JP2017506321A - 複数の蒸発器ゾーンへの個別の給送流を有する冷却システム - Google Patents

Abstract

冷却システム１０は、（ａ）圧縮器１２と、凝縮器１４と、蒸発器１８とを含む液密な循環ループ１１であって、蒸発器１８は少なくとも３つの蒸発器ゾーンを有し、各蒸発器ゾーンは入口孔３６を有し、循環ループ１１は、冷媒の状態を、蒸発器１８内において蒸発器出口孔３４の上流に配置された冷媒状態センサ４４で測定し、蒸発器１８への冷媒の流動を、蒸発器１８内の冷媒の測定状態に基づいて制御するようにさらに構成される、液密な循環ループと、（ｂ）蒸発器１８への冷媒の流量を、蒸発器１８内における蒸発器出口孔３４の上流の冷媒の測定状態に基づいて制御するための制御器４０と、を有する。【選択図】 図１

Description

本国際出願は、２０１４年２月７日出願の「Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｆｅｅｄｓｔｒｅａｍｓ ｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｘｐａｎｄｉｎｇ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｚｏｎｅｓ」という名称の米国特許出願第６１／９３７，０３３号の利益を主張する２０１５年２月５日出願の「Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｆｅｅｄｓｔｒｅａｍｓ ｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｚｏｎｅｓ」という名称の米国特許出願第１４／６１４，６９３号に対する優先権、および２０１４年５月１５日出願の「Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｆｅａｔｕｒｅ」という名称の米国特許出願第６１／９９３，８６５号に対する優先権を主張し、これらの全体は参照によって本明細書に組み込まれる。

圧縮器と凝縮器と蒸発器とを備える冷却システムは、多種多様な構成を有している。これらの構成のうちで最も一般的なものは、概して「直接膨張式システム」と称される。直接膨張式システムにおいて、冷媒蒸気は圧縮器において加圧され、凝縮器において液化され、蒸発器において再気化を可能とされ、次いで圧縮器へと還流される。

直接膨張式システムにおいて、蒸発器を出た冷媒蒸気の過熱量は、制御パラメータとしてほぼ排他的に使用される。直接膨張式システムは、過熱状態をもたらすために蒸発器の約２０％から３０％を乾燥状態として動作する。

この制御方法の課題は、過熱制御は、小さな温度差、広いフィン間隔またはピッチ、軽量の負荷および含水量によって悪影響を受けることである。蒸発器は、同等の表面を利用可能とするために２０％から３０％大きくなくてはならない。また、過熱制御は、蒸発器の温度がおよそ華氏０°である、アンモニアまたは類似の冷媒を用いるシステムなどの低温システムにおいては、良好に動作しない。

過熱制御方法のさらなる欠点は、この方法は、入口における過度の奔流（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｉｎｌｅｔ ｆｌａｓｈｉｎｇ）を起こしがちであることである。このような入口における奔流は、蒸発器内での圧力の低下や移行の不安定性をもたらし、蒸発器コイルの遠位端からの液体の強制的な膨張をもたらす。また、この制御方法は、冷媒がアンモニアまたは他の低温の冷媒である場合に特に問題があり、というのは、典型的には多量の液体冷媒が蒸発器から放出され、蒸発器の下流に大型の液体トラップの使用が必要となるからである。

従って、全ての過熱制御膨張システムにおいて、効率性および能力において、必然的に消極的な妥協がなされる。

前述の課題は、近年の冷却システム制御方法の発展によって、大いに克服されており、そこでは、蒸発器給送量は、システム蒸発器内で測定された冷媒状態に応じて制御される。（２０１１年１２月６日出願の「ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＢＹ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＮＴ ＱＵＡＬＩＴＹ ＷＩＴＨＩＮ ＥＶＡＰＯＲＡＴＯＲ」という名称の米国特許出願第１３／３１２，７０６号を参照のこと。）しかしながら、さらに大きな効率性への強い動機はいまだに残っている。

本発明は、このようなより大きな効率性を有する冷却システムを提供する。一態様において、本発明は、冷却システムであって、（ａ）圧縮器と、凝縮器と、蒸発器とを含む液密な循環ループであって、循環ループは、液化状態、気体状態、ならびに液化状態にある冷媒および気体状態にある冷媒の両方を備える二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、蒸発器は出口孔と少なくとも３つの蒸発器ゾーンとを有し、各蒸発器ゾーンは入口孔を有し、循環ループは、（ｉ）気体状態にある冷媒を圧縮器内で圧縮し、冷媒を凝縮器内で冷却して、液化状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）冷媒を凝縮器から各蒸発器ゾーンの入口孔を介して蒸発器内へと流動させるステップであって、冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｉｉｉ）冷媒を蒸発器から圧縮器へと流動させるステップと、（ｉｖ）ステップ（ｉ）〜ステップ（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、（ｖ）冷媒の状態を、蒸発器内において蒸発器出口孔の上流に配置された冷媒状態センサで測定するステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉｉ）における蒸発器への冷媒の流動を、ステップ（ｖ）からの蒸発器内の冷媒の測定状態に基づいて制御するステップと、を実行するようにさらに構成される、液密な循環ループと、（ｂ）蒸発器への冷媒の流量を、蒸発器内における蒸発器出口孔の上流の冷媒の測定状態に基づいて制御するための制御器とを備える冷却システムである。

別の態様において、本発明は、冷却システムを用いた方法であって、（ａ）気体状態にある冷媒を圧縮器内で圧縮し、冷媒を凝縮器内で冷却して、液化状態の冷媒を得るステップと、（ｂ）冷媒を凝縮器から各蒸発器ゾーンの入口孔を介して蒸発器内へと流動させるステップであって、冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｃ）冷媒を蒸発器から圧縮器へと流動させるステップと、（ｄ）ステップ（ａ）〜ステップ（ｃ）を繰り返すステップと、（ｅ）冷媒の状態を、蒸発器内において出口孔の上流に配置された冷媒状態センサで測定するステップと、（ｆ）ステップ（ｂ）における蒸発器への冷媒の流量を、ステップ（ｅ）からの冷媒の冷媒状態の測定状態に基づいて制御するステップと、を備える方法である。

本発明の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および付属の図面を参照することでよりよく理解されよう。

本発明の特徴を有する第１の冷却システムを示す流れ図である。 本発明の特徴を有する第２の冷却システムを示す流れ図である。 本発明の特徴を有する第３の冷却システムを示す流れ図であり、本発明の特徴を有する第１の冷却システムである。 本発明の特徴を有する第４の冷却システムを示す流れ図であり、本発明の特徴を有する第１の冷却システムである。 本発明において使用可能な蒸発器内の連続的に膨張する連続的な管材を図式的に表した図である。 本発明の特徴を有する第５の冷却システムを示す流れ図であり、本発明の特徴を有する第１の冷却システムである。 本発明の特徴を有する第６の冷却システムを示す流れ図であり、本発明の特徴を有する第１の冷却システムである。

以下の記述は、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形を詳細に説明する。しかしながら、この記述は、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されるべきではない。当業者は、多くの他の実施形態を同様に認識するであろう。

定義
本明細書において使用される際に、以下の語およびその変化形は、そのような語が使用される文脈によって異なる意味が明らかに意図されない限り、下記において与えられる意味を有する。

本明細書において使用される「ある（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」という語ならびに類似の指示対象は、文脈におけるその使用法がそうでないと示さない限り、単数形と複数形との両方を含むものと解釈される。

本開示において使用される際に、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語ならびに「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などのこの語の変化形は、他の追加物、部品、完全体、成分またはステップを排除することを意図しない。

発明
本発明は、冷却システム１０、および冷却システム１０の動作を制御するための方法である。冷却システム１０は、圧縮器１２と、凝縮器１４と、蒸発器１８とを含む液密な循環ループ１１を備える。

圧縮器１２は、排出側５６と吸引側５７とを有する。凝縮器１４は、少なくとも１つの凝縮器注入孔９２と凝縮器出口孔９４とを有する。蒸発器１８は、少なくとも３つの蒸発器注入孔３６と１つの蒸発器出口孔３４とを有する。

循環ループ１１は、液化状態、気体状態、ならびに液化状態にある冷媒および気体状態にある冷媒の両方を備える二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る。

蒸発器１８は、好ましくは、蒸発器入口孔３６の１つを構成する入口開口３２と蒸発器出口孔３４を構成する排出開口３３とを有する少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２を備える。このような実施形態において、少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２は、少なくとも３つの蒸発器ゾーン、すなわち、最上流蒸発器ゾーン、最下流蒸発器ゾーンおよび１つまたは複数の中間蒸発器ゾーンを備える。各蒸発器ゾーンは、１つまたは複数の蒸発器注入孔３６を有する。最上流蒸発器ゾーンの蒸発器入口孔３６ａは、少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２の入口開口３２である。

本発明において、凝縮器１４からの冷媒は、個別の給送流に分割され、１つの給送流は各蒸発器ゾーンの冷媒入口孔３６と液密に連通する。

循環ループ１１は、（ｉ）気体状態にある冷媒を圧縮器１２内で圧縮し、冷媒を凝縮器１４内で冷却して、液化状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）冷媒を凝縮器１４から各蒸発器ゾーンの入口孔３６を介して蒸発器１８内へと流動させるステップであって、冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｉｉｉ）冷媒を蒸発器１８から圧縮器１２へと流動させるステップと、（ｉｖ）ステップ（ｉ）〜ステップ（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、（ｖ）冷媒の状態を、蒸発器１８内において蒸発器出口孔３４の上流に配置された冷媒状態センサ４４で測定するステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉｉ）における蒸発器１８への冷媒の流動を、ステップ（ｖ）からの蒸発器１８内の冷媒の測定状態に基づいて制御するステップと、を実行するようにさらに構成される。

ステップ（ｉｉ）における蒸発器１８への冷媒の流動の制御は、蒸発器給送量制御器４０によって行われる。蒸発器給送量制御器４０は、蒸発器１８への冷媒の流量を、蒸発器１８内における蒸発器出口孔３４の上流の冷媒の測定状態に基づいて制御する。

本発明において、各蒸発器ゾーン内でのチューブ２２の断面積は、好ましくは、その下流の蒸発器ゾーン内でのチューブ２２の断面積よりも小さい。また、最上流蒸発器ゾーン内および各中間蒸発器ゾーン内でのチューブ２２の断面積は、その入口孔３６からその下流の蒸発器ゾーンの入口孔３６へ滑らかにおよび連続的に膨張することが好ましい。典型的には、連続的な長さのチューブ２２は、最も上流側の蒸発器ゾーンの入口孔３６ａから蒸発器出口孔３４へ継続的かつ滑らかに膨張する。

少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２は、入口開口３２においておよそ０．３７５インチから０．７５インチの間の断面直径を有し、排出開口においておよそ０．５インチから０．８７５インチの間の断面直径を有する円形の断面を有することもまた典型的である。

凝縮器１４もまた、複数の凝縮器ゾーンに分割され得、各凝縮器ゾーンは、１つまたは複数の凝縮器入口孔９２を有する。図面に図示された実施形態において、凝縮器１４は、３つの凝縮器ゾーン、すなわち、上流凝縮器ゾーン、中間凝縮器ゾーンおよび下流凝縮器ゾーンを備える。これらの実施形態において、圧縮器１２からの加圧冷媒は個別の加圧冷媒給送ライン１６に分割され、１つの加圧冷媒給送ライン１６は、各凝縮器ゾーンの凝縮器入口孔９２と液密に連通する。

図１〜図４は、本発明の冷却システム１０の４つの実施形態を図示する。図１に図示された実施形態において、気体冷媒は、圧縮器１２において加圧され、加圧冷媒ライン１６を介して凝縮器１４へと流動される。凝縮器１４において、冷媒は冷却水などの冷却剤と熱的に接触し、このことによって液体状態へと凝縮する。冷媒は、凝縮器１４から蒸発器給送ライン２０を介して蒸発器１８へと流動される。蒸発器１８内の少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２において、冷媒は熱の吸収を通じて気体状態へと変換される。冷媒は、蒸発器１８から蒸発器排出ライン２４を介して流動して圧縮器１２へと戻る。

図１〜図４に図示された実施形態において、ドロップレッグ（ｄｒｏｐ ｌｅｇ）２６が、蒸発器排出ライン２４に配置される。通常動作の間は、蒸発器１８を出た微量の冷媒液体および潤滑剤は、比較的速い速度で圧縮器１２の吸引側５７に直接的に移動する。非常に負荷が軽いときまたは電源不良の後の始動時などの異常動作の際には、冷媒液体および潤滑オイルは、ドロップレッグ２６の下端部に集まる。ドロップレッグ２６の底部に付与される熱および／またはドロップレッグ加熱器２８によってもたらされる熱は、少量の冷媒液体を蒸発させ、高粘度の液体を加温する。その後、ドロップレッグ２６の下端部に分離された冷媒液体およびオイルは、ドロップレッグ加熱器帰還ライン３０を通って、圧縮器１２へと戻される。

図面に図示された実施形態において、少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２は、４つのゾーンに分割される。ゾーンＡは最上流蒸発器ゾーン、ゾーンＢは第１の中間蒸発器ゾーン、ゾーンＣは第２の中間蒸発器ゾーン、およびゾーンＤは最下流蒸発器ゾーンである。各蒸発器ゾーンは、冷媒注入孔、すなわち、注入孔３６ａ〜３６ｄをそれぞれ有する。蒸発器ゾーンＡの冷媒入口孔３６ａは、少なくとも１つの連続的な長さのチューブ２２の入口開口３２である。

図１に図示された実施形態において、蒸発器給送ライン２０からの冷媒は、４つの個別の蒸発器給送流３８に分割され、１つの蒸発器給送流は、各蒸発器ゾーンの冷媒入口孔３６と液密に連通する。図１に図示された実施形態において、蒸発器給送ライン２０から流入する冷媒の分割は、４つの蒸発器ゾーンそれぞれへの冷媒の流動が実質的に等しくなるようになされる。

蒸発器給送ライン２０から流入する冷媒の総量は、蒸発器給送注入制御弁すなわちインジェクタ４２に信号を送信する蒸発器給送量制御器４０によって制御される。蒸発器給送量制御器４０は、蒸発器１８内において蒸発器の排出開口３４の上流に配置された１つまたは複数の冷媒特性センサ４４から、蒸発器１８内での冷媒の状態に関する信号を受信する。好ましくは、１つのこのような冷媒状態センサ４４は、蒸発器１８内において蒸発器の排出開口３４に近接して配置される。冷却蒸発器１８内に配置された冷媒状態センサの使用および動作は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる２０１１年１２月６日出願の「ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ ＢＹ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＮＴ ＱＵＡＬＩＴＹ ＷＩＴＨＩＮ ＥＶＡＰＯＲＡＴＯＲ」という名称の米国特許出願第１３／３１２，７０６号において詳細に論じられている。

図１に図示された実施形態において、凝縮器１４は、３つの凝縮器ゾーンに分割される。凝縮器ゾーンＸは最上流凝縮器ゾーン、凝縮器ゾーンＹは中間凝縮器ゾーン、および凝縮器ゾーンＺは最下流凝縮器ゾーンである。各凝縮器ゾーンは、凝縮器注入孔、すなわち、凝縮器注入孔９２ａ〜９２Ｃをそれぞれ有する。

図１に図示された実施形態において、加圧冷媒ライン１６からの冷媒は、３つの個別の凝縮器給送流に分割され、１つの凝縮器給送流は、各凝縮器ゾーンの凝縮器入口孔９２と液密に連通する。図１に図示された実施形態において、加圧冷媒ライン１６から流入する冷媒の分割は、３つの凝縮器ゾーンそれぞれへの冷媒の流動が実質的に等しくなるようになされる。

図２は、個別の給送注入制御弁すなわちインジェクタ４２に信号を送信する蒸発器給送量制御器４０によって４つの蒸発器ゾーンへの各蒸発器給送流３８が個別に制御される点を除いて図１に図示された実施形態と類似の、冷却システム１０の実施形態を図示する。各蒸発器ゾーンのための蒸発器給送量制御器４０は、各蒸発器ゾーンに配置された１つまたは複数の冷媒状態センサ４４から入力信号を受信する。

図３は、４つの蒸発器ゾーンへの個別の蒸発器給送流３８が蒸発器給送予冷器４６における気化した冷媒との熱的な接触によってまず予冷される点を除いて図２に図示された実施形態と類似の、冷却システム１０の実施形態を図示する。蒸発器給送予冷器４６の使用および動作もまた、米国特許出願第１３／３１２，７０６号において詳細に論じられている。

図４は、図１に図示された実施形態と類似の冷却システム１０の実施形態を図示し、蒸発器排出ライン２４からの冷媒蒸気のいくらかを蒸発器排出蒸気圧昇圧器５０を通じて、冷媒蒸気を各冷媒注入孔３６へと送り込むための蒸発器排出蒸気インジェクタ５２内へと再循環させる蒸発器排出蒸気再循環ライン４８が追加されている。この実施形態においても、蒸発器給送量制御器４０は、冷媒状態センサ４４に感知された蒸発器１８内の冷媒特性に基づいて、蒸発器給送注入制御弁すなわちインジェクタ４２によって冷媒蒸発器給送の流動を調節する。蒸発器排出蒸気圧昇圧器５０は、典型的には給送量制御器４０および冷媒状態センサ４４を使用して、全ての負荷状態において蒸発器１８内の二相冷媒の体積を平衡状態に維持するように動作する。

図５は、入口孔から排出孔へ滑らかにおよび連続的に膨張する、冷却システム蒸発器１８内の連続的な長さのチューブ２２の実例を図示する。入口孔から排出孔へ滑らかにおよび連続的に膨張する、冷却システム蒸発器１８内の連続的な長さのチューブ２２の使用および動作もまた、米国特許出願第１３／３１２，７０６号において詳細に論じられている。

動作においては、（ａ）気体状態にある冷媒を圧縮器１２内で圧縮し、冷媒を凝縮器１４内で冷却して、液化状態の冷媒を得るステップと、（ｂ）冷媒を凝縮器１４から各蒸発器ゾーンの入口孔３６を介して蒸発器内へと流動させるステップであって、冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｃ）冷媒を蒸発器１８から圧縮器１２へと流動させるステップと、（ｄ）ステップ（ａ）〜ステップ（ｃ）を繰り返すステップと、（ｅ）冷媒の状態を、蒸発器１８内において蒸発器出口孔３４の上流に配置された冷媒状態センサで測定するステップと、（ｆ）ステップ（ｂ）における蒸発器１８への冷媒の流量を、ステップ（ｅ）からの冷媒の測定状態に基づいて制御するステップと、を実行するために、上述の冷却システム１０を用いることができる。

本発明の冷却システム１０は、蒸発器１８および／または凝縮器１４の過度に冷やされた部分を加温するために、蒸発器１８もしくは凝縮器１４に、または蒸発器１８および凝縮器１４の両方に、周期的に暖かい冷媒蒸気を送る選択的な蒸気流路をさらに備え得る。図６および図７はこのような選択的な蒸気流路を有する実施形態を図示する。

図６および図７は、蒸発器給送制御に関して図１に図示された冷却システム１０と類似の冷却システム１０の実施形態を図示する。図６および図７に図示された実施形態において、冷却システム１０は、選択的に、（ｉ）冷媒を、凝縮器１４へと最初に流動させることなしに、圧縮器１２の排出側５６から蒸発器入口孔３６へと流動させ、（ｉｉ）蒸発器１８を出た冷媒を凝縮器１４の出口孔９４へと流動させ、（ｉｉｉ）冷媒を凝縮器出口孔９４から凝縮器１４を通って凝縮器入口孔９２へと流動させ、（ｉＶ）冷媒を凝縮器入口孔９２から圧縮器１２の吸引側５７へと流動させるための反転導管および弁５４をさらに備える。

図６および図７に図示された実施形態において、ドロップレッグ２６の下端部に分離されドロップレッグ加熱器２８において加熱された冷媒液体およびオイルは、ドロップレッグ加熱器帰還ライン３０を介して三方弁５８へと送られ、三方弁５８から、選択的に第１の加熱分離ライン６０または第２の加熱分離ライン６２へと送られる。第１の加熱分離ライン６０は、圧縮器入口ライン６４に接続される。第２の加熱分離ライン６２は、凝縮器加温ライン弁７０を有する凝縮器加温ライン６８を介して第１の凝縮器排出ライン６６に接続される。凝縮器加温ライン弁７０の動作は、加圧冷媒ライン１６内の冷媒の温度に応答する凝縮器加温ライン制御器９０によって制御される。

ドロップレッグ２６の上部からの減圧冷媒蒸気は、低減冷媒蒸気ヘッダブロック弁７４を有する低減冷媒蒸気ヘッダ７２を介して四方弁７６へと除去される。減圧冷媒蒸気は、四方弁７６から、減圧冷媒蒸気給送ライン７８を介して圧縮器入口ライン６４へと送られ得る。

圧縮器排出ライン８０を介して圧縮器１２を出た高圧冷媒蒸気は、四方弁７６へと送られる。高圧冷媒蒸気は、四方弁７６から、選択的に、加圧冷媒ライン１６へとまたは蒸発器加温ラインブロック弁８４を有する蒸発器加温ライン８２を介して蒸発器１８へと送られ得る。

第１の凝縮器排出ライン６６において凝縮器１４を出た凝縮した冷媒は、第２の凝縮器排出ラインブロック弁８８を有する第２の凝縮器排出ライン８６を介して蒸発器給送ライン２０へと送られる。

図６は、通常冷却モードにある冷却システム１０を図示する。このような通常冷却モードにおいて、三方弁５８は、ドロップレッグ２６の下端部に分離されドロップレッグ加熱器２８において加熱された冷媒液体およびオイルを、第１の加熱分離ライン６０へと送るように設定される。四方弁７６は、減圧冷媒蒸気をドロップレッグ２６の上部から減圧冷媒蒸気給送ライン７８を介して圧縮器入口ライン６４へと送り、高圧冷媒蒸気を圧縮器排出ライン８０から凝縮器入口ライン加圧冷媒ライン１６へと送るように設定される。凝縮器加温ライン弁７０は閉じられ、蒸発器加温ラインブロック弁８４も同様である。容易に理解され得ようが、このような通常冷却モードは、（ａ）気体状態にある冷媒を圧縮器１２内で圧縮し、冷媒を凝縮器１４内で冷却して、液化状態の冷媒を得ることと、（ｂ）冷媒を凝縮器１４から蒸発器１８内へと流動させ、冷媒が気体状態へと変換されることと、（ｃ）冷媒を蒸発器１８から圧縮器１２へと流動させることと、を繰り返し行うように構成される。

図７は、冷却システム１０が、凝縮器１４および蒸発器１８の過度に冷やされた部分を加温するために、どのようにして素早くおよび容易に加温モードに周期的に変更され得るかを図示する。このような昇温モードにおいては、三方弁５８は、ドロップレッグ加熱器２８において加熱された冷媒液体およびオイルを第２の加熱分離ライン６２へと送るように設定される。凝縮器加温ライン弁７０は開かれ、第２の凝縮器排出ラインブロック弁８８は閉じられる。上述のように、凝縮器加温ライン弁７０の動作は、加圧冷媒ライン１６内の冷媒の温度に応答する凝縮器加温ライン制御器９０によって制御される。四方弁７６は、圧縮器１２を出た高圧冷媒蒸気を蒸発器加温ライン８２を介して蒸発器１８へと送るように設定される。蒸発器加温ラインブロック弁８４は開かれる。四方弁７６はまた、冷媒を加圧冷媒ライン１６から圧縮器入口ライン６４へと送るように設定される。

このように、この加温モードにおいては、凝縮器１４は蒸発器として機能する傾向があり、蒸発器１８は凝縮器として機能する傾向がある。加温モードにおいては、高圧冷媒は、圧縮器排出ライン８０、四方弁７６および蒸発器加温ライン８２を介して蒸発器１８へと送られる。蒸発器１８から流出した冷媒は、ドロップレッグ２６、ドロップレッグ加熱器２８、三方弁５８、第２の加熱分離ライン６２および凝縮器加温ライン６８を介して凝縮器１４へと送られる。凝縮器１４から流出した冷媒は、加圧冷媒ライン１６、四方弁７６および減圧冷媒蒸気給送ライン７８を介して圧縮器入口ライン６４へと戻される。

図６および図７に図示された本発明の実施形態は、蒸発器１８および凝縮器１４の過度に冷却された部分を加温する単純で効果的な能力を有する冷却システムを提供する。

同等の能力の従来技術の冷却システムと比べると、本発明の冷却システムは、著しく少ない冷媒を使用する。例えば、図４に図示された実施形態において、同等の能力の従来技術のシステムと比べると約５０％少ない冷媒が必要とされる。図４に図示された実施形態における蒸発器１８内での冷媒滞留時間は、同等の能力の従来技術のシステムによって必要とされる滞留時間の約１％にすぎない。

以上のとおり本発明の説明を行ってきたが、本明細書において上記に列挙され、本明細書において下記の特許請求の範囲に記載された、本発明の範囲および公正な意味から逸脱せずに多くの構造的変更および適合が行われ得ることは明らかである。

Claims (27)

1. 冷却システムを制御する方法であって、前記冷却システムは、圧縮器と、凝縮器と、蒸発器とを含む液密な循環ループ内に配置された冷媒を備え、前記冷媒は、液化状態、気体状態、ならびに前記液化状態にある冷媒および前記気体状態にある冷媒の両方を備える二相状態で存在することができ、前記蒸発器は出口孔と少なくとも３つの蒸発器ゾーンとを有し、各蒸発器ゾーンは蒸発器ゾーン入口孔を有し、前記方法は、
   （ａ）気体状態にある冷媒を前記圧縮器内で圧縮し、前記冷媒を前記凝縮器内で冷却して、前記液化状態の冷媒を得るステップと、
   （ｂ）冷媒を前記凝縮器から各蒸発器ゾーンの前記入口孔を介して前記蒸発器内へと流動させるステップであって、前記冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、
   （ｃ）冷媒を前記蒸発器から前記圧縮器へと流動させるステップと、
   （ｄ）ステップ（ａ）〜ステップ（ｃ）を繰り返すステップと、
   （ｅ）前記冷媒の状態を、前記蒸発器内において前記出口孔の上流に配置された冷媒状態センサで測定するステップと、
   （ｆ）ステップ（ｂ）における前記蒸発器への冷媒の流量を、ステップ（ｅ）からの前記冷媒の前記冷媒状態の前記測定状態に基づいて制御するステップと、を備える方法。
2. 前記蒸発器の前記少なくとも３つのゾーンは、連続的な長さのチューブによって提供される、請求項１に記載の方法。
3. 前記蒸発器の前記少なくとも３つのゾーンは、連続的な長さのチューブによって提供され、前記連続的な長さのチューブは、最も上流側の蒸発器ゾーンの前記入口孔から前記蒸発器の前記出口孔へ継続的かつ滑らかに膨張する、請求項１に記載の方法。
4. ステップ（ｅ）における前記冷媒状態の前記測定は、複数の冷媒状態センサによって行われる、請求項１に記載の方法。
5. ステップ（ｅ）における前記冷媒状態の前記測定は、前記蒸発器ゾーンのそれぞれの内部に配置された冷媒状態センサによって行われる、請求項１に記載の方法。
6. ステップ（ｆ）における前記蒸発器への前記冷媒流量の前記制御は、前記蒸発器ゾーンのそれぞれへの前記冷媒流量を個別の制御器によって制御することによって行われる、請求項５に記載の方法。
7. ステップ（ｂ）における前記凝縮器から前記蒸発器内への冷媒の前記流動は、前記凝縮器の下流かつ前記蒸発器の上流に配置された予冷器において前記冷媒を冷却した後に行われる、請求項１に記載の方法。
8. ステップ（ｂ）における前記凝縮器から前記蒸発器内への冷媒の前記流動は、前記凝縮器の下流かつ前記蒸発器の上流に配置され、気化する冷媒と熱的に接触する予冷器における気化する冷媒との熱的接触によって前記冷媒を冷却した後に行われる、請求項１に記載の方法。
9. 前記蒸発器を出た前記冷媒の一部を前記蒸発器ゾーンのそれぞれの前記入口孔へと流動させる追加のステップを備える、請求項１に記載の方法。
10. 全ての負荷状態において蒸発器それぞれの内部体積と平衡状態に前記蒸発器内の二相冷媒の体積を維持するように動作する蒸気昇圧器を介して、前記蒸発器を出た前記冷媒の一部を前記蒸発器ゾーンのそれぞれの前記入口孔へと流動させる追加のステップを備える、請求項１に記載の方法。
11. 前記凝縮器は複数の凝縮器ゾーンを有し、各凝縮器ゾーンは凝縮器ゾーン入口孔を有する、請求項１に記載の方法。
12. 冷却システムであって、
    （ａ）圧縮器と、凝縮器と、蒸発器とを含む液密な循環ループであって、前記循環ループは、液化状態、気体状態、ならびに前記液化状態にある冷媒および前記気体状態にある冷媒の両方を備える二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、前記蒸発器は出口孔と少なくとも３つの蒸発器ゾーンとを有し、各蒸発器ゾーンは入口孔を有し、前記循環ループは、（ｉ）気体状態にある冷媒を前記圧縮器内で圧縮し、前記冷媒を前記凝縮器内で冷却して、前記液化状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）冷媒を前記凝縮器から各蒸発器ゾーンの前記入口孔を介して前記蒸発器内へと流動させるステップであって、前記冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｉｉｉ）冷媒を前記蒸発器から前記圧縮器へと流動させるステップと、（ｉｖ）ステップ（ｉ）〜ステップ（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、（ｖ）前記冷媒の状態を、前記蒸発器内において前記蒸発器出口孔の上流に配置された冷媒状態センサで測定するステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉｉ）における前記蒸発器への冷媒の前記流動を、ステップ（ｖ）からの前記蒸発器内の前記冷媒の前記測定状態に基づいて制御するステップと、を実行するようにさらに構成される、液密な循環ループと、
    （ｂ）前記蒸発器への冷媒の流量を、前記蒸発器内における前記蒸発器出口孔の上流の前記冷媒の前記測定状態に基づいて制御するための制御器と
    を備える冷却システム。
13. 前記蒸発器の前記少なくとも３つのゾーンは、連続的な長さのチューブによって提供される、請求項１２に記載の冷却システム。
14. 前記蒸発器の前記少なくとも３つのゾーンは、連続的な長さのチューブによって提供され、前記連続的な長さのチューブは、最も上流側の蒸発器ゾーンの前記入口孔から前記蒸発器の前記出口孔へ継続的かつ滑らかに膨張する、請求項１２に記載の冷却システム。
15. （ａ）（ｖ）に記載された機能における前記冷媒状態の前記測定は、複数の冷媒状態センサによって行われる、請求項１２に記載の冷却システム。
16. （ａ）（ｖ）に記載された機能における前記冷媒状態の前記測定は、前記蒸発器ゾーンのそれぞれに配置された冷媒状態センサによって行われる、請求項１２に記載の冷却システム。
17. （ａ）（ｖｉ）に記載された機能における前記蒸発器への前記冷媒流量の前記制御は、前記蒸発器ゾーンのそれぞれへの前記冷媒流量を個別の制御器によって制御することによって行われる、請求項１６に記載の冷却システム。
18. 前記凝縮器の下流かつ前記蒸発器の上流に配置された予冷器をさらに備え、（ａ）（ｉｉ）に記載された機能における前記凝縮器から前記蒸発器内への冷媒の前記流動は、前記予冷器において前記冷媒を冷却した後に行われる、請求項１２に記載の冷却システム。
19. 前記蒸発器を出た前記冷媒の一部を前記蒸発器ゾーンのそれぞれの前記入口孔へと流動させるための再循環導管をさらに備える、請求項１２に記載の冷却システム。
20. 全ての負荷状態において前記蒸発器内の二相冷媒を平衡状態に維持することができる蒸気圧昇圧器を備える、請求項１９に記載の冷却システム。
21. 前記凝縮器は複数の凝縮器ゾーンを有し、各凝縮器ゾーンは凝縮器ゾーン入口孔を有する、請求項１２に記載の冷却システム。
22. 代替的に、（ｉ）冷媒を、前記凝縮器へと最初に流動させることなしに、前記圧縮器の排出側から前記蒸発器入口孔へと流動させ、（ｉｉ）前記蒸発器を出た冷媒を前記凝縮器の出口孔へと流動させ、（ｉｉｉ）冷媒を前記凝縮器の前記出口孔から前記凝縮器入口孔へと流動させ、（ｉｖ）冷媒を前記凝縮器入口孔から前記圧縮器の吸引側へと流動させるための反転導管および弁をさらに備える、請求項１２に記載の冷却システム。
23. 前記反転導管および弁は、四方弁を備える、請求項２２に記載の冷却システム。
24. 前記反転導管および弁は、凝縮器加温ラインと、前記蒸発器から前記凝縮器の前記出口へと流動する冷媒を使用して前記凝縮器の加温を制御するための凝縮器加温ライン制御器とを備える、請求項２３に記載の冷却システム。
25. 前記蒸発器の下流に配置され、前記蒸発器から前記凝縮器の前記出口へと流動する冷媒を加熱するための加熱器をさらに備える、請求項２４に記載の冷却システム。
26. 前記蒸発器の下流に配置され、前記蒸発器を出た前記冷媒流から液体冷媒およびオイルを分離するためのドロップレッグと、前記ドロップレッグの下流に配置され、前記蒸発器を出た前記冷媒から分離された前記液体冷媒およびオイルを加熱し、前記冷媒から分離された前記液体冷媒およびオイルを前記凝縮器の前記出口へと流動させるための加熱器とをさらに備える、請求項２４に記載の冷却システム。
27. 冷却システムであって、
    （ａ）圧縮器と、凝縮器と、蒸発器とを含む液密な循環ループであって、前記循環ループは、液化状態、気体状態、ならびに前記液化状態にある冷媒および前記気体状態にある冷媒の両方を備える二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、前記蒸発器は出口孔と少なくとも１つの入口孔とを有し、前記循環ループは、（ｉ）気体状態にある冷媒を前記圧縮器内で圧縮し、前記冷媒を前記凝縮器内で冷却して、前記液化状態の冷媒を得るステップと、（ｉｉ）冷媒を前記凝縮器から前記蒸発器入口孔を介して前記蒸発器内へと流動させるステップであって、前記冷媒は部分的に二相状態で存在している、ステップと、（ｉｉｉ）冷媒を前記蒸発器から前記圧縮器へと流動させるステップと、（ｉｖ）ステップ（ｉ）〜ステップ（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、（ｖ）前記冷媒の状態を、冷媒状態センサで測定するステップと、（ｖｉ）ステップ（ｉｉ）における前記蒸発器への冷媒の前記流動を、ステップ（ｖ）からの前記冷媒の前記測定状態に基づいて制御するステップと、を実行するようにさらに構成される、液密な循環ループと、
    （ｂ）前記蒸発器への冷媒の流量を、前記冷媒の前記測定状態に基づいて制御するための制御器と、
    （ｃ）代替的に、（ｉ）冷媒を、前記凝縮器へと最初に流動させることなしに、前記圧縮器の排出側から前記蒸発器入口孔へと流動させ、（ｉｉ）前記蒸発器を出た冷媒を前記凝縮器の出口孔へと流動させ、（ｉｉｉ）冷媒を前記凝縮器の前記出口孔から前記凝縮器を通って前記凝縮器入口孔へと流動させ、（ｉｖ）冷媒を前記凝縮器入口孔から前記圧縮器の吸引側へと流動させるための反転導管および弁と
    を備える冷却システム。

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