(57)【要約】  蒸気圧縮システムは、凝縮器（３４）及び蒸発器（３８）の液体収集部分を流体的に結合する第１の導管（７８）であって、凝縮器から蒸発器の第１の入口への冷媒の第１の流れを導くように構成される、第１の導管と、凝縮器及び蒸発器の液体収集部分を流体的に結合する第２の導管（８２）であって、凝縮器から蒸発器の第２の入口への冷媒の第２の流れを、重力を介して導くように構成される、第２の導管と、を備え、第１の入口は、蒸発器（３８）の垂直寸法に対して第２の入口の上方に配置される。
2021530664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮システムであって、
凝縮器及び蒸発器の液体収集部分を流体的に結合する第１の導管であって、前記凝縮器から前記蒸発器の第１の入口への冷媒の第１の流れを導くように構成される、第１の導管と、
前記凝縮器と前記蒸発器の前記液体収集部分を流体的に結合する第２の導管であって、前記凝縮器から前記蒸発器の第２の入口への冷媒の第２の流れを、重力を介して導くように構成される、第２の導管と、
を備え、前記第１の入口は、前記蒸発器の垂直寸法に対して前記第２の入口の上方に配置される、蒸気圧縮システム。
【請求項２】
前記凝縮器の前記液体収集部分は、前記冷媒を液相で含む、前記凝縮器の内部の一部を備える、請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項３】
前記第２の導管に沿って配置された弁と、
前記凝縮器と前記蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて、前記弁の位置を調整するように構成されるコントローラと、
を備える、請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項４】
前記凝縮器と前記蒸発器との間の前記圧力差を示す前記フィードバックは、前記凝縮器の前記液体収集部分における液位を含む、請求項３に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記凝縮器の前記液体収集部分における前記液位が閾値以上である場合に、前記弁の前記位置を開位置に向けて調整するように構成される、請求項４に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項６】
前記蒸発器を備え、前記蒸発器はハイブリッド流下液膜式蒸発器である、請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項７】
前記第１の導管は、前記ハイブリッド流下液膜式蒸発器の上部に結合するように構成される、請求項６に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項８】
前記第２の導管は、前記ハイブリッド流下液膜式蒸発器の底部に結合するように構成される、請求項７に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項９】
前記第１の導管に沿って配置された弁を備える、請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１０】
前記凝縮器の前記液体収集部分における液位が閾値以下である場合に、前記弁を閉位置に向けて調整するように構成されるコントローラを備える、請求項９に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１１】
蒸気圧縮システムであって、
前記蒸気圧縮システムの冷媒を受け取り、前記冷媒を第１の作動流体との熱交換関係に置くように構成される凝縮器と、
蒸発器であって、前記蒸発器に接続される一次導管と前記蒸発器に接続されるバイパス導管とを介して前記凝縮器に流体的に結合され、前記冷媒を第２の作動流体との熱交換関係に置くように構成される、蒸発器と、
前記バイパス導管に沿って配置された弁と、
前記凝縮器と前記蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて、前記弁の位置を調整するように構成されるコントローラと、
を備える蒸気圧縮システム。
【請求項１２】
前記一次導管及び前記バイパス導管は、互いに直接結合される、請求項１１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１３】
前記一次導管は、前記凝縮器と前記蒸発器との間に延び、前記バイパス導管は、前記一次導管と前記蒸発器との間に延びている、請求項１１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１４】
前記一次導管は、前記蒸発器の上部で前記蒸発器に接続され、前記バイパス導管は、前記蒸発器の垂直寸法に対して前記一次導管の下方の位置において前記蒸発器に接続される、請求項１１に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１５】
蒸気圧縮システムであって、
圧縮機から冷媒を気相で受け取るように構成される凝縮器であって、前記冷媒から第１の作動流体への熱伝達を介して、前記冷媒を前記気相から液相へと凝縮するように構成される、凝縮器と、
第１の導管及び第２の導管を介して前記凝縮器に流体的に結合された蒸発器であって、第２の作動流体から前記冷媒への熱伝達を介して、前記冷媒を前記液相から前記気相へと蒸発させるように構成される、蒸発器と、
前記凝縮器における液体冷媒レベルが閾値の値範囲外にある場合に、前記第１の導管、前記第２の導管、又はその両方を介して、前記蒸気圧縮システムの動作を調節して、前記冷媒を前記蒸発器の中へと導くように構成されるコントローラと、
を備える蒸気圧縮システム。
【請求項１６】
前記第１の導管及び前記第２の導管の両方が、前記凝縮器の液体収集部分に結合される、請求項１５に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
前記コントローラに通信可能に結合された第１の弁を備え、前記コントローラは、前記凝縮器における前記液体冷媒レベルに基づき、前記第１の弁の位置を調整して、前記第１の導管を通る前記凝縮器から前記蒸発器への前記冷媒の第１の流れを制御するように構成される、請求項１５に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
前記コントローラに通信可能に結合された第２の弁を備え、前記コントローラは、前記凝縮器における前記液体冷媒レベルに基づき、前記第２の弁の位置を調整して、前記第２の導管を通る前記凝縮器から前記蒸発器への前記冷媒の第２の流れを制御するように構成される、請求項１７に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１９】
前記蒸発器はハイブリッド流下液膜式蒸発器である、請求項１５に記載の蒸気圧縮システム。
【請求項２０】
前記凝縮器と前記蒸発器との間で前記冷媒を循環させるように構成される圧縮機を備え、前記コントローラは前記圧縮機に通信可能に結合され、前記コントローラは周囲温度が閾値周囲温度を下回ったときに前記圧縮機を遮断するように構成される、請求項１５に記載の蒸気圧縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年７月１０日に出願された「ＢＹＰＡＳＳ  ＬＩＮＥ  ＦＯＲ  ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＮＴ」と題する米国仮特許出願第６２／６９６，２７６号の優先権及び利益を主張し、その全体があらゆる目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は一般に、チラーなどの蒸気圧縮システムに関連し、より具体的には、凝縮器と蒸発器とを流体的に接続するバイパスライン又はバイパス導管に関連する。
【０００３】
本項は、後述する本開示の様々な態様に関係し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、本開示の様々な態様をよりよく理解しやすくするための背景情報を読み手に提供することに役立つと考えられる。したがって、これらの記述は、この観点から解釈すべきであり、先行技術としての容認として解釈すべきではないことを理解すべきである。
【０００４】
冷凍システムは、様々な設定で及び多くの目的で使用されている。例えば、冷凍システムは、自由冷却システム及び機械式冷却システムとして動作し得る。場合によっては、自由冷却システムは液体−空気熱交換器を含む場合があり、これは、一部の暖房、換気、及び空調用途で使用される。加えて、機械式冷却システムは蒸気圧縮冷凍サイクルである場合があり、これは、凝縮器、蒸発器、圧縮機、及び／又は膨張装置を含む場合がある。蒸発器では、液体冷媒又は主として液体である冷媒が、空気流及び／又は冷却流体（例えば、水）から熱エネルギーを引き出すことによって蒸発され、空気流は、自由冷却システムの液体−空気熱交換器を通って流れてもよい。凝縮器では、冷媒に加熱解除、凝縮、及び／又はサブクールが生じる。冷媒は、凝縮器から蒸発器に流れる際に膨張弁を通って流れる。一部の動作条件下では、凝縮器から蒸発器への冷媒の流れは限定されるか又は制限される場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一実施形態では、蒸気圧縮システムが、凝縮器及び蒸発器の液体収集部分を流体的に結合する第１の導管であって、凝縮器から蒸発器の第１の入口への冷媒の第１の流れを導くように構成される、第１の導管と、凝縮器及び蒸発器の液体収集部分を流体的に結合する第２の導管であって、凝縮器から蒸発器の第２の入口への冷媒の第２の流れを、重力を介して導くように構成される、第２の導管と、を備え、第１の入口は、蒸発器の垂直寸法に対して第２の入口の上方に配置される。
【０００６】
本開示の一実施形態では、蒸気圧縮システムは、蒸気圧縮システムの冷媒を受け取り、冷媒を第１の作動流体との熱交換関係に置くように構成される凝縮器と、蒸発器であって、蒸発器に接続される一次導管と蒸発器に接続されるバイパス導管とを介して凝縮器に流体的に結合され、冷媒を第２の作動流体との熱交換関係に置くように構成される、蒸発器と、バイパス導管に沿って配置された弁と、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて、弁の位置を調整するように構成されるコントローラと、を含む。
【０００７】
本開示の一実施形態では、蒸気圧縮システムは、圧縮機から冷媒を気相で受け取るように構成される凝縮器であって、冷媒から第１の作動流体への熱伝達を介して、冷媒を気相から液相へと凝縮するように構成される、凝縮器と、第１の導管及び第２の導管を介して凝縮器に流体的に結合される蒸発器であって、第２の作動流体から冷媒への熱伝達を介して、冷媒を液相から気相へと蒸発させるように構成される、蒸発器と、凝縮器における液体冷媒レベルが閾値の値範囲外にある場合に、第１の導管、第２の導管、又はその両方を介して、蒸気圧縮システムの動作を調節して、冷媒を蒸発器の中へと導くように構成されるコントローラと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一態様による、商業的環境において暖房、換気、空調、（ＨＶＡＣ）システムの一実施形態を利用し得る建物の斜視図である。
【図２】本開示の一態様による、蒸気圧縮システムの一実施形態の斜視図である。
【図３】本開示の一態様による、蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。
【図４】本開示の一態様による、蒸気圧縮システムの別の実施形態の概略図である。
【図５】本開示の一態様による、バイパスラインを有する蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。
【図６】本開示の一態様による、バイパスラインを有する蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。
【図７】本開示の一態様による、バイパスラインを有する蒸気圧縮システムの一実施形態の概略図である。
【図８】本開示の一態様による、蒸気圧縮システムを動作させるためのプロセスの一実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上で論じたように、蒸気圧縮システムは、一般に、冷凍回路を通って流れる冷媒を含む。冷媒は、冷凍回路に沿って配置された複数の導管及び構成要素を通って流れ、その一方で相変化を受けて、蒸気圧縮システムが構造体の内部空間を整えることを可能にしている。例えば、冷媒は、蒸発器内で液相から蒸気相に遷移する。蒸気圧が低い冷媒などのある種の冷媒は、凝縮器と蒸発器との間の差圧が比較的低い場合、凝縮器から蒸発器へと容易に流れない場合がある。より具体的には、低蒸気圧冷媒は、凝縮器と蒸発器との間の導管内に、及び／又は膨張弁内に積み重なるか又は集まる場合がある。これにより、ＨＶＡＣシステムの動作効率が低下し得る。
【００１０】
本開示の蒸気圧縮システムの実施形態において冷媒として使用され得る流体のいくつかの例としては、例えばＲ−４１０Ａ、Ｒ−４０７、Ｒ−１３４ａ、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）といったハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）ベースの冷媒、アンモニア（ＮＨ３）、Ｒ−７１７、二酸化炭素（ＣＯ２）、Ｒ−７４４、若しくは炭化水素ベースの冷媒のような「天然」冷媒、水蒸気、又は任意の他の好適な冷媒が挙げられる。いくつかの実施形態では、蒸気圧縮システムは、Ｒ−１３４ａなどの中圧冷媒と比較して低圧冷媒とも呼ばれる、１気圧の圧力で摂氏約１９度（華氏６６度）の標準沸点を有する冷媒を効率的に利用するように構成され得る。本明細書で使用する場合、「標準沸点」は、１気圧で計測された沸点温度を指し得る。
【００１１】
本開示は、凝縮器と蒸発器との間のバイパスラインを目的としている。いくつかの実施形態では、バイパスラインは、凝縮器を蒸発器に流体的に結合する二次導管である。例えば、バイパスライン（例えば、冷媒液バイパス導管又は二次導管）は、凝縮器の液体収集部分に流体的に結合されて、凝縮器から蒸発器への実質的に液体である冷媒（例えば、少なくとも７５体積％の液体、少なくとも９０体積％の液体、少なくとも９５体積％の液体、又は少なくとも９９体積％の液体）の流れを可能にする。他の実施形態では、バイパスラインは、蒸発器と凝縮器との間の一次導管に流体的に結合される。いずれにせよ、二次導管は、凝縮器から蒸発器への液体冷媒の流れ（例えば、少なくとも７５体積％の液体、少なくとも９０体積％の液体、少なくとも９５体積％の液体、又は少なくとも９９体積％の液体）を促進するように構成され得る。例えば、バイパス導管は、重力が冷媒の一部を凝縮器から蒸発器へと少なくとも部分的に強制することを可能にするように角度を付けられるか又は別の方法で位置付けられてもよい。加えて、いくつかの実施形態では、凝縮器内の冷媒の圧力ヘッドもまた、バイパスラインを通る冷媒の流れを導くことに寄与し得る。
【００１２】
バイパス導管は、バイパス導管を通って流れる冷媒の量を調節するための弁を含み得る。弁は、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックに少なくとも部分的に基づいて、部分的に又は完全に開いてもよい。例えば、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックは、凝縮器内の冷媒レベルの測定又は検出など、一次導管内での冷媒の「積み重なり」に基づいてもよい。加えて又は代わりに、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックは、蒸発器内の冷媒の液位、一次導管内の冷媒の液位、凝縮器内の圧力又は温度、蒸発器内の圧力又は温度、蒸気圧縮システムに含まれる圧縮機に供給される電力量、圧縮機の速度、一次導管内の冷媒の流量、蒸気圧縮システムの別の部分における冷媒の流量、別の好適なパラメータ、又はそれらの任意の組み合わせ、に基づいてもよい。このように、バイパス導管は、フィードバックに基づいて、弁を介して凝縮器及び／又は一次導管に選択的に流体的に結合されてもよく、これにより、蒸気圧縮システムの動作能力、性能、及び効率が改善し得る。
【００１３】
本開示の制御技術は、様々なシステムで使用することができる。しかしながら、議論を促進するために、本開示の制御技術を組み込むことができるシステムの例を図１〜図４に示し、以下で説明する。
【００１４】
ここで図面を参照すると、図１は、典型的な商業的環境における建物１２内の暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）システム１０のための環境の実施形態の斜視図である。ＨＶＡＣシステム１０は、建物１２を冷却するために使用され得る、冷却された液体を供給する蒸気圧縮システム１４を含み得る。ＨＶＡＣシステム１０はまた、建物１２を加熱する温かい液体を供給するためのボイラー１６と、建物１２を通して空気を循環させる空気分配システムとを含み得る。空気分配システムはまた、空気戻りダクト１８、空気供給ダクト２０、及び／又は空気調和機２２を含み得る。いくつかの実施形態では、空気調和機２２は、導管２４によってボイラー１６及び蒸気圧縮システム１４に接続された熱交換器を含み得る。空気調和機２２内の熱交換器は、ＨＶＡＣシステム１０の動作モードに応じて、ボイラー１６からの加熱された液体又は蒸気圧縮システム１４からの冷却された液体のいずれかを受け取ることができる。ＨＶＡＣシステム１０は、別個の空気調和機が建物１２の各フロアにある状態で示されているが、他の実施形態では、ＨＶＡＣシステム１０は、フロア間で共有され得る空気調和機２２及び／又は他の構成要素を含み得る。
【００１５】
図２及び図３は、ＨＶＡＣシステム１０で使用され得る蒸気圧縮システム１４の実施形態を示す。蒸気圧縮システム１４は、圧縮機３２から始まる回路を通して冷媒を循環させ得る。回路はまた、凝縮器３４、膨張弁又は膨張装置３６、及び液体チラー又は蒸発器３８を含み得る。蒸気圧縮システム１４は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２、マイクロプロセッサ４４、不揮発性メモリ４６、及び／又はインタフェースボード４８を有する制御パネル４０（例えば、コントローラ）を更に含み得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、蒸気圧縮システム１４は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）５２、モータ５０、圧縮機３２、凝縮器３４、膨張弁若しくは膨張装置３６、及び／又は蒸発器３８のうちの１つ以上を使用し得る。モータ５０は、圧縮機３２を駆動してもよく、可変速駆動装置（ＶＳＤ）５２により電力が供給されてもよい。ＶＳＤ５２は、交流（ＡＣ）電源から特定の固定ライン電圧及び固定ライン周波数を有するＡＣ電力を受け取り、可変電圧及び周波数を有する電力をモータ５０に提供する。他の実施形態では、モータ５０は、ＡＣ又は直流（ＤＣ）電源から直接電力を供給され得る。モータ５０は、スイッチドリラクタンスモータ、誘導モータ、電子整流永久磁石モータ又は別の好適なモータなど、ＶＳＤによって駆動され得るか、又はＡＣ若しくはＤＣ電源から直接電力を供給され得る任意のタイプの電気モータを含み得る。
【００１７】
圧縮機３２は冷媒蒸気を圧縮し、その蒸気を、排出通路を通じて凝縮器３４へと送達する。いくつかの実施形態では、圧縮機３２は遠心圧縮機であり得る。圧縮機３２によって凝縮器３４に送達される冷媒蒸気は、凝縮器３４内の冷却流体（例えば、水又は空気）に熱を送達し得る。冷媒蒸気は、冷却流体との熱伝達の結果、凝縮器３４内で冷媒液へと凝縮し得る。凝縮器３４からの冷媒液は、膨張装置３６を通って蒸発器３８へと流れ得る。図３に示す実施形態では、凝縮器３４は水冷され、冷却塔５６に接続されたチューブ束５４を備え、冷却塔５６は冷却流体を凝縮器に供給する。
【００１８】
蒸発器３８に送達された冷媒液は別の冷却流体からの熱を吸収してもよく、この冷却流体は凝縮器３４で使用される冷却流体と同じであっても、同じでなくてもよい。蒸発器３８内の冷媒液は、冷媒液から冷媒蒸気への相変化を受ける場合がある。図３に図示する実施形態に示すように、蒸発器３８は、冷却負荷６２に接続された供給ライン６０Ｓと戻りライン６０Ｒとを有するチューブ束５８を含み得る。蒸発器３８の冷却流体（例えば、水、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブライン、又は任意の他の好適な流体）は、戻りライン６０Ｒを介して蒸発器３８に入り、供給ライン６０Ｓを介して蒸発器３８を出る。蒸発器３８は、冷媒との熱伝達を介して、チューブ束５８内の冷却流体の温度を低下させ得る。蒸発器３８内のチューブ束５８は、複数のチューブ及び／又は複数のチューブ束を含み得る。いずれにせよ、冷媒蒸気は蒸発器３８を出て、吸引ラインにより圧縮機３２に戻って、サイクルが完了する。
【００１９】
図４は、中間回路６４が凝縮器３４と膨張装置３６との間に組み込まれた蒸気圧縮システム１４の概略図である。中間回路６４は、凝縮器３４に直接的に流体的に接続された入口ライン６８を有し得る。他の実施形態では、入口ライン６８は、凝縮器３４に間接的に流体的に結合され得る。図４に図示する実施形態に示すように、入口ライン６８は、中間容器７０の上流に位置付けられた第１の膨張装置６６を含む。いくつかの実施形態では、中間容器７０は、フラッシュタンク（例えば、フラッシュインタークーラー）であり得る。他の実施形態では、中間容器７０は熱交換器又は「サーフェスエコノマイザ」として構成され得る。図４に示す実施形態では、中間容器７０はフラッシュタンクとして使用され、第１の膨張装置６６は、凝縮器３４から受け取った冷媒液の圧力を下げる（例えば、膨張させる）ように構成される。膨張プロセスの間、液体の一部が蒸発する場合があり、したがって、中間容器７０を使用して、第１の膨張装置６６から受け取った液体から蒸気を分離できる。加えて、中間容器７０は、中間容器７０に入るときに冷媒液が受ける圧力降下（例えば、中間容器７０に入るときに受ける体積の急激な増加に起因する）ゆえに、冷媒液の更なる膨張をもたらす場合がある。中間容器７０内の蒸気は、圧縮機３２により、圧縮機３２の吸引ライン７４を通して引き込まれ得る。他の実施形態では、中間容器内の蒸気は、圧縮機３２の中間ステージ（例えば、吸引ステージではなく）に引き込まれ得る。中間容器７０内に集まる液体は、膨張装置６６及び／又は中間容器７０における膨張ゆえに、凝縮器３４を出る冷媒液よりもエンタルピーが低い場合がある。中間容器７０からの液体は、次いで、ライン７２内を流れ、第２の膨張装置３６を通って蒸発器３８へと流れ得る。
【００２０】
いくつかの実施形態では、蒸気圧縮システム１４などの蒸気圧縮システムの効率を改善するために、蒸気圧縮システム内にバイパスラインを含めることが有利であり得る。上で論じたように、蒸気圧縮システム１４における圧力差が比較的小さい場合、冷媒は、凝縮器３４内に、及び／又は凝縮器３４と蒸発器３８との間の一次導管内に積み重なるか又は蓄積し、それにより、凝縮器３４と蒸発器３８との間の冷媒の流れが限定及び／又は制限される。それに応じて、バイパスラインは、冷媒の少なくとも一部を（例えば、一次導管によって提供される流路の代わりに）、流れに対する抵抗が一次導管よりも小さくてもよい凝縮器３４から蒸発器３８への代替流路に沿って導いてもよい。いくつかの実施形態では、バイパスラインは、重力が冷媒を凝縮器３４から蒸発器３８へと少なくとも部分的に強制することができるように、冷媒を蒸発器３８の底部に向けて導く。加えて、凝縮器３４内の液体からの圧力ヘッドも、バイパスラインを通して冷媒を凝縮器３４から蒸発器３８へと導くことに寄与し得る。更に、制御パネル４０などの制御システムがバイパスラインを選択的に作動させて、凝縮器３４から蒸発器３８への冷媒の流れを制御することができる。例えば、マイクロプロセッサ４０は、凝縮器３４と蒸発器３８との間にスタッキングが生じた及び／又は凝縮器３４及び／又は蒸発器３８内の冷媒のレベルが閾値レベルに到達したという判定に基づいて、バイパスラインを作動させてもよい。
【００２１】
図５は、蒸気圧縮システム１４の効率を高めるために、制御パネル４０のマイクロプロセッサ４４によって制御される１つ以上の構成要素を含み得る回路７６（例えば、蒸気圧縮システム１４の一部）の一実施形態を示す概略図である。回路７６は、一次導管７８を介して蒸発器３８の上部８０に流体的に結合される凝縮器３４を含む。一次導管７８は、凝縮器３４から蒸発器３８の上部８０への冷媒の流れを調整する膨張装置３６を含み得る。凝縮器３４は、凝縮器３４の液体収集部分９１内に配置された第１の流体レベル９０を有する。例えば、凝縮器３４の液体収集部分９１は、冷媒を液相で含む、凝縮器３４の内部の一部であり得る。いくつかの実施形態では、凝縮器３４の液体収集部分９１は、体積で少なくとも７５％の液体冷媒、少なくとも９０体積％の液体冷媒、少なくとも９５体積％の液体冷媒、又は少なくとも９９体積％の液体冷媒を含み得る。加えて、図５に図示する実施形態に示すように、蒸発器３８は、第２の流体レベル９２を有し、流体レベル９０及び９２の一方又は両方は、１つ以上の液位プローブ９３によって監視され得る。
【００２２】
図示するように、回路７６は、蒸発器３８の底部８６で凝縮器３４を蒸発器３８に流体的に結合する二次導管８２（例えば、バイパス導管、第２の導管、バイパスライン）を含む。図示する図５の実施形態は、一次導管７８からの延長としての二次導管８２（例えば、一次導管７８の部分に直接結合される）を示し、他の実施形態では、二次導管８２は一次導管７８から分離されていてもよい。換言すれば、二次導管８２及び一次導管７８は両方とも、凝縮器３４の液体収集部分９１に物理的に結合されていてもよい。また、二次導管８２は弁８８を含み、弁８８は、二次導管８２を通る流体の流れを調節及び／又は選択的に可能にし（例えば、弁８８は、制御パネル４０に通信可能に結合することができる）、それにより凝縮器３４から蒸発器３８への流体の流れを可能にしてもよい。
【００２３】
一般に、二次導管８２は、一次導管７８内及び／又は凝縮器３４内に蓄積する（例えば、積み重なる）冷媒用のバイパスである。換言すれば、二次導管８２は、冷媒が凝縮器３４から蒸発器３８に流れるための追加の流路（例えば、一次導管７８によって画定される流路とは少なくとも部分的に異なる流路）を提供する。二次導管８２によって提供される追加の流路は、一次導管７８と比較して、冷媒の流れに対して、より小さい抵抗を含み得る。例えば、一次導管７８は、蒸発器３８の垂直方向９７に対して概して上向きに、蒸発器３８の上部８０に向かって冷媒を導く。二次導管８２は、蒸発器３８の垂直方向９７に対して概して下向きに、蒸発器３８の底部８６に向かって冷媒を導く。したがって、冷媒は二次導管８２内で重力に逆らって流れることができないので、冷媒が二次導管８２に沿って凝縮器３４から蒸発器３８へと流れるのに必要な流体圧力又は力は、より小さい。
【００２４】
加えて又は代わりに、凝縮器３４の位置は、床又は地面に位置付けられた蒸気圧縮システム１４の基部に対して、蒸発器３８の位置よりも上にあり得る。したがって、重力が、冷媒を凝縮器３４から二次導管８２を通して蒸発器３８の底部８６を介して蒸発器３８の中へと導く。したがって、凝縮器３４と蒸発器３８との間の高さの差９５が、二次導管８２を通る冷媒の流れを促進する。加えて、凝縮器３４の液体収集部分９１における液位９０は、二次導管８２を通して冷媒を蒸発器３８の中へと更に導く圧力ヘッドを構築し得る。
【００２５】
図５に示す蒸発器３８は、ハイブリッド流下液膜式及び満液式蒸発器であり得る。いくつかの実施形態では、蒸発器３８は、流下液膜式蒸発器、満液式蒸発器、又はその両方として動作してもよい。例えば、蒸発器３８は、冷媒が一次導管７８を通って、蒸発器３８の上部８０を介して蒸発器３８の中へと流れる場合は、流下液膜式蒸発器として動作してもよい。蒸発器３８は、第１のチューブ束を含んでもよく、これは、作動流体を、蒸発器３８の上部８０からチューブの上に落下する冷媒と熱的に連通させる。第１のチューブ束に接触した冷媒は、作動流体から熱エネルギーを吸収することができ、これにより、上部８０を介して蒸発器３８の中へと導かれた冷媒の少なくとも一部が蒸発し得る（例えば、液相から蒸気相への遷移）。
【００２６】
加えて、冷媒が二次導管８２を通って蒸発器３８の底部８６に流れる場合（例えば、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差が比較的小さい場合）、蒸発器３８は満液式蒸発器として動作し得る。蒸発器３８は、蒸発器の底部８６に蓄積する液体冷媒によって取り囲まれる第２のチューブ束を含み得る。第２のチューブ束は、冷媒を作動流体と熱的に連通させてもよく、作動流体も第２のチューブ束を通って流れてもよい。次いで、第２のチューブ束を取り囲む液体冷媒は、作動流体から熱エネルギーを吸収し蒸発する場合がある（例えば、液相から蒸気相への遷移）。更になお、蒸発器３８は、冷媒が一次導管７８及び二次導管８２の両方を通って、それぞれ蒸発器３８の上部８０及び底部８６の中へと入る場合、流下液膜式蒸発器及び満液式蒸発器の両方（例えば、ハイブリッド流下液膜式蒸発器、又はハイブリッド満液式蒸発器、又はハイブリッド流下液膜式及び満液式蒸発器）として同時に動作することができる。他の実施形態では、蒸発器３８は、ハイブリッド流下液膜式及び満液式蒸発器の代わりに、別の好適なタイプの蒸発器を含んでもよい。
【００２７】
図６は、蒸発器３８の側部９４で蒸発器３８に結合される二次導管８２を有する回路７６（例えば、蒸気圧縮システム１４の一部）の実施形態を表す概略図である。二次導管８２は、蒸発器３８の側部９４で蒸発器３８に物理的に結合されるが、二次導管８２は、依然として、冷媒を蒸発器３８の底部８６へと導く（例えば、液体冷媒は、重力により底部８６へと落下する）。それに応じて、二次導管８２を通って蒸発器３８の中へと導かれた冷媒は、蒸発器３８が満液式蒸発器として動作することを可能にする。なぜなら、冷媒が蒸発器３８の底部８６へと流れ込んで蒸発器２８の第２のチューブ束を取り囲むからである。
【００２８】
図６に図示する実施形態に示すように、回路７６は、一次導管７８を介して蒸発器３８の上部８０に流体的に結合される凝縮器３４を含む。一次導管７８は、一次導管７８を通る冷媒の流れを調整し得る膨張弁３６を含む。加えて、図示するように、図６の回路７６は、凝縮器３４から蒸発器３８の底部８６への冷媒の流れを調節及び／又は選択的に可能にする弁８８を有する二次導管８２を含む。図５を参照して上で論じたように、凝縮器３４は第１の液位９０を有し、蒸発器３８は第２の液位９２を有し、液位９０及び９２の一方又は両方は液位プローブ９３によって監視され得る。
【００２９】
液位プローブ９３は、制御パネル４０（例えば、マイクロプロセッサ４４）にフィードバックを提供することができ、これを利用して、膨張弁３６及び／又は弁８８の位置を調整することができる。例えば、膨張弁３６及び弁８８の両方が、制御パネル４０のマイクロプロセッサ４４に通信可能に結合される。このように、マイクロプロセッサ４４は、蒸発器３８に対する二次導管８２の位置（例えば、底部８６又は側部９４で蒸発器３８に結合される）に関係なく、回路７６の動作条件（例えば、液位プローブ９３からの凝縮器３４における液位を示すフィードバック）に基づいて、膨張弁３６及び／又は弁８８の位置を調整するように構成されていてもよい。膨張弁３６及び弁８８の動作は、マイクロプロセッサ４４から（例えば、１つ以上の液位プローブ９３及び／又は他の好適なセンサから）受信した信号に基づいて調整されてもよい。すなわち、膨張弁３６及び弁８８は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて開閉されてもよい。凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックは、凝縮器３４内の冷媒の液位、蒸発器３８内の冷媒の液位、一次導管７８内の冷媒の液位、凝縮器３４内の圧力又は温度、蒸発器３８内の圧力又は温度、蒸気圧縮システム１４に含まれる圧縮機（例えば、圧縮機３２）に供給される電力量、圧縮機（例えば、圧縮機３２）の速度、一次導管７８内の冷媒の流量、蒸気圧縮システム１４の別の部分における冷媒の流量、別の好適なパラメータ、又はそれらの任意の組み合わせ、に基づいてもよい。膨張弁３６及び弁８８の位置を調整するための制御方式について、図８を参照して以下に更に詳細に論じる。
【００３０】
図７は、自由冷却回路９６（例えば、蒸気圧縮システム１４の一部）の実施形態を表す概略図である。いくつかの実施形態では、回路７６は、自由冷却回路９６の少なくとも一部である。蒸気圧縮システム１４は、自由冷却を利用して、蒸気圧縮システム１４の効率を更に改善してもよい。図７の実施形態に示すように、自由冷却回路９６は、一次導管７８を介して蒸発器３８の上部８０に流体的に結合される凝縮器３４を含む。一次導管７８は、一次導管７８を介して蒸発器３８の中へと導かれた冷媒の流れを調整し得る膨張弁３６を含む。凝縮器３４は第１の液位９０を有し、蒸発器３８は第２の液位９２を有し、液位９０及び９２の一方又は両方は液位プローブ９３によって監視され得る。図７に示すように、二次導管８２は、蒸発器３８の底部８６に物理的に結合される。他の実施形態では、二次導管８２は、蒸発器３８の側部９４に物理的に結合されていてもよい。いずれにせよ、二次導管８２を通って流れる冷媒は、蒸発器３８の底部８６の中へと導かれてもよい。また、二次導管８２は、二次導管８２を介する凝縮器３４から蒸発器３８への冷媒の流れを調節及び／又は選択的に可能にする弁８８を含む。
【００３１】
自由冷却回路９６はまた、第３の導管１００を介して蒸発器３８に流体的に結合された圧縮機９８（例えば、圧縮機３２）を含む。図示するように、圧縮機９８は、冷媒（例えば、蒸気冷媒）の流れ１０２を蒸発器３８から引き込み、冷媒の流れ１０２を凝縮器３４へと導くように構成される。図５及び図６には圧縮機９８は示していないが、図５及び図６の回路７６は圧縮機９８を含んでもよいことを認識すべきである。
【００３２】
自由冷却状態の間（例えば、周囲温度が閾値を下回っている場合）、圧縮機９８は、オフにされるか、又は通常の動作（例えば、周囲温度が閾値以上である場合）よりも低い能力で動作し得る。バイパスライン（例えば、二次導管８２）は、機械的な力（例えば、圧縮機９８及び／又はポンプを介して生成される圧力差）なしで、液体冷媒が蒸発器３８に到達するための経路を提供することにより自由冷却回路９６の動作を促進し得る。例えば、蒸気冷媒は、蒸発器３８と凝縮器３４との間の圧力差及び／又は温度差によって、蒸発器３８から第３の導管１００を通り、圧縮機９８を通り、第４の導管１０４を通り、凝縮器３４の中へと流れ得る。次いで、蒸気冷媒は凝縮して液体になり、凝縮器３４の液体収集部分９１内に集まる。更に、弁８８が開位置に向かって調整されている場合、バイパスライン（例えば、二次導管８２）は、液体冷媒が重力（及び／又は、凝縮器３４の液体収集部分９１内に集まった液体からの圧力ヘッド）によって凝縮器３４から蒸発器３８へと流れることを可能にする。このように、圧縮機９８及び／又はポンプなどの機械的な力は、自由冷却中には利用されず、電力入力が減少する。
【００３３】
図８は、本開示の態様による、回路７６及び／又は自由冷却回路９６の弁３６及び／又は弁８８を動作させるためのプロセス１１０の一実施形態を示すフローチャートである。本明細書で論じられるステップは単なる例示であり、特定のステップは省略されるか、又は以下に記載される順序とは異なる順序で実施されてもよいことが理解されるべきである。いくつかの実施形態では、プロセス１１０は、不揮発性メモリ４６に格納され、制御パネル４０のマイクロプロセッサ４４によって実行されるか、又は他の好適なメモリに格納され、他の好適な処理回路によって実行されてもよい。
【００３４】
図８に図示する実施形態に示すように、ブロック１１２において、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックを受信する。凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックは、凝縮器３４内の冷媒の液位、蒸発器３８内の冷媒の液位、一次導管７８内の冷媒の液位、凝縮器３４内の圧力又は温度、蒸発器３８内の圧力又は温度、蒸気圧縮システム１４に含まれる圧縮機（例えば、圧縮機３２）に供給される電力量、圧縮機（例えば、圧縮機３２）の速度、一次導管７８内の冷媒の流量、蒸気圧縮システム１４の別の部分における冷媒の流量、別の好適なパラメータ、又はそれらの任意の組み合わせ、であってもよい。他の実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、蒸気圧縮システム１４の性能若しくは能力、又は冷媒の相を示す任意のパラメータに関連するフィードバックを受信してもよい。
【００３５】
ブロック１１４において、マイクロプロセッサ４４は、フィードバックを閾値と比較してもよい。例えば、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４内の冷媒の液位が閾値レベルを超えていることを判定することができる。このように、ブロック１１６において、マイクロプロセッサ４４は、制御信号を送信して、弁８８を作動させて（例えば、部分的に又は完全に開けて）、二次導管８２を介して凝縮器３４（及び／又は一次導管７８）を蒸発器３８に流体的に結合させてもよい。弁８８は、ステップ弁、電磁弁、連続調節弁、又は任意の好適な弁であり得る。一般に、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差及び／又は別の好適な動作パラメータ、を示すフィードバックに基づいて、蒸気圧縮システム１４の動作を調節してもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、弁８８を作動させる前に、膨張弁３６の位置を判定してもよい。例えば、マイクロプロセッサ４４は、膨張弁３６が完全には開いていないことを判定してもよい。したがって、弁８８を開けるためにマイクロプロセッサ４４が制御信号を送信するよりもむしろ、膨張弁３６を作動させ続ける（例えば、開く又は段階的に開く）ためにマイクロプロセッサ４４は制御信号を送信してもよい。このプロセスは、弁３６が完全に開いた位置になるまで繰り返されてもよい。いったん膨張弁３６が完全に開いた位置にあるか、又は別の好適な閾値位置に到達すると、マイクロプロセッサ４４は、弁８８を作動させる（例えば、開ける）ための制御信号を送信してもよい。換言すれば、マイクロプロセッサ４４は、膨張弁３６が完全に開かれるか又は十分に開かれるまで（例えば、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックが特定の閾値にあるか又はそれを下回るように開かれる）、弁８８を開けるための制御信号を送信しなくてもよい。いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックが閾値に到達する前に、弁８８を開けるための制御信号を送信してもよい。例えば、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックが閾値の８０％に到達したときに、弁８８を作動させる（例えば、開ける）ための制御信号を送信してもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、弁８８を開けるべきであるとマイクロプロセッサ４４が判定したときに、マイクロプロセッサ４４は制御信号を送信して、膨張弁３６を作動させ（例えば、閉じる）てもよい。例えば、弁８８が作動される（例えば、マイクロプロセッサ４４からの制御信号を介して開位置に向かって調整される）前又は後に、膨張弁３６は、部分的に閉じられる（例えば、５０％）か又は完全に閉じられてもよい。次いで、マイクロプロセッサ４４は、制御信号を送信して、弁８８を作動させ（例えば、開ける）てもよい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４と蒸発器３８との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて、弁８８を徐々に開けるように構成される。例えば、弁８８は、完全に開いた位置と完全に閉じた位置との間に複数の位置を有するステップ弁であってもよい。このように、マイクロプロセッサ４４は、弁８８の位置を調整して、二次導管８２を通る冷媒の流れを徐々に増加又は減少させてもよい。
【００３９】
非限定的な例として、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４内の液位９０を監視するように構成される液位センサ９３からフィードバックを受信することができる。マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４内の液位９０が、制御パネル４０の不揮発性メモリ４６にプログラムされている閾値を超えたというフィードバックを受信してもよい。このように、マイクロプロセッサ４４は、弁８８（例えば、弁８８のアクチュエータ）に信号を送信して、弁８８を開位置に向けて調整してもよい。上述したように、いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、膨張弁３６の位置を判定し、膨張弁３６の位置に基づいて弁８８の位置を調整してもよい。加えて又は代わりに、マイクロプロセッサ４４は、凝縮器３４内の液位９０が閾値を超えた場合に、膨張弁３６（例えば、膨張弁３６のアクチュエータ）に追加の制御信号を送信して膨張弁３６を閉位置に向けて調整することができる。他の実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、二次導管８２を介する蒸発器３８への冷媒流における遅延時間（例えば、弁８８の開放と、二次導管８２を介して蒸発器３８に入る冷媒の流れとの間の遅延時間）を考慮するために、弁８８を開けるときに膨張弁３６を開位置に向けて調整してもよい。更になお、マイクロプロセッサ４４は、液位９０を目標レベルに維持するために、凝縮器３４内の液位９０に基づいて、膨張弁３６及び弁８８の両方を変化させてもよい。例えば、マイクロプロセッサ４４は、連続的に又は実質的に連続的に、膨張弁３６、弁８８、又はその両方の位置を調整して、凝縮器３４内の液位９０を目標レベルに維持してもよい。
【００４０】
本開示は、凝縮器と蒸発器との間にバイパスラインを含む蒸気圧縮システムを目的としている。バイパスラインは、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を示すフィードバックに基づいて、比較的小さい抵抗を有する流路を介して、凝縮器を蒸発器に選択的に流体的に結合してもよい。バイパスラインが凝縮器を蒸発器に流体的に結合している場合、冷媒を凝縮器から蒸発器へと導くために、比較的小さい抵抗を有する流路が重力を利用してもよいので、凝縮器から蒸発器への冷媒の流れが促進され得る。例えば、バイパスラインによって形成される流路は一般に、凝縮器から蒸発器へと下向きに位置合わせされてもよい。いくつかの実施形態では、バイパスラインは、蒸発器の側面又は底部に接続してもよい。いずれにしても、バイパスラインを介して蒸発器の中へと流入する冷媒は、蒸発器の底部に向けて導かれ、そこに蓄積する。
【００４１】
本開示の特定の特徴及び実施形態のみを図示及び説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の主題の新規な教示及び利点から著しく逸脱することなく、多くの修正及び変更（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び比率、パラメータの値（例えば、温度、圧力など）、取り付け構成、材料の使用、色、向きなどにおける変形形態）を想到し得る。任意のプロセス又は方法ステップの順序又は順番は、代替的実施形態に応じて変更すること又は並べ替えることができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨の範囲内にあるものとして、そのような全ての修正及び変更を包含することが意図されていることを理解されたい。更に、例示的な実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実現形態の全ての特徴が説明されているわけではない場合がある（すなわち、現在企図される本開示の最良の実施形態に関係しないもの、又は主張する実施形態を可能にするのに関係しないものが説明されていない場合がある）。いずれのそのような実際の実現形態の開発においても、いずれの工学的又は設計プロジェクトにおけるように、実現形態に固有の多数の決定がなされてもよいことを理解されたい。そのような開発努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、過度の実験をすることのない、本開示の利益を有する当業者の設計、製作、及び製造の日常的な業務であろう。
【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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【国際調査報告】
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