JP2017516059A - 流体加熱及び/又は冷却システム、並びに、関連する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
多くの水供給システムでは供給水が貯蔵槽に保持され、供給水は次に熱伝達機構により加熱及び/又は冷却される。多くの先行技術のシステムは、水を、貯蔵槽から熱伝達機構に移動させ、熱が加えられた又は取り除かれた水を、貯蔵槽に戻す。
1.冷媒を運搬するように構成される冷媒配管システムにより接続された、圧縮器と、内部の冷媒が蒸発する蒸発温度を有する蒸発器と、内部の冷媒が凝縮する凝縮温度を有する凝縮器と、のうちの少なくとも1つを備えるヒートポンプであって、
凝縮器及び蒸発器のうちの一方が、流体と冷媒との間に熱交換器を提供し、
熱交換器が、
(i)使用時に冷媒を受け取るように構成された第1の入口と、
(ii)使用時に流体を受け取るように構成された第2の入口と、
(iii)使用時に流体を排出するように構成された第2の出口と、
を有していてもよいヒートポンプ。
4.典型的には、システムコントローラへの少なくとも1つの温度出力の入力を受けて、当該入力から参照温度を生成するように構成されたシステムコントローラであって、参照温度が、第2の入口及び第2の出口のうちの少なくとも一方における流体の温度の関数であるシステムコントローラ。
(b)流体が冷却される場合には、蒸発器が熱交換器を提供し、コントローラは更に、蒸発温度が参照温度を実質的に所定温度間隔下回って維持されるように、参照温度に応じて蒸発温度を制御するように構成される。
従来の加熱システムでは、凝縮温度は、所望の温水温度、すなわち流体貯蔵槽内の流体が熱せられて達する温度、を上回るレベルに設定される。一般的には、この温水温度は60℃であるため、凝縮温度は、これを上回る温度、例えば70℃に設定される。このため、加熱工程のすべてではないにしても、ほとんどは、流体が加熱されて達する温度より高い温度の熱媒体(冷媒)を用いて行なわれる。これに対し、本実施形態の少なくともいくつかにおいては、冷媒の温度が、加熱されている流体の温度(すなわち、所望の最終温度ではなく、流体の実際の温度)を上回る温度に繰り返し調節され、凝縮温度と流体温度との差(すなわち、所定温度間隔)が制御される。いくつかの実施形態は、可能な限り最小になるように所定温度間隔を制御するように構成される。このため、典型的には、実施形態は、流体温度が最も低いときの、流体加熱開始時の最小値から、流体加熱工程の終了時の最大値へと増加するように、凝縮温度を制御するように構成され、そのため平均凝縮温度は、従来のシステムより低い。こうした実施形態は、従って、参照温度に所定温度間隔を加えた目標凝縮温度を計算する。
コントローラが、第2の入口温度と第2の出口温度とのうちの少なくとも一方の関数に従って参照温度を生成するように構成されてもよい。一つの実施形態において、参照温度は、第2の入口温度と第2の出口温度との平均であってもよい。しかし、当業者であれば凝縮温度が凝縮器熱交換器の第2サイド内の流体の最高温度を上回るものでなければならないことを理解するであろう。このため、実施形態は、所定間隔を、目標凝縮温度(参照温度に所定間隔を加えたものに等しい)が凝縮器熱交換器の第2サイド内の流体の最高温度を上回るのに十分な大きさに維持するように、典型的には構成される。
ii.加熱システムが凝縮器熱交換器の第2サイド内で維持している温度を所定量上回り、それにより熱交換損失を考慮すること。
凝縮器熱交換器の第2サイドからの出口における流体温度を上回って凝縮温度が保たれる所定量は、実質的に次のうちのいずれか、即ち、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃のいずれかであってもよく、好ましくは5℃未満である。
本発明の第2の側面によれば、熱交換器を用いて一塊の流体の加熱及び/又は冷却を制御するように構成される制御システムが提供され、当該制御システムは、
加熱される流体の温度を監視するように構成された温度センサの出力の入力を受けるように構成された少なくとも1つの入力部を備え、
コントローラが、当該コントローラへの少なくとも1つの温度入力から参照温度を生成するように構成され、参照温度は、第2の入口及び出口のうちの少なくとも一方の温度の関数であり、コントローラが更に、熱交換器の第1サイドの温度が参照温度を実質的に所定温度間隔上回って維持されるように、参照温度に応じて熱交換器の第1サイドの温度を制御するように構成される。
本明細書における配管システムへの言及は、パイプシステムへの言及と考えられてもよい。
温度センサ130は、凝縮器熱交換器104の第2の入口128aの領域の水の温度を測定する。
代替の又は追加の実施形態において、システムは、追加の温度、及び/又は、温度/圧力センサをさらに備える。これらのセンサは、圧縮器102及び/又は蒸発器106の入口及び/又は出口と、流体貯蔵槽114の中または付近の1以上の場所と、に位置すると有利である。
図2は上述の実施形態の制御システム200を表す。具体的には、コントローラ202が、以下に説明するように入力を受け取り、それらの入力を処理して、図1と対比して説明されるシステムを制御するように設けられる。
(i)熱交換器の種類
(ii)第2の入口における水温
(iii)凝縮器の最高及び最低凝縮温度
(iv)参照温度
(v)所望の温水温、すなわち流体貯蔵槽内の流体が加熱されて達する温度
そして、コントローラ202は、圧縮器102及び/又は蒸発制御弁112に、凝縮器熱交換器104内の凝縮温度が減少又は増加するように、冷媒配管内の冷媒の流速及び/又は圧力及び温度を調整させ、それにより、凝縮温度を参照温度に所定温度差を加えたものに、又はそれに近いものにする。
ヒートポンプ凝縮器104の第2の出口128bの領域における230a
流体貯蔵槽114の低層領域における230b
流体貯蔵槽114の高層領域における230c、及び、
蒸発器106の出口の領域における230d
が配置される。
Claims (29)
- 流体を加熱及び/又は冷却するように構成された流体加熱及び/又は冷却システムであって、前記流体加熱及び/又は冷却システムは、
ヒートポンプであって、冷媒を運搬するように構成される冷媒配管システムにより接続された、圧縮器と、内部の冷媒が蒸発する蒸発温度を有する蒸発器と、内部の冷媒が凝縮する凝縮温度を有する凝縮器と、を備え、
前記凝縮器及び前記蒸発器のうちの一方が、前記流体と前記冷媒との間に熱交換器を提供し、
前記熱交換器が、
(i)使用時に前記冷媒を受け取るように構成された第1の入口と、
(ii)使用時に前記流体を受け取るように構成された第2の入口と、
(iii)使用時に前記流体を排出するように構成された第2の出口と、
を有するヒートポンプと、
流体貯蔵槽であって、使用時に前記流体貯蔵槽から出た流体が、加熱配管システムにおいて前記第2の入口から前記熱交換器を通って循環することができるように構成された流体貯蔵槽と、
前記流体の温度を監視して温度出力を生成するように構成された少なくとも1つの温度センサと、
システムコントローラであって、前記システムコントローラへの前記少なくとも1つの温度出力の入力を受けて、前記システムコントローラへの前記少なくとも1つの温度入力から参照温度を生成するように構成されたシステムコントローラであって、前記参照温度は、前記熱交換器の第2の入口及び出口のうちの少なくとも一方の温度の関数であり、前記コントローラは、前記熱交換器の第1サイドの温度が前記参照温度から実質的に所定温度間隔空けて維持されるように、前記参照温度に応じて前記熱交換器の前記第1サイドの温度を制御するように更に構成されたシステムコントローラと、
を備える流体加熱及び/又は冷却システム。 - 請求項1に記載の流体加熱及び/又は冷却システムであって、
(a)前記流体が加熱される場合には、前記凝縮器が前記熱交換器を提供し、前記第1サイドの温度は前記凝縮温度であり、前記コントローラは、前記凝縮温度が前記参照温度を実質的に所定温度間隔上回って維持されるように、前記参照温度に応じて前記凝縮温度を制御するようにさらに構成され、及び/又は、
(b)前記流体が冷却される場合には、前記蒸発器が前記熱交換器を提供し、前記第1サイドの温度は前記蒸発温度であり、前記コントローラは、前記蒸発温度が前記参照温度を実質的に所定温度間隔下回って維持されるように、前記参照温度に応じて前記蒸発温度を制御するようにさらに構成される
流体加熱及び/又は冷却システム。 - 請求項1又は請求項2に記載のシステムであって、前記温度センサは、前記第2の入口の温度を測定することができるように前記熱交換器の前記第2の入口の領域に位置するシステム。
- 請求項1又は請求項2に記載のシステムであって、前記温度センサは、前記第2の入口に位置せず、前記コントローラは、前記温度出力を用いて前記第2の入口に入る前記流体の温度を計算するように構成されるシステム。
- 先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、冷媒が通過する前記熱交換器の前記第1サイドと、前記流体が通過する前記熱交換器の第2サイドと、の間に既知の温度勾配が存在し、前記所定温度間隔が実質的に前記温度勾配に対応するシステム。
- 先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、
前記コントローラは、
(i)前記冷媒と前記流体との間で熱伝達が確実に起こる最小限度の前記凝縮温度、及び/又は
(ii)前記冷媒と前記流体との間で熱伝達が確実に起こる最大限度の前記蒸発温度、
のうちの少なくとも一方を維持するように構成されるシステム。 - 請求項6に記載のシステムであって、前記最小限度は、前記凝縮温度と前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度との間の、1℃から6℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項6又は請求項7に記載のシステムであって、前記最大限度は、前記蒸発温度と前記熱交換器の第2サイドからの前記出口における前記流体の温度との間の、1℃から6℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項6又は請求項7に記載のシステムであって、前記最小限度は、前記凝縮温度と前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度との間の、1℃から4℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項9に記載のシステムであって、前記最小限度は、前記凝縮温度と前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度との間の、およそ2℃の温度差を意味するシステム。
- 請求項8に記載のシステムであって、前記最大限度は、前記蒸発温度と前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度との間の、1℃から4℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項11に記載のシステムであって、前記最大限度は、前記蒸発温度と前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度との間の、およそ2℃の温度差を意味するシステム。
- 先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、前記ヒートポンプは、
(i)空気熱源ヒートポンプ、
(ii)地熱源ヒートポンプ、及び、
(iii)水熱源ヒートポンプ
のうちの少なくとも1つであるシステム。 - 先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、前記システムコントローラは、前記熱交換器を通る前記加熱配管システム内の前記流体の流速を、前記温度出力だけではない変数の関数として制御するように更に構成されるシステム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記温度出力に追加される前記変数は、
(i)前記流体の熱的特性、及び、
(ii)前記熱交換器の温度特性
のうちの少なくとも一方を含むシステム。 - 先行する請求項のいずれかに記載のシステムであって、目標凝縮温度及び/又は目標蒸発温度が前記コントローラによって計算され、前記計算は、
(i)熱交換器の種類、
(ii)前記第2の入口における流体温度、
(iii)前記凝縮器の最高及び/又は最低凝縮温度、
(iv)前記蒸発器の最高及び/又は最低蒸発温度、
(v)前記流体加熱システムにおける損失、及び、
(vi)前記流体貯蔵槽内の前記流体の目標流体温度
のうちの1つ以上を含む因子を用いるシステム。 - 熱交換器を用いて一塊の流体の加熱及び/又は冷却を制御するように構成された制御システムであって、
加熱又は冷却される前記流体の温度を監視するように構成された温度センサの出力の入力を受けるように構成された少なくとも1つの入力部を備え、
コントローラが、前記コントローラへの少なくとも1つの温度入力から参照温度を生成するように構成され、前記参照温度は、前記流体が通過する前記熱交換器の第2の入口及び出口のうちの少なくとも一方の温度の関数であり、前記コントローラが更に、前記熱交換器の第1サイドの温度が前記参照温度から実質的に所定温度間隔空けて維持されるように、前記参照温度に応じて、冷媒が通過する前記熱交換器の前記第1サイドの温度を制御するように構成される制御システム。 - 請求項17に記載のシステムであって、前記制御システムが制御するように構成された前記熱交換器内で、前記熱交換器の前記第1サイドと前記熱交換器の前記第2サイドとの間に既知の温度勾配が存在し、前記所定温度間隔が実質的に前記温度勾配に対応するシステム。
- 請求項17又は請求項18に記載のシステムであって、前記コントローラは、前記システムが前記流体を加熱するように構成される場合、前記第1サイドの温度を、前記冷媒と前記流体との間で熱伝達が確実に起こる最小限度に維持するように構成されるシステム。
- 請求項17又は請求項18に記載のシステムであって、前記コントローラは、前記システムが前記流体を冷却するように構成される場合、前記第1サイドの温度を、前記冷媒と前記流体との間で熱伝達が確実に起こる最大限度に維持するように構成されるシステム。
- 請求項19又は請求項20に記載のシステムであって、前記最小限度及び/又は最大限度は、前記第1サイドの温度と、前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度と、の間における、1℃から7℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項19又は請求項20に記載のシステムであって、前記最小限度及び/又は最大限度は、前記第1サイドの温度と、前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度と、の間における、1℃から4℃までの温度差を意味するシステム。
- 請求項22に記載のシステムであって、前記最小限度及び/又は最大限度は、前記第1サイドの温度と、前記熱交換器の第2サイドからの出口における前記流体の温度と、の間における、およそ2℃の温度差を意味するシステム。
- 流体貯蔵槽内の流体を加熱及び/又は冷却する方法であって、前記流体を前記貯蔵槽から熱交換器の第2サイドへと移動させることと、前記熱交換器の第1サイドの温度が、前記第2サイドへの入口の温度及び前記第2サイドの出口の温度のうちの少なくとも一方の関数である参照温度から実質的に所定温度間隔空けて維持されるように前記熱交換器の前記第1サイドの温度を制御することと、を含む方法。
- 請求項24に記載の方法であって、前記熱交換器の前記第1サイドが冷却サイクル内の凝縮器の一部である方法。
- 請求項24に記載の方法であって、前記熱交換器の前記第1サイドが冷却サイクル内の蒸発器の一部である方法。
- 請求項25又は請求項26に記載の方法であって、前記冷却サイクルがヒートポンプによって提供される方法。
- マシンによって読み取られるときに、前記マシンを、請求項1から請求項23のうちのいずれかに記載のシステムとして動作させる命令を含むマシン可読媒体。
- マシンによって読み取られるときに、前記マシンに、請求項24から請求項27のうちのいずれかに記載の方法を提供させる命令を含むマシン可読媒体。
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