JP2008500511A

JP2008500511A - 熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システム

Info

Publication number: JP2008500511A
Application number: JP2007515359A
Authority: JP
Inventors: ナラヤナマーシーラマチャドラン; エス．ヒックスロバート
Original assignee: アイスエナジーインコーポレーテッド
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: US20110048058A1; US20090183518A1; CN101027525A; WO2005116547A1; KR101236121B1; MXPA06013529A; JP5203702B2; CN100575801C; KR20070046789A; US7503185B2; US7827807B2; US20050262870A1

Abstract

熱交換器の構成を改良した冷媒式蓄熱冷却システムによって得られる冷却負荷を増加させる方法および装置を開示する。負荷の増加は、負荷から戻ってきた冷媒蒸気を凝縮する第２熱交換器（１６２）を介して、熱エネルギー蓄積媒体としての氷ブロックの周囲に冷水を循環させることによって実現される。冷媒は氷ブロック内部の第１熱交換器（１６０）に循環され、さらに冷却および凝縮される。このシステムは、氷として蓄積される熱エネルギーを、内側からは第１熱交換器によって、外側からは第２熱交換器を介して氷ブロックの外表面に冷水を循環させることによって溶解する、内側／外側溶解システムとして知られている。

Description

本発明は、蓄積された熱エネルギーを氷として供給するシステムに関し、特に氷蓄熱式冷却システムに関する。

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００４年５月２５日に出願された米国仮出願第６０／５７４，４４９号の「熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システム」に基づき、その利益を主張するものである。その全ての開示内容はここに引用として組み込まれる。

ピーク時の電力消費需要が増加していく中で、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、氷蓄熱が利用されている。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要求されている。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器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蓄熱の利点を実用化するためには、蓄熱システムの製造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、冷媒管理構造を簡潔にすること、ならびに様々な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。

蓄積した熱エネルギーを供給するためのシステムは、ともにHarry Fischerによる米国特許第４，７３５，０６４号および第４，９１６，９１６号、Fischerらによる米国特許第５，６４７，２２５号、ならびにNarayanamurthyらによるに米国特許出願第１０／９６７，１１４号においてすでに検討されている。これら全ての特許は、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り、経済的な効果をあげている。これらの教示および開示内容は全てここに引用として参照する。

本発明の一実施形態によれば、冷媒式蓄熱冷却システムは、コンプレッサおよびコンデンサを備えた凝縮ユニットと、前記凝縮ユニットに接続され、冷媒の調節、蓄積およびポンプでの汲み上げを行う冷媒管理ユニットと、前記冷媒管理ユニットに接続され、前記冷媒のエンタルピーを増加させることによって冷却負荷に冷却を与える負荷熱交換器と、液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンクであって、前記冷媒管理ユニットに接続されて前記冷媒管理ユニットからの冷媒を用いて前記流体を冷却し、前記タンク内の前記流体の少なくとも一部を凍結する前記第１熱交換器を内部に有するタンクと、前記負荷熱交換器に接続され、冷却された前記流体と前記冷媒との熱接触を促進することによって前記冷媒のエンタルピーを低下させ、温められた前記流体を前記タンクに戻す第２熱交換器とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の一実施形態によれば、冷媒式蓄熱冷却システムを用いて冷却負荷を与える方法は、凝縮ユニットで第１膨張冷媒を凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、前記第１凝縮冷媒を、液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンク内に閉じ込められた蒸発ユニットに供給する工程と、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で膨張させて前記タンク内の前記流体の一部を凍結させることにより、冷却流体、凍結流体および第２膨張冷媒を生成する工程と、第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部を第２熱交換器に循環させて前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させて低エンタルピー冷媒を生成する工程と、前記低エンタルピー冷媒を、前記凍結流体中の蒸発ユニットに循環させて前記低エンタルピー冷媒を凝縮して第２凝縮冷媒を生成する工程と、前記第２凝縮冷媒を膨張させて冷却負荷を得る工程とを備えることを特徴とする。

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すぎず、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、本システムを定義する５つの主要構成要素を備えた冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す。空調ユニット１０２は、コンプレッサ１１０とコンデンサ１１１とを用いて、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、流体（すなわち水）を満たした絶縁タンク１４０と製氷コイル１４２とを備えた蓄熱ユニット１０６に接続されている。空調ユニット１０２、冷却管理システム１０４および蓄熱ユニット１０６は、負荷熱交換器１０８（屋内冷却コイルアセンブリ）を備えた負荷ユニット１０８に対して効率的なマルチモード冷却を行うように、連携して動作する。これにより、本システムの主要な動作モードの機能が実行される。第２熱交換器１６２へ続く循環ループは、絶縁タンク１４０内の流体１５２を循環および混層させて、負荷熱交換器１２３を出る冷媒から熱を奪う働きをする。

さらに図１に示すように、第１の期間（製氷）において、空調ユニット１０２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、内部に熱交換器を形成する油蒸留器／サージ容器１１６を通過する。油蒸留器／サージ容器１１６は、３つの効果を有する。つまり、低圧冷媒中の油を凝縮して、油戻しキャピラリ１４８および乾式吸引戻りライン１１４を介してコンプレッサ１１０に戻すために用いられる。また、第２の期間（冷却モード）において、液体冷媒を蓄積するために用いられる。さらに、コンプレッサ１１０を作動させた直後に、製氷／排氷コイル１４２および総合冷媒管理容器１４６での急激な冷媒膨張によってコンプレッサ１１０に液体が流れ込むことを防止するために用いられる。油蒸留器／サージ容器１１６がなければ、油はシステム内に残存したままコンプレッサ１１０に戻らないので、最終的にはコンプレッサ１１０が油不足によって停止してしまう。また、熱交換器の効果も汚損によって低減してしまう。油蒸留器／サージ容器１１６がないと、製氷／排氷コイル１４２内のほぼ全ての伝熱表面を用いて負荷熱交換器１２３から戻ってくる冷媒蒸気を凝縮するために、第２の期間（冷却モード）中に製氷／排氷コイルから液体冷媒を適切に排出することができなくなるおそれがある。

低温の液体冷媒は、油蒸留器／サージ容器１１６内の内部熱交換器に接触する一方、高圧（温かい）の液体は内部熱交換器の中に入っている。発生した蒸気は、油蒸留器／サージ容器１１６の上端部へ上昇し、排気キャピラリ１２８（またはオリフィス）を通過して湿式吸引戻りライン１２４へ再度導入される。排気キャピラリ１２８の長さおよび内径によって、油蒸留器／サージ容器１１６内の圧力が制限され、製氷期間における油蒸留器／サージ容器１１６内の冷媒量が制限される。

液体冷媒ポンプ１２０は、第２の期間中に作動すると、揚水式（pumped）液体供給ライン１２２に冷媒液体を供給する。この冷媒液体はその後、蓄熱冷却システムの負荷ユニット１０８内の負荷熱交換器１２３の蒸発器コイルに送られる。低圧冷媒は、負荷熱交換器１２３の蒸発器コイルから、湿式吸引戻りライン１２４を介して、アキュムレータまたは総合冷媒管理容器（ＵＲＭＶ）１４６に戻される。同時に、不完全に蒸留された油を多く含む冷媒は、油蒸留器／サージ容器１１６の底部から流出して油戻しキャピラリ１４８を通過し、総合冷媒管理容器１４６内から排出される低圧蒸気とともに乾式吸引戻りライン１１４へ再度導入され、空調ユニット１０２へ戻される。油戻しキャピラリ１４８は、油蒸留器／サージ容器１１６からの油を多く含む冷媒の排出速度を制御する。油戻しキャピラリもまた、高圧液体供給ライン１１２内の高圧の温液体冷媒によって加熱され、油はコンプレッサ１１０内の油受けに戻される。

また、湿式吸引戻りライン１２４は、分岐器１３０に接続している上部ヘッダアセンブリ１５４に接続されて、混合相調節器１３２からシステムに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あるときにのみ開放されて液相冷媒を流すバルブ（オリフィス）を組み込むことにより、システム内の冷媒流量を計量しながら調節する。この混合相調節器１３２は、コンプレッサ１１０から総合冷媒管理容器１４６への余剰の蒸気供給量（飽和高圧液体の圧力低下時に形成されるフラッシュガス以外の）を減少させる一方で、所定の圧力をコンデンサ圧力から蒸発器飽和圧力へと降下させる。その結果、システムの全体効率が向上し、自然循環式または液体供給過剰システムの冷媒管理部１０４が簡素化される。したがって、冷媒の温度または蒸気含有量とは無関係に流量制御を行うことによって、圧力出力を調節すること、または冷媒流量を計測しながら調節することができる調節流量制御装置を備えることは有用である。この圧力または流量の制御は、システムのその他の部分からの独立したフィードバックを利用せずに、例えば従来の熱膨張バルブを用いて行われる。

絶縁タンク１４０は、製氷／排氷兼用コイル１４２を有する。これら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および下部ヘッダアセンブリ１５６は、絶縁タンク１４０から外側方向に冷却管理ユニット１０４へと延びている。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、流体／氷１５２は絶縁タンク１４０内で固化する。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、ならびに液体冷媒排出を行うように配置されている。第２の期間では、温気相冷媒が製氷／排氷コイル１４２ならびにヘッダアセンブリ１５４および１５６を循環して冷媒を凝縮し、氷を溶解する。

製氷／排氷コイル１４２からその周囲の氷へと熱が伝達されると、各コイル１４２の周りに環状の水の層が形成される。この水の層は、コイル周囲を十分に覆った後は、製氷／排氷コイル１４２と氷ブロックとの間で断熱材として機能し始める。この状態は、この環状の水の層が十分に大きくなって多量の水が循環し、局所的な熱の階層化がなくなるまで持続する。このシステムでは高レベルの瞬間冷却負荷を生成することができないという点を埋め合わせるために、氷ブロックの外表面をさらに利用する。

絶縁タンク１４０内の全ての水が製氷サイクル中に凍結するわけではないので、水は絶えず氷ブロックの周囲に存在している。タンク底部では、この水は凍結点（約３３〜３４°Ｆ）に極めて近く、水ポンプ１６４によって冷水吸入口１６６へと吸い込まれて第２熱交換器１６２へ送られる。負荷熱交換器１２２（通常は冷却ダクトの蒸発器コイル）から戻ってきた冷媒は、通常経路である湿式吸引戻りライン１２４から分流し、第２冷却ライン１７０を通って第２熱交換器１６２へ送られる。ここで、温冷媒は冷水吸入ライン１６６から流入する水によって冷却されて凝縮されるので、冷媒中の液体の割合が増加する。その後、この冷媒は第２冷却排出ライン１７２を通って第１熱交換器１６０へ送られる。ヘッダの形状により、液体の大部分は総合冷媒管理容器１４６へと流れ、蒸気は第１熱交換器１６０へと流れるようになっている。残った冷媒蒸気は、絶縁タンク１４０内の第１熱交換器１６０で凝縮される。第２熱交換器１６２中で熱が冷媒に移動した後、温められた水は温水戻りライン１６８を通って絶縁タンク１４０内（上部）に戻される。

冷媒管理ユニット１０４は、アキュムレータとして機能する総合冷媒管理容器１４６を有する。総合冷媒管理容器１４６は、冷媒回路の低圧側に配置されていくつかの機能を実行する。総合冷媒管理容器１４６は、冷媒エネルギー蓄積期間において気相冷媒から液相冷媒を分離し、冷却期間においてもう一度分離を行う。冷媒エネルギー蓄積期間において、総合冷媒管理容器１４６は、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を通過する自然循環を持続させる。乾式吸引戻りライン１１４は、第１の熱エネルギー蓄積期間において、総合冷媒管理容器１４６の上端部の出口から空調ユニット１０２内のコンプレッサ１１０へ低圧気相冷媒を供給する。湿式吸引戻りライン１２４は、冷媒エネルギー蓄積システムが冷却を行う第２の期間において、上部ヘッダアセンブリ１５４の上端部の入口から蒸発器（負荷熱交換器１２３）に接続するように設けられる。

第１の期間とは、水から顕熱および潜熱を取り除いて水を凍結させる冷媒エネルギー蓄積期間である。コンプレッサ１１０は、凝縮されて高圧液体となる高圧冷媒蒸気を出力する。（揚水式液体供給ライン１２２の）液体冷媒ポンプ１２０の出口に設けられたバルブ（図示せず）により、負荷部１０８への接続が制御される。例えば、液体冷媒ポンプが停止したときに接続が閉鎖される。

第１の期間では、冷液体を沸騰させる油蒸留器／サージ容器１１６内において、高圧の温液体から低圧の冷液体へと熱が移動する。油蒸留器／サージ容器１１６で液体が沸騰している間に発生する蒸気によって圧力が上昇するので、冷液体は油蒸留器／サージ容器１１６から排出され、第１の期間においてシステムを正常に動作させるためにこれを必要とする製氷／排氷１４２に移動する。第２の期間では、空調ユニット１０２内のコンプレッサ１１０がオフになっているので、高圧の温液体は高圧液体供給ライン１１２を通過しない。したがって、上記のような温液体から冷液体への熱移動は終了する。これにより、第１の期間では高かったサージ容器内のガス圧がなくなるので、液体は総合冷媒管理容器１４６および製氷／排氷コイルから油蒸留器／サージ容器１１６へと戻される。

熱エネルギー蓄積期間では、高圧液体冷媒は空調ユニット１０２から内部熱交換器へと流動する。これにより、一部を除くほとんどの低圧液体溶媒は、油蒸留器／サージ容器１１６に流入しなくなる。容器内の冷媒は、２つのキャピラリ管（パイプ）によって決定される速度で沸騰する。キャピラリのうちの１つは、油蒸留器／サージ容器１１６内の冷媒水位を制御するための排気キャピラリ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に戻すための油戻しキャピラリ１４８である。総合冷媒管理容器１４６内で円柱状となる液体冷媒は、重力の作用を受けるので、油蒸留器／サージ容器１１６を円柱状の総合冷媒管理容器１４６の底部近傍に配置することにより、液体冷媒は一定の流量で油蒸留器／サージ容器１１６および蓄熱ユニット１０６へ供給される。サージ機能により、冷却期間中に余った冷媒は、絶縁タンク１４０内の製氷／排氷コイル１４２から排出されるので、第２の期間で冷媒を凝縮するための表面積を最大に維持することができる。

油蒸留器／サージ容器１１６の物理的な位置決めは、システムのその他の部分に関して、油蒸留器およびサージ容器としての性能を左右する要因の１つである。この油蒸留器／サージ容器１１６は、コンプレッサ１１０に戻るはずの冷媒と共に流入する油をコンプレッサに戻すための経路をさらに形成する。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−液相温度よりも低温）高圧液体冷媒は、混合相調節器１３２を通過するが、このときに圧力の降下が生じる。

上記のように、冷媒管理ユニット１０４には、空調ユニット１０２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わずかにサブクーリングされ、その後混合相調節器１３２へと流入する。冷媒圧力はここで降下する。混合相調節器１３２を用いることにより、液体冷媒の圧力降下の他にも多くの好ましい作用がもたらされる。混合相調節器１３２を通過する冷媒の量は、エネルギー蓄積期間における製氷コイル１４２内での冷媒沸騰速度に対応しているので、冷媒水位の制御が不要になる。

混合相調節器１３２は、液体冷媒を通過させるが、蒸気を検知すると閉鎖する。調節器の低い方に蒸気が存在していれば、圧力が生じてバルブが閉鎖される。これがピストンに作用するその他の力と組み合わさって、所望の蒸気量に対応する適当なトリガーポイントでピストンを閉鎖する。このトリガーポイントは、調節器の設計によって（つまり、調節器の構成要素の形状および材質を変えることによって）、予め設定されていてもよい。また、トリガーポイントは、調節器の形状を自動または手動で調整する（ピストンの排気量限界までねじ調節する）ことによって調節してもよい。

混合相調節器１３２の開閉動作の結果として混合相調節器１３２から排出される冷媒に生じるパルス作用は、液体冷媒にパルス効果を生じさせ、総合冷媒管理容器１４６に囲まれた円柱内に定在波を生じさせる。これにより、エネルギー蓄積を行う第１の期間において、製氷コイル１４２およびコンデンサ１１１内の液体冷媒が攪拌されて伝熱効果が向上し、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、総合冷媒管理容器１４６と連動して、第１の期間において空調ユニット１０２から液体冷媒を排出し、凝縮に使用する表面積から凝縮液をなくして、凝縮に利用できる状態にする。混合相調節器１３２により、空冷式空調ユニット１０２の押圧を周囲温度に応じて変動可能にすることができる。本システムでは、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必須とされる過熱回路は不要である。

混合相調節器１３２を出た低圧混合相冷媒は、分岐器１３０を通り、総合冷媒管理容器１４６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）に到達して、冷媒の自然循環を促進する。冷媒エネルギー蓄積期間において、エゼクタは、冷媒が分岐器１３０を出るときに、エゼクタの直上流側および蓄熱ユニット１０６の上部ヘッダアセンブリ１５４内において圧力降下を生じさせる。その結果、製氷コイル１４２内での冷媒循環速度が上昇すると同時に、システム性能が向上する。

混合相調節器１３２は、排出口での差圧が室外の周囲温度の増減に応じて変動するので、コンプレッサ１１０からの冷媒流量の変化にも対応する。これにより、凝縮圧が周囲温度に応じて変化するようになる。周囲温度が低下すると、コンプレッサ１１０での押圧が減少し、その結果エネルギー消費が減少してコンプレッサ１１０の能力が向上する。混合相調節器１３２は、液体冷媒を通過させるが、蒸気を検知するとピストンを閉鎖する。つまり、混合相調節器１３２は一時的に気相混合物を「トラップ」に保留する。高圧液体を検知すると、ピストンは設置位置から持ち上げられて、液体が通過する。

したがって、混合相調節器１３２は、蒸気圧によって、高圧液体冷媒を低圧液体冷媒とフラッシュ蒸気とに変えることを可能にする。混合相調節器１３２によってせき止められた蒸気は、コンデンサ１１１へ戻るラインの圧力を増加させ、さらに液体の状態に凝縮される。混合相調節器１３２は自動調節型であり、寄生損を持たない。また、混合相調節器１３２は、液体から蒸気を除去し、システムの低圧側および高圧側の両方にパルス作用を生じさせることによって、熱交換器のコイルの伝熱効率を向上させる。上記したように、混合相調節器は、低圧液体を通過させるために開放され、その後高圧側の蒸気をトラップするために閉鎖され、調節器の低圧側でパルス作用を生じさせる。このパルス作用は、沸騰および凝縮段階の熱交換器の内壁部をさらに湿潤させ、熱移動を促進する。

低圧混合相冷媒は、総合冷媒管理容器１４６に入って液体成分と蒸気成分とに分離される。これは重力によって液体は底部に落下し、蒸気は上昇するためである。液体成分は、総合冷媒管理容器１４６の、システム中の冷媒投入量によって決められた水位まで満たされる一方、蒸気成分は空調ユニット１０２のコンプレッサに戻される。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、効率が低下してしまう。図１に示す本実施形態では、蒸気成分は蒸発器を通過せずに直接コンプレッサ１１０へ戻される。総合冷媒管理容器１４６内において円柱状となる液体冷媒は重力の作用を受け、エネルギー蓄積期間において２つの経路を有する。その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２つめの経路は、下部ヘッダアセンブリ１５６へ続き、製氷／排氷コイル１４２および上部ヘッダアセンブリ１５４を通り、総合冷媒管理容器１４６を通ってコンプレッサ１１０へ戻る経路である。この重力循環では、水等の相変化液体でタンクが満たされると、熱容量が氷として蓄積される。総合冷媒管理容器１４６内の液体の静水頭はポンプとして機能し、製氷／排氷コイル１４２内に流れを生じさせる。冷媒が蒸気になると、コイル内の液体水位は、総合冷媒管理容器１４６中の液体水位よりも下になるので、総合冷媒管理容器１４６と製氷／排氷コイル１４２との間の継続的な流動が促進される。この総合冷媒管理容器１４６と製氷／排氷コイル１４２との間の差圧によって、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）液体冷媒と蒸気になり、そして上部ヘッダアセンブリ１５４から総合冷媒管理容器１４６へと戻される。

冷媒が総合冷媒管理容器１４６に戻されると、熱流束は漸減し、氷が厚くなっていく（熱抵抗が増加する）。液体は冷媒管理ユニット１０４の総合冷媒管理容器１４６に戻され、蒸気は空調ユニット１０２のコンプレッサ１１０に戻される。自然循環により、製氷は均一かつ確実に行われる。製氷／排氷コイル１４２のうちの１つのコイルが他のコイルよりも多く氷を製造していれば、その熱流速度を低下させる。そして、全てのコイルの熱流速度がほぼ同等になるまで、そのコイルの隣にあるコイルにはより多くの冷媒が送られる。

製氷／排氷コイル１４２の構成により、製氷を行う蓄積（第１）期間において、コンプレッサの吸入圧を高く保つ（つまり吸入ガス密度が高い）製氷パターンが作成される。エネルギー蓄積を行う（第１）期間の最終段階では、各製氷／排氷コイル１４２間の全ての間隙が氷で埋められるので、氷の表面積に対して水の量が減少し、吸入圧が著しく降下する。この吸入圧の降下は、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するフル蓄熱状態を示すものとして考えることができる。

エネルギー蓄積を行う第１の期間において、空調ユニット１０２がＯＮになると、低圧液体冷媒が重力によって液体冷媒ポンプ１２０を通過することができなくなり、冷媒の負荷熱交換器１２３への流入は、揚水式液体供給ライン１２２のポペット弁（図示せず）によって妨げられる。蓄熱システムがフル蓄熱状態であって、空調ユニット１０２が停止しているとき、混合相調節器１３２は、冷媒システム圧力を速やかに均一化する。この急速な圧力均一化により、高性能の低始動トルクモータをコンプレッサ１１０において使用することが可能になる。負荷熱交換器１２３は、冷媒が（混合相の液体および蒸気として）負荷熱交換器１２３から、または（飽和蒸気のみとして）湿式吸引戻りライン１２４を通って、上部ヘッダアセンブリ１５４へと流れるように、蓄熱システムの上部または下部のいずれの位置に配置されていてもよい。上部ヘッダアセンブリ１５４を通過した後は、製氷／排氷コイルを通過して再び液体へと凝縮される。

図１に、本システムを定義する５つの主要構成要素を備えた高性能冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す。空調ユニット１０２は、コンプレッサ１１０とコンデンサ１１１とを用いて、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従来の凝縮ユニットである。冷却管理ユニット１０４は、水を満たした絶縁タンク１４０と製氷コイル１４２とを備えた蓄熱ユニット１０６に接続されている。そして、第２熱交換器１６２により、システムに瞬間冷却負荷を追加する外側からの溶解能力が得られる。空調ユニット１０２、冷却管理ユニット１０４および蓄熱ユニット１０６は、負荷熱交換器１０８（屋内冷却コイルアセンブリ）に対して効率的なマルチモード冷却を行うように連携して動作する。これにより、本システムの主要な動作モードの機能が実行される。第２熱交換器１６２で形成される循環ループにより、負荷熱交換器１２３から排出される冷媒と絶縁タンク１４０内の流体との間で熱が移動する。このループは絶縁タンク１４０内の流体１５２を循環および混層させて、負荷熱交換器１２３から出る冷媒から熱を取り出すように作用する。この第２熱交換器のループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ１８８を用いてシステムの内側／外側に切り替えることができる。図示されているシステムは、氷である蓄熱エネルギーを、内側からは製氷／排氷コイル１４２によってブロック状に溶解し、外側からは冷水をブロック外表面から第２熱交換器１６２へ循環させることによって溶解することから、内側／外側溶解システムとして知られている。この第２熱交換器ループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ１８８を用いてシステム内側／外側の切り替えを行うことができる。

図２に、熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す。従来の凝縮ユニット２０２（空調装置）を備えた蓄熱冷却システムは、コンプレッサとコンデンサを用いて高圧液体冷媒を生成する。この冷媒は、高圧液体供給ライン２１２を介して、総合冷媒管理容器２４６および液体冷媒ポンプ２２０を有していてもよい冷却管理分配システム２０４に送られる。総合冷媒管理容器２４６は、高圧液体供給ライン２１２から、圧力降下した低圧混合相液体冷媒２６２を受け取る。冷媒は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器２４６に蓄積される。混合相調節器（図示せず）は、コンプレッサから総合冷媒管理容器２４６への蒸気供給量を最小限にするために用いられる一方、コンデンサ圧力と蒸発器の飽和圧との冷媒差圧を低減させる。

熱エネルギー蓄積モードにおいて、総合冷媒管理容器２４６は、液体冷媒を、液体供給ライン２６６を介して第１熱交換器２６０に供給し、そこで冷却（熱エネルギー）を氷すなわち氷ブロック２４２として蓄積する。第１熱交換器２６０に冷却エネルギーが送られると、混合相冷媒は湿式吸引戻りライン２２４を通って総合冷媒管理容器２４６に戻る。乾式吸引戻りライン２１８は、凝縮ユニット２０２で圧縮および凝縮される気相冷媒を戻す。これで熱エネルギー蓄積サイクルが完了する。

冷却モードでは、総合冷媒管理容器２４６は、液体冷媒をポンプ吸入口ライン２６４を介して液体冷媒ポンプ２２０に供給する。ここで冷媒は、ポンプ排出口ライン２６０を通って蒸発器コイル２２２へと汲み上げられる。冷却エネルギーが蒸発器コイル２２２に送られると、混合相冷媒または飽和冷媒は、低圧蒸気ライン２６８を介して第１熱交換器２６０に戻され、熱エネルギー蓄積モードで製造した氷ブロック２４２を利用して凝縮および冷却される。その後、気相冷媒は、液体供給ライン２６６を介して総合冷媒管理容器２４６に戻される。第２熱交換器ユニット２７０は、外側からの溶解能力をシステムに与えることにより、システムに瞬間冷却負荷を追加する。システムが外側／内側からの溶解能力を備えることにより、氷ブロック２４２として蓄積された熱エネルギーは、内側からは第１熱交換器２６０内の製氷／排氷コイルによって、外側からは冷水をブロック外表面から第２熱交換器２７０に循環させることによって、溶解される。これにより、システムの瞬間冷却能力が４倍にも増加する。

この第２の期間（冷却モード）において、温気相冷媒は第１熱交換器２６０内の製氷／排氷コイルを循環し、氷ブロック２４２を内側から外側へと溶解していく。これにより、冷媒凝縮作用が得られる。製氷／排氷コイルからその周囲の氷ブロック２４２へと熱が移動すると、各コイルの周りに環状の水の層が形成される。この水の層は、コイルの周囲を十分に覆った後は、製氷／排氷コイル１４２と氷ブロックとの間で断熱材として機能し始める。この状態は、この環状の水の層が十分に大きくなって多量の水が循環し、局所的な熱の階層化がなくなるまで持続する。このシステムでは高レベルの瞬間冷却負荷を生成することができないという点を埋め合わせるために、氷ブロックの外表面をさらに利用する。

絶縁タンク２４０内の全ての水が製氷サイクル中に凍結するわけではないので、水は絶えず氷ブロックの周囲に存在している。絶縁タンク２４０の底部では、この水は凍結点（約３３〜３４°Ｆ）に極めて近く、水ポンプ２７２によって冷水ライン２７４へと吸い込まれて第２熱交換器２７０へ送られる。蒸発器コイル２２２から戻ってきた冷媒は、通常経路である湿式吸引戻りライン２２４から分流し、第２冷却吸入ライン２７８を通って第２熱交換器２７０へ送られる。ここで、温冷媒は冷水ライン２７４から流入する水によって冷却されて凝縮されるので、冷媒中の液体の割合が増加する。その後、この冷媒は第２冷却排出ライン２８０を通って第１熱交換器２６０へ送られる。第１熱交換器２６０のヘッダの形状により、液体の大部分は総合冷媒管理容器２４６へと流れ、蒸気は第１熱交換器２６０へと流れるようになっている。残った冷媒蒸気は、絶縁タンク２４０内の第１熱交換器２６０で凝縮される。第２熱交換器２７０中で熱が冷媒に移動した後、温められた水は温水戻りライン２７６を通って絶縁タンク２４０の上部に戻される。この第２熱交換器のループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ２８８を用いてシステムの内側／外側に切り替えることができる。また、例えば外部冷水ライン等の第２冷却源（図示せず）を第２熱交換器内の冷媒に熱接触するように設けて、第１熱交換器２６０またはＵＲＭＶ２４６に流入する冷媒をさらに予冷してもよい。

図３に、熱交換機能をさらに強化した冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す。前出の図面による説明と同様に、従来の凝縮ユニット３０２（空調装置）を備えた蓄熱冷却システムは、コンプレッサおよびコンデンサを用いて、高圧液体供給ラインを通って冷媒管理分配システム３０４へと送られる高圧液体冷媒を生成する。冷媒管理分配システム３０４は、総合冷媒管理容器３４６および液体冷媒ポンプ３２０を備えていてもよい。混合相流量調節器（図示せず）を用いて、高圧液体供給ラインからの高圧液体冷媒を受け取り、コンプレッサから熱負荷へ送られる冷媒流量を調節してもよい。低圧混合相冷媒は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器３４６に蓄積される。

熱エネルギー蓄積モードにおいて、総合冷媒管理容器３４６は、液体冷媒を、液体供給ラインを介して第１熱交換器３６０に供給し、そこで冷却（熱エネルギー）を氷すなわち氷ブロック３４２として蓄積する。第１熱交換器３６０に冷却エネルギーが送られると、混合相冷媒は湿式吸引戻りライン３２４を通って総合冷媒管理容器３４６に戻る。乾式吸引戻りラインは、凝縮ユニット３０２で圧縮および凝縮される気相冷媒を戻す。これで熱エネルギー蓄積サイクルが完了する。

冷却モードでは、総合冷媒管理容器３４６は液体冷媒を液体冷媒ポンプ３２０に供給する。液体冷媒ポンプ３２０は冷媒を蒸発器コイル３２２へと汲み上げる。冷却エネルギーが蒸発器コイル３２２に送られると、混合相冷媒は第１熱交換器３６０に戻され、熱エネルギー蓄積モードで製造した氷ブロック３４２を利用して凝縮および冷却される。気相冷媒は、氷による冷却によって液体に凝縮され、液体供給ライン３６６を介して総合冷媒管理容器３４６に戻される。第２熱交換ユニット３７０および第３熱交換ユニット３９０は、外側からの溶解能力をシステムに与えることにより、システムに瞬間冷却負荷を追加する。

システムが外側／内側からの溶解能力を備えることにより、氷ブロック３４２として蓄積された熱エネルギーは、内側からは第１熱交換器３６０内の製氷／排氷コイルによって、外側からは冷水をブロック外表面から第２および第３熱交換器３７０および３９０に循環させることによって、溶解される。これにより、システムは非常に大きな瞬間冷却要求に対応することができる。様々な冷却付加要求を調整するために、第３熱交換器３９０のように、システムにさらに別の熱交換ユニットを追加してもよい。この第２の期間（冷却モード）において、温気相冷媒は第１熱交換器３６０の製氷／排氷コイルを循環し、氷ブロック３４２を内側から外側へと溶解していく。これにより、冷媒凝縮作用が得られる。

絶縁タンク３４０底部の水は、水ポンプ３７２によって冷水ライン３７４へと吸い込まれて第２および第３熱交換器３７０および３９０へ送られる。蒸発器コイル３２２から戻ってきた冷媒は、通常経路である湿式吸引戻りライン３２４から分流し、第２冷却吸入ライン３７８を通って第２および第３熱交換器３７０および３９０へ送られる。ここで、温冷媒は冷水ライン３７４から流入する水によって冷却されて凝縮されるので、冷媒中の液体の割合が増加する。その後、この冷媒は第２冷却排出ライン３８０を通って第１熱交換器３６０へ送られる。第１熱交換器３６０のヘッダの形状により、液体の大部分は総合冷媒管理容器３４６へと流れ、蒸気は第１熱交換器３６０へと流れるようになっている。残った冷媒蒸気は、絶縁タンク３４０内の第１熱交換器３６０で凝縮される。第２および第３熱交換器３７０および３９０中で熱が冷媒に移動した後、温められた水は温水戻りライン３７６を通って絶縁タンク３４０の上部に戻される。この第２および第３熱交換器のループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ２８８を用いてシステムの内側／外側に切り替えることができる。第３熱交換器のように、システムに直列または並列に複数の熱交換器を追加することにより、冷媒エンタルピーを必要に応じてさらに減少させることも可能である。

図４に、熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの、共用流体槽を用いた一実施形態を示す。従来の凝縮ユニット４０２（空調装置）を備えた蓄熱冷却システムは、コンプレッサおよびコンデンサを用いて、高圧液体供給ライン４１２を通って冷媒管理分配システム４０４へと送られる高圧液体冷媒を生成する。冷媒管理分配システム４０４は、総合冷媒管理容器４４６および液体冷媒ポンプ４２０を備えていてもよい。総合冷媒管理容器４４６は、高圧液体供給ライン４１２から、圧力降下した混合相液体冷媒４６２を受け取る。冷媒は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器４４６に蓄積される。低圧混合相冷媒４６２は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器４４６に蓄積される。混合相調節器（図示せず）は、コンプレッサから総合冷媒管理容器４４６への蒸気供給量を最小限にするために用いられる一方、コンデンサ圧力と蒸発器の飽和圧との冷媒差圧を低減させる。

熱エネルギー蓄積モードにおいて、総合冷媒管理容器４４６は、液体冷媒を、液体供給ライン４６６を介して、冷却（熱エネルギー）を氷すなわち氷ブロック４４２として蓄積する第１熱交換器４６０に供給する。第１熱交換器４６０に冷却エネルギーが送られると、混合相冷媒は湿式吸引戻りライン４２４を介して総合冷媒管理容器４４６に戻る。乾式吸引戻りライン４１８は、凝縮ユニット４０２で圧縮および凝縮される気相冷媒を戻す。これで熱エネルギー蓄積サイクルが完了する。

冷却モードでは、総合冷媒管理容器４４６は、液体冷媒をポンプ吸入口ライン４６４を介して液体冷媒ポンプ４２０に供給する。液体冷媒ポンプ４２０は、冷媒をポンプ排出口ライン４６０を介して蒸発器コイル４２２へ汲み上げる。冷却エネルギーが蒸発器コイル４２２に送られると、混合相冷媒または飽和冷媒は、低圧蒸気ライン４６８を介して第１熱交換器４６０に戻され、熱エネルギー蓄積モードで製造した氷ブロック４４２を利用して凝縮および冷却される。その後、気相冷媒は、液体供給ライン４６６を介して総合冷媒管理容器４４６に戻される。絶縁タンク４４０内の流体４４３の中であって、氷ブロック４４２の外側に配置された第２熱交換器ユニット４７０を用いることにより、外部からの溶解能力が得られ、並列構造のシステムに瞬間冷却負荷を追加することができる。システムが外側／内側からの溶解能力を備えることにより、氷ブロック４４２として蓄積された熱エネルギーは、内側からは第１熱交換器４６０内の製氷／排氷コイルによって、外側からは第２熱交換器４７０を用いて流体をブロックの外表面に循環および／または接触させることによって、溶解される。これにより、システムの瞬間冷却能力を簡便かつ自立完結的に向上させることができる。チャンバ内の流体を混層および混合するために、循環ポンプまたは空気ポンプを併用してもよい。

この第２の期間（冷却モード）において、温気相冷媒は第１熱交換器４６０内の製氷／排氷コイルを循環し、氷ブロック２４２を内側から外側へと溶解していく。これにより、冷媒凝縮作用が得られる。製氷／排氷コイルからその周囲の氷ブロック４４２へと熱が移動すると、各コイルの周りに環状の水の層が形成される。上記したように、この水の層は、コイルの周囲を十分に覆った後は、製氷／排氷コイルと氷ブロック４４２との間で断熱材として機能し始める。この状態は、この環状の水の層が十分に大きくなって多量の水が循環し、局所的な熱の階層化がなくなるまで持続する。このシステムでは高レベルの瞬間冷却負荷を生成することができないという点を埋め合わせるために、氷ブロックの外表面をさらに利用する。

絶縁タンク４４０内の全ての水が製氷サイクル中に凍結するわけではないので、水は絶えず氷ブロックの周囲に存在している。絶縁タンク４４０の底部では、この水は凍結点（約３３〜３４°Ｆ）に極めて近く、流体４４３中に配置された第２熱交換器４７０に接触させるために用いられる。蒸発器コイル４２２から戻ってきた冷媒は、通常経路である湿式吸引戻りライン４２４から分流し、第２冷却吸入ライン４８０を通って第２熱交換器４７０へ送られる。ここで、温冷媒は氷ブロック４４２の周囲を覆う水によって冷却されて凝縮されるので、冷媒中の液体の割合が増加する。その後、この冷媒は第２冷却排出ライン４８０を通って第１熱交換器４６０へ送られる。第１熱交換器４６０のヘッダの形状により、液体の大部分は総合冷媒管理容器４４６へと流れ、蒸気は第１熱交換器４６０へと流れるようになっている。残った冷媒蒸気は、絶縁タンク４４０内の第１熱交換器４６０で凝縮される。第２熱交換器４７０中で熱が冷媒に移動した後、温められた水は絶縁タンク４４０内で循環されて混合される。この第２熱交換器のループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ４８８を用いてシステムの内側／外側に切り替えることができる。

図５に、熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの、共用流体槽を用いた一実施形態を示す。従来の凝縮ユニット５０２（空調装置）を備えた蓄熱冷却システムは、コンプレッサおよびコンデンサを用いて、高圧液体供給ライン５１２を通って冷媒管理分配システム５０４へと送られる高圧液体冷媒を生成する。冷媒管理分配システム５０４は、総合冷媒管理容器５４６および液体冷媒ポンプ５２０を備えていてもよい。総合冷媒管理容器５４６は、高圧液体供給ライン５１２から、圧力降下した低圧混合相液体冷媒５６２を受け取る。冷媒は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器５４６に蓄積される。低圧混合相冷媒５６２は、気相冷媒から液相冷媒を分離する総合冷媒管理容器５４６に蓄積される。混合相調節器（図示せず）は、コンプレッサから総合冷媒管理容器５４６への蒸気供給量を最小限にするために用いられる一方、コンデンサ圧力と蒸発器の飽和圧との冷媒差圧を低減させる。

熱エネルギー蓄積モードにおいて、総合冷媒管理容器５４６は、液体冷媒を、液体供給ライン５６６を介して、冷却（熱エネルギー）を氷すなわち氷ブロック５４２として蓄積する第１熱交換器５６０に供給する。第１熱交換器５６０に冷却エネルギーが送られると、混合相冷媒は湿式吸引戻りライン５２４を介して総合冷媒管理容器５４６に戻る。乾式吸引戻りライン５１８は、凝縮ユニット５０２で圧縮および凝縮される気相冷媒を戻す。これで熱エネルギー蓄積サイクルが完了する。

冷却モードでは、総合冷媒管理容器５４６は、液体冷媒をポンプ吸入口ライン５６４を介して液体冷媒ポンプ５２０に供給する。液体冷媒ポンプ５２０は、冷媒をポンプ排出口ライン５６０を介して蒸発器コイル５２２へ汲み上げる。冷却エネルギーが蒸発器コイル５２２に送られると、混合相冷媒または飽和冷媒は、低圧蒸気ライン５６８を介して第１熱交換器５６０に戻され、熱エネルギー蓄積モードで製造した氷ブロック５４２を利用して凝縮および冷却される。その後、気相冷媒は、液体供給ライン５６６を介して総合冷媒管理容器５４６に戻される。絶縁タンク５４０内の流体５４３の中であって、氷ブロック５４２の外側に配置された第２熱交換器ユニット５７０を用いることにより、外部からの溶解能力が得られ、並列構造のシステムに瞬間冷却負荷を追加することができる。内側および外側から同時に溶解を行うことが可能なシステムとすることにより、氷ブロック５４２として蓄積された熱エネルギーは、内側からは第１熱交換器５６０内の製氷／排氷コイルによって、外側からは第２熱交換器５７０を用いて流体をブロックの外表面に循環および／または接触させることによって、溶解される。これにより、システムの瞬間冷却能力を簡便かつ自立完結的に向上させることができる。チャンバ内の流体を混層および混合するために、循環ポンプまたは空気ポンプを併用してもよい。

この第２の期間（冷却モード）において、温気相冷媒は第１熱交換器５６０内の製氷／排氷コイルを循環し、氷ブロック５４２を内側から外側へと溶解していく。これにより、冷媒凝縮作用が得られる。製氷／排氷コイルからその周囲の氷ブロック５４２へと熱が移動すると、各コイルの周りに環状の水の層が形成される。上記したように、この水の層は、コイルの周囲を十分に覆った後は、製氷／排氷コイルと氷ブロック５４２との間で断熱材として機能し始める。この状態は、この環状の水の層が十分に大きくなって多量の水が循環し、局所的な熱の階層化がなくなるまで持続する。このシステムでは高レベルの瞬間冷却負荷を生成することができないという点を埋め合わせるために、氷ブロックの外表面をさらに利用する。

絶縁タンク５４０内の全ての水が製氷サイクル時に凍結するわけではないので、水は絶えず氷ブロックの周囲に存在している。絶縁タンク５４０の底部では、この水は凍結点に極めて近く、流体５４３中に配置された第２熱交換器５７０に接触させるために用いられる。蒸発器コイル５２２から戻ってきた冷媒は、通常経路である湿式吸引戻りライン５２４から分流し、第２冷却吸入ライン５８０を通って第２熱交換器５７０および第３熱交換器５９０へ同時に送られる。ここで、温冷媒は、氷ブロック５４２を覆う水、第２熱交換器５７０および氷ブロック５４２中の第１熱交換器５６０によって冷却され、凝縮される。ヘッダの形状により、液体の大部分は総合冷媒管理容器５４６へと流れ、蒸気は第１熱交換器５６０および第２熱交換器５７０へと流れるようになっている。残った冷媒蒸気は、最終的に絶縁タンク５４０内の第１熱交換器５６０で凝縮される。第２熱交換器５７０中で熱が冷媒に移動した後、温められた水は絶縁タンク５４０内で循環されて混合される。この第２熱交換器のループは、瞬間冷却負荷が必要なときに応じて、バルブ５９０を用いて内側／外側に切り替えることができる。

冷媒を用いて内側から溶解を行うアイス・オン・コイルシステムを使用する従来の蓄熱ユニットは、氷の溶解時の熱伝達係数に制限される冷却負荷能力に制約を受ける。このようなシステムでは、凝縮ユニットを利用して、第１の期間で冷媒エネルギーを氷として蓄積し（製氷）、第２の期間で蓄積された氷エネルギーから冷却を行う（氷溶解）。この溶解プロセスは、氷ブロックの内部に埋め込まれ、温冷媒が内部に流れる熱交換器の熱交換チューブの外側から開始する。熱が熱交換器から氷へ移動すると、チューブと氷との間に環状の水の層が形成される。循環が生じなければ、この水の層は、これ以上の熱移動を妨げる断熱材として機能する。したがって、熱交換器の能力は、氷ブロック領域で環状の水の層が十分に形成されて水を混合するよりも前に、溶解の初期の段階で制限されてしまう。氷に覆われた熱交換チューブとの熱伝達を向上させるためのこれまでの試みでは、水の被覆層に気泡が入り、乱水流が生じていた。この方法は、効率および信頼性に乏しく、（エネルギーおよび費用の両方において）高コストである。

本発明は、熱交換器の構成を改良した冷媒式蓄熱冷却システムによって得られる冷却負荷を増加させる方法および装置を提供することによって、先行技術における不利益および制限を克服するものである。これは、負荷から戻ってきた冷媒蒸気を凝縮する第２熱交換器を介して、熱エネルギー蓄積媒体としての氷ブロックの周囲に冷水を循環させることによって実現される。冷媒は氷ブロック内部の第１熱交換器に循環され、さらに冷却および凝縮される。このシステムは、氷として蓄積される熱エネルギーを、内側からは第１熱交換器によって、外側からは第２熱交換器を介して氷ブロックの外表面に冷水を循環させることによって溶解する、内側／外側溶解システムとして知られている。

代表的な蓄氷ユニットでは、氷の周囲を取り囲むタンク内の水は決して凍結固化しない。この水は、溶解期間のほとんどの間、タンク底部で約３２°Ｆを維持する。この水を、小型の循環ポンプを用いて第２熱交換器に循環させてからタンクに戻すことにより、熱交換効率がさらに向上する。第２熱交換器は、同軸コンデンサまたは蝋付けプレート熱交換器等の高性能熱交換器であり、これを用いて、冷媒が氷タンク中の主要熱交換器に流入する前に冷媒のエンタルピーを低下させる（温度低下および／または凝縮）。この結果、この２つの熱交換器によって得られる能力の和が、システム全体の冷却能力となる。できるだけ多くの第２熱交換器を必要に応じて用いることにより、冷却負荷要求に対応するための柔軟性をシステムに与えることができる。

上記に説明した実施形態では、付加的な構成要素が最小限に抑えられているので、空調ユニット（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はほとんど使用されない。冷媒による蓄熱システムは、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。これらの実施形態では、大規模商業用の冷水を提供するために、または複数の蒸発器に対して直接的に冷媒空調を行うために、蓄積されたエネルギーを利用することができる。この構成では、複数の動作モードが採用される。また、任意の構成要素を追加することができ、最大効率でのエネルギー蓄積を保証するスマートコントロール（smart control）を組み込むことも可能である。本システムは、凝縮ユニットに接続されると、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エネルギー蓄積システムの両方を同時に稼動させて、第３の期間において冷却を行ってもよい。

熱交換器ループをさらに追加して高性能蓄熱冷却システムの冷却管理を行うことにより、数々の利点を得ることができる。ここに記載する実施形態では、システムの冷却能力を、要求された冷却負荷に対応して４００％も増加させることができる。このシステムは、信頼性に大きな不安があり、複雑で高コストな空気分配装置を不要とし、冷水分配により冷却される建物に容易に適合させることができる。これらの実施形態は、空調の範囲を超えて、全ての冷却システムに広範に応用することができる。例えば、本方法を用いれば、どのような流体媒体でも蓄氷利用によって冷却することが可能である。効率的な製氷方法と組み合わせれば、これらの実施形態は酪農業および石油産業に広く応用することができる。

上記した本発明の記載は、例示および説明のためのものである。本発明はここに開示した形態に厳密に限定されるのではなく、上記の教示を考慮した上で改良および変更することが可能である。実施形態の説明は、本発明の原理およびその実際的な用法を最もよく説明するものであり、したがって当業者は、彼が意図する特定の用途に相応するように、本発明を各種実施形態および各種改良に最適に利用することができる。添付の請求項は、先行技術の限定範囲を除いたその他の実施形態を包含する。

熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。機能を強化した複数の熱交換器を備える冷媒式蓄熱冷却システムの一実施形態を示す図である。熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの、共用流体槽を用いた一実施形態を示す図である。熱交換機能を強化した冷媒式蓄熱冷却システムの、共用流体槽を用いた一実施形態を示す図である。

Claims

コンプレッサおよびコンデンサを備えた凝縮ユニットと、
前記凝縮ユニットに接続され、冷媒の調節、蓄積およびポンプでの汲み上げを行う冷媒管理ユニットと、
前記冷媒管理ユニットに接続され、前記冷媒のエンタルピーを増加させることによって冷却負荷に冷却を与える負荷熱交換器と、
液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンクであって、前記冷媒管理ユニットに接続されて前記冷媒管理ユニットからの冷媒を用いて前記流体を冷却し、前記タンク内の前記流体の少なくとも一部を凍結する前記第１熱交換器を内部に有するタンクと、
前記負荷熱交換器に接続され、冷却された前記流体と前記冷媒との熱接触を促進することによって前記冷媒のエンタルピーを低下させ、温められた前記流体を前記タンクに戻す第２熱交換器とを備えた冷媒式蓄熱冷却システム。
請求項１のシステムにおいて、
前記第２熱交換器は、前記負荷熱交換器から高エンタルピー冷媒を受け取り、前記第１熱交換器へ低エンタルピー冷媒を送ることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記第１熱交換器は、前記負荷熱交換器から高エンタルピー冷媒を受け取り、前記第２熱交換器へ低エンタルピー冷媒を送ることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記第２熱交換器は、前記冷媒管理ユニットに接続されて前記冷媒管理ユニットからの前記冷媒を受け取り、前記冷媒のエンタルピーを低下させて、前記負荷熱交換器へ低エンタルピー冷媒を送ることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記第１熱交換器および前記第２熱交換器は、ともに前記負荷熱交換器から高エンタルピー冷媒を受け取り、前記冷媒管理ユニットへ低エンタルピー冷媒を送ることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記冷媒管理ユニットは、冷媒アキュムレータおよび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６のシステムにおいて、
前記冷媒管理ユニットは、混合相調節器をさらに備えることを特徴とする。
請求項６のシステムにおいて、
前記冷媒管理ユニットは、油蒸留器／サージ容器をさらに備えることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記流体は水である。
請求項１のシステムにおいて、
前記蓄熱冷却システムは、空調システムの能力を高めるために用いられることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記蓄熱冷却システムは、空調システムの電力消費時間の少なくとも一部をシフトするために用いられることを特徴とする。
請求項１のシステムは、
前記第２熱交換器の前記負荷熱交換器との接続を遮断する少なくとも１つのバルブをさらに備えることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記第２熱交換器は、前記冷媒と熱接触するように配置された第２冷却源を用いて前記冷媒のエンタルピーを低下させることを特徴とする。
請求項１のシステムにおいて、
前記第２熱交換器は、前記流体と熱伝達するように前記タンク内に配置されていることを特徴とする。
請求項１のシステムは、前記第２熱交換器からの前記流体を受け取り、前記冷媒との熱接触をさらに促進して前記冷媒の一部のエンタルピーをさらに低下させ、温められた前記流体を前記タンクに戻す第３熱交換器をさらに備えることを特徴とする。
請求項１のシステムは、前記第２熱交換器に並列接続されて、冷却された前記流体と前記冷媒との熱接触をさらに促進して前記冷媒のエンタルピーを低下させ、温められた前記流体を前記タンクに戻す第３熱交換器をさらに備えることを特徴とする。
冷媒式蓄熱冷却システムを用いて冷却負荷を与える方法であって、
第１膨張冷媒を凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第１凝縮冷媒を、第１の期間において、液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンク内に配置された蒸発ユニットで膨張させて前記流体の一部を凍結させることにより、冷却流体、凍結流体および前記第１膨張冷媒を生成する工程と、
第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部の熱冷却能力を利用して第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させることにより、低エンタルピー冷媒を生成する工程と、
前記低エンタルピー冷媒を、前記凍結流体中の前記蒸発ユニットに循環させて前記低エンタルピー冷媒を凝縮し、第２凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記冷却負荷を与える工程とを備える方法。
請求項１７の方法は、
冷媒管理ユニットで前記第１凝縮冷媒の圧力を低下させる工程と、
前記第１凝縮冷媒を総合冷媒管理容器に蓄積する工程と、
前記総合冷媒管理容器からの前記第１凝縮冷媒を、液体冷媒ポンプで汲み上げる工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項１８の方法は、
前記冷媒管理ユニット内の混合相調節器を用いて前記第１凝縮冷媒の圧力を低下させる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項１７の方法は、
第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部の熱冷却能力を伝達して前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させることにより、第２熱交換器で低エンタルピー冷媒を生成する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
少なくとも１つのバルブを用いて、前記第２熱交換器の前記負荷熱交換器との接続を遮断する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器と熱伝達し、前記冷媒と熱接触するように配置された第２冷却源を用いて、前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器を、前記流体と熱伝達するように前記タンク内に配置する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器からの前記流体を、冷却された前記流体と前記第２膨張冷媒との熱接触をさらに促進する第３熱交換器で受け取って、前記第２膨張冷媒の一部のエンタルピーをさらに低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器に並列接続されて、冷却された前記流体と前記第２膨張冷媒との熱接触をさらに促進する第３熱交換器を用いて、前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器からの前記流体を、冷却された前記流体と前記第２膨張冷媒との熱接触をさらに促進する複数の熱交換器で受け取って、前記第２膨張冷媒の一部のエンタルピーをさらに低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器に並列接続されて、冷却された前記流体と前記第２膨張冷媒との熱接触をさらに促進する複数の熱交換器を用いて、前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項１７の方法は、
水を満たした前記タンク内に前記蒸発ユニットを閉じ込める工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項１７の方法は、
空調システムの前記冷却負荷を高めるために前記第２凝縮冷媒を用いる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項１７の方法は、
空調システムの電力消費時間の少なくとも一部をシフトするために前記第２凝縮冷媒を用いる工程をさらに備えることを特徴とする。
冷媒式蓄熱冷却システムを用いて冷却負荷を与える方法であって、
第１膨張冷媒を凝縮して第１凝縮冷媒を生成する工程と、
前記第１凝縮冷媒を、第１の期間において、液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンク内に配置された蒸発ユニットで膨張させて前記流体の一部を凍結させることにより、冷却流体、凍結流体および前記第１膨張冷媒を生成する工程と、
負荷熱交換器中の低エンタルピー冷媒を膨張させることによって、前記冷却負荷を与え、前記第２膨張冷媒を生成する工程と、
前記第２膨張冷媒を前記凍結流体中の前記蒸発ユニットに循環させて前記第２膨張冷媒を凝縮することによって、第２凝縮冷媒を生成する工程と、
第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部の熱冷却能力を用いて前記第２凝縮冷媒のエンタルピーを低下させることにより、前記低エンタルピー冷媒をさらに生成する工程とを備える方法。
請求項３１の方法は、
冷媒管理ユニットで前記第１凝縮冷媒の圧力を低下させる工程と、
前記第１凝縮冷媒を総合冷媒管理容器に蓄積する工程と、
前記総合冷媒管理容器からの前記第１凝縮冷媒を、液体冷媒ポンプで汲み上げる工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項３２の方法は、
前記冷媒管理ユニット内の混合相調節器を用いて前記第１凝縮冷媒の圧力を低下させる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項３１の方法は、
第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部の熱冷却能力を伝達して前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させることにより、第２熱交換器で低エンタルピー冷媒を生成する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項３４の方法は、
少なくとも１つのバルブを用いて、前記第２熱交換器の前記負荷熱交換器との接続を遮断する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項３５の方法は、
前記第２熱交換器と熱伝達し、前記第２凝縮冷媒と熱接触するように配置された第２冷却源を用いて、前記第２凝縮冷媒のエンタルピーを低下させる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器を、前記流体と熱伝達するように前記タンク内に配置する工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器からの前記流体を、冷却された前記流体と前記第２凝縮冷媒との熱接触をさらに促進する第３熱交換器で受け取って、前記第２凝縮冷媒の一部のエンタルピーをさらに低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器に並列接続されて、冷却された前記流体と前記第２凝縮冷媒との熱接触をさらに促進する第３熱交換器を用いて、前記第２凝縮冷媒のエンタルピーを低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器からの前記流体を、冷却された前記流体と前記第２凝縮冷媒との熱接触をさらに促進する複数の熱交換器で受け取って、前記第２凝縮冷媒の一部のエンタルピーをさらに低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項２０の方法は、
前記第２熱交換器に並列接続されて、冷却された前記流体と前記第２凝縮冷媒との熱接触をさらに促進する複数の熱交換器を用いて、前記第２凝縮冷媒のエンタルピーを低下させる工程と、
温められた前記流体を前記タンクに戻す工程とをさらに備えることを特徴とする。
請求項３１の方法は、
水を満たした前記タンク内に前記蒸発ユニットを閉じ込める工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項３１の方法は、
空調システムの前記冷却負荷を高めるために前記低エンタルピー冷媒を用いる工程をさらに備えることを特徴とする。
請求項３１の方法は、
空調システムの電力消費時間の少なくとも一部をシフトするために前記低エンタルピー冷媒を用いる工程をさらに備えることを特徴とする。
第１膨張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ための手段と、
前記第１凝縮冷媒を、液相と固相との間で位相変化することができる流体を満たしたタンク内に閉じ込められた蒸発ユニットに供給するための手段と、
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て、前記タンク内の前記流体の一部を凍結させることにより、冷却流体、凍結流体および前記流体第２膨張冷媒を生成するための手段と、
第２の期間において、前記冷却流体の少なくとも一部を第２熱交換器に循環させることにより、前記第２膨張冷媒のエンタルピーを低下させて低エンタルピー冷媒を形成するための手段と、
前記低エンタルピー冷媒を前記凍結流体中の前記蒸発ユニットに循環させて前記低エンタルピー冷媒を凝縮することにより、第２凝縮冷媒を生成するための手段と、
前記第２凝縮冷媒を膨張させて前記冷却負荷を与えるための手段を備えた冷媒式蓄熱冷却システム。