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特表2023-537689核熱冷却による熱エネルギー貯蔵システム

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-05

(54)【発明の名称】核熱冷却による熱エネルギー貯蔵システム

(51)【国際特許分類】

F28D 20/02 20060101AFI20230829BHJP

【ＦＩ】

F28D20/02 E

F28D20/02 F

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023505860

(86)(22)【出願日】2021-07-22

(85)【翻訳文提出日】2023-03-20

(86)【国際出願番号】 US2021042759

(87)【国際公開番号】W WO2022026292

(87)【国際公開日】2022-02-03

(31)【優先権主張番号】16/940,864

(32)【優先日】2020-07-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500111138

【氏名又は名称】ロッキー・リサーチ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100162846

【弁理士】

【氏名又は名称】大牧綾子

(72)【発明者】

【氏名】ハリリ，ケイベ

(72)【発明者】

【氏名】ロッケンフェラー，ウーウェ

(57)【要約】

開示されるのは、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化媒体の核生成を少なくとも開始するための核生成冷却システムを有する熱エネルギー貯蔵冷却システムを提供することによって、熱負荷を柔軟に冷却するシステムおよび方法である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の第１の伝熱面および第２の伝熱面と熱連通する相変化材料を含む熱エネルギー貯蔵システムと、
第１の温度で前記複数の第１の伝熱面と熱連通して、前記相変化材料の結晶化を少なくとも開始させる第１の冷媒または熱伝達流体と、
前記第１の温度よりも高い第２の温度で前記複数の第２の伝熱面と熱連通して、熱負荷から前記複数の第２の伝熱面へ熱伝達するよう構成された第２の冷媒または熱伝達流体と、
を含む、熱エネルギー冷却システム。

【請求項2】

前記複数の第２の伝熱面は、相変化材料が充填された複数の管を含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記複数の管は、１０から５００本の管を含む、
請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記複数の管における各管は円筒形であり、その中を通る内側管を含み、複数の内側管は、前記複数の第１の伝熱面を含む、
請求項２に記載のシステム。

【請求項5】

前記複数の内側管は、前記複数の内側管を通して前記第１の冷媒または熱伝達流体をポンプで送る１つまたは複数の冷却システムに流体的に接続される、
請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記１つまたは複数の冷却システムは、１つまたは複数の蒸気圧縮冷却システムである、
請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記１つまたは複数の蒸気圧縮冷却システムは、それぞれ、圧縮機、凝縮器、および冷媒リザーバを含み、少なくとも部分的な相変化を受けて前記熱エネルギー貯蔵システムの前記内側管を通って導かれ前記リザーバに戻される液体冷媒を前記凝縮器から受け取り、蒸気冷媒を前記リザーバから前記圧縮機に流すように構成される、
請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記液体冷媒は、冷媒ポンプで導かれる、
請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記蒸気圧縮冷却システムは、高電圧バッテリーシステムから作動可能な１つまたは複数の高電圧ＤＣ圧縮機を含む、
請求項７に記載のシステム。

【請求項10】

前記熱エネルギー貯蔵システムはタンクを含み、前記第２の冷媒または熱伝達流体は相変化材料を含む複数の管を囲む、
請求項２に記載のシステム。

【請求項11】

前記第２の冷媒または熱伝達流体は、前記複数の管と熱伝達接触する流れで前記タンクを通して前記第２の冷媒または熱伝達流体をポンプで送り、前記相変化材料を凍結させる１つまたは複数の蒸気圧縮システムによって冷却される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記相変化材料の結晶化を促進するために、各々が独自の蒸気圧縮システムを有する複数の前記熱エネルギー貯蔵システムをさらに含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記熱エネルギー冷却システムは、前記相変化材料の結晶化が開始された後、前記複数の第１の伝熱面にわたって前記第１の冷媒または熱伝達流体の循環を継続し、前記相変化材料を凍結させるように構成される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記熱エネルギー冷却システムは、前記相変化材料を凍結させるために前記相変化材料の結晶化が開始された後、前記第１の温度よりも高い温度で第１の前記熱伝達流体の循環を継続するように構成される、
請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記相変化材料は、１０℃と２０℃の間の転移温度を有する、
請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記相変化材料は、水和塩複合体である、
請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記水和塩複合体は、フッ化カリウム四水和物である、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記第１の温度は、０℃と１０℃の間である、
請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

前記第２の温度は、１０℃と１５℃の間である、
請求項１に記載のシステム。

【請求項20】

タンク、および相変化材料で満たされた複数の管を含む熱エネルギー貯蔵システムと、
前記熱エネルギー貯蔵システムに接続された核生成冷却システムと、
前記管を横切り、前記核生成冷却システムと流体連通する複数の内側管であって、前記複数の内側管を通して第１の温度で第１の冷媒または熱伝達流体を流通させ、前記第１の温度は前記相変化材料の核生成を開始させる、複数の内側管と、
前記タンクと流体連通しており、前記管の周りの前記タンクを通して、前記第１の温度よりも高い第２の温度で第２の冷媒または熱伝達流体を循環させるように構成された蒸気圧縮システムと、
前記熱エネルギー貯蔵システムと熱連通しており、レーザ兵器システムからの熱を前記相変化材料に伝達するレーザ兵器システムと、
を含む、レーザ兵器システムのための熱エネルギー冷却システム。

【請求項21】

前記第２の温度における前記第２の冷媒または熱伝達流体は、最初の核生成に続いて前記相変化材料の結晶化を継続するように構成される、
請求項２０に記載のシステム。

【請求項22】

前記核生成冷却システムからの前記第１の冷媒または熱伝達流体は、前記第２の温度における前記第２の冷媒または熱伝達流体が前記レーザ兵器システムに関連するホテル負荷を冷却する間に、前記熱エネルギー貯蔵システムを充電するために前記相変化材料の結晶化を継続する、
請求項２０に記載のシステム。

【請求項23】

センサデータを読み取り、前記レーザ兵器の冷却を開始して前記熱エネルギー貯蔵システムの放電を開始するタイミングを決定するようにプログラムされた制御システムをさらに含む、
請求項２０に記載のシステム。

【請求項24】

前記制御システムは、前記レーザ兵器の発射後に前記熱エネルギー貯蔵が完全に放電されていないことを検出し、これに応答して前記熱エネルギー貯蔵システムを通して前記第２の冷媒または熱伝達流体を循環させて前記相変化材料の結晶化を継続させるようにさらにプログラムされる、
請求項２３に記載のシステム。

【請求項25】

前記レーザ兵器システムは、約３０ｋＷから約７０ｋＷの間の出力を有し、前記システムは、２つから６つの前記熱エネルギー貯蔵システムを含む、
請求項２４に記載のシステム。

【請求項26】

前記レーザ兵器システムは、約１００ｋＷから５００ｋＷの出力を有し、前記システムは、２個から３０個の前記熱エネルギー貯蔵システムを含む、
請求項２４記載のシステム。

【請求項27】

前記レーザ兵器システムは、約５ｋＷから約２０ｋＷの間の出力を有し、前記システムは、１個から４個の前記熱エネルギー貯蔵システムを含む、
請求項２４に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本開示は、一般に、熱のバーストを出力するシステムを冷却するのに有用な熱エネルギー貯蔵冷却システム（thermal energy storage cooling system）に関する。特に、本システムは、指向性エネルギー兵器システムからの熱のバーストを冷却するために、少なくとも核生成を開始し、任意に相変化材料（phase change material）の充電を実行するために、別個の冷却システムを使用する熱エネルギー貯蔵システムを含んでもよい。

【背景技術】

【0002】

[0002]従来の蒸気圧縮システムは、熱の上昇が比較的遅い部屋またはシステムなどの環境負荷を冷却するのに効率的であり得る。しかしながら、これらのシステムだけでは、一般に、熱のバーストを出力するシステムを冷却するのに必要な急速冷却機能を提供しない。蒸気圧縮システムは、フルキャパシティに到達するまでに最大で１分、場合によってはそれ以上の時間を要することがあり、対象の熱負荷に冷却を提供するには通常数分以上かかる。しかしながら、これらの蒸気圧縮システムは一度稼働すれば、対象となる熱負荷を特定の温度まで効率的に冷却することができる。電力利用が制限されているシナリオでは、熱バーストを処理するための蒸気圧縮システムの使用は、利用可能な電力よりも多くの電力を必要とするか、またはプラットフォーム上の利用可能な空間および重量の制約内で格納することができる。

【0003】

[0003]熱エネルギー貯蔵システムは、多くの環境において、冷却能力を代替することによって冷却負荷を平準化し、時にはコストを削減するか、追加の冷凍装置容量の必要性を代替するために使用されてきた。多くの異なるタイプの材料が、塩および塩水和物のような無機系、パラフィンまたは脂肪酸のような有機化合物を含む熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料として使用されてきた。また、ポリ（エチレングリコール）などの高分子材料も相変化材料として使用されてきた。しかしながら、相変化システムによっては、凍結サイクルを開始するために比較的高いエネルギーが必要となる場合がある。例えば、いくつかの相変化材料は、相変化材料の凍結に必要な最初のステップである結晶形成（核生成：nucleation）を開始するために、その相変化温度よりはるかに低く冷却される必要がある場合がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

[0004]本明細書に開示された実施形態は、それぞれいくつかの側面を有し、そのうちの１つが本開示の望ましい属性に単独で関与しているわけではない。本開示の範囲を限定することなく、そのより顕著な特徴について、次に簡単に説明する。この考察を考慮した後、特に「詳細な説明」と題するセクションを読んだ後、本明細書に記載される実施形態の特徴が、既存のシステム、装置および方法に対する利点をどのように提供するかを理解する。

【0005】

[0005]一実施形態は、熱エネルギー冷却システムである。この実施形態は、複数の第１の伝熱面および第２の伝熱面と熱連通（thermal communication）する相変化材料(phase change material)を含む熱エネルギー貯蔵システムと、第１の温度で複数の第１の伝熱面と熱連通して、相変化材料の結晶化を少なくとも開始させる第１の冷媒または熱伝達流体(heat transfer fluid)と、第１の温度よりも高い第２の温度で複数の第２の伝熱面と熱連通して、熱負荷から複数の第２の伝熱面へ熱伝達するよう構成された第２の冷媒または熱伝達流体と、を含む。

【0006】

[0006]別の実施形態は、レーザ兵器システム用の熱エネルギー冷却システムである。この実施形態は、タンク、および相変化材料で満たされた複数の管を含む熱エネルギー貯蔵システムと、熱エネルギー貯蔵システムに接続された核生成冷却システムと、管を横切り、核生成冷却システムと流体連通する複数の内側管(inner tubes)であって、複数の内側管を通して第１の温度で第１の冷媒または熱伝達流体を流通させ、第１の温度は相変化材料の核生成を開始させる、複数の内側管と、タンクと流体連通しており、管の周りのタンクを通して、第１の温度よりも高い第２の温度で第２の冷媒または熱伝達流体を循環させるように構成された蒸気圧縮システムと、熱エネルギー貯蔵システムと熱連通しており、レーザ兵器システムからの熱を相変化材料に伝達するレーザ兵器システムと、を含む。

【0007】

[0007]本開示の上記および他の特徴は、添付の図面と併せて解釈される、以下の説明および添付の請求項からより完全に明らかになるであろう。これらの図面は、本開示に従ったいくつかの実施形態のみを描いており、その範囲を限定するものと見なされないことを理解した上で、添付の図面の使用を通じて、本開示をさらなる具体性および詳細性をもって説明することにする。以下の詳細な説明において、本明細書の一部を構成する添付図面を参照する。図面において、同様の記号は、文脈が他に指示しない限り、典型的には、同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載された例示的な実施形態は、限定することを意図していない。ここに提示された主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され、他の変更がなされ得る。本開示の態様は、本明細書で一般的に説明され、図に示されるように、多種多様な異なる構成で配置、置換、組み合わせ、および設計することができ、そのすべてが明示的に企図され、本開示の一部となることが容易に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0008]熱エネルギー貯蔵システム、蒸気圧縮システム、および核生成冷却システムを有する熱エネルギー冷却システムの一実施形態の概略図である。

【図2】[0009]図２Ａは、図１のシステムの蒸気圧縮システムおよび核生成冷却システムの概略図である。図２Ｂは、図１のシステムの蒸気圧縮システムおよび核生成冷却システムの概略図である。

【図3】[0010]一実施形態による、図１の熱エネルギー貯蔵システムの概略図である。

【図4】[0011]一実施形態による、図３に示す線Ａ－Ａに沿って切り取られた、図３の熱エネルギー貯蔵システムの断面の概略説明図である。

【図5】[0012]図１の熱エネルギー冷却システムの一部である制御システムの一実施形態のブロック図である。

【図6】[0013]熱エネルギー貯蔵システムにおける相変化材料の核生成を促進するために核生成冷却システムを使用して図１の熱エネルギー冷却システムを動作させる一実施形態のフロー図である。

【図7】[0014]図１の熱エネルギー冷却システムを動作させる１つの実施形態のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0015]熱エネルギー冷却システムおよび方法は、以下ホテル負荷と呼ばれる補助装置を含む製品、装置または他の熱負荷を急速に冷却するために開示される。そのようなシステムは、レーザ兵器システムなどの指向性エネルギー兵器システムからのような熱のバーストを急速に冷却するように構成された熱エネルギー貯蔵システムを使用することができる。熱エネルギー貯蔵システムは、大量のエネルギー消費を必要とせずに、指向性エネルギー兵器システムによって生成されている熱を吸収するためのシンクとして機能することができる。一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、低温エネルギーを貯蔵するために使用される相変化材料として、フッ化カリウム四水和物などの塩水和物を含む。

【0010】

[0016]一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、相変化材料を内部に有する複数の密閉された熱貯蔵管で満たされたタンクを含む。相変化材料を凍結させるために、タンクを通って密封された蓄熱管の周りを循環する熱伝達流体または冷媒を冷却するために、蒸気圧縮システムが使用されてもよい。タンク内の各管は、相変化材料とタンク内の熱伝達流体との間の熱伝達面として機能する。一実施形態では、相変化材料で満たされた各保存管の中を横方向に走っているのは、核生成冷却システムに接続された内側管である。核生成冷却システムは、各熱貯蔵管内の相変化材料を冷却するために、各内側管を通して冷媒または熱伝達流体をポンピングしてもよい。内側管は、相変化媒体を冷却し、液体から固体形態への相変化を少なくとも開始または促進するために、相変化媒体から冷媒または熱伝達流体に熱を伝達する熱伝達表面として機能する。

【0011】

[0017]本明細書で使用されるように、用語「管」は、相変化媒体を含み得る任意の容器を意味する。管は、円筒形、球形立方体、円錐形、三角柱、六角柱、平面、プレート、プレートのスタック、および任意の他の関連する形状を含む様々な長手方向の構成であってよい。

【0012】

[0018]上述したように、多くの相変化材料は、材料が凍結することを可能にする核生成プロセスを開始するために、その相変化温度未満に冷却される必要がある。しかし、相変化材料が核生成を開始した後は、より高い温度を使用して凍結サイクルを継続することができる。したがって、貯蔵管内の相変化媒体の核生成は、核生成冷却システムによって、冷媒または熱伝達流体を第１の比較的低い温度で循環させることによって開始され得る。例えば、核生成冷却システムは、相変化媒体の核生成を開始するために、熱貯蔵管内で３℃から８℃の温度を維持するように、熱貯蔵管を通して冷媒または熱伝達流体を循環させてもよい。相変化材料の核生成が開始されると、核生成冷却システムは、相変化媒体が、管内の相変化材料の種類、およびその特定の相変化温度に応じて相変化媒体を凍結し続ける、例えば１０℃から１５℃の温度を維持するように冷媒または熱伝達流体の温度を上げてもよい。結晶化プロセスを継続するためにより高い温度を使用することは、核生成が開始された後に相変化媒体を凍結するために使用される冷却電力をより少なくすることによってエネルギーを節約する。

【0013】

[0019]別の実施形態では、核生成冷却システムは、相変化媒体の核生成をより低い温度で開始するために使用されてもよいが、その後、熱エネルギー貯蔵に接続された蒸気圧縮システムは、貯蔵管を保持する熱エネルギー貯蔵タンク内で低温熱伝達流体または冷媒を循環させることによって凍結プロセスを継続するために使用されてもよい。例えば、蒸気圧縮システムからの熱伝達流体の温度は、核生成冷却システムによって核生成が開始されると、相変化媒体の凍結を継続するために１０℃から１５℃の間に選択されてもよい。
指向性エネルギー兵器システムの概要
[0020]一実施形態では、熱エネルギー冷却システムは、指向性エネルギー兵器システムと熱的に接触している熱交換器から熱エネルギー貯蔵システムを通して熱伝達流体をポンプで送り、吸収された熱を迅速にオフロードする。熱伝達流体は、エチレングリコール水または相変化冷媒であってもよい。この実施形態では、システムは、レーザ兵器システムのファイバー増幅器および他の重要なシステム構成要素を、約１５℃から３５℃、２０℃から３０℃または２２℃から２８℃または同様の温度範囲の間に維持するように構成されてもよい。

【0014】

[0021]上述した高エネルギーレーザ冷却システムとともに使用するために適用可能な熱エネルギー貯蔵システムは、約１０℃から約２５℃の間の相転移温度を有する固液相変化を受けるように構成されてもよい。この範囲は、レーザへの熱伝達流体（冷却剤）流が約２０℃から３０℃の範囲の温度を有すると仮定して、約１５℃から２５℃の間であってもよい。

【0015】

[0022]一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、フッ化カリウムベースの相変化材料を使用する。フッ化カリウム、特にフッ化カリウム四水和物の特性は、熱エネルギー貯蔵システムが、指向性エネルギー兵器システムのようなシステムから来る比較的大きなバーストの熱を急速に吸収することを可能にする。特に、この塩水和物は、核生成後の結晶成長伝播が非常に良好で、相変化材料全体に広がり、相変化材料への熱分布を助長することが分かった。この材料はまた、高い熱伝導率を有し、これは熱勾配を最小化するのに役立つ。

【0016】

[0023]相変化材料が熱エネルギー貯蔵システムとして使用されるレーザ兵器冷却システムの動作条件は、季節的または日周的な熱エネルギー貯蔵に従来必要とされるよりもはるかに急速な溶融および凍結期間を要求する。熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料のシステム放電（溶融）は、しばしば５分未満、より頻繁には３分未満、あるいは２分未満で行わなければならない。相変化材料を充電（再凍結）する時間も、多くの場合、はるかに短く、典型的には２０分未満で、多くの場合、１０分、８分、６分、５分または４分未満である。したがって、結晶が残らないように相変化材料が完全に溶融された場合、核生成冷却システムを開始して相変化媒体の核生成および凍結を迅速に開始することができる。いくつかの実施形態では、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料が凍結されると、貯蔵システムが充電されるように、相変化材料は、その凍結状態に維持される必要がある。相変化材料を凍結状態に維持するために、熱エネルギー貯蔵に接続された核生成冷却システムまたは蒸気圧縮システムのいずれかを、液体状態に遷移した任意の相変化材料が冷却されて凍結状態に戻るように、および／または凍結状態に維持されるように、特定の時間間隔で起動してもよい。

【0017】

[0024]使用中、レーザ兵器は、１分、２分、３分、あるいは５分の総発射期間、いくつかの特別な用途ではさらに長い期間、作動させることができる。発射期間は通常、各ターゲットに対して数秒のパルスで発生し、２または３秒と短く、約１０から１５秒と長いので、１、２または３、あるいは５分の総放射期間は、５から３０分の期間にわたって発生し得る。目標の発生、またはその欠如に応じて、システムは、完全に枯渇する前に再充電されることもある。しかしながら、熱エネルギー貯蔵システムを含む熱管理システムは、通常、１分、２分、３分、または５分、さらにはいくつかの特別な用途ではさらに長い時間の連続的なレーザ照射の最悪のシナリオの下で動作できるように設計要件を有しているが、これはおそらく決して起こらないことである。したがって、熱エネルギー冷却システムは、好ましくは、熱エネルギー貯蔵システムを放電し、この連続的な時間期間全体にわたってレーザを冷却する能力を有する。もちろん、発射の間の休止を含む全起動期間は、特定の必要性に応じて、より長くてもよい。さらに、システムは、好ましくは、熱エネルギー冷却システムが追加の起動期間のためにレーザ兵器を効果的に冷却する準備ができるように、起動時間が終了すると、例えば３０、２０、１０、８、６、５、または４分未満で熱エネルギー貯蔵システム内の相変化媒体をかなり急速に再充電（再凍結）することが可能である。

【0018】

[0025]一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、タンク全体を通っている相変化媒体を保持する貯蔵管のシステムを含む筐体またはタンクを含む。いくつかの実施形態では、相変化材料を含む環状断面を有する貯蔵管と、内側管を通って循環する核生成冷却システムからの冷媒または第１の熱伝達流体を含む内側管と、指向性エネルギー兵器からの第２の熱伝達流体または冷媒または蒸気圧縮冷却システムは、貯蔵チューブの外側を循環する。

【0019】

[0026]一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、１つまたは複数のモジュールで作られてもよく、各モジュールは、貯蔵管の内部に相変化材料があり、貯蔵管の外側および熱エネルギー貯蔵タンク内を流れる熱伝達流体がある複数の貯蔵管を有する。このような複数の貯蔵管は、複数の平面レベルであってもよいし、１つまたは複数の束であってもよい。例示的な貯蔵管の直径は１．２７ｃｍ（０．５インチ）であってもよいが、実施形態は、ほとんどがシステム応答時間要件に応じて、しかしある程度は熱伝達強化またはサブクールを低減するために相変化材料内で使用する任意の結晶化添加物の効果にも応じて、約０．６３５ｃｍ（１／４インチ）と５．０８ｃｍ（２インチ）以上との間の外径、好ましくは約０．６３５ｃｍ（１／４インチ）と約２．５４ｃｍ（１インチ）との間の外径の貯蔵管を含んでも良い。そのような結晶化添加物の例には、凍結プロセス中のサブクールを減少させる、質感のある火山ガラスである軽石が含まれる。

【0020】

[0027]上述したように、各貯蔵管内を長手方向に走っているのは、核生成冷却システムからの内側管である。内側管は、内側管を通る冷媒または熱伝達流体の流れを最適化するように選択され、同時に、熱エネルギー貯蔵のエネルギー貯蔵容量要件を満たすのに十分な量の相変化材料のための貯蔵管内の十分な空間を提供するように選択され得る。例えば、相変化材料で満たされた貯蔵管が２．５４ｃｍ（１インチ）の外径を有する場合、貯蔵管内を流れる核生成冷却システムからの内側管は、０．６３５ｃｍ（１／４インチ）から１．２７ｃｍ（１／２インチ）の直径であってよい。しかしながら、貯蔵管の直径が１．２７ｃｍ（１／２インチ）しかない場合、内側管は直径０．１５８７５ｃｍ（１／１６インチ）から０．３１７５ｃｍ（１／８インチ）であってもよい。これらの寸法は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

【0021】

[0028]図２Ｂを参照して以下でより完全に説明されるように、核生成冷却システムは、冷媒レシーバまたはタンクからポンプを介して熱エネルギー貯蔵の内側管に冷媒を循環させる蒸気圧縮ループを含んでいてもよい。熱エネルギー貯蔵システムを横断した後、冷媒は、冷媒レシーバに循環して戻ってもよい。冷媒レシーバは、液体および蒸気の冷媒の貯蔵所として機能し、蒸気を圧縮して凝縮させ、低温レシーバに戻すために圧縮機に接続されている。このようなシステムは、冷凍用語で液体オーバーフィードシステムと呼ばれることが多い。以下に図示するように、核生成冷却システム内の従来の蒸気圧縮ループは、単一の圧縮機を含むが、本発明の実施形態は、複数の圧縮機を有する核生成冷却システムを含んでもよい。他の実施形態では、核生成冷却システム内に複数の蒸気圧縮ループが存在してもよく、各ループは、熱エネルギー貯蔵タンク内の特定の内側管に冷媒を循環させる。例えば、熱エネルギー貯蔵タンクは、４つのモジュールの貯蔵管を含んでもよい。核生成冷却システムは、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、またはそれ以上の別個の蒸気圧縮ループを含んでもよく、各ループは、冷媒を貯蔵管の特定のモジュールに循環させる役割を果たす。

【0022】

[0029]別の実施形態では、核生成冷却システムは、冷媒を熱エネルギー貯蔵システムに循環させなくてもよい。その代わりに、核生成冷却システムは、熱エネルギー貯蔵システムの内側管を通してポンプで送られる熱交換器を通して、熱伝達流体を冷却してもよい。

【0023】

凍結運転モード１－核生成冷却システムのみ
[0030]この第１の動作モードでは、核生成冷却システムは、第１の低温で結晶形成を開始し、その後、比較的高い温度で相変化媒体を凍結することを継続するために使用される。フッ化カリウム四水和物相変化媒体の典型的なサブクーリングは、１８℃のその転移温度より１０℃から１５℃低い。このサブクールは、フッ化カリウム四水和物を含む貯蔵管内を通る内側管内で冷媒または第１の熱伝達流体を循環させることによって達成することができる。相変化物質の凝固および凍結が始まると、核生成冷却システムは、急速凍結のための適切な差動温度が維持されるならば、凍結プロセスを完了するためにフッ化カリウム四水和物の転移温度に近い温度でより高温の冷媒または熱伝達流体を循環させてもよい。

【0024】

[0031]これは、相変化材料の核生成を開始するために、約０℃から１０℃、好ましくは３℃から８℃の比較的冷たい冷媒を熱エネルギー貯蔵システムの内側管に循環させる操作戦略を求めることができる。冷却エネルギーの残りは、例えば１０℃から１５℃のフッ化カリウム四水和物材料の相変化温度にはるかに近い核生成冷却システムからの冷媒を循環させることによって提供されてもよい。冷凍サイクルの後期のために１０℃から１５℃の比較的高い温度で冷媒または熱伝達流体で相変化材料を冷凍し続けることによって、システム全体はエネルギーを節約し、より効率的である。

【0025】

[0032]核生成冷却システムで全体の凍結プロセスを行うことの１つの独特で望ましい特徴は、他の冷却システムが相変化材料を凍結するためにいつでもその動作温度を変更する必要がないが、そのような負荷に対して最も理想的な温度でホテル負荷を提供し続けることができ、核生成システムが熱エネルギー貯蔵システムを次のレーザ操作のために準備している間にそうしてバースト負荷を管理または補助して、バースト冷却に誘導できるようにすることである。

【0026】

凍結動作モード２－核生成冷却開始に続いて、凍結を完了または補助する第２の蒸気圧縮ループ
[0033]この第２の動作モードでは、核生成冷却システムを使用して、第１の低温で結晶形成を開始し、次に熱エネルギー貯蔵と熱接触している第２の蒸気圧縮システムが凍結サイクルを完了または少なくとも有意に補助する。例えば、核生成冷却システムは、相変化媒体の温度を結晶化形成点未満にするために、内側冷却管内で冷媒を循環させる。例えば、フッ化カリウム四水和物の場合、冷媒は約３℃から８℃に冷却されることがある。相変化材料の結晶化が始まると、核生成冷却システムはオフにされ、同じ低温または高温で操作されてもよいが、熱エネルギー貯蔵内の貯蔵管と熱連通している第２の蒸気圧縮システムは、相変化材料をその最終凍結状態まで凍結し続けるために使用されてもよい。蒸気圧縮システムは、相変化媒体が液体から固体形態に相変化し続けるようにする温度で、熱エネルギー貯蔵を通して循環される熱伝達流体を冷却するために使用されてもよい。例えば、フッ化カリウム四水和物の場合、これは約１０℃から１５℃の温度であってもよい。

【0027】

凍結運転モード３－蒸気圧縮開始と冷却
[0034]この第３の動作モードでは、核生成冷却システムは全く使用されないかもしれない。いくつかのシナリオでは、相変化媒体を開始し凍結させるために蒸気圧縮システムのみを使用することがより効率的である場合がある。この実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムと熱的に接触している蒸気圧縮システムは、最初に、貯蔵管内の相変化材料が結晶を形成し始めるように、熱伝達流体を比較的低い温度まで冷却してもよい。相変化材料の結晶化が始まると、蒸気圧縮システムは、約１０℃から１５℃の比較的暖かい熱伝達流体を循環させるように調整され、凍結サイクルを継続することができる。このように、蒸気圧縮システムは、この運転モードにおいて相変化媒体を凍結状態に開始し、維持するために使用されることがある。

【0028】

メンテナンス動作モード１－核生成冷却のみ
[0035]このメンテナンスモードでは、核生成冷却システムは、相変化媒体を凍結状態に維持するためにのみ使用される。通常の使用中、熱エネルギー貯蔵相変化材料を凍結状態に維持するために追加の冷却電力が加えられない限り、相変化材料は周囲温度まで暖まる。この維持モードでは、核生成冷却システムは、相変化材料を時間とともに凍結状態に維持するように設計された温度で、相変化材料の貯蔵管を通して冷媒または熱伝達流体を循環させる。制御システムは、周囲温度および熱エネルギー貯蔵システムの温度を判定するために温度センサを監視し、相変化材料を凍結状態に維持するために熱エネルギー貯蔵システムを通じて循環させる冷媒または熱伝達流体の適切な温度を決定してもよい。

【0029】

[0036]前述のように、この動作モードの利点は、蓄熱システムを凍結状態に維持するための調整ニーズなしに、第２の蒸気圧縮システムをそのような冷却のための最適な温度でホテル負荷に役立たせるために専用化することができるという事実である。

【0030】

メンテナンス動作モード２－蒸気圧縮冷却のみ
[0037]このメンテナンスモードでは、第２の蒸気圧縮システムは、相変化媒体を凍結状態に維持するために使用される。通常の使用中、熱エネルギー貯蔵相変化材料を凍結状態に維持するために追加の冷却電力が加えられない限り、相変化材料は周囲温度まで暖められる。この維持モードでは、蒸気圧縮システムは、相変化材料を時間とともに凍結状態に維持するために、熱エネルギー貯蔵システムを通して、相変化材料の貯蔵管の周囲に冷たい熱伝達流体を循環させる。

【0031】

[0038]ある実施形態では、冷却システム容量制御により、核生成システムに第２の蒸気圧縮ループを介した維持を支援させることも有利となる場合がある。

【0032】

[0039]一実施形態では、システムは、相変化材料が完全に溶融するのを防止するために、凍結した相変化材料の予備を保持するように動作される。相変化材料の結晶化を開始するために必要な熱伝達流体温度は比較的低いので、システムは、熱エネルギー貯蔵ユニット内に結晶化した凍結相変化材料の予備を保持することによって、よりエネルギー効率が高くなる可能性がある。例えば、熱エネルギー貯蔵システムの各副収容部（例えば、管またはチャネル）は、凍結した結晶化相変化材料の最小パーセンテージを保持してもよい。例えば、保持された最小割合は、凍結した相変化材料全体の１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１５％またはそれ以上であってもよい。保持された部分は、熱エネルギー貯蔵システムにおける相変化材料の総体積の２％から５％、４％から８％、または５％から１０％、５％から１５％、または１５％から２０％であってもよい。凍結された相変化材料全体の割合が高ければ、当然、初期の核生成および結晶化の必要性も回避される。

【0033】

[0040]システムが最小量の凍結相変化材料を保持する場合、熱エネルギー貯蔵システムを凍結するために必要な熱伝達流体の温度は、例えば、８℃から１６℃の間とすることができる。相変化材料を完全に溶融させる場合、核生成冷却システムまたは蒸気圧縮システムからの冷媒または熱伝達流体の温度は、相変化材料の結晶化を開始するために５℃またはそれよりも低温である必要がある場合がある。したがって、一実施形態では、冷却動作中に結晶化した凍結相変化材料の保持された最小部分を維持し、相変化材料が完全に溶融しないようにすることがよりエネルギー効率的である。

【0034】

[0041]一実施形態では、制御システムは、冷媒または熱伝達流体の流量とともに熱エネルギー貯蔵システムに出入りする相変化材料の温度または熱伝達流体の温度を報告するセンサを監視する。これらのデータから、制御システムは、熱エネルギー貯蔵システム内に残っている凍結相変化材料の量を計算または推定することができる。熱エネルギー貯蔵システムは、数百の別々の管またはチャネルで構成されていてもよい。貯蔵管の場合、各管は、その中に多かれ少なかれ凍結相変化材料を配置することができる。個々の管内の凍結した相変化材料の実際の量を測定することは現実的ではないかもしれないので、相変化材料および冷媒または熱伝達流体の流れの全体温度を測定することによって凍結した相変化材料の量を推定することは、より現実的であるかもしれない。

【0035】

[0042]制御システムが、残りの凍結相変化材料の量が所定の閾値未満であると判定した場合、制御システムは、相変化材料を凍結させるために、核生成冷却および／または蒸気圧縮システムを開始させて冷媒または熱伝達流体の循環を開始させてもよい。さらに、制御システムは、蒸気圧縮システムが熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料をより多く凍結させる時間を有するまで、システムが熱エネルギー貯蔵システムを使用して追加の冷却動作を開始できるようにすることを防止してもよい。一実施形態では、システムは、そのような冷却サイクルの後に、残りの凍結相変化材料が最小設定閾値を超えて残る場合にのみ、システムが追加の冷却サイクルを実行することを許可することができる。他の場合、レーザが発射することを必要とする差し迫った脅威または他の条件が、そのような閾値保存モードを上書きすることができる。

【0036】

[0043]熱エネルギー貯蔵システム内のすべての貯蔵管、またはほぼすべての貯蔵管が、少なくともいくつかの凍結相変化材料を含む可能性が非常に高いことを保証するために、システムは、任意の特定の管において必要とされるものよりも高い最小設定閾値を選択してもよい。例えば、システムは、相変化材料の総体積の１０％または１５％のみが凍結したままであると制御システムが判定したときに、核生成冷却システムまたは蒸気制御システムを作動させて相変化材料の凍結を開始するように、閾値を１０％または１５％に設定することができる。例えば１０％または１５％の最小値を選択することによって、これは、熱エネルギー貯蔵システム内の各貯蔵管が、効率的な冷却サイクルを開始するために少なくともいくつかの凍結相変化材料を有することを保証し得る。もちろん、システムの設計によっては、システム内の各貯蔵管がある程度の凍結相変化材料を含むことを保証するために、最小閾値を５％、１０％、１５％、あるいは２０％に設定することが必要となる場合がある。より高い割合を選択することはもちろん常に選択肢であるが、残存する凍結材料の割合が高いほど、熱エネルギー貯蔵システム容量が低くなる。

【0037】

[0044]一実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、レーザ兵器システムなどの指向性エネルギー兵器システムの各発射イベントから発生する熱を除去するためのバーストモード冷却システムとして機能する。各発射サイクルの間、システムは、武器から冷却および熱エネルギー貯蔵システムに熱エネルギーを伝達する。一実施形態では、これは、相変化材料を含む貯蔵管の外側に熱伝達流体を流すことによって達成することができる。また、指向性エネルギー兵器システムおよびホテル負荷から来る冷媒または熱伝達流体は、蒸気圧縮システムを経由して、加熱された熱伝導流体の初期冷却を行い、その後、熱エネルギー貯蔵システムを経由して循環させる、または最初に熱エネルギー貯蔵システムを経由し、その後、蒸気圧縮システムがその最終温度に達するように経由することが可能である。

【0038】

[0045]別の実施形態では、蒸気圧縮システムまたは核生成冷却システムは、指向性エネルギー兵器システムが発射されているときに、熱エネルギー貯蔵システムの冷却能力を補完するために使用される。したがって、発射イベントの間、核生成冷却システム、蒸気圧縮システム、および熱エネルギー貯蔵システムは、指向性エネルギー兵器システムおよびホテルの負荷から熱を除去するために冷却能力を提供するためにすべて協働して動作することができる。一実施形態では、核生成冷却システムおよび／または蒸気圧縮システムのための制御システムは、システム全体の効率を高めるために使用されるベクトル駆動制御装置である。

【0039】

[0046]指向エネルギー兵器システムは、兵器システムを効率的に動作させるために冷却される必要がある追加の補助的な機械的または電気的装置または構成要素を含むこともできる。「ホテル負荷」とも呼ばれるそのような追加装置は、センサ、レーダーシステム、バッテリー、パワーモジュール、発電機、ポンプ、モータ、コンピューター、電子機器、および主な武器システムに付随する他の装置を含む場合がある。砂漠のような特に暖かい環境では、これらの付加的な構成要素は、使用前に冷却されることによってより効率的に動作することができる。したがって、一実施形態では、熱エネルギー冷却システムは、より暖かい環境で効率的に動作するように、これらの追加構成要素（レーザダイオード増幅器も同様）を所定の温度まで、または温度範囲内まで冷却するように構成された補助的冷却システムとして機能する蒸気圧縮システムを含んでいる。

【0040】

[0047]いくつかの実施形態では、指向性エネルギー兵器システムおよびホテル負荷は、単一のプラットフォーム上に配置される。プラットフォームは、指向性エネルギー兵器システムおよびホテル負荷の構成要素を監視し、そこから信号を受信しまたはそれらに信号を送信するための様々な異なるセンサを含んでもよい。これらのセンサは、バーストモード冷却サイクルを含む武器システムを起動し、熱エネルギー貯蔵システムを放電するための適切な時間を決定するために、熱エネルギー冷却システム制御装置を含む武器システムによって読み取られるセンサデータを生成するために使用される。いくつかの実施形態では、制御装置はまた、プラットフォーム上に配置されていないセンサおよびシステムからセンサデータを受信し、制御装置は、武器システムおよびバーストモード冷却イベントを起動するための適切な時間を決定するのを助けるためにこの外部センサデータを使用することができる。

【0041】

[0048]１つまたは複数の蒸気圧縮システムは、複数の圧縮機で構成されてもよく、一部は、熱エネルギー貯蔵システム内のフッ化カリウム四水和物などの凍結相変化材料を凍結および維持するため専用に使用され、一部は、ホテル負荷または、およびレーザ冷却負荷を発射の場合に冷却するように構成される。しかしながら、熱エネルギー貯蔵システムを充電する必要があるという制御信号が与えられると、ホテル負荷が一時的な冷却不足を許容することができると判定され、レーザが発射されていない、またはまもなく発射されると予想される場合、すべての圧縮機が熱エネルギー貯蔵システムを充電するために起動されてもよい。この判定は、ホテル負荷の個々の構成要素が、その個々の構成要素設計温度以下であることが検出されたかどうかに基づいてもよい。圧縮機の一部または全部は、放電される熱エネルギー貯蔵システムの使用と並行して、高エネルギーレーザを冷却するために使用することもできる。いくつかの実施形態では、蒸気圧縮システムは、約１ｋＷから５０ｋＷ、５１ｋＷから１００ｋＷ、または最大で数百ｋＷ以上の冷却電力の容量を有する。

【0042】

[0049]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の蒸気圧縮システムは、蒸気圧縮システムの出力容量を変化させるように制御される１つまたは複数の可変速圧縮機を有する蒸気圧縮システムを備える。蒸気圧縮システムは、圧縮機にかかるトルクを変化させることによって蒸気圧縮システムの効率を最適化するように構成されたベクトル制御システム（ＶＣＳ）により制御されてもよい。

【0043】

[0050]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の蒸気圧縮システムは、出力容量を変化させるために１つまたは複数の高電圧可変速度ＤＣ圧縮機を含み、高電圧バッテリーから動作できるようにする。

【0044】

[0051]熱エネルギー貯蔵システムは、フッ化カリウム四水和物だけでなく、塩化カルシウム水和物、塩化カルシウム／臭化カルシウム混合水和物、ナトリウムベースの水和物、塩化リチウム三水和物などのリチウムベースの水和物などの他の塩水和物からも作られることを理解されたい。そのような媒体が使用される場合、動作温度は、媒体固有の相変化温度および特定のサブクール要件に調整されてもよい。いくつかの実施形態では、塩水和物は、フッ化カリウムの４水和物である。

【0045】

[0052]いくつかの実施形態では、熱エネルギー貯蔵システムは、熱エネルギー貯蔵システム冷却ループを通して熱熱伝導流体を導くために接続された独自のポンプを有する。熱伝導流体がエチレンまたはプロピレングリコール水のような液体である場合、ポンプは可変速モータによって制御されるポンプであってもよい。熱伝導流体が相変化冷媒である場合、ポンプモータは、熱伝導の最良の量とその結果としての冷媒の圧力降下の間で熱エネルギー貯蔵システムポンプの効率を最適化するようにプログラムされたベクトル制御システム（ＶＣＳ）に接続されてもよい。

【0046】

[0053]制御システムは、指向性エネルギー兵器システム、補助部品、熱エネルギーシステム、および蒸気圧縮システムを含む様々なシステムの温度を監視する。制御システムは、記憶された論理とプログラミングを使用して、各構成要素の適切な使用を決定する。システムがアイドル状態であり、熱エネルギー貯蔵システムの温度が高いか、または部分的な溶融を示す場合、制御システムは、熱エネルギー貯蔵システムの再凍結を開始するために蒸気圧縮システムを作動させることができる。しかしながら、制御システムが、付帯部品が熱すぎると判定した場合にも、制御システムは、蒸気圧縮システムに熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料を再凍結させる前に、付帯部品が損傷しないように１つの蒸気圧縮システムに冷却させることを優先させてもよい。システムの柔軟性により、制御システムは、システムの構成要素を冷却し、指向性エネルギー兵器システムの次の起動のための準備状態にシステムを維持するために、可能な限り効率的であるように働くことができる。

【0047】

[0054]制御システムは、システムのバーストモード冷却サイクルを起動するために多くの方法で構成することができる。一実施形態では、制御装置は、システム内の冷媒または熱伝達流体の流れを活性化、変調、または非活性化する任意の電子装置または器具である。制御システムは、システム全体で熱伝達流体を移動させるポンプ、ファン、または弁を制御する任意の電子装置または器具を含んでもよい。

【0048】

[0055]一実施形態では、核生成冷却システムは、冷媒を使用して、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料を直接冷却する。冷媒を使用することによって、核生成および／または凍結プロセスは、熱伝達流体による凍結よりも速くなり得る。さらに、冷媒の使用は、相変化材料を介してポンプで送られる熱伝達流体を冷却する冷却システムと比較して、相変化材料を冷却するために必要なエネルギーが少なくて済む場合がある。

【0049】

[0056]一実施形態では、制御システムは、１つまたは複数の温度センサにリンクされ、指向性エネルギー兵器システムの近くの温度センサが所定の目標温度に達したときにバーストモード冷却サイクルを起動させる。温度センサは、その熱負荷が所定の目標温度に達すると、バーストモード冷却サイクルが開始されるように、指向性エネルギー兵器システムに熱的にリンクされてもよい。あるいは、制御システムは、バーストモード冷却サイクルをトリガーする起動信号に電子的にリンクされてもよい。起動信号は、接近する標的のインテリジェント信号を含む様々なデータを感知し、次に冷却サイクルを起動するタイミングを予測する予測プロセスによって制御されてもよい。例えば、制御システムは、熱負荷の現在の温度、最後の起動からの時間、および指向性エネルギー兵器システムにリンクされたデバイスの他の機器の状態を感知してもよい。このデータを使用して、システムは、指向性エネルギー兵器システムが加熱し始める直前にバーストモード冷却サイクルを作動させてもよい。いくつかの実施形態において、制御システムは、決定されたまたは事前に決定された冷却事象の１、２、３、４、５、６、１０秒前またはそれ以上前に冷却サイクルを起動してもよい。

【0050】

Ａ．システム
[0057]図１は、蒸気圧縮システム１１５および核生成冷却システム１１６を有する１つの例示的な熱エネルギー冷却システム１００を示す。熱エネルギー冷却システム１００は、指向性エネルギー兵器システム１４０に隣接し接続された熱交換器１３０から熱エネルギー貯蔵システム１１０に熱伝達流体を移動させることによって、動作の発射イベントの間であってよい指向性エネルギー兵器システム１４０を急速に冷却するためのバーストモード冷却を提供するように設計されている。

【0051】

[0058]蒸気圧縮システム１１５は、蒸気圧縮システム１１５および／または熱エネルギー貯蔵システム１１０からの熱伝導流体の出力を制御する出力制御弁１２５に接続し、指向性エネルギー兵器システム１４０と熱連通している熱交換器１３０に接続する。熱交換器１３０は、次に、蒸気圧縮システム１１５および／または熱エネルギー貯蔵システム１１０から指向性エネルギー兵器システム１４０への冷却ループを形成し、再び戻るために、一組の入力制御弁１２０と通信するポンプ１４９に接続される。

【0052】

[0059]図１に示すように、ポンプ１４９および入力制御弁１２０は、熱エネルギー貯蔵システム１１０に接続する。熱エネルギー貯蔵システム１１０は、活動中に指向性エネルギー兵器システム１４０を冷却するために使用される、フッ化カリウム四水和物などの凍結または部分的に凍結した相変化材料を含んでもよい。熱エネルギー貯蔵システム１１０は、熱エネルギー貯蔵システムを指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０に接続する出力制御弁１２５に接続される。指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０は、熱エネルギー貯蔵システム冷却ループにおいて、指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０から入力制御弁１２０へ、および熱エネルギー貯蔵システム１１０へ加熱された熱伝導流体を戻すことができるポンプ１４９に接続される。

【0053】

[0060]いくつかの実施形態では、指向性エネルギー兵器システムは、蒸気圧縮システム１１５および熱エネルギー貯蔵システム１１０の両方を使用して冷却されてもよい。例えば、蒸気圧縮システム１１５によって冷却された熱伝達流体および熱エネルギー貯蔵システム１１０によって冷却された熱伝達流体は、指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０に循環されてもよい。熱伝達流体は、それぞれの冷却システムによって冷却された後に混合され、その後、出力制御弁１２５を用いて熱交換器１３０に循環されてもよい。いくつかの実施形態では、熱伝達流体が混合しない別々のラインが存在してもよい。例えば、蒸気圧縮システム１１５からの熱伝達流体は、熱交換器１３０に直接循環してよい。同様に、熱エネルギー貯蔵システム１１０からの熱伝達流体は、同様に熱交換器１３０に直接循環してもよい。いくつかの実施形態では、流れは、熱貯蔵システムに続いて蒸気圧縮システムを通る直列であってもよく、またはその逆であってもよい。いくつかの実施形態では、流れは部分的に直列であり、部分的に並列であってもよい。

【0054】

[0061]一実施形態では、蒸気圧縮システム１１５は、ホテル負荷を構成するシステム１００の構成要素を冷却するために、ホテル負荷熱交換器１３５への熱伝達流体冷却ループを形成するよう設計されている。示されるように、出力制御弁１２５は、蒸気圧縮システム１１５から、ホテル負荷１４５に隣接するホテル負荷熱交換器１３５に熱伝達流体を導くことができる。次いで、ポンプ１４９は、ホテル負荷熱交換器１３５から来る熱伝導流体を、入力制御弁１２０を経て蒸気圧縮システム１１５に戻して再循環し、ホテル負荷冷却ループを形成してもよい。

【0055】

[0062]図１に示すように、蒸気圧縮システム１１５はまた、熱エネルギー貯蔵システム１１０に熱伝達流体を流すパイプ１４７を介して熱エネルギー貯蔵システム１１０に接続されている。蒸気圧縮システム１１５は、熱伝達流体を冷却し、熱エネルギー貯蔵システム１１０を充電するために、熱交換器を使用してもよい。熱エネルギー貯蔵システム１１０は、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の熱伝達流体から凍結した相変化材料に熱を伝達する熱交換器として機能する相変化媒体で満たされた一連の貯蔵管を含んでもよいことを理解されたい。蒸気圧縮システム１１５は、核生成冷却システム１１６からのそのような材料の最初の核生成の後、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料の結晶化および凍結を継続するために用いられてもよい。ポンプ１１１は、冷却された熱伝達流体を熱エネルギー貯蔵システム１１０から蒸気圧縮システム１１５に循環させてもよい。ポンプ１１１およびパイプ１４７は、熱エネルギー貯蔵システム１１０を冷却するために使用される蒸気圧縮冷却ループを形成する。

【0056】

[0063]一実施形態では、蒸気圧縮冷却ループおよびホテル負荷冷却ループは、同じ熱伝達流体を使用し、それによってシステム１００内で通信するために同じ配管、弁およびポンプの一部を共有してもよいことを理解されたい。あるいは、システム１００は、蒸気圧縮システムおよび熱エネルギー貯蔵システムからの並列冷却ループを含んでよく、そこでは、それらは同じ熱伝達流体、配管、弁およびポンプを共有せず、したがって、指向性エネルギー兵器システムと同じまたは異なる熱交換器を介して熱的に通信する。

【0057】

[0064]熱エネルギー貯蔵システム１１０は、パイプ１４８およびポンプ１１７を介して核生成冷却システム１１６に接続される。蒸気圧縮システム１１５の熱伝達流体とは別の第２の熱伝達流体が、核生成冷却システム１１６から、ポンプ１１７を通り、熱エネルギー貯蔵システム１１０に循環し、パイプ１４８を通って戻り、核生成冷却ループを形成してもよい。第２の熱伝達流体は、蒸気圧縮システム１１５の熱伝達流体とは異なる種類の流体であってもよく、２つの流体は同じ種類の流体であってもよい。核生成冷却システム１１６は、核生成、すなわち相変化材料の固体材料の初期形成を引き起こすために、相変化材料を含む貯蔵管１５０（図３および図４参照）を通して比較的低い温度の冷媒または熱伝達流体を提供することによって、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料の結晶化を促進するために使用されてもよい。相変化材料のこの初期結晶化の後、次に、結晶化を継続するために比較的高い温度の冷媒を使用することができる。より高い温度の流体を使用する能力は、エネルギーを節約する。より高い温度の熱伝達流体は、一実施形態では、蒸気圧縮システム１１５によって供給されてもよい。代替的に、または追加的に、ある実施形態では、より高い温度の熱伝達流体は、より高い温度で動作する核生成冷却システム１１６によって供給されてもよい。核生成冷却システム１１６の好ましい熱伝達流体は、液体オーバーフィードシステムを介して貯蔵管１５０に供給される冷媒である。

【0058】

[0065]上述したように、熱エネルギー貯蔵システム１１０および蒸気圧縮システム１１５は、一組の入力制御弁１２０および出力制御弁１２５に接続されている。これらの弁は、システム１００を通る熱伝導流体の流れ、および各構成要素の出入りを制御する。図示のように、制御システム１２７は、蒸気圧縮システム１１５、核生成冷却システム１１６、入力制御弁１２０および出力制御弁１２５と電気的に通信している。入力制御弁１２０および出力制御弁１２５内の電気的に制御可能な弁を開閉することにより、制御システム１２７は、システム１００の動作中の任意の特定の時間にシステムのどの構成要素が熱伝達流体または冷媒を循環させているかを制御することができる。

【0059】

[0066]出力制御弁１２５は、指向性エネルギー兵器システム１４０と熱的に連通している指向性エネルギーシステム熱交換器１３０に接続する。指向性エネルギー兵器システム１４０は、熱交換器１３０に熱的に接続されているように示されている。二相冷媒がシステム１００内で循環している場合、熱交換器１３０は、冷媒の相を変えるかまたは部分的に変えるように構成された蒸発器であってもよいことを理解されたい。グリコール－水のような熱伝達流体または媒体が循環されている場合、熱交換器は、熱伝達流体に熱を吸収するように構成された熱伝達管、コイルまたはプレートであってもよい。

【0060】

[0067]一実施形態では、指向性エネルギー兵器システム１４０は高エネルギーレーザであってもよく、指向性エネルギーシステム熱交換器１３０は、システムが作動している間に熱バーストの大部分を生成するそのシステムのレーザダイオードおよびダイオード増幅器と熱通信していてもよい。高エネルギーレーザは、３、５、１０、１５、３０、５０、７５、１００、１２５、１５０、２５０、または５００キロワットまたはそれ以上のエネルギーレーザであるレーザを含んでもよい。

【0061】

[0068]出力制御弁１２５はまた、指向性エネルギー兵器システム１４０に隣接するホテル負荷１４５と熱連通している１つまたは複数のホテル負荷熱交換器１３５に接続される。上述したように、ホテル負荷１４５は、バッテリー、モータ、レーダー、通信、および指向性エネルギー兵器システムに付随する他の装置を含んでもよい。上述したように、冷媒の代わりにグリコール－水のような熱伝達媒体が使用される状況において、ホテル負荷熱交換器は、熱伝達媒体に熱を伝達するように構成された熱伝達システムと置き換えられてもよい。

【0062】

[0069]システム１００は、１つより多くのポンプ１４９を含んでもよく、追加のポンプ、ファン、弁およびモータが、本明細書に記載されるように動作するためにシステム内に含まれてもよいことを理解されたい。例えば、追加のポンプは、熱伝導流体を熱交換器１３０、１３５に移動させるために、出力制御弁１２５に隣接して含まれてもよい。ファンは、熱交換器にわたって加熱または冷却された空気を移動させるために、指向性エネルギーシステム熱交換器１３０またはホテル負荷熱交換器１３５に隣接して配置されてもよい。

【0063】

[0070]使用中、システム１００は、指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０から蒸気圧縮システム１１５および熱エネルギー貯蔵システム１１０のいずれかまたは両方に加熱された流体を導くことができるという点で柔軟である。熱伝達流体の温度、およびシステムの予測される冷却ニーズに応じて、熱伝達流体は、冷却のために熱エネルギー貯蔵システム１１０のみまたは蒸気圧縮システム１１５のみに導かれてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、熱伝達流体は、熱エネルギー貯蔵システム１１０および蒸気圧縮システム１１５を介して並列にまたは順次に導かれてもよい。

【0064】

[0071]制御システム１２７はまた、核生成冷却システム１１６と電気的に接続されている。制御システム１２７は、センサからデータを受信し、それに応答して核生成冷却システム１１６の動作を制御して、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料の結晶化を開始させることができる。センサは、熱エネルギー貯蔵システム１１０内、指向性エネルギー兵器システム１４０内、ホテル負荷１４５内、および／または蒸気圧縮システム１１５内、またはそれに接続された任意の構成要素またはパイプ内に配置されてもよい。例えば、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の温度センサは、温度データを制御システム１２７に提供してもよく、この制御システムは、データを分析し、核生成冷却システム１１６を動作させるかどうかを判定することができる。核生成冷却システム１１６は、熱エネルギー貯蔵システム１１０内で、初期結晶化が始まっていない、もしくは十分に始まっていないと判定された場合、または相変化材料からのエネルギーが完全に排出された、もしくは閾値を越えて排出されたと判定された場合に使用されてもよい。また、核生成冷却システム１１６は、核生成冷却システム１１６を、より高い温度で完全な溶融に達する前に動作させて、相変化材料を熱エネルギー貯蔵システム１１０内で再凍結するか、凍結したまま維持するために使用することも可能である。

【0065】

[0072]図２Ａおよび図２Ｂは、蒸気圧縮システム１１５および核生成冷却システム１１６のそれぞれの概略図である。
[0073]図２Ａに示すように、蒸気圧縮システム１１５は、圧縮機１１８と、凝縮器１１９と、蒸発器であってよい熱交換器１２１とを含む。冷媒は、圧縮機１１８、凝縮器１１９、および熱交換器１２１を循環して、熱交換器１２１を循環する１つまたは複数の熱伝達流体から熱を除去する。示されるように、熱伝達流体は、熱エネルギー貯蔵システム１１０からポンプ１１１を介して受け取られ、熱交換器１２１によって冷却され、熱交換器１２１を出て熱エネルギー貯蔵システム１１０に戻るように循環されてもよい。冷却された熱伝達流体は、本明細書に記載されるように、貯蔵システム１１０内の相変化材料の結晶化を継続するために、熱エネルギー貯蔵システム１１０によって使用され得る。

【0066】

[0074]さらに示されるように、熱伝達流体は、入力制御弁１２０を介して、指向性エネルギーシステム熱交換器１３０から、および／またはホテル負荷熱交換器１３５から循環してもよい。弁１２０は、冷却のために弁１２０から蒸気圧縮システム１１５の熱交換器１２１への熱伝達流体の流れを引き起こす、または防ぐように操作されてもよい。弁１２０からの熱伝達流体は、蒸気圧縮システム１１５によって冷却されて出て、指向性エネルギー兵器システム１４０および／またはホテル負荷１４５からそれぞれ熱を除去するために指向性エネルギーシステム熱交換器１３０および／またはホテル負荷熱交換器１３５に戻るための出力制御弁１２５へ循環してもよい。

【0067】

[0075]図２Ｂに示すように、核生成冷却システム１１６は、圧縮機１２２と、凝縮器１２３と、冷媒リザーバ(refrigerant reservoir)１２４とを含む。冷媒は、圧縮機１２２、凝縮器１２３、および冷媒リザーバ１２４を循環し、負荷によって蒸発した冷媒部分を再凝縮させることによって、冷媒リザーバ１２４を循環する冷媒から熱エネルギーを除去する。冷媒は、熱エネルギー貯蔵システムに充電する際に冷媒が部分的に蒸発する熱エネルギー貯蔵システム１１０から、液体と気体の二相混合物として戻る冷媒リザーバ１２４に循環してもよい。凝縮器１２３からの冷媒は、液相でリザーバ１２４に戻される。液体はリザーバ１２４の底に集まり、一方、蒸気は液体の上の空間を満たす。そして、液状冷媒は、リザーバ１２４からポンプ１１７を介して熱エネルギー貯蔵システム１１０に循環される。冷媒は、本明細書に記載されるように、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料の核生成、および場合によっては全体の凍結を引き起こすために使用される。その後、冷媒は、熱エネルギー貯蔵１１０から、パイプ１４８を介して核生成冷却冷凍システムに戻るように流れる。核生成冷却システムを使用して冷凍サイクル全体を完了する場合、熱エネルギー貯蔵システム１１０の貯蔵管内で初期核生成が達成された後に、冷却温度を上昇させることができる。

【0068】

[0076]リザーバ１２４の内部では、液体冷媒の蒸気が蒸気圧縮システム１１６を通って圧縮機１２２、そして凝縮器１２３に循環し、冷却されて液体に変化し、リザーバ１２４に戻される。

【0069】

[0077]図３は、一実施形態による熱エネルギー貯蔵システム１１０の断面を示す模式図である。熱エネルギー貯蔵システム１１０は、相変化材料１５１の結晶化を最初に引き起こし、その後結晶化プロセスを継続させるための２つの別個の熱伝達流体経路を含む。相変化材料は、入力制御弁１２０を介して指向性エネルギーシステム熱交換器１３０および／またはホテル負荷熱交換器１３５から受け取られ、出力制御弁１２５を介して指向性エネルギーシステム熱交換器１３０および／またはホテル負荷熱交換器１３５に戻るように出る、熱エネルギー貯蔵システム１１０を通って循環する熱伝達流体に冷却を与えるために冷凍または部分冷凍される。

【0070】

[0078]相変化材料１５１は、フッ化カリウム四水和物などの水和塩複合体であってもよい。相変化材料１５１は、ここでは環状断面を有する細長い円筒形の管として示される一連の貯蔵管１５０に収容される（図４参照）。貯蔵管１５０はそれぞれ、核生成冷却システム１１６からの冷媒を通して循環させるために内側管１５２が延びる細長い開口部を有する。冷媒を相変化材料１５１の中心部を通して循環させることにより、相変化材料はより効率的に凍結を開始することになる。核生成のために別個の冷却システム１１６を使用する設計は、ポンプ１４９に接続されたシステム熱伝達ループ全体を、ホテル負荷１４５または指向性エネルギー兵器システム１４０内のレーザダイオードおよびダイオード増幅器の予冷に理想的でない温度に冷却する必要なしに、核生成を迅速に開始するために低い温度を使用することを可能にする。冷媒は、核生成冷却システム１１６から吸入分配器またはマニホールド１５４を介して内側管１５２に入る。分配器またはマニホールド１５４は、冷媒を一組の内側管１５２を通して分配し、それぞれの貯蔵管１５０内に含まれるそれぞれの相変化材料の結晶化を開始させる。内側管１５２は、出口マニホールドまたはパイプ１５３に接続される。相変化材料１５１からの熱の伝達により今や部分的に蒸発した冷媒は、その後、再凝縮のために出口パイプ１５３から核生成冷却システム１１６に戻るように循環する。

【0071】

[0079]熱エネルギー貯蔵システム１１０は、一連の入力および出力分配器、マニホールド、またはパイプを含んでもよく、それぞれが図３に示すように内側管１５２の列に接続することを理解されたい。例えば、熱エネルギー貯蔵システム１１０は、内側管の２、５、１０、２０、３０またはそれ以上の列を含んでもよく、各列は、それ自身の入力分配器、マニホールドまたは管および出力分配器、マニホールドまたは管に接続されている。入力分配器と出力マニホールドはそれぞれ、熱エネルギー貯蔵システム１１０の外側で一緒になって、核生成冷却システムからの冷媒と核生成冷却システムへの冷媒を導く。

【0072】

[0080]熱エネルギー貯蔵システム１１０は、入力制御弁１２０を介して、指向性エネルギーシステム熱交換器１３０からおよび／またはホテル負荷熱交換器１３５から熱伝達流体を受け取り、蒸気圧縮システム１１５から熱伝達流体を受け取ることができる。熱伝達流体は、入口マニホールド１５５に受け取られ、貯蔵管１５０の上および周りを流れ、出口マニホールド１５６に流れ、蒸気圧縮システム１１５に戻り、出力制御弁１２５を介して指向性エネルギーシステム熱交換器１３０に、および／またはホテル負荷熱交換器１３５から戻される。

【0073】

[0081]熱エネルギー貯蔵システム１１０は、熱伝達流体の一方または他の供給源を選択的に受け取ることができ、または両方を同時に受け取ることができる。システム１１０のいくつかの用途では、相変化材料１５１の結晶化を継続するために、蒸気圧縮システム１１５から熱伝達流体を受け取り、入力制御弁１２０からの熱伝達流体の循環を停止または減少させてもよい。この操作は、相変化材料を凍結させ、武器の別の発射に備えるために、武器システムの発射の間に使用されてもよい。

【0074】

[0082]システム１１０のいくつかの使用において、武器またはホテル負荷熱交換器からの熱伝達流体を冷却するために、入力制御弁１２０から熱伝達流体を受け取り、蒸気圧縮システム１１５からの熱伝達流体の循環は、発射中に最大冷却能力を達成するために停止または低減されてもよく、並行して継続されてもよい。

【0075】

[0083]図４は、図３に描かれた線Ａ－Ａに沿って切り取られた熱エネルギー貯蔵システム１１０の断面図である。図４に示すように、熱エネルギー貯蔵システム１１０は、熱伝達流体２０２で満たされ、内側管１５２の開口がそこを通って延びて貯蔵管１５０の環状断面を形成する貯蔵管１５０の列を有するタンクまたはエンクロージャ２００を含む。各貯留管１５０は、相変化材料１５１で満たされ、タンク２００内の一組の支持ブラケット、バッフルまたは空洞内に配置される。各貯蔵管１５０は、相変化材料１５１のそれぞれの部分を含む円筒の閉じた環状容積を形成する内側円筒面および外側円筒面を規定するために、内側管１５２の長手方向円筒開口がそこを通って延在する円筒であってよい。

【0076】

[0084]タンク２００内に堆積された貯蔵管１５０のサイズおよび数は、タンク内を循環する熱伝達流体２０２から貯蔵管１５０内の相変化材料１５１への熱伝達を最大化するように選択することが可能である。熱エネルギー貯蔵システム１１０は、１０本以上、２０本以上、５０本以上、１００本以上、２００本以上、３００本以上、５００本以上または８００本以上の貯蔵管１５０を含んでもよい。いくつかの実施形態では、貯蔵管１５０は、１０から１０００本である。

【0077】

[0085]いくつかの実施形態において、冷却システム１００は、複数の熱エネルギー貯蔵システム１１０を含んでもよい。各熱エネルギー貯蔵システム１１０は、「モジュール」を形成してもよい。システム内に２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはそれ以上の熱エネルギー貯蔵システム１１０またはモジュールが存在してもよい。いくつかの実施形態では、指向性エネルギー兵器システム１４０は、約３０ｋＷと約７０ｋＷの間の出力を有する高エネルギーレーザであり、システム１００は、２つから６つ以上の熱エネルギー貯蔵システム１１０またはモジュールを含む。いくつかの実施形態では、指向性エネルギー兵器システム１４０は、１００ｋＷから５００ｋＷの出力を有する高エネルギーレーザであり、システム１００は、２つ、４つ、６つ、８つ、または十数個の熱エネルギー貯蔵システム１１０またはモジュールを含む。いくつかの実施形態では、指向性エネルギー兵器システム１４０は、約５ｋＷから約２０ｋＷの間の出力を有する高エネルギーレーザであり、システム１００は、１つ、２つ、３つ、または４つの熱エネルギー貯蔵システム１１０を含む。

【0078】

[0086]この実施形態では、貯蔵管は１．２７ｃｍ（０．５インチ）の外径を有してもよいが、０．６３５ｃｍ（１／４インチ）と２．５４ｃｍ（１インチ）あるいは３．８１ｃｍ（１．５インチ）と５．０８ｃｍ（２インチ）の間の任意の寸法、あるいは機能的に類似した寸法であってもよい。各タンクは、熱エネルギー貯蔵システムの特定のアーキテクチャに応じて、２５、５０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００またはそれ以上の貯蔵管を有することができる。一実施形態では、タンク２００は、外径が１．２７ｃｍ（０．５インチ）、長さが約１５２．４ｃｍ（６０インチ）である約３００本の貯蔵管を含む。

【0079】

[0087]図５は、冷却システム１００の動作を制御するための命令でプログラムされた制御システム１２７の説明図である。制御システム１２７は、システム１００の弁、ポンプ、ファンおよび他の構成要素を管理することができる任意のタイプの周知のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであってよいプロセッサ３１０を含む。プロセッサ３１０は、システムを動作させるためのプログラムおよびコマンドを格納するためのメモリ３１２に接続される。

【0080】

[0088]プロセッサ３１０は、指向性エネルギー兵器システム１４０が発射によって起動されるか、または発射のために起動されると予想されることに応答して、冷却サイクルを起動するための命令を含む指向性エネルギーモジュール３２５に接続される。一実施形態では、指向性エネルギーモジュール３２５は、制御システム１２７によって所定の信号が受信されると、蒸気圧縮システム１１５および／または熱エネルギー貯蔵システム１１０からバーストモード冷却サイクルを起動して熱負荷を急速に冷却するようにプログラムされる。信号は、指向性エネルギー兵器システム１４０に接続された発射システムからの起動信号であってもよい。発射イベントごとに、兵器システムは、蒸気圧縮制御モジュール３４５および／または熱エネルギー貯蔵モジュール３４０とインターフェースして、兵器システムの温度を維持および制御するために、システム１００のバースト冷却モードをトリガーしてもよい。

【0081】

[0089]一実施形態では、指向性エネルギーモジュール３２５は、指向性エネルギー熱負荷の温度を監視する温度センサのようなセンサと通信する。一実施形態では、指向性エネルギーモジュール３２５は、指向性エネルギー負荷の温度が所定の温度に達すると、蒸気圧縮制御モジュール３４５とインターフェースしてバースト冷却サイクルを作動させる。例えば、指向性エネルギーシステムの温度が３０℃を超えると、指向性エネルギーモジュール３２５は、指向性エネルギー武器システム熱交換器１３０に、および熱エネルギー貯蔵システム１１０を介して熱伝達流体を急速に循環させ始めるよう蒸気圧縮制御モジュール３４５に指示する。温度が１５℃未満になると、加熱システムが作動して温度を上昇させる。いくつかの実施形態では、蒸気圧縮制御モジュールは、指向性エネルギー負荷の温度が２５℃超または３５℃超である場合に作動してもよい。いくつかの実施形態では、指向性エネルギーシステムの温度が１０℃未満または２０℃未満であるときに、加熱システムが起動されてもよい。

【0082】

[0090]もちろん、実施形態は、単一のバースト冷却手順のみを実行することに限定されない。起動中、熱負荷、または付属の武器システムは、熱負荷の温度をある目標温度範囲より低くまたは範囲内に維持するために、複数のバーストモード冷却動作を要求することができる。

【0083】

[0091]バーストモード冷却は、蒸気圧縮システム１１５単独または蒸気圧縮システム１１５および熱エネルギー貯蔵システム１１０を動作させることによって実行することができるが、いくつかの実施形態では、システムは、熱エネルギー貯蔵システム１１０とのみ通信することによってバーストモード冷却サイクルを実行する。例えば、図５に示すように、熱エネルギー貯蔵モジュール３４０は、指向性エネルギーモジュール３２５によって起動され、指向性エネルギー兵器システム１４０が放電されることに応答して冷却サイクルを開始することもできる。例えば、放電のように、または放電を予期して、指向性エネルギーモジュール３２５は、熱エネルギー貯蔵モジュール３４０に冷却サイクルを開始するように指示してもよい。次いで、熱エネルギー貯蔵モジュール３４０は、熱エネルギー貯蔵システム１１０を流れる熱伝導流体が、指向性エネルギー兵器システム１４０に隣接する熱交換器１３０を通る熱エネルギー冷却ループで循環し始めるように、入力制御弁１２０および出力制御弁１２５を調節することになる。

【0084】

[0092]蒸気圧縮制御モジュール３４５は、上述したように、蒸気圧縮システム１１５のモータ、弁、およびポンプ機能を管理するための命令を含んでもよい。例えば、蒸気圧縮制御モジュール３４５は、熱エネルギー貯蔵システム１１０への熱伝導流体の出入りを導く弁とともに、入力弁および出力弁を制御してもよい。これらの弁を操作することによって、蒸気圧縮制御モジュール３４５は、システムを効率的に動作させるために必要に応じて、システム１００の特定の構成要素に熱伝導流体を導いてもよい。

【0085】

[0093]示されるように蒸気圧縮制御モジュールはまた、蒸気圧縮システム圧縮機およびトルクの効率的な制御を提供するために上述したように構成されるベクトル制御システム３４７を含んでもよい。例えば、ベクトル制御システム３４７は、蒸気圧縮システム内の圧縮機にかかるトルクを監視し、１つまたは複数のファンまたはブロワの速度を調節してシステム内の圧力を変更し、圧縮機にかかるトルクを増加または減少させて蒸気圧縮システム効率を増加させることができる。

【0086】

[0094]代替的に、蒸気圧縮制御モジュール３４５は、高電圧ＤＣバッテリーシステムから容易に操作できる高電圧ＤＣ圧縮機制御システムも含むことができる。そのようなＤＣシステムは、トルクを監視し、ベクトル駆動として機能することもできる。

【0087】

[0095]バーストモード冷却要求が収まった後、熱エネルギー貯蔵モジュール３４０は、熱エネルギー貯蔵システム内の温度センサなどのセンサと通信し、これに応答して蒸気圧縮システム１１５および／または核生成冷却システム１１６を作動させて熱エネルギー貯蔵システム１１０をその目標温度まで冷却し始め、相変化材料を凍結させてもよい。

【0088】

[0096]図示のように、制御システム１２７は、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化媒体の冷却を制御するための核生成冷却システムモジュール３４１も含む。核生成冷却システムモジュール３４１は、核生成冷却システム１１６からの熱伝達流体を熱エネルギー貯蔵システム１１０の内側管１５２を通して循環させて貯蔵管１５０内の相変化材料１５１の結晶化を開始させるためにポンプ１１７を操作する命令を含んでもよい。熱エネルギー貯蔵システム１１０内の温度センサからの温度データなどの１つまたは複数のセンサからのデータは、制御システム１２７によって受信されてもよく、核生成冷却システムモジュール３４１は、核生成冷却システム１１６から熱エネルギー貯蔵システム１１０への熱伝達流体の流れを開始、その速度を増加、その速度を減少、または停止するようにさらにプログラムされ得る。

【0089】

[0097]いくつかの実施形態では、核生成冷却システムモジュール３４１は、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の１つまたは複数の温度が、相変化材料の所望の結晶化量を示すある閾値に到達すると、蒸気圧縮制御モジュール３４５と通信する命令を有する。命令は、その後、制御システム１２７に、相変化材料の結晶化を継続するためにさらなる熱伝達流体を提供するように蒸気圧縮システム１１５を動作させ、蒸気圧縮システム１１５からの冷却を提供せず、核生成冷却システム１１６に充電全体を行わせる、またはその任意の組み合わせを行わせることができる。核生成冷却システムモジュール３４１および蒸気圧縮制御モジュール３４５は、核生成冷却システム１１６から冷媒を第１の比較的低い温度で循環させ、温度センサフィードバックに基づく相変化材料の初期結晶化後に、蒸気圧縮システム１１５からの熱伝達流体を冷媒の第１の温度と比較して第２の比較的高い温度で循環させて結晶化を継続するか、または初期核生成後に核生成システム１１６の温度を上昇させてシステム１１６を動作させて冷凍プロセスを完了するか、またはシステム１１５および１１６の両方を用いて冷凍プロセスを完了するようにプログラムされてもよい。

【0090】

[0098]いくつかの実施形態では、最大熱負荷条件でのレーシング中に、蒸気圧縮システム１１５および熱エネルギー貯蔵システム１１０を同時に使用して冷却出力を最大化し得るだけでなく、核生成システム１１６も同時に作動させて熱エネルギー貯蔵システム１１０を介して追加の冷却を提供し得る。

【0091】

[0099]示されるように、制御システム１２７はまた、システム１００内のホテル負荷の冷却を制御するためのホテル負荷制御モジュール３１５を含む。ホテル負荷制御モジュール３１５は、温度または他の環境センサからデータを読み取り、ホテル負荷または指向性エネルギー兵器システムの隣接システムを冷却または加熱するための適切なパラメータを決定するための命令を含んでもよい。例えば、ホテル負荷制御モジュール３１５が、ホテル負荷が４０℃を超えていることを示すデータを受信した場合、それは蒸気圧縮システム１１５を作動させて、ホテル負荷の温度を目標温度まで下げるために冷却サイクルを開始してもよい。同様に、ホテル負荷制御モジュール３１５が、熱負荷が例えば５℃未満であると判定した場合、熱負荷の温度を目標温度まで上昇させるために、蒸気圧縮システムまたは補助ヒーターの加熱サイクルを開始することができる。

【0092】

[0100]制御システムの態様は、熱負荷の温度に基づいて、システム内の様々なポンプおよびファンの可変速動作を管理することができることを理解されたい。例えば、熱負荷、または周囲環境の温度が上昇すると、システム内のポンプおよびファンの速度も上昇し得る。同様に、熱負荷の温度、または周辺環境が低下すると、制御装置は、ポンプおよび／またはファンの速度を遅くし得る。

【0093】

Ｂ．動作
[0101]動作において、サイクルは、指向性エネルギー兵器システムが使用のために最初にパワーアップし始めるときに作動され得る。以下の動作は、ホテル負荷および指向性エネルギーシステム熱交換器に冷媒を循環させるために記載されているが、システムは相変化冷媒を使用することに限定されず、熱伝達流体もシステム内で同様に動作し得ることを理解されたい。

【0094】

[0102]実現できるように、これらのシステムは、システムが完全に動作可能になる前に冷却される必要があり得る補助的な機器を含む。例えば、補助機器は、蒸気圧縮システムとともに電源が投入されてもよい。したがって、制御システムは、蒸気圧縮システムの冷媒出力がホテル負荷熱交換器の様々な構成要素に導かれ、入力制御弁がホテル負荷熱交換器から蒸気圧縮システムに戻って冷媒を再循環させるように設定され、ポンプが冷却ループ内で冷媒を動かしてホテル負荷から熱を除去し始めるように起動されるように出力制御弁を作動させてもよい。核生成冷却システム１１６はまた、図面に示す実施例では熱エネルギー貯蔵システムを介してではあるが、補助装置を冷却することを容易にするために作動させることができる。異なる弁化により、必要に応じて、核生成システムをホテル負荷にも利用できるようにすることもできる。

【0095】

[0103]制御システム１２７は、温度センサを使用して熱エネルギー貯蔵システム１１０の温度を検出し、システムが動作可能になるとシステムから過剰な熱を吸収する熱コンデンサとして機能し得るように、熱エネルギー貯蔵システム１１０が目標温度まで冷却されたかどうかを判定してもよい。制御システム１２７が、熱エネルギー貯蔵システム１１０の温度が所定の閾値を超えていると判定した場合、蒸気圧縮システム１１５および／または核生成冷却システム１１６によって冷却された熱伝導流体または冷媒を熱エネルギー貯蔵システム内に導き始めることができる。制御システム１２７は、熱エネルギー貯蔵システム１１０も冷却する必要性に対してホテル負荷の冷却要求のバランスをとり、それらの現在の温度およびシステムが熱エネルギー貯蔵システム１１０をどのくらい早く使用する必要があり得るかに基づいて各システムに対する優先度を決定するプログラミングを含み得る。

【0096】

[0104]システムが発射する準備ができると、蒸気圧縮システム１１５は、発射イベントが検出されるか、または制御信号が即時発射を開始することを示すとすぐにバーストモード冷却を開始する準備ができるスタンバイモードに入れられてもよい。発射イベントが信号化されるか、または検出されると、システムはバーストモード冷却サイクルに入る。制御システム１２７は、指向性エネルギーシステム熱交換器からの加熱された熱伝導流体が熱エネルギー貯蔵システムに導かれ、場合によっては蒸気圧縮システム１１５によって補助されて冷却出力を最大にするように、熱エネルギー貯蔵システム１１０ループを作動させることになる。

【0097】

[0105]指向性エネルギーシステム熱交換器１３０が発射イベントを検出し続け、熱交換器１３０から熱エネルギー貯蔵システム１１０にバースト冷却のために熱を伝達すると、制御システム１２７は、柔軟なシステムが効率的に動作していることを保証するために各構成要素を監視し得る。例えば、起動後の最初の５、１０、１５、２０、２５、３０またはそれ以上の秒数における一実施形態では、その発射イベント中の冷却要件が熱エネルギー貯蔵システム１１０によって十分に処理され得るので、指向性エネルギーシステム熱交換器１３０からの加熱された熱伝達流体は蒸気圧縮システム１１５に導かれないことがある。しかしながら、発射イベントが続き、指向性エネルギー兵器システム１４０の熱負荷が維持または増加すると、制御システム１２７は、指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０から来る熱伝達流体の一部を蒸気圧縮システムに直接導いてもよい。核生成冷却システム１１６はまた、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料の凍結を促進するために、本明細書に記載されるように動作されてもよい。

【0098】

[0106]いくつかの実施形態において、蒸気圧縮冷却システム１１５は、熱エネルギー貯蔵システム１１０によって提供される冷却を補完するために使用されることを理解されたい。したがって、起動に続いて、熱エネルギー貯蔵システム１１０は、武器の起動後の最初の数秒間、急速なバーストモード冷却を提供することができる。その後、または同時に、蒸気圧縮システム１１５は、指向性エネルギー兵器システム熱交換器１３０に二次冷却ループを提供し、熱エネルギー貯蔵システム１１０によって提供される以上の追加の冷却能力を提供するために起動されてもよい。代替的に、蒸気圧縮システム１１５は、熱エネルギー貯蔵システム１１０がその後に続く状態で最初に使用されてもよい。そのような場合、核生成冷却システム１１６も、熱エネルギー貯蔵システム１１０内の相変化材料をより急速に冷却して凍結させる、または凍結させたままにしておくために動作させることができる。

【0099】

[0107]図６は、核生成冷却システムを用いた相変化材料凍結サイクルを促進するためのプロセス３６０の一実施形態を示すフローチャートである。プロセス３６０は、開始状態３６１で始まり、その後、判定状態３６２に移行し、凍結サイクルを開始するか否かの決定がなされる。この判定は、温度センサデータ、武器の発射データ、または相変化材料の凍結進行状況に基づいて行われ得る。ステップ３６２で凍結サイクルを開始しないと判定された場合、プロセス３６０は状態３６３に移行し、メンテナンスモードに入る。メンテナンスモードでは、核生成冷却システムはオフに保たれるか、または電流または他の動作レベルに保たれ得る。

【0100】

[0108]決定状態３６２で凍結サイクルを開始する決定がなされた場合、プロセス３６０は状態３６４に移行し、核生成冷却システムが起動される。核生成冷却システムは、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料の貯蔵管を横断する内側管を通して第１の温度で冷媒を循環させ、材料の核生成を引き起こしてもよい。

【0101】

[0109]次に、プロセス３６０は決定状態３６６に移行し、相変化材料の核生成が開始されたかどうかが判定される。これは、例えば、相変化材料の核生成または凍結、または核生成の閾値が開始されたと判定することによって、判定されてもよい。状態３６６において、核生成または核生成の閾値量が開始されていないと判定された場合、プロセス３６０は状態３６７に移行し、相変化材料の核生成が継続される。冷却は、核生成冷却システムから熱エネルギー貯蔵システムを介した冷媒の循環によって継続されてもよい。

【0102】

[0110]状態３６６において、核生成または核生成の閾値量が開始されたと判定された場合、プロセス３６０は、核生成冷却システムが、核生成に続いて相変化材料の冷凍を継続するために使用されるかどうかが判定される決定状態３６８に移行する。この判定は、温度センサなどの様々なセンサからデータを収集することによって、またはエネルギー消費量またはシステムの他の条件に基づいて行うことができる。状態３６８において、相変化材料の凍結を継続するために核生成冷却システムを使用すると判定された場合、プロセス３６０は状態３６９に移行し、核生成冷却サイクルが継続される。状態３６８において、核生成冷却システムが相変化材料の追加の凍結のために使用されないと判定された場合、プロセス３６０は状態３７０に移り、核生成冷却システムが停止される。次いで、プロセス３６０は、蒸気圧縮システムが相変化材料の凍結を継続するために使用されるかどうかを判定するために、決定状態３７１に移行する。

【0103】

[0111]次いで、決定状態３７１において、蒸気圧縮冷却システムからの追加の凍結が必要であるか否かの判定が行われる。例えば、核生成冷却システムが既に起動されて相変化材料を凍結している場合、蒸気圧縮システムは、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料も冷却するために起動される必要はない場合がある。しかしながら、核生成システムが核生成を開始するためにのみ使用され、核生成に続いて相変化材料を凍結し続けるために使用されていない場合、蒸気圧縮システムは、相変化材料を凍結するプロセスを継続するために起動されてもよい。

【0104】

[0112]状態３７１において、蒸気圧縮システムからの追加の凍結が必要であると判定された場合、プロセス３６０は状態３７２に移行し、蒸気圧縮システムからの相変化材料の冷却およびさらなる凍結が継続される。状態３７１において、蒸気圧縮システムからの追加の凍結が必要でないと判定された場合、プロセス３６０は、蒸気圧縮システムが停止される状態３７３に移行する。これは、核生成冷却システムが既に相変化材料を凍結している場合に起こり得る。

【0105】

[0113]次に、プロセス３６０は、すべての冷却が完了したかどうかが判定される決定状態３７４に移行する。このような判定は、説明したように、様々なセンサからのデータを分析することによって判定されてもよい。決定状態３７４において、すべての冷却が完了していないと判定された場合、プロセス３６０は、決定ステップ３６８に戻り、上述したように進行する。決定状態３７４において、すべての冷却が完了したと判定された場合、プロセス３６０は状態３７５に移行し、終了する。この凍結プロセスが終了した後、熱エネルギー貯蔵システムは、典型的には、蒸気圧縮システムまたは核生成冷却システムを使用して相変化材料を凍結状態に維持する維持モードに入る。

【0106】

[0114]図７は、レーザ兵器などの指向性エネルギー兵器システムを冷却するための１つのプロセス４００を説明する。プロセス４００は、開始状態４０２で始まり、その後、制御システムによって差し迫ったまたは現在のレーザ発射イベントが検出されたかどうかが判定される決定状態４０４に移行する。レーザ発射イベントが検出されない場合、プロセス４００は状態４０６に移行し、メンテナンスモードに入る。メンテナンスモードでは、システムは、発射イベントが検出されるとシステムが動作する準備が整うように、ホテル負荷を目標動作温度に維持し続ける。維持モードの間、核生成冷却システムおよび／または蒸気圧縮システムは、必要なときに熱エネルギー貯蔵システムがシステムに冷却電力を供給する準備ができるように、熱エネルギー貯蔵システム内に収容された相変化材料または媒体を維持または再充電するために使用されてもよい。

【0107】

[0115]決定状態４０４において、現在または差し迫ったレーザ発射イベントが検出されたという判定がなされた場合、プロセス４００は、熱エネルギー貯蔵システムが、レーザシステムから例えば１０、２５、５０、１００、１５０、２００またはそれ以上のキロワットの熱エネルギーのバーストを迅速に吸収するために開始される状態４０８に移行する。状態４０８におけるバーストモード冷却システムの起動後、プロセス４００は状態４１２に移行し、熱エネルギー貯蔵システムおよび／または蒸気圧縮システムからの冷却ループが起動されて、レーザ兵器に追加の冷却電力を提供する。これら２つの冷却源は、例えば、蒸気圧縮システムが、低減された容量の冷却でホテル負荷を冷却するために既にオンになっている可能性があり、追加の冷却電力を提供するために上昇させる必要があるだけで、同時にオンになってよい。蒸気圧縮システムは、熱を吸収するために追加の時間を要することがあるので、熱エネルギー貯蔵システムによって発射イベントにおける最初の数秒間に提供されるより迅速な冷却に対する補助的な冷却供給として使用されることがある。いくつかの実施形態では、核生成冷却システムはまた、熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料を凍結させるための補助的な冷却能力を提供するために状態４１２で起動されてもよい。例えば、非常に高いおよび／または持続的な加熱負荷が冷却を必要とする場合、熱エネルギー貯蔵システム、蒸気圧縮システム、および核生成冷却システムの３つすべてを一緒に使用して、１つのシナリオでレーザ兵器システムおよびホテル負荷を急速に冷却する能力を提供してもよい。

【0108】

[0116]状態４１２で熱エネルギー貯蔵システム、蒸気圧縮システムおよび核生成冷却システムから冷却が開始された後、プロセス４００は、さらなるまたは追加の冷却が必要であるかどうかが判定される決定状態４１８に移行する。この判定は、レーザ兵器システムをその目標温度または範囲に維持するために、予想される発射イベントに基づいて行われ得る。典型的には、この目標温度は、１５℃と３０℃との間であってよい。追加の冷却が必要であると判定された場合、プロセス４００は状態４２０に移行し、熱エネルギー貯蔵システム、蒸気圧縮システム、および／または核生成冷却システムからの１つまたは複数の冷却ループの流量が、レーザ兵器システムから追加の熱を遠ざけることを助けるために増加されてもよい。蒸気圧縮システムは、システム全体に追加の冷却力を追加し、レーザ兵器システムの温度を許容範囲内に維持するのを助けるために、冷却能力を上昇させてもよい。

【0109】

[0117]決定状態４１８において、追加の冷却が必要でないという判定がなされた場合、プロセス４００は状態４２５に移行し、レーザ発射プロセスが完了したかどうかが判定される。プロセスが完了していない場合、プロセス４００は、追加の発射イベントを待機するために、決定状態４０４に戻る。決定状態４２５において、レーザ発射が完了したという判定がなされた場合、プロセス４００は、蒸気圧縮システムが停止されてもよく、単にホテル負荷をサポートしてもよく、または熱エネルギー貯蔵システム内の相変化材料を再充電し始め、将来の発射イベントのための追加の冷却を提供する準備ができるようにする状態４３０に移行する。その後、プロセス４００は、終了状態４５０に移行し、終了する。

【0110】

[0118]本明細書では、参照用として、また様々なセクションの位置を特定するのに役立つように、見出しが含まれている。これらの見出しは、それに関して説明される概念の範囲を制限することを意図していない。そのような概念は、本明細書全体を通じて適用可能である。

【0111】

[0119]開示された実施態様のこれまでの説明は、当業者であれば誰でも本発明を製造または使用することができるように提供される。これらの実施態様に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであろうし、本明細書で定義された一般的な原理は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示された実施態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えるものである。

【0112】

[0120]上記の説明は、様々な実施形態に適用される本発明の新規な特徴を指摘したが、当業者は、図示された装置またはプロセスの形態および詳細における様々な省略、置換、および変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解するであろう。

【図1】