JP2008533424A - 熱交換器の構成 - Google Patents

Abstract

冷却システムが、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流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流および第２の熱交換器の上流の流路にある圧力調節器すなわち膨張装置と、を備え、第１の熱交換器が、熱交換流体用の流路を画定するハウジング内に配置され、ハウジングが、流路内に流路断面積の縮小する区域を画定し、第１の熱交換器が、流路断面積の縮小する区域に配置される。

Description

本発明は、蒸気圧縮システムのための熱交換器の構成に関し、詳しくは、遷臨界蒸気圧縮システム（ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。

なお、本願は、２００５年３月１８日に先行出願された仮出願第６０／６６３９６２号の出願日の権利を主張する。さらに、本明細書と同日付で出願された「ＨＩＧＨ ＳＩＤＥ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＴＲＡＮＳＣＲＩＴＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の同時係属出願整理番号０５−２５８−ＷＯ、および前述の仮出願第６０／６６３９６２号が、先行技術および発明の冷却システムを開示する。前記出願の開示は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。

遷臨界蒸気圧縮冷却の用途およびシステムにおける放熱プロセスは、冷媒の臨界圧力を超える圧力で行われる。冷媒は、このプロセスの間に相転移しないが、冷媒の温度は、放熱プロセスの全体にわたって変化する。熱交換器の構成が、ヒートシンクとの理想的な向流の構成に近づくほど、冷却システムのエネルギー効率が増す。

本発明の主な目的は、効率の高い熱交換器の構成をもつシステムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、既存の冷却システムに容易に組み込むことができるシステムを提供することである。

その他の目的および利点は、本明細書において明らかになる。

本発明により、上記の目的物および利点を得ることができる。

本発明によれば、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流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流でかつ第２の熱交換器の上流の流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、を備え、第１の熱交換器が、熱交換流体用の流路を画定するハウジング内に配置され、ハウジングが、流路内に流路断面積の縮小する区域を画定し、第１の熱交換器が、流路断面積の縮小する区域に配置される冷却システムが提供される。

本発明によれば、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流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流でかつ第２の熱交換器の上流の流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、を備え、第１の熱交換器が複数のほぼ平行な冷媒流路セグメントを備え、第１の熱交換器の熱交換流体が、冷媒流路セグメントに対して実質的に横断方向に、向流で導かれる冷却システムが提供される。

好ましい実施例は、ＣＯ₂を冷媒流体として使用する遷臨界蒸気圧縮動作を対象とする。蛇行し、および／または平行なモジュール式の冷媒流路が提供される。本発明を利用する具体的な状況は、いわゆるボトル冷却器つまり飲料を冷却および保存する冷却ユニットに関連する。このような冷却器は、例えば、自動販売機あるいはクーラーケースの形態であってよい。

一実施例で、飲料冷却器のハウジングは、空気などの熱交換流体の流れ領域を内部に画定し、この流れ領域は、流れている熱交換流体の流速を加速させる流れ絞りを有する。本発明によれば、この流れ絞りの位置に冷媒の流路が設けられる。

本発明は冷却システムに関し、詳しくは、遷臨界蒸気圧縮の方式で動作しているシステムに関し、このシステムを利用する具体例の１つは飲料冷却器である。本発明によれば、冷媒流体と熱交換流体との間で効率の高い熱交換を提供する熱交換器の構成が用いられる。
遷臨界蒸気圧縮システムは、冷媒の臨界圧力を超える圧力で動作する。したがって、冷媒は、このプロセスの間に相転移しない。この動作条件で、熱交換流体に対して放熱熱交換器を向流の構成にすることより、動作時にさらに高い効率を提供することができる。この向流の構成は、いくつかの平行な流路セグメントからなる単一の流路で構成される熱交換器によってアプローチすることが可能であると見出されている。

また、ハウジング内での熱交換器の位置が重要であり、流速の速い領域に熱交換器を配置することにより、熱交換プロセスの効率をさらに高めることができると見出されている。

図１は、圧縮機１２と、第１の熱交換器１４と、第２の熱交換器１６と、膨張装置１８と、これらの構成要素を図のように直列に連結している冷媒管と、を有する冷却システム１０を示している。

図３は、システム１０を内部に配置している飲料冷却器２０を示す。図３は、圧縮機１２、第１の熱交換器１４および第２の熱交換器１６を示している。冷却器２０は、第１の熱交換流体の流路（矢印２２）を画定するハウジングを有し、このハウジングにおいて、外気が、入口２４から引き込まれ、第１の熱交換器１４を通過して、出口２６へ導かれる。第２の流体の流路（矢印２８）も画定され、この流路は、飲料冷却器の空間内から第２の熱交換器１６を通過して、冷却空間に戻る。図３に示されるように、ハウジング内を通過する流路２２は、流路断面積の縮小した区域２３を通過する。ハウジング内を流れる空気の速度は、区域２３で加速される。本発明によれば、区域２３に熱交換器１４を配置することが好ましい。

図１は、本発明による第１の熱交換器１４の概略的な構成を示し、ほぼ平行な流路セグメントからなる連続的に形成された単一の冷媒流路つまり冷媒流管の形態にある熱交換器を示している。この実施例で、上流の流路セグメント３０および下流の流路セグメント３２も流路セグメントに含まれるように、セグメントが圧縮機１２から継続的に冷媒流体を供給される。図１に示す実施例では、すべての流路セグメントが、蛇行した単一の流路の一部分であるので、冷媒について上流セグメント３０から下流セグメント３２へ流れると考えれば、各セグメントは、冷媒の流れの方向に向かって次第に下流になる。進入する熱交換流体２２が、まず下流の冷媒流路セグメント３２を通過し、続いて順次隣の流路セグメントの上を通過し、最終的に上流の流路３０を通過するように、冷却器２０のハウジング内に第１の熱交換器１４が配置されている。この構成は、本発明によれば、特に、画定されたシステムが遷臨界蒸気圧縮システムである場合に、熱交換流体と冷媒との間で優れた熱交換を提供することが見出されている。

図２は、流路セグメントが熱交換器の２つの主なグループすなわち構成要素に分割され、これらのグループが、上流および下流の構成要素を形成するように配置されている代替的な実施例を示している。各構成要素内で、セグメントは平行に画定されている。進入する熱交換流体は、図のように、先に下流の構成要素の上を通過し、その後、上流の構成要素の上を通過する。

図１および図２の構成は、本発明による向流の構成の例であり、当業者であれば、これら特定の構造に対して、本発明の広義の範囲内で、十分に変更を加え得ることを理解されたい。さらに、本発明によって使用される熱交換器の好適な一実施例は、図４に示されているようなワイヤオンチューブ（ｗｉｒｅ−ｏｎ−ｔｕｂｅ）式の熱交換器である。図４は、図１に示されるような蛇行した流路を有し、また、垂直構造を有するようにも構成された単一の流管５２によって画定された熱交換器５０の一部分を示す。より具体的には、矢印５８によって示される空気流の方向に観る場合、熱交換器５０は、交互に折り返された区間５４、５６を有する形状に作られている。一続きのワイヤ６０が、管５２で画定された流路に対して実質的に横断方向に、熱交換器５０に沿って配置されている。ワイヤ６０は、区間５４、５６にわたって管５２に付随することが好ましい。ワイヤ６０は、図４に示されるように、管５２の両側に有利に配置され得る。図４は、ワイヤオンチューブ式の熱交換器の数回分の折り返しを示している。実際の熱交換器では、熱交換器の望ましい流れ長さを提供するために、１つまたは複数の折り返し区間５４、５６が追加されて延長され得ることを理解されたい。

図３は、上記のように、システム１０が飲料冷却器２０に組み込まれた本発明のさらなる実施例を示す。このシステムでは、図に示されている部分より上方に配置される冷却領域に飲料を保存し、流路２８を流れる空気流と連通させることができる。

流路２２は、外気つまり周囲空気の流れを表し、この流れは、冷却器２０の前面３４にある入口２４を通って進入し、第１の熱交換器１４の第１の構成要素１４ａに続いて第１の熱交換器１４の第２の構成要素１４ｂを通過し、その後、好ましくは冷却器２０の後部３６にある出口２６へ流れる。ハウジングの内部にある壁３８が、流路２２の領域と流路２８の領域とを分離する。この壁は、流路２２内で、断面積つまり流路断面積が制限される区域を画定する。このように流路２２内で流路断面積を縮小することで、この区域を通る流れの速度を加速させる。したがって、熱交換流体の流速が加速されて第１の熱交換器１４の上を通過するように、第１の熱交換器１４の第２の構成要素１４ｂは、図のように流れ絞り区域に配置されることが好ましい。本発明によると、この配置が、熱交換流体と冷媒との熱交換の効率をさらに高めることが見出されている。この実施例では、流れエリアが縮小する区域２３は、流路２２の後方へ向かって示され、熱交換器の構成要素１４ｂでほぼ完全に満たされている。

さらに本発明によれば、図５に示すように、図４のワイヤオンチューブ式の熱交換器などの熱交換器は、流速が加速される区域２３に有利に配置され得る。この熱交換器は、区域２３を通過する空気流について特に効率よく熱交換を行う。この構成では、図３で熱交換器１４ａによって占有される場所から熱交換器を完全に除くことができ、この空間を他の用途に提供することができる。したがって、本発明の一態様では、ハウジング内で、空気の流路断面積の縮小によって空気の流速が加速される区域２３に、熱交換器を有利に配置することができる。さらに、区域２３にワイヤオンチューブ式の熱交換器を配置することが好ましい。本明細書中で使用されるワイヤオンチューブ式の熱交換器は、熱交換効率を高めるために、通過する空気流と相互作用するワイヤが配置された１つまたは複数の管（好ましくは単一の管）によって画定された熱交換器であることを想定している。このような熱交換器を、区域２３などの区域に配置することが特に望ましい。なぜなら、ほとんどの熱交換器は、このような場所に配置するには、空気流に対する抵抗が大きすぎるからである。しかし、ワイヤオンチューブ式の熱交換器は、空気抵抗が十分に小さいので、このような熱交換器を区域２３に配置することは、システムの流れの力学と大きく干渉することがない。ワイヤオンチューブ式の熱交換器は、このような流れ条件下での熱交換において特に効率が良い。

図３は、上記のように、流路２２および流路２８に沿った流れを発生させるのに用いる構造の一実施例を示す。図示されているようなモータ４２によって駆動されるファン４０を使って、流路２２に沿った流れを発生させることができる。同様のやり方で、図示されているようなモータ４６によって駆動されるファン４４を使って、流路２８に沿った流れを発生させることができる。当業者であれば、所望の流れを発生させるための他の構造にも精通しているであろうし、そのような他の構造も十分に本発明の範囲内にある。

第１の熱交換器１４およびその構成要素１４ａ、１４ｂによって表される冷媒の流路は、管、マイクロチャネル、ミニチャネルあるいはこれらに類似したもので形成され得ることを理解されたい。管の二次的な流体表面積を増加させるためには、例えば、管にフィンが取付けられているとよい。取付けられるフィンは、任意の形式のものでよく、プレート状、ワイヤ状、ルーバ状、または他の任意の形状を有するフィンであってよい。好適な一実施例では、上記のように「ワイヤオンチューブ」の構成と称されるものであり、図４に示されている。

二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として使用するボトル冷却器の用途および他の小規模な冷却用途で、本発明は特に恩恵をもたらす。本発明によって、熱交換器のために使うことができる空間の体積を、最も効果的に利用することができる。加えて、ＣＯ₂冷却に用いる高い動作圧力が、システム性能における圧力低下の影響を軽減させる。したがって、熱交換器の流路に使うことができる体積を効果的に利用することで、システム性能を最大にしつつ、図１に示されるような熱交換器の蛇行した単一管の構成において、大幅な圧力低下によってシステム性能が著しく低下することがない。具体的には、通常は熱交換器１４ａ（図３）によって占有されている体積を、他のシステム構成要素のために使用することができる。または既存の構成要素をさらに大きくし、および／または、さらに効率的にするために使用することができる。

本発明によるシステムは、少なくとも１つの動作モードで、冷媒回路の様々な構成要素と上流関係および下流関係を有するという観点で本明細書に考察されている。これは、本発明の装置を利用する飲料冷却器などの装置が、第１の熱交換器が熱を放散し、第２の熱交換器が冷却空間内で空気を冷却するという「通常の」冷却モード以外に、２つ以上の動作モードおよび／または周期的な動作モードを有し得ることを考慮してのことである。

本発明の１つまたは複数の実施例について記述したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな修正が加えられ得ることを理解されたい。例えば、既存システムの再製品化または既存システム構成の再設計化として実施される場合には、既存の構成の詳細が、この実施の詳細に影響を与えることがある。したがって、他の実施例も、特許請求の範囲に含まれる。

本発明による向流式の熱交換器の構成の概略図。 本発明による代替の向流式の熱交換器の構成の概略図。 本発明の熱交換器の構成を含む飲料冷却器の好適な構造。 本発明による好適な熱交換器。 図３に示す構造の好適な実施例。

Claims (16)

1. 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流す圧縮機と、
   前記第１のモードにおいて、前記流路に沿って前記圧縮機の下流にある第１の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記流路に沿って前記圧縮機の上流にある第２の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記第１の熱交換器の下流でかつ前記第２の熱交換器の上流の前記流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、
   を備え、
   前記第１の熱交換器が、熱交換流体用の流路を画定するハウジング内に配置され、前記ハウジングが、前記流路内に流路断面積の縮小する区域を画定し、前記第１の熱交換器が、前記流路断面積の縮小する区域に配置されていることを特徴とする冷却システム。
2. 前記第１の熱交換器が、ワイヤオンチューブ式の熱交換器からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記熱交換器が複数のほぼ平行な冷媒流路セグメントを備え、前記熱交換流体が、前記第１の熱交換器内の冷媒に対して向流に、かつ前記冷媒流路セグメントに対して実質的に横断方向に導かれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 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流す圧縮機と、
   前記第１のモードにおいて、前記流路に沿って前記圧縮機の下流にある第１の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記流路に沿って前記圧縮機の上流にある第２の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記第１の熱交換器の下流でかつ前記第２の熱交換器の上流の前記流路内にある圧力調節器ないし膨張装置と、
   を備え、
   前記第１の熱交換器が複数のほぼ平行な冷媒流路セグメントを備え、前記第１の熱交換器の熱交換流体が、前記冷媒流路セグメントに対して実質的に横断方向に、向流で導かれることを特徴とする冷却システム。
5. 前記冷媒の流路が、前記圧縮機からの冷媒の流れに対して上流端部および下流端部を有し、前記熱交換流体が、前記冷媒流路セグメントの下流端部から上流端部へと導かれて、前記向流をもたらすことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記熱交換流体の流れを、前記冷媒流路セグメントに対して実質的に横断方向に案内する構造をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記冷媒流路セグメントが、少なくとも１つの蛇行構成にある冷媒流路によって画定されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 前記冷媒流路セグメントが、冷媒の流れに関して直列に構成され、かつ前記熱交換流体に関して向流に配置された複数の熱交換モジュールによって画定されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
9. 各熱交換モジュールが、複数のほぼ平行な冷媒流路セグメントからなることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記冷媒の質量が主にＣＯ₂からなり、
    前記第１の熱交換器および第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４に記載のシステム。
11. 前記システムが、遷臨界蒸気圧縮モードで動作するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
12. 請求項４に記載の前記システムを備えていることを特徴とする飲料冷却装置。
13. 前記熱交換流体用の入口および出口を有するハウジングを備え、前記ハウジングが、前記入口と前記出口との間に流れ絞りを画定し、前記第１の熱交換器が、前記流れ絞りの位置に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の飲料冷却装置。
14. 圧縮機から、熱交換媒体の流路を画定しているハウジング内にある熱交換器に冷媒を流すために、前記圧縮機を動作させるステップであって、前記ハウジングが前記熱交換媒体の流路断面積の縮小する区域を画定し、前記熱交換器が前記区域に配置されている動作ステップと、
    熱交換流体を、前記区域にある前記熱交換器の上を、ほぼ平行な流路に対して実質的に横断方向に通過させる通過ステップと、
    を含む、冷媒と熱交換流体との間で熱を交換する方法。
15. 前記熱交換器が、複数のほぼ平行な流路セグメントを備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記圧縮機からの冷媒の流れについて、少なくとも１つの上流の流路と、少なくとも１つの下流の流路とを画定するように、前記ほぼ平行な流路セグメントに継続的に冷媒を供給する供給ステップをさらに含み、
    前記通過ステップが、熱交換流体を、前記ほぼ平行な流路セグメントの上を、前記下流の流路から前記上流の流路に向けて通過させることを含む請求項１５に記載の方法。

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