JPS58500453A - 予冷却/過冷却システム及びそのためのコンデンサ - Google Patents

予冷却/過冷却システム及びそのためのコンデンサ

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JPS58500453A JP57501299A JP50129982A JPS58500453A JP S58500453 A JPS58500453 A JP S58500453A JP 57501299 A JP57501299 A JP 57501299A JP 50129982 A JP50129982 A JP 50129982A JP S58500453 A JPS58500453 A JP S58500453A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 予冷却/過冷却システム及びそのためのコンデンサ技術分骨 本発明は空気調和システム及び熱ポンプに関係する。
更に特別には、本発明は空気調和システムのコンデンサ或いは冷却モードで動作 する熱ポンプによ#)凝縮これる冷媒を予冷却及び過冷却するだめの装置及び方 法に関係する。さらに、本発明は加熱モードで動作する加熱ポンプの蒸発器によ り蒸発する冷媒を後冷却及び過冷却するための装置及び方法に関係する。
背景技術 現在、熱伝達サイクルで動作して1つの熱シンク領域から熱を除去し、かかる熱 を異なる熱シンク領域に伝達するように設計された多くの種加の装置がある。
かかる装置は可逆サイクル熱ポンプ及び空気調和器、冷凍機、冷凍装置及び冷却 器などの蒸気圧縮冷凍システムを含む。上記装置のそれぞれの熱伝達サイクルの 動作はその各種の構成要素に関連させて簡単に要約することができる。更に特別 には、熱伝達サイクルは従来、コンプレッサ、コンデンサ、絞シ装置、及び互い に連続して流体で結合した蒸発器により行われている。
このシステムは構成要素のそれぞれを通して循環し蒸発器からの熱を除去しかか る熱をコンデンサに伝達する冷媒によシ充てんされる。運転中、コンプレッサは 冷媒を飽和蒸気状態から過熱蒸気状態に圧縮し、これにより冷媒の温度、エンタ ルピー及び圧力が増加する。
次に冷媒はコンデンサを通して流れ、これは冷媒をほぼ一定の圧力で飽和液体状 態に凝縮する。絞り装置は冷媒の圧力を下げ、これにより冷媒は液体−蒸気の混 合状態に変化する。次に冷媒は蒸発器を通して流れ、これにより冷媒は定圧の下 でその飽和蒸気状態に戻り、かくして、熱伝達サイクルは終了する。冷却モード では、直ぐわかるように、コンデンサは熱伝達サイクルの冷却効果において主要 な役割を演する。現在、家内的システムに用いられるコンデンサの最も共通の形 式は普通、「空冷コンデンサ」と呼ばれる。かかる空冷コンデンサは普通、これ に自由空気を流してコンデンサの放出する熱を吸収させることによって動作する 。
かかる空冷コンデンサの利点としては、電動モータでファンを付勢して大気を動 かすため、コストが低い、空気を利用出来る、又、熱を持つ空気を放出し易い、 などが挙げられる。欠点としては、コンデンサを通る冷媒と自由空気流との間の 熱交換関係を発揮するにはコンデンサの熱交換面積が極度に大きい必要があるこ と、コンプレッサの先頭圧力が高いこと、空気の湿度及び温度が変動すること、 標準動作状態のコンデンサから流れる液体冷媒の意味のある過冷却が欠除してい ること、などが考えられる。かかる事情があるため、空気式コンデンサは家内的 な目的でよく用いられるような比較的小さな冷媒システムに関係して用いられる 。
2番目に最も良く普及し九コンデンサは水冷コンデンサと呼ばれるもので、この 場合水はコンデンサを通して循環され冷媒がコンデンサ内で凝縮されるにつれて 、その潜熱が水に吸収される。かかる水冷コンデンサの利点は、コンデンサがコ ンプレッサの先頭圧力を急速に低下させ、これによりコンプレッサ前後ノ圧力差 が減少することにある。従ってコンプレッサを付勢するのに必要な電流量は実質 的に減少する。更に、水冷コンデンサは空冷コンデンサに比べてほぼ3o下以上 冷媒を冷却する。かかる過冷却は冷却サイクルの冷却効果を17%から37%以 上にまで増加させる。都合の悪いことに、水冷コンデンサの主要な欠点は必要な 水の量が大きいことである(はとんどの業者の勧める値は冷却容量のトン数に対 して1分あたりほぼ2ガロン)。更に加熱された水を周囲に放出することにも問 題がある。こうしたことから、水冷コンデンサがよく用いられるのは商業的な冷 媒システムに対してのみで、その冷却容量は3トン(時間当り1λ000英国熱 単位)以上である。
水冷コンデンサ内の放出水の容積を減らすために各種の水タワーコンデンサが設 計されている。通常の水タワーコンデンサは水のタンクからなり、これは水/冷 媒熱交換器を通してポンプされる。水は冷媒の凝縮熱を吸収する。水中に吸収さ れた熱は次にある程度の水の蒸発により大気中に発散され、水の蒸発熱は後に残 つ°た水の冷却に用いられる。水が蒸発するので、これの適正なレベルにタンク を維持する丸め水をタンクに連続的に供給しなければならない。得られる水の平 衡温度は周囲の湿球温度に等しい。これは空冷コンデンサの場合と類似の問題° を惹起するが、それは周囲湿球温度が増すにつれてコンデンサの効率が減少する ためである。
従って、本発明では、先行装置の上記の不適切さを克服する装置と方法を与え、 又、熱伝達サイクル技術の進展に大きく貢献する改良を与える。
本発明の他の目的は空冷コンデンサ及び水冷コンデンサの利点を利用し、一方で かかるコンデンサの欠点を排除する装置及び方法を与えることにある。
本発明の他の目的は、糸が冷却モードで動作している時コンデンサに冷媒が流れ 込む前にこの冷媒を予冷する装置と方法を与えることにある。
本発明の他の目的は、系が冷却モードで動作している時コンデンサから流れる冷 媒を過冷却する方法と装置を与えることにある。
本発明の他の目的は、システムが加熱モードで動作している時蒸発器に流れ込む 冷媒を過冷却する装置と方法を与えることにある。
本発明の他の目的は、系が加熱モードで動作している時蒸発器から流れる冷媒を 後加熱する装置と方法を与えることにある。
本発明の他の目的は、熱ポンプが極度に低い外部温度において、冷却モードで動 作される時過剰な過冷却に起因するコンプレッサへの損傷を防止する装置と方法 を与えることにあろう 本発明の他の目的は、外部温度が上昇した場合冷却モードで熱ポンプを動作させ る時、コンプレッサに対する損傷を防止する装置と方法を与えることにある。
以上は本発明のより適切な幾つかの目的を概観したものである。これらの目的は 、意図された目的の幾つかのよシ優れた特徴及び応用の単に例証となるように構 成されるべきである。開示された本発明を異なる方法で用いることにより、又は 開示の範囲内で本発明を修正することにより他の多くの有益な結果を得ることが できる。従って、本発明の他の目的及び完全な理解は、添付図面に関連して行わ れた請求事項により定められた本発明の範囲に加えて、好ましい実施例を記述す る詳細な説明及び本発明の要約を参照することによシ得られる。
発明の開示 本発明は添付図面に示した特定の実施例により与えられる特許請求により定義さ れる。本発明を要約すると、これは、冷媒が冷却モードで動作する熱ポンプのコ ンデンサに流れ込み、又、それから放出される時冷媒を予冷及び過冷却する装置 及び方法からなる。本発明の装置及び方法は又、加熱モードで動作する熱ポンプ の蒸発器に冷媒が流れ込む時、及びそれから放出される時この冷媒を過冷却し後 過熱する作用をする。更に特別には、本発明の装置及び方法は、任意の形式の冷 凍装置又は、空冷コンデンサ或いは水冷コンデンサ、空冷或いは水冷コンデンサ を有する熱ポンプ、及び膨張弁又は毛細管、遠心チラー、水タワー施行、接地網 、又は廃水施行或いは熱伝達サイクルを利用する基本的に任意のシステムと関連 して動作する蒸発器を有する直線冷空気調和器に組み込まれ得る。
基本的ンこけ、熱ポンプが冷却モードで動作する時の装置はコンデンサの出力と 熱交換関係に配置された熱交換器を有する過冷却器を包含する。水などの流体は 過冷却器の熱交換を通して循環され、次に予冷却器の熱交換器を通して循環され る。
従って、本発明の予冷却器及び過冷却器はコンプレッサからコンデンサに流れる 冷媒を予冷却する機能を有する。かかる予冷却は、冷媒がその気体状態から液体 状態に変化し始めるまで冷媒の温度を低減させる動作をする。冷媒はコンデンサ に入る際にコンデンサにより更に冷却され、そこで冷媒の多くの部分が相変化す る。コンデンサから放出される時冷媒は過冷却器に流れ込む水の温度にほぼ等し いより低温度に過冷却される。冷媒は今や\完全に液体状態にあるので、過冷却 器は単に冷媒の温度を低減させる動作をする。本発明の予冷却器及び過冷却器は 、コンデンサ自身に発生する冷媒のバルクの相変化を伴うコンデンサに冷媒がそ れぞれ入り、又それから放出される前にこの冷媒の温度を主として低減させる動 作をすることが認識されるべきである。最大効率に必要な予冷却器及び過冷却器 を通る水の流量は直線水冷コンデンサより実質的に少ない。経験から明らかなよ うに、空冷コンデンサと関連して用いられる時の本発明の予冷却器及び過冷却器 に使用される水の量は直線水冷コンデンサに必要なそれのほんの1/20である 。これらの理由から、本発明の予冷却器及び過冷却器の効率は存在する空冷空気 調和器又はそれに改装された時の熱ポンプより30−96%以上になることが出 来る。
以上の説明は、先行技術への本発明の寄与が一層完全に認識され得るように、又 、以下の本発明の詳細な説明がよシ良く理解されるために、本発明のよシ適切な 且つ重要な特徴をむしろ広く概観したものである。
本発明の請求の課題を形成する本発明の他の特徴は以下に説明される。開示され た概念及び特定の実施例は、本発明の同様の目的を遂行するための他の構造を改 装又は設計するための基礎として直ちに利用され得ることは当業者により認識さ れるべきである。又、かかる等価な装置は添付特許請求の範囲に記載された本発 明の精神と範囲から逸脱するものではないことも当業者により認識されるべきで ある。
図面の簡単な説明 本発明の性質と目的の完全な理解のために、添付図面に関連する下記の詳細な説 明を参照するべきである。
第1図は冷却モードで動作する代表的な熱ポンプに組み込まれ九本発明の予冷却 /過冷却の装置を図示したものである。
第2図は第1図に示した熱ポンプの過程を表わすものである。
第6図は加熱モードで動作する代表的な熱ポンプに取り込まれた予冷却/過冷却 システムのハードウェアを図示するものである。
第4図は第6図に示した熱ポンプの過程を表わすものである。
第5図は本発明の予冷却及び過冷却器の透視破断図である。
第6図は第5図の内側の平面図である。
第7図は第5図の内側の側面図である。
第8図は熱ポンプに改装された本発明の破断透視図である。
第9図は、冷媒の予冷却及び過冷却を行う各種の水源、及び過冷却及び予冷却器 を通る水の流量を制御する種々の形状の弁を示すブロック図である。
第10図は本発明の水タワーに関連して用いられる予冷却/過冷却を示すブロッ ク図である。
第11図は水タワーコンデンサの断面図である。
第12図は第10図の平面図である。
類似の参照特性が図面の若干の視点から得られる類似の部分を参照して得られる 。
本発明の遂行に対する最良のモード ブ」は熱伝達サイクルで動作して1つの熱シンク領域から熱を除去し、又その熱 を他の熱シンク領域に伝達するように設計された全ての形式の装置を包含するよ うに定義される。
第1図は冷却モードで動作する代表的な熱ポンプ12に組み込まれた本発明の予 冷却/過冷却システム10のハードウェアを図示したものである。基本的には、 熱ポンプ12は、コンプレッサ14、コンデンサ16、絞シ弁18、及び互いに 連続する流体的に連結された蒸発器20からなる。熱ポンプ12は冷媒で充てん され、これはシステムを循環して蒸発器20から熱を除去し、又コンプレッサ1 4によシ冷媒の圧縮に際して発生した熱と共にかかる熱をコンデンサ16に伝達 する。蒸発器20は数値22によシ一般に示される空気環させ、それにより流体 を冷却する流体処理装置から成る。
本発明の予冷却器24はコンプレッサ14及びコンデンサ160間で流体的に内 部接続され、これKより気体状の冷媒がそれを通して流れることが出来る。同様 に1本発明の過冷却器26はコンデンサ16及び蒸発器20の間で内部接続され 、これによシ凝縮された冷媒がそれを通して流れることが出来るようになる。
水などの流体は人力28を経て過冷却器26に向けて駆動され、コンデンサ16 から放出される冷媒と熱交換関係を満足しながら前記過冷却器を通して流れる。
次に水は過冷却器の出力30を通して流出し、予冷却器の人力62に流入する。
この水は圧縮された冷媒と熱交換関係に流れ且つ出力64を介して予冷却器24 から放出される。
第2図は代表的な熱ポンプ12の過程を表わし、その中に組み込まれた本発明の 予冷却/過冷却システム10を有する。更に特別には、この過程の表現は代表的 な冷媒の特定の熱力学的特性を図示する圧力−エンタルピー図により表わされる 。この図は、飽和−液体線分36及び飽和蒸気線分38により定められる冷媒の 蒸気ドームを図示する。飽和−液体線分ろ6の左手に対して数値40で示される 領域は通常過冷却領域と呼ばれ、又飽和蒸気線分38の右手に対する領域42は 普通過熱−蒸気領域と呼ばれる。最後に、飽和−液体線分36及び飽和−蒸気線 分38との間の蒸気ドーム内に書かれた数値44により前記領域は表現される。
理論的には、熱ポンプ12の冷却サイクル(そこに組み込まれた本発明なしに) は次のように要約できる〇コンプレッサ14は冷媒を図上の点1により表わせる 飽和−蒸気状態から点2により表わせる過熱−蒸気状態に冷媒を圧縮し、これk よシ冷媒の温度、エンタルピー及び圧力は増加する。冷媒は次にコンデンサ16 を通して流れ、ここに冷媒のエンタルピーは定圧で低減され、これにより冷媒は 図の点3によう表わされる過熱蒸気状態から飽和液体状態に変化させられる。冷 媒は絞シ弁1Bを通して流れ、これは点4により表わされる混合相状態へと定エ ンタルピーで冷媒の圧力を低減させる。次に冷媒は蒸発器20を通して流れ、こ れは、冷媒が再び図の点1により表わされる飽和−蒸気状態に再びなるまで定圧 で冷媒のエンタルピーを増加すせる。実際には、コンプレッサ14は図の点2人 により表わせるより高い過熱蒸気領域へ冷媒を圧縮する。次に冷媒は、これが飽 和液体状態になるまで@46に沿ってコンデンサ16を通して流れる。@46は 点2人から点3に向けて除々に傾斜する。
熱ポンプ12の、その中に組み込まれた本発明の予冷却/過冷却システム10を 有する前記ポンプの冷媒サイクルは以下のように説明される。点2人により表わ される過熱蒸気状態にコンプレッサ14によシ圧縮される際、本発明の予冷却器 24の入力に流れる水により、@48により示されるように、冷媒の温度は一層 急速に減少されるようになる。かかる予冷却7cより冷媒は点2Bにより示され る少なくとも飽和蒸気状態に冷媒の過熱蒸気状態から低減される。予冷却器24 を通る水の流量を増すことにより、予冷却器24は更に冷媒の温度を低減さぞ、 これにより、冷媒は七の過熱−蒸発状轢から主として蒸気からなる混会−相状態 に変化する。従って、線46及び481Jjの陰影領域、0は熱ポンプ12の中 に組み込まれた予冷却器24を有する熱ポンプ12の効率増加の大きさを示す。
過冷却器26はコンデンサ16から放出−gnる冷媒を過冷却するように動作し 、これによりこの冷媒は図の点3により表わされる飽和−液体状態から点5Aに より表わされる過冷却された状態に変化する。冷媒は次に収り装置18を通して 流れ、この装置により、冷媒は過冷却状態から図の点4Aにより表わされる混合 −相状態にA化する。従って、図の陰影領域52は、熱ポンプの中に組み込まt た過冷却器26金有する熱ポンプ12の効率の増を図示したものである。過冷却 度は過冷却器26の入力2Bを通る水の流量に依存する。熱ポンプ12のコンデ ンサ16が外部の高い温度に接する時、コンデンサ16は点6Bで表わされる主 として液体で表わされる混合相状態に冷媒を凝縮するの1である。これ憂発生す る時、過冷却器26は冷媒を冷却して、冷媒を少なくとも飽和状態又は史に過冷 却された状態に変化させる。熱ポンプ12の効率の増加を表わす陰影領域520 寸法が大きく増加する。
本発明の予冷却器24及び過冷却W21−I冷媒の度をこれが上記の冷却器を通 るに従い低減させ、冷媒のバルクの相変化がコンデンサ16、により達成される 。
従って冷媒サイクルの最大効率を得るのに必要な過冷却器26及び予冷却器24 を通して循環される水の流量は直線状水冷コンデンサに必要な水量か^シ減少す る。必要な水流量のかかる低減を例によシ説明できる。次の計算は、R−22冷 媒で充てんした6トンの熱ポンプ12に基づいて行われ、この熱ポンプはそれに 取り込む本発明の予冷却/過冷却システムを有する。
予冷却器24及び過冷却器26を通る水の比較的低い流量及び熱ポンプ12のエ ネルギー効率比(B、 E、 R,)の結果として得られる実質的な増加を説明 する計算を行う。次のものは良く知られた定義である。
Cp、g=気体冷媒(几−22)の熱容量=104°〜148°の範囲の気体に 対してQ、01 (Btu/lb/下) Cp、L=液体冷媒(R−22)の熱容量=72°〜102? の範囲の液体に 対してCL!+1 (Btu/4b/下)テする。
Cp、w=水の熱容量= t o (B tu/ tb/? )W=)ン当シの 循環された冷媒の重量 −−2−cu(tb/ Min / ton ) 、7(タL−λE。
R,E、二冷媒効果=ΔH =蒸発器内の飽和蒸気のエンタルピー(H)−絞り装置の前の液体のエンタルピ ー(H)(液体冷媒の温度に依存) MR−冷媒の質量流量 = W X ) ンの# (tb/min )Mw −水の質量流M(tb / mi n )ΔTL =液体冷媒温度の変化 31g =気体冷媒温度の変化 ΔTw=水温の変化 蒸発器の温度が40下で、液体温度が72″Fの時の過冷却器26を通る水の流 量は次のように計算される。
40下における蒸発器の温度のエンタルピーは108、142 (B tu/l b )R,E、=ΔH= 77.43(B tu/lb )M =?’i X  3 ) > = 774 tb/min過冷却器に流れ込み、そこから放出され る水の温度は72下及び102下である。従って、 ΔTw=so下 Cp、w = 1(B tu/ Lb/”F )定義によシ、Cp、LXMRX ΔT” ” cIP+ ’r X M W XΔTwコンデンサの気体温度が2 207に°等しく、液体温度が105″Fの時の予冷却器24を通る水の流量は 次のように計算される。
ΔTg=1157 Cp、 g = (101(Btu/lb/? )予冷却器に流れ込み、及びそ こから放出される水の温度はそれぞれ、測定の結果102T及び162下である 。
従って、 ΔTW=30下 Cp、w = 1 (Btu/lb/”F)定義により、Cp、gxMuxΔT R=CP、WXMWXΔTw= (L O4Gat/mi n 、ただし水のI  Gat= & 3 tb 或いは、トン当シ必要な水の流量を決定すると予冷却器を通る流量はトン当シα 0135 gat/min に等しいが、過冷却器を通る水の流量はトン当シα 1 gaL/minに等しい。これは直線状水冷コンデンサに対し推しようされ るトン当り2 gat/min の値に対比されるべきである。
本発明の改装された予冷却/過冷却システム10を有する熱ポンプ12のエネル ギー効率比(Fi、E、λ)は、本発明を用いた場合と用いない場合の熱ポンプ 12の下記のデータ及び計算により示されるように実質的に増加する。
次の式は良く知られた定義である。
9−4、s (CFM)ΔH1ただし、CFM =蒸発器を通る分当シの空気の 立方フィート ΔH=蒸発器を通る空気のエンタルピー変化WB=湿球温度 1)B=乾球温度 実際の測定を表にすると次のようになる。
17 18 7績垢58−50(i453 (8)蒸発器を通る空気流のエンタルピー は使用冷媒の熱力50 ? WBにおける空気のエンタルピーはそれぞれ、SL 4.24.2及び2(L2 (B tu/lb )に等しい。熱ポンプ12の本 発明の方法を用いた場合と用いない場合のE。
B、 R,の解は、 Fi、 B、 R,= y、 s 2 (本発明によらない) Fi−E、 R,= 15.81 。
(本発明による) 従って、効率が84%向上していることになる。
第13図は熱ポンプ12のその中に取り込まれた本発明の予冷却/過冷却システ ム10を有した場合のハードウェアを図示したもので、ここに加熱ポンプ12は 加熱モードに於て可逆サイクルで動作する。よシ特別には、かかる可逆サイクル で動作することにより、システムを通しての冷媒の周期的な流れは反転され、こ れによシ、熱ポンプ12のコンデンサ16及ヒ蒸発器20Fiそれぞれ蒸発器6 0及びコンデンサ62として機能する。従って、熱ポンプ12が今や加熱モード で動作するためには、以前に記載された予冷却器24及び過冷却器26は何の修 正本する必要がないことを認識するべきである。しかしながら、予冷却器24は 、ここでは蒸発器60から流れる冷媒にエネルギーとじ”てその温度を伝達する 後加熱器として動作することが指運されるべきである。
第4図は熱ポンプ12のその中に予冷却/過冷却システムを取り込んだ場合の過 程を表わす。理論的には、コンプレッサ14は点2により表示される飽和−蒸気 状態から冷媒を圧縮する。次に冷媒は過熱−蒸気状態から点3により表わされる 飽和蒸気状態に冷媒を凝縮するコンデンサ62を通して流れる。この冷媒は絞り 装置18を通して流れ、これは図の点4により表わされる混合−相状態へ定エン タルピーのもとて冷媒の圧力を低減させる。次に、冷媒は蒸発器6o全通して流 れ、これにより冷媒は混合−相状態から変化して点1によシ表わされる飽和蒸気 状態に戻る。実際には、コンプレッサ14は図の点2人によシ表われるよシ高い 飽和蒸気状態に冷媒を圧縮する。コンデンサ62により圧縮される際冷媒は、過 熱−蒸気状態から図上の点3人によシ正確に表わされる混合−相状態に変化する 。絞シ装置1i18は冷媒の圧力を点4Aにより表わされる他の混合位相状態に 減らし、この時、冷媒はコンデンサ62によって図の点1人により正確に表わさ れる他の混合−相状態へ凝縮される。
過冷却器26を通る水の流量は、蒸発器60から放出される冷媒を点3により表 わされる少なくとも飽和−液体状態へ、しかし好ましくは図の点6Bにより表わ される過冷却状態に冷却するように調節される。図の陰影領域64は熱ポンプ1 2の効率の増加を示す。
後加熱器24は、冷媒が、蒸発器6o内で蒸発された後回の点1により表わされ る少なくとも飽和蒸気状態へ点1Aにより表わされる混合−相状態から変化する ことを確かKするように動作する。後加熱器24は又、冷媒がコンプレッサ14 に入る前に図の点1Bにょシ表わされる過熱−状態に冷媒を加熱するように動作 する。陰影領域66は、後加熱器24が冷媒を後加熱する時の熱ポンプ12の効 率の増加を示す。
第5図は、本発明の予冷却/過冷却システムの予冷器24及び過冷却器26の好 ましい実施例の破断透視図であり、これは存在する熱ポンプ12に改装され得る ものである。更に特別には、過冷却器26は、一般に参照番号72により示され る水源に接続するだめの入力28を有する第1の流体ダク)70からなる。予冷 却器24は同様に第1の流体ダク)70の出力3゜と流体的に連結さ【る入力ろ 2を有する第2の流体ダクト74からなる。流体源72からの流体は動作中は先 ず、入力28を介して過冷却器26に入り、第1の流体ダクト70を通して流れ 、そして出力3oを介してそこから第2の流体タリト74の入力32に放出され る。次に流体は第2の流体ダクト74を通して流れ、出力34を介してそこから 放出される。過冷却器26は更に第1の冷媒ダクト76がらなシ、これは、熱ポ ンプ12が冷却モードで動作している時は蒸発i20及びコンデンサ16の間に 相互接続され、又熱ポンプ12が加熱モードで動作している時は蒸発器60及び コンデンサ62の間に相互接続される。熱ざンプ12を介して循環される冷媒は 、第1の流体ダクト70を通して流れる流体と熱交換関係にある第1の冷媒ダク ト76を通して流れ、これによシ冷媒は過冷却される。
予冷却器24は同様に第2の冷媒ダクト78からなり、これは、熱ポンプ12が 冷却モードで動作している時はコンプレッサ14及びコンデンサ16との間で流 体的に相互接続され、又熱ポンプ12が加熱モードで動作する時はコンプレッサ 14及び蒸発器600間で流体的に相互接続される。熱ポンプ12を通して循環 する冷媒は第2の冷媒ダクトを通して流れ、これは第2の流体ダクト74全通し て流れる流体と熱交換関係にあり、これらにより冷媒は予冷却(後加熱)される 。
好ましくは、第1の流体ダクト70及び第1の冷媒ダクトは、第1の流体ダクト 70内に第1の冷媒ダクト76を取り込むことにより互いに熱交換関係に配置さ れる。同様に、第2の流体ダクト74及び第2の冷媒ダクト78、第2の流体ダ クト74内に第2の冷媒ダクト7日を取り込むことによシ熱交換関係に配置され る。ここに記載し丸形の代表的な熱交換器は普通管熱交換器における管と呼ばれ る。外被形及び管形の熱交換器などの他の多くの形の熱交換器は本発明の精神と 七範囲を逸脱することなく利用され得る。第5図に示されるように、冷媒ダクト 76及び78を流れる冷媒はそれぞれ、流体ダクト70及び74を通る流体の流 れと反対方向に流れ、これにより、冷媒と流体間の最大可能な熱交換が達成され る。
第5,6及び7図は、ダクト70,74、及び78が長方形の箱の中に巻装され る様子を示すものである。
図かられかるように、ダク)70,74、及び78f’j好ましくは、過冷却器 26からなるダク)70及び76が予冷却器24からなるダクト74及び78に 隣接して配置されるように巻装される。巻装後、箱8oは剛性で保温性の気泡で 充たされ、この気泡は箱の内部にダク) 70.74.76、及び78を位置的 に確保し、又一方環境からのダク) 70,74.76及び78を防護し保温性 にする。
以前に記載したように、本発明の予冷却/過冷却システム10は任意の形式の熱 ポンプ12に改装できる。
第8図は本発明の予冷却/過冷却システム10のこれに改装された場合のものを 有する代表的な熱ポンプ12の簡単化した破断透視図を示す。簡単のため、かか る熱ポンプ12は、これがあたかも冷却モードで動作するように記述される。熱 ポンプ12はコンデンサ16からなり、これはコンデンサ16にわたって空気を 循環させるファン装置84により空冷される。コンデンサ16の出力85は第1 の冷媒ダクト76の入力86に接続される0次に第1の冷媒ダクト76の出力8 85 は空気処理装置22内に配置された蒸発器200Å力90に接続される。排水管 94と共にくぼみ92は蒸発器20上の!I!縮物を排水するために与えられる 。蒸発器20の出力96は次に切換え弁に接続され、これは熱ポンプ12の動作 を制御して冷却モードへ及びそれからと切り換え動作を行う。切り換えパルプ9 8の出力100はコンプレッサ14の入力102に接続さnる。コンプレッサの 出力104は切り換え弁9Bを通し第2の冷媒ダクト78の入力106に接続さ れる。
最後に、第2の冷媒ダクト78の出力108はコンデンサ16の入力110に接 続され、かくして冷媒サイクルが終了する。水などの流体は流体源72から過冷 却器26の′7a1の流体ダクト70の入力により供給され、これによりコンデ ンサ16から放出される冷媒装置を過冷却する。流体は第1の流体ダクト70を 通して流れ、次に第2の流体ダクトを通して流れ、コンデンサ16を通して流れ る前に冷媒を予冷却する。加熱された流体は次に第2の流体ダクト74の出力3 4から放出される。上記の説明から明らかなように、本発明ノ予冷却/過冷却シ ステム100予冷却器21及び過冷却器26は存在する熱ポンプ12に易すく再 改装される。更に、予冷却/過冷却システム10は主として受動システムであり 、これは、第1及び第2の流体ダクト70及び74全通して水などの流体を流さ せることにより動作可能となる。
第9図は本発明の予冷却/過冷却システム1oを有する熱ポンプ12のブロック 図であり、これは種々の水源72及び水が過冷却器26及び予冷却器/後加熱器 24に供給される方法を説明するものである。更に特別には、水源72は都市或 いは地方によって供給される市営の水112、井戸から供給1jる地下水114 、例えば、製造プラント、水タワー118、地下熱シンク120、又はそれらの 適当な組み合わせにょシ供給される排水116などからなる。それぞれの場合に 、水源112−120 により供給される水は過冷却器26の入力28へ供給さ れる。水の冷却に水タワー118又は地下熱シンク120が用いられる時は、予 冷却器/後加熱器24の出力64は戻りダクト121を介して水タワー118及 び地下熱シンク120の入力に接続される。市営の水112、地下水114、又 は排水116を利用する時は、予冷却器/後加熱器24がらの水は環境に放出さ れる。
以前に記したように、第9図は水が過冷却器26及び予冷却器/後加熱器24の 両者に供給される方法を示す。より特別には、弁122はi冷却器26の入力2 8へ接続されてこれを通る水の流量を調節する。過冷却器26の出方6o及び予 冷却器/後加熱器24の人力320間に三方向弁124が相互接続される。ダク ト126が水源72及び三方向弁124と流体的に連結される。他の三方向弁1 28がダクト126の中に介在させられて吐出ダクト130がダクト126と流 体的に連結されることが可能になる。最後に他の弁162が予冷却器/後加熱器 24の出力34と流体的に接続される。吐出ダクト160の出力及び/或いは弁 132からの出力は戻シダクト121と流体的に連結され、加熱された水が水タ ワー118及び/或いは外部熱シンク120に炉に導かれることを可能にする。
それぞれの弁、又はそれらの組み合わせは、電気操作ツレ/イドゲート弁、高い 側の先頭圧力弁、低い側の吸引圧力弁、温度検知弁、又に基本的には、任意の形 式の流体制御装置などからなる。従って、水は選択的に調節されて過冷却器26 及び/又は予冷BJ器/後加熱器24を通して任意の流速で流れることが認識さ れるべきである。より特別には、弁122.124.128゜及び132により 、水の流れは、予冷却器/後加熱器24より過冷却器26を通してよシ多く又は より少なく流れるように調節され得る。
第10−12図は本発明の改良された水冷及び空冷のコンデンサ152を組み合 わせたものを示す。より特別にσ、コンデンサ132は、互いに関して垂直に配 置され、タワー167のほぼ長方形の枠組135から内側に角度的に傾斜された 複数個のバッフル164からなる。コンデンサのフンダクト166はそれぞれの バッフル134の最低端部138に剛性に接続され、これによりダクト156は タワー137円でコイルを形成する。予冷却器24の出力34はバッフル134 の上の上部枠組155に接続されたm数個のスプレィヘッド140と流体的に接 続され、それにより、スプレィヘッド140から噴霧された水がバッフル154 に向けられる。ため142はバッフル164の下に位置決めされ、これにより水 がバッフル134の下及びコンデンサダクト166の上に落ちる時噴霧さnた水 が捕えられる。戻りダクト139は地下に埋もれたた144は戻りダクト169 と流体的に接続され、ため142に含まれる水を戻りダクト139i介した熱交 換器を通してポンプし、そして次に予冷却/過冷却システム10全通してポンプ し、それぞれダクト141及び145を介してスプレィヘッド140に送る。従 って、本発明の熱交換器146、空冷/水冷コンデンサ162及び過冷却器/予 冷却器10を通して水を循環させるにはただ1つのポンプ144が必要であるこ とが認識されるべきである。水供給ダクト148が熱交換器146の入力に接続 され、コンデンサ132内の蒸発により失わもるシステムへの補給水が供給され るO 新しい水冷及び空冷コンデンサ152は直線状空冷コンデンサ及び水冷コンデン サの両者の全ての利点を与える。より特別には、スプレィヘッド140から噴霧 された水はコンデンサダク)+38’i通して流れる冷媒を冷却し、これにより 、冷媒は気体状態から液体状態に変化する。噴霧された水は同時に大気に露出さ れ、従って水の部分は大気に蒸散する。水の温度は更に、地下に埋設した熱交換 器146を通して水を流すことにより低減される。比較的冷たい水が次に予冷却 /過冷却システム10を通して流され、コンデンサダクト138に流れ込む、そ してそれから放出される冷媒をそれぞれ予冷却し過冷却する。次に水がスプレィ ヘッド140を通して噴霧され、ため142に戻される。冷媒及び水がシステム を通して流れる時の動作温度が第10−12内に表示されている。これは、コン デンサ132が動作して冷媒をほぼ105下で液体に凝縮するという事実を示す べきである。更に、熱交換器146が動作して、水が、それが本発明の過冷却器 26に供給される以前に、はぼ72下に冷却される。
本開示は、先行する説明の開示と同様に、添付請求事項の開示を包含する。本発 明は成る程度の特殊性を伴い、その好ましい形式で記載されているが、理解され るように、好ましい形式で与えられる本開示は例示の形でのみなされ、又構成に おける多くの変更及び部分の組み合わせと配列は本発明の精神と範囲から逸脱す ることなしに復元され得る。
浄書(:′;′l’、−’に1更・rヒ〕ig1 工/タルビ (Btu/ Ib) Fig4 エンタルピ (Btu/1b) Fiり、5 FIG、8 Fig、11 手続補正書(方式) %式% 1、事件の表示 PCT/US 82100341 、発明の名称 予冷加/過冷却システム及びそのためのコシデシサ 3、 補正をする者 事件との関係 特許出願人 7、補正の対象 図面 国際調査報告

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、熱ポンプが冷却モードで動作している時熱ポンプのコンデンサを通過する冷 媒を予冷却し過冷却する予冷却及び過冷却システムであって、 冷媒が、コンデンサを通して流れる前に、予冷却器を通して流れることを可能に するコンデンサの入力と流体的に接続される前記予冷却器、 冷媒が、コンデンサを通して流れる後に、過冷却器を通して流れることを可能に するコンデンサの出力と流体的に接続される前記過冷却器、 前記過冷却器は、第1流体が冷媒との熱交換関係に於て前記過冷却器を通して流 れることを可能にし、これにより前記冷媒を過冷却する第1の熱交換器装置を包 含し、且つ、 前記過冷却器は、第2流体が冷媒との熱交換関係に於て前記予冷却器を通して流 れることを可能にし、これによシ前記冷媒を予冷却する第2の熱交換器を包含す る組み合わせからなる予冷却及び過冷却システム。 2 前記第10熱交換器装置の出力は第2の熱交換器装置の入力に接続され、こ れにより、第1の流体は第2の流体からなシ、該第2の流体は第1に前記第1の 、熱交換器装置を通して流れ、且つ次に前記第2の熱交換器装置を通して流れ、 それによシ、流体がコンデンサから流れる冷媒を過冷却することを可能にし、コ ンデンサに流れ込む冷媒を予冷却することを特徴とする特許請求の範囲第1項記 載の予冷却及び過冷却システム。 五 前記第1の熱交換器装置及び前記第2の熱交換器装置は流体が冷媒と混合す ることを防止する装置を包含する特許請求の範囲第2項に記載の予冷却及び過冷 却システム。 4、 前記第1の熱交換器装置は、第1の冷媒ダクトとの熱交換関係に配置され 、これにより、流体及び冷媒が前記第1の流体ダクト及び前記第1の冷媒ダクト をそれぞれ通して流れる時流体が前記冷媒を過冷却することを可能にする第1の 流体ダクトを包含し、前記第2の熱交換器装置は、第2の冷媒ダクトと熱交換関 係に配置され、それにより、流体及び冷媒が第2の流体ダクト及び第2の冷媒ダ クトをそれぞれ通して流れる時流体が冷媒を予冷却することを可能にする第2の 流体ダクトを包含し、 前記第1の流体ダクトの出力は前記第2の流体ダクトの入力に流体面に接続され 、これにより、流体は第1に前記第1の流体ダクトを通して流れ、次に前記第2 の流体ダクトを通して流れ、 前記第1の冷媒ダクトの入力はコンデンサの出力と流体的に接続され、これによ り、コンデンサから流出する冷媒は前記第1の冷媒ダクトを逆して連続的に流れ 、且つ、 前記02第2の冷媒ダクトの出方はコンデンサの入力と流体的に接続され、これ により、冷媒はコンデンサに流入する前に前記第2の冷媒ダクトを通して流れる 組み合わせにおいて更になる特許請求の範囲第3項に記載の予冷却及び過冷却シ ステム。 5 熱ポンプが加熱モードで動作する時熱ポンプの蒸発器を通過する冷媒を後加 熱し、且つ過冷却する後加熱及び過冷却システムであって、 蒸発器の出力に流体的に接続され、冷媒が蒸発器を通して流れた後該冷媒が後加 熱器を通して流れることを可能にする前記後加熱器、 蒸発器の人力と流体的に接続され、冷媒が蒸発器を通して流れる前に過冷却器を 通して流れることを可能にする前記過冷却器であって、 前記過冷却器は、第1流体が、冷媒との熱的交換関係において前記過冷却器を通 して流れることを可能にし、これにより、冷媒を過冷却する第1の熱交換器装置 を包含し、且つ、 前記後加熱器は、第2の流体が冷媒との熱的交換関係において前記後加熱器を通 して流れることを可能にする第2の熱交換器装置を包含する組み合わせにおいて なる前記後加熱及び過冷却システム。 6 前記第1の熱交換器装置の出力は第2の熱交換器装置の入力に接続され、こ れにより、第1の流体は、第1に前記第1の熱交換器装置を通して流れ、次に前 記第2の熱交換器装置を通して流れる第2の流体からなり、それによシ、流体が 蒸発器に流れ込む冷媒を老令・却し、蒸発器から流出する冷媒を後加熱すること を特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の後加熱及び過冷却システム。 Z 前記第1の熱交換器装置及び前記第2の熱交換器装置は流体が冷媒と混合す ることを防止する装置を包含する特許請求の範囲第6項に記載の後加熱及び過冷 却システム。 & 前記第1の熱交換器装置は、第1の冷媒ダクトとの熱的交換関係に配置さn lそれにより、流体及び冷媒が第1の流体ダクト及び第1の冷媒ダクトをそれぞ れ通して流れる時流体が冷媒を過冷却することを可能にする第1の流体ダクトを 包含し、 前記第2の熱交換器装置は、第2の冷媒ダクトとの熱的交換関係に配置され、そ れにより、流体及び冷媒が第2の流体ダクト及び第2の冷媒ダクトをそれぞれ通 して流れる時流体が冷媒を後加熱することを可能にする第2の流体ダクトを包含 し、 前記第1の流体ダクトの出力は、前記第2の流体ダクトの入力に流体的に接続さ れ、これにより、流体は第1に前記第1の流体ダクトを通して流れ、次に前記第 2の流体ダクトを通して流れ、 前記第1の冷媒ダクトの出方は、蒸発器の入力と流体的に接続され、これにより 、冷媒は蒸発器に流入する前に前記11の冷媒ダクトを通し□て流れ、且つ、前 記第2の冷媒ダクトの入力は、蒸発器の出力と流体的に接続され、これにより、 蒸発器から流れる冷媒は前記第2の冷媒ダクトを通して連続的に流れる組み合わ せにおいて更になる特許請求の範囲第7項に記載の後加熱及び過冷却システム。 9 蒸発器、コンプレッサ、及び冷却モードで動作するコンデンサを包含する熱 ポンプの効率及び冷却容量を増加する方法であって、 コンデンサから流出する冷媒を過冷却するステップ、及び 冷媒がコンデンサを通して流れる前に該冷媒を予冷却するステップからなる前記 方法。 1CL 冷媒を予冷却するステップは、該冷媒と熱的交換関係にあり、冷媒温度 以下の温度を有する第1の流体を流すステップを包含し、これにより、冷媒の温 度は減少する特許請求の範囲第9項に記載の方法。 1t 冷媒を過冷却するステップは、該冷媒との熱的交換関係にあり、冷媒の温 度以下の温度を有する第2の流体を流すステップを包含し、これにより冷媒の温 度が減少する特許請求の範囲第10項に記載の方法。 1z 前記第1の流体は第2の流体からなシ、これによシ、前記流体は第1にコ ンデンサから流れる冷媒との熱的交換関係において流れ、次にコンデンサに流入 する冷媒との熱的交換関係において流れる特許請求の範囲第10項に記載の方法 。 1五 流体の流量を調節してコンデンサから過冷却され九−液゛体状態に流れる 冷媒を過冷却し、且つコンデンサに流入する溶媒を少なくとも飽和されたー蒸気 状態に予冷却するステップから更になる特許請求の範囲第11項に記載の方法。 1L 流体の流量はコンデンサに流入する冷媒を混合−相状態に予冷却するよう に増加される特許請求の範囲第15項に記載の方法。 15、蒸発器、コンプレッサ、及び加熱モードで動作するコンデンサを包含する 熱ポンプの効率及び熱容量を増加させる方法であって、 冷媒が蒸発器を通して流れる前に該冷媒を過冷却するステップ、及び 蒸発器から流れる冷媒を後加熱するステップからなる方法。 1& 冷媒を後加熱するステップは該冷媒と熱交換関係にあり、該冷媒の温度以 上の温度を有する第1の流体を流すステップを包含する特許請求の範囲第15項 に記載の方法。 17、冷媒を過冷却するステップは、該冷媒との熱交換関係にあり、該冷媒の温 度以下の温度を有する第2流体を流すことのステップを包含する特許請求の範囲 第16項に記載の方法。 1& 冷媒を過冷却するステップは、該冷媒との熱交換関係にあり、該冷媒の温 度以下の温度を有する第1の流体を流すステップを包含する特許請求の範囲第1 6項に記載の方法。 19、前記第1の流体の流iiを調節して、蒸発器に流入する冷媒を過冷却され た状態に過冷却し且つ蒸発器から流出する冷媒を少なくとも飽和された蒸気状態 に後加熱するステップから更になる特許請求の範囲第18項に記載の方法0 21 前記第1の流体の流量は蒸発器から流出する冷媒を過熱状態へ後加熱する ように増加される特許請求の範囲第19項に記載の方法。 2t コンプレッサ、コンデンサ及び冷媒で充てんされ、冷却モードで動作する 蒸発器を包含する熱ポンプに用いられる空冷及び水冷コンデンサの組み合わせで あって、 複数個の垂直方向に配置されたバッフルであり、前記バッフルは互いに向けて内 側に傾斜され、前記バッフルの最低端に剛性に接続された冷媒ダクトでちり、 前記バッフル上に配置され該バッフルの上の流体を1Jtlifるスプレィヘッ ドでsb、前記バッフルの下に配置され前記スプレィヘッドか熱交換器装置、 前記熱交換器装置の入力と流体的に連絡した前記だめの出力を接続する第1のダ クト、 前記スプレィヘッドへの前記熱交換器の出力を接続する第2のダクト、 前記ためからの水を前記熱交換器を通して、前記スプレィヘッドに循環させる装 置、 コンプレッサの出力と流体的に連絡する前記冷媒ダクトの入力を接続する装置、 及び 蒸発器の人力と流体的に連絡する前記冷媒ダクトの出力を接続する装置の組み合 わせにおいてなる空冷及び水冷コンデンサの組み合わせ。 2z 前記冷媒フンダクトは位置的に前記バッフルに接続すれ、従ってコンプレ ッサから流れる冷媒は、第1に上部の前記パンフルに接続された前記冷媒の部分 を通して流れ、次に下部の前記バッフルに接続された前記冷媒ダクトの他の部分 を通して流れる特許請求の範囲第21項に記載のコンデンサ。 2!L 前記熱交換器は大地内に配置され、従って該熱交換器を通して流れる水 は該熱交換器が配置された深さの大地の温度にほぼ等しい温度に冷却される特許 請求の範囲第21項に記載のコンデンサ。 24、前記のためと流体的に接続され該ためを所定のレベルに維持する供給ダク トから更になる特許請求の範囲第21項に記載のコンデンサ。 25 熱ポンプのコンデンサは、 前記バッフルの最低端に剛性に接続される冷媒ダクト、 前記パンフルの上に配置され該ノ(ツフル上に流体を噴霧スるスプレィヘッド、 前記バッフルの下に配置され、前記スプレィへ゛ント。 から噴霧される流体を受けるため、 第3の熱交換器装置、 前記第5の熱交換器装置の入力と流体的に連絡する前記のんあの出力を接続する 第1のタリト、前記第6の熱交換器の出力を前記過冷却器の入力に接続する第2 ダクト、 前記予冷却器の出力を前記スプレィへ・ント“に接続する第3のダクト、 前記にろからの水を、前記第6の熱交換器を通し、前記過冷却器及び予冷却器を 通して、且つ前記スプレィヘッドに循環させる装置、 前記予冷却器の出力と流体的に連絡する前記冷媒の入力を接続し、該予冷却器か ら流れる冷媒が前記冷媒ダクトを通して流れることを可能にする装置、及び前記 過冷却器の入力と流体的に連絡する前記冷媒ダクトの出力を接続し、該冷媒ダク トを通して流れる冷媒が前記過冷却器に流れることを可能にする組み合わせにシ いてなる特許請求の範囲第2項に記載の予冷却及び過冷却システム0 26 前記冷媒ダクトは位置的に前記)ぐ・ンフルに接続され、従って前記予冷 却器から流れる冷媒は第1に上部の前記バッフルに接続され友前記冷媒ダクトの 部分を通して流れ、次に下部の前記バッフルに接続された前記冷媒ダクトの他の 部分を通して流れる特許請求の範囲第25項に記載の予冷却及び過冷却システム 。 27、iiJ記第3の熱交換器は大地内に配置され、従って該熱交換器を通して 流nる水は該熱交換器が配置される深さの大地の温度にほぼ等しい温度に冷却さ れる特許請求の範囲第25項に記載の予冷却及び過冷却シス28、前記ためと流 体的に接続されて該ためを所定のレベルに維持する供給ダクトから更になる特許 請求の範囲第25項に記載の予冷却及び過冷却システム。
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