JP2018518650A - 改善された温度制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
pV=nRT [等式1]
式中、pはガスの圧力(パスカルで表す)、Vはガスの体積(m3で表す)、nは体積V内に存在するガスの分子数、Rはモルガス定数(約8.31 m2kgs-2K-1mol-1)であり、Tはケルビンで表したガスの温度である。
いくつかの場合、圧縮機によって消費されるエネルギーは、そのシステムによって使用される総エネルギーの最大80%を占めることがある。このため、これらのシステムにおける圧縮機のエネルギー消費を低減することが非常に望ましい。
上記のように、冷媒の圧力を増加させ、蒸発器への質量流量を増加させるという両者の効果は、圧縮機に必要とされる圧縮を減少させ、それによりシステム全体のエネルギー消費を低減する。整列した複数の熱交換器を設けることにより、冷媒に移される熱エネルギーの量をよりよく制御することができる。このことは、外部熱源によって供給される熱エネルギーが、例えば、太陽エネルギーのような天然エネルギー源が使用される場合に、容易に制御できない場合に特に有益である。この整列した複数の熱交換器は、圧縮機と凝縮器との間の地点に配置することができ、これにより、当該システムを構成する上でより大きな柔軟性が得られる。更に、この熱交換器のサイズは限定されないので、当該システムに、より大きな温度制御システムを使用することを可能にする。このシステムは、小型エアコンシステムで使用されるタイプのDCインバータ圧縮機を使用することに限定されず、固定又は可変速度圧縮機を使用することができる。これにより、このシステムは、空調、冷凍及び冷凍などの、但しこれらに限定されない、幅広い温度制御用途での使用に適している。
あるいは、各熱交換器は、加熱された流体を収容するタンクを備えてもよい。このような実施態様において、このシステムの冷媒パイプは、熱交換器におけるパイプの少なくとも一部がそのタンク内に沈められるように構成されてもよい。このような実施態様は、上記と同様の方法で機能し、即ち、熱エネルギーが、タンク内の加熱された流体からタンク内に浸漬されたパイプを通って流れる冷媒に移される。
又は、この整列した複数の熱交換器内の少なくとも2つの熱交換器を並列に配置してもよい。
いくつかの実施態様において、少なくとも2つの熱交換器が並列に配置され、少なくとも1つの更なる熱交換器が、該並列に配置されている熱交換器の少なくとも1つと直列に配置されて、整列した複数の熱交換器を形成してもよい。このようにして、各熱交換器の作動を独立に制御することにより、使用時に、熱交換器によって冷媒が加熱される速度を変えることができる。
整列した複数の熱交換器内の熱交換器は、1又はそれ以上のソーラーパネルを備えてもよく、このソーラーパネルは、使用時に、太陽光からの熱エネルギーを該パネル内の流体の温度を上昇させるために使用するように作動し、それに続いて、この加熱された流体が各熱交換器を通過する冷媒を加熱するための熱交換器として機能する。このソーラーパネルは、平板状コレクターを有してもよく、この平板状コレクターは、例えば、その中を流体が流れる、又は太陽光からの熱エネルギーを吸収するコレクタープレートの下に位置するタンクの中に置かれる、一連のチューブを有する。
他の実施態様において、第1の圧縮機が作動する速度は可変であり、そのため、使用時に、冷媒の圧縮率を変えるために1又はそれ以上の更なる圧縮機を有する必要は無い。しかし、いくつかの実施態様において、可変速度の第1の圧縮機に加えて1又はそれ以上の更なる圧縮機を有することが依然として望ましい。
いくつかの実施態様において、当該システムは、使用時にその中を冷媒が流れることができる多数の冷媒パイプを備えてもよい。この複数の冷媒パイプの内の少なくとも2つは、当該システム内で互いに平行に配置されていてもよい。このようにして、システムの有効熱伝達面が増加しても、システム内の全抵抗、又はシステム周囲の冷媒の流れに対する抵抗、又は少なくともこの平行冷媒パイプを含むシステムの一部を通る抵抗は、減少する。
この1又はそれ以上の弁のうちの少なくとも1つは、ストップ弁から成ってもよい。この弁又は各ストップ弁は、使用時に、システム内の冷媒の流れを所望の方向に制御するように作動してもよい。このような制御は、任意に所定の時間に、冷媒がどの部品を通って流れるか、及びその流量を制御することを含んでもよい。このことは、整列した複数の圧縮機が提供され、冷媒の圧縮率を制御することが要求される実施態様において望ましい。同様に、このことは、圧縮された冷媒の加熱程度を制御するために、冷媒がどの熱交換器を通過するかを制御するために望ましい。
いくつかの実施態様において、この温度制御システムは、異なる時間に冷却システムと加熱システムの両方として機能してもよい。例えば、この温度制御システムが、空調ユニットの一部を形成して、使用時に、それが置かれている環境を所定のレベルに加熱又は冷却するように機能してもよい。このことを可能にするために、当該システムは、四方弁を備えてもよく、システムの周りの冷媒の流れを、第1の方向又は第2の方向のいずれかに導くように機能してもよい。この第1の方向は、圧縮機から出た冷媒が、熱交換器へ、凝縮器へ、膨張弁を通って蒸発器へ、及び圧縮機へ戻るような、冷却方向を含んでもよい。この第2の方向は、圧縮機から出た冷媒が、熱交換器へ、蒸発器へ、次いで膨張弁を通って凝縮器へ、及び最後に圧縮機に戻るような、冷却方向を含んでもよい。
当該システムは、更に、オイル又は他の液体成分を冷媒に分離及び/又は分配するための手段を備えてもよい。システムの各部品が正しく動作するためには、十分なオイルが圧縮機に供給され、オイルがパイプ全体の中の他の場所に留まらないようにする必要がある。例えば、このオイル又は他の流体は、圧縮機を潤滑するために必要とされるが、熱交換器のパイプ及び/又はU字形湾曲部には必要とされない。この分離プロセスの手段は、分離のための分離器及び/又はオイル又は流体を集めるためのトラップを含んでもよい。いくつかの実施態様において、この分離器及びトラップは、整列した複数の熱交換器の前又はその中に配置されてもよい。このようにして、当該システムは、オイルが、望ましくない熱交換器を通過する前に回収され、次いで圧縮機に戻されることを確実にする。
いくつかの実施態様において、この冷媒は、熱交換器の少なくとも1つ又は各熱交換器を、全速度で通過してもよい。
いくつかの実施態様において、この冷媒は、熱交換器の少なくとも1つ又は各熱交換器を、可変速度で通過してもよい。
いくつかの実施態様において、当該システムは、単一の熱交換器を含む。このような実施態様において、この1又はそれ以上の流れ制御部材は、使用時に、該冷媒が、単一の熱交換器を通過するように、又はこの単一の熱交換器を迂回して、該圧縮機から該凝縮器へ直接通過するように、該冷媒の流れを導くように作動してもよい。
いくつかの実施態様において、この温度制御システムは、異なる時間に冷却システムと加熱システムの両方として機能してもよい。このことを可能にするために、当該システムは、四方弁を備えてもよく、システムの周りの冷媒の流れを、第1の方向又は第2の方向のいずれかに導くように機能してもよい。この第1の方向は、圧縮機から出た冷媒が、熱交換器へ、凝縮器へ、膨張弁を通って蒸発器へ、及び圧縮機へ戻るような、冷却方向を含んでもよい。この第2の方向は、圧縮機から出た冷媒が、熱交換器へ、蒸発器へ、次いで膨張弁を通って凝縮器へ、及び最後に圧縮機に戻るような、冷却方向を含んでもよい。
(a) 冷媒を圧縮又は加熱するために圧縮機を使用する段階、
(b) 1又はそれ以上の外部熱源から該冷媒に熱エネルギーを移す1又はそれ以上の熱交換器に該冷媒を通すことによって該圧縮された冷媒の温度を上昇させる段階、
(c) 該加熱された冷媒を凝縮器に通すことによって凝縮させる段階、及び
(d) 該冷媒を蒸発器に通すことによって該凝縮した冷媒を蒸発させる段階、
から成り、該凝縮した冷媒を蒸発させる段階が、環境からの空気、ガス又は別の流体を蒸発器に通すことから成り、該流体中の熱エネルギーを凝縮した冷媒に移し、その結果、これが蒸発器を通過する流体の温度を下げ、これに続いて、これが環境に供給されて、環境が冷却される、方法が提供される。
(a)冷媒を圧縮又は加熱するために圧縮機を使用する段階、
(b) 1又はそれ以上の外部熱源から該冷媒に熱エネルギーを移す1又はそれ以上の熱交換器に該冷媒を通すことによって該圧縮された冷媒の温度を上昇させる段階、
(c) 該加熱された冷媒を蒸発器に通す段階、及び
(d) 該冷媒を凝縮器に通すことによって該蒸発器を離れる冷媒を凝縮させる段階、
から成り、該加熱された冷媒を蒸発器に通す段階が、更に、環境からの空気又は別の流体を蒸発器に通すことから成り、該冷媒中の熱エネルギーを該流体に移し、その結果、これが蒸発器を通過する流体の温度を上昇させ、これに続いて、これが環境に供給されて、環境が加熱される、方法が提供される。
第3又は第4の実施態様のいずれかの方法が、その又は各熱交換器の動作を独立して制御する段階を含んでもよい。このようにして、冷媒が熱交換器によって加熱される速度を変えてもよい。
本発明の第3又は第4の実施態様の方法は、環境内の1以上の場所における温度を制御する段階を含んでもよい。このような実施態様において、本発明の方法は、複数の蒸発器を含むシステムを使用して実施してもよい。
制御ユニットの使用を含んでもよい。これに関連する実施態様において、この方法は、この制御ユニットは、追加的又は代替的に、1又はそれ以上の更なる圧縮機、複数の蒸発器のいずれか、及び/又は1又はそれ以上の弁のいずれかの動作を制御するために、制御ユニットの使用を含んでもよい。例えば、この方法は、圧縮機が冷媒を圧縮する速度を制御するため、及び/又は冷媒が複数の弁を通って各部品へ流れるようにその流れを制御するために、制御ユニットの使用を含んでもよい。
一実施態様において、この複数の熱交換器のうち少なくとも1つは、圧縮機と凝縮器との間に配置され、外部熱源からの熱を、圧縮機を出て凝縮器に入る前の冷媒に移す。一実施態様において、全ての熱交換器が、この複数の熱交換器は整列してもよく、圧縮機と凝縮器との間に配置され、外部熱源からの熱を、圧縮機を出て凝縮器に入る前の冷媒に移す。
この外部熱源は、太陽エネルギー、燃焼プロセス、化学プロセス、電気ヒーター、燃料電池、地熱、当該システムの1又はそれ以上の部品からの廃熱、のうちの任意の2又はそれ以上を含んでもよい。
追加の圧力が発生するにしたがって、膨張弁の前後に非常に大きな圧力差ができるので、膨張弁が開かれると、加熱されたガス分子は膨張弁を通過する傾向がはるかに高くなる。このように質量流量が増加するということは、より多くの冷媒分子が加熱効果を持たずに蒸発器に存在し、そのため蒸発器内でより高い冷却能力を引き起こすことを意味する。全体の空調装置の制御は、この増加に反応して、最初の目標冷却能力を再達成するために、圧縮機の質量流量を減少させる。
圧力増加及び質量流量増加の両方は、圧縮機の電気消費を低減するという効果を生じる。非常に特殊な状況に依存するその割合は、数秒以内に変化する操作において、膨張弁が開かれているかどうかとその程度に依存する。したがって、このように熱交換器3を使用することにより、熱交換器が設けられていないシステムと同等の冷却能力を提供するために圧縮機がより少ないエネルギーしか必要としないので、この圧縮回路の圧縮プロセスの効率は高い。
本発明のシステムは、図面では複数の熱交換器を含むように図示されているが、1つの熱交換器及びこの熱交換器を迂回する手段を備える実施態様をも含むことを理解されるべきである。
第1として、冷媒は、パイプ1021を通って、熱交換器1003から凝縮器1004へ、次いで膨張弁1005へ、次に蒸発器1006へ、そして最後に四方弁1101に戻り、次に圧縮機1001へ流れる。この設定では、凝縮された冷媒が蒸発器を通過し、その周囲から熱エネルギーを除去することによって冷媒が加熱されるので、システム1010は冷却システムとして機能する。
2 熱源
3 熱交換器
4 凝縮器
5 膨張弁
6 蒸発器
7 制御ユニット
10 温度制御システム
21 冷媒ライン
22 信号線
Claims (36)
- 全てが複数の冷媒パイプにより直列に接続された、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器から成る温度制御システムであって、更に、該圧縮機と該凝縮器との間に配置された整列した複数の熱交換器を備え、該熱交換器が、使用時に、該冷媒が該圧縮機を出てかつ該凝縮器に入る前に、1又はそれ以上の外部熱源から熱エネルギーを該冷媒に移すように作動する、システム。
- 前記システムが1又はそれ以上の流れ制御部材を備え、該流れ制御部材が、使用時に、前記冷媒が、前記整列した複数の熱交換器内の少なくとも一つの熱交換器を通過するように、又は前記整列した複数の熱交換器内の少なくとも一つの熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記凝縮器へ直接通過するように、前記冷媒の流れを導くように作動する、請求項1に記載の温度制御システム。
- 全てが複数の冷媒パイプにより直列に接続された、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器から成る温度制御システムであって、該圧縮機と該凝縮器との間に1又はそれ以上の熱交換器が配置され、該熱交換器が、使用時に、該冷媒が該圧縮機を出てかつ該凝縮器に入る前に、1又はそれ以上の外部熱源から熱エネルギーを該冷媒に移すように作動し、該システムが1又はそれ以上の流れ制御部材を備え、該流れ制御部材が、使用時に、該冷媒が、1又はそれ以上の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器を通過するように、又は1又はそれ以上の熱交換器のうちの少なくとも一つの熱交換器を迂回して、該圧縮機から該凝縮器へ直接通過するように、該冷媒の流れを導くように作動する、システム。
- 整列した複数の熱交換器を含む請求項3に記載の温度制御システム。
- 前記冷媒が、前記熱交換器の少なくとも1つを可変速度で通過する請求項1〜4のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記1又はそれ以上の流れ制御部材が、使用時に、冷媒が、各熱交換器を通過するように、又は各熱交換器を迂回して、前記圧縮機から前記凝縮器へ直接通過するように、作動する請求項2〜5のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記各流れ制御部材が弁を有する請求項2〜6のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記各熱交換器が、冷媒がそれを通過する加熱された流体を含む一連のパイプを含む、又は前記各熱交換器が、加熱された流体を含むタンクを含み、前記システムの前記冷媒パイプが、熱交換器においてパイプの少なくとも一部が該流体を含むタンク内に沈められているように配置されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 整列した複数の熱交換器を含み、該整列した複数の熱交換器内の少なくとも2つの熱交換器が直列に配置されている請求項1〜8のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 整列した複数の熱交換器を含み、少なくとも2つの熱交換器が並列に配置されている請求項1〜9のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 整列した複数の熱交換器を含み、少なくとも2つの熱交換器が並列に配置され、少なくとも1つの更なる熱交換器が、該並列に配置されている熱交換器の少なくとも1つと直列に配置されて、整列した複数の熱交換器を形成する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 各熱交換器が、単一の熱源から熱エネルギーを前記冷媒に移すように作動する請求項1〜11のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 複数の熱源が提供される請求項1〜12のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記各熱交換器が1又はそれ以上のソーラーパネルを備え、該ソーラーパネルは、使用時に、太陽光からの熱エネルギーを該パネル内の流体の温度を上昇させるために使用するように作動し、それに続いて、この加熱された流体が各熱交換器を通過する冷媒を加熱するための熱交換器として機能する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記各ソーラーパネルが平板状コレクターを有し、該平板状コレクターが一連のチューブ又はタンクを有し、該一連のチューブ又はタンクが、その中を流れる又はその中に溜められた流体を有し、太陽光からの熱エネルギーを吸収するコレクタープレートの下に位置する、請求項14に記載の温度制御システム。
- 前記の又は各熱源が、燃焼プロセス、発熱化学反応のような化学プロセス、システムの1又はそれ以上の部品からの廃熱を介して、又は水又は液体が太陽熱交換パネルによって加熱される別個の熱水又は液体回路を介して、のうちの一つからの熱エネルギーを提供するように作動する請求項1〜13のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記圧縮機が、第1の圧縮機を備え、前記システムが、1又はそれ以上の更なる圧縮機を更に備える、請求項1〜16のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記各更なる圧縮機が、前記第1の圧縮機と直列に配置される、又は前記第1の圧縮機と並列に配置される、請求項17に記載の温度制御システム。
- 前記更なる圧縮機の少なくとも一つが前記第1の圧縮機と並列に配置され、かつ前記更なる圧縮機の少なくとも一つが前記第1の圧縮機と直列に配置されて、整列した複数の熱交換器を形成する、請求項17に記載の温度制御システム。
- 前記各圧縮機が動作する速度が可変である請求項1〜19のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 複数の蒸発器を備える請求項1〜20のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記システムを通過する冷媒の流れを制御するように作動する1又はそれ以上の弁を有する請求項1〜21のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記1又はそれ以上の弁のうちの少なくとも1つが、一方向弁又はストップ弁から成る請求項22に記載の温度制御システム。
- 前記1又はそれ以上の弁のうちの少なくとも1つが、使用時に、所定の冷媒パイプ内の冷媒をこのパイプから出るように導くように作動する安全弁を有する請求項22又は23に記載の温度制御システム。
- 前記の又は各安全弁が、前記熱交換器の後に配置され、前記熱交換器から前記凝縮器及び/又は蒸発器を通過する冷媒の過度の加圧を防止し、かつ、それに潜在的に損傷を与えることを防止する、請求項24に記載の温度制御システム。
- 使用時に、それが置かれている環境を冷却する冷却システムとして機能する請求項1〜25のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 使用時に、それが置かれている環境を加熱する加熱システムとして機能する請求項1〜26のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 四方弁を備え、該四方弁が、使用時に、システム周りの冷媒の流れを第1の方向又は第2の方向のいずれかに導くように作動し、該第1の方向が冷却方向であり、該第2の方向が加熱方向である、請求項26に従属する請求項27に記載の温度制御システム。
- 制御ユニットを備え、該制御ユニットが、使用時に、前記システムの1又はそれ以上の部品の動作を制御するように作動する請求項1〜28のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 1又はそれ以上のセンサを備え、該センサが、使用時に、前記システム内の特定の地点で、前記冷媒の1又はそれ以上のパラメータを監視するように作動する請求項1〜29のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記冷媒からオイル又は他の添加成分を分離して、それを回収し、回路の他の所望の位置に供給するための手段を有する請求項1〜30のいずれか一項に記載の温度制御システム。
- 前記分離に分離器及び/又はオイルトラップを使用する請求項31に記載の温度制御システム。
- 前記分離器及びオイルトラップが、前記1又はそれ以上の熱交換器の前、前記1又はそれ以上の熱交換器の後、又は前記熱交換器内に配置される請求項32に記載の温度制御システム。
- 請求項1〜33のいずれか一項に記載の温度制御システムを使用して環境を冷却する方法であって、
(a) 冷媒を圧縮又は加熱するために圧縮機を使用する段階、
(b) 1又はそれ以上の熱交換器に該冷媒を通して、1又はそれ以上の外部熱源から該冷媒に熱エネルギーを移し、それにより該圧縮された冷媒の温度を上昇させる段階、
(c) 該加熱された冷媒を凝縮器に通すことによって凝縮させる段階、及び
(d) 該冷媒を蒸発器に通すことによって該凝縮した冷媒を蒸発させる段階、
から成り、該凝縮した冷媒を蒸発させる段階が、環境からの空気、ガス又は別の流体を蒸発器に通すことから成り、該流体中の熱エネルギーを凝縮した冷媒に移し、その結果、蒸発器を通過する流体の温度を下げ、これに続いて、これが環境に供給されて、環境が冷却される、方法。 - 請求項1〜33のいずれか一項に記載の温度制御システムを使用して環境を冷却する方法であって、
(a) 冷媒を圧縮又は加熱するために圧縮機を使用する段階、
(b) 1又はそれ以上の外部熱源から該冷媒に熱エネルギーを移す1又はそれ以上の熱交換器に該冷媒を通すことによって該圧縮された冷媒の温度を上昇させる段階、
(c) 該加熱された冷媒を蒸発器に通す段階、及び
(d) 該冷媒を凝縮器に通すことによって該蒸発器を離れる冷媒を凝縮させる段階、
から成り、該加熱された冷媒を蒸発器に通す段階が、更に、環境からの空気、ガス又は別の流体を蒸発器に通すことから成り、該冷媒中の熱エネルギーを該流体に移し、その結果、これが蒸発器を通過する流体の温度を上昇させ、これに続いて、これが環境に供給されて、環境が加熱される、方法。 - 添付の図面を参照して本明細書に実質的に記載されたシステム又は方法。
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