(57)【要約】室内空間に対して冷気を供給するためのアンモニア水吸熱冷却システム、または加熱および／または冷却システムを操作する改良された方法であって、該システムは、室内空間に対して加熱およびまたは冷却を行う第一の外部熱交換器（２４，２４’、３９）と、室内空間の内部に熱伝達されるようなアンモニア以外の相変化冷媒を用いた第二の熱交換器（２６）とを有する熱交換アセンブリ（３５，３５’、７５）を含んでおり、相変化冷媒の蒸発のみで行われる熱交換における熱負荷伝達に必要とされるよりも多量の液体相変化冷媒を、冷媒濃縮熱交換器から冷媒気化熱交換へポンピングする。本発明は、前記方法を実行するための装置も含んでいる。
2004513325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内空間に対して冷気を供給するためのアンモニア水吸熱式冷却システム、または加熱および／または冷却システムを操作する方法であって、該システムが、
室内空間に対して加熱およびまたは冷却を行う第一の外部熱交換器（２４，２４’、３９）と、
室内空間の内部に熱伝達されるようなアンモニア以外の相変化冷媒を用いた第二の熱交換器（２６）と、
前記第一および第二の熱交換器とを配管接続し、そこにアンモニア以外の相変化冷媒を有する配管と、前記液体相変化冷媒を前記第一の熱交換器と第二の熱交換器との間でポンピングするためのポンプとを有する熱交換アセンブリ（３５，３５’、７５）を含んでおり、さらに、
前記方法が、前記熱交換器における相変化冷媒の蒸発のみによって熱負荷伝達に適応するために必要な量以上の液体相変化冷媒を、冷媒の復水が生じる熱交換器から、冷媒の気化が生じる熱交換器に向かってポンピングすることを特徴とする方法。
【請求項２】
相変化冷媒を気化する熱交換器にポンピングされる液体相変化冷媒の量が、熱負荷伝達に適応するのに必要な量より約１〜１００％の量だけ多いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
相変化冷媒を気化する熱交換器にポンピングされる液体相変化冷媒の量が、熱負荷伝達に適応するのに必要な量より約２〜２５％の量だけ多いことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記相変化冷媒としてフッ化炭素またはフロン、またはそれらの混合をポンピングすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記吸熱システムがアンモニア水冷却器が吸熱器アセンブリ（１０）と、再生器アセンブリ（１１）とを備えており、また、
前記第一の熱交換器（２４）が前記相変化冷媒についての濃縮器を備えるとともに、前記第二の熱交換器が前記室内空間に冷気を供給するために、相変化冷媒についての気化器お備えており、また、ポンプ（１９）が室内空間を冷却するために必要とされる量以上の相変化冷媒を前記第二熱交換器にポンピングすることを特徴とする、請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項６】
前記吸熱システムが、
再生器（１１）と、
吸熱器（１２）と、吸収式熱交換器（５１）と、再生／吸収熱交換器（５３）とを有する吸熱アンモニア水冷却器を備え、かつ、前記再生器からのアンモニア高濃度吸熱の少なくとも一部を、前記吸熱器から前記吸収熱交換器に向けて導くための配管を含んだ吸熱器アセンブリと、
前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達するための装置とを備えており、さらに、
前記第一の熱交換器（２４）が前記相変化冷媒のための濃縮器を備え、前記第二の熱交換器（２６）が室内空間に冷気を供給するような前記相変化冷媒のための気化器を備えており、ポンプ（１９）が室内空間を冷却するために必要とされる量以上の相変化冷媒を前記第二熱交換器にポンピングすることを特徴とする、請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項７】
前記吸熱システムにおいて、
アンモニア水加熱器が吸熱器アセンブリ（１３）と、再生器アセンブリ（１１）とを備え、
前記第一の熱交換器（２４）が前記相変化冷媒のための気化器を備えるとともに前記第二の熱交換器（２６）が室内空間に冷気を供給するような前記相変化冷媒のための濃縮器を備え、
かつポンプ（１９）が第二の熱交換器（２６）から第一熱交換器へ送る相変化冷媒の量が、室内空間に熱を供給するための熱伝達負荷に対応する相変化冷媒を気化するために必要な量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項８】
前記吸熱システムが、
再生器（１１）と、
吸熱器、吸収熱交換器（１３）、および再生／吸収熱交換器（５３）を備え、かつ、前記再生器からのアンモニア高濃度吸熱の少なくとも一部を、前記吸熱器から前記吸収熱交換器に向けて導くための配管と、前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達するための装置とを備えた吸熱器アセンブリとを備えたアンモニア水加熱器であって、
前記第一の熱交換器（２４、２４’）が前記相変化冷媒のための気化器を備えるとともに、前記第二の熱交換器（２６）が室内空間に冷気を供給するような前記相変化冷媒のための濃縮器を備え、
かつポンプ（１９）が第二の熱交換器（２６）から第一熱交換器へ送る相変化冷媒の量が、室内空間に熱を供給するための熱伝達負荷に対応する相変化冷媒を気化するために必要な量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項９】
前記アンモニア水吸熱システムが、
吸熱器アセンブリと、再生器アセンブリと、前記吸熱器アセンブリと再生器アセンブリとの間に吸熱流体を導くための吸熱流体ループと、
熱気または冷気を、空調される室内空間に対して選択的に供給し、前記室内空間にさらされた第一の熱交換器（２４）と、室内空間にさらされた熱伝達器中の第二の熱交換器（２６）と、相変化冷媒を循環させるポンプ（１９）と、前記相変化熱交換アセンブリを通って循環する方向を反転するための装置（１８）とを備えている、選択的に気化および復水の機能を果たすことが可能な相変化冷媒熱交換アセンブリ（３５）と、
前記アンモニウム水吸熱システムと前記第一の熱交換器との間で熱を交換するための装置と、
１または複数のバルブ（２５）および／または選択的に前記アンモニア水吸熱サイクルを反転するための冷媒ループに協働するポンプとを備えた循環反転装置とを備えており、さらに、
前記第一および第二の熱交換器が、室内空間に熱気または冷気を供給するような、前記相変化冷媒のための濃縮器および気化器として機能可能であって、ポンプ（１９）が第一の熱交換器または第二の熱交換器へポンピングする液体相変化冷媒の量が、室内空間に熱を供給するための熱伝達負荷に対応する相変化冷媒を気化するために必要な量よりもそれぞれ多いことを特徴とする、請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項１０】
前記吸熱器アセンブリが、吸熱器、吸収熱交換器、および再生／吸収熱交換器を備えており、かつ、前記再生器からのアンモニア高濃度吸熱の少なくとも一部を、前記吸熱器から前記吸収熱交換器さらには前記再生器に向けて導くための配管と、前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達するための装置とを備えていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
液体相変化冷媒を循環させるための前記ポンプが可逆ポンプであることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
熱交換アセンブリ（３５）が、１または複数の可逆バルブ（１８）を含み、かつ、液体相変化冷媒を循環させる前記ポンプが単方向ポンプであることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記アンモニア水吸熱システムが、
吸熱器アセンブリ（１０）と、再生器アセンブリ（１１）と、前記吸熱器アセンブリと再生器アセンブリとの間で吸熱流体を導くための吸熱流体ループと、
空調される室内空間に熱気または冷気を選択的に供給し、前記室内空間にさらされた第一の熱交換器（２４）と、前記室内空間にさらされ、気化器および濃縮器としての選択的に機能可能な第二の熱交換器（２６）とを備えた熱交換アセンブリ（３５）と、
気化器と濃縮器として選択的に機能可能な第三の熱交換器を備えた外部コイル（２８）と、
前記第一の交換器、前記外部コイル、前記吸熱器および再生器の間にアンモニアを導くための第一の冷媒ループと、
前記第一の熱交換器と第二の熱交換器との間でアンモニア以外の相変化冷媒を含む第二の冷媒ループと、
第二の熱交換器へポンピングする液体相変化冷媒の量が、室内空間に熱を供給するための熱伝達負荷に対応するのに必要な量よりも多くポンピング可能なポンプ（１９）と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項１４】
復水されたアンモニアのためのリザーバ（２２）を含み、かつ、前記第一の冷媒ループが、前記外部コイル（２８）からの復水されたアンモニアを前記リザーバにへ、かつ前記リザーバから第一の熱交換器へ導くための配管を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
アンモニアを前記第一または外部コイルに導き、前記第一の熱交換器または外部コイルからのアンモニアを前記吸熱器に導くための、第一の冷媒ループと協力する可逆バルブ（２５）を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記リザーブバルブが、四方バルブを備えていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記吸熱器アセンブリが、吸熱器と、吸収熱交換器と、再生／吸収熱交換器とを有しており、さらに、前記再生器からのアンモニア高濃度吸熱の少なくとも一部を、前記吸熱器から前記吸収熱交換器さらには前記再生器に向けて導くための配管と、前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達するための装置とを備えていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記ポンプは、可逆ポンプであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記第二の冷媒ループが１または複数の可逆バルブ（１８）を含み、かつ、前記ポンプが単方向ポンプであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
前記アンモニア水吸熱システムが、
吸熱器アセンブリ（１０）と、
再生器アセンブリ（１１）と、
前記吸収および再生器アセンブリ間に吸熱流体を導くための吸熱流体ループであって、
前記吸熱器アセンブリから前記再生器アセンブリへアンモニア高濃度吸熱流体を導くための第一の配管と、前記再生器アセンブリから前記吸熱器アセンブリへアンモニア低濃度吸熱流体を導く第二の配管を備えた吸熱流体ループと、
濃縮器（２８）と、
選択的に濃縮器または気化器として機能するための第一熱交換器（３９）と、
前記再生器アセンブリ、濃縮器、第一熱交換器、吸熱器アセンブリ間にアンモニアを導くための第一の冷媒ループと、
前記再生器アセンブリから前記第一の熱交換器へ、前記濃縮器を通過することなくアンモニア導くための冷媒バイパス配管（７２）と、
アンモニア以外の相変化冷媒を導き、かつ、熱気および冷気を空調される室内空間に選択的供給するための第二の冷媒ループであって、前記室内空間にさらされている熱伝達中の第二の熱交換器（２６）を備え、気化器および濃縮器として選択的に機能することが可能な第二の冷媒ループと、を備えた冷却器／加熱器であることを特徴とする、請求項１に記載の方法を実行するための装置。
【請求項２１】
前記バイパス配管を選択的に開放するために、前記冷媒バイパス配管に協力する１または複数の動作可能バルブ（５５，７４）を含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記吸熱器アセンブリが、吸熱器と吸収熱交換器とを備え、かつ、前記吸熱流体ループが、前記吸熱流体を前記吸収熱交換器に接続された熱伝達器内から、さらに再生器アセンブリに導くことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記吸熱器アセンブリが、吸熱器、吸収熱交換器、および再生／吸収熱交換器を備えているとともに、
前記吸熱流体ループが、少なくともアンモニア高濃度吸熱流体の一部を、前記吸収熱交換器からさらに前記再生器へ導くと共に、前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達する装置に導くことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記第一の熱交換器から前記再生器アセンブリへ、前記冷媒流路を介して復水された冷媒の重力流れを供給するために、前記第一の熱交換器が前記再生器アセンブリよりも上に持ち上げられていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記バイパス配管を選択的に開閉するために、前記冷媒バイパス流路に協力する１または複数の動作可能バルブ（５５，７４）を含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置が、前記再生／吸収熱交換器から前記再生器まで熱エネルギーを伝達するための装置であって、前記再生／吸収熱交換器を通じてアンモニア高濃度吸熱流体の一部を、再生器に送る前に移動させるための配管を有していることを特徴とする、請求項６、８、１０，１７，２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
吸熱による加熱及び冷却システム、特に空調設備やヒートポンプといった、アンモニアが冷媒であり、水が吸熱剤であるようなシステムが、従来の加熱炉のみならず、従来の蒸気圧縮空調設備や、ヒートポンプシステムに対する、高効率で高費用効率な代替物としてよく知られている。天然ガスの燃焼によって駆動されるアンモニア水システムの費用節減は、より高価な電力によって駆動される従来システムと比して大変意義がある。１９８８年の米国特許３６６８４号および５３６７８８４号のＭｏｄａｈｌ等の特許（「商用高度吸着ヒートポンプ・ブレッドボードの評価」）に記載されている高効率再生吸熱式熱交換サイクル（ＧＡＸ）装置が、アンモニア水吸熱システムのさらなる改良品の例である。しかしながら、アンモニアは直接膨張蒸発装置における室内使用や室内液化が許されていないために、このようなアンモニア冷媒システムにおいては、居住スペースに熱または冷気を送るための、循環熱伝達カップリングか、他の熱交換アセンブリを使用する必要がある。アンモニアは、ＡＳＨＥＲＥ（加熱冷凍エアコンディショニング工学会）によって安全度グループＢ２およびＵＬによる第二グループの冷媒に分類されている。さらに、地方および国の法律および規則では、室内か、居住のために閉じられた領域にさらされている装置に、アンモニアを使用することは、そのアンモニアの量が微量である場合以外は禁止されている。
【０００２】
アンモニア水吸熱システムに加えて、特定の空調空間での使用を制限または禁止されているような作動流体を用いるような他の加熱または冷却システムにおいても、熱または冷気を負荷に伝達するための熱交換アセンブリを独立させて設けなければならない。アンモニア水システムや、他の冷媒または加熱システムをカップリングするための熱交換アセンブリは、ポンプ式顕熱ループおよび相変化ループを備えている。ポンプ式顕熱ループは、水、グリコール水溶液、食塩水、油といった熱交換流体を用いる。循環水式（水性）ループは、ユニット化されたアンモニア水吸熱システムに一般的に用いられる。相変化及びポンピングシステムは、いずれも欠点を有している。アンモニア水システムからの冷気および熱を、特定の空調空間に伝達するために一般的に用いられる循環水式熱伝達カップリングは、水溶液や、エチレングリコールまたはプロピレングリコールといった熱伝達流体を含んだポンピングループを使用している。このような水性の循環熱伝達カップリングループの使用には、いくつかの欠点がある。水性の熱伝達流体をポンピングするために必要な電力は、極めて操業コストを増大させる。既存の建物に水性アンモニア空調装置を後から取り付けることは困難であり、かつ、相変化冷媒に合わせて一般的に設計されているため、液体熱交換に応じた適切な大きさまたは設計となっておらず、室内コイルや配管を置き換えることは高くつく。空調される空間と室外システムとの間で熱を交換するような水性の流体の温度グライドは、熱力学サイクルを増加した温度リフトの上に押し上げ、それゆえにシステムの効率を低下させている。加えて、熱伝達液体用に設計された熱交換器は、概して相変化流体について用いられるそれよりも大きい。
【０００３】
従来の相変化アセンブリは、熱サイフォンおよびヒートパイプを備えているが、このいずれも相変化単独で熱負荷を担うのに必要な量よりも、多量の冷媒を循環させない。過供給（オーバーポンピング）は、相変化システムにおいて、熱負荷のために要求される量よりも多くの冷媒を循環させるプロセスである。過供給は、一般には、コンプレッサー注入口にある分離タンクに液体冷媒を戻すような、工業用または商用冷却システムの蒸気ループにおいて用いられるが、コンプレッサーに直接接続されていない孤立した熱伝達アセンブリにおいては使用されていない。オーバーポンピングは、要求される熱伝達面を縮小させる、ポンピングパワーを抑える、さらには各要素の相対的な上昇の制限を緩和または消去するという、大きな長所を備えている。熱パイプおよび温度サイフォンは共に、循環および方向性について重力に依存しており、要素の位置が重要となる。
【０００４】
（発明の要約）
本発明は、アンモニア水吸熱システムに現在用いられる水循環式カップリングの欠点を大幅に低減するように設計された、優れた熱伝達カップリングに関する。本発明についての方法及び装置は、アンモニア水システムと室内または空調される居住空間との間での熱交換のための使用を禁止または本質的に制限されていない相変化冷媒を用いている。本発明は、相変化のみによる熱交換負荷に適合するのに必要とされる量以上の液体相変化冷媒を、熱伝達カップリングの熱交換器に一定量のオーバーポンピングすることを含んでいる。オーバーポンピングを行うポンプ式相変化ループは、ポンプ式顕熱ループと純相変化ループとの複合型となり、これらの欠点の大半を取り除きつつ、これらの長所を維持する。特定の装置構成と、方法の具体例を、以下の発明の詳細に記す。
【０００５】
（好ましい実施例の詳細な説明）
図１は、本発明に係る空調空間に相変化熱伝達カップリングを組み込んだアンモニア水吸熱冷却装置の概略図である。前記アンモニア水吸熱装置の構成要素は、吸熱器アセンブリ１０および再生器アセンブリ１１を備えている。前記吸熱器アセンブリは、吸収熱交換セクション１３と、空冷吸熱器１２を備えている。前記再生器アセンブリは、再生熱交換器１８と、環流コイル１７を有した整流器セクション１６とを備えている。空冷濃縮コイル２８は、ジェネレータからのアンモニア蒸気を復水させ、その復水液はサブクーラー２３を通って、その液が気化した場所である熱交換器２４に導かれる。ポンプ２１は、アンモニア水溶液を吸熱器および再生器からポンピングする。相変化熱伝達カップリング３５において、相変化冷媒液は室内コイル２６に冷媒ポンプ１９を用いてポンピングされる。熱交換器２４からの液体相変化冷媒は、負荷から熱を吸収した際に室内コイル２６において気化され、熱的にさらされた空間を冷却する。室内コイル２６からの気相冷媒は、濃縮器２８およびサブクーラー２３からの液体冷媒と同様に、熱交換器２４に供給されるアンモニアの蒸気に熱的に接触することによって、非アンモニア冷媒が復水されている熱交換器２４に導かれる。
【０００６】
図２は、加熱される空間に対して、熱を供給するための本発明に係る気相変化カップリングを組み入れた暖房用アンモニア水吸熱器具を概略的に示す図面である。図中の再生器アセンブリは、図１に示されるアセンブリと類似もしくは本質的に同一である。吸熱器アセンブリは、吸収熱交換器１３および、気相変化流体の液に対して熱の吸収を拒絶するための熱交換器２４を備えている。前記吸熱器アセンブリは、空気コイルアンモニア気化器２７をも備えている。アンモニア吸熱流体は、図中の矢印によって示されるように、溶液ポンプ２１によりポンピングされる。相変化熱伝達カップリング３５’は、相変化冷媒熱交換器２４’を備えている。熱交換器２４は、吸収熱交換器１３からアンモニア水溶液を吸収する熱伝達によって、相変化冷媒液を気化させる。さらに、相変化冷媒は、前記再生器アセンブリ中の整流器セクション１６からのアンモニア蒸気の復水を伴う熱接触によって、さらに加熱・気化されるために熱交換器２４から熱交換器２４’に導かれる。室内コイル２６中の相変化冷媒の復水によって前記空間は加熱され、暖められる。多くの状況において、熱交換器２４および２４’の順序は、相変化流体がまず２４’を通過し、次に２４を通過するように入れ替えてもよい。熱交換器２４および２４’は、相変化流体の一部が２４を通過し、その他の部分が２４’を通過するように平行に設置されてもよい。
【０００７】
図３は、加熱される空間に対する相変化熱交換カップリングを備えた、ＧＡＸ（再生吸熱式熱交換）加熱器を示している。図示されたアンモニア水吸熱システムは、吸収熱交換器１３を備えた吸熱器、ＧＡＸ熱交換器５３および熱交換器２４を備えている。再生器アセンブリ１１は、本質的に前述のものと同様であり、整流器セクション１６と再生熱交換器とボイラーセクション１８との間に、断熱セクション１５を有している。吸収熱交換器からのアンモニア高濃度吸熱流体（溶液）の流れが分割され、その一部分がＧＡＸ吸熱器に導かれたのち、そこから再生器カラムの高温セクションに導かれており、他の部分は再生器カラムの低温セクションに導かれるような手順を含んだＧＡＸの操作は、例えば前述のＭｏｄａｈｌ等の米国特許番号５３６７８８４号公報に記載されているように、公知である。吸収式熱交換器の前のアンモニア高濃度吸熱流体の流れの分割は、通常一部分は再生器に導かれ、他方の部分が吸収式熱交換器を通ってＧＡＸ吸熱器に導入され、そこから再生器カラムに導かれる。相変化熱伝達カップリングアセンブリ３５’の構成及び操作については、前述の図２に記載されている。
【０００８】
図３に示す概略図は、熱伝達流体としてのアンモニア高濃度吸熱溶液を用いて再生吸収式熱交換器（ＧＡＸ）を成立させるための手段を示している。熱は吸熱器から吸収熱交換器１３及びＧＡＸ熱交換器５３中の復水溶液に伝わる。ＧＡＸ熱交換器においては、濃縮溶液温度はその沸点以上に上昇し、部分的気化および脱離が起こる。このタイプのＧＡＸは通常、液相リッチまたは強液相（ｓｔｒｏｎｇｅｒ−ｌｉｑｕｏｒ）ＧＡＸと呼ばれる。再生吸収式熱交換を成立させる他の手法についても公知である。そのような手法は、一般的には希薄溶液ＧＡＸと呼ばれ、再生吸収式熱伝達流体として、再生器からのアンモニア希薄溶液を用いている。分離された熱伝達ループ中の流体（例えば水）も、吸熱器から再生器に熱を伝達するのに用いられてもよい。図３，４、５および６に記載されているＧＡＸ熱伝達要素は、強溶液ＧＡＸを表しているが、オーバーポンピングを結合した条件付き空間への相変化熱カップリングを用いた本発明は、ＧＡＸ熱伝達についての全ての方法について適用可能であり、同様に弱液相（ｗｅａｋ ｌｉｑｕｏｒ）または二次的流体ＧＡＸにも有効である。
【０００９】
相変化熱伝達カップリングは、アンモニア水ヒートポンプと共に用いられてもよい。そのような装置は、加熱または冷却を選択的に空調空間に供給する。ＧＡＸやこれ以後に述べる非ＧＡＸのような、アンモニア水吸熱システムの吸熱器アセンブリ及び再生器アセンブリ、さらには相変化熱伝達カップリングに加えて、ヒートポンプアセンブリには、例えば、１または複数のバルブおよび／または、不可逆または可逆ポンプ、および効果的なサイクル選択を供給するための適切な配管といった、吸熱サイクルを選択的に逆流させるための装置が組み込まれるであろう。冷却面については、アンモニア水吸熱システムは復水アンモニアを相変化熱交換カップリングにおいて気化させる；加熱面については、アンモニア蒸気を吸熱システムから熱伝達カップリング中で復水させるために導き、相変化熱伝達カップリングループによって熱吸着をも行う。
【００１０】
図４は、室内または空調空間に向けられた相変化熱伝達カップリングを用いた、アンモニア水吸熱ヒートポンプについての概略図である。図示されたアンモニア水吸熱システムヒートポンプは、米国特許３６６８４号中に開示されている。相変化熱伝達カップリングはいくつかの型のヒートポンプ、例えば米国特許５５７９６５２号に記載されているような、可逆循環式のものを用いることもでき、これは、米国再発行特許３６６８４号に記載されているように、単一箇所において全ての熱が遮断されているようなシステム中においては特に有効である。図４に記載されたシステムは、吸熱器１０と、整流器１６を備えた再生器１４を有している。図示した環流コイルの代わりに分配器を用いてもよい。ポンプ３０はアンモニア溶液をリザーバ２２よりポンピングするが、米国特許再発行３６６８４号に記載されているように、アンモニア溶液冷媒が重力による移動を代わりに用いてもよい。リザーバ２２からの復水アンモニア冷媒は、より低位置にある吸収熱交換器３７と、整流器１６に接続する流路分割器２９とに向かって押し出され、後者の流れはバルブ４５によって調節されている。整流器および吸収式熱交換器からのアンモニア（大半が蒸気である）は可逆バルブ２５に配管されている。操作の冷却モードにおける図示された実施例において、アンモニアは可逆バルブ２５によって、アンモニアを復水し、流量調整器３３または不可逆式のサーマルエクスパンションバルブ（ＴＸＶ）または他の整流器を介してリザーバ２２に配管された外部コイル２８に導かれる。アンモニア溶液は、後述するように流量調整器３１を通ってリザーバ２２から相変化冷媒熱交換アセンブリ３５に配管される。前記流量調整器３１および３３は矢印の方向については実質的に絞りがないように全開にされており、反対方向については膨張装置のような役割を果たす。吸熱ヒートポンプの特定の配置は、米国再発行特許３６６８４号に記載されているようなシステム、すなわち、従来の商用に利用可能な単一効果およびＧＡＸ冷凍機を含む再生吸収式熱交換器（ＧＡＸ）も含めた中から選択することができる。
【００１１】
相変化熱伝達カップリングアセンブリ３５は、アンモニアと非アンモニア相変化冷媒間の熱伝達を行う熱交換器２４を備えている。冷却モードにおいて機能するヒートポンプによって、アンモニアは可逆バルブ２５を経て外部コイル２８を通って導かれ、熱変換器２４につながる膨張装置３１を通って、リザーバ２２に対して復水されるように作用する。前記熱伝達カップリングアセンブリ３５は、室内空間の内部またはその他の調節領域に対してさらされた熱伝達器中の室内コイル２６と、四方バルブ１８と、配管２０および室内コイルに対して相変化冷媒を行き来させる単方向ポンプ１９を備えている。前記冷却モードでは、熱交換器２４からの液体相変化冷媒は四方バルブ１８およびポンプ１９によって、該液体冷媒を気化させて熱交換器２４に戻すための室内コイル２６に導かれる。加熱モードでは、熱伝達カップリングアセンブリ３５中の相変化冷媒熱が逆に流れる。前記四方バルブ１８および単方向ポンプは、可逆ポンプに置き換えられてもよく、また、四方バルブは二方または三方バルブの適当な組み合わせによって置き換えられても構わない。
【００１２】
図５は、本発明に係る熱伝達カップリングアセンブリ７５をも組み込んだアンモニア水ＧＡＸ（再生吸収式熱交換）冷凍装置の概略図である。該ＧＡＸ冷凍システムの主要構成部は、吸熱器１２と、吸収熱交換器５１およびＧＡＸ熱交換器５３とを有する吸収熱交換セクション５０とを備えた吸熱器アセンブリ１０である。再生器アセンブリ１１は、再生熱交換器３５、ボイラー４６、断熱セクション１５および整流器セクション１６を備えている。濃縮器２８は、気化したアンモニアを復水し、該アンモニアを予備冷却するためにサブクーラ４５に導く。吸熱および濃縮熱交換器は、整流器１６が溶液または水で冷却されるのに対して、空冷でも水冷であってもよい。従来のＧＡＸ冷却器は、先行技術、例えば米国特許５４９０３９３号または５３６７８８４号において公知であり、前述のＭｏｄａｈｌ等（Ｍｏｄａｈｌ等）の特許にも記載されている。従来のＧＡＸ冷凍器の操作は、特に２０００年１月５日出願の米国特許出願Ｎｏ．０９／４７９２７７号（ＲＯＣＫＹＲ．９９Ａ）において記載されている。熱交換器３９は、復水される相変化冷媒と、冷媒ポンプ１９によって室内コイル２６までポンピングされた液体についての濃縮器として機能する。室内コイル２６は、開放された負荷（調整空間）を冷却するための蒸発器として作用する。
【００１３】
図６においては、ＧＡＸ冷却／加熱システムが示されている。この装置は、再生器１１からのアンモニア蒸気が、配管７２を経由して該アンモニア蒸気を熱交換器３９に導くような濃縮器２８を回避するための、バイパス工程を含んでいる。バルブ５５の操作は、濃縮器２８に通じるアンモニアの流れを選択的に閉じ、ソレノイド操作バルブ７４は配管７２を選択的に開閉する。加熱機能を提供するため、再生器からのアンモニア蒸気は、熱伝達カップリングアセンブリ７５中の気相冷媒を加熱するための濃縮器として作用する、熱変換器３９に向かって移動する。前記熱伝達カップリング中の相変化冷媒は、さらされた空間を加熱するための濃縮器として作用する室内コイル２６に向かって移動する気相冷媒によって、熱交換器３９中で加熱および気化される。双方向ポンプ３２は熱伝達カップリングアセンブリ中の液層冷媒をポンピングする。必要ならば、図４に示すような１または複数の可逆バルブおよび単方向ポンプを用いてもよい。気化器として作用する室内コイル２６を冷却するために、バルブ５５および７４は、濃縮器２８へアンモニアを選択的に移動させるように、バイパス配管７２を閉じ、装置が図５に示されかつ説明されている冷却器としての機能を果たす。相変化冷媒のオーバーポンピングは、ここに記載されるように行われる。ＧＡＸ冷却／加熱アセンブリの構成操作については、前述の０９／４７９２７７号出願にすべて記載されている。
【００１４】
図７は、熱交換器３９から再生器１１に配管８２およびソレノイド操作バルブ８４を介してアンモニア冷媒を戻すために重力を用いている冷却−加熱融合システムであって、アンモニアをポンピングするためのポンプまたはポンプを操作するための電力を必要としないような、他の実施例を示している。加熱モードの操作時において、濃縮器および吸熱器は操作されておらず、吸熱流体もシステムを通じてポンピングされない。その代わり、アンモニアは再生器１１内で単に加熱および気化され、バイパス７２を経由して熱交換器３９へ直接導かれ、熱伝達カップリングアセンブリ７５中の冷媒に熱を供給するために復水される。再記するが、アンモニア水吸熱システムの操作は２０００年１月５日出願の出願０９／２７９２７７号（ＲＯＣＫＹＲ．０９９Ａ）にすべて記載されている。
【００１５】
本発明によると、冷却または加熱モードにおいては、室内コイルにおける冷媒の蒸発のみで熱負荷伝達に適応するために必要な量以上の液体相変化熱伝達流体を、室内コイルに向かってポンピングする。このプロセスは、オーバーポンピングと称され、一定温度付近で相変化冷媒を気化するのに必要な熱伝達面積を縮小するか、および／またはプロセスの最適化に基づいてポンピング電力を減少させる。室内コイルにおいて熱伝達面が乾くと、熱伝導面中の熱伝達係数の減少が強まる。液のオーバーポンピングは、室内コイルの熱伝達面の乾燥領域をなくす。しかしながら、過度のオーバーポンピングは、熱伝達係数の減少防止を妨げる。本発明において、オーバーポンピングする液の量はおよそ１％から１００％の間であって、好ましくは２％から２５％の過剰液である。
【００１６】
同様に、加熱モードにおいて、オーバーポンピングはポンピングに必要なパワーを最小限にできるという点で有効である。加熱モードにおいて、相変化冷媒は室内コイルで濃縮され、熱交換器で気化される。このように、図６において、加熱モードでは、ポンプ３２は熱交換器３９において気化されるよりも多量の液体冷媒を、室内コイル２６から熱交換器３９にポンピングする。
【００１７】
図８を参照すると、液体冷媒を冷却モード中に室内コイルに向かってオーバーポンピングした効果を図示したグラフが示されている。図８は、オーバーポンピングの機能として必要なポンピング力を示している。これらのデータは、Ｒ２２冷媒と特定コイルおよびチューブサイズの分析及び仕様に基づいており、２〜１０％の範囲でのオーバーポンピングに最低限必要なポンピング力を示している。液体冷媒のオーバーポンピングの仕様範囲は、室内コイル、相変化流体の選択、コイル設計、温度プロセスに適応するための熱交換負荷の必要性に基づいている。例えば、選択された相変化冷媒が１００Ｂｔｕ／ｌｂの相変化エネルギーを有している場合、３６，０００Ｂｔｕ／ｈの設計負荷、３６０ｌｂ／ｈｒの最低循環率が必要となる。しかしながら、より一般的には、３６５〜７５０ｌｂ／ｈｒの循環率が用いられている。
【００１８】
熱伝達カップリング中に用いられる特定の相変化冷媒は、例えばＲ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ、Ｒ４１０ａ、Ｒ５０２、Ｒ１２３、Ｒ５０７などのＨＦＣｓおよびＨＣＦＣｓを含む。一般的に用いられる冷媒の大部分は、相変化カップリングとして機能し、これらの冷媒はすぐに商業的利用が可能であり、安全で、通常の配管材料に影響を与えず、また、建築請負人、空調エンジニア、技術者らによく知られていることから、これらの冷媒が好ましく用いられる。好適な冷媒は、ＡＳＨＲＥＡ安全グループＡ１またはＡ２、およびＵＬグループ４，５，６の冷媒の組み合わせである。ＨＶＡＣが認めた冷媒を用いることで、冷却および加熱温度における圧力を上がりすぎたり下がりすぎたりしないことを確実となる。本発明に係る相変化熱伝達カップリングの使用は、水をグリコールまたはプロピレングリコールまたは他の不凍液からなる溶液を組み入れた循環式システムにおいて好適である。前述のように、相変化冷媒を室内コイルにポンピングするために要する電力は実質的に低い。中央空調設備またはヒートポンプを備えた家屋は、一般的には冷媒気化用の大きさに設けられた室内コイルを備えており、室外ユニットおよび室内コイル間の配管接続は相変化冷媒の移送用の大きさおよび設計が施されているため、改装コストが実質的に低くなる。一般に、家庭内に存在する配管は、本発明に係るシステムで用いられているアンモニア水空調またはヒートポンプへの相変化熱伝達カップリングに用いることができる。さらに、既存の配管設備を用いることに加えて、膨張装置（冷媒絞り器）の除去や分配器の取り替え等の多少の改装は必要となるものの、既存の室内コイルをも同様に用いることができる。しかしながら、例え既存の室内コイルが使用できなくとも、室外ユニットと新たな室内コイルとを結ぶ既存の配管設備を利用するため、簡単な室内コイルの置き換えによって、改装を経済的かつ効率よく行うことができる。
【００１９】
別の熱交換器のデザインおよび構造を、アセンブリの熱伝達カップリングにおいて用いてもよい。例えば、選択された熱交換器は、複数の内部チューブをそれより大きい外部チューブの中心軸に対して実質的に平行に並べられているような、二重チューブ設計であってもよい。このような設計は、比較的費用がかからず、熱交換器内の低圧力降下という利点を有している。図１を参照すると、熱伝達カップリング３５中で用いられている非アンモニア相変化冷媒の気相部分は、熱交換器を通過するにつれて気化されていくような、リザーバ２２から復水したアンモニア冷媒に逆流するように導かれている。他の有効な熱交換器設計は、外部チューブと同軸状に拡張された単一の内部チューブを用いた２重チューブ式のものである。２重チューブ式の熱交換器の短所は、チューブの実質的な長さが、流体間の熱交換を十分に行えるだけ必要とされることである。一般的には、該チューブの長さは、外部チューブの直径よりも大きければよい。直径に対する長さの比は、通常は少なくとも２００程度である。熱交換器の他のタイプは、シェル熱交換構造中のコイルチューブである。この設計では、一つの流体は、他の流体が通過するシェルの環状内部に沿って延びるコイルチューブ内部に沿うように移動する。他の熱交換器は、内部のチューブがねじれ、外部チューブ内で同軸に延びているように設計されたねじれチューブを用いている。カバープレート間にほぼ平行に並べられた複数のプレートを組み込んでいるような、平板タイプの熱交換器を用いてもよい。このような熱交換器はコンパクトであり、それゆえにスペースの条件が限られている場所では有効である。広範囲の温度範囲操作が要求されるような熱交換部品を通る熱応力は、好ましくない。他の熱交換器の設計は、本発明の範囲内において用いることができる。用いる熱交換器の設計の選択は、それぞれの長所および短所を考慮した当業者によって明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る空調空間に相変化熱伝達カップリングした様子を示すアンモニア水吸熱冷却装置の概略図である。
【図２】図２は、加熱空間について相変化カップリングを用いているアンモニア水暖房器具を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、相変化カップリングを組み入れたアンモニア水ＧＡＸ（熱交換吸熱再生器）加熱器を概略的に示す図面である。
【図４】図４は、空調空間に相変化熱伝達カップリングした様子を示す、冷却モードで操作中の本発明に係るアンモニア水吸熱冷却システムヒートポンプの概略図である。
【図５】図５は、相変化熱伝達カップリングを備えた本発明のアンモニア水ＧＡＸ冷却装置の概略的に示す図である。
【図６】図６は、冷媒濃縮バイパスを有する相変化カップリングを備えたアンモニア水ＧＡＸ冷却器／加熱器の概略図である。
【図７】図７は、相変化カップリングを備え、重力によって冷媒を再生器に戻すようにした他のＧＡＸ冷却器／加熱器の図である。
【図８】図８は、本発明に係る熱伝達カップリングにおいて、液体相変化冷媒をオーバー・ポンピングする優位性を示すグラフである。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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