KR20220164598A - 제올라이트를 구비한 열 에너지 저장 시스템 - Google Patents

제올라이트를 구비한 열 에너지 저장 시스템 Download PDF

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피터 엠 미찰라코스
우베 록켄펠러
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록키 리서치
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Abstract

염 수화물 및 제올라이트를 포함하는 상변화 재료를 갖는 열 에너지 저장 냉각 시스템을 제공함으로써 열부하를 유연하게 냉각하는 시스템 및 방법이 개시된다.

Description

제올라이트를 구비한 열 에너지 저장 시스템
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2020년 4월 13일에 출원된 "열 저장 기능을 갖춘 냉각 시스템(COOLING SYSTEM WITH THERMAL STORAGE)"을 명칭으로 하는 미국 가출원 제 63/101,209 호 및 2020년 5월 1일에 출원된 "열 저장 기능을 갖춘 냉각 시스템(COOLING SYSTEM WITH THERMAL STORAGE)"을 명칭으로 하는 미국 출원 제 16/864,771 호에 대한 우선권을 주장하며, 그 각각의 전체 내용이 본원에 참조로서 인용된다.
본 개시는 개괄적으로, 열 에너지 저장 냉각 시스템에 관한 것이다. 특히, 시스템은 시스템의 성능을 증가시키기 위해 제올라이트 핵 생성제를 사용하는 열 에너지 저장 시스템을 포함할 수도 있다.
통상적인 증기 압축 시스템은 상대적으로 열 증가가 느린 시스템이나 실내와 같은 환경 부하를 냉각하는 데 효율적일 수도 있다. 그러나, 이들 시스템은 단독으로는 일반적으로, 분출 열을 출력하는 시스템을 냉각하는 데 필요한 급속 냉각 특징을 제공하지 않는다. 증기 압축 시스템은 최대 용량에 도달하는 데 최대 1분 또는 경우에 따라 더 많은 시간이 소요될 수도 있으며, 일반적으로 표적 열 부하에 대한 냉각을 제공하는 데 몇 분 이상이 소요될 수도 있다. 그러나, 이러한 증기 압축 시스템은 일단 실행되고 나면 표적 열 부하를 특정 온도로 냉각하는 데에는 효율적일 수 있다.
열 에너지 저장 시스템이 냉각 용량을 대체함으로써 냉각 부하를 평준화하며 때때로 다수의 환경에서 비용을 줄이는 데 사용되어 왔다. 염 및 염 수화물과 같은 무기계(inorganic system), 파라핀 또는 지방산과 같은 유기 화합물을 포함한 다수의 상이한 유형의 재료가 열 에너지 저장 시스템 내부에서 상변화 재료로서 사용되어 왔다. 폴리(에틸렌 글리콜)와 같은 중합체성 재료도 상변화 재료로서 사용되어 왔다. 또한, 냉수 및 얼음 시스템이 사용되어 왔다. 이러한 냉각수 시스템은 신뢰할 수 있긴 하지만, 물의 열 용량에만 의존하기 때문에 무겁고 부피가 크다. 얼음 저장 시스템은 얼음에서 물로의 상변화 에너지로 인해 냉각수보다는 더 작고 가볍긴 하지만, 냉각 온도가 약 20℃인 경우에도 0℃ 아래의 온도에서 재충전할 것을 요건으로 함과 함께, 분출 냉각에 필요한 바와 같은 얼음의 급속 용융 및 동결을 위한 열전달 문제가 불리한 것으로 판명되었다. 파라핀은 종래의 시스템에서 상변화 재료로서 사용되어 왔지만, 급속 분출 열을 냉각하는 데 유리한 것으로 밝혀지지 않았다. 사용 시에, 냉각 시스템은 열 에너지 저장 시스템의 일부인 탱크의 내부에서 파라핀 왁스를 고체 형태로 고화시키기 위한 상변화를 유도하기 위해 온도를 감소시킨다. 그런 다음 열전달 유체가 탱크를 통해 순환됨으로써 고체 왁스가 열전달 유체로부터 열을 흡수하여 용융된다.
본원에 개시된 실시예는 각각 여러 양태를 가지며, 이들 양태 중 어느것도 단독으로는 본 개시의 바람직한 속성의 원인이 되지 않는다. 본 개시의 범위를 제한함이 없이, 이제 본 개시의 더 두드러진 특징이 간략하게 논의될 것이다. 이 논의를 고려한 후, 그리고 특히 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용"이라는 명칭의 섹션을 읽은 후에는, 본원에 설명된 실시예의 특징이 어떻게 기존 시스템, 장치 및 방법을 능가하는 이점을 제공하는지가 이해될 것이다.
일 실시예는 열 에너지 저장 시스템이다. 시스템은 불화칼륨 4수화물 및 제올라이트를 포함하는 상변화 재료; 및 상변화 재료와 열적으로 연통하는 열전달 유체를 포함하는 냉각 루프를 구비할 수도 있다.
본 개시의 전술한 그리고 기타 특징이 첨부 도면과 함께 취한 이하의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 더 완전히 명백해질 것이다. 이들 도면이 본 개시에 따른 단지 몇몇 실시예를 나타내는 것으로서 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것이 이해되며, 본 개시가 첨부 도면의 사용을 통해 추가의 특수성 및 세부 사항과 함께 설명될 것이다. 이하의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 유사한 기호는 전형적으로, 문맥에 달리 지시되지 않는 한, 유사한 구성 요소를 식별하는 데 사용된다. 상세한 설명, 도면, 및 청구범위에 설명된 예시적인 실시예가 제한을 의미하는 것은 아니다. 여기에 제시된 주제의 정신 또는 범위를 벗어나지 않으면서 기타 실시예가 이용될 수도 있으며 기타 변경이 이루어질 수도 있다. 본원에서 일반적으로 설명되고 도면에 도시된 바와 같은 본 개시의 양태가 상당히 다양한 상이한 구성으로 배열, 대체, 조합 및 설계될 수 있으며, 이들 모두가 명시적으로 고려되며 본 개시의 일부를 구성한다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 열 에너지 저장 시스템 및 증기 압축 시스템을 구비한 열 에너지 냉각 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 열 에너지 냉각 시스템의 일부인 제어 시스템의 일 실시예의 블록도이다.
도 3은 열 에너지 냉각 시스템을 작동시키는 일 실시예의 흐름도이다.
도 4a는 13X 제올라이트 및 13X마이크로 제올라이트가 있는 불화칼륨 4수화물 상변화 재료의 동결 개시 온도를 보여주는 차트이다.
도 4b는 다양한 2%, 3% 또는 4% 제올라이트 농도의 각종 제올라이트가 있는 불화칼륨 4수화물 상변화 재료의 동결 개시 온도를 보여주는 차트이다.
도 5는 다양한 제올라이트가 있는 CaCl2*4H2O 상변화 재료의 동결 개시 온도를 보여주는 차트이다.
생성물, 장치 또는 기타 열 부하를 급속 냉각하기 위한 열 에너지 저장 시스템을 포함하는 열 에너지 냉각 시스템이 개시되어 있다. 열 에너지 저장 시스템은 지향성 에너지 무기 시스템을 포함한 각종 시스템에 의해 발생되는 열을 흡수하는 싱크(sink)의 역할을 할 수 있다. 일 실시예에서, 열 에너지 저장 시스템은 제올라이트 핵 생성제와 조합된 염 수화물 상변화 재료(PCM)를 포함한다. 제올라이트 핵 생성제를 첨가하면 염 수화물의 실제 융점과 용융된 염 수화물이 동결을 개시하는 온도 사이의 온도차가 감소하는 것으로 밝혀졌다. 이 온도차를 때때로 과냉각(subcooling 또는 supercooling)이라고도 한다. 염 수화물의 과냉각이 감소하면, 이제 냉각 에너지가 더 높은 온도에서 제공됨에 따라 열 에너지 저장 시스템의 각각의 냉각 사이클 동안 냉각 에너지를 제공하는 데 더 적은 에너지를 필요로 하게 됨으로써, 열 에너지 저장 시스템에 열 에너지를 제공하는 냉동 장비의 효율과 성능이 증가된다. 예를 들어, 제올라이트 핵 생성제와 함께 불화칼륨 상변화 재료를 사용할 경우, 제올라이트 핵 생성제의 부재 시에 결정화를 개시하기 위해 PCM을 3℃ 내지 5℃로 냉각하여야 하는 것과는 대조적으로, 냉각 시스템이 열 에너지 저장 시스템을 9℃ 내지 11℃로 냉각하기만 하면 된다. 이러한 냉각 온도 상승은 또한, 냉각 시스템의 냉각 용량을 증가시키거나, 역으로 상변화 재료를 동결하기 위해 주어진 냉각 부하에 대해 필요한 장비 용량 및 크기를 감소시킨다.
레이저 무기 시스템을 냉각하기 위해 본 발명의 실시예 내에서 사용되는 상변화 재료는, 예를 들어, 불화칼륨 4수화물("KF4H2O")일 수도 있다.
제올라이트는 3차원 기공 망(pore network)을 가진 결정질 고체이다. 제올라이트는 여러 속성, 특히 불화칼륨 4수화물과 같은 수화 상변화 재료로부터 과도한 결정학적 물을 제거하거나 저장하는 데 도움이 되는 높은 표면적 및 기공 부피를 제공할 수 있다. 제올라이트는 PCM의 용융 위상 동안 고체로 남아 있으며, 따라서 용융된 PCM이 재동결되거나 재고화될 수도 있는 "시드(seed)" 또는 핵 생성제로서 작용할 수 있으며, 그 결과 제올라이트 부재 시와 비교하여 과냉각이 감소하는 것으로 밝혀졌다. 규칙적이고 반복적이며 균일한 결정 구조와 크기 덕분에, PCM이 재동결될 수 있는 용융물에 균일한 단계가 제공된다. 이와 같이 제올라이트 핵 생성제를 첨가하면, 제올라이트 핵 생성제가 없는 PCM에 비해, PCM 과냉각을 약 3도 내지 10도 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
제올라이트는 다양한 형태의 3차원 결정 구조로 성장하거나 자연적으로 발생할 수도 있는 알루미노 규산염 골격의 알칼리 금속으로 구성된다. 제올라이트 결정 구조는 유형 X, 유형 Y, 및 유형 A를 포함하며, 이들 유형은 다수의 유형 중에서도 산업적으로 가장 중요한 것 중 일부로서, 각각 다양한 기공 개구 크기를 가지며, 알루미나 골격의 반대 이온으로서의 다양한 알칼리 금속으로 공식화된다. 또한, 실리카와 알루미나의 상대적인 양이 각각의 제올라이트 공식의 산도 및 소수성을 조정하기 위해 변할 수도 있다. 마지막으로, 제올라이트 분말이 점토와 같은 고착제(binder)를 사용하여 다양한 형상과 크기로 압축된다.
일부 실시예에서, 제올라이트가 X 제올라이트로서, 이의 나트륨(Na) 형태가 일반적이며 13X로 지칭된다. 이것은 Na2O·Al2O3 ·(2.8±0.2)SiO2·(6-7)H2O로 근사화된 화학식을 갖는 약 8.1 옹스트롬의 유효 기공 크기를 갖는다. 실리카 대 알루미나의 비율은 2.1에 가깝게 감소될 수도 있다(예를 들어, QxySiv® 5XP 제품). 다른 실시예로서, 전형적으로 산업적으로 사용되는 것보다 작은 13X의 입자가 사용된다(13X마이크로).
유형 A 결정은 형상이 상이하며 알칼리 금속에 따라 3Å, 4Å, 5Å의 기공을 갖는다. 예를 들어, 제올라이트 5A는 0.75Ca20·0.25Na2O·Al2O3·2SiO2·(4-5)H2O 13X마이크로로 형성된 5 옹스트롬의 기공 크기를 갖는다. 유형 4A 제올라이트 결정은, 그 초기 결정의 기공 개구의 크기가 직경이 4 옹스트롬이므로, 유형 A 결정이 초기에 성장되는 경우 형성된다. 그러나, 유형 4A 제올라이트의 기공 크기는 기공 크기를 변화시키기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 칼륨과 유형 4A 제올라이트의 나트륨을 교환하면 더 작은 3 옹스트롬 기공이 형성되어, 유형 3A 제올라이트가 초래된다.
유형 Y 제올라이트는 일반적으로, 12개 산소 원자 고리를 갖는 대략 8Å의 기공 개구를 통해 사면체형으로 연결된 구형 내부 공동을 갖는다. 일부 Y 제올라이트는 초안정 Y(USY) 제올라이트로 알려져 있다. 기타 제올라이트는 희토류 초안정 Y 제올라이트(REUSY)로 알려져 있다. 일반적인 형태는 암모늄 양이온을 포함한다.
실리카 대 알루미나 비율이 높으면 제올라이트가 덜 친수성으로 되며 더 친유성(또는 소수성)으로 된다. 일 예로서, 최대 6Å의 중요한(또는 충돌이나 운동) 직경을 가진 분자를 흡착하기 위한 기공 구조를 가진 HiSiv3000가 있다.
사용 시에, 제올라이트가 열 저장 시스템 내부의 PCM에 핵 생성제로서 첨가될 수도 있다. 제올라이트는 최종 PCM의 1 질량% 내지 3 질량%의 최종 농도 또는 이 범위 이내의 임의의 값으로 첨가될 수도 있다. 일부 실시예에서, PCM 내부의 제올라이트의 양은 구체적으로, 적어도 1 질량%, 1.5 질량%, 2 질량%, 2.5 질량% 또는 3 질량%, 또는 그 이상이다. 일부 실시예에서는 더 높은 농도도 가능하다.
제올라이트 핵 생성제를 PCM에 첨가하면, 제올라이트 첨가제가 사용되지 않았던 경우에 비해, PCM의 과냉각이 감소한 것으로 밝혀졌다. 제올라이트 핵 생성제 없이 KF.4H2O 상변화 재료가 결정 형성 및 동결을 개시하기 위해서는 상변화 재료가 대략 3℃ 내지 5℃로 냉각될 필요가 있었다. 제올라이트를 첨가하면 KF.4H2O 상변화 재료가 9℃ 내지 11℃에서 결정화를 개시할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서 과냉각이 5℃ 내지 7℃ 감소하였다. 각각의 동결 사이클에서 PCM의 동결을 개시하기 위한 5℃와 비교하여, 상변화 재료가 9℃ 내지 11℃로 냉각되기만 하면 되는 경우, 열 에너지 저장 시스템의 전체 에너지 소비가 훨씬 적다. 이와 같이 온도가 더 높으면 열 에너지 시스템을 냉각하기 위한 더 작고 더 가벼운 냉각 시스템을 초래할 수도 있어, 전체 시스템의 전반적인 에너지 절약으로 이어질 수 있다. 냉각 시스템이 더 작아지면, 이동식 트레일러 용례의 경우 더 작은 발전기가 사용되도록 할 수도 있어, 전체 열 에너지 저장 시스템의 크기, 중량 및 전력이 추가로 감소된다.
일 실시예에서, 열 에너지 냉각 시스템은 흡수 열의 급속 소산을 위해 지향성 에너지 무기 시스템과 열 접촉하는 열교환기로부터 열전달 유체를 열 에너지 저장 시스템을 통해 펌핑한다. 열전달 유체가 에틸렌 글리콜수 또는 상변화 냉매일 수도 있다. 이 실시예에서, 시스템은 레이저 무기 시스템의 광섬유 증폭기 및 기타 중요한 시스템 구성 요소를 약 15℃ 내지 35℃, 20℃ 내지 30℃, 또는 22℃ 내지 28℃, 또는 유사한 온도 범위에 유지하도록 구성될 수도 있다.
상기 언급된 고에너지 레이저 냉각 시스템과 함께 사용하기 위해 적용 가능한 열 에너지 저장 시스템은 약 10℃ 내지 약 25℃의 상전이 온도로 고체-액체 상변화를 경험하도록 구성될 수도 있다. 이 범위는, 레이저로의 열전달 유체(냉각제) 흐름이 약 20℃ 내지 30℃의 범위의 온도를 갖는다고 가정하면, 약 15℃ 내지 25℃일 수도 있다. 333 kJ/kg의 높은 상변화 에너지로 인해 얼음을 상변화 재료로서 사용하는 기타 방안이 이전에 논의되었다. 물에서 얼음으로의 상전이 온도가 0℃라는 점과 과냉각 및 열전달을 고려하면, 얼음을 동결하는 데 필요한 열전달 유체의 온도는 -6℃ 내지 -10℃ 정도이어야 한다. 따라서, 약 20℃로 냉각되는 것만을 필요로 하는 용례를 위해 얼음의 열 에너지를 저장하는 것은 매우 에너지 비효율적이다. 열전달 유체를 -6℃ 내지 -10℃까지 냉각하는 데 필요한 증기 압축 장비는 전력을 많이 소비할 것이며, 이러한 낮은 유체 온도에서 급속 동결을 달성하기 위한 과도하게 큰 용량에 맞게 크기가 조정되어야 할 것이다.
약 10℃ 내지 20℃의 더 적절한 상전이 온도를 갖는 상변화 재료는 상변화 에너지가 더 낮으며, 일부 파라핀 및 수화 염은 재료 에너지 밀도가 약 200 kJ/kg이거나 이보다 약간 높다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 잠열이 200 kJ/kg를 넘는 상변화 재료 에너지 밀도를 갖는 상변화 재료를 갖는 열 에너지 저장을 사용하는 냉각 시스템이다. 이것은 합리적인 에너지 밀도의 시스템을 산출한다. 소형화 특성을 달성하기 위해서는 상변화 재료가 또한 상대적으로 높은 재료 밀도를 갖추어야 한다. 얼음의 재료 밀도는 대략 1g/cc이다. 파라핀의 재료 밀도는 1 g/cc 미만으로 종종 0.8 g/cc 내지 0.85 g/cc에 불과하다. 반대로, 수화 염 착물은 일반적으로, 밀도가 1 g/cc를 훨씬 초과하여, 주어진 질량의 상변화 재료의 에너지 저장 시스템의 부피가 더 소형화되도록 한다. 일 실시예에서, 본 발명의 실시예 내에서 사용되는 상변화 재료의 재료 밀도가 1.1 g/cc, 1.2 g/cc, 1.3 g/cc, 1.4 g/cc, 또는 그 이상을 넘어, 상변화 재료를 매우 부피 효율적으로 만든다.
일 실시예에서, 열 에너지 저장 시스템은 불화칼륨계 상변화 재료를 사용한다. 불화칼륨, 특히, 불화칼륨 4수화물의 특성으로 인해 열 에너지 저장 시스템은 지향성 에너지 무기 시스템과 같은 시스템으로부터 발생하는 비교적 큰 분출 열을 급속히 흡수할 수 있게 된다. 특히, 이 용융 염 수화물을 제올라이트 핵 생성제로 재동결시킬 때, 제올라이트가 없는 경우보다 과냉각이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
상변화 재료가 열 에너지 저장 시스템으로서 사용되는 레이저 무기 냉각 시스템의 작동 조건은 계절적인 또는 주간의 열 에너지 저장을 위해 전통적으로 필요한 것보다 훨씬 더한 급속 용융 및 동결 기간을 요구한다. 열 에너지 저장 시스템에서의 상변화 재료의 시스템 방출(용융)은 종종 5분 미만으로, 그리고 더 빈번하게는 심지어 3분이나 심지어 2분 미만으로 발생하여야 한다. 상변화 재료를 충전(재고화 또는 재동결)하는 시간도 훨씬 더 짧아, 전형적으로 20분 미만이며, 종종 10분, 8분, 6분, 5분 또는 4분 미만이다. 일부 실시예에서, 일단 열 에너지 저장 시스템의 상변화 재료가 고체 상태로 동결되어, 저장 시스템이 충전되면, 상변화 재료가 그 고체 상태로 유지될 필요가 있다. 상변화 재료를 고체 상태로 유지하기 위해, 액체 상태로 전이된 임의의 상변화 재료가 다시 고체 상태로 냉각되며 및/또는 고체 상태로 유지되도록 증기 압축 시스템이 특정 시간 간격으로 활성화될 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "동결된(frozen)" 및 용어 "고체(solid)"는 상호 호환 가능하게 사용된다.
사용 동안, 레이저 무기가 1분, 2분, 3분 또는 심지어 5분의 총 발사 기간 동안 활성화될 수도 있다. 발사 기간은 일반적으로 각각의 표적에 대해 몇 초의 펄스로 짧게는 2초나 3초, 길게는 약 10초 내지 15초 발생하기 때문에, 1분, 2분, 3분 또는 심지어 5분의 총 방출 기간이 5분 내지 30분의 기간에 걸쳐 발생할 수 있다. 표적 출현 또는 그 결핍에 따라, 시스템이 또한 완전히 고갈되기 전에 재충전될 수도 있다. 그러나, 열 에너지 저장 시스템을 포함하는 열 관리 시스템의 설계 요건에 따르면 일반적으로, 발생할 가능성이 높지 않은, 1분, 2분, 3분 또는 심지어 5분 동안 연속적으로 레이저를 방출하는 최악의 시나리오 하에서 작동할 수 있어야 한다. 이에 따라, 열 에너지 냉각 시스템은, 바람직하게는, 이 전체 연속적인 시간 기간에 걸쳐 열 에너지 저장 시스템의 방출을 행하고 레이저를 냉각할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 물론, 특정 필요에 따라 발사 사이의 일시 중지를 포함한 총 활성화 기간이 더 길어질 수도 있다. 또한, 시스템은, 바람직하게는, 열 에너지 냉각 시스템이 추가 활성화 기간 동안 레이저 무기를 효과적으로 냉각할 준비가 될 수 있도록 활성화 시간이 종료되고 나면 열 에너지 저장 시스템의 상변화 매질을 상당히 급속히, 예를 들어, 20분, 10분, 8분, 6분, 5분 또는 4분 미만으로 재충전(재동결)할 수 있다.
레이저 무기 열 관리에 있어서 열 에너지 저장 시스템의 일 목적은, 군용으로 종종 SWaP(크기 중량 및 전력)로 일컬어지는 질량과 부피를, 열 에너지 저장 시스템이 없는 것과 비교하여, 감소시키는 것이다. 크기 및 중량 이점을 촉진하기 위해, 열 에너지 저장 시스템은, 전형적으로 25분 미만이며 종종 10분, 8분, 6분, 5분 또는 4분 미만의 동결 시간과 5분 미만이며 종종 3분 또는 2분인 용융 시간의 위에 주어진 시간 제약 이내에, 일반적으로 50%를 넘는, 바람직하게는 75%를 넘는 또는 90%를 넘는 상변화 재료에 대해 상변화 프로세스를 완료할 것으로 예상된다.
일 실시예에서, 열 에너지 저장 시스템은 인클로저(enclosure) 또는 탱크(tank)를 포함하며, 이것은 탱크 전체에 걸쳐 연장되는 열전달 플레이트 또는 튜브 시스템을 포함한다. 설계에 따라, 상변화 재료가 열전달 플레이트 내부 또는 외부에 위치할 수도 있으며 열전달 유체가 타측에 위치할 수도 있다. 이러한 평평한 시스템에 대한 대안의 설계로서, 튜브 열교환기 사이에 상변화 재료가 있는 튜브 유형 구성이 있다. 두 가지 유형의 시스템 모두가 열전달 매질과 상변화 재료, 예를 들어, 불화칼륨 사이의 증가된 열전달을 위해 상변화 매질측 상에 핀(fin)을 구비할 수도 있다.
일 실시예에서, 열 에너지 저장 시스템이 하나 이상의 모듈로 형성될 수도 있으며, 각각의 모듈이 복수의 열전달 플레이트를 구비하여, 상변화 재료가 열전달 플레이트의 내부에 있으며 열전달 유체가 열전달 플레이트의 외부에서 그리고 탱크의 내부에서 유동한다. 예를 들어, 납땜 플레이트 열교환기(BPHE)가 일 실시예에서 사용될 수도 있다. 이러한 BPHE에서는, 상변화 재료가 플레이트의 일 측면 상에 있으며 냉매 또는 기타 열전달 유체가 플레이트의 다른 측면 상에 있을 수도 있다. 냉매용 플레이트와 상변화 재료용 플레이트 사이의 간극이나 공간이 반드시 동일한 크기인 것은 아니다.
일 실시예에서, 증기 압축 시스템은 사용 동안 열 에너지 저장 시스템을 냉각하는 데 사용된다. 13X, Y, 또는 13X마이크로와 같은 제올라이트 핵 생성제와 함께 불화칼륨 4수화물 상변화 재료가 PCM의 결정 형성을 시작하기 위해 18℃의 KF 4H2O 전이 온도 아래 7℃ 내지 9℃로 냉각될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 일단 상변화 재료의 고화가 시작되었으면, 증기 압축 시스템에 의해 냉각된 열전달 유체가, 급속 동결을 위한 적절한 차동 온도가 유지되는 경우, PCM 동결 프로세스를 완료하기 위해 18℃의 전이 온도에 가까운 온도로 조정될 수 있다. 이것은 상대적으로 적은 양의 냉각 에너지가 약 9℃ 내지 11℃의 온도에서 증기 압축 시스템으로부터 열 저장 시스템으로 전달되어, 불화칼륨 4수화물 재료의 상변화 온도에 훨씬 더 가까운 열전달 유체에 의해 제공되는 냉각 에너지의 나머지 부분으로 상변화 재료의 결정화를 개시하는 작동 전략을 요구할 수도 있다. 상대적으로 더 높은 온도에 있는 열전달 유체 또는 냉매로 상변화 재료를 냉각시킴으로써, 전체 냉각 시스템 용량과 에너지 효율이 훨씬 더 높아지는데, 그 이유는 증기 압축 시스템이 더 높은 온도에 있는 열전달 유체로 냉각 에너지를 제공하기 위해 많은 에너지를 필요로 하지 않아 더 높은 냉각 용량을 제공하기 때문이다.
일 실시예에서, 시스템은 상변화 재료가 완전히 용융되는 것을 방지하기 위해 동결된 고체 상변화 재료 비축분을 유지하도록 작동된다. 상변화 재료의 결정화를 개시하는 데 필요한 열전달 유체 온도가 상대적으로 높기 때문에, 열 에너지 저장 유닛 내부에 결정화된 고체 상변화 재료 비축분을 유지함으로써 시스템이 더 에너지 효율적일 수도 있다. 예를 들어, 열 에너지 저장 시스템의 각각의 하위 격실 부분(예를 들어, 플레이트 사이의 공간)이 최소 백분율의 동결된 상태의 결정화된 상변화 재료를 보유할 수도 있다. 예를 들어, 보유 최소 백분율은 총 고체 상변화 재료의 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 15% 또는 그 이상일 수도 있다. 보유 부분이 열 에너지 저장 시스템의 상변화 재료의 총 부피의 2% 내지 5%, 4% 내지 8%, 또는 5% 내지 10%, 5% 내지 15%, 10% 내지 15%, 또는 15% 내지 20%일 수도 있다. 물론, 총 동결 상변화 재료의 백분율이 높아지면 또한, 초기 핵 생성 및 결정화도 필요없게 될 것이다.
시스템이 최소량의 고체 상변화 재료를 보유하는 경우, 열 에너지 저장 시스템을 동결하는 데 필요한 열전달 유체의 온도가, 예를 들어, 11℃ 내지 15℃일 수 있다. 상변화 재료가 완전히 용융되는 것이 허용되는 경우, 열전달 유체의 온도가 상변화 재료의 결정화 및 고화/동결을 개시하기 위해 9℃ 이하이어야 할 수도 있다. 이에 따라, 일 실시예에서, 냉각 작동 동안 결정화된 고체 상변화 재료의 최소 보유 부분을 유지하며 상변화 재료가 완전히 용융되는 것을 방지하는 것이 더 에너지 효율적이다.
일 실시예에서, 제어 시스템은, 열전달 유체의 유량과 함께, 열 에너지 저장 시스템에 들어오고 나가는 열전달 유체 온도 또는 상변화 재료의 온도를 모니터링한다. 이러한 데이터로부터 제어 시스템은 열 에너지 저장 시스템에 남아 있는 동결된 상변화 재료의 양을 계산하거나 추정할 수도 있다. 열 에너지 저장 시스템은 수십 개 이상의 별도의 평평한 플레이트, 채널 또는 튜브로 구성될 수도 있다. 플레이트의 경우, 각각의 플레이트의 내부에 대략적인 양의 동결 상변화 재료가 위치할 수도 있다. 각각의 개별 플레이트의 실제 동결된 상변화 재료의 실제 양을 측정하는 것은 실용적이지 않을 수도 있어, 상변화 재료의 전체 온도와 열전달 유체 흐름을 측정함으로써 동결된 상변화 재료의 양을 추정하는 것이 보다 실용적일 수도 있다.
일 실시예에서, 열 에너지 냉각 시스템은 레이저 무기 시스템과 같은 지향성 에너지 무기 시스템의 각각의 발사 이벤트로부터 발생된 열을 제거하기 위해 분출 모드 냉각 시스템으로서 작용한다. 각각의 발사 사이클 동안, 시스템은 무기로부터 냉각 및 열 에너지 저장 시스템으로 열 에너지를 전달한다. 일 실시예에서, 이것은 열 저장 시스템을 통해 연장되며 글리콜/물 또는 냉매와 같은 열적인 열전달 유체를 내포하는 한 세트의 열전달 플레이트 세트를 사용하여 달성될 수 있다. 대안으로서, 유체가 열전달 플레이트의 외부에서 흐를 수 있으며, 열전달 플레이트 내에 상변화 재료가 있다. 항상 바람직한 것은 아니지만, 지향성 에너지 무기 시스템으로부터 나오는 냉매 또는 열전달 유체가 증기 압축 시스템을 통해 경로가 정해져 가열된 열전달 유체에 대해 초기 냉각을 수행한 다음 열 에너지 저장 시스템을 통해 순환할 수도 있는 것도 가능하다.
다른 실시예에서, 증기 압축 시스템이 지향성 에너지 무기 시스템이 발사됨에 따라 열 에너지 저장 시스템의 냉각 용량을 보충하는 데 사용된다. 이에 따라, 발사 이벤트 동안, 증기 압축 시스템 및 열 에너지 저장 시스템이 모두 일제히 작용하여 지향성 에너지 무기 시스템으로부터 열을 제거하기 위한 냉각 용량을 제공할 수도 있다. 일 실시예에서, 증기 압축 시스템용 제어 시스템은 전체 시스템의 효율을 증가시키기 위해 사용되는 벡터 구동 제어부이다.
다른 실시예에서는, 시스템이 시스템의 구성 요소를 그 작동 온도로 만들기 위해 열전달 유체의 온도를 증가시키도록 구성된 히터를 포함한다. 예를 들어, 레이저 다이오드 증폭기 및 다이오드와 같은 레이저 무기의 구성 요소가 15℃ 내지 35℃의 온도에서 가장 신뢰할 수 있게 기능하도록 설계될 수도 있다. 주변 온도가 5℃이면, 시스템은 레이저 구성 요소로의 가온된 열전달 유체의 순환을 시작하기 위해 시스템 내부의 열전달 유체 루프에 연결된 히터를 활성화시킬 수도 있다. 유사하게, 호텔 부하의 구성 요소가 또한, 이들 구성 요소가 상대적으로 차가운 주변 환경에 있는 경우, 구성 요소의 작동 온도까지 가온되어야 할 수도 있다. 따라서, 히터가 또한, 시스템에 연결된 호텔 부하를 통해 연장되는 열전달 유체 루프에 밸브를 통해 연결될 수도 있다. 히터는 발전기로부터의 폐열을 통해, 또는 연료의 연소에 의해 가열될 수도 있으며, 또는 일부 실시예에서는 전기 저항 히터일 수도 있다, 일 실시예에서, 히터는, 구성 요소의 가열 또는 냉각을 필요로 하는지 여부에 관계없이, 각각의 시스템 구성 요소를 구성 요소의 작동 온도 범위 이내로 유지하기 위해 제어부 및 일련의 온도 센서에 연결된다.
지향성 에너지 무기 시스템은 또한, 무기 시스템을 효율적으로 작동시키기 위해서는 냉각되어야 하는 추가의 보조적인 기계 또는 전기 장비 또는 구성 요소를 포함할 수도 있다. "호텔 부하(hotel load)"라고도 하는 이러한 추가 장비에는 센서, 레이더 시스템, 배터리, 전력 모듈, 발전기, 펌프, 모터, 컴퓨터, 전자 제품, 및 주요 무기 시스템에 보조적인 기타 장비가 포함될 수도 있다. 사막과 같이 특히 따뜻한 환경에서는, 이러한 추가 구성 요소가 사용하기 전에 냉각됨으로써 보다 효율적으로 작동할 수도 있다. 따라서, 일 실시예에서, 열 에너지 냉각 시스템은 이러한 추가 구성 요소(뿐만 아니라 레이저 다이오드 증폭기)를 이들 구성 요소가 더 따뜻한 환경에서 효율적으로 작동하도록 소정의 온도로 또는 온도 범위 내에서 냉각하도록 구성된 보조 냉각 시스템으로서 작용하는 증기 압축 시스템을 포함한다.
일부 실시예에서, 지향성 에너지 무기 시스템 및 호텔 부하가 단일 플랫폼 상에 위치된다. 플랫폼은 지향성 에너지 무기 시스템의 구성 요소와 호텔 부하를 모니터링하며 이들로 신호를 송신하기 위한 각종 상이한 센서를 포함할 수도 있다. 이러한 센서는, 분출 모드 냉각 사이클을 포함하는 무기 시스템을 활성화시키며 열 에너지 저장 시스템의 방출을 행하기 위한 적절한 시간을 결정하기 위해, 열 에너지 냉각 시스템 제어부를 포함하는 무기 시스템에서 판독되는 센서 데이터를 생성하는 데 사용된다. 일부 실시예에서는, 제어부가 또한 플랫폼 상에 위치되지 않은 센서 및 시스템으로부터 센서 데이터를 수신하며, 제어부가 이러한 외부 센서 데이터를 사용하여 무기 시스템 및 분출 모드 냉각 이벤트를 활성화시키기 위한 정확한 시간을 결정하는 것을 도울 수도 있다.
증기 압축 시스템이 다수의 압축기로 구성될 수도 있으며, 이중 일부는 열 에너지 저장 시스템에서 불화칼륨 4수화물과 같은 동결된 상변화 재료를 동결 및 유지하는 데 사용되며, 일부는 호텔 부하를 냉각하도록 구성된다. 그러나, 열 에너지 저장 시스템을 충전할 필요가 있다는 제어 신호가 주어지면, 호텔 부하가 일시적인 냉각 결핍을 감당할 수 있다고 결정되는 경우 모든 압축기가 열 에너지 저장 시스템을 충전하도록 활성화될 수도 있다. 이 결정은 호텔 부하의 개별 구성 요소가 개별 구성 요소 설계 온도 이하인 것으로 검출되는지 여부에 기초할 수도 있다. 압축기의 일부 또는 전부가 또한, 방출되고 있는 열 에너지 저장 시스템의 사용과 병행하여 고에너지 레이저를 냉각하는 데에 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 증기 압축 시스템은 약 1 kW 내지 50 kW, 51 kW 내지 100 kW, 또는 최대 수백 킬로와트 이상의 냉각 전력 용량을 갖는다.
일부 실시예에서, 증기 압축 시스템은 증기 압축 시스템의 출력 용량을 변화시키도록 제어되는 가변 속도 압축기를 갖는 증기 압축 시스템을 포함한다. 증기 압축 시스템은 압축기에 가해지는 토크를 변화시켜 증기 압축 시스템의 효율을 최적화하도록 구성된 벡터 제어 시스템(VCS)에 의해 제어될 수도 있다.
열 에너지 저장 시스템은 탱크 내부에서 또는 열전달 튜브 내부에서 또는 핀 또는 플레이트 사이에서 PCM과 제올라이트 혼합물을 동결함으로써 작동할 수도 있다. 예를 들어, 증기 압축 시스템은 일련의 열전달 채널, 열전달 튜브, 플레이트 또는 기타 열교환기에서 열 에너지 시스템을 통해 흐르는 프로필렌 글리콜 또는 에틸렌 글리콜 및 물과 같은 열전달 액체와 물을 냉각할 수도 있다. 열교환기는, PCM을 수용하여 PCM을 액체에서 고체로 변하도록 냉각하는, 격실 내부에 있을 수도 있다. 다른 실시예에서는, 열 에너지 저장 시스템은 상변화 재료로 채워진 일련의 열전달 튜브 또는 평평한 플레이트를 포함하며, 열전달 유체가 탱크로 흘러들어가 상기 채워진 상태의 열전달 튜브 또는 플레이트를 둘러싼다. 시스템이 발사 이벤트로부터의 열을 소산시켜야 하는 경우, 열전달 유체(냉매 또는 펌핑된 열적 열전달 액체)가 열 에너지 저장 시스템 내로 순환하며 PCM을 액상으로 용융시켜, 이에 의해 열을 소산시킨다.
또한, 각각 증기 압축 시스템에 의해 직렬 또는 병렬로 냉각(또는 가열)되어야 하는 호텔 부하의 다수의 상이한 구성 요소가 있을 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 일 실시예에서, 증기 압축 시스템은 상대적으로 차가운 구성 요소로부터 더 뜨거운 구성 요소로 열전달 유체를 흐르게 함으로써 한 세트의 호텔 부하 구성 요소를 순차적으로 냉각시킨다. 예를 들어, 증기 압축 시스템은 40℃에서 작동하는 제 1 구성 요소에 인접하거나 연결된 제 1 열교환기로 열적 열전달 유체를 운반하는 유체 라인을 구비할 수도 있다. 열적 열전달 유체가 제 1 열교환기를 떠날 때 이 유체가 제 1 구성 요소를 35℃로 냉각시키며 거의 30℃로 가온될 수도 있다. 그런 다음 유체 라인이 50℃에서 작동하는 제 2 호텔 부하 구성 요소에 인접하거나 통합된 제 2 열교환기로 들어갈 수도 있다. 열적 열전달 유체가 추가 열을 흡수할 수 있는 능력이 여전히 있는 경우, 이 유체가 제 2 구성 요소를 50℃에서 45℃의 온도로 냉각할 수 있다.
제 2 실시예에서, 증기 압축 시스템은 호텔 부하 내부의 구성 요소 중 하나 이상에 병렬로 연결될 수도 있어, 각각의 구성 요소가 증기 압축 시스템의 증발기로부터 직접 들어오는 냉각된 유체에 연결된 열교환기를 구비한다.
일 실시예에서, 호텔 부하가 차량의 호텔 부하일 수도 있다. 일 실시예에서, 호텔 부하가 추진 이외의 차량 상의 모든 시스템에 의해 야기되는 열 부하이다. 예를 들어, 군용 수송 차량의 호텔 부하는 레이더 장비, 인버터, 전자 제품, 배터리, 객실 부하 및 전투원으로 인해 야기되는 열 부하일 수도 있다. 증기 압축 시스템의 실시예는 이러한 호텔 부하를 소정의 온도에 유지하기 위해 호텔 부하를 열적으로 조절하도록 구성될 수도 있다.
제어 시스템은 시스템의 분출 모드 냉각 사이클을 활성화시키기 위해 다양한 방식으로 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 제어부는 시스템에서 냉매 또는 열전달 유체의 흐름을 활성화, 조절 또는 비활성화시키는 임의의 전자 장치 또는 기기이다. 제어 시스템은 시스템 전체에 걸쳐 열전달 유체를 이동시키는 펌프, 팬 또는 밸브를 제어하는 임의의 전자 장치 또는 기기를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템이 하나 이상의 온도 센서에 연결되며, 지향성 에너지 무기 시스템 근처의 온도 센서가 소정의 목표 온도에 도달할 때 분출 모드 냉각 사이클을 활성화시킨다. 온도 센서가 지향성 에너지 무기 시스템에 열적으로 연결될 수도 있어, 열 부하가 소정의 목표 온도에 도달할 때 분출 모드 냉각 사이클이 시작된다. 대안으로서, 제어 시스템이 분출 모드 냉각 사이클을 촉발하는 활성화 신호에 전자적으로 연결될 수도 있다. 접근하는 표적(들)의 지능형 신호화를 포함한 다양한 데이터를 감지한 다음 냉각 사이클을 활성화시킬 때를 예측하는 예측 방법 또는 프로세스에 의해 활성화 신호가 제어될 수도 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 열 부하의 현재 온도, 마지막 활성화 이후 시간, 및 지향성 에너지 무기 시스템에 연결된 장치의 다른 장비 상태를 감지할 수도 있다. 이 데이터를 사용하여 시스템은 지향성 에너지 무기 시스템이 가열을 시작하기 직전에 분출 모드 냉각 사이클을 활성화시킬 수도 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템은 결정된 냉각 이벤트의 1초, 2초, 3초, 4초, 5초, 6초, 또는 10초 전에 냉각 사이클을 활성화시킬 수도 있다.
A. 시스템
도 1은 지향성 에너지 무기 시스템(140)에 인접하며 이에 연결된 열교환기(130)로부터 열 에너지 저장 시스템(110)으로 열전달 유체를 이동시킴으로써 작동의 처음 몇 초 동안 지향성 에너지 무기 시스템(140)을 급속 냉각하기 위한 분출 모드 냉각을 제공하도록 설계되는 증기 압축 시스템(115)을 구비한 하나의 예시적인 열 에너지 냉각 시스템(100)을 보여준다.
증기 압축 시스템(115)이 출력 제어 밸브(125)에 연결되며, 출력 제어 밸브는 증기 압축 시스템(115)으로부터 지향성 에너지 무기 시스템(140)과 열적으로 연통하는 열교환기(130)로의 열적 열전달 유체의 출력을 제어한다. 그리고 열교환기(130)가 한 세트의 입력 제어 밸브(120)와 연통하는 펌프(147)에 연결되어 증기 압축 시스템(115)으로부터 지향성 에너지 무기 시스템(140)으로 그리고 다시 역방향으로의 증기 압축 냉각 루프를 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 펌프(147) 및 입력 제어 밸브(120)도 열 에너지 저장 시스템(110)에 연결된다. 열 에너지 저장 시스템(110)은 활성 상태인 동안 지향성 에너지 무기 시스템을 냉각하는 데 사용되는 불화칼륨 4수화물/제올라이트 혼합물과 같은 동결되거나 부분적으로 동결된 상변화 재료를 포함할 수도 있다. 제올라이트가 상변화 재료에 대한 핵 생성제로서 작용하는 13X 제올라이트일 수도 있다. 열 에너지 저장 시스템이 출력 제어 밸브(125)에 연결되며, 출력 제어 밸브가 열 에너지 저장 시스템을 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기(130)에 연결한다. 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기(130)가 펌프(147)에 연결되며, 펌프가 열 에너지 저장 시스템 냉각 루프의 가열된 열적 열전달 유체를 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기(130)로부터 입력 제어 밸브(120)로 되돌리며 다시 열 에너지 저장 시스템(110)으로 되돌릴 수 있다. 일 실시예에서, 증기 압축 루프 및 열 에너지 저장 시스템 냉각 루프가 동일한 냉매 또는 열적 열전달 유체를 사용할 수도 있으며, 이에 의해 시스템(100)의 내부에서 연통하기 위해 동일한 배관, 밸브 및 펌프 중 일부를 공유할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 대안으로서, 시스템(100)은 증기 압축 시스템 및 열 에너지 저장 시스템으로부터의 병렬 냉각 루프를 포함할 수도 있으며, 여기서 이들 시스템은 동일한 냉매, 열적 열전달 유체, 배관, 밸브 및 펌프를 공유하지 않으며, 따라서 열적으로 지향성 에너지 무기 시스템과 동일하거나 상이한 열교환기를 통해 열적으로 연통한다.
일 실시예에서, 증기 압축 시스템(115)은 호텔 부하를 구성하는 시스템(100)의 구성 요소를 냉각하기 위해 호텔 부하 열교환기로의 증기 압축 냉각 루프를 형성하도록 설계된다. 도시된 바와 같이, 출력 제어 밸브(125)는 증기 압축 시스템으로부터 호텔 부하(145)에 인접한 호텔 부하 열교환기(135)로 열전달 유체 또는 냉매의 경로를 정할 수도 있다. 그런 다음, 펌프(147)가 호텔 부하 열교환기(135)로부터 나오는 열전달 유체 또는 냉매를 다시 입력 제어 밸브(120)를 통해 증기 압축 시스템(115)으로 재순환시켜 루프를 형성할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 증기 압축 시스템(115)은 또한, 열전달 유체를 열 에너지 저장 시스템(110) 내로 흐르게 하는 배관(147)을 통해 열 에너지 저장 시스템(110)에 연결된다. 사용 시에, 증기 압축 시스템이 열 에너지 저장 시스템을 냉각 및 충전하는 데 사용될 수도 있다. 열 에너지 저장 시스템(110)이 열전달 유체 또는 냉매로부터 열 에너지 저장 시스템(110) 내부의 동결된 상변화 재료로 열을 전달하도록 작용하는 납땜 플레이트 열교환기와 같은 일련의 열전달 튜브 또는 열전달 플레이트를 포함할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
위에서 언급한 바와 같이, 열 에너지 저장 시스템(110) 및 증기 압축 시스템(115)은 한 세트의 입력 제어 밸브(120)와 출력 제어 밸브(125)에 연결된다. 이들 밸브는 시스템(100)을 통해 그리고 각각의 구성 요소 내외로 흐르는 열적 열전달 유체 또는 2상 냉매의 흐름을 제어한다. 도시된 바와 같이, 제어 시스템(127)이 증기 압축 시스템(115), 입력 제어 밸브(120) 및 출력 제어 밸브(125)와 전기적으로 연통한다. 입력 제어 밸브(120) 및 출력 제어 밸브(125) 내부의 전기적으로 제어 가능한 밸브를 개폐함으로써, 제어 시스템이 시스템의 어떤 구성 요소가 작동 동안 임의의 특정 시간에 열전달 유체 또는 냉매를 순환시키는지를 제어할 수도 있다.
출력 제어 밸브(125)가 지향성 에너지 무기 시스템(140)과 열적으로 연통하는 지향성 에너지 시스템 열교환기에 연결된다. 지향성 에너지 무기 시스템(140)은 열교환기(130)에 열적으로 연결되는 것으로 도시되어 있다. 2상 냉매가 시스템(100)의 내부에서 순환되는 경우, 열교환기가 냉매의 상을 변경하거나 부분적으로 변경하도록 구성된 증발기일 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 열전달 유체 또는 글리콜-물과 같은 매질이 순환되는 경우, 열교환기가 열적 열전달 유체 내로 열을 흡수하도록 구성된 열전달 튜브, 코일 또는 플레이트일 수도 있다.
일 실시예에서, 지향성 에너지 무기 시스템이 고에너지 레이저일 수도 있으며, 지향성 에너지 시스템 열교환기(130)가 시스템이 활성화되는 동안 대량의 분출 열을 발생시키는 해당 시스템의 레이저 다이오드 및 다이오드 증폭기와 열적으로 연통할 수도 있다. 고에너지 레이저는 3 킬로와트, 5 킬로와트, 10 킬로와트, 15 킬로와트, 30 킬로와트, 50 킬로와트, 75 킬로와트, 100 킬로와트, 125 킬로와트, 150 킬로와트, 250 킬로와트, 또는 500 킬로와트 이상의 에너지 레이저로서의 레이저를 포함할 수도 있다.
출력 제어 밸브(125)가 또한, 지향성 에너지 무기 시스템(140)에 인접한 호텔 부하(145)와 열적으로 연통하는 하나 이상의 호텔 부하 열교환기(135)에 연결된다. 위에서 논의된 바와 같이, 호텔 부하(145)는 지향성 에너지 무기 시스템에 보조적인 배터리, 모터, 레이더, 통신 및 기타 장비를 포함할 수도 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 냉매 대신에 글리콜-물과 같은 열전달 매질이 사용되는 상황에서, 호텔 부하 열교환기가 열전달 매질로 열을 전달하도록 구성된 열전달 시스템으로 교체될 수도 있다.
펌프(147)가 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기(130) 및 호텔 부하 열교환기(135)의 출력측에 연결되며, 열적 열전달 유체 또는 냉매를 입력 제어 밸브(120)로 이동시키는 데 사용되어, 시스템이 이러한 유체를 열 에너지 저장 시스템(110) 또는 증기 압축 시스템(115) 내로 재순환시킬 수도 있다.
시스템(100)이 하나 이상의 펌프(147)를 포함할 수도 있으며 추가의 펌프, 팬, 밸브 및 모터가 본원에 설명된 바와 같이 작동하도록 시스템의 내부에 포함될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 열교환기(130, 135)로 열적 열전달 유체를 이동시키기 위해 출력 제어 밸브(125)에 인접하여 추가 펌프가 포함될 수도 있다. 열교환기를 가로질러 가열되거나 냉각된 공기를 이동시키기 위해 팬이 지향성 에너지 시스템 열교환기(130) 또는 호텔 부하 열교환기(135)에 인접하게 배치될 수도 있다.
시스템(100)은 사용 동안 시스템이 가열된 유체를 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기(130)로부터 증기 압축 시스템 및 열 에너지 저장 시스템 중 하나 또는 둘 모두로 경로를 정할 수도 있다는 점에서 유연하다. 열전달 유체의 온도와 시스템의 예상 냉각 요구에 따라, 열전달 유체가 냉각을 위해 열 에너지 저장 시스템으로만 경로가 정해질 수도 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 열전달 유체가 열 저장 시스템 및 증기 압축 시스템을 통해 병렬로 또는 순차적으로 경로가 정해질 수도 있다.
도 2는 시스템(100)의 동작을 제어하기 위한 명령으로 프로그래밍되는 제어 시스템(127)의 예시를 보여준다. 제어 시스템(127)은 시스템(100)의 밸브, 팬 및 기타 구성 요소를 관리할 수 있는 임의의 유형의 잘 알려진 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러일 수도 있는 프로세서(310)를 포함한다. 프로세서(310)는 시스템을 작동시키기기 위한 프로그램 및 명령을 저장하기 위한 메모리(312)에 연결된다.
프로세서(310)는 발사에 의해 활성화되는 지향성 에너지 무기 시스템에 응답하여 냉각 사이클을 활성화시키기 위한 명령을 포함하는 지향성 에너지 모듈(325)에 연결된다. 일 실시예에서, 지향성 에너지 모듈(325)은 증기 압축 시스템으로부터 분출 모드 냉각 사이클을 활성화시키며 소정의 신호가 제어 시스템(127)에 의해 수신될 때 열 부하를 급속 냉각하기 시작하도록 프로그래밍된다. 신호는 지향성 에너지 무기 시스템에 연결된 발사 시스템으로부터의 활성화 신호일 수도 있다. 각각의 발사 이벤트에 수반하여, 무기 시스템의 온도를 감소시키기 위해, 무기 시스템이 시스템(100)의 분출 냉각 모드를 촉발하기 위해 증기 압축 제어 모듈(345)과 인터페이스 연결될 수도 있다.
일 실시예에서, 지향성 에너지 모듈(325)은 지향성 에너지 열 부하의 온도를 모니터링하는 온도 센서와 통신한다. 일 실시예에서, 지향성 에너지 모듈(325)은 지향성 에너지 부하의 온도가 소정의 온도에 도달할 때 증기 압축 제어 모듈(345)과 인터페이스 연결됨으로써 분출 냉각 사이클을 활성화시킨다. 예를 들어, 지향성 에너지 시스템의 온도가 30℃를 넘게 되면, 지향성 에너지 모듈(325)은 열전달 유체를 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기로 그리고 열 에너지 저장 시스템을 통해 급속히 순환시키기 시작하도록 증기 압축 제어 모듈(345)에 지시한다. 온도가 15℃ 아래이면, 가열 시스템이 활성화되어 온도를 높인다. 일부 실시예에서, 증기 압축 제어 모듈은 지향성 에너지 부하의 온도가 25℃를 넘거나 35℃를 넘으면 활성화될 수도 있다. 일부 실시예에서, 가열 시스템은 지향성 에너지 시스템의 온도가 10℃ 아래 또는 20℃ 아래일 때 활성화될 수도 있다.
물론, 실시예가 단일 분출 냉각 절차만을 수행하는 것으로 제한되는 것은 아니다. 활성화 동안, 열 부하 또는 부착된 무기 시스템은 열 부하의 온도를 특정 목표 온도 아래로 유지하기 위해 다중 분출 모드 냉각 작동을 요청할 수도 있다.
분출 모드 냉각이 증기 압축 시스템 또는 증기 압축 시스템과 열 에너지 저장 시스템을 작동시킴으로써 수행될 수도 있지만, 일부 실시예에서, 시스템은 열 에너지 저장 시스템과만 연통함으로써 버스트 모드 냉각 사이클을 수행한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 에너지 저장 모듈(340)은 또한, 지향성 에너지 무기 시스템이 방전되는 것에 응답하여 냉각 사이클을 시작하도록 지향성 에너지 모듈(325)에 의해 활성화될 수도 있다. 예를 들어, 방전 후 지향성 에너지 모듈이 냉각 사이클을 시작하도록 열 에너지 저장 모듈(340)에 지시할 수도 있다. 그러면 열 에너지 저장 모듈(340)은 열 에너지 저장 시스템을 통해 흐르는 열적 열전달 유체가 지향성 에너지 무기 시스템에 인접한 열교환기를 통해 열 에너지 냉각 루프에서 순환하기 시작하도록 입력 제어 밸브 및 출력 제어 밸브를 조정한다.
증기 압축 제어 모듈(345)은 위에서 논의된 증기 압축 시스템의 모터, 밸브 및 펌프 기능을 관리하기 위한 명령을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 증기 압축 제어 모듈은 열적 열전달 유체 또는 냉매를 열 에너지 저장 시스템 내외로 경로를 정하는 밸브와 함께 입력 밸브 및 출력 밸브를 제어할 수도 있다. 이들 밸브를 조작함으로써, 증기 압축 제어 모듈은 시스템을 효율적으로 작동시키기 위해 필요에 따라 열적 열전달 유체 또는 냉매를 시스템(100)의 특정 구성 요소로 경로를 정할 수도 있다.
도시된 바와 같이,증기 압축 제어 모듈은 또한, 증기 압축 시스템 압축기 및 토크의 효율적인 제어를 제공하기 위해 위에서 논의된 바와 같이 구성된 벡터 제어 시스템(347)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 벡터 제어 시스템(347)은 증기 압축 시스템 효율을 증가시키기 위해 압축기에 가해지는 토크를 증가 또는 감소시키도록 시스템 내부의 압력을 변경하기 위해 증기 압축 시스템 내부의 압축기에 가해지는 토크를 모니터링하며 하나 이상의 팬 또는 송풍기의 속도를 조정할 수도 있다.
분출 모드 냉각 요청이 진정된 후, 제어 시스템(127), 열 에너지 저장 모듈(340)이 열 에너지 저장 시스템 내부의 온도 센서와 통신하며, 열 에너지 저장 시스템을 다시 그 목표 온도까지 냉각하기 시작하여 상변화 재료를 동결하기 위해 증기 압축 시스템을 활성화시킬 수도 있다.
도시된 바와 같이, 제어 시스템(127)은 또한, 시스템(100) 내부의 호텔 부하의 냉각을 제어하기 위한 호텔 부하 제어 모듈(315)을 포함한다. 호텔 부하 제어 모듈(315)은 온도 센서나 다른 환경 센서로부터의 데이터를 판독하며 호텔 부하 또는 지향성 에너지 무기 시스템의 인접한 시스템을 냉각 또는 가열하기 위한 적절한 매개 변수를 결정하기 위한 명령을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 호텔 부하 제어 모듈(315)은 호텔 부하가 40℃를 넘는다는 것을 보여주는 데이터를 수신하면, 호텔 부하의 온도를 목표 온도로 다시 낮추기 위해 냉각 사이클을 시작하도록 증기 압축 시스템을 활성화시킬 수도 있다. 유사하게, 호텔 부하 제어 모듈(315)은 열 부하가, 예를 들어, 5℃ 아래라고 결정하면, 열 부하의 온도를 목표 온도까지 증가시키기 위해 증기 압축 시스템 또는 보조 히터의 가열 사이클을 개시할 수도 있다.
일 실시예에서, 호텔 부하 제어 모듈(315)은 호텔 부하 또는 보조 장비의 온도를 25℃ 내지 50℃의 범위 이내에 유지한다. 다른 실시예에서, 호텔 부하 제어 모듈(315)은 호텔 부하 또는 보조 장비의 온도를 20℃ 내지 30℃의 범위 이내에 유지한다. 그러나, 실시예가 이러한 온도 범위로만 제한되는 것은 아니다. 호텔 부하 제어 모듈(315)이 효율적인 시동을 위해 추운 기후에서 열 부하 또는 보조 장비의 온도를 최소 장비 설계 작동 온도 위로 유지하도록 설계될 수도 있다. 유사하게, 장비가 열을 발생시키는 경우, 호텔 부하 제어 모듈(315)이 임의의 주변 온도에 있는 호텔 부하 또는 보조 장비를 장비의 최대 설계 작동 온도 아래로 냉각하도록 설계될 수도 있다. 이를 통해 사막과 같이 상대적으로 뜨거운 주변 환경에 장비를 배치할 수 있게 되며, 여기서 주변 조건만으로는 장비의 냉각이, 예를 들어, 5℃ 내지 40℃의 범위 내에서 이루어져야 할 수도 있다.
다른 실시예에서는, 열 부하의 효율적인 냉각이 발생하도록 하기 위해, 호텔 부하 또는 보조 장비의 온도를 유지하는 호텔 부하 제어 모듈(315)을 포함한다. 물론, 시스템이 이러한 온도 매개 변수에서의 열 부하 관리로만 제한되는 것은 아니다. 호텔 부하 제어 모듈(315)은 증기 압축 시스템을 활성화시키기 전에 열 부하의 온도가 5℃, 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃ 또는 그 이상을 넘는 때를 검출할 수도 있다. 일부 실시예에서, 호텔 부하 제어 모듈(315)은 또한, 열 부하에 연결된 시스템의 하위 시스템인 장비의 작동 온도를 유지하도록 구성된다. 예를 들어, 열 부하가 레이더, 전자 또는 전력 인버터, 발전기, 고용량 배터리, 캐빈/인클로저 및 전투원 냉각 시스템과 같은 전자적 하위 시스템에 인접하거나 전자적으로 연결될 수도 있다. 호텔 부하 제어 모듈(315)은, 열 부하 및 인접 장비의 작동 온도를 유지하는 것 외에도, 이러한 보조 장치 또는 시스템 각각의 작동 온도를 유지하도록 설계될 수도 있다.
호텔 부하 제어 모듈(315)은 또한, 일일 예측 환경 온도를 결정하기 위해, 예를 들어, 네트워크 연결을 통해 기타 공급원으로부터 데이터를 수집할 수도 있다. 예를 들어, 호텔 부하 제어 모듈(315)이 네트워크를 통해 기상 서비스로부터 예측된 주간 고온을 수신하여 해당 데이터를 사용하여 표적 시스템의 열 부하 또는 다른 보조 구성 요소가 소정의 목표 온도로 차갑게 유지되는 것을 보장할 수도 있다.
제어 시스템의 양태가 열 부하의 온도를 기반으로 시스템 내부에서 다양한 펌프 및 팬의 가변 속도 작동을 관리할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 열 부하 또는 주변 환경의 온도가 증가함에 따라, 시스템 내부의 펌프 및 팬 속도가 또한 증가할 수도 있다. 유사하게, 열 부하 또는 주변 환경의 온도가 감소함에 따라, 제어부가 펌프 및/또는 팬의 속도를 늦출 수도 있다.
B. 작동
작동 시에, 지향성 에너지 무기 시스템이 사용을 위해 처음으로 전원이 켜지기 시작할 때 사이클이 활성화될 수도 있다. 아래의 작동은 호텔 부하 및 지향성 에너지 시스템 코일로 냉매를 순환시키는 것에 대해 설명되지만, 시스템이 상변화 냉매를 사용하는 것으로 제한되지 않으며, 열적 열전달 유체도 시스템 내부에서 유사하게 작동할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 시스템에는 시스템이 완전히 작동하기 전에 냉각될 필요가 있을 수도 있는 보조 장비가 포함된다. 예를 들어, 보조 장비가 증기 압축 시스템과 함께 전원이 켜질 수도 있다. 따라서, 제어 시스템은 증기 압축 시스템의 냉매 출력이 호텔 부하 열교환기의 다양한 구성 요소로 경로로 정해지도록 출력 제어 밸브를 활성화시킬 수도 있으며, 입력 제어 밸브는 호텔 부하 열교환기로부터 증기 압축 시스템으로 다시 냉매를 재순환하도록 설정되며, 펌프가 활성화되어 냉각 루프의 냉매를 이동시켜 호텔 부하로부터 열을 제거하기 시작한다.
제어 시스템은 온도 센서를 사용하여 열 에너지 저장 시스템의 온도를 검출할 수도 있으며, 일단 시스템이 작동되고 나면 시스템으로부터 과잉 열을 흡수하기 위한 축열기의 역할을 할 수도 있도록 열 에너지 저장 시스템이 목표 온도까지 냉각되는지를 결정할 수도 있다. 열 에너지 저장 시스템의 온도가 소정의 임계값보다 높다고 결정하면, 제어 시스템은 증기 압축 시스템에 의해 냉각된 열전달 유체 또는 냉매를 열 에너지 저장 시스템으로 경로를 정하기 시작할 수도 있다. 제어 시스템에는 호텔 부하의 냉각 요구 사항과 열 에너지 저장 시스템을 냉각하여야 하는 필요성 사이의 균형을 맞추며 현재 온도와 시스템이 열 에너지 저장 시스템을 언제쯤 사용하여야 할 수도 있는지에 기초하여 각각의 시스템의 우선 순위를 결정하기 위한 프로그래밍이 포함될 수도 있다.
시스템이 발사할 준비가 되면, 증기 압축 시스템이 대기 모드로 전환될 수도 있어, 여기서 발사 이벤트가 검출되거나 제어 신호가 즉각적인 발사가 시작될 것을 나타내는 즉시 분출 모드 냉각을 시작할 준비가 된다. 일단 발사 이벤트가 신호화되거나 검출되고 나면, 시스템이 분출 모드 냉각 사이클로 들어갈 것이다. 제어 시스템은 지향성 에너지 시스템 열교환기로부터의 가열된 열전달 유체가 열 에너지 저장 시스템으로 경로가 정해지도록 열 에너지 저장 시스템 루프를 활성화시킬 것이다.
지향성 에너지 시스템 열교환기가 발사 이벤트를 계속 검출하며 분출 냉각을 위해 열교환기로부터 열 에너지 저장 시스템으로 열을 전달함에 따라, 제어 시스템은 유연한 시스템이 효율적으로 작동하고 있는 것을 보장하기 위해 각각의 구성 요소를 모니터링할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 해당 발사 이벤트 동안 냉각 요구 사항이 열 에너지 저장 시스템에 의해 충분히 처리될 수도 있기 때문에, 활성화 후 처음 5초, 10초, 15초, 20초, 25초, 30초 또는 그 이상의 시간 동안 지향성 에너지 시스템 열교환기로부터의 가열된 열전달 유체가 증기 압축 시스템으로 경로가 정해지지 않을 수도 있다. 그러나, 발사 이벤트가 계속되며 지향성 에너지 무기 시스템의 열 부하가 유지되거나 증가함에 따라, 제어 시스템은 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기로부터 나오는 냉매의 일부를 증기 압축 시스템으로 직접 경로를 정할 수도 있다.
일부 실시예에서, 증기 압축 냉각 시스템이 열 에너지 저장 시스템에 의해 제공되는 냉각을 보충하기 위해 사용된다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 활성화 후, 열 에너지 저장 시스템은 무기 활성화 후 처음 몇 초 동안 신속 분출 모드 냉각을 제공할 수도 있다. 그런 다음 또는 심지어 동시에, 증기 압축 시스템이 활성화되어 지향성 에너지 무기 시스템 열교환기에 2차 냉각 루프를 제공하며 열 에너지 저장 시스템에 의해 제공되는 것 이상의 추가 냉각 용량을 제공할 수도 있다.
도 3은 레이저 무기를 냉각하기 위한 일 방법/프로세스(400)를 설명한다. 프로세스(400)는 시작 상태(402)에서 시작한 다음, 레이저 발사 이벤트가 제어 시스템에 의해 검출되었는지 여부가 결정되는 결정 상태(404)로 이동한다. 레이저 발사 이벤트가 검출되지 않으면 프로세스(400)가 상태(406)로 이동하여 유지 관리 모드로 들어간다. 유지 관리 모드에서는, 발사 이벤트가 검출되고 나면 시스템이 작동할 준비가 되도록 시스템이 계속 목표 작동 온도에 호텔 부하를 유지한다. 유지 관리 모드 동안, 증기 압축 시스템은 열 에너지 저장 시스템이 필요할 때 시스템으로 냉각 전력을 전달할 준비가 되도록 열 에너지 저장 시스템 내부에 수용된 상변화 재료 또는 매질을 재충전하는 데 사용될 수도 있다.
결정 상태(404)에서 레이저 발사 이벤트가 검출되었다는 결정이 이루어지면, 프로세스(400)는 열 에너지 저장 시스템이 레이저 시스템으로부터 분출 열, 예를 들어, 10 킬로와트, 25 킬로와트, 50 킬로와트, 100 킬로와트, 150 킬로와트, 200 킬로와트 또는 그 이상의 열 에너지를 신속하게 흡수하기 시작하는 상태(408)로 이동한다. 상태(408)에서 분출 모드 냉각 시스템이 활성화된 후, 프로세스(400)는 증기 압축 시스템으로부터의 냉각 루프가 활성화되어 레이저 무기에 추가 냉각 전력을 제공하는 상태(412)로 이동한다. 증기 압축 시스템은, 열을 흡수하는 데 추가 시간이 걸릴 수도 있기 때문에, 열 에너지 저장 시스템에 의한 발사 이벤트 후 처음 몇 초 동안 제공되는 더 급속한 냉각에 대한 보조 냉각 공급 장치로서 사용될 수도 있다.
열 에너지 저장 시스템으로부터의 냉각 루프가 개시된 후, 프로세스(400)는 레이저 무기 시스템이 그 목표 온도에 있는지 여부가 결정되는 결정 상태(418)로 이동한다. 전형적으로, 이 목표 온도는 15℃ 내지 30℃일 수도 있다. 레이저 무기 시스템이 목표 온도에 있지 않으면, 프로세스(400)는 레이저 무기 시스템으로부터 추가의 열을 이동시키는 데 도움이 되도록 열 에너지 저장 시스템으로부터의 냉각 루프의 유량이 증가될 수도 있는 상태(420)로 이동한다. 추가적으로, 증기 압축 시스템이 또한, 온라인 상태로 전환되어 전체 시스템에 추가의 냉각 전력을 추가하며 레이저 무기 시스템의 온도를 감소시키는 것을 도울 수도 있다.
레이저가 목표 온도에 있다는 결정이 이루어지면, 프로세스(400)는 레이저 발사 프로세스가 완료되었는지 여부가 결정되는 상태(425)로 이동한다. 프로세스가 완료되지 않았으면, 프로세스(400)는 추가 발사 이벤트를 기다리기 위해 결정 상태(404)로 돌아간다. 레이저 발사가 완료되었다는 결정이 결정 상태(425)에서 이루어지면, 프로세스(400)는 증기 압축 시스템이 열 에너지 저장 시스템 내부에서 상변화 재료를 재충전하기 시작할 수도 있어 향후 발사 이벤트를 위한 추가 냉각을 제공할 준비가 될 수 있는 상태(430)로 이동한다. 그런 다음, 프로세스(400)가 종료 상태(450)로 이동하여 종료된다.
예 1
KF4H2O 상변화 재료가 결정화 및 동결/고화를 개시할 온도를 결정하기 위한 시스템을 설정하였다. 첨가제가 없거나, 2 중량%, 3 중량% 또는 4 중량%의 13X 또는 13X마이크로 제올라이트가 있는 KF4H2O 상변화 재료의 튜브를 냉각제 배스(coolant bath)에 배치하고 결정 형성을 모니터링하면서 냉각하는 방법을 수행하였다. 각각의 튜브가 결정 형성을 시작하는 온도를 기록하였다. 그런 다음 튜브가 다시 액상으로 변하기에 충분할 정도로 가온될 수 있도록 하였다. 그런 다음 각각의 튜브를 주기적으로 고화 및 용융 처리하였다. 도 4a는 이러한 시험의 복수의 사이클의 결과를 보여준다.
도시된 바와 같이, 2% 제올라이트 13X가 있는 PCM에 대하여 냉각제 배스 온도가 9.7℃인 상태로 평균적으로 10.5℃에서 고화를 개시하였다. 유사하게, 2% 제올라이트 13X마이크로가 있는 PCM에 대하여 냉각제 배스 온도가 7.9℃인 상태로 평균적으로 더 낮은 8.7℃의 온도에서 고화를 개시하였다. 이 결과는, 13X 제올라이트 첨가제를 이용하여 밝혀진 더 높은 동결 온도로 인해, 13X 제올라이트가 13X마이크로 제올라이트보다 첨가제로서의 역할을 더 잘 수행할 수도 있다는 것을 나타낸다.
예 2
예 1에 설명된 동일한 시스템 및 설정을 2% 제올라이트 5A, HiSiv3000, OxySiv5XP, 및 DP-2 암모늄을 갖는 KF4H20의 PCM 혼합물로 시험하였다. 각각의 사이클의 온도가 도 4b에 도시되어 있다. 평균 고화 온도가 각각 7.1±0.2℃, 7.4±0.7℃, 6.6±0.5℃, 10.1±0.3℃였다. 그런 다음 3% 또는 4%의 각각의 제올라이트를 사용하여 추가 사이클 동안 실험을 반복하였다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 2%를 넘는 추가 농도의 제올라이트가 많은 추가 이점을 제공하는 것으로는 보이지 않았다.
도 4b에 도시된 바와 같이, KF4H2O 및 2% 제올라이트 Y-나트륨 또는 제올라이트 Y-수소를 갖는 한 세트의 튜브를 생성하였다. Y 나트륨 제올라이트 혼합물은 결정 형성을 개시하지 않았다. 제올라이트 Y-수소는 섭씨 10도에서 결정 형성을 개시하는 것으로 밝혀졌으며, 이것은 이 제올라이트가 본 발명의 실시예에서 유용할 수도 있다는 것을 나타낸다.
예 3
예 1에 대해 설명한 것과 동일한 시스템 및 설정을 사용하여, KF4H20 대신, CaCl24H2O의 PCM 혼합물을 갖춘 냉각제 배스의 튜브의 결정화 지점을 측정하였다. 튜브의 CaCl24H2O PCM을 LiCl, 제올라이트 13X, 제올라이트 13X마이크로 또는 SrCl2를 포함한 2 중량%의 제올라이트 첨가제와 혼합하여 CaCl24H2O PCM이 동결을 개시한 온도를 결정하였다.
도 5는 이 시험의 복수의 사이클의 결과를 보여준다. 도시된 바와 같이, 2% 제올라이트 13X가 있는 PCM은 제 1 사이클에서 31℃에서 동결을 개시하였으며 제 2 사이클에서 33℃에서 동결을 개시하였다. 2 개의 시험 사이클 모두에서 2% 제올라이트 13X마이크로를 첨가하면 대략 29.6℃에서 동결을 개시하였다. 제올라이트 13X마이크로가 있는 PCM의 온도는 첨가제가 없는 경우의 29.9℃의 동결 온도와 대략 동일하였지만, 제올라이트 13X를 첨가하면 PCM의 고화 시작을 섭씨 1도 내지 3도 높이는 것으로 나타났다. 이 결과는, 13X 제올라이트 첨가제를 이용하여 밝혀진 더 높은 동결 온도로 인해, 13X 제올라이트가 13X마이크로 제올라이트보다 CaCl24H2O PCM에 대한 첨가제로서의 역할을 더 잘 수행할 수도 있다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 CaCl24H2O PCM에 대한 제올라이트 첨가제가 염화칼슘 4수화물에서는 불화칼륨 4수화물에 대해 개선된만큼 개선을 나타내지 않았음을 나타내었다.
예 4
100 kW의 열을 출력하는 레이저 무기를 냉각할 수 있는 열 에너지 저장 시스템이 형성된다. 이 예에서, 레이저는 120초 동안 분출 에너지를 출력한 다음, 280초 동안 비활성화 상태를 유지한다. 열 에너지 저장 시스템은 상변화 재료로서 불화칼륨 4수화물과 2% 제올라이트 13X를 갖는 열전달 플레이트를 포함하는 인클로저를 사용한다. 120초의 기간 동안 활성 상태인 레이저의 100 kW 열 부하는 소산되어야 하는 12,000 kJ의 열 에너지를 발생시킨다. 불화칼륨 4수화물이 230 kJ/kg의 재료를 저장할 수 있으며, 따라서 열 에너지 저장 시스템은 12,000 kJ의 열 에너지를 흡수하기 위해 52.2 kg의 불화칼륨 4수화물로 형성된다.
불화칼륨 4수화물의 재료 밀도는 1455 kg/m3이므로, 52.1 kg의 재료는 열 에너지 저장 시스템 인클로저 내부에 위치한 열전달 플레이트 내부에 0.0359 m3의 부피의 공간을 필요로 한다.
상변화 냉매를 이용한 냉각 용량이 적어도 20 kW, 바람직하게는 25 kW 이상인 증기 압축 시스템이 레이저 무기를 냉각시켜 방전된 후 10분 미만에 시스템을 재충전하기 위해 열 에너지 저장 시스템에 열적으로 연결된다.
제목은 참조용으로 그리고 다양한 섹션을 찾는 데 도움이 되도록 본원에 포함된다. 이러한 제목이 그에 대해 설명된 개념의 범위를 제한하려는 의도가 있는 것은 아니다. 이러한 개념이 전체 명세서에 걸쳐 적용 가능할 수도 있다.
개시된 구현의 이전의 설명은 당업자가 본 발명을 만들거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이들 구현에 대한 다양한 수정이 당업자에게는 용이하게 명백할 것이며, 본원에 정의된 일반적인 원리가 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 기타 구현에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 도시된 구현으로 제한되도록 의도되지 않으며, 본원에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위가 부여되어야 한다.
위의 설명은 다양한 실시예에 적용되는 바와 같은 본 발명의 신규한 특징을 지적하였지만, 당업자라면 예시된 장치 또는 프로세스의 형태 및 세부 사항의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (18)

  1. 불화칼륨 4수화물 및 제올라이트를 포함하는 상변화 재료; 및
    상기 상변화 재료와 열적으로 연통하는 열전달 유체를 포함하는 냉각 루프
    를 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제올라이트는 상기 상변화 재료의 1 중량% 내지 3 중량%인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제올라이트는 유형 X 제올라이트 또는 유형 Y 제올라이트인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유형 X 제올라이트는 유형 13X 제올라이트인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제올라이트는 상기 상변화 재료의 대략 2 중량% 이상을 포함하는 13X 제올라이트인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제올라이트는 상기 상변화 재료의 대략 2 중량% 이상을 포함하는 유형 Y 제올라이트인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화 재료는 열 에너지 저장 탱크 내부의 플레이트 또는 튜브 내에 위치되는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상변화 재료는 납땜 플레이트 열교환기 내부에 위치되는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 루프는 상기 상변화 재료를 재동결시키거나 재고화시키도록 구성된 증기 압축 시스템의 일부인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 시스템은 인클로저 및 복수의 열전달 플레이트를 포함하며, 상기 상변화 재료는 열전달 플레이트의 하나의 회로에 위치하는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 시스템은 인클로저 및 복수의 열전달 튜브를 포함하며, 상기 상변화 재료는 상기 열전달 튜브의 내부에 위치하는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 시스템은 인클로저 및 복수의 열전달 튜브를 포함하며, 상기 상변화 재료는 상기 열전달 튜브의 외부에 위치하는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 유체는 글리콜/물 혼합물인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 유체는 상변화 냉매인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    고에너지 레이저 시스템을 냉각하도록 구성된 열 에너지 냉각 시스템의 일부인, 열 에너지 저장 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열 에너지 냉각 시스템과 상기 고에너지 레이저가 플랫폼 상에 위치되는 것인, 열 에너지 저장 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    동결된 상변화 재료의 양이 미리 정해진 임계값 아래인 경우 상기 상변화 재료의 온도를 모니터링하며 상변화 재료의 동결을 개시하기 위한 냉각 루프를 활성화시키도록 구성된 제어 시스템
    을 추가로 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 임계값은 상변화 재료의 총 부피의 2% 내지 15%의 값인 것인, 열 에너지 저장 시스템.
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