JP2010531423A

JP2010531423A - エコノマイザ熱交換器

Info

Publication number: JP2010531423A
Application number: JP2009543996A
Authority: JP
Inventors: ブッシュ，ジェームス，ダブリュー．; ビーグル，ウェイン，ピー．
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2010-09-24
Also published as: CN101573579A; US20100095700A1; ES2666596T3; EP2097703B1; US8312737B2; EP2097703A1; WO2008082408A1; EP2097703A4

Abstract

冷凍システムは圧縮機を含む。熱除去熱交換器が、冷媒の主流路に沿って圧縮機の下流にある。膨張装置が、主流路に沿って熱除去熱交換器の下流にある。熱吸収熱交換器が、主流路に沿って膨張装置の下流にある。エコノマイザ熱交換器が、主流路に沿って熱除去熱交換器と膨張装置との間にある。エコノマイザ熱交換器は、主流路から第１のエコノマイザ流路に熱を伝達するように構成された第１の部分を含む。エコノマイザ熱交換器は、主流路から第２のエコノマイザ流路に熱を伝達するように構成された第２の部分を含む。

Description

本発明は冷凍に関する。より詳細には本発明は輸送用冷凍システム内のエコノマイザ熱交換器に関する。

天然でかつ環境にやさしい冷媒としてＣＯ₂（Ｒ−７４４）は冷媒としての大きな注目を集めている。潜在的な用途としては、輸送用冷凍ユニット（例えばトラック用ボックス、トレーラ、貨物用コンテナなど）が挙げられるが、このような用途ではより幅広い能力が要求される。所定のユニット構成を、様々な要求を持った多様なオペレータのために製造することができる。多数のオペレータが、所定のユニットを異なった時間に冷凍品や非冷凍生鮮食品の輸送用に使用する必要がある。例示的な冷凍品の温度は約−１０°Ｆ以下であり、例示的な非冷凍生鮮食品の温度は３４〜３８°Ｆである。オペレータは、二つのモードのうちのそれぞれについて適切な温度を予め決定する。輸送または一連の輸送の前に、技術者や運転手が二つの温度のうちの適切な温度を設定する。他のオペレータのなかにはより広い要求（例えば、例示的な範囲全体として−４０〜５７°Ｆ）をするものもいる。

ＨＶＡＣ技術では、エコノマイザ熱交換器（エコノマイザ）を使用することはよく知られている。

本開示の一態様には、冷凍システムが含まれる。システムは圧縮機を含む。熱除去熱交換器が、冷媒の主流路に沿って圧縮機の下流にある。膨張装置が、主流路に沿って熱除去熱交換器の下流にある。熱吸収熱交換器が、主流路に沿って膨張装置の下流にある。エコノマイザ熱交換器が、主流路に沿って熱除去熱交換器と膨張装置との間にある。エコノマイザ熱交換器は、主流路から第１のエコノマイザ流路に熱を伝達するように構成された第１の部分を含む。エコノマイザ熱交換器は、主流路から第２のエコノマイザ流路に熱を伝達するように構成された第２の部分を含む。

さまざまな実施において、圧縮機は、第１、第２および第３のシリンダを有してもよい。第１のエコノマイザ流路は、エコノマイザ熱交換器と膨張装置との間の主流路から分岐して第１、第２のシリンダの間の主流路に戻ってもよい。第２のエコノマイザ流路は、エコノマイザ熱交換器と膨張装置との間の主流路から分岐して第２のシリンダと熱除去熱交換器との間の主流路に戻ってもよい。第１のエコノマイザ流路は、第２の膨張装置およびエコノマイザの第１の部分を通って延びてもよい。第２のエコノマイザ流路は、第３の膨張装置、エコノマイザの第２の部分、および第３のシリンダを通って延びてもよい。冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素から成ってもよい。

エコノマイザは、複数の交互の第１の空間と第２の空間とを画定する熱交換器プレートの単一のスタックを含むことができる。第１の空間は、主流路の一連の並列した区間（ｌｅｇ）を提供することができる。第２の空間の第１の群は、第１のエコノマイザ流路の一連の並列した区間を提供することができる。第２の空間の第２の群は、第２のエコノマイザ流路の一連の並列した区間を提供することができる。エコノマイザは、主流路に沿って内部空間を有する単一のハウジングを含むことができる。第１の導管が、第１のエコノマイザ流路に沿ってハウジングを通って延びることができる。第２の導管が、第２のエコノマイザ流路に沿ってハウジングを通って延びることができる。エコノマイザは、主流路に沿った第１のコイルと、第１のコイルの第１、第２の部分にそれぞれ部分的に重なると共に第１のエコノマイザ流路および第２のエコノマイザ流路それぞれに沿った第２、第３のコイルとを含むことができる。

システムは、別々の第１および第２のエコノマイザ熱交換器を有する基本的なシステムの再設計として製作してもよい。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面と以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点は説明、図面から、また、特許請求の範囲から明らかであろう。

基本的な冷凍システムの概略図。修正されたシステムの概略図。図２の修正されたシステム用の第１の熱交換器の図。図３の熱交換器の４−４線に沿った断面図。図３の熱交換器の５−５線に沿った断面図。冷凍輸送ユニットの図。第２の熱交換器の切欠図。第３の熱交換器の切欠図。第４の熱交換器の図。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の構成要素を示す。

図１は、圧縮機２２を含む例示的な冷凍システム２０を示している。圧縮機は、ハウジングアッセンブリ２４を有する。例示的な圧縮機は、モータ２６を含む。例示的な圧縮機は、ハウジングが複数のシリンダを画成する往復動圧縮機である。各シリンダは、付随するピストンを収容する。例示的な多シリンダ構成としては、直列型、Ｖ字型、および水平対向型が挙げられる。例示的な圧縮機は、３つのシリンダ３０、３１、３２を含む。シリンダはそれぞれ、吸入位置（例えば吸入プレナムの吸入ポート）３３、３４、３５を含む。圧縮機はそれぞれ同様に吐出位置３６、３７、３８を含む。例示的なシステムでは、第１のシリンダの圧縮位置３６が、第２のシリンダの吸入位置３４（例えば共有されたプレナムとして）に結合される。例示的な冷媒はＣＯ₂を主成分とする。

システム２０は、システム吸入位置／条件５０を含む。例示的なシステムでは、これは第１のシリンダの吸入位置／条件３３である。冷媒の主流路５２が、吸入位置／条件５０から第１のシリンダ３０を通り、次いで、直列に第２のシリンダ３１を通って下流へと進む。主流路５２は、第１の熱交換器（ガス冷却器／凝縮器）５６の入口を通って下流へと進んで、ガス冷却器／凝縮器の出口から出る。主流路５２は同様に第１のエコノマイザ熱交換器（エコノマイザ）５８を通って下流へと進む。主流路は次いで第２のエコノマイザ熱交換器６０を通って下流へと進む。主流路５２は次いで膨張装置６２を通って下流へと進む。主流路５２は次いで第２の熱交換器（蒸発器）６４を通って下流へと進んで、吸入条件／位置５０に戻る。

通常の作動条件では、冷媒の再循環流が主流路５２に沿って流れ、第１、第２のシリンダ３０、３１内で圧縮される。圧縮された冷媒は、ガス冷却器／凝縮器５６内で冷却され、第１の膨張装置６２内で膨張し、次いで蒸発器６４内で加熱される。例示的な実施では、ガス冷却器／凝縮器５６および蒸発器６４は、ファンが送風する空気流を伴う冷媒−空気熱交換器である。蒸発器６４は、冷凍空間内にあってもよいし、その空気流が冷凍空間を通過してもよい。同様にガス冷却器／凝縮器５６またはその空気流は冷凍空間の外部にあってもよい。

例示的なシステム２０は、第１のエコノマイザ流路７０を含む。第１のエコノマイザ流路７０は、ガス冷却器／凝縮器の出口と第１のエコノマイザの入口との間の位置／条件７２において主流路から分岐する。例示的な第１のエコノマイザ流路７０は、第１、第２のシリンダの間の位置／条件７４（例えば、それらの出口／吐出および入口／吸入それぞれの条件／位置）において主冷媒流路に戻る。第１のエコノマイザ流路７０は順次、第２の膨張装置７６、次いで第１のエコノマイザ５８、次いで弁７８を通る。第１のエコノマイザ５８内の第１のエコノマイザ流路７０の区間８０が、第１のエコノマイザ５８内の主流路５２の区間８２と熱伝達関係にある。

例示的なシステム２０はまた第２のエコノマイザ流路９０を含む。第２のエコノマイザ流路９０は、第１、第２のエコノマイザの間の条件／位置９２において主流路５２から分岐する。第２のエコノマイザ流路９０は、第２のシリンダ３１とガス冷却器／凝縮器５６との間の条件／位置９４において主流路５２に戻る。第２のエコノマイザ流路９０は順次、第３の膨張装置９６、第２のエコノマイザ６０、弁９８、シリンダ３２を通って進む。第２のエコノマイザ６０内の第２のエコノマイザ流路９０の区間１００が、エコノマイザ６０内の主流路５２の区間１０２と熱伝達関係にある。

追加のシステム構成要素およびさらなるシステムの変更が可能である。

例示的な膨張装置６２、７６、９６は、固定膨張装置、熱機械式制御膨張装置、またはシステム制御膨張装置とすることができる。例えば、さまざまな実施において、第１の膨張装置６２は、制御システム１１０によって制御される電子式膨張弁とすることができ、制御システム１１０は、圧縮機、他の弁、ファンなどの作動を制御することもできる。膨張装置９６、７６は、同様のものでもよく、また固定オリフィスでもよい。代替として、膨張装置は、システムに適切に取り付けられた制御球を有する熱膨張弁でもよい。例示的な弁７８、９８は、制御システム１１０によって電子的に制御される単純なオン／オフ弁とすることできる。

作動中は、第１のエコノマイザ流路７０は、当業技術内でよく知られるように第１のエコノマイザ５８を機能させるために弁７８によって操作されることができる。同様に弁９８がさらなるエコノマイザ機能を提供するのに使用されてもよい。

複数のエコノマイザ熱交換器を設けることで、製造費用および実装空間の問題が生じることがある。従って有利なことには２つの熱交換器を組み合わせて費用および／または空間を節約することができる。図２は、図１の基本的なシステム２０を修正したシステム２０’を示している。複合熱交換器５７は、別々の熱交換器５８、６０の代わりに部分５８’、６０’を含む。図２の実施例では、エコノマイザ流路７０’、９０’が流路７０、９０に取って代わっている。これらの流路７０’、９０’は最初に、熱交換器５７と膨張装置６２との間の位置１２０から並列して分岐している。従って例示的な熱交換器５７は、主流路５２に沿って高温冷媒入口１３０と、高温冷媒出口１３２とを有する。熱交換器５７は、流路７０’に沿って低温冷媒入口１４０と、低温冷媒出口１４２とを含む。熱交換器５７は同様に、流路９０’に沿って低温冷媒入口１４４と、低温冷媒出口１４６とを含む。

図３〜図５は、熱交換器５７として使用可能なろう付けプレート熱交換器２００を概略的に示している。従って、同様の符号が入口および出口（ポート）を特定するのに使用される。高温冷媒流２０２が、高温冷媒入口１３０に流入し、高温冷媒出口１３２から流出する。エコノマイザ流路７０’の冷媒流２０４が、入口１４０に流入し、出口１４２から流出する。同様に、エコノマイザ流路９０’の冷媒流２０６が、入口１４４に流入し、出口１４６から流出する。ろう付けプレート熱交換器は、プレートスタックのプレート間に画定された第１および第２の空間の交互の群を有する。第１の空間２１０は、冷媒流２０２を（例えば一連の並列した区間内で）通過させる。第２の空間の第１の群２１２は、冷媒流２０４を通過させる。第２の空間の第２の群２１４は、冷媒流２０６を通過させる。

図６は、冷凍トレーラの形態の冷凍輸送ユニット（システム）２２０を示している。トレーラは、牽引用トラック２２２によって牽引可能である。例示的なトレーラは、内部／コンパートメント２２６を画定するコンテナ／ボックス２２４を含む。ボックス２２４の前面には装置ハウジング２２８が取り付けられており、装置ハウジング２２８は、エンジン２３０（例えばディーゼルエンジン）と、このエンジンに機械的に結合されてエンジンによって駆動される発電機２３２とを含む発電機システムを備えることができる。冷凍システム２０’は、電力の供給を受けるように発電機２３２に電気的に接続可能である。蒸発器とそれに関連するファンとは、コンパートメント２２６の内部にまたはそうでなければコンパートメント２２６と熱的に連通して配置可能である。

図７は、管の中に管が配置された（ｔｕｂｅ−ｉｎ−ｔｕｂｅ）熱交換器３００を示す。主管３０４が、高温冷媒流を通過させるとともに、熱交換器３００の主ハウジングを画定する。エコノマイザ流路７０’、９０’に沿って、管３０６、３０８それぞれが主管３０４内へ、およびそこを通って延びている。

図８は、シェル−管型（ｓｈｅｌｌ−ａｎｄ−ｔｕｂｅ）の熱交換器４００を示す。熱交換器４００は、高温冷媒流を通過させるとともにマニホールド管アレイ４０６、４０８を含むシェル／ハウジング４０４を有しており、マニホールド管アレイ４０６、４０８は、エコノマイザ流を通過させる。

図９は、管の周りに管（ｔｕｂｅ−ｏｎ−ｔｕｂｅ）または管の周りにコイル（ｃｏｉｌ−ｏｎ−ｔｕｂｅ）が配置された熱交換器５００を示す。主管５０２が高温冷媒流を通過させる一方、第１、第２の管５０４、５０６が管エコノマイザ流を通過させる。この程度まで、管５０２の構造が残りの２つの管と係合するのに不連続でなく連続した回旋状態になっているので、熱交換器５００は単一のユニットと見なせる。

システムを製作する際に、組み合わされたエコノマイザの２つの部分の相対的な大きさは、さまざまな目的に合わせて選択可能である。例えば、それらの大きさは、効率、能力、その他を最適化するように他の構成要素を考慮しあるいは他の構成要素を一緒にした大きさとすることができる。例えば、例示的な再設計によって、１つのエコノマイザ（単一経路のエコノマイザ）または２つの別々のエコノマイザを有する基本的なシステムの圧縮機、熱吸収熱交換器、および熱除去熱交換器は保持される。コンピュータシミュレーションおよび／またはハードウェア実験によって、システム効率を最大化するように２つの部分５８’、６０’の最適な相対的かつ絶対的な大きさが決定可能である。従ってこれら２つの部分は大きさや他の特性が異なってもよい。ろう付けプレート熱交換器では、両方の部分に同様のプレートが使用される場合、各部分に異なる量のプレートが含まれてもよい。

弁７８、９８の操作は、制御条件、周囲条件や、作動モードに依存する。例示的な実施例では、弁７６、９６はサイクルの検出されたパラメータに基づいて直接流量を調節する。弁７８、９８は制御装置の制御下でサイクルのエコノマイゼーションを調節する。弁７８、９８のいずれも開の場合、それによってシステムの効率および能力が向上する。例示的な実施では、弁７８、９８は圧縮機の過負荷を防止するようにシステム始動時には閉に保持可能である。弁７８、９８はまた、低い能力が必要とされるとき（例えば、非冷凍生鮮食品の貨物モードなどにおいて冷却空間の所望の温度が比較的高いとき）は、閉に保持可能である。

中間状態（例えば、弁７８、９８両方を開にすると電流の過剰引き込み（ｃｕｒｒｅｎｔｏｖｅｒｄｒａｗ）や他の問題が生じる場合）では、弁７８、９８の一方のみを開にしてもよい。微妙な最適化を考慮することによって、そのような弁の選択が区別可能となる。しかしながら、２つのエコノマイザ部分の使用およびそれらの関連する状態の間の差異を大きくするようにエコノマイザの熱交換器の大きさおよびシリンダ／チャンバの大きさを選択することによってシステムは構成される。２つの間の選択は、プリプログラミング、ユーザ設定パラメータ、検出パラメータ、および／または計算パラメータ（例えば、電流の引き込み（ｃｕｒｒｅｎｔｄｒａｗ））の組み合わせに応じて制御装置によって実行可能である。特定の組み合わせに影響し得る他の要因には、圧縮機のバランスや振動制御が含まれる。

本発明の１つまたは複数の実施形態を説明した。それでも、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができるのは理解されるであろう。例えば、既存の圧縮機構成の再設計や既存のシステムの再製造として実施する場合に、基本的な構成の細部は、特定の実施の細部に影響や注文を与えることがあり得る。したがって、他の実施形態は添付の特許請求の範囲内にある。

Claims

圧縮機（２２）と、
冷媒の主流路（５２）に沿って圧縮機の下流にある熱除去熱交換器（５６）と、
冷媒の主流路に沿って熱除去熱交換器の下流にある膨張装置（６２）と、
冷媒の主流路に沿って膨張装置の下流にある熱吸収熱交換器（６４）と、
冷媒の主流路に沿って熱除去熱交換器と膨張装置との間にあるエコノマイザ熱交換器（５７；２００；３００；４００；５００）と、
を備える冷凍システムであって、エコノマイザ熱交換器は、
主流路から第１のエコノマイザ流路（７０’）に熱を伝達するように構成された第１の部分（５８’）と、
主流路から第２のエコノマイザ流路（９０’）に熱を伝達するように構成された第２の部分（６０’）と、
を備えることを特徴とする冷凍システム。
圧縮機は、第１のシリンダ（３０）、第２のシリンダ（３１）、および第３のシリンダ（３２）を有しており、
第１のエコノマイザ流路（７０’）は、エコノマイザ熱交換器と膨張装置との間の主流路（５２）から分岐して第１、第２のシリンダの間の主流路に戻り、また、第１のエコノマイザ流路（７０’）は、第２の膨張装置（７６）およびエコノマイザの第１の部分（５８’）を通って延びており、
第２のエコノマイザ流路（９０’）は、エコノマイザ熱交換器と膨張装置との間の主流路（５２）から分岐して第２のシリンダ（３１）と熱除去熱交換器（５６）との間の主流路に戻り、また、第２のエコノマイザ流路は、第３の膨張装置（９６）、エコノマイザの第２の部分（６０’）、および第３のシリンダ（３２）を通って延びている、
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素から成ることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
エコノマイザは、複数の交互の第１の空間（２１０）と第２の空間（２１２、２１４）とを画定する熱交換器プレートの単一のスタックを含み、第１の空間（２１０）は、主流路の一連の並列した区間を提供し、第２の空間の第１の群（２１２）は、第１のエコノマイザ流路の一連の並列した区間を提供し、第２の空間の第２の群（２１４）は、第２のエコノマイザ流路の一連の並列した区間を提供することを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
プレートは互いにろう付けされていることを特徴とする請求項４記載の冷凍システム。
エコノマイザは、
主流路に沿って内部空間を有する単一のハウジング（３０４；４０４）と、
第１のエコノマイザ流路に沿ってハウジングを通って延びる第１の導管（３０６；４０６）と、
第２のエコノマイザ流路に沿ってハウジングを通って延びる第２の導管（３０８；４０８）と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
エコノマイザ（５００）は、
主流路に沿った第１のコイル（５０２）と、
第１のコイルの第１の部分に部分的に重なると共に第１のエコノマイザ流路に沿った第２のコイル（５０４）と、
第１のコイルの第２の部分に部分的に重なると共に第２のエコノマイザ流路に沿った第３のコイル（５０６）と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
熱吸収熱交換器と熱的に連通して配置されたコンパートメント（２２６）を有する輸送コンテナ（２２４）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
圧縮機に電力を供給するように圧縮機に接続された、内燃機関を動力とする発電機（２３０、２３２）をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の冷凍システム。
冷凍システムの冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素であることを特徴とする請求項８記載の冷凍システム。
冷凍システムの冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
基本的な構成（２０）から請求項１記載のシステムである修正された構成（２０’）へと冷凍システムの構成を再設計する方法であって、
冷凍システムの少なくとも１つの作動パラメータを最適化するように第１の部分（５８’）および第２の部分（６０’）のさまざまな相対的な大きさを決定することを含むことを特徴とする方法。
前記の決定することは、エコノマイザ熱交換器として単一のろう付けプレート熱交換器のプレートの相対的な数を決定することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
基本的な構成は、エコノマイザ熱交換器として修正された構成の単一のろう付けプレート熱交換器に置き換えられる別々の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
基本的な構成は、エコノマイザ熱交換器として修正された構成の単一の熱交換器に置き換えられる別々の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
圧縮機（２２）と、
冷媒の主流路（５２）に沿って圧縮機の下流にある熱除去熱交換器（５６）と、
冷媒の主流路に沿って熱除去熱交換器の下流にある膨張装置（６２）と、
冷媒の主流路に沿って膨張装置の下流にある熱吸収熱交換器（６４）と、
主流路から第１のエコノマイザ流路（７０’）および第２のエコノマイザ流路（９０’）に熱を伝達する単一の熱交換器手段（５７；２００；３００；４００；５００）と、
を備えることを特徴とする冷凍システム。
単一の熱交換器手段（５７）はろう付けプレート熱交換器であることを特徴とする請求項１６記載の冷凍システム。
熱吸収熱交換器と熱的に連通して配置されたコンパートメント（２２６）を有する輸送コンテナ（２２４）をさらに備えることを特徴とする請求項１６記載の冷凍システム。
冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素から成ることを特徴とする請求項１６記載の冷凍システム。