KR101645912B1 - 열 저장 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개선된 열 에너지 저장 물질(28), 이를 함유하는 장치(80)나 시스템(60), 및 관련 방법에 관한 것이다. 열 에너지 저장 물질은 금속-함유 화합물을 포함하는 상 전환 물질을 포함할 수 있다. 본 발명은, 열 에너지 저장 물질의 캡슐화 방법, 캡슐화된 열 에너지 저장 물질을 함유하는 장치, 및 열 에너지 저장 물질을 캡슐화하기 위한 캡슐화 구조물(25)에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 열의 저장 및 방출에 유용한 열 에너지 저장 물질(thermal energy storage material; TESM)을 포함하는 열 저장 장치, 및 특히 이러한 장치용 TESM 팩키징에 관한 것이다.
본원은, 본원에서 그 전체가 참고로 인용중인 미국 가출원 제 61/030,755 호(2008년 2월 22일자 출원); 제 61/061,908 호(2008년 6월 16일자 출원); 제 61/074,799 호(2008년 6월 23일자 출원); 제 61/074,840 호(2008년 6월 23일자 출원); 제 61/074,869 호(2008년 6월 23일자 출원); 제 61/074,889 호(2008년 6월 23일자 출원); 및 제 61/090,084 호(2008년 8월 19일자 출원), 및 "열 에너지 저장 물질"을 제목으로 하고 2009년 2월 20일자로 출원된 미국 특허출원 제 12/,389,416 호(대리인 번호 제 66955A (1062-088))의 출원일의 이점을 주장한다.
열 에너지 저장 물질(TESM)은 공지되어 있고, 후속적인 사용을 위해 열을 저장하기 위한 적용례에서 사용되어 왔다. 많은 TESM은 상 전환 물질이며, 상 전환 물질이란 전형적으로 고상과 액상 사이의 상 전환을 경험하고 상 전환으로 인한 잠열을 고려하면 상당량의 열을 저장(또는 방출)할 수 있음을 의미한다. TESM을 사용하여 열 에너지를 저장 및 방출하고 TESM을 함유하는 장치가 주목받아 왔다. 일부 이러한 장치는 "열 배터리"라고 지칭되어 왔다. 예를 들어, 미국특허 제 7,225,860 호, 미국특허 제 6,784,356 호 및 미국특허 제 6,102,103 호는 열 배터리의 예를 묘사하고 있는 것으로 주장한다. 열 배터리는 다수의 적용례에서 사용하기 위해 제안되어 왔다. 예를 들어, 미국특허 제 6,875,407 호에서는 촉매 효율을 개선시키기 위한 진공 절연 열 배터리의 사용이 주장되었다. 다른 적용예도 확인되는데, 예를 들면 미국특허 제 6,102,103 호이다(엔진 가열(engine warming), 서리제거, 또는 차량의 승객용 뒷좌석 공간의 난방을 소개함).
이러한 열 저장 장치를 개발하기 위한 노력에도 불구하고, 이들의 구조는, 시스템이 노출되는 바람직한 작동 온도, 요구되는 열 교환율, 사용된 TESM의 특성 또는 기타와 같은 인자에 따라, 변할 수 있다는 점이 관찰되었다. 열 저장 장치가 변하는 하나의 구체적인 양태는, TESM을 함유하기 위해 사용되는 구조에 있다. 또다른 양태는, TESM을 보유하는 개별적인 용기가 목적하는 열 교환 응답을 달성하기 위해서 임의의 다른 이러한 용기와 접속하는 방식에 있다.
미국특허 제 7,225,860 호는 TESM을 보유하는 캡슐화 튜브의 사용을 개시하고 있다. 미국특허 제 6,102,103 호는 TESM을 포함하는 자켓을 개시하고 있다.
대개 평탄한 캐리어 위에 놓인 캡슐 어레이의 예는 상표명 CSM 패널(CSM Panel)로서 루비테름 게엠베하(Rubitherm GmbH)사에서 제공되어 왔다. 이러한 구조물은, 파라핀 또는 수화된 염 TESM류에 잠재적으로 적합하지만, 비교적 낮은 작동 온도에서 유용성이 발견되는 경향이 있는 상기 구조물들은 보다 가혹한 조건에 적용되는 적용례에는 적합하지 않을 수 있다고 여겨진다. 사용 중, CSM 패널은 하우징 내부에서 서로 적층되어, 열 교환 유체가 통과하는 모듈을 한정한다.
캡슐화 기법으로부터 우수한 결과를 달성하기 위한 노력은, 고려중인 적용예에 기초하여 보다 복잡해질 수 있다. 예를 들어, 일부 TESM류는 매우 부식성이다. 일부 TESM류는 제한된 온도 범위에서만 작용할 것이다. 일부 캡슐화 기법은 반복되는 열 사이클을 견딜 정도로 충분히 튼튼하지 않다.
따라서, 구체적으로 TESM 시스템이 앞서 의도된 바와 같은 적용례에서 효과적으로 사용되려면, 부식을 견디거나, 단위 체적 당 다량의 열 저장 및 전달을 제공하거나, 비교적 높은(예를 들어, 약 300℃ 이상) 작동 온도를 견디거나, 또는 이들의 모든 조합을 포함하는, 튼튼한 TESM 캡슐화 시스템이 요구된다. 또한, 임의의 이러한 TESM 캡슐화 시스템은 충분히 다용도여서, 우수한 열 효율을 허용하는 방식으로 열 모듈에 도입될 수 있다는 점 또한 중요하다. 또한, 임의의 이러한 TESM 캡슐화 시스템( 및 이것이 도입된 시스템)은 작동 온도 범위 전반에 걸쳐 상당한 열 사이클을 견딜 수 있다는 점도 중요하다.
발명의 요약
이러한 다양한 양태 중에, 본 발명은, 하나의 넓은 양태에서, 내부 용적을 갖는 하우징을 포함하는, 열-저장 및 방출용 장치로서, 상기 장치는 상기 하우징의 내부 용적에 기초하여 열 전달 유체로 전달되는 열의 평균 초기 파워 밀도(power density)가 약 8kW/L 이상이며, 여기서 상기 평균 초기 파워 밀도는 최초 30초에 걸쳐 정의되며, 약 10℃의 초기 온도를 갖는 열 전달 유체 및 상기 하우징에서 약 280℃의 초기 온도를 갖는 장치를 사용하여 측정되는, 열-저장 및 방출 장치를 제공함으로써, 전술한 요구 중 일부 또는 전부를 충족시킨다.
본 발명의 양태는 TESM류를 캡슐화시키기 위한 개선된 방법에 관한 것으로, 이에 따르면 적어도 하나의 제 1 어레이부가 2개 이상의 대향하는 플라이(ply)를 포함하며, 상기 플라이들은, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, 열 에너지 저장 물질(TESM)을 함유하고 소정의 용적을 갖는 하나 이상의 제 1 캡슐을 포함하는 제 1 캡슐 구조물을 한정한다.
본 발명의 양태는, 추가로 (i) 제 1 금속 호일을, 골(trough)을 갖는 제 1 플라이가 형성되도록 변형시키는 단계; (ii) 상기 골을 적어도 부분적으로 열 에너지 저장 물질(TESM)로 충전시키는 단계; (iii) 상기 TESM의 액상선(liquidus) 온도보다 높은 온도 및 일정 시간 동안 상기 TESM을 가열하여, 상기 TESM에 본질적으로 물이 없도록 하는 단계; (iv) 상기 제 1 플라이의 상부에 상기 금속 호일의 제 2 플라이를 위치시켜, 상기 제 1 플라이의 표면 및 상기 제 2 플라이의 표면이 부분적으로 접촉하도록 하는 단계; 및 (iv) 상기 제 1 플라이와 상기 제 2 플라이의 마주보는 면의 일부를 밀봉하여, 상기 TESM-함유 캡슐을 복수개 함유하되, 상기 캡슐들이 서로 열 전도성 관계에 있고, 상기 TESM이 그의 의도된 환경하에서 조작하는 동안 상기 캡슐로부터 벗어나는 것이 억제되는, 블리스터 팩(blister pack)을 형성하는 단계를 포함하는, 열 저장 장치의 제조방법에 관한 것이다.
본원의 교시에 따른 하위-조립체는, 추가로 전술한 하나 이상의 제 1 어레이부 및 하나 이상의 제 2 어레이부를 포함하고, 이들 제 2 어레이부는 2개 이상의 대향하는 플라이를 포함하며, 상기 플라이들은, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 각각 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 하나 이상의 제 2 캡슐을 포함하는 제 2 캡슐 구조물을 한정하며; 상기 제 1 어레이부 및 제 2 어레이부는 실질적으로 서로 인접한 관계에 있어서(예를 들어, 적층되어 한 세트를 이룬(nesting) 관계), 열 전달 유체 또는 다른 작업 유체가 유동하는 유동 경로를 한정한다. 또한, 상기 제 2 어레이부는 상기 제 1 어레이부에 인접하여, 상기 제 1 및 제 2 어레이부가 이들의 마주보는 면의 25% 이상의 면적에서 접촉할 수 있다.
구체적인 양태에서, 상기 캡슐화된 TESM의 전술한 어레이부, 상기 하위-조립체들 또는 둘 다는, 열을 저장하기 위한 열 저장 장치에서 사용될 수 있는데, 상기 열 저장 장치는, (1) 하우징 내부에 위치하며 하나 이상의 제 1 어레이부(a)와 하나 이상의 제 2 어레이부(b)를 포함하는 캡슐 어레이; 및 (2) 상기 제 1 어레이 구성요소와 제 2 어레이 구성요소 사이의 용적에 의해 정의되는 유동 경로를 포함하며, 상기 제 1 어레이부(a)는 2개 이상의 대향하는 플라이들을 포함하는데, 상기 플라이들은, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, 열 에너지 저장 물질(TESM)을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 캡슐을 포함하는 제 1 캡슐 구조물을 한정하고; 상기 제 2 어레이부(b)는 2개 이상의 대향하는 플라이들을 포함하는데, 상기 플라이들은, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 각각 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 제 2 캡슐을 포함하는 제 2 캡슐 구조물을 한정하고; 상기 제 1 어레이 구성요소 및 상기 제 2 어레이 구성요소는 약 20mm 미만의 갭 두께(t갭)로 분리되어 있고, 상기 장치는 각각의 유동 경로가 대략 비-평탄면(nonplanr) 복수개의 유동 경로를 포함하는 것으로 고려된다.
전술한 구조물 및 장치의 사용은, (a) 열 공급원으로부터 적어도 일부의 공급원 열을 전달하는 단계; (b) 상기 공급원 열을 사용하여 열 에너지 저장 물질을 가열하는 단계; (c) 적어도 일부의 공급원 열을 잠열로 전환시킴으로써 열 에너지 저장 물질 내부의 액상의 양을 증가시키는 단계; (d) 상기 열 에너지 저장 물질 내에 상기 양의 액상을 유지하여 잠열을 저장하는 단계; (e) 상기 잠열의 적어도 일부를 발산 열로 전환시키는 단계; 및 (f) 상기 발산 열을 가열할 물체에 전달하는 단계를 포함하는, 여러 가지의 열 회복(reclaiming) 공정 중 임의의 것을 고려할 수 있다.
전술한 공정이 사용될 수 있는 여러 가지의 적용례는 운송 수단용, 건물용, 액체 가열용, 발전용, 화학 반응용, 산업적 적용례로부터의 폐열의 재활용 등을 위한 가열 적용례이다.
도 1a는 변형 플라이의 표면을 도시한다.
도 1b는 예시된 변형 플라이의 단면을 도시한다.
도 2a는 TESM을 캡슐화하기 위한 캡슐화 기법 및 구조를 도시한다.
도 2b는 열 방출 동안 TESM 캡슐에서의 온도 변화의 모델링을 도시한다.
도 3a는 캡슐 조립체 내부의 유동 방향에서의 단면도를 도시한다.
도 3b는 유동 방향에 대해 수직인 유동 경로의 단면도를 도시한다.
도 3c는 스페이서를 갖는 조립체의 유동 방향으로의 단면도를 도시한다.
도 3d는 유동 방향에 대해 수직인 유동 경로의 단면도를 도시한다.
도 4는 플라이를 엠보싱하여 형성된 비드를 도시한다.
도 5a는, 예를 들어 블리스터 팩인, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 캡슐 어레이를 갖는 2개의 플라이들의 확산 결합된 조립체의 단면도를 도시한다.
도 5b는 2개의 플라이들을 연결하기 위해서 사용될 수 있는 공구(tooling)를 도시한다.
도 5c는 연결 후, 제 2 플라이의 표면을 도시한다.
도 6은 파이형 유동 경로를 유발하는, 2개의 캡슐 구조물 사이의 계면을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 열 저장 시스템의 예를 도시한다.
도 8a는 열 교환기와 일체화되고 열 공급원을 갖는 TESM 캡슐화 구조물을 도시한다.
도 8b는 캡슐 스택의 구조를 도시한다.
도 9는 유동 방향에서의 열 저장 장치의 단면도를 도시한다.
도 10은 유체 함유 파트 및 열 교환 장치 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 하나의 전열기를 함유하는 차량 구성요소를 도시한다.
도 11은 유체 함유 파트 및 열 교환 장치 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 두개의 전열기를 함유하는 차량 구성요소를 도시한다.
도 12는 유체 함유 파트 및 에어 스트림 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 열 저장 장치를 갖는 차량 구성요소를 도시한다.
도 13은 엠보싱된 플라이를 형성하기 위해 사용될 수 있는 공구의 예를 도시한다.
도 14는 블리스터 팩으로 캡슐화된 TESM을 사용하는 열 저장 장치의 제조방법을 도시한다.
도 1b는 예시된 변형 플라이의 단면을 도시한다.
도 2a는 TESM을 캡슐화하기 위한 캡슐화 기법 및 구조를 도시한다.
도 2b는 열 방출 동안 TESM 캡슐에서의 온도 변화의 모델링을 도시한다.
도 3a는 캡슐 조립체 내부의 유동 방향에서의 단면도를 도시한다.
도 3b는 유동 방향에 대해 수직인 유동 경로의 단면도를 도시한다.
도 3c는 스페이서를 갖는 조립체의 유동 방향으로의 단면도를 도시한다.
도 3d는 유동 방향에 대해 수직인 유동 경로의 단면도를 도시한다.
도 4는 플라이를 엠보싱하여 형성된 비드를 도시한다.
도 5a는, 예를 들어 블리스터 팩인, 열 에너지 저장 물질을 함유하는 캡슐 어레이를 갖는 2개의 플라이들의 확산 결합된 조립체의 단면도를 도시한다.
도 5b는 2개의 플라이들을 연결하기 위해서 사용될 수 있는 공구(tooling)를 도시한다.
도 5c는 연결 후, 제 2 플라이의 표면을 도시한다.
도 6은 파이형 유동 경로를 유발하는, 2개의 캡슐 구조물 사이의 계면을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 열 저장 시스템의 예를 도시한다.
도 8a는 열 교환기와 일체화되고 열 공급원을 갖는 TESM 캡슐화 구조물을 도시한다.
도 8b는 캡슐 스택의 구조를 도시한다.
도 9는 유동 방향에서의 열 저장 장치의 단면도를 도시한다.
도 10은 유체 함유 파트 및 열 교환 장치 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 하나의 전열기를 함유하는 차량 구성요소를 도시한다.
도 11은 유체 함유 파트 및 열 교환 장치 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 두개의 전열기를 함유하는 차량 구성요소를 도시한다.
도 12는 유체 함유 파트 및 에어 스트림 둘 다를 가열하기 위해 사용될 수 있는 열 저장 장치를 갖는 차량 구성요소를 도시한다.
도 13은 엠보싱된 플라이를 형성하기 위해 사용될 수 있는 공구의 예를 도시한다.
도 14는 블리스터 팩으로 캡슐화된 TESM을 사용하는 열 저장 장치의 제조방법을 도시한다.
전술한 교시내용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 열 저장 및 방출 적용례를 위한 열 에너지 저장 물질(본원에서 "TESM"으로 지칭되며, 또한 일반적으로 "상 변환 물질"로 지칭된다)의 팩키징 및 봉쇄(containment)에 대한 독특하고 예상치 못한 효과적인 접근법을 제공한다. 본원의 시스템은 놀라운 높은 파워 밀도의 능력을 나타내고, 시스템 1리터 당 약 8kW 이상의 비율로 열을 내보내는데 사용될 수 있다. 본원의 교시내용은, 부식, 주기적 열 하중으로부터 열적으로 유도된 스트레인, 또는 둘 다에 의한 손상을 견딜 수 있는 비교적 튼튼한 구조물에서의 TESM의 팩키징과 봉쇄에 관한 것이며, 이를 포함하는 이러한 구조물 및 시스템에 의해 점유되는 전체 체적에 비해 비교적 높은 저장능 및 방출능을 제공할 것이다. 본원의 구조물의 한가지 장점은, 비교적 치밀한 조립체가 가능하다는 점이며, 이는 예상치 못하게 빠르고 큰 열 저장능 및 방출능을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 본원의 교시내용은 복수개의 셀형(cellular) 구조물 내에 개별적인 양의 TESM을 팩키징하는 방식에 관한 것이다. 교시내용은 이러한 셀형 구조물을 하위-조립체로 하는 조립체에 관한 것이다. 상기 교시내용은 또한 이러한 하나 이상의 하위-조립체를, 열을 저장하고 저장된 열을 방출하기 위한 시스템의 일부로서 사용할 수 있는 모듈에 도입하는 것에 관한 것이다. 이러한 구조물, 하위-조립체, 모듈 및/또는 시스템의 결과로서 가능하거나 보다 효율화될 수 있는 복수개의 적용례도 교시내용의 부분으로서 고려된다.
일반적으로, 본 발명의 교시내용은, TESM-함유 복수개의 개별적인 셀형 구조물을 갖는 용적을 제공하는 방식으로의 TESM의 팩키징 및 봉쇄에 관한 것으로, 상기 TESM-함유 복수개의 개별적인 셀형 구조물은, 상기 TESM과 상기 용적을 통과하는 임의의 열 교환 유체 또는 기타 작업 유체 사이의 효과적인 열 교환을 제공하는 방식으로 상기 용적의 전반에 걸쳐 분포되어 있다. 예를 들어, 열 저장 및 방출 시스템에서 사용되는 경우, 복수개의 개별적인 캡슐은 서로 서로 또는 상기 시스템의 열 전달 유체와 열 전도 관계에 있을 수 있다.
하나의 일반적인 양태에서, TESM의 팩키징 및 봉쇄는 TESM을 캡슐화하는 구조물을 사용함으로써 달성된다. 상기 구조물은 바람직하게는, TESM을 함유하는 복수개의 캡슐, 구체적으로, 일반적인 캐리어 위에 놓이고 캡슐 어레이(예를 들어, 개별적으로 단리된 캡슐 구조물을 복수개 갖는 블리스터 팩)를 한정하는 복수개의 캡슐을 한정하도록 존재할 것이다. 캡슐은 서로 열 전도 관계에 있을 수 있다. 따라서, 캡슐은 열 전도 구조물에 어레이 형태로 놓일 수 있다. 예를 들어, 어레이는 변형가능하고(formable) 내식성인 열 전도성 금속(예를 들어, 알루미늄, 스테인레스 강 또는 일부 다른 적합한 물질의 호일과 같은 플라이)으로 구성될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 하나의 바람직한 접근법은 엠보싱된 금속 호일 구조물 내 TESM의 캡슐화를 포함한다.
상기 캡슐은 2개 이상의 치수에서 서로 간에 거의 규칙적인 관계(예를 들어, 캡슐의 반복 패턴)로 존재할 수 있다. 하나의 접근법은, 예를 들어 복수개의, 실질적으로 동등하게 이격된 캡슐 구조물을 사용하는 것이다. 복수개의 캡슐 구조물이 사용되는 경우, 이들은 서로 동일한 형태 또는 크기를 가질 수 있거나, 서로 상이할 수 있다. 이러한 캡슐 어레이 각각의 TESM 각각은 개별적으로 인접 캡슐에 대해 물리적으로 단리될 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 2개 이상의 캡슐 사이에 일부 유체 연통이 존재하는 것이 가능하다. 따라서, 어레이는 약 10개 초과, 약 25개 초과, 100개 초과, 또는 1000개 초과의 블리스터를 함유할 수 있다. 캡슐 구조물은 이들의 의도된 환경에서의 공정 동안 TESM이 캡슐로부터 빠져나오는 것을 방지하기에 충분한 방식으로 (예를 들어, 개별적으로 또는 하나의 그룹의 캡슐로서) 밀봉된 복수개의 캡슐을 포함할 수 있다. 바람직한 구조물은 비교적 높은 밀도의 열 교환 표면적을 제공하는 구조물, 뿐만 아니라 어레이를 사용하는 장치가, 사용 중에 개별적인 캡슐이 파열되거나 다르게 파손되는 경우에도, 계속 작동할 수 있는 구조물일 수 있다.
캡슐은, 소정의 열 조건하에 노출되는 경우 액체로의 상 전환을 경험하고, 그 후 상기 액체가 고화되어 저장된 열을 방출하는 것을 야기하는 냉각 조건하에 놓일 때까지 액상으로 열을 저장하기에 충분한, 임의의 용량의 TESM을 함유할 수 있다. 바람직하게, 캡슐은, TESM을 약 200ml 미만(약 25℃에서 측정시), 보다 바람직하게는 50ml 미만, 보다 바람직하게는 약 10ml 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 4ml 미만, 가장 바람직하게는 약 3ml 미만(예를 들어, 약 2ml 미만)으로 함유하고/하거나, 약 0.1ml 초과, 보다 바람직하게는 약 0.3ml 초과의 용량으로 함유한다. 다른 용량(보다 소량 또는 대량)도 사용될 수 있다. 작은 캡슐이 사용될 수 있지만, 상기 장치가 많은 캡슐을 함유하면, 장치 내 TESM의 총 용량은 대량일 수 있다. 예를 들어, 비교적 다수개의 캡슐을 갖는 어레이(또는 본원에서 기술한 바와 같은 하위-조립체)로 한정하는 것은 아니지만, 상기 어레이(또는 하위-조립체)에 놓인 TESM의 총 용량은 약 100ml 초과, 가능하게는 약 400ml 초과, 약 700ml 초과, 또는 약 1,200ml 초과일 수 있다. 매우 다량의 TESM, 예를 들어 4리터 초과의 TESM이 요구되는 적용례가 있을 수 있다. 상기 시스템에서 10리터 초과, 100리터 초과 또는 1000리터 초과의 TESM을 요구하는 적용례도 본원의 교시내용에 속한다. 본 발명은 이와 같이 예상치 못하게 다량의 TESM이 비교적 작은 총 팩키징 용적 내에 함유되고 그럼에도 불구하고 효율적인 열 저장, 방출 및 전달의 구현을 가능하게 하는 독특한 접근법을 제공한다.
임의의 어레이 내의 캡슐의 형태는, 목적하는 열 성능을 제공하면서, 소정의 하우징 용적 내 캡슐에 목적하는 팩킹 밀도를 제공하는 적합한 다양한 형태 중 어떠한 것도 선택할 수 있다. 예를 들어, 본원의 교시내용은 대략 구형인 캡슐의 가능한 사용에 관한 것이다. 그러나, 보다 바람직하게는, 상기 캡슐 구조물은 대개 긴 형태를 가질 수 있는데, 이러한 긴 형태는, 구형 캡슐의 팩킹 밀도에 비해, 동일한 체적의 구형 캡슐의 열 전달율에 비해, 열 교환 유체와 캡슐 사이의 증가된 열 전달율을 달성할 것이다.
따라서, 캡슐 구조물은 대개 타원형 또는 6각형이거나 단축에 비해 긴 장축(즉, 형태의 길이 방향 축)을 포함하는 긴 형태를 가질 수 있다. 길이 방향은, 본 발명의 교시내용의 시스템 내 열 교환 유체 또는 기타 작업 유체(예를 들어, 냉매, 배기 가스, 열 파이프로부터의 대류 가스 또는 기타)의 유동 방향과 일반적으로 동일하거나 평행일 수 있다. 이러한 방식으로는, (낮은 열 전도성 물질일 수 있는) TESM을 함유하는 캡슐의 가장 작은 치수(예를 들어, 캡슐의 두께)에 의해 일부 제한되는 열 교환 (처리) 속도를 희생시키지 않으면서, 상기 장치의 유압 저항(hydraulic resistance)을 감소시키는 것이 가능할 수 있다.
캡슐의 장축 방향의 캡슐의 길이는 바람직하게는 약 0.5mm 내지 약 100mm(예를 들어, 약 10 내지 약 50mm)일 수 있지만, 보다 길거나 짧은 캡슐도 사용될 수 있다. 캡슐의 두께(t캡슐)(즉, 어레이를 만드는데 사용되는 임의의 플라이 면에 대해 수직인 방향임)는 바람직하게는 약 0.5mm 내지 약 20mm, 보다 바람직하게는 약 1mm 내지 약 15mm, 가장 바람직하게는 약 2mm 내지 약 10mm이다. 캡슐의 폭은 바람직하게는 약 0.3 내지 약 70mm(예를 들어, 약 2 내지 약 40mm)이다. 바람직하게는, 길이/폭의 비는 약 1 초과, 보다 바람직하게는 약 3 초과, 가장 바람직하게는 약 5초과이다.
본원의 교시내용은, 각각의 어레이에서 인접 캡슐 사이의 영역이 존재할 수 있다는 점도 고려한다. 상기 영역은 일부 만곡부(curvature)를 포함하는 것으로 예상된다. 따라서, 상기 캡슐 사이의 영역에는 캡슐의 단축의 길이의 약 30% 보다 큰(보다 바람직하게는 약 15% 보다 큰) 캡슐 사이의 평탄한 영역이 일반적으로 없을 수 있다. 상기 캡슐들 사이의 영역에는 약 5mm 보다 큰, 보다 바람직하게는 2mm 보다 큰 캡슐 사이의 평탄한 영역이 일반적으로 없을 수 있다.
본원의 하나 이상의 어레이들은 임의의 적합한 방식으로 사용될 수 있다. 3차원 배치로 정렬된 하나 초과의 어레이부로부터의 복수개의 캡슐을 갖는 하위-조립체를 형성하기 위해서, 하나 이상의 어레이가 어레이부에서 사용되는 것이 가능하다. 예를 들어, 하나 이상의 제 1 어레이부 및 하나 이상의 제 2 어레이부는 (i) 1원(unitary) 구조물로서 일체형으로 통합될 수 있거나(예를 들어, 접힘형, 권취형 또는 목적하는 결과적인 하위-조립체를 달성하기 위해 배열된 단일 어레이일 수 있음), (ii) 개별적으로 형성된 후 서로 조립되거나(예를 들어, 개별적으로 제조된 2개의 어레이를 서로 적층함), 또는 (iii) 상기 (i) 또는 상기 (ii)의 조합일 수 있다.
하나의 바람직한 접근법은 2개 이상의 어레이부를 사용하되, 상기 어레이부들은 서로 대향하면서 대개 서로 인접 상태에 있지만, 이들 사이에, 열 전달 유체 또는 기타 작업 유체가 통과할 수 있는 유동 통로를 한정하기에 충분히 구조화되고 이격되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 본원의 교시내용은 또한 하위-조립체를 포함하는 모듈, 및 본 발명의 교시내용에 따라 캡슐화된 TESM의 사용 방법에 관한 것이다. 한 쌍의 대향하는 인접 어레이들 내부의 유동 경로는 각각의 어레이의 하나의 말단 또는 측부로부터 다른쪽까지 실질적으로 연속적인 경로를 가질 수 있다. 유동 경로는 복수개의 분지(branch)를 포함하여, 전체 유동 경로(가능한 직선형 분절을 포함하지만)는 대개 비-직선형이다. 예를 들어, 유동 경로는 서로에 대해 대개 각이 지게(angularly) 배치된(예를 들어, 둔각으로) 분지에 의해 상호연결된 복수개의 대개 직선형인 분절을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 어레이부의 제 1 캡슐, 상기 제 2 어레이부의 제 1 캡슐, 및 상기 제 1 어레이부의 제 2 캡슐을 순차적으로 통과하는 하나 이상의 라인(line)이 존재하도록 상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부가 맞물려 있을 수 있다.
본원의 하나의 접근법은, 예를 들어 한 쌍의 블리스터 팩과 같은 한 쌍의 어레이부를 포함하는 하부-조립체로서, 상기 한 쌍의 어레이부가 각각 내부에 TESM을 갖는 복수개의 골을 갖는 플라이("골 플라이") 및 상기 골 플라이를 덮고 바람직하게는 밀봉하는 플라이("커버 플라이")를 갖는, 하위-조립체를 포함한다. 커버 플라이는 골 플라이에 연결되어 상기 어레이 내부에 TESM을 밀봉한다. 예를 들어, 커버 플라이는 확산 결합, 레이저 용접 또는 일부 다른 연결 기법에 의해 골 플라이에 연결된다. 선택적으로, 생성된 연결부에는 어떠한 접착제도 없을 것이다. 프라이들의 연결은, 골 각각의 주변부의 대부분(실질적으로 전체는 아니지만)이 연결될 수 있는 정도일 수 있다. 이러한 연결은 2개 이상의 골 사이(복수개의 인접 골 사이)의 유동 통로를 허용하여, TESM이 골 사이를 유동할 수 있도록 한다. 대향하는 플라이들(예를 들어, 골 프라이와 커버 플라이) 간의 연결부는, 연결된 프라이들 둘 다를 관통하는 것으로 대개 평행한 측벽을 갖는 비드 또는 기타 솔기가 형성되도록 하는 정도일 수 있다. 금속 결합(metallurgical bond)이 연결된 플라이들 각각과 비드 또는 기타 솔기 사이에서 형성될 수도 있다.
이러한 바람직한 하위-조립체에서, 한 쌍의 어레이들은 서로 적층되어 이들 사이에 유동 통로를 한정한다. 유동 통로는 비교적 일정한 구조, 크기 또는 둘 다를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 매력적인 접근법은 한 쌍의 어레이들을 서로에 대해 인접하게 적층하여 골 플라이가 서로 직접 대향하도록 하고, 커버 플라이가 대개 서로 평행하고 이들 사이에 골 플라이를 위치하도록 하는 것이다. 제 1 어레이(A1) 및 제 2 어레이(A2)의 측면에서, 플라이들은, 커버 플라이A1-골 플라이A1-골 플라이A2-커버 플라이A2와 같은 순서로 배열될 것이다. 골 플라이A1와 골 프라이A2 사이에, 주기적으로 배치된 스페이서, 예를 들어 골 플라이 내에서 일체형으로 형성된 스페이서(예를 들어, 골 플라이들의 복수개의 골의 일부로서 형성된 것, 예를 들어 골 플라이의 원위 벽면을 따라 형성된 너브(nub)), 하나 또는 둘 다의 플라이에 부가된(예를 들어, 결합되거나 접착된) 스페이서, 골 플라이A1와 골 플라이A2 사이에 배치된 스페이서(예를 들어, 와이어, 메쉬, 비드 등) 또는 이들의 임의의 조합이 존재할 수 있다.
본원의 교시내용을 추가로 설명하기 위해서, TESM의 캡슐화에 대한 예시적인 접근법을 도시한 도면을 참고한다. 도 1a는 골(12)의 패턴(11)을 갖는 엠보싱된 제 1 플라이(10)를 도시한다. 엠보싱된 제 1 플라이(10)(예를 들어, 골 프라이)의 바닥면(즉, 제 2 면)은 복수개의 골(12)(예를 들어, 이 예에서는 약 30개의 골)을 갖는다. 골(12)은 대개 엇갈린(staggered) 구조로 배열되어 있다. 도시된 양태의 경우, 이는 대개 다면체(예를 들어, 직사각형) 어레이이며, 반복되는 패턴(11) 당 복수개(예를 들어, 2개)의 골을 갖는다(예를 들어, 반복 패턴의 코너에 하나, 반복 패턴의 중심부에 하나를 갖는다). 도 1a에서 도시한 바와 같이, 상기 골은 긴 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 이것은 열 전달 유체의 유동 방향으로 길 수 있다. 도 1a는 또한 바닥면 상에 복수개의 너브를 갖는 제 1 플라이를 예시한다. 이러한 예에서, 각각의 골의 바닥부에는 하나의 너브(14)가 존재하지만, 수개 이상의 너브도 형성될 수 있다. 도 1a는, 거칠고 복수개의 주름을 포함하는 제 1 플라이의 바닥면을 도시한다. 상부면(즉, 제 1 면)(16)은 본 도면에 도시되어 있지 않다. 너브(14)는 각각의 골로부터 연장된 것으로 보인다. 복수개의 골 및 심지어 가능하게는 각각의 골은 립(13) 영역에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.
도 1b는 복수개의 골(12)을 갖는 제 1 플라이(10)(예를 들어, 골 플라이)의 단면도를 도시한다. 도시한 바와 같이, 하나 이상의 골(12)은 골을 둘러싸고 이것을 인접한 골과 분리시키는 립(13)을 가질 수 있는 것이 가능하다. 도 1b의 립 영역(13)은 편평해 보이지만, 이 영역은 바람직하게는 각각의 측부에서 만곡부를 갖는 이랑(ridge)인 것으로 고려될 것이다. 또한, 상기 구조가 이격되어 분리된 골들 사이의 유체 연통이 가능하도록 하는 것도 가능하다. 제 1 플라이는 제 1 면(16)(예를 들어, 상부면)과 제 2 면(18)(예를 들어, 바닥면)을 갖는다. 하나 이상의 골을 TESM으로 충전시킨 채, 상기 바닥면은 대개 아랫방향을 향할 수 있지만, 열 저장 장치의 제조 공정 또는 상기 열 저장 장치의 사용중에는 상기 바닥면이 어느 방향으로든 향할 수 있다. 제 1 플라이(10)는 골의 영역에서 바닥면으로부터 돌출된 복수개의 너브(14)를 가질 수 있는 것으로 보인다. 도 1b에서 예시하는 바와 같이, 이러한 너브들은 제 1 플라이에 일체형으로 형성될 수 있다. 본원에서 기술한 바와 같이, 너브의 높이는 열 전달 유체를 위한 유동 경로를 한정할 수 있다. 너브의 높이(예를 들어, 너브의 바닥부로부터 골의 바닥부에 형성된 면까지의 거리로 측정됨)이 약 0.1mm 초과, 바람직하게는 0.2mm 초과, 보다 바람직하게는 약 0.5mm 초과, 가장 바람직하게는 약 1.0mm 초과일 수 있다. 너브의 높이는 바람직하게는 20mm 미만, 보다 바람직하게는 약 10mm 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 5.0mm 미만, 가장 바람직하게는 약 2.0mm 미만(예를 들어, 약 1.5mm 미만)일 수 있다.
도 2a는 제 1 플라이의 골(12')의 하나의 예시적인 구조(예를 들어, 열 교환기의 열 전달율을 증가시킬 수 있는 구조, 감소된 챔버 용적을 허용할 수 있는 구조, 작은 용적으로의 TESM 구획화를 허용할 수 있는 구조, 약 60 초 미만 동안 약 300℃로부터 약 80℃로의 TESM의 냉각을 허용할 수 있는 구조 등)를 도시한다. 도 2b는 300℃로부터 60℃로 냉각하는 TESM의 1차원 시뮬레이션을 도시한다. 이러한 시뮬레이션은 골의 높이, 골들 사이의 거리, 스페이서 또는 너브의 높이, 또는 이들의 임의의 조합에 대한 최적의 범위를 결정하는데 사용될 수 있다.
제 2 플라이에 대해 수직이도록 절단된 캡슐의 단면은, 상기 캡슐이 편평하고 평탄한 측부 및 아치형 측부를 가질 수 있음을 나타낸다. 아치형 측부면은, 이는, 바람직한 구조로 대개 긴 육면체인 2차원 패턴의 캡슐을 나타낸다. 다른 구조도 사용될 수 있지만, 바람직하게는 단면은, 공간-충전형(즉, 2차원 공간을 채울 수 있는) 형태(또는 두 종 이상의 형태의 세트도 가능하다)이다. 예를 들어, 삼각형, 사각형, 다이아몬드형, 직사각형 및 육각형도 일반적인 공간-충전형 다면체이다. 유사하게, 캡슐의 3차원 형태는, 바람직하게는 공간-충전형(즉, 3차원 공간을 완전히 충전할 수 있는) 형태(또는 두 종 이상의 형태의 세트도 가능하다)이다. 공간-충전형 3차원 형태의 예는 정육면체, 블록, 육각형 튜브, 및 삼각형 튜브이다. 다른 적합한 공간-충전형 구조는 하나 이상의 아치형 면을 가질 수 있다. 다른 바람직한 구조는, 2개의 블리스터 팩이 공간-충전 배열로 적층되도록, 2개의 인접 블리스터 팩이 짝을 이룬 표면을 갖는 구조를 포함한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d에서 도시한 바와 같이, 본원에서 사용하기 위한 하나의 가능한 구조는, 축이 서로 중복되는 엇갈린 인접 골의 패턴을 포함하여, 맞물린(interdigitated) 패턴의 골을 효과적으로 한정한다. 예를 들어, 횡방향으로 인접한 골의 길이방향 말단은 나란하지 않을 수 있지만, (연결하면) 대개 지그재그 패턴을 형성한다.
임의의 열 전달 또는 기타 작업 유체와 접촉하는 캡슐의 표면은 또한 열이 저장되거나 캡슐로부터 발산되는 속도를 개선시키는 특징부를 가질 수도 있다. 예를 들어, 유동 경로 중 열 전달 또는 기타 작업 유체가 거칠거나 텍스처화된 표면을 따라 난류(turbulent flow)를 나타낼 수 있도록 캡슐의 하나 이상의 표면이 충분히 거칠거나 표면 질감(texture)을 가질 수 있다. 표면 질감은 엠보싱 단계, 코팅 단계, 에칭 단계, 마쇄(grinding) 단계 등의 결과일 수 있다. 추가로, 캡슐의 표면은 복수개의 범프(bump), 너브, 또는 유동 경로를 나눈 후 재조합하는 다른 특징부를 함유할 수 있다. 이러한 특징부는 열 전달 유체 온도의 임의의 변수를 줄이는 것을 보조할 수 있다. 캡슐의 하나 이상의 표면은 또한 복수개의 접힘부, 주름, 플리츠(pleast), 딤플(dimple) 또는 기타 평탄하지 않은 표면 특징부를 가져서, 캡슐을 개방시키지 않고도 상기 호일을 연신시켜 캡슐의 용적을 약 10% 이상(예를 들어, 약 15% 이상, 더욱 더 약 20% 이상) 증가시킨다. 주변부 비드가, 대개 어레이의 가장자리에서 형성될 수 있는 것도 가능하다. 예를 들어, 어레이의 가장자리로부터 약 0.5 내지 약 3cm로 이격될 수 있다. 도 4는 제 1 플라이(10)에서 형성된 주변부 비드(47)를 도시한다. 이러한 비드는 프레임(31)과 공구(33) 사이에 제 1 플라이의 주변부 영역을 배치하고(여기서, 상기 프레임과 공구 중 하나는 템플릿 비드(37)를 갖고, 나머지는 짝을 이룬 홈(39)을 가짐), 힘을 가함으로써 형성될 수 있다. 비드는 임의의 단면적 프로파일(예를 들어, 상기 비드는 아치형, v-형, 반원형 등임)일 수 있다.
본원의 교시내용은, (i) 복수개의 골을 갖는 제 1 플라이가 형성되도록 제 1 금속 시트를 변형(엠보싱)시키는 단계; (ii) TESM으로 복수개의 골을 적어도 부분적으로 충전시키는 단계; (iii) 제 1 플라이의 표면 및 제 2 플라이의 표면이 부분적으로 접촉된 상태이도록 제 1 플라이의 상부에 금속 시트인 제 2 플라이를 배치하는 단계; 및 (iv) 제 1 플라이 및 제 2 플라이의 마주보는 면의 일부를 밀봉(연결)하여, TESM-함유 캡슐을 복수개 함유하는 블리스터 팩을 형성하고, 이로써 상기 캡슐이 서로 열 전도성 관계에 있고, TESM이 그의 의도된 환경하에서의 작동 동안 캡슐 또는 어레이로부터 벗어나는 것을 억제하는 단계를 포함하는, TESM 어레이 및 열 저장 및 방출용 장치의 제조방법에 관한 것이다.
어레이는, 시트 내에 패턴을 한정하도록 박막 물질을 엠보싱 또는 다르게는 변형시킴으로써 블리스터 팩으로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속 호일(예를 들어, 금속 호일은 황동, 구리, 알루미늄, 니켈-철 합금, 청동, 티타늄, 스테인레스 강 등의 하나 이상의 층을 포함할 수 있음)은 엠보싱되거나 다르게는 변형되어 상부면과 바닥면을 갖는 제 1 플라이를 형성할 수 있다. 높은 열 확산 계수를 갖도록 얇은 시트가 선택될 수도 있다. 우수한 열 전도 특성을 갖는 중합체 시트 또는 호일이 사용되는 것도 가능할 수 있다. 얇은 시트를, 이의 표면의 일부 또는 전부를 보호 층으로 코팅, 도금 및/또는 라미네이트화하여, 상처에 대한 내성을 보조하거나, 열 전달 특성을 개선 또는 개량시키거나, 다르게는 상기 물질의 기능을 개선시킨다. 얇은 시트는, 아래의 베이스 물질과 조성적으로, 물리적으로, 또는 둘 다 상이한 시트에 얇은 층을 도입하는 것이 요구되는 경우, 다르게는, 코팅되거나 표면 처리될 수도 있다. 얇은 층은 약 10-1 내지 약 102㎛ 차수의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 얇은 층의 두께는 약 101㎛의 차수(예를 들어, 약 2 내지 약 70㎛)일 수 있거나, 102㎛의 차수(예를 들어, 약 20 내지 약 700㎛, 또는 약 40 내지 약 300㎛)일 수 있다. 추가로, 구체적으로 시트가 금속인 경우, 얇은 시트의 임의의 변형 단계는 하나 이상의 응력 경감 단계, 어닐링 단계, 또는 특성을 개선시키기 위한 기타 단계와 동반될 수 있다.
얇은 시트는 일반적으로 귀금속일 수 있거나, 옥사이드 층을 갖는 금속을 포함하는 것(예를 들어, 천연 옥사이드 층 또는 상기 표면상에 형성될 수 있는 옥사이드 층)일 수 있다. 금속 호일은, 다르게는, 작동 중 TESM과 접촉하는, 실질적으로 비활성 외부면을 갖는다. 하나의 예시적인 금속 호일은, 알루미늄 또는 알루미늄 함유 합금(예를 들어, 50중량% 초과의 알루미늄, 바람직하게는 90중량% 초과의 알루미늄을 함유하는 알루미늄 합금)의 층을 포함하는 알루미늄 호일이다. 다른 금속 호일의 예는 스테인레스 강이다. 적합한 스테인레스 강은 오스테나이트 스테인레스 강, 페라이트 스테인레스 강, 또는 마르텐사이트 스테인레스 강을 포함한다. 한정하는 것은 아니지만, 스테인레스 강은 약 10중량% 초과, 바람직하게는 약 13중량% 초과, 보다 바람직하게는 약 15중량% 초과, 가장 바람직하게는 약 17중량%의 초과의 농도로 크롬을 포함할 수 있다. 스테인레스 강은 약 0.30중량 미만, 바람직하게는 약 0.15중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.12중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 0.10중량% 미만의 농도로 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 19중량%의 크롬 및 약 0.08중량%의 탄소를 함유하는 스테인레스 강 304(SAE 등록상표)를 들 수 있다. 적합한 스테인레스 강은 또한 예를 들어 316(SAE 등록상표)과 같은 몰리브덴 함유 스테인레스 강을 들 수 있다.
TESM과 접촉하는 경우, 제 1 플라이(전형적으로 제 1 플레이(16)의 제 1 면)는 바람직하게는 내식성이거나 비교적 낮은 부식율을 갖는다. 예를 들어, 제 1 플라이(예를 들어, TESM와 접촉하는 제 1 플라이의 표면)의 내식성은, 총 표면적이 약 60㎠인 제 1 플라이의 샘플을, 제 1 플라이와 동일한 물질로 이루어진 도가니에 놓고 용융된 TESM으로 충전시킴으로써 측정될 수 있다. 샘플의 표면은 시험 내내 TESM과 접촉되고 있고, 상기 도가니는 약 45일 동안 약 300℃로 무수 질소와 같은 불활성 기체로 충전되고 퍼징된 오토클레이브에서 가열된다. 도가니로부터 꺼내서 TESM을 제거한 직후의, 이와 같이 시험된 제 1 플라이의 샘플은 약 6mg 미만, 보다 바람직하게는 3mg의 미만, 가장 바람직하게는 약 1mg 미만의 중량 절대값이 변하였다(이는, 예를 들어, 산화로 인한 중량 증가 또는 에칭으로 인한 중량 감소이다). 중량 변화는, 시험된 샘플의 표면적에 대한 중량 증가의 비로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 단위 면적당 중량 증가는 1g/m2 미만, 바람직하게는 0.5g/m2 미만, 보다 바람직하게는 0.17g/m2 미만, 가장 바람직하게는 0.1g/m2 미만일 수 있다.
커버 플라이 및/또는 골 플라이를 형성하는데 사용되는 호일은 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 상기 호일의 두께는 플리스터 팩의 임의의 요구사항, 예를 들어 캡슐의 견고도, 캡슐과 열 전달 유체 간의 열 전달율, 중량 요구사항, 가격 고려사항, 및 (예를 들어, 엠보싱 또는 다른 변형에 의한) 호일의 형성능을 충족시키도록 결정될 수 있다. 금속 호일의 적합한 두께는 약 10㎛ 초과, 바람직하게는 약 20㎛ 초과, 보다 바람직하게는 약 50㎛ 초과일 수 있다. 금속 호일은 약 3mm 미만, 바람직하게는 1mm 미만, 보다 바람직하게는 0.5mm의 미만(예를 들어, 약 0.25mm 미만)의 두께를 가질 수 있다. 변형 단계는 승온, 승압 또는 둘 다에서의 변형을 사용할 수 있다. 변형 단계는 연속적 공정(예를 들어, 하나 이상의 롤을 포함하는 공정) 또는 불연속 공정(예를 들어, 개별적인 프레싱 또는 스탬핑 공정)일 수 있다.
변형 단계는 또한 제 1 플라이에 특징부를 부가할 수도 있는데, 이는 제 1 플라이의 바닥면에 표면 특징부를 부가하는 것을 포함한다. 한정하는 것은 아니지만, 변형 단계는 너브, 범프, 또는 기타 특징부를 제 1 플라이의 바닥면에 부가함으로써, 2개의 블리스터 팩이 서로 적층되거나, 접히거나, 롤링되거나 하는 경우, 상기 너브 또는 범프가 스페이서로서 작용하여 2개의 블리스터 팩을 분리할 수 있다. 형성될 수 있는 추가의 특징부는 복수개의 딤플, 접힘부, 주름 또는 플리츠를 포함한다. 변형 단계는 추가로 제 1 플라이의 바닥면에 표면 조도를 부여할 수도 있다. 설명하자면, 하나의 실시양태에서, 변형된 플라이는 제 1 말단으로부터 제 2 말단으로 연장되는 긴 골을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 골은 시트 물질의 비교적 편평한 부분에 인접한 상부와, 편평한 부분으로부터 돌출된 저부를 갖는다. 스페이서 너브는 저부의 편평한 부분으로부터 멀어지는 방향으로 돌출되어 있다. 저부는 또한 저부에 증가된 표면적을 제공할 수 있는 질감 또는 기타 표면 지형물을 포함한다(예를 들어, 부드러운 표면의 지형에 비해 단위 면적이, 적어도 약 5% 이상, 더욱 적어도 약 10% 이상 증가한다). 스페이서 너브는 일반적으로 골의 길이방향 중심 라인에 따라 위치할 수 있다. 이는 골의 길이방향 중심 라인에 대해 측방향으로 상쇄될 수 있다. 이는 골의 중심부에 위치할 수 있다. 이는 골의 중심으로부터 골의 말단을 향해 위치할 수 있다. 플라이의 편평한 부분으로부터의 스페이서 너브의 깊이는, 플라이의 편평한 부분으로부터의 골의 저부의 깊이 보다 약 5 내지 약 50% 클 것이다. 예를 들어, 골은 그의 바닥부를 따라 약 10mm의 깊이일 수 있고, 스페이서 너브는 약 1 또는 2mm 더 깊이 연장될 것이다. 바람직하게, 스페이서 너브는 골의 길이를 따라 단지 부분적으로만 연장되어, 작동 중 열 전달 유체의 측방향 확산을 허용할 것이다. 변형 단계 중에 또는 일부로서, 플라이들 중 일부에 질감이 부여될 수 있다. 예를 들어, 마쇄 공정, 에칭 공정, 또는 둘 다와 같은 2차적인 공정일 수 있다.
형성된 후, 골 플라이는 바람직하게는 각각 일정량의 액체를 보유할 수 있는 복수개의 골(예를 들어, 포켓 또는 오목부(depression))을 갖는다. 골 플라이를 커버 플라이에 연결시키기 위해 사용될 수 있는 립(또는 상기 플라이의 다른 융기된 영역)이 각각의 골을 둘러쌀 수 있다.
제 1 플라이의 외면(예를 들어, 상기 표면은 열 전달 유체와 접촉할 수 있는 골 플라이의 표면)의 표면적(단위: m2/TESM의 ℓ)은 바람직하게는 0.02m2/ℓ 초과, 보다 바람직하게는 약 0.1m2/ℓ 초과, 더욱 보다 바람직하게는 약 0.5m2/ℓ 초과, 가장 바람직하게는 약 0.9 m2/ℓ초과이다(여기서, TESM의 용량은 약 25℃에서 측정된다).
일단 형성되면, 제 1 플라이 중 하나 이상의 골(바람직하게는 각각의 골들)은 TESM, 예를 들어 본원에서 참고로 인용되고, "열 에너지 저장 물질"을 제목으로 하고 2009년 2월 20일자로 출원된 미국 특허출원 제 12/389,416 호(대리인 번호 제 66855A (1062-088))에 개시된 TESM으로 충전될 수 있다. 골은, 고상, 액상 또는 둘 다인 TESM으로 충전될 수 있다. 골은 실질적으로 전체적으로 또는 단지 부분적으로만 충전될 수 있다. 골을 액상의 TESM으로 충전하면 골을 보다 완전하게 충전시킬 수 있다. 골이 고상의 TESM에 의해 충전되는 경우, 플라이를 가열하여, TESM을 적어도 부분적으로 용융시켜 골 내부로 확산시킬 수 있다. 하나의 가능한 접근법은 골의 전체가 아니라 일부만을 충전시키지만 복수개의 골 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 것이다. 이러한 방식으로, 작동 중에 골 간의 TESM의 수송이 존재하는 것도 가능하다. 또한, 하나 이상의 골을 TESM의 성분들(예를 들어, 2원, 3원, 4원 또는 기타 다성분 시스템의 개별적인 성분)로 충전시키는 것도 가능하다(예를 들어, 제 1 금속 화합물과 하나 이상의 부가적인 금속 화합물을 개별적으로 충전시킨다). 그 후, (예를 들어, 2종 이상의 금속 화합물이 용융될 때까지) 개별적인 성분들을 가열시키고, 혼합하여 TESM을 형성한다.
TESM으로 충전시키는 동안 또는 그 후에, 제 2 플라이의 제 1 면이 제 1 플라이의 제 1 면을 마주하도록, 제 1 면을 갖는 커버 플라이 또는 제 2 플라이를 제 1 플라이(예를 들어, 골 플라이)의 상부에 놓을 수 있다. 임의로, 제 1 플라이 및 제 2 플라이는 대개 상호-확장성(co-extensive)이다. 제 2 플라이는 물리적으로 개별적인 시트일 필요는 없지만, 하나 이상의 골이 형성되는 동일한 시트의 일부일 수도 있음을 알아야만 한다. 즉, 상기 제 2 플라이는, 하나 이상의 골이 형성된 시트의 일부를 덮기 위해 그 위로 접힌 시트의 비교적 편평한 부분인 것도 가능할 수 있다. 또한, 제 2 플라이가 상기 제 1 플라이와 상호-확장성이지 않은 것도 가능하다. 예를 들어, 제 2 플라이는 골 및 그의 주변부를 덮기 위한 크기 및 구조를 갖는 커버 부재(예를 들어, 시트)일 수 있다. 이러한 방식으로, 복수개의 커버 부재가 사용되어 복수개의 골을 봉쇄하는데 사용되는 것도 가능하다. TESM의 덩어리를 커버 부재 또는 제 2 플라이 위에 놓고, 그다음 덮도록 그 위에 제 1 플라이를 놓는 것도 가능하다.
제 1 금속 플라이에 적합한 임의의 물질이 제 2 금속 플라이를 위해 사용될 수도 있다. 이와 같이, 제 1 금속 플라이 및 제 2 금속 플라이는 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있다. 제 2 금속 플라이는 제 1 금속 플라이에 적합한 임의의 두께를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 금속 플라이는 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.
또다른 가능한 접근법은, 미리 선택된 밀봉 또는 연결 위치에서(예를 들어 플라이들을 효과적으로 다발화하도록 하는, 포인트 또는 노드에서, 라인을 따라, 또는 둘 다에서) 복수개의 플라이를 서로 연결(예를 들어, 확산 결합 또는 용접)하고, 그다음 플라이들 사이에 유체를 도입함으로써, 연결되지 않은 플라이들을 서로 떨어지도록 하여 캡슐형 구조물을 형성할 수 있다. 그다음 단계는 주변부 주의에서 상기 플라이들을 밀봉 또는 연결하여 TESM을 캡슐화하고, 이로써 작동 중 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, TESM은 주변부의 가둬진 안(confine)에서만 확산될 수 있는 반면, 인접 캡슐 구조물이 서로 조립되는 경우(예를 들어, 절연 용기 내부), 연결 위치는 유동 경로를 보존한다.
제 2 플라이(예를 들어, 커버 플라이)는 대개 편평하지만 형성된 특징부를 가질 수도 있다(예를 들어, 제 1 플라이의 경우와 유사한 공정을 사용하여 변형시킬 수 있음). 또한, 제 2 플라이는 엠보싱되어 하나 이상의 구조물(예를 들어, 골)을 한정하는 것도 가능하다. 제 2 플라이의 치수는 TESM으로 충전된 골을 덮는데 충분히 클 수 있다. 제 1 플라이의 골 및 제 2 플라이에 의해 한정된 캡슐은 밀봉되어 개별적인 캡슐형 구조물을 형성하고, 상기 구조물은 임의로, 서로 간의 TESM의 유동을 억제하는 개별적으로 단리된 캡슐들일 수 있다. 바람직하게는, 개별적 캡슐형 구조물(서로 유체 연통하는지 여부에 무관하게)은 서로 열-전도 관계에 있을 것이다. 바람직하게는, 복수개의 캡슐은 또한, 열 전달 유체가 유동하여 열을 TESM으로 전달 및/또는 발산하는 유동 경로를 한정할 것이다.
플라이들을 연결하기 위한 임의의 적합한 수단(중간층을 포함할 수 있음)이 사용될 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 연결 단계는 확산 결합, 브레이징(brazing), 용접(예를 들어, 레이저 용접, 열 용접, 또는 기타), 접착제 결합 또는 임의의 조합에 의해 달성될 수 있다. 하나의 바람직한 플라이들의 연결 방법은 용접, 예를 들어 저항 용접, 레이저 용접, 마찰 용접, 또는 초음파 용접이다. 바람직하게는, 플라이들은 레이저 용접 또는 초음파 용접으로 연결된다. 이러한 용접 공정은 특히 스테인레스 강, 예를 들어 약 50 내지 200㎛(예를 들어, 약 100㎛)의 두께를 갖는 304 스테인레스 강으로 구성된 용접 플라이에 대해 특히 유용할 수 있다.
대향하는 플라이들(예를 들어, 골 플라이와 커버 플라이) 간의 결과적인 연결부는, 연결된 플라이들 둘 다를 관통하는 대개 평행한 측벽을 갖는 비드(예를 들어, 실질적으로 연속적인 비드) 또는 기타 솔기가 형성되도록 할 수 있다. 비드 또는 기타 솔기와 상기 연결된 플라이들 각각 사이에 금속 결합이 형성될 수 있다. 이러한 비드 또는 금속 결합(41)은 도 5a에 도시되어 있다.
또다른 플라이들의 연결 방법은 확산 결합이다. 확산 결합 공정은 제 1 플라이, 제 2 플라이 또는 둘 다를 가열하는 단계, 및 제 1 플라이의 하나 이상의 립 및 제 2 플라이에 압력을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 확산 결합 공정은 연속적이거나 불연속적인 공정일 수 있다. 확산 결합을 위한 조건은 결합되는 물질에 좌우되며, 실험에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄을 확산 결합시키는 공정은 약 320℃ 초과, 바람직하게는 약 340℃ 초과, 보다 바람직하게는 약 350℃의 초과의 온도에서 수행될 수 있다. 확산 결합의 경우 요구되는 압력은 결합 온도에 좌우될 것이다. 예를 들어, 결합 온도가 높을수록, 낮은 압력에서 허용가능한 밀봉이 달성될 수 있는 반면, 낮은 결합 온도에서는 보다 높은 압력이 요구될 수 있다. 확산 결합 압력은 약 6MPa 초과, 바람직하게는 약 70MPa 초과일 수 있다. 확산 결합 압력은 약 15,000MPa 미만, 바람직하게는 약 5,000MPa 미만일 수 있다. 확산 결합 공정은 금속(예를 들어, 금속 합금)-함유 호일의 융점(액상선 온도)보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 제 1 플라이, 제 2 플라이 또는 둘 다를 위해 사용되는 호일은 또한 상이한 융점 또는 액상선 온도를 갖는 다중 단(lever)(즉, 층들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합 온도는 결합되는 표면 상의 플라이 단의 융점보다 높을 수 있고, 결합 온도는 열 공급원과 접촉하는 표면 상의 플라이 단의 융점보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 호일은 소정의 결합 온도에서 결합될 수 있는 하나의 표면과 소정의 결합 온도에서 결합되지 않은 또다른 표면을 가질 수 있다.
본원의 교시내용으로부터, 특정 양태에서, 블리스터 팩의 캡슐에 본질적으로 물이 없는 것이 바람직할 수 있음이 인식될 것이다. 특히, 캡슐 내 TESM에 본질적으로 물이 없는 것이 바람직할 것이다(즉, TESM은 (예를 들어, 사토리우스(Sartorius) WDS 400을 사용하여) 카 피셔 적정법(Karl Fischer titration)에 의해 측정 시, 약 5000ppm 미만, 보다 바람직하게는 약 2500ppm 미만, 1000ppm 미만, 500ppm 미만, 400ppm 미만, 350ppm 미만, 250ppm 미만, 100ppm 미만, 50ppm 미만, 25ppm 미만, 10pppm 미만 또는 약 1그램의 샘플을 사용하는 전형적인 카 피셔 적정법의 검출 한계치 미만의 물의 농도를 가질 수 있다). 이와 같이, 캡슐의 형성방법 또는 플리스터 팩의 형성 방법은 TESM(또는 TESM 제조에서 사용되는 전구체 물질)을 건조시키는 하나 이상의 단계, 밀봉된(예를 들어, 밀폐되도록 밀봉된) 용기내에 TESM을 함유하는 하나 이상의 단계, 본질적으로 물-부재 환경에서 TESM을 저장하는 하나 이상의 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 캡슐이 밀봉되어(예를 들어, 밀폐되도록 밀봉되어), 사용 중 물이 캡슐로 도입되는 것을 방지한다. TESM의 건조 단계는 TESM을 건조 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게, 건조 단계는 약 100℃ 초과, 보다 바람직하게는 약 150℃ 초과, 더욱 보다 바람직하게는 약 200℃ 초과, 가장 바람직하게는 약 250℃ 초과이다. 유리하게는, 상기 건조 온도는 TESM의 액상선 온도보다 높고, 보다 바람직하게는 TESM의 액상선 온도보다 약 25℃ 이상, 보다 바람직하게는 TESM의 액상선 온도보다 약 50℃ 이상 높을 수 있다. 가열 시간(즉, 건조 시간은)은 실질적으로 모든 물을 제거하기에 충분하도록, 또는 전술한 바와 같이 TESM에 본질적으로 물이 없을 때까지일 수 있다. 건조 단계는 또한 TESM을, 물 분압이 약 10,000Pa 미만, 바람직하게는 1,000Pa 미만, 보다 바람직하게는 100Pa 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 1Pa 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1Pa 미만인, 낮은 습도(예를 들어, 물-부재) 환경(예를 들어, 진공, 건조제 환경, 습기 제거 환경 등)에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분위기는 약 100ppm 미만, 바람직하게는 10ppm 미만 또는 더욱 바람직하게는 1ppm 미만의 물을 함유할 수 있다. 건조 시간(예를 들어, TESM이 액체인 경우의 시간)은 약 5분 초과, 10분 초과, 20분 초과, 1시간 초과, 4시간 초과 또는 24시간 초과일 수 있다. 짧거나 긴 건조 시간도 가능할 수 있다. TESM의 건조는 임의의 시간(예를 들어, 제 1 플라이의 골을 TESM으로 충전시키기 전, 동안 또는 후)에서 수행될 수 있다. 하나의 예에서, TESM의 건조는 제 1 플라이의 골을 TESM으로 충전시킨 후, 제 2 플라이에 결합하기 위해서 제 1 플라이를 가열하면서, 수행될 수 있다. 상기 공정은 또한 비교적 건조한 환경 중(예를 들어, 건조제 함유 용기 내, 건조 분위기를 갖는 글로브 박스 내, 밀폐되도록 밀봉된 용기 내, 진공 중 등)에 상기 물질을 저장하는 하나 이상의 단계를 포함하여, 물 농도를 비교적 낮은 농도로 유지한다(예를 들어, 상기 물질에 본질적으로 물이 없도록 계속 유지한다). 구체적인 바람직한 접근법에서, 제 1 플라이의 골을 TESM으로 충전하는 단계 동안(예를 들어, TESM을, TESM의 액상선 온도보다 25℃ 이상 높은 온도로 또는 TESM의 액상선 온도 초과의 충전 온도까지 가열하여, 물이 끓거나 비등하여 제거되도록 함으로써) 및/또는 블리스터 팩의 밀봉 단계 동안(예를 들어, TESM 충전된 골 플라이를, 물이 끓거나 비등하여 제거되도록 하는 온도보다 높은 밀봉 온도까지 가열함으로써) TESM이 건조될 수 있다. 금속 염, 예를 들어 리튬 염(예를 들어, 리튬 니트레이트, 리튬 니트라이트, 리튬 할라이드, 또는 이들의 임의의 조합), 나트륨 염(예를 들어, 나트륨 니트레이트, 나트륨 니트라이트, 나트륨 할라이드, 또는 임의의 이들의 조합), 칼륨 염(예를 들어, 칼륨 니트레이트, 칼륨 니트라이트, 칼륨 할라이드 또는 이들의 임의의 조합), 또는 이들의 임의의 조합의 경우, 전술한 건조 및/또는 저장 단계 중 어떠한 것도 사용될 수 있다. 하나 이상의 금속 니트레이트, 하나 이상의 금속 니트라이트, 또는 이들의 임의의 조합을 비롯한 염의 경우, 하나 이상의 건조 단계가 특히 바람직할 수 있다.
이렇게 형성된 구조물은 블리스터 팩(즉, 2차원 또는 3차원 어레이로 이격될 수 있는 복수개의 블리스터 캡슐형 구조물을 갖는 구조물)로서 기술될 수 있다. 도 5a는 블리스터 팩의 캡슐(29)에 위치한 TESM(28)을 갖고 제 1 플라이(10)와 제 2 플라이(20)로 형성된 블리스터 팩(25)의 단면도의 예를 도시한다. 캡슐은 스페이서로서 작용할 수 있는 하나 이상의 너브 또는 범프(14)를 가질 수 있다. 제 2 플라이는 편평할 수 있는 외면(21)을 가질 수 있다. 제 1 플라이 및 제 2 플라이는 비드 또는 금속 결합(41)을 가질 수 있으며, 이들은 바람직하게는 제 1 플라이(10)의 립(13)에 위치한다. 도 5b는 블리스터 팩의 제 2 플라이에 제 1 플라이를 결합하는데 사용될 수 있는 밀봉 공구(35)를 도시한다. 제 1 플라이의 영역(10)이 공구에서 보인다. 밀봉 공구(35)에 배치되는 경우, 제 1 플라이(10)의 립(13)은 공구의 림(40)에 의해 지지되고 제 1 플라이의 골(12)은 상기 공구의 공동(42)에 달려 있다. 블리스터 팩(25)의 제 2 플라이의 표면(20)은 도 5c에 도시되어 있다. 이 도면은, 제 1 및 제 2 플라이들이 밀봉되어 있는 영역을 표시한 만입부 또는 비드(41)를 나타낸다. 이러한 만입부 또는 비드(41)는 도 5b에서 도시한 밀봉 밀봉 공구(35)의 림(40)과 제 1 플라이의 골의 형태에 의해 정의되는 긴 6면체 형태를 갖는다.
본원의 교시에 따라 하나 이상의 어레이들의 3차원 구조를 사용하는 하위-조립체에 집중해 보면, 도 3a는, 공간-충전형이고/이거나 높은 농도의 TESM을 갖는 구조를 허용하면서, 여전히 구조물을 통과하는 유체와의 비교적 양호한 열 전달을 허용하는 블리스터 팩 배열의 예의 단면도를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 골 플라이들이 서로 직접 대향하고, 커버 플라이들이 이들 사이에 골 플라이들을 배치하도록 각각 이격되되, 선택적인 스페이서가 골 플라이들을 분리시킬 수도 있도록, 대향하는 한 쌍의 어레이들이 서로에 대해 인접하게 조합될 수 있다. 이 도면에서, 제 2 플라이(20)(예를 들어, 커버 플라이)를 갖는 블리스터 팩(25)은, 2개의 블리스터 팩의 제 1 플라이(예를 들어, 골 플라이)가 (제 1 플라이의 적어도 일부에 대해 또는 심지어 제 1 플라이의 본질적으로 전부에 대해) 서로 직접 대향하는 관계(예를 들어, 스페이서 구조물을 통해 접촉하는 관계)에 있도록 쌍을 이룬 채 배열되어, 캡슐층(30)을 형성한다. 도 3a의 캡슐 구조물은, 개별적인 어레이부와 서로 회합되어 있는 교대되는 반복 패턴 캡슐(C1 및 C2)을 포함할 수 있는 캡슐들의 하위-조립체를 형성하는 것으로 도시되어 있다. 일반적으로, 반복 패턴은 하나 이상의 캡슐형 구조물을 함유할 수 있다. 또다른 구조의 2개의 캡슐들이 C1' 및 C2'으로 표시한 바와 같이 x-방향으로의 거리 Δx에 위치할 수 있다. 유사하게, 반복 구조물의 캡슐의 또다른 쌍은 C1" 및 C2"으로 표시한 바와 같이 y-방향으로의 거리 Δy에 위치할 수 있다. 거리 Δy는 캡슐 층의 두께(t층=t캡슐)와 2개의 인접한 캡슐 층의 간격(t갭)의 합이다. 2개의 인접한 층들 사이의 간격은, 캡슐에 열을 제공하고/하거나 캡슐로부터 열을 발산하는데 사용될 수 있는 열 전달 유체의 유동 경로를 한정한다. 각각의 유동 경로는 유동 방향에 대해 접선 방향인(tangential) 단면적을 가질 수 있다. 유동 경로의 단면적은 유동 경로를 따라 일정하게 유지될 수 있거나 유동 경로를 따라 위치 별로 변할 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에서, 각각의 유동 경로의 단면적은 거의 동일하거나 비교적 일정하게 유지된다. 심지어, 유동 경로의 단면적의 형태(예를 들어, 폭, 높이, 곡률 등)도 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 각각의 유동 경로의 단면적에는 일부 변수가 있을 수 있으나, 본 발명의 하나의 양태에서, 이러한 변수들은 최소화될 수 있는 것으로 인식되어 있다. 예를 들어, 단면적의 표준 편차는 유동 경로의 평균 단면적의 15% 미만(또는 심지어 10% 미만)일 수 있다. 또한, 2개 이상의 캡슐형 구조물 사이의 간격은 열 전도성 구조물로 채워질 것임이 알 수 있다.
플라이들에 의해 점유되는 공간 용적을 무시하면, 3차원 어레이내 TESM의 체적 분률(vTESM)은 vTESM=t캡슐/(t갭+t캡슐) 또는 vTESM=t캡슐/Δy이다. 따라서, t갭을 최소화함으로써, TESM의 높은 농도가 달성될 수 있다(예를 들어, vTESM은 0.5 초과, 약 0.7 초과, 보다 바람직하게는 약 0.8 초과, 가장 바람직하게는 약 0.9 초과이다). 실재로, 도 3a에서 도시한 블리스터 팩의 적층은 인접 층들을 서로 접촉하게 하여 t갭을 최소화할 수 있다(즉, 열 전달 유체의 유동 경로가 제거된다). 도 3b는 열 전달 유체용 유동 경로(24)가 반복적인 주기를 갖고 대략 비-평탄면 형태인 캡슐 어레이의 또다른 예를 도시한다. 도시한 바와 같이, 예를 들어, 이는 보이는 바와 같이 대개 사인 곡선형 단면을 포함할 수 있다. 도 3c는 도 3a와 유사한 단면을 나타내되, 인접한 어레이 구조물들 사이에 갭을 한정하거나 유지하기 위한 복수개의 스페이서(14)를 갖는다. 도 3d는 도 3b에서 도시한 3차원 캡슐 어레이 섹션의 확대도이다. 유동 경로(24)의 단면을 우수하게 도시하고 있는 이 도면에, 대개 사인인 곡선(24')이 부가되어 있다.
적층이 예시되어 있지만, 본 발명은 캡슐 구조물의 3차원 어레이를 한정하는 여러 가지 방법 중 어떠한 것도 고려하고 있음을 인식해야만 한다. 예를 들어, 캡슐형 구조물의 2차원 어레이를, 그 자체의 위로 접거나, 캡슐형 구조물의 2차원 어레이를 그 자체의 위로 롤링하거나, 캡슐형 구조물의 2차원 어레이를 서로에 대해 방사상으로 배향하거나, 이들의 임의의 조합 또는 다른 방식으로 3차원 어레이를 형성할 수 있다. 함께 사용되는 복수개의 어레이들(예를 들어, 한 쌍의 블리스터 팩을 서로 접거나 감을 수 있다), 또는 단일 어레이(예를 들어, 하나의 어레이를 1회 이상 굽히거나 감아서 배열하여 서로에 대해 대개 비-평탄면인 복수개의 인접층(이는 파상형이거나 나선-소용돌이형일 수 있음)을 포함하도록 한다)로부터 유도될 수 있다. 하나의 접근법에서, 복수개의 어레이들의 캡슐 구조물이 서로에 대해 상보적인 관계에 놓일 수 있음도 고려된다. 예를 들어, 하나의 어레이부의 골이 다른(예를 들어, 뒤집어진(inverted)) 어레이부의 립 영역에 대향하거나 그 반대로, 배열되어 있다.
도 3a 및 도 3c는 본 발명의 이러한 양태의 수개의 이점을 설명한다. 하나의 이점은 캡슐과 열 전달 유체 사이의 비교적 높은 총 접촉 표면적을 갖는 능력이다. 이러한 예에서, 이 표면적은 블리스터 팩(25)의 모든 제 1 플라이들(10)의 총 표면적에 의해 제공된다. t캡슐(즉, t층) 및 t갭을 동일 인자, 1/k만큼 감소시키거나 플리스터 팩의 개수를 인자 k만큼 증가시킴으로써, 접촉 표면적은 인자 k만큼 증가할 것이다. 층의 두께의 선택은 열이 저장되거나 발산되는데 요구되는 속도 및 적용례에 의해 좌우될 것이다. 도 3a에서 예시한 어레이 구조물의 두 번째 장점은 여러개의 작은 캡슐을 제공하여 임의의 장점을 위해 선호되거나 소량으로 저장하는 것이 요구되는 TESM의 사용을 허용하는 능력일 수 있다.
캡슐의 어레이 구조물의 이점은, 적층되어 높은 농도의 TESM을 적층할 수 있는 캡슐 구조물의 사용능력이다. TESM의 농도는, TESM을 각각 함유하는, 반경(r)을 갖는 구(sphere)들로 용적을 충전시킴으로써 달성할 수 있는 농도보다 높을 수 있다. 어레이 구조물은, TESM의 농도(예를 들어, 약 25℃에서)를 3차원 어레이 구조물을 채우기 위해 요구되는 총 용적의 약 50% 초과, 바람직하게는 약 60% 초과, 보다 바람직하게는 약 70% 초과, 더욱 보다 바람직하게는 약 75% 초과, 가장 바람직하게는 약 80% 초과인 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 측면이 각각 10cm인 10개의 사각형 어레이들이 적층되어 10cm 길이의 구조물을 형성한다. 3차원 어레이 구조물을 채우기 위해서 요구되는 총 용적은 약 1000㎤이다. 따라서, TESM은 약 500㎤ 이상, 보다 바람직하게는 약 600㎤ 이상 등을 점유할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 블리스터 팩은, 2개의 마주보는 골 플라이들이 이들 각각의 표면의 일부에서 서로 아주 근접하여 있도록(예를 들어, 직접 접촉하고 있거나 약 1mm 미만의 거리로 이격되어 있다), "인접"된다. 2개의 마주보는 골 플라이들은 이들의 마주보는 면의 총 면적의 10% 이상, 바람직하게는 약 20% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상, 가장 바람직하게는 약 60% 이상으로 아주 근접할 수 있다. 2개의 마주보는 제 1 플라이들 사이의 간격은 예를 들어 도 6에서 도시하는 바와 같이 파이프형 유동 경로를 형성할 수 있다.
도 6은 서로 인접한 2개의 블리스터 팩의 계면의 개략도이다. 제 1 블리스터 팩(55)의 제 1 플라이 및 제 2 블리스터 팩(55')의 제 1 플라이는, 2개의 마주보는 면이 접촉하는 영역(58)을 갖는다. 제 1 블리스터 팩(55)의 제 1 플라이는 이들의 골에서 만입부 또는 홈(59)을 가져서, 2개의 블리스터 팩이 서로 인접하는 경우 갭(57)이 형성된다. 각각의 캡슐의 만입부(59)는 열 전달 유체의 유동 경로를 형성한다. 도 6은 하나의 블리스터 팩의 각각의 캡슐이 홈 또는 만입부를 갖고, 짝을 이룬(mating) 블리스터 팩의 각각의 캡슐은 홈 또는 만입부를 갖지 않는 한 쌍의 블리스터 팩을 도시한다. 도 6에서 도시한 바와 같이, 블리스터 팩의 적층은 너브 또는 스페이서가 없을 수 있다. 양쪽 블리스터 팩 모두 일부 또는 모든 캡슐에서 만입부를 가져서, 열 전달 유체가 만입부를 함유하는 캡슐 중 일부 또는 전부와 접촉하는 것도 가능하다. 바람직하게, 유동 경로는 캡슐의 30% 이상, 바람직하게는 약 50% 이상, 보다 바람직하게는 약 60% 이상, 가장 바람직하게는 약 70% 이상과 접촉한다. 본원의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 엇갈린 패턴의 긴 캡슐형 구조물을 사용한 결과, 본원의 인접한 하위-조립체가, 대개 서로 대향하는 상태로, 대개 맞물린 긴 캡슐형 구조물을 포함할 것임이 가능하다.
유동 경로(24)는 임의의 형태 또는 치수를 가질 수 있다. 유동 경로의 높이(예를 들어, 평균 높이)(t갭)는 바람직하게는 약 20mm 미만, 보다 바람직하게는 5mm 미만일 수 있고, 여기서 t갭은 스페이서를 갖지 않는 유동 경로의 면적으로만 한정된다. 바람직하게는 t갭의 가변성이 낮은 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 유동 경로의 높이의 표준 편차(σ갭)는 t갭보다 매우 작을 수 있는데, 예를 들어σ갭 < 0.3t갭, 보다 바람직하게는 σ갭 < 0.1t갭이다. 유동 경로는, 제 1 유동 경로의 유속(v1) 및 제 2 유동 경로의 유속(v2)이 약 33% 보다 크게 상이하지 않도록(예를 들어, 0.67 v1 < v2 <1.5 v1), 추가로 고안될 수 있다. 바람직하게는 v1 및 v2는, 0.9 v1 < v2 <1.11 v1이도록 한다. 열 전달율 및/또는 열 전달 유체의 유동을 개선시키기 위해서, 유동 경로의 높이가, 유동 경로의 출발점부터 유동 경로의 종말점까지 변하는 것이 바람직할 수 있다. 유동 경로의 중심부 근처의 유동은, 유동에 대한 저항이 감소하도록 층류(laminar)일 수 있거나, 상기 표면 근처의 유체와의 열 전달을 개선시키도록 난류일 수 있다. 유동 경로는 실질적으로 직류인 것도 가능하다. 유동 경로는, 분지 구조로 연결되어 있는 실질적인 직류 분절을 복수개 포함하는 것도 가능하다. 유동 경로는 하나 또는 복수개의 아치형 분절을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는, 유동 경로가 대개 주기적이고 반복되는 사인 곡선 형태를 포함하는 것도 가능하다. 예를 들어, 어레이부의 표면은 다양한 높이(예를 들어, 최소 및 최대 높이 사이에서 반복적으로 변하는 높이)를 갖는 유동 경로를 한정할 수 있다.
도 5a를 다시 참고하면, 하나 이상의 어레이부의 2개의 대향하는 플라이(10 및 12)는 서로에 대해 비대칭일 수 있다(예를 들어, 하나의 플라이는 대개 평탄한데, 다른 플라이는 아치형일 수 있다(예를 들어, 다른 플라이는 엠보싱된 플라이이다)).
3차원 캡슐 어레이의 또다른 예는, 인접 층 사이로 열 전달 유체의 이동을 허용하는 갭을 갖도록 적층된 벌집형 구조물의 층을 포함하는 구조일 수 있다. 벌집형 캡슐의 단일층은 6각형 또는 긴 6각형 패턴을 갖는 벌집형 시트 물질(예를 들어, 헥셀(Hexel)로부터 시판중인 알루미늄 벌집형 시트 또는 기타 금속성 물질(예를 들어, 스테인레스 강)으로부터의 유사한 형태의 구조물)을 사용하여 형성될 수 있다. 벌집형 시트의 표면을 알루미늄 또는 기타 적합한 물질의 플라이로 밀봉하거나 다르게는 연결함으로써 액체를 보유할 수 있는 개방형 셀이 형성될 수 있다. 또다른 단계는 상기 개방형 셀의 일부 또는 전부를 TESM으로 충전시키는 단계, 그다음 제 2 플라이(예를 들어, 알루미늄의 제 2 플라이)를 제공하는 단계, 및 상기 제 2 플라이로 개방형 셀을 덮는 단계를 포함할 수 있다. 벌집형 시트에 제 2 플라이를 밀봉하거나 다르게는 결합시키는 단계가, 복수개의 밀봉된 셀(즉, 캡슐)을 형성하기 위해서 사용될 수 있다. 3차원 캡슐 어레이는, TESM으로 충전된, 복수개의 밀봉된 벌집형 시트를 적층함으로써 형성될 수 있다. 하나 또는 둘 다의 플라이들은, 밀봉된 벌집형 시트의 층이 적층되는 경우, 갭을 유지하는 스페이서 또는 기타 수단을 가질 수 있다.
본 발명의 교시내용은 TESM을 사용하는 열 저장 장치, 모듈, 및 시스템에 관한 것이다. 하나의 넓은 의미에서, 본 발명의 교시내용은, 하우징(예를 들어, 절연 용기 또는 기타 적합한 하우징), TESM이 고상으로부터 액상으로의 상 변이를 경험하도록 TESM을 가열하기 위한 열 수집기 및/또는 열 공급원을 포함하는 열 저장 장치, 모듈 또는 시스템에서의 TESM의 용도; 및 상기 장치, 모듈 또는 시스템이 이후의 액상으로부터 고상으로의 열 전이로부터 유발되는 열을 제공하도록 상기 하우징으로부터 열을 전달하는 적합한 구조물 또는 메카니즘에 관한 것이다.
하나의 이러한 시스템(60)의 개략도가 도 7a 및 도 7b이다. 시스템(60)은 하나 이상의 주요 열 공급원(62)으로부터 열 공급원(폐열일 수도 있음)과 열 연통하도록(예를 들어, 전도에 의해, 대류에 의해, 복사에 의해, 또는 이들의 조합에 의해) 개조되어, 주요 열 공급원으로부터 유도된 공급원 열이 열 에너지 저장 물질(28)로 전달되어, 여기에 이것을 (예를 들어, 절연 용기와 같은 하나 이상의 적합한 용기(64)에서) 저장하고 하나 이상의 구성요소들을 가열시키기 위해 후속적으로 회수할 수 있다. 열 에너지 저장 물질로의 전달은, 열 전도, 대류, 복사 또는 이들의 조합에 의해 열을 전달하는 적합한 제 1 열 처리 장치(heat throughout device)(66)를 하나 이상 사용하여 수행될 수 있다. 상기 시스템은 임의로, 열을 열 에너지 저장 물질로부터 제 1 열 공급원 또는 이들의 구성요소로, 또는 또다른 요소 또는 구성요소(62')로 전달하기 위해, 하나 이상의 적합한 제 2 열 처리 장치(68)를 사용할 수 있다.
도 8a는 효과적으로 블리스터 팩을 한정하기 위해, 각각 TESM(28)으로 충전된 복수개의 캡슐화 구조물을 포함하는 어레이부(25)를 포함하는 열 저장 장치(89)를 도시한다. 도 8a에서 도시하는 바와 같이, 복수개의 어레이부들(예를 들어, 블리스터 팩)을 대향하고 적어도 부분적으로 이격된 방식으로 적층함으로써 열 저장 장치가 조립될 수 있다. 예를 들어, 이는 인접 방식 및/또는 맞물림 방식으로 적층된다. 블리스터 팩의 적층물은 절연 용기(85)에 하우징된다. 열 저장 장치는 용기내 열 공급원(81)(바람직하게는 블리스터 팩과의 열 접촉부(87)를 가짐) 또는 용기의 내부 및/또는 외부로 열을 전달하는 수단(예를 들어, 하나 이상의 열 처리 장치)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 8a의 어레이부(25)는 도 8b에서 도시된 구조에 따라 적층될 수 있다.
도 9는 블리스터 팩(25)에 캡슐화된 열 에너지 저장 물질(28)을 갖는 예시적인 열 에너지 저장 장치(80)의 단면도이다. 열 에너지 저장 장치는 외측벽(81)을 갖고 하우징(83)을 한정하는 용기를 포함할 수 있다. 상기 하우징은 내부 용적을 갖는 공동(84)을 형성할 수 있고, 상기 하우징은 주입구(91), 배출구(92) 또는 둘 다와 같은 하나 이상의 개구부를 가질 수 있다. 예를 들어, 열 전달 유체(97)는 상기 하우징을 통해 순환하며, 주입구(91)를 통해 하우징으로 도입되고 배출구(92)를 통해 배출된다(배출구를 나타내는 도 9의 화살표는 배출구의 위치를 나타내는 것이지 유동 방향을 나타내는 것은 아니다). 상기 장치는 또한 상기 하우징의 절연 수단(예를 들어, 상기 하우징(83)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 절연층(82) 또는 진공 공동(evacuated cavity))을 가질 수도 있다. 절연층(82)은 열 저장 장치로부터의 열 손실률을 감소시키는 작용을 할 수 있다. 하우징(84)의 공동은 TESM(28)을 함유하는 블리스터 팩(25)을 함유할 수 있다. 블리스터 팩(25)은 제 2 플라이(20)로 밀봉된(예를 들어, 용접되거나 확산 결합된) 제 1 플라이(10)를 함유할 수 있고, 복수개의 개별적으로 단리된 밀봉된 캡슐(29)에 TESM(28)을 함유할 수 있다. 제 1 플라이(10)는 스페이서(14)로서 작용할 수 있는 하나 이상의 범프, 너브 또는 기타 돌출부를 가질 수 있다.
도 9의 단면은 캡슐상에 너브를 함유하는 영역에서의 것이며, 다른 영역(예를 들어, 도 3a에서 도시한 바와 같이)은 너브가 없을 수 있다. 너브들은 바람직하게는 작아서(예를 들어, 단면에 대해 수직인 방향으로) 열 전달 유체가 너브 주변으로 용이하게 유동할 수 있음을 인식해야만 한다.
대향하는 적층된 어레이부(예를 들어, 블리스터 팩 층)가 포함될 수 있다. 열 저장 장치는 4개 이상, 바람직하게는 6개 이상, 보다 바람직하게는 8개 이상의 어레이부를 함유할 수 있다. 예를 들어, 제 1 블리스터 팩과 제 2 블리스터 팩을 포함하는 하나 이상의 쌍의 블리스터 팩은, 제 1 블리스터 팩의 제 2 플라이의 표면(20)이 제 2 블리스터 팩의 제 2 플라이의 표면(20')과 접촉하도록, 또는 한 쌍의 블리스터 팩이 대개 일정한 두께를 가질 수 있는 층(30)을 형성하도록 배열될 수 있다. 각각의 층을 형성하는 한 쌍의 블리스터 팩들은, 이들이 2개의 인접하는 층 사이에 대개 일정한 갭을 형성하도록, 적층될 수 있다. 층들 사이의 갭은 하나 이상(예를 들어, 복수개의) 유동 경로(24)를 한정한다. 도 9에서 도시하는 바와 같이, 열 저장 장치는 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상, 보다 바람직하게는 4개 이상의 유동 경로를 포함할 수 있다.
열 전달 물질(97)(예를 들어, 열 전달 유체 또는 기타 작업 유체)은 유동 경로(24)를 통해 유동하고, TESM(28)으로 열을 제공하거나 TESM으로부터 열을 발산하기 위해서 캡슐(16)의 표면과 접촉한다. 블리스터 팩은, 제 1 유동 경로(24) 및 제 2 유동 경로(24')의 유동 방향에 대해 횡방향인 단면 치수(예를 들어, 형태, 높이, 폭, 면적 또는 곡률)가 동일하도록 배열될 수 있고, 서로 평행한 유동 경로를 가질 수 있다. 상기 하우징은 또한 열 전달 유체의 유동을 각각의 유동 경로(24)로 향하게 하기 위한 하나 이상의 배플(96)을 함유할 수도 있다. 마주보는 블리스터 팩(25) 사이의 소정의 간격(예를 들어, 일정한 거리)을 유지하는 것 외에, 스페이서(14)는 열 전달 유체의 유동을 나누고 재조합하여, 열 전달 유체의 온도의 변화를 줄이기 위해서도 사용될 수 있다. 열 전달 유체(97)는 항상 하우징(83) 내에 있거나, 이것이 필요하지 않은 경우에는 하우징으로부터 배출될 수도 있다. 재조합 위치에서, 재조합된 유체가 혼합될 수 있다. 예를 들어, 장치 구조는, 이러한 위치에서 복수개의 유체 스트림을 혼합하기 위한 정류 혼합기를 효과적으로 한정하도록, 존재할 수 있다.
도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 작은 스페이서(14)를 사용함으로써, 2개의 블리스터 팩(30)의 인접하는 층 간의 거리를 감소시켜 하우징(83) 내 TESM(28)의 농도(체적%)를 증가시키는 것이 가능할 수 있다. (예를 들어, 모든 블리스터 팩의 제 1 플라이(10)의 총 표면적을 증가시킴으로써) 캡슐(29)과 열 전달 유체(97)간의 표면적을 증가시켜 TESM으로의 열 전달 또는 TESM로부터의 열 배출 속도를 증가시킬 수 있는 것이 유리할 수 있다. 제 1 플라이, 제 2 플라이, 또는 둘 다는, TESM과 플라이들 사이의 열 접촉을 증가시키기 위해 캡슐의 공동 이외에 하나 이상의 도출부(도시하지 않음)를 가져서 열 전달율을 증가시킬 수 있다. 주입구(91), 배출구(92) 및 유동 경로(24)의 배향은 임의의 방향일 수 있다. 바람직하게, 유동 경로 배향은, 주입구로부터 유동 경로(24)를 경유하여 배출구(92)로 배출되는 열 전달 유체의 유동이 포지티브-수직 방향으로의 유동이 되도록 한다(즉, 배출구는 주입구보다 높은 위치에 있고, 유동 경로는 주입구와 배출구 사이에 있다).
복수개의 유동 경로의 크기 및 형태는 열 교환기의 유압 저항(예를 들어, 열 전달 유체의 압력 강하에 의해 측정됨)이 합리적으로 유지되도록 선택될 수 있다. 복수개의 유동 경로는, 열 저장 장치를 통해 약 10리터/분의 총 속도로 유동하는 열 전달 유체의 주입구와 배출구 사이의 압력차가, 바람직하게는 약 3kPa 미만, 보다 바람직하게는 약 2.5kPa 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 2.0kPa 미만, 가장 바람직하게는 약 1.5kPa 미만이도록 하는 것이 바람직하다. 한정하는 것이 아니라, 예를 들면, 도 9에서 도시한 복수개(제 1 및 제 2)의 유동 경로는 대개 평행하고, 각각 거의 동일한 단면적을 갖는다. 바람직하게는, 제 1 유동 경로에서의 유속과 제 2 유동 경로에서의 유속은 거의 동일하다. 예를 들어, 2개의 유속은 약 2:3 내지 약 3:2일 수 있다.
열 에너지 저장 물질을 함유하기 위한 용기는 바람직하게는 (열적) 절연 용기여서, 하나 이상의 표면에서 절연화되어 있다. 바람직하게, (주변 또는 외부에 노출된) 일부 또는 모든 표면이 주변에 인접하는 절연체를 가질 것이다. 절연 물질은, 대류성 열 손실을 줄이거나, 복사열 손실을 줄이거나, 전도성 열 손실을 줄이거나 또는 이들의 조합에 의해 작용할 수 있다. 바람직하게, 절연화는 절연체 물질 또는 바람직하게는 비교적 낮은 열 전도성을 갖는 구조물을 사용함으로써 이루어질 수 있다. 도 7a 및 도 7b를 참고하면, 열 에너지 저장 물질(28)을 함유하는 용기(64)의, 대향하는 이격된 벽들(72 및 74) 사이의 갭(70)을 사용하여 절연화할 수 있다. 상기 갭은 예를 들어 공기-공간과 같이 기상 매질에 의해 점유되거나, 가능하게는 (예를 들어, 듀어(Dewar) 용기를 사용함으로써) 진공 공간, 낮은 열 전도성을 갖는 물질 또는 구조물, 낮은 열 복사율을 갖는 물질 또는 구조물, 낮은 대류를 갖는 물질 또는 구조물, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 상기 용기는 세라믹 절연체(예를 들어, 석영 또는 유리 절연체), 중합체 절연체, 또는 이들의 임의의 조합을 함유할 수 있다. 상기 절연체는 섬유형, 발포체형, 치밀화 층, 코팅 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 상기 절연체는 직물, 부직물 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 상기 용기는 하나 이상의 금속 층 또는 표면(예를 들어, 시트형, 판형, 호일형, 플레이트형, 와이어형, 막대형, 메쉬 스크린, 또는 이들의 임의의 조합)을 포함할 수 있다. 임의의 절연층 또는 표면은 구조물의 유용한 표면적을 증가시키거나 감소시키기 위한 임의의 천공, 핀 또는 기타 표면 배치물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 도 7a 및 도 7b에서 도시하고 전술한 바와 같이, 하나의 바람직한 (열적) 절연 용기는 듀워스 용기를 포함하고, 보다 구체적으로, 내부 저장 공동을 한정하기 위해 배치된 대개 대향하는 벽들 및 상기 대향하는 벽들 사이의 벽 공동을 포함하되, 상기 벽 공동이 대기압 미만으로 배기되어 있는 용기를 포함한다. 상기 벽들은 추가로 복사열 손실을 최소화하기 위한 반사성 표면 코팅(예를 들어, 거울면)을 사용할 수 있다.
절연 용기는 내부 저장 공동 내부의 압력을 조절하기 위한 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 밸브는 또한 벽 공동 내부 압력을 조절하기 위해서 사용될 수 있다. 기타 도관, 유동 조절기, 펌프, 배기구 또는 기타 구성요소도 시스템 내 유체 순환의 제어를 보조하는 것이 바람직한 경우, 사용될 수 있다.
상기 용기는 바람직하게는 최소 작동 저장 온도와 최대 작동 저장 온도 사이의 임의의 온도에서 작용할 수 있다. 예를 들어, 차량에서, 최소 작동 저장 온도는 작동 중 차량이 합리적으로 경험하는 것이 예상되는 최저 주위 조건이며(예를 들어, 약 -40℃ 또는 가능하게는 -60℃ 이하), 최대 작동 저장 온도는, 열 에너지 저장 물질이 가열될 것으로 고려되는 최고 온도이다(예를 들어, 차량 작동 중에 경험하는 일반적인 조건, 예를 들어 본원의 하나의 실시양태에서 열이 수득되는 자동차의 엔진 블록은, 약 300℃ 차수의 온도에 도달할 것으로 예상된다).
도 7a 및 도 7b를 참고하면, 본원의 시스템은 저장 용기로, 저장 용기로부터, 또는 둘 다 열 에너지를 전달하기 위한 하나 이상의 열 처리 장치(66 또는 68)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 공급원으로부터 열 에너지 저장 물질로 열을 전달하거나, 열 에너지 저장 물질로부터 열 공급원으로 열을 전달하거나, 열 에너지 저장 물질로부터 가열이 요구되는 열 공급원 이외의 구성요소로 열을 전달하거나 또는 이들의 조합을 위해 하나 이상의 구조물이 배치될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 열 처리 장치는 열 파이프(이는 임의로 평판형 열 파이프, 관형 열 파이프 또는 이들의 조합일 수 있음), 써모사이폰(thermosiphon), 유체(예를 들어, 기체 또는 액체) 순환 루프, 금속 접촉부(예를 들어, 높은 열 전도성을 갖는 금속(예를 들어, 구리)을 함유하는 금속 접촉부) 또는 이들의 임의의 조합 중에서 선택된 열 처리 메카니즘을 포함한다. 바람직한 열 파이프의 경우, 상기 메카니즘은, 열을 제공하는 말단에서 작업 유체를 증발시키고 가열될 말단에서 작업 유체를 응결시킴으로써 작동할 것으로 인식된다. 작업 유체는, 액상 작업 유체에 대해 모세관력을 적용하는 심지형(wick) 구조물에 의해 또는 중력에 의해 전달될 수 있다. 이러한 열 파이프는, 증기가 작업 유체로부터의 증기로 실질적으로 구성된(또는 필수적으로 이루어진) 밀봉된 시스템이다. 튜브의 측벽의 내측에서, 심지형 구조물은 작업 유체의 액상에 대해 모세관력을 가한다.
예를 들면, 하나의 열 처리 장치는 냉각제 또는 냉매 루프를 포함할 수 있다(예를 들어, 글리콜과 같은 냉각제 또는 냉매가 제 1 열 공급원과 열 에너지 저장 물질 사이를 순환한다). 또한, TESM이 루프를 통해 순환하는 것도 가능하다. 열 에너지 저장 물질로의 열 에너지의 전달을 위한 임의의 공지된 수단이 사용될 수 있다. 열 에너지 저장 물질을 저장하기 위한 절연 용기가 열 처리 메카니즘의 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 절연 용기는 순환 액체를 위한 채널을 포함할 수 있다. 절연 용기는, 열 에너지 저장 물질로의 열 전달율을 증가시키는 특징부(예를 들어, 용기에 의해 형성된 공동을 향해 용기의 내벽으로부터 돌출된 핀)를 포함할 수 있다. 열 처리 장치는 열 전달율을 증가시키기 위한 하나 이상의 장치, 예를 들어 펌프, 팬이나 송풍기, 또는 기타를 포함할 수 있다.
TESM에 열을 전달하기 위한 수단은 TESM으로부터 열을 발산하기 위한 수단과 동일하거나 상이할 수 있다(예를 들어, 열 저장 장치는 2-웨이 열 교환기, 2-챔버 열 교환기, 3-웨이 열 교환기, 또는 3-챔버 열 교환기를 포함하도록 기술될 수도 있다). 본원에서 기술한 임의의 열 처리 장치는 열을 TESM에 전달하거나 열을 TESM으로부터 발산하기 위해 사용될 수 있다. TESM을 가열하기 위한 열 공급원은 TESM을 함유하는 절연 용기 내부에 존재할 수도 있다. 예를 들어, 전열기가 절연 용기 내부에 존재하고, TESM의 가열 수단은 TESM와 가열기 사이의 열 전도도를 가질 수 있다. TESM으로부터 열을 발산하기 위한 수단은, 예를 들어, 가열되는 것이 요구되는 물질을 직접 가열하는 단계를 포함할 수 있다(예를 들어, 공기가 절연 용기를 통해 순환되어 TESM에 의해 가열되고, 그 다음 열을 발산하여 이것을 공기에 전달하고, 그다음 건물 또는 차량의 뒷좌석에 따뜻한 공기를 제공한다).
열 저장 시스템은 제 1 열 공급원이 통과하는 또다른 구성요소와 일체형을 이룰 수 있다. 예를 들면, 수송 차량으로부터의 배출물은 접촉성 전환기를 통과할 수 있다. 이러한 제 1 열 공급원에서, 접촉성 전환기의 다운스트림 분획은 열 저장 시스템의 일부로서 작동하기에 적당할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질로 열 에너지를 전달하기에 열 처리 장치는, 접촉성 전환기의 일부를 절연 용기에 연결하는 성분을 포함할 수 있다. 열 저장 시스템이 접촉성 전환기와 일체화되는 경우, 이는 바람직하게는 접촉성 전환기 뒤에 배치된다.
하나의 양태에서, 본 발명은, 장치에서 비교적 작은 용적을 점유하고, 상기 장치의 현존하는 한계치(existing confine) 내에 맞도록 패키징될 수 있고, 상기 장치의 전체 중량이 거의 증가하지 않는 하위-시스템을 장치에 제공하는 능력에 의해 예상치 못하는 결과를 달성하였다. 따라서, 본 발명의 바람직한 시스템은, 놀랍게도, 사용되는 시스템의 총 중량의 약 5% 미만, 보다 바람직하게는 약 3% 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 1% 미만을 기여하면서, 전술한 성능을 달성한다. 예를 들어, 약 20kg 미만, 보다 바람직하게는 약 10kg 미만의 열 에너지 저장 물질을 사용함으로써, 차량에서 본 발명의 시스템을 사용하는 것이 가능하다.
열 저장 시스템은, 제 1 열 공급원과 절연 용기 사이의 열 전달을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 시스템, 절연 용기와 가열된 물제 사이의 열 전달을 제어하기 위한 제어 시스템 또는 둘 다를 포함할 수도 있다. 예시적인 제어 시스템은 본원에서 참고로 인용하는, 2008년 6월 16일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/061908 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074840 호, 및 2008년 8월 19일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/090084 호로 기술되어 있다.
열 저장 시스템은 모듈, 예를 들어 본원에서 참고로 인용하는, 2008년 6월 16일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/061908 호, 및 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074840 호에 개시된 모듈일 수 있다. 예를 들어, 열 저장 시스템은 전열기(예를 들어, 저항 가열기)를 포함하는 모듈일 수 있다.
열 저장 장치는 임의의 총량의 TESM을 함유할 수 있다. 설명하자면, 구체적인 차량 적용례의 경우, 열 저장 장치(또는 차량 구성요소의 모든 열 저장 장치)내 TESM의 양(즉, 용량)은 약 1리터 초과, 바람직하게는 약 3리터 초과, 보다 바람직하게는 약 5리터 초과, 가장 바람직하게는 약 8리터 초과인 것이 바람직할 수 있다. 열 저장 장치(또는 차량 구성요소의 모든 열 저장 장치) 내 TESM의 양은 약 25리터 미만, 약 20리터 미만, 약 17리터 미만, 및 약 14리터 미만일 수 있다. 다른 용량도 가능하다. 이러한 열 저장 장치(들)는 300℃로부터 약 80℃로 TESM을 냉각시킬 때, 실질적인 양의 열을 방출시킬 수 있다. 열 저장 장치는, TESM이 약 300℃으로부터 약 80℃로 냉각될 때, 약 1MJ 초과, 바람직하게는 약 2MJ 초과, 보다 바람직하게는 약 4MJ 초과, 가장 바람직하게는 약 6MJ 초과(또는 약 10MJ 초과)의 열을 방출할 수 있다.
본원에서 기술된 열 저장 장치 또는 블리스터 팩을 사용할 수 있는, 가열 시스템(예를 들어, 열 저장 시스템), 가열 모듈, 가열 구성요소, 및 가열 저장 공정, 및 가열 공정은, 본원에서 그 전체를 참고문헌으로 인용하는, 2008년 2월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/030,755 호, 2008년 6월 16일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/061,908 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074,799 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074,840 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074,869 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074,889 호, 및 2008년 8월 19일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/090084 호에 추가로 기재되어 있다.
열 저장 장치내(예를 들어, 캡슐형 구조물에 캡슐화된) TESM 물질은 임의의 적합한 TESM일 수 있다. TESM 물질의 예로는 2008년 2월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/030,755 호, 2008년 6월 16일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/061,908 호, 2008년 6월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제 61/074,869 호, 및 2009년 2월 20일자로 출원된 "열 에너지 저장 물질"이라는 제목의 미국 특허출원 제 12/389,416 호(대리인 번호: 66955A(1062-088))에 개시되어 있다. 예를 들어, 열 에너지 저장 물질은 하나 이상의 제 1 금속 함유 물질을 포함하고, 약 85℃ 내지 약 350℃의 액상선 온도를 갖고, 하나 이상의 상 변화를 경험하고, (i) 약 1MJ/l 이상의 융해열 밀도 및 (ii) 약 1MJ/l 이상의, 300℃로부터 80℃로의 열 저장 밀도 중 하나 또는 둘 다를 가질 수 있다. TESM은, 약 1MJ/l 초과, 바람직하게는 약 1.2MJ/l 초과, 보다 바람직하게는 약 1.4MJ/l 초과의, 300℃로부터 80℃로의 열 저장 밀도(이는 300℃로부터 80℃의 온도 범위에서 열 유속의 적분치로서 정의되고, 10℃/분의 냉각 속도에서 열 용량을 보정하는 기기를 사용함으로써 차동 주사 열량계에 의해 측정됨)을 특징으로 한다. 적합한 TESM은 약 20℃ 초과, 바람직하게는 약 85℃ 초과, 보다 바람직하게는 약 85℃ 초과, 더욱 보다 바람직하게는 약 95℃ 초과, 가장 바람직하게는 약 100℃ 초과(예를 들어, 약 125℃ 초과)의 액상선 온도를 가질 수 있다. TESM은 약 700℃ 미만, 바람직하게는 약 300℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 280℃ 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 250℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 200℃의 액상선 온도를 가질 수 있다. TESM은 약 0.5MJ/l 초과, 바람직하게는 약 0.7MJ/l 초과, 보다 바람직하게는 약 1.0MJ/l 초과, 가장 바람직하게는 1.2MJ/l 초과의 융해열 밀도를 가질 수 있다. TESM은 TESM내 원자의 총 몰을 기준으로 약 5몰% 미만의 수소 농도, TESM의 총 중량을 기준으로 약 5중량% 미만의 물의 농도, 또는 둘 다를 가질 수 있다. TESM은 니트레이트, 니트라이트 또는 이들의 조합을 포함하는 염을 포함할 수 있다. TESM은 리튬 양이온, 칼륨 양이온, 나트륨 양이온 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. TESM은 TESM 내 양이온의 총 몰을 기준으로 약 20% 내지 약 80몰%, 바람직하게는 약 30% 내지 약 70몰%의 농도로 리튬 양이온을 포함할 수 있다. TESM은 TESM 내 총 몰을 기준으로 약 20몰% 내지 약 80몰% 농도로 리튬 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM은 약 30몰% 내지 약 70몰%의 리튬 니트레이트, 및 약 30몰% 내지 약 70몰%의 나트륨 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM은 TESM의 총 중량을 기준으로 90중량% 초과(예를 들어, 약 95중량% 초과)의 총 농도로 리튬 니트레이트 및 나트륨 니트레이트를 포함할 수 있다. TESM은 니트레이트 이온, 니트라이트 이온, 또는 둘 다를 포함하는 하나 이상의 제 1 금속 화합물; 하나 이상의 제 2 금속 화합물을 포함하는 하나 이상의 제 2 금속 화합물; 및 임의로 물을 포함할 수 있고, 여기서 존재하는 경우, 물의 농도는 약 10중량% 미만이다. TESM은 리튬 니트레이트, 나트륨 니트레이트, 리튬 니트라이트, 나트륨 니트라이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 공융 조성물일 수 있다.
본원에서 기술한 TESM, 이를 함유하는 캡슐 구조물, 하위-조립체 및 모듈은, 단독으로 또는 복수개로, 복수개의 적용례로 열을 저장 및 방출하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 일반화된 개념으로서, 이는, (a) 열 공급원으로부터의 적어도 일부의 공급원 열을 전달하는 단계; (b) 공급원 열을 사용하여 열 에너지 저장 물질을 가열하는 단계; (c) 적어도 일부의 공급원 열을 잠열로 전환시킴으로써 열 에너지 저장 물질 내부의 액상의 양을 증가시키는 단계; (d) 상기 열 에너지 저장 물질 내에 상기 양의 액상을 유지하여 잠열을 저장하는 단계; (e) 상기 잠열의 적어도 일부를 발산된 열로 전환시키는 단계; 및 (f) 상기 발산된 열을 가열할 물체에 전달하는 단계를 포함하는, 열 회수 공정에서 사용될 수 있다.
이러한 열 회수 공정의 단계들은 수회(예를 들어, 100 회 초과, 보다 바람직하게는 1000회 초과, 심지어는 5000회) 신뢰성있고 효과적으로 반복될 수 있다. 상기 단계들이 매회 마다 전술한 정확한 순서로 따라해야만 하는 것은 아님을 알아야 한다. 예를 들어, 액상의 농도를 증가시키는 단계 및 액상의 농도를 유지하는 단계는, 액상의 농도를 감소시키는 단계 전에 수회 반복될 수 있다.
본 발명의 교시내용은 특히 염격한 성능 요구사항을 요구하는 적용례에서 특히 매력적인 유용성을 발견한다. 전술한 공정이 사용될 수 있는 다수의 적용례 중에서, 차량, 건물, 유체 가열, 발전, 화학 반응, 산업적 적용례로부터의 폐열 회수 및 기타를 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명은 높은 초기 속도(즉, 높은 초기 전력)로 열 전달 유체에 TESM으로부터의 열을 방출하는 단계를 포함하는 가열 적용례에서 유리하게 사용될 수 있다. 열 저장 장치 하우징의 용적 당 열 저장 장치의 초기 전력(즉, 열 저장 장치의 파워 밀도)은 약 8kW/L 초과, 바람직하게는 약 10kW/L 초과, 보다 바람직하게는 약 14kW/L 초과, 가장 바람직하게는 약 1kW/K 초과(예를 들어, 약 20kW/L 초과)일 수 있고, 이는 280℃의 초기 온도에서 TESM을 갖는 열 저장 장치를 사용함으로써 측정되며, 열 전달 유체는 약 10℃의 초기 온도를 갖는다(바람직하게, 열 전달 유체의 유속은 하우징의 용적(리터) 당 약 5리터/분이다).
본 발명은, 저장된 열이 요구되는 경우 유용할 수 있도록, 주변으로의 실질적인 열 손실 없이, 연장된 기간(예를 들어, 4시간 초과, 보다 바람직하게는 12 시간 초과, 더욱 보다 바람직하게는 1일 초과, 더욱 보다 바람직하게는 2일 초과, 특정한 열 저장 시스템의 경우 약 30일 초과) 동안 열을 저장하는 단계를 포함하는 가열 적용례에서 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 열 저장 시스템내 열 에너지 저장 물질의 양(약 0.5kg 초과)은, 이들 약 300℃의 온도까지 가열되고, 열 에너지 저장 물질로 부가적인 열을 전달하지 않은 채, 약 6시간, 보다 바람직하게는 약 12시간, 더욱 보다 바람직하게는 약 24시간, 더욱 보다 바람직하게는 약 48시간, 더더욱 보다 바람직하게는 약 72시간(또는 가능하게는 96시간 초과) 동안 용기의 밖의 주위 온도를 약 -60℃까지 감소시킬 수 있도록 효과적으로 작동하는 것으로 고려된다. 이러한 조건하에서, 용기의 절연 및 구조는 주위 노출 기간 동안, 열 에너지 저장 물질의 온도를 약 80℃ 이상, 바람직하게는 약 100℃ 이상으로 유지하기에 충분해야 한다.
본 발명은, 유리하게는, 열 에너지 저장 물질이 냉각되는 경우(예를 들어, 300℃로부터 80℃로), 약 2000kJ 초과, 바람직하게는 약 3000kJ 초과, 가장 바람직하게는 약 4000kJ 초과(예를 들어, 약 6,000kJ 초과)를 방출하는 단계를 포함하는 가열 적용례에서 사용하기에 유리할 수 있다. 예를 들면, 하나의 이러한 적용례는 약 6리터 미만, 보다 바람직하게는 약 3리터 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 2.5리터 미만, 가장 바람직하게는 약 2리터 미만의 용량의 TESM을 사용할 수 있다.
본 발명은 유리하게는, 임의의 TESM, 하위-조립체 또는 모듈에 임의의 외부 열 공급을 동시에 적용하지 않은 채(예를 들어, TESM을 가열하기 위해서 전열기에 전류를 공급하지 않은 채), 약 30분 이상, 보다 바람직하게는 60분 이상, 더욱 바람직하게는 120분 이상, 가장 바람직하게는 약 240분 이상 동안 약 12리터/초의 속도로 약 0℃로부터 약 30℃까지의 주입 공기를 가열시키는 단계를 포함하는 가열 적용례에서 사용하기에 유리할 수 있다.
본 발명은, 시스템의 TESM을 약 300℃로부터 약 80℃로 냉각시켜 상기 시스템이 충분량의 열을 방출시켜, (a) 주위 온도가 약 -10℃ 미만인 경우 약 2시간 이상(바람직하게는 약 4시간 이상, 보다 바람직하게는 약 6시간 이상, 가장 바람직하게는 약 8시간 이상) 동안 약 20℃ 초과(바람직하게는 약 30℃ 초과, 보다 바람직하게는 약 50℃ 초과, 가장 바람직하게는 약 65℃ 초과)의 온도로 유체 함유 파트를 유지하거나; (b) 주위 온도가 약 -10℃ 미만인 경우, 2 시간 이상(바람직하게는 4시간 이상, 보다 바람직하게는 6시간 이상) 동안 약 10℃ 초과(바람직하게는 약 15℃ 초과, 보다 바람직하게는 약 17℃ 초과)의 온도로 유체 함유 파트를 유지하거나 또는 (c) (a) 및 (b)를 둘 다 만족시키는, 가열 적용례에서 사용하기에 유리할 수 있다.
본 발명은, 4년 이상(보다 바람직하게는 6년 이상)의 기간 동안 약 10℃ 내지 약 300℃ 사이의 온도로 캡슐화된 TESM을 열적으로 사이클링시키는 단계를 포함하는 가열 적용례에서 사용하기에 유리하고, 상기 시스템은 TESM에 대한 약 300℃에서의 부식 공격에 대해 내성을 갖거나, 약 10℃ 내지 약 300℃ 사이의 열적 사이클링으로부터의 피로 손상에 대해 내성을 갖거나 둘 다를 가져서, 사이클링의 결과로서 블리스터 팩으로부터 10% 미만의 TESM만이 손실된다. 이와 관련해서, 본 발명은, 환경적인 손상(예를 들어, 염수 분무), 열적 사이클링, 및 충격(예를 들어, 스톤칩(stone chip))에 저항하는 단계를 포함하여, 4년 이상, 보다 바람직하게는 6년 이상의 유용한 작동 수명을 요구하는 적용례에서 사용될 수 있도록 하는 가열 적용례에서 사용하기에 유리할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 다양한 양태는 가열 적용례, 예를 들어 차량 적용례, 예를 들어 (i) 엔진(예를 들어, 열 전달 유체를 사용하는 것), 승객용 뒷좌석, 창 또는 이들의 임의의 조합의 저온 시동(cold start) 가열(예를 들어, 시동 전 10분 미만, 시동 도중, 또는 시동 후 5분 미만); (ii) 플러그 인 전기 차량, 플러그 인 하이드리드 전기 차량(즉, PHEV), 또는 전력 그리드로부터의 전기를 사용하는 하이드리브 차량(HEV)에서의 승객용 뒷좌석, 창 또는 둘 다의 가열; (iii) 보다 효율적이고 표적화된 가열(편재화되거나 국소화 가열(satellite heating))을 위한 다중 가열 위치 제공; (iv) 차량의 엔진이 꺼져 있는 경우의 엔진 블록, 엔진 오일, 승객용 뒷좌석, 또는 이들의 임의의 조합의 가열; (v) 전기 차량, PHEV 또는 HEV에서의 배터리의 가열; (vi) 트랜스미션 또는 트랜스미션 오일의 가열; (vii) 와이퍼액 또는 일부 기타 작업 유체의 가열; (viii) 촉매의 가열; 또는 이들의 임의의 조합에서 사용될 수 있다. 본 발명은 내연 엔진, 트랜스미션, 접촉성 전환기, 콕핏(cockpit)(예를 들어, 콕핏을 가열하기 위한 공기 스트림), 승객용 좌석, 창이나 바람막이 창, 또는 열을 임의의 전술한 구성요소에 제공하기 위한 순환 오일(예를 들어 액체 또는 기체)과 같은 구성요소를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 이러한 차량 구성요소 중 하나, 2종, 3종, 4종 또는 임의의 조합을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 엔진 블록, 유체 순환 시스템, 인터쿨러, 래디에이터(예를 들어, 공기 또는 액체), 터보-과급기(turbocharger), 공기 조건화 유닛을 위한 컴프레셔, 엔진 오일, 트랜스미션, 트랜스미션 오일, 배기용 다기관, 배기용 파이프, 접촉성 전환기, 배기용 팁, 열 쉴드, 장착 하드웨어, 머플러, 제동 구성요소, 충격 흡수재, 또는 전기저항 가열기와 같은 차량 구성요소에 의해 발생하는 열을 저장하는데 사용될 수 있다. 하나의 바람직한 양태에서, 본원의 시스템은 (i) 내연 엔진을 가열하기 위한 순환 유체 또는 내연 엔진을, 5℃ 미만의 온도로부터 60℃ 이상의 온도까지 60초 미만의 시간 동안 가열하는 단계; (ii) 콕핏을 가열하기 위한 에어 스트림을 5℃ 미만의 온도로부터 40℃의 온도까지 60초 미만의 시간 동안 가열하는 단계; 또는 (i) 및 (ii) 둘 다의 단계를 포함하는 차량 적용례에서 사용될 수 있다.
수송 차량에서의 본원의 교시내용의 사용을 추가로 설명하는 것을 보조하기 위해, 도 10 내지 12에 도시된 시스템을 참고할 수 있다. 도 10은 차량(101)에서의 열 저장 장치(104) 및 유체 함유 파트(103) 둘 다를 가열하기 위해서 사용될 수 있는 본 발명의 교시내용에 따른 차량 구성요소(111)를 도시한다. 열은 가열기(예를 들어, 전열기)(102)에 의해 발생될 수 있다. 차량 구성요소(111)는 가열기(102)로부터 유체 함유 파트(103)까지 열(107)을 전달하기 위한 수단 및 가열기(102)로부터 열 저장 장치(104)까지 열(107')을 전달하기 위한 수단을 함유할 수 있다. 차량 구성요소는 또한 유체 스트림(예를 들어, 콕핏으로 또는 창으로 공기를 취입하는 에어 스트림))(105) 및 열 저장 장치로부터 에어 스트림으로 열(107")을 전달하기 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 가열기로의 전류를 제어하기 위해서(임의로 가열기로부터 열 저장 장치 및 유체 함유 파트까지의 열을 제어하기 위해서) 조절기(예를 들어, 온도 조절기)(106)를 추가로 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 가열기를, 차량 외측(100)의 전력 공급원(109)과 접촉시키기 위한 플러그(110) 또는 기타 수단을 추가로 포함할 수 있다. 접촉되는 경우, 가열기(102)와 전류 공급원(109) 사이의 전기 경로(108)가 존재할 수 있다.
도 11은 차량(101)에 위치한 열 저장 장치(104) 및 유체 함유 파트(103)를 가열하기 위해서 사용될 수 있는 본 발명의 교시내용에 따른 또다른 차량 구성요소(115)를 도시한다. 열은, 유체 함유 파트 내부에 위치할 수 있는(또는 유체 함유 파트와 열적으로 접촉하거나 또는 유체 함유 파트에 열을 전달하는 수단을 갖는) 제 1 가열기(예를 들어, 전열기)(102)에 의해 발생할 수 있다. 차량 구성요소(115)는 열(107')을, 제 2 가열기(예를 들어, 제 2 전열기)(102')로부터 열 저장 장치(104)로 전달하기 위한 수단을 함유할 수 있다. 차량 구성요소는 또한 에어 스트림(예를 들어, 콕핏으로 또는 창에 공기를 취입하는 공기 스트림)(105) 및 열(107")을 열 저장 장치로부터 에어 스트림까지 전달하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 하나 또는 2개의 가열기로의 전류를 제어하는(예를 들어 제 2 가열기로부터 열 저장 장치까지의 열 유동을 제어하는) 조절기(예를 들어, 온도 제어기)(106)를 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 가열기를, 차량의 외부(100)에 있는 전력 공급원(109)과 접속시키기 위한 플러그(110) 또는 기타 수단을 추가로 포함할 수 있다. 접속되는 경우, 가열기(102)와 전류 공급원(109) 사이의 전기 경로(108)가 존재할 수 있다.
도 12는 열 저장 장치(112)에(또는 가능하게는 복수개의 열 저장 장치로부터) 저장된 열을 사용하는 공기 스트림(124) 및 유체 함유 파트(123) 둘 다를 가열하는데 사용될 수 있는 본 발명의 교시내용에 따른 또다른 차량 구성요소(120)를 도시한다. 상기 차량 구성요소는 열 저장 장치를 가열하기 위한 열을 제공할 수 있는 배기 시스템(121)을 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 또한 열을 배기 시스템으로부터 열 저장 장치(125)까지 전달하기 위한 수단, 열을 열 저장 장치로부터 에어 스트림(125")까지 전달하기 위한 수단, 및 열을 열 저장 장치로부터 유체 함유 파트(125')까지 전달하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 차량 구성요소는 또한 다양한 열 유동을 제어하기 위한(예를 들어, 열 저장 장치, 유체 함유 파트 및 공기 스트림이 과열되지 않도록 보장하기 위한) 제어기(예를 들어, 온도 조절기)(126)를 포함할 수 있다. 온도 제어기는 열 저장 장치로 또는 열 저장 장치 밖으로의 열 전달을 통제하기 위한 하나 이상의 수단(127, 127', 127")을 가질 수 있다.
본원에서 개시한 열 저장 장치를 사용할 수 있는 부가적인 적용례는, 건물내 공기 또는 물의 가열(예를 들어, 여름철에 수집된 태양열을 사용하여 겨울철에 가열함); 개선된 효율을 갖는 퍼니스에 의한 건물의 난방; 비-자동화 배터리 전지의 가열; 전기화학적 배터리의 가열; 및 태양열 순환수식 시스템(solar hydronic system), 전기 시스템 또는 둘 다를 사용하는 바닥의 가열이다. 가열될 수 있는 물체의 부가적인 예로는 유체 용기(예를 들어, 온수 탱크내 물), 건물의 난방을 위한 순환 유체(예를 들어, 유체 스트림 또는 액체), 요리 장치, 터빈, 핫플레이트, 세탁물 건조기(즉, 텀블 건조기), 에어콘 유닛의 컴프레서를 구동하거나 전력을 발생시키기 위한 열 엔진(예를 들어, 랜킨(Rankine) 또는 브레이톤 사이클(Brayton Cycle)), 및 흡착 또는 흡수 사이클 에어콘 시스템의 작업 유체이다. 따라서 부가적인 열 공급원은, 태양, 잔디 깍는 기계, 제설 장치의 모터, 콘베이어(예를 들어, 에스컬레이터, 엘리베이터, 또는 콘베이어 벨트), 오븐, 가정용 기기, 포장 설비(paving equipment), 선박 모터, 집광기, 배기통, 비-자동 제동 시스템, 저항 가열기, 화학 반응기, 에어콘 시스템의 콘덴서 유닛 및 지열 순환 유체이다.
큰 규모의 구조물도 본 발명의 교시내용을 사용하는 것이 가능하지만, 본 발명의 교시내용에 비해 비례적으로 큰 구조물의 크기 및 다량의 TESM을 사용할 수 있다.
하기 논의는 교시내용 전체에 적용된다. 다른 언급이 없는 한, 모든 범위는 종료점 둘 다를 포함하고 이들 종료점 사이의 모든 숫자들을 포함한다. 범위와 관련하여 "약" 또는 "대략"을 사용해도 상기 범위의 두 개의 종료점을 모두 포함한다. 따라서, "약 20 내지 30"이란, 적어도 명시된 종료점을 포함하여 "약 20 내지 약 30"을 포함하고자 하는 것이다.
특허출원 및 공개공보를 비롯한 모든 문헌 및 참고문헌의 개시내용은 모든 목적을 위해 참고로서 인용된다. 조합을 설명하는 경우 "필수적으로 구성된"이란 용어는 언급된 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들이 포함되는 조합을 설명하고, 다른 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들은 상기 조합의 기본 및 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 본원의 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들을 설명하기 위한 "포함하는"이란 용어는 상기 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들로 필수적으로 구성된 실시양태를 고려하는 것이다.
복수개의 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들이 하나로 일체화된 요소, 성분, 구성요소 또는 단계에 의해 제공될 수 있다. 다르게는, 하나로 일체화된 요소, 성분, 구성요소 또는 단계가 개별적인 복수개의 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계로 나뉠 수 있다. 요소, 성분, 구성요소 또는 단계를 기술하는데 사용된 단수형은 부가적인 요소들, 성분들, 구성요소들 또는 단계들을 배제하고자 하는 것은 아니다. 유사하게, "제 1" 또는 "제 2" 항목들은 부가적인 항목(예를 들어, 제 3, 제 4, 또는 그 이상의 항목)들을 배제하는 것이 아니고, 다른 언급이 없는 한 이러한 부가적인 항목들도 고려된다. 특정 족에 속하는 원소 또는 금속에 대한 본원의 모든 언급은, 1989년에 CRC 프레스 인코포레이티드(CRC Press Inc.)에 의해 출판되고 등록된 주기율표를 기준으로 한다. 족 또는 족에 대한 지칭은 족의 번호를 매기기 위해 IUPAC 시스템을 사용하는 주기율표에서와 같은 족 또는 족들일 수 있다.
전술한 설명은 설명하기 위한 것이지, 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야만 한다. 제공된 실시예를 제외한 여러 가지의 실시양태 및 여러 가지의 적용례는 당업계의 숙련자라면 전술한 설명을 읽은 후 명백해 질 것이다. 추가로, 본 발명의 상이한 양태들 또는 실시양태의 특징부의 임의의 조합도 조합가능한 것을 의도한다. 따라서, 본 발명의 범주는 전술한 설명을 참고해서가 아니라 첨부된 청구범위를 참고하여 결정되어야만 하며, 이러한 첨구범위에서 주장하는 것과 동등물의 모든 범주도 포함된다. 특허출원 및 공개공보를 비롯한 모든 문헌 및 참고자료의 개시내용은 모든 목적을 위해 본원에서 참고로 인용된다. 본원에서 개시된 임의의 양태의 청구대상이 하기 청구범위에서 누락되었다고 해도, 이는 이러한 청구대상을 포기하는 것도, 발명자들이 이러한 청구대상을 개시된 본 발명의 청구대상의 일부로서 고려하지 않는 것으로 간주되어서도 안된다.
실시예
실시예
1:
블리스터
팩의 형성
두께가 약 0.07mm인 알루미늄 합금(1100)의 제 1 호일을 엠보싱하여 제 1 플라이를 형성하였다. 도 13에서 도시한 바와 같이 엠보싱 공정은 숫컷부(130) 및 암컷부(132)를 갖는 엠보싱 공구를 사용하여 수행될 수 있으며, 여기서 호일(10)은 상기 숫컷부와 암컷부 사이에 놓인다. 그다음, 압력을 가하여 몰드의 숫컷부와 암컷부를 서로 가압한다. 상기 공구의 숫컷부는 단단하고 경질인 물질(예를 들어, 경화된 에폭시)로 제조되어, 성형 공정을 견딜 수 있도록 견고한 공구를 수득한다. 상기 공구의 암컷부는 탄성 물질(예를 들어, 에타폼(Ethafoam; 등록상표)으로 시판중인 50mm 두께의 밀폐형 셀 발포체와 같은 발포체로 구성된다.
프레스가 밀폐되면, 상기 호일이 발포체에 의해 상기 공구의 숫컷부까지 밀려 성형되었다. 공구의 가장자리 주변에 블록을 놓아 주름을 제어할 수 있다. 약 66,000N의 힘을 사용하여 약 30개의 골(예를 들어, 주머니)을 함유하는 제 1 플라이를 형성할 수 있고, 여기서 각각의 골은 약 1ml의 체적을 가졌다. 각각의 골은 골을 분리하는 립 영역에 의해 둘러싸였다. 엠보싱 공정 동안, 골의 바닥에 범프도 형성되었다. 이러한 범프는 제 1 플라이의 바닥면으로부터의 돌출부로서, 이는 제 1 플라이의 나머지 바닥면 보다 낮았다.
골은, 약 85℃ 내지 약 350℃의 액상선 온도를 갖는 TESM으로 충전되었다. TESM은, 골을 충전하기 전에 용융되었다. TESM이 고상으로 제공되고, 그 후 가열되어 골 내부까지 유동가능해져도, 유사한 결과가 예상된다.
그다음, 알루미늄 합금의 제 2 플라이(1100)를 제 1 플라이의 상부에 놓았다. 제 2 플라이는 대개 평탄하고, 엠보싱된 제 1 플라이의 TESM-충전 골을 덮기에 충분히 큰 표면적을 갖는다.
제 1 및 제 2 플라이들의 마주보는 면을 확산 결합시켜, 예를 들어 30개의 캡슐와 같은 개별적으로 단리된(즉, 밀봉된) 캡슐을 갖는 블리스터 팩을 형성하였다. 제 1 플라이의 골을 둘러싸는 립 밑으로 제 1 플라이의 바닥면에 상기 제 1 플라이가 지지되도록, 2개의 미리 배열된 플라이들을, 제 1 플라이와 유사한 크기 및 형태를 갖는 받침대(cradle)에 놓았다. 골 내의 TESM이 아니라 제 1 플라이의 립 영역에만 압력이 적용되는 것이 보장되도록 받침대를 사용하였다. 가압은 충전된 캡슐 사이의 영역에서만 바람직할 수 있기 때문에, 받침대가 필수적일 수 있다. 가열된 프레스에서 확산 결합을 수행하였다. 확산 결합은, 상기 프라이들에 대해 약 350℃의 온도 및 약 22,000N의 힘으로 수행되어 약 1ml의 체적을 갖는 30개의 캡슐을 형성하였다. 각각의 캡슐이 완전히 밀봉되는 것을 보장하도록 확산 결합은 약 5분 동안 수행되었지만, 보다 짧은 시간 동안 심지어 연속적인 공정도 사용될 수 있다.
그다음, 부가적인 블리스터 팩을 형성하기 위해 상기 공정을 반복하였다. 블리스터 팩은, 한 쌍으로 배열되어 있는데, 이들의 제 2 플라이들은 서로 마주보되 하나의 블리스터 팩의 골들은 제 2 블리스터 팩의 립 위의 중심부에 위치하도록 배향된다. 블리스터 팩의 각각의 쌍은 양호하게 균일한 두께를 갖는 층을 형성한다. 그다음, 제 1 층의 상부면이 제 2 층의 바닥면과 짝을 이루게 배열되도록, 층들을 적층하였다. 이렇게 배열하여, 열 전달 유체를 위한 유동 경로가 각각의 한 쌍의 층의 사이에서 형성되었다. 각각의 한 쌍의 블리스터 팩을 함유하는 5개의 층으로 이루어진 구조물이 형성되었다. 하나의 아치형 면 및 하나의 편평한 면을 갖는 블리스터 팩(25)을 사용한 대표적인 배열은 도 3a에 도시하였다. 2개의 인접한 블리스터 팩의 아치형 면은 열 전달 유체를 위한 유동 경로(24)를 한정한다. 이러한 예시적인 예에서, 아치형 면은 대개 이격된 벽들과 평행하고, 이러한 예에서 대개 사인 곡선인 유동 경로를 한정한다. 유동 경로는 임의의 형태 및 곡율을 가질 수 있다. 유동 경로는 편평하거나 직선형일 수 있고, 이는 또한 하나 이상의 선형 섹션 및 하나 이상의 아치형(예를 들어, 사인 곡선형) 섹션의 조합을 가질 수 있다. 5개의 층에 의해 한정된 구조물내 열 에너지 저장 물질의 농도는 약 80체적% 초과이다.
이러한 공정의 단계들은 도 14에 추가로 도시되어 있다. 블리스터 팩에서 사용될 제 1 플라이를 위한 바람직한 패턴을 갖는 공구들을 제공한다(134). 공정은 호일을 엠보싱하여 제 1 플라이를 형성하는(예를 들어, 제 1 플라이에 골을 형성하는) 단계(135)를 포함할 수 있다. 공정은 또한 제 1 플라이를 TESM(예를 들어, 상 변환 물질)로 충전시키는 단계(136)(예를 들어 제 1 플라이에 형성된 골을 충전시키는 단계)를 가질 수 있다. 캡슐을 형성하기 위한 것이다. 상기 공정은 제 1 플라이를 제 2 플라이에 연결하거나 다르게는 밀봉시키는 단계(137)를 포함할 수 있다. 이 단계(137)로 인해, 블리스터 팩이 형성될 수 있다. 상기 공정은 블리스터 팩을 적층하는(또는 가능하게는 하나 이상의 블리스터 팩을 접거나 권취하는) 단계(138)를 포함한다. 상기 공정은 또한 블리스터 팩의 적층체를 용기의 공동에 삽입하는(또는 블리스터 팩이 공동 내부에서 적층되거나, 또는 블리스터 팩의 적층물 주위로 용기를 형성할 수도 있는) 단계(139)를 포함하는 열 저장 장치의 조립 단계도 포함할 수 있다.
실시예
2
블리스터 팩은, 제 1 플라이의 30개의 골 각각에, 약 2g의 TESM을 함유하는 것과 동등한 몰 농도의 리튬 니트레이트 및 나트륨 니트레이트를 넣어 제조하였다. 제 1 플라이를 약 350℃의 온도(예를 들어 TESM의 액상선 온도보다 약 100℃ 이상 높은 온도)로 가열된 프레스내 고정물 안에 놓았다. 상기 고정물은 제 1 플라이의 립 영역에서 제 1 플라이와 접촉하여 이를 지지하고, 골 영역은 고정물의 공동에 놓여 일반적으로 상기 고정물과 접촉하지 않는다. TESM을 약 5분 동안 용융시키고, 골에 충전시켰다(예를 들어, 약 95% 이상 충전함). 제 1 플라이를 함유하는 TESM은 약 15분 이상 동안 가열하였다. TESM 내 어떠한 물도 이러한 조건하에서 제거되어 TESM에는 실질적으로 물이 없었다. 그다음, 편평한 커버 플라이(즉, 제 2 플라이)를 제 1 플라이 위에 놓았다. 약 3,000파운드의 비교적 작은 힘을 적용시켜 립 영역으로부터 임의의 용융된 TESM을 제거하였다. 그다음, 상기 힘을 서서히 약 64,000파운드까지 증가시켰다. 제 1 및 제 2 플라이들을 연결시켜 30개의 개별적으로 단리되고 밀폐된 캡슐을 형성하되, 캡슐 각각은 약 2g의 TESM을 함유하였다.
열 저장 장치는, 이와 같이 형성되고 각각 30개의 개별적으로 단리된 캡슐을 함유하는 블리스터 팩 8개의 적층물을 사용하되(즉, 총 240개의 캡슐), 이들을 쌍으로 적층시켜 각각 약 2mm의 두께를 갖는 4개의 유동 경로를 제공하도록 제조되었다. TESM의 총 중량은 약 0.485kg이었다(즉, 각각의 캡슐은 약 2g의 TESM을 함유하였다). 블리스터 팩을 주입구와 배출구를 갖는 절연 용기의 하우징의 내측에 놓았다. 열 저장 장치의 하우징은 약 0.73리터의 총 용적을 갖고, 이는 블리스터 팩과 열 전달 유체의 유동 경로로 점유되었다. 블리스터 팩을 가압된 고온 공기를 사용하여 약 280℃까지 가열하였다. 그다음, 약 4.4℃의 초기 온도를 갖는 물을 약 30초 동안 약 7.8리터/분의 유속으로 열 저장 장치의 갭을 통해 공급하였다. 방출된 물을 수집하고 약 32.8℃의 평균 온도를 가졌다. 열 저장 장치로부터 발산된 열은 약 0.444MJ로 계산되었다. TESM을 포함하는 열 저장 장치의 평균 초기 파워 밀도(초기 30초 동안 평균화함)는 절연 용기의 하우징의 내부 용적을 기준으로 약 25kW/L였다.
실시예
3
우선 50몰%의 나트륨 니트레이트 및 50몰%의 리튬 니트레이트를 함유하는 TESM 샘플을, 두 개의 박막의 편평하고 평행한 금속 오일 사이에 캡슐화시켜 호일 사이에 낀 TESM을 함유하는 3층 시트를 형성함으로써 열 저장 장치를 제조하였다. TESM은 2개의 금속 오일 사이의 전체 공간을 충전하였다. 상기 시트를 절연 용기의 하우징에 놓고, 약 280℃(TESM의 액상선 온도보다 높음)까지 가열하였다. 280℃에서, 시트내 TESM의 두께는 약 4mm이고, (상기 시트의 2개의 편평한 면 각각의 위로) 냉매를 유동시키기 위한 2개의 채널은 각각 약 0.65mm의 일정한 두께를 가졌다. 하우징은 단지 2개의 채널 및 시트를 함유하고, 소정의 체적을 가졌다. TESM은 하우징의 용적의 약 75%를 점유하였다. 약 50℃의 초기 온도를 갖는 냉매는 30초 동안 일정한 유속으로 용기를 통해 유동하였다. 30초 동안 열 저장 장치의 평균 초기 파워 밀도는 하우징의 내부 용적을 기준으로 약 30kW/l인 것으로 예상되었다. 대조를 위해, TESM 대신에 파라핀(약 65℃의 용융 온도를 가짐)으로 대체하여 전술한 과정을 반복하였다. 이는 정확하게 중복될 수는 없었다. 왁스의 열화를 피하기 위해서 공정 조건의 변화가 필요하였다. 그 결과, 왁스 함유 열 저장 장치(실시예 4)의 30초 동안의 평균 초기 파워 밀도는 하우징의 내부 용적을 기준으로 단지 약 5.8kW/l인 것으로 예상되었다.
실시예
5 내지 7
두께가 약 20 내지 100㎛이고 총 표면적이 약 60㎠인 금속 호일 샘플을 칭량한 후, 도가니에 두었다. 상기 도가니를 50몰%의 나트륨 니트레이트 및 50몰%의 리튬 니트레이트를 함유하는 열 저장 물질로 충전하여 TESM이 금속 호일의 전체 표면과 접촉하도록 하였다. 상기 도가니를 밀봉하고 45일 동안 약 300℃에서 오토크레이브에 놓았다. 45일 후, 상기 도가니를 상온으로 냉각시키고, 금속 호일의 중량 변화를 측정하였다. 각각의 금속의 2개의 시험편을 사용하여 시험을 반복하였다. 실시예 5는 약 75㎛ 두께의 초기 두께를 갖는 알루미늄 호일(Al 1100)이었다. 오토크레이브에서의 45일 후, 알루미늄은 평균 약 8.7mg로 평균 중량이 증가하였다. 실시예 6은 약 125㎛의 초기 두께를 갖는 스테인레스 강(304 타입)이었다. 오토크레이브에서 45일 후, 상기 304 스테인레스 강은 평균 약 0.55mg로 중량이 증가하였다. 실시예 7은 약 125㎛의 초기 두께를 갖는 스테인레스 강(316 타입)이었다. 오토클레이브에서 45일 후, 316 스테인레스 강은 평균 약 0.45mg으로 중량이 증가하였다.
Claims (17)
- 내부 용적을 갖는 하우징, 상기 하우징 내부의 캡슐의 어레이, 및 상기 캡슐 내에 함유된 열 에너지 저장 물질(TESM)을 포함하는 열 저장 및 방출용 장치로서,
상기 장치는, 상기 하우징의 내부 용적에 기초하여 열 전달 유체로 전달되는 열의 평균 초기 파워 밀도(power density)가 8kW/L 이상이며, 여기서 상기 평균 초기 파워 밀도는 최초 30초에 걸쳐 정의되며, 10℃의 초기 온도를 갖는 열 전달 유체 및 상기 하우징에서 280℃의 초기 온도를 갖는 장치를 사용하여 측정되고,
상기 TESM은 두 개의 금속 플라이 사이에 캡슐화되고, 상기 금속 플라이들은 10-1 내지 102㎛ 차수의 두께를 갖고, 상기 캡슐은 0.5mm 내지 20mm의 두께를 가지며, 상기 하우징 내의 TESM의 체적 분률은 0.5 이상이고, 상기 하우징은 주입구 및 배출구 및 열 전달 유체가 하우징을 통하여 유동하기 위한 하나 이상의 유동 경로를 포함하며, 상기 하나 이상의 유동 경로 및 캡슐의 어레이는 장치가 요구되는 평균 초기 파워 밀도를 갖도록 배열되고,
상기 장치는
(i) 상기 하우징 내부에 위치하며 하나 이상의 제 1 어레이부(a)와 하나 이상의 제 2 어레이부(b)를 포함하는 복수의 캡슐 어레이; 및
(ii) 상기 제 1 어레이부와 제 2 어레이부 사이의 용적에 의해 한정되는 유동 경로
를 포함하되,
상기 제 1 어레이부(a)는 복수의 골을 갖는 제 1 플라이와 편평한 제 2 플라이를 포함하며, 상기 제 1 플라이와 제 2 플라이는, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 캡슐들을 포함하는 제 1 캡슐 구조물을 한정하고;
상기 제 2 어레이부(b)는 복수의 골을 갖는 제 1 플라이와 편평한 제 2 플라이를 포함하며, 상기 제 1 플라이와 제 2 플라이는, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 캡슐들을 포함하는 제 2 캡슐 구조물을 한정하고;
상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부는 20mm 미만의 갭 두께(t갭)로 분리되어 있고,
상기 장치는, 각각이 비-평탄면(nonplanar)인 복수개의 유동 경로를 포함하고,
상기 제 1 어레이부의 제 1 캡슐, 상기 제 2 어레이부의 제 1 캡슐, 및 상기 제 1 어레이부의 제 2 캡슐을 순차적으로 통과하는 하나 이상의 라인(line)이 존재하도록 상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부가 맞물려 있고(interdigitized),
이때 하나의 어레이부의 편평한 제 2 플라이의 표면이 또다른 어레이부의 편평한 제 2 플라이의 표면과 접촉하도록 적층된, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 TESM이 상기 하우징의 내부 용적의 70% 이상을 충전하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부가 5mm 미만의 갭 두께(t갭)로 분리되어 있는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 저장 장치가, 30개 이상의 개별적으로 분리되어 있는 밀봉된 캡슐을 포함하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 어레이부가, 융합 결합, 레이저 용접, 마찰 용접 또는 이들의 임의의 조합 중에서 선택된 방법을 사용하여 제 1 플라이 및 제 2 플라이를 연결함으로써 형성되는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 어레이부가, 상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부를 이격시키기 위한 복수개의 너브(nub)를 포함하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 어레이부가 상기 제 1 어레이부에 끼워 넣어져, 상기 제 1 및 제 2 어레이부가 이들의 마주보는 면의 25% 이상의 면적에서 접촉하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플라이가, 알루미늄, 스테인레스 강, 또는 둘 다 중에서 선택되는 금속을 포함하는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 TESM이 1MJ/l 초과의, 300℃로부터 80℃로의 열 저장 밀도를 갖는, 장치. - 제 1 항에 있어서,
절연 하우징은 절연 용기에 의해 적어도 부분적으로 덮혀 있는, 장치. - (i) 제 1 금속 호일을, 복수의 골(trough)을 갖는 제 1 플라이가 형성되도록 변형시키는 단계;
(ii) 상기 골을 적어도 부분적으로 열 에너지 저장 물질(TESM)로 충전시키는 단계;
(iii) 상기 TESM의 액상선 온도보다 높은 온도 및 일정 시간 동안 상기 TESM을 가열하여 상기 TESM에 본질적으로 물이 없도록 하는 단계;
(iv) 상기 제 1 플라이의 상부에 금속 호일의 편평한 제 2 플라이를 위치시켜, 제 1 플라이의 표면 및 제 2 플라이의 표면이 부분적으로 접촉하도록 하는 단계; 및
(v) 상기 제 1 플라이와 상기 제 2 플라이의 마주보는 면의 일부를 밀봉하여, 상기 TESM을 함유하는 다수개의 캡슐을 함유하는 블리스터 팩(blister pack)이 형성되고, 상기 캡슐들이 서로 열 전도성 관계에 있고, 상기 TESM이 그의 의도된 환경하에서 조작하는 동안 상기 캡슐로부터 벗어나는 것이 억제되도록 하는 단계
를 포함하는, 열 저장 장치의 제조방법으로서,
상기 장치는 내부 용적을 갖는 하우징, 상기 하우징 내부의 캡슐의 어레이, 및 상기 캡슐 내에 함유된 TESM을 포함하고, 상기 하우징의 내부 용적에 기초하여 열 전달 유체로 전달되는 열의 평균 초기 파워 밀도(power density)가 8kW/L 이상이며, 여기서 상기 평균 초기 파워 밀도는 최초 30초에 걸쳐 정의되며, 10℃의 초기 온도를 갖는 열 전달 유체 및 상기 하우징에서 280℃의 초기 온도를 갖는 장치를 사용하여 측정되고,
상기 TESM은 두 개의 금속 플라이 사이에 캡슐화되고, 상기 금속 플라이들은 10-1 내지 102㎛ 차수의 두께를 갖고, 상기 캡슐은 0.5mm 내지 20mm의 두께를 가지며, 상기 하우징 내의 TESM의 체적 분률은 0.5 이상이고, 상기 하우징은 주입구 및 배출구 및 열 전달 유체가 하우징을 통하여 유동하기 위한 하나 이상의 유동 경로를 포함하며, 상기 하나 이상의 유동 경로 및 캡슐의 어레이는 장치가 요구되는 평균 초기 파워 밀도를 갖도록 배열되고,
상기 장치는
(i) 상기 하우징 내부에 위치하며 하나 이상의 제 1 어레이부(a)와 하나 이상의 제 2 어레이부(b)를 포함하는 복수의 캡슐 어레이; 및
(ii) 상기 제 1 어레이부와 제 2 어레이부 사이의 용적에 의해 한정되는 유동 경로
를 포함하되,
상기 제 1 어레이부(a)는 복수의 골을 갖는 제 1 플라이와 편평한 제 2 플라이를 포함하며, 상기 제 1 플라이와 제 2 플라이는, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 캡슐들을 포함하는 제 1 캡슐 구조물을 한정하고;
상기 제 2 어레이부(b)는 복수의 골을 갖는 제 1 플라이와 편평한 제 2 플라이를 포함하며, 상기 제 1 플라이와 제 2 플라이는, 이들 각각의 마주보는 면의 일부에서 서로 접촉 상태로 연결되어, TESM을 함유하고 소정의 용적을 갖는 복수개의 캡슐들을 포함하는 제 2 캡슐 구조물을 한정하고;
상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부는 20mm 미만의 갭 두께(t갭)로 분리되어 있고,
상기 장치는, 각각이 비-평탄면(nonplanar)인 복수개의 유동 경로를 포함하고,
상기 제 1 어레이부의 제 1 캡슐, 상기 제 2 어레이부의 제 1 캡슐, 및 상기 제 1 어레이부의 제 2 캡슐을 순차적으로 통과하는 하나 이상의 라인(line)이 존재하도록 상기 제 1 어레이부 및 상기 제 2 어레이부가 맞물려 있고,
이때 하나의 어레이부의 편평한 제 2 플라이의 표면이 또다른 어레이부의 편평한 제 2 플라이의 표면과 접촉하도록 적층된, 열 저장 장치의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 플라이의 표면과 제 2 플라이의 표면을 밀봉하는 단계가, 확산 결합, 브레이징(brazing), 열 용접, 접착제 결합, 레이저 용접, 초음파 용접 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군 중에서 선택되는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 TESM이, 단계 (iv)에서 밀봉시 액체인, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 가열 시간이, 상기 TESM이 5분 이상 동안 액체이도록 하는, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 가열 온도가 상기 TESM의 액상선 온도보다 25℃ 이상 높고, 상기 TESM이 금속 니트라이트, 금속 니트레이트 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 TESM이 리튬 염, 나트륨 염, 칼륨 염 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된, 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
1Pa 이하의 물 분압을 갖는 분위기하에서 가열을 수행하는, 방법.
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