(57)【要約】  本発明は冷凍システムに関し、主として、節約入口を備えたコンプレッサと多パス凝縮器とを使用する冷凍システムに関する。本発明によれば、節約サイクルを備えた冷凍システムは、節約器入口を備えたコンプレッサユニットと、第１の凝縮段、第２の凝縮段、および凝縮段の間にあり液冷媒部分を取り除く手段を有する凝縮ユニットとを使用する。第１の凝縮段の中間液出口は、蒸発器を備えた回路に液体を供給し、第２の凝縮段の液出口は、節約器入口を備えた回路に液体を供給する。本発明は、節約サイクルを備えた冷凍システムに固有の液体の過冷却または／および液体温度をコスト効率よくもたらすという利点と、コスト効率が高い二段凝縮用凝縮器の利点とを併せ持つ高効率の冷凍システムを提供する。
2008534894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主冷媒ループおよび節約冷媒回路を有する冷凍システムであって、
前記主冷媒ループが、蒸発器と、吸い込み管と、節約器入口を備えたコンプレッサユニットと、凝縮ユニットと、主液ラインと、前記節約冷媒回路と、を有し、
前記主液ラインは、受液器と、節約熱交換器と、主膨張装置と、を有し、
前記節約冷媒回路は、節約膨張装置および節約熱交換器を備えた節約液ラインを有し、
前記節約熱交換器は、前記主冷媒ループにつながる高圧側と、前記節約冷媒回路につながる低圧側と、を有し、
前記凝縮ユニットは、蒸気入口と、中間液出口と、液出口と、冷媒チャネルの一部および前記中間液出口とつながった第１の凝縮段と、前記冷媒チャネルの他の部分および前記液出口とつながった第２の凝縮段と、を有し、
前記主液ラインは、前記第１の凝縮段から前記蒸発器に液冷媒の流れを案内し、
前記節約液ラインは、前記第２の凝縮段から前記節約器入口に液冷媒の流れを案内し、
前記第１の凝縮段は、前記蒸発器が所要冷却能力を発生させるための必要条件を満たすのに必要な液質量流量を供給するような大きさとされ、前記第２の凝縮段は、前記節約ラインに関する必要条件を満たす質量流量を供給するような大きさとされることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】
前記コンプレッサユニットは、一段コンプレッサであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記コンプレッサユニットは、第１の圧縮段として機能する少なくとも１つの圧縮段と、第２の圧縮段として機能する少なくとも１つの圧縮段と、を有し、前記節約入口は前記第１の圧縮段と前記第２の圧縮段との間にあることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項４】
補償液ラインが前記主液ラインと前記節約ラインを接続し、該補償液ラインは、質量流量の差異が発生した場合に、前記第１の凝縮段によって供給された液質量流量と、前記蒸発器に関する必要条件を満たすために必要な液質量流量との差異を補償し、前記節約ラインに関する必要条件を満たすために、前記第２の凝縮段によって供給された質量流量の差異を補償することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記補償液ラインは、前記主液ラインと前記節約液ラインとの間の質量交換を不可能または可能にもする弁を有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
液体−吸い込み管熱交換器が、前記主液ラインの液冷媒流と、前記蒸発器を出た過熱冷媒流と、を熱接触させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項７】
液体−吸い込み管熱交換器が、前記節約液ラインの液冷媒と、前記蒸発器から出た過熱冷媒と、を熱接触させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項８】
第１の液体−吸い込み管熱交換器が、前記主液ラインの液冷媒と、前記蒸発器を出た過熱冷媒と、を熱接触させ、第２の液体−吸い込み管熱交換器が、前記節約液ラインの液冷媒と、前記第１の液体−吸い込み管熱交換器を出た過熱冷媒と、を熱接触させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項９】
前記主膨張装置は、前記蒸発器の出口に配置された感温筒を備えた膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１０】
前記節約膨張装置は、前記節約熱交換器の前記低圧側の出口に配置された感温筒を備えた膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１１】
主電磁弁が、前記主液ラインに設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
節約電磁弁が、前記節約液ラインに設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
主電磁弁が、前記主液ラインに設置され、節約電磁弁が前記節約液ラインに設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
主フィルタドライヤが前記主液ラインに設置され、節約フィルタドライヤが前記節約液ラインに設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１５】
前記凝縮ユニットは、蒸気入口と、入口ヘッダと、出口ヘッダと、該入口ヘッダと該出口ヘッダとの間に延びるとともに、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内にシールされた複数の冷媒チャネルと、中間液出口と、液出口と、前記蒸気入口から前記中間液出口および前記液出口までの冷媒流れの経路を決める手段と、前記冷媒チャネルの一部とつながる第１の凝縮段と、前記冷媒チャネルの他の部分とつながる第２の凝縮段と、前記第１の凝縮段の後ろにあるとともに、凝縮した液体部分を取り除く手段と、を備えた二段凝縮コイルを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１６】
前記蒸気入口から前記中間液出口および前記液出口までの冷媒流れの経路を決める前記手段は、相分離器と、バッフルと、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内の収集器と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項１７】
前記第１の凝縮段の後ろにあるとともに、凝縮した液体部分を取り除く前記手段は、相分離器と、バッフルと、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内の収集器と、を有することを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項１８】
前記コイルは複数のコイルからなり、該複数のコイルの複数の蒸気入口は前記凝縮ユニットの前記蒸気入口に接続され、前記複数のコイルの複数の中間液出口は、前記凝縮ユニットの前記中間液出口に接続され、前記複数のコイルの複数の液出口は、前記凝縮ユニットの前記液出口に接続されることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項１９】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒の流れは上から下の経路をとることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項２０】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒の流れは下から上の経路をとることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項２１】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分の一部および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒流れの一部は下方に送られ、凝縮冷媒流れの他の部分は上方に送られることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項２２】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分は垂直方向に向けられ、前記入口ヘッダは上部に配置され、前記出口ヘッダは底部に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項２３】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分は垂直方向に向けられ、前記入口ヘッダは底部に配置され、前記出口ヘッダは上部に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の冷凍システム。
【請求項２４】
前記第１の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルを有し、前記第２の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項２５】
前記第１の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルと、二段凝縮用凝縮コイルの第１の凝縮段部分と、を有し、前記第２の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルと、前記二段凝縮用凝縮コイルの残りの部分と、を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項２６】
前記２段凝縮用凝縮コイルが、複数の二段凝縮用凝縮コイルからなることを特徴とする請求項２５に記載の冷凍システム。
【請求項２７】
主冷媒ループおよび節約冷媒回路を有する冷凍システムであって、
前記主冷媒ループが、蒸発器と、吸い込み管と、節約器入口を備えたコンプレッサユニットと、凝縮ユニットと、主液ラインと、前記節約冷媒回路と、を有し、
前記主液ラインは、補助膨張装置と、フラッシュタンクと、主膨張装置と、を有し、
前記節約冷媒回路は、節約膨張装置および前記フラッシュタンクを備えた節約液ラインを有し、
前記フラッシュタンクは、前記主液回路につながった入口および出口と、前記節約冷媒回路につながった入口および出口と、を有し、
前記凝縮ユニットは、蒸気入口と、中間液出口と、液出口と、冷媒チャネルの一部および前記中間液出口につながった第１の凝縮段と、前記冷媒チャネルの他の部分および前記液出口とつながった第２の凝縮段と、を有し、
前記主液ラインは、前記第１の凝縮段から前記蒸発器に液冷媒の流れを案内し、
前記節約液ラインは、前記第２の凝縮段から出た液冷媒の流れを前記節約器入口に案内し、
前記第１の凝縮段は、前記蒸発器が所要冷却能力を発生させるための必要条件を満たすのに必要な液質量流量を供給するような大きさとされ、前記第２の凝縮段は、前記節約ラインに関する必要条件を満たす質量流量を供給するような大きさとされることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２８】
前記コンプレッサユニットは、一段コンプレッサからなることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項２９】
前記コンプレッサユニットは、第１の圧縮段として機能する少なくとも１つの圧縮段と、第２の圧縮段として機能する少なくとも１つの圧縮段と、を有し、前記節約入口が前記圧縮段の間にあることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３０】
補償液ラインが前記主液ラインと前記節約ラインを接続し、該補償液ラインは、質量流量の差異が発生した場合に、前記第１の凝縮段によって供給された液質量流量と、前記蒸発器に関する必要条件を満たすために必要な液質量流量との差異を補償し、前記節約ラインに関する必要条件を満たすために、前記第２の凝縮段によって供給された質量流量の差異を補償することを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３１】
前記補償液ラインは、前記主液ラインと前記節約液ラインとの間の質量交換を不可能または可能にもする弁を有することを特徴とする請求項３０に記載の冷凍システム。
【請求項３２】
液体−吸い込み管熱交換器が、前記主液ラインの液冷媒と、前記蒸発器を出た過熱冷媒と、を熱接触させ、前記液体−吸い込み管熱交換器は、前記フラッシュタンクの前記液出口で主フィルタドライヤの前に設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３３】
液体−吸い込み管熱交換器が、前記節約液ラインの液冷媒と、前記蒸発器から出た過熱冷媒と、を熱接触させることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３４】
第１の液体−吸い込み管熱交換器が、前記主液ラインの液冷媒と、前記蒸発器から出た過熱冷媒と、を熱接触させ、第２の液体−吸い込み管熱交換器が前記節約液ラインの液冷媒と、前記第１の液体−吸い込み管熱交換器から出た過熱冷媒と、を熱接触させ、前記第１の液体−吸い込み管熱交換器は、前記フラッシュタンクの前記液出口で前記主フィルタドライヤの前に設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３５】
前記主膨張装置は、前記蒸発器の出口に配置された感温筒を備えた膨張弁からなることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３６】
前記節約膨張装置は、前記節約冷媒回路の前記フラッシュタンクの出口に配置された感温筒を備えた膨張弁からなることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３７】
主電磁弁が、前記主液ラインに設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３８】
節約電磁弁が、前記節約液ラインに設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項３９】
主電磁弁が前記主液ラインに設置され、節約電磁弁が前記節約液ラインに設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項４０】
主フィルタドライヤが前記液ライン内で前記主膨張弁の入口に設置され、節約フィルタドライヤが前記節約液ライン内で前記節約膨張弁の入口に設置されることを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項４１】
前記凝縮ユニットは、蒸気入口と、入口ヘッダと、出口ヘッダと、該入口ヘッダと該出口ヘッダとの間に延びるとともに、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内にシールされた複数の冷媒チャネルと、中間液出口と、液出口と、前記蒸気入口から前記中間液出口および前記液出口への冷媒流れの経路を決める手段と、前記冷媒チャネルの一部とつながる第１の凝縮段と、前記冷媒チャネルの他の部分とつながる第２の凝縮段と、前記第１の凝縮段の後ろにあるとともに、凝縮した液体部分を取り除く手段と、を備えた二段凝縮コイルを有することを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項４２】
前記蒸気入口から前記中間液出口および前記液出口への冷媒流れの経路を決める前記手段は、相分離器と、バッフルと、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内の収集器と、を有することを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４３】
前記第１の凝縮段の後ろにあるとともに、凝縮した液体部分を取り除く前記手段は、相分離器と、バッフルと、前記入口ヘッダおよび前記出口ヘッダ内の収集器と、を有する請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４４】
前記コイルは複数のコイルからなり、該複数のコイルの複数の蒸気入口は前記凝縮ユニットの前記蒸気入口に接続され、前記複数のコイルの複数の中間液出口は、前記凝縮ユニットの前記中間液出口に接続され、前記複数のコイルの複数の液出口は、前記凝縮ユニットの前記液出口に接続されることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４５】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分と、前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの他の部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒の流れは上から下の経路をとることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４６】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分と、前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの他の部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒の流れは下から上の経路をとることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４７】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分の一部と、前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの他の部分は水平方向に向けられ、凝縮冷媒の流れの一部は下方に送られ、凝縮冷媒の流れの他の部分は上方に送られることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４８】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの他の部分は垂直方向に向けられ、前記入口ヘッダは上部に配置され、前記出口ヘッダは底部に配置されることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項４９】
前記第１の凝縮段に関連した冷媒チャネルの部分および前記第２の凝縮段に関連した冷媒チャネルの他の部分は垂直方向に向けられ、前記入口ヘッダは底部に配置され、前記出口ヘッダは上部に配置されることを特徴とする請求項４１に記載の冷凍システム。
【請求項５０】
前記第１の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルを有し、前記第２の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルを有することを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項５１】
前記第１の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルと、二段凝縮用凝縮コイルの第１の凝縮段部分と、を有し、前記第２の凝縮段は、少なくとも１つの全体コイルと、前記二段凝縮用凝縮コイルの残りの部分と、を有することを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項５２】
前記２段凝縮用凝縮コイルは、複数の二段凝縮用凝縮コイルからなることを特徴とする請求項５１に記載の冷凍システム。
【請求項５３】
前記フラッシュタンクは、該フラッシュタンク内の液冷媒の高さを示すフロートを有することを特徴とする請求項２７に記載の冷凍システム。
【請求項５４】
制御装置が、前記フロートの位置を踏まえて、前記フラッシュタンク内の液冷媒の高さが高い場合に前記補助膨張装置の開口を狭め、前記フラッシュタンク内の液冷媒の高さが低い場合に前記補助膨張装置の開口を広げることを特徴とする請求項５３に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、冷凍システムに関し、より詳細には、節約入口を備えたコンプレッサとマルチパス凝縮器とを使用した冷凍システムに関する。
【０００２】
本願は、２００５年２月２日に米国で出願され、「節約サイクルを備えた冷凍システム（ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＩＴＨ  ＥＣＯＮＯＭＩＺＩＮＧ  ＣＹＣＬＥ）」と題した米国仮特許出願第６０／６４９，４２３号明細書についての優先権および利益を主張するものであり、その出願は、それを参照することで本明細書に組み込むものとする。
【背景技術】
【０００３】
冷媒チャネル内部で凝縮した液冷媒は、凝縮器の内部空間全体のわずかな部分を占有するが、凝縮器の壁に付着し、熱伝達領域のかなりの部分を覆う。その結果、内部空間全体のかなりの部分を占める蒸気冷媒は、凝縮器の壁と接触できず、全熱伝達率は大幅に低下する。
【０００４】
幾つかの特許（米国特許第５，９８８，２６７号明細書および米国特許第５，７６２，５６６号明細書）は、凝縮器を複数のパスに分割し、各パスを通過後に冷媒流から凝縮部分を取り除くことによりこれに対処した。これは、次に続く各パスの質量流量を低減し、凝縮蒸気と接する熱伝達領域を増やし、全熱伝達率を改善し、凝縮器が作用するのに必要とされる温度差を低め、排出圧力を低減する。その結果、熱伝達面積が同じ場合には、性能特性が向上し、性能特性が同じ場合には、コストが低減される。
【０００５】
そのような凝縮器では、最後の凝縮パスのみが実質的に過冷却状態になることができる。すべての凝縮パスからの液冷媒流は混合され、冷媒流全体の中の過冷却液体は低減される。液ラインが長すぎる、および／または液ライン内の圧力低下が非常に大きいとすると、この場合、特定の運転条件において、膨張装置の入口で液冷媒が蒸発する潜在的な危険性がある。膨張装置の入口で液冷媒が蒸発すると、冷凍システム全体の動作が不安定になり、性能特性が落ちる。
【０００６】
米国特許第５，７５２，５６６号明細書では、凝縮器は、バッフルおよび／または相分離器が中に配置された複数のヘッダを有する。冷媒はヘッダの１つの側壁に衝突し、各相は重力によって分離される。さらに、相分離装置は、蒸気相および液体相を凝縮器内の特定の場所に選択的に送る。この特許には、凝縮器を通過後の冷媒が液冷媒受器に向けられ、次いで、過冷却セクションに向けられることが含まれている。過冷却セクションは、全冷媒質量流量を取り扱い、全冷媒質量流量に関連する熱負荷を担持する。過冷却セクションは、熱伝達プロセスを引き起こす温度差が非常に小さいので、凝縮セクションと比較して効率の悪い熱交換装置に類別することができる。
【０００７】
米国特許第６，３８５，９８１（Ｂ１）号明細書は、節約サイクルに対応した冷凍システムに関する。節約サイクルは、液ライン内の液冷媒と、排出圧力よりも低く、吸い込み圧力よりも高い圧力の蒸発冷媒とを熱接触させる節約熱交換器を利用する。そのような熱交換器では、液冷媒流と蒸発冷媒流との間の全熱伝達率が非常に高く、したがって、過冷却作用を非常に効率的に行うことができる。これは、十分な過冷却をもたらす手段の初期コストを大幅に低減する。しかし、節約サイクルを利用する冷凍システムでは、凝縮器を通る冷媒の質量流量を増やす必要があり、したがって、凝縮器の容量および寸法をより大きくする必要がある。さらに、これは、膨張装置入口で液冷媒が蒸発する潜在的な危険性を高める。
【０００８】
米国特許第５，６９２，３８９号明細書は、フラッシュタンクを有する節約サイクルに対応した冷凍システムに関する。フラッシュタンクは蒸気出口および液出口を有する。液出口は蒸発器を備えた回路に液体を供給する。蒸気出口は、排出圧力よりも低く、吸い込み圧力よりも高い圧力で節約器入口を備えた回路に蒸気を供給する。フラッシュタンクは、前記の例の節約熱交換器の場合と同じ温度で、液出口に液冷媒を供給する。フラッシュタンクを備えた節約サイクルを利用する冷凍システムでは、節約熱交換器を備えた節約サイクルを利用する冷凍システムよりも、凝縮器を通る冷媒の質量流量を増やす必要があり、凝縮器の容量および寸法をより大きくする必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、節約サイクルを備えた冷凍システムが液体の過冷却または／および液体温度に関して高いコスト効率をもたらす利点と、コスト効率が高い多パス凝縮器の利点と、を合体させることである。これは、高効率の冷凍システムの実現を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、節約サイクルを備えた冷凍システムは、主冷媒ループおよび節約冷媒回路を有する。主冷媒ループは、蒸発器、吸い込み管、節約器入口を備えたコンプレッサユニット、凝縮ユニット、主液ライン、および節約冷媒回路からなる。液ラインは、受液器、節約熱交換器、および主膨張装置を有する。節約冷媒回路は、節約膨張装置および節約熱交換器からなる。節約熱交換器は、高圧側および低圧側を有する。高圧側は主冷媒ループにつながり、低圧側は節約冷媒回路につながる。凝縮ユニットは、蒸気入口、中間液出口、および液出口を有する。第１の凝縮段は、冷媒チャネルの一部および中間液出口とつながる。第２の凝縮段は、冷媒チャネルの他の部分および液出口とつながる。主液ラインは、第１の凝縮段から流出した液冷媒を搬送し、蒸発器を備えた回路に供給する。節約液ラインは、第２の凝縮段から流出した液冷媒を搬送し、節約器入口を備えた回路に供給する。第１の凝縮段は、第１の凝縮段を通過後の液質量流量が蒸発器を通る所要質量流量と等しくなるような大きさとされる。第２の凝縮段は、第２の凝縮段を通過後の液質量流量がコンプレッサの節約入口を通る質量流量と等しくなるような大きさとされる。
【００１１】
本発明の別の態様には、節約サイクルと、フラッシュタンクと、を備えた冷凍システムがある。フラッシュタンクは、主液ラインにつながる入口および出口と、節約冷媒回路につながる入口および出口と、を有する。
【００１２】
液ラインは、補助膨張装置、フラッシュタンク、および主膨張装置を有する。節約冷媒回路は、節約膨張装置およびフラッシュタンクを有する。
【００１３】
フラッシュタンクは、フラッシュタンク内の液冷媒の高さを指示するフロートを有してもよい。コントローラは、フロートの位置を踏まえて、フラッシュタンク内の液冷媒の高さが高い場合に補助膨張装置の開口を狭め、フラッシュタンク内の液冷媒の高さが低い場合に補助膨張装置の開口を広げる。
【００１４】
本発明の前記した主要な態様に関連した様々なオプションがある。
【００１５】
本発明によれば、２つの態様では、節約入口を備えた一段コンプレッサまたは多段コンプレッサを使用してもよい。
【００１６】
１つの液体−吸い込み管熱交換器は、主液ラインの液冷媒流と蒸発器を出た過熱冷媒流との間で熱接触させる。別の液体−吸い込み管熱交換器は、節約冷媒回路内の液冷媒流と蒸発器を出た過熱冷媒流との間で熱接触させる。どちらか一方の液体−吸い込み管熱交換器を有するか、またはそれらを両方有するかを選択できる。両方の液体−吸い込み管熱交換器を利用した場合に、第２の液体−吸い込み管熱交換器は、節約冷媒回路内の液冷媒流と第１の液体−吸い込み管熱交換器を出た過熱冷媒流との間で熱接触させる。
【００１７】
感温筒が蒸発器の出口に配置された膨張弁は、主膨張装置として使用される。感温筒が節約熱交換器の低圧側の出口に配置された膨張弁は、節約膨張装置として使用される。
【００１８】
主電磁弁は、主液ラインに設置される。節約電磁弁は、節約液ラインに設置される。２つの電磁弁の使用については同様にオプションである。
【００１９】
主フィルタドライヤは主液ラインに設置され、節約フィルタドライヤは節約液ラインに設置される。
【００２０】
凝縮ユニットは、蒸気入口と、入口ヘッダと、出口ヘッダと、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に延びるとともに、入口ヘッダおよび出口ヘッダの内部に密封された複数の冷媒チャネルと、中間液出口と、液出口と、蒸気入口から中間液出口および液出口への冷媒流れの経路を決める手段と、を備えた二段凝縮コイルを有する。第１の凝縮段は、冷媒チャネルの一部および中間液出口につながる。第２の凝縮段は、冷媒チャネルの他の部分および液出口につながる。また、コイルは、第１の凝縮段の後ろで凝縮した液体部分を取り除く手段を有する。蒸気入口から中間液出口および液出口への冷媒流れの経路を決める手段には、バッフルと、相分離器と、入口ヘッダおよび出口ヘッダ内部の収集装置と、がある。第１の凝縮段の後ろで凝縮した液体部分を取り除く手段には、バッフルと、相分離器と、入口ヘッダおよび出口ヘッダ内部の収集装置と、がある。
【００２１】
複数のコイルを利用する場合、各コイルの蒸気入口は、凝縮ユニットの蒸気入口に接続され、各コイルの中間液入口は、凝縮ユニットの中間液入口に接続され、各コイルの液出口は、凝縮ユニットの液出口に接続される。
【００２２】
第１の凝縮段に関係する冷媒チャネルの部分と、第２の凝縮段に関係する冷媒チャネルの部分とは、通常、水平方向に向けられ、凝縮冷媒流れは、上から下および下から上に送られる、すなわち、凝縮冷媒流れの一部は下方に送られ、他の部分は上方に送られる。
【００２３】
第１の凝縮段に関係する冷媒チャネルの部分と、第２の凝縮段に関係する冷媒チャネルの部分とは、垂直方向に向けられる。この場合に、入口ヘッダが上部に配置され、出口ヘッダが底部に配置されるか、または入口ヘッダが底部に配置され、出口ヘッダが上部に配置される。
【００２４】
用途によっては、少なくとも１つの全体コイルが第１の凝縮段で使用され、少なくとも１つの全体コイルが第２の凝縮段で使用される。また、各凝縮段において、少なくとも１つの全体コイルと、少なくとも１つの２段凝縮コイルに付属した冷媒チャネルの一部と、を組み合わせることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、１組の基本構成要素を有する冷凍システムを示しており、その基本構成要素とは、節約入口２を有するコンプレッサ１、排出管３、凝縮ユニット４、蒸発器５、および吸い込み管６である。
【００２６】
凝縮ユニット４は、２つの凝縮段と、第１の凝縮段につながった中間液出口７と、第２の凝縮段につながった液出口８と、を有する。冷凍システムは、２つの液ライン、すなわち凝縮段出口７，８からそれぞれ出た主液ライン９および節約液ライン１０を有する。
【００２７】
受液器１１、節約熱交換器１２の高圧側１２ａ、フィルタドライヤ１３、電磁弁１４および膨張装置１５は、液ライン９に設置されている。膨張装置１５が熱膨張弁であるならば、その場合、感温筒１６が蒸発器５の出口に設置され、圧力均等化ラインが蒸発器５の出口に接続される。サイクルの停止中に、膨張装置１５が主液ライン９内の液冷媒を止めることができるか、あるいは液ライン９から吸い込み管６に向かう冷媒の移動が問題でなければ、その場合に、電磁弁１４は必要でなくなる。
【００２８】
フィルタドライヤ１７、電磁弁１８、膨張装置１９、節約熱交換器１２の低圧側１２ｂ、およびコンプレッサ１の節約入口２は、節約液ライン１０に設置されている。膨張装置１９が熱膨張弁であるならば、その場合、感温筒２０が低圧側１２ｂで節約熱交換器１２の出口に設置され、低圧側１２ｂにある節約熱交換器１２の出口に圧力均等化ラインが接続される。サイクルの停止中に、膨張装置１９が液ライン１０内の液冷媒を止めることができるか、あるいは液ライン１０から節約入口２に向かう冷媒の移動が問題でなければ、その場合に、電磁弁１８は必要でなくなる。
【００２９】
節約サイクルを備えた冷凍システムは、主冷媒ループと節約冷媒回路の２つの主要な部分に分けることができるのを示すのは重要である。主冷媒ループは、コンプレッサ１、排出管３、凝縮ユニット４、中間液出口７、液ライン９および関連する構成要素、蒸発器５、および吸い込み管６を有する。節約冷媒回路は、液出口８から出た液ライン１０と、液ライン１０に関連する構成要素と、を有する。
【００３０】
第１の凝縮段は、第１の凝縮段を通過後の液質量流量が蒸発器５を通る所要質量流量に等しくなるような大きさとされる。第２の凝縮段は、第２の凝縮段を通過後の質量流量がコンプレッサ１の節約入口２を通る質量流量に等しくなるような大きさとされる。蒸発器５を通る質量流量は、蒸発器の容量で決まる。節約入口２を通る質量流量により、節約熱交換器１２は、高圧側１２ａの液体流が必要とされるだけ過冷却された状態で平衡する。
【００３１】
凝縮器内の液体膜は、冷媒チャネルの内面の一部を覆う。また、液体膜のもう一方の側は、凝縮される蒸気と接触する。液体と蒸気の境界は飽和温度になっており、ゼロ過冷却である。液体と冷媒チャネルの境界はより低温になっており、ゼロ過冷却ではない。液体膜が凝縮器出口に近くなればなるほど、凝縮された液体の割合は大きくなり、過冷却度は高くなる。したがって、第１の凝縮段は、十分な過冷却をもたらさない。第２の凝縮段は十分な過冷却をもたらすことができる。
【００３２】
各段の間で液冷媒部分を取り除くか、またはこの部分の一部を取り除く段階的な凝縮により、凝縮ユニット内の液冷媒の量が減る。凝縮ユニット内の液体が少ないと、凝縮される蒸気と接触する熱伝達面積が増え、全熱伝達率が改善され、凝縮プロセスを引き起こす温度差が低くなり、さらに排出圧力が低くなる。その結果、熱伝達面積が等しい場合は性能特性が高まり、あるいは性能特性が等しい場合はコストが低減される。
【００３３】
図１では、凝縮ユニットは、３つの二段凝縮用凝縮コイル２１，２２，２３を有する。しかし、２つの凝縮段を有する１つのコイルがあれば十分である。このようなコイルは図２に示されている。コイルは、入口ヘッダ２４と、出口ヘッダ２５と、入口ヘッダ２４と出口ヘッダ２５との間に延びる複数の冷媒チャネル２６と、を有する。冷媒チャネル２６は、入口ヘッダ２４および出口ヘッダ２５内にシールされている。チャネルの外側面は、冷却流体に熱的に暴露されている。入口ヘッダ２４は、蒸気入口２７と、主液ライン１０につながった中間液出口２８と、を有する。出口ヘッダ２５は、液出口２９を有する。入口ヘッダ２４は、該入口ヘッダを上側チャンバ３１と下側チャンバ３２に分割する相分離器３０を収容している。上側チャンバ３１は蒸気入口２４および第１の凝縮段３３とつながっている。下側チャンバ３２は、中間液出口２８および第２の凝縮段３４とつながっている。冷媒は下側チャンバ３２を満たすときに相分離器３０と接触し、相分離器は、液過濃相を下側チャンバ３２に向かって下方に選択的に送る。蒸気過濃相は、第１の凝縮段３３の冷媒チャネルを通って出口ヘッダ２５に移動する。
【００３４】
各凝縮段は、多数のパスを有するように回路を形成することができる。図２のコイルは、各凝縮段につき１つのパスを有する。図３は、第１の凝縮段３３に２つのパス３３ａ，３３ｂを有し、第２の凝縮段３４に１つのパスを有するコイルを提示している。入口ヘッダ２４は相分離器３０を有する。相分離器３０は、入口ヘッダ２４を蒸気入口２７につながった上側チャネル３１と、中間出口２８につながった下側チャンバ３２とに分割している。出口ヘッダ２５は相分離器３５を有し、この相分離器は、出口ヘッダを上側チャンバ３６と下側チャンバ３７とに分割している。上側チャンバ３６は第１の凝縮段３３とつながっている。下側チャンバ３７は、第２の凝縮段３４および液出口２９とつながっている。
【００３５】
コイルが各凝縮段に複数のパスを有することは可能である。例えば、図４は、第１の凝縮段３３にある２つのパス（すなわち、３３ａ，３３ｂ）と、第２の凝縮段３４にある３つのパス（すなわち、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）と、を示している。入口ヘッダ２４内には相分離器３０，３６が使用され、出口ヘッダ２５内には相分離器３５，３７が使用されている。また、収集器２９ａが液出口２９に近接して使用されている。
【００３６】
図５は、第１の凝縮段３３の５つのパス（すなわち、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ）と、第２の凝縮段３４の３つのパス（すなわち、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）と、を示している。入口ヘッダ２４内には相分離器３０，３６，３８，４０が使用され、出口ヘッダ２５内には相分離器３５，３７，３９，４１が使用されている。また、収集器２９ａが液出口２９の近傍で使用されている。
【００３７】
図４では、中間液出口２８は、出口ヘッダ２５に配置され、液出口２９は、入口ヘッダ２４に配置されているが、図５では、中間液出口２８および液出口２９が出口ヘッダ２５に配置されている。また、中間液出口２８が入口ヘッダ２４に配置され、液出口２９が出口ヘッダ２５に配置された場合に実現可能な構造と、中間液出口２８および液出口２９が入口ヘッダ２４に配置された場合に実現可能な構造と、がある。
【００３８】
一般には、第１の凝縮段のパスの数は、第２の凝縮段のものよりも多い。一方、本発明では、各凝縮段のパスの数と、コンプレッサ１の性能特性とが互いに影響し合う。
【００３９】
図２、図３、図４、および図５に示した凝縮コイルでは、入口ヘッダ２４と出口ヘッダ２５との間に延びる冷媒チャネルは水平方向に向けられ、凝縮した冷媒の流れは上から下の経路をとる。図２、図３、図４、および図５に示した凝縮コイルを反対方向に使用する選択肢があり、その場合に、蒸気入口は入口２７でなく出口２９になり、蒸気出口は出口２９でなく入口２７になり、中間液出口２８は同じままである。この場合に、凝縮した冷媒の流れは下から上の経路をとる。
【００４０】
米国特許第５，９８８，２６７号明細書および米国特許第５，７６２，５６６号明細書に記載した構成も同様に可能である。図６は、凝縮した冷媒流れが中間部から上部にかつ中間部から底部に経路をとる二段凝縮コイルを示している。コイルは、入口ヘッダ２４と、出口ヘッダ２５と、入口ヘッダ２４と出口ヘッダ２５との間に延びる複数の冷媒チャネル２６と、を有する。冷媒チャネル２６は、入口ヘッダ２４および出口ヘッダ２５内にシールされている。チャネルの外側面は、冷却流体に熱的に暴露されている。入口ヘッダ２４は、蒸気入口２７と、主液ライン９につながった中間液出口２８と、を有する。出口ヘッダ２５は、液出口２９を有する。入口ヘッダ２４は、パス３３ａの経路を出口ヘッダ２５に向けるバッフル２４ａ，２４ｂを収容する。入口ヘッダ２４は、以下のチャンバ、すなわち、バッフル２４ａとバッフル２４ｂとの間にあり、パス３３ａおよび蒸気入口２７につながったチャンバと、バッフル２４ａと入口ヘッダ２４の上部部分との間にあり、パス３３ｂにつながったチャンバと、バッフル２４ｂと入口ヘッダ２４の底部部分との間にあり、パス３３ｃ、パス３４、および中間液出口２８とつながったチャネルと、を有する。入口ヘッダ２４の最後の２つのチャンバは、液冷媒が下方に流れることができるように直接通じている。出口ヘッダ２５は、出口ヘッダ２５を４つのチャンバ、すなわち、相分離器３５と相分離器３６との間にあり、パス３３ａにつながったチャンバと、相分離器３５と出口ヘッダ２５の上部部分との間にあり、パス３３ｂにつながったチャンバと、相分離器３６の間にあり、パス３３ｃとつながったチャンバと、バッフル２５ａと出口ヘッダ２５の底部部分の間にあり、パス３４と液出口２９につながったチャンバと、に分割する相分離器３５，３６およびバッフル２５ａを有する。第１の凝縮段は、パス３３ａ，３３ｂ，３３ｃを有する。第２の凝縮段はパス３４を含む。
【００４１】
大型の冷却システムでは、第１の凝縮段に幾つかの全体凝縮コイルを有し、第２の凝縮段に異なる数の凝縮コイルを有することができる。図７では、コイル１９，２０を含む第１の凝縮段は、中間液出口８を経由して液ライン９に接続され、蒸発器５を備えた回路に液体を供給する。第２の凝縮段はコイル２１を有し、液出口７を経由して液ライン１０に接続され、コンプレッサ１の節約器入口２を備えた回路に液体を供給する。
【００４２】
また、各凝縮段で、幾つかの全体コイルと異なる数の段階コイルとを組み合わせる選択肢もある。図８では、第１の凝縮段は、コイル１９と、コイル２１の部分２１ａと、を含み、中間液出口８を経由して液ライン９に接続されている。第２の凝縮段は、コイル２０と、コイル２１の部分２１ｂと、を有し、液出口７を経由して液ライン１０に接続されている。
【００４３】
本発明は、凝縮コイルおよび凝縮ユニットが２つの凝縮段、蒸気入口、中間液出口、および液出口を有する限り、任意の他の凝縮コイルおよび凝縮ユニットを使用することができる。
【００４４】
第１の凝縮段は、第１の凝縮段を通過後の液質量流量が蒸発器５を通る所要質量流量に等しくなるような大きさとされ、第２の凝縮段は、第２の凝縮段を通過後の液質量流量がコンプレッサ１の節約入口２を通る質量流量に等しくなるような大きさとされると述べた。運転条件によっては、決められた大きさの凝縮段であっても、質量流量が目標どおりに等しくにならないことがある。図９に示す冷凍システムは、中間液出口７から出た液ライン９と、液出口８から出た液ライン１０を接続する補償液ライン１０ａと、を有する。補償液ライン１０ａの一方の端部は、フィルタドライヤ１７と電磁弁１８との間で液ライン１０につながっている。液ラインの他の端部は、冷媒がフィルタおよび乾燥プロセスを２度通過するのを回避するために、フィルタドライヤ１３と電磁弁１４との間で液ライン９につながっている。何らかの運転条件で不等状態が発生した場合に、補償液ライン１０ａは、節約入口２での必要条件と蒸発器５での必要条件を満たすように、液ライン９と液ライン１０との間で冷媒流れを再分配できるようにする。
【００４５】
補償ライン１０ａは、液ライン９と液ライン１０との間の質量交換を不可能にし、可能にもする弁１０ｂを有することができる。
【００４６】
図１０に示す冷凍システムは、二段コンプレッサを採用している。二段コンプレッサは、第１の圧縮段１ａと、第２の圧縮段１ｂと、これらの圧縮段の間にある節約器入口２と、からなる。第１の圧縮段によって送り出された質量流量は、蒸発器５を備えた回路の所要質量流量を満足させなければならない。第２の圧縮段で送り出された質量流量は、節約器入口２を備えた回路と蒸発器５を備えた回路の所要質量流量を満足させなければならない。
【００４７】
このシステムは多段コンプレッサを採用することもでき、複数の圧縮段が第１の圧縮段１ａとして機能し、残りの段は第２の圧縮段１ｂとして機能する。
【００４８】
図１１に示すように、冷凍システムは、凝縮ユニット４の第１段の中間液出口７から出た主液ライン９の液冷媒流と吸い込み管６とを熱接触させる液体−吸い込み管熱交換器４２を有することができる。熱交換器４２は、蒸発器５を出た蒸気を過熱させることで、膨張装置１５への入り口で液冷媒をさらに過冷却する。
【００４９】
図１２に示すように、凝縮ユニット４の第２段の液出口８から出た節約液ライン１０の液冷媒と吸い込み管６とを熱接触させる液体−吸い込み管熱交換器４３を使用すると、さらに効率的である。熱交換器４３は、蒸発器５を出た蒸気を過熱させることで、膨張装置１９への入り口で液冷媒を過冷却し、加えて図１１の液体−吸い込み管熱交換器４２よりも過冷却に対して余裕がある。
【００５０】
また、図１３に示すように、液体−吸い込み管熱交換器４２，４３の両方を使用することも可能である。
【００５１】
図１４は、フラッシュタンク４４に対応した冷凍システムを示している。フラッシュタンク４４は、２つの入口４５，４６および２つの出口４７，４８を有する。補助膨張装置４９は、フラッシュタンクへの入口４５で主液ライン９に設置されている。補助膨張装置４９、入口４５、出口４７は、中間液出口７から出た主液ライン９にある。入口４６および出口４８は、液出口８から出た節約液ライン１０にある。入口４５および出口４７を通る質量流量は、蒸発器５を備えた回路に入る。入口４６および出口４８を通る質量流量は節約器入口２に入る。
【００５２】
フラッシュタンク４４は、フラッシュタンク４４内の液冷媒の高さを示すフロート５０を有することができる。制御装置５１は、フロート５０の位置を踏まえて、フラッシュタンク４４内の液冷媒の高さが高い場合には、補助膨張装置４９の開口を狭め、フラッシュタンク内の液冷媒の高さが低い場合には、補助膨張装置４９の開口を広げる。
【００５３】
フラッシュタンク４４に対応した冷凍システムは、節約熱交換器に対応した冷凍システムと同じオプションを使用できる、すなわち、図２、図３、図４、図５、図６、図７、および図８のような様々な二段凝縮用凝縮器、図９のような補償液ライン、図１０のような多段コンプレッサ、および図１１、図１２、図１３のような液体−吸い込み管熱交換器を使用することができる。
【００５４】
図１４に示すようなフラッシュタンク４４に対応した冷凍システムで、液体−吸い込み管熱交換器４２，４３を使用することに関する幾つかの特徴を述べることは重要である。
【００５５】
液体−吸い込み管熱交換器４２は、凝縮ユニット４の第１の凝縮段にある中間液出口７から出た主液ライン９の冷媒流と、吸い込み管６と、を接触させる。液体−吸い込み管熱交換器４２は、フラッシュタンク４４の液出口４７の後ろでフィルタドライヤ１７の前に設置されている。
【００５６】
液体−吸い込み管熱交換器４３は、凝縮ユニット４の第２の凝縮段にある液出口８から出た節約液ライン１０の液冷媒と吸い込み管６とを接触させる。
【００５７】
本発明によれば、フラッシュタンク４４に対応した冷凍システムは、液体−吸い込み管熱交換器４２か、液体−吸い込み管熱交換器４３か、またはその両方を使用してもよい。しかし、少なくとも以下の理由から液体−吸い込み管熱交換器４２を使用することが重要である。
【００５８】
フラッシュタンク４４は、液出口４７における液体温度を、図１にある節約熱交換器１２の高圧側１２ａの出口における液体温度と同じにする。しかし、出てきた液体は全く過冷却していない。過冷却していないと、液出口４７から出た液ライン内の圧力低下のために、フィルタドライヤ１７内と主膨張弁１５の入口で冷媒が蒸発する潜在的な危険性が生じる。液体−吸い込み管熱交換器４２はこの危険性を排除する。
【００５９】
本発明の特定の好ましい実施形態が詳細に開示されたが、本発明の真意または添付の請求項の範囲から逸脱することなく、その構造に様々な修正を加えることができることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の１つの態様による、節約熱交換器および二段凝縮用凝縮コイルを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図２】各凝縮段に１つのパスを有する二段凝縮コイルの概略図である。
【図３】第１の凝縮段に２つのパスを有し、第２の凝縮段に１つのパスを有する二段凝縮コイルの概略図である。
【図４】第１の凝縮段に２つのパスを有し、第２の凝縮段に３つのパスを有する二段凝縮コイルの概略図である。
【図５】第１の凝縮段に５つのパスを有し、第２の凝縮段には４つのパスを有する二段凝縮コイルの概略図である。
【図６】凝縮冷媒流れが中央部から上部にかつ中央部から底部に送られている、二段凝縮コイルの概略図である。
【図７】節約熱交換器および全体凝縮コイルを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図８】節約熱交換器と、全体凝縮コイルと二段凝縮用凝縮コイルの組み合わせとを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図９】節約熱交換器、二段凝縮用凝縮コイル、および補償液ラインを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１０】２段コンプレッサ、節約熱交換器、および二段凝縮用凝縮コイルを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１１】節約熱交換器、二段凝縮用凝縮コイル、および液体−吸い込み管熱交換器を利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１２】節約熱交換器、二段凝縮用凝縮コイル、および別の液体−吸い込み管熱交換器を利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１３】節約熱交換器、二段凝縮用凝縮コイル、および２つの液体−吸い込み管熱交換器を利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１４】フラッシュタンクおよび二段凝縮用凝縮コイルを利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【図１５】フラッシュタンク、二段凝縮用凝縮コイル、および２つの液体−吸い込み管熱交換器を利用する節約サイクルを備えた冷凍システムの概略図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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