JP4685763B2 - 外部ループを有する蒸発器及び熱交換器、ならびに前記蒸発器又は前記熱交換器を具備しているヒートポンプシステム及び空気調整システム - Google Patents

Description

本発明は一般的に蒸発器及び具体的にはその効率を改良しまた協働する圧縮機の磨耗を低減する排出装置を装備した蒸発器に関する。本発明はまたプレート型熱交換器において前記蒸発器と併用される液化器にも関する。

蒸発器及び液化器は、例えば細管型熱交換器、プレート型熱交換器、渦巻き式熱交換器等々などの、例えば熱交換器に使用される装置である。プレート型熱交換器においては、媒体は交互配置された(alternating)プレートの内部を循環していて、プレートは主として金属製でまた密閉された入口と出口とを共に蝋付けされていて、前記入口と前記出口は、媒体が熱交換して循環する相互作用していて相互接続されたプレートのパッケージの内部で閉じたダクトシステムを形成している。公開された国際出願00/03189 A1は、このプレート型熱交換器を詳述している。

図１は蒸発過程を促進する圧縮機付の従来の熱交換器の作動原理を示している。この熱交換器は冷却媒体が熱Qを吸収する蒸発チャンバ１１０を含み、また前記媒体はその後蒸発するとすぐに圧縮機１２０に導入され、また次にはさらに熱Qを放出する液化チャンバ１３０へ導入されそして液化する。媒体は次に膨張弁１４０を通って蒸発チャンバ１１０へ戻される。図１において示される従来の熱交換器の問題は、蒸発チャンバに蓄積された液体、図１においては液面１５０で示されている、が熱交換の効率を低下させるということに関係していて、その理由は当業者においては周知である。さらなる問題は前記蓄積された液体がまた、圧縮機１２０に対する有害な影響を伴って蒸発チャンバ１１０を流出する液量も増大させることであり、当業者においては周知である。

図１において示される熱交換器の効率を増大させる一つの方法は、当業者に周知のようにいわゆる過熱器/過冷器によって図１の領域１７０の媒体のさらなる過熱、及び、領域１６０の媒体のさらなる冷却をすることである。過熱器/過冷器の機能はまた、図１において圧縮機が受入れる液量が減少するため圧縮機１２０の磨耗も低減させる。従来の熱交換器における一つの問題はこれらの過熱器/過冷器は熱交換器を大形化にしかつ必ずしも経済的でない外部装置として実現されることである。プレート型の熱交換器に関する特別な問題は、蒸発器の下部に蓄積された液体媒体が不均一な流れを起し結果として効率が低下することである。
本発明は以上の問題を解決するか、あるいは軽減する。

上述の問題を解決することが本発明の目的である。本発明の一つの目的はしたがって、より効率的な蒸発器を提供することである。本発明の別の目的は、蒸発器に接続され、かつ蒸発器と協働する圧縮機の磨耗を低減することである。本発明のさらに別の目的は、一般的な熱交換器及び特にプレート型の熱交換器の効率を改良することである。本発明のさらなる目的は、積層された過冷器/過熱器付のプレート型の熱交換器を提供することである。本発明は、蓄積された液体を蒸発器の下部から排出する排出装置を装備した蒸発器を提供する。排出装置はエゼクタ及び/又はポンプを含んでいる。本発明はまた、熱交換器の蒸発器と液化器とにおいて相互作用する区切られた領域を与えることによりプレート型の熱交換器に過熱器/過冷器も提供する。本発明は、添付の請求項１により定義される一方、有利な実施態様は従属請求項の２−５により明示される。本発明を添付図を参照して以下に詳述する。

蒸発器の効率に関する問題は、理想的には液体媒体が蒸発器を流出しない、即ち蒸発した媒体の液量がゼロになることである、がそれを実際に達成することは困難である。
本発明の一つの目的はしたがって、蒸発器を流出する蒸発媒体の液量を最小化することによってより効率的な蒸発器を提供することである。

別の問題は、蒸発媒体における多量の液体成分が前記蒸発器に接続され協働する圧縮機の磨耗を増大することである。本発明の別の目的は、上述したように蒸発器を流出する蒸発した媒体の液体成分を最小化することによって蒸発器に接続された圧縮機の磨耗を低減することである。

プレート型の熱交換に関する特殊な問題は、蒸発器の下部に蓄積された液体媒体が不均一な流れを起し、結果として効率が低下することである。本発明に関する一つの目的はしたがって、蒸発器に蓄積された液体媒体の量を最小化することによってプレート型の熱交換器の効率を改良することである。

熱交換器に関する別の問題は、過熱器/過冷器は外部装置であり、これは熱交換器を大形化にしまたあまり経済的でないことである。
本発明のさらなる目的はしたがって、積層された過冷器/過熱器付のプレート型の熱交換器を提供することである。

図２を参照して、本発明に記載の蒸発器の作動原理をこれから説明する。媒体、例えばフレオンなどの冷却媒体は図２において、蒸発チャンバ１１０’から圧縮機１２０’またさらに液化器１３０’へそして最終的には膨張弁１４０’を経由して蒸発チャンバ１１０’に戻り循環する。本発明によれば、蒸発チャンバ１１０’はその下部に、液体状態の蓄積された媒体が外部フィードバックループに導入されるようにする排出装置１６０’を装備している。これは、蒸発チャンバの液面１５０’を低下させまたそれ故に蒸発器の効率のみならず圧縮機１２０’に到達する液量を減少させ、そして結果として圧縮機１２０’の磨耗を低減していて、当業者においては周知である。好適な実施態様においては、排出装置は、蒸発チャンバ１１０’の下部のさらなる出口４１０’と膨張弁１４０’などの膨張装置のさらなる入口１７０’との間は例えばホース、パイプあるいはチューブによる接続部から成っている。膨張装置はまた毛細管あるいは類似品であってもよい。好適な実施態様においては、膨張弁１４０’はフィードバック排出用のさらなる入口１７０’を備えている。膨張弁１４０’のさらなる入口１７０’は、膨張弁１４０’を通り液化器１３０’から蒸発器１１０’へ比較的高速で流れている媒体によって起るエゼクタ効果をもたらしている負の圧力を受ける。このエゼクタ効果は液体媒体を出口４１０’から膨張弁１４０’に戻し輸送するように導入できる。

代りとなる実施態様においては、排出装置は図２において矢印１８０’により示される、膨張弁１４０’の中ではなく膨張弁１４０’と蒸発チャンバ１１０’との間の接続部に戻し導入される。

別の実施態様においては、前記外部ループは図２において矢印１９０’により示される前記蒸発チャンバ１１０’に直接戻し導入する。

さらなる実施態様においては、前記排出装置１６０’はポンプを具備する。上述したエゼクタ効果はこれらの代りの実施態様において利用されてもよい。このことは膨張駆動エゼクタが本発明に記載の排出装置を通って媒体を輸送するために使われることを意味する。

本発明に記載の蒸発器、液化器及び熱交換器はこれから、蒸発器及び液化器がプレート型の熱交換器の形で実現されている特別な事例を用いて詳述される。プレート型熱交換器はさまざまな媒体間の熱交換用の一般的に周知の装置でありまた多くの状況において使用されそして本発明は特殊な応用のいずれかに限定されるものではない。しかしながら、本発明は全体に蝋付けされた型のプレート型熱交換器にもっとも容易に応用される。このことは熱交換器が媒体用の溝パターン、入口と出口との接続部を有しているプレートから成っていることを意味する。プレートはパッケージの中に置かれまた固定装置に一緒に蝋付けされている。分離されたダクトはしたがって、主に交互配置された（alternating）一対のプレート間を反対方向に循環している媒体用に形成される。入口と出口とは全てのプレートを通って延伸していて、したがってダクトに流れる個々の媒体用としては共通である。この技術は一般的に周知でありここでは詳述されない。

説明用だけのものであるが、本発明はここでは熱交換が三つの媒体、Ｉ、II及びIII の間で起る際の熱交換器に関する特殊な例を用いて記載されているが、本発明は任意の数の媒体間の熱交換に応用できる。使用された媒体は例えば、Ｉ＝フレオン、II＝ブライン及びIII ＝水であるが、他の媒体も当業者においては周知である。

図３を参照して、本発明に記載のプレート型の熱交換器のプレート３００の前面側A’が図示されている。図３においてのプレートは正常で運転可能な定常位に示されている、即ち図３においては重力は下方へ働いている。A’側は媒体Ｉ用の入口３１５と出口３２０と共にII媒体用の入口３０５と出口３１０とを備えている。図３、即ち液化チャンバ３８０において、バリアDは媒体IIがバリアDの左手側へまた媒体ＩはバリアDの右手側へ循環するように媒体をお互いに隔てている。本発明によれば、チャネルC”と共に区切られた領域A”を形成するさらなるバリアEは、媒体Ｉが循環する前記領域A”と液化チャンバ３８０の間に備えられる。バリアはプレート間の適切な相互作用する溝及び凹部パターンにより達成され、それは例えば文書、国際公開第００/０３１８９号パンフレットから分るがここでは詳述されない。

図４をこれから参照して、図３においてのプレート３００の背面側B’は正常で運転可能な定常位に示されている。図４においては、B’側は出口４１５と４２５及び媒体ＩがバリアFの左で蒸発チャンバ４５０の中へまた媒体III はバリアFの右へ循環するようお互いから媒体を分離するバリアFと共に入口４０５と４２０を有する。加えて、本発明は蒸発チャンバ４５０の下部において本発明に記載の外部排出装置４３０に接続された出口４１０を与える。

排出装置４３０は図２を参照して上述した排出装置１６０’と同一の機能を有し、また同一な方法で実現できる。したがって排出装置４３０は、図４において矢印４６０により示され出口４１０と膨張弁４４０との間、あるいは代わりに図４において矢印４７０により示され膨張弁４４０とさらなる入口４０５との間のどこかと出口４１０との間、あるいは代わりに図４において矢印４８０により示され出口４１０とさらなる入口４９０との間の例えば、ホース、パイプあるいはチューブによる接続部から成っている。排出装置は上述したエゼクタ効果を利用できる、即ち、図２を参照して上記した膨張駆動エゼクタを具備し、またおそらくはポンプも具備する。本発明に記載の排出装置はしたがって自動的に蒸発チャンバ４５０から液体を排出する。運転中は、この排出装置はしたがって、比較的少量の液体を蒸発チャンバから連続的に排出しそして次にチャンバの中に戻し注入する。熱交換器がある理由でオフになるあるいは停止するとき、液体は結果として蒸発チャンバ４５０に蓄積する。しかしながら本発明に記載の排出装置は、熱交換器が作動するやいなや効果的に蒸発チャンバ４５０を排出する。したがって熱交換器を起動直後は排出装置を通って排出する比較的多量の液体がある。しかしながら排出する液体の量は予想以上に早く減少する。この排出装置は、蒸発器と熱交換器の効率を増大しかつ圧縮機の磨耗を低減する。そのことは当業者には周知である。

次に図３および図４を参照して、本発明に記載の熱交換器の作動原理を説明する。
単なる説明目的のために、ヒートポンプ出願用に適用された熱交換器を説明する。
媒体II、例えばブラインは、図３においては入口３０５で例えば地表温度に相当する例えば１２℃という比較的高温で流入する。そして媒体Ｉと熱交換して下方のダクトチャンバ３８５に導入される。そしてその後出口３１０を通って低温例えば７℃で流出し、閉ループのグランドへ戻し導入される。

入口３１５は圧縮機により媒体Ｉ例えばフレオンを注入され、その結果媒体Ｉは高圧及び高温下例えば８０℃で入口３１５を通って液化チャンバ３８０に流入する。媒体Ｉは媒体III と熱交換してチャネルC”の入口３７０に向かいまたチャネルC”を通ってさらに上へ導入される。またそれ自体で熱交換して境界領域A”を通って導入される。したがって本発明に記載の領域A”は、媒体Ｉの蒸発段階中の過熱器としてまた媒体Ｉの液化段階中の過冷器として作動する二重の作用を提供している。したがって媒体Ｉは区切られた領域A”においてさらに液化される。これは熱交換器の効率を増大しまた圧縮機の磨耗を低減する。そのことは当業者には周知である。

媒体Ｉは、低温例えば３２℃で出口３２０を流出し、そしてその後膨張弁４４０へ注入される。膨張弁４４０を通過後は、媒体Ｉはかなり低い圧力と温度例えば２℃で入口４０５を通って流入する。媒体Ｉは低圧で蒸発を開始しまた蒸発チャンバ４５０において加熱されるときさらに蒸発する。媒体Ｉはしたがって、媒体IIと熱交換をして区切られた領域Bに向けて導入され、出口４１５を通って流出する。区切られた領域B”に到達するとき、媒体Ｉの温度は、この例示においてはおよそ７℃である。媒体Ｉは上述されたように区切られた領域B”においてそれ自体で熱交換し、したがってこの段階即ち蒸発段階においては上述した過熱作用を受ける。過熱器は全ての液体が圧縮機に到達する前に蒸発することを保証し、またそれは熱交換器の効率をさらに増大しかつ圧縮機の磨耗を低減することは当業者には周知である。

そのうえに、液体の形で蓄積された媒体Ｉは、上述されたように本発明に記載の排出装置４３０によりフィードバックされる。媒体Ｉはその後、高温例えば１０℃で出口４１５から閉ループ内の圧縮機へ向かう。

したがって、媒体Ｉは閉ループ内を蒸発チャンバ４５０から圧縮機へまたさらに液化チャンバ３８０へそしてその後膨張弁４４０を通って蒸発チャンバ４５０へ戻り循環する。媒体Ｉはまた上述した本発明に記載の排出出口４１０と排出装置４３０とで形成されたフィードバックループの中も循環できる。

媒体III 、例えば水は入口４２０を通って比較的低い温度例えば３８℃で流入し、また出口４２５を比較的高い温度例えば４４℃で流出する。そのため媒体III は熱交換器において媒体Ｉと熱交換する。媒体III は、入口４２０を通ってダクトチャンバ４８５に比較的低い温度例えば３８℃で流入し、また前記媒体Ｉと熱交換をして前記ダクトチャンバ４８５を通って導入される。前記媒体III はそのとき前記出口４２５を通ってダクトチャンバ４８５を比較的高い温度例えば４４℃で流出する。したがって、ネット効果として、媒体IIは媒体III に一定量の熱を与える。

本発明はヒートポンプの応用に使用されるプレート型の熱交換器の蒸発器及び液化器についての場合に記載されてきたが、本発明は広範な加熱及び/又は冷却の応用に適用できることが理解できる。例えば、上述のプロセスは空気調節に応用でき、熱交換器はプレート型である必要はない等は当業者には周知である。そのうえに、本発明に記載の蒸発器は熱交換器に使用できるのみならず蒸発プロセスのいずれにも応用できる。図３と図４とは実物大になっているのではなく、発明の作動原理を単なる事例により示している。それ故、以下の請求項により定義される本発明に沿って多種多様な方法で発明を実現できる。

図１は従来の熱交換器の作動原理を示す。 図２は本発明に記載の熱交換器において使用される蒸発器のさまざまな実施態様を示す。 図３は本発明に記載のプレート型熱交換器の一次プレート側、即ちA’正面側がどのようにして設計できたかの事例を示す。 図４は本発明に記載のプレート型熱交換器の二次プレート側、即ちB’背面側がどのようにして設計できたかの事例を示す。

Claims (5)

1. 少なくとも二つの分離したダクトループシステムを形成している溝パターンを有している相互作用する交互配置された（alternating）プレートから形成されていて、前記ダクトループシステムは、第一媒体（Ｉ）が第二の前記ダクトシステムの中を循環している第二媒体（II）と熱交換して第一の前記ダクトシステムの中を循環できるようになっているプレート型の熱交換器であって、前記熱交換器の前記第一ダクトループシステムは、複数の相互接続した蒸発チャンバ（４５０）を形成している一部分を具備していて、前記蒸発チャンバは、前記第一媒体（Ｉ）を前記蒸発チャンバ（４５０）に流入させかつ流出させるようになっている少なくとも一つの共通入口（４０５）と少なくとも一つの共通出口（４１５）とを有している熱交換器において、
   前記蒸発チャンバ（４５０）は排出装置（４３０）へ接続されたさらなる出口（４１０）を備えていて、前記排出装置は前記第一媒体（Ｉ）を外部ループにおいて前記蒸発チャンバ（４５０）の下部から液体の状態で排出するようになっており、かつ閉じた回路の中で前記蒸発チャンバ（４５０）に戻し導入するようになっており、
   前記入口（４０５）は接続手段により膨張装置（４４０）に接続されていて、前記膨張装置（４４０）はさらなる入口（４６０）を備えており、前記外部ループは前記媒体を前記膨張装置（４４０）のさらなる入口（４６０）を通って蒸発チャンバ（４５０）に戻し導入するよう配置されており、
   前記外部ループが前記媒体を前記膨張装置（４４０）のさらなる入口（４６０）を通って蒸発チャンバ（４５０）に戻し導入することは膨張駆動エゼクタによりおこなわれるようにされていて、
   前記相互作用するプレートは、第三の媒体（III ）が少なくとも前記第一媒体（Ｉ）と熱交換して循環できる第三のダクトシステムを形成する、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記蒸発チャンバ（４５０）は確定された一つの区切られた領域（B”）を有していることと、前記蒸発チャンバ（４５０）の出口（４１５）は圧縮機を経由して液化チャンバ（３８０）を形成している前記第一のダクトシステムの一部に接続されていて、前記液化チャンバ（３８０）は前記第一媒体（Ｉ）を前記蒸発チャンバ（３８０）の下部から上の別の区切られた確定領域（A”）の中に導入しているほぼ垂直なチャネル（C”）を有していて、その中では前記第一の媒体（Ｉ）が前記二つの区切られた領域（A”、B”）中をそれ自体と熱交換をしながら循環できることとを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、前記熱交換器が第一ダクトチャンバ（３８５）、複数の相互接続した蒸発チャンバ、圧縮機及び液化チャンバ（３８０）、膨張弁（４４０）及び第二ダクトチャンバ（４８５）を具備していて、
   - 前記第一ダクトチャンバ（３８５）は入口（３０５）と出口（３１０）とを有していて、前記入口と前記出口は前記第二媒体（II）が、前記第一媒体（Ｉ）と熱交換して導入されるよう前記入口（３０５）を通って前記第一ダクトチャンバ（３８５）に流入させるようにし、また前記出口（３１０）を通って前記第一ダクトチャンバ（３８５）を流出させるようにしていて、
   - 前記複数の相互接続した蒸発チャンバ（４５０）は、共通の入口（４０５）、共通の出口（４１５）及び一つの区切られた領域（B”）を有していて、前記入口（４０５）、前記出口（４１５）及び前記領域（B”）は、前記第一媒体（Ｉ）が前記第二媒体（II）と熱交換して前記蒸発チャンバ（４５０）を通りまたさらにそれ自体と熱交換して前記領域（B”）を通って導入されるよう前記入口（４０５）を通って流入させるようにし、そして出口（４１５）を通って前記蒸発チャンバを流出させるようにしており、
   - 前記圧縮機及び液化チャンバ（３８０）は、入口（３１５）と出口（３２０）とを有していて、前記液化チャンバ（３８０）はさらに別の区切られた領域（A”）と前記液化チャンバ（３８０）の下部から前記の別の区切られた領域（A”）へ導いているほぼ垂直なチャネル（C”）を有していて、また前記圧縮機は前記出口（４１５）と前記入口（３１５）とへ接続されていて、前記第一媒体（Ｉ）を、前記出口（４１５）から前記液化チャンバ（３８０）へ前記圧縮機を経由して前記入口（３１５）を通って導入でき、またさらに前記第三媒体（III ）と熱交換して前記液化チャンバ（３８０）を通って導入でき、またさらに前記チャネル（C”）を通って上昇し、前記第一媒体（Ｉ）がそれ自体と熱交換して導入できる前記の別の領域（A”）に導入しまた通過してそしてその後は前記出口（３２０）を通って前記液化チャンバ（３８０）を流出できるようになっていて、
   - 前記膨張弁（４４０）は前記出口（３２０）と入口（４０５）とへ接続されていて、前記第一媒体（Ｉ）は前記液化チャンバから前記蒸発チャンバ（４５０）に前記膨張弁（４４０）を経由し前記入口（４０５）を通って導入できるようになっていて、
   - 前記第二ダクトチャンバ（４８５）は入口（４２０）と出口（４２５）とを有していて、前記第三媒体（III ）は前記入口（４２０）を通って前記第二ダクトチャンバ（４８５）に流入し、かつ前記第一媒体（Ｉ）と熱交換して前記ダクトチャンバ（４８５）を通って導入できるようになっており、そして前記第三媒体（III ）は前記出口（４２５）を通って前記ダクトチャンバ（４８５）を流出できるようになっている、
   ことをさらに特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. ヒートポンプシステムであって、前記ヒートポンプシステムが請求項１−３に記載の熱交換器を具備することを特徴とする、ヒートポンプシステム。
5. 空気調整システムであって、前記空気調整システムが請求項１−３に記載の熱交換器を具備することを特徴とする、空気調整システム。

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