JP2013519064A - 積層コイル区間を有する熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器には積層コイル区間が備わっている。積層型コイル区間のそれぞれが、他のコイル区間から独立して流体を循環させるように構成される。積層型コイル区間の両方を通して空気を循環させるために、通風装置が使用される。積層型コイル区間は、一方のコイル区間を出る空気が他方のコイル区間に入るように配置される。
【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる、２０１０年２月８日出願の「ＨＥＡＴ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ」という名称の米国特許仮出願第６１／３０２，３３３号の優先権および利益を主張するものである。

[0002]本出願は、一般に熱交換器に関する。より具体的には、本出願は、別々の凝縮温度および／または凝縮圧力で動作する積層コイル区間を有する、加熱、換気、空気調節および冷却（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムのための空冷凝縮器に関する。

[0003]ＨＶＡＣ＆Ｒシステムでは、冷媒ガスは、圧縮機によって圧縮され、次いで凝縮器に配送される。凝縮器に配送された冷媒蒸気は、例えば空気、水といった流体と熱交換関係になり、相転移して冷媒液になる。凝縮器からの液体冷媒は、蒸発器に対応する膨張装置を通って流れる。蒸発器の中の液体冷媒は、例えば空気、水、他のプロセス流体といった別の流体との熱交換関係になり、相転移して冷媒蒸気になる。蒸発器を通って流れる他の流体は、冷媒との熱交換関係の結果として冷やされるかまたは冷却され、次いで密閉空間を冷却するのに用いられ得る。最終的に、蒸発器の中の蒸気冷媒が圧縮機に戻ってサイクルを完成する。

[0004]空冷凝縮器では、凝縮器を通って流れる冷媒は、ファンまたは送風機などの通風装置によって生成される循環空気と熱交換することができる。空冷凝縮器では、熱交換に循環空気が用いられるので、凝縮器の性能および効率、最終的にはＨＶＡＣ＆Ｒシステムの性能および効率は、凝縮器を通って循環される空気の周囲温度の影響下にある。周囲の空気温度が上昇するにつれて、凝縮器の中の冷媒の凝縮温度（および凝縮圧力）も上昇する。非常に高い周囲の気温、すなわち４３．３℃（１１０°Ｆ）より高い気温では、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの性能および効率が、非常に高い周囲の気温に起因するより高い凝縮温度（および凝縮圧力）のために低下する恐れがある。

[0005]したがって、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの所望の性能および効率を保つために、非常に高い周囲の気温において、より低い凝縮温度で動作することができる空冷凝縮器が必要とされている。

[0006]本出願は、流体を循環させるように構成された少なくとも１つの第１区間と、流体を循環させるように構成された少なくとも１つの第２区間とを有する熱交換器を対象とする。少なくとも１つの第２区間の中の流体の流れは、少なくとも１つの第１区間の中の流体の流れと分離している。熱交換器は、少なくとも１つの第１区間および少なくとも１つの第２区間の両方を通して空気を循環させるための少なくとも１つの通風装置を含む。少なくとも１つの第１区間は、少なくとも１つの第２区間に対して、隣接して、実質的に平行に配置され、また、少なくとも１つの第１区間と少なくとも１つの第２区間は、少なくとも１つの第１区間を出る空気が少なくとも１つの第２区間に入るように配置される。

[0007]本出願はさらに、流体連通の、第１の圧縮機、第１の凝縮器および第１の蒸発器を備える、冷媒を循環させるための第１の回路と、流体連通の、第２の圧縮機、第２の凝縮器および第２の蒸発器を備える、冷媒を循環させるための第２の回路とを備える蒸気圧縮システムを対象とする。蒸気圧縮システムは、第１の凝縮器および第２の凝縮器の両方を通して空気を循環させるための少なくとも１つの通風装置も含む。第１の凝縮器および第２の凝縮器は、それぞれが、少なくとも１つの実質的に平面状の区間を有する。第１の凝縮器の少なくとも１つの実質的に平面状の区間は、第２の凝縮器の少なくとも１つの実質的に平面状の区間に対して、隣接して、実質的に平行に配置される。第１の凝縮器の中の冷媒の凝縮温度は、第２の凝縮器の中の冷媒の凝縮温度と異なる。

[0008]本出願の利点の１つには、類似の能力のシステムと比較されたとき、システム設計が、フットプリントおよび／または体積に関して、よりコンパクトなことがある。
[0009]本出願の別の利点には、非常に高い周囲の気温における向上されたシステム能力がある。

[0010]本出願のさらに別の利点には、エコノマイザを使用するときに圧縮機の電動機負荷を等しくする能力がある。
[0011]本出願のさらなる利点には、凝縮器を通して空気を循環させるのに使用するファンの数をより少なくする能力があり、このことは、凝縮器に関連したファンノイズの低減をもたらす。

[0012]本出願のさらなる利点には、周囲の気温と凝縮温度をより密接に相関づけることによる、凝縮器表面のより効率的な利用がある。
[0013]本出願の他の利点は、コストの低減、システム効率の改善、および装置の軽量化を含む。

[0014]加熱、換気、空気調節および冷却の装置のための例示的実施形態を示す図である。 [0015]熱交換器の例示的実施形態を示す側面図である。 [0016]熱交換器の例示的実施形態の部分的分解組立図である。 [0017]図４Ａは、凝縮器の１つの構成に関する、気温に対する冷媒温度のグラフである。図４Ｂは、凝縮器の別の構成に関する、気温に対する冷媒温度のグラフである。 [0018]積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 積層の区間またはコイルを有する凝縮器または熱交換器を有する蒸気圧縮システムの別の例示的実施形態を示す概略図である。 [0019]別々のシステム構成に関する、凝縮器のファン数に対するシステム効率のグラフである。 [0020]別々のシステム構成に関する、熱交換器のコストに対するシステム効率のグラフである。

[0021]図１を参照すると、一般的な商用設定の建屋１２の、加熱、換気、空気調節、および冷却（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム１０のための例示的環境が示されている。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、建屋１２を冷却するのに用いられ得る冷却された液体を配給することができる屋上装置１４に組み込まれた圧縮機を含んでよい。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、建屋１２を暖めるのに用いられ得る加熱された液体を配給するためのボイラ１６、および建屋１２を通して空気を循環させる空気分配システムも含むことができる。空気分配システムは、空気戻り管路１８、空気配給管路２０、および空気処理器２２を含むことができる。空気処理器２２は、導管２４によってボイラ１６および屋上装置１４に接続される熱交換器（図示せず）を含むことができる。空気処理器２２の熱交換器（図示せず）は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０の動作モード次第で、ボイラ１６からの加熱された液体または屋上装置１４からの冷却された液体を受け取ることができる。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、建屋１２の各階に個別の空気処理器２２を有して示されている。しかし、いくつかの空気処理器２２は複数の階に対応することができ、または、１つの空気処理器がすべての階に対応することができる。

[0022]ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０で用いられる冷媒との熱交換のための空冷凝縮器を含むことができる。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０の空冷凝縮器の熱伝達面をより効率的に用いるために、凝縮器の冷却温度を、凝縮器を通って循環する空気の温度に相関づけるかまたは一致させることができる。例示の一実施形態では、空冷の熱交換器または凝縮器は、実質的に平面状の区間あるいはＶ字形にアレンジするかまたは配置されたコイルを有する１つまたは複数の部分を有するように、設定されるか、構成されるか、またはアレンジされ得る。これらの区間またはコイルは、積み重ねるかまたは入れ子状にされ得て、別々の凝縮温度で、別々の凝縮圧力で、かつ／または別々の冷媒回路の中で作動される。積層の区間またはコイルは、１つの区間またはコイルを出る空気が他の区間またはコイルに入るようにアレンジするかまたは配置され得る。別な風に明示されると、凝縮器の一部分の区間またはコイルを通って流れる空気は、直列の構成または機構であり得る。別の例示的実施形態では、凝縮器は、どちらも別々の凝縮温度または凝縮圧力で動作する諸積層区間および諸コイルを有する諸部分、ならびに単一の凝縮温度または凝縮圧力で動作する単一の区間またはコイルを有することができる。

[0023]図２は、凝縮器の例示的実施形態を示す。図２の例示的実施形態では、凝縮器２６は、個別の積層の区間またはコイル３４を有する部分２７を有することができる。熱交換器または凝縮器部分２７の、外側の（Ｖ字形の）区間またはコイルは１つの冷媒回路の一部分であり得て、熱交換器または凝縮器部分２７の、内側の（Ｖ字形の）区間またはコイルは第２の冷媒回路の一部分であり得る。１つまたは複数の圧縮機からの放出蒸気または放出ガスは、区間またはコイル３４の頂部および中央の接続２９で、それぞれの区間またはコイル３４に入ることができる。液体の冷媒は、区間またはコイル３４の底部近くの接続３１から、それぞれの区間またはコイル３４を出ることができる。例示の一実施形態では、それぞれの区間またはコイル３４は、設計、構成、または機構が同一であり得て、２つの冷媒が区間またはコイル３４を通る。しかし、他の例示的実施形態では、区間またはコイルは別々の設計、サイズまたは構成を有することができ、別々の数の冷媒通路を有することができる。２つの通路を有する区間またはコイル３４を使用すると、入口の接続および出口の接続を、両方とも区間またはコイル３４の同一の終端にもたらし、また、上流の区間またはコイルの過冷部分を出るより低温の空気を、下流の区間またはコイルの過冷部分によって用いられるように供給することができる。

[0024]別の例示的実施形態では、単一通路または奇数通路の構成が、それぞれの区間またはコイル３４あるいは特定の区間またはコイル３４向けに用いられ得る。単一通路または奇数通路に構成すると、簡単な組立ておよび配管接続の組立てのための十分な空間を設けるために、区間またはコイル３４に対応する冷媒母管を、区間またはコイル３４の反対端にもたらすことができる。

[0025]図３は、図１に示された例示的ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０に使用され得る熱交換器または凝縮器２６の部分的分解組立図を示す。熱交換器２６は、囲い板３０および１つまたは複数のファン３２を含む上部組立体２８を含むことができる。熱交換器の区間またはコイル３４は、囲い板３０の下に配置され得て、１つまたは複数の圧縮機、膨張装置、または蒸発器などＨＶＡＣ＆Ｒシステムの他の構成要素の上に、または少なくとも部分的に上に配置されてよい。熱交換器の区間またはコイル３４は、同一の構成要素または共通の構造の構成要素を使用して実装され得て、パッケージ化された装置の一部分として組み立てられ得る。コイル３４を通る気流を改善し、コイル３４からの液体の排流を支援するために、区間またはコイル３４は、０度と９０度の間のあらゆる角度に配置されてよい。例示の一実施形態では、熱交換器の区間またはコイルを、パッケージ化された装置の一部分として積み重ねると、標準的な運送用コンテナで出荷することができるコンパクトな装置をもたらす。

[0026]図４Ａと図４Ｂは、単一の凝縮器区間の構成と積層型の凝縮器区間の構成の間の、凝縮器の冷媒温度における対比を示す。図４Ａは、単一凝縮器の区間またはコイルの構成に関して、気温に対する凝縮器の冷媒温度を示す。図４Ａに示されるように、流出空気の温度と冷却温度の間のピンチポイントが、冷媒の凝縮温度を制限する。ピンチポイントにおける流出空気の温度によって冷却温度が制限されるので、凝縮器の熱伝達面の面積を大きくしても、理論的凝縮温度は、ほとんど改善しないか、少しも改善することができない。また、付加された熱伝達面の面積からの追加の空気側圧力低下によって空気の流れが減少することがあり、結局、より高い凝縮温度をもたらす可能性がある。したがって、所与のファンに関して、単一のコイルまたは区間から得ることができる熱伝達量に対する実質的な限界がある。

[0027]それと対照的に、図４Ｂは、２つの冷媒回路とともに使用される、直列の空気流れを有する積層型凝縮器の区間またはコイルの構成に関して、気温に対する凝縮器の冷媒温度を示す。上流の冷媒回路（および凝縮器区間）の熱伝達負荷が半分になり、したがって流出空気の温度がより低くなることにより、はるかに低い凝縮温度を用いることができる。下流の冷媒回路（および凝縮器区間）は、図４Ａに示された単一の凝縮器区間のものとほぼ同様に機能する。図４Ｂにおける下流の冷媒回路または区間は、より高い流入冷媒温度を有することができるが、流出冷媒温度は（図４Ａに対して）ほとんど不変であり、そのうえ、下流の冷媒回路または区間の熱伝達負荷が半分になる。２つの冷媒回路または凝縮器区間を使用すると、２つの冷媒回路または凝縮器区間に対する平均凝縮温度が大幅に低下する。積層型凝縮器区間を直列空気流れに構成すると、熱交換が、逆流機構を、より優れて近似するので、凝縮温度に対する熱力学的限界を効果的に低減することができる。

[0028]例示の一実施形態では、区間またはコイル３４は、マイクロチャンネルまたは多重チャンネルのコイルまたは熱交換器で実施することができる。マイクロチャンネルまたは多重チャンネルのコイルは、コンパクトなサイズ、軽量、空気側圧力低下が小さいこと、および低材料コストといった利点を有することができる。マイクロチャンネルまたは多重チャンネルのコイルまたは区間は、冷媒の流れのための２つ以上のチューブ、通路またはチャンネルをそれぞれが有する２つ以上の流管区間を通して冷媒を循環させることができる。流管区間は、長方形、平行四辺形、台形、長円、楕円または他の類似の幾何学的図形の断面形状を有することができる。流管区間における流管は、正方形、長方形、円、楕円、長円、三角形、台形、平行四辺形または他の適切な幾何学的図形の断面形状を有することができる。一実施形態では、流管区間における流管は、例えば、約０．５ｍｍから約３ｍｍの間の幅または直径といったサイズを有することができる。別の実施形態では、流管区間における流管は、例えば約１ｍｍの幅または直径といったサイズを有することができる。

[0029]別の例示的実施形態では、区間またはコイル３４は、円形流管の平板フィンコイルを用いて実施することができる。円形流管の平板フィンコイルの例示的構成の１つには、２つの冷媒回路またはコイルの間に伝導経路がないが、共通の流管シートを使用するように、フィンを分割するものがある。その結果、機械的には単一の装置に見えるが、熱的に分離した２つのコイルになる。別の例示的構成には、冷媒回路とフィンを共有する円形流管のコイルを作製するものがある。しかし、フィンの設計に熱的切れ目（スリットなど）を含むことによって制限され得る、２つの回路またはコイルの間のフィンによる伝導がある可能性がある。さらに別の例示的実施形態では、円形流管のコイル凝縮器は、最適の伝熱能力をもたらすために、両凝縮区間の下流に過熱防止区間を、両凝縮区間の上流に過冷区間とを有するように構成することができる。

[0030]図５〜図１２は、積層型凝縮器区間またはコイルを組み込むかまたは使用するＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０用の蒸気圧縮システムの別々の例示的実施形態を示す。蒸気圧縮システムは、１つまたは複数の、独立しているかまたは分離した、圧縮機４２で始まる回路を通して冷媒を循環させることができ、積層区間またはコイル、膨張装置４６、および蒸発器または液体冷却器４８を有する凝縮器２６を含む。蒸気圧縮システムは、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、およびインターフェースボードを含むことができるコントロールパネルも含むことができる。蒸気圧縮システムで冷媒として用いられ得る流体のいくつかの実例には、例えばＲ−４１０Ａ、Ｒ−４０７、Ｒ−１３４ａ、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）といったハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）ベースの冷媒と、アンモニア（ＮＨ_３）、Ｒ−７１７、二酸化炭素（ＣＯ_２）、Ｒ−７４４、または炭化水素ベースの冷媒のような「天然の」冷媒と、水蒸気またはその他の適切なタイプの冷媒とがある。例示の一実施形態では、蒸気圧縮システムの回路のすべてにおいて、同一の冷媒が循環され得る。しかし、他の実施形態では、分離した冷媒回路には別々の冷媒が循環され得る。

[0031]圧縮機４２は、一定のＶｉ（体積比または体積指数）すなわち吸気容量と放出体積の比、または可変Ｖｉを有することができる。また、各回路用の圧縮機４２は、同一のＶｉを有してよく、あるいは圧縮機４２のＶｉが異なってもよい。圧縮機４２とともに使用される電動機は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）によって、あるいは交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）の電源から直接的に、給電され得る。ＶＳＤは、使用される場合、ＡＣ電源から、特定の一定線間電圧および一定回線周波数を有するＡＣ電力を受け取って、可変の電圧および周波数を有する電動機に電力を供給する。電動機は、ＶＳＤによって、またはＡＣ電源もしくはＤＣ電源から直接給電され得る、任意のタイプの電動機を含むことができる。電動機は、例えばスイッチトリラクタンスモータ、誘導電動機、または電子的に整流された永久磁石電動機といった、その他の適切なタイプの電動機であり得る。圧縮機４２の出力容量は、圧縮機４２の対応する動作速度に基づくものでよく、この動作速度は、ＶＳＤによって駆動される電動機の出力速度次第である。別の例示的実施形態では、蒸気タービンもしくはガスタービンまたはエンジンなどの他の駆動機構および関連する構成要素が、圧縮機４２を駆動するのに使用され得る。

[0032]圧縮機４２は、冷媒蒸気を圧縮し、圧縮された蒸気を、個別の放出通路を通して、凝縮器２６の個別の凝縮器区間またはコイルに配送する。凝縮器２６は、凝縮器を通って流れる空気の方向に対して、上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２を有することができる。上流の区間またはコイル８０は、下流の区間またはコイル８２と比較して、より低い凝縮器の温度および圧力で動作することができる。圧縮機４２によって上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２に配送される冷媒蒸気は、１つまたは複数のファン３２によって循環される空気に熱を伝達する。冷媒蒸気は、上流の区間またはコイル８０と下流の区間またはコイル８２との両方で、空気との熱伝達の結果として凝縮して冷媒液になる。また、上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２は、液体冷媒用の過冷却器を含むことができる。上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２からの液体冷媒は、１つまたは複数の膨張装置４６を通って蒸発器４８まで流れる。蒸発器４８に配送された液体冷媒は、例えば水、空気、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブライン、または他の適切なタイプの流体といったプロセス流体から熱を吸収して、プロセス流体を冷やし、すなわち温度を低下させ、相転移して冷媒蒸気になる。蒸気冷媒は、蒸発器４８を出て、吸い込み管によって圧縮機４２に戻り、回路またはサイクルを完成する。蒸発器４８は、特定の蒸気圧縮システムで実施される回路の数次第で、１つまたは複数の容器を有することができる。さらに、特定の蒸気圧縮システムに複数の回路が使用されても、蒸発器は、熱伝達のための個別の冷媒回路を維持することができる単一の容器を依然として使用することができる。

[0033]例示の一実施形態では、諸圧縮機４２は、同一のＶｉを有しないように選択され得る。換言すれば、１つの圧縮機４２が（他の圧縮機と比較して）高いＶｉを有することができ、その他の圧縮機４２が（他の圧縮機と比較して）低いＶｉを有することができる。Ｖｉが低い圧縮機は、より低い凝縮温度を有する上流の区間またはコイル８０に接続することができる。図４Ｂに示されるように、下流の凝縮器区間またはコイル８２向けの空気の温度は、上流の凝縮器区間またはコイル８０向けの空気の温度より高い。したがって、下流の凝縮器区間またはコイル８２では、この気流温度の差により、高Ｖｉ圧縮機からの冷媒を、上流の凝縮器区間またはコイル８０の低Ｖｉ圧縮機からの冷媒より、より高い凝縮温度および／または凝縮圧力で凝縮することができる。より低い凝縮温度で動作する上流の凝縮器区間またはコイル８０とともに低Ｖｉ圧縮機を使用すると、蒸気圧縮システムの全負荷効率を改善することができる。また、低Ｖｉ圧縮機だけが作動されるとき、蒸気圧縮システムの部分負荷効率が改善され得る。特定の例示的実施形態の１つでは、低Ｖｉ圧縮機は遠心圧縮機であり得て、高Ｖｉ圧縮機はスクリュ圧縮機などの容積式圧縮機であり得る。

[0034]特定の例示的実施形態の１つでは、上流のコイルを有する冷媒回路用の圧縮機は、可変速の遠心圧縮機であり得て、下流のコイルを有する高Ｖｉ圧縮機は、スクリュ圧縮機などの容積式圧縮機であり得る。この実施形態の圧縮機の対は、圧縮機の構成が、遠心圧縮機で必要とされる吐出し風圧を低下させるので、システムの高周囲温度の性能を改善する。遠心圧縮機が達成することができる吐出し風圧は、一般に、所与の圧縮機設計に関する圧縮機吸気と吐出し風圧の最大比によって制限されている。遠心圧縮機は、可変速で直接駆動の磁気軸受を有する密閉型２段圧縮機であり得る。遠心圧縮機を、単独で、すなわちスクリュ圧縮機が部分負荷状態で作動されずに、動作させることにより、システムの高い部分負荷効率が取得され得る。

[0035]図５は、単一の冷媒回路に配給する複数の圧縮機を有する蒸気圧縮システムを示す。図５の蒸気圧縮システムは、１つの圧縮機だけが作動され得るように、冷媒の流れを分離するのに逆止め弁７８または他の類似の弁を使用する。また、上流の区間またはコイル８０を出る冷媒の圧力と下流の区間またはコイル８２を出る冷媒の圧力を等しくするために、凝縮器２６の出力においてオリフィス８８が使用される。凝縮器２６と膨張装置４６の間の冷媒系統の作動圧力は、下流の区間またはコイル８２に個別の接続が使用された場合の作動圧力より、低くなり得る。作動圧力がより低いと、凝縮器２６と膨張装置４６の間の液体系統の例えばフィルタ／乾燥機、点検窓といったさらなる構成要素が、より低い圧力向けに構成して作動され得る。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。図５の蒸気圧縮システムの例示的実施形態では、圧縮機４２はスクロール圧縮機であり得る。

[0036]図６は、複数の個別の冷媒回路およびＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０のために空気を直接冷却するのに使用される各回路用の個別の蒸発器区間を有する蒸気圧縮システムを示す。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。図６の蒸気圧縮システムの例示的実施形態では、蒸気圧縮システムは、パッケージ化された屋根ユニットで使用され得る。

[0037]図７は、単一の蒸発器容器を使用する複数の個別の冷媒回路を有する蒸気圧縮システムを示す。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。図７の蒸気圧縮システムの例示的実施形態では、蒸気圧縮システムは冷却器または冷却液体システムに使用され得て、スクロール圧縮機を組み込む。

[0038]図８〜図１２に示される例示的実施形態では、蒸気圧縮回路は、凝縮器２６と膨張装置４６の間に組み込まれた１つまたは複数の中間回路またはエコノマイザ回路を含むことができる。中間回路またはエコノマイザ回路は、所与の蒸発器サイズに対して冷却能力を向上するのに利用され得て、蒸気圧縮システムの効率および性能を向上することができる。中間回路は、上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２の一方または両方に対して、直接接続されるかまたは流体連通され得る１つまたは複数の入口系統を有することができる。１つまたは複数の入口系統は、中間容器の上流に配置された１つまたは複数の膨張装置６６を含むことができる。膨張装置６６は、上流の区間またはコイル８０および／または下流の区間またはコイル８２からの冷媒の圧力を中間圧力に下げるように動作し、いくつかの冷媒の蒸気へのフラッシングをもたらす。中間圧力でフラッシングされた冷媒は、その特定の回路に対応する圧縮機４２に再導入され得る。中間圧力の冷媒蒸気が圧縮機４２に戻されるので、冷媒蒸気が必要とする圧縮はより低く、それによって蒸気圧縮システムの全体的効率が向上する。膨張装置６６からの、中間圧力の残りの液体冷媒は、より低いエンタルピーにあり、熱伝達を助長することができる。膨張装置４６は、中間容器から中間圧力の冷媒を受け取って、より低いエンタルピーの液体冷媒を蒸発器圧力に膨張させることができる。冷媒が、低いエンタルピーを有して蒸発器４８に入ることにより、冷媒が凝縮器から直接膨張される非エコノマイズシステムに対して、エコノマイズ回路を有するシステムにおける冷却効果が向上する。

[0039]中間容器は、フラッシュ中間冷却器とも称されるフラッシュタンク７０であり得て、あるいは、中間容器は、「表面エコノマイザ」とも称される熱交換器７１としても構成され得る。フラッシュタンク７０は、膨張装置６６から受け取られた液体から蒸気を分離するのに使用されてよく、液体のさらなる膨張を可能にすることもできる。蒸気は、圧縮機４２によってフラッシュタンク７０から補助冷媒系統を通って、吸入と放出の間の中間圧力すなわち圧縮の中間段階のポートである吸気入口に引き込まれてよい。例示の一実施形態では、フラッシュタンク７０から圧縮機４２への冷媒の流れを調節するために、圧縮機４２とフラッシュタンク７０の間の補助冷媒系統に電磁弁７５が配置され得る。フラッシュタンク７０の中に集まる液体は、膨張処理からより低いエンタルピーにある。フラッシュタンク７０からの液体は、膨張装置４６へ流れ、次いで蒸発器４８に流れる。２つの異なる圧力の冷媒間で熱を移転するために、熱交換器７１が使用され得る。熱交換器７１の冷媒間の熱の交換は、熱交換器７１の冷媒のうちの１つを過冷して熱交換器７１のもう１つの冷媒を少なくとも部分的に蒸発させるのに利用され得る。

[0040]図８は、それぞれが中間回路またはエコノマイザ回路を組み込む複数の個別の冷媒回路を有する蒸気圧縮システムを示す。上流の区間またはコイル８０および下流の区間またはコイル８２のそれぞれが、フラッシュタンク７０に流体連結されている膨張装置６６に流体連結され得る。エコノマイザの動作圧を調節するのに、膨張装置６６が使用され得る。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。下流の区間またはコイル８２に接続された高Ｖｉ圧縮機および上流の区間またはコイル８０に接続された低Ｖｉ圧縮機を使用する例示的実施形態では、高Ｖｉ圧縮機に対する電動機負荷を低減するように、下流の区間またはコイル８２に接続されたフラッシュタンク７０からの蒸気冷媒が、より高い圧力で高Ｖｉ圧縮機に供給され得る。

[0041]図９が示す蒸気圧縮システムは、中間回路またはエコノマイザ回路に熱交換器が組み込まれるという点を除けば、図８の蒸気圧縮システムに類似のものである。上流の区間またはコイル８０は、熱交換器７１に続いてフラッシュタンク７０にも流体連結されている膨張装置６６に流体連結され得る。下流の区間またはコイル８２は、膨張装置６６に続いてフラッシュタンク７０にも流体連結されている熱交換器７１に流体連結され得る。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。

[0042]図１０が示す蒸気圧縮システムは、下流の区間またはコイル８２に接続された中間回路またはエコノマイザ回路に、追加の、すなわち第２の熱交換器が組み込まれるという点を除けば、図９の蒸気圧縮システムに類似のものである。下流の区間またはコイル８２からの液体冷媒は、２つの別々の通路に分割されて第２の熱交換器７１に供給される。通路のうちの１つは、液体冷媒が第２の熱交換器７１に入る前に膨張装置６６を組み込むことができる。膨張装置６６を有する入力通路に対応する第２の熱交換器７１の出力は、フラッシュタンク７０に接続されたポートから分離した圧縮機４２のより高い圧力に対応するポートにおいて下流の区間またはコイル８２に配給する圧縮機４２に供給され得る。第２の熱交換器７１からのもう一方の出力は、図９で説明されたように、第１の熱交換器に入ることができる。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。

[0043]図１１は、それぞれが中間回路またはエコノマイザ回路を組み込む複数の個別の冷媒回路を有する蒸気圧縮システムを示す。上流の区間またはコイル８０は、熱交換器７１に続いてフラッシュタンク７０にも流体連結されている膨張装置６６に流体連結され得る。下流の区間またはコイル８２は、膨張装置４６に続いて蒸発器４８にも流体連結されている熱交換器７１に流体連結され得る。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。熱交換器７１は、上流の区間またはコイル８０からの冷媒を、下流の区間またはコイル８２からの冷媒液を冷却するのに利用することができる。下流の区間またはコイル８２からの冷媒液を冷却することにより、下流の区間またはコイル８２に接続された圧縮機４２に対する電動機負荷は、低減されて、上流の区間またはコイル８０に接続された圧縮機４２に対する電動機負荷と等しくされ得る。

[0044]図１２が示す蒸気圧縮システムは、下流の区間またはコイル８２に接続された中間回路またはエコノマイザ回路の中にさらなるフラッシュタンクが組み込まれるという点を除けば、図１１の蒸気圧縮システムに類似のものである。下流の区間またはコイル８２からの液体冷媒は、フラッシュタンク７０に流体連結されている膨張装置６６に流体連結される。図１１に関して説明されるように、フラッシュタンク７０からの液体冷媒は、熱交換器７１に供給され得る。フラッシュタンク７０からの蒸気冷媒は、下流の区間またはコイル８２に配給する圧縮機４２に供給され得る。個別の冷媒回路に使用される圧縮機は、同一のＶｉまたは別々のＶｉを有することができる。

[0045]高Ｖｉ圧縮機および低Ｖｉ圧縮機を使用する例示の一実施形態では、圧縮機負荷を等化して高い周囲温度における能力を改善するために、エコノマイザ負荷が、より高い凝縮器圧力で動作する高Ｖｉ圧縮機を有する回路から、より低い凝縮器圧力で動作する低Ｖｉ圧縮機を有する回路へ移され得る。

[0046]図１３は、積層型凝縮器コイルの構成を有するシステムの効率を、単一凝縮器コイルの構成を有するシステムの効率と比較する。どちらの凝縮器コイルの構成も、深さ２５ｍｍのマイクロチャンネル熱交換器コイルを使用している。解析のために、図８に示されるように構成された蒸気圧縮システムが使用された。また、どちらの圧縮機も同一のＶｉ設計、すなわち高Ｖｉの設計である。図１３に示されるように、単一凝縮器コイルの構成では１６個のファンを使用して達成され得るシステム効率とほぼ同一のシステム効率が、積層型凝縮器コイルの構成ではわずか１０個のファンで達成され得て、このことは約９％のシステム効率の改善をもたらすことができる。また、さらなるファンを使用すると、単一凝縮器コイルの構成に対して、より高い効率レベルが達成され得る。図１４は、システム効率とシステムコストの間の関係を示す。図１４の結果は、図１３と同一のシステム構成に基づくものである。図１４に示されるように、積層型凝縮器コイルの構成を用いると、単一凝縮器コイルの構成と同一のコストで、より効率的なシステムが達成され得る。さらに、積層型凝縮器コイルの構成は、単一凝縮器コイルの構成と比較して、特定の設計効率に対して低コストをもたらすことができる。

[0047]例示的実施形態では、凝縮器は、別々の圧力で動作する２つを上回る凝縮器区間またはコイルを有するように拡張され得る。一般に、それぞれの追加区間および凝縮圧力では、性能向上の増強はより小さい。

[0048]別の例示的実施形態では、圧縮機のそれぞれが、スクリュ圧縮機、往復圧縮機、遠心圧縮機、回転圧縮機、スイングリンク圧縮機、スクロール圧縮機、タービン圧縮機、またはその他の適切な圧縮機など単段の圧縮機でよいが、あらゆる単段または多段の圧縮機が使用され得る。

[0049]さらなる例示的実施形態では、膨張装置は、電子的膨張弁または熱膨張弁、毛管またはオリフィスなどの膨張弁を含む任意の適切な膨張装置でよい。
[0050]別の例示的実施形態では、各圧縮機は、タンデム圧縮機、トリオ圧縮機、または１つの冷媒回路を共有して１つの圧縮機システムとして働く他の多段圧縮機の構成を含むことができる。例えば、スクロール圧縮機は多段圧縮機に構成され得て、すなわち１つの冷媒回路に２つ以上の圧縮機が接続され得る。スクロール圧縮機の実例では、圧縮機を多段圧縮機の構成にアレンジすることにより、容量制御が実現され得る。また、多段圧縮機の構成は、流れを調整するための弁など他の関連する構成要素を含むことができる。さらに別の例示的実施形態では、別々の設計のＶｉを有する圧縮機が、同じ冷媒回路を共有することもできる。

[0051]他の例示的実施形態では、蒸気圧縮システムは、他の構成を有することができる。例えば、効率をさらに改善するために、さらなるエコノマイザが回路に組み込まれ得る。最適のエコノマイザ構成は、コストに対する効率および容量の改善次第である。

[0052]図に示され、かつ本明細書で説明された例示的実施形態は、現在好ましいものであるが、これらの実施形態は単に実例として提供されていることを理解されたい。例示的実施形態の設計、運転条件および配置において、他の置換、変更、交換および省略が、本出願の範囲から逸脱することなく行なわれ得る。したがって、本出願は、特定の実施形態に限定されず、やはり添付の特許請求の範囲の範囲内に入る様々な変更形態に及ぶものである。本明細書に用いられる言葉遣いおよび用語は、単に説明のためであって、限定するものと考えるべきでないことも理解されたい。

[0053]本出願では、本発明の特定の特徴および実施形態だけが示され、かつ説明されており、当業者なら、特許請求の範囲に列挙された内容の斬新な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更および改変（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状および割合、パラメータの値、取付け構成、材料の用法、方向づけなどの変更）を考えつく可能性がある。例えば、一体化して形成されるように示された要素は複数の部品または要素から構成されてよく、諸要素の位置は逆にされるかそうでなければ変化されてよく、また個別要素の性質もしくは数または位置は変更されるかあるいは変化されてよい。任意の処理または方法のステップの順序または順番は、代替実施形態によって変化されるかまたは並べ換えられてよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような変更および改変を、すべて本発明の真の精神の範囲内に対象として含むように意図されていることを理解されたい。さらに、例示的実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装形態のすべての特徴が説明されているとは限らないことがある（すなわち、現在企図されている本発明を実行する最善の様式とは無関係なもの、または特許請求された発明を可能にするのに無関係なものは、説明されていないことがある）。何らかの工学技術または設計プロジェクトにおけるように、何らかのこのような実際の実装形態の発展において、多数の実装時固有判断が下される可能性があることを理解されたい。このような開発努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとって、不必要な実験なしで、設計、製造、および生産の日常的仕事になるであろう。

Claims (22)

1. 流体を循環させるように構成された少なくとも１つの第１区間と、
   流体を循環させるように構成された少なくとも１つの第２区間であって、前記少なくとも１つの第２区間における前記流体の流れが、前記少なくとも１つの第１区間における流体の流れと分離している少なくとも１つの第２区間と、
   前記少なくとも１つの第１区間および前記少なくとも１つの第２区間の両方を通して空気を循環させるための少なくとも１つの通風装置と
   を備える熱交換器であって、
   前記少なくとも１つの第１区間が、前記少なくとも１つの第２区間に対して、隣接して、実質的に平行に配置され、
   前記少なくとも１つの第１区間と前記少なくとも１つの第２区間は、前記少なくとも１つの第１区間を出る空気が前記少なくとも１つの第２区間に入るように配置される熱交換器。
2. 前記少なくとも１つの第１区間または前記少なくとも１つの第２区間のうち少なくとも１つが、多重チャンネルの熱交換器コイルを備える請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも１つの第１区間が、Ｖ字形に配置された１対のコイルを備え、前記少なくとも１つの第２区間が、Ｖ字形に配置された１対のコイルを備える請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記少なくとも１つの第１区間で循環する前記流体および前記少なくとも１つの第２区間で循環する前記流体が、同一の供給源からのものである請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記少なくとも１つの第１区間で循環する前記流体の圧力が、前記少なくとも１つの第２区間で循環する前記流体の圧力より低い請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記少なくとも１つの第１区間および前記少なくとも１つの第２区間のそれぞれが、対応する区間を通る流体の複数の通路を有するように構成される請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記流体の複数の通路が、流体の２つの通路である請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記少なくとも１つの第１区間および前記少なくとも１つの第２区間が、別々の流体回路に接続される請求項１に記載の熱交換器。
9. 前記少なくとも１つの第１区間および前記少なくとも１つの第２区間が、共通の構造用部品を使用して取り付けられる請求項１に記載の熱交換器。
10. 流体連通の、第１の圧縮機、第１の凝縮器および第１の蒸発器を備える、冷媒を循環させるための第１の回路と、
    流体連通の、第２の圧縮機、第２の凝縮器および第２の蒸発器を備える、冷媒を循環させるための第２の回路と、
    前記第１の凝縮器および前記第２の凝縮器の両方を通して空気を循環させるための少なくとも１つの通風装置と
    を備える蒸気圧縮システムであって、
    前記第１の凝縮器および前記第２の凝縮器のそれぞれが、少なくとも１つの実質的に平面状の区間を備え、前記第１の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間が、前記第２の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間に対して、隣接して、実質的に平行に配置され、
    前記第１の凝縮器の中の前記冷媒の凝縮温度が、前記第２の凝縮器の中の前記冷媒の凝縮温度と異なる蒸気圧縮システム。
11. 前記第１の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間および前記第２の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間が、空気を、前記第１の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間で、次いで前記第２の凝縮器の前記少なくとも１つの実質的に平面状の区間で循環させるように配置される請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の凝縮器の中の前記冷媒の前記凝縮温度が、前記第２の凝縮器の中の前記冷媒の前記凝縮温度未満である請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機が別々の体積比を有する請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の圧縮機が、前記第２の圧縮機より低い体積比を有する請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第１の蒸発器と前記第２の蒸発器が、どちらも、共通の容器の中のプロセス流体と熱交換する請求項１０に記載のシステム。
16. 前記第１の凝縮器から冷媒を受け取って前記第１の圧縮機に蒸気冷媒を供給し、かつ前記第１の蒸発器に液体冷媒を供給するように構成された第１のエコノマイザをさらに備える請求項１０に記載のシステム。
17. 前記第２の凝縮器から冷媒を受け取って前記第２の圧縮機に蒸気冷媒を供給し、かつ前記第２の蒸発器に液体冷媒を供給するように構成された第２のエコノマイザをさらに備える請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１の凝縮器から冷媒を受け取るための第１の入力と、前記第１のエコノマイザに冷媒を供給するための第１の出力と、前記第２の凝縮器から冷媒を受け取るための第２の入力と、前記第２のエコノマイザに冷媒を供給するための第２の出力とを備える第３のエコノマイザであって、
    前記第１の回路の中の冷媒と前記第２の回路の中の冷媒の間の熱交換を可能にするように構成される第３のエコノマイザ
    をさらに備える請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第２の凝縮器から冷媒を受け取って、前記第３のエコノマイザおよび前記第２の圧縮機に冷媒を供給するように構成された第４のエコノマイザであって、前記第２の圧縮機に供給された冷媒を気化させるように構成される第４のエコノマイザをさらに備える請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第４のエコノマイザから前記第２の圧縮機に供給される前記冷媒が、前記第２のエコノマイザから前記第２の圧縮機に供給される前記冷媒と分離する位置で前記第２の圧縮機に入る請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第１の凝縮器からの冷媒を受け取るための第１の入力と、前記第１のエコノマイザに冷媒を供給するための第１の出力と、前記第２の凝縮器から冷媒を受け取るための第２の入力と、前記第２の蒸発器に冷媒を供給するための第２の出力とを備える第２のエコノマイザをさらに備える請求項１６に記載のシステム。
22. 前記第２の凝縮器から冷媒を受け取って前記第２の圧縮機に蒸気冷媒を供給し、かつ前記第２のエコノマイザに液体冷媒を供給するように構成された第３のエコノマイザをさらに備える請求項２１に記載のシステム。

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