JP2017022081A - 高エネルギー密度装置のための封じ込めシステム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムイオンバッテリなどの高エネルギー密度装置に発生しうる熱暴走など故障イベントを封じ込めるシステムを提供する。【解決手段】リチウムイオンバッテリなどの高エネルギー密度装置12を封じ込めるシステム10は、耐熱性・断熱性・吸熱特性に工夫を加えた熱材料を含む第1の封じ込め層14、その外側に配置され、ガス捕獲材料を含む第2の封じ込め層16、さらにその外側に配置され、バリスティック材料を含む第3の封じ込め層18を含む。【選択図】図1

Description

本出願は、リチウムイオンバッテリなどの高エネルギー密度装置に関し、特に、そのような高エネルギー密度装置を熱暴走などの故障イベントにおいて封じ込めるためのシステム及び方法に関する。
再充電可能なバッテリは、航空機上及び電子装置(例えば、コンピュータ及び携帯電話)内などの様々な用途で使用される。様々な種類の再充電可能なバッテリが市場で購入可能である一方で、コバルト酸リチウム(LiCoO)バッテリなどのリチウムイオンバッテリは、それらの比較的高いエネルギー密度及び部分的な充電後のバッテリメモリの欠乏のために、一般に使用されている。
リチウムイオンバッテリは、負荷の下で及び充電中に熱を生成することが知られている。したがって、バッテリの使用がリチウムイオンバッテリによって提供される高エネルギー密度から利益を得る場合に、熱管理が一般的に採用される。リチウムイオンバッテリの熱管理の一実施例は、リチウムイオンバッテリの様々なセルを物理的に分離することを含む。リチウムイオンバッテリの熱管理の別の一実施例は、高圧に耐えることができる筐体内にリチウムイオンバッテリを格納することを含む。熱管理の別の一実施例は、過熱を経験したいずれのセルもシャットダウンされ得るように、リチウムイオンバッテリの各々のセルの温度をモニターすることを含む。
進歩が既に実現しているにもかかわらず、当業者は、リチウムイオンバッテリの封じ込めの分野において、研究開発の努力を継続している。
一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料(thermal material)を含む、第1の封じ込め層、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含み、第1の封じ込め層が第2の封じ込め容積内に配置される、第2の封じ込め層、及び第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料(ballistic material)を含み、第2の封じ込め層が第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層、及び第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含み、第1の封じ込め層が第2の封じ込め容積内に配置される、第2の封じ込め層を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層、及び第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含み、第1の封じ込め層が第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層、及び第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含み、第2の封じ込め層が第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層、及び第1の封じ込め容積内に少なくとも部分的に受け入れられる高エネルギー密度装置を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層、及び第2の封じ込め容積内に少なくとも部分的に受け入れられる高エネルギー密度装置を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含む、第3の封じ込め層、及び第3の封じ込め容積内に少なくとも部分的に受け入れられる高エネルギー密度装置を含み得る。
別の一実施形態では、開示される封じ込めシステムが、第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、相変化材料及びキャリア(carrier)を含み、相変化材料がキャリアによって支持される、第1の封じ込め層、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、第1の封じ込め層が第2の封じ込め容積内に配置され、ガス透過層、ガス不透過層、及びガス透過層とガス不透過層との間に配置されたガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層、並びに第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、第2の封じ込め層が第3の封じ込め容積内に配置され、内張り材料及び内張り材料に連結された膨張性材料(dilatant material)を含む、第3の封じ込め層を含み得る。
更に別の一実施形態では、開示される封じ込め方法が、(1)高エネルギー密度装置を提供するステップ、(2)高エネルギー密度装置を、少なくとも部分的に、熱材料を含む第1の封じ込め層内に囲い込むステップ、(3)第1の封じ込め層を、ガス捕獲材料を含む第2の封じ込め層内に囲い込むステップ、及び(4)第2の封じ込め層を、バリスティック材料を含む第3の封じ込め層内に囲い込むステップを含み得る。
高エネルギー密度装置のための開示される封じ込めシステム及び方法の他の実施形態は、以下の詳細な説明、添付の図面、及び別記の特許請求の範囲により、明確になるであろう。
高エネルギー密度装置のための本開示の封じ込めシステムの一実施形態の概略断面図である。 複数のセルを有する高エネルギー密度装置に適用されるように示される、図1の封じ込めシステムの第1の封じ込め層の平面図である。 図2で示された第1の封じ込め層の側面図である。 図1の封じ込めシステムの第1の封じ込め層の一態様の断面図である。 図1の封じ込めシステムの第1の封じ込め層の別の一態様の斜視図である。 図5で示された第1の封じ込め層の拡大された立面図である。 図1の封じ込めシステムの第2の封じ込め層の断面図である。 第1の封じ込め層を覆う第2の封じ込め層を支持するための支持構造体の概略側面図である。 図8の支持構造体を覆って配置された第2の封じ込め層の概略側面図である。 図1の封じ込めシステムの第3の封じ込め層の一態様の断面図である。 図1の封じ込めシステムの第3の封じ込め層の別の一態様の断面図である。 第2の封じ込め層を覆う第3の封じ込め層を支持するための支持構造体の概略側面図である。 図12の支持構造体を覆って配置された第3の封じ込め層の概略側面図である。 高エネルギー密度装置のための本開示の封じ込め方法の一実施形態を描くフロー図である。 航空機の製造及び保守方法のフロー図である。 航空機のブロック図である。
図1を参照すると、高エネルギー密度装置12のための、概して10で指定される、封じ込めシステムの一実施形態が開示されている。高エネルギー密度装置12は、封じ込めシステム10内に配置され得る。したがって、封じ込めシステム10は、少なくとも部分的に、高エネルギー密度装置12から発散している熱、ガス、液体、及び/又は固体(例えば、粒子若しくはバルクピース(bulk piece))を封じ込め得る。
本明細書で使用されるように、「高エネルギー密度装置」は、広く、貯蓄であれ生成であれ、比較的高い量の装置の単位容積(又は質量)当たりの電気エネルギーを生み出す、任意の電気エネルギー源を指す。非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、リチウムイオンバッテリなどのバッテリであり得る。別の非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、プロトン交換膜燃料電池又は固体酸化物燃料電池などの燃料電池であり得る。更に別の非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、超コンデンサであり得る。
封じ込めシステム10は、第1の封じ込め層14、第2の封じ込め層16、及び/又は第3の封じ込め層18を含む。第2の封じ込め層16は、第3の封じ込め層18内に配置され得る。第1の封じ込め層14は、第2の封じ込め層16内に配置され得る。高エネルギー密度装置12は、第1の封じ込め層14内に配置され得る。
3つの封じ込め層(第1の封じ込め層14、第2の封じ込め層16、及び第3の封じ込め層18)を有する封じ込めシステム10が示され説明される一方で、本開示の範囲から逸脱することなく、1以上の追加の封じ込め層が、封じ込めシステム10に組み込まれ得る。追加の封じ込め層は、第1の封じ込め層14、第2の封じ込め層16、又は第3の封じ込め層18と同じ(又は類似の)機能性を有し得る。代替的に、追加の層の機能性は、第1、第2、及び第3の封じ込め層14、16、18の機能性とは異なり得る。
更に、3つの封じ込め層(第1の封じ込め層14、第2の封じ込め層16、及び第3の封じ込め層18)を有する封じ込めシステム10が示され説明される一方で、3つの開示された封じ込め層14、16、18よりも少ない封じ込め層を有する封じ込めシステム10を使用することによって利益が取得され得る。そのような変更は、本開示の範囲からの逸脱をもたらさないだろう。例えば、一変形例では、封じ込めシステム10が、第1の封じ込め層14及び第2の封じ込め層16のみを含む。別の一変形例では、封じ込めシステム10が、第1の封じ込め層14及び第3の封じ込め層18のみを含む。別の一変形例では、封じ込めシステム10が、第2の封じ込め層16及び第3の封じ込め層18のみを含む。更に別の変形例では、封じ込めシステム10が、第1の封じ込め層14のみ、第2の封じ込め層16のみ、又は第3の封じ込め層18のみなどの1つだけの封じ込め層を含む。
図1で示されているように、本開示の封じ込めシステム10は、ベース構造体20に取り付けられ得る。例えば、封じ込めシステム10の封じ込め層14、16、18の1以上が、ベース構造体20に連結され得る。ベース構造体20は、航空機のカーゴフロアなどの床であり、又は取り付けベース、プレート、ブラケット、若しくはボードなどの、高エネルギー密度装置12と共に使用されるように特に設計された構造体であり得る。
特定の一構成では、本開示の封じ込めシステム10が、第2及び第3の封じ込め層16、18を介してベース構造体20に取り付けられ得る。例えば、第2の封じ込め層16は、第2の封じ込め層16及びベース構造体20の両方が、第2の封じ込め容積22を画定するように、ベース構造体20に固定的に連結され得る。第2の封じ込め容積22は、第1の封じ込め層14及び高エネルギー密度装置12を含み得る。更に、第3の封じ込め層18は、第3の封じ込め層18及びベース構造体20の両方が、第3の封じ込め容積24を画定するように、ベース構造体20に固定的に連結され得る。第3の封じ込め容積24は、第2の封じ込め層16、第1の封じ込め層14、及び高エネルギー密度装置12を含み得る。
ベース構造体20と第2及び第3の封じ込め層16、18との間の連結は、機械的ファスナ、接着剤、及びそれらと同様なものを用いて行われ得る。例えば、ブラケット26(例えば、L形状のブラケット)及びボルト28が使用され、第2及び第3の封じ込め層16、18をベース構造体20に連結し得る。任意選択的に、ガスケット又は密封剤などの(図示せぬ)密封材料が、ベース構造体20と第2及び第3の封じ込め層16、18との間に配置され、それらの間の気密な連結を保証し得る。
代替的に、ベース構造体20が封じ込めシステム10の第2の封じ込め容積22及び第3の封じ込め容積24の少なくとも一部分を画定するよりもむしろ、封じ込め容積22、24は、封じ込めシステム10によって完全に画定され得る。例えば、第2の封じ込め容積22は、第2の封じ込め層16によって完全に画定され、第3の封じ込め容積24は、第3の封じ込め層18によって完全に画定され得る。
更に図1を参照すると、高エネルギー密度装置12は、少なくとも部分的に、第1の封じ込め層14内に囲い込まれ得る。したがって、第1の封じ込め層14は、少なくとも部分的に、第1の封じ込め容積30を画定し、高エネルギー密度装置12は、少なくとも部分的に、第1の封じ込め容積30内に受け入れられ得る。
高エネルギー密度装置12と第1の封じ込め層14との間にはギャップGが存在し得る。断熱材料又は熱伝導材料などの他の材料をギャップG内に導入することも考慮されるが、ギャップGは周囲空気で満たされ得る。ギャップGが図1で示される一方で、ギャップGを(除去できないのであれば)最小化するためのステップがとられ得る。例えば、高エネルギー密度装置12は、第1の封じ込め層14内に接近した状態で受け入れられ得る。
第1の封じ込め層14は、様々な構成を想定し得る。一実施例として、第1の封じ込め層14は、高エネルギー密度装置12の少なくとも一部分を覆って受け入れられ得るスリーブとして構成され得る。別の一実施例として、第1の封じ込め層14は、高エネルギー密度装置12の少なくとも一部分を包み得るラップ(wrap)として構成され得る。更に別の一実施例として、第1の封じ込め層14は、少なくとも部分的に、高エネルギー密度装置12を受け入れ得る、箱などの容器として構成され得る。
図2及び図3を参照すると、特定の一用途では、図1で単一のブロックとして示される高エネルギー密度装置12が、複数のサブユニット12A、12B、12C、12Dを有し得る。サブユニット12A、12B、12C、12Dは、直列又は並列などに電気的に相互接続され得る。4つのサブユニット12A、12B、12C、12Dが図2及び図3で示される一方で、4つよりも少ないサブユニットを有する高エネルギー密度装置12、又は4つよりも多いサブユニットを有する高エネルギー密度装置12も使用され得る。
高エネルギー密度装置12が複数のサブユニット12A、12B、12C、12Dを有する場合に、第1の封じ込め層14は、複数の第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14Dを含み得る。第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14Dの数は、サブユニット12A、12B、12C、12Dの数と実質的に等しくなり得る。したがって、高エネルギー密度装置12の各サブユニット12A、12B、12C、12Dは、第1の封じ込め層14の関連付けられた第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14D内に囲い込まれ得る。代替的に、第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14Dの数は、サブユニット12A、12B、12C、12Dの数未満であり得る。したがって、高エネルギー密度装置12の2以上のサブユニット12A、12B、12C、12Dが、第1の封じ込め層14の同じ第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14D内に囲い込まれ得る。
特定の非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、リチウムイオンバッテリ(例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)バッテリ)などのバッテリであり得る。したがって、高エネルギー密度装置12は、複数の電気的に相互接続された電気化学セル(サブユニット)12A、12B、12C、12Dを含み得る。バッテリ(高エネルギー密度装置)12の各セル(サブユニット)12A、12B、12C、12Dは、第1の封じ込め層14の関連付けられた第1の封じ込めユニット14A、14B、14C、14D内に囲い込まれ(例えば、ラップされ)得る。
第1の封じ込め層14は、熱材料から形成され得る(又は熱材料を含み得る)。したがって、高エネルギー密度装置12から発散している熱は、熱伝導などの手段によって、第1の封じ込め層14の熱材料に伝達され得る。熱材料の組成は、第1の封じ込め層14が、第1の封じ込め層14の外側へ(例えば、第2の封じ込め層16及びその他へ)熱を直ちに伝達することなしに、高エネルギー密度装置12から発散している熱を吸収し得るように選択され得る。したがって、第1の封じ込め層14は、高エネルギー密度装置12から発散している熱を封じ込めるように機能し得る。
図2及び図3で示されるように、高エネルギー密度装置12が、複数のサブユニット12A、12B、12C、12Dを含む場合に、第1の封じ込め層14の熱材料は、高エネルギー密度装置12の1つのサブユニットから発散している熱が他のサブユニットへ伝達されることを抑止し得る。したがって、第1の封じ込め層14は、高エネルギー密度装置12の様々なサブユニット12A、12B、12C、12Dを互いから熱的に孤立させるようにも機能し得る。
第1の実施態様では、第1の封じ込め層14の熱材料が、高温ポリマーなどのポリマーであり得る(又は含み得る)。したがって、熱材料は、高温に耐えることができる一方で、第1の封じ込め層14に断熱特性を与え得る。
第1の封じ込め層14の熱材料として使用されることが適切な高温ポリマーは、ポリマー材料の実質的な軟化を経験することなしに、少なくとも約100℃の温度まで加熱されることができる。一実施例として、高温ポリマー熱材料は、ポリマー材料の実質的な軟化を経験することなしに、少なくとも約150℃の温度まで加熱されることができる。別の一実施例として、高温ポリマー熱材料は、ポリマー材料の実質的な軟化を経験することなしに、少なくとも約200℃の温度まで加熱されることができる。別の一実施例として、高温ポリマー熱材料は、ポリマー材料の実質的な軟化を経験することなしに、少なくとも約300℃の温度まで加熱されることができる。別の一実施例として、高温ポリマー熱材料は、少なくとも約100℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーであり得る。別の一実施例として、高温ポリマー熱材料は、少なくとも約125℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーであり得る。更に別の一実施例として、高温ポリマー熱材料は、少なくとも約150℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーであり得る。
第1の実施態様の第1の表現では、第1の封じ込め層14の熱材料が、ポリアリールエーテルケトンであり得る(又は含み得る)。改変されたポリアリールエーテルケトンの使用も考えられる。ポリアリールエーテルケトンは、高温においてそれらの強度を保持することが知られている熱可塑性ポリマーである。実際、様々なポリアリールエーテルケトンが、航空機での使用を認められ、実際に使用されてきた。
様々なポリアリールエーテルケトン及び関連する熱可塑性ポリマーが、第1の封じ込め層14の熱材料として使用され得る。特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、ポリエーテルケトン(PEK)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)から形成され得る(又は含み得る)。更に別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、ポリエーテルイミド(PEI)から形成され得る(又は含み得る)。
第1の実施態様の第2の表現では、第1の封じ込め層14の熱材料が、高温シリコンなどのシリコンであり得る(又は含み得る)。高温シリコンは、比較的低い熱伝導率を有し、したがって、高エネルギー密度装置12から発散している熱を第1の封じ込め層14内に封じ込めることができる。高温シリコンは高温に耐えることができるので、高温シリコンから第1の封じ込め層14を形成することは、高エネルギー密度装置12が、高温で、第1の封じ込め層14内に囲い込まれたままであることを保証し得る。
様々な高温シリコンが、第1の封じ込め層14の熱材料として使用され得る。特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、室温でゴム状になる(RTV)シリコンから形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、高温でゴム状になる(HTV)シリコンから形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1の封じ込め層14は、シリコンフォームから形成され得る(又は含み得る)。
第1の封じ込め層14は、様々な技術を使用して、ポリマー熱材料から形成され得る。一実施例として、ポリマー熱材料は、(例えば、射出成形によって)成形され、望ましい形状及びサイズを有する固形物(例えば、高エネルギー密度装置12を接近した状態で受け入れるようにサイズ決定された容器又はスリーブ)を形成する。別の一実施例として、ポリマー熱材料は、比較的薄いシート又はフィルムへ成型され、シート/フィルムが高エネルギー密度装置12をラップするように使用され得る。シート/フィルムのラップは、第1の封じ込め層14を形成し得る。更に別の一実施例として、ポリマー熱材料が最初は液体状であり、高エネルギー密度装置12がポリマー熱材料の中に浸され、それによって、高エネルギー密度装置12上にポリマーコーティングを形成し得る。硬化した後に、ポリマーコーティングは、第1の封じ込め層14を形成し得る。
第2の実施態様では、第1の封じ込め層14の熱材料が、相変化材料であり得る(又は含み得る)。例えば、相変化材料は、25℃の温度及び1気圧の圧力の下で固体であり得る。相変化材料の温度が上がると、相変化材料は、その融点に達し、溶け始める。更なる加熱は、相変化材料が完全に固体相から液体相へと変換されてしまうまで、相変化材料の温度を増加させない。固体から液体への遷移の間に吸収される熱の量は、その融解熱のみならず使用されている相変化材料の量に依存する。ほとんどの相変化材料の融解熱は、約1000kJ/kgから約5kJ/kgまでの範囲内に含まれ得る。
第2の実施態様の第1の表現では、第1の封じ込め層14の熱材料が、有機相変化材料であり得る(又は含み得る)。非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、パラフィン(paraffin)から形成され得る(又は含み得る)。別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、14から34までの炭素原子を有し、且つ5℃から76℃までの範囲内に含まれる融点を有する脂肪酸などの、脂肪酸から形成され得る(又は含み得る)。別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、みつろうから形成され得る(又は含み得る)。別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、キノン(quinone)から形成され得る(又は含み得る)。別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、安息香酸から形成され得る(又は含み得る)。更に別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、pキシレン二塩化物(p‐xylene dichloride)から形成され得る(又は含み得る)。
第2の実施態様の第2の表現では、第1の封じ込め層14の熱材料が、無機相変化材料であり得る(又は含み得る)。非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、ケイ酸ナトリウムから形成され得る(又は含み得る)。別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、リチウムから形成され得る(又は含み得る)。更に別の非限定的な一実施例として、相変化材料を含む第1の封じ込め層14は、塩化ナトリウムから形成され得る(又は含み得る)。
様々な市販の相変化材料が、第1の封じ込め層14の熱材料として使用され得る。適切な一実施例は、ミネソタ州プリマスのEntropy Solutions, Inc.から販売されているPureTemp‐53である。別の適切な一実施例は、これもEntropy Solutions, Inc.から販売されているPureTemp‐103である。別の適切な一実施例は、スウェーデン国シェーブデのClimator Sweden ABから販売されているClimselTM C70である。更に別の適切な一実施例は、英国ケンブリッジシャー州のPhase Change Material Products Ltd.から販売されているPlus‐ICETM S89である。
相変化材料それ自身が、第1の封じ込め層14を形成し得る。例えば、第1の封じ込め層14は、少なくとも部分的に高エネルギー密度装置12を受け入れることができる、みつろうから形成(例えば、成型)された容器(例えば、箱)であり得る。しかしながら、相変化材料は、(例えば、固体と液体との)相変化を経験し得るので、相変化材料は、キャリアによって(例えば、キャリア上で又はキャリア内で)支持され得る。様々な技術が使用されて、相変化材料を第1の封じ込め層14との関連で支持することができる。
図4を参照すると、例示的な一構成では、第1の封じ込め層14が、相変化材料42などの熱材料が組み込まれたところのシート40として構成され得る。シート40は、キャリア44及びキャリア44によって支持された相変化材料42を含み得る。キャリア44はポケット46を画定し、ポケット46は相変化材料42で満たされ得る。
キャリア44は、第1の層50と第2の層52との間にポケット46を画定するように第2の層52に連結された第1の層50を含む、積層構造体48として構築され得る。相変化材料42は、キャリア44によって画定されたポケット46内に含まれ得る。一般的で非限定的な一実施例として、積層構造体48の第1及び第2の層50、52は、ラミネート加工、ヒートシーリング(heat sealing)、接着剤、又はそれらと同様なものなどによって共に連結されたポリマーフィルムであり得る。様々なポリマーフィルムが使用され得る。特定の非限定的な一実施例として、積層構造体48の第1及び第2の層50、52は、ポリエチレンから形成され、第1のポリエチレン層50が第2のポリエチレン層52にヒートシールされ、ポケット46を画定し、相変化材料42をポケット46内に封じ込め得る。
図5及び図6を参照すると、別の例示的な一構成では、第1の封じ込め層14が、相変化材料62(図6)などの熱材料がその上に(又はその中に)組み込まれたところの本体60として構成され得る。本体60は、キャリア64(図6)及び相変化材料62を含み得る。相変化材料62は、キャリア64によって支持され得る。
キャリア64は、剛性(又は半剛性)フレームワーク(framework)などの、相変化材料62を支持することができるフレームワークであり得る。一般的で非限定的な一実施例として、キャリア64はメッシュ(mesh)であり得る。メッシュは、金属及び/又は金属酸化物などの様々な材料から形成され、それによって、キャリア64を熱劣化に耐えられるようにすることができる。特定の非限定的な一実施例として、キャリア64は、アルミニウム酸化物(AlO)から形成されたメッシュであり得る。別の一般的で非限定的な一実施例として、キャリア64は繊維素材(fabric)であり得る。繊維素材は、金属酸化物及び又は高温ポリマーなどの様々な材料から形成され得る。別の特定の非限定的な一実施例として、キャリア64はアルミニウム酸化物(AlO)の繊維素材であり得る。
このようにして、キャリア64は、本体60の形状を画定し得る。図5で示されるように、本体60は、その内部に高エネルギー密度装置12を接近した状態で受け入れるようにサイズ決定され形作られた容器(例えば、直線的な容器)として構成され得る。しかしながら、本体60の他の構成(例えば、高エネルギー密度装置12に対して配置され得るシート又はパッチ)も考えられ得る。
相変化材料62は、キャリア64上に(又は中に)組み込まれ得る。非限定的な一実施例として、相変化材料62は、図6で示されるように、キャリア64上に被覆(コーティング)され得る。キャリア64のコーティングは、噴霧、浸漬、又はそれらと同様なものなどの様々な技術を使用して取得され得る。別の非限定的な一実施例として、相変化材料62は、キャリア64が多孔性又は半多孔性の材料(例えば、金属酸化物繊維素材)から形成された場合などに、キャリア64に含浸され得る。相変化材料62をキャリア64に含浸させることは、ソーキング(soaking)などの様々な技術を使用して達成され得る。
図1に戻って参照すると、高エネルギー密度装置12及び第1の封じ込め層14は、第2の封じ込め層16内に囲い込まれ得る。したがって、高エネルギー密度装置12及び第1の封じ込め層14は、第2の封じ込め層16によって画定された第2の封じ込め容積22の一部分を占め得る。しかしながら、第2の封じ込め容積22は、高エネルギー密度装置12及び第1の封じ込め層14によって占められた空間の容積よりも大きい可能性があり、それによって、第1の封じ込め層14と第2の封じ込め層16との間に隙間23を残す。
任意選択的に、1以上のセンサ25が、第2の封じ込め層16の隙間23を感知するように配置され得る。一実施例として、センサ25は、水素センサ、二酸化炭素センサ、一酸化炭素センサ、及び/又は炭化水素センサなどの、ガスセンサであり得る。別の一実施例として、センサ25は温度センサであり得る。更に別の一実施例として、センサ25は圧力センサであり得る。
第2の封じ込め層16は、様々な構成を想定し得る。図1で示されるように、特定の一構成では、第2の封じ込め層16が、ベース構造体20上に支持されたドームとして構築され得る。図1で、ドーム形状の第2の封じ込め層16が、円弧状の断面を有するように示されている一方で、円形状(例えば、半球ドーム)などの様々な代替的断面が考えられる。任意の特定の理論に限定されることなく、ドーム形状の第2の封じ込め層16は、別の非ドーム形状の構成を有する第2の封じ込め層16よりも大きいバリスティック統合性(ballistic integrity)を有し得る。とは言うものの、第2の封じ込め層16を非ドーム形状の構成へと構築することは、本開示の範囲から逸脱しない。
第2の封じ込め層16は、ガス捕獲材料(gas capturing material)から形成され得る(又は含み得る)。したがって、(全てのガスを網羅しないが)高エネルギー密度装置12から発散している特定のガスは、吸着又は吸収などの手段により、第2の封じ込め層16によって捕獲され得る。第2の封じ込め層16は、高エネルギー密度装置12から発散しているガスが、第2の封じ込め層16に入りガス捕獲材料と接触するが、第2の封じ込め層16を貫通し得ない(例えば、第3の封じ込め層18及びその他へ至らない)ように構築され得る。そのようにして、第2の封じ込め層16は、高エネルギー密度装置12から発散しているガスを封じ込めるように機能し得る。
図7を参照すると、第2の封じ込め層16は、ガス捕獲材料72、ガス透過層74、及びガス不透過層76を含み得る積層構造体70として形成され得る。ガス捕獲材料72は、ガス透過層74とガス不透過層76との間に配置され得る。ガス透過層74は、第2の封じ込め層16のインボード側78を画定し、一方、ガス不透過層76は、第2の封じ込め層16のアウトボード側80を画定し得る。
ガス捕獲材料層72の断面厚さTは、設計留意点であり、他の潜在的な要因の中でとりわけ、ガス捕獲材料層72の組成、使用される高エネルギー密度装置12(図1)の種類、及び封じ込めシステム10の全体的なサイズなどの、様々な要因によって影響を受け得る。例えば、ガス捕獲材料層72の断面厚さTは、約0.5cmから約15cmまでの範囲内であり、例えば、約1cmから約10cmまでであり、又は約2cmから約8cmまでであり得る。
本開示の範囲から逸脱することなく、追加の層が、第2の封じ込め層16の積層構造体70内に含まれ得る。例えば、一変形例では、積層構造体70が、複数の交互に現れるガス透過層74及びガス捕獲材料層72を含み得る。
このようにして、矢印Aによって示されるように、高エネルギー密度装置12(図1)から発散しているガスは、ガス透過層74を通過して、第2の封じ込め層16のインボード側78の積層構造体70の中へ入り得る。一旦、積層構造体70の内側へ入ると、ガスは、ガス捕獲材料72と接触し得る。ガス不透過層76は、第2の封じ込め層16のアウトボード側80から外へガスが通過することを(完全には妨げられないとしても)抑止し得る。
様々な材料が使用されて、第2の封じ込め層16の積層構造体70のガス透過層74を形成し得る。一般的で非限定的な一実施例として、ガス透過層74は、織物又不織布などの繊維素材から形成され得る(又は含み得る)。特定の非限定的な一実施例として、ガス透過層74は、金属酸化物繊維の繊維素材から形成され得る(又は含み得る)。当業者は、様々な金属酸化物繊維が、概して、劣化することなしに高温に耐え得ることを理解するだろう。適切な金属酸化物繊維は、アルミナ(Al)繊維、シリカ(SiO)繊維、及び二酸化チタニウム(TiO)繊維を含むが、それらに限定されるものではない。別の一般的で非限定的な一実施例として、ガス透過層74は、ガス透過性ポリマーフィルムから形成され得る(又は含み得る)。
同様に、様々な材料が使用されて、第2の封じ込め層16の積層構造体70のガス不透過層76を形成し得る。一般的で非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、ポリマー材料から形成され得る(又は含み得る)。特定の非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、ポリエーテルイミド(PEI)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、ポリウレタン(TPU)から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、ポリフェニルスルホン(PPSU)から形成され得る(又は含み得る)。別の一般的で非限定的な一実施例として、ガス不透過層76は、金属材料から形成され得る(又は含み得る)。別の特定の非限定低な一実施例として、ガス不透過層76は、金属化フィルム(例えば、アルミニウム金属化ポリエチレンテレフタレート(aluminum metalized polyethylene terephthalate))又はアルミニウム金属化ポリプロピレン(aluminum metalized polypropylene))から形成され得る(又は含み得る)。
ガス捕獲材料72は、高エネルギー密度装置12(図1)の過渡的な動作の間などに、高エネルギー密度装置12(図1)から発散し得るガスの1以上を捕獲することができる任意の材料であり得る。ターゲットガスは、様々な揮発性有機化合物のみならず、水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含むが、それらに限定されるものではない。したがって、ガス捕獲の様々なモードが考えられる。
第1の実施態様では、ガス捕獲材料72が、吸着剤(又は吸着剤の組み合わせ)であり得る(又は含み得る)。吸着性ガス捕獲材料72の組成は、高エネルギー密度装置12(図1)から発散し得るガスによって影響を受け得る。適正な材料の選択を伴って、高エネルギー密度装置12から発散しているガスは、第2の封じ込め層16の積層構造体70の中へ入り、ガス捕獲材料72に吸着され得る。
吸着性ガス捕獲材料72の物理的な形態は、ガス捕獲材料72の組成によって影響を受け得る。吸着性粒子、積層吸着剤、フォーム、及びそれらと同様なものなどの使用が考えられるが、様々な他の形態が、本開示の範囲から逸脱することなしに使用され得る。
第1の実施態様の第1の表現では、ガス捕獲材料72が、水素選択吸着剤であり得る(又は含み得る)。水素選択吸着剤の一般的で非限定的な一実施例は、金属有機フレームワークである。金属有機フレームワーク系水素選択吸着剤の特定の非限定的な一実施例は、ZnO(BBC)であり、BBCは4、4’、4”‐[benzene‐1、3、5‐triyl‐tris(benzene‐4、1‐diyl)]tribenzoateである。水素選択吸着剤の別の一般的で非限定的な一実施例は、ゼオライトである。ゼオライト系水素選択吸着剤の特定の非限定的な一実施例は、モルデナイト(mordenite)である。ゼオライト系水素選択吸着剤の別の特定の非限定的な一実施例は、フォージャサイト(faujasite)である。
第1の実施態様の第2の表現では、ガス捕獲材料72が、二酸化炭素選択吸着剤であり得る(又は含み得る)。二酸化炭素選択吸着剤の一般的で非限定的な一実施例は、金属有機フレームワークである。金属有機フレームワーク系二酸化炭素選択吸着剤の特定の非限定的な一実施例は、Mg(DOBDC)であり、DOBDCは2、5‐dioxido‐1、4‐benzenedicarboxylateである。二酸化炭素選択吸着剤の別の一般的で非限定的な一実施例は、ゼオライトである。ゼオライト系二酸化炭素選択吸着剤の特定の非限定的な一実施例は、ゼオライト 13Xである。
第1の実施態様の第3の表現では、ガス捕獲材料72が、炭化水素選択吸着剤であり得る(又は含み得る)。炭化水素選択吸着剤の一般的で非限定的な一実施例は、金属有機フレームワークである。金属有機フレームワーク系C1〜C13炭化水素選択吸着剤の特定の非限定的な一実施例は、Fe‐MOF‐74である。金属有機フレームワーク系C1〜C13炭化水素選択吸着剤の別の特定の非限定的な一実施例は、Mg‐MOF‐74である。
第2の実施態様では、ガス捕獲材料72が、吸収剤(又は吸収剤の組み合わせ)であり得る。吸収性ガス捕獲材料72の組成は、高エネルギー密度装置12(図1)から発散し得るガスによって影響を受け得る。適正な材料の選択を伴って、高エネルギー密度装置12から発散しているガスは、第2の封じ込め層16の積層構造体70の中へ入り、ガス捕獲材料72に吸収され得る。
吸収性ガス捕獲材料72の物理的な形態は、ガス捕獲材料72の組成によって影響を受け得る。液体吸収剤の使用が考えられるが、様々な他の形態(例えば、固体)が、本開示の範囲から逸脱することなく使用され得る。
第2の実施態様の第1の表現では、ガス捕獲材料72が、二酸化炭素を吸収するための液体溶媒などの液体溶媒であり得る(又は含み得る)。二酸化炭素選択吸収液体溶媒の一般的で非限定的な一実施例は、アミンである。アミン系二酸化炭素選択吸収液体溶媒の特定の非限定的な一実施例は、モノエタノールアミンである。二酸化炭素選択吸収液体溶媒の別の一般的で非限定的な一実施例は、アルカリ溶液である。アルカリ系二酸化炭素選択吸収液体溶媒の特定の非限定的な一実施例は、水酸化ナトリウムである。アルカリ系二酸化炭素選択吸収液体溶媒の別の特定の非限定的な一実施例は、水酸化リチウムである。
積層構造体70が、ガス捕獲材料72を第2の封じ込め層16の中へ組み込むための適切な手段として示され説明される一方で、様々な代替的技術も考えられ得る。例えば、ガス捕獲材料72がフォーム又は他の多孔性材料の中へ組み込まれ(例えば、分散され)、ガス不透過層76がフォーム上に積層され、第2の封じ込め層16の外側へガスが逃げることを抑止する。
図8及び図9を参照すると、第2の封じ込め層16(図9)は、支持構造体82上に配置され得る。支持構造体82は、第2の封じ込め層16のために望ましい構成を有するフレームワークとして構築され得る。例えば、支持構造体82は、高エネルギー密度装置12から第2の封じ込め層16へのガスの移動を妨げない金属フレームワークであり得る。
このようにして、第2の封じ込め層16が元来十分に硬くない場合に、第2の封じ込め層16は支持構造体82を覆って寄りかかり得る。したがって、支持構造体82は第2の封じ込め層16の重量を支持し、第2の封じ込め層16は支持構造体82の形状に従順であり得る。
図1に戻って参照すると、高エネルギー密度装置12、第1の封じ込め層14、及び第2の封じ込め層16は、第3の封じ込め層18内に囲い込まれ得る。したがって、高エネルギー密度装置12、第1の封じ込め層14、及び第2の封じ込め層16は、第3の封じ込め層18によって画定された第3の封じ込め容積24の一部分を占め得る。しかしながら、第3の封じ込め容積24は、高エネルギー密度装置12、第1の封じ込め層14、及び第2の封じ込め層16によって占められた空間の容積よりも大きくなり得、それによって、第2の封じ込め層16と第3の封じ込め層18との間に隙間27を残す。
任意選択的に、1以上のセンサ29が、第3の封じ込め層18の隙間27を感知するように配置され得る。一実施例として、センサ29は、水素センサ、二酸化炭素センサ、一酸化炭素センサ、及び/又は炭化水素センサなどの、ガスセンサであり得る。別の一実施例として、センサ29は温度センサであり得る。更に別の一実施例として、センサ29は圧力センサであり得る。
第3の封じ込め層18は、様々な構成を想定し得る。図1で示されるように、特定の一構成では、第3の封じ込め層18が、ベース構造体20上に支持されたドームとして構築され得る。図1で、ドーム形状の第3の封じ込め層18が、円弧状の断面を有するように示される一方で、円形状(例えば、半球ドーム)などの様々な代替的断面が考えられる。任意の特定の理論に限定されることなく、ドーム形状の第3の封じ込め層18は、別の非ドーム形状の構成を有する第3の封じ込め層18よりも大きいバリスティック統合性(ballistic integrity)を有し得る。とは言うものの、第3の封じ込め層18を非ドーム形状の構成に構築することは、本開示の範囲からの逸脱をもたらさないだろう。
第3の封じ込め層18は、バリスティック材料から形成され得る(又は含み得る)。したがって、第3の封じ込め層18は、比較的高速で移動する物体による損傷に耐えることができる。そのようにして、第3の封じ込め層18は、高エネルギー密度装置12から発散している粒子を封じ込めるように機能し得る。
第1の実施態様では、第3の封じ込め層18のバリスティック材料が、膨張性材料(dilatant material)であり得る(又は含み得る)。したがって、第3の封じ込め層18は、比較的軟らかく、柔軟で、且つ軽量であり得る。しかしながら、移動している粒子による衝撃を受けると、第3の封じ込め層18内の膨張性材料は、ずれ粘稠化(shear thickening)を経験し、それによって、粒子に対して、衝撃からのエネルギーを分散させることができる硬い表面を提供する。
様々な膨張性材料が、本開示の範囲から逸脱することなく、第3の封じ込め層18のバリスティック材料として使用され得る。適切な膨張性材料の非限定的な一実施例は、英国イーストサセックス州のD3O Labから購入可能なD3O(登録商標)膨張性材料である。適切な膨張性材料の別の非限定的な一実施例は、英国のAumourgel Limitedから購入可能なARMOURGEL(登録商標)エネルギー吸収材料である。
膨張性材料は、応力がない状態で流れ得る。したがって、膨張性材料を本開示の封じ込めシステム10の第3の封じ込め層18の中へ組み込むことは、基板上で(又は基板内で)膨張性材料を支持することを必要とし得る。本開示の範囲から逸脱することなしに、様々な技術が使用され、膨張性材料を支持することができる。
図10を参照すると、第1の実施態様の1つの表現では、第3の封じ込め層18が、膨張性材料102、第1の内張り層104、及び、任意選択的に、第2の内張り層106を含む積層構造体100として形成される。膨張性材料層102は、第1の内張り層104と任意選択した第2の内張り層106との間に配置される。
第1及び第2の内張り層104、106は、様々な基板材料から形成され得る。機能的に、第1及び第2の内張り層104、106は、膨張性材料102を積層構造体100内に支持し、それによって、膨張性材料の流れを抑止し、積層構造体100の積層構成を維持する。一般的で非限定的な一実施例として、第1及び第2の内張り層104、106は、バリスティック繊維素材などの繊維素材であり得る(又は含み得る)。特定の非限定的な一実施例として、第1及び第2の内張り層104、106は、デラウェア州ウィルミントンのE.I.du Pont de Nemours and Companyから購入可能な、KEVLAR(登録商標)パラアラミド合成繊維素材(para‐aramid synthetic fabric)であり得る(又は含み得る)。別の特定の非限定的な一実施例として、第1及び第2の内張り層104、106は、バリスティックナイロンであり得る(又は含み得る)。
膨張性材料層102の断面厚さTは、設計留意点であり、他の潜在的な要素の中でとりわけ、膨張性材料102の組成、使用される高エネルギー密度装置12(図1)の種類、及び封じ込めシステム10の全体的なサイズによって影響を受け得る。例えば、膨張性材料層102の断面厚さTは、約0.1cmから約10cmまでの範囲内に含まれ、例えば、約0.5cmから約5cmまでであり、又は約1cmから約3cmまでであり得る。
本開示の範囲から逸脱することなく、追加の層が、第3の封じ込め層18の積層構造体100内に含まれ得る。例えば、一変形例では、積層構造体100が、複数の交互に現れる膨張性材料及び内張り材料の層を含み得る。
任意選択的に、第3の封じ込め層18の積層構造体100は、キルティング加工され(quilted)得る。積層構造体100のキルティング(quilting)は、膨張性材料102を第1及び第2の内張り層104、106によって画定された複数のポケット内に封じ込め、それによって、膨張性材料102の流れを抑止し、積層構造体100の全体の構成を保持する。
第2の実施態様では、第3の封じ込め層18のバリスティック材料が、バリスティック繊維素材であり得る(又は含み得る)。したがって、第3の封じ込め層18は、比較的軟らかく、柔軟で、且つ軽量であり、更に、その中を通って移動する粒子の通過を阻止し得る。
図11を参照すると、第2の実施態様の1つの表現では、第3の封じ込め層18が、複数のバリスティック繊維素材層122、124、126、128、130、132、134を含む、積層構造体120として形成され得る。積層構造体120の各バリスティック繊維素材層122、124、126、128、130、132、134は、同じ組成を有し得る。代替的に、積層構造体120の少なくとも1つの層(例えば、層124、128、132)が、他の層(例えば、層122、126、130、134)と異なり得る。
このようにして、第3の封じ込め層18は、複数の重なった層の構造体として形成され得る。しかしながら、単一層の第3の封じ込め層18を使用することも考えられ、それは、本開示の範囲からの逸脱をもたらさないだろう。
様々なバリスティック繊維素材(又はバリスティック繊維素材の組み合わせ)が使用され、第3の封じ込め層18を構築し得る。積層構造体120を形成することにおいて有用なバリスティック繊維素材の非限定的な一実施例は、KEVLAR(登録商標)para‐aramid synthetic fabricである。積層構造体120を形成することにおいて有用なバリスティック繊維素材の別の非限定的な一実施例は、ルクセンブルグのInvista North America S.a r.l.から購入可能なCORDURA(登録商標)ballistic fabricである。積層構造体120を形成することにおいて有用なバリスティック繊維素材の更に別の非限定的な一実施例は、バージニア州コロニアルハイツのHoneywell Advanced Fibers and Compositesから購入可能なSPECTRA(登録商標)fiber fabricである。
図12及び図13を参照すると、第3の封じ込め層18(図13)は、支持構造体140上に配置され得る。支持構造体140は、第3の封じ込め層18のために望ましい構成を有するフレームワークとして構築され得る。例えば、支持構造体140は、第3の封じ込め層18の重量を支持することができる金属フレームワークであり得る。
このようにして、第3の封じ込め層18が元来十分に硬くない場合に、第3の封じ込め層18は支持構造体140を覆って寄りかかり得る。したがって、支持構造体140が第3の封じ込め層18の重量を支持し、第3の封じ込め層18が支持構造体140の形状に従順であり得る。
したがって、本開示の封じ込めシステム10は、複数の封じ込め層(第1の封じ込め層14、第2の封じ込め層16、及び第3の封じ込め層18)を含み得る。封じ込めシステム10の各封じ込め層14、16、18は、少なくとも1つの特定の機能性において封じ込めシステム10に貢献し得る。したがって、高エネルギー密度装置12が封じ込めシステム10に封じ込められた場合に、高エネルギー密度装置12から発散している熱、ガス、液体、及び/又は固体は、封じ込めシステム10内に封じ込められ得る。封じ込めシステム10は、(例えば、高エネルギー密度装置12が完全に封じ込めシステム10内に囲い込まれているなど)雰囲気に通気する必要性がほとんど又は全く存在しないように、高エネルギー密度装置12に対してサイズ決定され得る。
高エネルギー密度装置12のための封じ込め方法も開示される。図14を参照すると、概して200で指定される本開示の方法の一実施形態が、高エネルギー密度装置12(図1)を提供するステップを有するブロック202で開始され得る。非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、リチウムイオンバッテリなどのバッテリであり得る。別の非限定的な一実施例として、高エネルギー密度装置12は、燃料電池であり得る。
ブロック204において、高エネルギー密度装置12(図1)は、少なくとも部分的に、第1の封じ込め層14(図1)内に囲い込まれ得る。第1の封じ込め層14は、相変化材料42(図4)などの熱材料を含み得る。したがって、高エネルギー密度装置12を第1の封じ込め層14内に囲い込むことによって、高エネルギー密度装置12から発散している熱が、第1の封じ込め層14の熱材料42に伝達され得る。
ブロック206において、高エネルギー密度装置12(図1)及び第1の封じ込め層14(図1)は、少なくとも部分的に、第2の封じ込め層16(図1)内に囲い込まれ得る。第2の封じ込め層16は、ガス捕獲材料72(図7)を含み得る。したがって、高エネルギー密度装置12を第2の封じ込め層16内に囲い込むことによって、高エネルギー密度装置12から発散しているガスが、第2の封じ込め層16のガス捕獲材料72によって封じ込められ得る。
ブロック208において、高エネルギー密度装置12(図1)、第1の封じ込め層14(図1)、及び第2の封じ込め層16(図1)は、少なくとも部分的に、第3の封じ込め層18(図1)内に囲い込まれ得る。第3の封じ込め層18は、膨張性材料102(図10)などのバリスティック材料を含み得る。したがって、高エネルギー密度装置12を第3の封じ込め層18内に囲い込むことによって、高エネルギー密度装置12から発散している粒子が、第3の封じ込め層18のバリスティック材料102によって封じ込められ得る。
したがって、本開示の方法200は、高エネルギー密度装置12(図1)を複数の封じ込め層内に囲い込み得る。各封じ込め層は、少なくとも1つの特定の機能性を有している。したがって、高エネルギー密度装置12から発散している熱、ガス、及び/又は粒子は、それぞれの層によって封じ込められ得る。
本開示の封じ込めシステム10及び方法200の実施例が、図15で示されるように航空機の製造及び保守方法400に照らして、及び図16で示されるように航空機402に照らして説明され得る。製造前の段階では、航空機の製造及び保守方法400が、航空機402の仕様及び設計404、及び材料の調達406を含み得る。製造段階では、航空機402の構成要素/サブアセンブリの製造408と、システムインテグレーション410とが行われる。その後、航空機402は、認可及び納品412を経て運航414に供され得る。顧客により運航される期間に、航空機402には、改造、再構成、改修なども含み得る定期的な整備及び保守416が予定される。
方法400の各処理は、システムインテグレーター、第三者、及び/又はオペレーター(例えば、顧客)によって実行又は実施され得る。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含み、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含み、かつ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであり得る。
図16で示されるように、実施例の方法400によって生産された航空機402は、複数のシステム420及び内装422を有する機体418を含み得る。複数のシステム420の例には、推進システム424、電気システム426、油圧システム428、及び環境システム430のうちの1以上が含まれ得る。任意の数の他のシステムが含まれることもある。本開示の封じ込めシステム10は、電気システム426及び/又は環境システム430などの航空機402の様々なシステム420に組み込まれ得る。
本開示の封じ込めシステム10及び方法200は、航空機の製造及び保守方法400の1以上の任意の段階で採用することができる。例えば、構成要素/サブアセンブリの製造408、システムインテグレーション410、及び/又は整備及び保守416に対応する構成要素又はサブアセンブリは、本開示の封じ込めシステム10を使用して作製され又は製造され得る。また、1以上の装置例、方法例、又はこれらの組み合わせは、例えば、機体418及び/又は内装422などの航空機402の組み立てを実質的に効率化するか、又は航空機402のコストを削減することにより、構成要素/サブアセンブリの製造408及びシステムインテグレーション410において利用され得る。同様に、システムの実施例、方法の実施例、又はそれらの組み合わせのうちの1以上は、航空機402の運航期間に、例えば、整備及び保守416に利用され得るが、それらに限定されるものではない。
本開示の封じ込めシステム10及び方法200は、航空機に関連して説明されているが、当業者は、開示されるサービス及びシステムは多種多様な異なる種類の輸送体向けの、多様な異なる構成要素のために利用され得ることを、容易に認識するであろう。例えば、本書で説明されている実施形態の実行態様は、例えば、ヘリコプター、客船、自動車などを含む、任意の種類の輸送体に実装され得る。別の一実施例として、本開示の封じ込めシステム10は、バッテリを輸送又は保管する場合に使用され得る。
更に、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。
条項1
第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含み、前記第1の封じ込め層が前記第2の封じ込め容積内に配置される、第2の封じ込め層、及び第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含み、前記第2の封じ込め層が前記第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を備える、封じ込めシステム。
条項2
高エネルギー密度装置を更に備え、前記高エネルギー密度装置が、少なくとも部分的に、前記第1の封じ込め容積内に配置される、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項3
前記高エネルギー密度装置が、バッテリを備える、条項2に記載の封じ込めシステム。
条項4
前記バッテリが、リチウムイオンバッテリである、条項3に記載の封じ込めシステム。
条項5
前記高エネルギー密度装置が、燃料電池を備える、条項2に記載の封じ込めシステム。
条項6
前記高エネルギー密度装置が複数のサブユニットを備え、前記第1の封じ込め層が複数の第1の封じ込めユニットを備え、前記複数のサブユニットの各サブユニットが、少なくとも部分的に、前記複数の第1の封じ込めユニットの関連付けられた第1の封じ込めユニット内に配置される、条項2に記載の封じ込めシステム。
条項7
前記高エネルギー密度装置が、前記第1の封じ込め層内に接近した状態で受け入れられる、条項2に記載の封じ込めシステム。
条項8
ベース構造体を更に備え、前記第2の封じ込め層が前記ベース構造体に連結され、前記第2の封じ込め容積を画定し、前記第3の封じ込め層が前記ベース構造体に連結され、前記第3の封じ込め容積を画定する、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項9
前記第1の封じ込め層が、スリーブ、ラップ、及び容器のうちの1つとして構成される、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項10
前記熱材料がポリマーを含む、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項11
前記ポリマーが、少なくとも100℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーである、条項10に記載の封じ込めシステム。
条項12
前記ポリマーが、少なくとも125℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーである、条項10に記載の封じ込めシステム。
条項13
前記ポリマーがポリアリールエーテルケトンを含む、条項10に記載の封じ込めシステム。
条項14
前記ポリマーが、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、条項10に記載の封じ込めシステム。
条項15
前記ポリマーがシリコンを含む、条項10に記載の封じ込めシステム。
条項16
前記熱材料が相変化材料を含む、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項17
前記相変化材料が、固体と液体との相変化材料である、条項16に記載の封じ込めシステム。
条項18
前記相変化材料が、パラフィン、脂肪酸、フェノール、みつろう、キノン、安息香酸、pキシレン二塩化物、ケイ酸ナトリウム、リチウム、塩化ナトリウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、条項16に記載の封じ込めシステム。
条項19
前記第1の封じ込め層がキャリアを更に備え、前記熱材料が前記キャリアによって支持される、条項16に記載の封じ込めシステム。
条項20
前記キャリアが複数のポケットを画定し、前記熱材料が前記複数のポケット内に受け入れられる、条項19に記載の封じ込めシステム。
条項21
前記キャリアがポリマーフィルムを備える、条項19に記載の封じ込めシステム。
条項22
前記キャリアが、金属及び金属酸化物のうちの少なくとも1つから構築されたフレームワークを備える、条項19に記載の封じ込めシステム。
条項23
前記キャリアが、前記熱材料を含浸させた金属酸化物を含む、条項19に記載の封じ込めシステム。
条項24
前記第2の封じ込め層がドーム形状である、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項25
前記第2の封じ込め層が積層構造体を備え、前記ガス捕獲材料が前記積層構造体の中に組み込まれる、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項26
積層構造体がガス透過層及びガス不透過層を備え、前記ガス捕獲材料が前記ガス透過層と前記ガス不透過層との間に配置される、条項25に記載の封じ込めシステム。
条項27
前記ガス透過層が繊維素材を含む、条項26に記載の封じ込めシステム。
条項28
前記繊維素材が金属酸化物繊維を含む、条項27に記載の封じ込めシステム。
条項29
前記ガス不透過層がポリマー材料を含む、条項27に記載の封じ込めシステム。
条項30
前記ガス捕獲材料が吸着剤を含む、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項31
前記吸着剤が、金属有機フレームワーク及びゼオライトのうちの少なくとも1つを含む、条項30に記載の封じ込めシステム。
条項32
前記吸着剤が、水素選択吸着剤、二酸化炭素選択吸着剤、及び炭化水素選択吸着剤のうちの少なくとも1つを含む、条項30に記載の封じ込めシステム。
条項33
前記ガス捕獲材料が吸収剤を含む、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項34
支持構造体を更に備え、前記第2の封じ込め層が前記支持構造体によって支持される、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項35
前記第2の封じ込め容積内に配置されたセンサを更に備える、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項36
前記第3の封じ込め層がドーム形状である、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項37
前記バリスティック材料が膨張性材料を含む、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項38
前記第3の封じ込め層が積層構造体を備え、前記膨張性材料が前記積層構造体の中に組み込まれる、条項37に記載の封じ込めシステム。
条項39
前記積層構造体が少なくとも1つの内張り層を備え、前記内張り層が前記膨張性材料に付けられる、条項38に記載の封じ込めシステム。
条項40
前記内張り層がバリスティック繊維素材を備える、条項39に記載の封じ込めシステム。
条項41
前記積層構造体がキルティング加工される、条項39に記載の封じ込めシステム。
条項42
前記バリスティック材料がバリスティック繊維素材を備える、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項43
前記バリスティック繊維素材が、複数の重なった層の構造体である、条項42に記載の封じ込めシステム。
条項44
前記バリスティック素材が、パラアラミド合成繊維素材を備える、条項42に記載の封じ込めシステム。
条項45
支持構造体を更に備え、前記第3の封じ込め層が前記支持構造体によって支持される、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項46
前記第3の封じ込め容積内に配置されたセンサを更に備える、条項1に記載の封じ込めシステム。
条項47
第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、相変化材料及びキャリアを含み、前記相変化材料が前記キャリアによって支持される、第1の封じ込め層、第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、前記第1の封じ込め層が前記第2の封じ込め容積内に配置され、ガス透過層、ガス不透過層、及び前記ガス透過層と前記ガス不透過層との間に配置されたガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層、並びに第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、前記第2の封じ込め層が前記第3の封じ込め容積内に配置され、内張り材料及び前記内張り材料に連結された膨張性材料を含む、第3の封じ込め層を備える、封じ込めシステム。
条項48
前記キャリアが、前記相変化材料を含浸させた金属酸化物を含む、条項47に記載の封じ込めシステム。
条項49
前記ガス捕獲材料が吸着剤を含む、条項47に記載の封じ込めシステム。
条項50
第1の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層、及び前記第1の封じ込め容積内に少なくとも部分的に受け入れられる高エネルギー密度装置を備える、封じ込めシステム。
条項51
第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、前記第1の封じ込め層が前記第2の封じ込め容積内に配置され、ガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層を更に備える、条項50に記載の封じ込めシステム。
条項52
第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含み、前記第1の封じ込め層が前記第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を更に備える、条項50に記載の封じ込めシステム。
条項53
第2の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層であって、ガス捕獲材料を含む、第2の封じ込め層、及び前記第2の封じ込め容積内に少なくとも部分的に受け入れられる高エネルギー密度装置を備える、封じ込めシステム。
条項54
第3の封じ込め容積を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層であって、バリスティック材料を含み、前記第2の封じ込め層が前記第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層を更に備える、条項53に記載の封じ込めシステム。
条項55
高エネルギー密度装置を提供すること、前記高エネルギー密度装置を、少なくとも部分的に、熱材料を含む第1の封じ込め層内に囲い込むこと、前記第1の封じ込め層を、ガス捕獲材料を含む第2の封じ込め層内に囲い込むこと、及び前記第2の封じ込め層を、バリスティック材料を含む第3の封じ込め層内に囲い込むことを含む、封じ込め方法。
高エネルギー密度装置のための本開示の封じ込めシステム及び方法の様々な実施形態が示され説明されてきたが、当業者は、本明細書を読むことによって変形例を想起し得るだろう。本出願は、そのような変形例を含み、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (15)

  1. 第1の封じ込め容積(30)を少なくとも部分的に画定する第1の封じ込め層(14)であって、熱材料を含む、第1の封じ込め層(14)、
    第2の封じ込め容積(22)を少なくとも部分的に画定する第2の封じ込め層(16)であって、ガス捕獲材料(72)を含み、前記第1の封じ込め層が前記第2の封じ込め容積内に配置される、第2の封じ込め層(16)、及び
    第3の封じ込め容積(24)を少なくとも部分的に画定する第3の封じ込め層(18)であって、バリスティック材料を含み、前記第2の封じ込め層が前記第3の封じ込め容積内に配置される、第3の封じ込め層(18)を備える、封じ込めシステム(10)。
  2. 高エネルギー密度装置(12)を更に備え、前記高エネルギー密度装置が、少なくとも部分的に前記第1の封じ込め容積内に配置され、前記高エネルギー密度装置が、バッテリ及び燃料電池のうちの1つを備える、請求項1に記載の封じ込めシステム(10)。
  3. 前記高エネルギー密度装置(12)が複数のサブユニット(12A〜D)を備え、前記第1の封じ込め層(14)が複数の第1の封じ込めユニット(14A〜D)を備え、前記複数のサブユニットの各サブユニットが、少なくとも部分的に、前記複数の第1の封じ込めユニットの関連付けられた第1の封じ込めユニット内に配置される、請求項2に記載の封じ込めシステム(10)。
  4. ベース構造体(20)を更に備え、前記第2の封じ込め層(16)が前記ベース構造体に連結され、前記第2の封じ込め容積(22)を画定し、前記第3の封じ込め層(18)が前記ベース構造体に連結され、前記第3の封じ込め容積(24)を画定する、請求項1から3のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  5. 前記第1の封じ込め層(14)が、スリーブ、ラップ、及び容器のうちの1つとして構成される、請求項1から4のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  6. 前記熱材料がポリマーを含み、前記ポリマーが、
    ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、及びそれらの組み合わせから成る群から選択された、
    少なくとも100℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマー、
    少なくとも125℃のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマー、又は
    シリコンを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  7. 前記熱材料が相変化材料(42、62)を含み、前記相変化材料(42、62)が、
    固体と液体との相変化材料、又は
    パラフィン、脂肪酸、フェノール、みつろう、キノン、安息香酸、pキシレン二塩化物、ケイ酸ナトリウム、リチウム、塩化ナトリウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択された材料を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  8. 前記第1の封じ込め層(14)がキャリア(44、64)を更に備え、前記熱材料が前記キャリアによって支持され、前記キャリアが、
    複数のポケット(46)を画定し、前記熱材料が前記複数のポケット内に受け入れられ、
    ポリマーフィルムを備え、又は
    金属及び金属酸化物のうちの少なくとも1つから構築されたフレームワークを備え、前記金属酸化物は前記熱材料を含浸させたものである、請求項7に記載の封じ込めシステム(10)。
  9. 前記第2の封じ込め層(16)が積層構造体(70)を備え、前記ガス捕獲材料(72)が前記積層構造体の中に組み込まれる、請求項1から8のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  10. 前記積層構造体(70)がガス透過層(74)及びガス不透過層(76)を備え、前記ガス捕獲材料(72)が、前記ガス透過層と前記ガス不透過層との間に配置され、前記ガス透過層が繊維素材を含み、前記ガス不透過層がポリマー材料を含む、請求項9に記載の封じ込めシステム(10)。
  11. 前記ガス捕獲材料(72)が吸着剤を含み、前記吸着剤が、
    金属有機フレームワーク及びゼオライトのうちの少なくとも1つ、又は
    水素選択吸着剤、二酸化炭素選択吸着剤、及び炭化水素選択吸着剤のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  12. 支持構造体(82)を更に備え、前記第2の封じ込め層(16)が前記支持構造体によって支持される、請求項1から11のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  13. 前記バリスティック材料が膨張性材料(102)を含み、前記第3の封じ込め層(18)が積層構造体(100、120)を備え、前記膨張性材料が前記積層構造体の中に組み込まれ、前記積層構造体が少なくとも1つの内張り層を備え、前記内張り層が前記膨張性材料に付けられる、請求項1から12のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  14. 前記バリスティック材料が、複数の重なった層の構造体及びパラアミド合成繊維素材のうちの少なくとも1つであるバリスティック繊維素材を含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
  15. 支持構造体(140)を更に備え、前記第3の封じ込め層(18)が前記支持構造体によって支持される、請求項1から14のいずれか一項に記載の封じ込めシステム(10)。
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