JP4257363B2 - 少なくとも一つのエンクロージャの受動および能動冷却のためのシステム、装置および方法 - Google Patents

Description

発明の背景
１）発明の分野
本発明は、エンクロージャの冷却に関し、より詳細には、冷蔵庫および冷凍装置のようなエンクロージャの選択的な受動および能動冷却のための統合装置および方法に関する。

２）関連技術の説明
航空産業、トラック運送業、海運業、および建築業など冷却システムを使用する多くの産業では、従来の冷却技術は蒸気圧縮サイクルに基づいている。例えば航空機では、蒸気圧縮サイクルエアチラーは一般的に、航空機のギャレーの頂部、例えばクラウン領域、または客室の床下、例えば床梁間の貨物領域のいずれかに搭載される。食品および飲料のような消耗品を冷却するために、エアチラーは一般的に、まとめて閉ループシステムを形成する一連の空気供給／戻りダクトを介して、１または複数のギャレー食品貯蔵庫に接続される。動作中、エアチラーは本質的に、一般的に家屋の窓に取り付けられる従来の窓ユニット空調機に原則的に類似したユニット化空調機である。場合によっては、目的は、消耗品の温度を０℃から７℃の間、または将来要求されるかもしれない０℃から５℃（もしくは多くのヨーロッパ諸国では４℃）の間の温度を維持することである。

消耗品を適切な温度範囲内の温度に維持するために、より温暖な航空機客室の大気と、より冷温のギャレー食品貯蔵庫の大気との間に所望の温度差が存在しなければならない。この温度差は、熱伝達メカニズムの組合せを介して、より温暖な航空機客内の熱エネルギをより冷温のギャレー食品貯蔵庫内に流入させる。従来、所定の温度差におけるこの熱伝達（または熱負荷）率は、温暖な大気と冷温の大気との間の有効正味断熱によって支配される。これに関し、蒸気圧縮サイクルエアチラーは一般的に、所望の温度差を維持し、それによって消耗品を適切な温度範囲内の温度に維持するために、より冷温の食品貯蔵庫からこの熱負荷を除去することができなければならない。エアチラーによって除去された熱は、エアチラーの位置に応じて航空機の貨物室または客室クラウンのいずれかの大気へ逃がされる。

従来、蒸気圧縮サイクルエアチラーは、エアトゥエアシステム（ａｉｒ−ｔｏ−ａｉｒ
ｓｙｓｔｅｍ）である。これに関して、エアチラーユニット内のファンは、ギャレーの食品貯蔵庫から空気を、エアチラー内部に搭載された蒸発器コイル前後の空気戻りダクトを介して循環させる。蒸発器コイルの内部で、冷温のＲ１３４ａ冷媒（気相）のような冷温の冷却材は、蒸発器コイルを通過する空気から熱を吸収する。空気が蒸発器コイルを通過するときに、空気は熱エネルギを冷却材に逃がす。次いで冷温の空気は、空気供給ダクトを介してギャレー食品貯蔵庫内へ循環する。ギャレー食品貯蔵庫内に戻ると、冷温の空気は食品貯蔵庫内部の熱エネルギを吸収する。次いで、所望の温度差を維持するために、該プロセスを連続的に繰り返すことができる。

理解される通り、冷却材が蒸発器コイルを通過する空気から熱エネルギを受け取ると、熱エネルギを冷却材から排除しなければならない。これに関し、気体状冷却材は、蒸発器コイルを介して熱エネルギを吸収するので過熱状態になる。過熱された気体状冷却材は次いで一般的に、エアチラー内の圧縮器内に引き込まれる。次いで圧縮器は、外部圧力を加えることにより、気体状冷却材をより小さい容積内に押し込むことによって、気体状冷却材に対して作用する。その結果、気体状冷却材の温度および圧力は大幅に増加する。高温
および高圧の気体状冷媒は次いで、エアチラーユニット内に配置された凝縮器を通して循環される。気体状冷媒は凝縮器コイル内を流れ、ファンは周囲空気を凝縮器コイルに吹き込んで、高温の気体状冷媒を冷却させる。冷媒が凝縮器コイルを通して循環するときに、それは熱エネルギを周囲空気に逃がすので、冷媒は凝縮器コイルを出て受液器内に入るときに、高圧の過熱気体から飽和高圧液体へと状態を変化する。液体冷媒は高圧液体管路を通して膨張弁（または一部のシステムでは毛管）へ移動し、蒸発器コイル内に再び入る前に膨張されて飽和ガスになる。

蒸気圧縮サイクルエアチラーを使用する冷却システムは、適切な温度範囲内の温度に消耗品を維持するのに適しているが、そのような冷却システムは欠点を有する。これに関連して、蒸気圧縮サイクルエアチラーの心臓部は圧縮器である。しかし圧縮機の動作のみならず、凝縮器に空気を吹き込むファンも、かなりの量の電気エネルギを消費することは望ましくない。また、圧縮器は一般的に複雑な機械的装置であり、騒音が大きく、かつ故障し易い。加えて、エアチラーの動作は熱を客室環境内へ逃がし、それは、地上作業中に環境制御システム（ＥＣＳ）にとって問題になる可能性がある。これに関連して、地上作業中に航空機の客室および機器を冷房するＥＣＳパックは一般的に、航空機の燃料を貯蔵する航空機ウィングボックスの下に配置される。そういうものとして、ＥＣＳシステムが高温気候で激しく作業しなければならないほど、ＥＣＳシステムが航空機燃料内に逃がす熱は多くなる。

従来の蒸気圧縮サイクルエアチラーシステムの欠点を克服するために、該システムが作動する車両またはシステムの自然コールドヒートシンクによって提供される「自由な」熱ポテンシャルを利用して、１または複数のエンクロージャを冷却することのできるシステムおよび方法が開発されてきた。一つのそのようなシステムは、２００３年２月１９日に出願され、本願の譲受人に譲渡された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ」と称する米国特許出願第１０／３６９，４４１号に記載されている。米国特許出願第１０／３６９，４４１号に開示されている通り、エンクロージャを冷却するためのシステムおよび方法は、受動および能動冷却技術を統合して航空機のギャレーカートのようなエンクロージャに連続冷却をもたらすことのできる、ハイブリッド冷却方法論に基づく。この発明の実施形態の装置および方法は、そのようなシステムの冷却能力とコールドヒートシンクの変動動作環境との間の最適均衡を達成することができ、好都合である。そういうものとして、航空機のギャレーカートのようなエンクロージャは、蒸気圧縮サイクルエアチラーを使用することなく冷却することができ、それにより蒸気圧縮サイクルエアチラーの欠点が回避される。米国特許出願第１０／３６９，４４１号はエンクロージャを冷却するための改善されたシステムおよび方法を提供するが、そのようなシステムおよび方法をさらに改善することが常に望まれる。

発明の概要
上述の背景に照らして、本発明の実施形態は、エンクロージャを冷却または冷凍するための装置および方法を提供する。該装置は能動および受動モードでエンクロージャを選択的に冷却することができる。能動および受動冷却の両方を、エンクロージャ内のガスと熱的に連通した共通一次ヒートシンクを介して達成することができ、好都合である。

本発明の一実施形態では、装置は、エンクロージャ内のガスから熱エネルギを受け取るためのフィンまたは他の表面を画定する一次ヒートシンクを含む。例えば、空気をエンクロージャ内およびそれを通して一次ヒートシンクへ循環させ、それによって熱エネルギを一次ヒートシンクに伝達するために、ファンを設けることができる。第１および第２冷却
材ヒートシンクは一次ヒートシンクと熱的に連通し、各々が冷却材を循環させるための少なくとも一つの通路を画定する。特に、第２冷却材ヒートシンクは、熱イオン、熱電気、または熱電子−熱電気ハイブリッドヒートポンプのような１または複数のヒートポンプを介して、一次ヒートシンクと熱的に連通する。

第１および第２冷却材ヒートシンクの各々は、冷却材を冷却するための１または複数の冷却装置に流体接続することができる。例えば冷却装置は、航空機の機体外皮構造の一部分のようなコールドシンクに熱を逃がすように構成することができる。加えて、または代替的に、冷却装置として共晶熱電池を設けることができる。

本発明はまた、１または複数のエンクロージャを冷却するための１または複数の装置を含むシステムをも提供する。各装置は、選択的に受動および能動モードで動作するように構成することができる。受動モードでは、一次ヒートシンクから冷却材へ熱エネルギが伝達されるように、冷却材は第１冷却材ヒートシンク中を循環する。能動モードでは、一次ヒートシンクから冷却材にヒートポンプを介して熱エネルギが伝達されるように、冷却材は第２冷却材ヒートシンク中を循環し、少なくとも一つのヒートポンプが動作する。さらに、直接受動および能動モードでは、冷却材は熱を航空機の機体外皮構造に逃がすように構成された装置のような第１の冷却装置に循環させることができる。間接受動および能動モードでは、冷却材は共晶熱電池のような異なる冷却装置に循環させることができる。したがって、装置は受動または能動モードのどちらでもエンクロージャを所望の温度に、例えば約７℃未満に、または約０℃未満に冷却することができる。

共晶熱電池はまた、電池を第１冷却装置に熱的に接続し、それによって電池から第１冷却装置に熱を伝達することによって、冷却または再充電することができる。加えて、圧縮不活性流体の貯蔵部を提供し、例えば蒸発コイルを介して膨張させて熱電池を冷却させることができる。

本発明はまた、受動および能動モードで選択的にエンクロージャを冷却するための方法を提供する。エンクロージャからの熱エネルギは一次ヒートシンクによって吸収され、それによりエンクロージャは冷却される。次に、冷却材を第１または第２冷却材ヒートシンクに循環させることによって、一次ヒートシンクが冷却される。受動動作モードでは、冷却材は、第１冷却材ヒートシンクまたは一次ヒートシンクと熱的に連通する第２冷却材ヒートシンクのいずれかに循環させることができる。能動モードでは、一次ヒートシンクと熱的に連通するヒートポンプが作動し、冷却材はヒートポンプを介して一次ヒートシンクと熱的に連通する第２冷却材ヒートシンクに循環される。

冷却材は、１または複数の冷却装置を循環して、冷却材を冷却させることができる。例えば、直接受動および能動モードの動作中に、冷却材は航空機外皮構造または他のコールドシンクと熱的に連通した冷却装置を通して循環することができ、間接受動および能動モードの動作中に、冷却材は共晶熱電池を通して循環することができる。電池は、そこから航空機外皮構造のようなコールドシンクに熱を逃がすことによって、冷却または再充電することができる。さらに、圧縮流体を膨張させて、共晶熱電池を冷却することができる。

このように本発明を概略的に説明したが、今、添付の図面について言及する。図は必ずしも縮尺通りではない。

発明の詳細な説明
本発明について、本発明の全部ではなく一部の実施形態を図示する添付の図面を参照しながら、以下でより詳細に説明する。実際、本発明は多くの異なる形で具現することがで
き、本書に記載する実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が適用される法的要件を満たすように提供される。全体を通して同様の符号は同様の要素を指している。

本発明の実施形態は、少なくとも一つのエンクロージャを冷却する装置、システムおよび方法を提供する。本書に記載する通り、装置、システムおよび方法は、航空機内で１または複数のギャレー食品貯蔵庫を冷却するために利用される。したがって、該装置、システムおよび方法は、航空機内で食品および飲料のような消耗品を冷却するのに特に有利である。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、該装置、システムおよび方法は他の車両で、または他のシステムと共に利用できることを理解されたい。これに関連して、該装置、システムおよび方法は、多数の他の車両のいずれかで、または後述するのと同様の方法でコールドヒートシンクを提供することのできる他のシステムと共に利用することができる。

好都合なことに、本発明の実施形態は、多数の異なるモードで動作して、エンクロージャの最も費用効果が高くかつ効率的な冷却をもたらすことができる。これに関連して、本発明の実施形態は、本発明を利用してエンクロージャの受動または能動冷却がもたらされる車両または他のシステム内の既存のコールドヒートシンクと共に動作することができる。例えば航空機で利用される場合、該システムは、コールドヒートシンクとして作用する航空機の機体外皮構造のみならず、米国特許出願第１０／３６９，４４１に開示されているような、別個の液体冷却材チラーまたは共晶熱電池と共に動作することもできる。

一般的に、通常の高高度飛行中の商用ジェット航空機のアルミニウム機体外皮構造の温度は、約＋１６°Ｆから−５９°Ｆの間である。そのような過冷外皮温度は、機体外皮が強力なコールドヒートシンクとして機能することを可能にする。したがって、飛行中のように、機体外皮がコールドヒートシンクとして作用するのに充分な低い温度であるときに、本発明の実施形態は、機体外皮を利用することによってエンクロージャを受動的に冷却することができる。航空機が地上にあるときのように、機体外皮が効果的なヒートシンクを提供するのに充分な低い温度でないときには、本発明の実施形態は、エンクロージャを能動的に、かつ／または受動的に冷却することができる。したがって、本発明の実施形態は、機体外皮の温度が機体外皮が効果的なヒートシンクとして作用することができない点まで低下する時まで、エンクロージャの連続冷却を達成することができる。

ここで、図１〜図１２を参照すると、装置１０が航空機内で動作し、エンクロージャがギャレー食品貯蔵庫を含む場合の本発明の一実施形態に係る、少なくとも一つのエンクロージャを冷却するための装置１０およびその構成部品が示されている。しかし、装置１０を航空機で動作する場合でも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、エンクロージャは多数の他のエンクロージャをいずれかを含むことができることを理解されたい。

図１に示すように、装置１０は、筺体１２と、装置１０の様々な部分を接続するため、および装置１０をエンクロージャに接続するための複数のねじまたはボルトのような固定具１４を含む。筺体１２は、ポリマ、複合材、金属等をはじめとする多種多様な材料から形成することができる。加えて、断熱フォームのような断熱材を筺体１２の内面または外面に設けることができる。図１および図２に示すパネル１６は、筺体１２の第１側面１８を画定する。パネル１６は１または複数の入口アパーチャ２０を画定し、それを通してファン２２が、冷却のために空気（または他のガス）をエンクロージャ内から循環させる。パネル１６は出口アパーチャ２４をも画定し、それを通して冷却された空気はエンクロージャの内部に戻る。

図３〜図５に示す装置１０の一次ヒートシンク２６は、パネル１６とは反対側の装置１
０の第２側面１９に配置される。一次ヒートシンク２６は、装置１０内の空気から熱エネルギを吸収し、それにより空気を冷却して一次ヒートシンク２６を加熱するように構成される。次に、一次ヒートシンク２６は、それぞれ第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０を通して流れる第１および第２冷却材のいずれかによって冷却される。図８および図９に示す通り、第１冷却材ヒートシンク４０は三つの部分４４を含み、第２冷却材ヒートシンク５０は二つの部分５４を含む。特に、第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０は一次ヒートシンク２６の基部３０の第１側面２８に配置され、基部３０の反対側の側面３２は、図６〜図８に示す装置１０の内部１１に対向する。複数のフィン３４が、一次ヒートシンク２６の基部３０の側面３２から装置１０の内部１１に延びる。フィン３４は、図６〜図８に示す「拡張」フィンのような長尺ベーン部材、ロッド状部材、または従来の熱交換装置で使用される他のフィン形状とすることができる。

こうして筺体１２のアパーチャ２０、２４を通して循環する空気はフィン３４の間を通過して、フィン３４を対流により暖め、それは熱を基部３０および冷却材ヒートシンク４０、５０に伝達する。空気は、フォームインサート３６または他の案内装置によって、装置１０の内部１１中に向けることができる。分かり易くするために、フィン３４は、図１１および図１２にそれぞれフォームインサート３６がある状態および無い状態で示されている。一次ヒートシンク２６は蒸気チャンバヒートシンク、つまり真空または部分真空内に適切な流体を含む内部蒸気チャンバを画定するヒートシンクとすることができる。ヒートシンク２６の一部分の加熱の結果、熱の付加に近接する流体の蒸発を生じるように、蒸気チャンバの内面にウィッキング構造を設けることができ、次いで蒸気はチャンバ内のどこか他の場所で凝縮し、それによって熱が分散される。代替的に、一次ヒートシンク２６は、金属または他の熱伝導性材料から形成されかつヒートシンクに基づく温度分布を均等にするために埋込みヒートパイプを利用する、固体部材とすることができる。いずれの場合も、基部３０は熱伝導性であるので、フィン３４によって基部３０に伝達された熱エネルギは次いで、基部３０によって第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０に伝達される。本発明の他の実施形態では、ヒートポンプがフィン３４から基部３０へ熱を逃がすように構成されるように、一次ヒートシンク２６は、基部３０に埋め込まれたヒートポンプを含むことができる。

シンク４０、５０の各々は、そこを通して冷却材を受け取るための少なくとも一つの通路４２、５２を画定する。例えば、図８および図９に示すように、第１冷却材ヒートシンク４０は三つの部分４４を含み、それらの各々がそこを貫通する少なくとも一つの通路４２を画定する。ホース、パイプ、または他の流体接続装置４６が通路４２を接続して、連続流体回路を形成するが、本発明の他の実施形態では、複数の平行な回路を形成することができる。こうして冷却材は、入口４８を通して第１冷却材ヒートシンク４０に入り、第１冷却材ヒートシンク４０内を流動し、出口４９を通してヒートシンク４０を出ることができる。第１冷却材ヒートシンク４０は一次ヒートシンク２６と熱的に連通し、したがって冷却材は第１冷却材ヒートシンク４０内で加熱され、それによってヒートシンク２６、４０を加熱する。

図示した実施形態では、第２冷却材ヒートシンク５０は、各々そこを貫通する少なくとも一つの通路５２を画定する、二つの部分５４を含む（図３）。通路５２は、冷却材が入口５８を通して第２冷却材ヒートシンクに入り、第２冷却材ヒートシンク５０中を流動し、出口５９から出ることができるように、流体接続装置５６によって接続される。第２冷却材ヒートシンク５０は、１または複数のヒートポンプ６０（図３、９）を介して一次ヒートシンク２６と熱的に連通し、つまりヒートポンプ６０は、一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０および第２冷却材へ熱エネルギを能動的に伝達し、それによって一次ヒートシンク２６を冷却するように構成される。

この用途に適したヒートポンプ６０は平形ソリッドステートヒートポンプであり、それは熱電気装置、熱イオン装置、またはそれらの組合せとすることができる。いずれの場合も、ヒートポンプは、一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０へ、およびしたがって冷却材へ、つまりたとえ冷却材および第２冷却材ヒートシンク５０が一次ヒートシンク２６より温暖である場合でも、熱エネルギを能動的に伝達するように構成されることが好ましい。例えばヒートポンプ６０は、スウェーデン国エーテボリのＳｕｐｅｒｃｏｏｌ ＡＢによって製造された多数の様々な液体直接（ｌｉｑｕｉｄ−ｔｏ−ｄｉｒｅｃｔ）ヒートポンプのいずれかとすることができる。代替的に、ヒートポンプ６０は熱ダイオード（ユタ州ソルトレークシティのＥＮＥＣＯ Ｉｎｃ．によって開発されたような）、または熱イオンヒートポンプ（ジブラルタルに登録された会社Ｃｏｏｌ Ｃｈｉｐ ＰＬＣによって開発されたような）とすることができる。任意の個数の平形ソリッドステートヒートポンプ６０を使用することができる。

ヒートポンプ６０は、第２冷却材ヒートシンク５０と一次ヒートシンク２６との間に配置され、ヒートポンプ６０および第１冷却材ヒートシンク４０は、図３および図１０に示す筺体１２のアパーチャ１３を介して、一次ヒートシンク２６に対向して配置される。一次ヒートシンク２６によって受け取られた熱エネルギは冷却材に伝達され、冷却材によって装置１０から、例えば再循環のために冷却材を冷却するかそれ以外のやり方で冷却材を装置１０へ戻すように構成された冷却装置へ運び去ることができる。冷却装置は、冷却材流体から熱エネルギを吸収するための多種多様な装置のいずれかとすることができる。例えば各冷却装置は、航空機の機体外皮構造を含むか、またはそれと熱的に連通したヒートシンク装置とすることができる。冷却装置は代替的に、外皮または別のシンクによって充電つまり冷却してその後冷却材流体を冷却するために使用することのできる、共晶熱電池のような共晶蓄冷装置とすることができる。共晶熱電池ならびにそのような装置を使用する方法およびシステムは、２００３年２月１９日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ」と称する米国特許出願第１０／３６９，４４１に記載されており、その内容は参照により全体が個々に組み込まれる。冷却装置は、航空機の熱管理システム用の液体冷却材を冷却する、集中蒸気圧縮液体チラーのようなチラー装置とすることもできる。

さらに、冷却材は複数の冷却装置に選択的に循環させることができる。例えば受動モードで、冷却材は航空機の外皮構造と熱接触している冷却装置、共晶熱電池、および集中液体チラーを選択的に循環させることができる。したがって、航空機の外皮構造がエンクロージャの内部の温度より充分に低い温度であるときに、冷却材は外皮構造と接触しているシンクと第１冷却材ヒートシンク４０との間を循環することができる。外皮構造が暖かすぎて冷却材を充分に冷却することができない場合、冷却材は代わりに集中エアチラーまたは共晶熱電池に循環させることができる。このやり方で、外皮構造、共晶熱電池、または集中液体チラーのいずれか一つが冷却材を冷却することができ、かつしたがってエンクロージャを所望の温度まで冷却することができる場合いつでも、第１冷却材ヒートシンク４０を通して受動冷却を達成するように冷却材を使用することができる。冷却装置のいずれもエンクロージャを所望の温度まで受動的に冷却するのに充分に冷温でない場合、冷却材は第２冷却材ヒートシンク５０に循環させることができる。第２冷却材ヒートシンク５０と一次ヒートシンク２６との間に配設されたヒートポンプ６０による冷却材の循環によって、より低い冷却温度を一般的に達成することができる。ヒートポンプ６０は第２冷却材ヒートシンク５０と一次ヒートシンク２６との間に温度差をもたらし、それによって、外皮構造、集中液体チラー、共晶熱電池、および／または他の冷却装置が充分に冷温でない場合、例えば外皮構造、集中液体チラー、および共晶熱電池がエンクロージャの所望の温度より温暖であるか、あるいは適切な冷却能力を果たすのに充分に冷温ではない場合でも、エンクロージャ内の所望の温度を達成する。

例えば、航空機の外皮が、エンクロージャ内の所望の温度より低い第１温度と、エンクロージャ内の所望の温度より高い第２温度との間で変動する場合、外皮が所望の温度より冷温であるときに、冷却材を航空機の外皮によって冷却し、第１冷却材ヒートシンク４０を通して循環させて、エンクロージャを冷却することができる。同様に、外皮が所望の温度より温暖である場合、冷却材は、集中液体チラーまたは共晶熱電池のような他の冷却装置によって冷却させ、第１冷却材ヒートシンク４０に循環させ、一次ヒートシンク２６を受動的に冷却することができる。各々の冷却装置が所望の温度より温暖である場合、冷却材は第２冷却材ヒートシンク５０に循環させて、ヒートポンプ６０を使用してエンクロージャを能動的に冷却することができる。加えて、共晶熱電池は、外皮が共晶熱電池の温度より冷温である場合はいつでも、外皮によって充電することができる。

所望の温度は、エンクロージャの用途によって異なることがあり得る。例えば、航空機の一般的に冷却は、食品貯蔵エンクロージャを約０℃から５℃の間の温度範囲に冷却することが必要である。しかし、場合によっては、１または複数のエンクロージャは、食品を冷凍するために使用されることがあり、したがって例えば約０℃から−２５℃の間のより寒冷な温度を必要とするかもしれない。直前に上述した通り、冷却装置の一つが充分に冷温である場合にはいつでも、冷却材は第１冷却材ヒートシンク４０中を循環して、エンクロージャを冷却することができ、そうでない場合には、ヒートポンプ６０が動作している間に、冷却材は第２冷却材ヒートシンク５０中を循環することができる。

ここで、図１３を参照すると、複数の装置１０を含み、各装置１０がシステム１００内でそれぞれのエンクロージャ１１０内の空気を冷却するように構成された、本発明の一実施形態に係るシステム１００の略図が示されている。各装置１０は一次ヒートシンク２６ならびに第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０を含む。上述の通り、第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０は、その中を循環する冷却材を受け取るように構成され、第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０はそれぞれの装置１０の一次ヒートシンク２６と熱的に連通し、第２冷却材ヒートシンク５０はヒートポンプ６０を介して熱的に連通する。こうして各装置１０は、共通一次ヒートシンク２６と連通した一体的液体直接ヒートポンプ装置５０および液体直接熱交換器４０を備える。

システム１００は、冷却材を冷却するための第１および第２冷却装置１２０、１３０を含む。図示するように、第１冷却装置１２０は、航空機の外皮のようなコールドシンクに熱を逃がすように構成することのできる、液体直接熱交換器とすることができる。代替的に、第１冷却装置１２０は、集中液体チラー装置に熱を逃がすための液体間熱交換器とすることもできる。第２冷却装置１３０は共晶熱電池である。追加および／または代替的冷却装置を設けることができ、図示した冷却装置１２０、１３０のいずれか一方または両方を省くことができることは理解される。例えばシステム１００は、各々が熱を任意の型のコールドシンク装置に逃がすように構成することのできる、１または複数の冷却装置を含むことができる。

加えて、システム１００は、弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６およびＶ７のような複数の弁のみならず、後述するように様々な動作モード中にシステム１００の様々な他の要素に冷却材を通過させる冷却材ポンプ１４０、１４２をも含む。分かり易くするために図示しないが、冷却材ポンプ１４０、１４２は一般的に、冷却材ポンプ１４０、１４２の適切な動作のために冷却材リザーバをも含むことを当業者は理解されるであろう。冷却材を様々な他の要素に通過させるために、弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６およびＶ７は、システム１００の要素を相互接続する冷却材ダクト、パイプ等に接続される。他の構成のダクトおよび構成部品も可能であることは理解される。例えば、各装置１０の第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０は、ループＬ１のダクト１１４によって形成される共通回路に接続されるように図示されているが、第１および第２冷却材ヒートシン
ク４０、５０は代替的に、第１冷却材ヒートシンク４０中を循環する第１冷却材が第２冷却材ヒートシンク５０中を循環する第２冷却材から分離して維持されるように、別個のダクトによって流体接続することができる。さらに、第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０は別個の冷却装置に流体接続することができる。冷却材は、例えばミネソタ州セントポールの３Ｍ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓによって製造された３Ｍ Ｎｏｖｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｆｌｕｉｄ、または適当な水−グリコール混合物など、多数の様々な冷却材のいずれかを含むことができる。

共晶熱電池１３０は、システム１００で熱エネルギコンデンサとして機能する。さらに詳しくは、一実施形態で、共晶熱電池１３０は、予め定められた凝固点を有する相変化材料を含む高断熱二パス保冷板を備える。相変化材料は、０℃から−４０℃の間のような多数の様々な凝固点のいずれかを有する多数の様々な材料のいずれかを含むことができる。航空機の文脈で上に示したように、機体外皮の寒冷な温度は、機体外皮が強力なコールドヒートシンクとして機能することを可能にする。そういうものとして、機体外皮構造は、後述するように、共晶熱電池１３０内部の相変化材料から潜熱を急速に吸収するために利用することができる。相変化材料がその潜熱をコールドヒートシンクに逃がすときに、それは液体から固体液体混合へ、かつ全ての潜熱が放出されたときに最終的に純粋な固体へ相変化する。一般的に、潜熱の伝達は０℃から−４０℃の間の温度で等温的に行われる。したがって相変化材料は、エンクロージャを所望の温度範囲内に冷却することのできる冷却温度を持つように、希望に応じて選択することができる。例えば一実施形態では、相変化材料は、英国のＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄによって製造されたＰｌｕｓＩＣＥ Ｅ−１２相変化材料を含む。ＰｌｕｓＩＣＥ Ｅ−１２は−１１．６℃の凝固点を有する。

システム１００は、冷却材がそこを通して様々なシステム要素間および要素中を流動する二つの閉ループ経路Ｌ１、Ｌ２に構成されたダクト１１４、１１６を含む。さらに詳しくは、共晶熱電池１３０は二つの別個の内部冷却材ループを含む。冷却材ループの一つは、ループＬ１を介して、共晶熱電池と一次ヒートシンク２６との間の熱伝達をもたらす。一次ヒートシンク２６はエンクロージャ１１０から熱を運び去るように作用する。これに関連して、一次ヒートシンク２６は、エンクロージャ１１０内にまたはそれに近接して取り付けられることなどによって、エンクロージャ１１０の内部と熱的に接触して配置される。システム１００は任意の個数の一次ヒートシンク２６を含むことができ、一実施形態では、システム１００は、冷却される各エンクロージャ１１０に対し一つの一次ヒートシンク２６を含む。

共晶熱電池１３０と一次ヒートシンク２６との間で熱伝達をもたらす冷却材ループに加えて、共晶熱電池１３０は、ループＬ２と連通する第２内部ループを含む。ループＬ２は、ループＬ２が第１冷却装置１２０と共晶熱電池１３０および一次ヒートシンク２６のいずれか一方または両方との間で選択的に熱伝達をもたらすように、ループＬ１に選択的に接続することができる。第１冷却装置１２０は例えば、航空機または他の車両の外皮構造、集中液体チラー装置等のコールドシンクと熱的に接触する任意の数の様々な位置に配置される、熱交換器またはヒートポンプとすることができる。例えば図１４に示すように、第１冷却装置１２０はコールドシンク１２４と物理的に、かつしたがって熱的に接触して取り付けられる。特に、図示した第１冷却装置１２０は、航空機の前方ギャレー複合体の位置などで、コールドシンク１２４として作用する航空機の機体外皮構造１２４の一部分と物理的に接触して取り付けられる液体直接熱交換器である。冷却装置１２０は、機体外皮構造１２４の起伏に適合するように整形することができ、それによってそれらの間の熱的接触が改善される。

第１冷却装置１２０は、全ての一次ヒートシンク２６からの全熱負荷を受け入れるため
に必要な冷却能力のみならず、高高度飛行中のようにコールドヒートシンク１２４が冷却材からの熱を受動的に吸収することができるときに、共晶熱電池１３０内の相変化材料を所望の時間内に冷却するために必要な潜熱を除去する能力をも持つように、大きさを決定される。しかし、理解される通り、システム１０は、集合的に要求される能力を持つ多数の冷却装置１２０を含むことができる。冷却装置１２０は、当業者には周知の通り、Ｌｙｔｒｏｎによって製造された多数の液体直接熱交換器のいずれかのように、多数の様々な装置のいずれかを含むことができる。代替的に、または追加的に、冷却装置は１または複数の液体直接ヒートポンプを含むことができる。

上述の通り、システム１００は、エンクロージャ１１０に連続冷却をもたらすように多数の異なるモードで動作することができる。一般的に、システム１００は、直接受動モード、間接受動モード、直接能動モード、および間接能動モードの四つのモードのうちの一つで動作することができる。動作モードによって、冷却材は、可変または定速冷却材ポンプを含むことのできる冷却材ポンプ１４０、１４２によって駆動されながら、システム１００中を様々な方法で流動する。動作モードおよびしたがって冷却材の流路を制御するために、弁Ｖ１〜Ｖ７は様々な組合せで開閉される。一実施形態では、弁Ｖ１〜Ｖ７は遠隔制御締切り弁を含むことができる。理解される通り、動作モードは多数の様々な方法で選択することができる。例えば、動作モードは少なくとも部分的に、冷却材、冷却装置１２０、１３０、ヒートシンク２６、４０、５０、および／またはエンクロージャ１１０内部の温度に基づいて選択することができる。加えて、エンクロージャ１１０は、無冷却を含め、変化する冷却度を必要とするかもしれないので、動作モードはエンクロージャ１００の冷却の必要性に基づいて選択することができる。

動作モードを制御するために、システム１００はさらに、弁Ｖ１〜Ｖ７に電気的に接続された制御装置（図示せず）を含むことができる。加えて、制御装置は、冷却材、冷却装置１２０、１３０、ヒートシンク２６、４０、５０、および／またはエンクロージャ１１０の内部と熱的に接触して取り付けることのできる温度センサ（図示せず）に電気的に接続することができる。１または複数の温度センサから制御装置に伝達される温度情報に基づいて、制御装置はシステム１００が動作する動作モードを決定することができる。その後、制御装置は後述の通り、システム１００をそれぞれのモードで動作させるように、弁Ｖ１〜Ｖ７を作動させることができる。理解される通り、動作モードは変化することができるので、制御装置は温度情報を連続的に受け取るか、または代替的に予め定められた時間間隔で温度情報を受け取るように適応させることができる。

システム１００が直接受動モードで動作するために、弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５およびＶ６は開放され、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト１１４、１１６内を通過することができ、弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ７は閉止され、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト内の通過を阻止される。直接受動モードでの動作中、冷却材は冷却材ポンプ１４０、１４２のいずれか一方または両方によって循環され、ループＬ１、Ｌ２内を通過する。冷却材はループＬ１内を通過するときに、エンクロージャ１１０の内部温度より概して低い温度を有する冷却材は、一次ヒートシンク２６およびしたがってそれぞれのエンクロージャ１１０の内部と熱的に接触する第１冷却材ヒートシンク４０中を通過する。

冷却材が第１冷却材ヒートシンク４０中を通過するときに、冷却材は一次ヒートシンク２６およびしたがってそれぞれのエンクロージャ１１０の内部から熱を吸収し、その後、熱をエンクロージャ１１０から運び去る。熱がエンクロージャ１１０から運び去られるので、エンクロージャ１１０内の温度は低下し、それによってエンクロージャ１１０は予め定められた温度範囲内まで冷却される。その後、吸収された熱を逃がすために、冷却材はループＬ１のダクト１１４中を通過して、ループＬ２のダクト１１６へ、およびコールドヒートシンク１２４と熱的に接触している第１冷却装置１２０へ送られる。冷却材は、熱
をコールドヒートシンク１２４に逃がす冷却装置１２０で冷却され、次いで冷却材は第１冷却材ヒートシンク４０に戻って追加熱エネルギを吸収する。

直接受動モードでのシステム１００の動作は、システム１００が、車両（例えば航空機）の既存の一般的に受動コールドヒートシンク１２４（例えば機体外皮）またはシステム１００を使用する他のシステムを使用することを可能にし、好都合である。これに関連して、システム１００は、エンクロージャ１１０からの適切な熱伝達を促進するのに充分に低い熱力学的状態を冷却材が維持することができる限り、直接受動モードで動作することができる。

システム１００が間接受動モードで動作するために、弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４およびＶ６は開放され、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト１１４、１１６内を通過することができる。弁Ｖ２、Ｖ５は閉止され、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト内の通過を阻止される。間接受動モードでの動作中、冷却材は冷却材ポンプ１４０によって循環され、ループＬ１内を通過する。冷却材はループＬ１内を通過するときに、エンクロージャ１１０の内部温度より低い温度を有する冷却材は、それぞれのエンクロージャ１１０の内部と熱的に接触する第１冷却材ヒートシンク４０中を通過する。

冷却材が第１冷却材ヒートシンク４０中を通過するときに、冷却材はそれぞれのエンクロージャ１１０の内部から熱を吸収し、その後、熱をエンクロージャ１１０から運び去る。熱がエンクロージャ１１０から運び去られるので、エンクロージャ１１０内の温度は低下し、それによってエンクロージャ１１０は予め定められた温度範囲内まで冷却される。その後、吸収された熱を逃がすために、冷却材はループＬ１のダクト１１４中を通過して、共晶熱電池１３０へ送られ、次いで冷却材は共晶熱電池１３０を通過する。冷却材が共晶熱電池１３０を通過するときに、共晶熱電池１３０内の相変化材料が冷却材から熱を吸収し、それによって冷却材の温度が低下する。冷却材ループＬ１は一般的に閉ループを含み、冷却材は再び第１冷却材ヒートシンク４０中を通過するように、プロセスを繰り返すことができる。

冷却装置１２０の温度（例えば航空機の機体外皮構造１２４または他のコールドヒートシンクの温度によって決定される）が相変化材料より低い場合、ループＬ２内の冷却材の循環により、共晶熱電池１３０の相変化材料から熱を除去することが可能となる。冷却材ポンプ１４２によって付勢されると、ループＬ２内の共晶熱電池１３０を通過する冷却材は相変化材料の熱を吸収する。その後、冷却材はダクト１１６内を通過して冷却装置１２０に進み、それによって熱エネルギをコールドヒートシンク１２４に逃がす。間接受動モード中に冷却材をループＬ２中に循環させることにより、システム１００がその後間接受動モードで動作してエンクロージャ１１０の内部を冷却させることができるように、共晶熱電池１３０内の相変化材料を例えば凝固点またはそれ未満まで冷却させることができる。

相変化材料はループＬ１内を流れる冷却材から熱を吸収し、かつループＬ２内を流れる冷却材を介して熱をコールドヒートシンクに逃がすので、共晶熱電池１３０内の相変化材料は、相変化材料から熱を除去することにより、液体固体混合またはわずかに凝固点下の固体のいずれかとして維持することができる。これに関連して、システム１００は、当業者には理解される通り、冷却材が共晶熱電池１３０を通過するときのループＬ１およびＬ２内の冷却材の流量を制御することによって、相変化材料の相混合を管理することができる。こうして、ループＬ１内の冷却材と相変化材料との間、および相変化材料とループＬ２内の冷却材との間で、等温熱伝達を維持することができる。好都合なことに、共晶熱電池１３０内の等温熱伝達を維持することにより、システム１００はエンクロージャ１１０内の消耗品を冷凍させることなく、エンクロージャ１１０の内部を冷却させることができ
る。しかし、エンクロージャ１１０が冷凍食品を収納するときなど、場合によっては、システム１００は、共晶熱電池１３０内の相変化材料を凝固点下の固体状態に到達させることができる。さらに、システム１００は、エンクロージャ１１０が消耗品を収納せず、かつエンクロージャ１１０内の温度の維持が必要ないときに、共晶熱電池１３０内の相変化材料を凝固点下の固体状態に到達させることができ、それによって空港ターンアラウンドサービス中に地上作業のために特別冷却が達成される。相変化材料を凝固点下固体状態に到達させるために（冷却装置１２０の熱力学的状態が可能であるとき）、弁Ｖ１、Ｖ３を操作して、共晶熱電池１３０内の相変化材料が所望の温度に達するまで、冷却材ループＬ２内の冷却材の連続流動を可能にすることができる。

間接受動モードでのシステム１００の動作は、システム１００が、車両（例えば航空機）の既存の一般的に受動コールドヒートシンク１２４（例えば機体外皮）またはシステム１００を使用する他のシステムを利用することを可能にする。これに関連して、システム１００は、共晶熱電池１３０内の相変化材料がエンクロージャ１１０からの適切な熱伝達を促進するのに充分に低い熱力学的状態を維持することができる限り、間接受動モードで動作することができる。しかし、理解される通り、場合によっては相変化材料の熱力学的状態が高ければ、システム１００は間接受動モードで動作することができる。例えば、車両が航空機を含み、コールドヒートシンク１２４が航空機の機体外皮を含む場合、そのような状況は航空機が保守後の収益サービスに予定されているときの典型的である。さらに、例えば、航空機ターンアラウンドサービスの異常に長い遅延も潜在的に、共晶熱電池１３０の冷却能力を消耗させることがある。そのような場合、システム１００は、上述した制御装置によって決定されるように、直接能動モードおよび／または間接能動モードで動作して、エンクロージャ１１０に連続冷却をもたらすことができ、好都合である。

直接または間接能動モードのどちらでも、システム１００はヒートポンプ６０を利用することができる。上述の通り、ヒートポンプ６０は、一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０へ熱エネルギを伝達する液体直接ヒートポンプとすることができる。

直接能動モードの動作時に、冷却材は、冷却材ループＬ１およびＬ２を介して、ヒートポンプ６０と第１冷却装置１２０との間を循環する。したがって、システム１００を直接能動モードで動作するために、弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５およびＶ７は開放されて、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト１１４、１１６を通過することができ、弁Ｖ３、Ｖ４およびＶ６は閉止されて、それぞれの弁に接続されたダクト中の冷却材の通過は阻止される。

直接能動モードでのシステム１００の動作中に、直接冷却材の循環は、ヒートポンプ６０を介して一次ヒートシンク２６と連通する第１冷却装置１２０と第２冷却材ヒートシンク５０との間で可能である。冷却材ポンプ１４０、１４２の一方または両方によって付勢されると、冷却材は、ヒートポンプ６０を介してそれぞれのエンクロージャの内部と熱的に接触する、第２冷却材ヒートシンク５０中を通過する。理解される通り、システム１００が能動モード（直接または間接のいずれか）で動作する場合、コールドヒートシンク１２４ならびにしたがって冷却材および第２冷却材ヒートシンク５０の温度は充分に低くなく、一次ヒートシンク２６から熱を受動的に吸収することができないことがある。そういうものとして、ヒートポンプ６０は、当業者には周知の通り、一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０への熱の伝達を強制することができる。冷却材が第２冷却材ヒートシンク５０を通過するときに、ヒートポンプ６０は一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０へ、およびしたがって冷却材へ熱エネルギを伝達する。したがって、冷却材はそれぞれのエンクロージャ１１０の内部から熱を吸収し、その後、熱をエンクロージャ１１０から運び去る。熱がエンクロージャ１１０の内部から運び去られるので、内部の温度は低下し、それによりエンクロージャ１１０は予め定められた温度に冷却される。

直接能動モードで冷却材によって吸収された熱を逃がすために、冷却材はダクト１１４、１１６の一部分を通して、コールドヒートシンク１２４（例えば航空機の機体外皮構造、遠隔液体チラーに接続された液体間熱交換器、または液体チラー自体）と熱的に接触している第１冷却装置１２０に送られる。冷却材が第１冷却装置１２０を通過するときに、熱は冷却装置１２０およびしたがってコールドヒートシンク１２４に逃がされる。冷却材の熱がコールドヒートシンク１２４に逃げた後、冷却材は第２冷却材ヒートシンク５０に戻り、プロセスを繰り返すことができる。

受動または直接能動モードでの動作に加えて、システム１００は間接能動モードで動作することができる。間接能動モードは、例えばコールドヒートシンク１２４の温度のため受動冷却が不可能な状況で、トリガすることができる。一実施形態では、システム１００を間接能動モードで動作するために、弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４およびＶ７は開放されて、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト１１４、１１６内を通過することができ、弁Ｖ２、Ｖ５およびＶ６は閉止されて、冷却材はそれぞれの弁に接続されたダクト１１４、１１６内の通過を阻止される。間接能動モードでの動作中に、冷却材は、ヒートポンプ６０を介して一次ヒート２６シンクに熱的に接触するダクト１１４内および第２冷却材ヒートシンク５０内を通過する。

冷却材が第２冷却材ヒートシンク５０を通過するときに、ヒートポンプ６０は一次ヒートシンク２６から第２冷却材ヒートシンク５０へ、かつしたがって冷却材へ熱エネルギを伝達する。したがって、冷却材はそれぞれのエンクロージャ１１０の内部から熱を吸収し、その後、熱をエンクロージャ１１０から運び去る。熱はエンクロージャ１１０から運び去られるので、エンクロージャ１１０内の温度は低下し、それによりエンクロージャ１１０は予め定められた温度に冷却される。

間接能動モードで冷却材によって吸収された熱を逃がすために、冷却材はダクト１１４の一部分を通して共晶熱電池１３０に送られる。冷却材が熱電池１３０を通過するときに、熱は電池１３０へ逃がされる。冷却材の熱が電池１３０へ逃がされた後、冷却材は第２冷却材ヒートシンク５０に戻り、プロセスを繰り返すことができる。

冷却装置１２０の温度（例えば航空機の機体外皮構造または他のコールドヒートシンク１２４の温度によって決定される）が相変化材料より低い場合、ループＬ２内の冷却材の循環により、相変化材料から熱を除去することが可能となる。冷却材ポンプ１４２によって付勢されると、ループＬ２内の共晶熱電池１３０を通過する冷却材は相変化材料の熱を吸収する。その後、冷却材はダクト１１６内を通過して冷却装置１２０に進み、それによって熱エネルギをコールドヒートシンク１２４に逃がす。

システム１００はまた、熱電池１３０を冷却するために周囲大気圧まで膨張させることのできる圧縮不活性流体の貯蔵部１５０を含むか、または他の方法でアクセスすることもできる。例えば、貯蔵部１５０は圧縮窒素、窒素富化空気、二酸化炭素等を保持することができる。不活性成分の貯蔵部１５０を利用するために、共晶熱電池１３０は、絞り弁１５４などを介して、貯蔵部１５０と可変流体接触する蒸発器コイル１５２を含むことができる。いずれかのモードで動作中に、貯蔵部１５０は、絞り弁１５４を制御可能に開閉することによって起動させることができ、それによって不活性成分は絞り弁１５４を通して共晶熱電池１３０内の蒸発器コイル１５２内に膨張する。次いで、過冷成分は非常に強力な冷媒として作用して、相変化材料を冷却させることができる。これに関連して、相変化材料の融解の潜熱が蒸発器コイル１５２の壁を介して冷温窒素蒸気へと失われるにつれて、共晶熱電池１３０内の相変化材料は一般的に徐々に冷却される。こうして、共晶熱電池１３０は再充電されて、エンクロージャ１１０に適切な冷却をもたらすことができる。相
変化材料の冷却後、蒸発器コイル１５２を航空機外皮構造に取り付けられた空気抜き弁１５６に接続する空気ホースなどを介して、貯蔵部１５０からの使用済みの流体は航空機から排出することができる。

好都合なことに、航空機のような車両で使用される場合、システム１００は不活性成分の貯蔵部１５０を含む必要は無い。そのような場合、システム１００は、燃料タンクの爆発防止のような他の目的で航空機に搭載されている、既存の不活性成分の貯蔵部１５０を利用することができる。当業者には周知の通り、液体窒素は従来、航空機でギャレー冷却のために使用されてきた。そのような慣行は近年、液体窒素タンクを航空機に搭載する費用のため、減少してきた。しかし、燃料タンクの爆発を防止する最近の連邦航空局（ＦＡＡ）の要件は、航空機が航空機燃料タンク内部の大気を不活性化する手段を設けることを要求するかもしれない。これに関連して、窒素ガスまたは窒素富化空気は多くの人々に、航空機燃料タンク内部の不活化剤として使用される主な候補として考えられている。そういうものとして、将来の航空機は地上ベースまたは航空機ベースの窒素貯蔵または生成能力のいずれかを持つことが要求されるかもしれず、システム１００はそれを利用して相変化材料から熱を吸収することができる。

上述においてはシステム１００の動作モードが別個の状況に依存するものと記載したが、システム１００は、第１冷却装置１２０の熱力学的状態（または温度）のみを条件として、どんな場合でも任意のモードで動作することができることに留意されたい。例えば、システム１００が間接受動モードで同等に動作することができる場合に、システム１００は直接能動または間接能動モードのいずれかで動作することができる。

システム１００は本書に記載するように様々な要素を含むことができるが、システム１００は、追加的に、または代替的に、冷却材および／または相変化材料の温度、流量および圧力を所定の限度内に維持するためにシステム１００によって要求される他の弁、リザーバ、脱塩装置、アキュムレータ、熱交換器、ヒートポンプ、センサ、他のフローループ制御装置および計測装置等を組み込むことができる。例えば、１または複数の追加冷却装置を第１冷却装置１２０と平行な回路内に設けることができ、かつ第１および第２冷却材ヒートシンク４０、５０をそれぞれ受動および能動モードで第１冷却装置１２０の代わりに追加冷却装置に選択的に接続するために、弁を設けることができる。

したがって、本発明のシステムおよび方法は、該システムが作動する車両またはシステムの自然コールドヒートシンクによって提供される「自由な」熱電位を利用して、１または複数のエンクロージャを冷却することができる。好都合なことに、該システムおよび方法が例えば航空機内で動作するときに、該システムおよび方法は、蒸気圧縮サイクルエアチラーを使用することなく、航空機搭載のギャレーカートのようなエンクロージャを冷却することができる。さらに、本発明の実施形態のシステムおよび方法は、一次熱交換器を選択的な受動および能動モードの動作で冷却することのできる、ハイブリッド冷却サイクルを達成する。好都合なことに、第１および第２冷却材ヒートシンクは共通一次ヒートシンクを冷却することができ、それにより受動および能動冷却技術を統合して、航空機のギャレーカートのようなエンクロージャの連続冷却を達成することができる。

本発明が関係する技術分野の熟練者は、上述の説明および関連する図面に提示した教示の恩恵を受けて、本書に記載した発明の多くの変形および他の実施形態を思いつくであろう。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限定されず、変形および他の実施形態は、付属する請求の範囲に記載する範囲内に含まれるものと理解すべきである。本書では特定の用語を使用しているが、それらは、限定を目的とするものではなく、単に一般的な説明の意味で使用するにすぎない。

本発明の一実施形態に係る、エンクロージャを冷却するための装置を示す斜視図である。 装置の第１側面を示す、図１の装置の立面図である。 装置の第２側面における一次ヒートシンクならびに第１および第２冷却材ヒートシンクを示す、図１の装置の他の斜視図である。 装置の第２側面を示す、図１の装置の立面図である。 図４の右側から見た、図１の装置の立面図である。 第１側面からパネルを取り外して装置の内部を示す、図１の装置の斜視図である。 図１の装置の一次ヒートシンクおよびフォームインサートの斜視図である。 図１の装置の一次ヒートシンクならびに第１および第２冷却材ヒートシンクの斜視図である。 図１の装置の第１および第２冷却材ヒートシンクの斜視図である。 第１および第２冷却材ヒートシンクが取り外された状態で示される、図１の装置の斜視図である。 図１の装置の一次ヒートシンク、フォームインサートおよびパネルの斜視図である。 図１の装置の一次ヒートシンクおよびパネルの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るエンクロージャを冷却するためのシステムを示す略図である。 冷却装置が航空機の機体外皮構造の内面を含むコールドシンクに熱を逃がすように構成された、図１３のシステムの四つの冷却装置を示す斜視図である。

Claims (40)

1. エンクロージャを選択的に能動または受動冷却するための装置であって、
   前記エンクロージャ内のガスから熱エネルギを受け取り、それにより前記ガスを冷却しかつ前記エンクロージャを冷却するように構成された少なくとも一つの表面を画定する一次ヒートシンクと、
   前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、冷却材が前記一次ヒートシンクを冷却するように構成されるように前記冷却材を循環させるための少なくとも一つの通路を画定する、第１冷却材ヒートシンクと、
   前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、前記一次ヒートシンクを冷却するように構成された少なくとも一つのヒートポンプと、
   前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、冷却材が前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクから熱エネルギを受け取るように構成されるように前記冷却材を循環させるための少なくとも一つの通路を画定する、第２冷却材ヒートシンクと、
   第１および第２冷却材ヒートシンクによって画定される通路に流体接続された少なくとも一つの冷却材ループと、
   前記少なくとも一つの冷却材ループならびに前記第１および第２冷却材ヒートシンクに前記冷却材を循環させるように構成された少なくとも一つのポンプと、
   少なくとも一つの冷却デバイスとを備え、
   前記少なくとも一つの冷却デバイスが前記冷却材ループ内の前記冷却材を冷却するように構成されるように、前記冷却材ループが前記少なくとも一つの冷却デバイスと熱的に連通する、装置。
2. 前記第１冷却材ヒートシンクによって画定される通路内の冷却材が前記一次ヒートシンクを冷却するように構成されるように前記第１冷却材ヒートシンクは前記一次ヒートシンクと直接熱的に連通する、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも一つの冷却デバイスは熱をコールドシンクに逃がすように構成され、前記コールドシンクが航空機の機体外皮構造の少なくとも一部分を含む、請求項１に記載の
   装置。
4. 前記少なくとも一つの冷却デバイスは共晶熱電池である、請求項１に記載の装置。
5. 前記ヒートポンプは熱イオン装置、熱電気装置、および熱電気熱イオンハイブリッド装置からなる群の少なくとも一つであり、前記ヒートポンプは前記一次ヒートシンクから前記第２冷却材ヒートシンクへ熱エネルギを能動的に伝達するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記一次ヒートシンクの前記少なくとも一つの表面は、一次ヒートシンクから延び前記エンクロージャ内の前記ガスと接触してそれから熱エネルギを受け取るように構成された複数の長尺フィンを画定する、請求項１に記載の装置。
7. 前記一次ヒートシンクは蒸気チャンバを画定する基部を含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記一次ヒートシンクは、少なくとも一つのヒートポンプが中に埋め込まれた基部を含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記ガスを前記一次ヒートシンクと熱的に連通して循環させ、それによって前記一次ヒートシンクを加熱しかつ前記ガスを冷却するように構成された少なくとも一つのファンをさらに備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記装置は選択的に能動および受動モードで動作するように構成され、前記受動モードは、熱エネルギが前記一次ヒートシンクから前記冷却材へ伝達されるように、前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンク内に循環させることを特徴とし、前記能動モードは、熱エネルギが前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクから前記冷却材へ伝達されるように、前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンク内に循環させ、かつ前記少なくとも一つのヒートポンプを動作させることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 前記システムは前記エンクロージャを前記受動モードで約７℃未満、前記能動モードで約０℃未満の温度に冷却するように構成される、請求項１に記載の装置。
12. 前記第１および第２冷却材ヒートシンクによって画定される前記通路と選択的に流体連通した第１および第２冷却デバイスをさらに備え、前記装置が直接および間接受動モードならびに直接および間接能動モードで選択的に動作するように構成され、前記直接受動モードは前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンクおよび前記第１冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記間接受動モードは前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンクおよび前記第２冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記直接能動モードは前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンクおよび前記第１冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記間接能動モードは前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンクおよび前記第２冷却デバイス内に循環させることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
13. 前記第１冷却デバイスは航空機の機体外皮構造の少なくとも一部分を含むコールドシンクに熱を逃がすように構成され、前記第２冷却デバイスは共晶熱電池である、請求項１２に記載の装置。
14. 少なくとも一つのエンクロージャを選択的に能動または受動冷却するためのシステムであって、
    前記システムは、
    前記少なくとも一つのエンクロージャ内のガスから熱エネルギを受け取り、それによ
    り前記ガスを冷却しかつ前記エンクロージャを冷却するように構成された少なくとも一つの表面を画定する一次ヒートシンクと、
    前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、冷却材が前記一次ヒートシンクを冷却するように構成されるように前記冷却材を循環させるための少なくとも一つの通路を画定する、第１冷却材ヒートシンクと、
    前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、前記一次ヒートシンクを冷却するように構成された少なくとも一つのヒートポンプと、
    前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクと熱的に連通し、冷却材が前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクから熱エネルギを受け取るように構成されるように前記冷却材を循環させるための少なくとも一つの通路を画定する第２冷却材ヒートシンクとを含む、
    少なくとも一つの熱伝達装置と、
    前記第１および第２冷却材ヒートシンクによって画定される通路に流体接続された少なくとも一つの冷却材ループと、
    少なくとも一つの冷却デバイスとを備え、
    前記冷却材ループが、前記少なくとも一つの冷却デバイスが前記冷却材ループ内の前記冷却材を冷却するように構成されるように、前記少なくとも一つの冷却デバイスと熱的に連通しており、
    前記装置は選択的に能動および受動モードで動作するように構成され、前記受動モードは、熱エネルギが前記冷却材によって前記一次ヒートシンクから前記冷却デバイスへ伝達されるように、前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンク内に循環させることを特徴とし、前記能動モードは、熱エネルギが前記冷却材によって前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクから前記冷却デバイスへ伝達されるように、前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンク内に循環させ、かつ前記少なくとも一つのヒートポンプを動作させることを特徴とする、システム。
15. 前記冷却材を前記少なくとも一つの冷却材ループならびに前記第１および第２冷却材ヒートシンク内に循環させるように構成された少なくとも一つのポンプをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記少なくとも一つの冷却デバイスは熱をコールドシンクに逃がすように構成され、前記コールドシンクが航空機の機体外皮構造の少なくとも一部分を含む、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記少なくとも一つの冷却デバイスは共晶熱電池である、請求項１４に記載のシステム。
18. 膨張しそれによって熱電池を冷却するように構成された圧縮流体の貯蔵部をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記共晶熱電池が前記第２冷却デバイスによって再充電されるように構成されるように、前記共晶熱電池は第２冷却デバイスに熱的に接続される、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記少なくとも一つのヒートポンプは、前記一次ヒートシンクから前記第２冷却材ヒートシンクへ熱エネルギを能動的に伝達するように構成された熱イオン装置、熱電気装置、および熱電気−熱イオンハイブリッド装置のうちの少なくとも一つである、請求項１４に記載のシステム。
21. 前記一次ヒートシンクの前記少なくとも一つの表面は、前記エンクロージャ内の前記ガ
    スと接触し、それから熱エネルギを受け取るように構成された複数の長尺フィンを画定する、請求項１４に記載のシステム。
22. 前記一次ヒートシンクは蒸気チャンバを画定する基部を含む、請求項１４に記載のシステム。
23. 前記一次ヒートシンクは少なくとも一つのヒートポンプがその中に埋め込まれた基部を含む、請求項１４に記載のシステム。
24. 各熱伝達装置は、ガスを一次ヒートシンクと熱的に連通して循環させ、それにより前記一次ヒートシンクを加熱し、かつ前記ガスを冷却するように構成されたファンをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
25. 各熱伝達装置は前記エンクロージャを前記受動モードで約７℃未満、前記能動モードで約０℃未満の温度に冷却するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
26. 前記第１および第２冷却材ヒートシンクによって画定される前記通路と選択的に流体連通した第１および第２冷却デバイスをさらに備え、各熱伝達装置が直接および間接受動モードならびに直接および間接能動モードで選択的に動作するように構成され、前記直接受動モードは前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンクおよび前記第１冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記間接受動モードは前記冷却材を前記第１冷却材ヒートシンクおよび前記第２冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記直接能動モードは前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンクおよび前記第１冷却デバイス内に循環させることを特徴とし、前記間接能動モードは前記冷却材を前記第２冷却材ヒートシンクおよび前記第２冷却デバイス内に循環させることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
27. 前記第１冷却デバイスは航空機の機体外皮構造の少なくとも一部分を含むコールドシンクに熱を逃がすように構成され、前記第２冷却デバイスは共晶熱電池である、請求項２６に記載のシステム。
28. エンクロージャを選択的に能動または受動冷却するための方法であって、
    前記エンクロージャのガスから一次ヒートシンクによって熱エネルギを吸収して、それにより前記ガスを冷却し、前記エンクロージャを冷却するステップと、
    前記一次ヒートシンクと熱的に連通する第１通路に冷却材を循環させ、それにより前記エンクロージャから前記第１通路内の前記冷却材に熱を逃がすことによって、前記一次ヒートシンクを受動モードで冷却するステップと、
    前記一次ヒートシンクと熱的に連通するヒートポンプを動作させ、前記冷却材を前記ヒートポンプを介して前記一次ヒートシンクと熱的に連通する第２通路に循環させ、それにより熱を前記第２通路内の前記冷却材に逃がすことによって、前記一次ヒートシンクを能動モードで冷却するステップとを含む、方法。
29. 前記第１冷却ステップは、少なくとも一つのポンプを動作させて、前記第１通路に流体接続された第１ループに前記冷却材を循環させることを含み、前記第２冷却ステップは、少なくとも一つのポンプを動作させて、前記第２通路に流体接続された第２ループに前記冷却材を循環させることを含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記第１および第２冷却ステップは、前記冷却材を少なくとも一つの冷却デバイスに循環させ、それにより前記冷却材を冷却することを含む、請求項２８に記載の方法。
31. 前記第１および第２冷却ステップの少なくとも一つは、航空機外皮構造と熱的に連通し
    た冷却デバイスに前記冷却材を循環させることを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記第１および第２冷却ステップの少なくとも一つは、共晶熱電池と熱的に連通した冷却デバイスに前記冷却材を循環させることを含む、請求項２８に記載の方法。
33. 圧縮流体を膨張させ、それにより前記共晶熱電池を冷却することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記共晶熱電池からコールドシンクへ熱を逃がし、それにより前記電池を再充電することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
35. 前記吸収ステップは、複数の長尺フィンを介して前記ガスから熱エネルギを吸収することを含む、請求項２８に記載の方法。
36. 前記吸収ステップは、前記一次ヒートシンクによって画定されるチャンバ内に含まれる流体を蒸発させることを含む、請求項２８に記載の方法。
37. 前記吸収ステップは、前記ガスを循環させ、それにより一次熱交換器を対流的に加熱するように構成されたファンを動作させることを含む、請求項２８に記載の方法。
38. 前記第１冷却ステップは、選択的に直接受動モードで前記冷却材を第１冷却デバイスに循環させ、間接受動モードで第２冷却デバイスに循環させることを含む、請求項２８に記載の方法。
39. 前記第１冷却ステップは、直接受動モードで前記冷却材を前記冷却デバイスに循環させ、熱を前記冷却デバイスから航空機の機体外皮構造の少なくとも一部分を含むシンクに逃がし、間接受動モードで冷却材を共晶熱電池に循環させることを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記冷却ステップの少なくとも一つは、前記エンクロージャを前記受動モードで約７℃未満、前記能動モードで約０℃未満の温度に冷却することを含む、請求項２８に記載の方法。

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