JPH06503158A - 蒸気圧縮システム及びフロート弁 - Google Patents

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】 蒸気圧縮システム 本発明は例えば、冷凍機、空調機及びヒートポンプ等に使用される蒸気圧縮シス テムに係わり、また、蒸発器、凝縮器及びフロート弁等、蒸気圧縮システムの部 品に関する。

従来の蒸気圧縮システムは蒸発器、凝縮器及び圧縮機から構成されており、圧縮 機は蒸発器（ここで冷媒が熱を失う）に充満している冷媒蒸気から、凝縮器（こ こで冷媒は熱を得る）内に広がる冷媒蒸気へと圧力を上昇させる。凝縮された液 体冷媒は凝縮器から蒸発器へ膨張装置を介して供給され、膨張装置は凝縮器と蒸 発器間の圧力差を維持し、システム内の冷媒の流れを制限する。多くの応用例の なかで、上記システムの部品は集積された密封ユニットに一体に組付けられてい る。

特に、上記圧縮システムが、ある温度範囲にわたって他の流体に放熱している間 、ある温度範囲にわたって流体を冷却する必要がある時、数種類の相互溶融物質 からなり、共沸混合物を構成しない冷媒を使用することによってシステムの効率 を上げることができる。２つの物質の沸点は約１０＠から５０°Ｃ程度離れてい る。混合された冷媒用の溶融物の組み合わせを適当に行うと、その混合された冷 媒が凝縮する沸点は、伝熱流体の温度に近接して追従するように設定することが できる。熱流体は冷媒と伝は互いに逆流する関係にあり、凝縮器内でその全長に わたって熱せられる。同様の考察は蒸発器においても適応できる。その結果、必 要とする圧縮機の圧力上昇分が小さくなるため、圧縮機を駆動する動力が小さく てすむ。

しかしながら、混合冷媒は連続的に凝縮あるいは蒸発をするので、気−液二相混 合の結果は常に同方向に流れなければならず、また、互いに熱及び流量移動の関 係が緊密でなければならないという、混合冷媒の設計上の制限が非常に大きい。

混合冷媒を蒸気圧縮システムに使用することに関する情報は冷凍機学会（Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　）の学会誌（１９７４−５ ）７１巻の１８〜２３３頁に見られる。

単一冷媒の蒸気圧縮システムを最適効率で運転させるための多くの必要運転条件 が規定されている。一定の条件の下にそのようなシステムを効率的に運転する方 法は広く知られている。一方、環境条件が大きく変化する場合や、システムの負 荷が小さくなる場合、例えば、冷却効果を低下するように圧縮機の排気量を減ら すこと等、負荷が変化する領域の下で、効率的に運転するシステムを設計するこ とは非常に困難である。特に、例えば、運転開始状態等、システムが一つの状態 から他の状態に移る間の過渡状態において効率的に運転することを保証すること は困難である。混合冷媒を使用することはさらに複雑さをもたらすことになる。

蒸気圧縮システムを最適運転効率で運転させるためには、凝縮器及び蒸発器の伝 熱面が全ての運転条件の下で効果的な責務を果たすことが要求されている。凝縮 器の場合、凝縮器の出口部分に伝熱面の一部を覆うような凝縮された液体冷媒が 積層されないことが要求されている。また、蒸発器の場合では、液体冷媒が蒸発 器全長にわたって、伝熱面を湿らせることが要求される。システム全体に残って いる冷媒の量が一定の間は、これらの要求は同時に満たされることが望ましい。

しかし、もう一つの要求は圧縮機に故障をもたらすような、液体冷媒の圧縮機へ の流入がないことである。この開運を解決するため、冷媒蒸気を約５°Ｃ程過熱 状態で蒸発器を排出させることが一般的である。しかし、蒸気を過熱するための 伝熱係数は、蒸発のための伝熱係数より非常に小さいため、この解決方法は、過 熱のための蒸発器の表面積を、実際の熱負荷が必要する表面積より、はるかに大 きくなければならないという欠点を有している。典型的なものでは、蒸気を過熱 するためには少なくとも２５％以上の伝熱面を必要とする。

もう一つの蒸気圧縮システムの挙動に影響を与える要因として、圧縮機から排出 されて冷媒蒸気に混入する圧縮機のオイルの存在があげられる。このオイルは蒸 気と一緒に凝縮器に運ばれ、さらに、凝縮液とともに蒸発器へ運ばれる。そして そこに蓄積され熱伝達に悪影響を与える。この問題を最小限にするため、蒸気圧 縮システムの設計者は、オイルの混入を低減したり、混入したオイルを凝縮器及 び蒸発器からできる限り早急に排出させ、圧縮機に返すことを確実にする方法を 見出すように努力している。

本発明は、単一あるいは混合された冷媒システムに使用するための蒸気圧縮シス テムを提供することであり、伝熱面の最適使用、及び消費動力の最小化を行うた めに、システムの部品内の冷媒の圧力及び流量率が制御される。

一つの態様として、本発明はある量の冷媒が少なくとも２つの圧力レベル間を循 環する蒸気圧縮システムを提供し、蒸気圧縮システムは（ａ）冷媒蒸気を昇圧す る圧縮機と、 （ｂ）圧縮機から高圧冷媒蒸気が送られる凝縮器と。

（ｃ）凝縮器から液体冷媒が送られ、かつ低圧の冷媒蒸気を圧縮機に供給する蒸 発器と、 （ｄ）圧縮機に対して液体冷媒の供給を最小限にする手段と、（ｅ）凝縮器から 蒸発器への液体冷媒の供給を制御する膨張弁と、膨張弁内あるいはそれより後方 にある凝縮された液体冷媒の量が所定のレベルに達する時、その膨張弁は開放さ れるように設定され、膨張弁の開放に要する力はその弁における圧力降下に依存 しないこと とからなる。

圧縮機に対する液体冷媒の供給を最小限にする手段はりザーバーであり、その中 に蒸発器から排出された液体冷媒が集まる。しかし、液体冷媒の供給は冷媒蒸気 が蒸発器から排出するときに冷媒蒸気を過熱することにより最小限に抑えられ、 あるいは防止される。

他の態様として、本発明はある量の冷媒が少なくとも２つの圧力レベル間を循環 する蒸気圧縮システムを提供し、蒸気圧縮システムは（ａ）冷媒蒸気を昇圧する 圧縮機と、 （ｂ）圧縮機から高圧の冷媒蒸気が送られる凝縮器と。

（Ｃ）凝縮器と蒸発器との間の圧力差を保持し、凝縮器から蒸発器へ排出される 液体冷媒通路に介在される膨張装置と、（ｄ）液体冷媒用の２区分の蒸発器で、 （ｉ）凝縮器′から膨張装置を介して冷媒を流入させ、さらに、その冷媒の一部 を蒸発させ、二相の冷媒を、液体冷媒が集められるリザーバーに排出させ、さら に、低圧の冷媒蒸気を圧縮機に供給する第１の蒸発器区分と、（ｉｆ）液体冷媒 がリザーバーから流入され、冷媒の少なくとも一部を蒸発させる第２の蒸発器区 分と とからなる。

さらなる態様として、本発明はある量の冷媒が少なくとも２つの圧力レベル間を 循環する蒸気圧縮システムを提供し、蒸気圧縮システムは（ａ）冷媒蒸気を昇圧 する圧縮機と、 （ｂ）圧縮機から高圧の冷媒蒸気が送られる凝縮器と。

（ｃ）膨張弁と、液体冷媒は膨張弁を介して凝縮器から蒸発器へ排出され、膨張 弁内あるいはそれより後方にある凝縮された液体冷媒の量が所定のレベルに達す る時、膨張弁は開放されるように設定され、膨張弁の開放に要する力はその弁に おける圧力降下にほぼ依存せず、 （ｄ）液体冷媒用の２区分された蒸発器で、（ｉ）凝縮器から膨張弁を介して冷 媒が流入され、さらに、その冷媒の一部を蒸発する第１の蒸発器区分と、第１の 蒸発器区分は二相の冷媒を、液体冷媒が集められるリザーバーに排出させ、さら に、第１の蒸発器区分から低圧冷媒蒸気を圧縮機に供給し、 （ｉ　ｉ）液体冷媒がリザーバーから流入され、冷媒の少なくとも一部を蒸発さ せる第２の蒸発器区分と とからなる。

他の態様として１本発明は蒸気圧縮システムにおいて冷媒用の２区分された蒸発 器を提供し、蒸発器は （ａ）凝縮された冷媒が圧力下において凝縮器から流入され、冷媒の少なくとも 一部を蒸発させる第１の蒸発器区分と、（ｂ）第１の蒸発器区分から排出される 液体冷媒を集め、さらに低圧冷媒蒸気を圧縮機に供給するりザーバーと、 （ｃ）液体冷媒がリザーバーから流入され、冷媒の少なくとも一部を蒸発させる 第２の蒸発器区分と とからなる。

一般に、凝縮された冷媒はニードル弁のような膨張装置から第１の蒸発器区分へ 流入され、その膨張装置は液体冷媒の量が所定のレベル以内の時、あるいはそれ に到達するまで開放される。

さらなる態様として、本発明は液体の流量を制御する弁を提供し、その弁は。

（ａ）互いに離間して配置されたほぼ同一寸法をなす２つのシール部を有するシ ャフトと、 （ｂ）前記シール部が嵌合され、シャフトの動きにより開口がほぼ同時に開放さ れる同一寸法をなす一対のオリフィスと、（Ｃ）弁に流入する流体を通過させる 流入口と、弁からの流体を排出させる排出口と、流入口と排出口とは、オリフィ スを通過した流体が反対方向へ流れるように配設されていることと。

（ｄ）シャフトの動きが室内の流体の量に依存するように、シャフトに取付けら れるとともに室内に配置されたフロートとからなる。

好ましくは、弁におけるシャフトのシール部は、シャフトの動きが連続的にほぼ 同時に両オリフィスを開放するようにテーパ状に構成されている。

蒸気圧縮システムにおいて、関連するりザーパーと共に２区分された蒸発器を使 用することは、蒸発器内の全ての伝熱面の最適使用が保証できるという重要な効 果を有する。第１の蒸発器区分から低圧の冷媒が排出されるリザーバーを使用す ることは、第１の蒸発器区分内の冷媒がその区分の長さ方向全体にわたって気体 及び液体の二相状態で存在でき、液体冷媒が圧縮機に供給されないことを保証で きる。そして、圧縮機はりザーパーから冷媒蒸気のみを吸引する。さらに、凝縮 器、蒸発器及び圧縮機内の負荷の特別な条件に限らず、リザーバーは冷媒を収容 するスペースを提供する。この点は、冷媒が弁を介して凝縮器から排出されるシ ステムにおいて重要で５その弁は液体冷媒の量が所定のレベル以内あるいはそれ に到達するまで開放され、さらに、過剰の冷媒が弁の後方で滞って、凝縮器の伝 熱面を覆わないことを保証する。これは、例えば、環境温度が変わったり、部分 負荷で運転されるような広い範囲の負荷を取り扱うシステムにおいて重要である 。　第１の蒸発器区分は一般に第２の蒸発器区分より橿めて長い。例えば、第１ の蒸発器区分は少なくとも３倍、好ましくは４倍、より好ましくは５倍、第２の 蒸発器区分より長い、冷媒は膨張装置から排出される時に、圧力が行き渡−Ｐて いる状態で第１の蒸発器区分を通過する。その時の流動抵抗は、沸点の余計なＬ 昇を引き起こすことなく、高い熱伝達率を与えるように最適化することができる 。

これとは対照的に、冷媒は一般に自然循環による蒸発の結果として第２の蒸発器 区分を通過し、その流動抵抗は一般に比較的低く設定されている。

第１の蒸発器区分、及び多くの場合において第２の蒸発器区分は複数のフィン付 管で構成され、両者は流入口付近及び蒸発器からの排出口で互いに連結され、そ の２つの区分の間で冷媒の流れは分離している。

第１の蒸発器区分は冷媒が平行して流れる管と管の間に結合部及び先端部を有し ている０例えば、冷媒の２相流速を最適化するために、冷媒が蒸発するにつルて 変化する冷媒の量を考慮に入れて、第１の区分の途中から管の数は倍になる。

同様に、凝縮器においても冷媒が凝縮する特定の量だけ減らして２相流速をＭｔ ｉ化するという方法をとることができる。先端部を設けると、凝縮器用の平行に 連結されている管の数を減らすことができる。

好ましくは重力式循環によって、リザーバーから液体冷媒が供給される第２の蒸 発器区分を使用することは、全ての定常運転状態において、第１の蒸発器区分か らりザーバーへ排出される冷媒はある比率の液相を有することを保証できるとい う効果を有する。第１の蒸発器区分から排出される冷媒の気相及び液相の相対的 な比率は、第２の蒸発器区分内の蒸発の割合によって決定されている。これは、 第２の蒸発器区分中で蒸発するりザーバーからの液体冷媒の正味量は、全体的な 物質収支からの制限により、第１の蒸発器区分からの液体冷媒によって補充され なければならないという理由からである。すなわち、閉システムにおいて、シス テムの残りの部分に存在する量が一定であるならば、液体は同量の液体が流入さ れないかぎり、リザーバー等の容器から連続的に液体を排出させることはできな い。第２の蒸発器区分内の蒸発の割合は、第１の蒸発器区分から排出された冷媒 の湿り度を適度に保つように選ばれており、その割合は第２蒸発器の全長によっ て決められている。リザーバー内の圧力は全体的なマスバランスを維持するよう に、また一定にするように調整されている。

第２の蒸発器区分から排出された冷媒は通常色々な条件の下で蒸気と液体とを含 んでおり、さらにいくらかのオイルを含んでいる。

第２の蒸発器区分から排出された冷媒はりザーバーに排出されることが好ましい 、しかしながら、排出時に液体冷媒の量が少ない場合、排出された冷媒は直接圧 縮機に供給されることがある。

好ましくは、第２の蒸発器区分は第１の蒸発器区分を構成する管とは別の、少な くとも１本の管から構成されている。このため、蒸発器内では第１及び第２の蒸 発器区分からの冷媒の蒸気が混ざり合うことはない、しかしながら、別の実施例 において、第２の蒸発器区分内の冷媒が第１の蒸発器区分内の冷媒と混ざり合う こともある０例えば、これは冷媒をリザーバーから蒸発器の管に噴射することに よって達成でき、凝縮器から流入される冷媒が蒸発器の管その端部に向かって流 れ込む、噴射器を通過する管内の冷媒の流れは噴射器から冷媒を吸引するのを助 ける。この構成において、噴射器の管の下流部分は第２の蒸発器区分として考え られ、噴射器の上流部分は第１の蒸発器区分と考えられる。従って、第１の蒸発 器区分からの冷媒は蒸発器から第２の蒸発器区分を経て排出されるものとみなさ れる。

好ましくは、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を維持する膨張装置はフロート弁で ある。特に好ましくは、膨張装置は膨張装置内あるいはそれより後方にある凝縮 された液体冷媒の量が所定のレベルに達する時、その膨張装置は開放されるよう に設定され、弁を通過する流量がまさに凝縮量とバランスする平衡点で保持され る。そのような弁を使用することは、凝縮器内の伝熱面の一部を覆う液体冷媒が 凝縮器内に蓄積されることを回避できるという利点を有してし八る。これにより 、凝縮器の圧力を可能なかぎり低く抑えることができ、圧縮器の仕事量を低減で きる。この利点は凝縮器にめられる責務とは係わりなく達成することができる。

液体冷媒の量が所定のレベル以内、あるいはそれに到達するまでの量弁を開放し て、その結果、流入量と排出量とバランスする平衡点で保持することは、数多く の方法によって達成可能である０例えば、信号によって（これは例えば現存する 電気的あるいは光学的なものでよい）液体冷媒が所定のレベル値になったことを 検出して弁を閉じるようにした液体冷媒用のセンサを用意してもよし）０本発明 のシステムの好ましい実施例はフロート弁を利用し、その弁内におし１て、室内 の冷媒の量がフロート（ｆｌｏａｔ）を動かす時に弁が開放するように、液体冷 媒が集まる室内に設けられたフロートに可動部材が止着されている。

弁を開放し、または部分的に開放されるような位置に弁を保持するために必要な 力は、その弁における圧力降下に依存しないことが特に望ましい、好ましくは、 これは、弁部材に対して高圧液体冷媒により加えられる力が、開位置と閉位置と の間を移動する方向において、事実上無視できるように、弁を通過する液体冷媒 の流れを設定することによって達成することができる。

好ましい実施例として、弁はオリフィス内にあるいはオリフィスから外に移動す るテーパ状のニードルで、そのニードルはオリフィスに嵌入される。好ましくは 、ニードルは同じ寸法の、２つのテーパ部が互いに離間して１本のシャフトに設 けられている。テーパ部は各々同寸法のオリフィスに嵌入され、シャフトの移動 が両オリフィスを同時に開放するように配設されている。オリフィスを通過する 流れ及びオリフィスにおける圧力降下はほぼ反対方向に向いている。さらに、オ リフィスを通過する液体冷媒の流れの方向は、はぼニードルの軸方向に平行であ り、一方のオリフィスを通過する流れの方向と他方を通過する流れの方向はダ対 方向である。さらに、：ニードルのデーパ部分は約１０ｍｍ＋から約５０ｎＴＩ １１の長さにわたって形成されでいる。ブロー川・はそのＶ衡位置を約０，１Ｗ ＩＩａの範囲内で検出するということが知られており、弁を通過する液態を正確 に調整することができる。

弁を開放Ｉ７、または部分的に開放されるＪ−うな位置に弁を保持するために必 要な力は、その弁における圧力降下に依存していない弁を使用することは、液体 冷媒が弁を通過する流れがにり安定するという利点な有１７ている。この特徴を 持たない芹は、圧力降下分に対して弁を開放し始める際に比較的大きな力を必要 とする。一旦、このような弁が開放されると、圧力降下分は小さくなり、弁はよ り多く開放されろようになる。その結果、弁を通過する液体冷媒の初期流量は自 己伝播するザ・−ジ流となる。弁を開放するために必要な力がその弁における圧 力降下に依存ｉ−ない弁を使用することは、弁を通過する液体冷媒の初期流量が サージ流となるような傾向を除くことができるか、あるいは最小限に抑えること ができる。

この点は、蒸発器及び凝縮器の両者の伝熱面の最適使用がなされていることを保 証することにより、最大効率が要求される蒸気圧縮システムにとって特に利点と なる。凝縮器内に液体冷媒が集められるという傾向を除くことと同様に、凝縮器 から蒸発器への冷媒の安定した流れを提供することは、蒸発器を通過する冷媒の 流れを制御することをも可能にする。このようにして、冷凍機システムが２つの 部分の蒸発器を関連するりザーバーとともに有すると、蒸発器の全ての可能な伝 熱面の使用ができるようになる。

凝縮器ど蒸発器の間の圧力差を維持するように使用されるその他のタイプの装置 は、細管あるいは温度制御素子を含む。

第２の蒸発器区分から排出される冷媒は、好ましくは直接的にあるいは非直接的 にリザーバーに排出される。この特徴は、液体冷媒が圧縮機に入り込むことを防 止することができるという利点を有している。特に、圧縮機のオイルが冷媒に混 入する可能性がある場合は、リザーバーへの冷媒の排出はオイルコンセントレー タ容器を通して行われることもある。第２の蒸発器区分内の冷媒の蒸発のため、 オイルコンセントレータ容器内の冷媒に含まれたオイルの濃度はりザーバー内に おける冷媒に含まれるオイルの濃度より大きい。オイルコンセントレータ容器は オーバーフロー流路を介してリザーバーに連結され、その流路な通って冷媒蒸気 と余剰の液体冷媒はりザーバーに返る。オイルコンセントレータ容器はオイルリ ターン配管を介して圧縮機に連結されてもよく、この配管を通過することにより 、冷媒の流量はオイルの再循環が可能で、さらに容器から圧縮機へ流れて事故を 起こさない程度に制限されている。

冷媒に圧縮機オイルが混入する可能性がある場合、その結果、圧縮機オイルは液 体冷媒の表面を浮いて流れ、リザーバー内でオイルが冷媒の上に蓄積するように 条件が設定され、ボートから圧縮機に吸引される。

第２の蒸発器区分を通過する冷媒の流れと、その内部の蒸発の割合が排出時の液 体冷媒の量が小さくなる程度であれば、排出冷媒は圧縮機に直接供給され、この ために圧縮機オイルを圧縮機に返すことが可能となる。

凝縮器は空気あるいは液体によって冷却される。特に凝縮器が液体（特に水）に よって冷却される時は、凝縮器は容器の形態をとることができ、圧縮器から冷媒 がその中に排出される。冷却媒体は容器の室内を１あるいはそれ以上の管内を通 過し、その管の外周面は冷媒の凝縮がその上で起こる凝縮面を提供している。

混合冷媒が使用されると、容器内にじゃま板が配置されて、冷媒はじゃま板の間 を流れて容器の一端から他端へ液体冷媒と反対方向に流れる。

より好ましくは、凝縮器が空気のような気体で冷却されている場合、１あるいは それ以上の凝縮管を備え、その内部を冷媒が流れる。その管は冷却媒体が流れる 部分にわたって、多くのフィンが取り付けられている。そして、凝縮管の内面で 凝縮が起こる。空気側の熱交換は、蒸発凝縮器のように、水を噴射することによ り増大することができる。

単一冷媒システムに冷媒として使用することに適している材料の例は、記号Ｒ１ ２、Ｒ２２，Ｒ１３４ａで表されるものである。さらなる本発明のシステムの利 点は、非共沸混合冷媒を使用する場合に適している。その中で特に次のことが要 求されるものについて適している。すなわち、凝縮器及び蒸発器内の全ての部位 において、液体及び蒸気状の冷媒は平衡して一緒に同一方向に流れ、一方、混合 冷媒は熱交換する流体と実質的に逆方向の流れとなるような場合である。この目 的は１本発明のシステムによって、特に、膨張弁の開放に要する力はその弁に加 えられる圧力降下にほぼ依存しないことと、低圧リザーバーと関連して２区分さ れた蒸発器を有することとの両者を有するシステムによって達成可能である。

従って、本発明の蒸気圧縮システムは必要動力を低減することが可能で、それは 混合冷媒を使用することにより可能である。さらに、必要動力を低減することは 、本発明のシステムが始動状態や、環境条件が変わる場合等の負荷の変動に適合 でき、最適効率で運転できる理由により達成することができる。混合冷媒の適し た例は、記号Ｒ２２／Ｒ１４２ｂとＲ２２／Ｒ１２４で表されるものである。

本出願中における「冷媒」とは蒸気圧縮システム内を循環する液体を意味し、空 調機あるいはヒートポンプ等の機能するシステム内を循環する液体に適応可能で ある。

第１の蒸発器区分から冷媒が排出されるリザーバーは、その中に集まる冷媒の表 面積が大きくなるように配設されている０例えば、液体冷媒の表面積は少なくと もりザーバーの高さの２乗の約２倍程度で、少なくともりザーバーの高さの２乗 の約３倍である。これは、リザーバー内の液体冷媒の量が変化しても液体の深さ は大きく変化することはないということと、リザーバー内の冷媒に発生した泡が 圧縮機に供給される液体冷媒に導かれることが少ないという利点がある。これに より、集まった液体冷媒の上部表面と、蒸気が圧縮機に供給されるための排出口 との距離が充分大きく維持することができ、いかなる運転条件においても圧縮機 に大量の液体冷媒が供給されることを好ましくは防止できる。あるいは最小限に 抑えることができる。

蒸気圧縮システムによって運転される負荷は、システム内を通過する冷媒蒸気の 流量を適切に調節することにより選択される。これは多くの方法によって実施可 能である０例えば、圧縮機全体を調整することが可能である。それは、速度の調 整により、あるいは、１又はそれ以上のシリンダを取り外すことにより、また、 １台以上の圧縮機が備えられ、循環に必要な冷媒の量に従って幾らかの、あるし １は全ての圧縮機が使用されることにより実施可能である。あるいは、それに代 わって、圧縮機を必要に応じて選択的にＯＮ−〇ＦＦスイッチングさせることに より要求される熱伝達量が得られる。

圧縮機の排気量は、システムにより暖められ、あるいは冷却される冷却媒体の検 出された温度変化にともなって制御することが要求されている０例えば、冷凍機 システムにおいて、冷蔵室の温度が上昇したことが検出されると、圧縮機の排気 量を増加させるような温度センサを使用してもよい。

凝縮器あるいは蒸発器の熱交換媒体として空気が使用される場合、さらにユニッ トの負荷が広い範囲で変化する時は、空気流量の調整及び出力を維持するために 可変出力ファンを使用してもよい。

２区分された蒸発器と、弁の開放に要する力はその弁における圧力降下にほぼ依 存しない膨張弁とを備える本発明の蒸気圧縮システムは、変化する負荷に適合で きるという利点を有している。この変化する負荷は、例えば、大きく変化する環 境条件であり、あるいは、圧縮機の排気量を小さくして冷却効果が低下する場合 のように、システムの出力が低下した時の負荷等である。凝縮器及び蒸発器の両 方の伝熱面の最適使用がなされ、圧縮機の必要とする動力が最小限に抑えられる 一方、このような方法によって適合することもできる。伝熱面を最適使用するこ とはシステムが混合冷媒を使用する時に最適であり、さらにそのような材料を使 用することにより消費動力を抑えることが可能である。

本発明の実施例を添付した図面を参考にして詳述する。

図１は本発明に係わる蒸気圧縮システムの配管図である。

図２は図１のシステムに使用される弁の断面形状を示す斜視図である。

図３は冷凍機システムの別個の部品を示す配管図である。

図面を参照して、図１に示すように、蒸気圧縮システムは冷媒蒸気を昇圧し、そ の蒸気を第１の通路３を介して凝縮器５に送り出す圧縮機１を備えてしする。凝 箱蓋５は凝縮管７の列からなり、一般に、直列にあるいは並列に連結された複数 の管で構成され、それらの管にはフィン９が取り付けられ、フィン９の間を流れ る冷却媒体と凝縮管７内に収容された冷媒との間の熱交換を促進する。そのシス テムが空調機ユニットあるいは冷凍機の一部を構成している時、その冷却媒体は 例えば、空気であってもよい、この２つの流体の流れる方向は実質的に反対方向 で、これは単一冷媒と同様に混合冷媒にも適合できる構成となっている。

冷媒は凝縮器５から弁１３を介して第２の通路１１へ排出される。弁１３への流 入口が蒸気閉塞を起こさないために、蒸気リターンチューブ１４が設けられてい る。弁１３は、弁１３内の液体冷媒の量が所定の範囲内にある場合に開放するよ う設定されている１図２を参照してより詳細に述べると５弁１３の開放に要する 力は弁１３における圧力降下にはほぼ依存しないように設定されている。

凝縮器５らの冷媒は弁１３及び第２の通路１１を介して蒸発器１５に送られる、 蒸発器１５は直列に、あるいは並列に連結された複数の管の列からなる第１の蒸 発器区分１７と第２の蒸発器区分１９とから構成されている。さらに蒸発器１５ は蒸発器フィン２１を備え、流体は熱を伝達して冷媒が蒸発するようにフィンの 表面を流れる。その結果流体は冷却される。この流体は例えば、冷凍システムが 空調機のユニットあるいは冷凍機の一部である時は空気であってもよい。

冷媒は蒸発器１５からリザーバー２３へ排出される。リザーバー２３に収容され る液体冷媒の表面積は少なくともりテーバ−の高さの２乗の約３倍以上が好まし い。第１の蒸発器区分１７及びリザーバー２３の両者の中で、液体及び蒸気冷媒 は互いに密接に混合されている。

液体冷媒はりテーバ−２３から通路を経て第２の蒸発器区分に送られ、蒸気揚力 作用により冷媒はその中を循環する。第２の蒸発器区分１９からの冷媒はオイル コンセントレータ容器に排出される。蒸気状の冷媒はオイルコンセントレータ容 器からりテーバ−２３へ送られ、リザーバー２３から圧縮機に供給される。オイ ルコンセントレータ容器に集まる液体は液体冷媒と圧縮機オイルと混合液で、本 来混合されるべきものではないが、混合されてしまうものである。オイルコンセ ントレータ容器内の液体中の圧縮機オイルの集中は、リザーバー内とで比較して 高い。オイルリターン配管２７は、オイルコンセントレータ容器内に集まる液体 を圧縮機に戻すように配設されている。オイルリターン配管２７を通る液体の流 量は、オイルの再循環に適するように制限されており、オイルと冷媒が混合され るシステムの場合は、冷媒の余剰分が圧縮機に流入しないようになっている。

オイルコンセントレータは小さいので、運転停止時に圧縮機を通過する液体の量 は少ない。

弁１３は、その弁における圧力降下にほぼ依存しない力によって開放されるよう に設定されている。これは、凝縮器からの冷媒の流量が安定し、特に、冷媒のサ ージ流が発生しないという特性を有するという利点がある。

第１及び第２の蒸発器区分１７．１９の２つの区分を有する蒸発器１５を使用す ることは、システムが安定状態にある時、第１の蒸発器区分１７の長さ方向（Ｊ わたる全ての点において、リザーバー２３に流入される冷媒は気−液２相状態で 排出されるとともに、高い伝熱係数を与えるレベルに液体及び蒸気状の冷媒の流 量率は保たれる。第１の蒸発器区分から排出される冷媒の湿り度は、第２の蒸発 器区分内の冷媒の蒸発する率に直接依存していることと、システム全体として、 やがて、蒸発器全体にわたって行われる熱伝達が高率を示す安定動作条件を速成 できることとがわかる。このことは、システム全体としてその中に含まれる冷媒 の量が一定であるということと、その中に蒸発さる冷媒を補充するために、液体 冷媒が第２の蒸発器通路１９に供給されるという事実によって理解される。

図１の冷凍システムの使用に好適なフロート弁を図２に示す、この弁は液体用の 室３１を有し、液体は弁内に流入口３３から入り、排出口３５から弁内を出乙蒸 気リターンバイブ３６が液体の流入の蒸気閉塞を防ぐために設けられている。

可動の弁部材３７は互いに離間して配設される、２つのテーパ部を有するニー・ ドル３９かも構成されている。各々のテーパ部４１．４３はオリフィスに嵌入さ れる短い平行部で囲まれている。弁のテーパ部は約２０ｍ■にわたってテーバが 形成されている。ニードル３９は室３１内に位置するフロート４５に固着されて いる。

弁が閉じられている時で、室３１内の液体がフロート４５を持ち上げる程には充 分でない時、ニードル３９のテーパ部４１，４３を囲む短い平行部はそれぞれの オリフィス４７．４９に嵌入され、受は支えられている。室３１内に収容されて いる液体の量が増えるに従って、ニードル３９のテーパ部４１．４３を各々のオ リフィス４７．４９から離間するようにフロート４５が持ち上げられる。

流入口３３を通過して弁に流入する液体は２つの液流に分離される。第１の液流 は第１の副流入口５１を経て室３１に入る。第２の液流が室に入る時に、流入す る液体がフロートに直接当たることを防ぐために、転向板５３によって方向が変 えられる。第２の液流は第２の副流入口５５を通って流れる。弁が閉められてい るか、あるいは一部が開放されている時、液体が副流入口５１．５５を経て弁に 流入することによって、力が弁部材３７に加えられる。しかしながら、液体によ って弁部材に加えられる正味の力は、弁部材が移動する方向に加えられ、その大 きさはほぼゼロである。何故なら、第１の副流入口５１から第１のオリフィス４ ７を経て流れようとする、あるいは流れている液体は弁部材に力を加えるが、そ の力は、第２の副流入口５５から第２のオリフィス４９を経て流れようとする、 あるいは、流れている液体により弁部材３７に加えられる力と全く反対方向であ るためである。その結果、弁を開放するための、あるいは一部の開放を維持する 力はただ弁部材３７の重量に打ち勝つだけの力さえあればよい、従って、力は弁 における圧力降下及び弁を流れる流量にはほとんど依存せず、弁が閉じられてい ても、あるいは一部又は全部が開放されているかに係わらない。

この弁の構成は、凝縮器からの流量に依存して、弁を通過する液体の実質的に安 定な流れを提供する。この流れは、単一のニードルが各々のオリフィスに受け支 持されるような他のフロート弁からの間歇的な流れとは対照的であり、蒸発器を 通る冷媒の流れを安定させることが要求される本発明の蒸気圧縮システムにおい ては特に有益である。

図３に示すように、蒸発器６１は凝縮器から液体及び蒸気状の混合された冷媒が 流入される。蒸発器はバストロフェドン（ｂｕｓｔｒｏｐｈｅｄｏｎ）の様な通 路に用いる単一管からなり、あるいは熱伝達を促進するようにフィンが取り付け られ、平行に連結された管の列から構成される。冷媒は蒸発器の管あるいは管６ ３からリザーバー６７に排出され、リザーバーから冷媒蒸気が圧縮器に供給され る。液体冷媒はりテーバ−６７から蒸発器の管あるいは管６３に噴射器６９を介 して供給される。管への冷媒の噴射は、凝縮器から蒸発器へ入る冷媒が噴射器を 通過することによ・りて促進される。

蒸発器の管あるいは管６３は２つの区分からなることが考えられる。第１の区分 ７１は噴射器６９の上流側で、第２の区分７３は噴射器の下流側である。第１の 区分６９において、蒸発する冷媒は凝縮器から供給され、リザーバー６７から供 給される冷媒によって、第２の区分内で、補充される。リザーバー６７から供給 された冷媒の蒸発器の管の第２の区分７３内での蒸発は、管から排出される冷媒 が液体及び蒸気からなることを保証することができる。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．ある量の冷媒が少なくとも２つの圧力レベル間を循環する蒸気圧縮システム において、 （ａ）冷媒蒸気を昇圧する圧縮機と、 （ｂ）圧縮機から高圧の冷媒蒸気が送られる凝縮器と、（ｃ）凝縮器から液体冷 媒が送られ、かつ低圧の冷媒蒸気を圧縮機に供給する蒸発器と、 （ｄ）圧縮機に対して液体冷媒の供給を最小限にする手段と、（ｅ）凝縮器から 蒸発器への液体冷媒の供給を制御する膨張弁と、膨張弁内あるいはそれより後方 にある凝縮された液体冷媒の量が所定のレベルに達する時、膨張弁は開放される ように設定され、膨張弁の開放に要する力はその弁における圧力降下に依存しな いこと からなることを特徴とする蒸気圧縮システム。
2. ２．前記圧縮機に対する液体冷媒の供給を最小限にする手段は、内部に蒸発器か ら排出された液体冷媒が集まるリザーバーで構成されることを特徴とする請求項 １に記載の蒸気圧縮システム。
3. ３．前記蒸発器は、 （ａ）凝縮器から膨張装置を介して冷媒が流入され、かつ、その冷媒の一部を蒸 発させ、二相の冷媒を、液体冷媒が集められるリザーバーに排出させ、さらに低 圧冷媒蒸気を圧縮機に供給する第１の蒸発器区分と、（ｂ）液体冷媒がリザーバ ーから流入され、冷媒の少なくとも一部が蒸発される第２の蒸発器区分と からなることを特徴とする請求項１及び２のいずれかにに記載の蒸気圧縮システ ム。
4. ４．ある量の冷媒が少なくとも２つの圧力レベル間を循環する蒸気圧縮システム において、 （ａ）冷媒蒸気を昇圧する圧縮機と、 （ｂ）圧縮機から高圧冷媒蒸気が送られる凝縮器と、（ｃ）凝縮器と蒸発器との 間の圧力差を保持し、凝縮器から蒸発器へ排出される液体冷媒通路に介在される 膨張装置と、（ｄ）液体冷媒用の２つにされた蒸発器とからなり、さらに蒸発器 は （ｉ）凝縮器から膨張弁を介して冷媒が流入され、さらに、その冷媒の一部を蒸 発させる第１の蒸発器区分と、第１の蒸発器区分は二相の冷媒を、液体冷媒が集 められるリザーバーに排出し、さらに、第１の蒸発器区分から低圧冷媒蒸気を圧 縮機に供給することと、 （ｉｉ）液体冷媒がリザーバーから流入され、冷媒の少なくとも一部が蒸発され る第２の蒸発器区分と からなることを特徴とする蒸気圧縮システム。
5. ５．前記第１の蒸発器区分の長さは前記第２の蒸発器区分の長さの少なくとも３ 倍であることを特徴とする請求項３及び４のいずれかに記載の蒸気圧縮システム 。
6. ６．前記蒸気圧縮システムはさらに蒸発器の第２の蒸発器区分から冷媒が流入さ れるオイルコンセントレータを備えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれ か１項に記載の蒸気圧縮システム。
7. ７．前記膨張弁はフロート弁であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか １項に記載の蒸気圧縮システム。
8. ８．前記膨張弁は、 （ａ）ほぼ同じ寸法を有する２つのシール部が離間配設されているシャフトと、 （ｂ）前記シール部が嵌入され、シャフトの動きが開口をほぼ同時に開放する同 一寸法をなす一対のオリフィスと、 （ｃ）弁に流入する流体を通過させる流入口と、弁からの流体を排出させる排出 口と、流入口と排出口とは、オリフィスを通過する流体が反対方向へ流れるよう に配設されていることと、 （ｄ）シャフトの動きが室内の流体の量に依存するように、シャフトに取付けら れるとともに室内に配置されたフロートとからなることを特徴とする請求項７に 記載の蒸気圧縮システム。
9. ９．前記シール部は、テーパ状に形成されていることを特徴とする請求項８に記 載の蒸気圧縮システム。
10. １０．蒸気圧縮システムの冷媒用の二区分された蒸発器において、（ａ）凝縮さ れた冷媒が圧力下において凝縮器から流入され、冷媒の少なくとも一部が蒸発さ れる第１の蒸発器区分と、（ｂ）第１の蒸発器区分から排出される液体冷媒を集 め、さらに低圧冷媒蒸気を圧縮機に供給するリザーバーと、 （ｃ）液体冷媒がリザーバーから流入され、冷媒の少なくとも一部が蒸発される 第２の蒸発器区分と からなることを特徴とする蒸気圧縮システムの冷媒用の二区分された蒸発器。
11. １１．前記リザーバーは第１の蒸発器区分から冷媒が流入され、リザーバ内に集 められた冷媒の表面積は少なくともリザーバーの高さの２乗の約２倍であること を特徴とする請求項１０に記載の蒸発器。
12. １２．前記第１の蒸発器区分は冷媒が平行して流れる管と管の間に結合部及び先 端部を有することを特徴とする請求項１１に記載の蒸発器。
13. １３．前記第２の蒸発器区分は、蒸発器内では第１及び第２の蒸発器区分からの 冷媒の蒸気が混ざり合わないように、第１の蒸発器区分を構成する管とは別の少 なくとも１本の管から構成されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の 蒸発器。
14. １４．前記第１の蒸発器区分は、リザーバーから第１の蒸発器区分の管内に噴射 し、少なくとも１つの噴射装置を有することを特徴とする請求項１１及び１２の いずれかに記載の蒸発器。
15. １５．流体の流れを制御する弁において、（ａ）互いに離間して配置されたほぼ 同一寸法をなす２つのシール部を有するシャフトと、 （ｂ）前記シール部が嵌合され、かつ、シャフトの動きが開口をほぼ同時に開放 する同一寸法をなす一対のオリフィスと、（ｃ）弁に流入する流体を通過させる 流入口と、弁からの流体を排出させる排出口と、流入口と排出口とはオリフィス を通過した液体が反対方向へ流れるように配設されていることと、 （ｄ）シャフトの動きが室内の流体の量に依存するように、シャフトに取付けら れるとともに室内に配置されたフロートとからなることを特徴とする弁。