(57)【要約】【課題】  サブクーリングを達成するためのコスト効率の良い方法への需要を満たそうとするものである。【解決手段】  第１の冷媒経路を有する冷却システム。上記第１の冷媒経路は、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む。上記コンプレッサ、上記コンデンサ、上記第１の膨張装置および上記蒸発器は相互接続され、これにより、内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成する。上記冷却システムは、上記コンデンサのアウトレットに結合されたバイパス経路も有する。上記バイパス経路は、第２の膨張装置と、上記コンデンサアウトレットと上記第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒経路に熱結合されることで、上記コンデンサから放出される冷媒から熱を除去する熱交換器とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムであって、
冷媒圧縮手段、冷媒凝縮手段、膨張手段および蒸発手段を含む第１の冷媒経路であって、前記冷媒圧縮手段、前記冷媒凝縮手段、前記膨張手段および前記蒸発手段は相互接続され、これにより内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成する、第１の冷媒経路と、
前記凝縮手段のアウトレットに接続されたバイパス経路と、
を含み、
前記バイパス経路は、
第２の膨張手段と、
前記凝縮手段のアウトレットと前記膨張手段のインレットとの間の前記第１の冷媒経路に熱結合された熱交換手段であって、前記コンデンサから放出された液状冷媒からの熱を除去する熱交換手段と、
前記蒸発手段のアウトレットおよび前記熱交換手段のアウトレットを前記圧縮手段のインレットへと接続する圧力が異なる２つの蒸気を混合するための圧力差適応手段と、
を含む、
冷却システム。
【請求項２】
前記凝縮手段の熱伝導容量は、前記冷媒の必要なサブクーリングを提供するのに十分であり、
前記必要なサブクーリングは、前記熱交換手段によって実質的に全体が提供される、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記熱交換手段および前記凝縮手段の構成は、前記冷媒の必要なサブクーリングの実質的一部位が前記熱交換手段によって提供されるような構成である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
冷却システムであって、
コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む第１の冷媒経路であって、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器はは相互接続され、これにより内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成する、第１の冷媒経路と、
前記コンデンサのアウトレットに接続されたバイパス経路と、
を含み、
前記バイパス経路は、
第２の膨張装置と、
前記コンデンサアウトレットと前記第１の膨張装置インレットとの間の前記第１の冷媒経路に熱結合された熱交換器であって、前記コンデンサから放出された前記冷媒からの熱を除去する熱交換器と、
前記蒸発器のアウトレットおよび前記熱交換器のアウトレットを前記コンプレッサのインレットへと接続する圧力が異なる２つの蒸気を混合するように動作する圧力差適応デバイスと、
を含む、
冷却システム。
【請求項５】
前記コンデンサの熱伝導容量は、前記冷媒の必要なサブクーリングを提供するには不十分であり、
前記必要なサブクーリングは、前記熱交換器によって実質的に全体が提供される、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記熱交換器および前記コンデンサの構成は、前記冷媒のサブクーリングの実質的一部位が前記熱交換手段によって提供されるような構成である、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記バイパス経路は、前記熱交換器のコンデンサ下流の前記アウトレットへと接続される、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記蒸発器は、前記システムによって冷却されている空間の各部位に設けられた複数の平行接続された蒸発器エレメントから構成され、
前記システムは、
前記第１の膨張装置を前記蒸発器エレメントへとそれぞれ接続させる複数のオン／オフバルブであって、所与の時間において特定のロケーションの冷却が不要な場合、前記オン／オフバルブへの冷媒のフローを遮断することにより、各蒸発器エレメントをアイドル状態にするように動作可能である、オン／オフバルブと、
前記バイパス経路中の調節可能バルブであって、特定の蒸発器エレメントがアイドル状態である場合に前記第１の冷媒経路において不要となる冷媒質量フローが前記バイパス経路へと流れるように、前記バイパス経路中の冷媒フローを制御するように動作可能である、調節可能バルブと、
とをさらに含む、
請求項４に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記コンプレッサは、前記システムが動作している時、熱負荷変化から独立した様態で連続的に動作するように構成かつ制御される、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記圧力差適応デバイスは、
前記蒸発器エレメントのアウトレットに共通接続された低圧力インレットと、
前記バイパス経路に接続された高圧力入力と、
前記コンプレッサのインレットに接続されたアウトレットとを含む、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１１】
前記バイパス経路中のバルブは、前記蒸発器エレメント全ての稼動に起因して最大冷却容量が必要な場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、特定の蒸発器エレメントの非活性化に起因する熱負荷低減に従って、前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記バイパス経路中のバルブをさらに含み、前記バルブは、高い熱負荷に起因して最大冷却容量が必要となる場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、熱負荷低減に応じて前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記コンプレッサは、前記システムが動作している時、熱負荷変化から独立した様態で連続的に動作するように構成かつ制御される、請求項１２に記載の冷却システム。
【請求項１４】
前記第１の冷却経路中の膨張装置は、前記コンプレッサのインレットへと熱結合された温度センサに応答して温度調整的に動作され、これにより、前記蒸発器中の一定過熱を維持する、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項１５】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも小さい、請求項１４に記載の冷却システム。
【請求項１６】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された前記特大サイズ蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項１５に記載の冷却システム。
【請求項１７】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項１４に記載の冷却システム。
【請求項１８】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項１９】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項２０】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項２１】
液体／蒸気分離器をさらに含み、前記液体／蒸気分離器は、前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させるように動作可能であり、これにより蒸発器効率を向上させる、請求項２０に記載の冷却システム。
【請求項２２】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りに対して高い凝縮温度および高い沸点を有する、請求項２１に記載の冷却システム。
【請求項２３】
冷却システムであって、
コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む第１の冷媒経路であって、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器はは相互接続され、これにより内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成する、第１の冷媒経路と、
前記コンデンサのアウトレットと前記コンプレッサのインレットとの間に取り付けられたバイパス経路であって、
第２の膨張装置と、
前記コンデンサアウトレットと前記第１の膨張装置インレットとの間の前記第１の冷媒経路に熱結合されかつ前記コンデンサから抜き出された冷媒のサブクーリングを提供する熱交換器であって、前記コンデンサの熱伝導容量は、前記必要なサブクーリングを提供するには不十分である、熱交換器と、
を含む、バイパス経路と
を備える、
冷却システム。
【請求項２４】
前記熱交換器および前記コンデンサは、前記必要なサブクーリングが前記熱交換器によって実質的に全体が提供されるように構成される、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項２５】
前記熱交換器から出て行く冷媒の蒸気圧力は、前記蒸発器から出て行く冷媒の蒸気圧力よりも高く、
前記システムは、前記蒸発器のアウトレットおよび前記熱交換器のアウトレットを前記コンプレッサのインレットへと接続させる圧力差適応デバイスをさらに含む、
請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項２６】
前記圧力差適応デバイスは、入力が前記蒸発器のアウトレットおよび前記熱交換器のアウトレットへと接続されかつ出力が前記コンプレッサのインレットへと接続された真空生成デバイスである、請求項２５に記載の冷却システム。
【請求項２７】
前記圧力差適応デバイスは、ベンチュリ管または渦管である、請求項２５に記載の冷却システム。
【請求項２８】
前記圧力差適応デバイスは、前記熱交換器のアウトレットへと接続された圧力低減デバイスと、前記圧力低減デバイスおよび前記蒸発器のアウトレットを前記コンプレッサのインレットへと接続させる混合デバイスとを含む、請求項２５に記載の冷却システム。
【請求項２９】
前記圧力低減デバイスは、導管、限定オリフィス、バルブまたはポーラスプラグである、請求項２８に記載の冷却システム。
【請求項３０】
前記バイパス経路は、前記熱交換器のコンデンサ下流のアウトレットへと接続される、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項３１】
前記蒸発器は、前記システムによって冷却されている空間の各部位に設けられた複数の平行接続された蒸発器エレメントから構成され、
前記システムは、
前記第１の膨張装置を前記蒸発器エレメントへとそれぞれ接続させる複数のオン／オフバルブであって、所与の時間において特定のロケーションの冷却が不要な場合、前記オン／オフバルブへの冷媒のフローを遮断することにより、各蒸発器エレメントをアイドル状態にするように動作可能である、オン／オフバルブと、
前記バイパス経路中の調節可能バルブであって、特定の蒸発器エレメントがアイドル状態である場合に前記第１の冷媒経路において不要となる冷媒質量フローが前記バイパス経路へと流れるように、前記バイパス経路中の冷媒フローを制御するように動作可能である、調節可能バルブと、
とをさらに含む、
請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項３２】
前記コンプレッサは、前記システムが動作している時、熱負荷変化から独立した様態で連続的に動作するように構成かつ制御される、請求項３１に記載の冷却システム。
【請求項３３】
圧力差適応デバイスをさらに含み、前記圧力差適応デバイスは、前記蒸発器エレメントのアウトレットに共通接続された低圧力インレットと、前記バイパス経路に接続された高圧力入力と、前記コンプレッサのインレットへと接続されたアウトレットとを有する、請求項３１に記載の冷却システム。
【請求項３４】
前記バイパス経路中のバルブは、前記蒸発器エレメント全ての稼動に起因して最大冷却容量が必要な場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、特定の蒸発器エレメントの非活性化に起因する熱負荷低減に従って、前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項３１に記載の冷却システム。
【請求項３５】
前記バイパス経路中のバルブをさらに含み、前記バルブは、高い熱負荷に起因して最大冷却容量が必要となる場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、熱負荷低減に応じて前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項３６】
前記コンプレッサは、前記システムが動作している時、熱負荷変化から独立した様態で連続的に動作するように構成かつ制御される、請求項３５に記載の冷却システム。
【請求項３７】
前記第１の冷却経路中の膨張装置は、前記コンプレッサのインレットへと熱結合された温度センサに応答して温度調整的に動作され、これにより、前記蒸発器中の一定過熱を維持する、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項３８】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも大きい、請求項３７に記載の冷却システム。
【請求項３９】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された前記特大サイズ蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項３８に記載の冷却システム。
【請求項４０】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項３７に記載の冷却システム。
【請求項４１】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項４２】
前記熱交換器は、前記熱交換器中の冷媒のカウンターフローと、前記第１の冷媒経路中の熱結合された冷媒とを提供するように接続される、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項４３】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項４４】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項４５】
液体／蒸気分離器をさらに含み、前記液体／蒸気分離器は、前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させるように動作可能であり、これにより蒸発器効率を向上させる、請求項４４に記載の冷却システム。
【請求項４６】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りに対して高い凝縮温度および高い沸点を有する、請求項４５に記載の冷却システム。
【請求項４７】
冷却システムの効率を増加させる方法であって、前記冷却システムは第１の冷媒経路から構成され、前記第１の冷媒経路は、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含み、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器は相互接続され、これにより内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成し、
前記方法は、
前記コンデンサから出て行く冷媒の一部を第２の冷媒経路へと方向転換させる工程であって、前記第２の冷媒経路は、第２の膨張装置と、前記コンデンサアウトレットと前記第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒経路に熱結合された熱交換器とを含む、工程と、
前記方向転換された冷媒を前記熱交換器中に通過させて、前記第１の冷媒経路中を流れる冷媒から熱を除去する工程と、
前記熱交換器から出て行く冷媒および前記蒸発器から出ていく冷媒を、圧力が異なる２つの蒸気を混合させる圧力差適応デバイス内を通過させる工程と、
前記圧力差適応デバイスから出て行く冷媒を、前記コンプレッサのインレットへと送達する工程と、  を含む、方法。
【請求項４８】
前記冷媒は、前記熱交換器のロケーション下流において前記バイパス経路へと方向転換される、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記コンデンサから流出する前記液状冷媒の約５％〜約１５％は、前記バイパス経路へと方向転換される、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記バイパス経路へと方向転換される前記コンデンサから流出する冷媒の分量を制御して、前記熱負荷に応じて前記システムの冷却容量を調節する工程と、
前記システムが動作しているとき、前記コンプレッサを実質的に連続的に動作させて、長期エネルギー効率を向上させる工程と、
をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の冷却経路は、別個に冷却される各ロケーション内に配置された複数の蒸発器を含み、
前記方法は、
前記ロケーション全ての冷却のために最大冷却容量が必要な場合、事前規定された最小量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
熱負荷が低減するにつれて、漸増量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５２】
前記システムが動作している時、前記必要な冷却容量から独立した様態で前記コンプレッサを連続的に動作させる工程をさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
所与の時間における冷却が不要なロケーションにある特定の蒸発器を、前記蒸発器への冷媒フローをブロックすることにより、アイドル状態にする工程と、
特定の蒸発器がアイドル状態である場合、通常は前記特定の蒸発器へと送達される冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項４７に記載の方法。
【請求項５５】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項４７に記載の方法。
【請求項５６】
前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させて、これにより蒸発器効率を改善させる工程をさらに含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りに対して高い凝縮温度および高い沸点を有する、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記コンプレッサのインレットにおける冷媒温度を感知する工程と、
前記感知温度に応じて、前記第１の冷却経路中の膨張装置を通過する冷媒の質量フロー速度を制御して、前記蒸発器を出て行く冷媒の過熱状態を一定レベルに保持する工程と、
をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５９】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも大きい、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された前記特大サイズ蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項４７に記載の方法。
【請求項６３】
冷却システムの効率を増加させる方法であって、
第１の冷媒経路内に冷媒を通過させる工程であって、前記第１の冷媒経路は、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含み、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器はは相互接続されて閉ループシステムを形成し、前記コンデンサの熱伝導容量は、前記循環する冷媒に対する必要なサブクーリングを提供するには不十分である、工程と、
前記コンデンサから出ていく冷媒の一部を第２の冷媒経路へと方向転換させる工程であって、前記第２の冷媒経路は、第２の膨張装置と、前記コンデンサのアウトレットと前記第１の膨張装置のインレットとの間の前記第１の冷媒経路へと熱結合された熱交換器とを含む、工程と、
前記方向転換された冷媒を前記熱交換器中に通過させて、前記第１の冷媒経路中を流れる冷媒に対してサブクーリングを提供する工程と、
を含む、方法。
【請求項６４】
前記熱交換器から出ていく冷媒および前記蒸発器から出て行く冷媒を圧力差適応デバイス中に通過させる工程であって、前記圧力差適応デバイスは、圧力が異なる２つの蒸気を混合する、工程と、
前記圧力差適応デバイスから出て行く冷媒を前記コンプレッサのインレットへと送達させる工程と、
をさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記冷媒は、前記熱交換器のロケーション下流において前記バイパス経路へと方向転換される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記必要なサブクーリングの実質的全ては、前記熱交換器中の熱伝導によって提供される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記コンデンサから流出する前記液状冷媒の約５％〜約１５％は、前記バイパス経路へと方向転換される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
前記バイパス経路へと方向転換される前記コンデンサから流出する冷媒の分量を制御して、前記熱負荷に応じて前記システムの冷却容量を調節する工程と、
前記システムが動作しているとき、前記コンプレッサを実質的に連続的に動作させて、長期エネルギー効率を向上させる工程と、
をさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
前記第１の冷却経路は、別個に冷却される各ロケーション内に配置された複数の蒸発器を含み、
前記方法は、
前記ロケーション全ての冷却のために最大冷却容量が必要な場合、事前規定された最小量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
熱負荷が低減するにつれて、漸増量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項７０】
前記システムが動作している時、前記必要な冷却容量から独立した様態で前記コンプレッサを連続的に動作させる工程をさらに含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
所与の時間における冷却が不要なロケーションにある特定の蒸発器を、前記蒸発器への冷媒フローをブロックすることにより、アイドル状態にする工程と、
特定の蒸発器がアイドル状態である場合、通常は前記特定の蒸発器へと送達される冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項６３に記載の方法。
【請求項７３】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項６３に記載の方法。
【請求項７４】
前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させて、これにより蒸発器効率を改善させる工程をさらに含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りに対して高い凝縮温度および高い沸点を有する、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記コンプレッサのインレットにおける冷媒温度を感知する工程と、
前記感知温度に応じて、前記第１の冷却経路中の膨張装置を通過する冷媒の質量フロー速度を制御して、前記蒸発器を出て行く冷媒の過熱状態を一定レベルに保持する工程と、
をさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項７７】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも大きい、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された前記特大サイズ蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項７６に記載の方法。
【請求項８０】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項６３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、高効率の冷却システムに関し、より詳細には、サブクーリング用のバイパス経路を用いた冷却システムを、コンデンサ、コンプレッサおよび蒸発器のサイズを選択しながら用いることで、システム全体の効率を上昇させる冷却システムに関する。
【０００２】
本出願は、米国仮出願（シリアルＮｏ．６０／４２６，０７３、出願日：２００２年１１月１１日）に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
図１は、従来の冷却システム（概して「１０」として示す）のブロック図である。このシステムは、コンプレッサ１２、コンデンサ１４、膨張装置１６および蒸発器１８を含む。これらのコンポーネントは典型的には銅管（例えば、「１９」で示すもの）によって相互接続され、これにより、冷媒（例えば、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−４０７ｃ、Ｒ−４１０ａ、アンモニア、二酸化炭素、または天然ガス）が内部を循環する閉ループシステムを形成する。
【０００４】
この冷却サイクルにおける主要工程としては、コンプレッサ１２による冷媒圧縮、コンデンサ１４による冷媒から環境への熱抽出、膨張装置１６における冷媒のスロットル、および冷媒による蒸発器１８中にて冷却された空間からの熱吸収がある。このプロセスは蒸気圧縮冷却サイクルとも呼ばれ、居住環境、商業環境および産業環境、移動車両（例えば、自動車、飛行機、電車）、冷却機器、ヒートポンプおよび他の用途において冷却および除湿を行う空調システムにおいて用いられる。
【０００５】
コンデンサ１４において、冷媒から熱が除去される際、コンプレッサ１２からの過熱状態冷媒蒸気は、コンデンサ出口に到達するまでに液状冷媒となる。図１において、コンデンサ１４は、２つの部分１４ａおよび１４ｂに分割される。第１の部位１４ａにおいて、過熱状態冷媒は蒸気飽和蒸気となり（これは、緩熱プロセスと呼ばれる）、この飽和蒸気は、蒸気から液状冷媒へと相変化を生じる。第２の部位１４ｂにおいて、この液状冷媒は、コンデンサ圧力における飽和温度よりも低い温度でさらに冷却される（サブクーリングプロセスとして知られる）。
【０００６】
図２は、コンデンサ内部の温度プロファイルを示す。（ポイントＡからポイントＢへの）緩熱プロセスの間、急激な温度低下が起こる。（ポイントＢからポイントＣへの）蒸気から液状への相変化の間、冷媒温度は一定である。凝縮プロセスの終了時（ポイントＣ）において、１００パーセント液状の冷媒が存在する。コンデンサ１４ｂの第２の部位におけるサブクーリングプロセス（ポイントＣからポイントＤ）の間、液状冷媒の温度はさらに低下する。このサブクーリングプロセスにおいて、冷媒と冷却媒体（例えば、空気または水）との間の温度差が低減して、サブクーリングは徐々に非効率な熱伝導プロセスとなる。そのため、所与の冷却容量に対し、このような小さな温度差に起因する非効率な熱伝導に対抗するために、比較的大型のコンデンサが必要となる。
【０００７】
公知のように、蒸発器のサイズは必要な冷却容量によって決まり、また、コンプレッサ容量もこれによって決まる。コンプレッササイズが大きくなると冷却性能は向上するが、コストおよびエネルギー消費も考慮する必要がある。さらに、蒸発器およびコンプレッサの運転のためにコンデンサの熱除去容量は熱入力と同等でなければならないため、所与の冷却容量に対してコンプレッササイズを大きくすると、コンデンサの大型化も必要となり、コストも増大する。
【０００８】
そのため、妥協が必要となり、従来の慣習では、いわゆる最適化システムまたは均衡化システムにおいて、システム冷却容量（蒸発器サイズ）とコンプレッサ容量との間では、容認された関係が存在する。例えば、従来の１トンシステムにおいて、１２ＫＢＴＵ／時間を除去するように蒸発器を設計し、これにマッチングするコンプレッササイズは４ＫＢＴＵ／時間となる。そのため、このコンデンサは、１６ＫＢＴＵ／時間に対処できるようなサイズにしなければならない。
【０００９】
冷却システムの効率、サイズおよびコスト向上のための方法を見つけるために、多くの努力が払われてきた。サブクーリングの間の熱伝導が非効率であるため、この冷却サイクルの局面は多くの注目を集めてきたが、現在まで、コンデンサ中のサブクーリング区分のサイズを低減するかまたはこれを全て無くすためのコスト効率の良い技術は見つかっていない。
【００１０】
例えば、コンデンサから出て行く高圧力冷媒の一部を方向転換させて、第２の膨張装置からバイパス回路中へと膨張させ、その結果得られた熱交換器中の冷却冷媒を用いて、高圧力冷媒の主流をサブクールする方法が提案されている。バイパス回路における圧力は、蒸発器における圧力と同等に保持される。このような構成は、Ｋｉｔａらの米国特許６，１６４，０８６号に示されている。図３は、この種のシステムの模式図を示す。
【００１１】
Ｋｉｔａらはまた、全冷媒をバイパス経路へと方向転換させ、この冷媒がバイパス中を流れると、主要冷却経路中の主要エクスパンションバルブが遮断される構成も提案している。冷媒をバイパスラインへと方向転換させる目的は、熱保存コンテナ中で氷を生成して、この氷を用いて冷媒のサブクーリングを行えるようにすることである（Ｋｉｔａらは、このサブクーリングプロセスを「スーパークーリング」という用語を用いて表している）。Ｋｉｔａらにおける通常のサブクーリング動作要求を満たすため、バイパスラインは遮断され、主要エクスパンションバルブは開口される。その後、全冷媒は、氷が充填されたコンテナ内部を流れ、この氷が冷媒から熱を除去すると、冷媒はサブクールされる。その後、このサブクールされた冷媒は主要膨張装置内を流れ、最終的には蒸発器へと流れる。
【００１２】
しかし、Ｋｉｔａらの提案の場合、そのバイパス方法は、二相領域中の温度勾配のため、混合（ノンアゼトロピック（ｎｏｎａｚｅｔｒｏｐｉｃ））冷媒システム（例えば、Ｒ−３２／１３４ａまたはＲ−４０７ｃ）のみに対して有利であるように見える。単一の冷媒（アゼオトリピック（ａｚｅｏｔｒｉｐｉｃ））システム（例えば、Ｒ−２２またはＲ−１３４ａ）の場合、このバイパス方法では、蒸発器入口における温度低下は不可能である。
【００１３】
ＫｉｍおよびＤｏｍａｎｓｋｉによる蒸気圧縮サイクルにおけるイントラサイクル気化冷却（ＮＩＳＴＩＲ５８７３）では、上述のバイパス方法のうち第１のものについて調査しており、この方法を「方法２」と呼んでいる。加えて、ＫｉｍおよびＤｏｍａｎｓｋｉは別の方法（ＫｉｍおよびＤｏｍａｎｓｋｉは「方法１」と呼んでいる）についても検討しており、この方法は、過熱状態蒸気を用いて高圧力液体のサブクールを行う従来の液体ライン／吸引ライン中の熱交換に類似しているが、この方法では、過熱状態蒸気の代わりに蒸発器からの液体／蒸気混合物を用いる。本明細書中、これを図４に模式的に示す。
【００１４】
どちらの提案においても、単一冷媒システムにおいて有利な結果は得られておらず、その第１の方法では、ノンアゼトロピック冷媒については若干の改善を見い出している。しかし、その第２の方法（Ｋｉｔａらによる特許の第１の方法）では、混合冷媒システムまたは単一冷媒システムにおいて何の改善も見られていない。
【００１５】
その上、この混合冷媒に関する報告された改善は小さなものであり、いずれの場合においても、現在のところ、その実際的な利益は限られている。その理由は、混合冷媒は商用用途に用いられず、また、単一冷媒を用いたシステムよりも高い圧力能力を必要とするため、現在のシステムでは使用不可能であるからである。
【００１６】
Ｋｉｔａらによって教示されている第２の方法に類似するアプローチでは、非常に大規模なシステム（例えば、２，０００トン）において用いられてきたようであるが、このアプローチは、小規模システムおよび中規模システム（約１，０００トン未満）において使用される場合、疑問が残る。
【００１７】
ＣｈｏおよびＢａｉによる米国特許６，４４９，９６４号では、バイパス回路圧力の高い混合冷媒システムの方法および使用が提示されている。また、ＣｈｏおよびＢａｉは、２種類の異なる圧力で２種類の蒸気を混合するための圧力差適応デバイスの使用も提示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そのため、（特に現在の単一冷媒を用いた）コンデンサ中および大小の冷却能力を兼ね備えるシステム中において規模サブクーリング区分を用いずにサブクーリングを達成するためのコスト効率の良い方法への需要は未だ明らかに存在する。本発明は、この需要を満たそうとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、（蒸発器／コンプレッサ／コンデンサ間の従来の均衡化関係または最適化関係が失われ、また、通常の慣習に従って充分な熱除去容量を提供できないコンデンサが用いられる）システムにおいてサブクーリングを行うためのバイパス回路を用いることで、顕著な向上を得ることができることが分かった。すなわち、最適化システムにおいては、必要容量によって蒸発器サイズが決まり、蒸発器サイズによってコンプレッササイズが決まり、これらの熱入力によってコンデンササイズが決まる。それとは対照的に、本発明では、蒸発器サイズを決定した後、コンデンササイズの「脱最適化」を、サブクーリング容量の低減または除去を行うことおよび（例えば主要エクスパンションバルブから）バイパス回路中へと方向転換された冷媒によって駆動される熱交換器の使用を通じてサブクールすルる損失分を与えることにより、行う。その結果、より小型のコンプレッサを用いることが可能となり、これによりＥＥＲおよびシステムのコストが向上する。より小型のコンデンサにより、当該システムに対する空間要求も低減する。
【００２０】
このようなバイパス技術を用いて可能であると考えられた性能を越える卓越した性能を達成する驚愕すべき能力が得られる理由としては、均衡化システムでは、コンデンサは既に十分大きく、またシステムではさらなるサブクーリングを利用することができないからである。しかし、最適サイズ化コンデンサよりも実質的により小型のコンデンサを用いた本発明のような冷却システムの場合、バイパス方法において、サブクーリング増大により小型コンデンサでも最適サイズ化コンデンサまたは特大サイズコンデンサと同様の挙動が得られるため、顕著な恩恵が得られる。その結果、冷却容量およびＥＥＲの両方が顕著に増大する。
【００２１】
同様に、本発明では、蒸発器のサイズを最適サイズ化蒸発器よりも実質的により大型にすることができ、それに応じて熱吸収が増大する。その結果、サブクーリング増大により、相応に小型化されたコンデンサでも最適サイズ化コンデンサまたは特大サイズコンデンサのような挙動が得られるため、バイパス方法において顕著な恩恵が得られる。本発明のこのような実施形態において、蒸発器における熱吸収増大にもかかわらずコンデンサ圧力を一定に保持し、これにより、冷却容量およびＥＥＲの増大を（コンプレッサ仕事増大を招くことなく）行う。
【００２２】
広範に言えば、本発明によれば、コンデンサから出ていく液状冷媒の一部をバイパスライン中へ方向転換させて、このバイパスラインから、蒸発器アウトレットとコンプレッサインレットとの間のロケーションにおける第１の冷媒経路中へと冷媒を再注入する。バイパスラインにおいて、第２のエクスパンションバルブを用いて、コンデンサから方向転換された液状冷媒をスロットルし、これにより、その温度を低減させて、コンデンサアウトレット温度よりも実質的に低くなるようにする。
【００２３】
冷却された冷媒は第２のエクスパンションバルブから出て行った後、コンデンサアウトレットと第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒ラインに熱結合された熱交換器を通過する。熱交換器は、コンデンサから出て行く冷媒蒸気から熱を除去し、これにより、その温度を低下させる。その結果、当該冷媒が第１の膨張装置内に入るときの温度は、その飽和温度よりも実質的に低温である。換言すれば、サブクーリングレベルが顕著に（例えば１０〜１５℃）増大する。その上、このようなサブクーリングレベルは、コンデンサのいかなる部位をサブクーリングに用いることなく、達成される。
【００２４】
熱交換器アウトレットにおけるバイパスライン中の冷媒圧力は蒸発器アウトレットにおける圧力よりも大きいため、バイパスラインアウトレットと第１の冷媒ラインとの交差部分において、圧力差適応デバイスを用いる。圧力差適応デバイスは、真空生成デバイスであってもよいし、あるいは圧力低減デバイスであってもよい。
【００２５】
本発明の第１の局面によれば、冷媒圧縮手段、冷媒凝縮手段、膨張手段および蒸発手段を含む冷却システムが提供される。これらの冷媒圧縮手段、冷媒凝縮手段、膨張手段および蒸発手段は相互接続されて閉ループシステムを形成し、この閉ループシステム中、冷媒が循環する。この冷却システムは、凝縮手段のアウトレットと膨張手段のインレットとの間に取り付けられたバイパスラインも含む。このバイパスラインは、第２の膨張手段と、凝縮手段のアウトレットと膨張手段のインレットとの間のコンデンサからの放出液状冷媒から熱を除去するための熱交換手段と、蒸発手段のアウトレットおよび熱交換手段のアウトレットを圧縮手段のインレットへと接続する圧力が異なる２つの蒸気を混合するための圧力差適応手段とを含む。
【００２６】
本発明の第２の局面によれば、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む第１の冷媒経路から構成される冷却システムが提供される。これらのコンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器は相互接続されて閉ループシステムを形成し、この閉ループシステム中、冷媒が循環する。この冷却システムは、バイパスラインも含む。このバイパスラインは、コンデンサのアウトレットとコンプレッサのインレットとの間に取り付けられ、コンデンサアウトレットと第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒経路に熱結合された、コンプレッサからの放出蒸気から熱を除去するための熱交換器と、蒸発手段のアウトレットおよび熱交換手段のアウトレットをコンプレッサのインレットへと接続する、圧力が異なる２つの蒸気を混合するための圧力差適応デバイスとを含む。
【００２７】
さらに本発明の第２の局面によれば、この圧力差適応デバイスは、移動部分（例えば、ベンチュリ管、または、単一高圧力入力ストリームからの温度が変化する２つの流動体スチームを生成するために従来用いられたいわゆる「渦管」）の無い真空生成デバイスであってもよい。
【００２８】
また、本発明の第２の局面によれば、この圧力差適応デバイスは、移動部分（例えば、導管、限定オリフィス、バルブ、またはポーラスプラグ）の無い圧力低減デバイスであってもよい。この圧力低減デバイスは、蒸発器よりも高い圧力で保持されるバイパスラインにおいて用いられる。この圧力低減デバイスは、バイパスラインと蒸発器アウトレットとの間の圧力を均等化し、圧力均等化蒸気を混合した後コンプレッサインレットへと戻すことを可能にする適切なチュービング接続を含む。
【００２９】
本発明の第３の局面によれば、冷却システムの効率を向上させる方法が提供される。この冷却システムは、第１の冷媒経路で構成される。この第１の冷媒経路は、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む。これらのコンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器は相互接続されて閉ループシステムを形成し、この閉ループシステム中、冷媒が循環する。この方法は、コンデンサから出ていく冷媒の一部を第２の冷媒ラインへとバイパスさせる工程と、このバイパスされた冷媒を（コンデンサアウトレットと第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒経路に熱結合された、コンデンサからの放出液状冷媒から熱を除去するための）熱交換器を通じて移動させる工程と、熱交換器から出ていく冷媒および蒸発器から出て行く冷媒を、圧力が異なる２つの蒸気を混合させる圧力差適応デバイスを通じて移動させる工程と、圧力差適応デバイスから出て行く冷媒をコンプレッサのインレットへと供給する工程とを含む。
【００３０】
サブクーリングを行うためのバイパス経路を設けると、コンデンサの効率が高くなり、これにより、コンデンサ圧力（これは、コンプレッサにおける圧力上昇を低減させる現象である）が低減し、よって、コンプレッサ仕事が低減する。それに対応して、サブクーリングはコンデンサ内で行う必要が無いため、コンデンサを実質的により小型にすることができ、コンデンサの材料効率およびコスト効率が高くなる。サブクーリングが増大すると、第１のエクスパンションバルブを通じたスロットリングプロセス後の液状冷媒の量が増加する。そのため、蒸発器における熱吸収（冷却容量と呼ばれることが多い）が増大する。
【００３１】
上述したサブクーリングバイパスによる恩恵は、コンデンサから流出する液状冷媒の５〜１５％を方向転換させることにより、達成される。このレベルにおいて、コンプレッサ仕事の低減および冷却容量の増大が達成される。ＥＥＲ（エネルギー効率比）は冷却容量のコンプレッサ仕事に対する比として定義されるため、この結果ＥＥＲが増大する。
【００３２】
本発明の第４の局面によれば、コンデンサからの液状冷媒のうち１５％よりも高い（例えば、３０％）の量の冷媒がバイパス経路へと方向転換されると、蒸発器中を循環する冷媒質量フロー速度が実質的に低減することに起因して、冷却容量も低減する。バイパス経路中の調節可能バルブを用いることにより、バイパス質量フロー速度およびよって冷却容量を熱負荷に応じて変更することが可能になり、これにより、（エネルギー効率の悪いコンプレッサのオン／オフ動作を頻繁に行うことなく）空調システムまたは冷却システムを動作させることが可能となる。その結果、長期季節エネルギー効率比が向上する（ＳＥＥＲ）。
【００３３】
本発明の第５の局面によれば、例えばゾーン形式冷却システムにおいて複数の蒸発器を用いることが可能となる。そのため、複数の小型蒸発器を、別個の部屋、１つのコンデンサおよび１つのコンプレッサに対して設けることができる。全ての部屋に冷却が必要な場合、このシステムを５％のバイパス率で動作させて、最大冷却容量および最大効率を得ることができる。冷却が必要な部屋数が低減して熱負荷が低下した場合、このバイパス率を増加して、コンプレッサのオン／オフを反復する必要無く冷却容量を低減させることができる。コンプレッサのオン／オフ繰り返しはエネルギー効率の極めて悪いプロセスであるため、これは極めて有用である。
【００３４】
さらに従来技術と対照的に、本発明のコンセプトは、従来の単一冷媒システムや、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された冷媒の組み合わせを用いた混合冷媒システムにも適用可能である。このような混合冷媒システムに、冷媒が蒸発器に入るときの当該冷媒のパーセンテージを上昇させることによって蒸発器効率を高くする再生フィーチャに設けてもよい。再生混合冷媒システムについては、例えば、米国特許第６，２５０，０８６号および第６，２９３，１０８号に開示されており、本明細書中、その内容を参考のため援用する。
【００３５】
本発明のさらなる局面によれば、緩熱用およびサブクーリング用のバイパス回路を用いることにより、コンデンササイズをさらに小さくすることもできる。緩熱バイパスの利用については、発明者の係属中の米国特許出願シリアルＮｏ．１０／２５３，０００（出願日：２００２年９月２３日、（弁理士ドケットＮｏ．３４７４−２１））に開示があり、本明細書中、その内容を参考のため援用する。
【００３６】
従って、本発明の目的は、冷却システムのコンデンサ中のサブクーリング区分を除去する装置および方法を提供することである。
【００３７】
また、本発明の目的は、冷却システム中の冷媒のサブクーリングをよりコスト効率良く行うことにより、公知の冷却システムの効率を上げることでもある。
【００３８】
本発明の別の目的は、冷媒のサブクーリングをよりコスト効率良く行うことにより、公知の冷却システムの冷却容量およびＥＥＲを増加させることである。
【００３９】
本発明のさらなる目的は、バイパスサブクーリング技術と、従来の慣習において所与の冷却容量に対して用いられているコンデンサのサイズの脱最適化とを組み合わせて用いることにより、冷却容量およびＥＥＲの増加を達成することができるシステムを提供することである。
【００４０】
本発明の関連する目的は、冷媒のサブクーリングをよりコスト効率よく行うことにより、公知の冷却システムにおいてより小型のコンデンサを用いることを可能にすることである。
【００４１】
本発明の別の目的は、ＥＥＲまたは冷却容量の劣化を招くことなく、バイパスサブクーリング技術の無い公知の冷却システムのコンポーネントの現行の最適化サイズおよびサイズ比よりもより小型のコンデンサおよびコンプレッサを利用できることを可能にすることである。
【００４２】
本発明のさらなる目的は、単一冷媒システムでも混合冷媒システムでも用いることができかつその際再生フィーチャを用いても用いなくてもよい、冷媒のサブクーリングの方法および装置を提供することである。
【００４３】
本発明のさらなる目的は、真空生成デバイスの利用により蒸発器容量を高めることによって、蒸発器圧力を実質的に低くした向上した冷却システムを提供することである。
【００４４】
本発明のさらなる目的は、向上した冷却システムを提供することである。この冷却システムでは、２つの異なる圧力を有する冷媒ストリームの混合を真空生成デバイスを用いて行うことで、コンプレッサの吸引圧力を増加させ、これにより、コンプレッサにおける必要な圧力上昇が低減し、その結果、コンプレッサ仕事が低減し、ＥＥＲが増加する。
【００４５】
本発明のさらなる目的は、向上した冷却システムを提供することである。この冷却システムでは、２つの異なる圧力を有する蒸気の混合を真空生成デバイスを用いて行う際、バイパスラインの圧力を蒸発器圧力よりも高く維持できるように行う。
【００４６】
本発明のさらなる目的は、向上した冷却システムを提供することである。この冷却システムでは、２つの異なる圧力を有する蒸気の混合を圧力低減デバイスを用いて行う際、バイパスラインの圧力を蒸発器圧力よりも高く維持できるように行う。
【００４７】
本発明のさらに別の目的は、向上した冷却システムを提供することである。この冷却システムでは、コンデンサアウトレットからの冷媒の方向転換先となるバイパス経路中のコンデンサの外部でサブクーリングを行い、方向転換される冷媒の分量を制御する際、変化する熱要求を満たすように冷却容量を調節し、これにより、エネルギー効率の悪いコンプレッサのオン／オフ繰り返しを行う必要無くシステムを動作させることが可能となる。
【００４８】
本発明のさらなる目的は、バイパス技術およびコンデンササイズの脱最適化をサブクーリングおよび緩熱の両方に用いることにより、従来の冷却システムの冷却容量およびＥＥＲを向上させる方法および装置を提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は、従来の冷却システムのブロック図を示す。
【００５０】
図２は、図１の従来冷却システム用のコンデンサ内部の温度変化の一例を示す。
【００５１】
図３は、別の従来技術冷却システムを示し、このシステムでは、高圧力冷媒の一部が、蒸発器アウトレットの圧力と同じ圧力にされているバイパスライン中の第２の膨張装置を通じて膨張する。
【００５２】
図４は、従来の液体ライン／吸引ライン熱交換器を用いたバイパスデバイスの一例を示す。
【００５３】
図５は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、従来の慣習によって決定されるようなコンデンササイズの脱最適化と共にサブクーリングバイパス技術を用い、圧力差適応デバイスを用いて、２つの異なる圧力の２種類の冷媒ストリームを混合する。
【００５４】
図６は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、さらなるサブクーリングの有利点を生かすように蒸発器を拡大している。
【００５５】
図７は、圧力差適応デバイスとしての渦生成器を用いた本発明の一実施形態のブロック図を示す。
【００５６】
図８は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、液状冷媒が、第２の熱交換器の下流へと方向転換される。
【００５７】
図９は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、温度調整エクスパンションバルブ（ＴＸＶ）を用いて吸引温度を一定に保持する。
【００５８】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、本発明による圧力差適応デバイスとして用いることが可能な渦生成器の構造を示す。
【００５９】
図１１は、本発明をゾーン形式冷却システムに適用した場合を示すブロック図である。
【００６０】
図１２は、本発明を混合冷媒システムに適用した場合を示すブロック図である。
【００６１】
図１３は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、小型コンデンサおよび大型蒸発器をＴＸＶと共に用いて、蒸発器から出ていく冷媒によって熱交換器を駆動するさらなるサブクーリングの利点を生かす。
【００６２】
図１４は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、主要膨張装置から方向転換された冷媒によって熱交換器を駆動するさらなるサブクーリングの利点を生かすような、小型コンデンサおよび大型蒸発が図示される。
【００６３】
図面中、類似の部品には同じ参照符号が付される。
【００６４】
図５は、液状冷媒の一部をバイパスラインまたは経路２７を通じてバイパスさせるバイパス技術コンセプトを示す。バイパス経路中の冷媒は第２の膨張装置２３内を通過して、その圧力および温度を低下させる。第２の膨張装置通過後の冷却状態冷媒混合物は、コンデンサから出てきた高温液状冷媒からの熱エネルギーを受け取り、第１の冷媒ライン内を通過し、これにより、液状冷媒中においてさらなるサブクーリングが生成される。このバイパス方法から生成されるさらなるサブクーリングにより、コンデンサ中のサブクーリングプロセスは不要になる。そのため、図５に示される小型コンデンサ１４ｂでは、サブクーリング区分は除去され、点線状の長方形箱として示されている。
【００６５】
図６は、このバイパス技術により、このバイパス技術を用いない最適化システム中の蒸発器よりも大型の蒸発器を用いることが可能になることを示す。より大型の蒸発器の使用が可能になるのは、バイパス技術によってサブクーリングが増大するからである。サブクーリングが増大すると、主要膨張装置後の液状冷媒がより低温でより大量になり、これにより、蒸発器における熱吸収を増大させる。この蒸発器のサイズ増大を点線状の長方形箱１８ａによって示す。図６中、大型化蒸発器を２８で示す。蒸発器のサイズは、冷却システムの容量を直接反映する。バイパス無し最適化システムよりも大型の本発明のこの実施形態における蒸発器を用いると、現行のバイパス技術で、コンデンサおよびコンプレッサのサイズ増大を招くこと無くシステム容量の増大が図れるため、大変有意義である。蒸発器サイズが増大すると、残りの全コンポーネントのサイズを同等に保持した場合にも、冷却容量の増大に直接つながり、別の観点から見ると、バイパスを追加することにより、コンデンサおよびコンプレッサのサイズを低減しつつ、所与の蒸発器容量の要求を満たすことができる。例えば、最適化システム中のもののサイズよりもより小型のコンデンサおよびより小型のコンプレッサによる冷却システムを構築しつつ、蒸発器サイズおよび冷却容量を保持することが可能となる。コンプレッサのコストは現行冷却システムの総コストの約半分であるため、コンプレッサのサイズ削減は特に魅力的な選択肢である。
【００６６】
図７は、より小型のコンデンサ２４と、バイパス無しのものよりも大型の蒸発器２８とを備えたバイパス技術を示す。例えば、バイパス無しの１トン空調システムの場合、１トン（すなわち、１５ＫＢｔｕ／時間）に相当するコンデンサ１４と、１トン（すなわち、１２ＫＢｔｕ／時間）に相当する蒸発器１８と、図ｌに示すような１トン用途用に設計されたコンプレッサ１２とが必要となる。バイパス付きの１トン空調システムの場合、より小型のコンデンサ２４（すなわち、１０ＫＢｔｕ／／時間）と、より大型の蒸発器２８（すなわち、１５ＫＢｔｕ／／時間）と、図６に示すような１トン用途用に設計された同じコンプレッサ１２とが必要となる。
【００６７】
図６は、圧力差適応デバイス３８を用いたバイパス技術を示す。バイパス経路２７における圧力は、蒸発器における圧力よりも大きい。そのため、蒸発器後の２つの異なる圧力における蒸気を考慮するために、圧力差適応デバイスを設ける必要がある。この圧力差適応デバイスは、真空生成デバイス（例えば、渦生成器またはベンチュリ管）、または圧力低減デバイス（例えば、導管、限定オリフィス、バルブ）、またはポーラスプラグのいずれかであってもよい。圧力低減デバイスの場合、摩擦により、バイパス経路から来る冷媒ストリームの圧力が低減し、蒸発器圧力とマッチングする。圧力低減デバイスに適切なチュービング等を設けて、圧力均等化された蒸気を混合した後、コンプレッサインレットに戻すようにしてもよい。
【００６８】
図７は、渦生成器２９を圧力差適応デバイスとして用いて真空を生成し、圧力が異なる２つの冷媒ストリームの混合を達成できるようにしたバイパス技術を示す。
【００６９】
図５〜７に示すインプレメンテーションにおいて、冷媒を第２の経路へと方向転換させた後、第１の冷媒フローを熱交換器２２中のサブクーリングへと晒す。図８は別の実施形態を示し、この実施形態では、サブクーリング後にこのような方向転換を行っている。ここでも、蒸発器とコンプレッサとの間で圧力差適応デバイス３８を用いて、圧力が異なる２つの蒸気を組み合わせる。
【００７０】
図９は、バイパス技術と共に温度調整エクスパンションバルブ（ＴＸＶ）１６ａを用いた本発明の実施形態を示す。ＴＸＶ１６ａは、蒸発器２８に対する冷媒フローを熱感知エレメント４１を用いて測定し、その過熱状態をモニタリングする。ＴＸＶ１６ａは、熱エレメント４１に応答して開閉する。ＴＸＶ１６ａは、蒸発器２８中の一定の過熱状態を保持する。ＴＸＶ１６ａをバイパス技術と共に用いることにより、そうではない場合よりもより小型の蒸発器を用いることが可能となる。蒸発器２８における熱吸収が増加すると、過熱も増加する。そのため、ＴＸＶ１６ａが開口し、これにより、循環中の冷媒質量フローの速度が上昇して、過熱状態は一定のままになる。ＴＸＶ１６ａと共により大型の蒸発器を用いた場合、ＴＸＶ１６ａによって循環中の冷媒質量フローの速度が上昇するため、蒸発器における熱吸収を著しく増加させることができる。
【００７１】
バイパスが無い場合、より大型の蒸発器の使用に起因する熱吸収増大によってコンデンサ圧力も増大し、その結果、コンプレッサの仕事が増大する。コンプレッサ仕事の増大は熱吸収の増大よりも大きいことが多く、そのため、エネルギー効率比（ＥＥＲ）が低下する。しかし、本発明では、バイパス技術によってコンデンサ２４中およびコンデンサ２４後のサブクーリングを充分に行い、これにより、蒸発器２８における熱吸収増大によるコンデンサ圧力増大が生じないようにする。なぜならば、バイパスにより、コンデンサ２４の挙動は、コンデンサ２４のサイズが特大サイズになったかのような挙動になるからである。そのため、バイパスを用いた場合、ＥＥＲは増大する。
【００７２】
渦生成器の構成を図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）中に模式的に示す。この渦生成器（主に４０で示す）の設計は、いわゆる渦管から得ている。渦管は、圧縮ガスの入来フローを２つのアウトレットストリーム（１つのストリームの温度は渦管に供給されるガスの温度よりも高く、もう一方のストリームの温度は渦管に供給されるガスの温度よりも低い）に変換する公知のデバイスである。渦管は移動部分は含まない。このようなデバイスは、米国特許第６，２５０，０８６号（本明細書中、同特許を参照のため援用する）に図示されている。
【００７３】
図１０（Ａ）および図ｌ０（Ｂ）に示すように、渦生成器４０を用いて、圧力が異なる２つの蒸気を混合して１つのストリームにする。本発明では、渦生成器４０を混合手段として用いる。渦生成器４は、管状ボディ６０で構成され、管状ボディ６０は、アキシアルインレット５２と、インレット端部６２にあるタンジェンシャルインレット５４と、反対側のアウトレット端部６４にあるアウトレット５８とを備える。インレット端部におけるチューブ６０の内部構成により、タンジェンシャルインレット５４に入った高圧力ガスストリームは、アウトレット５８へと延びる螺旋状経路に沿って移動するようになっている。その結果、チューブ６０中に強い渦フローが生じ、この渦フローによって生成された遠心力に起因するラジアル圧力差により、蒸気はラジアル外側方向に強制的に出され、周囲部は高圧力となり、その軸方向においては低圧力となる。この低圧力により、アキシアルインレット５２を通じて引き込まれた流動体は、高圧力螺旋状ストリームと混ざり、このストリームと共にアウトレット５８から出て行く。
【００７４】
図７に示すシステムと、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すような渦生成器４０の構造とを参照して、第２の熱交換器２２およびバイパス経路２７からチューブ５４を通じて高圧力タンジェンシャルフローが提供される一方、アキシアルインレット５２における入来ストリームは、蒸発器２８のアウトレットから提供される。渦生成器に基づいた真空生成デバイスを用いると、蒸発器２８から出ていく冷媒と、第２の熱交換器２２から出ていくより高圧力の冷媒とを（移動部分を有する高コストのポンプ部分を必要とすることなく）組み合わせることが可能となる。
【００７５】
ジオメトリおよび流動体ダイナミクスに依存する他のデバイスを用いて真空を生成して、蒸発器１８から出ていく冷媒ストリームおよび熱交換器２２から出ていく冷媒ストリームを混合してもよい。例えば、ベンチュリ管原理に基づいて動作するデバイスを用いてもよい。
【００７６】
再度図７を参照して、動作時、コンデンサ２４から出て行く液状冷媒の一部は、バイパス経路２７中に（例えば、適切なバルブ（図示せず）により）方向転換される。方向転換された冷媒は、第２の膨張装置２３を通過した後、熱交換器２２を通過する。熱交換器２２は、コンデンサの下流部位によって従来行われていたサブクーリング機能を行う。システムパラメータ（特に、バイパス経路へと方向転換される冷媒の質量フロー速度）を適切に選択することにより、冷媒がコンデンサ２４を出ていくときの冷媒温度を飽和温度と同じかまたは近くにすることができ、コンデンサを通じるフロー経路全体を環境への熱移動による相変化動作に専念させることができ、これにより、コンデンサ効率を最大化することが可能となる。これを行うためには、コンデンサからバイパス経路へと流出する液状冷媒の５〜１５％の方向転換が必要となることが分かっている。
【００７７】
より詳細には、サブクーリング用のバイパス経路を設けると、コンデンサ２４の効率が高くなり、これによりコンデンサ圧力が低減され、その結果、コンプレッサ１２における圧力上昇が低減され、これによりコンプレッサ仕事が低減する。冷却システムの性能係数（「ＣＯＰ」）（エネルギー−効率比（ＥＥＲ）とも呼ばれる）は、Ｑｖ／Ｗｃと定義される。ここで、Ｑｖは、システムの蒸発器による熱吸収であり、Ｗｃは、コンプレッサによって行われる仕事である。理解されるように、Ｗｃが低下すると、ＣＯＰおよびＥＥＲが増加する。
【００７８】
それに対応して、コンデンサ２４内ではサブクーリング実施は不要であるため、コンデンサ効率が高くなり、主要膨張装置１６前のサブクーリングが増大する。その結果、主要エクスパンションバルブ１６を通じたスロットリングプロセス後の液状冷媒の量が増加する。よって、蒸発器２８における熱吸収（冷却容量と呼ばれることが多い）が増加する。
【００７９】
やはり図７を参照して、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示す渦生成器４０などの真空生成デバイスまたはベンチュリ管を適切に設計することにより、低圧力インレット５２における圧力を、主要蒸発器２８におけるインレット圧力よりも低くすることができる。その結果、蒸発器２８において圧力降下が生じ得る。これは、蒸発器アウトレット圧力が低くなると蒸発器温度差が大きくなり、その結果蒸発器容量向上につながるため、有利である。
【００８０】
より重要なことは、熱交換器２２および蒸発器２８からの２つの蒸気ストリームの混合後、この混合ストリームの圧力を蒸発器インレット圧力よりも高くすることができる点である。すなわち、コンプレッサインレットにおける吸引圧力が増加し、その結果、コンプレッサ１２における必要な圧力上昇が低減する。コンプレッサ仕事が低減すると、ＥＥＲの有利な増加が得られる。
【００８１】
図１１は、本発明の原理を具現化するゾーン形式空調システム（主に１１０で示す）を示す。このシステムが図５中に示すシステム５０と異なるのは、バイパス経路９２に調節可能制御バルブ９４が設けられ、蒸発器９６が、平行接続された複数の蒸発器ユニット９８ａおよび９８ｂで形成されている点である。これらの蒸発器ユニット９８ａおよび９８ｂは、異なる部屋として機能するように配置され、オン／オフバルブ１００ａおよび１００ｂによって第１の膨張装置１６へとそれぞれ接続される。システム１１０はこのように構成されることで、２つの別個の冷却ゾーンを提供する。しかし、理解されるように、所望であればより多くのゾーンを設けてもよい。
【００８２】
蒸発器ユニット９８ａのアウトレットおよび蒸発器ユニット９８ｂのアウトレットは同一圧力にされるため、圧力差適応デバイス３８の入力に共通接続される。
【００８３】
動作時、双方のゾーンにおいて冷却が必要な場合、バルブ１００ａおよび１００ｂが開口し、蒸発器９８ａおよび９８ｂ双方を冷媒が流れる。バルブ９４を調節して、コンデンサ２４からバイパス経路９２内への冷媒の１０〜６０パーセントを方向転換させるようにし、これにより、冷却および効率を最大化する。そのため、図５、図６および図７に関連して述べたサブクーリングバイパスの利点全てがシステム１１０においても実現される。
【００８４】
しかし、システム１１０のさらなる特徴として、（例えば、蒸発器ユニット９８ａの担当ゾーンのみにおいて）冷却が必要な場合、バルブ１００ａは開き、バルブ１００ｂは閉まり、バルブ９４を調節して、そうではない場合に蒸発器９８ｂからバイパス経路９２へと流れる冷媒を、サブクーリングに必要な冷媒に従って方向転換させる。
【００８５】
バイパス質量フロー速度を変化させるには、バイパス経路９２中のバルブ９４を連続調節可能かまたは複数工程にて調節可能にして、所望の数の異なるフロー速度を提供する必要がある。例えば、最大性能に対して５％〜１５％の方向転換が提供可能であり、冷却容量低減に対して２０％、３０％、４０％、５０％および６０％の方向転換が提供可能である。上述した能力を提供するバルブは市販されており、この種のバルブで任意の適切なまたは所望のバルブを用いてよい。
【００８６】
上記したように、冷媒質量フローの５〜１５％をバイパス経路９２へと方向転換させることにより、最大効率および最大冷却容量が達成される。冷媒の方向転換量が１５％を超えて（例えば３０％以上まで）増加すると、蒸発器９６中を循環する冷媒質量フロー速度が実質的に低下するため、冷却容量は低減する。そのため、アイドル蒸発器において不要になっている冷媒を方向転換させることにより、コンプレッサのオン／オフ繰り返し反復を必要としたりまたはわざわざ高コストの可変速コンプレッサを用いることなく、熱負荷に応じて冷却容量を変化させることができる。
【００８７】
このような方向転換は、コンプレッサを繰り返しオン／オフすると大量のエネルギー消費に繋がるため、特に有利である。このような非効率を排除すると、長期エネルギー効率が顕著に向上する。この長期エネルギー効率は、（システム効率の点についてコンプレッサのオン／オフ動作を考慮に入れる）季節エネルギー−効率比（ＳＥＥＲ）について測定されることのあるパラメータである。ＳＥＥＲは、Ｑｖ（蒸発器によって吸収される熱）の総量を動作時間で乗算した一方の値の、Ｗｃ（コンプレッサ仕事）を動作時間で乗算した他方の値に対する比として定義される。
【００８８】
またこれも理解されるように、図５〜図９に示すような単一ゾーンシステムに可変冷却容量を提供することができる。ここで、適切な調節可能バルブ（図示せず）を通じてさらなる冷媒をバイパス経路２７へと方向転換させて、必要な冷却容量の低下に対応し、これにより、コンプレッサの頻繁なオン／オフ繰り返しを行う必要なくことなくシステムを動作させることが可能となる。
【００８９】
上述した構成では、システム中を単一冷媒が循環している場合を想定してきた。しかし、サブクーリングバイパスを再生システム中の混合冷媒と共に用いて、極めて有利な結果を達成することも可能である。
【００９０】
図１２は、本発明の実施形態を（例えば冷媒Ｒ−３２、Ｒ−１２５およびＲ−１３４ａの混合物を用いた）簡単な混合冷媒システムに適用した様子を示す。この組み合わせは、Ｒ−３２成分は可燃性であるが熱的特性が優れている一方、Ｒ−１２５成分およびＲ−１３４ａ成分は所望の熱的特性の点でＲ−３２よりも劣るものの不燃性であるためより安全であるという点において、従来から有利な組み合わせとして用いられている。説明を簡単にするため、米国特許第６，２９３，１０８号および米国特許第６，４４９，９６４号に示されているような再生経路の差異は、図１２の例示的システムから省略している。
【００９１】
主に「１２０」で示すシステムは、コンプレッサ１２と、膨張装置１６ａと、蒸発器２８と、熱交換器２２と、システム５０におけるようなバイパス経路２７中の圧力差適応デバイス３８（図５を参照）とを含む。しかし、図１２のシステム１２０中のコンデンサは、２つの段２４ａおよび２４ｂに分割され、これら２つのコンデンサ段の間には、任意の適切または所望の種類の液体／蒸気（ＬＶ）分離器１０８が設けられる。
【００９２】
ＬＶ分離器１０８は、コンデンサ段２４ａから出てくる入来蒸気ストリームを分離させて、コンデンサ段２４ｂのインレットへと移動する第１の蒸気成分と、一部がバイパス経路２７へと入ってバルブ１１２を通じて熱交換器２２のインレットへと移動する第２の低温液体成分とに分離させる。
【００９３】
バルブ１１２を通じてＬＶ分離器１０８から出てきた第２の成分は、その他の冷媒成分と比較して凝集点および沸点が高いため、Ｒ−１３４ａ冷媒を豊富に含む。上述したようなコンデンサ段２４ａ外部において緩熱工程を行うことによる利点とは別に、Ｒ−１３４ａが豊富な組成の冷媒を液状様態でバイパス経路に配分すると、コンデンサ圧力が低下するというさらなる利点が得られる。
【００９４】
上記したように、図１２に示すシステムは、本発明の原理を混合冷媒再生システムに適用した場合を示す。しかし、本バイパスは他の混合冷媒再生システム構成にも適用可能であることが理解されるべきである。
【００９５】
図１３は、本発明を従来の液体ライン／吸引ライン熱の交換に適用した様子を示す。ここでは、蒸発器から出ていく過熱状態蒸気または液体／蒸気混合物を用いて、従来の慣習によって決定されるようなコンデンササイズの脱最適化と組み合わせられるコンデンサから出ていく高圧力液体のサブクールを行う。本発明では、温度調整膨張装置２１６を吸引温度をモニタリングする温度調整球状物（ｂｕｌｂ）２４１と共に用いることにより、コンプレッサ２１２の前において吸引温度が増加するにつれ、冷媒の循環質量フロー速度を上昇させる。本発明では、温度調整膨張装置２１６は、循環冷媒の質量フロー速度を上昇させる際、吸引温度が一定になるようにする。本発明では、最適化システムにおけるコンデンサよりもずっと小型のコンデンサ２１４を用いる。さらに、本発明では、最適化システムにおける蒸発器よりもずっと大型の蒸発器２１８を用いる。最適化システムにおいて、従来の液体ライン／吸引ライン熱交換は、システム効率を向上させない。本発明では、大型の蒸発器２１８を用いて、バイパス方法を用いない最適化システムにおけるものよりもより小型のコンデンサおよびより小型のコンプレッサで冷却システムを構築することが可能である。
【００９６】
図１４は、（やはり従来の慣習によって決定されるようなコンデンササイズの脱最適化と組み合わされる）図４に示すシステムに類似するシステム構成に本発明を適用した様子を示す。ここで、液状冷媒の一部を第２の膨張装置２２３および熱交換器２２２を通じてバイパスさせて、コンデンサから出てくる高圧力液体のサブクールを行う。本発明では、最適化システムにおけるコンデンサよりもずっと小型のコンデンサ２２４を用いる。さらに、本発明では、最適化システムにおける蒸発器よりもずっと大型の蒸発器２２８を用いる。
【００９７】
本発明を説明するに当たり、分かりやすくするために特定の用語を用いてきた。しかし、本発明はこれらの説明的用語に限定されることを意図しておらず、各特定の用語は同様の目的を達成するために同様の様態で動作する全ての技術的均等物も含むことが理解される。
【００９８】
同様に、記載および図示した実施形態も例示を意図したものであり、当業者にとって、開示内容を鑑みれば、本発明の範囲内の様々な変更および改変ならびに他の実施形態が明らかである。よって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって規定および限定されるものであり、本明細書中の記載によって規定および限定されるものではないことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】図１は、従来の冷却システムのブロック図を示す。
【図２】図２は、図１の従来冷却システム用のコンデンサ内部の温度変化の一例を示す。
【図３】図３は、別の従来技術冷却システムを示し、このシステムでは、高圧力冷媒の一部が、蒸発器アウトレットの圧力と同じ圧力にされているバイパスライン中の第２の膨張装置を通じて膨張する。
【図４】図４は、従来の液体ライン／吸引ライン熱交換器を用いたバイパスデバイスの一例を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、従来の慣習によって決定されるようなコンデンササイズの脱最適化と共にサブクーリングバイパス技術を用い、圧力差適応デバイスを用いて、２つの異なる圧力の２種類の冷媒ストリームを混合する。
【図６】図６は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、さらなるサブクーリングの有利点を生かすように蒸発器を拡大している。
【図７】図７は、圧力差適応デバイスとしての渦生成器を用いた本発明の一実施形態のブロック図を示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、液状冷媒が、第２の熱交換器の下流へと方向転換される。
【図９】図９は本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、温度調整エクスパンションバルブ（ＴＸＶ）を用いて吸引温度を一定に保持する。
【図１０】図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、本発明による圧力差適応デバイスとして用いることが可能な渦生成器の構造を示す。
【図１１】図１１は、本発明をゾーン形式冷却システムに適用した場合を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、本発明を混合冷媒システムに適用した場合を示すブロック図である。
【図１３】図１３は本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、小型コンデンサおよび大型蒸発器をＴＸＶと共に用いて、蒸発器から出ていく冷媒によって熱交換器を駆動するさらなるサブクーリングの利点を生かす。
【図１４】図１４は本発明の一実施形態のブロック図を示し、ここでは、主要膨張装置から方向転換された冷媒によって熱交換器を駆動するさらなるサブクーリングの利点を生かすような、小型コンデンサおよび大型蒸発が図示される。
【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】
2006505763.tif 000011
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年7月12日(2005.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムであって、
コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含む第１の冷媒経路であって、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器は、相互接続され、これにより内部を冷媒が循環する閉ループシステムを形成する、第１の冷媒経路と、
前記コンデンサのアウトレットと前記コンプレッサのインレットとの間に取り付けられたバイパス経路と、
を含み、
前記バイパス経路は、
第２の膨張装置と、
前記コンデンサアウトレットと前記第１の膨張装置インレットとの間の前記第１の冷媒経路に熱結合された熱交換器であって、前記コンデンサから抜き出された冷媒のサブクーリングを提供し、前記コンデンサの熱伝導容量は、前記必要なサブクーリングを提供するのに不十分である、熱交換器と、
を含む冷却システム。
【請求項２】
前記熱交換器および前記コンデンサの構成は、前記必要なサブクーリングの全体が前記熱交換器によって実質的に提供されるような構成である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記熱交換器および前記コンデンサの構成は、前記冷媒のサブクーリングの大部分が前記熱交換器によって提供されるような構成である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記熱交換器から出て行く冷媒の蒸気圧力は前記蒸発器から出て行く冷媒の蒸気圧力よりも高く、
前記システムは、前記蒸発器のアウトレットおよび前記熱交換器のアウトレットを前記コンプレッサのインレットへと接続する圧力差適応デバイスをさらに含む、
請求項１〜３のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項５】
前記圧力差適応デバイスは、インレットが前記蒸発器のアウトレットおよび前記熱交換器のアウトレットへと接続されかつアウトレットが前記コンプレッサのインレットへと接続された真空生成デバイスであるか、または、前記熱交換器のアウトレットへと接続された圧力低減デバイスであり、かつ、前記圧力低減デバイスおよび前記蒸発器のアウトレットを前記コンプレッサのインレットへと接続させる混合デバイスである、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記真空生成デバイスは渦管またはベンチュリ管であり、前記圧力低減デバイスは、導管、限定オリフィス、バルブまたはポーラスプラグである、請求項５に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記バイパス経路は、前記熱交換器のコンデンサ下流のアウトレットへと接続される、請求項１〜６のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項８】
前記蒸発器は、前記システムによって冷却されている空間の各部位に設けられた複数の平行接続された蒸発器エレメントから構成され、
前記システムは、
前記第１の膨張装置を前記蒸発器エレメントへとそれぞれ接続させる複数のオン／オフバルブであって、所与の時間において特定のロケーションの冷却が不要な場合、前記オン／オフバルブへの冷媒のフローを遮断することにより、各蒸発器エレメントをアイドル状態にするように動作可能である、オン／オフバルブと、
前記バイパス経路中の調節可能バルブであって、特定の蒸発器エレメントがアイドル状態である場合に前記第１の冷媒経路において不要となる冷媒質量フローが前記バイパス経路へと流れるように、前記バイパス経路中の冷媒フローを制御するように動作可能である、調節可能バルブと、
をさらに含む請求項１〜７のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項９】
圧力差適応デバイスをさらに含み、前記圧力差適応デバイスは、前記蒸発器エレメントのアウトレットに共通接続された低圧力インレットと、前記バイパス経路に接続された高圧力入力と、前記コンプレッサのインレットへと接続されたアウトレットとを有する、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記バイパス経路中のバルブは、前記蒸発器エレメント全ての稼動に起因して最大冷却容量が必要な場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、特定の蒸発器エレメントの非活性化に起因する熱負荷低減に従って、前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項１１】
前記バイパス経路中のバルブをさらに含み、前記バルブは、高い熱負荷に起因して最大冷却容量が必要となる場合、前記冷媒の約５％〜約１５％を前記バイパス経路へと方向転換させ、かつ、熱負荷低減に応じて前記冷媒の約６０％を前記バイパス経路へと方向転換させるように動作可能である、請求項１〜８のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記コンプレッサは、前記システムが動作している時、熱負荷変化から独立した様態で連続的に動作するように構成かつ制御される、請求項１〜１１のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記第１の冷却経路中の膨張装置は、前記コンプレッサのインレットへと熱結合された温度センサに応答して温度調整的に動作され、これにより、前記蒸発器中の一定過熱を維持する、請求項１〜１２のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１４】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項１〜１３のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１５】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも大きい、請求項１４に記載の冷却システム。
【請求項１６】
前記熱交換器は、前記熱交換器中の冷媒のカウンターフローと、前記第１の冷媒経路中の熱結合された冷媒とを提供するように接続される、請求項１〜１５のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１７】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項１〜１６のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１８】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項１〜１６のいずれかに記載の冷却システム。
【請求項１９】
液体／蒸気分離器をさらに含み、前記液体／蒸気分離器は、前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させるように動作可能であり、これにより蒸発器効率を向上させる、請求項１８に記載の冷却システム。
【請求項２０】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りよりも高い凝縮温度および沸点を有する、請求項１９に記載の冷却システム。
【請求項２１】
冷却システムの効率を増加させる方法であって、
第１の冷媒経路内に冷媒を通過させる工程であって、前記第１の冷媒経路は、コンプレッサ、コンデンサ、第１の膨張装置および蒸発器を含み、前記コンプレッサ、前記コンデンサ、前記第１の膨張装置および前記蒸発器は相互接続され、これにより閉ループシステムを形成し、前記コンデンサの熱伝導容量は、前記循環する冷媒に対して必要なサブクーリングを提供するには不十分である、工程と、
前記コンデンサから出て行く冷媒の一部を第２の冷媒経路へと方向転換させる工程であって、前記第２の冷媒経路は、第２の膨張装置と、前記コンデンサアウトレットと前記第１の膨張装置インレットとの間の第１の冷媒経路に熱結合された熱交換器とを含む、工程と、
前記方向転換された冷媒を前記熱交換器中に通過させて、前記第１の冷媒経路中を流れる冷媒に対してサブクーリングを提供する工程と、
を含む方法。
【請求項２２】
前記熱交換器から出て行く冷媒および前記蒸発器から出ていく冷媒を、圧力が異なる２つの蒸気を混合させる圧力差適応デバイス内を通過させる工程と、
前記圧力差適応デバイスから出て行く冷媒を、前記コンプレッサのインレットへと送達する工程と、
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記冷媒は、前記熱交換器のロケーション下流において前記バイパス経路へと方向転換される、請求項２１〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記必要なサブクーリングの実質的全ては、前記熱交換器中の熱伝導によって提供される、請求項２１〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記必要なサブクーリングの大部分は、前記熱交換器中の熱伝導によって提供される、請求項２１〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記コンデンサから流出する前記液状冷媒の約５％〜約１５％は、前記バイパス経路へと方向転換される、請求項２１〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記バイパス経路へと方向転換される前記コンデンサから流出する冷媒の分量を制御して、前記熱負荷に応じて前記システムの冷却容量を調節する工程と、をさらに含む、請求項２１〜２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の冷却経路は、別個に冷却される各ロケーション内に配置された複数の蒸発器を含み、
前記方法は、
前記ロケーション全ての冷却のために最大冷却容量が必要な場合、事前規定された最小量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
熱負荷が低減するにつれて、漸増量の冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む請求項２１〜２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
所与の時間における冷却が不要なロケーションにある特定の蒸発器を、前記蒸発器への冷媒フローをブロックすることにより、アイドル状態にする工程と、
特定の蒸発器がアイドル状態である場合、通常は前記特定の蒸発器へと送達される冷媒を前記バイパス経路へと方向転換させる工程と、
をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記システム中を循環する冷媒は単一成分からなる、請求項２１〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記システム中を循環する冷媒は、所望の熱特性および燃焼特性の組み合わせを提供するように選択された複数の成分を含む混合冷媒である、請求項２１〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
前記混合冷媒の少なくとも１つの成分を前記バイパス経路へと選択的に方向転換させることで、前記冷媒が前記蒸発器に入るにつれて、前記冷媒中の液体のパーセンテージを増加させて、これにより蒸発器効率を改善させる工程をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記方向転換された冷媒は、前記冷媒の残りに対して高い凝縮温度および高い沸点を有する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記コンプレッサのインレットにおける冷媒温度を感知する工程と、
前記感知温度に応じて、前記第１の冷却経路中の膨張装置を通過する冷媒の質量フロー速度を制御して、前記蒸発器を出て行く冷媒の過熱状態を一定レベルに保持する工程と、
をさらに含む、請求項２１〜３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記コンデンサのサイズは、所望の冷却容量を達成するように選択された蒸発器に従来必要とされたサイズよりも小型である、請求項２１〜３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記蒸発器のサイズは、コンプレッサ仕事を増大させることなく冷却容量を増加させるために従来必要とされたサイズよりも大きい、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記システムが動作している時、前記必要な冷却容量から独立した様態で前記コンプレッサを連続的に動作させる工程をさらに含む、請求項２１〜３６のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2006505763.tif 000017