、コンプライアント層２１０がその静的状態へと戻り、それにより、ＰＣＭチャンバ２０６ａ−２０６ｎ及び２０８ａ−２０８ｎの容積を減少させる。
【００４０】
図４は、ＰＣＭ熱交換器を使用する方法４００の一例を示している、図４には様々な変更が為され得る。例えば、一連のステップとして示されているが、図４に示す様々なステップは、重複してもよいし、並列に行われてもよいし、異なる順序で行われてもよいし、あるいは複数回行われてもよい。さらに、具体的なニーズに従って、一部のステップが組み合わされたり除去されたりしてもよいし、更なるステップが付加されてもよい。
【００４１】
本特許文献の全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を説明しておくことが有益であるかもしれない。用語“含む”及び“有する”、並びにこれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語“又は”は、及び／又はを意味する包括的なものである。“〜と関連付けられる”なる言い回し、及びその派生語は、〜を含む、〜の中に含まれる、〜と相互接続される、〜を含有する、〜内に含有される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、〜と交互である、〜隣り合う、〜に近接した、〜に又は〜と結合される、〜を有する、〜の特性を有する、〜に又は〜と関係を有する、又はこれらに類するものを意味する。“〜のうちの少なくとも１つ”なる言い回しは、アイテムのリストとともに使用されるとき、リストアップされたアイテムのうちの１つ以上の様々な組み合わせが使用され得ることを意味し、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされることもある。例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ”は、以下の組み合わせ：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣ、のうちの何れをも含む。
【００４２】
本出願における記載は、特定の要素、ステップ、又は機能がクレーム範囲に含まれていなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読まれるべきでない。特許される事項の範囲は、許可されたクレームによってのみ定められる。また、クレームは何れも、その特定のクレーム中で“する手段”又は“するステップ”なるそのままの語が、機能を特定する特定の言い回しに続かれて、明示的に使用されない限り、添付のクレーム又はクレーム要素に関して３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図していない。クレーム内での、例えば（以下に限られないが）“機構”、“モジュール”、“デバイス”、“ユニット”、“コンポーネント”、“要素”、“部材”、“装置”、“機械”、又は“システム”などの用語の使用は、クレームの特徴自体によって更に改良又は強化されるような、当業者に知られた構造を指すものと理解及び意図されるものであり、３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図するものではない。
【００４３】
本開示は、特定の実施形態及び概して関連する方法を述べてきたが、これらの実施形態及び方法の改変及び並べ替えが当業者に明らかになる。従って、以上の実施形態例の説明は、本開示を定めたり制約したりするものではない。以下の請求項によって規定される本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、その他の変形、代用、及び改変も可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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