(57)【要約】  毛細管ポンプ式ループを介する、貯蔵熱エネルギーと熱受容体との間の向上した熱伝達。デバイス、システム、および方法は、ある温度で固相から液相に転移する熱エネルギー貯蔵材料と、複数の毛細管を有する構造とを用いる。
2013506109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉ）ある温度で固相から液相に転移する熱エネルギー貯蔵材料と、
ｉｉ）複数の毛細管を有する毛細管構造とを含む、デバイスであって、
前記デバイスは蓄熱デバイスである、デバイス。
【請求項２】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、温度約５０℃超で固相から液相に転移する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、温度約９０℃から約３００℃で固相から液相に転移する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料区画に封入され、前記デバイスが、前記熱エネルギー貯蔵材料と熱接触する作動流体区画を含む、請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記熱エネルギー貯蔵材料が複数のカプセルに封入される、請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
前記カプセルが、作動流体区画との接触を最大にする面を有し、前記作動流体区画との間の熱伝達を最大にする形状を有する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記熱エネルギー貯蔵材料が複数のカプセルに封入され、前記カプセルが弓形の面および平坦な面を有する、請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
ｉ）作動流体用の少なくとも１つの入口および１つの出口、ならびに第２の流体用の少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口をそれぞれ有する、１つまたは複数の容器と、
ｉｉ）少なくとも第１の外面を有し、前記容器に前記熱エネルギー貯蔵材料を収容する１つまたは複数のカプセルであって、前記熱エネルギー貯蔵材料が相変化材料である、カプセルと、
ｉｉｉ）前記容器を通る前記作動流体の流れのための第１の流路であって、前記カプセルの前記第１の外面によって少なくとも部分的に画定される、第１の流路と、
ｉｖ）前記第１の流路を通して作動流体をポンプ輸送できる複数の毛細管を有する毛細管構造であって、当該毛細管構造が、前記第１の流路を部分的に充填し、前記カプセルの前記第１の外面と少なくとも部分的に接触し、そのため、一方の端部で作動流体と接触すると、前記作動流体が前記毛細管に引き込まれ、毛細管がない第２の部分を前記第１の流路に有する、毛細管構造と、
ｖ）前記容器を通る第２の流体の流れのための第２の流路と、を備えるデバイスであって、
前記第１の流路が作動流体区画内にあり、前記第２の流路が熱伝達流体区画内にあり、前記相変化材料が相変化材料区画内にあり、
前記相変化材料が、前記作動流体区画および前記熱伝達流体区画と熱伝達しており、
前記デバイスが蓄熱デバイスである、請求項１から７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
前記複数の毛細管が、孔の直径が約２００μｍ未満の毛細管を含む、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記カプセルが第２の外面を含み、前記第２の外面が、前記第２の流路を少なくとも部分的に画定する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２の流体が排ガスである、請求項９または１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が温度約０℃から約２５０℃では１気圧に等しい、請求項９から１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
前記相変化材料の固相から液相に転移する温度が、約５０℃超（例えば、約９０℃から約３００℃）である、請求項９から１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記容器が、少なくとも部分的に断熱される、請求項９から１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記システムがカプセルを複数含む、請求項９から１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
熱を貯蔵および伝達するシステムであって、
ａ）請求項１から１５のいずれかに記載の蓄熱デバイスと、
ｂ）少なくとも第１の入口および少なくとも第１の出口ならびに前記作動流体用の第１の流路を有するコンデンサとを含み、
前記蓄熱デバイスが前記コンデンサと流体接続しており、前記システムが前記コンデンサの前記第１の流路および前記蓄熱デバイスの前記第１の流路を含む毛細管ポンプ式ループを備える、システム。
【請求項１７】
前記作動流体を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が、温度約３５℃超のときに１気圧に等しい、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記作動流体が、１つもしくは複数のアルコール、１つもしくは複数のケトン、１つもしくは複数の炭化水素、フッ化炭化水素、ハイドロフルオロカーボン、水、アンモニア、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項１６から１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２０】
前記作動流体がアンモニアおよび水の溶液を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記作動流体の平衡状態が、温度−４０℃かつ圧力１気圧のときに少なくとも９０％が液体である、請求項１６から２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項２２】
前記蓄熱デバイスから前記コンデンサへの前記作動流体の流れを制御するために作動流体バルブを含む、請求項１６から２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項２３】
前記蓄熱デバイスの出口と前記コンデンサの入口とを接続する蒸気管を含む、請求項１６から２２のいずれかに記載のシステム。
【請求項２４】
前記蒸気管が少なくとも部分的に断熱されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コンデンサの出口と前記蓄熱デバイスの入口とを接続する液体管を含む、請求項１６から２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
前記コンデンサを少なくとも部分的に充填する作動流体を含む、請求項１６から２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項２７】
前記蓄熱デバイス内の前記相変化材料を加熱する手段を含み、その結果、前記蓄熱デバイスが前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が１気圧を超えるのに十分な温度であり、前記作動流体が流動できるように前記バルブが開いているときに、前記作動流体が、
ａ）前記毛細管構造によってポンプ輸送され、
ｂ）少なくとも部分的に蒸発し、
ｃ）前記コンデンサに少なくとも部分的に輸送され、
ｄ）前記コンデンサ内で少なくとも部分的に凝縮し、
その結果、前記蓄熱デバイスから熱が除去される、請求項１６から２６のいずれかに記載のシステム。
【請求項２８】
前記蓄熱デバイスへの前記第２の流体の流れを制御するための第２のバルブを含む、請求項１６から２７のいずれかに記載のシステム。
【請求項２９】
リザーバを含み、前記リザーバが作動流体を収容する、請求項１６から２８のいずれかに記載のシステム。
【請求項３０】
前記毛細管ポンプ以外に前記作動流体をポンプ輸送するポンプを有しない、請求項１６から２９のいずれかに記載のシステム。
【請求項３１】
前記コンデンサが、前記作動流体から前記熱伝達流体に熱を伝達できるように、前記コンデンサを通して熱伝達流体を輸送するための、第２の流路、第２の入口、および第２の出口を含む、請求項１６から３０のいずれかに記載のシステム。
【請求項３２】
自動車の構成要素を加熱するために使用される、請求項１６から３１のいずれかに記載のシステム。
【請求項３３】
内燃機関と熱伝達している、請求項１６から３２のいずれかに記載のシステム。
【請求項３４】
前記作動流体の体積と前記相変化材料の体積の比は、約２０：１未満である、請求項１６から３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３５】
前記熱交換器を通る前記第１の流路の約５％から約９５％が前記毛細管構造を含む、請求項１６から３４のいずれかに記載のシステム。
【請求項３６】
前記第２の流路を通る前記排ガスの流れを制御するバルブをさらに備える、請求項１６から３５のいずれかに記載のシステム。
【請求項３７】
前記システムの平均出力密度が、前記デバイスの前記断熱した（内部）体積１リットル当たり少なくとも約１ｋＷであり、これは動作の最初の３０秒にわたって平均が取られたものであり、その動作が、バルブが前記蓄熱デバイスの前記第１の流路を通る前記作動流体の流れを可能にするように開いているときに開始し、前記相変化材料の少なくとも５０体積％が、前記バルブが開いているときに液体状態である、請求項１６から３６のいずれかに記載のシステム。
【請求項３８】
請求項１から１５のいずれかに記載の蓄熱デバイスを通して作動流体を循環させるステップを含む、熱を排出する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本出願は、（Ｓｏｕｋｈｏｊａｋらによって２００９年９月２５日に出願された）米国仮特許出願第６１／２４５，７６７号の出願日の利益を主張するものである。その文献の内容は参照によりその全体が本明細書に援用される。
【０００２】
本発明は、毛細管ポンプ式ループを介する、貯蔵熱エネルギーと熱受容体との間の向上した熱伝達に関する。
【背景技術】
【０００３】
産業界では、一般に、より都合の良いときに利用できるように効率的に廃熱を捕捉および貯蔵する新しい手法を積極的に探している。さらに、狭い空間にエネルギーを貯蔵しようとすると、単位重量および単位体積当たりに高いエネルギー容量を貯蔵できる新しい材料の開発が必要になる。躍進的な技術を適用できる領域には、輸送、太陽エネルギー、工業生産プロセス、ならびに公営および／または民営の建築物の暖房が含まれる。
【０００４】
輸送業界に関しては、内燃機関が非効率的に動作することがよく知られている。こうした非効率性の原因には、排気、冷却、放射熱、およびシステムによる機械損失によって失われる熱が含まれる。内燃機関（内燃機関）に供給される燃料エネルギーの３０％超がエンジン排気を介して環境中に失われると推定されている。
【０００５】
最適でない温度で燃焼が起き、低温の潤滑油の粘度が高いせいで、内燃機関が摩擦に対して余分な仕事を実行する必要があるので、「低温始動」中に内燃機関は、事実上低い効率で動作するか、より多くの排出物質を生成するか、またはその両方が起きることがよく知られている。この問題はハイブリッド電気自動車ではさらに重要である。ハイブリッド電気自動車では、内燃機関が間欠的に動作し、それにより、低温始動状態が延長され、かつ／または車両が１回動作する間に低温始動状態が複数回起きる。この問題の解決を助けるために、相手先商標製品製造会社（ＯＥＭ）は効率的な廃熱の貯蔵および放出を可能にする解決策を探している。基本的な考えは、通常の車両の動作中に廃熱を回収および貯蔵し、次いで、この熱を後から制御しながら放出し、それにより、低温始動状態の期間および頻度を低減するかたまたは最小限に抑え、最終的に内燃機関の効率を改善するか、排出を低減するか、またはその両方を行うことである。
【０００６】
実際的な解決策にするためには、熱エネルギー貯蔵システムに関するエネルギー密度および熱出力密度の要件は極めて高い。本出願人は、以前、１）２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，４１６号「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、および２）２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，５９８号「Ｈｅａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」を出願している。これらの過去の出願は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術では排気熱回収デバイスが知られている。しかし、そのデバイスは、低温始動の直後またはその前でも低温始動状態を緩和するのに望ましい蓄熱性能を（６時間超の）長期にわたっては提供していない。したがって、自動車排気熱回収システムにおいて、高エネルギー密度、高出力密度、長期保温時間、およびオンデマンド熱伝達の単純な機構の前例のない組合せを提供できるシステムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のデバイスは、温度約５０℃超で固相から液相に転移する熱エネルギー貯蔵材料と、毛細管構造とを含む、蓄熱デバイスである。
【０００９】
本発明の別の態様は、作動流体用の少なくとも１つの入口および１つの出口、ならびに第２の流体用の少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口をそれぞれ有する、１つまたは複数の容器と；少なくとも第１の外面を有する容器に相変化材料を収容する１つまたは複数のカプセルと；容器を通る作動流体の流れのための第１の流路であって、カプセルの第１の外面によって少なくとも部分的に画定される第１の流路と；第１の流路を通して作動流体をポンプ輸送できる複数の毛細管を有する毛細管構造であって、第１の流路を部分的に充填し、カプセルの第１の外面と少なくとも部分的に接触しており、そのため、一方の端部で作動流体と接触すると、作動流体が毛細管中に引き込まれ、第１の流路の第２の部分には毛細管構造がない、毛細管構造と；容器を通る第２の流体の流れのための第２の流路とを備え、第１の流路が作動流体区画内にあり、第２の流路が熱伝達流体区画内にあり、相変化材料が相変化材料区画内にあり；相変化材料が作動流体区画および熱伝達流体区画と熱伝達しており；蓄熱デバイスである、デバイスである。
【００１０】
本発明の別の態様は、熱を貯蔵および伝達するシステムであって、本明細書で説明するような蓄熱デバイスと、少なくとも第１の入口および少なくとも第１の出口ならびに作動流体用の第１の流路を有するコンデンサとを含み、その蓄熱デバイスがコンデンサと流体接続しており、このシステムがコンデンサの第１の流路および蓄熱デバイスの第１の流路を含む毛細管ポンプ式ループを備える、システムである。
【００１１】
本発明のさらに別の態様は、熱エネルギー貯蔵材料および毛細管構造を含むような本明細書で説明する蓄熱デバイスを通して作動流体を循環させるステップを含む、熱を排出する方法である。
【００１２】
本発明は、内燃機関の低温始動状態を緩和するために使用することができ、乗員の快適な暖房および／またはフロントガラスのデフロストのために、必要な場合に、追加の定常状態の冷却材により加熱する。本発明の他の産業上の適用例には、冷却システム、ランキンサイクル熱機関、熱電発生器など、他の発電適用例、または他のものなどが含まれてもよい。
【００１３】
本発明の他の態様では、本発明を、ハイブリッド電気自動車、プラグイン式ハイブリッド電気自動車、航続距離延長型電気自動車、または純電気自動車の電気化学バッテリのウォームアップ；電気のみによる推進ができる車両の快適な暖房；吸着または吸収冷凍サイクルを用いた自動車の空気調和；熱機関、例えばランキンサイクルを用いた定常状態排気熱回収；ならびに産業用および住宅用の蓄熱のために使用することもできる。
【００１４】
以下の詳細な説明において、本発明の実施形態の非限定的な例によって、言及する複数の図面を参照しながら本発明をさらに説明する。同様の参照番号は図面のうちの複数の図を通して同様の部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】蓄熱デバイスの主な構成要素の一部を示す概略図である。
【図２Ａ】例示的な蓄熱デバイスの断面図である。この断面は、熱エネルギー貯蔵材料および蒸発器を収容する、３つのチャンバ（排ガス、相変化材料、および作動流体）、２つの流れ（排ガスおよび作動流体）から構成される蓄熱デバイスの内部構造を示す。
【図２Ｂ】例示的な蓄熱デバイスの別の断面図である。
【図３】蓄熱デバイスおよびコンデンサを含む熱エネルギー貯蔵システムの主な構成要素の一部を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の詳細な説明では、本発明の特定の実施形態を、その好ましい実施形態に関連して説明する。しかし、以下の説明が本技法の特定の実施形態または特定の使用に特有である限り、以下の説明は単に例示的であることが意図され、単に例示的な実施形態を簡潔に説明しているに過ぎない。したがって、本発明は、以下で説明する特定の実施形態に限定されるものではないが、むしろ、本発明は、添付の特許請求の真の範囲内に包含される全ての代替形態、改変形態、および等価物を含む。
【００１７】
本明細書の教示から分かるように、本発明は、熱を急速に貯蔵できるか、急速に除去できるか、またはその両方を可能にするように、熱の貯蔵および排出の用途および特に高出力密度を必要とする用途の場合に、熱エネルギー貯蔵材料（通常「相変化材料」と呼ばれるものも含む）のパッケージ化および収容に対して、予想以上に効率的で特有な手法を提供する。本明細書の熱エネルギー貯蔵システムは、非常に高い出力密度の性能を有し、蓄熱デバイス１リットル当たり少なくとも約１０ｋＷの割合でシステム内の蓄熱デバイスから（相変化材料に続く）熱を除去するために使用することができる。本明細書の教示は、腐食、周期的な熱負荷による熱に誘発される歪み、またはその両方による故障の影響を受けにくい、比較的頑強な構造における熱エネルギー貯蔵材料のパッケージ化および収容を企図し、こうした構造およびそれを組み込んだシステムが占有する全体積に関して比較的高い貯蔵および排出性能も生み出す。本明細書の教示はまた、作動流体用の蓄熱デバイスの流路も企図し、その流路は、複数の毛細管を有する毛細管構造を部分的に含む。毛細管構造を用いて、作動流体を少なくとも部分的にポンプ輸送することができる。本明細書の毛細管構造の利点の１つは、予想外に大きくて速い熱の貯蔵および排出性能を有する比較的コンパクトな組立体が可能なことである。そのシステムは、毛細管のポンプ機能以外にポンプを使用せずに、作動流体をポンプ輸送可能とすることができる。理解されるように、本明細書の教示により、複数のカプセル式構造に熱エネルギー貯蔵材料の別々の量をパッケージ化する様式が企図される。これらの教示により、蓄熱デバイス内で使用するこうしたカプセル式の構造の組立体が企図されている。このような構造、デバイス、および／またはシステムの結果として可能になるかまたはより効率的になったいくつかの適用例も、教示の一部として企図される。
【００１８】
（蓄熱デバイス）
上記で論述したように、熱エネルギー貯蔵システムは蓄熱デバイス（すなわち、熱エネルギー貯蔵デバイス）を含み、その蓄熱デバイスは熱エネルギーを貯蔵することができる。したがって、蓄熱デバイスは、熱（廃熱または他のものなど）を受容し、熱を貯蔵し、後から熱を排出することができ、そのため、その熱を１つまたは複数の物体を加熱するために使用することができる。好ましくは、蓄熱デバイスは、急速に熱を排出することができる。熱の排出中には、蓄熱デバイスは、作動流体を液相から気相に少なくとも部分的に変換する蒸発器として機能することができる。したがって、蓄熱デバイスは、作動流体を収容する作動流体区画（区画は１つまたは複数の流路を含むことができる）と、作動流体区画に（例えば、作動流体区画の一方の面または一方の端部に）接続された、（例えば、液体状態の）作動流体を受容するための１つまたは複数の作動流体入口と、（例えば、ガス態の）作動流体を追い出すための１つまたは複数の作動流体出口とを含み、そのため、作動流体は、１つまたは複数の作動流体入口から流入し、作動流体区画の１つまたは複数の流路を通って１つまたは複数の作動流体出口から流出する。好ましくは、流路の少なくとも一部分（例えば、各流路の一部分）は、作動流体を吸い上げ可能な（複数の毛細管を有する構造などの）毛細管構造を含む。蓄熱デバイスの作動流体区画を、毛細管ポンプ式ループの一部分とすることができ、毛細管構造は、そのループを通して作動流体を少なくとも部分的にポンプ輸送するために使用することができる。
【００１９】
本発明の様々な態様では、蓄熱デバイスは、比較的軽量、比較的小型、またはその両方であってよい。したがって、蓄熱容量密度（すなわち、蓄熱デバイスに貯蔵できる最大熱量を蓄熱デバイスの体積によって割ったもの）を比較的高くすることができ、蓄熱容量と質量の比（すなわち、蓄熱デバイスに貯蔵できる熱量と蓄熱デバイスの質量の比）を、比較的高くすることができる。これらの効率を実現するためには、蓄熱デバイスは、軽量の材料（熱エネルギー貯蔵材料、封入材、容器の材料、毛細管構造の材料など）を用いることができる。
【００２０】
蓄熱デバイスの大部分は、好ましくは、熱を効率的に貯蔵できる１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料（好ましくは１つまたは複数の相変化材料）を含む。蓄熱デバイスが、作動流体がデバイスから流動し熱を急速に伝達するのに十分に大きい作動流体区画と、熱エネルギー貯蔵材料と熱接触すると共に熱伝達流体がデバイスを通って流動しデバイスに熱を効率的に伝達するのに十分に大きい熱伝達流体区画とを有する場合は、蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の濃度を最大にすることができる。１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料の体積は、蓄熱デバイスの容器の全体積を基準に約１０体積％超、好ましくは約２０体積％超、より好ましくは約３０体積％超、さらに好ましくは約４０体積％超、最も好ましくは約５０体積％超でよい。
【００２１】
蓄熱デバイスは、熱エネルギー貯蔵材料と１つまたは複数の流体とが互いに分離するように十分な数の区画を有することができる。蓄熱デバイスは、区画を２つ以上（好ましくは３つ以上）有することができる。その区画を用いて、ｉ）熱エネルギー貯蔵材料、ｉｉ）熱エネルギー貯蔵材料をチャージする（例えば、加熱する）（例えば、相変化材料をチャージする）ための（熱伝達流体などの）第１の流体、およびｉｉｉ）熱エネルギー貯蔵材料（例えば、相変化材料）を排出する（例えば、冷却する）ための（作動流体などの）第２の流体のうちの１つまたは全てを分離する（例えば、事実上または全面的に隔離する）ことができる。したがって、蓄熱デバイスは、熱エネルギー貯蔵材料用の熱エネルギー貯蔵材料区画（例えば、相変化材料用の相変化材料区画）と、第１の流体用の区画（例えば、熱伝達流体区画）と、第２の流体用の区画（例えば、作動流体区画）とを含むことができる。熱エネルギー貯蔵材料区画は、熱伝達流体区画、作動流体区画、または好ましくはその両方と熱伝達することができる。熱エネルギー貯蔵材料区画が、熱伝達流体区画、作動流体区画、またはその両方と１つまたは複数の壁を共有できることが理解されよう。例えば、熱エネルギー貯蔵材料をカプセル内に貯蔵することができ、そのカプセルは、熱伝達流体区画を少なくとも部分的に画定する第１の面と、作動流体区画を少なくとも部分的に画定する第２の面とを有する。そのデバイスは、第１の流体用の１つまたは複数の入口および１つまたは複数の出口を有することができ、それらは両方とも第１の流体用の区画に取り付けられており、そのため、第１の流体（例えば、熱伝達流体）が、入口を通って流動しデバイス中に浸入し、第１の流体用の区画に流入して、熱エネルギーを熱エネルギー貯蔵材料に（例えば、相変化材料に）に与え、出口を通ってデバイスを出ることができる。同様に、そのデバイスは、第２の流体用の１つまたは複数の入口および１つまたは複数の出口を有し、第２の流体用の区画に取り付けられてよく、そのため、第２の流体（例えば、作動流体）は、入口を通って流動し、デバイスに浸入し、第２の流体用の区画に流入して熱エネルギー貯蔵材料から（例えば、相変化材料から）熱エネルギーを除去し、出口を通ってデバイスから出ることができる。
【００２２】
（毛細管構造）
上記に説明したように、蓄熱デバイスは、毛細管を複数収容する毛細管構造を含む。好ましくは、作動流体区画は毛細管構造を含む。通常、毛細管内への流体の吸い上げは、毛細管の半径が小さくなるにつれて増大する。毛細管構造は、毛細管構造が作動流体をポンプ輸送できるように、半径が十分に小さい十分な数の毛細管を有するどんな構造でもよい。蓄熱デバイス（例えば、熱エネルギー貯蔵材料）の温度が、作動流体の圧力が約１気圧超のときの温度であるとき、コンデンサの温度が、作動流体の圧力が約１気圧未満のときの温度であるとき、または好ましくはその両方であるときに、毛細管構造は作動流体をポンプ輸送することができる。作動流体をポンプ輸送するために毛細管構造を用いることができる。好ましくは、毛細管構造は、作動流体をポンプ輸送する唯一の手段として用いられる。したがって、毛細管ポンプ以外にポンプがない作動流体ループを有するシステムに蓄熱デバイスを使用できることが企図される。
【００２３】
毛細管構造は、物体間の隙間が多孔質構造を形成するように複数の物体を一緒にまとめることによって、多孔質構造を有する１つまたは複数の物体から構成することができる。蓄熱デバイスの（例えば、蓄熱デバイスの蒸発器の）毛細管構造（例えば、ウィック構造）は、１つもしくは複数の繊維もしくはフィラメント、１つもしくは複数の溝、または孔のサイズが概して小さい１つもしくは複数の他の多孔質の構造を収容することができ、そのため、毛細管構造は、引力、蒸発器とコンデンサとの間の気体圧力差、またはその両方を克服するのに十分に大きい毛細管圧力を作動流体に生み出すことができる。毛細管構造は、当技術分野で知られた任意の毛細管構造（例えば、電子デバイスを冷却するための、ヒートパイプおよび毛細管ポンプ式ループで使用されるものなど）でよい。例えば、巻き付けたスクリーン、焼結金属、または軸方向の溝など、単純で均質の毛細管構造を用いることができる。使用できる他の毛細管構造には、スラブ、ペデスタル形通路、螺旋通路、トンネル状通路、様々な溝幅の軸方向の溝、２重壁の通路、単一の溝、チャネルウィックなどが含まれる。上記の構造はどれも、２つのブリスタパックの平坦な面の間に形成できるような概して層状の構造に構成することができる。
【００２４】
毛細管構造の孔サイズは、引力を克服するか、蒸発器とコンデンサとの間の気体圧力差を克服するか、またはその両方のために十分に小さい。毛細管構造の孔サイズは、液体の作動流体が毛細管に浸入できるように十分に高い。毛細管の圧力は、通常、孔の半径に反比例する。毛細管構造の平均孔半径は、約２ｍｍ未満、好ましくは約１ｍｍ未満、より好ましくは約４００μｍ未満、さらに好ましくは約１００μｍ未満、さらに好ましくは約３０μｍ未満、さらに好ましくは約２０μｍ、最も好ましくは約１０μｍ未満でよい。
【００２５】
作動流体区画内に位置する毛細管構造は、引力、蒸発器とコンデンサとの間の気体圧力差、またはその両方を克服するために、作動流体区画の十分な体積を占めるものである。毛細管構造は、蓄熱デバイスの作動流体区画の１体積％超、好ましくは約５体積％超、より好ましくは約１０体積％超、最も好ましくは約２５体積％超を占めることができる。毛細管構造は、蓄熱デバイスの作動流体区画の約９５体積％未満、好ましくは約９０体積％未満、より好ましくは約８５体積％未満、最も好ましくは約７５体積％未満を占めることができる。蓄熱デバイスの作動流体区画の残りの体積には、好ましくは、毛細管構造がない。
【００２６】
（熱エネルギー貯蔵材料区画）
上記に説明したように、熱エネルギー貯蔵材料は、好ましくは、蓄熱デバイスの１つまたは複数の区画に隔離されている。典型的には、熱エネルギー貯蔵材料は、（例えば、熱エネルギー貯蔵材料が内部に供給されている区画の材料と比較すると）熱拡散率が比較的低い。好ましくは、１つまたは複数の区画の形状および／またはサイズは、熱エネルギーを熱エネルギー貯蔵材料の内外に急速に伝達できるように選択される。したがって、蓄熱デバイスは、熱伝達を向上させる１つまたは複数の手段を用いることができる。例えば、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料は、（例えば、他の１つまたは複数の寸法と比較して）比較的小さい少なくとも１つの寸法を有することができ、熱エネルギー貯蔵材料は、複数の区画内に貯蔵することができ、１つまたは複数の区画の内部は、熱伝導体（例えば、フィン、ワイヤ、メッシュなど）またはそれらの任意の組合せを有することができる。例えば、熱エネルギー貯蔵材料を、少なくとも約５、１０、１５、または２０個の区画内に貯蔵することができる。
【００２７】
熱エネルギー貯蔵材料は、好ましくは、個別に隔離した複数の（カプセルなどの）セル内にあり、それらのセルは、複数のセルの全表面積が比較的大きいか、セル表面からセル中心までの距離が比較的短いか、またはその両方である。複数のセル（例えば、カプセル）を、１つまたは複数のセル層に配置することができる。例えば、蓄熱デバイスは、複数の層のセル（例えば、カプセル）を含むことができる。各セル層は、単一のセルまたは複数のセルを収容することができる。１層のセル（例えば、１層のカプセル）は比較的厚さが薄いか、表面積と体積の比が比較的大きいか、またはその両方であり、そのため、セルの内部から熱を急速に除去できることが理解されよう。セルは、層内で任意の配置にすることができる。例えば、セルは、同じサイズおよび形状のものでもよく、様々なサイズおよび形状を有してもよく、繰り返しパターン（例えば、１、２、またはそれより多いセルを収容するパターン）に配置されてもよく、概して繰り返さないパターンに配置されてもよい。本発明の好ましい態様では、セルは、各カプセル層においてある配列（例えば、１次元の配列、２次元の配列、または放射状の配列）のカプセルとして配置される。
【００２８】
蓄熱デバイスは、複数のカプセル層を含むことができ、１つまたは複数の対の隣接するカプセル層の間に空間がある。空間を作動流体区画の一部分として、または熱伝達流体区画の一部分として使用することができる。カプセル層は、片面に空間を有するか、対向する２つの面に空間を有するか、空間を有しないか、またはそれらの任意の組合せでよい。例えば、カプセルの全ての対の隣接する層の間に空間があってよい。好ましくは、カプセルの全ての対の隣接する層の間に空間があり、その空間は、交互に作動流体区画および熱伝達流体区画になっている。
【００２９】
カプセル層は、弓形の面と、概して平坦な対向する面とを有することができる。概して弓形の面は、熱伝達流体のために特に魅力的なことがあり、弓形の通路は、熱伝達流体からカプセルへの熱の流れを増大させることができる。概して平坦な面は、毛細管構造を配置するのに特に魅力的なことがある（毛細管構造の厚さは、作動流体区画の一部分の両側にある２つのカプセル層の間の離隔距離を決めることができる）。両方とも概して平坦な面を有する層、または両方とも弓形の対向する面を有する層を用いることもできる。蓄熱デバイスには、部分的にまたは事実上全面的に互いに入れ子になる隣接する２つのカプセル層を用いることもできる。
【００３０】
カプセルのサイズおよび形状を、カプセル内に収容された相変化材料との間の熱伝達を最大にするように選択することができる。カプセルの平均厚さ（例えば、カプセル層）を比較的薄くすることができ、そのため、カプセルの中心から急速に熱を逃がすことができる。カプセルの平均厚さは、約１００ｍｍ未満、好ましくは約３０ｍｍ未満、より好ましくは約１０ｍｍ未満、さらに好ましくは約５ｍｍ未満、最も好ましくは約３ｍｍ未満でよい。カプセルの平均厚さは、約０．１ｍｍ超、好ましくは約０．５ｍｍ超、より好ましくは約０．８ｍｍ超、最も好ましくは１．０ｍｍ超でよい。
【００３１】
カプセルは、好ましくは、表面積と体積の比が比較的大きく、そのため、作動流体との接触面積、熱伝達流体との接触面積、またはその両方が比較的大きくなる。例えば、カプセルは、作動流体区画との接触を最大にする面を有することができるか、カプセルと作動流体区画との間の熱伝達を最大にする形状を有することができるか、またはその両方が可能である。作動流体区画と相変化材料区画との間のインターフェースの全表面積と、蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の全体積の比は、約０．０２ｍｍ−１超、好ましくは約０．０５ｍｍ−１超、より好ましくは約０．１ｍｍ−１超、さらに好ましくは約０．２ｍｍ−１超、最も好ましくは約０．３ｍｍ−１超でよい。
【００３２】
熱エネルギー貯蔵材料区画は、ブリスタパックまたはブリスタパック積層体の形態でよい。例えば、複数の独立したカプセルを形成するように互いにシールされた、エンボス加工された金属層と平坦な金属層との間に熱エネルギー貯蔵材料を封入することができる。限定されるものではないが、蓄熱デバイスは、２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，５９８号「Ｈｅａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」に記載されている、カプセルまたはカプセルの構成（例えば、ブリスタパックまたはブリスタパック積層体）を用いることができる。
【００３３】
（作動流体区画および熱伝達流体区画）
上記で論述したように、蓄熱デバイスは、好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料区画と熱伝達した、作動流体区画と、熱伝達流体区画とを含む。
【００３４】
熱伝達流体区画の厚さは、流路中を通る熱伝達流体の所望の流れを促進し、相変化材料への熱の伝達を最大にするように選択される。熱伝達流体区画層の平均厚さは、約２０ｍｍ未満、好ましくは約１０ｍｍ未満、より好ましくは約５ｍｍ未満、さらに好ましくは約３ｍｍ未満、最も好ましくは約２ｍｍ未満でよい。熱伝達流体から熱エネルギー貯蔵材料に熱が貯蔵される場合の速度が重要でないときはより厚いものを使用することができる。熱伝達流体区画の層の平均厚さは、熱エネルギー貯蔵材料デバイス内の熱伝達流体の圧力降下が低くなるように十分に厚くなければならない。好ましくは、蓄熱デバイスの熱伝達流体入口と熱伝達流体出口との間の圧力降下は、約９５％未満、より好ましくは約５０％未満である。熱伝達流体区画層の平均厚さは、約０．１ｍｍ超、好ましくは約０．２ｍｍ超、より好ましくは約０．４ｍｍ超、最も好ましくは約０．６ｍｍ超でよい。
【００３５】
作動流体区画の厚さは、流路を通る作動流体の所望の流れを促進し、相変化材料からの熱の伝達を最大にするように選択される。作動流体区画の層の平均厚さは、約２０ｍｍ未満、好ましくは約１０ｍｍ未満、より好ましくは約５ｍｍ未満、さらに好ましくは約３ｍｍ未満、最も好ましくは約２ｍｍ未満でよい。作動流体区画の層の平均厚さは、約０．１ｍｍ超、好ましくは約０．２ｍｍ超、より好ましくは約０．４ｍｍ超、最も好ましくは約０．６ｍｍ超でよい。
【００３６】
隣接するカプセル層の間の空間を、作動流体、熱伝達流体、またはその両方のために使用することができる。例えば、熱伝達流体区画の少なくとも一部分（例えば、１つの層）を、隣接する２つのカプセル層の間に挟むことができる。作動流体区画の少なくとも一部分（例えば、１つの層）を、隣接する２つのカプセル層の間に挟むことができ、作動流体区画の平均厚さは、２つのカプセル層の離隔距離（例えば、平均距離）によって画定することができる。カプセル層は、カプセル層の一方の面に作動流体区画層と、対向する面に熱伝達流体区画とを有することができる。
【００３７】
作動流体は、液体として蓄熱デバイスに流入し、熱エネルギー貯蔵材料（例えば、相変化材料）に貯蔵された熱エネルギーによって加熱され、蒸発し、蒸気として蓄熱から出るように選択することができる。したがって、作動流体出口の高さが作動流体入口の高さよりも高いことが好ましい。
【００３８】
既に説明したように、作動流体区画の一部は、典型的には、液体を区画中に吸い上げるための毛細管構造を有する領域と、作動流体（例えば、気体状作動流体）用の毛細管構造がない領域とを含む。例えば、作動流体区画の単一の層内には、毛細管構造を収容する１つまたは複数の領域（柱状の領域など）と、毛細管構造がない１つまたは複数の領域（柱状の領域など）があってよい。
【００３９】
熱エネルギー貯蔵材料区画の表面（例えば、熱エネルギー貯蔵材料を収容するカプセル層の外面）は、概して、熱伝達流体区画の少なくとも一部分を画定することができる。同様に、熱エネルギー貯蔵材料区画の第２の面（例えば、熱エネルギー貯蔵材料を収容するカプセル層の第２の外面）は、概して、作動流体区画の少なくとも一部分を画定することができる。１つまたは複数の追加の材料（例えば、１つまたは複数の追加の層）は、カプセル層が作動流体区画、熱伝達区画、または好ましくはその両方と熱伝達する場合は、カプセル層を作動流体区画から、熱伝達流体区画から、またはその両方から分離することができることが理解されよう。
【００４０】
（熱エネルギー貯蔵材料）
限定されるものではないが、蓄熱デバイスに関する適切な熱エネルギー貯蔵材料は、顕熱、潜熱、または好ましくはその両方として比較的高い熱エネルギー密度をとることができる材料を含む。熱エネルギー貯蔵材料は、好ましくは、蓄熱デバイスの動作温度範囲と適合している。例えば、熱エネルギー貯蔵材料は、好ましくは、蓄熱デバイスの動作温度が低いときは固体であるか、蓄熱デバイスの動作温度が最大のときは少なくとも部分的に液体（例えば、全面的に液体）であるか、蓄熱デバイスの動作温度が最大のときは（例えば、少なくとも約１，０００時間、好ましくは少なくとも約１０，０００時間にわたって）あまり劣化もしくは分解しないか、またはこれらの任意の組合せとなる。熱エネルギー貯蔵材料は、液相温度、例えば、融解温度約３０℃超、好ましくは約５０℃超、より好ましくは約８０℃超、さらに好ましくは約１１０℃超、最も好ましくは約１４０℃超を有することができる。熱エネルギー貯蔵材料は、液相温度が約４００℃未満、好ましくは約３５０℃未満、より好ましくは約２９０℃未満、さらに好ましくは約２５０℃未満、最も好ましくは約２００℃未満でよい。熱エネルギー貯蔵材料の融解熱密度は、約０．１ＭＪ／リットル超、好ましくは約０．２ＭＪ／ｌ超、より好ましくは約０．４ＭＪ／リットル超、最も好ましくは約０．６ＭＪ／リットル超でよい。熱エネルギー貯蔵材料の密度は約５ｇ／ｃｍ３未満、好ましくは約４ｇ／ｃｍ３未満、より好ましくは約３．５ｇ／ｃｍ３未満、最も好ましくは約３ｇ／ｃｍ３未満でよい。
【００４１】
熱伝達デバイスに用いることができる適切な熱エネルギー貯蔵材料の他の例には、２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，４１６号「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、および２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，５９８号「Ｈｅａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」に記載されている熱エネルギー貯蔵材料が含まれる。
【００４２】
熱エネルギー貯蔵材料は、少なくとも１つの第１の金属含有材料、より好ましくは、少なくとも１つの第１の金属含有材料と少なくとも１つの第２の金属含有材料の組合せを含むことができる（あるいは、さらに、それらから本質的に構成されるかまたはそれらから構成される）。第１の金属含有材料、第２の金属含有材料、またはその両方が、事実上純金属、事実上純金属および１つまたは複数の追加の合金化材料（例えば、１つまたは複数の他の金属）を含有するような合金、金属間化合物、金属化合物（例えば、塩、酸化物、もしくはその他のもの）、またはそれらの任意の組合せでよい。好ましい一手法は、金属化合物の一部として１つまたは複数の金属含有材料を用いることであり、より好ましい手法は、少なくとも２つの金属化合物の混合物を用いることである。一例として、適切な金属化合物を、酸化物、水酸化物、窒素および酸素を含む化合物（例えば、硝酸塩、亜硝酸塩、またはその両方）、ハロゲン化合物、またはそれらの任意の組合せから選択することができる。特に好ましい金属化合物の１つには、少なくとも１つの硝酸塩化合物、少なくとも１つの亜硝酸塩化合物、またはそれらの組合せが含まれる。３成分、４成分、または他の複数成分の材料システムを利用することもできる。熱エネルギー貯蔵材料は、本明細書では、共晶する２つ以上材料の混合物でよい。特に好ましい熱エネルギー貯蔵材料は、リチウム塩などのリチウム含有化合物を含む。熱エネルギー貯蔵材料は、リチウムを含有する少なくとも１つの化合物を含む２つ以上の化合物（例えば、２つ以上の塩）の混合物でよい。
【００４３】
蓄熱デバイスの出力が比較的高いか、蓄熱デバイスの全体積が比較的小さいか、またはその両方になるように、蓄熱デバイスの体積の大部分を熱エネルギー貯蔵材料によって占有することができる。例えば、蓄熱デバイスの作動流体区画の体積と熱エネルギー貯蔵材料（例えば、相変化材料）の体積の比は、約２０：１未満（好ましくは約１０：１未満、より好ましくは約５：１未満、さらに好ましくは約２：１未満、最も好ましくは約１：１未満）でよいか、蓄熱デバイスの熱伝達流体区画の体積と熱エネルギー貯蔵材料（例えば、相変化材料）の体積の比は、約２０：１未満（好ましくは約１０：１未満）、より好ましくは約５：１未満、さらに好ましくは約２：１未満、最も好ましくは約１：１未満）でよいか、またはその両方でよい。
【００４４】
蓄熱デバイスは、加熱される物体（内燃機関または車両の運転席など）を所望の温度まで加熱できるように、十分な量の熱エネルギー貯蔵材料を収容することができる。例えば、蓄熱デバイスは、少なくとも１０℃、好ましくは少なくとも約２０℃、より好ましくは少なくとも約３０℃、最も好ましくは少なくとも約４０℃だけ内燃機関の温度を上昇させるように、十分な量の熱エネルギー貯蔵材料を収容することができる。
【００４５】
（カプセルの形成）
熱エネルギー貯蔵材料のカプセルは、熱エネルギー貯蔵材料を封入する任意の方法を用いて形成することができる。限定されるものではないが、そのプロセスは、以下のうちの１つまたはそれらの任意の組合せを用いることができる。シートにパターンを画定するように薄い材料シート（例えば、フォイル）をエンボス加工するかまたは別法で変形するステップ、エンボス加工したシートの窪みを熱エネルギー貯蔵材料で充填するステップ、エンボス加工したシートを第２のシート（例えば、概して平坦なシート）でカバーするステップ、または２つのシートを貼付するステップ。カプセルを形成するプロセスには、２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，５９８号「Ｈｅａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」に記載されたプロセスを用いることができる。
【００４６】
熱エネルギー貯蔵材料を封入するための適切なシートには、好ましくはシートが漏出なしに熱エネルギー貯蔵材料を収容できるように、耐久性があるか、腐食抵抗性があるか、またはその両方である、薄い金属シート（例えば、金属フォイル）が含まれる。金属シートは、１年超の、好ましくは５年超の繰り返し熱サイクル車両環境で機能することが可能であってよい。限定されるものではないが、利用できる例示的な金属シートは、少なくとも１つの層の真鍮、銅、アルミニウム、鉄ニッケル系合金、青銅、チタン、ステンレス鋼などの金属シートを含む。そのシートは、概して貴金属でもよく、酸化物層（例えば、自然酸化物層または表面に形成できる酸化物層）を有する金属を含むものでもよい。そうでない場合は、金属シートは、動作中に熱エネルギー貯蔵材料に接触する事実上不活性の外面を有することができる。例示的な一金属シートはアルミニウムフォイルであり、そのアルミニウムフォイルは、アルミニウム層またはアルミニウム含有合金（例えば、アルミニウム５０重量％超、好ましくはアルミニウム９０重量％超を含有するアルミニウム合金）の層を含む。別の例示的な金属シートはステンレス鋼である。適切なステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライトステンレス鋼、またはマルテンサイト系ステンレス鋼が含まれる。限定されるものではないが、ステンレス鋼は、濃度約１０重量％超、好ましくは約１３重量％超、より好ましくは約１５重量％超、最も好ましくは約１７重量％超のクロムを含むことができる。ステンレス鋼は、濃度約０．３０重量％未満、好ましくは約０．１５重量％未満、より好ましくは約０．１２重量％未満、最も好ましくは約０．１０重量％未満の炭素を含むことができる。例えば、ステンレス鋼３０４（ＳＡＥ呼称）は、クロム１９重量％および炭素約０．０８重量％を含有する。適切なステンレス鋼は、３１６（ＳＡＥ呼称）など、モリブデンを含有するステンレス鋼も含む。
【００４７】
シートを形成するとき、カプセルを熱エネルギー貯蔵材料で充填するとき、カプセルを使用する間、またはそれらの任意の組合せのときに、穴またはひび割れが形成されないように、金属シートの厚さは十分に厚い。輸送などの用途のために、金属シートは、好ましくは、比較的薄く、そのため、蓄熱デバイスの重さが金属シートによって大幅に増加されることがない。金属シートの適切な厚さは、約１０μｍ超、好ましくは約２０μｍ超、より好ましくは約５０μｍ超でよい。金属フォイルの厚さは、約３ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、より好ましくは０．５ｍｍ未満（例えば、約０．２５ｍｍ未満）でよい。
【００４８】
（熱エネルギー貯蔵システム）
熱エネルギー貯蔵システムでは、蓄熱デバイスを利用することができる。熱エネルギー貯蔵材料システムを、３つの段階、つまりチャージ段階、貯蔵段階、および排出段階を含む動作サイクルに使用することができる。
【００４９】
熱エネルギー貯蔵システムは、好ましくは、蓄熱デバイス内の相変化材料を加熱する手段を含み、その結果、蓄熱デバイスが、作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が１気圧を超えるのに十分な温度であり、作動流体が流動できるように作動流体バルブが開いているときに、作動流体は、ａ）毛細管構造によってポンプ輸送され、ｂ）少なくとも部分的に蒸発し、ｃ）コンデンサに少なくとも部分的に輸送され、コンデンサ内で少なくとも部分的に凝縮して、蓄熱デバイスから熱が除去される。
【００５０】
本発明の熱エネルギーシステムは、本明細書で説明したような蓄熱デバイスと、コンデンサ（例えば、作動流体用の入口および作動流体用の出口を有するコンデンサ）と、コンデンサの作動流体入口を蓄熱デバイスの作動流体出口に接続する蒸気ライン（例えば、蒸気管）と、コンデンサの作動流体出口を蓄熱デバイスの作動流体入口に接続する作動流体液体ライン（例えば、液体管）とを含むことができる。本明細書に上記で説明したように、作動流体区画は、好ましくは、毛細管構造を含む。したがって、熱エネルギー貯蔵システムは毛細管ポンプ式ループを収容し、その毛細管ポンプ式ループは、蓄熱デバイス内の作動流体区画と、コンデンサ内の作動流体区画と、作動流体蒸気ラインと、作動流体液体ラインとを含むことができる。コンデンサは、作動流体から熱を除去し、そのため、作動流体を部分的にまたは好ましくは全面的に凝縮することができる。蒸気ラインは、蓄熱デバイスからコンデンサに流動するときに漏出することなく作動流体（例えば、気相の作動流体）を収容することができる。作動流体液体ラインは、コンデンサから蓄熱デバイスに流動するときに漏出することなく作動流体（例えば、液相の作動流体）を収容することができる。
【００５１】
熱エネルギー貯蔵システムは、流体が毛細管ポンプによってポンプ輸送されているときに液体ラインが作動流体で充填されるように、過多の作動流体を貯蔵できる作動流体リザーバを含むこともできる。作動流体リザーバの充填レベルは、蓄熱デバイスの作動流体入口よりも高さが高いか、コンデンサの作動流体入口の高さよりも低いか、またはその両方である。毛細管ポンプ式ループは、作動流体液体ラインのバルブなど、１つまたは複数のバルブを有することができる。作動流体液体ラインのバルブを使用して、蓄熱デバイスがチャージするとき、蓄熱デバイスが熱を貯蔵するとき、またはその両方のときに、作動流体が毛細管ポンプ式ループ中を循環するのを防止することができる。そのバルブは、（例えば、内燃機関を加熱するために）蓄熱デバイスから熱を排出することが望ましいときには開くことができる。
【００５２】
熱エネルギー貯蔵システムは、熱伝達流体をそれぞれ蓄熱デバイスの内外に流動させるための、熱伝達流体入口ライン（管、パイプなどでよい）と、熱伝達流体出口ラインとを含むことができる。熱伝達流体入口ラインおよび熱伝達流体出口ラインは、漏出もひび割れもなく、（例えば、流動する間に）熱伝達流体を収容することができる。例えば、熱伝達流体ラインは、好ましくは、熱伝達流体の圧力で漏出することもひび割れすることもない。熱エネルギー貯蔵システムは、蓄熱デバイスの妨げのない外側を漏出することなく流動できるように、熱伝達流体を収容できる熱伝達流体バイパスラインを有することもできる。蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料がその最大公称温度以上であるか、または熱伝達流体の温度が熱エネルギー貯蔵材料の分解を生じることができる臨界温度を超えるときに、熱伝達バイパスラインを用いることができる。熱エネルギー貯蔵システムは、切換えバルブ（例えば、バイパスバルブ）などのバルブを含むこともでき、そのバルブは、蓄熱デバイスを通って流動する熱伝達流体の量、およびバイパスラインを通って流動する熱伝達流体の量を制御できる。（例えば、蓄熱デバイスが完全にチャージされたときに、または熱伝達流体の温度が蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度未満であるときに、）熱伝達流体の一部または全部をバイパスラインに進路変更するために、切換えバルブを用いることができる。切換えバルブにより、以下の条件の１つまたは任意の組合せ（例えば、全て）に合うときには、熱伝達流体の一部または好ましくは全てが蓄熱デバイスに流入可能でよい。蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度が熱伝達流体の温度未満であるか、蓄熱デバイスが完全にはチャージされないか、または熱伝達流体の温度が蓄熱デバイスの最大公称温度未満である。
【００５３】
蓄熱デバイスを加熱するのに使用される熱伝達流体は、流体が低温のときに（例えば、凝固することなく）蓄熱デバイスを通って流動するように、任意の液体または気体でよい。例えば、熱伝達流体は、圧力約１気圧、温度約２５℃、好ましくは約０℃、より好ましくは−２０℃、最も好ましくは約−４０℃で液体または気体でよい。限定されるものではないが、蓄熱デバイスを加熱する好ましい熱伝達流体は、エンジン（例えば、内燃機関）からの排ガスなどの排ガスである。
【００５４】
熱エネルギー貯蔵システムのコンデンサは、作動流体から別の流体に熱エネルギーを伝達できる熱交換器でよい。例えば、作動流体から熱伝達流体に熱を伝達するコンデンサを用いることができる。コンデンサ内（例えば、熱交換器内）において伝達される熱は、好ましくは、作動流体の蒸発熱を含む。熱エネルギー貯蔵システムは、熱交換器に熱伝達流体を供給するための低温ラインと、熱交換器から熱伝達流体を除去するためのヒートラインとを含むことができる。低温ラインおよびヒートラインは、好ましくは、ループを通って流れるときに熱交換器の熱伝達流体を漏出なしに収容することができる。低温ラインおよびヒートラインは、熱伝達流体ループの一部でよい。熱伝達流体ループを、加熱される物体に接続することができる。限定されるものではないが、加熱される物体は、内燃機関、車両運転席、オイルリザーバ、またはそれらの任意の組合せでよい。熱伝達流体ループに使用される熱伝達流体は、液体または気体でよい。好ましくは、熱伝達流体は、使用中にその温度に曝露されることがある最低動作温度（例えば、最低周囲温度）で流動することができる。蓄熱デバイスの加熱に用いられるどの熱伝達流体でも熱交換器に用いることもできる。好ましくは、熱交換器の熱伝達流体は液体である。例えば、当技術分野で知られた任意のエンジン冷却材を熱伝達流体として用いることができる。特に好ましい熱伝達流体はグリコールおよび水の混合物である。
【００５５】
上記に説明したように、熱エネルギー貯蔵システムは、蓄熱デバイス内の相変化材料を加熱する手段を含む。蓄熱デバイス（例えば、蓄熱デバイス内の相変化材料）が作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が約１気圧を超えるのに十分な温度であり、作動流体が流動できるように作動流体バルブが開いているときに、作動流体は、ａ）毛細管構造によってポンプ輸送され、ｂ）少なくとも部分的に蒸発し、ｃ）少なくとも部分的にコンデンサに輸送され、ｄ）コンデンサ内で少なくとも部分的に凝縮して、蓄熱デバイスから熱を除去する。
【００５６】
（作動流体）
適切な作動流体（例えば、毛細管ポンプ式ループ用の作動流体）は、以下の特徴の１つまたは任意の組合せを有する、純物質および混合物を含む。熱エネルギー貯蔵システムの最高温度における良好な化学的安定性、低粘度（例えば、約１００ｍＰａ・ｓ未満）、毛細管構造の良好な濡れ（例えば、良好なウィックの濡れ）、毛細管ポンプ式ループの材料（容器の材料、熱エネルギー貯蔵材料を封入するのに用いられる材料、蒸気および液体ラインの材料など）との化学的適合性（例えば、作動流体がその材料の腐食をあまり引き起こさない）、蒸発器およびコンデンサ温度の両方に伝導される温度依存性の蒸気圧、高体積蒸発潜熱（すなわち、融解潜熱の生成、および約２５℃のときのジュール／リットル単位の作動流体密度）、またはコンデンサの熱伝達流体の凝固点以下の凝固点（例えば、不凍液の凝固点以下の凝固点、約−４０℃以下の凝固点、またはその両方）。例えば、作動流体の平衡状態は、温度−４０℃、圧力１気圧で、少なくとも９０％が液体でよい。
【００５７】
作動流体の蒸気圧は、作動流体をポンプ輸送するのに十分な蒸気の流れが生成されるように蒸発器内で十分に高くすべきである。好ましくは、作動流体の蒸気圧は、蒸発器からコンデンサにワットで測定される所望の熱出力を運ぶのに十分な蒸気の流れが生成されるように蒸発器内で十分に高くすべきである。蒸発器内の作動流体の蒸気圧は、好ましくは、毛細管ポンプ式ループが漏出も破裂もしないように十分に低い。
【００５８】
毛細管構造に対する作動流体の濡れは、毛細管構造の材料上の作動流体の接触角を特徴とすることができる。好ましくは、その接触角は、約８０度未満、より好ましくは約７０度未満、さらに好ましくは約６０度未満、最も好ましくは約５５度未満である。
【００５９】
作動流体は、好ましくは、中程度の圧力、温度約９０℃未満で凝縮する。例えば、作動流体は、約９０℃で、圧力約２ＭＰａ未満、好ましくは約０．８ＭＰａ未満、より好ましくは約０．３ＭＰａ未満、さらに好ましくは約０．２ＭＰａ未満、最も好ましくは約０．１ＭＰａ未満で凝縮することができる。
【００６０】
作動流体は、好ましくは、非常に低い温度で流動することができる。例えば、作動流体を非常に低い周囲温度に曝露することができ、好ましくは、作動流体は温度約０℃、好ましくは約−１０℃、より好ましくは約−２５℃、さらに好ましくは約−４０℃、最も好ましくは約−６０℃で、コンデンサから蓄熱デバイスに流動することができる。作動流体は、好ましくは、蓄熱デバイスが完全にチャージされたときの温度では気体状態である。例えば、作動流体の沸点は、１気圧のときには、蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料相転移温度よりも低く、好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料の相転移温度よりも少なくとも２０℃低く、より好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料の相転移温度よりも少なくとも４０℃低くてよい。本発明の様々な態様では、１気圧のときの作動流体の沸点（または作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が１気圧に等しいときの温度）が、（例えば、作動流体が周囲条件で液体になるように）約３０℃超、好ましくは約３５℃超、より好ましくは約５０℃超、さらに好ましくは約６０℃超、最も好ましくは約７０℃超であることが望ましいことがある（でよい）。本発明の様々な態様では、作動流体が１気圧のときの沸点（または作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が１気圧に等しいときの温度）は、約１８０℃未満、好ましくは約１５０℃未満、より好ましくは約１２０℃未満、最も好ましくは約９５℃未満でよい。
【００６１】
作動流体は、熱エネルギー貯蔵材料がその液相温度以上のときに蓄熱デバイス内で部分的にまたは完全に蒸発できる任意の流体でよい。限定されるものではないが、例示的な作動流体は、１つもしくは複数のアルコール、１つもしくは複数のケトン、１つもしくは複数の炭化水素、フッ化炭化水素、ハイドロフルオロカーボン（例えば、当技術分野で知られたハイドロフルオロカーボンの自動車用冷媒など、当技術分野で知られたハイドロフルオロカーボン冷媒）、水、アンモニア、またはそれらの任意の組合せを含むことができるか、あるいはそれらから本質的に構成されてよい。
【００６２】
特に好ましい作動流体は、水およびアンモニアを含むかまたは事実上それらから構成される。例えば、作動流体の水とアンモニアとの複合濃度は、作動流体である水およびアンモニアの全重量を基準に少なくとも約８０重量％、より好ましくは少なくとも約９０重量％、最も好ましくは少なくとも約９５重量％でよい。アンモニア濃度は、作動流体の沸点を水の沸点より低く（例えば、水の沸点よりも少なくとも１０℃低く）維持するのに十分なものにすることができる。アンモニア濃度は、作動流体の全重量を基準に約２重量％超、好ましくは約１０重量％超、より好ましくは約１５重量％超、最も好ましくは約１８重量％超でよい。アンモニア濃度は、作動流体の全重量を基準に約８０重量％未満、好ましくは約６０重量％未満、より好ましくは約４０重量％未満、最も好ましくは約３０重量％未満でよい。作動流体の水の濃度は、作動流体の全重量を基準に約２０重量％超、好ましくは約４０重量％超、より好ましくは約６０重量％超、最も好ましくは約７０重量％超でよい。作動流体の水の濃度は、作動流体の全重量を基準に約９８重量％未満、好ましくは約９５重量％未満、より好ましくは約９０重量％未満、さらに好ましくは約８５重量％未満、最も好ましくは約８２重量％未満でよい。例えば、アンモニア約２１重量％および水約７９重量％の溶液は、液相点が約−４０℃であり、沸点域の上限が１気圧で約１００℃未満である。この溶液を、室温で非圧力容器に（例えば、液体として）貯蔵することができる。
【００６３】
好ましくは、作動流体は全ての成分を合わせた蒸気圧が、約０℃から約２５０℃までのある温度で１気圧に等しい。
【００６４】
作動流体は、熱エネルギーを蓄熱デバイスから効率的に伝達することができ、そのため、（例えば、熱を除去するために作動流体ではない熱伝達流体を使用するデバイスと比較すると）蓄熱デバイスから熱量を除去するのに必要な作動流体の量は比較的少ない。好ましくは、作動流体によって伝達される熱の大部分は、蒸発熱の形態で伝達される。作動流体の体積、作動流体の流量、またはその両方は、作動流体ではない熱伝達流体を用い初期出力が同じシステムと比較すると、熱エネルギー貯蔵において比較的小さくてよい。蓄熱デバイス容器１リットル当たりの作動流体の流量（すなわち、蓄熱デバイスに流入する液体状態の作動流体）は、約５リットル／分未満、好ましくは約２リットル／分未満、より好ましくは約１リットル／分未満、さらに好ましくは約０．５リットル／分未満、最も好ましくは約０．１リットル／分未満でよい。システム内の作動流体の体積（例えば、システム内または毛細管ポンプ式ループ内の）と蓄熱デバイス容器全体積（すなわち、容器内の体積）の比（またはさらには、システム内の作動流体の体積と、蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の体積の比）は、約２０未満、好ましくは約１０未満、より好ましくは約４未満、さらに好ましくは約２未満、最も好ましくは約１未満でよい。
【００６５】
上記に説明したように、作動流体は、熱エネルギーの一部を蒸発熱の形態で伝達することができる。作動流体は、好ましくは、蒸発熱が高く、そのため、伝達できる熱量が高い。蓄熱デバイスの適切な作動流体は、蒸発熱が約２００ｋＪ／モル超、好ましくは約５００ｋＪ／モル超、より好ましくは約７５０ｋＪ／モル超、さらに好ましくは約１，０００ｋＪ／モル超、最も好ましくは約１，２００ｋＪ／モル超でよい。
【００６６】
作動流体の温度が０℃未満でよい適用例では、作動流体は、好ましくは、（例えば、作動流体が凍結せず、破裂を起こさず、または凍結も破裂もしないように）水ではない。
【００６７】
作動流体と接触する材料は作動流体による腐食に抵抗できることが理解されよう。例えば、作動流体（例えば、作動流体蒸気ラインの内部、作動流体液体ラインの内部、蓄熱デバイスの作動流体区画の表面、作動流体バルブの内面、コンデンサ内の作動流体区画の表面、作動流体リザーバの内面など）と接触できる、蓄熱デバイスまたは熱エネルギー貯蔵システムの任意の１つまたは全ての面は、ステンレス鋼から作製されてよい。
【００６８】
本明細書で説明する熱エネルギー貯蔵システムに用いられる作動流体または熱伝達流体はいずれも追加のパッケージを含むことができることが理解されよう。例えば、追加のパッケージは、安定剤、腐食抑制剤、潤滑油、極圧添加剤、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。
【００６９】
（熱エネルギー貯蔵システムの動作）
熱エネルギー貯蔵システムは、複数の動作段階を有し、それらの動作段階は、蓄熱デバイス外部からの熱が熱エネルギー貯蔵材料に供給されるチャージ段階と、その熱の少なくとも一部が熱エネルギー貯蔵材料に貯蔵される貯蔵段階と、その熱の少なくとも一部が熱エネルギー貯蔵材料から除去される排出段階とを含む。
【００７０】
１．チャージ段階
蓄熱デバイスの温度（が最大公称温度未満であり、熱伝達流体（例えば、排ガス））が熱エネルギー貯蔵材料の温度を超える温度を有するときにチャージ段階を開始することができる。チャージ段階中には、熱エネルギー貯蔵材料（例えば、相変化材料）をチャージするステップが、熱伝達流体から熱エネルギー貯蔵材料に熱を伝達するステップを含むことができる。チャージ段階中には、作動流体用の排出バルブは、好ましくは閉じている。蒸発器（すなわち、蓄熱デバイスの作動流体区画）内の液体の作動流体の残渣があればそれが、ボイルオフし、コンデンサに入り、コンデンサ内で液体になり、リザーバに入ることができる。熱エネルギー貯蔵システムが完全にチャージされているとき、または排気が局所の相変化材料の過熱を引き起こすのに十分に熱く、その結果相変化材料を分解させることができるときは、（図１に示すバルブによって作動するバイパスなどの）排ガスバイパスを使用して蓄熱デバイスの過熱を防止することができる。温度センサが、好ましくは、排気バイパスバルブを作動させることによる過熱を防止するために、相変化材料の近くに埋め込まれている。相変化材料の過熱を防止するために、好ましくは、他の制御方法を使用することができる。
【００７１】
２．貯蔵段階
内燃機関が停止しているとき、例えば、車両が停止しているときは、排出バルブは閉じたままである。熱エネルギー貯蔵システム内に貯蔵される熱は、ゆっくりと環境中に失われる。したがって、好ましくは、本発明では何らかの形態の断熱を使用する。システムの断熱が良いほど、貯蔵時間が長くなる。
【００７２】
蓄熱デバイスによる熱損失を防止する既知の任意の形態の断熱を利用することができる。例えば、参照によりその全体が本明細書に援用される米国特許第６，８８９，７５１号に開示されているような任意の断熱を用いることができる。蓄熱デバイスは、好ましくは、１つまたは複数の面で断熱されるように断熱した容器である。好ましくは、周囲または外部に露出した一部または全部の表面が、隣接した断熱材を有する。断熱性材料は、対流熱損失を低減し、放射熱損失を低減し、伝導熱損失を低減し、またはそれらの任意の組合せを低減することによって機能することができる。好ましくは比較的熱伝導が低い断熱材料または断熱構造を使用することで、好ましくは断熱することができる。離間した対向する壁の間の隙間を使用することで断熱することができる。その隙間は、空気空隙など、気体状媒体によって占有されてよく、あるいは、場合によっては、（例えば、デュワー瓶を使用することによって）真空にされた空間、熱伝導率が低い材料もしくは構造、熱放射率が低い材料もしくは構造、対流が低い材料もしくは構造、またはそれらの任意の組合せでもよい。限定されるものではないが、断熱には、セラミック断熱（石英断熱またはガラス断熱など）、ポリマー断熱、またはそれらの任意の組合せが含まれてよい。断熱は、繊維形態、フォーム形態、高密度層、コーティング、またはそれらの任意の組合せでよい。断熱は、織物材料、不織材料、またはそれらの組合せの形態でよい。熱伝達デバイスを、デュワー瓶、より具体的には、内部貯蔵空洞を画定するように構成された概して対向する壁と、大気圧未満に真空引きされているそれらの対向する壁の間の壁の空洞とを含む、ベッセル容器を用いて断熱することができる。それらの壁はさらに、放射熱損失を最小限に抑えるために反射性の表面コーティング（例えば、鏡面）を利用することができる。
【００７３】
好ましくは、システムの周りに真空断熱が用いられる。より好ましくは、参照によりその全体が本明細書に援用される米国特許第６，８８９，７５１号に開示されているような真空断熱が用いられる。
【００７４】
３．排出段階
熱エネルギー貯蔵システムに貯蔵された熱を、加熱する物体に伝達する必要があるときは、必要な排出力（例えば、ワット（Ｗ）の単位で）に応じて所望の程度になるまで排出バルブを開く。リザーバに貯蔵された液体の作動流体は、重力で押しやられて蒸発器に入り、ウィックを濡らし、毛細管圧力によって上に押しやられてウィックに沿って流れ、相変化材料から流れる熱で蒸発する。蒸気は、ウィック間の隙間に沿って流れ、次いでコンデンサに入り、そのコンデンサでは、蒸発潜熱および顕熱の両方として貯蔵された熱を冷却材へ放出し、コンデンサと低温の内燃機関および／または空気加熱器コアとの間を循環する。高出力で排出する間には、蒸発器内の蒸気圧は、コンデンサ内の圧力を事実上超えることができる。この圧力差により、液体を蒸発器の外に液体ラインに沿って押し出そうとする。論理に縛られることなしに、毛細管構造（例えば、ウィック）の孔を充填する液体の微細なメニスカスによって形成される毛細管圧力が、この圧力を維持するものであり、蒸発器中への液体の「ポンプ輸送」を維持すると考えられる。毛細管圧力は、ウィックの孔のサイズに反比例する（ヤングラプラスの等式）。蒸気は、その圧力を解放するためには、蒸気ラインを通してコンデンサに流入する以外に選択肢はない。これにより、毛細管ポンプ式ループ内の循環的な流れパターンが確立される。所望の熱量が毛細管ポンプ式ループによって伝達されたときに、排出バルブが閉じる。
【００７５】
排出段階中には、本発明のデバイスおよびシステムは、比較的高い出力（単位はワット）、比較的高い出力密度（例えば、単位はワット／リットル（蓄熱デバイス））、またはその両方を有することができる。出力、出力密度、またはその両方が、毛細管構造を有しないことを除いて同一のデバイスまたはシステムよりも高い（例えば、少なくとも２０％高く、より好ましくは少なくとも約１００％高い）。例えば、デバイス、システム、またはその両方の平均出力密度は、蓄熱デバイスの断熱体積の全内部体積（例えば、熱エネルギー貯蔵材料区画、熱伝達流体区画、および作動流体区画の体積の合計）に基づいて、少なくとも約１ｋＷ／リットル、好ましくは少なくとも約１０ｋＷ／リットル、より好ましくは少なくとも約２５ｋＷ／リットル、さらに好ましくは少なくとも約３０ｋＷ／リットル、最も好ましくは少なくとも約５０ｋＷ／リットルでよく、出力は初期の排出動作（例えば、排出動作の最初の３０、６０、または１２０秒）にわたって平均が取られ、その排出動作は、例えば、バルブが蓄熱デバイスの第１の流路を通る作動流体の流れを可能にするように開いているとき、さらに相変化材料の大部分（例えば、少なくとも５０体積％、または少なくとも７５体積％）が排出動作の開始時に（例えばバルブを開いたときに）液体状態のときに開始する。
【００７６】
本発明の熱エネルギー貯蔵システムは、熱エネルギー貯蔵材料を同時にチャージおよび排出することによって（すなわち、チャージ段階および排出段階の両方を同時に実行することによって）、「組合せ」モードで（例えば、定常状態モードとして）動作することもできると理解されたい。動作の組合せモードでは、作動流体の排出バルブは両方とも開いており、熱伝達流体（例えば、高温の排ガス）は蓄熱デバイスを通って流動する。動作の「組合せ」モードにより、排ガスから熱受容体に熱の連続した（例えば、不変の）流れを確立することができる。他の従来技術の定常状態の排気熱回収デバイスに対する本システムの一利点は、（都市の交通では非常に一般的である）排気の流れの熱出力の変動を平均化し、本質的に排ガスと熱受容体との間の熱バッファとして働く相変化材料の大型の蓄熱容量を使用してより安定した熱出力を受容体に運ぶ能力である。熱の流れの平均化は、排気熱、例えばランキンサイクル熱機関（ターボスチーマとしても知られる）、吸収もしくは吸着サイクル冷凍システム、または単に運転席の空気加熱器によって動力を供給されるデバイスの最適な動作を確実にする際に非常に利益がある場合がある。
【００７７】
熱エネルギー貯蔵システムは、熱エネルギー貯蔵システムから環境への熱損失を最小限に抑える１つまたは複数の手段を用いることができる。熱損失を最小限に抑える例示的な手段には、熱エネルギー貯蔵システム（例えば、蓄熱デバイス、ライン、蒸発器、またはそれらの任意の組合せ）の１つもしくは複数の構成要素の断熱、熱伝導率の低い材料の使用、放射熱損失もしくは熱の流動距離を低減する形状および／もしくはコーティングの使用、またはそれらの任意の組合せが含まれる。
【００７８】
限定されるものではないが、２００９年２月２０日出願の米国特許出願第１２／３８９，５９８「Ｈｅａｔ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」に開示された断熱手段を用いることができる。
【００７９】
一例として、蓄熱デバイスは、真空（例えば、高真空）ジャケット断熱を用いることができ、任意選択で、真空ジャケット内壁と外壁との間の放射熱伝達を遅らせる薄い内部放射スクリーンを有する。放射熱伝達率は、概して、熱流路に沿った放射スクリーン間の真空間隙の数に反比例する。この手法は、２重のデュワー瓶に似ている。したがって、断熱は、１、２、または３以上の真空間隙を用いることができる。
【００８０】
蓄熱デバイスは、周囲への熱損失を低減するかたまたは最小限に抑えるために、熱伝導率が比較的低い１つまたは複数の材料を用いることができる。例えば、蓄熱デバイスは、熱伝導率が低炭素鋼（例えば、Ａ３６等級）の熱伝導率の５０％未満、好ましくは低炭素鋼の熱伝導率の３０％未満、より好ましくは低炭素鋼の熱伝導率の２０％未満、最も好ましくは低炭素鋼の熱伝導率の１０％未満の１つまたは複数の材料を用いることができる。使用できる例示的な低熱伝導率の材料には、限定されるものではないが、ステンレス鋼、チタン合金、シリカベースのガラス、またはそれらの任意の組合せが含まれる。例えば、低熱伝導率の材料は、蓄熱デバイスの入口および出口をコンデンサ、熱源（例えば、排気パイプ）、またはその両方に接続するライン（例えば、管）を用いることができる。
【００８１】
熱通路の距離を延長する１つまたは複数の（例えば、さらには全ての）接続ラインの形状（例えば、管またはパイプ）を選択することによって、熱損失を低減させることができる。例えば、ラインの形状には、滑らかな（例えば、円筒形の）壁の代わりに壁の薄い蛇腹を用いることができる。ラインは、湾曲してよく（例えば、事実上湾曲した中心線を有してよく）、そのため、蓄熱デバイスと、熱エネルギー貯蔵システムのうちの断熱されていない部分との間の直接の「見通し線」の放射熱伝達が、大幅に低減されるか、またはなくなりさえする。したがって、その形状を、ラインの水圧耐力を事実上増大させることなくラインの放射状開口を縮小するように選択することができる。さらに、ラインの１つまたは複数の面を、間接的放射熱損失を低減できるコーティングでコーティングすることができる。こうしたコーティングは、シルバなど、概して反射性のコーティングである。
【００８２】
本発明の好ましい実施形態では、システムは以下の特徴を有する。カプセル材のシートの厚さは０．０１〜２ｍｍである。相変化材料のカプセルのサイズは０．５〜１００ｍｍである。カプセル間の流体の隙間は０．１〜１０ｍｍである。ブリスタパックの寸法は熱交換器の寸法に応じて変わり、その熱交換器の寸法は用途に応じて大きく変わる。単一のカプセル寸法と同程度に小さくするか、または大型ビルの暖房および空気調和のために数メートル程度にすることができる。
【００８３】
エンジンの排ガスからのエネルギーを貯蔵する熱エネルギー貯蔵システムを、運搬用車両（例えば、自動車両）に用いることができる。エンジンが排ガスを発生させるときは、バイパスバルブは、蓄熱デバイスをチャージするように蓄熱デバイスを通るか、または蓄熱デバイスの過熱を防止するようにバイパスラインを通る気体の流れを方向付けることができる。エンジンが停止しているとき、例えば、車両が停止している期間に、蓄熱デバイスに貯蔵された熱の大部分を（例えば、蓄熱デバイスを囲繞する真空断熱によって）長期間保持することができる。好ましくは、蓄熱デバイスの熱エネルギー貯蔵材料の少なくとも５０％が、車両が周囲温度約−４０℃で１６時間停車した後で液体状態のままである。エンジンが事実上冷却する（例えば、エンジンと周囲との温度差が約２０℃未満になるように）十分に長い時間（例えば、少なくとも２または３時間）車両が停止している場合は、（エンジン冷却材などの）熱伝達流体を、作動流体用のコンデンサを含む熱交換器を通して流すことによって間接的に、蓄熱デバイスに貯蔵された熱を低温のエンジンまたは他の熱受容体に排出することができる。作動流体は、作動流体が蒸発する蓄熱デバイス内部の毛細管構造を使用して毛細管ポンプ式ループ内を循環する。作動流体からの熱は、熱交換器内のエンジン冷却材に伝達される。蓄熱デバイスを用いることによって、そうでなければ廃棄された熱を、前の行程の間に捕捉して、低温始動を緩和し、かつ／または即座に運転席を暖めることができる。
【００８４】
作動流体を使用する熱の伝達は、作動流体バルブ（すなわち、排出バルブ）を開くことによって開始することができる。追加の液体ラインを介してループに接続されたシール済みの作動流体リザーバは、事実上圧力変化なしでループ内の作動流体の液体の体積の変化を吸収するように働く。蓄熱デバイスから十分なまたは全ての有用な熱が伝達されると、排出バルブを閉じることができる。蓄熱デバイス内の残りの作動流体は、（例えば、蓄熱デバイス内の残りの熱から、または蓄熱デバイスがチャージを開始するときに）蒸発し、次いで、コンデンサ内で凝縮することができる。蓄熱デバイスから作動流体を排出するにつれて、作動流体レベルの液体レベルが変化してもよい（例えば、上昇する）。
【００８５】
蓄熱デバイスは、直交流形（すなわち、作動流体に関する流れの方向、および排ガスの流れに関して垂直の流れの方向を有する）熱交換器でよい。動作中は、蓄熱デバイスは、３つのチャンバを含むことができ、そのチャンバは、１）排ガス、２）停滞した相変化材料（例えば、ブリスタパックなどのカプセルの内部）、および３）作動流体によって占有されている。３つ全てのチャンバは、適切な材料、好ましくはステンレス鋼から作製された薄い壁によって分離状態に維持される。排ガスは、ブリスタ内の相変化材料のカプセルの表面（例えば、湾曲した表面）の間を流動することができ、作動流体は、排ガスの流れの方向に概して垂直な方向に、ブリスタ内の相変化材料のカプセルの異なる表面（例えば、平坦な面）の間を流動することができる。そのチャンバに入る液体の作動流体は、好ましくは、毛細管構造（例えば、金属製ウィック）を濡らし、毛細管の内側に形成された作動流体の液体のメニスカスに作用する毛細管の力によって、重力と蒸気圧を複合した力にぶつかって輸送される。この流れは、ブリスタ内の相変化材料から引き出された熱を用いた液体の連続する蒸発によって維持される。作動流体の蒸気は、毛細管構造から離れ、蒸気チャネルを介してデバイスの上部に逃げ、そのチャネルは、ブリスタ内の相変化材料のカプセルの表面（例えば、平坦な面）の間に押し込んだ毛細管構造のカラム間に互いに入り込ませることができる。作動流体の蒸気は、コンデンサに流入し、そのコンデンサ内で蒸発熱および顕熱を低温の冷却材に伝達し、再度液体になって蓄熱デバイスに戻る。その作動流体は、液体の作動流体が部分的に浸透する毛細管構造（例えば、金属製ウィック）内に存在する毛細管力によってのみポンプ輸送されてループを循環し続ける。毛細管構造の全てのカラムを共通の多孔質のベースに接続することができる。こうした多孔質のベースを用いて、デバイスの底部に入る液体の作動流体を異なるカラムに分配することができる。
【００８６】
さらに、本発明を追加の要素／構成要素／ステップと組み合わせて使用することができる。例えば、空気調和のための吸収または吸着サイクル冷凍システムは、低温の冷却材の代わりにまたはそれに加えて熱受容体として使用することができる（例えば、コンデンサは、空調機の流体ループ内を循環する冷媒のための蒸発器として働くこともできる）。別の適用例では、熱機関、例えば、ランキンサイクルを使用した定常状態廃熱回収システムを、同じまたは異なる毛細管ポンプ式ループの作動流体を使用し、（例えば、タービンより上流の高い蒸気圧を克服するために）機械的な力を生成するタービンを蓄熱デバイスとコンデンサとの間で蒸気ラインに追加し、かつ／またはコンデンサと蓄熱デバイスとの間で液体ラインに液体ポンプを追加するように構築することができる。上記のタービンは、排ガスの廃熱から捕捉した一部を有用な機械的または電気的な仕事に変換することができ、したがって、車両の燃料効率が全体的に改善される。
【００８７】
本発明は、様々な改変形態および代替形態が可能であり、上記で説明した例示的な実施形態は単なる一例として示している。しかし、本発明は本明細書で開示される特定の実施形態に限定されるものではないことをやはり理解されたい。実際に、本発明の本技法は、以下の添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内に包含される全ての改変形態、等価物、および代替形態をカバーするものである。
【００８８】
図１は、独創的な蓄熱デバイスを含む本発明の熱エネルギー貯蔵蓄熱デバイスである。図１に示すように、蓄熱デバイス１０は容器１２を含むことができ、その容器１２は、作動流体入口１４と、作動流体出口１６と、熱伝達流体入口１８と、熱伝達流体出口２０とを有する。蓄熱デバイスの体積は、約１リットルであり、熱エネルギー貯蔵材料が蓄熱デバイスの約６０体積％超を占有する。
【００８９】
図２Ａは、図１の蓄熱デバイス１０の例示的な断面（すなわち、図１に示すような断面）である。蓄熱デバイスはカプセル層３２を含み、隣接する各カプセル層の間に空間がある。カプセル層３２はそれぞれ、弓形の面３４と、概して平坦な対向面３６とを有する。熱伝達流体区画２６の少なくとも一部分（例えば、１つの層）は、２つのカプセル層の間に挟まれている。作動流体区画２２の一部分（例えば、１つの層）は、隣接する２つのカプセル層の間に挟まれており、２つのカプセル層の離隔距離（例えば、平均距離）によって画定される作動流体区画の平均厚さは約１ｍｍである。カプセル層は、概して、カプセル層の一方の面に作動流体区画２２の層を有し、反対側の面に熱伝達流体区画２６の層を有する。熱伝達流体区画の層の平均厚さは約１ｍｍである。
【００９０】
図１、図２Ａ、および図２Ｂに示すように、蓄熱デバイスは、蓄熱デバイスの作動流体区画中に作動流体を流入させる入口１４と、蓄熱デバイスから作動流体を流出させる出口１６とを有する。出口は、入口よりも高さが高く、そのため、作動流体の流れは、概して垂直の成分を含む。作動流体は、水約７９重量％およびアンモニア約２１重量％の混合物である。作動流体は、熱エネルギー貯蔵材料３０と熱接触している。作動流体区画の少なくとも一部は、毛細管構造を形成する金属製ウィックの５ｍｍのストリップを含む。図２Ａの断面に、作動流体区画２２の領域を示し、その作動流体区画の全ての層が金属製ウィックを有する。ウィックの５ｍｍのストリップの間には、図２Ｂの断面に示すような金属製ウィックがない１０ｍｍ幅の部分がある。図２Ａに示すように、毛細管構造（すなわち、金属製ウィック）は、作動流体区画の長さにわたって延在することができる。毛細管構造の一部分は、相変化材料を収容する各カプセルと熱接触している（例えば、毛細管構造は、概して平坦な外面のうちの各カプセルの隣の部分と接触している）。
【００９１】
本発明の熱エネルギーシステムを図３に示す。熱エネルギー貯蔵システム５０は、蓄熱デバイスと、作動流体５４用の入口５６および作動流体用の出口５８を有するコンデンサ５２と、コンデンサ５２の作動流体出口５８を蓄熱デバイスの作動流体入口に接続する管の作動流体入口５６を接続する蒸気管６０とを含む。熱エネルギー貯蔵システムは、毛細管ポンプ式ループを収容し、その毛細管ポンプ式ループは、蓄熱デバイス内の作動流体区画と、コンデンサ内の作動流体区画と、作動流体蒸気管と、作動流体液体管とを含む。熱エネルギー貯蔵システムは、作動流体リザーバ７４も含む。作動流体リザーバの充填レベルは、蓄熱デバイスの作動流体入口よりも高さが高く、コンデンサ５８の作動流体入口の高さよりも低い。毛細管ポンプ式ループは、作動流体液体管６２内にバルブ７２を有することができる。そのバルブを用いて、蓄熱デバイスがチャージしているとき、および蓄熱デバイスが熱を貯蔵するときに、作動流体が毛細管ポンプ式ループ内を循環するのを防止する。バルブは、蓄熱デバイスから熱を排出することが望ましいときは開いている。
【００９２】
やはり図３を参照すると、熱エネルギー貯蔵システムは、蓄熱デバイスの内外に熱伝達流体を流動させる熱伝達流体入口ライン６４および熱伝達流体出口ライン６６を含む。熱エネルギー貯蔵システムは熱伝達流体バイパスライン６８も有する。熱エネルギー貯蔵システムは、（例えば、蓄熱デバイスが完全にチャージされているとき、または熱伝達流体の温度が蓄熱デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度未満のときに）熱伝達流体の一部または全部をバイパスライン６８に進路変更する切換えバルブ（例えば、バイパスバルブ）７０も含む。
【００９３】
熱エネルギー貯蔵システムのコンデンサ５２は、熱交換器である。熱エネルギー貯蔵システムは、熱交換器中に熱伝達流体を供給する低温ライン８０と、熱交換器から熱伝達流体を除去するヒートライン７８とを含む。低温ライン８０およびヒートライン７８は熱伝達流体ループ８４の一部である。熱伝達流体ループは、エンジン冷却材を収容し、内燃機関７６に接続され、蓄熱デバイスに貯蔵されたエネルギーで内燃機関を加熱するために使用される。
【符号の説明】
【００９４】
１０  蓄熱デバイス
１２  容器
１４  作動流体入口
１６  作動流体出口
１８  熱伝達流体入口
２０  熱伝達流体出口
２２  作動流体区画
２６  熱伝達流体区画
３２  カプセル層
３４  弓形の面
３６  平坦な対向面
５０  熱エネルギー貯蔵システム
５２  コンデンサ
５４  作動流体
５６  作動流体入口
５８  作動流体出口
６０  蒸気管
６２  作動流体液体管
６４  熱伝達流体入口ライン
６６  熱伝達流体出口ライン
６８  熱伝達流体バイパスライン
７０  切換えバルブ
７２  バルブ
７４  作動流体リザーバ
７６  内燃機関
７８  ヒートライン
８０  低温ライン
８４  熱伝達流体ループ
【図１】
2013506109.tif 000003
【図２Ａ】
2013506109.tif 000004
【図２Ｂ】
2013506109.tif 000005
【図３】
2013506109.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年5月24日(2012.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉ）ある温度で固相から液相に転移する熱エネルギー貯蔵材料と、
ｉｉ）複数の毛細管を有する毛細管構造とを含む、デバイスであって、
前記デバイスは蓄熱デバイスである、デバイス。
【請求項２】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、温度約５０℃超で固相から液相に転移する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、温度約９０℃から約３００℃で固相から液相に転移する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料区画に封入され、前記デバイスが、前記熱エネルギー貯蔵材料と熱接触する作動流体区画を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記熱エネルギー貯蔵材料が複数のカプセルに封入される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記カプセルが、作動流体区画との接触を最大にする面を有し、前記作動流体区画との間の熱伝達を最大にする形状を有する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記熱エネルギー貯蔵材料が複数のカプセルに封入され、前記カプセルが弓形の面および平坦な面を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
ｉ）作動流体用の少なくとも１つの入口および１つの出口、ならびに第２の流体用の少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口をそれぞれ有する、１つまたは複数の容器と、
ｉｉ）少なくとも第１の外面を有し、前記容器に前記熱エネルギー貯蔵材料を収容する１つまたは複数のカプセルであって、前記熱エネルギー貯蔵材料が相変化材料である、カプセルと、
ｉｉｉ）前記容器を通る前記作動流体の流れのための第１の流路であって、前記カプセルの前記第１の外面によって少なくとも部分的に画定される、第１の流路と、
ｉｖ）前記第１の流路を通して作動流体をポンプ輸送できる複数の毛細管を有する毛細管構造であって、当該毛細管構造が、前記第１の流路を部分的に充填し、前記カプセルの前記第１の外面と少なくとも部分的に接触し、そのため、一方の端部で作動流体と接触すると、前記作動流体が前記毛細管に引き込まれ、毛細管がない第２の部分を前記第１の流路に有する、毛細管構造と、
ｖ）前記容器を通る第２の流体の流れのための第２の流路と、を備えるデバイスであって、
前記第１の流路が作動流体区画内にあり、前記第２の流路が熱伝達流体区画内にあり、前記相変化材料が相変化材料区画内にあり、
前記相変化材料が、前記作動流体区画および前記熱伝達流体区画と熱伝達しており、
前記デバイスが蓄熱デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記複数の毛細管が、孔の直径が約２００μｍ未満の毛細管を含む、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記カプセルが第２の外面を含み、前記第２の外面が、前記第２の流路を少なくとも部分的に画定する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２の流体が排ガスである、請求項９または１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が温度約０℃から約２５０℃では１気圧に等しい、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記相変化材料の固相から液相に転移する温度が、約５０℃超（例えば、約９０℃から約３００℃）である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記容器が、少なくとも部分的に断熱される、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記システムがカプセルを複数含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１６】
熱を貯蔵および伝達するシステムであって、
ａ）請求項１に記載の蓄熱デバイスと、
ｂ）少なくとも第１の入口および少なくとも第１の出口ならびに前記作動流体用の第１の流路を有するコンデンサとを含み、
前記蓄熱デバイスが前記コンデンサと流体接続しており、前記システムが前記コンデンサの前記第１の流路および前記蓄熱デバイスの前記第１の流路を含む毛細管ポンプ式ループを備える、システム。
【請求項１７】
前記作動流体を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が、温度約３５℃超のときに１気圧に等しい、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記作動流体が、１つもしくは複数のアルコール、１つもしくは複数のケトン、１つもしくは複数の炭化水素、フッ化炭化水素、ハイドロフルオロカーボン、水、アンモニア、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記作動流体がアンモニアおよび水の溶液を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記作動流体の平衡状態が、温度−４０℃かつ圧力１気圧のときに少なくとも９０％が液体である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記蓄熱デバイスから前記コンデンサへの前記作動流体の流れを制御するために作動流体バルブを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
前記蓄熱デバイスの出口と前記コンデンサの入口とを接続する蒸気管を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
前記蒸気管が少なくとも部分的に断熱されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コンデンサの出口と前記蓄熱デバイスの入口とを接続する液体管を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コンデンサを少なくとも部分的に充填する作動流体を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２７】
前記蓄熱デバイス内の前記相変化材料を加熱する手段を含み、その結果、前記蓄熱デバイスが前記作動流体の全ての成分を合わせた蒸気圧が１気圧を超えるのに十分な温度であり、前記作動流体が流動できるように前記バルブが開いているときに、前記作動流体が、
ａ）前記毛細管構造によってポンプ輸送され、
ｂ）少なくとも部分的に蒸発し、
ｃ）前記コンデンサに少なくとも部分的に輸送され、
ｄ）前記コンデンサ内で少なくとも部分的に凝縮し、
その結果、前記蓄熱デバイスから熱が除去される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記蓄熱デバイスへの前記第２の流体の流れを制御するための第２のバルブを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２９】
リザーバを含み、前記リザーバが作動流体を収容する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記毛細管ポンプ以外に前記作動流体をポンプ輸送するポンプを有しない、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記コンデンサが、前記作動流体から前記熱伝達流体に熱を伝達できるように、前記コンデンサを通して熱伝達流体を輸送するための、第２の流路、第２の入口、および第２の出口を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３２】
自動車の構成要素を加熱するために使用される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３３】
内燃機関と熱伝達している、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３４】
前記作動流体の体積と前記相変化材料の体積の比は、約２０：１未満である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３５】
前記熱交換器を通る前記第１の流路の約５％から約９５％が前記毛細管構造を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第２の流路を通る前記排ガスの流れを制御するバルブをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３７】
前記システムの平均出力密度が、前記デバイスの前記断熱した（内部）体積１リットル当たり少なくとも約１ｋＷであり、これは動作の最初の３０秒にわたって平均が取られたものであり、その動作が、バルブが前記蓄熱デバイスの前記第１の流路を通る前記作動流体の流れを可能にするように開いているときに開始し、前記相変化材料の少なくとも５０体積％が、前記バルブが開いているときに液体状態である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項３８】
請求項１に記載の蓄熱デバイスを通して作動流体を循環させるステップを含む、熱を排出する方法。
【国際調査報告】
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