特表2022-547653ヒートポンプ／冷凍システムにおける熱弾性体から熱回収するポンプ機構
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-15
(54)【発明の名称】ヒートポンプ／冷凍システムにおける熱弾性体から熱回収するポンプ機構
(51)【国際特許分類】
F25B 23/00 20060101AFI20221108BHJP
【ＦＩ】
F25B23/00 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022506735
(86)(22)【出願日】2020-08-02
(85)【翻訳文提出日】2022-03-09
(86)【国際出願番号】 EP2020071753
(87)【国際公開番号】W WO2021023687
(87)【国際公開日】2021-02-11
(31)【優先権主張番号】1911112.9
(32)【優先日】2019-08-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】1911101.2
(32)【優先日】2019-08-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516357166
【氏名又は名称】エクサジン リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＥＸＥＲＧＹＮ ＬＩＭＩＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】ＤＣＵ Ｃｌｅａｎｔｅｃｈ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃａｍｐｕｓ，Ｏｌｄ Ｆｉｎｇｌａｓ Ｒｏａｄ，Ｇｌａｓｎｅｖｉｎ，Ｄｕｂｌｉｎ １１， ＩＲＥＬＡＮＤ
(74)【代理人】
【識別番号】110001726
【氏名又は名称】特許業務法人綿貫国際特許・商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】ケビン オトゥール
(72)【発明者】
【氏名】ケイス ワーレン
(57)【要約】
【課題】改善したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】ヒートポンプシステムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備える構成である。
【選択図】図１
【解決手段】ヒートポンプシステムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備える構成である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備えた、ヒートポンプシステム。
【請求項2】
前記ポンプ機構は、容積式ポンプである、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項3】
前記ポンプ機構は、前記流体が前記第１コアと前記第２コアとの間を一定体積で移動可能な構成である、請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項4】
前記ポンプ機構に接続され、前記第１コアと前記第２コアとに前記流体を供給する流体供給システムを備えた、請求項１～３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項5】
前記流体、前記ポンプ機構、ならびに前記第１コアと前記第２コアは、閉ループシステム内にある、請求項１～４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項6】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、入力された第１流体が出力されると正味の冷却効果をもたらす構成であって、前記第１コアを活性化温度にて状態変化させるために前記第１流体を第１温度で入口から受け入れるように前記ハウジングが構成されており、前記ハウジングの内部に配された前記第１コアに応力を加えることで相変化を起こさせて、熱／エネルギーを放出するデバイスを有し、第２温度の第２流体または前記第１温度の前記第１流体が前記第１コアに入力されることで、加熱された前記第１コアからのエネルギー／熱が伝達される構成であり、前記デバイスの出口は熱交換器に接続されており、前記熱交換器は作動液の熱を受け取る構成である、ヒートポンプシステム。
【請求項7】
前記デバイスは、前記コアと連通して配されており、前記第２流体からの熱と前記作動液からの熱とが組み合わされる際に、加熱サイクル中でさらなる温度上昇をもたらす、請求項６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項8】
前記デバイスは、液圧伝送システムを有する、請求項６または７に記載のヒートポンプシステム。
【請求項9】
前記液圧伝送システムは、応力が印加されると温度を上昇させる前記作動液を有する、請求項８に記載のヒートポンプシステム。
【請求項10】
前記液圧伝送システムは閉ループ作動液回路を備え、前記閉ループ作動液回路は、前記第２流体と同時に前記熱交換器を通じて前記作動液を注入する液圧ポンプを有する構成である、請求項８または９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項11】
前記コアから出力される流体が望ましくない温度であるときに、前記熱交換器に前記作動液が入ることを防止する構成である、請求項８～１０のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項12】
前記コアが熱を吸収しているときに、前記熱交換器に前記作動液が入ることを防止するバルブを有する、請求項６～１１のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項13】
前記コアが応力印加によって状態を変化させて前記第２流体の温度が上昇する構成である、請求項６～１２のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項14】
前記熱交換器は、前記第２流体から生じる熱と前記デバイスから生じる前記熱とを組合せて出力する構成である、請求項６～１３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項15】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備えた、冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ヒートポンプに関する。特に、本開示は、空調システムなどの加熱システムおよび／または冷却システムのためのヒートポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
ヒートポンプ（“ＨＰ”）技術は、暖房、換気および空調（“ＨＶＡＣ”）用途において、商業的に支持を得ている。それらは、エネルギーの節約および排出低減を提供でき、典型的には、建物や自動車用途などでの加熱および冷却システムのために設けられている。
【0003】
ヒートポンプにはいくつかの種類がある。ほとんどの既存の技術は、膨張／圧縮サイクルで冷媒を利用しており、多くのヒートポンプは、熱源、一例として、空気熱源ヒートポンプまたは地中熱源ヒートポンプなどに分類される。ヒートポンプで用いられる基本的な技術についても同様である。空気熱源ヒートポンプは、低温での性能が制限される（－１８℃では、ＣｏＰは、（カルノーによって）１近くになる傾向にある。そのため、電気抵抗加熱がより効果的であり、より高い動作温度では、ＣｏＰは４に達し得る）。地中熱源ヒートポンプは、より安定した入口温度になるが、従来技術は成績係数（“ＣｏＰ”）によって制限される。
【0004】
世界的に、建物での加熱および冷却の脱炭素化をする必要がある。加熱は、一般に、炭素ベースの燃料を燃焼するので、大気中に炭素が放出される。冷却および空調は、より暖かい気候では主要な電気負荷になり得る。ヒートポンプは、潜在的に、単一のパッケージから加熱および冷却を提供し得る。ヒートポンプが再生可能な電力を使用する場合において、ヒートポンプは、ゼロ・エミッション技術になり得る。従来のヒートポンプ技術は、一般に、地球温暖化の可能性が高い冷媒を用いており、高い毒性を有し得るので、望ましいことではない。ファンおよびポンプは、邪魔となり得るノイズを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来のＨＰ技術は、３～４のＣｏＰを有する。ＣｏＰを増加させることによって、電力消費を低減することができるので、これにより、再生可能でない電力を使用する場合の炭素排出が低減される。さらに、従来のＨＰ技術は、周囲の空気温度によって影響を受けるＣｏＰを有し得るので、それは望ましいことではない。米国特許出願公開第２０１６００８４５４４号（Ｒａｄｅｒｍａｃｈｅｒら）には、ＳＭＡからなる材料チューブを使用するヒートポンプシステムが開示されており、それは、未知の材料の他のチューブまたはロッドで満たされて体積を占めており、したがって、デッドサーマルマスを除去してシステムの効率を高めるのに有用である。中国特許出願公開第１０６０５２１９０号（Ｑｉａｎら）には、ＮｉＴｉチューブを備えたＳＭＡコアを使用する冷凍システムが開示されている。流体は、チューブおよびフローデバイスを通過して熱伝達を増加させ、コアは、仕事回収のために機械的に接続される必要がある。しかしながら、この構成は、熱効率が悪いという問題がある。
【0006】
ヒートポンプは、化石燃料の加熱技術のクリーンな代替物になり得て、それらは現在、ほとんどの空調および冷凍で用いられている。よって、ヒートポンプ市場は成長している。ヒートポンプは基本的に、部分負荷では動作することができず、部分負荷を必要とする期間の効率が乏しい。冷却は、多くのエネルギーを必要とし、冷却についての効率の最大化は、発電容量および電力網の強化に大きな影響を与える。インバータ／可変速度駆動の使用は、部分負荷性能を向上させる一方で、製品の価格が最大４０％増加することになる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
したがって、成績係数（ＣｏＰ）を大幅に改善したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。また、改良された冷却システムを提供することを目的とする。
【0008】
特許請求の範囲で述べられているとおり、本発明に係るヒートポンプシステムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備えた構成である。
【0009】
一実施形態として、前記ポンプ機構は、容積式ポンプである。
【0010】
一実施形態として、前記ポンプ機構は、前記流体が前記第１コアと前記第２コアとの間を一定体積で移動可能な構成である。
【0011】
一実施形態として、前記ポンプ機構に接続され、前記第１コアと前記第２コアとに前記流体を供給する流体供給システムを備える。
【0012】
一実施形態として、前記流体、前記ポンプ機構、ならびに前記第１コアと前記第２コアは、閉ループシステム内にある。
【0013】
一実施形態として、第１コアと第２コアとは、液圧結合で互いに接続されている。液圧接続は、コアの配置の自由度が高く、位相が異なる複数のコアの接続を可能にし、より優れた最適化およびより優れた制御を実行できる。
【0014】
システムの別の実施形態では、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、入力された第１流体が出力されると正味の冷却効果をもたらす構成であって、前記第１コアを活性化温度にて状態変化させるために前記第１流体を第１温度で入口から受け入れるように前記ハウジングが構成されており、前記ハウジングの内部に配された前記第１コアに応力を加えることで相変化を起こさせて、熱／エネルギーを放出するデバイスを有し、第２温度の第２流体または前記第１温度の前記第１流体が前記第１コアに入力されることで、加熱された前記第１コアからのエネルギー／熱が伝達される構成である。
【0015】
これにより、ＳＭＡコアまたはＮＴＥコアの温度を上昇させる。
【0016】
次いで、第２温度の第２流体（特定の場合は、継続して第１温度の第１流体）がコアに入力され、加熱されたＳＭＡ、ＮＴＥまたは熱弾性体からなるコアからのエネルギー／熱が流体内に伝達される。これにより、流体がコアを出ると正味の加熱効果がもたらされ、（ＳＭＡ／ＮＴＥ／熱弾性体からなるコアに対して応力を印加するために用いられる）液圧チャンバの出口は、熱交換器に接続されており、熱交換器は、作動液を受け取って、応力が印加され熱交換器内に供給されるときに、それが動作することにより作動液で生成された熱を受け取るように構成されている。
【0017】
本発明が解決すべき課題は、油圧回路における廃熱を経由し、液圧伝送システムによって作動されるＳＭＡ／固体状態ヒートポンプの向上した効率／ＣｏＰを提供することである。追加の利益は、ＳＭＡ／固体状態材料からヒートポンプ流体へのエネルギー伝達によって確認されるより低いデルタＴを必要とすることによるシステムのエクセルギー効率の向上、および作動油の正確な動作温度を維持することによる液圧回路の効率の向上にある。
【0018】
システムは、流速、サイクル時間、速度または圧力変化、実際の圧力変化、用いられるコアの数の変動を可能にし、出力、効率、デルタＴなどについて最適化することができる。そして、必要値に応じて制御モジュールを提供することができる。システムは、複数のシナリオについて出力を最適化することが可能であり、必要値は全負荷のＸ％である。（エンジンマップと同様の）設定マップを、最良性能を与えるための理想的な動作設定を調べるために用いることができる。これは、効率曲線が、部分負荷（すなわち、＜５０％）であっても平坦にすることができる。部分負荷効率の向上は、エンドユーザに大幅な動作コストの低減をもたらす。
【0019】
一実施形態として、前記デバイスは、前記コアと連通して配されており、前記第２流体からの熱と前記作動液からの熱とが組み合わされる際に、加熱サイクル中でさらなる温度上昇をもたらす。
【0020】
一実施形態として、前記デバイスは、液圧伝送システムを有する。
【0021】
一実施形態として、前記液圧伝送システムは、応力が印加されると温度を上昇させる前記作動液を有する。
【0022】
一実施形態／状態として、前記液圧伝送システムは閉ループ作動液回路を備え、前記閉ループ作動液回路は、前記第２流体と同時に前記熱交換器を通じて前記作動液を注入する液圧ポンプを有する構成である。
【0023】
一実施形態／状態として、前記コアから出力される流体の温度が作動液の温度よりも低いときに、熱交換器に入ることを防止するように構成されている。
【0024】
一実施形態として、前記コアが熱を吸収しているときに、前記熱交換器に前記作動液が入ることを防止するバルブを有する。
【0025】
一実施形態として、前記コアが応力印加によって状態を変化させて前記第２流体の温度が上昇する構成である。
【0026】
一実施形態として、前記第２流体から生じる熱と前記デバイスから生じる前記熱とを組合せて出力する構成である。
【0027】
別の実施形態として、冷却システムは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備える。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【発明を実施するための形態】
【0029】
本発明のより明確な理解のために、本発明における一例としての実施形態について、図面を参照して、以下に詳しく説明する。本発明は、ＳＭＡまたはＮＴＥまたは熱弾性体からなる材料における、相変態からの潜熱を利用する新規なヒートポンプサイクルに関する。以下、本発明の好ましい実施形態として、ＳＭＡの実施を記載しており、ＮＴＥまたは熱弾性体からなる材料の実施においても同様に適用される。
【0030】
本発明は、コアを画定するために、複数のエレメントまたは複数のワイヤで構成されたＳＭＡを近接配置して用いることができる。ＳＭＡの材料は、マルテンサイトとオーステナイトの２つの結晶状態になることができ、一方の相から他方の相へと可逆的に変態することができる。ＳＭＡにおけるオーステナイトからマルテンサイトへの変態は発熱を伴う。ＳＭＡにおけるマルテンサイトからオーステナイトへの変態は吸熱を伴う。相転移が起こる温度は、ＳＭＡの材料に対する応力の印加によって操作することができる。
【0031】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は、一度変形しても加熱時に変形前の形状に戻る形状記憶効果を示す合金である。この材料は、液圧、気圧、およびモータを基礎としたシステムなど従来のアクチュエータよりも軽量な固体状態の代替物である。
【0032】
本発明は、複数の形状記憶合金（ＳＭＡｓ）または複数の負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなる材料のいずれかを用いることが可能なヒートポンプシステムおよびその方法に関する。一実施形態として、特に、ＳＭＡからなる材料で構成されたＳＭＡシステムを用いることができる。一例として、コアを画定するために、複数のエレメント（もしくは複数のエレメント群）または複数のワイヤが、近接配されている。別の例では、ロッド、ブロック、リボン、細片またはプレート、３Ｄプリントされたエレメントなどのうちの１つ以上でコアを画定することができ、いずれにおいても、軸方向または横方向の圧縮、圧縮および自然負荷、ねじり応力を受けることでコアとして機能することができる。
【0033】
ヒートポンプには、２つのフェーズ、すなわち、熱吸収フェーズおよび熱放出フェーズがある。マシンサイクルは、完全な熱吸収フェーズ（吸熱）および完全な熱放出フェーズ（発熱）として定義される。
【0034】
熱吸収フェーズは、材料に印加される応力を、ＳＭＡからなる材料内への熱の伝達を許容可能な、サイクル動作で使用されるより低い適切な値に設定する。その結果、オーステナイト開始（Ａｓ）とオーステナイト終了（Ａｆ）の活性化温度が、流体の流れの入力温度よりも低い値に設定される。熱勾配が存在することで、熱伝導および熱対流によってＳＭＡ内に熱伝達することが可能になる。一度、材料が完全にまたは部分的にオーステナイトに変態すると（つまり、ＳＭＡからなる材料の温度がＡｆよりも高くなると）、熱吸収フェーズが完了する。
【0035】
オーステナイト系ＳＭＡからなる材料に対する応力を増加させた後、熱放出フェーズが始まる。これにより、マルテンサイトに戻る逆変態のために、マルテンサイト開始（Ｍｓ）およびマルテンサイト終了（Ｍｆ）の活性化温度が上昇する。一度、Ｍｓの値が入力流体の流れの温度よりも上に上昇すると、逆変態が始まる。それは、Ｍｆも流体の流れの温度よりも高くなったときにのみ完了する。次いで、潜熱が、ＳＭＡからなる材料によって流体の流れに放出され、その温度を高くする。熱の放出が起こる速度は、熱勾配や流速や乱流などの流体の流れの様々な熱力学的条件の関数である。
【0036】
単一の流体温度入力をシステムで用いることができ、熱放出フェーズからのより温かい流体を加熱対象へ向けつつ、熱吸収フェーズからのより冷たい流体の流れを流体源に戻すように、一連のバルブを流体チャンバからの出力で用いることができる。複数の流体温度入力を用いることもできる。
【0037】
図１は、ＳＭＡ駆動システムとして知られている構成を組み込んだヒートポンプシステムではあるが、逆の操作をしており、Ｅｘｅｒｇｙｎ Ｌｉｍｉｔｅｄが出願し未公開のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０１９／０５２３００号を参照し本明細書に組み込まれている。図１に示すように、低圧アキュムレータ１は、マルテンサイト状態のＳＭＡからなる材料に印加される。ＡｓとＡｆよりも高い温度のＳＭＡからなる材料を収容した流体チャンバに流体が入力されると、ＳＭＡからなる材料が熱を吸収することが可能になる。
【0038】
図２は、本発明の一実施形態であり動作サイクルを示す熱弾性体からなるヒートポンプサイクルについての理想的な温度－エントロピー図を示す。サイクルは、ポイント５～６の間で温度Ｔｃの熱伝達流体（ＨＴＦ）から熱を除去し、ポイント２～３の間でより高い温度の流体Ｔｈに熱を放出する。熱は、ポイント３～４の間で熱回収回路によって吸収され、材料を冷却させ、６～１の間で材料によって再吸収され、加熱させる。
【0039】
熱弾性体からなるサイクルがスターリングサイクルにより近い動作の場合、より効率的に動作できるので好ましい。これは、熱回収流れの物理的な制限により、達成が困難である。これは、第３の流れが、実際は図３に示すような異なる温度の各々の複数の流れでなければならないことに起因し、つまり、異なる温度変化での複数の値および複数の流体が必要となる。
【0040】
ここで、ＳＭＡヒートポンプサイクルは、逆ブレイトンおよび逆スターリングサイクルのハイブリッドとみなすことができる。したがって、サイクルから成し得ることができる最大達成可能ＣｏＰは、冷却の流れから熱の流れへの所望の温度上昇（デルタＴ）に反比例する。このデルタＴを低減することによって、流体に伝達することができるＳＭＡ／固体材料で使用可能な有効エネルギー（エクセルギー）がより多く存在するため、より高いＣｏＰを達成することができる。
【0041】
スターリングサイクルにより近いサイクルを達成するために、本発明は、単一流れの流体ネットワークシステムを提供する。本発明の好ましい実施形態による二重の流体コア設定についての例示的な設定は図４に示すようなヒートポンプシステム１０である。ヒートポンプシステム１０は、ＳＭＡ、ＮＴＥ、または熱弾性体からなる材料を含む少なくとも２つのコア１１とコア１２を備える。これらのコア１１とコア１２には、一定の体積の流体がコア１１とコア１２を通って前後に移動可能なポンプ機構１３、例えば容積式ポンプによって熱伝達流体が供給される。
【0042】
図５～図８は、本発明の一実施形態の動作を示す図であり、ＳＭＡからなる第１コアと第２コアの活性化段階を示す図である。本発明は、ハウジング内に配され、流体によって供給される温度変化に応答して状態を変化させるように適合した形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなる材料の第１コア１１を備えるヒートポンプシステムおよびその方法を提供する。形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなる材料の第２のコア１２は、ハウジング内に配され、流体によって供給される温度変化に応答して状態を変化させるように適合している。ポンプ機構１３は、第１コアと第２コアとを流体連通して接続しており、第１コア１１と第２コア１２への流体の供給を制御する。システムは、好ましくは、密閉ユニットシステムである。
【0043】
図５に示すように、一方のＳＭＡコアは無負荷であるので冷却され、ＳＭＡは熱を吸収し、その周囲の流体の温度を低下させる。これは、図中の左側のコアで表される。図中の右側のコアは負荷が加わり、熱を放出し、その周囲の流体を加熱する。圧縮負荷は、材料の疲労を長寿命にして、より完全な相変化遷移をもたらし、はるかに高い効率をもたらすため、引張負荷よりも好ましい。コアに応力を印加するように構成された、液圧回路や気圧回路、電気機械若しくはネジ山などのデバイスが配されることで、コアへの応力付与がもたらされる。熱は、図中の上部で放出され、下部で吸収される。コアの外側の流体供給システムで保持される流体には、高温と低温とに勾配がある。容積式ポンプは、左側のコアに及ぶ。
【0044】
図６に示すように、プロセスの第２段階で、ポンプ１３は、図中の右側に移動し始める。これにより、左側のコアでの冷却された流体を下に移動させ、熱を再吸収し得る流体供給システム内のエリアに放出される。これにより、ＳＭＡの温度が上昇し、より高い温度の流体の勾配に置き換わる。右側のコアでの加熱された流体は、熱が放出することができる流体供給回路のエリアに押し出される。左側のコアと同様に、より低い温度の流体の勾配は、ＳＭＡからなる材料の温度を低下させる。
【0045】
図７に示すように、プロセスの第３段階で、ポンプ１３は、左側のコアに及び、それにより、最も高温の流体が左側のコアを占め、最も低温の流体が右側のコアを占める。ＳＭＡからなる材料は左側のコアで負荷が加わり、ＳＭＡからなる材料から流体への熱放出をもたらし、右側のコアで無負荷になり、流体の熱吸収および冷却をもたらす。
【0046】
図８に示すように、プロセスの第４段階は、第２段階と同様であるが、ポンプの方向を逆にして、左側のコアが流体を置き換えて熱を放出し、右側のコアでの冷たい流体は下に移動し、コアから出て熱を再吸収する。右側のコアの流体は、ＳＭＡの温度を上昇させるより高い温度の流体の勾配に置き換えられ、左はＳＭＡの温度を低下させるより低い温度の流体の勾配に置き換えられる。
【0047】
そして、サイクルは、第１段階に戻って繰り返される。このサイクルは、第３の流れが高温と低温との間の流体の流れというよりも温度勾配で構成されているため、理想的なサイクルにより近くすることができる。また、バルブを必要としないため、システムは単純化できる。
【0048】
[他の実施形態]
コアに負荷が加わる前にサンプル材料を移動させることは困難になる。図９に示す例は、容積式ポンプで、材料間で流体の温度勾配を移動させることである。この場合、材料は、温度勾配を最小化するために適切なキャビティを有するチューブで固定される。流体は、両方の端から容易に負荷を加えることができる。ピストンポンプ２０は、流体ネットワークの下部に配されている。ピストンが上に移動すると、流体をヒートシンク２１に押して熱が放出される。ピストンが下に移動すると、流体は低温の熱源に引き込まれる。
コアに負荷が加わる前にサンプル材料を移動させることは困難になる。図９に示す例は、容積式ポンプで、材料間で流体の温度勾配を移動させることである。この場合、材料は、温度勾配を最小化するために適切なキャビティを有するチューブで固定される。流体は、両方の端から容易に負荷を加えることができる。ピストンポンプ２０は、流体ネットワークの下部に配されている。ピストンが上に移動すると、流体をヒートシンク２１に押して熱が放出される。ピストンが下に移動すると、流体は低温の熱源に引き込まれる。
【0049】
図１０は、ツインコア設定にできる構成を示している。単一のポンプが用いられ、二重のピストンを有している。ポンプが図中の右側に移動すると、熱は、図中の右側のコアからヒートシンクに供給され、図中の左側のコアは、流体を低温の熱源にもたらす。図中の左側にポンプが移動すると、熱は、左側のコアからヒートシンクに供給され、右側のコアの流体は、低温の熱源に運ばれる。したがって、ヒートシンクにはほぼ常に流体の供給がなされる。
【0050】
図１１は、４つのコアシステムを示している。コア数は増加しているが、ポンプ数は増加していない。システムは、２つの熱放出エリアを有するが、これらの領域は、中央位置にできる。
【0051】
固定容積式ピストンで示されるシステムは、システム効率および性能をさらに増加させるように改良できる。ＳＭＡの内外の熱伝達を向上させるために、作動流体（気体の場合）は、スターリングエンジン／逆スターリングヒートポンプ／冷凍機のように、圧力および体積の動的な操作を可能にする。気体は、圧力を低減することによって動的に冷却することができ、気体を圧縮することによって動的に加熱される。ＳＭＡ加熱および冷却と同相で、気流がほとんど起きていないかまたはゼロであるときに起こるＳＭＡ相変化とつながるサイクル内の特定の点で行われる場合、システムを最適化することができる。スターリングエンジンの場合、典型的には、高温および低温ピストンの位相が９０度ずれた状態で達成することができるが、さらなる研究は、他の位相角でより効率的なＳＭＡ加熱／冷却システムにすることができる。ＳＭＡは、１つの具体化として、例えばアルファタイプのスターリング構成で、高温および低温シリンダの間に配される。
【0052】
システム内の再生器は、効率を最大化することが求められており、ＳＭＡの高温エンド、低温エンド、またはその両方に、再生器、または別々の受動再生器として実際のＳＭＡを有することができる。
【0053】
図９～図１１は、熱回収を行うために三次回路を利用するコンセプトと比較すると、動作するバルブ数を大幅に低減することによって、固体状態ヒートポンプ／冷凍機の動作を簡素化する。さらに、コアを経由するタイプの流れの様式は、より大きいＣｏＰを可能にする最大の熱回収を可能にする。好適には、理想的なＴｓ図のサイクルの物理的具体化を成し得るために、一定の体積を有する振動作動流体が提供される。サイクル中に変動する圧力および体積を有し、再生器を含み、振動作動流体を用いることで、ハイブリッドＳＭＡ－逆スターリングエンジンタイプのサイクルが提供される。
【0054】
図１２は、８つのコアを有する２つの流れの中間システム３０の例を示している。このシステムでは、各々のコアは、４５°位相がずれて動作する。前述の単一流れの方式と比較して、この設定の利点は、各々の中間回路が単一のコアを通過することである。これにより、システム内の圧力損失が大幅に低減し、バルブインターフェースでの流れ間の混合の可能性が低減する。図１２に示す実施形態が動作し得る複数の方法が存在する。１つのバージョンでは、サイクルは、コアへの入口バルブのタイミングが以下のように順序付けられるように動作し得る。
１．高温
２．中低温
３．低温
４．中高温
１．高温
２．中低温
３．低温
４．中高温
【0055】
出口バルブのタイミングは、必ずしもこの順序と一致する必要はない。その代わり、サイクルは、より高温の流体が中高温回路に入り、より低温の流体が中低温回路に入ることを可能にするように動作し得る。これは、バルブのタイミングのオフセットのセットもしくはアクティブな温度監視、またはその両方を使用して制御することができる。これにより、最大の温度デルタが各々のコアに提供されることを可能にし、中間回路で温度を維持しつつ、サイクル時間を低減するのに役立つ。
【0056】
【0057】
当該動作の利点は、熱の過剰な破壊を回避するために、構成がコアにより低いＤＴ流体を導入することである。出口バルブは、前述の順序と同じ方式で動作し得る。
【0058】
［圧縮ヒートポンプの実施形態］
固体状態／ＳＭＡヒートポンプサイクルは、熱力学的に逆ブレイトン／逆スターリングハイブリッドサイクルと記載することができる。したがって、サイクルから成し得ることができる最大達成可能ＣｏＰは、冷却の流れから熱の流れへの所望の温度上昇（デルタＴ）に反比例する。このデルタＴを低減することによって、流体に伝達することができるＳＭＡ／固体状態材料での使用可能な有効エネルギー（エクセルギー）がより多く存在するため、より高いＣｏＰを達成することができる。
固体状態／ＳＭＡヒートポンプサイクルは、熱力学的に逆ブレイトン／逆スターリングハイブリッドサイクルと記載することができる。したがって、サイクルから成し得ることができる最大達成可能ＣｏＰは、冷却の流れから熱の流れへの所望の温度上昇（デルタＴ）に反比例する。このデルタＴを低減することによって、流体に伝達することができるＳＭＡ／固体状態材料での使用可能な有効エネルギー（エクセルギー）がより多く存在するため、より高いＣｏＰを達成することができる。
【0059】
図１３は、コア（Ｈ１）に応力を印加するためのデバイス４１に接続されたコア４０（Ｃ１）を示す本発明の実施形態を示し、両方とも、熱交換器４２および閉ループシステム内に接続されて、半分の発熱のサイクルで、加熱された流体を熱交換器に提供する。形状記憶合金（ＳＭＡ）、負の熱膨張（ＮＴＥ）、または熱弾性体からなる材料のコア４０は、ハウジング内に配され、コア４０（Ｃ１）に印加されている応力に応答して第１温度で入力された第１流体で熱を吸収しエネルギーを蓄積するように適合し得る。これは、図１４に示すように、第１流体がハウジングおよびコア４１内に注入され、コアが熱を吸収し、それは、半分の吸熱のサイクルを効果的に示す。ハウジングは、入口を介して第１温度の第１流体を受け取るように構成されている。デバイスＨ１は、ハウジング内のＳＭＡまたはＮＴＥコアに対して応力、例えば圧縮応力を印加して、ＳＭＡまたはＮＴＥコアの状態を変化させるように構成されている。第２温度の第２流体（または、特定の場合では、同じ温度の第１流体）は、サイクルのその発熱部分に続いてコアから熱を吸収するために使用することができる。この状態の間、出口は、熱交換器に接続されており、熱交換器は、上昇した温度の第２流体を受け取り、並行して、応力が印加されたときに行われる動作の結果として液圧回路で生成される熱を受け取るように構成されている。これも熱交換器内に供給される。
【0060】
本発明は、サイクルの半分の発熱の間に、必要な負荷をＳＭＡ／固体状態材料に印加するために用いられる付属の液圧伝送システムからさらなる熱を回収するためのシステムおよびその方法を説明する。圧縮応力が印加されるときにコアに対して動作をすることによって、作動液は熱を得るが、それを所望の最も効率的な動作温度に保つためには、作動液から熱を除去するべきである。典型的には、熱交換器または同様のものを経由して、空気または冷却流体に排出される。本発明の場合、加熱された作動液は、ヒートポンプから出てくるヒートポンプ出口流体の温度を高めるために用いられる。これは、コアの半分の発熱のサイクルから生成されるのに必要なデルタＴを低減することができ、エクセルギー効率が増加する。さらなる熱の「追加」は、作動液ループとヒートポンプ流体ループとの間で熱交換器を介して作動液から廃熱によって供給することができる。
【0061】
液圧回路からの熱増加は、発熱サイクル中にのみ適用される。吸熱サイクル中、液圧が除去されると、流体回路で熱の増大はない。したがって、サイクルの半分の吸熱中に熱交換器をバイパスする必要があり、図１４に示すようにバルブ４３を用いて達成することができる。
【0062】
システムは、複数のコアが、位相を異ならせて作用するように、または同相で作用するように設計することができる。位相がずれて作用するコアを有するシステムについて、作動液を冷却された状態に維持するための要件がある。制御システムは、必要に応じて熱増加を供給するために、半分の発熱のサイクルを受けるコアを追跡する必要がある。
【0063】
熱増加の有効性は、作動液の温度とヒートポンプ回路流体の温度との間のデルタＴの関数である。大きいデルタＴを有するシステムについて、より多くの熱が、作動液から抽出され、ヒートポンプ回路流体内に伝達することができる。作動液の温度およびヒートポンプ回路流体の温度がより近くなると、熱を高める際のシステムの効果はより低くなる。一旦、ヒートポンプ流体の温度が作動液の温度よりも上になると、熱が流体回路から望ましくない形で除去される。
【0064】
本明細書において、「備え、備える、構成される、構成されている」という語句またはその任意の変形、ならびに「含み、含む、含まれる、含んでいるという語句またはその任意の変形は、相互に置き換え可能であり、可能な限り広い解釈が与えられるべきである。
【0065】
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、構成や詳細について種々変更が可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2021-07-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備え、前記第１コアと前記第２コアとは流体継手で接続されており、前記ポンプ機構は、前記流体が前記第１コアと前記第２コアとの間を一定体積で移動可能な構成である、ヒートポンプシステム。
【請求項2】
前記ポンプ機構は、容積式ポンプである、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項3】
前記ポンプ機構に接続され、前記第１コアと前記第２コアとに前記流体を供給する流体供給システムを備えた、請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項4】
前記流体、前記ポンプ機構、ならびに前記第１コアと前記第２コアとは、閉ループシステム内にある、請求項１～３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項5】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、入力された第１流体が出力されると正味の冷却効果をもたらす構成であって、前記第１コアを活性化温度にて状態変化させるために前記第１流体を第１温度で入口から受け入れるように前記ハウジングが構成されており、前記ハウジングの内部に配された前記第１コアに応力を加えることで相変化を起こさせて、熱／エネルギーを放出する液圧伝送システムを有し、第２温度の第２流体または前記第１温度の前記第１流体が前記第１コアに入力されることで、加熱された前記第１コアからのエネルギー／熱が伝達される構成であり、前記液圧伝送システムの出口は熱交換器に接続されており、前記熱交換器は作動液の熱を受け取る構成であり、前記液圧伝送システムは閉ループ作動液回路を備え、前記閉ループ作動液回路は、前記第２流体と同時に前記熱交換器を通じて前記作動液を注入する液圧ポンプを有する構成である、ヒートポンプシステム。
【請求項6】
前記液圧伝送システムは、前記コアと連通して配されており、前記第２流体からの熱と前記作動液からの熱とが組み合わされる際に、加熱サイクル中でさらなる温度上昇をもたらす、請求項５に記載のヒートポンプシステム。
【請求項7】
前記コアから出力される流体が望ましくない温度であるときに、前記熱交換器に前記作動液が入ることを防止するバルブを有する構成である、請求項５または６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項8】
前記バルブは、前記コアが熱を吸収しているときに前記熱交換器に前記作動液が入ることを防止する構成である、請求項７に記載のヒートポンプシステム。
【請求項9】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材（ＮＴＥ）または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは第１コアと第２コアとを有し、前記第１コアと前記第２コアは、それぞれ、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記第１コアと前記第２コアとを連通して接続して前記第１コアと前記第２コアへの流体の供給を制御するポンプ機構とを備え、前記第１コアと前記第２コアとは流体継手で接続されており、前記ポンプ機構は、前記流体が前記第１コアと前記第２コアとの間を一定体積で移動可能な構成である、冷却システム。
【国際調査報告】