(57)【要約】  負荷の温度を少なくとも所望温度に高めるためのヒート・ポンプ・システム１０。第１の作動流体循環路１２は、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成され、第１の作動流体循環路は、負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を少なくとも中間温度に高めるように構成されている。第２の作動流体循環路１４は、第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成され、第２の作動流体循環路は、負荷の温度が所望温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を中間温度から少なくとも所望温度に高めるように構成されている。
2013530375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷の温度を少なくとも所望の温度に高めるためのヒート・ポンプ・システムであって、
熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路であって、前記負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを前記負荷に直接伝達して前記負荷の温度を少なくとも前記中間温度に高めるように構成された第１の作動流体循環路と、
前記第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路であって、前記負荷の温度が前記所望温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを前記負荷に直接伝達して前記負荷の温度を前記中間温度から少なくとも前記所望温度に高めるように構成された第２の作動流体循環路と
を備えるヒート・ポンプ・システム。
【請求項２】
前記第１の作動流体循環路から前記負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器を備える、請求項１に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項３】
前記第１の作動流体循環路が、少なくとも前記中間温度まで、前記第１の熱交換器中の前記負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む、請求項２に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項４】
前記第１の作動流体循環路から前記第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器を備える、請求項２又は３に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項５】
前記第２の作動流体循環路から前記負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器を備える、請求項４に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項６】
前記第２の作動流体循環路が、少なくとも前記所望温度まで、前記第３の熱交換器中の前記負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む、請求項５に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項７】
前記第１の作動流体循環路中の前記作動流体と前記第２の作動流体循環路中で使用される前記作動流体が同じである、請求項６に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項８】
前記第１の作動流体循環路中の前記作動流体が、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである、請求項３に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項９】
前記第２の作動流体中の前記作動流体が、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである、請求項６に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１０】
前記第１の作動流体循環路が、外部熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成されている、請求項１から９までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１１】
前記第１の作動流体循環路が、それの熱エネルギーの大部分を前記負荷と直接交換し、またそれの熱エネルギーのより少ない部分を前記第２の作動流体循環路と直接交換するように構成されている、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１２】
加熱されるべき負荷流体を循環させるための負荷循環路を備える、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１３】
前記負荷循環路が、前記負荷循環路中の前記負荷流体の温度を制御するのを助けるように前記負荷循環路中の前記負荷流体の流量を制御するポンプを備える、請求項１２に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１４】
前記負荷循環路が、前記第１の作動流体循環路中の前記作動流体をサブクール状態にするように構成されている、請求項１２又は１３に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１５】
前記負荷循環路が、前記第２の作動流体循環路中の前記作動流体を過熱低減し、凝縮し、さらにサブクール状態にするように構成されている、請求項１２から１４までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１６】
前記第２の作動流体循環路が、前記第２の作動流体循環路中の前記作動流体から前記負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却されるように構成された作動流体圧縮機を備える、請求項１５に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１７】
前記第２の作動流体循環路が、前記第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な作動流体エキスパンダを備える、請求項１から１６までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１８】
前記負荷循環路が、前記加熱された負荷流体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、さらに、システムが、前記負荷流体が前記第１の熱交換器を通過する前の負荷流体温度、前記負荷流体が前記第１の熱交換器を通過した後の負荷流体温度、及び前記負荷流体が前記第３の熱交換器を通過した後の負荷流体温度を監視し、前記流体貯蔵槽中の負荷流体がいつ十分に加熱されたかを判定するように構成されている、請求項５に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項１９】
負荷流体温度に基づいて前記第１及び／又は前記第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成されている、請求項１８に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項２０】
前記負荷循環路が、前記加熱された負荷流体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、さらに、前記流体貯蔵槽中の負荷流体が、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域とを含んだ水温躍層を形成して層状になっている、請求項１２から１５までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項２１】
前記流体貯蔵槽の少なくとも前記上部領域中の負荷流体を前記所望温度以上に維持するように構成され、さらに、前記流体貯蔵槽の前記下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、前記より冷たい負荷流体を前記負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも前記所望温度に上昇させ、さらにその加熱された負荷流体を前記流体貯蔵槽の前記上部領域に戻すように構成されている、請求項２０に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項２２】
前記負荷循環路と交換される熱を制御する制御装置をさらに備える、請求項１２から１５まで、２０、又は２１のいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項２３】
負荷の温度を少なくとも所望温度に高めるためのヒート・ポンプ・システムで使用される装置であって、熱エネルギー源から熱エネルギーを集めるように構成された既存の熱交換器に動作可能に接続可能であり、
前記負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、前記既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取り、さらに前記負荷に熱エネルギーを直接伝達して前記負荷の温度を前記中間温度に高めるように構成された第１の熱交換器と、
前記既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取るように構成された第２の熱交換器と、
前記負荷の温度が前記所望温度よりも低い場合に、前記第２の熱交換器によって集められた熱エネルギーを受け取り、さらに前記負荷に熱エネルギーを直接伝達して前記負荷の温度を前記中間温度から少なくとも前記所望温度に高めるように構成された第３の熱交換器と
を備える装置。
【請求項２４】
前記既存の熱交換器、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が、第１の作動流体循環路の構成要素である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１の作動流体循環路が、少なくとも前記中間温度まで、前記第１の熱交換器中の前記負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第１の作動流体を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の作動流体循環路中の前記作動流体が、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記第２の熱交換器及び前記第３の熱交換器が、第２の作動流体循環路の構成要素である、請求項２３から２６までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
前記第２の作動流体循環路が、少なくとも前記所望温度までの、前記第３の熱交換器中の前記負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第２の作動流体を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第２の作動流体中の前記作動流体が、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
負荷流体温度に基づいて前記第１及び／又は前記第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成されている、請求項２７から２９までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記第２の作動流体循環路が、前記第２の作動流体循環路中の前記作動流体から前記負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却されるように構成された作動流体圧縮機を備える、請求項２３から３０までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに組込み可能である、請求項２３から３１までのいずれか一項に記載のヒート・ポンプ・システム。
【請求項３３】
ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法であって、前記ヒート・ポンプ・システムが、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、前記第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、前記第１の作動流体循環路及び／又は前記第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、
前記負荷流体の温度を測定するステップと、
前記負荷流体の温度を前記所望温度に調節するために、前記測定された温度に少なくとも部分的に基づいて前記負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、前記第１の作動流体循環路及び／又は前記第２の作動流体循環路から前記負荷流体に伝達される前記熱エネルギーを調節するステップと
を含む方法。
【請求項３４】
前記負荷循環路が流体ポンプを備え、前記流体ポンプを調節して前記負荷流体の流量を調節するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記システムが、前記第１の作動流体循環路から前記負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器と、前記第１の作動流体循環路から前記第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器と、前記第２の作動流体循環路から前記負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器とを備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記負荷の温度を測定する前記ステップが、前記負荷流体が前記第１の熱交換器を通過する前の温度、前記負荷流体が前記第１の熱交換器を通過した後の温度、及び前記負荷流体が前記第３の熱交換器を通過した後の温度を測定するステップを含み、さらに方法が、前記測定された温度が前記所望温度より高い場合には前記第１及び第３の熱交換器を通過する前記負荷流体の流量を増やし、前記測定された温度が前記所望温度より低い場合には前記第１及び第３の熱交換器を通過する前記負荷流体の流量を減らすステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記測定された温度が前記所望温度より低い場合に、前記第１及び第３の熱交換器を通過する前記負荷流体の流量をゼロから増やすステップを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記負荷循環路が、前記加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡している、請求項３５から３７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記流体ポンプを止める前に、前記第１及び第３の熱交換器及び負荷循環路中の加熱された負荷流体が前記流体貯蔵槽の中に移されるように前記流体ポンプを動かして、加熱された負荷流体の損失量を最小限にするステップを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記流体貯蔵槽中の前記負荷流体が、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域を含んだ水温躍層を形成して層状になっており、さらに前記負荷流体が、前記流体貯蔵槽の少なくとも前記上部領域で少なくとも前記所望温度に維持されており、さらに方法が、前記流体貯蔵槽の前記下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、前記より冷たい負荷流体を前記負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも前記所望温度に上昇させるステップと、その加熱された負荷流体を前記流体貯蔵槽の前記上部領域に戻すステップとを含む、請求項３８又は３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記より冷たい流体が前記槽から取り出されるときに前記流体貯蔵槽中に層化を維持するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記測定された温度に少なくとも部分的に基づいて前記第１及び／又は前記第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを調節して前記負荷流体の温度を調節するステップをさらに含む、請求項３３から４１までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
制御装置によって実施される、請求項３３から４２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
プロセッサによって実行されたとき、ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法を前記プロセッサに実施させるコンピュータ実行可能命令を格納しているコンピュータ読取り可能媒体であって、前記ヒート・ポンプ・システムが、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、前記第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、前記第１の作動流体循環路及び／又は前記第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、前記方法が、
前記負荷流体の温度を測定するステップと、
前記負荷流体の温度を前記所望温度に調節するために、前記測定された温度に少なくとも部分的に基づいて前記負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、前記第１の作動流体循環路及び／又は前記第２の作動流体循環路から前記負荷流体に伝達される熱エネルギーを調節するステップとを含む、コンピュータ読取り可能媒体。
【請求項４５】
プロセッサによって実行されたとき、請求項３３から４３までのいずれか一項に記載の方法を前記プロセッサに実施させるコンピュータ実行可能命令を格納している、請求項４４に記載のコンピュータ読取り可能媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒート・ポンプ・システムに関する。一実施例では、本発明は、水を加熱する際に使用するヒート・ポンプ・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
温水貯蔵槽に関する安全標準／規格は、家庭用貯水槽中の水の温度が水中での有害な細菌の成長を根絶又は防止するのに望ましい温度よりも高いことを要求している。ニュージーランドでは、要求される温度は、レジオネラ菌などの細菌を根絶するために少なくとも６０℃である。
【０００３】
温水ヒート・ポンプ・システムは作動流体を使用して、熱源（周囲空気）から熱エネルギーを集めそのエネルギーを温水槽に伝達する。作動流体は閉じた循環路中を循環し、循環路中を循環する作動流体に熱エネルギーが伝達される。圧縮機が作動流体の圧力を上げて、作動流体の内部エネルギーを高める。高圧作動流体は、熱交換器を使用して作動流体のエネルギーを水に伝達する。熱交換器からの作動流体は、次にエキスパンダに送られる。作動流体は循環して熱源に戻り、このサイクルが続く。
【０００４】
Ｒ２２冷却剤は、冷却循環路で使用される作動流体の実例である。Ｒ２２冷却剤は、性能特性があまり高くなく、環境に有害なオゾン層破壊冷却剤である。
【０００５】
Ｒ４１０ａ冷却剤は、Ｒ２２に取って代わり、地球温暖化係数がゼロ且つ低コスト高信頼性高効率の非飲料温水ヒート・ポンプ用途に関してしっかりした実績のある非オゾン層破壊作動流体である。Ｒ４１０ａ冷却剤は、高密度、優れた表面熱伝達率及び高蒸発エンタルピーのために改善された熱伝達率の形で高効率を示す。
【０００６】
Ｒ４１０ａ冷却剤を使用する循環路は、Ｒ２２及び他の同様な冷却剤を使用する循環路に比べて、より小容量の圧縮機、より小さな熱交換器、及びより小さな配管寸法を必要とする。これらの特徴は、広い範囲の周囲温度にわたって高い性能係数（ＣＯＰ）を発揮できる小型設備をもたらすことができる。Ｒ４１０ａ冷却剤を使用する循環路は、凝縮器温度が５５℃に限定されるとき５以上のＣＯＰ値をもたらすことができる。
【０００７】
熱源の周囲温度が低いとき、普通Ｒ４１０ａ冷却剤に関連する高ＣＯＰ値は、５５℃を超えるＲ４１０ａ冷却剤の凝縮温度で達成可能でない。Ｒ４１０ａ冷却剤は、７２．１℃という低臨界温度を有する。この臨界温度に近いＲ４１０ａ冷却剤の凝縮温度では、例えば６５℃では、蒸発エンタルピーが減少し、過熱（感知可能な温度上昇）のレベルが高くなる。これらの条件の下では、吐出温度は高く、さらに圧力比が大きくなり過ぎて、高電力消費及び圧縮機効率の低下をもたらす。
【０００８】
Ｒ１３４ａ冷却剤は、別の非オゾン層破壊作動流体である。Ｒ１３４ａ冷却剤は、Ｒ４１０ａ冷却剤で可能な高ＣＯＰ値を示さない。しかし、Ｒ１３４ａ冷却剤は、臨界温度が１０１．２℃であり、性能を損なうことなくほぼ７０℃のより高い凝縮温度に対応することができる。
【０００９】
いくつかの既存の温水ヒート・ポンプ・システムは、完全な縦続接続構成で２つの作動流体循環路を使用する。第１の作動流体循環路は、熱源からエネルギーを集める。第１の作動流体循環路からの熱は、第２の作動流体循環路に直接伝達される。第２の作動流体循環路からの熱は、水が循環し且つ水貯蔵槽と連絡している負荷循環路に直接伝達される。既存の縦続接続システムは、低周囲温度条件に関して、単一リフト・システムよりも改善されたＣＯＰを実現する。縦続接続システムは、普通、第１の循環路で直接水を加熱しない。さらに、縦続接続システムは、ＣＯＰを最適化するために必要なＲ４１０ａ冷却剤に対して望ましいレベルのサブクーリングを行わない。
【００１０】
特許明細書、他の外部文献、又は他の情報源を参照しているこの明細書では、これは、概して本発明の特徴を論ずるための背景を提供するためのものである。別段特に述べられていない限り、そのような外部文献又はそのような情報源に対する参照は、そのような文献又はそのような情報源が、どの管轄区域でも、当技術分野において先行技術である、又は一般常識の一部を形成することを認めるものとして解釈されるべきでない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の少なくとも好ましい実施例の目的は、先に概説された問題の少なくとも一つに対処するシステムを提供することであり、又は有用な代替物を公衆に少なくとも提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、負荷の温度を少なくとも所望温度に高めるためのヒート・ポンプ・システムが提供され、本システムは、
熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路であって、負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を少なくとも中間温度に高めるように構成された第１の作動流体循環路と、
第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路であって、負荷の温度が所望温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を中間温度から少なくとも所望温度に高めるように構成された第２の作動流体循環路と
を備える。
【００１３】
この明細書で使用されるような「備える」という用語は、「少なくとも一部が〜で構成される」ことを意味する。言い換えると、「備える」を含むこの明細書の陳述を解釈するとき、各陳述においてこの用語によって始められる特徴は全て存在する必要があるが、他の特徴も存在し得る。「備える」及び「備えられた」のような関連用語は、同様に解釈されるべきである。
【００１４】
本システムは、第１の作動流体循環路から負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器を備えることがある。好ましくは、本システムは、さらに、第１の作動流体循環路から第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器を備える。好ましくは、本システムは、さらに、第２の作動流体循環路から負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器を備える。
【００１５】
一実施例では、第１の作動流体循環路は、少なくとも中間温度まで、第１の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む。好ましくは、第２の作動流体循環路は、少なくとも所望温度まで、第３の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む。好ましくは、第１の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである。好ましくは、第２の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。第１の作動流体循環路で使用される作動流体と第２の作動流体循環路で使用される作動流体が同じであることがある。
【００１６】
好ましくは、第１の作動流体循環路は、外部熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成されている。好ましくは、外部熱エネルギー源は、周囲空気である。好ましくは、第１の作動流体循環路は、周囲空気から熱エネルギーを集める屋外インバータ・ユニットと連絡しているか、この屋外インバータ・ユニットを備えることがある。好ましくは、第１の作動流体循環路は、大地熱源屋外ユニットと連絡していることがあり、又は大地熱源屋外ユニットを備えることがある。
【００１７】
好ましくは、第１の作動流体循環路は、負荷と熱エネルギーを直接交換する前に、第２の作動流体循環路と熱エネルギーを直接交換するように構成される。代わりに、第１の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路と熱エネルギーを直接交換する前に、負荷と熱エネルギーを直接交換するように構成される。好ましくは、第１の作動流体循環路は、それの熱エネルギーの大部分を負荷と直接交換し、さらにそれの熱エネルギーのより少ない部分を第２の作動流体循環路と直接交換するように構成される。
【００１８】
一実施例では、本システムは、加熱されるべき負荷流体を循環させるための負荷循環路を備える。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡しているか、この流体貯蔵槽を備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子又は設備と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６５から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、単一リフトを使用して効率的に実現できるよりも高い温度に加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。
【００１９】
一実施例では、負荷循環路は、負荷循環路中の負荷流体の温度を制御するのを助けるように負荷循環路中の負荷流体の流量を制御するポンプを備える。
【００２０】
好ましくは、ポンプは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前に置かれて、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を制御する。
【００２１】
一実施例では、負荷循環路は、第１の作動流体循環路中の作動流体をサブクール状態にするように構成されている。一実施例では、負荷循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体を過熱低減し、凝縮し、さらにサブクール状態にするように構成されている。一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体から負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却されるように構成された作動流体圧縮機を備える。この圧縮機は、固定速度圧縮機又は可変速度圧縮機であることがある。好ましくは、負荷流体が第１の熱交換器を通って流れる前に負荷流体が流れるように適合された例えば銅管などの熱伝達コイル又は冷却ジャケットが、第２の作動流体循環路の圧縮機の周りに巻かれる。
【００２２】
一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な作動流体エキスパンダを備える。好ましくは、エキスパンダは、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、エキスパンダは、毛細管である。
【００２３】
一実施例では、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、さらに、本システムは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前の負荷流体温度、負荷流体が第１の熱交換器を通過した後の負荷流体温度、及び負荷流体が第３の熱交換器を通過した後の負荷流体温度を監視し、流体貯蔵槽中の負荷流体がいつ十分に加熱されたかを判定するように構成されている。好ましくは、本システムは、負荷流体温度に基づいて第１及び／又は第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成されている。好ましくは、負荷循環路は、流体ポンプを止める前に、熱交換器及び負荷循環路中の加熱された負荷流体が流体貯蔵槽の中に移されるように動作するように構成された流体ポンプを備えて、加熱された負荷流体の損失量を最小限にする。
【００２４】
流体貯蔵槽中の負荷流体は、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域とを含んだ水温躍層を形成して層状になっていることがある。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の少なくとも上部領域中の負荷流体を所望温度以上に維持するように構成され、さらに、流体貯蔵槽の下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、そのより冷たい負荷流体を負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも所望温度に上昇させ、さらに、その加熱された負荷流体を流体貯蔵槽の上部領域に戻すように構成されている。好ましくは、本システムは、より冷たい流体が流体貯蔵槽から取り出されるときに流体貯蔵槽内に層化を実質的に維持するように構成されている。
【００２５】
好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の上部領域と連絡した負荷流体供給出口を備える。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の下部領域と連絡した負荷流体供給入口を備える。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽内に層化を維持しさらに流体貯蔵槽中の温水と冷水の混合／攪拌を最小限にする、又は防止するように適合された、負荷流体供給入口に位置付けされたディフューザを備える。
【００２６】
一実施例では、本システムは、さらに、負荷循環路と交換される熱を制御する制御装置を備える。好ましくは、制御装置は、屋外インバータ・ユニットの制御ユニットと連絡するように適合されている。好ましくは、負荷循環路は、第１の作動流体循環路から熱を受け取る前の負荷の温度、第１の作動流体循環路から熱を受け取った後の温度、及び第２の作動流体循環路から熱を受け取った後の温度を監視する３つの温度センサを備え、３つのセンサは全て制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽中の流体の量を決定する流体貯蔵槽センサを備え、この流体貯蔵槽センサは制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡している屋外温度センサを備える。好ましくは、本システムは、負荷循環路のポンプを制御しそれによって負荷循環路中の流量を制御する電子可変速度制御回路を備え、この速度回路は制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡して第２の作動流体循環路の圧縮機をオン／オフするための電源継電器を備える。
【００２７】
好ましくは、本システムは、制御装置と連絡して第１の作動流体循環路と通信する互換電子インタフェースを備える。好ましくは、本システムは、カスタマー・フィードバックの付いた７日タイマを備え、このタイマは制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡しているスマート電力制御インタフェースを備える。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡しているスマート家庭制御用外部ＬＡＮインタフェースを備える。
【００２８】
本発明の第２の態様によれば、負荷の温度を所望温度に高めるヒート・ポンプ・システムで使用される装置が提供され、本装置は熱エネルギー源から熱エネルギーを集めるように構成された既存の熱交換器に動作可能に接続可能であり、本装置は、
負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取り、負荷に熱エネルギーを直接伝達して、負荷の温度を中間温度に高めるように構成された第１の熱交換器と、
既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取るように構成された第２の熱交換器と、
負荷の温度が所望温度よりも低い場合に、第２の熱交換器によって集められた熱エネルギーを受け取り、負荷に熱エネルギーを直接伝達して、負荷の温度を中間温度から少なくとも所望温度に高めるように構成された第３の熱交換器と
を備える。
【００２９】
一実施例では、本装置は、加熱されるべき負荷流体を循環させるための負荷循環路を備える。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡しているか、この流体貯蔵槽を備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子又は設備と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６０から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、ただ１つの冷却剤段階を使用する単一リフト・サイクルを使用して効率的に実現できるよりも高い温度に加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。好ましくは、本装置は、さらに、負荷循環ポンプを備えて、負荷循環路中の負荷流体の温度を制御するのを助けるように負荷循環路中の負荷流体の流量を制御する。
【００３０】
好ましい実施例では、既存の熱交換器、第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、第１の作動流体循環路の構成要素である。好ましくは、第１の作動流体循環路は、少なくとも中間温度までの、第１の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第１の作動流体を含む。好ましくは、第１の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。
【００３１】
好ましい実施例では、第２の熱交換器及び第３の熱交換器は、第２の作動流体循環路の構成要素である。好ましくは、第２の作動流体循環路は、少なくとも所望温度までの、第３の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第２の作動流体を含む。好ましくは、第２の作動流体循環路で使用される作動流体は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。好ましくは、第２の作動流体循環路は、高温循環路を最適化するように調節可能なエキスパンダを備える。好ましくは、エキスパンダは、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、エキスパンダは毛細管である。一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体から負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却される作動流体圧縮機を備える。好ましくは、圧縮機は、固定速度圧縮機である。代わりに、圧縮機は、可変速度圧縮機である。好ましくは、負荷流体が第１の熱交換器を通って流れる前に流れるように適合された銅管などの熱伝達コイルが、第２の作動流体循環路の圧縮機の周りに巻かれる。
【００３２】
好ましくは、本装置は、負荷流体温度に基づいて第１及び／又は第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成される。
【００３３】
好ましくは、第２の態様の装置は、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに組込み可能である。
【００３４】
第２の態様の装置は、先に第１の態様に関連して概説されたどれか１つ又は複数の特徴を有することがある。
【００３５】
本発明の第３の態様によれば、ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法が提供され、ヒート・ポンプ・システムは、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、本方法は、
負荷流体の温度を測定するステップと、
負荷流体の温度を所望温度に調節するために、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から負荷流体に伝達される熱エネルギーを調節するステップと
を含む。
【００３６】
一実施例では、負荷は、負荷循環路中を循環する負荷流体を含む。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡している。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６０から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、単一リフトを使用して効率的に実現できるよりも高い温度で加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。
【００３７】
本システムは、第１の作動流体循環路から負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器を備えることがある。好ましくは、本システムは、さらに、第１の作動流体循環路から第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器を備える。好ましくは、本システムは、第２の作動流体循環路から負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器を備える。
【００３８】
好ましくは、負荷循環路は流体ポンプを備え、本方法は、流体ポンプを調節して負荷流体の流量を調節するステップを含む。好ましくは、ポンプは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前に置かれ、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を制御する。好ましくは、本方法は、流体ポンプを止める前に、第１及び第３の熱交換器及び負荷循環路中の加熱された負荷流体が流体貯蔵槽の中に移されるように流体ポンプを動かして、加熱された負荷流体の損失量を最小限にするステップを含む。
【００３９】
一実施例では、負荷流体の温度を測定するステップは、負荷が第１の熱交換器を通過する前の温度、負荷流体が第１の熱交換器を通過した後の温度、及び負荷流体が第３の熱交換器を通過した後の温度を測定するステップを含む。
【００４０】
好ましくは、本方法は、測定された温度が所望温度より高い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を増やすステップを含む。好ましくは、本方法は、測定された温度が所望温度より低い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を減らすステップを含む。
【００４１】
本方法は、測定された温度が所望温度より低い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量をゼロから増やすステップを含むことがある。
【００４２】
一実施例では、本方法は、さらに、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて第１及び第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを調節して、負荷流体の温度を調節するステップを含む。好ましくは、作動流体循環路の少なくとも１つのエキスパンダは、調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、作動流体循環路の少なくとも１つのエキスパンダは、毛細管である。
【００４３】
流体貯蔵槽中の負荷流体は、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域を含んだ水温躍層を形成して層状になっていることがある。好ましくは、負荷流体は、流体貯蔵槽の少なくとも上部領域で少なくとも所望温度に維持されており、さらに本方法は、流体貯蔵槽の下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、そのより冷たい負荷流体を負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも所望温度に上昇させるステップと、その加熱された負荷流体を流体貯蔵槽の上部領域に戻すステップとを含む。好ましくは、この層化は、より冷たい流体が流体貯蔵槽から取り出されるときに流体貯蔵槽中に維持されている。好ましくは、流体貯蔵槽内に層化を維持するために、及び流体貯蔵槽中での温水と冷水の混合／攪拌を最小限にする又は防止するために、ディフューザが設けられる。
【００４４】
好ましくは、本方法は、制御装置によって実施される。
【００４５】
第３の態様は、先に第１又は第２の態様に関連して概説された特徴のどれか１つ又は複数を含むことがある。
【００４６】
本発明の第４の態様によれば、プロセッサによって実行されたとき、ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法をプロセッサに実施させるコンピュータ実行可能命令を格納しているコンピュータ読取り可能媒体が提供され、ヒート・ポンプ・システムは、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、本方法は、
負荷流体の温度を測定するステップと、
負荷流体の温度を所望温度に調節するために、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から負荷流体に伝達される熱エネルギーを調節するステップと
を含む。
【００４７】
第４の態様は、先に第３の態様に関連して概説された特徴のどれか１つ又は複数を備えるか、含むことがある。
【００４８】
本明細書で使用されるときに、名詞に続く「ｓ」は、その名詞の複数形及び／又は単数形を意味する。
【００４９】
本明細書で使用されるときに、「及び／又は」は、「及び」か「又は」を意味するか、状況が両方を可能にする場合を意味する。
【００５０】
本発明は、上述のことにあり、また構造も考察し、その構造のほんの実例だけが下記に与えられる。
【００５１】
本発明は、これから、ただ非限定の実例としてのみ、添付の図面に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施例のシステムを示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施例のシステムを示す模式図である。
【図３】本発明の実施例で使用される制御システムを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例の制御装置で実施される方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明の実施例は、負荷と熱を交換するヒート・ポンプ・システム１０を提供する。システム１０は、第１の作動流体を循環させる第１の閉じた作動流体循環路１２、第２の作動流体を循環させる第２の閉じた作動流体循環路１４、及び負荷循環路１６を備える。負荷循環路１６は、加熱されるべき負荷が循環する循環路である。
【００５４】
負荷は、加熱されるべき流体であり、一般に液体である。温水ヒート・ポンプ・システムの実例では、負荷は、加熱されるべき飲料水である。負荷は、負荷循環路１６中を循環する。負荷循環路１６は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽１８と連絡している。
【００５５】
負荷循環路は、流体源から新しい冷たい流体を受け取るための負荷流体供給入口１６ａと加熱された流体を分配するための負荷流体供給出口１６ｂを備える。出口１６ｂは、流体貯蔵槽１８の上部領域と連絡して貯蔵槽の上部領域から又は第３の熱交換器２６（あとで説明される）から流体を送り出す。新しい冷たい流体は、入口１６ａを介して負荷循環路１６に入り、本発明のシステムを使用して加熱される。入口１６ａは、流体貯蔵槽１８の下部領域と連絡している。加熱された流体は、上から流体貯蔵槽１８に流し込まれ、また出口１６ｂを介して消費者の方に出力可能である。
【００５６】
負荷循環路１６は、第１及び第２の作動流体循環路１２及び１４の熱交換器２３及び２６を流れる、循環路１６中の流体の流量を制御する流体ポンプ２１を含む。負荷循環路１６中の流体の流量は、加熱された流体の温度を最適化するように調節することができる。負荷循環路１６中での流体ポンプ２１の配置は適応性があり、補助の水循環ポンプが、起こり得る騒音及び振動を最小限にするように負荷循環路のどこかに配置されることがある。
【００５７】
流体が長期間にわたって流体貯蔵槽１８中に留まることがあるとき、流体は熱を失うので、流体は、負荷循環路１６に沿って循環されて、このシステムで再度加熱される。
【００５８】
第１の作動流体循環路１２は、熱エネルギー源と連絡している。図示された形では、熱エネルギー源は外部熱源であり、外部熱源からの熱エネルギーは屋外インバータ・ユニット２５によって集められることがある。屋外ユニット２５は、膨張弁のようなエキスパンダ２９の付いた圧縮機２７、空気流ＡＦから熱を引き出す熱交換器（図示されない）、及び空気流ＡＦを制御するファン（図示されない）を備える。屋外インバータ・ユニット２５は、消費者の住居のような建物の外Ｅに置かれる。屋外ユニット２５は、外部熱源から熱エネルギーを引き出すことができる任意の適切なデバイスとすることができる。熱源は、周囲空気とすることができる。ユニット２５は、ユニット２５中の熱交換器を通って流れる周囲空気ＡＦから熱を引き出して、その引き出された熱を第１の作動流体循環路１２中を循環する作動流体に伝達する。
【００５９】
例として、屋外インバータ・ユニットは、Ｒ４１０ａインバータ・ユニット、例えば、日本の三菱電機によって供給されるＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＧＥ３５又はＦＢ２５インバータ・ユニット、又は日本の三菱電機によって供給されるＦＢ３５インバータ・ユニットとすることができる。これらのユニットは、広い範囲の周囲条件で動作することができる。これらのユニットは、一般に、家庭空気−空気暖房に使用されるが、本発明のシステムは、これらの屋外ユニットを水加熱のような他の用途に使用できるようにする。
【００６０】
第１の作動流体循環路１２は、例えばＲ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤又はＭＯ９９冷却剤のような任意の適切な冷却剤を含む第１の作動流体を含み、循環させる。第１の作動流体循環路１２は、壁Ｗを突き抜けて建物の内部Ｉに延びる絶縁配管を備える。第１の作動流体循環路１２は、第１の熱交換器２３及び第２の熱交換器２８と連絡している。
【００６１】
第２の作動流体循環路１４は、圧縮機３０と、第２の作動流体循環路１４を最適化するように調節可能なエキスパンダ３２を備える。好ましくは、エキスパンダ３２は、第２の作動流体循環路１４を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。
【００６２】
第２の作動流体循環路１４は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤又はＣＯ２冷却剤のような任意の適切な冷却剤を含む第２の作動流体を含み、循環させる。第１の作動流体循環路中の作動流体は、第２の作動流体循環路中の作動流体と同じとすることができる。第１と第２の両方の作動流体循環路で同じ作動流体を使用することは、異なる作動流体を使用するのと同じ熱力学的有利点を与えるので除外されない。第２の作動流体循環路１４は、第３の熱交換器２６と連絡している。
【００６３】
第２の作動流体循環路１４の圧縮機３０は、家庭用除湿機に使用される圧縮機と同様な低コストのＲ１３４ａ固定速度３００Ｗ圧縮機を使用することができる。圧縮機３０の密閉ケース及び他の部品は、第１のＲ４１０ａ熱交換器２３の前の冷たい負荷流体入力を使用して冷却することができる。
【００６４】
動作中に、屋外ユニット２５中の熱交換器（図示されない）は、周囲空気ＡＦから熱エネルギーを引き出し、その引き出された熱エネルギーを第１の作動流体循環路１２中を循環する作動流体に伝達する。屋外ユニット２５中の圧縮機２７は、作動流体を圧縮する。圧縮機２７を出る作動流体は、過熱状態になる。
【００６５】
第１の作動流体循環路１２中の加熱された作動流体は、第２の熱交換器２８に通され、そこで、過熱され部分的に凝縮された作動流体を含むエネルギーのいくらかが、第２の作動流体循環路中の第２の熱交換器を通過する作動流体に直接伝達される。第２の熱交換器２８を出る第１の作動流体は、次に、第１の熱交換器２３に通され、そこで、第１の作動流体に残っている熱エネルギーのいくらかが、負荷循環路１６の第１の熱交換器を通過する負荷に直接伝達される。
【００６６】
第２の熱交換器２８は、第１の作動流体循環路１２中の第１の作動流体から第２の作動流体循環路１４中の第２の作動流体にいくらかの熱を伝達する。第２の作動流体循環路中の加熱された第２の作動流体は、圧縮機３０を使用して圧縮される。圧縮機３０を出る作動流体は、過熱されている。この過熱された作動流体は、第３の熱交換器２６に通され、そこで、過熱された作動流体からいくらかの熱が、負荷循環路１６の第３の熱交換器を通過する、第１の熱交換器からの負荷に直接伝達される。
【００６７】
第１及び第３の熱交換器２３及び２６を使用して作動流体から負荷に伝達される熱の量は、使用される作動流体に依存する。作動流体は、負荷のある温度限界まで実質的に安定した性能係数で動作することができる。第１の作動流体循環路１２から負荷に伝達される熱は、第１の熱交換器２３を通って循環する負荷の温度を中間温度に上げるのに十分であるべきであり、ここでこの中間温度は、第１の作動流体循環路中の第１の作動流体の温度限界以下である。同様に、第２の作動流体循環路１４から負荷に伝達される熱は、第３の熱交換器２６を通過する第１の熱交換器２３からの負荷の温度を、中間温度から少なくとも所望の温度に高めるのに十分であるべきであり、ここでこの所望の温度は、第２の作動流体循環路１４中の第２の作動流体の温度限界以下である。
【００６８】
本発明の第２の実施例が、図２に示されている。図２に示された実施例は、図１に示された実施例と同様であり、第２の作動流体循環路１４の圧縮機３０に回収ジャケット３１の追加がある。回収ジャケット３１は、圧縮機３０の効率を改善し、圧縮機３０の熱損失を減少させる。図１で使用された参照数字は、図２で使用されてこのシステムの同様な部分を指示し、また、ここで説明される以外の特徴及び機能は、第１の実施例と同じである。
【００６９】
負荷循環路１６中の低温の負荷流体は、第１の熱交換器２３を通って流れる前に、第２の循環路１４の圧縮機３０の回収ジャケット３１を通って流れる。回収ジャケット３１は、圧縮機３０の周りに巻かれた銅管などの冷却コイルとすることができる。図示された実施例では、低温（約２〜２５℃、好ましくは約１２℃）で負荷流体貯蔵槽１８を出る負荷流体は、負荷流体ポンプ２１を通り次に圧縮機３０の周りの冷却コイル３１を通って流れ、その後で熱交換器２３を通って流れる。
【００７０】
ジャケット回収のない圧縮機３０は、損失として熱エネルギーを発散する（一般におおよそ１５０Ｗ）。圧縮機３０の周りに銅管を複数回巻いて冷たい負荷流体をこの銅管に送り込むことで、第１のＲ４１０ａ−水熱交換器２３に入る前に、５０から２００Ｗ、好ましくは約１４０ワットの浪費エネルギーの回収が可能になる。
【００７１】
図１のシステム又は図２のシステムの動作を制御するために、制御装置３４が設けられる。制御装置３４は図３に示され、図４に示された方法を実施する。図３は、図１に対応するシステムを模式的に示しているが、制御装置の機能は、一般に、図１のシステムでも図２のシステムでも同じである。制御装置３４は、流体貯蔵槽１８と一緒に屋内に置かれて、スマート制御によって、エネルギーの分配を効率的な動作に必要なレベルに制御することができる。制御装置は、例えばプログラム可能論理制御（ＰＬＣ）ユニット又は組込み制御装置などの任意の適切な型とすることができる。
【００７２】
制御装置３４は、ステップ２０１で、負荷循環路１６での温度の測定に基づいてシステムの性能を監視する。３つの温度センサＡ、Ｂ及びＣが、負荷循環路１６に配置されて、この循環路中を循環する負荷の温度を監視する。第１の温度センサＡは、第１の熱交換器２３に入る前の負荷流体の温度を測定するように任意の適切な位置に配置される。温度センサＡによって感知される温度は、図１のシステムの負荷循環路１６で最低の温度である。代わりに、図２のシステムでは、第１の温度センサＡは、その図に示されるように位置付けされて、その負荷循環路１６の最低温度を測定することができる。どちらの実施例でも、第２の温度センサＢは、第１の熱交換器２３を出た後（第３の熱交換器２６に入る前）の負荷流体の温度を測定するように配置される。温度センサＢによって感知される温度は、第１の作動流体循環路から得られる流体の中間温度である。どちらの実施例でも、第３の温度センサＣは、第３の熱交換器２６を出た後の負荷流体の温度を測定するように配置される。温度センサＣによって感知される温度は、流体が所望温度に達しているかどうか測定する。
【００７３】
負荷循環路中の温度に基づいて、制御装置３４は、屋外ユニット２５、第２の作動流体循環路１４及び負荷循環路１６を制御して、システムのエネルギー必要量を計算し最適化する。
【００７４】
先に及び以下で説明される方法を制御装置３４に実施させる複数の組のコンピュータ実行可能命令が、制御装置３４の中で実行される。制御装置は、また、任意の他の計算デバイスによって行われるべき動作を指定する一組の命令を実行することができるそのデバイスを含むことがある。これらの命令は、順次型又は他の方法とすることができる。
【００７５】
「計算デバイス」という用語は、また、個々に又は共同で一組又は複数組の命令を実行して上述の方法のどれか１つ又は複数を実施するデバイスの任意の集まりを含む。
【００７６】
プロセッサ３４は、１つ又は複数の組のコンピュータ実行可能命令及び／又はデータ構造が格納されている機械読取可能媒体を含むか、この機械読取可能媒体にインタフェースで接続されている。これらの命令は、先に又は以下で説明される方法又は機能の１つ又は複数を実施する。
【００７７】
コンピュータ実行可能命令は、また、実行中に、完全に又は少なくとも部分的にプロセッサ３４の中に存在することがある。この場合、プロセッサ３４は、機械可読の有形記憶媒体を含む。
【００７８】
コンピュータ読取可能媒体は、例示的な実施例において単一媒体であるように説明される。しかし、この用語は、単一媒体又は複数の媒体を含むように解釈されるべきである。「コンピュータ読取可能媒体」という用語は、また、上述の方法のどれか１つ又は複数をプロセッサに実施させる一組の命令を、プロセッサによる実行のために格納するか、符号化するか、保持することができる任意の媒体を含むように解釈されるべきである。コンピュータ読取可能媒体は、また、これらの組の命令で使用される又はこれらの組の命令に関連するデータ構造を格納するか、符号化するか、保持することができる。
【００７９】
屋外インバータ・ユニット２５はスマート制御装置３３を含み、このスマート制御装置３３は、標準的なインバータ屋内ユニットの制御装置と通信するように設計されている屋外インバータ・ユニットの親制御ユニットである。スマート制御装置３３は、ファン速度、エキスパンダ２９及び／又は屋外ユニット２５の圧縮機２７を制御する。本発明のシステムでは、屋外インバータ・ユニット２５は、また、重要な情報を制御装置３４にフィードバックする。重要な情報の種類には、故障状態、ユニット２５が熱を供給し始めるとき、及び屋外ユニット２５が霜取りモードであるときがある。
【００８０】
本発明の制御装置３４は、制御プロトコルの観点から標準インバータ屋内ユニットの制御装置をエミュレートし、同じプロトコルを使用して屋外ユニット２５の親制御ユニット３３と通信する。制御装置３４は、この制御プロトコルを使用して屋外ユニット２５を制御することによって、システムのエネルギー必要量を計算し最適化する。
【００８１】
制御装置３４は、所望の負荷流体温度リフトを引き起こすように第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ冷却剤）を適切な温度に維持しながら、吐出温度をできるだけ低く保つことによって屋内で過熱温度及び凝縮器温度を安定に保つ。制御装置３４は、熱交換器２３から所望の中間温度リフトを与えながら、屋外ユニット２５から得ることができるＣＯＰを最適化する。
【００８２】
制御装置３４は、絶えず微調整することによってこのプロセスを最適化された状態に保つが、屋外ユニット２５が理想的な設計動作限界の範囲外に外れないように適切な限界を有する。
【００８３】
制御装置３４は、非常に大きな第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ冷却剤）凝縮温度リフトによって生じる任意の大きな性能低下を受ける前に、低温の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）循環路１２からの最も効率的な温度リフトを維持する。制御装置３４は、第２の熱交換器２８で熱エネルギーを交換する２つの冷却剤間の温度差を決定する。制御装置３４は、また、第２の作動流体循環路１４の線形膨張弁（ＬＥＶ）３２によって、第２の作動流体循環路１４中の作動流体の質量流量を制御することができる。毛細管がＬＥＶの代わりに使用されることがある。
【００８４】
図示された形では、制御装置３４は、所望エネルギー・レベルを維持するために屋外ユニット２５の親制御装置３３に伝えられる５つの異なる変数をエミュレートする。これらの変数は、
１．屋内の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）の凝縮温度、
２．屋内の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）の蒸発温度、
３．屋内の室内センサ温度、
４．屋内のファン速度、
５．屋内の室内設定温度
である。
【００８５】
起動するとき／止めるときを含むこのデータは、屋外ユニット２５に送られる。これらの比は、所望の屋内エネルギー・レベルを実現するように制御装置の中のルック・アップ・テーブルに予め決められている。
【００８６】
制御装置３４は、第１の作動流体循環路１２、第２の作動流体循環路１４及び負荷循環路１６の動作及びこれらの循環路間の相互作用を制御する。２つの重要なドライバは、システム負荷を直接制御する水流と、屋外インバータに多かれ少なかれエネルギーを供給するように命じることによって制御される全自由エネルギー入力である。本発明の制御装置３４は、最適な性能効率を保証するために、ルック・アップ・テーブルに設定された限界を調べる。最初に各循環路に流量及び限界を設定するために、入口の水温に依存して複数のルック・アップ・テーブルがあることがある。流体ポンプ２１循環路は、流体送り出し温度を選ばれた設定点に保つように流体の流れを調節する。流体の流れが遅すぎる場合には、制御装置３４は、屋外インバータ２５の制御装置３３に信号を送って、より多くのエネルギーを供給する。この場合に、第１の作動流体１２のサブクーリングが最適化されないことがある。制御装置３４は、第２の作動流体循環路１４中のエキスパンダＬＥＶ３２を制御することができるだけであり、このエキスパンダＬＥＶ３２は、熱交換器２６で最大温度上昇を与えるように調整される。負荷循環路１６中の流体の温度のリフトが小さすぎる場合には、屋外ユニット２５は、エネルギー入力を減らすように減速されて、流体の流量が減少する。ルック・アップ・テーブルは、全システムが大きくバランスを崩し過ぎることがなく定義された限界の範囲内で動作するように限界を設定する。
【００８７】
微調節は、上記の１と２の差を調節することによって達成される。粗調節は、上記の３と５の比を変えることによって達成される。
【００８８】
制御装置３４は、屋外インバータ・ユニット２５の親制御装置３３と通信して、熱交換器２６によって所望の設定点温度を維持しながら熱交換器２３による中間温度をできるだけ低くする。屋外ユニット２５は、所望の流体出力温度を実現する可能な限り低いエネルギー入力の状態にされ、したがって可能な限り高いＣＯＰを可能にする。
【００８９】
屋外Ｒ４１０ａインバータ・ユニット２５は、重要な情報を制御装置３４にフィードバックする。重要な情報の種類には、故障状態、ユニット２５が熱を供給し始めるとき、及び屋外ユニット２５が霜取りモードであるときがある。
【００９０】
制御装置３４は、Ｒ４１０ａ圧縮機２７が始動してより低出力の圧縮機３０が循環路１４及び第３の熱交換器２６中の残っている水を加熱できるようにする前に、固定速度圧縮機３０を作動させる。この循環路１４ができるだけ高いＣＯＰを維持することが重要である。というのは、そのことが、どのくらいのリフトが第１の作動流体循環路１２に要求されるかを決定するからである。第２の作動流体（例えば、Ｒ１３４ａ）循環路１４は、線形膨張弁（ＬＥＶ）３２を使用して最適化することができる。制御装置３４は、Ｒ４１０ａ凝縮装置２７及び蒸発器の温度に基づいて第２の作動流体（例えば、Ｒ１３４ａ冷却剤）の流れを変えるようにＬＥＶ３２を調節する。
【００９１】
制御装置３４は、負荷流体ポンプ２１を電気的に制御して、流体貯蔵槽１８に送るために所望流体温度を維持する。制御装置３４は、Ｒ４１０ａ熱交換器２３の流体入口、Ｒ４１０ａ熱交換器２３の流体出口、及びＲ１３４ａ熱交換器２６の流体出口に位置付けされた３つの温度センサＡ、Ｂ、Ｃからの測定値に基づいて流体の流量を制御する。
【００９２】
図４を参照すると、Ｒ１３４ａ熱交換器２６の出口での負荷流体が所望温度を超える場合には（ステップ２０２）、流体ポンプ２１の速度が上げられる（ステップ２０４）。Ｒ１３４ａ熱交換器の出口での流体が所望温度より低い場合には（ステップ２０３）、流体ポンプ２１の流量がゼロでないという条件で（ステップ２０５）、ポンプ２１は減速される（ステップ２０６）。Ｒ１３４ａ循環路１４は固定速度圧縮機３０を備えるので、負荷流体の流れ以外にはトップアップ・リフトの調節はほとんどない。代わりに、固定速度圧縮機３０の代わりに可変速度圧縮機を使用することができる。
【００９３】
負荷流体が熱交換器２６を通過するのに数秒かかるので、Ｂでの中間負荷流体温度の監視が、いつその負荷流体流が粗調節を必要とするかを前もって警告する。
【００９４】
Ｒ４１０ａ循環路１２の熱交換器２３による中間負荷流体温度の制御は、注意深く監視され、さらに屋外ユニット２５は、最適ＣＯＰを与えるようにエネルギー入力を調節するように命令される（ステップ２０７及び２０８で）。
【００９５】
加熱プロセスを止める
温度センサＡでの入力流体温度は、流体貯蔵槽中の流体がいつ十分に加熱されるかを特定するために注意深く監視される。図１に示されるように、流体貯蔵槽中の流体は層状になっていて、比較的高温の別個の上部領域１８ａと比較的低温の下部領域１８ｃとが「膜」１８ｂによって隔離されている。流体槽１８で流体層化を使用することは、入口流体が冷たいままであり槽が加熱されるとき急に高まることを意味する。これが２つの圧縮機２７、３０及び次に流体ポンプ２１をオフにするトリガとなる。流体ポンプ２１は、ポンプを止める前に熱交換器２３、２６及び配管中の大体の温水が流体槽の中に移されるように動作するようになっているので、高温負荷流体は浪費されない。
【００９６】
流体貯蔵槽トップアップ機能
温度センサＡの流体入口温度設定は、また、流体貯蔵槽がトップアップを必要とする場合に使用される。この場合に、屋外ユニット２５が非常に低いエネルギーで動作する必要があり、さらに負荷流体温度の引上げに入力されるべきＲ４１０ａエネルギーの大部分を引き出すためにＲ１３４ａ上部循環路１４が使用されることを制御装置３４は知っている。この状態で、負荷流体からのサブクーリングはないので、屋外ユニットは、全体的なＣＯＰをできるだけ高くするように、低エネルギー入力に減速されなければならない。
【００９７】
この場合に第３の熱交換器２６の後の負荷の温度が所望の温度（所望温度範囲、６０から８０℃、好ましくは約６２℃）よりあまり低くなく、屋外ユニットの圧縮機は、負荷の温度をトップアップするのに多くの仕事をする必要がない。屋外ユニットは、第２の作動流体循環路で使用されるのに十分なエネルギーを生成する必要がある。Ｒ４１０ａ冷却剤の熱の大部分は、Ｒ１３４ａ冷却剤に伝達される。Ｒ１３４ａ冷却剤からの熱は、熱交換器２６を使用してトップアップを必要とする負荷に実質的に伝達される。
【００９８】
負荷流体加熱プロセスを開始する
温度プローブは、熱質量を持つ流体貯蔵槽１８の最上部に配置される。熱質量は、１リットルの負荷流体を抜くこと、及びセンサがどんなに高温になりそれがどんなに長く高温のままであるかを制御装置が測定することによって、据え付け場所で計算される。また、流体貯蔵槽の容量も入力され、制御装置３４は、どのくらいの負荷流体が抜かれたかを推定し、さらにいつ屋外ユニットが流体貯蔵槽の加熱を再び開始する必要があるかを判断する。
【００９９】
長期間にわたって負荷流体が取り出されない場合には、システムは、上述の「流体貯蔵槽トップアップ」モードで動作を始める。
【０１００】
通常の開始プロセス
開始は、次のいずれか１つに基づいてトリガされる。すなわち、
・制御装置に組み込まれた７日タイマを介して、
・利用可能な負荷流体容量の８０％（また、顧客によって設定された他の値）が使用されたとき、又は
・流体貯蔵槽１８の温度センサが冷却された流体を検出したとき、
・電力供給会社が水シリンダ加熱のスイッチを入れたり切ったりすることができるようにする知的な建物電力計からの外部スマート制御を介して。これは、周囲温度が比較的高い日中により効率的であり、
・十分な高温負荷流体を維持しながら最適屋外周囲温度に基づいて加熱期間が自動的に決定される毎週の負荷流体（例えば、水）需要パターンに基づいて
トリガされる。
【０１０１】
Ｒ１３４ａ圧縮機３０は、この小さな圧縮機が熱交換器２６を温める時間を与えるようにすぐに起動される。Ｒ４１０ａ屋外ユニット２５が始動するように命じられるが、それは数分かかる。
【０１０２】
熱交換器２３及び２６は、所望の出力負荷流体温度を超えて熱くなっても構わない。
【０１０３】
これが起こるとすぐに、負荷流体ポンプ２１は、数秒間全速力で起動されて負荷流体を動かし、それから以前の動作速度、又は初めてであれば工場の理想速度に減速される。
【０１０４】
霜取り
屋外Ｒ４１０ａユニット２５が霜取りをする時間であると判断したとき、負荷流体の流れは、負荷流体ポンプ２１を制御することによって止められる。Ｒ１３４ａ圧縮機３０は作動され続けて、より速い霜取り回復のために余分なエネルギーを供給する。熱交換器２６の温度センサが監視される。その温度が高温になり過ぎた場合には、Ｒ１３４ａ圧縮機３０は止められる。代わりに、Ｒ１３４ａ圧縮機３０が高温になり過ぎた場合には、圧縮機３０は、限界の範囲内に戻るまで制御装置によって止められる。
【０１０５】
本発明の実施例に従ったシステムの動作パラメータ
本発明の実施例に従ったシステムは、周囲空気ＡＦから熱を集める屋外Ｒ４１０ａインバータ・ユニット２５を備える。屋外ユニットは、ＣＯＰが４．８９であるＦＢ２５インバータ・ユニットであることがある。屋外インバータ・ユニットの熱交換器は、外部周囲空気から約２．７ｋＷの熱エネルギーを集め、そのエネルギーが、第１の作動流体循環路１２中のＲ４１０ａ冷却剤に伝達される。圧縮機２７は、Ｒ４１０ａ冷却剤を圧縮して、２．５から６．５ｋＷ、好ましくは約３．４ｋＷのエネルギーを運ぶ高圧作動流体を生成する。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第１の作動流体循環路１２中を図示された矢印の方向に循環する。第１の作動流体循環路１２中のＲ４１０ａの流量は、約０．０１６ｋｇ／秒で一定に保たれている。
【０１０６】
第１の作動流体循環路１２は、建物の外部Ｅから建物の壁Ｗを通って建物の内部Ｉに流体を運ぶ。この実例では、屋外ユニット２５で集められ第１の作動流体によって運ばれた熱のいくらかは、最初に第２の熱交換器２８に通されて、その熱のいくらかを第２の作動流体循環路１４に直接伝達し、その後で、第１の熱交換器２３に通されてその残りの熱のいくらかを負荷循環路１６に直接伝達する。Ｒ４１０ａ冷却剤中のエネルギーは、第２の作動流体循環路１４と負荷循環路１６の間で分けられる。第１の熱交換器２３の出力は、約２．４ｋＷである。第２の熱交換器２８の出力は、約１ｋＷである。したがって、第１の作動流体は、それの熱／エネルギーの大部分を負荷に伝達し、それの熱／エネルギーのより少ない部分を第２の作動流体に伝達する。より高い出力を、軽工業用途のために供給することができる。Ｒ４１０ａ冷却剤は、約７０℃の温度であり、第２の熱交換器２８に入る前に僅かに過熱されている。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第２の熱交換器２８を通過した後、且つ第１の熱交換器２３を通過する前に、約４５℃の凝縮温度である。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第１の熱交換器２３を通過した後で約２３℃の温度である。このことは、完全縦続接続システムが容易に達成することができないＲ４１０ａの実質的なサブクーリングを可能にする。
【０１０７】
負荷循環路１６は、第１の作動流体循環路１２中の作動流体をサブクール状態にするように構成される。第１の熱交換器２３に入る冷たい水は、完全縦続接続システムにおいて第２の作動流体と熱エネルギーを交換する場合よりも低温である。入ってくる水は、第１の循環路１２中の凝縮された冷却剤の出口温度を下げて（サブクーリング）、空気熱エネルギー源からの熱エネルギー取込みを増加させる。
【０１０８】
第１の熱交換器は、負荷流体の温度を入口１６ａでの約１２℃から中間温度に引き上げ、その中間温度は流体貯蔵槽１８に保管するための所望温度よりも低い。例として、中間温度は、約３５℃から約５５℃、好ましくは約３５℃から約４５℃、好ましくは約４０℃であることがある。選ばれる中間温度は、第１及び第２の作動流体循環路１２、１４で使用される作動流体と、負荷流体の所望最終温度とに依存する。
【０１０９】
第２の作動流体循環路１４は、Ｒ１３４ａ冷却剤を循環させる。Ｒ１３４ａの流量は、約０．００７１ｋｇ／秒で一定に保たれる。第２の作動流体循環路１４では、Ｒ１３４ａ圧縮機３０が、Ｒ１３４ａ冷却剤の熱エネルギーを１ｋＷ引き上げるために使用され、７５から８０℃の１．２５ｋＷの過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気は６７℃で凝縮する。Ｒ１３４ａ冷却剤中のエネルギーは、第３のＲ１３４ａ−水熱交換器２６を使用して負荷循環路１６中の負荷を中間温度から少なくとも約６２℃の所望温度まで引き上げるために使用される。
【０１１０】
所望の温度は、負荷流体の温度、及びその地域の規格に依存する。例えば、ニュージーランドでは、所望温度は約６２℃であるが、少なくとも約６０℃である必要がある。２℃の差は、管での少量の熱損失を考慮に入れている。他の国又は地域では、所望温度は、より低いこともあればより高いこともある。好ましくは、システムは、約６０℃から約７０℃の所望温度を持った負荷流体を供給するように構成される。
【０１１１】
ＬＥＶ弁及び水流量の調節によって、８０℃までの温度が可能である。負荷循環路中の流体の流量は、例えばおおよそ毎分０．８から１．８リットルであり、好ましくは毎分０．９から１リットルである。低流量を使用することによって、本発明のシステムは、第１及び第３の熱交換器２３及び２６で冷たい新しい水を少なくとも所望温度に上昇させることができる。温水貯蔵シリンダの近くに第２のＲ１３４ａ循環路１４を配置することによって、遅い水流速により、第２の循環路が屋外ユニット（ＦＢ２５）２５と共に屋外に配置される場合、普通なら大きいはずの損失が最小限になる。
【０１１２】
この実例では、システムの性能係数（ＣＯＰ）は、７℃の周囲外部温度でほぼ３．２〜３．６である。Ｒ１３４ａジャケット冷却器３１による実際の熱回収及びＲ１３４ａ圧縮機３０への実際の電力入力は、試験される各メーカ／型で大きく変わることがある。
【０１１３】
システムの代替構成
システムは、屋外ユニット２５、第１の作動流体又は冷却剤循環路１２、第２の作動流体又は冷却剤循環路１４、負荷循環路１６、及び随意に流体貯蔵槽１８を含めて添付の図に示された全ての構成要素を、新しいものから用意され取り付けることができる。
【０１１４】
代わりに、既存の取り付けられたヒート・ポンプ・システム及び温水槽の一部分を使用することができ、本発明の装置を既存のシステムに組み込むことができる。本装置は、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに組み込むことができる。その構成では、好ましい実施例の装置は、図１に破線ボックス中に示された構成要素、すなわち第１の熱交換器２３、第２の熱交換器２８、第３の熱交換器２６、負荷流体ポンプ２１、第２の作動流体循環路１４の他の構成要素、及び制御装置３４を備えることができる。システムは、既存のヒート・ポンプ・システム及び温水貯蔵システムの配管及び電子回路に接続することができ、且つ損失を最小限にするように温水槽の直ぐ近くに置くことができるハウジング形式で実現されることがある。
【０１１５】
本明細書で開示された数の範囲（例えば、１から１０まで）についての言及は、また、その範囲内の全ての有理数（例えば、１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９及び１０）及びまたその範囲内の有理数の任意の範囲（例えば、２から８まで、１．５から５．５まで及び３．１から４．７まで）についての言及を包含するので、本明細書で明確に開示された全ての範囲の中の全ての部分的範囲がこれによって明確に開示される意図である。これらは、具体的に意図されたものの実例に過ぎず、列挙された最小値と最大値の間の数値の全ての可能な組合せは、同様に本出願で明確に陳述されていると考えられるべきである。
【０１１６】
本発明の少なくともいくつかの実施例のシステムは、次の有利点を提供する。本発明の実施例の必ずしも全てが、述べられた有利点の全てを実現する必要がないことは理解されるであろう。
【０１１７】
このシステムは、低コスト屋外ユニットの使用を十分に活用することができる。例えば、ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＧＥ３５又はＦＢ２５インバータは、ニュージーランドの大部分の地域で使用することができ、特別に寒い地域ではＦＢ３５を使用することができる。この同じシステムを、分割システム圧縮機及び都市複合設備と共に働くように適合することができる。Ｒ４１０ａ屋外ユニットは、いかなるストレス又は過負荷もなしに最大効率で動作することができる。Ｒ４１０ａ屋外ユニットは、優れた低環境性能を示す。大量生産Ｒ４１０ａ屋外ユニットを使用することによってコストが節約されるだろう。
【０１１８】
第１の作動流体循環路１２は、既存の未修正屋外ユニット２５に利用されて、それの設計された空気−空気応用とほとんど同じように動作しながら、例えば約３５〜５５℃の中間温度の水を生成することができる。これによって、圧縮機ストレスが減少し、ＣＯＰが大きくなる。屋外ユニットは、空気−空気応用で動作条件の広い範囲にわたって優れた結果をもたらすように設計され、また空気−水応用のために修正する必要がないだろう。空気−水応用は、完全縦続システムでは容易に実現できないＲ４１０ａ冷却剤の実質的なサブクーリングを可能にする。
【０１１９】
屋外インバータ・ユニットは一般に親制御ユニットであるので、いくつかの屋外インバータ・ユニットは、屋外電力消費を屋内ユニットに伝えない。従来の空気−空気システムでは、屋外ユニットは、一般に、電力供給に接続され、電力は屋外ユニットから屋内ユニットに伝達される。本発明の好ましい実施例では、制御装置は屋内ユニットの一部である。大抵のシリンダ用戸棚は、実質的な電力供給を取り付けられて、電気素子にエネルギーを送るので、その既存の電力供給は一般に、好ましい実施例のシステムに電力を供給するために使用される。屋内ユニットは、最適ＣＯＰを保証するために屋外ユニットの電力消費が正確に測定され最適化されるように、屋外ユニットへの電力を切断するための主継電器及び電流検出を備える。
【０１２０】
Ｒ１３４ａ循環路は、比較的一定の条件で動作して中間温度を所望温度に単に上昇させることだけを可能にする。Ｒ１３４ａ循環路は、Ｒ４１０ａ循環路の凝縮温度がＣＯＰの著しい改善で下がるようにする。電気抵抗加熱素子を使用することで、第２のＲ１３４ａ循環路による１５から２０℃の温度上昇に比べて、水のほんの４から６℃の温度上昇が与えられる。
【０１２１】
システムは、周囲温度条件が７℃以下であるとき、水を６０℃よりも高くするときのＣＯＰを大きくする。
【０１２２】
システムは閉じていて実効水頭が水槽１８の高さと同等であるので、水を物理的に循環させるために、ほんの小さな水循環ポンプ２１が必要とされるだけである。
【０１２３】
水槽層化は、６０°から８０℃、好ましくは約６２℃の所望温度の水をこの槽の上部領域に静かに送り込むことによって、温水のほぼ即時の熱利用可能性をもたらす。
【０１２４】
昼間に暖房のために１つの屋外圧縮機を使用して夜に温水加熱に切り換えることが可能である。すなわち、本発明の実施例の装置は、システムが昼間には屋内空気を加熱し夜には水を加熱するように、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに繋ぎ込むことができる。
【０１２５】
槽の水の温度は、時間がたつにつれて低下するので、非常に小さな電力でＲ４１０ａシステムを動かしＲ１３４ａ循環路を動かして、水を所望温度（６０から８０℃、好ましくは約６２℃）まで再び引き上げることによって、槽の中の冷えた水を効率的に再加熱することができる。
【０１２６】
Ｒ４１０ａ段階は、その作動流体から可能な利点を十分に使用して効率的に動作する。第１の熱交換器２３によって水を低い中間温度に直接加熱することによって、Ｒ４１０ａサイクルは、高いＣＯＰを保ち、また作動流体をサブクール状態にすることによって追加の（自由）エネルギー源の恩恵を受ける。
【０１２７】
Ｒ１３４ａは、低電力入力の小さなシステムを使用して、水に第２の温度リフトを与える。したがって、低周囲条件において高いＣＯＰで８０℃までの水温を達成することができる。
【０１２８】
温水は、温水シリンダに直ぐ隣接して置かれることがある高効率低損失システムによって作られる。８ｍまでの管を通して屋外から屋内に温水を送ることに関係する問題はなくなる。小口径低流量温水の長い移動での検出可能な熱損失は、相当に大きいことがあり、エネルギー伝達の非常に効率の悪い手段である。本システムは、屋外ユニットから生じる水移送問題及び霜問題を克服し、配管工ではなく冷却技術者が取り付けることができる。
【０１２９】
Ｒ４１０ａ屋外ユニットの従来の取付けは、作動流体配管を屋内ユニットまで普通に伸ばすことで可能である。この知られた手法は、屋内ユニットの影響を受けない。エネルギーは、普通のやり方で送られる。取付けは簡単で１人の職人を必要とするだけである。
【０１３０】
システムが停止されたときの外部送水管の凍結は、零下条件にさらされる地域では問題でない。特に、システムが動作していない場合（持ち主が休暇、最高温度までの水、及び水の使用が無視できる）。
【０１３１】
Ｒ１３４ａ冷却剤を使用する第２の作動流体循環路１４は、一定の環境で動作するように設計され、また制御され、これによってインバータ圧縮機及び複雑な制御の必要性が大きく減少している。ＦＢ２５屋外ユニットは、設計通りに動作して、２０°から５０°までの空気を加熱する標準屋内フィン／コイル熱交換器ユニットと、Ｒ１３４ａ冷却剤及び水にそれぞれ熱を引き渡す熱交換器２３及び２８との間の差異を感知しない。ＣＯＰ能力は維持される。したがって、第２の作動流体循環路１４は、屋外周囲条件の影響を受けず、十分に制御された環境で動作する。
【０１３２】
システムは、小型で、実質的に水槽の近くに配置することができるので、より多くのセンサを使用して、用法をより正確に監視し、またいつ水が加熱される必要があるかを最適化することができる。
【０１３３】
この方法は、広い範囲の気候条件にわたって最高の信頼性で最適性能を可能にするはずである。３．２ｋＷ入力及び水が直接６２℃に引き上げられることで、使用可能な回復時間は、より小さな流体貯蔵槽を使用できるようにする電気素子よりも速い。
【０１３４】
本発明の好ましい実施例は、ただ単に例として説明されただけであり、本発明の範囲から逸脱することなしに修正が加えられる可能性がある。
【０１３５】
例えば、システムは、温水ヒート・ポンプ・システムとして説明されている。しかし、システムには、また、循環水及び高温ラジエータを使用する家庭用及び軽工業用暖房などの他の用途がある。他の用途には、また、６５から８０℃までの温度を必要とする軽工業プロセス用途、又は製造又は試験中に任意の流体を効率的に加熱する必要がある場合がある可能性がある。システムは、最大加熱が制限される危険地域で特に有用である可能性がある。
【０１３６】
いくつかの実施例では、線形膨張弁などの第２のエキスパンダが、第１の作動流体循環路１２にエキスパンダ２９と直列に、ただし屋内ユニット内に、設けられる可能性がある。これは、第１の作動流体循環路中の作動流体の流れを遅くする可能性がある。代替として、副制御装置が、屋外ユニットのエキスパンダ２９と直列に取り付けられて、エキスパンダ２９を制御することができる。副制御装置は、屋外ユニット内のガス吐出ライン及び液体戻りラインに２つの温度センサを備えて、エキスパンダ２９の屋外制御に優先してサブクーリングを最適化することができる。
【０１３７】
いくつかの実施例では、第２の作動流体循環路１４は、吸引／液体循環路として動作するように修正することができる。例えば、図２を参照して、追加の熱交換器を、第２の作動流体循環路の左側（追加の熱交換器が熱交換器２８と圧縮機３０の間に置かれる）と、第２の作動流体循環路の右側（追加の熱交換器が熱交換器２６とエキスパンダ３２の間に置かれる）との間で熱エネルギーを伝達するように設けることができる。代わりに、熱交換器２８と圧縮機３０の間を走る循環路の左側の管が、熱交換器２６とエキスパンダ３２の間を走る循環路の右側の管にクランプで締め付けられて、熱エネルギーがこれらの２つの管の間で直接伝達可能になり得る。熱交換器／締め付けは、図２に破線ＨＸで模式的に表されている。この構成は、追加のサブクーリングを可能にし、これが、今度は、第２の作動流体循環路のＣＯＰを高める可能性がある。
【０１３８】
特定の構成要素及びパラメータが説明されたが、これらは変えることができ、依然として本発明の範囲内で動作することになることを理解されたい。
【０１３９】
図示されたように、システムは、部分縦続構成になった２つの循環路を備え、各々の作動流体循環路が直接負荷に熱エネルギーを直接伝達する。ある用途では、追加の作動流体循環路を、部分縦続構成で設けることができる。例えば、第３の作動流体循環路は、第１又は第２の作動流体循環路１２又は１４から熱エネルギーを直接受け取りこの熱エネルギーを負荷循環路１６に直接伝達するように設けることができる。
【０１４０】
他の実例の修正が、「発明の概要」の項で説明されている。
【０１４１】
本発明が関係する当業者には、本発明の構造及び広範囲に異なる実施例及び応用の多くの変化物が、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連想されるだろう。本明細書での開示及び説明は、純粋に例示であり、いかなる意味においても限定である意図でない。この発明が関係する技術分野で知られた同等物を備える特定の完全なものが本明細書で言及される場合、そのような知られた同等物は、あたかも別々に示されたかのように本明細書に組み込まれると見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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