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JP2023503423A - 空冷式冷凍サイクルの構成 - Google Patents

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JP2023503423A JP2022529000A JP2022529000A JP2023503423A JP 2023503423 A JP2023503423 A JP 2023503423A JP 2022529000 A JP2022529000 A JP 2022529000A JP 2022529000 A JP2022529000 A JP 2022529000A JP 2023503423 A JP2023503423 A JP 2023503423A
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Abstract

Figure 2023503423000001
空冷式冷凍サイクル装置(1)用の空冷モジュール(3)であって、空冷式冷凍サイクル装置(1)の圧縮手段(2)に流体接続されるように構成された減温器および凝縮器熱交換器(6)と、空冷式冷凍サイクル装置(1)の膨張手段(4)に流体的に接続されるように構成されたサブクーラー(7)とを備え、減温器および凝縮器熱交換器(6)およびサブクーラー(7)の両方は、これらを通過するように向けられた空気流(F)により冷媒流体を冷却するためのそれ自体の内部の冷媒流体の通過を可能にするよう構成され、サブクーラー(7)は、減温器および凝縮器熱交換器の下流で流体的に直列であり、減温器および凝縮器熱交換器に対して物理的に分離されている。これらの要素は、空気流(F)がサブクーラー(7)を先に通過し、次に減温器および凝縮器熱交換器(6)を通過するように配置されている。

Description

関連出願への相互参照
本出願は、2019年11月18日に出願されたイタリアの特許出願番号102019000021486の優先権を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、特に、空調、食品貯蔵、プロセス冷却機、および媒体の温度および/または湿度を管理することを目的とした他の機械のための、空冷式冷凍サイクル構成に関する。
空冷式冷凍サイクル構成は広く知られており、密閉空間内の媒体の温度および/または湿度を管理するために使用される。しかし、このような構成は、エネルギー消費量が多いことが知られている。
このような高エネルギー消費は、特に大量の空気の流れや大規模なプロセス冷却設備を調整する必要がある工業用または商業用スペースなどの大規模プラントにとって重要なパラメータである。
既知の冷凍装置の例は、特許文献1、特許文献2、特許文献3および特許文献4に開示されている。
したがって、既知の空冷式冷凍サイクル装置の効率を改善して、それらのエネルギー消費を低減する必要性が感じられる。
米国特許出願公開第201024532号明細書 欧州特許出願公開第2535671号明細書 米国特許出願公開第2011192188号明細書 欧州特許出願公開第3364129号明細書
本発明の目的は、費用効果が高く最適化された方法で上記のニーズを満たすことである。
前述の目的は、添付の特許請求の範囲に記載されているように、空冷式冷凍サイクル構成によって達成される。
本発明をよりよく理解するために、好ましい実施形態を、非限定的な例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
本発明の第1の実施形態による空冷式冷凍サイクル構成の概略機能図である。 図1の空冷式冷凍サイクル構成の熱力学的冷凍サイクルを示すp/h図である。 図1および図6の空冷式冷凍サイクル構成の熱力学的冷凍サイクルを示すT-s図である。 本発明の第1の実施形態に係る空冷式冷凍サイクル装置の側面概略図である。 図4の実施形態の一部の斜視図である。 本発明の第2の実施形態による空冷式冷凍サイクル構成の概略機能図である。 図6の空冷式冷凍サイクル構成の熱力学的冷凍サイクルを示すp/h図である。
本発明による空冷式冷凍サイクル構成は、図1に概略的に示され、参照番号1で全体的に示されている。
空冷式冷凍サイクル装置1は、冷媒流体を圧縮手段2の入口2aと出口2bとの間で移動させ、その圧力を増加させるように構成された圧縮手段2を備える。
次に、空冷式冷凍サイクル装置1は、圧縮手段2に直列に流体接続され、空冷モジュール3の入口3aと出口3bとの間で冷媒流体を徐熱、凝縮、および過冷却するように構成された空冷モジュール3を備え、これによって周囲空気と熱エネルギーを交換、特に、周囲空気に熱を提供する。
空冷式冷凍サイクル装置1は、膨張手段4をさらに備え、空冷式モジュール3に流体的に直列に接続され、膨張手段の入口4aと出口4bとの間の流体の圧力を低下させるように構成される。
次に、空冷式冷凍サイクル装置1は、蒸発手段5をさらに含み、膨張手段4に流体的に直列に接続され、冷媒流体の温度を蒸発および過熱し、それによって熱エネルギーを媒体(空気または水または他の媒体)と交換するように、特に冷媒流体から熱を吸収するように構成される。
本発明の一態様によれば、空冷モジュール3は、流体的に直列であるが、一方が他方に対して物理的に分離されている、減温器(デスーパーヒーター)および凝縮熱交換器を備え、以下では簡潔にするために「凝縮器」6と呼ばれ、サブクーラー熱交換器7は、簡潔にするために「サブクーラー」と呼ばれる。
特に、凝縮器6は、圧縮手段2の出口2bに流体的に接続された入口6aと、サブクーラー7の入口7aに流体的に接続された出口6bとを備える。サブクーラーは、膨張手段4の入口4aに流体的に接続された出口7bを備える。本発明のさらなる態様によれば、空気流Fは、空冷モジュール3を通過するように、特に、最初にサブクーラー7を通過し、次に凝縮器6を通過するように構成される。したがって、サブクーラー7は、凝縮器6によってすでに徐熱および凝縮された流体と周囲空気とを熱交換し、凝縮器は、サブクーラー7によって加熱された空気および圧縮手段2から来る過熱流体と熱交換する。選択的に、空冷式冷凍サイクル装置1は、冷凍サイクルの動作条件が何であれ、飽和冷媒液体の流れがサブクーラー7に到達することを保証するために、凝縮器6とサブクーラー7との間に流体的に挿入された液体リザーバをさらに含むことができる。
図2および図3の熱力学線図に見られるように、冷媒流体は、説明されている空冷式冷凍サイクル構成1で以下のように変換される。
・圧縮手段によるポイント2a=5bと2bとの間の圧縮。圧縮手段2による仕事Wにより気体冷媒流体がより高圧の過熱状態に移行する。
・凝縮器6によるポイント2bおよび6bの間の一定圧力(圧力損失を除く)の熱交換。冷媒流体は過熱蒸気から飽和液体に移行し、周囲空気に熱Q’を提供する。
・サブクーラー7によるポイント6bおよびポイント7bの間のさらなる熱交換。凝縮された流体は、その温度を低下させ続け、周囲空気に熱Q”を提供する。
・ポイント7bおよび4bの間の等エンタルピー膨張。凝縮された流体は、現在の温度に達するまでその圧力を低下させる。
・ポイント4bおよびポイント2aの間の一定温度の熱交換(圧力損失を除く)。流体が蒸発し、過熱して気相に移行し、それによって媒体から熱Qが抽出される。
上記によれば、サブクーラー7により空冷モジュール3のさらなる冷却段階が、装置1におけるエクセルギーの浪費を低減することは明らかである。
実際、図3に示すように、領域Eは、冷媒流体の等エンタルピー膨張中に失われるエクセルギーを表し、領域Eは、通常どおり熱交換器の出口6bから等エンタルピー膨張が開始された場合に失われるエクセルギーを表す。したがって、失われるエクセルギーが減少するため、冷媒サイクルのエクセルギーバランスが大きくなる。
上記の構成1の有利な物理的実施形態は、図4および図5に部分的に示されている。
実際、図4および図5は、例えば空冷モジュール3に流体接続された複数の圧縮機8によって形成される圧力のある冷媒流体の供給源を示している。特に、開示された実施形態1は、それぞれが既知の類型のエアレーター11、例えばV字型エアレーター11によって支持される複数の空冷モジュール3を備える。
したがって、限定されないが、各エアレーター11は、共通の対称軸Aに収束する左側板11aおよび右側板11bを備える。上部に、各エアレーター11は、換気手段12、例えば電動ファンを備えた上板11cを備える。底部では、エアレーター11は底板11dによって閉じられ、各エアレーター11はそれぞれの前板および後板11eによって横方向に閉じられる。
したがって、換気手段12は、側板11a、11bおよび横板11eによって横方向に区切られ、上板および底板11c、11dによって軸方向に区切られた閉鎖空間13から空気を吸引することができる。
好ましくは、空冷モジュール3は、側板11a、11bに収容され、好ましくは横板によって区切られる領域の大部分に延び、空冷モジュール3の固定を可能にするようになっている。言い換えると、板11a、11bは、板11a、11bの領域の大部分に延在する開口部(図示せず)を画定し、空冷モジュール3の収容を可能にする。
特に、凝縮器6およびサブクーラー7の両方は、空気流Fが通過することができる板状の交換器として実現され得、本発明の一態様によれば、それらは、一方が他方に対して面して支持され、空間14によって分離されている。特に、凝縮器6は、空間に面する側13と、空間に面する反対側14とを有して両者の間の熱接触を避け、サブクーラー7は、環境に面する側と凝縮器6に面する反対側を有する。
したがって、空気流Fは、空冷モジュール3を介して、つまり凝縮器6とサブクーラー7の両方を介して換気手段12によって吸引される。したがって、一対の流れFは、空冷モジュール3を通して吸引され、このような流れFは、換気手段12を通って、上板11cを通って環境に排出される。
図5でさらに詳細にわかるように、本発明のさらなる態様によれば、それが2つ以上のパスを有する場合、冷媒流体は、上板に対してより近い縁部から、すなわち、垂直軸Aに沿った凝縮器6の上部において、凝縮器6に入り、底部開口部に対してより近い縁部から、すなわち、垂直軸Aに沿った凝縮器6の下部で、凝縮器6から出る。
次に、凝縮器6の出口は、ジョイント導管15によってサブクーラー7に流体的に接続され、2つ以上のパスがある場合、流体は、底板に対してより近い縁部から、すなわち、垂直軸Aに沿ったサブクーラー7の下部からサブクーラーに入り、上板に近い縁部、すなわち垂直軸Aに沿ったサブクーラー7の上部でサブクーラー7から出る。
したがって、このような構成では、凝縮器6およびサブクーラー7は、向流構成において一方が他方に対して流体的に配置される。実際、凝縮器6の入口6aでは、最も加熱された流体が流れ、実質的に同じ高さに配置されたサブクーラー7の出口7bでは、飽和流体が最低温度で流れる、逆もまた同様であり、ジョイント導管15では、中間温度の飽和流体が流れる。
本発明のさらなる態様によれば、サブクーラー7には、凝縮器6に対してより低い密度のフィンが設けられている。
特に、サブクーラー7は、0FPI(1インチあたりのフィン)から15FPIまでを含み得、一方、凝縮器は、20FPIより高い密度を含み得る。さらに、凝縮器6とサブクーラー7の両方がフィンを備える場合、それらは常に間隔が空けられている、すなわちフィンは互いに接触しないことを強調する。
本発明の別の態様によれば、サブクーラー7を形成する交換器は、凝縮器によって構成される管に対してより小さい断面を有する管を備える。特に、サブクーラー7は、12mmx1.5mmのマルチポートフラットパイプなど、非常に小さな断面のチャネル(図示せず)を備える。このような非常に小さな断面のチャネルは、液体冷媒の高速性を提供し、したがって2バールを超える高い圧力降下を提供する。
空冷式冷凍サイクル装置1の上記に開示された提案された物理的実施形態の動作は以下の通りである。
圧縮手段2から来る圧縮され過熱されたガスは、関連する導管により凝縮器6の開口部6aに送られる。流体の温度は、周囲温度より約50~80K高い。ここで、空気流Fは、流体が出口で周囲温度より約15K高い温度に達するまで流体を冷却し始める。凝縮器6内の冷媒流体を冷却する流れは、以下に述べるように、サブクーラー7から来るため、すでに部分的に加熱されていることに注意する必要がある。次に、冷媒は、サブクーラー7に流入し、周囲温度に非常に近い温度(周囲温度より1K未満高い温度)に低下し、周囲温度の空気とのみ熱交換し、周囲温度ですべての空気がファンによって移動する。
結果として生じる冷媒温度の低下、したがって熱交換効率の低下のために、既知の空冷凝縮器では冷媒の圧力降下を回避しなければならないことに注意する必要がある。サブクーラー7に沿った液体冷媒の圧力降下は、図2のPh図の6bから7bに変化する。これは、液体冷媒が液体状態のまま圧力が低下するため、温度変化が発生せず、したがって、空気冷媒の温度が低下すると、熱伝達係数が増加する高い冷媒圧力降下を利用するサブクーラー7の設計が可能になる。
図6および図7は、空冷モジュール3に対して並列に流体的に挿入されたエコノマイザー20を含むという事実によって第1の実施形態とは異なる空冷式冷凍サイクル装置1のさらなる実施形態を開示している。
特に、エコノマイザー20の第1の開口部20aは、圧縮手段2に流体接続され、第2の開口部20bは、空冷モジュール出口3bに流体接続され、エコノマイザー20の出口の第3の開口部20cは、膨張手段4に流体接続される。
より詳細には、エコノマイザー20は、サブクーラー7に流体接続された入口21aおよび膨張手段4に流体接続された出口21bを備える熱交換器21と、熱交換器21に流体的に並列の膨張手段22とを備える。したがって、膨張手段22は、熱交換器21の下流および膨張手段4の上流に流体接続された入口22aと、熱交換器21の上流に流体接続された出口22bとを備える。
特に、図6および図7表されているように、膨張手段22は、熱交換器21への下流を管理するように制御され、熱交換器21の入口と出口21a、21bとの間を流れる冷媒流体にさらなる冷却を提供するように膨張される。次に、このようなこぼれた流れは、圧縮手段2への冷媒流体の流れの残りの部分に合流される。
特に、熱交換器21は、図7に図式化されているように、液体向流熱交換器である。常にこのような図では、エコノマイザーを追加すると、膨張手段4の等エンタルピー膨張の前に、一定の圧力(圧力損失を除く)で液体の冷却Q1’’’が可能となることがわかる。したがって、環境に供給される熱Q1が増加するため、システムの効率はさらに向上する。
上記を考慮すると、本発明による提案された空冷式冷凍サイクル構成1の利点は明らかである。
サブクーラー7が凝縮器6の下流で分離され流体的に直列になっており、空気周囲温度流Fが最初にサブクーラー7に、次に凝縮器6に流れるという事実により、サブクーラー7と凝縮器6が作動する温度差を低減し、これにより、回収されたエネルギーの割合が向上し、システムのエクセルギー降下が減少する。
したがって、圧縮手段2に提供される仕事を減らすことなく、システムの効率が大幅に改善される。特に 熱力学的効率は、冷媒の特性と冷凍サイクルの作業条件に応じて、エコノマイザーの有無にかかわらず、約8~12%の値で改善される。冷却能力は、冷媒と条件に応じて、エコノマイザーなしで8~12%、エコノマイザーありで14~16%向上する。
したがって、小規模な運用に使用する必要のある構成の場合、エコノマイザーを削除できるため、コスト、複雑さ、および負担が軽減される。逆に、大規模な運用に使用する必要のある構成の場合、エコノマイザーはさらに効率を高め、それによって構成の効率をさらに高める。
システムを増やすことは、電力消費を削減し、それによってユーザーのコストを削減することを意味する。
凝縮器6とサブクーラー7が分離されているという事実は、2つの熱交換器の熱交換効率を改善し、既知のシステムのように接触点に熱架橋が形成されるのを回避する。
低熱アプローチにより、サブクーラー7は、フィンを使用せずに、または非常に小さいフィンを使用して動作できるため、製造コストとシステムの負担を軽減し、追加のファンを必要とする空気側の圧力降下を無視することができる。
高い冷媒圧力降下は、フラッシングのリスクなしに良好な熱交換を提供する(つまり、過冷却により、圧力降下プロセス中にフラッシュ蒸気が生成されることはない)。
サブクーラー7が複数のパスを有する場合、V字型エアレーターの独特の配置により、最大空気流はファンに対して最大限に近いため、最低温度の冷媒が最大空気流Fと接触することが可能になる。
特許請求の範囲によって定義される保護の範囲を超えないように、記載された空気配置装置1に修正を加えることができることは明らかである。
例えば、空冷式冷凍サイクル装置1は、請求されたものとは異なる、さらなる要素を含み得ることは明らかである。
さらに、蒸発器5は、以下に請求される特徴に従って、凝縮器6またはサブクーラー7などの任意の類型のものであり得ることは明らかである。
さらに、圧縮手段2およびファン12は、当技術分野で知られている任意の類型の圧縮機を含むことができる、例えば膨張手段4が既知の任意のノズルまたは弁を含み得、ファン12が任意の類型のファンを含み得る。
導管の示されているトポロジーおよび本明細書に記載されている物理的実施形態は、単なる例示であり、提案された形状および要素は、それらの形状および数が変化し得ることは明らかである。
最後に、この構成は、現在存在する、または将来生産されるあらゆる種類の冷媒分子に適用できることは明らかである。
1 空冷式冷凍サイクル装置
2 圧縮手段
3 空冷モジュール
4 膨張手段
5 蒸発手段
6 凝縮器
7 サブクーラー
11 エアレーター
12 換気手段
15 ジョイント導管
20 エコノマイザー
22 膨張手段

Claims (15)

  1. 空冷式冷凍サイクル装置(1)のための空冷モジュール(3)であって、前記空冷モジュール(3)は、前記空冷式冷凍サイクル装置(1)の圧縮手段(2)に流体的に接続されるように構成された減温器および凝縮器熱交換器(6)と、前記空冷式冷凍サイクル装置(1)の膨張手段(4)に流体的に接続されるよう構成されたサブクーラー熱交換器(7)とを備え、
    前記減温器および凝縮器熱交換器(6)およびサブクーラー(7)の両方は、これらを通過するよう向けられた空気流(F)により、冷媒流体を冷却するためにこれら自体の内部に冷媒流体を通過させるように構成され、
    前記サブクーラー(7)は、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)に対して流体的に直列に、下流にあり、前記サブクーラー(7)は、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)に対して間隔をおいて配置され、それによりこれらの間の直接の熱接触が回避され、前記空気流(F)が前記サブクーラー(7)を先に通過し、次に前記減温器および凝縮器熱交換器(6)を通過するように、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)は、相対的に配置されていることを特徴とする、空冷モジュール。
  2. 前記サブクーラー(7)は、フィンが設けられていない熱交換器である、請求項1に記載の空冷モジュール。
  3. 前記サブクーラー(7)は、前記熱交換器(6)よりも密度が低いフィンが設けられた熱交換器である、請求項1に記載の空冷モジュール。
  4. 前記サブクーラー(7)には、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)に設けられた管よりも小さい断面積を有する管が設けられている、請求項1~3のいずれか一項に記載の空冷モジュール。
  5. 前記サブクーラー(7)は、断面積が2.5mm以下の管が設けられた熱交換器である、請求項1~4のいずれか一項に記載の空冷モジュール。
  6. 前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)の間に流体的に挿入された液体リザーバを備える、請求項1~5のいずれか一項に記載の空冷モジュール。
  7. 前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)が互いに物理的に離間している、請求項1~6のいずれか一項に記載の空冷モジュール。
  8. 空冷式冷凍サイクル装置(1)のためのエアレーター(11)であって、前記エアレーターは、上板(11c)と、底板(11d)と、前記上板および底板(11c,11e)を接続し垂直軸(A)に対して互いに対向する少なくとも1つの板(11a,11b,11e)とを画定するよう構成された構造を備え、これらの板(11a,11b,11c,11d,11e)は、前記少なくとも1つの板(11a,11b,11e)によって横方向に境界が定められ、前記上板および底板(11c,11d)によって軸(A)に沿って軸方向に境界が定められた空間(13)を制限するよう構成され、
    各側板(11a,11b)の間は、請求項1~7のいずれか一項に記載の空冷モジュール(3)を収容する構成された開口部を画定するように形成され、前記上板(11c)は、前記空間(13)から空気を吸いこみ、周囲環境に向かって流すように構成された換気手段(12)を支持するよう構成されている、エアレーター。
  9. 前記構造は、2つの側板(11a,11b)および2つの横板(11c)を備え、それによりV字型を形成し、前記側板(11a,11b)は、前記垂直軸(A)に対して下側で収束する、請求項8に記載のエアレーター。
  10. 前記空冷モジュール(3)の前記減温器および凝縮器熱交換器(6)は、一側において前記空間(13)に面し、反対側において前記サブクーラー(7)に面するように、それぞれの前記側板(11a,11b)によって支持され、前記空冷モジュール(3)の前記サブクーラー(7)は、一側において周囲環境に面し、反対側において前記減温器および凝縮器熱交換器(6)に面するようにそれぞれの前記側板(11a,11b)によって支持され、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)は、空間(14)によって離間されている、請求項8または9に記載のエアレーター。
  11. 前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の入口(6a)および前記サブクーラー(7)の出口(7b)は、垂直軸(A)において前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)それぞれの上部に配置され、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の出口(6a)および前記サブクーラー(7)の入口(7a)は、垂直軸(A)において前記減温器および凝縮器熱交換器(6)および前記サブクーラー(7)それぞれの下部に配置され、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の前記出口(6a)および前記サブクーラー(7)の前記入口(7a)は、減温器および凝縮器熱交換器(6)およびサブクーラー(7)両方に対して間隔をおいた導管によって接続されている、請求項10に記載のエアレーター。
  12. 前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の前記入口(6a)、および前記サブクーラー(7)の前記出口(7b)は、軸(A)に対して略同じ高さに配置され、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の前記出口(6a)および前記サブクーラー(7)の前記入口(7a)は、軸(A)に対して略同じ高さに配置されている、請求項11に記載のエアレーター。
  13. 前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の前記入口(6a)および前記サブクーラー(7)の前記出口(7b)は、前記減温器および凝縮器熱交換器(6)の前記出口(6a)および前記サブクーラー(7)の前記入口(7a)に対して前記換気手段(12)の近くに配置されている、請求項11または12に記載のエアレーター。
  14. 圧縮手段(2)の入口(2a)および出口(2b)の間で冷媒流体の圧力を増加するよう構成された圧縮手段(2)と、膨張手段(4)の入口(4a)および出口(4b)の間で前記冷媒流体の圧力を減少するよう構成された膨張手段(4)と、蒸発器(5)の入口(5a)および出口(5b)の間で冷媒流体の液体から気体への相の通過を許容するよう構成された蒸発器(5)を備える空冷式冷凍サイクル装置(1)であって、
    前記空冷式冷凍サイクル装置(1)は、前記圧縮手段(2)および前記膨張手段(4)の間に直列に流体的に挿入された、請求項1~6のいずれか一項に記載の空冷モジュール(3)を備える、空冷式冷凍サイクル装置(1)。
  15. 前記圧縮手段(2)および前記膨張手段(4)の間で前記空冷モジュール(3)に並列に流体的に挿入されたエコノマイザー(20)をさらに備える、請求項14に記載の空冷式冷凍サイクル装置。
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