JP6134068B2 - 熱交換器の動的制御システム及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、概して熱交換器の動作の動的制御のためのシステムに関する。さらに、本発明は、熱交換器の動作の動的制御のための方法に関する。
本発明は、概して熱交換器、特にプレート式熱交換器の形の熱交換器を備えるシステムに関する。異なるタイプの熱交換器は、異なる技術に基づく。1つのタイプの熱交換器は、空気調和、冷却システム、ヒートポンプシステムなどの様々な用途のために、冷却剤などの流体の蒸発を利用するものである。したがって、熱交換器は、液体状、および蒸発した状態の流体を取り扱う二相システムにおいて用いられる。
蒸発器がプレート式熱交換器の場合は、多数の第1および第2熱交換器プレートを備えるプレートパッケージを含むことができる。プレートは、互いに持続的に結合され、第1流路を形成する第1プレート空間が隣接する第1熱交換器プレートおよび第2熱交換器プレートの各ペアの間に形成され、第2流路を形成する第2プレート空間が隣接する第2熱交換器プレートおよび第1熱交換器プレートの各ペアの間に形成されるように、並んで配置される。第1プレート空間および第2プレート空間は、互いに分離され、かつプレートパッケージ内で交互に並んで設けられる。実質的に各熱交換器プレートは、少なくとも第1ポート孔および第2ポート孔を有し、第1ポート孔は、第1プレート空間への第1入口チャネルを形成し、かつ第2ポート孔は、第1プレート空間からの第1出口チャネルを形成する。プレートパッケージは、前記第1プレート空間それぞれに対して分離空間を含み、その空間は、第2プレート空間に対して閉じている。
この周知従来技術において、2相システムにおいて用いられるプレート式熱交換器において、冷却剤などの第1流体は、液体状で弁に導入されるが、弁を通ると第1入口チャネルの一端部、すなわち第1入口チャネルに沿ったさらなる分配のための第1ポート孔において圧力低下により部分的に蒸発した流体へ膨張し、さらに蒸発した状態へ蒸発する間に個々の第1プレート空間それぞれへ導入される。常に、供給される流体のエネルギー容量が高すぎて、それによって入口ポートを介して入口チャネルに供給される流れの一部が入口チャネルの後端部に当たり、逆方向に反射する、という危険がある。それにより、入口チャネルにおける流れは、非常に無秩序となり、予測および制御が困難となっている。
さらに、入口から第1入口チャネルへの距離に伴い冷却剤の圧力低下が増加することがあり、それによって、個々のプレート空間への第1流体の分配に影響をおよぼす。
第1入口チャネルから個々のプレート空間に入る場合に第1流体の液滴が受ける角度流変化が非均一な分配に寄与することがまた知られている。
さらに別の影響のあるパラメータは、個々の第1プレート空間の間の寸法差であり、各第1プレート空間が独自の効率を有する結果となる。
個々の第1プレート空間の動作および性能がプレートパッケージにおける位置に依存することがまた知られている。プレートパッケージの各側の最外の第1プレート空間は、プレートパッケージの中間のものとは異なる動作をする傾向にある。
この結果、蒸発器の出口を出る前、および特に蒸発器出口の下流に配置される圧縮機の入口に到達する前に、熱交換器の蒸発器に供給される全ての流体を完全に蒸発することを確実にし、かつまた異なる作動条件においても高い効率および能力を有する熱交換器の機能を確実にするよう熱交換器全体の動作および効率を最適化することは、不可能ではないが、非常に困難である。実際、蒸発器全体としての不十分な蒸発が発生するためには、1つの機能不良な第1プレート空間があれば十分である。例えば、一つの第1プレート空間が浸水した場合、すなわち供給される流体の全量を蒸発させることができない場合、蒸発器の出口の下流で液滴が発生する。一般的に、完全に蒸発させるとは、蒸発した流体が過熱状態に達していなければならず、それによって蒸発した流体は、乾燥した蒸発流体のみを含んでいる、すなわち蒸発流体は、支配的な圧力において飽和温度以上の温度を有していなければならないということを意味する。
当技術分野で周知の物理的なパラメータである過熱は、現在の温度と支配的な圧力における、すなわち流体に残っている液体量がない場合の飽和温度との温度差として定義される。過熱は、所定の流体および所定の温度および圧力に対して一意である。飽和温度は、従来のグラフまたは表から知ることができる。
動作負荷に関わらず熱交換器の蒸発器を設定過熱点にできるだけ近い状態で動作させるという目的は、できるだけ高い利用率を得るために重要である。したがって、これは経済的にも重要である。さらに、圧縮機は、液体量に通常敏感であるため、圧縮機などの蒸発器と協同する他の構成要素への影響及ぼす。圧縮機の入口に達した場合蒸発した流体に残る液滴は、圧縮機に損傷を与える場合がある。また、一旦流体が過熱状態に達すると、流体は、完全に乾燥し、さらに温度を上昇させる実質的な利益がないため、可能な限り低い過熱で蒸発器を運転することへの経済的な関心がある。
上記の設定過熱点は、圧縮機が液体を受ける危険性に対して特定の所望の安全マージンを組み込むために、システム製造業者によって決定される、上述の課題は、蒸発器の負荷が変化した場合により顕著に表れる。例えば、これは、空気調和システムの運転デューティが1つの温度から別の温度に変化した場合、つまり蒸発器へ供給される流体の量が変化した場合にあてはまる。
特許文献1および特許文献2は、空気加熱蒸発器の冷却能力を最大限に利用するように、少なくとも2つの蒸発器での冷媒分配を制御する方法を開示している。これは、蒸発器の共通の出口において冷媒の過熱を監視することによって達成される。さらに、これは、蒸発器全体を通る冷媒の全体の質量流を実質的に一定に保ちながら選択された蒸発器を通る冷媒の質量流を変化させることによって達成される。流れは、膨張弁である1つの単一弁によって制御される。したがって、2つの特許文献は、各蒸発器が完全なユニットとして評価され、同じ回路に配置された追加的な蒸発器を考慮して各ユニットが制御されるという方法で、複数の空気加熱蒸発器の運転を制御する解決策を提供する。
一般的に、部分負荷における熱交換器、特にプレート式熱交換器の効率の問題が提起される。1つの運転デューティのみで計測される代わりに、異なる運転デューティで熱交換器の蒸発器がどのように動作するかによりフォーカスされる。例えば、実験室レベルのテストは、所定のロウ付けプレート式熱交換器での部分負荷における向上した蒸発機能によって空気調和システムがそのエネルギー消費を4〜10%節約できることを示している。さらに、ほとんどの熱交換器がフル稼働に対して設計および調整されているが、熱交換器システムは、典型的には時間の3%のみフル稼働で運転するものである。
本発明の目的は、上述の課題を改善する改良された熱交換器システムを提供することである。特に、流路間における冷却剤などの第1流体の供給のより良好な制御が可能となり、それにより動作条件に関わらずプレート式熱交換器の効率が向上する熱交換器システムおよび方法を目的としている。
この目的は、熱交換器の動作を動的制御するためのシステムによって達成され、当該システムは、熱交換器、複数の噴射装置、ローカルセンサ装置、およびコントローラを備え、熱交換器は、第1グローバル出口および第1の複数の流路を備え、第1流体の蒸発中に第1流体を第1の複数の流路を介して第1グローバル出口へ供給するために、各流路がローカル入口およびローカル出口を備え、熱交換器は、第2グローバル出口および第2の複数の流路をさらに備え、第2流体を第2の複数の流路を介して第2グローバル出口へ供給するために、各流路がローカル入口およびローカル出口を備え、第1の複数の流路における第1流体、および第2の複数の流路における第2流体の間の熱交換を可能にするために、第1流路および第2流路は、互いに離間するとともに並んで配置され、各噴射装置は、少なくとも1つの弁を備え、かつ各噴射装置は、第1流体の流れを少なくとも1つの第1の複数の流路のローカル入口に供給するよう構成され、ローカルセンサ装置は、第1の複数の流路のローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体のローカル温度に対応する温度値を測定するよう構成された複数のローカル温度センサを備え、コントローラは、ローカルセンサ装置から受信した温度測定値の差を決定するよう構成されるとともに、複数の噴射装置の弁と通信するようさらに構成され、決定された差を均一にするために少なくとも1つの噴射装置によって供給される第1流体のローカル量を調整する。
ローカル出口の近くを流れる第1流体に照らして任意の温度差を均一にするためにローカル調節が行われる。したがって、ローカル調節による全体的な狙いは、全ての第1流路が蒸発器の全体動作に等しく貢献すべきとする狙いとしてみることができる。これは、各流路または一部の流路の動作が監視され、それによって各個々の流路から熱交換器の全体的な効率への貢献を調整することができるという発明的なシステムによって達成される。
例えば、既知の熱交換器においては、グローバル出口またはグローバル出口の下流で液体量が検出された場合に、グローバル流量が調整される。しかし、グローバル流における液体量の存在は、単一の流路または流路の一部におけるローカルオーバーフローによって生じる場合がある。ローカル温度を測定し、ローカル出口近くを流れる第1流体の温度の差を均一にすることによって、液体量が生じる特定の1または複数の流路のローカル流のみが調整される。
発明的なシステムおよび方法によって、第1の複数の流路を従来の技術と比較してより効果的に利用することができる。さらに、複数の第1流路における流れを最適化することによって、グローバル出口より下流のグローバル流においてより高い圧力を達成することができる。いくつかのシステムにおいては、高い圧力で供給される場合に圧縮機の効率が上がる。したがって、システム全体の効率が引き上げられる。
ローカルセンサ装置において複数のローカル温度センサを第1の複数の流路のローカル出口の近くに配置することができる。
あるいは、ローカルセンサ装置において複数のローカル温度センサを第2の複数の流路のローカル出口の近くに配置することができる。
「近く」という用語は、ローカル出口の周囲を意味する、すなわち第1流体から見てローカル出口の上流および下流の両方が可能である。ローカル温度センサは、流れが蒸発した後、かつグローバル流を形成するよう互いに流れが混ざる前に、第1流体の流れにおいて測定するように構成される。
ローカル温度センサは、熱交換器のプレートパッケージの外部から内部への伸長部を有する貫通孔に配置することができる。あるいは、ローカル温度センサは、プレートパッケージの内部のみ、または外部のみに配置することができる。
ローカル温度センサは、1または複数の流路に関する温度を測定するように配置することができる。あるいは、ローカル温度センサは、平均温度値を測定するように構成され得る。
蒸発した流体のローカル温度に対応する温度値を測定することは、ローカル出口近くを流れる第1流体に直接、または直接接続して測定を行う必要がないということを意味することが理解されるべきである。
コントローラは、複数の第1通路における第1流体のグローバル量が同じままとなるように、少なくとも1つの噴射装置以外から供給される第1流体のローカル量の補償ローカル調節量を決定するようさらに構成されることができる。コントローラは、決定された補償ローカル調節量を少なくとも1つの噴射装置以外のものに伝達するようさらに構成されることができる。
補償ローカル調節量は、ローカル調節によって影響を受けない複数の第1通路の第1流体のグローバル量を維持するために決定される。グローバル量は、グローバルセンサ装置によって測定された値に基づいて制御され得る。
コントローラは、温度測定値に対する標準偏差を少なくとも決定することによって差を決定するよう構成することができる。ローカル調節量を決定するために標準偏差を用いることによって、迅速かつ厳しいローカル調節が低減され、調節手順がより滑らかで均一になる。
多くの方法で、正確な温度測定値に基づいて、または平均値または調整などの1または複数の温度測定値の修正に基づいて差を決定することができることが理解されるべきである。さらに、1または複数の差は、1回分の温度測定値に基づいて決定することができる。
第1流体は、冷媒とすることができる。第2流体は、水を含むことができる。第2流体は、食塩水であってもよく、または水のみから成るものであってもよい。
システムは、異なるタイプの第1流体がシステムを通り供給されるように適合され得る。例えば、システムは、異なる第1流体の供給のための異なる区画の流路を備えることができる。
コントローラは、P調整器、PI調整器、またはPID調整器とすることができる。これらの調整器のタイプは、自動制御工学分野において公知である。PID調整器は、比較的高速のプロセスに使用することができ、システムの自己振動を引き起こすことなく温度測定値および/または圧力値等の値に反応することができる。
他のタイプの従来のコントローラも同様に使用することができることが理解されるだろう。
システムは、第1グローバル出口の下流の蒸発した第1流体のグローバル温度およびグローバル圧力、または任意の液体量の存在を測定するよう構成されたグローバルセンサ装置をさらに備えることができる。さらに、コントローラは、複数の噴射装置の弁、またはグローバル弁と通信するよう構成され、熱交換器が設定過熱点値に向かって動作するように、グローバルセンサ装置から受信した情報に基づいて第1の複数の流路へ供給される第1流体のグローバル量を制御することができる。
「液体量」との用語は、本明細書においては、液相または液相/気相の混合である流体として定義される。それは、例えば液滴の形をとり得る。
グローバルセンサ装置の目的は、蒸発した第1流体における液体量の存在を判定すること、または、いわゆる蒸発した第1流体の過熱を判定することである。測定値は、コントローラに送信され、コントローラは、第1の複数の流路における第1流体の流れのグローバル調節量を決定する。
したがって、第1の複数の流路の一部におけるローカル流は、ローカルセンサ装置によってローカル温度値を測定することによって制御され得るとともに、第1の複数の流路におけるグローバル流は、グローバルセンサ装置によってグローバル温度および/または圧力値を測定することによって制御され得る。
グローバル調節は、設定過熱点に向かって、または液体量が存在しないように動作するための調節と説明できるのに対し、ローカル調節は、熱交換器内の温度差を均一にするための調節と説明できる。両方の調節は、熱交換器の効率を最適化するために行われる。調節は、互いに補足しあうが、またそれ自体で機能し得る。例えば、システムは、ローカルセンサ装置を備えることができ、グローバルセンサ装置およびグローバル調節を用いることなく第1の複数の流路のローカル調節を行うことができる。さらに、グローバル調節は、グローバルセンサ装置以外の装置によって実行されてもよい。
ローカル調節およびグローバル調節の2つのプロセスは、システムの動作中に好ましくは連続的に実行される。したがって、ローカル流およびグローバル流は、連続的に調整され、それによって熱交換器は、現在の運転条件および運転デューティに関して連続的に最適化される。したがって熱交換器は、より適応性を有するものとなり、異なる運転条件に適合するものとなる。熱交換器は、運転条件に関わらず最適化された方法で運転される。
2つの方法をコントローラにおける並列ループとして実行することができる。
グローバルセンサ装置は、グローバル温度センサおよびグローバル圧力センサを備えることができる。にグローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値に基づいて、コントローラによって過熱を決定することができる。2つのグローバルセンサは、システム内の同じ位置にあってはならない。しかし、グローバルセンサ装置は、グローバルセンサが蒸発した第1流体の同じ部分を測定するように基本的に同じ位置に配置されることが好ましい場合がある。
設けられたグローバルセンサ装置は、グローバル温度およびグローバル圧力を測定するように配置され、設定過熱値は、例えばシステムにおいて第1流体として使用される特定の流体の過熱値とすることができる。
あるいは、過熱値は、既定の安全マージンを有して調整される、システムにおいて使用される特定の流体の計算された過熱値とすることができる。グローバルセンサ装置が蒸発器における任意の液体量の存在を測定するよう構成されている場合、設定過熱値は、「デジタル」式に処理されることができ、任意の液体量の存在は、評価される流路に供給される流体の量が完全に蒸発させるには多すぎることを示し、あるいは、液体量がないことは、流路に供給される流体の量が不十分であることを示しており、増加させることができる。
あるいは、グローバルセンサ装置が蒸発した流体における液体量の存在を測定するよう構成されている場合、グローバルセンサ装置は、少なくとも1つのグローバル温度センサとすることができる。グローバル温度センサは、測定期間にわたってグローバル温度が下降する傾向を決定するために使用することができるか、または測定期間にわたって不安定なグローバル温度であることを決定するために使用することができる。グローバル温度が下降する傾向、およびグローバル温度が不安定となる傾向は、蒸発した流体内の液体量の存在を確立するためのコントローラへの入力として使用される。なぜなら、液体量、すなわち液相または液相/気相の混合の流体の流れは、グローバル温度センサにおいて、完全に蒸発した、乾燥気体の流体の流れと比較して低い温度を示すからである。この原理は、ローカル温度センサにも適用できる。すなわち、第1の複数の流路における1つまたは一部の流路に液体量が存在することを検出するために、ローカル温度センサを利用することができる。したがって、いくつかの実施形態では、ローカルセンサ装置は、グローバルセンサ装置なしでそれ自体で機能する。
別の態様によると、本発明は、システムの上記に開示される実施形態によるシステムの使用に関連する。
別の態様によると、本発明は、上記に開示される実施形態によるシステムにおける熱交換器の動作を動的制御する方法に関連し、当該方法は、
a)複数の噴射装置によって第1流体を第1の複数の流路のローカル入口に供給するとともに、第2流体を第2の複数の流路のローカル入口に供給するステップと、
b)第1の複数の流路のローカル出口の近くを流れる蒸発した流体のローカル温度に対応する温度値をローカルセンサ装置によって測定するステップと、
c)温度測定値をコントローラに送信するステップと、
d)コントローラによって温度測定値の差を決定するステップと、
e)決定された差を均一にするために、決定された差に基づいて複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される流体のローカル量のローカル調節量をコントローラによって決定するステップと、
f)決定されたローカル調節量によって複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される第1流体のローカル量を調整するために、コントローラによって複数の噴射装置の弁と通信するステップと、
を備える。
a)複数の噴射装置によって第1流体を第1の複数の流路のローカル入口に供給するとともに、第2流体を第2の複数の流路のローカル入口に供給するステップと、
b)第1の複数の流路のローカル出口の近くを流れる蒸発した流体のローカル温度に対応する温度値をローカルセンサ装置によって測定するステップと、
c)温度測定値をコントローラに送信するステップと、
d)コントローラによって温度測定値の差を決定するステップと、
e)決定された差を均一にするために、決定された差に基づいて複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される流体のローカル量のローカル調節量をコントローラによって決定するステップと、
f)決定されたローカル調節量によって複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される第1流体のローカル量を調整するために、コントローラによって複数の噴射装置の弁と通信するステップと、
を備える。
方法は、ローカル調節によって影響を受けない複数の第1通路の第1流体のグローバル量を維持するために、少なくとも1つの噴射装置以外から供給される第1流体のローカル量の補償ローカル調節量を決定するステップをさらに備えることができる。決定された補償ローカル調節により、複数の噴射装置の少なくとも1つ以外から供給される第1流体のローカル量を調整するために、方法は、コントローラによって複数の噴射装置の弁と通信するステップをさらに備えることができる。
差を決定するステップは、温度測定値の標準偏差を決定するステップを備えることができる。
方法は、グローバル温度センサおよびグローバル圧力センサを備えるグローバルセンサ装置をさらに備えるシステムにおいて実行することができ、当該方法は、
g)グローバルセンサ装置によって、第1グローバル出口の下流の蒸発した第1流体のグローバル温度値およびグローバル圧力値を測定するステップと、
h)グローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値をコントローラに送信するステップと、
i)グローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値に基づいて過熱値をコントローラによって決定するステップと、
j)測定された過熱値および設定過熱値の差、または蒸発した第1流体における液体量の存在をコントローラによって決定するステップと、
k)設定過熱値に到達するために要求される、複数の噴射装置によって供給される第1流体の量のグローバル調節量をコントローラによって決定するステップと、
l)決定されたグローバル調節量によって、複数の噴射装置によって供給される第1流体のグローバル量を調整するためにコントローラによって、複数の噴射装置の弁、またはグローバル弁と通信するステップと、
さらに備える。
g)グローバルセンサ装置によって、第1グローバル出口の下流の蒸発した第1流体のグローバル温度値およびグローバル圧力値を測定するステップと、
h)グローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値をコントローラに送信するステップと、
i)グローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値に基づいて過熱値をコントローラによって決定するステップと、
j)測定された過熱値および設定過熱値の差、または蒸発した第1流体における液体量の存在をコントローラによって決定するステップと、
k)設定過熱値に到達するために要求される、複数の噴射装置によって供給される第1流体の量のグローバル調節量をコントローラによって決定するステップと、
l)決定されたグローバル調節量によって、複数の噴射装置によって供給される第1流体のグローバル量を調整するためにコントローラによって、複数の噴射装置の弁、またはグローバル弁と通信するステップと、
さらに備える。
ステップb)−f)およびステップg)−l)を並行して実行することができる。
ステップb)−f)およびステップg)−l)を連続的に実行することができる。ステップb)−f)およびステップg)−l)をコントローラ内の並行ループとして実行することができる。
システムに関連して開示された特徴および利点は、方法に関するこの態様にも関連するものである。過度の重複を避けるために、システムに関する上記の態様を参照するものとする。
本発明の実施形態は、例えば添付の概略図面を参照して説明される。
機械的な蒸気圧縮システムである従来技術の冷却回路を図式的に示す。
典型的なプレート式熱交換器の側面図を図式的に示す。
図2のプレート式熱交換器の正面図を図式的に示す。
従来技術のプレート式熱交換器の端に沿った断面を図式的に示す。
発明的なシステムに関する冷却回路を示す。
第1の複数の流路へ流体提供する噴射装置を示す。
本発明の異なる実施形態における局所的なセンサ装置の位置決めを示す。
本発明の異なる実施形態における局所的なセンサ装置の位置決めを示す。
本発明の異なる実施形態における局所的なセンサ装置の位置決めを示す。
本発明の一実施形態による熱交換器における局所的な流れを制御する方法を示す。
熱交換器における全体の流れを制御する方法を示す。
熱交換器1は、通常は冷却回路の蒸発器として組み込まれる。図1参照の従来技術の冷却装置は、機械的な蒸気圧縮システムであり、典型的には圧縮機51、凝縮器52、膨張弁53および蒸発器54を備える。回路は、蒸発器出口および圧縮機入口の間に配置された圧力センサ55および温度センサ56をさらに備えることができる。このようなシステムの冷却サークルは、冷却剤が低圧および低温の蒸発した形で圧縮機51に入るところから始まる。冷却剤は、凝縮器52に入る前に圧縮機51によって高圧高温の蒸発した状態に圧縮される。凝縮器52は、水または空気などの温度の低い媒体に熱を移すことによって、高圧高温の気体を高温高圧の液体へ凝結させる。そして高温の液体は、膨張弁53に入り、膨張弁は、冷却剤が蒸発器54に入れるようにする。
膨張弁53は、高圧力から低圧力へ冷却剤を膨張させる機能を有し、流れを良好に調整する。高い温度を冷却するために、蒸発器への流れは、圧力を低く保つように制限されなければならず、かつ蒸発した状態へ戻る蒸発を許容する。膨張弁53は、圧力センサ55および温度センサ56から受信した信号に基づいてコントローラ57によって動作され得る。蒸発器54の全体動作を示すために蒸発器54を出た後の流体に残る液体量を示すいわゆる過熱に基づく情報を使用することができる。
プレート式熱交換器1の形の蒸発器が示されている図2〜図4に移る。理解されるべきである。熱交換器1は、プレート式熱交換器、パイプ−シェル式熱交換器、スパイラル式熱交換器などの任意のタイプとすることができる。しかし、これに限定されるものではないが、本発明は、プレート式熱交換器1に適用されるものとして以下で説明される。
本明細書を通して、ローカル(local)およびグローバル(global)という用語が使用される。ローカル流量、ローカル温度、ローカル入口、およびローカル出口において使用される「ローカル」という用語は、システム全体の一部を指す。例えば、第1の複数の流路におけるローカル流量は、第1の複数の流路における1つの流路などの第1の複数の流路の一部における流量を指す。他の例は、各流路がローカル入口およびローカル出口を有するということである。さらに別の例は、第1流体のローカル温度が、第1の複数の流路における1つの流路に流れる第1流体の温度などの第1流体における特定の位置での温度を指すということである。
反対に、「グローバル」という用語は、システム全体を指す。例えば、第1の複数の流路における第1流体のグローバル流量は、蒸発器における第1流体の全流量を指す。したがって、等しい量に流れを増加または減少させることでグローバル流量を調整することによって、全ての噴射装置が調整される。別の例は、熱交換器がグローバル出口を有するということであり、この出口は、第1の複数の流路の一部からのローカル流が単一の流れに共に合流する場所であることを意味する。さらに別の例では、第1流体のグローバル温度は、第1流体が単一の流れとして流れる位置での温度を指す。
図4に示すように、プレート式熱交換器1は、並んで設けられた多数の熱交換プレートA,Bによって形成されたプレートパッケージPを含む。開示された実施形態においては、熱交換プレートは、以下では第1熱交換プレートAおよび第2熱交換プレートBと呼ぶ2つの異なるプレートを含む。
熱交換プレートA,Bは、第1流路3が隣接する第1熱交換プレートAおよび第2熱交換プレートBの各ペアの間に形成され、第2流路4が隣接する第2熱交換プレートBおよび第1熱交換プレートAの各ペアの間に形成されるように並んで設けられる。したがって、熱交換器は、第1の複数の流路3および第2の複数の流路4を備える。
各流路は、ローカル入口41およびローカル出口42を有する。各ローカル入口およびローカル出口は、流路を形成している一対の隣接する熱交換プレートの間の空間への複数の入口または出口を備える。したがって、流路へのローカル入口は、流路への1または複数の入口を意味し、および流路からのローカル出口は、流路からの1または複数の出口を意味する。
さらにプレートパッケージPは、プレートパッケージPのそれぞれ側に設けられた上端プレート6および下端プレート7を含む。
特に図3および図4から明らかなように、実質的に各熱交換プレートA,Bは、4つのポート孔8を有する。
第1ポート孔8は、第1流路3を含む第1の複数の流路への第1入口チャネル9を形成し、実質的にプレートパッケージP全体、すなわち全てのプレートA,Bおよび上端プレート6を通り延在する。第2ポート孔8は、第1の複数の流路からの第1出口チャネル10を形成し、また実質的にプレートパッケージP全体、すなわち全てのプレートA,Bおよび上端プレート6を通り延在する。
第3ポート孔8は、第2流路4を含む第2の複数の流路への第2入口チャネル11を形成する。第4ポート孔8は、第2の複数の流路からの第2出口チャネル12を形成する。またこれら2つのチャネル11および12は、実質的にプレートパッケージP全体、すなわち全てのプレートA,Bおよび上端プレート6を通り延在する。
図5に移り、発明的なシステムの第1実施形態を説明する。システムは、プレート式熱交換器の形の蒸発器54を備える。蒸発器54は、図2〜図4に関連して上記に開示されたように構成された熱交換プレートA,Bを備える。したがって、蒸発器54は、第1の複数の流路3および第2の複数の流路4を備える。
図5において、第1の複数の流路は、第1流路3aおよび3bと表される。各第1流路3a,3bは、ローカル入口およびローカル出口を有する。蒸発器54は、グローバル入口およびグローバル出口13を有する。第1流体が、流路3a,3bを介してグローバル入口からグローバル出口13へ蒸発器54を通り供給されるように、流路3a,3bが構成されている。
蒸発器54のグローバル出口13は、チューブシステム15を介して圧縮機51の入口14に接続される。圧縮機51の出口16は、別のチューブシステム17を介して凝縮器52の入口18に接続される。凝縮器52の出口19は、複数の噴射装置25a,25bに接続される。開示の実施形態においては、各噴射装置25a,25bは、弁22a,22bおよびノズル27a,27bを備える。
その最も簡単な形において、噴射装置は、流体分配を提供する弁によって構成され得ることが理解されるべきである。噴射装置25a,25bは、蒸発器54の第1の複数の流路における第1流路3a,3bの1または複数のローカル入口に接続される。このようにして、閉じた循環システムが設けられる。
図6に示すように複数の噴射装置における各噴射装置25a,25bは、そのグローバル出口13を介してから蒸発器54出る前に第1流体を蒸発させるために、第1流路3a,3bのローカル入口への第1流体の流れを供給するように構成されている。あるいは、1または複数の噴射装置は、第1の複数の流路における2つ以上の第1流路のローカル入口への第1流体の流れを供給するように構成され得る。
どのように噴射装置25a,25bが構成されていても、流れが、第1の複数の流路3を通る流れ方向に平行な方向に基本的に向いていることが好ましい。それにより、流体の流れの過度の方向転換が回避される。熱交換器がプレート式熱交換器の場合、これは、第1および第2熱交換プレートの基本平面と平行であることを意味する。
開示の実施形態において、噴射装置25a,25bの弁22a,22bは、蒸発器54およびこれを構成するプレートパッケージPの外部に配置されるのに対して、噴射装置25a,25bのノズル27a,27bは、プレートパッケージの壁部分における蒸発器入口26a,26bを介して蒸発器54の内部に延在するように構成されている。
蒸発器入口26a,26bは、貫通孔の形であり、プレートパッケージPの外部からプレートパッケージの内部への、より正確には、第1の複数の流路のローカル入口への伸長部を有する。貫通孔は、プラスチック再成形、切削または穿孔によって形成することができる。「プラスチック再形成」と言う用語は、熱穿孔などの非切削プラスチック再成形を指す。切削、または穿孔は、切削工具によって行うことができる。またレーザーまたはプラズマ切断によっても行うことができる。
上述の代替の実施形態のように、各噴射装置25a,25bは、流れの制御およびノズルとして機能の両方を行う弁のみを備えることができる。したがって、最も単純な形において、ノズル27a,27bは、省略することができ、それによって流体の流れは、貫通孔(非開示)またはパイプ(非開示)から提供され得る。
発明的なシステムにおいて使用することができる蒸発器の入口領域の断面が図6に開示される。図4の実施形態の入口チャネル9は、噴射装置25a,25bを受容する第1の複数の流路3における各第1流路によって置換される。
各噴射装置25a,25bが複数のノズルを備えることができ、複数のノズルには、1つの弁から流体が提供されることが理解されるべきである。また、各噴射装置25a,25bが複数の弁を備えることができることが理解されるべきである。
噴射装置25a,25bの数は、第1流路3の数より少なくすることができることが理解されるべきである。それにより、各噴射装置は、第1流体の流れを第1流路3の2つ以上のローカル入口に供給するよう構成することができる。これは、2つ以上の第1流路を横切って延在する直径を有する貫通孔に各噴射装置25a,25bが構成され、それによって同じ噴射装置25a,25bが第1の複数の流路3における2つ以上の流路に流体を供給することができることによって可能となる。
図5に戻ると、発明的なシステムは、ローカル温度センサを備えるローカルセンサ装置29をさらに備える。この図において、ローカル温度センサは、ローカル温度センサ31aおよび31bで表される。
ローカル温度センサ31a,31bは、第1の複数の流路3のローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体のローカル温度に対応する温度の値を測定するよう構成されている。「近く」という用語は、ローカル出口の周囲を意味する、すなわち第1流体から見てローカル出口の上流または下流のいずれも可能である。ローカル温度センサ31a,31bは、流れが蒸発した後、かつグローバル流を形成するよう互いに流れが混ざる前に、第1流体の流れにおいて測定するように構成される。
ローカル温度センサ31a,31bは、プレートパッケージPの外部からプレートの内部への伸長部を有する貫通孔に配置することができる。あるいは、ローカル温度センサ31a,31bは、プレートの内部のみ、または外部のみに配置することができる。ローカル温度センサ31a,31bは、互いに離間して配置することができるか、または例えば第1の複数の流路3のローカル出口に共通する出口チャネルに沿って延在するフルート形状デバイスに取り付けることによって互いに連結して配置することができる。
蒸発した流体のローカル温度に対応する温度値を測定することは、ローカル出口近くを流れる第1流体に直接、または直接接続して測定を行う必要がないということを意味することが理解されるべきである。温度の測定方法が異なる実施形態は、以下に説明される図7〜図9に関連して開示される。
ローカル温度センサ31a,31bは、1または複数の流路3a,3bに関する温度を測定するように配置することができる。あるいは、ローカル温度センサ31a,31bは、平均温度値を測定するように構成され得る。
ローカルセンサ装置29は、第1の複数の流路3における全ての第1流体のローカル温度に対応する温度を測定するように構成される必要はない。例えば、ローカル温度センサ31a,31bは、第1の複数の流路3における各10対の流路のローカル出口近くを流れる第1流体のローカル温度に対応する温度を測定するように構成することができる。
ローカル温度センサ31a,31bは、コントローラ57に接続される。コントローラ57は、ローカルセンサ装置29および噴射装置25a,25bの個々の弁22a,22bと通信するように構成されている。コントローラ57は、例えばP調整器、PI調整器またはPID調整器とすることができる。
ローカルセンサ装置29によって、熱交換器内のローカル位置における温度を測定することができる。ローカルセンサ装置29の目的は、第1の複数の流路3における第1流体の流れのローカル調節の決定および実行を可能にするために、1または複数の第1流路3a,3bのローカル出口の、または出口近くのローカル温度を決定することである。
コントローラ57は、ローカル温度測定値をローカルセンサ装置29から受信するように構成される。コントローラ57は、温度測定値の差を決定する。1または複数の差は、1回分の温度測定値に基づいて決定することができる。
決定された差に基づいて、コントローラ57は、少なくとも1つの噴射装置25a,25bによって供給される第1流体のローカル流量のローカル調節量を決定する。コントローラ57は、ローカルセンサ装置29から受信された1回分の温度測定値に基づいて1または複数のローカル調節量を決定することができる。異なる噴射装置25a,25bは、異なる度合いで調整され得る。
ローカルセンサ装置29から受信した温度測定値の標準偏差を決定することによって、差を決定することができる。ローカル調節量を決定するために標準偏差を用いることによって、迅速かつ厳しいローカル調節が低減され、調節手順がより滑らかで均一になる。
コントローラ57は、受信した測定温度値の全てに基づく調節の必要がないことが理解されるべきである。例えば、コントローラ57は、隣接する噴射装置に対応する選択された数の温度測定値、またはいくつかの温度測定値の平均値に基づいて特定の噴射装置に関する流れの調節を決定することができる。
ローカル調節は、ローカル出口近くを流れる第1流体に関する温度差を均一にするために行われる。したがってローカル調節の全体的な狙いは、全ての第1流路3が蒸発器の全体動作に等しく貢献するということである。
例えば、既知の熱交換器においては、グローバル出口またはグローバル出口13の下流で液体量が検出された場合に、グローバル流量が調整される。しかし、グローバル流における液体量の存在は、単一の流路または流路の一部におけるローカルオーバーフローによって生じる場合がある。ローカル温度を測定し、ローカル出口近くを流れる第1流体の温度の差を均一にすることによって、液体量が生じる特定の1または複数の流路のローカル流のみが調整される。
第1の複数の流路3のローカル出口近くの第1流体を直接測定するようにローカルセンサ31a,31bが構成されている場合、ローカルセンサ装置29によって液体量がローカル流に存在することを検出することができる。ローカル温度センサ31a,31b近くに液体量が存在する場合、液体物質がセンサに触れ、および蒸発する。蒸発により影響を受けたローカル温度センサ31a,31bは、完全に蒸発した第1流体を測定するローカル温度センサの温度値よりも低い温度値を測定するだろう。
発明的なシステムおよび方法により、ローカル温度測定値が低い1または複数の第1流路の第1流体の量は、そこに供給される全ての流体が蒸発するように、それにより温度測定値が第1流路のローカル温度測定値に上昇するように調整される。
したがって、発明的なシステムおよび方法により、第1の複数の流路3は、既知の技術と比較してより効果的に利用される。さらに、複数の第1流路3における流れを最適化することにより、グローバル出口の下流のグローバル流においてより高い圧力が達成され得る。図5に示すようなシステムにおいて、より高い圧力で供給される場合に圧縮機51の効率は上がる。したがって、システム全体の効率も引き上げられる。
システムは、グローバルセンサ装置28をさらに備える。開示の実施形態において、グローバルセンサ装置28は、グローバル圧力センサ30aおよびグローバル温度センサ30bを備える。グローバルセンサ装置28は、蒸発器54のグローバル出口13を圧縮機51の入口14を接続するチューブシステム15に、より正確には、蒸発器のグローバル出口13、または出口の下流ではあるが圧縮機51の入口14の前に配置することができる。
2つのグローバルセンサ30a,30bは、システム内の同じ位置にあってはならない。しかし、グローバルセンサ装置28は、グローバルセンサ30a,30bが蒸発した第1流体の同じ部分を測定するように基本的に同じ位置に配置されることが好ましい。
グローバルセンサ装置28またはその一部を蒸発器54の出口チャネル(非開示)に配置することがまた可能である。
グローバル圧力センサ30aは、蒸発器54のグローバル出口13より後の蒸発器54を圧縮機51に接続するチューブシステム15の多かれ少なかれまっすぐな部分に好ましく配置される。チューブシステム15の形状に応じて、大体、好ましくは、グローバル圧力センサ30aは、チューブ屈曲部後チューブの内径の少なくとも10倍に対応する距離、およびチューブ屈曲部前のチューブの内径の5倍以上に対応する距離に配置される。いくつかの実施形態では、グローバルセンサ装置28が圧縮機51の入口14近くに配置されることが好ましい。
グローバル圧力センサ30aは、測定グローバル圧力として以下に特定される蒸発した第1流体のグローバル圧力値を測定するよう構成される。
グローバル圧力センサ30aは、例えば0〜25バールの範囲の4−20mA圧力センサとすることができる。
グローバル温度センサ30bは、好ましくはチューブ屈曲部より後のチューブシステム15に配置される。蒸発器54のグローバル出口13よりも圧縮機51の入口14近くに温度センサ30bが配置されることが好ましい。温度センサ30bをチューブ屈曲部の後に配置することにより、チューブ屈曲部の壁にぶつかり、それにより流れの方向が変化させられることにより、蒸発した第1流体に残る液体量をより蒸発させることができる。また残りの液体量が周囲の過熱流体の流れから熱を吸収することにより蒸発が起こる。
グローバル温度センサ30bは、測定温度として特定される流れの温度を測定する基準温度センサとすることができる。
グローバル圧力およびグローバル温度に関する測定値は、測定された過熱に基づいてくグローバル水準にシステムを調整するよう構成されたコントローラ57に伝えられる。あるいは、または追加的に、コントローラ57は、グローバルセンサ装置28内に含まれる少なくとも1つの温度センサによって行われる液体量の存在の検出に基づいて調整する。
周知の物理的なパラメータである過熱は、現在の温度および支配的な圧力、すなわち流体に残っている液体量がない場合の飽和温度の温度差として定義される。過熱は、所定の流体および所定の温度および圧力に対して一意である。過熱は、従来のグラフまたは表から知ることができる。
一般的に、測定温度が飽和温度に近づくほど、より効率的なシステムになる。つまり、熱交換器に供給される流体の量は、完全に蒸発し、不必要に加熱されることはない。
しかし、測定温度が飽和温度に近づくほど、非蒸発流体でシステムがあふれることになる、すなわち蒸発器が流体の供給量を蒸発させられなくなる。単なる説明のために、液体量が全くない完全な蒸発、または蒸発器の下流の蒸発した流れに液体量が含まれる非完全な蒸発というように、過熱をデジタル的にみなすことができる。
蒸発器の動作を最適化するために、可能な限り低い過熱を有することが望まれる。しかし、圧縮機が液体量に対して敏感であり、それにより損傷を受ける場合があるため、蒸発システムの設計においていくらかの安全マージンを使用することが一般的な習慣である。典型的には、従来技術の蒸発器における常用安全マージンは、5°K、すなわち過熱は、少なくとも5°Kである。しかし、他の値の安全マージンを選択することができることが理解されるべきである。
最も単純な形において、安全マージンは、蒸発器の意図した使用によって決定される定数と見なされる。しかし、可能な限り飽和温度近くで蒸発器を運転するという経済的な関心により、可能な限り低い安全マージンを使用する要求があることが理解されるべきである。システムの動作中、この定数は、蒸発器54の動作が動的に制御されるための設定過熱点、すなわち目標値として使用される。
したがって、設定過熱点に到達するために、または液体量の存在を除去するために、第1の複数の流路3における第1流体のグローバル量が調整される。グローバル調節は、ローカルセンサ装置28によって測定された値に基づいて制御される熱交換器内のローカル流のローカル調節を選択的に補足するものとして作用する。
したがって、グローバルセンサ装置28の目的は、蒸発した第1流体における液体量の存在を判定すること、または、いわゆる蒸発した第1流体の過熱を判定することである。測定値は、コントローラ57に送信され、コントローラは、第1の複数の流路3における第1流体の流れのグローバル調節量を決定する。
したがって、一実施形態において、第1の複数の流路3の一部におけるローカル流は、ローカルセンサ装置29によってローカル温度値を測定することによって制御されるとともに、第1の複数の流路3におけるグローバル流は、グローバルセンサ装置28によってグローバル温度および/または圧力値を測定することによって制御される。
グローバル調節は、設定過熱点に向かって、または液体量が存在しないように動作するための調節と説明できるのに対し、ローカル調節は、熱交換器内の温度差を均一にするための調節と説明できる。両方の調節は、熱交換器の効率を最適化するために行われる。調節は、互いに補足しあうが、またそれ自体で機能し得る。例えば、システムは、ローカルセンサ装置29を備えることができ、グローバルセンサ装置およびグローバル調節を用いることなく第1の複数の流路3のローカル調節を行うことができる。
ローカル調節および任意のグローバル調節は、システムの動作中に好ましくは連続的に実行される。したがって、ローカル流および任意に、グローバル流は、連続的に調整され、それによって熱交換器は、現在の運転条件および運転デューティに関して連続的に最適化される。したがって熱交換器は、より適応性を有するものとなり、異なる運転条件に適合するものとなる。熱交換器は、運転条件に関わらず最適化された方法で運転される。
2つの方法をコントローラ57における並列ループとして実行することができる。
ローカルセンサ装置の配置は、図7〜図9を参照して開示される。これらの図において、第1の複数の流路および第2の複数の流路の両方は、図式的に説明されている。
上述のように、ローカルセンサ装置は、第1の複数の流路のローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体のローカル温度に対応する温度値を測定するように配置される。したがって、ローカルセンサ装置29のセンサ31a,31bは、ローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体を直接または間接的に測定することができる。
概して図7〜図9を参照すると、第1流体は、噴射装置25a,25bによって第1の複数の流路に供給される。第1の複数の流路を通る第1流体の流れは、符号74によって示される。第2流体は、第2の複数の流路に供給される。第2の複数の流路を通る第2流体の流れは、符号75によって示される。第2流体は、グローバル入口71を介して熱交換器に入り、およびグローバル出口72を介して熱交換器から出る。それぞれの流路を通り流れる場合、第1流体および第2流体の間で熱が伝達される。
ローカルセンサ31a,31bの配置が異なる実施形態が以下に開示される。
図7における第1例では、ローカル温度センサ31a,31bが第1の複数の流路のローカル出口の近くに配置され、かつローカル温度センサ31a,31bが熱交換器のハウジング内に配置されている。この実施形態において、第1の複数の流路のローカル出口は、熱交換器からグローバル出口76で終わる共通の出口チャネルに出る。グローバル出口76は、図3の第1出口チャネル10に対応する。ローカル温度センサ31a,31bは、この実施形態において、共通の出口チャネルに沿って延在するフルート状デバイス73に取り付けられている。
図8における第2例では、ローカル温度センサ31a,31bが第1の複数の流路のローカル出口の近くに配置されるが、プレートパッケージPの外部、および熱交換器のハウジングの外部に配置されている。ローカル温度センサ31a,31bは、ハウジングおよび共通の出口の間に位置するいわゆるポート80a,80bに配置される。
図9における第3例では、ローカル温度センサ31a,31bは、第2の複数の流路のローカル出口の近くに配置される。したがって、この実施形態においては、ローカルセンサは、第1流体とは直接または間接的でさえも接続するようには配置されない。しかし、第2の複数の流路のローカル出口の近くを流れる第2流体のローカル温度および第1の複数の流路のローカル出口の近くを流れる第1流体のローカル温度の間に関係があるということが発明者によって認識されている。より正確には、第2の複数の流路のローカル温度は、第1流体のローカル温度を反映するものである。したがってこの実施形態においては、温度測定値の差を均一にするローカル調節を決定するために、第2の複数の流路における温度測定値をコントローラにおいて利用することができる。
第2流体において測定することによって、測定手順を簡略化することができる。第一に、第2の複数の流路は、第2流体が水である場合に、センサに対してより扱いやすい環境を提供することができる。第二に、流体に影響を及ぼすことなく第2の複数の流路内に温度センサを配置することが容易になる。第三に、流出する第2流体温度に関する情報を使用者に提供するなどのさらなる目的のために、第2流体における温度測定値を利用することができる。
第1流体における測定のために配置されたローカルセンサ31a,31bの配置(すなわち図7および図8)と同様に、第2流体における測定を熱交換器の内部、または熱交換器の外部で行うことができる。
ローカルセンサ装置は、流体を直接測定するか、または流体が流れる熱導電性パイプの測定などにより間接的に測定するように配置することができることが理解されるべきである。
ローカルセンサ装置の測定に基づく熱交換器のローカル調節を実行するための本発明の一実施形態による方法は、図10を参照して開示される。このような熱交換器システムは、図5に関して説明されたものと同じ一般的な設計であるため、図5が参照される。
第1ステップとして、第1流体および第2流体が供給される1001。第1流体は、複数の噴射装置によって第1の複数の流路3に供給される。第2流体は、第2の複数の流路4に供給される。
次のステップとして、第1の複数の流路3のローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体のローカル温度に対応する温度値が測定される1002。
次のステップとして、温度測定値は、コントローラ57に送信される1003。
次のステップとして、温度測定値の差が決定される1004。例えば、温度測定値の標準偏差を決定することによって、差が決定される。
次のステップとして、ローカル調節量が決定される1005。ローカル調節量は、決定された差を均一にするための、複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給されるローカル流量の調節量である。1または複数のローカル調節量は、同じ1回分の温度測定値に基づいて決定することができる。例えば、第1噴射装置に適用される第1ローカル調節量は、第2噴射装置および第3噴射装置に適用される第2ローカル調節量と共に決定することができる。
方法は、ローカル調節量が決定されていない他の噴射装置によって供給される第1流体のローカル量の補償ローカル調節量を決定するステップをさらに備えることができる。上記の例の続きとして、第4噴射装置に対する補償ローカル調節量を決定することができる。補償ローカル調節量は、ローカル調節によって影響されない複数の第1通路における第1流体のグローバル量を維持するために決定される。グローバル量は、グローバルセンサ装置によって測定された値に基づいて制御される。
次のステップとして、ローカル調節量は、コントローラ57から、影響を受ける噴射装置の弁へ伝えられる1006。したがって、特定の噴射装置によって供給される第1流体のローカル量は、決定されたローカル調節量によって調整される。
もしあれば、補償ローカル調節量がまた影響を受ける噴射装置の弁へ伝えられる。
方法は、熱交換器において連続的に実行される。方法は、さらに、第1流体のグローバル流量のグローバル調節と並行して実行することができる。
グローバル調節方法は、図11を参照して以下に開示される。このようなシステムは、図5に関して説明されたものと同じ一般的な設計を有するため、図5が参照される。
熱交換器のグローバル出口13の下流のグローバルセンサ装置28は、第1流体のグローバル流に存在する液体量を測定さするか、またはグローバル圧力Pmおよびグローバル温度Tmを測定する1101。グローバルセンサ装置28によって生成された信号は、コントローラ57によって受信される1102。コントローラは、P調整器、PI調整器、またはPID調整器とすることができる。
コントローラ57は、受信した信号を評価する1103。
液体量の存在を測定する場合、信号は、最も単純な形のデジタル信号とすることができる:1−液体量が検出されない;0−液体量が検出される。より正確には、値1を有する信号は、蒸発した流体が過熱に対応するか、またはそれ以上の温度測定値を有するということを示している。さらに、値0を有する信号は、蒸発した流体が過熱以下の温度を有することを示している。
あるいは、第一にグローバル圧力測定値を飽和温度に変換し、第二にグローバル温度測定値を決定された飽和温度と比較することによって過熱を確定することによって、過熱を決定することができる。
次のステップとして、コントローラ57が、測定された液体量または決定された過熱に基づいて、複数の噴射装置によって供給される第1流体の適切なグローバル調節量を決定する1104。
次のステップとして、コントローラ57は、噴射装置の弁、またはグローバル弁と通信して、決定されたグローバル調節量にしたがってグローバル流を調節する。グローバル弁は、噴射装置の上流に配置された主弁とすることができ、弁は、全ての噴射装置への第1流体の供給全体を制御する。
本発明は、プレート式熱交換器である熱交換器に適用されるように説明された。しかし、本発明は、蒸発器または熱交換器の形に関わらず適用できることを理解されるべきである。
噴射装置は、プレートパッケージの外部から個々の流路へ延在する貫通孔に配置されるように開示される。これは、単なる1つの可能な実施形態であることが理解されるべきである。例えば、噴射装置は、蒸発器の設計に応じて任意の入口ポート等へ延在することができる。これは、例えば入口チャネルに沿って配置されたフルート状デバイスによって行われる。
本発明は、概して2つの流体が流れることができる第1および第2プレート通路および4つのポート孔を有するプレート式熱交換器に基づいて説明されている。本発明は、プレート通路の数、ポート孔の数、および扱われる流体の数に関して異なる構成のプレート式熱交換器に適用できることが理解されるべきである。
コントローラは、冷媒回路等の制御など、他の目的のために使用できることを理解されるべきである。
本発明は、開示の実施形態に限定されるものではなく、部分的に上記に説明された、以下の特許請求の範囲内において変更および修正が可能なものである。
1 熱交換器
3 第1流路
4 第2流路
6 上端プレート
7 下端プレート
8 ポート孔
9 第1入口チャネル
10 第1出口チャネル
11 第2入口チャネル
12 第2出口チャネル
13 第1グローバル出口
14 圧縮機の入口
15,17 チューブシステム
16 圧縮機の出口
18 凝縮器の入口
19 凝縮器の出口
22a,22b 弁
25a,25b 噴射装置
26a,26b 蒸発器入口
27a,27b ノズル
28 グローバルセンサ装置
29 ローカルセンサ装置
30a グローバル圧力センサ
30b グローバル温度センサ
31a,31b ローカル温度センサ
41 ローカル入口
42 ローカル出口
51 圧縮機
52 凝縮器
53 膨張弁
54 蒸発器
3 第1流路
4 第2流路
6 上端プレート
7 下端プレート
8 ポート孔
9 第1入口チャネル
10 第1出口チャネル
11 第2入口チャネル
12 第2出口チャネル
13 第1グローバル出口
14 圧縮機の入口
15,17 チューブシステム
16 圧縮機の出口
18 凝縮器の入口
19 凝縮器の出口
22a,22b 弁
25a,25b 噴射装置
26a,26b 蒸発器入口
27a,27b ノズル
28 グローバルセンサ装置
29 ローカルセンサ装置
30a グローバル圧力センサ
30b グローバル温度センサ
31a,31b ローカル温度センサ
41 ローカル入口
42 ローカル出口
51 圧縮機
52 凝縮器
53 膨張弁
54 蒸発器
Claims (16)
- 熱交換器の動作を動的制御するためのシステムであって、当該システムは、熱交換器(1)、複数の噴射装置(25a,25b)、ローカルセンサ装置(29)、およびコントローラ(57)を備え、
前記熱交換器(1)は、第1グローバル出口(13)および第1の複数の流路(3)を備え、第1流体の蒸発中に前記第1の複数の流路(3)を介して前記第1グローバル出口(13)に第1流体を供給するために、各流路は、ローカル入口(41)およびローカル出口(42)を備え、
前記熱交換器(1)は、第2グローバル出口および第2の複数の流路(4)をさらに備え、前記第2の複数の流路(4)を介して前記第2グローバル出口に第2流体を供給するために、各流路は、ローカル入口およびローカル出口を備え、
前記第1の複数の流路(3)における前記第1流体および前記第2の複数の流路(4)における前記第2流体の間の熱交換を可能にするために、第1流路(3)および第2流路(4)は、互いに離間するとともに並んで配置され、
各噴射装置(25a,25b)は、少なくとも1つの弁(22a,22b)を備え、かつ各噴射装置(25a,25b)は、少なくとも1つの前記第1の複数の流路(3)の前記ローカル入口(41)に前記第1流体の流れを供給するよう構成され、
前記ローカルセンサ装置(29)は、前記第1の複数の流路(3)の前記ローカル出口の近くを流れる蒸発した第1流体のローカル温度に対応する温度値を測定するよう構成された複数のローカル温度センサ(31a,31b)を備え、
前記コントローラ(57)は、前記ローカルセンサ装置(29)から受信した温度測定値の差を決定するよう構成され、かつ前記複数の噴射装置(25a,25b)の前記弁(22a,22b)と通信するようさらに構成され、前記決定された差を均一にするために、少なくとも1つの前記噴射装置(25a,25b)によって供給される第1流体のローカル量を調整する、システム。 - 前記ローカルセンサ装置(29)における前記複数のローカル温度センサ(31a,31b)が前記第1の複数の流路(3)の前記ローカル出口の近くに配置されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記ローカルセンサ装置における前記複数のローカル温度センサ(31a,31b)が、前記第2の複数の流路(4)の前記ローカル出口の近くに配置されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントローラ(57)は、前記第1の複数の第1通路(3)における第1流体のグローバル量が同じままとなるように、前記少なくとも1つの前記噴射装置(25a,25b)以外から供給される第1流体のローカル量の補償ローカル調節量を決定するようさらに構成され、かつ前記少なくとも1つの前記噴射装置(25a,25b)以外の噴射装置へ前記決定された補償ローカル調節量を伝達するように構成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記コントローラ(57)は、前記温度測定値に対する標準偏差を少なくとも決定することによって前記差を決定するよう構成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第1流体が冷媒であり、かつ前記第2流体が水を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記コントローラ(57)がPI調整器、またはPID調整器である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記システムが前記第1グローバル出口の下流の前記蒸発した第1流体のグローバル温度およびグローバル圧力、または任意の液体量の存在を測定するよう構成されたグローバルセンサ装置(28)をさらに備え、
前記コントローラが前記複数の噴射装置(25a,25b)の前記弁、またはグローバル弁と通信するよう構成され、前記熱交換器(1)が設定過熱値に向かって動作するように、前記グローバルセンサ装置(28)から受信した情報に基づいて、前記第1の複数の流路(3)に供給される前記第1流体のグローバル量を制御する、請求項1〜7のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記グローバルセンサ装置(28)がグローバル圧力センサ(30a)およびグローバル温度センサ(30b)を備える、請求項8に記載のシステム。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載のシステムの使用。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載のシステムにおける熱交換器の動作を動的制御する方法であって、
a)前記複数の噴射装置によって、第1流体を前記第1の複数の流路の前記ローカル入口に供給するステップ、および第2流体を前記第2の複数の流路の前記ローカル入口に供給するステップ(1001)と、
b)前記ローカルセンサ装置によって、前記第1の複数の流路の前記ローカル出口の近くを流れる前記蒸発した流体の前記ローカル温度に対応する温度値を測定(1002)するステップと、
c)前記温度測定値を前記コントローラに送信するステップ(1003)と、
d)前記コントローラによって前記温度測定値の差を決定するステップ(1004)と、
e)前記決定された差を均一にするために、前記決定された差に基づいて前記複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される流体の前記ローカル量のローカル調節量を前記コントローラによって決定する(1005)ステップと、
f)前記決定されたローカル調節量によって前記複数の噴射装置の少なくとも1つによって供給される第1流体の前記ローカル量を調整するために、前記コントローラによって前記複数の噴射装置の前記弁と通信するステップ(1006)と、
を備える方法。 - ローカル調節によって影響を受けない前記複数の第1通路における第1流体のグローバル量を維持するために、前記少なくとも1つの前記噴射装置以外から供給される第1流体のローカル量の補償ローカル調節量を決定するステップ、および
前記決定した補償ローカル調節によって、前記少なくとも1つの前記複数の噴射装置以外から供給される第1流体の前記ローカル量を調整するために、前記コントローラによって前記複数の噴射装置の前記弁と通信するステップをさらに備える、請求項11に記載の方法。 - 前記差を決定するステップが前記温度測定値に対する標準偏差を決定するステップを備える、請求項11または12に記載の方法。
- 前記システムがグローバル温度センサおよびグローバル圧力センサを備えるグローバルセンサ装置をさらに備え、前記方法が、
g)前記グローバルセンサ装置によって、前記第1グローバル出口の下流の前記蒸発した第1流体のグローバル温度値およびグローバル圧力値を測定するステップ(1101)と、
h)グローバル温度測定値およびグローバル圧力測定値を前記コントローラに送信するステップ(1102)と、
i)前記グローバル温度測定値および前記グローバル圧力測定値に基づいて過熱値を前記コントローラによって決定するステップ(1103)と、
j)前記決定された過熱値および設定過熱値の差、または前記蒸発した第1流体における任意の液体量の存在を前記コントローラによって決定するステップ(1103)と、
k)前記設定過熱値に到達するために要求される、前記複数の噴射装置によって供給される第1流体量のグローバル調節量を前記コントローラによって決定するステップ(1104)と、
l)前記決定されたグローバル調節量によって、前記複数の噴射装置によって供給される第1流体のグローバル量を調整するために、前記コントローラによって前記複数の噴射装置の前記弁、またはグローバル弁と通信するステップ(1105)と、
をさらに備える、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ステップb)〜f)および前記ステップg)〜l)が並行して実行される、請求項14に記載の方法。
- 前記ステップb)〜f)および前記ステップg)〜l)が前記コントローラにおいて並行ループとして連続的に実行される、請求項14または15に記載の方法。
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