(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却システムであって、
圧縮された冷媒ガスが排出されるコンプレッサであって、前記冷媒ガスがコンプレッサ潤滑剤を連行する、該コンプレッサと、
前記コンプレッサから受け取った冷媒ガスを凝縮させて液体にするコンデンサと、
凝縮されたシステム冷媒及びコンプレッサ潤滑剤を前記コンデンサから受け取る膨張弁と、
前記膨張弁からの凝縮されたシステム冷媒とコンプレッサ潤滑剤を受け取るエバポレータであって、前記凝縮された冷媒の第１部分が前記エバポレータ内で気化され、前記凝縮された冷媒の第２部分及び前記コンプレッサ潤滑剤が混合物として前記エバポレータ内に溜まる、該エバポレータと、
エバポレータ圧力より高い圧力を前記混合物に印加することによって前記混合物を前記コンプレッサに戻すための戻し手段であって、前記圧力の印加が、エバポレータ圧力と、それより高い前記圧力との圧力差によって決定される時間だけ持続する、該戻し手段とを有することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記混合物を前記コンプレッサに戻すための圧力源が前記コンデンサであることを特徴とし、
前記エバポレータ圧力より高い圧力がコンデンサ圧力であることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記コンデンサの内部の圧力を検知するための手段と、
前記エバポレータの内部の圧力を検知するための手段と、
前記エバポレータ及び前記コンデンサの検知された圧力の圧力差に基づいて前記混合物にコンデンサ圧力を印加する時間を決定する制御手段とを更に有することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記戻し手段が収集タンクを有しており、前記混合物が前記エバポレータから前記収集タンクに移り、コンデンサ圧力が印加されることにより、前記収集タンクに移った前記混合物が前記コンプレッサに戻されることを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記混合物の前記コンプレッサへの戻しが周期的に生じ、戻しサイクル時間の長さが、前記冷却システムに加わるその時の負荷に基づいて決定されることを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記収集タンク内の前記混合物が前記コンデンサを源とする冷媒ガスを供給し、その圧力を印加することによって排出され、前記コンデンサを源とする前記冷媒ガスの供給による前記混合物の排出が、前記混合物の前記収集タンクを空になるのと概ね同時に終了し、これによって前記収集タンクを空にするために必要な程度以上の、前記コンデンサを源とする前記冷媒ガスの前記エバポレータを介さない前記コンプレッサ側への戻りが防止されることを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記コンプレッサがスクリューコンプレッサであることを特徴とし、
前記混合物の前記コンプレッサへの戻しが前記コンプレッサの吸込みラインの下流で行われ、前記混合物が主として液体冷媒からなることを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記エバポレータが流下薄膜型エバポレータであることを特徴とし、
前記膨張弁からの液体状態の冷媒、気体状態の冷媒、及びコンプレッサ潤滑剤が前記エバポレータに受け取られることを特徴とし、
前記エバポレータが液体状態の冷媒から気体状態の冷媒を分離するための分離手段を更に有し、前記分離手段が液体冷媒とコンプレッサ潤滑剤を前記エバポレータの内部に分配及び熱伝達のために分配することを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記混合物の前記コンプレッサへの戻しが周期的に生じ、サイクル時間の長さが、前記冷却システムに加わるその時の負荷に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記エバポレータ圧力より高い圧力がコンデンサ圧力であることを特徴とし、
前記混合物が、個々の戻しサイクル内の所定の時間で前記コンプレッサに戻され、前記時間が前記エバポレータと前記コンデンサとのその時の圧力差に基づいて決定されることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１１】
前記戻しサイクルの長さが、前記冷却システムに対する負荷が小さくなるにつれ長くなることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記戻し手段が収集タンクを有しており、前記混合物が前記エバポレータから前記収集タンクに移り、収集サイクルの間に前記コンプレッサに戻される前記混合物の一部が前記収集タンクから戻され、前記収集タンクにおける前記混合物が前記コンデンサを源とする冷媒ガスを供給し、その圧力を印加することによって排出され、前記コンデンサを源とする前記冷媒ガスの供給による前記混合物の排出が前記混合物の前記収集タンクが空にされる時間と概ね同時に終了し、これによって前記収集タンクを空にするために必要な程度以上の、前記コンデンサを源とする前記冷媒ガスの前記エバポレータを介さない前記コンプレッサ側への戻りが防止されることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記冷却システムに対する前記負荷を検知するための手段と、
コンデンサ圧力を検知するための手段と、
エバポレータ圧力を検知するための手段と、
前記混合物の前記コンプレッサへの戻しを制御するための手段とを更に有することを特徴とし、
前記混合物を前記コンプレッサに戻すための圧力の源が前記コンデンサであり、前記混合物が戻しサイクル内の所定の時間で前記コンプレッサに戻され、前記時間が検知されたエバポレータ圧力と検知されたコンデンサ圧力との圧力差に基づいて決定されることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１４】
前記コンプレッサがスクリューコンプレッサであることを特徴とし、
前記混合物の前記コンプレッサへの戻しが前記コンプレッサへの吸込みラインの下流で行われることを特徴とし、
前記コンプレッサに戻される前記混合物が主として液体冷媒からなることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１５】
冷却システムであって、
圧縮された冷媒ガスの流れが排出されるコンプレッサであって、前記ガス流がコンプレッサ潤滑剤を連行する、該コンプレッサと、
コンデンサと、
前記コンデンサからの冷媒及び潤滑剤を受け取るエバポレータであって、前記冷媒及び前記潤滑剤の一部が前記エバポレータに液体混合物として溜まる、該エバポレータと、
前記混合物を前記エバポレータから前記コンプレッサに周期的に戻すための戻し手段であって、各戻しサイクル時間の長さが前記冷却システムに対するその時の負荷に基づいて決定される、該戻し手段とを有し、
前記混合物を前記コンプレッサに周期的に戻すための前記戻し手段が、コンデンサ圧力とエバポレータ圧力との圧力差に基づいて決定される時間だけ前記潤滑剤にコンデンサ圧力を印加するための手段を有することを特徴とする冷却システム。
【請求項１６】
前記混合物を前記コンプレッサに周期的に戻すための前記戻し手段が収集タンクを有しており、前記混合物が前記エバポレータから前記収集タンクに移り、前記コンプレッサに戻された前記混合物の一部が前記収集タンクから戻されたものとなることを特徴とする請求項１５に記載の冷却システム。
【請求項１７】
前記コンプレッサがスクリューコンプレッサであることを特徴とし、
前記スクリューコンプレッサに戻された前記混合物が主として液体冷媒からなることを特徴とする請求項１６に記載の冷却システム。
【請求項１８】
前記混合物の前記スクリューコンプレッサへの戻しが、前記コンプレッサの吸込みラインの下流で行われることを特徴とする請求項１７に記載の冷却システム。
【請求項１９】
前記戻しサイクルの長さが、前記冷却システムに対する負荷が小さくなるにつれて長くなることを特徴とする請求項１８に記載の冷却システム。
【請求項２０】
冷却システムであって、
圧縮された冷媒ガスが排出されるコンプレッサであって、前記冷媒ガスがコンプレッサ潤滑剤を連行する、該コンプレッサと、
前記コンプレッサから受け取った冷媒ガスを液体に凝縮するコンデンサと、
前記コンデンサからの凝縮されたシステム冷媒とコンプレッサ潤滑剤を受け取る膨張弁と、
前記膨張弁から気体状態の冷媒、液体状態の冷媒、及びコンプレッサ潤滑剤を受け取るエバポレータであって、前記液体冷媒が前記エバポレータ内に分配されて、前記エバポレータを通して流れる熱伝達媒体から前記冷媒への熱の伝達を促進し、前記エバポレータに液体状態で受け取られた前記冷媒の第１部分が前記熱伝達媒体との接触による熱交換によって前記エバポレータ内で気化され、液体状態で前記エバポレータに受け取られた前記冷媒の第２部分が、コンプレッサ潤滑剤と共に、液体冷媒とコンプレッサ潤滑剤の混合物として前記エバポレータの下側部分に溜まる、該エバポレータと、
前記エバポレータにおける異なる位置に前記混合物を戻すための戻し手段であって、前記混合物にエバポレータ圧力より高い圧力を印加することによりそこから前記戻された混合物が前記エバポレータを流れる前記熱伝達媒体によって熱伝達が行われるように再分配される、該戻し手段とを有することを特徴とする冷却システム。
【請求項２１】
前記戻し手段が収集タンクを有しており、前記エバポレータ内の前記位置に戻される前に前記混合物が前記エバポレータから前記収集タンクに移り、再分配のために前記エバポレータ内の前記位置に戻された前記混合物が、前記収集タンクから戻されていることを特徴とする請求項２０に記載の冷却システム。
【請求項２２】
前記混合物を前記エバポレータ内の位置に戻すための圧力源が前記コンデンサであることを特徴とする請求項２１に記載の冷却システム。
【請求項２３】
前記エバポレータ内に液体冷媒を分配するための分配手段を更に有し、前記混合物が戻される前記エバポレータ内の位置が、前記エバポレータ内に液体冷媒を分配するための前記分配手段の内部にあることを特徴とする請求項２２に記載の冷却システム。
【請求項２４】
液体状態にある冷媒から気体状態にある冷媒を分離するための分離手段を更に有し、前記分離手段が、前記分配手段の上流で且つ前記計量手段の下流に配置され、両者と連通していることを特徴とする請求項２３に記載の冷却システム。
【請求項２５】
冷却システムにおけるコンプレッサによって行われる、潤滑剤を冷却システムから放出された冷媒ガスの流れに連行させて冷却システムのコンデンサに戻す方法であって、
潤滑剤の前記コンプレッサへの前記戻しが周期的に生ずることを特徴とし、
そのような潤滑剤が前記システムのエバポレータに潤滑剤と冷媒の混合物として集まる傾向にあることを特徴とし、
前記システムの前記コンデンサに関連する圧力を検知する過程と、
前記システムの前記エバポレータに関連する圧力を検知する過程と、
前記混合物を前記コンプレッサに戻すための流路を与える過程と、
前記混合物にシステム圧力を、前記検知されたコンデンサ関連圧力と前記検知されたエバポレータ関連圧力との圧力差に基づいて決定された時間だけ印加する圧力印加過程であって、前記システム圧力が前記コンプレッサに前記混合物を戻すのに十分である、該圧力印加過程とを有し、
前記圧力印加過程が前記戻しサイクルのそれぞれについて一回発生し、各戻しサイクルの長さが前記圧力差に基づいて決定された時間となることを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記冷却システムに対する負荷を検知する過程を更に有することを特徴とし、
各戻しサイクルの長さが前記冷却システムに対する検知された負荷に基づいて決定されることを特徴とする請求項２５に記載の潤滑剤戻し方法。
【請求項２７】
前記混合物を収集タンクに誘導し、そこに集める過程を更に有することを特徴とし、
戻しサイクルの間に前記コンプレッサに戻される前記混合物の部分が前記収集タンクから戻されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記コンデンサが前記システム圧力の源であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記混合物が液体の形態で、前記コンプレッサの吸込みラインの下流において前記コンプレッサに戻されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
冷却システムにおけるコンプレッサによって行われる、潤滑剤を冷却システムから放出された冷媒ガスの流れに連行させて前記コンプレッサに周期的に戻す方法であって、
このような潤滑剤が、前記システムのエバポレータに潤滑剤と冷媒の混合物として集まる傾向を有することを特徴とし、
前記冷却システムに対する負荷を求める過程と、
前記システムに対するその時の負荷に基づいて個々の戻しサイクルの長さを確定する過程と、
前記個々の戻しサイクル内の時間だけ、前記混合物を前記コンプレッサに戻すのに十分なシステム圧力を前記混合物に印加する過程とを有することを特徴とする周期的な潤滑剤の戻し方法。
【請求項３１】
前記戻し過程が、前記システムコンデンサと前記システムエバポレータの間のその時の圧力差に基づいて、個々の戻しサイクル内の前記混合物に前記システム圧力を印加する時間を制御する過程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記混合物に印加される前記システム圧力がコンデンサ圧力であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
独立した収集タンクに前記混合物の一部を集める過程を更に有することを特徴とし、
個々の戻しサイクルの間に、前記収集タンクの内部の前記混合物の一部にコンデンサ圧力が加わることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
冷却システムのエバポレータに液体の形で溜まる冷媒を、前記エバポレータを流れる熱伝達媒体に接触させて熱交換させるために初めに前記エバポレータの中に分配した後、前記熱伝達媒体との熱交換のために前記液体冷媒が再度分配される分配元となる前記エバポレータ内の位置に戻す方法であって、
前記液体冷媒を収集タンク内に集める過程と、
前記収集タンクの内部を前記エバポレータの内部から隔離する過程と、
前記収集された液体冷媒を前記エバポレータ内の前記位置に送るのに十分な圧力を前記収集された液体冷媒に印加する圧力印加過程とを含むことを特徴とする冷媒の戻し方法。
【請求項３５】
前記圧力印加過程が、前記収集された冷媒に前記システムのコンデンサにおける圧力を印加する過程を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明はオイルリターン、即ち、下流に運ばれたオイルが吐出ガス流として冷却コンプレッサからシステムエバポレータに入り、再びコンプレッサに戻るようなオイルのリターンに関するものである。詳述すると、本発明は、例えばオイルリターンプロセスに関連するシステム効率の寄生損失を最小限とするような形で、システム内のその時の圧力差を利用し、かつその圧力差に従ったスクリューコンプレッサベースの冷却システムにおける流下薄膜型エバポレータからの周期的なオイルリターンに関するものである。
冷却システムのコンプレッサから吐出された圧縮された冷媒ガスの流れにオイルを連行させること、及び潤滑の目的でそのオイルをコンプレッサに戻す必要性があることは長年問題となっており、様々な方法の対処がなされてきた。このようなシステムにおいてスクリューコンプレッサが商業的に利用されるようになり、且つより高いシステム効率が必要になってくると、最適化オイルリターン装置及びオイルリターン方法の必要性が一層高まってきた。スクリューコンプレッサは、その性質上、それ以前のシステムより極めて高いパーセンテージのオイルを吐出しガス流にのせて循環させるからである。
スクリューコンプレッサは、冷却システムにおいて使用されるようになってきたが、これはスクリューコンプレッサがガス量制御用スライド弁を使用することにより連続的に、且つ幅広いガス量の範囲にわたって部分負荷され得る能力を有するからである。以前のシステムでは、段階的に無負荷状態になることが多く、このようなシステムでは、スライド弁によるガス量制御を有するスクリューコンプレッサを使用することによって連続的なガス量範囲にわたって使用できるようにつくられた負荷整合式のシステムのような効率は望むべくもなかった。
スクリューコンプレッサは、その動作時に、ワーキングチャンバに配設されたロータを使用する。吸込み圧力の冷媒ガスはコンプレッサのワーキングチャンバの低圧側に入り、反転スクリューロータとそれらが設置されたワーキングチャンバの壁との間に形成された圧縮ポケットに外囲される。このような圧縮ポケットの容積は小さくなり、ロータが回転し噛み合うことによってこのポケットの位置は外周に沿ってワーキングチャンバの高圧側にくる。このようなポケット内のガスは、それを外囲するポケットの容積が小さくなることにより圧縮、加熱され、この状態はポケットがワーキングチャンバの高圧側に設けられた吐出しポートと連通するようになるまで持続する。
多くの用途においては、幾つかの目的で、スクリューコンプレッサのワーキングチャンバに（及び更に圧縮された冷媒ガス内に）比較的大量のオイルが注入される。第１に、注入されるオイルが圧縮される冷媒ガスを冷却し、更にロータの温度を低下させる役目を果たす。これによって当初からのロータ間のより密着度の高い許容差が見こまれる。
また注入されたオイルは潤滑剤としての役目も果たす。二重スクリューコンプレッサにおける２つのロータの一方は、通常例えば電気モータのような外部動力源によって駆動される。噛み合っているロータは外部の動力源で駆動されるロータと噛み合うことにより駆動される。注入されるオイルは、駆動ロータと被動ロータとの間に過剰な摩耗が生ずるのを防止する。更にコンプレッサ内の種々のベアリング表面にも潤滑目的でオイルが供給され、これによってコンプレッサのノイズが低下する。
最後に、スクリューコンプレッサのワーキングチャンバに注入されるオイルは、個々のスクリューロータのエッジと端面との間、及びそれぞれのロータとそのロータが設置されたワーキングチャンバの壁との間の密封剤としての役目を果たす。それらの要素及び表面の間には個別の密封手段は設けられておらず、オイルの注入がないと、スクリューコンプレッサのワーキングチャンバの内部に漏れが生じることになり、これはコンプレッサ及びシステム全体の効率を著しく低下させることになる。総じて、オイル注入により冷却スクリューコンプレッサの効率と寿命の双方を改善することができる。
スクリューコンプレッサのワーキングチャンバ内に入ったオイルは、最終的にその大半が圧縮を受ける冷媒ガスに霧状の液体粒子の形で連行される。このようなオイルは、上に列記した目的でコンプレッサに戻すために、コンプレッサから吐出されるオイルを大量に含んだ冷媒ガスから除去されなければならない。
典型的なスクリューコンプレッサベースの冷媒システムでは、コンプレッサの潤滑剤は、約１０重量％のコンプレッサから吐出された圧縮冷媒ガスを含み得る。９９．９％の効率のオイル分離器が使用できるが、スクリューコンプレッサで使用できる０．１％の潤滑剤はコンプレッサ−分離器の組み合わせ構造から連続的に排出され、冷媒システムの下流の構成要素に流入する。このような潤滑剤は、通常、冷媒システムの低圧側に入り、システムエバポレータに集積する。冷媒システムの低圧側は、システムの膨張弁の下流であるが、相対的に低う圧力が存在するコンプレッサの上流であるシステムの一部分である。一方システムの高圧側は一般にコンプレッサの下流であるが、相対的に非常に高い圧力のシステムの膨張弁の上流の部分である。
このようなシステムで用いられるオイル分離器の高い効率にもかかわらず、コンプレッサは時間の経過につれてその潤滑剤の多くの部分を冷却システムの下流の構成要素へ流して失ってしまうということは理解されよう。このようなオイルをコンプレッサに戻すことができないと、最終的にはオイルの枯渇のためコンプレッサが故障してしまうことになる。
いくつかのスクリューコンプレッサベースの冷却システムでは、システムエバポレータからコンプレッサへオイルを戻すために、いわゆるパッシブオイルリターン（passive oil return）が用いられてきた。パッシブオイルリターンはシステムの動作の通常の過程に固有のパラメータ、特徴及び条件、例えば吸込みガスの速度を用いて「アクティブな」要素を使用することなくシステムコンプレッサにシステムエバポレータからオイルを戻すというものである。上述のような「アクティブな」要素は、動作時に個別に或いは事前に動力を与えられるか制御されなければならない機械的又は電気機械的ポンプ、フロート弁、電気的コンタクト、エダクタ等のことである。
過去においては、オイルリターンのためにエダクタを用いることは極めて一般的であった。エダクタは冷却システムの高圧側と低圧側の圧力差を利用してエバポレータからオイルを引き出しシステムコンプレッサに戻す。従来のシステムでは、このような圧力差は、通常このようなシステムの動作範囲全体にわたってオイルリターンプロセスを動かすために十分なものであった。
冷却システムにおいていわゆる流下薄膜型エバポレータが用いられるようになると、パッシブオイルリターンは基本的に不可能となる。更に、このようなエバポレータで用いられるシステムの高圧側と低圧側の圧力差がシステムの動作条件の全範囲にわたって複数のエダクタを使用することなくエバポレータからコンプレッサへオイルを戻すのに信頼性のある十分な大きさでないことから、エダクタの使用によるアクティブリターンも困難になる。このオイルリターンを達成するために複数のエダクタを使用すると、オイルリターンのためにそれらを使用することができなくなるという問題が生じる。現在のシステム及び将来のシステムにおいてエダクタの使用を困難にさせる他の要因は、比較的最近になって過去のものよりもより低い圧力の冷媒が広く使用されることが多くなったことである。更に、スクリューコンプレッサベースの冷却システムの全体の効率を高め、且つ冷媒及び潤滑剤システム構成要素のコストに関する経済性を達成するように、このようなシステムにおける冷媒及び潤滑剤チャージのサイズを小さくする必要性も生じてきた。
この結果、（当初システム内でより少ない量が使用できる場合）コンプレッサに潤滑剤をうまく戻すことのみならず、オイルリターンプロセスに関連する固有のシステム効率の損失を最小限に抑えるようにリターンを制御し、それを達成することに関するシステム設計の必要性が生じてきた。オイルリターンプロセスに関する固有の損失には、コンプレッサの処理能力への負の効果及び損失、及びコンプレッサによる動力消費量の増加が含まれる。
システム効率については、エダクタは、システムが（スクリューコンプレッサベースのシステムが多くの場合その状態である）部分負荷で動作しているときに効率損失が最大の状態でそれらが動作することによりシステム効率に約１〜２％の損失をもたらし得る。そのようにして、エダクタがシステム動作条件の全範囲にわたって必要な能力のレベルで動作し得ない可能性があるという事実に鑑み、エダクタは、たとえそれらが機械的に単純で基本的にメンテナンスが不要であってもスクリューコンプレッサと流下薄膜型エバポレータを使用する冷却システムにおいて使用される要素の候補にはなり得ない。
冷却システムにおいてエバポレータからコンプレッサへのオイルリターンのための、パッシブではなくアクティブなシステム及び方法の１つでは、いわゆるガスポンプを使用する。このガスポンプでは、システムの高圧側と低圧側の間の比較的大きな圧力差を使用して潤滑剤をエバポレータからコンプレッサに戻す。このようなシステムの例の１つが、Durdenに付与された米国特許第2,246,845号に記載されている。Durdenの特許によれば、エバポレータから受け取った潤滑剤を大量に含む混合物を格納するためにアキュムレータタンクを利用する往復コンプレッサベースの冷却システムが開示されており、上記の潤滑剤を大量に含む混合物のアキュムレータタンクへの格納は、フロート機構が組み込まれた個々のコンテナがその潤滑剤を大量に含む混合物で満たされるまで行われる。フロートタンクが満たされたことは、個々のアキュムレータが同様に満たされたことを意味する。
フロートタンクが満たされたとき、フロートは上昇し、電気スイッチ機構に接触し、このスイッチ機構によりソレノイド弁が駆動され、システムコンデンサからアキュムレータに圧力が加わるようになる。次にコンデンサ圧力が潤滑剤を大量に含む混合物を温度調節膨張弁を通してアキュムレータから排出する。この膨張弁はオイル精留タンクへの混合物の流量を調節し、精留された潤滑剤はコンプレッサ吸込みラインに戻される。Durdenのシステムでは、往復コンプレッサの場合に損傷を与える可能性がある、コンプレッサへの液体のスラグの戻りを防ぐために精留（rectifying）が必要である。
Durdenのシステムでのオイルリターンは、アキュムレータとフロートタンクの双方が満たされた結果生ずる。Durdenのアキュムレータが空である時間は、精留プロセスの速度の関数であり、この精留プロセスの速度は、精留タンクの下流の潤滑剤リターンラインにおいて検知された温度に従ってアキュムレータの流出を規制する温度調節膨張弁によって制御される。Durdenのシステムでは、オイルリターンプロセスのシステム効率への影響とは無関係にオイルリターンが発生しているのは明らかである。
ここで本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,561,987号を参照されたい。この米国特許はここで引用することにより本発明と一体にされたものとする。該特許明細書を参照すると、流下薄膜エバポレータを採用しているために、アクティブオイルリターンシステムを利用しているスクリューコンプレッサベースの冷却システムが開示されている。該特許に開示されたシステムでは、潤滑剤を大量に含む溶媒をエバポレータからコンプレッサの吸込みラインにポンピングする目的で潤滑剤復帰ラインに機械的ポンプが設置されている。このようなポンプはシステム効率の損失の大きな原因とはなっていない（このポンプによって生じるシステム効率損失は約０．１〜０．２％であり、システムの処理能力によって変わる）。しかし、このようなポンプ及び関連装置はいくつかの基準に従って調節されなければならず、更に重要なことは、初期コストの点とそれらの破損、摩耗、及びメンテナンスの必要性の点との双方から大きくコストがかさむ。このように、冷却システムにおけるコンプレッサへのオイルリターンにおいて、破壊や摩耗の生じる可動部品を用いた機械的ポンプや他の装置を使用することによって、多くの点で著しい不利益が生ずることになる。
第１図及び第２図には、システム効率全体へのオイルリターンの固有の影響が示されている。オイルリターン及びオイルリターンの流量が高いシステムに関する固有の寄生効果の中には、コンプレッサの処理能力の損失やコンプレッサによって使用される動力の増加がある。この２つがシステム効率に悪影響を与えている。
初めに第２図を参照すると、エダクタベースのオイルリターンシステムと電気機械ポンプ駆動オイルリターンシステムとの双方の使用に関連するシステム効率の損失が示されている。オイルリターン流量の増加と共にシステム効率の損失が劇的に上昇し、且つエダクタ損失がポンプ関連の損失よりも速いペースで上昇しているということに注意されたい。
第１図を参照すると、オイルリターン流量とシステムエバポレータ内のオイル濃度との比較が示されている。この図面から明らかなように、エバポレータからシステムコンプレッサに戻る混合物のオイル濃度が高くなる程、オイルリターン流量は小さくなる。オイルリターン流量が小さくなるにつれ、オイルリターンプロセスに関連するシステム効率損失も小さくなるということを想起されたい。全体として、低いリターン流量を有するオイルリターンシステムは、システム効率の損失が少ない。
スクリューコンプレッサと流下薄膜型エバポレータが用いられている冷却システムではパッシブオイルリターンのためのポテンシャルが低い、或いはシステムによっては全く存在しないため、このようなシステムではアクティブオイルリターンを使用する必要がでてくる。オイルリターンプロセスに関連するシステム効率の損失を最小限にし、且つ従来のアクティブオイルリターンシステムでのコスト、信頼性及びメンテナンスの問題を回避できるような、流下薄膜型エバポレータが用いられているスクリューコンプレッサベースの冷却システムのための、制御されたアクティブオイルリターンシステム及びオイルリターン方法に対する必要性が存在する。
発明の要約
本発明の目的は、オイルリターンプロセスに関連する冷却効率の寄生損失を最小限にするべくオイルリターン流量を低く抑えた、流下薄膜型エバポレータを用いるスクリューコンプレッサベースの冷却システム用のアクティブオイルリターン装置及びオイルリターン方法を提供することである。
本発明の別の目的は、コンプレッサへのオイルリターンが周期的に行われ、充填部分及び排出部分からなる各サイクルの排出部分の時間がシステムコンデンサとシステムエバポレータの間のその時の圧力差に基づいて決定された長さの時間であるような、スクリューコンプレッサベースの冷却システムにおけるアクティブオイルリターン装置及びオイルリターン方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、オイルリターンが周期的に行われ、その周期の長さが冷却システムにおけるその時の負荷に従って変化する、コンプレッサにオイルを戻すために高圧側圧力を利用するスクリューコンプレッサベースの冷却システムにおけるアクティブオイルリターン装置及びオイルリターン方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、システムエバポレータにおける所定の平均オイル濃度を維持し、且つエバポレータにおける熱伝達を最適化すると共に、コンプレッサへの十分なオイルの供給の有効性を確保するような流量でのコンプレッサへのオイルリターンを提供する方式で、冷却システムにおける流下薄膜型エバポレータからスクリューコンプレッサへの潤滑剤の調節されたリターンを提供することである。
本発明の更に別の目的は、従来型のパッシブオイルリターンシステムによって冷却システムに与えられる効率の損失を最小限にする、従来型のアクティブオイルリターン装置及びオイルリターン方法に関連する初期コスト及び維持コスト、信頼性、破壊、摩耗、及びメンテナンスの問題及び不利益を回避する流下薄膜型エバポレータを利用したスクリューコンプレッサベースの冷却システム用のアクティブオイルリターンシステムを提供することである。
本発明のこれらの目的及び他の目的は、以下の好適実施例の説明や添付の図面を参照することにより更によく理解されようが、これらの目的は、冷却システムにおける流下薄膜型エバポレータから比較的高濃度のオイルを含む液体冷媒が流入する収集タンクを利用することにより達成される。システムコンデンサからの冷媒ガスは周期的に収集タンクに流入可能となり、各サイクルにおいてシステムコンデンサとシステムエバポレータとの圧力差に従って変化する時間だけコンプレッサにオイルが戻される。これらの圧力はシステムに対するその時の負荷に従って経時的に変化する。各サイクルの長さは、好適実施例の改良型では、冷却システムにかかるその時の負荷によっても変化し得る。システムにかかる負荷による個々のオイルリターンサイクルの長さの変化により、システム効率全体に対するオイルリターンプロセスの寄生効果を最小限にすることにより、オイルリターンプロセスが最小限で済むようになる。各サイクルの間の収集タンクにコンデンサ圧力が流入可能となる時間を、冷却システムが動作可能な条件に基づいてそのタンクが空になるように調節することにより、システムへの潤滑剤のリターンの流量を小さく保つことができる。本発明の装置及び方法により達成されるリターンの小さい流量により、従来型のアクティブオイルリターンシステムに関連するコスト及び信頼性についての不利益をなくすと共に、オイルリターンプロセスに関連するシステム効率の寄生損失を最小限にすることができる。別の好適実施例において冷却システムへのその時の負荷に従って各オイルリターンの長さを別に調節することにより、オイルリターンプロセスから生じる寄生システム効率損失を更に低下させ、冷却システムの効率を更に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は、オイルリターン流量に対するシステムエバポレータにおけるオイル濃度の影響と、全体的な冷却システムの効率に対するオイルリターン流量の影響とを示すグラフである。
第３図は、スクリューコンプレッサと流下薄膜型エバポレータとを用いた冷却装置の模式図であって、収集タンクが潤滑剤を大量に含む混合物で満たされているときのシステム構成要素の位置を示している。
第４図は、収集タンクが空のときのシステム構成要素の位置を示している点を除いて第３図と同一の模式図である。
第５図及び第６図は、本発明のオイルリターンシステムに関連する充填及び排出ソレノイドの経時的な位置と、システムコンデンサとシステムエバポレータとの間のその時の圧力差に対する排出時間との関係を示すグラフである。
第７図は、本発明の好適実施例におけるオイルリターンサイクルの長さを冷却システムに対する負荷の関数として示したグラフである。
好適実施例の説明
第３図及び第４図に示すように、冷却システム１０は、冷媒ガス流を放出するスクリューコンプレッサ１２を備えており、この冷媒ガス流に大量の潤滑剤が霧状の液滴の形で連行されてオイル分離器１４に運ばれる。オイル分離器１４は、コンプレッサから受け取った潤滑剤の内かなり微量（約０．１％）の潤滑剤のみを通過させてコンデンサ１６に流す高効率の分離器である。分離されたオイルはリターンライン１５を介してコンプレッサに戻されるが、好適実施例ではこのオイルリターンは吐出し圧力によってなされる。
冷媒ガスはコンデンサ１６において凝縮され、コンデンサに運ばれてきた潤滑剤と共にコンデンサの底部に溜まる。液体の冷媒はコンデンサ１６からこのような潤滑剤とともに流出し、膨張弁１８を通過する。膨張弁１８は、好適実施例では、電気式膨張弁である。冷媒−潤滑剤混合物は、次に主として液層からなる二層混合物の形態でエバポレータ２０に流入する。エバポレータ２０は、好適実施例ではいわゆる流下薄膜型エバポレータであるが、本発明はいわゆる噴霧型エバポレータを用いたシステムにも適用できる。
米国特許第5,561,987号に記載のものに類似したものであり得る流下薄膜型エバポレータ２０は、それに結合された蒸気−液体分離器２２を有し得る。分離器２２は液体冷媒を分配装置２４に供給し、冷媒の蒸気をエバポレータから排出してコンプレッサ吸込みライン２５を通してコンプレッサ１０に戻す。分離器２２は米国特許第5,561,987号に記載のような方式でエバポレータ２０内部に設置されるか、或いはエバポレータの外部に別の要素として配設され得る。
分配装置２４は、好ましくはエバポレータ２０内部のチューブバンドル２６の最上部の近傍かつ真上に設けられる。前述の米国特許第5,561,987号に記載されているように、蒸気−液体分離器内部に僅かに静水頭が発生し得る。これによって、飽和した液体が一時に大量に流れることなく分離器から流出して分配器に流入できるようになる。更にこれによって、例えば水のような熱伝達媒体が流れるチューブバンドル２６全体にわたっての液体冷媒（及びそれに連行される任意の潤滑剤）の分布の均一性が高められることになる。
このように分配された液体冷媒及び潤滑剤の混合物は、チューブバンドル２６の上側チューブ上に被着して液膜を形成する。チューブバンドル２６は、チューブバンドルの上部におけるチューブに初めに接触することによって気化されない任意の液体冷媒がバンドルの下側チューブに接触するとこになるように構成されている。この特徴のため、混合物の潤滑剤部分は気化せずに液体の状態で下向きに流れてエバポレータの下側部分に溜まる。最終的には、エバポレータにおける非常に高い効率の熱伝達（冷媒の気化）がなされ、従来のエバポレータより相対的に大量の潤滑剤が含まれた液体冷媒２８のプールがエバポレータの底に形成される。このエバポレータの底に形成された液体プールは、その設計上チューブバンドルの多くが液体冷媒に完全に沈められる従来型のエバポレータにおける液体プールより極めて体積が小さいものである。この結果、システムによって使用される冷媒の量を著しく少なくすることができる。
エバポレータの底部の液体冷媒２８の潤滑剤を大量に含むプールの深さは、好ましくは、チューブバンドル２６におけるチューブの約５％がその中に沈むような深さに維持される。この深さは、液体冷媒内の潤滑剤の濃度が、以下により詳細に説明するこのオイルリターンシステム及びオイルリターン方法の使用によって約８％に維持されるような深さである。
以前に第１図を参照しつつ説明したように、エバポレータの底部のプール２８における潤滑剤の濃度が高くなる程、エバポレータからのオイルリターン流量は小さくなり得る。更に、第２図を参照して説明したように、オイルリターン流量が小さくなる程、オイルリターンプロセスによって生ずる冷却システムにおける寄生損失は少なくなる。
名目４００トンの冷却処理能力を有する冷却装置であることを仮定した好適実施例では、混合物における潤滑剤の濃度が高くなると泡や泡沫が形成されやすくなり、このような泡はチューブバンドル２６における別のチューブを覆うことが多いという事実のため、エバポレータプールにおけるオイルの濃度レベルは約８％に維持されるように選択される。潤滑剤の泡により別のチューブが覆われることにより、これらのチューブのその内部を流れる熱伝達媒体からシステム冷媒へ熱を伝達する能力が低下する。従って、好適実施例では、エバポレータにおける液体プールにおけるオイル濃度が８％を超えると効率の低下が生ずることになる。
ひとたび特定の冷媒システムについて許容される最大潤滑剤濃度レベルが特定されると、エバポレータにおけるその潤滑剤濃度レベルを維持するために生じてもよい最小潤滑剤リターン流量が決定される。第１図を参照されたい。エバポレータの底部の液体冷媒プールにおける最大潤滑剤濃度が８％と確定した場合、生じてもよい最小の潤滑剤リターン流量は非常に小さい０．４６ガロン／分となる、ということが理解されよう。従って本発明においては、潤滑剤リターンは、そのようなリターンを達成するために用いられる装置及び方法の制限及び範囲の中で０．４６ガロン／分のオイルリターン流量に近づけることが必要であるということを条件付けられており、より低いリターン流量がシステムの動作範囲全体にわたって維持され得るという事実に鑑みれば、生ずるシステム効率の寄生損失もより小さくなる。
ここで第３図及び第４図を参照されたい。流下薄膜型エバポレータにおける液体冷媒２８の潤滑剤を大量に含むプールは、逆流防止弁３０を通して収集タンク３２に排出され得る。この収集タンク３２は、特定の冷却システム及びその用途に応じて熱的に絶縁され得る。収集タンク３２の体積は比較的小さく、好適実施例では概ね１ガロンとなるように選択される。
ひとたびタンク３２のサイズが選択されると、タンク内を「フラッシュする（一度に流す）」ために用いられる圧力に応じてタンクが空になる速度が決まる。本発明の目的のため、用語「排出する」ではなく「フラッシュする（一度に流す）」は入れ替えて用いることはできるが、収集タンクは圧力によって空にされることから「フラッシュする（一度に流す）」の方が適切である。
第５図及び第６図を参照されたい。後により詳細に説明するように、コンデンサと収集タンク（所与の連通状態では、エバポレータと同じ圧力にある）の間の圧力差が大きくなる程、収集タンクを空にするのにかかる時間（「排出時間」）は短くなり、オイルリターンサイクルの充填部分の時間は長くなる。第５図から、好適実施例のシステムにおける収集タンクを空にするために使用可能な及び／又は使用される圧力差の範囲は、システムが動作する条件が環境によって４０〜１２０ＰＳＩの範囲で変化する、ということが理解されよう。４０ＰＳＩの圧力差では、１ガロンのタンクが空になるのにかかる時間は７０秒間であり、１２０ＰＳＩの圧力差では同じタンクが空になるのにかかる時間は４５秒間である。収集タンクを空にするのと同時にコンデンサ圧力から収集タンクを遮断することは、潤滑油リターンプロセスの結果システムエバポレータをバイパスする（即ちエバポレータを介さないでコンプレッサに戻される）冷媒ガスの量を最小限にするために必要である。このようなバイパスはシステム効率を損なう。
収集タンクの体積が１ガロンで平均０．４６ガロン／分でオイルをコンプレッサに戻したい場合、オイルリターンサイクル時間は収集タンクの１ガロン体積を０．４６ガロン／分の所望の平均オイルリターン流量で除すことによって求められる。この計算の結果から、１ガロンタンクからの０．４６ガロン／分の平均リターン流量を得るための全オイルリターンサイクル時間が２．１７分、つまり１３０秒間であることが分かる。
ひとたびこのサイクル時間が確定すると、第５図及び第６図に従って収集タンク３２を空にするサイクル内の流量が、コンデンサ１６及びエバポレータ２０におけるその時の圧力を用いて制御される。このために、温度センサ３４がコンデンサ１６における飽和液体冷媒の温度を検知すると共に、センサ３６がエバポレータ２０の底部に溜まった飽和液の温度を検知する。これらの温度は、コントローラ３８によりコンデンサ及びエバポレータ関連の圧力に変換されて、それらの差が計算され、第５図に示す時間だけ充填ソレノイド４２が閉じられ、排出ソレノイド４０が開かれる。検知された飽和液の温度を用いることは便利で基本的にコストがかからない。これらの温度は既に検知されており、好適な冷却システムの下では他の制御の目的でも用いられるからである。
任意の所定のサイクルの間排出ソレノイドを開くことにより、コンデンサとエバポレータのその時の圧力差によって決まる時間で、収集タンク３２が空になり、フィルタ４４を通してタンクの中身が「フラッシュされ（一度に流され）」てコンプレッサ１２に戻される。しかし、オイルリターンプロセスによって生ずる効率の損出が生ずるために、その流量は小さく維持されている。更に、本発明の装置及び方法によるオイルリターンプロセスを実施するために、例えばポンプ、フロート弁、フロートタンク、電気的コンタクト、又は精留装置のような何れもコストがかさみ、故障しやすく、摩耗が生じやすく、且つ修理やメンテナンスがしばしば必要な要素は不用である。
機械的な面では、タンク３２からコンプレッサ１２へのオイルのフラッシュは、コンデンサの圧力の冷媒ガスを収集タンク３２に流し得る排出ソレノイド４０を開くことによって行われる。このような圧力が逆止め弁３０にかかり、ベントコンジット（vent conduit）４８によりタンク３２に連通された閉じられた充填ソレノイド４２に対して作用する。従って、潤滑剤を大量に含む液体は、収集タンク３２からコンジット５０を通り、フィルタ４４を通ってコンジット５２に流されることになる。
コンジット５２はハウジング５４の内部に連通している。このハウジング５４の中には、コンプレッサロータ及び駆動モータ５６が配設されており、コンジットの末端は好ましくはモータの下流で且つロータの上流に位置する。コンプレッサへ戻される液体は、主として液相にあり（液体の冷媒の一部は気体になり得る）、且つコンプレッサに戻される液体はコンプレッサ１０の吸込みライン２５の下流に戻されるということに注意されたい。スクリュー型ではないコンプレッサに液体を戻すことは、コンプレッサにとって致命的なことになり得る。
各オイルリターンサイクルの排出部分の終末において（コンデンサ１６とエバポレータ２０のその時の圧力差によっては長くなるが）、コントローラ３８は排出ソレノイド４０が閉じ、充填ソレノイド４２が開くような信号を発する。排出ソレノイド４０が閉じることにより、収集タンク３２がコンデンサ圧力から隔離され、充填ソレノイド４２が開くことによって、収集タンク３２がエバポレータ２０の内部と連通する。この結果、エバポレータ２０の底部の液体プールは重力によって逆止め弁３０を通してタンク３２に排出され、この状態は両ソレノイドが次に逆の位置に戻されるまで継続し、これによってタンク３２の内容物はコンプレッサ１２に一度に戻される。
好適実施例の改良型では、本発明のオイルリターン方法及び装置の効率は、冷却システムに対する実負荷に基づいて各オイルリターンサイクルの時間を変化させることにより更に最適化され得る。部分負荷の下でシステムが動作しているとき、個々のオイルリターンサイクルの全時間を延長する第３のディメンジョンを加えることにより、オイルリターンプロセスの結果生ずるシステム効率の寄生損失が更に低下し、充填ソレノイド及び排出ソレノイドの摩耗も少なくなる。本発明の冷却システムにおいて用いられるオイル分離器は、システムへの負荷が低下するにつれ効率が上がるため、オイルリターンサイクル時間は、低負荷条件ではより長い時間に延長することができる。そのような場合、あまり高いパーセンテージのオイルをオイル分離器から出さずに、コンプレッサに戻すことが必要である。
第３図及び第４図を参照されたい。この好適実施例の改良型では、コンプレッサのスライド弁６０の位置が検知される。このスライド弁は図面において想像線で示されている通信ライン４２を介してコントローラ３８に結びつけられている。スライド弁６０の位置はコンプレッサ１２の処理能力を決定し、更にシステム全体の処理能力を決定する。スライド弁６０は、冷却システムにかかる負荷又は処理能力についての瞬間的な要求に応じてその位置が決まるように制御される。そのようにして、冷却システムはシステムのその時の冷却「負荷」に見合うようなその必要性に応じた程度に「働く」ことになる。
システムへの負荷が変化し、その負荷の変化が検知されたとき、スライド弁６０の位置は変化した負荷に適合するように調節される。スライド弁の位置をモニタし、スライド弁とコントローラ３８との間で通信が行われることにより、システムに対する瞬間的な負荷の表示信号（indication）が利用できるようになり、これをオイルリターン方法の計算に含めることができる。所定の時間における冷却システムへの負荷を求めるために、他のシステムパラメータが検知され、比較され、使用され得るということに注意されたい。このようなパラメータには、エバポレータに入出する水の温度、エバポレータの水の流れが含まれ、それらの何れか１つ若しくはそれらの内の複数の組み合わせがオイルリターンプロセスの補助するために用いられることも同様に本発明において企図されている。
ここで第７図を参照すると、好適実施例の改良型におけるオイルリターンサイクル時間の長さ−冷却装置負荷の効果が示されている。第７図から、好適実施例において１ガロン収集タンクが用いられている場合、冷却システムに対する負荷がシステムの処理能力の９０％以上である限り１３０秒間のサイクル時間が維持されることが理解されよう。システムに対する負荷が低下したときは、個々のオイルリターンサイクルを長くすることができる。好適実施例の場合は、個々のオイルリターンサイクルは、システムに対する負荷が処理能力の１０％であるとき２６０秒間まで延ばすことができる。好適実施例の冷却装置システムにおいて用いられるスクリューコンプレッサは、その処理能力の１０％程度の低さまで負荷を減らすことができるということに注意されたい。また、スクリューコンプレッサがその動作範囲全体にわたって連続的に負荷を減らし得るため、オイルリターンサイクル時間も同様に、第７図に示すように連続的に変化し得るということを理解されたい。
収集タンク３２からオイルを排出するために高圧側の冷媒ガスを使用することにより、オイルをフラッシングするとき、システムコンデンサとエバポレータとの間に存在する圧力差に従ってオイルをフラッシュするために収集タンク３２が高圧側圧力にさらされる時間を制限することにより、且つ必要ならば、冷却装置システムに対するその時の負荷に従って個々のオイルリターンサイクル時間を変化させることにより、システムコンプレッサへの非常に高い効率のオイルリターンが達成される。同時に、オイルリターンプロセスがシステム効率に与える悪影響が最小限になり、従来の最も効率のよいオイルリターンシステムにおける欠点も回避される。
第３図及び第４図を再度参照すると、（第３図及び第４図において想像線５８で示されている）別の枝分れコンジットを使用することにより、（主として液体冷媒よりなる）タンク３２に収集された液体の一部をエバポレータ２０内のエバポレータチューブバンドル２６の上の分配装置２４に戻し、そこに再度分配すると共に熱を伝達することができる。このように、本発明の装置及び方法は、エバポレータにプールされた液体冷媒をそこへの熱伝達のためにチューブバンドルに戻すべく再循環させるために追加的に或いは個別に用いることができる。いくつかのシステムでは、機械的ポンプを用いてそれを行うが、この場合も同様に初期コストが高くなり、ポンプの修理やメンテナンスのためにコストがかさむことになる。
このような液体をエバポレータの分配部分に再循環させて戻すために、コンデンサ１６とエバポレータ２０との間の圧力差を用いる独立した専用システムも同様に用いることができる。このような独立システムは、それ専用の収集タンクを有したものであり得、その主な目的がシステムコンプレッサへの潤滑剤の戻しである上述の構成の場合とは異なった制御の仕方をされ得る。
本発明の好適実施例及び改良型実施例について説明してきたが、その構成を更に変えて実施することも可能であり、それは本発明の範囲に含まれる。また、ここではスクリューコンプレッサベースの冷却システムにおけるオイルリターンを例にとって本発明を説明してきたが、遠心分離型のコンプレッサのような他の型のコンプレッサによって駆動される冷却システムにも同様に本発明が適用できる。また、収集タンクをフラッシュするための圧力源はコンデンサである必要はなく、またその圧力はコンデンサ圧力である必要もない。エバポレータの圧力よりも高く、潤滑剤をコンプレッサに戻すのに十分な圧力であれば他の部位から得た圧力でもよい。このように、本発明の真の範囲は、以下に記載の請求の範囲以外によっては限定されない。
【図１】
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【図２】
0004174076.tif 000003
【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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