(57)【要約】  容器（１６）内の相変化材料（１４）の状態を測定するための装置が記載された。当該装置は、容器（１６）の内部に配置された少なくとも１つの光ファイバ（１８）を含み、この光ファイバ（１８）は、コアの周りの被覆を含み、少なくとも１つの光ファイバ（１８）の第１端に結合される波長λの光を出射するための光源（１０）と、少なくとも１つの光ファイバ（１８）の第２端の出力で光の量を測定するための光測定手段（２０）とを含む。少なくとも１つの光ファイバ（１８）は、被覆が除去された複数の部分（１２）を含む。したがって、これらの部分（２０）において、コアは、容器（１６）内の相変化材料（１４）と直接接触する。波長λにおけるコアの屈折率は、第１相における相変化材料（１４）の屈折率よりも高く、第２相における相変化材料（１４）の屈折率よりも低い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱容器であって、前記蓄熱容器内の相変化材料の状態を測定するための装置を有し、前記相変化材料は、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、前記蓄熱容器は、
前記蓄熱容器の内部に配置された少なくとも１つの光ファイバを含み、前記少なくとも１つの光ファイバは、コアの周りの被覆を有し、
前記少なくとも１つの光ファイバの第１端に結合される波長λの光を出射するための光源と、
前記少なくとも１つの光ファイバの第２端の出力で光の量を測定するための光測定手段とを含み、
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記被覆が除去されている複数の部分を含み、これらの部分において、前記コアは、前記容器内の前記相変化材料と直接接触し、
前記波長λにおける前記コアの屈折率は、第１相における前記相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における前記相変化材料の屈折率よりも低く、
前記コアの屈折率は、前記相変化時に段階的に変化する屈折率の範囲内にある、蓄熱容器。
【請求項２】
前記相変化材料は、動作中に前記蓄熱容器の内部に配置される、請求項１に記載の蓄熱容器。
【請求項３】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項１または２に記載の蓄熱容器。
【請求項４】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項５】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの光ファイバの前記出力で光強度を測定することによって、前記相変化材料の異なる相の割合を決定することができるように、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、前記蓄熱容器の全体にわたって分布される、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項７】
前記光源は、レーザ光源、レーザダイオード、ＬＥＤのうち少なくとも１つを含むまたは可干渉光源である、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光ファイバは、垂直軌道を有する少なくとも１つの部分を含むように前記容器の内部に配置され、または、
複数の光ファイバは、前記容器の内部に垂直に配置されている、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項９】
被覆が除去された前記部分は、前記容器の全体にわたって均一に分布されている、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１０】
前記ＰＣＭが相変化点に近いときに、被覆が除去された前記部分は、前記ＰＣＭの前記第１相および前記第２相の分布に基づいて分布される、請求項１から９のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記ファイバの少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有するように前記容器の内部に配置され、
前記セグメントに沿った複数の位置において、前記光ファイバの一部が除去される、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１２】
複数の光ファイバは、各光ファイバ（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）がその高さによって画定された特定の区画（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）内の液相と固相の量を測定することによって、前記容器内の液相と固相の量を前記高さの関数として測定するように、前記容器の内部に配置されている、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成されている、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１５】
前記ＰＣＭの温度を測定するための少なくとも１つの温度センサをさらに含む、前述した請求項のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
【請求項１６】
複数の温度センサは、鉛直線に沿って前記容器の内部に配置されている、請求項１５に記載の蓄熱容器。
【請求項１７】
容器内の相変化材料の光学測定を行う測定システムを較正するための方法であって、前記相変化材料は、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、前記容器の内部には少なくとも１つの光ファイバが配置され、前記少なくとも１つの光ファイバは、コアの周りの被覆を含み、前記少なくとも１つの光ファイバは、前記被覆が除去されている複数の部分を含み、これらの部分において、前記コアは、前記容器内の前記相変化材料と直接接触し、前記波長λにおける前記コアの屈折率は、第１相における前記相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における前記相変化材料の屈折率よりも低く、前記コアの屈折率は、前記相変化時に段階的に変化する前記相変化材料の屈折率の範囲内にあり、
前記方法は、
前記少なくとも１つの光ファイバの入力に光源を結合するステップと、
前記相変化材料が全て前記第１相状態にあるときに、前記ファイバの出力で出射される光の最大強度を測定するステップと、
前記容器内の前記相変化材料が全て第２相状態にあるときに、前記ファイバの前記出力で最小強度を測定するステップと、
前記最小強度値および前記最大強度値を記憶するステップとを含む、方法。
【請求項１８】
前記相変化材料は、動作中に前記蓄熱容器の内部に配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記相変化材料は、前記蓄熱容器と共に配送され、
前記蓄熱容器は、前記相変化材料で充填される、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの光ファイバの前記出力で光強度を測定することによって、前記相変化材料の異なる相の割合を決定することができるように、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、前記蓄熱容器の全体にわたって分布される、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記光源は、レーザ光源、レーザダイオード、ＬＥＤのうち少なくとも１つを含むまたは可干渉光源である、請求項１７から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの光ファイバは、垂直軌道を有する少なくとも１つの部分を含むように前記容器の内部に配置され、または、
複数の光ファイバは、前記容器の内部に垂直に配置されている、請求項１７から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
被覆が除去された前記部分は、前記容器の全体にわたって均一に分布されている、請求項１７から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＰＣＭが相変化点に近いときに、被覆が除去された前記部分は、前記ＰＣＭの前記第１相および前記第２相の分布に基づいて分布される、請求項１７から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記ファイバの少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有するように前記容器の内部に配置され、
前記セグメントに沿った複数の位置において、前記光ファイバの一部が除去される、請求項１７から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
複数の光ファイバは、各光ファイバ（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）がその高さによって画定された特定の区画（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）内の液相と固相の量を測定することによって、前記容器内の液相と固相の量を前記高さの関数として測定するように、前記容器の内部に配置されている、請求項１７から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成されている、請求項１７から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、請求項１７から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＰＣＭの温度を測定するための少なくとも１つの温度センサをさらに含む、請求項１７から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
複数の温度センサは、鉛直線に沿って前記容器の内部に配置されている、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
容器内のＰＣＭ材料の状態を測定する方法であって、
第１波長λおよび強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、前記光ファイバの出力で最大強度を測定するステップを含み、前記第１波長は、前記光ファイバのコアの屈折率が常に前記光ファイバの被覆または前記ＰＣＭ材料の屈折率よりも高くなるように選択され、
第２波長λおよび同一の強度Ｉの可干渉光を前記光ファイバの前記入口に提供することによって、前記光ファイバの前記出力で最小強度を測定するステップを含み、前記第２波長は、前記相変化材料の屈折率が常に前記光ファイバのコアの屈折率よりも高くなるように選択され、
前記最小強度値および前記最大強度値を前記強度Ｉの関数として記憶するステップとを含む、方法。
【請求項３５】
前記相変化材料は、動作中に前記蓄熱容器の内部に配置される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記相変化材料は、前記蓄熱容器と共に配送され、
前記蓄熱容器は、前記相変化材料で充填される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記相変化材料は、第１相および第２相を有することができる、請求項３４から３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、請求項３４から３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、請求項３４から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの光ファイバの前記出力で光強度を測定することによって、前記相変化材料の異なる相の割合を決定することができるように、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、前記蓄熱容器の全体にわたって分布される、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記可干渉光は、レーザ光源、レーザダイオードまたはＬＥＤのうち少なくとも１つを含む光源によって提供される、請求項３４から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの光ファイバは、垂直軌道を有する少なくとも１つの部分を含むように前記容器の内部に配置され、または、
複数の光ファイバは、前記容器の内部に垂直に配置されている、請求項３４から請求項４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
被覆が除去された前記部分は、前記容器の全体にわたって均一に分布されている、請求項３９から４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記ＰＣＭが相変化点に近いときに、被覆が除去された前記部分は、前記ＰＣＭの前記第１相および前記第２相の分布に基づいて分布される、請求項３９から４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記ファイバの少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有するように前記容器の内部に配置され、
前記セグメントに沿った複数の位置において、前記光ファイバの一部が除去される、請求項３９〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
複数の光ファイバは、各光ファイバ（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）がその高さによって画定された特定の区画（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）内の液相と固相の量を測定することによって、前記容器内の液相と固相の量を前記高さの関数として測定するように、前記容器の内部に配置されている、請求項３４から４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成されている、請求項３４から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、請求項３４から４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
前記ＰＣＭの温度を測定するための少なくとも１つの温度センサをさらに含む、請求項３４から４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
複数の温度センサは、鉛直線に沿って前記容器の内部に配置されている、請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、熱エネルギーを貯蔵するための方法およびシステム、相変化材料を含む熱エネルギー貯蔵装置に貯蔵されている熱エネルギーの量を測定するための方法および装置、および熱貯蔵装置用のコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
相変化材料（ＰＣＭ）は、相変化の過程中に大量のエネルギーを貯蔵および放出することができる一種の潜熱貯蔵材料である。一つの相変化は、融解および凍結である。他の相変化は、固体から気体への昇華、または液体から気体への沸騰である。一般的に、単位体積のＰＣＭは、よく使用されている水貯蔵タンクよりも５〜１４倍多くの熱を貯蔵する。ＰＣＭ材料は、高密度のエネルギー貯蔵を提供し且つ狭い温度範囲で熱を貯蔵するため、特に魅力的である。
【０００３】
暖房または家庭用給湯のために使用される場合、有機ＰＣＭ（例えばパラフィン）は、適切な温度範囲だけでなく、高融解熱、高化学安定性を提供すると共に、健康上の問題を与えない。不利点としては、有機ＰＣＭは、固体状態の熱伝導率が不十分であり、例えば信頼性のある相変化点を得るためにコストがかかるため、しばしば高価であることである。
【０００４】
ＰＣＭ貯蔵タンクは、一般的に使用されている水バッファシステムよりも本質的に高価である。費用対効果の高いＰＣＭタンク設計を見出すことは、有利であろう。
【０００５】
Fischer Ulrich R., Maschke Ulrich, Schneider Juergen (BTU, Lehrstuhl Angewandte Physik/Thermophysik, Cottbus, Hannover)らは、２００８年に発表した文献「Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung des thermischen Beladungsgrades von PCM-Paraffin-Speichern」において、ＰＣＭパラフィンの状態を測定するためのいくつかの方法を説明している。これらの方法は、オプトカプラに基づく光学方法を含む。熱バッファの状態を決定するときに、ＰＣＭの光学特性の使用は、単なる温度測定よりも正確であり得るが、この文献に記載されたフォトカプラは、非常に局所的な測定、すなわち、数ミリメートルの範囲しか提供していない。したがって、バッファ全体の正確値を得るためには多くの測定が必要となる。よって、ＰＣＭ材料を収容する容器の内部の様々な場所に、多くのフォトカプラを設ける必要がある。したがって、複数のフォトカプラ、関連するケーブルおよび密封されたフィードスルーを蓄熱容器の内部に設置しなければならず、設計の複雑性、したがってコストが増加し、漏れの可能性が高くなり、多くの測定を行う複雑性が増加する。
【０００６】
米国特許第５３１１２７４号は、光学屈折計を記載している。この光学屈折計は、単一の測定を行い、プロセス流体の屈折率を測定する。この既知の装置は、液体の屈折率を決定するために、透過光強度を正確に測定する代わりに、光ファイバのコアおよび被覆の両方の屈折率が依存するパラメータを測定する。透過光強度の最小値は、エンドポイントとして見なされる。
【０００７】
これらの解決策は、大きな熱バッファ内に多数の個別のセンサを設置する必要があるため、これらのセンサから値を読み取り、平均値を得るためにかなりの努力が必要とされる。
【０００８】
ＰＣＭ型貯蔵タンクを効果的且つ効率的に使用するためには、利用可能なエネルギーの信頼できる推定値、すなわち容器の充電状態（ＳｏＣ）を必要とする。この点では、ＰＣＭの使用は、いくつかの問題を抱えている。熱伝導率が低いため、相変化の過程、例えば溶融および凍結の過程は、容器の全体にわたって均一に行われない。また、溶融状態と凍結状態との間に体積の変化がある場合、圧力によって局所的な空洞が生成され、さらに均一性を影響する。限られた数のセンサに基づいて充電状態を推定する場合、このランダム性を考慮することができないため、不正確である。いくつかの方法は、圧力を溶融／固体のＰＣＭの割合に結び付けることによって容積差を利用しようと試みたが、局所的な空洞を記録することができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明の実施形態は、貯蔵タンクの詳細な設計と共に、エネルギー量を決定するための革新的且つ正確な方法、すなわち含まれるシステム冗長性を制限するための方法を提供する。
【００１０】
本発明の実施形態の利点は、ＰＣＭの状態の平均値、すなわち、容器全体の内部のＰＣＭの２つの相、すなわち固相および液相の量を測定することができることである。これによって、多くのセンサ測定値を徹底的に分析することなく、充電状態（ＳｏＣ）を迅速に決定することができる。
【００１１】
本発明の一態様によれば、蓄熱容器内の相変化材料の状態を測定するための装置を有する蓄熱容器が提供される。この容器は、蓄熱容器の内部に配置された少なくとも１つの光ファイバを含み、少なくとも１つの光ファイバは、コアの周りの被覆を有し、少なくとも１つの光ファイバの第１端に結合される波長λの光を出射するための光源と、少なくとも１つの光ファイバの第２端の出力で光の量を測定するための光測定手段とを含み、少なくとも１つの光ファイバは、被覆が除去された複数の部分を含み、したがって、これらの部分では、コアは、容器内の相変化材料と直接接触し、波長λにおけるコアの屈折率は、第１相における相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における相変化材料の屈折率よりも低い。相変化材料は、運転中に蓄熱容器の内部に配置される。代替的には、ＰＣＭ材料は、現場で供給され、蓄熱容器に充填されてもよい。
【００１２】
相変化材料は、好ましくは、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、コアの屈折率は、好ましくは、相変化時に段階的に変化する屈折率の範囲内にある。これは、光がＰＣＭの１相で全反射される角度の範囲および光がファイバから逃げる角度の範囲が大きくなるという利点を有する。段階的な変化は、他の種類のバッファ材料で達成され得る結果よりも信頼性の高い結果を提供する。
【００１３】
第１相および第２相は、液相または固相のいずれかであってもよい。これは、通常の材料、例えばパラフィンワックスをＰＣＭとして使用できるという利点を有する。
【００１４】
相変化材料の相変化、例えば溶融および凍結が不均一であるため、充電状態の重要な指標を提供するために、好ましくは、ファイバのコアは、蓄熱容器の全体積にわたって（例えば、典型的な方法で）分布されている複数の位置で相変化材料に露出される。光ファイバの出力で光強度を測定することによって、相変化材料の固相と液相の割合を決定することができるように、好ましくは、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、蓄熱容器の全体にわたって分布される。例えば、光ファイバは、相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されなくてもよい。これによって、測定の感度を高めることができる。
【００１５】
光源は、レーザ光源、レーザダイオード、ＬＥＤのうち少なくとも１つであってもよく、可干渉光源であってもよい。その利点は、例えば電気通信の目的のために大量に製造される光ファイバに適した通常の光源を使用できることである。
【００１６】
光ファイバは、垂直軌道を有する少なくとも１つの部分を有することができ、または複数の光ファイバは、容器の内部に垂直に配置される。被覆が除去された部分は、容器の全体に均一に分布されることができる。容器の全体にわたって光ファイバを分布することは有利である。
【００１７】
ＰＣＭが相変化点に近いときに、被覆が除去された部分は、ＰＣＭの第１相および第２相の分布に応じて分布される。
【００１８】
少なくとも１つの光ファイバは、光ファイバの少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有するように容器の内部に配置され、そのセグメントに沿った複数の位置では、光ファイバの一部が除去される。屈曲部を有するようにファイバを配置することは、光が被覆を設けていない場所でファイバから逃げることを助けることができる。
【００１９】
複数の光ファイバは、各光ファイバがその高さによって画定された特定の区画内の液相と固相の量を測定することによって、容器内の液相と固相の量を高さの関数として測定するように、容器の内部に配置されている。これによって、精度が高くなる。
【００２０】
少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成することができる。複数の光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成することができる。光の波長を変えることによって、精度を高めることができる。
【００２１】
ＰＣＭの温度を測定するために、少なくとも１つの温度センサを設けることができる。これによって、本発明の光学方法と温度測定に基づく方法とを比較することができる。精度を高めるために、複数の温度センサを鉛直線に沿って容器の内部に配置することができる。
【００２２】
別の態様では、本発明は、容器内の相変化材料の光学測定を行う測定システムを較正するための方法を提供する。容器の内部には、少なくとも１つの光ファイバが配置され、少なくとも１本の光ファイバは、コアの周りの被覆を含み、少なくとも１つの光ファイバは、被覆が除去されている複数の部分を含み、したがって、これらの部分では、コアは、容器内の相変化材料と直接接触し、波長λにおけるコアの屈折率は、第１相における相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における相変化材料の屈折率よりも低く、コアの屈折率は、相変化時に段階的に変化する相変化材料の屈折率の範囲内にある。方法は、光源を少なくとも１つの光ファイバの入力に結合するステップと、相変化材料が全て第１相状態にあるときに、ファイバの出力で出射される光の最大強度を測定するステップと、容器内の相変化材料が全て第２相状態にあるときに、ファイバの出力で最小強度を測定するステップと、最小強度値および最大強度値を記憶するステップとを含む。
【００２３】
相変化材料は、動作中に蓄熱容器の内部に配置される。
相変化材料は、好ましくは、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、コアの屈折率は、好ましくは、相変化時に相変化材料の段階的に変化する屈折率の範囲内にある。相変化材料の相変化、例えば溶融および凍結が不均一であるため、充電状態の重要な指標を提供するために、好ましくは、ファイバのコアは、蓄熱容器の全体積にわたって（例えば、典型的な方法で）分布されている複数の位置で相変化材料に露出される。光ファイバの出力で光強度を測定することによって、相変化材料の固相と液相の割合を決定することができるように、好ましくは、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、蓄熱容器の全体にわたって分布される。
【００２４】
別の態様では、本発明は、容器内のＰＣＭの状態を測定するための方法を提供する。方法は、第１波長λおよび強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、光ファイバの出力で最大強度を測定するステップを含み、第１波長は、光ファイバのコアの屈折率が常に光ファイバの被覆またはＰＣＭ材料の屈折率よりも高くなるように選択され、第２波長λおよび同一の強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、光ファイバの出力で最小強度を測定するステップを含み、第２波長は、相変化材料の屈折率が常に光ファイバのコアの屈折率よりも高くなるように選択され、最小強度値および最大強度値を強度Ｉの関数として記憶するステップとを含む。
【００２５】
相変化材料の相変化例えば溶融および凍結が不均一であるため、充電状態の重要な指標を提供するために、好ましくは、ファイバのコアは、蓄熱容器の全体積にわたって（例えば、典型的な方法で）分布されている複数の位置で相変化材料に露出される。光ファイバの出力で光強度を測定することによって、相変化材料の固相と液相の割合を決定することができるように、好ましくは、被覆が除去されているまたは被覆されていないファイバ部分は、蓄熱容器の全体にわたって分布される。例えば、１つの光ファイバまたは複数の光ファイバを分布型センサとして備えた貯蔵容器は、少数の温度センサを使用した場合に得られた局所的な測定値に比べて、容器全体の状態の広域値を返す。これも、圧力センサを使用することを困難且つ高価にする、容器内の圧力によって引き起こした問題を回避するための方法である。
【００２６】
他の利点は、適用が安価であること、制御が簡単であること、部品が限られていること、加熱部分がないこと、および可動部分がないことである。また、バッファを対称的に設計する必要がない。代表的な水タンクは、安全上の理由で円筒形を有する。ＰＣＭバッファは、特注の形状を有することができ、例えば自動車のエンジン室の不要な空間を埋めることができる。
【００２７】
また、この技術は、殆ど非侵入的である。さらに、光ファイバは、大きな温度変化および異なる環境に耐えることができ、長寿命を有する。したがって、一連の温度センサを使用することに比べて、機器が故障する可能性が非常に低くなる。多くの個別のセンサ素子を使用する場合、センサからの出力は、経時的にドリフトする可能性がある。したがって、ドリフトの測定またはドリフトの補償は、有利であろう。
【００２８】
また、光源の強度と、液相と固相の割合との間には直接的な関係があるため、データの処理および分析が簡単である。
【００２９】
光ファイバは、長尺にすることができるため、空間的に制限された（局所的な）温度測定から多数の値を得る代わりに、バッファ容器の完全な走査を実行することができる。
【００３０】
本発明に係る実施形態の技術的効果および利点は、必要な変更を加えて本発明に係る方法の各実施形態の技術的効果および利点に対応する。
【００３１】
本発明の実施形態のこれらおよび他の技術的態様および利点は、添付の図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】屈折光および内部全反射光を示す概略図である。
【図２】マクロ結晶性パラフィンワックスの屈折率を温度の関数として示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に従って、ＰＣＭを含む容器の内部に配置された光ファイバを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に従って、ＰＣＭを含む容器の内部に垂直に配置された複数の光ファイバを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って、ＰＣＭを含む容器の内部に配置され、２つの渦巻状または螺旋状部分を含む光ファイバを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に従って、その高さによって画定された容器の区画の内部に各々配置された複数の光ファイバを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
実施形態の詳細な説明
特定の実施形態および特定の図面を参照して本発明を説明するが、本発明は、これらに限定されず、特許請求の範囲のみによって限定される。記載された図面は、概略的なものであり、限定的なものではない。図面において、例示の目的のために、一部の要素のサイズは、強調され、一定の縮尺で描かれていないことがある。「含む」という用語は、明細書および特許請求の範囲に使用される場合、他の要素または他のステップを排除するものではない。また、明細書および特許請求の範囲内の第１、第２および第３などの用語は、類似の要素を区別するために使用されており、必ずしも順番または時間順を説明するものではない。理解すべきことは、使用された用語は、適切な状況で交換することができ、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または例示された順序と異なる順序で動作することができることである。
【００３４】
本発明の目的は、相変化過程を経ている相変化材料の光学特性の変化を利用して、材料の充電状態、すなわち蓄積されている熱エネルギーの量を定量化することである。
【００３５】
本方法は、空間的におよび時間的に分解された容器内部の温度分布に関する情報を得ることができる。
【００３６】
空間的分解は、容器内の光ファイバの配置および形状に依存する。また、空間的分解は、材料の２相の量、すなわち、容器内の固相と液相の量の平均値を記録することによって、容器全体の状態の平均値を得ることができる。
【００３７】
一般的に、光ファイバは、コアを含み、コアは、光をコアに沿って案内するための被覆によって囲まれる。この被覆は、バッファによって覆われ、湿気および物理的損傷から保護される。バッファは、一般的にプラスチックであるジャケット層によってさらに囲まれてもよい。光ファイバは、その軸に沿って光を伝送する円筒形誘電体導波管であり、光ファイバのコアと被覆との間の屈折率の差によって生じた内部全反射によって制御される。すなわち、光波をコアの内部に閉じ込むために、被覆の屈折率をコアの屈折率よりも低く（典型的には約０．３％）しければならない。例示として、ファイバのコアの屈折率ｎｆおよびその被覆の屈折率ｎｃは、ｎｆ＝１．４６およびｎｃ＝１．４４である。被覆およびコアは、誘電体から形成される。
【００３８】
図１は、スネル法則の結果である内部全反射の既知原理を示している。
一般的に、波は、異なる光学特性、例えば異なる屈折率（ｎｃおよびｎｆ）を有する２つの異なる材料の間の境界に到達するときに、その一部が境界面で屈折し、一部が反射する。しかしながら、入射角が臨界角よりも大きい場合、波が境界を透過せず、全て内部に反射する。
【００３９】
臨界角は、２つの媒質の屈折率に依存し、次のように計算される。
【００４０】
【数１】
2020504823.tif 000003
【００４１】
よって、ｎｃ＞ｎｆの場合、臨界角は、存在しない。
したがって、内部反射を保証し、光が殆ど損失せず光ファイバ内で進行させるために、被覆の屈折率は、コアの屈折率よりも小さくでなければならない。
【００４２】
著書「パラフィン製品」（第１４巻、第１版、編集者：G. Mozes、堅表紙本ＩＳＢＮ：９７８０４４４９９７１２８、電子ブックＩＳＢＮ：９７８００８０８６８６８４、出版社：Elsevier Science、発行日：１９８３年１月１日）は、パラフィンワックスの屈折率を利用して、パラフィンワックスの結晶構造を研究することを記載している（第１０３頁を参照）。実際、この著書は、屈折率が結晶構造に依存することだけでなく、相状態にも依存していることを示している。
【００４３】
１０〜５０℃の温度で固体状態にある場合、一部のマクロ結晶性パラフィンワックスの屈折率は、１．５０４９〜１．５３６６の間に変化する。
【００４４】
８４℃の温度で液体状態にある場合、マクロ結晶性パラフィンワックスの屈折率は、１．４２１０〜１．４３１５の間に変化する。
【００４５】
図２は、マクロパラフィンワックスの融点（４８℃）付近の屈折率を温度の関数として示すグラフである。固体状態の屈折率は、１．４６よりも大きく、液体状態の屈折率は、１．４６よりも小さい。
【００４６】
一般的に、相変化材料の光学特性、例えば屈折率は、相転移中の急激な変化を示す。好ましくは、光ファイバのコアの屈折率は、相変化時に段階的に変化する相変化材料の屈折率の範囲内にあるように選択される。
【００４７】
本発明の基礎となる物理原理は、光ファイバに沿って少なくとも１つの位置で、必要に応じて多数の位置で、光ファイバの被覆（並びにジャケットおよびバッファ）の一部を除去することである。したがって、処理された光ファイバを相変化材料（ＰＣＭ）内に配置すると、ファイバのコアは、相変化材料（ＰＣＭ）によって囲まれ、ＰＣＭと直接接触する。本発明の実施形態において、被覆を除去して、複数の位置でコアを露出することを用いて、ＰＣＭ中の固相と液相の割合の一般値を得る。コアの複数の露出部分は、１つの光ファイバから複数の被覆部分を除去することによってまたは被覆が除去された部分を有する複数の光ファイバを準備することによって得ることができる。ＰＣＭ材料の屈折率がコアよりも低い場合、光は、被覆が除去された場所でもファイバに沿って伝播する。ＰＣＭ材料の相が変化することによって、ＰＣＭ材料の屈折率がコアよりも高くなる場合、光は、被覆されていない光ファイバ部分から逃げる。逃げた光の量および伝播された光の量は、一方の相または他方の相にあるＰＣＭ材料の量に関連する。被覆されていないファイバを使用することも可能である。これによって、ＰＣＭ内に位置するファイバの全ての軌道を代表する値を得ることができる。
【００４８】
除去される被覆部分のサイズは、使用される材料に応じて選択される。ファイバ軸に完全に沿って移動していない光子は、ファイバの縁部に当たる。屈折率に応じて、これらの光子は、光ファイバから（部分的に）逃げる。したがって、内部全反射ではない衝突ごとに、一部の光が逃げる。被覆していない区画が短くなるほど、衝突が少なくなる。一部のファイバの屈折率は変化している（コアから縁部に向かって減少する）。このような変化によって、光子軌道は、ファイバ軸に徐々に再整列される。この場合、被覆をより長く除去しなければならない。光を逃がす可能性を高めるために、被覆が除去された箇所でファイバを曲げることができる。例えば、簡単なクランプを用いて、ファイバを一定の半径にクランプすることができる。代替的には、必要に応じて、ファイバから逃げる光の量を減らすために、スプリントを用いて、被覆が除去された箇所でファイバをまっすぐにすることができる。
【００４９】
ファイバの入口には、適切な光源１０、例えば固体光源が配置されている（図３を参照する。この光源は、例えば図４〜６に示され、図４〜６を参照して説明される他の全ての実施形態にも使用される）。光源からの光は、ＰＣＭ充填物１４を収容する容器１６内に配置されたファイバ１８に結合される。光源は、レーザまたはレーザダイオードなどの可干渉光源であってもよい。また、光源として、発光ダイオードを使用することができる。可干渉光は、散乱せずより遠く進行することができる。このことは、光干渉を回避するために必要である。例えば、ファイバの軌道に沿った光損失が負の干渉または散乱ではなくＰＣＭ１４に関連しており且つ使用されている任意の光源からの光がファイバ全体を通過するという条件で、得られる強度の差は、各相にあるＰＣＭの量の差に関連する。また、以下の種類の光源、即ち、ＬＥＤ、偏光／非偏光光源を使用することができる。以下に説明するように、光源の種類は、好ましくは、使用されている光学センサの種類によって調整される。
【００５０】
光ファイバ中の光の伝播は、被覆が除去された部分の周りの屈折率に応じて、内部全反射によって続けて伝播するか、または屈折する。光の屈折は、ＰＣＭの２相、すなわち、固相または凍結相もしくは液相または溶融相の屈折率の差に依存して、光ファイバのコアからの光損失を引き起こす。
【００５１】
図２に示されるマクロ結晶性パラフィンワックスは、例えば、固体状態の場合に１．４８の屈折率を有し、液体状態の場合に１．４４の屈折率を有する。例えば、コア材料の屈折率を１．４６に選択した場合、パラフィンワックスが固体状態にあるときに、コアに内部全反射が存在せず、光は、被覆されていないコアの部分で損失する。パラフィンワックスが液体状態になると、内部全反射の条件が満たされる。
【００５２】
本発明の全ての実施形態は、ＰＣＭの相変化点における屈折率の段階的な変化を利用することができる。臨界角が２つの媒質の屈折率に依存するため、全反射される光の量は、屈折率の差に依存する。したがって、屈折率の変化が漸進的である場合、被覆されていないファイバ部分から逃げた光の量は、屈折率の差に従って変化する。相変化時にＰＣＭの屈折率の段階的な変化を利用し、段階的に変化する屈折率の中央値に近いコア屈折率を選択することによって、この問題を解決することができる。これは、従来の熱バッファ材料から期待されたよりも信頼性の高い方法を提供する。
【００５３】
光測定手段２０（図３を参照する。この光源は、例えば図４〜６に示され、図４〜６を参照して説明される他の全ての実施形態にも使用される）、例えば光センサを用いて、光ファイバの出口の光強度を測定することによって、光の損失量を測定することができ、したがって、ＰＣＭ材料に損失した光の量を決定することができる。これによって、相変化材料の固相および液相の量を得ることができる。しかしながら、ＰＣＭの固相と液相の量を測定することに限らず、屈折率が温度に従って変化するため、温度を測定することもできる。
【００５４】
本発明による好ましい実施形態において、光測定手段２０は、感光性ダイオードを含む。他のセンサを使用することもできる。
【００５５】
測定手段は、ソフトウェア、すなわち１つ以上のコンピュータプログラムを用いてプログラムした機能を実行するように構成された１つ以上のマイクロプロセッサ、プロセッサ、マイクロコントローラ、または中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を含む、処理能力を有するコントローラなどのデジタル装置であってもよい。ソフトウェアは、マイクロプロセッサ、プロセッサ、マイクロコントローラ、または中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ）のいずれかで実行するようにコンパイルされてもよい。
【００５６】
そのような装置は、独立型装置でもよく、または他の電子部品に埋め込まれてもよい。装置は、メモリ（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭ）、オペレーティングシステム、必要に応じてＯＬＥＤディスプレイなどの固定様式ディスプレイを含むディスプレイ、キーボードなどのデータ入力素子、マウスなどのポインタ素子、他の装置と通信するためのシリアルポートまたはパラレルポート、およびネットワークに接続するためのネットワークカードおよび接続部を含む。
【００５７】
ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に具体化することができる。コンピュータプログラム製品は、ＰＣＭの１相の量と他の相の量との割合および容器１６の充電状態を計算する機能を実行するように構成されている。ソフトウェアを各々の装置にロードすると、以下に説明される機能は、１つ以上の処理エンジン、例えばマイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ上で実行される。これらのコンピュータに基づく方法は、ＰＣＭ充填物１４を有する１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵容器１６を含むシステムに適用することができる。
【００５８】
ＰＣＭ材料の固相と液相の量を測定するために、本発明の実施形態に係る方法は、光ファイバに伝播する光がファイバ内で内部反射される場合の最大強度を決定する。この強度は、全てのＰＣＭが１つの状態、例えば液体状態にある場合に対応する。ＰＣＭ材料が他の状態、例えば固体状態にある場合、すなわちＰＣＭと直接接触している部分で内部反射されていない場合に対応する光の最小強度を決定することも好ましい。好ましくは、非常に小さい範囲を有するレーザなどの可干渉光を使用する。その理由は、このような可干渉光は、第１相と第２相との間の強度の差を大きくすることができるからである。
【００５９】
光ファイバの出力に設けられた光測定手段２０を用いて最小強度および最大強度を測定した場合、中間状態の強度測定値は、容器内のＰＣＭの固相と液相の量の指標を提供する。露出されたコア部分の数が十分である場合、この測定値は、光ファイバの平均値に対応する。露出されたコア部分は、多数の光ファイバから１か所の被覆を除去することによって得られてもよく、または１つまたは少数のファイバから数か所の被覆を除去することによって得られてもよい。
【００６０】
好ましくは、相変化材料の測定を開始する前に、各光ファイバを較正する。以下、１つの較正手順を説明する。
【００６１】
従来技術の部分で説明したように、相変化材料は、容器の内部に貯蔵され、その相状態は、温度センサを用いて測定される。本発明の好ましい実施形態において、蓄熱容器の全体にわたるように、十分に長い光ファイバまたは多くの光ファイバを配置する。有利には、光ファイバに沿った複数の位置で限られた長さの被覆を光ファイバから除去する。これによって、ＰＣＭが１つの状態にあるときに、光は、光ファイバの全体に分布された位置でファイバコアから逃げることができ、またはＰＣＭが他の状態にあるときに、光は、内部全反射されることができる。代替的には、異なる長さを有する多くのファイバから、１ヶ所の被覆を除去することができる。容器内のＰＣＭの状態が混在している場合、全ての光ではなく一部の光がファイバの端部に到達し、全ての光ではなく一部の光がファイバから逃げる。各々の量は、容器に存在する各状態のＰＣＭの量に依存する。したがって、ファイバに結合された光の量およびファイバの他端で測定された光の量は、容器内にあるＰＣＭ材料の各相の量を示す指標になる。相変化材料の固相と液相の割合は、被覆を除去したファイバの位置で失われた光の量から得ることができる。したがって、出射光の測定値を用いて、容器内の全ての相変化材料の固相と液相割合の平均値を得ることができる。相変化材料と接触するコア部分の数を増やすと、相変化材料内の固相と液相割合の平均値の測定をある程度に改善することができる。
【００６２】
システムの較正は、以下の方法で行うことができる。
ａ）容器内の全てのＰＣＭ材料を第１相状態にし、光ファイバからの出射光Ｅ１を測定する。出射光が非常に弱い場合、ファイバに結合される光の量を増やすことができる。
【００６３】
ｂ）全てのＰＣＭ材料が第２相状態になるようにＰＣＭ材料を加熱または冷却し、光ファイバからの出射光Ｅ２を測定する。
【００６４】
出射光Ｅ３の実際の測定値は、Ｅ１とＥ２との間にある。任意の中間状態にあるＰＣＭ材料の各相の割合は、Ｅ３をＥ１およびＥ２と比較することによって、すなわち、Ｅ１およびＥ２の間に内挿することによって決定することができる。既知の充電状態で測定を行うことによって、またはＰＣＭの測定温度から充電状態を測定する従来の方法と組み合わせることによって、内挿法の精度を高めることができる。
【００６５】
本発明の好ましい実施形態において、被覆されていない部分は、容器の全体にまたは相変化材料に分布され、好ましくは、均一に分布される。
【００６６】
ＰＣＭの融点付近の第１相および第２相、例えば固相および液相は、容器内に均一に分布されていない可能性がある。したがって、容器内のＰＣＭ材料の固相および液相の分布に従って、ＰＣＭと直接接触する部分の位置を調整する必要がある。不均一な分布例として、氷および水を挙げることができる。この場合、氷は、水の上面に浮かぶ。別の例として、温水蓄熱タンクに発生する層別化を挙げることができる。パラフィンワックスの場合、固相は、容器の底部に留まる傾向がある。
【００６７】
光ファイバは、ＰＣＭ容器の空間を横切るように、多くのループで頂部から底部まで延在することができる。代替的には、光ファイバは、異なる高さのトレイに配置することができる。光ファイバは、各トレイにおいて渦巻状または螺旋状に配置される。
【００６８】
好ましくは、複数の光ファイバの各々は、容器の各区画に配置され、容器の各区画は、その高さによって画定される。光ファイバを通る光は、容器内のファイバの高さによって画定される所定の区画内のＰＣＭの固相および液相の量を示す指標を与える。このような構成は、図６に示されている。図６において、ＰＣＭ１４を収容する容器１６は、６つの区画Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６に分割され、各区画は、特定の光ファイバＯ１、Ｏ２、Ｏ３を有する（明瞭化のために、他の光ファイバが図示されていない）。
【００６９】
図３に示された本発明の実施形態の第１例において、少なくとも１つの光ファイバ１８は、ＰＣＭ１４を収容する容器１６の内部に配置されている。配置された光ファイバは、少なくとも１つの光ファイバの垂直経路を含む部分を含む。容器１６は、電気ヒータまたは熱交換器などの加熱または冷却手段３０を有する。加熱または冷却手段３０は、図４〜図６にも示されている。
【００７０】
図４に示された第２例において、複数の光ファイバ１８は、ＰＣＭ１４を収容する容器１６の内部に垂直に配置されている。
【００７１】
これら２つの実施形態において、光ファイバの複数の部分の被覆が除去されている。これによって、コアは、ＰＣＭと直接接触する。これらの部分は、容器内に均一に分布されてもよく、相変化時により多くの固相が蓄積するＰＣＭの領域に従って調整されてもよい。
【００７２】
本発明の実施形態の一例において、ＰＣＭと接触し且つ容器内に均一に分布されている複数のコア部分を形成するために、少なくとも１つの光ファイバは、以下のように円筒状の容器の内部に配置されている。少なくとも１つの光ファイバは、少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有し、セグメントに沿った複数の位置において、光ファイバの一部が除去される。このような例は、図５に示されている。図５において、光ファイバ１８は、渦巻状または螺旋状の軌道を有し、ＰＣＭ１４を収容する容器１６内に配置され、ファイバの複数の部分１２の被覆が除去されている。これによって、コアは、ＰＣＭ材料と直接接触する。被覆を除去した部分１２は、図５において丸で示されている。
【００７３】
被覆を除去した部分の数を増加させ、それによって被覆を除去した部分の間の間隔を減少させることは、第１相と第２相との間の強度差を増加させる効果を有する。
【００７４】
光ファイバの長さおよび被覆を除去した部分の間の間隔は、容器の寸法に依存しない。したがって、本発明の実施形態と共に使用することができる容器は、複数の形状および寸法を有することができる。むしろ、光ファイバの長さおよび間隔は、応用条件によって異なる。容器により多くの被覆を除去する（またはファイバを被覆しない）とまたは複数のファイバを配置すると、精度および空間分解能を高めるが、追加のコストも発生する。
【００７５】
図５に示された２つの渦巻状または螺旋状軌道の間の間隔ｄを変更してもよい。光ファイバの軌道に沿って得られるこの間隔は、達成できる空間分解能を決定する。
【００７６】
本発明の別の実施形態において、被覆を除去した部分を有する複数の光ファイバは、容器に配置される。複数の光ファイバを使用することによって、１つのファイバに欠陥があっても、残りのファイバが依然としてＰＣＭ材料の固相と液相の測定値を確実に提供することができる。複数の光ファイバは、異なる態様で容器に配置されてもよい。例えば、複数の光ファイバは、互いに平行であるように直線状に配置されてもよく、渦巻状または螺旋状のセグメントを有するように配置されてもよく、互いに垂直であるように配置されてもよい。ＰＣＭ材料と直接接触しているセグメントが容器の内部に均一に分布されている限り、任意の構成が可能である。２つ以上のファイバが同じ軌道を跨ぐが異なる被覆されていない部分を有するようにすることも可能である。第１相および第２相の体積の位置を再構成することも可能であろう。したがって、２つの光ファイバは、異なる強度測定値を提供することができる。
【００７７】
各ファイバを測定することによって、その長さにわたって測定値を得ることができる。ファイバの数を増やすことによって、軌跡の数が増えるため、測定値の空間分解能が改善される。
【００７８】
別の好ましい実施形態において、光ファイバは、複数の波長の光、例えば可干渉光を受光するように構成されている。屈折率が波長に依存するため、いくつかの波長では固相および液相が内部全反射を行うが、他の波長では固相および液相が臨界角を有しなく、別の波長では液相のみが内部全反射を行う。したがって、複数の波長を用いて、３つの場合、すなわち、ｉ）全ての光が内部全反射によって伝播する場合、ｉｉ）光が被覆を除去した部分で屈折する場合、ｉｉｉ）光材料の相状態に応じて屈折または反射する場合の光強度を測定することができる。
【００７９】
同一の光ファイバに複数の波長を使用することができる。本発明の別の実施形態において、各光ファイバは、異なる波長で動作することができる。
【００８０】
同一の光ファイバに複数の波長を使用することの利点は、ファイバの構造健全性をチェックすることができることである。例えば、光が１つの波長で全て散乱する極端な場合、光検出器は、最小の光強度を検出することができる。しかしながら、例えばファイバが破断することによって故障している場合、最小の光強度を測定できるため、２つの場合を区別することはできなくなる。しかしながら、第２波長での測定が高い強度測定値を提供する場合、光ファイバの構造健全性が保証される。したがって、測定波長を変更することは、光ファイバの構造健全性をチェックする手段として使用することもできる。
【００８１】
本発明の好ましい実施形態において、光ファイバは、少なくとも１つの温度センサと組み合わせて使用することができる。これによって、転移点、すなわち融点から遠く離れた温度を監視することができる。相変化がない場合、屈折率の変化が殆どない。したがって、温度センサは、この補足情報を提供することができる。
【００８２】
好ましい実施形態において、容器の異なる体積の部分は、１つ以上の温度センサを備える。これらの温度センサは、対応する各部分内の熱バッファ媒体の温度を検知する。
各部分は、その高さによって画定され、これらの部分は、互いに積み重ねる。容器が対称的である場合、温度が実質的に高さ方向にのみ変化するため、これらの部分を好ましく積み重ねることによって、熱バッファ媒体の温度の検知を改善することができる。各部分内の温度センサの数は、限定されず、当業者によって決定されてもよい。
【００８３】
光ファイバの較正は、以下のステップを含む。
まず、第１波長λおよび強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、光ファイバの出力で最大強度を測定する。第１波長は、光ファイバのコアの屈折率が常に光ファイバの被覆またはＰＣＭ材料（固相および液相）の屈折率よりも高くなるように選択される。
【００８４】
次に、第２波長λおよび同一の強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、光ファイバの出力で最小強度を測定するステップを含み、第２波長は、相変化材料の屈折率が常に光ファイバのコアの屈折率よりも高くなるように選択される。
【００８５】
次に、入力強度Ｉに対する最小強度および最大強度は、相変化材料の測定値として記録される。
【００８６】
好ましくは、使用される光ファイバは、ＰＣＭ容器内で実際に生じる温度変動に耐えることができるものである。以下の光ファイバは、本発明に適している。例えば、ガラスファイバは、使用される材料に応じて、最高３１５℃または４８２℃で動作することができる。しかしながら、これらの温度は、パラフィン系ＰＣＭの最高温度をはるかに超えている。プラスチックＰＭＭＡ光ファイバの場合、最高動作温度は、ＰＭＭＡの融点に対応して７０℃である。したがって、このようなファイバは、殆どのＰＣＭに適していない。シリカ光ファイバは、３１５℃に制限されているため、本発明に適している。
【００８７】
この方法は、ＰＣＭを使用した蓄熱技術をより良く制御することができる。
本発明の別の実施形態において、残りのＰＣＭ材料が液相であっても、固相のＰＣＭが光ファイバの周りに蓄積することを回避するために、本発明に係る装置は、容器内の液相ＰＣＭを循環させるためのポンプを含む。これによって、固体粒子が光ファイバの周りに蓄積することを回避することができる。固体粒子が光ファイバの周りに蓄積する場合、光測定手段２０の読取値が不正確になる。
【００８８】
本発明は、任意の種類の相変化材料、例えば、水および氷、共晶塩およびパラフィンワックスに適用可能である。これらのＰＣＭの融点は、水の場合０℃、共晶塩の場合８．３℃、パラフィンワックスの場合５１．７℃〜７３．９℃である。したがって、パラフィンワックスは、一般的に３つのグレード、すなわち、５１．７〜５７．２℃の低融点、５７．２℃〜６２．８℃の中間融点、および６２．８〜７３．９℃の高融点に分類される。
【００８９】
本発明は、固体から液体へおよび液体から固体への変化に限定されないが、これは好ましい用途である。実際に、気体から液体へおよび液体から気体への変化は、大きな体積変化を伴うため、相変化の実現がより困難である。しかしながら、本発明は、屈折率が相転移境界付近で変化する全ての相変化に適用することができる。
【００９０】
重要なことは、相変化材料は、本発明の第１の予期応用分野であるが、本発明は、相変化材料に限定されないことである。この技術は、温度に依存する屈折率を示す任意のプロセスに適用することができる。
【００９１】
本発明の実施形態は、貯蔵装置に貯蔵され得るエネルギーの制御および正確な情報が必要とされる任意の用途に有利に適用することができる。したがって、本発明の一般的な実施形態は、家庭の熱バッファ、工業上の冷暖装置およびスマートグリッドに適用することができる。
【００９２】
特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これらの説明は、本発明を明確にするものであって、本発明を限定していない。当業者なら、本発明の範囲から逸脱することなく、開示された特徴の様々な修正および異なる組み合わせが可能であることを理解するであろう。
【図１】
2020504823.tif 000004
【図２】
2020504823.tif 000005
【図３】
2020504823.tif 000006
【図４】
2020504823.tif 000007
【図５】
2020504823.tif 000008
【図６】
2020504823.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月3日(2019.7.3)
【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】
蓄熱容器であって、前記蓄熱容器内の相変化材料の状態を測定するための装置を有し、前記相変化材料は、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、前記蓄熱容器は、
前記蓄熱容器の内部に配置された少なくとも１つの光ファイバを含み、前記少なくとも１つの光ファイバは、コアの周りの被覆を有し、
前記少なくとも１つの光ファイバの第１端に結合される波長λの光を出射するための光源と、
前記少なくとも１つの光ファイバの第２端の出力で光の量を測定するための光測定手段とを含み、
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記被覆が除去された複数の部分を含み、これらの部分において、前記コアは、前記容器内の前記相変化材料と直接接触し、
前記波長λにおける前記コアの屈折率は、第１相における前記相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における前記相変化材料の屈折率よりも低く、
前記コアの屈折率は、前記相変化時に段階的に変化する屈折率の範囲内にあり、
前記少なくとも１つの光ファイバの前記出力で光強度を測定することによって、前記相変化材料の異なる相の割合を決定することができるように、被覆が除去されているまたは被覆されていない前記少なくとも１つの光ファイバの前記複数の部分は、前記蓄熱容器の全体にわたって分布される、蓄熱容器。
【請求項２】
前記相変化材料は、動作中に前記蓄熱容器の内部に配置される、請求項１に記載の蓄熱容器。
【請求項３】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項１または２に記載の蓄熱容器。
【請求項４】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項５】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項６】
被覆が除去された前記部分は、前記容器の全体にわたって均一に分布されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光ファイバは、前記ファイバの少なくとも１つのセグメントが渦巻状または螺旋状の軌道を有するように前記容器の内部に配置され、
前記セグメントに沿った複数の位置において、前記光ファイバの一部が除去される、請求項１から６のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項８】
複数の光ファイバは、各光ファイバ（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５、Ｏ６）がその高さによって画定された特定の区画（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）内の液相と固相の量を測定することによって、前記容器内の液相と固相の量を前記高さの関数として測定するように、前記容器の内部に配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成され、および／または
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の蓄熱容器。
【請求項１０】
複数の温度センサは、鉛直線に沿って前記容器の内部に配置されている、請求項１から９に記載の蓄熱容器。
【請求項１１】
容器内の相変化材料の光学測定を行う測定システムを較正するための方法であって、前記相変化材料は、相変化時に段階的に変化する屈折率を有し、少なくとも１つの光ファイバが前記容器の内部に配置され、前記少なくとも１つの光ファイバは、コアの周りの被覆を含み、前記少なくとも１つの光ファイバは、前記被覆が除去されている複数の部分を含み、これらの部分において、前記コアは、前記容器内の前記相変化材料と直接接触し、前記波長λにおける前記コアの屈折率は、第１相における前記相変化材料の屈折率よりも高く、第２相における前記相変化材料の屈折率よりも低く、前記コアの屈折率は、前記相変化時に段階的に変化する前記相変化材料の屈折率の範囲内にあり、
前記少なくとも１つの光ファイバの前記出力で光強度を測定することによって、前記相変化材料の異なる相の割合を決定することができるように、被覆が除去されているまたは被覆されていない前記少なくとも１つの光ファイバの前記複数の部分は、前記蓄熱容器の全体にわたって分布され、
前記方法は、
前記少なくとも１つの光ファイバの入力に光源を結合するステップと、
前記相変化材料が全て前記第１相状態にあるときに、前記ファイバの出力で出射される光の最大強度を測定するステップと、
前記容器内の前記相変化材料が全て第２相状態にあるときに、前記ファイバの前記出力で最小強度を測定するステップと、
前記最小強度値および前記最大強度値を記憶するステップとを含む、方法。
【請求項１２】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成され、および／または、
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の少なくとも１つの光ファイバを含む容器内のＰＣＭ材料の状態を測定する方法であって、
第１波長λおよび強度Ｉの可干渉光を光ファイバの入口に提供することによって、前記光ファイバの出力で最大強度を測定するステップを含み、前記第１波長は、前記光ファイバのコアの屈折率が常に前記光ファイバの被覆または前記ＰＣＭ材料の屈折率よりも高くなるように選択され、
第２波長λおよび同一の強度Ｉの可干渉光をを前記光ファイバの前記入口に提供することによって、前記光ファイバの前記出力で最小強度を測定するステップを含み、前記第２波長は、前記相変化材料の屈折率が常に前記光ファイバのコアの屈折率よりも高くなるように選択され、
前記最小強度値および前記最大強度値を前記強度Ｉの関数として記憶するステップとを含む、方法。
【請求項１７】
前記第１相および前記第２相は、液相または固相のいずれかである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光ファイバは、前記相変化材料と直接接触している軌道に沿って被覆されていない、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
充電状態の指標を提供するために、前記コアは、前記蓄熱容器の全体積にわたって分布されている複数の位置で前記相変化材料に露出される、請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの光ファイバは、複数の波長の光を受光するように構成され、および／または
前記少なくとも１つの光ファイバの各光ファイバは、１つの波長の光または異なる波長の光を生成する光源と共に動作するように構成されている、請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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