(57)【要約】【課題】        動力を発生するタービンは、ロータチャンバと、前記ロータチャンバ内の中央軸まわりに回転可能なロータと、流体供給部からそのロータに流体を供給し、それによって、前記ロータを駆動して、パワーを生成する少なくとも一つのノズルとを有する。【解決手段】    ノズル出口からの流体のフローは、少なくとも一つのフロー遮断装置手段によって周期的に遮断され、それによって、ノズルの内側の流体の圧力を高める。  熱力学サイクルが、さらに、開示され、コンプレッサと、そのコンプレッサの下流側の第１のタービンと、第１のタービンの下流側に位置して、そのサイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出する熱交換器と、熱交換器の下流側の蒸発器と、蒸発器の下流側にあり、コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む。
2005538333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータチャンバと；該ロータチャンバ内で中央軸を中心に回転自在に設けられたロータと；前記ロータを駆動してパワーを生成するため該ロータに流体供給部から流体を供給するノズル出口を含む少なくとも一つのノズルと；前記タービンから前記流体を排出する少なくとも一つの排出開口を含み；前記少なくとも一つのノズル出口から前記流体のフローが少なくとも一つのフロー遮断手段により定期的に遮断され、前記少なくとも一つの外部ノズルの中で前記流体の圧力を上昇させることを特徴とするパワー生成タービン。
【請求項２】
前記流体供給部と前記少なくとも一つの外部ノズルの間に少なくとも一つの流体貯蔵部を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記少なくとも一つのフロー遮断手段は前記少なくとも一つのノズル内の圧力が流体供給部の圧力以下である所定の最低圧力まで上昇するまで実質的に前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローを阻止することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
使用中に前記流体を前記少なくとも一つの外部ノズルの直近の上流の前記流体を実質的に休止させるのに十分な期間だけ前記少なくとも一つの遮断手段により前記少なくとも一つのノズルからの前記流体の前記フローが遮断されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタービン。
【請求項５】
前記ロータは複数のチャンネルを有し該複数のチャンネルは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記チャンネルに流入するとき前記中央軸を中心として回転モーメントを提供するような形状、位置、寸法をしていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタービン。
【請求項６】
前記ロータは複数のブレードを有し該複数のチャンネルは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記ブレードに接触するとき前記中央軸を中心として回転モーメントを提供するような形状、位置、寸法をしていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタービン。
【請求項７】
前記少なくとも一つのフロー遮断手段は前記ロータの外周に接続可能で共に移動可能な少なくとも一つの羽根を有し該少なくとも一つの羽根は前記少なくとも一つのノズル出口に実質的に近傍にあるときに前記少なくとも一つの外部ノズル出口からの前記流体のフローを遮断するように調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のタービン。
【請求項８】
前記フロー遮断手段は前記ロータの前記外周に実質的に均等に間隔をおいて配置された前記複数の羽根を含むことを特徴とする請求項７に記載のタービン。
【請求項９】
熱ポンプ回路に含まれるとき、前記流体供給部は前記流体供給部は容量式コンプレッサであることを特徴とする請求項１乃至請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記流体貯蔵部は前記容量式コムプレッサの排出量に少なくとも同等の容量を有することを特徴とする請求項２に従属する請求項９に記載のタービン。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの排出開口は該流体速度を減速し一たび流体速度が亜音速にまで減速したとき流体の圧力を低圧に維持するディフューザ部とエキスパンダ部を含むことを特徴とする請求項１０に記載のタービン。
【請求項１２】
使用中における前記少なくとも一つのノズルは音速又は超音速で前記流体を前記ロータに供給することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のタービン。
【請求項１３】
流体供給手段の圧力で流体供給手段によりタービンロータに供給された流体を連通させる方法にして；前記流体供給手段からの前記流体を前記タービンロータに連通させて該ロータを駆動する少なくとも一つのノズルを設け、前記少なくとも一つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断する少なくとも一つのフロー遮断手段を提供し、前記少なくとも一つのノズルの内部の前記流体の圧力を前記少なくとも一つのノズルから前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下の予め選択されたの最低圧力まで上昇させることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記予め選択された最低圧力は流体をしてノズルののど部における局部音速に到達せしめるに十分であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのノズルから出る流体を超音速に加速することを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることを特徴とするタービン。
【請求項１７】
各制御可能な電流ソースはそのロータが予め定められた速度に達したのちそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることを特徴とする請求項１６に記載のタービン。
【請求項１８】
前記予め定められた速度はそのタービンの電流動作状態のための終端速度であることを特徴とする請求項１７に記載のタービン。
【請求項１９】
各電流ソースは固定子巻線からのパワー出力の基準によりそれらそれぞれの固定子巻線を通る電流を増減させることを特徴とする請求項１６乃至請求項１８のいずれかに記載のタービン。
【請求項２０】
二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であるタービンにおいて、固定子巻線からのパワー出力を繰り返し測定し、そのパワー出力の電流基準が前の基準より大きい場合はその巻線を通る電流を増加させ、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準未満である場合は前記巻線を通る電流を減少させることを特徴とするタービンの制御方法。
【請求項２１】
熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクル。
【請求項２２】
熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前器コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクル。
【請求項２３】
前記第１のタービンと前記蒸発器との間に位置する熱交換器をさらに含み、前記熱交換器が熱を別の熱力学サイクルへ排出するように動作可能であることを特徴とする請求項２２に記載の熱力学サイクル。
【請求項２４】
前記第１と第２タービンは請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のタービンであることを特徴とする請求項２１乃至請求項２３のいずれかに記載の熱力学サイクル。
【請求項２５】
前記第１第２タービンは請求項１７乃至請求項２０のいずれかに記載のタービンであることを特徴とする請求項２１乃至請求項２４のいずれかに記載の熱力学サイクル。
【請求項２６】
コンプレッサを含む熱力学サイクルと制御するシステムであって、熱力学サイクルの出力の基準を提供する感知手段と；前記コンプレッサのための制御手段を設け、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出力の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡しており；前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算し前記効率の基準を最大化するか予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作されることを特徴とする制御システム。
【請求項２７】
さらにＴＸバルブ又はその均等物用の第２制御手段と制御したエリアの温度の基準を提供するための感知手段を含み、前記第２制御手段は更なるインプットとして制御したエリアの温度の基準を受信しターゲット基準に関し前記制御したエリアにおける温度の感知した変動に応じて前記ＴＸバルブ又はその均等物を開閉自在であることを特徴とする請求項２６に記載の制御システム。
【請求項２８】
前記第２の制御手段はインプットとして前記サイクルにおける蒸発状態後に蒸発した前記サイクルにおける冷媒の量を示す基準を受信し前記蒸発状態の後に蒸発した冷媒を維持するためにＴＸバルブ又はその均等物を開閉することを特徴とする請求項２６乃至請求項２７に記載の制御システム。
【請求項２９】
前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するための前記第２の制御手段の動作は前記温度の感知した変動に呼応して行われた制御手段による前記ＴＸバルブの開閉から予め定められた遅延後に行われることを特徴とする請求項２６乃至請求項２８に記載の制御システム。
【請求項３０】
前記熱力学サイクルにおいてコンデンサのための第３の制御手段を含み、前記コンデンサにより冷媒の冷却に必要なレベルを維持するために前記コンデンサの動作を変えることを特徴とする請求項２６乃至請求項２９に記載の制御システム
【請求項３１】
請求項１７に記載のタービンを制御するように動作する前記タービンの固定子巻数を介して直流を制御する第４の制御システムを含むことを特徴とする請求項２６乃至請求項３０に記載の制御システム。
【請求項３２】
負荷を加えたときのバランスを動的に維持するために固定子の巻線を介して直流を制御することが可能な前記タービンの請求項３１に記載の制御システム。
【請求項３３】
制御手段と第２制御手段と第３制御手段と第４制御手段は単一のマイクロコンとローラあるいはマイクロプロセッサあるいは複数のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサであり、少なくとも選択されたマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサは互いに連絡状態にあり前記制御システムのファンクションのタイミングの管理を可能にする請求項３１に記載の制御システム。
【請求項３４】
２つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であるタービンを制御する方法であって、前記ロータのバランスを動的に維持するために巻線を介して電流を調節することを含むことを特徴とするタービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱ポンプ、熱ポンプと共に使用するタービンおよび／または熱ポンプと共に使用する発電機に関し、より具体的には、排他的ではないが、改良された冷却、あるいは、空調の方法および装置、そして、それらと共に使用するタービンおよび／または発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の冷凍サイクルは、熱を大氣中に排出するものである。場合によっては、排出されるはずのエネルギーの一部がそのサイクルから回収されることができ、それによって、総合効率を増大する。
図１は、先行技術の熱ポンプ回路の概略図を示す。高温高圧の冷媒液体は一定のエンタルピーでその圧力と温度とを減少するＴｘバルブと呼ばれることの多い絞り装置に入る。熱吸収蒸気はファンによってその表面全体に吹きつけられる周囲温度空気から熱を吸収する熱交換機、すなわち、「蒸発器」を通されて、その空気を冷却し、それによって、冷凍効果をもたらし、そして、それを膨張させる。その熱の収集はその液体を急速に蒸発させて膨張させる。
【０００３】
熱含有動作流体蒸気は、次に、コンプレッサに入る前にあらゆる残りの液体を沸騰して除去することが可能なように設計された内側構造を有するアキュムレータの方へ通される。
エネルギー豊富な暖かい動作流体蒸気は、ワークインプットの結果としてその蒸気を圧縮するコンプレッサに入り、その温度と圧力とを高める。コンプレッサへのワークインプットのかなりの部分は圧縮の熱として再度現れ、それにより動作流体蒸気を過熱する。
【０００４】
このため過熱動作流体蒸気はその温度をその環境の周囲温度のもの以上に高めさせ、そして、蒸発器の構造に類似する構造を有するコンデンサに入る。それから熱交換が過熱動作流体蒸気とより低温の環境との間に生じる。熱交換は十分な熱が動作流体から除去されるまで続き、ホットな蒸気からホットな液体への状態の変化が生じる。
ホットな動作流体液体は、熱力学サイクルの要件を支持してコンプレッサの排出ラインの高圧に耐えるように十分な大容量を有する、通常、「受液器」と呼ばれるリザーバに入る。ホットな高圧冷媒液体はそれからＴＸバルブに入り熱力学サイクルを完了する。
【０００５】
空調システムは、ビルディング内の環境規制のレベルを維持するために、世界の主用都市の多くにおいて大きな電力負担となってきており、多数の大きなビルディングの必須なコンポーネントとしてみなされている。空調システムは数が増大し続けると同時に、電気が限りある資源であり、場所によっては需要がいずれ近いうちに供給を越えつつあるか、その状態が予測されるということがますます認識されつつある。
電気消費における省力のためにポテンシャルエリアを明らかにすることが重要になっている。空調システムにおいて省力が行われることが可能であれば、電気の消費における全体的な大きい省力を行うことが可能である。
【０００６】
電気の省力は、さらに、動力分配インフラ構造のグレードアップにおける省力へと至ることが可能である。上述のグレードアップは、迅速に成長する空調マーケットによってもたらされるピーク負荷の増大に対処するために必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態の目的は、熱ポンプのための装置および／または現在の上述の装置において有効エネルギーの利用を増大する熱ポンプを提供することである。
本発明の好ましい実施形態の別の目的は、現在の上述の装置の効率を増大する熱ポンプを制御する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態の別の目的は、現在の上述の装置の効率を増大するタービンおよび発電機を制御する方法を提供することである。
本発明の好ましい実施形態のさらなる別の目的は、現在の上述の流体から有効エネルギーの利用を増大するタービンおよび／もくしはタービンを提供すること、又は現状の流体からの使用可能なエネルギーの利用を増大させるタービンに流体を連通させる方法を提供することである。
【０００９】
なお、さらに別の目的は、有益な選択を世間に少なくとも提供することである。
本発明の他の目的は、単に例示として示される下記の説明から明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様により、ロータチャンバと；該ロータチャンバ内で中央軸を中心に回転自在に設けられたロータと；前記ロータを駆動してパワーを生成するため該ロータに流体供給部から流体を供給するノズル出口を含む少なくとも一つのノズルと；前記タービンから前記流体を排出する少なくとも一つの排出開口を含み；前記少なくとも一つのノズル出口から前記流体のフローが少なくとも一つのフロー遮断手段により定期的に遮断され、前記少なくとも一つの外部ノズルの中で前記流体の圧力を上昇させることを特徴とするパワー生成タービンが提供される。
【００１１】
前記タービンは前記流体供給部と前記少なくとも一つの外部ノズルとの間に少なくとも一つの流体貯蔵手段を含むことが好ましい。
前記少なくとも一つの流体遮断装置手段は、前記少なくとも一つのノズルの内側の圧力が流体供給部の圧力未満、あるいは、流体供給部の圧力に等しい、予め選択された最小圧力に上昇するまで前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローを実質的に停止することが好ましい。
【００１２】
タービン使用時には、前記少なくとも一つのノズルからの前記流体のフローは前記少なくとも一つの外側ノズルの直近の上流側の前記流体を実質的に静止させるのに十分な間は前記少なくとも一つの遮断装置手段によって遮断されることが好ましい。
前記ロータは複数のチャンネルを有し、該複数のチャンネルは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記チャンネルに入るとき前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成され、位置決めされ、そして、必要な大きさにされることが好ましい。
【００１３】
前記ロータは複数のブレードを有し、該複数のブレードは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記ブレードに接触するときに前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成され、位置決めされ、そして、必要な大きさにされることが好ましい。
前記少なくとも一つのフロー遮断装置手段は、前記ロータの外側周辺に連結可能で共に移動可能な少なくとも一つの羽根を含み、該少なくとも一つの羽根は前記少なくとも一つのノズル出口に実質的に隣接したとき前記少なくとも一つの外側ノズル出口からの前記流体のフローを遮断するように構成されることが好ましい。
【００１４】
そのフロー遮断装置手段は、前記ロータの前記外側周辺まわりにほぼ等しく間隔がおかれる複数の前記羽根を含むことが好ましい。
前記タービンはヒートポンプのなかに含まれ、そこでは前記流体の供給部が容量式コンプレッサーであることが好ましい。
前記流体貯蔵手段は、前記容量式コンプレッサに少なくとも等しい容量を有することが好ましい。
【００１５】
少なくとも一つの排出開口は、前記流体の速度を減速し一旦それが亜音速に減速されるとその流体の圧力を維持するためにディフューザセクションとエキスパンダセクションとを含むことが好ましい。
少なくとも一つのノズルは、使用時に前記流体を前記ロータに音速か超音速で供給することが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、流体供給手段の圧力で流体供給手段によりタービンロータに供給された流体を連通させる方法にして；前記流体供給手段からの前記流体を前記タービンロータに連通させて該ロータを駆動する少なくとも一つのノズルを設け、前記少なくとも一つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断する少なくとも一つのフロー遮断手段を提供し、前記少なくとも一つのノズルの内部の前記流体の圧力を前記少なくとも一つのノズルから前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下の予め選択されたの最低圧力まで上昇させることを特徴とする方法が提供される。
【００１７】
前記予め選択された最低圧力は、流体をしてノズルののど部における局部音速に到達せしめるに十分であることが好ましい
前記方法は、前記少なくとも一つのノズルから出る流体を超音速に加速することが望ましい。
【００１８】
本発明の第３の態様により、二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることを特徴とするタービンが提供される。
【００１９】
各制御可能な電流ソースは、そのロータが予め定められた速度に達した後、それが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることが好ましい。
その予め定められた速度は、そのタービンの電流動作状態のための終端速度であることが好ましい。
各電流ソースは、固定子巻線からのパワー出力の基準によりそれらそれぞれの固定子巻線を通る電流を増減することが好ましい。
【００２０】
本発明の第４の態様により、二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であるタービンにおいて、固定子巻線からのパワー出力を繰り返し測定し、そのパワー出力の電流基準が前の基準より大きい場合はその巻線を通る電流を増加させ、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準未満である場合は前記巻線を通る電流を減少させることを特徴とするタービンの制御方法が提供される。
【００２１】
本発明の第５の態様により、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクルが提供される。
【００２２】
本発明の第６の態様により、熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第一のタービンと、前記第一のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前器コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクルが提供される。
【００２３】
前記第１のタービンと前記蒸発器との間に位置する熱交換器をさらに含み、前記熱交換器が熱を別の熱力学サイクルへ排出するように動作可能であることが好ましい。
前記第１と第２タービンは先行するパラグラフによるタービンであることが好ましい。
前記第１第２タービンは請求項２１乃至請求項２４のいずれかに記載のタービンであることが好ましい。
【００２４】
本発明の第７の態様により、コンプレッサを含む熱力学サイクルと制御するシステムであって、熱力学サイクルの出力の基準を提供する感知手段と；前記コンプレッサのための制御手段を設け、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出力の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡しており；前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算し前記効率の基準を最大化するか予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作されることを特徴とする制御システムが提供される。
【００２５】
さらにＴＸバルブ又はその均等物用の第２制御手段と制御したエリアの温度の基準を提供するための感知手段を含み、前記第２制御手段は更なるインプットとして制御したエリアの温度の基準を受信しターゲット基準に関し前記制御したエリアにおける温度の感知した変動に応じて前記ＴＸバルブ又はその均等物を開閉自在であることが好ましい。
【００２６】
前記第２の制御手段はインプットとして前記サイクルにおける蒸発状態後に蒸発した前記サイクルにおける冷媒の量を示す基準を受信し前記蒸発状態の後に蒸発した冷媒を維持するためにＴＸバルブ又はその均等物を開閉することが好ましい。
【００２７】
前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するための前記第２の制御手段の動作は前記温度の感知した変動に呼応して行われた制御手段による前記ＴＸバルブの開閉から予め定められた遅延後に行われることが好ましい。
【００２８】
前記熱力学サイクルにおいてコンデンサのための第３の制御手段を含み、前記コンデンサにより冷媒の冷却に必要なレベルを維持するために前記コンデンサの動作を変えることが好ましい。
また、請求項１７に記載のタービンを制御するように動作する前記タービンの固定子巻数を介して直流を制御する第４の制御システムを含むことが好ましい。
【００２９】
また、負荷を加えたときのバランスを動的に維持するために固定子の巻線を介して直流を制御することが可能なことが好ましい。
制御手段と第２制御手段と第３制御手段と第４制御手段は単一のマイクロコンとローラあるいはマイクロプロセッサあるいは複数のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサであり、少なくとも選択されたマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサは互いに連絡状態にあり前記制御システムのファンクションのタイミングの管理を可能にすることが好ましい。
【００３０】
本発明の第８の態様により、２つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータのまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結され、各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であるタービンを制御する方法であって、前記ロータのバランスを動的に維持するために巻線を介して電流を調節することを含むことを特徴とするタービンの制御方法が提供される。
【００３１】
その新規な態様すべてにおいて考慮されるべき本発明のさらなる態様は、単に例示として示され、そして、添付の図面を参照とすると、下記の説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、冷凍サイクルへの応用を参照としてここに説明されている。当業者には、記述された熱ポンプ回路は、たとえば、空調、冷却、あるいは、暖房などの様々な使用があるということは認識している。当業者は、さらに、「ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ（冷媒）」という用語が、そのような回路、あるいは、サイクルに使用されるのに適するあらゆる動作流体を説明するのに使用されているということを認識している。
【００３３】
図１に示される先行技術の簡単な冷媒回路は、コンプレッサ、コンデンサ、受液器、絞りバルブ（ＴＸバルブ）、蒸発器、アキュムレータの順序で含むことができる。
先行技術のいくつかの実施形態は、単一の装置に図１に示される要素の二つを組み合すことができ、たとえば、いくつかのコンプレッサはアキュムレータも含むが各要素のファンクションは通常は回路内にある。
【００３４】
「ｔｕｒｂｉｎｅ（タービン）」という用語は、流体の流れからのエネルギーを運動エネルギーおよび／または電気エネルギーに変換する装置を説明するのにここでは使用されている。当業者には、エネルギーが電気の状態で必要とされる場合にはタービンは適切な電力発電機又は交流発電機を含むことができるということは明らかである。
【００３５】
次に、図２を参照すると、本発明の熱ポンプ装置は、第１の冷媒回路１０を含み、第一のコンプレッサ１、コンデンサ８、受液器２、ＴＸバルブ、蒸発器５およびタービン２１の順序で含む。そのタービン２１は、冷媒からのエネルギーを運動エネルギーおよび／または電気エネルギーに変換し、それによって、第１の冷媒の温度および圧力を下げる。タービンのために適切な密度および圧力の冷媒を結果として生ずる必要がある場合はエキスパンダ（図示せず）をタービン２１の上流側および下流側の一方又は両方に設けてもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態において、タービン２１は、これによりタービン２１内の動作表面を損傷することがあるので、液体冷媒の滴下がタービン２１内に形成する程度まで冷媒を冷却するのを回避するように構成されることができる。別の方法の実施形態においてはタービン２１は、たとえば、ロータブレードを構成するために適切に丈夫な材料を使用して構成することで冷媒が凝縮してもタービン２１を損傷することないようにできる。
【００３７】
当業者には、第１の蒸発器５を通過する冷媒のどの品質が、第１の蒸発器５への熱フローに影響を及ぼすかは明らかである。第１の蒸発器５を出る冷媒は、第一のコンプレッサ１へ戻る前に第一のアキュムレータ６を通過する。当業者には、受液器２およびアキュムレータ６が、回路のために冷媒リザーバを供給することは明らかである。アキュムレータ６は、それがコンプレッサ１の一部を形成するオプションを表わすために、輪郭で描いて示されている。
【００３８】
図３を参照すると、本発明による別の方法の熱ポンプが示され、第１の冷媒回路３００と第２の冷媒回路４００とを含む。好ましい実施形態においては、第２の冷媒サイクル４００は蒸発機４０５、アキュムレータ、コンプレッサ、コンデンサ、受液器およびＴＸバルブ（図示せず）を含むことができ、先行技術と同じ順序で配置され、先行技術の冷媒回路とほぼ同じ機能を行う。第２の冷媒は、１０℃未満、より好ましくは、およそ０℃の沸点を有するのがよい。当業者には、適切な低い沸点を有する他の冷媒が使用されることができるということは明らかであるはいえ、適切な第２の冷媒は、Ｒ２２、Ｒ１３４Ａ、あるいは、Ｒ１２３でよい。
【００３９】
第２の冷媒回路４００は、図７を参照として、以下で説明されるような制御システムによって制御されることができる。必要に応じて、二つの冷媒回路は単一のコントローラによって制御されることができる。
好ましい実施形態において、冷媒回路４００のコンデンサに入る冷媒の温度は、３０℃以上、好ましくは、およそ６０℃でよい。冷媒回路４００の蒸発器に入る冷媒の温度は、コンデンサ３０４に入る冷媒の温度より低いせいぜい１０℃でよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、コンプレッサとコンデンサとの間に位置する一つ以上の熱電式発電機を電気を生成するために設けることができる。熱電式発電機は、凝縮温度が１８０℃と高く、そして、蒸発温度が３５℃と１０℃との間であり、それによって、大きい温度差をもたらすので、使用される冷媒がＲ１２３である場合に特に有効である。
【００４１】
サイクル３００は、時計方向回りの順序で、コンプレッサ３０１、コンデンサ３０７、第一のエキスパンダ３０２ａ、第１のタービン３０２、第２のエキスパンダ３０２ｂ、熱交換器３０４、蒸発器３０５および第２のタービン３０６を含む。
エキスパンダは、タービン３０２に入る動作流体の密度を低減するためと動作流体が亜音速に戻った後、タービン３０２の出力において低い圧力を維持するのを援助するために、タービン３０２の入力側と出力側との両方に含まれることができる。好ましい実施形態において、エキスパンダはそれが亜音速に減速されると流体の圧力が増大しないことを確実にすることができる。エキスパンダがないとタービン出力における圧力が上昇してタービンの性能を減ずることになる。
【００４２】
エキスパンダ（図示せず）は、さらに第２のタービン３０６の入力および出力の一方又は両方に含まれることができる。エキスパンダは、冷媒がタービン３０６から超音速スピードで循環する場合はディフューザを含む。タービン３０２，３０６の入力時エキスパンダは、タービンのノズルののど部に入る前に動作流体の密度を低下させるために必要である。より低い密度は動作流体の音速状態でより大きいのど部サイズを可能にし、それゆえ、空調効率における低下を回避するように、臨界最小質量フロー速度を維持する。理想的には、質量フロー速度は各タービンを熱力学サイクルへ導入することなく体験されるのと同じはずである。ノズル前の体積膨張は、それにより動作流体の密度を低下してより大きい直径のノズルのど部がそこおける動作流体の亜音速／超音速移動かその質量フロー速度かのいずれかを減ずることなく使用されることを可能にする。
【００４３】
二つのさらなる別の方法のサイクルにおいて、冷媒サイクル４００およびコンデンサ３０４のいずれかの一つは省略することができる。
図４は、図１、図２、図３に関して説明される熱ポンプ装置と共に使用するのに適するタービン２１を示している。タービン２１は、さらに、図１に示される回路などの先行技術の冷媒回路において、好ましくはコンプレッサの上流側か下流側の近くのいずれかの直近で使用されることができ、必要に応じてエキスパンダはタービン２１のあたりに設けられる。タービン２１は、タービン２１のハウジング（図示せず）に取り付けられる少なくとも一つの外側ノズル２２を含み、そこを通って流動する冷媒を音速スピード又は超音速スピードに加速するように構成される集束セクション／末広セクションを有する。
【００４４】
タービン２１は、動作流体として冷媒が使用されている上記に説明されたような熱ポンプ回路の一部としての使用に関連して以下のとおり説明する。タービン２１は、パワーを生成することに加えてＴＸバルブの機能を行うことができ、ＴＸバルブがその回路から省略することが可能である。当業者には、タービン２１のための他にも利用が可能であること、動作流体はこれらの実施形態においては何か他の適切なガス状の流体でもよいということは明らかであろう。
【００４５】
各外側ノズル２２からのフローは、遮断手段によって周期的に遮断される。二つの好ましい遮断手段は以下で説明する。関連する当業者には、外側ノズル２２からのフローを遮断する別の方法の手段を特定することも可能である。
第１の遮断手段は、タービンロータ２３の外側周辺の近傍に位置して羽根７が外側ノズル出口１２の近傍にあるときに冷媒が外側ノズル２２から流出することを実質的に防止するように構成される一つ以上の羽根７を含む。関連する当業者には外側ノズル２２の出口と羽根７との間のギャップは図４において誇張されていること、実際のギャップは羽根７がノズル出口１２に近接しているときノズル２２からのフローを遮断するか有効な程度の抑制をするに足る小さなものであることとは明らかである。
【００４６】
第２の遮断手段１１は、外側ノズル出口１２の近傍の電子動作式バルブを含むことができる。第２の遮断手段１１は、きわめて迅速な応答を有することができ、たとえば、操作は電子動作式共有レールディーゼルインジェクタに類似する。
冷媒貯蔵容器１３は、外側ノズル入口１４の近傍に位置させることができる。もし外側ノズル２２に冷媒を供給するコンプレッサが容量式コンプレッサである場合は、冷媒貯蔵容器１３は少なくとも第一のコンプレッサの単一の排水量に等しい内容量を有することができる。冷媒貯蔵容器１３は、コンプレッサの排水量よりも大きい容量を有することができる。冷媒貯蔵容器１３は、外側ノズル入口１４にできるかぎり近接して位置する絶縁球形コンテナであることが好ましい。
【００４７】
羽根７および第２の遮断手段１１は、相当するエンタルピの増大なしで外側ノズル２２における断熱圧力上昇を生じさせるために十分に迅速に冷媒のフローを停止することができる。冷媒のフローは外側ノズル２２の内側の、より好ましくは、冷媒貯蔵容器１３の内側の圧力が第１のコンプレッサによって供給される圧力未満である予め選択された最小圧力に達するために十分に長い周期の間遮断されることができる。この圧力は羽根７および第２の遮断手段１１が共に開口するときに冷媒が音速スピードあるいは超音速スピードで外側ノズル２２から出ることを確実にするように選択されることができる。
【００４８】
各羽根７が外側ノズル２２からのフローを停止する期間は、タービンロータ２３の円周とロータ２３の回転スピードおよび羽根７の周方向の長さによる。いくつかの実施形態においては、この期間は第２の遮断手段１１が必要とされないほど十分に長くできる。
他の実施形態において、第２の遮断手段１１は羽根７は必要でないほど十分に迅速に閉鎖することが可能であるが、多くの場合は羽根７が外側のズル出口１２を高速で閉鎖することが可能である比較的簡単な遮断手段を提供することができるようにできる。
【００４９】
冷媒貯蔵容器１３と羽根７および第２の遮断手段１１は冷媒から回収されるエネルギーの量を増大するのを助けることができて、同時にさらに、十分な冷媒が、流動して冷媒回路からの十分な総合熱吸収効果をもたらすことを可能にする。これにより冷媒回路からの受液器およびＴＸバルブの省略を容易にすることができる。
【００５０】
出願人は、遮断手段が閉鎖すると外側ノズル２２とその外側ノズル２２に動作流体、この場合、冷媒を供給する高圧源、多くの場合は第１のコンプレッサの間の動作流体の質量フローは、ゼロの方へ向って減少させることができ、冷媒貯蔵容器１３および外側ノズル入口１４における圧力は第一のコンプレッサの排出ラインの最大圧力の方へ向って高めることができると考えている。この上方への圧力偏位は流体の質量フロー速度における低下のファンクションである。質量フロー速度がゼロであるとき、外側ノズル２２を横切る圧力差はほぼゼロでよく、従って、外側ノズル入口１４での圧力は最大になり、冷媒の運動エネルギー変化およびエンタルピ変化はゼロである。  したがって、冷媒が停止されるとき、圧力は外側ノズル入り口１４でコンプレッサによって供給されうる最大値に上がり、エンタルピ変化はゼロである。さらに、出願人は、冷媒が遮断される期間が冷媒が流動される時間と比べて短い場合は、タービン２１がコンポーネントである冷媒回路の総合質量フローの低下は最小となると考えている。
【００５１】
さらに出願人は、外側ノズル２２を通る質量フローを停止する利点はフロー遮断の周期が十分に短くかつ冷媒の圧力における増大が実質的に断熱的に生じる場合は、外側ノズル２２における静止した冷媒のエンタルピには変化がないことであると考えている。また、冷媒が静止し圧縮される間の内部エネルギーの増大はその冷媒の膨張と質量フローが流動する時間の間のワークの消耗を補正する。これは冷媒が流動する間の時間に対して冷媒が遮断されてエンタルピ抽出プロセスが実質的に連続している時間の割合を適切に選択することによって達成されることができる。出願人は、これは先行技術のシステムを越える動作流体からのエンタルピの増大した抽出の結果として生ずるものであると考えている。
【００５２】
さらに当業者には、第２の遮断手段１１のタイミングが処理手段（図示せず）によって制御されることができるということは明らかである。その処理手段は如何なる適切な手段からでもタービンロータ２３の角位置についての情報を受信することができるが、ホール効果センサ、あるいは、ロータ２３についての適切なインデックスマークを感知することができるタービンハウジング（図示せず）に取り付けられる類似物からの受信が好ましい。処理手段もまた第２の遮断装置１１の開口時間を変えることによってタービンロータ２３のスピードを変えることができる。
【００５３】
衝動タイプのブレード構造を有するタービンロータ２３が示されているのに対して、出願人は、上記に説明されるような遮断装置は特にまた他の径方向タイプのタービンデザインとの使用、たとえば、図１１に示されるような自動推進ターボチャージャーに使用されるものと共に使用するのに適しているということが分かった。
【００５４】
ここで図５を参照すると、別の方法のタービンロータ２３Ａが中央排出開口６０３へと導く複数の略らせん形チャンネル６０２を有しているのが示されている。中央排出開口６０３は、ロータ２３Ａの中心でありロータ２３Ａのほぼ中央軸方向に延在することができる。各チャンネル６０２の断面エリアは、入口６０４と出口６０５との間で連続的に縮小することができる。
【００５５】
入口６０４対出口６０５の面積の割合はほぼ６：１であり動作流体のフローへの制限を最小にして極超音速作動を促進することが好ましい。
図６を参照して各チャンネル６０２の中心線６０６は入口６０４と出口６０５との間の少なくとも二つのポイント６０８，６０９でロータ２３Ａの半径６０７と交差する。
【００５６】
矢印Ｆによって表わされる流体フローは入り口６０４を通ってチャンネル６０２に入ることができる。流体Ｆの方向はチャンネル６０２内で変更されるので、流体Ｆの運動量の変化はロータ２３Ａへの回転力を結果として生じることができる。回転力は適切な電気エネルギー発電機か、あるいは、回転シャフトによって動力が供給されることができるあらゆる他の適切なメカニズムかのいずれかに伝えられることが好ましい。流体Ｆはチャンネル６０２内での方向ができるかぎり１８０゜の変更に近く達成し、運動量における変化、その結果、ロータ２３Ａに伝えられるエネルギーを最大化することが好ましい。
【００５７】
ロータ２３Ａは、上記に説明されるように電子式第２の遮断装置手段と共に使用されることができるとはいえ、当業者はいくつかの実施形態においてチャンネルの入口６０４間のスペーシング６１０は遮断装置手段としての機能を果たすということを認識している。
【００５８】
図７は、本発明の別の態様による全体が矢印１００によって参照される空調／冷凍サイクルを示している。
図３に示されるサイクル３００と同様に、サイクル１００は先行技術のサイクルに普通であるＴＸバルブおよび受液器を省略することができるという点で先行技術の空調あるいは冷凍サイクルとは異なる。ＴＸバルブはこの実施形態においてコンデンサ１０５と蒸発器１２２との間に位置するタービン１１４に置き換えられる。任意の熱電式発電機１０３はコンデンサ１０５の前に置くことができる。
【００５９】
第２のタービン１３０は、蒸発器１２２の出力とアキュムレータ１２８との間に置かれる。エキスパンダ１３０ａ，１３０ｂが存在する場合はタービン１３０まわりに置かれる。これにより、タービン１３０に入る動作流体の密度は十分に低くタービン１３０の超音速動作、システムの質量フロー速度、あるいは、その冷却効率を損なうことなく、十分に大きい直径ノズルがタービン１３０内に使用されることを可能にすることを確実にする。
【００６０】
矢印２００によって参照される二次的な熱ポンプサイクルは、エキスパンダ１１４ｃに続き熱が一次サイクル１００から取り除かれることを可能にする熱交換器２０１を含有し、蒸発器１２２に入る動作流体の温度および圧力を十分に低くして蒸発器１２２の効率のよい動作を可能にすることを確実にする。二次的サイクルは図７にて参照されサイクル１００のためにここに説明される付加的な制御器とともに図１の先行技術のサイクル１０において説明される必須の熱ポンプコンポーネントのすべてを含有する。
【００６１】
高圧動作流体は、実質的に蒸気状態でコンプレッサ１０１から出てコンプレッサ排出ライン１０２を通って熱電式発電機１０３に入るか、あるいは、コンデンサ１０５に直接に通過することができる。熱電式発電機１０３が存在する場合はＤＣを介してＤＣコンバータ１０４へ高圧出力１０４ａに変換されることができる低圧ＤＣ出力１０３ａを生成することができる。
【００６２】
コンデンサ１０５は動作流体から熱を取り除く。排出される熱の量はコンデンサ１０５上に空気を吹き付けるコンデンサファン１０６のスピードによって制御されることができる。コンデンサファン１０６のスピードは連絡リンク１０８を介してマスタ変速ドライブ１０９によって制御される変速ドライブ１０７によって測定される。変速ドライブ１０７はコンデンサファン１０６のスピードを制御するために適切なソフトウェアを含む。
【００６３】
マスタ変速ドライブ１０９はそれぞれ蒸発器への冷媒の温度（Ｔ１）、蒸発器からの冷媒の温度（Ｔ２）および蒸発器から出る空気の温度（Ｔ４）についての情報をもたらすための熱電対入力１１０，１１１，１１２を含む。さらなる熱電対（Ｔ４ａ）および圧力センサ１１５は、タービン１１４に入る動作流体の温度および圧力の圧力を測定することができる。
【００６４】
タービンに入る動作流体の温度と圧力およびサイクルにおける選択した温度を測定することによって、マスタ変速ドライブ１０９におけるソフトウェアはソフトウェア・ルックアップ・テーブルによってタービン１１４に入る動作流体の密度を統計的に予測することができ、そして、コンプレッサ１０１および／またはコンデンサファン１０６および／または蒸発器ファン１２６のスピードを調節することができ、タービン１１４に供給する集束／末広ノズル１１７ののど部を通過する蒸気がほぼ音速であるほど十分に遅いということを確実にする。さらに、エキスパンダ１１４ａはタービン１１４に入る動作流体の密度を減少させる。
【００６５】
タービンノズルののどから出る音速の動作流体は超音速に達するまでノズル１１７の末広セクションで加速し続けることができる。
高速動作流体はタービンロータを駆動する。タービンは適切なカップリング１２０を経由してロード１２１、たとえば、電気発電機を駆動することができる。
【００６６】
好ましくは音速、あるいは、超音速へのノズル１１７内の動作流体の加速はその温度および圧力の降下を生じることがある。そこでエネルギーはタービン１１４を通って流動する結果として動作流体から取り除かれることがある。
蒸気および液体状態の両方における高速低圧動作流体の混合物はエキスパンダ１１４ｃを経由して蒸発器１２２へ通過され、そのエキスパンダ１１４ｃは動作流体が減速して運動エネルギーをタービン１１４によってそれから取り除かせるとき動作流体圧力が上がるのを防止するように設計される。必要な場合、エキスパンダ１１４ｃはさらにエキスパンダ１１４ｃに入る前に動作流体の速度を超音速値に減速させるためにディフューザ１１４ｂを含有することができる。
【００６７】
蒸発器コイル１２３は、蒸発器１２２の外側のより暖かい空気１２４から熱を吸収することができる。冷却空気１２５は、蒸発器ファン１２６によって蒸発器１２２から取り除かれることができる。蒸発器ファン１２６のスピードは、蒸発器ファン１２６のパワー入力に連結される別の変速ドライブ１３０によって変えられ、連絡リンク１０８ａを介してマスタ変速ドライブ１０９によって制御することができる。蒸発器ファン１２６のスピードは、蒸発器１２２全体にわたり流動する空気１２４の温度の低下に応じて変えられることができる。
【００６８】
アキュムレータ１２８は、残っている液体状態の流体がコンプレッサ入力１２９に入る前に蒸発されることを確実にすることができる。アキュムレータ１２８は、また先行技術のいくつかの空調／冷凍サイクルによって使用される受液器の代わりに動作流体リザーバとしての機能を果たすことができる。
ＴＸバルブ制御はサイクル１００からのＴＸバルブの除去のために省略できるが、実質的に以下で説明されるようにマスタ変速ドライブ１０９はコンプレッサ１０１のスピードを制御して性能の係数（ＣＯＰ）を最適にすることができる。
【００６９】
タービン１１４が電気発電機１２１を駆動する場合は、電気発電機１２１はＤＣタイプかＡＣタイプかのいずれでもよい。発電機１２１は、ほぼ６７０ボルト出力のオーダーの高圧ＤＣ発電機であることが好ましい。その好ましい場合においては、ＤＣパワー出力１１４Ｂはダイオードおよびコンデンサ分離回路を介してマスタ変速ドライブ１０９のＤＣ母線１０９Ｂに結合されることができ、それによりパワーが一つの方向に流動することを可能にして発電機１２１へのメインパワー１５０のあらゆるフィードバックを回避する。
【００７０】
当業者は、上記に説明される空調サイクルは、総合Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（性能の係数）を最適にするために、タービンによって回収されたエネルギーによって、そしてそれが使用される場合は熱電式発電機とコンプレッサのスピードの制御装置のために先行技術のものよりもいっそうエネルギー効率がよいということを認識している。
【００７１】
図８乃至図１０は、図１、図２、図３、図７、図８に関してここに説明されるサイクル、あるいは必要に応じて先行技術のものを含む他のサイクルなどの空調サイクルを制御するために行われることができる本発明の計算プロセスの例示を具体的に説明する一連のフローチャートを示すものである。そのプロセスはコンプレッサのためのモータコントローラの駆動信号を制御するために制御出力を有するいかなる適切なマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、あるいは制御出力を有する類似物によって制御されることができる。明確化のために以下の説明において、マイクロコントローラが使用されたことが仮定されている。
【００７２】
図８を参照すると、制御アルゴリズムのパワーアップ時か実行の前に初期化ルーチンが行われることができ、選択されたフラグとレジスタおよびカウンタはもしこれが制御アルゴリズムの特定の実施に必要とされる場合には、一般にゼロにセットすることによって初期化されることができる。
【００７３】
図１３を参照すると、可能な初期化サブルーティングを図示するフローチャートが示されている。外部装置（たとえば、コンプレッサ、ＴＸバルブ、コンデンサ、発電機励磁など）が処理／最適化される時間間隔は、ＤＥＬ１からＤＥＬｎとして入力される。制御される特定の熱ポンプのために、ルックアップテーブルが決定されて蒸発器全域での固有温度差（Ｔ１−Ｔ３）（１）から（Ｔ１−Ｔ３）（ｎ）で動作されるときの熱ポンプのためのターゲットの性能の係数（ＣＯＰ３からＣＯＰｎへ）のためのエントリが入力される。
【００７４】
マイクロプロセッサは、スイッチＳＷ１の状態を読取ることができる。スイッチＳＷ１は、マイクロコントローラが熱ポンプのための制御パラメータの処理／最適化を自動的にスケージュールするかどうかを指図する。あらゆる必要なフラグとカウンタおよびレジスタの現在の状態もまた読取られ初期化されることができる。
次にルックアップテーブルは入力した温度差（Ｔ１−Ｔ３）（１）から（Ｔ１−Ｔ３）（ｎ）と、熱ポンプの処理／最適化に使用されるそれらの関連したターゲットの性能の係数ＣＯＰ３からＣＯＰｎとから形成される（ここでは以下を参照）。最後に、マイクロコントローラはスイッチＳＷ１の状態に基づき手動動作か自動動作かを指図するフラグをセットする。
【００７５】
マイクロコントローラは入力として蒸発器に流入する冷媒の温度Ｔ１と蒸発器を出る冷媒の温度Ｔ２およびコンプレッサモータパワーＫＷ１を受信する。コンプレッサのための熱ロードＴ３と必要なモータスピード増分Ｋ２および必要なモータスピード減少分Ｋ３そして空調冷媒定数Ｋ１のためのセットポイントもまた入力される。Ｋ１は特定の空調サイクルのために経験的に決定され、Ｔ１とＴ２との間の一度の温度変化当たりに上げられる熱の増分を表わす。
【００７６】
これらの入力を受信すると、そこでマイクロコントローラはＴ１とＴ３との間の差を計算する。そしてこの差は保管ルックアップテーブルの熱ポンプのための対応する性能の係数をルックアップするのに使用され、そこでその性能の係数は単位ワークインプット当たりに上げられる熱を表す。
【００７７】
別の方法の実施形態においては、ターゲットＣＯＰに作動する代わりにマイクロコントローラはサイクルのためのＣＯＰが、コンプレッサのスピードでまさに連続的に増大しない場合はＣＯＰを最大化するためにコンプレッサのスピードを増大／減速することができる。蒸発器全域での温度差以外の変数が必要な場合使用されることができるということは、関連する当業者には明らかである。
【００７８】
Ｔ１−Ｔ３がゼロ未満かゼロに等しい場合は熱ポンプは作動せず、マイクロコントローラによってなにも行われず、アルゴリズムのスタートへ戻る。Ｔ１−Ｔ３が、ゼロより大きい場合は、測定した変数Ｔ１，Ｔ２，ＫＷ１に基づく実際の性能の係数ＣＯＰ２は方程式１：
ＣＯＰ２＝Ｋ１｜Ｔ１−Ｔ２｜／ＫＷ１    方程式１
により計算される。
【００７９】
コンプレッサのワークインプットに対するサイクルの出力に関する他の基準は、必要な場合使用されることができる。ここで説明されるように温度測定値が比較的容易に得られることができるので、現在考慮された好ましい実施形態はシステムによって伝えられる有効な熱の基準をもたらすために温度差の基準を使用している。とはいえ、システムの出力をコンプレッサの入力に関連させるシステムの性能の別の方法の基準が使用されることができる。
【００８０】
そして計算された性能の係数ＣＯＰ２は、ターゲットの性能の係数ＣＯＰ１と比べれられる。ＣＯＰ１の値がＣＯＰ２未満である場合はコンプレッサのスピードはＫ２によって増大される。逆に、ターゲットＣＯＰ１が計算したＣＯＰ２より大きい場合は、モータスピードはＫ３によって減速される。そして遅延サブルーチン（説明せず）が実行されてコンプレッサのスピードにおける変化へのサイクルの反応の遅れを可能にする。必要な時間遅延は、Ｋ２とＫ３との増分によってコンプレッサのスピードを強制的に調節し、安定した状態コンディションに戻るために空調サイクルのための最大時間を測定することによって実験的に決定されることが可能である。如何なる適切な遅延サブルーチンもこの遅延を達成するのに使用されることができる。その遅延サブルーチンは、あらゆる制御変数が別の制御変数を分析して変える前に変更された後完了され、システムが安定したままであることを確実にし、および／または、安定した状態コンディションが制御アルゴリズムに入力の基準を供給するのに使用されることを確実にする。制御アルゴリズムの実行は、周期的に予め定められた時間間隔で、各制御サイクル間の適切な時間遅延で連続的に、あるいは、スケジュールされた根拠によって行われることができる。
【００８１】
図９は、一つが熱ポンプに供給される場合、ＴＸバルブの動作を制御する制御アルゴリズムを概略的に示している。さらに制御アルゴリズムは、ＴＸバルブと同じ機能か類似の機能を行う如何なる制御可能な装置にも適用される。
マイクロコントローラは、温度入力として蒸発器から出る空気の不飽和温度Ｔ４と蒸発器出力における動作流体の温度に加えられる過熱状態温度値を表わす定数Ｔ５とを受信する。それは、また蒸発器出力における動作流体の圧力を表す圧力入力Ｐ１とＴＸバルブとあるいは同等物ＴＸ１の現在の状態の測定値およびＴＸバルブの動作を増やしたり減ずるためのセットステップＫ４，Ｋ５をそれぞれに受信する。
【００８２】
マイクロコントローラは、Ｔ４とＴ５との合計としてＴ６を計算し、Ｐ１と定数Ｋ６との積としてＴ７を計算し、動作流体の温度への圧力の変換を容易にする。温度Ｔ６がＴ７未満である場合はＴＸバルブは増分Ｋ４によって開口され、温度Ｔ６がＴ７より大きい場合はＴＸバルブは増分Ｋ５によって閉鎖される。そうでない場合、ＴＸバルブはその現在の位置に維持される。増分および減少分ステップサイズは、任意に同じ（Ｋ４＝Ｋ５）にすることができる。そして遅延サブルーチンが実行され、さらなるアクションが行われる前にそのサイクルが安定した状態か安定した状態近くに達することを可能にする。
【００８３】
ＴＸバルブ設定の変化をもって、ＴＸバルブがなお動作していることをチェックして蒸発器の後のコンプレッサの吸入ラインにおける冷媒が蒸気状態にあるように十分に過熱されるようにすることは利点である。従って、ＴＸバルブの変化に追随して遅延サブルーチンが引き起こされるたびに、マイクロコントローラはＴＸバルブの動作への付加的なチェックを行うことができる。このチェックは、ＴＸバルブの動作の制限の制御がＴＸバルブの一部としてもはや存在しない場合に、そして、既存の制御アルゴリズムが許容可能な動作範囲内にＴＸバルブを制限しない場合にのみ必要である。
【００８４】
コンプレッサのスピードおよびＴＸバルブ開口における変化をもって、コンデンサの動作はまた変わる。従って、コントローラはコンデンサへのドライブファンも制御することができる。このプロセスは図１０に示されている。
アルゴリズムへの温度入力は、上記にここに定義されるようにＴ１、Ｔ３と、熱ポンプにおいて予め定められたポイントで一般的にコンデンサにすぐ続くポイントで測定される液体ライン温度Ｔ８と、液体ライン温度のためのターゲット温度Ｔ１０である。コンデンサファンスピードの増分Ｋ７のためのステップサイズおよびコンデンサファンスピードの増分Ｋ８のためのステップサイズは、現在のコンデンサファンスピードＣＦＳ１と最小コンデンサファンスピードＣＦＳｍｉｎと最大コンデンサファンスピードＣＦＳｍａｘとともにアルゴリズムへの入力である。ＣＦＳｍｉｎおよびＣＦＳｍａｘを使用するステップは、図１１に具体的に説明されていないが、ＣＦＳｍｉｎおよびＣＦＳｍａｘの値はコンプレッサファンの許容可能なスピードを制限する。
【００８５】
マイクロコントローラは、先ず、Ｔ３とＴ１との間の差としてＴ１１を計算し、Ｔ３がＴ１より大きいかＴ１に等しい場合にコンデンサファンスピードのための制御アルゴリズムを終了する。Ｔ３がＴ１未満である場合は、サイクルは動作状態でありコンデンサによって熱が抽出される。そして、マイクロコントローラはＴ１０とＴ８との差としてＴ１２を計算し、ターゲット温度Ｔ１０が実際の温度Ｔ８未満である場合は現在のコンプレッサスピードＣＦＳ１はＫ７によって増大され、Ｔ１０がＴ８より大きい場合は現在のコンプレッサスピードはＫ８によって減速される。さらなる時間遅延は、コンデンサファン動作の変化後引き起こされる。
【００８６】
マイクロプロセッサは、各冷媒回路の選択されたパラメータを最適化するために第二の遮断装置１１のタイミングを変えることもできる。いくつかの実施形態において、蒸発器によって吸収される熱は選択されたパラメータであるのに対して、他の実施形態においてはコンプレッサの一つ以上の総パワー入力は選択されたパラメータである。
図１４は、上記にここに説明される制御／最適化アルゴリズムのスケジューリングための制御アルゴリズムを概略的に示している。タイムパラメータの表は、各アルゴリズムが実行される時期を指定するメモリに格納される。タイムパラメータのこの表は、熱ポンプアドミニストレータによって入力される。ポインタは、パワーアップ時にタイムパラメータの表の初期値にセットされ、クロックがスタートする。タイムパラメータの表は、順番に制御アルゴリズムと、その制御アルゴリズムのための各実行の間に生ずる時間遅延を示す時間遅延変数と、制御アルゴリズムがメモリ内に見つけられることが可能なアドレスとをリストする。
【００８７】
マイクロコントローラはリアルタイムクロックの現在の時間を読取り、現在の処理時間をそれに与えるためにタイムパラメータ表に示される時間遅延を加える。次に現在の処理時間は読取られてリアルタイムクロックと比べられる。そのプロセスは連続的にループのまわりを循環し、リアルタイムクロックがアルゴリズムのための現在の処理時間に達するまで各アルゴリズムのための現在の処理時間に対するリアルタイムをチェックする。これが起こるとき、マイクロプロセッサはループから出て、タイムパラメータ表からアルゴリズムのためのスタートアドレスを読取りそのアルゴリズムを実行する。アルゴリズムが実行された後、マイクロプロセッサは、図１４の「リターン」によって示されるようにループへ戻る。
【００８８】
熱ポンプの発電機のロータは、高回転スピードで動作することができる。たとえば、発電機および熱ポンプは、ロータが１５０００ｒｐｍ以上で回転するように設計されることができる。高回転スピードで発電機の性能を維持するために、回転グループ（タービン、ロータ、シャフトおよびベアリングシステム）の平衡を保つ必要がある。また、冷媒サイクルへのロータおよび発電機の密閉もシャフトによるサイクルの伝達パワーの損失および確実性に関する問題を回避することができる。さらに、固定マグネットロータが使用される場合は、感度の高い平衡がロータまわりの磁界のために困難になり、リグの強磁性コンポーネントは磁化され、もし突発ロードが発電器に与えられると、結果として生ずる力はロータの平衡を失わせることがある。
【００８９】
本発明の発電機は、非磁性で磁化されることができないロータを含む。そのロータは、たとえば、Ｌｙｃｏｒｅ  １５０の電気薄鋼板から製造されるものでよい。ロータから広がる電界は、高透磁率のＦ５フェライトロッド巻型に巻かれるロータに設けられるコイルによって制御される。他の適切な材料があればそれを使用してもよい。
【００９０】
ロータおよびロータのケーシングにきわめて接近しているタービンコンポーネントは、共に発電機に印加される高い応力に耐える適当なプラスチック耐性体から構成されることができる。これらのコンポーネントは、従って、ロータからの電界、あるいは磁化された固定子巻線からの電界と干渉しない。固定子巻線は、プラスチックケーシングまわりのトロイダルコアの上に巻かれる。トロイダルコアは、Ｌｙｃｏｒｅ  １５０の電気薄鋼板、あるいは、より好ましくは、Ｆ５フェライト、あるいは、同等物の高透磁率の特に成形したフェライト巻型がよい。
【００９１】
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、全体が矢印５００によって参照されるタービン発電機を示している。発電機５００全体は、空調サイクル内に密閉されることができる。図１１Ａは、タービン発電機５００の平面図を示し、明確化のためにカバーが外されており、図１１Ｂは図１１Ａの線ＢＢを通る断面を示している。タービン発電機５００は、タービンハウジング５０１と、固定子５０４をサポートする固定子サポートハウジング５０２と、カバープレート５０３Ａ−Ｄとを含む。図１１Ｃおよび図１１Ｄは、図１１Ｂの線ＣＣと線ＤＤとを通る断面をそれぞれ示している。タービンハウジング５０１は、ロータ５０６とノズル保持器５０８によって適所に保持されるノズル５０７とを含むタービン５０５を収容する。
【００９２】
ノズル５０７には入口パイプ５０９を介して冷媒が供給される。発電機ロータ５１０は、四極ロータ５１０を形成する四つのロータコイル５１１−５１４を含む。コイル５１１−５１４は、ロータの巻線を保護するように限流を供給するために電流の制限を提供する温度でインピーダンス／抵抗が増大する抵抗素子によって短絡すなわち連結される端部を有している。コイルは、たとえば、１ｍｍの銅から形成され、１９ｍｍのＦ５フェライト巻型のまわりに１３５巻数を有することができる。しかし、関連する当業者には明らかなように、発電機ロータ５１０と固定子５０４との両方の巻線の数、その巻線に使用されるコア、発電機ロータ５１０と固定子巻線との間の空気ギャップおよび発電機ロータ５１０に設けられるポールの数は、発電機５００の必要条件により変えられることが可能である。タービンロータ５０６は、図４を参照として上記に説明されるように遮断装置を有することが好ましく、図４あるいは図５に関してここに説明されるようにブレード構造を有することができる。
【００９３】
固定子５０４の巻線は、二つ以上の巻線の隣接したグループで互いにワイヤで留められることができる。各巻電グループのＡＣ出力は、四極ロータ５１０のために９０度の間隔で他のグループに連結される。巻線グループは、固定子巻線を介して一定の直流を供給するように動作可能な制御されたＤＣ発電機（図示せず）にそれぞれ連結される。コンデンサは、巻線およびＤＣ発電機をＡＣ出力から分離する。巻線グループは、ロータまわりに交流の北極および南極対を生成する直流で磁化され、それにより９０度の間隔になり、同様の界は１８０度の間隔で互いに正反対の位置に置かれる。従って、電界はロータ５１０のまわりに平衡が保たれ、必要に応じて動作の間検出されることができるあらゆる不均衡に応答して如何なるロータ５１０の不均衡をも補正するような調整が可能である。他の固定子巻線は、それらに連結されるＤＣ発電機を有していない。一例として、固定子に合計１８コイルのグループがあり、四つは、ＤＣ発電機に連結されている。ＤＣ発電器に連結される二つ、三つ、あるいは、四つ以上の固定子巻線は、必要に応じて供給されることができる。
【００９４】
ＤＣ電流の極性は、タービン５００の強磁性コンポーネントが永久磁気バイアスを補足しないことを確実にするために、周期的に逆転されることがある。
先行技術のタービンは、固定されており性能の損失なく制御されることができない動作スピードおよびトルク特性を有している。しかし、本発明のタービン５００は励磁界の強度の動的制御を可能にし、タービン５００が最も好ましいスピードおよびトルクで動作されることが可能なように発電機の特性を変更し、固定パラメータ内に動作を維持する。ここに説明される熱ポンプにおけるタービンの適用について、本発明のタービン５００は超音速動作を維持するのに使用されることができる。
【００９５】
タービン５００がその終端速度に達するとき、ＤＣ電流発電機が作動されて電界を発電器に連結される固定子巻線によって生成し、それによりロータ５１０が回転するときにロータ５１０のコイルにおけるＡＣ電流を生成する。そして、ＡＣ電流が固定子巻線に生成されて発電機出力に供給される。ＡＣ出力は整流されて発電機が熱ポンプの一部を形成する場合に、エネルギーが熱ポンプのコンプレッサに一部分動力を供給するのに使用されることができる。
【００９６】
図１２は固定子巻線のための制御アルゴリズムを概略的に示している。図１２に示される制御アルゴリズムはロータ５１０がスピードを速めるように上げられて直流が固定子巻線を通って供給された後に使用される。固定子からの総電流出力ｌＴおよび総電圧出力ＶＴが測定される。これは各固定子巻線グループのための電流出力ｌ１−ｌｎおよび電圧出力Ｖ１−Ｖｎの測定を行うことによって達成されることができる。総パワー出力は、ｌＴとＶＴとの積として計算される。これが前のパワー出力と比べられる。もし前のパワー出力が現在のパワー出力未満であった場合は、固定子巻線を通る直流は予め定められたステップサイズによって増大される。前のパワー出力が現在のパワー出力を越えている場合、固定子巻線を通る直流は予め定められたステップサイズによって減少される。当業者には図１２に具体的に説明されるアルゴリズムは、複数のターゲット発電機を制御するのに使用することができるということは明らかである。
【００９７】
前述の説明において、周知の同等物を有する本発明の特定の部分あるいは全体は均等物を有していることが述べられるそのような均等物も個別的に記述されているようにここに組み込まれている。
本発明は、例示として、そして、その可能な実施形態を参照として説明されてきたが、変更あるいは改良は添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲から逸脱することなくそれに対して行われることができるということは理解されることである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】先行技術の熱力学サイクルを示す。
【図２】本発明の１態様による第１の熱力学サイクルを示す。
【図３】本発明の１態様による第２の熱力学サイクルを示す。
【図４】本発明の１態様による第１のタービンの断面図を示す。
【図５】本発明の１態様による第２のタービンの断面図を示す。
【図６】図５のタービンのチャンネル拡大図を示す。
【図７】本発明の１態様による制御システムを具体的に示す第３の熱力学サイクルを示す。
【図８】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図９】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１０】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１１】本発明の１態様による発電機の図を示す。
【図１２】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１３】制御システムのための初期化サブルーチンのフローチャートを示す。
【図１４】制御システムのためのスケジューリングサブルーチンのフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００９９】
１            コンプレッサ
２            受液器
５            蒸発器
６            アキュムレータ
７            羽根
８            コンデンサ
１０          第１の冷媒回路
１１          第２の遮断手段
１２          ノズル出口
１３          冷媒貯蔵容器
１４          外側ノズル入口
２１          タービン
２２          外側ノズル
２３          タービンロータ
２３Ａ        ロータ
１００        サイクル
１０１        コンプレッサ
１０３        熱電式発電機
１０５        コンデンサ
１０６        コンデンサファン
１０９        マスタ変速ドライブ
１１０        熱電対
１１１        熱電対
１１２        熱電対
１１４        タービン
１１４Ｂ      ＤＣパワー出力
１１４Ｃ      エキスパンダ
１１７        ノズル
１２１        ロード
１２２        蒸発器
１２３        蒸発器コイル
１２５        冷却空気
１２６        蒸発器ファン
１２８        アキュムレータ
１５０        メインパワー
１３０        第２のタービン
３００        第１の冷媒回路
４００        第２の冷媒回路
６０２        チャンネル
６０４        入口
６０５        出口
６１０        スペーシング
【図１】
2005538333.tif 000003
【図２】
2005538333.tif 000004
【図３】
2005538333.tif 000005
【図４】
2005538333.tif 000006
【図５】
2005538333.tif 000007
【図６】
2005538333.tif 000008
【図７】
2005538333.tif 000009
【図８】
2005538333.tif 000010
【図９】
2005538333.tif 000011
【図１０】
2005538333.tif 000012
【図１１】
2005538333.tif 000013
【図１２】
2005538333.tif 000014
【図１３】
2005538333.tif 000015
【図１４】
2005538333.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月13日(2004.9.13)
【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】
熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクル。
【請求項２】
熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前器コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクル。
【請求項３】
前記第１のタービンと前記蒸発器との間に位置する熱交換器をさらに含み、前記熱交換器が熱を別の熱力学サイクルへ排出するように動作可能であることを特徴とする請求項２に記載の熱力学サイクル。
【請求項４】
前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくとも一つは：
ロータチャンバと；
前記ロータチャンバ内の中央軸まわりに回転可能なロータと；
前記熱力学サイクルの流体供給部から前記ロータに流体を供給することによって前記ロータを駆動してパワーを生成するノズル出口を含む少なくとも一つのノズルと；使用するとき前記タービンから前記流体を排出するための少なくとも一つの排出開口とを含み、前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローは少なくとも一つのフロー遮断装置手段によって周期的に遮断されることによって前記少なくとも一つのノズルの内側の前記流体の圧力を高める請求項１から３のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項５】
前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくとも一つは、前記流体供給部と前記少なくとも一つのノズルとの間に少なくとも一つの流体貯蔵手段を含む請求項４に記載の熱力学サイクル。
【請求項６】
前記流体貯蔵手段は前記コンプレッサの排水量に少なくとも等しい容量を有する請求項５に記載の熱力学サイクル。
【請求項７】
前記少なくとも一つのフロー遮断装置手段は前記少なくとも一つのノズルの内側の圧力が前記流体供給部の圧力未満あるいは前記流体供給部の圧力に等しい予め選択された最小圧力に上がるまで前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローを実質的に停止する請求項４から６のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項８】
使用するとき前記少なくとも一つのノズルからの前記流体のフローは前記少なくとも一つの外側ノズルの上流側の近くに前記流体を実質的に静止させるのに十分な期間、前記少なくとも一つの遮断装置手段によって遮断される請求項４から７のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項９】
前記ロータは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記チャネルに入るとき前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成されて位置決めされ必要な大きさにされる複数のチャンネルを有する請求項４から８のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１０】
前記ロータは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記ブレードに接触するとき前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成され、位置決めされ、必要な大きさにされる複数のブレードを有する請求項４から９のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのフロー遮断装置手段は、前記ロータの外側周辺に連結可能で移動可能であり前記少なくとも１つの羽根が前記少なくとも１つのノズル出口に実質的に隣接したとき前記少なくとも１つの外側ノズル出口からの前記流体のフローを遮断するように構成される少なくとも１つの羽根を含むことを特徴とする請求項４から１０にいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１２】
前記フロー遮断装置手段は前記ロータの前記外周周辺まわりにほぼ等しく間隔がおかれる複数の前記羽根を含む請求項１１に記載の熱力学サイクル。
【請求項１３】
前記少なくとも一つのノズルは使用するとき前記流体を前記ロータに音速であるいは超音速で供給する請求項４から１２のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１４】
前記少なくとも一つのノズルは前記流体の速度を減速しそれが亜音速に減速されると前記流体フローの圧力を維持するためにディフューザセクションとエキスパンダセクションとを含む請求項１３に記載の熱力学サイクル。
【請求項１５】
前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくともひとつは二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結されて各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能である請求項１から１４のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１６】
各制御可能な電流ソースは前記ロータが予め定められた速度に達した後にそれが連結されると固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能である請求項１５に記載の熱力学サイクル。
【請求項１７】
前記予め定められた速度は前記タービンの電流動作状態のための終端速度である請求項１に記載の熱力学サイクル。
【請求項１８】
各電流ソースは前記固定子巻線からのパワー出力の基準によりそれらそれぞれの固定子巻線を通る電流を増加あるいは減少する請求項１５から１７のいずれか１項に記載の熱力学サイクル。
【請求項１９】
請求項１５から１８のいずれか１項に記載される方法であって、前記固定子巻線のパワー出力を繰返し測定するステップと、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準よりも大きい場合には前記巻線を通る電流を増加させるステップと、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準未満であるばあいには前記巻線を通る電流を減少させることを特徴とする熱力学サイクルのための制御の方法。
【請求項２０】
熱力学サイクルからパワーを生成する方法であって、前記熱力学サイクルがコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含み、前記第１のタービンおよび第２のタービンがロータと、前記ロータに流体を与えるために少なくとも１つのノズルとを含みそれによって前記ロータを駆動してパワーを生成し；
前記方法は、前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断し、それによって前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下かあるいは前記流体供給手段の圧力に等しい予め選択された最小の圧力に前記少なくとも１つのノズルの内側の前記流体の圧力を高めるために少なくとも１つのフロー遮断装置手段を提供するステップを含む方法。
【請求項２１】
熱力学サイクルからパワーを生成する方法であって、前記熱力学サイクルがコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含み、前記第１のタービンおよび第２のタービンがロータと前記ロータに流体を与えるために少なくとも１つのノズルとを含み、それによって前記ロータを駆動してパワーを生成し；
前記方法は前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断し、それによって前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下かあるいは前記流体供給手段の圧力に等しい予め選択された最小の圧力に前記少なくとも１つのノズルの内側の前記流体の圧力を高めるために少なくとも１つのフロー遮断装置手段を提供するステップを含む方法。
【請求項２２】
前記予め選択された最小の圧力は前記流体にノズルのどで局部音速に達するようにされるのに十分である請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのノズルから出る流体を超音速に加速するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１から１８のいずれか１項に請求される熱力学サイクルのための制御システムであって、その制御システムは：
熱力学サイクルの出口の基準を供給する感知手段と；
前記コンプレッサのための制御手段であり、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出口の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡している制御手段と；を含み
前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算して前記効率の基準を最大化するかあるいは予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作される制御システム。
【請求項２５】
前記第２のタービンのために第２の制御手段と、制御したエリアの温度の基準を提供するために感知手段とをさらに含み、前記第２の制御手段は別のインプットとして制御したエリアの温度の前記基準を受信し、ターゲット基準に対して前記制御したエリアにおける温度の感知した変動に応じて前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖するように動作可能であることを特徴とする請求項２４に記載の制御システム。
【請求項２６】
前記第２の制御手段はさらにまたインプットとして前記サイクルにおける蒸発状態後に蒸発される前記サイクルにおける冷媒の量を示す基準を受信し、前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するために前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖するように動作可能であることを特徴とする請求項２４または２５に記載の制御システム。
【請求項２７】
前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するために前記第２の制御手段の動作は、前記温度の感知した変動に応じて前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖する制御手段からの予め定められた遅延後に行われる請求項２４から２６のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項２８】
前記熱力学サイクルにおいてコンデンサのために第３の制御手段を含み、前記制御システムは前記コンデンサによって冷媒の冷却に必要なレベルを維持するために前記コンデンサの動作を変える請求項２４から２７のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項２９】
前記制御手段と第２の制御手段および第３の制御手段は単一のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサ、又は複数のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサであり、少なくとも選択されたマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサは互いに連絡状態にあり、前記制御システムのファンクションのタイミングの管理を可能にする請求項２８に記載の制御システム。
【請求項３０】
請求項１５から１７のいずれか１項に記載の熱力学サイクルのための制御システムであり前記制御システムは：
前記熱力学サイクルの出力の基準を供給する感知手段と；
前記コンプレッサのための制御手段を含み、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出力の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡しており、
前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算して該効率の基準を最大化するかあるいは予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作され、前記制御システムは前記タービンの前記固定子巻線を通る直流を制御するように動作可能である制御システム。
【請求項３１】
装填されるとき前記タービンの平衡を力学的に維持するために前記固定子巻線を通る直流を制御するように動作可能である請求項３０に記載の制御システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱ポンプ、熱ポンプと共に使用するタービンおよび／または熱ポンプと共に使用する発電機に関し、より具体的には、排他的ではないが、改良された冷却、あるいは、空調の方法および装置、そして、それらと共に使用するタービンおよび／または発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のサイクルは、熱を大氣中に排出するものである。場合によっては、排出されるはずのエネルギーの一部がそのサイクルから回収されることができ、それによって、総合効率を増大する。
図１は、先行技術の熱ポンプ回路の概略図を示す。高温高圧の冷媒液体は一定のエンタルピーでその圧力と温度とを減少するＴｘバルブと呼ばれることの多い絞り装置に入る。熱吸収蒸気はファンによってその表面全体に吹きつけられる周囲温度空気から熱を吸収する熱交換機、すなわち、「蒸発器」を通されて、その空気を冷却し、それによって、効果をもたらし、そして、それを膨張させる。その熱の収集はその液体を急速に蒸発させて膨張させる。
【０００３】
熱含有動作流体蒸気は、次に、コンプレッサに入る前にあらゆる残りの液体を沸騰して除去することが可能なように設計された内側構造を有するアキュムレータの方へ通される。
エネルギー豊富な暖かい動作流体蒸気は、ワークインプットの結果としてその蒸気を圧縮するコンプレッサに入り、その温度と圧力とを高める。コンプレッサへのワークインプットのかなりの部分は圧縮の熱として再度現れ、それにより動作流体蒸気を過熱する。
【０００４】
このため過熱動作流体蒸気はその温度をその環境の周囲温度のもの以上に高めさせ、そして、蒸発器の構造に類似する構造を有するコンデンサに入る。それから熱交換が過熱動作流体蒸気とより低温の環境との間に生じる。熱交換は十分な熱が動作流体から除去されるまで続き、ホットな蒸気からホットな液体への状態の変化が生じる。
ホットな動作流体液体は、熱力学サイクルの要件を支持してコンプレッサの排出ラインの高圧に耐えるように十分な大容量を有する、通常、「受液器」と呼ばれるリザーバに入る。ホットな高圧冷媒液体はそれからＴＸバルブに入り熱力学サイクルを完了する。
【０００５】
空調システムは、ビルディング内の環境規制のレベルを維持するために、世界の主用都市の多くにおいて大きな電力負担となってきており、多数の大きなビルディングの必須なコンポーネントとしてみなされている。空調システムは数が増大し続けると同時に、電気が限りある資源であり、場所によっては需要がいずれ近いうちに供給を越えつつあるか、その状態が予測されるということがますます認識されつつある。
電気消費における省力のためにポテンシャルエリアを明らかにすることが重要になっている。空調システムにおいて省力が行われることが可能であれば、電気の消費における全体的な大きい省力を行うことが可能である。
【０００６】
電気の省力は、さらに、動力分配インフラ構造のグレードアップにおける省力へと至ることが可能である。上述のグレードアップは、迅速に成長する空調マーケットによってもたらされるピーク負荷の増大に対処するために必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態の目的は、熱ポンプのための装置および／または現在の上述の装置において有効エネルギーの利用を増大する熱ポンプを提供することである。
本発明の好ましい実施形態の別の目的は、現在の上述の装置の効率を増大する熱ポンプを制御する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態の別の目的は、現在の上述の装置の効率を増大するタービンおよび発電機を制御する方法を提供することである。
本発明の好ましい実施形態のさらなる別の目的は、現在の上述の流体から有効エネルギーの利用を増大するタービンおよび／もくしはタービンを提供すること、又は現状の流体からの使用可能なエネルギーの利用を増大させるタービンに流体を連通させる方法を提供することである。
【０００９】
なお、さらに別の目的は、有益な選択を世間に少なくとも提供することである。
本発明の他の目的は、単に例示として示される下記の説明から明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様により、熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクルが提供される。
【００１１】
本発明の第２の態様により、熱力学サイクルであって、コンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前器コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含む熱力学サイクルが提供される。
【００１２】
また、前記第１のタービンと前記蒸発器との間に位置する熱交換器をさらに含み、前記熱交換器が熱を別の熱力学サイクルへ排出するように動作可能であることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくとも一つは：ロータチャンバと；前記ロータチャンバ内の中央軸まわりに回転可能なロータと；前記熱力学サイクルの流体供給部から前記ロータに流体を供給することによって前記ロータを駆動してパワーを生成するノズル出口を含む少なくとも一つのノズルと；使用するとき前記タービンから前記流体を排出するための少なくとも一つの排出開口とを含み、前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローは少なくとも一つのフロー遮断装置手段によって周期的に遮断されることによって前記少なくとも一つのノズルの内側の前記流体の圧力を高めることが好ましい。
【００１４】
また、前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくとも一つは、前記流体供給部と前記少なくとも一つのノズルとの間に少なくとも一つの流体貯蔵手段を含むことが好ましい。
また、前記流体貯蔵手段は前記コンプレッサの排水量に少なくとも等しい容量を有することが好ましい。
また、前記少なくとも一つのフロー遮断装置手段は前記少なくとも一つのノズルの内側の圧力が前記流体供給部の圧力未満あるいは前記流体供給部の圧力に等しい予め選択された最小圧力に上がるまで前記少なくとも一つのノズル出口からの前記流体のフローを実質的に停止することが好ましい。
【００１５】
また、使用するとき前記少なくとも一つのノズルからの前記流体のフローは前記少なくとも一つの外側ノズルの上流側の近くに前記流体を実質的に静止させるのに十分な期間、前記少なくとも一つの遮断装置手段によって遮断されることが好ましい。
また、前記ロータは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記チャネルに入るとき前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成されて位置決めされ必要な大きさにされる複数のチャンネルを有することが好ましい。
【００１６】
また、前記ロータは前記少なくとも一つのノズルからの冷媒が前記ブレードに接触するとき前記中央軸まわりに回転モーメントをもたらすように形成され、位置決めされ、必要な大きさにされる複数のブレードを有することが好ましい。
【００１７】
また、前記少なくとも１つのフロー遮断装置手段は、前記ロータの外側周辺に連結可能で移動可能であり前記少なくとも１つの羽根が前記少なくとも１つのノズル出口に実質的に隣接したとき前記少なくとも１つの外側ノズル出口からの前記流体のフローを遮断するように構成される少なくとも１つの羽根を含むことが好ましい。
また、前記フロー遮断装置手段は前記ロータの前記外周周辺まわりにほぼ等しく間隔がおかれる複数の前記羽根を含むことが好ましい。
【００１８】
また、前記少なくとも一つのノズルは使用するとき前記流体を前記ロータに音速であるいは超音速で供給することが好ましい。
また、前記少なくとも一つのノズルは前記流体の速度を減速しそれが亜音速に減速されると前記流体フローの圧力を維持するためにディフューザセクションとエキスパンダセクションとを含むことが好ましい。
【００１９】
また、前記第１のタービンおよび第２のタービンの少なくともひとつは二つ以上の間隔がおかれたロータ巻線を含むロータと前記ロータまわりに複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、前記固定子巻線の少なくとも二つは制御可能な電流ソースに連結されて各制御可能な電流ソースはそれが連結される固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることが好ましい。
【００２０】
また、各制御可能な電流ソースは前記ロータが予め定められた速度に達した後にそれが連結されると固定子巻線にエネルギーを与えるように動作可能であることが好ましい。
また、前記予め定められた速度は前記タービンの電流動作状態のための終端速度であることが好ましい。
また、各電流ソースは前記固定子巻線からのパワー出力の基準によりそれらそれぞれの固定子巻線を通る電流を増加あるいは減少することが好ましい。
【００２１】
本発明のもうひとつの態様により、前記固定子巻線のパワー出力を繰返し測定するステップと、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準よりも大きい場合には前記巻線を通る電流を増加させるステップと、前記パワー出力の電流基準がパワー出力の前の基準未満であるばあいには前記巻線を通る電流を減少させることを特徴とする熱力学サイクルのための制御の方法が提供される。
【００２２】
本発明のもうひとつの態様により  熱力学サイクルからパワーを生成する方法であって、前記熱力学サイクルがコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側に位置して前記サイクルから別の熱力学サイクルへ熱を排出するように動作可能な熱交換器と、前記熱交換器の下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含み、前記第１のタービンおよび第２のタービンがロータと、前記ロータに流体を与えるために少なくとも１つのノズルとを含みそれによって前記ロータを駆動してパワーを生成し；前記方法は、前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断し、それによって前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下かあるいは前記流体供給手段の圧力に等しい予め選択された最小の圧力に前記少なくとも１つのノズルの内側の前記流体の圧力を高めるために少なくとも１つのフロー遮断装置手段を提供するステップを含む方法が提供される。
【００２３】
本発明のもうひとつの態様により、熱力学サイクルからパワーを生成する方法であって、前記熱力学サイクルがコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側のコンデンサと、前記コンデンサの下流側の第１のタービンと、前記第１のタービンの下流側の蒸発器と、前記蒸発器の下流側にあり前記コンプレッサの上流側にある第２のタービンとを含み、前記第１のタービンおよび第２のタービンがロータと前記ロータに流体を与えるために少なくとも１つのノズルとを含み、それによって前記ロータを駆動してパワーを生成し；
前記方法は前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを周期的に遮断し、それによって前記少なくとも１つのノズルからの前記流体のフローを再開する前に前記流体供給手段の圧力以下かあるいは前記流体供給手段の圧力に等しい予め選択された最小の圧力に前記少なくとも１つのノズルの内側の前記流体の圧力を高めるために少なくとも１つのフロー遮断装置手段を提供するステップが提供される。
【００２４】
また、前記予め選択された最小の圧力は前記流体にノズルのどで局部音速に達するようにされるのに十分であることが好ましい。
また、前記少なくとも１つのノズルから出る流体を超音速に加速するステップを含むことが好ましい。
【００２５】
本発明のもうひとつの態様により、熱力学サイクルのための制御システムであって、その制御システムは：熱力学サイクルの出口の基準を供給する感知手段と；前記コンプレッサのための制御手段であり、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出口の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡している制御手段と；を含み前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算して前記効率の基準を最大化するかあるいは予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作される制御システムが提供される。
【００２６】
また、前記第２のタービンのために第２の制御手段と、制御したエリアの温度の基準を提供するために感知手段とをさらに含み、前記第２の制御手段は別のインプットとして制御したエリアの温度の前記基準を受信し、ターゲット基準に対して前記制御したエリアにおける温度の感知した変動に応じて前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖するように動作可能であることが好ましい。
【００２７】
また、前記第２の制御手段はさらにまたインプットとして前記サイクルにおける蒸発状態後に蒸発される前記サイクルにおける冷媒の量を示す基準を受信し、前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するために前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖するように動作可能であることが好ましい。
また、前記蒸発状態後に蒸発した冷媒を維持するために前記第２の制御手段の動作は、前記温度の感知した変動に応じて前記第２のタービンを介して前記流体フロー通路を開口あるいは閉鎖する制御手段からの予め定められた遅延後に行われることが好ましい。
【００２８】
また、前記熱力学サイクルにおいてコンデンサのために第３の制御手段を含み、前記制御システムは前記コンデンサによって冷媒の冷却に必要なレベルを維持するために前記コンデンサの動作を変えることが好ましい。
また、前記制御手段と第２の制御手段および第３の制御手段は単一のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサ、又は複数のマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサであり、少なくとも選択されたマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサは互いに連絡状態にあり、前記制御システムのファンクションのタイミングの管理を可能にすることが好ましい。
【００２９】
本発明のもう1つの態様により、熱力学サイクルのための制御システムであり前記制御システムは：前記熱力学サイクルの出力の基準を供給する感知手段と；
前記コンプレッサのための制御手段を含み、該制御手段はインプットとして前記熱力学サイクルの出力の前記基準および前記コンプレッサのワークインプットの基準を受信するために前記感知手段と連絡しており、前記制御手段は前記インプットから効率の基準を計算して該効率の基準を最大化するかあるいは予め定められたレベルで前記効率の基準を維持するために前記コンプレッサのスピードを変えるように動作され、前記制御システムは前記タービンの前記固定子巻線を通る直流を制御するように動作可能である制御システムが提供される。
【００３０】
また、装填されるとき前記タービンの平衡を力学的に維持するために前記固定子巻線を通る直流を制御するように動作可能であるが好ましい。
【００３１】
その新規な態様すべてにおいて考慮されるべき本発明のさらなる態様は、単に例示として示され、そして、添付の図面を参照とすると、下記の説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、サイクルへの応用を参照としてここに説明されている。当業者には、記述された熱ポンプ回路は、たとえば、空調、冷却、あるいは、暖房などの様々な使用があるということは認識している。当業者は、さらに、「ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ（冷媒）」という用語が、そのような回路、あるいは、サイクルに使用されるのに適するあらゆる動作流体を説明するのに使用されているということを認識している。
【００３３】
図１に示される先行技術の簡単な冷媒回路は、コンプレッサ、コンデンサ、受液器、絞りバルブ（ＴＸバルブ）、蒸発器、アキュムレータの順序で含むことができる。
先行技術のいくつかの実施形態は、単一の装置に図１に示される要素の二つを組み合すことができ、たとえば、いくつかのコンプレッサはアキュムレータも含むが各要素のファンクションは通常は回路内にある。
【００３４】
「ｔｕｒｂｉｎｅ（タービン）」という用語は、流体の流れからのエネルギーを運動エネルギーおよび／または電気エネルギーに変換する装置を説明するのにここでは使用されている。当業者には、エネルギーが電気の状態で必要とされる場合にはタービンは適切な電力発電機又は交流発電機を含むことができるということは明らかである。
【００３５】
次に、図２を参照すると、本発明の熱ポンプ装置は、第１の冷媒回路１０を含み、第一のコンプレッサ１、コンデンサ８、受液器２、ＴＸバルブ、蒸発器５およびタービン２１の順序で含む。そのタービン２１は、冷媒からのエネルギーを運動エネルギーおよび／または電気エネルギーに変換し、それによって、第１の冷媒の温度および圧力を下げる。タービンのために適切な密度および圧力の冷媒を結果として生ずる必要がある場合はエキスパンダ（図示せず）をタービン２１の上流側および下流側の一方又は両方に設けてもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態において、タービン２１は、これによりタービン２１内の動作表面を損傷することがあるので、液体冷媒の滴下がタービン２１内に形成する程度まで冷媒を冷却するのを回避するように構成されることができる。別の方法の実施形態においてはタービン２１は、たとえば、ロータブレードを構成するために適切に丈夫な材料を使用して構成することで冷媒が凝縮してもタービン２１を損傷することないようにできる。
【００３７】
当業者には、第１の蒸発器５を通過する冷媒のどの品質が、第１の蒸発器５への熱フローに影響を及ぼすかは明らかである。第１の蒸発器５を出る冷媒は、第一のコンプレッサ１へ戻る前に第一のアキュムレータ６を通過する。当業者には、受液器２およびアキュムレータ６が、回路のために冷媒リザーバを供給することは明らかである。アキュムレータ６は、それがコンプレッサ１の一部を形成するオプションを表わすために、輪郭で描いて示されている。
【００３８】
図３を参照すると、本発明による別の方法の熱ポンプが示され、第１の冷媒回路３００と第２の冷媒回路４００とを含む。好ましい実施形態においては、第２の冷媒サイクル４００は蒸発機４０５、アキュムレータ、コンプレッサ、コンデンサ、受液器およびＴＸバルブ（図示せず）を含むことができ、先行技術と同じ順序で配置され、先行技術の冷媒回路とほぼ同じ機能を行う。第２の冷媒は、１０℃未満、より好ましくは、およそ０℃の沸点を有するのがよい。当業者には、適切な低い沸点を有する他の冷媒が使用されることができるということは明らかであるはいえ、適切な第２の冷媒は、Ｒ２２、Ｒ１３４Ａ、あるいは、Ｒ１２３でよい。
【００３９】
第２の冷媒回路４００は、図７を参照として、以下で説明されるような制御システムによって制御されることができる。必要に応じて、二つの冷媒回路は単一のコントローラによって制御されることができる。
好ましい実施形態において、冷媒回路４００のコンデンサに入る冷媒の温度は、３０℃以上、好ましくは、およそ６０℃でよい。冷媒回路４００の蒸発器に入る冷媒の温度は、コンデンサ３０４に入る冷媒の温度より低いせいぜい１０℃でよい。
【００４０】
いくつかの実施形態において、コンプレッサとコンデンサとの間に位置する一つ以上の熱電式発電機を電気を生成するために設けることができる。熱電式発電機は、凝縮温度が１８０℃と高く、そして、蒸発温度が３５℃と１０℃との間であり、それによって、大きい温度差をもたらすので、使用される冷媒がＲ１２３である場合に特に有効である。
【００４１】
サイクル３００は、時計方向回りの順序で、コンプレッサ３０１、コンデンサ３０７、第一のエキスパンダ３０２ａ、第１のタービン３０２、第２のエキスパンダ３０２ｂ、熱交換器３０４、蒸発器３０５および第２のタービン３０６を含む。
エキスパンダは、タービン３０２に入る動作流体の密度を低減するためと動作流体が亜音速に戻った後、タービン３０２の出力において低い圧力を維持するのを援助するために、タービン３０２の入力側と出力側との両方に含まれることができる。好ましい実施形態において、エキスパンダはそれが亜音速に減速されると流体の圧力が増大しないことを確実にすることができる。エキスパンダがないとタービン出力における圧力が上昇してタービンの性能を減ずることになる。
【００４２】
エキスパンダ（図示せず）は、さらに第２のタービン３０６の入力および出力の一方又は両方に含まれることができる。エキスパンダは、冷媒がタービン３０６から超音速スピードで循環する場合はディフューザを含む。タービン３０２，３０６の入力時エキスパンダは、タービンのノズルののど部に入る前に動作流体の密度を低下させるために必要である。より低い密度は動作流体の音速状態でより大きいのど部サイズを可能にし、それゆえ、空調効率における低下を回避するように、臨界最小質量フロー速度を維持する。理想的には、質量フロー速度は各タービンを熱力学サイクルへ導入することなく体験されるのと同じはずである。ノズル前の体積膨張は、それにより動作流体の密度を低下してより大きい直径のノズルのど部がそこおける動作流体の亜音速／超音速移動かその質量フロー速度かのいずれかを減ずることなく使用されることを可能にする。
【００４３】
二つのさらなる別の方法のサイクルにおいて、冷媒サイクル４００およびコンデンサ３０４のいずれかの一つは省略することができる。
図４は、図１、図２、図３に関して説明される熱ポンプ装置と共に使用するのに適するタービン２１を示している。タービン２１は、さらに、図１に示される回路などの先行技術の冷媒回路において、好ましくはコンプレッサの上流側か下流側の近くのいずれかの直近で使用されることができ、必要に応じてエキスパンダはタービン２１のあたりに設けられる。タービン２１は、タービン２１のハウジング（図示せず）に取り付けられる少なくとも一つの外側ノズル２２を含み、そこを通って流動する冷媒を音速スピード又は超音速スピードに加速するように構成される集束セクション／末広セクションを有する。
【００４４】
タービン２１は、動作流体として冷媒が使用されている上記に説明されたような熱ポンプ回路の一部としての使用に関連して以下のとおり説明する。タービン２１は、パワーを生成することに加えてＴＸバルブの機能を行うことができ、ＴＸバルブがその回路から省略することが可能である。当業者には、タービン２１のための他にも利用が可能であること、動作流体はこれらの実施形態においては何か他の適切なガス状の流体でもよいということは明らかであろう。
【００４５】
各外側ノズル２２からのフローは、遮断手段によって周期的に遮断される。二つの好ましい遮断手段は以下で説明する。関連する当業者には、外側ノズル２２からのフローを遮断する別の方法の手段を特定することも可能である。
第１の遮断手段は、タービンロータ２３の外側周辺の近傍に位置して羽根７が外側ノズル出口１２の近傍にあるときに冷媒が外側ノズル２２から流出することを実質的に防止するように構成される一つ以上の羽根７を含む。関連する当業者には外側ノズル２２の出口と羽根７との間のギャップは図４において誇張されていること、実際のギャップは羽根７がノズル出口１２に近接しているときノズル２２からのフローを遮断するか有効な程度の抑制をするに足る小さなものであることとは明らかである。
【００４６】
第２の遮断手段１１は、外側ノズル出口１２の近傍の電子動作式バルブを含むことができる。第２の遮断手段１１は、きわめて迅速な応答を有することができ、たとえば、操作は電子動作式共有レールディーゼルインジェクタに類似する。
冷媒貯蔵容器１３は、外側ノズル入口１４の近傍に位置させることができる。もし外側ノズル２２に冷媒を供給するコンプレッサが容量式コンプレッサである場合は、冷媒貯蔵容器１３は少なくとも第一のコンプレッサの単一の排水量に等しい内容量を有することができる。冷媒貯蔵容器１３は、コンプレッサの排水量よりも大きい容量を有することができる。冷媒貯蔵容器１３は、外側ノズル入口１４にできるかぎり近接して位置する絶縁球形コンテナであることが好ましい。
【００４７】
羽根７および第２の遮断手段１１は、相当するエンタルピの増大なしで外側ノズル２２における断熱圧力上昇を生じさせるために十分に迅速に冷媒のフローを停止することができる。冷媒のフローは外側ノズル２２の内側の、より好ましくは、冷媒貯蔵容器１３の内側の圧力が第１のコンプレッサによって供給される圧力未満である予め選択された最小圧力に達するために十分に長い周期の間遮断されることができる。この圧力は羽根７および第２の遮断手段１１が共に開口するときに冷媒が音速スピードあるいは超音速スピードで外側ノズル２２から出ることを確実にするように選択されることができる。
【００４８】
各羽根７が外側ノズル２２からのフローを停止する期間は、タービンロータ２３の円周とロータ２３の回転スピードおよび羽根７の周方向の長さによる。いくつかの実施形態においては、この期間は第２の遮断手段１１が必要とされないほど十分に長くできる。
他の実施形態において、第２の遮断手段１１は羽根７は必要でないほど十分に迅速に閉鎖することが可能であるが、多くの場合は羽根７が外側のズル出口１２を高速で閉鎖することが可能である比較的簡単な遮断手段を提供することができるようにできる。
【００４９】
冷媒貯蔵容器１３と羽根７および第２の遮断手段１１は冷媒から回収されるエネルギーの量を増大するのを助けることができて、同時にさらに、十分な冷媒が、流動して冷媒回路からの十分な総合熱吸収効果をもたらすことを可能にする。これにより冷媒回路からの受液器およびＴＸバルブの省略を容易にすることができる。
【００５０】
出願人は、遮断手段が閉鎖すると外側ノズル２２とその外側ノズル２２に動作流体、この場合、冷媒を供給する高圧源、多くの場合は第１のコンプレッサの間の動作流体の質量フローは、ゼロの方へ向って減少させることができ、冷媒貯蔵容器１３および外側ノズル入口１４における圧力は第一のコンプレッサの排出ラインの最大圧力の方へ向って高めることができると考えている。この上方への圧力偏位は流体の質量フロー速度における低下のファンクションである。質量フロー速度がゼロであるとき、外側ノズル２２を横切る圧力差はほぼゼロでよく、従って、外側ノズル入口１４での圧力は最大になり、冷媒の運動エネルギー変化およびエンタルピ変化はゼロである。  したがって、冷媒が停止されるとき、圧力は外側ノズル入り口１４でコンプレッサによって供給されうる最大値に上がり、エンタルピ変化はゼロである。さらに、出願人は、冷媒が遮断される期間が冷媒が流動される時間と比べて短い場合は、タービン２１がコンポーネントである冷媒回路の総合質量フローの低下は最小となると考えている。
【００５１】
さらに出願人は、外側ノズル２２を通る質量フローを停止する利点はフロー遮断の周期が十分に短くかつ冷媒の圧力における増大が実質的に断熱的に生じる場合は、外側ノズル２２における静止した冷媒のエンタルピには変化がないことであると考えている。また、冷媒が静止し圧縮される間の内部エネルギーの増大はその冷媒の膨張と質量フローが流動する時間の間のワークの消耗を補正する。これは冷媒が流動する間の時間に対して冷媒が遮断されてエンタルピ抽出プロセスが実質的に連続している時間の割合を適切に選択することによって達成されることができる。出願人は、これは先行技術のシステムを越える動作流体からのエンタルピの増大した抽出の結果として生ずるものであると考えている。
【００５２】
さらに当業者には、第２の遮断手段１１のタイミングが処理手段（図示せず）によって制御されることができるということは明らかである。その処理手段は如何なる適切な手段からでもタービンロータ２３の角位置についての情報を受信することができるが、ホール効果センサ、あるいは、ロータ２３についての適切なインデックスマークを感知することができるタービンハウジング（図示せず）に取り付けられる類似物からの受信が好ましい。処理手段もまた第２の遮断装置１１の開口時間を変えることによってタービンロータ２３のスピードを変えることができる。
【００５３】
衝動タイプのブレード構造を有するタービンロータ２３が示されているのに対して、出願人は、上記に説明されるような遮断装置は特にまた他の径方向タイプのタービンデザインとの使用、たとえば、図１１に示されるような自動推進ターボチャージャーに使用されるものと共に使用するのに適しているということが分かった。
【００５４】
ここで図５を参照すると、別の方法のタービンロータ２３Ａが中央排出開口６０３へと導く複数の略らせん形チャンネル６０２を有しているのが示されている。中央排出開口６０３は、ロータ２３Ａの中心でありロータ２３Ａのほぼ中央軸方向に延在することができる。各チャンネル６０２の断面エリアは、入口６０４と出口６０５との間で連続的に縮小することができる。
【００５５】
入口６０４対出口６０５の面積の割合はほぼ６：１であり動作流体のフローへの制限を最小にして極超音速作動を促進することが好ましい。
図６を参照して各チャンネル６０２の中心線６０６は入口６０４と出口６０５との間の少なくとも二つのポイント６０８，６０９でロータ２３Ａの半径６０７と交差する。
【００５６】
矢印Ｆによって表わされる流体フローは入り口６０４を通ってチャンネル６０２に入ることができる。流体Ｆの方向はチャンネル６０２内で変更されるので、流体Ｆの運動量の変化はロータ２３Ａへの回転力を結果として生じることができる。回転力は適切な電気エネルギー発電機か、あるいは、回転シャフトによって動力が供給されることができるあらゆる他の適切なメカニズムかのいずれかに伝えられることが好ましい。流体Ｆはチャンネル６０２内での方向ができるかぎり１８０゜の変更に近く達成し、運動量における変化、その結果、ロータ２３Ａに伝えられるエネルギーを最大化することが好ましい。
【００５７】
ロータ２３Ａは、上記に説明されるように電子式第２の遮断装置手段と共に使用されることができるとはいえ、当業者はいくつかの実施形態においてチャンネルの入口６０４間のスペーシング６１０は遮断装置手段としての機能を果たすということを認識している。
【００５８】
図７は、本発明の別の態様による全体が矢印１００によって参照される空調／サイクルを示している。
図３に示されるサイクル３００と同様に、サイクル１００は先行技術のサイクルに普通であるＴＸバルブおよび受液器を省略することができるという点で先行技術の空調あるいはサイクルとは異なる。ＴＸバルブはこの実施形態においてコンデンサ１０５と蒸発器１２２との間に位置するタービン１１４に置き換えられる。任意の熱電式発電機１０３はコンデンサ１０５の前に置くことができる。
【００５９】
第２のタービン１３０は、蒸発器１２２の出力とアキュムレータ１２８との間に置かれる。エキスパンダ１３０ａ，１３０ｂが存在する場合はタービン１３０まわりに置かれる。これにより、タービン１３０に入る動作流体の密度は十分に低くタービン１３０の超音速動作、システムの質量フロー速度、あるいは、その冷却効率を損なうことなく、十分に大きい直径ノズルがタービン１３０内に使用されることを可能にすることを確実にする。
【００６０】
矢印２００によって参照される二次的な熱ポンプサイクルは、エキスパンダ１１４ｃに続き熱が一次サイクル１００から取り除かれることを可能にする熱交換器２０１を含有し、蒸発器１２２に入る動作流体の温度および圧力を十分に低くして蒸発器１２２の効率のよい動作を可能にすることを確実にする。二次的サイクルは図７にて参照されサイクル１００のためにここに説明される付加的な制御器とともに図１の先行技術のサイクル１０において説明される必須の熱ポンプコンポーネントのすべてを含有する。
【００６１】
高圧動作流体は、実質的に蒸気状態でコンプレッサ１０１から出てコンプレッサ排出ライン１０２を通って熱電式発電機１０３に入るか、あるいは、コンデンサ１０５に直接に通過することができる。熱電式発電機１０３が存在する場合はＤＣを介してＤＣコンバータ１０４へ高圧出力１０４ａに変換されることができる低圧ＤＣ出力１０３ａを生成することができる。
【００６２】
コンデンサ１０５は動作流体から熱を取り除く。排出される熱の量はコンデンサ１０５上に空気を吹き付けるコンデンサファン１０６のスピードによって制御されることができる。コンデンサファン１０６のスピードは連絡リンク１０８を介してマスタ変速ドライブ１０９によって制御される変速ドライブ１０７によって測定される。変速ドライブ１０７はコンデンサファン１０６のスピードを制御するために適切なソフトウェアを含む。
【００６３】
マスタ変速ドライブ１０９はそれぞれ蒸発器への冷媒の温度（Ｔ１）、蒸発器からの冷媒の温度（Ｔ２）および蒸発器から出る空気の温度（Ｔ４）についての情報をもたらすための熱電対入力１１０，１１１，１１２を含む。さらなる熱電対（Ｔ４ａ）および圧力センサ１１５は、タービン１１４に入る動作流体の温度および圧力の圧力を測定することができる。
【００６４】
タービンに入る動作流体の温度と圧力およびサイクルにおける選択した温度を測定することによって、マスタ変速ドライブ１０９におけるソフトウェアはソフトウェア・ルックアップ・テーブルによってタービン１１４に入る動作流体の密度を統計的に予測することができ、そして、コンプレッサ１０１および／またはコンデンサファン１０６および／または蒸発器ファン１２６のスピードを調節することができ、タービン１１４に供給する集束／末広ノズル１１７ののど部を通過する蒸気がほぼ音速であるほど十分に遅いということを確実にする。さらに、エキスパンダ１１４ａはタービン１１４に入る動作流体の密度を減少させる。
【００６５】
タービンノズルののどから出る音速の動作流体は超音速に達するまでノズル１１７の末広セクションで加速し続けることができる。
高速動作流体はタービンロータを駆動する。タービンは適切なカップリング１２０を経由してロード１２１、たとえば、電気発電機を駆動することができる。
【００６６】
好ましくは音速、あるいは、超音速へのノズル１１７内の動作流体の加速はその温度および圧力の降下を生じることがある。そこでエネルギーはタービン１１４を通って流動する結果として動作流体から取り除かれることがある。
蒸気および液体状態の両方における高速低圧動作流体の混合物はエキスパンダ１１４ｃを経由して蒸発器１２２へ通過され、そのエキスパンダ１１４ｃは動作流体が減速して運動エネルギーをタービン１１４によってそれから取り除かせるとき動作流体圧力が上がるのを防止するように設計される。必要な場合、エキスパンダ１１４ｃはさらにエキスパンダ１１４ｃに入る前に動作流体の速度を超音速値に減速させるためにディフューザ１１４ｂを含有することができる。
【００６７】
蒸発器コイル１２３は、蒸発器１２２の外側のより暖かい空気１２４から熱を吸収することができる。冷却空気１２５は、蒸発器ファン１２６によって蒸発器１２２から取り除かれることができる。蒸発器ファン１２６のスピードは、蒸発器ファン１２６のパワー入力に連結される別の変速ドライブ１３０によって変えられ、連絡リンク１０８ａを介してマスタ変速ドライブ１０９によって制御することができる。蒸発器ファン１２６のスピードは、蒸発器１２２全体にわたり流動する空気１２４の温度の低下に応じて変えられることができる。
【００６８】
アキュムレータ１２８は、残っている液体状態の流体がコンプレッサ入力１２９に入る前に蒸発されることを確実にすることができる。アキュムレータ１２８は、また先行技術のいくつかの空調／サイクルによって使用される受液器の代わりに動作流体リザーバとしての機能を果たすことができる。
ＴＸバルブ制御はサイクル１００からのＴＸバルブの除去のために省略できるが、実質的に以下で説明されるようにマスタ変速ドライブ１０９はコンプレッサ１０１のスピードを制御して性能の係数（ＣＯＰ）を最適にすることができる。
【００６９】
タービン１１４が電気発電機１２１を駆動する場合は、電気発電機１２１はＤＣタイプかＡＣタイプかのいずれでもよい。発電機１２１は、ほぼ６７０ボルト出力のオーダーの高圧ＤＣ発電機であることが好ましい。その好ましい場合においては、ＤＣパワー出力１１４Ｂはダイオードおよびコンデンサ分離回路を介してマスタ変速ドライブ１０９のＤＣ母線１０９Ｂに結合されることができ、それによりパワーが一つの方向に流動することを可能にして発電機１２１へのメインパワー１５０のあらゆるフィードバックを回避する。
【００７０】
当業者は、上記に説明される空調サイクルは、総合Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（性能の係数）を最適にするために、タービンによって回収されたエネルギーによって、そしてそれが使用される場合は熱電式発電機とコンプレッサのスピードの制御装置のために先行技術のものよりもいっそうエネルギー効率がよいということを認識している。
【００７１】
図８乃至図１０は、図１、図２、図３、図７、図８に関してここに説明されるサイクル、あるいは必要に応じて先行技術のものを含む他のサイクルなどの空調サイクルを制御するために行われることができる本発明の計算プロセスの例示を具体的に説明する一連のフローチャートを示すものである。そのプロセスはコンプレッサのためのモータコントローラの駆動信号を制御するために制御出力を有するいかなる適切なマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、あるいは制御出力を有する類似物によって制御されることができる。明確化のために以下の説明において、マイクロコントローラが使用されたことが仮定されている。
【００７２】
図８を参照すると、制御アルゴリズムのパワーアップ時か実行の前に初期化ルーチンが行われることができ、選択されたフラグとレジスタおよびカウンタはもしこれが制御アルゴリズムの特定の実施に必要とされる場合には、一般にゼロにセットすることによって初期化されることができる。
【００７３】
図１３を参照すると、可能な初期化サブルーティングを図示するフローチャートが示されている。外部装置（たとえば、コンプレッサ、ＴＸバルブ、コンデンサ、発電機励磁など）が処理／最適化される時間間隔は、ＤＥＬ１からＤＥＬｎとして入力される。制御される特定の熱ポンプのために、ルックアップテーブルが決定されて蒸発器全域での固有温度差（Ｔ１−Ｔ３）（１）から（Ｔ１−Ｔ３）（ｎ）で動作されるときの熱ポンプのためのターゲットの性能の係数（ＣＯＰ３からＣＯＰｎへ）のためのエントリが入力される。
【００７４】
マイクロプロセッサは、スイッチＳＷ１の状態を読取ることができる。スイッチＳＷ１は、マイクロコントローラが熱ポンプのための制御パラメータの処理／最適化を自動的にスケージュールするかどうかを指図する。あらゆる必要なフラグとカウンタおよびレジスタの現在の状態もまた読取られ初期化されることができる。
次にルックアップテーブルは入力した温度差（Ｔ１−Ｔ３）（１）から（Ｔ１−Ｔ３）（ｎ）と、熱ポンプの処理／最適化に使用されるそれらの関連したターゲットの性能の係数ＣＯＰ３からＣＯＰｎとから形成される（ここでは以下を参照）。最後に、マイクロコントローラはスイッチＳＷ１の状態に基づき手動動作か自動動作かを指図するフラグをセットする。
【００７５】
マイクロコントローラは入力として蒸発器に流入する冷媒の温度Ｔ１と蒸発器を出る冷媒の温度Ｔ２およびコンプレッサモータパワーＫＷ１を受信する。コンプレッサのための熱ロードＴ３と必要なモータスピード増分Ｋ２および必要なモータスピード減少分Ｋ３そして空調冷媒定数Ｋ１のためのセットポイントもまた入力される。Ｋ１は特定の空調サイクルのために経験的に決定され、Ｔ１とＴ２との間の一度の温度変化当たりに上げられる熱の増分を表わす。
【００７６】
これらの入力を受信すると、そこでマイクロコントローラはＴ１とＴ３との間の差を計算する。そしてこの差は保管ルックアップテーブルの熱ポンプのための対応する性能の係数をルックアップするのに使用され、そこでその性能の係数は単位ワークインプット当たりに上げられる熱を表す。
【００７７】
別の方法の実施形態においては、ターゲットＣＯＰに作動する代わりにマイクロコントローラはサイクルのためのＣＯＰが、コンプレッサのスピードでまさに連続的に増大しない場合はＣＯＰを最大化するためにコンプレッサのスピードを増大／減速することができる。蒸発器全域での温度差以外の変数が必要な場合使用されることができるということは、関連する当業者には明らかである。
【００７８】
Ｔ１−Ｔ３がゼロ未満かゼロに等しい場合は熱ポンプは作動せず、マイクロコントローラによってなにも行われず、アルゴリズムのスタートへ戻る。Ｔ１−Ｔ３が、ゼロより大きい場合は、測定した変数Ｔ１，Ｔ２，ＫＷ１に基づく実際の性能の係数ＣＯＰ２は方程式１：
ＣＯＰ２＝Ｋ１｜Ｔ１−Ｔ２｜／ＫＷ１    方程式１
により計算される。
【００７９】
コンプレッサのワークインプットに対するサイクルの出力に関する他の基準は、必要な場合使用されることができる。ここで説明されるように温度測定値が比較的容易に得られることができるので、現在考慮された好ましい実施形態はシステムによって伝えられる有効な熱の基準をもたらすために温度差の基準を使用している。とはいえ、システムの出力をコンプレッサの入力に関連させるシステムの性能の別の方法の基準が使用されることができる。
【００８０】
そして計算された性能の係数ＣＯＰ２は、ターゲットの性能の係数ＣＯＰ１と比べれられる。ＣＯＰ１の値がＣＯＰ２未満である場合はコンプレッサのスピードはＫ２によって増大される。逆に、ターゲットＣＯＰ１が計算したＣＯＰ２より大きい場合は、モータスピードはＫ３によって減速される。そして遅延サブルーチン（説明せず）が実行されてコンプレッサのスピードにおける変化へのサイクルの反応の遅れを可能にする。必要な時間遅延は、Ｋ２とＫ３との増分によってコンプレッサのスピードを強制的に調節し、安定した状態コンディションに戻るために空調サイクルのための最大時間を測定することによって実験的に決定されることが可能である。如何なる適切な遅延サブルーチンもこの遅延を達成するのに使用されることができる。その遅延サブルーチンは、あらゆる制御変数が別の制御変数を分析して変える前に変更された後完了され、システムが安定したままであることを確実にし、および／または、安定した状態コンディションが制御アルゴリズムに入力の基準を供給するのに使用されることを確実にする。制御アルゴリズムの実行は、周期的に予め定められた時間間隔で、各制御サイクル間の適切な時間遅延で連続的に、あるいは、スケジュールされた根拠によって行われることができる。
【００８１】
図９は、一つが熱ポンプに供給される場合、ＴＸバルブの動作を制御する制御アルゴリズムを概略的に示している。さらに制御アルゴリズムは、ＴＸバルブと同じ機能か類似の機能を行う如何なる制御可能な装置にも適用される。
マイクロコントローラは、温度入力として蒸発器から出る空気の不飽和温度Ｔ４と蒸発器出力における動作流体の温度に加えられる過熱状態温度値を表わす定数Ｔ５とを受信する。それは、また蒸発器出力における動作流体の圧力を表す圧力入力Ｐ１とＴＸバルブとあるいは同等物ＴＸ１の現在の状態の測定値およびＴＸバルブの動作を増やしたり減ずるためのセットステップＫ４，Ｋ５をそれぞれに受信する。
【００８２】
マイクロコントローラは、Ｔ４とＴ５との合計としてＴ６を計算し、Ｐ１と定数Ｋ６との積としてＴ７を計算し、動作流体の温度への圧力の変換を容易にする。温度Ｔ６がＴ７未満である場合はＴＸバルブは増分Ｋ４によって開口され、温度Ｔ６がＴ７より大きい場合はＴＸバルブは増分Ｋ５によって閉鎖される。そうでない場合、ＴＸバルブはその現在の位置に維持される。増分および減少分ステップサイズは、任意に同じ（Ｋ４＝Ｋ５）にすることができる。そして遅延サブルーチンが実行され、さらなるアクションが行われる前にそのサイクルが安定した状態か安定した状態近くに達することを可能にする。
【００８３】
ＴＸバルブ設定の変化をもって、ＴＸバルブがなお動作していることをチェックして蒸発器の後のコンプレッサの吸入ラインにおける冷媒が蒸気状態にあるように十分に過熱されるようにすることは利点である。従って、ＴＸバルブの変化に追随して遅延サブルーチンが引き起こされるたびに、マイクロコントローラはＴＸバルブの動作への付加的なチェックを行うことができる。このチェックは、ＴＸバルブの動作の制限の制御がＴＸバルブの一部としてもはや存在しない場合に、そして、既存の制御アルゴリズムが許容可能な動作範囲内にＴＸバルブを制限しない場合にのみ必要である。
【００８４】
コンプレッサのスピードおよびＴＸバルブ開口における変化をもって、コンデンサの動作はまた変わる。従って、コントローラはコンデンサへのドライブファンも制御することができる。このプロセスは図１０に示されている。
アルゴリズムへの温度入力は、上記にここに定義されるようにＴ１、Ｔ３と、熱ポンプにおいて予め定められたポイントで一般的にコンデンサにすぐ続くポイントで測定される液体ライン温度Ｔ８と、液体ライン温度のためのターゲット温度Ｔ１０である。コンデンサファンスピードの増分Ｋ７のためのステップサイズおよびコンデンサファンスピードの増分Ｋ８のためのステップサイズは、現在のコンデンサファンスピードＣＦＳ１と最小コンデンサファンスピードＣＦＳｍｉｎと最大コンデンサファンスピードＣＦＳｍａｘとともにアルゴリズムへの入力である。ＣＦＳｍｉｎおよびＣＦＳｍａｘを使用するステップは、図１１に具体的に説明されていないが、ＣＦＳｍｉｎおよびＣＦＳｍａｘの値はコンプレッサファンの許容可能なスピードを制限する。
【００８５】
マイクロコントローラは、先ず、Ｔ３とＴ１との間の差としてＴ１１を計算し、Ｔ３がＴ１より大きいかＴ１に等しい場合にコンデンサファンスピードのための制御アルゴリズムを終了する。Ｔ３がＴ１未満である場合は、サイクルは動作状態でありコンデンサによって熱が抽出される。そして、マイクロコントローラはＴ１０とＴ８との差としてＴ１２を計算し、ターゲット温度Ｔ１０が実際の温度Ｔ８未満である場合は現在のコンプレッサスピードＣＦＳ１はＫ７によって増大され、Ｔ１０がＴ８より大きい場合は現在のコンプレッサスピードはＫ８によって減速される。さらなる時間遅延は、コンデンサファン動作の変化後引き起こされる。
【００８６】
マイクロプロセッサは、各冷媒回路の選択されたパラメータを最適化するために第二の遮断装置１１のタイミングを変えることもできる。いくつかの実施形態において、蒸発器によって吸収される熱は選択されたパラメータであるのに対して、他の実施形態においてはコンプレッサの一つ以上の総パワー入力は選択されたパラメータである。
図１４は、上記にここに説明される制御／最適化アルゴリズムのスケジューリングための制御アルゴリズムを概略的に示している。タイムパラメータの表は、各アルゴリズムが実行される時期を指定するメモリに格納される。タイムパラメータのこの表は、熱ポンプアドミニストレータによって入力される。ポインタは、パワーアップ時にタイムパラメータの表の初期値にセットされ、クロックがスタートする。タイムパラメータの表は、順番に制御アルゴリズムと、その制御アルゴリズムのための各実行の間に生ずる時間遅延を示す時間遅延変数と、制御アルゴリズムがメモリ内に見つけられることが可能なアドレスとをリストする。
【００８７】
マイクロコントローラはリアルタイムクロックの現在の時間を読取り、現在の処理時間をそれに与えるためにタイムパラメータ表に示される時間遅延を加える。次に現在の処理時間は読取られてリアルタイムクロックと比べられる。そのプロセスは連続的にループのまわりを循環し、リアルタイムクロックがアルゴリズムのための現在の処理時間に達するまで各アルゴリズムのための現在の処理時間に対するリアルタイムをチェックする。これが起こるとき、マイクロプロセッサはループから出て、タイムパラメータ表からアルゴリズムのためのスタートアドレスを読取りそのアルゴリズムを実行する。アルゴリズムが実行された後、マイクロプロセッサは、図１４の「リターン」によって示されるようにループへ戻る。
【００８８】
熱ポンプの発電機のロータは、高回転スピードで動作することができる。たとえば、発電機および熱ポンプは、ロータが１５０００ｒｐｍ以上で回転するように設計されることができる。高回転スピードで発電機の性能を維持するために、回転グループ（タービン、ロータ、シャフトおよびベアリングシステム）の平衡を保つ必要がある。また、冷媒サイクルへのロータおよび発電機の密閉もシャフトによるサイクルの伝達パワーの損失および確実性に関する問題を回避することができる。さらに、固定マグネットロータが使用される場合は、感度の高い平衡がロータまわりの磁界のために困難になり、リグの強磁性コンポーネントは磁化され、もし突発ロードが発電器に与えられると、結果として生ずる力はロータの平衡を失わせることがある。
【００８９】
本発明の発電機は、非磁性で磁化されることができないロータを含む。そのロータは、たとえば、Ｌｙｃｏｒｅ  １５０の電気薄鋼板から製造されるものでよい。ロータから広がる電界は、高透磁率のＦ５フェライトロッド巻型に巻かれるロータに設けられるコイルによって制御される。他の適切な材料があればそれを使用してもよい。
【００９０】
ロータおよびロータのケーシングにきわめて接近しているタービンコンポーネントは、共に発電機に印加される高い応力に耐える適当なプラスチック耐性体から構成されることができる。これらのコンポーネントは、従って、ロータからの電界、あるいは磁化された固定子巻線からの電界と干渉しない。固定子巻線は、プラスチックケーシングまわりのトロイダルコアの上に巻かれる。トロイダルコアは、Ｌｙｃｏｒｅ  １５０の電気薄鋼板、あるいは、より好ましくは、Ｆ５フェライト、あるいは、同等物の高透磁率の特に成形したフェライト巻型がよい。
【００９１】
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、全体が矢印５００によって参照されるタービン発電機を示している。発電機５００全体は、空調サイクル内に密閉されることができる。図１１Ａは、タービン発電機５００の平面図を示し、明確化のためにカバーが外されており、図１１Ｂは図１１Ａの線ＢＢを通る断面を示している。タービン発電機５００は、タービンハウジング５０１と、固定子５０４をサポートする固定子サポートハウジング５０２と、カバープレート５０３Ａ−Ｄとを含む。図１１Ｃおよび図１１Ｄは、図１１Ｂの線ＣＣと線ＤＤとを通る断面をそれぞれ示している。タービンハウジング５０１は、ロータ５０６とノズル保持器５０８によって適所に保持されるノズル５０７とを含むタービン５０５を収容する。
【００９２】
ノズル５０７には入口パイプ５０９を介して冷媒が供給される。発電機ロータ５１０は、四極ロータ５１０を形成する四つのロータコイル５１１−５１４を含む。コイル５１１−５１４は、ロータの巻線を保護するように限流を供給するために電流の制限を提供する温度でインピーダンス／抵抗が増大する抵抗素子によって短絡すなわち連結される端部を有している。コイルは、たとえば、１ｍｍの銅から形成され、１９ｍｍのＦ５フェライト巻型のまわりに１３５巻数を有することができる。しかし、関連する当業者には明らかなように、発電機ロータ５１０と固定子５０４との両方の巻線の数、その巻線に使用されるコア、発電機ロータ５１０と固定子巻線との間の空気ギャップおよび発電機ロータ５１０に設けられるポールの数は、発電機５００の必要条件により変えられることが可能である。タービンロータ５０６は、図４を参照として上記に説明されるように遮断装置を有することが好ましく、図４あるいは図５に関してここに説明されるようにブレード構造を有することができる。
【００９３】
固定子５０４の巻線は、二つ以上の巻線の隣接したグループで互いにワイヤで留められることができる。各巻電グループのＡＣ出力は、四極ロータ５１０のために９０度の間隔で他のグループに連結される。巻線グループは、固定子巻線を介して一定の直流を供給するように動作可能な制御されたＤＣ発電機（図示せず）にそれぞれ連結される。コンデンサは、巻線およびＤＣ発電機をＡＣ出力から分離する。巻線グループは、ロータまわりに交流の北極および南極対を生成する直流で磁化され、それにより９０度の間隔になり、同様の界は１８０度の間隔で互いに正反対の位置に置かれる。従って、電界はロータ５１０のまわりに平衡が保たれ、必要に応じて動作の間検出されることができるあらゆる不均衡に応答して如何なるロータ５１０の不均衡をも補正するような調整が可能である。他の固定子巻線は、それらに連結されるＤＣ発電機を有していない。一例として、固定子に合計１８コイルのグループがあり、四つは、ＤＣ発電機に連結されている。ＤＣ発電器に連結される二つ、三つ、あるいは、四つ以上の固定子巻線は、必要に応じて供給されることができる。
【００９４】
ＤＣ電流の極性は、タービン５００の強磁性コンポーネントが永久磁気バイアスを補足しないことを確実にするために、周期的に逆転されることがある。
先行技術のタービンは、固定されており性能の損失なく制御されることができない動作スピードおよびトルク特性を有している。しかし、本発明のタービン５００は励磁界の強度の動的制御を可能にし、タービン５００が最も好ましいスピードおよびトルクで動作されることが可能なように発電機の特性を変更し、固定パラメータ内に動作を維持する。ここに説明される熱ポンプにおけるタービンの適用について、本発明のタービン５００は超音速動作を維持するのに使用されることができる。
【００９５】
タービン５００がその終端速度に達するとき、ＤＣ電流発電機が作動されて電界を発電器に連結される固定子巻線によって生成し、それによりロータ５１０が回転するときにロータ５１０のコイルにおけるＡＣ電流を生成する。そして、ＡＣ電流が固定子巻線に生成されて発電機出力に供給される。ＡＣ出力は整流されて発電機が熱ポンプの一部を形成する場合に、エネルギーが熱ポンプのコンプレッサに一部分動力を供給するのに使用されることができる。
【００９６】
図１２は固定子巻線のための制御アルゴリズムを概略的に示している。図１２に示される制御アルゴリズムはロータ５１０がスピードを速めるように上げられて直流が固定子巻線を通って供給された後に使用される。固定子からの総電流出力ｌＴおよび総電圧出力ＶＴが測定される。これは各固定子巻線グループのための電流出力ｌ１−１ｎおよび電圧出力Ｖ１−Ｖｎの測定を行うことによって達成されることができる。総パワー出力は、ｌＴとＶＴとの積として計算される。これが前のパワー出力と比べられる。もし前のパワー出力が現在のパワー出力未満であった場合は、固定子巻線を通る直流は予め定められたステップサイズによって増大される。前のパワー出力が現在のパワー出力を越えている場合、固定子巻線を通る直流は予め定められたステップサイズによって減少される。当業者には図１２に具体的に説明されるアルゴリズムは、複数のターゲット発電機を制御するのに使用することができるということは明らかである。
【００９７】
前述の説明において、周知の同等物を有する本発明の特定の部分あるいは全体は均等物を有していることが述べられるそのような均等物も個別的に記述されているようにここに組み込まれている。
本発明は、例示として、そして、その可能な実施形態を参照として説明されてきたが、変更あるいは改良は添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲から逸脱することなくそれに対して行われることができるということは理解されることである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】先行技術の熱力学サイクルを示す。
【図２】本発明の１態様による第１の熱力学サイクルを示す。
【図３】本発明の１態様による第２の熱力学サイクルを示す。
【図４】本発明の１態様による第１のタービンの断面図を示す。
【図５】本発明の１態様による第２のタービンの断面図を示す。
【図６】図５のタービンのチャンネル拡大図を示す。
【図７】本発明の１態様による制御システムを具体的に示す第３の熱力学サイクルを示す。
【図８】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図９】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１０】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１１】本発明の１態様による発電機の図を示す。
【図１２】本発明の１態様による熱力学サイクルを制御する方法のフローチャートを示す。
【図１３】制御システムのための初期化サブルーチンのフローチャートを示す。
【図１４】制御システムのためのスケジューリングサブルーチンのフローチャートを示す。
【符号の説明】
【００９９】
１              コンプレッサ
２              受液器
５              蒸発器
６              アキュムレータ
７              羽根
８              コンデンサ
１０            第１の冷媒回路
１１            第２の遮断手段
１２            ノズル出口
１３            冷媒貯蔵容器
１４            外側ノズル入口
２１            タービン
２２            外側ノズル
２３            タービンロータ
２３Ａ          ロータ
１００          サイクル
１０１          コンプレッサ
１０３          熱電式発電機
１０５          コンデンサ
１０６          コンデンサファン
１０９          マスタ変速ドライブ
１１０          熱電対
１１１          熱電対
１１２          熱電対
１１４          タービン
１１４Ｂ        ＤＣパワー出力
１１４Ｃ        エキスパンダ
１１７          ノズル
１２１          ロード
１２２          蒸発器
１２３          蒸発器コイル
１２５          冷却空気
１２６          蒸発器ファン
１２８          アキュムレータ
１５０          メインパワー
１３０          第２のタービン
３００          第１の冷媒回路
４００          第２の冷媒回路
６０２          チャンネル
６０４          入口
６０５          出口
６１０          スペーシング
【国際調査報告】
2005538333.tif 000017
2005538333.tif 000018
2005538333.tif 000019
2005538333.tif 000020
2005538333.tif 000021
2005538333.tif 000022
2005538333.tif 000023