(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体入口および気体出口を有するチャンバと、前記入口と前記出口間に配置され、それぞれが気体透過性熱貯蔵媒体を有する複数の連続する下流気体透過性熱貯蔵層とを備える熱エネルギー貯蔵装置であって、前記熱貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が前記気体入口から気体出口へ複数の熱貯蔵層を流れるように構成される熱エネルギー貯蔵装置において、
前記複数の熱貯蔵層の少なくとも１つが少なくとも１つの弁を有する有弁熱貯蔵層であり、前記弁が、少なくとも一部の気体流が弁を介して層を通って層の前記熱貯蔵媒体をバイパスすることを許可または阻止するようにバイパス弁として選択的に動作可能である、ことを特徴とする熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
各有弁層が相互に間隔をおいて配置される複数の弁を備える請求項１による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
有弁層の前記弁が他の有弁層の弁と無関係に動作可能である請求項２による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記貯蔵装置の前記複数の熱貯蔵層のあらゆる層が有弁層である請求項１〜３のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記貯蔵装置が、同貯蔵装置を通る熱フロントの進行に応じて気体入口から気体出口まで流れて気体の流路を選択的に変更するよう構成された制御システムを備える請求項１〜４の何れか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
動作中、前記気体流路が、層の熱伝送がほぼ完了している前記熱フロントの上流の熱貯蔵層をバイパスするように変更される請求項５による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項７】
動作中、前記気体流路が、層の熱伝送が最小である前記熱フロントの下流の熱貯蔵層をバイパスするように変更される請求項５または請求項６による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
動作中、前記気体流路が、前記熱フロントの全部または一部が存在する熱貯蔵層のみを通過するように変更される請求項６又は７による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
前記チャンバが、前記気体入口と前記気体出口との間に縦方向に並べられる複数の水平気体透過性熱貯蔵層を備える縦型チャンバであり、前記貯蔵装置が、気体が前記気体入口から前記気体出口へ垂直に前記熱貯蔵層を流れるように構成される請求項１〜８のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１０】
前記貯蔵装置が、動作中、前記気体入口が温入口として設置される際には前記チャンバの頂部に設けられ、冷入口として設置される際には前記チャンバの底部に設けられるように配置される請求項９による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１１】
横方向の気体分布のための間隙またはプレナムが各層の前記熱貯蔵媒体の上方に設けられる請求項１〜１０のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１２】
単独の有弁層が、単独の始動機構によって一斉に作動させられるよう構成された複数の弁を備える請求項１〜１１のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１３】
前記弁がフラップ弁、蝶形弁、滑り弁又は回転弁である請求項１〜１２のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１４】
複数の隣接有弁層が設けられ、隣接層の前記弁が、前記貯蔵装置を延在するバイパス流路を提供するように垂直に並べられる請求項１〜１３のいずれか１項による熱エネルギー貯蔵装置。
【請求項１５】
前記貯蔵装置が、熱フロントが前記貯蔵装置の長に沿って進行するにつれて熱フロントの進行に応じて各有弁層の弁を制御することによって前記気体入口から前記気体出口へ流れる気体の流路を選択的に変更し、任意選択で制御システムは、熱フロントが下流に移動するにつれて隣接有弁層の別々の選択下流群の有弁開口部を順番に閉鎖することによって前記気体流路を前記隣接有弁層の別々の選択下流群に順番に分流させる制御システムを備える請求項１による熱エネルギー貯蔵装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギー貯蔵装置と該装置を製造し動作させる方法に関する。また、本発明はエネルギー貯蔵システム、特にポンプ型熱電力貯蔵（ＰＨＥＳ）システムなどの電力貯蔵システムを含む、上記装置を組み込んだシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定用途では、熱貯蔵媒体を含む熱エネルギー貯蔵装置（以下「熱貯蔵装置」と称する）に「温」と「冷」のいずれかを貯蔵するのが望ましく、上記媒体は後で取り出されるまで熱エネルギーを効率的に貯蔵することができる。「温」または「冷」は、熱貯蔵媒体と直接接触する流体、通常は気体（たとえば、不活性ガス）によって熱貯蔵媒体との間で伝送される。エネルギー伝送、気体流のための良好な多孔度、貯蔵装置の動作温度範囲における適切な熱容量を促進するために、熱貯蔵媒体は広い表面積を有するべきである。通常、貯蔵媒体は断熱加圧容器内に含まれる多孔質粒子または多孔質中実媒体として提供される。特に、貯蔵装置が大量の温または冷を貯蔵する必要があるエネルギー貯蔵システムの一部を形成する場合、必要な熱貯蔵媒体の質量は１０〜１００メートルトン台となる可能性があり、大型の高価な加圧容器を建設する必要がある。したがって、このような容器では、すべてのデッドスペースを最小限に維持しなければならない。
【０００３】
上述したように、表面積が大きいほどエネルギー伝送が向上する。使用される粒子（または中実媒体の流路または孔）が小さければ、貯蔵媒体の単位体積辺りの表面積が増大する傾向にある。すなわち、より大きな「比表面積」を持つことになるといえる。
たとえば、
・充填床球体、１０ｍｍ径（立方充填）約３１４ｍ２／ｍ３
・充填床球体、１ｍｍ径（立方充填）約３１４０ｍ２／ｍ３
・多孔質金属発泡体、インチ当たり５つの孔（１２％密度）約４３０ｍ２／ｍ３
・多孔質金属発泡体、インチ当たり４０の孔（１２％密度）約２１００ｍ２／ｍ３
これが示すように、１ｍｍの粒径の充填球体は１立方メートル当たり約３１４０ｍ２の比表面積を有する。インチ当たり４０の孔を有する多孔質発泡体金属の場合立方メートル当たりの比表面積は２１００ｍ２である。発泡金属の密度は固体の１２％であり、つまり空隙率は８８％である。本例の球体の空隙率は、比較のためわずか約５０％である。
【０００４】
より大きな比表面積を有するより小さな粒子を使用する利点はさらにある。小さな粒子を使えば、粒子がより良好に均衡し、内部の熱混合に作用されにくいため（外側での最高気体温度よりも充電後の粒子の平均温度が低くなるため、放電後、気体が低温に再加熱される）、「不可逆的な」熱損失が少ない。ただし、このような不可逆的熱損失は粒径を低減することによって減少させることができるが、貯蔵装置を通じて気体圧力損失が上昇する。
【０００５】
粒径は、熱フロントに及ぼす影響の点でも貯蔵装置の利用に関係する。熱貯蔵の状況においては、「熱フロント」が貯蔵容器で生成される。すなわち、下流移動距離に伴う貯蔵媒体および／または気体の温度の上昇または低下が、貯蔵装置の活性領域、すなわち、熱伝送が最も活発な領域で生じる。
【０００６】
図１は熱貯蔵装置での熱フロントの形成を示し、どのように熱貯蔵装置の充電工程において、下流に進み、普通は当初かなり急だが、（低温で貯蔵媒体を有する貯蔵装置に入る気体の場合）充電が継続するにつれ次第に緩やかになる熱フロントが貯蔵装置の領域に設定されるかを示す。このように、フロントは長Ｌ１から始まるが、容器を下るにつれ長Ｌ２、次いでＬ３に拡張する。フロントは通常漸近的であるため、フロントの長はＴＨ２とＴＡ２間のフロント長として説明でき、これらはピーク温度ＴＨ１と開始温度ＴＡ１の３％内に収まる。ピーク温度と開始温度の２％内などの異なる基準が設定される場合、前述のフロント長はわずかに長くなる。
【０００７】
ある貯蔵装置形状の場合、フロントが長いほど熱損失は少なくなるが、フロント長は貯蔵装置の利用可能量を低下させる、すなわち貯蔵装置の稼働率を低下させる。貯蔵装置が５ｍ径で１０ｍ長であり熱フロントの長さが５ｍである場合、貯蔵装置の稼働率は約５０％にまで低下する。
【０００８】
同サイズの貯蔵装置を使用し、粒径を低減した場合、ずっと短いフロントで同レベルの熱損失を達成することができる。したがって、充填床での粒径または多孔質媒体の孔径を小さくすると、熱伝送が向上し、熱損失が低下し、貯蔵装置の稼働率が上昇する（熱フロントが短くなる）。欠点の１つは、床を通る流体流に関連して圧力が低下し、粒子または孔径が低減するにつれ、この圧力低下が大幅に進むことである。
【０００９】
圧力はベクトル量ではないが、圧力勾配は距離に関して定義することができる。流体流への抵抗は粒径の減少とともに増加し、流体内の圧力低下（δΡ）をもたらす。熱貯蔵装置の場合、長Ｌの貯蔵装置全体で圧力低下δＰが生じ、この場合の圧力勾配はδΡ／Ｌである。圧力は流速方向に減少するため、気体が貯蔵装置を通過した後に気体圧力は低下する。この圧力低下はまた、充填床での粒径が非常に高い熱可逆性をもたらすような非常に小さなサイズまで低減されない理由である。圧力低下による損失は小粒径の恩恵よりも大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１１／１０４５５６号
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ２００９／０４４１３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
貯蔵装置長にわたる圧力低下に関連するもう１つの課題は、可能な場合、常に気体が貯蔵媒体の中心から逃げようとし、その代わりに媒体をバイパスするチャンバ側へと下って不十分な熱交換を招きがちなことである。しかしながら、熱貯蔵装置内に十分な封止を行うことはサイズと熱サイクルの問題から困難である。貯蔵装置の充電または放電中、温度は数百度変動する可能性があり、熱フロントが貯蔵装置を上昇または下降する際、それぞれの上流および下流部分は相対的に熱収縮／膨張し、たとえば大型熱貯蔵装置では２〜２０ｃｍの間隙を生むことがある。したがって、十分な封止を保持しつつ、このような熱膨張作用を考慮に入れなければならない。
【００１２】
出願人による特許文献１は、熱フロントが生成されるときの不可逆性を低減するため、あるいは粒径の拡張によって貯蔵媒体を通過する気体の圧力低下を低減するため、それを通じて媒体のサイズと種類を変更することのできる熱貯蔵装置について記載している。
【００１３】
熱貯蔵装置は、エネルギー貯蔵システム、特に、少なくとも１つの温貯蔵装置と少なくとも１つの冷貯蔵装置が必要とされるポンプ型熱電力貯蔵（ＰＨＥＳ）システムにおいて使用することができる。出願人による特許文献２はＰＨＥＳシステムについて記載しており、図２はシステム２を概略的に示す。システム２は粒子状媒体１０の２つの大型貯蔵容器４および６を備え、充電サイクル（矢印で示すように時計回り）において熱ポンプ／エンジン機械８によって電気が使用され、一方の容器４（「冷」貯蔵装置）から他方の容器６（「温」貯蔵装置）へ熱を送り出し、第１の容器４が冷却され第２の容器６が加熱される。その後、機械８が発電機を駆動する間、サイクルを逆転させ（すなわち、反時計回り方向）、熱を温貯蔵装置６から上記機械を通じて冷貯蔵装置４へと送り戻すことによって電気を再生することができる。総エネルギー貯蔵量は熱エネルギー貯蔵装置のサイズによってのみ制限されるため、設計がシステム全体にとって極めて重要である。
【００１４】
本発明は、設計が改良された熱エネルギー貯蔵装置、特にエネルギー貯蔵システムでの使用に適した装置を提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の側面
第１の側面では、本発明は、気体入口および気体出口を有するチャンバと、入口と出口間に配置され、それぞれが気体透過性熱貯蔵媒体を有する複数の連続する下流熱貯蔵層とを備える熱エネルギー貯蔵装置であって、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が気体入口から気体出口へ層を流れるように構成された貯蔵装置を提供し、１つまたはそれ以上の層はそれぞれ、その層を通る気体流のバイパスを許可または阻止するように動作可能な少なくとも１つの弁を設けた有弁層を備える。
【００１６】
したがって、有弁層を通る気体流のルートは弁によって選択的に制御することができる。弁が開放されているとき、少なくとも一部の気体は熱貯蔵媒体をバイパスし、その代わりに層を通過するように弁（すなわち、「バイパス弁」）を通過し、これはより簡易なルートである。弁は１層のみと対応させることができ、有弁層の一部、たとえば対応固定弁機構を備えた層の有弁開口部を形成する固定弁とすることができる。
【００１７】
弁は関連する弁機構を有する層を貫通する有弁開口部を備えることができ、開口部内部で閉鎖できる旋回または回転弁フラップなど、または開口部のいずれかの側で閉鎖するように作動できる滑り弁、スクリーン弁、または回転プレート弁などの滑り弁機構のいずれであってもよい。たとえば、滑りスクリーン弁は静止多孔弁座を備える２つの層間に設けられ、弁座を横断して多孔スクリーン弁プレートが横方向の往復運動のために搭載され、弁座の孔を開閉し、少なくとも弁座の孔の一部がバイパス気体流を通す貯蔵媒体の通路と連通する。
【００１８】
熱伝送を行うために気体流が貯蔵媒体を通る際、この抑制流と関連する圧力低下が生じる。非常に大型の熱貯蔵装置では、相当な圧力低下が生じる可能性がある。貯蔵媒体の不活性領域、たとえば熱伝送がほぼ完了している上流領域および／または最小限の熱伝送が発生している下流領域を通る気体流を最小化することによって、この圧力低下を最小化することができる。熱エネルギー貯蔵装置を、一連の気体流が連続層を通るように配列された複数の連続下流熱貯蔵層に分割した後、１つまたはそれ以上の層に弁を「有弁層」として設けることによって、熱的に不活性な有弁層（弁開放）（の媒体）を連続して効果的にバイパスし、無弁層の場合と比較して気体が被る圧力低下を低減することができる。有弁層構造は（貯蔵装置を通過する専用流路と対照的に）貯蔵装置内のデッドスペースの最小化を確保し、このことは大型貯蔵装置にとって重要である。
【００１９】
有弁層の弁は、貯蔵装置の熱伝送の程度、特にその層での熱伝送の程度に応じて弁を通るバイパス気体流を許可または阻止するように動作することができる。
各有弁層には間隔をおいて配置される複数の弁を設けることができる。複数の弁を相互に間隔をおいて配置することで、（弁を通じて気体が複数の位置で有弁層をバイパスすることで）貯蔵装置の断面全体における横方向の気体分布が向上する。各有弁層の弁が他の有弁層と無関係に始動するように構成される場合、個々の有弁層に対する気体流の選択的な露出または隔離が達成され、貯蔵装置を通じた流制御がさらに正確に実行される。
【００２０】
好ましくは、貯蔵装置の少なくとも中央部のあらゆる層が有弁層である。１つの無弁層でさえ常に圧力低下を伴うために、理想的には貯蔵装置のすべての層を有弁層とすることができる。しかしながら、無弁層が、安全性確保のため（たとえば脱出の防止）特定の種類の貯蔵装置の入口／出口に必要とされる場合がある。
【００２１】
弁は予めプログラムされた順序（動作が予測可能な場合）にしたがい、または内蔵センサにより検出された温度変化に応じて自動的に作用するように構成することができる。弁は入口および／または出口に、および／またはチャンバの長に沿って配置されたセンサを含むことができる。もしくは、弁は動作中に気体流路を選択的に変更する制御システムによって制御することができる。制御システムは、貯蔵媒体内の熱伝送の進行程度に関する情報を制御システムに提供するセンサまたはその他のフィードバックシステムを含むことができる。これらは、チャンバ内の熱フロントの位置を監視するために長に沿って熱貯蔵装置の内部／外部に、および／または出ていく気体温度を測定するために出口に設けることができる。
【００２２】
貯蔵装置は、熱フロントの進行に応じて入口から出口へ流れる気体の流路を変更するように構成される制御システムを備えることができる。
気体流路は、チャンバを移動する熱フロントの進行に応じて選択的に変更することができる。上述したように、「熱フロント」とは、熱伝送が最も活発である貯蔵装置の領域に出現する貯蔵媒体および／または気体の温度上昇または低下による温度変化を意味する。フロント位置の上流の媒体／気体は貯蔵装置に入る気体とほぼ同じ温度であり（すなわち、熱伝送は通常、ほぼ完了している−温熱貯蔵装置を充電する際、貯蔵媒体の温度は熱貯蔵装置に入る気体の温度に近い）、フロント位置の下流の媒体／気体は工程開始前の貯蔵媒体とほぼ同じ温度である（すなわち、熱伝送はほぼ開始されていない−温熱貯蔵装置を充電する際、気体の温度は充電開始前の媒体の温度と近い）。気体流路は、気体が熱フロントの位置する貯蔵媒体の局地的領域（すなわち、媒体の活発な熱伝送領域）のみを通過するように変更することができる。よって、熱フロントが有弁層の設けられた貯蔵装置の長に沿って進行するにつれ、気体流は貯蔵媒体の様々な各熱活性層内に閉じ込められる。
【００２３】
気体流路のどのような変更も通常は、貯蔵媒体の上流層と下流層間の気体分布を変更させるが、横方向の気体分布は変更されないままである。流路は充電サイクルまたは放電サイクル中、少なくとも２、３回変更することができる。気体流路は貯蔵媒体の個々の下流領域を流れるように分流させることができ、その下流領域は重複領域であっても別々の隣接領域であってもよい。
【００２４】
１実施形態では、制御システムは気体流路を別々の選択下流群の隣接有弁層に分流させるように構成され、それらの選択群の層の有弁開口部を閉鎖することによって熱フロントは下流に移動する。
【００２５】
好適な実施形態では、制御システムは、熱フロント（すなわち、熱伝送が活発な場所）の占める選択された隣接有弁層の有弁開口部を閉鎖し、熱伝送が最小限の上流および／または下流の有弁層の有弁開口部は開放させたままにしておくことによって、気体流路を選択層に分流させるように構成される。
【００２６】
貯蔵装置は、動作中、気体流路が、層の熱伝送がほぼ完全である熱フロントの上流の熱貯蔵層をバイパスするように変更できるように構成することができる。
貯蔵装置は、動作中、気体流路が、層の熱伝送が最小である熱フロントの下流の熱貯蔵層をバイパスするように変更できるように構成することができる。通常、これら２つの流路変更は互いに無関係に実行される。貯蔵装置は層に分割され、流制御は弁の調節によって各有弁層で行われる（好ましくは各有弁層が個別に制御される）ため、熱フロントの上流面と下流面の個別制御が可能である。通常、貯蔵装置は、動作中、気体流路が熱フロントの全部または一部が存在する熱貯蔵層のみを通過するように変更できるように構成される。
【００２７】
好適な実施形態では、チャンバは気体入口と気体出口との間に縦方向に並べられる複数の水平熱貯蔵層を備える縦型チャンバであり、貯蔵装置は、気体が気体入口から気体出口へ垂直に熱貯蔵層を流れるように構成される。貯蔵装置は好都合なことに、気体入口が温入口として設置される際にはチャンバの頂部に設けられ、冷入口として設置される際にはチャンバの底部に設けられるように配置される。
【００２８】
横方向の気体分布のための間隙またはプレナムは、（たとえば気体分布が供給流路網を介して行われる隣接層とは対照的に）各層の熱貯蔵媒体の上方に設けることができる。任意で、気体への抵抗を最小限にするが、層間の熱伝送と対流の発生を低減する高多孔質断熱層も設けることができる。下流層間に断熱層を介在させることで、貯蔵装置を部分的に充電させておく必要がある場合、熱フロントのプロファイル／特性を保存するのに役立つ。
【００２９】
貯蔵媒体は、熱貯蔵装置において企図される温度および圧力での熱交換に適した任意の材料を含むことができる。媒体は流路／孔の連結内部網を設けた一体層（少なくともいくつかの層は一体弁を有する）を備えることができる、あるいは気体を透過させるように充填された繊維、粒子、またはその他の通常は中実の材料などの粒子状材料の充填床とすることができる。この材料は貯蔵装置全体を通じてサイズ、形状、組成を均一にすることができる、あるいは必要に応じて変化させることができる。粒子状材料の場合、材料が小さく密に充填されるほど、圧力低下の可能性が高まるため、流調節を使用することがより望ましい。したがって、このような層状貯蔵装置は２０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、または７ｍｍ以下の粒径の使用を助長する。同じことが中実媒体における小孔径にも当てはまるため、本発明のすべての側面で、選択される粒径または孔径は立方メートル当たり表面積３００、５００、または１０００ｍ２未満の比表面積を有することが好都合である。
【００３０】
好適な実施形態では、複数の熱貯蔵層は、各層の（好ましくは粒子状）熱貯蔵媒体が支持アセンブリによって支持される層状支持アセンブリの形状をとる。アセンブリは熱貯蔵層を積層することによって積層体を形成するように構成することができる。
【００３１】
層状支持アセンブリ内では、通常、気体流が有弁開口部を介して有弁層の熱貯蔵媒体のみをバイパスするように確保することが望ましい（すなわち、気体が貯蔵媒体をバイパスできるチャンバを通じて延在する細長流路または間隙（流制御装置を伴うまたは伴わない）が他に存在しない）。
【００３２】
貯蔵装置は、後述するように層状支持アセンブリに関する本発明の第２の側面の任意の適切な特徴を備えることができる。
たとえば、有弁層のベースが有孔タイルから形成される場合、弁は単独のタイル内に設けることができる。さらに、貯蔵装置全体をバイパスする流を阻止するため（貯蔵装置自体で圧力低下があると仮定して）、あるいは個々の層をバイパスする流を停止するため（たとえば、弁が閉鎖されている）、層状支持アセンブリとチャンバ壁間の不所望のバイパス流を阻止する、第２および第３の側面に詳述するようなバッフルを設けることができ、バッフルは任意で各層に設けることができる。
【００３３】
有弁層は、熱貯蔵媒体の上方（またはを通って）配置される弁のための少なくとも１つの始動機構を備えることができる。
１実施形態では、アクチュエータはソレノイドアクチュエータ、空気圧アクチュエータ、または機械アクチュエータである。アクチュエータは支持アセンブリの外に、好ましくは断熱材内に収納することができる。
【００３４】
単独の有弁層は、単独の始動機構によって一斉に作動させられるように構成される複数の弁を備えることができる。
弁は層（または層部分）に搭載または差し込むことができ、枠付き開口部内、または層／部分内のどこかの弁座上に配置されるスクリーン弁、弁プレート、またはフラップを備えることができる。枠は単独の有弁層のみまたは複数の層を延在することができる。枠は、直接流のために各層に垂直に並べることもできる。枠は耐荷性であり得、任意で何らかの形の確実な嵌合／連結を伴い積層するように配置することができる。その後、気体流を枠内に通し、各有弁層の弁機構を動作させる穴または開口部が必要とされる。
【００３５】
弁は枠付き開口部に搭載されるフラップ弁とすることができる。
有弁層の弁は、アクチュエータの故障の際に閉鎖位置に復帰するように付勢されるアクチュエータ操作単安定弁を備えることができる。このような弁、特に単安定フラップ弁は、貯蔵装置に入る非常に熱いまたは非常に冷たい気体がそのままの温度で直接貯蔵装置を出ないように貯蔵装置の下流の機械を保護する（下流の機械はそのような温度に耐えることを意図していない）。
【００３６】
フラップ弁は蝶形フラップ弁とすることができる。蝶形フラップ弁は、粒子状貯蔵媒体がある場合、弁に捕捉された媒体が弁の開放時に落下できるという利点を備える。蝶形フラップ弁は、始動機構によって開放されないかぎり常に閉鎖されるように釣り合い重りをつけることができる。
【００３７】
貯蔵装置は複数の隣接有弁層をそなえることができ、隣接層の弁は、貯蔵装置を延在するバイパス流路を提供するように垂直に並べることができる。この構成により、貯蔵装置をわたる最も直接的な流路と最も低い圧力損失が実現される。
【００３８】
さらに、上述したような熱エネルギー貯蔵装置の作動方法が提供され、該貯蔵装置は、貯蔵装置を通る熱フロントの進行に応じて各有弁層の弁を制御することによって、入口から出口へ流れる気体の流路を選択的に変更する制御システムを備える。
【００３９】
さらに、上述したような１つまたはそれ以上の熱エネルギー貯蔵装置を備えるエネルギー貯蔵システムが提供され、該システムは電気エネルギー貯蔵システムまたは熱エネルギーを貯蔵するために一時的に（断熱）熱貯蔵装置を必要とするエネルギー貯蔵システムとすることができる。
【００４０】
該システムは、
気体を圧縮する圧縮段と、
圧縮段によって圧縮される気体からの熱エネルギーを収容し貯蔵する第１の熱貯蔵装置と、
第１の熱貯蔵装置にさらされた気体を収容し、その気体を膨張させる膨張段と、
膨張ピストンによって膨張される気体に熱エネルギーを伝送する第２の熱貯蔵装置と、
を備えるポンプ型熱電力貯蔵（ＰＨＥＳ）システムとすることができる。
【００４１】
圧縮段および膨張段は、圧縮および膨張ピストンアセンブリなどの容積式装置とすることができる。さらに、ＰＨＥＳシステムは、
圧縮チャンバと、
気体を圧縮チャンバに進入させる入口と、
圧縮チャンバに含まれる空気を圧縮する圧縮ピストンと、
圧縮ピストンによって圧縮される気体からの熱エネルギーを収容し貯蔵する第１の熱貯蔵装置と、
第１の熱貯蔵装置にさらされた気体を収容する膨張チャンバと、
膨張チャンバに収容された気体を膨張させる膨張ピストンと、
膨張後の気体を膨張チャンバから放出させる出口と、
膨張ピストンによって膨張された気体に熱エネルギーを伝送する第２の熱貯蔵装置と、
を備えることができる。
【００４２】
さらに、第１の側面により、気体入口と気体出口との間に縦方向に並べられる複数の水平熱貯蔵層を有する縦型チャンバを備える熱エネルギー貯蔵装置が提供され、各層は気体透過性熱貯蔵媒体を備え、貯蔵装置は、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が気体入口から気体出口へ垂直に層を流れるように構成され、少なくとも１つの層が、気体流がその層を流れることを許可または阻止するように動作可能な少なくとも１つの（一体型）有弁開口部を設けた有弁層である。
【００４３】
さらに、第１の側面により、気体入口と、気体出口と、入口と出口間に配置され、気体透過性熱貯蔵媒体を支持する層状支持アセンブリとを有する縦型チャンバを備える熱エネルギー貯蔵装置が提供され、貯蔵装置は、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が気体入口から気体出口へ垂直にアセンブリを流れるように構成され、アセンブリは熱貯蔵媒体をそれぞれ支持し相互に積載されて積層体を形成する複数の熱貯蔵層を備え、少なくとも１つの層が、気体流にその層をバイパスさせる少なくとも１つの有弁開口部を備えた有弁層である。
【００４４】
貯蔵媒体の有弁層を備えた熱貯蔵装置は、貯蔵媒体が小さな粒子／孔径を有することができるが、弁が貯蔵装置の様々な層を使用可能にする場合、熱伝送を向上させることができる、および／または全体の圧力低下を低減させることができると理解される。どの時点でも２、３の層しか活性化しない、すなわち気体を通過させないように設計できると理解される。
【００４５】
本発明は、当業者が組み合わせられると考える上述の特徴の新規で進歩性のある組み合わせをさらに提供する。
第２の側面
本発明の第２の側面によると、気体入口と、気体出口と、入口と出口間に配置され、気体透過性熱貯蔵媒体を支持する層状支持アセンブリとを有する縦型チャンバを備える熱エネルギー貯蔵装置が提供され、貯蔵装置は、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が気体入口から気体出口へ垂直にアセンブリを流れるように構成され、アセンブリは、それぞれが熱貯蔵媒体を支持し、相互に積載されて積層体を形成する複数の熱貯蔵層を備える。
【００４６】
層状支持アセンブリは、層を積み重ねる（積層）ことによって構築されて所望容量の積層体（すなわち、下の層を除去することができない）を形成する。第１の側面の層状貯蔵装置は、特に孔径または粒径が小さな貯蔵媒体の場合、流制御による圧力低下の制御という利点を備える。熱フロントが貯蔵装置を通って各路を通過する際、周りの層に対して各層が膨張および収縮する。層状支持アセンブリアプローチを使用することで、部品に余分な荷重を与えずに、構造内にこの膨張／収縮に対する十分な耐性を確実に生じさせる。
【００４７】
１実施形態では、各層は複数の耐荷支持部を備える。耐荷支持部は積層体を延在する１つまたはそれ以上の支柱を形成することができる。これらの支持部は積層体の長の一部または全部を延在することができる。
【００４８】
耐荷支持部は、柱、アーチ、またはその他の適切な構造要素（たとえば、主に圧縮時に垂直荷重を担持できる）を備えることができる。
１実施形態では、各層は複数の耐荷支持部（たとえば、柱）によって支持されるベースを備える。各層は、その層内の粒子状熱貯蔵媒体を支持する多孔質ベースを備えることができる。通常、多孔質ベースは、その層内の貯蔵媒体のみを支持するように設計される。すなわち、残りの構造の荷重に耐えることは意図していない。多孔質ベースには、貯蔵媒体を保持するより微細な多孔質メッシュまたはグリッドが任意で設けられる。
【００４９】
各層は、粒子状貯蔵媒体を支持する多孔質ベース、多孔質ベースを支持し、任意で多孔質ベースと連結する１セットの耐荷支持部（たとえば、柱）、貯蔵媒体を保持する外支持壁を備えることができる。（貯蔵媒体自体はその上の層を支持しない。）
好都合なことに、層状支持アセンブリは、内面が貯蔵媒体によって囲まれ、バイパス流路を意図的なく提供して封止を要する可能性のある隣接垂直面（たとえば隣接壁）を有していない構造ユニットから形成される。したがって、構造ユニットがベースと耐荷支持部（たとえば、柱またはアーチ）と外側支持壁だけである構成が望ましい。何らかの垂直面（たとえば、支持壁の内面）が必要である場合、平滑であってはならず、縁部の流を抑止するように好ましくは表面レリーフ（たとえば、畝、編み、または織り）を設けるべきである。
【００５０】
ベースと層状支持アセンブリの耐荷支持部とは、自己支持構造、好ましくは連結構造を形成することができる。連結構造がある場合、第一に張力に抵抗するように設計することができ、さらに相対的熱膨張作用を許容するように設計することもできる。
【００５１】
各層は、連結モザイク構造で結合してアセンブリの結合層を形成でき、下の類似トレイに重ねることもできる一体型（すなわち、ワンピース）基礎ユニットすなわち「トレイ」を備えることができる。トレイはモザイク状の多角形のベース、上の基礎ユニットすなわち「トレイ」用の耐荷支持部、および任意で外壁を備えることができる。外壁は強度と支持を追加するが、質量も追加し、バイパス縁流を促進する可能性がある。したがって、平滑壁ではなくグリッドまたは枠組みとすることができる。支持部はベース内またはベース縁部に設けることができる、あるいは外壁の一部を形成することができる。支持部とベースには少なくとも、ある基礎ユニットすなわち「トレイ」を別の基礎ユニットすなわち「トレイ」に確実な嵌合として積層できるような嵌合手段を設けるべきである。トレイには、隣接トレイをモザイク構造で相互に組み付けて単独の結合層を形成することができるように連結機構を設けるべきであり、結合層内で隣接トレイは相互に噛み合って張力に対抗することができる。
【００５２】
積層体は、１つまたはそれ以上の層を１度に追加することによって層状に積み上げることができる。通常、積層体は、熱エネルギー貯蔵容量が層の除去／追加によって変動できるように一層ずつ積み上げられ、各層は次の層が追加される前に作製される（任意で貯蔵媒体を裏込めされる）。
【００５３】
１実施形態では、横方向の気体分布用の間隙またはプレナムが各層の熱貯蔵媒体の上方に設けられる。
層は断面を同一にすることができる。層は高さを同一にすることができ、同じ種類（たとえば、同じ組成、サイズ、構造）と量の媒体で同一に充填することができる。もしくは、熱フロントの挙動を変更するため、層は第４の側面に関して後で詳述するように断面を先細にすることができる。
【００５４】
１実施形態では、各支柱は複数の柱から成り、柱は積載されるように構成される、嵌合する上端および下端を有することができる。各支柱は各層から与えられる１つの柱から形成することができる。
【００５５】
ベースと柱が自己支持構造を形成する場合、柱はベースを支持し、任意でベースと噛み合うように構成される上端および／または下端を有することができる。この場合、柱は、ベースの下側を支持する外方に配置される環状突起と、ベースの下側に設けられる位置決め爪を収容する、突起の内側に配置される同心の環状凹部とを備えた上端または下端を有することができる。また、柱は外方に配置される環状突起と、内方に配置される環状凹部とを上端に有することができる。もしくは、柱は外方に配置される環状突起と、外方に延在する脚部に設けられ、内方に配置される環状凹部とを下端に有することができる。
【００５６】
１実施形態では、層状アセンブリは六角形または円形断面を有する。
各層が粒子状貯蔵媒体を支持する多孔質ベース、ベースを支持する柱、媒体を保持する外支持壁を備える場合、外支持壁は柱によって支持することができ、任意で柱に「差込み」嵌合される。別の構成では、外支持壁は、積載されるように構成された係合する上端および下端を備えることができる。
【００５７】
外支持壁は壁部分から成ることができ、壁部分の上縁および／または下縁および／または側縁は各隣接支持層間の相対的熱膨張／収縮を補償するように構成される。そのため、壁部分は熱膨張作用に対抗するため重複させる、あるいは遊びを持って噛み合わせるよう構成することができる。
【００５８】
各層が柱によって支持されるベースを備える場合、ベースは複数の有孔タイルを備えることができる。
有孔タイルは、合同な正方形、六角形、または正三角形を含む三角形として形成することができる。
【００５９】
好都合なことに、ベースは合同（同じサイズと形状）な正多角形である、すなわち、合同な正方形、正三角形、または六角形から成る、あるいは様々な正多角形から成るモザイク多角形を用いて組み立てられる。六角形は６つの正三角形から成るため、正三角形と六角形（６つの正三角形にサイズが対応する）との混合を使用することができる。好ましくは、ベースは、各頂点で耐荷支持部（たとえば、柱）によってのみ支持される正三角形状のタイルを備える。
【００６０】
タイルの各頂点で耐荷支持部をアセンブリに設けることができる。
ベースと層状支持アセンブリの耐荷支持部とは、耐荷支持部との連結係合のために各頂点で構成されるタイルとの自己支持連結構造を形成することができる。
【００６１】
頂点でタイルに耐荷支持部を収容する切取部を設けることができ、張力に耐えるように爪またはその他の突起を耐荷支持部との連結係合のためにタイルの下側に設けることができる。
【００６２】
ＰＨＥＳシステムでは、温貯蔵装置は周囲温度〜３００℃超、特に４５０℃超の範囲の動作温度に耐える必要があり、冷貯蔵装置は周囲温度〜−５０℃未満、特に−１００℃未満または−１４０℃未満の範囲の温度に耐える必要がある場合がある。
【００６３】
１実施形態では、層状支持アセンブリはコンクリート部品から形成され（たとえば、キャスト成型され）、それらのコンクリート部品は、「温」貯蔵装置で使用される高動作温度に耐え得る耐火性コンクリート部品、または「冷」貯蔵装置で使用される耐火性でなくてもよいコンクリート部品とすることができる。しかしながら、氷点下の冷貯蔵装置では低含水量のキャスタブル材料が望ましく、一部の耐火性コンクリートは水分含有量が低いために使用することができる。
【００６４】
別の実施形態では、部品は金属材料、普通コンクリート、プラスチックまたは繊維強化プラスチック、またはそれらの材料の組み合わせから作製することができる。
よって、タイルおよび／またはベース、柱やアーチなどの耐荷支持部、壁部分、弁枠などの任意の流制御部品はキャスタブル（任意で耐火性の）コンクリート材料で形成することができる。層状支持アセンブリによって支持される貯蔵媒体の総質量は３メートルトン、１０、５０、または１００（メートル）トンを超過することができる。層状支持アセンブリの合計高さは１ｍ、１．５ｍ、または２ｍを超過することができる。総径は２ｍ、３ｍ、４ｍ、または５ｍを超過することができる。充電／放電中の総温度変化は冷貯蔵装置の場合５０Ｋ、１００Ｋ、または１２０Ｋを超過する（すなわち、凍結温度に達する）。充電／放電中の総温度変化は温貯蔵装置の場合２００Ｋ、３００Ｋ、または４００Ｋを超過することができる。
【００６５】
装置は、第１の側面に関して上述した任意の適切な特徴を備えることができる。少なくともいくつかの層は、気体流にその層の貯蔵媒体をバイパスさせる有弁開口部（または弁）を設けることができる。ベースが有孔タイルから形成される場合、タイルのいくつかは有弁開口部を含むことができる。各層の有弁開口部は、積層体を垂直に延在するバイパス流路を提供するように垂直に並べることができる。
【００６６】
弁は、フラップ弁、蝶形弁、滑り弁、回転弁、特に単安定または双安定フラップ弁などの任意の適切な弁とすることができる。
封止は、第３の側面に関して後で詳述する特徴を備えた気密性外装によって提供することができる。
【００６７】
１実施形態では、層状支持アセンブリから放射方向外側に延在するバッフルが各層の高さに設けられて、層状支持アセンブリの外側に沿った隣接層間の垂直バイパス流を阻止する。
【００６８】
１実施形態では、層状支持アセンブリは垂直外面の周囲で緊密に封止されて、層状支持アセンブリとチャンバ内壁間の垂直バイパス流を制限する。
各層の熱貯蔵媒体は（非気密性）壁構造で囲むことができ、好ましくは各層では、少なくとも壁構造の内面が熱貯蔵媒体より下方で上下の壁構造と交差するため、層を出ようとする気体は熱貯蔵媒体を通過しなければならない。また、この領域の内壁は、壁近傍を移動する気体の通路をさらに湾曲させて気体漏れを低減させるように成形することができる。
【００６９】
部分的または完全に先細とされる層状支持アセンブリは、第３の側面に関して以下詳述するように任意の適切な特徴を含めて設けることができる。したがって、層状支持アセンブリは熱貯蔵媒体を支持する個々の水平層に分割することができ、少なくともいくつかの層の水平断面積は貯蔵装置頂部の入口／出口からの距離の増大に伴い増加する。
【００７０】
通常、不所望の対流作用を最小限にするために、気体入口が温入口としてチャンバの頂部に設置され、冷入口としてチャンバの底部に設置される。
第２の側面により、さらに、熱エネルギー貯蔵装置内の熱貯蔵媒体を支持するモジュール式層状支持アセンブリが提供され、該アセンブリは相互に積載されて積層体を形成する、熱貯蔵媒体を支持する複数の熱貯蔵層を備え、層は複数の耐荷支持部によって支持される。
【００７１】
さらに、上述したような第２の側面による熱エネルギー貯蔵装置の組立方法が提供され、層は、所望の貯蔵容量が達成されるまでアセンブリの底部から上方へ連続的に積み重ねられる。
【００７２】
アセンブリの最下層は、次の層がその上に組み立てられる前に組み立てることができ、所望の貯蔵容量が達成されるまで連続層が個々に追加される。層は好ましくは個々に追加される。各層のアセンブリは好ましくは、その層のベースとその層を占め次層を支持する柱とを組み立てることを備える。各層は組み立てられた後、通常は次の層が追加される前に熱貯蔵媒体を裏込めされる。もしくは、組み立てられている層の下の層を裏込めすることが好ましい。
【００７３】
貯蔵装置は現場で建設することができる。
また、上述されるような熱エネルギー貯蔵装置を備えるエネルギー貯蔵システムが提供される。このシステムは、本発明の他の側面に関して記載されるようなポンプ型熱電力貯蔵（ＰＨＥＳ）システムとすることができる。
【００７４】
第３の側面
第３の側面によると、入口と、出口と、入口と出口間に配置される複数の連続する下流熱貯蔵層とを有するチャンバを備える熱エネルギー貯蔵装置が提供され、各層が気体透過性熱貯蔵媒体を備え、貯蔵装置が、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が気体入口から気体出口へ層を流れるように構成され、熱貯蔵層は、気体流が熱貯蔵層の外側をバイパスすることを制限する気密性外装によって囲まれる。
【００７５】
明瞭化のため、貯蔵装置を加圧することができ、チャンバは加圧容器とすることができるが、気密性外装は、気体流が適切な圧力差がある貯蔵媒体をバイバスするのを停止するように設計される。ずっと大きいであろうシステム圧力に耐えることは意図していない。たとえば、ＰＨＥＳシステムの温貯蔵装置では、気密性外装による圧力低下は０．０２バール程度である一方、システム圧力は１２バールであろう。
【００７６】
チャンバは通常、気体入口と気体出口との間に縦方向に並べられる複数の水平熱貯蔵層を備える縦型チャンバであって、貯蔵装置は、気体が気体入口から気体出口へ垂直に熱貯蔵層を流れるように構成される。
【００７７】
貯蔵媒体の緊密な充填のため、通常、入口から出口まで熱エネルギー貯蔵装置全体にわたって圧力差が生じる。層状貯蔵装置の場合、この入口から出口までの圧力差は、各層にわたって進行する個々の圧力損失の合計となる。貯蔵装置の面積、粒子のサイズ、気体が流れる媒体の深さ、流速に応じて、この流に関連する圧力低下が生じる。この圧力低下は用途に応じておおよそ２００Ｐａ、１０００Ｐａ、５０００Ｐａ、または１００００Ｐａとなる可能性がある。したがって、気体は中央構造を囲む領域に逃げ込みがちであり、妨害されないかぎりこの空間を利用して貯蔵装置の長に沿って流れて熱貯蔵媒体をバイパスする（すなわち、熱貯蔵層の周とチャンバ内壁間を通過する）。
【００７８】
気密性外装を使用することで、設計要件を簡略化し、加圧容器が使用される場合は加圧容器に関連する厳密な設計要件を満たすのを助けつつこれを管理することができる。たとえば、熱貯蔵媒体は通常、熱損失または熱獲得を低減するため断熱処置を施される。連続的に適用される場合、つまり、断熱材を貫通する各層に隔壁のないシートでは断熱材が一層効果的である。（気体が超えて進むのをほぼ防止するように）気体障壁として気密性外装を設けることによって、気密性外装と容器壁間の断熱がより連続的になり、さらに効果的である。
【００７９】
また、熱フロントが貯蔵装置を通って各路を通過する際、周りの層に対して各層が膨張および収縮する。気密性外装は、気密の完全性を失うことなくこの動きに対応できるように柔軟に設計することができる。
【００８０】
外装は熱エネルギー層の輪郭を覆い、ぴったりと密着することができる。断熱材はチャンバ壁と外装間に設けることができ、ほぼ連続している。
外装は通常、自身以外のどの構造も支持しないため、熱貯蔵層によって支持される非構造部品とすることができる。
【００８１】
１実施形態では、外装は薄可撓膜である。
外装は通常、貯蔵層の周囲に成形することのできる薄可撓膜である。好ましくは、貯蔵装置は径が一定または先細である円形または正多面形（６面以上）円筒断面の輪郭を有する。
【００８２】
外装は一体膜とすることができるが、通常は共に封止され下流方向に並べられる個々の（通常は凹状）部分またはスリーブ（すなわち、１層を囲む円筒部分（高さの一部または全部）あるいは２つまたはそれ以上の層）から成る。
【００８３】
外装は、任意で接着剤、溶接、リベット締めなどの固定機構を使用して、またはミサイル継手などを使用して、圧力封止（たとえば、クリンプ加工）、熱封止、圧延、または折り畳み（たとえば、平行折り（各回半分に）またはジグザグ折り）することのできる可撓材料製シートから形成することができる。
【００８４】
外装はプラスチック（たとえば、高温ＰＴＦＥ）材料のシートまたは金属シート、たとえば、０．２〜２ｍｍ厚の軟鋼またはステンレス鋼などのシート状金属から作製することができる。金属シートはたとえばはぜ継ぎまたは溶接によって圧力または熱封止することができる。貯蔵装置は層状、すなわち、小数の層（すなわち、１〜３層）から一度に形成することができる。
【００８５】
熱貯蔵層は一層ずつ積層して形成することができ、外装も一層ずつ積層して形成することができる。各貯蔵層は、一体膜から形成されるか、あるいは個々の部分を共に封止して形成される、（周方向に）その層を取り巻く外装スリーブを有することができる。外装スリーブは、周方向に延在する封止接合部によって真上または真下のスリーブに封止することができる。別の実施形態では、外装スリーブは重複し、各外装スリーブ全部をぴったりと覆う別の外装内に封止され、それ自体封止される。
【００８６】
外装は、２つの肢部（たとえば、略垂直部分と略水平部分）を備える凹状の「Ｌ」形断面シート部品から形成することができる。これらの部品は、一方の肢部（たとえば、垂直部分）が貯蔵層を取り巻く外装の円筒面を形成し、他方の肢部（たとえば、水平部分）が熱貯蔵層に向かって延在し、好ましくは各貯蔵層間の接合部に組み込まれる環状バッフル面を形成するように凹状である。
【００８７】
気密性外装と容器壁間の空間は（貯蔵装置の入口または出口で）最低圧力で維持されることが好ましく、気密性外装は圧縮ではなく伸張させておくことができる。これは単に、バネ式フラップ弁を、貯蔵装置の入口と出口の両方から気密性外装と容器壁間の空間にアクセスさせることによって達成することができる。これらのフラップ弁は、貯蔵装置外の入口または出口空間の圧力が気密性外装と容器壁間の空間よりも低いときは開放させるべきである。このようにして、圧力は貯蔵装置において常に最低気体圧力で維持される。
【００８８】
１実施形態では、外装は、外装から貯蔵層まで貯蔵装置の長に沿って間隔をおいて放射方向内側に延在する環状バッフル部分を備える、あるいは環状バッフル部分に封止装着されて、垂直バイパス流を制限する。
【００８９】
このような環状バッフル部分により、バイパス流が層状支持アセンブリの外面に沿って貯蔵装置を下り過ぎることが防止される。
接合部は隣接水平熱貯蔵層間に設けることができ、環状バッフル部分は外装から放射方向内側に延在して垂直バイパス流を制限するように接合部と交差することができる。その結果、層と外装内部間の空間は、各層（または数個の隣接層）に対応する環状空間に有効に区分される。バッフル部分は接合部に差し込むことができる。気密性または略気密性を確保するように接合部内に封止を設けることができ、熱フロントが貯蔵装置を上昇または下降する際に熱貯蔵層間の相対的膨張または収縮を許容する膨張／収縮機構（たとえば、膨張間隙内のフランジ）を設けることができる。なお、層間の圧力差は通常、貯蔵装置の入口と出口間の圧力差よりもずっと小さい。というのは、貯蔵装置の入口と出口間の圧力差は、活性層全体の全圧力差の合計であるからである。すなわち、気体が１０層を通過する場合、貯蔵装置全体の圧力低下は１層の場合の約１０倍である。したがって、層間の気密封止に求められる質は、圧力差が低くなるほど低くすることができる。
【００９０】
よって、上述したように、好都合にも熱貯蔵層と外装内部の空間は、気体流が熱貯蔵層の外側をバイパスするのを防ぐ下流の環状空間に区分される。
気密性外装内で、各層の熱貯蔵媒体は、（非気密性）壁構造で囲むことができる。好ましくは各層では、少なくとも壁構造の内面が熱貯蔵媒体より下方で上下の壁構造と交差するため、層を出ようとする気体は熱貯蔵媒体を通過しなければならない。また、この領域の内壁は、壁近傍を移動する気体の通路をさらに湾曲させて気体漏れを低減させるように成形することができる。
【００９１】
具体的には、横方向の気体分布用の間隙またはプレナムは、各層において熱貯蔵媒体の上方に設けることができ、気体がその高さで直接熱貯蔵層から脱出できないようにガスケット、バッフル、またはその他の適切な障壁がプレナムの周に設けられる。
【００９２】
複数の熱貯蔵層は、支持アセンブリの各層が（好ましくは粒子状の）熱貯蔵媒体を支持する層状支持アセンブリの形状をとることができ、層状支持アセンブリは、層状支持アセンブリとチャンバ内壁間の垂直バイパス流を制限する気密性外装によって囲まれる。
【００９３】
層状支持アセンブリは、上述されるような第２の側面の層状支持アセンブリの特徴のいずれかを備えることができる。
１実施形態では、各層が熱貯蔵媒体を包囲および保持する最外支持壁を備え、壁の上方または下方で水平に延在する接合部が気密性外装を支持するように貯蔵装置が一層ずつ積み上げられる。この場合、外装は好ましくは、外装から放射方向外側に延在し、接合部間に挟まれる環状バッフル部分を備える、あるいは環状バッフル部分に封止装着される。
【００９４】
第３の側面により、上述したようなモジュール式支持アセンブリの組立方法がさらに提供され、層が一層ずつ連続的に積み上げられ、壁の上方または下方で水平に延在する接合部が気密性外装を支持するように形成される。
【００９５】
本発明は、当業者が組み合わせられると考える上述の特徴の新規で進歩性のある組み合わせをさらに提供する。
第４の側面
本発明の第４の側面によると、気体入口と、気体出口と、入口と出口間に配置される気体透過性熱貯蔵媒体とを有する縦型チャンバを備える少なくとも１つの熱貯蔵装置を備える熱貯蔵設備であって、該設備が、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体が入口から出口へ垂直にチャンバを流れるように構成され、気体入口は温入口としてはチャンバの頂部に設置され、冷入口としては前記チャンバの底部に設置され、熱エネルギー伝送のために利用可能な熱貯蔵媒体の水平断面積および体積（または質量）が、前記貯蔵装置の上端（高温）からの距離の増大と共に増加する熱貯蔵設備が提供される。
【００９６】
この第４の側面では、本発明は熱エネルギー（すなわち、「温」または「冷」）を貯蔵する貯蔵装置に関し、上述したように貯蔵装置は、気体が垂直に流れ、頂部が最も高温な部分（すなわち、最も高温の気体流は貯蔵装置の頂部に入る、あるいはそこから離れる）、底部が最も低温な部分として動作するため、熱フロントは最小の対流作用で貯蔵装置を上方または下方に進行する。
【００９７】
図１を参照して上述したように、貯蔵装置の充電中、熱フロントは、貯蔵装置を下っていくにつれ長くなる傾向がある。これは一つには、材料の熱容量が温度上昇に伴い増加するからである。よって、貯蔵媒体が該当範囲にわたって熱容量が温度と共に増加する材料である場合、低温の貯蔵装置に気体を吹き込むと、熱フロントにおいて活性化している媒体の体積は貯蔵装置の充電に合わせて増加する。（同量のエネルギーがいくつかの同等量の同一の媒体の温度を１度上昇させる場合、上流の高温の媒体ほど、下流の低温の媒体に比べて温度を１度上昇させるのに大きなエネルギーを要する。）特定形状の貯蔵装置の場合、フロントが長いほど熱損失は低いが、フロント長は貯蔵装置の利用可能な量を低減する、すなわち、貯蔵装置の稼働率を低下させる。熱フロントは貯蔵媒体の粒径または孔径を低減させることで短くできる一方、これにより圧力損失を招く可能性がある。
【００９８】
本発明は、不所望の熱フロント長の拡張を最小限にするため、貯蔵装置の頂部からの距離に伴い貯蔵媒体の断面と体積を増加させることを提案している。熱貯蔵装置は頂部が最高温度、底部が最低温度で動作するため、常にこの方向で増加する。
【００９９】
この増加は、貯蔵装置の頂部からの距離の増大と共に段階的に生じさせることができる（すなわち、ほぼ等しい量で徐々に増加する）。水平断面積も貯蔵装置の全体長に沿って、あるいは貯蔵装置の選択された部分、たとえば熱フロントを最も長くすることのできる下部のみにわたって変化させることができ、下部とは貯蔵装置の下側４分の３または３分の２、下半分、あるいは貯蔵装置の下側３分の１または４分の１とすることができる。
【０１００】
水平断面積の増加率は、動作中の熱フロントの拡張の一部または全部を補償するように選択することができ、通常貯蔵媒体は、それ以外同一に維持することができる。たとえば、その他の物理的および化学的特性は同一に維持することができる（すなわち、同じ種類、同じ形状とサイズ、同じ熱容量）。
【０１０１】
先の側面に関して上述したように、貯蔵媒体は一体形の自己支持構造とすることができる、あるいは少なくとも部分的に先細設計を取ることを除けば、上述したように粒子であり支持アセンブリに支持されることができる。アセンブリは長の一部または全部にわたって先細にすることができる（たとえば、ベースに向かって広がる）。
【０１０２】
１実施形態では、熱貯蔵媒体は粒子であり、少なくとも部分的に先細の支持アセンブリに支持される。粒子状媒体は上述の側面に記載されるようなものとすることができる。
１実施形態では、貯蔵装置は熱貯蔵媒体の個々の水平層に分割され、少なくともいくつかの層は、貯蔵装置の上端（高温側）からの距離の増加に伴い水平断面積が増加する。
【０１０３】
好ましくは、層の断面積は、貯蔵媒体が同じである場合、貯蔵媒体の体積が好ましくは貯蔵装置の頂部から底部に向かうにつれ各連続層で、あるいは上述したように貯蔵装置の下部でのみ増加するように増加する。
【０１０４】
層状構造は任意で、先の側面に関して説明した任意の適切な特徴を有することができる。よって、たとえば、プレナムを横方向の気体分布用の層および／または断熱層間に設けることができる。単独の層と単独のプレナムを交互に配置することもできる。
【０１０５】
層は、先の側面に関して述べたように、中実だが多孔質の貯蔵媒体（たとえば、発泡体などの一体構造）、またはトレイに支持される粒子状媒体を備えることができる。
粒子状材料の場合、材料が小さく、密に充填されるほど圧力低下の可能性が高まるため、特に２０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、または７ｍｍ以下の粒径の場合、層状貯蔵装置（および後述する流調節）を使用することがより望ましい。
【０１０６】
好都合なことに、断熱材が占める体積および水平断面積は、貯蔵装置の頂部からの距離が増大すると共に減少するように選択することができる。というのは、貯蔵装置の下部の方が平均温度上昇が低く、好都合なことにチャンバ（たとえば、加圧容器）を一定断面に保つことができるからである。この特徴は熱を貯蔵する貯蔵装置のみに適用される。冷を貯蔵する貯蔵装置の場合、温度が最も低い下部の方に最大の断熱材が必要とされる。
【０１０７】
１実施形態では、貯蔵装置は氷点下の温度で動作するように構成される。
氷点下の温度で「冷」を貯蔵するように動作する貯蔵装置は氷点下の温度超で動作する貯蔵装置よりも大きな「比熱」変動を受ける（すなわち、貯蔵媒体は高温よりも低温でより大きな熱容量の変化を温度により受けることが多い）ため、冷貯蔵装置はこのような先細構造からより多く恩恵を得る。
【０１０８】
１実施形態では、熱貯蔵装置は、充電および放電中、貯蔵装置が少なくとも−１０℃〜−５０℃、または０℃〜−５０℃、特に少なくとも−１０℃〜−１００℃で循環するよう構成される（すなわち、「冷」での充電時の入口気体は−５０℃以下または−１００℃以下であり、放電時の入口気体は−１０℃以上である）。
【０１０９】
１実施形態では、３７３Ｋでの比熱と２７３Ｋでの比熱の比が１．１５または１．２５超になるように貯蔵媒体の熱容量が温度上昇と共に増加する。
１実施形態では、２７３Ｋでの比熱と１７３Ｋでの比熱の比が１．１５または１．２５超になるように貯蔵媒体の熱容量が温度上昇と共に増加する。
【０１１０】
本発明の第４の側面は、長いまたは長さの変化する熱フロントが問題となる熱貯蔵装置に特に適用される。先細貯蔵装置構造は、動作中、貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために入口から出口へチャンバを流れる気体の流路が熱伝送の進行に応じて選択的に変更できるように構成された熱貯蔵設備に有効であり、チャンバには単独のバイパス流路が設けられ、バイパス流路は貯蔵媒体に並んで長さ方向に延び、気体入口と気体出口とを接続し、気体流路を気体流路から貯蔵媒体の別々の下流領域に分流させるように流路に沿って移動し流路を遮断する少なくとも１つのバッフルシステムを備えた流制御装置によって遮断される。
【０１１１】
１実施形態では、先細貯蔵装置は、貯蔵媒体と並んで延在し、気体流路を気体流路から貯蔵媒体の別々の下流領域に分流させることのできるバイパス流路において可動バッフルシステムを含む機械的に簡易で一元化された構成を用いて気体流の制御が達成されるように構成することができる。気体は、流路がバッフルシステムによって遮断されて貯蔵媒体内へ分流されないかぎり、流路よりも流抵抗の高い隣接貯蔵媒体に入るよりもバイパス流路に沿って下流流路をたどる。
【０１１２】
流路から貯蔵媒体へのアクセスは様々な形で提供することができる。流路は壁付き流路を備え、均等に通気性を有する壁または下流に（たとえば、規則的または不規則的な）間隔をおいて配置された通気性（たとえば、有孔）部分を有することができる。もしくは、流路は不透過性にすることができるが、壁に沿って間隔をおいて配置された開口部または間隙、口、または流路を備えることができる。支持構造内に保持される粒子状貯蔵媒体の場合、流路は好ましくは、特にモジュール式システムが利用される場合は支持構造用の支柱として機能する。しかしながら、その代わりに流路は、貯蔵媒体などの周囲構造（たとえば、一体構造の場合）または貯蔵媒体の支持構造（たとえば、粒子、繊維などの場合）によって画定させることができる。
【０１１３】
１実施形態では、副流路は長に沿った複数の下流位置で主流路から横方向に離れて延在し、貯蔵媒体を通る気体を横方向に流す。横方向に延在する副流路は個々の部分の間に配置する、および／または気体を流路の開口部から部分の間（たとえば、直接プレナムに）に送るように配置することができる。
【０１１４】
１実施形態では、長に沿った複数の下流位置で主流路から横方向に離れて延在し、貯蔵媒体の位置する部分を通る気体を横方向に流すプレナムが設けられる。プレナムは通常は貯蔵媒体（またはその支持構造）の上流または下流に間隙を備えることができ、貯蔵媒体（またはその支持構造）はたとえばモジュール式に部分に設けることができる。プレナムまたは副流路は貯蔵媒体の断面全体にわたる気体分布を促進させることによって、気体を貯蔵媒体に均等に流し、温または冷地点を最小化または排除する。
【０１１５】
好都合なことに先細貯蔵装置は、この中心コア構造で形成することができ、中央の主流路は残りの構造にとっての耐荷中央支柱でもある。上述したように、中央流路から放射方向外側に延在する供給流路は、任意で中央支柱によって支持することができる。
【０１１６】
１実施形態では、装置は、動作中、気体流路を気体流路から貯蔵媒体の個々の下流領域に分流させるように構成される。これらの領域は重複領域または別々の隣接領域とすることができる。
【０１１７】
先細構造は、貯蔵媒体および／またはその支持構造がバッフルシステムによって選択的に気体流路に露出する、あるいは気体流路から隔離することができ、主流路に沿って個々に下流位置に配置される別個の部分または層に分割される「層状熱貯蔵」構造を用いて簡易に実現することができる。よって、貯蔵装置は、主流路の周囲に配置される熱貯蔵媒体の個々の水平層に分割することができ、少なくともいくつかの層の水平断面積は貯蔵装置の頂部の入口／出口からの距離の増大と共に増加する。
【０１１８】
層の一部または全部（たとえば、先に詳述したような下側部分）は断面を拡大させることができる。この層状構造も耐荷中央支柱によって支持することができる。
先細貯蔵構造が使用される場合、フロント長の拡張を完全に補償するように先細構造が構成されるため、可動バッフルシステムは簡易な固定長弁とすることができる。バッフルは１つまたはそれ以上のケーブルまたはロッドによって支持され、動作温度に適した封止を周に設けることができる。
【０１１９】
もしくは、先細構造は、貯蔵装置を下る際のフロント長の拡張量を単に低減するために使用することができ、この場合、長をフロントに合わせて調節可能な弁を使用することが望ましい。よって、バッフル弁はたとえば伸縮弁とすることができる。弁は、個々に制御可能な上面および下面を有する伸縮式同軸対向シリンダを備えることができる。あるいは、弁は、外側環状バッフル構造内で外側環状バッフル構造に対して移動可能な内側円筒バッフルであってもよい。
【０１２０】
バッフルシステムは、バッフルシステムの上流面で気体流路を貯蔵媒体内へ分流させるように、流路を遮断するよう構成することができる。
同様に、バッフルシステムは、バッフルの下流面で気体流路を貯蔵媒体から出現させるように、流路を遮断すべく構成することができる。上流面および下流面の位置は個々に調節可能である。
【０１２１】
装置は、気体流路を選択的に変更する制御システムを備えることができる。
上述したような熱貯蔵装置を備える電力貯蔵システムをさらに提供することができる。
さらに、上述したような移動バッフルシステムを有する先細熱貯蔵装置を備える熱貯蔵装置の作動方法が提供され、気体は貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために入口から出口へチャンバを流され、気体流路は貯蔵媒体を通って移動する熱フロントの位置に応じて選択的に変更される。
【０１２２】
１実施形態では、流路は、熱伝送がほぼ完了している領域である、貯蔵媒体の熱フロントの上流領域をバイパスするように変更される。１実施形態では、流路は、熱伝送が最小である領域である、貯蔵媒体の熱フロントの下流領域をバイパスするように変更される。１実施形態では、流路は、熱フロントの周囲に位置する貯蔵媒体の領域のみを通過するように変更される。これらの流路の変更は相互に無関係に実行することができる。
【０１２３】
さらに、上述したような熱貯蔵装置の作動方法が提供され、該装置は、貯蔵装置の充電および／または放電中、熱フロントが長を大幅に変更させずに（たとえば、好ましくは最初の長から５０％超変化させずに）下流に移動するよう構成および作動される。
【０１２４】
上記４つの側面のいずれかによる熱エネルギー貯蔵装置は、温または冷を貯蔵する装置またはシステムの一部を形成することができる。このようなシステムは太陽光収集システムなどの加熱システム、夜間冷却システムなどの冷却システム、蒸気サイクルまたは気体サイクルに基づく循環冷蔵システムなどの空調システムまたは冷蔵システム、圧縮空気貯蔵システムまたはポンプ型熱電力貯蔵システムなどのエネルギー貯蔵システム、あるいはその他の熱貯蔵を含むシステムを備えることができる。
【０１２５】
本発明の上記４つの側面のいずれかに関して記載した特徴は、その特徴が別の側面の教示と明らかに相反することがない限り、（組み合わせが特に言及されていなくても）その別の側面に関連しても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
本発明のさまざまな側面を添付図面を参照して単に例示のために説明する。
【図１】熱エネルギー貯蔵装置を通る熱フロントの進行を示すグラフである。
【図２】ポンプ型熱電力貯蔵（ＰＨＥＳ）システムの気体循環の概略図である。
【図３】第１の側面による有弁層を備えた層状熱エネルギー貯蔵装置の縦断面図である。
【図４】（ａ、ｂ、ｃ）熱フロントが貯蔵装置を進む際の有弁層の動作を示す図３の層状熱エネルギー貯蔵装置の断面図である。
【図５】単安定フラップ弁を備えた有弁層の断面図である。
【図６】（ａ）有弁タイルの斜視図である。
【図６】（ｂ、ｃ）閉鎖された弁と開放された弁をそれぞれ示す断面図である。
【図７】第１および第２の側面による六角形断面の層状貯蔵装置の多数の有弁層の斜視図である。
【図８】（ａ、ｂ）柱と図７の貯蔵装置の部分的に組み立てられた柱およびタイルとをそれぞれ示す拡大斜視図である。
【図９】概略的な弁始動機構を示す図７の貯蔵装置の有弁層の平面図である。
【図１０】（ａ、ｂ）層状貯蔵装置で使用される別の有弁層の斜視図である。
【図１１】（ａ、ｂ）それぞれ開放位置と閉鎖位置における図１０ａおよび１０ｂの双安定フラップ弁の断面図である。
【図１２】（ａ、ｂ、ｃ）始動機構がどのように図１０ａおよび１０ｂの双安定フラップ弁を作動させるかを示す斜視図である。
【図１３】（ａ〜ｄ）有弁貯蔵装置で使用される蝶形弁の斜視図である。
【図１４】（ａ〜ｄ）開放された滑り弁と閉鎖された滑り弁とを備えた有弁層の全体および部分透視図である。
【図１５】第１および第２の側面による円形断面の層状貯蔵装置の多数の有弁層の斜視図である。
【図１６】図１５の貯蔵装置の有弁層の平面図である。
【図１７】（ａ）層状支持アセンブリの縁部に装着される気密性外装の断面図である。
【図１７】（ｂ）第３の側面による外装を形成する「Ｌ」形部品の拡大図である。
【図１８】第１，第２、第４の側面による有弁層を備えた部分的に先細の層状熱エネルギー貯蔵装置の概略断面図である。
【図１９】（ａ、ｂ、ｃ）どのように熱フロントが図１８の熱エネルギー貯蔵装置を下っているかを示す図である。
【図２０】（ａ、ｂ）どのように熱フロントが可変長移動バッフルを含む中央の主流路を備えた非先細貯蔵装置を下っているかを示す比較図である。
【図２１】（ａ、ｂ）第４の側面により、どのように熱フロントが可変長移動バッフルを含む中央主流路を備えた先細貯蔵装置を下っているかを示す図である。
【図２２】（ａ、ｂ）第４の側面により、どのように熱フロントが固定長移動バッフルを含む中央主流路を備えた先細貯蔵装置を下っているかを示す図である。
【図２３】（ａ、ｂ）第１の側面による閉鎖位置および開放位置にある滑りスクリーン弁を備えた有弁層の概略断面図である。
【図２４】（ａ、ｂ）第２の側面による、任意の外壁を備えた層状支持アセンブリの単独の六角形トレイを上と下から見た斜視図である。
【図２４】（ｃ）単安定フラップ弁と任意の外壁とを備えた有弁六角形トレイを示す図である。
【図２５】第２の側面によるモザイク積層構造内の図２４のいくつかの六角形トレイの斜視図である。
【図２６】（ａ、ｂ）第２の側面による、外壁を備えない層状支持アセンブリの単独の六角形トレイを上と下から見た斜視図である。
【図２６】（ｃ）単安定フラップ弁を備えた外壁なしの有弁六角形トレイを示す図である。
【図２７】第２の側面によるモザイク積層構造における図２６のいくつかの六角形トレイを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１２７】
図２
本発明は熱貯蔵装置の改良、特にエネルギー貯蔵システムで使用される熱貯蔵装置に関する。
【０１２８】
上述したように、図２は、出願人の先の出願ＷＯ２００９／０４４１３９号に記載されるようなＰＨＥＳシステムの概略図である。温貯蔵装置と冷貯蔵装置がどのように実際に動作するかを示すため、そのシステムを以下より詳細に説明する。
【０１２９】
システム２は、熱エネルギーとして電気エネルギーを貯蔵する充電モードで動作することができ、貯蔵された熱エネルギーから電気エネルギーを生成する放電モードで動作することができる可逆性の閉サイクルエネルギー貯蔵システムである。システムは、容積式装置１２および１４と温（高圧）貯蔵装置６および冷（低圧）貯蔵装置４を備える。充電中、装置１２が気体を圧縮すると、温かい高圧気体が温貯蔵装置６を通過し熱を伝達してから、他方の装置１４で再膨張され低温および低圧で冷貯蔵装置４を通過し、そこで熱を得て最初の温度および圧力で巡回路の最初に戻る。放電モードでは、気体は巡回路を反対方向に流れ、容積式装置は機能を逆転することが要求される。気体は冷（低圧）貯蔵装置（充電中の貯蔵装置の出口が入口となる）に入り熱を伝達してから低温で装置１４に流れ込み、そこで圧縮され高圧で温（高圧）貯蔵装置６に入り熱を得てから装置１２によって膨張され、最初の温度および圧力で巡回路の最初に戻る。
【０１３０】
可逆性システム２はフル充電サイクルまたはフル放電サイクルを実行することができる、あるいは充電または放電の任意の時点で機能を逆転させることができる。たとえば、電気が全国電力系統網によって必要とされる場合、充電サイクルを遮断することができ、システムを放電モードにすることによって貯蔵された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０１３１】
また、システムは、ある期間、充電、未充電、または一部充電状態にして、貯蔵装置を十分に絶縁させる必要があるかもしれない。この可逆性システムでは、気体は空気または窒素、アルゴン、またはネオンなどの不活性ガスとすることができる。たとえば、温貯蔵装置はアルゴンを使用し、約１２バールの気体圧力と０〜５００℃の温度範囲で動作することができ、冷貯蔵装置は略大気圧と０〜−１６０℃の温度範囲で動作することができる。
【０１３２】
第１の側面
図３
図３は、本発明の第１の側面による層状構造の熱エネルギー貯蔵装置１００の縦断面図である。この貯蔵装置は「温」貯蔵装置として動作し、充電サイクルをちょうど開始しているところが示されている。
【０１３３】
貯蔵装置１００は、気体透過性熱貯蔵媒体１１２の複数層１０１を含む円筒加圧容器である「温」貯蔵装置用のチャンバ１０６を備え、貯蔵媒体は気体入口１０２と気体出口１０４との間に下流方向に連続的に配置されるため、気体は貯蔵媒体との間の熱エネルギーの伝送のために気体入口から気体出口へ層を通って流れる。層１０１はすべて、その層の熱伝送の程度に応じて弁を通る気体流のバイパスを許可または阻止するように動作可能な一体弁１１６を備える有弁層である。弁１１６は層に一体的に搭載され、中実媒体（たとえば、多孔質単一体）あるいはトレイ内またはその他の支持ベース上に支持される粒子状媒体を備えることができ、後者の場合、弁１１６はトレイまたは支持ベースに搭載される。
【０１３４】
熱エネルギー貯蔵装置１００を複数の連続下流熱貯蔵層（すなわち、連続下流部分）に分割した後、１つまたはそれ以上の有弁層に一体形弁を提供することによって、熱不活性有弁層（弁が開放）をバイパスするように気体流を選択的に制御することができる。一体形弁構造（専用流路とは対照的）により、貯蔵装置内のデッドスペースが確実に最小化され、これは大型貯蔵装置にとっては重要であり得る。
【０１３５】
各層１０１の貯蔵媒体１１２の上方には、横方向の気体分布用のプレナム１１４が設けられる。弁１１６を制御するアクチュエータ機構１１８は好ましくは、特に媒体が機構を汚染させたり詰まらせたりしやすい場合に上方から弁を動作させるように、プレナムにおいて貯蔵媒体の上方に搭載される。貯蔵装置は非常に高温または低温になり得るため、始動装置（連結部、ケーブル、またはロッドなどの結合部品とは対照的に）は好ましくは中央層状構造の外側の断熱材１０８内に配置される。
【０１３６】
熱貯蔵層は、単独の構造またはモジュール式に組み立てられた構造の一部を形成することができる。層は一度に対で組み立てることができる、あるいは個々の層として相互に積み上げることができる。好ましくは、その構造は、個々の層が底部から上方向に積み上げられた第２の側面による層状支持アセンブリを備える。これについて以下説明する。
【０１３７】
通常、チャンバ１０６は、気体が垂直に流れる、相互に縦方向に並べられた水平貯蔵層１０１を有する縦型チャンバである。この場合、貯蔵装置は、入口が温入口として設置される際はチャンバの頂部に設けられ、冷入口として設置される際はチャンバの底部に設けられて、（頂部が常に最も高温となるべく）動作するように構成される。
【０１３８】
図４
図４ａ、４ｂ、４ｃは、熱フロントが「温」貯蔵装置を進む際の有弁層の動作を示す図３の層状熱エネルギー貯蔵装置の断面図である。グラフは熱貯蔵媒体の温度を示す。
【０１３９】
図４ａ（図３に対応）において、熱フロントが最初の２層を占め、活発な熱伝送がそれらの層でのみ発生している。それらの２層の弁は閉鎖されているため、気体は強制的に媒体を通過させられる。第２の層を離れる気体はここでほぼ所望の出口温度まで冷却されており、余分な熱エネルギーをそれ以上有していない。したがって、残りの層の弁が開放され、気体は出口へと直接流れ、最小限の抵抗しか受けない。
【０１４０】
図４ｂは、最初の３層の貯蔵媒体が温入口温度に近い温度に達したときのさらに下流のフロントを示す。熱伝送はそれらの層でほぼ完了しているため、気体をそれらの層において媒体を通過させる意味がないため、当該層の弁が開放されてバイパス流を通過させる。よって、図４ｂは、気体流が熱フロント近傍の貯蔵媒体に閉じ込められるように熱フロントの上流および下流の不活性領域をバイパスする気体を示す。
【０１４１】
図４ｃは、貯蔵装置の最後の４層でのみ生じている活発な熱伝送を示し、上流層のすべての弁が開放され、気体流はそれらの上流層の貯蔵媒体をバイパスすることができる。
前に概説した理由により、フロントは、２つの活性層（図４ａ）から３つの活性層（図４ｂ）、次いで４つの活性層（図４ｃ）へと下流へ進むにつれ広くなるため（グラフを参照）、必然的に貯蔵装置の下部は稼働率が低い。
【０１４２】
図４ａ〜４ｃは「温」貯蔵装置の充電を示す。フル充電されるまで充電することができるが、この工程中のどの段階でも気体流を逆転させることができ、必ずしも放電の開始前に貯蔵装置の端までフロントを走らせる必要はない（放電モードも同様に中断することができる）。
【０１４３】
有弁層を制御する制御論理は、たとえば層間の気体温度に基づき設定することができる。理想的には、熱フロントの前縁と後縁近傍での有弁層の弁の開放または閉鎖は個々に制御され、理想的には、各有弁層が個別に制御される。
【０１４４】
たとえば、１つの可能な制御スキームは以下の通りである。
「温」貯蔵装置の充電
１）Ｔｌａｙｅｒ  Ｕが活発な熱伝送が行われている領域の最上流層である特定層の出口の気体温度である場合、流がその層の貯蔵媒体を通過した後に測定され、当該温度は、気体が遭遇するはずの貯蔵媒体の最初の層を通過した直後の温度である（活性領域の層は弁が閉鎖されるため、流は貯蔵媒体を通過しなければならない）。Ｔｉｎｌｅｔが容器への入口気体温度であり、Ｔｉｎｌｅｔ  ｄｉｆｆが入口温度との選択された温度差である場合、
Ｔｌａｙｅｒ  Ｕ≧Ｔｉｎｌｅｔ−Ｔｉｎｌｅｔ  ｄｉｆｆ
すなわち、層の貯蔵媒体は入口温度に近づきつつあり、熱伝送はほぼ完了しているならば、その層の弁は開放させるべきである（流はその特定層の貯蔵媒体をバイパスし始め、フロントの後縁は有効に下の層の貯蔵媒体へと「下る」）。たとえば、温貯蔵装置を５０℃から５００℃に充電するとき、Ｔｉｎｌｅｔが５００℃であり、Ｔｉｎｌｅｔ  ｄｉｆｆが１０℃とすると、Ｔｌａｙｅｒ  Ｕ≧４９０℃（すなわち５００℃−１０℃）のとき、弁が開放されてこの層の貯蔵媒体をバイパスする。
【０１４５】
２）Ｔｌａｙｅｒ  Ｄが活発な熱伝送が行われている領域の最下流層である貯蔵媒体の特定層の出口の温度である場合（弁が閉鎖され、流は貯蔵媒体を通過しなければならない）。温度は流が貯蔵媒体の各層を通過した後に測定され、当該温度は、気体が活発な熱伝送が行われている貯蔵媒体の最後の層を通過した直後の温度である。この温度は容器からの出口温度Ｔｏｕｔｌｅｔと非常に近いことが多い。Ｔｓｔａｒｔは容器内の気体（および固体）の開始温度であり、Ｔｏｕｔｌｅｔ  ｄｉｆｆは開始温度からの選択された温度差であり、
Ｔｌａｙｅｒ  Ｄ≧Ｔｓｔａｒｔ＋Ｔｏｕｔｌｅｔ  ｄｉｆｆ
すなわち、層の温度が開始温度（通常はその層の下のすべての層の温度）に対して顕著に上がり始めているならば、下流の次の層の弁を閉鎖することによって熱フロントの前縁を１層降下させるべきである。たとえば、温貯蔵装置を５０℃から５００℃に充電するとき、Ｔｓｔａｒｔが５０℃であり、Ｔｏｕｔｌｅｔ  ｄｉｆｆが２５℃とすると、Ｔｌａｙｅｒ  Ｄ≧７５℃（５０℃＋２５℃）ならば、流は下方の次の層へ分流され（その層の弁は閉鎖）、Ｔｌａｙｅｒ  Ｄはその層の後で測定される。このため、熱電対などの温度センサを容器内の個々のレベルに設置することができる。必要に応じて入口および出口容器温度も測定することができる。
【０１４６】
「温」貯蔵装置の放電
３）逆に、流が逆転すると、出口は入口となり、冷気が（縦型貯蔵装置の底部から）温貯蔵装置に入って装置を冷却し、その層の直後の温度が（冷）入口温度（このときは活性熱伝送領域の上流）とほぼ同じくらい低くなるように冷却されたとき、熱フロントの後（または上流）縁は、活性伝送領域の最上流層の弁（すなわち、最も近い入口）を開放することによって有効に１層上昇する。
【０１４７】
Ｔｌａｙｅｒ  Ｕｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ≦Ｔｉｎｌｅｔ＋Ｔｉｎｌｅｔ  ｄｉｆｆ
たとえば、Ｔｉｎｌｅｔが４０℃、Ｔｉｎｌｅｔ  ｄｉｆｆが１０℃であると、
Ｔｌａｙｅｒ  Ｕｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ≦５０℃（すなわち４０℃＋１０℃）である。
このように、通常動作時、Ｔｌａｙｅｒ  ＵｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇはＴｓｔａｒｔとほぼ同じ温度となる。
【０１４８】
４）貯蔵媒体、ひいては活性領域の最下流層（最も出口に近い）を離れる気体が（温）開始温度（貯蔵装置の残りの下流の温度で、上記１）の充電部分のＴｌａｙｅｒ  Ｕとほぼ同じ）から一定量冷却されたとき、熱フロントの前（または下流）縁は（それまで流をバイパスさせてきた次の下流層の弁を閉鎖することによって）１層上昇する。
【０１４９】
Ｔｌａｙｅｒ  Ｄ  ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ≦Ｔｈｏｔｓｔａｒｔ−Ｔｏｕｔｌｅｔ  ｄｉｆｆ（たとえば、４８０℃＝４９０℃−１０℃）
図５
図５は、図３の貯蔵装置に示すような単安定フラップ弁１６２を備えた有弁層１５０（始動機構は図示せず）の拡大断面図である。この層は気体流用の孔１６０を有するベース層１５２、支柱１５６、貯蔵媒体１５８を保持する支持壁１５４、弁１６２を備える。
【０１５０】
単安定弁は、バイパス流路１６４を遮断する閉鎖位置で示されている。単安定弁は図３に示すもの、あるいは下記図９を参照して説明するものと同様の機構によって始動することができる。仮にアクチュエータが故障した場合、重力が作用してフラップ１６２を閉鎖位置に倒すと理解され、貯蔵装置全体にわたってわずかな圧力低下しか引き起こさないため好適である。
【０１５１】
図６
有弁層は単独のベース層を備えることができる、あるいはベース層はタイルから形成することができる。図６は好適な三角形有弁タイル７００の斜視図である。有弁タイル７００は気体流用の孔７１４、タイル上またはタイルと一体的に搭載される縦型弁箱枠７０２、枠内で旋回点７１０を中心に旋回可能に搭載される弁フラップ７０４を有する。弁フラップとアクチュエータ（図示せず）は、弁が単安定であり、アクチュエータ故障の際に閉鎖位置を占めるように配置される（止め部７０８が、フラップが完全に直立姿勢を取るのを防止する）。
【０１５２】
図７、８、９は後で説明する。
図１０ａおよび１０ｂ
図１０ａおよび１０ｂは、層状貯蔵装置で使用される別の有弁層２００を示す。層２００は、一体型多孔質ベース２０２、支柱２１０、層に裏込めされる熱支持媒体（図示せず）を保持する外支持壁２０４を備える。
【０１５３】
柱２１０は次の上の層を支持する役割を果たし、ベース層と別個にまたは一体的に形成し、下の層の柱と並べる（好ましくは柱内に配置する）ことができる。
本実施形態では、４つの大型双安定フラップ弁２０６が層を横断して延在しており、各弁は始動機構２０８によって作動される可動フラップ２１２を備える。その機構は機構を保護するように貯蔵媒体のレベルの上方で層を横断して搭載される。
【０１５４】
図１１ａおよび１１ｂ
図１１ａおよび１１ｂは双安定フラップ弁の拡大断面図である。弁は、箱枠２３２のベースで旋回点２３８を中心に旋回する下側パネル２３４ｂと上側パネル２３４ａとを備える薄金属製「Ｌ」形フラップを備える。
【０１５５】
図１１ａの開放位置で、フラップ２３４は直立しており、気体は箱枠２３２を流れることができる。閉鎖位置で、フラップは倒れて、枠２３２の縁部周囲で延在する傾斜封止面２３６に対して封止する。この種の弁の滑り弁に勝る利点は、傾斜封止面が埃を定着させにくい点である。フラップはこの場合、フラップの重心が円弧の中間点近傍で旋回点を通り越すように部分２３４ａを後方に曲げることによってバランスを取る。弁を作動させるには、単に中心を超えて傾けるだけでよく、自然に適所に倒れ込む。フラップ２３４は旋回点２３８に堅固に装着されていないため、閉鎖位置に倒れたら自由に自己調整して封止面全体に対して平坦になる。旋回点は上側パネル２３４ａによって埃による汚染からさらに保護される。このスタイルの弁は効果的で信頼性があるうえ、製造し易い。
【０１５６】
図１２ａ、１２ｂ、１２ｃ
双安定弁２３４用の始動システムの例を図１２ａ〜１２ｃに示す。接続ロッド２４０はフラップ２３４ａの頂部の小型タブ２４５を介してすべての弁を接続するために使用され、単独のアクチュエータはすべての弁を一緒に作動させることができる。アクチュエータは、層の壁を通って別の始動システムまで延在する（支持）バー２４３の１端のＣ形フック２４２であり、接続ロッド２４０の１端で弁間の架橋２４６に作用する。図１２ａ、１２ｂ、１２ｃに示すように、弁を開放するため、アクチュエータは、弁フラップ２３４が中央を越えて開放位置に倒れ込むまで左に移動し、接続ロッド２４０を押す。アクチュエータは弁フラップを中央を越えて押す分だけ移動すればよく、行程を最小限にとどめる。フック２４４ａ／２４４ｂの幅は、弁フラップが開放位置に倒れ、接続ロッド架橋２４６がフックの対向面２４４ｂのちょうど前に落ち着くように設定される。
【０１５７】
図１３ａ〜１３ｄ
図１３ａ〜１３ｄは、層間の気体流を制御するため有弁貯蔵装置での使用に適した蝶形弁の斜視図である。貯蔵媒体が粒子状媒体であるとき、この種の弁の利点は、媒体が捕捉される可能性のある低い旋回点を有していないことである。この弁が開放されると、弁に集められた貯蔵媒体があってもすべて落下する。
【０１５８】
弁３２０は図１３ａに示すように矩形蝶形弁フラップ３００を備え、円筒中央突起３０２が旋回軸として作用する。フラップ３００は図１３ｂに示すように開放上端および下端を有する矩形断面の箱枠３０４内に搭載されて、垂直気体流を通過させる。枠は対向側壁３０６を有し、Ｕ形突起３０８が中途まで直立しフラップの突起３０２を旋回可能に搭載する。
【０１５９】
斜めフランジ３１０は枠の側壁３０６上を上方および下方に延在して、フラップ３００が閉鎖位置において封止することのできる封止面を提供する一方、枠の他の一対の側壁３１６も封止面として作用するはす向かいの水平フランジ３１２および３１４を上縁と下縁に有する。
【０１６０】
図１３ｃは開放位置において組み立てられた弁３２０を示す。弁３２０を開放するため、フラップ３００は止め部３１８に対して枠内で垂直に位置して、気体をフラップのいずれかの側で通過させるように回転する。これは、単安定フラップ弁と同じようにフラップの頂部に装着されたケーブルを引くアクチュエータによって達成することができる。
【０１６１】
止め部３１８は弁が中心を超えるのを防止する。安定位置が閉鎖される単安定弁３２０を有することが望ましく、これは止め部３１８の位置（たとえば、わずかに偏心した位置）によって、または（たとえば釣り合い重りを追加することによって）開放位置が不安定になるようにフラップの上半分に釣り合い重りを付与することによって達成することができる。フラップの上半分は、始動ケーブルに装着されると枠の上方に突出する必要があるため、単に上半分を下半分より長くすることによってフラップ上部に重みを加えることができる。
【０１６２】
弁３２０を閉鎖するため、フラップ３００は、枠の縁部周囲の封止面に対して封止するようにいくらかの角度（通常１５〜４５度、好ましくは約２０度）で回転させられる。フラップ３００の上半分が下面（上から見たとき）を封止し、下半分が上面を封止する。
【０１６３】
個々の蝶形弁は熱貯蔵媒体支持層の個々のタイルに置くことができる、あるいは長細蝶形弁は（たとえば、いくつかのタイルをわたって延在する、あるいはいくつかのタイルに置き換わる）熱貯蔵媒体支持層をわたって延在する溝に置くことができる。
【０１６４】
貯蔵装置のどの弁も、閉鎖位置においてできるかぎり気密に保つ必要がある。このため、突起またはスピンドルは、旋回時に直接的な漏れ通路が生じないように枠側壁内に完全に凹んだボスを含むことができ、気体はその凹部に流れ込み再び出て圧力低下を増大させ、封止を向上させる。
【０１６５】
図１４ａ〜１４ｄ
図１４ａ〜１４ｄは単独の水平滑り弁４０２を有する有弁層４００を示す。各有弁層４００は貯蔵媒体４０４を保持し、貯蔵媒体がなく弁の位置する中央流路４０６によって分離される２つの半円形領域を備える。弁は図１４ａおよび１４ｂ（断面図）では、気体が貯蔵媒体をバイパスすることができる開放位置で示される。弁は１セットの孔４１０を画定する多孔ベースプレート４０８を備えた、層４００に差し込まれる枠から成る。滑り弁４１２は一連の個々の平坦プレート（図１４ｃおよび１４ｄに閉鎖位置で示されるように、プレートはベースプレート４０８の孔を覆うサイズにされる）を支持する剛体の梯子状枠であり、枠は始動機構（始動機構は層の放射方向外側にあり、図示しない）によって押される、あるいは引かれる。プレートはベースプレート４０８に対する良好な封止を実現し、凹凸に沿うように（たとえば、湾曲部を介して枠に装着されることによって）柔軟に設計される。層に差し込まれる１セットの弁孔が剛体枠に支持される個々の弁プレートの対応セットによって覆われ、少なくとも１つの始動機構によって始動される別の有弁層構造も利用可能である。
【０１６６】
図１５、１６、１７、１８〜２２は後で説明する。
図２３ａおよび２３ｂ
図２３ａおよび２３ｂは、貯蔵媒体の上方の層に配置し、層の水平断面全体にわたって延在する滑りスクリーン弁４２０の断面を別の弁機構として示す。
【０１６７】
軽量スクリーン弁４２０は、一連の孔を設けた略平坦な（好ましくは金属製の）静止弁座４２１と、同じく一連の孔の開いた、横方向の往復運動をして弁を開閉するように構成される弁座上の弁スクリーンプレート４２２とを備える。弁座の一部の孔は隣接貯蔵媒体層を通じてバイパス流路４２３と連通し、残りの孔は隣接貯蔵媒体４２４と連通する。図２３ａに示すようにスクリーン４２２が第１の位置にあるとき、バイパス流路４２３と連通する弁座４２１の孔は弁スクリーン４２２の孔とずれているため、バイパス流路４２３はスクリーンの中実領域によって遮断される。図２３ｂに示すようにスクリーン４２２が第２の位置にあるとき、バイパス流路４２３と連通する弁座４２１の孔は弁スクリーン４２２の孔と一致するため、バイパス流路４２３はスクリーンの中実領域によって遮断されない。上記第１の位置で気体流は、貯蔵媒体を通過し、上記流路の通過を阻止される。上記第２の位置で気体流は、上記流路を介して貯蔵層を遮断されずに通過し、貯蔵媒体の通過を阻止される。弁プレートは媒体の一部を覆う中実領域を含むが（たとえば、弁は２０％の開放領域しか有していないことがある）、これは貯蔵媒体自体によるずっと大きな抵抗と比較して、さほどの流抵抗を呈しない。
【０１６８】
第２の側面
本発明の第２の側面によると、熱エネルギー貯蔵装置は、気体透過性熱貯蔵媒体を支持する層状支持アセンブリを用いて構成され、該アセンブリは、それぞれが熱貯蔵媒体を支持し積層されて積層体を形成する複数の熱貯蔵層を備える。
【０１６９】
上述したように、別々の層に分割される貯蔵装置の使用は、貯蔵装置のどの部分を気体流にさらすかを選択できるという利点を備える。しかしながら、貯蔵装置の径または高さがたとえば２〜４ｍを超過する、貯蔵される貯蔵媒体の重量が５０または１００メートルトンを超過するとき、熱膨張作用が約デシメートルの膨張を招く可能性があり、気体バイパス流を防止する封止が必要となり、層状熱貯蔵装置の構造が問題となることがある。層が積み上げられて積層体（下層を除去することができない）を形成するモジュール式貯蔵構造は融通が利き、このような問題の対処に役立つことが分かっている。
【０１７０】
再度図５を参照すると、完全な貯蔵装置は、第２の側面により図示されるような層を相互に重ねた連続層を形成することによって作製することができる。これらは（たとえば、小型貯蔵装置用の）全体層として追加することができる、あるいは層は部品から組み立てることができる。各層１５０は、ベース１５２、上層用の柱１５６（またはアーチやその他の垂直支持部）、貯蔵媒体１５８を保持する必要がある（たとえば、粒子状媒体がモノリシックとは対照的に使用される）場合は外壁１５４、任意で弁１６２と必要な始動機構を備えることができる。耐荷垂直支持部が使用される場合、上層の重量は垂直支持部によって構造を通じて伝えられ（圧縮時のみ荷重を課す）、各層のベースはその特定層の貯蔵媒体の重量を支えるだけでよく、ベース構造の曲げ荷重を低減する。さらに、貯蔵装置は極めて大型である可能性があるため、モジュール式構造は現場への輸送と以降の組立を簡易化することができる。
【０１７１】
図７
図７は、第２の側面による層状支持アセンブリを備えた熱貯蔵装置の部分斜視図である。層状支持アセンブリは有弁層も備えるため、本発明の第１の側面により構成される。（始動機構は図示せず。）
本好適な実施形態では、図５に示すように、各層がベース、（次の層のための）支柱、支持壁、層に一体化される弁を備える。
【０１７２】
層のベースは一連の（等辺）三角形タイルから構成され、各標準タイル７４０または有弁タイル７００は下の層から柱７２０によって３つの頂点で支えられる（図８ａおよび８ｂを参照）。３点で支持される三角形タイルを使用することによって、各タイルを十分に支持しつつ、各支持部の高さのわずかな差を吸収することができる（３点は常に面を画定するが、４つ以上の支持部の場合、面が画定されず、支持部の不均等な荷重とタイルのがたつきが生じる場合がある）。タイルは正三角形であるため、６個のタイルを各支持部の周りに配置して六角形を形成することができる。図９の平面図に示すように（数個のタイルが角を満たし、外縁周囲の支持部は２または３個のタイルしか担持しない）、これらの六角形は外方にパターン形成されて１つの大型六角形ベースを形成することができる。正六角形は、貯蔵装置の円筒容器を最も効率的に満たす形状であり、モザイク正三角形から構成することができる。
【０１７３】
図８
図８ａおよび８ｂは、柱と（標準）タイル７４０がどのように組み立てられるかを示す拡大斜視図である。各タイルは、ベースを通じて下の層へ気体を通過させる孔と、円筒柱７２０の周囲に配置することのできる各頂点での凹状側面とを有する。各タイルの下側には各頂点に位置決め爪７２５が設けられる。これらの爪は各柱のベースまたは脚部７２４に設けられた環状凹部または流路７２８に３６０度合致して配置され、その流路はタイルの残りの下側に当接し支持するようなサイズで周方向（３６０度）に延在する環状突起により囲まれる。爪７２５により、タイルを柱により正確に配置することができ、タイルを柱の支柱間の架橋として作用させることによって全体の構造を連結するのに役立つ。また、好都合なことに、タイルを３６０度の足元空間に配置するため、後で貯蔵媒体で裏込めする際に押しのけられないように柱が頑丈に固定される。柱（または層間支持部）７２０はそれぞれ、相互に積載されるように上記柱の脚部７２４の対応する穴に収容される栓７２２を上端に備える。したがって、柱は、支柱を形成する貯蔵装置全体にわたって整列する。この配置では（すなわち、露出凹部が存在しない）、（媒体がポスト７２２を汚染し得ないため）後の裏込めが積載される柱間の嵌合を邪魔する可能性は全くない。
【０１７４】
また、タイルは、タイルを強化し、貯蔵媒体を充填したときの曲げを低減するのに役立つ補強リブを下側に含むことができる。しかしながら、各タイルが支えなければならない荷重はごく少なく、その上に直接乗る貯蔵媒体の重量にしか相当しない。
【０１７５】
気体流への抵抗を最小化するため、タイル７４０の孔は貯蔵媒体の平均粒径以上にすることができ、その場合、微細メッシュ（大抵はステンレス鋼）がベース上に配置されて、粒子が下の層へ落下するのを防止する。
【０１７６】
層の弁は先の第１の側面で説明した（図６ａ〜６ｃを参照）有弁タイル７００によって設けられ、タイルは、層間のプレナムと連通する弁開口部を備えた整列した流路を提供するように各層で並べられる。
【０１７７】
図９
図９は、弁を作動させる弁始動機構を示す六角形有弁層の平面図である。機構は、層状支持アセンブリ外の断熱材に搭載される単独のアクチュエータ７５０を備える。各弁はすべての弁フラップの頂部の両側で均等に引っ張られる一対のケーブル７５４によって作動され、対のケーブルは、アクチュエータにより移動される直交配置される接続ロッド７５２に対して直接または連結機構を介して装着される。好ましくは、始動機構の接続ロッドとケーブルはホイフルツリー枠または均等枠、すなわち、連結機構を通じて均等に力を分散させることができ、旋回点または中心近傍で旋回する少なくとも１つの均等副枠を備える機構を形成するが、追加で三重均等副枠の対を下流に設けることもできる。よって、力がアクチュエータによって旋回点に印加されると、対向する力が均等枠連結機構を通じて弁から印加され、複数の弁始動を向上させる。
【０１７８】
始動機構全体は貯蔵媒体の上方のプレナムの層内に設けることができる（図３に示す）。好ましくは、弁は、ケーブルを引くアクチュエータ７５０によって開放される。弁を閉鎖する際は、アクチュエータが力を解放し、弁が自然に（または戻しバネの助けを借りて）閉鎖位置に復帰する。
【０１７９】
図７（続き）
図７は、各層に貯蔵媒体を含む壁構造７８０／７７０も示す。壁は、円筒ポスト７８０（中央支持部と類似）とそこから延在する平坦部分７７０から成る一連の連結片で構成することができる。円筒ポスト７８０はスロットも有し、隣接壁片の平坦部分７７０をそこに配置することができる。中央支持部と同様、１層の壁ポスト７８０は、ベースの下向きに延在する栓と上面の係合孔とにより下の層のポストに嵌め込まれる。貯蔵媒体が壁に対する外向き圧力を生成することで、平坦部はポストのスロットの内縁に押しつけられて連結する。このため、気体流がこれらの箇所で壁を通過して流れることを防止する合理的に良好な封止が提供されるはずである。壁の上縁に沿って封止するため、耐熱性フェルト（たとえば、玄武岩）の薄層をガスケットとして作用するように敷設して、次の層が敷かれる際に適所に挟むことができる。
【０１８０】
平滑壁に対して充填される粒子は通常、その壁から離れた粒子よりも低い抵抗の気体流路を提供する。貯蔵装置では、この作用により、気体が平滑面を優先的に流れ、貯蔵媒体の大半をバイパスする。表面効果または構造を備えた垂直面にすることで、垂直面に沿った流路が増加し、不所望の縁部流が防止される。
【０１８１】
貯蔵装置構造はたとえば「冷」を貯蔵する貯蔵装置のための金属成分（たとえば、軟鋼またはステンレス鋼）から製造されるが、金属は特に高温でクリープや熱膨張などのいくつかの問題を引き起こす。鋼は室温〜５００℃で約１％膨張するため、たとえば２ｍ径の貯蔵装置は約２ｃｍ膨張する。このレベルの膨張は、特に構造が均等に加熱されない（熱フロントが貯蔵装置を下るにつれ起伏した膨張が貯蔵装置を下る）ため、貯蔵装置周辺の断熱材の伸張や破断または構造の歪みなどの問題を招く可能性がある。
【０１８２】
貯蔵構造を作製する好適な材料は、温貯蔵装置と冷貯蔵装置構造にとって適切な構造部品に作製できるキャスタブル材料である。温貯蔵装置はキャスタブル耐火物を使用する。好適なキャスタブル耐火物は低セメントキャスタブル、超低セメントキャスタブル、または非セメントキャスタブルである。これらの３種類のキャスタブルはＡＳＴＭによって、１．０％〜２．５％のＣａＯを含有する低セメント、０．２％〜１．０％のＣａＯを含有する超低セメント、最大０．２％のＣａＯを含有する非セメントキャスタブルに分類されている。これらの材料は通常、キルン台車や炉戸のライニングのために鉄鋼業界で使用される。上記材料は、高使用温度（１０００℃超）、高圧縮強度（６０〜１５０ＭＰａ）、良伸張強度（８０〜３００Ｍｐａ）、低伝熱性（１〜２Ｗ／ｍ−Ｋ）、超低熱膨張（室温〜１０００℃で０．４〜０．７％）などの貯蔵構造に非常に適した多くの特性を有する。低熱膨張のため、金属材料の大きな膨張に関連するすべての問題をほぼ回避できるので、これらの材料は特に魅力的である。また、低熱膨張は熱サイクルに対する耐性を高めてくれ、貯蔵装置にとって有益である。これらの材料もキャスタブルであるため、タイル、柱、弁枠、壁部分を含め、多くの様々な形状の部品をこの材料から容易に大量生産することができる。
【０１８３】
これらの材料は高温での使用のために設計されているが、冷貯蔵装置の内部構造にも使用することができる。冷貯蔵装置にとって主な課題は、冷凍材料に残った水が亀裂を引き起こすことである。しかしながら、これらの特定の材料（すなわち、耐火性コンクリート）は比較的水分量が少なく（普通コンクリートの約２０％と比較して約８％）、鋳造後に焼成して残った水を除去することができる。
【０１８４】
（既存の層の上に）層を構築するため、まず支持部が下の層の支持部の上に置かれ、その後で、標準タイルと有弁三角形タイルが適所に配置される。すべてのタイルの設置後、外壁が適所に配置され、次に金属製メッシュが布設される。最後に、貯蔵媒体を層に流し込んで、平坦にならすことができる。
【０１８５】
本実施形態の部品はすべて比較的小型で軽量であるため、クレーンや重装備の昇降機器を必要としない。モジュール式貯蔵装置構造のもう１つの利点は、貯蔵装置の高さが固定されず、所要の熱貯蔵容量に合わせて層を追加できることである。必要に応じて、荷重の増大から生じる圧縮応力を低減するため、下層の支持部は上層の支持部よりも大径を必要とすることができる。
【０１８６】
層状支持アセンブリは有弁層を備える流制御装置と共に説明したが、支持アセンブリの選択された下流層を気体流路から隔離する、あるいは気体流路に露出させるように、その他の流路と関連する流制御装置とをチャンバの下流に選択される間隔をおいてさらに設けることができる。流制御装置はたとえば、内蔵センサから検出された温度変化に応じて自動的に動作するように構成することができる、あるいは例えば熱フロントの位置に応じて動作中に気体流路を選択的に変更する制御システムによって制御することができる。制御システムは、貯蔵媒体内の熱伝送の進行程度に関する情報を制御システムに提供するセンサまたはその他のフィードバックシステムを含むことができ、それらは長に沿って熱貯蔵装置の外部／内部に設けてチャンバ内の熱フロントの位置を監視する、および／または出口に設けて吐出気体の温度を測定することができる。
【０１８７】
図１５および１６
図１５は、第１および第２の側面による円形断面を有する層状貯蔵アセンブリ５００の多数の有弁層の斜視図である。
【０１８８】
層状支持アセンブリ５００は図７のアセンブリと類似しており、多孔質標準タイル７４０と多孔質有弁タイル７００の両方が柱７２０と連結し、柱７２０によって支持されて自己支持構造を形成する。しかしながら、層状アセンブリの周は、６つの壁部５０２／５０４を示す平面図である図１６に見られるように六角形断面を円形断面に変更するため、湾曲した多孔質一体型ベース／壁部５０２／５０４を導入して構成されている。
【０１８９】
湾曲壁部５０４は、下の層の壁部５０４の上面の対応する穴５１２に収容される下向き栓５１４を下面に含むため、壁部が相互に積み重ねられる。支柱と同じように、凹部の突起５１６が、頂点でタイルと係合しタイルを支持するように壁部に設けられる。
【０１９０】
壁部５０４は、積層されたときに大きな封止界面を提供する広い上面および下面５１０を有する。この水平に延在する界面は、界面の間隙を介して中央構造を離れようとする気体を引き続き貯蔵媒体を通過させるように、（いったん層が裏込めされたら）層内の貯蔵媒体の下方に配置される。封止面は封止部（図示せず）を設けたいくつかの溝５１８を有し、壁部の間に挟まれて壁部に支持される気密性外装と相互作用して、気体の脱出をさらに阻害することができる。これについて図１７ａおよび１７ｂで以下さらに説明する。
【０１９１】
図１７ａおよび１７ｂ
図１７ａおよび１７ｂは、気密性外装６００内の熱貯蔵層を封止して、熱貯蔵層の周とチャンバ内壁６１７間の垂直バイパス流を制限する好適なコンセプトを示す。外装は上述したように層状支持アセンブリに関して説明する。
【０１９２】
気体を貯蔵媒体を通過させるように押すのに必要なエネルギーの結果、通常、貯蔵装置の両端で圧力差が生じる。したがって、中央構造の周囲領域に脱出できる気体はこの空間を利用して、貯蔵装置の長さ方向に流れて熱貯蔵層をバイパスする。この縁部封止コンセプトの目的は２つである。第１に、隣接層の壁部間の界面に気密封止を提供して、気体の中央構造からの脱出を最小化することであり、第２に、実際に脱出する気体によってバイパスされる貯蔵装置の長さを最小化することである。
【０１９３】
図１７ａは、貯蔵装置の中央構造、すなわち支持壁６０２を封止および包囲する薄金属（たとえば、０．５〜１ｍｍ厚の軟鋼またはステンレス鋼）膜６１４を利用する貯蔵装置縁部封止コンセプトの概略図である。外装または膜６１４は、図１７ｂに示すようにＬ形断面を有する、個々の周方向に延在するシート状金属膜部分６０６から成る。金属部分６０６はロール曲げ装置を用いて（中央構造の円形外壁に沿うため）凹状曲線状に形成され、垂直に延在するシームに沿って隣接部分に溶着させることができる。
【０１９４】
貯蔵装置の各層が積み上げられると、シート金属部分６０６の水平部分は当該層と上の層のコンクリート壁６０２間に挟まれる（図１７ａを参照）。コンクリート壁片６０２は支持と封止を向上させるため、封止部６２０を設けたいくつかの溝を有する幅広の上部および下部６０４を有する。シート金属の水平部分が壁片６０４間で締め付けられると、封止部が壁界面で脱出する気体を最小化するように作用する。金属は薄いため、溝／封止部の周囲でわずかに変形して封止を向上させることができる。さらに、この縁部封止方法により、熱フロントが貯蔵装置内を進行する際に個々の貯蔵層間で生じる熱膨張／収縮の結果、隣接壁部分の相対移動が可能になるはずである。壁部分６０２の一方が他方に対して移動する場合、気体封止に影響を及ぼさずに金属上を摺動できる。
【０１９５】
金属の水平部分の内縁は、幅広コンクリート壁６０４の上面の別の溝６２２に緩く配置されることによって、金属の移動または膨張／収縮を許容できる下向きフランジ６０８を含む。
【０１９６】
各層のＬ形金属部分６０６は「立て鉤継ぎ」を用いて相互に接合される。このため、シート金属部分６０６の垂直部分の頂部と底部に、重複する湾曲プロファイル６１２および６１０が設けられる。一方の部分６１２頂部の湾曲プロファイルが、下縁で湾曲プロファイル６１０と重複する。その後、「シーマー」という器具を金属部分６０６の外周に走らせて接合部分を「閉じて」、気密にし、気体の脱出を防止する。
【０１９７】
特定層で内側（コンクリート壁）封止部６２２／６２０を通って実際に脱出する気体があっても、次層の封止部によって、貯蔵装置に沿って次層より遠くへ流れることができない。外装内の各部分間の圧力を均等にするため、やや小径（１〜２ｍｍ）の通気孔６１６が金属の水平部分に設けられるが、このように小さな径でも、外装長に沿った余分なバイパス流を防止するのに十分な抵抗を導入する。
【０１９８】
図１８
図１８は、部分的に先細であることを除き、図３の装置に類似する層状支持アセンブリに有弁層を備えた熱エネルギー貯蔵装置１００’を示す。上の２層の貯蔵媒体後、アセンブリの次の８層は、各層により多くの貯蔵媒体１１２’を収容するため、貯蔵装置の頂部から断面を外側に次第に広げていき、フロント長の拡張を制御する。チャンバ１０６’内の断熱材１０８’の量は、最上の２層後、頂部からの距離と共に減少する。
【０１９９】
図１９ａ、１９ｂ、１９ｃ
図１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、どのように熱フロントが長さを顕著に増加させずに貯蔵装置を下って、貯蔵装置全体を通じて２つの活性層で維持しているかを示す。
【０２００】
図２０ａおよび２０ｂ
図２０ａおよび２０ｂは、どのように熱フロントがバイパス流用の中央流路を有する非先細貯蔵装置を下って進行するかを示す断面比較図であり、流パターンは、フロントと共に流路を下ることができ、流の選択される調節可能な数の隣接層へのアクセスまたはバイパスを可能にする可変長移動バッフルによって制御される。貯蔵装置は先細ではなく、比較のために図示されているので、本実施形態は本発明の第４の側面の範囲には含まれない。
【０２０１】
図２０ａおよび２０ｂは、外側環状バッフル構造８０６内の内側中実円筒バッフル８０４を下方に相対移動することによって形成される３活性層８００と９活性層８０２の動作時の貯蔵装置をそれぞれ示す。バッフル８０４は、（本例では）中実であることを示すため構成されるように部分的に網掛けで示す。したがって、バッフルは中実領域において気体流を通さず、気体流路を自身で遮断することができる。環状構造８０６の残りの部分は、上記の水平中実区画を除き開放されている。バッフル８０６の開放構造部分も中実の円筒バッフル８０４も独力では気体流を遮断できないが、相互に並んだときには流路で気体流を遮断できる。よって、本例では、貯蔵装置は、どの時点でも熱伝送のために最低３つの活性層を使用しなければならない。
【０２０２】
よって、グラフを参照すると、貯蔵装置を下るにつれ、熱フロントは広くなっている、すなわち、熱伝送が活発な層の数が増加し、熱フロントの最初と最後間の離間距離が増加している。移動バッフル弁は調節可能な長で使用されているので、例えば上流層が早まってバイパスされないように、弁をフロントと共に移動させ、弁の長と熱フロントの長とを一致させることができる。よって、図２０ａは、熱フロントがまだ貯蔵装置の頂部近傍にあり、熱伝送が活発である３つの層にしか延在していない充電サイクル初期の貯蔵装置を示す。その後、フロントがさらに下流に進行すると、熱伝送が９層にわたって活発になるように広げられ、弁はこの長に合わせて拡張されている。
【０２０３】
図２１ａおよび２１ｂ
対照的に、図２１ａおよび２１ｂは、どのように熱フロントが可変長移動バッフルを含む中央バイパス流路を備えた先細貯蔵装置を下って進行するかを示し、この実施形態は本発明の第４の側面の範囲に含まれる。貯蔵装置が先細になることで、熱フロントは貯蔵装置を下るにつれ幅が狭くなり、よりコンパクトな可変長バッフル９０４／９０６を使用することができる。よって、フロントが下流へ進行するにつれ、貯蔵装置９００および９０２において熱伝送が活発な３層が５層に変わるだけであることが分かる。
【０２０４】
図２２ａおよび２２ｂ
図２２ａおよび２２ｂは、どのように熱フロントが固定長移動バッフルを含む中央バイパス流路を備えた先細貯蔵装置を下って進行するかを示し、この実施形態は本発明の第４の側面の範囲に含まれる。貯蔵装置の先細は、フロント長が３つのみの活性層（先の充電９９０中および後の充電９９２中）で貯蔵装置の長に沿って一定に保たれ、単純な固定長バッフル９９４の使用を要するように、フロントの拡張を完全に相殺するように選択される。
【０２０５】
図２４ａ〜２４ｃおよび図２５
図２４ａおよび２４ｂは、第２の側面による別の層状支持アセンブリを形成するのに使用することができる単独の六角形トレイ４３０を示す。トレイ４３０は、気体流を通す複数の孔４３２を含む六角形ベース４３１と、トレイ内に貯蔵媒体を保持しトレイを強化するベース周囲の固体壁４３４と、トレイ頂点で壁から隆起した耐荷支持部４３３とから成る一体型部品である。トレイのベースの凹部４３５は、複数のトレイを連結構造において積層できるように支持部４３３と嵌合する。単独層は図２５に示すように複数のトレイをモザイクにすることによって形成でき、追加層を上に重ねることによって積み上げることができる。有弁層を形成するため、図２４ｃに示すようにいくつかのトレイ４３０は有弁開口部を含む有弁トレイ４３６に置き換えることができる。弁は、双安定または単安定フラップ弁（図２４ｃに示す４３７および４３８）または蝶形弁などの任意の適切な弁とすることができる。隣接六角形トレイ４３０を連結して、横方向の張力に対抗できる結合層を形成するため、たとえば一体連結手段または別個のコネクタクリップを連結手段（図示せず）として設けることができる。
【０２０６】
図２６ａ〜２６ｃおよび図２７
図２４ａおよび２４ｃの壁付き六角形トレイ４３０および４３６の欠点の１つは、壁に沿ったバイパス縁流と、隣接トレイの壁間の層間垂直バイパス流とが生じる可能性である。この可能性は、図２６ａ、２６ｂ、２６ｃに示すような別のトレイを使用することによってある程度無くすことができる。トレイ４４０および４４６は複数の孔４４２を含む六角形ベース４４１であるが、支持部として作用する必要があるトレイ頂点を除き壁４３４が取り外されている。トレイ壁の除去によって、貯蔵媒体は隣接トレイ間の界面の頂部に配置して、隣接トレイ間のバイパス流路を排除することができる。トレイの垂直積層のためにトレイのベースにはまだ凹部４４５が設けられており、有弁トレイ４４６も作製することができる。
【０２０７】
図２７は、どのように壁４４０および４４６のないトレイを図２５の壁付きトレイと同じようにモザイク状にし、積載することができるかを示す。ここでも、結合層を提供するため適切な連結手段（図示せず）を設けることができる。
【０２０８】
本発明は、当業者が組み合わせられると考える上述の特徴の新規で進歩性のある組み合わせをさらに提供する。
具体的には、上述したように、本発明の４つの側面のいずれかに関して記載した特徴は、別の側面の教示と明らかに相反することがない限り、（組み合わせが特に言及されていなくても）その別の側面に関連しても使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２４ｃ】
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【図２５】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２６ｃ】
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【図２７】
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