JP2019535993A

JP2019535993A - ハイブリッドサーマル装置

Info

Publication number: JP2019535993A
Application number: JP2019526005A
Authority: JP
Inventors: ゼロウニック，アンドレイ; トゥシェク，ヤカ
Original assignee: ユニヴェルザヴィリュブリャナ
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-12-12
Also published as: ES2844937T3; CN110023697B; CN110023697A; EP3542108B1; US20190264958A1; WO2018091995A1; SI25312A; EP3542108A1; US10948222B2

Abstract

本発明は、少なくとも１つの熱交換器および少なくとも１つの熱源および／またはヒートシンクを備えるハイブリッドサーマル装置に関する。本発明に従うサーマル装置は、蒸気圧縮原理に基づいており、伝熱のための第１の媒体を備える第１のサーマル装置（１，１５）、および弾性熱量原理に基づいており、伝熱のための第２の媒体を備える第２のサーマル装置（２，１６）の組み合わせとして形成される。上記サーマル装置（１，１５；２，１６）は、弾性熱量材料の少なくとも１つの変形可能な熱交換器（３，２１）を共通に有する。

Description

本発明は、少なくとも１つの熱交換器および少なくとも１つの熱源および／またはヒートシンクを備えるハイブリッドサーマル装置に言及する。

前述の種類のハイブリッドサーマル装置は、一般的に知られている。また、蒸気圧縮技術に基づくサーマル装置が知られている。上記技術は、比較的低いエネルギー効率を示し、上記サーマル装置を動作させるために多少環境的に有害な手段が利用される。近年になり、たとえばそれぞれ熱電的、熱音響的、収着的、磁気的、電熱量的、弾性熱量的等の熱弾性技術および同様の技術といったさまざまな代替的な環境に優しいサーマル装置および技術が開発されたが、低い熱容量および／または効率性および／または高価な製造のために、上記のどの技術も、コンプレッサ技術に対する現実的な代替物であることが証明されていない。

本発明の目的は、既知の解決策の欠点を克服するハイブリッドサーマル装置を作成することである。

上述の目的は、本発明に従って、冷却および／または熱サーマル装置のいずれかであるハイブリッドサーマル装置によって解決され、これは、蒸気圧縮原理に基づく第１のサーマル装置、および弾性熱量原理に基づく第２のサーマル装置の組み合わせとして形成され、上記サーマル装置は、弾性熱量材料から作られる少なくとも１つの変形可能な熱交換器を共通に有する。上記組み合わせは、ハイブリッドサーマル装置の熱容量の増加を可能とし、結果として効率性を増加させる。冷却装置および熱ポンプそれぞれの場合に、本発明に従う同じ容量を有するハイブリッドサーマル装置は、従来型の蒸気圧縮装置よりも少ない冷却剤を用いて動作する。

本発明の本質は、弾性熱量効果を得るために、従来型の蒸気圧縮装置において冷却剤の圧縮段階および膨張段階中に起こる冷却剤の圧力差を利用することにある。このため、本発明に従い、冷却剤から弾性熱量材料への圧力の直接的および／または間接的伝達を備えるハイブリッドサーマル装置が提供される。第２の実施形態に従い、冷却剤から弾性熱量材料への圧力の直接伝達を備えており、中間デバイスとして変形可能な凝縮器が提供されるハイブリッドサーマル装置が提供される。

本発明は、添付の図面を参照しながら、非限定的な実施形態によりさらに詳細に説明される。

本発明に従うハイブリッドサーマル装置の概略図を示す。図１のハイブリッドサーマル装置の別の実施形態を示す。

本発明は、冷却装置とそれぞれ熱ポンプとして選択されたハイブリッドサーマル装置に基づき、さらに説明される。そのようなサーマル装置は、伝熱のための第１の媒体、特に冷却剤を備える第１のサーマル装置１と、伝熱のための第２の媒体、本実施形態では水を備える第２のサーマル装置２との組み合わせとして形成され、第３のサーマル装置３、特に熱交換器は、サーマル装置１、サーマル装置２に対して共通である。本実施形態では、第１のサーマル装置１は、蒸気圧縮原理に基づき、第２のサーマル装置２は、弾性熱量原理に基づき、第３のサーマル装置３は、弾性熱量材料から作られる変形可能な熱交換器として形成される。

本実施形態では、上記第３のサーマル装置３およびそれぞれ上記変形可能な熱交換器は、弾性熱量レキュペレータとして選択される。上記第１のサーマル装置１は、第１の冷熱交換器と、それぞれ、その下流側において圧縮手段５が接続され、その上流側において膨張バルブ６が接続される蒸発器４とを備える。圧縮手段５は、冷却剤供給ライン５’を介してレキュペレータ３への冷却剤入口３’と接続され、膨張バルブ６は、排出ライン６’を介してレキュペレータ３からの冷却剤出口３’’と接続される。

上記第２のサーマル装置２は、高熱交換器７および第２の冷熱交換器８を備える。高熱交換器７は、下流側において圧送手段９と接続され、圧送手段９はさらに、供給ライン９’を介してレキュペレータ３上の熱湯入口１０と接続される。さらに、高熱交換器７は、上流側においてライン７’を介してレキュペレータ３上の熱湯出口１１に接続される。上記冷熱交換器８は、下流において圧送手段１２と接続され、次いで圧送手段１２は、供給ライン１２’を介してレキュペレータ３上の冷水入口１３と接続される。さらに、冷熱交換器８は、上流側においてライン８’を介してレキュペレータ３上の冷水出口１４と接続される。提示される第１の実施形態では、熱湯および冷水それぞれのためのレキュペレータ３上の上記接続１０，１１；１３，１４は、熱湯入口１０および冷水出口１４がレキュペレータ３の第１の端部において位置され、熱湯出口１１および冷水入口１３がレキュペレータ３の反対の端部において位置される横並び式に配置される。しかし、たとえばバルブといった遮断手段がそれぞれの場所において提供されることが明らかであり、上記遮断手段の形および場所は、それ自体が既知であり、詳細に図示されない。

ハイブリッドサーマル装置の本実施形態の冷却／加熱循環プロセスは、以下の４つの段階を備える。第１の段階は、冷却剤を弾性熱量レキュペレータ３へと押すことを備える。上記膨張バルブ６は、閉じられ、圧縮手段５は、冷却剤をレキュペレータ３へと押し込む。高熱交換器７および冷熱交換器８を介する水の循環は、プロセスの第１の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第１の段階の途中で阻止される。冷却剤の圧力は、レキュペレータ３へと冷却剤を押す間に増加し、これにより冷却剤が暖まる。冷却剤の上記圧力増加は、レキュペレータ３に直接的または間接的に送られる負荷を提示し、それによって後者は負荷を加えられ、それぞれ変形される。レキュペレータ３の変形は、レキュペレータ３を構成する弾性熱量材料を暖める。このため、第１の段階の最終の結果は、レキュペレータ３の変形された弾性熱量材料および圧縮された冷却剤であり、両方が高熱状態にある。

ハイブリッドサーマル装置の上記循環プロセスの第２の段階は、レキュペレータ３からの熱除去を備える。圧縮された冷却剤の供給は、プロセスの第２の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第２の段階の途中で阻止される。上記圧送手段９は、第１の温度Ｔ_１を有する水を高熱交換器７から熱湯入口１０を通しておよびレキュペレータ３を介して押し込み、第２の温度Ｔ_２を有する水は、熱湯出口１１を通して高熱交換器７へと戻る。冷熱交換器８を通る流れは、阻止される。水がレキュペレータ３を通って流れる間に、熱は、レキュペレータ３から上記水に渡り、レキュペレータ３の冷却をもたらす。このため、熱は、レキュペレータ３の弾性熱量材料からおよび圧縮された冷却剤から除去され、圧縮された冷却剤は、次いで、凝縮し熱を解放する。第２の温度Ｔ_２を有する水は、出口１１を介してレキュペレータ３から高熱交換器７に流れ、そこでは熱が周囲に、または任意に伝熱のための別の媒体のいずれかに伝達される。したがって、第１のすなわち高熱生成物は、高熱交換器７内で得られる。第２の段階の最終の結果は、レキュペレータ３の変形された弾性熱量材料および圧縮された冷却剤である。

ハイブリッドサーマル装置の上記循環プロセスの第３の段階は、レキュペレータ３から蒸発器４への冷却剤の膨張を備える。圧縮された冷却剤のレキュペレータ３への流入は、阻止され、膨張バルブ６は、開かれ、水の流れは、プロセスの第３の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第３の段階の途中で阻止される。冷却剤は、膨張バルブ６を通してレキュペレータ３から蒸発器４へと広がり、冷却剤が膨張中に冷却される。上記膨張の結果は、蒸発器４内の第１の冷たい生成物である。同時にまた、膨張の結果、レキュペレータ３が空になり、レキュペレータ３の弾性熱量材料の変形が減少し、レキュペレータ３の弾性熱量材料は、次いで冷却する。上記第３の段階の最終の結果は、拡張された冷却剤および第１の冷たい生成物、および変形されていない冷たいレキュペレータ３である。

ハイブリッドサーマル装置の上記循環プロセスの第４の段階は、冷却されたレキュペレータ３内の水の冷却を備える。圧縮手段５を通る流れは、プロセスの第４の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第４の段階の途中で阻止される。上記圧送手段１２は、冷熱交換器８から冷水入口１３を通る第３の温度Ｔ_３を有する水をレキュペレータ３を介して運び、第４の温度Ｔ_４を有する水は、冷水出口１４を通って冷熱交換器８に戻る。第３の温度Ｔ_３を有する水は、冷熱交換器８から入口１３を通ってレキュペレータ３へと流れ、水は、上記レキュペレータによって冷却される。より正確に、水は、負荷を加えられていないレキュペレータ３の弾性熱量材料によっておよび拡張された冷却剤によって冷却され、拡張された冷却剤は、次いで蒸発し、流入する水の熱を受ける。結果として、レキュペレータ３は、わずかに暖かくなる。説明される方法では、冷却された温度Ｔ_４を有する水は、出口１４を通って冷熱交換器８へと流れ、第４の段階の結果は、冷たい交換器８内の第２の冷たい生成物である。上記第４の段階の最終の結果は、冷熱交換器８内の冷水、すなわち第２の冷たい生成物および変形されていないレキュペレータ３である。

本実施形態では、水の上記第２の温度Ｔ_２は、水の上記第１の温度Ｔ_１よりも高く（Ｔ_２＞Ｔ_１）、水の上記第３の温度Ｔ_３は、水の上記第４の温度Ｔ_４よりも高い（Ｔ_３＞Ｔ_４）。加えて、第１の温度Ｔ_１および第２の温度Ｔ_２は、第３の温度Ｔ_３および第４の温度Ｔ_４よりも実質的に高い（Ｔ_２＞Ｔ_１＞＞Ｔ_３＞Ｔ_４）ということが当てはまる。

上記第４の段階の結果、本発明に従うサーマル装置の上記循環プロセスは、第１の段階に戻り、このため、周期的プロセスを連続的に実行することを可能にする。

図２は、蒸気圧縮原理に基づいており、第１の熱伝達媒体、特に冷却剤を備える第１のサーマル装置１５と、弾性熱量原理に基づいており、第２の熱伝達媒体、本実施形態では水を備える第２のサーマル装置１６との組み合わせとして形成される本発明に従うハイブリッドサーマル装置の追加の実施形態を示す。第３のサーマル装置３、特に変形可能な熱交換器は、上記サーマル装置１５、サーマル装置１６に対して共通であり、本実施形態では、変形手段によって関連付けられた弾性熱量リジェネレータ２１と、圧力を冷却剤から弾性熱量材料に伝達するための中間デバイス２１’を有する負荷トランスミッタ１７それぞれとを備える。

上記第１のサーマル装置１５は、冷熱交換器と、それぞれ、その下流側において圧縮手段１９が接続され、その上流側において膨張バルブ２０が接続される蒸発器１８とを備える。圧縮手段１９は、冷却剤供給ライン１９’を介して冷却剤の圧力を伝達するための上記中間デバイス２１’への冷却剤の入口と接続され、これは、たとえば変形可能な凝縮器と高熱交換器それぞれとして動作し、膨張バルブ２０は、排出ライン２０’を介して上記中間デバイス２１’からの冷却剤の出口と接続される。

上記第２のサーマル装置１６は、高熱交換器２２および第２の冷熱交換器２３を備える。高熱交換器２２は、上流側において排出ライン２４’を介して弾性熱量リジェネレータ３上の熱湯出口２５に接続される。さらに、高熱交換器２２は、下流側においてライン２２’を介してリジェネレータ２１上の熱湯入口２６に接続される。上記冷熱交換器２３は、上流側において排出ライン２７’を介してリジェネレータ３上の冷水出口２８に接続される。加えてさらに、冷熱交換器２３は、下流側において供給ライン２３’を介してリジェネレータ２１上の冷水入口２９に接続される。上記ライン２２’および上記ライン２３’は、圧送手段２４が配置されるライン２７と相互接続される。本実施形態では、後者は、ピストンポンプとして選択される。本実施形態では、弾性熱量リジェネレータ２１上の熱湯および冷水のそれぞれの上記接続２５，２６；２８，２９の構成は、熱湯出口２５および熱湯入口２６がリジェネレータ２１の第１の端部において位置され、冷水出口２８および冷水入口２９がリジェネレータ２１の反対の端部においてが位置されるという真直の方法で形成される。明らかに、リジェネレータ２１上の熱湯および冷水それぞれの上記構成接続２５，２６；２８，２９はまた、横並び式に形成されることができる。

上記の変形可能な凝縮器と、それぞれ高熱交換器２１’とは、以下のピストンの方法または同様の方法で動作され、上記交換器１７によるその変形のために、リジェネレータ２１の弾性熱量材料の変形を可能とする。物理背景および個々の動作段階は、上述の第１の実施形態のものと同じである。そのようなリジェネレータ２１に負荷を与えることは、蒸気圧縮冷却器を用いて行われる。たとえば、上記リジェネレータ２１は、弾性熱量材料の多孔構造を備え、これを通して動作のそれぞれの段階中に媒体が向流で流れる。適切な動作条件が満たされると、循環動作中に、温度プロファイルは、媒体流の方向であるリジェネレータ２１に沿って高熱交換器２２と冷熱交換器２３との間で確立される。

ハイブリッドサーマル装置の提示される第２の実施形態の冷却／加熱循環プロセスは、以下の４つの段階を備える。第１の段階は、圧縮手段１９を用いて冷却剤を高熱交換器２１’へと押すことを備える。膨張バルブ２０は、閉じられ、熱交換器２２，２３を通る水循環は、プロセスの第１の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第１の段階の途中で阻止される。圧縮手段１９は、冷却剤を熱交換器２１’へと押し込み、熱交換器２１’は、その結果変形される。高熱交換器２１’の上記変形は、上記負荷トランスミッタ１７を用いてリジェネレータ２１に伝えられる。熱交換器２１’内の冷却剤の圧力を増加させることは、リジェネレータ２１の変形を増加させることに反映され、リジェネレータ２１は、その結果暖まる。第１の段階の最終の結果は、変形されたリジェネレータ２１に反映され、高熱交換器２１’内の冷却剤を圧縮し、熱交換器２１’およびリジェネレータ２１の両方が今、暖められた状態にある。

ハイブリッドサーマル装置の提示される第２の実施形態の循環冷却／加熱プロセスの第２のフェーズは、高熱交換器２１’およびリジェネレータ２１からの熱除去を備える。蒸気圧縮装置１５への圧縮された冷却剤の流れは、プロセスの第２の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第２の段階の途中で阻止され、熱交換器２１’は、周囲にまたは任意のその他の伝熱のための媒体に熱を散逸させる。圧送手段２４は、第３の温度Ｔ_３を有する水をリジェネレータ２１を通して押し、第１の温度Ｔ_１を有する水をリジェネレータ２１から熱湯出口２５を通して押す。熱は、高温リジェネレータ２１から冷水に伝達され、冷水は、その結果暖まり、第１の温度Ｔ_１を有する熱湯は、熱湯出口２５に続く。圧送手段２４は、第１の温度Ｔ_１を有する熱湯を高熱交換器２２を通して押し、そこで水が冷却され、高熱交換器２２は、周囲または任意のその他の伝熱のための媒体のいずれかに熱を散逸させる。第２の段階の最終の結果は、変形されたリジェネレータ２１によっておよび熱交換器２１’内の圧縮された冷却剤によって表される。熱湯は、高熱交換器２２内の処分場所に置かれ、そこでそれが冷却され、第１の高熱生成物が得られる。上記熱交換器２１’の冷却は、第２の高熱生成物をもたらす。

ハイブリッドサーマル装置の提示される第２の実施形態の循環冷却／加熱プロセスの第３の段階は、高熱交換器２１’から冷熱交換器１８への冷却剤の膨張を備える。熱交換器２１’への圧縮された冷却剤の流入は、阻止され、リジェネレータ２１を通る水流は、プロセスの第３の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第３の段階の途中で阻止される。冷却剤は、膨張バルブを介して熱交換器２１’から広がり、したがって、冷却剤は、冷却し、冷熱交換器１８内の第１の冷たい生成物が得られる。上記膨張のために、熱交換器２１’は、空になり、リジェネレータ２１の変形の減少をもたらし、リジェネレータ２１は、その結果冷却する。第３の段階の最終の結果は、拡張された冷却剤、冷却された熱交換器１８、および変形されていない冷たいリジェネレータ２１を提示する。

ハイブリッドサーマル装置の提示される第２の実施形態の循環冷却／加熱プロセスの第４の段階は、リジェネレータ２１の冷却された弾性熱量材料における水の冷却を備え、第１のサーマル装置１５は、プロセスの第４の段階全体中でまたは少なくともプロセスの第４の段階の途中でアイドルである。第２の温度Ｔ_２を有する水は、高熱交換器２２からリジェネレータ２１への入口２６を通り、冷熱交換器２３への出口２８を通して流れる。ここでは、上記の水は、温度Ｔ_４にわずかに冷却され、リジェネレータ２１は、わずかに暖められる。上記方法で冷却された温度Ｔ_４を有する水は、冷熱交換器２３へと流れ、第２の冷たい生成物が得られる。第４の段階の最終の結果は、冷熱交換器２３内の冷水および変形されていないリジェネレータ２１によって表される。

提示される第２の実施形態では、水の上記第２の温度Ｔ_２は、水の上記第１の温度Ｔ_１よりも高く（Ｔ_２＞Ｔ_１）、水の上記第４の温度Ｔ_４は、水の上記第３の温度Ｔ_３よりも高い（Ｔ_３＜Ｔ_４）。加えて、第１の温度Ｔ_１および第２の温度Ｔ_２は、第３の温度および第４の温度よりも実質的に高い（Ｔ_１＜Ｔ_２＜＜Ｔ_３＜Ｔ_４）ということが当てはまる。

上記第４の段階の結果、本発明に従うハイブリッドサーマル装置の上記循環プロセスは、第１の段階に戻り、このため、周期的プロセスを連続的に実行することを可能にする。

例えば冷却装置または熱ポンプといった本発明に従うハイブリッドサーマル装置の個々の要素のさまざまな構成は、異なる実施形態を与えることが可能であり、これを用いて、サーマル装置の連続動作、その機能および効率性の増加を可能とする。たとえば、弾性熱量材料から作られる少なくとも２つの変形可能な熱交換器３の並列管配置を備えるといった実施形態が可能であり、これは、個々の段階の相互動作を用いて、圧縮手段５および圧送手段９；１２の連続動作を可能とする。

当然に、本発明に従うハイブリッドサーマル装置のその他の変形された実施形態は、本発明の精神から逸脱することなく可能である。たとえば、本発明に従うハイブリッドサーマル装置の第１の実施形態では、上記サーマル装置３は、バイパスに配置されることができる。さらに、第２の実施形態では、変形および負荷それぞれのトランスミッタ１７は、システムから除去されることができる。こうして、サーマル装置２が、必要とされるときおよびより高い冷却および加熱力が必要とされる場合にのみ動作されることが達成される。さらに、それぞれの場所に一方向または多方向バルブ等といったさまざまな閉鎖手段および／または制御手段が設けられることが理解されるが、これは、本発明の主題ではなく、したがって、詳細に説明されない。

Claims

少なくとも１つの熱交換器および少なくとも１つの熱源および／またはヒートシンクを備えるハイブリッドサーマル装置であって、蒸気圧縮原理に基づいており、伝熱のための第１の媒体を備える第１のサーマル装置（１，１５）と、弾性熱量原理に基づいており、伝熱のための第２の媒体を備える第２のサーマル装置（２，１６）との組み合わせとして形成され、前記サーマル装置（１，１５；２，１６）は、弾性熱量材料から作られる少なくとも変形可能な熱交換器を備える少なくとも１つの第３のサーマル装置（３）を共通に有することを特徴とする、ハイブリッドサーマル装置。
前記第３のサーマル装置（３）は、前記第１のサーマル装置（１，１５）の冷却剤から前記熱交換器の弾性熱量材料への圧力伝達を用いて変形可能な弾性熱量熱交換器として選択されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドサーマル装置。
前記第３のサーマル装置（３）は、前記第１のサーマル装置（１５）の冷却剤から前記リジェネレータの前記弾性熱量材料への間接的な圧力伝達を用いて変形可能な弾性熱量リジェネレータ（２１）として選択され、高熱交換器（２１’）は、中間デバイスとして提供されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドサーマル装置。
前記高熱交換器（２１’）は、変形可能な凝縮器として選択されることを特徴とする、請求項３に記載のハイブリッドサーマル装置。
前記第１のサーマル装置（１，１５）は、第１の側において圧縮手段（５，１９）に接続され、反対側において膨張バルブ（６，２０）に接続された第１の冷熱交換器（４，１８）を備え、前記圧縮手段（５，１９）および前記膨張バルブ（６，２０）の両方は、前記変形可能な熱交換器と接続されることを特徴とする、上述の請求項のいずれか１項に記載のハイブリッドサーマル装置。
前記第１の冷熱交換器（４，１８）は、蒸発器として選択されることを特徴とする、請求項５に記載のハイブリッドサーマル装置。
各熱交換器（７，８）は、前記変形可能な熱交換器（３）と接続されることを特徴とする、上述の請求項のいずれか１項に記載のハイブリッドサーマル装置。