(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発熱交換器アッセンブリを制御する方法であって、
ａ）熱伝達媒体を複数の蒸発熱交換器内に順次導くステップと、
ｂ）前記複数の蒸発熱交換器の入口において、前記熱伝達媒体の温度を測定するステップと、
ｃ）前記蒸発熱交換器の各々内に、前記熱伝達媒体から熱を吸収しながら蒸発する液体蒸発物を、別々に導くステップと、
ｄ）前記蒸発した蒸発物を作動中の蒸発熱交換器から排出させるステップと、
ｅ）前記複数の蒸発熱交換器の各々内における前記蒸発物の凍結のおそれを軽減するために、前記入口における前記熱伝達媒体の温度に応じて、前記複数の蒸発熱交換器の各々への蒸発物の流れを蒸発物制御弁で選択的に制御するステップと、
を含み、
前記複数の蒸発熱交換器は、単一の可変制御弁に並列に接続されるとともに、該可変制御弁を介して、共通の蒸発物源に接続されており、
前記複数の蒸発熱交換器の各々を選択的に制御する前記ステップが、前記作動中の蒸発熱交換器への蒸発物の流れを前記可変制御弁によって減少させるステップと、前記蒸発物の流れを減少させた後に、前記蒸発熱交換器の少なくとも１つへの蒸発物の流れを上記蒸発物制御弁で停止させるステップと、を含み、
前記蒸発物を排出させる前記ステップが、蒸発物を周囲の環境に排出することを含み、前記周囲の環境が、前記蒸発物が凍結する状態下にあることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記蒸発熱交換器の各々が、一定の不変寸法の排出開口部を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記蒸発熱交換器アッセンブリが、３つの蒸発熱交換器を備え、前記３つの蒸発熱交換器の各々に、液体蒸発物が別々に送給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
蒸発物の流れを制御する前記ステップが、前記熱伝達媒体の所望の出口温度を得るために、前記３つの蒸発熱交換器の１つへの流れを停止し、前記入口における流入する熱伝達媒体の温度に基づいて蒸発物の流量を調整することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
さらに望ましい熱負荷ターンダウンを得るために、前記３つの蒸発熱交換器とは別に制御可能で、前記３つの蒸発熱交換器を通流した熱伝達媒体を受け入れる第４の蒸発熱交換器を備えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第４の熱交換器への蒸発物の流れが、前記入口温度に基づいて調整されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
液体蒸発物の流れを制御するために、前記複数の蒸発熱交換器の各々と関連する前記蒸発物制御弁を選択的に作動させる制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
複数の蒸発熱交換器であって、蒸発物入口、蒸発物排出口をそれぞれ備え、熱伝達媒体を受け入れる入口から前記熱伝達媒体が各々の複数の熱交換器を通って順次流れるように、後の熱交換器が先の熱交換器から熱伝達媒体を受け入れる、複数の蒸発熱交換器と、
前記複数の熱交換器の各々と関連する、蒸発物の流れを制御する蒸発物制御弁と、
前記蒸発物制御弁の各々への蒸発物の流れを制御する単一の可変制御弁と、
前記可変制御弁と、前記複数の蒸発物制御弁の各々とを介して、前記複数の蒸発熱交換器に接続された共通の蒸発物源と、
前記熱伝達媒体の前記入口における温度に基づいて、前記蒸発物排出口における所望の圧力を維持するように、前記蒸発物制御弁および前記可変制御弁を作動する制御装置と、
を備え、
前記蒸発熱交換器の各々が、蒸発物を周囲の環境に排出し、前記周囲の環境が、前記蒸発物を凍結させる状態を含むことを特徴とする蒸発熱交換器アッセンブリ。
【請求項９】
前記蒸発熱交換器の各々が、熱ターンダウン比を有し、前記熱ターンダウン比が組み合わさって、アッセンブリターンダウン比をもたらすことを特徴とする特徴とする請求項８に記載のアッセンブリ。
【請求項１０】
前記アッセンブリターンダウン比が、前記蒸発熱交換器の各々への蒸発物の流れを制御することによって、変化することを特徴とする請求項９に記載のアッセンブリ。
【請求項１１】
前記熱伝達媒体用の前記入口に配置される、熱伝達媒体の温度を前記制御装置に伝達する入口温度センサを備えることを特徴とする請求項８に記載のアッセンブリ。
【請求項１２】
前記熱伝達媒体用の出口に配置される、熱伝達媒体の温度を前記制御装置に伝達する出口温度センサを備えることを特徴とする請求項１１に記載のアッセンブリ。
【請求項１３】
前記蒸発物が、水を含むことを特徴とする請求項８に記載のアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、蒸発熱交換器を制御する方法に関する。さらに詳細には、本発明は、宇宙の真空空間に熱を排出する蒸発熱交換器を運転する制御手法に関する。
【０００２】
本発明は、ＮＡＳＡによって授与された契約第ＮＨＪ０５ＨＢ３９Ｂ号に基づく米国政府の支援によってなされた。従って、米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
蒸発熱交換器は、従来の放熱器を利用することができない用途において利用される。蒸発熱交換器は、他のシステムから熱を吸収してその熱を周囲の環境に放出する冷媒を含む。水は、１０００ＢＴＵ／ｌｂ（２３２６．０００Ｊ／ｋｇ）の潜熱を有する極めて効率的な冷媒である。水は、良好な潜熱／重量比を有するので、空間要件および重量要件が制限された極限的な条件下における乗物の運転に用いられるのに適している。
【０００４】
蒸発熱交換器が宇宙の真空空間において利用される条件は、水にとって極限的な熱力学的条件である。蒸発器内の水は、圧力および温度のわずかな変化によって、凍結するおそれがある。この理由から、蒸発熱交換器の運転を所望の作動範囲内に維持するのに、高度の注意を払わねばならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、蒸発熱交換器の運転を、所望の性能を維持するように、その時点の運転条件に適応させる方法および装置を設計および開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な熱交換器アッセンブリは、複数の蒸発熱交換器を備え、これらの蒸発熱交換器に、蒸発物が、熱力学的に極限の条件下における運転を維持するように、運転をその時点の熱負荷に対して調整するように、選択的に送給される。
【０００７】
例示的な蒸発熱交換器アッセンブリは、３つの蒸発熱交換器を備え、これらの３つの蒸発熱交換器内に、熱を発生するシステムから熱を入口に伝達する熱伝達媒体が送給される。熱伝達媒体から放出された熱は、蒸発熱交換器の各々に別々に送給される蒸発物によって吸収される。蒸発物は、熱交換器の各々内に液体状態で入り、熱伝達媒体から放出された熱と接触して蒸発し、周囲の環境内に排出される。
【０００８】
例示的な熱交換器アッセンブリは、宇宙の真空空間内で運転される。宇宙の真空空間における運転環境は、水の３重点またはその近傍の条件をもたらす。運転中に生じ得る温度において、水は、０．０８９ｐｓｉａ（６１３．６Ｐａ）未満の圧力で凍結する。従って、熱交換器の各々内の圧力は、凍結を防ぐために、このような圧力を超える値に保持されねばならない。
【０００９】
熱交換器アッセンブリに入る温度すなわち熱負荷は、運転中に変動する。流入する熱伝達流体の温度が低い場合、蒸発物は、高温の熱伝達流体によって生じる蒸発レベルまで、蒸発しない。その結果、蒸発物の蒸発量が減少することによって、熱交換器の各々内の圧力が低下する。例示的なシステムは、熱交換器の各々内の圧力が３重点の圧力を超える値に保持されるように、熱負荷容量を調整することによって、このような温度変動に対処する。
【００１０】
従って、開示される例示的なシステムは、熱力学的な限界の近傍において液体蒸発物を確実に蒸発させるように、運転を調整する。
【００１１】
本発明の上記の特徴および他の特徴は、以下の詳細な説明および添付の図面から最もよく理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照すると、例示的な蒸発熱交換器アッセンブリ１０は、３つの蒸発熱交換器１２，１４，１６を備える。これらの蒸発熱交換器１２，１４，１６内に、熱を発生するシステム５６から熱をアッセンブリ１０の入口３０に伝達する熱伝達媒体４４が、送給される。熱伝達媒体４４は、入口３０内に流入し、熱を放出し、出口３２から低温度で流出する。熱伝達媒体４４から放出された熱は、蒸発熱交換器１２，１４，１６の各々に別々に送給される蒸発物４６に吸収される。蒸発物４６は、熱交換器１２，１４，１６の各々に液体状態で流入し、熱伝達媒体４４から放出された熱と接触して蒸発する。蒸発した蒸発物４６は、周囲の環境３６内に排出される。
【００１３】
例示的アッセンブリ１０は、周囲の環境３６が宇宙の真空空間またはそれに近い場所で運転される。例示的な蒸発物４６は、水である。水は、１０００ＢＴＵ／ｌｂ（２３２６．０００Ｊ／ｋｇ）の潜熱を有する重量効率の良好な蒸発物である。このような極限的な環境で運転される乗物および装置では、重量および空間は、最も効率的に割り当てられねばならない。この観点から、水の良好な重量に対する潜熱特性が、望ましい効率をもたらす。しかし、上記の運転環境は、温度が約３２Ｆ°〜３６Ｆ°（０℃〜２℃）の比較的低温でかつ圧力がゼロに近い水の３重点またはその近傍の条件下にある。この例示的な運転温度では、水は、０．０８９ｐｓｉａ未満の圧力で凍結する。この理由から、水の凍結を防ぐために、熱交換器１２，１４，１６の各々内の圧力は、このような圧力を超える値に保持されねばならない。
【００１４】
熱交換器１２，１４，１６の各々内に入る水である蒸発物４６は、熱伝達媒体４４からの熱によって蒸発する。熱交換器１２，１４，１６の各々は、蒸発した蒸発物の膨張によって、３重点の圧力を越える望ましい圧力を維持する。次いで、蒸気は、水蒸気３４として排出ポート５０から排出される。このように、熱交換器内の圧力を水の凍結をもたらす３重点の圧力を超える値に維持するのに、水である蒸発物の蒸発によって生じる圧力上昇が利用される。
【００１５】
理解されるように、熱交換器アッセンブリ１０に入る温度すなわち熱負荷は、運転中に変動する。熱伝達媒体４４が低い温度で流入した場合、蒸発物４６は、高い温度の熱伝達媒体と接触したときの蒸発レベルまで、蒸発しない。その結果、蒸発物４６の蒸発量が減少することによって、熱交換器１２，１４，１６の各々内の圧力が付加的に低下する。例示的なシステムが運転される環境では、熱交換器１２，１４，１６内のこのような圧力減少によって、熱交換器１２，１４，１６内において、液体蒸発物が凍結することがある。
【００１６】
例示的なシステムは、熱交換器の各々内の圧力が３重点の圧力を超える値に保持されるように、熱負荷容量を調整することによって、このような温度変動に対処する。熱負荷容量は、出口５０の各々において水である蒸発物４６の蒸発が所望の圧力を生じるように、熱交換器１２，１４，１６の各々に対して、水である蒸発物４６の流れを別々に調整することによって制御される。
【００１７】
アッセンブリ１０は、各対応する熱交換器１２，１４，１６への水である蒸発物４６の流れを制御する弁２０，２２，２４を備える。これらの弁２０，２２，２４は、制御装置４８によって選択的に作動される。入口温度センサ５２は、流入する熱伝達媒体４４の温度を表す温度情報を制御装置４８に伝達する。出口温度センサ５４は、熱伝達媒体４４の出口温度を表す温度情報を制御装置４８に伝達する。弁２０，２２，２４には、可変制御弁２６を通して、蒸発物が送給される。
【００１８】
熱交換器１２，１４，１６は、熱伝達媒体を順次受け入れるように配列される。第１の熱交換器１２からの熱伝達媒体は、第２の熱交換器１４に流入し、次いで、第３の熱交換器１６に流入する。熱交換器１２，１４，１６を直列に組み合わせると、全体として、ターンダウン（ｔｕｒｎｄｏｗｎ）能力が向上する。例示的な熱交換器アッセンブリでは、蒸発熱交換器１２，１４，１６の各々は、１．５：１のターンダウン範囲で運転される。これら３つの熱交換器を組み合わせることによって、３．３８：１（１．５×１．５×１．５＝３．３８：１）のターンダウン範囲が得られる。より低い熱伝達媒体４４の温度によって、より低いターンダウン範囲が必要とされる場合、熱交換器１２，１４，１６のいずれか１つまたはいずれかの組合せの作動を、制御弁２０，２２，２４の対応する１つを閉鎖することによって、停止させる。さらに、熱交換器１２，１４，１６の各々は、一緒に運転するときまたは様々に組合せて運転するときに、その時点の状態に対して熱ターンダウンを調整する異なったターンダウン範囲をもたらすことができる。
【００１９】
熱交換器１２，１４，１６の１つの動作を停止させる前に、作動中の熱交換器１２，１４，１６への蒸発物の流れを可変制御弁２６によって減少させる。蒸発物の流れを減少させても、流入する熱伝達媒体４４のその時点の温度に対して、熱交換器アッセンブリ１０の運転を十分に調整することができない場合、熱交換器１２，１４，１６のいずれか１つまたはいずれかの組合せの作動を停止させる。開示される例では、制御弁２４を閉鎖することによって、第３の熱交換器１６が停止される。制御弁２４の閉鎖によって、第３の熱交換器１６への蒸発物４６の流れが停止する。従って、ターンダウン容量が低減される。熱伝達媒体４４は、第３の熱交換器１６内に依然として流れるが、熱伝達は生じない。
【００２０】
熱ターンダウン容量を低下させて運転を継続すると、熱交換器アッセンブリ１０の減少した容積に対応する蒸発レベルで、蒸発物が蒸発するので、熱交換器内の圧力を３重点の圧力を超える値に維持することができる。熱伝達媒体の温度がさらに低下した場合、制御弁２２を閉めることによって、第２の熱交換器１４の作動を停止することによって、対処する。その結果、熱ターンダウン範囲が低下することによって、蒸発熱交換器１２，１４，１６の各々内の圧力を水である蒸発物の凍結を生じさせる圧力を超える値に維持するように、運転を調整することができる。
【００２１】
熱交換器１２，１４，１６は、熱ターンダウン範囲をその時点の状態に対して調整するように、どのような組合せで作動および停止されてもよい。第３の熱交換器１６を停止し、第１の熱交換器１２および第２の熱交換器１４を一緒に運転してもよい。熱交換器１２，１４，１６の各々は、対応する制御弁２０，２２，２４によって独立して制御されるので、多くの組合せの熱交換器運転を、その時点の運転状態に応じて行なうことができる。他の組合せの熱交換器が、対応する制御弁２０，２２，２４の１つを閉めることによって、運転されてもよい。
【００２２】
図２を参照すると、他の例示的な熱交換器アッセンブリ１５は、第２の可変制御弁２８を通して蒸発物を受け入れる第４の蒸発熱交換器１８を備える。運転時において、第１の蒸発熱交換器１２、第２の蒸発熱交換器１４、および第３の蒸発熱交換器１６には、熱伝達媒体の入口温度に基づいて、水である蒸発物４６が選択的に送給される。
【００２３】
第４の熱交換器１８は、最終的なターンダウンすなわち最終的な温度低下をもたらす。第４の熱交換器１８は、熱伝達媒体出口温度を一定の低い値にまで低下させる。第４の熱交換器１８は、実質的に一定の熱負荷を受けるので、温度変動が殆どなく、凍結のおそれが少ない。第１の蒸発熱交換器１２、第２の蒸発熱交換器１４、および第３の蒸発熱交換器１６の１つの作動を選択的に停止することによって、入口３０の温度とは無関係に、実質的に一定の温度の熱伝達媒体４４を流出させることができる。従って、第４の熱交換器１８は、第１の蒸発熱交換器１２、第２の蒸発熱交換器１４、および第３の蒸発熱交換器１６のような温度変化にさらされない。第２の可変制御弁２８は、生じ得るどのような小さい温度変動をも制御するのに十分な範囲の蒸発物の流れをもたらすことができる。
【００２４】
開示された例では、熱伝達媒体は同様に水である。水は、重量効率の良好な熱伝達媒体である。しかし、用途の特有の要件で要求される望ましい媒体である他の熱伝達媒体が用いられてもよい。さらに、例示的な蒸発物は、水である。例示的なシステムは、特に、水の重量に対する潜熱の良好な特性を利用するように、設計されている。例示的な周囲条件では、わずかな変化が水を蒸発または凍結させる熱力学的極限条件に、水がさらされる。従って、開示された例示的なシステムは、水を３重点の圧力の近傍で確実に蒸発させるように、運転を調整する。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内においてなされ得ることを認めるだろう。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するには、特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】例示的な蒸発熱交換器アッセンブリの概略図である
【図２】他の例示的な蒸発熱交換器アッセンブリの概略図である
【図１】
0005117297.tif 000002
【図２】
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