JP6888079B2 - 熱力学サイクル装置及び熱力学サイクル方法 - Google Patents
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Description
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受け取った第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、該第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と、
を備える、第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、該第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受け取った第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える、第2の熱力学回路と、
(vi)補助熱が前記第1の加圧蒸気の生成に寄与できるように、前記第1の熱力学回路に熱的に接続される補助熱入力手段と、
(vii)前記第2の作動流体が補助ヒートシンクに熱を逃がすことができるように、前記第2の熱力学回路に熱的に接続される補助熱出力手段と
を備え、
前記第1の熱力学回路は前記第2の熱力学回路から熱的に独立しており、該装置は、充填モード(charging mode)、貯蔵モード(storage mode)及び放出モード(discharge mode)において動作可能であり、
前記充填モードでは、前記ヒートポンプにエネルギーが加えられて、前記第1の貯蔵媒体が冷却され、前記第2の貯蔵媒体が加熱され、
前記貯蔵モードでは、冷却された第1の貯蔵媒体が前記第1のリザーバに貯蔵され、加熱された第2の貯蔵媒体が前記第2のリザーバに貯蔵され、
前記放出モードでは、前記第1の加圧蒸気が前記第1の膨張器によって膨張し、及び/又は前記第2の加圧蒸気が前記第2の膨張器によって膨張する、熱力学サイクル装置が提供される。
(a)熱力学回路サイクル装置を設けるステップであって、該熱力学回路サイクル装置は、
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受け取った第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、該第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と
を備える、第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、該第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受け取った第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える、第2の熱力学回路と
を備える、ステップと、
(b)前記ヒートポンプにエネルギーを加えて、前記第1の貯蔵媒体を冷却し、前記第2の貯蔵媒体を加熱することによって、前記装置を充填モードにおいて動作させるステップと、
(c)冷却された第1の貯蔵媒体を前記第1のリザーバ内に貯蔵し、加熱された第2の貯蔵媒体を前記第2のリザーバ内に貯蔵することによって前記装置を貯蔵モードにおいて動作させるステップと、
(d)補助熱源を使用して、前記第1の蒸発器において前記第1の加圧蒸気を生成し、前記第1の膨張器で前記第1の加圧蒸気を膨張させ、前記第1の凝縮器において前記第1の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第1の放出モードにおいて動作させるステップと、
(e)前記第2のリザーバからの熱を使用して、前記第2の蒸発器において前記第2の加圧蒸気を生成し、前記第2の加圧蒸気を膨張させ、補助ヒートシンクを使用して、前記第2の凝縮器において前記第2の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第2の放出モードにおいて動作させるステップと
を含み、
ステップ(d)及び(e)は同時に、かつ互いに独立して実行可能である、方法が提供される。
充填モード(チャージモード)では、ヒートポンプ1にエネルギーが与えられ、第1のリザーバ2内の第1の貯蔵媒体が冷却され、第2のリザーバ3内の第2の貯蔵媒体が加熱される。すなわち、ヒートポンプ1を動作させるためにエネルギー(例えば、電気及び/又は機械)が与えられる。ヒートポンプ1に与えられるエネルギーは、装置100によって貯蔵されることになるエネルギーである。
貯蔵モード(ストレージモード)では、冷却された第1の貯蔵媒体が第1のリザーバ内に貯蔵され、加熱された第2の貯蔵媒体が第2のリザーバ内に貯蔵される。第1のリザーバ2及び/又は第2のリザーバ3は、貯蔵モードにおいて該リザーバからの熱損失を低減するために断熱することができる。
放出モード(ディスチャージモード)では、第1の加圧蒸気が第1の膨張器6によって膨張し、及び/又は第2の加圧蒸気が第2の膨張器11によって膨張する。
このようにして、充填モードにおいて熱力学サイクル装置100にエネルギーを入力することができ、貯蔵モードにおいてエネルギーを貯蔵することができ、必要とされるときに、第1の膨張器6及び第2の膨張器11の一方又は両方を動作させることによって、放出モードにおいて放出を行うことができる。すなわち、第1の放出モードは、(第1の熱力学回路4、詳細には、第1の膨張器6を動作させて)第1のリザーバ2からの放出を可能にする場合があり、第2の放出モードは、(第2の熱力学回路5、詳細には、第2の膨張器11を動作させて)第2のリザーバからの放出を可能にする場合があり、第1の放出モード及び第2の放出モードは一緒に、又は互いに別々に動作する場合がある。第1の膨張器6及び/又は第2の膨張器11が膨張器発電機である場合には、装置100から電気エネルギーを再生することができる。代替の実施形態では、エネルギーは異なる形(例えば、機械エネルギー)で再生することができる。
なお、特願2019−510320の出願当初の特許請求の範囲は以下のとおりである。
[請求項1]
熱力学サイクル装置であって、
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の、第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受けた第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、前記第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と
を備える第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の、第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、前記第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受けた第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える第2の熱力学回路と、
(vi)前記第1の熱力学回路に熱的に接続され、補助熱が前記第1の加圧蒸気の生成に寄与できるようにする補助熱入力手段と、
(vii)前記第2の熱力学回路に熱的に接続され、前記第2の作動流体から補助ヒートシンクへと熱を逃がすことができるようにする補助熱出力手段と
を備え、
前記第1の熱力学回路は前記第2の熱力学回路から熱的に独立しており、前記装置は、充填モードと貯蔵モードと放出モードとにおいて動作可能であり、
前記充填モードでは、前記ヒートポンプにエネルギーが加えられて、前記第1の貯蔵媒体が冷却され、前記第2の貯蔵媒体が加熱され、
前記貯蔵モードでは、冷却された第1の貯蔵媒体が前記第1のリザーバに貯蔵され、加熱された第2の貯蔵媒体が前記第2のリザーバに貯蔵され、
前記放出モードでは、前記第1の加圧蒸気が前記第1の膨張器により膨張し、及び/又は前記第2の加圧蒸気が前記第2の膨張器により膨張する、
熱力学サイクル装置。
[請求項2]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関を含む、請求項1に記載の装置。
[請求項3]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含む、請求項1又は2に記載の装置。
[請求項4]
前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第1の作動流体又は第2の作動流体を循環させるポンプを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。
[請求項5]
前記第1の凝縮器は前記第1の熱力学回路内のポンプを介して、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与え、及び/又は前記第2の凝縮器は前記第2の熱力学回路内のポンプを介して、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える、請求項4に記載の装置。
[請求項6]
前記第1の熱力学回路内のポンプと前記第2の熱力学回路内のポンプとのいずれか又は両方は、遠心ポンプと、スライディングベーンポンプと、ジェロータポンプと、ジェローラポンプと、ギアポンプと、ダイヤフラムポンプと、ピストンポンプと、プランジャポンプと、蠕動ポンプと、ローブポンプとから選択される、請求項3又は4に記載の装置。
[請求項7]
複数のポンプを備え、前記複数のポンプは共通のシャフトに取り付けられる、請求項4〜6のいずれか一項に記載の装置。
[請求項8]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器の一方が前記共通のシャフトに取り付けられる、請求項7に記載の装置。
[請求項9]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器が共通のシャフトに取り付けられる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置。
[請求項10]
前記補助熱入力手段を介して前記補助熱を前記第1の熱力学回路に与える補助熱源を更に備える請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置。
[請求項11]
前記補助熱源は、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、空調システム又は冷凍システムから廃棄される熱と、周囲水源と、地表源と、地熱源と、太陽熱源と、太陽池と、生物活性熱源と、工業プロセスからの廃熱と、発電技術の廃熱とのうちの1つ以上を含む、請求項10に記載の装置。
[請求項12]
前記第2の熱力学回路から前記補助熱出力手段を介して熱を受け取る補助ヒートシンクを更に備える請求項1〜11のいずれか一項に記載の装置。
[請求項13]
前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、周囲水源と、地表源と、廃冷源とのうちの1つ以上を含む、請求項12に記載の装置。
[請求項14]
前記第2の熱力学回路が付加的な補助熱入力手段を備え、付加的な補助熱が前記第2の加圧蒸気の生成に寄与しうる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の装置。
[請求項15]
前記付加的な補助熱入力手段を介して前記付加的な補助熱を前記第2の熱力学回路に与える付加的な補助熱源を更に備える請求項14に記載の装置。
[請求項16]
前記第1の蒸発器と前記第1の膨張器との間に第1の過熱器を更に備え、前記第1の過熱器は前記第1の作動流体を過熱する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
[請求項17]
前記第2の蒸発器と前記第2の膨張器との間に第2の過熱器を更に備え、前記第2の過熱器は前記第2の作動流体を過熱する、請求項1〜16のいずれか一項に記載の装置。
[請求項18]
前記第2の凝縮器と前記第2の蒸発器との間に予熱器を更に備え、前記予熱器は前記第2の作動流体を加熱する、請求項1〜17のいずれか一項に記載の装置。
[請求項19]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の装置。
[請求項20]
前記ヒートポンプの低温部は、第1の熱伝達流体の第1の熱伝達回路によって前記第1のリザーバに熱結合される、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
[請求項21]
前記第1の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第1の熱伝達流体は前記第1の貯蔵媒体内に混和できないものである、請求項19を引用する請求項20に記載の装置。
[請求項22]
前記ヒートポンプの高温部は、第2の熱伝達流体の第2の熱伝達回路によって、前記第2のリザーバに熱結合される、請求項1〜21のいずれか一項に記載の装置。
[請求項23]
前記第2の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第2の熱伝達流体は前記第2の貯蔵媒体内に混和できないものである、請求項19を引用する請求項22に記載の装置。
[請求項24]
前記第1のリザーバは第3の熱伝達流体の第3の熱伝達回路によって、前記第1の熱力学回路内の凝縮器に熱結合される、請求項1〜23のいずれか一項に記載の装置。
[請求項25]
前記第3の熱伝達流体は前記第1の熱伝達流体と同じである、請求項20を引用する請求項24に記載の装置。
[請求項26]
前記第2のリザーバは、第4の熱伝達流体の第4の熱伝達回路によって、前記第2の熱力学回路内の蒸発器に熱結合される、請求項1〜25のいずれか一項に記載の装置。
[請求項27]
前記第4の熱伝達流体は前記第2の熱伝達流体と同じである、請求項22を引用する請求項26に記載の装置。
[請求項28]
前記ヒートポンプが冷媒の冷凍回路を備える、請求項1〜27のいずれか一項に記載の装置。
[請求項29]
前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを有し、
前記ヒートポンプの低温部が前記冷凍蒸発器を備え、
前記ヒートポンプの高温部が前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える、
請求項28に記載の装置。
[請求項30]
前記冷凍膨張手段が冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含む、請求項29に記載の装置。
[請求項31]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体のいずれか又は両方が、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相が変わらない液体を含む、請求項1〜30のいずれか一項に記載の装置。
[請求項32]
前記第1の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行って前記第1のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備え、及び/又は、前記第2の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行って前記第2のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制する手段を備える請求項31に記載の装置。
[請求項33]
前記第1のリザーバ及び前記第2のリザーバのいずれか又は両方が、一次側容器及び二次側容器を備える、請求項1〜32のいずれか一項に記載の装置。
[請求項34]
前記第1の貯蔵媒体は、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第1の容器から前記二次側の第1の容器へと移動可能であり、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第1の容器から前記一次側の第1の容器へと移動可能な液体である、請求項33に記載の装置。
[請求項35]
前記第2の貯蔵媒体は、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記一次側の第2の容器から前記二次側の第2の容器へと移動可能であり、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記二次側の第2の容器から前記一次側の第2の容器へと移動可能な液体である、請求項33又は34に記載の装置。
[請求項36]
前記第1のリザーバ及び前記第2のリザーバのいずれか又は両方に配置される1つ以上の熱交換器を更に備える請求項1〜35のいずれか一項に記載の装置。
[請求項37]
付加的な補助ヒートシンク手段を更に備え、前記付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが前記第1の加圧蒸気の凝縮に寄与しうるものである、請求項1〜36のいずれか一項に記載の装置。
[請求項38]
前記付加的な補助ヒートシンク手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを更に備える請求項37に記載の装置。
[請求項39]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を更に備える請求項1〜38のいずれか一項に記載の装置。
[請求項40]
前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的であって電気的若しくは機械的なエネルギー貯蔵手段を含む、請求項39に記載の装置。
[請求項41]
前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、請求項1〜40のいずれか一項に記載の装置。
[請求項42]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方が、−50℃〜200℃、又は−30℃〜100℃の温度において貯蔵される、請求項1〜41のいずれか一項に記載の装置。
[請求項43]
熱力学回路サイクル装置を動作させる方法であって、
(a)熱力学回路サイクル装置を設けるステップであって、前記熱力学回路サイクル装置は、
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の、第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受けた第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、前記第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と
を備える第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の、第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、前記第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受けた第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える第2の熱力学回路と
を有する、ステップと、
(b)前記ヒートポンプにエネルギーを加えて、前記第1の貯蔵媒体を冷却し、前記第2の貯蔵媒体を加熱することによって、前記装置を充填モードにおいて動作させるステップと、
(c)冷却された第1の貯蔵媒体を前記第1のリザーバ内に貯蔵し、加熱された第2の貯蔵媒体を前記第2のリザーバ内に貯蔵することによって、前記装置を貯蔵モードにおいて動作させるステップと、
(d)補助熱源を使用して、前記第1の蒸発器において前記第1の加圧蒸気を生成し、前記第1の膨張器により前記第1の加圧蒸気を膨張させ、前記第1の凝縮器において前記第1の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第1の放出モードにおいて動作させるステップと、
(e)前記第2のリザーバからの熱を使用して、前記第2の蒸発器において前記第2の加圧蒸気を生成し、前記第2の加圧蒸気を膨張させ、補助ヒートシンクを使用して、前記第2の凝縮器において前記第2の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第2の放出モードにおいて動作させるステップと
を含み、
ステップ(d)及び(e)は同時に、かつ互いに独立して実行可能である、方法。
[請求項44]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関を含み、前記タービンは必要に応じて、ラジアルタービン、軸流タービン又は衝動タービンとすることができる、請求項43に記載の方法。
[請求項45]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含む、請求項43又は44に記載の方法。
[請求項46]
前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第1の作動流体又は第2の作動流体を循環させるポンプを含む、請求項43〜45のいずれか一項に記載の方法。
[請求項47]
前記第1の熱力学回路内のポンプを用いて、第1の作動流体を前記第1の凝縮器から前記第1の蒸発器に与えるステップと、
前記第2の熱力学回路内のポンプを用いて、第2の作動流体を前記第2の凝縮器から前記第2の蒸発器に与えるステップと
のいずれか又は両方を含む請求項46に記載の方法。
[請求項48]
前記第1の熱力学回路内のポンプと前記第2の熱力学回路内のポンプとのいずれか又は両方は、遠心ポンプと、スライディングベーンポンプと、ジェロータポンプと、ジェローラポンプと、ギアポンプと、ダイヤフラムポンプと、ピストンポンプと、プランジャポンプと、蠕動ポンプと、ローブポンプとから選択される、請求項46又は47に記載の方法。
[請求項49]
前記装置が複数のポンプを備え、前記複数のポンプが共通のシャフトに取り付けられる、請求項46〜48のいずれか一項に記載の方法。
[請求項50]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器の一方が前記共通のシャフトに取り付けられる、請求項49に記載の方法。
[請求項51]
前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器が共通のシャフトに取り付けられる、請求項43〜48のいずれか一項に記載の方法。
[請求項52]
前記装置が、補助熱入力手段を介して前記第1の熱力学回路に補助熱を与える補助熱源を備える、請求項43〜51のいずれか一項に記載の方法。
[請求項53]
前記補助熱源は、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、空調システム又は冷凍システムから廃棄される熱と、周囲水源と、地表源と、地熱源と、太陽熱源と、太陽池と、生物活性熱源と、工業プロセスからの廃熱と、発電技術の廃熱とのうちの1つ以上を含む、請求項52に記載の方法。
[請求項54]
前記装置が補助ヒートシンクを備え、
前記補助ヒートシンクを用いて、前記第2の熱力学回路から補助熱出力手段を介して熱を受けるステップを含む請求項43〜53のいずれか一項に記載の方法。
[請求項55]
前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、周囲水源と、地表源と、廃冷源とのうちの1つ以上を含む、請求項54に記載の方法。
[請求項56]
前記第2の熱力学回路が付加的な補助熱入力手段を備え、付加的な補助熱が前記第2の加圧蒸気の生成に寄与しうる、請求項43〜55のいずれか一項に記載の方法。
[請求項57]
前記装置が付加的な補助熱源を備え、
前記補助熱源からの熱を用いて、前記充填モードと前記貯蔵モードと前記第1の放出モードと前記第2の放出モードとのいずれかにおいて前記第2の加圧蒸気の生成に寄与するステップを含む請求項56に記載の方法。
[請求項58]
前記装置が前記第1の蒸発器と前記第1の膨張器との間に第1の過熱器を備え、
前記第1の過熱器を用いて前記第1の作動流体を過熱するステップを含む請求項43〜57のいずれか一項に記載の方法。
[請求項59]
前記装置が前記第2の蒸発器と前記第2の膨張器との間に第2の過熱器を備え、
前記第2の過熱器を用いて前記第2の作動流体を過熱するステップを含む請求項43〜58のいずれか一項に記載の方法。
[請求項60]
前記装置が前記第2の凝縮器と前記第2の蒸発器との間に予熱器を備え、
前記予熱器を用いて前記第2の作動流体を加熱するステップを含む請求項43〜59のいずれか一項に記載の方法。
[請求項61]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含む、請求項43〜60のいずれか一項に記載の方法。
[請求項62]
前記第1の貯蔵媒体がカプセル化されていない材料を含み、
前記充填モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第1の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含む請求項61に記載の方法。
[請求項63]
前記第2の貯蔵媒体はカプセル化されていない材料を含み、
前記第2の放出モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第2の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含む請求項61又は62に記載の方法。
[請求項64]
前記ヒートポンプの低温部が、第1の熱伝達流体の第1の熱伝達回路によって前記第1のリザーバに熱結合される、請求項43〜63のいずれか一項に記載の方法。
[請求項65]
前記第1の貯蔵媒体が、カプセル化されていない相変化材料を含み、前記第1の熱伝達流体は前記第1の貯蔵媒体内で混和できないものである、請求項63を引用する請求項64に記載の方法。
[請求項66]
前記ヒートポンプの高温部は、第2の熱伝達流体の第2の熱伝達回路によって前記第2のリザーバに熱結合される、請求項43〜65のいずれか一項に記載の方法。
[請求項67]
前記第2の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第2の熱伝達流体は前記第2の貯蔵媒体内で混和できないものである、請求項63を引用する請求項66に記載の方法。
[請求項68]
前記第1のリザーバは、第3の熱伝達流体の第3の熱伝達回路によって前記第1の熱力学回路内の凝縮器に熱結合される、請求項43〜67のいずれか一項に記載の方法。
[請求項69]
前記第3の熱伝達流体が前記第1の熱伝達流体と同じである、請求項64を引用する請求項68に記載の方法。
[請求項70]
前記第2のリザーバは、第4の熱伝達流体の第4の熱伝達回路によって前記第2の熱力学回路内の蒸発器に熱結合される、請求項43〜69のいずれか一項に記載の方法。
[請求項71]
前記第4の熱伝達流体が前記第2の熱伝達流体と同じである、請求項66を引用する請求項70に記載の方法。
[請求項72]
前記ヒートポンプが冷媒の冷凍回路を備える、請求項43〜71のいずれか一項に記載の方法。
[請求項73]
前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを含み、
前記ヒートポンプの低温部は前記冷凍蒸発器を備え、
前記ヒートポンプの高温部は前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える、
請求項72に記載の方法。
[請求項74]
前記冷凍膨張手段が冷凍膨張弁又は冷媒膨張器を含む、請求項73に記載の方法。
[請求項75]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体のいずれか又は両方が、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相が変わらない液体を含む、請求項43〜74のいずれか一項に記載の方法。
[請求項76]
前記装置が、前記第1の貯蔵媒体又は前記第2の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行う手段を備え、
前記充填モードにおいて、前記第1の貯蔵媒体又は前記第2の貯蔵媒体の、攪拌及び再循環のいずれか又は両方を行い、前記第1のリザーバ又は前記第2のリザーバ内の温度を均等化し、層化を抑制するステップを含む請求項75に記載の方法。
[請求項77]
前記第1のリザーバ及び前記第2のリザーバのいずれか又は両方が、一次側容器及び二次側容器を備える、請求項43〜76のいずれか一項に記載の方法。
[請求項78]
前記第1の貯蔵媒体が液体であり、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第1の貯蔵媒体を前記一次側の第1の容器から前記二次側の第1の容器へと移動させるステップと、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第1の貯蔵媒体を前記二次側の第1の容器から前記一次側の第1の容器へと移動させるステップと
を含む請求項77に記載の方法。
[請求項79]
前記第2の貯蔵媒体が液体であり、
前記装置が前記充填モードにおいて動作するときに、前記第2の貯蔵媒体を前記一次側の第2の容器から前記二次側の第2の容器へと移動させるステップと、
前記装置が前記放出モードにおいて動作するときに、前記第2の貯蔵媒体を前記二次側の第2の容器から前記一次側の第2の容器へと移動させるステップと
を含む請求項77又は78に記載の方法。
[請求項80]
前記装置が、前記第1のリザーバ及び前記第2のリザーバのいずれか又は両方に配置された1つ以上の熱交換器を備える、請求項43〜79のいずれか一項に記載の方法。
[請求項81]
前記装置が付加的な補助熱出力手段を備え、
前記付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクが第1の加圧蒸気の凝縮に寄与しうる、請求項43〜80のいずれか一項に記載の方法。
[請求項82]
前記装置が前記付加的な補助熱出力手段に熱的に接続される付加的な補助ヒートシンクを備え、
前記付加的な補助ヒートシンクを用いて、前記第1の加圧蒸気の凝縮に寄与するステップを含む請求項81に記載の方法。
[請求項83]
前記第1の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第1の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第1の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第1の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項43〜82のいずれか一項に記載の方法。
[請求項84]
前記第2の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第2の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第2の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第2の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項43〜83のいずれか一項に記載の方法。
[請求項85]
前記装置が、前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を備える、請求項43〜84のいずれか一項に記載の方法。
[請求項86]
前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的であって電気的若しくは機械的なエネルギー貯蔵手段を含む、請求項85に記載の方法。
[請求項87]
前記第1の放出モード及び前記第2の放出モードのいずれか又は両方によって出力されるエネルギーが所定の量に達するまで、前記付加的なエネルギー貯蔵手段を用いて電気エネルギーの出力を提供するステップを含む請求項85又は86に記載の方法。
[請求項88]
第1の作動流体又は第2の作動流体を前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のいずれか又は両方に導入する前に、前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のいずれか又は両方を駆動するステップを含む請求項43〜87のいずれか一項に記載の方法。
[請求項89]
前記装置が、前記第1の膨張器の入力に接続される第1の配管を備え、
前記第1の放出モードの動作前にガス状の第1の作動流体により前記第1の配管を加圧するステップを含む請求項43〜88のいずれか一項に記載の方法。
[請求項90]
前記装置が、前記第2の膨張器の入力に接続される第2の配管を備え、
前記第2の放出モードの動作前にガス状の第2の作動流体により前記第2の配管を加圧するステップを含む請求項43〜89のいずれか一項に記載の方法。
[請求項91]
前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、請求項43〜90のいずれか一項に記載の方法。
[請求項92]
前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方を、前記貯蔵モードにおいて−50℃〜200℃の温度、又は−30℃〜100℃の温度において貯蔵するステップを含む請求項43〜91のいずれか一項に記載の方法。
[請求項93]
添付の図面を参照してこれまでに実質的に示した装置又は方法。
Claims (27)
- 熱力学サイクル装置であって、
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の、第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受けた第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、前記第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と
を備える第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の、第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、前記第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受けた第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える第2の熱力学回路と、
(vi)前記第1の熱力学回路に熱的に接続され、補助熱が前記第1の加圧蒸気の生成に寄与できるようにする補助熱入力手段と、
(vii)前記第2の熱力学回路に熱的に接続され、前記第2の作動流体から補助ヒートシンクへと熱を逃がすことができるようにする補助熱出力手段と
を備え、
前記第1の熱力学回路は前記第2の熱力学回路から熱的に独立しており、前記装置は、充填モードと貯蔵モードと放出モードとにおいて動作可能であり、
前記充填モードでは、前記ヒートポンプにエネルギーが加えられて、前記第1の貯蔵媒体が冷却され、前記第2の貯蔵媒体が加熱され、
前記貯蔵モードでは、冷却された第1の貯蔵媒体が前記第1のリザーバに貯蔵され、加熱された第2の貯蔵媒体が前記第2のリザーバに貯蔵され、
前記放出モードでは、前記第1の加圧蒸気が前記第1の膨張器により膨張し、及び/又は前記第2の加圧蒸気が前記第2の膨張器により膨張する、
熱力学サイクル装置。 - 前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、タービン、スクロール膨張器、スクリュー膨張器、テスラタービン又は往復機関を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のうちの一方又は両方が、発電するための膨張器発電機を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路のうちの一方又は両方が、第1の作動流体又は第2の作動流体を循環させるポンプを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記補助熱入力手段を介して前記補助熱を前記第1の熱力学回路に与える補助熱源を更に備え、
前記補助熱源は、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、空調システム又は冷凍システムから廃棄される熱と、周囲水源と、地表源と、地熱源と、太陽熱源と、太陽池と、生物活性熱源と、工業プロセスからの廃熱と、発電技術の廃熱とのうちの1つ以上を含んでいてもよい、請求項1に記載の装置。 - 前記第2の熱力学回路から前記補助熱出力手段を介して熱を受け取る補助ヒートシンクを更に備え、
前記補助ヒートシンクは、外部環境空気源と、建物内部からの空気源と、周囲水源と、地表源と、廃冷源とのうちの1つ以上を含んでいてもよい、請求項1に記載の装置。 - 前記第2の熱力学回路が付加的な補助熱入力手段を備え、付加的な補助熱が前記第2の加圧蒸気の生成に寄与しうる、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の蒸発器と前記第1の膨張器との間に第1の過熱器を更に備え、前記第1の過熱器は前記第1の作動流体を過熱する、請求項1に記載の装置。
- 前記第2の蒸発器と前記第2の膨張器との間に第2の過熱器を更に備え、前記第2の過熱器は前記第2の作動流体を過熱する、請求項1に記載の装置。
- 前記第2の凝縮器と前記第2の蒸発器との間に予熱器を更に備え、前記予熱器は前記第2の作動流体を加熱する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記ヒートポンプの低温部は、第1の熱伝達流体の第1の熱伝達回路によって前記第1のリザーバに熱結合される、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の貯蔵媒体はカプセル化されていない相変化材料を含み、前記第1の熱伝達流体は前記第1の貯蔵媒体内に混和できないものである、請求項12に記載の装置。
- 前記ヒートポンプの高温部は、第2の熱伝達流体の第2の熱伝達回路によって、前記第2のリザーバに熱結合される、請求項1に記載の装置。
- 前記第1のリザーバは第3の熱伝達流体の第3の熱伝達回路によって、前記第1の熱力学回路内の凝縮器に熱結合される、請求項1に記載の装置。
- 前記第2のリザーバは、第4の熱伝達流体の第4の熱伝達回路によって、前記第2の熱力学回路内の蒸発器に熱結合される、請求項1に記載の装置。
- 前記ヒートポンプが冷媒の冷凍回路を備え、
前記冷凍回路は、冷凍圧縮器と、冷凍蒸発器と、冷凍凝縮器又はガス冷却器と、前記冷媒を膨張させる冷凍膨張手段とを有していてもよく、
前記ヒートポンプの低温部が前記冷凍蒸発器を備え、
前記ヒートポンプの高温部が前記冷凍凝縮器又は前記ガス冷却器を備える、
請求項1に記載の装置。 - 前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体のいずれか又は両方が、前記充填モード、前記貯蔵モード及び前記放出モードのいずれかにおける前記装置の動作中に相が変わらない液体を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第1のリザーバ及び前記第2のリザーバのいずれか又は両方に配置される1つ以上の熱交換器を更に備える請求項1に記載の装置。
- 前記第1の熱力学回路及び前記第2の熱力学回路の一方又は両方が、ランキンサイクル、ローレンツサイクル又はカリーナサイクルを含む、請求項1に記載の装置。
- 熱力学回路サイクル装置を動作させる方法であって、
(a)熱力学回路サイクル装置を設けるステップであって、前記熱力学回路サイクル装置は、
(i)第1の貯蔵媒体を収容する第1のリザーバと、
(ii)第2の貯蔵媒体を収容する第2のリザーバと、
(iii)前記第1のリザーバに熱結合され、前記第1の貯蔵媒体を冷却する低温部と、前記第2のリザーバに熱結合され、前記第2の貯蔵媒体を加熱する高温部とを有するヒートポンプと、
(iv)第1の作動流体の、第1の熱力学回路であって、
前記第1の作動流体を気化させて、第1の加圧蒸気を生成する第1の蒸発器と、
前記第1の加圧蒸気を膨張させる第1の膨張器と、
前記第1の膨張器から受けた第1の作動流体を凝縮し、第1の作動流体を前記第1の蒸発器に与える第1の凝縮器であって、前記第1の凝縮器は前記第1のリザーバに熱結合される、第1の凝縮器と
を備える第1の熱力学回路と、
(v)第2の作動流体の、第2の熱力学回路であって、
前記第2の作動流体を気化させて、第2の加圧蒸気を生成する第2の蒸発器であって、前記第2の蒸発器は前記第2のリザーバに熱結合される、第2の蒸発器と、
前記第2の加圧蒸気を膨張させる第2の膨張器と、
前記第2の膨張器から受けた第2の作動流体を凝縮し、第2の作動流体を前記第2の蒸発器に与える第2の凝縮器と
を備える第2の熱力学回路と、
(vi)前記第1の熱力学回路に熱的に接続される補助熱入力手段であって、補助熱が前記第1の加圧蒸気の生成に寄与できる、補助熱入力手段と、
(vii)前記第2の熱力学回路に熱的に接続される補助熱出力手段であって、前記第2の作動流体から補助ヒートシンクへと熱を逃がすことができ、前記第1の熱力学回路は前記第2の熱力学回路から熱的に独立している、補助熱出力手段と
を有する、ステップと、
(b)前記ヒートポンプにエネルギーを加えて、前記第1の貯蔵媒体を冷却し、前記第2の貯蔵媒体を加熱することによって、前記装置を充填モードにおいて動作させるステップと、
(c)冷却された第1の貯蔵媒体を前記第1のリザーバ内に貯蔵し、加熱された第2の貯蔵媒体を前記第2のリザーバ内に貯蔵することによって、前記装置を貯蔵モードにおいて動作させるステップと、
(d)補助熱源を使用して、前記第1の蒸発器において前記第1の加圧蒸気を生成し、前記第1の膨張器により前記第1の加圧蒸気を膨張させ、前記第1の凝縮器において前記第1の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第1の放出モードにおいて動作させるステップと、
(e)前記第2のリザーバからの熱を使用して、前記第2の蒸発器において前記第2の加圧蒸気を生成し、前記第2の加圧蒸気を膨張させ、補助ヒートシンクを使用して、前記第2の凝縮器において前記第2の作動流体を凝縮することによって、前記装置を第2の放出モードにおいて動作させるステップと
を含み、
ステップ(d)及び(e)は同時に、かつ互いに独立して実行可能である、方法。 - 前記第1の貯蔵媒体及び前記第2の貯蔵媒体の一方又は両方が、カプセル化された相変化材料又はカプセル化されていない相変化材料を含み、
必要に応じて、
前記第1の貯蔵媒体がカプセル化されていない材料を含み、
前記方法は、前記充填モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第1の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含み、
及び/又は、
前記第2の貯蔵媒体はカプセル化されていない材料を含み、
前記方法は、前記第2の放出モードの動作の終了時にスラリー又は断片化可能な固体として前記第2の貯蔵媒体を貯蔵するステップを含む、
請求項21に記載の方法。 - 前記第1の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第1の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第1の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第1の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項21に記載の方法。 - 前記第2の熱力学回路がシングルパス熱交換器を備え、
前記装置を前記第2の放出モードにおいて動作させるときに、前記シングルパス熱交換器を通して前記第2の貯蔵媒体からの放出を行うステップと、その後に前記第2の貯蔵媒体が層化できるようにするステップとを含む請求項21に記載の方法。 - 前記装置が、前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器から出力されるエネルギーとは別にエネルギーを出力する付加的なエネルギー貯蔵手段を備え、
必要に応じて、
前記付加的なエネルギー貯蔵手段は、キャパシタ、電池、フライホイール又は他の非熱的であって電気的若しくは機械的なエネルギー貯蔵手段を含み、
及び/又は、
前記方法は、前記第1の放出モード及び前記第2の放出モードのいずれか又は両方によって出力されるエネルギーが所定の量に達するまで、前記付加的なエネルギー貯蔵手段を用いて電気エネルギーの出力を提供するステップを含む、
請求項21に記載の方法。 - 第1の作動流体又は第2の作動流体を前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のいずれか又は両方に導入する前に、前記第1の膨張器及び前記第2の膨張器のいずれか又は両方を駆動するステップを含む請求項21に記載の方法。
- 前記装置が、前記第1の膨張器の入力に接続される第1の配管を備え、前記方法は、前記第1の放出モードの動作前にガス状の第1の作動流体により前記第1の配管を加圧するステップを含み、
及び/又は、
前記装置が、前記第2の膨張器の入力に接続される第2の配管を備え、前記方法は、前記第2の放出モードの動作前にガス状の第2の作動流体により前記第2の配管を加圧するステップを含む、
請求項21に記載の方法。
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