KR20120088682A - 열에너지 저장 재료를 활용한 열전달 시스템 - Google Patents

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KR20120088682A
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안드레이 소우코잭
데이비드 뱅크
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

저장된 열에너지와 열수취자 사이의 열전달이 모세관 펌핑형 루프를 통해 개선된다. 본 발명에 따른 장치, 시스템 및 방법은, 소정 온도에서 고체-액체 상전이를 갖는 열에너지 저장 재료, 및 복수의 모세관을 갖는 구조체를 이용한다.

Description

열에너지 저장 재료를 활용한 열전달 시스템{HEAT TRANSFER SYSTEM UTILIZING THERMAL ENERGY STORAGE MATERIALS}
우선권 주장
본 출원은 미국 가특허출원 제 61/245,767 호(2009년 9월 25일 출원, Soukhojak 외)의 출원일에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 본원에 그 전체가 참조로서 원용된다.
본 발명은 모세관 펌핑형 루프를 통한 저장된 열에너지와 열수취자(heat recipient) 사이의 개선된 열전달에 관한 것이다.
전반적으로, 산업 분야에서는, 보다 시의 적절한 시기에 폐열을 활용할 수 있도록 효율적으로 폐열을 수집하여 저장하기 위한 새로운 접근 방법을 적극적으로 탐색하여 왔다. 또한, 좁은 공간에 에너지 저장을 구현하기 위한 요청에 따라 단위 중량 및 단위 체적당 높은 에너지 함량을 저장가능한 새로운 재료의 개발이 요망된다. 혁신적인 기술의 잠재적 적용 분야에는, 지자체 및/또는 상업적 건물 난방은 물론이고, 운송 산업, 태양 에너지, 산업상의 제조 공정도 포함된다.
상기 운송 산업과 관련하여, 내연기관이 비효율적으로 작동하는 바는 잘 알려져 있다. 이 비효율성의 원인으로는, 시스템으로부터의 기계적 손실 및 배기, 냉각, 복사열을 통한 열손실을 들 수 있다. 내연기관에 공급된 연료 에너지 중의 30%보다 많은 양이, 엔진 배기를 통해 주변으로 잃게 되는 것으로 추정되고 있다.
"냉간 시동" 중에는, 최적이 아닌 온도에서 연소가 일어나고, 또한 내연기관이 냉간 상태의 윤활제의 높은 점성으로 인해 마찰에 대항하여 추가의 일을 행해야 하므로, 내연기관은 실질적으로 낮은 효율로 작동하거나, 보다 많은 배출물을 생성하거나, 또는 낮은 효율이면서 다량의 배출물을 생성한다는 것은 잘 알려져 있는 바이다. 이러한 문제는 내연기관이 간헐적으로 작동함으로써 냉간 시동 상태를 연장시키고, 및/또는 차량의 단일 동작 기간 중에 복수회의 냉간 시동의 발생을 일으키는 하이브리드 전기 차량에 있어서 가일층의 중요성을 갖는다. 이러한 과제의 해결을 돕기 위해, OEM 제조사들은 폐열의 효율적인 저장 및 방출이 가능한 해결방안을 찾고 있다. 기본이 되는 아이디어는, 정상적인 차량 운전 중에 폐열을 회수하여 저장하고, 이어서 이 열을 추후에 제어하에서 방출함으로써 냉간 시동 상태의 기간 및 빈도를 감소시키거나 최소화하고, 종국적으로는 내연기관의 효율을 향상시키거나, 배출물을 감소시키거나, 또는 이들 양방 모두를 가능하게 하는 것이다.
실질적인 해결방안이 되기 위해서는, 열에너지 저장 시스템에 대한 에너지 밀도 열 출력 밀도 요구조건은 극히 높다. 출원인은 이전에 1) 미국 특허출원 제 12/389,416 호("열에너지 저장 재료", 2009년 2월 20일 출원); 및 2) 미국 특허출원 제 12/389,598 호("열 저장 장치", 2009년 2월 20일 출원)를 출원하였다. 이들 선행하는 출원들은 그 전체가 본원에 참조로서 원용된다.
선행 기술에 있어서, 배기열 회수 장치가 알려져 있다. 그러나, 이들은 냉간 시동 직후나 심지어는 냉간 시동 이전에 냉간 시동 상태를 완화시키기 위해 요구되는 장기간(6시간 이상)의 열 저장 능력은 제공하지 못한다. 따라서, 차량 배기열 회수 시스템에 있어서, 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 오랜 열 보유 시간, 요구 즉시 열전달의 간소한 메커니즘의 전례없는 조합을 제공가능한 시스템이 요구된다.
본 발명의 일 양태는 대략 50℃보다 높은 소정 온도에서 고체-액체 상전이를 갖는 열에너지 저장 재료와, 모세관 구조체를 포함하는 열 저장 장치이다.
본 발명의 다른 양태는, 작동 유체를 위한 적어도 하나의 입구와 하나의 출구, 및 제 2 유체를 위한 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구를 제각기 구비한 적어도 하나의 컨테이너와; 적어도 제 1 외표면을 구비하며 상기 컨테이너 내에 상전이 재료를 수용하는 하나 또는 그 이상의 캡슐과; 상기 컨테이너를 통한 상기 작동 유체의 유동을 위한 제 1 유로로서, 상기 캡슐의 제 1 외표면에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 제 1 유로와; 상기 제 1 유로를 통한 작동 유체의 펌핑이 가능한 복수의 모세관을 갖는 모세관 구조체로서, 상기 모세관 구조체는 상기 제 1 유로를 부분적으로 충진하고, 또한 상기 캡슐의 제 1 외표면과 적어도 부분적으로 접촉하여, 일단부에서 작동 유체와 접촉되는 경우, 상기 작동 유체는 상기 모세관으로 흡인되고, 상기 제 1 유로의 제 2 부분은 모세관이 없는 모세관 구조체와; 상기 컨테이너를 통한 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 유로를 포함하는 장치이며, 상기 제 1 유로는 작동 유체 컴파트먼트 내에 있고, 상기 제 2 유로는 열전달 유체 컴파트먼트 내에 있고, 상기 상전이 재료는 상전이 재료 컴파트먼트 내에 있으며, 상기 상전이 재료는 상기 작동 유체 컴파트먼트 및 상기 열전달 유체 컴파트먼트와 열적 연통되고, 상기 장치는 열 저장 장치이다.
본 발명의 다른 양태는 본 명세서에서 설명한 바와 같은, 열 저장 장치를 포함하는 열을 저장하고 전달하기 위한 시스템이며, 상기 작동 유체를 위한 제 1 유로, 적어도 제 1 입구 및 적어도 제 1 출구를 갖는 콘덴서를 포함하고, 상기 열 저장 장치는 상기 콘덴서와 유체 연통되며, 상기 시스템은 상기 콘덴서의 상기 제 1 유로 및 상기 열 저장 장치의 상기 제 1 유로를 포함하는 모세관 펌핑형 루프를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 열에너지 저장 재료 및 모세관 구조체를 포함하는 것과 같은, 본 명세서에서 설명한 열 저장 장치를 통해 작동 유체를 순환시키는 단계를 포함하는 열 방출 방법이다.
본 발명은 내연기관에 있어서의 냉간 시동 조건을 완화하는데 이용할 수 있으며, 필요할 경우, 승객의 안락함을 위한 난방 및/또는 윈드쉴드 성에 제거를 위한 추가적인 정상 상태 냉각제 가열을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 산업상의 적용은 냉각 시스템, 랭킨 사이클 열 엔진, 열전 제네레이터 등과 같은 여타의 파워 생산 적용예를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서는, 본 발명은 하이브리드 전기, 플러그 인 하이브리드 전기, 연장된 범위의 전기 차량 또는 순수 전기 차량에 있어서의 전기화학 배터리의 웜업; 전기 구동만이 가능한 차량의 안락성을 위한 난방; 흡수 또는 흡착 사이클 냉동을 사용한 차량 공기 조화; 예컨대, 랭킨 사이클 등의 열 엔진을 사용한 정상 상태 배열 회수; 및 산업용 또는 주거용 열 저장에 사용할 수 있다.
도 1은 열 저장 장치의 주요 구성요소 중의 일부를 나타내는 개략도,
도 2a는 예시적인 열 저장 장치의 단면도로서, 이 단면도는 열에너지 저장 재료 및 증발기를 포함하는 3방(배기 가스, 상전이 재료, 작동 유체) 2류(배기 가스 및 작동 유체)의 열 저장 장치의 내부 구조를 설명하는 도면,
도 2b는 예시적인 열 저장 장치의 다른 단면도,
도 3은 열 저장 장치 및 콘덴서를 포함하는 열에너지 저장 시스템의 주요 구성요소 중의 일부를 도시하는 개략도.
이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 실시형태에 따른 제한을 두지 않는 예를 통해, 복수의 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 설명하며, 상기 도면 중에 있어서 동일한 참조 부호는 도면 중의 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다.
이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 구체적인 실시형태들을, 그 바람직한 실시형태들과 관련지어 설명한다. 그러나, 다음의 설명이 본 기술의 특정 실시형태 또는 특정된 사용에 특정되는 정도까지, 이는 단지 예를 들기 위한 의도이며 예로서의 실시형태들의 간략한 설명을 제공할 뿐이다. 이에 따라, 본 발명은 이하 설명하는 특정한 실시형태들로 한정되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 참된 범주 내에 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다.
본 명세서의 교시로부터 이해할 수 있듯이, 본 발명은 열 저장 및 열 방출 적용, 그리고 특히 신속한 열의 저장, 신속한 열의 제거, 또는 이들 양쪽 모두가 가능하도록 고출력 밀도를 요구하는 적용에 대한 열에너지 저장 재료(소위, "상전이 재료"도 포함함)의 패키징 및 함유에 대한 고유하고 기대 이상으로 효율적인 접근 방식을 제공한다. 열에너지 저장 시스템은, 여기에서, 평범치않은 고출력 밀도 능력을 발현하고, 해당 시스템 내의 (상전이 재료에 이어져서) 열 저장 장치로부터 열 저장 장치의 리터 당 적어도 대략 10㎾의 레이트로 제거하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에서의 교시는 부식으로 인하거나, 주기적인 열 부하로부터의 열적으로 유발된 스트레인으로 인하거나, 또는 이들 양쪽 모두로 인한 불량을 견디는 상대적으로 견고한 구조체로의 열에너지 저장 재료의 패키징을 내포하고, 또한 그러한 구조체, 및 그러한 구조체를 포함하는 시스템에 의해 점유된 전체 체적과 관련하여, 상대적으로 높은 저장 및 방출 능력을 가져오는 것을 상정하고 있다. 또한, 본 명세서에서의 교시는, 작동 유체를 위한 열 저장 장치 내의 유로로서, 복수의 모세관을 갖는 모세관 구조체를 부분적으로 포함하는 유로도 상정하고 있다. 상기 모세관 구조체는 작동 유체를 적어도 부분적으로 펌핑하기 위해 이용될 수 있다. 여기에서의 상기 모세관 구조체의 이점들 중 하나는, 비교적 콤팩트한 조립체가 가능하고, 이것이 예상치 않게 크고 신속한 열 저장 및 열 방출 능력을 나타낸다는 것이다. 상기 시스템은 모세관의 펌핑 외의 펌프를 사용하는 일이 없이, 작동 유체를 펌핑할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 여기에서의 교시는 복수의 모세관 구조체의 열에너지 저장 재료의 구분된 량을 패키징하는 방식을 상정하고 있다. 이 교시는 열 저장 장치에서의 사용을 위한 그러한 캡슐형 구조의 조립체를 상정하고 있다. 또한, 그러한 구조, 장치 및/또는 시스템의 결과로서 가능해지거나 보다 효율적인 다수의 적용도 본 교시의 일부로서 상정된다.
열 저장 장치
이상 논의한 바와 같이, 열에너지 저장 시스템은 열에너지를 저장가능한 열 저장 장치(예컨대, 열에너지 저장 장치)를 포함한다. 그러하므로, 상기 열 저장 장치는 열(폐열이나 기타 등)을 수용하고, 당해 열을 저장하고, 추후 당해 열을 방출할 수 있어서, 하나 또는 그 이상의 물체를 가열하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 열 저장 장치는 열을 신속하게 배출할 수 있다. 열을 방출하는 동안에, 상기 열 저장 장치는 적어도 부분적으로 작동 유체를 액상에서 기상으로 변환시키며 증발기로서 기능한다. 그러하므로, 상기 열 저장 장치는 작동 유체를 수용하기 위한 작동 유체 컴파트먼트와(이 컴파트먼트는 하나 또는 그 이상의 유로를 포함할 수 있음), (예컨대, 상기 작동 유체 컴파트먼트의 일측 또는 일단부에서) 상기 작동 유체 컴파트먼트에 접속되고 (예컨대, 액체 상태의) 상기 작동 유체를 수용하기 위한 하나 또는 그 이상의 작동 유체 입구와, (예컨대, 기상 상태의) 상기 작동 유체를 토출하기 위한 하나 또는 그 이상의 작동 유체 출구를 포함하여서, 상기 작동 유체는 상기 하나 또는 그 이상의 작동 유체 입구로 유입하여, 상기 작동 유체 컴파트먼트의 하나 또는 그 이상의 유로를 거쳐 상기 하나 또는 그 이상의 작동 유체 출구로 흐른다. 바람직하게는, 상기 유로의 적어도 일부분(예컨대, 각 유로의 일부분)은 작동 유체를 흡인가능한 모세관 구조체(복수의 모세관을 갖는 구조체 등)를 포함한다. 상기 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트는 모세관 펌핑형 루프의 일 섹션일 수 있으며, 상기 모세관 구조체는 상기 루프를 통해 작동 유체를 적어도 부분적으로 펌핑하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 여러 양태에 있어서, 상기 열 저장 장치는 상대적으로 경량이거나, 상대적으로 소형이거나, 또는 이들 둘 모두일 수 있다. 그러므로, 상기 열 저장 용량 밀도(즉, 상기 열 저장 장치의 체적으로 나눈 열 저장 장치 내에 저장 가능한 최대 열량)가 상대적으로 높으며, 또한 질량에 대한 열 저장 능력(즉, 상기 열 저장 장치에 저장가능한 열량과 상기 열 저장 장치의 질량의 비)가 상대적으로 높을 수 있다. 이들 효율을 구현하기 위해서, 상기 열 저장 장치는 경량의 재료(열에너지 저장 재료, 캡슐화 재료, 컨테이너 재료, 모세관 구조체를 위한 재료 등)를 이용할 수 있다.
상기 열 저장 장치의 대부분이 하나 또는 그 이상의 효율적으로 열을 저장 가능한 열에너지 저장 재료(바람직하게는, 하나 또는 그 이상의 상전이 재료)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 열 저장 장치에서 상기 열에너지 저장 재료의 농도는, 상기 열 저장 장치가, 상기 작동 유체가 유동하여 당해 장치 및 상기 열에너지 저장 재료와 열적으로 접촉하는 열전달 유체 컴파트먼트로부터 신속하게 열을 전달하기에 충분히 크며, 또한 열전달 유체가 유동하여 당해 장치 내로 효율적으로 열을 전달하기에 충분한 작동 유체 컴파트먼트를 갖는 것을 조건으로 하여 최대화될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 열에너지 저장 재료의 체적은, 당해 열 저장 장치의 컨테이너의 전체 제척에 기초하여, 대략 10체적%보다 크고, 바람직하게는 대략 20체적%보다 크고, 보다 바람직하게는 대략 30체적%보다 크고, 보다 더 바람직하게는 대략 40체적%보다 크고, 가장 바람직하게는 대략 50체적%보다 크다.
상기 열 저장 장치는, 열에너지 저장 재료 및 하나 또는 그 이상의 유체가 서로 분리되도록 충분한 개수의 컴파트먼트를 가질 수 있다. 상기 열 저장 장치는 2 이상(바람직하게는 3 이상)의 컴파트먼트를 가질 수 있다. 상기 컴파트먼트는, ⅰ) 열에너지 저장 재료, ⅱ) 열에너지 저장 재료를 챠지(예컨대, 가열)하기 위한 제 1 유체(열전달 유체 등), ⅲ) 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)를 방출(예컨대 냉각)하기 위한 제 2 유체(예컨대, 작동 유체) 중의 하나, 또는 모두를 분리(예컨대, 실질적으로 또는 전적으로 고립시킴)하기 위해 채용될 수 있다. 그러하므로, 상기 열 저장 장치는 열에너지 저장 재료를 위한 열에너지 저장 재료 컴파트먼트(예컨대, 상전이 재료를 위한 상전이 재료 컴파트먼트), 제 1 유체를 위한 컴파트먼트(예컨대 열전달 유체 컴파트먼트) 및 제 2 유체를 위한 컴파트먼트(예컨대, 작동 유체 컴파트먼트)를 포함할 수 있다. 열에너지 저장 재료 컴파트먼트는 상기 열전달 유체 컴파트먼트와 열적 연통 가능하여도 되고, 또는 상기 작동 유체 컴파트먼트와 열적 연통 가능하여도 되고, 또는 바람직하게는 이들 양방 모두와 열적 연통 가능하여도 된다. 상기 열에너지 저장 재료 컴파트먼트는 상기 열전달 유체 컴파트먼트나 상기 작동 유체 컴파트먼트나, 또는 이들 양방 모두와 하나 또는 그 이상의 벽을 공유하여도 된다. 예를 들면, 열에너지 저장 재료는, 상기 열전달 유체 컴파트먼트를 적어도 부분적으로 규정하는 제 1 표면과 상기 작동 유체 컴파트먼트를 적어도 부분적으로 규정하는 제 2 표면을 갖는 캡슐 내에 저장될 수 있다. 당해 장치는 제 1 유체를 위한 것으로서 제 1 유체를 위한 컴파트먼트에 양방 모두 부착되는 하나 또는 그 이상의 입구와 하나 또는 그 이상의 출구를 구비하여 제 1 유체(예컨대 열전달 유체)가 입구로 유입하여 당해 장치 내로 들어갈 수 있고, 제 1 유체를 위한 컴파트먼트로 유입하여 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)에 열에너지를 제공하고 출구를 거쳐 당해 장치를 빠져나올 수 있다. 마찬가지로, 당해 장치는 상기 제 2 유체를 위한 컴파트먼트에 부착되는, 상기 제 2 유체를 위한 하나 또는 그 이상의 입구와 하나 또는 그 이상의 출구를 구비하여, 제 2 유체(예컨대 작동 유체)가 상기 입구를 통해 흘러서 당해 장치로 진입하고, 열에너지 저장 재료로부터(예컨대, 상전이 재료로부터) 열에너지를 제거하는 제 2 유체를 위한 컴파트먼트 내로 유입하고 출구를 통해 당해 장치를 빠져나올 수 있다.
모세관 구조체
전술한 바와 같이, 열에너지 저장 장치는 복수의 모세관을 포함하는 모세관 구조체를 포함하고 있다. 작동 유체 컴파트먼트가 모세관 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로는, 모세관의 반경이 감소됨에 따라 모세관 내로의 유체의 흡인은 증대된다. 모세관 구조체는, 충분히 작은 반경을 가져서 당해 모세관 구조체가 작동 유체를 펌핑할 수 있는, 충분한 개수의 모세관을 갖는 구조라면 어느 구조라도 좋다. 모세관 구조체는, 열 저장 장치(예컨대, 열에너지 저장 재료)가 상기 작동 유체가 대략 1 기압보다 큰 압력을 갖는 온도이고, 상기 콘덴서는 상기 작동 유체가 대략 1 기압 미만의 압력을 갖는 온도를 갖고, 또는 바람직하게는 이들 양쪽 모두일 경우에 작동 유체를 펌핑할 수 있다. 모세관 구조체는 작동 유체를 구동시키기 위해 이용될 수 있다. 바람직하게는, 모세관 구조체가 상기 작동 유체를 구동하는 유일한 수단으로서 이용된다. 따라서, 상기 모세관 펌프 이외에는 어떠한 펌프도 구비하지 않은 작동 유체 루프를 갖는 시스템에서, 상기 열 저장 장치를 이용할 수 있는 경우가 상정된다.
모세관 구조체는 공극 구조를 갖거나, 복수의 물체를 함께 팩킹하여서 그들 물체 사이의 간극이 공극 구조를 형성하거나, 또는 이들 둘 모두인, 하나 또는 그 이상의 물체이면 된다. 열 저장 장치의 (예컨대, 열 저장 장치의 증발기의) 모세관 구조체(예컨대, 흡인 구조체)는, 하나 또는 그 이상의 파이버나 필라멘트, 하나 또는 그 이상의 그루브, 또는 일반적으로 작은 공극 사이즈를 갖는 하나 또는 그 이상의 다른 공극 구조를 포함할 수 있어서, 당해 모세관 구조체는 중력을 극복하기에 충분히 큰 작동 유체에 대한 모세관 압력, 증발기와 콘덴서 사이의 가스압 차이, 또는 양방 모두를 형성할 수 있다. 모세관 구조체는, (예컨대, 전자 장치 냉각용의 모세관 펌핑형 루프 및 히트 파이프에서 이용되는 것과 같은) 알려진 기술이 될 수도 있다. 예컨대, 둘러싸인(wrapped) 스크린, 소결 금속 또는 축방향 그루브 등의 간소한 호모지니어스 모세관 구조체를 이용할 수 있다. 이용가능한 다른 모세관 구조체는, 슬래브(slab), 페데스탈 동맥(pedestal artery), 스파이럴 동맥(spiral artery), 터널 동맥(tunnel artery), 그루부 폭이 변동하는 축방향 그루브, 이중벽 동맥, 모노그루브, 채널 위크(channel wick) 등을 포함한다. 상기 구조들 모두는 두 블리스터 팩의 평탄면 사이에 형성될 수 있는 것과 같은 일반적으로 층상 구조에 적용될 수 있다.
모세관 구조체는 중력을 극복하거나, 증발기와 콘덴서 사이의 가스압 차이를 극복하거나, 이들 양방 모두를 극복하기에 충분히 작은 공극 사이즈를 갖는다. 모세관 구조체는 충분히 높은 공극 사이즈를 가져서 액체인 작동 유체가 모세관으로 진입할 수 있다. 일반적으로, 모세관 압력은 공극 반경에 반비례한다. 모세관 구조체는 대략 2㎜ 미만이고, 바람직하게는 대략 1㎜ 미만이며, 보다 바람직하게는 대략400㎛ 미만이며, 보다 더 바람직하게는 대략 100㎛ 미만이며, 보다 더 바람직하게는 대략 30㎛ 미만이며, 보다 더 바람직하게는 대략 20㎛ 미만이며, 가장 바람직하게는 대략 10㎛ 미만의 평균 공극 반경을 가질 수 있다.
작동 유체 컴파트먼트에 위치하는 모세관 구조체는 중력, 증발기와 콘덴서 사이의 가스 압력차, 또는 이들 양쪽 모두를 극복하도록, 작동 유체 컴파트먼트의 충분한 체적을 채운다. 모세관 구조체는, 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트의 1체적%보다 많이, 바람직하게는 대략 5체적%보다 많이, 보다 바람직하게는 대략 10체적%보다 많이, 가장 바람직하게는 대략 25체적%보다 많이 채운다. 모세관 구조체는, 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트의 대략 95체적% 미만, 바람직하게는 대략 90체적% 미만, 보다 더 바람직하게는 85체적%미만, 가장 바람직하게는 대략 75% 미만을 채워도 된다. 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트의 잔여 체적은 모세관 구조체가 없는 것이 바람직하다.
열에너지 저장 재료 컴파트먼트
전술한 바와 같이, 열에너지 저장 재료는 열 저장 장치 내의 하나 또는 그 이상의 컴파트먼트에서 분리되어 있는 것이 바람직하다. 전형적으로는, 열에너지 저장 재료는 (예컨대, 당해 열에너지 저장 재료가 제공되는 컴파트먼트의 재료와 비교하여) 상대적으로 낮은 열확산성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 하나 또는 그 이상의 컴파트먼트의 형상 및/또는 사이즈는, 열에너지 저장 재료의 안과 밖으로 열에너지가 급속하게 전달할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 따라서, 열 저장 장치는 열 전달을 증가시키기 위한 하나 또는 그 이상의 수단을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 하나 또는 그 이상의 열에너지 저장 재료는 (예컨대, 하나 또는 그 이상의 다른 치수와 비교하여) 비교적 작은 적어도 하나의 치수를 가지고, 열에너지 저장 재료가, 복수의 컴파트먼트 내에 저장될 수 있고, 상기 하나 또는 그 이상의 컴파트먼트의 내부가 열 전도성의 물체(예컨대, 핀, 와이어, 메쉬 등)를 구비할 수 있거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들면, 적어도 대략 5개, 10개, 15개 또는 20개 정도의 컴파트먼트에 열에너지 저장 재료가 저장될 수 있다.
열에너지 저장 재료는, 복수의 개별적으로 고립된 셀(캡슐 등)로서 당해 복수의 셀의 총 표면적이 비교적 높거나, 셀 표면으로부터 셀 중심까지의 거리가 비교적 낮거나, 또는 이들 양방 모두인 셀 내에 있는 것이 바람직하다. 상기 복수의 셀(예컨대, 캡슐)은 하나 또는 그 이상의 셀층 내에 배열될 수 있다. 예를 들면, 열 저장 장치는 복수의 셀(예컨대, 캡슐)층을 포함할 수 있다. 각각의 셀층은 단 하나의 셀이나 복수의 셀을 포함할 수 있다. 셀층(예컨대, 캡슐층)이 상대적으로 낮은 두께와, 체적에 비해 상대적으로 높은 표면적비, 또는 이들 양방을 모두 가져서, 셀의 내부로부터 열을 신속하게 제거할 수 있음을 알 수 있다. 셀들은 층 내에서 임의의 배열을 취할 수 있다. 예를 들면, 셀들은 동일한 사이즈 및 형상일 수도 있고, 셀들은 사이즈 및 형상이 변동하는 것일 수도 있고, 셀들이 반복적인 패턴(예컨대, 1개, 2개 또는 그 이상의 셀을 포함하는 패턴)으로 배열될 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에 있어서는, 각각의 캡슐층 내에서 셀들이 캡슐의 어레이(예컨대, 1차원적 어레이, 2차원적 어레이 또는 방사상의 어레이)로서 배열될 수 있다.
상기 열 저장 장치는 복수의 캡슐층을 포함하며, 인접하는 캡슐층의 하나 또는 복수의 쌍들 사이에 공간을 둘 수 있다. 공간은 작동 유체 컴파트먼트의 일부분으로서, 또는 열전달 유체 컴파트먼트의 일부분으로서 사용될 수 있다. 캡슐층들은 일측에 공간을 가질 수도 있고, 양측에 공간을 가질 수도 있고, 아무런 공간을 가지지 않을 수도 있고, 또는 이들의 임의의 조합일 수도 있다. 예를 들어, 인접하는 캡슐층의 쌍들마다 그 사이에 공간이 있을 수 있다. 바람직하게는, 인접하는 캡슐층의 쌍들마다 그 사이에 공간이 있으며, 교번적으로, 이 공간은 작동 유체 컴파트먼트 및 열전달 유체 컴파트먼트이다.
하나의 캡슐층은 아치형 표면과, 대체로 평탄한 대향 표면을 가질 수 있다. 대체적으로 아치형 표면이 열전달 유체에 대해 특히 적합하고, 이 경우 아치형 경로가 열전달 유체로부터 캡슐 내로의 열류를 증가시킨다. 대체로 평탄한 표면은 모세관 구조체를 배치함에 있어서 특히 적합할 수 있고, 모세관 구조체의 두께가 작동 유체 컴파트먼트의 일부분의 양쪽에 있어서의 두 캡슐층 사이의 분리를 결정할 수 있다. 또한, 둘 모두가 대체적으로 평탄하거나 둘 모두가 아치형인 대향 표면을 갖는 층들을 이용할 수도 있다. 열 저장 장치는 또한, 부분적으로 또는 실질적으로는 전체적으로 서로 네스트(nest)한, 인접한 두 캡슐층을 이용할 수도 있다.
캡슐들의 사이즈 및 형상은, 당해 캡슐들 내에 포함된 상전이 재료로의 열전달 및 당해 상전이 재료로부터의 열전달을 최대화하도록 선택될 수 있다. 캡슐들(예컨대, 캡슐층)의 평균 두께는 상대적으로 작고, 따라서 열이 캡슐의 중심으로부터 용이하게 빠져나올 수 있다. 캡슐들의 평균 두께는 대략 100㎜ 미만이며, 바람직하게는 대략 30㎜ 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 10㎜ 미만이며, 보다 더 바람직하게는 대략 5㎜ 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 3㎜ 미만이다. 캡슐들의 평균 두께는 대략 0.1㎜보다 클 수 있으며, 바람직하게는 대략 0.5㎜보다 클 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 대략 0.8㎜보다 클 수 있으며, 가장 바람직하게는 1.0㎜보다 클 수 있다.
상기 캡슐들은 작동 유체와의 접촉 면적, 열전달 유체와의 접촉 면적 또는 이들 둘 모두가 상대적으로 높게끔 상대적으로 높은 체적에 대한 표면적비를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 캡슐들은 작동 유체 컴파트먼트와의 접촉을 최대로 하는 표면을 가질 수 있고, 상기 캡슐들은 캡슐과 작동 유체 컴파트먼트 사이의 열의 전달을 최대화하는 지오메트리를 가질 수 있으며, 또는 이들 둘 모두를 가질 수 있다. 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료의 총 체적에 대한 작동 유체 컴파트먼트와 상전이 재료 컴파트먼트 사이의 계면의 총표면적의 비는 대략 0.02㎜-1보다 클 수 있으며, 바람직하게는 대략 0.05㎜-1보다 클 수 있으며, 보다 바람직하게는 대략 0.1㎜-1보다 클 수 있으며, 대략 0.2㎜-1보다 클 수 있으며, 가장 바람직하게는 대략 0.3㎜-1보다 클 수 있다.
열에너지 저장 재료 컴파트먼트는 블리스터(blister) 팩 또는 블리스터 팩의 적층체의 형태가 될 수 있다. 예를 들면, 열에너지 저장 재료는 서로 밀봉된 평탄한 금속층과 엠보싱 처리된 금속층 사이에서 캡슐화되어 복수의 고립된 캡슐을 형성하여도 된다. 열 저장 장치는, 제한 없이, 미국 특허출원 제 12/389,598 호("열 저장 장치", 2009년 2월 20일 출원)에 개시된 캡슐 또는 캡슐의 배열(예컨대 블리스터 팩 또는 블리스터 팩의 적층체)을 이용하여도 된다.
작동 유체 컴파트먼트 및 열전달 유체 컴파트먼트
전술한 바와 같이, 열 저장 장치는, 열에너지 저장 재료 컴파트먼트와 열적 연통되는 열전달 유체 컴파트먼트와 작동 유체 컴파트먼트를 포함하는 것이 바람직하다.
열전달 유체 컴파트먼트의 두께는 유로를 통하여 열전달 유체의 소망하는 흐름을 용이하게 하고, 또한 상전이 재료로의 열의 전달을 최대화하도록 선택된다. 열전달 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는 대략 20㎜ 미만이고, 바람직하게는 대략 10㎜ 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 5㎜ 미만이고, 보다 더 바람직하게는 대략 3㎜ 미만이고, 가장 바람직하게는 2㎜ 미만이다. 열전달 유체로부터 열에너지 저장 재료로 열이 저장되는 레이트가 중요하지 않을 경우에, 두꺼운 두께를 이용하여도 된다. 열전달 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는, 열에너지 저장 재료 장치 내에서 열전달 유체의 압력 강하가 낮도록 충분히 두꺼워야 한다. 바람직하게는, 열 저장 장치의 열전달 유체 입구와 열전달 유체 출구 사이의 압력 강하는 대략 95% 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 50% 미만이다. 열전달 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는 대략 0.1㎜보다 크면 되고, 바람직하게는 대략 0.2㎜보다 크면 되고, 더 바람직하게는 0.4㎜보다 크면 되고, 가장 바람직하게는 대략 0.6㎜보다 크면 된다.
작동 유체 컴파트먼트의 두께는 유로를 통한 작동 유체의 소망하는 흐름을 용이하게 하고, 또한 상전이 재료로부터 열의 전달을 최대화하도록 선택된다. 작동 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는, 대략 20㎜ 미만이면 되고, 바람직하게는 대략 10㎜ 미만이면 되고, 더 바람직하게는 대략 5㎜ 미만이면 되고, 보다 더 바람직하게는 대략 3㎜ 미만이면 되고, 가장 바람직하게는 대략 2㎜ 미만이면 된다. 작동 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는 대략 0.1㎜보다 크면 되고, 바람직하게는 대략 0.2㎜보다 크면 되고, 더 바람직하게는 대략 0.4㎜보다 크면 되고, 가장 바람직하게는 대략 0.6㎜보다 크면 된다.
인접하는 캡슐층들 사이의 공간은 작동 유체, 열전달 유체 또는 이들 양방 모두를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 열전달 유체 컴파트먼트의 적어도 일부(예컨대, 층)가 인접하는 두 캡슐층 사이에 개재될 수 있다. 작동 유체 컴파트먼트의 적어도 일부(예컨대 층)가 인접하는 두 캡슐층 사이에 개재될 수 있으며, 상기 작동 유체 컴파트먼트의 평균 두께는, 상기 두 캡슐층의 분리된 거리(예컨대, 평균 거리)에 의해 규정될 수 있다. 하나의 캡슐층은, 그 캡슐층의 일측에는 작동 유체 컴파트먼트의 층을, 그리고 대향하는 측에는 열전달 유체 컴파트먼트의 층을 가질 수 있다.
작동 유체는, 당해 작동 유체가 열 저장 장치 내로 액체로서 흘러서, 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)에 저장된 열에너지에 의해 가열되어 증발되고, 증기로서 당해 열 저장소를 나오도록 선택될 수 있다. 따라서, 작동 유체 출구의 높이(elevation)는 작동 유체 입구의 높이보다 높은 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 작동 유체 컴파트먼트의 일부는 전형적으로는, 액체를 컴파트먼트 내로 흡인하기 위한 모세관 구조체의 영역과, 작동 유체(예컨대 기상의 작동 유체)를 위한 모세관 구조체가 없는 영역을 포함한다. 예를 들면, 작동 유체 컴파트먼트의 단일의 층 내에는, 모세관 구조체를 포함하는 하나 또는 그 이상의 영역(원주형 영역 등)과, 모세관 구조체가 없는 하나 또는 그 이상의 영역(원주형 영역 등)이 있을 수 있다.
일반적으로, 열에너지 저장 재료 컴파트먼트의 하나의 표면(예를 들면, 열에너지 저장 재료를 포함하는 캡슐층의 외표면)은 열전달 유체 컴파트먼트의 적어도 일부분을 규정한다. 마찬가지로, 열에너지 저장 재료 컴파트먼트의 제 2 표면(예를 들면, 열에너지 저장 재료를 포함하는 캡슐층의 제 2 외표면)은, 일반적으로, 작동 유체 컴파트먼트의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 캡슐층이 작동 유체 컴파트먼트, 열전달 유체 컴파트먼트, 또는 바람직하게는 이들 양방 모두와 열적 연통되어 있다면, 하나 또는 그 이상의 추가적인 재료(예컨대, 하나 또는 그 이상의 추가적인 층)가 작동 유체 컴파트먼트로부터, 열전달 유체 컴파트먼트로부터, 또는 이들 양방 모두로부터 캡슐층을 분리할 수 있음을 알 수 있다.
열에너지 저장 재료
제한 없이, 열 저장 장치를 위한 적합한 열에너지 저장 재료는, 지각가능한 열, 잠열, 또는 바람직하게는 이들 양방 모두로서 상대적으로 높은 열에너지 밀도를 발현가능한 재료를 포함한다. 열에저지 저장 재료는, 열 저장 장치의 운용 온도 범위와 부합하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 열에너지 저장 재료는 열 저장 장치의 낮은 운용 온도에서는 고체이거나, 열 저장 장치의 최대 운용 온도에서는 적어도 부분적으로 액체(예컨대, 전적으로 액체)이거나, (예컨대, 적어도 대략 1,000 시간 동안, 바람직하게는 적어도 대략 10,000 시간 동안) 열 저장 장치의 최대 운용 온도에서 현저히 열화하거나 분해되지 않거나, 또는 이들의 임의의 조합인 것이 바람직하다. 열에너지 저장 재료는, 예컨대 대략 30℃보다 높고, 바람직하게는 대략 50℃보다 높고, 보다 바람직하게는 대략 80℃보다 높고, 보다 바람직하게는 대략 110℃보다 높고, 가장 바람직하게는 대략 140℃보다 높은 액화 온도, 예컨대 녹는점을 가질 수 있다. 열에너지 저장 재료는, 대략 400℃ 미만이고, 바람직하게는 대략 350℃ 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 290℃ 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 250℃ 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 200℃ 미만의 액화 온도를 가질 수 있다. 열에너지 저장 재료는 대략 0.1MJ/liter보다 크고, 바람직하게는 대략 0.2MJ/liter보다 크고, 보다 바람직하게는 대략 0.4MJ/liter보다 크고, 가장 바람직하게는 대략 0.6MJ/liter보다 큰 융해열 밀도를 가질 수 있다. 열에너지 저장 재료는 대략 5g/cm3 미만이고, 바람직하게는 대략 4g/cm3 미만이고, 보다 바람직하게는 3.5g/cm3 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 3g/cm3 미만의 밀도를 가질 수 있다.
열전달 장치에서 이용될 수 있는, 적합한 열에너지 저장 재료의 여타의 예는, 미국 특허출원 제 12/389,416 호("열에너지 저장 재료", 2009년 2월 20일 출원) 및 미국 특허출원 제 12/389,598 호("열 저장 장치", 2009년 2월 20일 출원)에 개시된 열에너지 저장 재료를 포함한다.
열에너지 저장 재료는 적어도 하나의 제 1 금속 함유 재료를 포함하여도 되고(또는 본질적으로 이루어지거나 구성됨), 보다 바람직하게는 적어도 하나의 제 1 금속 함유 재료와 적어도 하나의 제 2 금속 함유 재료의 조합을 포함하여도 된다(또는 본절적으로 이루어지거나 구성됨). 제 1 금속 함유 재료, 제 2 금속 함유 재료, 또는 이들 양방 모두는, 실질적으로 순수 금속, 실질적으로 순수 금속과 하나 또는 그 이상의 추가적인 합금 성분(예컨대, 하나 또는 그 이상의 다른 금속)을 포함하는 것과 같은 합금, 중간 금속, 금속 복합물(예컨대, 염, 산화물 또는 기타), 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 하나의 바람직한 접근은, 하나 또는 그 이상의 금속 함유 재료를 금속 복합물의 일부로서 이용하는 것이며, 보다 바람직한 접근은, 적어도 두 개의 금속 복합물의 혼합물을 이용하는 것이다. 예로서, 적합한 금속 복합물은 산화물, 수산화물, 질소와 산소를 포함하는 복합물(예컨대, 질산염, 아질산염 또는 이들 양방 모두), 할로겐화물, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 하나의 특히 바람직한 금속 복합물은, 적어도 하나의 질산염 복합물, 적어도 하나의 아질산염 복합물 또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 3원, 4원 또는 다른 복수의 성분의 재료 시스템을 이용하여도 된다. 여기에서의 열에너지 저장 재료는 공정(eutectic)을 나타내는 2 이상의 재료의 혼합물일 수 있다. 특히 바람직한 열에너지 저장 재료는, 리튬염 등의 리튬 함유 복합물을 포함한다. 열에너지 저장 재료는, 리튬을 함유하는 적어도 하나의 복합물을 포함하는 2 이상의 복합물(예컨대, 2 이상의 염)의 혼합물일 수 있다.
열 저장 장치의 체적 대부분은 열에너지 저장 재료에 의해 점유될 수 있어서, 열 저장 장치의 출력이 상대적으로 높거나, 열 저장 장치의 총 체적이 상대적으로 작거나, 또는 이들 둘 모두일 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)의 체적에 대한 작동 유체 컴파트먼트의 체적의 비는, 대략 20:1 미만(바람직하게는 대략 10:1 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 5:1 미만이고, 보다 더 바람직하게는 대략 2:1 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 1:1 미만)일 수 있거나, 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)의 체적에 대한 열전달 유체 컴파트먼트의 체적의 비는, 대략 20:1 미만(바람직하게는 대략 10:1 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 5:1 미만이고, 보다 더 바람직하게는 대략 2:1 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 1:1 미만)일 수 있거나, 또는 이들 둘 모두일 수 있다.
열 저장 장치는 충분한 량의 열에너지 저장 재료를 포함할 수 있어서, 가열하려는 물체(내연기관 또는 차량의 운전실 등)를 소망하는 온도로 가열시킬 수 있다. 예를 들면, 열 저장 장치는 충분한 량의 열에너지 저장 재료를 포함할 수 있어서, 내연기관의 온도를 적어도 10℃, 바람직하게는 적어도 대략 20℃, 보다 바람직하게는 적어도 대략 30℃, 가장 바람직하게는 적어도 대략 40℃만큼 증가시킬 수 있다.
캡슐 형성
열에너지 저장 재료의 캡슐은, 당해 열에너지 저장 재료의 캡슐화를 제공하는 임의의 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 프로세스는, 제한 없이, 다음 중 하나 또는 임의의 조합을 채용할 수 있다: 얇은 재료 시트(예컨대, 호일(foil))을 엠보싱하거나 달리 변형하여 시트에 패턴을 형성하는 단계, 엠보싱된 시트의 오목부를 열에너지 저장 재료로 충진하는 단계, 엠보싱된 시트를 제 2 시트(예컨대, 대체로 평탄한 시트)로 덮거나, 또는 당해 2매의 시트를 부착시키는 단계를 포함한다. 캡슐을 형성하는 프로세스는, 미국 특허출원 제 12/389,598 호("열 저장 장치", 2009년 2월 20일 출원)에 기재된 프로세스를 채용해도 된다.
열에너지 저장 재료를 캡술화하기에 적합한 시트는, 열에너지 저장 재료를 바람직하게는 누설 없이 수용할 수 있도록, 내구성이나 내부식성 또는 이들 양방 모두를 가지는 얇은 금속 시트(예컨대, 금속 호일)를 포함한다. 상기 금속 시트는 반복된 열적 사이클링을 갖는 차량 환경에 있어서, 1년보다 오랫동안, 바람직하게는 5년보다 오랫동안 기능할 수 있다. 제한 없이, 채용될 수 있는 예시적인 금속 시트는, 황동(brass), 구리, 알루미늄, 니켈-철 합금, 청동, 티타늄, 스테인레스 스틸 등의 적어도 하나의 층을 구비하는 금속 시트를 포함한다. 상기 시트는 일반적으로 귀금속일 수 있으며, 산화물층(예컨대, 자연 발생 산화물층 또는 표면에 형성될 수 있는 산화물층)을 갖는 금속을 포함하는 것일 수 있다. 혹은, 상기 금속 시트는 작동 중에 열에너지 저장 재료와 접촉하는 실질적으로 불활성의 외표면을 가질 수 있다. 하나의 예시로서의 금속 시트는, 알루미늄 또는 알루미늄 함유 합금(예컨대, 알루미늄을 50중량%보다 많이 함유하고, 바람직하게는 알루미늄을 90중량%보다 많이 함유하는 알루미늄 합금)의 층을 포함하는 알루미늄 호일이다. 또 다른 예시적인 금속 시트는, 스테인레스 스틸이다. 적합한 스테인레스 스틸은, 오스테나이트 스테인레스 스틸, 페라이트 스테인레스 스틸 또는 마르텐사이트 스테인레스 스틸을 포함한다. 스테인레스 스틸은, 제한 없이, 대략 10중량%보다 큰 농도로, 바람직하게는 대략 13중량%보다 큰 농도로, 더 바람직하게는 대략 15중량%보다 큰 농도로, 그리고 가장 바람직하게는 대략 17중량%보다 큰 농도로 크롬을 포함할 수 있다. 스테인레스 스틸은, 대략 0.30중량% 미만의 농도로, 바람직하게는 대략 0.15중량% 미만의 농도로, 더 바람직하게는 대략 0.12중량% 미만의 농도로, 그리고 가장 바람직하게는 대략 0.10중량% 미만의 농도로 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 스테인레스 스틸 304(SAE 규격)는 19중량%의 크롬 및 대략 0.08중량%의 탄소를 함유한다. 또한, 적합한 스테인레스 스틸은 316(SAE 규격) 등의 몰리브덴 함유 스테인레스 스틸을 포함한다.
상기 금속 시트는, 당해 시트의 형성시에, 캡슐을 열에너지 저장 재료로 충진할 때, 캡슐의 사용 중에, 또는 이들의 임의의 조합시에, 구멍 또는 균열이 형성되지 않도록 충분히 두꺼운 두께를 갖는다. 교통 산업과 같은 적용에 대해, 상기 금속 시트는, 당해 금속 시트에 의해 열 저장 장치의 중량이 크게 증가하지 않도록 비교적 얇은 것이 바람직하다. 금속 시트의 적합한 두께는, 대략 10㎛보다 크고, 바람직하게는 대략 20㎛보다 크고, 더 바람직하게는 대략 50㎛보다 클 수 있다. 금속 호일은 대략 3㎜ 미만이고, 바람직하게는 1㎜ 미만이고, 보다 바람직하게는 0.5㎜ 미만(예컨대, 대략 0.25㎜ 미만)의 두께를 가질 수 있다.
열에너지 저장 시스템
열 저장 장치는 열에너지 저장 시스템에서 이용될 수 있다. 열에너지 저장 재료 시스템은 3 페이즈인, 챠지 페이즈, 저장 페이즈 및 방출 페이즈를 포함하는 동작 사이클로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 열에너지 저장 시스템은, 상기 열 저장 장치 내의 상기 상전이 재료를 가열하는 수단을 포함함으로써, 상기 열 저장 장치가 상기 작동 유체의 모든 성분들의 합쳐진 증기 압력이 1 기압을 초과하도록 하기에 충분한 온도에 있으며 상기 작동 유체 밸브가 개방되어 상기 작동 유체의 유동을 허용하는 경우, 상기 작동 유체는, a) 상기 모세관 구조체에 의해 펌핑되고, b) 적어도 부분적으로 증발되고, c) 상기 콘덴서로 적어도 부분적으로 이송되고, d) 상기 콘덴서에서 적어도 부분적으로 응축되어, 상기 열 저장 장치로부터 열이 제거되게 한다.
본 발명의 열에너지 시스템은, 본 명세서에서 설명한 바와 같은 열 저장 장치와, (예컨대, 작동 유체를 위한 입구와 작동 유체를 위한 출구를 구비하는) 콘덴서와, 상기 콘덴서의 작동 유체 입구를 상기 열 저장 장치의 작동 유체 출구와 접속하는 증기 라인(예컨대, 증기 튜브)과, 상기 콘덴서의 작동 유체 출구를 상기 열 저장 장치의 작동 유체 입구와 접속하는 작동 유체 액체 라인(예컨대, 액체 튜브)을 포함할 수 있다. 이전에 설명한 바와 같이, 작동 유체 컴파트먼트는 모세관 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 열에너지 저장 시스템은, 열 저장 장치 내의 작동 유체 컴파트먼트와, 콘덴서 내의 작동 유체 컴파트먼트와, 작동 유체 증기 라인과, 작동 유체 액체 라인을 포함하는 모세관 펌핑형 루프를 포함할 수 있다. 상기 콘덴서는 작동 유체로부터 열을 제거할 수 있어서, 작동 유체는 부분적으로 또는 바람직하게는 전체적으로 응축된다. 상기 증기 라인은, 작동 유체가 열 저장 장치로부터 콘덴서로 유동할 때, (예컨대, 증기상의) 작동 유체를 누설 없이 수용할 수 있다. 상기 작동 유체 액체 라인은, 작동 유체가 콘덴서로부터 열 저장 장치로 유동할 때, (예컨대, 액상의) 작동 유체를 누설 없이 수용할 수 있다.
또한, 열에너지 저장 시스템은, 과잉의 작동 유체를 저장할 수 있는 작동 유체 저장조를 포함할 수 있고, 따라서 모세관 펌프에 의해 상기 유체가 펌핑될 때, 상기 액체 라인이 작동 유체로 충진될 수 있다. 상기 작동 유체 저장조는, 열 저장 장치의 작동 유체 입구보다 높이가 높거나, 콘덴서의 작동 유체 입구의 높이보다 낮거나, 또는 이들 양방 모두인 충진 레벨을 가질 수 있다. 상기 모세관 펌핑형 루프는, 작동 유체 액체 라인의 밸브 등의 하나 또는 그 이상의 밸브를 가질 수 있다. 이 작동 유체 액체 라인의 밸브는, 열 저장 장치가 챠지 중일 때나, 열 저장 장치가 열을 저장 중이거나 또는 이들 양방 모두인 경우에, 작동 유체가 모세관 폄핑형 루프 내에서 순환하는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 상기 밸브는, (예컨대, 내연기관을 가열하기 위해) 열 저장 장치로부터 열을 방출하는 일이 요구될 때, 개방될 수 있다.
열에너지 저장 시스템은, 제각기 열전달 유체를 열 저장 장치 내로 흐르게 하고 열 저장 장치 밖으로 흐르게 하는, (튜브, 파이프 등일 수 있는) 열전달 유체 입구 라인과 열전달 유체 출구 라인을 포함할 수 있다. 상기 열전달 유체 입구 라인과 열전달 유체 출구 라인은, 열전달 유체를 (예컨대, 그 열전달 유체가 흐르는 동안에) 누설이나 균열 없이 수용할 수 있다. 예를 들면, 바람직하게는, 열전달 유체 라인은 열전달 유체의 압력에서 누설이나 균열이 없다. 열에너지 저장 시스템은 또한, 열전달 유체를 수용할 수 있어서, 열전달 유체가 누설 없이 열 저장 장치의 외부로 방해받지 않고 유동할 수 있는 열전달 유체 바이패스 라인을 가질 수도 있다. 상기 열전달 바이패스 라인은, 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료가 그 최대 공칭(nominal) 온도 이상일 경우이거나, 또는 열전달 유체의 온도가 열에너지 저장 재료의 열화가 일어나는 임계 온도보다 높은 경우에 이용될 수 있다. 또한, 열에너지 저장 시스템은, 열 저장 장치를 통해 흐르는 열전달 유체의 량과, 바이패스 라인을 통해 흐르는 열전달 유체의 량을 제어할 수 있는, 다이버터 밸브 등의 밸브(예컨대, 바이패스 밸브)를 포함할 수도 있다. 상기 다이버트 밸브는, (예컨대, 열 저장 장치가 완전히 챠지되었거나, 열전달 유체의 온도가 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료의 온도 미만일 때) 바이패스 라인으로 열전달 유체의 일부 또는 전부를 우회시키는데 이용될 수 있다. 상기 다이버터 밸브는, 다음의 조건들 중 어느 하나 또는 임의의 조합(예컨대, 모두)가 만족되는 경우에, 열전달 유체의 일부 또는 바람직하게는 전부가 열 저장 장치 내로 흐를 수 있게 허용한다: 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료의 온도가 열전달 유체의 온도 미만이거나, 열 저장 장치가 완전히 챠지되지 않았거나, 또는 열전달 유체의 온도가 열 저장 장치의 최대 공칭 온도 미만인 경우.
열 저장 장치를 가열하기 위해 사용되는 열전달 유체는, 당해 유체가 차가운 상태일 때 (예컨대, 고화됨이 없이) 열 저장 장치를 통해 흐를 수 있는 임의의 액체 또는 기체일 수 있다. 예를 들면, 열전달 유체는 대략 1 기압의 압력이며, 대략 25℃, 바람직하게는 대략 0℃, 보다 바람직하게는 -20℃, 가장 바람직하게는 대략 -40℃의 온도의 액체 또는 기체일 수 있다. 제한 없이, 열 저장 장치를 가열하기 위한 바람직한 열전달 유체는, 엔진(예컨대, 내연기관)으로부터의 배출 가스 등의 배출 가스이다.
열에너지 저장 시스템의 콘덴서는, 작동 유체로부터 다른 유체로의 열에너지의 전달이 가능한 열교환기일 수 있다. 예를 들면, 콘덴서는 작동 유체로부터 열전달 유체로의 열전달을 위해 이용될 수 있다. 콘덴서에서(예컨대, 열교환기에서) 전달되는 열은, 바람직하게는, 작동 유체의 증발열을 포함한다. 열에너지 저장 시스템은, 열교환기 내로 열전달 유체를 공급하기 위한 콜드(cold) 라인과, 열교환기로부터 열전달 유체를 제거하기 위한 히트(heat) 라인을 포함할 수 있다. 콜드 라인 및 히트 라인은 바람직하게는 열교환기의 열전달 유체가 루프를 유동할 때 당해 열전달 유체를 누설 없이 수용가능하다. 콜드 라인 및 히트 라인은 열전달 유체 루프의 일부일 수 있다. 열전달 유체 루프는 가열하려는 물체에 접속될 수 있다. 제한 없이, 가열하려는 물체는 내연기관, 차량의 운전실, 오일 저장조, 또는 이들의 임의의 조합이 될 수 있다. 열전달 유체 루프에서 사용되는 열전달 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 바람직하게는, 열전달 유체는 사용 중에 노출될 수 있는 가장 낮은 동작 온도(예컨대, 최저 대기 온도)에서 유동할 수 있다. 또한, 열 저장 장치를 가열하는데 이용되는 모든 열전달 유체가 열교환기에서 이용될 수 있다. 바람직하게는, 열교환기의 열전달 유체는 액체이다. 예를 들어, 열전달 유체로서는 기술분야에서 공지된 임의의 엔진 냉각제를 이용할 수 있다. 특히 바람직한 열전달 유체는 글리콜과 물의 혼합물이다.
전술한 바와 같이, 열에너지 저장 시스템은, 열 저장 장치 내의 상전이 재료를 가열하는 수단을 포함한다. 상기 열 저장 장치(예컨대, 상기 열 저장 장치 내의 상전이 재료)가 상기 작동 유체의 모든 성분들의 합쳐진 증기 압력이 대략 1 기압을 초과하도록 하기에 충분한 온도에 있으며 상기 작동 유체 밸브가 개방되어 상기 작동 유체의 유동을 허용하는 경우, 상기 작동 유체는, a) 상기 모세관 구조체에 의해 펌핑되고, b) 적어도 부분적으로 증발되고, c) 상기 콘덴서로 적어도 부분적으로 이송되고, d) 상기 콘덴서에서 적어도 부분적으로 응축되어, 상기 열 저장 장치로부터 열이 제거되게 한다.
작동 유체
(예컨대, 모세관 펌프형 루프에 대해) 적합한 작동 유체는, 순물질 및 다음 특성들 중 하나 또는 임의의 조합을 갖는 혼합물을 포함한다: 최대의 열에너지 저장 시스템 온도에 있어서의 양호한 화학적 안정성, 낮은 점성(예컨대, 대략 100mPa?s 미만), 모세관 구조체의 양호한 젖음성(예컨대, 양호한 흡인 젖음(wick wetting)), 모세관 펌프형 루프의 재료(컨테이너 재료, 열에너지 저장 재료를 캡슐화하는데 이용되는 재료, 증기 및 액체 라인의 재료 등)와의 화학적 친화성(예컨대, 작동 유체가 낮은 부식을 일으킴), 증발기 및 콘덴서 온도 양방에 모두 전해지는 온도 의존적인 증발 압력, 고 부피 증발 잠열(즉, 줄/리터 단위의 대략 25℃에서의 작동 유체의 밀도와 융해 잠열의 프로덕트), 또는 콘덴서의 열전달 유체의 어는점 이하의 어는점(예컨대, 부동액의 어는점 이하의 어느점, 대략 -40℃ 이하의 어는점, 또는 이들 양방 모두). 예를 들면, 작동 유체의 평형 상태는 -40℃ 및 1 기압의 압력에서 적어도 90% 액체일 수 있다.
작동 유체의 증기 압력은, 작동 유체를 펌핑하기에 충분한 증기류를 생성하도록 증발기에서 충분히 높아야한다. 바람직하게는, 작동 유체의 증기 압력은, 증발기로부터 콘덴서로 와트(watt)로 측정된 소망하는 화력(thermal power)을 운반하기에 충분한 증기류를 생성하도록, 증발기에서 충분히 높아야 한다. 증발기에서의 작동 유체의 증기 압력은, 바람직하게는 모세관 펌핑형 루프가 누설하지 않고 또한 파열하지 않도록 충분히 낮다.
모세관 구조체에 대한 작동 유체의 젖음은, 모세관 구조체의 재료에 대한 작동 유체의 접촉각에 의해 특징지워진다. 상기 접촉각은 바람직하게는 대략 80° 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 70° 미만이고, 보다 더 바람직하게는 대략 60° 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 55° 미만이다.
상기 작동 유체는 바람직하게는 대략 90℃ 아래의 온도에서 적정한 압력에서 응축한다. 예를 들면, 작동 유체는 대략 90℃에서이고, 대략 2㎫ 미만, 바람직하게는 대략 0.8㎫ 미만, 보다 바람직하게는 대략 0.3㎫ 미만, 보다 더 바람직하게는 대략 0.2㎫ 미만, 가장 바람직하게는 대략 0.1㎫ 미만의 압력에서 응축될 수 있다.
작동 유체는 바람직하게는 매우 낮은 온도에서 유동할 수 있다. 예를 들어, 작동 유체는 매우 낮은 대기 온도에 노출될 수 있으며, 대략 0℃의 온도에서, 바람직하게는 대략 -10℃의 온도에서, 보다 바람직하게는 대략 -25℃의 온도에서, 보다 더 바람직하게는 대략 -40℃의 온도에서, 그리고 가장 바람직하게는 대략 -60℃의 온도에서 콘덴서로부터 열 저장 장치로 유동할 수 있는 것이 바람직하다. 작동 유체는, 완전히 챠지된 열 저장 장치의 온도에 있는 경우에 기체 상태인 것이 바람직하다. 예를 들면, 작동 유체는, 열 저장 장치의 열에너지 저장 재료의 상전이 온도 미만, 바람직하게는 열에너지 저장 재료의 상전이 온도 미만의 적어도 20℃, 보다 바람직하게는 열에너지 저장 재료의 상전이 온도 미만의 적어도 40℃의 1 기압에서 끓는점을 가질 수 있다. 본 발명의 여러 양태에 있어서는, 작동 유체가, (예컨대, 작동 유체가 대기 조건에서 액체이도록) 대략 30℃보다 크고, 바람직하게는 대략 35℃보다 크고, 더 바람직하게는 대략 50℃보다 크고, 보다 더 바람직하게는 대략 60℃보다 크고, 가장 바람직하게는 대략 70℃보다 큰, 1 기압에서의 끓는점(또는 작동 유체의 모든 성분의 합쳐진 증기 압력이 1 기압과 동등하게 되는 온도)을 가질 것이 요구될 수 있다. 본 발명의 여러 양태에 있어서, 작동 유체의 1 기압에서의 끓는점(또는 작동 유체의 모든 성분의 합쳐진 증기 압력이 1 기압과 동등하게 되는 온도)은 대략 180℃ 미만이고, 바람직하게는 대략 150℃ 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 120℃ 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 95℃ 미만이다.
작동 유체는, 열에너지 저장 재료가 그 액상선 온도 이상일 경우에, 열 저장 장치 내에서 부분적이거나 또는 완전히 증발할 수 있는 임의의 유체일 수 있다. 제한 없이, 예시로서의 작동 유체는 하나 또는 그 이상의 알코올, 하나 또는 그 이상의 케톤, 하나 또는 그 이상의 탄화수소, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본(예컨대, 기술분야에서 알려진 하이드로플루오로카본 차량용 냉매 등의 기술분야에서 공지된 하이드로플루오로카본 냉매), 물, 암모니아, 또는 이들의 임의의 조합을(으로) 포함하거나 본질적으로 구성될 수 있다.
특히 바람직한 작동 유체는 물과 암모니아를 포함하거나, 물과 암모니아로 실질적으로 구성된다. 예를 들어, 작동 유체 내에서 물과 암모니아의 합쳐진 농도는, 작동 유체 물과 암모니아의 총 중량을 기초로 하여, 적어도 대략 80중량%이고, 보다 바람직하게는 적어도 대략 90중량%이고, 가장 바람직하게는 적어도 대략 95중량%이다. 암모니아의 농도는, 작동 유체의 끓는점을 물의 끓는점 아래(예컨대, 물의 끓는점 아래 적어도 10℃)로 유지하기에 충분할 수 있다. 암모니아의 농도는, 작동 유체의 총 중량을 기초로 하여, 대략 2중량%보다 크고, 바람직하게는 대략 10중량%보다 크고, 보다 바람직하게는 대략 15중량%보다 크고, 가장 바람직하게는 대략 18중량%보다 클 수 있다. 암모니아의 농도는, 작동 유체의 총 중량을 기초로 하여, 대략 80중량% 미만이고, 바람직하게는 대략 60중량% 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 40중량% 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 30중량% 미만일 수 있다. 작동 유체 내에서의 물의 농도는, 작동 유체의 총 중량을 기초로 하여, 대략 20중량%보다 크고, 바람직하게는 대략 40중량%보다 크고, 보다 바람직하게는 대략 60중량%보다 크고, 가장 바람직하게는 대략 70중량%보다 클 수 있다. 작동 유체 내에서의 물의 농도는, 작동 유체의 총 중량을 기초로 하여, 대략 98중량% 미만이고, 바람직하게는 대략 95중량% 미만이고, 보다 바람직하게는 대략 90중량% 미만이고, 보다 더 바람직하게는 대략 85중량% 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 82중량% 미만일 수 있다. 예를 들어, 대략 21중량% 암모니아와 대략 79중량% 물의 용액은 대략 -40℃의 액상선 온도와, 대략 100℃ 미만의 1 기압에서의 끓는 범위의 상한을 갖는다. 이 용액은, 실온에서 가압되지 않은 컨테이너 내에 (예컨대, 액체로서) 저장될 수 있다.
바람직하게는, 작동 유체는 그 모든 성분의 합쳐진 증기 압력이 대략 0℃ 내지 대략 250℃ 범위 내의 일정 온도에서 1 기압에 동등하다.
작동 유체는 열 저장 장치로부터 열에너지를 효율적으로 전달할 수 있어서, 열 저장 장치로부터 일정량의 열을 제거하는데 요구되는 작동 유체의 량은 (예컨대, 열을 제거하기 위해 작동 유체가 아닌 열전달 유체를 사용하는 장치에 비해) 비교적 적다. 바람직하게는, 작동 유체에 의해 전달되는 열의 대부분이 증발열의 형태로 전달된다. 작동 유체의 체적, 작동 유체의 유속, 또는 이들 양방 모두는, 작동 유체가 아닌 열전달 유체를 이용하며 동일한 초기 출력을 갖는 시스템과 비교하여, 열에너지 저장에 있어서 상대적으로 작다. 열 저장 장치의 컨테이너 1리터당의 작동 유체(즉, 열 저장 장치 내로 유입하는 액체 상태의 작동 유체)의 유속은, 대략 5리터/분 미만일 수 있고, 바람직하게는 대략 2리터/분 미만일 수 있고, 보다 바람직하게는 대략 1리터/분 미만일 수 있고, 더욱 바람직하게는 대략 0.5리터/분 미만일 수 있고, 가장 바람직하게는 대략 0.1리터/분 미만일 수 있다. 열 저장 장치의 컨테이너의 총 체적(즉, 컨테이너 내부의 체적)에 대한 시스템 내(예컨대, 시스템 내 또는 모세관 펌핑형 루프 내)의 작동 유체의 체적의 비(또는, 심지어 열 저장 장치의 열에너지 저장 재료의 체적에 대한 시스템에서의 작동 유체의 체적의 비)는 대략 20 미만일 수 있고; 바람직하게는 대략 10 미만일 수 있고, 보다 바람직하게는 대략 4 미만일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 대략 2 미만일 수 있고, 가장 바람직하게는 대략 1 미만일 수 있다.
전술한 바와 같이, 작동 유체는 열에너지의 일부를 증발열의 형태로 전달할 수 있다. 작동 유체는 바람직하게는 높은 증발열을 가져서, 전달될 수 있는 열의 량이 많다. 열 저장 장치에 대해 적합한 작동 유체는 대략 200kJ/mole보다 큰 증발열을 가질 수 있고, 바람직하게는 대략 500kJ/mole보다 큰 증발열을 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 대략 750kJ/mole보다 큰 증발열을 가질 수 있고, 보다 더 바람직하게는 대략 1,000kJ/mole보다 큰 증발열을 가질 수 있고, 가장 바람직하게는, 대략 1,200kJ/mole보다 큰 증발열을 가질 수 있다.
작동 유체의 온도가 0℃ 미만일 수 있는 적용에서는, 작동 유체는 바람직하게는 (예컨대, 작동 유체가 얼지 않거나, 파열을 일으키지 않거나, 또는 이들 양방 모두이게끔) 물이 아니다.
작동 유체와 접촉하는 재료는 작동 유체로부터의 부식에 대해 저항성을 가질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 작동 유체와 접촉하게 되는 열 저장 장치 또는 열에너지 저장 시스템의 어느 하나 또는 모든 표면(예컨대, 작동 유체 증기 라인의 내부, 작동 유체 액체 라인의 내부, 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트의 표면, 작동 유체 밸브의 내부 표면, 콘덴서에 있어서의 작동 유체 컴파트먼트의 표면, 작동 유체 저장조의 내부 표면 등)들이 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 열에너지 저장 시스템에서 이용되는 열전달 유체 또는 작동 유체 모두가 추가적인 패키지를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 상기 추가적인 패키지는 스태빌라이저, 부식 억제물, 윤활물, 극압 첨가물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
열에너지 저장 시스템의 동작
열에너지 저장 시스템은, 열 저장 장치 외부로부터의 열이 열에너지 저장 재료로 공급되는 챠징 페이즈와, 상기 열의 적어도 일부가 열에너지 저장 재료에 저장되는 저장 페이즈와, 상기 열의 적어도 일부가 열에너지 저장 재료로부터 제거되는 방출 페이즈를 포함하는 복수의 동작 페이즈를 갖는다.
1. 챠지 페이즈
챠지 페이즈는, 열 저장 장치의 온도가 그 최대 공칭 온도 아래이고 열전달 유체(예컨대, 배기 가스)가 열에너지 저장 재료의 온도보다 높은 온도를 가질 경우에 일어날 수 있다. 챠지 페이즈 동안에, 열에너지 저장 재료(예컨대, 상전이 재료)를 챠지하는 단계는, 열전달 유체로부터 열에너지 저장 재료로 열을 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 챠지 페이즈 동안에, 작동 유체를 위한 방출 밸브는 바람직하게는 폐쇄된다. 증발기(즉, 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트)에 있어서의 액체의 작동 유체의 잔류물이 끓어서 콘덴서로 들어갈 수 있고, 콘덴서에서 액체가 되어 저장조로 들어간다. (도 1에 도시한 밸브에 의해 기동된 바이패스와 같은) 배기 가스 바이패스가 사용되어, 열에너지 저장 시스템이 완전히 챠지되었거나 배기가 지나치게 뜨거워서 국부적인 상전이 재료 과열을 초래하여 상전이 재료의 열화를 가져올 수 있는 경우, 열 저장 장치를 과열시키는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게는, 온도 센서가 상전이 재료 근방에 내장되어, 배기 바이패스 밸브를 트리거링함에 의해 상전이 재료를 과열시키는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게는 다른 제어 방안을 사용하여 상전이 재료 과열을 방지할 수도 있다.
2. 저장 페이즈
내연기관이 정지하는 경우에, 예를 들면, 차량이 주차되었을 경우, 방출 밸브는 폐쇄 상태로 유지된다. 열에너지 저장 시스템에 저장된 열은 서서히 주변으로 소실된다. 그러므로, 본 발명에서는 소정 형태의 절연을 사용하는 것이 바람직하다. 시스템의 절연이 양호할수록, 저장 시간이 보다 길다.
열 저장 장치에 의해 열 손실을 방지할 수 있는 어떠한 알려진 형태의 절연을 사용해도 좋다. 예를 들면, 본원에 그 전체가 참조로서 원용되는 미국 특허 제6,889,751호에 개시된 임의의 절연을 이용하여도 된다. 열 저장 장치는, 바람직하게는, 하나 또는 그 이상의 표면이 절연되어 있는 (열적) 절연 컨테이너이다. 바람직하게는, 대기 또는 외부로 노출된 일부 또는 모든 표면들이 연결되는 절연체를 가질 것이다. 절연 재료는, 대류 열 손실을 감소시키고, 복사 열 손실을 감소시키고, 전도 열 손실을 감소시킴으로써 기능할 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연은 절연체 재료나 바람직하게는 상대적으로 낮은 열전도성을 갖는 구조의 사용에 의할 수 있다. 상기 절연은 마주하는 이격된 벽들 사이의 간극을 사용하여 얻어질 수도 있다. 이 간극은 공기 공간과 같은 기상의 매질에 의해 점유될 수 있거나, 가능하게는 심지어 소기된 공간(예컨대, 듀워 베셀의 사용에 의해), 낮은 열전도성을 구비한 재료나 구조, 낮은 열 방사성을 구비한 재료나 구조, 일 수 있고, 낮은 대류성을 갖는 재료나 구조, 또는 이들의 조합일 수 있다. 제한 없이, 상기 절연은 세라믹 절연(수정 또는 글래스 절연 등), 폴리메릭 절연, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 절연은 섬유질 형태, 거품 형태 밀집화된 층, 코팅이나 이들의 임의의 조합일 수 있다. 절연은 직물의 형태, 직조되지 않은 재료, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 열전달 장치는 듀와 베셀, 보다 구체적으로는 내부 저장 공동을 규정하도록 구성된 일반적으로 마주하는 벽과, 이 마주하는 벽 사이의 벽 공동으로서 대기압 미만으로 소기되는 벽 공동을 포함하는 베셀을 사용하여 절연될 수 있다. 상기 벽은, 반사 표면 코팅(예컨대, 미러 표면)을 더 활용하여 복사 열 손실을 최소화하여도 된다.
바람직하게는, 상기 시스템 둘레에 진공 절연이 제공된다. 보다 구체적으로는, 본원에 그 전체가 참조로서 원용된 미국 특허 제6,889,751호에 개시된 진공 절연을 제공할 수 있다.
3. 방출 페이즈
열에너지 저장 시스템 내에 저장된 열을 가열하려는 물체로 전달할 필요가 있을 경우에는, 방출 밸브를 요구되는 방출 파워(예컨대, 와트(W) 단위)에 따른 요구되는 각도로 개방한다. 저장조에 저장된 액체의 작동 유체가 중력에 의해 구동된 증발기로 들어가서, 위크(wick)를 젖게하고, 모세관 압력에 의해 상방으로 구동되어 위크를 따라 유동하고, 상전이 재료로부터 흐르는 열에 의해 증발된다. 증기가 위크들 사이의 간극을 따라 유동하여 콘덴서로 들어가고, 이 콘덴서에서 증기는 증발 잠열, 및 콘덴서와 냉각된 내연기관 및/또는 에어 히터 코어 사이에서 순환하는 냉각제에의 지각가능한 열로서 저장된 그의 열을 방출한다. 고출력 방출 동안에, 증발기에서의 증기 압력이 콘덴서에서의 증기 압력을 실질적으로 초과할 수 있다. 이 압력차가 액체를 증발기로부터 액체 라인을 따라 압박하려 한다. 이론에 구속됨이 없이, 모세관 구조체(예컨대, 위크)의 공극을 충진하는 액체의 미세 메니사이에 의해 형성되는 모세관 압력이 이 압력을 고정하고 액체를 증발기로의 "펌핑"을 계속한다. 모세관 압력은 위크의 공극 사이즈에 반비례한다(영라플라스 등식). 증기는 그 압력을 해제하여 증기 라인을 거쳐 콘덴서로 유입한다. 이것은, 모세관 펌프형 루프 내부에 순환적인 유로 패턴을 확립한다. 소망하는 열량이 모세관 펌프형 루프에 의해 소망하는 열량이 전달되었을 경우에, 방출 밸브는 폐쇄 상태이다.
방출 페이즈 동안에, 본 발명의 장치 및 시스템은, 상대적으로 고출력(와트 단위)이나, 상대적으로 고출력 밀도(예컨대, 열 저장 장치의 체적 1리터당 와트의 단위), 또는 이들 모두를 가질 수 있다. 출력이나, 출력 밀도나, 또는 이들 모두는 모세관 구조체를 갖지 않는 것을 제외하고는 동일한 장치나 시스템에서보다 클 수 있다(예컨대, 적어도 20%보다 크고, 보다 바람직하게는 적어도 100%보다 크다). 예를 들어, 상기 장치, 시스템 또는 이들 둘 모두가, 예를 들어 밸브가 개방되어 열 저장 장치의 제 1 유로를 통한 작동 유체의 유동을 허용할 때이고, 또한 방출 동작의 시작시(예컨대 밸브가 개방되었을 때)에 상전이 재료의 실질적인 부분(예컨대, 적어도 50체적%, 또는 적어도 75체적%)이 액체 상태일 때인 초기(예컨대, 방출 동작의 최초 30초, 60초, 또는 120초 등) 방출 동작에 대해 출력을 평균한 경우, 열 저장 장치의 절연된 체적의 총 내부 체적(예컨대, 열에너지 저장 재료 컴파트먼트, 열전달 유체 컴파트먼트 및 작동 유체 컴파트먼트의 체적의 합계 등)에 기초하여, 적어도 대략 1㎾/liter, 바람직하게는 적어도 대략 10㎾/liter, 보다 바람직하게는 적어도 대략 25㎾/liter, 보다 더 바람직하게는 적어도 대략 30㎾/liter, 가장 바람직하게는 적어도 대략 50㎾/liter의 평균 출력 밀도를 가질 수 있다.
본 발명의 열에너지 저장 시스템은 또한, 열에너지 저장 재료를 동시적으로 챠징 및 방출함으로써(즉, 챠징 및 방출 페이즈를 동시적으로 행함으로써) "조합" 모드에서(예컨대, 정상 상태 모드로서) 동작될 수 있음을 알아야 한다. 조합 동작 모드에 있어서, 작동 유체의 방출 밸브가 개방되고 열전달 유체(예컨대, 고온의 배기 가스)가 열 저장 장치를 통해 유동한다. "조합" 동작 모드는, 배기 가스로부터 열수취자까지 연속적인(예컨대, 일정한) 열의 흐름을 확립할 수 있다. 종래 기술의 다른 정상 상태 배기열 회수 장치에 대한 본 시스템의 이점은, (도심 교통 상황에서는 매우 흔한) 배기 스트림의 열 출력의 변동을 평탄화하고, 배기 가스와 열수취자 사이에서 본질적으로 열 버퍼로서 작용하는 상전이 재료의 큰 열 저장 능력을 이용함으로써 수취처에 보다 안정된 열 출력을 전달하는 능력이다. 열 흐름의 평탄화는, 예컨대, 랭킨 사이클 열 엔진(터보 스티머라고도 알려짐), 흡수 또는 흡착 사이클 냉동 시스템 또는 간단하게는 캐빈 공기 히터 등의 배기열에 의해 구동되는 장치의 최적 동작을 확보함에 있어서 매우 도움이 된다.
열에너지 저장 시스템은, 그 열에너지 저장 시스템으로부터 주변으로의 열 손실을 최소화하기 위한 하나 또는 그 이상의 수단을 이용할 수 있다. 열 손실을 최소화하기 위한 일례로서의 수단은, 열에너지 저장 시스템의 하나 또는 그 이상의 구성요소(예컨대, 열 저장 장치, 라인, 증발기, 또는 이들의 임의의 조합)의 절연, 열전도성이 낮은 재료의 사용, 복사열 손실이나 열 흐름 거리를 감소시키는 지오메트리 및/또는 코팅의 사용, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
제한 없이, 미국 특허출원 제 12/389,598 호("열 저장 장치", 2009년 2월 20일 출원)에 개시된 임의의 절연 수단을 이용할 수 있다.
예로서, 열 저장 장치는, 선택사항으로는 진공 자켓의 내부와 외부벽 사이의 복사 열전달을 낮추기 위해서 얇은 내부 복사 스크린을 구비하는, 진공(예컨대, 고진공) 자켓 절연을 이용할 수 있다. 복사 열전달의 속도는 열 유로를 따른 복사 스크린들 사이의 진공 간극의 수에 대략 반비례한다. 이러한 접근은 이중 듀워 플라스크에도 마찬가지이다. 따라서, 상기 절연은 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 진공 간극을 이용할 수 있다.
열 저장 장치는 열전도성이 상대적으로 낮은 하나 또는 그 이상의 재료를 이용하여 주변으로의 열 손실을 감소시키거나 최소화할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치는 저탄소강(예컨대, A36 등급)의 열전도도의 50% 미만, 바람직하게는 저탄소강의 열전도도의 30% 미만, 보다 바람직하게는 저탄소강의 열전도도의 20% 미만, 가장 바람직하게는 저탄소강의 열전도도의 10% 미만의 열전도도를 갖는 하나 또는 그 이상의 재료를 이용할 수 있다. 일례로서의 이용가능한 저 열전도성 재료는, 제한 없이, 스테인레스 스틸, 티타늄 합금, 실리카계 글라스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 예를 들어, 열 저장 장치의 입구 및 출구를 콘덴서, 열원(예컨대, 배기 파이프), 또는 이들 모두에 접속하는 라인(예컨대, 튜브)에 대해 저 열전도성 재료를 이용할 수 있다.
열 경로 거리를 증가시키는 접속 라인(예컨대, 튜브 또는 파이프) 중 하나 이상(예컨대, 심지어는 모두)의 지오메트리를 선택함으로써 열 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 소정 라인의 지오메트리는, 스무드한 (예컨대, 원통형의) 벽 대신에 얇은 벽의 벨로우즈를 이용할 수 있다. 상기 라인은 만곡(예컨대, 실질적으로 만곡된 중심선을 가짐)될 수 있어서, 열 저장 장치와 절연되지 않은 열에너지 저장 시스템의 일부분 사이의 직접적인 "line-of-sight" 복사 열전달이 실질적으로 감소하거나 심지어는 제거될 수 있다. 따라서, 라인의 유압 저항을 실질적으로 증가시키는 일 없이, 상기 라인의 복사 애퍼처를 감소시키도록 지오메트리를 선택할 수 있다. 추가적으로, 상기 라인의 하나 또는 그 이상의 측면을, 간접적인 복사 열 손실을 감소시킬 수 있는 피복으로 코팅할 수 있다. 이러한 코팅은 일반적으로 은 등의 반사 코팅이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 시스템은 이하의 특징을 갖는다. 봉합재(encapsulant) 시트 두께는 0.01~2㎜ 범위에 있다. 상전이 재료 캡슐 사이즈는 0.5~100㎜ 범위에 있다. 캡슐간의 유체 간극은 0.1~10㎜ 범위에 있다. 블리스터 팩의 치수는, 적용에 따라 크게 변동하는 열교환기의 치수에 좌우된다. 열교환기는 단 하나의 캡슐 치수만큼 작을 수도 있고, 또는 대형 빌딩의 난방 및 공기 조화를 위해서는 수 미터만큼 클 수도 있다.
열에너지 저장 시스템은, 엔진 배기 가스로부터의 에너지를 저장하기 위해 운송용 차량(예컨대, 자동차)에서 이용될 수 있다. 엔진이 배기 가스를 생성하면, 바이패스 밸브는, 열 저장 장치를 통한 상기 가스의 유동을 안내하여 열 저장 장치가 챠지되거나, 또는 바이패스 라인을 통한 상기 가스의 유동을 안내하여 열 저장 장치가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 차량이 주차된 기간 중에 엔진이 정지하면, 열 저장 장치 내에 저장된 열의 상당 부분이 (예컨대, 열 저장 장치를 둘러싼 진공 절연로 인해) 장시간 보유될 수 있다. 바람직하게는, 열 저장 장치 내의 열에너지 저장 재료의 적어도 50%가, 차량이 16 시간 동안 대략 -40℃의 주위 온도에서 주차된 후에 액체 상태로 남는다. 만일, 엔진이 상당히 냉각되도록 차량이 충분히 긴 시간(예컨대, 적어도 2시간 또는 3시간) 동안 주차되면(예컨대, 그에 따라 엔진과 주변간의 온도차가 대략 20℃ 미만이면), 작동 유체를 위한 콘덴서를 포함하는 열교환기를 통해 (엔진 냉각제 등의) 열전달 유체를 흘림으로써, 열 저장 장치 내에 저장된 열이 냉각된 엔진이나 여타의 열수취자로 간접적으로 방출된다. 작동 유체는, 열 저장 장치 내부의 작동 유체가 증발되는 모세관 구조체를 이용하여 모세관 펌핑형 루프 내에서 순환된다. 작동 유체로부터의 열은 열교환기의 엔진 냉각제로 전달된다. 상기 열 저장 장치를 이용함으로써, 그렇지 않다면 버려지는 열을 이전의 트립 중에 수집하여, 냉간 시동의 완화시킴 및/또는 즉각적인 운전실 난방의 제공을 가능하게 한다.
작동 유체를 사용한 열전달은, 작동 유체 밸브(즉, 방출 밸브)를 개방함으로써 시작될 수 있다. 추가적인 액체 라인을 통해 루프에 접속된 시일링된 작동 유체 저장조는, 실질적인 압력 변동 없이 루프 내부의 작동 유체 액체 체적에 있어서의 변동을 수용하도록 기능한다. 일단 충분하거나 모든 유용한 열이 열 저장 장치로부터 전달되면, 방출 밸브가 폐쇄될 수 있다. 열 저장 장치의 남아있는 작동 유체는 (예컨대, 열 저장 장치에 남은 열로부터 또는 열 저장 장치가 챠지되기 시작할 때) 증발한 후, 콘덴서에서 응축한다. 열 저장 장치에서 작동 유체가 제거되기 때문에, 작동 유체 레벨의 액체 레벨이 변경(예컨대, 상승)될 수 있다.
상기 열 저장 장치는 크로스 플로우 열교환기(즉, 작동 유체에 대한 유동 방향과 배기 가스의 유동 방향이 수직)이다. 작동 중에, 열 저장 장치는 1) 배기 가스; 2) 체류하는 상전이 재료(예컨대, 블리스터 팩 등의 내부 갭슐); 및 3) 작동 유체에 의해 점유되는 3개의 방을 갖는다. 3개의 방 모두는 바람직하게는 스테인레스 스틸인 적절한 재료로 만들어진 얇은 벽에 의해 분리되어 유지된다. 배기 가스는, 블리스터 내부의 상전이 재료의 캡슐의 표면들(예를 들면, 만곡된 표면들) 사이에서 유동할 수 있고, 작동 유체는 블리스터 내부의 상전이 재료의 캡슐의 다른 표면들(예컨대, 평탄한 표면들) 사이에서 상기 배기 가스 유동 방향과 대체로 수직인 방향으로 유동할 수 있다. 그의 방으로 진입하는 액체 작동 유체는, 바람직하게는, 모세관 구조체(예컨대, 금속 위크)를 적시고, 모세관 내부에 형성되는 작동 유체 액체 메니스커스에 작용하는 모세관력에 의해, 중력과 증기 압력의 합력에 대항하며 상방으로 이송된다. 이 유동이 블리스터 내부의 상전이 재료로부터 인출된 열을 이용한 액체의 연속적 증발에 의해 지속된다. 작동 유체의 증기는 모세관 구조체를 이탈하여, 블리스터 내부의 상전이 재료의 캡슐의 표면들(예컨대, 평탄한 표면) 사이에서 압착된 모세관 구조체의 기둥들 사이에 개재하는 증기 채널을 통해 당해 장치의 상부로 빠져나간다. 작동 유체의 증기는 콘덴서로 유동하고, 여기에서 상기 작동 유체의 증기는 그 증발열과 지각가능한 열을 저온의 냉각제에 전달하고 다시 액체로 되어 열 저장 장치로 되돌아와서, 액체 작동 유체에 의해 부분적으로 침지되어 있는 모세관 구조체(예컨대, 금속 위크) 내부에 존재하는 모세관력에 의해서만 펌핑되어 루프 내에서의 그 순환을 계속한다. 모세관 구조체의 모든 기둥들이 공통의 공극 베이스에 접속될 수 있다. 이러한 공극 베이스는 장치의 저부로부터 들어오는 액체 작동 유체를 서로 다른 기둥들로 분배하기 위해 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 추가의 요소/구성요소/단계와 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 공기 조화를 위한 흡수 또는 흡착 사이클 냉동 시스템이, 차가운 냉각제 대신에 또는 차가운 냉각제에 추가하여, 열수취자로서 이용될 수 있다(예컨대, 콘덴서가 공기 조화기의 유체 루프 내부의 냉매 순환을 위한 증발기로서도 기능할 수 있다). 다른 적용에 있어서는, 예컨대, 랭킨 사이클 등의 열 엔진을 사용하는 정상 상태의 폐열 회수 시스템을 구축하고, 이 시스템이 동일하거나 상이한 모세관 펌핑형 루프 작동 유체를 사용하고, 열 저장 장치와 콘덴서 사이의 증기 라인에 (예컨대, 터빈으로부터의 높은 증기 압력 상향류를 극복하도록) 기계적인 파워 생성 터빈을 부가하고, 및/또는 콘덴서와 열 저장 장치 사이의 액체 라인에 액체 펌프를 부가할 수 있다. 상기 터빈은 배기 가스 폐열로부터 붙잡은 일부를 유용한 기계적 또는 전기적 일로 변환하여 차량의 전체적인 연료 효율을 향상시킨다.
본 발명은 다양한 수정예 및 변경형태로 실시될 수 있는 것으로, 이상 논의된 예시적인 실시형태는 예를 들어 제시한 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에 개시한 특정 실시형태로 한정시키려 함을 의도하지 않는다는 것을 다시 한번 이해해야 한다. 물론, 본 발명의 기술은, 다음에 첨부하는 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 사상과 범주 내에 있는 모든 수정, 등가물 및 대안을 커버하는 것이다.
도 1은 본 발명의 열 저장 장치를 포함하는 본 발명의 열에너지 저장 열 저장 장치이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 열 저장 장치(10)는 작동 유체 입구(14), 작동 유체 출구(16), 열전달 유체 입구(18) 및 열전달 유체 출구(20)를 구비한 컨테이너(12)를 포함할 수 있다. 이 열 저장 장치의 체적은 대략 1 리터이며, 열에너지 저장 재료가 상기 열 저장 장치의 대략 60체적%보다 많이 충진하고 있다.
도 2a는 도 1의 열 저장 장치(10)의 단면도(즉, 도 1에 도시한 바의 단면)이다. 열 저장 장치(10)는 캡슐층(32)을 포함하고, 인접하는 상기 캡슐층들 사이마다 간격이 형성되어 있다. 캡슐층(32)들 각각은 아치형의 표면(34)과, 대체로 평탄한 대향하는 표면(36)을 갖고 있다. 열전달 유체 컴파트먼트(26)의 적어도 일부(예컨대, 층)는 두 캡슐층 사이에 배치되어 있다. 작동 유체 컴파트먼트(22)의 일부(예컨대, 층)는 인접하는 두 캡슐층 사이에 배치되며, 상기 두 캡슐층의 분리 거리(예컨대, 평균 거리)에 의해 규정되는, 작동 유체 컴파트먼트의 평균 두께는 대략 1㎜이다. 일반적으로, 캡슐층은 당해 캡슐층의 일측에 작동 유체 컴파트먼트(22)의 층을 갖고, 마주하는 측에는 열전달 유체 컴파트먼트(26)의 층을 갖는다. 열전달 유체 컴파트먼트의 층의 평균 두께는 대략 1㎜이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 열 저장 장치는, 당해 열 저장 장치의 작동 유체 컴파트먼트 내로 작동 유체를 유입시키기 위한 입구(14)와, 당해 열 저장 장치로부터 작동 유체를 유출시키기 위한 출구(16)를 갖는다. 상기 출구는 상기 입구보다 높은 위치에 있어서, 작동 유체의 유동은 일반적으로 수직 성분을 포함한다. 작동 유체는 대략 79중량%의 물과 대략 21중량%의 암모니아의 혼합물이다. 작동 유체는 열에너지 저장 재료(30)와 열접촉한다. 작동 유체 컴파트먼트의 적어도 일부는, 모세관 구조체를 형성하는 5㎜의 금속 위크의 스트립을 포함한다. 도 2a의 단면은, 모든 작동 유체 컴파트먼트의 층이 금속 위크를 갖는 작동 유체 컴파트먼트(22)의 영역을 나타내고 있다. 상기 5㎜의 위크의 스트립들 사이에는, 도 2b의 단면에 나타낸 바와 같이, 금속 위크가 없는 10㎜ 너비의 섹션이 있다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 모세관 구조체(즉, 금속 위크)는 작동 유체 컴파트먼트의 길이를 따라 연장할 수 있다. 모세관 구조체의 일부는 상전이 재료를 수용하는 각각의 캡슐과 열접촉한다(예컨대, 모세관 구조체는 각 캡슐에 이웃한 일반적으로 평탄한 외측 표면의 일부와 접촉한다).
도 3에 본 발명의 열에너지 시스템을 도시한다. 열에너지 저장 시스템(50)은 열 저장 장치와, 작동 유체(54)에 대한 입구(56) 및 작동 유체에 대한 출구(58)를 구비한 콘덴서(52)와, 콘덴서(52)의 작동 유체 출구(58)를 열 저장 장치의 작동 유체 입구에 접속하는 튜브의 작동 유체 입구(56)를 접속하는 증기 튜브(60)를 포함한다. 열에너지 저장 시스템은 열 저장 장치에서의 작동 유체 컴파트먼트와, 콘덴서에 있어서의 작동 유체 컴파트먼트와, 작동 유체 증기 튜브와, 작동 유체 액체 튜브를 포함하는 모세관 펌핑형 루프를 포함한다. 또한, 열에너지 저장 시스템은 작동 유체 저장조(74)를 포함한다. 작동 유체 저장조는 열 저장 장치의 작동 유체 입구보다 높이가 높으며, 또한 콘덴서(58)의 작동 유체 입구의 높이보다 낮은 충진 레벨을 갖는다. 상기 모세관 펌핑형 루프는, 작동 유체 액체 튜브(62)에 밸브(72)를 가질 수 있다. 이 밸브는, 열 저장 장치가 챠지되고 열 저장 장치가 열을 저장할 때 모세관 펌핑형 루프 내에서의 작동 유체의 순환을 방지하기 위해 사용된다. 상기 밸브는, 상기 열 저장 장치로부터 열을 방출하는 일이 요구될 경우에 개방된다.
다시 도 3을 참조하면, 열에너지 저장 시스템은, 열전달 유체를 열 저장 장치로 유입시키고 또한 유출시키기 위한 열전달 유체 입구 라인(64)과 열전달 유체 출구 라인(66)을 포함한다. 또한, 상기 열에너지 저장 시스템은 열전달 유체 바이패스 라인(68)을 갖는다. 또한, 상기 열에너지 저장 시스템은, (예컨대, 열 저장 장치가 완전히 챠지되었을 경우, 또는 열전달 유체의 온도가 열 저장 장치에 있어서의 열에너지 저장 재료의 온도 미만일 경우에) 열전달 유체의 일부 또는 전부를 바이패스 라인(68)으로 우회시키는 다이버터 밸브(예컨대, 바이패스 밸브)(70)를 포함한다.
열에너지 저장 시스템의 콘덴서(52)는 열교환기이다. 열에너지 저장 시스템은 상기 열교환기 내로 열전달 유체를 공급하기 위한 콜드 라인(80)과, 상기 열교환기로부터 열전달 유체를 제거하기 위한 히트 라인(78)을 포함한다. 콜드 라인(80)과 히트 라인(78)은 열전달 유체 루프(84)의 일부분이다. 열전달 유체 루프는, 엔진 냉각제를 포함하며, 내연기관(76)에 접속되어 열 저장 장치에 저장된 에너지로 해당 내연기관을 가열하기 위해 사용된다.

Claims (38)

  1. 장치에 있어서,
    ⅰ) 소정 온도에서 고체-액체 상전이를 갖는 열에너지 저장 재료와,
    ⅱ) 복수의 모세관을 갖는 모세관 구조체를 포함하고,
    상기 장치는 열 저장 장치인
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열에너지 저장 재료는 대략 50℃보다 높은 온도에서 고체-액체 상전이를 갖는
    장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열에너지 저장 재료는 대략 90℃ 내지 대략 300℃의 온도에서 고체-액체 상전이를 갖는
    장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열에너지 저장 재료는 하나 또는 그 이상의 열에너지 저장 재료 컴파트먼트 내에 캡슐화되어 있고,
    상기 장치는 상기 열에너지 저장 재료와 열접촉하는 작동 유체 컴파트먼트를 포함하는
    장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열에너지 저장 재료는 복수의 캡슐에 캡슐화되어 있는
    장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 캡슐은 작동 유체 컴파트먼트와의 접촉을 최대화하는 표면을 가지며, 또한 캡슐은 캡슐 사이의 열전달을 최대화하는 기하학적 형상을 갖는
    장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열에너지 저장 재료는 복수의 캡슐에 캡슐화되어 있고,
    상기 캡슐은 아치형 표면과 평탄한 표면을 갖는
    장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ⅰ) 작동 유체를 위한 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구와, 제 2 유체를 위한 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 각각 구비한 하나 또는 그 이상의 컨테이너와,
    ⅱ) 적어도 제 1 외표면을 구비하며 상기 컨테이너 내에 상기 열에너지 저장 재료를 수용하는 하나 또는 그 이상의 캡슐로서, 상기 열에너지 저장 재료는 상전이 재료인, 상기 하나 또는 그 이상의 캡슐과,
    ⅲ) 상기 컨테이너를 통한 상기 작동 유체의 유동을 위한 제 1 유로로서, 상기 캡슐의 제 1 외표면에 의해 적어도 부분적으로 규정되는, 상기 제 1 유로와,
    ⅳ) 상기 제 1 유로를 통한 작동 유체의 펌핑이 가능한 복수의 모세관을 갖는 모세관 구조체로서, 상기 모세관 구조체는 상기 제 1 유로를 부분적으로 충진하고, 또한 상기 캡슐의 제 1 외표면과 적어도 부분적으로 접촉함으로써, 일단부에서 작동 유체와 접촉되는 경우, 상기 작동 유체는 상기 모세관으로 흡인되고, 상기 제 1 유로의 제 2 부분은 모세관이 없는, 상기 모세관 구조체와,
    ⅴ) 상기 컨테이너를 통한 제 2 유체의 유동을 위한 제 2 유로를 포함하고,
    상기 제 1 유로는 작동 유체 컴파트먼트 내에 있고, 상기 제 2 유로는 열전달 유체 컴파트먼트 내에 있고, 상기 상전이 재료는 상전이 재료 컴파트먼트 내에 있으며,
    상기 상전이 재료는 상기 작동 유체 컴파트먼트 및 상기 열전달 유체 컴파트먼트와 열적 연통되고,
    상기 장치는 열 저장 장치인
    장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 모세관은 대략 200㎛ 미만의 포어 직경을 갖는 모세관을 포함하는
    장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캡슐은 적어도 부분적으로 상기 제 2 유로를 규정하는 제 2 외표면을 포함하는
    장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 유체는 배기 가스인
    장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체의 모든 성분들의 합쳐진 증기압이 대략 0℃ 내지 대략 250℃의 온도에서 1 기압과 동등한
    장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상전이 재료는 대략 50℃보다 높은 고체-액체 상전이 온도(예컨대, 대략 90℃ 내지 대략 300℃)를 갖는
    장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨테이너는 적어도 부분적으로 절연되어 있는
    장치.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 복수의 캡슐을 포함하는
    장치.
  16. 열을 저장하고 전달하기 위한 시스템에 있어서,
    a) 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 열 저장 장치와,
    b) 상기 작동 유체를 위한 제 1 유로, 적어도 제 1 입구 및 적어도 제 1 출구를 갖는 콘덴서를 포함하고,
    상기 열 저장 장치는 상기 콘덴서와 유체 연통되며,
    상기 시스템은, 상기 콘덴서의 제 1 유로 및 상기 열 저장 장치의 제 1 유로를 포함하는 모세관 펌핑형 루프를 더 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 작동 유체를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 작동 유체의 모든 성분들의 합쳐진 증기압이 대략 35℃보다 높은 온도에서 1 기압과 동등한
    열 저장 및 전달 시스템.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 하나 또는 그 이상의 알코올, 하나 또는 그 이상의 케톤, 하나 또는 그 이상의 탄화수소, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 물, 암모니아, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 암모니아와 물의 용액을 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  21. 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체의 평형 상태는 -40℃의 온도 및 1 기압의 압력에서 적어도 90% 액체인
    열 저장 및 전달 시스템.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 열 저장 장치로부터 상기 콘덴서로의 상기 작동 유체의 유동을 제어하는 작동 유체 밸브를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  23. 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 열 저장 장치의 출구와 상기 콘덴서의 입구를 접속하는 증기 튜브를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 증기 튜브는 적어도 부분적으로 절연되어 있는
    열 저장 및 전달 시스템.
  25. 제 16 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 콘덴서의 출구와 상기 열 저장 장치의 입구를 접속하는 액체 튜브를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  26. 제 16 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 콘덴서를 적어도 부분적으로 충진하는 작동 유체를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  27. 제 16 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 열 저장 장치 내의 상전이 재료를 가열하는 수단을 포함함으로써, 상기 열 저장 장치가 상기 작동 유체의 모든 성분들의 합쳐진 증기 압력이 1 기압을 초과하도록 하기에 충분한 온도에 있으며 상기 밸브가 개방되어 상기 작동 유체의 유동을 허용하는 경우, 상기 작동 유체는,
    a) 상기 모세관 구조체에 의해 펌핑되고,
    b) 적어도 부분적으로 기화되고,
    c) 상기 콘덴서로 적어도 부분적으로 이송되고,
    d) 상기 콘덴서에서 적어도 부분적으로 응축되어,
    상기 열 저장 장치로부터 열이 제거되게 하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  28. 제 16 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 열 저장 장치 내로의 상기 제 2 유체의 유동을 제어하기 위한 제 2 밸브를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  29. 제 16 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 작동 유체를 수용하는 저장부를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  30. 제 16 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 모세관 펌프 이외에 상기 작동 유체를 펌핑하기 위한 펌프가 없는
    열 저장 및 전달 시스템.
  31. 제 16 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘덴서는 상기 콘덴서를 통해 열전달 유체를 이송하기 위한 제 2 유로, 제 2 입구 및 제 2 출구를 포함함으로써, 상기 콘덴서는 상기 작동 유체로부터 상기 열전달 유체로 열을 전달할 수 있는
    열 저장 및 전달 시스템.
  32. 제 16 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 차량의 구성요소를 가열하기 위해 사용되는
    열 저장 및 전달 시스템.
  33. 제 16 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 내연 기관과 열적 연통되는
    열 저장 및 전달 시스템.
  34. 제 16 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상전이 재료의 체적에 대한 상기 작동 유체의 체적의 비는 대략 20:1 미만인
    열 저장 및 전달 시스템.
  35. 제 16 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기를 통한 제 1 유로의 대략 5% 내지 대략 95%는 모세관 구조체를 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  36. 제 16 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 제 2 유로를 통한 상기 배출 가스의 유동을 제어하기 위한 밸브를 더 포함하는
    열 저장 및 전달 시스템.
  37. 제 16 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은, 밸브가 개방되어 상기 열 저장 장치의 제 1 유로를 통한 상기 작동 유체의 유동을 허용하였을 때 시작된 최초 30초의 작동에 대해 평균하였을 때, 상기 장치의 절연된(내부) 체적 1리터당 적어도 대략 1kW의 평균 파워 밀도를 가지며,
    상기 상전이 재료의 적어도 50체적%는 상기 밸브의 개방시에 액체 상태에 있는
    열 저장 및 전달 시스템.
  38. 열을 방출하는 방법에 있어서,
    제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 열 저장 장치를 통해 작동 유체를 순환시키는 단계를 포함하는
    열 방출 방법.
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