(57)【要約】  本発明のある実施態様によれば、物品を冷却する装置が提供される。装置は、使用時に熱交換器の上方に配置した流体リザーバから流体が供給されるように構成した前記熱交換器を含む。流体リザーバは、流体リザーバ内の流体を冷却する冷却手段を含み、かくして、流体は重力作用下に熱交換器内に流動して物品を冷却する。装置は、例えば電気通信ベースステーションにおける１つ又は１つ以上のバッテリーあるいはその他物品を冷却するように構成され得る。
2016510394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を冷却する装置であって、熱交換器を含み、前記熱交換器がその使用時に前記熱交換器の上方に配置された流体リザーバから流体を供給されるように構成され、前記流体リザーバが、前記流体リザーバ内の流体を冷却する冷却手段を含み、冷却された前記流体が重力作用下に熱交換器内に流入して前記物品を冷却する装置。
【請求項２】
前記冷却手段が、ある体積の水氷又はドライアイス等の低温のサーマルマスと、少なくとも１つの電気的又は燃料動力源式の冷却要素との少なくとも一方を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記冷却手段が、リザーバ内の流体を凍結させる構成を有する動力源式の冷却要素を含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記リザーバ内の流体凍結を検出するために配置したセンサを含み、前記センサが、前記流体凍結検出時に前記冷却要素の作動を中断させるよう構成される請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記センサが、凍結した流体の最下方部分と熱交換器との間に液状流体が尚存在する間に前記冷却要素の作動を中断させるよう構成される請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記センサが冷却手段と熱交換器との間に配置される請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
流体が、その臨界温度以上における正の熱膨張温度係数と、その臨界温度以下における負の熱膨張温度係数とを有し、前記臨界温度が流体の氷点以上の温度であり、装置が前記流体を含む請求項１〜６の何れかに記載の装置。
【請求項８】
冷却手段が、流体を臨界温度又はそれ以下の温度に冷却するよう構成される請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ある又は各冷却要素が、商用電源、太陽電池セル等の太陽光発電源、バッテリーの何れかにより給電される請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜８の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
物品がバッテリーである請求項１〜９の何れかに記載の装置。
【請求項１１】
ある又は各冷却要素が、装置が冷却するバッテリーにより給電され得る請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
流体リザーバ及び熱交換器が導管により相互連結される請求項１〜１１の何れかに記載の装置。
【請求項１３】
流体リザーバ及び熱交換器が、前記導管により相互に流体連通された状態下に提供される請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
熱交換器を越えて又は貫いて物品の上方又は周囲に向けて空気を通過させる手段を含む請求項１〜１３の何れかに記載の装置。
【請求項１５】
前記手段が、ダクティングを介して熱交換器と流体連通するファン又はコンプレッサを含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱交換器が前記ダクティングと流体連通するハウジング内に配置され、前記ハウジングが１つ又は１つ以上の孔を含み、前記１つ又は１つ以上の孔を通してハウジングから排出される空気が、前記熱交換器を越えて又は貫いて物品の上方又は周囲方向に向かう請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ハウジングが複数の前記孔を含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
熱交換器が、複数の熱交換表面を有する容器を含む請求項１〜１７の何れかに記載の装置。
【請求項１９】
熱交換器表面が、熱交換器を貫いての空気通過を許容するように構成された複数の孔を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
熱交換器が熱伝達性材料から形成される請求項１〜１９の何れかに記載の装置。
【請求項２１】
流体が水である請求項１〜２０の何れかに記載の装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの冷却要素への給電中断後の所定時間長に渡り物体への冷却効果を提供するように構成された請求項１〜２１の何れかに記載の装置。
【請求項２３】
流体リザーバが断熱される請求項１〜２２の何れかに記載の装置。
【請求項２４】
使用に際し、流体リザーバ内の流体の温度が熱交換器内の流体の目標温度以下であるように構成される請求項１〜２３の何れかに記載の装置。
【請求項２５】
熱交換器が、被冷却物品に隣り合って位置付けられる請求項１〜２４の何れかに記載の装置。
【請求項２６】
熱交換器が被冷却物品と熱接触状態で位置付けられる請求項１〜２５の何れかに記載の装置。
【請求項２７】
物品を冷却する方法であって、
熱交換器の上方に配置したリザーバに保存した流体を冷却するステップ、
前記リザーバから熱交換器内への高密度流体の沈降を許容し、かくして熱交換器を冷却し且つ物品から熱を吸収するステップ、
を含む方法。
【請求項２８】
前記熱交換器内の流体からの熱を前記リザーバ内の流体に移行させ、かくして熱交換器の温度を目標温度又はその付近に維持する請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記目標温度が約４℃である請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
熱交換器を横断又は貫いて空気を流動させて前記空気から熱を吸収させ、冷却された前記空気を物品の上方又は周囲に配向させるステップを含む請求項２７〜２９の何れかに記載の方法。
【請求項３１】
物品がバッテリーを含む請求項２７〜３０の何れかに記載の方法。
【請求項３２】
流体が水を含む請求項２７〜３１の何れかに記載の方法。
【請求項３３】
流体が水を含み、随意的には１つ又は１つ以上の添加物を含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
流体が実質的に水から構成され、随意的には１つ又は１つ以上の添加物を含む請求項３２又は３３に記載の方法。
【請求項３５】
リザーバを断熱するステップを含む請求項２７〜３４の何れかに記載の方法。
【請求項３６】
付随する図２〜図５を参照して実質的に記載された装置又は方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却装置に関し、詳しくは、これに限定しないが、電気的システムにバックアップ電源を供給するために使用するバッテリーあるいはバッテリーパックを冷却する装置に関する。本発明の様相は装置、バッテリーあるいはバッテリーパック及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界の人口の大半は安定且つ信頼下に供給される商用電源にアクセスできない。ある国々、特には開発途上国では電力供給は、“輪番停電”として知られる停電を意図的に創出する“負荷遮断”により制限される。例えばアフリカ、南アジア、ラテンアメリカの多くの国々では輪番停電は普通に発生し、それらはしばしば一日や一週間の決まった時間に予定されるために人々は既知の遮断時間を回避することができるが、警告無しで突発的に起きる場合もある。
【０００３】
電力需要が電源網の供給能力を上回り、限局的又は広範な負荷遮断が必要となることは先進国においてさえある。加えて、商用電源の供給は自然災害又はテロリスト襲撃等の不測の事態によっても停止され得る。
【０００４】
従って、電力が安定供給されない地域で電気設備の恒久的運転を目指すのは困難となり得る。照明システム、電気通信システム、あるいは、開発途上国では厳しい温度範囲内での保管を要するワクチン等の医薬保存に使用されることのある冷却システムへの電力停止は悲惨なものとなり得る。
【０００５】
この問題は、バックアップバッテリー、例えば、鉛電池を設け、主電源の故障時に電気設備に電力供給することである程度緩和されることがある。一般的な電気通信用途では、複数の２Ｖバッテリーあるいはバッテリーセルを直列し、電力需要に応じて２４Ｖ、４８Ｖ、９６Ｖの合計出力電圧を発生するバッテリーあるいはバッテリーパックを形成する。
【０００６】
それらバッテリーの性能、特には有効寿命はバッテリー温度に依存することろが大きい。アレニウスの式では温度と反応、例えばバッテリー内での化学的反応率との間の関係が定義される。反応率は温度上昇に従い指数関数的に増大することが示される。バッテリー寿命は反応率に逆比例することから、バッテリー寿命は温度上昇と共に当然、指数関数的に低下する。
一般に、反応率はバッテリ温度が１０℃上昇する毎に倍（従って寿命は半分）になる。よって、３５℃で作動するバッテリーの有効寿命は２５℃で作動するバッテリーの約半分であり、１５℃に温度を維持したバッテリーの約１／４である。
【０００７】
バッテリーの漸次的な経時劣化とは別に、セルが温度の影響下に早期に故障することがあり得る。これは、バッテリーの発熱率が環境への熱損失率を上回る場合は通常作動条件下でさえ発生し得る。この状況ではバッテリー温度は上昇し続け、物理的のみならず作動上の深刻な結果をもたらし得る“熱暴走”として知られる状況を導くことになる。
【０００８】
残念なことに、商用電源が信頼性に欠けるせいで重要な電気システム用のバッテリーバックアップが必要になる世界の地域は、しばしば、周囲温度が常に高温であるが故にそれらバッテリーの有効寿命が低減する地域である。空調設備等のバッテリー冷却システムはバッテリー寿命への高い周囲温度の影響を低減させる。しかしながら、それらの装置は通常はそれ自体が電力を要するため、商用電源を容易に利用できない場合は不経済である。
本発明はこうした背景から想到されたものである。本件出願人は、一定の電力源を要すること無くバッテリーを信頼下に冷却する装置及び又は方法に対する需要があるとの認識を持っている。
【０００９】
本件出願人は、常時電源を要すること無く物品を冷却するようになっている冷却装置の新規構成を先に提案した。この装置は、継続特許出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５１１２９に記載され、電源喪失後の３０日まで冷却保存空間を４〜８℃の温度範囲内に維持可能である。
【００１０】
本件出願人は、本装置で使用する原理はバッテリー冷却用装置又は方法で使用するために適用し得るものと認識している。従って、本発明の実施態様によれば、電力を外部から継続的に供給すること無く長期間に渡り１つ又は１つ以上のバッテリーを冷却する装置又は方法が提供され得る。本発明のその他目的及び利益は以下の記載、請求の範囲及び図面を参照することにより明らかとなろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５１１２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
電力を外部から常時供給すること無く長期間に渡り１つ又は１つ以上のバッテリーを冷却する装置又は方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の様相によれば、請求の範囲に記載した如き装置、バッテリー又はバッテリーパック、そして方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、随意的にはバッテリーである少なくとも１つの物品を冷却する装置であって、配置された流体リザーバから流体を供給される構成を有する熱交換器を含み、前記流体リザーバが、その使用時に前記流体が重力作用下に前記熱交換器内に沈降するよう前記流体リザーバ内の流体を冷却する冷却要素を前記熱交換器の上方に含む装置が提供される。
前記装置はバッテリーを冷却するように構成され得る。
【００１４】
流体は約４℃以上で正の熱膨張（即ち、温度上昇に従いその容積が増大する）し、約４℃以下で負の熱膨張（即ち、温度低下に従いその容積が増大する）をする水であるのが好都合である。従って、水はこの温度で最大密度となって任意の収納容積の底部に沈降する傾向がある。従って、本装置は、その使用時に装置底部に位置付けた熱交換器の温度が少なくとも１つのバッテリーを冷却するように約４℃に維持される傾向を有する、あるいは維持されるように構成される。
【００１５】
ある実施態様では装置は、空気を熱交換器を越えて又は熱交換器を貫いてバッテリー上あるいはバッテリー周囲方向に送る空気流れ手段を含む。空気流れ手段は、熱交換器と流体連通するファン又はコンプレッサを含み得る。ファン又はコンプレッサと熱交換器との間にダクティングを設け得る。
ある実施態様では熱交換器はダクティングと流体連通するハウジング内に配置され、ハウジングは、熱交換器を越えて又は熱交換器を貫いてこのハウジングからバッテリー上又はバッテリー周囲に送られる空気がそこを貫いて排出される１つ又は１つ以上の孔を含む。ある実施態様ではハウジングは小径の複数の孔を含む。
【００１６】
ある実施態様では熱交換器は、少なくとも１つの熱交換表面を有する薄肉容器を含む。熱交換表面は、空気が熱交換器を貫いて通過し得るように構成された複数の孔を含み得る。熱交換器は金属等の伝熱製材料から形成され得る。
ある実施態様では冷却要素あるいは各冷却要素は、商用電源、太陽電池等のソーラー電源、例えば被冷却バッテリーのようなバッテリー、の何れかにより給電される。
【００１７】
ある実施態様では装置は、バッテリーあるいは各バッテリーに対し、少なくとも１つの冷却要素への給電中断後の最小期間において冷却効果を提供する構成を有する。
ある実施態様ではリザーバが熱的に絶縁される。装置は、使用に際してリザーバ内の流体温度を、熱交換器内の流体の目標温度以下の温度とするように構成され得る。
本発明の更に他の様相によれば、上述した装置を含むバッテリー又はバッテリーパックが提供される。
【００１８】
本発明の更に他の様相によれば、バッテリーを冷却する方法であって、バッテリーに密接して位置付けた熱交換器の上方に配置したリザーバに保存した流体を冷却するステップ、前記リザーバから前記熱交換器内への高密度の前記流体の沈降を許容させ、かくして熱交換器を冷却し且つバッテリーから熱を吸収させるステップ、を含む方法が提供される。
前記方法には、前記熱交換器内の流体からの熱を前記リザーバ内の流体に移行させ、かくして熱交換器の温度を目標温度あるいはその近辺の温度に維持するステップが更に含まれる。ある実施態様では前記目標温度は約４℃である。ある実施態様では前記流体は水である。
前記方法には、空気を、前記空気の熱が吸収されるように前記熱交換器を横断あるいは通して流動させるステップと、冷却された前記空気をバッテリー上又はその周囲に向けて配向させるステップとが更に含まれ得る。
前記方法には、前記リザーバを熱的に絶縁させるステップが含まれ得る。
【００１９】
本発明の更に尚他の様相によれば、バッテリーを冷却する方法であって、バッテリーに密接して位置付けた熱交換器の上方に配置したリザーバに保存した流体を冷却するステップ、前記リザーバから前記熱交換器内への高密度の前記流体の沈降を許容させ、かくして熱交換器を冷却し且つバッテリーから熱を吸収させるステップ、前記リザーバ内の流体の温度を、前記熱交換器内の流体温度を相当分上昇させることなく上昇させ、かくして前記バッテリーの温度を目標範囲内に維持するステップを含む方法が提供される。
【００２０】
本発明の１様相によれば、物品を冷却する方法であって、熱交換器の上方に配置したリザーバ内に保存した流体を冷却するステップ、前記リザーバから前記熱交換器内への高密度の前記流体の沈降を許容させ、かくして、前記熱交換器を冷却し且つ前記物品から熱を吸収させるステップ、を含む方法が提供される。
本発明の１様相によれば、バッテリーを冷却する装置であって、熱交換器の上方に配置した流体リザーバから流体が送給されるように構成された熱交換器を含む装置が提供される。前記流体リザーバは、前記リザーバ内の冷却流体が重力作用下に熱交換器内に流入してバッテリーを冷却するように前記リザーバ内の冷却流体を冷却する少なくとも１つの冷却要素を含む。空気を、前記熱交換器を越えて又は通してバッテリーの上方又は周囲方向に向かって流動させるファン又はコンプレッサが含まれ得る。
【発明の効果】
【００２１】
電力を外部から常時供給すること無く長期間に渡り１つ又は１つ以上のバッテリーを冷却する装置又は方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、バッテリーの有効寿命が温度と共に変化する様子を例示するグラフである。
【図２】図２は、本発明の１構成を具現化した装置の概略図である。
【図３】図３は、図２の装置の一部を構成する熱交換器の拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２構成を具現化した装置の概略図である。
【図５】図５は、本発明の１実施態様に従う装置の一部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
先ず図１を参照するに、温度によるバッテリー寿命が例示される（横座標）。アレニウスの式によれば、バッテリー寿命は温度上昇と共に指数関数的に低下し、大まかに言えばバッテリー寿命はバッテリー温度が１０℃上昇する毎に５０％低下する。
従って、図１からは、３５℃（ライン３５）の温度で作動するバッテリーの寿命は２５℃（ライン２５）で作動するバッテリーのそれの約半分であり、１５℃（ライン１５）で作動するバッテリーの約１／４である。
【００２４】
バッテリーの作動温度は、周囲温度と、バッテリーを加熱する効果も有するバッテリーからの電流流れとの両方に依存し、従って、１５℃の周囲温度下に作動するバッテリーの温度は３５℃の周囲温度下の不作動バッテリーのそれと類似、又はそれ以上であり得る。かくして、高い周囲温度での長時間作動によりバッテリー寿命は７５％以上低下し得るため定期交換の必要性が生じる。しかしながら、開発途上国あるいは地理的に辺鄙な地域ではバッテリー交換のコスト及びロジスティクスは受け入れ難い。
【００２５】
次に図２を参照するに、本発明の１実施態様における装置が全体を番号１０で略示される。装置１０は１つ又は１つ以上のバッテリーの冷却を意図したものである。例示実施態様では装置は単一のバッテリー４０を冷却する構成を有する。ここで、“バッテリー”とは、単一のバッテリーあるいはセルか、又は、その全体で１つのバッテリーを構成する複数のセルを含むものとする。本発明のある実施態様は、複数のセルの各々を、又はそれら複数のセルを含む単一のバッテリーを冷却するために使用され得る。バッテリーは従来の自動車用バッテリーのそれと類似サイズのものであり得、例えば長さ約２００〜５００ｍｍ、幅１００〜２００ｍｍ、高さ１５０〜２５０ｍｍである。装置１０はこのサイズ範囲に限定されない任意の好適なサイズのバッテリーあるいはその他物品を冷却する構成を有し得る。
【００２６】
装置１０は、ある量の流体を収納する、被覆式（即ち断熱された）流体リザーバ１２（以下、リザーバ）を構成する熱溜めを含む。例示実施態様では流体は大半が水である。リザーバ１２は、使用中の温度変化による水の体積膨張が許容されるよう、水で完全に充填されないことが好ましい。
【００２７】
従来の冷蔵あるいは冷凍装置において見出されるそれと類似の電動式の冷却要素１４が、リザーバ１２の内部、又はリザーバ内の流体との少なくとも熱連通状態下に設けられる。冷却要素１４への電力は、商業電源等の電源１６、又はソーラーパネルあるいはその他の光電池サプライから供給され得る。ある実施態様では冷却要素１４への常時給電は必須ではないことが有益である。本発明のある実施態様の主目的の１つは、冷却要素１４が給電されない場合にバッテリーを引き続き冷却可能にすることである。
【００２８】
流体導管又はパイプ１８が、熱交換器２０及びリザーバ１２が流体連通されるようリザーバ１２の下方部分を熱交換器２０の入口に接続する。つまり、リザーバ１２と熱交換器２０とが単一の連続する流体チャンバを形成する。図２の実施態様では導管１８はリザーバ１２の底部あるいは底に設けた孔を介してリザーバ１２と流体連通する。
【００２９】
熱交換器２０は、表面対体積比が比較的高い薄肉の立方形容器を含む。例示実施態様では熱交換器２０は、高さと幅がその深さより著しく大きい矩形形状を有する。熱交換器２０のサイズ及び表面積は、必須ではないが、冷却するべきバッテリー４０の形状に一般に相当するのが好都合である。
【００３０】
その場合でも熱交換器２０は、実質的に所望用途に従う任意の形状を取り得るが、表面対体積比が高い構成はその内部の流体とバッテリーとの間の伝熱が最適化され得る。熱交換器２０は従来より、やはり伝熱を向上させるために金属材料等の熱伝導性あるいは熱透過率の高い材料から形成される。熱交換器２０は、以下に記載する目的上、孔開けされ、一方の放熱面から他方の放熱面へと貫いて伸延する孔又は導管２３を有する。
【００３１】
熱交換器２０はハウジング２２内で、被冷却バッテリーに接近又は隣り合って全体に垂直方向に位置決めされるように配置される。ハウジングは、ダクティング２８を介してファンあるいはコンプレッサ２６と流体連通する空気入口２４を有する。ファンあるいはコンプレッサ２６は周囲空気を引き込み、それをダクティング２８及び空気入口２４を介してハウジング２２内にポンピングする構成を有する。
【００３２】
図３に示すように、ハウジング２２はバッテリー４０に面するその壁に複数の孔３０を有する特徴がある。かくして、ファンあるいはコンプレッサ２６によりダクティング２８に引き込まれた空気は空気入口２４を通してハウジング２２に流入し、熱交換器２０を貫いて伸延する熱交換導管２３を通り、孔３０からバッテリー４０方向に排出される。図示実施態様では熱交換導管は直径が約５〜１０ｍｍである。ハウジング２２を通過する空気は、その大半が熱交換器内に形成された熱交換導管２３を通して流動する間、その幾分かが熱交換器２０の周囲を流動する。ハウジングの孔３０は比較的小サイズのものであり、そこを通して排出される空気はバッテリー４０の外側表面に差し向けられる複数の細い空気ジェットを形成する。ある実施態様では孔は直径が約０．５ｍｍ〜２ｍｍ、随意的には約５ｍｍまでのものであり得る。孔は、熱交換導管２３内のガスの滞留時間を増やしてこの熱交換導管２３を通るガスの温度を更に低下させ得るよう、熱交換導管２３より小径であり得る。その他サイズも有益である。ある実施態様では、孔３０は熱交換導管２３と実質的に同一径であり、且つ、空気流れを妨害しないよう、孔３０と実質的に整列される。ある実施態様ではハウジング２２は、バッテリー４０に面する側が実質的に開放され得、かくして熱交換導管２３を出る空気はバッテリー４０に直接配向されるので孔３０は不要になる。
【００３３】
装置１０の冷却機能は周知の水の異常特性、つまり、水の密度は約４℃で最大化するため４℃の水は一般にそれ以上又は以下の温度の水より沈降する特性に依存する。これは、ある体積の水の頂部付近を冷却すると、前記体積の底部方向において４℃の水温に近づく温度勾配が形成されることを意味する。前記体積の底部位置の温度は、前記体積の水の大半が凍結するまでは４℃以下には低下しない。
【００３４】
以下に図２の装置の作動を説明する。
バッテリー４０を冷却するため、リザーバ１２内の水は外部電源１６からの電力を使用する冷却要素１４により冷却される。この間、バッテリー４０を接続する電気装置もまた外部電源１６から電力を受け、かくしてバッテリー４０は休止され、その温度は周囲温度あるいはその近辺となる。
【００３５】
冷却要素１４を起動するに先立ち、リザーバ１２及び熱交換器２０の内部に収納した全ての水が周囲温度あるいはその付近の温度であると仮定する。冷却要素１４をリザーバ１２の内部あるいはリザーバに接近して位置決めするため、リザーバに収納した水は比較的急速に冷却される。リザーバ１２内の水はその温度が低下するに従い、その密度は熱交換器２０内に収納した周囲温度の水に対して増大し、かくして重力作用下に下方の熱交換器２０内へと沈降してその内部の水に置換する。
【００３６】
リザーバ１２及び熱交換器２０により形成される流体体積内に対流流れが確立され得ることで、冷却された水がリザーバ１２から流体導管１８を通して熱交換器２０内に沈降し、下方のもっと温かい（従ってより低密度の）水に置換することを理解されよう。この温かい水は導管１８を通してリザーバ１２内に上昇し、その後冷却要素１４で冷却され、かくして装置１０内の全ての水の平均温度が低下する。結局、対流速度の低下により、熱交換器２０内の水は熱交換器２０がリザーバ１２内の流体と流体連通していない場合に達成し得たそれより低い温度で比較的停滞するようになる。熱交換器２０からリザーバ１２への熱移行が十分速ければ熱交換器内の水は約４℃の温度を確立し得る。
【００３７】
水の密度は４℃で最大であることから、その後、リザーバ１２内の水の温度が変化しても、４℃前後の温度の水はリザーバ１２の上部に上昇する傾向があるために対流流れは再確立されない。
例えば、リザーバ１２内の、冷却要素１４に非常に接近する水は４℃以下に低下する又は凍結し始める場合でさえ、その密度は熱交換器２０に収納される水のそれ未満に維持され、かくしてリザーバ１２内に維持される。同様に、リザーバ１２内の水はその温度が約４℃以上に上昇するとその密度が低下し、かくして同様にリザーバ１２内に維持される。
【００３８】
結局、ある実施態様ではリザーバ１２内の水から熱交換器２０内の水への熱移行は一般に対流では無くむしろ伝導により行なわれる。水は特に効率的な熱導体ではないため、リザーバ１２内に収納した水の比較的小さい温度変化は一般に熱交換器２０内の水には伝達されない。
従って、熱交換器２０内の水の温度はリザーバ１２に収納された水の温度変化とは実質的に無関係に約４℃に維持され得る。
【００３９】
外部電源１６から給電されるファン又はコンプレッサ２６が周囲空気を取り込み、それをダクティング２８を介して空気入口２４からハウジング２２に流入させる。ハウジング２２内の空気は熱交換器２０内に形成した孔を巡りあるいは貫いて流れ、この熱交換器に収納された水が熱を吸収することで冷却される。冷却された空気は次いで、ハウジング２２の前壁の孔３０からバッテリー４０の表面に向けて配向される細いエアジェットの列として排出される。
【００４０】
バッテリー４０からの熱は冷却された空気に吸収され、かくしてバッテリー４０の温度が低下する。従って、高い周囲温度を受けるバッテリー４０は簡単且つ効率的に冷却され得、低温に維持され得、且つ、高い周囲温度によるバッテリー寿命への悪影響を緩和させ得る。
熱交換器２０を横断する周囲空気の流れから熱が吸収されることで熱交換器内の水の温度が上昇する。熱交換器２０内の水に吸収された熱は、水塊内の温度勾配に依存して上記２つの方法の何れかにより水に移行される。
【００４１】
例えば、システム内の水の温度が約４℃で実質的に一定である場合、熱交換器２０内の水の温度が上昇すると、温度上昇した水の密度が、それより上方の水のそれに対して低下する。かくして対流流れが再確立されることで、熱交換器２０内の温められた、従って低密度となった水はそれより上方の、より低温の水で置換される。温められた水はリザーバ１２に向けて上昇し、そこで冷却要素１４により再度冷却されて沈降し、熱交換器２０内に戻る。かくして、熱交換器２０からの熱は主に対流によりリザーバ１２に移行される。
【００４２】
外部電源１６からの電力が冷却要素１４と、ファンあるいはコンプレッサ２６とに供給される間、従ってリザーバ１２及び熱交換器２０により画定される水塊内でこの再循環は無限に継続され得、有益にはバッテリー４０を周囲温度より低温に維持し、従ってその有効寿命を延ばす。
【００４３】
他方、リザーバ１２内の水の温度が熱交換器２０内の水のそれより著しく低下、例えば氷点以下に低下すると、熱交換器内の水の密度は、温度が上昇してもリザーバ１２内の水のそれより高い密度に維持され得る。かくして、熱交換器２０内の水は熱交換器２０内に保持される傾向があり、且つ、水の再循環は確立されない。この場合、熱交換器２０内の水に吸収される熱は主に伝導によりリザーバ１２内のもっと低温の水に移行され、その移行率は熱交換器２０及びリザーバ１２間の温度差に依存する。
ある実施態様では、熱交換器２０内で水に吸収された熱は主に対流によりリザーバ１２内の冷水に移行される。熱移行率は、熱交換器２０内の流体と、リザーバ１２内の流体との間の温度差に依存し得る。
【００４４】
外部電源１６からの電源が冷却要素１４及びファン又はコンプレッサ２６に供給される間、熱交換器２０とリザーバ１２内の水との間には比較的大きな負の温度差がやはり維持される。従って、熱交換器からの熱移行は無限に継続され得、有益にはバッテリー４０を周囲温度以下に維持し、かくしてその有効寿命を延長させる。
【００４５】
外部電源１６からの電力が、例えば、輪番停電中、又は不測の事態により途絶えて冷却要素１４に電力が供給されなくなる場合でさえ、装置１０は以下に説明するようにバッテリー４０に一時的冷却効果を提供することができる。
【００４６】
水は比熱が高いため、装置１０内の水塊は、この水塊を横断して流れる周囲空気から大量の熱を、その温度を有意に増大させること無く吸収できる。例えば、平均温度が４℃である１０００リットルの水を収納するシステムにおいて水温を３５℃とするには、この水を横断して流れる空気から約１３０ＭＪの熱を吸収する必要がある。冷却要素への電力遮断時におけるリザーバ１２内の水温が４℃以下である場合は吸収できるエネルギー量はもっと大きくなる。冷却要素１４の領域内で凍結する水等の相変化流体を使用する装置の場合、凍結した流体を溶解させるには数時間を要し、その間、リザーバ１２内の流体は冷却され続ける。水の比熱が高いため、装置１０内の水塊は、熱交換器２０を貫流する周囲空気から大量の熱を、その温度を有意に上昇させることなく吸収できる。
【００４７】
停電後における、水塊を介して熱交換器内の水に吸収された熱の移行率は、リザーバ１２と、熱交換器２０との間の熱勾配に依存する。リザーバ１２内の水の大半が氷の形態であると仮定すると、熱交換器２０とリザーバ１２との間の負の温度差は、熱交換器２０内の水から導出されてリザーバ１２内の氷に吸収されるような大きさとなり得る。
【００４８】
リザーバ１２内の氷を解かすには融解潜熱として知られる比較的大量のエネルギーを要するため、この氷は熱交換器２０内の水に吸収されたエネルギーのシンクとして作用する。リザーバ１２内の水は、その温度が４℃未満である間はその密度が、熱交換器２０内に収納された水のそれ以下に維持されるため沈降しない。かくして、熱交換器内に収納された水は約４℃の温度に維持される傾向があるため、バッテリー４０への冷却効果が維持される。
【００４９】
リザーバ１２内の水の温度は最終的には約４℃に達する。この時点で、熱交換器２０内の水の温度が上昇するとその密度は上方の水のそれ以下に低下し、かくして上述した対流流れが再確立され、主に対流によって熱交換器２０内の水から熱が移行される。
【００５０】
システム内の平均水温が周囲温度以下になるに従い、熱交換器２０を横断して流れる空気から熱が吸収され続け、かくしてバッテリー４０に向けられるエアを冷却する。従って、この間、バッテリー４０への冷却効果は維持されるが、その程度は、冷却要素１４への給電時におけるそれより少なくなる。
装置１０内の水の温度が周囲温度に達した場合でさえ、バッテリー４０に向けた周囲温度の空気ジェットが、その使用中は周囲温度より有意に高い温度下に作動するバッテリー４０からの放熱を支援する。
【００５１】
本発明の実施態様によれば、１つ又は１つ以上のバッテリー等の１つ又は１つ以上の物品を冷却する簡単でしかも有効的な方法及び装置が提供される。商用あるいはその他の外部電源を利用できる期間中は、本発明の実施態様はバッテリーを周囲温度より有意に低温に冷却し得、かくしてその有効寿命を維持する。外部電源を喪失すると、本発明の実施態様はバッテリーへの妥当な冷却効果を維持し得、従ってその温度上昇率を低下させ、かくして、バッテリーの有効寿命に対する温度の悪影響を少なくとも部分的に緩和する。
【００５２】
本願出願人は、本発明によれば、その正確な時間の長さは電源喪失時の周囲温度、ウォータージャケット１２内の水量やリザーバ１６内の水／氷の量及び温度等の多数のパラメータに依存するものであるが、冷却要素１４への電源喪失後の数時間に渡りバッテリー４０に冷却効果を提供し得ると判定する。
【００５３】
本発明によれば、１つ又は１つ以上のバッテリーを冷却するための、シンプルでしかし有効な方法及び装置が提供される。本発明は、商用あるいはその他外部電源を利用可能な間はバッテリーを有意の周囲温度以下に冷却し、かくしてその有効寿命を維持させ得る。本発明の実施態様は外部電源喪失後にバッテリーへの冷却効果を維持してその温度上昇率を低下させ、かくして、バッテリーの有効寿命における温度の悪影響を少なくとも部分的に緩和させ得る。
【００５４】
本発明の実施態様によれば、主に流体を通しての伝熱により比較的低速及び又は穏やかに熱を移行させるが、システム始動時には、熱交換器をより素早く作用温度とするべく、流体体積内の熱誘起対流流れによりもっと急速に移行され得る。
上述した実施態様は本発明の有益な１形態を表すものであるが、例示的なものであってこれに限定しようとするものではない。付随する請求項の範囲内において種々の改変及び又は改善を為し得るものとする。
【００５５】
例えば、図２の装置１０は単一のバッテリーを冷却する状態で示されるが、本発明は図４に示すように複数のバッテリーを冷却するために等しく使用し得るものである。この実施態様では、第２ハウジング２２ｂ及び熱交換器２０ｂが第２バッテリー４０ｂに隣り合って設けられ、ダクティング２８がそれらを連通するように伸延される。同様に、第２流体導管１８ｂがリザーバ１２と第２熱交換器２０ｂとの間に設けられる。それ以上のバッテリーを装置１０で冷却する場合はこれらの特徴部を必要に応じて重複させる。被冷却バッテリー数が増大するに従い、リザーバのサイズを大きくしてシステムの熱容積を増大させる必要があり得る。
【００５６】
ある実施態様では、（各）熱交換器２０はシステム内の水の再循環を容易化するよう、二重の流体導管１８によりリザーバ１２と連通され得る。各対の流体導管１８はその離間位置、例えば、従来の対流式ラジエータの様式下におけるその各対向端部位置で各熱交換器２０内に開口され得る。そのようなある実施態様では流体は、対流流れ様式下に流動して一方の導管内を沈降し、他方の導管内を上昇し、かくして再循環するのではなくむしろ各導管１８内で上昇及び沈降され得る。
【００５７】
図５（ａ）には本発明の１実施態様の一部が示され、熱交換器１２０には、流体容器の形態の熱交換器１２０が設けられ、前記流体容器は熱交換器１２０の高さの一部を横断して貫いて形成した３つの細長孔１２２Ａを有し、前記孔は熱交換器１２０を貫いての冷却用空気あるいはその他ガスの流れを許容する。これにより、熱交換器１２０内の流体の、熱交換器１２０の壁と接触する表面積が増大される。孔１２２Ａは各々、この孔１２２Ａの一端から他端にまで形成され且つ孔１２２Ａの幅を交互に横断する、蛇行形態の熱伝導ホイル１２２Ｂを各々有する。従って、熱伝導ホイル１２２Ｂは熱交換器１２０の、孔１２２Ａを形成する壁と、この孔１２２Ａに沿った多数の位置で熱接触し、かくしてそこに接触する流体からの熱エネルギー放出伝導を増長させる。
【００５８】
熱交換器１２０は、この熱交換器１２０を、図４のリザーバ１２の如きリザーバに結合する一対の流体導管１１８、１１８’に連結される。図４の熱交換器２０、２０ｂに代えて、図４の実施態様に例示した導管１８、１８ｂをハウジング１２２に結合できる。
使用に際し、熱交換器１２０をそこに装着するリザーバ１２内で冷却された液体形態の流体は、導管１１８、１１８’を通して沈降（図５（ａ）の矢印Ｃ）し、ホイル１２２Ｂが、従って孔１２２Ａを通して流動する空気がそこで冷却される熱交換器１２０に入る。熱交換器１２の壁を介しての伝導により暖められた流体は、図５（ａ）の矢印Ｗに示すように導管１１８、１１８’を通して上昇してリザーバ１２に入る。流体の特定の方向億予備流れの様式は熱交換器１２０の内側形状や導管１１８、１１８’の位置を含む多数の因子に依存し得ることを理解されたい。リザーバ１２及び又は熱交換器１２０内の流体が実質的に静止する実質的な静的平衡が最終的に確立されることが予測される。
【００５９】
図５（ｂ）には、以下に詳しく説明するように、熱交換器１２０の１つの面に組み込んだ孔プレート１２２Ｐを備える熱交換器１２０の側面図が示される。
使用に際し、ファン２６等のファンにより孔１２２Ａを通して空気が送風されてホイル１２２Ｂが冷却される。空気の流れ方向は図５（ｂ）に記号ＡＦで示される。
図示実施態様では孔プレート１２２Ｐは、孔１２２Ａを通る空気流れに関してハウジング１２２の下流側でハウジング１２２の一部として設けられる。孔プレート１２２Ｐは図５（ｃ）にその正面図が例示され、孔１３０が３列形成されており、これらの孔１３０は、熱交換器１２０の各孔１２２Ａを、孔１２２Ａを通る空気流れ方向と平行方向でプレート１２２Ｐ上に投影した長手方向軸と整列される。プレート１２２Ｐ上に投影された孔１２２Ａは図５（ｃ）では理解を容易化するために点線１２２ＡＰでそのアウトラインが示される。プレート１２２Ｐに形成した孔１３０はハウジング１２２を貫いて形成した孔１２２Ａよりその断面積が小さい。孔は、孔１２２Ａを空気が通過する際の、孔１２２Ａの壁と接触する空気の滞留時間を増大させる効果を有し得る。ハウジング内の孔１２２Ａを通過した空気の細いジェットは孔プレート１２２Ｐの孔１３０を出てバッテリーあるいはその他の被冷却物品に配向される。ある実施態様では孔プレート１２２Ｐは用いられない。
【００６０】
ハウジングにおける孔３０の数及びサイズは所望に応じて選択できる。しかしながら、細い空気ジェットの列を創出する小径孔を複数設ければバッテリー４０の表面の空気の境界層突破が助成され、かくしてバッテリーからの熱移行が容易化され得ると考えられる。しかしながら、ハウジング２２内の、この又は各熱交換器の位置はそれ自体重要ではなく、熱交換器２０はバッテリー４０に接近した又は隣り合って単に位置決めし得、あるいはそこに直接取り付け得る。
【００６１】
熱交換器２０をバッテリー４０に物理的に接触して取り付けることも想定され、そうすればそこを貫く空気流れを要することなく十分な冷却効果が提供され得る。この場合、システムからファン２６、ダクティング２８、ハウジング２２を排除できる。
ファン又はコンプレッサ２６を設ける場合、これは外部電源１６から給電される、あるいは外部電源１６の故障時にはバッテリー４０自体から給電される構成を有する低電力装置であり得る。太陽電池セルを使用してファン又はコンプレッサ２６に電力を供給するのは特に有益であると考えられる。
【００６２】
同様に、太陽電池セルから冷却要素１４に電力を供給できる。そのような構成では利用可能な太陽エネルギーの低下による電源喪失は、周囲温度が低く従ってバッテリーの冷却条件が緩和される暗黒又は悪天候状況の長さに一般に一致する。
【００６３】
リザーバ１２と、熱交換器２０とが単一の、連続体積を形成する点は重要ではない。ある実施態様では熱交換器２０はリザーバ１２内の流体と導管１８内の流体との間の熱交換用に設け得る。かくして、その一方がリザーバ１２内の流体を含み、他方が導管１８及び熱交換器２０内の流体を含む少なくとも２つの別個の流体塊が提供され得る。その他構成も有益である。例えば、導管１８内の流体を、更には又は代えて、熱交換器２０内の流体から絶縁し、しかし熱連通状態とさせ得る。
【００６４】
システム内の水が最大密度となる温度は塩等の添加物により変化し得る。例えば、塩化ナトリウム又は塩化カリウム等の塩を添加すると最高密度下の水温は低下され得る。特定温度以下の負の熱膨張係数（即ち、温度低下に伴い低密度となる）及び前記温度以上の正の熱膨張係数を有するその他流体も利用出来る。
【００６５】
本装置の機能は熱交換器２０の上方に配置したリザーバ１２に依存するが、リザーバ１２が垂直に整列されることは重要ではなく、一般に、所望の用途及び任意のパッケージング制限事項に従って位置決め可能である。
電気式の冷却要素を、リザーバ内に配置したある量の水氷又はドライアイス等の低温サーマルマスで代替させ得る。低温サーマルマスは任意の好適な流体、好ましくは水等の凍結流体であり得る。低温サーマルマスは、アイスパック等の凍結流体を収納する流体コンテナの形態を有し得る。ある実施態様では低温サーマルマスは、リザーバ内の流体と熱連通する画室内に提供され得る。この画室はサーマルマスを導入するべく開放又は取り外し可能なドア又は蓋を有し得る。その他構成も有益である。
【００６６】
リザーバと、熱交換器とが単一の、連続体積を形成する点は重要ではない。サーマルマスを冷却手段として提供する場合は、リザーバを大部分の水の個別の回路から分離させ、かくして熱移行効果、即ち２つの別個の流体塊を提供させ得ることが想定される。
あるいは又は更には、リザーバを吸収冷凍手段により冷却し、太陽エネルギーで、このエネルギー量に比例する、かくして太陽光の加熱効果に比例する冷却効果を直接生成させ得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６７】
１    装置
１２  流体リザーバ／リザーバ
１４  冷却要素
１６  電源／外部電源
１８  パイプ、導管／流体導管
１８ｂ  第２流体導管
２０  熱交換器
２０ｂ  熱交換器／第２熱交換器
２２  ハウジング
２２ｂ  第２ハウジング
２３  導管／熱交換導管
２４  空気入口
２５  ライン
２６  コンプレッサ／ファン
２８  ダクティング
３０  孔
３５  ライン
４０  バッテリー
４０ｂ  第２バッテリー
１１８  流体導管／導管
１２０  熱交換器
１２２Ａ  細長孔／孔
１２２Ｂ  熱伝導ホイル
１２２  ハウジング
１２２Ｐ  孔プレート
１２２ＡＰ  点線
１３０  孔
【図１】
2016510394.tif 000003
【図２−３】
2016510394.tif 000004
【図４】
2016510394.tif 000005
【図５（ａ）】
2016510394.tif 000006
【図５（ｂ）】
2016510394.tif 000007
【図５（ｃ）】
2016510394.tif 000008
【国際調査報告】
2016510394.tif 000009
2016510394.tif 000010