(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体（ＷＦ）及び熱交換流体（ＨＥＦ）を利用する低温エンジンシステム（６１０、７１０）；並びに
熱交換システム（９０）を含む冷凍システム（６６０）；を含むシステムであって、
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）と前記冷凍システム（６６０）は前記熱交換システム（９０）を介して互いに熱的に結合され、
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）における前記作動流体（ＷＦ）及び／又は前記熱交換流体（ＨＥＦ）が前記冷凍システム（６６０）から熱を除去するヒートシンクの機能を果たし、且つ、前記冷凍システム（６６０）によって生成される熱が前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）における作動流体（ＷＦ）を膨張させるために用いられるようにし、
当該システムは、前記熱交換システム（９０）に熱的に接続される冷凍コンパートメント（６４）を含み、
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）は、前記冷凍コンパートメント（６４）から熱を除去するための直接的且つ間接的なヒートシンクであり、且つ、
前記熱交換システム（９０）は：
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）からの作動流体（ＷＦ）と直接的に熱的に接触し且つ前記冷凍コンパートメント（６４）と直接的に熱的に接触する第１熱伝達部材（６１８、７１８）と；
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）における膨張させられた作動流体（ＷＦ）及び／又は前記熱交換流体（ＨＥＦ）と直接的に熱的に接触する第２熱伝達部材（６２２、６２６、６７０、６７８、７２２、７２６、７７０、７７８）と；
前記冷凍コンパートメント（６４）の内部と直接的に熱的に接触する第３熱伝達部材（６８２、７８２）と；
前記第２熱伝達部材（６２２、６２６、６７８、７２２、７２６、７７８）及び第３熱伝達部材（６８２、７８２）の双方と熱的に接触する中間熱伝達流体循環システム（６９０、７９０）と；を有する、
システム。
【請求項２】
前記冷凍システム（６６０）は、蒸気圧縮サイクルを含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記中間熱伝達流体循環システム（６９０、７９０）は、熱伝達流体（Ｆ）と、該システム内の熱伝達流体（Ｆ）を圧縮するためのコンプレッサ（６７６、７７６）とを含む、
請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記低温エンジンシステム（６１０、７１０）は、駆動手段（６３０、７３０）を含み、
前記コンプレッサ（６７６、７７６）は前記駆動手段（６３０、７３０）によって駆動される、
請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１熱伝達部材（６１８）及び／又は前記第３熱伝達部材（６８２）は、前記冷凍コンパートメント（６４）の内部（６４ｉ）と熱を交換するように構成される、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記冷凍コンパートメント（６４）の内部（６４ｉ）から大気を移動させ且つ前記第３熱伝達部材（６８２）の上にその大気を向けるための第１導管（６６６）と、前記冷凍コンパートメント（６４）の前記内部（６４ｉ）に大気を戻すための第２導管（６７４）とを含む、
請求項１乃至５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記冷凍コンパートメント（６４）から前記第１導管（６６６、７６６）及び／又は前記第２導管（６７４、７７４）を通じて大気を循環させるためのファン（６８４、７８４）を含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記中間熱伝達流体循環システム（６９０、７９０）は：
前記第２熱伝達部材（６２２、７２２）によって形成される凝縮器（６７８、７７８）；
膨張器（６８０、７８０）；及び
前記第３熱伝達部材（６８２、７８２）によって形成される蒸発器；
を更に含む、
請求項３乃至６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記低温エンジンシステム（１１０）における通気口又は排気管（１２８、２２８）と前記冷凍システムの前記冷凍コンパートメント（６４）との間に延びる、前記通気口又は前記排気管から前記冷凍コンパートメントに作動流体（ＷＦ）を移すための第２伝達手段を更に含む、
請求項１乃至８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記冷凍システムは空気循環であり、且つ、
前記冷凍コンパートメント（６４）から空気を移動させるための第１導管（３６６、４６６、５６６）；
コンプレッサ（３６８、４６８、５６８）；
膨張に先だって前記冷凍システムにおける空気を冷却するための冷凍器熱交換器（３７０、４７０、５７０）；
膨張器（３７２、４７２、５７２）；及び
膨張させられた冷気を前記冷凍コンパートメント（６４）に戻すための第２導管（３７４、４７４、５７４）；
を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記冷凍システムの前記コンプレッサは、前記低温エンジンシステム（３１０、４１０、５１０）の駆動手段（３３０、４３０、５３０）によって駆動される、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記低温エンジンシステム（１１０）における少なくとも１つの熱交換器（１１８、１２２、１２６、２１８、２２２、２２６、３１８、３２２、３２６）は、前記冷凍システムにおける少なくとも１つの熱交換器（３７０、４７０、４１８、５７０、５１８、６７０、６１８）に結合される、
請求項１０又は１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記低温エンジンシステム（１１０）における前記第２熱伝達部材（４２２、６２２、６２６、６７０、６７８、７２２、７２６、７７０、７７８）は、前記冷凍器熱交換器（３７０、４７０、４１８、５７０、５１８、６７０、６１８）に結合される、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記低温エンジンシステム（１１０）は：
作動流体（ＷＦ）を蓄えるためのタンク（１１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４、７１４）；
駆動手段（１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０）；
前記駆動手段（１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０）に結合され、前記タンク（１１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４、７１４）と流体的に連通し、且つ、前記駆動手段（１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０）を介して機械仕事を出力するように前記作動流体（ＷＦ）を膨張させるように構成される第１膨張器（１２０、２２０、３２０、３３０、４２０、５２０、６２０、７２０）；及び
前記タンク（１１４、２１４、３１４、４１４、５１４、６１４、７１４）と前記第１膨張器（１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０）との間で流体的に連通し、且つ、前記作動流体（ＷＦ）が前記第１膨張器（１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０）に供給される前に前記作動流体（ＷＦ）に熱を伝達するように構成される第１熱交換器（１１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８）；を含み、
前記熱交換流体（ＨＥＦ）を前記第１膨張器（２２０、５２０）に導入するための導入器（２５０、５５０）を更に含み、
前記第１膨張器（２２０、５２０）は、前記作動流体（ＷＦ）と前記熱交換流体（ＨＥＦ）とを混合するように構成される、
請求項１乃至１３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記低温エンジンシステム（２１０、５１０）は：
膨張後に前記熱交換流体（ＨＥＦ）から前記作動流体（ＷＦ）を分離するために前記第１膨張器（２２０、５２０）と流体的に連通する相分離器（２３４、５３４）；
前記熱交換流体（ＨＥＦ）を再加熱するための再熱器（２３６、５７０）；及び
前記熱交換流体（ＨＥＦ）を前記第１膨張器（２２０、５２０）に戻すための第２ポンプ（２３２、５３２）；
を含む、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２ポンプ（２３２、５３２）は前記駆動手段（２３０、５３０）によって駆動される、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記作動流体（ＷＦ）は、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気、圧縮天然ガスのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１乃至１６の何れか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、（極）低温エンジン及び冷凍システムを含むシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日使用されている車両輸送冷凍システムの大多数は、ディーゼル燃料で動く内燃機関により、冷凍トレーラに搭載された補助発電機を用いて直接的に、或いは、オルタネータを介して機械的に若しくは電気的にトラクタエンジンユニットから動力を取り出すことによって間接的に、動力が供給される。そして、標準的な閉ループ冷凍システムを駆動するためにその動力を使用することによって冷却が実現される。
【０００３】
典型的には、動力取り出し及び冷凍ユニットの双方は、輸送中のコンパートメントの温度を維持するために通常必要とされる冷却のレベルに対してはオーバースペックである。これは、以下の複数の理由のためである。
1）冷凍ユニットはドアが開かれた後に容器を冷却できなければならない。
2）そのような冷コンパートメントの断熱性能は年毎に３〜５％だけ悪化し、ライフサイクルを通じて必要とされる冷却力は増大する。
3）ＡＰＴは、３０℃の周囲温度で容器壁を通じて伝達される熱の１．３５〜１．７５倍で熱を除去できなければならないことを義務づける。
【０００４】
この結果、移動車両に搭載される冷凍ユニットは、その運用年数のほとんどを、効率の悪い点での動作に費やすこととなる。この結果、移動冷凍ユニットの性能係数は、典型的には、他の冷却装置に比べてかなり低いものとなる（例えば、３℃まで冷却されるコンパートメントに関する１．５〜１．７５に対し、−２０℃の冷凍コンパートメントに関しては略０．５である。）。
【０００５】
現在、英国の温室効果ガスの総排出量の略０．０５％が食品輸送に用いられる冷凍装置に由来すると見積もられている。これは少ない割合に過ぎないがかなりの量である。それ故に、冷凍輸送ユニットからの排出を低減させる必要がある。また、これらの冷凍ユニットのための炭化水素燃料の非効率な使用は不利であり、そのため、この用途での消費を低減させる方法が求められる。
【０００６】
多くの他の冷却方法が提案されている。それらは、燃料電池又はバッテリを用いたエネルギ貯蔵を含むが、コスト、インフラ、及び充電時間に関する欠点が望ましくないものとして知られている。相変化物質を採用する共晶梁は冷熱を蓄えるために用いられるが、かなりの重量ペナルティを課す。トラクタ動力ユニットの排熱を利用する吸着及び吸収方法が知られているがかさばる傾向があり、且つ、トラクタ動力ユニットからの高品質の熱に依存する傾向があり、アイドル時には利用できない場合がある。冷コンパートメントからの空気を作動流体として用いる空気循環冷凍システムは、冷媒の必要性を取り除くが、それでもやはり動力源を必要とする。
【０００７】
液体窒素のような低温流体が断熱容器に貯蔵され且つ冷熱のソースとして用いられるところの様々な低温システムが説明されている。これらは、国際公開第２０１１／１２６５８１号及び米国特許第３６９９６９４号に記載されるような、寒剤（cryogen）を冷コンパートメントに噴霧することで直接的に寒剤を用いるシステム、国際公開第２０１０／１２８２３３号及び国際公開第０１／５３７６４号に記載されるような、熱交換器を介して間接的に寒剤を用いるシステム、又は双方の混合として大まかにグループ化される。また、運ばれなければならない寒剤の量を減らすために、個別に動力が供給される冷凍システムで寒剤を用いることも知られている。欧州特許出願公開第０５９９６１２号では、寒剤は、スラリータンク内の冷媒と直接的に熱を交換する。空気置換ファンを駆動するために間接的な熱交換からの加熱された或いは放出された蒸気を用いる可能性については、国際公開第２００７／１１６３８２号及び欧州特許出願公開５９９６２６号で考慮されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１２６５８１号
【特許文献２】米国特許第３６９９６９４号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１０／１２８２３３号
【特許文献４】国際公開第０１／５３７６４号
【特許文献５】欧州特許出願公開第０５９９６１２号明細書
【特許文献６】国際公開第２００７／１１６３８２号
【特許文献７】欧州特許出願公開５９９６２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、寒剤の直接的な使用は、低温流体の選択肢の多くで窒息の危険をもたらし得る。さらに、低温物質を用いる既存の冷却システムは非効率である。それ故に、低温物質の有益な特性を用いる、商業的に実現可能で、効率的で、安全で、且つ、持続可能な冷却システムの必要性が存在する。
【００１０】
本発明の目的は上述の問題に対処することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様により、作動流体を利用する低温エンジンシステムと、熱交換システムを含む冷凍システムとを含むシステムであって、低温エンジンシステムと冷凍システムは熱交換システムを介して互いに熱的に結合され、低温エンジンシステムにおける作動流体が、冷凍システムから熱を除去するヒートシンクの機能を果たし、且つ、冷凍システムによって生成される熱が低温エンジンシステムにおける作動流体を膨張させるために用いられるようにする、システムが提供される。
【００１２】
低温エンジンシステムを冷凍システムに結合することの利点は、冷凍システムが小型化され且つユニット温度を維持するためにのみ使用され、一方で、低温流体が迅速な温度の引き下げ及び静かな作動といった効果を得るために直接的に使用され得ることにある。さらに、冷凍コンパートメントからの熱は、膨張ステップの前に低温流体を温めるために使用され、それ故に低温エンジンの効率を大幅に高め得る。
【００１３】
そのシステムは冷凍コンパートメントを含んでいてもよく、その低温エンジンシステムは冷凍コンパートメントから熱を除去する直接的なヒートシンクであってもよい。
【００１４】
好都合なことには、熱交換システムは第１熱伝達部材を含んでいてもよい。第１熱伝達部材は、コンパートメントの内部と直接的に熱的に接触し、且つ、作動流体を低温エンジンに移動させるために流体的に連通している。
【００１５】
別の構成では、そのシステムは冷凍コンパートメントを含んでいてもよく、低温エンジンシステムは、冷凍コンパートメントから熱を除去するための間接的なヒートシンクである。
【００１６】
そのような別の構成では、熱交換システムは、低温エンジンシステムにおける膨張させられた作動流体と直接的に熱的に接触する第２熱伝達部材と、コンパートメントの内部と直接的に熱的に接触する第３熱伝達部材とを含み、第２熱伝達部材及び第３熱伝達部材の双方と熱的に接触している中間熱伝達流体循環システムを更に含む。
【００１７】
ある特定の構成では、冷凍システムは、蒸気圧縮サイクルを含んでいてもよい。
【００１８】
ある構成では、中間熱伝達流体循環システムは、該システム内の熱伝達流体を圧縮するためのコンプレッサを含んでいてもよい。そのようなコンプレッサは、低温エンジンの駆動手段によって駆動され得る。
【００１９】
第１熱伝達部材及び／又は第３熱伝達部材は、チャンバの内部と熱を交換するように構成される。
【００２０】
そのシステムは、チャンバの内部から大気を移動させ且つ熱伝達部材の上に大気を向けるための第１導管と、チャンバの内部に大気を戻すための第２導管とを含んでいてもよい。
【００２１】
そのシステムは、チャンバの内部から大気を移動させ且つ熱伝達部材の上に大気を向けるための第１導管と、チャンバの内部に大気を戻すための第２導管とを含んでいてもよい。
【００２２】
また、そのシステムは、冷凍コンパートメントから第１導管及び／又は第２導管を通じて大気を循環させるためのファンを含んでいてもよい。そのようなファンは、低温エンジンの駆動手段によって駆動されてもよい。
【００２３】
ある構成では、中間熱伝達流体循環システムは、第２熱伝達部材によって形成される凝縮器と、膨張器と、第３熱伝達部材によって形成される蒸発器とを更に含んでいてもよい。
【００２４】
コンプレッサは、低温エンジンシステムの駆動手段によって駆動されてもよい。
【００２５】
ある構成では、そのシステムは、低温エンジンシステムにおける通気口又は排気管と冷凍システムの冷凍コンパートメントとの間に延びる、その通気口又は排気管からの作動流体を冷凍コンパートメントに移すための第２伝達手段を更に含んでいてもよい。
【００２６】
別の構成では、冷凍システムは空気循環であってもよい。
【００２７】
空気循環冷凍システムは、冷凍コンパートメントから空気を移動させるための第１導管と、コンプレッサと、膨張に先だって冷凍システムにおける空気を加熱するための冷凍器熱交換器と、膨張器と、膨張させられた冷気を冷凍コンパートメントに戻すための第２導管とを含んでいてもよい。
【００２８】
空気冷凍サイクルのコンプレッサは、低温エンジンシステムの駆動手段によって駆動されてもよい。
【００２９】
低温エンジンシステムにおける少なくとも１つの熱交換器は、冷凍システムにおける少なくとも１つの熱交換器に結合され得る。
【００３０】
望ましくは、低温エンジンシステムにおける第２熱交換器及び排熱交換器のうちの少なくとも１つは、冷凍器熱交換器に結合される。
【００３１】
そのシステムは低温エンジンシステムを含んでいてもよい。低温エンジンシステムは、作動流体を蓄えるためのタンクと、駆動手段に機械的に結合され、タンクと流体的に連通し、且つ、駆動手段を介して機械仕事を出力するように作動流体を膨張させるように構成される第１膨張器と、タンクと第１膨張器との間で流体的に連通し、且つ、作動流体が第１膨張器に供給される前に作動流体に熱を伝達するように構成される第１熱交換器とを含む。
【００３２】
低温エンジンシステムは、作動流体を第１熱交換器に導入するように構成される第１ポンプを更に含んでいてもよい。そのような第１ポンプは、駆動手段によって駆動されてもよい。
【００３３】
低温エンジンシステムは、第１膨張器と流体的に連通する第２熱交換器を更に含んでいてもよい。
【００３４】
低温エンジンシステムは、駆動手段及び第２膨張器を更に含んでいてもよい。第２膨張器は、駆動手段に機械的に結合され、第２熱交換器と流体的に連通し、且つ、駆動手段を介して機械仕事を出力するように作動流体を膨張させるように構成され、第２熱交換器は、作動流体ＷＦが第２膨張器に供給される前に作動流体ＷＦに熱を伝達するように構成される。
【００３５】
低温エンジンシステムは、排熱交換器と、作動流体が１又は複数の膨張器を通過した後に低温エンジンシステムから作動流体を放出するための通気口とを更に含んでいてもよい。
【００３６】
そのエンジンは、熱交換流体を第１膨張器に導入するための導入器を更に含んでいてもよく、第１膨張器は、作動流体と熱交換流体とを混合するように構成され得る。
【００３７】
低温エンジンシステムは、膨張後に熱交換流体から作動流体を分離するために第１膨張器と流体的に連通する相分離器と、熱交換流体を再加熱するための再熱器と、熱交換流体を第１膨張器に戻すための第２ポンプと、を含んでいてもよい。
【００３８】
第２ポンプは駆動手段によって駆動されてもよい。
【００３９】
低温エンジンシステムは、作動流体が膨張器を通過した後で低温エンジンシステムから作動流体を放出するための通気口を更に含んでいてもよい。
【００４０】
１又は複数の膨張器の少なくとも１つはレシプロ型膨張器であってもよい。
【００４１】
或いは、膨張器の少なくとも１つはタービン型膨張器であってもよい。
【００４２】
有利的には、低温エンジンシステムは、冷凍システムの外側にある少なくとも１つの別のシステムを駆動するように構成される。
【００４３】
低温エンジンシステムにおける作動流体は、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気、圧縮天然ガスのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００４４】
これより、本発明は、ほんの一例として、添付図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるシステムのボックス図である。
【図２】本発明の第１実施例による低温エンジンシステムの概略図である。
【図３】本発明の第２実施例による低温エンジンシステムの概略図である。
【図４】図２に示す低温エンジンシステムと第１の典型的な冷凍システムの概略図である。
【図５】図２に示す低温エンジンシステムと第１の典型的な冷凍システムを含むシステムの概略図である。
【図６】図３に示す低温エンジンシステムと第１の典型的な冷凍システムを含むシステムの概略図である。
【図７】図２に示す低温エンジンシステムと第２の典型的な冷凍システムを含むシステムの概略図である。
【図８】互いに組み合わされたレシプロ型膨張器とタービン型膨張器の双方を示す構成である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図面では、同様の特徴は同様の参照数字で表される。
【００４７】
図１は、本発明の実施例によるシステム１のボックス図を示す。システム１は、低温エンジンシステム１０と冷凍システム６０を含む。低温エンジンシステム１０は、熱力学的動力サイクル１２と、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気若しくは圧縮天然ガス、又は、液体空気のような低温流体の混合物等の低温作動流体を蓄えるためのタンク１４とを含む。他の任意の適切な低温作動流体が同様に使用され得ることを当業者は理解する。冷凍システム６０は、冷凍コンパートメント６４を冷やすために用いられる冷凍システム６２を含む。熱交換システム９０は、低温流体からの冷熱を冷凍コンパートメントの内部６４ｉに移動させ、且つ／或いは、低温流体ＷＦの膨張を支援するために冷凍コンパートメント６４の内部６４ｉからの熱を低温流体ＷＦに移動させる１又は複数の任意の構成要素によって形成される。
【００４８】
図１に示すように、低温エンジンシステム１０及び冷凍システム６０は、機械的に且つ／或いは熱的に互いに結合されている。低温エンジンシステム１０は、冷凍システム６０の冷凍システム６２に機械的に結合され、また、冷凍システム６２に熱的に結合され、且つ／或いは、冷凍コンパートメント６４に直接的に熱的に結合されている。熱的結合は、本書でより詳細に後述する熱交換システム９０による。機械的結合は、低温エンジンシステム１０が冷凍システム６２を機械的に駆動することを意味する。或いは、機械的結合は、冷凍システムを駆動するための発電機を低温エンジンシステムが駆動できるようにし得る。熱的結合は、冷凍システム６０によって生成された熱が低温エンジンシステム１０における作動流体を膨張させるために用いられ、且つ、低温エンジンシステム１０での冷却（低温作動流体の効果）が、冷凍システム６０から熱を除去するためのヒートシンクの機能を果たすことを意味する。低温エンジンシステム１０は、冷凍コンパートメント６４のための直接的な或いは間接的なヒートシンクとなり得る。直接的な構成では、低温エンジンからの冷熱は、容器６４内からの大気と直接接している熱交換器に直接移動するが、間接的な構成では、低温エンジンからの冷熱は、最初に中間の熱伝達流体Ｆに移動し、その後、中間の熱伝達流体Ｆはその冷熱をコンパートメント６４内からの大気に移動させる。これらの構成の双方は本書で詳細に後述する。図７及び図８は間接的な構成を図示する。
【００４９】
図２は、本発明の第１実施例による低温エンジンシステム１１０を示す。低温エンジンシステム１１０の熱力学的動力サイクル１１２は、断熱された貯蔵タンク１１４からの加圧された低温作動流体ＷＦ（例えば液体窒素）の供給を伴う。これは、タンク１１４内又は外部に取り付けられた低温ポンプ１１６を用いて、或いは、例えばヒータ回路を用いたタンク加圧によって実現される。液体窒素は、間接的な熱伝達のために第１熱交換器１１８に供給され、そこで液体窒素は蒸発して窒素ガスとなり、且つ、第１膨張器１２０で膨張させられる前に加熱される。膨張はほぼ断熱的であるため、窒素ガスの温度は低下する。それ故に、冷熱は各膨張段階の前後で収集される。第１の膨張の後には更なる熱交換器及び膨張を伴う任意の数の後続の段階が続く。図２に示す実施例は、第２熱交換器１２２及び第２膨張器１２４を含む。また、作動流体すなわち窒素ガスは、通気口１２８を介した大気への放出に先立ち、最後の膨張の後に更なる間接的な排熱交換器１２６を通過する。各段階における膨張器は、駆動軸１３０の形で図示される駆動手段を通じて動力を発生させるレシプロ型又はタービン型である。駆動軸１３０を介した機械力の出力は、詳細を後述する冷凍システムのような他の装置又はシステムに動力を供給するために用いられる。
【００５０】
本書では駆動手段１３０は駆動軸として記載されるが、別の機械的な駆動手段が使用され得ることを当業者は理解する。さらに、液圧的若しくは電気的なポンプ若しくはモータ及び他の非機械的な駆動手段も使用され得る。バッテリのような中間の貯蔵手段も提供され得る。また、各膨張器が個別の駆動手段若しくは駆動軸に結合されてもよく、その場合、それら駆動軸は、例えば電気的結合によって互いに結合されてもよい。
【００５１】
図３は、本発明の第２実施例による低温エンジンシステム２１０を示す。低温エンジンシステム２１０は、図２を参照して上述したように、タンク２１４、第１ポンプ２１６、第１熱交換器２１８、第１膨張器２２０、及び通気口２２８を含む。しかし、この実施例では、第２ポンプ２３２及び導入器２５０を用いて第１膨張器２２０に導入される（グリコール、水、冷媒、又は空気のような）熱伝達流体を用いて窒素に熱を伝達するために直接接触熱伝達が用いられる。それ故に、窒素は第１膨張器２２０内で熱伝達流体によって加熱され且つ蒸発させられ得る。膨張後、サイクロン分離器又は他の相分離器２３４によって熱伝達流体は窒素から分離され、窒素ガスは通気口２２８を通じて大気中に放出される。窒素から分離されると、熱伝達流体は再熱器２３６を通過させられ、且つ、再利用のために第２ポンプ２３２によって第１膨張器２２０に戻される。
【００５２】
図３に示す実施例では、第１膨張器２２０からの機械力を出力する駆動軸２３０によって第２ポンプ２３２が駆動される。しかし、他の任意の都合良く配置された動力源が同様に使用されてもよい。膨張器２２０はこの場合もやはりレシプロ型又はタービン型であり、駆動軸２３０を通じて動力出力を発生させる複数の段階又は単一の段階で構成される。或いは、各膨張器は、自身の個別の駆動軸を介して機械仕事を出力してもよく、その場合、それら駆動軸は例えば電気的結合によって互いに結合される。
【００５３】
図２及び図３に示すように、膨張段階からの駆動軸による作業出力は、第１ポンプを駆動するために用いられる。図５〜図８に示す本発明に係るシステムの実施例では、膨張によって生成される機械力及び駆動軸による出力は、冷凍コンパートメントを冷却するための冷凍システムを駆動するために用いられる。冷凍システムは、蒸気圧縮型又は空気循環型のような、軸動力を利用できる任意の公知の構成である。
【００５４】
図４は、駆動軸３３０を介して冷凍システム３６０に機械的に結合される、図２に示すシステムのような低温エンジンシステム３１０を含むシステム３００を示す。冷凍システム３６０は、冷凍コンパートメントから空気を移動させるための第１導管３６６、コンプレッサ３６８、冷凍器熱交換器３７０、膨張器３７２、及び、冷凍コンパートメントに冷気を戻すための第２導管３７４を含む空気循環を含む。図４は、駆動軸３３０が冷凍システム３６０のコンプレッサ３６８を駆動することを示す。冷凍システムの膨張器３７２は駆動軸３３０の駆動をアシストする。
【００５５】
また、低温エンジンシステムと冷凍システムとの間で、機械的結合ばかりでなく、熱的結合を実現することが有利である。図５〜図８は、この利点を実現する本発明の実施例を示す。これらの実施例では、低温エンジンシステムにおける熱交換器は、適切な配管又は他のインタフェース手段を通じ、熱交換システム９０における熱交換器に結合される。この目的は、膨張の準備が整った低温エンジンシステムにおける低温流体を温めるためにコンパートメント６４からの熱を捕集することにある。また、熱は、大気（周囲の熱）によってもたらされてもよく、例えばＩＣエンジン等の他の任意のソースからもたらされてもよい。このアプローチの他の利点は、冷凍システムからの排熱を増進し、それによってそのシステムの冷凍性能を改善することにある。組み合わされた熱交換器／放熱器における環境での熱伝達に対して付加的であることはこの熱伝達にとって有益となり得る。
【００５６】
図５は、図４を参照して説明したような空気循環冷凍システムに結合された２段階の熱力学的動力サイクルを有する（図２を参照して上述したシステムのような）低温エンジンシステム４１０を含むシステム４００を示す。低温エンジンシステムにおける第２熱交換器４２２及び排熱交換器４２６は、冷凍システムの高温側にある熱交換器４７０に熱的に結合される。これは付加的であってもよく、或いは、冷凍システムにおける大気との熱交換を置き換えるために用いられてもよい。第１段階の熱交換器４１８（又は気化器）は、戻り空気流４７４（すなわち冷凍コンパートメントに戻される冷気）に結合され、冷コンパートメントに戻る前に寒剤によって戻り空気を更に冷却できるようにする。低温流体が液体空気の場合、冷排気を直接そのコンパートメントに放出することも望ましいこととなり得る。前述のように、低温エンジンシステム４１０の第１ポンプ４１６、及び、冷凍システム４６０のコンプレッサ４６８は全て、低温エンジンシステム４１０の膨張器によってもたらされる機械仕事を出力する駆動軸４３０によって駆動される。冷凍システムの膨張器４７２は駆動軸４３０の駆動をアシストする。
【００５７】
図６は、図５のシステムと同様であるが、図３に示すシステムのようなシステム５１０で置き換えられた低温エンジンシステムを有するシステム５００を示す。この構成では、第１膨張器５２０での膨張中に低温エンジンシステム５１０における窒素を加熱するために熱交換流体（ＨＥＦ）が用いられ、有益には、熱交換流体（ＨＥＦ）の再加熱は冷凍システムの空気循環の高温側からの熱を用いる。導入器５５０は、ＨＥＦが膨張器５２０に導入されるようにする。これは、窒素膨張において周囲温度より高い温度を可能とし、低温エンジンシステム５１０の動力サイクルの作業出力を増大させる。
【００５８】
図７は、図２を参照して上述したシステムのような低温エンジンシステム６１０が蒸気圧縮冷凍システム６６０と結合される別の実施例を示す。蒸気圧縮冷凍システム６６０は、冷凍コンパートメント６４から空気／大気を移動させるための第１導管６６６、コンプレッサ６６８、凝縮器６７８、膨張弁６８０、蒸発器６８２、冷凍コンパートメント６４に冷気を戻すための第２導管６７４、冷凍コンパートメント６４から第１及び／又は第２導管を通じて冷却のために空気を循環させるためのファン６８４を含む。第２熱交換器６２２及び排熱交換器６２６は、冷凍システム６６０の凝縮器６７８に熱的に結合される。第１段階の熱交換器６１８と蒸発器６８２は冷凍コンパートメント６４からの冷気と順次的に熱を交換するように配置される。中間熱伝達流体循環システム６９０は、冷凍システム６６０の構成要素間で用いられ、且つ、熱伝達流体Ｆを含む。前述のように、低温エンジンサイクルの第１ポンプ６１６、及び、冷凍システムのコンプレッサ６６８は、低温エンジンシステム６１０の膨張器によってもたらされる機械仕事を出力する駆動軸６３０によって駆動される。冷却コイルにわたって空気流を送るファン６８４も駆動軸６３０によって動力が供給される。
【００５９】
図８は、前述のように熱交換流体（ＨＥＦ）が低温エンジン装置で用いられる一方で熱伝達流体Ｆが冷凍回路で用いられるところの更に別の構成を示す。より詳細には、作動流体ＷＦは、膨張器７２０に導入されるのに先だって膨張させられるように、第１熱交換器７１８を通過させられる。熱交換流体ＨＥＦは個別の回路内に提供される。個別の回路は、ＨＥＦを膨張器７２０に導入するための導入器７５０と、相分離器７３４とを含む。相分離器７３４は、ＷＦからＨＥＦを分離するためのものであり、また、使用済みの作動流体が排気管７２８を介して大気中に放出されるように、且つ、再利用のためにＨＥＦが膨張器７２０に送り返される前に再加熱されるところの熱交換器凝縮器７２２、７２６、７７０、７７８を介してＨＥＦが再循環させられるようにするためのものである。また、熱交換器７２２は、冷凍システム回路７９０における凝縮器熱交換器７７８の機能を果たす。回路７９０は、図７を参照して上述したものと同様、好適には低温エンジンシ７１０の駆動手段７３０によって駆動されるコンプレッサ７７６と、循環流体Ｆを膨張させるための膨張器７８０と、蒸発器７８２とを更に含む。膨張させられた流体Ｆは、コンプレッサ７７６に戻される前に熱交換用蒸発器７８２を通過する。本構成は、冷凍コンパートメント６４からの空気／大気を移動させ、且つ、コンパートメント６４からの大気と流体Ｆとの間で熱を交換できるようにその大気が膨張器熱交換器７８２を通過するようにさせ、それによって容器６４に大気を戻す前にその大気及び第２導管７７４を冷却できるようにするための第１導管７６６を更に含む。第１熱交換器７１８はその大気の流路内に配置されてもよく、好都合には、熱伝達によってその大気を冷却し或いは更に冷却できるように第２導管７７４内に配置されてもよい。熱交換器７８２及び７１８は、導管７６６、７７４の一方、他方、又は両方の中で直列に或いは並列に配置されてもよい。
【００６０】
上述の構成における熱交換器１１８、１２２、１２６、２１８、２３６、３１８、３２２、３２６、３７０、４１８、４２２、４２６、４７０、５１８、５７０、６１８、６２２、６２６、６７０、７１８、７８２、７７０が個別に且つ／或いは互いに組み合わされ、低温エンジンと、冷凍システム６０及び冷凍コンパートメント６４自体の一方、他方、又は両方との間で熱を交換するための熱交換システム９０を効果的に形成することが理解されるであろう。これらの熱交換器の１又は複数は、熱伝達仕事を実行するときには熱伝達部材として参照され得る。この明細書内では、直接的な熱交換は低温エンジンと冷凍コンパートメント６４内からの大気との間での単一の熱交換器を介した熱の交換を参照し、一方で、間接的な熱交換は中間の熱伝達流体を採用する構成を参照する。
【００６１】
上述の実施例の全てでは、（冷凍システム内の何れかの膨張器によってアシストされた）単一の駆動軸又は複数の駆動軸によって出力される低温エンジンからの軸動力は、冷凍システムにおけるコンプレッサ、ポンプ、及び何れかのファンを駆動するために用いられる。別の実施例では、駆動軸によって出力される軸動力の一部又は全部は補助的な動力源として用いられ、それ故に、例えば、照明用オルタネータを駆動するために用いられ、或いは、制御目的で用いられ、或いは、トラクタに動力を供給するための主な動力源として用いられる。
【００６２】
本発明のシステムの適用例は、重量物運搬車のための冷凍トレーラ、軽量物運搬車及びバンのための冷凍システム、並びに、船舶輸送で用いられる冷凍コンテナのためのシステムを含む。また、そのシステムは、固定された冷凍コンテナ及び建造物のいくつかのクラスにとっても有益である。前述の適用例の全てでは、用語“冷凍”は、腐りやすい商品の輸送のための標準温度（〜０℃）及び冷凍商品のための標準温度（〜−２０℃）を含むがそれらには限定されない任意の周囲保持温度（sub-ambient holding temperature）に適用される。また、特に輸送適用例において取り付けられる空調システムの全てのクラスに関し、この発明の潜在用途が存在する。
【００６３】
本発明は、本発明の実施例を表す添付図面を参照して典型的な形で説明された。本発明の多くの異なる実施例が存在し、且つ、請求項で定められるような発明の範囲内にそれらの実施例の全てが含まれることが理解されるであろう。
【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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