(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２相の冷媒と、圧縮器／凝縮器ループと、を利用する温度制御システムであって、
当該圧縮器／凝縮器ループは、入力端子および出力端子ならびに既知の熱容量を有する負荷蒸発器からおよび負荷蒸発器へ冷媒を制御可能な温度下で循環させるための入力及び出力を有し、
当該温度制御システムは、前記２相の冷媒の異なる熱エネルギ伝達特性を利用することによりシステムの動作を促進するための補助熱交換ループを有し、
前記圧縮器／凝縮器ループの前記出力から前記負荷蒸発器の入力までの流れの間に結合された補助熱交換器であって、前記負荷蒸発器の前記既知の熱容量よりも小さい熱容量を有し、前記圧縮器／凝縮器ループからの入力を受ける流れと前記負荷蒸発器の入力に結合する前記圧縮器／凝縮器ループからの出力とを有する第１の流路を有し、前記第１の流路の長さに沿った対向流の熱交換関係にある第２の流路を有し、当該第２の流路は、前記負荷蒸発器の出力からの入力を受ける流れを有し、前記圧縮器／凝縮器ループへの前記入力に逆連結する出力の流れを供給する、補助熱交換器と、
前記補助熱交換器の前に前記第一の流路への入力を有する直列回路における少なくとも一の温度調整装置であって、前記補助熱交換器から出力し前記負荷蒸発器に入力する前記流れの温度を低下させ、前記補助熱交換器から前記蒸発器への前記流れのかさ密度を増加させることにより、前記負荷蒸発器に供給される前記冷媒の混合の液体の比率が部分的に減らされても、前記負荷蒸発器内を移動する質量の前記かさ密度が増加し前記負荷蒸発器の低効率領域における熱伝達ロスを最小限にする、温度調整装置と、
前記補助熱交換器の後であって前記蒸発器の前において前記第１の流路に配置された圧力降下装置であって、前記補助熱交換器を通る前記第１の流路と前記第２の流路との温度差が、前記負荷蒸発器の冷媒の沸騰温度と前記圧縮器に流入する冷媒の温度との温度差と同じ位となるように、前記補助熱交換器を通る前記第１及び第２の流路内の液体の対向流を動かす圧力差をもたらす、圧力降下装置と、を備え、
前記補助熱交換器は、前記２つの流路の間の熱エネルギを伝達し、前記第２の流路内を流動する前記冷媒が気体の状態で前記圧縮器／凝縮器ループへと戻るよう構成される、
温度制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記少なくとも一の温度調整装置は前記補助熱交換器の前の前記第１の流路に熱膨張装置を有し、当該熱膨張装置は、前記圧縮器への入力ライン内の圧力に反応する圧力検知装置を備えるとともに当該圧力検知装置に反応する、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記システムはさらに、前記圧縮器／凝縮器ループ内に前記蒸発器に制御可能な温度下で合成した流れを供給するためのサブシステムを備え、当該サブシステムは、前記圧縮器からの高温の気体の流れの選択された比率を供給するための第１の直接流れ制御装置と、前記凝縮器からの選択的に膨張されかつ冷却された流れを供給するための第２の派生的な流れ制御装置とを有し、当該第１の直接流れ制御装置により供給される前記比率と、前記第１および第２の流れを受けて合成された流れを前記補助熱交換器を介して前記蒸発器に供給する混合回路と、に影響される、システム。
【請求項４】
２相の冷媒の異なる熱伝達特性を使用し、冷却すべき負荷を含む蒸発器と熱的に連結している状態で、圧縮器および凝縮器を順序通りに組み込んだ動作要素の冷媒ループを備えた熱制御システムであって、前記蒸発器は、局部的な冷媒品質の変化に応じた非線形の熱伝達係数を有し、品質は、総質量に対する蒸気の質量の比率で表される、熱制御システムにおいて、
前記凝縮器と前記蒸発器の間に配置された補助熱交換ループを備え、
前記補助熱交換ループは、
一方の側では前記凝縮器を前記蒸発器に結合する第１の流路と、他方の側では前記蒸発器からの出力を前記圧縮器に結合する第２の流路と、を含む熱交換器と、
前記熱交換器出力と前記蒸発器入力との間の結合における熱膨張装置であって、当該蒸発器入力は前記蒸発器への流れの前記温度を低下させるよう選択された、熱膨張装置と、
前記熱交換器から前記圧縮器入力までの前記出力ライン内の圧力に反応する圧力検知装置であって、前記第１の流路と前記第２の流路の相互間に温度差が生じるように、前記冷媒ループにおける前記熱膨張装置の動作を制御する、圧力検知装置と、を備えた、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、前記圧力検知装置は、前記熱交換器から前記圧縮器に戻る前記冷媒の温度に応答する蒸気閉込め検知球状部を含み、前記検知球状部は、冷却サイクルで使用される前記冷媒の圧力に近づくように選ばれた蒸気圧を有するように選択された内部流体を有する、システム。
【請求項６】
請求項４に記載のシステムにおいて、前記熱交換器出力と前記蒸発器入力との間の結合における前記熱膨張装置は、前記蒸発器の過熱に近い温度変化をもたらすように選択された、システム。
【請求項７】
請求項４に記載の熱制御システムにおいて、前記冷媒システムは、凝縮後の膨張した少なくとも部分的に気相である冷却媒体と加圧された気相である同じ冷媒とを混合するためのシステムを備え、所定の熱容量の前記蒸発器に加えるために前記２つの異なる相を混合する機構を備え、前記補助熱交換ループは、前記混合機構及び前記蒸発器の間に配置された、熱制御システム。
【請求項８】
請求項４に記載のシステムにおいて、前記加圧された気相は、前記膨張した蒸気相よりも実質的に大きなエネルギ含量を有し、相対的に小さな増加の温度変化をもたらすために、前記補助熱交換ループが前記熱制御システム全体を安定化させる、システム。
【請求項９】
選択可能な流動速度に調整された供給源からの高圧高温ガスの流れと、冷媒の蒸気／流体の凝縮物に冷却された前記供給源からの派生的な残りの流れとを合成することにより、既知の熱容量の負荷蒸発器の温度を制御するために２相の冷媒を使用する圧縮／凝縮温度制御システムにおいて、
前記高温ガスの流れを変化させることにより、前記合成の前に前記派生的な流れを変化させるコマンドソースと、
前記合成された流れを前記負荷蒸発器に結合する第１の流路を有し、また前記負荷からの流れを前記圧縮／凝縮システムに戻るように結合する第２の流路を有し、前記負荷蒸発器の熱容量に対して熱容量が小さい熱交換器と、
０より大きい選択された範囲内に前記２相の冷媒の品質を維持しつつ前記負荷蒸発器を通って前記圧縮／凝縮システムへ戻る循環を確実にするために、前記蒸発器へと運ばれた前記合成された流れの圧力を選択された量だけ低下させるための、前記熱交換器と前記負荷蒸発器との間の前記第１の流路内の熱膨張装置と、
前記熱交換器から前記圧縮／凝縮システムまでの前記第２の流路の圧力に反応する圧力検知装置であって、前記第１の流路と前記第２の流路の相互間に温度差が生じるように、前記冷媒ループにおける前記熱膨張装置の動作を制御する、圧力検知装置と、を備えた、システム。
【請求項１０】
既知の熱容量を有し、その温度を制御すべき熱負荷に直接接触して流れる冷媒を使用する熱制御システムであって、
前記システムに適用可能な選択された動作温度および動作圧力の範囲内で、２相の特性および液体／ガス遷移を有する熱媒体の供給源と、
前記熱媒体を受け、第１の上昇温度および第１の上昇圧力下で圧縮されたガス出力を供給する圧縮器と、
前記圧縮されたガス出力を受け、上昇した温度下で第１の可変質量の流れを供給する第１の流れ制御装置と、
前記第１の可変質量の流れが前記第１の流れ制御装置から供給され、液体圧出力が第２の低温レベル下で残った部分から供給される際に残る、前記圧縮されたガス出力の第１の部分を受ける媒体凝縮器と、
前記媒体凝縮器からの前記液体圧出力を受け、減圧状態で選択的に冷却された膨張出力として第２の流れを供給する、外部で安定化された膨張装置を備える第２の流れ制御装置と、
前記熱媒体の前記第１及び第２の流れの間の選択された比率関係を確立するための前記第１の流れ制御装置を作動させるように結合された制御装置と、
前記第１の流れおよび第２の流れを受け、合成された出力を前記負荷に供給する混合回路と、
対向流経路、すなわち、前記混合回路からの前記合成された出力を受ける、前記第２の流れ制御装置と前記負荷との間の第１の経路と、前記負荷から戻る流れを受ける、前記負荷と前記媒体圧縮器との間の第２の経路とを有し、前記負荷の前記既知の熱容量に対して低い熱容量を有する補助熱交換器と、
前記補助熱交換器と前記負荷との間の圧力降下バルブであって、前記補助熱交換器を通る前記第１の流路と前記第２の流路との温度差が、前記熱負荷に直接接触する前記熱媒体の沸騰温度と前記圧縮器に流入する前記熱媒体の温度との温度差と同じ位となるように、制御される前記熱負荷に加えられる前記流れの圧力および温度を低下させる、圧力降下バルブと、を備えた、
熱制御システム。
【請求項１１】
２相の冷媒と、ループ内に圧縮器／凝縮器の列と、を利用する温度制御システムであって、冷却され膨張した２相の流れを前記ループ内の負荷蒸発器に供給するために前記冷媒を冷却するための膨張バルブをさらに備える温度制御システムにおいて、
前記圧縮器／凝縮器の列と前記負荷蒸発器との間の前記ループ内の補助対向流熱交換器であって、当該補助熱交換器は前記２相の状態の入力流れを前記圧縮器／凝縮器の列から第１の側の前記負荷蒸発器へ通過させ、前記第２の側の前記負荷蒸発器からの２相の状態の戻る流れを通過させ、前記補助熱交換器の熱容量は前記負荷蒸発器の熱容量よりも小さい、補助対向流熱交換器と、
前記補助熱交換器の前記第１の側の前記入力経路内の温度降下装置であって、前記第１の側と前記第２の側との温度差が、前記負荷蒸発器の冷媒の沸騰温度と前記圧縮器に流入する冷媒の温度との温度差と同じ位となるように、前記２相の冷媒が蒸発するために変化する際の割合を低減することにより、前記蒸発器を通る冷媒の流れおよび熱エネルギの伝達を確実にして前記蒸発器内の熱伝達ロスを低減するために前記２つの側の間の温度差を十分なものにする、温度降下装置と、を備え、
前記膨張バルブは、前記補助熱交換器の前の前記第１の側の経路内に結合され、前記温度降下装置は、前記補助熱交換器と前記負荷蒸発器との間の前記第１の経路内に結合され、前記蒸発する冷媒と冷却される前記負荷との間の差を近接させる温度低下をもたらす圧力降下バルブを有する、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の温度制御システムにおいて、前記膨張バルブは、前記補助熱交換器から出力される第２の経路における温度に反応するセンサを含む熱膨張バルブである、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本発明は、Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｗ．  Ｃｏｗａｎｓによる「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｖａｐｏｒ  Ｃｙｃｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する、２００７年１０月９日出願の特許仮出願第６０／９９８，０９３号明細書、および同じ発明者による「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｐｏｓｔ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｏｆ  Ｓａｔｕｒａｔｅｄ  Ｆｌｕｉｄｓ」と題する、２００８年１月２２日出願の第２の特許仮出願第６１／０１１，８６２号明細書に基づいて優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、空調、冷却、および他の温度制御用途向けのシステムなど、蒸気サイクルプロセスを利用する熱力学的なシステムおよび方法に関し、より詳細には、熱力学的なシーケンシングに対して新規な手法を使用することにより、こうしたシステムおよび方法において効率の改善を実現することに関する。
【背景技術】
【０００３】
産業および住宅での環境温度制御用の多くのシステムは、連続蒸気サイクルシーケンスを利用しており、これらのシーケンスは、広く利用されてきており、続いて多くの様々な構成へと発展してきた。通常、このようなシステムは、まず冷媒を加圧して高温気相にし、次いでこの冷媒を凝縮して、後続の制御された膨張に適切なエンタルピの液相にして、より低いターゲット温度にすることにより、適切な蒸発点を有する冷媒などの２相の流体を絶えず循環させる。このように冷却されると、通常、不活性の熱伝達流体を利用することにより、冷媒は、熱負荷に対する熱伝達の関係で流れ、その後２相の冷媒は、再度加圧され、続いて凝縮されるために、閉ループ内を循環する。
【０００４】
産業および住宅での温度制御に対するこの手法からの、意味のある逸脱が、発明者Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｗ．Ｃｏｗａｎｓらによる、最近発行された特許第７，１７８，３５３号および第７，４１５，８３５号に記載されている。この逸脱は、高温ガス加圧モードでの冷媒の流れを膨張蒸気／液体モードでの同じ冷媒の流れと合成する、新規な温度制御システムを対象とする。このシステムは、閉回路蒸気サイクル冷却システム内で、いくらかの膨張した冷媒の流れと適切な割合の加圧高温ガスとを合成する。生成された合成冷媒の流れは、熱交換器（ＨＥＸ）と同様に、熱エネルギを直接に負荷と交換することができる。このようなシステムは、熱伝達効率および経済性を改善する上で、また急速かつ精密な温度レベル変更を可能にする上で、大幅な利益を提供する。これらのシステムは、中間冷却材を必要とせず、圧力を急速に変化させることができるので、「飽和流体の直接伝達（Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｄｉｒｅｃｔ  ｏｆ  Ｓａｔｕｒａｔｅｄ  Ｆｌｕｉｄｓ）」を簡潔にＴＤＳＦと呼ぶことがあるこの手法は、多くの温度制御用途において、独特で、有効で、経済的な利点を提供する。
【０００５】
温度制御システムの幅広い分野で使用するために、様々な流体間での特別な熱交換を必要とする多くの様々な改善が提供されてきた。たとえば、Ｇｏｔｈらによる２００３年３月１０日付けの特許第６，６４４，０４８号では、制御された電磁弁を利用して、高温加圧ガスを冷たい冷媒に注入することにより、熱処理に対する熱交換関係において直接使用されている冷媒を改変するための方式を提案している。これは、起動、洗浄および他の目的などのために、より冷たい温度レベルから、より高い温度レベルにまで遷移する助けとなるように実行される。Ｇｏｔｈらの特許では、選択されたまたは可変の温度レベルでの制御を教示してはおらず、影響されやすい電子回路上への水分凝縮を回避するために、１つまたは複数のバースト状の高温ガスを加えることにより、温度レベルを増大させることに関係している。したがって、これは、ある温度範囲にわたって、精密に制御された温度レベルを生成するための基礎としては有用ではない。
【０００６】
他の特許では、特別な効果を実現するために、特別なＨＥＸを使用することを提案している。たとえば、「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｏｖｅｒ−Ｆｅｅｄｉｎｇ  Ａｉｒ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する、Ｖ．Ｃ．Ｍｅｉらの特許第５，２４５，８３３号では、アキュムレータ熱交換器内で熱が交換される「Ｌｉｑｕｉｄ  ｏｖｅｒ−ｆｅｅｄｉｎｇ」動作を開示している。この交換は、高温の液体冷媒と低温の出力冷媒との間で行われ、その後、蒸発性負荷に加えられる前に、冷却するために冷媒が膨張する。このシーケンスによって冷媒が過冷却されて、蒸発器表面のより広い部分を冷却のために使用することができるようになる。この手法のその後の変形形態が、Ｖ．Ｃ．Ｍｅｉらによる「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｏｖｅｒ−Ｆｅｅｄｉｎｇ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ−Ｅｘｐａｎｄｅｒ−Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ」と題する、特許第５，６２２，０５５号に開示されている。この変形形態では、液体冷媒のプール内に浸した毛管を使用して、冷媒をより低いレベルにまで過冷却することによって熱伝達を改善する。この手法は、特別に改変された蒸発器および交換器を有する統合蒸気サイクル構成を必要とし、既存の圧縮器／凝縮器システムを改変して、効率を改善しエネルギを節約するのには容易には適さない。
【０００７】
２つのヒートポンプ特許、すなわち、Ｆ．Ｃ．Ｃｈｅｎらによる「Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐ  ｆｏｒ  ａｎ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｄｅｆｒｏｓｔ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する、特許第５，８４５，５０２号、およびＶ．Ｃ．Ｍｅｉらによる「Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐ  Ｗａｔｅｒ  Ｈｅａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する、特許第６，２３３，９５８号において、同じ発明者チームによって、省エネルギに向けての様々な手法も開示されてきた。使用される各手段は、本質的にヒートポンプ手法が対象であり、エネルギ節約のために既存の蒸気サイクルシステムを改変することにより、どのようにして熱効率の改善がうまく実現できるのかは提案していない。
【０００８】
エネルギ需要が増大し続け、エネルギ源の使用制限に直面し続けるにつれて、現行システムの効率を改善することにより、多くのエネルギを得ることができることが次第に明らかになってきた。たとえば、空調システムのエネルギ使用における相対的に控えめな改善でさえ、こうしたシステムが経験する長期間の使用にわたって、大幅な恩恵をもたらすことがある。したがって、意味のある効率改善、エネルギコストの低減、またはその両方を実現する、基本的な蒸気サイクルシーケンスの熱力学の、経済的に実現可能ないかなる改変も、蒸気サイクルシステムに対して幅広い結果をもたらすことがある。
【０００９】
先に言及したＣｏｗａｎｓらの特許によれば、飽和流体を使用する熱エネルギを直接伝達すること（ＴＤＳＦ手法）の固有の利点により、実際大幅な利益が得られる。このようなシステムは、統合された方式で高温ガスおよび液体と混合した膨張蒸気の両方を使用するために、サイクル中の圧力／エンタルピ相互作用が、元々より複雑である蒸気サイクル構成を利用する。これら２つの流動媒体での熱交換特性間の非対称性のために、特に訂正が小さく負荷が低いときに、温度制御用途において不安定性および不正確さが生じることがある。ＴＤＳＦタイプのシステムでの内部効率の改善を達成することは有益であるが、特別な問題を残している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
冷却または熱交換に使用される蒸気サイクルシステムでの改善は、従来の蒸気サイクルを改変して、圧縮された凝縮冷媒の膨張後に追加の熱交換ステップを組み込むことによって実現される。次いで、この熱エネルギの交換は、膨張した冷媒と蒸発器からの還流との間にあり、制御された圧力降下を伴い、それによりエンハンストポスト凝縮（ＥＰＣ）をもたらす。ポスト凝縮は、蒸発器に送り込まれる冷媒の品質レベル（蒸気質量と合計質量の比）を下げ、負荷とのエネルギ交換中の有効熱伝達係数（ｈ）を上げる。この手段は、蒸発器を通って移動する質量のかさ密度を増大させ、生じる圧力降下を低減させ、蒸発器の低効率領域での熱伝達損失を最小限に抑える。圧力降下装置によってもたらされる制御された圧力降下は、実質的に一定の圧力差を発生させて、最大加熱が必要となるときに、確実に、膨張した蒸気および液体が流れないようにする。
【００１１】
膨張した液体／蒸気の混合物は、蒸発器の前に２相のＨＥＸの一方の側に加圧された入力を供給し、ＨＥＸはまた、負荷に供給した後に、蒸発器から得られる出力の流れを受けとる。圧力降下バルブは、熱膨張バルブを用いて冷却温度を調整するために使用される質量過熱と同じ位の、２相の混合物における温度降下をもたらす。このように生成されたこの温度降下により、ＨＥＸ内の一方の流れからもう一方の流れに向けて、熱が通過するようになる。したがって、所定の温度制御ユニット内に相対的に小さいＨＥＸおよび圧力降下装置を導入することにより、ｈでの総合利得が達成される。この結果として、正味の効率が増加する。
【００１２】
この原理のＴＤＳＦシステムへの適用例は、一般に負荷よりも相対的に小さい追加のＨＥＸを通る流体の流れを利用し、また、前記追加のＨＥＸにまたがって熱を伝達するのに使用可能な温度差を生じて、さらなる凝縮をもたらすための圧力降下バルブを利用する。この組合せは、温度変化における偏差を制限し平滑化するように働くこと、ならびにシステム効率を高めることにより、ＴＤＳＦシステムの動作を一義的に実現する。混合物への高温ガスの流れを精密にバルブ調整することにより、温度レベルでの変化を小さくすることができる。
【００１３】
わずかに高い温度が必要となる場合、および／または、低い流れもしくはパワーレベルで動作が起きる場合に状況は異なる。というのも、加圧された高温ガス源は、（膨張後の凝縮された液体蒸気入力よりも）はるかに大きなポテンシャルエネルギ入力を供給し、その結果、温度を相対的に少しだけ上げたい場合に、安定性および精度が問題となることがあるからである。この状況では、高圧での純粋なガス状媒体の流量を変化させるのに、エンハンストポスト凝縮を利用することは有効であり、その結果、温度を制御するために加熱と冷却を交互に行う必要がある、特により高い温度において温度の制御がはるかに精密になる。流路内のＨＥＸおよび圧力降下バルブは、温度上昇の変化の速度を平滑化すること、および熱力学的平衡を確実にすることにより、熱エネルギ交換における非線形性を補償する。したがって、ＴＤＳＦの背景においてＥＰＣを利用することにより、変化の増加分および必要とするパワーレベルがどうであれ、確実に、より高く安定した温度レベルをより急速に達成することができるようになる。
【００１４】
以下の説明を添付の図面と併せて参照すると、本発明をよりよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるエンハンストポスト凝縮（ＥＰＣ）を組み込まれた、改善された蒸気サイクル温度制御システムを示すブロック図である。
【図２】空気冷却装置として使用される従来の蒸気サイクルシステム内の蒸発器の長手方向に沿って流れる流体内の温度変化のグラフであり、蒸気サイクル冷却システム内でＥＰＣを使用することの実際の効果を示すグラフでもある。ＥＰＣを使用することによってｈの値を上げることにより、蒸発温度を上げることができるが、ＨＥＸの側を流れる空気中で同じ冷却効果をもたらす。図２に示す「改善された温度」は、ＥＰＣを使用しない状態の−９．４４℃（１５°Ｆ）のときと同じ効果を生み出す温度（−３．８９℃（２５°Ｆ））である。このようなシステムの効率は、この変更により２０％を超えて引き上げられる。
【図３】蒸発器内の２相の流体の流れにおける残留蒸気率の百分率に対するｈの変化を示すグラフである。
【図４】図２に示す蒸発器内の長手方向の位置に対するｈの変化を示すグラフである。
【図５】本発明によるエンハンストポスト凝縮を使用する蒸気サイクルシーケンス内の変化を示す、エンタルピ対圧力のモリエ線図である。
【図６】飽和流体の直接伝達（ＴＤＳＦ）コンセプトと一緒にエンハンストポスト凝縮を使用するシステムを表すブロック図である。
【図７】図６のシステム内で２相の冷媒が循環している間の変化の全般的なシーケンスを示す、エンタルピ対圧力のモリエ線図である。
【図８−１】必要となる条件を説明すること、およびわずかな訂正を行うことに有用な、図６のシステムの循環での熱力学的因子における様々な動作状態および代替変化を示すモリエ線図である。
【図８−２】必要となる条件を説明すること、およびわずかな訂正を行うことに有用な、図６のシステムの循環での熱力学的因子における様々な動作状態および代替変化を示すモリエ線図である。
【図９】本発明によるエンハンストポスト凝縮を組み込み、比較結果を提供するために従来の動作に切換可能な変形形態を備える商用の空気冷却システムのための改変された温度制御システムの、部分的に切り取られた斜視図である。
【図１０】エンハンストポスト凝縮を使用する代替システムを表すブロック図である。
【図１１】図１０に示すシステムの動作のモリエ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ほんの一例として示した、商用の空気冷却システムに有利な、ＥＰＣを備える例示的な温度制御システムが、図１のブロック図に示してあり、ここで、この図を参照する。この図では、熱力学的サイクル中の様々なポイントを参照する際に便利なように、丸で囲んだ番号（Ｔ１）から（Ｔ９）がこの図に組み込まれており、本明細書で参照する。システム１１０は、加圧されたガスとして高圧、高温の出力を凝縮器１１４に供給する、従来の圧縮器１１２を有する蒸気サイクル冷却システムを備える。凝縮器１１４は、冷媒温度を低下させて、周囲温度または周囲温度に近い、主として液体の状態にする。凝縮器１１４は、液冷または空冷されてもよく、調整された冷媒制御を使用してもよく、または調整されなくてもよい。凝縮器１１４からの液化し加圧された生成物は、外部で均圧化された熱膨張バルブ（以下ではＴＸＶ）１１９に入力される。ＴＸＶ１１９は、従来の内部ダイヤフラム（図示せず）を有し、その位置は、ＴＸＶ１１９を通る流れの量を決定する。ＴＸＶ１１９のダイヤフラムの位置は、ライン１３３を介してＴＸＶ１１９に連通し圧縮器１１２に至る入力ライン１２４と、チューブライン１２０を介して連通している閉じたボリュームの球状部１２２に含まれる液体の圧力との間の圧力差に応答する。球状部１２２は、ポイント１３６またはその近くで、入力ライン１２４と近接して熱的に連結している状態で配置され、ポイント１３６では、入力ライン１２４内の圧力が測定されて、ＴＸＶ１１９内の前記ダイヤフラムと通じている。ＴＸＶ１１９は、これらの圧力間の差を使用してＴＸＶ１１９を開閉して、もっとも低い達成可能な温度において、最大限の冷却を実現する。
【００１７】
ＴＸＶ１１９の膨張した出力は、Ｔ６において、負荷１３０である蒸発器に至る冷媒経路中の補助ＨＥＸ１２６に、１つの入力として供給される。補助ＨＥＸ１２６では、ＴＸＶからの膨張した流体が、圧縮器１１２に至る吸引入力ライン１２４に最終的に供給するシステムの負荷（蒸発器）１３０から還流した冷媒と、ポイント（Ｔ９）で熱交換しながら流れる。したがって、負荷１３０からＨＥＸ１２６を介して圧縮器１１２入力に至るこの還流ラインは、改善された熱交換を実現するように構成され運転されている補助熱交換ループの一部分を形成する。蒸発器１３０に至るこの補助ループ内では、ポイント（Ｔ６）におけるＴＸＶ１１９からの流出物が、まずＨＥＸ１２６を通って流れ、流れのインピーダンスを安定化する。したがって、後半部は、ＴＸＶ１１９または使用されている他の膨張装置を用いて冷却温度を調整するために使用される最大過熱よりも幾分大きい温度降下をもたらす。ここで、安定化インピーダンスは、有利には、差動またはデルタ圧力（ΔＰ）バルブ１３２を備え、このバルブは、制御された圧力降下を実現する。蒸発器１３０の過熱は安定した稼動にとって重要な要因なので、ここで、ΔＰバルブ１３２は、蒸発する冷媒と冷却される負荷の間の差に近い温度降下を誘起する。
【００１８】
動作にあたっては、図１のシステムは、蒸気サイクルシステムの基本的な圧縮および凝縮の機能を実現し、液化され加圧された冷媒をＴＸＶ１１９に供給し、次いでＴＸＶ１１９は、図１のポイント（Ｔ６）において、冷媒の膨張、したがって冷媒の冷却の大部分を制御する。別法として、固定された開口および圧力降下を有する毛管を使用してもよいが、ＴＸＶ１１９は、高効率用に設計されたシステムにおいては、より機能的である。
【００１９】
図１は、ＥＰＣがない場合の標準蒸気サイクルも示している。破線の形で示すように、負荷１３０からの流れがライン１３５を通る場合には、前記流れは、ＥＰＣ  ＨＥＸ１２６をバイパスし、直接圧縮器１１２に流れることになる。この場合、バルブ１３２は、いかなる特別な目的の役にも立たないことになる。バルブ１３２は、単にＴＸＶ１１９のインピーダンスの一部になるはずである。次いで、このシステムは、ちょうど標準蒸気サイクル冷却システムとして機能するはずである。
【００２０】
ＥＰＣ  ＨＥＸ１２６では、熱力学的サイクルは、通常のサイクルからの基本的な変化を受け、蒸発器１３０からの還流と蒸発器１３０への入力流との間で熱エネルギを交換する。図５を参照すると、ポイント（Ｔ９）から（Ｔ１）までの蒸発器すなわち負荷１３０からの還流ライン内の流れと、ポイント（Ｔ６）から（Ｔ７）までのＴＸＶ１１９から蒸発器１３０への入力の流れとの間での交換を示すモリエ線図を含んでいる。次いで、冷媒が隣接するΔＰバルブ１３２を通過するときに、入力流れの温度は降下する。この補助熱交換ループ内では、図５の圧力対エンタルピのモリエ線図を見ると分かるように、出て行く流れ上のポイント（Ｔ６）および（Ｔ７）と還流内のポイント（Ｔ９）から（Ｔ１）との間の熱エネルギ交換が、事実上実質的に等しい。しかし、これにより、エンハンストポスト凝縮が可能になる。Ｔ９からＴ１に向けてその液体を沸騰させている際の冷媒は、十分な冷却を実現して、Ｔ６からＴ７への入力冷媒のエンタルピを低減させるために、ＨＥＸ１２６の他方側の液体を凝縮する。この熱伝達は、Ｔ７，６からＴ９，１までの温度差によって駆動される。この温度差は、圧力降下バルブ１３２の効果によって生成される。ΔＰバルブ１３２での圧力降下により、温度が下がる。ＨＥＸ１２６とΔＰバルブ１３２の効果を組み合わせると、負荷１３０に供給される冷媒の品質（合計質量百分率に対する蒸気質量の百分率）が低減する。
【００２１】
これは、開示されたシステムにおいて達成される効率改善にとって重要である。というのも、これは、図２に示すように、蒸気質量が変化するときに、通常の蒸発器１３０の長手方向に沿って存在する様々な熱伝達特性を補償するからである。図２を参照すると、経済的に正当な蒸発器の設計における実施上の配慮点は、従来の蒸発器が、その長さの大半についての一定の断面積に基づいた、相対的に経済的な構成を利用することである。蒸発器の長さ方向に沿った様々な範囲の領域に対する、このような流路における熱伝達が、図２に示してある。ｈは、単位断面積当たりの最大質量速度に依存し、蒸気と液体の混合物の「品質」にも依存する。図２に示すように、冷媒が蒸発器の領域Ｉを通過するとき、混合物中の液体が蒸発し、既知の速度の熱伝達がもたらされる。蒸発により、混合物の線速度が増大し、品質が約７０％を超えるまで、熱伝達係数を最大値にまでつり上げる。このことが、図４に明確に示してある。しかし、混合物中の液体の量が、その液体がＨＥＸの壁を十分に濡らさない点まで減少するとき、図２の領域ＩＩの初めで、ｈが減少する。冷媒が純粋なガスに近づくにつれて、急激にそうなる。このことが、図３および図４のそれぞれに示してある。最後に、図２の領域ＩＶを見ると分かるように、熱交換は、純粋なガスとのみ行われ、このことは著しく効率が悪い。
【００２２】
補助ＨＥＸ内のある流れともう一方の流れとの間の温度差は、前述の通り、圧力降下バルブ１３２によってセットされる。この温度差は、通常、負荷１３０内の２相の流体の沸騰温度と、圧縮器１１２の入力に進むときの純粋なガスの温度との間の、ほぼ同じ差でセットされる。この温度差は、蒸発器「過熱」と呼ばれ、実際には約３℃から約１５℃まで変化する。
【００２３】
ＴＸＶ１１９のダイヤフラムにわたる圧力差がＴＸＶ１１９の開口の度合いを制御するので、ＴＸＶ１１９が過熱の測定において重要な役割を演じる。１５℃の最大過熱において、たとえばＲ１３４ａの冷媒を使用する場合、圧力差は、約３．３バール（約５０ｐｓｉ）になり、広く開いたバルブを表すことになる。圧力差がゼロバールに近づき、過熱がゼロに近づくと、ＴＸＶ１１９は閉じるか、またはほぼ閉じることになる。上記の点に関してバランスを達成するために、ＴＸＶ１１９に結合する検知球状部１２２を満たす流体は、冷却サイクルで使用される冷媒の圧力と同様の、ただし必ずしも同一ではない蒸気圧を有するように選択される。前述の通り、ポイント（Ｔ６）からポイント（Ｔ８）までのポスト凝縮ステップでの圧力降下は、冷却温度を調整するために使用される過熱とほぼ同じ温度変化をもたらすように選択される。
【００２４】
図３および４はまた、冷媒の変化する動力学、その速度、および品質とともに、ｈがどのように変化するのかを示している。図３には、様々な「残留蒸気率」についての熱伝達値に対して、ｈがプロットされているが、図４では、図２で識別された４つの領域に関して、蒸発器の長さに対して、ｈの変化がプロットされている。図２乃至図４は、蒸発器の乾燥端部が近づくと、ｈが５０％を超えて低下することを明示している。この切れ目のない低下は、冷媒の蒸気／液体の比が変化するときの冷媒質量の状況の結果であり、蒸発器における実際的な設計手段によって経済的に解決できるものではない。蒸発器の重量およびサイズが重要な設計パラメータである用途では、いわゆる満液式蒸発器が使用されている。この場合、蒸発器内の過熱がゼロに保持される。通常約５％から１０％の少量の液体が、蒸発器を離れる冷媒中に残っている。これは、冷媒が、いくらか温度が上昇した（過熱された）純粋なガスとして蒸発器を出る場合よりも効率的ではないが、ｈの上昇によって可能となる、より小さい蒸発器（図４を参照）は、自動車用空調装置などの用途における効率の低下を補う。迫り来るエネルギ不足のため、効率を欠くことは、過去よりも現時点の方が望ましくない。
【００２５】
図１０には、補助ＨＥＸ１２６が、冷媒の流れの中でＴＸＶ１１９の後ではなく前に配置されているという点で図１のシステムとは異なる、ＥＰＣシステムのブロック図が示してある。このシステムは、ＥＰＣ  ＨＥＸ１２６にわたる温度差がより大きく、圧力差動バルブ１３２の使用は必要とされないという利点を提供する。ＨＥＸ１２６は、適切な安定性を達成するために、このシステム内で並列流で運転しなければばらない。ＴＸＶ１１９からライン１２４内の球状部１２２の位置までの間に、回路内には潜在的に小さい圧力降下のみが存在することがあるので、内部で均圧化されたＴＶＸを用いて図１０のシステムを運転することも可能である。
【００２６】
図１１は、図１０に示したシステムのモリエ線図を示す。このグラフは、図１のシステムについて図５で示したように、ＥＰＣの概念の有効性を示している。このシステムが標準の蒸気サイクルシステムとして機能する場合、Ｔ４からＴ５への膨張は、負荷１３０内での熱伝達が混合物を４５％の品質から５℃の過熱まで沸騰させるようにすることになる。これにより、図１のシステムの場合で述べたのと同じ熱伝達の問題が生じることになる。ＥＰＣを適位置に用いれば、Ｔ８からＴ９の沸騰により、混合物の品質が５％から６５％に変化する。これにより、図１のシステムを用いる場合と同様に、負荷１３０内のＨＥＸの熱伝達の有効性が明らかに増大する。
【００２７】
図６に示すように、ＴＤＳＦタイプの温度制御システムは、特許第７，１７８，３５３号で開示されたシステムに対応するが、ＴＤＳＦシステムの基本的な動作特性を変えることなく、エンハンストポスト凝縮（ＥＰＣ）の変形形態を含む。システム６１０では、図１のシステム１１０内の対応物と同様に機能するユニットおよび構成部品は、同様の番号で表される。２相の冷媒媒体は、従来の圧縮器１１２内で加圧され、その出力は２つの経路に分割され、それらのうちの一方がコンデンサ１１４に振り向けられる。従来の水源、ここでは施設の水源６１６から流れを受ける外部ＨＥＸ６１５を有する凝縮器１１４が示してある。この流れは、バルブ６１７によって調整され、このバルブは手動または自動で制御されて、凝縮器１１４からの出力を選択されたレベルに維持する。圧縮器１１２からの１つの流路は、第１の液体／蒸気経路６１８であり、凝縮器１１４を通り、熱膨張バルブ（ＴＸＶ）１１９に供給する。圧縮器１１２からの第２の流れは、分岐点から先に進み、比例バルブ６２５に供給する高温ガスライン６２４を備える。比例バルブ６２５は、システム制御装置６３１の制御の下で作動し、２つのライン６１８、６２４が、混合機構すなわち回路６３３に流れ込む。前述のＣｏｗａｎｓらの特許第７，１７８，３５３号にも開示されているように、高温ガスライン６２４中の流れは、比例バルブ６２５から検査バルブ６３２を通って混合ティー６４０の１つの入力に進む。混合ティー６４０へのもう一方の入力は、ΔＰバルブ１３２を介して加えられており、このバルブは、ＴＸＶ１１９を通過する流れを受け、そのライン中の圧力および温度を所定の量だけ降下させる。
【００２８】
この統合された２系統の流れの温度制御システム６１０が動作すると、調整可能な高温の液体／蒸気の混合物が、所定の圧力および温度で混合ティー６４０から流れ、負荷６３０’に向けて送られ、最終的には負荷６３０’を通って流れる。次いで、この混合物は、以下に記述する通り安定で連続的な作動を確実にする様々な既知の要素および装置を備える流路を介して、負荷６３０’から循環して、圧縮器１１２への入力に戻る。たとえば、熱膨張バルブ１１９は、ライン１２０を介して、圧縮器１１２に至る還流ライン１２４と熱的に連結している状態にある球状部１２２近くの領域内の還流ライン１２４から入力される圧力によって外部で均圧化される。ＴＸＶ１１９は、出力ライン１２４からのライン１３３を通り、圧力タップを介して均圧化される。ＴＸＶ１１９は、ＴＸＶを使用する図１に示すタイプのすべてのＥＰＣシステムにおいて、このように外部で均圧化されることが必要である。ＴＸＶ１１９と球状部１２２の位置との間には、大きな圧力差が存在しなければならない。これは、差動圧力バルブ１３２によって確立される圧力差が原因である。内部で均圧化されるＴＸＶは、球状部の圧力とＴＸＶの出口での圧力との間の差を測定する。ＴＸＶと球状部１２２の近くの回路との間に公称値よりも大きい圧力差が存在する場合、ＴＸＶは外部で均圧化しなければならない。これは明らかに、図１に示すＥＰＣシステムに当てはまる。還流はまた、クローズオンライズ（ＣＲＯ：close-on-rise）調整器６５０を通過し、この調整器は、圧縮器１１２に供給される圧力を設計限界内に制限する。凝縮器１１４からの出力と圧縮器１１２への入力との間に過熱防止バルブ（ＤＳＶ）６５２を含む分岐ラインにより、流量は許容できる温度限界内に保たれる。
【００２９】
従来の手法によれば、過熱防止バルブ６５２は、圧縮器１１２の入力に隣接する球状部６５４から入力される圧力を受ける。制御装置６３１に応答するヒータ６５６が備えられて、圧縮器１１２が、液体成分を含む入力を確実に受けないようにする。圧縮器１１２の出力とその入力との間のフィードバックライン内に高温ガスのバイパスバルブ６５９を組み込むことにより、さらなる動作安定性が得られる。
【００３０】
ティー６４０を含む、混合機構６３３から負荷６３０’への入力ラインは、ＥＰＣ  ＨＥＸ１２６の一方の側を通過し、次いで、ΔＰバルブ１３２を通過してから負荷６３０’に加えられる。負荷６３０’から圧縮器１１２に向けての還流は、ＨＥＸ１２６の反対側を通過してから、最終的に、挿入されたバルブおよび装置を介して圧縮器１１２に達する。
【００３１】
やはり、比例バルブ６２５の後の高温ガスライン６２４間のポイントからのバイパスとして分流ライン６６４を組み込むことにより、高温ガスの流れの急速な遮断を実現することができる。バイパスライン６６４は、電磁弁（ＳＸＶ）６６３およびオリフィス６６２を備える。温度の急速な降下が必要となる、または望ましいと判定される場合、制御装置６３１は、ＳＸＶ６６３を開いて、混合ティー６４０に向かう高温ガスの流れを効果的に激しく減少させて、その結果、ライン６７２からの、冷却され膨張した流れがもっぱら動作温度を決定する。
【００３２】
次に図７のモリエ線図を参照すると、エンハンストポスト凝縮（ＥＰＣ）を有するＴＤＳＦシステムでは、負荷時には、熱伝達サイクルが、圧力エンタルピ図上の、以下に説明することができる各遷移点間の各ステップをたどる。
【００３３】
ポイント１＝圧縮器１１２への入力
ポイント２＝圧縮器１１２からの出力
ポイント３＝凝縮器１１４内の冷媒の液化ポイント
ポイント４＝凝縮器１１４の過冷却された出力およびＴＸＶ１１９への入力
ポイント５＝ＥＰＣシステムで強化されない場合のＴＸＶ１１９からの出力
ポイント６＝ＴＸＶ１１９からの出力およびＨＥＸ１２６への入力
ポイント７＝ＨＥＸ１２６からの出力
ポイント８＝ΔＰバルブ１の後の出力
ポイント９＝負荷６３０’からの熱を吸収した後の出力
（ＨＥＸ１２６の後、ポイント１に戻る）
【００３４】
図７に示すサイクルでは、状態が、ポイント１から２、３、および４へと変化し、次いでポイント６に降下し、ＨＥＸ１２６を通り、ポイント７で引き返す。ポイント７で、冷媒は、圧力降下バルブ１３２を通過して、ポイント８に至る。その後、流れは、ポイント１に戻って再循環し、通常通り、図６のより小さいＨＥＸ１２６内の負荷に向かう流路中の流れと熱エネルギを交換する。この総合的な概要は、図５のモリエ線図に広く対応し、図１のＥＰＣの図に関連して上で述べた。ＥＰＣを使用することによってもたらされるｈの増大は、現実の従来型ＨＥＸにおける平均ｈと比較して、図４を参照して明確に評価することができる。
【００３５】
ＴＤＳＦは、ポイント２での高温ガスから熱負荷を導くことによって温度を変更する。これにより、以下で説明するように、負荷６３０’での温度を制御する。すでに述べたように、ＴＤＳＦは、熱負荷を加えて温度を調整する。図７に示したサイクルでは、標準サイクルによって冷却することができる熱負荷が、ポイント５からポイント１へのエンタルピ変化によって表されている。ポイント５Ｔ０からポイント１までのエンタルピ変化によって表される通常の負荷において、ポイント５からポイント１までの冷却ポテンシャルが過大になる。追加される熱負荷が存在しない場合、このサイクルは、示した温度よりも低い温度に負荷６３０’を冷却することになり、温度制御がこのように十分ではなくなる。ＴＤＳＦシステムは、ポイント２から膨張してポイント２Ｔ０に至る適切な量の高温ガスをポイント８で混合物と合成することによって熱負荷を追加し、その結果、ポイント５Ｔ０で混合物が得られる。したがって、このシステムおよび熱負荷６３０’は、調整された正しい温度でバランスすることになる。
【００３６】
冷却負荷６３０’内で混合物が熱を吸収するとき、前述の通りの蒸気と液体の高品質の混合物における熱伝達の問題が生じることになる。混合物は、液体を７０％から１００％の品質まで蒸発させるので、図４に示すようにｈが低減することになる。この結果として、高品質の混合物および過熱ガスによって局部的に冷却された領域において、負荷６３０’がその温度を上昇させることになる。
【００３７】
ＥＰＣシステムは、この問題を克服する。ＥＰＣシステムは、ポイント２Ｔ０まで膨張した高温ガスとバルブ１３２の出力とを混合する。この場合、結果として生じる混合物が、ポイント８Ｔ０で合成される。次いで、混合物は、負荷６３０’を冷却するときに蒸発してポイント９に至る。したがって、混合物が負荷６３０’を出るとき、その品質は約７４％であり、ｈは最大値または最大値近くになる。次いで、混合物をＨＥＸの入力側でポスト凝縮するとき、ならびにこのプロセスに付随する任意の損失を冷却する際に、混合物はＨＥＸ１２６の出口側に入る。流入する液体をポイント６からポイント７まで冷却するプロセス中に、流出する流体が、ポイント９からポイント１まで熱せられる。このプロセスの最終段でｈが低いという事実は、負荷６３０’の温度に対して重要ではない。
【００３８】
ＴＤＳＦは、ポイント２での高温ガスから熱負荷を導くことによって温度を変更する。これにより、以下で説明するように、負荷６３０’での温度を制御する。すでに述べたように、ＴＤＳＦは、熱負荷を加えて温度を調整する。図７に示したサイクルでは、標準サイクルによって冷却することができる熱負荷が、ポイント５からポイント１へのエンタルピ変化によって表されている。ポイント５Ｔ０からポイント１までのエンタルピ変化によって表される通常の負荷において、ポイント５からポイント１までの冷却ポテンシャルが過大になる。追加される熱負荷が存在しない場合、このサイクルは、示した温度よりも低い温度に負荷６３０’を冷却することになり、温度制御がこのように十分ではなくなる。ＴＤＳＦシステムは、ポイント２から膨張してポイント２Ｔ０に至る適切な量の高温ガスをポイント８で混合物と合成することによって熱負荷を追加し、その結果、ポイント５Ｔ０で混合物が得られる。したがって、このシステムおよび熱負荷６３０’は、調整された正しい温度でバランスすることになる。
【００３９】
冷却負荷６３０’内で混合物が熱を吸収するとき、前述の通りの蒸気と液体の高品質の混合物における熱伝達の問題が生じることになる。混合物は、液体を７０％から１００％の品質まで蒸発させるので、図４に示すようにｈが低減することになる。この結果として、高品質の混合物および過熱ガスによって局部的に冷却された領域において、負荷６３０’がその温度を上昇させることになる。
【００４０】
ＥＰＣシステムはこの問題を克服する。ＥＰＣシステムは、ポイント２Ｔ０まで膨張した高温ガスとバルブ１３２の出力とを混合する。この場合、結果として生じる混合物が、ポイント８Ｔ０で合成される。次いで、混合物は、負荷６３０’を冷却するときに蒸発してポイント９に至る。したがって、混合物が負荷６３０’を出るとき、その品質は約７４％であり、ｈは最大値または最大値近くになる。次いで、混合物をＨＥＸの入力側でポスト凝縮するとき、ならびにこのプロセスに付随する任意の損失を冷却する際に、混合物はＨＥＸ１２６の出口側に入る。流入する液体をポイント６からポイント７まで冷却するプロセス中に、流出する流体が、ポイント９からポイント１まで熱せられる。このプロセスの最終段でｈが低いという事実は、負荷６３０’の温度に対して重要ではない。
【００４１】
図６のシステムにおけるエンハンストポスト凝縮要素は、ＨＥＸ１２６（すなわちＥＰＣ  ＨＥＸ）および圧力降下バルブ（すなわちＥＰＣバルブ）１３２を備える。このＨＥＸ１２６の一方の側は、混合ティー６４０から負荷６３０’の入力に至る直接経路内にあり、交換器１２６のもう一方の側の経路は、負荷６３０’からの出力流れを受け、最終的にこの流れを圧縮器１１２に戻す。ＴＤＳＦシステムにおいて図１のＥＰＣの例で前述した機能と同等の各機能を実現するが、これはまた、ＴＤＳＦシステムの２系統の流れの力学およびそれから生じることがある非対称性に固有の運転能力を実現する。
【００４２】
ＴＤＳＦシステムへのＥＰＣの効果は、非常に低いまたは本質的にゼロの負荷の下にある負荷の温度調整の場合に特に有益である。数キロワット（ｋｗ）で冷却または過熱することができるシステムで負荷が制御されている場合、外部に取り付けられた負荷がほとんどまたは全くないときには、精密な制御を実現することが非常に難しい。これは、半導体産業ではよくあるケースである。システムには、負荷温度が確実に±１℃になる精度で、１ｋｗから３ｋｗの熱を吸収または供給するよう要求することができる。同じ負荷を、負荷がほとんど与えられない条件下の温度に維持するよう要求することもできる。これは、どんな温度制御システムでも難しい。ＴＤＳＦシステム内の熱伝達の詳細から、ＴＤＳＦシステムにとっては、負荷がゼロすなわち全くない場合が特に難しい。基本的に、問題は、液体凝縮のｈが、顕熱を伝達するガスの場合に遭遇するものよりも何桁も高いことである。
【００４３】
図８では、この問題を示している。制御すべき負荷パワーがゼロまたはゼロに近い場合、ポイント２’Ｔ０まで膨張する高温ガスを、８’での混合物と混合する結果として、ＥＰＣなしの８”Ｔ０での混合物になる。制御装置６３１が、動的な状態の下で負荷を設定温度に保つためにわずかな調整を行うとき、制御混合物は、８”０Ｈから８”０Ｃなどのポイント間で変化することになる。（制御ポイントの動きは、明確に分かるよう誇張してある。実際の動きは、一般に、図８に示す動きの約１／３になるはずである。）加熱側面上の小さな誤差は、混合ポイントを、所望の制御ポイントから非常に離れたポイントに移動することになる。これは、大量の加熱パワー（たとえば５ｋｗ）が、同量の冷却パワーと合成されて、ほぼゼロサムに達するからである。ほんの３％の誤差の結果として、１５０ワットのオーバシュートになる。この要因は、ガス伝達の係数より何桁も大きいｈのバイアスにより、加熱方向における任意の誤差が伴うという事実によって悪化する。８”０Ｈと８”０Ｃをつなぐラインには、スロープがあることが理解されよう。これは、比例バルブ６２５を開くことにより、より多くの冷媒が流れ、それにより、負荷６３０’内の流体の圧力を上げることができるようになるという事実によるものである。したがって、流体混合物の温度も上がる。バルブ６２５が閉じると、反対のことも起きる。図８（詳細）で表される補足の図では、温度および状態の変化に関連する細かい点が、よりよく理解できる。
【００４４】
ＥＰＣシステムは、この問題を著しく軽減する。ＥＰＣを使用すると、膨張した高温ガスと２相の流体とを合成したものが、８”Ｔ０ではなく８’Ｔ０で混じり合う。この状況では、特に加熱側面での誤差は、ほとんど重要ではない。この場合、ＥＰＣを使用すると、どんな誤差でも、結果として品質における変化はわずかである。小さな変化、たとえば８０％から８５％の品質変化は、ｈを、何桁もではなく約１０％変化させるだけであることが、図４で明らかに分かる。これにより、制御問題が実質的に軽減する。
【００４５】
既存の空気冷却システムで達成される効率改善の実際の例は、客室に沿って運ばれる移動サービスカート内の食品を冷蔵するために商用旅客機で使用される、７０００ＢＴＵ／ｈｒ空気冷却器によって提供されている。このシステムは、凝縮温度５０℃と蒸発温度５℃の間で保持されている冷媒Ｒ１３４ａを用いて動作する。次に図９を参照すると、例示的なシステムは、既存の冷却システムと本発明によるエンハンストポスト凝縮を使用するシステムとを比較するための、一般化された概略斜視図に示す客観検査のための切換可能なバイパスを用いてセットアップされる。図９のこの試験システムでは、循環するガス状の冷媒が、圧縮器１１２により約１２℃で６バールの圧力から９０℃で約２０バールの圧力まで加圧され、次いで冷媒は、ほぼ周囲温度および高圧の状態で、凝縮器１１４によって冷却されて液体になった。基本的な構成（点線）においてＴＸＶ１１９を通過する際に、冷媒は膨張して、より低い温度および圧力、ここではほぼ５℃および６バールで、液体とガスの混合物になり、次いで負荷蒸発器６３０’に供給された。
【００４６】
負荷６３０’は、この実際の例では、飲料、デザート、サンドイッチ（図示せず）など、冷却または冷蔵された食料品をすべて、カート内およびベースユニットの外部に含む可搬型カート１１８０を備える。カート１１８０内の流れのインピーダンスは著しくなることがあり、冷却された冷媒と交換される蒸発器内の熱エネルギは、向かい合う冷媒の流れから最終的に外部の空気流となってカート１１８０に伝達されることになるので、ベースユニットおよびカート１１８０を介する空気の動きは、蒸発器６３０’の後ろにある送風機１１８２によって容易に行われる。蒸発器６３０’から圧縮器１１２の吸引入力部に戻された、純粋なガスとしての冷媒は、蒸発器６３０’内の沸騰温度よりもわずかに暖かい温度である。サイクルは繰り返されるので、再び圧縮が加わる。このシステムの既知で広く使用されている実例として７０００ＢＴＵがあるが、このシステムは航空機用であり、旅客サービス向けなので、効率の改善により、サイズおよび重量の低減、または大幅なコスト削減を可能にする上で、著しい利益をもたらすことができる。
【００４７】
図９に別法として示したエンハンストポスト凝縮手段の有効性を実証するための実際のシステムにおいて、冷却ループは、相対的に小さいＨＥＸ１２６を組み込むことによって改変された。しかし、図に示す試験セットアップでは、別々の内部ループが、ＴＸＶ１１９の後の切換可能なバイパス１１８６によってアクセス可能であり、その結果、冷媒は、負荷に向けて直接ではなく、より小さい対向流ＨＥＸ１２６（実線）に向けて流れた。次いで、流れは、ΔＰバルブ１３２を通って、負荷６３０’に至った。圧縮器１１２への吸引入力部に向けての帰路において、冷媒は、相対的に低い圧力降下でＨＥＸ１２６を通って対向して流れ、次いで圧縮器１１２への吸引入力部に戻った。
【００４８】
こうしたシステムのエンハンストポスト凝縮バージョンによって達成される冷却効果を、従来技術の商用システムと比較すると、効率が１０％から３０％改善したことが明らかになった。補助ＨＥＸは、これら正味の熱ユニットに対して相対的に小さいので、コスト的に不利な条件は本質的により少ない。冷媒質量の局部的な品質への制限を克服することにより、蒸気サイクルの効率を改善するためのこの技法は、他の熱伝達問題にも適用可能である。
【００４９】
様々な改善および改変が、上に示され述べられてきたが、本発明は、それらに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載の範囲内のすべての概念および手段を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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