JP4705157B2 - 複数要素からなる熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮システムに関し、詳しくは、このようなシステムに使われる熱交換器の構成に関する。

なお本出願は、２００５年３月１８日に先行出願された米国特許仮出願第６０／６６３９１７号の出願日の権利を主張するものである。さらに、本出願と同日に出願された「ＨＩＧＨ ＳＩＤＥ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＴＲＡＮＳＣＲＩＴＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の同時係属出願である整理番号０５−２５８−ＷＯおよび上記仮出願第６０／６６３９１７号は、従来技術および発明の冷却器システムを開示する。前記出願の開示は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。

多くの蒸気圧縮システムでは、熱交換器の配置が空間によって著しく制約される。この用途では、空気と熱交換器内にある冷媒との温度差が大きいため、システムの効率は、適切に寸法決めされた熱交換器を備えるシステムと比較して低いことが多い。

システムの空間要件があり、なおかつ、さらに効率の良い熱交換が求められている。本発明の目的は、それに応えるシステムを提供することである。

他の目的および利点は以下の説明で明らかになる。

本発明によって、上記の目的および利点が得られる。

本発明によれば、システム動作の少なくとも第１のモードで、冷媒を流路に沿って流す圧縮機と、第１のモードにおいて、圧縮機の下流の流路内にある第１の熱交換器と、第１のモードにおいて、圧縮機の上流の流路内にある第２の熱交換器と、第１のモードにおいて、第１の熱交換器の下流でかつ第２の熱交換器の上流の流路内にある膨張装置と、を備え、第１の熱交換器が、第１の熱交換器を通過する熱交換流体の流路内に配置された複数の熱交換器構成要素からなることを特徴とする冷却システムが提供される。熱交換器構成要素は、ユニット内部で、さらに狭い利用可能な領域に配置され、それによって空間をさらに効率良く利用することができる。これらの熱交換構成要素への流れは、空気などの熱交換流体が、冷媒に対して向流となるように経路設定することができる。さらに、本発明のシステムは、全部ではないにしても少なくとも部分的にカセット内に組み込むことができ、ユニット全体を交換しなくても必要なときにカセットを交換すればいいように、冷却器ユニットの既存のハウジングつまりケースの内側で、カセットを容易に交換することができる。

本発明の好ましい実施例を、添付の図面を参照して、以下に詳細に説明する。

本発明は、冷却器ユニットの蒸気圧縮システムに関し、詳しくは、蒸気圧縮システム（好ましくは遷臨界蒸気圧縮システム）における熱交換器の配置に関する。

上記のように、空気などの熱交換媒体と熱交換器との接触面積が大きいほど、蒸気圧縮システムの動作時における効率が高くなる。本発明によれば、熱交換器が一連の又は複数の熱交換構成要素からなるように追加的な熱交換構成要素を収容するために、特定の蒸気圧縮システム内にある潜在的に利用可能な空間をすべて活用することによって、熱交換器と熱交換媒体との接触面積をさらに大きくすることができる。このようにして、利用可能な空間が狭くても、熱交換効率、延いてはシステム全体の効率を向上させるために活用される。

図１は、本発明によるシステムを示す。図１に示されるシステム１０は、この具体的な実施例では、ボトル冷却器冷却アッセンブリのための蒸気圧縮システムである。図１は、そのようなアッセンブリの下方部分を示し、この下方部分は、蒸気圧縮システムを内蔵するハウジング１２を含んでいる。図１〜図３を参照して、圧縮機１４と、下流側熱交換器１６と、膨張装置１８と、蒸発器２０と、を含む蒸気圧縮システムについてさらに考察する。圧縮機１４は、冷媒を、冷媒管路（図３）に沿って、最初に熱交換器１６に、続いて膨張装置１８に、続いて蒸発器２０に流すように動作する。冷媒の流れが、蒸発器２０から圧縮機１４に戻って回路を完成する。

本発明によれば、第１の熱交換構成要素２２および第２の熱交換構成要素２４を有する第１の熱交換器１６が設けられる。これらの構成要素は、比較的狭い空間に配置されながらも大きな熱交換をすることができるように、利用可能な空間を有効に活用してハウジング１２内に配置されている。

図に示されているように、ハウジング１２は、空気などの熱交換媒体が、第１の熱交換器１６で熱交換をするようになるための流路を画定する。ハウジング１２の上方部分も（図示されていないが、ハウジング１２より上方に位置し、矢印２７で示される冷却空気が供給される）冷却空間からの空気が第２の熱交換器２０で処理されるための流路を画定する。

任意の熱交換システムに関して、特に本発明の好ましい実施例を形成する蒸気圧縮システムに関して、システムの優れた効率性を得るためには、熱交換媒体と冷媒が流れている熱交換器との熱交換接触面積を拡大することが重要である。このようなシステムは、熱交換媒体に対して冷媒を逆向きに流すことにより、最も効率良く動作することも見出されている。すなわち、図３を参照すると、熱交換媒体つまり空気が矢印２６の方向へ流れているとすれば、熱交換器１６を通過する冷媒は、熱交換媒体の流れ方向と逆向きに示されている方向に流れていることが好ましい。さらに図１〜図３を参照すると、第１の熱交換器１６の第１の構成要素２２および第２の構成要素２４は、これらの構成要素が特定の装置内にある利用可能な空間を有効に活用できるように、寸法および／または形状が変わり得ること、また変わる可能性が極めて高いことを理解されたい。例えば、図に示した実施例では、第１の構成要素２２は、流れに対して横断方向にある平面上で比較的大きな面積を有し、前後方向に比較的に薄い。なぜなら、本実施例における第１の構成要素２２の寸法が、ハウジング１２の開放した前面に向かって、（前後方向に）比較的狭い空間に嵌るように決められているからである。本実施例におけるハウジング１２の内部において、壁２８の下にある第２の空間を使用することができる。この壁は、空気の第１の流れ２６を処理するためのハウジング１２の第１の部分を、空気の第２の流れ２７を処理するためのハウジング１２の第２の部分から分離する。この壁２８は、ハウジング１２の外面の輪郭が下がるように延在し、ハウジング１２の入口端３０から出口端３２へ流れる空気の流路断面積を制限する。流路断面積の縮小するこの区間が、ここを流れる空気の速度を加速させる。加速された流れは、本発明の熱交換器などの熱交換器における熱交換効率を向上させることが見出されている。本発明によれば、この区間で加速された流れを利用するために、第１の熱交換器１６の第２の構成要素２４を、流路断面積の縮小するこの区間に配置することが好ましい。さらに、この区間の形状は、第２の構成要素２４の構成を支配し、第１の構成要素２２とは対照的に異なる構成にする。具体的にはこの区間は、第１の構成要素２２を収容する空間と比較して、実質上、高さは低いが、入口側から出口側に向かって長く延在している。したがって、第２の構成要素２４は、この空間内に適切に嵌るように、有利に形作られ構成されている。それによって最大限の熱交換面積をもたらし、この区間を通過する加速された空気の流速をさらに有効に利用する。

上述のように、本発明による蒸気圧縮システムの好適な一実施態様は、遷臨界蒸気圧縮システムである。このようなシステムは、当業者に知られているように、第１の熱交換器で凝縮しない冷媒に作用する。遷臨界蒸気圧縮システムの冷媒の１つの例はＣＯ₂である。他の冷媒も、本発明の熱交換器配置から恩恵を受ける適切な蒸気圧縮システムを提供するために、本発明の範囲内で十分に使用され得ることを理解されたい。

当業者であれば、膨張装置１８は、これを通過する冷媒の圧力を減少させる任意の適切な膨張装置であり得ることを、理解されるであろう。この目的のために、公知のさまざまな膨張装置を利用することができる。本発明の好ましい態様によれば、「ＨＩＧＨ ＳＩＤＥ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＴＲＡＮＳＣＲＩＴＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の同時係属出願である整理番号０５−２５８−ＷＯを有するＰＣＴ特許出願に開示されているものなどの圧力調節器が、本発明と関連して使用するための特に望ましい型式の膨張装置である。本明細書では、膨張装置という用語は、このような圧力調節器を包含するものと考えている。

蒸発器の機能をする第２の熱交換器２０が、単一の熱交換器として図面に示されている。この第２の熱交換器２０も、冷却空間からの空気の流れを処理するための空間が特に狭い、かつ／または不規則形状である場合には、複数の構成要素として設けられ得ることを理解されたい。

図３は、第１の熱交換器１６から膨張機１８に、続いて第２の熱交換器つまり蒸発器２０に接続する冷媒管路を示す。冷媒は、蒸発器２０から圧縮機１４の吸入口へ戻るように流れる。

本発明は、熱交換器と熱交換媒体との接触面積を増やすことにより、熱交換効率を向上させることを理解されたい。さらに本発明のシステムは、熱交換に利用可能な空間をさらに活用することを示し、それによって、本発明による蒸気圧縮システムをさらに効率良く、所望される通りに動作させることを理解されたい。

幾つかのシステムにおいて、熱交換器の全体的な熱伝達面積を増やすために利用可能な空間に、熱交換器を複数要素に分割して配置し、使用することができる。本発明の開示では、効果的な冷媒流と空気（又は他の熱伝達媒体）流とを互いに逆向きに流しつつ、熱交換器の複数要素を追加して配置することで、熱伝達面積が増えることを利用する。

図２は、２つの要素からなる熱交換器を備えた実施例を示す。この場合に、空気流が前面から後面へ導かれるとすれば、冷媒の流れは、最初に構成要素２４を通過し、続いて構成要素２２を通過するように循環させる。空気流が後面から前面に導かれるとすれば、冷媒の流れは、最初に構成要素２２を通過し、続いて構成要素２４を通過するように循環させる。この方式は、（ＣＯ₂を使用するような）遷臨界蒸気圧縮システムに特に有用であり、このシステムでは、熱を放出している熱交換器から出ていくときの冷媒の温度が、この熱交換器に進入するヒートシンク流体（典型的には空気）にできるだけ近いことが、効率にとって重要である。この効果をさらに高めるために、個々の熱交換器セグメントまたは構成要素も、できるだけ向流となるように回路を構成することができる。

図２では、熱伝達流体（空気）が熱交換器構成要素２２、２４のすべてを通って流れるように、唯一のファン３４が使用される。これは必要な実施例ではないが、費用およびエネルギー効率に対して利益を加える。

熱交換器のセグメントつまり構成要素は、一体化して製造され出荷されてもよいし、別々に製造されてユニット組立の工程で連結されてもよい。この種の熱交換器は、汚れの理由からフィンの数を少なくした熱交換器が使われる用途で特に有用である。汚損の懸念によるフィンの削減が、熱交換器チューブまたはチャンネル表面積の追加によって相殺される。この熱交換器は、円形チューブプレートフィン、ワイヤオンチューブ、マイクロチャンネル、または他の任意の構成にすることができる。

本発明の１つまたは複数の実施例について記述したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な修正を加えることができることを理解されたい。例えば、既存システムの再生産または既存システム構成の再設計として実施される場合には、既存の構成の細部が、この実施の細部に影響を与えることがある。したがって、他の実施例も特許請求の範囲に含まれる。

本発明による複数要素からなる熱交換器を有するシステムの斜視図。 本発明による複数要素からなる熱交換器システムの模式図。 本発明によるシステムにおける冷媒および空気の流れを示す図。

Claims (7)

1. システム動作の少なくとも第１のモードで、冷媒を流路に沿って流す圧縮機と、
   前記第１のモードにおいて、前記圧縮機の下流の前記流路内にある第１の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記圧縮機の上流の前記流路内にある第２の熱交換器と、
   前記第１のモードにおいて、前記第１の熱交換器の下流でかつ前記第２の熱交換器の上流の前記流路内にある膨張装置と、
   冷却空間の下部に熱交換流体用の流路を画定し、この熱交換流体用の流路の一部に流路断面積の縮小した区域を有するハウジングと、
   を備え、
   前記第１の熱交換器が、前記ハウジングの前記熱交換流体用の流路内に配置された少なくとも第１および第２の熱交換器構成要素を含む複数の熱交換器構成要素からなり、
   前記第１の熱交換器構成要素は、前記熱交換流体の流れ方向に沿った長さが該流れ方向に直交する高さおよび幅よりも小さく、前記第２の熱交換器構成要素は、前記ハウジングの前記流路断面積の縮小する区域に配置されているとともに、前記熱交換流体の流れ方向に沿った長さが該流れ方向に直交する高さよりも大きく、
   前記複数の熱交換器構成要素内を流れる冷媒が、前記熱交換流体が前記複数の熱交換器構成要素を通過する順序に対して逆の順序で各熱交換器構成要素を流れ、
   前記第２の熱交換器は、前記冷却空間内でかつ上記熱交換流体用の流路の上方に配置されていることを特徴とする冷却システム。
2. 前記第２の熱交換器も複数の熱交換構成要素からなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の熱交換器が、分割された個別の利用可能な空間を有するハウジング内に据付けられ、この熱交換器構成要素がこれらの利用可能な空間内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. カセット受取り領域を画定する冷却器ハウジングをさらに備え、前記熱交換器構成要素が、前記受取り領域内に挿入されるようにつくられたカセット内に据付けられていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記冷媒の質量が主にＣＯ₂からなり、前記第１および第２の熱交換器が冷媒−空気熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムが冷媒を含み、前記冷媒が遷臨界蒸気圧縮となることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 請求項１に記載のシステムを備える飲料冷却装置。

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