JP2021036195A - 相変化材料を使用する蓄熱式熱交換器構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を使用する熱交換器を提供する。【解決手段】 熱交換器（１２０、２００）は、作動流体を収容するように構成されたハウジング（２０２）を含む。当該熱交換器はまた、ハウジング内に置かれた複数のチャンバ（１２２、２０４）を含み、該複数のチャンバは、作動流体がハウジング内にあるときに作動流体によって取り囲まれるように配置され、各チャンバが、凍結時に膨張するＰＣＭを収容するように構成される。各チャンバの壁が、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達を可能にする高熱伝導率材料で形成される。各チャンバの壁は、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの内部容積を増大させるように構成された伸張可能なベローズ（３０２）を含む。【選択図】 図２

Description

本開示は、概して蓄熱式熱交換器に向けられる。より具体的には、本開示は、相変化材料として氷／水を使用する蓄熱式熱交換器構造に関する。

熱交換器は、１つの箇所から別の箇所に熱エネルギー（しばしば、単に“熱”と呼ばれる）を移動させなければならないシステムにおいて多種多様な用途を有する。同様に、過剰な熱エネルギーを一時的に貯蔵し、後にそのエネルギーを放出するために、熱エネルギー貯蔵式（thermal energy storage；ＴＥＳ）熱交換器が広く使用されている。これは、熱的な“負荷平準化”（負荷サイクル平均化）という利益を有し、消散されなければならない熱負荷を低減させる。多くのＴＥＳ熱交換器では、例えばパラフィンなどの相変化材料（phase change material；ＰＣＭ）が、その安定性及び高い蓄熱能力のために、熱交換器内の蓄熱材料として使用されている。

本開示は、例えば氷／水などの凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を使用する蓄熱式熱交換器構造を用いたシステム及び方法を提供する。

第１の実施形態において、熱交換器は、作動流体を収容するように構成されたハウジングを含む。当該熱交換器はまた、ハウジング内に置かれた複数のチャンバを含み、該複数のチャンバは、作動流体がハウジング内にあるときに作動流体によって取り囲まれるように配置され、各チャンバが、凍結時に膨張するＰＣＭを収容するように構成される。各チャンバの壁が、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成される。各チャンバの壁は、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの内部容積を増大させるように構成された伸張可能なベローズを含む。

第２の実施形態において、システムは、少なくとも１つの熱源と、少なくとも１つのヒートシンクと、上記少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを受け取って上記少なくとも１つのヒートシンクに熱エネルギーを与えるように構成された熱交換器とを含む。熱交換器は、作動流体を収容するように構成されたハウジングを含む。当該熱交換器はまた、ハウジング内に置かれた複数のチャンバを含み、該複数のチャンバは、作動流体がハウジング内にあるときに作動流体によって取り囲まれるように配置され、各チャンバが、凍結時に膨張するＰＣＭを収容するように構成される。各チャンバの壁が、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成される。各チャンバの壁は、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの内部容積を増大させるように構成された伸張可能なベローズを含む。

第３の実施形態において、方法は、熱交換器のハウジングを通して作動流体を移動させることを含み、ハウジングは複数のチャンバを収容しており、各チャンバは、凍結時に膨張するＰＣＭを収容している。当該方法はまた、作動流体が上記複数のチャンバの各々の周りを移動するときに、ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーを伝達させることを含む。各チャンバの壁が、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成されている。各チャンバの壁は、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの内部容積を増大させるように構成された伸張可能なベローズを含む。

その他の技術的特徴が、以下の図面、説明、及び請求項から、当業者には容易に明らかになる。

より完全なる本開示の理解のため、ここでは、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。
本開示に従った相変化材料（ＰＣＭ）熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステムの一例を示している。 本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を例示している。 図２のＰＣＭ熱交換器の拡大図を例示している。 本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を使用する方法の一例を示している。

以下に説明される図１−４、及び本特許文献にて本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単に例示によるものであり、本開示の範囲を限定するように解釈されるべきでない。当業者が理解するように、本開示の原理は、あらゆる種類の好適に構成された装置又はシステムにて実装され得る。

既存の蓄熱式熱交換器は、一般的に、潜熱貯蔵材料として様々なパラフィンを使用している。パラフィンワックスは、安定であり、化学的に無害であり、そして、反復可能な溶融及び凝固挙動を示すが、それらの熱伝導率は、ＰＣＭへの及びからの熱伝達を可能にするためにＰＣＭ熱交換器内に大量の熱拡散構造を必要とする。パラフィンはまた、比較的低い密度を有し、故に、他の既知の有機ＰＣＭ及び無機ＰＣＭよりも大きい体積の材料を必要とする。一般に、パラフィン系ＰＣＭ熱交換器は、約５０−７０ｋＪ／ｋｇの比エネルギー密度、及び５０−７０ＭＪ／ｍ^３の体積エネルギー密度に制限される。これらの数値は、例えば新たに出現している指向性エネルギー用途といった、重量及び体積の割り当てが制約される特定の用途にとって、許容できないほど低いものである。

パラフィンの熱的限界に対処するため、一部の熱交換器システムは、ＰＣＭとして氷／水の使用を提案している。ＰＣＭとして氷／水を使用することの利益は、その好ましい熱物理的特性（例えば、高い融解潜熱、密度、及び熱伝導率）から生じる。氷／水はまた、冷蔵を必要とする又は非常に低温のヒートシンク環境へのアクセスを有するシステムにとって特に有利である。しかしながら、氷／水はまた、水が凍結時に膨張するという点で（他の殆どの既知のＰＣＭに対して）独特である。氷／水ＰＣＭ熱交換器は、熱交換器を包囲する熱拡散構造との密接な接触を通じた効果的な熱伝達を維持しながら、この膨張を受け入れるように設計されなければならない。一般的なＰＣＭ（例えばパラフィンなど）で効果的な典型的なプレート／フィンＰＣＭ熱交換器設計は、硬いエンクロージャを特徴としており、エンクロージャの壁が凍結によって破裂することになるため、氷／水ＰＣＭには適していない。

氷／水をＰＣＭとして使用する一部の設計が、（熱交換器ではなく）ヒートシンク用途における可能性を示してきた。しかしながら、それらの設計は、多くの軍事的な指向性エネルギー用途でそうであるように液体の作動流体からの／への高い熱伝達率（例えば、何百キロワット）が必要とされるＴＥＳ ＰＣＭ熱交換器には適していない。これは、設計された構造、システム構成、及び氷／水ＰＣＭに及びから熱を伝達することに伴う比較的高い伝導的な熱抵抗に起因する。同様に、他の氷／水ＰＣＭ熱交換器構造設計は、氷／水ＰＣＭに対して熱を出入りさせることに伴う高い対流的及び伝導的な熱抵抗を特徴とする。それらの設計は、低速伝達（何十ｋＷ）、比較的低エネルギー（例えば、５ＭＪ）用途では適したものとなり得るが、そのような設計は、指向性エネルギー用途において必要とされ得るものである高速（例えば＞１００ｋＷ）、高エネルギー（例えば、〜２５ＭＪ）では許容可能でない。

これら又はその他の問題に対処するために、本開示の実施形態は、相変化材料（ＰＣＭ）として氷／水を使用しながら、それが凍るときの氷の体積膨張による破裂を被らない熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）熱交換器を提供する。開示される実施形態は、ＰＣＭ ＴＥＳ熱交換器の比エネルギー密度及び体積エネルギー密度を有意に改善し、それにより、熱エネルギー貯蔵による負荷平準化を採用する熱マネジメントシステム（thermal management system；ＴＭＳ）の大きさ及び重量を減少させる。

理解されることには、本開示の実施形態は、ここに記載される特徴のうちのいずれか１つ、２つ以上、又は全てを含み得る。また、本開示の実施形態は、追加的又は代替的に、ここには挙げられない他の特徴を含み得る。

図１は、本開示に従った相変化材料（ＰＣＭ）熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステム１００の一例を示している。図１に示すシステム１００の実施形態は、単に例示のためのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、システム１００の他の実施形態も使用され得る。当業者が認識することには、単純さ及び明瞭さのために、その他の図に関連して示されるものを含めて、一部の機構及びコンポーネントについては全ての図では明示していない。他の図に示されるものを含め、そのような機構は、システム１００に等しく適用可能であることが理解されることになる。理解されることには、図に示される機構は全て、記載される実施形態のいずれで使用されてもよい。或る機構又はコンポーネントの特定の図からの省略は、単純さ及び明瞭さの目的でのことであり、その機構又はコンポーネントがその図に関連して説明される実施形態では使用されることができないといったことを意味する意図はない。

図１に示すように、システム１００は、熱源コンポーネント１１０と、熱交換器１２０と、及びヒートシンクコンポーネント１３０とを含んでいる。熱源コンポーネント１１０は、熱源１１２及び導管１１４を収容する。熱源１１２は使用中に、連続的に又は一気に（短いバーストにて）のいずれかで高レベルの熱エネルギーを発生する。熱源１１２は、以下に限られないが電子部品、レーザ、及びこれらに類するものを含め、多様な熱発生源のうちのいずれであってもよい。熱源１１２は非常に様々とし得るので、熱源１１２の詳細を図示して説明することはしない。同様に、熱源１１２を収容する熱源コンポーネント１１０も非常に様々であり、熱源１１２が置かれる任意の好適構造を表し得る。一部の実施形態において、熱源コンポーネント１１０は、陸上、海上、空中、又は宇宙の乗り物の一区画を表し得る。図１は単純さのために１つの熱源コンポーネント１１０及び１つの熱源１１２を示しているが、一部の実施形態において、複数の熱源コンポーネント１１０及び／又は複数の熱源１１２が存在することができる。

導管１１４は、熱源１１２の近傍で熱源コンポーネント１１０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１１４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介して熱源１１２と熱エネルギーを交換する。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。図１には単一の導管１１４が示されているが、導管１１４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。動作の特定の一状況において、熱源１１２が、熱エネルギーの短いバーストを発生し、導管１１４内の作動流体が、熱源１１２から導管１１４に伝達された熱エネルギーを吸収することによって、熱源１１２を冷却する。動作の別の一状況において、熱源１１２は、アイドルモード又は別の非発熱モードにあることができ、導管１１４内の作動流体は、導管１１４を介して熱源１１２に熱エネルギーを伝え戻すことができる。

（１つ以上の）ヒートシンクコンポーネント１３０は、ヒートシンク１３２及び導管１３４を含んでいる。ヒートシンク１３２は、システム１００からの最終的な熱エネルギーの伝達のためのヒートシンクを表すことができる。一部の実施形態において、ヒートシンク１３２は、大気、大量の水、又は他の好適なヒートシンク媒体（これは、気体、液体、又は二相流体とし得る）とし得る。ヒートシンク１３２は非常に様々とし得るので、ヒートシンク１３２の詳細を図示して説明することはしない。同様に、ヒートシンク１３２を含むヒートシンクコンポーネント１３０も非常に様々であり、ヒートシンク１３２が置かれる任意の好適な場所又は構造を表し得る。図１は単純さのために１つのヒートシンクコンポーネント１３０及び１つのヒートシンク１３２を示しているが、一部の実施形態において、複数のヒートシンクコンポーネント１３０及び／又は複数のヒートシンク１３２が存在することができる。

導管１３４は、ヒートシンク１３２の近傍でヒートシンクコンポーネント１３０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１３４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介してヒートシンク１３２に熱エネルギーを伝達する。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。図１には単一の導管１３４が示されているが、導管１３４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。

熱交換器１２０は、熱エネルギー貯蔵材料として相変化材料（ＰＣＭ）（例えば氷／水など）を使用する熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）ＰＣＭ熱交換器である。熱交換器１２０は、ＰＣＭチャンバ１２２及び導管１２４を含んでいる。熱交換器１２０は、導管１１４、１２４、１３４を含む作動流体ループ１４０を介して、熱源コンポーネント１１０及びヒートシンクコンポーネント１３０と熱的に結合される。すなわち、ループ１４０を通り抜ける作動流体によって、熱源コンポーネント１１０と、熱交換器１２０と、ヒートシンクコンポーネント１３０との間で、熱エネルギーを輸送することができる。

ＰＣＭチャンバ１２２はＰＣＭを保持する。導管１２４は、ＰＣＭチャンバ１２２の近傍で熱交換器１２０を通って作動流体を搬送する。システム１００の動作中、導管１２４を通り抜ける作動流体が、対流及び伝導を介してＰＣＭチャンバ１２２と熱エネルギーを交換する。図１には単一のＰＣＭチャンバ１２２が示されているが、大抵のＰＣＭ熱交換器は複数のＰＣＭチャンバを含んでおり、ＰＣＭチャンバ１２２は、熱交換器１２０内の任意の好適数のＰＣＭチャンバを表し得る。同様に、導管１２４は実際には、並列に、網目状に、又は任意の他の好適構成にて作動流体を搬送する複数の導管を表し得る。

動作の一態様において、熱源１１２によって発生された熱エネルギーが、導管１１４内の作動流体に伝達される。作動流体が、その熱エネルギーを、ループ１４０を通じて、熱交換器１２０内の導管１２４まで搬送する。熱交換器１２０内で、その熱エネルギーの少なくとも一部が、導管１２４内の作動流体から対流及び伝導を介してＰＣＭチャンバ１２２内のＰＣＭに伝達される。熱交換器１２０内のＰＣＭは、その熱エネルギーを、反対方向への熱エネルギーの伝達によってそれが導管１２４内の作動流体に戻るように放出されることができるまで貯蔵することができる。そのようなときに、ＰＣＭチャンバ１２２内のＰＣＭから導管１２４内の作動流体に熱エネルギーが伝達される。作動流体は、その熱エネルギーを、ループ１４０を通じて、ヒートシンクコンポーネント１３０内の導管１３４まで運ぶ。ヒートシンクコンポーネント１３０内で、その熱エネルギーの少なくとも一部が、導管１３４内の作動流体からヒートシンク１３２に伝達される。

本開示によれば、熱交換器１２０内のＰＣＭは氷／水である。導管１２４からＰＣＭチャンバ１２２に熱エネルギーが伝達されるとき、ＰＣＭが熱エネルギーを吸収するにつれて、ＰＣＭは氷から水に変化する。同様に、ＰＣＭチャンバ１２２から導管１２４に熱エネルギーが伝え戻されるとき、ＰＣＭは水から氷に変化して熱エネルギーを放出する。熱交換器１２０は、更に詳細に後述するように、凍るときの氷の体積膨張を受け入れるための幾つかの有利な機構を含んでいる。

図１は、ＰＣＭ熱交換器が使用され得る熱マネジメントシステム１００の一例を示しているが、図１には様々な変更が為され得る。例えば、熱源コンポーネント１１０、熱交換器１２０、及びヒートシンクコンポーネント１３０は、別個であるように示されているが、これは単に図示の明瞭さのためである。一部の実施形態では、コンポーネント１１０、１２０、１３０のうちの２つ以上が互いに接触していてもよく、あるいは、コンポーネント１１０、１２０、１３０のうちの２つ以上が同一構造物の一部であってもよい。また、システム１００の構成及び配置は単に例示のためのものである。他の構成では、具体的なニーズに従って、コンポーネントが追加、省略、結合、又は設置され得る。

図２は、本開示に従ったＰＣＭ熱交換器２００を例示している。ＰＣＭ熱交換器２００は、図１の熱交換器１２０を表し得る（あるいは、それによって表され得る）。図２に示すＰＣＭ熱交換器２００の実施形態は単に例示のためのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、ＰＣＭ熱交換器２００の他の実施形態も使用され得る。

ＰＣＭ熱交換器２００は、熱エネルギー貯蔵式（ＴＥＳ）熱交換器であり、シェルアンドチューブ式（shell and tube）ＰＣＭ熱交換器アーキテクチャに見られるものと同様の一部機構を含んでいる。典型的なシェルアンドチューブ式熱交換器は、複数のチューブを包囲した、例えば圧力容器などの“シェル”又はハウジングを含んでいる。チューブの各々の内部に一方の流体があり、第２の流体が、チューブの周り及び間でシェル内を流れる。破裂せずには氷／水をＰＣＭとして使用することができないものである既存のシェルアンドチューブ式ＰＣＭ熱交換器とは異なり、ＰＣＭ熱交換器２００は、ＰＣＭ蓄熱材料としての氷／水の使用を可能にする機構を含んでいる。

図２は、熱交換器２００の２つの視図２１０−２２０を示している。視図２１０は、視図２２０中の直線Ａ−Ａに沿ったとられた熱交換器２００の断面図である。熱交換器２００は、複数の可撓性の伸張可能なＰＣＭチャンバ２０４を取り囲むハウジング２０２を含んでいる。熱交換器２００はまた、注入口２０６及び排出口２０８を含んでいる。一実施形態において、ハウジング２０２は、およそ１フィート×１フィート×２フィートの寸法を持つ概して直方体の構造である。ハウジング２０２は、注入口２０６及び排出口２０８を除いて、気密性且つ水密性であるように閉じられて密封され得る。ハウジング２０２の壁は、壁を通じての熱エネルギーの伝達を最小限にするために周囲環境から断熱され得る。

熱交換器２００の注入口２０６は、それを通って作動流体が熱交換器２００に入るハウジング２０２の開口部である。同様に、排出口２０８は、それを通って作動流体が熱交換器２００を出て行くハウジング２０２の開口部である。注入口２０６及び排出口２０８は、例えば図１のループ１４０などの熱マネジメント作動流体ループに結合される。作動流体は、注入口２０６にて熱交換器２００に入り、隣接するＰＣＭチャンバ２０４間の隙間を通ってハウジング２０２の内部キャビティを通り抜け、そして、排出口２０８にて熱交換器２００を出て行き、そこで作動流体はループの更なる部分へと移動する。これは、図２に示す大きい矢印によって表されている。故に、ハウジング２０２の内部キャビティそれ自体が、図１の導管１２４と同様の作動流体用の導管として作用する。作動流体は、熱マネジメントシステムでの使用に適した如何なる流体ともし得る。一部の実施形態において、作動流体はエチレングリコールと水との混合物である。

ハウジング２０２の内部において、ＰＣＭチャンバ２０４は、実質的に相等しく、例えば図２に示したもののようにスタガード格子状に配列され、あるいは、他の規則的な配置で配列される。ＰＣＭチャンバ２０４は、隣接するＰＣＭチャンバ２０４間に隙間又は空間が存在するように互いに離間される。一部の実施形態において、隣接するＰＣＭチャンバ２０４の間隔は、ＰＣＭチャンバ２０４の直径のおよそ５％とし得る。ＰＣＭチャンバ２０４は、ＰＣＭ熱交換器２００用のＰＣＭ材料である氷／水で満たされる閉じた容器（リザーバ）である。各ＰＣＭチャンバ２０４内の水は、一般に、添加剤なしの濾過水である。一部の実施形態において、この水は脱塩水とし得るが、水が完全に純粋である必要はない。各ＰＣＭチャンバ２０４の壁は、例えばステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、インコネル（登録商標）、又は有利な熱伝達特性（例えば、高い熱伝導率）を有する他の好適材料などの金属とすることができる。

一部の実施形態において、各ＰＣＭチャンバ２０４は細長く、長さでおよそ１フィート、その最大の断面における直径でおよそ２インチである。図３は、１つのＰＣＭチャンバ２０４の拡大図を例示している。各ＰＣＭチャンバ２０４の壁が、ＰＣＭの膨張に対する機械的コンプライアンス（追随性）を提供する一列の複数のフレキシブル波形金属ベローズ３０２として形成されている。ベローズ３０２は、拡大された表面を持つＰＣＭ充填フィンとして機能し、ＰＣＭチャンバ２０４が真っ直ぐな壁を持つ単純な円筒形であるとした場合よりもかなり大きい表面積をＰＣＭチャンバ２０４に提供する。表面積の増加は、対流熱伝達面積の増加をもたらし、熱エネルギーをＰＣＭに出入りさせることに関連する伝導長を短縮する。

ベローズ３０２はまた、ＰＣＭが凍結するときのＰＣＭの膨張を受け入れる。図３に示すように、寸法Ａは、ＰＣＭが液体状態（例えば、水）にあるときの各ベローズ３０２の厚さを表している。ＰＣＭが凍結して膨張するとき、ベローズ３０２のうちの１つ以上が厚さにおいて寸法Ａ’まで膨張する。すなわち、ベローズ３０２の波形の壁が変形し、膨張したＰＣＭを収容するためのより大きい寸法Ａ’をもたらす。一部の実施形態において、寸法Ａはおよそ０．２０インチであり、Ａ’はおよそ０．２２インチである。当然ながら、これは単なる一例である。他の実施形態において、寸法Ａ及びＡ’は、具体的なニーズに従ってもっと大きくてもよいし小さくてもよい。各ＰＣＭチャンバ２０４の構造が、フレキシブルベローズ３０２を有利に利用して同時に膨張を受け入れ、氷／水への伝導長を短縮し、また、ベローズ３０２のひだによって提供される拡大された表面の追加を通じて対流熱伝達を高める。ベローズ３０２の形状は、その形状がＰＣＭの膨張を受け入れるのに適切である限り、実施形態ごとに異なり得る。

動作の一態様において、ＰＣＭチャンバ２０４内のＰＣＭ材料は液体の水の状態にある。ＰＣＭチャンバ２０４からの熱エネルギーが、ＰＣＭチャンバ２０４の壁を通じて、対流及び伝導を介して作動流体に伝達される。熱エネルギーがＰＣＭから輸送されるとき、水が氷へと凍結し、そうするにつれて膨張する。氷が形成して膨張するにつれて、ベローズ３０２が、図３に示すように膨張して、膨張する氷のための追加の容積を各ＰＣＭチャンバ２０４の内部に提供し、それにより、ＰＣＭチャンバ壁の破裂を回避する。後に、作動流体から各ＰＣＭチャンバ２０４内のＰＣＭに熱エネルギーが伝達されるとき、氷が水へと溶けて収縮し、ベローズ３０２が、ＰＣＭチャンバの内側と外側との間の圧力差によってその静的形状へと戻る。ベローズ３０２の特定の構成はまた、ＰＣＭチャンバ２０４の各々内での氷の方向性ある凍結を促進し、それが、各ベローズ３０２の近傍のＰＣＭチャンバ２０４内での氷の形成を促すことによって、ＰＣＭチャンバ２０４の動作を向上させる。

図２及び３はＰＣＭ熱交換器２００の一例を示しているが、図２及び３には様々な変更が為され得る。例えば、その全長に沿ってベローズ３０２を有するように示されているが、ＰＣＭチャンバ２０４のうちの１つ以上が、その長さの一部に沿って１つ以上の平坦な、波形でないセクションをしていてもよい。また、一例として特定の寸法が与えられているが、そのような寸法は具体的なニーズに従ってもっと大きくてもようし小さくてもよい。また、ＰＣＭ熱交換器２００の構成及び配置は単に例示のためのものである。他の構成では、具体的なニーズに従って、コンポーネントが追加、省略、結合、又は設置され得る。例えば、ハウジング２０２が実質的にＰＣＭチャンバ２０４で充たされているように示されているが、これは単なる一例である。他の実施形態において、ハウジング２０２の一部がもっと少ない又は多いＰＣＭチャンバ２０４を含んでいてもよく、あるいは、ＰＣＭチャンバ２０４は部分的にもっと大きく離間されてもよい。

図４は、本開示に従ったＰＣＭ熱交換器を使用する方法４００の一例を示している。方法４００は、図１の熱マネジメントシステム１００において図２のＰＣＭ熱交換器２００を用いて実行され得る。しかしながら、方法４００は、何らかの他の好適システムと共に使用されてもよい。

ステップ４０１にて、作動流体が熱交換器のハウジングを通って移動する。例えば、熱マネジメントシステム内のポンプが、ハウジングを通して作動流体を送り得る。ハウジングは複数のチャンバを収容しており、各チャンバは、例えば氷／水などの、凍結時に膨張するＰＣＭを収容している。これは、例えば、エチレングリコールと水などの作動熱伝達流体がハウジング２０２を通って移動することを含み得る。

ステップ４０３にて、作動流体が複数のチャンバの各々の周りを移動するときに、ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーが伝達される。これは、例えば、作動流体がハウジング２０２内の各ＰＣＭチャンバ２０４の周りを移動するときに、ＰＣＭチャンバ２０４の各々内のＰＣＭから作動流体に熱エネルギーが伝達することを含み得る。この熱エネルギーの少なくとも一部は、例えばヒートシンク１３２などのヒートシンクに輸送されることができる過剰な熱エネルギーを表し得る。

各チャンバの壁は、作動流体と各チャンバ内のＰＣＭとの間での熱エネルギーの伝達を可能にする高熱伝導率材料で形成されている。また、各チャンバの壁は、ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形してチャンバの容積を増大させるように構成された伸張可能なベローズを含んでいる。例えば、各ＰＣＭチャンバ２０４は、各チャンバの内部の全容積を拡大させるように変形することができる複数のベローズ３０２を含んでいる。ＰＣＭから作動流体に熱エネルギーが移動するにつれて、ＰＣＭが凍結して膨張する。ＰＣＭが膨張するにつれて、ベローズ３０２が変形してＰＣＭチャンバ２０４の容積を増大させる。

ステップ４０５にて、作動流体からＰＣＭに熱エネルギーが伝達される。これは、例えば、作動流体から各ＰＣＭチャンバ２０４内のＰＣＭに熱エネルギーが伝達することを含み得る。この熱エネルギーの少なくとも一部は、例えば熱源１１２などの熱源で発生された熱エネルギーを表し得る。作動流体からＰＣＭに熱エネルギーが伝わるにつれて、ＰＣＭが溶けて収縮する。ＰＣＭが収縮するにつれて、各ＰＣＭチャンバ２０４のベローズ３０２がその静的状態へと戻り、それにより、各ＰＣＭチャンバ２０４の容積を減少させる。

一部の実施形態において、作動流体は熱マネジメントシステムの作動流体ループ内にあり、ステップ４０１−４０５は熱マネジメントシステム内で一回以上繰り返されることができる。

図４は、ＰＣＭ熱交換器を使用する方法４００の一例を示している、図４には様々な変更が為され得る。例えば、一連のステップとして示されているが、図４に示す様々なステップは、重複してもよいし、並列に行われてもよいし、異なる順序で行われてもよいし、あるいは複数回行われてもよい。さらに、具体的なニーズに従って、一部のステップが組み合わされたり除去されたりしてもよいし、更なるステップが付加されてもよい。

本特許文献の全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を説明しておくことが有益であるかもしれない。用語“含む”及び“有する”、並びにこれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語“又は”は、及び／又はを意味する包括的なものである。“〜と関連付けられる”なる言い回し、及びその派生語は、〜を含む、〜の中に含まれる、〜と相互接続される、〜を含有する、〜内に含有される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、〜と交互である、〜隣り合う、〜に近接した、〜に又は〜と結合される、〜を有する、〜の特性を有する、〜に又は〜と関係を有する、又はこれらに類するものを意味する。“〜のうちの少なくとも１つ”なる言い回しは、アイテムのリストとともに使用されるとき、リストアップされたアイテムのうちの１つ以上の様々な組み合わせが使用され得ることを意味し、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされることもある。例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ”は、以下の組み合わせ：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣ、のうちの何れをも含む。

本出願における記載は、特定の要素、ステップ、又は機能がクレーム範囲に含まれていなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読まれるべきでない。特許される事項の範囲は、許可されたクレームによってのみ定められる。また、クレームは何れも、その特定のクレーム中で“する手段”又は“するステップ”なるそのままの語が、機能を特定する特定の言い回しに続かれて、明示的に使用されない限り、添付のクレーム又はクレーム要素に関して３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図していない。クレーム内での、例えば（以下に限られないが）“機構”、“モジュール”、“デバイス”、“ユニット”、“コンポーネント”、“要素”、“部材”、“装置”、“機械”、又は“システム”などの用語の使用は、クレームの特徴自体によって更に改良又は強化されるような、当業者に知られた構造を指すものと理解及び意図されるものであり、３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図するものではない。

本開示は、特定の実施形態及び概して関連する方法を述べてきたが、これらの実施形態及び方法の改変及び並べ替えが当業者に明らかになる。従って、以上の実施形態例の説明は、本開示を定めたり制約したりするものではない。以下の請求項によって規定される本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、その他の変形、代用、及び改変も可能である。

Claims (20)

1. 作動流体を収容するように構成されたハウジングと、
   前記ハウジング内に置かれ、前記作動流体が前記ハウジング内にあるときに前記作動流体によって取り囲まれるように配置された複数のチャンバであり、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成されている、複数のチャンバと
   を有し、
   各チャンバの壁が、前記作動流体と各チャンバ内の前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成され、
   各チャンバの前記壁は、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの内部容積を増大させるように構成された複数の伸張可能なベローズを含み、前記複数のベローズは、前記複数のベローズを接続する前記チャンバの中心部分から半径方向外側に延在し、前記複数のベローズの各々が、前記中心部分から半径方向外側に延在し且つ該ベローズの外端で湾曲した端壁部分によって接続された、第１及び第２の平面壁部分を有し、
   前記複数のベローズを接続する前記チャンバの前記中心部分の中心軸が、前記作動流体の移動方向に対して実質的に垂直な平面内を延在し、該平面内に、前記複数のチャンバのうちの少なくとも一部が、隣接するチャンバ間に空間を有して並列に配置されている、
   熱交換器。
2. 複数の前記空間が接続されて、前記作動流体が前記ハウジングの全体及び各チャンバの周りを流れることを可能にし、
   前記複数のチャンバは、各チャンバの前記中心部分の前記中心軸に垂直な断面で見て、スタガード格子状に配列されている、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数のベローズは、各チャンバの波形の壁を形成するように一列に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記ＰＣＭは氷／水を有する、請求項１に記載の熱交換器。
5. 各チャンバの前記壁は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、又はインコネルのうちの少なくとも１つで形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記作動流体は、エチレングリコールと水との混合物を有する、請求項１に記載の熱交換器。
7. 当該熱交換器は更に、
   前記ハウジングの第１の壁内の注入口であり、前記作動流体を当該熱交換器内に受け入れるように構成された注入口と、
   前記ハウジングの第２の壁内の排出口であり、前記作動流体が当該熱交換器から出て行くことを可能にするように構成された排出口と
   を有し、
   前記注入口及び前記排出口は、熱エネルギーマネジメントシステム内の作動流体ループに結合される、
   請求項１に記載の熱交換器。
8. 少なくとも１つの熱源と、
   少なくとも１つのヒートシンクと、
   前記少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを受け取って前記少なくとも１つのヒートシンクに前記熱エネルギーを与えるように構成された熱交換器と
   を有し、
   前記熱交換器は、
   作動流体を収容するように構成されたハウジングと、
   前記ハウジング内に置かれ、前記作動流体が前記ハウジング内にあるときに前記作動流体によって取り囲まれるように配置された複数のチャンバであり、各チャンバが、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容するように構成されている、複数のチャンバと
   を有し、
   各チャンバの壁が、前記作動流体と各チャンバ内の前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成され、且つ
   各チャンバの前記壁は、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの内部容積を増大させるように構成された複数の伸張可能なベローズを含み、前記複数のベローズは、前記複数のベローズを接続する前記チャンバの中心部分から半径方向外側に延在し、前記ベローズの各々が、前記中心部分から半径方向外側に延在し且つ該ベローズの外端で湾曲した端壁部分によって接続された、第１及び第２の平面壁部分を有し、
   前記複数のベローズを接続する前記チャンバの前記中心部分の中心軸が、前記作動流体の移動方向に対して実質的に垂直な平面内を延在し、該平面内に、前記複数のチャンバのうちの少なくとも一部が、隣接するチャンバ間に空間を有して並列に配置されている、
   システム。
9. 複数の前記空間が接続されて、前記作動流体が前記ハウジングの全体及び各チャンバの周りを流れることを可能にし、
   前記複数のチャンバは、各チャンバの前記中心部分の前記中心軸に垂直な断面で見て、スタガード格子状に配列されている、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記複数のベローズは、各チャンバの波形の壁を形成するように一列に配置されている、請求項８に記載のシステム。
11. 前記ＰＣＭは氷／水を有する、請求項８に記載のシステム。
12. 各チャンバの前記壁は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、又はインコネルのうちの少なくとも１つで形成されている、請求項８に記載のシステム。
13. 前記作動流体は、エチレングリコールと水との混合物を有する、請求項８に記載のシステム。
14. 前記熱交換器は更に、
    前記ハウジングの第１の壁内の注入口であり、前記作動流体を前記熱交換器内に受け入れるように構成された注入口と、
    前記ハウジングの第２の壁内の排出口であり、前記作動流体が前記熱交換器から出て行くことを可能にするように構成された排出口と
    を有し、
    前記注入口及び前記排出口は、当該システムの前記少なくとも１つの熱源に結合された作動流体ループに結合される、
    請求項８に記載のシステム。
15. 当該システムは、陸上、海上、空中、又は宇宙の乗り物内に配置される、請求項８に記載のシステム。
16. 熱交換器のハウジングを通して作動流体を移動させることであり、前記ハウジングは複数のチャンバを収容しており、各チャンバは、凍結時に膨張する相変化材料（ＰＣＭ）を収容している、移動させることと、
    前記作動流体が前記複数のチャンバの各々の周りを移動するときに、前記ＰＣＭと前記作動流体との間で熱エネルギーを伝達させることと
    を有し、
    各チャンバの壁が、前記作動流体と各チャンバ内の前記ＰＣＭとの間での熱エネルギーの輸送を可能にする高熱伝導率材料で形成され、
    各チャンバの前記壁は、前記ＰＣＭが凍結時に膨張するにつれて変形して該チャンバの内部容積を増大させるように構成された複数の伸張可能なベローズを含み、前記複数のベローズは、前記複数のベローズを接続する前記チャンバの中心部分から半径方向外側に延在し、前記複数のベローズの各々が、前記中心部分から半径方向外側に延在し且つ該ベローズの外端で湾曲した端壁部分によって接続された、第１及び第２の平面壁部分を有し、
    前記複数のベローズを接続する前記チャンバの前記中心部分の中心軸が、前記作動流体の移動方向に対して実質的に垂直な平面内を延在し、該平面内に、前記複数のチャンバのうちの少なくとも一部が、隣接するチャンバ間に空間を有して並列に配置されている、
    方法。
17. 複数の前記空間が接続されて、前記作動流体が前記ハウジングの全体及び各チャンバの周りを流れることを可能にし、
    前記複数のチャンバは、各チャンバの前記中心部分の前記中心軸に垂直な断面で見て、スタガード格子状に配列されている、
    請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数のベローズは、各チャンバの波形の壁を形成するように一列に配置されている、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ＰＣＭは氷／水を有する、請求項１６に記載の方法。
20. 各チャンバの前記壁は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、銅、又はインコネルのうちの少なくとも１つで形成されている、請求項１６に記載の方法。

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