(57)【要約】  冷凍構成要素の構成要素から冷媒を受け取り、収着機によって提供される第１の流体でそれを冷却するように構成された少なくとも１つの第１の熱交換器と、少なくとも１つの第１の熱交換器から冷媒を受け取り、補助冷却器によって提供される第２の流体で冷媒の温度を調整するように構成された少なくとも１つの第２の熱交換器と、を備える冷凍構成要素内を流れる冷媒を有するマルチカスケード冷却システムが開示される。冷媒は、少なくとも１つの第２の熱交換器から冷凍構成要素の別の構成要素に流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍構成要素内を流れる冷媒を有するマルチカスケード冷却システムであって、
前記冷凍構成要素の構成要素から前記冷媒を受け取り、収着機によって提供される第１の流体でそれを冷却するように構成された少なくとも１つの第１の熱交換器と、
前記少なくとも１つの第１の熱交換器から前記冷媒を受け取り、補助冷却器によって提供される第２の流体で前記冷媒の温度を調整するように構成された少なくとも１つの第２の熱交換器と、を備え、
前記冷媒が、前記少なくとも１つの第２の熱交換器から前記冷凍構成要素の別の構成要素に流れる、システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第１の熱交換器および前記少なくとも１つの第２の熱交換器が、少なくとも１つの二重熱交換器に統合され、前記冷媒が、同時に、前記第１の流体によって冷却され、かつ前記少なくとも１つの二重熱交換器内の前記第２の流体によって調整される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第２の熱交換器が、前記第１の流体の温度を前記第２の流体で調整するように構成され、前記少なくとも１つの第１の熱交換器が、前記冷媒を冷却するために前記第１の流体を前記少なくとも１つの第２の熱交換器から受け取るように構成され、前記冷媒が、前記少なくとも１つの第１の熱交換器から前記冷凍構成要素の前記別の構成要素に流れる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの第２の熱交換器が、前記第２の流体を前記第１の流体で冷却するように構成され、前記少なくとも１つの第１の熱交換器が、前記冷媒を冷却するために冷却された第２の流体を前記少なくとも１つの第２の熱交換器から受け取るように構成され、前記冷媒が、前記少なくとも１つの第１の熱交換器から前記冷凍構成要素の前記別の構成要素に流れる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記収着機が、吸収機、吸着機、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項２〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記収着機が、中水、蒸気、排気ガス、温水、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される残留エネルギーによって主に給電される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２の流体が、残留エネルギーの揮発性からもたらされる前記第１の流体の一貫性のない温度に起因する前記冷媒の前記温度を調整するために採用される、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記構成要素が、凝縮器であり、前記別の構成要素が、膨張弁である、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記冷媒が、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の流体および前記第２の流体が、水、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載の前記マルチカスケード冷却システムの動作方法であって、
前記構成要素から前記冷媒を受け取ることと、
前記冷媒を前記第１の流体で冷却することと、
前記第２の流体で前記冷媒の前記温度を調整することと、
前記冷媒を前記別の構成要素に流すことと、を含む、方法。
【請求項１２】
前記温度を前記調整することが、前記第２の流体で前記第１の流体の前記温度を調整することである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の流体で前記冷媒の前記温度を調整すること、前記第１の流体が、前記第２の冷却を冷却している。
【請求項１４】
前記マルチカスケード冷却システムが、輸送車両に設置されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項１５】
前記収着機が、車両エンジンのラジエータ流体、前記車両エンジンのオイル、排気ガス、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される残留エネルギーによって給電される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記補助冷却器が、補助電池によって給電される、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の主題は、概して、冷凍に関する。より具体的には、本開示の主題は、冷却システムのエネルギー効率の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
市販のカスケード装置は、典型的に、１つ以上の単一回路冷凍装置からなり、各装置は、圧縮器、蒸発器、凝縮器、膨張弁、および熱交換器を含む。典型的には、カスケード装置は２回路の冷凍装置を表すため、カスケードごとに異なる冷媒電力が供給される。ヒートポンプは、空気を熱媒体として利用する空気予冷タイプの装置など、様々な冷媒とのカスケードサイクルで機能することができ、一次冷却回路には、圧縮器、凝縮器、蒸発器、トリプルストリーム熱交換器が含まれる。そのような市販のカスケード装置は、トリプルストリーム熱交換器に接続することができる補助圧縮器、凝縮器および蒸発器を採用している。
【０００３】
既存のカスケード冷凍装置では、通常、２台以上の電動圧縮器を使用する。低温カスケード冷凍装置は、出力冷凍よりも３０〜４０％高い入力電力で動作する。
【０００４】
他の市販のシステムでは、冷凍装置は、圧縮回路と吸収回路の両方を含むことができる。吸収回路は、エンジンまたは主発電機の組み合わせを含むことができる。そのドライバは、吸収回路の発電機に熱エネルギーを供給し、冷凍回路の電気駆動装置に電気エネルギーを供給する。冷凍圧縮器を吸着回路に連結するこの方法では、上記の冷凍装置をカスケード型として分類することはできない。他方で、それは、ハイブリッド装置として十分に分類されることもあり、圧縮器は、冷媒蒸気を凝縮器または中間熱交換器に供給する。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の主題の第１の態様によれば、冷凍構成要素に流れる冷媒を有するマルチカスケード冷却システムであって、
冷凍構成要素の構成要素から冷媒を受け取り、収着機によって提供される第１の流体でそれを冷却するように構成された少なくとも１つの第１の熱交換器と、
少なくとも１つの第１の熱交換器から冷媒を受け取り、補助冷却器によって提供される第２の流体で冷媒の温度を調整するように構成された少なくとも１つの第２の熱交換器と、を備え、
冷媒が、少なくとも１つの第２の熱交換器から冷凍構成要素の別の構成要素に流れる、システム。
【０００６】
いくつかの例示的な実施形態では、少なくとも１つの第１の熱交換器および少なくとも１つの第２の熱交換器が、少なくとも１つの二重熱交換器に統合され、冷媒が、同時に、第１の流体によって冷却され、かつ少なくとも１つの二重熱交換器内の第２の流体によって調整される。
【０００７】
いくつかの例示的な実施形態では、少なくとも１つの第２の熱交換器が、第１の流体の温度を第２の流体で調整するように構成され、少なくとも１つの第１の熱交換器が、冷媒を冷却するために第１の流体を少なくとも１つの第２の熱交換器から受け取るように構成され、冷媒が、少なくとも１つの第１の熱交換器から冷凍構成要素の別の構成要素に流れる。
【０００８】
いくつかの例示的な実施形態では、少なくとも１つの第２の熱交換器が、第２の流体を第１の流体で調整するように構成され、少なくとも１つの第１の熱交換器が、冷媒を冷却するために冷却された第２の流体を少なくとも１つの第２の熱交換器から受け取るように構成され、冷媒が、少なくとも１つの第１の熱交換器から冷凍構成要素の別の構成要素に流れる。
【０００９】
いくつかの例示的な実施形態では、収着機が、吸収機、吸着機、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
【００１０】
いくつかの例示的な実施形態では、収着機が、中水、蒸気、排気ガス、温水、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される主に残留エネルギーによって給電される。
【００１１】
いくつかの例示的な実施形態では、第２の流体が、残留エネルギーの揮発性からもたらされる第１の流体の一貫性のない温度に起因する冷媒の温度を調整するために採用される。
【００１２】
いくつかの例示的な実施形態では、構成要素が、凝縮器であり、別の構成要素が、膨張弁である。
【００１３】
いくつかの例示的な実施形態では、冷媒が、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
【００１４】
いくつかの例示的な実施形態では、第１の流体および第２の流体が、水、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
【００１５】
本開示の主題の別の態様によれば、マルチカスケード冷却システムの動作方法であって、
構成要素から冷媒を受け取ることと、
冷媒を第１の流体で冷却することと、
第２の流体で冷媒の温度を調整することと、
冷媒を別の構成要素に流すことと、を含む、方法。
【００１６】
いくつかの例示的な実施形態では、温度を当該調整することが、第２の流体で第１の流体の温度を調整することである。
【００１７】
いくつかの例示的な実施形態では、冷媒を当該冷却することが、第２の流体で冷却しかつ冷媒の温度を調整することであり、第１の流体が、第２の冷却を冷却している。
【００１８】
いくつかの例示的な実施形態では、マルチカスケード冷却システムが、輸送車両に設置されている。
【００１９】
いくつかの例示的な実施形態では、収着機が、車両エンジンのラジエータ流体、車両エンジンのオイル、排気ガス、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される残留エネルギーによって給電される。
【００２０】
いくつかの例示的な実施形態では、補助冷却器が、補助電池によって給電される。
【００２１】
特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本開示の主題が属する技術分野において当業者により一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に説明されるものと類似または同等の方法および材料が本開示の主題の実施または試験に使用され得るが、好適な方法および材料が以下に説明される。矛盾する場合、定義を含む明細書が優先される。加えて、材料、方法、および例は説明のみを目的としており、限定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
添付の図面を参照して、例としてのみ記載された開示された主題のいくつかの実施形態。ここで詳細に図面を具体的に参照すると、示される詳細は、例として、本開示の主題の好ましい実施形態の例示的な議論のみを目的とするものであり、開示された主題の原理および概念的側面の最も有用で容易に理解できる説明であると考えられるものを提供するという理由で提示されている。この点に関して、開示された主題の基本的な理解、開示された主題のいくつかの形態が、実際にどのように具体化され得るかを当業者に明らかにする図面とともに取られた説明に必要な以上に、開示された主題の構造的詳細を示す試みはなされていない。
【図１】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムの構成のブロック図を示す。
【図２】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムの別の構成のブロック図を示す。
【図３】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムのさらに別の構成のブロック図を示す。
【図４】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムのさらに別の構成のブロック図を示す。
【図５】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムのＰ−Ｈ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
開示された主題の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、開示される主題は、その適用において、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構成要素の詳細および配置に限定されないことを理解されたい。開示された主題は、他の実施形態が可能であるか、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。加えて、本明細書で用いられる語法および用語は、説明を目的とするものであり、限定とみなされるべきではないことが理解されるべきである。図面は一般的に縮尺どおりではない。明確にするために、一部の図面では必須ではない要素は省略されている。
【００２４】
本開示の１つの技術的目的は、市販の冷却システムの凝縮器と蒸発器との間に少なくとも１つの熱交換器をカスケードすることによって、冷却システムのエネルギー効率を改善することである。いくつかの例示的な実施形態では、熱交換器を冷却システムに追加することができる。熱交換器は、市販のシステムの凝縮器と蒸発器との間を流れる冷媒から熱を吸収するために残留流体を利用することができる。開示された主題を利用することの１つの技術的効果は、熱交換器で冷媒温度を下げることによってエネルギー消費を大幅に削減することである。
【００２５】
開示された主題によって扱われる別の技術的問題は、蒸気、中水、これらの組み合わせなどの残留流体の利用可能性を利用することである。付加的に、冷却システムの精度、例えば、設定温度とエネルギー消費量に影響を与える可能性のある残留流体の不定性（ｉｎｃｏｎｓｔａｎｃｙ）と不安定性（ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）に対処する。
【００２６】
別の技術的解決策は、冷媒温度を調整するために、かつ熱交換器に供給される残留流体の不定性を補償するために、熱交換器を超えて少なくとも１つの圧縮器ベースの冷却システムをカスケード接続することである。残留流体のルースは、典型的には、オフピックの作業時間に発生することに留意されたい。したがって、本開示の別の態様は、残留流体の供給源が継続的に提供されない場合でさえも、エネルギー効率の解決策を持続することである。
【００２７】
開示された主題を利用することの１つの技術的効果は、冷凍装置のエネルギー消費の高効率性である。２つの回路のカスケードを備えた冷凍装置の動作の最も重要なパラメータは、その動作のパラメータの高精度の制御および動作の安定性である。
【００２８】
ここで図１を参照すると、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システム１００の第１の構成のブロック図を示している。冷却システムは、圧縮器１０１、凝縮器１０２、主熱交換器１０３、補助熱交換器１０４、膨張弁１０５、蒸発器１０７、および温度センサ１０６を備えることができる。さらに、冷媒導体１１１は、図１に示される構成のようなループで上記の冷凍構成要素を接続するために使用され得る。いくつかの例示的な実施形態では、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４などのような冷却剤冷媒は、導体１１１内を流れ、上記の冷凍構成要素を通過し得る。
【００２９】
いくつかの例示的な実施形態では、冷却剤冷媒は、次の順序で圧縮器１０１から蒸発器１０７にループで流れる：第１の凝縮器１０２、主熱交換器１０３の第２の冷媒回路、補助熱交換器１０４の第３の冷媒回路、および最後の膨張弁１０５、その後蒸発器１０７へと膨張する。いくつかの例示的な実施形態では、冷却剤冷媒は、主熱交換器１０３の一次回路１０３Ｐを通って流れ、次に主熱交換器１０３の一次回路１０４Ｐを通って流れる。冷却剤冷媒は、熱交換器１０３の回路１０８（以下、流体１０８）を介して流れる流体、ならびに補助熱交換器１０４の回路１０９（以下、流体１０９）を流れる流体によって冷却することができる。
【００３０】
いくつかの例示的な実施形態では、主熱交換器１０３は、冷却剤冷媒を流体１０８で冷却するためのカスケードシステムの第２のステップとして使用することができる。流体１０８は、収着機（図示せず）によって提供され得る。付加的または代替的に、補助熱交換器１０４は、流体１０９で冷却剤冷媒を冷却するためのカスケードシステムの第３のステップとして使用され得る。流体１０９は、補助冷却システム（図示せず）として機能する市販の冷却システムによって提供され得る。収着機は典型的に、そのエネルギー源として残留流体を利用し、補助冷却システム（ＡＣＳ）と収着機の両方のエネルギー消費は、基本システム、すなわちシステム１００から両方の熱交換器を差し引いたものよりも実質的に低い。システム１００の成績係数（ＣＯＰ）は、残留エネルギーを利用した流体１０８による冷却剤冷媒の追加の冷却を利用することにより劇的に改善されることに留意されたい。
【００３１】
いくつかの例示的な実施形態では、補助熱交換器１０４は、カスケードシステムにおける冷却の第３のステップとして使用され得る。補助熱交換器１０４は、残留流体および／または任意の他の吸収材料供給の揮発性のために、冷却剤冷媒温度を安定させるために、主熱交換器１０３の後に接続することができる。付加的に、補助熱交換器１０４を使用して、所望の温度への冷却を制御することができ、したがって、調整器として使用することができる。これは、システム全体の利益に影響を及ぼし、その動作に安定性をもたらし、圧縮器および膨張弁１０５の寿命を延ばす。いくつかの例示的な実施形態では、補助熱交換器１０４は、主冷媒温度を調整し、残留熱の一貫性の欠如による温度低下を補うために、冷却剤流体を第２の回路１０９に供給する市販の冷却システムであり得る。
【００３２】
蒸気、中水などエネルギーの大部分に寄与する残留流体生成が増加した場合、二重カスケード自己調整システムは、補助熱交換器１０４の作動を必要としない場合があることが理解されよう。しかしながら、残留流体がない場合、負荷の大部分は凝縮器１０２と、流体１０９を提供するＡＣＳにかかり、見かけの温度で動作し、その結果、市販の機械のＣＯＰよりもはるかに高いＣＯＰで動作する。
【００３３】
いくつかの例示的な実施形態では、収着機は、流体の代わりに固体吸収材料を利用することができる。付加的または代替的に、収着機は、残留エネルギーがないときに機械に供給する補助的な（予備の）熱源（残留物）で促進され得る。
【００３４】
開示された主題のいくつかの例示的な実施形態では、マルチカスケード冷却システム１００は、冷凍トラック、鉄道冷蔵車、輸送コンテナなどの貨物輸送車両（ＦＴＶ）で利用することができる。冷凍ＦＴＶは、特定の温度で生鮮貨物を輸送するために使用される。本開示の冷却システム１００はまた、肉、魚、植物、危険物質などのバルク輸送において特定の温度を維持するための貨物船において利用され得る。
【００３５】
そのようなＦＴＶの例示的な実施形態では、冷却システム１００は、図１に示される実施形態と同様であり得るが、主熱交換器１０３および補助熱交換器１０４は、異なって給電され得る。主熱交換器１０３は、冷却剤冷媒を流体１０８で冷却するためのカスケードシステムの第２のステップとして使用することができる。流体１０８は、収着機（図示せず）によって提供され得る。いくつかの例示的な実施形態では、ＦＴＶの実施形態で利用される収着機は、それが使用する残留エネルギーの源のために、典型的な固定式収着機とは異なる場合がある。ＦＴＶの実施形態では、残留エネルギーの代替源は、車両エンジンのラジエータ流体、車両エンジンのオイル、排気ガス、およびこれらの任意の組み合わせなどからなる群から選択することができる。
【００３６】
付加的または代替的に、補助熱交換器１０４は、流体１０９で冷却剤冷媒を冷却するためのカスケードシステムの第３のステップとして使用され得る。流体１０９は、充電可能な補助電池（図示せず）によって給電される市販の冷却システムによって提供することができる。いくつかの例示的な実施形態では、補助電池は、車両が駐車している間に、車両オルタネータおよびライン電源によって給電されるように適合させることができる。
【００３７】
ＦＴＶの実施形態における収着機およびＡＣＳの利用は、市販の冷凍車両と比較して著しくエネルギー消費を下げ、したがって、ＣＯＰを劇的に改善する。
【００３８】
開示された主題のＦＴＶ機能を利用することの追加の技術的効果は、車両の燃料消費量を調整閾値未満に下げることであり、これによりバイオディーゼルの使用が免除される。
【００３９】
ここで図２を参照すると、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システム２００の第２の構成のブロック図を示している。冷却システムは、圧縮器１０１、凝縮器１０２、二重熱交換器１１０、膨張弁１０５、蒸発器１０７、および温度センサ１０６などの冷凍構成要素を備えることができる。さらに、冷媒導体１１１は、図２に示される構成のようなループで上記の冷凍構成要素を接続するために使用され得る。いくつかの例示的な実施形態では、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４などの冷却剤冷媒（流体）は、導体１１１内を流れ、上記の冷凍構成要素を通過し得る。
【００４０】
いくつかの例示的な実施形態では、冷媒は、圧縮器１０１から凝縮器１０２、次に二重熱交換器１１０、次に膨張弁１０５にループで流れてから、蒸発器１０７に膨張する。いくつかの例示的な実施形態では、二重熱交換器１１０の一次回路１１０Ｐを介する冷媒流は、第１の回路１０８を介して流れる第１の流体および二重熱交換器１１０の第２の回路１０９を流れる第２の流体によって冷却することができる。
【００４１】
いくつかの例示的な実施形態では、第１の回路１０８を介して流れる第１の流体、以下、流体１０８は、水または上記のような冷媒のいずれかであり得る。同様に、第２の回路１０９内を流れる第２の流体、以下、流体１０９はまた、水または上記の冷媒のいずれかであり得る。流体１０８は、市販の収着機（図示せず）によって提供することができ、一方、流体１０９は、通常、ＡＣＳ（図示せず）によって提供される典型的な冷媒冷却剤であり得る。
【００４２】
収着機が、蒸気、排気ガス、温水、およびこれらの任意の組み合わせの形態の残留エネルギーを利用して冷水から熱を除去し、収着液を再生するために使用されることは留意すべきである。収着は、ある物質が別の物質に付着する物理的および化学的プロセスである。本開示は、吸収機または吸着機のいずれかを利用することができることに留意されたい。吸収機は、ある状態の物質を別の状態に変化させ、例えば、液体が固体に吸収される、または気体が液体に吸収される。吸着機は、イオンと分子を別の相の表面に結合し、例えば、試薬は、固体触媒表面に吸着する。例えば、吸着機には流体冷却剤を吸着する固体物質が組み込まれ、吸収機にはガス冷却剤を吸着する液体物質が組み込まれる。
【００４３】
いくつかの例示的な実施形態では、吸収機または吸着機（図示せず）のいずれかを冷却流体１０８に使用することができ、これはその後、二重熱交換器１１０の冷却剤冷媒（一次回路１１０Ｐに流れ込む）を冷却する。したがって、冷却剤冷媒をさらに冷却するために二重熱交換器１１０をカスケードすることにより、残留エネルギーを利用する収着機で、システムの成績係数（ＣＯＰ）が増加する。
【００４４】
付加的または代替的に、チラーなどのＡＣＳ（図示せず）を利用して、流体１０９を調整することができ、これは、続いて、二重熱交換器１１０の冷却剤冷媒（一次回路１１０Ｐに流入する）を冷却する。一次回路１１０Ｐに流入する冷却剤冷媒の温度を調整するために流体１０９を使用できることが理解されよう。いくつかの例示的な実施形態では、冷却剤冷媒の冷却および調整は、それぞれ流体１０８および流体１０９によって同時に行うことができる。
【００４５】
収着機を駆動する残留エネルギーの性質が不定であるため、調整が必要になる場合がある。いくつかの例示的な実施形態では、オフピーク時間を補うために、中水、蒸気などの残留エネルギーがピーク時間中に蓄積され得、したがって、収着機への継続的な供給が維持される。そのような実施形態では、流体１０９は、冷却需要および流体１０８の温度の不安定性を補償するために、冷却剤冷媒温度を調整するために使用され得る。他の例示的な実施形態では、流体１０９はまた、残留エネルギー蓄積器を欠くシステムにおいて、オフピーク時間を補うために使用され得る。
【００４６】
いくつかの例示的な実施形態では、カスケードシステムの冷却剤冷媒の冷却は、３つの段階で行うことができる：凝縮器１０２を備えた圧縮器１０１による第１の段階、流体１０８による第２の段階、および流体１０９による第３の段階。二重熱交換器１１０の第２の回路１０９は、収着機のスループットに影響を及ぼし得る残留流体の揮発性のために、冷却剤冷媒温度を安定化するために使用され得ることに留意されたい。第２の回路１０９はまた、所望の温度への冷却を制御するために使用され得る。カスケード冷却システム２００のこの構成は、システム全体の効率を改善し、その動作に安定性をもたらし、圧縮器１０１および膨張弁１０５の平均余命を延ばす。いくつかの例示的な実施形態では、流体１０９は、主冷媒温度および残留熱の一貫性の欠如による温度低下の構成を調整するために、冷却剤流体１０９を第２の回路１０９に供給する市販の冷却システムによって提供され得る。
【００４７】
蒸気、中水などエネルギーの大部分に寄与する残留流体生成が増加した場合、二重カスケード自己調整システムは、補助熱交換器１０４の作動を必要としない場合があることが理解されよう。しかしながら、残留流体がない場合、負荷の大部分は、圧縮器１０１、凝縮器１０２、およびＡＣＳにかかり、見かけの温度で動作し、その結果、市販の機械のＣＯＰよりもはるかに高いＣＯＰで動作する。冷却カスケードシステムのＣＯＰは、残留流体のエネルギー蓄積を利用することにより劇的に改善されることに留意されたい。
【００４８】
ここで図３を参照すると、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システム３００の第２の構成のブロック図を示している。冷却システムは、圧縮器１０１、凝縮器１０２、主熱交換器１０３、補助熱交換器１０４、膨張弁１０５、蒸発器１０７、および温度センサ１０６などの冷凍構成要素を備えることができる。さらに、冷媒導体１１１は、図３に示される構成のようなループで上記の冷凍構成要素を接続するために使用され得る。いくつかの例示的な実施形態では、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４などのような冷却剤冷媒は、導体１１１内を流れ、上記の冷凍構成要素を通過し得る。
【００４９】
いくつかの例示的な実施形態では、冷却剤冷媒（流体）は、圧縮器１０１から凝縮器１０２、次に主熱交換器１０３、次に膨張弁１０５にループで流れてから、蒸発器１０７へと膨張する。冷却剤冷媒は、主熱交換器１０３の一次回路１０３Ｐを経由して膨張弁１０５に流れる。冷却剤冷媒は、主熱交換器１０３内で、収着機（図示せず）によって回路１０８に提供される流体１０８によって冷却することができる。いくつかの例示的な実施形態では、流体１０８は、さらなる冷却および温度調整の目的で、最初に補助熱交換器１０４に入る。流体１０８は、補助熱交換器１０４の回路１０９内を流れる第２の流体によって、補助熱交換器１０４内で調整され得る。
【００５０】
いくつかの例示的な実施形態では、第１の回路１０８を介して流れる第１の流体（流体１０８）は、水または上記のような冷媒のいずれかであり得る。同様に、第２の回路１０９内を流れる第２の流体、以下、流体１０９はまた、水または上記の冷媒のいずれかであり得る。
【００５１】
流体１０８は、市販の収着機（図示せず）によって提供することができ、一方、流体１０９は、通常、ＡＣＳ（図示せず）によって提供される典型的な冷媒冷却剤であり得る。
【００５２】
収着機が、蒸気、排気ガス、温水、およびこれらの任意の組み合わせの形態の残留エネルギーを利用して冷水から熱を除去し、収着液を再生するために使用されることは留意すべきである。収着は、ある物質が別の物質に付着する物理的および化学的プロセスである。本開示は、吸収機または吸着機のいずれかを利用することができることに留意されたい。吸収機は、ある状態の物質を別の状態に変化させ、例えば、液体が固体に吸収される、または気体が液体に吸収される。吸着機は、イオンと分子を別の相の表面に結合し、例えば、試薬は、固体触媒表面に吸着する。
【００５３】
いくつかの例示的な実施形態では、吸収機または吸着機（図示せず）のいずれかを冷却流体１０８に使用することができ、これはその後、主熱交換器１０３の冷却剤冷媒（一次回路１０３Ｐに流れ込む）を冷却する。したがって、冷却剤冷媒をさらに冷却するために主熱交換器１０３をカスケードすることにより、残留エネルギーを利用する収着機で、システムの成績係数（ＣＯＰ）が増加する。
【００５４】
付加的または代替的に、ＡＣＳ（図示せず）は、主熱交換器１０３内の流体１０８を冷却する流体１０９を冷却するために利用され得る。収着機を駆動する残留エネルギーの性質が不定であるため、流体１０９を流体１０８の温度を調整するために使用できることが理解されよう。いくつかの例示的な実施形態では、オフピーク時間を補うために、中水、蒸気などの残留エネルギーがピーク時間中に蓄積され得、したがって、収着機への継続的な供給が維持される。そのような実施形態では、流体１０９は、冷却需要および流体１０８の温度の不安定性を補償するために、流体１０８を調整するために使用され得る。
【００５５】
いくつかの例示的な実施形態では、カスケードシステムの冷却剤冷媒の冷却は、３つの段階で行うことができる。凝縮器１０２を備えた圧縮器１０１による第１、流体１０８による第２、および流体１０９による第３。熱交換器１０４の回路１０９は、収着機のスループットに影響を及ぼし得る残留流体の揮発性のために、流体１０８温度を安定化するために使用され得ることに留意されたい。回路１０９はまた、所望の温度への冷却を制御するために使用され得る。カスケード冷却システム３００のこの構成は、システム全体効率を改善し、その動作に安定性をもたらし、圧縮器および膨張弁１０５の平均余命を延ばす。いくつかの例示的な実施形態では、流体１０９は、流体１０８の温度を調整するために、冷却剤流体１０９を回路１０９に供給する市販の冷却システムによって提供され得る。
【００５６】
蒸気、中水などエネルギーの大部分に寄与する残留流体生成が増加した場合、二重カスケード自己調整システムは、流体１０８を提供する付加的冷却システムの作動を必要としない場合があることが理解されよう。
【００５７】
ここで図４を参照すると、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システム４００の以後の構成のブロック図を示している。マルチカスケード冷却システム４００の以下の以後の構成は、残留エネルギーの供給が非常に不安定であり、頻繁に中断される可能性がある用途に好適である可能性があることに留意されたい。
【００５８】
冷却システムは、圧縮器１０１、凝縮器１０２、主熱交換器１０４、補助熱交換器１０３、膨張弁１０５、蒸発器１０７、および温度センサ１０６などの冷凍構成要素を備えることができる。さらに、冷媒導体１１１は、図４に示される以後の構成のようなループで上記の冷凍構成要素を接続するために使用され得る。いくつかの例示的な実施形態では、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１２、Ｒ１３４などのような冷却剤冷媒は、導体１１１内を流れ、上記の冷凍構成要素を通過し得る。
【００５９】
いくつかの例示的な実施形態では、冷却剤冷媒は、圧縮器１０１から凝縮器１０２、次に主熱交換器１０４、次に膨張弁１０５にループで流れてから、蒸発器１０７へと膨張する。冷却剤冷媒は、主熱交換器１０３の一次回路１０４Ｐを経由して膨張弁１０５に流れる。冷却剤冷媒は、空調システム、チラーなどのＡＣＳ（図示せず）によって提供される流体１０９によって、主熱交換器１０４内で冷却することができる。流体１０９は、主熱交換器１０４の一次回路１０４Ｐに流入する冷却剤冷媒を冷却するために利用され得る。いくつかの例示的な実施形態では、流体１０９は、主熱交換器１０４に入る前に、さらなる冷却目的のために、回路１０９を介して補助熱交換器１０３に供給され得る。この例示的な実施形態では、補助熱交換器１０３は、回路１０８を介して収着機（図示せず）によって提供される流体１０８で流体１０９を冷却するために使用することができる。収着機は、流体１０９に追加の冷却に寄与する残留エネルギーを利用する補助エネルギー源として機能することが理解されよう。この構成では、流体１０９への追加の冷却は、本開示システムの通常の動作には必須ではないが、残留エネルギーの存在は、流体１０９を提供する冷却システムのエネルギー消費を劇的に減少させ、それにより、カスケードシステム全体のＣＯＰを増加させる。流体１０９は温度調整器として機能し、その動作は、設定値センサ１０６の冷却要求および収着機への残留エネルギーの存在によって規定され得ることに留意されたい。
【００６０】
いくつかの例示的な実施形態では、流体１０８は、水または上記のような冷媒のいずれかであり得る。同様に、回路１０９内を流れる流体１０９はまた、水または上記の冷媒のいずれかであり得る。流体１０８は、市販の収着機（図示せず）によって提供することができ、一方、流体１０９は、通常、ＡＣＳ（図示せず）によって提供される典型的な冷媒冷却剤であり得る。
【００６１】
収着機が、蒸気、排気ガス、温水、およびこれらの任意の組み合わせの形態の残留エネルギーを利用して冷水から熱を除去し、収着液を再生するために使用されることは留意すべきである。収着は、ある物質が別の物質に付着する物理的および化学的プロセスである。本開示は、吸収機または吸着機のいずれかを利用することができることに留意されたい。吸収機は、ある状態の物質を別の状態に変化させ、例えば、液体が固体に吸収される、または気体が液体に吸収される。吸着機は、イオンと分子を別の相の表面に結合し、例えば、試薬は、固体触媒表面に吸着する。
【００６２】
いくつかの例示的な実施形態では、吸収機または吸着機（図示せず）のいずれかを冷却流体１０８に使用することができ、これはその後、主熱交換器１０４の冷却剤冷媒（一次回路１０４Ｐに流れ込む）を冷却する。したがって、冷却剤冷媒をさらに冷却するために主熱交換器１０３をカスケードすることにより、残留エネルギーを利用する収着機で、システムの成績係数（ＣＯＰ）が増加する。
【００６３】
付加的または代替的に、空調システム、チラーなどのような追加の冷却システム（図示せず）を、冷却剤冷媒を冷却する冷却流体１０９に利用することができる。収着機を駆動する残留エネルギーの性質が不定であるため、流体１０９も調整器として使用できることが理解されよう。いくつかの例示的な実施形態では、オフピーク時間を補うために、中水、蒸気などの残留エネルギーがピーク時間中に蓄積され得、したがって、収着機への継続的な供給が維持される。そのような実施形態では、流体１０８は、冷却需要を補償し、流体１０９供給源を軽減するために、流体１０９をさらに冷却するために使用され得る。
【００６４】
いくつかの例示的な実施形態では、カスケードシステムの冷却剤冷媒の冷却は、３つの段階で行うことができる。凝縮器１０２を備えた圧縮器１０１による第１の段階、流体１０９による第２の段階、および流体１０８による第３の段階。カスケード冷却システム３００のこの構成は、システム全体の効率を改善し、その動作に安定性をもたらし、圧縮器および膨張弁１０５の平均余命を延ばす。
【００６５】
開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケード冷却システムのＰ−Ｈ図を示す図５をここで参照する。ｐ−ｈ図は、絶対圧力［ｐ］の縦軸と、特定のエンタルピー［ｈ］の横軸を有する図である。この図は、市販の冷却システムに関して、本開示のマルチカスケード冷却システムの性能を決定および評価するために使用することができる。いくつかの例示的な実施形態では、蒸気性冷却剤は、蒸発器１０７（ポイント１）から圧縮器１０１に流れ込む。圧縮されると、圧力と温度が高くなる（ポイント２）。高温の蒸気は凝縮器１０２に流れ込み、そこで冷却され、わずかな過冷却で凝縮される（ポイント３）。市販のサイクル（凝縮器１０２の後に膨張弁１０５および温度制御センサ６が続く）とは対照的に、本開示スキームは、流体１０８および流体１０９で冷却剤冷媒をさらに冷却するための２つの追加の順次接続された回路（１０３および１０４）を含む。したがって、主な熱処理負荷が回路１０８にかかるように、サイクル（過冷却）をポイント３’まで伸ばす。ここで、収着回路は、そのＣＯＰを著しく上昇させ、最大の効果で低品位の排気熱を利用することを可能にするより高い温度の下で機能する。回路１０９のそれは、回路１０８の後に接続され、ベース冷却剤を事前設定温度（ポイント４’）に高精度で冷却することによって過冷却のプロセスを制御するために使用され得る。これにより、冷却能力がδＱ増加する。
【００６６】
以下は、図１に示される例示的な構成（１００）の試験データを含む。このシステムは、基本的な冷却装置、すなわち、圧縮器１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０５、蒸発器１０７、冷媒導体１１１によって接続された温度センサ１０６を備えていた。その基本的な冷却装置（カスケードユニット付き）の冷凍能力は約３５０ｋＷであった。２つのカスケードユニットが基本システムに追加された。
ａ．回路１０８を介して１２ＫＷ固体吸着剤（吸着剤）機によって冷凍される主熱交換器１０３。
ｂ．回路１０９を介して、４ＨＰ圧縮器を備えた１５ＫＷＡＣＳによって冷凍された補助熱交換器１０４。
ｃ．したがって、カスケード回路によって合計２７ＫＷが追加され、これは、メインシステムの８％未満である。
ｄ．冷却剤冷媒Ｒ２２。
ｅ．蒸発器１０７の動作温度は負の７℃である。
ｆ．凝縮器１０２の出口でのＲ２２の平均温度は、４０℃であった。
【００６７】
２つのカスケードを追加すると、冷却剤の温度を１８℃まで下げることができ、その結果、ＣＯＰが８％増加した。装置の冷凍負荷は安定していたため、冷凍能力の向上により、ベース凝縮器のファンが停止し、その結果、電力消費量が１２％削減された。効率的使用は、電気が最も高価である暑い日中の主に際立っていた。
【００６８】
カスケード回路が冷凍サイクルの高温側に接続されていることは、カスタマイズの難しさおよびＣＯＰの低さの両方の観点から、負温度用の収着装置を設計するための効果的な代替手段であることに留意されたい。
【００６９】
この例では、比較的高温（最大＋４０℃）でベース冷凍回路から熱が除去され（図５のポイント３）、これにより、追加された両方の回路のＣＯＰが高くなり、ベースシステムの冷凍能力（δＱ）が過冷却能力の値に実質的に近くなるように増加する。ポイント３と３’との間のエンタルピーのマージンは、ポイント４と４’との間のエンタルピーのマージンに等しく、次の式δＱ＝ｈ３、４−ｈ３’、４に従って計算され、式中、δＱは、冷凍能力であり、ｈ３、４は、熱力学的ｐ−ｈ図のポイント３および４のエンタルピーの値を表し、ｈ３’、４’は、熱力学的ｐ−ｈ図のポイント３’および４’のエンタルピーの値を表す。なお、冷凍能力δＱの増加は、電力の最小消費量と並行して行われ、ベース冷凍回路のＣＯＰの上昇を顕著に促進することを留意されたい。
【００７０】
そのような例示的な実施形態は、低品位の排気熱を利用する効率、ならびに２つの追加された回路の協調の自然かつ自動の調整方法による冷凍装置の動作制御の最適化を実証する。過冷却プロセスの終了温度の選択、図５のポイント３’は、最適化の必要性によって決定され、追加された圧縮回路により高精度で到達することができる。十分な量の低電位排熱を最大限の効率で利用できるため、消費電力を３０％削減することができる。ベース回路内の圧縮器の動作時間の短縮は、それらの性能寿命の延長を提供し、それは次に、保守費用の削減につながる。
【００７１】
本主題がその特定の実施形態に関連して説明されたが、多くの代替、修正、および変形が当業者には明らかになることは明確である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内にあるそのようなすべての代替、修正、および変形を包含することが意図されている。本明細書で言及されるすべての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許または特許出願が参照により本明細書に組み込まれることが具体的かつ個別に示された場合と同程度に、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、本出願における参考文献の引用または識別は、そのような参考文献が本主題の先行技術として利用可能であることを認めるものと解釈されるべきではない。
【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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【国際調査報告】
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