JP4027990B2 - 冷却システム及びそれのための分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、夫々が入口及び出口を有する圧縮手段、凝縮及び受け取り手段、並びに蒸発器と、入口並びに第１及び第２の出口を有する分離装置とを具備する冷却システムに関する。
特に本発明は、冷媒が蒸発器の出口に来るまでに全てが蒸発されないような割合で、液体冷媒が供給される蒸発器のような過供給の蒸発器を有する冷却システムに向けられている。
本発明はまた、このような冷却システムにおいて使用するための小さい容量の分離装置に関する。
従来の過供給される冷却システムでは、しばしば冷却ポンプと組み合わされた大容量の分離装置が、使用されている。そしてこの分離装置は、長いパイプによって蒸発器に接続されており、蒸発器の入口へ分離された液体冷媒を供給し、蒸発器の出口から液体と気体との冷媒を受け取る。前記分離装置の一つの出口は、圧縮手段へ分離された気体冷媒ガスを供給するために圧縮手段の入口へ接続されている。この結果、従来のシステムにおいて冷媒の総量は、蒸発器内で最大に蒸発される冷媒の量に比べて多い。
また、圧力の損失は、前記従来のシステムにおいては大きい。このシステムは、仮に、高い能力の圧縮機を使用すれば到達し得るであろう低い温度に到達することが難しい。さらに、ポンプは、蒸発器に液体冷媒を運ぶために通常必要である。このポンプは、冷媒の温度低下及び負荷の変動の結果として、容易にキャビテーションにさらされるであろう。上記の温度低下は、さらにポンプ内でのキャビテーションのリスクを増大させ、そして、また、湿った戻り吸水管での圧力の損失を増大させる結果となる。
本発明の１つの目的は、過供給の蒸発器を使用している冷却システムにおいて必要な冷媒の総量を減少させることである。
本発明の他の目的は、このような冷却システムにおいて圧力の損失を減少すること及びこれによりこのシステムの能力を増大することである。
これらの目的は、それぞれが入口及び出口を有する圧縮手段、凝縮及び受け取り手段、並びに蒸発器と、入口並びに第１及び第２の出口を有する分離装置とを具備し，
前記分離装置の第１の出口は、前記蒸発器の入口に接続され、この蒸発器の出口は、前記分離装置の入口に接続され、この分離装置の第２の出口は、前記圧縮手段の入口に接続され、前記圧縮手段の出口は、前記凝縮及び受け取り手段の入口に接続され、そしてこの凝縮及び受け取り手段の出口は、前記分離装置の入口に接続されており，
前記分離装置は、蒸発器に対して実質的に横方向に位置され、そして圧縮手段より蒸発器に接近しており，そして
前記制御手段が、凝縮及び受け取り手段から分離装置への液体冷媒の供給率を調節することにより、蒸発器の過供給を確かにして、分離装置が要求に応じて液体冷媒を蒸発器に供給し、そして所望の過供給を保護するようにしている冷却システムによって達成される。
前記制御手段は、好ましくは、分離装置内の液体冷媒の水位を検知するためのセンサーと、凝縮及び受け取り手段の出口を分離装置の入口に接続しているパイプ内に位置されている膨張弁と、前記センサーによって検出される水位に応じて前記膨張弁を通る液体冷媒の流れを調節する制御装置とを具備している。
前記制御手段は、また、温度差を感知する手段を有し得る。この温度差を感知する手段は、蒸発器の両側において、蒸発器の温度と蒸発器によって冷却されている冷媒の温度との間の温度差を検知する。または、この温度差を感知する手段は、入口の温度と蒸発器によって冷却される冷媒の出口との間の温度差を検知する。そして、前記温度差検知手段によって検知された温度差に応じて、上記に示された膨張弁を通る液体冷媒の流れを調節する制御装置を具備する。
さらに本発明の他の目的は、蒸発器に冷媒を供給するためのポンプの必要性を除去することである。
この目的は、前記システムの動作している間の制御手段が、蒸発器の出口の下方に位置した上限と、蒸発器の入口の上方に位置した下限との間に分離装置内の液体冷媒の水位を保っていることで、達成される。
さらに本発明の他の目的は、蒸発器から排出される冷媒の気体成分と液体成分との実質的に完全な分離のための分離装置を提供することである。
この目的は、頂上と底との出口及びこれらの間にあるコンテナ内に接線方向で向けられている入口を有し、冷却システムの蒸発器から頂上と底との出口のぞれぞれに冷媒の気体と液体との成分を分離するための略円筒形のコンテナを有する。
小孔が形成された略円筒形の隔壁が、前記コンテナより小さい幅を有し、この隔壁は、前記コンテナ内に位置され、そして前記入口の下方と、コンテナの中央領域及び周辺領域のお互いから境界を定めるために前記コンテナの内面の内側方向へと延びているようにしてなる分離装置によって達成される。
好ましくは、前記分離装置は、前記蒸発器によって冷却されている空間内に位置される。このことは、当然、より効果的に冷媒を使用するであろう。
さらに、前記冷却システムは、前記分離装置内の液体冷媒の水位を調節するための別の制御装置を具備し得る。この調節は、蒸発器から分離装置への戻りパイプの下方の水位または同一の水位に位置される最大上限より下方にされる。通常、この別の制御装置は、冷却システムの起動時にのみ動作する。そしてこの別の制御装置は、圧縮手段の能力の減少を適合させ得、その結果、前記分離装置内の液体冷媒を前記最大上限の下方に水位を下げ得る。
好ましい実施の形態においては、凝縮及び受け取り手段は、分離装置の入口へ蒸発器の出口を接続しているパイプを介して分離装置の入口に接続されている。これにより、凝縮及び受け取り手段からの液体冷媒の流れは、蒸発器の外への気体と液体との冷媒の流れを援助する。
蒸発器から射出された冷媒の気体と液体との成分の完全に効率的な分離を達成するために、分離装置への入口は、分離装置に入る前記冷媒の流速を増加するための制限器を有し得る。
本発明に係る分離装置の好ましい実施の形態において、小孔が形成された略円筒形の隔壁は、また、前記入口の上方にも延びている。この隔壁は、０．２ないし５mmのサイズを有する孔を有する網を有し得る。
要約すると、本発明は、蒸発器から排出している前記冷媒の液体成分を効果的に分離することによる高い効率で前記冷媒を使用する。このことは、例えば、冷媒の総量が、急激に減少し得るような、圧縮手段への乾いた戻りガス及び低い冷媒の充填に役立つ。模範的なプラントでは、標準的な量の減少は、75%である。また、全く大きくない容積の分離装置は、今後必要とされるので、このシステムの寸法は、実質的に縮小し得る。
さらに、本発明に係る冷却システムは、本システムの好ましい実施の形態において冷媒ポンプを欠くため、高い信頼性を有する。
本発明は、ここで、添付している図面を参照して、より詳細に述べられるであろう。
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る冷却システムを概略的に描いた図である。
図２は、冷却システムに使用する本発明に係る分離装置の断面図である。
図３は、図２中の線III-IIIに沿った断面図である。
図４は、図２中の線IV-IVに沿った断面図である。
図１に示される冷却システムは、夫々入口と出口を有する圧縮機１、凝縮器２、受け取り部３及び蒸発器４を備えている。この冷却システムは、さらに入口６と第１並びに第２の出口７並びに８とを夫々有する分離装置５を備えている。
この分離装置５の第１の出口７は、蒸発器４の入口９に接続されている。蒸発器４の出口10は、分離装置５の入口６に接続している。分離装置５の第２の出口８は、圧縮機１の入口11に接続されている。圧縮機１の出口12は、凝縮器２の入口13に接続されている。凝縮器２の出口14は、受け取り部３の入口15に接続されている。最後に、受け取り部３の出口16は、分離装置５の入口６に蒸発器４の出口10を接続したパイプ17を介して、分離装置５の入口６に接続されている。
好ましくは、前記分離装置５は、蒸発器によって冷却される空間内に位置されている。これは、分離装置５を断熱する必要性を無くす。
図２に示される分離装置５は、湾曲した端蓋21及び22を備えた略円筒形のシェル20として形成されたコンテナ19を備えている。このコンテナは、中央部で入口６を形成している第１パイプと、底の端蓋21で第１の出口７を形成している第２パイプと、頂上の端蓋22で出口８を形成している第３のパイプとを有している。
図１から明白なように、前記第１の入口パイプ６は、蒸発器から液体と気体との冷媒の混合物を受け取るために、パイプ17を介して蒸発器４の出口10に接続されている。さらに、この入口パイプ６は、入ってくる液体と気体との冷媒の混合物が螺旋軌道をたどるように、コンテナ19内に接線方向で向けられている。このコンテナ19の円筒形の内壁の内側には、小孔が形成された隔壁23、好ましくは夫々複数の孔、開口、またはパーフォレーションを有する金属網、が設けられている。この小孔が形成された隔壁23は、隔壁23とコンテナ19の内面との間に小さい隙間があるように、コンテナ19のシェルより小さい幅、即ち直径を有する。
動作において、蒸発器４から受け取られる冷媒の液体と気体との成分の混合物は、小孔が形成された隔壁23の内側に向かって分離装置５内に射出される。この液体成分は、小孔が形成された隔壁23を通って、渦巻き（spiral）または螺旋（helical）軌道をたどる。そして、この液体成分は、コンテナ19の内面と小孔が形成された隔壁23との間の隙間内で、下方へ流れる。一方、前記冷媒の気体成分は、小孔が形成された隔壁を通過しないで、コンテナ19内で上方への螺旋状の流れを形成し、頂上の出口パイプを通って排気されるであろう。この結果、蒸発器から出される冷媒の液体成分と気体成分とのもっとも効果的な分離が、可能で有る。
前記入口パイプの開口の上方には、しぶき除け24が、分離装置５内で水しぶきが下方ではなく上方へ移動するのを防ぐために設けられている。
前記コンテナ19の底の出口７の上方及びコンテナ19内の液体冷媒の所望の水位の下方には、渦制限器25が、コンテナ19の下部へ液体冷媒中に気体冷媒が入るリスクを減少させるために設けられている。
前記冷媒は、好ましくはアンモニア（NH₃）であるが、例えばフレオンのような他の冷媒も、良く使用され得る。
動作において、前記蒸発器４からの液体及び気体冷媒の混合物は、所望の分離を果すのに必要な遠心力を与える所望の最小の速度で前記隔壁23の反対に射出される。隔壁23内の開口の大きさと、液体冷媒の粘度と、隔壁23とコンテナ19の内面との距離は、分離の能力に影響を与える他の設計基準である。
この結果、冷媒の液体成分がコンテナ19の内面と隔壁23との間の前記隙間内で下方に落下し、一方冷媒の気体成分がコンテナ19の中央を通って上方へ螺旋状に流れることになる。この螺旋状の流れによって運ばれる水滴は、遠心力によって、分離装置５への入口６の上方に位置されている隔壁23の部分に向かって放出され、そして、隔壁23とコンテナ19の間の隙間内で下方に流れるように、隔壁23によって遮られるであろう。
好ましくは網状交差の形状を有する渦制限器25は、入ってくる循環している液体冷媒の渦の動きを減少し、その結果、分離装置５内の液体冷媒の水位の制御を簡単にする。さらに、分離装置の底で、渦が妨げられることは重要である。このことは、蒸発器への液体冷媒の均一な供給を確実にするためである。渦が分離装置の底で妨げられることは、渦が駆動力を減少することが出来、極端な状態においては、蒸発器の機能を危険にさらす為、非常に重要である。
冷却システムは、また、コンテナ19内の液体冷媒の水位を検知するセンサー27からの信号を受ける制御装置26を有する。この制御装置26は、蒸発器の出口の下方に位置する上限と蒸発器の入口の上方に位置する下限との間に水位がなるように調節する。より正確には、この制御装置26は、分離装置５の入口６を受け取り部３の出口16に接続しているパイプ29中の膨張弁28を水位センサー27によって検知された水位に応じて、液体冷媒の水位が、通常の動作の状況下で上限と下限との間に保たれるように制御する。
前記制御装置26内に統合され得る別の制御装置30が、前記分離装置への新鮮な冷媒液体の供給が蒸発される冷媒液体に対応することを確実にし、過度の冷媒液体が、いくらか負荷状態の間、分離装置５内に蓄積されることを防ぐために使用され得る。
この制御装置30は、３つ温度センサー31〜33のうちの少なくとも２つに接続されている。これら温度センサーは、蒸発器の出口で蒸発器４によって冷却されている媒体の温度と、蒸発器４内の液体冷媒の温度と、蒸発器の入口で蒸発器によって冷却されている媒体の温度とを、夫々感知する。より正確には、前記センサー31及び33は、冷却されている媒体の流れの中に位置され、一方センサー32は、蒸発器４からの出口または戻りパイプ、または液体水位の下方の蒸発器内に、位置されている。
前記制御装置30は、センサー31と32との温度差、センサー32と33との温度差、またはセンサー31と33との温度差を感知して、パイプ29内の膨張弁28を、温度差の減少で液体の流れを減じられるような手段で制御する。
前記制御装置26内に統合され得るか、個別の装置になり得るさらに別の制御装置が、例えば圧縮機１の回転速度を減少または増加するといった圧縮機１の能力の減少または増大により、所定の最大上限の下方に分離装置５内の液体冷媒の水位を保つように使用され得る。この最大限界上限は、蒸発器４から分離装置５への戻りパイプと同じ水位の下方、または同じ水位に位置される。通常、この別の制御装置は、前記冷却システムの始動時のみ動作され、そして圧縮機１の能力を減少させるように適合され得る。このことは、分離装置５内の圧力を高めて、前記上限の下方に分離装置５内での液体冷媒の水位を低くする。
分離装置５内の新鮮な冷媒の供給は、分離装置５の入口６方向のパイプ17内に開口しているパイプ29の端部を介することは気付くべきである。これにより、新鮮な冷媒の気体成分は、蒸発器４から戻される混合物の気体成分と同様に分離され得るであろう。また、この新鮮な冷媒は、蒸発器４と分離装置３との間の循環を助ける。
前記望ましく好ましい実施の形態は、幾つかの方法で変更し得る。
一例として、前記凝縮及び受け取り手段の出口は、分離装置内の液体冷媒の水位の上方に位置される他の夫々の入口を介して、分離装置に直接接続され得る。前記凝縮及び受け取り手段の出口は、分離装置の第１の出口から蒸発器の入口に導かれるパイプ内へ接続されていてもよい。
図１において、凝縮および受け取り手段は、１段の冷却システムを構成しているが、２段の冷却システムが、この分野での熟練者にとって明らかであるように使用され得る。さらに、凝縮及び受け取り手段は、閉じられたエコノマイザー、または開いたエコノイザーを備えている。このように、凝縮及び受け取り手段、同様に圧縮手段の構造は、本発明の範囲内であれば変化し得る。
また、蒸発器は、各種の形状になり得、そして液体と同様に、例えば空気といったガスのような様々な流体を冷やすために使用され得る。前記冷却される流体は、例えば食料冷凍プラントでの冷凍や、例えば空調システムでの冷却のために使用され得る。
かくして、本発明は、添付された請求項の範囲内で、特別に説明したのとは異なる方法で具体化され得ることは、理解され得よう。

Claims (25)

1. 夫々が入口及び出口を有する圧縮手段、凝縮及び受け取り手段、並びに蒸発器と、入口並びに第１及び第２の出口を有する分離装置とを具備し、
   前記分離装置の前記第１の出口は、前記蒸発器の入口に接続され、前記蒸発器の出口は、前記分離装置の入口に接続され、前記分離装置の第２の出口は、前記圧縮手段の入口に接続され、前記圧縮手段の出口は、前記凝縮及び受け取り手段の入口に接続され、前記前記凝縮及び受け取り手段の出口は、前記分離装置の入口に接続されていて、
   前記分離装置は、前記蒸発器に対して実質的に横方向に位置され、そして前記圧縮手段より蒸発器に接近しており、
   制御手段が、前記分離装置が要求に応じて液体冷媒を前記蒸発器に供給して所望の過供給を保護するように、前記凝縮及び受け取り手段から前記分離装置への前記液体冷媒の供給率を調節することにより、前記蒸発器の過供給を確かにし、
   そして、制御装置は、蒸発器の出口の下方の最大上限より下方になるように分離装置内の液体冷媒の水位を調節する冷却システム。
2. 前記蒸発器は、前記液体冷媒のみが供給される請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記分離装置は、蒸発器によって冷却される空間内に位置されている請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記制御手段は、前記分離装置内の前記液体冷媒の水位を検知するためのセンサーと、前記凝縮及び受け取り手段の出口を前記分離装置の入口に接続しているパイプ内に位置されている膨張弁と、前記センサーによって検出された水位に応じて前記膨張弁を通る前記液体冷媒の流れを調節する制御装置とを具備している請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記分離装置は、重力により前記液体冷媒を前記蒸発器に供給している請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記制御装置は、圧縮手段の能力を下げることにより、分離装置内の液体冷媒の水位を下げる請求項１に記載の冷却システム。
7. 前記蒸発器とこの蒸発器により冷却される媒体との間の温度差、または冷却されている前記冷媒の蒸発器の入口と出口とでの温度差、に応じて前記分離装置に供給される前記液体冷媒を制御する別の制御装置を具備する請求項４に記載の冷却システム。
8. 前記凝縮及び受け取り手段の出口は、前記蒸発器の出口を前記分離装置の入口に接続しているパイプを介して、前記分離装置の入口に接続されている請求項１に記載の冷却システム。
9. 前記分離装置への入口は、この分離装置に入る冷媒の流速を高くするための制限器を有する請求項１に記載の冷却システム。
10. 前記分離装置は、略円筒形のコンテナを有し、前記入口は、この円筒形のコンテナ内に略接線方向で向けられている請求項９に記載の冷却システム。
11. 小孔が形成され、略円筒形で、前記コンテナより小さい幅を有する隔壁は、前記コンテナ内に位置され、そして前記コンテナの下方と前記コンテナの内面の内側とに延びている請求項１０に記載の冷却システム。
12. 前記小孔が形成された略円筒形の隔壁は、また、前記入口の上方に延びている請求項１１に記載の冷却システム。
13. 前記隔壁は、網を有する請求項１１に記載の冷却システム。
14. 前記小孔が形成された隔壁は、0.2ないし5.0mmの寸法を有する孔を有する請求項１１に記載の冷却システム。
15. さらに、前記コンテナの底の出口の上方に渦制限器を有する請求項１１に記載の冷却システム。
16. 前記渦制限器は、軸方向と放射状とに延び、小孔が形成された少なくとも１つの隔壁を有する請求項１５に記載の冷却システム。
17. 請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の冷却システムに使用される分離装置であって、前記分離装置は、
    頂上と底との出口及びこれらの間にありコンテナ内に接線方向で向けられている入口を有し、冷却システムの蒸発器から頂上と底との出口のぞれぞれに冷媒の気体と液体との成分を分離するための略円筒形のコンテナを有し、
    前記コンテナより小さい幅を有し、小孔が形成された略円筒形の隔壁は、前記コンテナ内に位置され、そして前記コンテナの中央空間と周辺空間とを互いに区切るために、前記入口の下方と前記コンテナの内面の内側とに延びている分離装置。
18. 前記小孔が形成された略円筒形の隔壁はまた、前記入口の上方へ延びている請求項１７に記載の分離装置。
19. 前記隔壁は、網を有する請求項１７に記載の分離装置。
20. 前記小孔が形成された隔壁は、0.2ないし5.0mmの寸法を有する孔を有する請求項１７に記載の分離装置。
21. 前記コンテナの底の出口の上方に、渦制限器をさらに有する請求項１７に記載の分離装置。
22. 前記渦制限器は、軸方向と放射状とに延び、小孔が形成された少なくとも１つの隔壁を有する請求項２１に記載の分離装置。
23. 夫々１つの入口と１つの出口とを有する圧縮手段、凝縮及び受け取り手段、並びに蒸発器と、入口並びに第１及び第２の出口を有する分離装置とを具備し、
    前記分離装置の前記第１の出口は、前記蒸発器の入口に接続され、前記蒸発器の出口は、前記分離装置の入口に接続され、前記分離装置の第２の出口は、前記圧縮手段の入口に接続され、前記圧縮手段の出口は、前記凝縮及び受け取り手段の入口に接続され、前記凝縮及び受け取り手段の出口は、前記分離装置の入口に接続されていて、
    前記分離装置は、前記蒸発器に対して実質的に横方向に位置され、そして前記圧縮手段より蒸発器に接近しており、
    制御手段が、前記分離装置が要求に応じて液体冷媒を前記蒸発器に供給し、そして所望の過供給を保護するように、凝縮及び受け取り手段から前記液体冷媒の供給率を調節することにより、蒸発器の過供給を確かにし、そして
    前記分離装置は、重力により前記液体冷媒を前記蒸発器に供給している冷却システム。
24. 前記凝縮及び受け取り手段の出口は、前記分離装置内の前記液体冷媒の水位の上方に、前記分離装置への別々の入口が接続されている請求項２３に記載の冷却システム。
25. 前記凝縮及び受け取り手段の出口は、前記分離装置の第１の出口から前記蒸発器の入口に導かれるパイプ内に接続されている請求項２４に記載の冷却システム。

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