JP4623600B2

JP4623600B2 - 冷媒を用いた高性能蓄熱冷却システム

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Publication number: JP4623600B2
Application number: JP2006535369A
Authority: JP
Inventors: ダブリュー．マクレルマイケル
Original assignee: アイスエナジーインコーポレーテッド
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: WO2005038367A1; JP2007509303A; ES2295945T3; EP1680634A1; ATE375489T1; US20050081557A1; DE602004009466D1; DE602004009466T2; EP1680634B1; US7124594B2

Description

本発明は、２００３年１０月１５日に提出された米国予備出願第６０／５１１，９５３号「冷媒を用いた高性能蓄熱冷却システム」に基づき、その利益を主張するものである。その開示内容は全てここに引用として参照する。

本発明は蓄積エネルギーを氷として供給するシステム、特に電力需要ピーク時に冷却を行うための氷蓄熱システムに関する。

ピーク時の電力消費需要が増加する中で、氷蓄熱は空調電力負荷をオフピーク時間帯および割引帯にシフトするために利用されてきた環境に優しい方法である。ピーク時間帯からオフピーク時間帯への負荷シフトだけでなく、空調ユニットの容量および効率の向上もまた必要とされている。蓄熱システムを備えた現行の空調ユニットは、大規模商業用建物においてしか実用的ではない水冷機に頼っているといった欠点があるため、その成果には限界があり、効率の向上は困難である。大規模および小規模商業用建物において熱エネルギー蓄積の利点を実用化するためには、熱エネルギー蓄積システムの製造および設計に費やすコストを最小限に抑えること、変動する動作条件下で最大効率を維持すること、冷媒管理構造の簡素化を図ること、ならびに種々の冷却または空調用途に対する汎用性を保つことが要求される。

蓄積エネルギー供給システムは、ともにＨａｒｒｙＦｉｓｃｈｅｒによる米国特許第４，７３５，０６４号および第４，９１６，９１６号、ならびにＦｉｓｃｈｅｒらによる米国特許第５，６４７，２２５号においてすでに検討されている。これらの特許はすべて氷蓄熱を利用して空調負荷をオンピーク電気料金帯からオフピーク電気料金帯へシフトさせることによって経済的効果を生む。これらの教示および開示内容はすべてここに引用として参照する。

本発明は、冷媒を用いた効率的な蓄熱冷却システムを提供することにより、先行技術における不都合および限界を克服するものである。本システムは凝縮ユニットに接続されて第１の期間でエネルギー容量を蓄積し、第２の期間でその蓄積されたエネルギーから冷却を行う。いずれの期間においても、本システムにおいて要求されるエネルギーは極めて小さく、任意の冷媒ポンプを使用することにより、第１の期間でシステムを稼動させるのに必要なエネルギー量のごく一部だけで、第２の期間でシステムを稼動させることができる。

したがって、本発明の一実施形態は、コンプレッサおよびコンデンサを備えた空調ユニットと、少なくとも１つの熱伝導性部材によって互いに接続された下部回収ヘッダおよび上部回収ヘッダを備えた蓄熱交換器を含み、少なくとも一部が相変化液体で充填された絶縁タンクを備えた蓄熱ユニットと、負荷熱交換器と、前記空調ユニット、前記蓄熱ユニットおよび前記負荷熱交換器に接続された冷却管理ユニットと、前記冷却管理ユニット内の総合冷媒管理容器と、圧力作動スライドバルブと、前記コンデンサからの冷媒を受ける油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器と、前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器からの冷媒を受ける混合相調節器とを備え、前記総合冷媒管理容器は冷媒を前記空調ユニットへ戻す排出口連結部と、前記負荷熱交換器、混合相調節器、および前記蓄熱交換器の前記上部回収ヘッダからの冷媒を受ける注入口連結部と、前記蓄熱交換器の下部回収ヘッダへの二方向冷媒フローを形成する第１底部ポートと、前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に接続された第２底部ポートを含み、前記圧力作動スライドバルブは前記第２底部ポートおよび前記空調ユニットに接続されて前記負荷熱交換器に冷媒を供給することを特徴とする高性能蓄熱冷却システムを構成する。

また、本発明の一実施形態は、第１の期間において冷媒を凝縮ユニットで凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、前記第１凝縮冷媒を、油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に供給し、該油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器から混合相調節器に供給し、さらに、該混合相調節器から総合冷媒管理容器の注入口連結部に供給する工程と、前記第１凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から少なくとも一部が相変化液体で充填されたタンク内の蒸発ユニットに供給する工程と、前記第１の期間において前記第１凝縮冷媒を前記蒸発ユニット内で膨張させることによって多量の前記相変化液体を前記タンク内で凍結させて氷を生成し、第１膨張冷媒を生成する工程と、前記第１膨張冷媒を前記蒸発ユニットから前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部へ供給する工程と、前記第１膨張冷媒の少なくとも一部を前記凝縮ユニットに戻す工程と、第２の期間において、第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器から前記氷塊中の前記蒸発ユニットに循環させて前記第２膨張冷媒を凝縮し、第２凝縮冷媒を生成する工程と、前記第２凝縮冷媒を前記総合冷媒管理容器へ供給する工程と、前記第２凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から負荷熱交換器へ循環させる工程と、前記負荷熱交換器内の前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記第２の期間中に前記冷却を行うことにより、前記第２膨張冷媒を追加生成する工程と、前記第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器へ戻す工程を含むことを特徴とする蓄熱冷却システムを用いた冷却方法を構成する。

開示された実施形態によれば、電気事業会社が最も効率的な設備を使用する、需要量の少ない夜間の時間帯にその会社の電力を利用するという利点が提案される。例えば、一般的に水流駆動の高性能発電機は、キロワット時（ＫＷＨ）約８，９００ＢＴＵの熱量を発生させる。対照的に、ガスタービンのようなピーク時向けの高容量発電機は同等のＫＷＨ電力を発生するのに１４，０００ＢＴＵもの熱量を発生させる。また、夜間は送電線の温度が低下するため、エネルギーを効率よく使用できる。さらに、空冷式空調システムでは、夜間運転によって凝縮ユニットの温度が低下するので、効率が向上する。

ここに開示する冷媒を用いた蓄熱冷却システムは、高効率で動作するという利点を有し、オフピーク時の発電効率およびオフピーク時のコンプレッサを用いた冷媒冷却効率の向上、ならびに各動作ユニットの全エネルギー消費量の純減を達成しつつ、重大な全エネルギー損失を起こさずに電力使用をシフトさせる総合的なシステムを提供する。

本発明は様々な形の実施形態を含み得るが、その具体的な実施形態を図面に基づいてここに詳細に説明する。本開示は発明の原理を例示するものに過ぎず、以下の具体的な実施形態に限定されるものではない。

図１に高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態を示す。ここに記載する実施形態では、付加的な構成要素を最小限に抑え、凝縮ユニットが蓄熱を行うために使用するエネルギー以上のエネルギーをほぼ使用しない。冷媒冷蔵システムの構成は、各種の用途に使用できるように汎用性をもって設計されている。本実施形態では、蓄積エネルギーを利用して大規模商業用途用の冷水を提供するか、あるいは複数の蒸発器に対して直接冷媒空調を行う。この構成においては複数の動作モードが採用されている。また、任意の構成要素を追加することが可能であり、最大効率でエネルギーを蓄積および放出することを可能にするスマートコントロール（smart control）を組み込むこともできる。本システムは凝縮ユニットに接続されて第１の期間で冷却エネルギーを蓄積し、第２の期間でその蓄積されたエネルギーを利用して冷却を行う。また、凝縮ユニットおよび冷媒冷蔵システムの両方を同時に動作させて第３の期間で冷却を行うこともできる。

図１に示すように、冷媒を用いた高性能蓄熱冷却システムの実施形態を本システムに内蔵された４つの主要な構成要素とともに説明する。空調ユニット１０２は従来の凝縮ユニットであり、コンプレッサ１１０およびコンデンサ１１１を用いて高圧液体供給ライン１１２を介して冷却管理ユニット１０４へと送られる高圧液体冷媒を生成する。冷却管理ユニット１０４は、製氷コイル１４２を有し、水またはその他の共晶材料等の相変化液体が入った絶縁タンク１４０を含む蓄熱ユニット１０６に接続されている。空調ユニット１０２、冷却管理ユニット１０４および蓄熱アセンブリ１０６は、負荷熱交換器１０８（室内冷却コイルアセンブリ）に対して効率的な冷却を行うように連携して作動することにより、本システムの主要な動作モードの機能を実行する。

さらに図１に示すように、コンプレッサ１１０は、高圧液体供給ライン１１２を介して冷却管理ユニット１０４へと送られる高圧液体冷媒を生成する。高圧液体供給ライン１１２は分岐されており、油蒸留器／サージ容器１１６および圧力作動スライドバルブ１１８に供給を行う。油蒸留器／サージ容器１１６は低圧冷媒中の油を濃縮し、それを乾式吸引戻り管（dry suction return）１１４を介してコンプレッサ１１０に戻すために用いられる。油蒸留器／サージ容器１１６がないと、油が蓄積容器内に残存するので、コンプレッサ１１０が油不足によって最終的に停止し、熱交換器の効果が汚損によって弱められてしまう。蒸気は油蒸留器／サージ容器１１６上部まで上昇し、排気キャピラリ１２８から排出され、湿式吸引戻り管（wet suction return）１２４へと再導入される。これは熱交換器からの蒸気フローを油蒸留器／サージ容器１１６内で好ましい方向に促すために行われる。排気キャピラリ１２８または類似の調整抽気装置の長さを利用して油蒸留器／サージ容器１１６内の圧力、ひいては沸騰速度およびシステム内の冷媒量が制御される。圧力作動スライドバルブ１１８は、冷媒管理システム１０４のその他の部分を通らずに高圧液体冷媒を二次的に液体冷媒ポンプ１２０へ供給し、負荷ユニット１０８への直接供給を行う。

システムが作動すると、液体冷媒ポンプ１２０は、蓄熱冷却システムの負荷部１０８内の負荷熱交換器１２２の蒸発器コイルに液体冷媒を供給する。低圧冷媒は、負荷熱交換器１２２の蒸発器コイルから湿式吸引戻り管１２４を介して蓄積装置または総合冷媒管理容器（ＵＲＭＶ）１４６および製氷／排氷コイル１４２からなる内部熱交換器に戻される。低圧蒸気はＵＲＭＶ１４６の上部から排出され、油戻しキャピラリ１４８を介して油蒸留器／サージ容器１１６の底部から流れる蒸留油を多く含む冷媒とともに、乾式吸引戻り管１１４を介して空調ユニット１０２へ戻される。油戻しキャピラリ１４８は、油がシステムに再導入される速度を制御する。油を多く含む液体冷媒はＰ−トラップ１５０を通過する。これにより、不要な冷媒経路が排除（ブロック）され、油蒸留器／サージ容器１１６が空になる。

湿式吸引戻り管１２４は、ＵＲＭＶ１４６に接続されるよりも先に分岐器１３０に接続されている。分岐器は、混合相調節器１３２（ＴＲＶＴ）からの低圧冷媒を供給する。混合相調節器１３２は、コンデンサ１１１内に十分な量の液体が蓄積されている時にのみ開口して混合相冷媒を放出するバルブ（オリフィス）を有することにより、システム内の冷媒フローを調節する。このように、本システムを駆動させるコンプレッサ１１０は、冷却負荷に見合った高圧冷媒を供給するために作動させるだけでよい。混合相調節器１３２は蒸気がシステムの低圧側（熱負荷部）に流れ込むことを防止し、蒸気が実質的にコンプレッサ１１０からＵＲＭＶ１４６へ供給されないようにする。その一方で、必要な圧力をコンデンサ圧力から蒸発器飽和圧力にまで降下させる。この結果、システムの全体効率が向上し、冷媒管理ユニットの液体過剰供給特性が簡素化される。

絶縁タンク１４０は、製氷／排氷兼用コイル１４２（表面的には幾何学的に設計されたらせんコイル）を有する。このコイルは自然循環および液体冷媒排出を行うように配置されており、上側が上部ヘッダアセンブリ１５４に、下側が下部ヘッダアセンブリ１５６に接続されている。上部ヘッダアセンブリ１５４は絶縁タンク１４０から外側に冷却管理ユニット１０４まで延びている。冷媒が製氷／排氷コイル１４２およびヘッダアセンブリ１５４および１５６を流れると、第１の期間においてコイルは蒸発器として機能し、絶縁タンク１４０内の流体１５２は固体化する。製氷／排氷コイル１４２ならびにヘッダアセンブリ１５４および１５６は冷媒回路の低圧側に接続され、自然循環またはポンプ循環および液体冷媒排出を行うように配置されている。第２の期間において、暖気相冷媒が製氷／排氷コイル１４２ならびにヘッダアセンブリ１５４および１５６を循環して氷１５２を融解することにより、冷媒凝縮機能が実行される。

冷媒管理ユニット１０４の中心となる装置は総合冷媒管理容器すなわちＵＲＭＶ１４６と呼ばれる蓄積容器である。ＵＲＭＶ１４６は冷媒回路の低圧側にあっていくつかの機能を実行する。ＵＲＭＶ１４６は冷媒蓄熱期間および冷却期間において液体冷媒と冷媒蒸気とを分離する。ＵＲＭＶ１４６は冷媒蓄熱期間において液体冷媒を円柱状に形成し、絶縁タンク１４０内の製氷／排氷コイル１４２を通る自然循環を維持する。ＵＲＭＶ１４６はまた蒸気分離容器でもあり、冷媒蓄積を行う。空調ユニット１０２のコンプレッサ１１０へ通じる乾式吸引戻り管１１４は、蓄熱期間においてＵＲＭＶ容器１４０上部の排出口によって形成される。乾式吸入戻り管１１４は、液体冷媒がコンプレッサへ戻るのを防止するように配置される。湿式吸入戻り管１２４は、冷媒蓄熱システムが冷却を行う間、ＵＲＭＶ１４６上部の入口から蒸発器（負荷熱交換器１２２）に接続するように設けられる。

第１の期間は、冷媒蓄熱期間すなわち氷にエネルギーを蓄積する期間である。コンプレッサ１１０の出力は、高圧液体（ＨＰＬ）に凝縮された高圧冷媒蒸気である。冷媒ポンプ１２０出口のバルブ（図示せず）は通電されて負荷ユニット１０８との接続を閉じる。高圧液体は、もう１つの冷媒容器すなわち冷媒システムの下側に接続されている油蒸留器／サージ容器兼用器１１６内で低圧液体冷媒に囲まれている。

第１の期間（蓄熱期間）中、油蒸留器／サージ容器１１６は油蒸留器であり、冷却期間中は冷媒サージ容器として機能する。蓄熱期間において、空調ユニット１０２からの高圧液体冷媒が流れる内部熱交換器は、一部を除くほとんどの低圧液体溶媒が油蒸留器／サージ容器１１６に入ることを防止する。該容器内の冷媒は２つのキャピラリ管によって定められた速度で沸騰する。１つは油蒸留器／サージ容器１１６中の冷媒水位を制御する排気キャピラリ１２８である。もう１つは油を多く含む冷媒を所定の速度で空調ユニット１０２内のコンプレッサ１１０へ戻す油戻しキャピラリ１４８である。ＵＲＭＶ１４６内において円柱状となる液体冷媒は重力の作用を受ける。油蒸留器／サージ容器１１６を円柱状ＵＲＭＶ１４６の底部近傍に配置させることにより、油蒸留器／サージ容器１１６への液体冷媒供給フローが一定に維持される。この容器は蒸気がＵＲＭＶ１４６または液体冷媒ポンプ１２０に入るのを防ぐためのＰ−トラップ１５０を備えた低圧液体供給ライン１４４に接続されている。サージ機能により、冷却期間において過剰の冷媒が絶縁タンク１４０内の製氷／排氷コイル１４２から排出され、冷媒を凝縮するための表面積が最大に維持される。油蒸留器／サージ容器１１６の物理的配置は、蒸留器およびサージ容器としての性能を左右する一要因である。この油蒸留器／サージ容器１１６はさらに、コンプレッサ１１０に戻されるべき冷媒とともに移動する油を戻すための経路を形成する。油蒸留器／サージ容器１１６から排出されるわずかにサブクーリングされた（冷媒の気相−液相温度より低温）高圧液体冷媒は、圧力降下を生じさせる混合相調節器１３２（熱力学的冷媒蒸気トラップ）を通過する。

上記のように、冷媒管理ユニット１０４には空調ユニットから高圧液体供給ライン１１２を介して高圧液体冷媒が送られる。高圧液体冷媒は油蒸留器／サージ容器１１６内の熱交換器を通過してサブクーリングされ、冷媒圧降下が生じる混合相調節器１３２へと流れる。混合相調節器１３２を使用することにより、液体冷媒圧力降下に加えて各種の好ましい機能がもたらされる。蓄熱期間において混合相調節器１３２を通過する大量の冷媒が、製氷コイル１４２での冷媒沸騰速度と整合する。これによって冷媒水位の制御が不要となる。混合相調節器１３２は、サブクーリングされた液体冷媒を通過させるが、入口で蒸気（またはサブクーリングが不十分な液体）を感知すると閉鎖する。混合相調節器１３２の開閉による冷媒のパルス作用は、閉鎖された円柱内に定在波を生じさせるため、液体冷媒に対してハンマー効果をもたらす。これにより、蓄熱期間において製氷コイル１４２内の液体冷媒が攪拌されて熱交換が向上し、液相冷媒および気相冷媒の分離が促進される。混合相調節器１３２はＵＲＭＶ１４６と連動して空調ユニット１０２から液体冷媒を排出させ、その表面積を凝縮に利用できる状態にする。混合相調節器１３２により、空冷式凝縮ユニットの押圧が周囲温度と共に変動可能になる。本システムにおいては、直接膨張式冷却装置に接続される大多数の凝縮ユニットにとって必須である過熱およびサブクーリング回路は不要である。

混合相調節器１３２を調整することにより、冷媒蓄熱冷却システムは標準的な４段階手法（four-degree approach）で製氷を行う。混合相調節器１３２から排出された低圧液体冷媒は分岐器１３０を通過してＵＲＭＶ１４６への入口と製氷コイル１４２の上部ヘッダアセンブリ１５４との間に位置するエゼクタ（または注入ノズル）へ到達し、冷媒の自然循環を促進する。分岐器１３０は液体冷媒の圧力および流量を低減させる。冷媒蓄熱期間において、エゼクタは冷媒が分岐器１３０から排出される際に圧力降下を生じさせる。これにより、製氷コイル１４２内での冷媒循環速度が増し、システム性能が向上する。

混合相調節器１３２はまた、ＵＲＭＶ１４６の定圧を維持することにより蒸発器の負荷に応じて冷媒流量を変化させる。これにより、凝縮圧が周囲温度とともに変動する。周囲温度が低下すると、コンプレッサ１１０の押圧が低下する。混合相調節器１３２は液体冷媒を通過させるが、蒸気を感知するとそれを遮断する。つまり二相混合物を「トラップ」に保留する。混合相調節器は液体（濃縮されている）を通過させるが、低密度ガスが通過すると閉じられる。蒸気はコンデンサ１１１まで戻され、さらに凝縮されて液体になる。混合相調節器１３２は自動調節型（いったん較正されれば）であり、寄生損（断熱膨張）を生じない。また、混合相調節器１３２は蒸気を液体から取り除き、低圧側にパルス作用をもたらすことによって熱交換器のコイル内での熱交換効率を向上させる。上記のように、混合相調節器１３２は低圧液体を通過させるために開放され、高圧側で蒸気を閉じ込めて調節器の低圧側でパルス作用を発生させるために閉鎖される。このパルス作用は沸騰段階で分岐回路の内壁をさらに湿らせるため、熱交換が促進される。

低圧液体はＵＲＭＶ１４６に入り、液体成分と蒸気成分とに分離される。液体成分はＵＲＭＶ１４６を所定の水位まで満たし、蒸気成分は空調ユニット１０２のコンプレッサへ戻される。通常の直接膨張式冷却システムでは、蒸気成分はシステム全体を循環するため、効率が低下する。本実施形態では、蒸気成分は即座にコンプレッサ１１０へ戻される。ＵＲＭＶ１４６内において円柱状となる液体冷媒は重力の作用を受け、蓄熱期間において２つの経路を有する。１つは油蒸留器／サージ容器１１６へ続く経路であって、流出速度はキャピラリ管１２８および１４８によって調整される。円柱状液体冷媒のもう１つの経路は製氷コイル１４２および上部ヘッダアセンブリ１５４を介して下部ヘッダアセンブリ１５６へと続き、ＵＲＭＶ１４６を通過してコンプレッサ１１０へ戻る経路である。このような自然循環により、タンクが水等の相変化流体で充填された時にエネルギーが氷の状態で蓄積される。ＵＲＭＶ１４６内の円柱状液体冷媒は、冷媒が蒸気になるにつれて製氷コイル１４２中で低密度になっていく。この差によって自然循環が維持される。冷媒は、まず蒸気となり、その後蓄積サイクルにおいて液体および蒸気となり、そしてＵＲＭＶ１４６に戻される。液体は再び円柱状となり、蒸気は空調ユニット１０２のコンプレッサ１１０に戻される。製氷は自然循環によって均一かつ確実に行われる。製氷コイル１４２のうちの１つがより多くの氷を製造すると、その熱流速度が低下する。そうすると、その隣のコイルが同等の熱流速度になるまでより多くの冷媒を受け取ることになる。

製氷コイル１４２の構成により、製氷蓄積期間においてコンプレッサ吸引圧を高く保つための製氷パターンが作成される。蓄熱期間の最終段階において、急速製氷が行われ、吸引圧が劇的に降下する。これはフル蓄熱を意味し、調節可能な冷媒圧スイッチによって凝縮ユニットが自動的に停止される。

蓄熱期間中に空調ユニットがＯＮされると、高圧液体冷媒の作用により、圧力作動スライドバルブのスライド（ピストン）が負荷熱交換器１２２への冷媒の自由流動を遮断する。蓄熱システムが十分に蓄熱され、空調ユニット１０２が停止すると、混合相調節器１３２が速やかに冷媒システムの圧力を均一化する。高圧液体がスライドを閉方向に押圧しなくなると、バネによってスライドが開位置に戻され、冷媒が無制限に負荷熱交換器１２２へと流れる。一実施形態において、負荷熱交換器１２２は蓄熱システムの下側に配置される。冷媒は重力を受けて満液式に蒸発器へと流れ、熱サイホンとして動作する。

要約すると、タンクが水で満たされて冷媒がコイルを循環するとき、第１の期間においてコイルは蒸発器として作用し、製氷および蓄熱を行う。第２の期間では、冷媒はコイルを循環して氷を融解し、冷媒凝縮機能を実行する。この蓄熱および放熱の原理体系は、アイス・オン・コイル、内部融解として公知である。各期間はそれぞれエンドユーザ、電力会社あるいはシステムに内蔵または付属の任意のスマートコントロールによって決定される。

図２に複数の蒸発器（欧州および極東地域において周知のミニスプリットシステムを含む）を有する空調用に構成された高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態を示す。図２に示すように、本冷媒冷蔵冷却システムには各種の効果的なオプションを追加することが可能である。先に述べたように、冷媒管理ユニット１０４内の液体冷媒ポンプ１２０は、本実施形態ではミニスプリット蒸発器１６０として図示される負荷に冷媒を循環させるように圧力作動スライドバルブ１１８の下流側に追加することができる。ミニスプリット蒸発器１６０の熱交換器のコイルには液体過剰供給技術によって冷媒が直接供給される。湿式吸引戻りライン１２４では、液体と蒸気の両方が蓄熱ユニット１０６へ戻される。蒸気は氷１５２内の放電コイル１４２によって凝縮され、液体冷媒は液体冷媒ポンプ１２０の入口へと戻される。蓄熱期間において使用可能であった過剰の冷媒は油蒸留器／サージ容器１１６に蓄積される。図２に圧力作動スライドバルブとともに示される冷媒経路のオプションにより、空調ユニット１０２および蓄熱ユニット１０６の両方が負荷ユニット１０８のミニスプリット蒸発器１６０のための凝縮を行うことになる。これは「Ｐｕｓｈ」モードと呼ばれるもので、第３の期間において動作する。

製氷／排氷コイル１４２を構成する複数のコイルは、製氷／排氷コイル１４２と物理的に接触し、氷の境界外に水を排出するための経路を形成する受動的排出管１６４を備えた受動的排水システムを有していてもよい。これらの受動的排出管１６４は、コイル間の適当な間隔を維持する支柱とともに輸送中にコイルを機械的に保護する。任意のエアーバブラー、送水ポンプ、攪拌器、循環器等を組み込んでいずれの方向のフローを促進する流体を積極的に排出することができる。流体／氷１５２間の排出および熱交換をさらに行うために、受動的排出フィン１６２を上部ヘッダアセンブリ１５４、下部ヘッダアセンブリ１５６または蓄熱ユニット１０６内のその他の熱交換面で用いてもよい。

前記複数のコイルはさらに、コイルと物理的に接触し、氷の境界外に水を排出するための経路を形成する管を備えた受動的排水システムを有していてもよい。これらの管は、コイル間の適当な間隔を維持する支柱とともに輸送中にコイルを機械的に保護する。任意のエアーバブラー、送水ポンプ、攪拌器、循環器等を組み込んでいずれの方向のフローを促進する流体を積極的に排出することができる。

図３は３つの期間およびモードで作動する高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態の構成要素の状態を示す表である。図３に示すように、３つの期間およびモードにおける空調ユニット１０２、油蒸留器／サージ容器１１６、製氷／排氷コイル１４２および圧力作動スライドバルブ１１８の状態がそれぞれ記載されている。例えば、第１の期間における冷媒冷蔵モード中、空調ユニット１０２はＯＮ状態であり、油蒸留器／サージ容器１１６は油蒸留器として作動し、製氷／排氷コイル１４２は下から上へ流れる冷媒を用いて製氷を行い、圧力作動スライドバルブ１１８は閉状態となっている。

この製氷（蓄熱）サイクル中、空調ユニット１０２はシステムに高温液体冷媒を供給する。循環路は、コンデンサ１１１からの高圧液体から始まって冷媒を低圧液体に変える混合相調節器１３２（フロート）を通過し、ＵＲＭＶ１４６に流れ込む経路をたどる。本システムでは、低温液体は蓄熱ユニット１０６の熱交換器の下部ヘッダアセンブリ１５６に供給され、そこで絶縁タンク１４０内の水のほとんどが徐々に凍結される。気相冷媒は上部ヘッダアセンブリから排出されてＵＲＭＶ１４６へ戻る。残った液体はＵＲＭＶ１４６底部へ落下し、製氷／排氷コイル１４２を通って再び循環する。得られた「乾燥」低圧蒸気はＵＲＭＶ１４６から排出され、サイクルが再開する。

第２の期間における冷却モード中、つまり冷却または氷融解（放熱）サイクルでは、空調ユニット１０２がＯＦＦ状態であり、油蒸留器／サージ容器１１６はサージ容器として作動し、製氷／排氷コイル１４２は上から下へ流れる冷媒を用いて凝縮を行い、冷媒ポンプ１２０および圧力作動スライドバルブ１１８は開状態となっている。

ピークエネルギー時、システムに接続された空調ユニット１０２はＯＦＦされ、システムは製氷サイクルで製造された氷を排出する。システムは氷によるエネルギーシンクを放出して冷却を行う。開示された実施形態においては、システムモジュールによる２つの冷却サイクル方法すなわち負荷シフトと負荷平準化がある。負荷シフトでは単一冷却回路、つまり通常の蒸発器コイルに接続されて顕熱冷却および潜熱冷却の両方を行うシステムを用いる。負荷平準化モードでは、２つの別々の冷却回路、つまり顕熱冷却（循環空気から熱を除去）を行うための顕熱蒸発器回路と、潜熱冷却（湿度除去）を行うための別の氷蒸発器とを用いて冷却を行う。通常の空調ユニット１０２および大型の蒸発器コイル（負荷ユニット１０８）が顕熱蒸発器回路を構成し、第２の蒸発器コイルおよび蓄熱ユニット１０６が氷蒸発器回路を構成する。負荷平準化システムのその他の実施形態においてこれらを逆にすることも可能である。

負荷シフトモードにおける冷却回路および負荷平準化モードにおける氷蒸発器回路は、どちらも蒸発器コイル（負荷ユニット１０８）に接続されているという点で基本的に類似している。両者の違いは負荷シフトモードにおいて負荷ユニット１０８が顕熱冷却および潜熱冷却の両方を行うのに対し、負荷平準化モードでは負荷ユニット１０８が主に潜熱冷却を行うことである。このことにより、多様な構成において異なる機能を同一基本構造のコイルによって実行することができる。

氷融解サイクルにおいて、冷媒ポンプ１２０は負荷ユニット１０８に冷媒を送るための駆動力となる。標準的な空調システムと比較して、このシステムの特異な点とは、屋内ユニット（エアハンドラーおよび負荷ユニット１０８）と蓄熱ユニット１０６との間に１５０フィートもの距離があってもよいことである（通常は最大８０フィート）。これは、油蒸留器／サージ容器１１６が液体受容器として機能し、長いラインを横断するのに必要な追加の液体冷媒量を調節するからである。標準的な空調システムでは、そのような距離があると液体不足が起こり、性能が低下する。このことにより、開示されたシステムを通常のスプリット空調装置と比べてはるかに大きな建物に適用することが可能となる。

最後に、第３の期間における「Ｐｕｓｈ」モードでは、空調ユニット１０２はＯＮ状態であり、油蒸留器／サージ容器１１６は油蒸留器／サージ容器兼用器として作動し、製氷／排氷コイル１４２は上から下へ流れる冷媒を用いて凝縮を行い、冷媒ポンプ１２０および圧力作動スライドバルブ１１８は開状態である。「Ｐｕｓｈ」モードでは、（製氷のための）システムに付随するコンプレッサ１１０が負荷ユニット１０８に対して直接冷却（製氷）を行う。これにより、氷を使い切った後に冷却を行う、ピーク時に（氷に加えて）さらに容量を追加する、いっそうのコスト削減のために後に氷を残しておくといったさまざまの効果がもたらされる。

図１はプロセス流体を冷却する際に使用するモードにおける高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態を示す。図２は複数の蒸発器を用いて空調するように構成された高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態を示す。図３は高性能冷媒冷蔵冷却システムの実施形態の構成要素の状態を示す表である。

Claims

コンプレッサおよびコンデンサを備えた空調ユニットと、
少なくとも１つの熱伝導性部材によって互いに接続された下部回収ヘッダおよび上部回収ヘッダを備えた蓄熱交換器を含み、少なくとも一部が相変化液体で充填された絶縁タンクを備えた蓄熱ユニットと、
負荷熱交換器と、
前記空調ユニット、前記蓄熱ユニットおよび前記負荷熱交換器に接続された冷却管理ユニットと、
前記冷却管理ユニット内の総合冷媒管理容器と、
圧力作動スライドバルブと、
前記コンデンサからの冷媒を受ける油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器と、
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器からの冷媒を受ける混合相調節器とを備え、
前記総合冷媒管理容器は、
冷媒を前記空調ユニットへ戻す排出口連結部と、
前記負荷熱交換器、前記混合相調節器、および前記蓄熱交換器の前記上部回収ヘッダからの冷媒を受ける注入口連結部と、
前記蓄熱交換器の下部回収ヘッダへの二方向冷媒フローを形成する第１底部ポートと、
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に接続された第２底部ポートとを含み、
前記圧力作動スライドバルブは、前記第２底部ポートおよび前記空調ユニットに接続されて前記負荷熱交換器に冷媒を供給する
ことを特徴とする高性能蓄熱冷却システム。
前記第２底部ポートはＰトラップを介して前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記相変化液体は共晶材料であることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記相変化液体は水であることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記冷媒管理ユニット内に液体冷媒ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記総合冷媒管理容器の前記排出口連結部と前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器との間に配置され、それらに接続される第１調整抽気装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記第１調整抽気装置は油戻しキャピラリであることを特徴とする請求項６に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部と前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器との間に配置され、それらに接続される第２調整抽気装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記第１調整抽気装置は排気キャピラリであることを特徴とする請求項８に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記蓄熱交換器は受動的排出管をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記蓄熱交換器は受動的排出フィンをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
前記負荷熱交換器は少なくとも１つのミニスプリット蒸発器であることを特徴とする請求項１に記載の高性能蓄熱冷却システム。
第１の期間において冷媒を凝縮ユニットで凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第１凝縮冷媒を、油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に供給し、該油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器から混合相調節器に供給し、さらに、該混合相調節器から総合冷媒管理容器の注入口連結部に供給する工程と、
前記第１凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から少なくとも一部が相変化液体で充填されたタンク内の蒸発ユニットに供給する工程と、
前記第１の期間において前記第１凝縮冷媒を前記蒸発ユニット内で膨張させることによって多量の前記相変化液体を前記タンク内で凍結させて氷を生成し、第１膨張冷媒を生成する工程と、
前記第１膨張冷媒を前記蒸発ユニットから前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部へ供給する工程と、
前記第１膨張冷媒の少なくとも一部を前記凝縮ユニットに戻す工程と、
第２の期間において、第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器から前記氷塊中の前記蒸発ユニットに循環させて前記第２膨張冷媒を凝縮し、第２凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第２凝縮冷媒を前記総合冷媒管理容器へ供給する工程と、
前記第２凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から負荷熱交換器へ循環させる工程と、
前記負荷熱交換器内の前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記第２の期間中に前記冷却を行うことにより、前記第２膨張冷媒を追加生成する工程と、
前記第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器へ戻す工程とを含むことを特徴とする蓄熱冷却システムを用いた冷却方法。
前記第２凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から負荷熱交換器へ循環させる工程は、液体冷媒ポンプを用いて行われることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記総合冷媒管理容器から負荷熱交換器への前記第２膨張冷媒フローをバルブを用いて調節する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器の底部から流れる蒸留油を多く含む冷媒を、前記総合冷媒管理容器から流れる前記第１膨張冷媒とともに前記凝縮ユニットへ再循環させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
第１調整抽気装置を用いて前記蒸留油を多く含む冷媒の再循環フロー速度を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器の上部から第２調整抽気装置を介して前記総合冷媒管理容器の注入口連結部へ蒸気を再循環させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記第２調整抽気装置を用いて前記蒸気フローを調節することにより、前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器内の圧力を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
第１の期間において冷媒を凝縮ユニットで凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第１凝縮冷媒を、油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に供給し、該油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器から混合相調節器に供給し、さらに、該混合相調節器から総合冷媒管理容器の注入口連結部に供給する工程と、
前記第１凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から少なくとも一部が相変化液体で充填されたタンク内の蒸発ユニットに供給する工程と、
前記第１の期間において前記第１凝縮冷媒を前記蒸発ユニット内で膨張させることによって多量の前記相変化液体を前記タンク内で凍結させて氷を生成し、第１膨張冷媒を生成する工程と、
前記第１膨張冷媒を前記蒸発ユニットから前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部へ供給する工程と、
前記第１膨張冷媒の少なくとも一部を前記凝縮ユニットに戻す工程と、
第２の期間において、第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器から前記氷塊中の前記蒸発ユニットに循環させて前記第２膨張冷媒を凝縮し、第２凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第２凝縮冷媒を前記総合冷媒管理容器へ供給する工程と、
前記第２凝縮冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器から負荷熱交換器へ循環させる工程と、
前記負荷熱交換器内の前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記第２の期間中に前記冷却を行うことにより、前記第２膨張冷媒を追加生成する工程と、
前記第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器へ戻す工程と、
前記第２の期間において前記第２膨張冷媒の少なくとも一部を前記凝縮ユニットで再凝縮して第２凝縮冷媒を追加生成する工程と、
前記第２凝縮冷媒の少なくとも一部を前記負荷熱交換器に供給する工程と、
前記負荷熱交換器内の前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記第２の期間中に前記冷却を行い、前期第２膨張冷媒を追加生成する工程と、
前記第２膨張冷媒を前記負荷熱交換器から前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部へ供給する工程と、
前記第１膨張冷媒の少なくとも一部を前記凝縮ユニットへ戻す工程とを含むことを特徴とする蓄熱冷却システムを用いた冷却方法。
前記第２膨張冷媒の少なくとも一部を前記総合冷媒管理容器および前記凝縮ユニットから負荷熱交換器へ循環させる工程は、液体冷媒ポンプを用いて行われることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記総合冷媒管理容器および前記凝縮ユニットから負荷熱交換器への前記第２膨張冷媒フローをバルブを用いて調節する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器の底部から流れる蒸留油を多く含む冷媒を、前記総合冷媒管理容器から流れる前記第１膨張冷媒とともに前記凝縮ユニットへ再循環させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
第１調整抽気装置を用いて前記蒸留油を多く含む冷媒の再循環フロー速度を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器の上部から第２調整抽気装置を介して前記総合冷媒管理容器の注入口連結部へ蒸気を再循環させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記第２調整抽気装置を用いて前記蒸気フローを調節することにより、前記油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器内の圧力を制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
冷媒を凝縮ユニットで凝縮して凝縮冷媒を生成する工程と、
前記凝縮冷媒の一部を、油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器に供給し、該油蒸留器／冷媒サージ容器兼用器から混合相調節器に供給し、さらに、該混合相調節器から総合冷媒管理容器の注入口連結部に供給し、前記凝縮冷媒の残留分を負荷熱交換器に供給する工程と、
前記凝縮冷媒の前記第１部分を前記総合冷媒管理容器から少なくとも一部が相変化液体で充填されたタンク内の蒸発ユニットに供給する工程と、
前記凝縮冷媒の前記一部を前記蒸発ユニット内で膨張させることによって多量の前記相変化液体を前記タンク内で凍結させて氷を生成し、第１膨張冷媒を生成する工程と、
前記第１膨張冷媒を前記蒸発ユニットから前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部へ供給する工程と、
前記負荷熱交換器内で前記凝縮冷媒の前記残留分を膨張させて前記冷却を行うことによって第２膨張冷媒を生成する工程と、
前記第２膨張冷媒を前記総合冷媒管理容器の前記注入口連結部に戻す工程と、
前記第１膨張冷媒と前記第２膨張冷媒の複合物を前記凝縮ユニットで再凝縮し、前記凝縮冷媒を追加生成する工程とを含むことを特徴とする蓄熱冷却システムを用いた冷却方法。