JPH09503286A - 冷凍装置の効率拡大装置 - Google Patents

冷凍装置の効率拡大装置

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JPH09503286A
JPH09503286A JP7513437A JP51343794A JPH09503286A JP H09503286 A JPH09503286 A JP H09503286A JP 7513437 A JP7513437 A JP 7513437A JP 51343794 A JP51343794 A JP 51343794A JP H09503286 A JPH09503286 A JP H09503286A
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Abstract

(57)【要約】 圧縮器(CO′)と、凝縮器(CX′)と、蒸発器(EX′)と、膨張装置(EV′)と、循環冷媒とを有する熱交換装置用の効率高め装置。この装置は、冷媒流入口(20)と、冷媒流出口(25)とを有する液体冷媒収容容器を有し、この容器は、凝縮器(CX′)と蒸発器(EX′)との間で熱交換装置に位置決めされている。前記容器と関連した、液化冷媒の乱流流れを生じさせるための手段(35、60)を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 冷凍装置の効率拡大装置 発明の背景 発明の分野 効率の拡大のために、空調又は冷凍装置の凝縮器の冷媒側制御装置を開示する 。特に流体力学の原理及び冷媒の乱流の流れに頼ることによって、本装置は装置 によるリネルギー消費を減らしながら最大の冷媒作動状態を達成する。 背景技術の説明 標準の冷媒リサイクル技術に頼る種々の装置が多年入手できた。冷却能力と加 熱能力の両方を有する冷凍及びヒートポンプ装置は、本発明の概要の範囲に含ま れる。しかしながら、本装置は好ましくは、冷凍装置に関する。各関連した設計 仕様の限度内で、ヒートポンプ装置により、使用者は選択された環境を冷却した り加熱したりすることができ,或いは冷凍ユニットで、所望場所を冷却すること ができる。これらの加熱効率及び冷却効率のために、一般的には、ガス又は液体 を本質的に閉系統内で圧縮し、膨張させ、加熱し、又は冷却して選択された環境 に所望の温度効果を生じさせる。 伝統的な過冷却器は膨張装置及び引き続く蒸発器に先立って冷媒を部分的に冷 却する。蒸発器内での熱伝達の効率を高めるためにこのような冷媒冷却が知られ ていた。種々のタイプの過冷却器が存在するが、最も普通の形態のものは温かい 冷媒を取り囲むように冷たい液体を吸い込むことによって冷媒を冷却する。 発明の概要 本発明の目的は、冷媒装置の効率拡大装置を開示することにある。 本発明の他の目的は、ヒートポンプ装置の冷凍における圧縮器を作動するのに 必要とされるエネルギーの量を減ずる装置を開示することにある。 本発明の更なる目的は、ヒートポンプ装置の冷凍における圧縮器の圧縮率を減 じ、それによってヒートポンプ装置の効率及び経済性を高める装置に関する。 本発明のさらに他の目的は、冷凍又はヒートポンプ装置内で乱流の流れを液化 冷媒に導入し、かくして、装置の効率を高めるのを助力する、冷媒の作動条件を 増大させる装置を製造することである。 本発明の更なる目的は、液化冷媒の流れの中に置かれ、デイスクからなり、該 デイスクが冷媒の流通を許す中央孔と、デイスクに形成され、中央孔の中へ突出 する一組の固定斜めブレードとを有する、乱流発生装置を開示することである。 少なくとも圧縮器と、凝縮器と、蒸発器と、膨張装置と、循環する冷媒とを有 する熱交換装置(冷凍又はヒートポンプ装置)用のものであって、頂端キャップ 及び底端キャップによって塞がれた円筒体で形成された液体冷媒収容容器を有し 、容器が凝縮器と蒸発器との間で熱交換装置に位置決めされている効率高め装置 を開示する。冷媒流入口が容器の頂領域に設置され、冷媒流出口が容器の底領域 に設置される。好ましくは、冷媒流出口は凝縮器のほぼ最下点より下でないよう に位置決めされる。 頂領域と関連した、冷媒に乱流を発生させるための第1手段及び底領域と関連 した、冷媒に乱流を発生させるための第2手段が設けられる。好ましくは、第1 手段は、容器内に流入する冷媒の回転運動を発生させるための手段からなる。第 2手段は容器の底領域に位置した一組の固定斜めブレードからなる。一組のブレ ードは、冷媒が容器を出るとき冷媒に乱流を生じさせる。特に、第2手段は冷媒 流出口の近くに位置したデイスクと、流出する冷媒の流通を許すデイスクに形成 された中央孔と、デイスクに形成され、中央孔の中へ突出する一組の固定斜めブ レードとからなり、一組のブレードが流出する冷媒に乱流を加える。 本発明の他の目的、利点及び新規な特徴は関連した図面について考慮されたと き、次の詳細な説明から明らかになろう。 図面の簡単な説明 第1図は、伝統的なあるいは先行技術にかかる冷凍装置の概略図である。 第2図は、本発明に適した冷凍装置の概略図である。 第3図は、本発明のユニットの断面図である。 第4図は、第3図の4−4線に沿った本発明のユニットの断面図である。 第5図は、本発明の「乱流発生器」の斜視図である。 第6図は、本発明の「乱流発生器」の上面図である。 第7図は、第6図の7−7線に沿った本発明の「乱流発生器」の断面図である 。 好ましい実施態様 本発明につき、詳細に説明を加える前に、本発明の装置における効率向上の原 理について、説明を加えることとする。また、冷凍装置が、図面および本発明の 詳細な説明において用いられているが、どのようなヒートポンプも、本発明の装 置に適合ないし使用可能であることに留意すべきである。 本発明の装置の利点を速やかに理解するために、概略的に先行技術にかかる冷 凍装置を示す第1図を参照すると、伝統的な冷凍装置の機能が簡単に示されてい る。膨張可能で、圧縮可能な冷媒(本装置でうまく働かなかった冷媒は見いださ れていない。)が、種々の冷媒操作用構成部品からなる本質的に密閉系内に収容 され、そして循環される。液体冷媒が(熱交換器あるいは蒸発器内で)膨張して 、ガスを生じさせると、第1の周囲環境の温度を低下させる代わりに、エンタル ピーを増大させる。過熱された冷媒は、第2の周囲環境に送られ、膨張した冷媒 のエンタルピーは、凝縮により、第2の周囲環境に放出され、その結果、第2の 周囲環境の温度が上昇する。図示のように、本発明は、好ましくは、冷凍装置と ともに使用されるが、一般的なヒートポンプ装置に使用することは、開示の範囲 内である。したがって、ヒートポンプのためには、加熱あるいは冷却条件は、囲 まれた装置内でのプロセスを逆転させることによって、第1および第2の環境内 で生成される。 図示のように、第1図は、伝統的な冷凍装置を示しているが、本発明は、同様 にして、等価ないかなるヒートポンプ装置を変更するのに適したものであること は、再び強調されなければならない。全装置内の4つの基本的な要素は、圧縮器 CO、凝縮器(熱交換器)CX、蒸発器(熱交換器)EX、膨張弁EVおよびこ れらの要素を接続する必要な配管類である。これらの要素は、装置のサイズにか わらず、同じである。ガス状の冷媒は、圧縮器COによって圧縮され、ガス状冷 媒を液化させる凝縮器CXに送られる。液状冷媒は、膨張弁EVに送られ、蒸発 器EX内に、徐々に、膨張させられる。ガス状に蒸発した後、ガス状冷媒は、圧 縮器COに送られ、このサイクルが繰り返される。 より低い圧縮比は、より高いシステム効率を表しており、操作中に、より少な いエネルギーが消費されることを意味している。冷媒を圧縮している間、ガス圧 力は増大し、冷媒ガス温度が上昇する。圧縮器のガス温度/圧力が凝縮器のそれ よりも大きくなると、ガスは圧縮器から凝縮器に移動する。冷媒ガスを圧縮器を 通じて移動させるのに必要な圧縮量は圧縮比と呼ばれる。圧縮器の凝縮器側のガ ス温度/圧力が高ければ高いほど、圧縮比は大きくなる。圧縮比が大きいほど、 エネルギー消費は多くなる。さらに、冷却あるいは熱交換器を作動させるのに必 要なエネルギー(Kw)は、主として、3つのファクタ、すなわち、圧縮器の圧 縮比、冷媒の凝縮温度および冷媒の流動特性によって決定される。圧縮比は、排 出圧力(ヘッド)を吸引圧力で除すことによって決定される。吸引あるいは排出 圧力が変われば、圧縮比が変わることになる。 冷凍装置あるいはどんなヒートポンプ装置についても、圧力計算を行う場合に は、圧力計算はしばしば絶対圧力単位(PSIA)を用いて行われるが、ヒート ポンプ技術のほとんどの当業者はゲージ圧力(PSIG)により慣れ親しんでい るので、以下の計算例では主要な圧力単位としてゲージ圧が用いられていること がわかる。図1に示した伝統的な冷凍装置では、226PSIG(241PSI A)の代表的な吐出圧力がP1で見出され、68PSIG(83PSIA)の代 表的な吸引圧力がP2で測定される。226PSIGを68PSIGで割ると約 2.9の圧縮比が得られる。 凝縮温度は、所定圧力において、冷媒ガスが液体に凝縮する温度である。この データは既知の基準表からわかる。R22冷媒を用いる図1の伝統的な例では、 その圧力は226PSIGである。これは、T1で110°Fの凝縮温度を生ず る。110°Fでは、蒸発器に流入する液体フレオンは1ポンドにつき70.0 52Btuの熱量を吸収する。しかしながら、90°Fでは、フレオンは1ポン ドにつき75.461Btuの熱量を吸収する。かくして、蒸発器に流入する液 体冷媒の温度が低ければ低いほど、熱を吸収する能力は大きくなる。液体冷媒が 1度低くなると、装置の容量は約0.5%だけ増大する。 液体冷媒の温度と1時間あたりにBtu熱量を移動させるのに必要な動力との 関係を表した既知の基準データ表によれば、液体冷媒が120°Fであれば、0 .98馬力(hp)が1時間あたり22873Btuの熱量を移動させることがわか る。液体冷媒を60°Fにまで冷却させれば、1時間あたり29563Btuの 熱量を移動させるのに0.2馬力しか必要としない。 さらに、ほとんどのヒートポンプ装置では、冷凍装置の中の冷媒の流れは、層 流である。伝統的な装置はこの流れを想定して設計されている。しかしながら、 既定のデータ表からわかるように、乱流の方がエネルギー効率がはるかによい。 今、図2を参照すると、伝統的な冷凍装置に組み込まれた本装置の好ましい実 施の形態が示されている。ダッシュ記号(′)は、均等の構成(CO′=圧縮器 ;CX′=凝縮器;EX′=蒸発器;EV′=膨張弁)を表すが、装置には凝縮 器CX′と蒸発器EX′との間に本発明が組み込まれている。本装置は、(通常 、凝縮器中に貯蔵される)過剰な液体冷媒を保持容器に貯蔵し、かくして、大き な凝縮体積(通常約20%多い凝縮体積)を与え、それによって、冷媒をもっと 冷却する(過冷却型)。この余分の冷却を加えることによって、本装置は吐出圧 力および吸引圧力を減ずる。吐出圧力P1′は168PSIG(183PSIA )であり、吸引圧力P2′は60PSIG(74PSIA)である。この吐出圧 力と吸引圧力では、圧縮比は2.5と計算される。図1に示す伝統的な冷凍装置 では、先に計算した圧縮比は2.9であった。このことから、圧縮仕事は約17 %減少したことがわかる。 本適応装置の凝縮温度に関して、T1′での液体冷媒温度は、(上述した伝統 的な装置について述べたT1での110°Fより低下した)約90°Fである。 液体冷媒温度の20°Fの低下により、装置の容量は10%(上述したように、 1度ごとに20°F×0.5%)増大する。これは、本装置により提供された凝 縮量の増大により達成された。 本発明は液体冷媒の流れに影響を及ぼす。通常、容器が、(通例、過冷却用の )一定圧力系に導入されるときには、ほとんどの一定ヘッド圧力系が一定オリフ ィス又は毛細管型膨張弁を用いているので、装置の容量の減少が起こる。かかる 装置は、容量を維持するために適正な体積の冷媒を装置の中に押し進める圧力を 必要とする。この圧力は圧縮器によって発生される。圧力の要求が大きければ大 きいほどエネルギー(Kw)の要求が大きくなる。 本装置による一定ヘッド圧力ヒートポンプ装置の適応によって、容量は維持さ れる。容量は、低い凝縮温度及び直線層流ではなく、螺旋乱流のため、冷媒速度 、 冷媒容積及び冷媒Btu容量の増大により維持される。流体力学では周知のよう に、乱流は層流よりずっと一様である平均速度を有する。実際に、層流における ように放物線ではなく、乱流で流れる液体のための境界領域の分布曲線は現実的 に形態が対数である。かくして、乱流運動のために、渦運動が最小まで減じられ なければならない境界では、速度勾配は層流タイプの流れよりずっと高い。本装 置及びその冷媒流れに対する影響によって、凝縮温度が上がれば上がるほど、又 負荷が高ければ高いほど、適応した装置は良好に機能する。 図3に見られるように、特に、本発明は内容積3を備え、金属、合金或いは天 然或いは合成重合体のような適当な材料の円筒体5、頂端キャップ10及び底端 キャップ15で通常組立られた容器1を有する。一般的に、頂端キャップ10及 び底端キャップ15は、ハンダ、溶接、ろう付け、糊付け、螺合等の適当な手段 によって円筒体5に固定されるが、容器全体1は、円筒体5及び頂端キャップ1 0及び底端キャップを備えた単一ユニットから一体構成品として形成してもよい 。 液体冷媒流入口20及び液体冷媒流出口25が容器1を貫通する。冷媒流入口 20は容器1の頂領域に設置されるのが好ましい。頂領域は、ほぼ、円筒体5を 2つの小さい円筒体に二分する円筒体5の中央線と頂端キャップ10との間であ ると定義される。図3は、冷媒流出口20を円筒体5を貫通するものとして示し ているが、流入口が頂端キャップ10を貫通してもよい。冷媒流出口25は容器 1の底領域に設置されるのが好ましい。容器1の底領域は、ほぼ上述の中央線と 底端キャップ15との間であると定義される。他の設置が可能であるが、冷媒流 出口25は底端キャップ15の中心に近接して配置されるのが好ましい。 底端キャップ15は通常、斜めの、即ち傾斜した内面30を有する。しかしな がら、底端キャップ15は、平らを含む他の適当な形態の内面を有してもよい。 凝縮器CX′によって液化された液体冷媒は冷媒流入口20及び関連した構成 要素を経て容器1に流入する。関連した流入口構成要素は、冷媒送出口35及び 容器1を凝縮器CX′からの配管の流出部分に固着する流入口取付具40からな る。流入口取付具40は、凝縮器CX′と蒸発器EX′との間の必要な位置で本 装置を配管の中に結合する任意の適当な手段である。 冷媒送出管35は、流入する冷媒に回転運動を生じさせるような形態である。 管35は頂領域へ貫入し、さらに湾曲形態に形成され、且つ全体的に斜め下がり で、流入する冷媒を、容器1内に冷媒の回転運動を発生させる(図4に示すよう に)のに適した経路に沿って送出する。かかる冷媒の回転運動を発生させる管3 5の他の均等な形態は、この開示の範囲内にあることを意図する。 容器1内の液体冷媒の液面を見るために、のぞきガラス45が設けられる。ガ ラス45は冷媒液面を示す所定位置で円筒体5に取り付けられる。 冷媒流出口25は、流出管45と、本装置を装置の配管に固定する取付具50 とからなる。流出取付具50は、凝縮器CX′と蒸発器EX′との間の必要な位 置で本装置を配管に結合する任意の適当な手段である。 さらに、流出する液化冷媒に乱流を導入するための第2手段が、流出口25に 近接して取り付けられる。「乱流発生器(turbulator)」60が、流出管45と 流出口取付具50、或いは他の均等手段との間の協働によって所定位置に保持さ れる。乱流発生器は通常、容器1からの流出口の構成要素内に取り付けられる別 個の構成要素であるが、乱流発生器は容器1の冷媒流出口の一体品であってもよ い。図5乃至図7で明瞭にわかるように、乱流発生器は、中央開口63をもった ディスク62と、ディスク62に形成され、或いは切り込まれた少なくとも1つ の固定斜めブレード65とを有する。存在する冷媒に乱流を加えるために一組の 固定斜めブレード65を設けるのが好ましい(2枚のブレード65を図に示した が、2枚以上のブレード65が可能である)。 ブレード65は、液体冷媒の回転、乱流運動を引き起こすように傾むけられ、 冷媒は容器1を出る。ブレード65の様々な角度は、要求される乱流を発生させ るのに適する。 この容器1は、好ましくは、冷媒流出口25が凝縮器CX′の最も下の部分よ りも低くないように適用した装置の中に配置される。凝縮器CX′を出た液体冷 媒は容器1に入り、送出管35によって内部容積3のまわりに旋回運動するよう に差し向けられる。旋回する液体冷媒は冷媒出口25を通って容器1を去り、次 いで、乱流発生器60に遭遇する。乱流発生器60のブレード65は冷媒の流れ に付加の乱流を加える。 本発明を特定の実施形態を参照して説明した。この明細書を読めば、当業者は 他の実施形態を思い浮かべるであろう。 明確な理解のために、本発明を例示として詳細に説明したが、請求の範囲内で 或る変更および修正を行い得ることは明らかである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ),AM, AU,BB,BG,BR,BY,CA,CN,CZ,E E,FI,GE,HU,JP,KE,KG,KP,KR ,KZ,LK,LR,LT,LV,MD,MG,MN, NO,NZ,PL,RO,RU,SD,SI,SK,T J,TT,UA,UZ,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.圧縮器、凝縮器、蒸発器、膨張器および循環する冷媒を備えた熱交換装置用 の効率向上装置であって、 (a) 冷媒流入口と冷媒流出口とを有し、前記凝縮器と前記蒸発器との間で前記 熱交換装置に配置された液体冷媒収容容器と、 (b) 液化冷媒の乱流の流れを生じさせるための、前記容器と関連した手段と、 を有する効率向上装置。 2.前記乱流を生じさせる手段が、前記容器の前記冷媒流出口に近接して配置さ れた少なくとも1つの傾めブレードを有し、該ブレードは、前記冷媒が前記容器 を出るときに前記冷媒に乱流を生じさせる、請求の範囲第1項の装置。 3.前記乱流を生じさせる手段が、 (a) 前記冷媒流出口に近接して設けられたデイスクと、 (b) 該デイスクに形成され、流出する冷媒の流通を許す中央孔と、 (c) 前記デイスクに形成され、前記中央孔の中へ突出する一組の傾めブレード とを有し、 前記一組のブレードが前記流出する冷媒に前記乱流を加える、請求の範囲第 1項の装置。 4.前記乱流を生じさせる手段が、 (a) 前記冷媒が前記容器に入るときに前記冷媒に乱流を発生させるための第1 の手段と、 (b) 前記冷媒が前記容器を出るときに前記冷媒に乱流を発生させるための第2 の手段とを、更に有する請求の範囲第1項の装置。 5.前記第1の手段が、前記容器内に流入する冷媒の回転運動を発生させるため の手段からなる請求の範囲第4項の装置。 6.前記回転運動手段が、前記容器内に前記回転運動を発生させるのに適した経 路に沿って、流入する冷媒を送出するように形成されたチューブからなる、請求 の範囲第5項の装置。 7.前記第2の手段が、前記容器の前記冷媒流出口に近接して配置された少なく とも1つの傾めブレードからなり、該ブレードは、前記冷媒が前記容器を出ると きに前記冷媒に乱流を生じさせる、請求の範囲第4項の装置。 8.前記第2手段が、前記容器の前記冷媒流出口に近接して位置決めされた少な くとも1つの固定斜めブレードを有し、前記ブレードは、前記回転する冷媒が前 記容器を出るときに、前記回転する冷媒に追加の乱流を生じさせる、請求項5に 記載の装置。 9.圧縮器と、凝縮器と、蒸発器と、膨張装置と、循環冷媒とを有する熱交換装 置用のものであって、 (a) 冷媒流入口を有する頂領域と、冷媒流出口を有する底領域とを備えた全体 的に円筒形の液体冷媒収容容器を有し、前記容器が、凝縮器と蒸発器との間で熱 交換装置に位置決めされ、 (b) 前記頂領域と関連した、冷媒に乱流を発生させるための第1手段と、 (c) 前記底領域と関連した、冷媒に乱流を発生させるための第2手段とを有す る、 効率高め装置。 10.前記第1手段が、前記容器内で流入する冷媒の回転運動を発生させるための 手段からなる、請求項9に記載の装置。 11.前記回転運動手段が、前記頂領域に入り込み、流入する冷媒を前記容器内で 前記回転運動を生じさせるのに適した径路に沿って送出するように形成された管 を有する、請求項10に記載の装置。 12.前記第2手段が、前記容器の前記底領域に位置決めされた一組の固定斜めブ レードを有し、前記一組のブレードは、前記冷媒が前記容器を出るときに、前記 冷媒に乱流を生じさせる、請求項9に記載の装置。 13.前記第2手段が、前記容器の前記冷媒流出口に近接して位置決めされた一組 の固定斜めブレードを有し、前記一組のブレードは、前記回転する冷媒が前記容 器を出るときに、前記回転する冷媒に追加の乱流を生じさせる、請求項10に記 載の装置。 14.圧縮器と、凝縮器と、蒸発器と、膨張装置と、循環冷媒とを有する熱交換装 置用のものであって、 (a) 頂端キャップ及び底端キャップによってふさがれた円筒体で形成された液 体冷媒収容容器を有し、前記容器が、凝縮器と蒸発器との間で熱交換装置に位置 決めされ、 (b) 前記容器の頂領域に配置された冷媒流入口と、 (c) 前記容器の底領域に配置された冷媒流出口とを有し、前記冷媒流出口が、 前記凝縮器のほぼ最下点よりも下でないように位置決めされ、 (d) 前記頂領域と関連した、冷媒に乱流を発生させるための第1手段と、 (e) 前記底領域と関連した、冷媒に乱流を発生させるための第2手段とを有す る、 効率高め装置。 15.前記第1手段が、前記容器内で流入する冷媒の回転運動を発生させるための 手段からなる、請求項14に記載の装置。 16.前記回転運動手段が、前記頂領域に入り込み、流入する冷媒を前記容器内で 前記回転運動を生じさせるのに適した径路に沿って送出するように湾曲形態に形 成された管を有する、請求項15に記載の装置。 17.前記第2手段が、前記容器の前記底領域に位置決めされた一組の固定斜めブ レードを有し、前記一組のブレードは、前記冷媒が前記容器を出るときに、前記 冷媒に乱流を生じさせる、請求項14に記載の装置。 18.前記第2手段が、前記容器の前記冷媒流出口に近接して位置決めされた一組 の固定斜めブレードを有し、前記一組のブレードは、前記回転する冷媒が前記容 器を出るときに、前記回転する冷媒に追加の乱流を生じさせる、請求項16に記 載の装置。 19.前記第2手段が、 (a) 前記冷媒流出口に近接して配置されたディスクと、 (b) 前記ディスクに形成された、流出冷媒の通過を可能にする中央孔と、 (c) 前記ディスクに形成された、前記中央孔の中へ突出する一組の固定斜めブ レードとを有し、前記一組のブレードは前記乱流を前記流出冷媒に加える、請求 項14に記載の装置。
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