JP3983517B2 - 相分離を伴う冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプシステムの一部として使用するあるいは使用されない、冷却及びあるいは空調目的のための蒸気圧縮冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気圧縮サイクル下に運転される最新の冷却システムでは、従来通り、気液両相の冷媒を蒸発器に供給する。代表的なシステムでは冷媒蒸気或いは気相冷媒量は合計質量流量の約３０％である。冷媒蒸気が液相冷媒あるいは冷媒液よりも低密度である限りにおいて、気相冷媒中の混合物の割合を増大させる場合の混合速度は、質量流量が一定に保たれる場合は一層高速化させなければならない。これにより、蒸発器内の導管内の圧力は、液体、即ち、合計質量流量の内の割合の小さい方が気相である２相流体でのそれよりもずっと大きく低下する。
良く知られるように、蒸気圧縮サイクル下に運転されるシステムでは圧力の大きな低下は非常に望ましくない。圧力が大きく低下すると熱交換が非効率化し、圧力低下を最小化するための合計流路断面積の大きい大型の熱交換器が必要となり、圧縮エネルギーコストその他も増大する。
【０００３】
こうした問題を解決するために、例えば米国特許第４，３４１，０８６号において、膨張装置の下流側に相分離器を位置付け、この相分離器にシステムの凝縮器若しくはガス冷却器からの圧縮冷媒を受けさせることが提案された。相分離器は冷媒液を蒸発器に提供し、気相冷媒、即ち冷媒蒸気は蒸発器をバイパスさせる。蒸発器には冷媒液のみが流入することから、結局、蒸気中を通る冷媒の速度はかなり低下し、更には、蒸発器の入口側での冷媒配分が改善されて蒸発器が高効率化する。
しかしながら、やはり良く知られるように、冷媒中にはシステム運転中に圧縮器を潤滑するための潤滑材が用いられる。潤滑材は、米国特許第４，３４１，０８６号のシステム及び同等システムでは液相冷媒中にしばしば溶解する、即ち、潤滑材の濃度は冷媒蒸気のそれよりも冷媒液のそれにずっと近いので、蒸発器を通して冷媒液と共に送られる。潤滑材は蒸発器内部での熱交換に悪影響を及ぼして相分離の利益の幾分かを失わせる恐れがある。
【０００４】
米国特許第５，９９６，３７２号には、冷却システムで潤滑材を分離するための手段として使用するアキュムレータが開示される。しかしながら、システム内の特定位置でアキュムレータを使用して最大効率を達成する点についての言及は特に無い。更に、アキュムレータ自体が、オイル分離に適用するには過度に複雑でありしかも高コストである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の問題の１つ以上を解決する新規且つ改善された冷却システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、新規且つ改善された冷却システムが提供される。詳しくは、本発明によれば、冷媒を蒸発器に流入させる以前に液相と気相とに分離すると共に、冷媒中に含まれる潤滑材を常時循環させて運転中に圧縮器が潤滑不足を生じないようにするための手段を備えたシステムが提供される。
本発明の１実施例によれば、圧縮器は入口及び出口を有し、圧縮器の出口からの潤滑材を含む圧縮された冷媒を受け、受けた冷媒を冷却するための熱交換器が含まれる。この実施例には、冷媒を蒸発させて他の流体を冷却し、冷媒を圧縮器の入口に戻すための蒸発器も含まれる。熱交換器と蒸発器との間には熱交換器を出る冷却された冷媒を受ける相分離器が介装される。相分離器はチャンバを有し、このチャンバは熱交換器に連結した入口と、圧縮器の入口に連結されてこの入口に蒸気流れを送るようにした上方の気相冷媒出口と、チャンバの下方部分の第１の高さ位置にあって蒸発器に結合した液相冷媒液出口とを有している。相分離器は更に、チャンバの下方部分の、第１の高さとは異なる第２の高さに位置付けた潤滑材出口をも含んでいる。潤滑材導管が潤滑材出口に連結される。この潤滑材導管を通して、相分離器内で分離された潤滑材が圧縮器に送られて蒸気流れ中に放出されることで圧縮器が潤滑される。相分離器には、気相冷媒出口及び圧縮器入口に結合されて蒸気流れを圧縮器に送るバイパス導管も含まれ、前記潤滑材導管が、このバイパス導管及び前記気相冷媒出口の一方に連結される。
【０００７】
より好ましい実施例では、潤滑材導管は蒸気出口とバイパス導管との何れかに位置付けたエダクター内で終端される。
また更に好ましい実施例では潤滑材導管はその一端をチャンバ内に位置付けて潤滑材出口とし、他端を蒸気出口内に位置付けてエダクターとした毛管である。
１実施例では潤滑材出口は冷媒液出口の下方に位置付けられる。
システムのより好ましい実施例では、相互に熱交換関係にある第１及び第２の各流路を有する吸引ライン熱交換器が含まれる。第１の流路が熱交換器と相分離器とを連結し、第２の流路がバイパス導管と蒸発器とを圧縮器入口に連結する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に従い作製した冷却システムの好ましい実施例が図示される。本実施例を従来の冷媒、例えばＲ１３４その他任意の、商標名ＦＲＥＯＮの下に販売され商業的且つ環境上受け入れられている冷媒と共に運転するシステムとして以下に説明する。しかしながら、本発明のシステムを別の冷媒を使用する他の蒸気圧縮システムで有益に使用することが可能であるし、また、例えば二酸化炭素のような超臨界（ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ）流体を冷媒として用いる蒸気圧縮システムの一部として使用することもできる。従来からのあるいは超臨界のものであるとを問わず、特許請求の範囲に言及される限りのものを除き、冷媒の特定形式が限定されるものではない。
【０００９】
図１を参照するに、本発明のシステムは入口１２と出口１４とを有する圧縮器１０を含んでいる。出口１４は熱交換器１６と結合される。従来の冷媒を使用するシステムでは熱交換器は凝縮器であり、他方、システムが二酸化炭素のような超臨界冷媒を使用する場合は熱交換器はガス冷却器として作用する。通常、熱交換器１６は、圧縮器の出口１４から受ける圧縮冷媒を、この圧縮冷媒との熱交換関係下に熱交換器１６内に周囲空気を通すことで冷却する。かくして、冷媒は冷却され及びあるいは凝縮されて熱交換器の出口１８から高圧流体として排出される。
【００１０】
熱交換器１６の出口１８は吸引ライン熱交換器２０の１つの流路に結合され、吸引ライン熱交換器２０に吸引ライン熱交換器入口２２の位置から流入する。吸引ライン熱交換器２０は随意的なものであり、従来からの冷媒を用いるシステムよりは超臨界冷媒を用いるシステムで使用されることが多い。しかしながら吸引ライン熱交換器は何れのシステムでも使用することができる。吸引ライン熱交換器出口２４を通して吸引ライン熱交換器２０を出る高圧の冷媒は、尚、高圧ではあるが吸引ライン熱交換器２０内にあったときよりもずっと冷却されている。この点に関し、冷媒蒸気は吸引ライン熱交換器入口２６から吸引ライン熱交換器２０に入り、吸引ライン熱交換器出口３０の位置で吸引ライン熱交換器を出る。前記吸引ライン熱交換器入口２６及び吸引ライン熱交換器出口３０は吸引ライン熱交換器２０の、吸引ライン熱交換器入口２２と吸引ライン熱交換器出口２４との間を伸延する第１の流路との熱交換関係下にある第２の流路と結合される。例示される如く、流れは向流であるが、場合によってはクロスフローあるいは並流を使用しても良い。
【００１１】
吸引ライン熱交換器出口２４を出た冷却された冷媒はオリフィス３２に送られた後、相分離器３６の相分離器入口３４に送られる。相分離器３６は、以下に詳細を説明するように、流入する冷媒を異なる３つの相部分に分離する。第１の相部分は気相冷媒出口３８を出るガス、即ち気相であり、第２の相部分は液相冷媒出口４０を出る液相である。相分離器３６は液相冷媒出口４０を出る冷媒液中に含まれる通常の潤滑材をも分離して気相冷媒出口３８に送り出す。
【００１２】
気相冷媒出口３８は、従来の膨張弁４４を含むバイパス導管４２に結合される。相分離器３６を液相冷媒出口４０から出る冷媒液は蒸発器４８の１つの流路の蒸発器入口４６に流入する。蒸発器の冷媒流路には、ジャンクション５２の位置でバイパス導管４２に連結する蒸発器出口５０が含まれる。次いで蒸発器出口５０は吸引ライン熱交換器２０の吸引ライン熱交換器入口２６に連結される。蒸発器４８は、蒸発器内で冷却されるべき流体媒体が送られるところの、先に説明した流路との熱交換関係を有する第２の流路を追加的に含んでいる。流体媒体は空調システムにおけるように周囲空気の場合があり、塩水（ブライン）その他のようなものでもあり得る。
【００１３】
相分離器３６は、先にも言及したように、冷媒を液相及び気相に分離して蒸発器４８の周囲に気相冷媒をバイパスさせることを目的とするものである。良く知られるように、蒸発器４８内で冷却される冷媒を所望の冷却温度にするためには冷媒を所定の質量流量で蒸発器に通す必要がある。所定の質量流量の冷媒において、高品質（品質は、液体を含まないガスあるいは蒸気の流れを１００、また蒸気或いはガスを含まない全液体流れをゼロとして、ガスあるいは気相中の冷媒の割合で定義される）であるほど、一方の蒸気或いはガスと他方の液体との間に濃度差があることから、蒸発器４８を通る流体速度は速くなる。他の全ての条件が等しい場合、蒸発器４８内の冷媒速度が高いことは蒸発器４８を横断する圧力低下が大きいことを意味する。周知のように、冷却システム内の圧力を過剰に低下させるのは避けるべきである。結局のところ、過剰な圧力低下を回避するには蒸発器内の、蒸発器入口４６及び蒸発器出口５０を相互に連結する通路を、冷媒流れを高流量で通過させるべく大型化する必要がある。これにより、蒸発器４８の寸法形状のみならず、使用するべき材料に関わる費用も増大することは言うまでもない。
【００１４】
相分離器３６を使用して蒸気及びあるいは気相冷媒の大半を蒸発器をバイパスさせる結果、蒸発器４８を通る冷媒品質は相分離器を使用しない場合のそれよりもずっと低くなる。これにより圧力低下はずっと小さくなるので蒸発器４８の寸法形状を最小化することが可能となる。
相分離器から蒸発器に入る冷媒の品質は代表的にはシステムの所望位置での冷媒温度に応答する膨張弁４４を使用することで厳密に調整することができる。
【００１５】
そうしたシステムの使用に伴い良く知られる１つの問題は、この種のシステムで使用する冷媒には典型的に、運転中の圧縮器１０を潤滑するための潤滑材が含まれることである。潤滑材は代表的にはその比較的高い濃度の故に液相冷媒と共に移動する。ある場合には潤滑材の濃度は液相冷媒のそれ以上であり、あるいはそれ未満でもあり得る。
【００１６】
バイパス導管４２を通るガスの質量流量が大きいと蒸発器４８の蒸発器出口５０を出る冷媒の流量は代表的には減少するが、これは結局、圧縮器の圧縮器入口１２に戻る流れ中の潤滑材含有量が減少することを意味する。
更には、潤滑材は伝熱性に乏しく、結局は蒸発器４８の効率を低下させることから蒸発器４８内から完全に無くすことが望ましい。
【００１７】
図２には、圧縮器入口１２への潤滑材の一定流れと、蒸発器４８を通過する潤滑材量の最小化あるいは排除とを共に保証するべく設計された相分離器３６の１構成が例示される。相分離器は潤滑材濃度が液相冷媒のそれ以上であるシステムにおいて有益なものとして例示されるが、以下に詳しく説明するとおり、その逆、即ち、潤滑材濃度が液相冷媒のそれ未満である場合でも有益である。
【００１８】
相分離器はチャンバ６２を画定するハウジング６０を含む。チャンバ６２はその内部で所望される分離を達成し得る限りにおいて任意の所望の形態のものであり得る。入口３４は代表的には、しかし常にそうではないが、チャンバ６２の上端部に向けられ、他方、蒸気或いは相分離器出口３８はチャンバ６２の上端あるいは少なくとも上端付近に位置付けられる。
他方、蒸発器出口５０はチャンバの下端付近に位置付けられる。
【００１９】
分離された潤滑材６４は上面高さ６６を有する。潤滑材６４の上方には、蒸気或いは相分離器出口３８よりも低い上面高さ７０を有する液相冷媒６８がある。蒸発器入口４０は、潤滑材の上面高さ６６以上で且つ液相冷媒の上面高さ７０未満の高さでチャンバ５４の内部に伸延する縦管その他を含む。縦管は液相冷媒６８の内部に、この液相冷媒を相分離器から抜き出して蒸発器４８の蒸発器入口４６に送るための出口開口７２を提供する。
ハウジングには、上端７６及び下端７８を有する毛管７４も含まれる。毛管７４の下端７８は潤滑材の上面高さ６６よりも下方で且つ潤滑材６４の内部に位置付けられる。他方、毛管７４の上端７６はそれとは逆に相分離器出口３８の内部に伸延される。
【００２０】
運転に際し、オリフィス３３を出た冷媒は矢印８０の方向からチャンバ６２に入る。濃度差があることから気相冷媒は高さ７０より上方に、また、液相冷媒は高さ７０よりも下方に分離される。更には、冷媒６８の濃度が潤滑材のそれ未満である場合、潤滑材は上面高さ６６の位置で分離される。上面高さ６６は、先に言及したように毛管７４の下端７８の開口位置よりも高く、結局、相分離器の気相冷媒出口３８を通して送られる気相冷媒は毛管７４の上端７６をかすめて通過し、毛管７４を通して潤滑材を上端７６から引き出す。上端７６から引き出された潤滑材は気相冷媒出口３８を通過する蒸気流れ中に排出され、最終的にはジャンクション５２に達する。ジャンクション５２を通過した潤滑材は冷媒と共に吸引ライン熱交換器２０を通過して最終的に圧縮器１０の圧縮器入口１２に達する。毛管７４の上端７６が、蒸気が相分離器入口３４から気相冷媒出口３８に達し、次いで圧縮器の圧縮器入口１２に向かう限りにおいて、潤滑材を蒸気流れ中に排出させるためのエダクタとして作用することを認識されよう。このエダクタとしての作用無しには潤滑材は上端７６を通して排出されず、その間、圧縮器１０は作動されない。
【００２１】
潤滑材が液相冷媒のそれよりも低濃度であっても本発明の相分離器は有益である。その場合はチャンバ６２内の、毛管７４の下端７８よりも低い位置に出口開口７２を位置付け、下端７８が液相冷媒上に保持された潤滑材中に位置付けられ、液相冷媒出口４０の出口開口７２が液相冷媒内に配置されるようにすればよい。
【００２２】
本発明が、蒸発器４８内で生じる高い圧力損失がバイパスライン４２の使用を通して制限されるシステムを提供することが認識されよう。同時に、相分離器３６から圧縮器の圧縮器入口１２に送られる蒸気流れに潤滑材が排出されることで圧縮器１０の適正な潤滑が実現される。更には本発明のシステムによれば、蒸発器４８の運転を妨害する潤滑材の蒸発器内通過が回避されあるいは最小化される。結局、蒸発器４８内での異常に大きな圧力低下が排除されること及び潤滑材の蒸発器内通過が回避されることで本発明のシステムの効率は最大化される。
【００２３】
【発明の効果】
従来の問題の１つ以上を解決する新規且つ改善された冷却システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う冷却システムの概略図である。
【図２】本発明に従い作製した相分離器の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ 圧縮器
１２ 圧縮器入口
１４ 圧縮器出口
１６ 熱交換器
１８ 熱交換器出口
２０ 吸引ライン熱交換器
２２、２６ 吸引ライン熱交換器入口
２４、３０ 吸引ライン熱交換器出口
３２ オリフィス
３４ 相分離器入口
３６ 相分離器
３８ 気相冷媒出口
４０ 液相冷媒出口
４２ バイパス導管
４４ 膨張弁
５０ 蒸発器出口
５２ ジャンクション
６０ ハウジング
６２ チャンバ
６４ 潤滑材
６８ 液相冷媒
７２ 出口開口
７４ 毛管
７６ 上端
７８ 下端

Claims (13)

1. 入口及び出口を有する圧縮器と、
   圧縮器の出口からの冷媒を含む圧縮された潤滑材を受け、また冷媒を冷却するための熱交換器と、
   冷媒を蒸発させて別の流体を冷却し、冷媒を圧縮器の入口に戻すための蒸発器と、
   熱交換器と蒸発器との間に介挿され、熱交換器からの冷却された冷媒を受ける相分離器にして、熱交換器に連結した入口を有するチャンバと、圧縮器の入口に連結されて蒸気流れを圧縮器に送る上方の気相冷媒出口と、前記チャンバの下方部分の第１の高さ位置にあって蒸発器に連結された液相冷媒出口と、チャンバの、前記第１の高さとは異なる第２の高さ位置に設けた潤滑材出口と、を有する相分離器と、
   潤滑材出口に連結され、相分離器内で分離された潤滑材を蒸気流れ中に排出させることにより潤滑材を圧縮器に送り、かくして圧縮器を潤滑させるための潤滑材導管と、
   気相冷媒出口及び圧縮器入口に連結され、前記蒸気流れを圧縮器に送るバイパス導管と、
   を含み、
   前記潤滑材導管が、前記バイパス導管及び前記気相冷媒出口の一方に連結される冷却システム。
2. 潤滑材導管が気相冷媒出口及びバイパス導管の一方に位置付けたエダクタ内で終端する請求項１の冷却システム。
3. 潤滑材導管が、チャンバ内に位置付けた一端が潤滑材出口として作用し、気相冷媒出口に位置付けた他端がエダクタとして作用する毛管導管である請求項２の冷却システム。
4. 潤滑材出口が液相冷媒出口の下方に位置付けられる請求項１の冷却システム。
5. 相互に熱交換関係にある第１の流路及び第２の流路を有する吸引ライン熱交換器にして、第１の導管が吸引ライン熱交換器と相分離器とを連結し、第２の流路がバイパス導管及び蒸発器を圧縮器入口に連結する請求項１の冷却システム。
6. 圧縮器入口及び圧縮器出口を有する圧縮器と、
   圧縮器出口に連結され、圧縮器からの圧縮された冷媒を含む潤滑材を受け且つ該潤滑材を凝縮／冷却する凝縮器／ガス冷却器と、
   冷却するべき流体媒体のための、第１の流路にして、凝縮／冷却された冷媒のための第２の流路と熱交換関係にある第１の流路を有する蒸発器と、
   凝縮器／ガス冷却器と第２の流路とを相互に連結する膨張装置と、
   膨張装置と第２の流路との間に介挿した相分離器にして、膨張装置に結合した冷媒入口と、気相冷媒出口と、液相冷媒出口と、潤滑材出口とを含み、気相冷媒、液相冷媒、潤滑材、の間の濃度差に応じて作動して、冷媒入口から流入する冷媒を気相冷媒の流れと、液相冷媒の流れと、潤滑材の流れとに分離し、液体冷媒出口が第２の流路に結合された相分離器と、
   気相冷媒出口を圧縮器入口に連結して気相冷媒の流れを圧縮器に送るバイパス導管と、
   潤滑材出口と、バイパス導管及び気相冷媒出口の一方に連結され、潤滑材を気相冷媒流れ中に送る潤滑材導管と、
   を含む冷却システム。
7. 潤滑材導管がエダクタ内でバイパス導管及び気相冷媒出口の一方において終端する請求項６の冷却システム。
8. エダクタが気相冷媒出口内に位置付けられる請求項７の冷却システム。
9. エダクタが毛管を含む請求項８の冷却システム。
10. 毛管が潤滑材導管として追加的に作用する請求項９の冷却システム。
11. 相分離器が分離器の少なくとも１つのチャンバを含む請求項６の冷却システム。
12. 気相冷媒出口が、分離器チャンバ内の、液相冷媒出口及び潤滑材出口のいずれもの上方に位置付けられたポートを含み、液相冷媒出口及び潤滑材出口が分離器の少なくとも１つのチャンバ内で異なる垂直方向位置に位置決めされる請求項１１の冷却システム。
13. 凝縮器／ガス冷却器と膨張装置とを相互連結する第１の流路と、該流路と熱交換関係にある第２の流路とを有し、該第２の流路とバイパス導管とを圧縮器入口に結合する吸引ライン熱交換器を含む請求項６の冷却システム。

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