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(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】2023-08-02
(54)【発明の名称】高速回転圧力交換器を有する冷凍システム
(51)【国際特許分類】
F25B 9/00 20060101AFI20230726BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20230726BHJP
F25B 43/00 20060101ALI20230726BHJP
【ＦＩ】
F25B9/00 A
F25B1/00 396D
F25B43/00 L
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023501176
(86)(22)【出願日】2021-07-01
(85)【翻訳文提出日】2023-03-06
(86)【国際出願番号】 US2021040199
(87)【国際公開番号】W WO2022010749
(87)【国際公開日】2022-01-13
(31)【優先権主張番号】16/926,328
(32)【優先日】2020-07-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516099646
【氏名又は名称】エナジー リカバリー，インコーポレイティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(74)【代理人】
【識別番号】100126848
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 昭雄
(72)【発明者】
【氏名】アザム ミヒール タッテ
(57)【要約】
冷凍システムには、低圧分岐および高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器が含まれる。回転圧力交換器は、高圧分岐から高圧の冷媒を受取り、低圧分岐から低圧の冷媒を受取り、かつ高圧の冷媒と低圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、回転圧力交換器からの第１の退出流は、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒を含み、回転圧力交換器からの第２の退出流は、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の形をした低圧の冷媒を含んでいる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷凍システムにおいて、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で前記冷媒を循環させるための第２の低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された蒸発器であって、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
前記冷媒の圧力を低圧から高圧へと上昇させるように構成された圧縮機またはポンプと；
前記低圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記低圧分岐から低圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と低圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
【請求項2】
前記冷媒が二酸化炭素を含む、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項3】
前記回転圧力交換器が、前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記受け入れた冷媒を、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒へと圧縮することを可能にし、かつ前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある高圧の前記受け入れた冷媒を、前記液体と蒸気の２相混合物または前記液体状態にある低圧の冷媒へと膨張させることを可能にするように構成されている、請求項１または２に記載の冷凍システム。
【請求項4】
前記蒸発器が前記回転圧力交換器から下流側に配置されており、前記蒸発器が、前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を受け入れ、前記液体と蒸気の２相混合物を飽和蒸気または過熱蒸気に変換することを可能にするように構成されている。請求項３に記載の冷凍システム。
【請求項5】
前記低圧および高圧分岐に流体結合された前記圧縮機を含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項6】
前記蒸発器が、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第１の部分を前記回転圧力交換器に提供し、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第２の部分を前記圧縮機に提供するように構成されており、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の前記第１および第２の部分が、過熱蒸気を含む、請求項５に記載の冷凍システム。
【請求項7】
前記回転圧力交換器が、前記超臨界状態にある高圧の前記冷媒を、等エントロピ膨張または準等エントロピ膨張を介して、液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒へと膨張させるように構成されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項8】
前記回転圧力交換器が、前記冷凍システムの冷却能力を増大させ前記圧縮機の仕事要件を削減するために、ジュールトムソン膨張弁の代りに使用される、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項9】
冷凍システムにおいて、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、前記第１の蒸発器が第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
第１の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第１の中間圧分岐と；
前記第１の中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されている第２の蒸発器と；
第２の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第２の中間圧分岐であって、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の第１の中間圧が、前記低圧分岐および前記第２の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の前記第１の中間圧が、前記第２の蒸発器における飽和圧力に等しく、前記第２の中間圧分岐内の冷媒の前記第２の中間圧が、前記高圧分岐および前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にある、第２の中間圧分岐と；
前記第２の中間圧で動作し、前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記第２の中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記第２の中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ前記高圧の冷媒と前記第２の中間圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある前記高圧の冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
【請求項10】
前記フラッシュタンクおよび第１の蒸発器の下流側に位置設定された第１の圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が第１の温度で動作し、前記第１の圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、かつ前記第１の中間圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、請求項９に記載の冷凍システム。
【請求項11】
前記第１の圧縮機および第２の蒸発器の下流側に位置設定された第２の圧縮機を含み、前記第２の圧縮機が第２の温度で動作し、前記第２の圧縮機が、前記第１の圧縮機および前記第２の蒸発器の両方からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である冷媒を受け入れ、かつ前記高圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、請求項１０に記載の冷凍システム。
【請求項12】
分離済み液体冷媒が前記低圧に達した後、前記第１の蒸発器まで流れるように、前記フラッシュタンクからの分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第１の弁を含む、請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項13】
前記分離済み液体冷媒が前記第１の中間圧に達した後、前記フラッシュタンクから前記第２の蒸発器までの前記分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第２の弁を含む、請求項１２に記載の冷凍システム。
【請求項14】
前記回転圧力交換器の入口への前記第２の中間圧での前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成された第３の弁を含む、請求項１３に記載の冷凍システム。
【請求項15】
前記冷媒が二酸化炭素を含む、請求項９ないし１４のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項16】
冷凍システムにおいて、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、第１の蒸発器と；
中を通って中間圧で前記冷媒を循環させるための中間圧分岐と；
前記中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、前記第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されており、前記中間圧分岐内の前記冷媒の中間圧が、前記高圧分岐と前記低圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記中間圧分岐内の前記冷媒の前記中間圧が第２の蒸発器における飽和圧力に等しい、第２の蒸発器と；
前記中間圧で動作しかつ前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と前記中間圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
【請求項17】
前記回転圧力交換器を退出する前記超臨界状態または亜臨界状態にある前記冷媒を受け入れ、前記冷媒を前記高圧まで加圧するように構成されている低差圧の圧縮機を含む、請求項１６に記載の冷凍システム。
【請求項18】
前記フラッシュタンクと前記第１の蒸発器の下流側に位置設定された圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が前記第１の温度で動作し、前記圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、前記回転圧力交換器のために前記冷媒を前記中間圧まで加圧するように構成されている、請求項１７に記載の冷凍システム。
【請求項19】
前記回転圧力交換器の入口までの前記中間圧にある前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成されている弁を含む、請求項１８に記載の冷凍システム。
【請求項20】
前記冷媒が二酸化炭素を含む、請求項１６ないし１９のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本節は、以下で説明されかつ／または請求されている、本発明のさまざまな態様に関連し得る技術分野のさまざまな側面を読者に紹介するように意図されたものである。この論述は、本発明のさまざまな態様をより良く理解することを促すための背景情報を読者に提供する上で有用であると考えられる。したがって、これらの供述は、かかる観点から読まれるべきものであり、先行技術の承認ではないということを理解しなければならない。
【背景技術】
【0002】
政府環境機関による施行に伴い、世界の大部分が、現在、超臨界二酸化炭素冷凍のような地球温暖化ゼロの冷凍システムへの移行を余儀なくされている。超臨界二酸化炭素システムは、ヨーロッパや北米の大部分のような比較的低温の気候においてはうまく機能するが、これらのシステムの性能係数（効率の尺度）は、周囲環境の周囲温度が高くなるにつれて低下し、結果として実施される単位冷却あたりの電気コストが高くなることから、高温気候においては欠点に直面する。これは、超臨界二酸化炭素システムが、ＨＦＣ／ＣＦＣベースのシステム（およそ１，３７９～２，０６８．４ｋＰａ（２００～３００ｐｓｉ））に比べて、動作するのに必要とする圧力がはるかに大きい（およそ１０，３４２ｋＰａ（１５００ｐｓｉ）以上）ことに起因する。冷媒を臨界圧力より高くするために、非常に高い差圧の圧縮機が使用される。圧縮機を横切る圧力比が大きいと、より多くの電気エネルギが消費される。この問題は、より高温の周囲環境への熱の放出を可能にするために冷却装置の入口における冷媒温度を充分に高い温度まで上昇させる必要があるため、より高温の気候においては大きくなる。これは、圧縮機を横切る圧力比をさらに高く上昇させることによって行なわれ、こうして、より大きい電気が圧縮機に必要とされ、次に、実施される単位冷却あたりの電気コストが上昇する。冷凍システム（例えば、超臨界二酸化炭素冷凍システム）の効率を増大させることは、冷凍システムの操業コストを削減すると同時にその利用可能性を増大させると同時に、地球温暖化の抑制を促進し得る。
【発明の概要】
【0003】
開示対象の主題と範囲が整合するいくつかの実施形態を、以下で要約する。これらの実施形態は、本開示の範囲を限定するように意図されたものではなく、むしろ、いくつかの開示対象の実施形態の簡単な要約を提供することだけを意図したものにすぎない。実際、本開示は、以下に記載の実施形態と類似するかまたはそれらと異なっていてよいさまざまな形態を包含し得る。
【0004】
一実施形態においては、冷凍システムが提供されている。冷凍システムは、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐を含む。冷凍システムは同様に、高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）を含み、ここで高圧分岐は、このガス冷却器または凝縮器を介して高圧で冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の冷媒は超臨界状態または亜臨界状態にある。冷凍システムはさらに、中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐を含む。冷凍システムはさらにまた、低圧分岐に沿って配置された蒸発器を含み、ここで低圧分岐は、この蒸発器を介して周囲環境から低圧の冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の冷媒は、液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である。冷凍システムはさらにまた、冷媒の圧力を低圧から高圧へと上昇させるように構成された圧縮機またはポンプを含む。冷凍システムはさらに、低圧分岐および高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器を含み、ここで回転圧力交換器は、高圧分岐から高圧の冷媒を受け入れ、低圧分岐から低圧の冷媒を受け入れ、かつ高圧の冷媒と低圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、回転圧力交換器からの第１の退出流は、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒を含み、回転圧力交換器からの第２の退出流は、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の低圧の冷媒を含んでいる。
【0005】
一実施形態においては、冷凍システムが提供されている。冷凍システムは、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐を含む。冷凍システムは、高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器を含み、ここで高圧分岐は、このガス冷却器または凝縮器を介して高圧で冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の冷媒は超臨界状態または亜臨界状態にある。冷凍システムは同様に、中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐を含む。冷凍システムはさらにまた、低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器を含み、ここで第１の蒸発器は、第１の温度で動作するように構成されており、低圧分岐は、この蒸発器を介して周囲環境から低圧の冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の冷媒は、液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である。冷凍システムはさらに、第１の中間圧で中を通って冷媒を循環させるための第１の中間圧分岐を含む。冷凍システムはさらにまた、第１の中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器を含み、ここでこの第２の蒸発器は、第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されている。冷凍システムはさらに、第２の中間圧で中を通って冷媒を循環させるための第２の中間圧分岐を含み、ここで第１の中間圧分岐内の冷媒の第１の中間圧は、低圧分岐および第２の中間圧分岐内の冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、第１の中間圧分岐内の冷媒の第１の中間圧は、第２の蒸発器における飽和圧力に等しく、第２の中間圧分岐内の冷媒の第２の中間圧は、高圧分岐および第１の中間圧分岐内の冷媒のそれぞれの圧力の間にある。冷凍システムはさらに、第２の中間圧で動作し、液体と蒸気の２相混合物の冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；第２の中間圧分岐および高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器と、を含み、回転圧力交換器は、高圧分岐から高圧の冷媒を受け入れ、第２の中間圧分岐から、蒸気状態、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の第２の中間圧の冷媒を受け入れ、かつ高圧の冷媒と第２の中間圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒を含み、回転圧力交換器からの第２の退出流が、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の第２の中間圧の冷媒を含んでいる。
【0006】
一実施形態においては、冷凍システムが提供されている。冷凍システムは、中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐を含む。冷凍システムは同様に、高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器を含み、ここで高圧分岐は、このガス冷却器または凝縮器を介して高圧で冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の冷媒は超臨界状態または亜臨界状態にある。冷凍システムはさらに、中を通して低圧で冷媒を循環させるための第２の低圧分岐を含む。冷凍システムはさらにまた、低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器を含み、ここでこの第１の蒸発器は、第１の温度で動作するように構成されており、ここで低圧分岐は、この蒸発器を介して周囲環境から低圧の冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の冷媒は、液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である。冷凍システムはさらにまた、中を通って中間圧で冷媒を循環させるための中間圧分岐を含む。冷凍システムはさらにまた、中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器を含み、ここでこの第２の蒸発器は、第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されている。中間圧分岐内の冷媒の中間圧は、高圧分岐と低圧分岐内の冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、中間圧分岐内の冷媒の中間圧は、第２の蒸発器における飽和圧力に等しい。冷凍システムはさらに、中間圧で動作しかつ液体と蒸気の２相混合物の冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクを含む。冷凍システムはさらに、中間圧分岐および高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器を含み、ここでこの回転圧力交換器は、高圧分岐から高圧の冷媒を受け入れ、中間圧分岐から、蒸気状態、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の中間圧の冷媒を受け入れ、かつ高圧の冷媒と中間圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、回転圧力交換器からの第１の退出流は、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒を含み、回転圧力交換器からの第２の退出流は、液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の中間圧の冷媒を含んでいる。
【0007】
本発明のさまざまな特徴、態様および利点は、図全体を通して同様の文字が同様の部品を表わしている添付図を参照しながら以下の詳細な説明を読んだときにより良く理解できるものである。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【発明を実施するための形態】
【0036】
本発明の１つ以上の具体的実施形態について以下で説明する。これらの説明される実施形態は、本発明の一例にすぎない。さらに、これらの例示的実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、実際の実装の全ての特徴が本明細書中で説明されていない可能性がある。あらゆるエンジニアリングまたはデザインプロジェクトの場合と同様に、このような何らかの実際の実装の開発においては、実装毎に変動し得る、例えばシステム関連およびビジネス関連の制約との整合性などのデベロッパの具体的最終目的を達成するために、多くの実装特異的な決断を下さなければならないということを認識すべきである。その上、このような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があると考えられるものの、本開示のメリットを受ける当業者にとっては設計、製作および製造の日常的な仕事であると思われる、ということを認識すべきである。さらに、本明細書中で開示されている異なる実施形態の特徴は、別段の指摘が無いかぎり互いに組合せることができるものであるということを認識すべきである。
【0037】
以下の論述は、ジュールトムソン膨張弁の代りに回転圧力交換器または回転液体ピストン圧縮機または回転液体ピストンポンプを利用する冷凍システム（例えば超臨界二酸化炭素冷凍システム）について説明している。以下で説明される通り、冷凍システムは、ジュールトムソン膨張弁を用いた場合には喪失したであろうと考えられる圧力エネルギの大部分を回収しながら、冷凍システムの冷却能力を増大させることによって、さらに効率良く動作し得る。ジュールトムソン膨張弁を回転圧力交換器で置換することで、典型的な冷凍システムでは４０パーセントに及ぶ全損失を結果としてもたらす膨張弁内で発生するエネルギ破壊およびエントロピ生成の両方の一掃に起因して、効率が増大する。さらにジュールトムソン膨張弁を回転圧力交換器で置換することは、膨張弁を横断した等エンタルピ（すなわち恒常なエンタルピ）プロセスから回転圧力交換器を横断した等エントロピまたは等エントロピに近い（すなわち恒常なエントロピ）プロセスへと膨張プロセスを変更することによって、効率を増大させる。一部の実施形態において、回転圧力交換器は同様に、バルクフロー圧縮機（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の機能を置換することもできる。こうして、１つ以上の低差圧（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）（ＤＰ）の循環圧縮機（ブロワ）または循環ポンプをバルクフロー（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ）高差圧の圧縮機の代りに使用すること、そして（例えば小さい圧力損失を克服するために）冷凍システム内部の流量を維持することが可能となる。これらの低ＤＰの循環圧縮機は、バルクフロー圧縮機に比べて消費エネルギが著しく少ない（例えば１０分の１以下）可能性がある。ジュールトムソン膨張弁およびバルクフロー圧縮機の両方を回転圧力交換器で置換することで、電力消費量および電気コストの削減しながら冷凍システム内の最大の非効率源のうちの２つが取り除かれる。さらに、膨張弁および／またはバルクフロー圧縮機の代りに回転圧力交換器を使用することで、他の環境（例えばより暖かい環境）における冷凍システムの利用可能性が増大し得る。より暖かい周囲温度（例えば摂氏５０度）では、（圧縮機の出口において求められる圧力が著しく上昇して）圧縮機の圧力比が改変され、サイクル効率（すなわち性能係数）を最適温度（例えば摂氏３５度）に比べて６０パーセントも著しく低下させる。回転圧力交換器は、必要とされる圧縮機の仕事、冷凍システムの冷却能力そして冷凍システムの性能係数に対してより温かい環境温度が及ぼす悪影響を軽減する。
【0038】
動作中、回転圧力交換器または回転液体ピストン圧縮機またはポンプは、第１および第２の流体の間の圧力を完全に等化させてもさせなくてもよい。したがって、回転液体ピストン圧縮機またはポンプは、等圧でまたは実質的に等圧で動作し得る（例えば、ここで第１および第２の流体の圧力は、相互におよそ＋／－１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０パーセント以内で等化する）。回転液体ピストン圧縮機またはポンプは、概して、高圧入口流と低圧入口流の間において、およそ５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％を超える効率で流体圧力を移送する装置として定義することができる。
【0039】
図１は、二酸化炭素の相図２である。相図は、温度および圧力との関係における化学系内のさまざまな相の平衡限界を表わす。図１の相図２は、温度および圧力が変化するにつれて二酸化炭素がどのように相を変化させるか（例えば、気体（蒸気）、液体、固体、超臨界）を例示している。二酸化炭素がどの時点で気体または蒸気、液体および固体として存在するかの例示に加えて、相図２は、二酸化炭素がどの時点で超臨界流体に変化するかを例示している。化合物は、その臨界点より高い圧力および温度にさらされた場合、超臨界流体となる。臨界点とは、物質の液相と気相を区別する表面張力（メニスカス）が消滅し２つの相間が区別できなくなる点である。超臨界領域内で、流体は特別な特性を示す。これらの特性には、気体が液体様の（例えば一桁分高い）密度、比熱、粘度および気体を通る音速を有することが含まれ得る。
【0040】
図２は、超臨界状態にある流体を使用する冷凍システム８００（例えば超臨界二酸化炭素冷凍システム）の一実施形態の概略図である。冷凍システム８００は二酸化炭素を使用するものとして説明されているが、他の冷媒も利用可能である。冷凍システム８００内で膨張弁（例えばジュールトムソン膨張弁）の代りに以下で説明されるような回転圧力交換器または回転液体圧縮機８０２（図中ＰＸで表示）を使用することにより、冷凍システム８００は、ジュールトムソン膨張弁を用いた場合には喪失したであろうと思われる圧力エネルギの大部分を回収しながら、冷凍システム８００の冷却能力を増大させることでより効率良く動作することが可能となる。いくつかの実施形態において、回転圧力交換器は、バルクフロー圧縮機の機能を置換し、こうして（著しくよりエネルギ効率の良い）１つ以上の低ＤＰの循環圧縮機またはポンプをバルクフロー圧縮機の代りに使用することを可能にできる。例えば、超臨界二酸化炭素冷凍システムは、はるかに大きい圧力（およそ１０，３４２ｋＰａ（１５００ｐｓｉ）以上）で動作する必要があり、これは、圧縮機（非常に高い差圧の圧縮機）を横切って大きな圧力比を創出し、より多くの電気エネルギが消費される結果になる。膨張弁を回転圧力交換器で置換することで、回転圧力交換器内でほぼ全ての圧力降下を回収し、流量を主圧縮機に送るのではなくむしろ蒸発器から来る流量を加圧するために利用することが可能になる。したがって、圧縮機の電気需要を著しく削減または削除することができる。ジュールトムソン膨張弁および／またはバルクフロー圧縮機の代りに回転圧力交換器を使用する冷凍システム８００は、スーパーマーケットの冷凍システム、加熱、換気および／または空調（ＨＶＡＣ）システム、天然液化ガスシステム用の冷凍、化学処理産業向けの工業用冷凍、蓄電池技術（例えば、冷凍および発電サイクルの組合せを用いた太陽または風力発電用の熱エネルギ貯蔵システムの創出）、水族館、極地住居研究システムそして、冷凍が使用される他のあらゆるシステムを含めたさまざまな利用分野において使用可能である。
【0041】
描写された通り、冷凍システム８００は、高圧冷媒（例えば二酸化炭素）を循環させるための第１の流体ループ（例えば高圧分岐）８０４、および高圧分岐８０４よりも低い圧力で低圧冷媒（例えば二酸化炭素）を循環させるための第２の流体ループ（例えば低圧分岐）８０６を含む。第１の流体ループ８０４は、熱交換器８０８（例えばガス冷却器／凝縮器）および回転圧力交換器８０２を含む。熱交換器８０８は、高圧冷媒から周囲環境へ熱を放出する。ガス冷却器は以下では、超臨界高圧冷媒（例えば二酸化炭素）での使用について説明されているものの、いくつかの実施形態では、凝縮器を亜臨界高圧冷媒（例えば二酸化炭素）で使用することができる。冷媒についての亜臨界状態は、臨界点未満（詳細には臨界点と三重点の間）である。第２の流体ループ８０６は、熱交換器８１０（例えば蒸発器などの冷却または熱負荷）および回転圧力交換器８０２を含む。熱交換器８１０は、周囲環境から低圧冷媒中に熱を吸収する。低圧分岐８０６内の低圧冷媒は、液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物であってよい。流体ループ８０４、８０６は両方共、圧縮機８１２（例えばバルクフロー圧縮機）に対して流体結合されている。圧縮機８１２は（温度および圧力を上昇させることによって）、蒸発器８１０から受け入れた過熱された気体の二酸化炭素を、ガス冷却器８０８に供給される超臨界状態の二酸化炭素へと変換する。一部の実施形態においては、以下でさらに詳述するように、圧縮機８１２は、システム８００内部の小さい圧力損失を克服し流体流（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ）を維持するため、１つ以上の低ＤＰの循環圧縮機またはポンプにより置換されてよい。概して、第１の流体ループ８０４に沿って、ガス冷却器８０８は、超臨界状態の二酸化炭素を受け入れ、その後、幾分か冷却した後（例えば高圧入口８２２において）回転圧力交換器８０２に供給する。第２の流体ループ８０４に沿って、蒸発器８１０は、回転圧力交換器８０２の低圧入口８１３に対して、過熱された気体の二酸化炭素の第１の部分を供給し、圧縮機８１２に対して、過熱された気体の二酸化炭素の第２の部分を供給する。回転圧力交換器８０２は、超臨界状態にある二酸化炭素と過熱された気体の二酸化炭素との間で、圧力を交換する。超臨界状態にある二酸化炭素は、回転圧力交換器８０の内部で、２相液体／蒸気混合物へと変換され、低圧出口８２４から退出して、蒸発器８１０へと供給される。回転圧力交換器８０２は同様に、過熱された気体の二酸化炭素の圧力および温度を上昇させて、それを超臨界状態の二酸化炭素に変換し、この二酸化炭素は、それがガス冷却器８０８へと供給される高圧出口８１５を介して、回転圧力交換器８０２から退出する。図２に例示されているように、回転圧力交換器８０２から退出する超臨界状態にある二酸化炭素は、圧縮機８１２からガス冷却器８０８に供給された二酸化炭素と組合わされてよい。
【0042】
（例えば、ジュールトムソン膨張弁を使用する冷凍システムとの関係における）冷凍システム８００内で発生する熱力学的プロセスは、図３および４を参照してより詳細に説明される。図３および４は、ジュールトムソン膨張弁を含む冷凍システムに比べた冷凍システム８００の４つの主要構成要素で発生する熱力学的プロセスを示すために、それぞれ温度－エントロピ（Ｔ－Ｓ）線図８１４および圧力－エントロピ（Ｐ－Ｈ）線図８１６を例示する。点１は、圧縮機の入口８１８を表わす（図２参照）。点２は、圧縮機の出口８２０およびガス冷却器の入口８２０を表わす。点３は、ガス冷却器の出口８２２および膨張弁の入口（ジュールトムソン膨張弁を有する冷凍システム内）または回転液体圧縮機８０２の高圧入口８２２を表す。点４は、膨張弁の出口または回転液体圧縮機８０２の低圧出口８２４（図３および図４にＰＸとして標示）および蒸発器の入口８２６を表わす。図３および４に例示されているように、圧縮機８１２は、圧力を上昇させ、こうして、冷媒作動流体（例えば二酸化炭素）の温度を、環境よりも高い温度まで上昇させ、そこで外部のより高温の環境へと熱を放出することができる。これは、ガス冷却器８０８の内部で発生する。二酸化炭素が超臨界状態にあることから、温度が、超臨界二酸化炭素システムのガス冷却器８０８内でＴ－Ｓ線図上の２相ドームの内側における熱交換プロセスの大部分を通して恒常であり続けている従来の凝縮器とは異なり、相境界は存在せず、二酸化炭素は、２相ドーム８２８の上方にある。したがって、温度は、二酸化炭素が熱を環境へと放出するときに下降する。環境温度が高くなればなるほど、圧縮機８１２を横切る圧力比は大きくなり、システムの圧力も大きくなる。点３において、ガス冷却器出口８３０を離れる二酸化炭素はこのとき、（ジュールトムソン膨張弁を有する冷凍システム内で）膨張弁を通って進み、曲線８３２によって示されているように、バルブ内の恒常なエンタルピプロセス（３→４ｈ）をたどる。Ｐ－Ｈ線図８１６上で、曲線８３２は、（それが等エンタルピプロセスであるため）真直ぐな垂直ラインである。結果として、二酸化炭素は２相ドーム８２８に入り、液体と気体の平衡混合物になる。液体の正確な質量分率は、４ｈ（すなわち曲線８３２）が蒸発器圧力を表わす恒常圧力水平ライン８３４と交差する点によって決定される。２相混合物は、このとき蒸発器８１０を通って続き、ここで、液体二酸化炭素がさらに多くの熱を吸収し、蒸発器８１０の出口８３６において飽和蒸気となる。したがって、圧縮機８１８内に入る流体は、純粋な蒸気相（気相）にある。
【0043】
ここで、図２に示されているようなジュールトムソン膨張弁を置換する回転圧力交換器８０２を有するシステムを考慮する。図３および４に例示されているように、ガス冷却器出口８３０で超臨界状態にある二酸化炭素は、高圧入口ポート８２２において回転圧力交換器８０２に入り、等エントロピまたは等エントロピに近い（例えば８５パーセントの等エントロピ効率）膨張を受け、２相気体－液体二酸化炭素として回転圧力交換器８０２の低圧出口ポート８２４で退出する。このプロセスは、Ｔ－ＳおよびＰ－Ｈ線図８１４、８１６上において曲線８３５で示されている。例示されているように、曲線８３５（回転圧力交換器８０２を用いて得られたもの）は、曲線８３２（膨張弁を用いて得られたもの）の左に向かって存在し、このことは、２相液体中の液体含有物の量または百分率が、膨張弁の場合（Ｐ－Ｈ線図８１６上の点４ｈの位置）に比べ、回転圧力交換器８０２を通した膨張（Ｐ－Ｈ図８１６上の点４の位置）の場合の方が大きいことを意味している。液体含有量がより大きいことに起因して、冷媒（例えば二酸化炭素）の吸収能力は、蒸発器８１０においてより大きいものである。したがって、環境条件によって設定される同じ圧力および温度境界条件について、冷凍システム８００の冷却能力は、ジュールトムソン膨張弁の代りに回転圧力交換器８０２が使用された場合に増大する。Ｐ－Ｈ線図８１６上の点４ｓの位置は、完全な等エントロピ膨張プロセス（例えば１００パーセントの等エントロピ膨張係数）を表わす。点４における２相二酸化炭素は、次に、蒸発器８１０中の熱を吸収することになる（プロセス４→１）。セグメント８４０の長さ８３８（４ｈ－４で定義される）が、ジュールトムソン膨張弁を使用する典型的なもの（点１におけるエンタルピと点４ｈにおけるエンタルピの間の差である、セグメント長８３４）に比べた、回転圧力交換器８０２を使用するシステム８００により提供される追加の冷却能力である。これが、冷凍サイクル内に回転圧力交換器８０２を組込むことで提供される主要な利点の１つである。
【0044】
冷凍サイクル内で回転圧力交換器８０２を使用することによって提供される別の利点は、過熱された気体の二酸化炭素として蒸発器８０から回転圧力交換器８０２に入り（低圧入口８１３において）、破線８４２によって示されている通りの等エントロピまたは等エントロピに近い（例えば８５パーセントの等エントロピ効率）圧縮を受ける（すなわちプロセス１→２ｓ）第２の流体流（ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）を見ることで明らかになる。このプロセスは、圧縮機８１２の内部で発生する等エントロピプロセス１→２に類似するものである。圧縮のほぼ全てが回転圧力交換器８０２の内部で発生することから、いくつかの実施形態において、主圧縮機８１２を完全にまたは部分的に除去することが可能である。例えば、この場合、圧縮機８１２は、（それを横切るエンタルピ変化が非常に小さいことから）非常にわずかな仕事しか消費しない非常に小さい差圧のガスブロワまたは循環ポンプによって置換され得る。これにより、性能効率（ＣＯＰ）（すなわち、冷凍サイクルの効率の標準的尺度）についての以下の等式から分かるように、冷凍サイクルの効率に対する圧倒的な利点が生み出される：
なお式中、ｈは、Ｐ－Ｈ線図８１６上の４つの点の各々におけるエンタルピである。ここで分かるように、圧縮機８１２によってなされた仕事（ｗ）（すなわち圧縮機８１２が消費した電気）を表わす上述の等式内の分母（ｈ２－ｈ１）は、ジュールトムソン膨張弁及び圧縮機８１２の従来の組合せの代りに回転圧力交換器８０２が使用された場合に、非常に小さくなる。これにより、冷凍サイクルのＣＯＰ（すなわち効率）の極めて大きな増大を生み出すことが可能である。先に言及した第１の利点（すなわち冷却能力の増大）と組合わさったとき、点４におけるｈが点４ｈにおけるｈよりも低い場合、項（ｈ１－ｈ４）は、回転圧力交換器をベースとするシステムについてより大きいものとなり、こうして、冷凍サイクルのＣＯＰ（すなわち効率）はさらに増大する。
【数1】
【0045】
図５は、流体の混合が最小限である状態で、第１の流体（例えば第１の流体ループ８０４内を循環する超臨界二酸化炭素）と第２の流体（例えば第２の流体ループ８０６内を循環する過熱された気体の二酸化炭素）の間で圧力および／または仕事を移送する能力を有する回転圧力交換器または回転液体ピストン圧縮機４０（回転ＬＰＣ）（例えば図２中の回転圧力交換器８０２）の一実施形態の分解組立斜視図である。回転ＬＰＣ４０は、スリーブ４４（例えば回転子スリーブ）および回転子４６を含む、略円筒形の本体部分４２を含み得る。回転ＬＰＣ４０は同様に、それぞれマニホルド５２および５４を含む２つのエンドキャップ４８および５０も含むことができる。マニホルド５２は、それぞれの入口および出口ポート５６および５８を含み、一方マニホルド５４は、それぞれの入口および出口ポート６０および６２を含む。動作中、これらの入口ポート５６、６０は、第１および第２の流体が回転ＬＰＣ４０に入って圧力を交換することを可能にし、一方、出口ポート５８、６２は、第１および第２の流体が次に回転ＬＰＣ４０から退出することを可能にする。動作中、入口ポート５６は、高圧の第１の流体を受け入れることができ、圧力を交換した後、出口ポート５８は、低圧の第１の流体を回転ＬＰＣ４０から外へ導くために使用され得る。同様にして、入口ポート６０は、低圧の第２の流体を受け入れることができ、出口ポート６２は、高圧の第２の流体を回転ＬＰＣ４０から外へ導くために使用され得る。エンドキャップ４８および５０は、回転子４６との流体封止接触を可能にするそれぞれのマニホルド５２および５４の内部に配置されたそれぞれのエンドカバー６４および６６を含む。回転子４６は、円筒形で、スリーブ４４内に配置され得、これにより回転子４６が軸６８を中心として回転することが可能になる。回転子４６は、各端部にある開口部７２および７４が長手方向軸６８を中心として対称的に配設されている状態で、回転子４６を通って実質的に長手方向に延在する複数のチャネル７０を有することができる。回転子４６の開口部７２および７４は、回転中にチャネル７０が高圧の流体および低圧の流体に曝露されるような形で、エンドカバー６４および６６内の入口および出口アパーチャ７６および７８；および８０および８２と流体連通するように配設される。例示されているように、入口および出口アパーチャ７６および７８；８０および８２は、円弧または円のセグメント（例えばＣ字形）の形で設計されてよい。
【0046】
いくつかの実施形態においては、センサのフィードバック（例えばタコメータまたは光学エンコーダを通して測定された毎分回転数または流量計を通して測定された体積流量率）を用いるコントローラが、回転ＬＰＣ４０内の第１の流体と第２の流体の間の混合の程度を制御することができ、これを用いて流体操作システムの操作性を改善することができる。例えば、回転ＬＰＣ４０に入る第１および第２の流体の体積流量率を変動させることで、プラントオペレータ（例えばシステムオペレータ）は、回転液体ピストン圧縮機１０内部の流体混合量を制御することができる。さらに、回転子４６の回転速度を変動させることで、同様に、オペレータは混合を制御することができる。混合に影響を及ぼす回転ＬＰＣ４０の３つの特性は、（１）回転子チャネル７０のアスペクト比、（２）第１の流体と第２の流体の間の曝露持続時間、および（３）回転子チャネル７０内部の第１の流体と第２の流体の間の流体障壁（例えば境界部分）の創出、である。第１に、回転子チャネル７０は、概して長尺かつ幅狭であり、これにより、回転ＬＰＣ４０内部で流量が安定する。さらに、第１および第２の流体は、最小限の軸方向の混合で、栓流レジーム（ｐｌｕｇ ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ）でチャネル７０を通って移動されてもよい。第２にいくつかの実施形態において、回転子４６の速度は第１および第２の流体間の接触を減少させる。例えば、回転子４６の速度は、第１および第２の流体間の接触時間を、およそ０．１５秒、０．１０秒、または０．０５秒未満に減少させてもよい。第３に、第１および第２の流体間の圧力交換には、回転子チャネル７０の僅かな部分しか使用されない。したがって、一定体積の流体が、第１および第２の流体間の障壁としてチャネル７０の中に残る。これらのメカニズム全てが、回転ＬＰＣ４０内での混合を制限してもよい。その上、いくつかの実施形態において、回転ＬＰＣ４０は、圧力移送を可能にしながら第１および第２の流体を隔離する、完全なまたは部分的な内部ピストンまたは他の障壁を用いて動作するように設計されてもよい。
【0047】
図６～９は、チャネル７０が完全に１サイクル回転するにつれての回転子４６内の単一の回転子チャネル７０の位置の順序を例示する、回転ＬＰＣ４０の一実施形態の分解組立図である。図６～９は、１つの回転子チャネル７０を示す回転ＬＰＣ４０を簡略化したものであり、チャネル７０は、円形の断面形状を有するものとして示されている。他の実施形態において、回転ＬＰＣ４０は、同じまたは異なる断面形状（例えば円形、印形、方形、矩形、多角形など）を有する複数のチャネル７０を含むことができる。したがって、図６～９は、例示を目的として簡略化されたものであり、回転ＬＰＣ４０の他の実施形態は、図６～９に示されたものと異なる構成を有することができる。以下で詳述するように、回転ＬＰＣ４０は、回転子４６の内部で第１および第２の流体が互いに短時間接触できるようにすることによって、第１および第２の流体間での圧力交換を促進する。いくつかの実施形態において、この交換は、第１および第２の流体の限定的な混合を結果的にもたらす速度で、生じる。より具体的には、（チャネルがアパーチャ７６に曝露された時点で直ちに）回転子チャネル７０を通って進む圧力波の速度、流体の拡散速度および回転子４６の回転速度は、何らかの混合が発生しているか否かそしてどの程度で発生しているかを決定づける。
【0048】
図６において、チャネル開口部７２は、第１の位置にある。第１の位置で、チャネル開口部７２は、エンドカバー６４内のアパーチャ７８ひいてはマニホルド５２と流体連通状態にあり、一方反対のチャネル開口部７４は、エンドカバー６６内のアパーチャ８２、さらにはマニホルド５４と流体連通状態にある。以下で論述するように、回転子４６は、矢印８４によって標示されている時計回り方向に回転し得る。動作中、低圧の第２の流体８６はエンドカバー６６を通過し、チャネル７０に入り、ここで、この流体は動的流体の境界部分９０において第１の流体８８と接触する。このとき、第２の流体８６は、チャネル７０から外へ、エンドカバー６４を通って、第１の流体８８を回転ＬＰＣ４０の外に出す。しかしながら、接触時間が短いため、第２の流体８６と第１の流体８８の間には、最小限の混合しか存在しない。
【0049】
図７において、チャネル７０は、およそ９０度の円弧を通って時計回り方向に回転している。この位置において、開口部７４（例えば出口）はもはやエンドカバー６６のアパーチャ８０および８２と流体連通状態になく、開口部７２はもはやエンドカバー６４のアパーチャ７６および７８と流体連通状態にない。したがって、低圧の第２の流体８６は、チャネル７０の内部に一時的に格納される。
【0050】
図８において、チャネル７０は、図７に示された位置からおよそ６０度の円弧を通って回転している。開口部７４は今や、エンドカバー６６のアパーチャ８０と流体連通状態にあり、チャネル７０の開口部７２は今や、エンドカバー６４のアパーチャ７６と流体連通状態にある。この位置で、高圧の第１の流体８８が入り、低圧の第２の流体８６を加圧して、第２の流体８６を回転子チャネル７０からアパーチャ８０を通って外に出す。
【0051】
図９では、チャネル７０は、図６に示された位置からおよそ２７０度の円弧を通って回転している。この位置で、開口部７４はもはや、エンドカバー６６のアパーチャ８０および８２と流体連通状態になく、開口部７２はもはやエンドカバー６４のアパーチャ７６および７８と流体連通状態にない。したがって、第１の流体８８はもはや加圧されず、回転子４６がさらに９０度回転してサイクルを再開するまで、チャネル７０の内部に一時的に格納される。
【0052】
図１０は、障壁システム１００を有する回転子４６の一実施形態の分解組立図である。以上で説明した通り、回転子４６の回転は、第１および第２の流体間の圧力移送を可能にする。発電システム４内での第１の流体／原動力流体と第２の流体／超臨界流体の間の混合を阻止する目的で、回転液体ピストン圧縮機１０は障壁システム１００を含む。例示されているように、回転子４６は、共に結合する第１の回転子区分１０２と第２の回転子区分１０４を含む。第１および第２の回転子区分１０２、１０４を有する回転子４６を含めることによって、回転子４６は、回転子４６の内部に障壁システム１００を受入れ保持することができる。例示されているように、第１の回転子区分１０２は、ボルト１１０を収容するアパーチャ１０８を有する端面１０６を含む。ボルト１１０は、これらのアパーチャ１０８を通過し、第２の回転子区分１０４内のアパーチャ１１２に入り、回転子４６の第１および第２の区分１０２、１０４を結合させる。障壁システム１００は、これらの回転子区分１０２、１０４の間に設置されて、障壁システム１００を回転子４６にしっかりと固定する。
【0053】
障壁システム１００は、プレート１１４を含み、このプレート１１４に複数の障壁１１６が結合されている。これらの障壁１１６は、回転子４６のチャネル７０内で圧力を交換する際の第１および第２の流体間の接触／混合を阻止する折畳み可能なダイヤフラムである。以下で論述するように、これらの障壁１１６は、第１および第２の流体間で圧力が移送される際に膨張および収縮する。プレート１１４を回転子４６に結合する目的で、プレート１１４は、第１の回転子区分１０２内のアパーチャ１０８および第２の回転子区分１０４内のアパーチャ１１２と整列する複数のアパーチャ１１８を含み得る。これらのアパーチャ１１８は、第１の回転子区分１０２が第２の回転子区分１０４に結合した時点でボルト１１０を収容し、プレート１１４の側方の動きを削減または阻止する。いくつかの実施形態において、第１の回転子区分１０２上のアパーチャ１０８、第２の回転子区分１０４上のアパーチャ１１２、およびプレート１１４上のアパーチャ１１８を、１つ以上の直径（例えば内径および外径）上に設置することができる。このようにして、第１の回転子区分１０２および第２の回転子区分１０４は、結合された時点でプレート１１４を均等に圧縮することができる。いくつかの実施形態において、障壁１１６はプレート１１４に結合しないかまたはプレート１１４によって支持されなくてもよい。むしろ、各障壁１１６を個別に回転子４６に結合してもよい。
【0054】
例示されているように、第１の回転子区分１０２は長さ１２０を画定し、第２の回転子区分１０４は長さ１２２を画定する。長さ１２０および１２２を変更することにより、回転子４６は、回転子４６の長さに沿ってチャネル７０内の異なる位置に障壁システム１００を設置することを可能にする。このようにして、回転液体ピストン圧縮機１０は、さまざまな動作条件に応えて適応され得る。例えば、なかでも２つの流体の密度および質量流量率の差および回転子４６の回転速度は、圧力を交換するために回転子４６のチャネル７０内のどこまで第１および第２の流体が流入できるかに影響を及ぼし得る。したがって、回転子４６の第１および第２の回転子区分１０２および１０４の長さ１２０および１２２を変更することで、第１および第２の流体間の圧力交換を促進する位置（例えば回転子４６を通った途中）に障壁システム１００を設置することが可能になる。
【0055】
いくつかの実施形態において、冷凍システム８００は、回転液体ピストン圧縮機８０２内での混合を阻止するように、第１および第２のループ８０４および８０６内を循環する流体を変更することができる。例えば、冷凍システム８００は、異なる相にある別の流体での超臨界流体の拡散および可溶性を防止し得るか、または換言すると超臨界流体との混合を阻止できるイオン流体を第１のループ８０４内において使用することができる。冷凍システム８００内の流体の変更と、回転液体ピストン圧縮機８０２内での流体の混合に対する冗長な抵抗を提供する障壁システム１００とを組合せて用いてもよい。
【0056】
図１１は、障壁システム１００を有する回転子４６の一実施形態の断面図である。以上で説明した通り、障壁システム１００は、プレート１１４および障壁１１６を含むことができる。これらの障壁１１６は、チャネル７０の内部に置かれており、第１および第２の流体間の混合／接触を遮断する一方で、なおも圧力移送を可能にする。圧力移送を促進する目的で、障壁１１６は膨張し収縮する。図１１に例示されている通り、複数の障壁１１６のうちの第１の障壁１４０は、膨張位置にある。動作中、第１の障壁１４０は、第１の流体１４２が回転子４６内および第１の障壁１４０内に流入するにつれて膨張する。第１の障壁１４０は膨張するにつれて、第２の流体１４４を加圧して、それを回転子４６外へ出す。同時に、加圧に対して備えて、第２の流体１４４が回転子４６に入るにつれて、第２の障壁１４６が収縮状態になり得る。障壁１１６は、リブ１５０によって共に結合される複数のひだ１４８（例えば、１、２、３、４、５個以上）を含む。加圧された第１の流体１４２が回転子４６内に流入するにつれて障壁１１６が体積を膨張させることができるようにするのは、これらの弾性ひだ１４８である。以下で論述するように、障壁１１６は、超臨界流体（例えば、二酸化炭素）と共に機能するための引張り強度、伸長百分率および化学的耐性を提供する１つ以上の材料でできていてよい。
【0057】
図１２は、障壁システム１００を有する回転子４６の一実施形態の断面図である。図１２に例示されているように、複数の障壁１１６のうちの第１の障壁１４０が、膨張位置にある。動作中、第１の障壁１４０は、第１の流体１４２が回転子４６内および第１の障壁１４０内に流入するにつれて膨張する。第１の障壁１４０が膨張するにつれて、第１の障壁１４０は収縮し、第２の流体１４４を加圧して、それを回転子４６の外へ出す。障壁１１６内の応力を低減するために、障壁システム１００はばね１６０を含むことができる。ばね１６０は、障壁１１６の端部１６２（例えば、端部部分、端面）およびプレート１１４に結合し得る。動作中、ばね１６０は、障壁１１６内の圧力が上昇するにつれて伸び、障壁１１６は軸方向１６４に膨張する。ばね１６０は、障壁１１６が膨張するにつれて力を吸収することから、ばね１６０は障壁１１６の過膨張を阻止または低減することができる。ばね１６０は同様に、発電システム４の動作中に障壁１１６が繰返し膨張し収縮する障壁１１６の寿命を延ばすこともできる。ばねは同様に、障壁１１６のより制御された膨張率を提供することもできる。
【0058】
いくつかの実施形態において、ばね１６０は、障壁１１６の外部表面１６８に結合しかつ／または障壁１１６の外側に設置されることができる。他の実施形態において、ばね１６０は、内部表面１７０に結合しかつ／または障壁１１６の内部（すなわち障壁１１６の膜の内部）に設置されることもできる。さらに他の実施形態において、障壁システム１００は、障壁１１６の外側および内側の両方にばね１６０を含むことができる。ばね１６０は同様に、プレート１１４に結合する代りに回転子４６に結合することもできる。例えば、回転子４６の第１の回転子区分１０２と第２の回転子区分１０４の間にばね１６０の一部分を挟み込むことによって、ばね１６０を支持することができる。
【0059】
図１３は、障壁システム１００を有する回転子４６の一実施形態の断面図である。図１３において、障壁システム１００は、平面障壁１９０を含む。例示されているように、平面障壁１９０は、上述の障壁１１６のようにチャネル７０内へ軸方向にではなく、チャネル７０を横断して（例えば、チャネル７０の長手方向軸に対し略交差する方向に）延在する。動作中、平面障壁１９０は、圧力移送をなおも可能にしながら、第１および第２の流体１４２、１４４の間の混合／接触を阻止する。圧力移送を促進するため、平面障壁１９０は圧力下で膨張し収縮する。図１３に例示されている通り、複数の平面障壁１９０のうちの第１の平面障壁１９２は、膨張位置にある。第１の平面障壁１９２は、第１の流体１４２が回転子４６内および第１の平面障壁１９２内に流入するにつれて、膨張する。第１の平面障壁１９２は、第１の流体１４２の圧力下で膨張するにつれて、第２の流体１４４と接触し、それを加圧して、それを回転子４６外へ出す。加圧される準備のために、第２の流体１４４が回転子４６に入るにつれて、第２の平面障壁１９４も同様に、同時に収縮した状態であってもよい。障壁１１６は、結合する複数のひだ１９６（例えば、１、２、３、４、５個以上）を含む。加圧された第１の流体１４２が回転子４６内に流入するにつれて膨張し、圧力が解除された時点で収縮するのは、これらの弾性ひだ１４８である。
【0060】
図１４は、図１１のライン１４－１４に沿った障壁の一実施形態の断面図である。障壁１１６ならびに障壁１９０は、超臨界流体（例えば、二酸化炭素）と共に機能するための引張り強度、伸長百分率および化学的耐性を提供する１つ以上の材料でできていてよい。例えば、障壁１１６、１９０は、エチレンプロピレン、シリコーン、ニトリル、ネオプレンなどの高伸張比のエラストマ材料を含み得る。これらの材料の高伸張比能力により、障壁１１６、１１９は、第１の流体１４２から圧力を吸収し、それを第２の流体１４４に移送可能になる。いくつかの実施形態において、障壁１１６、１１９は、高伸張比特性と高強度特性を組合わせるために、高強度ファブリックの層の間に挟み込まれた高い伸張比率の材料の多数の層（例えば１、２、３、４、５個以上の層）を含むことができる。例えば、障壁１１６、１１９は、ファブリック層２１２に重複する２つのエラストマ層２１０を含むことができる。動作中、エラストマ層２１０は、化学的耐性ならびに高い伸張比率の能力を提供することができ、一方ファブリック層２１２は、障壁１１６、１９０の全体的な引張り強度を増大させることができる。
【0061】
図１５は、図１１のライン１４－１４に沿った障壁の一実施形態の断面図である。以上で説明したように、障壁１１６、１９０は、超臨界流体（例えば超臨界流体の温度および圧力）で機能するための引張り強度、伸長百分率および化学的耐性を提供する１つ以上の材料でできていてよい。いくつかの実施形態において、障壁１１６、１１９は、異なる材料の特性を組合わせるために多数の層（例えば１、２、３、４、５個以上の層）を含むことができる。例えば、障壁１１６、１１９は、ファブリック層２１２に重複する２つのエラストマ層２１０（例えばエチレンプロピレン、シリコーン、ニトリル、ネオプレンなど）を含むことができる。動作中、エラストマ層２１０は、化学的耐性ならびに高伸張比能力を提供することができ、一方ファブリック層２１２は、障壁１１６、１９０の引張り強度を増大させる。さらに、層２１０のうちの１つ以上が、コーティング２１４を含んでいてよい。コーティング２１４は、第１の流体および／または第２の流体との反応に耐える化学的耐性を有するコーティングであり得る。例えば、層２１０が、超臨界流体からこの層２１０を化学的に保護する最も外側の表面２１６上のコーティング２１４を含んでもよい。
【0062】
図１６は、冷却システム２４０（すなわち熱管理システム）を有する回転液体ピストン圧縮機１０（例えば回転ＬＰＣ）の一実施形態の断面図である。いくつかの実施形態において、冷却システム２４０は、回転液体ピストン圧縮機を取り囲むマイクロチャネルで製造された熱交換器を含み得る。図１の記述の中において以上で説明された通り、流体は、温度および圧力が変化するにつれて相を変化させる。臨界点より高い圧力および温度では、流体は、超臨界流体になる。冷凍システム８００は、超臨界流体の特有の特性（例えば液体様の密度および気体様の粘度）のため、冷凍目的で流体（例えば二酸化炭素）をその超臨界状態／相で使用する。冷却システム２４０を有する回転液体ピストン圧縮機１０内の温度を制御することにより、冷却システム２４０は、回転液体ピストン圧縮機８０２の内部において超臨界流体から気相への相変化を阻止することができる。さらに、冷却システム２４０は同様に、超臨界流体の圧縮中に熱が生成されるにつれてのエネルギの除去を促進して、熱力学的により効率の良い圧縮様式である実質的に等温の圧縮を可能にすることもできる。以上で説明した通り、冷却システム２４０は、回転液体ピストン圧縮機８０２の壁と冷却システム２４０を通って循環する冷却流体との間の伝熱係数を促すために単位体積あたりの高い表面積を提供するマイクロチャネルを含むことができる。
【0063】
冷却システム２４０は、回転液体ピストン圧縮機ハウジング２４４の少なくとも一部分を取り囲む冷却ジャケット２４２を含む。冷却ジャケット２４２は、ハウジング２４４を包み込む複数の導管２４６を含んでいてよい。これらの導管２４６は、０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの直径を有するマイクロ導管であってよい。マイクロ導管を含めることによって、冷却システム２４０は、回転液体ピストン圧縮機１０内の超臨界流体の温度を制御するために冷却表面積を増大させることができる。導管２４６は、複数の横列（例えば１、２、３、４、５本以上）および／または複数の縦列（例えば１、２、３、４、５本以上）に配設され得る。各導管２４６は、全ての他の導管２４６に対して流体結合されてよく、または、冷却システム２４０は導管２４６のサブセットに結合することができる。例えば、１本の横列内の全ての導管２４６を、その横列内の他の導管２４６に結合するものの他の横列内の導管２４６には結合しないことも可能である。いくつかの実施形態において各導管２４６は、同じ縦列内の他の導管２４６には流体結合するものの、異なる縦列内の導管２４６には流体結合しない可能性もある。いくつかの実施形態において、導管２４６は、ハウジングまたはカバーリング２４７によって囲まれていてよい。ハウジングまたはカバーリング２４７は、ポリスチレン、グラスファイバウール、またはさまざまなタイプの発泡材などの、熱伝達を遮断しこれに耐える材料で作られていてよい。導管２４６を通る冷却流体の流量は、コントローラ２４８によって制御され得る。コントローラ２４８は、プロセッサ２５０およびメモリ２５２を含み得る。例えば、プロセッサ２５０は、アクチュエータ９８の動作を制御するためのソフトウェアを実行するマイクロプロセッサであり得る。プロセッサ２５０は、多数のマイクロプロセッサ、１つ以上の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ以上の特殊用途向けマイクロプロセッサ、および／または１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）またはそれらのいくつかの組合せを含み得る。例えば、プロセッサ２５０は、１つ以上の縮小命令セット（ＲＩＳＣ）プロセッサを含み得る。
【0064】
メモリ２５２は、揮発性メモリ、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および／または不揮発性メモリ、例えば読取り専用メモリ（ＲＯＭ）を含み得る。メモリ２５２は、さまざまな情報を記憶することができ、さまざまな目的のために使用可能である。例えば、メモリ２５２は、プロセッサ２５０が実行するためのプロセッサ実行可能命令、例えばファームウェアまたはソフトウェアを記憶することができる。メモリは、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、または他の任意の光学、磁気または固体記憶媒体またはそれらの組合せを含むことができる。メモリは、データ、命令、および任意の他の好適なデータを記憶することができる。
【0065】
動作中、コントローラ２４８は、超臨界流体の温度および／または圧力を直接的または間接的に検出する１つ以上のセンサ２５４（例えば温度センサ、圧力センサ）からフィードバックを受信する。センサ２５４からのフィードバックを用いて、コントローラ２４８は、冷却流体源２５６（例えば冷却装置システム、空調システム）からの冷却流体の流量率を制御する。
【0066】
図１７は、加熱システム２８０（すなわち熱管理システム）を有する回転液体ピストン圧縮機８０２（ＲＬＰＣ）の一実施形態の断面図である。動作中、加熱システム２８０は、回転液体ピストン圧縮機８０２を通って循環する流体（すなわち超臨界流体）の温度を制御することができる。温度を制御することにより、加熱システム２８０は、非等エントロピ膨張に起因する流体の凝縮および／またはドライアイス形成を阻止または低減することができる。
【0067】
加熱システム２８０は、回転液体ピストン圧縮機ハウジング２４４の少なくとも一部分を取り囲む加熱ジャケット２８２を含む。加熱ジャケット２８２は、ハウジング２４４を包み込む複数の導管またはケーブル２８４を含んでいてよい。これらの導管またはケーブル２８４は、超臨界流体の温度制御を可能にする。例えば、導管２８４は、超臨界流体に熱を伝達する加熱流体を搬送し得る。いくつかの実施形態において、ケーブル（単複）２８４（例えばコイル）は、ケーブル２８４の電気抵抗に起因する熱を生成する電流を搬送する。導管２４６は同様に、ハウジングまたはカバーリング２８６によって囲まれていてよい。ハウジングまたはカバーリング２８６は、ポリスチレン、グラスファイバウール、またはさまざまなタイプの発泡材などの、熱伝達を遮断しこれに耐える材料で作られていてよい。
【0068】
導管またはケーブル２８４を通る加熱流体または電流の流量は、コントローラ２４８によって制御される。動作中、コントローラ２４８は、超臨界流体の温度および／または圧力を直接的または間接的に検出する１つ以上のセンサ２５４（例えば温度センサ、圧力センサ）からのフィードバックを受信することができる。例えば、センサ２５４は、（例えば超臨界流体を格納するキャビティの内部で）超臨界流体と直接接触した状態で設置されてよい。いくつかの実施形態において、センサ２５４は、ハウジング２４４、スリーブ４４、エンドカバー６４、６６内に設置され得る。センサ２５４の周りの材料が、超臨界流体の温度および／または圧力の変化に応答するにつれて、センサ２５４はこの変化を検知し、この変化をコントローラ２４８に伝達する。コントローラ２４８は、次にこれを、実際の超臨界流体の温度および／または圧力に相関させる。センサ２５４からのフィードバックを用いて、コントローラ２４８は、導管２８４を通る加熱流体源２８８（例えばボイラ）からの加熱流体の流量率を制御する。同様にして、加熱システム２８０が電気抵抗加熱システムである場合、コントローラ２４８は、センサ２５４のうちの１つ以上からのフィードバックに応答して、ケーブル２８４を通る電流の流量を制御することができる。
【0069】
図１８および１９は、従来のジュールトムソン膨張弁ベースの冷却ではなく、回転圧力交換器ベースの超臨界二酸化炭素冷凍システムを使用するスーパーマーケットシステムアーキテクチャ（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）３００、３０２の２つの例を示す。第１のアーキテクチャ３００（図１８）では、（低圧出口３０５を介した）回転圧力交換器３０４からの２相低圧流出流（例えば二酸化炭素気体／液体混合物）は、気相と液相を分離するフラッシュタンク３０６を通って進む。二酸化炭素液相は、低温（例えばおよそ摂氏－２０度（Ｃ））および中温（例えばおよそ－４℃）の熱負荷／蒸発器３０８、３１０（例えばそれぞれスーパーマーケットの冷凍庫セクションおよび冷蔵庫セクション）まで輸送され、ここで二酸化炭素液相は熱を奪って過熱状態となる。これは気相／液相の二相ではなくむしろ純粋に液相であることから、より大きな熱吸収（すなわち冷却）能力を有する。流量制御弁３１２、３１４が（例えばコントローラからの制御信号に応答して）、それぞれの熱負荷３０８、３１０に対する液体二酸化炭素の流量を調節することができる。冷凍庫セクション３０８からの過熱された二酸化炭素の蒸気は、このとき、低温圧縮機３１６まで進み、その後、同じ圧力で、冷蔵庫セクション３１０からの過熱された二酸化炭素の蒸気およびフラッシュタンク３０６内の気体／液体混合物から分離された分離済みの過熱された気相の二酸化炭素と再び一体化する。制御弁３１８（例えばフラッシュガス制御弁）が、（例えばコントローラからの制御信号に応答して）フラッシュタンク３０６から流れる過熱された気体の二酸化炭素の流量を調節することができる。この再度一体化した過熱された気体の二酸化炭素は、次に、低圧入口ポート３２０において回転圧力交換器３０４に入り、システム内の最高圧力（例えば、システム要件に応じておよそ１０，３４２ｋＰａ（１５００ｐｓｉ）またはおよそ１４，４７９ｋＰａ（２１００ｐｓｉ））まで圧縮され、超臨界二酸化炭素に変換される。超臨界二酸化炭素は、（高圧出口３２２を介して）回転圧力交換器３０４から退出し、最高圧力にある熱交換器３２４まで進み、そこで熱を環境に放出し、冷却する。一部の実施形態において、熱交換器３２４は、亜臨界二酸化炭素で使用される気体凝縮器である。ガス冷却器３２４から、超臨界二酸化炭素は、回転圧力交換器３０４の高圧入口３２６まで流れる。従来の圧縮機に比べて非常に少ないエネルギ消費量で、（回転圧力交換器３０４からの経路とガス冷却器３２４の間に示されている）小型圧縮機３２８（例えば低ＤＰの循環圧縮機）を使用することによって、システム内の流体抵抗および回転圧力交換器３０４内の小さい差圧を克服するのに必要とされるわずかな圧力上昇を提供することができる。
【0070】
熱交換器３２４は、超臨界状態または亜臨界状態の二酸化炭素を高圧で循環させるため高圧分岐に沿って配置されている。低温蒸発器３０８および低温圧縮機３１６は、液体状態、気体または蒸気状態でまたは液体と蒸気の２相混合物で低圧（すなわち高圧分岐内の圧力よりも低い圧力）の二酸化炭素を循環させるため、低圧分岐に沿って配置されている。中温蒸発器３１０および弁３１４は、高圧分岐および低圧分岐内の冷媒のそれぞれの圧力の間の中間圧で冷媒を循環させる中間圧分岐に沿って配置されている。中間圧分岐内の冷媒の中間圧は、蒸発器３１０における飽和圧力に等しい。フラッシュタンク３０６から退出して回転圧力交換器３０４の入口３２０へと直接流れる冷媒は、中間圧にある。したがって、回転圧力交換器３０４は、中間圧分岐および高圧分岐に対し流体結合される。回転圧力交換器３０４は、高圧分岐から高圧の冷媒を受け入れ、中間圧分岐から蒸気状態、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の形で中間圧の冷媒を受け入れ、高圧の冷媒と中間圧の冷媒の間で圧力を交換する。回転圧力交換器から、超臨界状態または亜臨界状態で高圧にある冷媒の第１の退出流、および液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の形をした中間圧にある冷媒の第２の退出流が退出する。
【0071】
第２のアーキテクチャ３０２（図１９）においては、フラッシュタンクからの分離済みの気相の二酸化炭素のみが低圧入口３２０において、回転圧力交換器３０４を通って再度送られ、システム内で最高の圧力まで圧縮される。それぞれ冷凍庫セクション３０８および冷蔵庫セクション３１０からの過熱された気体の二酸化炭素は、低温圧縮機３１６および中温圧縮機３３０へと流れる。低温圧縮機の退出流は、中温圧縮機３３０に向かう前に、冷蔵庫セクション３１０からの過熱された気体の二酸化炭素と組合わされる。中温圧縮機の退出流量（例えば、超臨界二酸化炭素）は、回転圧力交換器３０４を（高圧出口３２２を介して）退出する超臨界二酸化炭素と組合わさり、ここで、ガス冷却器３２４を通って進む前にすでに圧縮済みの低温圧縮機の退出流量および中温圧縮機の退出流量（フラッシュタンク３０６と同じ圧力にある過熱された気体の二酸化炭素）と組合わさる。このようなアーキテクチャは、いくつかの冷凍シナリオにおいて利点を有する可能性がある。
【0072】
熱交換器３２４は、超臨界状態または亜臨界状態の二酸化炭素を高圧で循環させるため高圧分岐に沿って配置されている。低温蒸発器３０８および低温圧縮機３１６は、液体状態、気体または蒸気状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の形で、低圧（すなわち高圧分岐内の圧力よりも低い圧力）で二酸化炭素を循環させるため、低圧分岐に沿って配置されている。中温蒸発器３１０および弁３１４は、低圧分岐および第２の中圧分岐内の冷媒のそれぞれの圧力の間の第１の中間圧にある冷媒を循環させる第１の中間圧分岐に沿って配置されている。第２の中間圧分岐は、フラシュタンク３０６と回転圧力交換器３０４の間にある。中間圧分岐内の冷媒の第１の中間圧は、蒸発器３１０における飽和圧力に等しい。フラッシュタンク３０６から退出して回転圧力交換器３０４の入口３２０へと直接流れる冷媒は、高圧分岐および第１の中間圧分岐内のそれぞれの圧力の間の第２の中間圧にある。したがって、回転圧力交換器３０４は、第２の中間圧分岐および高圧分岐に対し流体結合される。回転圧力交換器３０４は、高圧分岐から高圧の冷媒を受け入れ、第２の中間圧分岐から蒸気状態、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の形で第２の中間圧の冷媒を受け入れ、高圧の冷媒と第２の中間圧の冷媒の間で圧力を交換する。回転圧力交換器から、超臨界状態または亜臨界状態で高圧にある冷媒の第１の退出流、および液体状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物の形をした第２の中間圧にある冷媒の第２の退出流が退出する。
【0073】
図２０は、回転圧力交換器または回転液体ピストン圧縮機５７２内の流体（例えば超臨界二酸化炭素、過熱された気体の二酸化炭素）の動きを制御する制御システム５７０の一実施形態の概略図である。以上で説明した通り、回転液体ピストン圧縮機を用いて２つの流体間でエネルギを交換することができる。例えば、回転液体ピストン圧縮機５７２は、上述の冷凍システム内で２つの流体間でエネルギを交換するために使用可能である。流体ループ５７６内での過熱された気体の二酸化炭素５７４または２相気体／液体二酸化炭素混合物５７５の移送を低減しかつ／または、作動流体（すなわち過熱された二酸化炭素５８０）を循環させる流体ループ５７８に入るのを阻止する目的で、制御システム５７０は、作動流体５８０の流量率に応答して回転液体ピストン圧縮機５７２内への過熱された気体の二酸化炭素５７４の流量率を制御することができる。すなわち、過熱された気体の二酸化炭素５７４の流量率を制御することによって、制御システム５７０は、過熱された気体の二酸化炭素５７４が、回転液体ピストン圧縮機５７２を通って完全に流れて（すなわち図５に見られるチャネル７０から完全に流れて）そして作動流体ループ５７８内へと流れるのを阻止および／または制限することができる。
【0074】
過熱された気体の二酸化炭素５７４の流量率を制御する目的で、制御システム５７０は、回転液体ピストン圧縮機５７２に入る過熱された気体の二酸化炭素５７４の量を制御する弁５８２を含む。センサ５８６および５８８は、過熱された気体の二酸化炭素５７４および作動流体５８０のそれぞれの流量率を検知し、流量率を標示する信号を発出する。すなわち、センサ５８６および５８８は、回転液体ピストン圧縮機５７２内への過熱された気体の二酸化炭素５７４および作動流体５８０のそれぞれの流量率を測定する。コントローラ５８４は、センサ５８６、５８８から信号を受信し処理して、過熱された気体の二酸化炭素５７４および作動流体５８０の流量率を検出する。
【0075】
検出された流量率に応答して、コントローラ５８４は、弁５８２を制御して、作動流体ループ５７８内への過熱された気体の二酸化炭素５７４の移送を阻止および／または削減する。例えば、コントローラ５８４がセンサ５８８により流量率低下を検出した場合、コントローラ５８４は、低下した流量率を、作動流体が回転液体ピストン圧縮機５７２内へ方向５９０でどれだけ深く入り込んだかに関連付けることができる。したがって、コントローラ５８４は、過熱された気体の二酸化炭素５７４を回転液体ピストン圧縮機５７２から方向５９２に出すことなく、作動流体５８０を回転液体ピストン圧縮機５７２から方向５９２に出す回転液体ピストン圧縮機５７２内への過熱された気体の二酸化炭素５７４の関連付けられた流量率を決定できる。換言すると、コントローラ５８４は、回転液体ピストン圧縮機５７２内への作動流体５８０の流量率が、過熱された気体の二酸化炭素５７４の流量率より大きくなるようにして、作動流体ループ５７８内への過熱された気体の二酸化炭素５７４の流量を阻止するように弁５８２を制御する。
【0076】
例示されているように、コントローラ５８４は、プロセッサ５９４およびメモリ５９６を含むことができる。例えば、プロセッサ５９４は、センサ５８６、５８８からの信号を処理し、それに応答して弁５８２の動作を制御するためのソフトウェアを実行するマイクロプロセッサであってよい。
【0077】
図２１は、回転液体ピストン圧縮機６２２内の流体（例えば超臨界二酸化炭素、過熱された気体の二酸化炭素）の動きを制御する制御システム６２０の一実施形態の概略図である。以上で説明した通り、回転液体ピストン圧縮機またはポンプを用いて２つの流体間でエネルギを交換することができる。例えば、回転液体ピストン圧縮機６２２は、上述の冷凍システム内で２つの流体間でエネルギを交換するために使用可能である。流体ループ６２６内での過熱された気体の二酸化炭素６２４または２相気体／液体二酸化炭素混合物６２５の移送を削減しかつ／または、作動流体６３０（例えば過熱された二酸化炭素）を循環させる作動流体ループ６２８に入るのを阻止する目的で、制御システム６２０は、作動流体６３０の流量率および過熱された気体の二酸化炭素６２４の流量率に応答して回転液体ピストン圧縮機６２２内の回転子チャネル内部で二酸化炭素が軸方向に走行する距離を制御することができる。制御システム６２０は、回転液体ピストン圧縮機６２２の回転子の回転速度を減速または加速することによって駆動流体の動きを制御する。すなわち、回転速度を制御することによって、制御システム６２０は、過熱された気体の二酸化炭素６２４が、完全に回転液体ピストン圧縮機６２２を通って（すなわち、完全に、図５に見られるチャネル７０を通って）そして作動流体ループ６２８内へと流れないように阻止および／または制限することができる。
【0078】
作動流体６３０と過熱された気体の二酸化炭素６２４の混合を削減する目的で、制御システム６２０は、モータ６３２を含む。モータ６３２は、回転子（例えば図５に見られる回転子４６）の回転速度ひいては、過熱された気体の二酸化炭素６２４が回転子のチャネル内にどれほどの軸方向長さまで流入できるかを制御する。回転子が速く回転すればするほど、過熱された気体の二酸化炭素および作動流体が回転子のチャネル内に流入しなければならない時間は短かくなり、こうして過熱された気体の二酸化炭素／プロセス流体が占有する回転子チャネルの軸方向長さは短かくなる。同様に、回転子が低速で回転すればするほど、過熱された気体の二酸化炭素および作動流体が回転子のチャネル内に流入しなければならない時間は長くなり、こうして、過熱された気体の二酸化炭素／プロセス流体が占有する回転子チャネルの軸方向長さは長くなる。
【0079】
制御システム６２０は、モータを制御するための可変周波数ドライブおよび、過熱された気体の二酸化炭素６２４および作動流体６３０のそれぞれの流量率を検知し、流量率を標示する信号を発出するセンサ６３４および６３６を含んでいてよい。コントローラ６３８は、過熱された気体の二酸化炭素６２４および作動流体６３０の流量率を検出するための信号を受信し処理する。検出された流量率に応答して、コントローラ６３８は、作動流体ループ５７８内への過熱された気体の二酸化炭素６２４の移送を阻止および／または削減するためにモータ６３２の速度を制御するコマンド（ｃｏｍｍａｎｄ）を可変周波数ドライブに送る。例えば、コントローラ６３８が、センサ６３６を用いて作動流体６３０の流量率の低下を検出した場合、コントローラ６３８は、この流量率を、作動流体が回転液体ピストン圧縮機６２２のチャネル内へ方向６４０にどこまで移動したかを関連付けできる。したがって、コントローラ６３８は、回転液体ピストン圧縮機６２２から方向６４２に過熱された気体の二酸化炭素６２４を外へ出すことなく、回転液体ピストン圧縮機６２２から方向６４２に作動流体６３０を外へ出すモータ６３２の関連付けされた速度を決定することができる。
【0080】
過熱された気体の二酸化炭素に比べて作動流体の瞬間流量率が低いことに応答して、コントローラ６３８は、可変周波数ドライブを通してモータ６３２を制御し、回転液体ピストン圧縮機６２２の回転速度を上昇（すなわち毎分の回転数を増大）させて、回転液体ピストン圧縮機６２２のチャネルの内部で過熱された気体の二酸化炭素６２４が走行できる軸方向長さを短縮させる。同様にして、作動流体６３０の瞬間的流量率が、駆動流体に比べて過度に高い場合、コントローラ６３８は、回転液体ピストン圧縮機６２２の回転速度を削減して、作動流体６３０を回転液体ピストン圧縮機６２２から外に出すために回転液体ピストン圧縮機６２２のチャネル内へと過熱された気体の二酸化炭素６２４が走行する軸方向距離を増大させる。
【0081】
例示されているように、コントローラ６３８は、プロセッサ６４４およびメモリ６４６を含むことができる。例えば、プロセッサ６４４は、センサ６３４、６３６からの信号を処理し、それに応答してモータ６３２の動作を制御するためのソフトウェアを実行するマイクロプロセッサであってよい。
【0082】
以上で指摘したように、圧縮のほぼ全てが回転圧力交換器の内部で行われることから、一部の実施形態において、主圧縮機（例えばバルクフロー圧縮機）を完全にまたは部分的に削除することが可能である。例えば、圧縮機は、非常に低い差圧のガスブロワまたは、仕事を極めてわずかしか消費しない（それを横切るエンタルピー変化が非常にわずかであるため）循環ポンプにより置換可能である。図２２Ａは、（例えばバルクフロー圧縮機の代りに低流量且つ高ＤＰのリークポンプ（ｌｅａｋａｇｅ ｐｕｍｐ）および低ＤＰで高流量の循環ポンプを有する）回転圧力交換器または回転液体ピストン圧縮機（ＬＰＣ）９０２を有する冷凍システム９００（例えば超臨界二酸化炭素冷凍システム）の一実施形態の概略図である。概して、冷凍システム９００は図２中の冷凍システム８００と類似している。
【0083】
描かれている通り、冷凍システム９００は、第１の流体ループ９０４および第２の流体ループ９０６を含む。第１の流体ループ（高圧ループ）９０４は、ガス冷却器または凝縮器９０８、高圧、高流量、低ＤＰの多相流（ｍｕｌｔｉ－ｐｈａｓｅ）循環ポンプ９０９、および回転圧力交換器９０２の高圧側を含む。第２の流体ループ（低圧ループ）９０６は、蒸発器９１０（例えば冷却または熱負荷）、低圧、高流量、低ＤＰの多相流循環ポンプ９１１および回転圧力交換器９０２の低圧側を含む。回転圧力交換器９０２は、高圧および低圧ループ９０４、９０６を流体結合する。さらに、低流量でありながら高ＤＰで動作する多相流リークポンプ９１３は、低圧出口９２０から低圧で存在する圧力交換器９０２からのあらゆるリーク（ｌｅａｋａｇｅ）を取り出し、それを、圧力交換器９０２の高圧入口９１４のすぐ上流側で、高圧ループ９０４内に戻す。高圧ループ９０４内の多相流ポンプ９０９は、ループ９０４内の小さな圧力損失を克服することにより、高圧ループ９０４内で必要とされる流量率の維持を保証する。ポンプ９０９を横切る差圧がさほど多く存在しないため、このポンプは非常にわずかなエネルギしか消費しない。この多相流ポンプ９０９内に入る流量は、ガス冷却器／凝縮器９０８の出口９３６からのものであり、超臨界状態、液体状態にあり得、あるいは、液体と蒸気の２相混合物であり得ると考えられる。ポンプ９０９を横切ってさほど大きな圧力上昇が存在しないため、ポンプ９０９から退出する流量は、そのとき圧力交換器９０２の高圧入口９１４に入る流入流量と同じ状態にあると考えられる。圧力変換器９０２の低圧出口９２０からの流量は、２相液体－蒸気状態または純粋な液体状態にあり得ると考えられる。
【0084】
低圧ループ９０６内の多相流ポンプ９１３は、冷媒のこのバルク低圧流量を、蒸発器９１０を通って循環させて圧力変換器９０２の低圧入口９１８に送る。多相流ポンプ９１３は同様に、それを横切る差圧（すなわち、システム内のあらゆる圧力損失を克服するのに充分なだけのもの）が極めてわずかにしか有さず、したがって、ポンプ９１３は、従来のバルクフロー高圧圧縮機と比べて極わずかなエネルギしか消費しない。低圧多相流ポンプ９１３は、蒸発器９１０を通って流量を循環させ、蒸発器９１０内で熱を獲得し、それ自体を純粋な蒸気状態またはより高い蒸気含有率の２相液体－蒸気混合物に変換する。この高蒸気含有率の流量は次に、圧力変換器９０２の低圧入口９１８に入り、高圧に加圧される。これによって、今度は、熱力学の標準的法則によって流体の温度も同様に上昇する。この高圧でより高温の流体は、その後、圧力変換器９０２の高圧出口９２２から退出する。高圧出口９２２から退出する流体は、超臨界状態にあり得るか、または、システムがどのように最適化されているかに応じて亜臨界状態でまたは、高い蒸気含有量を有する液体と蒸気の混合物として存在し得ると考えられる。この高圧、高温の冷媒は次に、高圧ループ９０４のガス冷却器／凝縮器９０８に入り、熱を周囲環境に放出する。熱を放出することによって、冷媒は、冷却する（超臨界状態にある場合）か、または液体状態に相を変化させる。高圧ループ９０４内の多相流ポンプ９０９は、このとき、この液体冷媒を受け入れ、それを先に説明した通り、高圧ループ９０４を通して循環させる。
【0085】
圧力変換器９０２内に内部リークが全く存在しない場合には、高圧ループ９０４は、恒常な高圧にとどまることになり、低圧ループ９０６は、恒常な低圧にとどまることになる。しかしながら、圧力変換器９０２の内部で高圧側から低圧側への内部リークが存在する場合には、高圧ループ９０４から低圧ループ９０６への流量の正味移動が存在すると考えられる。この移動を考慮しこのリーク流量を高圧ループ９０４内に圧送し戻すために、高差圧で低流量のリークポンプである第３の多相流ポンプ９１３が使用される。ポンプ９１３は、低圧で低圧ループ９０６内にリークするあらゆる余剰の流量を取り上げ、それを高圧ループ９０４へと圧送し戻して、それぞれのループ９０４、９０６内の質量平衡および圧力を維持する。低圧ループ９０６内で、圧力変換器９０２の低圧出口９２０と低圧多相流ポンプ９１１の入口の間に、三方弁９１５が配置されている。弁９１５は、流量を分割し、圧力変換器９０２の低圧出口９２０から来る余剰の流量だけを高ＤＰの多相流ポンプ９１３に導くことを可能にする。ポンプ９１３は同様に、冷媒の圧縮可能性および圧力変換器９０２に入りここから離れる４つの流れの間の密度差に起因して、低圧出口９２０から来るあらゆる追加の流量の圧送をも可能にする。ポンプ９１３は同様に、低圧ループ９０６の圧力を恒常な低圧にそして高圧ループ９０４の圧力を恒常な高圧に維持するのを助ける。高圧多相流ポンプ９０９の出口と圧力変換器９０２の高圧入口９４の間で、高圧ループ９０４内に別の三方弁９１７が配置される。弁９１７は、高ＤＰの多相流ポンプ９１３に由来するリーク／余剰流量と、高圧多相流ポンプ９０９から来る高圧のバルク流量とを組合わせてから、圧力変換器９０２の高圧入口９１４内にそれを送ることを可能にする。多相流ポンプ９１３を横切る差圧は高いものであるものの、それが圧送しなければならない流量は、極わずかである（例えば、他の２つのポンプ９０９、９１１のいずれかを通って進むバルク流量のおよそ１～１０パーセント）。したがって、ポンプ９１３のエネルギ消費量も同様に比較的低い。３つの多相流ポンプ９０９、９１１、９１３全てのエネルギ消費量を加算した場合、それはそれでもなお、システム内の最低圧力（すなわち蒸発器の圧力）からシステム内の最高圧力（すなわち凝縮器／ガス冷却器の圧力）まで、バルク流量全体を加圧するために使用される従来の圧縮機のエネルギ消費量よりもはるかに低いものであると思われる。これが、この構成の主要な利点である。
【0086】
図２２Ｂは、バルク流圧縮機無しの冷凍システム９２３の別の実施形態を実証している。それは、圧力変換器９０２の低圧出口９２０から退出する（圧力変換器９０２の内部リークに起因するかまたは、先に説明した通り圧力変換器９０２に入るおよびこれから退出する４つの流れの圧縮可能性および密度差に起因する）あらゆる余剰流量が、バルブ低圧流量と共に蒸発器９１０を通って圧送され、高圧ループ９０４内に圧縮し戻される前に蒸気へと変換される、という点を除いて、図２２Ａに示されたシステム９００と類似している。したがって、図２２Ａの高ＤＰの低流量の多相流リークポンプ９１３は、図２２Ｂに示されている通りの高ＤＰの低流量のリーク圧縮機９２５によって置換される。リーク圧縮機（ｌｅａｋａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）９２５は、余剰流量を低圧蒸気状態から高圧蒸気状態へ、または超臨界状態へと圧縮した後で、高圧ループ９０４内に注入する。余剰流量のこの再注入の場所も同様に、図２２Ａ中のものに比べて異なっている。リーク圧縮機９２５から退出する蒸気状態または超臨界状態の冷媒は、（リーク圧縮機の出口圧力と同じ圧力にある）圧力変換器９０２の高圧出口９２２の下流側で注入される。図２２Ｂに示されているように、低圧ループ９０６内のバルク流量からの余剰流量を、リーク圧縮機９２５を通って送る前に分割することを可能にするために、蒸発器９１０の下流側に三方弁９２７が配置される。同様にして、リーク圧縮機９２５から退出する高圧のリーク流量と圧力変換器９２２から退出する高圧のバルク流量との再組合せを可能にするため、圧力変換器９０２の下流側に三方弁９２９が配置される。この組合わされた高圧流量は、次に、先に説明した通り、ガス冷却器／凝縮器９０８へと進む。図２２Ａ中のものに比べたこの構成の利点は、それが、蒸発器９１０を通過する追加の流量（低圧出口９２０から来る余剰流量）に起因してサイクルに追加の熱吸収能力を提供するという点にある。一方で、このサイクルのエネルギ消費量は、リーク圧縮機９２５によって消費されるエネルギが多相流リークポンプ９１３によって消費されるエネルギよりもわずかに高くなるため、図２２Ａで示されたシステム９００のものに比べてわずかに大きいものであると思われる。これは、冷媒が、多相流循環ポンプ９１３では部分的なまたは完全な液体状態で圧送されるのとは異なり、リーク圧縮機９２５においては完全に蒸気状態で高圧に圧縮されるからである。
【0087】
冷凍システム９２３内で発生する熱力学的プロセスは、図２３および２４を参照してさらに詳細に説明される。図２３および２４は、冷凍システム９００の４つの主要構成要素において発生する熱力学的プロセスを示すため、それぞれ温度－エントロピ（Ｔ－Ｓ）線図９２６および圧力－エンタルピ（Ｐ－Ｈ）線図９２８を例示している。点１は、リーク圧縮機入口９３０を表わす（図２２Ｂ参照）。点２は、リーク圧縮機出口９３２およびガス冷却器入口９３４を表わす。点３は、ガス冷却器出口９３６および回転圧力交換器９０２の高圧入口９１４を表わす。点４は、回転圧力交換器９０２の低圧出口９２０および蒸発器入口９３８を表わす。図２３および２４で例示されているように、リーク圧縮機９３２は、冷媒作動流体（例えば二酸化炭素）の圧力ひいては温度を環境よりも高い温度まで上昇させ、そこで、より高温の外部環境へと熱を放出することができる。これは、ガス冷却器９０８の内部で発生する。超臨界二酸化炭素システムのガス冷却器９０８においては、二酸化炭素が超臨界状態にあることから、相境界は存在せず、二酸化炭素は２相ドーム９４０の上方にある。したがって、二酸化炭素が熱を環境へと放出した時点で、温度は降下する。図２３および２４に例示されているように、ガス冷却器出口９３６における超臨界状態にある二酸化炭素は、高圧入口ポート９１４において回転圧力交換器９０２に入り、等エントロピまたは等エントロピに近い（およそ８５パーセントの等エントロピ効率）膨張を受け、２相の気体－液体二酸化炭素混合物として回転圧力交換器９０２の低圧出口ポート９２０において退出する。点４にある２相の二酸化炭素は次に、蒸発器９１０内で熱を吸収する（プロセス４→１、恒常エンタルピプロセス）。全体として、線図９２６、９２８は、冷却能力の増大および圧縮機仕事負荷の低下に起因するサイクル効率のメリットを例示している。回転圧力交換器９０２内部の膨張は、等エントロピで発生することから、それは、蒸発器９１０から来る流体をシステム９００内の全圧まで圧縮するために利用可能であるエンタルピ変化を創出する。これにより、バルクフロー圧縮機によって行なわれたはずのあらゆる仕事が著しく削減され、こうして、（著しく少ないエネルギしか消費しない）リーク圧縮機９２５によるその置換が可能となる。
【0088】
図２５は、循環ポンプの代りに低ＤＰの循環圧縮機を使用する冷凍システム９３１の概略図である。循環圧縮機は、システム９００全体を通して流体流量を維持することによって、システム９３１内の最小圧力損失を克服する。このシステムと図２２Ａおよび図２２Ｂに示されたシステム９００、９２３の間の差異は、低圧ループ９０６および高圧ループ９０４内のバルク流量の循環が、低ＤＰの多相流循環ポンプを使用する代りに低ＤＰの循環圧縮機を使用して達成されることにある。同様に、これらの循環圧縮機の場所も異なっている。例えば、低圧ループ９０４内の循環圧縮機９４１（圧縮機１）は、蒸発器９１０が蒸気状態で冷媒を循環させるこの蒸発器の下流側に位置付けされている。同様にして、高圧ループ９０４内の循環圧縮機９４４（圧縮機２）は、圧力変換器９０２が超臨界状態または高圧蒸気状態で冷媒を循環させる圧力変換器の高圧出口９２２の下流側に位置付けされている。圧縮機３は、圧縮機９２５が蒸気状態で圧力変換器９０２から低圧ループ９０４に入る余剰流量（例えば圧力変換器９０２からのリーク流量）を取り上げ、それを高圧蒸気状態としてかまたは超臨界状態で高圧ループ９０４内へと圧縮し戻す、図２２Ｂに関連して説明された高ＤＰで低流量のリーク圧縮機９２５に類似している。この余剰流量は次に、ガス冷却器／凝縮器９３４へと進む前に、圧縮機９４４から来た高圧のバルク流量と組合わされる。第２の流体ループ９０６（例えば低圧流体ループ）に沿って配置された低ＤＰの循環圧縮機９４１は、（例えば回転圧力交換器９０２とガス冷却器９０８の間で）ループ９０６に沿って流体流量を維持する。さらに、第１の流体ループ９０４（例えば高圧流体ループ）に沿って配置された低ＤＰの循環圧縮機９４４は、（例えば蒸発器９１０と回転圧力交換器９０２の間で）ループ９０４に沿って流体流（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ）を維持する。一部の実施形態において、冷凍システム９３１は、圧縮機９２５および９４１のみを含み得る。一部の実施形態において、冷凍システム９００は、圧縮機９４４および９４１のみを含み得る。一部の実施形態において、圧縮機９４１、９４４は各々、以下でさらに詳細に指摘するように、それらを横切って、リーク圧縮機９２５よりも著しく低い差圧を有する。
【0089】
一部の実施形態において、（例えば図２５の丸２に近くで）圧縮機９２５、９４４から退出する流量間の接合部に、三方弁が配置されている。この三方弁は、高圧分岐９０４内の高圧、高流量且つ低ＤＰの循環圧縮機９４４とガス冷却器または凝縮器９０８の間に配置されており、ここで冷凍システム９３１の動作中、高ＤＰで低流量のリーク圧縮機９２５からの第１の流量が、ガス冷却器または凝縮器９０８の入口９３４へと進む前に、高圧、高流量且つ低ＤＰの循環圧縮機９４４から退出するバルク流量と組合わされる。高圧、高流量且つ低ＤＰの循環圧縮機９４４は、回転圧力交換器９０２の高圧出口９２２とこの三方弁の間に配置されている。
【0090】
同様に、一部の実施形態においては、圧縮機９２５、９４１に向かって分岐する蒸発器９１０の下流側の接合部（例えば図２５で円内の１の近く）に、別の三方弁が配置されている。この三方弁は、低圧分岐９０６内の蒸発器９１０と回転圧力交換器９０２の間に配置されており、ここで、冷凍システム９３１の動作中、蒸発器９１０から退出する流量の一部分が三方弁を通って、高ＤＰで低流量のリーク圧縮機９２５の入口へと迂回させられ、流量の残りの部分は、回転圧力交換器９０２の低圧入口９１８へと進む。低圧、高流量且つ低ＤＰの循環圧縮機は、この三方弁と回転圧力交換器９０２の低圧入口の間に配置される。
【0091】
従来の冷凍システム（すなわち、超臨界二酸化炭素冷凍システム）において、バルクフロー圧縮機は、毎分およそ１１３．５６リットル（３０ガロン）の流量率そしておよそ１０，３４２ｋＰａ（１，５００ｐｓｉ）の差圧で動作する。これらの動作条件を仮定すると、バルクフロー圧縮機は、およそ４５，０００（すなわち３０×１，５００ｐｓｉ）単位の力（すなわち行なわれた仕事または消費されたエネルギ）を必要とすると思われる。上述の冷凍システム９００においては、低ＤＰの循環圧縮機９４１および低ＤＰの循環圧縮機９４４は（各々が、毎分およそ１１３．５６リットル（３０ガロン）の流量率そしておよそ６８．９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）の差圧で動作すると仮定して）、各々、およそ３００（すなわち３０×１０）単位の力を必要とすると思われる。リーク圧縮機９２５は（それが、およそ５．６８リットル（１．５ガロン）の流量率およびおよそ１０，３４２ｋＰａ（１，５００ｐｓｉ）の差圧で動作すると仮定して）、およそ２，２５０（すなわち１．５×１，５００）単位の力を必要とすると思われる。したがって、冷凍システム９３１内の圧縮機９２５、９４１、９４４は、およそ２，８５０単位の力を必要とすると思われる。したがって、圧縮機９２５、９４１、９４４は、バルクフロー圧縮機ベースのシステムに比べて、少なくとも１０分の１（また、さらには最高１５分の１）にエネルギ消費量を削減すると思われる。
【0092】
一部の実施形態において、冷凍システム９３１（リーク圧縮機９２５および低ＤＰの循環圧縮機９４１、９４４のうちの１つ以上を有する）は、図１８および１９において上述されたスーパーマーケットのアーキテクチャにおいて使用され得る。
【0093】
図２６および２７は、従来のジュールトムソン膨張弁９５４も使用する回転圧力交換器ベースの超臨界二酸化炭素冷凍システムを使用するスーパーマーケットシステムアーキテクチャ９５０、９５２の２つの例を示している。概して、アーキテクチャは、膨張弁９５４の使用を除いて、図１８および１９中のものと類似している。さらに、アーキテクチャ９５０、９５２は、超臨界冷媒（例えば二酸化炭素）での使用のための熱交換器３２４としてガス冷却器を使用することに関連付けて論述されているものの、これらのアーキテクチャ９５０、９５２を、亜臨界冷媒（例えば二酸化炭素）での使用のための熱交換器３２４としての凝縮器と共に使用することも可能である。第１のアーキテクチャ９５０（図２６）、（低圧出口３０５を介した）回転圧力交換器３０４からの２相低圧流出流（例えば、３７０ｐｓｉなどの第１の中間圧にある二酸化炭素気体／液体混合物）は、気相と液相（両方共、例えば３７０ｐｓｉでフラッシュタンクから退出する）を分離するフラッシュタンク３０６を通って進む。二酸化炭素液相は、低温（例えばおよそ摂氏－２０℃）および中温（例えばおよそ－４℃）の熱負荷／蒸発器３０８、３１０（例えばそれぞれスーパーマーケットの冷凍庫セクションおよび冷蔵庫セクション）まで輸送され、ここで二酸化炭素液相は熱を取込み過熱状態になる。これは２相気相／液相というよりはむしろ純粋に液相であることから、より大きな熱吸収（すなわち冷却）能力を有する。二酸化炭素液相は、例えば３７０ｐｓｉで中温蒸発器３１０に入り、一方、炭素液相は、流量制御弁３１２を通って流れた後、例えば１８０ｐｓｉで低温蒸発器３０８に入る。流量制御弁３１２は（例えば、コントローラからの制御信号に応えて）、蒸発器３０８に対する液体二酸化炭素の流量を調節することができる。冷凍庫セクション３０８からの過熱された二酸化炭素の蒸気（１８０ｐｓｉの低圧にある）は、次に低温圧縮機３１６（ここでそれは例えば３７０ｐｓｉで退出する）へと進んだ後、冷蔵庫セクション３１０からの過熱された二酸化炭素の蒸気（例えば３７０ｐｓｉにある）と、そして同じ圧力にあるフラッシュタンク３０６内の気体／液体混合物から分離された分離済みの過熱された気相の二酸化炭素と、再び一体化する。制御弁３１８（例えばフラッシュガス制御弁）が（例えばコントローラからの制御信号に応答して）、フラッシュタンク３０６から流れる過熱された気体の二酸化炭素の流量を調節し得る。この再度一体化された過熱された気体の二酸化炭素は、次に、低圧入口ポート３２０で回転圧力交換器３０４に入り、第２の中間圧（例えば５００ｐｓｉ）まで圧縮される。過熱された気体の二酸化炭素は、（高圧出口３２２を介して）回転圧力交換器３０４から退出し、中温圧縮機３３０まで進み、ここで過熱された気体の二酸化炭素は、システム要件に応じてシステム内の最高圧力（例えば１，３００ｐｓｉ）まで圧縮され、超臨界二酸化炭素へと変換される。超臨界二酸化炭素はその後、最高圧で熱交換器３２４（例えばガス冷却器）まで進み、ここで環境へ熱を放出し、冷却する。一部の実施形態において、熱交換器３２４は、亜臨界二酸化炭素で使用される気体凝縮器である。ガス冷却器３２４から、超臨界二酸化炭素（例えば１，３００ｐｓｉにある）は、高圧ジュールトムソン弁９５４を通って流れ、ここで超臨界二酸化炭素は、二酸化炭素気体／液体混合物（例えば第２の中間圧、例えば５００ｐｓｉにある）へと変換される。二酸化炭素気体／液体混合物は、回転圧力交換器３０４の高圧入口３２６内に流入する。
【0094】
図２７中のアーキテクチャ９５２は、図２６中のアーキテクチャ９５０からわずかに変動する。詳細には、図２７中で描かれているように、二酸化炭素気体／液体混合物（第２の中間圧、例えば５００ｐｓｉにある）は、純粋な二酸化炭素気体または蒸気および液体への分離のためにフラッシュタンク３０６内に流入する。フラッシュタンク３０６からの二酸化炭素気体は、回転圧力交換器３０４の高圧入口３２６内に流入するが、一方フラッシュタンクからの二酸化炭素液体は、低温および中温蒸発器３０８、３１０内へ低圧内に流入する。圧力変換器３０４の低圧入口３０５から退出する２相気体液体ＣＯ２混合物は、中温蒸発器３１０と同じ圧力で退出し、中温蒸発器３１０および低温圧縮機３１６から退出する流体流（ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）と組合わされた後に、圧力変換器３０４の低圧入口３２０に入る。同様に、流量制御弁３１４は、中温蒸発器３１０の上流側に配置されている。
【0095】
本発明は、さまざまな修正および変形形態を受ける可能性があるものの、図面では一例として具体的実施形態が示されており、本明細書中で説明されている。しかしながら、本発明は開示されている特定の形態に限定するべく意図されていないということを理解すべきである。むしろ、本発明は、以下の添付クレームによって定義されている本発明の精神および範囲に入る全ての修正、等価物および変形形態を網羅すべきものである。
【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】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22A】
【図22B】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【手続補正書】
【提出日】2023-03-07
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0095】
本発明は、さまざまな修正および変形形態を受ける可能性があるものの、図面では一例として具体的実施形態が示されており、本明細書中で説明されている。しかしながら、本発明は開示されている特定の形態に限定するべく意図されていないということを理解すべきである。むしろ、本発明は、以下の添付クレームによって定義されている本発明の精神および範囲に入る全ての修正、等価物および変形形態を網羅すべきものである。
なお、本発明の実施態様として、以下に示すものがある。
［態様１］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で前記冷媒を循環させるための第２の低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された蒸発器であって、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
前記冷媒の圧力を低圧から高圧へと上昇させるように構成された圧縮機またはポンプと；
前記低圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記低圧分岐から低圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と低圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様２］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様１に記載の冷凍システム。
［態様３］
前記回転圧力交換器が、前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記受け入れた冷媒を、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒へと圧縮することを可能にし、かつ前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある高圧の前記受け入れた冷媒を、前記液体と蒸気の２相混合物または前記液体状態にある低圧の冷媒へと膨張させることを可能にするように構成されている、態様１または２に記載の冷凍システム。
［態様４］
前記蒸発器が前記回転圧力交換器から下流側に配置されており、前記蒸発器が、前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を受け入れ、前記液体と蒸気の２相混合物を飽和蒸気または過熱蒸気に変換することを可能にするように構成されている。態様３に記載の冷凍システム。
［態様５］
前記低圧および高圧分岐に流体結合された前記圧縮機を含む、態様１ないし４のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様６］
前記蒸発器が、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第１の部分を前記回転圧力交換器に提供し、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第２の部分を前記圧縮機に提供するように構成されており、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の前記第１および第２の部分が、過熱蒸気を含む、態様５に記載の冷凍システム。
［態様７］
前記回転圧力交換器が、前記超臨界状態にある高圧の前記冷媒を、等エントロピ膨張または準等エントロピ膨張を介して、液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒へと膨張させるように構成されている、態様１ないし６のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様８］
前記回転圧力交換器が、前記冷凍システムの冷却能力を増大させ前記圧縮機の仕事要件を削減するために、ジュールトムソン膨張弁の代りに使用される、態様１ないし７のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様９］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、前記第１の蒸発器が第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
第１の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第１の中間圧分岐と；
前記第１の中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されている第２の蒸発器と；
第２の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第２の中間圧分岐であって、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の第１の中間圧が、前記低圧分岐および前記第２の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の前記第１の中間圧が、前記第２の蒸発器における飽和圧力に等しく、前記第２の中間圧分岐内の冷媒の前記第２の中間圧が、前記高圧分岐および前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にある、第２の中間圧分岐と；
前記第２の中間圧で動作し、前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記第２の中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記第２の中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ前記高圧の冷媒と前記第２の中間圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある前記高圧の冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様１０］
前記フラッシュタンクおよび第１の蒸発器の下流側に位置設定された第１の圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が第１の温度で動作し、前記第１の圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、かつ前記第１の中間圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、態様９に記載の冷凍システム。
［態様１１］
前記第１の圧縮機および第２の蒸発器の下流側に位置設定された第２の圧縮機を含み、前記第２の圧縮機が第２の温度で動作し、前記第２の圧縮機が、前記第１の圧縮機および前記第２の蒸発器の両方からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である冷媒を受け入れ、かつ前記高圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、態様１０に記載の冷凍システム。
［態様１２］
分離済み液体冷媒が前記低圧に達した後、前記第１の蒸発器まで流れるように、前記フラッシュタンクからの分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第１の弁を含む、態様９ないし１１のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様１３］
前記分離済み液体冷媒が前記第１の中間圧に達した後、前記フラッシュタンクから前記第２の蒸発器までの前記分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第２の弁を含む、態様１２に記載の冷凍システム。
［態様１４］
前記回転圧力交換器の入口への前記第２の中間圧での前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成された第３の弁を含む、態様１３に記載の冷凍システム。
［態様１５］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様９ないし１４のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様１６］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、第１の蒸発器と；
中を通って中間圧で前記冷媒を循環させるための中間圧分岐と；
前記中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、前記第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されており、前記中間圧分岐内の前記冷媒の中間圧が、前記高圧分岐と前記低圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記中間圧分岐内の前記冷媒の前記中間圧が第２の蒸発器における飽和圧力に等しい、第２の蒸発器と；
前記中間圧で動作しかつ前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と前記中間圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様１７］
前記回転圧力交換器を退出する前記超臨界状態または亜臨界状態にある前記冷媒を受け入れ、前記冷媒を前記高圧まで加圧するように構成されている低差圧の圧縮機を含む、態様１６に記載の冷凍システム。
［態様１８］
前記フラッシュタンクと前記第１の蒸発器の下流側に位置設定された圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が前記第１の温度で動作し、前記圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、前記回転圧力交換器のために前記冷媒を前記中間圧まで加圧するように構成されている、態様１７に記載の冷凍システム。
［態様１９］
前記回転圧力交換器の入口までの前記中間圧にある前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成されている弁を含む、態様１８に記載の冷凍システム。
［態様２０］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様１６ないし１９のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
なお、本発明の実施態様として、以下に示すものがある。
［態様１］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で前記冷媒を循環させるための第２の低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された蒸発器であって、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
前記冷媒の圧力を低圧から高圧へと上昇させるように構成された圧縮機またはポンプと；
前記低圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記低圧分岐から低圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と低圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様２］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様１に記載の冷凍システム。
［態様３］
前記回転圧力交換器が、前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記受け入れた冷媒を、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の冷媒へと圧縮することを可能にし、かつ前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある高圧の前記受け入れた冷媒を、前記液体と蒸気の２相混合物または前記液体状態にある低圧の冷媒へと膨張させることを可能にするように構成されている、態様１または２に記載の冷凍システム。
［態様４］
前記蒸発器が前記回転圧力交換器から下流側に配置されており、前記蒸発器が、前記液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒を受け入れ、前記液体と蒸気の２相混合物を飽和蒸気または過熱蒸気に変換することを可能にするように構成されている。態様３に記載の冷凍システム。
［態様５］
前記低圧および高圧分岐に流体結合された前記圧縮機を含む、態様１ないし４のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様６］
前記蒸発器が、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第１の部分を前記回転圧力交換器に提供し、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の第２の部分を前記圧縮機に提供するように構成されており、前記蒸気状態にある低圧の前記冷媒の前記第１および第２の部分が、過熱蒸気を含む、態様５に記載の冷凍システム。
［態様７］
前記回転圧力交換器が、前記超臨界状態にある高圧の前記冷媒を、等エントロピ膨張または準等エントロピ膨張を介して、液体と蒸気の２相混合物である低圧の前記冷媒へと膨張させるように構成されている、態様１ないし６のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様８］
前記回転圧力交換器が、前記冷凍システムの冷却能力を増大させ前記圧縮機の仕事要件を削減するために、ジュールトムソン膨張弁の代りに使用される、態様１ないし７のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様９］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、前記第１の蒸発器が第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、蒸発器と；
第１の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第１の中間圧分岐と；
前記第１の中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されている第２の蒸発器と；
第２の中間圧で中を通って前記冷媒を循環させるための第２の中間圧分岐であって、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の第１の中間圧が、前記低圧分岐および前記第２の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒の前記第１の中間圧が、前記第２の蒸発器における飽和圧力に等しく、前記第２の中間圧分岐内の冷媒の前記第２の中間圧が、前記高圧分岐および前記第１の中間圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にある、第２の中間圧分岐と；
前記第２の中間圧で動作し、前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記第２の中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記第２の中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ前記高圧の冷媒と前記第２の中間圧の冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、前記超臨界状態または前記亜臨界状態にある前記高圧の冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記第２の中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様１０］
前記フラッシュタンクおよび第１の蒸発器の下流側に位置設定された第１の圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が第１の温度で動作し、前記第１の圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、かつ前記第１の中間圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、態様９に記載の冷凍システム。
［態様１１］
前記第１の圧縮機および第２の蒸発器の下流側に位置設定された第２の圧縮機を含み、前記第２の圧縮機が第２の温度で動作し、前記第２の圧縮機が、前記第１の圧縮機および前記第２の蒸発器の両方からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である冷媒を受け入れ、かつ前記高圧まで前記冷媒を加圧するように構成されている、態様１０に記載の冷凍システム。
［態様１２］
分離済み液体冷媒が前記低圧に達した後、前記第１の蒸発器まで流れるように、前記フラッシュタンクからの分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第１の弁を含む、態様９ないし１１のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様１３］
前記分離済み液体冷媒が前記第１の中間圧に達した後、前記フラッシュタンクから前記第２の蒸発器までの前記分離済み液体冷媒の流量を調節するように構成されている第２の弁を含む、態様１２に記載の冷凍システム。
［態様１４］
前記回転圧力交換器の入口への前記第２の中間圧での前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成された第３の弁を含む、態様１３に記載の冷凍システム。
［態様１５］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様９ないし１４のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
［態様１６］
冷凍システムにおいて、
中を通して高圧で冷媒を循環させるための高圧分岐と；
前記高圧分岐に沿って配置されたガス冷却器または凝縮器であって、前記高圧分岐が前記ガス冷却器または前記凝縮器を介して高圧の前記冷媒から周囲環境に熱を放出するように構成されており、高圧の前記冷媒が超臨界状態または亜臨界状態にある、ガス冷却器または凝縮器と；
中を通して低圧で冷媒を循環させるための低圧分岐と；
前記低圧分岐に沿って配置された第１の蒸発器であって、第１の温度で動作するように構成されており、前記低圧分岐が、蒸発器を介して前記周囲環境から低圧の前記冷媒内に熱を吸収するように構成されており、低圧の前記冷媒が液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物である、第１の蒸発器と；
中を通って中間圧で前記冷媒を循環させるための中間圧分岐と；
前記中間圧分岐に沿って配置された第２の蒸発器であって、前記第１の温度よりも高い第２の温度で動作するように構成されており、前記中間圧分岐内の前記冷媒の中間圧が、前記高圧分岐と前記低圧分岐内の前記冷媒のそれぞれの圧力の間にあり、前記中間圧分岐内の前記冷媒の前記中間圧が第２の蒸発器における飽和圧力に等しい、第２の蒸発器と；
前記中間圧で動作しかつ前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を純粋な液体および純粋な蒸気へと分離するように構成されたフラッシュタンクと；
前記中間圧分岐および前記高圧分岐に流体結合された回転圧力交換器であって、前記高圧分岐から高圧の前記冷媒を受け入れ、前記中間圧分岐から、前記蒸気状態、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記中間圧の前記冷媒を受け入れ、かつ高圧の前記冷媒と前記中間圧の前記冷媒の間で圧力を交換するように構成されており、前記回転圧力交換器からの第１の退出流が、超臨界状態または亜臨界状態にある高圧の前記冷媒を含み、前記回転圧力交換器からの第２の退出流が、前記液体状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である中間圧の前記冷媒を含んでいる、回転圧力交換器と；
を含む冷凍システム。
［態様１７］
前記回転圧力交換器を退出する前記超臨界状態または亜臨界状態にある前記冷媒を受け入れ、前記冷媒を前記高圧まで加圧するように構成されている低差圧の圧縮機を含む、態様１６に記載の冷凍システム。
［態様１８］
前記フラッシュタンクと前記第１の蒸発器の下流側に位置設定された圧縮機を含み、前記第１の圧縮機が前記第１の温度で動作し、前記圧縮機が、前記第１の蒸発器からの前記蒸気状態にあるかまたは前記液体と蒸気の２相混合物である前記冷媒を受け入れ、前記回転圧力交換器のために前記冷媒を前記中間圧まで加圧するように構成されている、態様１７に記載の冷凍システム。
［態様１９］
前記回転圧力交換器の入口までの前記中間圧にある前記フラッシュタンクからの分離済み蒸気冷媒の流量を調節するように構成されている弁を含む、態様１８に記載の冷凍システム。
［態様２０］
前記冷媒が二酸化炭素を含む、態様１６ないし１９のいずれか一態様に記載の冷凍システム。
【手続補正2】
【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】
気体冷却器または凝縮器から第１の流体を受け入れるように構成された第１の入口と；蒸発器から第２の流体を受け入れるように構成された第２の入口と；
前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成された回転子と；
液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記第１の流体を出力するように構成された第１の出口と；
超臨界状態または亜臨界状態で前記第２の流体を出力するように構成されている第２の出口と；
を含む回転圧力交換器；
を含む冷凍システム。
【請求項2】
前記回転圧力交換器がさらに、ハウジングを含み、前記回転子または１つ以上のセンサが、前記ハウジング内に配置されている、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項3】
前記第１の入口が、前記１つ以上のセンサからのセンサデータに基づいて、第１の流量率で前記第１の流体を受け入れるためのものである、請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項4】
前記第２の入口が、前記１つ以上のセンサからのセンサデータに基づいて、第２の流量率で前記第２の流体を受け入れるためのものである、請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項5】
前記１つ以上のセンサが、温度センサまたは圧力センサを１つ以上含む、請求項３に記載の冷凍システム。
【請求項6】
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項7】
前記第２の入口がさらに、フラッシュガス制御弁を介してフラッシュタンクから前記第２の流体を受け入れるように構成されており、前記第１の入口が第１の圧力で前記第１の流体を受け入れるように構成されており、前記第２の入口が、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記第２の流体を受け入れるように構成されている、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項8】
メモリと；
前記メモリに結合されたプロセッサであって：
複数のセンサからセンサデータを受信し；
前記センサデータの少なくとも第１の部分に基づいて、気体冷却器または凝縮器から回転圧力交換器への第１の流体の第１の流量率を制御し；
前記センサデータの少なくとも第２の部分に基づいて、蒸発器から前記回転圧力交換器への第２の流体の第２の流量率を制御する；
プロセッサと；
を含むシステムであって、前記回転圧力交換器の回転子が、前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成されており、前記第１の流体が、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっており、前記第２の流体が、超臨界状態または亜臨界状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっている、システム。
【請求項9】
前記複数のセンサが、温度センサまたは圧力センサのうちの１つ以上を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
前記複数のセンサのうちの少なくとも１つが、前記回転圧力交換器のハウジング内に配置されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項11】
前記プロセッサが、１つ以上の弁を介して、前記第１の流量率および前記第２の流量率を制御する、請求項８に記載のシステム。
【請求項12】
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項８に記載のシステム。
【請求項13】
前記プロセッサがさらに、フラッシュガス制御弁を介して、フラッシュタンクから前記回転圧力交換器への前記第２の流体の第３の流量率を制御する、請求項８に記載のシステム。
【請求項14】
前記第１の流量率にある前記第１の流体が、第１の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっており、前記第２の流量率および前記第３の流量率からの前記第２の流体は、組合わさって、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
複数のセンサからセンサデータを受信するステップと；
前記センサデータの少なくとも第１の部分に基づいて、気体冷却器または凝縮器から回転圧力交換器への第１の流体の第１の流量率を制御するステップと；
前記センサデータの少なくとも第２の部分に基づいて、蒸発器から前記回転圧力交換器への第２の流体の第２の流量率を制御するステップと；
を含む方法であって、前記回転圧力交換器の回転子が、前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成されており、前記第１の流体が、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっており、前記第２の流体が、超臨界状態または亜臨界状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっている、方法。
【請求項16】
前記複数のセンサが、温度センサまたは圧力センサのうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記複数のセンサのうちの少なくとも１つが、前記回転圧力交換器のハウジング内に配置されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
前記第１の流量率および前記第２の流量率の制御が１つ以上の弁を介したものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項19】
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項１５に記載の方法。
【請求項20】
フラッシュガス制御弁を介して、フラッシュタンクから前記回転圧力交換器への前記第２の流体の第３の流量率を制御するステップをさらに含み、前記第１の流量率にある前記第１の流体が、第１の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっており、前記第２の流量率および前記第３の流量率からの前記第２の流体は、組合わさって、前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっている、請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】