JP2014501381A - 蒸発器における冷媒の品質によって制御される冷却システム - Google Patents

Abstract

圧縮機１４と凝縮器１６と蒸発器１８とを有する流体を漏らさない循環ループ１２内に配置された冷媒を有している冷却システム１０を制御する方法であって、（ａ）気体の状態の冷媒を圧縮機１４において圧縮し、該冷媒を凝縮器１６において冷却するステップと、（ｂ）この冷媒を蒸発器１８へと流すステップと、（ｃ）蒸発器１８において冷媒の圧力を下げるステップと、（ｄ）冷媒を蒸発器から圧縮機１４へと流すステップと、（ｅ）ステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返すステップと、を含んでおり、ステップ（ｂ）において蒸発器１８内の冷媒の状態に基づいて蒸発器１８への冷媒の流れが制御される方法。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体がここでの言及によって本明細書に援用される「Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の２０１０年１２月３０日付の米国特許仮出願第６１／４２８，５７６号からの優先権を主張する２０１１年１２月６日付の「Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｗｉｔｈｉｎ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ」という名称の米国特許出願第１３／３１２，７０６号からの優先権を主張する。

本発明は、広くには、冷却システムに関し、より詳しくは、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを備える冷却システムに関する。

圧縮機と凝縮器と蒸発器とを備える冷却システムには、種々さまざまな構成が存在する。それらのうちで最も一般的な構成は、一般に、「直接膨張システム」と称される。直接膨張システムにおいては、冷媒蒸気が圧縮機において圧縮され、凝縮器において液化され、蒸発器において再び気化されることができ、次いで圧縮機へと流れ戻る。

直接膨張システムにおいては、蒸発器を出る冷媒蒸気の過熱の量が、制御パラメータとしてほぼ例外なく使用される。直接膨張システムは、過熱を生じさせるために蒸発器のほぼ２０％〜３０％を乾燥状態にして動作する。この制御方法における問題は、小さな温度差、広いフィン間隔またはピッチ、軽い負荷、および水分の含有量が、過熱の制御に悪影響を及ぼす点にある。蒸発器が、同等の表面を利用可能にするために、２０％〜３０％大きくなければならない。また、過熱の制御が、蒸発器の温度が華氏約０度であるアンモニアまたは同様の冷媒を使用するシステムなどの低温のシステムにおいては、良好に機能しない。

過熱の制御方法のさらなる欠点は、過度の入り口流れを引き起こしがちな点にある。そのような入り口流れは、蒸発器における圧力損失および不安定な変換につながり、蒸発器コイルの遠位端からの液体の強制的な膨張につながる。また、この制御方法は、冷媒がアンモニアまたは他の低温冷媒である場合に、大量の液体冷媒が蒸発器から吐き出されるがゆえに蒸発器の下流に大型の液体トラップを使用しなければならないことが通例であるため、特に問題である。このように、すべての過熱制御の膨張システムにおいて、効率および能力において消極的な妥協がやむを得ず行なわれている。

したがって、先行技術における上述の問題を解消する冷却システムについて、ニーズが存在している。

本発明は、このニーズを満足させる。本発明は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを含む流体を漏らさない循環ループ内に配置された冷媒を有しており、該冷媒が、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができ、前記蒸発器が、入り口開口を備える上流部と、出口開口を備える下流部とを有している冷却システムを制御する方法であって、（ａ）気体の状態の冷媒を圧縮機において圧縮し、該冷媒を凝縮器において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、（ｂ）液化した状態の冷媒を蒸発器へと流すステップと、（ｃ）蒸発器において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、（ｄ）蒸発器において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、（ｅ）気体の状態の冷媒を蒸発器から圧縮機へと流すステップと、（ｆ）ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、（ｇ）ステップ（ｂ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れを、前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態に基づいて制御するステップと、を含む方法である。

さらに本発明は、上述の方法を実行することができる冷却システムに関する。本発明の冷却システムは、（ａ）圧縮機と凝縮器と蒸発器とを含んでおり、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができる冷媒を連続的に循環させるように構成されており、前記蒸発器が、入り口開口を備える上流部と、出口開口を備える下流部とを有しており、（ｉ）気体の状態の冷媒を圧縮機において圧縮し、該冷媒を凝縮器において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）液化した状態の冷媒を蒸発器へと流すステップと、（ｉｉｉ）蒸発器において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、（ｉｖ）蒸発器において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、（ｖ）気体の状態の冷媒を蒸発器から圧縮機へと流すステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉ）〜（ｖ）を繰り返すステップと、を実行するようにさらに構成されている流体を漏らさない循環ループと、（ｂ）液体の状態の冷媒の蒸発器への流れを、前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態に基づいて制御するコントローラと、を備える。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照して、さらに良好に理解されるであろう。

本発明の特徴を有する冷却システムの蒸発器を通過する冷媒の典型的な固定温度の２相体積特性を説明する図である。 図３に示される蒸発器回路における理想的な理論上の速度および圧力損失を説明する図である。 本発明の特徴を有する冷却システムの流れの図である。 本発明の特徴を有する別の冷却システムの図である。 本発明の特徴を有しており、電子式の個別の回路の液体の供給の注入を有している冷却システムの流れの図である。 本発明の特徴を有しており、蒸発器へと液体を供給するために液体計量ポンプおよび回路ノズルを使用する冷却システムの流れの図である。 本発明の特徴を有しており、可変速ポンプおよび液体流量計を使用する冷却システムの流れの図である。 本発明の特徴を有しており、プレートおよびフレームからなる蒸発器を使用する冷却システムの流れの図である。 本発明の特徴を有する冷却システムにおいて使用することができる蒸発器の概略の斜視図である。 本発明において使用することができる冷却システムの第１の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第２の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第３の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第４の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第５の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第６の制御の図解である。 本発明において使用することができる冷却システムの第７の制御の図解である。 本発明において使用することができる蒸発器における連続的に拡大する内側管寸法の第１の概略図である。 本発明において使用することができる蒸発器における連続的に拡大する外側管寸法の第２の概略図である。 変化する内側管直径を有する本発明において使用することができる蒸発器の概略図である。 内径が拡大している管と２つの外部ヘッダとを有している本発明において使用することができる蒸発器回路を示している。

以下の考察において、本発明の一実施形態およびその実施形態のいくつかの変種を、詳しく説明する。しかしながら、この考察を、本発明をそれらの特定の実施形態に限定するものとして解釈してはならない。当業者であれば、多数の他の実施形態も認識することができるであろう。

上述のように、本発明は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを含む流体を漏らさない循環ループ内に配置された冷媒を有しており、該冷媒が、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができ、前記蒸発器が、入り口開口を備える上流部と、出口開口を備える下流部とを有している冷却システムを制御する方法であって、（ａ）気体の状態の冷媒を圧縮機において圧縮し、該冷媒を凝縮器において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、（ｂ）液化した状態の冷媒を蒸発器へと流すステップと、（ｃ）蒸発器において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、（ｄ）蒸発器において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、（ｅ）気体の状態の冷媒を蒸発器から圧縮機へと流すステップと、（ｆ）ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、（ｇ）ステップ（ｂ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れを、前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態に基づいて制御するステップと、を含む方法である。

典型的には、ステップ（ｇ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、蒸発器における冷媒の品質に基づく。すなわち、液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、冷媒の蒸気の体積の液体の体積に対する比に基づく。品質を、蒸気−液体の体積比を直接測定することによって割り出すことができる。また、品質を、静電容量、加熱素子の対応する電流の引き込み、較正された質量流量センサ、および渦流センサなど、技術的に公知の多数の他の手段によって割り出すこともできる。

２相体積−液体噴射体積の比を直接測定する実施形態においては、１つ〜３つの測定点が典型的に使用され、そのうちの少なくとも１つが、好ましくは蒸発器内の中間点にある。本明細書において使用されるとき、用語「中間点」は、蒸発器において入り口開口の下流の蒸発器の総回路長の５０〜９０％を包含し、典型的には蒸発器の回路長の６０％〜８０％を包含する距離の地点である。多くの実施形態において、間隔を空けて位置する複数の中間点を、２相体積−液体噴射体積の比の測定に使用することができる。

冷媒の品質が、ただ１点における測定によって割り出される場合には、このただ１つの点が、好ましくはただ１つの中間点である。中間点における測定の後で、コントローラが、中間点において検出された値から外挿を行なって、全表面の少なくとも大部分を濡らすために必要な液体供給量を近似することが、多くの場合に好都合である。

冷媒の品質が、１対の中間点における測定によって割り出される場合には、コントローラが、典型的には、中間点において検出された値の間で補間を行なって、コア表面の全体の少なくとも大部分を濡らすための所望の供給量を定める。

冷媒の品質が、３点における測定によって割り出される場合には、これら３点が、好ましくは２つの中間点における測定を含む。第３の「測定点」は、蒸発器の出口に関する１つ又は複数のパラメータであり、あるいは好ましくは体積または質量流量などの蒸発器への液体冷媒の供給流の１つ又は複数のパラメータである。そのような３測定の制御方法を使用することによって、コントローラは、蒸発器への液体供給量の制御において、蒸発器コイルへの冷媒の進入の前に、事前措置をとることができる。供給量を、所定の範囲を行き過ぎることがないように調節することができる。さらに、流入する供給量は、中間点および出口点における測定との併用において、制御システムが大負荷と軽負荷との間の区別を行なうことを可能にする。これは、中間点における測定値が供給量の変化につれて変化する可能性があるため、重要である。

さらに、コントローラは、蒸発器への冷媒の流れを制御するために、蒸気の品質に関する入力を使用することもできる。蒸気の品質を、空孔の割合の割り出し、静電容量、特別に較正された質量流量センサ、加熱素子に基づく冷媒品質センサ、など、技術的に公知の種々の方法によって割り出すことができる。

出口蒸気温度の測定も、コントローラによって蒸発器への冷媒の流れを制御するために使用することができる。これは、それが過熱制御の直接膨張であることを意味する。

上述の方法で蒸発器への冷媒の流れを制御することで、コントローラが、内表面の全体がきわめて少ない量の冷媒で濡らされ、蒸発器の外部での冷媒の液体の気化が実質的に生じないように、蒸発器への液体の噴射を調節することができる。

図１が、固定の温度の２相体積についての液体−蒸気の体積／品質のグラフであり、本発明の方法においてコントローラによって受信されて処理される情報の種類を説明している。中間点の位置は、蒸発器内の利用可能な表面の５０％の地点に選択されている。平衡線よりも上方の点は、システムが薄い範囲で動作していることを示している。平衡線よりも下方の点は、システムが濃い状態で動作していることを示している。平衡線に沿った点は、当然ながら平衡にある。

本発明の好ましい実施形態においては、ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、ステップ（ｂ）における蒸発器への流入に先立って前もって冷却される。典型的には、ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜６０°Ｆの間、好ましくは蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜３０°Ｆの間、最も好ましくは０°Ｆ〜５°Ｆの間など、冷媒の沸点の近くまで前もって冷却される。

蒸発器への冷媒の前もっての冷却の値は、蒸発器の入り口におけるフラッシュ蒸気の低減または解消に由来する。蒸発器の入り口におけるフラッシュ蒸気の低減は、蒸発器への進入後の冷媒の膨張を安定化させ、より一様にする。前もっての冷却を備えない冷却システムの蒸発器における冷却負荷の１５％〜３０％またはそれ以上が、フラッシュガスである。そのようなフラッシュガスは、蒸発器の効率を低下させ、蒸発器の出口開口から液体を噴き出させる傾向にある。

さらに、サイクル全体の効率が、前もっての冷却を備える冷却システムにおいては、過熱の必要がなくなることによって大幅に高められる。またさらに、特にアンモニアのシステムにおいて、蒸発器において必要とされる蒸発器表面が、前置冷却器の使用によって大幅に小さくなる。さらにまた、前もっての冷却を備える冷却システムにおいては、蒸発器の入り口開口における圧力損失が、典型的には約２０％も小さくなる。したがって、上述の利点の組み合わせにより、前置冷却器を有する冷却システムは、前置冷却器を有さない冷却システムよりも安定的に、高い信頼性で、効率的に動作することができる。前置冷却器を内部に配置することが、本発明における重要な選択肢である。外部での前もっての冷却（蒸発器の外部に配置された前置冷却システムおよび供給制御システムを使用する）は、先行技術において知られている。中間点または中間点の後で達成される内部での前もっての冷却によれば、２相流における余分な液体がなくなり、したがって前もっての冷却の利点を保ちながら、全体としての流れがバランスされる。

本発明の一実施形態においては、ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、好都合には、中間のサンプリング位置を過ぎて蒸発器内を流れる冷媒との熱接触によって前もって冷却される。

多くの用途において、蒸発器内の１つ又は複数の長さの管、最も好ましくは蒸発器内の各々の長さの管を、拡大する断面を有するように構成することが好ましいかもしれない。典型的には、断面の拡大は、滑らかかつ連続的である。

図２が、蒸発器の全体にわたる理想的な理論上の圧力損失−速度の回路によって実行される本発明の方法を示している。冷媒の液体の供給が、コントローラを使用して制御される。コントローラは、多数のデータ入力を取得する。コントローラの出力が、蒸発器の外部での冷媒の気化をわずかまたは皆無にしながら完全に濡れた気化の内部表面をもたらすように、供給の液体を調節するための供給指令信号をもたらす。全体としての圧力損失は、回路全体を通って流れるフラッシュガスがなくなるがゆえに、依然として好都合なままである。蒸発器における平均の圧力損失は、好ましくは低温の仕事においては０．５ｐｓｉに限られ、中程度の温度の用途においては１ｐｓｉに限られる。

上述のように、先行技術のアンモニア冷却システムは、典型的には、蒸発器からの液体の持ち越しを捕捉するための吸入アキュムレータを必要とする。他方で、本発明の方法は、そのような吸入アキュムレータのサイズを著しく小さくでき、あるいは丸ごとなくすことができるように、蒸発器への供給量を正確に制御することができる。

さらに、本発明は、本発明の方法において使用される冷却システムに関する。冷却システム１０が、（ａ）圧縮機１４と凝縮器１６と蒸発器１８とを含んでおり、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができる冷媒を連続的に循環させるように構成されており、前記蒸発器１８が、入り口開口２２を備える上流部２０と、出口開口２６を備える下流部２４とを有しており、（ｉ）気体の状態の冷媒を圧縮機１４において圧縮し、該冷媒を凝縮器１６において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）液化した状態の冷媒を蒸発器１８へと流すステップと、（ｉｉｉ）蒸発器１８において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、（ｉｖ）蒸発器１８において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、（ｖ）気体の状態の冷媒を蒸発器１８から圧縮機１４へと流すステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉ）〜（ｖ）を繰り返すステップと、を実行するようにさらに構成されている流体を漏らさない循環ループ１２と、（ｂ）液体の状態の冷媒の蒸発器１８への流れを、出口開口２６の上流の蒸発器１８内の冷媒の状態に基づいて制御するためのコントローラ２７と、を備える。

本発明の冷却システム１０の例が、図３に示されている。図３に見て取ることができるとおり、供給管２８が、圧縮機１４から凝縮器１６を通って蒸発器１８へと冷媒を運ぶように設けられている。戻り管３０が、気体の状態の冷媒を蒸発器１８から再び圧縮機１４へと運ぶように設けられている。

図３に示した実施形態においては、凝縮器１６が、冷却水の供給源へと接続された冷却水入力配管３２からの冷却水を使用するプレート凝縮器である。凝縮器１６内の冷却水は、冷却水排出配管３４を介して冷却水の供給源へと戻される。他の種類の凝縮器も、本発明において使用することが可能である。

さらに、図３に示した実施形態においては、コントローラ２７が、供給管２８に配置された液体圧力センサ３６、液体温度センサ３８、および液体流量センサ４０から入力情報を受信するマッチングコントローラである。さらに、コントローラ２７は、蒸気流量センサ４２および蒸気圧力センサ４４（どちらも戻り管３０に配置される）ならびに中間点の冷媒状態センサ４６から入力情報を受信する。

図３に示した冷却システム１０においては、蒸発器１８が、管群式の蒸発器である。これらに限られるわけではないが、プレートおよびフレームからなる蒸発器、二重管蒸発器、シェルおよびプレートからなる蒸発器、ミニチャネル蒸発器、およびマイクロチャネル蒸発器など、他の種類の蒸発器も、本発明において使用可能である。

管群式の蒸発器においては、冷媒が、複数の並列な管回路４８において膨張させられる。蒸発器１８への冷媒の入力は、典型的には、最初に分配ヘッダ５０へと流れ、次いで分配ヘッダ５０から各々の回路４８へと送られる。各々の回路４８は、集合ヘッダ５２へと流れ、すべての冷媒が集合ヘッダ５２に集められ、蒸発器の出口開口２６へと案内される。管群式の蒸発器１８において冷却されるべき流体は、典型的には、管回路４８の外側の周囲を流れる。熱接触の面積をより大きくするために、すべての管回路４８の外側に、間隔を開けて位置する多数の外側フィンを備えることが一般的である。

最も典型的には、冷却されるべき流体は、気体であり、典型的には空気である。しかしながら、本発明において、冷却されるべき流体として、これらに限られるわけではないが水、塩水、液化二酸化炭素、およびグリコール−水の溶液など、液体の流体を使用することもできる。

管群式の蒸発器において、本発明の冷却システム１０の蒸発器１８への液体冷媒の流れを制御する最も単刀直入な方法は、ただ１つの点が１つ又は複数の代表回路の中間点にとられる単一点測定方法である。次いで、すべての回路４８の制御が、これらの読み取り値に基づく。上述のように、特に低温かつ大型の用途にとって魅力的な選択肢は、中間点の冷媒の状態の測定を、蒸発器の入り口の流量と組み合わせることである。その方法が選択されても、典型的には、出口の蒸気の状態も測定される。

図３に示されるように、本発明の別の好ましい実施形態は、蒸発器１８へと供給管２８を流れる冷媒を前もって冷却するための前置冷却器６６の使用を含む。図３に示される実施形態においては、供給管２８を通って流れる冷媒が、前置冷却器６６において蒸発器１８の内部からの冷媒に熱的に接触させられる。図３に示される実施形態においては、蒸発器１８の内部からの冷媒が、好都合には、蒸発器１８から前置冷却器６６へと冷媒を循環させる配管に配置された中間点の冷媒状態センサ４６によって、蒸発器１８内の冷媒の状態に関する入力情報を、コントローラ２７へともたらすためにも使用される。

図４が、１対の前置冷却器６６ａおよび６６ｂが使用される別の流れの仕組みを示している。各々の前置冷却器６６ａまたは６６ｂが、蒸発器１８内の異なる中間点から得られた冷媒を、冷却剤として使用する。冷媒を第１の前置冷却器６６ａへと循環させる配管に、第１の中間点の冷媒の状態センサ４６ａが位置し、第２の前置冷却器６６ｂに、第２の中間点の冷媒の状態センサ４６ｂが位置する。

図３において、コントローラ２７が、蒸発器１８の上流に配置されたモータ駆動の供給入り口制御バルブ５６を調節することによって、蒸発器１８への入力液体冷媒の流れを制御する。図５〜８が、蒸発器１８への液体冷媒の流れの入力を制御するための別のシステムを示している。図５においては、蒸発器１８への液体冷媒の流れの制御が、電子式の個別の回路供給注入システムを使用する。各々の電子インジェクタ５８が、蒸発器回路４８への液体冷媒を正確に計量するように構成されている。コントローラ２７が、電子インジェクタ５８を通る流れを操作することによって、供給管２８における流れを調節する。

図６は、蒸発器１８への液体冷媒の流れの制御が液体計量ポンプ６０を使用する別のシステムを示している。この代案のシステムにおいては、１つ又は複数の供給ノズル６２が使用されるが、コントローラ２７は、そのような供給ノズル６２を操作しない。液体を蒸発器回路４８へともたらすために、精密供給ノズル６２が好ましい。精密供給ノズル６２によれば、蒸発器の飽和した吸入温度またはその付近の前もって冷却された液体が、制御バルブ５６と供給ノズル６２との間でフラッシュを生じることがない。制御動作圧力を、高水準の精度および一様性にて幅広い範囲の負荷に適合するように変化させることができる。電子式の個別の回路の液体注入も、使用することができる。

図７が、さらに別の代案のシステムを示している。この代案のシステムにおいては、液体流量センサ５６からの入力情報も、コントローラ２７へともたらされ、コントローラ２７が、可変速液体ポンプ６４によって供給管２８を通過する液体冷媒の流れを制御する。

図８が、飽和した吸入圧力のフラッシュ冷却された液体が供給されるプレートおよびフレームからなる蒸発器１８における制御システムの使用を示している。図６に示したシステムと同様に、蒸発器１８への液体冷媒の流れは、液体計量ポンプ６０によって制御される。

並列に配置された複数の回路４８を備えている伝統的な蒸発器１８においては、液体の状態の冷媒の蒸発器１８への流れの制御が、蒸発器１８内の１つ又は複数の代表回路４８における冷媒の状態に基づく。図９が、蒸発器１８の上流部２０が複数の上流回路４８ａを備え、下流部２４が複数の下流回路４８ｂを備えている本発明の好ましい実施形態を示している。上流回路４８ａが、ただ１つの中央部ヘッダ６８によって下流回路４８ａへと接続されている。この好ましい実施形態は、上流回路４８ａからの出力を、下流回路４８ｂへの分配の前に一様にすることを可能にする。したがって、中央部ヘッダ６８は、中間冷媒状態センサ４６のための理想的な場所を提供し、そのように配置された場合、蒸発器１８における冷媒の状態に関する入力情報を、上流回路４８ａからの排出における冷媒の状態の重み付け平均においてもたらすことができる。

図９に示した実施形態においては、温かい液体または或る程度まで前もって冷却された液体が、供給管２８によって液体流量センサ４０を過ぎて前置冷却器６６へと供給される。前置冷却器６６において、蒸発器１８への冷媒が、蒸発器１８の内部からの２相の冷媒の流れによって前もって冷却される。次いで、前もって冷却された前置冷却器６６からの液体が、供給入り口制御バルブ５６を過ぎて供給ヘッダ５０へと案内され、供給ヘッダ５０から各々の上流回路４８ａの上流の開口へと案内される。各々の上流回路４８ａからの２相の流れが、前置冷却器６６へと流れ、前置冷却器６６において供給管２８内の供給物を冷却する。２相の冷媒は、前置冷却器６６から中央部ヘッダ６８へと流れる。中間点冷媒状態センサ４６が、中央部ヘッダ６８に配置されている。中央部ヘッダ６８から、冷媒は下流回路４８ｂへと再び分配される。下流回路４８ｂの下流端において、冷媒が集合ヘッダ５２に集められ、戻り管３０へと案内される。蒸発器出口蒸気流量センサ４２において液体が検出された場合には、コントローラ２７が、蒸発器１８への供給量を減らすように指令する。蒸発器出口蒸気流量センサ４２における液体が著しい場合には、シャットダウンまたは他の測定を自動的に開始することができる。

図９に示した実施形態の利点として、（１）きわめて低い温度、低い温度、および中程度の温度に適用できること、（２）フラッシュガスが少なくなり、より一様な供給の調節が可能になること、（３）回路４８の大部分における圧力損失が少なくなること、（４）液体の質量流量または体積が測定される場合に、供給量を所与の負荷に必要な量を行き過ぎないように調節できること、（５）液体の供給の蒸発器の内部での前置冷却によって冷媒が気化し、供給の制御がさらに安定化されること、（６）負荷の前置冷却が蒸発器１８への供給と同じシステムで達成されること、（７）全温度範囲にわたって過熱の不利のない動作を可能にすること、（８）吸入アキュムレータの要件が軽減され、あるいは皆無になること、および（９）適切に選択された対応する高い側が、きわめて少ない冷媒の投入しか必要としないことが挙げられる。

図１０〜１６が、本発明において使用することができるいくつかの異なる流れの仕組みを示している。図１０〜１６に示した流れの仕組みの各々は、低および超低冷却負荷のパッケージの設計に関する。図１０が、冷媒としてのサブクール液体アンモニアおよび蒸発器の前置冷却器６６を有する本発明の冷却システム１０に適用することができる流れの仕組みを示している。図１０は、図３に示したシステムとほとんど同じ方法で構成され、図５〜８に示した方法の多くによって制御することが可能である。しかしながら、図１０においては、前置冷却器６６が、膨張装置７２を通って膨張させられた後の供給管２８から得られる冷媒の一部によって冷却されている。また、高圧フロート（ｈｉｇｈ−ｓｉｄｅ ｆｌｏａｔ）が、前置冷却器６６の下流に使用されている。

図１１が、冷媒としてのサブクール液体アンモニアに適用することができる別の流れの仕組みを示している。この流れの仕組みは、フラッシュ冷却器７５が高圧フロート７４の下流において供給管２８に配置されている点を除き、図１０に示した仕組みにきわめて似ている。図１１には示されていないが、この代案において使用される流れの仕組みは、図５〜７に示した制御の仕組みのいずれかであってよい。

図１２が、高温蒸発器回路システムに適用することができる流れの仕組みを示している。図１２に示されているシステムは、凝縮器１６の下流に前置冷却器６６が使用されていない点を除き、図１１に示したシステムにきわめて似ている。

図１３が、本発明のシステムにおいて複数の蒸発器１８を有しており、蒸発器１８への入力が前もって冷却される流れの仕組みを示している。図１３に示される流れの仕組みは、１対の蒸発器１８が使用されている点を除き、図１１に示した流れの仕組みにきわめて似ている。

図１４が、複数の蒸発器１８を有する高温蒸発器回路システムに適用することができる流れの仕組みを示している。図１４に示される流れの仕組みは、前置冷却器６６が使用されていない点を除き、図１３に示した流れの仕組みに似ている。

図１５が、高温システムに適用することができる流れの仕組みを示している。図１５に示される流れの仕組みは、プレート蒸発器が使用されている点を除き、図１２に示した流れの仕組みにきわめて似ている。

図１６が、大規模な圧縮機バンク７６を中央圧縮機室に配置して有している冷却システム１０のための流れの仕組みを示している。図１６に示される流れの仕組みは、複数の圧縮機１４が使用されている点を除き、図１３に示した流れの仕組みにきわめて似ている。

上述のように、多くの用途においては、蒸発器１８における１つ又は複数の回路管７８（最も好ましくは、蒸発器１８における各々の回路管７８）を、拡大する断面を有するように構成することが好ましいかもしれない。典型的には、そのような断面の拡大は、滑らかかつ連続的である。例えば、蒸発器１８が、第１の上流側の断面積と、第２の下流側の断面積とを有しており、第２の断面積が第１の断面積よりも大きい１つ又は複数の回路管７８を有することができる。図１７が、蒸発器１６内の回路管が、管７８の厚さは変わらないままで、外径を大きくすることによって拡大している本発明の実施形態を示している。図１８が、蒸発器１８内の管７８が、外径は変わらないままで、内径を大きくすることによって拡大している本発明の実施形態を示している。蒸発器の管の内径の拡大は、冷媒が一様な、環状の、最終的には霧状の流れへと変化するときに、急激ではあるが妥当に予測することができる速度の増加を可能にする。液体のパドリング（ｐｕｄｄｌｉｎｇ）が実質的に解消される。図１７および１８に示されるように、中間点冷媒状態センサ４６が、前向きな中間制御点においてコントローラ２７へと入力データをもたらすために使用される。液体の流れ、中間点の状態、および出口蒸気の流れの測定を、蒸発器１８の外部で気化する冷媒をわずかまたは皆無にしながら、回路の内面を完全に濡れた状態に保つことができるように、蒸発器のための供給制御指令をもたらすために三角測量することができる。

拡大された膨張器回路４８を備えるシステムにおいては、典型的には蒸発器１８の最初のいくつかのパスを含む「加速器」または「好ましい速度」ゾーンが、蒸発器１８に定められる。管の内径が比較的小さく始まり、最大の内径に達するまで徐々にサイズが増加する。これらのゾーンにおける内部の表面積に対する始まりの液体の体積が、低い温度においても有利である。パドリングおよび過剰供給が、実質的に解消される。設計速度が、蒸気−液体の比および直接的な蒸気品質の測定を、相対精度で行なうことを可能にする。そのようなゾーンの使用は、標準的な外径の管、ミニ管、ミニチャネル、および他の種類の交換器に当てはまる。中間の蒸気の状態の測定と組み合わせられた冷却の再分配を、固定された内側断面の交換器およびより大型のより伝統的なユニットにおいて適用することができる。

図１９および２０は、拡大する蒸発器の管の断面を有している本発明の実施形態を示している。図２０は、中間点における蒸気の状態の重み付けされた測定のために、個々の回路の流れを集め、個々の回路４８の２相混合物を混ぜ合わせる第１の中央部ヘッダ６８ａにおいて実行される本発明の方法を示している。中間点における冷媒の状態が、コントローラ２７へともたらされ、蒸発器１８への液体の冷媒の流量の制御に使用される。図２０に示されるとおり、混合された冷媒の流れは、第１の中央部ヘッダ６８ａの下流において、第２の中央部ヘッダ６８ｂを通って分配され、液体の前置冷却の熱交換を含んでおり、その後に蒸発器１８の下流部２４へと戻される。コントローラ２７の出力が、コイルの内表面を完全に濡らすように計算される液体の供給の調節のための指令をもたらす。蒸発器１８の外部で気化する冷媒は、わずかまたは皆無である。

冷却システムの使用の理論的な例が、以下のように提供される。

約３．２５ｐｓｉｇの圧力の蒸発器出口吸入蒸気が、圧縮機へと移動する。蒸発器出口吸入の圧力が、圧力トランスデューサによって検出される。圧縮機において約１５０ｐｓｉｇのより高い圧力へと圧縮された後で、蒸気が、高圧管を通って凝縮器へと供給される。高圧の蒸気が、凝縮器において、典型的には冷却塔水を使用して凝縮させられる。約８４°Ｆの温かい高圧の液体が、凝縮器から高圧管を介して前置冷却器へと供給され、前置冷却器において液体の冷媒が約−１７°Ｆへと冷却される。

前置冷却器を出る前置冷却された液体の圧力における前置冷却された液体が、圧力トランスデューサによって検出される。前置冷却器を出る前置冷却された液体の温度が、温度センサによって検出される。液体の体積流量が、液体体積流量計４０によって測定される。蒸発器への供給量が、モータ駆動の制御バルブによって調節される。液体供給ノズルが、任意の数の蒸発器回路への一様な液体供給量を保証する。液体供給調節バルブと供給ノズルとの間で、フラッシュ蒸気はほとんど、または全く生じない。

液体が蒸発器コイルに進入し、いくつかの加速器ゾーンまたはパスのうちの第１の加速器ゾーンまたはパスへと流入する。蒸発器における冷媒は、約−２０°Ｆの温度で沸騰し、液体の体積と比べて比較的大量の蒸気を生じさせる。蒸発器の最初のパスは、小さな内径を有している。この最初のパスの内側の表面積に対する液体の体積は、表面の完全な濡れおよび良好な熱伝達に有利である。加速器および好ましい速度ゾーンまたはパスの後は、徐々に大きくなる内径を有している。負荷のもとで、２相の液体および蒸気の流れは、所望の流れの状況へと加速する。液体のフラッシュの蒸気が流れにおいて少なくなり、設計流速がきわめて少ない体積および法外でない圧力損失で生じることに、注意すべきである。回路の中間または後の部分において、２相の流れは霧状の流れの状況へと移動する。

任意の数の回路からの流れが、前置冷却熱交換器を備える中間ヘッダへと移動し、前置冷却熱交換器において、凝縮器からの温かい液体を冷却する。２相の蒸発する流れの全体が、中間ヘッダを出て、再分配ヘッダへと移動する。中間点において、２相の品質が測定される。再分配ヘッダを出る２相の流れは、すべての回路へと一様に、少なくとも１つの残りのパスへと移動し、そこで霧が消え、蒸発器の出口における単相の蒸気の流れが形成される。蒸発器出口蒸気体積が、吸入蒸気センサによって測定される。コントローラが、体積センサ、圧力トランスデューサ、および温度センサからの入力信号を受信する。中間点における蒸気の品質が計算され、液体供給制御が、蒸発器が内表面が完全に濡れた状態で、しかしながら液体が蒸発器の出口まで残ることがないように動作するために必要な液体の量に一致する供給制御指令を与える。

以上、本発明を説明したが、上述および特許請求の範囲によって後述される本発明の技術的範囲および公正な意味から外れることなく、多数の構造的な変更および調整が可能であることは、明らかである。

Claims (24)

1. 圧縮機と凝縮器と蒸発器とを含む流体を漏らさない循環ループ内に配置された冷媒を有しており、該冷媒が、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができ、前記蒸発器が、入り口開口を備える上流部と、出口開口を備える下流部とを有している冷却システムを制御する方法であって、
   （ａ）気体の状態の冷媒を圧縮機において圧縮し、該冷媒を凝縮器において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、
   （ｂ）液化した状態の冷媒を蒸発器へと流すステップと、
   （ｃ）蒸発器において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、
   （ｄ）蒸発器において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、
   （ｅ）気体の状態の冷媒を蒸発器から圧縮機へと流すステップと、
   （ｆ）ステップ（ａ）〜（ｅ）を繰り返すステップと、
   （ｇ）ステップ（ｂ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れを、前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態に基づいて制御するステップと
   を含む方法。
2. ステップ（ｇ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、蒸発器における２相状態の冷媒の蒸気の体積の液体の体積に対する比に基づく、請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ｇ）における液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、蒸発器内の冷媒の品質に基づく、請求項１に記載の方法。
4. ステップ（ｇ）における前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態が、蒸発器内の中間点における冷媒の状態である、請求項１に記載の方法。
5. ステップ（ｇ）における前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態が、１対の中間点における冷媒の状態の補間における計算された冷媒の状態である、請求項１に記載の方法。
6. ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、ステップ（ｂ）における蒸発器への流入に先立って前もって冷却される、請求項１に記載の方法。
7. ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜６０°Ｆへと前もって冷却される、請求項６に記載の方法。
8. ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜３０°Ｆへと前もって冷却される、請求項６に記載の方法。
9. ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜５°Ｆへと前もって冷却される、請求項６に記載の方法。
10. ステップ（ｇ）における冷媒の状態が、蒸発器から引き出された冷媒から判断され、ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器内を流れる冷媒との熱接触によって前もって冷却される、請求項１に記載の方法。
11. 蒸発器の上流部が、各々が上流側の第１の断面積と下流側の第２の断面積とを有している１つ又は複数の長さの管を備えており、前記第２の断面積が前記第１の断面積よりも大きい、請求項１に記載の方法。
12. 蒸発器の上流部が複数の上流回路を備え、下流部が複数の下流回路を備え、複数の前記上流回路が、中央部ヘッダによって複数の前記下流回路へと接続されている、請求項１に記載の方法。
13. 液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、前記中央部ヘッダにおける冷媒の状態に基づく、請求項１２に記載の方法。
14. （ａ）圧縮機と凝縮器と蒸発器とを含んでおり、液化した状態、気体の状態、ならびに液化した状態の冷媒および気体の状態の冷媒の両方を含む２相状態で存在することができる冷媒を連続的に循環させるように構成されており、前記蒸発器が、入り口開口を備える上流部と、出口開口を備える下流部とを有しており、（ｉ）気体の状態の冷媒を圧縮機において圧縮し、該冷媒を凝縮器において冷却して液化した状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）液化した状態の冷媒を蒸発器へと流すステップと、（ｉｉｉ）蒸発器において冷媒の圧力を下げ、２相状態の冷媒を得るステップと、（ｉｖ）蒸発器において２相状態の冷媒の圧力を下げ、気体の状態の冷媒を得るステップと、（ｖ）気体の状態の冷媒を蒸発器から圧縮機へと流すステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉ）〜（ｖ）を繰り返すステップと、を実行するようにさらに構成されている流体を漏らさない循環ループと、
    （ｂ）液体の状態の冷媒の蒸発器への流れを、冷媒の状態に基づいて制御するためのコントローラと
    を備えており、
    前記コントローラによる蒸発器への冷媒の流れの制御に、前記出口開口の上流の蒸発器内の冷媒の状態が用いられる冷却システム。
15. 前記コントローラによる蒸発器への冷媒の流れの制御に用いられる冷媒の状態が、蒸発器における２相状態の冷媒の蒸気の体積の液体の体積に対する比である、請求項１４に記載の冷却システム。
16. 前記コントローラによる蒸発器への冷媒の流れの制御に用いられる冷媒の状態が、蒸発器内の中間点における冷媒の品質である、請求項１４に記載の冷却システム。
17. 前記コントローラによる蒸発器への冷媒の流れの制御に用いられる冷媒の状態が、蒸発器内の２つの中間点の間の補間における計算された冷媒の状態である、請求項１４に記載の冷却システム。
18. 前記コントローラによる蒸発器への冷媒の流れの制御に用いられる冷媒の状態が、前記出口開口の上流の蒸発器内の１対の中間点における冷媒の状態の補間における計算された冷媒の状態である、請求項１４に記載の冷却システム。
19. 蒸発器へと流入する冷媒を前もって冷却する内部の前置冷却器をさらに備える、請求項１４に記載の冷却システム。
20. 前記前置冷却器が、蒸発器の入り口開口における冷媒の圧力での沸点の０°Ｆ〜３０°Ｆの範囲内へと冷媒を冷却することができる、請求項１９に記載の冷却システム。
21. 前記コントローラが、蒸発器から引き出された冷媒の状態を判断するように構成され、ステップ（ａ）からの液化した状態の冷媒が、蒸発器内を流れる冷媒との熱接触によって前もって冷却される、請求項１９に記載の冷却システム。
22. 蒸発器の上流部が、各々が第１の断面積を有する１つ又は複数の長さの管を備え、下流部が、各々が前記第１の断面積よりも大きい第２の断面積を有する１つ又は複数の長さの管を備えている、請求項１４に記載の冷却システム。
23. 蒸発器の上流部が複数の上流回路を備え、下流部が複数の下流回路を備え、複数の前記上流回路が、中央部ヘッダによって複数の前記下流回路へと接続されている、請求項１４に記載の冷却システム。
24. 液体の状態の冷媒の蒸発器への流れの制御が、前記中央部ヘッダにおいて測定される冷媒の状態に基づく、請求項２３に記載の冷却システム。

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