(57)【要約】  本発明は、カルノーサイクルにより通常与えられるコンプレッサおよびエキスパンダ機能のためのピストン装置を備える冷却システムを形成する方法を対象とする。全体システムを変更してピストン動作のパルス状の性質を利用する解決策を提供する。【選択図】図３
2011503507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却のための方法であって、
ａ）冷媒を供給するためのシステムを提供するステップと、
ｂ）前記冷媒からエンタルピーを取り除くための凝縮器を提供して、前記冷媒の少なくとも一部を凝縮させて液体冷媒を生成するステップと、
ｃ）前記液体冷媒の圧力を低下させるために、前記凝縮器と接続された蒸発器を提供して、それにより、前記液体冷媒の少なくとも一部が蒸気を生成して、前記冷媒から熱が除去されるようにするステップと、
ｄ）冷媒を含むことができるピストン装置であって、さらに圧縮段階と膨張段階を生じさせることができるピストン装置を提供するステップと、
ｅ）前記ピストン装置を前記凝縮器および前記蒸発器に動作可能に結合させるステップとを備え、
ｆ）前記圧縮段階の前記ピストン装置が、前記凝縮器に対して冷媒を与え、
ｇ）前記膨張段階の前記ピストン装置が、前記蒸発器から冷媒を受け入れることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記システムから外部環境に熱を移動させるための熱交換器と連動して、前記凝縮器を動作させるステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、
包囲空間から前記システム内に熱を移動させるための熱交換器と連動して、前記蒸発器を動作させるステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記圧縮段階に仕事を加えて前記冷媒に対する加熱を生じさせるステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記ピストン装置と関連する少なくとも１のバルブをさらに有し、
ａ）当該方法が、前記ピストンの圧縮段階と同調して、前記バルブを開閉して冷媒を前記凝縮器に与えるステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、
前記膨張段階の間に前記蒸発器内に低圧引込み（low pressure draw）を生成するステップをさらに備え、前記液体冷媒が蒸発して、前記蒸発器に対する冷却を与えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記蒸発器内の液体冷媒がフラッシュ蒸発されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
振動を生じさせるステップをさらに備え、前記ピストン装置の前記圧縮段階および前記膨張段階が交互に作動することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
前記ピストン装置がＵ字管集中器と一体化されており、当該集中器が、ピストンを有するチャンバを備えるとともに、前記ピストンを液体連接ロッドにより熱機関に結合させることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
共振周波数またはその近傍で前記Ｕ字管集中器内に振動を生成するステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、
前記熱機関が太陽集熱器から大量のエネルギーを受け取るステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記太陽集熱器からのエネルギー量を、包囲空間から前記システム内に移動する熱量と制御可能に一致させるステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、
低位熱エネルギーを蓄積するための容器またはタンクをさらに備え、前記方法が、前記容器またはタンクからの予め蓄積された低位熱エネルギーを使用して前記Ｕ字管集中器に動力を供給するステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
冷却システム内の凝縮器および蒸発器の動作を調整するための方法であって、前記凝縮器および前記蒸発器要素からの冷媒の流れがパルス状とされ、前記方法が、
ａ）凝縮器を通る冷媒のパルス状の流れを与えるステップと、
ｂ）前記凝縮器内で前記冷媒を液相に凝縮させるステップと、
ｃ）相対的に高圧力で集熱器内に冷媒のたまりを形成するステップと、
ｄ）前記集熱器のたまりから前記冷媒を引き出すステップと、
ｅ）圧力調整バルブを通して前記冷媒を流すステップであって、前記圧力調整バルブを横切る実質的に一定の流れを与えるように前記バルブがサイズ設定されるステップと、
ｆ）蒸発器を提供するステップであって、前記蒸発器が、熱を受け入れるための熱交換器と、前記熱交換器を実質的に囲う冷媒容器とを備え、前記冷媒容器が、間欠的な蒸発プロセスの間に前記熱交換器を実質的に沈めるのに十分な冷媒を受け入れるようにサイズ設定されるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
冷却システムであって、
ａ）冷媒を収容可能なチャンバを備え、
ｂ）前記チャンバが可動ピストンと関連し、
ｃ）前記ピストンが、往復ストロークを行うことが可能であって、前記冷媒の圧縮段階と膨張段階とを含み、
ｄ）前記チャンバがさらに凝縮器と蒸発器とに動作可能に結合されており、その結果、
ｅ）前記ピストンの前記往復ストロークが前記凝縮器および前記蒸発器に合わせて動作して冷却サイクルを生成するものとなっていることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、
前記冷媒がクロロフルオロカーボンであることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、
前記ピストンが、熱機関と液体連接ロッドとを有するＵ字管集中器と一体化されていることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記Ｕ字管集中器が、太陽集熱器からの出力の形態で熱エネルギーを受け取ることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、
前記太陽集熱器の出力と、前記冷却サイクルの出力とが一致されていることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記太陽集熱器が蓄積システムと連動して作動して、加熱された水が後で用いるために蓄えられることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
冷却システムであって、
ａ）熱の形態でエネルギーを収集するための太陽集熱器と、
ｂ）圧縮ストロークと膨張ストロークとを含む往復ストロークの形態でピストン装置に仕事を与えるためのＵ字管集中器と、
ｃ）ピストン、前記ピストンを収容するためのチャンバ、出口バルブおよび入口バルブをさらに有する前記ピストン装置と、
ｄ）冷媒を供給するための手段と、
ｅ）凝縮器に結合されるとともに、高圧冷媒が前記凝縮器に供給されるように前記ピストン装置の前記圧縮ストロークと連携している前記出口バルブと、
ｆ）蒸気相から液相に前記冷媒の相を変えるための手段を有する前記凝縮器と、
ｇ）圧力を低下させるための圧力調整器に動作可能にさらに結合されている前記凝縮器と、
ｈ）蒸発器にさらに結合されている前記圧力調整器と、
ｉ）熱交換器に動作可能に結合されている冷媒容器を有する前記蒸発器と、
ｊ）前記ピストン装置の前記入口バルブに動作可能に結合されているとともに、前記膨張チャンバ内の圧力が減少されて前記容器内の前記冷媒液体を引き込み、それにより前記冷媒液体の少なくとも一部が蒸発されるように、前記ピストン装置の前記膨張ストロークと連携している前記蒸発器と、
ｋ）熱吸収手段および熱放射手段をさらに有する前記熱交換器とを備え、前記熱放射手段が、前記熱交換器からエンタルピーを除去するために前記容器と接続される一方、前記熱吸収手段が包囲空間と接続され、それにより、
前記包囲空間が冷却されることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包囲空間（enclosure）に対して冷却または空調を与えるのに使用される装置を対象とする。より詳細には、低位熱を有用なエネルギー、力学的仕事などに変換するために、大型のピストン装置を使用して、蒸発した冷媒を圧縮および膨張させるための手段を対象とする。
【０００２】
本出願は、２００８年１１月１２日に出願された米国仮出願第６０／９８７，３３２号に基づくものであり、この出願は参照により本明細書に援用されるものである。
【背景技術】
【０００３】
多くの冷媒空調装置は、一般に以下の４つの標準プロセスを含む“冷却サイクル”に依存する。
１）冷媒は、電動式のコンプレッサの内部において低圧力の蒸気として始まる。冷媒蒸気が圧縮されて凝縮器に流れるに連れて、圧力が増加し、それにより冷媒蒸気の温度が上昇する。
２）凝縮器の内部において、温度勾配により高圧冷媒から外気に熱が放出され、それにより、冷媒の凝縮を引き起こし、冷媒を高圧高温の液体に変える。
３）次に、冷媒は圧力調整バルブに向かって流れ、そのバルブが冷媒の断熱膨張を引き起こし、それにより、蒸気への相変化を引き起こすとともに、冷媒の温度を冷却空間の温度未満に降下させ、その結果、低温低圧の蒸気が生じる。
４）低温冷媒蒸気は蒸発器に流れ、そこで、蒸発器が屋内空気から冷媒に熱を吸収する。温められた蒸気は、コンプレッサに戻り、そこで上記サイクルが繰り返される。
【０００４】
一般的には、凝縮器は電気で駆動され、殆どの工業用空調装置は、空調装置が使用する電力の各ワットについてどれだけ多くの熱（１時間あたりのＢＴＵにより測定される）が取り除かれるのかを一覧表にしたエネルギー効率定格を有している。それら効率性は、より効率的なコンプレッサにより改善し、熱交換器表面が大きく且つ効率が良いほど、冷媒の流れおよびその他の特性が改善される。
【０００５】
本発明は、システムが機械的であって、冷却のために電気で多大な仕事を行うことなく、ピストンを使用して、低位廃熱エネルギーからエネルギーを引き出しながら、コンプレッサおよび蒸発器に一般に関連する仕事を行う点において、その他の冷却システムに優る利点を示す。さらに、好ましい実施形態は、Ｕ字管式の集光器により集光される太陽エネルギーにより直接的に作動して、冷却システムに動力を供給する。
【０００６】
［Ａ／Ｃシステムの概要］
本冷却システムは、蒸気の形態で始まる冷媒を取り入れて、それをヒートポンプサイクル中に圧縮する。加圧された冷媒は、冷媒入口バルブを通って、熱交換器を含む凝縮ユニット内に流入する。熱交換器は冷媒から熱を取り除いて、冷媒を凝縮させる。その後、凝縮された冷媒は凝縮器タンク内に集まる。凝縮器タンクは、圧力調整器を介して蒸発器タンクに接続されている。蒸発器タンクは、熱交換器にも接続されており、建物のような冷却される包囲空間から熱を受け取るためのループを形成する。追加的には、プレヒータを、熱伝達の助けとして、蒸発器タンクと凝縮器タンクとの間に加えることができる。
【０００７】
冷却される空間から熱を受け取るためのループは、この場合には、熱交換器流体を有するパイプにより形成されて、蒸発器タンク熱交換器と、冷却される包囲空間の内部に位置するエンクロージャ熱交換器との間に熱交換器ループを形成する。蒸発器タンク内部の凝縮された冷媒の低温容器は蒸発器タンク熱交換器を冷却する。包囲空間の暖気はエンクロージャ熱交換器を経由してシステム内に移動する。
【０００８】
圧縮および膨張段階は、Ｕ字管集中器（U-tube concentrator）の好ましい実施形態内の一要素、液体ピストンの圧縮および膨張ストロークを使用して達成することができる。当業者であれば、本発明から逸脱しない液体ピストンとは関連しないポンプ、ピストンまたは同様の手段を使用して、一位置で圧縮および膨張を与えるその他の手段を考え出すことができるであろう。
【０００９】
［太陽集光器としてのＵ字管］
３つの主要技術は、現在のところ、太陽発熱を集中して有用な仕事（work）を生成するために使用される、パラボラトロフ（parabolic trough）、ソーラー発電塔およびスターリングディッシュ（sterling dish）である。それら電力源から発電するコストは高い。それら３つはすべて、高い動作温度を必要とし、それは、メンテナンスおよび高いシール欠陥率に関する問題を生じさせる。
【００１０】
それら技術により、太陽放射は、直射日光の下でリアルタイムに集められて、集光点における高い動作温度をもたらす。このより高い温度は、一般に、より高い熱損失の原因となる。また、最小熱損失のためのそれらシステムの高温要件は、一般に、より高価で複雑な集熱器および熱蓄積ユニットの使用を余儀なくさせる。この制約は、それら解決策にとって、より高いコストの原因となる。
【００１１】
どちらも参照により本明細書に含まれる米国特許出願第１１／３８７，４０５号および米国特許出願第１１／８６０，５０６号に記載されているような低温太陽集光器の出現で、相変化点またはその近傍で作動する熱機関サイクルにおける熱力学サイクルに付随する飽和蒸気からの凝縮を最小化することが望ましいものとなっている。そのような改善により、効率が上昇し、低位の熱エネルギーの利用が可能になる。
【００１２】
好ましい実施形態は、デュアルループＵまたはその他の適当に形成された熱作動液体ピストンヒートポンプを利用するもので、その一方の脚部が熱機関を含み、他方の脚部がヒートポンプを含んでいる。蒸気の凝縮点またはその近傍で熱力学サイクルを生じる任意の方法または装置に幅広く適用できることが、当業者には理解されるであろう。
【００１３】
それら浮動ピストンは一般に、例えば、アルミニウム、非腐食性鋼またはその他の適当な材料などの固体材料から構成される。それらは、システム内で見られる温度および圧力の条件に耐えるように設計する必要がある。
【００１４】
熱機関部は、それに限定される訳ではないが、例えば、太陽エネルギーのような自然または廃熱源から熱力学サイクルを使用して動作する。液体または蒸気の形態にある流体、典型的には水は、熱機関ループの一部としての熱機関と太陽集熱器との間を移動する。
【００１５】
ヒートポンプループは、冷却システムの出口および入口に接続され、ヒートポンプ膨張チャンバは、典型的にはほぼ蒸気の形態で冷媒により実質的に満たされる。
【００１６】
本発明の更なる利点は、冷却が、最も必要とされるときに、周囲熱が高くなるに連れて増大することである。この出力の増加は、幾つかの要因から来るものであるが、最も重大なのは、Ｕ字管集中器内で使用される蒸気の温度−圧力特性である。フラットパネル太陽集熱器とともに使用されるとき、周囲温度が上昇するに連れて周囲に対する集熱器損失が減少するため、利用可能な蒸気入力温度は、周囲温度とともに上昇する。
【００１７】
参考までに、１７０゜Ｆの蒸気入力温度では、６ｐｓｉｇが熱機関ピストンのダウンストロークに利用可能である。２００゜Ｆの蒸気入力温度では、１１．５ｐｓｉｇが利用可能である。熱機関からの利用可能な動力は、蒸気圧に比例するため、これは動力の実質的な増加をもたらす。
【００１８】
さらに、対応する排気圧は比例して上昇することはない。有用な仕事は、蒸気入力蒸気温度と周囲出力温度との間の差異の関数であるため、出力温度の上昇はシステムから動力を奪う。しかしながら、排熱温度（rejection temperature）の上昇は、入力における利得と比較して、排気圧の非常に小さい増加と、それに応じて動力のより小さい低下を引き起こす。例えば、１００゜Ｆの排気温度では、排気圧は０．９ｐｓｉである。例えば、１３０゜Ｆの排気温度では、排気圧は２．２ｐｓｉまで増加するのみである。
【００１９】
当然のことながら、本システムは、以前のシステムよりも遙かに低い温度で作動することができるとともに、温度の上昇に応じたものとすることができる。冷却の増加、強い太陽光および熱に対する必要性をもたらす同じ条件は、システムの出力能力も改善する。さらに、条件が緩やかになるに連れて、出力が需要とともに減少するが、本システムは、ピーク時間中に集められた熱蓄積からの熱入力により動作することも可能である。この特徴は、太陽の直射の下でのみ作動することができるその他のシステムに優る非常に素晴らしい利点を提示する。
【００２０】
［好ましい実施形態の熱機関サイクル（水）］
一般的なカルノーサイクルの等エントロピー圧縮プロセスは、蒸気相の水のような作動流体で始まり、液体相で終わる。一方、本サイクルは湿り蒸気で始まり、飽和蒸気で終わる。開示のプロセスは、蒸気から液体への凝縮が通常圧縮プロセスに付随するため、相対的に非直感的なものである。
【００２１】
本サイクルにおいては、飽和蒸気を生成して、プロセスに要求されるように一定のエントロピーを維持するために、圧縮プロセスが制約される。
【００２２】
本実施形態においては、圧縮プロセスの始めは、約１２．５％の湿り蒸気混合物のみが液体である。プロセスの始めは、液体の比エントロピーが約０．５３ｋＪ／ｋｇ−゜Ｋであり、蒸気の比エントロピーが約８．３２ｋＪ／ｋｇ−゜Ｋである。圧縮プロセスの終わりは、液体の比エントロピーが約１．３１ｋＪ／ｋｇ−゜Ｋであり、蒸気の比エントロピーが約７．３６ｋＪ／ｋｇ−゜Ｋである。
【００２３】
定量的には、圧縮プロセスの始めと終わりの全エントロピーを、相間で変化する単一の未知の質量と同一視する代数計算は、サイクルの終わりで蒸気の結果を与える。定量的には、プロセス始めのシステム内の液体の相対的に低い割合がプロセスに蒸気を生じさせることが分かる。システムの大部分が最初は高いエントロピーの蒸気からなるため、約１６％の比エントロピーで全ての蒸気を液体に変換することが、一定のエントロピープロセスとなることはない。しかしながら、プロセスが約８８％の最初の蒸気比エントロピーで蒸気を生成する場合には、一定のエントロピーを保つことができ、液体から蒸気へのエントロピーの約１３．９倍の増加が、最初の蒸気質量の比エントロピーの約１２％の低下と釣り合うこととなる。
【００２４】
最初に液体の割合が高い一般的なカルノーサイクルにおいては、プロセスが準最適なものとなる。この場合、同じ開始および終了エントロピー値を使用すると、最終結果が液体である場合に、液体である大部分の質量の比エントロピーが約２．５倍に増加する。凝縮する蒸気の質量は、約６．４倍にエントロピーが低下して、液体のエントロピーの増加と相殺される。最初の蒸気のエントロピーの僅かな低下は、システムにより行われ得る有用な仕事を低下させる。
【００２５】
そのため、プロセスの終わりになるべく多くの蒸気相の作動流体を維持するという誘因が残ることが当業者には分かるであろう。凝縮が起こり得るピストンヘッドを含むチャンバ内の表面数を減少させることにより、この新規のサイクルは、上述したように、効率の向上とともに可能とされる。
【００２６】
［好ましい実施形態のヒートポンプサイクル］
冷却システムは、熱機関サイクルにより行われる仕事を受け取る集中器のヒートポンプ側に取り付けることができる。当業者であれば、本発明の精神を保持しながら、同様の種類の仕事を生じさせて空調装置システムを作動させるために、その他の方法および装置を使用できることを認識するであろう。本明細書に記載の熱機関は、ピストンに基づく冷却システムに動力を与える潜在的な仕事のほんの１つの源である。
【００２７】
Ｕ字管集中器のヒートポンプ側は、ヒートポンプとヒートポンプチャンバとを含んで、本システムのヒートポンプサイクルを担う。さらに、Ｕ字管集中器は、圧縮および蒸発プロセスに適した大容積および低頻度で作動する。
【００２８】
ヒートポンプループは、冷却システムの出口および入口に接続され、ヒートポンプチャンバは、“冷媒−１２３”または“Ｒ１２３”としても知られるＨＣＦＣ−１２３のような冷媒で満たされる。当然のことながら、当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、その他の冷媒または作動流体を使用できると考えられる。
【００２９】
ヒートポンプピストンは、液体連接ロッド、典型的には水を、ヒートポンプチャンバ内部で冷媒から分離する働きをする。ヒートポンプピストンは、ピストンとピストン壁との間にシールが形成されるように設計する必要がある。Ｕ字管集中器の代替的な実施形態は、集中器がタービンまたは冷却システムを作動させることを可能にする。追加的な入口および出口バルブをヒートポンプ膨張チャンバ上に設けて、タービン装置内への作動流体の流れを制御することができる。タービンは、開示のように、冷却システムと同じエネルギー源を使用するように設計することもできる。タービンと空調装置との間に割り当てられるエネルギーは制御可能なものとすることができる。
【００３０】
蒸気の代わりにタービン内のＲ−１２３を使用することの追加的な利点は、タービン設計パラメータに起因する。蒸気タービンの効率的な設計および動作のためには、最適ブレード速度は、流体がその段階を通過するときの流体のエンタルピー変化に比例する。その結果、効率的なタービン設計は、速いブレードの速度、大きい質量流量（高出力）およびエンタルピーの小さな変化の組合せの間でトレードオフを必要とする。この組合せは、多くの場合、小さな（３０乃至１００ｋＷ）タービンのための非常に高い速度（１２０，０００ｒｐｍ）または大きな（１乃至５００ＭＷ）タービンをもたらす。典型的な集中器出力および入力圧力におけるＲ−１２３のエンタルピー変化は、同じ圧力の蒸気のエンタルピー変化よりも一桁小さいものとなる。これにより、同じタービン効率を維持しながらも、より小さい出力レベルおよびより低い速度の選択が可能になり、分散発電により適したシステムの構築が可能になる。
【００３１】
タービン内でＲ−１２３を使用することの別の利点は、典型的な圧力のための流体作動温度を、Ｒ−１２３により、蒸気よりも２５０゜Ｆ低くすることができることにある。これは、熱膨張および材料選択の分野、特にシールおよびベアリングの分野において、集中器とタービンの双方に実質的な利点を与える。
【００３２】
制御システムは、一般に電子的なものとなるが、集中器および冷却システムに沿った様々なセンサからの入力を受信して、システムに沿う各点でバルブおよびポンプなどを制御することにより、熱機関サイクルとヒートポンプサイクルとの間の仕事配分を調整するのに使用することができる。類似または別個の制御システムは、代替的なタービン装置と冷却システムとの間のエネルギーの分配のために使用することができる。
【００３３】
本発明の利点は、電気的に動力を供給することなく包囲空間を冷却し、それにより既存の配線網システムに重い負担をかけないことにある。
【００３４】
本発明の別の利点は、グリーンハウスガスに関連して二酸化炭素排出を生じることなく包囲空間を冷却できることにある。
【００３５】
本発明の別の利点は、冷却サイクルの膨張および圧縮段階を一装置で組み合わせることにある。
【００３６】
本発明の別の利点は、規模に対応して、温度が上昇するに連れてより大きな冷却を提供することにある。
【００３７】
本発明の別の利点は、予め蓄積された熱エネルギーを使用して動力を与えることができることにある。
【００３８】
本発明の別の利点は、高周囲温度（１００゜Ｆ以上）の下で効率的に動作することにある。
【００３９】
本発明の別の利点は、周囲空気の冷却によって廃熱が環境に入るのを阻止されることにある。
【００４０】
本発明の別の利点は、環境に入るのを阻止される廃熱が蒸発冷却を必要としないことにある。
【００４１】
本発明の別の利点は、Ｕ字管集中器により動力が供給されることにある。
【００４２】
本発明の別の利点は、本発明がタービンと冷却システムとの間で動力を共有することができることにある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、従来の冷却システムの例示的な配置図である。
【図２】図２は、本発明を組み入れた冷却システムの一実施形態の例示的な配置図である。
【図３】図３は、本発明を組み入れた冷却システムの代替的な実施形態の例示的な配置図である。
【図４】図４は、本発明を組み入れた冷却システムの好ましい実施形態の例示的な配置図である。
【図５】図５は、ヒートポンプサイクルの一実施形態の例示的なＴ−Ｖ図を示している。
【図６】図６は、蒸気機関サイクルの一実施形態の例示的なＴ−Ｖ図を示している。
【図７】図７は、蒸気機関サイクルの一実施形態の例示的なＰ−Ｖ図を示している。
【図８】図８は、ヒートポンプサイクルの一実施形態の例示的なＰ−Ｖ図を示している。
【図９】図９は、蒸気機関（ＨＥ）圧力およびヒートポンプ（ＨＰ）圧力に対するピストンヘッド位置をそれぞれ示す、ピストンストロークについての例示的な時間プロットを示している。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
［冷却システム動作］
図１は、本発明の一実施形態を含む冷却システムの例示的な配置図である。冷媒１０は、飽和または過熱され得る蒸気として、出口バルブ３２を介して、管路３６、好ましくは銅管またはその他の適当な材料で適当なステージにサイズ設定された管路を経由して、凝縮ユニット４０に送られる。任意の昇圧コンプレッサ３８を必要に応じて加えて、冷却システム３０内の圧力をさらに上昇させるようにしてもよい。
【００４５】
冷媒１０は、その殆どがまだ蒸気であるが、凝縮を促進するために、その温度が、周囲または屋外温度よりも高いことが望まれる。凝縮熱交換器４２は、冷媒からの熱を廃熱の形態で周囲に伝達し、それにより冷媒１０を冷却して凝縮を引き起こす。集熱器４０は、結果として得られる液体を集めて、その液体が集熱器の底部にたまりを作る。好ましい実施形態においては、集熱器４０は、凝縮器４２により与えられるパルス状の流れ（pulsed flow）から、容器４０から流れる冷媒の定流を与えるようにサイズ設定する必要がある。
【００４６】
冷媒１０は、管路４４に沿って圧力調整バルブ４７を介して蒸発器タンク５０へと流れる。典型的には、圧力調整バルブ４７の集熱器４０側は、約４０ｐｓｉａの圧力を維持し、その一方で、蒸発器タンク５０側は、ピストン装置１７の働きにより２ｐｓｉａの低さにまで達する。このため、圧力調整バルブ４７は、好ましくは、冷媒１０の実質的な定流を与えるのに十分に流れを制限するように設計される。
【００４７】
プレヒータ領域４５は、露出表面が、蒸発器タンク５０の上半部内で最大化されて、未だ実質的に液相にある冷媒１０を蒸発器タンク５０の下半部に排出するように、好ましくは、蒸発器タンク５０内に設置することができる。
【００４８】
蒸発器タンク５０の一機能は、冷却された冷媒１０を集めて、冷媒容器４６を形成し、蒸発器タンク熱交換器５２により液体伝導性熱伝達を促進することである。プレヒータ領域４５に入る冷媒１０の温度は、冷媒容器４６よりも高く、それにより、蒸発経路５９に入る冷媒１０を加熱しながら、冷媒容器４６に入る冷媒１０を冷却することが可能となっている。蒸発経路は、典型的には、銅またはアルミ管、またはその他適当な材料からなり、蒸発器からの蒸発流出物を最大化するのに十分となるようにサイズ設定する必要がある。
【００４９】
蒸発器タンク熱交換器５２は、冷媒容器４６の冷却された冷媒１０に接触して、建物またはその他空間などの包囲空間６０から熱を引き出す。エンクロージャ熱交換器６２を介して、管内の流体を通じて熱が引き出され、熱交換器ループ５４を形成する。ファン６４をエンクロージャ熱交換器６２の近傍で作動させて熱伝達を促進するようにしてもよい。
【００５０】
当業者であれば、冷媒容器の凍結を防止するために注意を払うべきであることが分かるであろう。冷媒容器４６は、ヒートポンプサイクル中の蒸発のため、低温で維持される。質量に関して、冷媒容器４６内の冷媒１０の質量は、ピストン装置１７に対して一定の供給を与えるのに十分なものである必要がある。
【００５１】
［ピストンおよびバルブ動作］
好ましい実施形態においては、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮および蒸発段階がピストンおよびバルブシステムによって制御される。冷却システム３０は、ピストン装置１７に出入りする出口バルブ３２および入口バルブ３４を備え、ピストン装置１７が、好ましくは、チャンバ１４、ピストン１２、熱機関９０から仕事を受け取る液体連接ロッド１６を備える。ピストン装置１７は、予め設定された寸法のチャンバを含み、サイクルの様々な段階中に冷媒１０を保持する。ピストン１２は、チャンバ１４の内部で移動する。圧縮段階においては、ピストン１２が上死点２０に近付くに連れて圧縮が生じる。膨張段階においては、ピストン１２が下死点２２に近付くに連れて膨張が生じる。
【００５２】
ピストン１２が上死点２０に近付くと、両バルブ３２および３４が閉じられる。ピストン１２が降下すると、チャンバ１４は、その容積を増加しながら真空を引き込み始める。典型的には目標圧力によって決定される、降下の予め設定された時点において、入口バルブ３４が開放されるとともに、膨張経路および蒸発器タンク５０に取り込まれる冷媒１０が等エントロピー的にチャンバ１４内に膨張して、蒸発器タンク５０内の温度および圧力が降下する。
【００５３】
蒸発器タンク５０内では、蒸発冷媒５８により一定の温度および圧力が維持される。実際には、蒸発冷媒５８の温度および圧力は、蒸発器タンク５０に連続的に熱が加えられて断続的に蒸発が生じるため、膨張段階中に僅かに降下した後、出口バルブ３４が閉じるときに僅かに上昇することとなる。その変化量は、蒸発器タンク５０内の冷媒容器４６の質量に依存する。
【００５４】
下死点２２の近傍では、入口バルブ３４が閉じて、ピストン１２がその上方へのストロークを始める。冷媒１０は、圧縮ストローク中に等エントロピー的に圧縮されて、その温度および圧力が上昇する。所望の圧力に達すると、出口バルブ３２が開放されて、蒸気相にある冷媒１０が、管路３６中に、凝縮熱交換器４２に向けて排出される。上死点２０においては、出口バルブ３２が閉鎖されて、サイクルが再び新たに始まる。
【００５５】
好ましい実施形態においては、ピストン１２はＵ字管集中器８０の一部である。液体連接ロッド１６は、典型的には水であるが、集中器８０の内部で使用されて、ピストン１２と熱機関ピストン８２とを結合する。
【００５６】
ヒートポンプシリンダ壁１８およびピストン１２の上端ピストン面は、液体連接ロッド１６を含む集中器チャンバ１７の内部でＲ−１２３の凝縮が生じないように、Ｒ−１２３の飽和点より高く維持されるのが好ましい。壁１８の温度は、壁１８の高さに沿って変化するものであってもよい。ピストンシール１９は、チャンバ１４内のＲ−１２３を液体連接ロッド１６から分離するために、ピストン１２の上端にあることが望ましい。
【００５７】
集中器チャンバ１７内部のＲ−１２３の凝縮を防止する別の方法は、ピストン１２全体、シリンダ壁１８および水の温度を、Ｒ−１２３の最高点におけるその飽和圧力よりも高い温度で維持するというものである。例えば、その温度を４４℃に設定することができる。凝縮ユニット４０から戻る液体Ｒ−１２３の大量の廃熱は、この温度を維持するために利用可能である。Ｒ−１２３の飽和圧力よりも高く主要接触点を維持することにより、Ｒ−１２３がその上で凝縮することとなる表面が存在しなくなる。
【００５８】
集中チャンバ１７内で見られる最低動作圧力のために、水の飽和圧力未満に水の温度を維持することが好ましい。一実施例においては、最低動作圧力のための水の飽和温度は４９℃である。この実施例においては、良好な動作のために露出表面を維持できる５℃の領域が存在する。
【００５９】
システムの利用法は、Ｒ−１２３および水とともに使用することに限定されるものではない。その他の作動流体を使用できることが当業者には明らかである。
【００６０】
［タービン］
システムには、Ｒ−１２３冷媒１０で動作するタービン７０または発電機７６を設けることができる。これは幾つかの利点を与える。第一に、同じ集中器８０が、冷却システム３０とタービン７０とに冷媒１０を与えることができ、それにより、エンドユーザに対してフレキシビリティを与えることができる。例えば、タービン７０は、最高周囲温度で出力される最大システムよりも小さくサイズ設定することができ、それによりタービン７０および発電機７６のコストを低下させることができる。高温の期間中における集中器８０の追加的出力能力は、その後、冷却システム３０により利用されて、追加的冷却能力をそれが主として最も必要とされるときに与えることができる。
【００６１】
チャンバ１４からの排出後に冷媒１０の圧力を増加させて、必要に応じて、より高い許容周囲排出温度を与えるために、任意の昇圧コンプレッサ３８を使用することができる。昇圧コンプレッサのための動力は、補助電源またはタービン７０により与えることができ、それらは、冷却システム３０に動力を与えるために使用される同じ冷媒１０によって駆動されるとともに、冷却システム３０のために使用される同じ原理およびサイクルによりタービン入口７２および出口バルブ７４を制御する。
【００６２】
本発明の本質を変えることなく、バルブ３２，２４，７２および７４のタイミングおよびその他の動作パラメータにおける軽微な変更を加えることができることが、当業者には明らかであろう。例えば、チャンバ１４に対するその追加の前に冷媒１０に加えられる過熱量は、もしある場合には、異なる動作温度を実現するために、作り出すことができる。
【００６３】
［システム設計：熱機関とヒートポンプ間のバランス］
図２乃至図５は、熱機関サイクルとヒートポンプサイクルが、太陽加熱のような熱的加熱を冷却に変換するために如何にして相互作用するのかの一実施形態を示している。
【００６４】
熱機関９０により与えられる入力仕事（input work）がヒートポンプ９２およびシステム損失により使用される仕事と一致するようにシステムを設計すべく注意を払うべきである。サイクル毎の仕事入力は、図４に示されるＰＶ曲線により囲まれる領域により示されている。サイクル毎の出力仕事は、図５に示されるＰＶ曲線により囲まれる領域により示されている。
【００６５】
熱機関９０膨張ストロークにより与えられる仕事は、ＰＶ仕事と、Ｕ字管８０の２サイド間の水頭オフセット量により行われる仕事との両方からなる。システムの運動エネルギーは、上死点２０と下死点２２の両方でゼロに近付くため、運動エネルギーは仕事バランス計算に影響を与えることはない。設計の際には、所望の動作圧力および温度を実現しながら仕事バランスを得るのを補助するために、水頭オフセットを調整することができる。
【００６６】
方法、装置および製品の特定の例を本明細書中に述べてきたが、本特許の保護範囲はそれに限定されるものではない。それとは反対に、本発明は、添付の請求項の範囲内に文字通りにまたは均等論の下で適正に含まれるすべての方法、装置および製品を保護するものである。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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