JP7603329B2 - Heat Pump System - Google Patents
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Description
本開示は、ヒートポンプに関する。特に、本開示は、空調システム、冷凍システム、または極低温システムなどの加熱システムおよび/または冷却システムのためのヒートポンプに関する。 The present disclosure relates to heat pumps. In particular, the present disclosure relates to heat pumps for heating and/or cooling systems, such as air conditioning systems, refrigeration systems, or cryogenic systems.
ヒートポンプ(“HP”)技術は、暖房、換気および空調(“HVAC”)用途において、商業的に支持を得ている。それらは、エネルギーの節約および排出低減を提供でき、典型的には、建物や自動車用途などでの加熱および冷却システムのために設けられている。 Heat pump ("HP") technologies are gaining commercial support in heating, ventilation, and air conditioning ("HVAC") applications. They can provide energy savings and emissions reductions, and are typically provided for heating and cooling systems in buildings, automotive applications, and the like.
ヒートポンプにはいくつかの種類がある。ほとんどの既存の技術は、膨張/圧縮サイクルで冷媒を利用しており、多くのヒートポンプは、熱源、一例として、空気熱源ヒートポンプまたは地中熱源ヒートポンプなどに分類される。ヒートポンプで用いられる基本的な技術についても同様である。空気熱源ヒートポンプは、低温での性能が制限される(-18℃では、CoPは、(カルノーによって)1近くになる傾向にある。そのため、電気抵抗加熱がより効果的であり、より高い動作温度では、CoPは4に達し得る)。地中熱源ヒートポンプは、より安定した入口温度になるが、従来技術は成績係数(“CoP”)によって制限される。 There are several types of heat pumps. Most existing technologies utilize a refrigerant in an expansion/compression cycle, and many heat pumps are classified by the heat source, for example air source heat pumps or ground source heat pumps. The same is true for the basic technologies used in heat pumps. Air source heat pumps are limited in performance at low temperatures (at -18°C, the CoP tends to be close to 1 (by Carnot), so electrical resistance heating is more effective, and at higher operating temperatures the CoP can reach 4). Ground source heat pumps have a more stable inlet temperature, but conventional technologies are limited by the coefficient of performance ("CoP").
世界的に、建物での加熱および冷却の脱炭素化をする必要がある。加熱は、一般に、炭素ベースの燃料を燃焼するので、大気中に炭素が放出される。冷却および空調は、より暖かい気候では主要な電気負荷になり得る。ヒートポンプは、潜在的に、単一のパッケージから加熱および冷却を提供し得る。ヒートポンプが再生可能な電力を使用する場合において、ヒートポンプは、ゼロ・エミッション技術になり得る。従来のヒートポンプ技術は、一般に、地球温暖化の可能性が高い冷媒を用いており、高い毒性を有し得るので、望ましいことではない。ファンおよびポンプは、邪魔となり得るノイズを有する。 There is a need to decarbonize heating and cooling in buildings globally. Heating typically burns carbon-based fuels, releasing carbon into the atmosphere. Cooling and air conditioning can be major electrical loads in warmer climates. Heat pumps could potentially provide heating and cooling from a single package. In cases where heat pumps use renewable electricity, they can be a zero-emission technology. Conventional heat pump technology is generally undesirable because it uses refrigerants that have high global warming potential and can be highly toxic. Fans and pumps have noise that can be intrusive.
従来のHP技術は、3~4のCoPを有する。CoPを増加させることによって、電力消費を低減することができるので、これにより、再生可能でない電力を使用する場合の炭素排出が低減される。さらに、従来のHP技術は、周囲の空気温度によって影響を受けるCoPを有し得るので、それは望ましいことではない。米国特許出願公開第20160084544号(Radermacherら)には、SMAからなる材料チューブを使用するヒートポンプシステムが開示されており、それは、未知の材料の他のチューブまたはロッドで満たされて体積を占めており、したがって、デッドサーマルマスを除去してシステムの効率を高めるのに有用である。中国特許出願公開第106052190号(Qianら)には、NiTiチューブを備えたSMAコアを使用する冷凍システムが開示されている。流体は、チューブおよびフローデバイスを通過して熱伝達を増加させ、コアは、仕事回収のために機械的に接続される必要がある。しかしながら、この構成は、熱効率が悪いという問題がある。 Conventional HP technology has a CoP of 3-4. By increasing the CoP, power consumption can be reduced, which reduces carbon emissions when using non-renewable power. Furthermore, conventional HP technology may have a CoP that is affected by the ambient air temperature, which is undesirable. US Patent Publication No. 20160084544 (Radermacher et al.) discloses a heat pump system that uses material tubes made of SMA, which are filled with other tubes or rods of unknown material to occupy the volume, thus helping to remove dead thermal mass and increase the efficiency of the system. China Patent Publication No. 106052190 (Qian et al.) discloses a refrigeration system that uses an SMA core with NiTi tubes. Fluid passes through the tubes and flow devices to increase heat transfer, and the core needs to be mechanically connected for work recovery. However, this configuration suffers from poor thermal efficiency.
ヒートポンプは、化石燃料の加熱技術のクリーンな代替物になり得て、それらは現在、ほとんどの空調および冷凍で用いられている。よって、ヒートポンプ市場は成長している。ヒートポンプは基本的に、部分負荷では動作することができず、部分負荷を必要とする期間の効率が乏しい。冷却は、多くのエネルギーを必要とし、冷却についての効率の最大化は、発電容量および電力網の強化に大きな影響を与える。インバータ/可変速度作動の使用は、部分負荷性能を向上させる一方で、製品の価格が最大40%増加することになる。 Heat pumps can be a clean alternative to fossil fuel heating technologies that are currently used in most air conditioning and refrigeration. Hence, the heat pump market is growing. Heat pumps are fundamentally unable to operate at partial load and are less efficient during periods when partial load is required. Cooling requires a lot of energy and maximizing efficiency for cooling has a big impact on generating capacity and grid strengthening. The use of inverter/variable speed operation improves partial load performance but can increase the price of the product by up to 40%.
本発明は、成績係数(CoP)を大幅に改善したヒートポンプシステムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a heat pump system with a significantly improved coefficient of performance (CoP) .
本発明に係るヒートポンプシステムは、形状記憶合金(SMA)または負熱膨張材(NTE)または熱弾性体がハウジングの内部に配されているコアであって、前記コアは第1コアと第2コアと第3コアを有し、前記第1コアと前記第2コアと前記第3コアのそれぞれが熱を吸収してエネルギーを蓄積し、かつ、前記第1コアと前記第2コアと前記第3コアのそれぞれが加えられた応力に応じて状態が変化する構成であり、前記第1コアと前記第2コアとは流体が連通可能に直列接続されており、前記第2コアと前記第3コアとは前記流体が連通可能に直列接続されており、前記第1コアから排出された前記流体の前記第2コアへの供給を制御し、かつ、前記第2コアから排出された前記流体の前記第3コアへの供給を制御する制御システムを備え、前記制御システムは、前記第1コアから第1圧力で前記流体を排出し、前記第2コアから前記第1圧力よりも低圧の第2圧力で前記流体を排出し、前記第3コアから前記第2圧力よりも低圧の第3圧力で前記流体を排出する構成である。 The heat pump system of the present invention is a core having a shape memory alloy (SMA) or a negative thermal expansion material (NTE) or a thermoelastic material arranged inside a housing , the core having a first core, a second core and a third core, each of the first core, the second core and the third core absorbing heat and storing energy, and each of the first core, the second core and the third core changing state depending on an applied stress , the first core and the second core being connected in series to allow fluid to communicate with each other, and the second core and the third core being connected in series to allow the fluid to communicate with each other, and the heat pump system is provided with a control system that controls the supply of the fluid discharged from the first core to the second core and controls the supply of the fluid discharged from the second core to the third core , the control system being configured to discharge the fluid from the first core at a first pressure, discharge the fluid from the second core at a second pressure lower than the first pressure, and discharge the fluid from the third core at a third pressure lower than the second pressure .
仕事回収は、良好なシステム成績係数を達成する際の基本である。本発明は、油圧または電気負荷アクチュエータシステムにより作動するシステムにおいて仕事回収を最大化するシステムおよび方法を提供する。タンクに復帰する排圧の最小化は、システムCoPが劇的に向上することを意味する。 Work recovery is fundamental in achieving a good system CoP. The present invention provides a system and method for maximizing work recovery in systems operated by hydraulic or electric load actuator systems. Minimizing back pressure returned to the tank means a dramatic improvement in system CoP.
一実施形態として、前記コアはそれぞれ順に正圧勾配を有し、前記第1コアで得られた前記圧力を利用することによってより低圧で平衡状態に達する構成である。 In one embodiment, each of the cores has a positive pressure gradient in sequence, and the pressure obtained in the first core is utilized to reach equilibrium at a lower pressure.
一実施形態として、アキュムレータを備え、前記コアのうち負荷印加するものへの放出のために前記アキュムレータに前記圧力が蓄積され熱変化速度が最大化される構成である。 In one embodiment, an accumulator is provided, and the pressure is accumulated in the accumulator for release to the load-bearing portion of the core, maximizing the rate of thermal change.
一実施形態として、前記制御システムは、増圧器を有する構成である。 In one embodiment, the control system includes a booster.
一実施形態として、前記増圧器は、前記圧力を受ける相互接続エリアが設けられた逆増圧器を有する構成である。 In one embodiment, the booster comprises a counter booster having an interconnection area that receives the pressure.
一実施形態として、前記増圧器は、前記第1コアと前記第2コアと前記第3コアと連通している構成である。 In one embodiment, the booster is configured to be in communication with the first core, the second core, and the third core.
一実施形態として、油圧モータと発電機とを備え、前記圧力が有効電気に変換されて、ヒートポンプシステムを作動させる電気として用いられる構成である。 In one embodiment, the system is equipped with a hydraulic motor and a generator, and the pressure is converted into effective electricity, which is used to operate the heat pump system.
一実施形態として、一連のコアは流体に温度変化を提供して、少なくとも1つのコアを作動させるためのサイクル時間が短縮されるように第1コア、第2コア、または第3コアのいずれかを作動させる。 In one embodiment, the series of cores provide a temperature change to the fluid to activate either the first core, the second core, or the third core such that the cycle time for operating at least one of the cores is reduced.
本発明に係るヒートポンプシステムは、形状記憶合金(SMA)または負熱膨張材(NTE)または熱弾性体がハウジングの内部に配されているコアであって、前記コアは第1コアと第2コアと第3コアと第4コアを有し、前記第1コアと前記第2コアと前記第3コアと前記第4コアのそれぞれが熱を吸収してエネルギーを蓄積し、かつ、前記第1コアと前記第2コアと前記第3コアと前記第4コアのそれぞれが加えられた応力に応じて状態が変化する構成であり、前記第1コアと前記第2コアとは流体が連通可能に直列接続されており、前記第2コアと前記第3コアとは前記流体が連通可能に直列接続されており、前記第1コアから排出された前記流体の前記第2コアへの供給を制御し、前記第2コアから排出された前記流体の前記第3コアへの供給を制御し、前記第3コアから排出された前記流体の前記第4コアへの供給を制御する制御システムを備え、前記制御システムは、前記第1コアから第1圧力で前記流体を排出し、前記第2コアから前記第1圧力よりも低圧の第2圧力で前記流体を排出し、前記第3コアから前記第2圧力よりも低圧の第3圧力で前記流体を排出し、前記第4コアから前記第3圧力よりも低圧の第4圧力で前記流体を排出する構成である。 The heat pump system according to the present invention is a core in which a shape memory alloy (SMA) or a negative thermal expansion material (NTE) or a thermoelastic body is disposed inside a housing, the core having a first core, a second core, a third core and a fourth core, the first core, the second core, the third core and the fourth core each absorbing heat and storing energy, and the first core, the second core, the third core and the fourth core each changing their state in response to an applied stress, the first core and the second core being connected in series to allow fluid to communicate with each other, and the second core and the third core being connected in series to allow the fluid to communicate with each other. The fluid discharged from the first core is connected in series to be able to communicate with the second core, and the control system controls the supply of the fluid discharged from the second core to the third core, and controls the supply of the fluid discharged from the third core to the fourth core, and the control system is configured to discharge the fluid from the first core at a first pressure, discharge the fluid from the second core at a second pressure lower than the first pressure, discharge the fluid from the third core at a third pressure lower than the second pressure, and discharge the fluid from the fourth core at a fourth pressure lower than the third pressure .
一実施形態として、負荷分散およびエネルギー回収のためのマルチコアシステムの複数のマルチ油圧キャビティが設けられる。コアが圧縮または張力の負荷を印加される時に、この蓄積エネルギーの一部が回収され得る。しかしながら、各々が一つのキャビティを備える二つのコアが負荷分散される(時点=0で一方が負荷を印加されて、一方が負荷を印加されない)時には、二つのコアが連結されている場合には、圧力バランスが保たれるに過ぎず、最大で50%のエネルギー回収を意味する。様々な作用表面積の多数の油圧室(つまり番号1‐2‐3)を各コアが備える場合には、各コアは50%より多くを回収できる。 In one embodiment, multiple hydraulic cavities of a multi-core system are provided for load sharing and energy recovery. When the core is loaded in compression or tension, a portion of this stored energy can be recovered. However, when two cores with one cavity each are load shared (one loaded and one unloaded at time=0), there is only a pressure balance when the two cores are connected, which means a maximum energy recovery of 50%. If each core has multiple hydraulic chambers (i.e. numbers 1-2-3) of various working surface areas, each core can recover more than 50%.
一実施形態として、二以上のコアを互いに連結する制御システムが設けられ、この例ではピストンが時間的には1‐3、2‐2、3‐1で連結される。1は表面積が最小であって3は最大である。いかなる数が使用されてもよいが、本発明においては、マルチコア油圧ピストンエリアを有し、サイクル中にコア間のこの連結を動的に変化させる。 In one embodiment, a control system is provided that couples two or more cores together, in this example the pistons are coupled in time 1-3, 2-2, 3-1, where 1 is the smallest surface area and 3 is the largest. Any number may be used, but in the present invention we have a multi-core hydraulic piston area and dynamically change this coupling between the cores during the cycle.
別の実施形態として、形状記憶合金(SMA)または負熱膨張材(NTE)または熱弾性体からなるコアであって、前記コアは、熱を吸収してエネルギーを蓄積するようにハウジングの内部に配されており、前記ハウジングは前記コアを活性化温度にて状態変化させるために流体を第1温度で入口から受け入れる構成であり、油圧回路を経由した圧力が前記コアに作用し、前記コアが作動ポイントで第1状態から第2状態に変化し、前記ハウジング内の前記コアに前記圧力を印加して、前記コアを前記第1状態から前記第2状態に変化させる制御装置を備え、前記制御装置は前記作動ポイントを下回る前記圧力を初期印加する構成である。 In another embodiment, the core is made of a shape memory alloy (SMA) or a negative thermal expansion material (NTE) or a thermoelastic body, the core is arranged inside a housing to absorb heat and store energy, the housing is configured to receive a fluid from an inlet at a first temperature to change the state of the core at an activation temperature, pressure via a hydraulic circuit acts on the core, the core changes from a first state to a second state at an activation point, and a control device is provided that applies the pressure to the core in the housing to change the core from the first state to the second state, and the control device is configured to initially apply the pressure below the activation point.
本発明は、印加される負荷を制御することにより高い部分負荷効率を供与するヒートポンプを提供する。これは、従来の蒸気圧縮(VC)ヒートポンプで達成され得るよりも著しく高い部分負荷効率を供与する。(コストが40%上昇し得るVCヒートポンプと異なり)コストの上昇はほとんど生じない。例えば油圧トランスミッションに貯蔵されたエネルギーは、ヒートポンプを「ソフト始動」させて、配電網管理者にとって問題となり得る大きな始動負荷を回避するのに使用され得る。 The present invention provides a heat pump that provides high part-load efficiency by controlling the applied load. This provides significantly higher part-load efficiency than can be achieved with conventional vapor compression (VC) heat pumps, with little increase in cost (unlike VC heat pumps, which can increase costs by 40%). For example, energy stored in the hydrostatic transmission can be used to "soft start" the heat pump, avoiding large starting loads that can be problematic for grid managers.
一実施形態として、前記制御装置は、前記油圧回路を有する構成である。 In one embodiment, the control device has the hydraulic circuit.
一実施形態として、前記油圧回路は、油圧または流動を可変制御して前記コアに応力を加える電子比例制御バルブ/レギュレータを有する構成である。 In one embodiment, the hydraulic circuit has an electronic proportional control valve/regulator that variably controls the hydraulic pressure or flow to apply stress to the core.
一実施形態として、前記電子比例制御バルブ/レギュレータは、前記流体の可変温度に応じて前記圧力を調整し循環させる構成である。 In one embodiment, the electronic proportional control valve/regulator is configured to adjust and circulate the pressure in response to variable temperature of the fluid.
一実施形態として、前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第1油圧ラムを有する構成である。油圧回路は、被制御応力をコアに提供するように構成される油圧ラムを備える。 In one embodiment, the hydraulic circuit includes a first hydraulic ram that applies the pressure to the core. The hydraulic circuit includes a hydraulic ram configured to provide a controlled stress to the core.
一実施形態として、前記電子比例制御バルブ/レギュレータは、負荷レギュレータにて前記第1油圧ラムの圧力調整を行う構成である。 In one embodiment, the electronic proportional control valve/regulator is configured to regulate the pressure of the first hydraulic ram using a load regulator.
一実施形態として、前記油圧回路は、前記圧力または下流の前記流体を調整するための反応を判断する情報を得るための1つ以上のセンサを有する構成である。 In one embodiment, the hydraulic circuit includes one or more sensors to obtain information to determine the pressure or a response to adjust the downstream fluid.
一実施形態として、前記油圧回路は、前記コアに前記圧力を印加する第2油圧ラムを有する構成である。 In one embodiment, the hydraulic circuit has a second hydraulic ram that applies the pressure to the core.
一実施形態として、電子比例制御バルブ/レギュレータは、一以上のセンサ示数に応じて第1および第2油圧ラムを制御するように構成される。 In one embodiment, the electronic proportional control valve/regulator is configured to control the first and second hydraulic rams in response to one or more sensor readings.
一実施形態として、前記電子比例制御バルブ/レギュレータは、1つ以上のセンサの読取値に応じて前記第2油圧ラムを制御する構成である。 In one embodiment, the electronic proportional control valve/regulator is configured to control the second hydraulic ram in response to readings from one or more sensors.
一実施形態として、制御回路は、エネルギーを蓄えるのに適したアキュムレータを備え、蓄えたエネルギーは前記圧力を印加するためのエネルギー供給に使用される。 In one embodiment, the control circuit includes an accumulator suitable for storing energy, the stored energy being used to provide energy for applying the pressure.
一実施形態として、SMAまたはNTEまたは弾性熱量材料コアは、印加される油圧負荷/圧力に応じて、熱を吸収または放出する、および/または、エネルギーを蓄えるのに適している。 In one embodiment, the SMA or NTE or elastocaloric material core is suitable for absorbing or releasing heat and/or storing energy in response to applied hydraulic load/pressure.
一以上のコアに印加される圧力または応力は油圧回路により印加することができる。この構成以外に、空気圧、線形/電気機械アクチュエータ、回転/スクリュアクチュエータ、SMAアクチュエータなど、他の機構により圧力を印加することができる。 The pressure or stress applied to the one or more cores can be applied by a hydraulic circuit. In addition to this configuration, pressure can be applied by other mechanisms such as pneumatics, linear/electromechanical actuators, rotary/screw actuators, SMA actuators, etc.
本発明のより明確な理解のために、本発明における一例としての実施形態について、図面を参照して、以下に詳しく説明する。本発明は、SMAまたはNTEまたは熱弾性体からなる材料における、相変態からの潜熱を利用する新規なヒートポンプサイクルに関する。以下、本発明の好ましい実施形態として、SMAの実施を記載しており、NTEまたは熱弾性体からなる材料の実施においても同様に適用される。 For a clearer understanding of the present invention, an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The present invention relates to a novel heat pump cycle that utilizes latent heat from phase transformation in a material made of SMA or NTE or a thermoelastic body. The following describes an implementation of the present invention in an SMA as a preferred embodiment, but the same applies to implementations of materials made of NTE or a thermoelastic body.
本発明は、コアを画定するために、複数のエレメントまたは複数のワイヤで構成されたSMAを近接配置して用いることができる。SMAの材料は、マルテンサイトとオーステナイトの2つの結晶状態になることができ、一方の相から他方の相へと可逆的に変態することができる。SMAにおけるオーステナイトからマルテンサイトへの変態は発熱を伴う。SMAにおけるマルテンサイトからオーステナイトへの変態は吸熱を伴う。相転移が起こる温度は、SMAの材料に対する応力の印加によって操作することができる。 The present invention can use SMAs consisting of multiple elements or wires arranged in close proximity to define a core. SMA materials can be in two crystalline states, martensite and austenite, and can reversibly transform from one phase to the other. The transformation from austenite to martensite in SMAs is exothermic. The transformation from martensite to austenite in SMAs is endothermic. The temperature at which the phase transition occurs can be manipulated by application of stress to the SMA material.
形状記憶合金(SMA)は、一度変形しても加熱時に変形前の形状に戻る形状記憶効果を示す合金である。この材料は、液圧、気圧、およびモータを基礎としたシステムなど従来のアクチュエータよりも軽量な固体状態の代替物である。 Shape memory alloys (SMAs) are alloys that exhibit a shape memory effect, meaning that once deformed, they return to their original shape when heated. These materials are a lighter, solid-state alternative to traditional actuators such as hydraulic, pneumatic, and motor-based systems.
本発明は、複数の形状記憶合金(SMAs)または複数の負熱膨張材(NTE)または熱弾性体からなる材料のいずれかを用いることが可能なヒートポンプシステムおよびその方法に関する。一実施形態として、特に、SMAからなる材料で構成されたSMAシステムを用いることができる。一例として、コアを画定するために、複数のエレメント(もしくは複数のエレメント群)または複数のワイヤが、近接配されている。別の例では、ロッド、ブロック、リボン、細片またはプレート、3Dプリントされたエレメントなどのうちの1つ以上でコアを画定することができ、いずれにおいても、軸方向または横方向の圧縮、圧縮および自然負荷、ねじり応力を受けることでコアとして機能することができる。 The present invention relates to a heat pump system and method that can use either a plurality of shape memory alloys (SMAs) or a plurality of negative thermal expansion materials (NTEs) or a material made of a thermoelastic body. In one embodiment, an SMA system can be used that is made of a material made of SMA. In one example, a plurality of elements (or a group of elements) or a plurality of wires are arranged in close proximity to define a core. In another example, the core can be defined by one or more of rods, blocks, ribbons, strips or plates, 3D printed elements, etc., any of which can function as a core by being subjected to axial or lateral compression, compressive and natural loads, and torsional stresses.
ヒートポンプには、2つのフェーズ、すなわち、熱吸収フェーズおよび熱放出フェーズがある。マシンサイクルは、完全な熱吸収フェーズ(吸熱)および完全な熱放出フェーズ(発熱)として定義される。 Heat pumps have two phases: heat absorption and heat release. A machine cycle is defined as a complete heat absorption phase (endothermic) and a complete heat release phase (exothermic).
熱吸収フェーズは、材料に印加される応力を、SMAからなる材料内への熱の伝達を許容可能な、サイクル動作で使用されるより低い適切な値に設定する。その結果、オーステナイト開始(As)とオーステナイト終了(Af)の活性化温度が、流体の流れの入力温度よりも低い値に設定される。熱勾配が存在することで、熱伝導および熱対流によってSMA内に熱伝達することが可能になる。一度、材料が完全にまたは部分的にオーステナイトに変態すると(つまり、SMAからなる材料の温度がAfよりも高くなると)、熱吸収フェーズが完了する。 The heat absorption phase sets the stress applied to the material to a suitable value lower than that used in the cycle operation that allows the transfer of heat into the SMA material. As a result, the austenite start (As) and austenite finish (Af) activation temperatures are set to values lower than the input temperature of the fluid flow. A thermal gradient exists that allows heat transfer into the SMA by thermal conduction and thermal convection. Once the material has fully or partially transformed to austenite (i.e. the temperature of the SMA material is higher than Af), the heat absorption phase is complete.
オーステナイト系SMAからなる材料に対する応力を増加させた後、熱放出フェーズが始まる。これにより、マルテンサイトに戻る逆変態のために、マルテンサイト開始(Ms)およびマルテンサイト終了(Mf)の活性化温度が上昇する。一度、Msの値が入力流体の流れの温度よりも上に上昇すると、逆変態が始まる。それは、Mfも流体の流れの温度よりも高くなったときにのみ完了する。次いで、潜熱が、SMAからなる材料によって流体の流れに放出され、その温度を高くする。熱の放出が起こる速度は、熱勾配や流速や乱流などの流体の流れの様々な熱力学的条件の関数である。 After increasing the stress on the material made of austenitic SMA, the heat release phase begins. This increases the activation temperatures of martensite start (Ms) and martensite finish (Mf) for the reverse transformation back to martensite. Once the value of Ms rises above the temperature of the input fluid flow, the reverse transformation begins. It is completed only when Mf is also higher than the temperature of the fluid flow. Latent heat is then released by the material made of SMA to the fluid flow, increasing its temperature. The rate at which the release of heat occurs is a function of various thermodynamic conditions of the fluid flow such as thermal gradients, flow velocity, and turbulence.
単一の流体温度入力をシステムで用いることができ、熱放出フェーズからのより温かい流体を加熱対象へ向けつつ、熱吸収フェーズからのより冷たい流体の流れを流体源に戻すように、一連のバルブを流体チャンバからの出力で用いることができる。複数の流体温度入力を用いることもできる。 A single fluid temperature input can be used in the system, and a series of valves can be used at the output from the fluid chamber to direct the flow of cooler fluid from the heat absorption phase back to the fluid source while directing the warmer fluid from the heat release phase to the object to be heated. Multiple fluid temperature inputs can also be used.
図1は、SMA作動システムとして知られている構成を組み込んだヒートポンプシステムではあるが、逆の操作をしており、Exergyn Limitedが出願し未公開のPCT特許出願第PCT/EP2019/052300号を参照し本明細書に組み込まれている。図1に示すように、低圧アキュムレータは、マルテンサイト状態のSMAからなる材料に印加される。AsとAfよりも高い温度のSMAからなる材料を収容した流体チャンバに流体が入力されると、SMAからなる材料が熱を吸収することが可能になる。 Figure 1 illustrates a heat pump system incorporating what is known as an SMA actuation system, but in reverse operation, and is incorporated herein by reference in unpublished PCT Patent Application No. PCT/EP2019/052300 filed by Exergyn Limited. As shown in Figure 1, a low pressure accumulator is applied to the SMA material in the martensitic state. When fluid is input to the fluid chamber containing the SMA material at a temperature greater than As and Af, the SMA material is enabled to absorb heat.
図2は、本発明の一実施形態であり動作サイクルを示す熱弾性体からなるヒートポンプサイクルについての理想的な温度-エントロピー図を示す。サイクルは、ポイント5~6の間で温度Tcの熱伝達流体(HTF)から熱を除去し、ポイント2~3の間でより高い温度の流体Thに熱を放出する。熱は、ポイント3~4の間で熱回収回路によって吸収され、材料を冷却させ、6~1の間で材料によって再吸収され、加熱させる。 Figure 2 shows an idealized temperature-entropy diagram for a heat pump cycle made of a thermoelastic material according to one embodiment of the present invention, illustrating the operating cycle. The cycle removes heat from a heat transfer fluid (HTF) at temperature Tc between points 5-6, and releases heat to a higher temperature fluid Th between points 2-3. Heat is absorbed by the heat recovery circuit between points 3-4, causing the material to cool, and is reabsorbed by the material between points 6-1, causing it to heat.
仕事回収は、固体/SMA/弾性発熱ヒートポンプ/冷凍システムで最大CoPを達成するのに必要な主要プロセスである。これは、一つのSMAコア室(第1コア)から排出された圧力を、サイクルのコンポーネント負荷印加の準備をしているかこれを受けている次のコア室(第2コア)に導入することにより達成され得る。その最終結果は、同じQoutを維持しながら、第2コアを作動させるのに必要なシステムに必要とされる入力仕事量を低下させることである。それゆえ、成績係数が上昇する。 Work recovery is the primary process required to achieve maximum CoP in a solid/SMA/elastic heating heat pump/refrigeration system. This can be achieved by introducing the pressure exhausted from one SMA core chamber (first core) into the next core chamber (second core) that is preparing or undergoing cycle component load application. The end result is a lowering of the input work required to the system to operate the second core while maintaining the same Qout. Hence, the coefficient of performance increases.
しかしながら、通常の状況で、一つコアから次のコアに伝達され得る最大圧力は、(伝達管路に損失が生じないと仮定すると)50%である。これは、両方のコアが互いに圧縮されてそのポイントで平衡状態に達するからであり、仕事を実施する推進力はゼロまで低下する。それゆえ第1コアから排出される圧力の残り50%はタンクに復帰させなければならない。 However, under normal circumstances, the maximum pressure that can be transferred from one core to the next is 50% (assuming no losses in the transfer line). This is because both cores compress against each other and reach equilibrium at which point the thrust to perform work drops to zero. Therefore the remaining 50% of the pressure discharged from the first core must be returned to the tank.
本発明は仕事回収を向上させる。第一実施形態として、ヒートポンプシステムは直列コアでの排圧の連続的な堆積を包含する。第二実施形態として、本発明は、低圧を高圧に変換し、こうして第2コアに圧力を追加する逆増圧器を利用する。第三実施形態として、ヒートポンプシステムは電気変換ユニットを使用する。 The present invention improves work recovery. In a first embodiment, the heat pump system includes a continuous build-up of back pressure in a series core. In a second embodiment, the present invention utilizes a back booster that converts low pressure to high pressure, thus adding pressure to a second core. In a third embodiment, the heat pump system uses an electric conversion unit.
本発明の第一態様において、仕事回収の向上は、第1コアと順に連通する一連のコアの間で有効排圧を分散することである。 In a first aspect of the present invention, the improvement in work recovery is achieved by distributing the effective back pressure among a series of cores that are in sequential communication with the first core.
本発明は、順に配設される少なくとも3つのコアを設けることにより作用する。その最終的な効果は各コアが順に正の圧力勾配を有して低圧で平衡状態に達し、それゆえ第1コアで得られる排圧の多くを利用することである。 The invention works by providing at least three cores arranged in sequence. The net effect is that each core in turn has a positive pressure gradient and reaches equilibrium at a lower pressure, thus utilizing more of the back pressure available in the first core.
図3は、4つのコアC1、コアC2、コアC3、およびコアC4を備えて各コアがバルブ11によって接続される、ヒートポンプシステム10を示す図である。(理想的な条件であり、損失がなく、コア圧力が初期コア圧力の割合として表現されると仮定すると)4つのコアは以下のように順に作用する。
[初期サイクル]
ステップ1(C2~C4閉鎖):C1=100,C2=0,C3=0,C4=0が図3に示されている。
ステップ2(C2開放、C3~C4閉鎖):C1=50,C2=50,C3=0,C4=0が図4に示されている。
ステップ3(C2閉鎖、C3開放、C4閉鎖):C1=25,C2=50,C3=25,C4=0が図5に示されている。
ステップ4(C2~C3閉鎖、C4開放):C1=12.5,C2=50,C3=25,C4=12.5が図6に示されている。
3 shows a heat pump system 10 with four cores C1, C2, C3 and C4 connected by valves 11. The four cores work in sequence as follows (assuming ideal conditions, no losses and core pressure expressed as a percentage of the initial core pressure):
[Initial Cycle]
Step 1 (C2-C4 closed): C1=100, C2=0, C3=0, C4=0 is shown in FIG.
Step 2 (C2 open, C3-C4 closed): C1=50, C2=50, C3=0, C4=0 is shown in FIG.
Step 3 (C2 closed, C3 open, C4 closed): C1=25, C2=50, C3=25, C4=0 is shown in FIG.
Step 4 (C2-C3 closed, C4 open): C1=12.5, C2=50, C3=25, C4=12.5 is shown in FIG.
ステップ4の後で、C1の排圧の残り12.5%は、(回収モータでの稼働時に電気エネルギーを発生させるなど、システムの他の箇所で利用されない場合には)タンクに排出される。C2での圧力は50%上昇される必要があり、これは入力ポンプから調達される。しかしながら、第2サイクルにおいて、システムは以下のようであると、より好ましい。
第2サイクルでは、各コアで以下が行われる。
ステップ1(C1はタンクに排出され、C2はポンプにより100%まで上昇):C1=0,C2=100,C3=25,C4=12.5
ステップ2(C1閉鎖、C3開放、C4閉鎖):C1=0,C2=62.5,C3=62.5,C4=12.5)
ステップ3(C1+C3閉鎖、C4開放):C1=0,C2=37.5,C3=62.5,C4=37.5
ステップ4(C1開放、C3~C4閉鎖):C1=18.75,C2=18.75,C3=62.5,C4=37.5
After
In the second cycle, each core does the following:
Step 1 (C1 is discharged to the tank, and C2 is pumped up to 100%): C1 = 0, C2 = 100, C3 = 25, C4 = 12.5
Step 2 (Close C1, Open C3, Close C4): C1 = 0, C2 = 62.5, C3 = 62.5, C4 = 12.5)
Step 3 (Close C1+C3, Open C4): C1=0, C2=37.5, C3=62.5, C4=37.5
Step 4 (C1 open, C3-C4 closed): C1 = 18.75, C2 = 18.75, C3 = 62.5, C4 = 37.5
コアの圧力バランスが以下の関係により均衡を保つまで、この傾向が続く。
最大理想仕事回収(%)=100-100/仕事分散シーケンスのコア数(式1)
This trend continues until the core pressure balance is balanced according to the following relationship:
Maximum ideal work recovery (%) = 100 - 100 / number of cores in the work distribution sequence (Equation 1)
それゆえ、4コアシーケンスについて、達成可能な最大の仕事回収率は75%であり、8コアシーケンスについては87.5%である。コアを追加すると、圧力伝達の損失とシステム全体のエントロピーとが追加される結果となり、それゆえ、現実的なシナリオでは、シーケンスコア数を増加することの利点が何らかの利得と釣り合うポイントに達する。 Therefore, for a 4-core sequence, the maximum achievable work recovery is 75% and for an 8-core sequence it is 87.5%. Adding additional cores results in additional pressure transmission losses and entropy of the overall system, and therefore in realistic scenarios a point is reached where the benefits of increasing the number of sequence cores are balanced by some gain.
C1~C4コアと関連するバルブの起動は、コアの各々または幾つかで一部の圧力を固定するとともに、コア間における最良の排圧往来を選択して回収を最大化するように構成され得る。 Activation of the valves associated with the C1-C4 cores can be configured to fix some pressure in each or some of the cores and select the best back pressure exchange between the cores to maximize recovery.
幾つかの実施形態として、負荷印加を必要とするコアへの放出の準備として小型蓄圧器に蓄積された圧力を貯蔵して、加熱速度、ゆえに達成されるSMAの最終温度を確実に最高にすることが必要である。 In some embodiments, it may be necessary to store the built-up pressure in a small pressure accumulator in preparation for release into the core when loading is required to ensure that the heating rate, and therefore the final temperature of the SMA, is maximized.
仕事回収をさらに促進するため、タンクに排出された圧力の一部を使用するのに逆増圧器が利用され得る。理想的な4コアシーケンスの場合に、タンクに排出される(ゆえにポンプにより補充される必要のある)圧力は、(システムが安定化すると)コアの最初の圧力の25%である。バルブのうち一以上の起動は、コアの一部の圧力を固定するとともに、コア間における最良の排圧往来を選択して回収を最大化するように構成され得る。 To further enhance work recovery, a back booster can be used to use a portion of the pressure discharged to the tank. In the case of an ideal four-core sequence, the pressure discharged to the tank (and therefore needs to be replenished by the pump) is 25% of the initial pressure of the core (once the system has stabilized). The actuation of one or more of the valves can be configured to fix the pressure in a portion of the core and select the best back pressure exchange between the cores to maximize recovery.
逆増圧器は、図7に示されているように圧力を受ける二つの相互接続エリアを利用する。大きい表面と小さい表面エリアとの比は、装置の利用により達成される理想的な圧力上昇を表している。 The reverse booster utilizes two interconnected areas that are subjected to pressure as shown in Figure 7. The ratio of the larger surface area to the smaller surface area represents the ideal pressure increase that can be achieved by utilizing the device.
圧力「増圧」のコストは体積の損失である。このようなシステムは、タンクに排出される油圧流体と高い圧力を必要とするシーケンス内の次のコアとの間で使用され得る。そしてシステムは、タンクに排出される排圧を減少させながら、続くコアの圧力を上昇させる。これはシステム効率を高める。4コアシーケンスの最終結果は、油圧ポンプから入力される必要な仕事を好適にシフトすることであろう。 The cost of pressure "boosting" is volume loss. Such a system can be used between hydraulic fluid being discharged to tank and the next core in the sequence requiring higher pressure. The system then increases the pressure of the following core while reducing the back pressure discharged to tank. This increases system efficiency. The end result of a four-core sequence would be a favorable shift of required work input from the hydraulic pump.
上述の式1を考えると、上述の4コアシーケンスシステムは75%の最大仕事回収率を達成し、25%が損なわれて仕事入力として補充される必要がある。逆増圧器は、最大仕事回収率を>75%まで上昇させ、それゆえ損失は<25%である。 Considering Equation 1 above, the four-core sequencing system described above achieves a maximum work recovery of 75%, with 25% being lost and needing to be replenished as work input. The reverse booster increases the maximum work recovery to >75%, therefore the loss is <25%.
マルチコアシーケンスでの単一の増圧器は回転時に使用され、その使用法の周期的性質ゆえにシステムの各コアに単一の増圧器が装着される必要はない。 A single intensifier in a multicore sequence is used at rotational speed, and due to the cyclical nature of its usage, it is not necessary to have a single intensifier installed on each core in the system.
増圧器の使用に代わる選択肢は、油圧モータおよび発電機の設定で残余圧力を活用することであり、圧力は有効電気に変換され、システムを作動させるのに必要な電気負荷を相殺する。 An alternative to using a pressure intensifier is to utilize the residual pressure in a hydraulic motor and generator setup, where the pressure is converted into useful electricity, offsetting the electrical load required to run the system.
[油圧実施形態]
図8は、負荷除去コアからの油圧流体が油圧ポンプの入口に直接給送される実施形態を図示している。最初に流体が高圧で流入して、コアが充分に負荷除かれる際に徐々に減少するので、ポンプにより必要とされる圧力差が減少する。
[Hydraulic embodiment]
8 illustrates an embodiment in which hydraulic fluid from the unloading core is pumped directly to the inlet of a hydraulic pump. The pressure differential required by the pump is reduced as the fluid initially enters at high pressure and gradually decreases as the core is fully unloaded.
図8によれば、2つのコア20とコア21の油圧シリンダはバルブ22を通して連結されている。一方のコアは、負荷除かれると、上述の実施形態と同様に、最初に圧力および流体を第2コアへ直接供給する。圧力が均等になると、残りの流体が油圧ポンプ24の入口23へ送られて、流体圧力を上昇させ、必要とされる残りの圧力を負荷印加コアに供給する。この実施形態は、仕事回収を達成するのに必要とされるバルブの数を減少させる。この構成以外に、多数のバルブが回路で使用されてコア間での直接供給を増加させ、油圧モータの動作流量を減少させてもよい。
According to FIG. 8, the hydraulic cylinders of the two
図9は、望ましくない時にコアからの背圧印加を防止するために、単一の油圧ポンプ30と、コア間の単一の圧力分散リンクバルブ31と、油圧チェックバルブ32とを利用する、8つのコアが示されたマルチコアシステムを図示している。この実施形態で、各コアは1/8ずつ位相がずれて作動し、油圧ポンプへの一定供給を確実にするとともに、油圧ポンプからの一定供給を確実にする。 Figure 9 illustrates a multi-core system with eight cores shown utilizing a single hydraulic pump 30, a single pressure distribution link valve 31 between the cores, and hydraulic check valves 32 to prevent back pressure from the cores when not desired. In this embodiment, each core operates 1/8 out of phase to ensure a constant supply to the hydraulic pump and to ensure a constant supply from the hydraulic pump.
図10は、コアの交差を伴わない単一のポンプを通して4つのコアがどのように作動するかを図示しており、チェックバルブの必要性が除去され、それゆえシステムの効率はさらに高い。図10は、各々が入れ子状の4コア構成のための単一のポンプを備えて単一モータにより作動する12コアの回路を示している。 Figure 10 illustrates how four cores operate through a single pump with no core crossovers, eliminating the need for check valves and therefore making the system more efficient. Figure 10 shows a circuit with 12 cores, each operated by a single motor with a single pump for a nested four-core configuration.
図11は、単一のポンプのみを備える幾つかの交差バルブを利用し、各コアが1/12ずつ位相がずれて作動する12コアシステムを図示している。最後の流体が再循環のために油圧ポンプに供給される前に、圧力を直接分散するのに5つのコアが使用される。 Figure 11 illustrates a 12-core system utilizing several crossover valves with only a single pump, with each core operating 1/12 out of phase. Five cores are used to distribute pressure directly before the final fluid is fed to the hydraulic pump for recirculation.
[ヒートポンプ負荷制御実施形態]
図12は、一実施形態における、材料応力とひずみのポイントからの図2の動作サイクルを図示している。ポイント6~1の間で、材料応力が上昇する。しかしながら、負荷はマルテンサイト相の作動ポイント(Ms’)は作動させずに、そうすることで熱回収回路に熱が排出され、それゆえシステムの効率を低下させるからである。同じことがポイント3~4にも当てはまり、ここで負荷減少によりオーステナイト作動ポイント(As’s)の始動が妨げられるが、そうすることで熱回収回路から熱を除去する。一方、ポイント1~2の間では、負荷が増加して熱排出を起こすが、等温熱の排出のため2~3の間では一定に保たれなければならない。また、ポイント4~5では負荷はAs’より下まで低下してから5~6の間で一定に保たれなければならない。
[Heat Pump Load Control Embodiment]
FIG. 12 illustrates the operating cycle of FIG. 2 from the material stress and strain points in one embodiment. Between
油圧回路でこのようなタイプの負荷プロファイルを達成するために、電子比例制御バルブ/レギュレータが、油圧または流動、それゆえ材料応力を制御するように実行される。電子比例制御バルブ/レギュレータにより、可変温度または熱需要に合わせてサイクル圧力が調節され得る。また、熱損失のために熱回収回路が再加熱されなければならない状況では、6~1の間での材料熱排出あるいは3~4の間での熱吸収を制御するのにこの装置が使用され得る。 To achieve these types of load profiles in hydraulic circuits, electronic proportional control valves/regulators are implemented to control the hydraulic pressure or flow and therefore material stress. The electronic proportional control valves/regulators can adjust cycle pressure to accommodate variable temperature or heat demands. Also, in situations where the heat recovery circuit must be reheated due to heat losses, this device can be used to control material heat rejection between 6 to 1 or heat absorption between 3 to 4.
図13は、一実施形態における、仕事回収を伴わずに単一の油圧ラムに必要な制御レベルを達成するように構成される油圧回路を示す。図13は、油圧タンク40に低圧で貯蔵されて圧力が上昇した際に油圧ポンプ41を通して給送される油圧流体を示す。この高圧流体は必要とされるまでアキュムレータ42に貯蔵される。負荷レギュレータ43は、上流/下流の両方の圧力センサおよび/または他のセンサ44の読取値を使用する制御システムにより作動する。センサ44はハウジングあるいは入口または出口に配置され得る。センサは、下流の圧力または流体を調整するのに適切な応答を判断する。下流にはソレノイドバルブ45も含まれ得る。バルブ45により油圧ラム46への圧力は負荷レギュレータに調整される、または、油圧タンク40に開放されて全ての負荷が除かれる。各サイクル中に、油圧ラム46は適時に適切な応力をコアに与える。 Figure 13 shows a hydraulic circuit configured to achieve the required level of control for a single hydraulic ram without work recovery in one embodiment. Figure 13 shows hydraulic fluid stored at low pressure in a hydraulic tank 40 and pumped through a hydraulic pump 41 when pressure rises. This high pressure fluid is stored in an accumulator 42 until needed. The load regulator 43 is operated by a control system that uses readings from both upstream/downstream pressure sensors and/or other sensors 44. The sensors 44 may be located on the housing or at the inlet or outlet. The sensors determine the appropriate response to adjust downstream pressure or fluid. A solenoid valve 45 may also be included downstream. The valve 45 regulates pressure to the hydraulic ram 46 to the load regulator or releases it to the hydraulic tank 40 to remove all load. During each cycle, the hydraulic ram 46 applies the appropriate stress to the core at the right time.
図13の代替方式として、シリンダが1本より多く必要とされる構成が図14に示されている。この構成では、ソレノイドは3箇所に配されている。バルブを左端へ移動させると、メインレギュレータから右コアへ負荷が印加されて、左コアでは負荷が完全に除かれる。右端に移動すると、負荷が左ラムにかかって、右から負荷が完全に除かれる。バルブが中央に配置された場合には、全てのポートが閉止される。コアの間の第2レギュレータは、図12ではポイント3~4と6~1における仕事回収のため、コア間の負荷印加を制御するのに使用され得る。レギュレータの位置は、各コアの圧力センサの読取値と、可能であれば温度および時間を使用する制御システムにより制御される。 As an alternative to Figure 13, where more than one cylinder is required, a configuration is shown in Figure 14. In this configuration, the solenoids are located in three locations. Moving the valve to the far left applies a load from the main regulator to the right core and completely unloads the left core. Moving to the far right loads the left ram and completely unloads the right. When the valve is in the center position, all ports are closed. A second regulator between the cores can be used to control the load application between the cores for work recovery at points 3-4 and 6-1 in Figure 12. The regulator position is controlled by a control system that uses pressure sensor readings on each core and possibly temperature and time.
本明細書に記載のヒートポンプシステムおよび方法は多くの用途を有して、暖房(空間暖房、熱ボイラーシステム、または温水)、冷房(空調水冷クーラ、プロセス冷房)、可逆的な暖房および冷房(建物または自動車の用途)、冷凍(家庭用または商業用/小売用)極低温冷却に使用され得る。ヒートポンプシステムおよび方法は、何らかの冷暖房システムに効果的に適用することができる。 The heat pump systems and methods described herein have many applications and can be used for heating (space heating, thermal boiler systems, or hot water), cooling (air conditioning water coolers, process cooling), reversible heating and cooling (building or automotive applications), refrigeration (domestic or commercial/retail), and cryogenic cooling. The heat pump systems and methods can be effectively applied to any heating and cooling system.
本明細書において、「備え、備える、構成される、構成されている」という語句またはその任意の変形、ならびに「含み、含む、含まれる、含んでいるという語句またはその任意の変形は、相互に置き換え可能であり、可能な限り広い解釈が与えられるべきである。 In this specification, the words "comprise, comprise, comprised, comprised of" or any variations thereof, and the words "include, include, include, including, comprised of, any variations thereof, are interchangeable and should be given the broadest possible interpretation.
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、構成や詳細について種々変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made to the configuration and details.
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