JP5628892B2 - 廃熱空調システム - Google Patents

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Description

この出願は上記名称で２００９年４月１日に出願された米国仮出願番号６１／１６５,５３３の優先権を主張し、その全体の内容は参照することによりこの出願に組み込まれる。
本願の開示は一般的には空調の技術分野に関し、特に、好適には液相膨張器及び気相膨張器の組合せを用いて廃熱から空調を行うシステム及び方法に関する。
多くの産業プロセスは通常１５０℃に満たない低温廃熱を生成する。それは有用な仕事を遂行するために使うには一般的に低すぎる。吸収冷凍のようないくつかの熱力学サイクルは低グレード熱源から環境冷房を提供できる。同様に、濃縮タイプや真空管タイプのような太陽熱収集器に集めた太陽熱エネルギーは通常は廃熱レベルであり、環境冷房を提供するために吸収式冷凍機に使われている。あいにく、通常使われる吸収冷凍サイクルは効率が悪く、通常約０．７を超える熱成績係数（ＣＯＰ）を達成することができない。ここで、ＣＯＰという用語はΔＱｃｏｌｄ／ΔＱｉｎで定義され, その中のΔＱｃｏｌｄは負荷の熱変化として定義され、ΔＱｉｎは冷却システムにより消費される熱として定義される。蒸気圧縮空調において、ＣＯＰはΔＱｃｏｌｄ／ΔＷで定義され、通常３−３．５程度である。ここで、ΔＱｃｏｌｄは上述のように定義され、ΔＷは冷却システムにより消費される電気仕事量として定義される。さらに、吸収冷凍サイクルを利用する吸収式冷凍機のような最先端の廃熱駆動Ａ／Ｃシステムは十分な廃熱が無ければ運転できない。従って、バックアップのため完全な予備のシステムを必要とする。
参照することによりその全体が本願に組み込まれる２００３年６月２４日発行のＢｅｎｓｏｎ米国特許６，５８１，３８４は、部屋や建物のような環境制御可能な空間を選択的に冷房又は暖房するために利用できる再構成可能の熱力学サイクルにパワーを供給するために、廃熱を使うプロセス及び装置を記載している。都合の悪いことには、Ｂｅｎｓｏｎのシステムはとりわけコストが高く構造がより複雑な五方バルブを必要とする。さらにＢｅｎｓｏｎのシステムは、全体として低いＣＯＰを示し、余剰パワーによる廃熱が無ければ運転ができず、約２００℃、（４００°Ｆ）の温度で動作するのでコストが増加する。
全体として向上した成績係数を示し、好ましくは廃熱のソースが利用できない場合でもさらに暖房及び冷房のバックアップを提供できる能力を備えた、廃熱による空調を提供する方法及びシステムが望まれている。
上述の内容や他の事情を踏まえ、本発明は廃熱による空調を供給する従来及び現在の方法の欠陥の一部あるいは全てを克服する方法及び装置を提供する。本発明の方法及び装置のその他の新規で有用な利点もここに記載するが、当業者はそれを理解することができる。
代表的な実施例において、気相状態膨張器は機械的作用を生成するように設けられ、圧縮器ユニットは気相状態膨張器の機械的作用出力に応答して少なくとも部分的に作動する。別の代表的な実施例において、機械的作用を生成する第２の液相状態膨張器がさらに設けられ、圧縮ユニットは液相状態膨張器の機械的作用にさらに応答して作動する。
代表的な実施例において、装置は、制御要素と、第１熱交換器と、第１熱交換器の出力に結合され、過熱した気相状態の冷媒に応答して機械的作用を生成するように構成した第１膨張器と、第１膨張器により生成された機械的作用に少なくとも部分的に応答して駆動される圧縮器ユニットと、冷却器と、蒸発器と、を含み、廃熱冷却モードにおいて、制御要素は、第１膨張器の出力を冷却器へ送り、冷却器の出力の第１部分を第１熱交換器へ送り、冷却器の出力の第２膨張部分を蒸発器へ送り、蒸発器の出力を圧縮器ユニットへ送り、圧縮器ユニットの圧縮出力を冷却器の入力へ送るように構成されることを特徴とする空調を提供するように作動する。
さらなる実施例において、圧縮器ユニットは、第１膨張器により生成された機械的作用に応答する圧縮器と追加パワー駆動圧縮器とを含み、追加パワーソース支援廃熱冷却モードにおいて、制御要素は、蒸発器出力の第１部分を第１膨張器により生成された機械的作用に応答する圧縮器へ送り、蒸発器出力の第２部分を追加パワー駆動圧縮器へ送るように構成される。さらなる別の実施例において、装置は、中を流れる冷媒を加熱するように構成される第２熱交換器と、液相状態の冷媒に応答して機械的作用を生成するように構成された第２膨張器であって、第２膨張器により生成された機械的作用に少なくとも部分的に応答して圧縮器ユニットをさらに駆動するように構成された第２膨張器をさらに含み、相組合せ２元廃熱冷却モードにおいて制御要素は、冷却器の出力を第２熱交換器へ送り、冷却器の出力の第１部分を第２熱交換器の出力から第１熱交換器へ送り、冷却器の出力の第２部分を第２熱交換器の出力から液相状態で第２膨張器へ送り、第２膨張器の出力を蒸発器の入力へ送り、それにより第２膨張部分を蒸発器へ送る。
さらなる実施例において、相組合せ２元廃熱冷却モードにおいて、第１膨張器の出力の圧力は圧縮器ユニットの出力の圧力に調和する。さらなる別の実施例において、第１熱交換器及び第２熱交換器は単一の廃熱ソースからの熱を輸送するように構成される。さらなる別の追加の実施例において、廃熱ソースは太陽熱収集器である。
さらなる実施例において、装置は、制御要素に応答するポンプをさらに含み、相組合せ２元廃熱冷却モードにおいて制御要素は冷媒をポンプを介して第２熱交換器へ輸送する。さらなる別の実施例において、装置は、制御要素に応答するポンプをさらに含み、廃熱駆動暖房モードにおいて、制御要素は、冷媒をポンプを介して第２熱交換器へ輸送し、第２熱交換器を出てくる冷媒を第１熱交換器へ送り、及び蒸発器の出力をポンプの入力へ送るように構成される。
さらなる実施例において、装置は、中を流れる冷媒を冷却するように構成される第２熱交換器、液相状態の冷媒に応答して機械的作用を生成するように構成された第２膨張器であって、第２膨張器により生成された機械的作用に少なくとも部分的に応答して圧縮器ユニットをさらに駆動するように第２熱交換器の出力に連結された第２膨張器をさらに含み、相組合せ廃熱冷却モードにおいて、制御要素は、冷却器の出力の第２部分を第２熱交換器へ送り、第２膨張器の出力を蒸発器の入力へ送るように構成され、それにより第２膨張部分を蒸発器へ送る。
さらなる実施例において、相組合せ廃熱冷却モードにおいて、第１膨張器の出力の圧力は圧縮器ユニットの出力の圧力に調和する。さらなる別の実施例において、第１熱交換器は太陽熱収集器からの熱を輸送するように構成される。さらなる別の実施例において、装置は、制御要素に応答するポンプをさらに含み、廃熱駆動暖房モードにおいて制御要素は、蒸発器の出力をポンプを介して第１熱交換機へ送り、第１膨張器の出力を蒸発器の入力へ送るように構成される。
さらなる実施例において、装置は、膨張バルブをさらに含み、追加パワー駆動冷却モードにおいて制御要素は、蒸発器の出力を圧縮器ユニットの入力へ送り、圧縮器ユニットの出力を冷却器の入力へ送り、冷却器の出力を膨張バルブを介して蒸発器へ送るように構成される。さらなる別の実施例において、装置は、膨張バルブをさらに含み、追加パワー駆動暖房モードにおいて制御要素は、冷却器出力を圧縮器ユニット入力へ送り、圧縮器ユニット出力を蒸発器入力へ送り、蒸発器出力を膨張バルブを介して冷却器入力へ送るように構成される。
さらに、実施例において、廃熱冷却モードを含み、廃熱冷却モードは、冷媒を提供し、提供される冷媒の第１部分を気相状態へ加熱し、提供された冷媒の気相状態に加熱された第１部分を膨張させて第１の機械的作用を生成し、提供された冷媒の第２部分を蒸発させて冷房を提供し、生成した第１の機械的作用に少なくとも部分的に応答して提供された冷媒の蒸発した第２部分を圧縮し、圧縮した第２部分と膨張した第１部分とを液相へ凝縮することを含む空調を提供する方法を備える。
さらなる実施例において、圧縮はさらに追加電源に応答する。さらなる別の実施例において、提供された冷媒の加熱された気相状態の第１部分は、圧縮された蒸発した第２部分の圧力と調和する圧力まで膨張する。
さらなる実施例において、凝縮された液相状態冷媒を加圧することをさらに含むことを特徴とする方法を備える。さらなる別の実施例において、廃熱冷却モードは相組合せ２元廃熱冷却モードから構成され、相組合せ２元廃熱冷却モードはさらに、提供された冷媒を液相に維持しながら提供された冷媒の第２部分を加熱し、及び加熱された液相状態の第２部分を膨張させて第２の機械的作用を生成することを含み、圧縮することは生成された第２の機械的作用にさらに応答し、蒸発するのは膨張し加熱された第２部分であることを特徴とする。
さらなる実施例において、第１部分を加熱し第２部分を加熱することは単一の廃熱ソースに応答することを特徴とする。さらなる別の実施例において、廃熱ソースは太陽熱収集器であることを特徴とする。
さらなる実施例において、廃熱冷却モードは相組合せ廃熱冷却モードから構成され、相組合せ廃熱冷却モードはさらに、提供された冷媒の第２部分を冷却し、及び冷却された第２部分を膨張させて第２の機械的作用を生成することを含み、圧縮することは生成された第２の機械的作用にさらに応答し、蒸発するのは膨張し冷却された第２部分であることを特徴とする。さらなる別の実施例において、廃熱駆動暖房モードをさらに含み、廃熱駆動暖房モードは、提供された冷媒を気相状態へ加熱し、気相状態の冷媒を膨張させ、膨張した気相状態の冷媒を凝縮しそれにより暖房を提供することを含むことを特徴とする方法を備える。
さらなる実施例において、追加パワー駆動冷却モードをさらに含み、追加パワー駆動冷却モードは、提供された気相状態の冷媒を追加パワーソースに応答して圧縮し、圧縮された気相状態の冷媒を液相状態へ凝縮し、液相状態の冷媒を膨張させ、膨張した冷媒を気相状態へ蒸発させそれにより冷房を提供することを含む方法を備える。さらなる別の実施例において、追加パワー駆動暖房モードをさらに含み、追加パワー駆動暖房モードは、提供された気相状態の冷媒を追加パワーソースに応答して圧縮し、圧縮された気相状態の提供された冷媒を液相状態へ凝縮しそれにより暖房を提供し、液相状態の提供された冷媒を膨張させ、膨張した液相状態の提供された冷媒を気相状態へ蒸発させることを含むことを特徴とする方法を備える。
本発明の追加の特徴や利点は以下の図面と説明から明らかになるであろう。
本発明をより理解するため、及びそれを如何に実行するかを示すため、単なる例として添付図面を参照する。その中で、同じ番号は最初から終りまでを通して相当する要素やセクションを指定する。
具体的な図面を詳細に参照するにあたり、図示される内容は例として挙げたものであり、本発明の好ましい実施例を説明するためだけのものであり、最も有用にかつ本発明の原理と概念的な特徴を容易に理解できるようにするために提供されるものであることを強調する。この点、発明の根本的理解に必要な事柄以上に詳細に発明の構造的な具体例を図示するつもりはないが、図面とともになされる説明により本発明のいくつかの形態が如何に実現されるのか当業者に対し明白となる。 添付図面において、
気相膨張器と液相膨張器とを備える相組合せ２元廃熱駆動冷却サイクルを提供するように構成される装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルに対する圧力エンタルピー図における熱力学的過程を表す。 気相膨張器、液相膨張器及びサブクーリング熱交換器を含む相組合せ廃熱駆動冷却サイクルを提供するように構成される装置の第２の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルの圧力エンタルピー図における熱力学的過程を表す。 家庭の温水暖房を更に提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 家庭の温水暖房を更に提供するように構成される図２Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 更に廃熱駆動熱サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 図４Ａの廃熱駆動熱サイクルの圧力エンタルピー図における熱力学的過程 を表す。 更に廃熱駆動熱サイクルを提供するように構成される図２Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 更に追加パワー駆動冷却サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 更に追加パワー駆動熱サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 気相膨張器のみを利用する図２Ａの装置の動作の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。 図８Ａの廃熱駆動冷却サイクルの圧力エンタルピー図における熱力学的過程を表す。
少なくとも１つの実施例を詳細に説明する前に、本発明はそのアプリケーションの中で以下に記載されるあるいは図示される詳細な部品の構成や構成には限定されないことを理解すべきである。本発明は他の実施例に適用が可能であり、様々の方法で実施される。さらに、ここで用いる表現や用語は説明のためであり、それに限定されるべきではないことを理解すべきである。特に、ここで使用する“接続される”の用語は直接接続に限定することを意味するものではなく、中間の装置、部品を限定することなく考慮するものである。三方、四方、五方バルブを簡潔にするために単一のエレメントとして示しているが、発明の範囲を逸脱しない範囲で複数の共同バルブから構成しても良い。
図１Ａは相組合せ２元廃熱駆動空調サイクルを提供するように構成される装置の第１の代表的実施例の高レベルブロック図を表し、装置は、制御要素１００、太陽熱収集器として限定することなく図示する廃熱ソース１１０、第１ポンプ１２０、第２ポンプ１２５、第１熱交換器１３０、第２熱交換器１４０、第１、第２、第３三方バルブ１５０、第１膨張器１６０、第２膨張器１７０、駆動部材１８０、膨張バルブ１９０、蒸発器２００、第１、第２四方バルブ２１０、第１圧縮器２２０、第２圧縮器２３０、追加電源２４０、及び冷却器２５０を含んでいる。第１圧縮器２２０及び第２圧縮器２３０は共に圧縮器ユニット２３５を形成する。第１ポンプ１２０は、限定されない１つの実施例において、水とエチレングリコール混合液で構成する作動熱輸送流体を駆動し, 閉ループに接続される廃熱ソース１１０及び第１、第２熱交換器１３０、１４０のそれぞれの熱源導管を通るように構成される。好ましくは、第１、第２熱交換器１３０、１４０の熱源導管は直列に接続される。しかしながら、直列接続は直接接続である必要はなく、発明の範囲を逸脱することなくバイパス導管やバルブを追加して設けても良い。
制御要素１００の個々の出力は第１、第２、第３の三方バルブ１５０の各制御入力、第１、第２の四方バルブ２１０の各制御入力、追加電源２４０の制御入力、第１ポンプ１２０の制御入力、及び第２ポンプ１２５の制御入力に接続される。制御要素１００は当業者にとっては既知の様々の温度、圧力センサー（図示せず）からの入力を受信するように構成される。第２ポンプ１２５の出力は第１熱交換器１３０の熱受け導管の第１端部に接続され、第１熱交換器１３０の熱受け導管の第２端部は第１の三方バルブ１５０の第１栓に接続される。第１の三方バルブ１５０の第２栓は第２熱交換器１４０の熱受け導管の第１の端部に接続され、第２熱交換器１４０の熱受け導管の第２の端部は第１膨張器１６０の入力に接続される。第１三方バルブ１５０の第３栓は第２膨張器１７０の入力に接続され、第２膨張器１７０の出力は蒸発器２００の入力に接続される。第１膨張器１６０の出力は第２三方バルブ１５０の第１栓に接続され、第２三方バルブ１５０の第２栓は第２四方バルブ２１０の第１栓に接続され、第２三方バルブ１５０の第３栓は蒸発器２００の入力に接続され、図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので、蒸発器２００の入力への接続は破線で図示される。
第１膨張器１６０及び第２膨張器１７０は第１圧縮器２２０と駆動部材１８０を共有するように図示されるが、これには限定されない。図２Ａに関連する他の実施例では、各第１膨張器１６０及び第２膨張器１７０は圧縮器ユニット２３５の特定圧縮器に関わる。この特定の圧縮器は個別の膨張器による機械的作用出力に応答して作動する。蒸発器２００の出力は第１四方バルブ２１０の第１栓に接続され、第１四方バルブ２１０の第２栓は第１圧縮器２２０の入力に接続され、第１四方バルブ２１０の第３栓は第２圧縮器２３０の入力に接続され、第１四方バルブ２１０の第４栓は第２ポンプ１２５の入力に接続され、第２ポンプ１２５の入力への接続は、図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。追加電源２４０の出力は第２圧縮器 ２３０のパワー入力へ接続される。第２圧縮器２３０の出力は第２四方バルブ２１０の第２栓に接続され、第１圧縮器２２０の出力は第２四方バルブ２１０の第３栓に接続され、冷却器２５０の入力は第２四方バルブ２１０の第４栓に接続される。冷却器２５０の出力は第３三方バルブ１５０の第１栓に接続され、第２ポンプ１２５の入力は第３三方バルブ１５０の第２栓に接続され、第３三方バルブ１５０の第３栓は膨張バルブ１９０の入力に接続される。膨張バルブ１９０の入力への接続は、図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。膨張バルブ１９０の出力は蒸発器２００の入力に接続され、蒸発器２００の入力への接続は、図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。１実施例において、第１、第２の四方バルブ２１０はそれぞれ制御マニホルドにより実施される。
図１Ｂは図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルに対する圧力エンタルピー図を表し、Ｘ軸はエンタルピーをＹ軸は圧力を表す。領域９００は冷媒の湿り蒸気領域を表す。
動作において、図１Ａ、図１Ｂの両方を参照すると、廃熱ソース１１０からの熱流体は第１ポンプ１２０によって各第１、第２熱交換器１３０、１４０の熱源導管を循環する。１つの限定されない実施例としてＲ−１３４ａの加圧液相冷媒は、１つの限定されない実施例として、３−４ＭＰａに加圧され、第２ポンプ１２５により第１熱交換器１３０の熱受け導管へ送られてプロセス１０００に示すように加熱される。第２ポンプ１２５の運転パラメ−タは、第１熱交換器１３０の熱受け導管を出る加圧液相冷媒がサブクール液相状態を維持するように制御要素１００によって制御される。１つの限定されない実施例において、加圧液相冷媒は第１熱交換器１３０の熱受け導管を通過しながら温度５０−７５℃に加熱される。特に、制御要素１００は第１熱交換器１３０の熱源側温度が予め定めた範囲に維持されるよう第１ポンプ１２０を制御し、これにより第１熱交換器１３０の熱受け導管を出ていく加圧液相冷媒の温度を規定する。
制御要素１００はさらに、第１熱交換器 １３０の熱受け導管を出ていくサブクール液相冷媒の一部を第２膨張器１７０の入力へ送り、サブクール液相冷媒の残りの部分が第２熱交換器１４０の熱受け導管へ送られるように第１三方バルブ１５０を制御する。
単一の又は２重スクリュー膨張器、スクロール、回転翼、又は往復運動機械として実施することができる第２膨張器１７０はサブクール液相冷媒を膨張させ、回転力を駆動部材１８０へ付与し、プロセス１０１０に示すように冷媒の圧力と温度を下げる動作を行う。１実施例において、第２膨張器１７０はサブクール液相冷媒の一部を気相状態へ変換する動作を行う。第２膨張器１７０の出力は蒸発器２００へ送られてプロセス１０２０に示すようにそこで完全に蒸発し、周りの空間を冷却する。このように、第２膨張器１７０は、機械的作用出力としての回転力を駆動部材１８０に付与する液相膨張器として働く。
蒸発器２００の出力は第１四方バルブ２１０により分割され蒸発器２００の出力の第１部分は第１圧縮器２２０の入力に加えられ蒸発器２００の出力の第２部分は第２圧縮器２３０の入力に加えられる。第１圧縮器２２０に加えられる第１部分の第２圧縮器２３０に加えられる第２部分に対する比率は駆動部材１８０から利用できるパワーに応答して制御要素１００により決定される。第１、第２圧縮器２２０、２３０は蒸発器２００から受け取る膨張した蒸気冷媒を、それぞれプロセス１０３０と１０３０Ａに示すように、僅かに過熱した気相状態へ圧縮する。１つの限定されない実施例において、僅かに過熱した気相状態の温度は４０−５５℃である。
第２熱交換器１４０の熱受け導管へ送られたサブクール液相冷媒の部分は、プロセス１０４０に示すように、第２熱交換器１４０の中で過熱した気相状態へさらに加熱される。１つの実施例において、冷媒は第２熱交換器１４０の熱受け導管の中で８５−１１５℃の温度へ加熱される。第２熱交換器１４０の熱受け導管を出る過熱した気相状態冷媒は第１膨張器１６０へと送られる。第１膨張器１６０はガスタービン、又はスクロール、又はスクリュー膨張器として限定されることなく実施され、冷媒を膨張させ、それによりプロセス１０５０に示すように、冷媒の圧力と温度を減少させると共に、冷媒を僅かに過熱した状態に維持し、冷媒の圧力を上記第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力に一致する圧力へと減少させる。第１膨張器１６０はさらに機械的作用を生みだす働きをし、特に駆動部材１８０に回転力を付与する働きをする。このように、蒸気入力、好ましくは過熱した蒸気入力に応答して第１膨張器１６０は気相膨張器として仕事出力としての回転力を駆動部材１８０へ付与するように作動する。第１、第２膨張器１６０、１７０の動作は制御要素１００により制御される。１つの実施例において、制御要素１００は各第１、第２膨張器１６０、１７０の回転速度を示す入力を受ける。１つの実施例において統合制御バルブが第１、第２膨張器１６０、１７０の入力に設けられ、その統合制御バルブは制御要素１００に応答して動作し、第１、第２膨張器１６０、１７０に入る冷媒の流量を調整する。別の実施例では、制御要素１００は第１、第２の三方バルブ１５０の１以上の設定を、冷媒を僅かに過熱した状態に保持し、冷媒の圧力を第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力と一致する圧力に低減するよう調整することにより、第１膨張器１６０を制御するように作動する。
第２四方バルブ２１０は、前述のように圧力の一致する、第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力及び第２三方バルブ１５０を経由する第１膨張器１６０の出力を受け取って、プロセス１０６０に示すように、流れを混合して統一された温度、圧力を示す組み合わされた蒸気を作り、蒸気状態に組み合わされた冷媒を冷却器２５０の入力へ送るように作動する。冷却器２５０は好ましくは周囲の空気や他の冷却ソースと共同して、受取った組合せ冷媒をプロセス１０７０に示すように液相状に凝縮する。冷却器２５０を出る液相状の冷媒は第３三方バルブ１５０を介して第２ポンプ１２５へ運ばれ、プロセス１０８０に示すように圧力を高められてサイクルが終了する。上記のように、１つの限定されない実施例では、第２ポンプ１２５は液相冷媒の圧力を３−４ＭＰａまで高めるように作動する。
望ましくは第１膨張器１６０は気相状態で入る冷媒に対してこのように作動し、第２膨張器１７０は液相状態で入る冷媒に対しこのように作動することに留意されたい。ＣＯＰを以下のように計算すれば、組合せの熱ＣＯＰ は０.７より大きくなる。

ＣＯＰ＝Ｑｅｖａｐｏｒａｔｏｒ／（Ｑｈｅａｔ＿ｓｏｕｒｃｅ） 式１
一方、ＣＯＰを以下のように計算すれば、電気ＣＯＰは８より大きくなる。

ＣＯＰ＝Ｑｅｖａｐｏｒａｔｏｒ／ΔＷ 式２
図２Ａは相組合せ廃熱駆動空調サイクルを提供するように構成される装置の第２の代表的実施例の高レベルブロック図を表し、装置は、制御要素１００、太陽熱収集器として限定することなく図示する廃熱ソース１１０、第１ポンプ１２０、第２ポンプ１２５、熱交換器１４０、第１、第２、第３三方バルブ１５０、第１膨張器１６０、第２膨張器１７０、第１駆動部材１８０Ａ及び第２駆動部材１８０Ｂ、膨張バルブ１９０、蒸発器２００、第１、第２五方バルブ２１５、第１膨張器により駆動される圧縮器２２０Ａ及び第２膨張器により駆動される圧縮器２２０Ｂ、圧縮器２３０、追加電源２４０、冷却器２５０及びサブクール熱交換器２８０を含んでいる。第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂ及び圧縮器２３０は共に圧縮器ユニット２３５を形成する。第１ポンプ１２０は１つの限定されない実施例においては、水とエチレングリコールの混合液で構成する作動熱輸送流体を駆動して廃熱ソース１１０と熱交換器１４０の熱源導管を通るように構成される。
制御要素１００の個々の出力は第１、第２、第３の三方バルブ１５０の各制御入力、各第１、第２の五方バルブ２１５の制御入力、追加電源２４０の制御入力、第１ポンプ１２０の制御入力、及び第２ポンプ１２５の制御入力に接続される。制御要素１００は当業者にとっては既知の様々の温度、圧力センサー（図示せず）からの入力を受信するように構成される。第２ポンプ１２５の出力は第１三方バルブ１５０の第１栓に接続される。第１の三方バルブ１５０の第２栓は熱交換器１４０の熱受け導管の第１の端部に接続され、熱交換器１４０の熱受け導管の第２の端部は第１膨張器１６０の入力に接続される。第１三方バルブ１５０の第３栓はサブクール熱交換器２８０の入力に接続される。サブクール熱交換器２８０の出力は第２膨張器１７０の入力に接続され、第２膨張器１７０の出力は蒸発器２００の入力に接続される。第１膨張器１６０の出力は第２三方バルブ１５０の第１栓に接続され、第２三方バルブ１５０の第２栓は第２五方バルブ２１５の第１栓に接続され、第２三方バルブ１５０の第３栓は蒸発器２００の入力に接続され、図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので、蒸発器２００の入力への接続は破線で図示される。
蒸発器２００の出力は第１五方バルブ２１５の第１栓に接続され、第１五方バルブ２１５の第２栓は第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａの入力に接続され、第１五方バルブ２１５の第３栓は第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂの入力に接続され、第１五方バルブ２１５の第４栓は圧縮器２３０の入力に接続され、第１五方バルブ２１５の第５栓は第２ポンプ１２５の入力へ接続され、第２ポンプ１２５の入力への接続は、図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。追加電源２４０の出力は圧縮器２３０のパワー入力へ接続される。圧縮器２３０の出力は第２五方バルブ２１５の第２栓に接続され、第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａの出力は第２五方バルブ２１５の第３栓に接続され、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂの出力は第２五方バルブ２１５の第４栓に接続され、冷却器２５０の入力は第２五方バルブ２１５の第５栓に接続される。冷却器２５０の出力は第３三方バルブ１５０の第１栓に接続され、第２ポンプ１２５の入力は第３三方バルブ１５０の第２栓に接続され、第３三方バルブ１５０の第３栓は膨張バルブ１９０の入力に接続される。膨張バルブ１９０の入力への接続は、図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。膨張バルブ１９０の出力は蒸発器２００の入力に接続され、蒸発器２００の入力への接続は、図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使われないので破線で図示される。１実施例において、第１、第２の五方バルブ２１５はそれぞれ制御マニホルドにより実施される。１実施例において、冷却器２５０及び好ましくは冷却器であるサブクール熱交喚器２８０は単一のユニットで実施され、従って両要素にただ１つのファンのみ必要とする。
図２Ｂは図２Ａの廃熱駆動冷却サイクルの圧力エンタルピー図を示し、その中でＸ軸はエンタルピーを、Ｙ軸は圧力を表す。領域９００は冷媒の湿り蒸気領域を表す。
動作において、図２Ａ、図２Ｂの両方を参照すると、廃熱ソース１１０からの熱流体は第１ポンプ１２０によって熱交換器１４０の熱源導管を循環する。１つの限定されない実施例としてＲ−１３４ａの加圧液相冷媒は、１つの限定されない実施例として、３−４ＭＰａに加圧され、第２ポンプ１２５により第１三方バルブ１５０へ送られる。制御要素１００は加圧液相冷媒の一部がサブクール熱交換器２８０へ入るように第１三方バルブ１５０を制御するように働き、そこで一部の加圧液相冷媒はプロセス１０９０に示すように冷却され、残りの加圧液相冷媒は熱交換器１４０の熱受け導管へ送られる。サブクール熱交換器２８０を出る加圧液相冷媒はサブクール液相状態となって第２膨張器１７０へ入る。前述したように、サブクール熱交換器２８０は望ましくは単一のファンを共有するように冷却器２５０と一体になっている。サブクール熱交換器２８０に入る冷媒は望ましくは４０−５５℃の温度を示し、サブクール熱交換器２８０はそれを通って流れる冷媒部分の温度が望ましくは周囲温度より２−５℃の範囲で高い温度まで低減するように構成される。
単一の又は２重スクリュー膨張器、スクロール、回転翼、又は往復運動機械として実施することができる第２膨張器１７０はサブクール液相冷媒を膨張させ、回転力を第２駆動部材１８０Ｂへ付与し、プロセス１０１０に示すように冷媒の圧力と温度を下げる動作を行う。１実施例において、第２膨張器１７０はサブクール液相冷媒の一部を気相状態へ変換する動作を行う。第２膨張器１７０の出力は蒸発器２００へ送られてプロセス１０２０に示すようにそこで完全に蒸発し、周りの空間を冷却する。このように、第２膨張器１７０は、液相膨張器として作動し、機械的作用出力としての回転力を第２駆動部材１８０Ｂに付与し、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂを駆動する。
蒸発器２００の出力は第１五方バルブ２１５により分割され、蒸発器２００の出力の第１部分は第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａの入力に加えられ、蒸発器２００の出力の第２部分は第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂの入力に加えられ、蒸発器２００の出力の第３部分は圧縮器２３０の入力に加えられる。それぞれの部分の比率は各第１制御部材１８０Ａ及び第２制御部材１８０Ｂから利用できるパワーに応答して制御要素１００により決定される。各第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂ及び圧縮器２３０はプロセス１０３０及び１０３０Ａにそれぞれ示すように、蒸発器２００から受け取る膨張した気相冷媒を僅かに過熱した気相状態へ圧縮するように働く。１つの限定されない実施例において、僅かに過熱した気相状態の温度は４０−５５℃である。望ましくは、各第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂ及び圧縮器２３０から出てくる気相状態冷媒の圧力が一致するようにそれぞれの部分はさらに制御される。
熱交換器１４０の熱受け導管へ送られた液相冷媒の部分は、プロセス１０４０に示すように、熱交換器１４０の中で過熱した気相状態へ加熱される。１つの限定されない実施例において、加圧液相冷媒は熱交換器１４０の熱受け導管の中を通過しながら８５−１１５℃の温度へ加熱される。熱交換器１４０の熱受け導管を出てくる過熱した気相状態冷媒は第１膨張器１６０へと送られる。第１膨張器１６０はガスタービン、又はスクロール、又はスクリュー膨張器として限定されることなく実施され、冷媒を膨張させ、それによりプロセス１０５０に示すように、冷媒の圧力と温度を減少させると共に、冷媒を僅かに過熱した状態に維持し、冷媒の圧力を上記第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂ及び上記圧縮器２３０の出力に一致する圧力へと減少させる。第１膨張器１６０はさらに機械的作用を生みだす働きをし、特に第１駆動部材１８０Ａに回転力を付与する働きをする。このように第１膨張器１６０は気相膨張器として、作動出力としての回転力を第１駆動部材１８０Ａに付与する動作を行う。第１、第２膨張器１６０及び１７０の動作は制御要素１００により制御される。１つの実施例では、制御要素１００は各第１、第２膨張器１６０及び１７０の回転速度を表す入力を受ける。１つの実施例では、一体化された制御バルブが第１、第２膨張器１６０及び１７０の入力に設けられ、その一体化制御バルブは制御要素１００に応答して第１、第２膨張器１６０及び１７０へ入ってくる冷媒の流れを調整するように働く。別の実施例では、制御要素１００は第１、第２の三方バルブ１５０の１以上の設定を、冷媒を僅かに過熱した状態に保持し、冷媒の圧力を第１、第２ 膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、２２０Ｂ及び圧縮器２３０の各出力と一致する圧力まで低減するよう調整することにより、第１膨張器１６０を制御するように作動する。
第２五方バルブ２１５は、上述のように圧力の一致する、第１膨張器駆動圧縮器２２０Ａ、第２膨張器駆動圧縮器２２０Ｂ、圧縮器２３０の出力及び第２三方バルブ１５０を経由する第１膨張器１６０の出力を受け取って、プロセス１０６０に示すように、流れを混合して統一された温度、圧力を示す組み合わされた蒸気を作り、蒸気状態に組み合わされた冷媒を冷却器２５０の入力へ送るように作動する。冷却器２５０は好ましくは周囲の空気や他の冷却ソースと共同して、受取った組合せ冷媒をプロセス１０７０に示すように液相状に凝縮する。冷却器２５０を出る液相状の冷媒は第３三方バルブ１５０を介して第２ポンプ１２５へ運ばれ、プロセス１０８０に示すように圧力を高められ、サイクルが終了する。上記のように、１つの限定されない実施例では、第２ポンプ１２５は液相冷媒の圧力を３−４ＭＰａまで高めるように作動する。
望ましくは第１膨張器１６０はこのように気相状態で入る冷媒に対して作動し、第２膨張器１７０は液相状態で入る冷媒に対し作動することに留意されたい。
ＣＯＰを式１に関して上述のように計算すれば、組合せの熱ＣＯＰは０．７２より大きくなる。ＣＯＰを式２に関して上述のように計算すれば、電気ＣＯＰは１０より大きくなる。
図３Ａは家庭の温水暖房を更に提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表し、装置はさらに第４三方バルブ１５０、熱交換器３２０から成る温水タンク３１０、及び家庭用温水システム３３０を含む。第４三方バルブ１５０は第１ポンプ１２０、廃熱ソース１１０及び第１、第２熱交換器１３０、１４０の熱源側の閉ループ内に挿入される。特に、第４三方バルブ１５０の第１栓は第２熱交換器１４０の熱源導管の入力に接続され、第４三方バルブ１５０の第２栓は廃熱ソース１１０の出力に接続される。第４三方バルブ１５０の第３栓は温水タンク３１０内に位置する熱交換器３２０の熱源導管の入力に接続され、熱交換器３２０の熱源導管の出力は第１ポンプ１２０の入力に接続されている。第４三方バルブ１５０の制御入力は制御要素１００の出力へ接続される。温水タンク３１０内の水は熱交換器３２０の熱源導管を通って流れる熱流体により加熱され、このようにして家庭用温水システム３３０に利用される。
さらに制御要素１００の個々の出力は廃熱ソース１１０、温水タンク３１０及び望ましくは温水タンク３１０の温度センサーを備えた第４三方バルブ１５０の１つ以上と通信する。温度情報及び他のシステムパラメータに応答して、制御要素１００は第１ポンプ１２０によって送られる熱流体の少なくとも一部が温水タンク３１０を通って流れるように第４三方バルブ１５０の設定を調整するように作動する。
図３Ｂは家庭の温水暖房を更に提供するように構成される図２Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表し、その装置はさらに、第４三方バルブ１５０、熱交換器３２０を含む温水タンク３１０、及び家庭用温水システム３３０を含んでいる。第４三方バルブ１５０は第１ポンプ１２０、廃熱ソース１１０及び熱交換器１４０の熱源側の閉ループ内に挿入される。特に、第４三方バルブ１５０の第１栓は熱交換器１４０の熱源導管の入力に接続され、第４三方バルブ１５０の第２栓は廃熱ソース１１０の出力に接続される。第４三方バルブ１５０の第３栓は温水タンク３１０内に位置する熱交換器３２０の熱源導管の入力に接続され、熱交換器３２０の熱源導管の出力は第１ポンプ１２０の入力に接続されている。第４三方バルブ１５０の制御入力は制御要素１００の出力に接続される。温水タンク３１０内の水は熱交換器３２０の熱源導管を通って流れる熱流体によって加熱され、このようにして家庭用温水システム３３０に利用される。簡略化するために、図１Ａに関連して説明したように、第１、第２膨張器１６０、１７０は圧縮器２２０を駆動する駆動部材１８０を共有するように図示するが、それに限定することを何ら意味するものではない。別の実施例では、第１、第２膨張器１６０，１７０それぞれは本発明範囲を逸脱することなく、個々の圧縮器にそれぞれが対応する各駆動部材を駆動する。
さらに制御要素１００の個々の出力は廃熱ソース１１０、温水タンク３１０及び望ましくは温水タンク３１０の温度センサーを備えた第４三方バルブバルブ１５０の１つ以上と通信する。温度情報及び他のシステムパラメータに応答して、 制御要素１００は第１ポンプ１２０によって送られる熱流体の少なくとも一部が温水タンク３１０を通って流れるように第４三方バルブ １５０の設定を調整するように作動する。
図４Ａは更に廃熱駆動熱サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。第１三方バルブ１５０の第３栓と第２膨張器１７０の入力、第２膨張器１７０の出力と蒸発器２００の入力、第２三方バルブ１５０の第２栓と第２四方バルブ２１０の第１栓、第１四方バルブ２１０の第２栓と第１圧縮器２２０の入力、第１四方バルブ２１０の第３栓と第２圧縮器２３０の入力、第２圧縮器２３０の出力と第２四方バルブ２１０の第２栓、第１圧縮器２２０の出力と第２四方バルブ２１０の第３栓、冷却器２５０の入力と第２四方バルブ２１０の第４栓、冷却器２５０の出力と第３三方バルブ１５０の第１栓、第３三方バルブ１５０の第３栓と膨張バルブ１９０の入力、及び膨張バルブ１９０の出力と蒸発器２００の入力それぞれの間の接続は、それらは図４Aの廃熱駆動熱サイクルでは使われないので、破線で図示される。
図４Ｂは図４Ａの廃熱駆動熱サイクルの圧力エンタルピー図を表し、その中でＸ軸はエンタルピーを表し、Ｙ軸は圧力を表す。領域９００は冷媒の湿り蒸気領域を表す。
動作において、図４Ａ、図４Ｂの両方を参照すると、廃熱ソース１１０からの熱流体は第１ポンプ１２０によって各第１、第２熱交換器１３０、１４０の熱源導管を循環する。１つの限定されない実施例としてＲ−１３４Ｍｐａの加圧液相冷媒は、１つの限定されない実施例として、１．５−２．５ＭＰａに加圧され、第２ポンプ１２５により第１熱交換器１３０の熱受け導管へ送られる。第１熱交換器１３０の熱受け導管に入る液相冷媒の圧力は図１Ａの廃熱駆動冷却サイクルの圧力と同じである必要はなく、図示の実施例においてはより低いことに留意されたい。
第１三方バルブ１５０は制御要素１００に応答して望ましくは第１熱交換器１３０の熱受け導管を出てくる加圧液相冷媒の全てを第２熱交換器１４０の熱受け導管の入力へ送りだすように設定される。加圧液相冷媒はこのように第１、第２熱交換器１３０、１４０の作用によりプロセス２０００に示すように過熱した気相状態へ加熱される。１つの限定されない実施例において、第１熱交換器１３０の熱受け導管を出てくる加圧液相冷媒の温度は５０−７０℃であり、サブクール液相状態を表している。サブクール冷媒はその後第２熱交換器１４０によって加熱され、第２熱交換器１４０の熱受け導管を出てくる加圧液相冷媒の温度は圧力に応じて７０−８５℃となり、上述した過熱した気相状態を表している。第１、第２ポンプ１２０、１２５の動作パラメータは第２熱交換器１４０を出てくる加圧液相冷媒が望ましい過熱した気相状態を維持するように制御要素１００により制御される。
第２熱交換器１４０の熱受け導管を出てくる過熱した気相状態冷媒はガスタービン、又はスクロール、又はスクリュー膨張器として限定されることなく実施される第１膨張器１６０へ送られて冷媒を膨張させ、それによりプロセス２０１０に示すように、冷媒の圧力と温度を減少させると共に、冷媒を僅かに過熱した気相状態に維持し、蒸発器２００と共に使用するのに適当な温度に維持する。過熱した気相状態冷媒はさらに駆動部材１８０を回転させる機械的作用を生成するが、この機械的作用はこのシステムには使われず好ましくは機械クラッチ（図示せず）により廃棄される。制御要素１００は第１膨張器１６０の動作を望ましい圧力や温度を出力するように制御するよう作動する。１つの限定されない実施例では、廃熱駆動熱サイクルにおける第１膨張器１６０の望ましい出力温度は約３０−４５℃である。
第１膨張器１６０の出力は第２三方バルブ１５０を介して蒸発器２００へ送られ、蒸発器２００は廃熱駆動熱サイクルでは冷却器として機能する。特に蒸発器２００に入る僅かに過熱した気相状態冷媒は蒸発器２００の周囲の空気へ熱を伝え、周囲空間を熱しながらプロセス２０２０に示すように相を液相状態へと変える冷媒を冷却する。蒸発器２００を出てくる液相冷媒は第１四方バルブ２１０を介して第２ポンプ１２５へと運ばれ、プロセス２０３０に示すように圧力を高められて、サイクルが終了する。このように、１つの限定されない実施例において、第２ポンプ１２５は液相冷媒の圧力を１.５−２.５ＭＰａの圧力へと押し上げる働きをする。
廃熱駆動熱サイクルのＣＯＰは、式１に関して上記のようにＣＯＰを計算する場合、２．５よりも大きくなる。
図５は更に廃熱駆動熱サイクルを提供するように構成される図２Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。第１三方バルブ１５０の第３栓とサブクール熱交換器２８０の入力、サブクール熱交換器２８０の出力と第２膨張器１７０の入力、第２膨張器１７０の出力と蒸発器２００の入力、第２三方バルブ１５０の第２栓と第２四方バルブ２１０の第１栓、第１四方バルブ２１０の第２栓と第１圧縮器２２０の入力、第１四方バルブ２１０の第３栓と第２圧縮器２３０の入力、第２圧縮器２３０の出力と第２四方バルブ２１０の第２栓、第１圧縮器２２０の出力と第２四方バルブ２１０の第３栓、冷却器２５０の入力と第２四方バルブ２１０の第４栓、冷却器２５０の出力と第３三方バルブ１５０の第１栓、第３三方バルブ１５０の第３栓と膨張バルブ１９０の入力、及び膨張バルブ１９０の出力と蒸発器２００の入力それぞれの間の接続は、それらは図５の廃熱駆動熱サイクルでは使われないので、破線で図示される。簡略化するために、図１Ａに関連して説明したように、第１、第２膨張器１６０、１７０は圧縮器２２０を駆動する駆動部材１８０を共有するように図示するが、それに限定することを何ら意味するものではない。別の実施例では、第１、第２膨張１６０、１７０それぞれは本発明範囲を逸脱することなく、個々の圧縮器にそれぞれが対応する各駆動部材を駆動する。
図５の装置の動作は冷媒が唯一の熱交換器即ち熱交換器１４０を介して加熱される点を除けば図４Ｂと共に上述した図４Ａの装置の動作に全ての面で類似している。従って、簡略化のため、さらなる説明を省略する。
図６は更に追加パワー駆動冷却サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。１つの限定されない実施例では、追加パワーは電源２４０に接続されるように図示される電力である。第１ポンプ１２０と廃熱 ソース１１０、第１熱交換器１３０と第２熱交換器１４０、第２ポンプ１２５の出力と第１熱交換器１３０の熱受け導管の第１端部、第１ 熱交換器１３０の熱受け導管の第２端部と第１三方バルブ１５０の第１栓、第１三方バルブ１５０の第２栓と第２熱交換器１４０の熱受け導管の第１端部、第２熱交換器１４０の熱受け導管の第２端部と第１膨張器１６０の入力、第１三方バルブ１５０の第３栓と第２膨張器１７０の入力、第２膨張器１７０の出力と蒸発器２００の入力、第１膨張器１６０の出力と第２三方バルブ１５０の第１栓、第２三方バルブ１５０の第２栓と第２四方バルブ２１０の第１栓、第２三方バルブ１５０の第３栓と蒸発器２００の入力、第１四方バルブ２１０の第２栓と第１圧縮器２２０の入力、第１四方バルブ２１０の第４栓と第２ポンプ１２５の入力、第１圧縮器２２０の出力と第２四方バルブ２１０の第３栓、及び第２ポンプ１２５の入力と第３三方バルブ１５０の第２栓それぞれの間の接続は、それらは図６の追加パワー駆動冷却サイクルでは使われないので、破線で図示される。
追加電源２４０は送電線による電源であっても良いし、バッテリー電源であっても良く限定されない。図６の追加パワー駆動冷却サイクルの動作は一般的な空調冷却サイクルとあらゆる面で類似しており、従って簡略化のためさらなる説明を省くことに留意されたい。
図７は更に追加パワー駆動熱サイクルを提供するように構成される図１Ａの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。１つの限定されない実施例では、追加パワーは電力である。図１Ａの装置で示されなかったいくつかの要素が追加されているが、これらの要素は適当なバルブと共に図１Ａの装置の動作に影響を及ぼすことなく図１Ａの装置に追加できることに留意されたい。図７の装置は、制御要素１００、太陽熱収集器として限定することなく図示する廃熱ソース１１０、第１ポンプ１２０、第２ポンプ１２５、第１熱交換器１３０、第２熱交換器１４０、第１、第２、第３三方バルブ１５０、第１膨張器１６０、第２膨張器１７０、駆動部材１８０、膨張バルブ１９０、蒸発器２００、第１、第２四方バルブ２１０、第１圧縮器２２０、第２圧縮器２３０、追加電源２４０、冷却器２５０、膨張バルブ２６０、及びニ方バルブ２７０を含んでいる。第１圧縮器２２０及び第２圧縮器 ２３０は共に圧縮器ユニット２３５を形成する。第１ポンプ１２０は、限定されない１つの実施例において、水とエチレングリコール混合液で構成する作動熱輸送流体を駆動し、閉ループに接続される廃熱ソース１１０及び第１、第２熱交換器１３０、１４０のそれぞれの熱源導管を通るように構成される。閉ループの接続は図６の追加パワー駆動冷却サイクルでは使われないので、破線で図示される。好ましくは、第１、第２熱交換器１３０、１４０の熱源導管は直列に接続される。しかしながら、直列接続は直接接続である必要はなく、発明の範囲を逸脱することなくバイパス導管やバルブを追加して設けても良い。
制御要素１００の個々の出力は第１、第２、第３の三方バルブ１５０の各制御入力、第１、第２の四方バルブ２１０の各制御入力、追加電源２４０の制御入力、第１ポンプ１２０の制御入力、第２ポンプ１２５の制御入力及びニ方バルブ２７０の制御入力に接続される。制御要素１００はさらに当業者にとっては既知の様々の温度、圧力センサー（図示せず）からの入力を受信するように構成される。第２ポンプ１２５の出力は第１熱交換器１３０の熱受け導管の第１端部に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第１ 熱交換器１３０の熱受け導管の第２端部は第１の三方バルブ１５０の第１栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第１三方バルブ１５０の第２栓は第２ 熱交換器１４０の熱受け導管の第１端部に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第２熱交換器１４０の熱受け導管の第２端部は第１膨張器１６０の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第１三方バルブ１５０の第３栓は第２膨張器１７０の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。そして第２膨張器１７０の出力は蒸発器２００の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。
第１膨張器１６０の出力は第２三方バルブ１５０の第１栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第２三方バルブ１５０の第２栓は第２四方バルブの第１栓に接続され、第２三方バルブ１５０の第３栓は蒸発器２００の入力に接続される。第２膨張器１７０及び第１膨張器１６０は駆動部材１８０を第１圧縮器２２０と共有する。蒸発器２００の出力は第１四方バルブ２１０の第１栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第１四方バルブ２１０の第２栓は第１圧縮器２２０の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。そして第１四方バルブ２１０の第３栓は第２圧縮器２３０の入力に接続される。追加電源２４０の出力は第２圧縮器２３０のパワー入力に接続される。第２圧縮器２３０の出力は第２四方バルブ２１０の第２栓へ接続され、第１圧縮器２２０の出力は第２四方バルブ２１０の第３栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。そして冷却器２５０の入力は第２四方バルブ２１０の第４栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。冷却器２５０の入力はさらに膨張バルブ２６０の出力に接続される。冷却器２５０の出力は第３三方バルブ１５０の第１栓に接続され、第２ポンプ１２５ の入力は第３三方バルブ１５０の第２栓に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。そして第３三方バルブ１５０の第３栓は膨張バルブ１９０の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。第３三方バルブ１５０の第２栓はさらに第１四方バルブ２１０の第４栓に接続される。膨張バルブ１９０の出力は蒸発器２００の入力に接続され、その接続は図７の追加パワー駆動熱サイクルには使用されないので、破線で図示される。膨張バルブ２６０の第２端部は二方バルブ２７０の第１栓に接続され、二方バルブ２７０の第２栓は蒸発器２００の出力に接続される。
追加電源２４０は送電線電力を表わしても良いし、バッテリー電力であっても良く限定されない。図７の追加パワー駆動冷却サイクルの動作は、冷却器２５０が蒸発器として働く一般的な空調熱モードサイクルとあらゆる面で類似しており、従って簡略化のためさらに詳細な説明を省くことに留意されたい。
図８Ａは単一の膨張器のみを利用する図２Aの装置の代表的実施例の高レベルブロック図を表す。第１三方バルブ１５０の第３栓とサブクール熱交換器 ２８０の入力、サブクール熱交換器２８０の出力と第２膨張器１７０の入力、第２膨張器１７０の出力と蒸発器２００の入力、第２三方バルブ１５０の第３栓と蒸発器２００の入力、そして第１四方バルブ２１０の第４栓と第２ポンプ１２５の入力のそれぞれの間の接続は、それらは図８Ａの廃熱駆動冷却サイクルには使用されないので破線で図示される。第２膨張器１７０とサブクーラー２８０は図８Ａの実施例では使用されないので、更に破線で図示される。簡略化のため、第１、第２膨張器１６０、１７０とその関連のバルブは図１Ａとの関係で上記のように説明したが、これにより何ら限定されるものではない。別の実施例では、第１、第２膨張器１６０、１７０は発明範囲を逸脱することなく各圧縮器に対応する個別の駆動部材を駆動する。
図８Ｂは図８Ａの廃熱駆動冷却サイクルの圧力エンタルピー 図を表し、その中でＸ軸はエンタルピーをＹ軸は圧力を表す。領域９００は冷媒の湿り蒸気領域を表す。
動作において、図８Ａ、図８Ｂの両方を参照すると、廃熱ソース１１０からの熱流体は第１ポンプ１２０によって熱交換器１４０の熱源導管を循環する。１つの限定されない実施例としてＲ−１３４ａの加圧液相冷媒は、１つの限定されない実施例として、３−４ＭＰａに加圧され、第２ポンプ１２５により第１三方バルブ１５０へ送られる。制御要素１００は加圧液相冷媒が熱交換器１４０の熱受け導管へ入るように第１三方バルブ１５０を制御するように働き、そこで加圧液相冷媒はプロセス１０４０に示すように過熱した気相状態へ加熱される。１つの実施例では、冷媒は熱交換器１４０の熱受け導管の中で８５−１１５℃の温度まで加熱される。
熱交換器１４０の熱受け導管を出る過熱した気相状態冷媒は第１膨張器１６０へと送られる。第１膨張器１６０はガスタービン、又はスクロール、又はスクリュー膨張器としてそれに限定されることなく実施され、冷媒を膨張させるように働き、それによりプロセス１０５０に示すように、冷媒の圧力と温度を減少させると共に、冷媒を僅かに過熱した気相状態に維持し、冷媒の圧力を下記の第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力に一致する圧力へと減少させる。第１膨張器１６０はさらに機械的作用を生成するように、特に、回転力を駆動部材１８０へ付与するように働く。第１膨張器１６０の動作は制御要素１００により制御される。１つの実施例では、制御要素 １００は第１膨張器１６０の回転速度を表す入力を受信する。１つの実施例では、統合制御バルブが第１膨張器１６０の入力に設けられ、その統合制御バルブは制御要素１００に応答して動作し、第２膨張器１７０に入る冷媒の流量を調整する。別の実施例では、制御要素１００は第１、第２の三方バルブ１５０の１以上の設定を、冷媒を僅かに過熱した状態に保持し、冷媒の圧力を第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力と一致する圧力まで低減するよう調整することにより、第１膨張器１６０を制御するように作動する。
第１膨張器１６０を出てくる冷媒は冷却器２５０へ送られ、プロセス１０７０に示されるように液相状態へ凝縮される。冷却器２５０を出る液相冷媒の一部は第２ポンプ１２５へ送られ、プロセス１０８０に示すように圧力を高められる。冷却器２５０を出てくる液相冷媒の残りの部分は膨張バルブ１９０へ送られ、そこでプロセス１１００に示すように膨張する。１つの実施例において、膨張バルブ１９０は液相冷媒の一部を気相状態へと変換するように作動する。膨張バルブ１９０の出力は蒸発器２００へと送られ、そこでプロセス１０２０に示すように完全に蒸発し、周囲の空間を冷却する。
蒸発器２００の出力は第１四方バルブ２１０により分割され、蒸発器２００の出力の第１部分は第１圧縮器２２０の入力へ加えられ、蒸発器２００の出力の第２部分は第２圧縮器２３０の入力へ加えられる。第１圧縮器２２０へ加えられる第１部分の第２圧縮器２３０へ加えられる第２部分に対する比率は駆動部材１８０から利用可能となるパワーに応答して制御要素１００により決定される。第１、第２圧縮器２２０、２３０はそれぞれプロセス１０３０及び１０３０Ａに示すように、蒸発器２００より受取る膨張した気相冷媒を僅かに過熱した気相状態まで圧縮するように作動する。１つの限定されない実施例において、わずかに過熱した気相状態は４０−５５℃の温度である。
第２四方バルブ２１０は前述のように一致する圧力である第１、第２圧縮器２２０、２３０の出力と第２三方バルブ１５０を介して第１ 膨張器１６０の出力を受取り、プロセス１０６０に示すように、流れを混合して統一された温度、圧力を示す組み合わされた蒸気を作り、蒸気状態に組み合わされた冷媒を冷却器２５０の入力へ送るように作動する。冷却器 ２５０は望ましくは周囲の空気や他の冷却ソースと共同して、受取った組合せ冷媒をプロセス１０７０に示すように液相状に凝縮する。冷却器２５０を出る液相状態の冷媒の一部は第３三方バルブ１５０を介して第２ポンプ１２５へ運ばれ、プロセス１０８０に示すように圧力を高められてサイクルが終了する。このように、１つの限定されない実施例において、第２ポンプ１２５は液相冷媒の圧力を３−４ＭＰａの圧力へと押し上げる働きをする。冷却器２５０を出る液相状の冷媒の残りは前述のように膨張バルブ １９０へ送られる。
従って、膨張バルブ１９０は付加的な機械的作用をもたらすことなく、図１Ａの相組合せ２元廃熱駆動冷却サイクルにおける、及び図２Ａの相組合せ廃熱駆動冷却サイクルにおける上記第２膨張器１７０の膨張機能を果たす。従って、効率は低下するが、第２膨張器１７０のコストは削減される。
このように、本実施例は望ましくは気相膨張器を用いて、さらに望ましくは追加の液相膨張器と共同で、ＣＯＰを向上させて廃熱から空調を提供することを可能にする。十分な廃熱が得られない場合は、追加の電源と共に動作させることができるフレキシブルな構成を示している。
本発明のいくつかの特徴は明確化するために別々の実施例の中で説明したが、１つの実施例の中に組み合わせて設けることも可能である。逆に、簡略化のために、単一の実施例の中で説明した本発明の様々な特徴は、別々にあるいは適当なサブコンビネーションにより提供しても良い。
他に定義をしない限り、ここで用いる技術用語や科学用語はこの出願が属する分野の当業者が共通に理解する用語と同じ意味を有する。ここに述べた方法に類似の又は同等の方法を本発明を実施もしくは試験するうえで使用することができるが、ここでは適切な方法を記載した。
ここに述べた全ての刊行物、特許出願、特許、その他の資料の全てはその全体を参照することにより本願に組み込まれる。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が優先する。さらに、材料や方法や事例は説明だけのためであり、それらに限定することはない。
ここで用いる用語の“ｉｎｃｌｕｄｅ”（含む）、“ｃｏｍｐｒｉｓｅ”（含む、からなる）そして“ｈａｖｅ”（有する）及びそれに類似の用語は“含むが必ずしもそれに限定されない”ことを意味する。用語の“ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ”（接続される）は直接接続には限定されず具体的には中間デバイスを介する接続が含まれる。
本発明は具体的にこれまで図示し記載したものに限定されないことは当業者によって理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は添付のクレームにより範囲が定まり、これまで述べた様々な特徴の組合せとサブコンビネーションの両方、及び当業者が上記説明を読むことにより想起するその変形例や修正を含む。

Claims (24)

  1. 制御要素と、
    第１熱交換器と、
    過熱した気相状態の冷媒に応答して機械的作用を生成するように構成した第１膨張器と、
    前記第１膨張器により生成された前記機械的作用に少なくとも部分的に応答して駆動される圧縮器ユニットと、
    冷却器と、
    蒸発器と、
    中を流れる冷媒を加熱するように構成される第２熱交換器と、
    液相状態の冷媒に応答して機械的作用を生成するように構成された第２膨張器であって、前記第２膨張器により生成された前記機械的作用に少なくとも部分的に応答して前記圧縮器ユニットをさらに駆動するように構成された第２膨張器と、
    を含み、
    廃熱冷却モードにおいて、前記制御要素は、
    前記冷却器の出力の第１部分を前記第１熱交換器へ送り、
    前記冷却器の出力の第２膨張部分を前記蒸発器へ送り、
    前記蒸発器の出力を前記圧縮器ユニットへ送り、
    前記圧縮器ユニットの圧縮出力を前記冷却器の入力へ送り、
    前記冷却器の出力の第２部分を前記第２熱交換器へ送り、
    前記冷却器の出力の第２部分を前記第２熱交換器の出力から気相状態で前記第１膨張器へ送り、
    前記第１膨張器の出力を前記冷却器へ送り、
    前記第２膨張器の出力を前記蒸発器の入力へ送り、それにより第２膨張部分を前記蒸発器へ送る、
    ように構成されることを特徴とする空調を提供するように作動する装置。
  2. 前記圧縮器ユニットは前記第１膨張器と前記第２膨張器により生成された前記機械的作用に応答するように作動する第１圧縮器と追加パワー駆動圧縮器とを含み、追加パワーソース支援廃熱冷却モードにおいて、前記制御要素は、
    前記蒸発器により送られた前記出力の第１部分を前記第１圧縮器へ送り、
    前記蒸発器により送られた前記出力の第２部分を前記追加パワー駆動圧縮器へ送り、
    前記圧縮器ユニットにより送られた前記圧縮出力は前記第１圧縮器の出力及び前記追加パワー駆動圧縮器の出力とを含む、
    ように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 廃熱冷却モードにおいて、前記第１膨張器の出力の圧力は前記圧縮器ユニットの出力の圧力に調和することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器は単一の廃熱ソースからの熱を輸送するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 前記廃熱ソースは太陽熱収集器であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 前記制御要素に応答するポンプをさらに含み、廃熱冷却モードにおいて前記制御要素は前記冷媒を前記ポンプを介して前記第１熱交換器へ輸送することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. 前記制御要素に応答するポンプをさらに含み、廃熱駆動暖房モードにおいて、前記制御要素は、
    冷媒を前記ポンプを介して前記第１熱交換器へ輸送し、
    前記第１熱交換器を出てくる冷媒を前記第２熱交換器へ送り、
    前記第２熱交換器の出力を前記第１膨張器の入力へ送り、
    前記第１膨張器の出力を前記蒸発器の入力へ送り、
    前記蒸発器の出力を前記ポンプの入力へ送る、
    ように配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 前記第１熱交換器は中を流れる冷媒の前記第１部分を冷却する、
    ように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  9. 前記第１膨張器の出力の圧力は前記圧縮器ユニットの出力の圧力に調和することを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 前記第２熱交換器は太陽熱収集器からの熱を輸送するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  11. 前記制御要素に応答するポンプをさらに含み、廃熱駆動暖房モードにおいて前記制御要素は、
    前記蒸発器の出力を前記ポンプを介して前記第２熱交換器へ送り、
    前記第２熱交換器の出力を前記第１膨張器へ送り、
    前記第１膨張器の出力を前記蒸発器の入力へ送る、
    ように構成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  12. 膨張バルブをさらに含み、追加パワー駆動冷却モードにおいて前記制御要素は、
    前記蒸発器の出力を前記圧縮器ユニットの入力へ送り、
    前記圧縮器ユニットの出力を前記冷却器の入力へ送り、
    前記冷却器の出力を前記膨張バルブを介して前記蒸発器へ送る、
    ように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  13. 膨張バルブをさらに含み、追加パワー駆動暖房モードにおいて 前記制御要素は、
    前記冷却器出力を前記圧縮器ユニット入力へ送り、
    前記圧縮器ユニット出力を前記蒸発器入力へ送り、
    前記蒸発器出力を前記膨張バルブを介して前記冷却器入力へ送る、
    ように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  14. 廃熱冷却モードを含み、該廃熱冷却モードは、
    冷媒を液相状態で提供し、
    前記提供される冷媒の第１部分を廃熱ソースに応答して気相状態へ加熱し、
    前記提供された冷媒の前記気相状態に加熱された第１部分を膨張させて第１の機械的作用を生成し、
    液相状態で前記提供された冷媒の第２部分を膨張させて第２の機械的作用を生成し、
    前記提供された冷媒の前記膨張された第２部分を蒸発させて冷房を提供し、
    前記生成した第１及び第２の機械的作用に応答して前記提供された冷媒の前記蒸発した第２部分を少なくとも部分的に圧縮し、
    前記圧縮した第２部分と前記膨張した第１部分とを液相へ凝縮する、
    ことを含む空調を提供する方法。
  15. 前記圧縮はさらに追加電源に応答することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 前記提供された冷媒の加熱された前記気相状態の第１部分は、前記圧縮された蒸発した第２部分の圧力と一致する圧力まで膨張することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. 前記凝縮された液相状態冷媒を加圧することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  18. 前記廃熱冷却モードは相組合せ２元廃熱冷却モードから構成され、相組合せ２元廃熱冷却モードはさらに、
    前記提供された冷媒の前記第２部分を液相に維持しながら前記提供された冷媒の前記第２部分を加熱し、
    前記第２部分の前記膨張するのは前記加熱された第２部分であり、
    前記蒸発するのは前記膨張し加熱された第２部分である、
    ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
  19. 前記第１部分を加熱し前記第２部分を加熱することは単一の廃熱ソースに応答することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 前記廃熱ソースは太陽熱収集器であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  21. 前記廃熱冷却モードは相組合せ廃熱冷却モードから構成され、相組合せ廃熱冷却モードはさらに、
    前記提供された冷媒の前記第２部分を冷却し、
    前記第２部分の前記膨張するのは前記冷却された第２部分であり、
    前記圧縮することは前記膨張し冷却された第２部分である、
    ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
  22. 廃熱駆動暖房モードをさらに含み、該廃熱駆動暖房モードは、
    前記提供された冷媒を気相状態へ加熱し、
    前記気相状態の冷媒を膨張させ、
    前記膨張した気相状態の冷媒を凝縮しそれにより暖房を提供する、
    ことを含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
  23. 追加パワー駆動冷却モードをさらに含み、該追加パワー駆動冷却モードは、
    前記提供された気相状態の冷媒を追加パワーソースに応答して圧縮し、
    前記圧縮された気相状態の冷媒を液相状態へ凝縮し、
    前記液相状態の冷媒を膨張させ、
    前記膨張した冷媒を気相状態へ蒸発させそれにより冷房を提供する、
    ことを含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
  24. 追加パワー駆動暖房モードをさらに含み、該追加パワー駆動暖房モードは、
    前記提供された気相状態の冷媒を追加パワーソースに応答して圧縮し、
    前記圧縮された気相状態の提供された冷媒を液相状態へ凝縮しそれにより暖房を提供し、
    前記液相状態の提供された冷媒を膨張させ、
    前記膨張した液相状態の提供された冷媒を気相状態へ蒸発させる、
    ことを含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
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