(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバの設定点温度範囲を維持するように構成されたハイブリッド蒸気圧縮（ＶＣ）および熱電（ＴＥ）熱伝達システムであって、前記ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、
ＶＣシステムであって、
第１ポートおよび第２ポートを備える圧縮器と、
前記第１ポートで前記圧縮器に接続された凝縮器−蒸発器と、
前記圧縮器の前記第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続する第１弁と、
前記蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続する第２弁であって、前記熱膨張弁が前記第２弁を前記凝縮器−蒸発器に接続する、前記第２弁と、を備える、
前記ＶＣシステムと、
ＴＥシステムであって、
１つ以上のＴＥモジュールであって、前記１つ以上のＴＥモジュールの第１側と、前記１つ以上のＴＥモジュールの第２側と、を備える前記１つ以上のＴＥモジュールと、
前記１つ以上のＴＥモジュールの前記第１側と熱的に接続された第１熱交換器であって、前記第１熱交換器が前記第１弁と前記第２弁とを接続する、前記第１熱交換器と、
前記１つ以上のＴＥモジュールの前記第２側に熱的に接続された第２熱交換器であって、前記第２熱交換器が前記第１弁と前記第２弁とを接続する、前記第２熱交換器と、を備える、
前記ＴＥシステムと、
を備える、前記ハイブリッド蒸気圧縮（ＶＣ）および熱電（ＴＥ）熱伝達システム。
【請求項２】
前記第１弁および前記第２弁は、前記ＶＣシステムの前記蒸発器−凝縮器が、前記ＴＥシステムの前記第１熱交換器または前記ＴＥシステムの前記第２熱交換器であるように動作可能である、請求項１に記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項３】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムは、前記チャンバを加熱するように動作する、請求項１〜請求項２の何れかに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項４】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムは、前記チャンバを冷却するように動作する、請求項１〜請求項２の何れかにに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項５】
１つまたは複数のシステムパラメータに基づいて、複数の動作モードの１つで前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１〜請求項４の何れかに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項６】
前記複数の動作モードのうちの１つは、ＶＣ専用動作モードであり、前記コントローラは、前記ＶＣ専用動作モード中に、
前記圧縮器の前記第２ポートを前記蒸発器−凝縮器に接続するように前記第１弁を制御し、
前記蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように前記第２弁を制御し、
前記ＶＣシステムを起動し、
前記ＴＥシステムを起動させないようにさらに構成される、請求項５に記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項７】
前記複数の動作モードのうちの１つは、ＴＥ専用動作モードであり、前記コントローラは、前記ＴＥ専用動作モードの間に、
前記第１弁を制御して前記圧縮器の前記第２ポートを前記蒸発器−凝縮器から切り離し、
前記第２弁を制御して前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁から切り離し、
前記ＴＥシステムを起動し、
前記ＶＣシステムを起動させないようにさらに構成される、請求項５〜請求項６の何れかに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項８】
前記複数の動作モードのうちの１つは直列動作モードであり、前記コントローラは、前記直列動作モード中に、
前記第１弁を制御して前記圧縮器の前記第２ポートを前記ＶＣシステムの前記蒸発器−凝縮器に接続することであって、前記蒸発器−凝縮器は前記ＴＥシステムの前記第１熱交換器である、前記前記蒸発器−凝縮器に接続することと、
前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁に接続するように前記第２弁を制御することと、
前記ＴＥシステムを起動することと、
前記ＶＣシステムを起動することと、を行うようにさらに構成される、請求項５〜請求項７の何れかに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項９】
前記複数の動作モードのうちの１つは、並列動作モードであり、前記コントローラは、  前記並列動作モードの間に、
前記第１弁を制御して前記圧縮器の前記第２ポートを前記ＶＣシステムの前記蒸発器−凝縮器に接続することであって、前記蒸発器−凝縮器は前記ＴＥシステムの前記第２熱交換器である、前記蒸発器−凝縮器に接続することと、
前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁に接続するように前記第２弁を制御することと、
前記ＴＥシステムを起動することと、
前記ＶＣシステムを起動することと、を行うようにさらに構成される、請求項５〜請求項８の何れかに記載のハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム。
【請求項１０】
ＶＣシステムおよびＴＥシステムを備えるハイブリッド蒸気圧縮（ＶＣ）および熱電（ＴＥ）熱伝達システムを動作させる方法であって、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムは、
ＶＣシステムであって、
第１ポートおよび第２ポートを備える圧縮器と、
前記第１ポートで前記圧縮器に接続された凝縮器−蒸発器と、
前記圧縮器の前記第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続する第１弁と、
前記蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続する第２弁であって、前記熱膨張弁が前記第２弁を前記凝縮器−蒸発器に接続する、前記第２弁と、を備える、
前記ＶＣシステムと、
ＴＥシステムであって、
１つ以上のＴＥモジュールであって、前記１つ以上のＴＥモジュールの第１側と、前記１つ以上のＴＥモジュールの第２側と、を備える前記１つ以上のＴＥモジュールと、
前記１つ以上のＴＥモジュールの前記第１側と熱的に接続された第１熱交換器であって、前記第１熱交換器が前記第１弁と前記第２弁とを接続する、前記第１熱交換器と、
前記１つ以上のＴＥモジュールの前記第２側に熱的に接続された第２熱交換器であって、前記第２熱交換器が前記第１弁と前記第２弁とを接続する、前記第２熱交換器と、を備える、
前記ＴＥシステムと、
を備え、前記方法は、
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させて、チャンバの設定点温度範囲を維持することを含む方法。
【請求項１１】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
前記チャンバに熱を供給するように前記ＶＣシステムおよび前記ＴＥシステムの一方または両方を動作させることにより、前記チャンバを加熱するように前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、前記チャンバから熱を除去するように前記ＶＣシステムおよび前記ＴＥシステムの一方または両方を動作させることにより、前記チャンバを冷却するように前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを、
圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御すること、
前記蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御すること、
前記ＶＣシステムを起動すること、
前記ＴＥシステムを起動させないことにより、
ＶＣ専用動作モードで動作させることをさらに含む、請求項１０〜請求項１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを、
前記圧縮器の前記第２ポートを前記蒸発器−凝縮器から切り離すように前記第１弁を制御すること、
前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁から切り離すように前記第２弁を制御すること、
前記ＴＥシステムを起動すること、
前記ＶＣシステムを起動させないことにより、
ＴＥ専用動作モードで、動作させることをさらに含む、請求項１０〜請求項１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを、
前記圧縮器の前記第２ポートを前記ＶＣシステムの前記蒸発器−凝縮器に接続するように前記第１弁を制御することであって、前記蒸発器−凝縮器は、前記ＴＥシステムの第１熱交換器である、前記第１弁を制御すること、
前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁に接続するように前記第２弁を制御すること、
前記ＴＥシステムを起動すること、
前記ＶＣシステムを起動することにより、
直列動作モードで動作させることを含む、請求項１０〜請求項１４の何れかに記載の方法。
【請求項１６】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを、
前記圧縮器の前記第２ポートを前記ＶＣシステムの前記蒸発器−凝縮器に接続するように前記第１弁を制御することであって、前記蒸発器−凝縮器は前記ＴＥシステムの前記第２熱交換器である、前記第１弁を制御すること、
前記蒸発器−凝縮器を前記熱膨張弁に接続するように前記第２弁を制御すること、
前記ＴＥシステムを起動すること、
前記ＶＣシステムを起動することにより、
並列動作モードで動作させることを含む、請求項１０〜請求項１５の何れかに記載の方法。
【請求項１７】
前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることは、
１つまたは複数のパラメータに基づいて、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを、
前記ＶＣ専用動作モードと、
前記ＴＥ専用動作モードと、
前記直列動作モードと、
前記並列動作モードと、から成るグループから選択されたモードで、動作させることを決定することをさらに含む、請求項１０〜請求項１６の何れかに記載の方法。
【請求項１８】
ある動作モードにおいて前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することは、１つまたは複数のパラメータに基づいて、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムの性能係数を最大にする前記動作モードで前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記１つまたは複数のパラメータの１つは、前記チャンバと、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムの外部の環境との間の温度差である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムをモードで動作させることを決定することは、
前記チャンバの温度を決定すること、
前記チャンバの前記温度および前記チャンバの前記設定点温度範囲に基づいて、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させて、前記チャンバに熱を供給するか、または前記チャンバから熱を除去するかどうかを決定すること、
前記チャンバと前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムの前記外部の環境との間の前記温度差を決定すること、
前記チャンバと前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムの前記外部の環境との間の前記温度差に基づいて、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムの性能係数を最大にする動作モードで、前記ハイブリッドＶＣおよび前記ＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することと、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権出願
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１０月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／２４２，０１９号の優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、熱除去システム、特にハイブリッド熱伝達システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
限られた資源と環境への懸念から、省エネルギーに対する要求は大幅に増加した。これにより、エネルギー効率の高い機器が進歩した。熱伝達システムは、一般に、より高い温度の領域からより低い温度の領域に熱を伝達するように動作する。場合によっては、これは、チャンバから熱を除去し、チャンバの外部の環境に熱を溜める冷蔵庫として機能することができる。他の場合には、熱伝達システムを使用して、部屋または家などのチャンバ内の空気を調整することができる。これらの場合、熱伝達システムは、チャンバから熱を除去する（冷却する）か、チャンバ内に熱を溜める（加熱する）ように動作してもよい。
【０００４】
最も一般的なタイプのエネルギー効率の高い熱伝達システムは、蒸気圧縮システムを使用する。これらのシステムでは、機械的構成要素は熱を能動的に伝達するためにエネルギーを消費する。これらの構成要素は、圧縮器、凝縮器、熱膨張弁、蒸発器、および動作流体（例えば、冷媒）を循環させる配管を備えることができる。構成要素は、強制的な相変化を受けてチャンバから外部環境／外部環境からチャンバへの熱伝達のために冷媒を循環させる。
【０００５】
しかし、蒸気圧縮システムは、必要とされる熱伝達の最大量に合致する容量で設計される。したがって、大抵の状況では、蒸気圧縮システムは過剰な電力が供給され、適切な量の熱伝達を維持するために、またはチャンバの設定点温度範囲を維持するために、オンとオフを繰り返す必要がある（例えば、デューティサイクル）。蒸気圧縮システムは、オンのときに効率的であり得るが、蒸気圧縮システムがオフのときに、ヒートリークバック（ｈｅａｔ  ｌｅａｋ  ｂａｃｋ）および他の否定的な結果をもたらし得る。このように、性能の多様性を維持しながらより低いコストでより高いエネルギー効率を提供する熱伝達のためのシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
ハイブリッド蒸気圧縮（ＶＣ）および熱電（ＴＥ）熱伝達システムならびに動作方法が本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、チャンバの設定点温度範囲を維持するように構成されたハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、ＶＣシステムおよびＴＥシステムを備える。ＶＣシステムは、第１および第２ポートを有する圧縮器と、第１ポートで圧縮器に接続された凝縮器−蒸発器と、圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続する第１弁と、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続する第２の弁と、を含み、熱膨張弁が第２弁を凝縮器−蒸発器に接続する。ＴＥシステムは、ＴＥモジュールの第１側と、ＴＥモジュールの第２側と、を備える１つ以上のＴＥモジュールを含む。ＴＥシステムは、第１熱交換器が第１弁と第２弁とを接続するＴＥモジュールの第１側と熱的に接続された第１熱交換器と、第２熱交換器が、第１弁と第２弁とを接続するＴＥモジュールの第２側に熱的に接続された第２熱交換器と、をさらに含む。このようにして、ＶＣシステムおよびＴＥシステムは、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの効率を高めるために、個別に、直列に、または並列に動作することができる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、第１弁および第２弁は、ＶＣシステムの蒸発器−凝縮器がＴＥシステムの第１熱交換器またはＴＥシステムの第２熱交換器であるように動作可能である。いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、チャンバを加熱するように動作する。いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、チャンバを冷却するように動作する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、１つまたは複数のシステムパラメータに基づいていくつかの動作モードのうちの１つでハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させるように構成されたコントローラも備える。いくつかの実施形態では、動作モードの１つはＶＣ専用動作モードであり、コントローラは、ＶＣ専用動作モードの間に、圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御し、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＶＣシステムを起動させ、ＴＥシステムを起動させないようにさらに構成される。
【０００９】
いくつかの実施形態では、動作モードの１つは、ＴＥ専用動作モードであり、コントローラは、ＴＥ専用動作モード中は、圧縮器の第２ポートを凝縮器−蒸発器から切り離すように第１弁を制御し、凝縮器−蒸発器を熱膨張弁から切り離すように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動させないようにさらに構成される。
【００１０】
いくつかの実施形態では、動作モードの１つは直列動作モードであり、コントローラは、直列動作モードの間に、圧縮器の第２ポートをＶＣシステムの蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御し、ここで、蒸発器−凝縮器はＴＥシステムの第１熱交換器であり、そして、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動させるようにさらに構成される。
【００１１】
いくつかの実施形態では、動作モードの１つは並列動作モードであり、コントローラは、並列動作モードの間に、圧縮器の第２ポートをＶＣシステムの蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御し、ここで、蒸発器−凝縮器は、ＴＥシステムの第２熱交換器であり、そして、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動させるようにさらに構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ＶＣシステムおよびＴＥシステムを備えるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させる方法は、チャンバの設定点温度範囲を維持するためにハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、チャンバに熱を供給するようにＶＣシステムおよびＴＥシステムの一方または両方を動作させることにより、チャンバを加熱するようにハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを含む。いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、チャンバから熱を除去するようにＶＣシステムおよびＴＥシステムの一方または両方を動作させることにより、チャンバを冷却するようにハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御し、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＶＣシステムを起動させ、ＴＥシステムを起動させないようにすることにより、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムをＶＣ専用動作モードで動作させることも含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器から切り離すように第１弁を制御し、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁から切り離すように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動させないようにすることにより、ハイブリッドＶＣおよび熱伝達システムをＴＥ専用動作モードで動作させることも含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、蒸発器−凝縮器がＴＥシステムの第１熱交換器であるＶＣシステムの蒸発器−凝縮器に圧縮器の第２ポートを接続するように第１弁を制御し、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動することにより、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを直列動作モードで動作させることも含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、圧縮器の第２ポートを、蒸発器−凝縮器がＴＥシステムの第２熱交換器であるＶＣシステムの蒸発器−凝縮器に接続するように第１弁を制御し、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続するように第２弁を制御し、ＴＥシステムを起動させ、ＶＣシステムを起動させることにより、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを並列動作モードで動作させることも含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることは、１つまたは複数のパラメータに基づいて、ＶＣ専用動作モード、ＴＥ専用動作モード、直列動作モード、または並列動作モードでハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することも含む。いくつかの実施形態では、動作モードでハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することは、１つまたは複数のパラメータに基づいて、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの性能係数を最大にする動作モードでハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することも含む。いくつかの実施形態では、パラメータの１つは、チャンバと、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの外部の環境との間の温度差である。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを、あるモードで動作させることを決定することは、チャンバの温度を決定し、チャンバの温度およびチャンバの設定点温度範囲に基づいて、チャンバに熱を供給するため、またはチャンバから熱を除去するためにハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させるかどうかを決定することも含む。本方法はまた、チャンバと、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの外部の環境との間の温度差を決定することと、チャンバとハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの外部の環境との間の温度差に基づいて、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの性能係数を最大にする動作モードで、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを動作させることを決定することと、を含む。
【００１９】
当業者であれば、本開示の範囲を理解し、添付の図面に関連して以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読んだ後にその追加の態様を実現するであろう。
【００２０】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示し、説明と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッド蒸気圧縮（ＶＣ）および熱電（ＴＥ）熱伝達システムの概略図である。
【図２】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの動作のＴＥ専用モードを示す。
【図３】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムのＶＣ専用動作モードを示す。
【図４】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの直列動作モードを示す。
【図５】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの並列動作モードを示す。
【図６】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを制御する方法を示す。
【図７】本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に記載される実施形態は、当業者が実施形態を実施し、実施形態を実施する最良の形態を示すことを可能にするために必要な情報を表す。添付図面に照らして以下の説明を読むと、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書で特に言及しないこれらの概念の適用を認識するであろう。これらの概念および適用は、本開示および添付の特許請求の範囲内に入ることが理解されるべきである。
【００２３】
第１、第２などの用語は、本明細書では様々な要素を説明するために使用することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるべきである。これらの用語は、要素を区別するためにのみ使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく第１要素は第２要素と呼ばれ、同様に第２要素は第１要素と呼ぶことができる。
【００２４】
また、ある要素が他の要素に「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、他の要素に直接接続または結合されてもよく、または介在要素が存在してもよいことも理解されるべきである。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている」または「直接結合されている」と言及される場合、介在要素は存在しない。
【００２５】
また、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」には、文脈上他に明示しない限り、複数形が含まれることも理解されるべきである。本明細書で使用される場合、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている」」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（含む）」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を除去しない。さらに、「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」という用語は、１つまたは複数の関連するリストされたアイテムの任意のおよびすべての組み合わせを備える。
【００２６】
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中で使用される用語は、本明細書および関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されない。
【００２７】
蒸気圧縮（ＶＣ）システムは、多くのシナリオで他の熱伝達システムよりも効率的であるが、必要とされる熱伝達の最大量に合致する能力で設計される。したがって、大抵の状況では、ＶＣシステムは過大な電力が供給され、熱伝達の適切な量を維持するために、またはチャンバの設定点温度範囲を維持するために、オンとオフ（例えば、デューティサイクル）を繰り返さなければならない。ＶＣシステムはオンのとき効率的であるが、ＶＣシステムがオフのときはヒートリークバックやその他の悪い結果につながる可能性がある。このように、性能の多様性を維持しながらより低いコストでより高いエネルギー効率を提供する熱伝達のためのシステムおよび方法が必要とされている。
【００２８】
ハイブリッドＶＣおよび熱電（ＴＥ）熱伝達システムならびに動作方法が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、チャンバの設定点温度範囲を維持するように構成されたハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムは、ＶＣシステムおよびＴＥシステムを備える。ＶＣシステムは、第１および第２ポートを有する圧縮器と、第１ポートで圧縮器に接続された凝縮器−蒸発器と、圧縮器の第２ポートを蒸発器−凝縮器に接続する第１弁と、蒸発器−凝縮器を熱膨張弁に接続する第２弁であって、熱膨張弁が第２弁を凝縮器−蒸発器に接続する第２弁と、を備える。ＴＥシステムは、ＴＥモジュールの第１側と、ＴＥモジュールの第２側と、を備える１つ以上のＴＥモジュールを含む。ＴＥシステムはまた、ＴＥモジュールの第１側に熱的に接続された第１熱交換器であって、第１熱交換器が第１弁と第２弁とを接続する第１熱交換器と、ＴＥモジュールの第２側に熱的に接続される第２熱交換器であって、第２熱交換器が第１弁と第２弁とを接続する第２熱交換器と、を備える。このようにして、ＶＣシステムおよびＴＥシステムは、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システムの効率を高めるために、個別に、直列に、または並列に動作させることができる。
【００２９】
ＶＣ技術およびＴＥ技術の両方を単一の完全に可逆的なシステムに組み合わせることにより、所与の条件に対して最も効率的かつ／または有効なプロセス部分または直列／並列の組み合わせを利用することが可能になる。このアーキテクチャにより、両方のシステムが独立してまたは一緒に、何れかのシステムだけで達成可能なものより大きい最大効率および性能を提供することが可能になる。
【００３０】
図１は、本開示のいくつかの実施形態によるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の概略図を示す。ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０は、チャンバ１６を加熱または冷却するように動作するＶＣシステム１２およびＴＥシステム１４を備える。ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０はまた、オプションとして、ＶＣシステム１２およびＴＥシステム１４の一方または両方を制御することができるコントローラ１８を備える。
【００３１】
ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０は、需要、負荷および環境条件に応じて冷却または加熱構成の何れかで４つの基本モード（ＴＥ専用、ＶＣ専用、直列ハイブリッド、および並列ハイブリッド）で動作することができる。本明細書で論じる多くの例では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を使用してチャンバ１６を冷却しているが、すべての例は、チャンバ１６を加熱する逆の動作にも等しく適用される。
【００３２】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０のＴＥ専用動作モードを示す。ＶＣシステム１２は、第１および第２ポートを有する圧縮器２０と、第１ポートで圧縮器２０に接続された凝縮器−蒸発器２２と、圧縮器２０の第２ポートを凝縮器−蒸発器２６に接続する第１弁２４と、蒸発器−凝縮器２６を熱膨張弁３０に接続する第２弁２８であって、熱膨張弁３０は第２弁２８を凝縮器−蒸発器２２に接続する第２弁２８を含む。動作時には、ＶＣシステム１２の構成要素は、冷媒を循環させ、これは、強制的な相変化を受けてチャンバ１６から外部環境／外部環境からチャンバ１６への熱を伝達する。
【００３３】
図２に示すように、動作流体（例えば、冷媒）が第１弁２４および第２弁２８を通って流れることができないように、第１弁２４と第２弁２８の両方がバイパスされる。このように、ＶＣシステム１２は起動されない。しかし、ＴＥシステム１４が起動され、したがって、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０のＴＥ専用動作モードが起動される。
【００３４】
図２に示すように、ＴＥシステム１４は、ＴＥモジュール３２の第１側とＴＥモジュール３２の第２側と、を備える１つ以上のＴＥモジュール３２を含む。ＴＥシステム１４は、ＣＦＣベースの冷媒を必要としないので、ＶＣシステムに対する環境にやさしい代替物である。ＴＥモジュール３２（１つまたは複数のＴＥ要素をさらに含むことができる１つまたは複数の個々のモジュールを備えることができる熱電ヒートポンプとしても知られている）は、電流の供給に応答してその表面全体に温度差を生じさせる。熱は、冷却される表面またはチャンバから受け入れられてもよく、空気のような周囲媒体へ放散するために（例えば、一連の伝達パイプを介して）拒絶ヒートシンク（ｒｅｊｅｃｔ  ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ）に伝達されてもよい。ＴＥシステムは、拒絶ヒートシンクを介して加圧冷却液を強制的に伝達する必要性を除去するサーモサイフォンまたはヒートパイプなどの受動的な熱除去サブシステムを備えることができる。全ての冷凍システムと同様に、ＴＥモジュール３２の温度差が小さいほど、ヒートポンプはより効率的に熱を伝達する。しかし、状況によっては、そのようなシステムは、ＶＣシステム１２の半分以下の効率である可能性がある。
【００３５】
このように、図２のＴＥシステム１４は、ＴＥモジュール３２の第１側と熱的に接続された第１熱交換器３４も含み、第１熱交換器３４は、第１弁２４と第２弁２８とを接続する。第２熱交換器３６は、ＴＥモジュール３２の第２側と熱的に接続し、第２熱交換器３６はまた、第１弁２４と第２弁２８とを接続する。第１弁２４および第２弁２８は、ＶＣシステム１２の流体流量を調整するように動作することができる。第１弁２４および第２弁２８が完全に閉鎖またはバイパスされる場合、ＶＣシステム１２には流体の流れはない。この実施形態は、図２に示されており、ＶＣシステム１２は起動されていないが、ＴＥシステム１４は起動される。上述したように、これは、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０のＴＥ専用動作モードと呼ばれる。
【００３６】
図２の例では、ＴＥシステム１４は、受容熱交換器（ａｃｃｅｐｔ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）として機能する第２熱交換器３６から熱を除去し、熱を拒絶熱交換器（ｒｅｊｅｃｔ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）として機能する第１熱交換器３４に移動させるように動作される。この構成では、第２熱交換器３６が冷却され、チャンバ１６を冷却することができる。ＴＥモジュール３２はまた、受容熱交換器として機能する第１熱交換器３４から熱を除去し、熱を拒絶熱交換器として機能する第２熱交換器３６に移動させて、逆に動作させることもできる。この構成では、第２熱交換器３６が加熱され、チャンバ１６を加熱することができる。
【００３７】
図３は、本開示のいくつかの実施形態によるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０のＶＣ専用動作モードを示す。この実施形態では、第１弁２４を動作させて圧縮器２０の第２ポートを蒸発器−凝縮器２６に接続する。第２弁２８を動作させて蒸発器−凝縮器２６を熱膨張弁３０に接続する。これは、ＶＣシステム１２の流体が、蒸発器−凝縮器２６を流れることを可能にする。この実施形態では、ＶＣシステム１２が起動され、ＴＥシステム１４は起動されない。図３に示すように、凝縮器−蒸発器２２は蒸発器として機能する蒸発器−凝縮器２６から熱が除去されている間に熱を消散させ、凝縮器として機能する。この例では、蒸発器−凝縮器２６が冷却され、これにより、チャンバ１６を冷却することが可能になる。前述のように、ＴＥシステム１４の場合と同様に、ＶＣシステム１２を逆に動作させて、蒸発器として機能する凝縮器−蒸発器２２から熱を除去し、凝縮器として機能する蒸発器−凝縮器２６に熱を移動させることもできる。この構成では、蒸発器−凝縮器２６が加熱され、チャンバ１６を加熱することができる。
【００３８】
図２および図３に示す２つの実施形態は、同じシステムがＶＣまたはＴＥシステムの何れかを使用してチャンバ１６を加熱または冷却することを可能にする。これにより、どのシステムがより効率的であるかを示す様々なパラメータに応じて、２つのタイプのシステム間で変更することができ、またはノイズの低減などの他の目標を達成することができる。これらの動作モードは、効率の向上および他の利点をもたらすが、両方のシステムを同時に動作させることにより、さらなる利点が生じる可能性がある。第１弁２４および第２弁２８の構成に基づいて、この組み合わせは、直列または並列の何れであってもよい。
【００３９】
図４は、本開示のいくつかの実施形態によるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の直列動作モードを示す。この実施形態では、第１弁２４を動作させて、圧縮器２０の第２ポートをＶＣシステム１２の蒸発器−凝縮器２６に接続するように動作され、蒸発器−凝縮器２６はＴＥシステム１４の第１熱交換器３４である。第２弁２８は、蒸発器−凝縮器２６を熱膨張弁３０に接続するように動作する。これにより、ＶＣシステム１２の流体が蒸発器−凝縮器２６を通って流れることが可能になる。この実施形態では、ＶＣシステム１２が起動され、ＴＥシステム１４が起動される。
【００４０】
図４に示すように、凝縮器−蒸発器２２は、蒸発器として機能する蒸発器−凝縮器２６から熱が除去されている間に熱を放散し、凝縮器として機能する。この例では、蒸発器−凝縮器２６は冷却され、ＴＥシステム１４の第１熱交換器３４としても機能する。起動されたＴＥモジュール３２は、ＶＣシステム１２によって冷却された第１熱交換器３４に熱を放散し、第２熱交換器３６から熱を除去して冷却する。このようにして、何れかのシステムが単独で動作する場合よりも大きな全温度勾配を達成することができる。例えば、ＶＣシステム１２が、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０外部の環境と第１熱交換器３４の間のΔＴＶＣ温度差を提供する場合、ＴＥシステム１４は、第１熱交換器３４と第２熱交換器３６との間のΔＴＴＥ温度差を提供するが、全体の温度差はΔＴ＝ΔＴＶＣ＋ΔＴＴＥである。いくつかの実施形態では、この動作モードは、ＶＣシステム１２およびＴＥシステム１４の一方または両方が、どちらかのシステムが同じ温度差を達成するために単独で必要とされるよりも強力でないことを可能にする。
【００４１】
前に図２および図３で説明した実施形態の場合と同様に、ＶＣシステム１２およびＴＥシステム１４のそれぞれを、チャンバ１６を加熱するために逆に動作することもできる。
【００４２】
図４で説明した直列動作モードは、より大きな温度差およびは潜在的により強力でないシステムを可能にするが、場合によっては、熱伝達の総量が最も重要である。図５は、本開示のいくつかの実施形態によるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の並列動作モードを示す。この実施形態では、第１弁２４を動作させて、圧縮器２０の第２ポートをＶＣシステム１２の蒸発器−凝縮器２６に接続し、ここで、蒸発器−凝縮器２６はＴＥシステム１４の第２熱交換器３６である。第２弁２８を動作させて蒸発器−凝縮器２６を熱膨張弁３０に接続する。これにより、ＶＣシステム１２の流体が蒸発器−凝縮器２６を通って流れることが可能になる。この実施形態では、ＶＣシステム１２が起動され、ＴＥシステム１４が起動される。
【００４３】
図５に示すように、凝縮器−蒸発器２２は、蒸発器として機能する蒸発器−凝縮器２６から熱が除去されている間に熱を放散し、凝縮器として機能する。この例では、蒸発器−凝縮器２６は冷却される。同時に、起動されたＴＥモジュール３２は第１熱交換器３４に熱を放散し、第２熱交換器３６から熱を除去して冷却する。このようにして、両方のシステムが同じ領域から熱を除去している。したがって、どちらかのシステムを単独で動作する場合よりも、より大きな全体的な熱除去を達成することができる。例えば、ＶＣシステム１２が蒸発器−凝縮器２６からのＱＶＣ熱を移動することができる場合、ＴＥシステム１４は蒸発器−凝縮器２６と同じ第２熱交換器３６からＱＴＥ熱を除去するが、除去される全体の熱はＱＴＯＴＡＬ＝ＱＶＣ＋ＱＴＥである。いくつかの実施形態では、この動作モードは、ＶＣシステム１２およびＴＥシステム１４の一方または両方が、同じ全体的な熱を除去するために単独で必要とされる何れかのシステムよりも強力でないことを可能にする。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を動作させてチャンバ１６の設定点温度範囲を維持することは、１つまたは複数のパラメータに基づいて、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を動作させるモードを決定することを含む。いくつかの実施形態では、これらのモードは、ＶＣ専用動作モード、ＴＥ専用動作モード、直列動作モード、および並列動作モードから選択することができる。いくつかの実施形態では、ＶＣ専用モードは、中間から高負荷および／または高温度差のために使用される。ＴＥ専用モードは、低負荷、低温度差、および／または１次暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）システムを補強するために使用される。直列モードは、軽負荷から中負荷および／または高温度差に使用される。並列モードは、高負荷から最大の負荷および／または低負荷から中間の温度差のために使用される。これらは、各動作モードの例示的な条件に過ぎず、現在の開示はこれに限定されない。さらに、どのモードが様々な条件を最適化するかに関する計算を考慮に入れることができる。例えば、効率を最適化してもよいし、全体的なノイズを低減してもよい。
【００４５】
使用する動作モードが、図１に開示されるように、手動で、またはコントローラ１８によって決定されてもよい。そのように、図６は、本開示のいくつかの実施形態による、ＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を制御する方法を示す。まず、コントローラ１８は、チャンバ１６の温度を決定する（ステップ１００）。これは、任意の適切なタイプのセンサで達成され得るか、または他の何らかの供給源から取得され得る。
【００４６】
コントローラ１８は、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を動作させて、チャンバ１６の温度およびチャンバ１６の設定点温度範囲に基づいて、チャンバ１６に熱を供給するか、またはチャンバ１６から熱を除去するかどうかを決定する（ステップ１０２）。例えば、チャンバ１６の温度がチャンバ１６の設定点温度範囲を下回る場合、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０は、チャンバ１６に熱を供給するように動作され得る。チャンバ１６の温度がチャンバ１６の設定点温度範囲を超えている場合、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を動作させて、チャンバ１６から熱を除去することができる。実施および適用に応じて、設定点温度範囲は、単一の温度値であってもよい。しかし、加熱モードと冷却モードとの間の迅速な切り替えや、オン／オフ間の急激な変化を防止するために、ヒステリシスを適用する必要がある。
【００４７】
図６はまた、コントローラ１８が、チャンバ１６とハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の外部の環境との間の温度差を決定し（ステップ１０４）、チャンバ１６とハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の外部の環境との間の温度差に基づいて、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の性能係数を最大にする動作モードを決定する（ステップ１０６）。例えば、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の性能係数は、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の効率の尺度であり、ＣＯＰ＝ＱＣ／Ｐｉｎと定義され、ＱＣはハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０によって伝達される熱であり、Ｐｉｎは、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０への入力電力である。ＶＣシステム１２とＴＥシステム１４の両方が動作しているシナリオでは、ＱＣは両方のシステムによって熱伝達された熱の合計であり、Ｐｉｎは両方のシステムへの入力電力の合計である。いくつかの実施形態では、追加のまたは異なるパラメータを使用して動作モードを決定することができる。さらに、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の動作の個々のパラメータも調整することができる。いくつかの例には、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０の性能係数を最大化するためにＴＥモジュール３２への電力の量を示すこと、または、熱伝達を促進するためにオプションのファンを動作させること、が含まれる。
【００４８】
ＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０は、多くの方法または構成で実施することができるが、図７は、本開示のいくつかの実施形態によるハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０を示す。特に、これは単なる例示的な実施例であり、本開示はそれに限定されない。図７は、ＶＣシステム１２がＶＣ冷却システムのみを有する等価なウィンドウユニットよりも強力でない可能性がある例のウィンドウユニットを示す。ＶＣシステム１２はそれほど強力ではない可能性があるため、システムの全体的な効率は向上し、システムの重量およびノイズは低減される。例えば、ＶＣシステム１２が動作していないとき、ＴＥシステム１４がサイレントまたはほぼサイレントであり得るので、システム全体は非常に静かであり得る。空調空気を分配するためにファンが使用される場合、それはユニットが作る唯一の音である可能性がある。さらに、ＶＣシステム１２が動作している場合であっても、等価な全ＶＣシステムの場合よりも小さな圧縮器を使用する能力は、全体的にノイズ生成を少なくすることができる。必要な電力の削減によるＶＣ構成要素のコストを削減することによって、追加の利点を実現することができる。
【００４９】
他の実施形態では、図７に示すウィンドウユニットは、１次ＨＶＡＣシステムにおいてＶＣシステム１２と共同して動作するＴＥシステム１４のみを提供することができる。この場合、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０は、様々なモードで動作して、チャンバ１６内の空気を調整することができる。例えば、ＴＥモード専用動作モードは、１次ＨＶＡＣシステムにおいてＶＣシステム１２をスイッチオフし、ウィンドウユニットにおいてＴＥシステム１４のみを動作させることによって使用することができる。これは、温度差が小さく、チャンバ１６以外の１次ＨＶＡＣシステムによって供給される領域を加熱または冷却する必要がない場合、効率を高める。
【００５０】
他の実施形態では、並列動作モードは、ハイブリッドＶＣおよびＴＥ熱伝達システム１０が、１次ＨＶＡＣシステムによって供給される領域の残りの部分に必要とされるよりも多くの熱をチャンバ１６へまたはチャンバ１６から伝達することを可能にする。
【００５１】
当業者であれば、本開示の好ましい実施形態に対する改良および修正を認識するであろう。そのような改良および修正はすべて、本明細書および添付の特許請求の範囲に開示された概念の範囲内であると見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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