KR20120139704A - 열 에너지 저장 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 에너지 저장을 위한 물품 및 장치, 상기 물품 및 장치를 이용하여 에너지를 저장하는 방법에 관한 것이다. 상기 물품은, 하나 이상의 밀봉된 공간(14)을 갖는 캡슐형 구조체(10)를 포함하고, 상기 밀봉된 공간은 하나 이상의 열 에너지 저장 물질(26)을 캡슐화하고, 상기 캡슐형 구조체는, 열 전달 유체가 통과하여 흐르기에 충분히 큰 하나 이상의 유체 통로(16)를 갖고, 상기 열 에너지 저장 물질(26)은, 열 전달 유체가 상기 캡슐형 구조체(10)와 접촉할 때 상기 열 전달 유체로부터 단리된다. 상기 장치는, 유체(예컨대, 열 전달 유체)가 2개의 물품 사이의 공간을 통해 흐르기 이전 또는 이후에 물품의 유체 통로(16)를 통해 흐를 수 있도록 배열된 2개 이상의 물품을 포함한다.
Description
본 발명은 열 에너지 저장 물질을 이용하는 열 에너지 저장, 및 효과적인 열 저장 및 효과적인 열 전달 둘 다를 가능하게 하는 열 에너지 저장 물질의 패키징에 관한 것이다.
본원은 2010년 1월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/299,565 호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원을 모든 목적에서 본원에 참고로 인용한다.
산업 전반적으로, 더 적당한 때에 이용될 수 있도록 폐열을 효율적으로 포획 및 저장하기 위한 새로운 접근법을 적극적으로 찾고 있다. 또한, 콤팩트한 공간 내의 에너지 저장을 달성하고자 하는 바램은, 단위 중량 및 단위 체적 당 고 에너지 함량을 저장할 수 있는 새로운 물질의 개발을 요구한다. 돌파구가 되는 기술의 가능한 적용 영역은 수송, 태양 에너지, 산업적 제조 공정뿐만 아니라 도시 및/또는 상업적 건물 난방을 포함한다.
수송 산업의 경우, 내연 기관이 비효율적으로 조작된다는 것은 널리 공지되어 있다. 이러한 비효율성의 공급원은 배기, 냉각 및 복사열를 통한 열 손실 및 시스템으로부터의 기계적 손실을 포함한다. 내연 기관으로 공급되는 연료 에너지의 30% 초과가 기관 배기를 통해 주위환경으로 손실되는 것으로 예측되었다.
연소가 비-최적 온도에서 일어나고, 내연 기관이 저온 윤활유의 높은 점도로 인한 마찰에 대한 추가의 작업을 수행하는 것이 필요하기 때문에, "냉 시동(cold start)" 동안 내연 기관이 실질적으로 더 낮은 효율로 조작되거나, 더 많은 방출을 생성하거나, 이들 둘 다인 것이 널리 공지되어 있다. 이러한 문제는, 내연 기관이 간헐적으로 조작됨으로써 냉 시동 조건을 연장시키고/시키거나 차량의 단일 조작 기간 동안 다수의 냉 시동의 발생을 유발하는 하이브리드 전기 차량의 경우에 더더욱 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 원래의 장비 제조사들은 폐열을 효율적으로 저장 및 방출할 수 있는 해결책을 찾고 있다. 기본적인 생각은, 정상적인 차량 작업 동안 폐열을 회수 및 저장하고, 이어서 이후의 시간에 이러한 열을 제어적으로 방출함으로써, 냉 시동 조건의 기간 및 빈도를 감소 또는 최소화하여 궁극적으로는 내연 기관 효율을 개선하거나, 방출을 감소시키거나, 이들 둘 다를 달성하는 것이다.
실질적인 해결책이 되기 위해서는, 열 에너지 저장 시스템에 대한 에너지 밀도 및 열적 파워 밀도 요건이 극도로 높다. 본 출원인은 이전에, (1) 2009년 2월 20일자로 출원된 "열 에너지 저장 물질"이라는 제목의 미국 특허 출원 제 12/389,416 호, (2) 2009년 2월 20일자로 출원된 "열 저장 장치"라는 제목의 미국 특허 출원 제 12/389,598 호, 및 (3) 2009년 12월 14일자로 출원된 "열 에너지 저장 물질을 이용한 열 전달 시스템"이라는 제목의 국제 특허 출원 제 PCT/US09/67823 호를 출원하였다. 상기 출원들 전체를 본원에 참고로 인용한다.
공지된 열 저장 장치 및 배기열 회수 장치가 선행 기술에 공지되어 있다. 그러나, 장기(예컨대, 약 6시간 초과) 열 저장능을 제공하기 위해서는, 장치가 일반적으로 큰 체적을 차지하고, 열 전달 유체의 큰 체적을 펌핑하는 것이 필요하고, 유체 저항(hydraulic resistance)을 극복하기 위해 비교적 큰 펌프를 필요로 한다. 따라서, 고 에너지 밀도, 고 파워 밀도, 긴 열 보유 시간, 경량, 열 전달 유체 흐름에 대한 낮은 유체 저항, 또는 이들의 임의의 조합의 전례없는 조합을 제공할 수 있는 열 저장 시스템이 필요하다.
본 발명의 하나의 양태는, 하나 이상의 밀봉된 공간을 갖는 캡슐형 구조체를 포함하는 제품이며, 이때 상기 밀봉된 공간은 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하고, 상기 캡슐형 구조체는, 열 전달 유체가 통과하여 흐르기에 충분히 큰 하나 이상의 유체 통로를 갖고, 상기 열 에너지 저장 물질은, 열 전달 유체가 상기 캡슐형 구조체와 접촉할 때 상기 열 전달 유체로부터 단리된다.
본 발명의 다른 양태는, 유체 통로를 갖고 열 에너지 저장 물질을 함유하는 복수개의 물품(예컨대, 본원 기술된 복수개의 물품) 및 용기를 포함하는 장치이며, 이때 상기 복수개의 물품은, 상기 유체 통로가 축방향으로 정렬되도록 적층된다.
본 발명의 방법-관련 양태는 열 저장 장치(예컨대, 본원에 기술된 장치)로부터 열을 제거하는 방법이며, 이때 상기 방법은 상기 장치를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은, 초기 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 주입구를 통해 흐르게 하고; 상기 열 전달 유체가 복수개의 반경방향 흐름 경로로 나누어질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고; 상기 열 전달 유체가, 상기 열 전달 유체의 초기 온도보다 높은 온도를 갖는 상기 열 에너지 저장 물질로부터 열을 제거할 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 반경방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고; 복수개의 반경방향 흐름 경로가 합쳐질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 다른 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고; 초기 온도보다 높은 배출 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 배출구를 통해 흐르게 하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 방법-관련 양태는 물품을 제조 또는 조립하는 방법이며, 상기 방법은, 기재 시트에 개구부를 절단하는 단계; 상기 기재 시트가 하나 이상의 골(trough)을 갖도록, 상기 기재 시트를 엠보싱처리하는 단계; 상기 하나 이상의 골을 열 에너지 저장 물질로 충진하는 단계; 커버 시트에 개구부를 절단하는 단계; 및 상기 커버 시트를 상기 기재 시트에 적어도 외측 주변부 및 개구부 주변부를 따라 밀봉-부착하여, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 하나 이상의 밀봉된 공간을 갖는 물품을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 양태는, 열 저장 장치(예컨대, 본원에 기술된 열 저장 장치) 및 열 전달 유체를 포함하는 시스템이며, 이때 상기 열 전달 유체는 밀봉된 공간(예컨대, 상기 열 저장 장치내 물품의 밀봉된 공간) 내의 열 에너지 저장 물질과 열 소통된다.
본 발명의 물품, 장치, 시스템 및 방법은, 다량의 열 에너지가 저장될 수 있도록 고농도의 열 에너지 저장 물질을 함유할 수 있거나(예컨대, 높은 에너지 밀도를 가짐); 열 에너지 저장 물질 내로 및/또는 밖으로 열이 신속히 전달될 수 있도록, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 물품과 열 전달 유체 사이에 높은 표면적을 가질 수 있거나(예컨대, 높은 파워 밀도, 바람직하게는 약 8 kW/L 초과를 가짐); 상이한 영역들로 및/또는 이들 영역으로부터 열이 균일하게 전달되도록, 유사하거나 동일한 유체 저항을 갖는 다중 흐름 경로를 갖는 것이 가능하거나; 용이하게 배열될 수 있도록 회전 대칭성을 갖거나; 강하고 내구성인 구조체를 갖거나; 콤팩트한 설계, 경량 요소 또는 이들 둘 다를 요구하는 용도에 사용될 수 있도록 높은 열 저장 밀도를 갖거나; 열 전달 유체에 대한 펌핑 요건이 감소되도록 열 전달 유체 흐름에 대해 더 낮은 유체 저항(예컨대, 약 10 L/m의 열 전달 유체 펌핑 속도에서 약 1.5 kPa 미만의 압력 강하)을 갖거나; 또는 이들의 조합이다.
본 발명은, 본 발명의 실시양태의 비제한적인 예로서 제시되는 다수의 도면을 참조하여, 하기 상세한 설명에서 추가로 기술되며, 이때 유사한 참조 번호는 도면의 몇몇 도에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a는, 하나 이상의 밀봉된 구획 및 유체 통로를 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 1b는, 각각 하나 이상의 밀봉된 구획을 함유하는 복수개의 분절을 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다. 상기 분절들은, 상기 물품이 유체 통로를 갖도록 배열된다.
도 2a는, 밀봉된 구획 및 유체 통로를 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 2b는, 상기 물품에 사용될 수 있는, 유체 통로를 갖는 예시적인 커버 시트를 도시한 것이다.
도 2c는, 예시적인 물품(예컨대, 상기 도 2a에 예시된 물품)의 단면이다.
도 2d는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 예시적인 엠보싱처리된 기재 시트의 단면이다.
도 3a는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 2개의 예시적인 인접한 분절들의 측면도이다. 상기 분절들은, 일반적으로 서로 합치되는(mate) 엣지들을 가질 수 있다.
도 3b는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 2개의 예시적인 인접한 분절들의 측면도이다. 상기 분절들은, 일반적으로 서로 합치되는 엣지들을 가질 수 있다.
도 4는, 분절들의 인접한 분절 하부 표면들이 상이한 평행 평면 상에 놓이도록 분절들 중 하나가 이동할 때, 인접한 분절들의 엣지를 따라 서로 합치되는 인접한 분절들의 측면도이다.
도 5a는, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 복수개의 밀봉된 구획을 갖는 물품에 사용될 수 있는, 복수개의 골을 갖는 예시적인 엠보싱처리된 기재 시트를 도시한 것이다.
도 5b는, 도 5의 엠보싱처리된 시트의 예시적인 부분을 도시한 것이다.
도 5c는, 대응 유체 통로를 갖는 물품들의 예시적인 적층체를 도시한 것이다.
도 6a는, 개구부로부터 외측 주변부로 연장되는 복수개의 그루브를 함유하는 하나 이상의 표면을 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 6b는, 제 1 물품의 하부 표면과 제 2 물품의 상부 표면 간의 계면(이때, 상기 2개의 표면은 각각 복수개의 만곡된 그루브를 가짐)을 도시한 것이다.
도 6c는, 예시적인 물품의 2개의 분절을 도시한 것이다.
도 6d는, 도 6c의 분절들의 적층체의 측면도이다.
도 7은, 비-원형이고/이거나 비-원형 개구부를 갖는 상부 표면을 갖는 예시적인 물품의 평면도이다.
도 8은, 용기 내에 물품들의 적층체를 포함하는 예시적인 열 저장 장치의 단면을 도시한 것이다.
도 9는, 용기 내에 물품들의 적층체를 포함하는 예시적인 열 저장 장치의 또다른 단면을 도시한 것이다.
도 10은, 열 에너지 저장 시스템의 예시적인 특징을 도시하는 개략도이다.
도 1a는, 하나 이상의 밀봉된 구획 및 유체 통로를 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 1b는, 각각 하나 이상의 밀봉된 구획을 함유하는 복수개의 분절을 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다. 상기 분절들은, 상기 물품이 유체 통로를 갖도록 배열된다.
도 2a는, 밀봉된 구획 및 유체 통로를 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 2b는, 상기 물품에 사용될 수 있는, 유체 통로를 갖는 예시적인 커버 시트를 도시한 것이다.
도 2c는, 예시적인 물품(예컨대, 상기 도 2a에 예시된 물품)의 단면이다.
도 2d는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 예시적인 엠보싱처리된 기재 시트의 단면이다.
도 3a는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 2개의 예시적인 인접한 분절들의 측면도이다. 상기 분절들은, 일반적으로 서로 합치되는(mate) 엣지들을 가질 수 있다.
도 3b는, 본 발명의 물품에 사용될 수 있는 2개의 예시적인 인접한 분절들의 측면도이다. 상기 분절들은, 일반적으로 서로 합치되는 엣지들을 가질 수 있다.
도 4는, 분절들의 인접한 분절 하부 표면들이 상이한 평행 평면 상에 놓이도록 분절들 중 하나가 이동할 때, 인접한 분절들의 엣지를 따라 서로 합치되는 인접한 분절들의 측면도이다.
도 5a는, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 복수개의 밀봉된 구획을 갖는 물품에 사용될 수 있는, 복수개의 골을 갖는 예시적인 엠보싱처리된 기재 시트를 도시한 것이다.
도 5b는, 도 5의 엠보싱처리된 시트의 예시적인 부분을 도시한 것이다.
도 5c는, 대응 유체 통로를 갖는 물품들의 예시적인 적층체를 도시한 것이다.
도 6a는, 개구부로부터 외측 주변부로 연장되는 복수개의 그루브를 함유하는 하나 이상의 표면을 갖는 예시적인 물품을 도시한 것이다.
도 6b는, 제 1 물품의 하부 표면과 제 2 물품의 상부 표면 간의 계면(이때, 상기 2개의 표면은 각각 복수개의 만곡된 그루브를 가짐)을 도시한 것이다.
도 6c는, 예시적인 물품의 2개의 분절을 도시한 것이다.
도 6d는, 도 6c의 분절들의 적층체의 측면도이다.
도 7은, 비-원형이고/이거나 비-원형 개구부를 갖는 상부 표면을 갖는 예시적인 물품의 평면도이다.
도 8은, 용기 내에 물품들의 적층체를 포함하는 예시적인 열 저장 장치의 단면을 도시한 것이다.
도 9는, 용기 내에 물품들의 적층체를 포함하는 예시적인 열 저장 장치의 또다른 단면을 도시한 것이다.
도 10은, 열 에너지 저장 시스템의 예시적인 특징을 도시하는 개략도이다.
하기 상세한 설명에서, 본 발명의 특정 실시양태가 바람직한 실시양태와 관련하여 기술된다. 그러나, 하기 설명이 본 발명의 기술의 특정 실시양태 또는 특정 용도에 대해 구체적인 경우, 이는 단지 예시이며, 단지 예시적인 실시양태의 정확한 기술을 제공하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 본 발명은 하기 기술되는 특정 실시양태에 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 진정한 범주 내에 드는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함한다.
본원의 교시로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 열 에너지를 저장하고/하거나 저장된 열 에너지를 유체로 전달하기 위한 특정 물품, 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 열 에너지 저장용 물품 및 장치는 열 에너지를 저장하기에 보다 효과적이거나, 열 에너지가 보다 균일하게 전달되도록 하거나, 더 적은 압력 강하를 갖는 열 전달 유체를 사용하여 열 에너지가 전달되도록 하거나, 이들 중 임의의 조합이다.
본 발명의 다양한 양태는, 하나 이상의 밀봉된 공간(예컨대, 캡슐) 및 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 갖는 캡슐형 구조체를 포함하는 물품에 기초하며, 상기 열 에너지 저장 물질은, 상기 열 에너지 저장 물질이 상기 캡슐형 구조체 밖으로 흐르지 않거나 다르게 상기 캡슐형 구조체로부터 제거되지 않도록 상기 캡슐형 구조체의 하나 이상의 밀봉된 공간 내에 캡슐화된다. 상기 캡슐형 구조체는, 상기 캡슐형 구조체가 유체 통로를 통해 유체(예컨대, 열 전달 유체)를 흐르게 할 수 있도록, 충분히 큰 하나 이상의 유체 통로를 포함하는 새로운 기하구조를 갖는다. 상기 열 에너지 저장 물질은, 상기 열 전달 유체가 상기 캡슐형 구조체와 접촉하는 경우, 상기 열 에너지 저장 물질이 상기 유체로부터 단리되도록 하나 이상의 밀봉된 공간 내에 캡슐화된다. 본 발명의 다른 양태는, 복수개의 물품을 포함하는 새로운 배열, 하나 이상의 상기 물품을 포함하는 새로운 장치, 상기 물품을 제조하기 위한 새로운 방법, 하나 이상의 상기 물품을 이용하는 새로운 방법을 포함한다. 이러한 새로운 물품을 사용함으로써, 다량의 열 에너지를 저장할 수 있거나, 열 에너지를 열 에너지 저장 물질 내로 또는 밖으로 신속히 전달할 수 있거나, 콤팩트해질 수 있거나, 경량이 될 수 있거나, 열 전달 유체의 낮은 압력 강하를 가질 수 있거나, 이들의 임의의 조합이 가능할 수 있다.
캡슐형 구조체
상기 캡슐형 구조체는 일반적으로, 다른 방향의 치수보다 더 작은 하나의 방향 치수(즉, 두께)를 갖는다. 상기 캡슐형 구조체는, 바람직하게는 상기 캡슐형 구조체의 더 작은 방향에서 하나 이상의 개구부(즉, 유체 통로)를 갖는다.
개구부/유체 통로
상기 캡슐형 구조체는 하나 이상의 유체 통로를 갖는다. 바람직하게, 상기 캡슐형 구조체는 하나의 유체 통로를 갖는다. 상기 하나 이상의 유체 통로는, 유체(예컨대, 열 전달 유체)가 열 에너지 저장 물질과 접촉하지 않고 물품을 통해 흐르도록 할 수 있다. 상기 유체 통로(예컨대, 상기 유체 통로의 단면적)는 바람직하게는, 상기 열 전달 유체가 최소 압력 손실로 상기 유체 통로를 흐를 수 있도록 충분히 크다. 상기 유체 통로는 바람직하게는 상기 캡슐형 구조체의 기하학적 중심 근처에 존재하거나 상기 중심을 포함한다. 전술된 바와 같이, 상기 캡슐형 구조체의 기하학적 중심 근처이거나 상기 중심을 포함하는 유체 통로는, 일반적으로 티첼만(Tichelmann) 시스템을 특징으로 하는 장치에 상기 물품이 사용되게 할 수 있다.
상기 유체 통로는, 상기 캡슐형 구조체를 통한 유체의 통과를 촉진시키는 임의의 단면 형태일 수 있다. 비제한적으로, 상기 유체 통로는 축방향을 가질 수 있으며, 상기 축방향에 수직인 평면을 갖는 상기 유체 통로의 단면은 일반적으로 원형, 일반적으로는 다각형 또는 일반적으로 타원형일 수 있다. 바람직하게, 상기 유체 통로는 일반적으로 원통 형태를 갖는다. 예를 들어, 상기 유체 통로는 축방향을 가질 수 있으며, 상기 축방향에 수직인 평면을 갖는 상기 유체 통로의 단면은 일반적으로 원형일 수 있다.
상기 유체 통로의 길이는, 효과적인 열 전달을 가능하게 하고 바람직하게는 상기 캡슐형 구조체의 두께를 갖는 임의의 길이일 수 있다. 상기 유체 통로의 크기는, 상기 유체 통로의 직경 치수이거나(예컨대, 일반적으로 원통 형태를 갖는 유체 통로의 경우), 상기 개구부의 중심으로부터 상기 캡슐형 구조체의 표면까지의 최단 거리의 2배이다. 상기 유체 통로의 크기는, 유체가 상기 개구부를 통해 흐를 수 있도록, 바람직하게는 약 0.1 mm 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.5 mm 초과, 더더욱 바람직하게는 약 1 mm 초과, 가장 바람직하게는 약 2 mm 초과이다. 상기 유체 통로의 크기는, 상기 유체 통로가 큰 체적의 공간을 차지하지 않도록(예컨대, 다르게는 열 에너지 저장 물질에 의해 점유될 수 있도록) 충분히 작을 수 있다. 바람직하게, 상기 유체 통로는 약 20 mm 미만의 크기를 갖는다. 예를 들어, 상기 유체 통로는, 바람직하게는 약 10 mm 미만인 반경을 갖는 일반적으로 원형 단면을 가질 수 있다.
하나 이상의 밀봉된 공간 및 유체 통로를 갖는 캡슐형 구조체가, 유체 통로(예컨대, 도 1a에 도시된 물품(10)에서 참조 번호 16으로 도시됨)를 갖는 단일 구성요소로부터 형성되거나, 함께 일반적으로 동일한 형태를 제공하는 복수개의 분절(2)(예컨대, 도 1b에 도시된 캡슐형 구조체(10)에서)을 조립 및/또는 배열함으로써 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 이와 같이, 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함하는 캡슐의 층은, 단일 분절 또는 복수개의 분절(2)에 의해 제공될 수 있다. 캡슐형 구조체는 유리하게는, 구조체 내의 응력(후프 응력 또는 다른 것)이 감소되거나 제거되도록 복수개의 분절들에 의해 제공될 수 있다. 캡슐형 구조체는 유리하게는, 밀봉된 공간의 파괴(예컨대, 누출 또는 천공)이 열 에너지 저장 물질의 감소된 손실을 제공하도록 복수개의 분절에 의해 제공될 수 있다. 상기 캡슐형 구조체가 복수개의 분절로 형성되는 경우, 분절의 개수는 2개 이상, 3개 이상, 약 4개 이상, 또는 약 6개 이상일 수 있다. 분절의 개수는 바람직하게는 약 100개 이하, 더욱 바람직하게는 약 30 개 이하, 가장 바람직하게는 약 10개 이하이다. 캡슐형 구조체가 크거나(예컨대, 하나 이상의 방향에서 약 500 mm 초과) 상기 캡슐형 구조체 중의 열 에너지 저장 물질이 100개 이상의 밀봉된 공간으로 구획화되는 것이 필요한 경우, 100개보다 많은 분절이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 캡슐형 구조체의 분절(예컨대, 도 1b에 도시된 캡슐형 구조체(10)의 분절(2))은, 상기 캡슐형 구조체의 상부 표면(4) 및 하부 표면(6)의 일부를 형성하는 상부 표면 및 하부 표면을 가질 수 있다. 캡슐형 구조체의 분절(예컨대, 도 1b에 도시된 캡슐형 구조체(10)의 분절(2))은, 상기 캡슐형 구조체의 외측 엣지 표면(8)의 일부가 되는 엣지 표면을 가질 수 있다. 캡슐형 구조체의 분절(예컨대, 도 1b에 도시된 캡슐형 구조체(10)의 분절(2))은, 상기 캡슐형 구조체의 개구부의 일부를 형성하는 엣지 표면을 가질 수 있다. 캡슐형 구조체의 분절(예컨대, 도 1b에 도시된 캡슐형 구조체(10)의 분절(2))은, 인접한 분절의 엣지와 각각 서로 합치되는 하나 이상의 엣지(예컨대, 2개의 엣지)를 가질 수 있다.
캡슐형 구조체의 2개 이상의 분절(예컨대, 공통 엣지를 공유하는 2개의 분절) 또는 심지어 모든 분절은, 동일한 열 에너지 저장 물질을 포함하거나, 2개 이상의 상이한 열 에너지 저장 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게, 캡슐형 구조체 내의 분절은, 동일한 열 에너지 저장 물질을 갖는 복수개의 분절을 포함한다. 더욱 바람직하게, 캡슐형 구조체 내의 모든 분절은 동일한 열 에너지 저장 물질을 갖는다.
한쌍의 인접한 분절은 동일한 형태, 체적 또는 이들 둘 다를 갖거나, 상이한 형태, 체적 또는 이들 둘 다를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 캡슐형 구조체는, 일반적으로 동일한 체적을 갖는 인접한 분절들을 포함한다. 바람직하게, 상기 캡슐형 구조체는, 일반적으로 동일한 두께를 갖는 인접한 분절들을 포함한다. 더욱 바람직하게, 상기 캡슐형 구조체는, 일반적으로 동일한 형태 및 크기를 갖는 인접한 분절들을 포함한다. 가장 바람직하게, 상기 캡슐형 구조체는, 동일한 형태, 크기 및 체적을 갖는 인접한 분절들을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나, 이들로 이루어진다.
캡슐형 구조체가 2개 이상의 분절을 포함하는 경우, 인접한 분절들의 엣지들 사이의 유체 흐름이 감소되거나 최소화되거나 심지어 제거되도록 분절들을 배열하는 것이 필요할 것이다. 인접한 분절들이 간격에 의해 분리되는 경우, 유체(예컨대, 열 전달 유체)는 상기 캡슐형 구조체의 개구부와 외측 주변부 사이에서 반경방향으로 흘러서 상기 캡슐형 구조체의 상부 및 하부 표면을 따르는 열 전달을 감소시킬 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 다양한 실시양태에서, 캡슐형 구조체 내의 인접한 분절들은, 인접한 분절들 사이의 열 전달 유체의 흐름이 감소되거나 최소화되거나 제거되도록, 서로 합치되는 엣지와 함께 성형되고/되거나 배열될 수 있다.
상기 캡슐형 구조체 및/또는 물품의 형태는 패키징 공간에 의해 한정되고, 특이하게 성형될 수 있다. 상기 물품은, 상부 표면을 갖는 커버 시트(즉, 커버 시트), 및 하부 표면을 갖는 일반적으로 대향하는 기재 시트를 포함할 수 있다. 상기 커버 시트(예컨대, 상기 커버 시트의 상부 표면), 기재 시트(예컨대, 상기 기재 시트의 하부 표면) 또는 이들 둘 다는, 일반적으로 편평하거나(예컨대, 일반적으로 편평한 표면을 갖거나) 일반적으로 아치형이거나 또는 이들의 임의의 조합인 부분을 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 기재 시트 및/또는 상기 기재 시트의 하부 표면은 일반적으로 아치형 부분을 포함하거나 일반적으로 아치형이고, 상기 물품의 상부 표면은 일반적으로 편평하다(예컨대, 상기 커버 시트는 일반적으로 편평하다).
상기 커버 시트 및 상기 기재 시트는 둘 다 하나 이상의 개구부를 포함한다. 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트는, 상기 커버 시트의 하나 이상의 개구부가 상기 기재 시트의 하나 이상의 개구부와 중첩되도록 배열된다. 이와 같이, 상기 커버 시트와 상기 기재 시트는 하나 이상의 대응 개구부를 갖는다. 상기 커버 시트는, 상기 커버 시트의 중심으로부터 가장 먼 영역에 외측 주변부를 갖는다. 상기 커버 시트는, 상기 커버 시트의 개구부 근처(바람직하게는, 중심 근처)의 커버 시트의 영역에 하나 이상의 개구부 주변부를 갖는다. 상기 기재 시트는, 상기 기재 시트의 중심으로부터 멀리 떨어진 영역에 외측 주변부 및 상기 기재 시트의 개구부 근처(바람직하게는, 중심 근처)의 개구부 주변부를 갖는다. 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트 각각은, 이들 사이에 하나 이상의 밀봉된 공간을 형성하기 위해, 이들 시트 각각의 외측 주변부를 따라 서로에 밀봉-부착되거나 하나 이상의 임의적인 하위-구조체(예컨대, 외부 고리)에 밀봉-부착될 수 있다. 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트 각각은, 이들 사이에 하나 이상의 밀봉된 공간을 형성하기 위해, 이들 시트 각각의 개구부 주변부를 따라 서로에 밀봉-부착되거나 하나 이상의 임의적인 하위-구조체(예컨대, 외부 고리)에 밀봉-부착될 수 있다. 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트 각각은, 이들 사이에 하나 이상의 밀봉된 공간을 형성하기 위해, 이들 시트 각각의 개구부 주변부를 따라 서로에 밀봉-부착되거나 하나 이상의 임의적인 하위-구조체(예컨대, 내부 고리)에 밀봉-부착될 수 있다. 바람직하게, 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트는 이들 각각의 외측 주변부를 따라, 이들 각각의 대응 개구부 주변부들 중 적어도 하나를 따라, 또는 이들 둘 다를 따라 밀봉-부착된다. 가장 바람직하게, 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트는, 이들의 각각의 외측 주변부를 따라 및 이들 각각의 대응 개구부 주변부들 중 적어도 하나를 따라 밀봉-부착된다. 또한, 복수개의 밀봉된 공간이 형성되도록, 상기 커버 시트 및 상기 기재 시트가 서로 밀봉-부착되거나 하나 이상의 추가적인 영역(이들의 주변부 이외의 영역)을 따라 하나 이상의 다른 임의적인 하위-구조체에 밀봉-부착될 수 있음을 이해할 것이다.
상기 캡슐형 구조체는 임의적으로, 기재 시트 및 커버 시트에 밀봉-부착되는 경우 하나 이상의 밀봉된 공간을 형성하는 하나 이상의 임의적인 하위-구조체를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 하위-구조체는, 하나 이상의 밀봉된 공간을 열 전달 유체로부터 분리하는 하나 이상의 벽을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 캡슐형 구조체는, 상기 캡슐형 구조체의 하나 이상의 측면을 따라 하나 이상의 밀봉된 공간을 열 전달 유체로부터 단리시키기 위한 벽을 제공하는 외부 고리를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 캡슐형 구조체는, 상기 캡슐형 구조체를 통과하는 유체 통로의 적어도 일부를 따라 하나 이상의 밀봉된 공간을 단리시키기 위한 벽을 제공하는 내부 고리를 포함할 수 있다. 상기 내부 고리가 사용되는 경우, 이는, 상기 기재 시트의 개구부 주변부, 상기 커버 시트의 개구부 주변부, 또는 바람직하게는 이들 둘 다에 밀봉-부착될 수 있는 임의의 기하구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 내부 고리의 내부 단면은, 상기 커버 시트, 상기 기재 시트 또는 이들 둘 다의 개구부와 유사한 크기 및 형태를 갖는다. 상기 외부 고리가 사용되는 경우, 이는, 상기 기재 시트의 외측 주변부, 상기 커버 시트의 외측 주변부, 또는 바람직하게는 이들 둘 다에 밀봉-부착될 수 있는 임의의 기하구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 외부 고리의 외부 단면은, 상기 커버 시트, 상기 기재 시트 또는 이들 둘 다의 외측 둘레와 유사한 크기 및 형태를 갖는다. 상기 하나 이상의 하위-구조체는, 2개 이상의 밀봉된 공간들 사이에서 유체 단리를 제공하거나 분리하는 하나 이상의 벽을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 하위-구조체는 하나 이상의 일반적으로 반경방향 벽, 하나 이상의 일반적으로 원통형 벽 등을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 하나 이상의 하위-구조체는 허니컴 또는 다른 개방형 셀 구조체(예컨대, 2009년 10월 8일자로 공개된 뱅크(Bank) 등의 미국 특허 출원 공개 제 2009-0250189 호의 단락 [0084]에 기술된 것)를 포함할 수 있으며, 상기 출원을 본원에 참고로 인용한다. 상기 하나 이상의 하위-구조체(예컨대, 내부 고리, 외부 고리 또는 개방형 셀 구조체)의 벽 두께는, 열 에너지 저장 물질을 함유하거나 상기 구조체를 지지하거나 또는 이들 둘 다가 가능하도록 충분히 두꺼워야 한다. 상기 하나 이상의 하위-구조체의 벽 두께는 바람직하게는 약 1 μm 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 μm 초과이다. 상기 하나 이상의 하위-구조체(예컨대, 내부 고리, 외부 고리 또는 개방형 셀 구조체)의 벽 두께는, 상기 물품의 체적 및/또는 중량의 대부분이 열 에너지 저장 물질이 될 수 있도록 충분히 얇아야 한다. 상기 하나 이상의 하위-구조체의 벽 두께는 바람직하게는 약 5 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 1 mm 미만, 가장 바람직하게는 약 0.2 mm 미만이다.
상기 캡슐형 구조체의 두께는, 상기 물품의 상부 표면(예컨대, 상기 커버 시트의 상부 표면)과 상기 물품의 하부 표면(예컨대, 상기 기재 시트의 하부 표면) 간의 평균 간극에 의해 한정된다. 상기 물품은, 열이 유체로부터 열 에너지 저장 물질로 신속히 공급되고/되거나 열 에너지 저장 물질로부터 유체로 신속히 제거될 수 있는 기하구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 물품은 비교적 얇을 수 있다(예컨대, 상기 물품의 길이 또는 직경에 비해). 바람직하게, 상기 물품의 두께는 약 80 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 20 mm 미만, 더더욱 바람직하게는 약 10 mm 미만, 가장 바람직하게는 약 5 mm 미만이다. 상기 물품의 두께는 바람직하게는 약 0.5 mm 초과, 더욱 바람직하게는 약 1 mm 초과이다.
상기 물품의 최장 치수(예컨대, 상기 물품의 길이 또는 직경)은 전형적으로, 상기 물품이 큰 체적(예컨대, 열 에너지 저장 물질의 큰 체적을 함유하기 위해) 및 큰 표면적(예컨대, 열 에너지의 신속한 전달을 위해) 둘 다를 가질 수 있도록 상기 물품의 두께보다 훨씬 더 크다. 상기 물품의 최장 치수는 바람직하게는 약 30 mm 초과, 더욱 바람직하게는 약 50 mm 초과, 가장 바람직하게는 100 mm 초과이다. 상기 최장 치수는 용도에 의해 한정되며, 특정 용도에서 열 저장, 열 전달 또는 이들 둘 다에 대한 필요를 만족시키는 임의의 길이일 수 있다. 상기 물품의 최장 치수는 전형적으로 약 2 m(즉, 2000 mm) 미만이지만, 약 2 m 초과의 최장 치수를 갖는 물품도 사용될 수 있다.
상기 물품은 하나 이상의 측면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 물품은, 비-평면인 하나 이상의 측면을 가질 수 있다. 상기 물품은, 일반적으로 아치형, 일반적으로 비-평면, 일반적으로 연속적, 또는 이들의 임의의 조합인 단일 측면을 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 하나 이상의 측면은 일반적으로, 상기 물품의 평균 직경보다 약간만 더 큰 공동 직경을 갖는 일반적으로 원통형 공동을 갖는 용기 내에 상기 물품이 놓일 수 있도록 상기 물품의 중심으로부터 등거리에 존재한다. 상기 물품의 평균 직경에 대한 상기 공동의 직경의 비가 작은 경우, 다량의 상기 공동이 상기 물품에 의해 점유된다. 예를 들어, 상기 물품의 평균 직경에 대한 상기 공동의 직경의 비는 약 1.8 미만, 바람직하게는 약 1.2 미만, 더욱 바람직하게는 약 1.1 미만, 가장 바람직하게는 약 1.05 미만일 수 있다. 상기 물품의 평균 직경에 대한 상기 공동의 직경의 비가 전형적으로 약 1.0 이상(예컨대, 약 1.001 이상)임을 이해할 것이다.
상기 캡슐형 구조체의 체적의 많은 부분은, 상기 물품이 비교적 다량의 열 에너지 저장 물질을 함유할 수 있도록 캡슐화된 체적(즉, 하나 이상의 밀봉된 공간의 체적)이다. 상기 물품의 하나 이상의 밀봉된 공간의 총 체적은 상기 물품의 총 체적을 기준으로 바람직하게는 약 50 체적% 이상, 더욱 바람직하게는 약 80 체적% 이상, 더더욱 바람직하게는 약 85 체적% 이상, 가장 바람직하게는 90 체적%이다. 상기 물품의 하나 이상의 밀봉된 공간의 총 체적은 전형적으로 상기 물품의 총 체적을 기준으로 약 99.9 체적% 미만이다. 열 에너지 저장 물질에 의해 점유되지 않은 나머지 체적은 캡슐형 구조체, 기공 공간(예컨대, 하나 이상의 기체 함유), 열 에너지 저장 물질과 상기 캡슐형 구조체 간의 열 전달을 개선하기 위한 하나 이상의 구조체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하거나 이들로 실질적으로 전적으로 이루어질 수 있다. 열 에너지 저장 물질과 상기 캡슐형 구조체 간의 열 전달을 개선하기 위한 구조체는, 열 에너지 저장 물질로부터 열 전달 유체로의 열 흐름 속도를 증가시킬 수 있는 비교적 높은 열 전도도(예컨대, 열 에너지 저장 물질에 비해)를 갖는 물질로 형성된 임의의 구조체를 포함한다. 열 흐름 속도를 개선하기에 적합한 구조체는 핀, 와이어, 메쉬, 상기 밀봉된 공간 내로의 돌출구 등을 포함한다.
상기 물품은 바람직하게는, 다른 동일한 형태의 물품, 또는 일반적으로 서로 합치되는 표면을 갖는 다른 물품과 함께 적층되기에 용이하다. 예를 들어, 적층되는 2개의 물품은, 적층되는 경우 2개의 물품이 함께 네스팅되도록 일반적으로 서로 합치되는 표면인 대향 표면을 가질 수 있다. 함께 용이하게 네스팅되도록 물품들을 적층하기 위한 하나의 접근법은, 높은 수준의 회전 대칭성을 갖는 형태(예컨대, 아치형 표면의 형태, 밀봉된 공간들의 형태 또는 이들 둘 다)를 선택하는 것임을 이해할 것이다. 회전 대칭성은, 적층 방향의 축(예컨대, 캡슐형 구조체의 유체 통로를 통한 축)에 대한 것일 수 있다. 회전 대칭성의 수준은 전형적으로, 함께 적층되어 함께 네스팅되는 2개의 표면 간의 뚜렷한 회전 횟수를 기술하는 것이다. 상기 물품, 상기 기재 시트(예컨대, 상기 기재 시트의 아치형 표면) 또는 이들 둘 다의 회전 대칭성의 수준은 바람직하게는 2 이상, 더욱 바람직하게는 3 이상, 더더욱 바람직하게는 5 이상, 가장 바람직하게는 7 이상이다.
본 발명의 하나의 특히 바람직한 실시양태에서, 인접한 층들(예컨대, 인접한 캡슐형 구조체들)은 함께 네스팅되지 않는다. 예를 들어, 제 1 층(예컨대, 제 1 캡슐형 구조체)의 상부 표면은, 제 2 층(예컨대, 제 2 캡슐형 구조체)의 하부 표면과 접촉할 수 있다. 접촉하는 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 둘 다는, 2개의 표면 사이에 열 전달 유체가 흐르도록 하는 하나 이상의 반경방향 그루브 또는 반경방향 채널[즉, 반경방향 요소(즉, 반경방향으로의 투영을 포함하는 그루브 또는 채널의 적어도 일부의 방향)를 갖고, 바람직하게는 캡슐형 구조체의 중심 개구부로부터 외측 주변부로 연장됨]을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 층의 커버 시트와 제 2 층의 기재 시트는, 개구부로부터 외측 주변부로 직선으로 연장되는 선형 그루브 또는 채널을 가질 수 있다. 반경방향 요소를 갖는 것에 더하여, 그루브 또는 채널은 탄젠트 요소(즉, 탄젠트 방향으로의 투영을 포함하는 그루브 또는 채널의 적어도 일부의 방향)를 가질 수 있다. 예를 들어, 그루브 또는 채널은, 반경방향 요소 및 탄젠트 요소를 둘 다 포함하는 나선 형태를 가질 수 있다. 접촉하는 2개의 시트는, 상이하거나(예컨대, 상이한 방향 및/또는 상이한 규모를 갖거나) 동일한 탄젠트 요소를 가질 수 있다. 인접한 시트들의 탄젠트 요소는, 인접한 시트들 사이를 흐르는 유체가 적어도 부분적으로 혼합되도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 그루브들이 교차될 경우(예컨대, 2개의 인접한 캡슐형 구조체의 그루브 내에서 흐르는 유체의 2개의 스트림이 전체 흐름 경로보다 더 적게 직접 접촉하는 경우) 2개의 층 사이를 흐르는 유체가 적어도 부분적으로 혼합되도록, 하나의 시트는, 시계방향의 탄젠트 요소를 갖는 그루브 또는 채널을 갖고, 인접한 시트는, 반시계 방향의 탄젠트 요소를 갖는 그루브 또는 채널을 가질 수 있다. 도 6a는, 캡슐형 구조체의 개구부(16)와 캡슐형 구조체의 외측 주변부(19) 사이로 연장되는 복수개의 반경방향 그루브(15)를 갖는 캡슐형 구조체(10)의 개략도이다. 도 6a를 참조하면, 그루브(15)는 하기 특성 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다: 그루브는 탄젠트 요소를 갖도록 만곡될 수 있고, 그루브들은 균일하게 이격될 수 있고, 인접한 그루브들은 동일한 길이를 가질 수 있고, 그루브는 나선 형태를 가질 수 있고, 인접한 그루브들은, 동일한 유체 저항을 갖는 흐름 경로를 제공할 수 있다. 도 6b는, 제 1 캡슐형 구조체의 기재 시트(30)의 일부와 제 2 캡슐형 구조체의 커버 시트(28)의 일부 간의 접촉을 도시하는 개략도이다. 2개의 접촉 표면은 일반적으로 상이한 형태를 갖거나 동일한 일반적으로 형태를 가질 수 있다(예컨대, 도 6b에 도시됨). 도 6b에 도시된 바와 같이, 접촉하는 표면들의 그루브는 하나 이상의 교차점을 가질 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 접촉 표면의 그루브는 탄젠트 부분을 갖고, 제 2 접촉 표면의 그루브는 상기 제 1 접촉 표면에 대해 반대 방향의 탄젠트 부분을 가질 수 있다. 흐름 경로를 제공하기 위해 그루브 또는 채널이 사용되는 경우, 하나 이상의 표면은 임의의 개수의 그루브 또는 채널을 가질 수 있다. 바람직하게, 캡슐형 구조체 내의 그루브 또는 채널의 수는, 2개의 층들(예컨대, 2개의 표면들) 사이를 흐르는 열 전달 유체가 열을 효과적으로 제거하기 위한 복수개의 흐름 경로로 나누어질 수 있도록, 충분히 많고 충분히 분배된다. 인접한 흐름 경로들은 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게, 2개 이상의 흐름 경로(예컨대, 모든 흐름 경로)는 일반적으로 동일한 길이, 일반적으로 동일한 유체 저항 또는 이들 둘 다를 갖는다.
캡슐형 구조체, 예컨대 도 6a에 도시된 캡슐형 구조체는, 바람직하게는 캡슐형 구조체의 기하학적 중심에 또는 그 근처에 개구부(16)를 가질 수 있다. 상기 캡슐형 구조체는 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함한다. 상기 캡슐형 구조체는, 예를 들어 도 6a에 도시된 바와 같은 단일 밀봉된 공간을 포함할 수 있다. 상기 캡슐형 구조체는 일반적으로 얇으며, 상부 표면(18), 하부 표면(20), 외측 주변부(19) 근처의 표면(22) 및 개구부 근처의 엣지 표면(24)을 포함할 수 있다. 상기 캡슐형 구조체는 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 둘 다 상에, 유체가 적어도 반경방향으로 흐르도록 흐름 경로를 제공하는 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다(예컨대, 복수개의 캡슐형 구조체가 적층되는 경우). 이러한 특징부는 바람직하게는 캡슐형 구조체의 개구부 주변부(21)로부터 캡슐형 구조체의 외측 주변부(19)로 연장된다. 이러한 특징부는, 일반적으로 아치형인 흐름 방향을 제공하거나, 일반적으로 선형인 흐름 방향을 제공하거나, 또는 선형 영역 및 직선형 영역을 가질 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 흐름 경로는, 중심 주변부로부터 외측 주변부로 연장되는 하나 이상의 채널 또는 그루브에 의해 제공될 수 있다. 캡슐형 구조체의 상부 표면 또는 하부 표면의 그루브 또는 채널은, (복수개의 캡슐형 구조체가 적층되는 경우) 각각의 흐름 경로가 일반적으로 동일한 유체 저항을 갖도록 상기 표면 위쪽에 분배될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 그루브 또는 채널은, 흐름 경로가 반경방향 요소에 더하여 탄젠트 요소를 갖도록 만곡부를 가질 수 있다. 이러한 만곡부는, 동일한 캡슐형 구조체들이 적층되는 경우 인접한 캡슐형 구조체들이 함께 네스팅되는 것을 방지하기에 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 캡슐형 구조체는, 일반적으로 동일한 형태를 갖고 복수개의 만곡된 그루브를 갖는 커버 시트와 기재 시트를 함께 연결함으로써 제조될 수 있다. 상부 표면의 만곡된 그루브와 하부 표면의 만곡된 그루브가 연결되는 경우, 이들은 반대 방향으로 만곡된다(상부 표면으로부터 시인시). 도 6a에 도시된 바와 같이, 커버 시트와 기재 시트는, 밀봉된 공간이 형성되도록 개구부 주변부를 따라 및 외측 주변부를 따라 밀봉될 수 있다.
도 6c는, 캡슐형 구조체의 일부를 형성하는 2개의 인접한 분절(2)을 도시하는 개략도이다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 각각의 분절은, 상기 분절의 주변부를 따라 밀봉-부착된 2개의 시트를 포함할 수 있다. 부착 지점은 엣지 표면(9) 상일 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 각각의 분절은 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함할 수 있다. 개별적인 분절이 개구부를 갖지는 않지만, 분절들은, 개구부를 포함하는 캡슐형 구조체가 형성되도록 엣지를 따라 배열될 수 있다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 인접한 분절들의 엣지(9)들은, 하나의 분절이 인접한 분절에 대해 두께의 일부(예컨대, 절반 두께)만큼 옮겨질 때 서로 합치될 수 있다.
캡슐형 구조체의 상부 표면은, 도 1a 및 도 6a에서 도시된 상부 표면과 같이 일반적으로 원형 형태일 수 있다. 캡슐형 구조체의 상부 표면의 다른 형태가 가능할 수 있으며, 심지어 바람직할 수 있다. 예를 들어, 캡슐형 구조체는, 빽빽한 공간 내에 피팅되는 것이 필요한 열 저장 장치 내에, 예컨대 후드 아래쪽에 또는 차량 바닥 아래쪽에 사용될 수 있다. 표면적을 감소시키기 위해서 실린더 형태가 유리할 수 있지만, 이용가능한 공간 내로 피팅하기 위해 다른 긴 형태 또는 박스형 형태가 유리할 수도 있다. 본원의 교시에 따르면, 캡슐형 구조체의 일반적으로 원형 표면이 유리하게는, 원형이 아닌 형태로 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 이와 같이, 캡슐형 구조체는, 일반적으로 타원 형태, 일반적으로 직사각형 형태, 일반적으로 정사각형 형태, 일반적으로 불규칙한 형태, 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 상부 표면 및/또는 하부 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 캡슐형 구조체의 상부 표면 및/또는 하부 표면은 일반적으로, 둥근 코너를 갖는 직사각형 형태를 가질 수 있다. 도 7은, 캡슐형 구조체의 표면의 예시적인 특징부를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 캡슐형 구조체의 상부 표면 및 하부 표면의 주변부의 프로파일은 긴 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상부 표면 및 하부 표면의 (외측 주변부의) 프로파일은 일반적으로 직사각형 형태, 일반적으로 정사각형 형태, 또는 일반적으로 타원 형태를 가질 수 있다. 상부 표면의 개구부의 프로파일이 임의의 형태일 수 있음을 이해할 것이다. 상부 표면의 개구부의 프로파일 및 상부 표면의 외측 주변부의 프로파일은 유사한 형태(그러나, 상이한 크기)를 갖거나, 상이한 형태(예컨대, 일반적으로 원형 개구부 및 비-원형 외측 주변부)를 가질 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 개구부의 프로파일 및 외측 주변부의 프로파일은 동일한 형태, 예컨대 일반적으로 타원 형태를 가질 수 있다.
상기 물품은 바람직하게는, 구부러지기 어려운 캡슐형 구조체를 갖는다. 예를 들어, 상기 캡슐형 구조체는, 단면(예컨대, 캡슐형 구조체의 직경)의 대부분 또는 심지의 모든 길이에 걸쳐 커버 시트와 기재 시트가 접촉하는 단면이 없을 수 있다. 상기 캡슐형 구조체가 구부러지기 어렵도록 하기 위해 사용될 수 있는 다양한 접근법이 존재한다(예컨대, 회전 대칭성의 수준이 홀수가 되지 않도록 캡슐의 배열을 선택하는 것, 회전 대칭성이 존재하지 않도록 캡슐의 배열을 선택하는 것, 모든 반경방향 단면이 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함하도록 서로에 대해 회전하는 캡슐의 2개 이상의 고리(예컨대, 동심원 고리)를 포함하는 캡슐의 배열을 선택하는 것, 또는 이들의 조합). 캡슐형 물품이 내굽힘성이 되도록 다른 기하구조 또는 다른 수단이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 상기 캡슐형 구조체를 위한 물질은, 일반적으로 강성인 것을 선택할 수 있거나, 상기 구조체는 하나 이상의 립(예컨대, 탄젠트 방향에서)을 포함할 수 있다.
상기 물품의 모든 열 에너지 저장 물질은 단일 밀봉된 공간 내에 존재할 수 있다. 바람직하게, 상기 물품의 열 에너지 저장 물질은, 밀봉된 공간이 천공되거나 다르게 누출되는 경우 열 에너지 저장 물질의 단지 일부만 제거될 수 있도록, 복수개의 밀봉된 공간들 사이에 나누어진다. 상기 물품 내의 밀봉된 공간(예컨대, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 밀봉된 공간) 자체의 개수는 바람직하게는 2개 이상, 더욱 바람직하게는 3개 이상, 더더욱 바람직하게는 약 5개 이상이다. 밀봉된 공간의 개수의 상한치는 현실적이며, 특정 제품의 경우, 제품의 필요에 의해 한정된다. 그럼에도 불구하고, 상기 물품의 밀봉된 공간의 개수는 전형적으로 1000개 미만이다. 그러나, 매우 큰 물품은 1000개 이상의 밀봉된 공간을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 동일한 이유로, 임의의 단일 밀봉된 구획 내에서 발견되는 열 에너지 저장 물질의 체적 분획은 상기 물품 내의 열 에너지 저장 물질의 총 체적을 기준으로 바람직하게는 약 55% 미만, 더욱 바람직하게는 약 38% 미만, 더더욱 바람직하게는 약 29% 미만, 가장 바람직하게는 약 21% 미만이다. 전형적으로, 밀봉된 공간은 상기 물품 내의 열 에너지 저장 물질의 0.1 체적% 이상을 포함한다. 그러나, 상기 물품이, 열 에너지 저장 물질이 실질적으로 또는 심지어 전혀 없는 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
상기 밀봉된 공간은 임의적으로, 각각 하나 이상의 밀봉된 공간을 함유하는 복수개의 동심원 고리[가장 내부의 고리(예컨대, 개구부 주변부에 가장 가까운 고리) 및 가장 외부의 고리(예컨대, 외측 주변부에 가장 가까운 고리) 포함]로 배열될 수 있다. 하나의 고리 내의 밀봉된 공간은 일반적으로 반복되는 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 고리 내의 각각의 밀봉된 공간 또는 2개, 3개 또는 4개 이상의 밀봉된 공간의 각각의 그룹은 일반적으로 동일한 형태 및 크기를 가질 수 있다. 각각의 고리에서 밀봉된 공간의 개수는 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 가장 바깥쪽의 고리의 밀봉된 공간과 가장 안쪽의 고리의 밀봉된 공간 간의 체적 차이가 감소되도록, 가장 바깥쪽의 고리가 가장 안쪽의 고리보다 더 많은 밀봉된 공간을 갖거나, 가장 바깥쪽 고리의 밀봉된 공간들의 평균 길이가 가장 안쪽의 밀봉된 공간들의 평균 길이보다 더 작거나(이때, 평균 길이는, 개구부로부터 외측 주변부까지의 반경방향으로 측정됨), 이들 둘 다이다.
이후 논의되는 바와 같이, 상기 물품은, 일반적으로 원통형 공동(예컨대, 상기 물품의 최장 치수보다 약간만 더 큰 치수를 갖는 공동)을 갖는 용기 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 용기의 공동의 직경은 상기 물품의 캡슐형 구조체의 직경보다 약간만 더 클 수 있다. 상기 공동의 직경은, 상기 물품이 상기 공동 내로 삽입될 수 있도록 충분히 커야 한다. 상기 물품(또는 상기 물품의 적층체)가 상기 용기 내에 놓이는 경우, 유체가 상기 물품의 외측 주변부와 상기 용기의 내벽 사이를 흐를 수 있는 것이 바람직할 것이다. 이는, 유체 흐름 경로를 생성하고 유지할 수 있도록 상기 용기의 내부와 상기 물품의 형태의 관계를 설계함으로써 달성될 수 있다. 이러한 유체 흐름 경로를 생성할 수 있는 임의의 방법이 사용될 수 있다. 상기 물품은 임의적으로, 열 전달 유체가 흐르기 위한 공간이 형성되도록, 그의 주변부를 따라 하나 이상의 인덴트를 가질 수 있다(예컨대, 커버 시트 및 기재 시트는 그들 각각의 외측 주변부들을 따라 하나 이상의 대응 인덴트를 가질 수 있음). 다르게는, 또는 그에 더하여, 상기 용기의 공동은, 상기 물품의 외측 주변부와 상기 용기의 표면 사이에 유체가 흐르도록 하나 이상의 그루브를 갖는 표면을 가질 수 있다. 다른 예로서, 상기 물품의 직경은, 상기 물품의 전체 외측 주변부를 따라 유체가 흐를 수 있도록 상기 공동의 내부의 직경보다 충분히 작을 수 있다. 예를 들어, 밀봉된 공간의 가장 바깥쪽 고리 내의 각각의 밀봉된 공간을 위해, 상기 물품이 하나 이상의 인덴트를 갖거나 상기 용기가 하나 이상의 그루브를 가질 수 있다. 인덴트 또는 그루브는 임의의 형태(예컨대, 다각형 형태, 아치형 형태, 웨지 형태 등)을 가질 수 있되, 단, 이는 열 전달 유체가 흐르기에 충분한 크기를 갖는다. 인덴트 및/또는 그루브가 사용되는 경우, 이의 가장 작은 치수는 전형적으로 약 0.1 mm 이상이다. 유체 흐름 경로를 생성하는 2개 이상의 수단의 조합이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 물품이 공동 내에 놓이는 경우 그의 전체 외측 주변부를 따라 유체가 흐를 수 있도록, 상기 물품은 그의 외측 주변부를 따라 하나 이상의 인덴트를 갖고 충분히 작은 직경을 가질 수 있다.
상기 기재 시트는 임의적으로, 상기 기재 시트와 일반적으로 서로 합치되는 표면을 갖는 다른 물품과 상기 물품이 적층되어 이들 두개의 물품이 단지 부분적으로 네스팅되도록, 하나 이상의 돌출부를 갖는다. 이와 같이, 상기 하나 이상의 돌출부는, 서로 합치되는 표면들 사이에서 유체(예컨대, 열 전달 유체)가 흐를 수 있도록, 일반적으로 서로 합치되는 표면들을 분리하는 스페이서로서 작용할 수 있다. 물품의 적층 및 기타 스페이싱 수단은 이후 논의된다. 돌출부가 사용되는 경우, 이는 바람직하게는, 하나 이상의 돌출부가 유체의 흐름을 실질적으로 방해하지 않도록 상기 기재 시트의 표면적의 단지 작은 일부만 커버한다. 상기 돌출부의 높이는, 일반적으로 서로 합치되는 2개의 표면들 사이의 흐름 경로의 높이(예컨대, 평균 높이)를 한정하도록 선택될 수 있다. 상기 커버 시트는 바람직하게는 이러한 돌출부가 없으며, 2개의 물품이 그들의 커버 시트와 함께 배열되고 일반적으로 그들의 전체 상부 표면 위쪽에서 접촉할 수 있도록 일반적으로 편평한 외측 표면을 갖는다.
열 에너지 저장 물질
비제한적으로, 열 저장 장치에 적합한 열 에너지 저장 물질은, 감지가능한 열, 잠열 또는 바람직하게는 이들 둘 다로서 비교적 고밀도의 열 에너지를 나타낼 수 있는 물질을 포함한다. 열 에너지 저장 물질은 바람직하게는 열 저장 장치의 조작 온도 범위와 상용성이다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질은 바람직하게는 열 저장 장치의 조작 온도보다 더 낮은 온도에서는 고체이거나, 열 저장 장치의 최대 조작 온도에서는 적어도 부분적으로 액체(예컨대, 전적으로 액체)이거나, 상기 장치의 최대 조작 온도에서 실질적으로 열화되거나 분해되지 않거나, 이들의 임의의 조합이다. 열 에너지 저장 물질은 바람직하게는, 약 1000 시간 이상, 심지어 약 10000 시간 이상 동안 상기 장치의 최대 조작 온도로 가열시 실질적으로 열화되거나 분해되지 않는다.
열 에너지 저장 물질은, 고체-액체 전이 온도를 갖는 상 변화 물질일 수 있다. 열 에너지 저장 물질의 고체-액체 전이 온도는 액상선(liquidus) 온도, 융점 또는 공융점일 수 있다. 상기 고체-액체 전이 온도는, 열 에너지 저장 물질이 적으로 부분적으로 또는 심지어 실질적으로 전적으로 액체 상태인 경우, 하나 이상의 물체를 목적하는 온도로 가열하기에 충분한 에너지가 저장되도록 충분히 높아야 한다. 상기 고체-액체 전이 온도는, 열 전달 유체, 가열되는 하나 이상의 물체, 또는 이들 둘 다가 열화될 수 있는 온도로 가열되지 않도록 충분히 낮아야 한다. 이와 같이, 상기 고체-액체 전이 온도의 목적하는 온도는, 가열되는 물체 및 열을 전달하는 방법에 의존할 수 있다. 예를 들어, 저장된 열을 글라이콜/물 열 전달 유체를 사용하여 엔진(예컨대, 내연 기관)으로 전달하는 용도에서, 최대 고체-액체 전이 온도는, 열 전달 유체가 열화되는 온도일 수 있다. 다른 예로서, 열 전달 유체가 높은 열화 온도를 갖는 경우, 저장된 열은 열 전달 유체를 이용하여 전지의 전기화학적 셀로 전달될 수 있고, 최대 고체-액체 전이 온도는, 전기화학적 셀이 열화되거나 다르게 손상되는 온도로 결정될 수 있다. 상기 고체-액체 전이 온도는 약 30℃ 초과, 바람직하게는 약 35℃ 초과, 더욱 바람직하게는 약 40℃ 초과, 더더욱 바람직하게는 약 45℃ 초과, 가장 바람직하게는 약 50℃ 초과일 수 있다. 상기 열 에너지 저장 물질은 약 400℃ 미만, 바람직하게는 약 350℃ 미만, 더욱 바람직하게는 약 290℃ 미만, 더더욱 바람직하게는 약 250℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 200℃ 미만의 고체-액체 전이 온도를 가질 수 있다. 용도에 따라, 상기 고체-액체 전이 온도는 약 30℃ 내지 약 100℃, 약 50℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 150℃ 내지 약 250℃, 약 175℃ 내지 약 400℃, 약 200℃ 내지 약 375℃, 약 225℃ 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 300℃일 수 있다.
몇몇 제품(예컨대, 수송 관련 제품)의 경우, 작은 공간 내에 충분히 에너지를 저장하는 열 에너지 저장 물질이 바람직할 수 있다. 열 에너지 저장 물질은, 융해열(MJ/kg으로 표현됨)과 밀도(약 25℃에서 측정되고 kg/L로 표현됨)의 곱으로 정의되는 높은 융해열 밀도(MJ/L로 표현됨)를 가질 수 있다. 열 에너지 저장 물질은 약 0.1 MJ/L 초과, 바람직하게는 약 0.2 MJ/L 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.4 MJ/L 초과, 가장 바람직하게는 약 0.6 MJ/L 초과의 융해열 밀도를 가질 수 있다. 전형적으로, 열 에너지 저장 물질은 약 5 MJ/L 미만의 융해열 밀도를 갖는다. 그러나, 더 높은 융해열 밀도를 갖는 열 에너지 저장 물질도 사용될 수 있다.
몇몇 제품(예컨대, 수송 관련 제품)의 경우, 경량의 열 에너지 저장 물질이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질은 약 5 g/cm3 미만, 바람직하게는 약 4 g/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 약 3.5 g/cm3 미만, 가장 바람직하게는 약 3 g/cm3 미만의 밀도(약 25℃에서 측정시)를 가질 수 있다. 밀도의 하한치는 실제적이다. 열 에너지 저장 물질은 약 0.6 g/cm3 초과, 바람직하게는 약 1.2 g/cm3 초과, 더욱 바람직하게는 약 1.7 g/cm3 초과의 밀도(약 25℃에서 측정시)를 가질 수 있다.
상기 밀봉된 공간은 임의의 공지된 열 에너지 저장 물질을 함유할 수 있다. 열 에너지 저장 물질 구획에 사용될 수 있는 열 에너지 저장 물질의 예는, 문헌[Atul Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi, "Review on thermal energy storage with phase change materials and applications", Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318-345] 및 문헌[Belen Zalba, Jose Ma Mann, Luisa F. Cabeza, Harald Mehling, "Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications", Applied Thermal Engineering 23 (2003). 251-283]에 기술된 물질을 포함하며, 상기 문헌들 전체를 본원에 참고로 인용한다. 열 전달 장치에 사용될 수 있는 적합한 열 에너지 저장 물질의 다른 예는 2009년 2월 20일자로 출원된 "열 에너지 저장 물질"이라는 제목의 미국 특허 출원 제 12/389,416 호 및 2009년 2월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제 12/389,598 호에 기술된 열 에너지 저장 물질을 포함한다.
열 에너지 저장 물질은, 전술된 바와 같은 고체-액체 전이 온도, 융해열 밀도 또는 이들 둘 다를 나타내는 유기 물질, 무기 물질 또는 유기 물질과 무기 물질의 혼합물을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 유기 물질은 파라핀계 및 비-파라핀계 유기 물질, 예컨대 지방산을 포함한다. 사용될 수 있는 무기 물질은 염 수화물 및 금속을 포함한다. 열 에너지 저장 물질은, 일반적으로 단일 온도에서 고체-액체 전환을 갖는 화합물 또는 혼합물(예컨대, 공융 혼합물)일 수 있다. 열 에너지 저장 물질은, 소정의 온도 범위(예컨대, 약 3℃ 초과 또는 약 5℃ 초과의 범위)에 걸쳐 고체-액체 전환을 갖는 화합물 또는 혼합물일 수 있다.
비제한적으로, 열 에너지 저장 물질로 사용하기에 적합한 비-파라핀계 유기 물질은 산, 알코올, 알데하이드, 아마이드, 유기 염 및 이들의 혼합물 및 조합물을 포함한다. 예로서, 단독으로 또는 혼합물로서 사용될 수 있는 비-파라핀계 유기 물질은 폴리에틸렌 글라이콜, 카프르산, 엘라드산, 라우르산, 펜타데칸산, 트라이스테아린, 미리스트산, 팔마트산, 스테아르산, 아세트아마이드, 메틸 퓨마레이트, 폼산, 카프릴산, 글리세린, D-락트산, 메틸 팔미테이트, 캄페닐온, 도카실 브로마이드, 카프릴온, 페놀, 헵타데칸온, 1-사이클로헥실로옥타데칸, 4-헵타데칸온, p-졸루이딘, 시안아마이드, 메틸 아이코사네이트, 3-헵타데칸온, 2-헵타데칸온, 하이드로신남산, 세틸 알코올, 넵틸아민, 캄펜, o-나이트로아닐린, 9-헵타데칸온, 티몰, 메틸 베헤네이트, 다이페닐 아민, p-다이클로로벤젠, 옥솔레이트, 하이포인산, o-자일렌 다이클로라이드, 클로로아세트산, 나이트로 나프탈렌, 트라이미리스틴, 헵타운데칸산, 밀랍, 글라이올산, 글라이콜산, p-브로모페놀, 아조벤젠, 아크릴산, 딘토 톨루엔, 페닐아세트산, 티오신아민, 브롬캄포, 두렌, 벤질아민, 메틸 브롬벤조에이트, 알파 나프톨, 글루타르산, p-자일렌 다이클로라이드, 카테콜, 퀴논, 아세트아닐라이드, 석신산 무수물, 벤조산, 스틸벤, 벤즈아마이드, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함한다.
비제한적으로, 상기 열 에너지 저장 물질은, 나이트레이트, 나이트라이트, 브로마이드, 클로라이드, 기타 할라이드, 설페이트, 설파이드, 포스페이트, 포스파이트, 하이드록사이드, 카복사이드, 브로메이트, 및 이들의 혼합물 및 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 무기 염을 포함할 수 있다. 예로서, 열 에너지 저장 물질은 K2HPO4?6H20, FeBr3?6H20, Mn(NO3)2?6H20, FeBr3?6H20, CaCl2?12H20, LiNO3?2H20, LiNO3?3H20, Na2CO3?10H20, Na2SO4?10H20, KFe(SO3)2?12H20, CaBr2?6H20, LiBr2?2H20, Zn(NO3)2?6H20, FeCl3?6H20, Mn(NO3)2?4H20, Na2HPO4?12H20, CoSO4?7H20, KF?2H20, MgCl2?8H20, CaCl2?6H20, K2HPO4?7H20, Zn(NO3)2?4H20, Mg(NO3)?4H20, Ca(NO3)?4H20, Fe(NO3)2?9H20, Na2SiO3?4H20, K2HPO4?3H20, Na2S2O3?5H20, MgSO4?7H20, Ca(NO3)2?3H20, Zn(NO3)2?2H20, FeCl3?2H20, Ni(NO3)2?6H20, MnCl2?4H20, MgCl2?4H20, CH3COONa?3H20, Fe(NO3)2?6H20, NaAl(SO4)2?10H20, NaOH?H20, Na3PO4?12H20, LiCH3COO?2H20, Al(NO3)2?9H20, Ba(OH)2?8H20, Mg(NO3)2?6H20, KAl(SO4)2?12H20, MgCl2?6H20, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 더 높거나 더 낮은 물 농도를 갖는 무기 염이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
"에너지 저장 물질"이라는 용어는, 하나 이상의 제 1 금속-함유 물질, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 제 1 금속-함유 물질과 하나 이상의 제 2 금속-함유 물질의 조합물을 포함할 수 있다(또는 심지어 이들로 본질적으로 이루어지거나, 이들로 이루어질 수 있다). 상기 제 1 금속-함유 물질, 상기 제 2 금속-함유 물질, 또는 이들 둘 다는 실질적으로 순수한 금속, 합금(예를 들어, 실질적으로 순수한 금속 및 하나 이상의 추가적인 합금 성분(예컨대, 하나 이상의 다른 금속) 포함), 금속간(intermetallic) 화합물, 금속 화합물(예컨대, 염, 산화물 등), 또는 이들의 임의의 조합물일 수 있다. 하나의 바람직한 접근법은, 금속 화합물의 일부로서 하나 이상의 금속-함유 물질을 사용하는 것이다. 더욱 바람직한 접근법은 2종 이상의 금속 화합물의 혼합물을 사용하는 것이다. 예로서, 적합한 금속 화합물은, 옥사이드, 하이드록사이드, 질소 및 산소-포함 화합물(예컨대, 나이트레이트, 나이트라이트 또는 이들 둘 다), 할라이드, 또는 이들의 임의의 조합물로부터 선택될 수 있다. 3원, 4원 또는 기타 다중 성분 물질 시스템을 사용하는 것도 가능하다. 본원에서 열 에너지 저장 물질은, 공융성을 나타내는 2종 이상의 물질의 혼합물일 수 있다.
상기 물품의 하나 이상의 밀봉된 공간 내의 열 에너지 저장 물질의 체적은, 상기 물품이 다량의 열 에너지를 저장할 수 있도록 충분히 높다. 하나 이상의 밀봉된 공간의 총 체적에 대한 상기 물품 내에 함유되는 열 에너지 저장 물질의 체적의 비, 상기 물품의 총 체적에 대한 열 에너지 저장 물질의 체적의 비, 또는 이들 둘 다는 바람직하게는 약 0.5 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.7 초과, 가장 바람직하게는 약 0.9 초과이다(상기 체적은 약 25℃의 온도, 또는 열 에너지 저장 물질이 액체인 온도에서 측정됨). 하나 이상의 밀봉된 공간의 총 체적에 대한 상기 물품 내에 함유되는 열 에너지 저장 물질의 체적의 비, 상기 물품의 총 체적에 대한 열 에너지 저장 물질의 체적의 비, 또는 이들 둘 다는 전형적으로 약 1.0 미만, 더욱 전형적으로는 약 0.995 미만이다(상기 체적은 약 25℃의 온도, 또는 열 에너지 저장 물질이 액체인 온도에서 측정됨).
상기 밀봉된 공간은, 가열시 열 에너지 저장 물질이 팽창할 수 있도록, 기체(예를 들어, 공기, N2, 또는 비활성 기체, 예컨대 He, Ar 등)를 함유하는 체적을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 밀봉된 공간은, 열 에너지 저장 물질을 그의 액상선 온도 초과로 가열시 커버 시트 또는 기재 시트에 구멍을 형성하지 않거나 하나 이상의 시트의 탈-라미네이션을 유발하지 않고 열 에너지 저장 물질이 팽창할 수 있도록, 약 25℃의 온도에서 열 에너지 저장 물질이 없는 영역을 가질 수 있다. 25℃에서 열 에너지 저장 물질이 없는 밀봉된 공간의 체적(예컨대, 기체를 함유하는 밀봉된 공간의 체적)은 밀봉된 공간의 총 내부 체적을 기준으로 약 0.5% 이상, 바람직하게는 약 1% 이상, 가장 바람직하게는 약 1.5% 이상일 수 있다.
도 2a는, 단일 밀봉된 공간(즉, 단일 캡슐)을 갖는 캡슐형 구조체를 포함하는 물품(10)의 특징부를 예시한 도면이다. 상기 캡슐형 구조체는, 개구부(29)를 갖는 커버 시트(28) 및 개구부(31)를 갖는 기재 시트(30)를 포함한다. 커버 시트의 개구부(29) 및 기재 시트의 개구부(31)는 서로 중첩되며(예컨대, 완전히 중첩되며), 따라서 대응 개구부이다. 커버 시트(28) 및 기재 시트는 외부 고리(32)에 밀봉-부착된다. 도시된 바와 같이, 커버 시트(28)의 외측 주변부, 기재 시트의 외측 주변부, 또는 바람직하게는 이들 둘 다는 외부 고리(32)에 밀봉-부착될 수 있다. 상기 커버 시트는, 물품(10)의 외측 표면인 상부 표면(18), 및 일반적으로 물품(10)의 내부 상에 존재하는 반대 표면을 갖는다. 상기 기재 시트는, 일반적으로 물품(10)의 외측 표면인 하부 표면(20), 및 일반적으로 물품의 내부 상의 반대 표면을 갖는다. 상기 캡슐형 구조체는 또한, 커버 시트(28)의 개구부 주변부, 기재 시트(30)의 개구부 주변부, 또는 바람직하게는 이들 둘 다에 밀봉-부착된 내부 고리(34)를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 외부 고리(32)가 일반적으로 원통 형태의 외측 표면 및 일반적으로 원통 형태의 내측 표면을 가질 수 있거나; 내부 고리(34)가 일반적으로 원통 형태의 외측 표면 및 일반적으로 원통 형태의 내측 표면을 가질 수 있거나; 커버 시트(28)(예컨대, 커버 시트의 상부 표면(18))가 일반적으로 원형 형태를 갖거나; 기재 시트(30)(예컨대, 커버 시트의 하부 표면)가 일반적으로 원형 형태의 둘레를 가질 수 있거나; 이들의 임의의 조합일 수 있다. 물품의 유체 통로(16), 커버 시트의 개구부(29), 및 기재 시트의 개구부(31)의 임의의 조합 중 하나는 일반적으로 원통 형태를 가질 수 있다. 개구부의 단면이 상이한 형태(예컨대, 다각형 형태) 또는 상이한 아치 형태(예컨대, 타원 형태)를 가질 수 있음을 이해할 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 물품(10)은, 일반적으로 아치형, 일반적으로 비-평면형 및 일반적으로 연속적인 단일 측면(22)을 가질 수 있다. 이러한 측면은 일반적으로, 상기 물품의 평균 직경보다 약간만 더 큰 공동 직경을 갖는 일반적으로 원통형 공동을 갖는 용기 내에 물품이 놓일 수 있도록, 상기 물품의 중심으로부터 등거리에 존재할 수 있다.
물품에 사용하기 위한, 개구부(29)를 갖는 예시적인 커버 시트(28)가 도 2b에 도시되어 있다. 커버 시트가 하나 이상의 다른 시트 또는 하나 이상의 다른 하위-구조체에 부착(예컨대, 밀봉-부착)되기 이전, 도중 또는 이후에 커버 시트 내의 개구부가 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 커버 시트는, 일반적으로 원형인 외측 주변부(19); 일반적으로 원형인 내측 또는 개구부 주변부(21); 또는 이들 둘 다를 가질 수 있다. 커버 시트(28)는 일반적으로 편평한 하부 표면(38) 및 일반적으로 편평한 반대쪽 상부 표면(18)을 가질 수 있다. 커버 시트(28)는 하나 이상의 캡슐화제 물질(12)로부터 형성될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 커버 시트(28)의 외측 주변부(19)는, 커버 시트의 외측 둘레 주위의 커버 시트(28)의 하부 표면(38) 상의 영역을 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기재 시트(28)는 하부 표면(38) 상의 외측 주변부(19)의 영역(23)을 따라 밀봉-부착될 수 있다. 상부 표면(18)을 위한 캡슐화제 물질은 바람직하게는, 열 전달 유체와 접촉시 내부식성인 물질이다. 하부 표면(38)을 위한 캡슐화제 물질은 바람직하게는, 열 에너지 저장 물질과 접촉시 내부식성인 물질이다. 상부 표면(18)을 위한 캡슐화제 물질과 하부 표면(18)을 위한 캡슐화제 물질은 동일한 물질이거나 상이한 물질일 수 있다. 상부 표면(18)(개구부(29) 제외)은 일반적으로 원형 형태를 가질 수 있다. 커버 시트의 상부 표면(18)과 하부 표면(38) 간의 거리로 측정시 커버 시트(28)의 두께는 일반적으로 균일할 수 있다. 커버 시트(28)의 두께의 표준 편차는 커버 시트의 평균 두께의 바람직하게는 약 15% 미만, 더욱 바람직하게는 약 10% 미만, 가장 바람직하게는 약 3% 미만이다.
도 2c는, 커버 시트(28)의 상부 표면(18)에 대해 수직으로 취한 도 2a의 물품의 단면을 도시한 것이다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 물품은, 열 에너지 저장 물질(26)을 포함하는 하나 이상의 밀봉된 공간(14)을 가질 수 있다. 상기 밀봉된 공간은 비-충진된 체적(27)(즉, 기체를 함유하는 체적)을 포함할 수 있다. 비-충진된 체적(27)은, 가열시(예컨대, 열 에너지 저장 물질의 온도가 증가할 때, 열 에너지 저장 물질이 고체-액체 상 전환을 겪을 때, 또는 이들 둘 다의 경우) 열 에너지 저장 물질이 팽창하게 할 수 있다. 커버 시트, 기재 시트, 외부 고리, 내부 고리 또는 이들의 임의의 조합은 바람직하게는, 열 에너지 저장 물질과 접촉시(예컨대, 내측 표면 상에서) 내부식성인 하나 이상의 캡슐화제 물질, 열 전달 유체와 접촉시(예컨대, 외측 표면 상에서) 내부식성인 하나 이상의 캡슐화제 물질, 또는 이들 둘 다를 포함한다. 커버 시트, 기재 시트, 외부 고리, 내부 고리, 또는 이들의 임의의 조합은 가장 바람직하게는 동일한 하나 이상의 캡슐화제 물질을 포함하거나 이들로 실질적으로 전적으로 이루어진다. 커버 시트(28) 및 기재 시트(30)는 둘 다, 하나 이상의 밀봉된 공간(14)을 형성하기 위해, 그들의 외측 주변부(19) 및 그들의 개구부 주변부(21) 둘 다를 따라 밀봉-부착된다.
도 2d는, 물품을 위한 기재 시트로서 사용될 수 있는 성형된 시트(40)를 도시한 것이다. 상기 성형된 시트는, 일반적으로 아치형이 되고/되거나 복수개의 벽을 갖도록 엠보싱처리되거나 다르게 성형될 수 있다. 상기 성형된 시트는, 액체를 보유하거나 함유할 수 있는 골 영역(43)을 갖는다. 상기 성형된 시트는 또한, 상기 성형된 시트를 통해 유체가 흐를 수 있도록 개구부를 갖는다. 또한, 상기 성형된 시트는 바람직하게는, 일반적으로 편평한 커버 시트(예컨대, 도 2b에 기술된 커버 시트)에 부착될 수 있는 하나 이상의 일반적으로 편평한 영역, 예컨대 하나 이상의 립(lip) 영역(44)을 갖는다. 하나 이상의 립 영역(44)은 바람직하게는 동일평면성이다. 성형된 시트(40)는 일반적으로 편평한 시트가 아니다. 예를 들어, 성형된 시트(40)는, 상부 표면(41) 및 일반적으로 반대쪽 하부 표면(42)을 포함하는 하부 벽을 가질 수 있다. 성형된 시트는, 하부 벽으로부터 연장되는 측벽을 가질 수 있다. 상기 측벽은, 일반적으로 아치형인 측면(49)을 포함할 수 있다. 성형된 시트(40)는, 하부 벽의 내측 주변부로부터 연장되는 개구부 벽을 가질 수 있다. 상기 개구부 벽은, 일반적으로 아치형이고 부분적으로 또는 완전히 상기 물품을 통한 유체 통로를 한정하는 개구부 표면(48)을 가질 수 있다. 상기 성형된 시트는 외측 주변부(45) 및 개구부 주변부(47)를 갖는다. 외측 주변부(45), 개구부 주변부(47), 또는 바람직하게는 이들 둘 다는 립 영역(44)이다. 상기 성형된 시트가, 하부 벽과 측벽을 연결하는 전이 영역을 포함하거나, 하부 벽과 측벽이 하나의 아치형 벽으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 상기 성형된 시트가, 하부 벽과 개구부 벽을 연결하는 전이 영역을 포함하거나, 하부 벽과 개구부 벽이 하나의 아치형 벽으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
전술된 바와 같이, 상기 캡슐형 구조체는, 하나 이상의 밀봉된 공간 및 하나 이상의 유체 통로를 갖는 캡슐형 구조체를 형성하도록 배열되는 복수개의 분절을 포함할 수 있다. 도 3a, 도 3b 및 도 4는, 캡슐형 구조체의 인접한 분절들의 예시적인 측면도이다. 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시된 바와 같이, 인접한 분절들은 서로 합치되는 엣지들(9)(즉, 일반적으로 서로 합치되는 엣지 표면들)을 가질 수 있다. 상기 분절들은, 예를 들어 도 3a 및 도 3b에서 분절(2' 및 2'')로 도시되는 바와 같이, 인접한 분절들이 동일평면 방향으로 배열되는 경우 서로 합치될 수 있으며, 이때 2개의 분절의 표면들(4' 및 6')은 일반적으로 동일평면성이다. 인접한 분절들의 엣지는, 상부 표면(4') 및 하부 표면(6')이 동일평면성이 되지 않도록, 2개의 인접한 분절이 이동시에 서로 합치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 분절(2'')의 절반 두께로 하나의 분절이 이동할 수 있다. 제 1 분절의 서로 합치되는 엣지들(9)은, 상기 제 1 분절과 인접한 2개의 적층된 분절의 엣지들의 일부와 서로 합치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 분절들의 하나의 적층체는 하나 이상(예컨대, 2개)의 부분 분획(3), 예컨대 다른 분획(2''')의 절반 높이를 갖는 부분 분획을 포함할 수 있다.
성형된 시트(40')의 골의 일부 또는 전부가 열 에너지 저장 물질로 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 충진될 수 있고, 커버 시트가 일반적으로 립 영역과 접촉하도록 일반적으로 편평한 커버 시트(예컨대, 도 2b에 도시됨)가 골 위쪽에 놓일 수 있음을 이해할 것이다. 커버 시트는, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 복수개의 밀봉된 공간을 형성하기 위해 립 영역의 일부 또는 심지어 전부에서, 성형된 시트에 밀봉-부착될 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 성형된 시트(40')의 하부 표면(41')이 일반적으로, 동일한 제 2 성형된 시트(40')의 하부 표면(41')의 서로 합치되는 표면이 되도록, 성형된 시트(40')가 골의 패턴을 가질 수 있다. 이와 같이, 성형된 시트(40')를 사용하여 제조된 2개의 물품은, 2개의 물품이 적어도 부분적으로 네스팅되도록, 서로 대향하는 그들의 하부 표면(41')으로 적층될 수 있다.
도 5b는, 복수개의 밀봉된 공간을 갖는 물품에 사용될 수 있는 성형된 시트(40')(예컨대, 기재 시트)의 일부를 도시한 개략도이다. 상기 성형된 시트는, 상기 시트의 중심 근처에 개구부(46)를 가지며, 이는 일반적으로 원형 개구부일 수 있다. 도 5b는 성형된 시트의 1/4만 도시하고 있으며, 따라서 개구부의 1/4만 도시된다. 도 5b는 성형된 시트(40')의 하부 표면(41')을 도시한 것이다. 상기 성형된 시트는 복수개의 골 영역(43') 및 복수개의 립 영역(44')을 갖는다. 골 영역(43')은 골의 복수개의 고리(50)로 배열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 성형된 시트는 골의 가장 안쪽 고리(50') 및 골의 가장 바깥쪽 고리(50'')를 가질 수 있다. 상기 성형된 시트는 또한, 골의 가장 안쪽 고리(50')와 골의 가장 바깥쪽 고리(50'') 사이에 골의 하나 이상의 추가적인 고리(50''')를 가질 수 있다. 5b에 도시된 바와 같이, 고리에서 골들의 일부 또는 전부, 또는 상이한 고리들에서 골들의 일부 또는 전부는 대략 동일한 형태 또는 대략 동일한 체적을 갖거나 또는 심지어 실질적으로 합동일 수 있다. 골의 가장 안쪽 고리에서 골의 수는 골의 가장 바깥쪽 고리에서 골의 수보다 많거나, 적거나, 동일할 수 있음을 이해할 것이다. 바람직하게는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 성형된 시트(40')의 가장 안쪽 고리에서 골의 수는 가장 바깥쪽 고리에서 골의 수보다 적다. 골 영역(43')의 일부 또는 바람직하게는 전부는 상기 골 영역 주위에 립 영역(44')을 갖는다. 이와 같이, 골 영역(43')은 립 영역(44')에 의해 다른 골 영역으로부터 분리될 수 있다. 성형된 시트(40')는 외측 주변부(45')를 갖는다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 성형된 시트는 외측 주변부(45') 주위에 하나 이상의 인덴트(51)를 가질 수 있다. 상기 하나 이상의 인덴트는 외측 주변부를 따르는 흐름 채널 또는 흐름 경로로 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 성형된 시트의 하부 표면의 외측 둘레는 일반적으로 원형 형태(임의적인 하나 이상의 인덴트는 제외)를 갖는다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 외측 주변부, 상기 내측 주변부 및 바람직하게는 이들 둘 다는 립 영역(44')일 수 있다.
도 5a는 캡슐형 구조체(10')(예컨대, 캡슐형 구조체의 성형된 시트(40'))와 용기(68) 간의 예시적인 관계를 도시한 것이다. 용기(68)는 내벽(60), 외벽(62), 절연 층(64) 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 도 5a를 참조하면, 용기(68)는, 2개의 벽(60, 62) 사이에 개재된 절연 층(64)을 가질 수 있다. 성형된 시트가 용기 내에 피팅될 수 있도록, 용기의 내벽(60)은 성형된 시트의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 상기 시트의 주변부와 용기의 내벽 사이의 흐름 경로는, 성형된 시트(40') 내의 하나 이상의 인덴트(51), 성형된 시트(40')와 용기의 공동 간의 크기(예컨대, 직경) 차이에 의해 형성된 간격(52), 용기의 내벽(60) 내의 하나 이상의 그루브, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
물품의
적층체
열 에너지 저장 물질을 함유하는 물품은 바람직하게는 다른 동일한 물품과 적층될 수 있거나, 일반적으로 서로 합치되는 표면(예컨대, 일반적으로 서로 합치되는 기재 시트)을 갖는 제 2 물품과 적층될 수 있다. 상기 물품은, 열 전달 유체가 축방향 층들 사이로 흐를 수 있도록, 인접한 축방향 층들 사이의 공간을 갖는 축방향 층들 내에 적층될 수 있다. 축방향 층은 일반적으로 1개, 2개 또는 그 이상의 물품을 함유할 것이다. 축방향 층(예컨대, 각각의 축방향 층)은 바람직하게는 1개 또는 2개의 물품을 함유한다. 예를 들어, 축방향 층은, 유체가 일반적으로 2개의 물품 사이로 흐를 수 없도록, 표면(예컨대, 기재 표면 또는 커버 표면) 상에서 접촉하는 2개의 물품을 가질 수 있다. 몇몇 물품(예컨대, 적층체의 말단의 물품을 제외한 각각의 물품)은, 유체가 제 1 표면(예컨대, 기재 표면)을 따라 흐를 수 없도록 제 1 인접 물품의 표면과 일반적으로 완전히 접촉하는 제 1 표면; 및 유체가 제 2 표면의 일부, 대부분 또는 심지어 전부를 따라 흐를 수 있도록 제 2 인접 물품(예컨대, 일반적으로 제 2 표면과 서로 합치되는 표면인 대향 표면을 가짐)으로부터 분리되는 제 2 표면을 가질 수 있다. 2개의 인접한 축방향 층들 사이의 간극(separation)은 임의의 공지된 간격 수단에 의한 것일 수 있다. 예로서, 적합한 간격 수단은 하나 이상의 물품의 표면 상의 하나 이상의 돌출부, 두 층들 사이의 스페이서 물질, 두 층들 사이의 모세관 구조체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 바람직하게, 상기 물품의 제 2 표면은 일반적으로 아치 형태를 갖고, 상기 물품은 제 2 인접 물품과 부분적으로 네스팅된다. 부분적으로 네스팅된 2개의 물품 사이의 간격은 일반적으로 일정하다(인접한 물품들을 분리하는 돌출부 또는 다른 스페이서 제외). 물품의 적층은, 축방향 층이 인접한 축방향 층과 적어도 부분적으로 네스팅되도록, 축방향 층을 회전하거나 다르게는 배열하는 단계를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 2개의 인접한 축방향 층들의 2개의 대향 표면 사이의 유체의 흐름은 일반적으로 반경방향일 것이며, 일반적으로 반경방향 흐름으로 기술될 수 있다. 이격되어 있는 축방향 층들의 각각의 쌍은 반경방향 흐름 경로를 가질 것이다. 물품의 적층은 전형적으로 복수개(예컨대, 2개, 3개 또는 그 이상)의 반경방향 흐름 경로를 가질 것이다. 2개 이상, 예컨대 각각의 반경방향 흐름 경로는 동일한 흐름 길이, 동일한 두께, 동일한 단면 형태 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 2개 이상(예컨대, 모든) 반경방향 흐름 경로는 합동일 수 있다. 개구부(즉, 유체 통로)가 물품의 중심에 있는 경우, 반경방향 흐름 경로가 일반적으로 흐름 방향에 관계없이 대칭일 수 있음을 이해할 것이다.
물품들이 적층되는 경우(예컨대, 3개, 4개 또는 그 이상의 물품을 함유하는 적층체에서), 각각의 물품들은 바람직하게는, 유체의 일부가 인접한 물품들 사이로 흐르지 않고(즉, 일반적으로 반경방향 흐름 없이) 제 1 물품과 마지막 물품 사이에서 중첩된 물품의 각각의 대응 개구부를 통해 흐름으로써 적층체 내의 제 1 물품으로부터 적층체 내의 마지막 물품으로 흐를 수 있도록, 각각의 다른 물품(가능하게는 적층체의 하나의 말단에서의 물품은 제외)으로부터의 개구부에 대응하는 하나 이상의 개구부를 갖는다. 개구부를 통한 흐름은 일반적으로 축방향일 것이며, 일반적으로 축방향 흐름으로 기술될 수 있다.
전술된 바와 같이, 물품의 적층체는 중심 축방향 흐름 경로(예컨대, 물품들의 개구부들에 의해 형성된 중심 축을 통한), 및 일반적으로 상기 중심 축방향 흐름 경로에 수직인 하나 이상의 반경방향 흐름 경로를 한정할 수 있다.
물품의 적층체는 일반적으로, 물품의 적층체가 다량의 열 에너지 저장 물질을 함유하고 콤팩트하도록 빽빽하게 패킹될 것이다(예컨대, 반경방향 흐름 경로 제외). 반경방향 흐름 경로는 높이(인접한 물품들 사이의 방향으로), 예컨대 평균 높이(이는 일반적으로 작음)를 갖는다. 반경방향 흐름 경로의 높이는 바람직하게는 약 15 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 5 mm 미만, 더더욱 바람직하게는 2 mm 미만, 더더욱 바람직하게는 약 1 mm 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5 mm 미만이다. 반경방향 흐름 경로의 높이는 전형적으로, 상기 경로를 통해 유체가 흐를 수 있도록 충분히 크다. 전형적으로, 반경방향 흐름 경로의 높이(예컨대, 평균 높이)는 약 0.001 mm 초과(예컨대, 약 0.01 mm 초과)이다.
도 5c는, 각각 열 에너지 저장 물질을 함유하기 위한 하나 이상의 밀봉된 공간(14)을 갖는 복수개의 물품(10')을 포함하는 본 발명의 하나의 양태를 도시한 것이다. 물품(10')은, 일반적으로 아치형 표면(41'')을 갖는 성형된 시트(40'')를 포함할 수 있다. 하나의 물품의 표면(41'')은 일반적으로 제 2 물품의 표면과 서로 합치될 수 있다. 상기 물품은, 인접한 물품들이 함께 부분적으로 네스팅되도록 배열될 수 있다. 도 5c에 도시된 물품은, 부분적으로 네스팅되도록 수준 8의 회전 대칭성을 가져서 8개의 상이한 위치에서 회전할 수 있다. 더 높거나 더 낮은 수준의 대칭성을 갖는 물품이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 물품은 일반적으로 원형 단면을 가질 수 있다. 각각의 물품의 외측 주변부는, 유체를 흐르게 하기에 충분히 큰 복수개의 인덴트(51)를 가질 수 있다. 물품(10')은, 밀봉된 공간의 하나 이상의 동심원 고리로 배열된 밀봉된 공간(14)을 가질 수 있다. 각각의 물품(10')은, 물품들이 적층되는 경우(예컨대, 축방향으로 적층되는 경우) 축방향 흐름 경로(84')가 형성되도록, 일반적으로 물품의 중심 근처에 유체 통로(46')를 가질 수 있다. 축방향 흐름 경로(84')는 바람직하게는 각각의 물품(10')의 유체 통로(46')를 포함한다.
열 저장 장치
본원에 기술된 물품(예컨대, 물품의 적층체)은 열 저장 장치에 사용될 수 있다. 열 저장 장치는, 용기 내로 열 전달 유체를 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스 및 용기 밖으로 열 전달 유체를 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스를 갖는 용기 또는 다른 하우징을 포함할 수 있다. 열 저장 장치는 하나 이상의 열 전달 유체 구획을 갖는다. 바람직하게, 열 저장 장치는 단일 열 전달 유체 구획을 포함한다. 열 전달 유체 구획은 주입구와 배출구 사이에서 용기 내에 인접한 공간을 포함하거나 이로 실질적으로 이루어질 수 있으며, 여기서 열 전달 유체가 흐를 수 있다. 용기는 바람직하게는, 용기로부터 주위로 손실되는 열이 감소되거나 최소화되도록 적어도 부분적으로 단열된다.
열 저장 장치는, 높은 농도의 열 에너지 저장 물질을 함유하도록, 열 전달 유체와 열 에너지 저장 물질 사이에서 열 에너지를 신속하게 및/또는 균일하게 전달할 수 있도록, 일반적으로 콤팩트하도록, 장기간 동안 열을 저장할 수 있도록, 또는 이들의 조합이 될 수 있도록 설계될 수 있다.
열 저장 장치의 용기 내부는, 물품의 적층체를 유지할 수 있는 임의의 형태를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 용기의 내부 형태는, 물품의 적층체가 용기 내부 체적의 많은 부분을 점유하도록 하는 것이다. 용기의 총 내부 체적(약 25℃에서 측정시)에 대한, 용기 내에서 물품의 밀봉된 공간 내에 함유되는 열 에너지 저장 물질의 총 체적(약 25℃에서 측정시)의 비는 약 0.3 초과, 바람직하게는 약 0.5 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.6 초과, 더더욱 바람직하게는 0.7 초과, 가장 바람직하게는 약 0.8 초과일 수 있다. 용기 내의 열 에너지 저장 물질의 체적에 대한 상한은, 열 에너지를 전달하기 위해 물품과 접촉하는 열 전달 유체에 대한 공간의 요구 수준이다. 용기의 총 내부 체적(약 25℃에서 측정시)에 대한, 용기 내에서 물품의 밀봉된 공간 내에 함유되는 열 에너지 저장 물질의 총 체적(약 25℃에서 측정시)의 비는 약 0.99 미만, 바람직하게는 약 0.95 미만일 수 있다.
열 전달 유체 구획/유체 경로
열 저장 장치는, 열 전달 유체가 상기 장치를 통해 순환될 때 열 전달 유체를 흐르게 하고 이를 함유할 수 있는 열 전달 유체 구획을 갖는다. 열 전달 유체 구획은 바람직하게는, 열 전달 유체를 열 전달 유체 구획 내로 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스(예컨대, 하나 이상의 주입구)에 연결된다. 열 전달 유체 구획은 바람직하게는, 열 전달 유체를 열 전달 유체 구획 밖으로 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스(예컨대, 하나 이상의 배출구)에 연결된다. 열 전달 유체 구획은, 하나 이상의 열 전달 유체 구획 벽에 의해 적어도 부분적으로 한정된 공간, 하나 이상의 물품에 의해 적어도 부분적으로 한정된 공간, 열 저장 장치의 하우징 또는 용기에 의해 적어도 부분적으로 한정된 공간, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
열 전달 유체 구획은 열 저장 장치를 통한 열 전달 유체의 흐름 경로를 한정한다. 열 전달 유체 구획은 물품의 적층체의 개구부를 통한 일반적으로 축방향 흐름 경로를 포함한다. 열 전달 유체 구획은 2개의 인접한 물품들 사이의 일반적으로 반경방향 흐름 경로를 포함한다. 반경방향 흐름이 물품의 외측 주변부로부터 개구부로의 내측방향 흐름이거나 물품의 개구부로부터 외측 주변부로의 외측방향 흐름일 수 있음을 이해할 것이다. 열 전달 유체 구획은, 물품의 외측 주변부와 용기의 벽 사이의 일반적으로 축방향 요소(및 임의적으로 탄젠트 요소)를 갖는 흐름 경로를 포함한다. 바람직하게, 합쳐진 반경방향 흐름 경로는 비교적 높은 유체 저항을 갖는다. 예를 들어, 합쳐진 반경방향 흐름 경로는, 중심 축방향 흐름 경로, 외측 축방향 흐름 경로 또는 이들 둘 다의 유체 저항보다 큰(더욱 바람직하게는 2배 큰) 유체 저항을 갖는다.
열 전달 유체 구획은 바람직하게는, 열을 제거하거나 열 에너지 저장 물질로 열을 공급할 수 있도록, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 밀봉된 공간과 충분한 열 소통된다. 열 전달 유체 구획은 바람직하게는 하나 이상의(또는 더욱 바람직하게는 모든) 밀봉된 공간과 직접 열 소통된다. 직접 열 소통은, 낮은 열 전도도를 갖는 물질이 없는 열 전달 유체 구획의 일부와 밀봉된 공간 사이의 최단 거리의 임의의 경로일 수 있다. 낮은 열 전도도 물질은, 약 100 W/(m?K) 미만, 바람직하게는 약 10 W/(m?K) 미만, 더욱 바람직하게는 약 3 W/(m?K) 미만의 열 전도도를 갖는 물질을 포함한다. 예를 들어, 열 전달 유체 또는 열 전달 유체 구획은 하나 이상의(바람직하게는 모든) 밀봉된 공간의 벽과 접촉하거나, 밀봉된 공간으로부터 높은 열 전도도(예컨대, 약 5 W/(m?K) 초과, 약 12 W/(m?K) 초과, 또는 약 110 W/(m?K) 초과)를 갖는 물질에 의해 실질적으로 또는 완전히 분리될 수 있다.
열 전달 유체 구획은 바람직하게는 열 저장 장치의 하나 이상의(또는 더욱 바람직하게는 모든) 밀봉된 공간과 직접 열 소통된다. 직접 열 소통은, 낮은 열 전도도를 갖는 물질이 없는 열 전달 유체 구획의 일부와 열 에너지 저장 구획 사이의 임의의 경로일 수 있다. 예를 들어, 열 전달 유체 또는 열 전달 유체 구획은 하나 이상의(또는 바람직하게는 모든) 밀봉된 공간(예컨대, 기재 시트 또는 커버 시트)의 벽과 접촉하거나, 밀봉된 공간으로부터 비교적 높은 열 전도도(예컨대, 약 5 W/(m?K) 초과, 약 12 W/(m?K) 초과, 또는 약 110 W/(m?K) 초과)를 갖는 물질에 의해 실질적으로 또는 완전히 분리될 수 있다. 낮은 열 전도도를 갖는 물질의 매우 얇은 층(예컨대, 약 0.1 mm 미만, 바람직하게는 약 0.01 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.001 mm 미만)이 열 전달에 그다지 영향을 미치지 않으면서 열 전달 유체 구획과 열 에너지 저장 물질 구획 사이에 존재할 수 있음을 이해할 것이다.
밀봉된 공간 및/또는 물품의 크기 및 형태는, 캡슐 내에 함유된 상 변화 물질로의 열 전달 또는 이로부터의 열 전달을 최대화하도록 선택될 수 있다. 물품의 평균 두께는, 밀봉된 공간의 중심으로부터 열이 신속히 방출될 수 있도록 비교적 짧을 수 있다. 물품, 밀봉된 공간 또는 이들 둘 다의 평균 두께는 약 100 mm 미만, 바람직하게는 약 30 mm 미만, 더욱 바람직하게는 약 10 mm 미만, 더더욱 바람직하게는 약 5 mm 미만, 가장 바람직하게는 약 3 mm 미만일 수 있다. 물품, 밀봉된 공간 또는 이들 둘 다의 평균 두께는 약 0.1 mm 초과, 바람직하게는 약 0.5 mm 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.8 mm 초과, 가장 바람직하게는 1.0 mm 초과일 수 있다.
상기 물품은 바람직하게는, 열 전달 유체와의 접촉 면적이 비교적 크도록 비교적 높은 표면적 대 체적 비를 갖는다. 예를 들어, 상기 물품은, 열 전달 유체 구획과의 접촉을 최대화하는 표면을 가질 수 있거나, 캡슐과 열 전달 유체 구획 간의 열 전달을 최대화하는 기하구조를 가질 수 있거나, 이들 둘 다이다. 열 저장 장치 중의 열 에너지 저장 물질의 총 체적에 대한, 열 저장 장치 내의 열 전달 유체 구획과 상기 물품 사이의 계면의 총 표면적의 비는 약 0.02 mm-1 초과, 바람직하게는 약 0.05 mm-1 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.1 mm-1 초과, 더더욱 바람직하게는 약 0.2 mm-1 초과, 가장 바람직하게는 약 0.3 mm-1 초과일 수 있다.
용기/
하우징
열 저장 장치는 물품의 적층체를 함유하기 위한 용기를 갖는다. 물품의 적층체는 용기의 하나 이상의 공동 내에 함유될 수 있다. 적합한 용기는, 용기의 공동 내로 열 전달 유체를 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스(예컨대, 하나 이상의 주입구) 및 용기의 공동 밖으로 열 전달 유체를 흐르게 하기 위한 하나 이상의 오리피스(예컨대, 하나 이상의 배출구)를 갖는다. 상기 주입구 및 상기 배출구는 열 저장 장치의 동일 면 상에 존재하거나 다른 면(예컨대, 대향 면) 상에 존재할 수 있다. 오리피스 외에, 상기 용기는 바람직하게는, 용기를 통해 흐르는 유체가 용기 밖으로 누출되지 않도록, 용기를 통해 흐르는 유체가 주위 압력보다 큰 압력을 가질 수 있도록, 또는 이들 둘 다를 위해 밀봉되거나 구성된다.
상기 용기는 임의의 형태를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 용기는, 열 저장 장치가 다량의 열을 저장할 수 있도록, 밀봉된 공간(예컨대, 물품의 적층체의 밀봉된 공간) 내에 다량의 열 에너지 저장 물질로 충진될 수 있는 형태를 갖는다. 비제한적으로, 상기 용기 및/또는 상기 용기의 공동은, 일반적으로 원형, 일반적으로 타원형, 일반적으로 직사각형, 일반적으로 정사각형이거나 또는 다른 일반적으로 다각형 형태를 갖는 단면을 가질 수 있다. 특히 바람직한 실시양태에서, 상기 용기가 일반적으로 원통 형태를 갖거나, 상기 용기의 공동이 일반적으로 원통 형태를 갖거나, 또는 이들 둘 다이다. 예를 들어, 열 저장 장치의 용기는 일반적으로 원통 형태의 내측 표면, 일반적으로 원통 형태의 외측 표면 또는 이들 둘 다를 가질 수 있다. 원통형 공동은, 일반적으로 원형 단면을 갖는 물품의 공동내 효과적인 패킹을 가능하게 할 수 있다. 예로서, 일반적으로 원통형 물품은 일반적으로 원형 단면을 갖는다. 원통형 물품, 원통형 공동 또는 이들 둘 다는 열 저장 장치의 효과적인 단열을 가능하게 할 수 있다. 전형적으로, 상기 용기는 물품의 적층 방향(즉, 축방향)의 높이 및 상기 적층 방향에 수직인 방향의 평균 길이(예컨대, 직경)를 특징으로 한다. 예를 들어, 원통 형태의 용기는 높이 및 직경을 특징으로 할 수 있다. 상기 용기의 길이(예컨대, 직경)에 대한 높이의 비는 약 20 미만, 바람직하게는 약 5 미만, 더욱 바람직하게는 약 3 미만, 가장 바람직하게는 약 2 미만일 수 있다. 상기 용기의 길이에 대한 높이의 비(예컨대, 직경에 대한 길이의 비)는 약 0.05 초과, 바람직하게는 약 0.2 초과, 더욱 바람직하게는 약 0.33 초과, 더더욱 바람직하게는 약 0.5 초과, 가장 바람직하게는 약 0.6 초과일 수 있다. 상기 용기의 공동은, 물품의 적층 방향의 높이 및 상기 적층 방향에 수직인 방향의 평균 길이(예컨대, 직경)을 특징으로 할 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 용기의 내부는, 공동 직경, 공동 높이 및 축방향 중심을 특징으로 하는 일반적으로 원통형 공동을 갖는다. 상기 용기의 내부는, 공동의 축방향에 평행한 일반적으로 아치형 벽(아치형 표면을 가짐)을 가질 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 아치형 표면은 바람직하게는 일반적으로 원형 단면을 갖는다. 상기 용기는 물품의 적층체를 하우징하는데 사용될 수 있다. 물품의 적층체는 바람직하게는, 용기의 공동의 축 중심에 또는 그 근처에 (예컨대, 복수개의 공동의 흐름 통로를 통한) 중심 축방향 흐름 경로가 존재하도록 배열된다. 열 전달 유체가 물품의 외측 주변부와 용기의 내부 축방향 표면 사이에서 축방향으로 흐를 수 있도록, 물품의 외측 주변부가 하나 이상의 인덴트를 포함할 수 있거나, 용기의 내벽이 (바람직하게는 축방향으로, 또는 축방향 요소를 갖는 방향으로) 하나 이상의 그루브를 가질 수 있거나, 물품이 공동 길이 또는 직경보다 작은 길이 또는 직경을 가질 수 있거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 이러한 흐름은 외부 축방향 흐름으로 기술될 수 있다. 물품의 적층체는 바람직하게는, 물품의 상이한 영역 및 상이한 물품(물품 내의 임의의 인덴트 또는 용기의 벽 내의 그루브 제외)에 대해 물품의 외측 주변부와 용기의 아치형 내측 표면 사이의 거리가 일반적으로 균일하도록 용기 내에 배열된다.
열 저장 장치는, 장기간 동안 열을 저장하는 것, 일반적으로 추운 환경(예컨대, 약 0℃ 미만 또는 심지어 약 -30℃ 미만의 온도를 갖는 환경)에서 열을 저장하는 것, 또는 이들 둘 다가 필요한 용도에 사용될 수 있다. 바람직하게, 열 저장 장치에 저장된 열은 주위환경으로 천천히 소실된다. 따라서, 몇몇 형태의 단열이 바람직하게 본 발명에 사용된다. 시스템의 단열이 우수할수록, 저장 시간이 더 길어진다.
열 저장 장치의 열 손실 속도를 감소시키는 임의의 공지된 형태의 단열이 이용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,889,751 호에 개시된 바와 같은 임의의 단열이 사용될 수 있으며, 상기 특허 전체를 본원에 참고로 인용한다. 열 저장 장치는 바람직하게는, 하나 이상의 표면이 단열되도록 단열된 용기이다. 바람직하게는 주위 또는 외부에 노출되는 표면의 일부 또는 전부가, 인접한 단열재를 가질 것이다. 단열재는 대류 열 손실을 감소시키거나, 복사 열 손실을 감소시키거나, 전도 열 손실을 감소시키거나, 이들의 임의의 조합에 의해 기능할 수 있다. 바람직하게, 단열은, 바람직하게는 비교적 낮은 열 전도도를 갖는 단열재 또는 구조체를 사용함으로써 수행될 수 있다. 단열은, 대향하는 이격된 벽들 사이의 공간을 사용함으로써 수득될 수 있다. 상기 간격은 기체 매질(예컨대, 공기 공간)에 의해 점유되거나, 가능하게는 심지어 배기된 공간(예컨대, 듀어(Dewar) 용기 사용에 의해), 낮은 열 전도도를 갖는 물질 또는 구조체, 낮은 열 방사율을 갖는 물질 또는 구조체, 낮은 대류를 갖는 물질 또는 구조체, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 비제한적으로, 단열은 세라믹 단열(예컨대, 석영 또는 유리 단열), 중합체성 단열 또는 이들의 임의의 조합을 함유할 수 있다. 단열은, 섬유 형태, 포움(foam) 형태, 밀집된 층, 코팅 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 단열은 직물, 편물, 부직물 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 열 전달 장치는 듀어 용기, 더욱 구체적으로는 내부 저장 공동을 한정하도록 구성된 일반적으로 대향 벽 및 상기 대향 벽들 사이의 벽 공동(이는, 대기압 미만으로 배기됨)을 포함하는 용기를 사용하여 단열될 수 있다. 상기 벽은 또한 복사 열 손실을 최소화하기 위해 반사성 표면 코팅을 이용할 수 있다.
바람직하게는, 열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템 주위에 진공 단열이 제공된다. 더욱 바람직하게는, 미국 특허 제 6,889,751 호에 개시된 바와 같은 진공 단열이 제공되며, 상기 특허 전체를 본원에 참고로 인용한다.
압축(
compaction
) 수단
열 저장 장치는 임의적으로, 층들 간의 간격이 일반적으로 유지되도록, 물품의 적층체에 대한 하나 이상의 압축 수단을 포함할 수 있다. 상기 압축 수단은, 물품의 적층체에 압축력을 적용할 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 상기 압축력은, 2개의 물품이 서로에 대해 회전하지 않도록, 서로에 대해 축방향으로 움직이지 않도록, 또는 이들 둘 다를 위해 충분히 높아야 한다. 압축력은, 물품이 영구적으로 변형되지 않도록, 균열이 생기지 않도록, 또는 이들 둘 다를 위해 충분히 낮아야 한다. 바람직한 압축 수단은, 열 에너지 저장 물질의 온도가 변할 때, 열 에너지 저장 물질이 고상과 액상 사이에서 변할 때, 또는 이 두 경우에, 물품 두께의 일부 변화를 허용할 것이다. 예로서, 하나 이상의 압축 수단은 물품의 적층체 위쪽의 하나 이상의 스프링, 물품의 적층체 아래의 하나 이상의 스프링, 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다. 비제한적으로, 압축 수단, 예컨대 스프링은, 열 에너지 저장 물질이 가열되거나, 상 전환을 겪거나(예컨대, 고체-액체 전환), 또는 이들 둘 다의 경우 2개의 인접한 물품 사이의 반경방향 흐름 경로의 두께 변화를 감소시키거나 최소화하는데 사용될 수 있다.
열 저장 장치는 상기 장치를 통한 열 전달 유체의 흐름을 위한 복수개의 흐름 경로를 가질 수 있다. 각각의 흐름 경로는 바람직하게는 2개의 인접한 물품들 사이의 하나 이상의 반경방향 흐름을 포함한다. 바람직하게, 열 저장 장치를 통한 2개 이상의(예컨대, 각각의) 흐름 경로는 유사한 총 길이, 유사한 총 유체 저항 또는 이들 둘 다를 갖는다. 예를 들어, 2개 이상의(예컨대, 각각의) 흐름 경로는 일반적으로 티첼만 시스템을 특징으로 할 수 있다. 열 저장 장치의 오리피스는, 물품의 적층체의 개구부에 의해 형성된 축방향 경로를 통해 열 전달 유체가 흐르도록, 튜브 또는 다른 수단에 의해 물품의 적층체의 개구부에 연결될 수 있다. 전형적으로, 물품의 개구부에 의해 형성된 축방향 흐름 경로에 오리피스를 연결하는 튜브는 물품의 적층체의 제 1 물품 중 하나로 연장되거나, 물품의 적층체의 마지막 물품 중 하나로 연장될 것이다. 상기 장치는, 주입구에서 배출구로 흐르는 열 전달 유체가 반경방향 흐름 경로를 통해 흐르도록 (예컨대, 물품의 적층체의 상부 및/또는 하부에) 하나 이상의 밀봉 또는 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 밀봉은, 튜브가 물품의 적층체의 개구부에 오리피스를 연결하도록 하는 개구부를 포함할 수 있다. 상기 밀봉은, 물품의 적층체의 개구부를 따르는 축방향 흐름 경로의 말단에서의 유체의 흐름을 차단하거나, 물품의 적층체의 주변부를 따르는 축방향 흐름 경로의 말단에서의 유체 흐름을 차단하거나, 이들 둘 다를 위해 사용될 수 있다.
캡슐형 구조체의 제조 방법
열 에너지 저장 물질을 함유하는 캡슐형 구조체 및 물품은, 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하기 위해 제공되는 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 비제한적으로, 상기 방법은 하기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 사용할 수 있다: 커버 시트를 통한 개구부(예컨대, 구멍)를 절단 또는 펀칭하는 것, 기재 시트(예를 들어, 얇은 시트, 예컨대 호일)를 통해 개구부(예컨대, 구멍)를 절단 또는 펀칭하는 것, 하나 이상의 오목부(depression) 또는 골 영역을 포함하는 시트에 패턴을 한정하기 위해 기재 시트를 성형(예컨대, 열성형, 스탬핑, 엠보싱처리 또는 다르게 변형)하는 것, 하나 이상의 립 영역 및 하나 이상의 골 영역을 포함하는 시트에 패턴을 한정하기 위해 기재 시트를 성형하는 것, 기재 시트 상의 외측 주변부(예컨대, 일반적으로 원형 외측 주변부)를 절단 또는 펀칭하는 것, 커버 시트 상의 외측 주변부(예컨대, 일반적으로 원형 외측 주변부)를 절단 또는 펀칭하는 것, 골(예컨대, 기재 시트로부터 형성된 골)을 열 에너지 저장 물질로 충진하는 것, 골(예컨대, 충진된 골)을 커버 시트로 피복하는 것, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 하나 이상의 밀봉된 공간이 형성되도록 커버 시트를 (예컨대, 기재 시트에) 밀봉-부착하는 것, 외측 주변부를 따라 기재 시트를 밀봉-부착하는 것, 개구부 주변부를 따라 기재 시트를 밀봉-부착하는 것, 개구부 주변부를 따라 커버 시트를 (예컨대, 기재 시트에) 밀봉-부착하는 것, 또는 외측 주변부를 따라 커버 시트를 (예컨대, 기재 시트에) 밀봉-부착하는 것. 상기 물품을 성형하는 방법은 바람직하게는 기재 시트를 스탬핑, 엠보싱처리 또는 열성형하는 단계를 포함한다. 상기 물품을 성형하는 방법은, 2009년 2월 20일자로 출원된 "열 저장 장치"라는 제목의 미국 특허 출원 제 12/389,598 호에 기술된 캡슐을 제조하기 위한 하나 이상의 공정 단계를 사용할 수 있다. 상기 물품을 성형하기 위한 방법은 임의적으로 하기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다: 기재 시트를 하나 이상의 하위-구조체(예컨대, 내부 고리, 외부 고리 또는 이들 둘 다)에 밀봉-부착하는 것, 커버 시트를 하나 이상의 하위-구조체(예컨대, 내부 고리, 외부 고리 또는 이들 둘 다)에 밀봉-부착하는 것, 기재 시트 및/또는 커버 시트의 외측 주변부를 따라 하나 이상의 인덴트를 스탬핑 또는 펀칭하는 것.
본원의 교시에 따르면, 캡슐형 구조체(또는 캡슐형 구조체의 분절)는, 2개의 시트를 그들의 주변부 주위에서 밀봉-부착하는 것을 포함하는 방법에 의해 성형될 수 있다. 바람직하게, 상기 시트들 중 적어도 하나는 유체를 보유할 수 있도록 엠보싱처리되거나, 스탬핑되거나 다르게 성형된다. 더욱 바람직하게는, 상기 시트들은 둘 다 엠보싱처리되거나, 스탬핑되거나 다르게 성형된다. 예를 들어, 캡슐형 구조체 또는 이의 분절은 하기 단계 중 하나 이상을 포함하는 방법에 의해 성형될 수 있다: 2개의 시트들 사이의 공간이 열 에너지 저장 물질로 충진될 수 있도록 제 1 시트의 외측 주변부의 단지 일부만 제 2 시트에 부분적으로 연결하는 단계, 2개의 시트들 사이의 공간의 적어도 일부를 열 에너지 저장 물질로 충진하는 단계, 및 열 에너지 저장 물질을 포함하는 밀봉된 공간이 형성되도록 시트들의 나머지를 연결하는 단계. 이들 단계 중 하나 이상을 반복하여, 복수개의 밀봉된 공간은 포함하는 구조체를 제공할 수 있다.
열 에너지 저장 물질을 캡슐화하기에 적합한 시트는, 상기 시트가 바람직하게는 누출 없이 열 에너지 저장 물질을 함유할 수 있도록, 내구성이거나 내부식성이거나 또는 이들 둘 다인 얇은 금속 시트(예컨대, 금속 호일)를 포함한다. 상기 금속 시트는, 1년 초과, 바람직하게는 5년 초과의 반복되는 열 사이클을 갖는 차량 환경에서 기능할 수 있다. 상기 금속 시트는 다르게는, 조작시 열 에너지 저장 물질과 접촉하는 실질적으로 비활성 외측 표면을 가질 수 있다. 열 에너지 저장 물질과 접촉하는 금속 시트의 외측 표면은, 열 에너지 저장 물질과 접촉시 실질적으로 반응성이 아니거나 부식성이 아니거나 또는 이들 둘 다인 하나 이상의 물질을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어져야 한다. 비제한적으로, 사용될 수 있는 예시적인 금속 시트는, 황동, 구리, 알루미늄, 니켈-철 합금, 청동, 티타늄, 스테인레스 강 등의 하나 이상의 층을 갖는 금속 시트를 포함한다. 상기 시트는 일반적으로 귀금속이거나, 산화물 층(예컨대, 천연 산화물 층 또는 표면 상에 형성될 수 있는 산화물 층)을 갖는 금속을 포함하는 것일 수 있다. 하나의 예시적인 금속 시트는, 알루미늄 또는 알루미늄-함유 합금(예컨대, 50 중량% 초과의 알루미늄, 바람직하게는 90 중량% 초과의 알루미늄을 함유하는 알루미늄 합금)을 포함하는 알루미늄 호일이다. 다른 예시적인 금속 시트는 스테인레스 강이다. 적합한 스테인레스 강은 오스테나이트계 스테인레스 강, 페라이트계 스테인레스 강, 마르텐자이트계 스테인레스 강을 포함한다. 비제한적으로, 스테인레스 강은 약 10 중량% 초과, 바람직하게는 약 13 중량% 초과, 더욱 바람직하게는 약 15 중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 17 중량% 초과의 크롬을 포함할 수 있다. 스테인레스 강은 약 0.30 중량% 미만, 바람직하게는 약 0.15 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.12 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 0.10 중량% 미만의 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스테인레스 강 304(SAE 명칭)는 19 중량%의 크롬 및 약 0.08 중량%의 탄소를 함유한다. 적합한 스테인레스 강은 또한, 몰리브덴-함유 스테인레스 강, 예컨대 316(SAE 명칭)을 포함한다. 상기 금속 시트는, 금속 시트의 부식을 감소시키거나 제거할 수 있는 임의의 공지된 코팅을 가질 수 있다.
금속 시트는, 시트를 성형할 경우, 캡슐에 열 에너지 저장 물질을 충진할 경우, 캡슐의 사용 동안, 또는 이들의 임의의 조합에서 구멍 또는 균열이 형성되지 않도록 충분히 큰 두께를 갖는다. 수송과 같은 용도의 경우, 금속 시트는 바람직하게는, 금속 시트에 의해 열 저장 장치의 중량이 크게 증가되지 않도록 비교적 얇다. 금속 시트의 적합한 두께는 약 10 μm 초과, 바람직하게는 약 20 μm 초과, 더욱 바람직하게는 약 50 μm 초과이다. 상기 금속 호일은 약 3 mm 미만, 바람직하게는 1 mm 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 mm 미만의 두께를 가질 수 있다(예컨대, 약 0.25 mm 미만).
도 8은, 각각 복수개의 밀봉된 공간(14) 내에 캡슐화된 열 에너지 저장 물질을 갖는 복수개의 물품(10'' 및 10 ''')을 갖는 예시적인 열 저장 장치(80)의 단면을 도시하는 것이다. 상기 물품들은, 일반적으로 원통 형태를 가질 수 있는 단열된 용기(82) 내에 배열된다. 상기 장치는, 제 1 인접 물품(10'''(a)) 및 제 2 인접 물품(10'''(b))을 갖는 물품(10'')을 포함한다. 물품(10'') 및 그의 제 1 인접 물품(10'''(a))은, 일반적으로 접촉하는 각각의 편평한 커버 시트들의 상부 표면(즉, 외측 표면)으로 배열될 수 있다. 물품(10'') 및 그의 제 2 인접 물품(10'''(b))은, 일반적으로 서로 합치되는 표면들을 가질 수 있으며(예컨대, 각각의 기재 시트의 외측 표면들은 일반적으로 서로 합치되는 표면들일 수 있음), 함께 부분적으로 네스팅되도록 배열될 수 있다. 스페이서(미도시)를 사용하여, 2개의 물품(10''과 10'''(b)) 사이에서 일반적으로 반경방향으로 반경방향 흐름 통로(83)를 통해 열 전달 유체가 흐를 수 있도록, 물품(10'')과 그의 제 2 인접 물품(10'''(b))간의 거리를 유지할 수 있다. 물품(10'')과 그의 제 2 인접 물품(10'''(b))간의 간격이 열 전달 유체 구획의 일부이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 물품은, 열 전달 유체가 각각의 물품 및 바람직하게는 각각의 밀봉된 공간과 직접 접촉할 수 있도록, 열 전달 유체 구획과 접촉하는 표면(예컨대, 기재 시트의 표면)을 가질 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 반경방향 흐름 경로(83)는 동일한 길이 또는 동일한 단면을 갖거나 심지어 합동일 수 있다. 각각의 물품은 그의 중심 근처에 개구부를 갖는다. 상기 개구부도 열 전달 유체 구획의 일부이다. 물품들(10'' 및 10''')은, 그들의 개구부가 중심 축방향 흐름 경로(84)를 형성하도록 배열된다. 물품들(10'' 및 10''')의 외측 주변부와 용기의 내측 표면 사이의 간격도 열 전달 유체 구획의 일부이며, 외부 축방향 흐름 경로(86)를 형성한다. 열 저장 장치는, 중심 축방향 흐름 경로(84)와 유체 연통되는 제 1 오리피스(87)를 갖는다. 열 저장 장치는, 외부 축방향 흐름 경로(86)로부터 제 1 오리피스(87)를 분리하는 제 1 밀봉 또는 플레이트(88)를 가질 수 있다. 용기(82)는, 상기 용기에서 제 1 오리피스(87)와 동일한 쪽에 있거나 도 8에 도시된 바와 같이 용기의 다른쪽에 있을 수 있는 제 2 오리피스(89)를 갖는다. 열 저장 장치는, 중심 축방향 흐름 경로로부터 제 2 오리피스(89)를 분리하는 제 2 밀봉(90)을 가질 수 있다. 제 1 밀봉, 제 2 밀봉 또는 이들 둘 다는, 유체가 반경방향 흐름 경로(83)를 통해 흐르지 않으면서, 2개의 축방향 흐름 경로(84 및 86) 사이를 흐르는 것을 막을 수 있다. 도 8을 참조하면, 제 1 오리피스(87)와 제 2 오리피스(89) 사이를 흐르는 유체는, 중심 축방향 유체 경로(84)의 일부를 통해 및 외부 축방향 흐름 경로(86)의 일부를 통해 흘러야 한다. 열 전달 유체는 또한, 2개의 축방향 흐름 경로(84 및 86)를 통해 흐르면서 그 사이에 반경방향 흐름 경로(83) 중 하나를 통해 흘러야 한다. 2개의 축방향 흐름 경로의 크기는 바람직하게는, 유체의 어떤 반경방향 흐름 경로의 일부를 취하는지에 관계 없이 유체의 유체역학적 저항이 일반적으로 일정하도록 선택된다. 열 저장 장치를 통한 열 전달 유체의 흐름은 바람직하게는 티첼만 시스템이다. 용기(82)는 바람직하게는 단열된다. 예를 들어, 용기는 내벽(19) 및 외벽(92)을 가질 수 있으며, 상기 2개의 벽들 사이의 공간(93)은 배기될 수 있다. 상기 장치는 또한, 물품의 적층체에 압축력을 가하는 하나 이상의 스프링, 예컨대 하나 이상의 압축 스프링(94)을 가질 수 있다.
도 9는, 용기의 한쪽면 상에 2개의 오리피스(87' 및 89')를 갖는 열 저장 장치(80')를 도시한 것이다. 이러한 장치는, 제 1 오리피스로부터 가장 먼 중심 축방향 흐름 경로(84')의 영역(96)과 제 1 오리피스 사이에 유체가 흐르도록 하기 위해 제 1 오리피스(87')에 연결된 튜브(95)를 사용할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제 1 밀봉(88') 및 제 2 밀봉(90')은, 먼저 반경방향 흐름 경로(83)를 통해 흐르지 않으면서, 제 1 오리피스(87')로부터 제 2 오리피스(89')로 유체가 흐르는 것을 막기 위해 사용될 수 있다. 다시, 2개의 축방향 흐름 경로(86 및 84')의 크기를 선택함으로써, 도 9의 열 저장 장치(80')는 티첼만 시스템인 것을 특징으로 할 수 있다.
열 저장 시스템
열 저장 장치는, 열 저장 장치 내로 열을 전달하기 위해, 열 저장 장치 밖으로 열을 전달하기 위해, 또는 이들 둘 다를 위해 하나 이상의 열 전달 유체를 사용하는 열 저장 시스템에 사용될 수 있다.
열 전달 유체/작업(
working
) 유체
열 에너지 저장 물질 내로 및/또는 밖으로 열을 전달하기 위해 사용되는 열 전달 유체는, 냉각시 유체가 순환되는 열 저장 장치 및 다른 구성요소(예컨대, 열 제공 구성요소, 하나 이상의 연결 튜브 또는 라인, 열 제거 구성요소, 또는 이들의 임의의 조합)를 통해 유체가 흐르도록 임의의 액체 또는 기체일 수 있다. 열 전달 유체는, 열 저장 장치에 사용되는 온도에서 열을 전달할 수 있는 임의의 공지된 열 전달 유체 또는 냉각제일 수 있다. 열 전달 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 바람직하게는, 열 전달 유체는, 사용 동안 노출될 수 있는 최저 조작 온도(예컨대, 예상되는 최저 주위 온도)에서 흐를 수 있다. 예를 들어, 열 전달 유체는 약 1기압 및 약 25℃, 바람직하게는 약 0℃, 더욱 바람직하게는 -20℃, 가장 바람직하게는 약 -40℃의 온도에서 액체 또는 기체일 수 있다. 비제한적으로, 하나 이상의 전기화학적 셀을 가열 및/또는 냉각하기에 바람직한 열 전달 유체는 약 40℃에서 액체이다.
열 전달 유체는 다량의 열 에너지(전형적으로, 감지가능한 열로서)를 수송할 수 있어야 한다. 적합한 열 전달 유체는 약 1 J/g?K 이상, 바람직하게는 약 2 J/g?K 이상, 더욱 바람직하게는 약 2.5 J/g?K 이상, 가장 바람직하게는 약 3 J/g?K 이상의 비열(예컨대, 약 25℃에서 측정시)을 가질 수 있다. 바람직하게, 열 전달유체는 액체이다. 예를 들어, 임의의 공지된 엔진 냉각제가 열 전달 유체로서 사용될 수 있다. 상기 시스템은 바람직하게는, 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질 내로 열을 전달하고 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질로부터 열을 제거하기 위해 단일 열 전달 유체를 사용한다. 다르게는, 상기 시스템은, 열 에너지 저장 물질로 열을 전달하기 위한 제 1 열 전달 유체, 및 열 에너지 저장 물질로부터 열을 제거하기 위한 제 2 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체를 포함하는 시스템에서, 제 1 열 전달 유체는 제 1 열 전달 유체 구획을 통해 흐르고 제 2 열 전달 유체는 제 2 열 전달 유체 구획을 통해 흐르며, 이때 열 전달 유체 구획은 일반적으로 비교적 낮은 열 전도도 물질(예컨대, 열 에너지 저장 물질)에 의해 분리된다. 예를 들어, 제 1 열 전달 유체 구획의 표면적의 20% 이상, 50% 이상 또는 약 80% 이상이, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 물품의 표면과 접촉하거나 그 표면이 될 수 있다. 이는, 2개의 열 전달 유체가 비교적 우수하게 열 소통되는 열 교환기와 대조적이다.
비제한적으로, 단독으로 사용되거나 혼합물로서 사용될 수 있는 열 전달 유체는, 당업자에게 공지된 열 전달 유체를 포함하며, 바람직하게는 물, 하나 이상의 알킬렌 글라이콜, 하나 이상의 폴리알킬렌 글라이콜, 하나 이상의 오일, 하나 이상의 냉각제, 하나 이상의 알코올, 하나 이상의 베타인 또는 이들의 임의의 조합을 함유하는 유체를 포함한다. 열 전달 유체는 작업 유체(예컨대, 이후에 기술되는 것)를 포함하거나 이로 본질적으로 이루어질 수 있다. 사용될 수 있는 적합한 오일은 천연 오일, 합성 오일 또는 이들의 조합물을 포함한다. 예를 들어, 열 전달유체는 미네랄 오일, 캐스터 오일, 실리콘 오일, 불화탄소 오일 또는 이들의 임의의 조합물을 함유하거나 이들로 실질적으로 이루어질 수 있다(예컨대, 80 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상).
특히 바람직한 열 전달 유체는 하나 이상의 알킬렌 글라이콜을 포함하거나 이로 본질적으로 이루어진다. 비제한적으로, 바람직한 알킬렌 글라이콜은 약 1개 내지 약 8개의 알킬렌 옥시 기를 포함한다. 예를 들어, 알킬렌 글라이콜은, 약 1개 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유하는 알킬렌 옥시 기를 포함할 수 있다. 알킬렌 글라이콜 분자 중의 알킬렌 옥시 기들은 동일하거나 상이할 수 있다. 임의적으로, 알킬렌 글라이콜은, 각각 상이한 알킬렌 옥시 기 또는 상이한 비의 알킬렌 옥시 기를 함유하는 상이한 알킬렌 글라이콜들의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직한 알킬렌 옥시 기는 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 및 부틸렌 옥사이드를 포함한다. 임의적으로, 알킬렌 글라이콜은 치환될 수 있다. 예를 들어, 알킬렌 글라이콜은 1개 또는 2개의 알킬 기(예컨대, 약 1개 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유하는 1개 또는 2개의 알킬 기)로 치환될 수 있다. 알킬렌 글라이콜은 하나 이상의 알킬렌 글라이콜 모노알킬 에터, 하나 이상의 알킬렌 글라이콜 다이알킬 에터 또는 이들의 조합물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 알킬렌 글라이콜은 또한 폴리알킬렌 글라이콜을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 알킬렌 글라이콜은 에틸렌 글라이콜, 다이에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜 및 부틸렌 글라이콜을 포함한다. 임의의 상기 글라이콜은 단독으로 또는 혼합물로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 글라이콜은 물과의 혼합물로서 사용될 수 있다. 특히 바람직한 열 전달 유체는, 글라이콜과 물의 혼합물로 실질적으로 이루어지거나(예컨대, 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 80 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 96 중량% 이상) 전적으로 이루어진 혼합물을 포함한다. 상기 혼합물 중의 물의 농도는 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 약 5 중량% 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 중량% 초과, 더더욱 바람직하게는 약 15 중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 20 중량% 초과이다. 상기 혼합물 중의 물의 농도는 바람직하게는 약 95 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 90 중량% 미만, 더더욱 바람직하게는 약 85 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 80 중량% 미만이다. 상기 혼합물 중의 글라이콜의 농도는 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 약 5 중량% 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 중량% 초과, 더더욱 바람직하게는 약 15 중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 20 중량% 초과이다. 상기 혼합물 중의 글라이콜의 농도는 바람직하게는 약 95 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 90 중량% 미만, 더더욱 바람직하게는 약 85 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 80 중량% 미만이다.
임의적으로, 열 전달 유체는 작업 유체를 포함하거나 작업 유체로 실질적으로 전적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은, 열 저장 장치(여기서, 작업 유체가 가열되고, 증발됨)를 통해 하나 이상의 구성요소(예컨대, 가열되는 구성요소)(여기서, 작업 유체가 응축됨)로 흐르는 작업 유체를 포함할 수 있다. 이와 같이, 열 저장 장치는 작업 유체를 위한 증발기로서 작동할 수 있으며, 가열되는 구성요소는 작업 유체를 위한 응축기로서 작동할 수 있다. 작업 유체가 사용되는 경우, 응축기로 제공되는 열은 바람직하게는 작업 유체의 증발열을 포함한다. 상기 시스템은 열 저장 장치로 작업 유체를 되돌리는 냉 라인, 및 열 저장 장치로부터 작업 유체를 제거하는 온 라인을 포함할 수 있다. 상기 냉 라인 및 상기 온 라인은 바람직하게는, 작업 유체가 루프를 통해 흐를 때 누출 없이 작업 유체를 함유할 수 있다. 열 저장 장치(예컨대, 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질)가 작업 유체의 모든 성분의 합친 증기압이 약 1 기압을 초과하도록 하기에 충분한 온도이고, 작업 유체의 흐름을 허용하도록 밸브가 개방되는 경우, 열 저장 장치로부터 열이 제거되도록, 작업 유체는, (a) 모세관 구조체에 의해 펌핑되고, (b) 적어도 부분적으로 증발되고, (c) 적어도 부분적으로 응축기로 수송되고, (d) 응축기 내에서 적어도 부분적으로 응축될 수 있다. 상기 시스템은 임의적으로 모세관-펑핌되는 루프를 포함할 수 있다.
작업 유체
작업 유체는, 열 에너지 저장 물질이 그의 액상선 온도 이상인 경우 열 저장 장치 내에서 부분적으로 또는 완전히 증발될 수 있는(액체에서 기체 상태로의 전환) 임의의 유체일 수 있다. (예컨대, 모세관-펌핑되는 루프에) 적합한 작업 유체는, 하기 특성 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 순수한 물질 또는 혼합물을 포함한다: 최대 열 에너지 저장 시스템 온도에서 우수한 화학적 안정성, 낮은 점도(예컨대, 약 100 mPa?s 미만), 모세관 구조체의 우수한 젖음성(예컨대, 우수한 흡상(wick) 젖음성), 모세관-펌핑되는 루프의 물질(예컨대, 용기 물질, 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하기 위해 사용되는 물질, 증기 라인 및 액체 라인의 물질 등)과의 화학적 상용성(예컨대, 작업 유체는 낮은 부식을 유발함), 증발기 온도 및 응축기 온도 둘 다에 도움이 되는 온도 의존성 증기압, 고체적 증발 잠열[예컨대, 약 25℃에서 작업 유체의 용융 잠열과 밀도의 곱(단위는 MJ/L)은 약 4 MJ/L 초과일 수 있음], 응축기의 열 전달 유체의 어는점 이하의 어느점(예컨대, 부동액의 어는점 이하의 어는점), 또는 약 -40℃ 이하의 어는점. 예를 들어, 작업 유체의 평형 상태는 -40℃의 온도 및 1 기압의 압력에서 90% 이상 액체일 수 있다.
비제한적으로, 예시적인 작업 유체는 하나 이상의 알코올, 하나 이상의 케톤, 하나 이상의 탄화수소, 불화탄소, 수소화불화탄소(예컨대, 임의의 공지된 수소화불화탄소 냉각제, 예컨대 공지된 수소화불화탄소 자동차용 냉각제), 물, 암모니아 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다.
작업 유체의 증기압은, 작업 유체를 펌핑하기에 충분한 증기 스트림이 생성되도록 증발기 내에서 충분히 높아야 한다. 바람직하게, 작업 유체의 증기압은, 증발기로부터 응축기로 목적하는 열적 파워(W로 측정됨)를 운반하기에 충분한 증기 스트림이 생성되도록 증발기 내에서 충분히 높아야 한다. 증발기 내의 작업 유체의 증기압은 바람직하게는, 모세관-펌핑되는 루프가 누출되지 않고 파열되지 않도록 충분히 낮다.
모세관 구조체에 대한 작업 유체의 젖음성은 모세관 구조체의 물질에 대한 작업 유체의 접촉각을 특징으로 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 접촉각이 약 80° 미만, 더욱 바람직하게는 약 70° 미만, 더더욱 바람직하게는 약 60° 미만, 가장 바람직하게는 약 55° 미만이다.
작업 유체는 바람직하게는 중간 압력 및 약 90℃ 미만의 온도에서 응축된다. 예를 들어, 작업 유체는 약 90℃에서 약 2 MPa 미만, 바람직하게는 약 0.8 MPa 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.3 MPa 미만, 더더욱 바람직하게는 약 0.2 MPa 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1 MPa 미만의 압력에서 응축될 수 있다.
작업 유체는 바람직하게는 매우 낮은 온도에서 흐를 수 있다. 예를 들어, 작업 유체는 매우 낮은 주위 온도에 노출될 수 있으며, 바람직하게는 약 0℃, 바람직하게는 약 -10℃, 더욱 바람직하게는 약 -25℃, 더더욱 바람직하게응 약 -40℃, 가장 바람직하게는 약 -60℃의 온도에서 응축기로부터 열 저장 장치로 흐를 수 있다. 작업 유체는 바람직하게는, 완전히 충진된 열 저장 장치의 온도에 있을 때 기체 상태이다. 예를 들어, 작업 유체는 약 1기압 미만에서 열 저장 장치 중의 열 에너지 저장 물질의 상 전환 온도보다 낮은 비점, 바람직하게는 열 에너지 저장 물질의 상 전환 온도보다 20℃ 이상 더 낮은 비점, 더욱 바람직하게는 열 에너지 저장 물질의 상 전환 온도보다 40℃ 이상 더 낮은 비점을 갖는다. 본 발명의 다양한 양태에서, 작업 유체가 1기압(또는 작업 유체의 모든 성분의 합친 증기압이 1기압일 수 있음)에서 약 30℃ 초과, 바람직하게는 약 35℃ 초과, 더욱 바람직하게는 약 50℃ 초과, 더더욱 바람직하게는 약 60℃ 초과, 가장 바람직하게는 약 70℃ 초과의 비점을 갖는 것이 바람직할 수 있다(예컨대, 작업 유체가 주위 조건에서 액체이도록). 본 발명의 다양한 양태에서, 약 1기압(또는 작업 유체의 모든 성분의 합친 증기압이 1기압일 수 있음)에서 작업 유체의 비점은 약 180℃ 미만, 바람직하게는 약 150℃ 미만, 더욱 바람직하게는 약 120℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 95℃ 미만일 수 있다.
특히 바람직한 작업 유체는 물 및 암모니아를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다. 예를 들어, 작업 유체 중의 물 및 암모니아의 합친 농도는 작업 유체의 총 중량을 기준으로 약 80 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 약 90 중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 95 중량% 이상일 수 있다. 암모니아의 농도는 작업 유체의 비점을 물의 비점 미만(예컨대, 물의 비점의 적어도 10℃ 미만)으로 유지하기에 충분할 수 있다. 암모니아의 농도는 작업 유체의 총 중량을 기준으로 약 2 중량% 초과, 바람직하게는 약 10 중량% 초과, 더욱 바람직하게는 약 15 중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 18 중량% 초과일 수 있다. 암모니아의 농도는 작업 유체의 총 중량을 기준으로 약 80 중량% 미만, 바람직하게는 약 60 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 40 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 30 중량% 미만일 수 있다. 작업 유체 중의 물의 농도는 작업 유체의 총 중량을 기준으로 약 20 중량% 초과, 바람직하게는 약 40 중량% 초과, 더욱 바람직하게는 약 60 중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 70 중량% 초과일 수 있다. 작업 유체 중의 물의 농도는 작업 유체의 총 중량을 기준으로 약 98 중량% 미만, 바람직하게는 약 95 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 90 중량% 미만, 더더욱 바람직하게는 약 85 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 82 중량% 미만일 수 있다. 예를 들어, 약 21 중량%의 암모니아 및 약 79 중량%의 물의 용액은 약 -40℃의 액상선 온도 및 약 1 기압에서 약 100℃ 미만의 비점의 상한을 갖는다. 상기 용액은 실온에서 비-가압된 용기 내에 (예컨대, 액체로서) 저장될 수 있다.
바람직하게, 작업 유체는 약 0℃ 내지 약 250℃의 온도에서 1기압의 그의 모든 성분들의 합친 증기압을 갖는다.
작업 유체는, 열 저장 장치로부터 소정의 열을 제거하는데 필요한 작업 유체의 양이 비교적 작도록(예컨대, 열을 제거하기 위해 작업 유체가 아닌 열 전달 유체를 사용하는 장치에 비해) 열 저장 장치로부터 열 에너지를 효과적으로 전달할 수 있다. 바람직하게, 작업 유체에 의해 전달되는 열의 많은 부분은 증발열의 형태로 전달된다. 작업 유체의 체적, 작업 유체의 유속 또는 이들 둘 다는, 작업 유체가 아닌 열 전달 유체를 사용하고 동일한 초기 파워를 갖는 시스템에 비해, 열 에너지 저장시 비교적 더 낮을 수 있다. 열 저장 장치의 용기의 L 당 작업 유체(즉, 열 저장 장치 내로 흐르는 액체 상태의 작업 유체)의 유속은 약 5 L/분 미만, 바람직하게는 약 2 L/분 미만, 더욱 바람직하게는 약 1 L/분 미만, 더더욱 바람직하게는 약 0.5 L/분 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1 L/분 미만일 수 있다. 열 저장 장치의 용기의 총 체적 또는 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질의 체적에 대한 상기 시스템 중의 작업 유체의 체적의 비는, 상기 시스템의 총 중량이 작업 유체의 중량에 의해 과도하게 영향을 받지 않도록 충분히 낮아야 한다. 열 저장 장치의 용기의 총 체적(즉, 용기 내부 체적)에 대한 상기 시스템(예컨대, 모세관-펌핑되는 루프) 내의 작업 유체의 체적의 비(또는 심지어 열 저장 장치의 열 에너지 저장 물질의 체적에 대한 상기 시스템 내의 작업 유체의 체적의 비)는 약 20 미만, 바람직하게는 약 10 미만, 더욱 바람직하게는 약 4 미만, 더더욱 바람직하게는 약 2 미만, 가장 바람직하게는 약 1 미만일 수 있다.
전술된 바와 같이, 작업 유체는 증발열 형태의 열 에너지의 일부를 전달할 수 있다. 작업 유체는 바람직하게는, 전달될 수 있는 열의 양이 많도록 높은 증발열을 갖는다. 열 저장 장치에 적합한 작업 유체는 약 200 kJ/mol 초과, 바람직하게는 약 500 kJ/mol 초과, 더욱 바람직하게는 약 750 kJ/mol 초과, 더더욱 바람직하게는 약 1000 kJ/mol 초과, 가장 바람직하게는 약 1200 kJ/mol 초과의 증발열을 가질 수 있다.
작업 유체의 온도가 0℃ 미만일 수 있는 용도에서, (예컨대, 작업 유체가 얼지 않도록, 파열을 유발하지 않도록, 또는 이들 둘 다를 위해) 작업 유체는 바람직하게는 물이 아니다.
작업 유체와 접촉하는 물질이 작업 유체에 대해 내부식성일 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 작업 유체와 접촉할 수 있는 열 저장 장치 또는 열 저장 시스템의 임의의 또는 모든 표면(예컨대, 작업 유체 증기 라인의 내부, 작업 유체 액체 라인의 내부, 열 저장 장치의 열 전달 유체 구획의 표면, 하나 이상의 밸브의 내측 표면, 응축기 내의 작업 유체 구획의 표면, 작업 유체 저장고의 내측 표면 등)은 스테인레스 강으로 제조될 수 있다.
본원에 기술된 열 에너지 저장 시스템에 사용되는 임의의 작업 유체 또는 열 전달 유체가 첨가제 패키지를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 첨가제 패키지는 당업자에게 공지되어 있으며, 본 발명의 장치가 이용될 수 있는 시스템에 맞도록 구성된다. 예를 들어, 상기 첨가제 패키지는 안정화제, 부식 억제제, 윤활제, 극압 첨가제 또는 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
임의적인 히터
열 저장 시스템은 임의적으로 하나 이상의 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는, 열 저장 장치 중의 열 에너지 저장 물질의 온도를 그의 전이 온도 초과의 온도로 증가시킬 수 있는 임의의 히터일 수 있다. 상기 히터는, 에너지(예컨대, 전기 에너지, 기계적 에너지, 화학적 에너지 또는 이들의 임의의 조합)를 열(즉, 열 에너지)로 전환하는 임의의 히터일 수 있다. 하나 이상의 히터는 하나 이상의 전기 히터일 수 있다. 하나 이상의 히터가 열 저장 장치 내의 일부 또는 모든 열 에너지 저장에 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 시스템은, 열 저장 장치와 열 소통되는 하나 이상의 히터를 포함한다. 예를 들어, 상기 시스템은 열 저장 장치의 절연재 내에 하나 이상의 히터를 포함할 수 있다. 전기 히터는 하나 이상의 전기화학적 셀로부터, 외부 공급원으로부터 또는 이들 둘 다로부터 전기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 고정된 물체에 연결된 소켓에 차량의 플러그를 꼽는 경우, 열 저장 장치는 외부 공급원으로부터 전기를 이용하여 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질의 액상선 온도 초과의 온도로 유지될 수 있다. 고정된 물체에 연결된 소켓에 차량의 플러그를 꼽지 않는 경우, 열 저장 장치는, 전기화학적 셀로부터 생성되는 전기를 이용하여 열 저장 장치 내의 열 에너지 저장 물질의 액상선 온도 초과의 온도로 유지될 수 있다.
상기 열 저장 장치는 하나 이상의 구성요소를 가열하는 방법에 사용될 수 있다. 상기 방법은, 열 전달 장치를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하는 단계를 포함할 수 있다. 열 전달 장치를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하는 단계는, 초기 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 주입구를 통해 흐르게 하거나; 상기 열 전달 유체가 복수개의 반경방향 흐름 경로로 나누어질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하거나; 상기 열 전달 유체가, 상기 열 전달 유체의 초기 온도보다 높은 온도를 갖는 상기 열 에너지 저장 물질로부터 열을 제거할 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 반경방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하거나; 복수개의 반경방향 흐름 경로가 합쳐질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 다른 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하거나; 배출 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 배출구를 통해 흐르게 하거나; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게, 열 전달 유체의 배출 온도는 열 전달 유체의 초기 온도보다 더 높다. 하나 이상의 구성요소를 가열하는 방법은, 반경방향 흐름 경로 및 2개의 축방향 흐름 경로의 선택 중 하나를 포함하는 열 저장 장치를 통한 흐름 경로(이는 총 흐름 경로를 가짐)를 사용할 수 있으며, 이때 총 흐름 길이를 갖는 흐름 경로는 일반적으로 상이한 반경방향 흐름 경로에 대해 일정하다.
열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은, 구성요소(예컨대, 내연 기관)를 신속히 가열할 수 있도록 비교적 높은 파워(예컨대, 초기 30초 또는 60초의 가열 동안 측정시)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은 약 5 W 초과, 바람직하게는 약 10 W 초과, 더욱 바람직하게는 약 15 W 초과, 가장 바람직하게는 약 20 W 초과의 평균 파워를 특징으로 할 수 있다.
열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은, 비교적 작은 구획 내에 다량의 열 에너지를 보유할 수 있도록 비교적 높은 파워 밀도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은, 약 4 kW/L 초과, 바람직하게는 약 8 kW/L 초과, 더욱 바람직하게는 약 10 kW/L 초과, 가장 바람직하게는 약 12 kW/L 초과의 파워 밀도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은, 열 전달 유체의 비교적 낮은 압력 강하(약 10 L/분의 열 전달 열 전달 유체 유속에서 측정시)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 열 저장 장치 및/또는 열 저장 시스템은, 약 2.0 kPa 미만, 바람직하게는 약 1.5 kPa 미만, 더욱 바람직하게는 약 1.2 kPa 미만, 가장 바람직하게는 약 1.0 kPa 미만의 열 전달 유체의 압력 강하를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
예로서, 열 에너지 저장 시스템은 엔진 배기 가스로부터 에너지를 저장하기 위해 운송 차량(예컨대, 자동차)에 사용될 수 있다. 엔진이 배기 가스를 생성하는 경우, 우회(bypass) 밸브는, 열 저장 장치가 충진되도록 열 저장 장치를 통해 상기 가스의 흐름을 유도하거나, 열 저장 장치가 과열되는 것을 막기 위해 우회 라인을 통해 상기 가스의 흐름을 유도할 수 있다. 엔진이 가동중단되는 경우, 예컨대 차량이 주차되어 있는 기간 동안, 열 저장 장치에 저장된 열의 상단 부분은 장시간 동안 유지될 수 있다(예컨대, 열 저장 장치를 둘러싼 진공 단열로 인해). 바람직하게, 열 저장 장치의 열 에너지 저장 물질의 적어도 50%는, 차량이 약 -40℃의 주위 온도에서 16시간 동안 주차된 후에도 액체 상태를 유지한다. 엔진이 실질적으로 냉각될 만큼(예컨대, 엔진과 주위와의 온도차가 약 20℃ 미만이도록) 충분히 긴 시간(예컨대, 적어도 2시간 또는 3시간) 동안 차량이 주차되어 있는 경우, 작업 유체를 위한 응축기를 포함하는 열 교환기를 통해 열 전달 유체(예컨대, 엔진 냉각제)를 간접적으로 흐르게 함으로써, 열 저장 장치에 저장된 열은 차가운 엔진 또는 다른 열 수용체로 배출될 수 있다. 작업 유체는, 작업 유체가 증발되는 열 저장 장치 내부의 모세관 구조체를 사용하는 모세관-펌핑되는 루프 내에서 순환된다. 작업 유체로부터의 열은 열 교환기 내의 엔진 냉각제로 전달된다. 열 저장 장치를 사용함으로써, 그렇지 않은 경우에는 폐기되는 열이, 냉 시동을 완화시키고/시키거나 즉각적인 콕핏(cockpit) 가열을 제공하기 위해 이전의 이동 동안 포획될 수 있다.
열(예컨대, 차량 배기 가스로부터의 열)을 저장하기 위한 열 에너지 저장 시스템은 도 10에 도시된 특징부의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 열 에너지 저장 시스템(100)은 열 저장 장치(101)를 포함한다. 열 에너지 저장 시스템은, 제 1 열 전달 유체(107)를 위한 제 1 주입구(117) 및 제 1 열 전달 유체를 위한 제 1 배출구(111)를 갖는 열 교환기 또는 응축기(102)를 포함할 수 있다. 열 에너지 저장 시스템(100)은, 열 교환기(102)의 제 1 열 전달 유체 배출구(111)를 열 저장 장치(101)의 제 1 열 전달 유체 주입구에 연결하는 튜브(예컨대, 라인)(113)를 가질 수 있다. 열 에너지 저장 시스템(100)은, 열 교환기(102)의 제 1 열 전달 유체 주입구(117)를 열 저장 장치(101)의 제 1 열 전달 유체 배출구에 연결하는 튜브(109)를 가질 수 있다. 제 1 열 전달 유체(107)는 열 저장 장치(101)의 제 1 열 전달 유체 구획을 통해 흐른다. 제 1 열 전달 유체는 열 교환기(102)의 제 1 열 전달 유체 구획을 통해 흐를 수 있다. 제 1 열 전달 유체는 작업 유체일 수 있으며, 열 저장 장치(101)로부터 열 교환기(102)로의 라인은 증기 라인일 수 있고, 열 교환기(102)는 작업 유체를 위한 응축기일 수 있고, 제 1 열 전달 유체 구획은 작업 유체 구획일 수 있다. 열 에너지 저장 시스템(100)은, 열 저장 장치 내의 작업 유체 구획, 응축기 내의 작업 유체 구획, 작업 유체 증기 튜브(109) 및 작업 유체 액체 튜브(113)를 포함하는 모세관-펌핑되는 루프를 함유할 수 있다. 열 에너지 저장 시스템은 또한, 하나 이상의 열 전달 유체 또는 작업 유체 저장고(110)를 포함한다. 저장고(110)가 모세관-펌핑되는 루프에 사용되는 경우, 이는 바람직하게는, 열 저장 장치(101)의 작업 유체 주입구보다 높은 위치이면서 응축기, 응축기의 작업 유체 주입구(111) 또는 이들 둘 다 보다 낮은 위치인 충진 높이(level)를 갖는다. 열 에너지 저장 시스템(100)은, 열 저장 장치(101)와 열 교환기(102)를 연결하는 튜브(113) 내의 제 1 열 전달 유체의 흐름을 조절하기 위한 밸브(118)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브(118)는, 열 저장 장치가 충진되는 경우 및 열 저장 장치가 열을 저장하는 경우 열 전달 유체가 순환되는 것을 막는데 사용될 수 있다. 밸브(118)는, 열 저장 장치로부터 열을 배출하는 것이 바람직한 경우에 개방될 수 있다. 다시, 도 10을 참조하면, 열 에너지 저장 시스템은, 제 2 열 전달 유체를 열 저장 장치(101) 내로 유동시키거나 상기 장치로부터 유동시키기 위한 열 전달 유체 주입구 라인(108) 및 열 전달 유체 배출구 라인(106)을 포함할 수 있다. 열 에너지 저장 시스템은 또한, (예를 들어, 열 저장 장치가 완전히 충진되거나, 제 2 열 전달 유체의 온도가 열 저장 장치(101) 중의 열 에너지 저장 물질의 온도 미만인 경우) 제 2 열 전달 유체의 일부 또는 전부를 우회 라인(105)으로 돌리기 위한 열 전달 유체 우회 라인(105) 및 전환(diverter) 밸브(예컨대, 우회 밸브)(104)를 가질 수 있다. 열 에너지 저장 시스템은 또한, 다른 열 전달 유체를 열 교환기로 제공하는 냉(cold) 라인(116), 가열된 열 전달 유체를 열 교환기(102)로부터 제거하는 온(heat) 라인(115)을 포함할 수 있다. 냉 라인(116) 및 온 라인(115)은 열 전달 유체 루프(114)의 일부이다. 열 전달 유체 루프(114)는 엔진 냉각제를 함유할 수 있다. 열 전달 유체 루프(114)는 내연 기관(103)에 연결될 수 있다. 이와 같이, 열 에너지 저장 시스템(100)은, 열 저장 장치(101)에 저장된 에너지를 갖는 내연 기관(103)을 가열할 수 있다.
작업 유체를 이용한 열 전달은, 작업 유체 밸브(즉, 배출 밸브)를 개방함으로써 개시된다. 추가적인 액체 라인을 통해 상기 루프에 연결된 밀봉된 작업 유체 저장고는, 실질적인 압력 변화 없이 루프 안쪽의 작업 유체의 액체 체적 변화를 수용하는 역할을 한다. 충분하거나 모든 유용한 열이 열 저장 장치로부터 전달되면, 배출 밸브는 폐쇄된다. 열 저장 장치 내의 나머지 작업 유체는 증발되고(예컨대, 열 저장 장치에 남아있는 열에 의해, 또는 열 저장 장치에 충진되기 시작할 때) 이어서 응축기 내에서 응축될 수 있다. 열 저장 장치는 작업 유체가 배기되면 작업 유체의 액체 수준이 변할 수 있다(예컨대, 증가).
열 저장 장치는 임의적으로 횡류 열 교환기일 수 있다(즉, 작업 유체의 흐름 방향, 및 배기 가스의 흐름에 수직인 방향을 가짐). 예를 들어, 조작 동안, 열 저장 장치는, (1) 배기 가스, (2) 정체 상 변화 물질(예를 들면, 내부 캡슐, 예컨대 블리스터 팩) 및 (3) 작업 유체에 의해 점유된 3개의 챔버를 포함할 수 있다. 상기 3개의 챔버는 모두, 적합한 물질(바람직하게는, 스테인레스 강)로 제조된 얇은 벽에 의해 분리된다. 배기 가스는, 블리스터 안쪽의 상 변화 물질의 캡슐의 표면(예컨대, 곡면)들 사이를 흐를 수 있고, 작업 유체는, 일반적으로 배기 가스 흐름 방향에 수직인 방향에서 블리스터 안쪽의 상 변화 물질의 캡슐의 상이한 표면(예컨대, 평면)들 사이를 흐를 수 있다. 챔버로 도입되는 액체 작업 유체는 바람직하게는 모세관 구조체(예컨대, 금속 흡상)를 습윤시키고, 모세관 안쪽에서 형성된 작업 유체 액체 메니스커스에 작용하는 모세관력에 의해 중력 및 증기압의 합친 힘과 반대로 위쪽으로 수송된다. 이러한 흐름은, 블리스터 안쪽의 상 변화 물질로부터 인출된 열을 이용하는 액체의 연속적인 증발에 의해 유지된다. 작업 유체의 증기는 모세관 구조체를 떠나, 블리스터 안쪽의 상 변화 물질의 캡슐의 표면(예컨대, 평면)들 사이에서 스퀴즈되는 모세관 구조체의 칼럼들 사이에서 서로 맞물릴 수 있는 증기 채널들을 통해 상기 장치의 상부로 배출된다. 작업 유체의 증기는 응축기 내로 흐르고, 여기서 작업 유체의 증기의 증발열 및 감지가능한 열이 차가운 냉각제로 전달되고, 다시 액체가 되어 열 저장 장치로 회수되고, 액체 작업 유체로 부분적으로 함침된 모세관 구조체(예컨대, 금속 흡상) 내부에 존재하는 모세관력에 의해서만 펌핑되는 루프 내에서 계속 순환된다. 모세관 구조체의 모든 칼럼은 통상적인 다공성 기재에 연결될 수 있다. 이러한 다공성 기재는, 상기 장치의 하부로부터 상이한 칼럼으로 도입되는 액체 작업 유체를 분배하는데 사용될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 추가적인 구성요소/성분/단계의 조합을 사용할 수 있다. 차가운 냉각제 대신에 또는 이에 더하여, 예를 들어 에어 컨디셔닝을 위한 흡수 또는 흡착 사이클 냉동 시스템이 열 흡수기로서 사용될 수 있다(예컨대, 응축기가 에어 컨이셔너의 유체 루프 내에서 순환하는 냉각제를 위한 증발기로서도 작용할 수 있음). 다른 용도에서는, 동일하거나 상이한 모세관-펌핑되는 루프의 작업 유체를 사용하고, 열 저장 장치와 응축기 사이의 증기 라인에 기계적 파워 생성 터빈을 부가하고/하거나(예컨대, 터빈으로부터 상류의 높은 증기압을 극복하기 위해) 응축기와 열 저장 장치 사이의 액체 라인에 액체 펌프를 부가하기 위해, 열 엔진을 이용하는 정상 상태 폐열 회수 시스템(예컨대, 랭킨(Rankine) 사이클)을 구성할 수 있다. 상기 터빈은 배기 가스 폐열로부터 포획된 일부를 유용한 기계적 또는 전기적 일로 전환시켜 차량의 총 연료 효율을 개선할 수 있다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태를 허용할 수 있으며, 상기 논의된 예시적인 실시양태는 예로서 제시된 것이다. 그러나, 본원에 개시된 특정 실시양태에 본 발명이 제한되지 않음을 역시 이해해야 한다. 실제로, 본 발명의 기술은, 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 진의 및 범주 내에 드는 모든 변형, 등가물 및 대안을 포괄할 것이다.
Claims (26)
- 하나 이상의 밀봉된 공간을 갖는 캡슐형 구조체를 포함하는 물품으로서,
상기 밀봉된 공간이 하나 이상의 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하고,
상기 캡슐형 구조체가, 열 전달 유체가 통과하여 흐르기에 충분히 큰 하나 이상의 유체 통로를 갖고,
열 전달 유체가 상기 캡슐형 구조체와 접촉할 때, 상기 열 에너지 저장 물질은 상기 열 전달 유체로부터 단리되는, 물품. - 제 1 항에 있어서,
상기 캡슐형 구조체가, 상기 열 에너지 저장 물질을 캡슐화할 수 있고 외측 주변부를 갖는 시트 2개를 포함하고,
상기 시트들은 각각, 서로에 대해 및/또는 하나 이상의 추가적인 하위-구조체(sub-structure)에 대해, 적어도 상기 외측 주변부를 따라 밀봉-부착되고, 상기 열 에너지 저장 물질을 사이에 함유하는 하나 이상의 밀봉된 공간들을 형성하는, 물품. - 제 2 항에 있어서,
상기 시트들이 대응 개구부를 갖고,
상기 시트들은 각각, 서로에 대해 및/또는 하나 이상의 추가적인 하위-구조체에 대해, 상기 개구부의 주변부 주위에 밀봉-부착된, 물품. - 제 3 항에 있어서,
상기 시트들이 서로에 대해 상기 외측 주변부를 따라 및 상기 개구부의 주변부를 따라 밀봉-부착된, 물품. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캡슐형 구조체가 상부 표면 및 외측 주변부를 갖고,
상기 상부 표면은, 각각 상기 유체 통로로부터 상기 외측 주변부로 연장되고 각각 상기 통로와 상기 외측 주변부 간의 유체 연통(fluid communication)을 제공하는 2개 이상의 그루브(groove)를 포함하는, 물품. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캡슐형 구조체가 제 1 외측 표면 및 제 2 외측 표면을 갖고,
상기 캡슐형 구조체가 상기 제 1 외측 표면과 상기 제 2 외측 표면 사이의 평균 간극에 의해 한정되는 두께를 갖고,
상기 캡슐형 구조체가, 상기 하나 이상의 밀봉된 공간 밖으로 열이 신속히 전달될 수 있도록 충분히 얇고,
상기 하나 이상의 밀봉된 공간은, 상기 물품이 다량의 열 에너지를 저장할 수 있도록 열 에너지 저장 물질로 충진된 큰 부분을 포함하는 캡슐화된 총 체적을 갖는, 물품. - 제 6 항에 있어서,
상기 유체 통로가 상기 제 1 외측 표면의 기하학적 중심 근처에 있는, 물품. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품이 3개 이상의 밀봉된 공간을 포함하는, 물품. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 밀봉된 공간이 약 25℃의 온도에서 총 내부 체적을 갖고,
상기 밀봉된 공간이 약 25℃의 온도에서 열 에너지 저장 물질의 총 체적을 함유하고,
상기 총 내부 체적에 대한 상기 열 에너지 저장 물질의 총 체적의 비가 약 0.50 이상인, 물품. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품의 외측 주변부가 하나 이상의 인덴트(indent)를 포함하여, 상기 물품의 적층체가 중공 실린더 내에 놓일 때 상기 인덴트에 의해 형성된 공간을 통해 열 전달 유체가 흐를 수 있는, 물품. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품의 두께가 약 1 cm 미만이고,
상기 물품이 약 5 cm 초과의 치수를 갖는, 물품. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품의 표면이 하나 이상의 돌출부를 포함하여, 복수개의 물품의 적층될 때 상기 물품들 사이에 열 전달 유체의 흐름을 위한 공간이 존재하는, 물품. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품이 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 2 표면이 일반적으로 아치형인, 물품. - 제 13 항에 있어서,
상기 물품이, 형태를 갖는 제 1 물품, 및 상기 제 1 물품과 동일한 형태를 갖는 제 2 물품을 포함하고,
상기 제 1 물품 및 제 2 물품은, 상기 제 1 물품의 아치형 표면이 상기 제 2 물품의 아치형 표면과 마주하도록 배치되며,
상기 제 1 물품과 상기 제 2 물품은 함께 적어도 부분적으로 네스팅(nesting)될 수 있는, 물품. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 에너지 저장 물질이, 약 30℃ 초과 약 350℃ 미만의 고체-액체 전이 온도를 갖는 상 변화 물질인, 물품. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 물품 및 용기를 포함하는 장치로서,
상기 복수개의 물품이, 상기 물품의 유체 통로가 축방향으로 정렬되도록 적층된, 장치. - 제 16 항에 있어서,
(i) 결합된 2개의 물품의 일반적으로 편평한 표면에 의해 2개의 물품이 정렬되어 2개의 물품이 밀봉된 공간의 축방향 층을 형성하거나,
(ii) 단일 물품이 밀봉된 캡슐의 축방향 층을 형성하고,
상기 장치가, 상기 물품의 적층체의 유체 통로를 통과하는 축방향 흐름 경로; 상기 밀봉된 공간의 인접한 축방향 층들 사이의 공간을 포함하는 반경방향 흐름 경로; 및 상기 물품의 외측 주변부 너머의 상기 용기 내측의 공간을 포함하는 다른 축방향 흐름 경로를 포함하는 열 전달 유체 흐름 경로를 포함하는, 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 물품의 유체 통로를 통과하는 축방향 흐름 경로와 상기 물품의 외측 주변부 너머의 공간을 포함하는 축방향 흐름 경로가 상기 반경방향 흐름 경로에 의해 분리된, 장치. - 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기가 복수개의 오리피스(orifice)를 포함하고,
상기 복수개의 오리피스는, 유체가 상기 용기로 도입될 수 있도록 하는 하나 이상의 주입구, 및 유체가 상기 용기에서 배출될 수 있도록 하는 하나 이상의 배출구를 포함하는, 장치. - 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인접한 층들 간의 평균 거리가 약 5 mm 미만인, 장치. - 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기가, 반경 및 높이를 포함하는 일반적인 원통 형태를 갖고,
상기 반경 대 상기 높이의 비가 약 1:3 내지 약 10:1인, 장치. - 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기 내의 열 에너지 저장 물질의 농도가 상기 용기의 총 내부 체적을 기준으로 약 60 체적% 초과인, 장치. - 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 열 저장 장치를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하는 단계를 포함하는, 상기 장치로부터 열을 제거하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,
상기 장치를 통해 열 전달 유체를 흐르게 하는 단계가,
(a) 초기 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 주입구를 통해 흐르게 하고,
(b) 상기 열 전달 유체가 복수개의 반경방향 흐름 경로로 나누어질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고,
(c) 상기 열 전달 유체가, 상기 열 전달 유체의 초기 온도보다 높은 온도를 갖는 상기 열 에너지 저장 물질로부터 열을 제거할 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 반경방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고,
(d) 복수개의 반경방향 흐름 경로가 합쳐질 수 있도록, 상기 열 전달 유체를 다른 축방향 흐름 경로를 통해 흐르게 하고,
(e) 초기 온도보다 높은 배출 온도를 갖는 열 전달 유체를 상기 장치의 배출구를 통해 흐르게 하는 것
을 포함하는, 제거 방법. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 물품을 형성하는 방법으로서,
기재 시트에 개구부를 절단하는 단계,
상기 기재 시트가 하나 이상의 골(trough)을 갖도록, 상기 기재 시트를 엠보싱처리하는 단계,
상기 하나 이상의 골을 열 에너지 저장 물질로 충진하는 단계,
커버 시트에 개구부를 절단하는 단계, 및
상기 커버 시트를 상기 기재 시트에 적어도 외측 주변부 및 개구부 주변부를 따라 밀봉-부착하여, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 하나 이상의 밀봉된 공간을 포함하고 개구부를 갖는 물품을 형성하는 단계
를 포함하는, 형성 방법. - 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 열 저장 장치 및 열 전달 유체를 포함하는 시스템으로서,
상기 열 전달 유체가 하나 이상의 밀봉된 공간 내의 열 에너지 저장 물질과 열 소통되는, 시스템.
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