(57)【要約】１つの態様に従って、ハイブリッド熱輸送システムは、負荷温度（ＴＬ）を有する負荷と周囲温度（ＴＡ）を有する周囲環境の間で熱を受動的に輸送するよう構成された第１熱伝導経路及び負荷と周囲環境の間で熱を能動的に輸送するよう構成された第２熱伝導経路を含み、第２経路はヒートポンプを備える。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷温度（ＴＬ）を有する負荷と周囲温度（ＴＡ）を有する周囲環境の間で受動的に熱輸送するよう構成された第１熱伝導経路と、前記負荷と前記周囲環境の間で能動的に熱輸送するよう構成された第２熱伝導経路を含むハイブリッド熱輸送システムであり、前記第２経路はヒートポンプを備える、前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２】
前記ヒートポンプが、起動状態または停止状態のいずれかであり、前記ヒートポンプが前記起動状態にある時、熱が前記第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送され、前記ヒートポンプが停止状態にある時、熱が第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送されない、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項３】
前記第１及び第２経路がそれぞれ、前記負荷へと、または前記負荷から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項４】
前記第１及び第２経路がそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項３に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項５】
前記第１及び第２経路が、前記負荷へと、または前記負荷から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項６】
前記第１及び第２経路がそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項５に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項７】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱ダイオードを備える、請求項６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項８】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記ヒートポンプの間に直列の熱ダイオードを含む、請求項６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項９】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記ヒートポンプの間に直列の熱キャパシタを含む、請求項６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１０】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記ヒートポンプの間に直列の熱ダイオード及び熱キャパシタを含む、請求項６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１１】
前記第１熱伝導経路が、第２ヒートポンプを含む、請求項１０に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１２】
前記第１及び第２経路が、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための前記一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項５に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１３】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱ダイオードを備える、請求項１２に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１４】
前記第１及び第２経路が、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２経路がそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１６】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱ダイオードを備える、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１７】
前記熱ダイオードが、熱サイフォンを備える、請求項１６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１８】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱ダイオードを含む、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１９】
前記熱ダイオードが、前記負荷と前記ヒートポンプの間で直列である、請求項１８に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２０】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱キャパシタを含む、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２１】
前記熱キャパシタが、相変化材料及び／または熱質量を備える、請求項２０に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２２】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境の間に直列の熱ダイオード、熱キャパシタ、及び前記ヒートポンプを含む、請求項１に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２３】
負荷温度（ＴＬ）を有する負荷から周囲温度（ＴＡ）を有する環境へと熱を輸送するための熱伝導経路を備えるハイブリッド熱輸送システムであり、前記熱伝導経路は、格納温度（ＴＳ）を有する熱キャパシタと、ヒートポンプと、前記ヒートポンプは前記ヒートポンプによって熱が能動的に輸送される間は起動状態であり、かつ前記ヒートポンプによって熱が能動的に輸送されない間は停止状態であり、前記負荷と前記周囲環境の間で直列に接続された熱ダイオードと、を備える、前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２４】
前記熱キャパシタが、相変化材料及び／または熱質量を備える、請求項２３に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２５】
前記熱キャパシタの第１側が前記負荷に接しており、前記ヒートポンプの第１側が前記熱キャパシタの第２側に接しており、前記熱ダイオードの第１側が前記ヒートポンプの第２側に接しており、かつ前記熱ダイオードの第２側が熱を前記周囲環境へと輸送する、請求項２３に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２６】
負荷の能動的加熱及び／または冷却のための第１構成要素と、前記第１構成要素の動作は少なくとも１つの制御入力によって制御され、アルゴリズムに従って少なくとも１つの制御入力を介して前記第１構成要素の前記動作を制御するために構成された制御システムと、を備えるハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２７】
前記負荷の受動的加熱及び／または冷却のための第２構成要素をさらに備える、請求項２６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２８】
前記制御システムが、少なくとも１つの温度センサと、ハードウェアを有する少なくとも１つの温度センサから温度情報を受信し、前記第１構成要素の所望動作を判断するためにアルゴリズムに従って情報を処理し、かつ前記第１構成要素の前記動作を制御するよう構成されたコントローラと、を備える、請求項２６に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２９】
前記コントローラが、前記コントローラと前記第１構成要素の間の電気回路を起動し、かつ切り替えることで前記第１構成要素の前記動作を制御する、請求項２８に記載の前記ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項３０】
負荷温度（ＴＬ）を有する負荷と周囲温度（ＴＡ）を有する周囲環境の間で受動的に熱を輸送するための第１熱伝導経路及び前記負荷と前記周囲環境の間で能動的に熱を輸送するための第２熱伝導経路を有し、前記第２経路がヒートポンプを含むハイブリッド熱輸送システムを制御する方法は、ＴＬ及びＴＡの値を監視することと、ＴＬが第１閾値ＴＬＨよりも大きいという判断、ＴＡがＴＬよりも大きいかまたは等しいという判断により、熱が前記第２熱伝導経路を介して前記負荷から前記周囲環境へと能動的に輸送されるように前記ヒートポンプを起動することと、ＴＡがＴＬよりも小さいという判断により、熱が前記第２熱伝導経路を介して前記負荷から前記周囲環境へと能動的に輸送されないように前記ヒートポンプを停止することと、ＴＬが第２閾値ＴＬＬよりも小さいという判断、ＴＡがＴＬよりも小さいかまたは等しいという判断により、熱が前記第２経路を介して前記周囲環境から前記負荷へと能動的に輸送されるように前記ヒートポンプを起動することと、ＴＡがＴＬよりも大きいという判断により、熱が前記第２経路を介して前記周囲環境から前記負荷へと能動的に輸送されないように前記ヒートポンプを停止することと、ＴＬＬ≦ＴＬ≦ＴＬＨであるという判断により、前記ヒートポンプの前記現在の動作状態を変更しないことと、を備える前記方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
[先行出願]  
本出願は、「高効率ハイブリッド熱除去システム」と題する２０１４年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６２／０８８，３６２号の優先権を主張するものであり、参照によりその全体を本明細書に包含する。
[開示の分野]
【０００２】
本開示の分野は、概して熱除去システムに関し、特にハイブリッド熱輸送システムに関する。
[背景]
【０００３】
限られた資源と環境を懸念すると、省エネルギーの需要は実質的に増え続けている。これはエネルギー効率の優れた装置の進歩へとつながる。例えば、現在のエネルギー効率の優れた冷蔵庫は、１５年以上前のモデルと比較すると４０％近く使用するエネルギー量が少ない。エネルギー効率の優れた冷蔵庫の効率をさらに向上させる能力は、多機能の必要性に制限される。例えば、消費者は、正確な温度制御を維持しながら幅広い温度範囲で動作し、かつ急速な変化に適応する冷蔵庫を必要としている。
【０００４】
既存の冷蔵技術は、受動的または能動的冷却技術のいずれかを使用している。本明細書に用いられるように、「受動的」という用語が、加熱または冷却の文脈に用いられる時、例えば、伝導、対流、放射等といった自然過程を介するといったように、さらなるエネルギーを必要とせず生じる熱輸送に関する。本明細書に用いられるように、「能動的」という用語が、加熱または冷却の文脈に用いられる時、例えば、コンプレッサ、ヒートポンプ、ペルチェ接合等といった電力消費装置の使用を介するといったように、生じるのにさらなるエネルギー（例えば、電気）を必要とする熱輸送に関する。このため、能動的冷却システムは、エネルギーを消費しない受動的冷却とは対照的に、物体を冷却するためのエネルギー消費に関するものである。
【０００５】
エネルギー効率に優れた冷蔵庫の最も一般的なタイプは、蒸気圧縮システムを用いる。これらのシステムでは、機械的構成要素は熱を能動的に輸送するためにエネルギーを消費する。これらの構成要素は、コンプレッサ、コンデンサ、温度膨張弁、蒸発器、作動流体（例えば、冷媒）を循環させる配管、及びサーモスタットを含んでもよい。構成要素は、冷却室から外部環境へと熱を輸送するために強制相変化を受ける冷媒を循環させる。熱電冷却システムを含む冷蔵システムはあまり一般的ではない。これらのシステムでは、熱電ヒートポンプは、冷却室から外部環境へと熱を排出する他の受動的サブシステムへと熱を受け入れる受動的サブシステムから熱を能動的に輸送するためにエネルギーを消費する。
【０００６】
冷蔵システムは通常しっかりと断熱されているので、受動的伝送のみで冷却室から外部環境へ輸送され得る熱が通る熱伝導経路なしで設計されるものである。このため、冷却室から熱を排出する手段がないこれらの冷蔵システムは、能動的構成要素を故障させる場合がある。
【０００７】
この問題は、内部室を外部環境の温度に従って設定された温度に維持するよう設計された能動的システムにさらに問題を起こし能動的構成要素を故障させる場合があり、必要に応じて内部室を加熱または冷却するために輸送され得る熱が通る熱伝導経路がない。さらに、選択肢がなく、受動的経路は、外部環境状態が電力消費を削減するために利用できないということを意味する。例えば、室が若干の温度上昇が必要で、かつ外部環境が室よりも暖かい場合、選択肢の存在、受動的経路は、能動的装置を介する代わりに受動的熱輸送を介して室を暖めさせ、よって能動的装置が使用するエネルギーを消費する（かつそのための支払いをする）必要性を未然に防ぐ。外部環境が室よりも冷たい場合に若干の冷却が必要である室にも同様に適用し、受動的経路はヒートポンプ、コンプレッサなどを動作するためにさらなるエネルギーを消費することなく熱を室から外部環境へと輸送するのに用いられる。
【０００８】
このように、動作の汎用性を維持しながら低コストでより高いエネルギー効率を提供する熱輸送のためのシステム及び方法への必要性が残る。
【発明の概要】
【０００９】
[概要]
ハイブリッド熱輸送システムのためのシステム及び方法が開示される。
【００１０】
１つの態様に従って、ハイブリッド熱輸送システムは、負荷温度ＴＬを有する負荷と周囲温度ＴＡを有する周囲環境の間で受動的に熱を輸送するよう構成された第１熱伝導経路及び負荷と周囲環境の間で能動的に熱を輸送するよう構成された第２熱伝導経路を含み、第２経路はヒートポンプを備える。
【００１１】
１つの態様に従って、ヒートポンプは、起動状態または停止状態のいずれかで、ヒートポンプが起動状態にある時、熱は第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送され、ヒートポンプが停止状態にある時、熱は第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送されない。
【００１２】
他の態様に従って、ヒートポンプが停止状態にある時、熱は第２熱伝導経路を通じて受動的に輸送される。
【００１３】
１つの態様に従って、第１及び第２経路はそれぞれ、負荷へと、または負荷から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える。他の態様に従って、第１及び第２経路は、負荷へと、または負荷から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する。
【００１４】
１つの態様に従って、第１及び第２経路はそれぞれ、周囲環境へと、または周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を含む。他の態様に従って、第１及び第２経路は、周囲環境へと、または周囲環境から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する。
【００１５】
１つの態様に従って、第１熱伝導経路は、負荷と周囲環境の間に直列の熱ダイオードを備える。１つの態様に従って、熱ダイオードは、負荷から周囲環境への熱輸送を可能にし、周囲環境から負荷への熱輸送を阻止する。１つの態様に従って、熱ダイオードは熱サイフォンを備える。
【００１６】
１つの態様に従って、第２熱伝導経路は、負荷と周囲環境の間に直列の熱ダイオードを含む。１つの態様に従って、熱ダイオードは負荷とヒートポンプの間で直列になっている。
【００１７】
１つの態様に従って、第２熱伝導経路は、負荷と周囲環境の間に直列の熱キャパシタを含む。１つの態様に従って、第２熱伝導経路は、負荷とヒートポンプの間に直列の熱キャパシタを含む。１つの態様に従って、熱キャパシタは、相変化材料及び／または熱質量を備える。
【００１８】
１つの態様に従って、第２熱伝導経路は、負荷と周囲環境の間に直列の熱ダイオード、熱キャパシタ、及びヒートポンプを含む。１つの態様に従って、第２熱伝導経路は、負荷とヒートポンプの間に直列の熱ダイオード及び熱キャパシタを含む。
【００１９】
１つの態様に従って、第１熱伝導経路はさらにヒートポンプを含む。
【００２０】
他の態様に従って、ハイブリッド熱輸送システムは、負荷温度ＴＬを有する負荷から周囲温度ＴＡを有する周囲環境へと熱を輸送するための熱伝導経路を含む。熱伝導経路は格納温度ＴＳを有する熱キャパシタ、ヒートポンプによって熱が能動的に輸送されるという起動状態、かつヒートポンプによって熱が能動的に輸送されていないという停止状態を有するヒートポンプ、及び負荷と周囲環境の間に直列で接続されている熱ダイオードを含む。
【００２１】
１つの態様に従って、熱キャパシタは、相変化材料及び／または熱質量を備える。
【００２２】
１つの態様に従って、熱キャパシタの第１側は負荷に接しており、ヒートポンプの第１側は熱キャパシタの第２側に接しており、熱ダイオードの第１側はヒートポンプの第２側に接しており、かつ熱ダイオードの第２側は熱を周囲環境へと輸送する。
【００２３】
さらに他の態様に従って、ハイブリッド熱輸送システムは、負荷の能動的加熱及び／または冷却のための第１構成要素と、その動作は少なくとも１つの制御入力によって制御され、及びアルゴリズムに従い少なくとも１つの制御入力を介して第１構成要素の動作を制御するよう構成された制御システムと、を含む。
【００２４】
１つの態様に従って、制御システムは、少なくとも１つの温度センサと、ハードウェアを有し、少なくとも１つの温度センサから温度情報を受信し、第１構成要素の所望動作を判断するためにアルゴリズムに従って情報を処理し、かつ第１構成要素の動作を制御するよう構成されたコントローラと、を含む。
【００２５】
１つの態様に従って、コントローラは、コントローラと第１構成要素の間の電気回路を起動し、かつ切り替えることで第１構成要素の動作を制御する。
【００２６】
さらに他の態様に従って、負荷温度ＴＬを有する負荷と周囲温度ＴＡを有する周囲環境の間で受動的に熱を輸送するための第１熱伝導経路及び負荷と周囲環境の間で能動的に熱を輸送するための第２熱伝導経路を有し、第２経路はヒートポンプを含む。ハイブリッド熱輸送システムを制御する方法は、ＴＬとＴＡの値を監視することを含む。ＴＬが第１閾値ＴＬＨよりも大きいという判断の下、ＴＡがＴＬよりも大きいかまたは等しい場合、ヒートポンプは第２経路を通じて熱を負荷から周囲環境へと能動的に輸送するよう起動し、しかしながらＴＡがＴＬよりも小さい場合には、ヒートポンプは第２経路を通じて熱を負荷から周囲環境へと能動的に輸送しないように（例えば、第１経路を通じて熱を負荷から周囲環境へと受動的に輸送するように）、停止する。ＴＬが第２閾値ＴＬＬよりも大きいという判断の下、ＴＡがＴＬよりも小さいかまたは等しい場合、ヒートポンプは第２経路を通じて熱を周囲環境から負荷へと能動的に輸送するよう起動し、しかしながらＴＡがＴＬよりも大きい場合には、ヒートポンプは第２経路を通じて熱を周囲環境から負荷へと能動的に輸送しないように（例えば、第１経路を通じて熱を周囲環境から負荷へと受動的に輸送するように）、停止する。ＴＬＬ≦ＴＬ≦ＴＬＨであるという判断の下、ヒートポンプの現在の動作状態（起動しているかまたは停止しているかのいずれでも）は変更されない。
【００２７】
本明細書に記述される方法及びシステムは、温度の正確な制御を維持しながら、幅広い温度範囲及び冷却速度で動作するといったような動作の汎用性を向上しながら低コストで向上した高い効率を提供する。
【００２８】
添付の図面に関連して以下の好適な実施形態の詳細な記述を読むと、本開示の範囲が当業者に明らかとなり、さらなる態様が理解されるであろう。
【００２９】
本明細書に包含され、かつ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を説明し、記述と共に本開示の原理を説明するための役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造を説明し、システムは負荷と周囲環境の間で熱を輸送するための第１及び第２熱伝導経路を含み、第２経路はヒートポンプを含む。
【図１Ｂ】本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの直交図を説明し、第１経路は第２経路の風上にあるので、能動的第２経路からの熱は受動的第１経路の性能に影響を与えない。
【図１Ｃ】本開示の実施形態に従う図１Ａにおけるシステムの機能的描写を説明する。
【図１Ｄ】本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムのための例示的方法のフロー図を説明する。
【図２Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は負荷からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図２Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は負荷からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図２Ｃ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図２Ｄ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図３Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図３Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図４Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続され、第１及び第２経路は周囲環境への、または周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図４Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続され、第１及び第２経路は周囲環境への、または周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。
【図５Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図５Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図６Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図６Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図７Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオード及び熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図７Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオード及び熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続される。
【図８Ａ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオード及び熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続され、第１熱伝導経路はさらにヒートポンプを含む。
【図８Ｂ】本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路は熱ダイオード及び熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続され、第１熱伝導経路はさらにヒートポンプを含む。
【図９Ａ】本開示のさらに他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、負荷と周囲環境の間の熱伝導経路は直列に接続された熱キャパシタ、ヒートポンプ、及び熱ダイオードを含む。
【図９Ｂ】本開示のさらに他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、負荷と周囲環境の間の熱伝導経路は直列に接続された熱キャパシタ、ヒートポンプ、及び熱ダイオードを含む。
【図１０】本開示の他の実施形態に従う例示的ハイブリッド熱輸送システムのブロック図を説明する。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
[詳細な説明]
ハイブリッド熱輸送システムのためのシステム及び方法が開示される。説明される実施形態は、当業者が実施形態を実行できるように以下に必要な情報を表し、かつ実施形態の最適な実行モードを説明する。添付の図面を考慮して以下の記述を読むと、当業者は本開示の概念を理解し、これらの概念の応用が本明細書に特に示されていないことが明らかとなるであろう。
【００３２】
これらの概念及び応用が、本開示及び付属の特許請求の範囲内に含まれることが理解されるべきである。第１、第２、等の用語が様々な要素を記述するために本明細書で用いられ得るが、これらの要素はこれらの用語により限定されるべきではないことが理解されるべきである。これらの用語は、要素を区別するためにのみ用いられている。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１要素は第２要素と称される場合があり、かつ同様に、第２要素は第１要素と称される場合がある。
【００３３】
要素が他の要素に「接続される」または「連結される」というように称される時、それは他の要素または存在し得る介在要素に直接的に接続されるかまたは連結され得るということがさらに理解されるべきである。一方、要素が他の要素に「直接接続される」または「直接連結される」というように言及される時、存在する介在要素はない。
【００３４】
単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のものを指し示していない限り、複数形を含むことが理解されるべきである。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、及び／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」の用語が、本明細書に用いられる時、表明された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を記述するが、他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／またはそれらのグループの１つ以上の存在または付加を除外するものではないことは、さらに理解されるであろう。さらに、「及び／または」という用語は、１つ以上の関連する列挙項目のいずれかまたは全ての組み合わせを含む。
【００３５】
別段の定めがない限り、本明細書に用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示が属する当業者が通常理解するようなものと同様の意味を有する。本明細書に用いられる用語は、本明細書の文脈及び従来技術における意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書にそのように明確に定義されない限りは、理想化された、または過度に形式張った要点に解釈されないということがさらに理解されるであろう。
【００３６】
熱輸送経路は、経路に沿う熱流を提供するために直列に熱的連結され得る１つ以上の構成要素を含む。例えば、熱は筐体（例えば、冷蔵庫のキャビネット）から取り除かれ、続いて外部環境（すなわち、周囲環境）へと放出するために熱輸送経路に沿って移動され得る。熱輸送経路は、熱排出システムの「受入側」及び／または「排出側」の一部であるか、及び／またはそこへと熱的に連結され得る。受入側は、熱的負荷から熱を受け入れる（例えば、負荷から熱を取り除く）。排出側は、外部／周囲環境へと熱を排出する。
【００３７】
熱輸送経路が能動的及び／または受動的熱流を供給するかどうかによって、熱輸送経路は「能動的」及び／または「受動的」であってもよい。例えば、熱輸送経路の構成要素（複数可）は、エネルギーを消費する時、熱輸送経路に「能動的」熱輸送を供給させ得る。一方で、同じ熱輸送経路は、同じ構成要素（複数可）がエネルギーを消費しない時、「受動的」熱輸送を供給し得る。このように、能動的熱輸送経路と受動的熱輸送経路の区別は、多量の熱が経路によって能動的及び／または受動的に輸送され得るかどうかによる。より詳細には、熱輸送経路は、少なくとも１つの能動的熱交換構成要素及び１つ以上の受動的構成要素を含んでもよい。さらに熱輸送経路が「能動的熱輸送経路」または「受動的熱輸送経路」と呼ばれるかどうかは、熱輸送経路が多量の熱を能動的及び／または受動的に輸送するよう構成されているかどうかによる。
【００３８】
能動的熱輸送経路は、エネルギー消費によって熱輸送が起こる少なくとも１つの構成要素を含む。このように、能動的熱輸送経路は、少なくとも１つの構成要素がエネルギーを消費する時に多量の熱を輸送する。そういった構成要素は、本明細書では一般的に「能動的熱交換構成要素」と称される。能動的熱交換構成要素の実施例は、蒸気コンプレッサといったようなヒートポンプ、スターリング冷却器、熱電、及びエネルギー消費によって熱を輸送するかまたは変換するあらゆる構造、装置、及び／または材料を含む。このように、能動的熱輸送経路は、少なくとも１つの能動的熱交換構成要素がエネルギーを消費する時に多量の熱を輸送する。
【００３９】
受動的熱輸送経路は、エネルギーを消費せずに自然冷却プロセスの効果を向上する１つ以上の受動的構成要素を含む。受動的構成要素の実施例は、ヒートシンク、熱サイフォン、ヒートパイプ、熱交換器、相変化材料、またはエネルギーを消費せずに熱消失または変換の自然プロセスに依存するあらゆる構造、装置、及び／または材料を含む。
よって、受動的熱輸送経路は、エネルギーを消費せずに多量の熱を輸送する。
【００４０】
従って、能動的熱交換構成要素を含む熱輸送経路は、能動的に熱輸送するためにエネルギーを消費する間の能動的熱輸送経路であり、かつ能動的熱交換構成要素がエネルギーを消費していない間に能動的熱輸送経路が多量の熱を受動的に輸送する場合には受動的熱輸送経路であってもよい。逆に、受動的熱輸送経路は、受動的熱輸送経路が多量の熱を受動的に輸送する間エネルギーを消費しない能動的熱交換構成要素を含んでもよい。
【００４１】
本明細書に開示の熱除去システムのための実施形態は、１つ以上の能動的及び／または受動的熱輸送経路を形成する能動的及び／または受動的構成要素の組み合わせを利用する。これらの組み合わせは、より優れた効果、幅広い温度範囲、冷却速度、正確な温度制御、及び低コストの１つ以上を達成する。
【００４２】
本開示の実施形態の記述を続ける前に、いくつかの用語を以下のように定義することが有益である。
【００４３】
本明細書に用いられるとき、「構成要素」とは、大きな全体の中の一部または一要素を指す。構成要素は、あらゆる装置、材料、及び／またはシステムを含んでもよい。例えば、熱輸送経路の構成要素は、熱輸送経路の一部または一要素である。「経路」は、熱輸送のための方向を供給するよう構成され直列に接続された複数の構成要素から形成される。
【００４４】
本明細書に用いられるとき、「能動的熱交換」という用語は、エネルギー消費によって熱を能動的に移動するためのあらゆる構成要素の動作を指す。熱は、低温で経路の１つの位置（すなわち、「源」）から経路の他の位置（すなわち、「シンク」）へと高温で移動する。能動的熱交換構成要素の実施例は、ヒートポンプである。ヒートポンプのみが、エネルギーを消費する時に多量の熱を移動する。これらに限定はされないが、いくつかの実施形態では、ヒートポンプは１つ以上の熱電モジュールを含むソリッドステートヒートポンプであり、各熱電モジュールは、複数の熱電装置（例えば、その熱電モジュール技術の参照により本明細書に包含される、「薄膜熱電モジュール製造のための方法」と題する米国特許第８，２１６，８７１号を参照）を含む。ヒートポンプの他の実施例は、蒸気圧縮ヒートポンプ及びスターリングサイクルヒートポンプを含む。能動的熱交換構成要素が能動的に熱を移動するので、電流を能動的に移動する電気回路の電源への類似点によってモデル化され得る。
【００４５】
本明細書に用いられるとき、「受動的構成要素」という用語は、エネルギーを消費せずに熱を受動的に移動するかまたは変換する構成要素を指す。熱は、受動的構成要素にわたる温度差の結果として、受動的構成要素によって自然に受け入れられ、輸送され、かつ排出されてもよい。受動的構成要素の実施例は、ヒートシンク／熱交換器、熱サイフォン、ヒートパイプ、相変化材料（ＰＣＭ）等を含む。
【００４６】
図１Ａは、本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造を説明し、システムは負荷と周囲環境の間で熱を輸送するための第１及び第２熱伝導経路を含み、第２経路はヒートポンプを含む。
【００４７】
図１Ａに説明される実施形態では、本明細書では「システム１０」とも称されるハイブリッド熱輸送システム１０は、本明細書では「第１経路１２」とも称される第１熱伝導経路１２、及び本明細書では「第２経路１４」とも称される第２熱伝導経路１４を含み、その両方ともが負荷温度（ＴＬ）を有する負荷１６と周囲温度（ＴＡ）を有する周囲環境１８の間で熱を輸送するよう動作する。負荷の例は、これに限定はされないが、電気または電子回路、プリント基板（ＰＣＢ）、電気機械、例えば冷蔵庫、格納ユニット、家及びオフィスビル等といった環境的に制御された空間を含む。第１経路１２は、熱を受動的に輸送するよう構成される。第２熱伝導経路１４は、熱を能動的に輸送するよう構成され、その目的のためのヒートポンプ２０を含む。
【００４８】
図１Ａに説明される実施形態では、第１経路１２は、負荷１６へ、または負荷１６から熱を輸送するための熱交換器２２及び周囲環境１８へ、または周囲環境１８から熱を輸送するための熱交換器２４を含む。第２経路１４は、負荷１６へ、または負荷１６から熱を輸送するための熱交換器２６及び周囲環境１８へ、または周囲環境１８から熱を輸送するための熱交換器２８を含む。この説明された実施例では、熱交換器２２、２４、２６、及び２８は、フィン付き金属製熱交換器／ヒートシンクであるが、これらに限定されない。他のタイプの熱交換器／シンクが用いられてもよい。熱交換器の例は、これに限定はされないが、空冷式熱交換器、水冷式熱交換器等を含む。
【００４９】
１つの実施形態では、ヒートポンプ２０は、熱が負荷１６と周囲環境１８の間で能動的に輸送される起動状態、または熱が負荷１６と周囲環境１８の間で能動的に輸送されない停止状態のいずれかであってもよい。例えば、コントローラまたは制御システム（説明されず）は、所望の制御アルゴリズムに応じてヒートポンプ２０が起動状態または停止状態になるよう選択的に制御されるよう、ヒートポンプ２０を制御してもよい。いくつかの実施形態では、ヒートポンプ２０は、停止状態にある時でも熱を受動的に輸送し続けてもよい。他の実施形態では、ヒートポンプ２０は、例えば、負荷１６と周囲環境１８の間の熱的遮断器として機能するといったように、停止状態にある時にそういった熱輸送を防いでもよい。
【００５０】
図１Ａに説明される実施形態では、第１経路１２は隙間によって第２経路１４から分けられる。隙間は、熱の漏出を防ぐかまたは少なくとも熱の漏出を軽減するために経路を分断し、第２経路１４から第１経路１２へと、かつ熱交換器２２を通じて閉鎖環境へと戻る。いくつかの実施形態では、隙間は、逆流をさらに防ぐための遮断器を含んでもよい。いくつかの実施形態では、以下に記述されるように、隙間は完全に省かれてもよい。
【００５１】
１つの実施形態では、負荷１６は、周囲環境１８から分けられた自身の環境内に位置してもよい。図１Ａに説明される実施形態では、例えば、負荷１６は、負荷１６のための局所環境を供給する構造３０内に位置してもよい。１つの実施形態では、構造３０は、冷蔵庫、冷凍庫、進入保護（ＩＰ）評価等のあるものといった環境的に制御された筐体といったような気候または温度制御された空間であってもよい。同様に、熱交換器２４及び２８は、構造内に位置するかまたはさらなる状態を供給する位置にあってもよい。例えば、熱交換器２４及び２８は、ケース、シャーシ、フレーム、または熱交換器上に連続的気流（または水流）を供給する他の環境に位置してもよい。これらの環境は、図１Ｂに関連して以下に記述されるようにさらなる利点を提供してもよい。
【００５２】
図１Ｂは、本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム１０の直交図を説明する。図１Ｂに説明される実施形態では、第１経路１２及び第２経路１４はそれぞれ、両方とも破線の矢で表され、いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態では閉鎖構造３６内に取り付けられ得る１つ以上のファン３４により供給される気流３２から利益を得るフィン付き熱交換器２４及び２８をそれぞれ含む。
【００５３】
図１Ｂに説明される実施形態では、熱交換器２２及び２６は、例えば負荷１６と第１及び第２経路１２及び１４それぞれの間に熱界面を供給する熱伝導板（例えば、金属板）であるが、代替的実施形態では、これらの構造はなくてもよい。例えば、負荷１６は、例えば、クランプ、ボルト、または他の固定具を介した直接的接触及び適所保持を通じて熱交換器２４及びヒートポンプ２０と直接噛合ってもよい。これらと他の噛合構造の間の熱をより効率よく輸送させるために熱ペーストが噛合面に存在してもよい。あるいは、負荷１６は、熱交換器に非直接的に（例えば、介在構造を介して）、または遠隔的に（例えば、空隙にわたる熱の放射によって）連結してもよい。他の接続方法が同様に考慮される。
【００５４】
図１Ｂに説明される実施形態では、負荷１６からの熱ＱＣは、熱交換器２２を介して第１経路１２へと引き込まれ、熱交換器２４を介して周囲環境１８へと消散する。負荷１６からの熱はさらに、熱交換器２６を介して第２経路１４へと、起動している場合に熱交換器２８へと熱を輸送するヒートポンプ２０へと引き込まれる。
【００５５】
図１Ｂは、第１経路１２からの熱交換器２４が第２経路１４からの熱交換器２８から風上にある構成を説明する。能動的ヒートポンプが受動的に輸送され得た場合よりもより熱を輸送し得るので、熱交換器２８は、熱交換器２４よりも熱くなりやすく、熱交換機２８を熱交換器２４の風下へ置くことで、第１経路１２は第２経路１４によって生み出される熱に影響を受けにくくなり、よって熱交換器２４が熱交換器２８から風下にあった場合よりもより効率的である。言い換えると、熱交換器２８を熱交換器２４の風下に置くことで、第２経路１４から第１経路１２への熱漏出が軽減される。
【００５６】
図１Ａ及び１Ｂに説明されるシステムといったような例示的ハイブリッド熱輸送システムの動作は、例えば、電気回路図に類似した図表を用いて記述されてもよい。このタイプの図表は、本明細書では熱回路図と称される。例えば、熱エネルギーを受動的に伝導する構造は、抵抗器に類似しており、よって本明細書では熱抵抗器と称される。本明細書に用いられるとき、「熱抵抗器」という用語は、より高い温度環境から熱を受動的に受け入れ、かつより低い温度環境へと熱を排出する構成要素を指す。熱抵抗器の実施例は、熱交換器を含む。熱交換器は一般的に流体媒質で熱を輸送する。流体媒質は、しばしば空気であるが、さらに水または冷媒であってもよい。熱抵抗器は、特定の熱交換器に属する。このように、熱交換器は、電気回路の抵抗器への類似点によってモデル化され得る。
【００５７】
一方向にのみ熱を伝導する構造は、ダイオードに類似しており、よって本明細書では熱ダイオードと称される。本明細書に用いられるとき、「熱ダイオード」という用語は、経路の一方向に優先的に熱を受動的に流す構成要素を指す。逆に、熱ダイオードは、経路の好ましい方向とは反対方向への熱の逆流を防ぐ。熱ダイオードの例は、熱サイフォンを含む。熱サイフォンは、自然対流に基づいて熱輸送するための受動的二相熱交換を用いる。熱サイフォンは、機械ポンプを必要とすることなく、浮力及び重力及び／または求心力を用いて作動流体を介して蒸発器とコンデンサの間で熱を輸送する。特に、作動流体が蒸発器で加熱されると、加熱された作動流体の濃度が減少するため加熱された作動流体（例えば、ガス）は、浮力で熱サイフォンを通じてコンデンサへと自然と上昇する。作動流体がコンデンサで冷却される時、冷却された作動流体の濃度が増加するため冷却された作動流体（例えば、液体）は、重力及び／または求心力で熱サイフォンを通じて蒸発器へと自然と沈下する。
【００５８】
熱輸送するよう作動流体の移動を容易にする毛細管力を誘発するためのウィッキング媒体を含むヒートパイプとは異なり、熱サイフォンは、作動流体を移動する毛細管力に依存しない。その結果、これは蒸発器からコンデンサ領域への熱流を可能にし、かつ蒸発器への熱の逆流を防ぐ。このように、熱サイフォンは、電気回路のダイオードへの類似点によってモデル化され得る。
【００５９】
熱エネルギーまたは熱エネルギー欠損（例えば、ＰＣＭが冷凍状態といったケースなど）を格納する構造は、キャパシタと類似しており、よって本明細書では熱キャパシタと称される。本明細書に用いられるとき、「熱キャパシタ」という用語は、熱を受動的に格納する構成要素を指す。熱キャパシタの例は、ＰＣＭである。ＰＣＭは、特定温度で一相から他相へと変化する材料である。結果として、ＰＣＭは、多量の熱を受動的に格納し、かつ放出できる。熱は、より高いエネルギー状態へと材料が変化（例えば、固体から液体へと）する時に熱は消耗され、より低いエネルギー状態へと材料が変化（例えば、液体から固体へと）する時に熱は放出される。このように、ＰＣＭは、電気回路のキャパシタへの類似点によってモデル化され得る。
【００６０】
熱エネルギーを能動的に伝導する構造は、電源に類似しており、よって本明細書では熱源と称される。熱源は、熱を供給するために動作してもよく、熱を取り除くために動作してもよく、またはそのいずれかのために構成可能であってもよい。
【００６１】
よって、熱システムは、電気回路図に用いられる同値記号によって、すなわち、熱回路図を作るために表すことができる。図１Ａに説明される実施形態のための熱回路図の実施例は、図１Ｃに示される。
【００６２】
図１Ｃは、本開示の実施形態に従う図１Ａにおけるシステム１０の機能的描写を説明する。図１Ｃで説明される実施形態では、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。第１経路１２では、熱交換器２２は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ｌ１として表され、かつ熱交換器２４は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ａ１として表される。第２経路では、熱交換器２６は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ｌ２として表され、熱交換器２８は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ａ２として表され、かつヒートポンプ２０は熱源として表される。１つの実施形態では、ヒートポンプ２０は、図１Ｃにおいて矢印ＰＴＥＣで示される電力を供給し得る熱電（ＴＥＣ）装置であってもよい。
【００６３】
図１Ｃに説明される熱回路図で表される構造は、期間中ずっと同じ温度でなくてもよいが、異なる位置では異なる温度であってもよい。図１Ｃに説明される実施形態では、ＴＬで標示される節点は、負荷温度ＴＬを有する負荷１６との熱的接点を表し、ＴＡで標示される節点は、周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８との熱的接点を表す。他の標示節点は、第１または第２経路１２及び１４内の位置を表し、それぞれの位置における温度はＴＬまたはＴＡとは異なってもよい。図１Ｃに説明される実施形態では、例えば、ＴＬＡは、負荷１６と周囲環境１８の間の第１経路１２におけるポイントでの温度であり、ＴＬＨＰは、負荷１６とヒートポンプ２０の間の第２経路１４におけるポイントでの温度である。ＴＨＰＡは、ヒートポンプ２０と周囲環境１８の間の第２経路１４におけるポイントでの温度である。システム１０の例示的動作は、図１Ｄを用いてここで説明される。
【００６４】
図１Ｄは、本開示の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム（例えば、図１Ａまたは１Ｂのハイブリッド熱輸送システム１０）のための例示的方法のフロー図を説明する。図１Ｄは、ハイブリッド熱輸送システム１０が様々なモードで動作してもよく、かつこれらのモードが誘因状態に基づいて選択されるかまたは入れられるという概念を説明する。方法は、図１Ｃに関連して記述される。
【００６５】
図１Ｄに説明される実施形態では、ＴＬ及びＴＡ（及び、任意的にＴ１、Ｔ２といった他の温度）といった１つ以上の温度が監視される（ステップ１００）。以下により詳細に記述されるように、特定の誘因状態の検知が、システムを能動的冷却モード、受動的冷却（または加熱）モード、または能動的加熱モードへと入るよう引き起こし得る。
【００６６】
説明の目的のために、図１Ｄに説明される実施形態では、負荷１６は負荷低温ＴＬＬから負荷高温ＴＬＨの温度の望ましい動作範囲を有すると仮定される。この実施例では、ＴＬＬ≦ＴＬＨであり、かつＴＬＬ≦ＴＬ≦ＴＬＨであることが望ましい。
【００６７】
この実施形態では、プロセスは、負荷１６が冷却される必要があることを示すというＴＬがＴＬＨよりも高いかどうかを確認し（ステップ１０２）、その場合プロセスはその後ＴＡがＴＬよりも低いかどうかを確認する（ステップ１０４）。その場合、受動的冷却単独でもＴＬを下げるのに十分であり得、よって能動的冷却は停止され（または停止状態を維持）（ステップ１０６）、かつプロセスはステップ１００へと戻る。ステップ１０４において、ＴＡがＴＬよりも高い場合、受動的冷却では熱を負荷１６から周囲環境１８へと輸送するのにＴＡがＴＬよりも少ない必要があるため、その後能動的冷却が必要となる。このケースでは、能動的冷却は開始され（または起動状態を維持）（ステップ１０８）、かつプロセスはステップ１００へと戻る。
【００６８】
この実施形態では、ステップ１０２において、ＴＬが上限ＴＬＨ以上でない場合、その後プロセスは、負荷が加熱される必要があることを示すという、ＴＬが下限ＴＬＬ以下であるかどうかを確認し（ステップ１１０）、その場合、プロセスはその後ＴＡがＴＬよりも高いかどうかを確認する（ステップ１１２）。その場合、受動的加熱単独でもＴＬを上げるのに十分であり得、よって能動的加熱は停止され（または停止状態を維持）（ステップ１１４）、かつプロセスはステップ１００へと戻る。ステップ１１２において、ＴＡがＴＬよりも低い場合、受動的加熱ではＴＡがＴＬよりも大きい必要があるため、その後能動的加熱が必要となる。このケースでは、能動的加熱は開始され（または起動状態を維持）（ステップ１１６）、かつプロセスはステップ１００へと戻る。
【００６９】
この実施形態では、ステップ１１０において、ＴＬがＴＬＬよりも低く場合、その後負荷１６は望ましい温度範囲内にあり、よってプロセスはステップ１００に戻る前に変更を行わない（ステップ１１８）。１つの実施形態では、「変更しない」とは、システムが現在動作しているいずれかのモード（例えば、能動的冷却、受動的冷却、能動的加熱、または受動的加熱）を維持することを意味する。例えば、能動的冷却が必要であるとシステムが検知した場合（すなわち、プロセスがステップ１０２からステップ１０４へと、かつその後ステップ１０６へと移行する）、その後やがていくつかの後続ポイントで能動的冷却がＴＬをＴＬＬとＴＬＨの間になるところまで無事に下げるはずである（すなわち、プロセスがステップ１０２からステップ１１０へ、そしてステップ１１８へと移行する）。望ましい温度範囲内にＴＬを維持するために、能動的冷却モードでの動作を続ける必要があり得る。
【００７０】
図１Ｄは、第２経路１４が能動的に加熱し、さらに能動的に冷却できる実施形態を説明する。例えば、１つの実施形態では、ヒートポンプ２０の動作は逆行してもよく、すなわち、例えばヒートポンプ２０を通じる電流の方向を逆行させることでいずれかの方向で熱を輸送し得る。この実施形態では、ヒートポンプ２０は負荷１６を温めるのに用いられてもよい。あるいは、抵抗加熱器といった他の装置は、例えば、負荷１６へ熱を供給するため及び／またはヒートポンプ２０の動作を補うために採用されてもよい。代替的実施形態では、しかしながらヒートポンプ２０は、例えば能動的に冷却するために一方向でのみ動作してもよい。これらの実施形態では、ステップ１１０、１１２、１１４、及び１１６は省略されてもよい。同様に、図１Ｄに説明されるプロセスが示されていないさらなるステップを含み得ることが理解されよう。
【００７１】
一般的に、図１Ｄはいくつかの実施形態における原理を説明し、第１経路１２及び第２経路１４は温度ＴＬでＱＣを取り除くために並行熱流経路を供給する。いくつかの実施形態では、システム１０の動作は、ＴＡと熱交換器２４及び２８の上流にあるあらゆる節点の温度の差の作用である。ＴＬＨＰとＴＡの温度差は、ヒートポンプ２０が第２経路１４を介してＱＣを取り除くために起動したかどうかを判断してもよい。例えば、ＴＬＨＰがＴＡと等しいかまたはより小さい時、ヒートポンプ２０は第２経路１４を介してＱＣを取り除くために起動してもよい。ＴＬＨＰがＴＡよりも大きい時、自然消滅が温度差によって引き起こされるため、ヒートポンプ２０は、ＱＣが第１経路１２を通じて受動的に流れるように停止してもよい。従って、第１経路１２はコストを削減し、かつエネルギー効率を向上してもよく、及び／または第２経路１４は動作の幅広い温度範囲を供給してもよい。しかしながら、システム１０の動作は、これらに限定はされない。
【００７２】
いくつかの実施形態では、ヒートポンプ２０は、急速冷却を供給するために、ＴＬＨＰがＴＡよりも大きい一方で起動し得る。言い換えると、ヒートポンプ２０は、急速冷却が必要な時にはＴＬＨＰがＴＡよりも大きくても起動し得る。いくつかの実施形態では、第１経路１２は、第２経路１４が作動不可な時のバックアップ経路としてのみ用いられてもよい。従って、システム１０は、能動的または受動的冷却技術を用いるだけのシステムを比較すると、効率及び性能を向上するためにコスト効率のよい動作を提供できる。
【００７３】
図１Ｄに説明される方法は、説明のためのものであり、限定されるものではない。例えば、たった１つのＴＬＨの値よりもむしろシステムは、例えば、ＴＬが現在上昇（ＴＬＨＲ）しているかまたは下降（ＴＬＨＦ）しているかどうかに基づく異なる上限といったヒステリシスの形を供給するよう設計された一対の温度閾値を有し得る。１つの実施形態では、ＴＬＨＲは、ＴＬＨＦよりも高いいくつかの度合いであるので、ＴＬが上昇している場合、ヒートポンプ２０はＴＬがＴＬＨＲ以上になるまで負荷１６を冷却するよう起動しないが、ＴＬが下降している場合、ヒートポンプ２０はＴＬがＴＬＨＦ以下になるまで停止しない。これは、単一の閾値ＴＬＨに基づいて能動的冷却を起動できるかまたは停止するヒートポンプ２０を有するのと比較した時にエネルギー節約できる。
【００７４】
図２Ａ及び２Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は負荷からの熱を輸送するための一般的な熱交換器（「共有」熱交換器としても称され得る）を共有する。図２Ａに説明される１つの実施形態では、第１熱伝導経路１２及び第２熱伝導経路１４は、一般的な熱交換器３８を介して負荷１６へと熱的に接続される。要素１８、２０、２４、２８、ＴＬＡ、ＴＬＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、図１Ａと同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００７５】
ここで図２Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。一般的な熱交換器３８は、熱抵抗器Ｒｔｈ，Ｌとして表される。要素２０、２４、２８、ＰＴＥＣ、ＴＬＡ、ＴＬＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、図１Ｃと同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００７６】
図２Ｃ及び２Ｄは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１及び第２熱伝導経路は周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。図２Ｃに説明される実施形態では、第１経路１２及び第２経路１４は、一般的な熱交換器３８を共有するだけでなく、一般的な熱交換器４０をも共有する。構成要素１６、１８、２０、及び３０の記述は、図１Ａと同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００７７】
ここで図２Ｄを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。一般的な熱交換器３８は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ｌとして表され、かつ一般的な熱交換器４０は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ａとして表される。要素２０、ＰＴＥＣ、ＴＬＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、図１Ｃと同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００７８】
図３Ａ及び３Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続される。図３Ａに説明される実施形態では、熱ダイオード４２は、一般的な熱交換器３８を第１経路１２の熱交換器２４へと接続する。要素１６、１８、２０、２８、及び３０の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００７９】
熱ダイオードの特性は、一方向でのみ熱を効果的に受動的輸送することである。いくつかの実施形態では、熱ダイオード４２は熱サイフォンである。一般的な熱サイフォンは、加熱下で液状からガス状へと変化する冷媒を含むチューブである。動作では、冷媒が加熱される時、生じるガスがチューブを通じてチューブの冷却領域へと浮力で上昇し、ガスは液体へと液化し、かつ重力でチューブの加熱領域へと流れ戻る。液体からガスへの状態変化は熱を抽出し、ガスから液体への凝縮はその熱を放出する。この方法では、熱は熱サイフォンの一端（例えば、負荷端部）から抽出され、熱サイフォンの反対端から放出される（例えば、周囲環境へと）。言い換えると、熱サイフォンは、受動的、二相熱輸送を一方向で、つまり、熱サイフォンの蒸発器領域（この実施例では一般的な熱交換器３８へと接続される）から熱サイフォンのコンデンサ領域（この実施例では熱交換器２４へと接続される）へと供給する。
【００８０】
熱ダイオード４２の存在は、熱が第１経路１２を通じて負荷１６から周囲環境１８へと効果的に流れることができるという利点を提供するが、反対方向ではそうではなく、例えば、周囲温度ＴＡが負荷温度ＴＬに対して高いという状態では、第１経路１２を介して負荷１６が不要な熱を受けることを阻止する。この構成の他の利点は、第１経路１２の熱交換器２４が第２経路１４の熱交換器２８からある程度離れた距離に置かれるかまたは位置してもよく、ヒートポンプ２０の能動的動作の間に非常に高温を得ることができる。ある程度の距離で熱交換器２４を熱交換器２８から分けることは、熱交換器２４を熱交換機２８から熱的に孤立させ得、熱交換器２８で生み出されたあらゆる熱が熱交換器２４自体に、または熱交換器２４に近接する環境（例えば、対流を介して）に影響を与える（例えば、熱の伝導または放射を介して）可能性を低下する。
【００８１】
１つの実施形態では、１つ以上の熱サイフォンは、一般的な熱交換器３８と熱交換器２４の間で直列に接続されてもよい。熱サイフォンの蒸発器領域は、一般的な熱交換器３８に熱的に連結されてもよく、熱サイフォンのコンデンサ領域は、分けられた熱交換器２４に連結されてもよい。このように、熱サイフォンは熱ダイオードとして動作し、それによりあらゆる断熱と組み合わされた熱ダイオードは、熱が外部環境から閉鎖環境である構造３０へと逆流するのを防ぐ。
【００８２】
ここで図３Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。ＴＤＡは、熱ダイオード４２と周囲環境１８の間の経路１２におけるポイントの温度である。構成要素２０、２４、２８、３８、ＰＴＥＣ、ＴＬＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。図３Ｂに説明される実施形態では、第１経路１２が熱ダイオード４２を含むことを見ることができる。
【００８３】
図４Ａ及び４Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システムの例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第１熱伝導経路は熱ダイオードを通じて負荷へと熱的に接続され、第１及び第２経路は周囲環境への、または周囲環境からの熱を輸送するための一般的な熱交換器を共有する。図４Ａに説明されるシステム１０の実施形態は、第１経路１２及び第２経路１４の両方が一般的な熱交換器４０を共有するという違いがある、図３Ａに説明されるシステム１０の変化形であると見なされてもよい。要素１６、１８、２０、３０、３８、及び４２の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００８４】
ここで図４Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷から周囲温度ＴＡを有する周囲環境への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。第１経路１２は熱ダイオード４２を含み、かつ第２経路１４はヒートポンプ２０を含む。一般的な、周囲側の熱交換は、熱抵抗器Ｒｔｈ，Ａとして表される。要素３８、４０、ＰＴＥＣ、ＴＬＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００８５】
前述の、かつ図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、及び４Ｂに説明される実施形態は、第１熱伝導経路１２内に熱ダイオードを含む。代替的実施形態では、熱ダイオードは、図５Ａ及び５Ｂに説明されるように、第２熱伝導経路１４に含まれてもよい。
【００８６】
図５Ａ及び５Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム１０の例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路１４は熱ダイオードを４２通じて負荷１６へと熱的に接続される。図５Ａに説明される実施形態は、第２経路１４が一般的な熱交換器３８とヒートポンプ２０の間に直列の熱ダイオード４２を含むという違いがある、図２Ａに説明されるシステム１０の変化形であると見なされてもよい。要素１６、１８、２４、２８、及び３０の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００８７】
この構成では、ヒートポンプ２０は、熱ダイオード４２の上部から離れて能動的に熱を引き出すことができる。例えば、熱ダイオード４２が熱サイフォンである場合、ヒートポンプ２０は、そこに集まるガスの凝縮を促進し、かつそれによって熱ダイオード４２の性能を向上するために熱ダイオード４２の上部を冷却できる。
【００８８】
ここで図５Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。この実施形態では、第２経路１４は、熱ダイオード４２及びヒートポンプ２０の両方を直列で含む。ＴＬＤは、負荷１６と熱ダイオード４２の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。ＴＤＨＰは、熱ダイオード４２とヒートポンプ２０の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。要素２４、２８、３８、ＰＴＥＣ、ＴＨＰＡ、及びＴＬＡの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００８９】
以下の実施形態は、熱キャパシタを含む構成を説明する。熱キャパシタの例は、これに限定はされないが相変化材料及び／または熱質量を含むかまたは備える装置を含む。例えば、熱キャパシタは、氷になるまで能動的に冷却できる水の貯蔵庫を含んでもよく、氷は負荷１６を受動的に冷却する（または少なくとも熱をそこから放出する）ためにその後用いられる。同様に、熱キャパシタは能動的に加熱されてもよく、負荷１６を受動的に加熱する（または少なくともそこに熱を供給する）ためにその後用いられる。熱キャパシタは、単純に、負荷から熱を放出するかまたは負荷へと熱を供給するために用いられる大きな熱質量を有する構成要素であってもよい。
【００９０】
図６Ａ及び６Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム１０の例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路１４は熱キャパシタを通じて負荷へと熱的に接続される。図６Ａに説明される実施形態は、第２経路１４が一般的な熱交換器３８とヒートポンプ２０の間に直列の熱キャパシタ４４を含むという違いがある、図２Ａに説明されるシステム１０の変化形であると見なされてもよい。熱キャパシタ４４は、いくつかの実施形態では、ＰＣＭである。冷却適応では、熱キャパシタ４４は、熱キャパシタ４４が熱エネルギー欠損（例えば、ＰＣＭが凍結している）を格納するように、ヒートポンプ２０によって充電される。しかしながら加熱適応では、熱キャパシタ４４は、熱キャパシタ４４が熱エネルギー（例えば、ＰＣＭが解凍しているかまたは液状である）を格納するように、ヒートポンプ２０（冷却よりむしろ加熱するように構成された）によって充電される。要素１２、１６、１８、２４、２８、及び３０の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００９１】
１つの実施形態では、ヒートポンプ２０はエネルギーを消費し、熱は熱キャパシタ４４から抽出される。結果として、ヒートポンプ２０は熱キャパシタ４４を充電する。熱キャパシタ４４が完全に充電された後、ヒートポンプ２０は熱キャパシタ４４が負荷から熱を取り除くのと同じ割合で熱キャパシタ４４から熱を抽出し続けてもよい。
【００９２】
ヒートポンプ２０がエネルギーを消費していない時、熱キャパシタ４４が完全に放電するまで熱キャパシタ４４は、負荷から熱を受動的に取り除いてもよい。熱キャパシタ４４は、ヒートポンプ２０が再度エネルギーを消費している時に再充電され得る。従って、熱キャパシタ４４は、第２経路１４に熱を能動的または受動的に取り除かせる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、熱キャパシタ４４は、負荷１６の温度を調整するためのクランプとして動作する。例えば、熱キャパシタ４４は、ＰＣＭを備えてもよい。ＰＣＭが熱を放出するので、ＰＣＭ−及び負荷１６−の温度がその融点で固定される間、状態を変化させてもよい（例えば、固体から液体へ、液体からガスへ、または固体からガスへ）。その一方で、第１経路１２は、負荷１６が熱キャパシタ４４に負担をかける場合には、一般的な熱交換器３８から周囲環境１８へとフェイルセーフ熱流経路を供給する。
【００９４】
ここで図６Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷から周囲温度ＴＡを有する周囲環境への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。この実施形態では、第２経路１４は、ヒートポンプ２０と共に直列の熱キャパシタ４４を含む。ＴＬＣは、負荷１６と熱キャパシタ４４の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。ＴＣＨＰは、熱キャパシタ４４とヒートポンプ２０の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。要素２４、２８、３８、ＰＴＥＣ、ＴＨＰＡ、及びＴＬＡの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００９５】
システム１０における熱キャパシタ４４の存在は、いくつかの潜在的利点がある。１つのそういった利点は、外部電源が利用可能な時、熱キャパシタ４４が起動状態でのヒートポンプ２０の動作によって「充電される」（すなわち、例えば目標温度まで能動的に冷却されるかまたは加熱される）場合があるということであり、それにより熱キャパシタ４４は、例えば外部電源が利用できないかまたはヒートポンプ２０が停止している状態で負荷１６を冷却または加熱できる。例えば、食品または他の製品を含むパッケージが遠隔地へ輸送されるという状況においては、輸送前に、熱キャパシタ４４はコンセントに繋がれたかまたは外部電源に接続されたヒートポンプ２０によって能動的に充電（冷却）することができるので、この機能は役に立つ。一度熱キャパシタ４４が完全に充電されると、ヒートポンプ２０は外部電源から外され、冷却中のパッケージが輸送される。熱キャパシタ４４はその後、パッケージが輸送中で、かつ外部電源に接続できない間にもパッケージの内容物を十分に冷却し続け得る。
【００９６】
熱キャパシタ４４を含む他の利点は、外部電源が継続的に利用可能であり、電力会社が一般的にピーク需要期間中に消費される電力に追加料金を課すという環境にある。この状況では、熱キャパシタ４４を含むシステム１０は、ピーク需要期間中に充電する割高なレートを支払う必要を避けるために夜間または他の低需要期間中のレートで熱キャパシタ４４を充電する（及び場合によっては負荷１６を能動的に冷却する）のに外部電源が用いられるように構成されてもよい。熱キャパシタ４４は、ピーク時間（少なくともその一部）中に負荷１６を冷却するのにその後用いられてもよい。さらに、電力会社はしばしば、ピーク瞬間電力使用量に基づいて取引を課す。熱キャパシタ４４の利用で、企業は全てのピーク電力使用量を削減するよう、ヒートポンプ２０（または場合によってはシステム１０の複数のヒートポンプ２０における時間）が起動している間の時間をずらすことができる。この方法で、企業は飛躍的に電力コストを削減するであろう。
【００９７】
図７Ａ及び７Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム１０の例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路１４は熱ダイオード４２及び熱キャパシタ４４を通じて負荷１６へと熱的に接続される。図７Ａに説明される実施形態は、第２経路１４が熱ダイオード４２と熱交換器２８の間に直列の熱キャパシタ４４を含むという違いがある、図５Ａに説明されるシステムの変化形であると見なされてもよい。要素１２、１６、１８、２４、３０、及び３８の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【００９８】
ここで図７Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。この実施形態では、第２経路１４は、ヒートポンプ２０と共に直列の熱ダイオード４２及び熱キャパシタ４４を含む。ＴＬＤは、負荷１６と熱ダイオード４２の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。ＴＤＣは、熱ダイオード４２と熱キャパシタ４４の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。要素２４、２８、３８、ＰＴＥＣ、ＴＬＡ、ＴＣＨＰ、及びＴＨＰＡの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。熱ダイオード４２の負荷側における温度ＴＬＤは、熱ダイオード４２の周囲側における温度ＴＤＣとは異なっていてもよい。同様に、熱キャパシタ４４の負荷側における温度ＴＤＣは、熱キャパシタ４４の反対側における温度ＴＣＨＰとは異なっていてもよい。
【００９９】
熱キャパシタ４４の存在は、前述の利点のいくつかまたは全てを供給してもよい。例えば、ヒートポンプ２０は熱キャパシタ４４を能動的に充電してもよく、それによりヒートポンプ２０が起動していないかまたは外部電力が利用できないことによる使用不可の時でも負荷１６から熱を抽出するための熱ダイオード４２の効率を向上できる。
【０１００】
図８Ａ及び８Ｂは、本開示の他の実施形態に従うハイブリッド熱輸送システム１０の例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、第２熱伝導経路１４は熱ダイオード４２及び熱キャパシタ４４を通じて負荷１６へと熱的に接続され、第１熱伝導経路１２はさらにヒートポンプ２０を含む。図８Ａに説明される実施形態は、以前の受動的第１経路１２がここで自己のヒートポンプ４６を含むという違いがある、図７Ａに説明されるシステム１０の変化形であると見なされてもよい。要素１２、１６、１８、２０、２４、２８、３０、３８、４２、及び４４の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【０１０１】
ここで図８Ｂを参照して、システム１０は、第１経路１２及び第２経路１４を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。この実施形態では、第１経路１２はさらにヒートポンプ４６を含む。ＴＣＨＰ２は、熱キャパシタ４４とヒートポンプ２０の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。ＴＨＰ２は、ヒートポンプ２０と周囲環境１８の間の第２経路１４におけるポイントの温度である。ＴＬＨＰ１は、負荷１６とヒートポンプ４６の間の第１経路１２におけるポイントの温度である。ＴＨＰ１Ａは、ヒートポンプ４６と周囲環境１８の間の第１経路１２におけるポイントの温度である。ヒートポンプ４６の負荷側における温度ＴＬＨＰ１は、温度ＴＨＰ１Ａとは異なっていてもよい。図８Ｂに説明される実施形態では、２つのヒートポンプ２０及び４６はそれぞれ、互いに独立して制御されることができ、ヒートポンプ４６に供給される電力は矢ＰＴＥＣ１で示され、かつヒートポンプ２０に供給される電力は矢印ＰＴＥＣ２で示される。構成要素２０、２４、２８、３８、４２、及び４４の記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。
【０１０２】
図９Ａ及び９Ｂは、本開示のさらに他の実施形態に従う「システム４８」として本明細書に同様に称されるハイブリッド熱輸送システム４８の例示的構造及び機能的描写をそれぞれ説明し、負荷１６と周囲環境１８の間の「経路５０」として本明細書に同様に称される熱伝導経路５０は、直列に接続された熱キャパシタ４４、ヒートポンプ２０、及び熱ダイオード４２を含む。図９Ａに説明される実施形態では、システム４８は、負荷温度ＴＬを有する負荷１６と周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８の間に熱伝導経路５０を含み、経路５０は熱キャパシタ４４、ヒートポンプ２０、及び熱ダイオード４２を含む。図９Ａに説明される実施形態では、熱交換器２６は負荷１６と経路５０の間に熱界面を供給し、かつ熱交換器２８は経路５０と周囲環境１８の間に熱界面を供給する。
【０１０３】
図９Ｂで説明される実施形態では、システム４８は、熱伝導経路５０を通じて負荷温度ＴＬを有する負荷１６（図示せず）から周囲温度ＴＡを有する周囲環境１８（図示せず）への熱ＱＣの流れを示す熱回路図として説明される。図９Ｂに説明される実施形態では、熱交換器２６は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ｌとして表され、かつ熱交換器２８は熱抵抗器Ｒｔｈ，Ａとして表される。経路５０はさらに、熱キャパシタ４４、ヒートポンプ４６、及び熱ダイオード４２を含む。ＴＨＰＤは、ヒートポンプ２０と熱ダイオード４２の間の経路５０におけるポイントの温度である。ＴＤＡは、熱ダイオード４２と周囲環境１８の間の経路５０におけるポイントの温度である。要素２０、２４、２８、３８、４２、４４、ＰＴＥＣ、ＴＬＣ、及びＴＣＨＰの記述は、前述と同じであり、よってここでは繰り返さない。ヒートポンプ４６の負荷側における温度ＴＣＨＰは、温度ＴＨＰＤとは異なっていてもよい。
【０１０４】
図１０は、本開示の他の実施形態に従う「システム５２」と本明細書で同様に称される例示的ハイブリッド熱輸送システム５２のブロック図を説明する。図１０に説明される実施形態では、システム５２は、「能動的構成要素５４」と本明細書で同様に称される能動的加熱及び／または冷却構成要素５４、及び制御システム５６を含む。いくつかの実施形態では、システム５２は、「受動的構成要素５８」と本明細書で同様に称される受動的加熱及び／または冷却構成要素５８を任意的に含んでもよい。図１０に説明される実施形態では、制御システム５６は、コントローラ６２へ温度データ並びに任意的に他のタイプのデータを供給する１つ以上の温度センサ６０を含む。１つの実施形態では、１つ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）等、またはそれらの組み合わせとして実行され得るコントローラ６２は、アルゴリズムに従ってセンサ６０によって供給されるデータを処理する。コントローラ６２は、回路６４を起動し、かつ切り替えることで能動的構成要素５４の動作を制御する。システム５２は、コンピュータプログラム及び／またはデータを格納するためのコンピュータメモリ６６を任意的に含んでもよい。
【０１０５】
１つの実施形態では、例えば、制御システム５６は、１つ以上の能動的構成要素５４が起動状態から停止状態またはその逆への変化を引き起こさせるかどうかを判断するために、前述の、かつ図１Ｄに説明されるプロセスを実行してもよい。
【０１０６】
１つの実施形態では、例えば、システム５２は、能動的構成要素５４と受動的構成要素５８の両方を含む。１つのそういった実施形態では、受動的構成要素５８は、熱を連続的に受動的輸送してもよく、かつシステム５２は、周囲環境１８が目標負荷温度ＴＬよりも暑い時といったような受動的構成要素５８が十分な熱が輸送できない時にのみ能動的構成要素５４を起動する。他の実施形態では、受動的構成要素５８は、外部電源不足のためまたは構成要素の故障のためのいずれかといったように能動的構成要素５４が利用できない場合に熱を輸送するためのバックアップシステムとして機能する。
【０１０７】
１つの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサによって実行される時、本明細書に記述される実施形態のいずれか１つに従って少なくとも１つのプロセッサにコントローラ６２の機能性を実行させる指示を含むコンピュータプログラムが供給される。１つの実施形態では、前述のコンピュータプログラム製品を含むキャリアが供給される。キャリアは、電気信号、光信号、無線信号、またはコンピュータ読み取り可能な格納媒体（例えば、コンピュータメモリ６６といった非一時的コンピュータ読み取り可能媒体）のうちの１つである。
【０１０８】
前述の実施形態は、これらに限定されない。例えば、システムは、本発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる構成要素を追加または省略してもよく、かつどんな順番でもあらゆる数の経路を形成するよう構成要素を配置してもよい。
【０１０９】
前述のように、本開示のいくつかの実施形態は、１つ以上の熱輸送経路を形成する複数の構成要素を利用する熱除去システムを含む。複数の構成要素は、能動的構成要素及び受動的構成要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ハイブリッド熱除去システムは、少なくとも１つの能動的熱輸送経路及び少なくとも１つの受動的熱輸送経路を含む複数の熱輸送経路を形成する複数の構成要素を含む。能動的熱輸送経路は、能動的熱交換構成要素を含み、能動的熱交換構成要素が起動している時に負荷からの能動的熱除去を供給するよう構成される。受動的熱輸送経路は、負荷からの受動的熱除去を供給するよう構成される。受動的熱輸送経路は、能動的熱輸送経路と並行している。
【０１１０】
当業者は、本開示の好適な実施形態への改良及び修正を認めるであろう。全てのそういった改良及び修正は、本明細書に開示の概念及び以下の特許請求の範囲内にあると見なされる。
【図１Ａ】
2017537295.tif 000003
【図１Ｂ】
2017537295.tif 000004
【図１Ｃ】
2017537295.tif 000005
【図１Ｄ】
2017537295.tif 000006
【図２Ａ】
2017537295.tif 000007
【図２Ｂ】
2017537295.tif 000008
【図２Ｃ】
2017537295.tif 000009
【図２Ｄ】
2017537295.tif 000010
【図３Ａ】
2017537295.tif 000011
【図３Ｂ】
2017537295.tif 000012
【図４Ａ】
2017537295.tif 000013
【図４Ｂ】
2017537295.tif 000014
【図５Ａ】
2017537295.tif 000015
【図５Ｂ】
2017537295.tif 000016
【図６Ａ】
2017537295.tif 000017
【図６Ｂ】
2017537295.tif 000018
【図７Ａ】
2017537295.tif 000019
【図７Ｂ】
2017537295.tif 000020
【図８Ａ】
2017537295.tif 000021
【図８Ｂ】
2017537295.tif 000022
【図９Ａ】
2017537295.tif 000023
【図９Ｂ】
2017537295.tif 000024
【図１０】
2017537295.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月5日(2016.10.5)
【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】
負荷温度（ＴＬ）を有する負荷と周囲温度（ＴＡ）を有する周囲環境との間で受動的に熱を輸送するように構成された第１熱伝導経路と、前記負荷と前記周囲環境との間で能動的に熱を輸送するように構成された第２熱伝導経路と、を備えるハイブリッド熱輸送システムであり、前記第２熱伝導経路は固体状ヒートポンプを備え、前記第１及び第２熱伝導経路はそれぞれ、前記負荷へと、または前記負荷から熱を輸送するための自己の独立した熱交換器を備え、前記第１及び第２熱伝導経路はそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備え、かつ前記第１熱伝導経路は、前記第２熱伝導経路から前記第１熱伝導経路への熱輸送及び前記負荷への戻りを防ぐために前記第１及び第２熱伝導経路を切り離す隙間によって前記第２熱伝導経路から分けられている、ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２】
前記固体状ヒートポンプが、起動状態または停止状態のいずれかであり、前記固体状ヒートポンプが前記起動状態にある時、熱が前記第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送され、前記固体状ヒートポンプが停止状態にある時、熱が第２熱伝導経路を通じて能動的に輸送されない、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項３】
（キャンセル）
【請求項４】
（キャンセル）
【請求項５】
前記第１及び第２熱伝導経路が、前記負荷へと、または前記負荷から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項６】
前記第１及び第２熱伝導経路がそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項５に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項７】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱ダイオードを備える、請求項６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項８】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記固体状ヒートポンプとの間に直列の熱ダイオードを含む、請求項６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項９】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記固体状ヒートポンプとの間に直列の熱キャパシタを含む、請求項６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１０】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記固体状ヒートポンプとの間に直列の熱ダイオード及び熱キャパシタを含む、請求項６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１１】
前記第１熱伝導経路が、第２固体状ヒートポンプを含む、請求項１０に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１２】
前記第１及び第２熱伝導経路が、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための前記一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項５に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１３】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱ダイオードを備える、請求項１２に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１４】
前記第１及び第２熱伝導経路が、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための一般的な熱交換構成要素を共有する、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２熱伝導経路がそれぞれ、前記周囲環境へと、または前記周囲環境から熱を輸送するための自己の独立した熱交換構成要素を備える、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１６】
前記第１熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱ダイオードを備える、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１７】
前記熱ダイオードが、熱サイフォンを備える、請求項１６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１８】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱ダイオードを含む、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項１９】
前記熱ダイオードが、前記負荷と前記固体状ヒートポンプとの間で直列である、請求項１８に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２０】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱キャパシタを含む、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２１】
前記熱キャパシタが、相変化材料及び／または熱質量を備える、請求項２０に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２２】
前記第２熱伝導経路が、前記負荷と前記周囲環境との間に直列の熱ダイオード、熱キャパシタ、及び前記固体状ヒートポンプを含む、請求項１に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２３】
負荷温度（ＴＬ）を有する負荷から周囲温度（ＴＡ）を有する環境へと熱を輸送するための熱伝導経路を備えるハイブリッド熱輸送システムであり、前記熱伝導経路は、相変化材料及び格納温度（ＴＳ）を備える熱キャパシタと、固体状ヒートポンプと、前記固体状ヒートポンプは前記固体状ヒートポンプによって熱が能動的に輸送される間は起動状態であり、かつ前記固体状ヒートポンプによって熱が能動的に輸送されない間は停止状態であり、前記負荷と前記周囲環境との間で直列に接続された熱ダイオードと、を備える、ハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２４】
前記熱キャパシタが、熱質量をさらに備える、請求項２３に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２５】
前記熱キャパシタの第１側が前記負荷に接しており、前記固体状ヒートポンプの第１側が前記熱キャパシタの第２側に接しており、前記熱ダイオードの第１側が前記固体状ヒートポンプの第２側に接しており、かつ前記熱ダイオードの第２側が熱を前記周囲環境へと輸送する、請求項２３に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２６】
負荷の能動的加熱及び／または冷却のための第１構成要素と、前記第１構成要素の動作は少なくとも１つの制御入力によって制御され、アルゴリズムに従って少なくとも１つの制御入力を介して前記第１構成要素の前記動作を制御するために構成された制御システムと、を備えるハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２７】
前記負荷の受動的加熱及び／または冷却のための第２構成要素をさらに備える、請求項２６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２８】
前記制御システムが、少なくとも１つの温度センサと、ハードウェアを有する少なくとも１つの温度センサから温度情報を受信し、前記第１構成要素の所望動作を判断するためにアルゴリズムに従って情報を処理し、かつ前記第１構成要素の前記動作を制御するよう構成されたコントローラと、を備える、請求項２６に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項２９】
前記コントローラが、前記コントローラと前記第１構成要素との間の電気回路を起動し、かつ切り替えることで前記第１構成要素の前記動作を制御する、請求項２８に記載のハイブリッド熱輸送システム。
【請求項３０】
負荷温度(ＴＬ)を有する負荷と周囲温度(ＴＡ)を有する周囲環境との間で受動的に熱を輸送するための第１熱伝導経路及び前記負荷と前記周囲環境との間で能動的に熱を輸送するための第２熱伝導経路を有し、前記第２経路がヒートポンプを含むハイブリッド熱輸送システムを制御する方法は、ＴＬ及びＴＡの値を監視することと、ＴＬが第１閾値ＴＬＨよりも大きいという判断、ＴＡがＴＬよりも大きいかまたは等しいという判断により、熱が前記第２熱伝導経路を介して前記負荷から前記周囲環境へと能動的に輸送されるように前記ヒートポンプを起動することと、ＴＡがＴＬよりも小さいという判断により、熱が前記第２熱伝導経路を介して前記負荷から前記周囲環境へと能動的に輸送されないように前記ヒートポンプを停止することと、ＴＬが第２閾値ＴＬＬよりも小さいという判断、ＴＡがＴＬよりも小さいかまたは等しいという判断により、熱が前記第２経路を介して前記周囲環境から前記負荷へと能動的に輸送されるように前記ヒートポンプを起動することと、ＴＡがＴＬよりも大きいという判断により、熱が前記第２経路を介して前記周囲環境から前記負荷へと能動的に輸送されないように前記ヒートポンプを停止することと、ＴＬＬ≦ＴＬ≦ＴＬＨであるという判断により、前記ヒートポンプの前記現在の動作状態を変更しないことと、を備える方法。
【国際調査報告】
2017537295.tif 000026
2017537295.tif 000027
2017537295.tif 000028
2017537295.tif 000029
2017537295.tif 000030
2017537295.tif 000031