(57)【要約】【解決手段】凝縮ユニット（１０２）および氷タンク熱交換器（１６０）が、第２熱交換器（１６２）を介して分離される冷媒蓄熱冷却システムの方法および装置を開示する。開示された実施形態では、グリコール系等の単相系よりも消費電力が少なく、高信頼性、低コストの冷媒式蓄熱システムが提供される。
2008510952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサおよび第１コンデンサを含む凝縮ユニットと、前記凝縮ユニットの下流側に接続された膨張装置と、前記膨張装置の下流側にある分離用熱交換器の一次側に配置された第１蒸発器とを備え、第１冷媒を収容する第１冷媒ループと、
前記分離用熱交換器の二次側に配置された第２コンデンサと、液相および固相に位相変化可能な流体が充填されたタンクであって、前記第２コンデンサと流体の受け渡しを行うように連通し、前記第２コンデンサからの第２冷媒を利用して前記流体を冷却して、少なくとも前記タンク内の前記流体の一部を凍結させる第１熱交換器を収容するタンクと、第１の期間において前記分離用熱交換器から前記第２冷媒を受け取り、第２の期間において前記第１熱交換器から前記第２冷媒を受け取るように接続された冷媒管理容器と、前記冷媒管理容器に接続され、前記第２の期間において前記第２冷媒の冷却容量を熱負荷に伝達する負荷熱交換器と、前記第２冷媒を、前記第１の期間において前記冷媒管理容器から前記第１熱交換器に供給し、前記第２の期間において前記冷媒管理容器から前記負荷熱交換器に供給する液体冷媒ポンプとを備え、前記第２冷媒を収容する第２冷媒ループとを備えた冷媒蓄熱冷却システム。
【請求項２】
請求項１のシステムにおいて、
前記膨張装置は熱膨張バルブであるシステム。
【請求項３】
請求項１のシステムにおいて、
前記第１冷媒ループは、前記第１冷媒を蓄積および貯蔵するための冷媒受容器をさらに備えるシステム。
【請求項４】
請求項３のシステムにおいて、
前記膨張装置は混合相調節器であるシステム。
【請求項５】
請求項１のシステムにおいて、
前記流体は共晶材料であるシステム。
【請求項６】
請求項１のシステムにおいて、
前記流体は水であるシステム。
【請求項７】
請求項１のシステムにおいて、
前記第１冷媒は前記第２冷媒とは異なる物質であるシステム。
【請求項８】
請求項１のシステムにおいて、
前記負荷熱交換器から前記熱負荷への冷却容量の供給を支援する空気操作ユニットと、
前記液体冷媒ポンプおよび前記空気操作ユニットに動力を供給する太陽光電源とをさらに備えるシステム。
【請求項９】
請求項１のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記分離用熱交換器、前記第１熱交換器、前記冷媒管理容器および前記液体冷媒ポンプの範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて製氷回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項１０】
請求項１のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記第１熱交換器、前記冷媒管理容器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器の範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて融氷回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記分離用熱交換器、前記冷媒管理容器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器の範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて直接冷却回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１のシステムにおいて、
第３の期間において、前記第１冷媒が、前記分離用熱交換器の前記一次側をバイパスして前記負荷熱交換器を流れることを可能にする第３冷媒ループをさらに備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１２のシステムにおいて、
前記第３冷媒ループは、前記第１冷媒を蓄積および貯蔵するための冷媒受容器をさらに備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３のシステムにおいて、
前記膨張装置は混合相調節器であるシステム。
【請求項１５】
請求項１のシステムにおいて、
前記冷媒管理容器は、前記分離用熱交換器の前記二次側と前記第１熱交換器との間に接続されているシステム。
【請求項１６】
請求項１のシステムにおいて、
前記負荷熱交換器は少なくとも１つの小型スプリット蒸発器であるシステム。
【請求項１７】
コンプレッサおよび第１コンデンサを含む凝縮ユニットと、前記凝縮ユニットの下流側に接続された膨張装置と、前記膨張装置の下流側にある分離用熱交換器の一次側に配置された第１蒸発器とを備え、第１冷媒を収容する第１冷媒ループと、
前記分離用熱交換器の二次側に配置された第２コンデンサと、液相および固相に位相変化可能な流体が充填されたタンクであって、前記第２コンデンサと流体の受け渡しを行うように連通し、前記第２コンデンサからの第２冷媒を利用して前記流体を冷却して、少なくとも前記タンク内の前記流体の一部を凍結させる第１熱交換器を収容するタンクと、前記分離用熱交換器および前記第１熱交換器に接続され、前記第２冷媒の冷却容量を熱負荷に伝達する負荷熱交換器と、前記第２冷媒を、前記分離用熱交換器から前記第１熱交換器に供給する、または前記第１熱交換器から前記負荷熱交換器に供給する液体冷媒ポンプとを備え、前記第２冷媒を収容する第２冷媒ループとを備えた冷媒蓄熱冷却システム。
【請求項１８】
請求項１７のシステムにおいて、
前記膨張装置は熱膨張バルブであるシステム。
【請求項１９】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第１冷媒ループは、前記第１冷媒を蓄積および貯蔵するための冷媒受容器をさらに備えるシステム。
【請求項２０】
請求項１９のシステムにおいて、
前記膨張装置は混合相調節器であるシステム。
【請求項２１】
請求項１７のシステムにおいて、
前記流体は共晶材料であるシステム。
【請求項２２】
請求項１７のシステムにおいて、
前記流体は水であるシステム。
【請求項２３】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第１冷媒は前記第２冷媒とは異なる物質であるシステム。
【請求項２４】
請求項１７のシステムにおいて、
前記負荷熱交換器から前記熱負荷への冷却容量の供給を支援する空気操作ユニットと、
前記液体冷媒ポンプと前記空気操作ユニットに動力を供給する太陽光電源とをさらに備えるシステム。
【請求項２５】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記分離用熱交換器、前記第１熱交換器および前記液体冷媒ポンプの範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて製氷回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項２６】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記第１熱交換器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器の範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて融氷回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項２７】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、前記分離用熱交換器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器の範囲内で前記第２冷媒ループを独立させて直接冷却回路を形成するバルブ構造をさらに備えるシステム。
【請求項２８】
請求項１７のシステムにおいて、
前記第１冷媒が、前記分離用熱交換器の前記一次側をバイパスして前記負荷熱交換器を流れることを可能にする第３冷媒ループをさらに備えるシステム。
【請求項２９】
請求項２８のシステムにおいて、
前記第３冷媒ループは、前記第１冷媒を蓄積および貯蔵するための冷媒受容器をさらに備えるシステム。
【請求項３０】
請求項２９のシステムにおいて、
前記膨張装置は混合相調節器であるシステム。
【請求項３１】
請求項１７のシステムにおいて、
前記負荷熱交換器は少なくとも１つの小型スプリット蒸発器であるシステム。
【請求項３２】
第１冷媒を収容する第１冷媒ループと、
前記第１冷媒とは異なる物質である第２冷媒を収容する第２冷媒ループと、
前記第１冷媒ループと前記第２冷媒ループとの間に配置されてこれらの間で熱伝達を行う分離用熱交換器と、
前記第２冷媒ループ内にあって、前記第２冷媒の熱容量を負荷に伝達する負荷熱交換器とを備える冷媒蓄熱冷却システム。
【請求項３３】
請求項３２のシステムにおいて、
前記第１冷媒ループは、コンプレッサおよび第１コンデンサを含む凝縮ユニットをさらに備えるシステム。
【請求項３４】
請求項３３のシステムにおいて、
前記凝縮ユニットの下流側に接続された膨張装置をさらに備えるシステム。
【請求項３５】
請求項３４のシステムにおいて、
前記膨張装置は熱膨張バルブであるシステム。
【請求項３６】
請求項３４のシステムにおいて、
前記第１冷媒ループは、前記第１冷媒を蓄積および貯蔵するための冷媒受容器をさらに備えるシステム。
【請求項３７】
請求項３２のシステムにおいて、
前記第２冷媒ループは、分離用熱交換器の一次側に配置された第１蒸発器と、前記分離用熱交換器の二次側に配置された第２コンデンサとをさらに備えるシステム。
【請求項３８】
請求項３２のシステムにおいて、
液相および固相に位相変化可能な流体が充填されたタンクであって、前記第２コンデンサと流体の受け渡しを行うように連通し、前記第２コンデンサからの前記第２冷媒を利用して前記流体を冷却して、少なくとも前記タンク内の前記流体の一部を凍結させる第１熱交換器を収容するタンクをさらに備えるシステム。
【請求項３９】
請求項３２のシステムにおいて、
第１の期間において前記分離用熱交換器から前記第２冷媒を受け取り、第２の期間において前記第１熱交換器から前記第２冷媒を受け取るように接続された冷媒管理容器をさらに備えるシステム。
【請求項４０】
請求項３９のシステムにおいて、
前記冷媒管理容器は、前記分離用熱交換器の前記二次側と前記第１熱交換器との間に接続されているシステム。
【請求項４１】
請求項３９のシステムにおいて、
前記第２冷媒を、前記第１の期間において前記冷媒管理容器から前記第１熱交換器に供給し、前記第２の期間において前記負荷熱交換器に供給する液体冷媒ポンプをさらに備えるシステム。
【請求項４２】
請求項４１のシステムにおいて、
前記膨張装置は混合相調節器であるシステム。
【請求項４３】
請求項３２のシステムにおいて、
前記流体は共晶材料であるシステム。
【請求項４４】
請求項３２のシステムにおいて、
前記流体は水であるシステム。
【請求項４５】
請求項３２のシステムにおいて、
前記負荷熱交換器は少なくとも１つの小型スプリット蒸発器であるシステム。
【請求項４６】
第１の期間において、第１高圧冷媒を分離用熱交換器の一次側で蒸発させることによって前記分離用熱交換器の前記一次側に冷却容量を供給する工程と、
前記第１の期間において、前記冷却容量を移動させて前記分離用熱交換器の二次側の第２冷媒を凝縮させる工程と、
前記第１の期間において、液相および固相に位相変化可能な流体を収容するタンクに封入された第１熱交換器内で前記第２冷媒を蒸発させて、前記タンク内の前記流体の少なくとも一部を凍結させて氷を生成する工程と、
第２の期間において、前記第１熱交換器内の前記第２冷媒を、前記氷を用いて凝縮させ、前記第２冷媒を蒸発器コイル内で蒸発させて負荷冷却を行う工程とを備えた冷媒蓄熱冷却システムを用いた冷却方法。
【請求項４７】
請求項４６の方法において、
前記第１高圧冷媒を、熱膨張バルブを用いて前記分離用熱交換器の前記一次側で膨張させる工程をさらに備える方法。
【請求項４８】
請求項４６の方法において、
前記第１冷媒を冷媒受容器に蓄積および貯蔵する工程をさらに備える方法。
【請求項４９】
請求項４８の方法において、
前記第１高圧冷媒を、混合相調節器を用いて前記分離用熱交換器の前記一次側で膨張させる工程をさらに備える方法。
【請求項５０】
請求項４６の方法において、
前記第２冷媒を、冷媒ポンプを用いて前記第２冷媒ループに送り込む工程をさらに備える方法。
【請求項５１】
請求項５０の方法において、
空気操作ユニットを用いて前記負荷熱交換器から前記熱負荷への冷却容量の供給を支援する工程と、
太陽光電源を用いて前記液体冷媒ポンプおよび前記空気操作ユニットに動力を供給する工程とをさらに備える方法。
【請求項５２】
請求項４６の方法において、
前記第１の期間において、前記分離用熱交換器の前記二次側、前記第１熱交換器、前記冷媒管理容器および前記液体冷媒ポンプを前記第２冷媒ループの範囲内で独立させて製氷回路を形成する工程をさらに備える方法。
【請求項５３】
請求項４６の方法において、
第３の期間において、前記第１高圧冷媒を前記蒸発器コイル内で蒸発させることによって、前記蒸発器コイルを冷却する工程をさらに備える方法。
【請求項５４】
請求項４６の方法において、
前記第２の期間において、前記第１熱交換器の前記二次側、前記冷媒管理容器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器を独立させて融氷回路を形成する工程をさらに備える方法。
【請求項５５】
請求項４６の方法において、
第３の期間において、前記分離用熱交換器の前記二次側、前記冷媒管理容器、前記液体冷媒ポンプおよび前記負荷熱交換器を独立させて直接冷却回路を形成する工程をさらに備える方法。
【請求項５６】
請求項４６の方法において、
第３の期間において、前記第１冷媒を前記負荷熱交換器に流す第３冷媒ループを用いて、前記分離用熱交換器の前記一次側および前記第２冷媒ループをバイパスする工程をさらに備える方法。
【請求項５７】
請求項５６の方法において、
前記第１高圧冷媒を、熱膨張バルブを用いて前記分離用熱交換器の前記一次側で膨張させる工程をさらに備える方法。
【請求項５８】
請求項５６の方法において、
前記第１冷媒を冷媒受容器に蓄積および貯蔵する工程をさらに備える方法。
【請求項５９】
請求項５８の方法において、
前記第１高圧冷媒を、混合相調節器を用いて前記分離用熱交換器の前記一次側で膨張させる工程をさらに備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄積された熱エネルギーを氷として供給するシステムに関し、特に電力需要のピーク時に冷却負荷を提供するために用いられる冷媒式氷蓄熱空調システムに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００４年４月１８に出願された米国仮出願第６０／６０２，７７４号「第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システム」に基づき、その利益を主張するものであり、その全ての開示内容はここに引用として組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
ピーク時の電力消費需要が増加していく中で、空調電力負荷をオフピーク時間帯および割引帯にシフトするために氷蓄熱方式が利用されている。ピーク時間帯からオフピーク時間帯への負荷シフトだけでなく、空調ユニットの容量および効率を向上させることもまた要求されている。蓄熱システムを備えた現行の空調ユニットは、大規模商業用建物においてしか実用的ではない水冷器に頼っているといった欠点があるため、その成果には限界があり、効率の向上は困難である。大規模および小規模商業用建物において蓄熱の利点を実用化するためには、蓄熱システムの製造コストを最小限に抑えること、変動する動作条件下で最大効率を維持すること、冷媒管理構造を簡潔にすること、ならびに様々な冷却または空調用途に対する汎用性を保つことが要求される。
【０００４】
蓄積した熱エネルギーを供給するためのシステムは、ともにHarry Fischerによる米国特許第４，７３５，０６４号および第４，９１６，９１６号、Fischerらによる米国特許第５，６４７，２２５号、２００４年１０月１５日に出願されたNarayanamurthyらによる米国特許出願第１０／９６７，１１４号、２００５年４月２２日に出願されたNarayanamurthyらによる米国特許出願第１１／１１２，８６１号、ならびに２００５年５月２５日に出願されたNarayanamurthyらによる米国特許出願第１１／１３８，７６２号においてすでに検討されている。これら全ての特許は、氷蓄熱を利用して空調負荷をオンピーク電気料金帯からオフピーク電気料金帯へシフトさせることにより、経済的な効果をあげている。これらの教示および開示内容はすべてここに引用として参照する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態は、コンプレッサおよび第１コンデンサを含む凝縮ユニットと、前記凝縮ユニットの下流側に接続された膨張装置と、前記膨張装置の下流側にある分離用熱交換器の一次側に配置された第１蒸発器とを備え、第１冷媒を収容する第１冷媒ループと、前記分離用熱交換器の二次側に配置された第２コンデンサと、液相および固相に位相変化可能な流体が充填されたタンクであって、前記第２コンデンサと流体の受け渡しを行うように連通し、前記第２コンデンサからの第２冷媒を利用して前記流体を冷却して、少なくとも前記タンク内の前記流体の一部を凍結させる第１熱交換器を収容するタンクと、第１の期間において前記分離用熱交換器から前記第２冷媒を受け取り、第２の期間において前記第１熱交換器から前記第２冷媒を受け取るように接続された冷媒管理容器と、前記冷媒管理容器に接続され、前記第２の期間において前記第２冷媒の冷却容量を熱負荷に伝達する負荷熱交換器と、前記第２冷媒を、前記第１の期間において前記冷媒管理容器から前記第１熱交換器に供給し、前記第２の期間において前記冷媒管理容器から前記負荷熱交換器に供給する液体冷媒ポンプとを備え、前記第２冷媒を収容する第２冷媒ループと、を備えた冷媒蓄熱冷却システムである。
【０００６】
また、本発明の一実施形態は、第１冷媒を収容する第１冷媒ループと、前記第１冷媒とは異なる物質である第２冷媒を収容する第２冷媒ループと、前記第１冷媒ループと前記第２冷媒ループとの間に配置されてこれらの間で熱伝達を行う分離用熱交換器と、前記第２冷媒ループ内にあって、前記第２冷媒の熱容量を負荷に伝達する負荷熱交換器とを備える冷媒蓄熱冷却システムである。
【０００７】
さらに、本発明の一実施形態は、第１の期間において、第１高圧冷媒を分離用熱交換器の一次側で蒸発させることによって前記分離用熱交換器の前記一次側に冷却容量を供給する工程と、前記第１の期間において、前記冷却容量を移動させて前記分離用熱交換器の二次側の第２冷媒を凝縮させる工程と、前記第１の期間において、液相および固相に位相変化可能な流体を収容するタンクに封入された第１熱交換器内で前記第２冷媒を蒸発させて、前記タンク内の前記流体の少なくとも一部を凍結させて氷を生成する工程と、第２の期間において、前記第１熱交換器内の前記第２冷媒を、前記氷を用いて凝縮させ、前記第２冷媒を蒸発器コイル内で蒸発させて負荷冷却を行う工程とを備えた冷媒蓄熱冷却システムを用いた冷却方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は様々な形の実施形態を含み得るが、その具体的な実施形態を図面に基づいてここに詳細に説明する。本開示は発明の原理を例示するものにすぎず、以下の具体的な実施形態に限定されるものではない。
【０００９】
開示された実施形態によれば、第２熱交換器を介して凝縮ユニットと氷タンク熱交換器とを分離した冷媒蓄熱システム、方法および装置を提供することにより、従来技術の不利点および制限事項を克服することができる。図１に示すように、空調ユニット１０２は、コンプレッサ１１０を用いて低温低圧の冷媒ガスを高温高圧のガスに圧縮する。次いで、コンデンサ１１１がガス中の熱のほとんどを取り出し、その熱を空気中に排出する。冷媒は、温かい高圧の液体冷媒として、コンデンサから高圧液体供給ライン１１２を通り、膨張バルブ１３０を通って分離用熱交換器１６２へと送られる。この膨張バルブ１３０は、従来の熱膨張バルブ、混合相調節器およびサージ容器（貯蔵槽）等であってもよい。低圧の気相冷媒および液相冷媒は、低圧戻りライン１１８を通ってコンプレッサ１１０に戻される。第１冷媒ループはこのようにして完結する。
【００１０】
冷却容量は、分離用熱交換器１６２を介して、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を含む第２冷媒ループへと移動する。熱エネルギー蓄積ユニット１０６は、動作中のシステムのモードに応じて流体／氷に囲まれる第１熱交換器１６０を収容する絶縁タンク１４０を備える。第１熱交換器１６０は、一連の製氷／融氷コイル１４２によって上部ヘッダアセンブリ１５４に接続される下部ヘッダアセンブリ１５６を備え、絶縁タンク１４０内で流体／気体のループを形成する。上部および下部ヘッダアセンブリ１５４および１５６は、熱エネルギー蓄積ユニット１０６の外側で、流入口および流出口として連通している。
【００１１】
蒸発器コイル１２２は、システムの１つのモード（分離直接冷却）において、第２閉ループ冷媒回路内で分離用熱交換器１６２に接続されて、冷却容量を空調ユニット１０２から負荷へ移動させる。蒸発器コイル１２２もまた、第２閉ループ冷媒回路内で第１熱交換器１６０に接続され、別のモード（蓄熱冷却）において冷却容量を受け取る。バルブ１８０〜１８６を第２冷媒回路の様々な箇所に配置することにより、システムの複雑性および配管類を最小限に抑えながら、このようなマルチモード条件を実現することができる。ここに示すバルブの種類および構成は、発明を説明するために特定されるものであって、どのような種類のバルブまたは回路構成も、ここに開示するシステムと組み合わせて使用可能であり、本発明の範囲内に含まれる。多相冷媒の回収器および相分離器として動作するアキュムレータすなわち総合冷媒管理容器（ＵＲＭＶ）１４６は、熱エネルギー蓄積ユニット１０６および蒸発器コイル１２２の両方と、流体の受け渡しを行うように連通している。液体冷媒ポンプ１２０は、ＵＲＭＶ１４６の下流側に配置され、動作中のモードに応じて、冷媒ループを介して蒸発器コイル１２２または熱エネルギー蓄積ユニット１０６のいずれかに冷媒を送り込む。
【００１２】
図１に示す実施形態では、空調ユニット１０２は主要な冷却源として用いられる。熱エネルギー蓄積ユニット１０６は、空調ユニット１０２と熱エネルギー蓄積ユニット１０６との間、または蒸発器コイル１２２として表される負荷との間で熱伝達を行う独立した冷媒ループ（または相変化ループ）を用いて動作する。この実施形態は、２つの主要な動作モードである製氷（充填）モードおよび融氷（冷却）モードで機能する。
【００１３】
製氷モードでは、圧縮された高圧冷媒が、空調ユニット１０２から高圧液体供給ライン１１２を通り、膨張バルブ１３０を通って分離用熱交換器１６２の一次側を冷却する。温かい液相冷媒および気相冷媒は、分離用熱交換器１６２から低圧戻りライン１１８を通って空調ユニット１０２に戻ってコンプレッサ１１０に送られ、再凝縮されて液体になる。第１ループおよび第２ループ間の熱伝達は、分離用熱交換器１６２によって行われる。分離用熱交換器１６２の二次側から出た流体は、冷却された液相冷媒が蓄積および貯蔵されるＵＲＭＶ１４６へ流入する。流体は、液体冷媒ポンプ１２０によってＵＲＭＶ１４６から熱エネルギー蓄積ユニット１０６に送られ、下部ヘッダアセンブリ１５６を通って第１熱交換器１６０に流入し、その後蒸発器として機能する製氷コイル１４２に供給される。冷却容量は、製氷コイル１４２から、絶縁タンク１４０に封入されている周囲の流体１５２に伝達され、最終的に製氷コイル１４２の周囲に氷ブロックを形成して熱エネルギーを蓄積する。温かい液相冷媒および気相冷媒は、製氷コイル１４２から上部ヘッダアセンブリ１５４を通り、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を出て分離用熱交換器１６２へ戻り、そこで再び冷却および凝縮される。
【００１４】
融氷モードでは、低温の液相冷媒が、液体冷媒ポンプ１２０によってＵＲＭＶ１４６から蒸発器コイル１２２に送られることにより、冷却容量が負荷に伝達される。蒸発器コイル１２２を出た温かい液相冷媒および気相冷媒のうち、液相冷媒はＵＲＭＶ１４６の上部に戻され、気相冷媒は熱エネルギー蓄積ユニット１０６の上部ヘッダアセンブリ１５４に送られる。気相冷媒が融氷コイル１４２内を通ってコイル周囲の氷ブロック１５２から冷却容量を抜き取ることにより、温かい冷媒は冷却および凝縮されて低温の液相冷媒になる。この低温液相冷媒は、第１熱交換器１６０から下部ヘッダアセンブリ１５６を通り、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を出てＵＲＭＶ１４６の下部に送られる。図１に示す装置の２つの主要な動作モードである製氷モードと融氷モードは、モードに応じて２つの機能を果たす各種装置において冷媒フローを制御する一連のバルブ１８０〜１８６を用いることによって達成される。
【００１５】
本システムでは、第１冷媒ループ１０１を第２冷媒ループ１０３から分離しているため、装置内で異なる冷媒を使用することができる。例えば、居住施設内では使用し難い特性を有する高性能冷媒のうちの１つ（プロパン等）を第１冷媒ループ１０１で使用し、より好適な冷媒（例えばＲ−２２またはＲ−４１０Ａ）を居住施設内に設置可能な第２冷媒ループ１０３で使用することができる。これにより、安全性を維持しながら、システムの汎用性および効率を向上させることができ、環境および利用方法についての問題に対応することができる。
【００１６】
図２は、図１に示す第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システム２００におけるバルブの状態を示す表である。図２の表に示すように、製氷プロセスにおいては、バルブ＃１  １８０は閉状態、バルブ＃２  １８２は熱エネルギー蓄積ユニット１０６から分離用熱交換器１６２への流路のみを形成し、バルブ＃４  １８６は液体冷媒ポンプ１２０から熱エネルギー蓄積ユニット１０６への流路を導く。各バルブがこのような状態の時は、蒸発器コイルが第２ループから排除される。これにより、冷媒は、蒸発器として機能する第１熱交換器１６０内を流れてバルブ＃２  １８２を通過し、コンデンサとして機能する分離用熱交換器１６２に戻される。バルブ＃３  １８４は、冷媒ポンプと熱エネルギー蓄積ユニット１０６との間にのみ流路を形成する。バルブ１８０〜１８６がそれぞれ製氷状態にある時、システム内の流路は図３のようになる。
【００１７】
融氷プロセスでは、バルブ＃４  １８６が液体冷媒ポンプ１２０から蒸発器コイル１２２への流路を導く。バルブ＃１  １８０は開状態で、バルブ＃２  １８２は蒸発器コイル１２２から熱エネルギー蓄積ユニット１０６およびＵＲＭＶ１４６への流路のみを形成する。各バルブがこのような状態の時は、冷却容量が蒸発器コイルに送られて負荷に伝達される。これにより、冷媒は製氷モードの時とは逆の方向に第１熱交換器１６０内を流れ、第１熱交換器はコンデンサとして機能する。バルブ＃３  １８４は、熱エネルギー蓄積ユニット１０６とＵＲＭＶ１４６との間にのみ流路を形成する。バルブ１８０〜１８６がそれぞれ融氷状態にある時、システム内の流路は図４のようになる。
【００１８】
上記実施形態で記載したように、分離用熱交換器１６２は、空調ユニット１０２の蒸発器として、また熱エネルギー蓄積ユニット１０６のコンデンサとして機能する。その結果、空調ユニット１０２の吸入温度は低くなるが、効率が低下することよりも、システムのコストが削減されることの方がより優位である。融氷プロセスにおいては２つのオプションが利用可能である。冷媒は、図１に示すように熱エネルギー蓄積ユニット１０６から蒸発器コイル１２２に供給してもよい。あるいは、蒸発器コイル１２２をさらに別の熱交換器として用いて、さらに別の回路と熱交換を行ってもよい。この場合は、この別の回路を駆動させるためにさらに別のポンプを使用する必要がある。
【００１９】
図２の表には、本システムの熱エネルギー蓄積容量部をバイパスして、蒸発器コイル１２２を空調ユニット１０２から直接冷却する条件が示されている。この直接冷却プロセスでは、バルブ＃１  １８０は開状態であって、バルブ＃２  １８２は蒸発器コイル１２２から分離用熱交換器１６２およびＵＲＭＶ１４６への流路を形成する。バルブ＃３  １８４は閉状態であって、バルブ＃４  １８６は液体冷媒ポンプ１２０から蒸発器コイル１２２への流路を導く。各バルブがこのような状態の時は、熱エネルギー蓄積ユニットが第２ループから排除される。これにより、冷媒はコンデンサとして機能する分離用熱交換器１６２内を流れ、ＵＲＭＶ１４６を通って蒸発器コイル１２２に戻される。バルブ１８０〜１８６がそれぞれ直接冷却状態にある時、システム内の流路は図５のようになる。
【００２０】
図３に、製氷（充填）サイクルにおける図１の第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの構成を示す。図２の表に記載のように、バルブ１８０〜１８６がそれぞれ製氷モードの時は、圧縮された高圧冷媒が空調ユニット１０２から高圧液体供給ライン１１２を通り、膨張バルブ１３０を通って分離用熱交換器１６２の一次側を冷却する。温かい液相冷媒および気相冷媒は、分離用熱交換器１６２から低圧戻りライン１１８を通って空調ユニット１０２に戻ってコンプレッサ１１０に送られ、再凝縮されて液体になる。第１ループおよび第２ループ間の熱伝達は、分離用熱交換器１６２によって行われる。分離用熱交換器１６２の二次側から出た流体はＵＲＭＶ１４６へ流入し、低温液体冷媒はそこに蓄積される。流体は、液体冷媒ポンプ１２０によってＵＲＭＶ１４６から熱エネルギー蓄熱ユニット１０６に送られ、下部ヘッダアセンブリ１５６を通って第１熱交換器１６０に流入し、その後蒸発器として機能する製氷コイル１４２に供給される。冷却容量は、製氷コイル１４２から、絶縁タンク１４０に封入されている周囲の流体１５２に伝達され、最終的に製氷コイル１４２の周囲に氷ブロックを形成して熱エネルギーを蓄積する。低温の液体冷媒および気相冷媒は、製氷コイル１４２から上部ヘッダアセンブリ１５４を通り、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を出て分離用熱交換器１６２へ戻り、そこで再び冷却および凝縮される。
【００２１】
図４に、融氷（冷却）サイクルにおける図１の第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの構成を示す。図２の表に記載のように、バルブ１８０〜１８６がそれぞれ融氷モードの時は、低温の液体冷媒が液体冷媒ポンプ１２０によってＵＲＭＶ１４６から蒸発器コイル１２２に送られ、冷却容量が負荷に伝達される。蒸発器コイル１２２から出た温かい液相冷媒および気相冷媒のうち、液相冷媒はＵＲＭＶ１４６の上部に戻され、気相冷媒は熱エネルギー蓄積ユニット１０６の上部ヘッダアセンブリ１５４に送られる。気相冷媒が融氷コイル１４２内を通ってコイル周囲の氷ブロック１５２から冷却容量を抜き取ることにより、冷媒は冷却および凝縮されて低温の液相冷媒になる。この低温液相冷媒は、第１熱交換器１６０から下部ヘッダアセンブリ１５６を通り、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を出てＵＲＭＶ１４６の下部に送られる。
【００２２】
図５に、直接冷却サイクルにおける図１の第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの構成を示す。この構成では、冷却容量は、熱エネルギー蓄積ユニットをバイパスしてコンデンサ１１１から分離用熱交換器１６２を通って蒸発器コイル１２２へと直接的に供給される。バルブ１８０〜１８６がそれぞれ直接冷却モードの時は、図２の表に記載のように、空調ユニット１０２から分離用熱交換器１６２の一次側に冷却容量が伝達され、この冷却容量が二次側へ移動して、第２ループ内の冷媒を冷却および凝縮する。冷却された液相冷媒は、分離用熱交換器１６２を出てＵＲＭＶ１４６に蓄積される。この低温液相冷媒が、液体冷媒ポンプ１２０によってＵＲＭＶ１４６から蒸発器コイル１２２に送られることで、冷却容量が負荷に伝達される。蒸発器コイル１２２から出た温かい液相冷媒および気相冷媒のうち、液相冷媒はＵＲＭＶ１４６の上部へ戻され、気相冷媒は分離用熱交換器１６２に送り返される。
【００２３】
図６に、第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの別の実施形態を示す。この実施形態では、アキュムレータ容器すなわちＵＲＭＶを必要としないため、システムのコストおよび複雑性が低減される。図６の実施形態では、図１に示したものと同じ第１冷媒ループ１０１を使用する。この第１冷媒ループ１０１では、コンプレッサ１１０およびコンデンサ１１１を有する空調ユニット１０２を用いて高圧液体冷媒が生成され、高圧液体供給ライン１１２および膨張バルブ１３０を介して分離用熱交換器１６２に送られる。低圧冷媒は、低圧戻りライン１１８を介してコンプレッサ１１０に戻される。冷却容量は、分離用熱交換器１６２を介して、熱エネルギー蓄積ユニット１０６を含む第２冷媒ループへ伝達される。この熱エネルギー蓄積ユニット１０６は、構造的には図１に示すものに相当し、製氷モードでは蒸発器として、融氷モードではコンデンサとして機能する。蒸発器コイル１２２は、エアハンドラ１５０と共に第２閉ループ冷媒回路内で分離用熱交換器１６２に接続され、第１冷媒ループ１０１から冷却容量を伝達し、別のモードでは独立して直接的に冷却を行う。
【００２４】
また、蒸発器コイル１２２は、別のモード（蓄熱冷却）において、第２閉ループ冷媒回路内で熱エネルギー蓄積ユニット１０６に接続されて冷却容量を受け取る。バルブ１８２〜１８６を第２冷媒回路の様々な箇所に配置することにより、システムの複雑性および配管類を最小限に抑えながら、このようなマルチモード条件を実現することができる。ここに示すバルブの種類および構成は、発明を説明するために特定されるものであり、どのような種類のバルブまたは回路構成も、ここに開示するシステムと組み合わせて使用可能であり、本発明の範囲内に含まれる。液体冷媒ポンプ１２０は、第２冷媒ループ内に配置され、動作中のモードに応じて蒸発器コイル１２２または熱エネルギー蓄積ユニット１０６のいずれかに冷媒を送り込む。
【００２５】
本実施形態は、２つの主要な動作モードである製氷モードおよび融氷モードにおいて機能する。製氷モードでは、第１冷媒ループ１０１を用いて、第２ループに熱を伝達する分離用熱交換器１６２の一次側が冷却される。分離用熱交換器１６２の二次側から出た流体は、液体冷媒ポンプ１２０に流れ、低温の液相冷媒は蒸発器として機能する熱エネルギー蓄積ユニット１０６へ送られる。液体冷媒ポンプ１２０は、十分な水頭がポンプ上方に維持されるように、分離用熱交換器１６２よりも下に配置される。冷却容量が熱エネルギー蓄積ユニット１０６内に収容された流体に伝達されることにより、熱エネルギーが蓄積される。温かい液相冷媒および気相冷媒は、熱エネルギー蓄積ユニット１０６から分離用熱交換器１６２へ戻り、そこで再び冷却および凝縮される。
【００２６】
融氷モードでは、低温の液体冷媒が、液体冷媒ポンプ１２０によって熱エネルギー蓄積ユニット１０６から蒸発器コイル１２２に送られ、エアハンドラ１５０の助力を受けて冷却容量が負荷に伝達される。蒸発器コイル１２２から出た温かい液相冷媒および気相冷媒の混合物は、この状態ではコンデンサとして機能している熱エネルギー蓄積ユニット１０６に戻される。気相冷媒は、低温流体または氷から冷却容量を受け取ることによって冷却および凝縮される。図１の実施形態と同様、２つの主要な動作モードである製氷および融氷は、モードに応じて複数の機能を果たす各種装置において冷媒フローを制御する一連のバルブ１８２〜１８６を用いることによって達成される。
【００２７】
図７に冷媒蓄熱冷却システムの別の実施形態を示す。この実施形態は、アキュムレータ容器の位置と、第３のモードとして空調ユニット１０２からの直接冷却が望ましい時に第２冷媒ループがバイパスされる直接冷却モードが追加されている点とにおいて、図１のシステムと異なる。図６の実施形態では、前出の実施形態に示したものと同様の第１冷媒ループ１０１を利用するが、それに加えて、空調ユニット１０２から冷却負荷までの分離されていない直接ループを形成する直接冷却ループが追加されている。
【００２８】
２つのモードを有する前出の実施形態と同様に、第１冷媒ループ１０１は、第２ループに熱を伝達する分離用熱交換器１６２の一次側を冷却するために用いられる。分離用熱交換器１６２の二次側から出た流体は、ＵＲＭＶ１４６に流入し、液体冷媒として熱エネルギー蓄積ユニット１０６（製氷モード）へ、または液体冷媒ポンプ１２０を通って蒸発器コイル１２２（融氷モード）へと送られ、その後ＵＲＭＶ１４６の上部に戻される。
【００２９】
製氷モードでは、冷却容量は、熱エネルギーを氷として蓄積する熱エネルギー蓄積ユニット１０６（蒸発器として機能する）に直接伝達される。融氷モードでは、低温液体冷媒が熱エネルギー蓄積ユニット１０６からＵＲＭＶ１４６を通って蒸発器１２２へとポンプで送られ、エアハンドラ１５０の助力を受けて冷却容量が負荷に伝達される。蒸発器コイル１２２から出た温かい液相冷媒および気相冷媒のうち、液相冷媒は、この状態ではコンデンサとして機能している熱エネルギー蓄積ユニット１０６に戻される。気相冷媒は、ＵＲＭＶ１４６の上部に蓄積されて熱エネルギー蓄積ユニット１０６へ送られ、低温流体または氷によって冷却および凝縮される。
【００３０】
このような蓄熱冷却システムの構成では、エアハンドラ１５０を活用して、第１冷媒ループ１０１から蒸発器コイル１２２を介して冷却負荷へ、分離していない直接冷却を行うことができる別のモードを用いることができる。このモードでは、分離用熱交換器１６２および熱エネルギー蓄積ユニット１０６をバイパスして直接冷却を行う。前出の実施形態と同様、主要な動作モードである製氷および融氷モード、ならびに直接冷却モードは、各種装置において冷媒フローを制御する一連のバルブ１８０〜１８９を用いることによって実行される。
【００３１】
製氷モードでは、バルブ＃５  １８８およびバルブ＃６  １８９によって蒸発器コイル１２２への外側ループが閉鎖され、流体は第１冷媒ループ１０１内に保持される。バルブ＃１  １８０およびバルブ＃４  １８６は閉状態で、バルブ＃２  １８２は開状態である。融氷プロセスでは、バルブ＃５  １８８およびバルブ＃６  １８９は製氷条件と同じ状態で、第１冷媒ループ１０１内に流体を保持したままである。バルブ＃１  １８０は、蒸発器コイル１２２からＵＲＭＶ１４６までの流路のみを形成し、バルブ＃４  １８６は液体冷媒ポンプ１２０から蒸発器コイル１２２までの流路のみを形成する。直接冷却モードでは、バルブ＃５  １８８およびバルブ＃６  １８９によって、分離用熱交換器１６２への流路が遮断され、蒸発器コイル１２２の外側ループへの流路が導かれる。バルブ＃１  １８０は、蒸発器コイル１２２から冷媒受容器１９０を制御するバルブ＃３  １８４までの流路と、空調ユニット１０２への流路のみを形成する。バルブ＃４  １８６は、空調ユニット１０２から蒸発器コイル１２２までの流路のみを形成する。
【００３２】
図８に、ピーク負荷が純ゼロである第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの一実施形態を示す。この実施形態は、図６の実施形態に加えて、融氷モードにおいてエアハンドラ１５０および液体冷媒ポンプ１２０に動力を供給する太陽光発電機１７０を装置内に設けている。これにより、電力需要がピークの時に、公共施設からの電力を全く利用せずにシステムを使用することができる。
【００３３】
空調装置は、外気温が極めて高い時に使用ピークに達することがある。そのような時は、内部熱をコンデンサから空気中に排出することが困難になる。上記実施形態によれば、このような状態を克服するシステムを実現することができる。開示されたシステムには、複数の動作モードが採用され、任意の構成要素を追加することが可能であり、またエネルギーを最大効率で蓄積することを保証するスマートコントロールが組み込まれる。凝縮ユニットに接続されると、本システムは第１の期間において冷却エネルギーを蓄積し、第２の期間において蓄積エネルギーを利用して冷却を行う。また、凝縮ユニットは、第３の期間において、冷媒エネルギー蓄積システムをバイパスして直接的または瞬間的に冷却を行うこともできる（分離しているか否かに関係なく）。
【００３４】
上記実施形態によれば、付加的な構成要素を最小限に抑える（その結果コストも最小に）といった数々の利点が得られる。本システムでは、凝縮ユニットが蓄熱を行うために使用するエネルギー以上のエネルギーはほとんど使用されない。また、太陽光発電機を用いることにより、電気料金率がピークの時間帯において消費電力が純ゼロであるシステムを製造することができる。冷媒蓄熱システムは、各種の用途に使用できるように汎用性をもって設計されており、消費電力に関してグリコールやその他の単相系に優る利点を有している。これは、冷媒１ポンドが相転移する時の熱負荷容量は、水１ポンドの熱負荷容量の８０倍だからである。例えば、水（１０°Ｆの温度変化を伴う）と冷媒の熱負荷容量を均等にするために冷媒ポンプが必要とする電力は、水ポンプの１／２０である。また、上記システムによれば、冷媒は、凝縮ユニットを出た後は蒸発器および膨張バルブを通過するだけであるので、コンプレッサおよび凝縮ユニットへの返油に関する問題が解消される。蒸発器は、排油が最適に行われて、コンプレッサが円滑に動作し続けるように設計することができる。最後に、冷却プロセス中に熱交換器モジュールを分離することにより、製氷および冷却を行う各動作条件において、冷媒の充填を最適に調節することができる。
【００３５】
上記した本発明の記載は、例示および説明のためのものである。本発明はここに開示した形態に厳密に限定されるのではなく、上記の教示を考慮した上で改良および変更することが可能である。実施形態の説明は、本発明の原理およびその実際的な用法を最もよく説明するものであり、したがって当業者は、彼が意図する特定の用途に相応するように、各種実施形態および各種改良に本発明を最適に利用することができる。添付の請求項は、先行技術の限定範囲を除いたその他の実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムのバルブの状態を示す表である。
【図３】図３は、製氷（充填）サイクル時の第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの構成を示す図である。
【図４】図４は、融氷（冷却）サイクル時の第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの構成を示す図である。
【図５】図５は、第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの別の実施形態を示す図である。
【図６】図６は、第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの別の実施形態を示す図である。
【図７】図７は、ピーク負荷が純ゼロである第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。
【図８】図８は、ピーク負荷が純ゼロである第２冷媒分離型冷媒蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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