JP2011521196A

JP2011521196A - 半密閉型空気循環冷却システム、およびそのための正圧型雪状物除去用サイクロン分離器

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Publication number: JP2011521196A
Application number: JP2011509701A
Authority: JP
Inventors: デメトリ，エリア・ピー
Original assignee: コンセプツ・イーティーアイ・インコーポレーテッド
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US8245532B2; EP2307822B1; US20090282858A1; WO2009140491A2; EP2307822A4; WO2009140491A3; EP2307822A2

Abstract

少なくとも１つの半密閉型空気冷却チャンバ、および（１つまたは複数の）冷却チャンバから空気を引き出すための空気循環冷却ループを含む冷却システムは、空気を冷却し、既に冷却された空気を（１つまたは複数の）冷却チャンバに戻す。冷却ループは、（１つまたは複数の）冷却チャンバから引き出された空気を冷却するために、様々な圧縮ステージ、膨張ステージおよび熱伝達ステージを含む。冷却チャンバ内の空気および（１つまたは複数の）冷却チャンバに浸入する空気は通常、水分を含有する。最終的な膨張ステージと（１つまたは複数の）冷却チャンバの間に配置される正圧型サイクロン分離器は、最終的な膨張ステージで（１つまたは複数の）冷却チャンバから引き出される空気中の水分によって生成される雪状物を除去する。

Description

[0001]本発明は、一般に冷却システムの分野に関する。特に本発明は、半密閉型空気循環冷却システム、およびそのための正圧型雪状物除去用サイクロン分離器を対象にしている。

[0002]例えば冷却倉庫、立って出入りできる大きさの冷却器および冷凍器などの半密閉型空気チャンバ冷却システムは、食品の保存および貯蔵など様々な用途を有している。この文脈において「半密閉」とは、冷却される空気チャンバ（倉庫の空間、冷却器の内部など）が永久的に気密密閉されるのではなく、定期的にまたは連続的にチャンバに浸入する暖かい空気を有することを意味している。例えば、冷却倉庫は定期的に開閉される扉を有しており、食料品店の冷凍器および冷却器、ならびに立って出入りできる大きさの冷凍器および冷却器など、様々な冷凍器および冷却器も同様である。一部の冷凍器および冷却器、特に頻繁に出し入れがあるものは、厳重な扉の適所に順応性のあるカーテンを有している。

[0003]最も一般的な半密閉型空気チャンバ冷却システムは、通常、冷却される空間に冷えた空気を供給するための２つの主要なシステムを有している。第１のシステムは、凝縮器と蒸発器の間を循環させるクロロフルオロカーボン、無水アンモニアおよび液化プロパンなどの化学冷媒を利用する、閉サイクル型の機械的な冷却システムである。第２のシステムは、冷却されるチャンバからの空気を、チャンバに戻される前に蒸発器を通過するように循環させる空気処理器システムである。こうしたタイプのシステムの欠点は、使用される冷媒が自然環境および／または人に有害である可能性があることである。

[0004]半密閉型空気チャンバ冷却システムに使用される他のタイプの冷却システムは、閉サイクル型空気冷却（ＣＣＡＲ）システムとして知られている。ＣＣＡＲシステムは通常、前述の化学冷媒ベースの機械的システムに代わるものである。ＣＣＡＲシステムでは、乾燥した空気が、閉ループ内の負荷交換器と冷却システムの間を循環される。空気処理システムは、冷却されるチャンバからの空気を、チャンバに戻される前に負荷交換器を通過するように循環させる。密閉型の空気循環を使用する理由は、空気は乾燥していなければならず、開放型循環または半密閉型循環の空気システムで必要とされる補給空気を連続的に除湿するには非常に費用がかかることである。

[0005]一実装形態では、本開示は、水蒸気を含有する空気を含む半密閉型空気冷却チャンバを冷却するための冷却システムを対象にしている。冷却システムは、半密閉型空気冷却チャンバから空気を引き出し、空気を半密閉型空気冷却チャンバに戻すための空気循環冷却ループを含み、空気循環ループは、空気を冷却して水蒸気から氷の粒子を生成するように、半密閉型空気冷却チャンバから引き出された空気を圧縮し、空気から熱を除去し、空気を膨張させるための装置と、装置によって冷却された空気から氷の粒子を除去するために、装置の下流に配置される正圧型サイクロン分離器とを含む。

[0006]他の実装形態では、本開示は冷却システムを対象にしている。冷却システムは、水蒸気を含有する空気を含む半密閉型空気冷却チャンバと、密閉空気冷却式チャンバから空気を引き出し、空気を半密閉型空気冷却チャンバに戻すように、半密閉型冷却チャンバに流体接続される空気循環冷却ループとを含み、空気循環冷却ループは、空気を冷却して水蒸気から氷の粒子を生成するように、半密閉型空気冷却チャンバから引き出された空気を圧縮し、空気から熱を除去し、空気を膨張させるための装置と、空気が半密閉型空気冷却チャンバに戻される前に、氷の粒子の少なくとも一部を空気から除去するために、装置の下流に配置される正圧型サイクロン分離器とを含み、正圧型サイクロン分離器は、長手方向の中心軸、および中心軸を直接囲み、かつ中心軸に沿って延びる開放された中央分離領域を有する截頭円錐形の分離チャンバを画定する、截頭円錐形部分を有する側壁を含むサイクロン容器と、截頭円錐形部分で側壁と向かい合い、開放された中央分離領域から半径方向外側に位置するように構成され、冷却ループの動作中、截頭円錐形部分から氷の粒子の付着物を掻き取るように側壁に対して移動することができるスクレーパとを含む。

[0007]他の実装形態では、本開示は、本質的に水からなる複数の微粒子を含有する空気と共に使用するための正圧型サイクロン分離器を対象にしている。サイクロン分離器は、上側端部、下側端部、ならびに長手方向の中心軸、および中心軸を直接囲み、かつ中心軸に沿って延びる開放された中央分離領域を有する截頭円錐形の分離チャンバを画定する、截頭円錐形部分を有する側壁を含むサイクロン容器と、截頭円錐形部分で側壁と向かい合い、開放された中央分離領域から半径方向外側に位置するように構成され、正圧型サイクロン分離器の動作中、截頭円錐形部分から氷の粒子の付着物を掻き取るように側壁に対して移動することができるスクレーパと、サイクロン容器に空気を供給して、開放された中央分離領域の中にサイクロン流を生じさせるように配置および方向付けされる入口と、使用中、スクレーパによって側壁から掻き取られた付着物からの氷を受け入れるための、側壁の下側端部にある出口とを含む。

[0008]本発明を例示するために、図面は本発明の１つまたは複数の実施形態の態様を示す。しかしながら、本発明は、図面に示されるその配置および手段に限定されないことを理解すべきである。

本開示に従って製造される、半密閉型空気チャンバ冷却システムに関する高レベルの概略図である。図１のシステムなどの半密閉型空気循環冷却システムに使用することができる、本開示に従って製造される正圧型サイクロン分離器の断面正面図である。図２の正圧型サイクロン分離器の平面図である。図１のシステムなどの半密閉型空気循環冷却システムに使用することができる、本開示に従って製造される他の正圧型サイクロン分離器の概略的な断面正面図である。

[0009]次に図面を参照すると、図１は、本開示に示される概念に従って製造される半密閉型空気チャンバ冷却（ＳＣＡＣＲ）システム１００を示している。ＳＣＡＣＲシステム１００は、１つまたは複数の半密閉型空気冷却チャンバ（ここでは単一のチャンバ１０４）、および（チャンバのまわりの周囲環境からチャンバに浸入する、または他の方法でチャンバに入る空気を含む）チャンバから空気を引き出し、空気を冷却し、既に冷却された空気をチャンバに戻す空気冷却ループ（環状流路）１０８を含む。半密閉型チャンバ１００の半密閉型チャンバの例は、それだけに限らないが、冷却倉庫、冷却有蓋車およびトレーラ、立って出入りできる大きさの冷却器および冷凍器、チェストタイプの冷却器および冷凍器、フラッシュ冷凍器、ならびにそのチャンバまたは空間の外側からの周囲空気が、その連続使用の間にチャンバの中に容易にかつ頻繁に入る任意の他のタイプのチャンバまたは空間を含むことができる。冷却ループ１０８は、商業、工業および施設用の規模のチャンバに特に適しているが、冷却ループ１０８は規模を縮小し、同様により小型のシステムにすることが可能であることが企図される。

[0010]図１のＳＣＡＣＲシステム１００など、本開示のＳＣＡＣＲシステムは、各冷却チャンバ（図１の１０４）を冷却するために使用される空気が、（１つまたは複数の）チャンバに浸入した周囲空気を含む（１つまたは複数の）冷却チャンバから引き出される空気である点において他に例を見ない。冷却ループ１０８は、空気を連続的に圧縮および冷却し、次いで冷却された空気を膨張させてさらに冷却するために、空気の圧縮ステージ１１２および膨張ステージ１１６をそれぞれ、様々な熱交換器（ここでは中間冷却器１２０、１２４および回収熱交換器１２８）ならびにブースト圧縮器１３２と共に利用する。このタイプの半密閉型空気冷却ループは、ループが部分的に開放され、ここでは半密閉型冷却チャンバ１０４を介してループに入る空気が通常は水分を含有するという固有の問題のためにこれまで回避されてきた。この水分は、少なくとも膨張ステージ１１６においてこの水分が凍結し、膨張ステージの下流で冷却される空気の中に氷の粒子（雪状物）を生成するために有害である。この雪状物は、膨張ステージの下流で冷却された空気を運ぶ管路の中、および／または冷却された各チャンバ１０４自体の内部に雪状物の付着を引き起こすために問題になる。

[0011]本発明者は、空気冷却システムにおいて、システムの膨張ステージの下流で氷の結晶を除去するのを助けるために分離器が使用されてきたと認識しているが（米国特許第４，７４９，３８７号（「’３８７特許」））、この分離器は負圧のみで機能する、すなわち、分離器が機能するのに必要な環境を作り出すには、空気を分離器から引き出さなければならないと思われ、またそのタイプの分離器中の氷の結晶は、本発明において企図される氷の粒子のサイズと比べて比較的大きいと思われる。このように思われるのは、’３８７特許の分離器は、結晶に対する慣性力および重力が結晶を空気の流れから脱落させて下方の収集容器の中に集めるように、下流から上流へ、流入する氷の結晶を含有する空気の方向を速やかに変えることによって機能するためである。極めて小さい粒子は、必ずしも大きい粒子のように簡単に、変化する方向の流れから脱落することはない。

[0012]’３８７特許の負圧型分離器とは正反対に、図１のＳＣＡＣＲシステム１００は、冷却チャンバ１０４、および膨張ステージ１１６と冷却チャンバの間の構成要素が正圧下にある正圧型システムである。周囲空気の浸入量を最小限に抑えるように、冷却チャンバ１０４内では正圧であることが望ましい。膨張ステージ１１６における空気の膨張が極めて速やかであるシステムを提供する、本開示のＳＣＡＣＲシステムの目的のために、氷の粒子は通常、極めて小さくなる。一例では、膨張ステージ１１６における核生成によって形成される粒子は、一般的に１０ミクロン〜１００ミクロンの範囲内であり、あるいは、特に膨張した空気の滞留時間が短いときにはそれより小さくなる。しかしながら、他の例ではサイズの範囲が異なることがあり、より大きいサイズおよび／またはより小さいサイズを含むことがある。したがって、’３８７特許の分離器が正圧下で機能することが可能であっても、分離を実施するのに、本発明に使用されるサイクロン分離器で生成される遠心力より弱い重力に依存するため、図１のＳＣＡＣＲシステム１００など本開示のＳＣＡＣＲシステムのいくつかの実装形態において企図される、極めて小さいサイズ領域の氷の粒子に適しているとは思われない。

[0013]望ましくない雪状物を高速の膨張ステージ１１６の流出物から除去するために、ＳＣＡＣＲシステム１００は、サイクロン容器１４０を含む他に例を見ないサイクロン分離器１３６、およびサイクロン容器の内部に一致するように成形された内部スクレーパ（掻落し部材）１４４を含む。動作中、スクレーパ１４４は、連続的にまたは定期的にサイクロン容器１４０に対して移動され、サイクロン容器の内壁上に集められた氷の粒子を除去し、その粒子を、収集された氷１５２が融解され、水として分離器から引き出され除かれる融解チャンバ１４８を含むサイクロン分離器１３６の底部へ押しやる。前述のように、チャンバ内への空気の浸入を最小限に抑えるために、冷却チャンバ１０４内では正圧であることが望ましい。ＳＣＡＣＲシステム１００を動かすために求められる動力の量を最小限に抑えるために、サイクロン分離器１３６内でも正圧であることが望ましい。例えば、正圧型サイクロン分離器１３６が負圧型分離器に置き換えられた場合（これが仮に、膨張ステージ１１６の流出物中の極めて小さいサイズの氷の粒子に基づいて行われ得る場合）、分離器にこの負圧を与えると同時に、冷却チャンバ１０４に正圧を与えるための唯一の方法は、膨張ステージと冷却チャンバの間で、いくつかの種類のファンまたは空気を移動させる他の装置を使用することである。しかしながら、そうした装置を動かすために求められるエネルギーは、ＳＣＡＣＲシステム１００全体のエネルギー効率に明らかに悪影響を及ぼす。したがって、負圧型分離器は望ましくない。以下では図２および３と共に、図１のサイクロン分離器１３６としての使用に適した正圧型サイクロン分離器２００の一例に関する詳細が示される。しかしながら、完全を期すために、サイクロン分離器２００について記述する前に、まず以下において図１のＳＣＡＣＲシステム１００の他の構成要素が記述される。

[0014]前述のように、図１のＳＣＡＣＲシステム１００は、冷却ループ１０８の冷却機能をもたらす、サイクロン分離器１３６以外のいくつかの要素を含む。これらの要素は、圧縮ステージ１１２、膨張ステージ１１６、中間冷却器１２０、１２４、回収熱交換器１２８およびブースト（増幅）圧縮器１３２を含む。一実施形態では、圧縮ステージ１１２および膨張ステージ１１６は、共通の軸によって互いに連結されたターボ圧縮器およびターボ膨張器を有する従来型のターボ機械（図示せず）によって提供することができる（この直接の機械的連結は、図１では圧縮ステージ１１２と膨張ステージ１１６の間の点線１３４によって表される）。当業者には、そうした従来型のターボ機械、その動作、およびそれが様々な熱容量の冷却ループにどのように実装され得るかが容易に理解されるであろう。したがって当業者には、本発明をその最も広い範囲まで理解および実施するために、そうしたターボ機械についてそれ以上説明する必要はない。あるいは、圧縮ステージ１１２および膨張ステージ１１６は、当技術分野で知られている可能性がある１つまたは複数の他のタイプの機械によって提供されてもよい。

[0015]当技術分野においてよく知られている理由により、ブースト圧縮器１３２による圧縮の後、中間冷却器１２０は空気の流れ１５６から熱を除去し、その後、空気の流れは圧縮ステージ１１２に達する。同様に、圧縮ステージ１１２の後、中間冷却器１２４は空気の流れ１５６から熱を除去し、その後、空気の流れは膨張ステージ１１６に入る。中間冷却器１２０、１２４としての使用に適した中間冷却器は、当技術分野においてよく知られている。中間冷却器１２０、１２４は、特に周囲空気または水などの冷却剤を用いて冷却することができる。水は、特に川もしくは湖などの適切な供給源、または冷却タワーから供給することができる。回収熱交換器１２８は、圧縮ステージ１１２と膨張ステージ１１６の間で、冷却チャンバ１０４からの戻り空気を用いて空気の流れ１５６からさらに熱を除去する。中間冷却器１２０、１２４と同様に、回収熱交換器１２８としての使用に適した回収熱交換器は、当技術分野においてよく知られ理解されており、本発明をその最も十分な範囲まで製造および使用するために、当業者に対して本明細書で詳しく記述する必要はない。ブースト圧縮器１３２は、そうした用途に対して当技術分野で知られている、任意の適切なタイプの圧縮器とすることができる。例えばブースト圧縮器１３２は、ターボ機械または往復機械とすることができる。当業者は、ＳＣＡＣＲシステム１００における中間冷却器１２０、１２４、回収熱交換器１２８およびブースト圧縮器１３２の数、ならびに互いに対する位置は説明のためのものであり、本開示に従って製造されるＳＣＡＣＲシステムの別の実施形態では異なってもよいことが容易に理解されるであろう。例えば、中間冷却器１２０、１２４の一方または両方はそれぞれ、空気の流れ１５６の段階的な冷却を行う一連の中間冷却器によって置き換えることができる。他の例では、回収熱交換器１２８が省かれてもよいが、これはエネルギー効率の観点から望ましくないことがある。

[0016]次に図２および３を参照すると、これらの図は、前述のように図１のサイクロン分離器１３６として、あるいは他のシステムにおける雪状物および／または他の微粒子用の分離器としての使用に適した正圧型サイクロン分離器２００を示している。しかしながら、サイクロン分離器２００は、図１のＳＣＡＣＲシステム１００に見出されるものなど、水分を含有する空気の高速膨張によってもたらされる前述の極めて細かい氷の粒子に対して特に適合される。

[0017]図２および３に示されるように、サイクロン分離器２００は、この例では、円筒形の上側部分２０８および截頭円錐形の下側部分２１２を含むサイクロン容器２０４を含む。サイクロン分離器２００は、分離器の内部２２０に、膨張ステージ１１６からの小さい氷の粒子を含有する図１の空気の流れ１５６など、分離器によって除去される微粒子を含有する空気の流れを供給する入口２１６も含む。従来型のサイクロン分離器と同様に、入口２１６は、サイクロン分離器２００の上側端部付近に空気の流れ１５６を導入し、分離器の内部２２０にサイクロン流２２４を引き起こすように配置および方向付けされる。図３は特に、所望のサイクロン流２２４を得るために、入口２１６がサイクロン容器２０４に対してほぼ接する形でどのように配置および方向付けされ得るかを示している。サイクロン分離器２００は、分離器の内部２２０に所定の距離だけ延びる出口２２８も含む。

[0018]当業者には理解されるように、空気の流れ１５６を中心を外して導入することとサイクロン容器２０４の形状の組み合わせが、空気の流れの中の粒子（図示せず）が容器の内壁に衝突するのに必要な遠心力を発生させる、所望の流れのサイクロン流２２４をもたらす。当業者には理解されるように、特にサイクロン容器２０４の全体の直径および高さ、截頭円錐形部分のテーパ角度および高さ、サイズ、入口２１６の位置およびオフセット角度、ならびに出口２２８のサイズ、位置およびサイクロン容器内への広がりなどの設計パラメータは、サイクロン分離器２００に対する所望の除去効率を得るように変更することができる。当業者には理解されるように、サイクロン分離器２００の除去効率は、方法によっては、分離器に入る直前に空気の流れの中に存在する氷の粒子の量に対する、分離器によって空気の流れ１５６から除去される氷の粒子の量を示す。この除去効率は、全体としてのもしくは関連する粒径ごとの（粒子のサイズが様々である場合に有用）、またはその両方での除去された粒子の重量、体積、数などの割合など、いくつかの方法の任意のもので表すことができる。

[0019]図２および３の例では、サイクロン分離器２００は、融解チャンバ２３２、およびサイクロン容器２０４の内壁上に集まった氷の粒子を掻き取り、かつ／またはそうして除去された粒子（またはその塊）を融解チャンバに移動させるための掻き取りシステム２３６をさらに含む。この実施形態では、サイクロン容器自体が容器に入る空気の流れ１５６の温度にできるだけ近い温度に留まるように、サイクロン容器２０４はその外壁上の適切な隔離物２４０によって十分に隔離される。サイクロン容器２０４を容器に入る空気の流れ１５６の温度に近い温度に保つことは、空気の流れを加熱し、それによって、サイクロン分離器２００がその一部であるシステム全体の熱効率を低下させるのを回避するだけではなく、サイクロン容器の内壁上に集まる粒子の融解を抑え、それによって、氷の粒子の付着物が融解および再凍結によって生成される固い氷にならないようにする。

[0020]掻き取りシステム２３６は、サイクロン容器２０４の側壁の内面に接触または極めて近接する、間隔を置いて配置された複数の羽根部材２４８を有する螺旋状のスクレーパ２４４を含み、そうした側壁から氷の粒子の付着物を掻き取る、または他の方法で除去することができるようなっている。容易に理解することができるように、スクレーパ２４４の羽根部材（羽根、矢羽根、フライト）２４８は、サイクロン容器２０４の円筒形の上側部分２０８の側壁だけではなく、截頭円錐形の下側部分２１２のテーパ付きの側壁２１２にも一致している。その螺旋状の構成によって、スクレーパ２４４は、サイクロン容器２０４について、特に容器の出口２５２の閉塞が生じた場合には截頭円錐形の下側部分２１２の狭められた下側端部付近で、付着物の蓄積を押すように働くことができる。図２に示すように、羽根部材２４８の上面２５６は、落下する上部から除去された粒子の塊がその上に集積しないように傾斜を付けることができる。スクレーパ２４４は、問題になっているサイクロン分離器２００のサイズに適した材料で製造することができる。例えば比較的大きい分離器、すなわち、フィートまたはメートル単位で測定されるものの場合、スクレーパ２４４は、大部分または全体を鋼（ステンレスまたはそれ以外）、アルミニウムなどの適切な金属で製造することができる。さらに、羽根部材２４８は少なくとも部分的に、特にポリテトラフルオロエチレンなど、氷の粒子が羽根部材に固着しないようにする材料で製造または被覆することができる。

[0021]図３において最もよく理解されるように、スクレーパ２４４の重要な特徴は、その構造のすべてまたは実質的にすべてがサイクロン容器２０４の側壁に近接して配置されるその構成である。これは、サイクロン分離器２００の動作中、サイクロン流２２４を妨げることがないように、サイクロン容器２０４の内部２２０の広い領域、特に長手方向の中心軸２６０を囲む中心部分を、開放され且つ遮られない状態に保つ。

[0022]スクレーパ２４４は、任意の適切な方法で支持することができる。示される例では、スクレーパ２４４は、サイクロン容器２０４の異なる高さに配置されたリング２６４Ａ〜Ｃによって支持される。各支持リング２６４Ａ〜ＣはＣ字形であり、対応するころ軸受２６８Ａ〜Ｃの組によってサイクロン容器２０４上に支持される。スクレーパ２４４は、サイクロン容器２０４の内面に厳密に一致しているため、容器に導入される前にあらかじめ製造される場合には、その導入が先に導入されたころ軸受２６８Ａ〜Ｃによって妨げられないような対応がなされなければならない。１つの対応は、サイクロン容器２０４の側壁を通して導入可能なころ軸受２６８Ａ〜Ｃを製造することである。その場合、スクレーパ２４４は、サイクロン容器２０４内の適所に挿入および保持することが可能であり、ころ軸受は、容器の側壁内の一時的な開口部（図示せず）を通して導入され、Ｃ字形の支持リング２６４Ａ〜Ｃの対応するそれぞれのものと係合される。特定の例では、ころ軸受２６８Ａ〜Ｃはそれぞれ、一時的な開口部を閉じるための閉鎖板（図示せず）と一体化することができる。この例では、それぞれのころ軸受２６８Ａ〜Ｃは、閉鎖板が容器の側壁と接触するまで、サイクロン容器２０４の側壁内の対応するそれぞれの開口部を通して簡単に挿入され、接触したとき、閉鎖板は、例えば溶接するまたは機械的な締結具を使用することによって側壁に固定することができる。

[0023]スクレーパ２４４は、任意の適切な起動手段を用いて、サイクロン容器２０４に対して移動させることが可能であり、起動手段の例は、単独の、かつ／または特に歯車伝動装置、リンクおよび結合組立体などの１つまたは複数の力を伝達する装置と組み合わせた、１つまたは複数のモータおよび／またはアクチュエータを含む。図２に示される例では、掻き取りシステム２３６は、支持リング２６４Ａに取り付けられた歯付きラック２８０と噛み合う歯車２７６を有する、直接駆動モータ２７２を含む。歯車２７６は、サイクロン容器２０４の側壁内に適切な大きさに作製された開口部を通って延びる。当業者には、他の実施形態において、スクレーパシステム２３６が、今しがた記載された直接駆動式の電気モータシステムとは異なる駆動システムを有することが可能であることが容易に理解されるであろう。当業者には、そうした別の駆動システムをどのように実装するかが理解されるであろう。

[0024]融解チャンバ２３２は、収集された適切な体積の氷の粒子を保持するような大きさにすることができる。例えば粒子の付着物の現時の量がサイクロン容器の側壁上で検知されるとき、または所定の時間の後など、スクレーパ２４４が定期的に使用されるだけの場合には、融解チャンバ２３２は、スクレーパが使用されるときに収集される付着物の全体積より少し大きく作製することができる。融解チャンバ２３２は、融解チャンバ内に収集された氷の粒子の付着物を融解するために使用される１つまたは複数のヒータ２８４と連通している。（１つまたは複数の）ヒータ２８４のタイプに応じて、１つまたは複数の加熱コイル２８８が使用可能である。加熱コイル２８８はそれぞれ、融解チャンバ２３２の中もしくは融解チャンバの側壁の内部、またはその両方に配置することが可能であるか、あるいは他の方法で融解チャンバと熱連通することが可能である。通常は、容器内部のサイクロン流を暖めるサイクロン容器に達する熱の量を制限するように、融解チャンバ２３２をサイクロン容器２０４からできるだけ熱的に分離することが最も望ましい。（１つまたは複数の）ヒータ２８４は、例えば融解チャンバ２３２が、サイクロン容器２０４の側壁から除去される所定の量の氷の粒子を含むときなど、必要とされるときのみ作動するように循環させることができる。こうして、図１のＳＣＡＣＲシステム１００など、サイクロン分離器２００が内部に配置されるシステムの全体的なエネルギー効率を高めるように、エネルギーの使用は最小限に抑えることができる。融解した氷を引き出してサイクロン分離器２００から除くために、排水管２９２および弁２９６が設けられてもよい。

[0025]図４は、図１のＳＣＡＣＲシステム１００におけるサイクロン分離器１３６としての使用に適した、他の正圧型サイクロン分離器４００を示している。図４のサイクロン分離器４００は、図２および３の掻き取りシステム２３６とは異なる掻き取りシステム４０４を除き、図２および３のサイクロン分離器２００と同じまたはほとんど同じと考えることができる。図４の実施形態では、掻き取りシステム４０４は、サイクロン容器４２４の上側の壁４１２、円筒形の側壁４１６およびテーパ付きの側壁４２０に接触または極めて近接する３つの掻き取り刃４０８Ａ〜Ｃを含む。掻き取り刃４０８Ａ〜Ｃは、図２の類似の装置と同様のＣ字形の支持体およびころ軸受装置などによる任意の適切な方法で支持することができる。図４を参照すると、この装置は、３つのＣ字形の支持リング４２８Ａ〜Ｃを含み、掻き取り刃４０８Ａは、（出口のまわりの負荷を伝えるように、出口４３６を囲む中央の環状部４３２を有する）支持リング４２８Ａ上の直径方向に相対する２つの点の間に延び、掻き取り刃４０８Ｂは、支持リング４２８Ａから支持リング４２８Ｂまで延び、掻き取り刃４０８Ｃは、支持リング４２８Ｂから支持リング４２８Ｃまで延びる。掻き取り刃は、電気モータ４４０、およびそれぞれの支持リング４２８Ａ〜Ｃ上の対応するラック４４８Ａ〜Ｃと噛み合う１組の歯車４４４Ａ〜Ｃによって駆動される。この駆動システムではもちろん、支持リング４２８Ａ〜Ｂに対して支持リング４２８Ｃの直径が小さいため、歯車４４４Ｃは歯車４４４Ａ〜Ｂのどちらよりも直径が小さい。

[0026]これまで例示的な実施形態を開示し、添付図面に示してきた。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において特に開示されるものに対して、様々な変更、省略および追加を行うことが可能であることが当業者には理解されるであろう。

Claims

水蒸気を含有する空気を含む半密閉型空気冷却チャンバを冷却するための冷却システムにおいて、
前記半密閉型空気冷却チャンバから空気を引き出し、前記空気を前記半密閉型空気冷却チャンバに戻すための空気循環冷却ループを備え、前記空気循環ループが、
前記空気を冷却して前記水蒸気から氷の粒子を生成するように、前記半密閉型空気冷却チャンバから引き出された前記空気を圧縮し、前記空気から熱を除去し、前記空気を膨張させるための装置と、
前記装置によって冷却された前記空気から前記氷の粒子を除去するために、前記装置の下流に配置される正圧型サイクロン分離器とを含む、冷却システム。
前記装置が、前記正圧型サイクロン分離器に隣接して上流に配置される高速の膨張ステージを含む、請求項１に記載の冷却システム。
前記高速の膨張ステージが、前記空気循環冷却ループの動作中、１０ミクロン〜１００ミクロンの範囲内の氷の粒子を生成し、前記正圧型サイクロン分離器が、前記空気循環冷却ループの動作中、前記氷の粒子の少なくとも一部を除去するように構成される、請求項２に記載の冷却システム。
前記正圧型サイクロン分離器が下側端部を有し、前記下側端部に近接して配置されたヒータをさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。
前記空気から熱を除去するように、前記空気循環冷却ループに接続された１つまたは複数の中間冷却器をさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。
前記半密閉型空気冷却チャンバから直接受け入れられる空気を圧縮するために、ブースト圧縮器をさらに備える、請求項５に記載の冷却システム。
前記装置が圧縮ステージおよび膨張ステージを含み、第１の中間冷却器が前記ブースト圧縮器と前記圧縮ステージの間に配置され、第２の中間冷却器が前記圧縮ステージと前記膨張ステージの間に配置される、請求項６に記載の冷却システム。
前記冷却システムは回収熱交換器をさらに備え、当該回収熱交換器は、前記圧縮ステージと前記膨張ステージの間に配置された前記空気循環冷却ループの第１の部分から、前記ブースト圧縮器の上流に配置された前記空気循環冷却ループの第２の部分へ熱を移動させるように構成された、請求項７に記載の冷却システム。
前記正圧型サイクロン分離器が、
截頭円錐形部分を有する側壁を含むサイクロン容器であって、当該サイクロン容器が截頭円錐形の分離チャンバを画定し、当該分離チャンバが、長手方向の中心軸及び開放された中央分離領域を有し、当該開放された中央分離領域が、前記中心軸を直接囲み、かつ前記中心軸に沿って延びる、サイクロン容器と、
前記截頭円錐形部分で前記側壁と向かい合うスクレーパであって、当該スクレーパは、前記開放された中央分離領域から半径方向外側に位置するように構成され、前記冷却ループの動作中、前記截頭円錐形部分から氷の粒子の付着物を掻き取るように、前記スクレーパは前記側壁に対して移動できる、スクレーパとを備える、請求項１に記載の冷却システム。
前記側壁が、前記截頭円錐形部分の上に配置され、かつ前記截頭円錐形部分に結合された円筒形部分をさらに含み、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれに沿って延びる、請求項９に記載の冷却システム。
前記スクレーパが、前記スクレーパの動作中に掻き取り作用をもたらすように、前記側壁と共形的に向かい合う複数の螺旋状羽根部材を含む、請求項１０に記載の冷却システム。
前記正圧型サイクロンがある高さを有し、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれにおいて、前記高さおよび前記側壁に沿って延びる長手方向の軸を有する少なくとも１つのスクレーパ刃を含む、請求項１０に記載の冷却システム。
前記サイクロン容器に接続され、前記サイクロン容器内で前記スクレーパを移動させるスクレーパ駆動機構をさらに備える、請求項９に記載の冷却システム。
冷却システムにおいて、
水蒸気を含有する空気を含む半密閉型空気冷却チャンバと、
前記半密閉空気冷却式チャンバから前記空気を引き出し、前記空気を前記半密閉型空気冷却チャンバに戻すように、半密閉型空気冷却チャンバに流体接続される空気循環冷却ループとを備えており、前記空気循環冷却ループが、
前記空気を冷却して前記水蒸気から氷の粒子を生成するように、前記半密閉型空気冷却チャンバから引き出された前記空気を圧縮し、前記空気から熱を除去し、前記空気を膨張させるための装置と、
前記空気が前記半密閉型空気冷却チャンバに戻される前に、前記氷の粒子の少なくとも一部を前記空気から除去するために、前記装置の下流に配置される正圧型サイクロン分離器とを含んでおり、前記正圧型サイクロン分離器が、
截頭円錐形部分を有する側壁を含むサイクロン容器であって、当該サイクロン容器が截頭円錐形の分離チャンバを画定し、当該分離チャンバが、長手方向の中心軸及び開放された中央分離領域を有し、当該開放された中央分離領域が、前記中心軸を直接囲み、かつ前記中心軸に沿って延びる、サイクロン容器と、
前記截頭円錐形部分で前記側壁と向かい合うスクレーパであって、当該スクレーパは、前記開放された中央分離領域から半径方向外側に位置するように構成され、前記冷却ループの動作中、前記截頭円錐形部分から氷の粒子の付着物を掻き取るように、前記スクレーパは前記側壁に対して移動できる、スクレーパとを備える、冷却システム。
前記サイクロン容器の前記側壁が、前記截頭円錐形部分の上に配置され、かつ前記截頭円錐形部分に結合された円筒形部分をさらに含み、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれに沿って延びる、請求項１４に記載の冷却システム。
前記スクレーパが、前記スクレーパの動作中に掻き取り作用をもたらすように、前記側壁と共形的に向かい合う複数の螺旋状羽根部材を含む、請求項１５に記載の冷却システム。
前記サイクロン容器がある高さを有し、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれにおいて、前記高さおよび前記側壁に沿って延びる長手方向の軸を有する少なくとも１つのスクレーパ刃を含む、請求項１５に記載の冷却システム。
前記サイクロン容器に接続され、前記サイクロン容器内で前記スクレーパを移動させるスクレーパ駆動機構をさらに備える、請求項１７に記載の冷却システム。
前記サイクロン容器に接続され、前記サイクロン容器内で前記スクレーパを移動させるスクレーパ駆動機構をさらに備える、請求項１４に記載の冷却システム。
前記装置が、前記正圧型サイクロン分離器のすぐ上流に配置される高速の膨張ステージを含む、請求項１４に記載の冷却システム。
前記高速の膨張ステージが、前記空気循環冷却ループの動作中、１０ミクロン〜１００ミクロンの範囲内の氷の粒子を生成し、前記正圧型サイクロン分離器が、前記空気循環冷却ループの動作中、前記氷の粒子の少なくとも一部を除去するように構成される、請求項２０に記載の冷却システム。
前記正圧型サイクロン分離器が下側端部を有し、前記下側端部に近接して配置されたヒータをさらに備える、請求項１４に記載の冷却システム。
前記空気から熱を除去するように、前記空気循環冷却ループに接続された１つまたは複数の中間冷却器をさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。
前記半密閉型空気冷却チャンバから直接受け入れられる空気を圧縮するために、ブースト圧縮器をさらに備える、請求項２３に記載の冷却システム。
前記装置が圧縮ステージおよび膨張ステージを含み、第１の中間冷却器が前記ブースト圧縮器と前記圧縮ステージの間に配置され、第２の中間冷却器が前記圧縮ステージと前記膨張ステージの間に配置される、請求項２４に記載の冷却システム。
前記冷却システムが回収熱交換器をさらに備え、当該回収熱交換器は、前記圧縮ステージと前記膨張ステージの間に配置された前記空気循環冷却ループの第１の部分から、前記ブースト圧縮器の上流に配置された前記空気循環冷却ループの第２の部分へ熱を移動させるように構成される、請求項２５に記載の冷却システム。
前記半密閉型空気冷却チャンバが、人が立って出入りできる大きさのタイプのものである、請求項１４に記載の冷却システム。
本質的に水からなる複数の微粒子を含有する空気と共に使用するための正圧型サイクロン分離器において、
截頭円錐形部分を有する側壁を含むサイクロン容器であって、当該サイクロン容器が截頭円錐形の分離チャンバを画定し、当該分離チャンバが、上側端部、下側端部、長手方向の中心軸、開放された中央分離領域を有し、当該開放された中央分離領域が、前記中心軸を直接囲み、かつ前記中心軸に沿って延びる、サイクロン容器と、
前記截頭円錐形部分で前記側壁と向かい合うスクレーパであって、当該スクレーパは、前記開放された中央分離領域から半径方向外側に位置するように構成され、前記冷却ループの動作中、前記截頭円錐形部分から氷の粒子の付着物を掻き取るように、前記スクレーパは前記側壁に対して移動できる、スクレーパと、
前記サイクロン容器に前記空気を供給して、前記開放された中央分離領域の中にサイクロン流を生じさせるように配置および方向付けされる入口と、
使用中、前記スクレーパによって前記側壁から掻き取られた前記付着物からの氷を受け入れるための、前記側壁の前記下側端部にある出口とを備える、正圧型サイクロン分離器。
前記出口によって受け入れられる前記氷を融解するために、前記出口に近接して配置された融解チャンバをさらに備える、請求項２８に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記融解チャンバが、前記サイクロン容器から熱的に分離される、請求項２９に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記サイクロン容器の前記側壁が、前記截頭円錐形部分の上に配置され、かつ前記截頭円錐形部分に結合された円筒形部分をさらに含み、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれに沿って延びる、請求項２８に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記スクレーパが、前記スクレーパの動作中に掻き取り作用をもたらすように、前記側壁と共形的に向かい合う複数の螺旋状羽根部材を含む、請求項３１に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記サイクロン容器がある高さを有し、前記スクレーパが、前記截頭円錐形部分および前記円筒形部分のそれぞれにおいて、前記高さおよび前記側壁に沿って延びる長手方向の軸を有する少なくとも１つのスクレーパ刃を含む、請求項３１に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記サイクロン容器に接続され、前記サイクロン容器内で前記スクレーパを移動させるスクレーパ駆動機構をさらに備える、請求項３３に記載の正圧型サイクロン分離器。
前記サイクロン容器に接続され、前記サイクロン容器内で前記スクレーパを移動させるスクレーパ駆動機構をさらに備える、請求項２８に記載の正圧型サイクロン分離器。