JP2012532305A - 二重圧縮機チラー内の圧力差を制限するためのシステム - Google Patents

Abstract

二重圧縮機チラー内の圧力差を制限するためのシステムが提供される。単一ユニット内の連続流チラーの効率利点を達成するために、蒸発器（２２）および／または凝縮器（２４）をバッフル（３６、３８）によって個別の室に仕切ることができる。次に、蒸発器および／または凝縮器のもう一方の室に入る前に蒸発器および／または凝縮器の一方の室を介してプロセス流体を流すことができる。この構成により、圧縮機圧力水頭が低下し、延いてはより高いチラー効率を得ることができる圧力差が室と室の間に生成される。しかしながら、蒸発器および／または凝縮器バッフルの構造的完全性を維持するために、この圧力差を制限するためのシステムを使用することができる。このシステムは、蒸発器圧力均圧弁（４０）、共通液体配管（３２）、または個別液体配管と個別液体配管の間の均圧配管（４６）を含むことができる。また、これらのシステムを使用して二重圧縮機チラーを動作させる方法が提供される。

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２００９年６月２９日に出願した、参照により本明細書に組み込まれている、「Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ Ｄｕａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｃｈｉｌｌｅｒｓ」という名称の米国仮出願第６１／２２１１３０号の優先権および利益を主張するものである。

[0002]本発明は、一般に、二重圧縮機チラー内の圧力差を制限するためのシステムに関する。

[0003]特定の冷却システムおよび空気調和システムには、通常、典型的には水であるプロセス流体の温度を低くするためにチラーが利用されている。次に空気処理装置内のこの急冷されたプロセス流体の上を空気を通過させ、かつ、建物全体を介して循環させることができる。典型的なチラー内では、プロセス流体は、蒸発冷媒を介してプロセス流体から熱を吸収する蒸発器によって冷却される。次に冷媒を圧縮機内で圧縮し、かつ、凝縮器へ移送することができる。液体冷却凝縮器内では、冷媒は、通常、第２のプロセス流体によって冷却され、それにより冷媒が液体に凝縮する。次に液体冷媒を移送して蒸発器に戻し、他の冷却サイクルを開始することができる。

[0004]冷却システムの効率は、複数のチラーをまとめて連続流構成で結合することによって改善することができる。例えば二重チラー連続流構造の場合、蒸発器プロセス流体が２つのチラーを介して連続的に循環する。この構成によれば、蒸発器プロセス流体を２つの離散増分で冷却することができる。より暖かいプロセス流体が第１のチラー、つまり「リード」チラーの蒸発器に入り、初期量だけ冷却される。次に、より冷たいプロセス流体が第２のチラー、つまり「ラグ」チラーの蒸発器に入り、そこでプロセス流体の温度がさらに低くなる。リード蒸発器に入るプロセス流体はより暖かいため、リード蒸発器は、ラグ蒸発器と比較するとより高い圧力で動作することになる。このより高い蒸発器圧力によって圧縮機圧力水頭が低下し、延いてはより高い効率が得られる。

[0005]効率をさらに高くするために、冷却塔からのプロセス流体を２つの凝縮器を介して循環させることができる。この構成の場合、より冷たいプロセス流体が最初にラグチラーの凝縮器に入る。プロセス流体は、リードチラーの凝縮器へ流れる前にこの凝縮器の中で加熱される。この構造はチラーの向流構成として知られており、リードチラーは、より高い蒸発器プロセス流体温度と、より高い凝縮器プロセス流体温度の両方を有しているため、より高い効率が得られる。より高い温度により、リードチラーの蒸発器と凝縮器の両方でより高い圧力が得られ、したがって圧縮機圧力水頭が低下し、高い効率が得られる。

[0006]連続流チラーの欠点の１つは、設置しなければならない追加蒸発器、凝縮器およびコンジットのため、連続流チラーが一般的により高価であることである。さらに、複数のチラーが大量の空間を必要とし、設備の中にはそれらに適応することができない設備もある。これらの制約は、場合によっては連続流チラーの使用を阻み、効果が劣る単一チラーシステムの採用を設備に強制している。したがって単一チラーにとっては、連続流構成の効率利点を達成することが有利である。

[0007]本発明は、冷媒を凝縮させる凝縮器を含んだ冷却システムに関している。また、冷却システムには、プロセス流体から熱を抽出するために冷媒を蒸発させる蒸発器が含まれている。蒸発器は、蒸発器バッフルによって第１および第２の蒸発器室に分離され、第１の蒸発器室は、動作中、第１の圧力で動作し、また、第２の蒸発器室は、動作中、第２の圧力で動作する。さらに、冷却システムには、第１の蒸発器室に結合された第１の圧縮機であって、凝縮器に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第１の圧縮機、および第２の蒸発器室に結合された第２の圧縮機であって、凝縮器に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第２の圧縮機が含まれている。また、冷却システムには、第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための手段が含まれている。

[0008]また、本発明は、二重圧縮機チラーを動作させる方法であって、第１の圧縮機内の冷媒を圧縮するステップを含み、第１の圧縮機が凝縮器の第１の室と流体連絡している方法に関している。また、この方法には、凝縮器の第１の室内で冷媒を凝縮させるステップであって、凝縮器の第１の室が蒸発器の第１の室と流体連絡しているステップと、蒸発器の第１の室内で冷媒を蒸発させるステップであって、蒸発器の第１の室が第１の圧縮機と流体連絡しているステップが含まれている。さらに、この方法には、第２の圧縮機内の冷媒を圧縮するステップであって、第２の圧縮機が凝縮器の第２の室と流体連絡しているステップと、凝縮器の第２の室内で冷媒を凝縮させるステップであって、凝縮器の第２の室が蒸発器の第２の室と流体連絡しているステップと、蒸発器の第２の室内で冷媒を蒸発させるステップであって、蒸発器の第２の室が第２の圧縮機と流体連絡しているステップが含まれている。また、この方法には、蒸発器の第１の室からの冷媒と蒸発器の第２の室からの冷媒とを結合するステップが含まれている。

[0009]液体冷却チラーを使用した商用ＨＶＡＣシステムの一例示的実施形態を示す図である。 [0010]圧力均圧弁を使用した一例示的液体冷却チラーのブロック図である。 [0011]共通液体配管を使用した一例示的液体冷却チラーのブロック図である。 [0012]均圧配管を使用した一例示的液体冷却チラーのブロック図である。 [0013]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的蒸発器であって、バッフルがリブおよび補強バーによって支持されている一例示的蒸発器の横断面図である。 [0014]湾曲バッフルを使用した、図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的蒸発器の横断面図である。 [0015]千鳥形バッフルを使用した、図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的蒸発器の横断面図である。 [0016]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的満液式蒸発器の横断面図である。 [0017]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的流下薄膜型蒸発缶の横断面図である。 [0018]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的向流蒸発器のブロック図である。 [0019]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的凝縮器の正面横断面図である。 [0020]図２ないし４に示されているチラーに使用することができる一例示的凝縮器の背面横断面図である。

[0021]図１は、建物環境管理のための加熱、換気および空気調和（ＨＶＡＣ）システムの一例示的アプリケーションを示したものである。この実施形態では、建物１０は冷却システムによって冷却されている。冷却システムは、チラー１２および冷却塔１４を含むことができる。図に示されているように、チラー１２は地下に配置されており、また、冷却塔１４は屋上に配置されている。しかしながら、チラー１２は他の設備室に配置することも可能であり、および／または冷却塔１４は建物１０の隣に配置することも可能である。チラー１２は、独立型ユニットであっても、あるいは送風機および／または統合空気処理装置などの他の設備を含んだ単一パッケージユニットの一部であってもよい。チラー１２からの冷たいプロセス流体は、コンジット１６によって建物１０を介して循環させることができる。コンジット１６は、建物１０の各階およびセクション内に配置された空気処理装置１８まで経路化されている。

[0022]空気処理装置１８は、空気処理装置と空気処理装置の間に空気を分配するように適合された導管組織２０に結合されており、外部の吸込み（図示せず）から空気を受け取ることができる。空気処理装置１８には、冷却された空気を提供するためにチラー１２からの冷たいプロセス流体を循環させる熱交換器が含まれている。空気処理装置１８内のファンは、熱交換器を介して空気を引き出し、かつ、調和された空気を部屋、アパートまたは事務所などの建物１０内の環境へ導き、これらの環境を選定された温度に維持する。当然、プロセス流体の流れを調整する制御弁、およびプロセス流体、空気、等々の温度および圧力を知覚する圧力変換器および／または温度変換器あるいはスイッチなどの他のデバイスをシステムに含めることも可能である。

[0023]図２は、圧力均圧弁を使用した一例示的チラーのブロック図である。図２に示されているチラーは、蒸発器２２、凝縮器２４および圧縮機２６を有している。蒸発器２２の中には気相状態の冷媒が存在しており、吸込み配管２８を介して圧縮機２６へ流れる。冷媒は、次に、圧縮機２６内で圧縮され、吐出配管３０を介して凝縮器２４へ移動する。冷媒は、凝縮器２４内で、冷却塔によって供給されるプロセス流体によって冷却される。凝縮器２４内では、冷媒からプロセス流体へ熱が伝達され、それによりプロセス流体の温度が高くなる。この暖かいプロセス流体は、次に、もう一度冷却塔へ移動して戻り、そこで外気によって冷却される。冷媒が冷たくなると、蒸気から液体に凝縮し、次に液体配管３２を介して、サーモスタット膨張弁（ＴＸＶ）またはオリフィスなどの膨張デバイス３４へ流れる。これらの膨張デバイス３４は、液体配管３２を通って流れる冷媒を制限することによって凝縮器２４内の圧力を制御する。液体冷媒は、次に蒸発器２２内に流入し、そこで冷媒を蒸発させることによって第２のプロセス流体が冷却される。上で説明したように、典型的には水である急冷されたプロセス流体は、建物内の空気を冷却する空気処理装置へ流れる。

[0024]図２に示されている蒸発器は、蒸発器バッフル３６によって２つの室に分割されている。同様に、凝縮器２４も、凝縮器バッフル３８によって２つの室に分割されている。個々のバッフル３６および３８は、一方の室からもう一方の室への冷媒の流れを防止することができる室と室の間のシールを形成している。このシールにより、蒸発器２２および凝縮器２４の個々の室を異なる圧力に維持することができる。図２に示されているように、これらの室は、２つの独立した冷媒回路のコンポーネントである。第１の回路には、蒸発器室Ｅ１および凝縮器室Ｃ１が含まれている。第２の回路には、蒸発器室Ｅ２および凝縮器室Ｃ２が含まれている。さらに、個々の冷媒回路は、独立した吸込み配管２８、圧縮機２６、吐出配管３０、液体配管３２および膨張デバイス３４を有している。

[0025]これらの独立した冷媒回路により、複数の蒸発器および凝縮器の複雑性を増すことなく、事実上、この実施形態の冷却システムを連続流構成で動作させることができる。例えば、室Ｅ１およびＣ１を含んだ第１の冷媒回路は、室Ｅ２およびＣ２を含んだ第２の冷媒回路より高い温度および圧力で動作させることができる。この構成によれば、連続流の利点は、プロセス流体が第２の室に入る前に一方の室内で急冷することによって得ることができる。図２に示されているように、空気処理装置からの暖かいプロセス流体は、最初に蒸発器室Ｅ１に入ることができる。室Ｅ１内の冷媒が蒸発すると、プロセス流体が冷却される。プロセス流体は、次に室Ｅ２に入ることができ、そこでその温度がさらに低くなる。この構造によれば、室Ｅ１に入るプロセス流体は室Ｅ２に入るプロセス流体より暖かいため、蒸発器室Ｅ１は蒸発器室Ｅ２より高い温度で動作させることができる。室Ｅ１の動作温度が高いほど、より高い室圧力を得ることができる。図２に示されているプロセス流体流動様式は、プロセス流体が蒸発器２２を２回通って、個々の室をそれぞれ一度流れるため、ツーパス構成として知られている。

[0026]同様に、プロセス流体は、ツーパス構成で凝縮器 ２４を通って流れることができる。例えば凝縮器室Ｃ１は、凝縮器室Ｃ２より高い圧力で動作させることができる。図２に示されているように、冷却塔からの冷たいプロセス流体は、室Ｃ１に入る前に室Ｃ２に入ることができる。冷たいプロセス流体が室Ｃ２を通って流れると、冷媒が凝縮する際に冷媒からプロセス流体に熱が伝達される。この熱伝達によってプロセス流体の温度が高くなる。より暖かいプロセス流体は、次に室Ｃ１に入り、室Ｃ１内の凝縮冷媒から熱を抽出することができる。室Ｃ１に入るプロセス流体の温度は室Ｃ２に入るプロセス流体の温度より高いため、室Ｃ１内の冷媒温度は、室Ｃ２の冷媒温度より高くすることができる。蒸発器室の場合と同様、冷媒の温度が高いほど、室Ｃ１内の動作圧力を高くすることができる。

[0027]図２に示されている構成によれば、連続流システムの利点は、単一の蒸発器および単一の凝縮器を使用して達成することができる。室Ｅ１およびＣ１の両方が高い圧力で動作するため、これらの室と室の間の圧力差が小さくなり、したがってこれらの室を結合している圧縮機２６の容量が小さくなる。同様に、室Ｅ２およびＣ２を結合している圧縮機２６に関しても、これらの両方の室がより低い圧力で動作するため、この圧縮機２６の容量を小さくすることができる。個々の圧縮機２６を小さい容量で動作させることができるため、冷却システムの効率を、単一の冷媒回路を使用している同様のシステムより高くすることができる。

[0028]蒸発器バッフル３６および凝縮器バッフル３８は、いずれも、蒸発器２２および凝縮器２４の室と室の間の圧力差を維持しなければならない。言い換えると、室と室の間の圧力差がバッフルの構造的限界を超えると、バッフルが破損することになる。したがって、冷媒回路と冷媒回路の間の圧力差を制限する構成を使用することができる。

[0029]図２は、このような構成の１つを示したものである。この実施形態では、圧力均圧弁４０を使用して蒸発器の室と室の間の圧力差を制限することができる。圧力均圧弁４０は、蒸発器室Ｅ１およびＥ２と流体連絡することができる。図に示されているように、弁４０は室Ｅ１およびＥ２に直接結合されている。代替実施形態では、弁４０は、蒸発器２２の上流側の吸込み配管２８に結合することができる。公称動作の間、この弁は、上で説明した二重冷媒回路の利点を達成するために閉じた状態を維持することができる。しかしながら、この弁は、手動で開くか、あるいは自動システムが高くなった圧力差に応答して開くことも可能である。例えば、冷却システムが公称動作している間、個々の室内のプロセス流体の温度が同様の温度であるため、室Ｅ１とＥ２の間の圧力差を小さくすることができる。しかしながら、システムを保全している間、場合によっては一方の冷媒回路から充填物を除去しなければならないことがある。この手順の間、圧力均圧弁４０が閉じた状態を維持していると、充填された室と充填されていない室との間の圧力差が好ましくない大きさになることがある。したがってこのような状況では圧力均圧弁４０を開くことができ、それによりバッフルに影響を及ぼすことなくシステムの修理を容易にすることができる。

[0030]同様に、図２に示されている冷却システムは、一方の冷媒回路が生きていない状態にある間、もう一方の冷媒回路を動作させることができるように構成することができる。この構成で動作させることは、より小さい容量でシステムの動作を継続することができるため、一方の圧縮機が無効である状況では場合によっては有利である。さらに、より小さい容量のみが要求される場合、一方の圧縮機の運転を停止して冷却システムの電力消費を低減することも可能である。一方の圧縮機が動作していない場合、場合によっては、蒸発器２２および凝縮器２４の両方の室と室の間に実質的な圧力差が生成されることになる。この圧力差を補償するために、圧力均圧弁４０を開いて一方の回路からもう一方の回路への冷媒の流れを許容することができる。さらに、無効回路の膨張デバイス３４を閉じて冷媒の混合をさらに容易にすることも可能である。

[0031]圧力均圧弁４０が開いていない場合の大きい圧力差を回避するために、内部圧力安全弁４２を駆動することができる。内部圧力安全弁４２は、冷媒回路と冷媒回路の間の圧力差に応答して自動的に開くように構成することができる。例えば内部圧力安全弁４２は、蒸発器室Ｅ１およびＥ２に結合することができる。室Ｅ１とＥ２の間の圧力差が所望のレベルを超えると、自動的に弁４２を開いて室と室の間の圧力を均等にすることができる。この弁が開くと、場合によっては連続流動作の効率利点が失われる。しかしながら、所望の限界内であるレベルまで圧力が復帰すると、自動的に弁４２を閉じてシステムを正規の動作に復帰させることができる。

[0032]さらに、外部圧力安全弁４４を使用することも可能である。例えば図２には２つの圧力安全弁４４が示されており、それぞれ蒸発器２２の個々の室に取り付けられている。蒸発器２２内の圧力が上昇すると、弁４４を開いて冷媒を吐出することができる。この吐出によって蒸発器２２内の圧力を低くすることができる。この構成によれば、個々の室にそれぞれ外部圧力安全弁４４が使用されているため、個々の弁４４が必要であるのは、場合によっては、蒸発器２２を保護するために必要な流れ全体の半分を処理するためのみにすぎない。また、外部圧力安全弁４４を開くために必要な圧力は、内部圧力安全弁４２を開くために必要な圧力より高くすることも可能である。この構造によれば、より高い圧力閾値に達した場合にのみ、一方の室内の過剰冷媒圧力を最初にもう一方の室へ流し、次に外部へ吐出することができる。凝縮器２４に対しても同様の内部および外部圧力安全システムを単独で使用することができ、あるいは蒸発器２２の圧力安全システムと組み合わせて使用することができる。

[0033]図３は、一方の回路からもう一方の回路への冷媒の流れを容易にする他の構成を示したものである。この構成には、共通液体配管３２および共通膨張デバイス３４が含まれている。これらの共通コンポーネント内で冷媒を混合することができ、したがって冷媒回路と冷媒回路の間の圧力差を制限することができる。この構成によれば、冷媒が凝縮器室Ｃ１およびＣ２から出る際に、共通膨張デバイス３４に入る前に共通液体配管３２内で冷媒が混合される。混合された冷媒は、次に蒸発器室Ｅ１およびＥ２に入る。

[0034]図３に示されている流動構造の場合、凝縮器室および蒸発器室は、とりわけ冷媒回路と冷媒回路の間の圧力差を維持するように構成することができる。冷媒が高圧凝縮器室Ｃ１から低圧凝縮器室Ｃ２への共通液体配管３２を介した流れを許容されると、場合によっては連続流動作の利点が失われることがある。同様に、高圧蒸発器室Ｅ１からの冷媒が低圧蒸発器室Ｅ２への流入を許容されると、場合によってはシステムの効率が低下することがある。したがって蒸発器２２および凝縮器２４は、いずれも、室と室の間の圧力差を維持するためのシステムを使用することができる。

[0035]例えば高圧蒸発器室Ｅ１には、低圧蒸発器室Ｅ２よりもより制限的な液体分配器を使用することができる。蒸発器室の圧力は、本質的には個々の室に入るプロセス流体の温度で決まる。図３に示されている構成によれば、より暖かいプロセス流体が室Ｅ１に入り、また、より冷たいプロセス流体が室Ｅ２に入る。したがって室Ｅ１内の圧力は、室Ｅ２内の圧力より高くすることができる。個々の室内の液体分配器が等しく制限的である場合、共通液体配管３２からのより多くの冷媒が低圧室Ｅ２に入ることになる。この冷媒の流れは、システム内の冷媒が不平衡になる原因になり、そのために効率が低下することになる。高圧蒸発器室Ｅ１内の液体分配器よりもより制限的になるように低圧蒸発器室Ｅ２内の液体分配器を構成することにより、圧力差にかかわらず同じ体積の冷媒を個々の室に入れることができる。所与の液体分配器構成に対して、冷媒が両方の蒸発器室に等しく流入することを保証することができるのは１つの冷媒圧力のみである。しかしながら、公称動作圧力に対して等しい流れを提供するように液体分配器が調整されると、この状態から若干変動しても、冷却システムの効率に対する影響は極めて小さくなる。

[0036]同様に、凝縮器室も、異なる圧力での動作にかかわらず同様の量の冷媒を共通液体配管３２に吐出するように構成することができる。蒸発器２２の場合と同様、凝縮器室内の圧力も室に入るプロセス流体の温度で決まる。例えば図３に示されている構成は、冷却塔からのより冷たいプロセス流体が凝縮器室Ｃ２に入ることを示している。プロセス流体は室Ｃ２内で加熱され、室Ｃ１に入る前により暖かくなる。したがって室Ｃ１内の圧力は、室Ｃ２内の圧力より高くすることができる。凝縮器室の流れを全く制限することなく、高圧室Ｃ１によってより多くの冷媒を吐出することができる。したがって高圧室Ｃ１は、低圧室Ｃ２よりもより大きい流れ制限を有するように構成することができる。この構造は、個々の凝縮器室内のサブクーラを介した冷媒の流れを変化させることによって達成することができる。サブクーラは凝縮器２４の一領域であり、凝縮した後の冷媒の温度がこの領域でさらに低くなる。サブクーラを介した液体冷媒の流れを制限することにより、高圧室Ｃ１によって吐出される冷媒の量を少なくすることができる。例えば高圧凝縮器室Ｃ１内のサブクーラは、低圧凝縮器室Ｃ２と同じ体積の冷媒を吐出するように構成することができる。この方法によれば、共通液体配管３２に入る冷媒の体積を凝縮器２４の両方の室と同じ体積にすることができる。しかしながら、蒸発器２２の場合と同様、この構成も、完全に有効であるのは１つの凝縮器圧力に対してのみである。したがってサブクーラは、公称動作状態で同じ量の冷媒を吐出するように構成することができる。

[0037]図４は同様の実施形態を示したもので、２つの液体配管３２および２つの膨張デバイス３４が使用されているが、均圧配管４６が膨張デバイス３４の下流側の２つの液体配管３２を接続している。この構成によれば、膨張デバイス３４は、凝縮器室から流出する液体冷媒を制御するように調整することができるため、個々の凝縮器室のための異なるサブクーラ制限を不要にすることができる。例えば凝縮器室Ｃ１が凝縮器室Ｃ２より高い圧力で動作している場合、室Ｃ１から出ている液体配管３２に結合された膨張デバイス３４は、室Ｃ２から出ている液体配管３２に結合された膨張デバイス３４よりもより制限的にすることができる。上で説明した実施形態のサブクーラ制限と同様、この構成も、膨張デバイス３４の下流側の液体配管３２に入る冷媒の体積を容易に等しくすることができる。さらに、均圧配管４６を介した液体配管３２と液体配管３２の間の冷媒の流れを許容することにより、システム内の圧力を制限することができる。この実施形態の利点の１つは、膨張デバイス３４を通る流量を凝縮器室の圧力に基づいて変化させることができることである。したがって公称外動作状態に対して同じ量の冷媒を膨張デバイス３４の下流側の液体配管３２に入れることができる。

[0038]図２ないし４に示されている実施形態の各々では、蒸発器２２および凝縮器２４は、いずれも２つの室に分割されている。しかしながら、他の構成は、単一の蒸発器室または単一の凝縮器室、つまり室を分離しているバッフルのない室を使用することも可能である。例えば、凝縮器２４を通るプロセス流体の流量が多いことが望ましい場合、図２ないし４に示されているツーパス構造よりもシングルパス構成の方が場合によっては好ましい。このような構成の場合、単一の凝縮器室を使用することができる。この単一の凝縮器室内で冷媒を混合することができるため、図２に示されている圧力均圧弁４０または図４に示されている均圧配管４６を不要にして、圧力差の制限を容易にすることができる。このような構成の場合、共通液体配管３２または個別の液体配管３２を使用することができる。しかしながら、上で説明したように、低圧蒸発器室Ｅ２内の液体分配器は、室と室の間の圧力差を維持するために、高圧蒸発器室Ｅ１内の液体分配器よりもより制限的にすることができる。

[0039]同様に、特定の実施形態は単一の蒸発器室を使用することができる。これらの実施形態は、共通液体配管３２または二重液体配管３２を利用することができるが、場合によっては凝縮器室と凝縮器室の間の圧力差を制限するための圧力均圧弁４０または均圧配管４６は不要である。凝縮器室と凝縮器室の間の圧力差を維持するために、凝縮器２４は、流れの制限が異なるサブクーラを使用することができる。

[0040]２つの凝縮器室を備えた実施形態では、個々の凝縮器室に第２の圧力均圧弁（図示せず）を結合することができる。特定の実施形態では、システム全体からの冷媒のドレンを必要とすることなく圧縮機２６を修理することができるよう、凝縮器２４内に冷媒を隔離することができる。しかしながら、冷媒を凝縮器２４内に隔離すると、上で説明した圧力均圧システムが場合によっては無効になることがある。したがって第２の圧力均圧弁を開いて凝縮器バッフル３８に対する圧力を解放することができる。

[0041]図５ないし７は、様々なバッフル構成を示す蒸発器２２の正面図を示したものである。図には蒸発器バッフル３６が示されているが、凝縮器バッフル３８のための設計を使用することも可能である。上で説明したように、バッフルは、個々の室を異なる圧力で動作させることができるよう、室と室の間の障壁としての役割を果たしている。したがってバッフルは、動作中、この圧力差に耐えるように構成することができる。図５には、バッフルを支持することができる一実施形態が示されている。この構成によれば、バッフルサポートリブ４８は、その剛性を増すためにバッフル３６に結合することができる。例えば室Ｅ１内の圧力が室Ｅ２内の圧力より高い場合、バッフル３６は、場合によっては室Ｅ２に向かって変形する傾向を示すことがある。リブ４８は、追加構造サポートを提供することによってこの変形の防止を促進することができる。図５には２つのリブ４８しか示されていないが、蒸発器２２の縦軸に沿って追加リブをバッフル３６に結合することができる。リブの数、リブの間隔およびこれらのリブの取付けポイントは、特定のバッフル設計に基づいて変更することができる。同様に、バッフル補強バー５０をバッフル３６および蒸発器２２の内壁に結合することができる。この補強バー５０は、バッフル３６をさらに支持し、変形を防止することができる。補強バー５０の厚さは、バッフル設計に基づいて変更することができる。さらに、蒸発器２２の縦軸に沿って複数の補強バーを使用することも可能である。

[0042]図６は、構造的剛性を増すことができる他のバッフル設計を示したものである。この構成におけるバッフル３６は湾曲している。例えば室Ｅ１内の圧力が室Ｅ２内の圧力より高い場合、バッフル３６は室Ｅ２の方向に湾曲することができる。当業者には理解されるように、湾曲した表面は平らな表面よりもより高い圧力に耐えることができる。バッフル３６を低圧室Ｅ２の方向に湾曲させることにより、バッフル３６は高圧室Ｅ１内のより高い圧力を支持することができる。同様に、図７に示されているバッフル３６は千鳥形パターンで構成されている。当業者には理解されるように、この構成は、平らなバッフルよりもより大きい構造的剛性を提供することができる。バッフルの強度が増しているため、これらの構成は、いずれも、室と室の間のより大きい圧力差を許容することができる。上で説明したように、この圧力差により、効率が高い冷却システムを得ることができる。

[0043]図８および９は、上記実施形態に使用することができる２つの蒸発器構成を示したものである。図８には満液式蒸発器の正面図が示されている。この構成によれば、プロセス流体を運んでいる多数のコンジット５２が蒸発器２２内に配置されており、蒸発器２２の縦軸に沿って通っている。個々の蒸発器室内の液体冷媒５４が蒸発する際にプロセス流体の温度を低くすることができる。したがって個々の蒸発器室から出るプロセス流体の温度は、そのプロセス流体が対応する個々の室に入る際の温度より低くなる。蒸発器２２内のコンジット５２のサイズおよび数は、蒸発器要求事項に基づいて変更することができる。さらに、室Ｅ１内のコンジット５２のサイズおよび数は、室Ｅ２のコンジット５２のサイズおよび数とは異なっていてもよい。

[0044]図９は、流下薄膜型蒸発缶として知られている一代替蒸発器構成の正面図を示したものである。この構成によれば、ノズル５６によって液体冷媒がプロセス流体コンジット上に噴霧される。満液式蒸発器と同様、冷媒が蒸発する際にコンジット５２内のプロセス流体を冷却することができる。

[0045]図１０は、上で説明した、蒸発器２２の向流構成の線図である。この構成によれば、冷媒は、液体配管３２を介して蒸発器室Ｅ１に入り、蒸発器室Ｅ１を通って吸込み配管２８へ流れる。同様に、冷媒は、液体配管３２を介して室Ｅ２に流入し、吸込み配管２８へ向かって流れる。個々の室内では、プロセス流体は冷媒の方向とは逆方向に流れる。図１０に示されている実施形態では、室Ｅ１は、室Ｅ２より高い温度および圧力で動作している。暖かいプロセス流体が最初に室Ｅ１に入り、冷媒の方向とは逆の方向に流れて第１の量だけ冷却される。プロセス流体は、次にウォータボックス５８の方向に向きを変え、室Ｅ２に入って第２の量だけ冷却される。より暖かい流体が室Ｅ１に入るため、室Ｅ１は、より高い温度および圧力で動作する。この構成によれば、プロセス流体の温度を２つのステージで低くすることができ、冷却システムの効率が高くなる。

[0046]図１０に示されているプロセス流体流動様式はツーパスフロー構成を示している。本発明の他の実施形態では追加流動様式を実施することができる。例えば蒸発器はフォーパスフロー構成を使用することができる。図１０に示されている構造と同様、プロセス流体は、蒸発器２２の第１の末端から室Ｅ１に入り、第２の末端まで流れることができる。しかしながら、ウォータボックス５８を通って室Ｅ２へ流れる代わりに、もう一度プロセス流体が室Ｅ１へ導かれ、今度は逆の方向に流れる。そのポイントで、蒸発器２２の第１の末端でウォータボックス５８を介してプロセス流体を室Ｅ２へ導き、室Ｅ２を通って第２の末端まで流すことができる。最後に、室Ｅ２を介してプロセス流体を逆方向に導き、蒸発器２２の第１の末端から排出させることができる。この方法によれば、プロセス流体は、個々の室を２回通って流れ、合計４回通過することになる。ツーパス構成およびフォーパス構成は、冷媒からプロセス流体への熱伝達を蒸発器２２内で実施することができる単なる例示的流動様式にすぎない。冷却システムの特定の設計要求事項に基づいて、これらおよび他の構成を使用することができる。

[0047]図１１および１２は、上記実施形態に使用することができる凝縮器２４の一例示的構成を示したものである。図１１には、第１の凝縮領域６０、第２の凝縮領域６２および２つのサブクール領域６４を含んだ凝縮器２４の正面図が示されている。図１２には、同じ例示的凝縮器２４の背面図が示されている。これらの図に示されている構成によれば、冷却塔からの冷たいプロセス流体は、２つのサブクール領域６４を通って凝縮器２４に入ることができる。図１２に示されているように、プロセス流体は、これらのサブクール領域６４から出て、第２の凝縮領域６２に入る。流体のこの移動により、第２の凝縮領域６２内では、流体が流れる方向が逆になる。プロセス流体は、次に、図１１に示されているように第２の凝縮領域６２から出て、第１の凝縮領域６０に入る。上で説明した流体移動と同様、この移動によってプロセス流体の方向がもう一度変化する。最後に、プロセス流体は、図１２に示されているように第１の凝縮領域６０を通って凝縮器２４から出て冷却塔へ戻る。

[0048]プロセス流体は、プロセス流体がサブクーラ６４に入る際に最も冷たいため、サブクーラ６４は最も低い温度で動作する。サブクーラ６４内では、サブクーラ６４内の冷媒からプロセス流体に熱が伝達されるため、プロセス流体の温度が高くなる。したがってプロセス流体が第２の凝縮領域６２に入ると、サブクーラ６４に入る際の温度より暖かくなる。同様に、プロセス流体が第１の凝縮領域６０に入ると、第２の凝縮領域６２に入る際の温度より暖かくなる。この構成によれば、サブクーラ６４の温度が低く、そのために凝縮器２４の両方の室で最大冷媒温度リダクションが達成されるため、冷却システムの効率を高くすることができる。さらに、第１の凝縮領域６０の温度がより高いため、より冷たい第２の凝縮領域６２を含んでいる室Ｃ２より高い圧力で室Ｃ１を動作させることができる。上で説明したように、この圧力差によって圧縮機圧力水頭が低下し、効率が高くなる。

[0049]図１１および１２に示されているプロセス流体流動様式はスリーパス構成を示している。他のフロー構成を凝縮器２４内で実施することも可能である。例えばフォーパス構成の場合、プロセス流体は、凝縮器２４の第１の末端から室Ｃ２のサブクール領域に入ることができる。プロセス流体は、次に凝縮器２４の第２の末端まで流れ、第２の凝縮領域６２に向かって方向を変えることができる。そのポイントで、プロセス流体は、凝縮器２４の第１の末端で室Ｃ１のサブクール領域に向かって方向を変えることができる。プロセス流体は第２の末端まで流れることができ、そこで第１の凝縮領域６０に向かって方向を変える。最後に、プロセス流体は、第１の凝縮領域６０を通って凝縮器２４の第２の末端から出ることができる。この方法によれば、プロセス流体は個々の室を２回通って流れ、合計４回通過する。他のフォーパス構造を使用することも可能である。

[0050]さらに、蒸発器２２に関して図１０で説明したツーパス構造と同様のツーパス構造を凝縮器２４に対して実施することも可能である。この構成によれば、プロセス流体は、凝縮器２４の第１の末端で室Ｃ２に入り、第２の末端まで流れて、ウォータボックスを介して室Ｃ１に向かって方向を変えることができる。プロセス流体は、次に室Ｃ１を通って凝縮器２４の第１の末端へ流れて戻り、かつ、凝縮器２４から出ることができる。とりわけ上で説明した流動様式は、凝縮器の特定の設計要求事項に基づいて選択することができる。

[0051]以上、本発明の特定の特徴および実施形態についてのみ図に示し、かつ、説明したが、当業者には、特許請求の範囲に記載されている主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく多くの修正および変更が可能である（例えば様々な構成要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率の変形形態、パラメータ（例えば温度、圧力、等々）の値、取付け構造、材料、色、配向、等々の使用）。すべてのプロセスまたは方法ステップの順序すなわちシーケンスは、代替実施形態に応じて変更すなわち配列しなおすことができる。したがって、以下の特許請求の範囲には、本発明の真の精神の範囲内であるものとしてこのようなすべての修正および変更が包含されることが意図されていることを理解されたい。さらに、例示的実施形態についての簡明な説明を提供するための努力の一環として、必ずしも実際の実施態様のすべての特徴が説明されているわけではない（つまり、本発明を実施するために現在企図されている最良モードには無関係の特徴、あるいは特許請求される発明を可能にするためには無関係の特徴については説明されていない）。すべてのこのような実際の実施態様の開発において、すべてのエンジニアリングまたは設計プロジェクトの場合と同様、多くの実施態様特化決定を実施することができることを理解されたい。このような開発努力は、場合によっては複雑で、かつ、時間を要するが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者にとっては、過度の実験作業を必要とすることなく設計および製造を着手するためのルーチンになるであろう。

Claims (26)

1. 冷却システムであって、
   冷媒を凝縮させるように構成された凝縮器と、
   プロセス流体から熱を抽出するために前記冷媒を蒸発させるように構成された蒸発器であって、蒸発器バッフルによって第１および第２の蒸発器室に分離され、動作中、前記第１の蒸発器室が第１の圧力で動作し、また、動作中、前記第２の蒸発器室が第２の圧力で動作する蒸発器と、
   前記第１の蒸発器室に結合された第１の圧縮機であって、前記凝縮器に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第１の圧縮機と、
   前記第２の蒸発器室に結合された第２の圧縮機であって、前記凝縮器に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第２の圧縮機と、
   前記第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための手段と
   を備える冷却システム。
2. 前記凝縮器が凝縮器バッフルによって互いに分離された第１および第２の凝縮器室を含み、前記第１および第２の凝縮器室が、動作中、異なる圧力で動作する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の蒸発器室が前記第１の圧縮機を介して前記第１の凝縮器室と流体連絡し、また、前記第２の蒸発器室が前記第２の圧縮機を介して前記第２の凝縮器室と流体連絡している、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１の凝縮器室と第２の凝縮器室の間の圧力の差を制限するための手段を備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記凝縮器がツーパス熱交換器であり、前記ツーパス熱交換器が、前記第１の凝縮器室内に第１のプロセス流体経路を含み、かつ、前記第２の凝縮器室内に第２のプロセス流体経路を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１および第２の凝縮器室の各々がそれぞれの凝縮セクションおよびサブクールセクションに細分される、請求項４に記載のシステム。
7. 前記凝縮セクションおよびサブクールセクションが多重パス熱交換器を画定するように構成され、第２のプロセス流体が前記第１および第２の凝縮器室の前記サブクールセクションを通って平行に流れ、次に結合され、次に前記第１の室の前記凝縮セクションを通って流れ、次に前記第２の室の前記凝縮セクションを通って流れる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１の圧力が前記第２の圧力より高い、請求項１に記載のシステム。
9. 前記蒸発器がツーパス熱交換器であり、前記ツーパス熱交換器が前記第１の蒸発器室内に第１のプロセス流体経路を含み、かつ、前記第２の蒸発器室内に第２のプロセス流体経路を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための前記手段が、前記第１の蒸発器室と第２の蒸発器室の間で流体連絡している弁を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための前記手段が、前記蒸発器の上流側に共通冷媒コンジットを含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための前記手段が、前記蒸発器の上流側の冷媒コンジットと冷媒コンジットの間を流体連絡している圧力均圧コンジットを含む、請求項１に記載のシステム。
13. 少なくとも前記第１または前記第２の蒸発器室と流体連絡している少なくとも１つの圧力安全弁を備える、請求項１に記載のシステム。
14. 冷却システムであって、
    冷媒を凝縮させるように構成された凝縮器であって、凝縮器バッフルによって第１および第２の凝縮器室に分離され、動作中、前記第１の凝縮器室が第１の圧力で動作し、また、動作中、前記第２の凝縮器室が第２の圧力で動作する凝縮器と、
    プロセス流体から熱を抽出するために前記冷媒を蒸発させるように構成された蒸発器と、
    前記蒸発器に結合された第１の圧縮機であって、前記第１の凝縮器室に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第１の圧縮機と、
    前記蒸発器に結合された第２の圧縮機であって、前記第２の凝縮器室に引き渡すための気相冷媒を圧縮するための第２の圧縮機と、
    前記第１の圧力と第２の圧力の差を制限するための手段と
    を備える冷却システム。
15. 冷却システムであって、
    第１の凝縮器室と第２の凝縮器室とを分離している凝縮器バッフルを有する凝縮器と、
    第１の蒸発器室と第２の蒸発器室とを分離している蒸発器バッフルを有する蒸発器であって、前記第１の蒸発器室が前記第１の凝縮器室と流体連絡し、また、前記第２の蒸発器室が前記第２の凝縮器室と流体連絡している蒸発器と、
    前記第１の凝縮器室および前記第１の蒸発器室と流体連絡している第１の圧縮機と、
    前記第２の凝縮器室および前記第２の蒸発器室と流体連絡している第２の圧縮機と
    を備え、前記第１の凝縮器室、前記第１の蒸発器室および前記第１の圧縮機が第１の冷媒回路を備え、また、前記第２の凝縮器室、前記第２の蒸発器室および前記第２の圧縮機が第２の冷媒回路を備え、前記第１の冷媒回路が第１の圧力および温度で動作するように構成され、また、前記第２の冷媒回路が前記第１の圧力および温度より高い第２の圧力および温度で動作するように構成され、
    前記第１の冷媒回路と第２の冷媒回路の間を流体連絡し、かつ、前記第１の圧力と第２の圧力の圧力差を制限するように構成された冷媒相互接続をさらに備える冷却システム。
16. 前記第１の蒸発器室および前記第２の蒸発器室と流体連絡し、かつ、前記第１の蒸発器室と前記第２の蒸発器室の間の圧力差が所定の値を超えると開くように構成された内部圧力安全弁を備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 冷媒圧力が所定の値を超えると冷媒を吐出するように構成された１つまたは複数の外部圧力安全弁を備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記冷媒相互接続が、前記第１の蒸発器室および前記第２の蒸発器室と流体連絡している圧力均圧弁を備える、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記冷媒相互接続が、前記第１の蒸発器室、前記第２の蒸発器室、前記第１の凝縮器室および前記第２の凝縮器室と流体連絡している共通液体配管を備える、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記冷媒相互接続が、
    前記第１の蒸発器室を前記第１の凝縮器室に接続している第１の液体配管と、
    前記第２の蒸発器室を前記第２の凝縮器室に接続している第２の液体配管と、
    前記第１の液体配管を前記第２の液体配管に接続している均圧配管と
    を備える、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記蒸発器バッフル、前記凝縮器バッフルまたはそれらの組合せが湾曲しているか、あるいは千鳥形パターンを形成している、請求項１５に記載のシステム。
22. 前記蒸発器バッフル、前記凝縮器バッフルまたはそれらの組合せが、少なくとも１つのバッフルサポートリブ、少なくとも１つのバッフル補強バーまたはそれらの組合せを備える、請求項１５に記載のシステム。
23. 二重圧縮機チラーを動作させる方法であって、
    第１の圧縮機内の冷媒を圧縮するステップであって、前記第１の圧縮機が凝縮器の第１の室と流体連絡しているステップと、
    前記凝縮器の前記第１の室内で前記冷媒を凝縮させるステップであって、前記凝縮器の前記第１の室が蒸発器の第１の室と流体連絡しているステップと、
    前記蒸発器の前記第１の室内で前記冷媒を蒸発させるステップであって、前記蒸発器の前記第１の室が前記第１の圧縮機と流体連絡しているステップと、
    第２の圧縮機内の冷媒を圧縮するステップであって、前記第２の圧縮機が前記凝縮器の第２の室と流体連絡しているステップと、
    前記凝縮器の前記第２の室内で前記冷媒を凝縮させるステップであって、前記凝縮器の前記第２の室が前記蒸発器の第２の室と流体連絡しているステップと、
    前記蒸発器の前記第２の室内で前記冷媒を蒸発させるステップであって、前記蒸発器の前記第２の室が前記第２の圧縮機と流体連絡しているステップと、
    前記蒸発器の前記第１の室からの前記冷媒と前記蒸発器の前記第２の室からの前記冷媒とを結合するステップと
    を含む方法。
24. 前記冷媒を結合するステップが、前記蒸発器の前記第１の室および前記蒸発器の前記第２の室と流体連絡している圧力均圧弁を開くステップを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記冷媒を結合するステップが共通液体配管内の冷媒を混合するステップを含み、前記共通液体配管が、前記凝縮器の前記第１の室、前記凝縮器の前記第２の室、前記蒸発器の前記第１の室および前記蒸発器の前記第２の室と流体連絡している、請求項２３に記載の方法。
26. 前記冷媒を結合するステップが均圧配管内の冷媒を混合するステップを含み、前記均圧配管が第１および第２の液体配管と流体連絡し、前記第１の液体配管が、前記凝縮器の前記第１の室および前記蒸発器の前記第１の室と流体連絡し、前記第２の液体配管が前記凝縮器の前記第２の室および前記蒸発器の前記第２の室と流体連絡している、請求項２３に記載の方法。

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