(57)【要約】冷却装置用エバポレータは、少なくともその管群の一部がプール内に浸された管束を有しており、ここでプールは液体冷媒と潤滑剤の双方を含む。液体冷媒及び潤滑剤は、第一のプール位置にてプールへと滴下される。プール内で起こる冷媒気化によって、プール内の潤滑剤を、プールへの滴下位置から第二のプール位置へと移動させるためのフローパターンが確立され制御される。
2005502016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェル型および管状のエバポレータであって、
シェルと、
前記シェル内の液体プールであって、前記プール内の前記液体が液体冷媒及び潤滑剤を含む液体プールと、
前記シェル内に水平方向に走る管束であって、少なくとも前記管束の管群の一部が、熱交換を目的として前記プール内に浸されている管束と、
第一のプール位置で、前記プールへと液体冷媒及び潤滑剤を含む液体を滴下させるための装置であって、前記液体滴下のための装置が、前記プールの前記界面より上に配置されており、上方より前記プールへと液体冷媒及び潤滑剤を滴下させることを特徴とする装置と、
第２のプール位置に配置されている潤滑剤のアウトレットであって、前記第２のプール位置は、前記第１のプール位置より離れて配置されており、また前記プール内で、前記プールよりの前記冷媒の蒸発の結果として潤滑剤が流入する位置であることを特徴とする潤滑剤アウトレットとを含むエバポレータ。
【請求項２】
少なくとも前記管束の前記管群の大部分が前記プールに浸されていることを特徴とする請求項１のエバポレータ。
【請求項３】
前記第１のプール位置が、通常は前記プールの一端であり、前記第２のプール位置が通常は前記一端とは反対側の前記プールの他端であることを特徴とする請求項２に記載のエバポレータ。
【請求項４】
更に、前記第２のプール位置に近接して潤滑剤濃度を高めるべく、前記第１及び第２のプール位置の間に配置された装置を含むことを特徴とする請求項３に記載のエバポレータ。
【請求項５】
前記潤滑剤のアウトレットが、界面より下で前記プールに連通しており、また潤滑剤濃度を上げるための前記装置が、前記プール内に浸された前記管束の前記管群の少なくとも一部分によって貫通されたバッフルを含むことを特徴とする請求項４に記載のエバポレータ。
【請求項６】
液体を滴下するための前記装置が液体−気体セパレータであって、前記液体−気体セパレータが、前記プールの前記界面より上の前記シェルの前記内部へと気化冷媒を放出することを特徴とする請求項５のエバポレータ。
【請求項７】
前記バッフルは前記プールの前記界面上に突出しており、また前記管束の前記全ての管によって貫通されていることを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項８】
前記バッフルが、前記第１のプール位置が存在する前記プールの前記端部より離れる方向に、前記プールの長さの少なくとも４分の３の位置に配置されることを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項９】
前記プールの前記長さの前記少なくとも４分の３の位置までの潤滑剤濃度が、残りの４分の１の部分の前記潤滑剤濃度の半分よりも低いことを特徴とする請求項８に記載のエバポレータ。
【請求項１０】
前記バッフルが、前記第１の位置における前記プール端部より離れる方向へと前記プール長さの少なくとも８５％の位置に配置され、前記プールの長さの前記８５％の部分における前記潤滑剤平均濃度は、前記プールのその他部分における平均潤滑剤濃度と比較して少なくとも３倍は低いことを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項１１】
前記バッフルが、前記管束の複数の管群によって貫通されるカットアウトを有し、前記カットアウトが前記第２のプール位置が存在する前記プールの前記一部分への潤滑剤のための主要な入り口であることを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項１２】
前記バッフルが、前記管束の前記管群によって貫通されることのない１つ若しくは複数の開口を有することを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項１３】
更に、潤滑剤濃度を高めるべく、前記バッフルの上流側に少なくとも１つの流れ制御用バッフルを有し、前記少なくとも１つの流れ制御用バッフルが前記潤滑剤濃縮用バッフルの前記プールの上流側における流れを、前記潤滑剤濃縮バッフルへ向かう方向に非直線経路を取るようにしむけ、前記管束の前記管群と前記プール内の液体冷媒との接触距離を延長させることを特徴とする請求項５に記載のエバポレータ。
【請求項１４】
前記冷媒アウトレットが、前記プールの前記界面より上に存在することを特徴とする請求項１に記載のエバポレータ。
【請求項１５】
前記第１のプール位置が通常は前記プールの一端であり、また前記第２のプール位置が通常は前記プールの他端であって、前記潤滑剤アウトレットが前記第２のプール位置で、かつ前記プールより上の所定高さに配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のエバポレータ。
【請求項１６】
前記管束の前記管群が、前記プールに浸されていることを特徴とする請求項１５に記載のエバポレータ。
【請求項１７】
更に、前記第１及び前記第２のプール位置の間で前記プールに配置されたバッフルを有し、前記バッフルが前記第１の位置よりも前記第２の位置に近接して配置されており、前記管束の前記管群によって貫通されていることを特徴とする請求項１６に記載のエバポレータ。
【請求項１８】
前記バッフルが、前記管束の管群によって貫通されることのない複数の開口を有することを特徴とする請求項１７に記載のエバポレータ。
【請求項１９】
前記管束の前記管群の少なくとも半分が、前記プールの前記界面より上に配置されており、更に、前記プールの前記界面より上に配置された前記管束の前記一部分の上部へと液体冷媒及び潤滑剤を滴下させるためのディストリビュータを含むことを特徴とする請求項１に記載のエバポレータ。
【請求項２０】
前記潤滑剤アウトレットが前記界面より低い位置で前記プールと連通し、前記第１のプール位置が通常は前記プールの一端であり、前記第２のプール位置が通常は他端部であることを特徴とする請求項１９に記載のエバポレータ。
【請求項２１】
前記液体滴下装置が、前記プールの前記界面より上に設けられた前記管束の前記一部の下側に設けられることを特徴とする請求項２０に記載のエバポレータ。
【請求項２２】
液体を滴下するための前記装置が、その長さ方向に沿ってエッジ部を有し、前記エッジ部が前記シェルの内部側面より離隔配置されており、そのことによって、前記プールよりそこを通って上方へと向かう気化冷媒ガスの流れを可能とし、また前記プールの前記界面より上に配置された前記管束の前記一部分の前記外側に沿った流れも可能とすることを特徴とする請求項２１に記載のエバポレータ。
【請求項２３】
前記ディストリビュータが、前記シェルの前記内部へと二層状態冷媒及び潤滑剤の混合物を分布させることが可能なことを特徴とする請求項２１に記載のエバポレータ。
【請求項２４】
更に、前記第２のプール位置で潤滑剤濃度を高めるための装置を有することを特徴とする請求項２１に記載のエバポレータ。
【請求項２５】
潤滑剤濃度を高めるための前記装置がバッフルを含み、前記バッフルが前記プール内に配置され、また前記第１及び前記第２のプール位置の間で挿入されていることを請求項２４に記載のエバポレータ。
【請求項２６】
通常、前記バッフルは、前記第２のプール位置が存在する前記プールの前記端部に配置されており、前記プールに浸された前記管束の前記管群で貫通されていることを特徴とする請求項２５に記載のエバポレータ。
【請求項２７】
前記潤滑剤のアウトレットが、前記プールの前記界面より上に設けられることを特徴とする請求項１９に記載のエバポレータ。
【請求項２８】
シェル型で管型のエバポレータであって、
シェルと、
液体冷媒及び潤滑剤を含む、前記シェル内の液体プールと、
前記プールの前記界面より上に所定の高さで配置された潤滑剤アウトレットとを含むエバポレータ。
【請求項２９】
更に、管束と液体滴下装置とを含み、
前記液体が冷媒及び潤滑剤を含み、その滴下は前記液体プールの前記界面へと上方よりなされ、前記管束の前記管群が前記シェル内で水平方向に走っており、また前記管群の少なくとも一部が前記プールに浸されており、前記液体滴下装置が前記シェル内に配置され、前記潤滑剤アウトレットから離れた位置にて前記プールへと液体を滴下することを特徴とする請求項２８に記載のエバポレータ。
【請求項３０】
前記潤滑剤アウトレットが、前記プールの前記界面上に潤滑剤を多く含む泡が生じがちな位置に設けられることを特徴とする請求項２９に記載のエバポレータ。
【請求項３１】
前記プールへと液体が滴下される前記位置と前記潤滑剤のアウトレットの位置とが、通常は各々前記シェルの反対側端部であることを特徴とする請求項３０に記載のエバポレータ。
【請求項３２】
前記管束の前記管群の少なくとも大部分が、前記プール内に浸されていることを特徴とする請求項３１に記載のエバポレータ。
【請求項３３】
更に、前記潤滑剤アウトレットが配置されている前記シェルの前記端部にて、前記液体プールの前記一部の潤滑剤濃度を高くする装置を含む請求項３２に記載のエバポレータ。
【請求項３４】
前記界面上方より前記プールへと液体を滴下するための前記装置が、前記シェル内に配置された液体−気体セパレータを含むことを特徴とする請求項３３に記載のエバポレータ。
【請求項３５】
潤滑剤濃度を高める前記装置がバッフルを含み、前記バッフルが前記プール内に配置され、また前記プール内に浸された前記管束の前記管群の少なくとも一部によって貫通されることを特徴とする請求項３３に記載のエバポレータ。
【請求項３６】
前記バッフルが、前記液体滴下装置が前記プールへ前記液体を滴下する位置よりも前記潤滑剤のアウトレットに近い方の位置にて、前記プール内に配置されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記管束の前記管群の半分以上が前記プールの前記界面よりも上に配置され、更にディストリビュータを有し、前記ディストリビュータが前記プールの前記界面より上にある前記管束の前記管群の一部の上方に設けられ、前記液体滴下装置が前記プールの前記界面よりも上にある前記管束の前記管群の一部より下方、前記プールの前記界面よりも上方にて配置されていることを特徴とする請求項３１に記載のエバポレータ。
【請求項３８】
前記液体滴下装置がキャッチパンであって、前記キャッチパンが、前記プールの前記界面よりも上に配置された前記管束の一部の外側側面に沿って前記プールより上方へと蒸発する冷媒ガスが流れることが可能なように配置されていることを特徴とする請求項３７に記載のエバポレータ。
【請求項３９】
更に、潤滑剤アウトレットに近接して、前記プール内部で潤滑剤濃度を上げるバッフルを含むことを特徴とする請求項３８に記載のエバポレータ。
【請求項４０】
冷却装置であって、
コンプレッサと、
コンデンサと、
膨張装置と、
エバポレータと、
前記エバポレータの潤滑剤アウトレット及び前記コンプレッサと連通する、潤滑剤を前記エバポレータより除去するための装置とを含み、
前記エバポレータが、シェルと、液体プールと、第１のプール位置において前記プールへと液体冷媒及び潤滑剤を滴下するための装置と、水平方向に走る管束と、潤滑剤アウトレットとを含み、前記プールが前記シェル内部に配置され、前記プール内の前記液体が液体冷媒及び潤滑剤を含み、前記液体滴下装置が前記シェル内の前記プールの前記界面よりも上に配置され、上方より前記プールへと液体冷媒及び潤滑剤を滴下しており、前記管束が前記シェル内に配置され、前記潤滑剤アウトレットが第２のプール位置に配置され、前記第２のプール位置が前記第１のプール位置から離隔しており、また前記プールよりの冷媒蒸発の結果、前記プール内の潤滑剤が流出する位置であることを特徴とする冷却装置。
【請求項４１】
前記管束の前記管群の少なくとも大部分が前記プール内で浸されており、また前記第１のプール位置が通常は前記プールの一端にあり、また前記第２のプール位置が通常は前記プールの他端にあることを特徴とする請求項４０に記載の冷却装置。
【請求項４２】
更に、前記第２のプール位置に近接して潤滑剤濃度を上げるためのバッフルを有し、前記バッフルが前記プールにおいて浸されている前記管束の前記管群の一部で貫通されていることを特徴とする請求項４１に記載の冷却装置。
【請求項４３】
液体を滴下させるための前記装置が前記管束の上方に配置され、また前記潤滑剤のアウトレットが前記界面より下側で前記プールと連通していることを特徴とする請求項４２に記載の冷却装置。
【請求項４４】
前記潤滑剤のアウトレットが、前記プールの前記界面より上で前記エバポレータの前記シェル内部と連通することを特徴とする請求項４２に記載の冷却装置。
【請求項４５】
前記管束の前記管群の少なくとも半分が前記プールの前記界面よりも上に配置されており、更に通常は前記プールの界面より上に設けられた前記管束の前記一部分の長さ及び幅に渡って上方に配置されたディストリビュータを含み、前記プールへと前記液体滴下装置が、通常は前記プールの前記界面より上に設けられた前記管束の一部分の長さ及び幅に渡って下方に配置されていることを特徴とする請求項４０に記載の冷却装置。
【請求項４６】
前記第１のプール位置が通常は前記プールの一端であり、前記第２のプール位置が通常は前記プールの他端であり、前記潤滑剤アウトレットが前記第２のプール位置に近接して前記プールの前記界面よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項４５に記載の冷却装置。
【請求項４７】
前記第１のプール位置が通常は前記プールの一端であり、前記第２のプール位置が通常は前記プールの他端であり、前記潤滑剤アウトレットが前記第２のプール位置に近接して前記プールの前記界面よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項４５に記載の冷却装置。
【請求項４８】
液体を滴下するための前記装置がキャッチパンを含み、前記キャッチパンが前記第１のプール位置にて前記プールへと液体を滴下するべく傾けられていることを特徴とする請求項４５に記載の冷却装置。
【請求項４９】
更に、前記第１及び前記第２のプール位置の間で前記プール内に配置されたバッフルを有し、前記バッフルが前記第２の位置に近付くにつれて潤滑剤濃度を高め、また前記プールの前記界面より下に配置された前記管束の前記管群の一部によって貫通されていることを特徴とする請求項４５に記載の装置。
【請求項５０】
冷却装置のシェル型かつチューブ型のエバポレータより、潤滑剤を循環させるための方法であって、
前記エバポレータ内に、前記管束の前記管群の少なくとも一部が浸された液体プールを保持する過程と、
前記冷却装置の前記膨張装置より前記エバポレータの内部へと液体冷媒及び潤滑剤の混合物を流し込む過程と、
前記流し込む過程で前記エバポレータ内部へと届けられた液体冷媒及び潤滑剤を、一般的には第１のプール位置で上方より前記プールの前記界面上へと滴下させる過程と、
前記第１のプール位置から離れた前記プール内の第２のプール位置へと、前記第１のプール位置から離れる方向に潤滑剤を流すべく前記プールより冷媒を蒸発させる過程と、
前記第２のプール位置近辺で前記プールより潤滑剤を回収する過程とを含む方法。
【請求項５１】
更に、潤滑剤が前記第２のプール位置に近接して濃度を高める過程を含む請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記エバポレータの前記管束の前記管の少なくとも大部分が前記プールに浸され、前記濃縮過程がバッフルを設置する過程を含み、それは前記プール内に浸された前記管束の前記管の一部によって貫通されており、前記第１及び第２のプール位置の間に設けられることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記引き込み過程が、前記界面より下で、前記プールより潤滑剤を回収する過程と、回収した潤滑剤を前記冷却装置の前記コンプレッサへと送る過程とを含むことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記引き込み過程が、前記界面より上で、前記プールより潤滑剤を回収する過程と、回収した潤滑剤を前記冷却装置の前記コンプレッサへと送る過程とを含むことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記エバポレータの前記管束の前記管群の多くが前記プールの前記界面より上に設置されており、更に、前記プールの前記界面より上に設けられた前記管束の前記一部分の長さ及び幅に渡って、通常その上部に冷媒及び潤滑剤を含む液体を分布させる過程と、また前記滴下過程に先立って、前記プールの前記界面より上に設けられた前記管束の前記一部を介して下向きに流れる液体冷媒及び潤滑剤を採取する過程とを含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記回収する過程が、前記界面より下で、前記プールより潤滑剤を回収する過程と、回収された潤滑剤を前記冷却装置の前記コンプレッサへと届ける過程とを含む請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記回収する過程が、前記界面より上で、前記プールより潤滑剤を回収する過程と、回収された潤滑剤を前記冷却装置の前記コンプレッサへと届ける過程とを含む請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記回収する過程が、前記プールの前記界面より上の位置より前記プールの表面を覆う潤滑剤を多く含む泡を回収する過程と、少なくとも前記泡の前記潤滑剤部分を前記コンプレッサへと届ける過程とを含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に用いられるエバポレータに関する。さらに詳しくは、本発明はエバポレータシェルに見られる液体プール内の流れパターンが前記プールより冷却装置システムのコンプレッサへの潤滑剤の戻りを可能とし、それを向上させるべく確立されまた制御されるエバポレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却装置は、冷却水を製造する装置であり、多くの場合は建物の快適な空調若しくは工業的プロセスへの適用される。そのような冷却装置は典型的には低圧から高圧へ冷媒ガスを圧縮するためのコンプレッサを採用する。そのようなコンプレッサから放出される高圧ガスは、冷却装置コンデンサへと送られ、そこで冷却されて液体へと濃縮される。
【０００３】
冷媒は、次にコンデンサから膨張装置へとおくられ、また膨張装置を介して送られる。ここで、膨張装置は冷媒の圧力を下げ、またその膨張過程によって更に冷媒を冷却する。膨張装置より、冷媒がシステムエバポレータへと送られる。そこでは、冷却装置を冷却するためのヒートロードよりエバポレータへと運ばれてきた熱が吸収される。エバポレータで起こる熱交換の結果、冷媒が気化してコンプレッサへと戻され、そこでサイクルが繰り返される。
【０００４】
冷凍冷却装置で用いられるコンプレッサの性質から、そのようなコンプレッサで用いられる潤滑剤の一部（多くの場合オイル）が、コンプレッサより放出される冷媒ガスの流れへと入る。少なくとも幾らかのそのような潤滑剤が、コンプレッサより放出される冷媒ガスの流れに混入してシステムコンデンサへともたらされる。コンプレッサより放出されたガスの流れより潤滑剤の大部分を取り除くべく様々な種類のオイルセパレータ及びオイル分離スキームが採用されるが、少なくとも比較的僅かな潤滑剤がシステムコンデンサへと流入する。
【０００５】
冷却装置コンデンサへと送られた熱い冷媒ガスが濃縮されると、コンデンサへと送られた幾らかの潤滑剤と共に冷媒がその底部分に貯まる。また空冷式コンデンサの場合は、蒸気が冷媒の流れの結果としてコンデンサより出される。濃縮された冷媒及びオイルは、次に上述したようにコンデンサより膨張装置を介して流れ、冷却装置のエバポレータへと流れる。冷却装置エバポレータへと運ばれた潤滑剤が連続的にエバポレータよりコンプレッサへと戻されないとすると、潤滑剤がエバポレータ内部に貯まってしまい、コンプレッサは最終的にオイル欠乏になり得る。更には、潤滑剤の濃度はエバポレータ内部で高くなり、エバポレータの温度性能が段々と悪くなる。
【０００６】
近年、エバポレータ及び冷却装置システムの設計が著しく変化し、それは第１には冷却装置の全体的な効率を向上させるためのものである。しかし、それは所与の許容量の冷却装置での使用が要求される冷媒量を削減するためのものでもある。冷却装置設計において、多くの局面でそのような変化が見られる。そのような変化のとくに優れたものうちの２つが、とりわけ７０トンから５００トンの冷媒許容量範囲にある冷却装置システムで使用されるエバポレータ及びコンプレッサ双方の種類及び性質に関連している。
【０００７】
この点に関して、これまでは、いわゆる満液型エバポレータが、許容量の大きなレシプロエンジン冷却装置、または許容量の小さな円心冷却装置のような、７０−５００トンの冷媒許容量の冷却装置システムで用いられてきた。１９８０年代後半から１９９０年代の初頭にかけては、スクリュー型のコンプレッサが開発され、そのような冷媒許容量の冷却装置で採用された。そのような冷媒許容量の冷却装置では、多くの点で小さな円心型のコンプレッサや大きなレシプロエンジン型コンプレッサが優れているが、一方で、その性質から、放出スクリュー型のコンプレッサはそこから放出された気体の流れに、比較的多量のオイルへを混入させてしまう。結果として、スクリュー型コンプレッサを採用する冷却装置システムでの、オイルの分離、処理、及び戻りは、より複雑であって綿密に管理される。
【０００８】
１９９０年代中頃、通常は７０トンから５００トンの許容量を有する或る冷却装置において、エバポレータ技術が発達し、結果として、いわゆる流下薄膜型技術を採用することとなった。冷媒冷却装置において用いられる冷媒が高価であることから、流下薄膜型エバポレータデザインへの変更は或が程度実行された。それは、その性質から、同じ許容量の冷却装置に於いて、流下薄膜型エバポレータで用いられる冷媒の量が、満液型エバポレータで用いられる量と比較して少ない。
【０００９】
この点に関して、満液型エバポレータはがより多額の冷媒費用を要求するものである。なぜなら、エバポレータシェルがエバポレータの管束の管の全て若しくはその大部分を浸すからである。これに対して流下薄膜型エバポレータでは、液体冷媒が分散され、またその長さ及び幅に渡って通常上方より管束の上へと少量ずつ滴下される。そのような液体冷媒がフィルム状に管束を通って下向きに滴下され、比較的少量の管束の管群がエバポレータシェルの底部分の液体冷媒プールに浸されている。結果として、ここが、著しい冷却装置の冷媒費用削減となる。しかし、満液型及び流下薄膜型エバポレータの双方のケースで、潤滑剤はそこに見られるプールやエバポレータシェルの内部へと流入しない。
【００１０】
流下薄膜型エバポレータが高効率で、また冷却装置システムの冷媒費用を削減するにも関わらず、それらの採用は、冷却装置の冷媒費用を削減することによって得られる費用効果と相殺する関連費用及び複雑性が伴ってしまう。このことは、とりわけ７０から５００トンの許容量のうち低い部分で正しい。その他、そのような複雑性とは、オイルが流下薄膜型エバポレータよりシステムコンプレッサへと戻るプロセスや装置に関連しており、効率性のため、そのようなエバポレータにおいて管束の長さ及び幅に渡って液体冷媒の一様分布を可能とする必要性に関連している。
【００１１】
冷却装置システムにおける流下薄膜型エバポレータの採用に関連する複雑性及び費用の高さを理由として、また一般的にはとりわけその７０トンから５００トンの許容量の低い部分に於ける、システム全体の効率化及び削減された冷媒費用という観点でのその利用の利点にもかかわらず、比較的シンプルであり、及び／または安価な、同等、若しくはより優れた利点と効率の、更に改良され、及び／または差別化されたエバポレータ設計が必要とされている。
【発明の開示】
【発明の効果】
【００１２】
本発明が目的とするのは、経済的かつ温度性能的及び設計の点で効率的な冷却装置のためのエバポレータを提供することであって、またその操作がシステムコンプレッサのオイルの戻り過程を向上させるものである。
【００１３】
本発明の更なる目的は、とりわけ冷却装置のエバポレータにおいて見られる液体冷媒及びオイルのプール内で発生する流れのパターンを確立することであり、またそのような流れが、予定位置でプール内オイル濃度を高くするべく流れを積極的に処理することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、その動作で潤滑剤を所定位置へと送り、エバポレータシェル内部の浸された管群表面の大部分においてまたその周辺で比較的低いオイル濃度が維持されることによって熱効率を向上させる冷却装置エバポレータを提供することである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、シェルの底部分での液体プール内のオイルの動きパターンが確立されそれによってオイルが容易に除去可能な位置へと届けられるように、エバポレータシェル内の液体冷媒の流れを制御することによって冷却装置のエバポレータにおける高い熱性能及び優れた潤滑剤処理を達成することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、媒体許容量に対して小さな冷却装置システム用エバポレータを提供することであって、通常、それは一方では満液式のエバポレータとしてカテゴライズされてもよい流下薄膜型エバポレータの装置及び概念を適用することで、流下薄膜型エバポレータよりも安価に製造され、温度性能の点では通常それと等しく、またオイル濃度が高くなって冷却装置のコンプレッサへのオイル戻りを促進させるべく機能し得るものである。
【００１７】
本発明の更に別の目的は、比較的大きな許容量に対する媒体の冷却装置システムエバポレータを提供することであって、液体プールへと流入する前にエバポレータシェルの一端へと液体冷媒を移す装置を有する流下薄膜型エバポレータに主に関連しており、エバポレータシェル及び装置底部の液体プール内の流れを採用することによって、現在の流下薄膜型エバポレータの熱効率以上である一方、効果的な潤滑剤処理及び潤滑剤戻りを達成するものである。
【００１８】
本発明のこれら目的及びその他目的は、好適実施例の詳細な説明及び添付された図面を参照することで明らかとされ得る。それは、冷媒がその内部の液体プール及び管束の双方の上方のエバポレータシェルへと送られ、また、そこに含まれる潤滑剤が通常所定プール位置で潤滑剤を濃縮するように流れ制御される液体プールの一端へと冷媒及び冷却剤が滴下される冷却装置システムによって達成される。この点に関し、プール内における液体冷媒の蒸発は、液体冷媒及び潤滑剤がプール界面上へと滴下される位置より離れる方向になる。エバポレータシェル内部の液体プールが常にシェル一端より他端へと向かう方向に管理された動きであるので、プールにおける潤滑剤は液体プールの大部分でオイル濃度は比較的低くなるように、プール内における或る所定の位置へと連続的に流される。液体プールの長さ方向に亘ってその大部分で潤滑剤濃度を比較的低くすること、及び潤滑剤が比較的容易に除去される所定プール位置での潤滑剤濃度を高くすることによって、エバポレータの温度効率が高く保たれ、一方ではシステムコンプレッサへのエバポレータよりのオイルの戻りが単純化かつ向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
最初に図１を参照すると、冷却装置１０はコンデンサ１２、膨張装置１４、エバボレータ１６、及びモータコンプレッサ１８を有する。好適実施例では、モータコンプレッサ１８は、スクリューコンプレッサ１８ａ、及びドライブモータセクション１８ｂを有し、そこには点線で示されているようなモータ１８ｃが配置されている。コンプレッサ１８Ａは、エバボレータ１６よりの冷媒ガスを圧縮し、コンデンサ１２へと高温・高圧力で放出する。
【００２０】
コンデンサ１２へと届けられたガス状冷媒は冷却され、圧縮されて、膨張装置１４へと送られ、また装置１４を介して送られる。膨張装置１４を介した冷媒の流れでは、冷媒の圧力低下がおこる。そのような圧力低下が冷媒の一部を気化させ、更にはそのことが冷媒を冷却する。次に冷媒は、比較的冷却された二相混合物の形態でエバボレータ１６へと流入し、そこで起こる熱交換の結果として冷媒が過熱、気化され、モータ１８ｃを冷却する方法でコンプレッサのモータセクション１８ｂを介して戻された後、モータコンプレッサ１８のコンプレッサ１８ａへと戻される。
【００２１】
実際、圧縮サイクルを採用するすべての冷却装置システムでは、システムコンプレッサ内でオイルのような潤滑剤が使用される。遠心もしくはスクロールコンプレッサを採用する冷却装置の場合、潤滑剤の目的は典型的にはベアリングの潤滑であり得る。ここで冷却装置がギアドライブ型のものである場合は、潤滑剤がまた冷却装置のドライブトレインを含むギアを潤滑させる目的で用いられる。冷却装置がスクリュー型のコンプレッサを採用するタイプである場合は、潤滑剤は追加的な目的のために用いられる。それら追加的な目的には、コンプレッサ内の圧力に耐えるように冷媒ガスを冷却することや、スクリューロータ及びそれらのエンドフェースの間のクリアランスギャップをシールし、またロータがハウジングされる作動チャンバーをシールすることがある。
【００２２】
実際のところ、更に、コンプレッサを採用する全ての冷却装置システムにおいて、若干の潤滑剤が、コンプレッサでの圧力に耐えうる冷媒ガス内へと混入して良い。スクリューコンプレッサ型の冷却装置では、比較的多量な潤滑剤がコンプレッサ内の冷媒流に入り込み、そこより流れる。典型的には、オイルセパレータがスクリューコンプレッサ下流側に配置されてもよいが、そのようなコンプレッサを採用するシステムでは、オイルセパレータがコンプレッサ上流側に配置されてもよい。またオイルセパレータは、コンプレッサより放出されるガス流に混入する、殆どのオイルを除去し得る。しかしながら、システムコンプレッサ下流のオイルセパレータを効果的に用いるほとんどの冷却装置システムでは、用いられる幾分かの冷媒がシステムコンデンサへと向かう。
【００２３】
ここでコンプレッサ１８がスクリュー型である場合は、オイルセパレータ２０がその下流側に配置され得る。分離された潤滑剤が、ライン２０ａを通りセパレータ２０よりコンプレッサ１８のコンプレッサセクション１８ａへと戻される。セパレータ２０によって分離されることなく、システムコンデンサへと向かう潤滑剤が底部へとたまり、そこで圧縮冷媒と混合される。液体冷媒及びオイルはコンデンサ１２より流出し、膨張装置１４を通り、またシステムエバボレータへと流れる。
【００２４】
ここで図２及び図３を追加的に参照すると、媒体許容量に関し一般的に小規模な冷却装置／エバポレータでとりわけ適用可能で費用効果のある本発明の好適な実施例において、エバポレータ１６がシェル２２を有し、そこでは水平方向に走る管束２４が設けられている。管束２４は、冷却媒体が流れる管２６を複数有する。そのような冷却媒体は典型的には水であってもよいが、インレット２８を介してエバポレータ１６へと流入し、またアウトレット３０を介してそこより流出する。
【００２５】
注意して頂きたいのは、インレット２８及びアウトレット３０がシェル２２の両端部にあるので、エバポレータ１６が、１−パス、３−パス、又はその他奇数−パスエバポレータであり、このことは管束を介した冷却媒体の流れがシェルの長さに渡って下流方向へと１回、３回、又は奇数回行われることを意味する。しかしながら、エバポレータの長さに渡って下流へと最初に流れ、エバポレータの管束の別の部分の管を介して２回目に逆流が起こる場合、アウトレット３０はシェル２２のインレット２８と同じ側に配置されてもよい。そのような流れが、エバポレータ１６を、２−パスエバポレータとする。その他の偶数のパスも同様に可能である。
【００２６】
一般的に、エバポレータ１６の管束２４の管２６を介して流れる冷却媒体は、熱の除去により冷却され得る。ここで熱は、そのようなチューブの外部の、エバポレータシェル２２へと流入した冷媒へ移動する。冷却媒体は、冷却された状態でエバポレータ１６から冷却装置１０を冷却するためのヒートロードへと戻る。
【００２７】
図２の実施例では、二相状態の冷媒がインレット配管３２を介してエバポレータ１６のシェル２２内部へと送られる。インレット配管３２は、次に液体／気体セパレータ３４へと冷媒を送る。好適な実施例では、液体−気体セパレータ３４がシェル２２の内部に設けられ、それは一般的にはシェルの一端に設けられる。しかし、液体／気体セパレータ３４が、シェル２２の外部に配置されてもよい。
【００２８】
液体−気体セパレータ３４は、届けられた２相状態の冷媒混合物の液体部分から、気体部分を分離させるべく構成されており、またそのように作動する。よって、液体−気体セパレータ３４に関しては多くのデザインが考慮されるが、二相冷媒混合物の液体部分より気体部分を分離させるべく一般的に形成され作動するという本発明のエバポレータに関して、とりわけ特定のデザインが重要というわけではない。セパレータ３４を用いる目的は、混合物の液体部速度を減少させ、液体冷媒と、それと混合して届けられたいくらかの潤滑剤を、シェル２２に見られる液体プール３８の界面３６の一端上へと、低速度のしずくとして上方より滴下させることである。また、セパレータ３８は、プール３８へ混合物の液体部分が滴下する位置よりシェル２２上部領域へ向かおうとする二相混合物の気体部分の方向及びその除去により、エバポレータよりの霧状液体冷媒のキャリーオーバーを防止するというさらなる目的を有している。
【００２９】
プール３８の界面上に液体滴下を可能とするための、液体／気体セパレータ以外の装置が、本発明の精神を逸脱することなく想定されても良い。しかしながらトータルで考えると、液体プールのレベルを超えないようにシェル内部へ霧状物質を放出するような方式でプール３８の界面上へ液体冷媒及び幾分のオイルを上方から滴下させるという理由から、液体／気体セパレータの使用が好ましい。
【００３０】
セパレータ３４、及び／又はセパレータ内へと送られた二相混合物の液体部分がプール３８へと滴下される位置は、通常、実施例の図２における端部である。システム冷媒と共にエバポレータへと届けられる潤滑剤にも、同様のことが言える。液体／気体セパレータ３４によって分離されて、シェル２２の上部領域へと留められた気体は、プール３８内で発生する熱交換によって生成された気体と共にシェル２２の反対端部に回収され、また通常は少量の液体残留物を含んだ状態でコンプレッサの吸引ライン４０のインレット４４へと引き込まれる。霧状の及び／又は水滴状の液体の浸入を防ぐべく、吸引ライン４０に対してプール３８の界面３６及びインレット４４の中間にバッフル即ちシールド４２が配置されてもよい。
【００３１】
本発明の実施例における図２の好適な例では、プール３８の界面３６が、管束２４のもっとも上方にある管の僅かではあるが上であるように保たれているので、典型的な動作条件下では全て若しくは少なくとも殆どの管束のチューブがプール３８に浸されている。図２の実施例では、また、オイル遮断バッフル４６が、シェル２２の液体冷媒及びオイルがプール内へと上方から滴下される側とは反対側の端部の液体プール内に配置されている。この実施例におけるバッフル４６は、上端部４８がプール３８の界面３６の通常レベルより２〜６インチ突出する高さを有している。
【００３２】
管シート５０及び管シート５２が、シェル２２両端部に設けられている。各々のシートは、管束２４の管２６端部によって貫通されている。また、ウォーターボックス５４及び５６がシェル２２両端部に設けられている。エバポレータ１６のインレット２８はウォーターボックス５４へと接続しており、一方でアウトレット３０はウォーターボックス５６へと接続している。
【００３３】
図２の実施例において示されているエバボレータは、３−パスエバボレータである。加えて図４及び５をここで新たに参照すると、ウォーターボックス５４はパーティション５８を有し、パーティション５８が、インレット２８を介してウォーターボックスへと流入する冷却媒体を、管束２４の第1部分６０を構成する管群２６の端部への流入に制限する。冷却媒体は管束２４の管群の一部分６０を介して流れ、次に管束２４の管群の第２の部分６４へと流入するべく、シェル２４の他方の端部のウォーターボックス５６の一部分６２によって流れに制約を受ける。管束の一部６４はウォーターボックス５６への開口端部がパーティション６２より下であるが、管束の一部分６０を構成要素とする管群よりは上方にあるような管群から成る。このことで、冷却媒体がウォーターボックス５４へと二回目にシェル２２を介して戻る。
【００３４】
ウォーターボックス５４におけるパーティション５８が、次に、ウォーターボックス５４へと戻った冷媒が再び逆方向に流れ、また管束２４の第３部分６６へと入るように制限する。チューブの一部６６は、双方のパーティション５８の上側及び図４における線６２ａより上側のウォーターボックス５８内へと開放される。媒体は、次にシェル２２の長さ方向に３回目として流れ、ウォーターボックス５６へと流入して、アウトレット３０を介して底部より流出する。図２において示されたエバボレータは３−パスエバボレータであるが、複数であるパスの数はこれに限定されたものではなく、決して本発明の精神を強制または限定することはない。
【００３５】
図６をここで追加的に参照すると、オイル遮断バッフル４６が、カットアウト７４は勿論のこと複数の開口群７２を定め、及び／または、特定のアプリケーションにおいて有利であれば、複数の周縁カットアウト７６ａ及び／または第２開口群７６ｂが定められ、それらは図中で点線により示されている。開口７２は、管束２４の個別の管２６が各々貫通しているが、一方でカットアウトが適用されるならば複数の管がカットアウト７４部分を貫通する。カットアウト７６ａ及び／または第２開口７６ｂが採用される場合は、それらに管が貫通しなくてもよい。バッフル４６は、管束の管を支持するかもしれないししないかもしれない。支持しない場合は、開口７２が、それを貫通する管２６各々の外径よりもわずかに大きな直径を有しうる。
【００３６】
ここで、好適実施例におけるバッフル４６内のカットアウト７４に関し、とりわけ図３及び６を参照すると、カットアウト７４は、バッフル４６と管シート５０の管に存在して、オイル過多の流体がプール側から流入するプール３８の一部分９０への、オイルベアリング冷媒用の第1の入り口を有する。もし、第２のカットアウト７６ａが採用される場合、それらもまたバッフル４６がオイルがプール３８の一部９０へと流れることを許容し得る。同様に、第２開口７６ｂが用いられる場合は、同じようにプール３８の一部分９０へと潤滑することを許容しても良く、適切な配置が行われまた数が十分である場合は、カットアウト７４は取り除かれてもよい。オイルはまた、バッフルの開口７２を貫通するチューブを取り囲む環状空間を介して部分９０へと流入しても良いが、それはそれら開口がそのような流れを許容するサイズである場合である。一般的には、開口７２の目的が管束の各管を支持するのみである場合、それらがその目的のためだけにサイズを決定されて良く、そこを介したオイルの流れは発生しない。
【００３７】
ご存知のように、プール３８の一部分９０への液体冷媒及びオイルの流入は、バッフル４６を介して行われ、一般的には、またプール３８の界面３６のレベルがバッフルを挟んだ両側で同じであることを確実とするようには充分に制限されない。このようなプール３８の界面３６の下側での一般的制限を受けないバッフル４６を介した流れが、潤滑剤がプール３８の一部分９０へと流れるようにしむけ、バッフルの上流側のオイル濃度が所望でない値になることを防ぎ、また管束の管を通る相対的に暖かい媒体とプール３８における液体冷媒の一部との間で起こる熱交換を伴うオイル関連の障害を防ぐ。注意していただきたいのは、特定の冷却装置システムや、所望とする戻りオイル割合、及び／または次に設けられたコンディションを調整システムを有する要素によって、バッフル４６の下流側にあるプール３８の一部分９０でのオイル濃度が比較的高めでもよく、一般的には、バッフルの上流側では２％もしくはそれより低い値であるのに対して、通常約６乃至１５％あることである。更に注意していただきたいのは、好適な実施例においては、バッフル４６がホリプロピレンのような工学材料から製造されることである。
【００３８】
ここで図１、２、及び３を再び参照すると、好適な実施例では、シェル２２内部で遮断バッフル４６及びチューブシート５０の間にアウトレット７８が定められており、好適にはその位置においてプール３８の一部分の下部領域と連通するように配置されている。配管８０はアウトレット７８から装置８２へと走る。ここで装置８２は、ポンプとして概略的に示されているが、冷却装置１０が作動中の場合に、アウトレット７８を介したプール３８よりのオイル過多混合物の流れを誘引する排出装置若しくはそれに相当する装置であってもよい。その混合物は装置８２によって配管８４を介してモータコンプレッサ１８のコンプレッサ１８ａへと送られ、代替実施例としてはライン８８を介してライン２０ａに入るか、またはライン８６を介してセクションライン４０へと入る。ライン８６及び８８は図１において点線で示されているものである。
【００３９】
チューブ２６を介して流れる相対的に暖かい冷却媒体とプール３８の冷媒との間で、プール３８内において起こる熱交換によって、液体冷媒が管束２４の長さにわたって連続して気化される。この気体は、プール３８の界面３６へと気泡を生じさせ、またそれは上方へ吸引パイプ４０のインレット４４へと向かい、液体・気体セパレータ３４において分離された気体と一緒にそこに入る。プール３８における液体冷媒の連続的な気化や、流体がアウトレット７８を介してプール３８より連続的もしくは規則的に回収され、また液体冷媒がアウトレット７８が存在する側とは反対側のシェル２２端部においてのみ通常はプールへ滴下されることから、取り扱い容易でかつ予測可能な流れパターンがプール３８内で確立され、それは通常、ともに流入した液体冷媒及びオイルがプール内へ滴下されるシェル２２端部から軸方向に沿って離れる方向である。
【００４０】
プール３８への向かう潤滑剤に関しては、プール内の潤滑剤の存在がそこに浸されたチューブの熱伝達能力に逆に影響する。この低下は、通常、所与の位置におけるプール内の潤滑剤濃度に比例する。プール３８内で設定される流れパターン、及びそこよりの液体冷媒の連続的気化の結果として、潤滑剤が滴下されるプール３８の一端よりシェル他端へと潤滑剤が流れる。プール３８内における潤滑剤濃度は、液体冷媒とオイルとが最初に滴下される側のプール３８端部より離れる方向に増加してゆく。バッフル４６上流側では、濃度は通常は１％より低い値から約２％である。しかし、全体としてはバッフル４６上流側でのオイル濃度は相対的に低い。そのような位置すべての平均濃度は、通常約２％であり、典型的には約１％である。しかしながら、バッフル下流側ではほとんどの場合で、オイル濃度が少なくとも２倍、多くの場合３倍以上となる。
【００４１】
バッフル４６が、チューブシート５０より離れてシェル２２の長さにして２５％を越えない位置に配置され、好ましくはチューブシート５０より１０％から１５％ほど離れて配置されているのみなので、好適な実施例においては管束２４を構成する管群の界面領域の約８５％から９０％がオイル濃度約１％の液体冷媒に露出されていることがお分かりになろう。図２の実施例におけるエバボレータでは、管束２４のチューブ２６の界面領域の大部分が、オイルの比較的低濃度部分にたいして露出されているので、エバボレータ１６の全体としての温度性能が優れており、実際自発的に潤滑剤が流れるべく構成されていない典型的な浸水型エバボレータの温度性能と比較して高い。一般的には、図２の実施例のエバボレータは、管束が液体プール内で浸されているが、エバポレータシェル内部へと含まれる液体冷媒及びオイルの送り込みが一般的にはシェルの一端であって、また管束及びプール界面よりも上側であるような特殊な浸水型エバボレータとして特徴づけられてもよい。
【００４２】
図１から６の実施例を参照すると、エバボレータ１６へと流れる冷却媒体が初期的に管束２４の管の第１部分６０へと流れ、そのような冷却剤がエバボレータシェルへと初期的に流入するにあたってその最高温度でありうることから、管束２４の一部分６０周辺の冷媒と、そこを通って流れる冷却媒体と間の温度差が比較的大きくなる。この高い温度差は、結果として周辺の冷媒の激しい沸騰を生じ、また管束の一部分６０の管周辺のプール３８に乱れを生じてしまう。
【００４３】
冷却媒体は、管束２４の一部分６０を構成する管を介して通過したのち、管束２４を構成する管部分の一部６４を介してシェル２２の長さにわたって流れる。冷却媒体が管束２４の一部分６０を介して初期的に流れることによってある程度冷却され得るので、管束の第２部分６４を構成する管部分周辺の液体冷媒も沸騰や乱れを生じ得るが、それは管束の一部分６０を構成する管群周辺の液体がほどではない。
【００４４】
シェル２２の長さにわたって流れる冷却媒体の第３のパスでは、管束２４の管の残りの部分６６を通り、媒体が十分に冷却され、冷却媒体とチューブの一部分周辺の液体冷媒の温度差がより小さくなる。結果として、管束の第３の部分６６に近接するプール３８の液体は、比較的穏やかであり得る。管束の一部がプール３６の界面３８に近接していることで、プールの界面が同様に比較的穏やかであることが確認され得る。
【００４５】
そのような状況が、通常はプール３８内で全長にわたって存在し得るので、マルチパス型のエバボレータが採用される場合は、一般的にはプール３８で生じた乱れが垂直／断面方向に起こり得る。この局所的で制御された乱れは、通常、液体プールの界面下に存在して、また自身の長さにわたり、プール３８内の特定位置でのオイルの淀み若しくは濃縮化を防ぐ垂直方向渦を生成する点という点で都合が良い。そのような渦や乱れの生成は、本発明のエバボレータの機能面では必要ないが、その操作の面では有用であり、バッフル４６の上流側でオイル濃度を低くかつ一様に保つので、エバボレータ１６全体の効率を改善する。
【００４６】
更に図１から図６を参照すると、追加的に、流れ制御用バッフル９２及び９４が採用されており、それが図２及び図３において図示されていることがお分かりであろう。これらバッフルは、特に必要というわけないが、エバボレータの性能を向上させ得るべく用いられるものであり、結果として、プール３８内でのシェル２２の一端より他端へ向かう軸流パターンを生成し、それは事実上、正弦曲線である。この点に関しては、バッフル９２がプール３８内のシェル２２の幅の一部にわたって間仕切り状に広がっており、一方で、バッフル９４が同様にシェルの反対側側面より広がっている。プール３８内部の液体の流れは通常シェル２２の一端より他端へと進むが、そのようなバッフルを用いることにより、矢印９６でも示されているように、シェル２２の第１の側面方向に向かってバッフル９２を回りこみ、次にバッフル９４に回り込んでシェルの反対側側面を通る。最終的には、液体の流れが、遮断バッフル４６が配置されているシェルの反対端部まで到達し得る。プール３８内でダイレクトな軸流を定めるのとは対称的に、正弦曲線的な流れを施すことにより、エバボレータ１８の熱効率がある程度向上し得るが、それはプール３８内における流れが、管束の管とプール内の液体冷媒との熱交換接触距離が延長される非直線経路をとることによって改善されるからである。
【００４７】
図１から６の実施例を更に参照すると、チューブシート５０及びバッフル４６の間のプール３８の一部分９０のオイル濃度が高い界面上に、泡９８のオイル過多層が存在することもお判りであろう。バッフル４６がプール３８の界面上に数インチ突出して存在しているので、そのような泡の存在は通常局所的なものでありプール３８の一部分９０の界面上のみに限定されている。
【００４８】
配管８０及び装置８２を用いることによる、アウトレット７８を介したプール３８よりの冷媒を多く含む液体回収の代替実施例として、本発明ではまた、その界面よりオイルを多く含むの泡を吸い取ることによって、プール３８の一部分９０よりのオイルの戻りを行う可能性についても考慮している。この点に関してはパイプ１００が、図１、２、及び３において図示されており、それは好適な実施例ではモーター１８ｃの下流側にあるコンプレッサ１８ａの吸引領域へと接続されている。或いは、パイプ１００が、図１、２、及び３において１００ａで示されるような吸引用配管４０へと接続されてもよい。
【００４９】
パイプ１００の開放端部１０２が、バッフル４６及びチューブシート５０の間であって、プール３８の界面３６より上側で所定の高さ位置に配置されており、また一方では、好適には図１において示されているようにライン１００の開放端部１０４がコンプレッサ１８ａへと接続されている。ここでコンプレッサ１８ａがスクリュー型のコンプレッサである場合は、ライン１００がスクリュー型ロータへと吸気ガスが流れるようなコンプレッサ内部の領域へと接続されている。
【００５０】
プール３８の界面３６上の泡の層９８の高さは、プール３８の冷媒部分９０におけるオイルの濃度関数である。プール３８の一部分９０におけるオイル濃度が高ければ高い程、プールの当該部分で発生する冷媒の沸騰により結果的に発生してくる泡の効果がより大きくなり得る。
【００５１】
所定の高さにパイプ１００の開放端部１０２を配置することで、一般的にはプール３８の部分９０におけるオイルの濃度が所定の濃度に保たれてよい。オイル濃度が低くなるとすると、泡の層９８がパイプ１００の開放端部１０２より低い位置になり得り、そのことがプール３８よりのオイルの回収を減少させ得り、また終了させてもよく、冷媒ガスのみがパイプ１００を介してエバポレータより回収され得る。結果として、プール３８の一部分９０におけるオイルの濃度が増加することとなる。オイル濃度が増加するにつれて、プール３８の一部分９０における泡の層の厚さがパイプ１００の開放端部１０２がその中に配置される状態になるまで増加する。その場合、オイルを多く含む泡が再度コンプレッサによってエバポレータより引き込まれ始め、コンプレッサの吸気領域へと届けられる。
【００５２】
全体的に、上述したようなオイル戻り構成を用いることによって、プール３８の一部分９０におけるオイルの濃度が通常は一定であり、コンプレッサへと戻されるオイル量が全体としてのシステムのオイル循環割合の関数であるような規則で自己制御される。更には、このオイル戻りシステムを用いることによって、コンプレッサへとオイルを戻す通常経路の吸気ガスを用いることで、システムコンプレッサへとオイルを戻すためのポンプの必要性を考慮しなくても良い。更には、前段階制御の必要性、及び／またはオイル戻りプロセスでの制御の利用が取り除かれる。加えて、例えば冷却装置が起動される時や泡を形成する時などのように、過剰量のオイルがエバポレータへと導入され得る場合、コンプレッサへのオイル戻り速度が増加し、そのことが特定の起動環境ではコンプレッサがオイル欠乏を引き起こし得る危険性を減少させる。
【００５３】
泡の存在を検知するべく、光学センサ１０６がライン１００に配置されてもよいことがお判りであろう。センサ１０６は自己加熱型サーミスタまたはその他の装置であってもよい。この場合、オイルの戻りが冷却装置の保護を目的としてモニターされ得るが、そのことは低い冷媒チャージの検出を促進してもよい。
【００５４】
ご存じのように、１９９０年代初頭以来の傾向として、冷却装置システムにおいて用いられる全体としての冷媒費用は減少してきた。従って、エバポレータの設計は満液式から流下薄膜型設計へとされた。しかしながらご存じの通り、流下薄膜型エバポレータは、満液型エバポレータを採用する冷却装置システムでは見られなかった複雑な構造や費用面での高さという問題をもたらした。本発明の登場によって、オイルの制御の問題や、実際は満液型エバポレータにほとんど近い温度性能でのオイルの悪影響が著しく減少される。更に必要とされる追加分の冷媒費用にも関わらず、本発明のフローイングプール型エバポレータの製造費用は多くの流下薄膜型エバポレータにかかる費用よりも安価であり、とりわけ、本発明で実現されるオイル管理による費用の節約ほど冷媒費用が大きくないような小型から中型サイズの冷却装置に適用される場合ではその費用が小さい。
【００５５】
先に述べたように、図２乃至６の実施例におけるエバポレータは、とりわけ媒体許容量がより小さなエバポレータ及び冷却装置における使用で有用であり、ここでは冷却装置にかかる冷媒量及び費用が比較的小さい。図７及び８に示されているのは、本発明のフローイングプール型エバポレータの第２実施例であり、ここでは、より大きな冷媒許容量の冷却装置での使用に適したものが開示されている。その実施例について議論する前に、本発明のフローイングプールコンセプトの特定実施例が採用されるエバポレータ／冷却装置の特定許容量に関して述べると、図２乃至６の実施例の使用は、本発明の出願時において冷媒許容量にして少なくとも１２５トンまでの冷却装置で有用である。
【００５６】
図７で図示されているタイプのフローイングプール型エバポレータを採用することで、許容量が１２５トンよりも大きな冷却装置では、この考え方がより効果的でありうる。しかし、図２乃至６の実施例のエバポレータ使用が５００トン或いはそれより多い許容量の冷却装置であっても費用的に問題ないことを証明してもよい。要求される冷媒量の点で満液型エバポレータの方により類似している図１乃至６のエバポレータデザインを利用する利点が、より大きな許容量の冷却装置において要求されたより高額な冷媒用追加費用を重く見る場合には、よりよい結果を得るための研究が続行される。上記のことからお分かりのように、冷媒価格の変化は装置決定に影響を与える。要するにここでは、実施例のいずれか１つが特定サイズの冷却装置システムで用いられるように限定されるとは解釈され得ないということである。
【００５７】
図７及び８のフローイングプール型エバボレータをここで新たに参照すると、この実施例が図１から６に開かれた実施例の改良型であることがお分かりになると思う。しかし、オイル制御が到達したこのフローイングプール型の概念が、図１乃至６の実施例のように採用されている。該概念は、図７乃至８の実施例のエバボレータの操作及び効果に対しても同様に必須である。
【００５８】
図７の実施例において、管束２４の管群の半分以上がプール３８の界面３６上方に存在しており、好適にはプール界面よりも上側に管束の管群のうち約７５％から８５％が存在して良い。管束２４の管群のうちの半分以下しかプール３８内に浸かっていないので、また液体冷媒及び冷媒とともに運搬されるオイルが、管束２４の長さ及び幅にわたって一般的には上方より一様に滴下しており、また、液体冷媒及び冷媒とともに運搬される潤滑剤がエネルギーの低い雫の形で管束上部に滴下されることから、図７の実施例のエバボレータ１６は液体の分布及び温度性能の観点から流下薄膜型エバボレータと同様に機能する。
【００５９】
この点に関し、一般的には、冷媒ディストリビュータ２００が、管束の長さ及び幅にわたって一様に液状冷媒及び液状冷媒とともに運搬された幾分の潤滑剤を分布させる。ディストリビュータ２００に接続されている配管２０２と、冷却装置のコンプレッサへとシェル２２の内部より導入されるコンプレッサ吸引配管２０４とは、故に基本的にはエバボレータシェルの軸方向長さに沿っていずれの位置に設置されてもよい。
【００６０】
図７の実施例のエバボレータにおいて特長的であるのは、管束の流下薄膜部分を構成する管束２４の管群より下ではないが、プール３８界面３６より上に、通常はキャッチパン２０６が設置されることである。初期型の流下薄膜型の設計では、とりわけスクリュー型のコンプレッサが用いられる冷却装置システムにおいて、一様な液体分布、及び／またはエバボレータの流下薄膜部分を介した下向きの流れにおける不完全性によって、結果として管束の一部及び／または局所的に高いオイル濃度を持つ領域の下に広がる液体プール３８内に、予測できない熱流束が生じがちである。更には、オイルを多く含む泡が、しばしばプール３８の界面３６全体若しくはほとんどに存在した。この泡の層は、時折、また冷却装置の動作状況下で、管束の流下薄膜部分へと上昇してしまい、及び／またはプール３８より冷媒が沸騰するにつれて上方へと噴き上がる傾向にあった。
【００６１】
管束の流下薄膜部分への泡の流入は、管の熱伝達性能に悪影響を与える。更には管束のその部分における泡の存在は、そこを介した液体冷媒の下方向への一様な流れを断ってしまう傾向にある。そのような泡の存在下では、管束を介した下方向への薄膜の流れにおける液体冷媒が、衝突する泡に沿って移動してしまい、また少なくとも複数の管の表面領域より離れた状態で流れてしまいがちである。どんな場合でも、液体冷媒に浸されず、もしくは液体冷媒によってコートされていないような管表面のすべての欠陥部分が、エバボレータの熱転送効率にとって悪影響を与える。
【００６２】
更に、従来型流下薄膜エバボレータでは、エバボレータシェルの底部分における液体プールへのオイルの滴下に関する悪影響状態が存在することが分かった。その理由は、流下薄膜型エバボレータの内部へと届けられた潤滑剤が、管束の長さ及び幅にわたって液体冷媒とともに一様に分布していることである。特段の事情がない限り、結果としては、オイル管理を行う効果を有し、より困難かつ予想し難いプロセスであるそこよりの戻りとを含む液体プールの長さ及び幅にわたって、オイルが計画通りに滴下される。
【００６３】
更に、論理的には、冷媒及びそこに運搬されたオイルが、流下薄膜型エバボレータにおける管束の長さ及び幅にわたって一様に滴下されるのみであるので、管束の流下薄膜部分の下にある液体プールへ向かって管束を介して下向きに液体冷媒及びオイルが流れるような、局所的な不均衡部分または流れの崩壊が、結果的にプール内に一様でないオイル濃度を確立してしまう。最終的は、そのような一様でない濃度及び位置は、ほぼ連続的に変化する。
【００６４】
管束の流下薄膜部分上への液体冷媒及びそれに含まれるオイルの分布が完全には一様ではなく、また、複雑で処理しにくい流れや、現在の流下薄膜型エバボレータにおける液体プール内に設けられた停滞領域のせいで、オイルが除去される位置でのプール内液体が所与の時間において相対的にオイルを含有しないケースが生じ得る。そのような場合は、オイル戻り装置／プロセスによって、エバボレータより、オイル過多の液体ではない相対的にオイルを含まない液体が回収される。結果として、液体プールの残存部分でオイル濃度が依然として高いままであり、更にエバボレータの全体的な温度性能を悪化させてしまう。
【００６５】
本発明の図７及び８の実施例では、ハイブリッド型フローイングプール・流下薄膜エバボレータが図示されている。それは、プール３８の界面上でのオイルの泡の問題や、プール内のオイル濃度変化の存在を軽減し、またエバボレータよりのオイルの戻りを簡潔にしそれに加えて向上させるものである。そういう観点で、単層または二層式であってもよい冷媒ディストリビュータ２００が管束２４の上部表面上に液体冷媒を滴下被着させるが、それはシェルの長さ及び幅にわたってまた一般的に均一な方法で行われる。液体の薄膜が、管束内で発達し、また従来方式の流下薄膜型方式で重力により下向きに流れる。しかしプール３８の界面３６に対し液体が滴下される前に、液体がキャッチパン２０６によって妨げられる。ここでキャッチパン２０６とは、エバボレータ１６の流下薄膜部分と、その部分の下に見受けられる液体プール３８との間に物理的なバリアを構成し、加えて所定の位置でプール３８内へと液体冷媒及び潤滑剤を滴下させるための装置を構成するものを指す。
【００６６】
キャッチパン２０６は、管束２４の流下薄膜部分の下に横たわって設置されており、通常はエバボレータ１６の長さにわたって存在し、チューブシート５０もしくは５２の１つの内部表面に対して近接する位置まで存在する。キャッチパン２０６が下向きに傾いており、及び／またはその一端が開放されていることから、そこに流れ落ちる液体がキャッチパンの開放及び／または低いほうの端部へと流れ、エバボレータシェルの一端のプール３８の界面３６上に上方から滴下される。エバボレータシェルの一端への、キャッチパン内の液体の流れには重力が働いている。
【００６７】
上方から、及びエバボレータシェル２２の一端におけるプール３８の界面上へのキャッチパン２０６よりもたらされるこれら液体によって、図２からの図６の実施例に於けるプール３８への液体滴下や、プール３８内の液流に関して記述されていたような規則によって本実施例のプール３８が作動する。この点に関し述べると、潤滑剤含有液体がプールの第１端部においてプール３８へと上方よりキャッチパン２０６から滴下され、その一方、オイルアウトレット７８がプールの反対端部に存在する。
【００６８】
ひとたび液体冷媒及び冷媒と共に運搬されるオイルがシェル２２の一端におけるプール３８の界面３６上に滴下されると、重力と、アウトレット７８を介したプールよりの液体の引き込みと、その長さにわたるプール３８より冷媒の沸騰の結果として、エバボレータシェルの反対端部へと流れる。ここで、再びオイル戻り配管８０へと開放された潤滑剤のアウトレット７８の位置におけるオイル濃度が結果的には濃縮されている。お分かりのこととは思うが、キャッチパン２０６はシェル２２の幅全体を覆って広がってはおらず、通常は、プール３８から生じた冷媒蒸気が妨害されず、また管束２４を通って戻らなくても良いように、シェルの上部分へと流れるようないずれかの側のフローパスが存在する。
【００６９】
本実施例におけるオイルの取り扱いは、プール３８の界面上に泡が発生することや、冷媒ディストリビュータ２０６よりの液体冷媒及びオイルの不均衡が存在することや、そのような液体冷媒の流れがキャッチパン２０６より上の管束を介し特定位置で中断されてしまうこととには影響されない。更に、図２乃至６の実施例と比較して本実施例において、プール３８内に浸すことで熱交換性能を低下させる影響をうける比較的少数の管群の存在やキャッチパン２０６の存在によって、オイルブロックオフバッフル４６が図７において図示されまたそれが採用され得るにも関わらず不要であるかもしれない。オイルブロックオフバッフル４６は、図１乃至６の実施例で先に記述されているように、図７においてパイプ１００を含むオイルの泡回収機構として存在している。キャッチパン２０６を採用することで、全ての状況下でエバポレータの熱性能が最大化され、それら状況はシンプルで信頼性がありまた比較的安価な方法で実行されるだけでなく、それが適用される冷却装置に要求される冷媒費用を削減させるべく働くものである。
【００７０】
上述したように、図７及び８の実施例が一般的に言って満液式エバポレータというより流下薄膜式エバポレータにより類似しているので、主に冷媒ディストリビュータ２０６の製造及び使用に掛かる費用から、より高価であるかもしれない。しかし、より許容量の大きな冷却装置に於いて、大量の冷媒使用を要することによる費用の点で、図７の実施例が好適であるとしてよい。しかしながら何れかの実施例においても、一端におけるエバポレータシェル内のプールへの上方よりの液体滴下とプールの管理された流れとが適用され、また温度効率やオイル処理といったの点でエバポレータに有用である。
【００７１】
本発明のエバポレータが第１及び第２の実施例として記載されてきたが、複数の改良及び拡張がこれら開示された記載に基づいて当業者にとって明らかであり得ることがお判りであろう。更に、本発明は、好適実施例に於けるエバポレータの一端での液体プールへの液体冷媒及び潤滑剤の滴下と、他端での潤滑剤除去について明らかにしている。第１の位置におけるプールへの液体冷媒及び潤滑剤の滴下がエバポレータの一端において必要ではなく、同様に異なる位置における潤滑剤の回収もエバポレータの端部において必要ではないことが、広く考慮されても良い。しかし、そのようないずれの場合でも、プール内に生じる流れは、オイルの戻りを向上させ、またエバポレータの温度性能及び効率を向上させる。更に、好適な実施例において、通常は上方から管束への液体冷媒及び潤滑剤の滴下が予想されるが、一方で、本発明は液体プール内に少なくとも一部が浸された管束を有するエバポレータ及び液体冷媒及び潤滑剤がプールへと直接送られるエバポレータを想定するものである。ゆえに、本発明は記載された実施例のみに限定されず、特許請求の範囲よって示すものであって、当業者に明らかな変形及び変更は本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図は、冷却装置の標準的構成を示す概略図である。
【図２】図は、本発明のエバポレータの側面断面図である。
【図３】図は、本発明のエバポレータの側面断面図である。
【図４】図は、図３のライン４−４で切断した、本発明のウォーターボックスを示す断面図である。
【図５】図は、図３のライン５−５で切断した、本発明のウォーターボックスを示す断面図である。
【図６】図は、本発明の少なくとも１つの実施例において好適に用いられるオイル遮断バッフルを示す正面図である。
【図７】本発明のエバポレータの第２実施例を示す側面断面図である。
【図８】本発明のエバポレータの第２実施例を示す端面断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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