(57)【要約】  急速冷却のためのバーストモード冷却システムを設けることによって、熱負荷を急速に冷却するシステムおよび方法を開示する。バーストモード冷却システムは、アンモニアを急速に吸収するように構成される錯化合物吸収器を含むことができる。
2020509327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを吸収および脱離するように構成される錯化合物吸収剤を含む少なくとも１つの吸収器と、
前記少なくとも１つの吸収器に熱的に接続される少なくとも１つの熱源と、
前記少なくとも１つの吸収器と流体連通する１つまたは複数の凝縮器と、
前記少なくとも１つの吸収器と流体連通する１つまたは複数の蒸発器と、
前記蒸発器で一気に熱吸収させる弁を作動させるように構成されるバーストモード制御器であって、前記錯化合物の吸収期間が５秒と３００秒の間であり、脱離期間が１８０秒と１５分の間である、バーストモード制御器と
を備える、バーストモードアンモニアベース冷却システム。
【請求項２】
前記吸収剤が、ＳｒＣｌ２、ＣａＢｒ２、およびＭｎＣｌ２のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御器が、前記錯化合物吸収剤について、配位圏のリーンエンドにおけるアンモニアの吸収を制御するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位５０％である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位３０％である、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
３モル以下のアンモニアが１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収されるときに、ＳｒＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
３．５モル以下のアンモニアが１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収されるときに、ＳｒＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
前記ＳｒＣｌ２吸収剤についての前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位２０％である、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
３モル以下のアンモニアが１モルのＣａＢｒ２毎に吸収されるときに、ＣａＢｒ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項１０】
３．５モル以下のアンモニアが１モルのＣａＢｒ２毎に吸収されるときに、ＣａＢｒ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項１１】
３モル以下のアンモニアが１モルのＭｎＣｌ２毎に吸収されるときに、ＭｎＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項１２】
３．５モル以下のアンモニアが１モルのＭｎＣｌ２毎に吸収されるときに、ＭｎＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するように前記制御器が構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項１３】
前記吸収期間が複数のパルス期間へと分割される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数のパルス期間が、各々、５秒間と３０秒間の間である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記吸収期間が３０秒であり、各々５秒間の３つの吸収パルス期間と各パルス期間の間の５秒の停止からなる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムの熱質量が７：１未満であり、これが、前記反応器の全質量（キログラム）対前記錯化合物吸収剤の全質量（キログラム）の比である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記吸収器が、前記アンモニアを前記錯化合物吸収剤に分配するための、複数の多孔質ガス分配チューブを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記蒸発器が製品またはデバイスからの熱負荷と対合するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記熱負荷が瞬間冷凍デバイスまたは製品の部分である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記熱負荷が指向性エネルギー兵器システムの部分である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記制御器が、温度センサに連結され、前記温度センサが所定の目標温度に達すると、バーストモード冷却サイクルを作動させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御器がバーストモード冷却サイクルをトリガする作動信号に連結される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記作動信号が、バーストモード冷却サイクルをいつ作動させるかを決定する予測プロセスによって作動する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの吸収器が３つの吸収器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
バーストモード冷却サイクルをいつ作動させるか検出するステップと、
錯化合物吸収剤を備える少なくとも１つの吸収器にアンモニアが流れることを可能にする弁を作動させるステップであって、前記吸収器が蒸発器に接続され、前記作動によって、前記蒸発器において一気に熱吸収させる、ステップと、
前記錯化合物の吸収期間を５秒と３００秒の間に、脱離期間を１８０秒と１５分の間に制御するステップと
を含む、熱負荷をバーストモード冷却する錯化合物吸収器システムにおける方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの吸収器が、ＳｒＣｌ２、ＣａＢｒ２、およびＭｎＣｌ２のうちの１つである錯化合物吸収剤を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記吸収期間を制御するステップがアンモニアの前記吸収を制御するステップを含み、そのため、アンモニアが配位圏のリーンエンドにおいて前記錯化合物吸収剤に結合する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記吸収剤がＳｒＣｌ２を含み、前記ＳｒＣｌ２吸収剤についての前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位２０％である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記吸収期間を制御するステップが、３モル以下のアンモニア分子が１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収されるときに、ＳｒＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記吸収期間を制御するステップが、３．５モル以下のアンモニア分子が１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収されるときに、ＳｒＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位５０％である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記配位圏の前記リーンエンドが前記配位圏の下位３０％である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記吸収期間を制御するステップが、３モル以下のアンモニア分子が１モルのＣａＢｒ２毎に吸収されるときに、ＣａＢｒ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記吸収期間を制御するステップが、３．５モル以下のアンモニア分子が１モルのＣａＢｒ２毎に吸収されるときに、ＣａＢｒ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記吸収期間を制御するステップが、３モル以下のアンモニア分子が１モルのＭｎＣｌ２毎に吸収されるときに、ＭｎＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記吸収期間を制御するステップが、３．５モル以下のアンモニア分子が１モルのＭｎＣｌ２毎に吸収されるときに、ＭｎＣｌ２吸収剤に対するアンモニアの前記吸収を制御するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、急速冷却という特徴を実現するように構成される、吸収器を使用し錯化合物および吸収ガスを有する吸収冷蔵システムに関する。詳細には、たとえば、急上昇する熱負荷を瞬間冷凍または冷却するための、熱負荷の急速引き下げのための特徴に関する。
【背景技術】
【０００２】
極性ガスとある種の金属塩の間の、吸収／脱離反応とも呼ばれる吸着／脱離反応は、高いエネルギー密度を有する、効率的な冷蔵、熱貯蔵、ヒートポンプシステムおよび電力システムのための基礎となる錯化合物を産出する。しかし、塩に吸収される極性ガスの量の尺度であるエネルギー密度は、所与の量の錯化合物に貯蔵できる仕事量またはエネルギーへと変換するが、商業的に魅力的なシステムを設計する際に考慮されるただ１つのパラメータである。
【０００３】
重大でなくとも重要なことは、ガスと錯化合物の間の反応速度であり、これが、所与の量のガスを錯化合物が吸着脱離するのにかかる時間をもたらす。反応速度を上げるまたは最大化することによって、システムが送出できるパワーを増やすまたは改善する結果となる。すなわち、より大きなエネルギーが一定期間の時間に送出され、このことによって、システムをより大きい加熱、冷却、またはパワー能力に変換する。
【０００４】
これらのシステムにおける反応速度は、部分的に、ガスが錯化合物にどれだけ効率的に分配されるかの関数である。以前のシステムは、ガスを錯化合物に分配するのに、多孔質セラミックスまたは布を使用した。しかし、セラミック分配器はもろく、特に、安定しない、または振動する環境では容易に砕ける可能性がある。たとえば、セラミック分配器は、起伏の多い地形での輸送により引き起こされる振動に耐えるのに難点がある場合がある。布分配器は、特に、複数サイクル後に詰まる傾向があることに起因して、いくつかの否定的側面を有することも発見されている。この詰まりによって、システム中の冷蔵の圧力低下が増え、それによって、吸収器および吸収システムの性能を低下させる場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示される実施形態は、各々がいくつかの態様を有し、そのどの１つも、本開示の望ましい属性を単に担っているわけではない。本開示の範囲を限定することなく、本開示の最も顕著な特徴を、ここで、簡単に議論することになる。この議論を考えた後、特に、「発明を実施するための形態」という名の項目を読んだ後に、本明細書に記載される実施形態の特徴が、どのようにして、錯化合物反応器中にガスを分配するための既存のシステム、デバイス、および方法を越える利点を提供するのかを理解することになる。
【０００６】
一実施形態は、アンモニアを吸収および脱離するように構成される錯化合物吸収剤を含む少なくとも１つの吸収器と、少なくとも１つの吸収器に熱的に接続される少なくとも１つの熱源と、少なくとも１つの吸収器と流体連通する１つまたは複数の凝縮器と、少なくとも１つの吸収器と流体連通する１つまたは複数の蒸発器と、蒸発器で一気に熱吸収させる弁を作動させるように構成されるバーストモード制御器であって、錯化合物の吸収期間が５秒と３００秒の間であり、脱離期間が１８０秒と１５分の間である、バーストモード制御器とを含む、バーストモードアンモニアベース冷却システムである。
【０００７】
別の実施形態は、熱負荷をバーストモード冷却する錯化合物吸収器システムにおける方法である。方法は、バーストモード冷却サイクルをいつ作動させるか検出するステップと、錯化合物吸収剤を備える少なくとも１つの吸収器にアンモニアが流れることを可能にする弁を作動させるステップであって、吸収器が蒸発器に接続され、作動によって、蒸発器において一気に熱吸収させる、ステップと、錯化合物の吸収期間を５秒と３００秒の間に、脱離期間を１８０秒と１５分の間に制御するステップとを含む。
【０００８】
本開示の上記および他の特徴は、添付図面とともに、以下の記載および請求項からより完全に明らかとなろう。これらの図面が、本開示にしたがったいくつかの実施形態だけを描き、本開示の範囲の限定と考えるべきでないと理解されたい。本開示は、添付図面を使用して、さらに具体的かつ詳細に記載する。以下の詳細な記載では、本明細書の一部をなす添付図面への参照が行われる。図面では、文脈に別段の指示がない限り、典型的には、同様の符号は同様の構成要素を識別する。詳細な記載、図面、および請求項に記載される例示的な実施形態は、限定する意味はない。本明細書に呈示される主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、他の変更形態を作ることができる。本明細書に一般的に記載され、図に図示される本開示の態様が、種々多様な異なる構成で配置、代替、組み合わせ、および設計できること、そのすべてが明確に意図され本開示の部分をなすことは、容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＣｏＣｌ２上へのアンモニアの吸収速度を経時的に示し、配位圏のリーンエンド（ｌｅａｎ  ｅｎｄ）、すなわち概ね反応の最初の約５分までにおける吸収速度が、配位圏のリーンエンド以外よりはるかに速いことを示す折れ線グラフである。
【図２】ＳｒＣｌ２上へのアンモニアの吸収速度を経時的に示し、配位圏のリーンエンド、すなわち概ね反応の最初の約５分までにおける吸収速度が、配位圏のリーンエンド以外よりはるかに速いことを示す折れ線グラフである。
【図３】バーストモード冷却システムの実施形態の概略図である。
【図４】図３のバーストモード冷却システムの部分である吸収器の実施形態の概略図である。
【図５】図３のバーストモード冷却システムの部分である制御器の実施形態のブロック図である。
【図６】図３のバーストモード冷却システムのバースト冷却の特徴体を作動させるためのプロセスの実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
製品、デバイス、または他の熱負荷を急速に冷却するためのシステムおよび方法が開示される。そのようなシステムは、目標の製品またはデバイスを急速に冷却するため、蒸発器に連結されるアンモニアガス吸収システムを使用する。固体−ガス吸収反応、すなわち固体上のガスの吸着および脱離は、高いパワー密度を産出することが意図される条件下の装置で実行することができる。一実施形態では、吸収器システムのパワー密度および急速冷却特性を最大化するために、吸着期間と脱離期間は、異なる速度である。
【００１１】
一例では、バーストモード冷却システムは、瞬間冷凍製品のための急速冷却システムの部分である。瞬間冷凍では、製品が短い時間期間で１つの温度から氷点以下の第２の温度にされる。食品産業では、瞬間冷凍は、冷凍食品の品質を保つために実施される。急速冷却が求められる任意の他の用途が、本出願内であることが意図される。そのような場合としては、電子機器およびレーザ要素を急速加熱することが挙げられる。
【００１２】
固体−ガス吸収システムは、固体錯化合物上にガスを吸着し、次いで加熱によって錯化合物から吸収したガスを飛ばすことによって動作するため、固体−ガス吸収システムは、多数のエネルギータイプで運転することができる。たとえば、システムは、アンモニアガスを錯化合物吸収剤から飛ばすため、十分な熱的パワーを有する、ディーゼルもしくはＪＰ−８などの化石燃料、電力、天然ガス、太陽熱、または任意の他のタイプの加熱システムによって加熱することができる。
【００１３】
バーストモード冷却システムによって企図される比較的速い吸収速度を実現するため、システムは、１つの特定の錯化合物および相変化アンモニアなどの冷媒を使用する場合がある。一実施形態では、錯化合物吸収剤は、冷媒としてアンモニア（ＮＨ３）と組み合わせる、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＣｏＣｌ２、ＦｅＣｌ２、ＳｒＢｒ２、ＳｒＣｌ２、ＣａＢｒ２、またはＭｎＣｌ２である。しかし、錯化合物は以下の塩のグループから選択できることを理解されたい。
【００１４】
（１）アルカリ土類金属塩化物、臭化物、または塩素酸塩。
【００１５】
（２）金属塩化物、臭化物、または塩素酸塩。ここで、金属は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、カドミウム、タンタル、またはレニウム。
【００１６】
（３）ＮＨ４ＡｌＣｌ４、ＮａＡｌＣｌ４、ＫＡｌＣｌ４、（ＮＨ４）２ＺｎＣｌ４、（ＮＨ４）３ＺｎＣｌ５、Ｋ２ＺｎＣｌ４、ＣｓＣｕＣｌ３、およびＫ２ＦｅＣｌ５から選択される二重塩化物塩。
【００１７】
（４）臭化ナトリウムまたは塩化アンモニウム。
【００１８】
（５）塩化亜鉛を含む、遷移金属ハロゲン化物。
【００１９】
他の錯化合物は、１９８９年７月１８日に発行され、すべての目的のために本明細書に参照により組み込まれる米国特許第４，８４８，９９４号に見ることができる。
【００２０】
下に記載されるように、システムは、非常に短い時間期間でデバイスまたは製品を冷却するために、電子制御器がバースト放出を実現するように構成することができる。一実施形態では、錯化合物のバースト冷却を実現する各吸収期間は、５秒と３００秒の間であってよい。食品プロセス冷却は、典型的には、時間範囲の上限であり、一方、熱を発生するレーザシステム、マイクロ波などの冷却は、下限または上限であってよい。他の実施形態では、吸収期間は、１０〜２００、１５〜１５０、２０〜１００、３０〜７５、または４０〜５０秒の間であってよい。他の実施形態では、吸収期間は、２００、１７５、１５０、１２５、１００、７５、５０、２５、１０、１５、７、または５秒間未満であってよい。吸収期間は、複数の「パルス期間」へと分割することもできる。たとえば、２５秒の１つの吸収期間が、各々５秒間の３つの吸収パルスと、各パルス間の５秒の停止からなる場合がある。吸収期間内の他の数のパルス、または停止期間の数も企図される。たとえば、吸収期間内のパルスの数は、吸収期間毎に２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、またはより多くのパルスであってよい。いくつかの実施形態では、パルス期間は、各々、５〜１０、５〜２０、または５〜３０秒間の間であってよい。
【００２１】
制御器は、バーストモード冷却サイクルを作動させる多くの方法で構成することができる。一実施形態では、制御器は、システム中の冷媒、または熱伝達流体の流れを作動、変調、または作動停止する任意の電子デバイスまたは装置である。制御器は、システム内のバーナにおける熱を制御する任意の電子デバイスまたは装置であってもよい。一実施形態では、制御器は、温度センサに連結され、温度センサが所定の目標温度に達すると、バーストモード冷却サイクルを作動させる。温度センサは、冷却される熱負荷に熱的に連結することができ、熱負荷が所定の目標温度に達すると、冷却サイクルが開始される。あるいは、制御器は、バーストモード冷却サイクルをトリガする作動信号に電子的に連結することができる。作動信号は、様々なデータを検知し、次いで冷却サイクルをいつ作動させるかを予測する予測プロセスによって制御することができる。たとえば、制御器は、熱負荷の現在の温度、最後に作動してからの時間、熱負荷に連結されるデバイスの他の機器の状態を検知することができる。このデータを使用して、システムは、熱負荷が加熱を開始する直前にバーストモード冷却サイクルを作動させることができる。たとえば、熱負荷が瞬間冷凍システムである場合、制御器は、いつシステムが食品または他の製品を冷凍し始める必要がある可能性があるかを検出することができる。冷凍サイクルが必要になることの直ぐ前に、システムは、熱負荷が適切な時間に冷却されるように、一気に冷却を開始する。いくつかの実施形態では、制御器は、決定された冷却イベントに先だって、冷却サイクルを、１、２、３、４、５、６、または１０秒作動させることができる。
【００２２】
配位圏のリーンエンドを使用することによって、各吸収期間内にパルス動作させるオプションがある、より速い速度の吸収がもたらされ、バースト反応速度がさらに速くなる。本明細書で使用する配位圏とは、対象の配位圏中の、中心金属イオンおよびその配位子であるが、可能な下位の配位圏の配位子分子はカウントしない。一実施形態では、配位圏のリーンエンドは、対象の配位圏の下位５０％であるが、ここで、アンモニアなどの可能な配位子の５０％未満は、中心金属イオンに結合する。他の実施形態では、対象の配位圏のリーンエンドは、配位圏の下位の３０％、２５％、または２０％であってよい。たとえば、アンモニア吸収の最高速度は、吸収器の中の錯化合物が、アンモニア分子に結合するのに利用可能な、最も吸収する部位を有するときである。ＳｒＣｌ２は、アンモニアにとって、８つの利用可能な吸収部位を有する。第一配位圏は０〜１圏であり、第二は１〜８圏であり、後者は、本開示の主題に対する実施形態の大部分にとって重要である。０〜１圏および１〜８圏は、熱力学的な一価性（ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  ｍｏｎｏｖａｒｉａｎｃｙ）の窓を狭くする、固体−固溶体効果を考慮しない理論的数字である。ＳｒＣｌ２の場合には、蒸気圧が配位子濃度と無関係である一価性の有効範囲は、約１．８〜７．５である。したがって、１モルのＳｒＣｌ２が、１．８モルの吸収されたアンモニアからその第二配位圏中の２．８モルのアンモニアに行くのに必要な時間は、１モルのＳｒＣｌ２が、２．８モルの吸収されたアンモニアから３．８モルの吸収されたアンモニアに行くよりはるかに短い。しかし、ある低い温度環境条件、特に２０℃未満では、１．８モル未満の配位子で開始して、０〜１圏、第一配位圏内の吸収を開始することが好ましい場合がある。ＳｒＣｌ２では、配位圏のリーンエンドは、配位圏の下位２０％であってよい。これは、大多数の他の化合物で同様である。本明細書に記載されるバーストモード冷却システムの実施形態は、より速い反応速度を可能にし、各吸収反応でより短い反応時間をもたらし、こうしてより大きい冷却パワーを実現するために、吸収器の中の錯化合物を、その最も希薄な、最も少ないモル数のアンモニアで保つように調整される。
【００２３】
一実施形態では、システムは、各錯化合物の吸収プロファイルの、「最も希薄な」部分でアンモニアを吸収するように設計される。したがって、このシステムの実施形態では、ＳｒＣｌ２が化合物であり、１モルのＳｒＣｌ２毎に８モルのアンモニアを吸収することが可能である場合、システムは、３．５モルまたは３モル未満のアンモニアが１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収されるときにアンモニアを好ましく吸収する吸収サイクルを有するように構成されることになる。３モル以上のアンモニアが１モルのＳｒＣｌ２毎に吸収される場合、制御器は、システムに、吸収器加熱サイクルを実施して、結合したアンモニアを飛ばし、錯化合物吸収剤をリセットして、次回のバーストモード冷却のために、ＳｒＣｌ２の単位モル当たり３モル未満のアンモニアという好ましい範囲に戻す命令を行うことができる。
【００２４】
同様に、ＭｎＣｌ２が吸収剤であり、１分子のＭｎＣｌ２毎に最大６分子のアンモニアを吸収することが可能であり、関連する配位圏が２〜６モル圏である場合、システムは、１モルのＭｎＣｌ２が約３．５モル、３モル未満の吸収されたアンモニア分子を有し、単位モルのＭｎＣｌ２毎に約２モルのアンモニアから単位モルのＭｎＣｌ２毎に３．５モルのアンモニアを吸収するときにだけアンモニアを好ましく吸収する吸収サイクルを有するように構成されることになる。
【００２５】
ＣａＢｒ２が吸収剤である場合、システムは、約３．５モル未満のアンモニアが事前に結合され、単位モルのＣａＢｒ２毎に約２モルのアンモニアから単位モルのＣａＢｒ２毎に３．５モルのアンモニアを吸収するとき、アンモニアがＣａＢｒ２吸収剤上に吸収される吸収サイクルを有するように構成することができる。いくつかの実施形態では、システムは、約３モル未満のアンモニアがＣａＢｒ２吸収剤に事前に結合しているときにだけ、アンモニアをＣａＢｒ２吸収剤上に吸収するように構成することができる。これらの構成は、制御器を使用して、最も効率的にアンモニアを化合物が装荷できるときに吸着および脱離時間を作動させるように調整することによって管理することができる。
【００２６】
一実施形態では、温度変化／脱離期間は、システムを再装荷するために、約１８０秒と約１５分の間でああってよい。いくつかの実施形態では、脱離期間は、約５、４、または３分未満である。
【００２７】
図１は、熱交換器の中のＣｏＣｌ２吸収剤に結合するアンモニアの速度（モル／モル／時間）が、０．０３０バールの圧力および４５℃の一定温度で経時的に測定された実験の結果を示す。ＣｏＣｌ２が配位圏のリーンエンドであり、１モルのＣｏＣｌ２毎にわずかなモルのアンモニアしか結合していないときの最初の反応期間に、アンモニア吸収の速度がはるかに速いことが見いだされた。示されるように、吸収の最初の約４分後に、速度は、単位時間に１モルのＣｏＣｌ２毎に１４．５モル以上のアンモニアが加えられる点に達した。しかし、最初の約４分後に、ＣｏＣｌ２の各モル上のアンモニア結合位置が早期の反応によって占められるので、アンモニア付加速度が減り始めた。温度および圧力がより大きく異なることによって、より速い速度がもたらされるが、配位圏のリーンエンドとリッチエンドの間の反応速度の比は、同じままとなる、またはなお一層顕著になる、のいずれかとなる。
【００２８】
図２は、熱交換器の中のＳｒＣｌ２吸収剤に結合するアンモニアの速度（モル／モル／時間）が、２．３９６バールの圧力および４５℃の一定温度で経時的に測定された実験の結果を示す。ＳｒＣｌ２が配位圏のリーンエンドであり、１モルのＳｒＣｌ２毎にわずかなモルのアンモニアしか結合していないときの最初の反応期間に、アンモニア吸収の速度がはるかに速いことが見いだされた。示されるように、吸収の最初の約６分後に、速度は、単位時間に１モルのＳｒＣｌ２毎に１７モル以上のアンモニアが加えられる点に達した。しかし、最初の約６分後に、ＳｒＣｌ２の各モル上のアンモニア結合位置が早期の反応によって占められるので、アンモニア付加速度が減り始めた。この材料クラスのすべての錯化合物と同様に、温度および圧力がより大きく異なることによって、より速い速度がもたらされるが、配位圏のリーンエンドとリッチエンドの間の反応速度の比は、同じままとなる、またはなお一層顕著になる、のいずれかとなる。
【００２９】
実施形態にとっての最適な反応速度は、吸着剤密度、質量拡散経路長、加熱または熱拡散経路長、ならびに熱力学的動作条件を含むいくつかの独立パラメータにも依存する。後者は、全体的なプロセス条件、すなわち、プロセスが実行される具体的な温度および圧力条件、差圧すなわち動作またはシステム圧力と錯化合物の平衡圧力の間の差、ならびにアプローチ温度またはΔＴを含む。バースト冷却を実現するために、比較的速い速度で吸着反応および脱離反応を実施することの１つの結果は、アプローチ温度が通常よりも高くてよいことである。本発明の実施形態では、アプローチ温度は、アンモニアのより速い脱離を引き起こすために、１５°Ｋから３５°Ｋであってよい。
【００３０】
一実施形態では、１５°Ｋから３０°Ｋの比較的高い温度でのアンモニアの脱離のためのアプローチ温度で反応器が構成されるとき、システムは、脱離サイクルが終了する以前に加熱を停止する場合がある。たとえば、制御器は、脱離反応が終了する、２、３、４、５、１０、２０、３０秒以上前に、脱離器を加熱するのを停止するようにシステムに命令することができる。このことによって、アンモニアが錯化合物から脱離し続けることが可能になるが、次回の吸収の準備をするため、脱離器を冷却することも可能になる。本実施形態によって、システムにおける次の冷蔵サイクルに先だって脱離器が冷却を開始することを可能にし、次回のバーストモード冷却のため、吸収器を循環させることにおいて、より高い全体的な効率を実現する。
【００３１】
一実施形態では、吸収器は、次のサイクルの加熱のために吸収器の準備をするため、吸収サイクルの終了に先だって冷却を停止するようにも構成される。たとえば、制御器は、反応が終了する、２、３、４、５、１０、２０、３０秒以上前に、吸収器に冷却用流体を循環させるのを停止することができる。一実施形態では、システムの冷却ループは、次の反応サイクルが始まる前に吸収器の温度が上がることを可能にするためにオフにすることができる、グリコールおよび水、または他の好適な熱伝達流体を含むことが多い。他の実施形態では、冷却ループは、アンモニアまたは他の相変化流体を使用して吸収器を冷却することができる。
【００３２】
一般的に、反応器は、比較的低い熱質量を有するように設計されるべきである。より大きい熱質量を有する反応器は、加熱および冷却するのにより長い時間がかかる。本発明の実施形態は、効率的に、一気に冷却することを実現することができる反応器を含み、このことは、急速加熱および冷却する能力が、反応器設計の１つの考慮事項であることを意味する。熱質量を測定する１つの方法は、反応器（殻、フィン、錯化合物などを含む）のキログラム単位の全重量と、反応器内の錯化合物（塩）のキログラム単位の重量の比である。一実施形態では、この比は、７：１未満であり、より好ましくは、６：１、５：１、４：１、または３：１未満である。一実施形態では、反応器の熱質量は、アルミニウム、チタン、先進的繊維複合体、または他の同様に軽量な材料などの先進的な材料から反応器の部分を製造することによって減らされる。
【００３３】
実施形態は、作動すると急速に加熱するレーザ、電子レーザ、およびマイクロ波システムなどの指向性エネルギー兵器システムなどのデバイスを冷却するように構成されるシステムの部分であってよい。実施形態は、食品および飲料業界などの任意の業界のための、急速冷凍システムの部分であってもよい。
【００３４】
図３は、アンモニアを吸収および脱離するように設計される錯化合物ベース吸収器１１０を有する１つの例示的なバーストモード冷却システム１００を示す。吸収器１１０についてのさらなる詳細は、下の図４を参照して見いだすことができる。電子制御器１１８の制御下で、バースト冷却弁１１６が開くと、サイクルが開始する。弁１１６を開くことによって、アンモニア貯蔵器１２０に収納された凝縮アンモニアが、膨張弁１２４を通して急速に膨張し、蒸発器１２８を通して移動することが可能になる。膨張するアンモニアの液体がガスに変わり、蒸発器１２８を通して移動すると、隣接する熱負荷１３０から熱を吸収する。このことによって熱負荷１３０を急速に冷却する。熱負荷１３０によってガスへと蒸発したアンモニアの液体は、開いたバースト冷却弁を通って吸収器１１０への入口／出口１３１へと移動し、そこで、吸収器１１０内の錯化合物上に吸収され始める。
【００３５】
バースト冷却が完了した後、システムは、吸収したアンモニアガスを錯化合物から飛ばす必要があり、そのため、エチレングリコールと水の混合物などの加熱した熱媒体を吸収器へと循環させることができる加熱ポンプ１３４を作動させる。一実施形態では、熱媒体は、水の中の約３０％のエチレングリコールであるが、他の組成の熱媒体も、本発明の実施形態の範囲内である。たとえば、熱媒体は、ＳＹＬＴＨＥＲＭＴＭ（商標）（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，  Ｍｉｄｌａｎｄ，  ミシガン州）、ＰＡＲＡＴＨＥＲＭＴＭ（商標）（Ｐａｒａｔｈｅｒｍ，  Ｋｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｒｕｓｓｉａ，  ペンシルベニア州）または同様の熱伝達流体であってよい。
【００３６】
加熱ポンプ１３４を作動させることによって、媒体を目標温度に加熱するバーナ１３６へと熱媒体を移動する。一実施形態では、目標温度は１２５℃と１４０℃の間である。別の実施形態では、目標温度は１３０℃である。加熱した熱媒体は、次いで制御弁１３８を通り、吸収器１１０内の高温熱媒体入口１４０へとポンプ注入される。熱媒体は、高温熱媒体出口１４４から加熱ポンプ１３４に戻るよう、吸収器１１０から流出する。吸収器が吸収器の錯化合物面にアンモニアを吸収する別のサイクルに入ることができるように、加熱した熱媒体を、所定の時間期間の間吸収器１１０を通して循環して、吸収したアンモニアガスを飛ばす。
【００３７】
加熱した熱媒体を吸収器１１０を通して効率的に動かすために、システムは、吸収器１１０が加熱される必要がないとき、加熱した熱媒体を通して流すことができる熱交換器１４８も含む。制御弁１３８は、吸収器が加熱される必要がないときに熱交換器１４８に、冷蔵サイクル内で吸収器を加熱するときに吸収器１１０に熱媒体の流れを切り替えるように、制御器によって制御される。
【００３８】
加熱したアンモニアガスは、入口／出口１３１から、アンモニアガス戻り弁１３２を通って移動して、凝縮器１１９へと流れて、さらなるサイクルを開始する。制御器１１８は、各サイクル期間にそのアンモニアガスが吸収器に適切に入って出るように、バースト冷却弁１１６およびアンモニアガス戻り弁１３２を制御する。凝縮器１１９において、アンモニアガスは、アンモニア貯蔵器１２４へと流れる前に、ファン１２１によって冷却され、液体の状態へと凝縮される。アンモニア貯蔵器は、吸収器に再循環される、またはバーストモード冷却のために使用される以前の、加圧されたアンモニアガスまたは液体のための保持容器としての役割を担う。
【００３９】
吸収したアンモニアガスを飛ばすために吸収器が加熱された後、次回の冷蔵サイクルのために、吸収器は、アンモニアを吸収することができるように冷却する必要がある。吸収器を冷却するのを助けるために、システムは、アンモニア貯蔵器１２０から、吸収器１１０内の一連の冷却熱媒体のラインへとアンモニアを循環させる冷却ポンプ１５２を含む。冷却ポンプ１５２は、制御器１１８によって作動され、貯蔵器１２０からアンモニアを引き出して、アンモニアを熱媒体入口１６２へと流して、熱媒体出口１６４から流し出す。アンモニアは、吸収器１１０の内側から熱を吸収し、次いで、その加熱したアンモニアを凝縮器１１９に再循環させて、次回の吸収のために吸収器を冷却するのを助ける。
【００４０】
吸収器１１０についてのさらなる詳細は、図４に示される。吸収器１１０は、下端２０２と、下端２０２の反対側にある上端２１３を含む。端部２０２および２１３は、吸収器１１０の内部を横切る熱伝達チューブ２２０の組を通して、熱伝達媒体を移動させるのを容易にする。下端２０２は、熱伝達チューブ１２０の第１の回路と連通する、高温熱媒体入口１４０および出口１４４を含む。上端２１３は、熱伝達チューブ１２０の第２の回路と連通する、低温熱媒体入口１６２および出口１６４を含む。吸収器１１０は、熱伝達媒体および／または吸収ガスをシステムを通して移動させる必要に応じて、他の入口および／または出口を含むことができる。様々な入口および出口は、吸収ガスおよび／または冷媒が流れることができる配管または他のチャネルを提供することができる。
【００４１】
吸収器１１０は、吸収器１１０の内部に配設される錯化合物吸収剤２７０を囲繞して封入する細長い円筒形の層である、外殻２１０を有する。いくつかの実施形態では、殻２１０は、他の好適な形状を有してよく、１つより多くの層から構成されてよい。殻２１０は、金属または金属合金などの剛性材料から形成することができるが、同様に他の好適な材料から形成することができる。とりわけ、殻２１０は、吸収剤２７０にとってのバリアとしての役割を担い、吸収器１１０が加圧されるときに吸収剤２７０が外側に放射状に膨張するのを防ぐ。
【００４２】
吸収器１１０の下端２０２は、熱水箱２３０および供給箱２４０を含む。いくつかの実施形態では、熱水箱２３０は、流体ボンネットである。熱水箱２３０は、エチレングリコール／水などの流体を含み、流体は、次いで錯化合物吸収剤に隣接して延びる熱伝達パイプ２２０を通って供給箱４４０によって分配されて、アンモニアガスを解放するため吸収剤を加熱するために使用される。
【００４３】
同様に、吸収器１１０の上端２１３は、低温箱２３２を含む。低温箱２３２は、冷却流体ボンネットであってよい。低温箱２３２は、貯蔵器１２０からアンモニアなどの冷たい流体を、吸収器１１０内の熱伝達チューブ１２０の第２の回路に提供して、冷蔵サイクル間に吸収器１１０を冷却する。
【００４４】
錯化合物材料に隣接する熱伝達パイプ２２０を通して熱伝達媒体１２０を流すことによって、吸収材料との間で熱を伝達することができる。熱伝達パイプ２２０は、「Ｕ」字型屈曲部であってよい屈曲部２２２を有することができる。屈曲部２２２は、吸収器１１０の端部２０２、２１３のいずれかまたは両方に配置することができる。いくつかの実施形態では、屈曲部２２２は、Ｕ字型で、吸収器１１０の上端２１３近くに配置される。したがって、いくつかの実施形態では、吸収器は、吸収器１１０内で吸収材料を加熱および冷却するための２つの回路を有する、２重ボンネット設計を有する。
【００４５】
吸収器１１０は、吸収ガスを吸収器１１０との間で流すための吸収ガスパイプ２４５を含む。吸収ガスは、パイプ２４５から、様々な位置で吸収器１１０の中へと流れる。いくつかの実施形態では、１つの位置だけが存在する場合がある。示されるように、パイプ２４５は、吸収器１１０の側面に沿って３つの位置で吸収器１１０と接続する。パイプ２４５は、他の位置で吸収器１１０とやはり接続する場合がある。吸収ガスは、パイプ２４５から多孔質ガス分配チューブ２５０の組へと流れる。いくつかの実施形態では、吸収ガスは、パイプ２４５から吸収器１１０の中の区画（図示せず）へ、次いでガス分配チューブ２５０へと流れる。様々な構成が可能であり、これらはほんのいくつかの例である。吸収器の一実施形態は、２０１６年８月１８日に公開され、すべての目的のために本明細書に参照により組み込まれる米国特許公開第２０１６／０２３８２８６Ａ１号に見ることができる。
【００４６】
図５は、システム１００の動作を制御するための命令でプログラムされる制御器１１８の図を示す。制御器１１８は、システム１００の弁、ファン、および他の構成要素を管理することが可能な任意のタイプのよく知られているマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであってよいプロセッサ３１０を含む。プロセッサ３１０は、ある種の所定の条件下で、熱モードへの一気の冷却を作動させるための命令を含む、バーストモードモジュール３１５に接続される。一実施形態では、バーストモードモジュール３１５は、制御器１１８が所定の信号を受け取ったときに、熱負荷１３０を急速に冷却するように、バースト冷却弁１１６を作動させるようにプログラムされる。信号は、熱負荷に接続されるシステムからの作動信号であってよい。たとえば、熱負荷が１個の機械または機器である場合、機械または機器は、機械または機器が急速加熱サイクルを開始する直ぐ前に、バーストモード冷却を作動させる信号を送信する場合がある。一実施形態では、機械または機器は、作動の際に急速に加熱する兵器または他の機器であってよい。一実施形態では、兵器は、兵器が発射されるとき比較的短い爆発で加熱する、レーザまたはマイクロ波タイプの兵器であってよい。各発射で、兵器システムは、兵器システムの温度を低下させるために、システム１００のバースト冷却モードをトリガすることができる。別の実施形態では、機械または機器は、作動されると急速に加熱する機械的または電気的システムから熱を吸収するように構成することができる。その機械的または電気的システムは、特定の構成要素のさらなる冷却が保証されるように、機械的または電気的システム内で一気にエネルギーが使用されるときはいつでもバーストモード冷却をトリガするようにプログラムすることができる。
【００４７】
制御器１１８は、錯化合物吸収剤から吸収したアンモニアを飛ばすために吸収器が加熱された後、吸収器の冷却を制御する吸収器冷却モジュール３２０をやはり含む。吸収器冷却モジュール３２０は、バーストモード冷却サイクルを始める前に、目標温度に吸収器を冷却するため、吸収器１１０を通して冷たいアンモニア蒸気／液体を循環させるのを助ける、アンモニアガス戻り弁１３２とともに働くことができる。
【００４８】
制御器１１８は、蒸発器１２８に取り付けられ熱負荷１３０の温度を監視する、負荷温度モジュールをやはり有する。一実施形態では、負荷温度モジュール３２５は、熱負荷１３０の温度が所定の負荷温度に達すると、バースト冷却モードを作動させる。たとえば、熱負荷の温度が１０℃より高く５０℃より低いとき、負荷温度モジュールは、バースト冷却弁を作動させ、熱負荷をその目標温度より低く冷却する。他の実施形態では、バースト冷却弁は、熱負荷の温度が１５℃より高く４５℃より低い、または２０℃より高く４０℃より低いときに作動する場合がある。もちろん、実施形態は、ただ１回のバースト冷却手順を実施することに限定されない。作動期間に、熱負荷、または取り付けられる兵器システムは、熱負荷の温度をある目標温度より低く維持するために、複数回のバーストモード冷却動作を要求する場合がある。
【００４９】
一実施形態では、制御器は、熱負荷の温度に基づいて、システム内の様々なポンプおよびファンの可変速動作を管理する場合がある。たとえば、熱負荷または周りの環境の温度が上がると、システム内のポンプおよびファンの速度も上がってよい。同様に、熱負荷または周りの環境の温度が下がると、制御器は、ポンプおよび／またはファンの速度を遅くしてよい。
【００５０】
制御器は、錯化合物吸収剤からアンモニアを飛ばすために、冷却サイクル中の適切な時間に吸収器１１０を加熱するように構成される吸収器加熱モジュール３４０をやはり含む場合がある。制御器は、バーナ１３６を通して流れる加熱された液体が吸収器１１０へと向けられるのか、または代わりに熱交換器１４８に向けられるのかを決める弁１３８に接続することができる。吸収器加熱モジュール３４０が、アンモニアガスを飛ばす時間であると決定すると、制御器が弁１３８を開くことができ、このことによって、加熱された水性混合物が吸収器を流れて吸収材料を加熱することが可能になる。
【００５１】
命令の各々は、制御器１１８内でプロセッサ３１０に接続されるメモリ３３０の中に記憶することができる。
【００５２】
図６は、熱負荷のバーストモード冷却を実施するためのプロセス４００の流れ図である。プロセス４００は、開始状態４０２で始まって、次に判定状態４０４に進む。判定状態４０４では、冷却イベントが検出されたかについての決定が行われる。冷却イベントとは、たとえば、熱負荷が目標温度に達したという決定であってよい。別の冷却イベントとは、たとえば、熱負荷に取り付けられる機械または機器からの、来たるべきときに機械または機器がバースト冷却を必要とすることになるという信号の受信であってよい。冷却イベントが検出されていないと判定状態４０４で決定が行われる場合、プロセス４００は、状態４０６に進む。状態４０６では、システムは、冷却システムが次の冷却イベントのために準備できるメンテナンスモードに入る。たとえば、システムは、メンテナンスモードを使用して、以前のバースト冷却イベントで吸収剤に結合したアンモニアを飛ばすことができる。システムは、吸収器内の冷却パイプを通してアンモニア貯蔵器からアンモニアの一部を循環させ始め、吸収器の温度を下げることもでき、そのため、吸収器は、さらなるバースト冷却手順のための準備をすることができる。システムは、将来のバーストモード冷却手順を準備するため、吸収器またはシステム内の他の処置を実施することができる。メンテナンスモードが状態４０６で一旦完了すると、プロセス４００は、判定状態４０４に戻り、冷却イベントが検出されるまで待つ。
【００５３】
判定状態４０４で冷却イベントが検出される場合、プロセス４００は、状態４０８に進む。状態４０８では、要求される冷却のタイプが識別される。たとえば、システムは、目標の負荷または他の機械もしくは機器により要求される冷却のタイプに依存して、より長いまたはより短いバースト冷却を作動させることができる。状態４０８で冷却のタイプが一旦識別されると、プロセス４００は、状態４１２に進む。状態４１２では、冷却パラメータが決定される。冷却パラメータは、作動させるバーストモードの数、要求される冷却の超過時間（ｏｖｅｒ  ｌｅｎｇｔｈ）、またはシステムが熱負荷を適切に冷却するのに必要な任意の他のパラメータであってよい。
【００５４】
プロセス４００は、次に状態４１８に進む。状態４１８では、決定した冷却パラメータにしたがって、バースト冷却弁１１６を開くことによって、バースト冷却が作動される。バースト冷却が完了した後、プロセス４００は、状態４２０に進む。状態４２０では、前の状態で結合したアンモニアを飛ばすため、吸収剤を加熱することによって、吸収器が再度注入される。プロセス４００は、次に判定状態４２４に進み、冷却プロセスが完了したかを決定する。完了していない場合、プロセス４００は、判定状態４０４に戻る。判定状態４０４では、プロセス４００は、別の冷却イベントを検出するのを待つ。判定状態４２４で全プロセスが完了している場合、プロセスは、終了状態４５０で終わる。
【００５５】
参照のため、また様々な章の位置決めを助けるために、本明細書には見出しが含まれる。これらの見出しは、そこに関して記載される概念の範囲を限定する意図はない。そのような概念は、全明細書を通した適用性を有することができる。
【００５６】
開示される実装形態の上の記載は、当業者が本発明を作りまたは使用することを可能にするために提供される。これらの実装形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかとなり、本明細書に規定される一般原理は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく他の実装形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示される実装形態に限定することを意図しておらず、本明細書に開示される原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲に与えられるべきである。
【００５７】
上の記載は、様々な実施形態に適用されるような本発明の新規性のある特徴を指摘しているが、当業者なら、説明されたデバイスまたはプロセスの形式および詳細における様々な省略、代替、および変更を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００５８】
１００  バーストモード冷却システム
１１０  錯化合物ベース吸収器、吸収器
１１６  バースト冷却弁
１１８  電子制御器、制御器
１１９  凝縮器
１２０  アンモニア貯蔵器、熱伝達チューブ、熱伝達媒体
１２１  ファン
１２４  膨張弁
１２８  蒸発器
１３０  熱負荷
１３１  入口／出口
１３２  アンモニアガス戻り弁
１３４  加熱ポンプ、ポンプ
１３６  バーナ
１３８  制御弁
１４０  高温熱媒体入口
１４４  高温熱媒体出口
１４８  熱交換器
１５２  冷却ポンプ、ポンプ
１６２  熱媒体入口、低温熱媒体入口
１６４  熱媒体出口
１８２  補助蒸発器
２０２  下端、端部
２１０  外殻、殻
２１３  上端、端部
２２０  熱伝達チューブ、熱伝達パイプ
２２２  屈曲部
２３０  熱水箱
２３２  低温箱
２４０  供給箱
２４５  吸収ガスパイプ
２５０  多孔質ガス分配チューブ
２７０  錯化合物吸収剤
３１０  プロセッサ
３１５  バーストモードモジュール
３２０  吸収器冷却モジュール
３２５  負荷温度モジュール
３３０  メモリ
３４０  吸収器加熱モジュール
【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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【国際調査報告】
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