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特表2024-514992マルチカスケード加熱システム

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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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】2024-04-04

(54)【発明の名称】マルチカスケード加熱システム

(51)【国際特許分類】

F25B 7/00 20060101AFI20240328BHJP

F25B 1/00 20060101ALI20240328BHJP

【ＦＩ】

F25B7/00 D

F25B1/00 396B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023527213

(86)(22)【出願日】2021-11-01

(85)【翻訳文提出日】2023-06-28

(86)【国際出願番号】 IL2021051292

(87)【国際公開番号】W WO2022097134

(87)【国際公開日】2022-05-12

(31)【優先権主張番号】278561

(32)【優先日】2020-11-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520102299

【氏名又は名称】エヌ．エー．エム．テクノロジーリミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋香元

(72)【発明者】

【氏名】ドブキン，アンドレイ

(72)【発明者】

【氏名】シトコブスキー，ミハエル

(57)【要約】

連続的に接続された複数のヒートポンプ回路を備えるマルチカスケード加熱システム。ヒートポンプ回路は共通の熱交換器によって互いに接続される。ヒートポンプ回路のそれぞれは、凝縮器と、凝縮器を流れる流体を加熱するためにヒートポンプ回路内を循環する冷媒とを備える。流体は、マルチカスケード加熱システムの出口に向かって移動するにつれて流体の温度が後続の各凝縮器内でより高くなるように各ヒートポンプ回路の凝縮器を連続的に通過する一方、凝縮器によって流体の加熱に利用されない熱は、熱交換器によって後続のヒートポンプ回路の冷媒を加熱するために利用される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マルチカスケード加熱システムであって、
連続的に接続された複数のヒートポンプ回路を備え、前記ヒートポンプ回路は共通の熱交換器によって互いに接続され；
各ヒートポンプ回路は、
凝縮器と；
前記凝縮器を通って流れる流体を加熱するために前記ヒートポンプ回路を循環する冷媒と
をさらに備え；
前記流体は、前記マルチカスケード加熱システムの出口に向かって移動するにつれて、前記流体の温度が各後続の凝縮器内でより高くなるように、各ヒートポンプ回路の前記凝縮器を連続的に通過する一方、前記流体を加熱するために前記凝縮器によって利用されない熱が、前記熱交換器によって後続のヒートポンプ回路の冷媒を加熱するために利用される、マルチカスケード加熱システム。

【請求項2】

各ヒートポンプ回路が、圧縮機と；膨張弁と；前記凝縮器；前記圧縮機；前記膨張弁；および前記熱交換器の片側を直列に接続するように適合された導体とをさらに備え、それによって前記ヒートポンプ回路内の冷媒の循環を可能にする、請求項１に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項3】

前記複数のヒートポンプ回路のうちの第１のヒートポンプ回路が、屋外の熱エネルギーを収集するように適合された蒸発器をさらに備える、請求項１または２に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項4】

前記ヒートポンプ回路の圧縮機のパワー定格が、先行するヒートポンプ回路の圧縮機のパワー定格より小さい、請求項１～３のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項5】

前記ヒートポンプ回路の凝縮器の熱出力定格が、先行するヒートポンプ回路の凝縮器の熱出力定格より小さい、請求項１～４のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項6】

前記冷媒が、Ｒ６００、Ｒ４１０Ａ、Ｒ５０７、Ｒ１３４Ａ、Ｒ２９０、Ｒ３２、Ｒ７４４からなる群から選択され、前記ヒートポンプ回路は、同様または異なる冷媒を利用することができる、請求項１～５のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項7】

前記ヒートポンプ回路の前記凝縮器が、前記凝縮器を通って流れる前記流体を可能にするように適合された入口および出口を備え、前記出口は後続のヒートポンプ回路の入口に接続することができる、請求項１～６のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項8】

前記流体が、清浄水；工業プロセス液；不凍液と混合された水；油；およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１～７のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項9】

前記ヒートポンプ回路が、少なくとも２種類の異なる流体を同時に加熱するように構成される、請求項１～８のいずれか一項に記載のマルチカスケード加熱システム。

【請求項10】

請求項１～８のいずれか一項に記載の複数のマルチカスケード加熱システムを備える流体加熱システム。

【請求項11】

前記複数のマルチカスケード加熱システムが、所望の流体温度と外気温との間のかなり高いΔＴを克服するために利用される、請求項１０に記載の流体加熱システム。

【請求項12】

請求項５に記載のマルチカスケード加熱システムと；
凝縮器ごとの専用送風機とを備え；
前記凝縮器およびそれらの送風機が、吸気口および排気口を有する筐体内に一列に組み立てられる、
空気処理ユニット。

【請求項13】

前記凝縮器が、それらを通って流れる空気を加熱するように適合される、請求項１２に記載の空気処理ユニット。

【請求項14】

最も高い熱出力定格を有する凝縮器が前記吸気口の隣に組み立てられ、最も低い出力定格を有する凝縮器が前記排気口の隣に組み立てられる、請求項１２または１３に記載の空気処理ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

現在開示されている主題は、一般に、加熱システムに関するものである。より詳細には、現在開示されている主題は、加熱システムのエネルギー効率改善に関するものである。

【背景技術】

【0002】

商業的に入手可能な加熱、冷凍、および空調システムは、しばしば、カスケードサイクルとしても知られる多段熱力学サイクルを利用する。これらのシステムは、典型的には、８０℃までの清浄な温水の生成；水、油、またはガスなどの流体を使用する加熱；および室内環境の快適性を目的としている。

【0003】

カスケード冷凍／加熱サイクルは、高温加熱または超冷凍を提供するために採用されるシステムの場合、２段階以上のプロセスを一般に備えている。

【0004】

各サイクルの蒸発－凝縮温度は、所望のデルタ温度をカバーするために、ある程度の重複を伴って連続的に低くまたは高くなり、ここで冷媒は、それらがカバーする温度範囲において有効に働くように選択される。

【0005】

商業的に入手可能なカスケードシステムは、通常、それぞれが分離したループで密封された別々のカスケードサイクルを備え、ここでガスは混合物として圧縮されるが、１つの冷媒が液体に凝縮する際に分離する。

【0006】

しかしながら、商業的に入手可能なカスケードシステムは、そのようなシステムの構造および動作条件にいくつかの制約を課し、全体的な効率低下をもたらす。

【発明の概要】

【0007】

本開示の目的は、エネルギーの無駄を克服し、高い性能係数（ＣＯＰ）を有するマルチカスケード加熱システムを提供することである。

【0008】

本開示の主題の第１の態様によれば、マルチカスケード加熱システムであって、連続的に接続された複数のヒートポンプ回路を備え、ヒートポンプ回路は熱交換器によって互いに接続され；各ヒートポンプ回路は：凝縮器と；凝縮器を通って流れる流体を加熱するためにヒートポンプ回路を循環する冷媒とを含み；流体を加熱するために凝縮器によって利用されない熱が、熱交換器によって後続のヒートポンプ回路の冷媒を加熱するために利用される、マルチカスケード加熱システムが提供される。

【0009】

いくつかの例示的な実施形態において、各ヒートポンプ回路が、圧縮機と；膨張弁と；凝縮器；圧縮機；膨張弁；および熱交換器の片側を直列に接続するように適合された導体とをさらに備え、それによってヒートポンプ回路内の冷媒の循環を可能にする。

【0010】

いくつかの例示的な実施形態において、複数のヒートポンプ回路のうちの第１のヒートポンプ回路が、屋外の熱エネルギーを収集するように適合された蒸発器をさらに備える。

【0011】

いくつかの例示的な実施形態において、ヒートポンプ回路の圧縮機のパワー定格が、先行するヒートポンプ回路の圧縮機のパワー定格より小さい。

【0012】

いくつかの例示的な実施形態において、ヒートポンプ回路の凝縮器の熱出力定格が、先行するヒートポンプ回路の凝縮器の熱出力定格より小さい。

【0013】

いくつかの例示的な実施形態において、冷媒が、Ｒ６００、Ｒ４１０Ａ、Ｒ５０７、Ｒ１３４Ａ、Ｒ２９０、Ｒ３２、Ｒ７４４からなる群から選択され、ヒートポンプ回路は、同様または異なる冷媒を利用することができる。

【0014】

いくつかの例示的な実施形態において、ヒートポンプ回路の凝縮器が、凝縮器を通って流れる流体を可能にするように適合された入口および出口を備え、出口は、後続のヒートポンプ回路の入口に接続することができる。

【0015】

いくつかの例示的な実施形態において、流体が、清浄水；工業プロセス液；不凍液と混合された水；油；およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される。

【0016】

いくつかの例示的な実施形態において、ヒートポンプ回路が、少なくとも２種類の異なる流体を同時に加熱するように構成される。

【0017】

本開示の主題の別の態様によれば、所望の流体温度と外気温との間のかなり高いΔＴを克服するために請求項のいずれか一項に記載の複数のマルチカスケード加熱システムが利用される：ことを含む流体加熱システムが提供される。

【0018】

本開示の主題のさらに別の態様によれば、空気処理ユニットが、請求項に記載のマルチカスケード加熱システムと、凝縮器ごとの専用送風機とを備え；凝縮器およびそれらの送風機は、吸気口および排気口を有する筐体内に一列に組み立てられる。

【0019】

いくつかの例示的な実施形態において、凝縮器が、それらを通って流れる空気を加熱するように適合される。

【0020】

いくつかの例示的な実施形態において、最も高い熱出力定格を有する凝縮器が吸気口の隣に組み立てられ、最も低い出力定格を有する凝縮器が排気口の隣に組み立てられる。

【0021】

特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、この開示された主題が属する技術分野における通常の技術者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと同様または同等の方法および材料がここに開示された主題の実施または試験において使用され得るが、好適な方法および材料が以下に記載される。矛盾がある場合は、定義を含む本明細書が支配することになる。さらに、材料、方法、および例は例示に過ぎず、限定することを意図していない。

【0022】

開示された主題のいくつかの実施形態が、添付の図面を参照して、もっぱら例として記載される。ここで図面を詳細に具体的に参照すると、示された個々の事項は、例示のためであり、ここに開示された主題の好ましい実施形態の説明に役立つ考察を単に目的とし、開示された主題の原理および概念的側面の最も有用かつ容易に理解できる記載であると考えられるものを提供するという理由で提示されていることが強調される。この点で、開示された主題の基本的な理解に必要な以上に詳細に、開示された主題の構造的な詳細を示すことは試みられず、図面と共に読まれる記載は、開示された主題のいくつかの形態が実際にどのように具体化され得るかを、当業者に明らかにする。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、流体を加熱するために構成されたマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。

【図2】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、複数の流体を加熱するために構成されたマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。

【図3】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、流体を加熱するための別のマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。

【図4】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、空気処理ユニット（ＡＨＵ）として構成されたさらに別のマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。

【図5】開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、マルチカスケードに基づくＡＨＵのレイアウトを示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

開示された主題の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、開示された主題は、その適用において、以下の記載に記載された、または図面に示された構造の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。開示された主題は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実践または実施することが可能である。また、本明細書で採用される言い回しや用語は、記載のためのものであり、限定的なものと見なすべきではないことを理解されたい。図面は一般に一定の縮尺ではない。明瞭化のため、不要な要素はいくつかの図面から省略されている。

【0025】

本開示の１つの技術的目的は、商業的に入手可能なカスケードシステムの凝縮器によって利用されない残留熱を利用することによって、カスケード加熱システムのエネルギー効率を改善するカスケードシステムを提供することである。いくつかの例示的な実施形態において、流体の加熱に使用される複数の凝縮器によって生成された残留熱は、次のカスケードまたはヒートポンプ回路によって利用されるように転送され、それによってシステム効率が向上する。

【0026】

本開示の別の技術的目的は、二次カスケードの圧縮機、すなわち、第１のカスケードに続くカスケードの圧縮機のサイズ及び出力を低減することによってエネルギー効率を改善することである。本開示のマルチカスケード加熱システムのいくつかの例示的な実施形態において、３つのヒートポンプ回路から構成され、第２の回路圧縮機のパワー定格は第１の回路圧縮機の４分の１であり、第３の回路圧縮機のパワー定格は第２の回路圧縮機の４分の１である。

【0027】

本開示のさらに別の技術的目的は、本開示のマルチカスケード加熱システムの性能係数（ＣＯＰ）を、商業的に入手可能なカスケード加熱システムに対して少なくとも２５％改善することである。本開示システムのシミュレーションのＣＯＰ計算が、以下でさらに詳細に提供される。

【0028】

ここで図１を参照する。図１は、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、流体を加熱するために構成されたマルチカスケード加熱システムのブロック図を示している。構成１０１は、流体を加熱するために使用される例示的なアーキテクチャを有するシステムである。構成１０１は、マルチカスケード加熱システム１００に基づく。いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム１００は、３つのカスケードヒートポンプ回路：第１回路、第２回路、および第３回路を備えている。なお、本開示のマルチカスケード加熱システムは、複数のヒートポンプ回路から構成されることができる。図１のマルチカスケード加熱システム１００は、本開示を記載するために使用される単に１つの例示的な実施形態である。

【0029】

いくつかの例示的な実施形態において、第１回路は以下の構成要素から構成される：圧縮機１１０、凝縮器１２０、熱交換器１３０の一次側、膨張弁１５０、および蒸発器１７０。第１回路の構成要素は、ヒートポンプ第１回路を形成するための冷媒導体１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、及び１１０ｅによって互いに接続されている。

【0030】

いくつかの例示的な実施形態において、第２回路は以下の構成要素から構成される：圧縮機１１１、凝縮器１２１、熱交換器１３１の一次側、膨張弁１５１、熱交換器１３０の二次側。第２回路の構成要素は、ヒートポンプ第１回路を形成するための冷媒導体１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅによって互いに接続されている。

【0031】

いくつかの例示的な実施形態において、第３回路は以下の構成要素から構成される：圧縮機１１２、凝縮器１２２、熱交換器１３１の二次側、および膨張弁１５２。第１回路の構成要素は、ヒートポンプ第１回路を形成するための冷媒導体１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄによって互いに接続されている。

【0032】

いくつかの例示的な実施形態において、Ｒ６００、Ｒ４１０Ａ、Ｒ５０７、Ｒ１３４Ａ、Ｒ２９０、Ｒ３２、Ｒ７４４等などの冷媒が、カスケードヒートポンプ回路の導体および構成要素を通って流れる。しかし、各回路を流れる冷媒は異なり得ること、すなわち、第１回路、第２回路、および第３回路はそれぞれ異なる冷媒の種類を有し得ることに留意されたい。

【0033】

いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム１００は、構成１０１に描かれているように、流体を加熱するために使用され得る。流体は、例えば、清浄水、または工業プロセス用のミルク、スイミングプールの水等であり得る、すなわち直接加熱性であり得る。追加的に、または代替的に、流体は、不凍液と混合された水、水、油、または媒介加熱を目的とした同様のもの、あるいはそれらと同様のものであり得る。

【0034】

直接加熱、例えば清浄水向けの用途は、典型的には、閉ループを形成するためのリザーバタンク（図示せず）を備える。つまり、液体はタンクからシステム１００の入口に流れ、システム１００の出口からタンクに戻る。しかし、マルチカスケード加熱システム１００は、オープンループで使用するための液体を加熱するために使用できることに留意されたい。

【0035】

媒介加熱用途において、マルチカスケード加熱システム１００は、ラジエータ、床暖房、ボイラ、独立した空気処理ユニット（ＡＨＵ）、およびそれらの任意の組み合わせ等など、一連のヒータと閉ループで接続される。このような加熱用途では、システム１００の入口及び出口は、システム１００及びヒータを介して同じ流体が常に循環するように、ヒータと一列に接続される。それにより、流体はシステム１００によって加熱され、熱はヒータによって周囲に放散される。

【0036】

清浄水の用途のいくつかの例示的な実施形態において、入口１０１ａでの水温は、例えば５５℃～５９℃の間で変化し得るが、システム１００の出口１０１ｂでの温度は、６０℃～７０℃に到達し得る。

【0037】

工業プロセス用途に使用される構成１０１の例示的な実施形態において、入口１０１ａでの流体温度は、例えば４５℃～７０℃の間で変化し得るが、システム１００の出口１０１ｂでの温度は、５５℃～９０℃に達するように設計される。

【0038】

媒介加熱用途に使用される構成１０１の例示的な実施形態において、入口１０１ａでの流体温度は、例えば４５℃～５５℃の間で変動し得るが、システム１００の出口１０１ｂでの温度は、５０℃～７０℃に達するように設計される。

【0039】

以下は、図１に描かれた構成１０１の実施形態に従って清浄水を加熱するために使用されるマルチカスケード加熱システム１００の動作サイクルの構成１０１に帰する例（例１０１）である。例１０１では、入口１０１ａでシステム１００に入る水温は約５５℃であり、ここで外気温は約－７℃である。清浄水は、凝縮器１２０によって約６２℃に加熱され、次に凝縮器１２１に進んで約６７℃に加熱され、次に凝縮器１２２に進んで約７０℃に加熱され、そこから加熱された水は出口１０１ｂを介してタンクに戻る。このプロセスは、清浄水の所望の温度である７０℃を維持するために常に繰り返される。そのために、外気温にさらされる蒸発器１７０は、第１回路の冷媒（第１冷媒）の温度をガス状態で－１０℃まで上昇させる。冷媒ガスは、ガス温度を９５℃に上昇させる圧縮機１１０に入り、その後、凝縮器１２０で凝縮されて６５℃の冷媒液となり、これによって清浄水に熱を伝達して、その温度を５５℃から６２℃に上昇させる。なお、導体１１０ｂ内の冷媒液（６５℃）は、熱交換器１３０によって第２回路の冷媒（第２冷媒）の温度を上昇させるために利用される残留熱である、すなわち凝縮器によって利用されない熱であることに留意されたい。熱交換器１３０で残留熱を伝達させ、それによって第２冷媒を加熱すると、膨張弁１５０の入口における第１冷媒の温度は２５℃まで低下し、これは第１冷媒を蒸発器１７０の入口において－１５℃の液体／ガス溶液に変化させ、その結果、第１冷媒（ガス）を－１０℃まで上昇させる。

【0040】

残留熱を利用した結果、膨張弁１５１を出た第２冷媒の温度は、液体／ガス溶液として、熱交換器１３０の二次側で２０℃から２５℃に上昇する。そして、冷媒ガスは、ガス温度を１００℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２１で凝縮されて７０℃の冷媒液となり、それによって清浄水に補熱が伝達され、その温度は６２℃から６７℃に上昇する。なお、導体１１１ｂ内の冷媒液（７０℃）の熱は残留熱、すなわち凝縮器で利用されなかった熱であり、熱交換器１３１によって第３回路の冷媒（第３冷媒）の温度を上昇させるために利用されることに留意されたい。熱交換器１３１によって残留熱を伝達し、それによって第３冷媒を加熱した後、膨張弁１５１の入口における第２冷媒の温度は４０℃まで低下し、これは第２冷媒を熱交換器１３０の二次側で２０℃で蒸発させ、その結果、第２冷媒（ガス）を２５℃まで上昇させる。

【0041】

例１０１による動作サイクルは、以下のように第３回路によって完了し、導体１１２ｃにおける第３冷媒（ガス状態）の温度は、熱交換器１３１の二次側で３５℃から４０℃に上昇する。そして、冷媒ガスは、ガス温度を約１００℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２２で凝縮されて７３℃の冷媒液となり、これにより清浄水に補熱が伝達され、その温度を６７℃から７０℃に上昇させる。７３℃で凝縮器１２２を出た冷媒液は、その後、膨張弁１５２によって蒸発され、熱交換器１３１によって再び加熱される前に３５℃のガスになる。

【0042】

以下は、以下のパラメータを有するシステム１００の動作サイクルのシミュレーションに基づく、上述の例１０１の構成に帰するＣＯＰ計算である：圧縮機１１０の型番６ＧＥ－３４Ｙ；圧縮機１１１の型番２ＣＥＳ－４Ｙ；圧縮機１１２の型番２ＫＥＳ－０．５Ｙ。および、第１回路の冷媒Ｒ１３４ａ；第２回路の冷媒Ｒ１３４ａおよび第３回路の冷媒Ｒ５１５ｂ。

【0043】

圧縮機の計算された消費電力（Ｐ）は、Ｐ１１０＝１４．５８ＫＷ；Ｐ１１１＝４．３９ＫＷ；およびＰ１１２＝１．０６ＫＷである。そして、計算された凝縮器の加熱生産量（Ｑ）は、Ｑ１２０＝３２．４ＫＷ；Ｑ１２１＝１６．０６ＫＷ；およびＱ１２２＝４．５８ＫＷである。

【0044】

このシステムのＣＯＰは、

【数1】

で与えられるが、同じ流体加熱生産量を生成する商業的に入手可能なカスケードシステムのＣＯＰは約２であり、すなわち商業的に入手可能なカスケードシステムより３２％良い。

【0045】

ここで図２を参照する。図２は、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、複数の流体を加熱するために構成されたマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。構成１０２は、複数の流体を加熱するために使用されるシステム例示的アーキテクチャである。構成１０２は、マルチカスケード加熱システム１００に基づく。いくつかの例示的な実施形態において、構成１０２は、図１の記載に描かれているようなマルチカスケード加熱システム１００を利用する。しかし、図２のマルチカスケード加熱システム１００は、本開示を記載するために使用される単なる１つの例示的な実施形態であることが思い出されるであろう。

【0046】

いくつかの例示的な実施形態において、構成１０２は、媒介加熱用途向けおよび直接加熱用途向けのマルチカスケード加熱システム１００の利用を同時に描いている。

【0047】

媒介加熱のために、マルチカスケード加熱システム１００は、一列（直列）に接続され、ラジエータ、床暖房、ボイラ、独立した空気処理ユニット（ＡＨＵ）、及びそれらの任意の組み合わせ等などの複数のヒータ（図示せず）と閉ループを形成する。いくつかの例示的な実施形態において、油、不凍液と混合された水等などの加熱流体は、ポート１０２ｉを介してシステム１００に入り、ポート１０２ｅを介してシステム１００から出てヒータに戻る。構成１０２の例示的な実施形態において、ポート１０２ｉでの流体温度は、例えば、４５℃～５５℃の間で変化し得るが、ポート１０１ｅでの温度は、５０℃～７０℃に達し得る。媒介加熱用途において、加熱流体は、システム１００およびヒータを通って常に循環する。それにより、流体はシステム１００によって加熱され、熱はヒータによって周囲に放散される。

【0048】

直接加熱、例えば清浄水の場合、マルチカスケード加熱システム１００は、一列（直列）に接続され、リザーバタンク（図示せず）と閉ループを形成する。いくつかの例示的な実施形態において、清浄水は、システム１００の入口１０２ａに入り、出口１０２ｂを介してシステム１００から出てタンクに戻る。構成１０２の例示的な実施形態において、入口１０２ａにおける清浄水の温度は、例えば５５℃～５９℃の間で変化し得るが、温度出口１０２ｂは６０℃～７０℃に達し得る。

【0049】

清浄水の加熱用途において、水は、システム１００およびタンクを通って常に循環する。それにより、タンク内の所望の水温を維持する。

【0050】

以下は、図２に描かれた構成１０２の実施形態に従って、清浄水と室内暖房を同時に加熱するために使用される、マルチカスケード加熱システム１００の動作サイクルの構成１０２に帰する例（例１０２）である。例１０２では、入口１０２ａでシステム１００に入る水温は約５５℃であり、ポート１０２ｉでシステム１００に入る流体温度は約４０℃であり、外気温は約－７℃である。

【0051】

加熱流体は、凝縮器１２０によって約５０℃に加熱され、清浄水は、凝縮器１２１によって約６５℃に加熱され、次に水は、それらが約７０℃に加熱される凝縮器１２２に進み、そこから加熱された水は、出口１０２ｂを介してタンクに戻る。このプロセスは、７０℃の清浄水の所望の温度と５０℃の空間温度を維持するために常に繰り返される。

【0052】

そのために、外気温に曝される蒸発器１７０は、第１冷媒の温度をガス状態で－１０℃まで低下させる。冷媒ガスは、ガス温度を９０℃まで上昇させる圧縮機１１０に入り、その後、凝縮器１２０で凝縮されて５０℃の冷媒液となり、これにより加熱流体に熱を伝達してその温度を４０℃から５０℃に上昇させる。なお、導体１１０ｂ内の冷媒液（５０℃）の熱は、熱交換器１３０により第２回路の冷媒（第２冷媒）の温度を上げるために利用される残留熱であることに留意されたい。熱交換器１３０によって残留熱を伝達し、それによって第２冷媒を加熱した後、膨張弁１５０の入口における第１冷媒の温度は２０℃まで低下し、これは第１冷媒を蒸発器１７０の入口において－１５℃の液体／ガス溶液に変化させ、その結果、第１冷媒（ガス）を－１０℃まで上昇させる。

【0053】

残留熱を利用した結果、膨張弁１５１を出た第２冷媒の温度は、ガス状態で、熱交換器１３０の二次側で１５℃から２０℃に上昇する。そして、冷媒（液体／ガス溶液）は、第２冷媒（ガス）の温度を９５℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２１で凝縮されて７０℃の冷媒液となり、それによって清浄水に熱を伝達してその温度を５５℃から６５℃に上昇させる。なお、導体１１１ｂ内の冷媒液（７０℃）は、熱交換器１３１によって第３冷媒の温度を上昇させるために利用される残留熱である。熱交換器１３１により残留熱を伝達し、それにより第３冷媒を加熱した後、膨張弁１５１の入口における第２冷媒の温度は４０℃まで低下し、これは熱交換器１３０の二次側で１５℃の第２冷媒（液体／ガス溶液）を蒸発させ、その結果、第２冷媒（ガス）を２０℃まで上昇させる。

【0054】

例１０２による動作サイクルは、以下のように第３回路で完結し、導体１１２ｃの第３冷媒（ガス状態）の温度は、熱交換器１３１の二次側で３５℃から４０℃に上昇する。そして、冷媒ガスは、ガス温度を約１００℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２２で凝縮されて７３℃の冷媒液となり、それによって清浄水に補熱を伝達してそれらの温度を６５℃から７０℃に上昇させる。７３℃で凝縮器１２２を出た冷媒液は、その後、熱交換器１３１によって再び加熱される前に、膨張弁１５２によって３５℃の液体／ガス溶液に蒸発される。

【0055】

ここで図３を参照する。図３は、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、流体を加熱するための別のマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。マルチカスケード加熱システム２００は、所望の流体温度と（屋外）温度との間の温度差（ΔＴ）が比較的高い、例えば８０℃を超える流体加熱用途に利用され得る。

【0056】

いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム２００は、マルチカスケード加熱システムの２つの段階、すなわち第１のカスケード段２０１および第２のカスケード段２０２から構成された流体加熱システムである。各カスケード段は、ヒートポンプ回路：カスケード段２０１の回路１．１および回路１．２と、カスケード段２０２の回路２．１および回路２．２とを備える。本開示のマルチカスケード加熱システムは、それぞれが複数のヒートポンプ回路を有する複数のカスケード段を備え、マルチカスケード加熱システム２００は、本開示を記載するために用いられる単なる１つの例示的な実施形態であることに留意されたい。

【0057】

マルチカスケード加熱システム２００は、システムのΔＴを増加させ、それによってシステムのΔＴを制限する圧縮機の圧力－降伏制限を克服するための複数のカスケード段を備える（採用する）ことが理解されるであろう。

【0058】

いくつかの例示的な実施形態において、回路１．１は以下の構成要素：圧縮機２１０、熱交換器２２０、熱交換器２３０の一次側、膨張弁２５０、及び蒸発器２７０を備える。回路１．１の構成要素は、ヒートポンプ回路１．１を一緒に形成する冷媒導体によって互いに接続されている。

【0059】

いくつかの例示的な実施形態において、回路１．２は以下の構成要素：圧縮機２１１、熱交換器２２１、膨張弁２５１、熱交換器２３０の二次側を備える。回路１．２の構成要素は、ヒートポンプ回路１．２を一緒に形成する冷媒導体によって互いに接続されている。

【0060】

いくつかの例示的な実施形態において、回路２．１は以下の構成要素：圧縮機２１２、凝縮器２２２、熱交換器２３１の一次側、および膨張弁２５２を備える。回路２．１の構成要素は、ヒートポンプ回路２．１を一緒に形成する冷媒導体によって互いに接続されている。

【0061】

いくつかの例示的な実施形態において、回路２．２は以下の構成要素：圧縮機２１３、凝縮器２２３、膨張弁２５３、熱交換器２３１の二次側を備える。回路２．２の構成要素は、ヒートポンプ回路２．２を一緒に形成する冷媒導体によって互いに接続されている。

【0062】

いくつかの例示的な実施形態において、Ｒ６００、Ｒ４１０Ａ、Ｒ５０７、Ｒ１３４Ａ、Ｒ２９０、Ｒ３２、Ｒ７４４等などの冷媒が、カスケードヒートポンプ回路の導体および構成要素を通って流れる。いくつかの例示的な実施形態において、各回路を流れる冷媒は、異なっていてもよく、すなわち、回路１．１、回路１．２、回路２．１、および回路２．２はそれぞれ、異なる冷媒、すなわち、それぞれ冷媒１．１、冷媒１．２、冷媒２．１および冷媒２．２を有することができる。

【0063】

いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム２００は、例えば清浄水、または工業プロセス用のミルクなどの直接加熱のために使用することができる。いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム２００は、不凍液と混合された水、水、油等などの流体を使用する媒介加熱のために使用することができる。いくつかの例示的な実施形態において、システムによって加熱される流体は、閉ループで循環してもよいし、開ループで流れてもよい。追加的に、または代替的に、マルチカスケード加熱システム２００は、周囲と所望の流体温度との間のΔＴが比較的高い、例えば＞８０℃である流体加熱用途に利用することができる。システム２００は、圧縮機がΔＴの減少をもたらす限られた圧力スパンを有するので、高いΔＴが必要とされる用途において、２つのカスケード段２０１および２０２を採用する。いくつかの例示的な実施形態において、マルチカスケード加熱システム２００は、直接加熱要素または媒介加熱要素と閉ループで接続することができる。例えば、一連のヒータ、ラジエータ、床暖房、ボイラ、独立した空気処理ユニット（ＡＨＵ）、清浄水のタンク、スイミングプール、およびそれらの任意の組み合わせ、またはそれらに類するもの。このような加熱用途において、システム２００の入口および出口は、流体がシステム２００および加熱負荷を通して常に循環するように、それら要素と一列に接続される。

【0064】

用途、すなわち工業用、媒介加熱、または直接加熱にかかわらず、入口２００ａの温度は、例えば４０℃～６０℃の間で変化し得るが、システム２００の出口２００ｂの温度は、６５℃～８５℃に達するように設計されていることに留意されたい。

【0065】

以下は、図３の実施形態に従って清浄水を加熱するために使用されるマルチカスケード加熱システム２００の動作サイクルに帰する、例（例２００）である。例２００では、入口２００ａでシステム２００に入る水温は約６０℃であり、ここで外気温は約－３０℃である。清浄水は、凝縮器２２２によって約８３℃に加熱され、その後、凝縮器２２３に進み、そこで水は約９０℃に加熱され、そこから加熱された水は、出口１０１ｂを介してタンクに戻る。

【0066】

このプロセスは、清浄水の所望温度９０℃を維持するために常に繰り返される。そのために、外気温にさらされる蒸発器２７０は、冷媒１．１の温度をガス状態で－３５℃まで低下させる。冷媒１．１は、ガス温度を６０℃に上昇させる圧縮機２１０に入り、その後、熱交換器（ＨＥ）２２０で凝縮されて２５℃の冷媒液となり、それによって清浄水の加熱に用いられる回路２．２の冷媒２．１に熱が伝達される。冷媒１．１は、ＨＥ２３０によって冷媒１．２の温度を上昇させるために利用される残留熱を維持したまま、２５℃の液体としてＨＥ２２０を出ることに留意されたい。

【0067】

熱交換器２３０によって残留熱を伝達し、それによって冷媒１．２を加熱した後、膨張弁２５０の入口における冷媒１．１の温度は－１０℃まで低下し、これは冷媒１．１を液体から蒸発器２７０の入口において－４０℃の液体／ガス混合物に変化させ、その結果、混合物を－３５℃まで上昇させる。

【0068】

例２００によれば、膨張弁２５１を出た冷媒１．２の温度は、熱交換器２３０の二次側で－１５℃から－１０℃に上昇する。そして、冷媒１．２（液体／ガス溶液状態）は圧縮機１１１に入りその温度を６０℃（ガス）に上昇させ、その後ＨＥ２２１で２５℃の冷媒液に凝縮され、これにより清浄水の加熱に使用される冷媒２．１に補熱が伝達される。冷媒２．１を加熱した後、膨張弁２５１の入口における冷媒１．２の温度は２５℃まで低下し、これは冷媒１．２を－１０℃まで上昇させる熱交換器２３０の二次側で冷媒１．２を－１５℃の液体／ガス混合物に変化させる。

【0069】

なお、カスケード段２０１は、膨張弁２５２を出た冷媒２．１を、熱交換器２２０および２２１によって、２０℃の液体／ガス混合状態から２５℃のガスに蒸発させることに留意されたい。

【0070】

２５℃の冷媒２．１（ガス）は、冷媒２．１の温度を約１１０℃まで上昇させる圧縮機２１２に入り、その後凝縮器２２２で凝縮されて６５℃の冷媒２．１液となり、それによって清浄水に熱が伝達されその温度を６０℃から８３℃まで上昇させる。冷媒２．１は、ＨＥ２３１によって冷媒２．２の温度を上昇させるために利用される残留熱を有する６５℃の液体として凝縮器２２２を出ることに留意されたい。

【0071】

例２００の動作サイクルは、以下のように回路２．２で完了する：冷媒２．２は、３５℃の液体／ガス混合物としてＨＥ２３１の二次側に入り、４０℃のガスとして出たあとガス温度を約１１０℃に上昇させる圧縮機２１３に入り、その後凝縮器２２３によって９０℃の冷媒液に凝縮され、それによって清浄水に補熱を伝達してそれらの温度を８３℃から９０℃に上昇させる。７３℃で凝縮器２２３を出た冷媒２．２（液体）は、その後、熱交換器２３１によって再び加熱される前に、膨張弁２５３によって３５℃の液体／ガス混合物に蒸発される。

【0072】

ここで図４を参照する。図４は、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態に従う、空気処理ユニット（ＡＨＵ）として構成されたさらに別のマルチカスケード加熱システムのブロック図を示す。ＡＨＵ１０４は、空気処理ユニットに使用されるシステムの例示的なアーキテクチャ／構成である。ＡＨＵ１０４の構成は、システム１００に基づく。

【0073】

いくつかの例示的な実施形態において、ＡＨＵ１０４は、自律的な空気処理ユニット１０４として利用されるように適合された、図１の記載に描かれた空気処理ユニットおよびマルチカスケード加熱システム１００の統合である。

【0074】

ＡＨＵ１０４の構成要素は、送風機１４０、１４１、および１４２をそれぞれ備える凝縮器１２０Ａ、１２１Ａ、および１２２Ａに置き換えられた凝縮器１２０、１２１、および１２２を除いて、すべて図１の、マルチカスケード加熱システム１００と同じであることに留意されたい。

【0075】

ＡＨＵ１０４は、図１の記載に描かれたマルチカスケード加熱システム１００を、以下の変更点を伴って利用する。図４のＡＨＵ１０４は、複数のカスケード段を備え得る、本開示を記載するために使用される単なる１つの例示的な実施形態であることが理解されるであろう。

【0076】

ここで図５を参照する。図５は、開示された主題のいくつかの例示的な実施形態による、マルチカスケードに基づくＡＨＵのレイアウトを示す。図４のＡＨＵ１０４は、統合型加熱構造１６０である。

【0077】

いくつかの例示的な実施形態において、加熱構造１６０は、複数の凝縮器、例えば、凝縮器１２０Ａ、１２１Ａ、および１２２Ａ、ならびにそれらの関連する送風機それぞれ１４０、１４１、および１４２を封入する筐体であり得る。いくつかの例示的な実施形態において、１８℃～２４℃の範囲の低温の空気が、吸気口１６１から吸引され、複数の凝縮器によって徐々に加熱され、排気口１６２を介して室内空間に吹き戻される。

【0078】

図４に戻って参照する。いくつかの例示的な実施形態において、図５の吸気口１６１を介してＡＨＵ１０４に入る低温の空気は、１８℃～２４℃の間で変化し得る。ＡＨＵ１０４を通ってバイパスすることにより、空気は、図５の排気口１６２を介して４０℃～４５℃に達する温度で排出されるまで徐々に加熱される。

【0079】

このような媒介加熱用途において、加熱流体は、システム１００及びヒータを通って常に循環する。それにより、流体はシステム１００によって加熱され、熱はヒータによって周囲に放散される。

【0080】

以下は、空気処理ユニット内の空気を加熱するために使用される、マルチＡＨＵ１０４動作サイクルの、構成１０４に帰する例（例１０４）である。例１０２において、ＡＨＵ１０４に入る空気温度は約２０℃であり、ここで外気温は約－７℃である。

【0081】

空気は、まず凝縮器１２０によって約３５℃に加熱され、次に凝縮器１２１によって約４２℃に加熱され、最後に凝縮器１２２が空気温度を約４５℃に上昇し、そこから加熱された空気は排気口１６２を介して室内空間に排出される。このプロセスは、室内を所望の温度である４５℃に維持するために常に繰り返される。

【0082】

そのために、外気温に曝される蒸発器１７０は、第１冷媒の温度をガス状態で－１０℃まで低下させる。冷媒ガスは、ガス温度を９０℃に上昇させる圧縮機１１０に入り、その後、凝縮器１２０で４５℃の冷媒液に凝縮され、それにより、流れる空気に熱を伝達してその温度を２０℃から３５℃に上昇させる。なお、導体１１０ｂ内の冷媒液（４５℃）は、熱交換器１３０による第２冷媒の温度上昇のために利用される残留熱を維持していることに留意されたい。熱交換器１３０によって残留熱を伝達し、それによって第２冷媒を加熱した後、膨張弁１５０の入口における第１冷媒の温度は１５℃まで低下し、これは第１冷媒を蒸発器１７０の入口で－１５℃の液体／ガス溶液に変化させ、その結果、第１冷媒（ガス）を－１０℃まで上昇させる。

【0083】

例１０４によれば、膨張弁１５１を出た第２冷媒の温度は、ガス状態で、熱交換器１３０の二次側で１０℃から１５℃に上昇する。そして、冷媒ガスは、ガス温度を９５℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２１で凝縮されて５０℃の冷媒液になり、これにより、流れる液体に補熱を伝達してその温度を３５℃から４２℃に上昇させる。導体１１１ｂ内の冷媒液（５０℃）は、熱交換器１３１による冷媒の温度上昇のために利用される残留熱を維持していることに留意されたい。熱交換器１３１によって残留熱を伝達し、それによって第３冷媒を加熱した後、膨張弁１５１の入口における第２冷媒の温度は３０℃まで低下し、これは熱交換器１３０の二次側で１０℃の第２冷媒を蒸発させ、その結果、第２冷媒（ガス）を１５℃まで上昇させる。

【0084】

例１０４による動作サイクルは、以下のように第３回路で完了し、導体１１２ｃの第３冷媒（ガス状態）の温度は、熱交換器１３１の二次側で２５℃から３０℃に上昇する。そして、冷媒ガスは、ガス温度を約１００℃に上昇させる圧縮機１１１に入り、その後、凝縮器１２２で７３℃の冷媒液に凝縮され、これにより、空気温度を４２℃から４５℃に上昇させるための補熱を流れる空気に伝達する。７３℃で凝縮器１２２を出る冷媒液は、その後、熱交換器１３１によって再び加熱する前に、膨張弁１５２によって蒸発して２５℃のガスになる。

【0085】

いくつかの例示的な実施形態において、本開示のマルチカスケード加熱システムのＣＯＰは、蒸発器を除いてシステムを屋内に設置すること；膨張弁１５０／２５０への入口における加熱断熱を強化すること；およびそれらの任意の組み合わせ等によってさらに改善することができる。

【0086】

主題をその特定の実施形態と関連して記載してきたが、多くの代替案、修正および変形が当業者に明らかであろうことは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および広範な範囲に入る、そのような代替案、修正および変形をすべて包含することが意図される。本明細書で言及されるすべての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許または特許出願が参照により本明細書に組み込まれるように具体的かつ個別に示されるのと同じ程度に、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、本出願におけるいずれの文献の引用および特定も、当該文献が本主題に対する先行技術として利用可能であることを認めるものと解釈してはならない。

【図1】