(57)【要約】  本発明は、排除、再生、及び同時再生が可能な、バイオ再生可能熱エネルギーの加熱及び冷却システムを目的とする。本発明の冷凍システムは、一つ又は複数の蒸発器及び一つ又は複数の凝縮器を利用して、一つの環境中で廃熱の形態の熱エネルギーを、別の環境で使用するために変換する。冷凍プロセスの熱側及び冷熱側は、システムエネルギーの利用を増加させるため、複数の用途向けに分割されてもよい。環境変数は、冷媒の特性及びシステム圧縮器の能力を最適化するように均衡される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排除モード、再生モード、及び同時再生モードで動作可能な、第1の蒸発器、圧縮器、及び第1の凝縮器を有する冷凍システムを備える、バイオ再生可能熱エネルギーシステム。
【請求項２】
前記第1の蒸発器とは独立に動作する第2の蒸発器を更に備える、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３】
前記第1の凝縮器とは独立に動作する第2の凝縮器を更に備える、請求項2に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項４】
前記冷凍システムが加熱及び冷却両方のために動作可能である、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項５】
温水熱ループを更に備える、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項６】
前記冷凍システムが加熱及び冷却された液体又はガスの両方を提供することができる、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項７】
前記冷凍システムが、一つの供給源からの環境熱エネルギーを利用して、流体又は空気の別の実体を加熱する、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項８】
前記一つの供給源が食肉加工場である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項９】
前記一つの供給源が洗車場である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１０】
前記一つの供給源がレストランである、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１１】
前記一つの供給源がエタノール工場である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１２】
前記一つの供給源が洗濯店である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１３】
前記一つの供給源がドライクリーニング店である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１４】
前記一つの供給源がスイミングプールである、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１５】
前記一つの供給源がシャワー室である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１６】
前記一つの供給源が動物収容施設建物である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１７】
前記一つの供給源が酪農場である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１８】
前記一つの供給源がインラインプロセスである、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１９】
前記一つの供給源が孵卵場である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２０】
前記一つの供給源が嫌気性消化装置である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２１】
前記一つの供給源がバイオディーゼル生産施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２２】
前記一つの供給源が食品加工施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２３】
前記一つの供給源がペイント塗料施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２４】
前記一つの供給源が押出成形加工施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２５】
前記一つの供給源が金型成形プロセスである、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２６】
前記一つの供給源がボイラーである、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２７】
前記一つの供給源が温室である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２８】
前記一つの供給源が人間の生活施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２９】
前記一つの供給源が穀物乾燥施設である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３０】
前記一つの供給源が炭化水素-油処理装置である、請求項7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３１】
熱側及び冷熱側を有する冷凍システムを有する改善された熱エネルギー利用プロセスであって、前記改善が、複数の加熱用途に使用するために前記熱側からの熱を分割することを含む、改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３２】
複数の冷却用途に使用するために前記冷熱側を分割することを更に含む、請求項31に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３３】
前記プロセスが凝縮温度を有する冷媒を利用し、前記加熱用途の一つが前記冷媒の前記凝縮温度よりも高い温度まで液体を加熱することである、請求項31に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３４】
前記加熱用途の一つが液体の沸騰である、請求項31に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３５】
前記分割された熱が複数の熱交換器を介して導入される、請求項31に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３６】
一つの供給源からの環境熱エネルギーを利用して、流体又は空気の別の実体を加熱することを更に含む、請求項31に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３７】
前記一つの供給源が、食肉加工場、洗車場、レストラン、エタノール工場、洗濯店、ドライクリーニング店、スイミングプール、シャワー室、動物収容施設建物、酪農場、インラインプロセス、孵卵場、嫌気性消化装置、バイオディーゼル生産施設、食品加工施設、ペイント塗料施設、押出成形加工施設、金型成形プロセス、ボイラー、温室、人間の生活施設、穀物乾燥施設、及び炭化水素-油処理装置から成る群から選択される、請求項36に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３８】
水タンク、ポンプ、熱交換器、及び圧縮器を有する冷凍システムを使用する改善された熱エネルギー利用プロセスであって、前記プロセスが、前記圧縮器を保護し、受容可能な圧縮器効率を維持するように、第1の循環ループ内の流体を使用して前記圧縮器の水頭を制御することを含む、改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項３９】
圧縮器効率を増加させ、冷却及び加熱能力を増加させるように、第2の循環ループ内の流体を使用して冷媒の過冷却を制御することを更に含む、請求項38に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４０】
熱が前記プロセスから排除される前に液体を加熱するのに利用される熱経路を更に含む、請求項38に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４１】
前記プロセスが、前記冷媒の凝縮温度を上回る温度まで流体を加熱するのに使用される過熱低減セグメントを含む、請求項38に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４２】
第3の循環ループを使用して過熱低減を制御することを更に含む、請求項41に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４３】
水タンク、ポンプ、熱交換器、及び圧縮器を有する冷凍システムを使用する改善された熱エネルギー利用プロセスであって、前記プロセスが、圧縮器効率を増加させ、冷却及び加熱能力を増加させるように、第1の循環ループ内の流体を使用して冷媒の過冷却を制御することを含む、改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４４】
圧縮器を保護し、受容可能な圧縮器効率を維持するように、第2の循環ループ内の流体を使用して前記圧縮器の水頭を制御することを更に含む、請求項43に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４５】
熱が前記プロセスから排除される前に液体を加熱するのに利用される熱経路を更に含む、請求項43に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４６】
前記プロセスが、前記冷媒の凝縮温度を上回る温度まで流体を加熱するのに使用される過熱低減セグメントを含む、請求項43に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４７】
第3の循環ループを使用して過熱低減を制御することを更に含む、請求項46に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項４８】
特定の場所における熱エネルギー変化の所望のレベルを決定する工程と、
冷凍システム内で使用する冷媒を選択する工程と、
前記システム内で何個の蒸発器を使用するかを決定する工程と、
前記システム内で何個の凝縮器を使用するかを決定する工程と、
前記冷凍システムのための圧縮器を選択する工程と、
前記蒸発器、凝縮器、及び圧縮器からのエネルギー損失を計算する工程と、
前記冷凍システムが動作している間の加熱資源及び冷却資源両方の利用を最大限にする工程と、を含む、熱エネルギー回収システムを均衡させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、バイオ再生可能熱エネルギー加熱冷却システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第7,040,108号(第108号)は、様々な環境から熱エネルギーを回収し、それをプロセス内で利用する、又は後で使用するために貯蔵する方法を記載している。第108号特許の基本構成は、単一の蒸発器、圧縮器を備えた水冷式凝縮器、膨張装置、受器、循環ポンプ、及び蓄熱タンクを利用している。この特許は、冷凍プロセスの加熱能力に重点を置いており、冷凍サイクルの加熱が所与の用途内で影響をもつため、そのサイクルを最大限に利用するために冷凍技術の使用を拡張している。冷凍サイクルは、圧縮器、熱交換器(凝縮器)、膨張装置、及び蒸発器を必要とするプロセスとして定義されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱エネルギーは、空気から、又は液体若しくはスラリーから蒸発器内で収集されるべきものであり、一般に、それを空間若しくはプロセスを加熱するのにも使用できる、液体流又は貯蔵装置に入れられるべきものである。第108号のシステムは、単一モードで、即ち再生モードで動作するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、米国特許第7,040,108号の教示を拡張して、熱エネルギーを一つの環境/媒体から別の環境/媒体に利用可能なように変換する目的で、冷凍の利用及び制御を更に向上又は最適化するため、冷凍プロセス適用の公式又は方法論を含めるようにしている。これは、熱エネルギーの場所を単に移動させるものではなく、熱エネルギーを一つの状態から所与の用途にとって望ましい一つ又は複数の状態に効率的に変換するものである。これは、環境変数と、冷媒の特性及び圧縮器の能力とを均衡させることによって達成される。例えば、食肉加工施設では、食肉を安全に加工するのに適した作業場の温度を維持するため、冷却装置が使用され、畜殺処理用水(kill process water)及び洗浄水を加熱するため、ボイラーが使用される。
【０００５】
本発明のシステムは、冷却をもたらすとともに、定温の液状冷媒を膨張装置に提供し、畜殺処理及び洗い落とし用の加熱水を発生させる。ほとんどの冷却装置凝縮器は、現行では周囲空気温度の変動性の影響を受け、それによって圧縮器性能が最適条件から外れて変動するため、固定の液状冷媒温度は圧縮器の性能を最適化する助けとなる。
【０００６】
圧縮器構成、冷媒、凝縮器構成、膨張装置/構成、及び蒸発器構成の組合せは、用途の要件及び選択される冷媒の性質によって推進される。システム構成の一つの目標は、圧縮器における冷媒と潤滑剤の条件の最も望ましい均衡を実現するとともに、用途において利用可能な熱エネルギー源及び熱エネルギーシンク(thermal energy sinks)を最適に利用することである。
【０００７】
この開示及び方法論によって、加熱及び冷却のための冷凍法の使用は新たな展望まで拡張され、それにより、新しい冷媒及び冷凍システム構成を用いて、世界の燃焼に基づく炉又はボイラーの能力のかなりの部分に取って代わるとともに、その同じ用途に冷凍又は冷却を提供する可能性が得られる。この技術はまた、相補的なエネルギー集約的用途を同時配置(co-location)して、外部燃料源に対する依存を低減するか、又はなくす助けにもなり得る。
【０００８】
本発明の一つの態様は、廃熱の利用を増加させるため、単一の圧縮器に連結された複数の蒸発器及び複数の凝縮器を利用するものである。
【０００９】
本発明の別の態様では、冷媒熱は複数の使途のために分割される。例えば、熱は、冷媒の凝縮温度よりも高温の水、液体、又は蒸気を発生させるのに使用することができる。蒸気の生成は、熱経路(hot path)を使用して、冷凍プロセスの環境側の相変化を生じさせることを表す。
【００１０】
本発明の別の態様では、水タンク、ポンプ、及び凝縮器/熱交換器を有する循環ループが水頭を制御し、それにより、より高温の流体の制御及び貯蔵がもたらされ、蒸発器の集熱能力を改善する過冷却温度が制御され、且つ圧縮器効率が独自に改善される。過冷却は従来技術に使用されてきたが、そのような使用は、蒸発器内の集熱能力を改善する助けとするため、システム冷媒の一部を、残りの液状冷媒を膨張装置に導入する前に冷却するために奪うことによって提供される。それに比べて、本発明は、冷媒ではなく、水又はプロセス流体(process stream)を使用してこの過冷却を行う。これは、冷媒の過冷却を通してプロセス流体中の追加の有用な熱を収集し、且つ蒸発器の集熱効率を高めることによって、性能を改善する。循環ループは、過冷却条件を制御して、より高い圧縮器効率を維持するための基礎となる。
【００１１】
本発明の別の態様は、従来技術において知られている過熱低減に関するが、但し、その目的は、高温冷媒蒸気の過熱から水を加熱するのに利用可能な熱を抽出することのみであり、残りの熱は排除される。本発明は、加熱用途の排除、又は独自のものである第2の優先順位から加熱用途への切替えを可能にする前に、また特に、プロセス制御に使用される循環及び貯蔵ループと併せずに、液体を加熱することに関して熱経路全体を利用する。本発明は、熱経路全体を優先事項として利用し、また、過熱低減セグメントを利用して、排除又は優先度の低い使用を可能にする前に、冷媒の凝縮温度を上回る温度で水若しくは流体を生成及び/又は貯蔵する。様々な使途又は制御に対して冷媒の熱側を分割することで、冷凍熱を排除することに焦点を当てていた従来技術よりもエネルギー利用が大幅に進歩する。
【００１２】
本発明の更なる態様は、冷凍プロセスの熱側の分割と併せて、その冷熱側を分割するものである。直列又は並列の蒸発器は、二つの並列の蒸発器が異なる温度及び圧力で動作するとき、吸込管内の圧力制御などの特定の課題をもたらす。直列の蒸発器の課題は、両方の環境に適した温度で冷却を供給することであるが、これは、出口温度がすべての蒸発器内における冷媒の温度の制御を推進するためである。
【００１３】
再生及び同時再生(cogeneration)モードで動作する本発明のシステムを用いると、以前は廃棄されるものであった熱エネルギーがバイオ再生可能プロセスに戻って再生利用されるため、熱放射の著しい低減がもたらされる。環境上の均衡を制御するために展開されてきた公式は、熱力学の第1及び第2法則を前提としているため、本発明のシステムのエネルギーは冷媒と環境両方の観点から均衡が得られ、それによって、従来の冷凍プロセスを超える結果とプロセス制御とが実現される。
【００１４】
システムは、飲用水を加熱し、内部空間区域を冷却し、内部空間区域を加熱するのに熱水を使用し、一つの区域を冷却しながら第2の区域を加熱することによって熱エネルギーを再生利用し、顕著なエネルギー量を保存しながらこれらのタスクを完了する能力を有する。
【００１５】
三方再生弁(three-way reclaim valve)は、水冷式凝縮器と外部凝縮器との切替えに使用される。この弁は、逆止め弁とともに、冷媒を外部凝縮器から引き出し、システムに戻し、且つ冷媒が外部凝縮器内に貯留されないようにする。これにより、システムが、加熱、冷却、及び水加熱をもたらすことが可能になった。
【００１６】
循環システムを介して凝縮温度を水タンクの温度で制御する能力は、独自の特性である。制御に水を使用し、更に有用な加熱に熱を使用することは、独自のものである。タンク内の水の温度により、圧縮器の水頭が設定される(即ち、冷媒の凝縮温度に対応する)。
【００１７】
単一の凝縮器における制限は、それ自体のタンク及び循環システムをそれぞれ備える直列の二つの凝縮器を使用するシステムによって克服される。これにより、第2の熱交換器がエネルギーを吸収し始める前に、第1の凝縮器が吸収可能なすべてのエネルギーを吸収することが可能となる。第1の熱交換器システムが最大凝縮温度に達したとき、熱の大半は第2の熱交換器によって捕捉されている。システムが動作し続けると、第1の循環ループ内の水は凝縮温度よりも高温になり、第2の熱交換器に入る冷媒はこの時、ある程度の過熱蒸気冷媒を受け入れている。第1のループの温度は冷媒の凝縮温度を上回る。これにより、システムが、バッチモード動作において水を93℃(200F)超過に加熱することが可能になる。
【００１８】
連続モード動作の場合、第2の循環ループの循環ポンプの入口で冷水が導入されて、システムが、タンク内の熱水とシステムに入る冷水との混合温度に起因する凝縮温度で動作することが可能になる。これにより、システムが、より低い水頭で動作するとともに、より高温を発生させることが可能になる。R22で動作する往復圧縮器は、許容可能な水頭を超過することなく、54℃(130F)程度の高温において連続フローモードで動作することができる。これは、システムが一つ又は二つの凝縮器を有するかを問わない結果であろう。出願人らはこの現象を調温(tempering)と呼ぶ。
【００１９】
同じフロー戦略は、第1の循環ループに入る熱水にも適用される。熱水が循環ポンプの吸込口で導入される場合、第1の凝縮器はタンク温度よりも低い混合温度に遭遇する。したがって、システムは、より大きな温度差に起因して、第1の凝縮器内の所与の条件でより多くの熱を吸収することができる。第1の循環ループは、圧縮器の水頭を制御し、それによって圧縮器効率を増加させる。
【００２０】
システムは、第1の凝縮器循環ループがシステム内の冷媒の最大凝縮温度(所与のシステムでは、約62℃(125F))以下であり、第2の循環ループが比較的低温のままであるとき、より良好に働く。第2のループは、追加の熱を除去し、液状冷媒を過冷却している。第2の循環ループは冷媒の過冷却を制御し、それによって圧縮器効率が更に改善される。
【００２１】
過冷却は次の二つの利点をもたらす。
【００２２】
1.システムが、水の加熱に有用な過冷却熱を獲得する。
【００２３】
2.冷媒がTX弁内で膨張されるとき、フラッシュガスの損失がより少ない(即ち、蒸発器内部の混合物中で沸騰する液状冷媒がより多量であり、蒸発器内への伝熱を増加させることができる)。
【００２４】
過熱低減を制御する第3の循環ループが設けられてもよい。
【００２５】
したがって、二重凝縮器モード動作に対する第2の使途は、過冷却をもたらして、システムの能力を増加させることである。したがって、液体をより高温に加熱し、且つ同じシステムの冷媒を過冷却するという両方の能力を提供して、改善されたシステム性能をもたらすため、第3の凝縮器を使用することができるということが分かる。
【００２６】
複数の蒸発器及び複数の凝縮器を並列回路で使用して、加熱及び/又は冷却の任意の組合せを提供すること、また、複数の凝縮器及び循環ループを回路内で直列に使用することは、必要とされる能力にかかわらず構成を使用するために拡張することができる。任意の用途の要件を満たすためだけではなく、冷凍システムの利用を最適化し、所与の用途のためのシステム設置にかかる費用便益を最大限にするため、任意の数の回路、又は任意の数の凝縮器若しくは蒸発器を直列で適用することができる。
【００２７】
したがって、システムの性質について、その物理的変数及び経済的変数の両方の観点から説明する公式が展開されてきた。冷凍システムはこのような形で適用されてこなかったため、この公式は独自のものであり、多種多様な用途に対するシステムの性質を説明するものである。公式パラメータにより、システムを、世界の熱エネルギーの基幹施設における実行可能な代替案として評価することが可能になる。
【００２８】
熱力学的公式は、冷媒及び圧縮器の能力をまったく新しいレベルに対して均衡させるため、冷媒及び圧縮器の能力において均衡された周囲空気の形態のバイオエネルギー及び再生エネルギーを、最初にエネルギーを用途に適用し、残りのエネルギーを排除することによって投入する。
【００２９】
本明細書で使用されるとき、「環境熱エネルギー」は、利用可能な、且つ自然に存在するか、又は発熱プロセスによって環境に放出されている熱エネルギーとして定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第108号特許による、基本的な従来技術の加熱、冷却、及び熱水構成の概略図である。
【図２】第108号特許による、従来技術の基本的な加熱、冷却、及び熱水構成の別の実施形態の概略図である。
【図３】本発明による、基本的な加熱、冷却、及び熱水構成の一実施形態の概略図である。
【図４】複数のヒートシンクを利用する加熱、冷却、及び熱水を示す、本発明の一実施形態の概略図である。
【図５Ａ】本発明による、温水ヒートシンクを使用する加熱、冷却、及び温水システムの代替実施形態を示す概略図である。
【図５Ｂ】本発明による、温水ヒートシンクを使用する加熱、冷却、及び温水システムの代替実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明による、熱ループ及び蓄熱器(thermal storage)を有する加熱、冷却、及び熱水システムの別の実施形態の概略図である。
【図７Ａ】本発明による、過熱の同時再生及び排除が混合された加熱、冷却、及び熱水システムの更に別の実施形態の概略図である。
【図７Ｂ】機器項目および動作条件を示した図である。
【図８Ａ】本発明による、過熱液体を利用する加熱、冷却、及び熱水システムの更にまた別の実施形態の概略図である。
【図８Ｂ】機器項目および動作条件を示した図である。
【図９Ａ】本発明による、過冷却液体を備えた加熱、冷却、及び熱水システムの更なる実施形態の概略図である。
【図９Ｂ】機器項目および動作条件を示した図である。
【図１０Ａ】本発明による、過冷却液体を備えた加熱、冷却、及び熱水システムの更なる実施形態の概略図である。
【図１０Ｂ】機器項目および動作条件を示した図である。
【図１１Ａ】本発明による、過熱液体及び過冷却を備えた加熱、冷却、及び熱水システムの別の実施形態の概略図である。
【図１１Ｂ】機器項目および動作条件を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
冷凍サイクルとの環境的均衡を制御する公式
出願人らは、二つ(若しくはそれ以上)の環境が冷凍プロセスの影響を受ける、又はそれによって制御されるという制約の中で、冷凍サイクル内での熱及び冷熱の同時再生を均衡させるのに必要な普遍的公式を開発した。
【００３２】
変数は、システムの所与の用途の要件に対して均衡されなければならない。第1の考慮点は、利用可能な圧縮器及び圧縮器油の圧縮比及び動作温度の制限内で用途の要求を満たす温度で蒸発及び凝縮を可能にする、物理的性質を有する冷媒を選択することである。冷媒特性を有する多数の材料及び材料の混合物がある。より広範な一連の用途条件が考慮されるので、冷凍サイクルの効率を活用するため、新しい冷媒が選択又は作成される。適切な冷媒が選択されれば、公式を適切な機械工学原理とともに適用して、冷凍サイクルを適当に均衡させ、用途の厳密さに耐える、冷凍システム構成要素を選択又は設計することができる。
【００３３】
基本的公式は多数の形式で記述することができる。適用環境及び電気使用の観点から、直接的な膨張を使用する冷凍プロセスの場合、次のとおりである。
【００３４】
(1)蒸発器の場所における環境条件の所望の変化−蒸発器側の配管損失(piping losses)及び熱獲得(heat gain)＋消費電力−圧縮器及びモータ損失＝凝縮器の場所における環境条件の所望の変化−凝縮器側の配管損失及び熱損失
この関係は、冷凍サイクル自体の観点から表すこともできる。例えば、上式(1)は次のように記述することができる。
【００３５】
(2)収集された蒸発器エネルギー−蒸発器側の配管損失及び熱獲得＋圧縮器仕事量＝排除された凝縮器エネルギー−凝縮器側の配管損失及び熱損失
これらの関係は次の下位関係を共有する。
【００３６】
(3)収集された蒸発エネルギー＝蒸発器の場所における環境条件の所望の変化
(4)排除された凝縮エネルギー＝凝縮器の場所における環境条件の所望の変化
(5)圧縮器仕事量＝消費電力−圧縮器及びモータの損失
上記の式に利用された総称は、特定の用途又は冷凍サイクルの観点から導き出され、著しい損失を考慮して、質量及びエネルギーの保存の法則に適応する。これらの式を利用して、冷凍サイクルが動作中の間の加熱資源及び冷却資源両方の利用を最大限にし、結果として設置システムの全体利益を最大限にする、冷凍システムの実際の規模及び構成が決定される。
【００３７】
式は、環境要件を冷凍システム要件と合致させ、冷凍サイクルの加熱側及び冷却側の両方を同時に利用するように動作効率を最適化するように、システムを設計する基礎となる。それに比べて、従来技術のシステムの目標は、一般に、加熱側又は冷却側のどちらかを満たしながら性能を最大限にすることであった。
【００３８】
冷凍用途の分類
冷凍用途には、冷凍プロセスの利用及び効率に基づいて、排除、再生、及び同時再生（同時供給）の三つの分類がある。
【００３９】
A.排除
従来、大多数の冷凍用途は排除の分類に該当する。排除の場合、冷凍プロセスの一方の側は常に廃棄される。例えば、空調装置は熱を建物内部から屋外に運搬する。所望の利益は空間を冷却することであり、熱(機械を稼動させるのに使用される電気を含む)は環境へと移動又は排除される。同様に、ほとんどの冷蔵庫、冷却装置、及び冷凍装置は、熱を何らかの有用な目的に利用することを考慮せずに、それらが収集している熱を単に凝縮器が位置する環境に排除する。空冷式ヒートポンプ(air to air heat pump)は、夏季には空間を冷却すると同時に熱を排除し、冬季には空間を加熱すると同時に冷熱を排除するという点で類似している。排除型冷凍システム(rejection refrigeration systems)は、加熱又は冷却のどちらかにエネルギーを利用するが、決してその両方には利用しないため、最も効率の低いシステムである。排除型システムは、製品の保護又は生産を通じて採算が取れるプロセスに対する価値があるため、その存在意義がある。しかし、多くの用途では、冷却装置及び冷凍装置などの排除型システムは、燃焼に基づく空間及びプロセス加熱を提供するボイラー又は炉とともに存在する。これらの用途は、再生又は同時再生冷凍への変換に対する候補である。
【００４０】
B.再生（再利用）
エネルギー価格の変動性、及びエネルギー供給とエネルギー需要との均衡に関する不確実性により、ますます多数の冷凍システムが、何らかの形態の再生を利用している。再生の場合、従来排除されてきたかも知れない加熱又は冷却の一部が、何らかの有用な目的のために捕捉され再使用される。米国特許第7,040,108号に記載されているように、用途の廃棄流から熱を収集し、それを、水、空間、又は用途における他の何らかのプロセス流体を加熱するのに利用することが再生である。動物収容施設の排気から熱を収集して、収容施設を加熱すること、又は洗濯室の廃水若しくは乾燥機通気口の排気から熱を収集して、洗浄水を加熱することが特定の例である。再生の場合、冷凍システムは、多くの場合、冷凍サイクルの一方の側を利用するとともに、他方の側を、必ずしも常に又は可能な限り最大限にではないにしても、できる限り利用するように設計又は最適化される。
【００４１】
多くのプロセスの時間依存性及び季節の変化に対しては、複数の蒸発器及び複数の凝縮器が用途の優先事項及び時間依存要件を満たす必要性を含めて、所与の用途内で冷凍プロセスをより効率的に且つより多く利用できるように、冷凍プロセスが追加の柔軟性を有して設計されている本発明がそれに対応する。再生用途は、優先事項が排除を必要とし、場合によっては同時再生モード(後述)で動作してもよい動作期間を含んでもよい。例えば、家庭に設置された出願人らのシステムは、飲用水を加熱すると同時に快適な冷却を提供するとき、同時再生モードで動作する。しかし、同じシステムは、飲用水がその限界まで加熱され、より快適な冷却が必要とされるとき、排除モードに切り替わる。同じ家庭用途において、外部蒸発器が、乾燥機の排気並びに浴室及びオーブンの換気扇を活用できるように位置付けられた場合、システムは、暖房期(heating season)の間は、又は快適な冷却が必要とされない冷房期(cooling season)の間は水を加熱しながら、再生モードで動作する。システムは、この様々なモードで動作することができるので、加熱又は冷却システムに基づく従来の冷凍の年間性能を超える年間性能の可能性を享受する。再生構成のいくつかの例を、図面を参照して以下に記載する。これらのシステムそれぞれの独自の特性は、再生モードで動作するとき、冷凍サイクルの加熱側を100%利用することである。ほとんどの再生システムは、加熱能力のごく一部のみを利用する。家庭用加熱及び冷却システムは、場合によっては、排除、再生、又は純粋な排除よりも良好であるが純粋な同時再生ほど良好ではない同時再生を使用してもよいので、再生の部類に該当する。
【００４２】
同時再生（熱併給）
冷凍サイクルの冷却側及び加熱側両方がプロセス内で完全に利用されているとき、この用途は同時再生（熱併給）と呼ばれる。上記の再生の項で言及したように、同時再生の一例は、冷凍システムが快適な冷却をもたらすと同時に飲用水を加熱するのに使用されるときである。資源のこの有効利用は、同じシステムをスイミングプール及び/又は浴槽を加熱するのに使用できる場合、住宅若しくはホテル用途に拡張することができる。しかし、屋外の大気条件は日ごと及び季節ごとに変動するため、住宅用途は、純粋な同時再生用途であることはほとんどない。純粋な同時再生用途は、ほとんどの場合、冷却及び加熱の両方が製品を生産するのに使用される、農業、商業、及び工業用途において見られる。例えば、エタノール工場では、熱処理したマッシュが発酵へと進む途中に、又は発酵プロセス自体から排除された熱が収集され、熱処理用水を加熱するため、又はボイラーの復水回収部を加熱するために使用されてもよい。将来的には、冷媒及び冷凍機器の進歩によって、冷凍システムがボイラーに取って代わることができる温度で、冷凍システムが動作できるようになり得る。発電所、バイオディーゼル工場、化学原料及び石油精製所、洗濯店/ドライクリーニング店、並びに他の多数のエネルギー集約的プロセス重視の産業は、冷凍システムを用いた同時再生の機会を生む。
【００４３】
図面に示される構成は、用途における再生及び同時再生の機会を最大限にするために上述の式が使用される、冷凍システムの例である。
【００４４】
その目標は、エネルギー消費を最小限に抑え、且つ用途に対する効率及び価値を最大限にする構成において、均衡のとれた冷凍サイクルを最大限に利用することである。システムは、用途によって課される要件及び制限によって決定されるような、排除、再生、及び同時再生の最適な組合せを利用することができる。システムは、同じ設置の中で三つの動作分類をすべて利用することができる。
【００４５】
システムのバイオ再生可能な逆熱エネルギー(reverse thermal energy)の性質
従来、冷凍プロセスは、圧縮器を動作させる電力を犠牲にして、一つの場所から別の場所にエネルギーを単に移動させるものと考えられてきた。本発明は、単に熱エネルギーを移動させるだけではなく、冷媒、圧縮器油、及び機器の制約並びに可能性を前提として、制御及びシステム設計によって、熱エネルギーを特定の用途におけるその最も望ましい状態に関して変換することを試みる。これは、例えば、同時再生の一例として上述したエタノールプロセスにおいて明白である。発酵プロセスは固定の35℃(95F)を必要とするが、熱処理したマッシュは82℃(180F)で保持される。バクテリアが糖を代謝してアルコールに変えるとき、発酵は熱を発する。マッシュは、システムによって維持され(過剰熱が収集される)、冷凍プロセスの設計に応じて、54℃(130F)〜82℃(180F)の水に変換される。
【００４６】
本発明は、従来は環境へと廃棄されてきたであろう熱エネルギーを再使用することによって、また、従来の燃焼に基づく加熱システムと関連する有害な排出を低減することによって、任意の供給源からの電気を熱「バイオエネルギー」に変換することができる。例えば、従来のエタノール工場では、熱処理用水は、天然ガス、石炭、又はバイオマスを燃料とするボイラーを使用して加熱される。熱処理したマッシュにおける過剰熱は、発酵プロセスに進む準備ができる前に除去されなければならない。これは、従来、熱交換器を使用してプロセスの別の部分を加熱することを伴い、更に、冷却装置又は冷却塔のどちらかから付加的に冷却を行って、冷却プロセスを終了させることを必要とするが、それは、マッシュがエタノール生産プロセスの他のほとんどの段階よりも低温でなければならないためである。これは、発酵プロセスを35℃(95F)で維持するということにも当てはまる。したがって、燃料が燃焼されてプロセス流体が加熱され、次に熱が環境へと排除されるか、又は生物学的プロセスが環境へと排除される過剰熱を生み出す。この動作モードは、従来のエネルギー価格及びエネルギー供給によって可能になっていたため、現在ほとんどの業界で普及しており、現在まで、軽度の「廃」熱を利用する経済的手法は存在しない。しかし、出願人らのシステムにより、廃棄されるであろうエネルギーを再生して、所望の冷却及び加熱効果を同時に提供することができる。また、技術及び冷媒が進歩するにつれて、冷凍サイクルの両方の側における所望の動作条件をより精密に合致させることが可能になるであろう。
【００４７】
システムは、加熱の直接燃焼源とそれらに関連する排出とに取って代わる。廃棄エネルギー並びに固体状及びガス状の排出物は、別の方法では環境に放出されてきたであろうものなので、新しい本発明のシステムによって再生される熱エネルギーはバイオエネルギーである。バイオエネルギーシステムは、再生されるエネルギーが有機体(動物収容施設、アルコール生成バクテリア、又は孵卵など)から派生するときにも存在する。システムは、本質的に、すべての炭素に基づく燃焼プロセスからの二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)、及び窒素酸化物(NOx)の排出物を置き換え、また、油、石炭、固形廃棄物、又はバイオマス燃焼物からの二酸化硫黄、水銀、及び灰分の排出物を置き換える。システムが、CO2、SO2、及び他の放出物を置き換える又は低減することを前提として、将来的には、現在の米国におけるキャップアンドトレード方式の放出物低減戦略において市場価値を有する排出権の産出量(現在は、SO2、NOx、Hg、及びCO2)に関して、事業計画を適格にすることができる。排出の置換え及び生態学的影響の程度は、特定の場所における用途内でのシステムの再生可能エネルギーの性質に関して測定される。
【００４８】
このバイオエネルギーの再生可能な性質は、システムの効率を、適用場所の電気を発電する熱発電所の効率と比較することによって導き出すことができる。熱発電所としては、化石燃料を燃料とする発電所、原子力発電所、バイオマスを燃料とする発電所、太陽熱発電所、及び地熱発電所が挙げられる。これらのタイプの発電はすべて、著しい量の廃熱を環境に排出し、燃焼に基づくシステムは、空気汚染及び水質汚染の一因となる大量の燃焼生成物を生成する。熱発電所の効率は、電力出力kWh当たりの燃料入力(又は熱エネルギー)Btuとして定義される、熱消費率によって特徴付けられる。再生又は排除モードでのシステム動作は、同様に、電力入力kWh当たりの熱出力Btuとして特徴付けることができる(逆熱特性)。システム性能(Btu出力/kWh入力)が、熱発電システムの平均熱消費率(Btu入力/kWh出力)よりも大きい場合、この二つの比はシステム動作の再生可能な寄与を表す。
【００４９】
例えば、出願人らのシステムが、kWh電力入力当たり12,000Btuの熱出力で動作する一方、熱発電システムが9,000Btu/kWhで電気を生成している場合、出願人らのシステムは、(12,000/9,000-1)*100=33%の再生可能熱エネルギーに寄与している(即ち、1単位のエネルギーが、所望の目的に対して1.33単位のエネルギーを供給する)。発電システムの平均局所Btu/kWh熱消費率は、負荷を満たすために、異なる効率の異なる発生単位が使用されると変動する。したがって、発電システムの熱消費率が変動すると、再生可能エネルギー寄与は時間とともに変動する。但し、システムは、熱発電システムの熱消費率をより低い値にすることに取り組む新しい動機となることが分かる。
【００５０】
熱発電システムの熱消費率を低減することに対する影響を実証するため、例えば、7000Btu/kWhの熱発電熱消費率を適用してみる。これは、より新しい複合サイクルの天然ガスを燃料とする発電所の範囲内にある。出願人らのシステムの再生可能エネルギー寄与は、(12000/7000-1)*100=71.4%となる(即ち、1Btuのエネルギーが1.714Btuの熱エネルギーを供給する)。これは、天然ガス及びプロパンの使用を、住宅、商業、及び工業用途における直接燃焼から、複合サイクルの発電システムにおける使用にシフトし、それと同時に、出願人らのシステム技術を提供することによって、廃棄熱エネルギーの量と環境に排出される燃焼生成物の量とを著しく低減できることを示唆している。この点を更に推進するため、例えば、出願人らのシステムの代案である再生可能エネルギーの寄与式が100%の効率で動作するものと仮定する(即ち、比から1.0を差し引く)。実際には、直接燃焼システムは、通常、80%〜93%の範囲の変換効率を有し、これは、システムの使用と比べて、使用されたであろう熱エネルギー(及びそれに関連する排出)の追加の7%〜20%は環境に失われていたであろうことを意味する。言い換えれば、1Btuの天然ガス又はプロパンが0.8〜0.93Btuの有用な加熱をもたらす。したがって、代案を比較するため、直接燃焼システムの効率を、出願人らの混合/複合サイクル発電システムの効率から差し引いて、競合する代案に関して調節された再生可能エネルギー寄与を決定する(即ち、代案が効率93%のボイラーである場合、再生可能な寄与は(12000/7000-0.93)*100=78.4%である)。このことは、システムが、効率93%の直接燃焼式ボイラーによって供給されていたであろう有用な熱1Btu当たり、1.784Btuの有用な加熱を生成することを示唆する。
【００５１】
再生又は同時再生のシナリオにおける出願人らのシステムは、一般的に、11260Btu/kWh〜13650Btu/kWhの範囲で動作し、上限を増大するという新しい進歩が期待される。逆熱消費率(reverse heat rate)が増加すると、システム全体のバイオ再生可能な影響はそれに比例して増加する。効率93%のガスを燃料とするボイラーに取って代わる、13650Btu/kWhで稼動し、ガスを燃料とする複合サイクルからの電気を燃料とするシステムは、(13650/7000-0.93)*100=102%の再生可能な寄与を生み出す(即ち、2.02Btuの有用な加熱は、複合サイクル発電所で燃焼されるガスのBtuから発生し、同じBtuが効率93%のボイラーにおいて直接燃焼された場合の0.93Btuの有用な加熱に対して、システムによって増幅される)。
【００５２】
すべての発電が熱源に由来するとは限らないので、非熱的発電源の影響に対して修正が加えられるべきである。非熱的再生可能エネルギー源は、たとえあったとしても、空中浮揚する排出物又は熱放射をほとんど有さず、風力、波力、水力、及び太陽光などの技術を含む。出願人らのシステムの再生可能な寄与に対する非熱的再生可能発電の影響は、非熱源から生成される発電を混合した合計の分画に比例する。しかし、非熱的電力源に関する、出願人らの逆熱プロセス及びシステムの寄与は、性能係数(COP)、又は出願人らのシステムによって使用される電気1Btu当たりの熱出力のBtuに基づいてより良好に説明される。再生及び同時再生モードで動作するユニットは、一般に、3.3以上のCOPで動作することができる。このCOPのレベルは排除モードでも可能であるが、システムが排除モードで動作している暖房期の間の、非常に寒い冬日の屋外の空気などの熱源の温度によって、COPが1.0程度の低いレベルまで低下する場合がある。例えば、システムが3.3〜4.0のCOPで再生モードで動作していると仮定する。3.3のCOPは11262Btu/kWhの逆熱消費率に相当し、4.0のCOPは13650Btu/kWhの逆熱消費率に相当する(即ち、11262/3413=3.3及び13652/3413=4.0であり、式中、3413はBtuとkWhの間の変換定数である(即ち、抵抗電気ヒーターから、1kWhの電気が3413Btuの熱加熱を供給する))。4.0のCOPでは、再生モードのユニットは、1Btuの電気が消費されるごとにプロセスに対して4Btuの熱エネルギーを発生させる。したがって、出願人らのシステムは、非熱源から発生した電気の熱容量とCOPに等しい比とを掛け合わせる。
【００５３】
非熱的発電を含む発電混合物(generation mix)における出願人らのシステムの再生可能な寄与の合計は次の例に表される。13562Btu/kWhのRASERS、7000Btu/kWhの熱消費率で動作する天然ガスを燃料とする複合サイクルの発電所、及び効率93%の直接燃焼ボイラーと競合する10%の非熱的再生可能エネルギー寄与を例にとる。その結果、本発明のシステムの再生可能エネルギー寄与は、(13562/(0.9*7000+0.1*3413)-0.93)*100=112.56%になる。熱発電熱消費率が低減され、非熱的寄与が増加されるにしたがって、この式はシステムのCOPまで低減される。熱エネルギーシステムの可能な最小の熱消費率は3413Btu/kWhであるが、それは、この値が、システムが100%(即ち、1kWh=3413Btu)の変換効率で動作していたことを意味することによる。
【００５４】
加熱効果が利用されるか否かにかかわらず冷却効果が必要とされてきたため、出願人らのシステムが同時再生モードで動作するとき、再生可能な寄与は恐らくCOPと等しくなる。換言すれば、システムの冷却効果に対してエネルギーを生成し使用する場合、加熱効果は、それが完全に使用される場合無条件で付いてくる。
【００５５】
上記の考察は、発電システムの変換効率(熱消費率)が出願人のシステムの変換効率(逆熱消費率)と組み合わされたとき、出願人らのシステムによって、熱エネルギーに基づく発電システムがバイオ再生可能な熱エネルギーを生成できるようになることを実証している。出願人らのシステムが、非熱的な再生可能電力源の再生可能な寄与と出願人のシステムのCOPとを有効に掛け合わせることも示された。また、同時再生モードで動作された出願人らのシステムは、システムのCOPに等しいバイオ再生可能な熱エネルギー寄与を有する。
【００５６】
熱消費率及び効率に関して行った仮定は、現在動作中の熱システムの公称性能の範囲内である。再生可能な寄与は、複合システムの効率が100%を超えると推論してもよい。しかし、出願人らのシステムはエネルギーを作り出すのではなく、通常は環境に廃棄又は排出されるであろう熱エネルギーを有用な熱エネルギーに変換する。冷凍サイクルは、冷媒の相変化特性を適当に使用し制御することによって、小さなエネルギー(電気)入力を、様々な用途に利用可能な大量の熱エネルギーへと増幅する。
【００５７】
直接燃焼式加熱システムを出願人らのシステムと置き換えることには、熱エネルギーの排出及び燃焼性生物が低減されることの他に、追加の生態学的利益がある。一つの例は、ボイラー及び冷却塔、又は蒸発冷却器用の補給水の使用が低減されることである。別の例は、ボイラー及び冷却塔の規模及び生物学的水処理化学薬品の使用が低減されることである。これらの事項すべてを考慮して、化石燃料利用の環境的及び経済的足跡は、出願人らのシステムを導入することによって著しく低減することができる。現場での工業、商業、農業、及び住居用途の直接加熱に使用される天然ガス及びプロパンが、出願人らのシステム技術と置き換えられると、より多量の天然ガス及びプロパンが、より清浄且つより効率的な複合サイクルガスを燃料とする発電に利用可能になる。出願人らのシステム技術は、バイオ再生可能な熱エネルギーを発生させるので、更に、再生可能エネルギー奨励プログラム及び再生可能エネルギー排出権市場に参加できるようにする、そのバイオ再生可能な性質にしたがって、少なくとも次の利益によって分類されてもよい。
【００５８】
(1)再生可能エネルギー寄与として定義される割合で、加熱プロセスに使用される燃料に起因する廃棄熱エネルギー及び燃焼生成物の排出を低減できること。再生可能エネルギー寄与は次式によって導き出される。
【００５９】
再生可能エネルギー寄与%=(RTHR/(REFTH*THPHR-REFNTH*3413)-CompEff)*100
式中、
RTHR=システムの逆熱消費率、Btu熱出力/kWh電力入力
THPHR=熱発電所の熱消費率、Btu熱入力/kWh電力出力
REFTH=熱発電所によって供給される発電混合物の分画
REFNTH=非熱的発電システムによって供給される発電混合物の分画
3413=BtuからkWh、又は効率100%の熱発電所のTHPHRへの変換
CompEff=システムがBtu熱出力/燃焼した燃料のBtuと競合する、熱エネルギーシステムの変換効率
(2)システム再生効率が熱発電所の効率と組み合わせて考慮されるときの、100%を超える効率における熱エネルギー。
【００６０】
(3)システムの性能係数として定義される最大効率で熱エネルギーを発生させることができること。これは、非熱源に由来する電気が使用されるとき、熱発電源の効率が100%に達するとき、及びシステムが同時再生モードで動作するときに生じる。性能係数は、エネルギー出力のBtuを電力入力のBtuで割ったものとして定義される。
【００６１】
(4)同時再生モードでの動作が、冷却システムの動作、並びにあらゆる追加のファン、ポンプ、又はプロセスの加熱側を管理するのに必要な制御の動作を犠牲にして、加熱及び冷却両方を生み出す。
【００６２】
システムの三つの商業用途
出願人らのシステムを適用して、そのバイオ再生可能な特性、並びに冷凍用途の三つの分類内で効率的に動作するというその柔軟性を活用することができる、非常に多数の用途が存在する。商業化の観点から、システムの利益を得られる三つの広義の市場が存在する。それぞれについて、少数の特定の市場区分が特定される(但し、それらのリストは包括的であることを意図しない)。
【００６３】
a.住居用及び商業用の加熱及び冷却
単一世帯
複数世帯
宿泊施設及び寮
オフィス
小売店
倉庫/貯蔵所
非処理施設(製造、組立て、実験室など)
動物収容施設
温室及び苗床
b.工業用の加熱及び冷却
粉体塗装及び焼付け塗装(baked on painting)作業
食品加工施設(食肉、酪農、パン焼き、冷凍食品など)
鋳造工場
c.インラインプロセス
エタノール及びバイオディーゼルプロセス
発電所
ボイラー及び冷却装置又は冷却塔の両方を用いる用途
様々な化学薬品、石油、薬剤、及び農業副産物の精製プロセス
孵卵場/孵卵器環境制御システム
干し草、穀物、又は製品の乾燥プロセス
これらの市場におけるシステム技術の新しく且つ独自の特徴は、各用途での再生及び同時再生の機会を活用するというその柔軟性である。燃焼に基づく技術の代わりに出願人らのシステムを使用することは、特定の用途においてその他の利益をもたらすことも示されている。例えば、疾病及び害虫の潜在性を低減する助けとするため、湿度をより良好に制御することができ、又は、孵卵器を冷却するための真水の使用など、プロセス要素を著しく低減することができる。システムはまた、他のエネルギー効率の良い解決策、再生可能エネルギーシステム、又はエネルギー貯蔵システムと協調して、追加の若しくは倍増する効果をもたらすように働く。例えば、ホテル、病院、又は他の商業施設における二管式加熱及び冷却システムは、各ユニットの水源ヒートポンプと、ボイラーと冷却装置との間で動作する出願人らのシステムとを含むように改良して、冷却装置の排除モード動作とボイラーの燃焼とを著しく低減することができる。出願人らのシステムは、同時再生を使用して、ループ内の過剰熱を取り、それを飲用水又はスイミングプール及び浴槽を加熱するのに適用する。ループが追加の熱を必要とする場合、システムは、再生を使用して、連続排気システム、廃水、又は設備内の他の熱源からの廃熱を取って、必要な加熱をもたらす。出願人らのシステムは、広範囲の用途における独自の市場潜在力を有し、そのいくつかを以下の項に記載する。
【００６４】
したがって、出願人らのシステムは、最適なやり方で排除、再生、及び同時再生を利用して、多数の用途に対する省エネルギー及び排出低減を最大限にするという柔軟性を提供する。特定の用途に関する請求項をこの特許の説明の最後に列挙する。出願人らのシステムは、いくつかの用途において、省エネルギー及び排出低減の利益と同程度有用であり得る、湿度の低減又は水使用の低減などのその他の利益を提供することができる。
【００６５】
システムの三つの分類の冷凍用途及びバイオ再生可能エネルギーの性質を実証する、特定の用途及び構成
多重熱源/多重ヒートシンク構成
出願人らのシステムが、再生及び同時再生の機会を活用できるようにするため、米国特許第7,040,108号に記載されているシステムの定義を拡張して、所与の冷凍サイクルに対して、一つ又は複数の蒸発器及び一つ又は複数の凝縮器を利用できるようにする必要があった。最も基本的な構成では、これによって、出願人らのシステムが、あらゆる施設において、空間加熱、快適な冷却、及び飲用水加熱を提供できるようになる。蒸発器及び凝縮器の構成は用途ごとに調節することができる。いくつかの用途は、一つの蒸発器及び一つの凝縮器のみを必要としてもよい。いくつかの用途は、二つ又は三つの蒸発器及び一つ又は二つの凝縮器を必要としてもよい。蒸発器の数及びタイプは、過剰熱資源、廃熱資源、又は周囲熱資源の利用可能性及びタイプ、並びに用途における加熱又は冷却の需要によって決定される。凝縮器の数及びタイプは、用途の必要な加熱及び冷却の需要の数並びにタイプによって決定される。所与のユニットと関連する蒸発器及び凝縮器の数はまた、設置の経済性、並びに利用可能な熱源のタイミング及び加熱と冷却の需要のタイミングによって決定される。熱資源と加熱及び冷却の需要とが同時に生じないとき、後で利用するために熱又は冷熱を保持する方法として蓄熱を考慮することが必要になる場合が多い。いくつかの実例では、冷却の需要は一貫して加熱の需要を上回り、その場合、蓄熱能力はより高い貯蔵温度を利用することによって低減される場合がある。これらの概念は、図1〜6に関する以下の記載により詳細に展開されている。
【００６６】
基本的な加熱、冷却、及び熱水構成
図1及び2は、第108号特許の基本構成を示す。図2は図1に類似しており、空間を加熱する、又は第2の流れを加熱するなどの目的で、熱交換器及び循環ポンプを使用して貯蔵タンクから熱を除去するという概念を付加している。図1及び2は、単一の周囲供給源又は流れから収集した熱に基づいて加熱が求められる場合の用途に対する実用的な構成である。しかし、これらの構成は、快適冷房期の間の屋内から暖房期の屋外へと熱源が変わるので、例えば家庭に、年間を通して加熱及び冷却を提供するのには不適切であった。それに加えて、快適な冷却用途における冷却負荷は、飲用水の加熱要件を超える場合が多いので、快適な冷却プロセスによって発生する余分な熱を排除する方法が求められる。
【００６７】
図3は、三方再生弁及び再生逆止め弁を使用して、水冷式凝縮器と空冷式凝縮器とを切り替えることを示す。更に、「Aコイル式蒸発器」及び「蒸発器」と名付けられた二つの蒸発器に液状冷媒を供給するのに使用される二方向ソレノイド弁を追加することが示される。用途の必要に応じて複数の凝縮器経路間で切り替えるため、又は複数の蒸発器回路間で切り替えるため、複数の二方弁若しくは三方弁が交換可能に使用されてもよい。使用中ではない所与の経路が、他の経路を使用している間、ユニットを供給不足にするのに十分な量の液状冷媒を保持する可能性がある場合、その経路内の冷媒を再生する手段を提供するように注意しなければならない。これは特に凝縮器経路の課題である。この制御がない場合、凝縮器の周りの周囲温度が低下すると、冷媒は、凝縮器へと移動し(凝縮器内部で凝縮し)、冷媒のユニットを供給不足にする傾向をもつ。蒸発器はすべて圧縮器の吸込口に直接連結されているので、再生は蒸発器経路にとっては凝縮器の場合ほど重要ではない。三方再生弁は、弁の上の再生ポートから圧縮器の吸込口に冷媒を再生する便利な方法をもたらす。常時開の二方向ソレノイド弁(使用される場合)の使用は、弁を故障時閉にし、圧縮器の回送状態を引き起こすのを回避するためにも重要である。三方弁は、常に一つのポートを開き、一つのポートのみを故障時開にするので、その使用はやはり優位である。
【００６８】
この構成は、あらゆる施設(家庭、オフィス、倉庫、工場など)に加熱及び快適な冷却を提供すると同時に、飲用水も加熱するのに必要な基本構成要素を提供する。快適な冷却を提供しながら、飲用水を加熱することによって、同時再生する能力により、顕著な利点がもたらされる。施設から出る加熱流からの再生を使用することができる屋外に蒸発器を設置することができる場合、暖房期の間、及び冷却が不要のときに水を加熱している間の、システムの全体性能を更に改善することができる。
【００６９】
更に、第2の(又は第3若しくは第4などの)凝縮器及び二つの(又は第3若しくは第4などの)蒸発器を、特定の熱源を活用し、且つ有用な加熱を空間又はプロセスに提供する場所に置くことができる、単純な空間調節及び飲用水加熱を超える多数の用途が存在する。このようにして複数の蒸発器及び複数の凝縮器を適用することにより、あらゆる用途において再生及び同時再生を最大限に活用するようにシステムを構成することが可能になる。性能を最大限にする傾向は、特定用途における特定の構成の経済的及びその他のコスト/利益に対して調節されなければならない。
【００７０】
複数のヒートシンクを用いた加熱、冷却、及び熱水
いくつかの実例では、用途は、空間の加熱、及びスイミングプール若しくはプロセス流体などの大型ヒートシンクの加熱など、複数の場所又はプロセスの有用な加熱を提供する機会を示す。米国特許第7,040,108号は、一つのループを空間の加熱に使用することを開示したが、多重回路の可能性は開示しなかった。図4は、熱水タンクに連結された一つを超える加熱回路を使用して、システムが、熱水タンクの制御温度以下で複数の需要に対して加熱を提供できるようにすることを示す。ヒートシンクの所望の温度は、出願人らのシステムの動作温度以下であるとともに、ヒートシンク内への伝熱を可能にするように所与の冷媒で動作しなければならない。スイミングプールがある住宅又は宿泊施設用途では、この構成により、システムが、排除モード動作をなくすことはないにしても低減し、快適な冷却動作又は連続プロセス冷却動作の間の同時再生を最大限にできるようになる。熱需要が、システムの一般的な冷媒凝縮温度(熱タンク設定値)を大幅に下回るとき、第2の水冷式凝縮器の代わりに第2の加熱回路が使用される。これにより、出願人らのシステムが、冷凍システム動作を制御し、いくつかの実例では、蒸発器(一つ又は複数)及び吸込配管への過度の着霜を回避することが可能になる。各加熱ループは、用途の需要及び優先度に基づいて、ループを通る水の流れを制御するソレノイド弁を有する。更に、タンクから出る伝熱を、水冷式凝縮器からタンクに入る熱に制限できるようにするため、各ループにフロー制御弁が置かれてもよい。各ループは、図4に示されるように独自の循環ポンプを有してもよく、又はすべてのループに循環を供給する単一のポンプが使用されてもよい。
【００７１】
温水ヒートシンクを用いた加熱、冷却、及び熱水
図4において促進された複数ヒートシンク概念をわずかに変えたものが図5に示される。この構成では、場合によっては飲用、製氷、及び調理目的に使用される水を除いて、施設全体の給排水器具の冷熱供給源に温水が供給される。その意図は、空冷式凝縮器のような排除モード動作の必要性の回避を助けるため、冷房期の間の追加の加熱負荷を提供することである。システムは、用途内のあるプロセスに価値を付与しない限り、暖房期の間は使用されないであろう。使用時点での混合は、ユーザの快適さの同じレベルに達する通常よりも低温に向かって更に偏るので、冷水供給源が加熱されるという事実によって、熱水の需要が低減される。更に、洗濯店の作業、乳牛の飲料水供給、及び孵卵器の給湿システムなど、一般的な地下水温度よりも21℃(70F)〜32℃(90F)の水が好ましい商業用途がある。凝縮及び結露を制限するため、トイレ及び冷水配管内に21℃(70F)〜27℃(80F)の水を使用することは、壁及び天井にカビが形成されるのを低減し、公衆トイレの濡れた床で人々が滑るという不利益を低減する助けとなり得る。レストランは、快適冷房期の間、空冷式凝縮器の排除モード動作を回避するため、温水供給源を利用することができてもよい。
【００７２】
図5には、混合弁を用いた冷水供給と、独立タンクを用いた冷水供給との二つの構成が示される。両方の選択肢は、冷却プロセスの間の排除モード動作の必要性を低減することによって、エネルギー消費を低減し、また、温水が望ましい特定用途に使用することができる。熱水タンクが満たされ、システムが冷却を必要としているときのみ、熱制御弁が開かれ、冷水制御弁が閉じられる。熱タンクが加熱を必要とするとすぐ、弁はそれらの通電遮断位置に戻る(熱制御弁が閉じ、冷水制御弁が開く)。
【００７３】
混合弁構成により、温水が需要に応じて発生して、温水貯蔵タンク内でのバクテリアの成長に関する懸念を低減する助けとすることが可能になる。快適な冷却需要を継続的に支援するため、冷水の需要があるはずなので、この方策は、冷水の継続的な需要があるときに最も良好に使用される。独立タンクの選択肢によって、より多量の加熱水を貯蔵し、使途のために利用可能にできるようになり、また、快適な冷却を、水の使用後のより長期間、又は冷水の需要がない期間の間、拡張することが可能になる。混合弁に関するタンクの追加の利益は、熱及び冷水制御弁が始動するとき、ユーザへの給水温度が冷温から低温へ、又は低温から冷温へ急に切り替わらないことである。冷水タンクの温度がその設定値に達した場合、システムは、水が使用されるまで、冷却プロセスを遮断するか、或いは利用可能であれば熱排除モードに切り替わり、それによってシステムが熱水又は冷水を発生させ続けることが可能になる。もし混合弁がタンク構成に追加された場合、蛇口で冷水温度を制御しながら、タンクをより高温に加熱することができる。
【００７４】
暖房期の間、冷水タンクを使用して熱水を貯蔵できるようにするため、独立タンクの選択肢において、冷水バイパス弁が使用される。システムが冷却を必要としているとき、バイパス弁1は閉じられ、バイパス弁2は開く。システムが加熱を必要としているとき、バイパス弁1は開き、バイパス弁2は閉じられる。これらの弁は、手動操作弁であるか、又はシステムのサーモスタットに応答して自動化されてもよい。暖房期の間、バイパス弁がバイパスモードに対して適当に設定された場合、冷却タンク上のサーモスタットは、熱水温度に達することができるように設定されてもよい。快適冷房期の間、冷却タンク上のサーモスタットは、その温度を冷水供給の最も温かい受容可能な温度に保つように設定されてもよい。
【００７５】
熱ループ及び蓄熱を用いた加熱、冷却、及び熱水
柔軟な構成を有する出願人らのシステムは、熱流体ループ及び熱エネルギー貯蔵を伴う加熱及び冷却動作を支援する独自の可能性をもたらす。熱ループ又は貯蔵システムは、需要に応じて冷却又は加熱のどちらかを提供するように動作してもよい。図6は、流体ループ及び蓄熱両方を備えた基本的な熱システムを示す。流体及び貯蔵媒体は、水、グリコールと水の混合物、又は市販されている多数の熱流体の一つであってもよい。貯蔵システムはまた、相変化又は相変化材料を利用して、貯蔵装置に対するエネルギー密度を高めてもよい。
【００７６】
出願人らのシステムの冷凍サイクル構成は、この構成がその蒸発器の一つとして明白に冷却装置を利用することを除いて、図4及び5に示される多重熱源/多重ヒートシンク構成のいずれかと同じである。一つの凝縮器のみが示されているが、特定の用途は追加の凝縮器を必要としてもよい。例えば、施設の加熱需要が満たされ、依然として快適な冷却が必要とされているとき、冷却塔又は空冷式凝縮器への熱を排除するため、第2の凝縮器が使用されてもよい。システムが冷却にのみ使用される場合、加熱熱交換器、関連する配管、及び流体制御弁は構成から省略されてもよい。システムが加熱にのみ使用される場合、今度はシステムの貯蔵能力を増加させるために熱水タンクが相変化メカニズムを伴うことがあることを除いて、図4に示されるシステムの構成をとることになる。
【００７７】
水冷式凝縮器と熱水タンクとの間の循環ループは、別個の循環ループを利用するのではなく、ループ内に熱交換器を追加する。これにより、熱ループ/貯蔵システムとの熱交換に対して最高温を提供し、追加のポンプの動作を回避するという利点がもたらされる。しかし、これは、熱システム又は貯水タンクのどちらかから熱を必要とするときは常に、循環ポンプが動作するように配線しなければならないことを示唆するものである。また、それによって、熱システムループの構成は、冷却装置流体制御弁及び加熱流体制御弁を有して、システムが動作中のときの冷却動作の間、ループの加熱を回避するようにされる。代案は、図4に示されるように、熱水タンクと熱システムループとの間に独立の熱循環ループを設けるものである。これにより、冷却装置流体制御弁及び加熱流体制御弁が不要になり、同じループ上に冷却装置及び加熱熱交換器が置かれるが、追加のポンプを動作させるコストが追加される。両方の方策は、コスト対システムのエネルギー効率に対する影響に基づいて作用し、主にそれに基づいて選択される。ポンプの数及び熱ループシステムの構成は用途ごとに変わる。熱システムループは、用途の要件に応じて、蓄熱装置(加熱/冷却流体タンク)を含んでも含まなくてもよい。これは、いくつかの実例では、熱システム内のタンクとポンプの一つとが存在しないことを示唆する。予備の加熱及び冷却は、熱ループ内に連結された任意の経済的に実行可能な供給源から得られてもよい。多くのこのような熱ループシステムにおいては、現在、ボイラー及び冷却装置又は冷却塔によって予備の加熱及び冷却が提供される。
【００７８】
この出願人らのシステム構成は、再生及び/又は同時再生を利用して、多数の施設における既存の熱ループシステムの効率を著しく改善するという独自の機会を提供し、また、熱エネルギー(加熱若しくは冷却)を後で使用するために効率的に貯蔵できる、多数の新しい用途に対する機会を提供する。例えば、ホテルにおける出願人らのシステムの商業用途に関して、上述の二管式加熱及び冷却システムを考慮する。二管式システムは、タンクを有する又は有さない熱ループシステムによって表される。タンクは、ループへの影響を弱めて、ループ温度の変動性を低減する助けとなるので、この用途において使用される場合が多い。冷却装置は、同時再生モード動作で使用されて、熱ループシステムに対する冷却を提供するとともに、シャワー及び洗濯用に飲用水を加熱するか、又はスイミングプールを加熱する。再生モードで動作して、熱ループシステムに対する加熱を提供する蒸発器(それらの一つ若しくは複数)は、連続補給空気システムの排気、レストランキッチンの排気、洗濯乾燥機の排気、又はシャワー及び洗濯からの廃水など、様々な排気流に位置することができる。出願人らのシステムは、利用可能な熱源及びヒートシンクの制約の中で、施設の一般的なベース負荷加熱及び冷却に合致するようにサイズ決めされる。次に、予備の加熱及び冷却システムは、限界動作条件と一般的な動作条件との間の差を補うようにサイズ決めされてもよい。別のサイズ決めの方策は、春及び秋の間に通常経験する需要を満たすようにシステムをサイズ決めし、冬及び夏の極値の残りに対してボイラー及び冷却装置をサイズ決めするものである。ループは、ホテルの各部屋の単純なファンコイルを介して加熱及び冷却を提供するように、熱及び冷熱どちらかのモードで動作してもよく、或いは、ループは、ホテルの各部屋の水源ヒートポンプ又はループによって供給される温度制御空間を介して加熱及び冷却を提供するように、13℃(55F)などの所与の温度で動作してもよい。更に、十分な接地接続能力を、適用場所における環境上受容可能なやり方で経済的に得ることができる場合、ボイラー及び冷却装置とは対照的に、設置接続されたヒートポンプシステムから予備の加熱及び冷却を提供することが可能であろう。出願人らのシステムにより、接地接続されたシステムの規模を低減して、設置コスト全体を低く抑える助けとすることができる。
【００７９】
この構成が蓄熱に使用されるシステムの好例は温室内である。温室は、屋外温度が低いときであっても、晴天日の著しい太陽熱獲得の影響を受ける。これは、日中に過剰熱を収集し、それを利用して夜間に空間を加熱する機会を提供する。理想的には、貯蔵タンクのエネルギー密度を増加させるため、相変化材料が貯蔵タンク内に使用され、相変化材料は、出願人らのシステムの通常の凝縮温度(熱水タンク設定値)での貯蔵を可能にするように選択される。過剰熱を温室から除去することの利点(植物に対する明白な利益の他に)は、施設内がより低温であることによって屋外への損失が低減され、加熱された空間内よりも冷却された空間内においてより多量の太陽エネルギーが捕捉されるため、収集されるかも知れない熱の総量が増加することである。このことは、任意の太陽熱収集システムが出願人らのシステムと連結されたときのシステムに当てはまる。コレクタは、冷却されたときにより多量の熱を収集する。収集された熱は、加熱された貯蔵流体を循環させることによって直接使用されてもよく、貯蔵システム温度が有用な加熱温度を下回る場合、それが合理的に効率的な動作を阻害するような温度に達するまで、システムを使用して、追加の熱を貯蔵タンクから抽出することができる。
【００８０】
並列ユニットを用いた加熱、冷却、及び熱水
いくつかの用途では、加熱及び/又は冷却要件を満たすため、様々な構成要素を備えた一つを超えるエネルギー再生ユニットが必要とされる。これらの用途では、特に商業及び工業設備の場合、一つの循環ポンプ、及び/又は一つを超えるユニットに共通の熱水タンクを利用することが、より経済的であり得る。水循環側においてより容易に制御される多重ユニット構成は並列構成なので、各ユニットは、水冷式凝縮器内の同じ動作条件又は水温度を経験する。直列構成を使用すると、それによって、下流のユニットが水冷式凝縮器内でより高温を経験し、結果として、圧縮器の水頭及び冷媒温度がより高くなる。この温度差は、ユニットをオンオフする手段として使用することができるが、制御を熱タンクのサーモスタットと同期させることは困難な場合がある。各ユニットは、独自の熱源を有し、それらの熱源に対して独立に制御される。ユニットが、冷媒側において比較的類似の動作条件で動作できるようにするため、ユニットを合理的に類似した熱源とともにグループ化しようと試みるように注意しなければならない。例えば、一方のユニットが4℃(40F)で冷水ループを提供し、他方のユニットが52℃(125F)で廃水タンクから熱を再生してもよい。二つの圧縮器の圧縮比は、熱水タンクの温度によって制御される凝縮温度に対して著しく異なる場合がある。より低温の環境で動作するユニットは、熱水タンクのサーモスタットが満たされる前に、圧縮器の推奨を上回る圧縮比条件に達して、ユニットを故障又は動作寿命の短縮の危険に晒すことがある。
【００８１】
並列で動作するユニット群に対して、共通の循環ポンプ及び共通タンクを使用することの不利な点は、ポンプ、タンク、又は共通のヘッダーが故障した場合、ユニットがすべて動作しなくなることである。いくつかの用途では、故障停止と関連するリスク又はコストを最小限に抑えるため、各ユニットに循環ポンプを使用すること、又は予備ポンプを並列に供給することの冗長性が必要なことがある。
【００８２】
多重熱源/多重ヒートシンク構成の利点の概要
(1)出願人らのシステムは、一つ若しくは複数の蒸発器又は一つ若しくは複数の凝縮器を独立に利用して、所与の用途プロセス内での事象のタイミングにしたがって、利用可能な熱源の利用及び熱需要を最適化することができる。これは、米国特許第7,040,108号に開示されているような、一つの蒸発器及び一つの凝縮器の使用を拡張する。
【００８３】
(2)出願人らのシステムを使用して、任意の用途に対して、加熱、冷却、及び熱水を供給することができる。
【００８４】
(3)出願人らのシステムは、一つ若しくは複数の三方弁又は二つ若しくは複数の二方弁を利用し、制御システム内で定義される用途の優先度にしたがって、蒸発器間及び凝縮器間で切り替わるように制御する。
【００８５】
(4)システムは、循環水式加熱ループ(hydronic heating loop)を介して一つ又は複数のヒートシンクに温水熱(hydronic heat)を供給することができる。
【００８６】
(5)システムは、循環水式加熱及び冷却システムに対して、冷却水及び加熱水の両方を供給することができる。
【００８７】
(6)システムは、快適冷房期の間の空冷式凝縮器の使用を回避する手法として、冷水の代わりに調温された水を供給することができる。これにより、ファン動作を回避することによってエネルギー消費が低減され、蓄熱能力が増加し、配管及び取付具からの結露が低減される。
【００８８】
(7)ユニットは、能力を増加させながら設置コストを低減するため、共通の循環ポンプ及び貯蔵タンクを利用するように並列に設置することができる。
【００８９】
(8)システムを相変化材料とともに使用して、プロセス又は施設において後で使用するため、熱又は冷熱を効率的に貯蔵することができる。
【００９０】
(9)コレクタが連続的に冷却され、それが周囲への損失を低減し、収集できる熱エネルギーの量を増加させるので、出願人らのシステムを、太陽熱収集システム又は温室とともに使用して、熱エネルギー捕捉を最大限にすることができる。
【００９１】
多段熱放散構成
冷媒サイクルの凝縮経路又は熱放散側は、環境又はプロセス流体を一つの状態から所望の状態に変換する目的で、有用な下位構成要素に分割することができる。例えば、冷凍サイクルの熱放散経路の一つの部分を利用して、プロセス流体を加熱し、放散経路の別の部分が蒸気を生成することが可能である。冷媒は、熱放散の間、三つの物理的相(蒸気、蒸気/液体混合、及び液体)を経験する。各相と関連する冷凍プロセスは、過熱低減(蒸気)、凝縮(蒸気/液体混合)及び過冷却(液体)である。冷媒が冷媒混合物である場合、過熱低減及び過冷却がある温度範囲にわたって生じ、凝縮が単一温度で、又は小さな温度範囲にわたって生じる。各プロセスは、配管及びシステム構成要素における圧力損失の影響を受ける場合を除いて、ほぼ同じ圧力で生じる。一般に、熱放散経路の各セグメントは特定のタスクを達成するために使用されてもよく、各セグメントは用途要件を満たすように更に分割されてもよい。冷媒は相変化を経由し、密度の著しい変動を経験しているので、処理されている冷媒の特定の相に最も良好に適応する熱交換器を選択することが望ましい。例えば、過熱蒸気を取り扱う熱交換器及び関連する配管は、過冷却液体を処理する熱交換器及び配管とは異なるようにサイズ決めされ、設計され、それらは両方とも、蒸気/液体混合物を処理する熱交換器及び配管とは異なってもよい。適用空間又はプロセス流体の物理的状態もまた、水が加熱されて蒸気を生成し、それが更に機器及びプロセス設計に影響するような、様々な相を経験するか、又はその状態にあってもよい。
【００９２】
従来技術では、システムの水冷式凝縮器又は外部凝縮器は、過熱低減及び凝縮と関連するエネルギーをすべて受理又は排除すると仮定されていた。複数の水冷式凝縮器を用いて、二つ以上の加熱条件を所望の温度で制御することができる。従来技術では、過冷却のエネルギーはほとんど注目されていなかったが、過冷却は、蒸発器上の着霜に関する要求における重大な因子であり、いくつかの冷媒に関するプロセス効率についての重要な考慮点となる。過冷却が適用されるとき、以下の項に記載されるように、第2又は第3の水冷式凝縮器(技術上、過冷却器と呼ばれる)。冷却の分類の普遍的公式及び原理が用途に適用されるとき、冷凍プロセス及び用途要件が均衡するように、熱放散経路の最良の配置及び分割が決定される。
【００９３】
以下の項は、図7〜11と併せて、冷媒の熱放散経路を分割して用途要件を満たすことができる、基本構成及び用途をいくつか記載する。出願人らのシステムの任意の実施形態と同様に、多段加熱構成は、用途要件に応じて、連続加熱プロセス、バッチ加熱、又はそれら両方に向けて設計されてもよい。以下に記載する構成は、上述した多重熱源/多重ヒートシンクの方策を、所与の熱放散経路内の複数の熱交換器、及びプロセス液体をより高温まで加熱するように動作を制御する能力を含めるように拡張する。
【００９４】
混合過熱同時再生及び排除を用いた加熱、冷却、及び熱水
冷却需要が加熱需要を超える用途について、特別な冷凍構成が開発されているが、用途は、通常の凝縮温度(熱水タンク設定値温度)よりも高温で、貯蔵された熱エネルギーから利益を得る。構成を図7に示す。冷凍側の構成は、二つの三方弁が圧縮器の凝縮器側にあり、それらの弁が特別な手法で構成され制御されることを除いて、他の多重熱源/多重ヒートシンク構成に類似している。三方弁C3V1は、圧縮冷媒を水冷式凝縮器又は外部凝縮器に供給する。逆止め弁1が必要なので、示される弁C3V1は三方再生弁ではないが、それであることができる。弁C3V1により、システムが、通常の水加熱モード又は熱排除モードで動作することが可能になる(ある特定の加熱用途では、第2の凝縮器が使用されない場合)。第2の三方弁C3V2は、水冷式凝縮器の下流に位置付けられ、受器又は外部凝縮器に放出する。弁C3V2は、水冷式凝縮器を使用して、熱水タンクが熱水タンク設定値を下回る温度まで加熱されているとき(即ち、冷媒は水冷式凝縮器内で凝縮する)、外部凝縮器から冷媒を引き出すために使用されるので、三方再生弁でなければならない。両方の弁が通電されたとき、システムは、通常の熱水設定値(通常の冷媒凝縮温度)を上回るまで熱水タンクを加熱し続け、その際追加の冷却が求められる。水冷式凝縮器は、過熱低減モードで動作する(即ち、冷媒は水冷式凝縮器内で蒸気のままであり、外部凝縮器に渡されて凝縮が完了する)。したがって、快適な冷却及び水加熱に使用されるとき、システムは、混合された同時再生及び排除モード動作を提供する。凝縮温度を上回る温度で水冷式凝縮器を出る冷媒は、依然として蒸気であり、次に外部凝縮器まで移動して凝縮される。水冷式凝縮器と外部凝縮器との間の熱冷媒ラインは、冷媒が凝縮器に達する前にライン内で凝縮されないようにする助けとするため、絶縁されることが重要である。好ましくは、外部凝縮器に先立って液体へと凝縮するあらゆる冷媒が、重力によって外部凝縮器に運搬されるように、外部凝縮器は物理的に水冷式凝縮器の下に位置する。任意の冷媒サイクルと同様に、受器は、冷媒が重力によって凝縮器から受器に流れることができるようにするため、すべての凝縮器の下に位置付けられるべきである。
【００９５】
熱水タンク内の温度が増加するにしたがって、外部凝縮器へ移動する冷媒蒸気の温度が増加する。これらの温度が増加するにしたがって、水中で捕捉されるエネルギー量が減少する。多数の冷媒については、水中で捕捉される熱量は、冷媒凝縮温度以下で熱水タンクを動作させている間に捕捉されるであろう量の10%〜20%となる(即ち、通常の同時再生能力が10%〜20%、排除が80%〜90%)。しかし、熱水タンクに貯蔵された熱エネルギーの量は、熱水タンクがその通常の設定値又は冷媒の最大凝縮温度に達したときに、システムが単に排除モードに切り替えられた場合に可能であったであろう量よりも多くなる。タンク温度は冷媒の凝縮温度よりも高いので、システムは、タンク内の温度が冷媒の凝縮温度まで低減されるまで、単純な水加熱モードに戻ることができない。
【００９６】
この構成は、使用することができるより高温の水の量が制限されている、高い冷却負荷を有するあらゆる施設にとって理想的である。一例は、レストランと同じ場所にある洗車場である。レストラン内の(特にキッチンからの)冷却需要は食事時間と一致するが、洗車場の加熱需要は、通常、平日の営業時間後又は週末の終日の後に最大になる、洗車サイクルと一致する。キッチンから排除された熱は、設置機器に対して許容される最高温度で熱タンク内に貯蔵され、熱タンクから洗車場に進む水は、混合弁の使用によって洗車場における受容可能な条件まで調湿される。洗車場の需要が熱タンク温度を通常の設定値温度まで低減する地点において、システムは、通常の水加熱モードに戻って、外部凝縮器の排除モード動作をなくし、水中への熱捕捉を最大限にする。
【００９７】
上述の例は、外部凝縮器が動作して熱を排除するものと仮定する。この凝縮器は必ずしも排除だけに使用されなくてもよい。例えば、ドライクリーニング店/洗濯店と小さな洗濯負荷との組合せは、この構成を使用して、ドライクリーニングプロセスに快適な冷却を提供し、27℃(80F)、52℃(125F)、及び82℃(180F)で水を発生させることができる。52℃(125F)の水は水冷式凝縮器のみを使用して発生し、27℃(80F)及び82℃(180F)の水は、水冷式凝縮器と、この場合は別の水冷式凝縮器である外部凝縮器との両方を使用して発生する。したがって、外部凝縮器は、入ってくる冷水を、洗濯プロセスに値を満足に追加するが、通常、燃料を用いて水を加熱するときには提供できない、27℃(80F)まで加熱するのに使用される。熱排除は任意の有用な加熱プロセスに進む。
【００９８】
この構成の使用は、通常の凝縮温度におけるより多量の貯蔵、及びより多量の貯蔵能力を前提として低減された排除モード動作を通して提供される改善された効率と比較検討しなければならない。以下の構成の一つもまた、いくつかの用途ではより有効な解決策となることがある。
【００９９】
過熱液体を用いた加熱、冷却、及び熱水
いくつかの用途では、二つ以上の水冷式又は液冷式凝縮器を直列で組み込んで、上記の項に記載したドライクリーニング店/洗濯店の例において特定したような、一つ若しくは複数の目的を実現することが重要である。これらの凝縮器は、冷媒に対して過熱低減、凝縮、又は過冷却を提供しながら、液体を所望の状態まで加熱するか、安定した効率的な冷凍システム動作を提供してもよい。
【０１００】
図8に示される二つの水冷式凝縮器構成は、外部凝縮器ECに加えて、第2の水冷式凝縮器WCC2及びそれ独自の循環ループ及び貯蔵タンクを含むことを除いて、図7に類似している。このシステムは、水又は液体の二つの温度、上述の項に記載したような混合構成/排除モード動作、及び外部凝縮器による熱の排除を生成することができる。第1の水冷式凝縮器WCC1は、冷媒の通常の凝縮温度よりも高い温度で水又は液体を発生させるのに使用される。それは、その循環ループ内の水の温度が冷媒の凝縮温度を上回るまで、凝縮モードで動作する。その時点において、WCC1は、過熱冷媒蒸気を扱い、WCC1に入る過熱蒸気の温度に近付く温度まで、その循環ループ及び貯蔵タンク内の水を加熱することができる。このループと関連するタンク、ポンプ、弁、配管、絶縁などはすべて、過熱動作で望ましい又は可能な温度に耐えるように選択しなければならない。5トンの往復圧縮器内のR22を用いた試験では、バッチモード動作で93℃(200F)付近の水温度がもたらされている。WCC1に入る冷媒蒸気は、104℃(220F)〜127℃(260F)の範囲であり得る。これは、R22を使用して環境条件及び低圧条件で蒸気を発生させることが可能であろうことを示唆する。システムはWCC1内の蒸気形成によって数回蒸気閉塞したので、これは試験において確認された。蒸気生成プロセスに対して蒸気及び水を分離するためには、異なる熱交換器及び配管の配置が必要であったであろう。
【０１０１】
WCC2は、その循環ループ内の水又は液体を、WCC2の熱水タンク内のサーモスタットによって制御されるような冷媒の最大凝縮温度まで加熱するのに使用される。この水は、WCC1の循環ループ又は用途向けの熱水供給システムのどちらかに供給することができる。このようなシステムを使用するとき、WCC2によって提供される凝縮温度、及びWCC1によって提供されるより高温での加熱液体の使途を有することが良い。WCC1がR22システムにおいて過熱低減モードのとき、利用可能な熱の80%〜90%はWCC2を通して現れ、10%〜20%はWCC1を通して現れる。これらの百分率はシステムに使用される冷媒に応じて変わる。
【０１０２】
冷水は、調温を活用するため、循環ポンプの吸込口側でWCC2ループに導入される。システムが特定の温度で連続フローを生成するように制御された場合、冷水はWCC2に入る加熱水と混合するであろう。これにより、WCC2ループ内のタンクが、冷媒の通常の受容可能な凝縮温度よりも2.8〜4.4℃(5F〜8F)高温で動作することが可能になる場合があるが、それは、圧縮器の水頭が、タンク中の水の温度ではなく混合水温度に一致するためである。WCC2の循環ループ内のフローは、熱循環流量制御弁(Hot Circ Flow Control valve)を使用して制御され、調温水流量は、調温流量制御弁(Tempering Flow Control valve)によって制御することができる。これらの流量は、温度制御の所望のレベルを得るように調節することができる。この調温効果は、当然ながら、システムを通る水の連続フローがあるときにのみ利用可能である。同様に、WCC2タンクを出る熱水は、WCC1の循環ポンプの吸込口側に送られる。これにより、過熱低減プロセスがWCC1への水側入口でより低温になり、それによってWCC1のタンクの所与の温度で得ることができる伝熱の量を増加させることが可能になる。HT供給流量制御弁は、システムがタンクを出る設定値温度を維持することが可能になるように、水のフローを制御するのに使用される。熱供給ラインがない場合(即ち、システムが貫流原理で水を加熱する)、HT供給流量制御弁はまた、WCC2の循環ループに対する調温流量制御弁と同じ効果をもたらすことができる。流量制御弁の数、様式、及び位置は、用途の要件又は機会に応じて変動する。例えば、熱供給及びHT供給が気圧に暴露された場合、流量制御弁は熱供給及びHT供給ライン内に最良に位置するであろう。別の例は、三方比例制御弁をタンクと調温供給源との間で循環ライン内に置くことができるものである。三方弁は、タンク内の温度を比較的一定に保つことを可能にするのに十分な速度で水を放出する。流量制御弁の任意の組合せにおける優先度は、圧縮器の水頭が受容可能な制限内に制御されるとともに、用途の温度要件を満たすことを確保するものである。WCC1の循環ループ内の循環流量を制限する必要はないが、それは、WCC1の水側全域に温度差を付与して、より良好な伝熱を促進する助けとなり得る。
【０１０３】
理論的分析により、正しい蒸発器条件及び適当な機器選択とともに、既存の冷媒を使用することを前提として、冷媒凝縮温度(WCC2)を66℃(150F)程度の高温で維持できることが示される。この構成の使用に関する最大の制限は、過熱冷媒蒸気の温度であり、更に重要なことには、WCC1に入る過熱蒸気中の油の温度である。この温度は、油が分解し、その潤滑能力を失い始める時点よりも低いままでなければならない。冷媒の選択及び圧縮器の効率は、この温度に対して著しい影響を有する場合がある。適当に機器を選択することで、この構成を使用して低圧で飽和蒸気を生成することができる。適切な設計の追加の熱交換器が過熱蒸気を発生させるのに必要であろう。
【０１０４】
循環水式加熱ループをどちらかのタンクに適用することができる。WCC1タンクから始まる温水熱ループからの戻りは、同じタンク又はWCC2タンクのどちらかに戻ってもよい。どのタンクに戻るかを決定する主要な因子は、タンクの温度に対する戻りの温度である。戻りがWCC2タンク内の温度よりも高い場合、WCC1タンクに戻らなければならず、WCC2ループから始まる循環水式加熱ループからの戻りはWCC2タンクに戻らなければならない。
【０１０５】
この構成を利用して、公称の冷媒凝縮温度よりも高温で液体又は蒸気を生成することは、洗濯店、農業分野、食品加工分野、及び医療分野などにおいて、衣類及び機器を洗浄又は殺菌する必要があるあらゆる用途で有用であろう。例えば、孵卵場は、卵が過熱されないようにするため著しい冷却負荷を有する。孵卵場はまた、卵及び雛を保持するのに使用される機器を週に数回殺菌する必要がある。この構成を使用して、卵の冷却を維持したまま、洗浄に使用される高温水を発生させ貯蔵することができる。
【０１０６】
過冷却液体を用いた加熱、冷却、及び熱水
図9は、構成を非常に異なった形で利用することを除いて図8と同じである。この利用の目的は、WCC1内の凝縮温度での加熱液体と、WCC2内の過冷却からの温水とを提供することである。WCC2の循環ループは、過冷却のためにタンク内の平均温度を維持するのに使用される。これは、システムによる水の使用が断続的であるか、又は循環水式加熱ループから戻る水の温度が可変である場合に有用である。タンクは、冷凍システム動作をより安定に保つ助けとなる。WCC2に入る低温液体の状態が、貫流式加熱システムの場合にそうであるように一貫している場合、循環ループ及びタンクは図10に示されるように必要ではないことがある。この場合、温水は、WCC1循環ループポンプの吸込口側に直接導入される。温められた水又は液体が有用であり得る用途があってもよい。
【０１０７】
この構成は、R410A及びR422Bなどの冷媒を使用する際に重要になる。追加の過冷却は、冷凍サイクルから最大効率を得るために重要である。冷媒がTX弁を介して膨張するとき、冷媒の特定の分画は蒸気に変換され、残りは液体のままである。膨張プロセスは、等エンタルピー的であると見なされ、又は一定のエンタルピーで生じる。エンタルピーは、Btu/lb単位での冷媒のエネルギー蓄量の基準である。ある程度のエネルギーが水又は液体に付与されるので、凝縮器WCC2を出る液状冷媒のエンタルピーはWCC2を出る液体のエンタルピーよりも大きくなる。この過冷却により、TX弁の後、混合物中の蒸気の分画がより少なくなり、混合物中の液体の分画がより多くなることが可能になる。冷凍効果は、蒸発器内の液体/蒸気混合物の残りの液体分画を沸騰させることによって生じるので、過冷却冷媒から発生する混合物は蒸発器内のより多くの熱を捕捉することができる。蒸発器がより多くの熱を捕捉すると、冷凍効果は増加され、システムのCOPが向上する。液状冷媒が、吸込圧又は蒸発器の入口の圧力での飽和液体に対応する温度まで過冷却されると、最大の冷凍効果が生じる。R410A及びR422Bなどのいくつかの冷媒の場合、システムは、TX弁内で膨張している間、冷凍効果の40%〜50%程度を失う可能性がある。過冷却を使用することにより、冷凍効果及びシステム効率が著しく増加する。
【０１０８】
この構成のこの利用は、図10のような貫流式過冷却の使用、又は図9に示されるようなタンク及び循環ループの使用に関連する問題を考慮して、システムを使用することが可能な、あらゆる場合に適用できる。過冷却を活用するため、システムは、水若しくは液体の一貫した流量が加熱される状況で、又は循環水式過熱システムが再加熱される場合に最も良好に適用される。
【０１０９】
過熱液体及び過冷却を用いた加熱、冷却、及び熱水
図11は、WCC3を介して過冷却を、WCC2を介して凝縮を、且つWCC1を介して過熱を提供するように構成されたシステムを示す。構成は、基本的に、上述の二つの項の概念を組み合わせて、より高い液体温度を発生させるとともに、過冷却を使用することによってより高い効率を維持する手法に到達する。同じシステムに組み合わされることを除いて、過熱及び過冷却の同じ概念が適用される。システムが過熱蒸気を発生させるために使用されなければならない場合、冷凍経路のWCC1の前に第4の熱交換器が必要になるであろう。
【０１１０】
複数の熱交換器が直列で接続されるとき、設計者は、熱交換器又は水冷式凝縮器の両側での圧力低下を制御するように、機器を慎重にサイズ決めしなければならない。冷媒側での圧力低下は、圧縮器の電力要件を制限し、容量を最大限にするのを助けるため、最小限に保たれるべきである。水又は液体の側における圧力及び圧力低下は、加熱液体が沸騰することが望ましくない場合に沸騰する傾向をもつことがある、低圧点が作り出されるのを回避するように制御されなければならない。沸騰が生じた場合、システムは、水ポンプ内で蒸気閉塞し、キャビテーションを起こすであろう。
【０１１１】
多段熱放散の利益の概要
(1)二つの熱交換器(水冷式凝縮器WCC1及びWCC2と称される)を冷媒経路内で直列で使用して、水又は液体を、システムの水頭における冷媒の通常の最大凝縮温度よりも高温まで加熱できること。WCC1は冷媒を過熱低減し、一方でWCC2は冷媒を凝縮する。
【０１１２】
(2)二つの熱交換器を冷媒熱放散経路内で直列で使用して、冷媒を過冷却して、システムの冷凍及び加熱効果、システム全体の容量、及び性能係数を改善できること。WCC1は冷媒を過熱低減し凝縮し、WCC2は冷媒を過冷却する。
【０１１３】
(3)三つの熱交換器を冷媒熱放散経路内で直列で使用して、冷媒を過冷却するとともに、水又は液体を、冷媒の通常の最大凝縮温度よりも高温まで加熱できること。これにより、性能が改善されるとともに、システムの柔軟性が改善され、用途の機会が増加する。WCC1は冷媒を過熱低減し、WCC2は冷媒を凝縮し、WCC3は冷媒を過冷却する。
【０１１４】
(4)本明細書には具体的に特定されてこなかったかも知れない冷凍の特定の性質に適応するのに必要な機器を許容して、任意の冷媒をこの項の請求項に適用できること。例えば、冷媒R410Aに使用される機器は、R410Aを使用して動作するのに必要な高圧を取り扱うことができなければならない。
【０１１５】
(5)任意の合理的な数の熱交換器を冷媒熱放散経路内で直列で使用して、一つ又は複数の液体を所望の状態まで加熱するという目標を実現できること。
【０１１６】
(6)任意の合理的な数の適切な熱交換器を冷媒熱放散経路内で直列で使用して、加熱される水又は他の液体を沸騰させることが可能であること。
【０１１７】
(7)サーモスタット制御されたタンク及び循環ポンプを各熱交換器と直列で使用して、加熱液体を貯蔵し、一貫した又は制御されたプロセス温度を提供できること。
【０１１８】
(8)バッチ形態又は連続的方式で加熱水を発生させることが可能であること。連続フローの場合、任意の様々な水流量制御レジームを適用して、圧縮器の水頭を制御する、又は過冷却を制御するとともに、所望の温度で加熱される水の所望の量を得ることが可能であること。流量制御は、手動操作弁、又は、流量が変動するように動作して、所与の循環ループ及び貯蔵システムの所望の温度を維持する様々な自動弁のいずれかを含んでもよいが、それらに限定されない。
【０１１９】
(9)蒸発器上の着氷を制御する助けとなり、圧縮器がより効率的な動作点で動作できるようにすることによって、冷凍システム性能を改善する温度で、サーモスタット制御されたタンク及び循環ポンプを使用することにより、冷媒熱放散経路内の最後の熱交換器を出る液状冷媒の温度を制御できること。
【０１２０】
(10)三方弁若しくは二方弁を使用している同じ圧縮器から、並列の一連の熱交換器の複数の組又は回路を適用して、用途内で異なる動作の機会を活用できること。
【０１２１】
(11)冷媒熱放散経路内の一連の熱交換器と並列で熱を排除するのに使用される凝縮器を適用できること。
【０１２２】
(12)利用可能な熱の分画を使用するとともに、熱の残りを排除するか、又はそれを任意の加熱プロセスに使用して、液体を通常の冷媒凝縮温度よりも高温まで加熱できること。
【０１２３】
(13)二つ以上の三方電動弁又は二方電動弁を使用する冷凍システムを規定して、用途の様々な状態又は動作モードと関連するサーモスタットにしたがって冷凍プロセスを制御できること。例えば、図8に示されるシステムの7つの制御可能な構成要素は、システムの6つの動作モードと併せて表示図面の早見表(green table)に示されている。動作モードは、二つの異なる蒸発器を使用して、熱タンク(WCC2)又は高温タンク(WCC1)のどちらかに熱を収集するものを含む。更に、高温タンクに対する同時再生と外部凝縮器ECによる排除との混合モード、及び外部凝縮器ECを使用する純粋な熱排除動作のモードが含まれる。
【０１２４】
(14)循環及びタンクシステムと並列の構成で、複数の熱交換器を冷媒熱放散経路内で直列でそれぞれ備えた、複数の圧縮器を適用できること。換言すれば、循環ポンプ、タンク、及び関連する循環水式加熱システムは、それぞれ独自の蒸発器及び熱源を備えた複数のRASERSユニットにわたって共有されてもよい。
【０１２５】
(15)過冷却器に入る水(液体)の混合物の量及び温度が比較的一貫している場合、直接水(液体)源、又は循環水式加熱システムからの戻りを介して、冷媒を過冷却できること(図10)。
【０１２６】
(16)タンクを備えた循環システムを介して、冷媒を過冷却して、供給及び戻りの水が変動するとき、冷凍システムの動作を安定させる助けとできること(図)。
【０１２７】
(17)熱交換器が液体の特性に関して選択されるという条件で、液冷式熱交換器内の水、グリコール、油、エタノール、又はあらゆる液体を加熱できること。
【０１２８】
(18)熱交換器がガス又は蒸気の特性に関して選択されるという条件で、熱交換器内のあらゆるガス又は蒸気を加熱できること。
【０１２９】
多段集熱構成
出願人らのシステムは、冷凍サイクルの要件を満たすとともに、用途の需要に役立つあらゆる蒸発器又は蒸発器構成を利用してもよい。本特許では、一つを超える蒸発器回路を使用して、一つの蒸発器回路のみが一度に使用される場合、熱エネルギーを異なる場所から収集できるようにすることを上述した。この項では、回路の定義を、我々は、用途の要件又は機会によって決定付けられるように、一つを超える蒸発器を同時に回路内に使用することを含めるように拡張する。所与の動作モードに対して、いくつかの用途は直列の複数の蒸発器を必要とすることがあり、いくつかは並列の複数の蒸発器を必要とすることがある。一般に、用途が、用途の熱エネルギー需要を満たすように選択された出願人らのシステムの公称能力よりも小さい複数の熱源を提供するとき、蒸発器回路は一つを超える蒸発器に分割されてもよい。
【０１３０】
基本的な並列構成は、各蒸発器において膨張構成を使用することを含む。受器を出る高圧の液状冷媒は、一組の弁(二方又は三方)を通過して、環境変数に基づいて所望の蒸発器回路を選択してもよい。弁の後、冷媒は、回路内の並列の蒸発器経路それぞれに供給するように、ティー又は分配装置を使用することによって分割される。分割プロセスは、冷媒が膨張構成に達するまでその膨張を回避するように設計されていることが重要である。分割の後、液状冷媒は、蒸発器に至る途中で膨張構成(TX弁、オリフィス、分配器など)を通過する。蒸発器の後、過熱冷媒は、複数の冷媒流を一つに収集するティー又は他の手段を使用して、圧縮器に送り込まれる吸込ラインに再結合される。並列の蒸発器を用いた場合、蒸発器と圧縮器の間に圧力制御装置を利用して、蒸発器を出る圧力が同じであることを確保することが必要なことがある。並列の蒸発器を使用できる一例は豚小屋である。別個の換気扇の前に二つ以上の蒸発器が置かれて、ユニットが公称能力で動作できるようにするのに十分な熱エネルギー捕捉を可能にしてもよい。
【０１３１】
基本の直列構成は、一つのみの膨張構成を使用するが、蒸発器を二つ以上の部分に分割して、冷凍サイクルの過熱要件を満たしながら、二つ以上の環境に対して冷却効果を提供する。複数の蒸発器は、通常、互いに適度に接近しており、蒸発器を接続する管は、通常、蒸発器間の冷凍効果が失われることを回避するように良好に絶縁される。冷媒は、蒸発器の間で単一の管を通過してもよく、複数の管又は多重ポート混合装置を通過してもよい。直列構成が有用である一例は、環境が総冷却能力に対して少ない又は制御された量の冷却を必要とする場合である。蒸発器は、制御された冷却活動を支援するようにサイズ決めされ、蒸発器が役立つ環境によって決定されるようなあらゆる材料から作られてもよい。
【０１３２】
蒸発(液体/蒸気混合)の間の冷媒の温度は、一定となるか、或いは冷媒混合物の場合、冷媒が蒸発器内で沸騰している間(即ち、標準大気圧において100℃(212F)で沸騰する水のように)、わずかだけ変動してもよい。冷媒がすべて沸騰した後、より多くの熱エネルギーが蒸発器に適用されると(これは過熱と呼ばれる)その温度は上昇し始める。温度上昇(過熱度)は、液状冷媒が圧縮器に導入されるのを回避するのに必要な量のみに制限される。更に、過熱蒸気の密度はその温度が増加するにつれて低減されるため、過熱量が増加するにつれて圧縮器の能力は減少するので、過熱量を制限することが有益である。熱膨張(TX)弁は、通常、過熱度を調節する手段となる。膨張及び蒸発器構成は、最良の可能なシステム能力を提供するとともに、役立つ環境の冷却需要を満たすように選択しなければならない。
【０１３３】
蒸発器は、環境条件の差を考慮に入れるように選択しなければならない。例えば、直列で動作する二つの蒸発器が異なる環境温度を経験する場合、各蒸発器が取り扱うことが意図される蒸発プロセスの程度に応じて、蒸発器は同じサイズであってもなくてもよい。対照的に、並列で動作する二つの蒸発器は、異なる温度環境に暴露される場合、各蒸発器を出る冷媒の温度及び圧力を合致させる助けとするため、異なるようにサイズ決めされる可能性が高い。並列及び直列の蒸発器構成は、複数の類似の環境に最も容易に適用される。直列の蒸発器構成は、異なる動作条件を有する複数の環境に、又は類似の動作条件を有する複数の環境により容易に適用することができる。
【０１３４】
多段集熱の請求項の概要
1.蒸発器回路内で一つ又は複数の蒸発器を使用できること。
【０１３５】
2.複数の蒸発器を単一回路上で直列又は並列に接続できること。
【０１３６】
3.一つ又は複数の蒸発器を使用して、冷却される空気、水、グリコール混合物、油、エタノール、又はあらゆる液体、蒸気、若しくはガスに対して、複数の制御された冷却活動を提供できること。
【０１３７】
4.TX弁、オリフィス、及び分配器などの複数の要素を膨張構成内に使用できること。
【０１３８】
5.蒸発器が役立つ環境によって決定されるような、あらゆる材料(銅、ステンレス鋼、アルミニウムなど)から製造された蒸発器を使用して、腐食、浸食、熱疲労、又は他の現象による故障から蒸発器を保護できること。
【０１３９】
6.所望の冷凍システム動作を得ながら、異なる環境条件に合致するように蒸発器をサイズ決めできること。
【０１４０】
システムの代表的用途の概要
洗濯店
洗濯店では、システムは、乾燥機の排気孔から廃熱を収集するか、又は廃水から廃熱を収集することによって、洗浄サイクル用に真水を加熱するとともに、作業者/顧客に対して快適な冷却を提供する。
【０１４１】
ドライクリーニング店/洗濯店の組合せ
システムは、真水又はドライクリーナーの冷却システムからの調温水を加熱するとともに、作業者/顧客に対して快適な冷却を提供し、乾燥機の排気から廃熱を収集するか、又は廃水から廃熱を収集する。
【０１４２】
地域暖房
システムは、洗濯店、ドライクリーニング店、又は商業地区若しくは住居地区に位置する他のエネルギー集約的事業からの過剰な熱エネルギーを利用して、近隣の事業者又は居住者が加熱水として直接使用するように、また空間若しくはプロセスの加熱に使用するように配管し計量することができる水を加熱する。
【０１４３】
食肉加工(畜殺及び製品)
食肉加工プロセスは、一般に、洗浄及び殺菌用に相当量の加熱水を必要とする。システムは、毛焼きプロセスからの廃熱、殺菌又は調理プロセスからの余分な周囲熱(快適な冷却)、屠体の洗浄及び施設浄化廃水からの廃熱、並びに、切断前又は加工後に屠体を冷蔵するのに必要な冷凍プロセスから排出された熱といった、いくつかの供給源からの水を加熱する能力を有する。環境が高い汚損の可能性を示さないことを前提として、Aコイルを備えた押込み送風ハンドラー(forced draft air handler)を使用することによって快適な冷却を提供する能力がある。汚損を最小限に抑え、容易に浄化できるようにするため、フィンのない蒸発器を使用して、毛焼き及び廃水から廃熱を回収してもよい。更に、蒸発器を凝縮器の排気側で使用して、冷凍プロセスによって放出される熱を収集する能力がある。システムは、冷凍及び水加熱を同時に直接提供する能力を有する。両方の活動は、水がどの程度加熱されたかにかかわらず冷凍に使用されるであろう、同じkWの電力を使用して行われるので、これは最も経済的な熱回収モードである。
【０１４４】
洗車場
システムは、洗車場用の洗浄水と、オフィス暖房に使用される床下加熱水(in floor heated water)ループを加熱し、洗車ベイへのアプローチにおける着氷をなくす。熱は、廃水、オフィス又は機械室内の過剰熱、隣接したコンビニエンスストア又はレストランからの過剰熱、洗車ベイ又は屋外の周囲空気から排出された温かい湿り空気といった、いくつかの熱源から派生する。
【０１４５】
レストラン
レストランは、システムの加熱及び冷却両方の効果からの利益を得る。キッチンは年間を通して冷却されるが、皿洗い用及びレストランを暖房するのに使用される水は加熱される。混雑している間及び冷房期の間はレストランを冷却し、同時に皿洗い用に水を加熱することができる。冷房負荷は、通常、水加熱需要を超えるので、夏季の間は、空冷式凝縮器、温水供給源、又は地域の水加熱システムが必要とされる。
【０１４６】
スイミングプール
システムは、周囲空気から、又はオフィス、シャワー室、若しくは機械室の過剰熱からの熱を使用して、スイミングプールを加熱することができる(快適な冷却)。
【０１４７】
キャンプ場シャワー室
シャワー室用水は、周囲空気から、又はシャワー室若しくは機械室の過剰な熱及び湿気を使用して、システムによって加熱することができる(快適な冷却)。シャワー室内の快適な冷却は、シャワー室内で通常見られる高湿に晒される機器及び部品の寿命を伸ばす助けとなってもよい。
【０１４８】
動物収容施設(動物及び家禽は、豚、乳牛、肉牛、鶏、七面鳥などを含むが、それらに限定されない)
システムは、換気システムを介して、又は繁殖室若しくは雄豚の種付け場などの重要な区域の快適な冷却から排出される廃熱を使用して、居住空間を加熱する能力を有する。加熱は、室内の空気を加熱する、或いは、分娩房内の子豚又は離乳若しくは孵化してから数日〜数週間の小動物に関しては、局所的に加熱する形態であってもよい。一部の動物は、更に、快適な冷却プロセスから捕捉される排気又は熱からの廃熱を使用して、飲料水を加熱する能力から利益を得てもよい。畜産のいくつかの段階は、暑い高湿の夏日に快適な冷却を提供することにより、広範囲にわたって利益を得る(体重増加、延命、受胎率、ストレス/疾病に対する感受性の低減など)。快適な冷却からの過剰熱は、一般に、洗浄水又は飲料水を加熱するのに使用されるか、又は空冷式凝縮器内で放出される。動物収容施設を適当に同じ場所に配置できる場合、システムは、より大型の動物によって発生する過剰熱を、より小型の動物用の空間を加熱するのに使用する能力を有する。出願人らの循環水式加熱システムを使用して空間を加熱することは、直接燃焼式のプロパン又はガスのヒーターに比べて、空間内の湿気及び有毒ガスの負荷を低減する能力を有する。システムは、動物収容施設からの過剰熱(動物によって発生する熱及び湿気)を使用して、年間を通じて嫌気性消化装置(anaerobic digester)を加熱する能力を有する。システムはまた、廃熱エネルギーを変換して、住居、店舗/オフィスを加熱する、又は適切な地域暖房システムを介して、容器内若しくは乾燥プロセス内どちらかの低温穀物乾燥に対してある程度の熱入力を提供する能力を有する。いくつかの専門動物研究施設では、システムは、換気排気、廃水中の廃熱、及び殺菌機器がある室内の過剰熱からの廃熱を使用して、殺菌プロセス用に水を加熱する能力を有する(作業者のための快適な冷却)。
【０１４９】
酪農場
酪農場は独自の機会を提供する。システムは、牛乳用に冷却を提供し、オフィス及び搾乳室を冷却するのに使用することができる。冷却された搾乳室は、牛にとっての快適さに寄与し、牛乳の量を増加することがある。捕捉された熱を使用して、定置洗浄(CIP)水及び飲料水を加熱することができる。温かい飲料水はまた、牛が飲む水の量を増加させる助けとなることがあり、それは、牛乳の生産を増加させることに寄与する可能性がある。乳牛糞尿は消化装置に良く適しているので、様々な付加価値冷却活動からの過剰熱を使用して、施設内の消化装置を支援することもできる。
【０１５０】
インラインプロセス(汎用)
インラインプロセスは、システムをプロセス内に統合して、冷却及び加熱の効果を同時に利用することを伴う。ほとんどのインラインプロセスは、プロセスが動作しているとき、継続的に同時再生を使用する。システムの導入は、別個の熱源及び冷却源の使用の全体ではないにしても、その一部に取って代わる。加熱及び冷却両方を必要とするあらゆる製造プロセスは、システムを提供する機会を示す。
【０１５１】
孵卵場
システムは更に、孵卵器を冷却するのに使用される冷却水から、また換気排気から熱を収集する能力を有する。再生された熱は、空間加熱に、また洗浄水及び給湿用噴霧水を加熱するのに使用することができる。冷却水を再利用する能力は、水及び廃水の処理費用の大幅な節約をもたらす。システムを孵卵器に統合する能力により、フィン付きの循環水式システムを介した箱内部の加熱及び冷却の両方がもたらされる。
【０１５２】
嫌気性消化装置
嫌気性消化装置は、温度を緊密にモニタリングして、バクテリア活性を確保することを必要とする。堆肥は、消化装置に入るときに加熱されなければならず、温度は嫌気性変換処理全体を通して維持されなければならない。本システムは、消化装置を出る堆肥から熱を収集し、それを使用して、消化装置に入る堆肥を予熱する能力を提供する。それに加えて、消化装置と関連付けられる場合が多いガス処理システム及びエネルギー変換システムは、過剰熱を生成し、それを捕捉し使用して、堆肥を予熱し、消化装置内の堆肥の温度を維持することができる。近隣の動物収容施設からの廃熱も、捕捉して、周囲空気からの熱と同様に使用することができる。
【０１５３】
バイオディーゼル生産
バイオディーゼル生産は、原料油が加熱され、途中の様々な地点で様々なプロセス流体が加熱及び冷却されることを必要とする。ほとんどのプロセスは、油及び冷却塔を加熱して、プロセス流体を冷却する助けとするため、ボイラーを使用する。多くのプロセスは、更に、プロセス中のある地点で冷却装置を使用する。冷却装置は、出願人のシステムと置き換えて、冷却及びプロセス加熱の両方を提供することができる。それに加えて、変換後にバイオディーゼルに残っている熱がプロセス使用のために抽出されてもよい。冷却塔に進む冷却水中の熱も、ボイラーの補給水若しくは凝縮水を加熱するため、又はプロセス流体を加熱するために使用することができる。ボイラー/機械室内の過剰熱(圧縮器によって発生する廃熱を含む)及びボイラー排気からの廃熱も、捕捉してプロセスに導入することができる。バイオディーゼルプロセスの前に、油は、通常、押出工程で発生される。押出しにより、やはり捕捉され、適切な場所でプロセスに再導入されてもよい多量の熱が発生する。
【０１５４】
エタノール生産
エタノール生産は、バイオディーゼル処理といくつかの類似点を有する。プロセスは、ボイラー及び冷却塔を伴い、また冷却装置を伴ってもよい。プロセス流体は、プロセスの様々な段階用に加熱及び冷却される。いくつかのエタノールプロセスは、マッシュを湿潤させ熱処理するための多量の真水と、ボイラー用の補給水とを利用する。この水はすべて加熱されなければならない。本発明は、熱処理プロセスに使用される水を加熱し、ボイラー用の凝縮水及び補給水を予熱することができる。熱は、冷却プロセスの前又は後のどちらかに、冷却水ラインから収集されてもよい。改良された用途では、システムは小型の冷却塔を補償する助けとなり得る。ボイラー/機械室からの過剰熱及びボイラー排気も加熱に利用可能である。蒸留器の穀物乾燥機からの排気を冷却する凝縮システムを設計することも可能なことがある。熱の再利用に加えて、凝縮水も処理し、プロセスに再使用することができる。空間加熱又は快適な冷却などの季節的用途も工場に組み込まれてもよいが、季節用途に対する資本回収は、プロセスを支援することからの資本回収よりも長期である。
【０１５５】
缶詰め若しくは冷凍野菜又は調理済み食品加工
缶詰食品プロセスは、通常、調理温度と封止容器を真空にする高温とを必要とする。プロセスからの過剰熱及び廃熱は、システムを使用して、加熱プロセス及び洗浄水に再利用することができる。冷凍食品プロセスは、通常、冷蔵を必要とし、調理又は漂白を伴うことがある。これらのプロセスからの過剰熱又は廃熱は、プロセス又は洗浄水を加熱するのに使用することができる。本システムを用いて、冷蔵プロセスは、冷蔵及び水加熱の両方を行うことができる。過剰熱はまた、施設の他の部分を加熱するのに、又は地域暖房システムに使用することができる。
【０１５６】
塗装プロセス
粉体塗装及び焼付け塗装プロセスは、オーブンを利用して塗料を硬化させ、多量の過剰熱及び廃熱を生成する。システムは、この過剰熱エネルギーを利用して、洗浄水を加熱するか、製造施設の他の部分を加熱するか、又は地域暖房システム用の水を加熱することができる。
【０１５７】
押出成形及び金型成形
押出成形プロセスは、多量の過剰熱を発生させ、それを利用して、施設の他の部分を加熱するか、又はプロセス及び洗浄水を加熱することができる。発泡パレット成形(foam pallet forming)などのいくつかの金型成形は、多量の加熱水/蒸気を利用し、施設内に大きな顕熱負荷及び潜熱負荷を発生させる。このシステムは、施設及び冷却水を冷却するとともに、ボイラーに入っていく予熱水を発生させることができる。
【０１５８】
ボイラー及び機械室
ボイラー及び機械室は、過剰熱又は廃熱を収集し、水を加熱する機会を提供する。空気及び冷凍圧縮器は相当量の熱を発生させ、ボイラーは、環境放射及び対流損失、並びに排気を有する。他のタイプの機器も熱を発生させる。本システムは、圧縮器の周りの空気及び環境を冷却することによって圧縮器に役立つであろう。より低温の空気は、空気の密度を増加させ、圧縮器の能力を改善し、冷却器動作条件により、過剰熱を原因とする機器及び潤滑油に対する摩耗が低減される。ボイラーについては、過剰熱又は廃熱は、システムによって再生して、補給水若しくは凝縮戻り水を予熱するか、又は燃焼空気を予熱することができる。そのようなシステムの規模は、数千Btu/hrから付帯設備規模の大きい発電所にまで及ぶ可能性がある。ボイラー排気からの熱を抽出するには、専用の蒸発器構成と、腐食する可能性があるボイラーの排気に適したステンレス鋼などの材料を使用することが必要になる。
【０１５９】
温室
温室は日中に著しい熱源を提供する。晴れた寒い冬日であっても、温室内の温度が上昇し、所望よりも暖かい温度を生成することができる。夏の数カ月の間、温室内の温度は苛酷になる。この熱源は多数の設備に利用することができる。実際の機能的な温室では、日中に発生した過剰熱は、システムがそれを捕捉し、過熱水の状態で貯蔵し、次に夜間に施設内に分配することができる。過剰熱が植物の栽培を阻害する夏の間、過剰熱は、近隣のプロセス用の水を加熱するのに使用されてもよい。温室はまた、商業オフィスビル、共同住宅、ホテル、コンクリート工場、病院、又は廃熱源を有さない熱を必要とするあらゆる建物で使用することができる。温室は、換気排気及び太陽熱利得(植物を育てるのには必ずしも使用されない)を収集するために使用することができる。システムによって温室から捕捉された熱は、シャワー、洗濯店、スイミングプール、寒い日のコンクリート混合などのための水を加熱するのに使用することができる。空間を冷却することにより、捕捉することができる熱エネルギーの量は増加する。温室で捕捉される建物排気の湿気を収集し、飲用以外の使途に再使用するか、又は飲用に処理することができる。
【０１６０】
高層ビル、公共住宅、及びホテル
システムは、大型高層ビル用の大型の加熱、冷却、及び水加熱システムに連結することができる。温水熱ループ及び局所的な水ヒートポンプ/ファンユニットを使用して、建物の日向側から過剰な太陽熱利得を収集し、それを建物の日陰側に移動させることによって、建物の異なる部分で加熱及び冷却を同時に達成することができる。本システムは、夏季の間はループを冷却するのに使用され、過剰熱を使用して、シャワー/浴室、洗濯室、スイミングプールなどのための飲用水を加熱し、更に、連続的な換気排気及び廃水からの熱を回収して、循環水式加熱ループ内への熱を作り出し、また暖房期の間は、駐車場等の他の空間、補給空気などを加熱することができる。
【０１６１】
穀物及び牧草乾燥
乾燥プロセスから排気された暖かい湿り空気からの熱をシステムによって再生して、入ってくる乾燥空気を予熱し、乾燥プロセス効率を改善することができる。
【０１６２】
炭化水素-油システム(Hydrocarbon to oil systems)
近年、高圧及び高温を伴うプロセスを介して、湿潤炭化水素材料を原油に変換する、多数のシステムが開発されている(熱水解重合)。システムをプロセスに統合して、放出された油から収集された熱及びプロセスからの熱損失に基づいて、炭化水素-水スラリーを予熱することができる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2009540258.tif 000014
【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
2009540258.tif 000016
【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月22日(2009.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排除モード、再生モード、及び同時再生モードで加熱及び冷却するために動作可能な、第1の蒸発器、圧縮器、及び第1の凝縮器を特徴とする冷凍システムを備える、バイオ再生可能熱エネルギーシステム。
【請求項２】
前記第1の蒸発器とは独立に動作する第2の蒸発器、及び前記第1の凝縮器とは独立に動作する第2の凝縮器を備えることを特徴とする、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３】
前記冷凍システムが加熱及び冷却された液体又はガスの両方を提供することを特徴とする、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項４】
前記冷凍システムが、一つの供給源からの環境熱エネルギーを利用して、流体又は空気の別の実体を加熱することを特徴とする、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項５】
前記一つの供給源が、食肉加工場、洗車場、レストラン、エタノール工場、洗濯店、ドライクリーニング店、スイミングプール、シャワー室、動物収容施設建物、酪農場、インラインプロセス、孵卵場、嫌気性消化装置、バイオディーゼル生産施設、食品加工施設、ペイント塗料施設、押出成形加工施設、金型成形プロセス、ボイラー、温室、人間の居住施設、公共施設、穀物乾燥施設、製品乾燥施設、鋳造工場、化学薬品精製所、精油所、薬品精製所、農業精製所、及び炭化水素-油処理装置から成る群から選択されることを特徴とする、請求項4に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項６】
熱側及び冷熱側を有する冷凍システムを有する改善された熱エネルギー利用プロセスであって、前記改善が、複数の加熱用途に使用するために前記熱側からの熱を分割することを特徴とする、改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項７】
複数の冷却用途に使用するために前記冷熱側を分割することを特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項８】
前記プロセスが凝縮温度を有する冷媒を利用することを特徴とし、前記加熱用途の一つが前記冷媒の前記凝縮温度よりも高い温度まで液体を加熱することであることを特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項９】
前記加熱用途の一つが液体の沸騰であることを特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１０】
分割された前記熱が複数の熱交換器を介して導入されることを特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１１】
一つの供給源からの環境熱エネルギーを利用して、流体又は空気の別の実体を加熱することを更に含むことを特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１２】
前記一つの供給源が、食肉加工場、洗車場、レストラン、エタノール工場、洗濯店、ドライクリーニング店、スイミングプール、シャワー室、動物収容施設建物、酪農場、インラインプロセス、孵卵場、嫌気性消化装置、バイオディーゼル生産施設、食品加工施設、ペイント塗料施設、押出成形加工施設、金型成形プロセス、ボイラー、温室、人間の居住施設、公共施設、穀物乾燥施設、製品乾燥施設、鋳造工場、化学薬品精製所、精油所、薬品精製所、農業精製所、及び炭化水素-油処理装置から成る群から選択されることを特徴とする、請求項11に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１３】
圧縮器効率を増加させ、冷却及び加熱能力を増加させるように、第2の循環ループ内の流体を使用して冷媒の過冷却を制御することを更に特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１４】
熱が前記プロセスから排除される前に液体を加熱するのに利用される熱経路を有することを更に特徴とする、請求項6に記載の改善された熱エネルギー利用プロセス。
【請求項１５】
特定の場所における熱エネルギー変化の所望のレベルを決定する工程と、
冷凍システム内で使用する冷媒を選択する工程と、
前記システム内で何個の蒸発器を使用するかを決定する工程と、
前記システム内で何個の凝縮器を使用するかを決定する工程と、
前記冷凍システムのための圧縮器を選択する工程と、
前記蒸発器、凝縮器、及び圧縮器からのエネルギー損失を計算する工程と、
前記冷凍システムが動作している間の加熱資源及び冷却資源両方の利用を最大限にする工程と、を特徴とする、熱エネルギー回収システムを均衡させる方法。
【国際調査報告】
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2009540258.tif 000021
2009540258.tif 000022
2009540258.tif 000023
2009540258.tif 000024
2009540258.tif 000025