JP2023501037A - ヒートポンプにおける仕事回収システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。【解決手段】ヒートポンプシステムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアと第３コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積する構成であり、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアとは連通して直列接続されており、前記第１コアから排出された圧力を前記第２コアおよび／または前記第３コアに供給する制御システムを備える構成である。【選択図】図１

Description

本開示は、ヒートポンプに関する。特に、本開示は、空調システム、冷凍システム、または極低温システムなどの加熱システムおよび／または冷却システムのためのヒートポンプに関する。

ヒートポンプ（“ＨＰ”）技術は、暖房、換気および空調（“ＨＶＡＣ”）用途において、商業的に支持を得ている。それらは、エネルギーの節約および排出低減を提供でき、典型的には、建物や自動車用途などでの加熱および冷却システムのために設けられている。

ヒートポンプにはいくつかの種類がある。ほとんどの既存の技術は、膨張／圧縮サイクルで冷媒を利用しており、多くのヒートポンプは、熱源、一例として、空気熱源ヒートポンプまたは地中熱源ヒートポンプなどに分類される。ヒートポンプで用いられる基本的な技術についても同様である。空気熱源ヒートポンプは、低温での性能が制限される（－１８℃では、ＣｏＰは、（カルノーによって）１近くになる傾向にある。そのため、電気抵抗加熱がより効果的であり、より高い動作温度では、ＣｏＰは４に達し得る）。地中熱源ヒートポンプは、より安定した入口温度になるが、従来技術は成績係数（“ＣｏＰ”）によって制限される。

世界的に、建物での加熱および冷却の脱炭素化をする必要がある。加熱は、一般に、炭素ベースの燃料を燃焼するので、大気中に炭素が放出される。冷却および空調は、より暖かい気候では主要な電気負荷になり得る。ヒートポンプは、潜在的に、単一のパッケージから加熱および冷却を提供し得る。ヒートポンプが再生可能な電力を使用する場合において、ヒートポンプは、ゼロ・エミッション技術になり得る。従来のヒートポンプ技術は、一般に、地球温暖化の可能性が高い冷媒を用いており、高い毒性を有し得るので、望ましいことではない。ファンおよびポンプは、邪魔となり得るノイズを有する。

従来のＨＰ技術は、３～４のＣｏＰを有する。ＣｏＰを増加させることによって、電力消費を低減することができるので、これにより、再生可能でない電力を使用する場合の炭素排出が低減される。さらに、従来のＨＰ技術は、周囲の空気温度によって影響を受けるＣｏＰを有し得るので、それは望ましいことではない。米国特許出願公開第２０１６００８４５４４号（Ｒａｄｅｒｍａｃｈｅｒら）には、ＳＭＡからなる材料チューブを使用するヒートポンプシステムが開示されており、それは、未知の材料の他のチューブまたはロッドで満たされて体積を占めており、したがって、デッドサーマルマスを除去してシステムの効率を高めるのに有用である。中国特許出願公開第１０６０５２１９０号（Ｑｉａｎら）には、ＮｉＴｉチューブを備えたＳＭＡコアを使用する冷凍システムが開示されている。流体は、チューブおよびフローデバイスを通過して熱伝達を増加させ、コアは、仕事回収のために機械的に接続される必要がある。しかしながら、この構成は、熱効率が悪いという問題がある。

ヒートポンプは、化石燃料の加熱技術のクリーンな代替物になり得て、それらは現在、ほとんどの空調および冷凍で用いられている。よって、ヒートポンプ市場は成長している。ヒートポンプは基本的に、部分負荷では動作することができず、部分負荷を必要とする期間の効率が乏しい。冷却は、多くのエネルギーを必要とし、冷却についての効率の最大化は、発電容量および電力網の強化に大きな影響を与える。インバータ／可変速度作動の使用は、部分負荷性能を向上させる一方で、製品の価格が最大４０％増加することになる。

したがって、成績係数（ＣｏＰ）を大幅に改善したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。また、改良された冷却システムを提供することを目的とする。

特許請求の範囲で述べられているとおり、本発明に係るヒートポンプシステムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアと第３コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積する構成であり、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアとは連通して直列接続されており、前記第１コアから排出された圧力を前記第２コアおよび／または前記第３コアに供給する制御システムを備えた構成である。

仕事回収は、良好なシステム成績係数を達成する際の基本である。本発明は、油圧または電気負荷アクチュエータシステムにより作動するシステムにおいて仕事回収を最大化するシステムおよび方法を提供する。タンクに復帰する排圧の最小化は、システムＣｏＰが劇的に向上することを意味する。

一実施形態として、前記コアはそれぞれ順に正圧勾配を有し、前記第１コアで得られた前記圧力を利用することによってより低圧で平衡状態に達する構成である。

一実施形態として、アキュムレータを備え、前記コアのうち負荷印加するものへの放出のために前記アキュムレータに前記圧力が蓄積され熱変化速度が最大化される構成である。

一実施形態として、前記制御システムは、増圧器を有する構成である。

一実施形態として、前記増圧器は、前記圧力を受ける相互接続エリアが設けられた逆増圧器を有する構成である。

一実施形態として、前記増圧器は、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアと連通している構成である。

一実施形態として、油圧モータと発電機とを備え、前記圧力が有効電気に変換されて、ヒートポンプシステムを作動させる電気として用いられる構成である。

一実施形態として、一連のコアは流体に温度変化を提供して、少なくとも１つのコアを作動させるためのサイクル時間が短縮されるように第１コア、第２コア、または第３コアのいずれかを作動させる。

一実施形態として、前記コアは第４コアを有し、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアと前記第４コアとは連通している構成である。

一実施形態として、負荷分散およびエネルギー回収のためのマルチコアシステムの複数のマルチ油圧キャビティが設けられる。コアが圧縮または張力の負荷を印加される時に、この蓄積エネルギーの一部が回収され得る。しかしながら、各々が一つのキャビティを備える二つのコアが負荷分散される（時点＝０で一方が負荷を印加されて、一方が負荷を印加されない）時には、二つのコアが連結されている場合には、圧力バランスが保たれるに過ぎず、最大で５０％のエネルギー回収を意味する。様々な作用表面積の多数の油圧室（つまり番号１‐２‐３）を各コアが備える場合には、各コアは５０％より多くを回収できる。

一実施形態として、二以上のコアを互いに連結する制御システムが設けられ、この例ではピストンが時間的には１‐３、２‐２、３‐１で連結される。１は表面積が最小であって３は最大である。いかなる数が使用されてもよいが、本発明においては、マルチコア油圧ピストンエリアを有し、サイクル中にコア間のこの連結を動的に変化させる。

別の実施形態として、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記ハウジングは前記コアを活性化温度にて状態変化させるために流体を第１温度で入口から受け入れる構成であり、油圧回路を経由した圧力が前記コアに作用し、前記コアが作動ポイントで第１状態から第２状態に変化し、前記ハウジング内の前記コアに前記圧力を印加して、前記コアを前記第１状態から前記第２状態に変化させる制御装置を備え、前記制御装置は前記作動ポイントを下回る前記圧力を初期印加する構成である。

本発明は、印加される負荷を制御することにより高い部分負荷効率を供与するヒートポンプを提供する。これは、従来の蒸気圧縮（ＶＣ）ヒートポンプで達成され得るよりも著しく高い部分負荷効率を供与する。（コストが４０％上昇し得るＶＣヒートポンプと異なり）コストの上昇はほとんど生じない。例えば油圧トランスミッションに貯蔵されたエネルギーは、ヒートポンプを「ソフト始動」させて、配電網管理者にとって問題となり得る大きな始動負荷を回避するのに使用され得る。

一実施形態として、前記制御装置は、前記油圧回路を有する構成である。

一実施形態として、前記油圧回路は、油圧または流動を可変制御して前記コアに応力を加える電子比例制御バルブ／レギュレータを有する構成である。

一実施形態として、前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、前記流体の可変温度に応じて前記圧力を調整し循環させる構成である。

一実施形態として、前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第１油圧ラムを有する構成である。油圧回路は、被制御応力をコアに提供するように構成される油圧ラムを備える。

一実施形態として、前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、負荷レギュレータにて前記第１油圧ラムの圧力調整を行う構成である。

一実施形態として、前記油圧回路は、前記圧力または下流の前記流体を調整するための反応を判断する情報を得るための１つ以上のセンサを有する構成である。

一実施形態として、前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第２油圧ラムを有する構成である。

一実施形態として、電子比例制御バルブ／レギュレータは、一以上のセンサ示数に応じて第１および第２油圧ラムを制御するように構成される。

一実施形態として、前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、１つ以上のセンサの読取値に応じて前記第２油圧ラムを制御する構成である。

一実施形態として、制御回路は、エネルギーを蓄えるのに適したアキュムレータを備え、蓄えたエネルギーは前記圧力を印加するためのエネルギー供給に使用される。

一実施形態として、ＳＭＡまたはＮＴＥまたは弾性熱量材料コアは、印加される油圧負荷／圧力に応じて、熱を吸収または放出する、および／または、エネルギーを蓄えるのに適している。

一以上のコアに印加される圧力または応力は油圧回路により印加することができる。この構成以外に、空気圧、線形／電気機械アクチュエータ、回転／スクリュアクチュエータ、ＳＭＡアクチュエータなど、他の機構により圧力を印加することができる。

図１はＳＭＡまたはＮＴＥまたは熱弾性体からなる複数のコアから構成されるヒートポンプシステムを示す図である。 図２は一実施形態の動作サイクルであり、熱弾性体からなる材料のヒートポンプサイクルについての理想的な温度－エントロピー図である。 図３は本発明の動作に係る、直列に配設されたヒートポンプシステムの複数コアを示す図である。 図４は本発明の動作に係る、直列に配設されたヒートポンプシステムの複数コアを示す図である。 図５は本発明の動作に係る、直列に配設されたヒートポンプシステムの複数コアを示す図である。 図６は本発明の動作に係る、直列に配設されたヒートポンプシステムの複数コアを示す図である。 図７は一実施形態における、第１コア、第２コアおよび第３コアに接続する増圧器を例示した図である。 図８は一実施形態における、負荷が除かれたコアからの油圧流体が油圧ポンプの入口に直接給送され得る例を示す図である。 図９－１は一実施形態における、単一の油圧ポンプと単一の圧力分散リンクバルブとを利用する８つのコアが示されているマルチコアシステムの一部を示す図である。 図９－２は一実施形態における、単一の油圧ポンプと単一の圧力分散リンクバルブとを利用する８つのコアが示されているマルチコアシステムの一部を示す図である。 図１０－１は一実施形態における、単一のポンプを通した４つのコアの作動に係る、マルチコアシステムの一部を示す図である。 図１０－２は一実施形態における、単一のポンプを通した４つのコアの作動に係る、マルチコアシステムの一部を示す図である。 図１０－３は一実施形態における、単一のポンプを通した４つのコアの作動に係る、マルチコアシステムの一部を示す図である。 図１１－１は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１１－２は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１１－３は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１１－４は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１１－５は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１１－６は一実施形態における、単一のポンプとともに幾つかの交差バルブを利用する１２コアシステムの一部を示す図である。 図１２は図２の動作サイクルにおける、材料応力と歪みの関係を示す図である。 図１３は一実施形態における、第１コアと第２コアとの間で直列に配されるタンク回路または同様の装置を示す図である。 図１４は一実施形態における、Ｔ‐ｓで概説した理想的な動作サイクルを示す図である。

本発明のより明確な理解のために、本発明における一例としての実施形態について、図面を参照して、以下に詳しく説明する。本発明は、ＳＭＡまたはＮＴＥまたは熱弾性体からなる材料における、相変態からの潜熱を利用する新規なヒートポンプサイクルに関する。以下、本発明の好ましい実施形態として、ＳＭＡの実施を記載しており、ＮＴＥまたは熱弾性体からなる材料の実施においても同様に適用される。

本発明は、コアを画定するために、複数のエレメントまたは複数のワイヤで構成されたＳＭＡを近接配置して用いることができる。ＳＭＡの材料は、マルテンサイトとオーステナイトの２つの結晶状態になることができ、一方の相から他方の相へと可逆的に変態することができる。ＳＭＡにおけるオーステナイトからマルテンサイトへの変態は発熱を伴う。ＳＭＡにおけるマルテンサイトからオーステナイトへの変態は吸熱を伴う。相転移が起こる温度は、ＳＭＡの材料に対する応力の印加によって操作することができる。

形状記憶合金（ＳＭＡ）は、一度変形しても加熱時に変形前の形状に戻る形状記憶効果を示す合金である。この材料は、液圧、気圧、およびモータを基礎としたシステムなど従来のアクチュエータよりも軽量な固体状態の代替物である。

本発明は、複数の形状記憶合金（ＳＭＡｓ）または複数の負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなる材料のいずれかを用いることが可能なヒートポンプシステムおよびその方法に関する。一実施形態として、特に、ＳＭＡからなる材料で構成されたＳＭＡシステムを用いることができる。一例として、コアを画定するために、複数のエレメント（もしくは複数のエレメント群）または複数のワイヤが、近接配されている。別の例では、ロッド、ブロック、リボン、細片またはプレート、３Ｄプリントされたエレメントなどのうちの１つ以上でコアを画定することができ、いずれにおいても、軸方向または横方向の圧縮、圧縮および自然負荷、ねじり応力を受けることでコアとして機能することができる。

ヒートポンプには、２つのフェーズ、すなわち、熱吸収フェーズおよび熱放出フェーズがある。マシンサイクルは、完全な熱吸収フェーズ（吸熱）および完全な熱放出フェーズ（発熱）として定義される。

熱吸収フェーズは、材料に印加される応力を、ＳＭＡからなる材料内への熱の伝達を許容可能な、サイクル動作で使用されるより低い適切な値に設定する。その結果、オーステナイト開始（Ａｓ）とオーステナイト終了（Ａｆ）の活性化温度が、流体の流れの入力温度よりも低い値に設定される。熱勾配が存在することで、熱伝導および熱対流によってＳＭＡ内に熱伝達することが可能になる。一度、材料が完全にまたは部分的にオーステナイトに変態すると（つまり、ＳＭＡからなる材料の温度がＡｆよりも高くなると）、熱吸収フェーズが完了する。

オーステナイト系ＳＭＡからなる材料に対する応力を増加させた後、熱放出フェーズが始まる。これにより、マルテンサイトに戻る逆変態のために、マルテンサイト開始（Ｍｓ）およびマルテンサイト終了（Ｍｆ）の活性化温度が上昇する。一度、Ｍｓの値が入力流体の流れの温度よりも上に上昇すると、逆変態が始まる。それは、Ｍｆも流体の流れの温度よりも高くなったときにのみ完了する。次いで、潜熱が、ＳＭＡからなる材料によって流体の流れに放出され、その温度を高くする。熱の放出が起こる速度は、熱勾配や流速や乱流などの流体の流れの様々な熱力学的条件の関数である。

単一の流体温度入力をシステムで用いることができ、熱放出フェーズからのより温かい流体を加熱対象へ向けつつ、熱吸収フェーズからのより冷たい流体の流れを流体源に戻すように、一連のバルブを流体チャンバからの出力で用いることができる。複数の流体温度入力を用いることもできる。

図１は、ＳＭＡ作動システムとして知られている構成を組み込んだヒートポンプシステムではあるが、逆の操作をしており、Ｅｘｅｒｇｙｎ Ｌｉｍｉｔｅｄが出願し未公開のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０１９／０５２３００号を参照し本明細書に組み込まれている。図１に示すように、低圧アキュムレータは、マルテンサイト状態のＳＭＡからなる材料に印加される。ＡｓとＡｆよりも高い温度のＳＭＡからなる材料を収容した流体チャンバに流体が入力されると、ＳＭＡからなる材料が熱を吸収することが可能になる。

図２は、本発明の一実施形態であり動作サイクルを示す熱弾性体からなるヒートポンプサイクルについての理想的な温度－エントロピー図を示す。サイクルは、ポイント５～６の間で温度Ｔｃの熱伝達流体（ＨＴＦ）から熱を除去し、ポイント２～３の間でより高い温度の流体Ｔｈに熱を放出する。熱は、ポイント３～４の間で熱回収回路によって吸収され、材料を冷却させ、６～１の間で材料によって再吸収され、加熱させる。

仕事回収は、固体／ＳＭＡ／弾性発熱ヒートポンプ／冷凍システムで最大ＣｏＰを達成するのに必要な主要プロセスである。これは、一つのＳＭＡコア室（第１コア）から排出された圧力を、サイクルのコンポーネント負荷印加の準備をしているかこれを受けている次のコア室（第２コア）に導入することにより達成され得る。その最終結果は、同じＱｏｕｔを維持しながら、第２コアを作動させるのに必要なシステムに必要とされる入力仕事量を低下させることである。それゆえ、成績係数が上昇する。

しかしながら、通常の状況で、一つコアから次のコアに伝達され得る最大圧力は、（伝達管路に損失が生じないと仮定すると）５０％である。これは、両方のコアが互いに圧縮されてそのポイントで平衡状態に達するからであり、仕事を実施する推進力はゼロまで低下する。それゆえ第１コアから排出される圧力の残り５０％はタンクに復帰させなければならない。

本発明は仕事回収を向上させる。第一実施形態として、ヒートポンプシステムは直列コアでの排圧の連続的な堆積を包含する。第二実施形態として、本発明は、低圧を高圧に変換し、こうして第２コアに圧力を追加する逆増圧器を利用する。第三実施形態として、ヒートポンプシステムは電気変換ユニットを使用する。

本発明の第一態様において、仕事回収の向上は、第１コアと順に連通する一連のコアの間で有効排圧を分散することである。

本発明は、順に配設される少なくとも３つのコアを設けることにより作用する。その最終的な効果は各コアが順に正の圧力勾配を有して低圧で平衡状態に達し、それゆえ第１コアで得られる排圧の多くを利用することである。

図３は、４つのコアＣ１、コアＣ２、コアＣ３、およびコアＣ４を備えて各コアがバルブ１１によって接続される、ヒートポンプシステム１０を示す図である。（理想的な条件であり、損失がなく、コア圧力が初期コア圧力の割合として表現されると仮定すると）４つのコアは以下のように順に作用する。
［初期サイクル］
ステップ１（Ｃ２～Ｃ４閉鎖）：Ｃ１＝１００，Ｃ２＝０，Ｃ３＝０，Ｃ４＝０が図３に示されている。
ステップ２（Ｃ２開放、Ｃ３～Ｃ４閉鎖）：Ｃ１＝５０，Ｃ２＝５０，Ｃ３＝０，Ｃ４＝０が図４に示されている。
ステップ３（Ｃ２閉鎖、Ｃ３開放、Ｃ４閉鎖）：Ｃ１＝２５，Ｃ２＝５０，Ｃ３＝２５，Ｃ４＝０が図５に示されている。
ステップ４（Ｃ２～Ｃ３閉鎖、Ｃ４開放）：Ｃ１＝１２．５，Ｃ２＝５０，Ｃ３＝２５，Ｃ４＝１２．５が図６に示されている。

ステップ４の後で、Ｃ１の排圧の残り１２．５％は、（回収モータでの稼働時に電気エネルギーを発生させるなど、システムの他の箇所で利用されない場合には）タンクに排出される。Ｃ２での圧力は５０％上昇される必要があり、これは入力ポンプから調達される。しかしながら、第２サイクルにおいて、システムは以下のようであると、より好ましい。
第２サイクルでは、各コアで以下が行われる。
ステップ１（Ｃ１はタンクに排出され、Ｃ２はポンプにより１００％まで上昇）：Ｃ１＝０，Ｃ２＝１００，Ｃ３＝２５，Ｃ４＝１２．５
ステップ２（Ｃ１閉鎖、Ｃ３開放、Ｃ４閉鎖）：Ｃ１＝０，Ｃ２＝６２．５，Ｃ３＝６２．５，Ｃ４＝１２．５）
ステップ３（Ｃ１＋Ｃ３閉鎖、Ｃ４開放）：Ｃ１＝０，Ｃ２＝３７．５，Ｃ３＝６２．５，Ｃ４＝３７．５
ステップ４（Ｃ１開放、Ｃ３～Ｃ４閉鎖）：Ｃ１＝１８．７５，Ｃ２＝１８．７５，Ｃ３＝６２．５，Ｃ４＝３７．５

コアの圧力バランスが以下の関係により均衡を保つまで、この傾向が続く。
最大理想仕事回収（％）＝１００－１００／仕事分散シーケンスのコア数（式１）

それゆえ、４コアシーケンスについて、達成可能な最大の仕事回収率は７５％であり、８コアシーケンスについては８７．５％である。コアを追加すると、圧力伝達の損失とシステム全体のエントロピーとが追加される結果となり、それゆえ、現実的なシナリオでは、シーケンスコア数を増加することの利点が何らかの利得と釣り合うポイントに達する。

Ｃ１～Ｃ４コアと関連するバルブの起動は、コアの各々または幾つかで一部の圧力を固定するとともに、コア間における最良の排圧往来を選択して回収を最大化するように構成され得る。

幾つかの実施形態として、負荷印加を必要とするコアへの放出の準備として小型蓄圧器に蓄積された圧力を貯蔵して、加熱速度、ゆえに達成されるＳＭＡの最終温度を確実に最高にすることが必要である。

仕事回収をさらに促進するため、タンクに排出された圧力の一部を使用するのに逆増圧器が利用され得る。理想的な４コアシーケンスの場合に、タンクに排出される（ゆえにポンプにより補充される必要のある）圧力は、（システムが安定化すると）コアの最初の圧力の２５％である。バルブのうち一以上の起動は、コアの一部の圧力を固定するとともに、コア間における最良の排圧往来を選択して回収を最大化するように構成され得る。

逆増圧器は、図７に示されているように圧力を受ける二つの相互接続エリアを利用する。大きい表面と小さい表面エリアとの比は、装置の利用により達成される理想的な圧力上昇を表している。

圧力「増圧」のコストは体積の損失である。このようなシステムは、タンクに排出される油圧流体と高い圧力を必要とするシーケンス内の次のコアとの間で使用され得る。そしてシステムは、タンクに排出される排圧を減少させながら、続くコアの圧力を上昇させる。これはシステム効率を高める。４コアシーケンスの最終結果は、油圧ポンプから入力される必要な仕事を好適にシフトすることであろう。

上述の式１を考えると、上述の４コアシーケンスシステムは７５％の最大仕事回収率を達成し、２５％が損なわれて仕事入力として補充される必要がある。逆増圧器は、最大仕事回収率を＞７５％まで上昇させ、それゆえ損失は＜２５％である。

マルチコアシーケンスでの単一の増圧器は回転時に使用され、その使用法の周期的性質ゆえにシステムの各コアに単一の増圧器が装着される必要はない。

増圧器の使用に代わる選択肢は、油圧モータおよび発電機の設定で残余圧力を活用することであり、圧力は有効電気に変換され、システムを作動させるのに必要な電気負荷を相殺する。

［油圧実施形態］
図８は、負荷除去コアからの油圧流体が油圧ポンプの入口に直接給送される実施形態を図示している。最初に流体が高圧で流入して、コアが充分に負荷除かれる際に徐々に減少するので、ポンプにより必要とされる圧力差が減少する。

図８によれば、２つのコア２０とコア２１の油圧シリンダはバルブ２２を通して連結されている。一方のコアは、負荷除かれると、上述の実施形態と同様に、最初に圧力および流体を第２コアへ直接供給する。圧力が均等になると、残りの流体が油圧ポンプ２４の入口２３へ送られて、流体圧力を上昇させ、必要とされる残りの圧力を負荷印加コアに供給する。この実施形態は、仕事回収を達成するのに必要とされるバルブの数を減少させる。この構成以外に、多数のバルブが回路で使用されてコア間での直接供給を増加させ、油圧モータの動作流量を減少させてもよい。

図９は、望ましくない時にコアからの背圧印加を防止するために、単一の油圧ポンプ３０と、コア間の単一の圧力分散リンクバルブ３１と、油圧チェックバルブ３２とを利用する、８つのコアが示されたマルチコアシステムを図示している。この実施形態で、各コアは１／８ずつ位相がずれて作動し、油圧ポンプへの一定供給を確実にするとともに、油圧ポンプからの一定供給を確実にする。

図１０は、コアの交差を伴わない単一のポンプを通して４つのコアがどのように作動するかを図示しており、チェックバルブの必要性が除去され、それゆえシステムの効率はさらに高い。図１０は、各々が入れ子状の４コア構成のための単一のポンプを備えて単一モータにより作動する１２コアの回路を示している。

図１１は、単一のポンプのみを備える幾つかの交差バルブを利用し、各コアが１／１２ずつ位相がずれて作動する１２コアシステムを図示している。最後の流体が再循環のために油圧ポンプに供給される前に、圧力を直接分散するのに５つのコアが使用される。

［ヒートポンプ負荷制御実施形態］
図１２は、一実施形態における、材料応力とひずみのポイントからの図２の動作サイクルを図示している。ポイント６～１の間で、材料応力が上昇する。しかしながら、負荷はマルテンサイト相の作動ポイント（Ｍｓ’）は作動させずに、そうすることで熱回収回路に熱が排出され、それゆえシステムの効率を低下させるからである。同じことがポイント３～４にも当てはまり、ここで負荷減少によりオーステナイト作動ポイント（Ａｓ’ｓ）の始動が妨げられるが、そうすることで熱回収回路から熱を除去する。一方、ポイント１～２の間では、負荷が増加して熱排出を起こすが、等温熱の排出のため２～３の間では一定に保たれなければならない。また、ポイント４～５では負荷はＡｓ’より下まで低下してから５～６の間で一定に保たれなければならない。

油圧回路でこのようなタイプの負荷プロファイルを達成するために、電子比例制御バルブ／レギュレータが、油圧または流動、それゆえ材料応力を制御するように実行される。電子比例制御バルブ／レギュレータにより、可変温度または熱需要に合わせてサイクル圧力が調節され得る。また、熱損失のために熱回収回路が再加熱されなければならない状況では、６～１の間での材料熱排出あるいは３～４の間での熱吸収を制御するのにこの装置が使用され得る。

図１３は、一実施形態における、仕事回収を伴わずに単一の油圧ラムに必要な制御レベルを達成するように構成される油圧回路を示す。図１３は、油圧タンク４０に低圧で貯蔵されて圧力が上昇した際に油圧ポンプ４１を通して給送される油圧流体を示す。この高圧流体は必要とされるまでアキュムレータ４２に貯蔵される。負荷レギュレータ４３は、上流／下流の両方の圧力センサおよび／または他のセンサ４４の読取値を使用する制御システムにより作動する。センサ４４はハウジングあるいは入口または出口に配置され得る。センサは、下流の圧力または流体を調整するのに適切な応答を判断する。下流にはソレノイドバルブ４５も含まれ得る。バルブ４５により油圧ラム４６への圧力は負荷レギュレータに調整される、または、油圧タンク４０に開放されて全ての負荷が除かれる。各サイクル中に、油圧ラム４６は適時に適切な応力をコアに与える。

図１３の代替方式として、シリンダが１本より多く必要とされる構成が図１４に示されている。この構成では、ソレノイドは３箇所に配されている。バルブを左端へ移動させると、メインレギュレータから右コアへ負荷が印加されて、左コアでは負荷が完全に除かれる。右端に移動すると、負荷が左ラムにかかって、右から負荷が完全に除かれる。バルブが中央に配置された場合には、全てのポートが閉止される。コアの間の第２レギュレータは、図１２ではポイント３～４と６～１における仕事回収のため、コア間の負荷印加を制御するのに使用され得る。レギュレータの位置は、各コアの圧力センサの読取値と、可能であれば温度および時間を使用する制御システムにより制御される。

本明細書に記載のヒートポンプシステムおよび方法は多くの用途を有して、暖房（空間暖房、熱ボイラーシステム、または温水）、冷房（空調水冷クーラ、プロセス冷房）、可逆的な暖房および冷房（建物または自動車の用途）、冷凍（家庭用または商業用／小売用）極低温冷却に使用され得る。ヒートポンプシステムおよび方法は、何らかの冷暖房システムに効果的に適用することができる。

本明細書において、「備え、備える、構成される、構成されている」という語句またはその任意の変形、ならびに「含み、含む、含まれる、含んでいるという語句またはその任意の変形は、相互に置き換え可能であり、可能な限り広い解釈が与えられるべきである。

本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、構成や詳細について種々変更が可能である。

Claims (20)

1. 形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアと第３コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積する構成であり、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアとは連通して直列接続されており、前記第１コアから排出された圧力を前記第２コアおよび／または前記第３コアに供給する制御システムを備えた、ヒートポンプシステム。
2. 前記コアはそれぞれ順に正圧勾配を有し、前記第１コアで得られた前記圧力を利用することによってより低圧で平衡状態に達する構成である、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. アキュムレータを備え、前記コアのうち負荷印加するものへの放出のために前記アキュムレータに前記圧力が蓄積され熱変化速度が最大化される構成である、請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記制御システムは、増圧器を有する構成である、請求項１～３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記増圧器は、前記圧力を受ける相互接続エリアが設けられた逆増圧器を有する構成である、請求項４に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記増圧器は、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアと連通している構成である、請求項４または５に記載のヒートポンプシステム。
7. 油圧モータと発電機とを備え、前記圧力が有効電力に変換されて、ヒートポンプシステムを作動させる電力として用いられる構成である、請求項１～６のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
8. 前記コアは第４コアを有し、前記第１コアと前記第２コアと前記第３コアと前記第４コアとは連通している構成である、請求項１～７のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
9. 形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記ハウジングは前記コアを活性化温度にて状態変化させるために流体を第１温度で入口から受け入れる構成であり、油圧回路を経由した圧力が前記コアに作用し、前記コアが作動ポイントで第１状態から第２状態に変化し、前記ハウジング内の前記コアに前記圧力を印加して、前記コアを前記第１状態から前記第２状態に変化させる制御装置を備え、前記制御装置は前記作動ポイントを下回る前記圧力を初期印加する構成である、ヒートポンプシステム。
10. 前記制御装置は、前記油圧回路を有する構成である、請求項９に記載のヒートポンプシステム。
11. 前記油圧回路は、油圧または流動を可変制御して前記コアに応力を加える電子比例制御バルブ／レギュレータを有する構成である、請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
12. 前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、前記流体の可変温度に応じて前記圧力を調整し循環させる構成である、請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
13. 前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第１油圧ラムを有する構成である、請求項１２に記載のヒートポンプシステム。
14. 前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、負荷レギュレータにて前記第１油圧ラムの圧力調整を行う構成である、請求項１３に記載のヒートポンプシステム。
15. 前記油圧回路は、前記圧力または下流の前記流体を調整するための反応を判断する情報を得るための１つ以上のセンサを有する構成である、請求項９～１４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
16. 前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第２油圧ラムを有する構成である、請求項１３または１４に記載のヒートポンプシステム。
17. 前記電子比例制御バルブ／レギュレータは、１つ以上のセンサの読取値に応じて前記第２油圧ラムを制御する構成である、請求項１６に記載のヒートポンプシステム。
18. 前記第１油圧ラムにおける圧力計測用第１圧力センサと、前記第２油圧ラムにおける圧力計測用第２圧力センサとを有する構成である、請求項１６または１７に記載のヒートポンプシステム。
19. 前記圧力を印加するエネルギーを蓄えるアキュムレータを有する構成である、請求項９～１８のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
20. 前記コアは、液圧負荷／応力に応じて熱を吸収／放出する、および／または、エネルギーを蓄える構成である、請求項９～１９のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。

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