JP2008533430A - 熱交換器のヘッダと一体化されたアキュムレータ - Google Patents

Abstract

冷却システムは、システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、流路に沿って冷媒を導く圧縮機と、第１のモードにおける前記圧縮機の下流側の流路に沿った第１の熱交換器と、第１のモードにおける前記圧縮機の上流側の流路に沿った第２の熱交換器と、第１のモードにおける第１の熱交換器の下流側で、かつ第２の熱交換器の上流側の流路にある膨張装置と、を備え、第２の熱交換器は、液相および気相の冷媒を捕集する一体型ヘッダ・アキュムレータを含む。

Description

本出願は、２００５年３月１８日に出願された米国仮出願番号第６０／６６３，９１１号の利益を主張する。さらに、本発明と同時係属出願である代理人番号０５‐２５８‐ＷＯ、タイトル「HIGH SIDE PRESSURE REGULATION FOR TRANSCRITICAL VAPOR COMPRESSION SYSTEM」は本願と同日に出願され、前述の米国仮出願番号第６０／６６３，９１１号は、従来技術および冷却システムを開示している。前記出願の開示内容は詳細に説明された参照によって本明細書に組み込まれる。

多くの冷却の用途では、スペースが制限される。冷却システムの用途に必要とされるスペースを縮小させること、すなわち、全体サイズの縮小させること、または、例えば熱交換範囲の増大などの他の目的に利用可能なスペースを利用することにより、システムのデザイン全般を改善することができる。従って、構成要素を一体的なデザインとすることにより、システムのコストが削減されるとともに、システムの性能が向上する。

図１は、従来の蒸気圧縮システムを示しており、該システムは、圧縮機１、ガス冷却器２、膨張装置３および蒸発器４を備え。蒸発器４において、冷媒は、所望のように冷却される空気と熱交換関係にある一連の熱交換器チューブ５を通流する。通常、冷媒は、ヘッダ６からチューブ５に流入し、チューブ５からヘッダ７へと流出する。ヘッダ７に捕集された冷媒は、次いで、アキュムレータ８に流入し、ここで液相冷媒と油とが蒸気相冷媒から分離され、蒸気は圧縮機１へと戻る。

図１に示すシステムは上述のように機能的ではあるが、より場所を取らずに機能するシステムが望まれている。

従って、本発明の主な目的はそのようなシステムを提供することである。

他の目的および利点は以下に記載する。

冷媒システムは、システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、流路に沿って冷媒を導く圧縮機と、前記第１のモードにおける前記圧縮機の下流側の流路に沿った第１の熱交換器と、前記第１のモードにおける前記圧縮機の上流側の流路に沿った第２の熱交換器と、前記第１のモードにおける前記第１の熱交換器の下流側で、かつ前記第２の熱交換器の上流側の流路にある膨張装置と、を備える。前記第２の熱交換器は、液相および気相の冷媒を捕集する一体型のヘッダ・アキュムレータを備える。一体型ヘッダ・アキュムレータは、例えば、遷移臨界蒸気圧縮システムにおけるスペースの節約に特に有効である。

また、本発明による冷却システムの作動方法は、流路に沿って冷媒を、第１の熱交換器、膨張装置、第２の熱交換器および一体型ヘッダ・アキュムレータを通流させて、圧縮機へと戻すように、前記圧縮機を作動させるステップを含む。流れは、前記第２の熱交換器から前記一体型ヘッダ・アキュムレータへと直接的であり、前記一体型ヘッダ・アキュムレータから前記圧縮機へと流れは直接的である。

本発明は蒸気圧縮システムの熱交換器の構成に関し、さらに詳しくは、遷移臨界蒸気圧縮サイクルにおける、省スペースをもたらす一体型の冷媒アキュムレータおよび熱交換器ヘッダに関する。遷移臨界蒸気圧縮システムでは、熱遮断は、冷媒の臨界圧よりも高い圧力で行われる。熱遮断の間、冷媒は凝結しない。遷移臨界システムの供給管理は、出口ヘッダに続いて、蒸発器の出口にアキュムレータを追加することによって行われる（図１参照）。

図２は、本発明による蒸気圧縮システム１０を示し、該システム１０は、圧縮機１２と、第１の熱交換器つまりガス冷却器１４と、膨張装置１６と、第２の熱交換器つまり蒸発器１８と、を備える。図１と図２とを比較、参照すると、蒸発器１８は、従来の装置と同様に入口ヘッダ２０を含むとともに、図１のそれぞれ独立した出口ヘッダ７およびアキュムレータ８の機能を合わせ持つ一体型のヘッダ・アキュムレータ２２をさらに含む。有利なことに、上記の構成では、スペースを維持しながら、ヘッダおよびアキュムレータの機能をもたらすことができる。

図２に示すように、本発明による一体型ヘッダ・アキュムレータ２２は、下部液相冷媒ゾーン２４と、上部気相冷媒ゾーン２６と、を画定する単一のチャンバである。流れは、第２の熱交換器１８のチューブ２８から一体型ヘッダ・アキュムレータ２２に直接流入する。ここで、図２では、下部液相冷媒ゾーン２４が、最下方のチューブ３０の入口よりも低い位置に画定されていることに留意されたい。このような構成により、最下方のチューブ３０に対して、液相冷媒の遮蔽および／または逆流が防止されため、有利である。図２に示すように、チャンバは、熱交換器チューブの端部において側壁、前壁、後壁、上壁および底壁によって画定される。

さらに、図２に示すように、一体型ヘッダ・アキュムレータ２２は、一体型ヘッダ・アキュムレータ２２の底面から、下部液相冷媒ゾーン２４内の予測される液面の上部へと上方に向かって延びる内部導管３２を備える。圧縮機１２により、気相冷媒は気相冷媒ゾーン２６から導管３２を通って圧縮機の吸込管に引き込まれる。

導管３２の下方部分３４には、ピンホール３６が設けられることが好ましく、これにより、所望のように下部液相冷媒ゾーン２４内の油が圧縮機１２に引き戻されるため有利である。

本発明の熱交換器１４，１８は、公知のあらゆる型式の熱交換器として配設してもよいが、冷媒−空気熱交換器として設けることが好ましい。適切な熱交換器の具体例として、ワイヤ・オン・チューブ式（ｗｉｒｅ ｏｎ ｔｕｂｅ）熱交換器やフィン式熱交換器などが挙げられるが、これらに限定されない。

本発明のシステムは、例えば、ＣＯ₂を作動流体として用いるシステムなど、遷移臨界蒸気圧縮システムに特に適している。当然のことながら、他の冷媒、特に、予測される作動条件下で、ＣＯ₂と同様の特性を有する冷媒を用いてもよく、そのような冷媒も本発明の広範な範囲に包含される。

膨張装置１６は、当業者に周知の適切な膨張装置とすることができる。圧力調整器（例えば、本件と共有されかつ同時にＰＣＴ出願された、代理人番号０５‐２５８‐ＷＯ、タイトル“HIGH SIDE PRESSURE REGULATION FOR TRANSCRITICAL VAPOR COMPRESSION SYSTEM”に開示された圧力調整器など）は、本発明の範囲に十分包含されるものであり、膨張装置として本件に用いてもよい。

図２に示すように、ヘッダ・アキュムレータ２２を熱交換器１８に有利に組み込むことができる。別の実施例として、ヘッダ・アキュムレータ２２を、チャンバを画定する別々の構造体とし、熱交換器１８と連通させてもよく、これは、熱交換器のチューブから該チャンバへの直接的な流れを通じて連通することが好ましい。

図３は、本発明の他の実施例を示しており、図３のシステムは、図２の実施例と同じ基本的な構成要素を備える。図３の実施例において、蒸発器１８は、２つの構成要素３８，４０に分割されており、構成要素３８，４０の各々は、短い流管４２を介して一体型ヘッダ・アキュムレータ２２に連結されている。本実施例においては、最下方のチューブ３０を第２の熱交換器１８の十分に高い位置に配置することにより、一体型ヘッダ・アキュムレータ２２の底面４４が第２の熱交換器１８の底面４６を実質的に越えないように、下部液相冷媒ゾーン２４が一体型ヘッダ・アキュムレータ２２内に画定され得ることに留意されたい。流管４２は、非常に短いことが好ましく、最適には約５インチ（約１２７ｍｍ）未満の長さを有することが好ましい。

図４は、本発明のさらに別の実施例を示しており、システム１０は、図２および図３の実施例と同じ基本的な構成要素を備える。図４の実施例においては、膨張装置１６から蒸発器１８に送られる冷媒は、単一の導管４８を通って、本発明の一体型ヘッダ・アキュムレータ２２へと流れる。ここから、気相冷媒は、所望のように、圧縮機１２に引き戻される。

本発明の図２〜図４に示された本発明の実施例では、アキュムレータおよび蒸発器出口ヘッダが、単一のチャンバとして統合されている。この単一のチャンバは、図１に示す従来のヘッダおよびアキュムレータの双方の機能を果たす。これまで、通常、別々のヘッダおよびアキュムレータによってなされていた機能が、同一のスペースで行われるため有利である。このような設計により、アキュムレータに必要なスペース、全体的なチューブの長さ、およびチューブの接続数が減少する。

蒸発器からの二相流はヘッダ内で分離される。液相冷媒は、重力によりヘッダ・アキュムレータの底部に捕集される。蒸気は、ヘッダ・アキュムレータに挿入されたチューブを通ってヘッダ・アキュムレータから流出する。このチューブは、油を圧縮機に戻すピンホールをヘッダのアキュムレータ部分に備える。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明した。しかし、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、様々な改良がなされることが理解されるであろう。例えば、既存システムの再製造や既存システムのリエンジニアリングとして実施する場合、既存の構造の詳細が実施の詳細に影響を与える場合がある。従って、他の実施例も本願の特許請求の範囲に包含される。

従来技術の蒸気圧縮システムを示す図。 本発明による一体型ヘッダ・アキュムレータを有するシステムの概略図。 本発明による一体型ヘッダ・アキュムレータの別の実施例を示す概略図。 本発明による一体型ヘッダ・アキュムレータのさらに別の実施例を示す概略図。

Claims (16)

1. 冷却システムであって、
   システム動作の少なくとも第１のモードにおいて、冷媒を流路に沿って導く圧縮機と、
   前記第１のモードにおける前記圧縮機の下流側の流路に沿った第１の熱交換器と、
   前記第１のモードにおける前記圧縮機の上流側の流路に沿った第２の熱交換器と、
   前記第１のモードにおける前記第１の熱交換器の下流側で、かつ前記第２の熱交換器の上流側の流路にある膨張装置と、
   を備え、
   前記第２の熱交換器が、液相および気相の冷媒を捕集する一体型のヘッダ・アキュムレータを備えることを特徴とする冷却システム。
2. 前記一体型ヘッダ・アキュムレータは、二相の冷媒流を受けるように前記第２の熱交換器の冷媒流路と連通するチャンバからなり、該チャンバは、内部に、下部液相冷媒ゾーンと、上部気相冷媒ゾーンと、を画定することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記下部液相冷媒ゾーンが、前記第２の熱交換器と前記一体型ヘッダ・アキュムレータとの間における最下方の流れポートよりも下方に画定されることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記下部液相冷媒ゾーンが蒸発器を越えないように、前記最下方の流れポートが前記下部液相冷媒ゾーンの十分上方に位置することを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記第２の熱交換器のチューブが、前記一体型ヘッダ・アキュムレータに直接連結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。
6. 蒸気流管路が、前記一体型ヘッダ・アキュムレータから前記圧縮機に直接連結されていることを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
7. 気相冷媒を前記圧縮機に導くように、前記上部気相冷媒ゾーンに連通する導管をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
8. 前記導管は、前記液相冷媒ゾーンを通って前記気相冷媒ゾーンへと上方に延びるとともに、前記液相冷媒ゾーンと連通することを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
9. 前記導管が、油を圧縮機に戻すようにピンホールを介して前記液相冷媒ゾーンと連通することを特徴とする請求項８に記載の冷却システム。
10. 前記冷媒が、遷移臨界蒸気システム用の冷媒を含み、
    前記第１および第２の熱交換器が、冷媒―空気熱交換器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。
11. 請求項１に記載のシステムを備える飲料冷却装置。
12. 冷媒システムの作動方法であって、
    冷媒を、第１の熱交換器、膨張装置、第２の熱交換器および一体型ヘッダ・アキュムレータを通して流路に沿って通流させて、圧縮機へと戻すように、圧縮機を作動させるステップを含み、
    前記第２の熱交換器から前記一体型ヘッダ・アキュムレータへと流れが直接的であり、かつ前記一体型ヘッダ・アキュムレータから前記圧縮機へと流れが直接的であることを特徴とする冷媒システムの作動方法。
13. 前記第２の熱交換器が、流管を備え、
    前記圧縮機の作動により、前記流管内に二相冷媒が生じ、該二相冷媒が、前記一体型ヘッダ・アキュムレータへと直接的に流入することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記冷媒が遷移臨界蒸気システム用の冷媒であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記冷媒がＣＯ₂であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 前記一体型ヘッダ・アキュムレータが、下部液相冷媒ゾーンと、上部気相冷媒ゾーンと、を画定し、
    前記一体型ヘッダ・アキュムレータに流入する冷媒の流れが、冷媒を、前記下部液相冷媒ゾーンにおける液相冷媒と、前記上部気相冷媒ゾーンにおける気相冷媒と、に分離させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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