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

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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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