JP4054024B2 - 反転可能な空気水吸収ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、主請求項の前提部分に記載のＧＡＸタイプの吸収ヒートポンプ内の冷却および／または加熱デバイスに関する。

上記タイプのデバイスは、たとえばＵＳ６，０００，２３５、ＵＳ６，６４６，５４１およびＵＳ４，７１９，７６７に記載されている。知られているデバイスは、加熱モードでの動作中に凝縮器および蒸発器として働くこれらの熱交換器が、冷却モードでの動作中に蒸発器および凝縮器としてそれぞれ動作するように構成される、蒸発器および凝縮器での吸収サイクルを逆転させるためのバルブ手段を備える。

上記タイプのデバイスは、吸収器内、および冷却モードでの動作中に蒸発器として、および加熱モードでの動作中に凝縮器として機能する手段内で発生させられた熱を、散逸させるための少なくとも２つの異なる別個の流体回路を備える（たとえばＵＳ４，６４６，５４１参照）。熱を散逸させるためのこれら２つの異なる流体回路の存在は、このデバイスが接続されるデバイス全体およびプラントの制御および設計をかなり複雑にする。

さらに、知られているデバイスでは、冷却液がそれを通過し、かつデバイスの様々な構成要素をともに接続する回路は、一方の動作モードから他方の動作モードへのデバイスの信頼性の高い移行を確実にするために、かなり複雑でコストの高いバルブおよび制御手段を必要とする。たとえば、使用中でないこれらの回路セクション内での冷却液および／または冷媒の起こり得る蓄積のため、困難が生じ、回路内での冷却液および冷媒のレベルの不確実性に至り、動作の不安定性および効率の実質上の変動を生じさせる。

本発明の目的は、従来のデバイスよりもコンパクトであり動作および操作が容易である、ＧＡＸタイプの吸収冷却および／または加熱デバイスを提供することである。

さらなる目的は、吸収器内および蒸発器／凝縮器内で発生または供給される熱エネルギーのための流体交換回路を簡略化することを可能にする、デバイスを提供することである。

さらなる目的は、冷却液の通過のための回路内に存在するバルブおよび制御手段を簡略化することを可能にする、デバイスを提供することである。

当業者に明らかであるこれらおよび別の目的は、特許請求の範囲の特徴部分に記載のデバイスによって達成される。

本発明は、限定されない例として提供されている添付の図面からより良く理解されるであろう。

前記図面を参照すると、これらの図面は、通常の発生器１と、ＧＡＸタイプの熱交換器２と、通常のポンプ３と、通常のサブクーラー復熱器４と、凝縮器内に入る前の蒸気のための通常の整流器２０と、冷媒の濃度をチェックするための通常の容器２１とを示している。

前記構成要素および７Ａ〜７Ｈによって全体に示されている関連する接続回路は、従来型のタイプのものであり、したがって、以下で詳細に説明されない。デバイスはまた、１６／１４方向バルブ手段と、前記手段を通って循環する冷却液の相を変更するための２つの熱交換手段９および１０を備える。

本発明によると、デバイスが冷却モードで動作するとき（図３）、バルブ手段８は、第１の熱交換手段１０が蒸発器として動作し、第２の手段９が一部は凝縮器としておよび一部は吸収器として動作するように、デバイスの様々な構成要素を互いに接続する回路を修正するように構成され、逆に、デバイスが加熱モードで動作するとき、蒸発器手段は、第１の熱交換手段１０が一部は蒸発器としておよび一部は吸収器として、および第２の手段９が蒸発器として動作するように、前記回路を修正するように構成される。

熱交換手段９および１０は、従来型のタイプのものである。好ましくは、熱交換手段１０は、流体液体タイプのものであり、したがって、前記回路を通って循環し、かつ前記熱交換器を通過する液体を動かすための流体回路１１（図１Ａ、図１Ｂに概略的に示す）を備える。流体回路は、さらに説明しないが、従来型のタイプのものである。好ましくは、熱交換器１０は、その説明が本明細書に組み込まれていると考えられる、欧州特許出願ＥＰ０９１１５９７に記載されているタイプのものである。熱交換器１０は、別個の取入口および排出口を呈する２つの別個のサブ熱交換器１０Ａ、Ｂ、Ｃを形成するように構成された、少なくとも２つのチューブ束を備える。本発明のある考えられる実装では、別個のサブ熱交換器１０Ａ、Ｂ、Ｃは、３個の数であり、「Ｓ」字を形成するように隣り合わせに配置されている。熱交換器１０の最適な動作のために、その部品１０Ａ〜Ｃのそれぞれは、８ｍｍから１６ｍｍの間の直径を有するチューブを備えるチューブ束を備えなければならないことに留意されたい。この点で、このような熱交換器が、熱交換器が動作することが必要とされる両方のモードで、流体特性（回路の圧力降下）および熱力学特性（熱および質量の伝達および相の変化）を最適化するために、熱交換器を通過する流体に対する有効通過断面積が平衡化されることを可能にすることが実験的に確かめられている。サイクルの逆転が蒸発器と凝縮器との間でのみ起こる、知られている装置では、冷媒の流速は両方の熱交換器内で同一であり、相の変化は、反対方向であるが、極めて類似の熱力学特性を有する。逆に、本発明では、回路の反転は、蒸発器および凝縮器とは完全に異なる流体流速および熱力学特性を有する吸収器も含む。

熱交換手段９は、流体空気タイプのものであり、したがって、熱交換チューブ内で発生された熱エネルギーを、周囲の空気に伝達するための通常のフィン（図示せず）を備える。熱交換器９は、好ましくは、単一のバンク内に２つの別個のサブ熱交換器９Ａ、９Ｂを備え、これらサブ熱交換器９Ａ、９Ｂは、デバイスを通って循環する冷却液の取入口または排出口として、以下で説明される方式で所要の時間に動作する、１２Ａ、１２Ｂおよび１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃによって示される別個の接続部を有する。

有利には、取入口１３Ａは、冷却モードで動作するときの圧力降下および流体平衡を最適化するように分割される。

熱交換器９は、サイズおよび構造的な理由で単一のバンクとして構成されているが、２つ以上の通常の別個のバンクとして構成されてもよいことに留意されたい。同様にして、熱交換器９はまた、このような冷却液が、各サブ熱交換器に供給しなければないという複雑性を有するときでさえも、前記サブ熱交換器内で生じる相変化中に生成されるまたは必要とされる熱エネルギーを、受けるまたは放棄することになる液体を循環させるための流体回路は、流体液体タイプのものであってもよい。

機能の概略的な観点から、バルブ手段８は、１４Ａ〜１４Ｎによって示される１２個の通常の２方向バルブ部材または３方向バルブ部材を備える。これらのバルブ部材は、ＧＡＸデバイスを通って循環する冷却液とともに動作することができる知られているタイプのものであってよい。これらのバルブ手段は、おそらくは単一の多方向デバイスにまとめられてもよい。

図２を参照すると、加熱モードにあるときのデバイスの動作サイクルは、発生器１の分岐７Ｇを離れる冷却蒸気が、バルブ１４Ｂおよび分岐１５Ｉを介して、この動作モードでは凝縮器として動作するサブ熱交換器１０Ａの取入口に到達する。蒸気は、この凝縮器内で凝縮し、液体になり、熱交換器を通り、かつ加熱のために使用されるために前記凝縮器に接続された流体回路１１（図１Ａ、図１Ｂ）を通って、循環する液体に伝達される熱を発生させる。

この段階中、バルブ１４Ｃは、また、死分岐（ｄｅａｄ ｂｒａｎｃｈ）１５Ｅおよび１５Ｆも、蒸気によって到達されることができるようにシフトされることに留意されたい。

比較的高温の圧縮された液体が、排出口分岐１５Ｅ、バルブ１４Ｆ、分岐１５Ｃ、および凝縮バルブ１６を通過して、熱交換器９から発した蒸気のための熱を伝達する、以降に説明される復熱器４へ到達する。

次に、この冷却液は、排出口分岐１５Ｄ、膨張バルブ１７、バルブ１４Ｄおよび１４Ｅ、および取入口分岐１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｔ、１５Ｔ’、１３Ａ、１３Ｂ、および１２Ａを通過して、熱交換器９の全体またはその部分９Ａまたは９Ｂのいずれかに入る。この動作モード中、この熱交換器は、入ってくる液体を蒸気に変換し、熱交換器を越えて循環する空気を冷却するため、すなわち、外部からの熱を復熱するための蒸発器として動作する。

この段階中、バルブ１４Ｇ、１４Ｈもまた、死分岐１５Ｅ’および１５Ｔが同様に液体によって到達されることができるようにシフトされることに留意されたい。排出口分岐１２Ａおよび１５Ｖからの比較的低温で低圧力の蒸気が、バルブ１４Ａ、１４Ｉおよび分岐１５Ｏ、１５Ｑ、１５Ｑ’を通って、凝縮器１０から生じる液体から熱を受ける復熱器４へ通過し、排出口分岐１５Ｒを介してＧＡＸタイプの熱交換器２に入る。

この段階中、バルブ１４Ｇおよび１４Ｌもまた、死分岐１５Ｐおよび１５Ｏ’もまた蒸気によって到達されることができるようにシフトされることに留意すべきである。

ＧＡＸ熱交換器２から、冷却液が、排出口分岐１５Ｓ、バルブ１４Ｈ、および分岐１５Ｅを通過して、熱交換器１０の部分１０Ｂへ入り、また排出口分岐１５Ｍ、バルブ１４Ｎ、およびさらなる分岐１５Ｈ、１５Ｈ’を通過して、また熱交換器の他の部分１０Ｃに入る。この動作モードにあるとき、これら２つの熱交換器１０Ｂおよび１０Ｃは、直列であり、加熱用の流体回路１１によって使用される前記熱交換器１０Ｂおよび１０Ｃを通って循環する液体に熱を伝達させるために、吸収器として動作する。

吸収器は、直列に配置された２つのサブ熱交換器が、改良された性能を提供することが、実験的に見出されていてさえも、単一のサブ熱交換器１０Ｂまたは１０Ｃを代わりに備えることができる。

この段階中、バルブ１４Ｍもまた、冷却液が死分岐１５Ｈ、１５Ｇに到達することができるようにシフトされることに留意されたい。

冷却液は、排出口分岐１５Ｎ’、バルブ１４Ｌ、および分岐１５Ｕを最終的に通過して、ポンプ３に到達し、ポンプ３から、分岐１５Ｚを通過して発生器１に到達する。この段階中、死分岐１５Ｎ’、Ｎ”もまた冷却液によって到達されることに、留意されたい。

図３を参照すると、冷却モードにあるときのデバイスの動作サイクルは、分岐７Ｇを通って発生器を離れる冷媒蒸気が、バルブ１４Ｂを通って、この動作モードでは凝縮器として動作するサブ熱交換器９Ａの取入口分岐１５Ａへ通過するようになっている。この凝縮器では、蒸気が、圧力下で維持され、かつ液体になるように冷却される。蒸気は、凝縮器９Ａの周りの空気に熱を伝達する。比較的高温の圧縮された液体が、回路分岐１５Ｂを通って凝縮器を離れ、バルブ１４Ｆ、バルブ１６、および分岐１５Ｃによって、その中で他の熱交換器１０から生じた蒸気に熱を伝達する復熱器４に到達する（以下で詳細に説明するように）。復熱器１４から、液体は、分岐１５Ｄ、膨張バルブ１７、バルブ１４Ｄ、１４Ｃ、および１４Ｎ、および分岐１５Ｅ〜１５Ｉを通って、この動作モードではすべて蒸発器として動作する、第２の熱交換器１０の３つのサブ熱交換器１０Ａ〜１０Ｃの３つの取入口に到達する。復熱器４を離れる液体の圧力は、バルブ１７によって低下され、液体が、熱を吸収するために蒸発器１０内で蒸発し、このようにして蒸発器１０を通って、および蒸発器に結合される流体回路１１（図１Ａ、図１Ｂ）を通って循環する液体を冷却し、それによって所望の冷却効果を得る。冷媒蒸気は、蒸発器１０の３つの排出口、分岐１５Ｌ〜１５Ｎ、バルブ１４Ｇ、１４Ｎ、１４Ｌ、およびさらなる分岐１５Ｏ〜１５Ｑを通過して、冷媒蒸気が加熱される復熱器４に到達し、復熱器から、分岐１５Ｒを通ってＧＡＸ熱交換器２に入る。ＧＡＸ熱交換器を離れる弱い冷却液が、その排出口分岐１５Ｓ、バルブ１４Ｈ、および分岐１５Ｔを通過して、動作モードにあるとき吸収器として働く熱交換器９の第２のサブ熱交換器に到達する。吸収プロセス中、発生させられた熱が、熱交換器９Ｂの周囲を循環する空気に伝達される。吸収器を離れた冷却液は、排出口分岐を１５Ｖ、バルブ１４Ｉ、およびさらなる分岐１５Ｕを通過して、ポンプに到達し、そこから分岐１５Ｚを介して発生器１へ戻る。

バルブ１４Ａ〜Ｎの適切なシフトによって（図３に示す）、すべての回路の死分岐が、その様々な相の１つでの液体がその中を循環する分岐と常に連絡することに、留意されたい。

図１Ａ、図１Ｂは、発生器１、ＧＡＸ熱交換器２、復熱器４、整流器２０、および容器２１の接続部を概略的に示している。これらの接続部は、前述の説明では説明されておらず、図２および図３には示されていない。これらが当業者にとっては従来型のタイプのものであるため、これらは以下で詳細に説明されない。

図１Ａおよび図１Ｂでは、加熱段階および冷却段階の両方に対して共通である回路の流れは、実線で示されており、加熱段階に対する回路の流れが、破線および点線によって示されており（図１Ａ）、冷却段階に対する回路の流れが、破線によって示されている（図１Ｂ）。

本発明のデバイスが加熱モードにあるとき、熱交換器９は除霜されることができる。この目的のために、加熱モードでの動作が遮断され、所定の時間、たとえば４分間、デバイスは冷却モードで動作するようにされる。このようにして、高温の液体が、外部の熱源を使用する必要なく熱交換器を除霜するために、熱交換器９の部分９Ａ〜９Ｂの両方を通って循環される。この動作もまた、知られている技術の動作よりも容易でありかつ迅速である。

本発明のデバイスは、動作モードに応じて、蒸発器、凝縮器、および吸収器という３つの機能を行う２つだけの熱交換器９および１０を備えるため、これはよりコンパクトでかつ信頼性が高い。この構成はまた、単一の流体回路が、デバイスの必要とされる操作性を得るために必要な液体を加熱または冷却するために、熱交換器１０に結合されて提供されること（図１Ａ、図１Ｂ）を可能にする。このようにして、デバイスは、知られている技術のデバイスよりも操作および制御が容易であり、かつ少ない数の構成要素を有する。

本発明のデバイスが、死分岐、すなわち液体によって到達されない分岐を放置するその動作の段階がないようにして制御された、そのバルブ部材１４Ａ〜１４Ｎを備える流体回路を備えることも強調されるべきである。したがって、デバイスの回路は、より簡単でかつ容易な操作の、少数の過圧部材および全体的な制御手段を必要とする。

最後に、上記の実施形態は、一例として提供されていること、および全て同じ発明の概念に含まれる多数の変形形態が可能であることに留意されたい。したがって、たとえばバルブ手段８は、単一の１６／１４方向バルブから成る代わりに、複数の異なるバルブ部材から成ってもよい。

加熱モードでの動作を示すデバイスの概略図である。 冷却モードでの動作を示すデバイスの概略図である。 加熱モードで動作するときのデバイスの様々な構成要素の接続部の単純化された概略図である。 冷却モードで動作するときのデバイスの様々な構成要素の接続部の単純化された概略図である。

Claims (15)

1. 発生器（１）と、ＧＡＸタイプの熱交換器（２）と、吸収器（９Ｂ、１０Ｂ、１０Ｃ）と、凝縮器（９Ａ、１０Ａ）と、蒸発器（１０Ａ〜１０Ｃ、９Ｂ）と、前記吸収器および発生器に接続されたポンプ（３）と、少なくとも前記発生器、ＧＡＸ熱交換器、吸収器、凝縮器、蒸発器、およびポンプをともに接続する、デバイスを通って循環する冷媒冷却液のための第１の回路（１５Ａ〜１５Ｚ）と、蒸発器、吸収器、凝縮器および蒸発器がともに接続される方式を変化させるようにして、前記第１の回路（１５Ａ〜１５Ｚ）を修正するためのバルブ手段（８）とを備える、ＧＡＸタイプの吸収ヒートポンプ内の冷却または加熱デバイスであって、少なくとも第１および第２の熱交換手段（９、１０）を備え、該第１および第２の熱交換手段（９、１０）が、前記手段を通って循環する冷却液の少なくとも１つの相が変更されることを可能にし、かつ熱エネルギーが外部流体と交換されることを可能にするように構成され、前記第１および第２の熱交換手段（９、１０）がそれぞれ、少なくとも２つの相互に独立したサブ熱交換器（９Ａ〜９Ｂ、１０Ａ〜１０Ｃ）を備え、該サブ熱交換器（９Ａ〜９Ｂ、１０Ａ〜１０Ｃ）が、デバイスの動作モードに応じて、蒸発器として、または吸収器および凝縮器のいずれかとして機能するように構成されることを特徴とするデバイス。
2. デバイスが冷却モードで動作するとき、バルブ手段（８）が、第１の熱交換手段（１０）が蒸発器（９）として動作し、第２の熱交換手段（９）の一方のサブ熱交換手段（９Ａ）が、凝縮器として動作し、第２の熱交換手段（９）の他方のサブ熱交換手段（９Ｂ）が、吸収器として動作するように、第１の回路（１５Ａ〜１５Ｚ）を修正するように構成され、一方、デバイスが加熱モードで動作するとき、前記バルブ手段（８）が、第１の熱交換手段（１０）の一方のサブ熱交換手段（１０Ａ）が、凝縮器として動作し、第１の熱交換手段（１０）の他方のサブ熱交換手段（１０Ｂ〜１０Ｃ）が、吸収器として動作し、第２の熱交換手段（９）が、蒸発器として動作するように、前記第１の回路（１５Ａ〜１５Ｚ）を修正するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 少なくとも２つの別個のサブ熱交換器（１０Ａ〜１０Ｃ、９Ａ〜９Ｂ）を備える熱交換手段（９、１０）が、２個のみの数であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. 蒸発器によってまたは凝縮器によってまたは吸収器によって発生させられた、熱エネルギーを引き出すまたは受けることができる液体の循環のための単一の流体回路（１１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 冷却液／冷媒が通って循環する第１の回路（１５Ａ〜１５Ｚ）およびバルブ手段（８）が、デバイスの２つの動作モードで、死分岐、すなわち前記冷却液／冷媒によって到達されない分岐を回避するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
6. 第２の熱交換手段（９）が、冷却液と前記熱交換器の外側を循環する空気との間で熱交換が行われるタイプであることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
7. 第２の熱交換手段（１０）が、冷却液と循環する液体との間で熱交換が行われるタイプであり、冷却液と液体との両方が、前記熱交換器（１０）内にあることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
8. 第２の熱交換手段（１０）が、第１の流体のための取入口（１１）および排出口（１１）を有するほぼチューブ状のケーシングと、前記ケーシングの内部に長手方向に配置された複数のチューブとを備え、各チューブが、第２の流体のための入口要素および出口要素と接続され、第１の流体が、ケーシング（１）の内部で循環して前記チューブの外側の冷却液と接触し、ケーシングの内部のチューブが、互いにおよび前記ケーシングの内壁と実質的に直接接触し、かつ第１の液体の循環のためのチューブと平行な複数のマイクロチャネルをケーシング内に形成するような断面を有することを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記入口および出口部分の間に、チューブ（２）が、隣接するチューブ部分とは異なる形状の断面を有する少なくとも１つの部分を呈し、該形状が、チューブを通って循環する流れを少なくとも部分的に遮断し再混合するようにされており、異なる形状の断面を有するチューブ（２）の部分が特に、離隔されたチューブを維持するように、「望遠鏡」形状である、および／または互いに接触していることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
10. 熱交換器が「Ｓ」字形状を有し、チューブを収容しているケーシングが、特に、曲線状の部分に対応する２つの半円形のシェルを備えることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
11. 第２の熱交換手段（１０）が、３つの別個の隣り合わせのサブ熱交換器（１０Ａ〜１０Ｂ）を備えることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
12. バルブ手段（８）が、複数のバルブ手段（１４Ａ〜１４Ｎ）を備える単一のバルブから成ることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
13. 単一のバルブ（８）が、１６／１４方向バルブであることを特徴とする、請求項１２に記載のデバイス。
14. デバイスの動作モードに応じて、蒸発器、または吸収器および凝縮器のいずれかとして、少なくとも２つの熱交換手段（９、１０）の少なくとも２つの別個のサブ熱交換器（９Ａ〜９Ｂ、１０Ａ〜１０Ｃ）を使用することを特徴とする、請求項１から請求項１３に記載のデバイス内の冷却液および／または冷媒を制御するための方法。
15. デバイスの２つの運転モードにおいて、死分岐、すなわち前記冷却液および／または冷媒によって到達されない分岐を回避することを特徴とする、請求項１から請求項１３の１つまたは複数に記載の装置内の冷却液および／または冷媒を制御するための方法。

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