Thermal energy system and its method of operation

本発明は、熱エネルギーシステム及び熱エネルギーシステムの作動方法に関する。 本発明は、冷却システム、特に、例えばスーパーマーケットにおいて用いられるような商業規模の冷却システムに連結される又は組み込まれるようなシステムにおいて特定に有用である。 本発明は、集中冷房及び暖房システム及び工業用冷却及び／又はプロセス加熱等の分野においても広く適用することができる。

多くの建物は、建物内のシステムで生成される暖房及び／又は冷房の需要を有する。 例えば、暖房・換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムは、あるときは加熱を必要とし、別のあるときは冷却を必要とし、また加熱と冷却の双方を同時に必要とする。 例えばスーパーマーケットのような一部の建物は、放熱用の一定のシンクを必要とする凝縮器を組み込んだ工業規模の大型冷却システムを取り入れている。 これらのシステムの多くは、効率的な運転を確保するために、一定の温度制御を必要とする。 非効率的な運転は、かなりの追加の運転コストを招き、特にエネルギーコストの増大をもたらす。 代表的なスーパーマーケットは、例えば、１日２４時間、１年３６５日運転する必要がある冷却システムを作動させるのにそのエネルギーの最高５０％を使用することになる。

機械的な冷却サイクルを利用している一般的な冷却装置の効率は、多くのパラメータ及び特徴によって規定される。 しかしながら、カルノーサイクルによると、任意の高効率の冷却サイクルの重要パラメータは、凝縮温度（ＣＴ）を決定するエネルギーシンクの品質である。

ＣＴは冷却サイクルからエネルギーシンクに供給される負荷の量にも密接に関連する。 即ち負荷が増大するにつれて、要求される需要を満たすために圧縮器に多量の仕事が要求され、圧縮器を駆動するための追加の電気エネルギーは蒸発器からの吸収熱に付加的な廃熱に変換される。 これはエネルギーシンクへの負荷を高めることになる。 従って、ＣＴを低く維持するほど、圧縮器により要求される仕事が少なくなる。

図５は、冷却器内に液体冷媒を蒸発させ、次いで圧縮し凝縮させる既知の冷却システム内の冷媒に対する冷却サイクルにおける圧力とエンタルピーとの関係を示すグラフである。

温度を表す曲線Ｌは、冷媒が液体状態にある状態を規定する。 冷却器において、液体冷媒は蒸発器内で（一定の圧力で）蒸発するにつれて熱を吸収する。 これは図５に線ａ−ｂで表され、すべての液体冷媒は点ｂにおいて蒸発するので、点ｂは曲線Ｌの外に位置し、冷媒は過熱ガスになる。 曲線Ｌ内の線ａ−ｂは蒸発容量を表す。 気体冷媒は線ｂ−ｃで表すように圧縮器で圧縮される。 これは気体圧力及び温度の増加を生じる。 次に、圧縮された気体は冷媒の凝縮を可能にするために温度を下げられ、第１の冷却相は線ｃ−ｄで表すように、気体の初期冷却を構成し、第２の凝縮相は曲線Ｌ内の線ｄ−ｅで示すように、気体から液体への凝縮を構成する。 線ｃ−ｅの和は熱放出を表す。 液体は次に線ｅ−ａで表すように膨張装置を介して圧力を下げられ、このサイクルの終了時に点ａに戻る。

任意選択で、線ｅ−ｆで示す凝縮した液体の過冷却（サブクーリング）を利用することができ、その後過冷却液体を線ｆ−ｇで示すように膨張装置を介して圧力を下げ、サイクルの終了時に点ａに戻すことができる。 このような過冷却は、蒸発器内の冷媒エンタルピーを増大させることによって、蒸発容量を増大させることができる（この増大はｇからａであり、冷却及び凝縮線ｅ−ｆ上の過冷却の逆である）。

冷却凝縮サイクルを示す上部線は下部線の有効性を決定し、蒸発容量を表す。

蒸発線ａ−ｂ（過冷却付きの場合はｇ−ｂ）と凝縮線ｃ−ｅ（過冷却付きの場合はｃ−ｆ）との間の圧力の増加を小さくするほど、冷却サイクルの効率が大きくなり、圧縮ポンプへの入力エネルギーが少なくなる。

当技術分野においては、より大きな効率の冷却サイクルを提供し、年間を通じて圧縮ポンプへの入力エネルギーを低減し得る熱エネルギーシステムが必要とされている。

多種多様の冷媒が商業的に使用されている。 このような冷媒の１つは二酸化炭素ＣＯ２である（当分野では指定コードＲ７４４で指定されている）。 この天然冷媒の大きな利点は低い地球温暖化係数（ＧＷＰ）にあり、そのＧＷＰは全世界の冷媒工業で採用されている主要な冷媒混合物より著しく低い。 例えば、１ｋｇのＣＯ２はＧＷＰ１に等しいが、商業用及び工業用冷却に適した専門の冷媒は通常ＧＷＰ３８００に達する。 いかなる商業用冷却装置の製造及び使用においても、圧縮された冷媒の周囲空気への不注意な漏洩は避けられない。 例えば、スーパーマーケット冷却システムについて考察すると、英国内の平均サイズの各スーパーマーケットでは年間数百キログラムの冷媒が漏洩し、他の発展途上国における一般的な冷媒の漏洩はもっと多い。 ＣＯ２の使用はまた動作圧力が高い特徴を有し、高いエネルギー運搬能力を提供し、即ち冷媒ループを流れる冷媒の単位量あたりの熱輸送容量が通常より高くなる。

冷媒としてのＣＯ２の使用はただ１つの大きな欠点がある。 合成冷媒と異なり、ＣＯ２は３１．１℃と低いクリティカル温度点を有する。 これは、相対的に暖かい状態におけるＣＯ２からの熱放出がこの冷媒を遷臨界（トランスクリティカル）領域に追いやり、即ち凝縮は起こらないことを意味する。 このような状態の下では、熱放出は異なる亜臨界（サブクリティカル）状態において冷媒の凝縮時に起こる潜熱移動よりも、冷媒の冷却の結果生じるいわゆる顕熱移動にのみ依存する。 このような顕熱移動は、潜熱放熱に依存する凝縮に比較して、低効率の熱放出法である。

その結果、凝縮のためにすべての熱を放出することはできず、ＣＯ２はその遷臨界状態又は気体状態又は一部液体一部気体状態のいずれかに維持され、冷却サイクルを確実且つ有効に動作させることが妨げられる。

熱放出用熱交換器の後に追加の圧力／温度調整弁を組み込むことによってこの欠点を克服し得る現代の冷却システムが存在する。 この弁は圧力降下を生成し、ＣＯ２冷媒のためにより高い熱放出圧力／温度を維持するように作用する。 凝縮のための圧力降下及び追加の放熱は冷却サイクル内において圧縮器に追加の動作／放熱を行わせることにより維持される。 このような圧力降下及び放熱はシステムＣＯＰの最高４５％まで及び場合によりそれ以上の間接的な損失と関連する。

従って、二酸化炭素を冷媒として組み込むことができ、常に高い効率で機能することができる冷却システムがさらに必要とされている。

本発明の目的はこの必要性を満足させることにある。

本発明は、使用中冷却需要を有する第１の熱システム及び前記第１の熱システムに結合されたヒートシンク接続システムを備え、前記ヒートシンク接続システムは、前記第１の熱システムを冷却するための複数のヒートシンクへの選択的接続を提供するように構成され、前記ヒートシンク接続システムは、作動流体を含有する第１のリモートヒートシンクに結合されるように構成された第１の熱交換器システム及び第２のヒートシンクとして周囲空気に結合されるように構成された第２の熱交換器システムと、前記第１の熱システム、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムを相互接続する流体ループと、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムの順序を前記流体ループに沿って流れる流体フローの方向に関して選択的に変える少なくとも１つの機構と、前記少なくとも１つの機構を作動させるコントローラとを備える、熱エネルギーシステムを提供する。

本発明は、また、第１の熱システムを備える熱エネルギーシステムを作動させる方法であって、該方法は、
（ａ）冷却需要を有する第１の熱システムを準備するステップと、
（ｂ）作動流体を含有する第１のリモートヒートシンクに結合された第１の熱交換器システムを準備するステップと、
（ｃ）第２のヒートシンクとして周囲空気に結合される第２の熱交換器システムを準備するステップと、
（ｄ）前記第１の熱システム、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムを相互接続する流体ループに沿って流体を流して前記第１及び第２のヒートシンクへ同時に熱を放出させるステップと、
（ｅ）前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムの順序を前記流体ループに沿って流れる流体フローの方向に関して選択的に変えるステップと、
を含む方法も提供する。

本発明の上記の態様は特に冷却システムに関する。

しかしながら、本発明の他の態様は加熱システムのような他の熱エネルギーシステムにも適用可能である。 このような加熱システムにおいて、前記熱システムは（冷却需要ではなく）加熱需要を有し、（ヒートシンクではなく）ヒートソースが設けられ、冷却サイクルではなくヒートポンプサイクルが利用される。

従って、本発明は、使用中加熱需要を有する第１の熱システム及び前記第１の熱システムに結合されたヒートソース接続システムを備え、前記ヒートソース接続システムは、前記第１の熱システムを加熱するための複数のヒートソースへの選択的接続を提供するように構成され、前記ヒートソース接続システムは、作動流体を含有する第１のリモートヒートソースに結合されるように構成された第１の熱交換器システム及び第２のヒートソースとして周囲空気に結合されるように構成された第２の熱交換器システムと、前記第１の熱システム、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムを相互接続する流体ループと、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムの順序を前記流体ループに沿って流れる流体フローの方向に関して選択的に変える少なくとも１つの機構と、前記少なくとも１つの機構を作動させるコントローラとを備える、熱エネルギーシステムも提供する。

本発明は、第１の熱システムを備える熱エネルギーシステムを作動させる方法であって、該方法は、
（ａ）加熱需要を有する第１の熱システムを準備するステップと、
（ｂ）作動流体を含有する第１のリモートヒートソースに結合された第１の熱交換器システムを準備するステップと、
（ｃ）第２のヒートソースとして周囲空気に結合される第２の熱交換器システムを準備するステップと、
（ｄ）前記第１の熱システム、前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムを相互接続する流体ループに沿って流体を流して前記第１及び第２のヒートソースから同時に熱を受け取るステップと、
（ｅ）前記第１の熱交換器システム及び前記第２の熱交換器システムの順序を前記流体ループに沿って流れる流体フローの方向に関して選択的に変えるステップと、
を含む方法も提供する。

本発明は、さらに集中冷暖房システム及び工業用冷却及び／又はプロセス過熱需要等の広い応用範囲を有する。

好ましい特徴は従属請求項に特定されている。

以下に、ほんの一例として本発明の実施形態を添付図面を参照して記載する。

本発明の第１の実施形態によるスーパーマーケットの冷却システムを含む熱エネルギーシステムの第１の動作モードにおける概略図である。

図１の熱エネルギーシステムの第２の動作モードにおける概略図である。

図１の熱エネルギーシステムの第１の動作モードにおける冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフである。

図１の熱エネルギーシステムの第２の動作モードにおける冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフである。

既知の冷却システムにおける冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフである。

図１の熱エネルギーシステムの冷却システムにおける冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフである。

本発明の他の実施形態で使用する図１の熱エネルギーシステムの冷却システムにおけるＣＯ２冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフにおけるＣＯ２冷媒に対する遷臨界サイクルの上部を示す。

本発明の他の実施形態で使用する図１の熱エネルギーシステムの冷却システムにおけるＣＯ２冷媒に対する冷却サイクル中の圧力とエンタルピーの関係を示すグラフである。

本発明の他の実施形態による冷却サイクルループを示す概略図である。

本発明のさらに他の実施形態による冷却サイクルループを示す概略図である。

本発明のさらに他の実施形態による冷却サイクルループを示す概略図である。

本発明の好ましい実施形態は、冷却システムとインタフェースさせるための熱エネルギーシステムに関するが、本発明の他の実施形態は、建物内の例えば、暖房・換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムのような、熱の正供給、及び／又は、冷却すなわち熱の負供給を必要とするシステムにより生成される、暖房及び／又は冷房の需要を有する他の建物システムに関する。 冷却システムのような、これらのシステムの多くは、効率的な運転を確保するために、極めて慎重且つ一定の温度制御を必要とする。

図１を参照するに、図１にはヒートシンクシステム６に結合された、例えばスーパーマーケットの冷却システム２が概略的に示されている。 冷却システム２は、一般的に、蒸気圧縮カルノーサイクルを利用する商業的又は工業的冷却システムを備える。

冷却システム２は１以上の冷却キャビネット８を含む。 冷却キャビネット８は冷却ループ１０内に配置され、このループが冷媒をキャビネット８を通して循環させる。 冷却ループ１０は、冷媒フローに対して上流から下流方向に順に、液体冷媒入力を受け取る受容器１２、蒸発器への冷媒フローを制御する膨張弁１４を含む。 １以上のキャビネット８は冷媒を圧縮し凝縮する圧縮器１６の抽出動作により生成される冷媒の蒸発潜熱を吸収することによって液体冷媒を蒸発（気化）させ、キャビネット８の内部を冷却する。 受容器１２は凝縮用ヒートシンク３６，４２からの入力凝縮ライン１８に接続され、圧縮器１６は凝縮用ヒートシンク３６，４２に至る出力放出ライン２０に接続される。

ヒートシンクシステム６は入力吸込ライン１８に連結された出力ライン２２及び出力放出ライン２０に接続された入力ライン２４を有する。

入力ライン２４は、第１及び第２の出力アーム２８，３０を有する第１の二方弁２６の入力アーム２５に接続される。 第１の出力アーム２８は導管３２により第１の熱交換器システム３６の入力３４に接続される。 第２の出力アーム３０は導管３８により第２の熱交換器システム４２の入力４０に接続される。

第１の熱交換器システム３６は熱放出用のリモートヒートシンク３７に接続される。 このヒートシンク３７は一般に、帯水槽水又は地熱エネルギーシステムのボアホール熱交換器のアレイ内の作動液などの安定な温度を有する外部水源である。 第２の熱交換器システム４２は熱放出用のヒートシンクとして周囲空気を利用する。 第２の熱交換器システム４２は凝縮器、ガス冷却器又は過冷却器熱交換器とすることができる。 ２つのヒートシンクは一般に異なる温度を有し、以下に記載するように、この２つの異なる温度をヒートシンクシステム６の所望の動作を決定するために活用して、冷却効率を最大にするとともに入力エネルギーを最小化し、複合統合冷却機械システムのキャピタル及び運転コストを低減する。

各動作モードは個別のループ構成を有し、各ループ構成において個別の順序の熱交換器が選択的に提供され、それによって冷却サイクル内の各ヒートシンクの特定の接続の選択的な制御が提供される。

第１の熱交換器システム３６は、第２の二方弁４８の第１の入力アーム４６に接続された出力４４を有し、この出力はヒートシンクシステム２６内で入力３４と流体接続されている。 第２の二方弁４８は導管３８に接続された出力アーム５０を有する。

第２の熱交換器システム４２は、第３の二方弁５６の第１の入力アーム５４に接続された出力５２を有し、この出力はヒートシンクシステム４２内で入力４０と流体接続されている。 第３の二方弁５６は導管６４により出力ライン２２及び第２の二方弁４８の第２の入力アーム６２に接続された出力アーム６０を有する。

このヒートシンク接続システムは、不注意な液体トラップを実質上回避するようにループの周りのヒートシンク間にほぼ無制限の冷媒フローを提供するように構成される。 例えば、ヒートシンク接続システムはほぼ水平配置される。

第１、第２及び第３の二方弁２６，４８，５６の各々はそれぞれの弁の動作を制御するためにそれらに結合されたそれぞれの制御ユニット６６，６８，７０を有する。 第１の制御ユニット６６は第１の二方弁２６の第１及び第２の出力アーム２８，３０を選択的に切り替え、第２の制御ユニット６８は第２の二方弁４８の第１及び第２の出力アーム４６，６２を選択的に切り替え、第３の制御ユニット６６は第３の二方弁７０の第１及び第２の出力アーム５８，６０を選択的に切り替える。

第１、第２及び第３の制御ユニット６６，６８，７０の各々は、それぞれの制御ライン７４，７６，７８により又は無線でそれぞれの制御ユニット６６，６８，７０に接続されるコントローラ７２によって個別に制御される。

第１の熱交換器システム３６はヒートシンクの温度、又はそれに関連する温度、例えば第１の熱交換器システム３６の第２側部８６上の作動流体の温度を検知するように装着された第１の温度センサ８４を有し、第１の温度センサ８４は第１のデータライン８８によりコントローラ７２に接続される。 大気の周囲温度を検出する第２の周囲温度センサ８０が第２のデータライン８２によりコントローラ７２に接続される。

以上から、第１、第２及び第３の二方弁２６，４８，５６は第１及び第２の熱交換器システム３６，４２を流れる冷媒フローの順序を選択的に制御するように制御され得る。

第１の熱交換器システム３６は閉ループ大地結合系の水域及び帯水層などのリモートヒートシンクへ熱を消散するように構成された熱交換器を備える。 第１の熱交換器システム３６はシェル・チューブ型熱交換器、プレート型熱交換器又は同軸型熱交換器などの凝縮用熱交換器を備えることができる。 リモートヒートシンクは周囲空気への代替冷却媒体、例えば大地を含むことができる。

第２の熱交換器システム４２は大気中の周囲空気へ熱を消散するように構成された熱交換器を備える。 第２の熱交換器システム４２は非蒸発型熱交換器又は蒸発型熱交換器を備えることができる。 非蒸発型熱交換器は、例えば空気冷却器又は乾燥空気冷却器から選択することができる。 蒸発型熱交換器は、例えば蒸発断熱型空気冷却器又はリモート冷却塔付き凝縮用熱交換器から選択することができる。

第２の周囲温度センサ８０は周囲温度を検出し、第２の熱交換器システム４２の熱効率に相関する第２の熱交換器システム４２の温度状態を表す入力パラメータをコントローラ７２に提供する。 同様に、第１の温度センサ８４はヒートシンク温度又はそれに関連する温度を検出し、第１の熱交換器システム３６の熱効率に相関する第１の熱交換器システム３６の温度状態を表す入力パラメータをコントローラ７２に提供する。

第１の選択動作モードにおいては、ライン２４の液体冷媒入力は最初に第１の熱交換器システム３６に送られ、次に第２の熱交換器システム４２に送られ、その後ライン２２に戻される。 第１の動作モードにおいては、第１の二方弁２６の第２の出力アーム３０、第２の二方弁４８の第２の入力アーム６２及び第３の二方弁５６の第１の出力アーム５８が閉じられる。

第２の選択動作モードにおいては、ライン２４の液体冷媒入力は最初に第２の熱交換器システム４２に送られ、次に第１の熱交換器システム３６に送られる。 第１の動作モードにおいては、第１の二方弁２６の第１の出力アーム２８、第２の二方弁４８の出力アーム５０及び第３の二方弁５６の第２の出力アーム６０が閉じられる。

コントローラ７２はデータライン８２，８８上の入力温度に応じて第１及び第２のモードの間の切り替えを行うように構成される。 測定された入力温度は次に第１の熱交換器システム３６及び第２の熱交換器システム４２のそれぞれの熱効率を決定する。 第１の熱交換器システム３６及び第２の熱交換器システム４２の順序は、状態及び用途に応じて、一方が減温器又は複合減温器-凝縮器を構成するとともに他方が凝縮器又は過冷却器を構成するように、選択的に交互に切り替えられる。

冬季（又は低周囲温度）モードにおいては、図１に示すように、第１の熱交換器システム３６が減温器又は複合減温器凝縮器を構成するとともに第２の熱交換器システム４２が凝縮器又は過冷却器を構成する。 夏季（又は高周囲温度）においては、図２に示すように、第２の熱交換器システム４２が減温器又は複合減温器凝縮器を構成するとともに、第１の熱交換器システム３６が凝縮器又は過冷却器を構成する。

図３は、冷却システム２及びヒートシンクシステム６内の冷媒に対する冷却サイクルにおける圧力とエンタルピーとの間の関係を表すグラフで低周囲温度モードを示している。 線Ａ−Ｄは冷媒が一定の圧力で冷却される際の総放熱量（ＴＨＲ）を表す。 点Ａにおいて、冷媒は圧縮器１６で圧縮され、加熱され終わっている。 区分Ａ−Ｂは冷媒ガスの冷却により（顕熱として）放出されるエントルピーを表す。 区分Ｂ−Ｃは冷媒ガスの液体への凝縮により（潜熱として）放出されるエントルピーを表す。 区分Ｃ−Ｄは冷媒液の過冷却により（顕熱として）放出されるエントルピーを表す。 低周囲温度モードにおいて、Ａ−Ｃの気体冷却及び全凝縮又は部分凝縮段は第１の熱交換器システム３６において実施され、冷媒に対するＢ−Ｃの残りの凝縮段又は過冷却Ｃ−Ｄは第２の熱交換器システム４２において実施される。

周囲温度（空気温度）が低いとき、第２の熱交換器システム４２は冷却及び凝縮相Ｂ−Ｃの間比較的低い冷媒温度で高い冷却及び凝縮需要を効率よくサービスする。 従って、初期高温冷却及び凝縮需要はアレイ又はボアホール型熱交換器のようなリモートヒートシンクを有する第１の熱交換器システム３６でサービスする。 その後の低温冷却需要は熱を周囲空気へ放出する第２の熱交換器システム４２でサービスする。

コントローラ７２は、第１の温度センサ８４及び第２の周囲温度センサ８０からの入力温度が、コントローラ７２での演算によって、所要の総放熱量を低周囲温度モードにおいて冷媒の最も低い最適凝縮温度を用いて最も効率よく、従って最小の入力エネルギーで満足させることができる特定の閾値に適合するとき、低周囲温度モードに切り替える。

冬季又は低周囲温度モードは、冬季だけでなく例えば夜間において日中より低い周囲温度になるときにも、検知された温度がこれらの特定の閾値に適合するときはいつでも使用することができる。

図４は、冷却システム２及びヒートシンクシステム６内の冷媒の冷却サイクルにおける圧力とエンタルピーとの間の関係を表す同様のグラフで夏季又は高周囲温度モードを示している。 同様に、線Ａ−Ｄは冷媒が一定の圧力で冷却される際の総放熱量（ＴＨＲ）を表す。 点Ａにおいて、冷媒は圧縮器１６で圧縮され、加熱され終わっている。 区分Ａ−Ｂは冷媒ガスの冷却により（顕熱として）放出されるエントルピーを表す。 区分Ｂ−Ｃは冷媒ガスの液体への凝縮により（潜熱として）放出されるエントルピーを表す。 区分Ｃ−Ｄは冷媒液の過冷却により（顕熱として）放出されるエントルピーを表す。

夏季又は高周囲温度モードにおいて、Ａ−Ｃの比較的高温の気体冷却及び全凝縮又は部分凝縮段は第２の熱交換器システム４２において実施され、冷媒に対する残りの凝縮段Ｂ−Ｃ又は過冷却段Ｃ−Ｄは第１の熱交換器システム３６において実施される。 高周囲温度モードにおいて、周囲温度（空気温度）が高いとき、第２の熱交換器システム４２のみが冷却及び凝縮相Ａ−Ｃの間比較的高い冷媒温度で冷却及び凝縮要求を効率よくサービスすることができる。 残りの冷却需要はアレイ又はボアホール型熱交換器のようなリモートヒートシンクを有する第１の熱交換器システム３６でサービスする。

コントローラ７２は、第１の温度センサ８４及び第２の周囲温度センサ８０からの入力温度が、コントローラ７２での演算によって、所要の総放熱量を高周囲温度モードにおいて冷媒の最低の最適凝縮温度を用いて最も効率よく、従って最小の入力エネルギーで満足させることができる特定の閾値に適合するとき、高周囲温度モードに切り替える。 夏季又は高周囲温度モードは、夏季だけでなく例えば日中運転中に夜間より高い周囲温度になるときにも、検知された温度がこれらの特定の閾値に適合するときはいつでも使用することができる。

夏季及び冬季モード間の切り替えは、熱をリモートヒートシンクへ放出する第１の熱交換器システム３６で使用する第１のヒートシンク温度を表すリモートヒートシンクの温度と、熱を周囲空気へ放出する第２の熱交換器システム４２で使用する第２のヒートシンク温度との関係の決定に基づくことができる。 例えば、第１のヒートシンク温度が第２のヒートシンク温度（周囲温度）より高い場合、冬季モードがスイッチオンされ、第２のヒートシンク温度（周囲温度）が第１のヒートシンク温度より高い場合、夏季モードがスイッチオンされる。 代替実施形態では、切り替えは、第１及び第２のヒートシンク温度が閾値だけ相違するとき、例えば両温度が１０℃以上相違するときトリガされる。 より具体的な例としては、冬季モードは、周囲温度が流体ヒートシンク温度より１０℃以上低いときに選択される。 選択される閾値は使用する個別のヒートシンクに応じて決めることができる。

代替モード間の切り替えはエネルギーシンクの有効利用をもたらし、任意の所与の冷却負荷に対してより低い総放熱量を達成するために冷媒の凝縮温度を最低最適値に維持することによってシステムへのエネルギー入力を最小化することができる。 これにより、その時優勢な特定の環境状態の下で冷媒の凝縮を達成するために最も有効な熱交換器（又は熱交換器の組み合わせ）をコントローラによって自動的に使用することができる。 さらに、この場合には、ボアホール型システムのようなリモートヒートシンクを使用するとき、冷却システムに全冷却及び凝縮容量を与えるために単一のボアホールシステムが必要とされる場合に比較して、ボアホールシステムをより小型にすることもでき、キャピタルコスト及び運転コストを低減することができる。

ここで図５を変更した図６を参照すると、本発明によれば、異なる温度で動作する２つのヒートシンクの使用によって、上部の冷却／凝縮線を２つの順次の熱交換処理で構成し、各熱交換処理は入力パラメータに対して高い効率レベルで動作するそれぞれの熱交換器と関連するものとすることができる。 これにより、上部の冷却／凝縮線を蒸発線の方へ下げることができる。 これは、圧縮圧力を下げ、それによって圧縮ポンプへの入力エネルギーを低減することを意味する。

特に、図６において、上側線は、矢印Ｒで示すように、圧縮線の上端の点ｘから曲線Ｌとの交点ｙを通って膨張線の上端である曲線Ｌ上の点ｚまで延びる線へと圧力が下げられる。 線ｘ−ｙはシステムを駆動するための圧縮ポンプからのエンタルピー入力を表し、これは図５の既知のシステムの線ｃ−ｄのエンタルピー入力より小さい。 従って、圧縮力の節約が得られる。 さらに、蒸発容量が主として曲線Ｌ内において線ａ'−ｂで表されるように図５の既知のシステムの線ａ−ｂに比較して増加される。 さらに、曲線Ｌ内において線ｙ−ｚで表されるように図５の既知のシステムの線ｄ−ｅに比較して大きな凝縮が得られる。 本発明はさらに点ｌ及びｍで表されるように過冷却を提供することができ、蒸発容量をさらに増大することができる。

本発明は、冷却システムの年間運転効率を大きく増大し得る選択された複合冷却／凝縮相を提供するために、リモートヒートシンクに対する季節的周囲温度の変化を利用することができる。 過冷却も追加のプラント又は運転コストを必要とすることなく利用することができる。 過冷却は圧縮機により要求される仕事を増大することなく冷却容量の相当の増大をもたらすこともでき、それによって冷却システムのＣＯＰを増大させることができる。 従って、２つの連続する冷却／凝縮相部分を提供するために追加の連続的に位置するヒートシンクを使用することは、最低凝縮温度より低い追加の過冷却の利点をもたらし、蒸発容量を増大する。

周囲空気は水性冷却流体より低い比熱を有する。 従って、周囲空気熱交換器、特に非蒸発性凝縮用周囲空気熱交換器は熱を水性冷却流体へ消散するように構成された熱交換器より部分負荷状態下で良好に機能する。 従って、このような周囲空気熱交換器はその熱交換器間の高い温度差（ΔＴ）のために高い放出温度及び/又は高い凝縮温度で熱を消散する。

蒸発性周囲空気熱交換器は高い週温度のために夏季における熱放出に有効であるが、低い周囲温度及び高い湿度の状態においてその有効性が減少する。 従って、夏季モードにおいては本来の凝縮を提供し、冬季モードにおいては過冷却を提供するように周囲空気熱交換器の役割を逆転させると、システムの総合効率を向上させることができる。

複合熱交換器システムは年間を通じて低い凝縮温度を提供することができる。 凝縮温度はシステムの設計制約の範囲内で入手可能な最低値に制御することができる。 複合ヒートシンクシステムは圧縮器の減少した仕事量で冷却容量の大幅な増大をもたらし、それによってシステムのＣＯＰを向上させることができる。 従って、第２のヒートシンクを追加するともに、第１及び第２のヒートシンクの冷却ループ内の順序及び機能を選択的制御の下で変更することによって、単一のヒートシンクを用いて実際に達成し得るよりも低い年間平均温度で凝縮効果を提供することができる。

過冷却は任意選択で利用できる。 過冷却を制御するために、ループ内のリモートヒートシンクに接続された２つの熱交換器の間に調整弁を組み込む、あるいは液体容器又は膨張容器を組み込むことができる。

本のシステム及び方法は当分野でいられている多種多様の冷媒を使用することができる。 冷媒は、商業用冷却装置で一般に使用されている凝縮冷媒とすることができ、また非凝縮冷媒とすることができる。

ここで、遷臨界冷却サイクルの冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を使用する本発明の特定の実施形態を説明する。

本システムはＣＯ２冷媒を用いて利用することができ、この場合には（圧縮器から放出後に）他の慣用冷媒の場合より高い圧力及び温度を有する状態が提供される。 この状態は放出冷媒とヒートシンク温度交換との間により高いΔＴをもたらす。 この高いΔＴは、顕熱移動が大幅に有効になることを意味する。 ヒートシンクとして周囲空気に接続されたガス冷却器を使用する従来のシステムでは、ＣＯ２凝縮は起こり得ない。 即ち、すべての熱移動は顕熱移動として起こり、熱交換器を通過するＣＯ２の温度が低下するにつれて、ΔＴ及び顕熱移動レートも低下する。 ＣＯ２は３１℃の臨界温度を有するため、しばしば凝縮の残留顕熱及び遷熱を冷却媒体に放出することができなくなり、冷却サイクルの冷却容量が減少する。

図７を参照するに、この図は図１の熱エネルギーシステムの冷却システム中のＣＯ２冷媒の冷却サイクルにおける圧力とエンタルピーとの関係を示す。

本発明の熱エネルギーシステムは、遷臨界冷却サイクルにおいて及び亜臨界サイクルにおいてもＣＯ２冷媒で動作するように構成し、使用することができる。

圧縮器の下流の冷媒ループにおける初期熱交換器が熱を周囲空気へ放出しているものとすれば、ＣＯ２との組み合わせで、周囲空気熱交換器を備えるヒートシンクにおける冷却効果を最大にすることができ、この冷却効果は熱放出相の初期部分の遷臨界動作中の熱放出相の高いΔＴにより達成される。

周囲空気熱交換器は減温に対して高い閾値を可能にするため、冷却用の全顕熱移動の大きな部分を周囲空気熱交換器に通すことができる。 典型的には、総熱量の約６０％までを周囲空気熱交換器により放出させることができ、総熱量の少なくとも４０％を代替媒体の熱交換器により放出させることができる。

比較として、慣用の冷媒を慣用の冷却装置で使用すると、初期顕熱移動（図５の線ｃ−ｄに等価）による減温は一般に放出される総熱量の約２０％までである。

図７は、ＣＯ２に対するこのような遷臨界冷却サイクルの上部を示す。 初期冷却相は熱放出相の高い圧力降下及び高いΔＴ部分（ゾーンＡとして示されている）を経験し、それに応じて総熱量の約６０％を遷臨界動作中に熱放出相の高いΔＴ部分で放出させることができる。 ゾーンＢでは、総熱量の約４０％が熱放出相の低いΔＴ部分で放出される。

さらに、ループ内の熱交換器の順序が最初に（上流の）周囲空気熱交換器で、次に（下流の）代替媒体熱交換器である、上述した装置及び方法の「夏季モード」においては、ＣＯ２冷媒が６０％までの熱を上流の周囲空気ヒートシンクへ放出した後に、代替媒体熱交換器がＣＯ２の凝縮を介してより効果的な熱放出を達成する。 この構成は、両段階の冷却降下を最大にすることによって、代替冷却媒体（例えば水性液）を熱エネルギーの高密度の冷却源としてより有効に使用することを可能にする。 顕熱は実際上周囲空気等の任意の種類の媒体へ放出させることができ、潜熱は水性液等の入手可能な代替媒体へ放出させることができる。

その結果、このような２段階の熱放出の相状態図は図８に示すようなものとすることができる。

このような熱放出プロセスの顕熱放出段階と潜熱放出段階との間のより確実な分離を保証するために任意選択のチェック弁／圧力調整弁を設けることができ、この場合には図１の下流の代替媒体熱交換器３６は上流の周囲空気熱交換器４２より低い温度状態を有する。 このチェック弁／圧力調整弁は、ＣＯ２冷媒の圧力（図８のＸ−Ｙ）を熱放出相の初期遷臨界部分中図８の点Ｙの所望のガス冷却器出口温度に維持する。 さらに、相状態図の液体領域内で冷却ブースタシステムのような特定の設計要件のための凝縮温度の更なる低減を可能にするために点Ｚに他の圧力調整弁を設けることができる。 このような凝縮温度の更なる低減に必要とされる追加の仕事は、典型的な遷臨界設計のＣＯ２冷却システムにおける圧縮器によって与えられる。

「冬季モード」について述べた熱交換器の別の順序においては、上流の代替媒体熱交換器３６が下流の周囲空気熱交換器４２より高い温度状態を有し、ＣＯ２の供給順序は（任意選択のチェック弁／圧力調整弁が実装されているとき、図８の点Ｙの周囲にバイパスが必要とされる得ることを除いて）他の冷媒に対して使用される順序と相違しないため、上述したように、下流の周囲空気熱交換器４２は代替媒体熱交換器３６においてＣＯ２の追加の冷却及び凝縮を与えることができる。

図９、図１０及び図１１は本発明の他の実施形態によるそれぞれの冷却サイクルのループを概略的に示す。

図９、図１０及び図１１の各々において、冷却キャビネット１００が設けられている。 冷却ループ１０２は冷却キャビネット１００の出力側１０４から複数の熱交換器を介して入力側１０６に延在する。 図９、図１０及び図１１のループの差異はループ１０２内の熱交換器の数、熱交換器の位置、及びループ１０２内の熱交換器の順序及びそれに応じて冷却キャビネット１００の出力側１０４又は入力側１０６に至る様々な熱交換器のループ内位置を変化させる個別の選択的に代替可能なループ構成にある。

図９において、第１の動作モードでは、対応するループ構成１０８は、出力側１０４を（ｉ）液相ヒートシンク熱交換器１１０、例えば１つ以上のボアホール熱交換器、（ｉｉ）周囲空気熱交換器１１２及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続する。 第２の動作モードでは、対応するループ構成１１４は、出力側１０４を（ｉ）周囲空気熱交換器１１２、（ｉｉ）液相ヒートシンク熱交換器１１０及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続する。

図１０において、熱交換器は、液相ヒートシンク熱交換器１２０、例えば１つ以上のボアホール熱交換器、周囲温度熱交換器１２２、１つ以上の凝縮熱交換器１２４及び１つ以上の過冷却熱交換器１２６を備える。

第１の動作モードでは、対応するループ構成１２８は、出力側１０４を（ｉ）１つ以上の凝縮熱交換器１２４、（ｉｉ）１つ以上の過冷却熱交換器１２６及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続する。 さらに、このループ構成１２８には、1つ以上の凝縮熱交換器１２４及び液相ヒートシンク熱交換器１２０の間の更なる第1の相互接続ループ１３０及び1つ以上の過冷却熱交換器１２６及び周囲空気熱交換器１２２の間の更なる第2の相互接続ループ１３２が存在する。

第２の動作モードでは、対応するループ構成１３４は同様に、出力側１０４を（ｉ）１つ以上の凝縮熱交換器１２４、（ｉｉ）１つ以上の過冷却熱交換器１２６及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続する。 しかしながら、このループ構成１３４には、1つ以上の凝縮熱交換器１２４及び周囲空気熱交換器１２２の間の更なる第1の相互接続ループ１３６及び1つ以上の過冷却熱交換器１２６及び液相ヒートシンク熱交換器１２０の間の更なる第2の相互接続ループ１３８が存在する。

図11において、熱交換器は、液相ヒートシンク熱交換器１４０、例えば1つ以上のボアホール熱交換器、周囲空気熱交換器１４２、1つ以上の凝縮熱交換器１４４及び1つ以上の過冷却熱交換器１４６を備える。 さらに、第１及び第２の中間熱交換器１４８，１５０が中間ループ１５２内に位置し、この中間ループ１５２は、主冷媒ループ１０２及び中間ループ１５２内に共通に位置する１つ以上の過冷却熱交換器１４４及び１つ以上の過冷却熱交換器１４６を介して冷却キャビネット１００を含む主冷媒ループ１０２に接続する。

第１の動作モードでは、対応するループ構成１６０は、主冷媒ループ１０２を介して、出力側１０４を（ｉ）１つ以上の凝縮熱交換器１４４、（ｉｉ）１つ以上の過冷却熱交換器１４６及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続するとともに、中間ループ１５２を介して、（ａ）１つ以上の凝縮熱交換器１４４、（ｂ）第１の中間熱交換器１４８、（ｃ）第２の中間熱交換器１５０、（ｄ）１つ以上の過冷却熱交換器１４６及び（ｅ）１つ以上の凝縮熱交換器１４４の後側にシリアルに接続する。

さらに、このループ構成１６０には、第１の中間熱交換器１４８及び液相ヒートシンク熱交換器１４０の間の更なる第１の相互接続ループ１７０及び第２の中間熱交換器１５０及び周囲空気熱交換器１４２の間の更なる第２の相互接続ループ１７２が存在する。

第２の動作モードでは、対応するループ構成１７４は同様に、主ループ１５４を介して、出力側１０４を（ｉ）１つ以上の凝縮熱交換器１２４、（ｉｉ）１つ以上の過冷却熱交換器１２６及び（ｉｉｉ）入力側１０６にシリアルに接続するとともに、中間ループ１５２を介して、（ａ）１つ以上の凝縮熱交換器１４４、（ｂ）第１の中間熱交換器１４８、（ｃ）第２の中間熱交換器１５０、（ｄ）１つ以上の過冷却熱交換器１４６及び（ｅ）１つ以上の凝縮熱交換器１４４の後側にシリアルに接続する。

しかしながら、このループ構成１７４には、第１の中間熱交換器１４８及び周囲空気熱交換器１４２の間の更なる第１の相互接続ループ１７６及び第２の中間熱交換器１５０及び液相ヒートシンク熱交換器１４０の間の更なる第２の相互接続ループ１７８が存在する。

各構成において、冷媒又は作動流体を循環させるループが存在し、代替構成を有するが、任意選択の追加の相互接続ループを付与して任意選択の追加の熱交換器と連動させることができる。

本明細書に記載する本発明の実施形態は純粋に例示のためであり、請求の範囲を制限するものではない。 例えば、二方弁は別の流体切り替え装置と置換することができ、代替動作モードは種々の代替ヒートシンクの個々の特性に基づいて決定することができる。

さらに、本発明の追加の実施形態において、図示の実施形態の変更として、第１の熱交換器システムが複数の第１の熱交換器を備える、及び／又は、第２の熱交換器システムが複数の第２の熱交換器を備える、及び／又は、ヒートシンク接続システムが流体ループ内の少なくとも１つの追加のヒートシンクに結合されるように構成された少なくとも１つの追加の熱交換器システムをさらに備える、ようにしてもよい。

上述したように、図示の実施形態は冷却システムを構成するが、本発明は加熱システムのような他の熱エネルギーシステムに適用可能である。 このような加熱システムでは、加熱システムは（冷却要求ではなく）加熱要求を有し、（ヒートシンクではなく）ヒートソースが設けられ、冷却サイクルではなく蒸気圧縮ヒートポンプサイクルが使用される。

当業者であれば本発明に対する様々な他の変更が容易に明らかであろう。