JP6235467B2 - 冷却装置用凝縮・蒸発装置とその方法 - Google Patents

Description

本出願は、米国市民であるフレッド・リンゲルバックおよびジョン・リンゲルバックをすべての指定国の出願人とするＰＣＴ国際特許出願として、２０１２年６月１３日に提出されているものである。本出願には、２０１１年６月１３日に米国特許商標庁に提出された、米国仮出願番号６１／４９６，１５６の開示が含まれる。米国仮出願番号６１／４９６，１５６に対しては適切な範囲で優先権が主張されている。出願番号６１／４９６，１５６の開示内容はすべて、それを参照することにより本明細書に援用される。

本開示内容は、全体として、冷却装置用の凝縮・蒸発装置（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ、略称ＣＥＳ）、および凝縮・蒸発装置の作動に関するものである。凝縮・蒸発装置は、冷却装置全体の一部装置とみなすことができる。ガス状冷媒を凝縮・蒸発装置に送り出し、ガス状冷媒を凝縮・蒸発装置から回収する。集中型圧縮装置を有する冷却装置内に複数の凝縮・蒸発装置を備えることもできる。一つ以上の凝縮・蒸発装置を用いることにより、集中型の「凝縮器集設所」（コンデンサ・ファーム）を用いて同等の冷却能力を発揮する従来の冷却装置に比して、冷却装置全体としての冷媒量を削減することが可能となる。特に、当該凝縮・蒸発装置は、工業用冷却装置を作動させるために必要なアンモニア冷媒の量を大幅に減少させるのに有利である。

冷却プロセスにおいては、蒸発の基本的な熱力学的性質を利用して、熱を除去する。冷媒が熱交換器で蒸発すると、熱交換器と接触している媒体（すなわち、空気、水、グリコール、食品）は熱交換器壁を介してそれ自体の熱を伝達し冷媒に吸収され、その結果として、冷媒は液状からガス状に変化する。冷媒がガス状になると、ガスを高圧状態に圧縮してから凝縮器（熱交換器）を通すことにより熱を除去する、つまり、凝縮器で冷却媒体がガスから熱を奪う結果、ガスは凝縮されて液体となる。熱を吸収する凝縮器内の媒体は、多くの場合、水、空気、または水と空気の両方である。この液状態の冷媒は、熱を吸収する冷媒として再び利用することができる。

一般的に、工業用冷却装置はしばしば、複数の工業用圧縮器を必要とするような大容量出力を使う。この事実により、工業用冷却装置には、通常、大規模な集中型機関室や大型の集中型凝縮装置が含まれる。圧縮器がガスを圧縮すると、凝縮対象のガス （霜取り目的ではない）は、大規模な集中型凝縮装置に圧送される。大規模な集中型凝縮装置における複数の凝縮器は、しばしば「凝縮器集設所」とみなされる。冷媒が凝縮されると、得られた液状冷媒は受液器という容器に回収されるが、これは基本的に液状冷媒タンクである。

冷却用として使用できるように液体を受液器から蒸発器へ搬送するには、一般的に三つの装置が存在する。液体過給装置と、直接膨張装置と、ポンプドラム装置とがそれにあたる。最も一般的な装置は、液体過給装置である。液体過給装置は、一般的に液体ポンプを使用して、「ポンプアキュムレータ」という複数の大きな容器から、時には「インタークーラ」という同様の容器から、液状冷媒を各蒸発器に圧送する。所定の冷却装置内にある多くの蒸発器に液状冷媒を供給するためには、単一のポンプまたは複数のポンプが必要となる。液状冷媒は蒸発しがちなので、ポンプに容量分の供給ができずに空洞ができてしまうのを防ぐために、容器中には大量の液体（正味の正吸込ヘッド、略称ＮＰＳＨ）を保有することが必要となる場合が多い。ポンプというものは、圧送しようとする液体がポンプの内側や周辺に熱を吸収してガス化すると、空洞ができてしまう。これが起こると、ポンプは、種々の蒸発器に液体を圧送できず蒸発器の液体が欠乏し、処理工程の温度上昇を引き起こす。液体過給装置は蒸発器に液体を過給するように設計されている点に留意することが重要である。すなわち、当該装置は、蒸発器がその回路全体を通して液状冷媒を確実に有するように、各蒸発器に液体を過剰に送り出す。こうすることで、大量の液状冷媒が蒸発器からアキュムレータに戻り、そこから液状冷媒が再び圧送されるのは普通のことである。通常、上記各装置は、約４：１の過給率で設定することが多いが、それは蒸発器に圧送される液体４ガロン（約１５リットル）毎に、１ガロン（約４リットル）が冷却に必要な熱を吸収して蒸発し、３ガロン（約１１リットル）が蒸発せずに戻ることを意味している。上記各装置には、必要な過給量を供給するために非常に大量の液状冷媒が必要となる。結果として、上記各装置が適正に動作するには大量の液状冷媒を維持する必要がある。

図１を参照すると、代表的な工業用の二段冷却装置は参照番号１０で示され、液体過給器を備えており、冷媒はアンモニアを採用している。様々な液体過給冷却装置があり配管は異なっても、一般的な原則は一致している。一般的な原則には、一つの集中型凝縮器または凝縮器集設所１８と、凝縮した冷媒を回収するための高圧受液器２６を使用することと、液状冷媒を高圧受液器２６から個々の段１２および１４へ送出することとが含まれる。二段冷却装置１０には、低段装置１２および高段装置１４が含まれる。圧縮装置１６は低段装置１２および高段装置１４の両方を駆動し、高段装置１４は圧縮されたアンモニアガスを凝縮器１８に送る。圧縮装置１６は、第一段圧縮器２０と、第二段圧縮器２２と、インタークーラ２４とを備えている。インタークーラ２４は、高段アキュムレータとみなされることもある。凝縮器１８からは、凝縮されたアンモニアが凝縮器排液管２７を介して高圧受液器２６に供給され、そこには高圧液体アンモニアが通常は約１００ポンド・平方インチ（ｐｓｉ）（約６９０ｋＰａ）から約２００ｐｓｉ（約１３７９ｋＰａ）の間の圧力で保持される。低段装置１２を参照すると、液体アンモニアは、液体管３０と３２を介して低段アキュムレータ２８に配給される。低段アキュムレータ２８内にある液体アンモニアは低段ポンプ３４により、低段液体管３６を介して低段蒸発器３８に圧送される。低段蒸発器３８で、液体アンモニアは処理工程の熱と接触して約２５％から３３％（蒸発率は大きく異なってもよい）が蒸発し、残りのアンモニアは液体として残る。ガスと液体の混合物が、低段吸引管４０を介して低段アキュムレータ２８に戻る。蒸発したガスは、低段圧縮器吸引管４２を介して低段圧縮器２０に吸引される。ガスは、低段圧縮器２０を介して低段装置１２から除去され、配管４４を介してインタークーラ２４に吐出される。蒸発したアンモニアを補充する必要があるため、液体アンモニアが受液器２６から液体管３０を介してインタークーラ２４に送出され、その後液体管３２を介して低段アキュムレータ２８に送出される。

高段装置１４は、低段装置１２と同様の方法で機能する。高段アキュムレータ、すなわちインタークーラ２４内の液体アンモニアは、高段ポンプ５０により高段液体管５２を介して高段蒸発器５４へ圧送される。蒸発器５４において、液体アンモニアは、処理工程の熱と接触して約２５％から３３％（蒸発率は大きく異なってもよい）が蒸発し、残りのアンモニアは液体として残る。ガスと液体の混合物が、高段吸引管５６を介して高段アキュムレータ、すなわちインタークーラ２４に戻る。蒸発したガスは、高段圧縮器吸引管５８を介して高段圧縮器２２に吸引される。ガスが高段装置１４から除去されるので、蒸発したアンモニアを補充する必要があり、液体アンモニアが高圧受液器２６から液体管３０を介してインタークーラ２４に送出される。

装置１０は異なった配管構造を持つこともあるが、基本的な概念は、圧縮装置１６の供給を受ける集中型凝縮器１８があって、凝縮された高圧の液体アンモニアが高圧受液器２６に必要時まで貯蔵され、次いで液体アンモニアは、高段アキュムレータ、すなわちインタークーラ２４に流入し、高段蒸発器５４に圧送される。また、インタークーラの圧力を受けた液体アンモニアは、液体管３２を介して低段アキュムレータ２８に流れ、そこで低段蒸発器３８に圧送されるまで保持される。低段圧縮器２０から出たガスは、通常は低段圧縮器吐出管４４を介してインタークーラ２４に配給され、そこでガスが冷却される。高段圧縮器２２は、インタークーラ２４からガスを導入し、そのガスを凝縮圧力に圧縮し、そのガスを高段吐出管６０を介して凝縮器１８に吐出し、そこでガスは凝縮して液体に戻る。液体は、凝縮器排液管２７を介して高圧受液器２６に排出され、そこで再びサイクルが始まる。

直接膨張装置は、集中型タンクから出る高圧液体または減圧液体を使用する。その液体は、集中型タンクのほうが蒸発器より高い圧力となっているので、集中型タンクと蒸発器との圧力差によって動く。膨張弁という特殊な弁が使用され、蒸発器へ流入する冷媒の流量を計る。流入量が多すぎると、未蒸発の液状冷媒が通り抜けて圧縮装置に流れる。流入量が少なすぎると、蒸発器がその最大容量まで使用されず、おそらく不十分な冷却・冷凍となってしまう。

ポンプドラム装置は、液体過給装置とほぼ同じ方法で動作するが、主な違いは、小さな加圧タンクがポンプとして機能することである。通常は、液状冷媒がポンプドラムを満たしているが、より高圧な冷媒ガスがポンプドラムの頂部に注入されると、圧力差を利用して、液体は配管内に押し出されて蒸発器に向かう。過給比は通常は同じであり、このタイプの装置を利用するには大量の冷媒が必要となるという点は変わらない。

圧縮されたガス状冷媒を供給源として動作する複数の凝縮・蒸発装置が、本発明によって提供される。各凝縮・蒸発装置は、圧縮されたガス状冷媒を供給源としてガス状冷媒を凝縮するために構築された凝縮器と、液状冷媒を保持するため圧力制御受液器と、液状冷媒を凝縮器から圧力制御受液器に搬送するための第一液状冷媒供給管と、液状冷媒を蒸発させるための蒸発器と、液状冷媒を圧力制御受液器から蒸発器に搬送するための第二液状冷媒供給管とを含む。

一つの凝縮・蒸発装置が、本発明によって提供される。この凝縮・蒸発装置は、凝縮用圧力で供給されるガス状冷媒を凝縮するように構築された凝縮器と、ガス状冷媒を凝縮器に供給するためのガス状冷媒供給管と、液状冷媒を保持するための圧力制御受液器と、液状冷媒を凝縮器から圧力制御受液器へ搬送するための第一液状冷媒供給管と、液状冷媒を蒸発させる蒸発器と、液状冷媒を圧力制御受液器から蒸発器に搬送するための第二液状冷媒供給管とを含む。この凝縮・蒸発装置は、前記冷媒としてアンモニアを使用できるように構築される。前記凝縮・蒸発装置は、凝縮器と蒸発器とのバランスが取れるように構築される。前記凝縮・蒸発装置は、凝縮器がプレート・フレーム式熱交換器となるように構築される。

凝縮・蒸発装置を動作させる一つの方法が、本発明によって提供される。この方法は、（ａ）前記凝縮・蒸発装置を冷却サイクルで動作させる場合、（ｉ）凝縮圧力のガス状冷媒を凝縮器へ供給し、前記ガス状冷媒を液状冷媒に凝縮するステップと、（ｉｉ）前記液状冷媒を圧力制御受液器に貯蔵するステップと、（ ｉｉｉ）前記液状冷媒を前記圧力制御受液器から蒸発器に供給し、そこで処理工程から残り熱を除去するステップとを含み、（ｂ）前記凝縮・蒸発装置を霜取りサイクルで動作させる場合、（ｉ）凝縮圧力のガス状冷媒を前記蒸発器へ供給し、前記ガス状冷媒を液状冷媒に凝縮するステップと、（ｉｉ）前記液状冷媒を前記圧力制御受液器に貯蔵するステップと、（ｉｉｉ）前記液状冷媒を前記圧力制御受液器から凝縮器に供給するステップとを含む。冷却サイクルでの凝縮・蒸発装置の動作と霜取りサイクルでの凝縮・蒸発装置の動作は、単一の凝縮・蒸発装置で同時には発生しない。

代表的な従来技術の工業用多段冷却装置の概略図である。 本発明の原理による、複数の凝縮・蒸発装置を含む冷却装置の概略図である。 図２に記載の凝縮・蒸発装置の概略図である。 本発明の原理による別の凝縮・蒸発装置の概略図である。 本発明の原理による別の凝縮・蒸発装置の概略図である。 本発明の原理による別の凝縮・蒸発装置の概略図である。 本発明の原理による別の凝縮・蒸発装置の概略図である。

凝縮・蒸発装置（ＣＥＳ）は冷却装置の一部とみなすことができ、その冷却装置は工業環境で有用なものである。工業用冷却装置には単一または複数のＣＥＳを使用することができる。ＣＥＳを使用できる冷却装置は、通常は集中型圧縮器グループとなっている。ＣＥＳは、集中型圧縮器グループを基に複数のＣＥＳが存在する場合、ガス状冷媒が集中型圧縮器グループから複数のＣＥＳに供給されるように分散化される点に特徴がある。ガス状冷媒を集中型圧縮器グループから一つ以上のＣＥＳへ送入・送出する結果、より少量の冷媒で他のタイプの冷却装置の冷却能力と同等の冷却能力を発揮できる。ここで他のタイプの冷却装置とは、図１に記載の冷却装置により液状冷媒を複数の蒸発器に送出する、集中型凝縮器グループを使用して冷媒を凝縮する装置のことである。伝統的なアンモニア冷却装置は、通常は、集中型凝縮装置と、圧力制御受液器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ，略称ＣＰＲ）内に大量の液体アンモニアを保持する集中型貯蔵タンクまたは集中型貯蔵容器とを用いる。容器と冷却装置のタイプによっては、液体ポンプを使用して大量の液体アンモニアを送出し、冷却装置を通して液体アンモニアを蒸発器に供給し、そこで熱を液体アンモニア冷媒に移す。

米国特許商標庁に２０１１年６月１３日に提出された米国仮特許出願番号６１／４９６，１６０には一つ以上のＣＥＳを利用できる冷却装置が記載されており、本明細書はその開示内容全体を参照し援用している。このような冷却装置は、単段装置、 二段装置、あるいは多段装置として提供され得る。通常、単段装置は、単一の圧縮器が冷媒を蒸発圧力から凝縮圧力まで圧縮するものである。例えば、アンモニア冷媒の場合には、蒸発圧力は約３０ｐｓｉ（約２０７ｋＰａ）であり、凝縮圧力は約１５０ｐｓｉ（約１０３４ｋＰａ）である。二段装置などの多段装置は、二つ以上の圧縮器を直列にして、まず低圧（蒸発圧力）から中間圧まで圧縮して圧送し、次にそのガスを凝縮圧力まで圧縮する。この例を挙げれば、第一圧縮器がガスを約０ｐｓｉ（０Ｐａ）の蒸発圧力から約３０ｐｓｉ（約２０７ｋＰａ）の中間圧力まで圧縮し、第二圧縮器がガスを中間圧力から約１５０ｐｓｉ（約１０３４ｋＰａ）の凝縮圧力まで圧縮する。装置によっては、約華氏マイナス４０度から約１５０ｐｓｉ（約１０３４ｋＰａ）まで動作し、例えばスクリュー圧縮器のように大きな圧縮比で動作可能な圧縮器を使用する、単段装置を含む場合もある。二段装置の目的は、一部のモデルの圧縮器における圧縮比制限に加えて、主として馬力の節約である。施設によっては、二つ以上の低段装置を備えて、ある段では冷凍器を例えば華氏マイナス１０度での運転専用とし、別の段では急速冷凍器を華氏マイナス４０度での運転専用とするかもしれない。施設によっては、二つ以上の高段を有していてもよいし、低段および高段の任意の組み合わせを有していてもよい。 ＣＥＳは単段、二段、あるいは任意の数の段グループに対応することができる。

ＣＥＳは、冷却装置全体からみるとサブシステムとみなすことができ、弁を適正に配置することにより、冷却時に凝縮器として機能する熱交換器（オプションとして霜取りサイクル中には蒸発器として機能することができる）と、液状冷媒貯蔵器として機能する圧力制御受液器（ＣＰＲ）と、処理工程から熱を吸収する蒸発器（オプションとして霜取りサイクル中には凝縮器として機能することができる）とを含む。ＣＥＳは、凝縮器と、液状体冷媒貯蔵器と、蒸発器とをひとかたまりとして含むことが可能なので、上記構成要素を熱負荷に合わせた大きさにすることができる。さらに、一つ以上のＣＥＳを利用する冷却装置には、集中型凝縮器と、凝縮された液状冷媒を蒸発器に供給するために貯蔵する集中型受液器とが存在しないので、「分散型」として特徴付けられる。結果として、液状冷媒の冷却装置内移動を大幅に減少することができる。冷却装置内で輸送される液状冷媒の量を大幅に減少させることによって、冷却装置内の液状冷媒の全体量を大幅に削減することができる。一例として、図１に記載したような従来技術の冷却装置の場合、一つの集中型圧縮器グループと複数の分散ＣＥＳを備えた本発明に係る冷却装置を利用した結果、同じ冷却能力を維持しながら、冷媒の量を約８５％以上減少することが可能となる。

ここで図２を参照すると、本発明に係る複数の凝縮・蒸発装置（ＣＥＳ）を利用する冷却装置が、参照番号１００で示されている。冷却装置１００には、集中型圧縮器グループ１０２と複数の凝縮・蒸発装置１０４が含まれる。多段式冷却装置１００として 、二つの凝縮・蒸発装置１０６および１０８が示されている。なお、必要に応じて追加の凝縮・蒸発装置を備えてもよい。凝縮・蒸発装置１０６は低段凝縮・蒸発装置とみなし、凝縮・蒸発装置１０８は高段凝縮・蒸発装置とみなすことができる。通常、低段ＣＥＳ１０６と高段ＣＥＳ１０８を明示するのは、多段冷却装置１００が様々な熱除去つまり冷却の要件に如何に対応可能であるかを図示するためである。例を挙げれば、低段ＣＥＳ１０６は、高段ＣＥＳ１０８が作る温度環境よりも低い温度環境を作るべく動作するようになっている。例えば、低段ＣＥＳ１０６は、約華氏マイナス４０度で急速冷凍を行なうために使用できる。例を挙げれば、高段ＣＥＳ１０８は、例えば約華氏±１０度〜約華氏３０度のような華氏マイナス４０度より著しく高い温度まで冷却する領域を提供できる。これらの値は例示のために提供したものである。本発明による多段冷却装置は、いかなる工業設備の冷却要件を取っても提供可能であることが理解できよう。

多段式冷却装置１００を形成するにあたり、集中型圧縮器グループ１０２には、第一段圧縮器グループ１１０と第二段圧縮器グループ１１２が含まれる。第一段圧縮器グループ１１０は第一もしくは低段圧縮器とみなされ、第二段圧縮器グループ１１２は、第二もしくは高段圧縮器とみなされる。第一段圧縮器グループ１１０と第二段圧縮器グループ１１２との間には、インタークーラ１１４が備えられる。通常、ガス状冷媒は、第一段圧縮器入口管１０９を介して第一段圧縮器グループ１１０に供給され、そこで中間圧まで圧縮され、中間圧のガス状冷媒は、中間圧冷媒ガス管１１６を介してインタークーラ１１４に搬送される。インタークーラ１１４は、中間圧のガス状冷媒を冷却できるだけでなく、任意の液状冷媒をガス状冷媒から分離することもできる。次いで、中間圧冷媒は、第二段圧縮器入口管１１１を介して第二段圧縮器グループ１１２に供給され、そこで冷媒は凝縮圧力まで圧縮される。一例として、冷媒にアンモニアを採用した場合、ガス状冷媒は約０ｐｓｉ（０Ｐａ）の圧力で第一段圧縮器グループ１１０に入ると、約３０ｐｓｉ（約２０７ｋＰａ）の圧力まで圧縮される。次いで、約３０ｐｓｉ（約２０７ｋＰａ）のガス状冷媒は、第二段圧縮器グループ１１２を介して約１５０ｐｓｉ（約１０３４ｋＰａ）の圧力まで圧縮される。

通常の動作では、集中型圧縮器グループ１０２で圧縮されたガス状冷媒は、高温ガス管１１８を介して複数の凝縮・蒸発装置１０４に流入する。高温ガス管１１８に流入する圧縮器グループ１０２からのガス状冷媒は、一つ以上の圧縮・蒸発装置１０４に供給する圧縮ガス状冷媒の供給源とみなすことができる。図２に示すように、圧縮ガス状冷媒の供給源は、それをＣＥＳ１０６とＣＥＳ１０８の両方に供給する。圧縮ガス状冷媒の供給源を使って、三つ以上の圧縮・蒸発装置に供給することもできる。工業用アンモニア冷却装置の場合、単一の圧縮ガス状冷媒供給源を使用して、例えば、少なくとも一つ、少なくとも二つ、少なくとも三つ、少なくとも四つなど任意の数の圧縮・蒸発装置に、それを供給することができる。

低段ＣＥＳ１０６から出たガス状冷媒は、低段吸入（ＬＳＳ）管１２０を介して回収され、アキュムレータ１２２に供給される。高段ＣＥＳ１０８から出たガス状冷媒は、高段吸入（ＨＳＳ）管１２４を介して回収され、アキュムレータ１２６に供給される。前述したように、インタークーラ１１４は、アキュムレータ１２６として特徴付けられる。アキュムレータ１２２および１２６は、ガス状冷媒の供給を受けるため、および、基本的にはガス状冷媒だけが第一段圧縮器グループ１１０および第二段圧縮器グループ１１２に送出されるようにガス状冷媒と液状冷媒とを分離するために、構築されている。

ガス状冷媒は、それぞれ、低段吸引管１２０と高段吸引管１２４を介してアキュムレータ１２２と１２６に帰還する。帰還ガス状冷媒は、高すぎず低すぎない温度で提供することが望ましい。帰還冷媒が熱すぎると追加の熱（すなわち、過熱）が圧縮器グループ１１０と１１２内の圧縮熱に悪影響を及ぼすことがある。帰還冷媒が冷たすぎると、アキュムレータ１２２および１２６内に過剰な液状冷媒が貯蔵されることになる。帰還ガス状冷媒の温度を制御するには様々な技術を利用できる。図２に示した一つの技術は、スケルチ装置１６０である。スケルチ装置１６０が動作すると、液状冷媒管１６２を介し帰還ガス状冷媒に液状冷媒が合流する。帰還ガス状冷媒に合流する低段吸引管１２０または高段吸引管１２４内の液状冷媒により、帰還ガス状冷媒の温度が低下する。液状冷媒管１６２を介して流れる液状冷媒を制御するために、弁１６４を備えて、アキュムレータ１２２および１２６からの信号１６６の結果として応答できるようにする。ガス状冷媒は、高温ガス管１１８からガス状冷媒スケルチ管１６８まで流れ、そこで弁１６９により流れを制御する。熱交換器１７０がガス状冷媒を凝縮し、液状冷媒が液状冷媒管１７２を介して圧力制御受液器１７４内に流入する。圧力制御受液器圧力管１７６は、液状冷媒管１６２を介した液状冷媒の流れをより良くするために、低段吸引管１２０もしくは高段吸引管１２４と圧力制御受液器１７４との間の通路を提供することができる。

アキュムレータ１２２および１２６は、その中に液状冷媒を貯蔵可能にするように構成され得る。通常、低段吸引管１２０および高段吸引管１２４から戻る冷媒はガス状である。ガス状冷媒はその一部が、アキュムレータ１２２および１２６で凝縮し集まることがある。アキュムレータは、液状冷媒が蒸発するように構築することができる。また、アキュムレータは、そこから液状冷媒を回収するように構築することができる。使用環境によっては、アキュムレータを使用して液状冷媒を格納することができる。

今度は図３を参照すると、凝縮・蒸発装置１０６がより詳細に表されている。凝縮・蒸発装置１０６には、凝縮器２００と、圧力制御受液器２０２と、蒸発器２０４が含まれる。通常、凝縮器２００と、圧力制御受液器２０２と、蒸発器２０４とは、協働して蒸発器２０４に所望の冷却能力をもたせるようにそれらの大きさを設定することができる。一般的に、蒸発器２０４は、主として、処理工程から吸収する必要のある熱量でその大きさを決めている。即ち、蒸発器２０４は、主として、所定の施設で提供することが想定される冷却レベルに基づいてその大きさを決めている。凝縮器２００は、ＣＥＳ内がバランスの取れた流れとなるために、冷却中に蒸発器２０４が冷媒を蒸発させる速度とほぼ同じ速度でガス状冷媒を凝縮するように、その定格を決めることができる。バランスの取れた流れとは、凝縮器２００により冷媒から除去される熱が、蒸発器２０４内で冷媒に吸収された熱とほぼ同じであることを意味する。なお、バランスの取れた流れは、蒸発器が所望のレベルの性能を達成できる期間中ずっと流れ続けるものである。換言すれば、蒸発器２０４が所望通りに動作している限り、ＣＥＳはバランスが取れているとみなすことができる。これは、数台の蒸発器にその出力を提供する集中型圧縮器集設所とは対照的である。数台の蒸発器にその出力を提供する集中型圧縮器集設所の場合には、いずれか一つの特定の蒸発器に対しても圧縮器集設所のバランスが取れているとはみなされない。その代わりに、圧縮器集設所は蒸発器全体に対してバランスが取れているとみなされる。対照的に、ＣＥＳにおいては、凝縮器２００を蒸発器２０４専用とすることができ、凝縮器２００を蒸発器専用の凝縮器とみなすことができる。ＣＥＳ内では、凝縮器２００は、単一ユニットとして、あるいは、直列または並列に配置された複数ユニットとして設けることができる。同様に、蒸発器２０４も、単一ユニットとして、あるいは、直列または並列に配置された複数ユニットとして設けることができる。

ＣＥＳが凝縮器２００内の液状冷媒を蒸発させることができる必要がある場合がある。一つの理由としては、ＣＥＳで高温ガスを用いた霜取りを行なうからである。その結果、凝縮器２００は、バランスの取れた流れとするために、高温ガスを用いる霜取り時に蒸発器２０４が冷媒を凝縮するのとほぼ同じ速度で冷媒を蒸発させることのできる大きさにする。結果として、凝縮器２００は、冷却サイクル中にガス状冷媒を凝縮するために必要とされるよりも「大きい」ことになる。

集中型「凝縮器集設所」と、一つの集中型高圧受液器から液状冷媒を供給される複数の蒸発器とを用いる従来の工業用冷却装置の場合、凝縮器集設所はいずれの蒸発器に対してもバランスが取れていない。その代わりに、凝縮器集設所は、通常、すべての蒸発器の総熱容量とバランスが取れている。対照的に、ＣＥＳの場合、凝縮器と蒸発器は相互にバランスを取ることができる。

凝縮・蒸発装置１０６は、冷却装置全体の一部装置とみなすことができる。一部装置として、凝縮・蒸発装置は、通常、冷却装置内に存在する他の凝縮・蒸発装置から独立して動作可能である。あるいは、凝縮・蒸発装置１０６を、冷却装置内の一つ以上の他の凝縮・蒸発装置と連携して動作するように構成してもよい。例えば、二つ以上のＣＥＳが共に動作して特定の環境を冷却するように構成してもよい。

凝縮・蒸発装置１０６は、冷却サイクルおよび霜取りサイクルの両方で機能するように設けることができる。凝縮器２００は、冷却サイクルでは凝縮器２００として、高温ガスを用いる霜取りサイクルでは蒸発器２００’として機能する熱交換器２０１とすることができる。同様に、蒸発器２０４は、冷却サイクルでは蒸発器２０４として、高温ガスを用いる霜取りサイクルでは凝縮器２０４’として機能する熱交換器２０５とすることができる。従って、当業者であれば、熱交換器２０１が、冷却サイクルで機能するときは凝縮器２００とみなし、高温ガスを用いる霜取りサイクルで機能するときは蒸発器２００’とみなすことができると理解できよう。同様に、熱交換器２０５は、冷却サイクルで機能するときは蒸発器２０４とみなし、高温ガスを用いる霜取りサイクルで機能するときは凝縮器２０４’とみなすことができる。高温ガスを用いる霜取りサイクルというのは、圧縮器からのガスを蒸発器内に導入し、蒸発器を加熱して蓄積した霜や氷を溶かす方法を指す。その結果、高温ガスは、熱を失って凝縮される。ＣＥＳは、冷却及び高温ガスを用いる霜取りの両方で機能することができる場合、二重機能装置とみなされる。二重機能装置は、凝縮媒体が高温ガスを用いる霜取りサイクルでは冷やされ、エネルギーの節約をもたらして全体的な効率が上がるので、凝縮装置全体として有益である。高温ガスを用いる霜取りサイクルの周期は、一日一回の霜取りから毎時間霜取りまでさまざまであり、この熱を再利用することによる節約は相当なものとなり得る。この種の熱再利用は、高温ガスを用いる霜取りサイクルを行なわない従来システムでは不可能である。霜取りを行なう他の方法としては、空気、水、電熱を使用する方法もあるが、これらに限定されるものではない。凝縮・蒸発装置は、様々な霜取り方法に適用可能である。

凝縮・蒸発装置１０６は、高温ガス管２０６を介してガス状冷媒の供給を受ける。凝縮・蒸発装置１０６は、冷却装置の集中型圧縮器グループから離れた位置に設けられている。ガス状冷媒を凝縮・蒸発装置１０６に供給することにより、凝縮・蒸発装置１０６に供給される冷媒が液状ではなくガス状で供給されるので、冷却装置の必要とする冷媒量を大幅に削減できる。その結果、冷却装置は、本質的に従来の液体を供給する装置の冷却能力と同等の冷却能力を持ちながら、装置全体として大幅に少ない冷媒で機能することができる。

凝縮・蒸発装置１０６の動作を、冷却サイクルで動作する場合と霜取りサイクルで動作する場合について説明する。ガス状冷媒は高温ガス管２０６を通って流れることから、ガス状冷媒の流れは、高温ガス冷却サイクル流量制御弁２０８および高温ガス霜取り流量制御弁２０９によって制御できる。冷却サイクルで動作するとき、弁２０８は開いており、弁２０９が閉じている。霜取りサイクルで動作するとき、弁２０８は閉じており、弁２０９は開いている。弁２０８および２０９は、開閉ソレノイド弁もしくはガス状冷媒の流量を制御する調節弁として設けることができる。冷媒の流れは、圧力制御受液器２０２内の液状冷媒の液位に基づいて制御もしくは調整することができる。

凝縮器２００は、凝縮・蒸発装置１０６が冷却サイクルで機能しているときは凝縮器として機能し、凝縮・蒸発装置１０６が高温ガス霜取り法などの霜取りサイクルで機能しているときは蒸発器として機能することができる熱交換器２０１である。冷却サイクル中に凝縮器として機能する場合、凝縮器は、冷媒ガスから熱を除去して、高圧の冷媒ガスを凝縮する。冷媒ガスは、ガスから熱を除去するとガスが液体に凝縮する凝縮圧力で供給される。霜取りサイクル中は、熱交換器は蒸発器となって凝縮した冷媒を蒸発させる。なお、熱交換器は、図３で単一ユニットとして示されている。しかし、それは複数のユニットを並列もしくは直列に配置し、所望の熱交換能力を提供することを表していると理解されるべきである。例えば、霜取り時に凝縮液が過剰で追加の処理能力を必要とする場合、熱交換器ユニットを追加して使用可能である。熱交換器２０１は、 「プレート・フレーム式」熱交換器として設けることができる。しかしながら、シェル・チューブ式熱交換器を含む別の熱交換器を利用することも可能である。熱交換器を駆動する凝縮媒体は、水、または水とグリコールの溶液もしくは食塩水等の水溶液、または二酸化炭素やグリコールや他の冷媒を含む任意の冷却媒体であってもよい。凝縮媒体は、例えば、冷却塔または地中熱交換などの従来技術を用いて冷却することができる。また、凝縮媒体の熱は、工業施設または商業施設の他の部分で利用できる。

凝縮された冷媒は、熱交換器２０１から圧力制御受液器２０２に凝縮冷媒管２１０を介して流れる。凝縮冷媒管２１０には、凝縮排液流量制御弁２１２を含めてもよい。凝縮排液流量制御弁２１２は、冷却サイクル中に熱交換器２００から圧力制御受液器２０２への凝縮された冷媒の流れを制御できる。霜取りサイクル中は、凝縮器排液流量制御弁２１２が備わることで、熱交換器２０１から圧力制御受液器２０２への冷媒の流れを停止できる。凝縮器排液流量制御弁２１２の一例は、液体のみを通過させガスが存在すると遮断する、ソレノイド・フロート弁である。

圧力制御受液器２０２は、より単純にＣＰＲまたは受液器とみなすことができる。通常、圧力制御受液器とは、動作中に、受液器内の圧力を凝縮圧未満に維持する受液器のことをいう。ＣＰＲ中の圧力をより低くすると、例えば、凝縮器２００からＣＰＲ２０２に、また、ＣＰＲ２０２から蒸発器２０４に、流れを駆動しやすくなる。さらに、蒸発器２０４は、ＣＰＲ２０２の存在によって圧力が低下する結果、より効率的に動作することができる。

圧力制御受液器２０２は、冷却サイクル中および霜取りサイクル中ともに液状冷媒用貯蔵器として機能する。通常、圧力制御受液器２０２内の液状冷媒の液位は、冷却サイクル中は低く霜取りサイクル中は高くなる傾向がある。この理由は、霜取りサイクル中は蒸発器２０４内の液状冷媒が除去されて圧力制御受液器２０２内に置かれるためである。従って、圧力制御受液器２０２は、通常、冷却サイクル中に蒸発器２０４内に保持される液体の全量に加えて冷却サイクル中に圧力制御受液器２０２に保持される液体の量も保持するのに十分な大きさとすべきである。当然のことながら、圧力制御受液器２０２の大きさは、必要であれば変えることができる。霜取りサイクル中は圧力制御受液器２０２内の冷媒の液位が上昇するので、蓄積された液体は蒸発器２００’内で蒸発させることができる。また、必要に応じて圧力制御受液器を複数のユニットとして設けることができる。

冷却サイクル中は、液状冷媒は、圧力制御受液器２０２から蒸発器２０４に蒸発器供給管２１４を経由して流れる。液状冷媒は、圧力制御受液器２０２から流出して制御圧液供給弁２１６を通って流れる。制御圧液供給弁２１６は、圧力制御受液器２０２から蒸発器２０４への液状冷媒の流れを調節する。供給弁２１８を蒸発器供給管２１４に設ければ、より正確な流れ制御を行なうことができる。しかし、電子膨張弁などの精密な流量制御弁を制御圧液供給弁２１６として使用する場合、供給弁２１８は不要となり得ることが理解できよう。

蒸発器２０４は、空気、水、またはさまざまな他の媒体から熱を除去する蒸発器として設けることができる。蒸発器２０４により冷却することができる装置の例示的なタイプとして、蒸発器コイル、シェル・チューブ式熱交換器、プレート・フレーム式熱交換器、接触板式冷凍器、スパイラル式冷凍器、トンネル式冷凍器が含まれる。熱交換器は、貯蔵冷凍庫、処理を行なうフロア、空気、飲料および非飲料流体、および他の化学物質を冷却もしくは凍結することができる。熱を除去するほぼすべての応用製品で、実質的にどのようなタイプの蒸発器でもＣＥＳ装置で使用することができる。

ガス状冷媒は、ＬＳＳ管２２０を経由して蒸発器２０４から回収され得る。 ＬＳＳ管２２０内には、吸引制御弁２２２を設けることができる。オプションとして、管２２０にアキュムレータを備えて、液体が流れ出るのをさらに防ぐこともできる。吸引制御弁２２２は、蒸発器２０４から集中型圧縮器グループへの蒸発した冷媒の流れを制御する。吸引制御弁２２２は、通常、霜取りサイクル中は閉じている。また、霜取りサイクル中に、蒸発器２０４はガス状冷媒を液状冷媒に凝縮する凝縮器として機能し、凝縮された液状冷媒は蒸発器２０４から圧力制御受液器２０２へ液体冷媒回収管２２４を経由して流れる。霜取りサイクル中は、潜熱と顕熱を与えて蒸発器を霜取りしてもよい。水や電熱のような他のタイプの霜取り方法を用いて霜を除去してもよい。液状冷媒回収管２２４内に霜取り凝縮液弁２２６を備えてもよい。霜取り凝縮液弁２２６は、霜取りサイクル中に、蒸発器２０４から圧力制御受液器２０２への凝縮された冷媒の流れを制御する。霜取り凝縮液弁２２６は、通常、冷却サイクル中は閉じている。

高温ガス霜取りサイクル中に、圧力制御受液器２０２の液位が高くなりすぎると、液状冷媒は圧力制御受液器２０２から流れて液状冷媒霜取り管２２８を介して蒸発器２００’に流れる。液状冷媒霜取り管２２８内に、霜取り凝縮液蒸発供給弁２３０を備えてもよい。霜取り凝縮液蒸発供給弁２３０は、液状冷媒をガス状態に蒸発させる霜取りサイクル中は、圧力制御受液器２０２から蒸発器２００’への液状冷媒の流れを制御する。霜取りサイクル中は蒸発器２００’が動作して、蒸発器２００’を流れる熱交換媒体を冷却する。こうして媒体が冷却され、冷却システムが作動している施設内のどこかにある他の凝縮器のために媒体温度を下げるようにすることで電力を節約できる。また、高温ガス霜取りサイクル中に、ガス状冷媒は蒸発器２００’からＨＳＳ管２３２を経由して流出する。ＨＳＳ管内には霜取り凝縮液蒸発圧力制御弁２３４がある。霜取り凝縮液蒸発圧力制御弁２３４は、霜取りサイクル中に蒸発器２００’内の圧力を調節する。霜取り凝縮液蒸発圧力制御弁２３４は、通常、冷却サイクルの間は閉じている。霜取り凝縮液蒸発圧力制御弁２３４は、ＬＳＳ管２２０に配管することが可能である。一般的に、このような配置は効率的ではない。管２３２に小さいアキュムレータを備えて、液体が流れ出るのをさらに防ぐこともオプションとして可能である。

圧力制御受液器２０２とＨＳＳ管２３２との間には圧力制御受液器吸引管２３６が延びている。圧力制御受液器吸引管２３６内は圧力制御受液器圧力制御弁２３８がある。圧力制御受液器圧力制御弁２３８は圧力制御受液器２０２内の圧力を制御する。なお、圧力制御受液器吸引管２３６は、ＨＳＳ管２３２の代わりにあるいはそれに加えて、圧力制御受液器２０２からＬＳＳ管２２０に延びるように配置することもできる。通常は、圧力制御受液器管はＨＳＳ管２３２、または可能であればスクリュー圧縮器の節減器ポートに延びるのがより効率的である。

圧力制御受液器液位制御ユニット２４０は、圧力制御受液器２０２内の液状冷媒の液位を監視するために設けられている。圧力制御受液器液位制御ユニット２４０からの情報はコンピュータによって処理され、所望の液位を維持するために各種バルブを調整する。圧力制御受液器液位制御ユニット２４０内の液状冷媒の液位は観測可能であり、液状管２４２およびガス状管２４４を経由して交流を行なうことで液位の変更も可能である。液状管２４２およびガス状管２４４のどちらにも、流れを制御する弁２４６を含めることができる。

圧力制御受液器２０２の下部には、オプションとしてオイル抜き弁２４８を設けることができる。オイル抜き弁２４８を設ければ、圧力制御受液器２０２から蓄積したオイルを除去することができる。オイルは、冷媒にときどき混入するが、液状冷媒から分離する傾向があり、比較的重いので底に沈む。

圧縮器は、各ＣＥＳ用の専用圧縮器として設けることができる。しかしながら、複数のＣＥＳが一台の圧縮器または一つの集中型圧縮器グループに冷媒供給するほうが、より好ましい。工業用装置では、通常、集中型圧縮器グループがより望ましい。

当業者であれば、凝縮・蒸発装置１０６に使われる様々な構成要素は、ＡＳＭＥ（米国機械学会）、ＡＮＳＩ（米国規格協会）、ＡＨＳＲＡＥ（暖房、冷凍、エアコン技術者協会）およびＩＩＡＲ（アンモニア冷凍国際研究所）で指定されるような、一般に認められた構成要素のうちから選択することができ、弁、熱交換器、容器、制御装置、管、継手、溶接手順、およびその他の構成要素は、一般に認められた規格に準拠しているはずであることが理解できよう。

凝縮・蒸発装置は、工業用冷却装置の冷媒（例えば、アンモニア）の量を低減できる。工業用冷却システムには、通常、集中型の機関室を必要とするものが含まれ、そこで一台以上の圧縮器が複数の蒸発器の圧縮、および集中型凝縮装置用に圧縮を行なっている。このような装置では、液状冷媒は、通常は貯蔵容器から複数の蒸発器に搬送される。その結果、しばしば大量の液体が貯蔵され種々の蒸発器に搬送される。複数の凝縮・蒸発装置を利用することにより、冷媒量を約８５％低減することができる。もちろん、より大きな削減を達成することも期待できるが、工業用冷却装置によって異なる。工業用冷却装置におけるアンモニア量をどのようにして低減するのか理解するためには、冷却サイクル中は冷媒が（空気、水、食材などのような）媒体から熱を吸収して液体からガスに変化することを考えれば分かる。（アンモニアのような）液状冷媒は蒸発器に搬送されて蒸発する。多くの工業用冷却装置において、液状冷媒は、装置内の機能に応じて受液器やアキュムレータやインタークーラという集中タンクに保持される。液体アンモニアは、その後冷却するためにさまざまなルートで施設内の各蒸発器へ送出される。つまり、これらの工業用装置内にある多くの管には液体アンモニアが含まれている。水のはいったグラスには水蒸気を含むグラスよりも多くの水分子が含まれているのとちょうど同じように、配管内の液体アンモニアにはアンモニアガスが含まれた配管と比べて、一定の長さの管あたり通常９５％以上多くのアンモニアが含まれる。凝縮・蒸発装置は、一つ以上の凝縮・蒸発装置を用いて凝縮装置を分散することにより、装置全体に大量の液状冷媒を輸送する必要性を低減させる。各凝縮・蒸発装置には、通常、対応する蒸発器負荷のサイズに見合う凝縮器が含まれていればよい。例えば、１０トン（１２０，０００ＢＴＵ）の蒸発器に対して、凝縮器は少なくとも１０トン相当の大きさにすればよい。従来の工業用冷却装置においては、蒸発ガスを再び蒸発させることができるよう液体に戻すために、ガスが圧縮器で圧縮され、一つ以上の集中型凝縮器または凝縮器集設所に送られ、そこで熱をアンモニアから除去する結果、冷媒アンモニアが液状に凝縮する。この液体は、その後、冷却装置全体の様々な蒸発器に向けて送出される。

ＣＥＳを使用する装置では、蒸発器からのガスは圧縮器で圧縮され、高圧ガスとしてＣＥＳに送り戻される。このガスは次に凝縮器２００に供給される。冷却サイクル中は、（プレート・フレーム式熱交換器のような）凝縮器２００を通って冷却用媒体が流れる。冷却用媒体には、水、グリコール、二酸化炭素あるいは条件に合う任意の冷却用媒体が含まれる。高圧アンモニアガスは、圧縮中に吸収した熱を冷却用媒体に転送することにより、アンモニアが液状に凝縮する。この液体は、次いで、液体を容易に排出できるように凝縮器２００より低い圧力に保持された圧力制御受液器２０２に供給される。圧力制御受液器の圧力は、圧力制御受液器管２３６にある弁２３８によって調節される。圧力制御受液器２０２内部の液位は、液位制御ユニット２４０で監視する。冷却中に液位が高すぎたり低すぎたりすると、それに応じて弁２０８が開いたり、閉じたり、調節したりして適正な液位を維持する。

圧力制御受液器２０２は、蒸発器２０４に供給する液体を保持する貯蔵器として機能する。凝縮器２００および圧力制御受液器２０２は、各蒸発器２０４に合わせたサイズとなっているので、冷媒は必要に応じて凝縮される。必要に応じて蒸発器２０４の近傍で冷媒を凝縮するので、長距離にわたって液状冷媒を輸送する必要性が少なくなり、アンモニアの必要量は全体として劇的に削減できる（例えば、ほぼ同じ冷却能力を有する従来の冷却装置に比べ約８５％）。蒸発器２０４がさらにアンモニアを必要とする場合、アンモニアが蒸発器２０４から出る前に蒸発して液体アンモニアが圧縮器グループに戻らないように、弁２１６および２１８を開いて適正量のアンモニアを蒸発器２０４に供給する。弁２２２は、装置が動作していないときや霜取り中はアンモニアの流れを遮断する。

凝縮・蒸発装置１０６の動作を、冷却サイクル及び霜取りサイクルの両方について説明する。凝縮・蒸発装置１０６が冷却サイクルで動作するとき、凝縮圧力のガス状冷媒が高温ガス管２０６を介して圧縮装置から凝縮器２００に供給される。この場合、冷却サイクル流量制御弁２０８は開いており、高温ガス霜取り流量制御弁２０９は閉じている。ガス状冷媒は凝縮器２００に入り、液状冷媒に凝縮される。凝縮器２００は、水やグリコール水溶液などのような、凝縮器２００を通って圧送される任意の適当な冷却用媒体を利用できる。冷却用媒体から回収された熱が回収後どこか別の場所で使用されることは理解できよう。

凝縮された冷媒は、凝縮器２００から圧力制御受液器２０２に凝縮冷媒管２１０および凝縮排液流量制御弁２１２を経由して流れる。凝縮された冷媒は圧力制御受液器２０２内に蓄積するが、液状冷媒の液位は圧力制御受液器液位制御ユニット２４０により判断できる。液状冷媒は、圧力制御受液器２０２から出て蒸発器供給管２１４と制御圧液供給弁２１６および２１８を経由して蒸発器２０４に流れる。蒸発器２０４内の液状冷媒は蒸発され、ガス状の冷媒は蒸発器２０４からＬＳＳ管２２０および吸引制御弁２２２を経由して回収される。

興味深いことに、冷却サイクル中は、液体過給状態で蒸発器を動作させる必要はない。すなわち、蒸発器２０４に入る液体は全てガス状冷媒となって蒸発し冷却に供される。その結果、媒体から蒸発器を通って液状冷媒へ熱が移動し、液状冷媒がガス状冷媒となる。媒体としては、通常、冷却できるものであれば、基本的にどのような種類の媒体でもよい。媒体の例としては、空気や水や食材や二酸化炭素や他の冷媒が含まれる。

冷却の影響の一つとして、蒸発器に霜や氷が蓄積する。そのため、霜や氷ができるのに十分な低温で冷媒を受けるコイルにはすべて、付着物の無い効率的なコイルを維持するため霜取りサイクルを行なう必要がある。一般的に、コイル上の霜や氷を除去する方法は四つある。これらの方法には、水、電気、空気、あるいは（高圧アンモニアのような）高温ガスが含まれる。ＣＥＳはすべての霜取り方法で動作する。ＣＥＳは、特に高温ガス霜取り技術を用いる霜取りに適している。

高温ガス霜取り中には、ＣＥＳを通過する高温ガス状冷媒の流れを、蒸発器が霜取りされるように逆流させることができる。高温ガスを蒸発器に供給し、液状冷媒に凝縮させることができる。得られた液状冷媒は、凝縮器で蒸発させることができる。この蒸発ステップは、ＣＥＳ内で発生するため「局所蒸発」とみなされる。その結果、アキュムレータのような集中型容器に液状冷媒を貯蔵目的で送ることを回避できる。 従って、ＣＥＳは、大量の液状冷媒を貯蔵する必要が無く、蒸発器の高温ガス霜取りを行なうことができる。

高温ガス霜取り中には、通常は凝縮器に向かう高圧アンモニアガスが、代わりに蒸発器に向けられる。この暖かいガスは液状に凝縮されて、蒸発器を暖め、蒸発器の内部温度がコイル外側の氷を溶かすのに十分熱くなる。従来の冷却装置では、多くの場合、この凝縮液を取り出し、配管を経由させ大型タンクに戻し、そこから冷却用に再利用する。対照的に、ＣＥＳを用いた冷却装置では、装置内の余剰液体アンモニアが不要となるように、高温ガス霜取り中は凝縮された冷媒を使用し、その冷媒を蒸発させてガス状に戻し、凝縮用媒体を冷却する。

高温ガス霜取り中には、凝縮圧力のガス状冷媒を、高温ガス管２０６を経由して凝縮器２０４’へ供給する。ガス状の冷媒は、高温ガス霜取り流量制御弁２０９を介して（冷却サイクル制御弁２０８は閉じている）蒸発器供給管２１４内へそして供給弁２１８を介して流れる。凝縮器２０４’内のガス状冷媒は凝縮されて液状冷媒（これが結果的に氷や霜を融解する）となり、液状冷媒回収管２２４および霜取り凝縮液弁２２６を経由して回収される。霜取り中は、吸引制御弁２２２は閉じている。次いで、液状冷媒は、液状冷媒回収管２２４を経由して圧力制御受液器２０２に流入する。別の方法として、複数の弁と制御装置を正しく設けたうえで、少なくとも一部の液状冷媒を、ＣＰＲ２０２を迂回させて管２２４から管２２８に直接流すことも可能である。液状冷媒は、圧力制御受液器２０２から液状冷媒霜取り管２２８を経由し霜取り凝縮液蒸発供給弁２３０を介して蒸発器２００’に流れる。このとき、制御圧液供給弁２１６および凝縮排液流量制御弁２１２は閉じており、霜取り凝縮液蒸発供給弁２３０は開いていて調節可能である。霜取りサイクル中は、蒸発器２００’内の液状冷媒は蒸発してガス状冷媒となり、ガス状冷媒はＨＳＳ管２３２を経由して回収される。また、霜取り凝縮液蒸発圧力制御弁２３４は開いて調節を行ない、冷却サイクル流量制御弁２０８は閉じている。

高温ガス霜取りサイクル中には、凝縮器２０４’の対面にある媒体は加熱され、蒸発器２００’の対面にある媒体は冷却されることが理解できよう。霜取りサイクル中に発生する蒸発は、圧縮器の吐出圧力を低下させ熱交換器の冷却媒体温度を低くするが故に、凝縮装置内の（水または水とグリコールのような）媒体を冷却するのに役立つという点で付加的効果を奏し、これによって節電できる。

なお、高温ガス霜取りサイクルを行なわずにＣＥＳを利用することも可能である。ＣＥＳに利用する他のタイプの霜取り手段としては、空気霜取り、水霜取り、あるいは電気霜取りが含まれる。図２および図３に示した概略図に関していえば、当業者であれば、高温ガス霜取りを行なわず代わりに空気霜取り、水霜取り、あるいは電気霜取りを利用するように装置を改変する方法が理解できよう。

アンモニアの削減は、アンモニアが労働安全衛生局（ＯＳＨＡ）により「放出すると毒性危険物、火災危険物、あるいは爆発危険物となるおそれのある毒性化学物、反応性化学物、引火性化学物、あるいは爆発性化学物」（ＯＳＨＡから引用）として分類されているので、重要になってきている。アンモニアは、この法令で規制されるので、ＯＳＨＡはプロセス安全管理（ＰＳＭ）プログラムを作成すべき要件として、施設内のアンモニア一万ポンド（約４５３６ｋｇ）以上という閾値量を定めている。毒性化学物、反応性化学物、引火性化学物、あるいは爆発性化学物の削減は常に望ましいものだが、多くの工業用冷却装置が、同じサイズおよび処理能力で設計可能でありながら一万ポンド（約４５３６ｋｇ）の閾値を下回る装置として提供できるので、ＰＳＭプログラム要件を無くせる点に留意すべきである。ＰＳＭプログラムは、一般的に高価で時間のかかるものである。

ＣＥＳは屋上型冷却装置で使用することができるが、このタイプは各蒸発器または限られた数の蒸発器が、ペアを組む圧縮器と凝縮器が搭載された一台の凝縮ユニットに局所的に配管されている。複数の屋上型ユニットは互いに自律しており、冷却管が相互に接続されていることはない。

若干の変更を行なえば、ＣＥＳを変更し満液式装置もしくは再循環式装置で動作できることに留意されたい。満液法における配管は異なるが、ＣＥＳの基本である局所的凝縮動作は同じである。再循環式装置ではＣＥＳ専用の小さなポンプを組み込む必要があるが、満液法とポンプ方法の両者は、どの施設においてもアンモニア量が増えるので理想的とは言えない。

図３の凝縮・蒸発装置１０６は、冷媒を蒸発器に供給するために直接膨張を使用するので、直接膨張供給式装置として特徴付けることができる。凝縮・蒸発装置において、冷媒を蒸発器に供給するために別の装置を使用してもよい。例えば、凝縮・蒸発装置は、ポンプ供給式、満液供給式、あるいは加圧供給式で構成されてもよい。

ここで図４を参照すると、別の凝縮・蒸発装置が参照番号３００で示されている。凝縮・蒸発装置３００は、液状冷媒を蒸発器３０４に供給するポンプ３１５を使用しているので、ポンプ供給式凝縮・蒸発装置とみなすことができる。凝縮圧力での高温ガスは、高温ガス管３０６を経由して導入し、高温ガス弁３０８で調節して凝縮器３００に導入する。凝縮器３００および蒸発器３０４は、それぞれ熱交換器３０１と３０５である。高温ガス霜取り中は、熱交換器３０１を蒸発器３００’とみなし、熱交換器３０５は凝縮器３０４’とみなすことができる。凝縮した液状冷媒は、液状冷媒管３１０を経由して凝縮器３００から圧力制御受液器３０２に流れる。液体冷媒管３１０に弁３１２を備えて、圧力制御受液器３０２への流れを調節できる。圧力制御受液器３０２内の液状冷媒の液位レベルを液位モニタ３４０で監視し、弁３４６で隔絶させることができる。圧力制御受液器３０２内の液状冷媒は、液状冷媒供給管３１４を経由して蒸発器３０４へ供給することができ、ポンプ３１５で流れを制御することができる。蒸発器３０４から出る冷媒は蒸発器戻し管３２４を経由して流れ、圧力制御受液器３０２に戻るが、戻し弁３２５で流れを制御してもよい。圧力制御受液器３０２内で、ガス状冷媒と液状冷媒は分離される。ガス状冷媒は、ガス状冷媒回収管３２０を経由して吸引し、その先で回収し圧縮装置で圧縮する。ガス状冷媒回収管３２０を経由する流れは、ガス状冷媒回収弁３２２で制御してもよい。

高温ガス霜取り中には、弁３０８、３１２、および３２５は閉じるが、弁３２２は閉じてもよいし、流れ調節に使用してもよい。高温ガスは、高温ガス管３０６から高温ガス霜取り管３０４へ導入され、高温ガス霜取り弁３０９を介して熱交換器３０５、すなわち凝縮器３０４’へと導かれる。液状冷媒は、熱交換器３０５から液状冷媒戻し管３５０を経由して圧力制御受液器３０２に流れる。弁３５２および３５４は、冷媒の流れを液状冷媒戻し管３５０から圧力制御受液器３０２もしくは熱交換器３０１に制御するために使用される。弁３５４が開いているときは、冷媒が圧力制御受液器３０２に流れ込み、その液位を液位制御装置３４０で監視し弁３４６で隔絶させる。弁３５２が開いているときは、冷媒が熱交換器供給管３５８を経由して、熱交換器３０１に流れる。熱交換器３０１を蒸発器３００’として使用し、液状冷媒を沸騰させてガス状冷媒とし、それをガス状冷媒戻し管３６０を経由して圧縮装置に戻し、戻し管弁３６２で制御する。ＣＥＳ３００では、高温ガス霜取り中には圧力制御受液器３０２を迂回させて冷媒を流すことができる。なお、ＣＥＳ３００は、電気、水、空気などを含め、別の方法で霜取りを行なうこともできることに留意されたい。

次に、図５と図６を参照しながら、満液供給式装置とみなされる、別の流れを有する凝縮・蒸発装置を示す。

図５は、熱交換器４０５の吸引側にある圧力制御受液器４０２（冷却サイクル中は蒸発器４０４とみなし、高温ガス霜取り中は凝縮器４０４’とみなすことができる）に供給する様子を示している。高温ガス管４０６を経由して高温ガス冷媒を熱交換器４０１（冷却サイクル中は凝縮器４００とみなし、高温ガス霜取り中は蒸発器４００’とみなすことができる）へ導入し、弁４０８で流れを制御する。冷媒は熱交換器４０１で凝縮されるので、凝縮された冷媒は凝縮冷媒管４１０と弁４１２（フロートを含んでいてもよい）を経由して熱交換器４０５に流れる。なお、冷却サイクル中は、弁４３０および４３２は閉じる。液状冷媒で熱交換器４０５は満液となるので、冷媒は熱交換器４０５から圧力制御受液器供給管４３６を経由して溢れ出て、圧力制御受液器４０２に向かう流れは弁４３８で制御される。液状冷媒とガス状冷媒は圧力制御受液器４０２の内部で分離される。圧力制御受液器４０２内部の液状冷媒の液位は液位モニタ４４０で監視し、弁４４６で隔絶させる。液位が高くなりすぎると、弁４０８と４１２の両方またはいずれかで熱交換器４０５に向かう冷媒の流れを減少させる。ガス状冷媒は、圧力制御受液器４０２から吸引し、管４２０（さらに弁４２２で流れを制御できる）を経由して機関室へ送り、そこで圧縮する。

高温ガス霜取り中には、弁４３８、４１２および４０８を閉じ、弁４２２は閉じるか、または流れを調節するために使用する。高温ガスは、高温ガス管４０６と高温ガス供給管４７０と高温ガス供給弁４７２を経由して熱交換器４０５に導入される。熱交換器４０５内で凝縮された液状冷媒は、管４７４を経由して熱交換器４０５から流れる。弁４３０が熱交換器４０１に至る流れを制御し、弁４３２が圧力制御受液器４０２に至る流れを制御する。高温ガス霜取り中は、熱交換器４０１は蒸発器として使用され、液体を沸騰させてガスにし、管４８０と弁４８２を経由して機関室に戻す。なお、別の配管配置も考えられる。冷媒は、管４７４を経由して弁４３２を通り圧力制御受液器４０２に流すようにしてもよい。液状冷媒は、圧力制御受液器４０２に集めることができる。必要であれば、ガス状冷媒は管４２０と弁４２２を経由して回収することができる。

ここで図６を参照すると、圧力制御受液器４０２を熱交換器５０５の吸引側と液体側の両方に配管した凝縮・蒸発装置が示されている。冷却時は、高温ガスは高温ガス管５０６を経由して熱交換器５０１に導入され、弁５０８によって調節される。熱交換器５０１は冷却サイクル中には凝縮器５００とみなし、高温ガス霜取りサイクル中には蒸発器５００’とみなすことができる。冷媒が凝縮されると、圧力制御受液器供給管５１０と弁５１２（フロートを含んでいてもよい）を経由して圧力制御受液器５０２に供給する。圧力制御受液器５０２内の液体は、満液となって満液管５２０と満液管弁５２２を経由して熱交換器５０５に流れる。熱交換器５０５は冷却サイクル中には蒸発器５０４とみなし、高温ガス霜取りサイクル中には凝縮器５０４’とみなすことができる。管５２４にある弁５２６は、冷却中は閉じる。液体とガスの混合物は、冷媒戻し管５３０を経由して圧力制御受液器５０２に戻り、その流れは弁５３２によって制御される。液体とガスは圧力制御受液器５０２で分離され、ガスは管５２７および弁５２８を経由して吸引され、機関室に送られて圧縮される。

圧力制御受液器５０２内部の液位は、液位モニタ５４０で監視され、弁５４６で隔絶させる。液位が高くなりすぎると弁５０８と弁５１２の両方またはいずれかを閉じるか、または流れを少なくして圧力制御受液器５０２内の必要な液位に調節する。（例えば、華氏マイナス４０度のような）低温の用途では、圧力制御受液器を追加して熱交換器５０１と圧力制御受液器５０２との間に配管し、処理能力を増やすことが望ましい。この圧力制御受液器は、熱交換器５０１から流れ出た液体冷媒から、それが圧力制御受液器５０２に流入するに先だって、熱の一部を除去するために、冷却装置の吸引圧力がより高い部分に配管すればよい。こうすれば、効率が優れたものとなる。

高温ガス霜取り中には、 弁５３２、５１２および５０８を閉じる。高温ガスは、高温ガス管５１１と弁５０９を経由して熱交換器５０５に導入される。熱交換器５０５から戻る、液状とガス状の冷媒は弁管５２０および弁５２２を経由して圧力制御受液器５０２に流れる。圧力制御受液器５０２内の液位が高くなりすぎると、弁５２２は閉じる。あるいは、液状とガス状の冷媒は管５２４および弁５２６（フロートを含んでいてもよい）を経由して熱交換器５０１に流れてもよい。熱交換器５０１は蒸発器として使用され、液体を沸騰させて再度ガスにし、管５３２および弁２３４を経由して機関室に戻す。オプションとして供給弁５５０を示しているが、これで戻し冷媒を調節することができる。配管は様々に変更可能である。

ここで図７を参照すると、加圧供給装置として特徴付けられる別の圧縮・蒸発装置が示されている。冷却サイクル中には、高温ガスは管６０６を経由して熱交換器６０１（熱交換器６０１は、冷却サイクル中は凝縮器６００とみなし、高温ガス霜取り中は蒸発器６００’とみなすことができる）に導入され、弁６０８を介して調節される。冷媒は凝縮されるので、液状冷媒が管６１０および弁６１２（フロートを含んでいてもよい）を経由して圧力制御受液器６０２内に供給される。圧力制御受液器６０２内の液位は液位モニタ６４０で監視され、弁６４６で隔絶させる。

液状冷媒は、圧力制御受液器６０２から加圧貯蔵装置６６０を通って蒸発器６０４（熱交換器６０５は、冷却サイクル中は蒸発器６０４とみなし、高温ガス霜取り中は凝縮器６０４’とみなすことができる）に移動する。加圧貯蔵装置６６０は、単一の貯蔵庫として備えても複数の貯蔵庫として備えてもよい。図７では、第一貯蔵庫６６１および第二貯蔵庫６６２として複数の貯蔵庫を示している。液状冷媒は、ＣＰＲ６０２から液状冷媒管６６３および第一弁６８０を経由して第一貯蔵庫６６１へ流れる。第一貯蔵庫６６１が十分に満杯になると、高温ガスが高温ガス管６０６および弁６６６を経由して第一貯蔵庫６６１を加圧し、冷媒が蒸発器６０４に流入する。ソレノイド６７０をオプションとして示しているが、ソレノイド６６６が開いて液体を移送するときにこれを開く。冷媒が第一貯蔵庫６６１から蒸発器６０４に流れる一方で、ＣＰＲ６０２からの冷媒は管６６３および弁６８１を経由して第二貯蔵庫６６２に流れる。第二貯蔵庫６６２が十分に満杯になると、第二貯蔵庫６６２を高温ガス管６０６、７０８、７０９および弁６６７を経由する高温ガスにより加圧し、冷媒を第二貯蔵庫６６２から蒸発器６０４に押し出す。ソレノイド６７１をオプションとして示しているが、ソレノイド６６７が開いて液体を移送するときにこれを開く。二つの貯蔵庫６６１と６６２は、液の充填と蒸発器６０４への供給を交互に行なう。必要であれば、三つ以上の貯蔵庫を利用してもよい。

必要であれば、管６７２に計量装置を備えて流れを調整してもよい。弁６８２および６８３を用いて、第一貯蔵庫６６１と第二貯蔵庫６６２の圧力を均等化すれば、液体が圧力制御受液器６０２から第一貯蔵庫６６１と第二貯蔵庫６６２に重力排出する。弁６８０および６８１は、圧力制御受液器６０２から第一貯蔵庫６６１と第二貯蔵庫６６２への冷媒の流れを制御する。三方バルブのような組み合わせ弁を使用すれば、配管のいくつかは無くせる。

戻し冷媒は、管６９０を経由し弁６９２を介して圧力制御受液器６０２に配管を通じて戻り、そこでガスと液体が分離される。ガスは、管６２０および弁６２２を経由して吸引され、機関室に戻ってそこで圧縮される。

高温ガス霜取り中には、高温ガスを管７０８および弁７１０を経由して熱交換器６０５に導入する。戻し高温ガスおよび液体は、管７２０およびソレノイド弁７２１（フロートを含んでいてもよい）を経由して戻す。この戻しを弁７３０および７３２で、圧力制御受液器６０２または熱交換器６０１のいずれかへ送出し、後者は蒸発器として使用され、液体を沸騰させて再度ガスにし、管６３２および弁６３４を経由して機関室に戻す。設計エンジニアの好みに応じてさまざまな配管の変形があるが、基本的な前提は記載の通りである。

上記の仕様は、本発明に基づく製品を製造して使用するための完全な説明を提供するものである。本発明の多くの実施形態は本発明の精神および範囲から逸脱することなく行なうことができるので、本発明は添付の特許請求の範囲に存する。

Claims (12)

1. 集中型圧縮器グループと複数の凝縮・蒸発装置とを備える冷却装置であって、各々の凝縮・蒸発装置は、
   （ａ）凝縮用圧力で供給されるガス状冷媒を凝縮するように構築された凝縮器と、
   （ｂ）ガス状冷媒を前記集中型圧縮器グループから前記凝縮器に供給するためのガス状冷媒供給管と、
   （ｃ）液状冷媒を保持するための圧力制御受液器と、
   （ｄ）液状冷媒を前記凝縮器から前記圧力制御受液器に搬送するための第一液状冷媒供給管と、
   （ｅ）液状冷媒を蒸発させるための蒸発器と、
   （ｆ）液状冷媒を前記圧力制御受液器から前記蒸発器に搬送するための第二液状冷媒供給管と、
   （ｇ）ガス状冷媒を前記蒸発器から前記集中型圧縮器グループに搬送するためのガス状冷媒吸引管と、を備え、冷却サイクル中に前記凝縮器と前記蒸発器とのバランスが取れるように構築され、
   （ｈ）複数の前記凝縮・蒸発装置は並列に設けられて、
   （ｉ）前記冷却装置は、複数の前記凝縮・蒸発装置が同時に動作することによって所定の設備を同時に冷却する
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記凝縮・蒸発装置は、冷却サイクルと霜取りサイクルで動作するように構築される
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凝縮・蒸発装置は、霜取りサイクルでは、凝縮用圧力で供給されるガス状冷媒を前記蒸発器に搬送する動作を行なうように構築される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の冷却装置。
4. 前記凝縮・蒸発装置は、霜取りサイクルでは、前記蒸発器から出る液状媒体を蒸発のために前記凝縮器に搬送する動作を行なうように構築される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記凝縮・蒸発装置はアンモニア冷媒を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記凝縮器はプレート・フレーム式熱交換器を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
7. さらに、ガス状冷媒を前記蒸発器から搬送するためのガス状冷媒吸引管を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の冷却装置。
8. さらに、霜取りサイクル中にガス状冷媒を前記蒸発器に搬送するための第二ガス状冷媒管を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の冷却装置。
9. さらに、霜取りサイクル中にガス状冷媒を前記凝縮器から搬送するための第二ガス状冷媒吸引管を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の冷却装置。
10. さらに、霜取りサイクル中に液状冷媒を前記蒸発器から前記圧力制御受液器に搬送するための第三液状冷媒管を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の冷却装置。
11. さらに、霜取りサイクル中に液状冷媒を前記圧力制御受液器から前記凝縮器に搬送するための第四液状冷媒管を備える
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の冷却装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の冷却装置を動作させる方法であって、
    （ａ）前記冷却装置を冷却サイクルで動作させる場合は、
    （ｉ）凝縮用圧力のガス状冷媒を前記集中型圧縮器グループから同時に複数の前記凝縮器に供給し、前記ガス状冷媒を液状冷媒に凝縮するステップと、
    （ｉｉ）前記液状冷媒を各々の凝縮・圧縮装置の圧力制御受液器に貯蔵するステップと、
    （ｉｉｉ）前記圧力制御受液器からの前記液状冷媒を同時に複数の前記蒸発器で蒸発させるステップと、から構成され、
    （ｂ）前記冷却装置を霜取りサイクルで動作させる場合は、
    （ｉ）凝縮用圧力のガス状冷媒を前記集中型圧縮器グループから同時に複数の前記蒸発器に供給し、前記ガス状冷媒を液状冷媒に凝縮するステップと、
    （ｉｉ）前記液状冷媒を前記圧力制御受液器に貯蔵するステップと、
    （ｉｉｉ）前記圧力制御受液器からの前記液状冷媒を同時に複数の前記凝縮器で蒸発させるステップと、から構成されて、
    （ｃ）前記冷却装装置の冷却サイクルでの動作と霜取りサイクルでの動作は同時には発生しない
    ことを特徴とする方法。

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