JP2007528979A

JP2007528979A - マルチ温度冷却システム

Info

Publication number: JP2007528979A
Application number: JP2007502800A
Authority: JP
Inventors: ブッシュ，ジェームス，ダブリュ．; ホールデン，スティーヴン，ジェイ．
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2007-10-18
Also published as: WO2005094401A3; EP1733173A2; WO2005094401A2; US7257958B2; US20050198997A1; EP1733173A4

Abstract

冷凍システム（５０、１００、１５０、２００）は、第１および第２の温度で作動させることができる第１（６８、１２４、１７４、２１８）および第２（６４、１２０、１７０、２１４）の蒸発器を有する。低温蒸発器（６８、１２４、１７４、２１８）からの冷媒は、圧縮機吸入ポート（５４、１０４、１５４、２０４）に戻すことができる。高温蒸発器（６４、１２０、１７０、２１４）からの冷媒は、中間ポート（５８、１０８、１５８、２０８）に戻すことができる。

Description

本発明は冷却に関する。より詳細には、本発明はマルチ温度冷却システムに関する。

マルチ温度冷却システムは、当技術分野では公知である。そのようなシステムは、複数の場所を複数の異なる温度に冷却する。それぞれの場所に別個の蒸発器を配置することができる。米国特許第５０６５５９１号は、数個の圧縮機および単一の凝縮器を特徴とするマルチ温度システムを例示している。

本発明の一態様は、入口および出口、ならびに入口と出口との間に少なくとも１つの第１のポートを有する圧縮機を備える装置を含む。凝縮器は、冷媒を受け入れるために圧縮機出口に連結された入口、および出口を有する。第１の蒸発器は、冷媒を受け入れるために凝縮器に連結された入口を有し、圧縮機入口に連結された出口を有する。第２の蒸発器は、冷媒を受け入れるために凝縮器に連結された入口を有し、圧縮機の入口と第１のポートとの間の圧縮経路をバイパスして冷媒を圧縮機に戻すために、圧縮機の第１のポートに連結された出口を有する。

様々な実施形態では、圧縮機は、スクリュー型またはスクロール型圧縮機でもよい。少なくとも１つの熱交換器が、凝縮器によって吐出された冷媒からの熱を、第１および第２の蒸発器の少なくとも１つによって吐出された冷媒と交換することができる。第１の熱交換器は、凝縮器によって吐出された冷媒からの熱を、第１の蒸発器によって吐出された冷媒と交換し、第２の熱交換器は、凝縮器によって吐出された冷媒からの熱を、第２の蒸発器によって吐出された冷媒と交換することができる。第１の熱交換器の放熱導管は、凝縮器の下流に延在する冷媒流路部分に沿って、第２の熱交換器の放熱導管の下流にきてもよい。冷媒流路部分が、凝縮器の下流に延び、第１の熱交換器の放熱導管、第１の蒸発器、および第１の熱交換器の受熱導管を通る第１の分岐路と、第２の熱交換器の放熱導管、第２の蒸発器、および第２の熱交換器の受熱導管を通る第２の分岐路とに分岐してもよい。エコマイザが、第１および第２の蒸発器の上流から第２の蒸発器の下流へ向かう流路部分を有することもできる。

本発明の別の態様は、入口ポートと出口ポートとの間に圧縮経路を有し、その圧縮経路に沿う中間位置に中間ポートを有する冷媒を圧縮する手段を備える装置を含む。装置はまた、凝縮器ならびに第１および第２の蒸発器を有する。装置はまた、第１の蒸発器が第１の温度で作動し、第２の蒸発器が第１の温度より低い第２の温度で作動するように、入口、出口および中間ポート、凝縮器、ならびに第１および第２の蒸発器を連結する手段を有する。様々な実施形態では、圧縮手段を、本質的に単一の圧縮機で構成することができる。

本発明の別の態様は、第１および第２の場所を冷却する方法を含む。冷媒を、入口ポートと出口ポートとの間に圧縮経路を有する圧縮機で圧縮する。圧縮した冷媒を、凝縮する。第１の場所を冷却するために、凝縮した冷媒の第１の部分を、第１の蒸発器中で、第１の温度で蒸発させる。第２の場所を冷却するために、凝縮した冷媒の第２の部分を、第２の蒸発器中で、第１の温度より高い第２の温度で蒸発させる。冷媒の少なくとも一部を、第１の蒸発器から圧縮機の入口ポートへ戻す。冷媒の少なくとも一部を、第２の蒸発器から、圧縮経路に沿って圧縮機入口ポートと出口ポートとの中間にある圧縮機の第１のポートへ戻す。様々な実施形態では、冷媒のエコマイザ部分を分岐して、第１および第２の蒸発器の少なくとも１つをバイパスさせる。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明に述べられる。その説明および図面ならびに特許請求の範囲から、本発明の他の特徴、目的および利点が明らかになるであろう。

図１は、第１および第２の場所（領域／空間）２２および２４を冷却するための従来技術によるシステム２０である。例示の第１および第２の場所は、冷凍コンテナ２６の高温室および低温室である。例示のコンテナは、トレーラトラックであっても、トレーラトラックに積載されていてもよい。例示のシステムでは、第１および第２の蒸発器３０および３２は、両室の中にそれぞれ配置されている。蒸発器に冷媒を供給するために、単一の圧縮機３４が、吸入（入口）ポート３６を通して冷媒を受け入れ、吐出（出口）ポート３８を通して冷媒を吐出する。その吐出ポートから、冷媒は凝縮器４０へ向かう。凝縮器から出た冷媒は、分岐して両蒸発器に分かれる。第１の分岐路４２は、第１の膨張バルブ４３、第１の蒸発器３０、および絞り弁４４を通って延びる。第２の分岐路４５は、第２の膨張バルブ４６および第２の蒸発器３２を通った後、第１の分岐路と合流して吸入ポート３６に戻る。したがって、低温蒸発器３２を出た冷媒は、直接吸入ポート３６に戻ることができる。高温蒸発器３０を出た冷媒は、絞り弁４４を通過した後に、吸入ポートに戻る。高めの温度で作動することによって、蒸発器３０は、低温蒸発器３２が送出するのよりも高い温度および圧力で冷媒を送出する。弁４４は、２つの圧力の差を減少させる。弁４４に係わる絞り過程では、効率降下が起こる。

図２は、場所２２および２４を冷却するための代替システム５０を示す。システムは、吸入ポートおよび吐出ポート５４および５６を有し、それらの間に圧縮経路を画成する圧縮機５２を備える。圧縮機は、圧縮経路に沿った中間位置に中間ポート５８を備える。吐出ポート５６から吐出された冷媒は、凝縮器６０を通過し、そこから２つの分岐路に沿って分けられる。第１の分岐路６１は、第１の膨張バルブ６２および高温蒸発器６４を通過し、中間ポート５８に戻る。第２の分岐路６５は、膨張バルブ６６および低温蒸発器６８を通過し、吸入ポート５４に戻る。圧縮経路に沿った中間ポート５８の位置は、この中間ポートでの圧力が高温蒸発器の所望の出口圧力に対応するように選択される。スクリュー型圧縮機およびスクロール型圧縮機では、中間ポートの的確な位置を最適化し、設置中または設置後に１つまたは複数の位置を選択することができるように圧縮機を構成することができるような大きな自由度をもたせることができる。往復型圧縮機では、中間ポートは、好都合には多段装置の中間段に配置することができる。そのような状況では、各段の大きさは、所望の中間圧力が得られるように選択することができる。

図３は、吸入ポート、吐出ポートおよび中間ポート１０４、１０６および１０８を有する圧縮機１０２を備える代替システム１００を示す。凝縮器１１０は、主要路１１２ならびに分岐路１１４および１１６を有する送出導管を備える。高温膨張バルブ１１８および高温蒸発器１２０は分岐路１１４内に配置され、低温膨張バルブ１２２および低温蒸発器１２４は分岐路１１６内に配置されている。例示の実施形態では、主要路１１２の一部が、分岐路１１４および１１６の一部と、それぞれに連係する蒸発器の下流で、熱交換関係をもつ。図３は、これを、主要導管の放熱長部分および分岐導管の受熱長部分それぞれを包含する例示的熱交換器１２６および１２８の形態で示す。主要導管に沿って、第１の熱交換器１２６が、第２の熱交換器１２８の上流にある。熱交換器は、直交流、並流、または向流熱交換器であり、図では、冷凍システムで通常用いられる液体／吸入側熱交換器（ｌｉｑｕｉｄ−ｔｏ−ｓｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒＬＳＨＸ）の例を示す。圧縮機に戻る長い吸入ライン、または断熱が不十分、もしくは熱い環境中の吸入ラインを有する冷凍システムでは、圧縮機に流れ戻る低温の吸入ガスへ周囲から熱伝達が行われる。これにより、圧縮機に入る吸入ガスの密度が減少し、圧縮機は体積が一定の流れを吐出するので、システム中の冷媒の質量流量を減少させる結果となる。これは、吸入ラインへの熱伝達と本質的に同等な冷却能力の損失を招く最終結果となる。凝縮器から膨張バルブに入る液体は、しばしば周囲より温度が高く、膨張バルブおよび蒸発器に入る前にこの液体を冷却することは、システムの冷却能力を高めることになる。ＬＳＨＸは、熱エネルギーを蒸発器から出た吸入ガスに伝達することによって、膨張バルブに入る液体を冷却する。これによって、吸入ガスを周囲に近いレベルに暖めるので、ガスが圧縮機に戻って行く時、新たな熱伝達は軽微、または皆無である。膨張バルブおよび蒸発器に入る液体がより冷たいと、正味の冷却能力が向上する結果となる。蒸発器から出た吸入ガスの冷却能力は、圧縮機へ戻る途中の吸入ラインで失われる代わりに、システム能力を向上するのにこのように利用される。これにより、システム効率が改善される結果となり（これは全て圧縮機の出力を増やすことなく行われる）、より小さな（たとえばより安価な）システムで冷却負荷を処理することができるようになる。

図４は、図３のそれらと同様であり得る、吸入ポート、吐出ポート、および中間ポート１５４、１５６および１５８を有する圧縮機１５２、ならびに凝縮器１６０を備えるシステム１５０を示す。高温および低温膨張バルブ１６８および１７２、ならびに蒸発器１７０および１７４もまた、図３のそれらと同様であり得る。ただし、システム１５０では、熱交換は、分岐路１６４および１６６のそれぞれについて、バルブ／蒸発器の組合せの上流部分と下流部分との間で、熱交換器１７６および１７８において行われる。

様々な変更形態の中に、１つまたは複数のエコノマイザを加えたものがある。図５は、全体的に図２のそれらと同様であり得るポート２０４、２０６および２０８を圧縮機２０２が有するシステム２００を示す。同様に、凝縮器２１０、高温および低温膨張バルブ２１２および２１６、高温および低温蒸発器２１４および２１８も類似し得る。システム２００は、高温蒸発器２１４と中間ポート２０８との間の高温分岐路２３２から主要路２３４へ延在するエコマイザバイパス導管２３０を備える。エコマイザ熱交換器２４０は、導管２３０の受熱長部分２４２および主要路２３４の放熱長部分２４４を内含する。エコマイザ膨張バルブ２５０が、導管２３０中の受熱長部分２４２と主要路２３４との接合点との間に設けられる。作動中、エコマイザバイパス導管２３０を通って分岐された冷媒の冷却能力が、主要路２３４を通る液体主流に追加の冷却を行うのに用いられる。この冷却された主流は、蒸発器へ進み、冷却能力の向上を実現する。バイパス導管２３０中の蒸気は、低温蒸発器２１８の圧力より高い中間圧力にあるが、圧縮機中間圧力ポート２０８に戻され、主流の一部として再圧縮される。部分的な圧縮しか必要としないので、蒸発器能力の向上に必要な圧縮力の増加は、従来の回路を用いた場合に必要になる圧縮力のほんの一部である。このように、エコマイザ回路を用いることによって、それに相応するより少ない出力増加でシステム能力を向上させ、全体効率を改善することができる。冷凍サイクルでは、この改善はかなり大きくなり得る（たとえば、１０から３０パーセント以上）。あるいは、エコマイザは、所与の、またはより緩やかな能力向上をより小さなシステムで達成することができ、また、他の方法で、能力、効率および大きさをバランスさせることもできる。

本発明の１つまたは複数の実施形態を記述してきた。それでもなお、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な変更形態を創出することができることは理解されよう。たとえば、本原理は、様々な実在する、または今後開発されるシステムの変更形態として適用することができる。変更形態として実施される場合、当初のシステムの細部が、いかなる特定の実施例の細部にも影響を及ぼし得る。したがって、他の実施形態も特許請求の範囲内にある。

従来技術によるシステムの概略図である。本発明の原理による第１のシステムの概略図である。本発明の原理による第２のシステムの概略図である。本発明の原理による第３のシステムの概略図である。本発明の原理による第４のシステムの概略図である。

Claims

入口（５４、１０４、１５４、２０４）と、出口（５６、１０６、１５６、２０６）と、前記入口と前記出口との間の少なくとも１つの第１のポート（５８、１０８、１５８、２０８）と、を有する圧縮機（５２、１０２、１５２、２０２）と、
冷媒を受け入れるために前記圧縮機出口（５６、１０６、１５６、２０６）に連結された入口と、出口と、を有する凝縮器（６０、１１０、１６０、２１０）と、
冷媒を受け入れるために前記凝縮器（６０、１１０、１６０、２１０）に連結された入口と、前記圧縮機入口（５４、１０４、１５４、２０４）に連結された出口と、を有する第１の蒸発器（６８、１２４、１７４、２１８）と
を備える装置（５０、１００、１５０、２００）であって、
冷媒を受け入れるために前記凝縮器に連結された入口と、前記圧縮機の入口と第１のポートとの間の圧縮経路をバイパスして冷媒を前記圧縮機に戻すために、前記圧縮機の第１のポート（５８、１０８、１５８、２０８）に連結された出口と、を有する第２の蒸発器（６４、１２０、１７０、２１４）
を備えることを特徴とする装置（５０、１００、１５０、２００）。
前記圧縮機はスクリュー型圧縮機である、請求項１に記載の装置（５０、１００、１５０、２００）。
前記圧縮機はスクロール型圧縮機である、請求項１に記載の装置（５０、１００、１５０、２００）。
前記凝縮器（１１０、１６０）によって吐出された冷媒からの熱を、前記第１の蒸発器（１２４、１７４）および第２の蒸発器（１２０、１７０）の少なくとも一方によって吐出された冷媒と交換する少なくとも１つの熱交換器（１２６、１２８、１７６、１７８）をさらに備える、請求項１に記載の装置（１００、１５０）。
前記凝縮器（１１０、１６０）によって吐出された冷媒からの熱を、前記第１の蒸発器（１２４、１７４）によって吐出された冷媒と交換する第１の熱交換器（１２８、１７８）と、
前記凝縮器（１１０、１６０）によって吐出された冷媒からの熱を、前記第２の蒸発器（１２０、１７０）によって吐出された冷媒と交換する第２の熱交換器（１２６、１７６）と
をさらに備える、請求項１に記載の装置（１００、１５０）。
前記凝縮器の下流に延在する冷媒流路部分（１１２）に沿って、前記第１の熱交換器（１２８）の放熱導管が前記第２の熱交換器（１２６）の放熱導管の下流にある、請求項５に記載の装置（１１０）。
前記凝縮器（１６０）の下流に延在する冷媒流路部分が、
前記第１の熱交換器（１７８）の放熱導管、前記第１の蒸発器（１７４）、および前記第１の熱交換器（１７８）の受熱導管を通る第１の分岐路（１６６）と、
前記第２の熱交換器（１７６）の放熱導管、前記第２の蒸発器（１７０）、および前記第２の熱交換器（１７６）の受熱導管を通る第２の分岐路（１６４）と
に分岐する、請求項５に記載の装置（１５０）。
前記第１の蒸発器（２１８）および第２の蒸発器（２１４）の上流から、前記第２の蒸発器（２１４）の下流へ向かう流路部分（２３０）を有するエコマイザをさらに備える、請求項１に記載の装置（２００）。
入口ポート（５４、１０４、１５４、２０４）と出口ポート（５６、１０６、１５６、２０６）との間に圧縮経路を有するとともに、前記圧縮経路に沿う中間位置に中間ポート（５８、１０８、１５８、２０８）を有する、冷媒を圧縮する手段（５２、１０２、１５２、２０２）と、
凝縮器（６０、１１０、１６０、２１０）と、
第１の蒸発器（６４、１２０、１７０、２１４）および第２の蒸発器（６８、１２４、１７４、２１８）と、
前記第１の蒸発器を第１の温度で作動させ、前記第２の蒸発器を前記第１の温度より低い第２の温度で作動させるように、前記入口、出口および中間ポート、凝縮器、ならびに第１および第２の蒸発器を連結する手段と
を備える装置（５０、１００、１５０、２００）。
前記圧縮手段は本質的に単一の圧縮機からなる、請求項９に記載の装置。
入口ポート（５４、１０４、１５４、２０４）と出口ポート（５６、１０６、１５６、２０６）との間に圧縮経路を有する圧縮機（５２、１０２、１５２、２０２）で冷媒を圧縮し、
圧縮した冷媒を凝縮し、
第１の場所（２４）を冷却するために、前記凝縮した冷媒の第１の部分を第１の蒸発器（６８、１２４、１７４、２１８）中で、第１の温度で蒸発させ、
第２の場所（２２）を冷却するために、前記凝縮した冷媒の第２の部分を第２の蒸発器（６４、１２０、１７０、２１４）中で、前記第１の温度より高い第２の温度で蒸発させ、
少なくとも一部の冷媒を、前記第１の蒸発器（６８、１２４、１７４、２１８）から前記圧縮機の前記入口ポート（５４、１０４、１５４、２０４）へ戻し、
少なくとも一部の前記冷媒を、前記第２の蒸発器（６４、１２０、１７０、２１４）から、前記圧縮経路に沿って前記圧縮機入口ポート（５４、１０４、１５４、２０４）と出口ポート（５６、１０６、１５６、２０６）との中間にある第１のポート（５８、１０８、１５８、２０８）へ戻すこと
を含む、第１の場所（２４）および第２の場所（２２）を冷却する方法。
前記第１および第２の蒸発器の少なくとも一方をバイパスするように、前記冷媒のエコマイザ部分を分岐させることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。