JP3983520B2 - 超臨界蒸気圧縮システムおよび超臨界蒸気圧縮システムを循環する冷媒の高圧成分の圧力を調整する吸入ライン熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分を調整する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
塩素を含有する冷媒は、オゾン破壊を発生させる可能性があることから、世の中の大部分の分野から徐々に除外されている。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が代わりの冷媒として利用されてきているが、このような冷媒によっても、地球温暖化の問題が生じる可能性は高い。従って、二酸化炭素やプロパンといった「天然」冷媒を代わりの冷媒として利用することが、提案されている。しかし、残念ながら、このような冷媒の多くは、利用の際に問題が生じる。二酸化炭素の臨界点は低いため、二酸化炭素を利用した空調システムの大部分は、殆どの状態で超臨界領域で運転される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
蒸気圧縮システムを超臨界領域で運転する場合、蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を調整することが効果的である。蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を調整することによって、蒸気圧縮システムの容量および／または効率を制御して、最適化することができる。蒸気圧縮システムの高圧成分（気体冷却器の圧力）を増大させることによって、蒸発器の吸入口における冷媒の比エンタルピが減少し、容量が増大する。しかし、圧縮機の仕事量を増大させることが必要となるためにより多くのエネルギを要する。蒸気圧縮システムの高圧成分の最適圧力（運転状態の変化とともに変化する）を見つけることが望ましい。蒸気圧縮システム１０の高圧成分を調整することによって、高圧成分の圧力を最適化することができる。
【０００４】
従って、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分を調整する手段が、当該技術分野で必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分を調整する手段に関する。
【０００６】
蒸気圧縮システムは、圧縮機、熱放出型熱交換器、膨張装置、および熱吸収型熱交換器から構成されている。吸入ライン熱交換器（ＳＬＸＨ）は、蒸気圧縮システムの効率および／または容量を増大させるとともに圧縮機への液状冷媒の流入を防ぐために用いられるものである。本発明の好適な実施例では、二酸化炭素が冷媒として用いられる。本発明では、このようなタイプの熱交換器が、高圧成分の圧力を調整するために利用される。
【０００７】
本発明では、冷媒をシステムから除去するかもしくはシステムへと移送するとともに、冷媒を吸入ライン熱交換器の貯留タンクに貯留することによって、蒸気圧縮サイクルの高圧成分（気体冷却器内部の圧力）を調整する。吸入ライン熱交換器の内部で、気体冷却器（熱放出型熱交換器）から放出された高温高圧冷媒と、蒸発器（熱吸収型熱交換器）から放出された低温低圧冷媒と、の間で熱が交換される。このような熱交換器は、本発明により冷媒を貯留するための容積を有する。
【０００８】
気体冷却器内部の高圧力は、吸入ライン熱交換器内部のバルブを調整することにより制御される。気体冷却器の圧力が高すぎる場合、第１バルブによって、気体冷却器から排出された過剰な冷媒が貯留タンクへと流される。気体冷却器の圧力が低すぎる場合は、第２バルブが開かれ、これによって、冷媒が貯留タンクから蒸気圧縮システムへと戻される。バルブの動作を制御することによって、蒸気圧縮システムの高圧成分を調整し、これによって、効率および／または容量を最適化することができる。
【０００９】
従って、本発明は、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分を調整するための方法およびシステムを提供するものである。
【００１０】
本発明の上述した特徴および他の特徴は、以下の詳細な説明および図面によって、より明確となるだろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、特定の実施例が、図面および発明の詳細な説明に記載されているが、他の形態の実施例で実施することも可能である。従って、本発明に開示された実施例は、例示的なものにすぎず、本発明を制限するものではない。
【００１２】
図１には、従来技術の蒸気圧縮システム１０が示されている。一般的な蒸気圧縮システム１０は、圧縮機１２、熱放出型熱交換器（蒸気圧縮サイクルにおける気体冷却器）１４、膨張装置１６、および熱吸収型熱交換器（蒸発器）１８からなる。
【００１３】
冷媒は、閉回路サイクル１０を循環する。本発明の好適な実施例では、二酸化炭素を冷媒として用いる。二酸化炭素が例として記載されるが、他の冷媒を利用することも可能である。二酸化炭素の臨界点は低いため、二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮システム１０は、超臨界領域（transcritical）で運転する必要がある。
【００１４】
蒸気圧縮システム１０を超臨界領域で運転する場合には、蒸気圧縮システム１０の高圧成分を調整することが効果的である。蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を調整することによって、蒸気圧縮システム１０の容量および／または効率を制御して、最適化することができる。気体冷却器１４の圧力を増大させることによって、蒸発器１８に流入する冷媒のエンタルピが減少して容量が増大するが、圧縮機１６の仕事量を増大させる必要があるため、より多くのエネルギが必要となる。蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を調整することによって、蒸気圧縮システム１０の圧力を最適圧力（運転状態の変化とともに変化する）にすることができる。
【００１５】
図２には、吸入ライン熱交換器（ＳＬＨＸ）２０を備えた蒸気圧縮システム１０が示されている。吸入ライン熱交換器２０は、蒸気圧縮システム１０の効率および／または容量を増大させ、かつ圧縮機１２への液状冷媒の流入（これは、蒸気圧縮システム１０に悪影響を及ぼす可能性がある）を防ぐものである。
【００１６】
本発明では、過剰な冷媒を蒸気圧縮システム１０に追加するかもしくは蒸気圧縮システム１０から除去するとともに、これを吸入ライン熱交換器２０の貯留タンク２２に貯留することにより、蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を好適な圧力に調整する。膨張前に気体冷却器１４内部の高圧力を調整することによって、蒸発器１８の吸入口における冷媒のエンタルピが調整され、蒸気圧縮システム１０の容量が調節される。
【００１７】
吸入ライン熱交換器２０を備えた蒸気圧縮システム１０のサイクルにおいては、冷媒が、図３の点Ａにより示される高圧力高エンタルピー状態で圧縮機１２から放出される。冷媒は、高圧力状態で気体冷却器１４を流れて熱およびエンタルピを失い、点Ｂで示される高圧力低エンタルピー状態で気体冷却器１４から流出される。高温の冷媒は、膨張装置１６に流入する前に吸入ライン熱交換器２０を通過する。冷媒は、気体冷却器１４の吐出口と膨張装置１６の吸入口とを連通させる第１導管２４に沿って貯留タンク２０を通過する。冷媒は、膨張装置１６を通過し、これによって、その圧力が点Ｃに示されるように低下する。冷媒は、膨張した後で、蒸発器１８に流入し、点Ｄにより示される低圧力高エンタルピー状態で蒸発器１８から流出する。低温のガス状冷媒は、続いて、貯留タンク２２に再び流入し、蒸発器１８の吐出口と圧縮機１２の吸入口とを連通させる第２導管２６に沿って流れる。冷媒は、圧縮機１２を通過した後、再び高圧力高エンタルピー状態になり、サイクルが完了する。
【００１８】
吸入ライン熱交換器２０の内部で、気体冷却器１４から放出された高圧高温の冷媒と、蒸発器１８から放出された低圧低温の冷媒と、の間で熱が交換される。貯留タンク２２内部の圧力は、蒸気圧縮システム１０の高圧成分および低圧成分の中間である。
【００１９】
図４に示されているように、気体冷却器１４内部の圧力は、吸入ライン熱交換器２０内部の第１バルブ２８および第２バルブ３０を調節することにより制御される。第１バルブ２８は、第１導管２４に沿って貯留タンク２２内部に配置されており、第２バルブ３０は、第２導管２６に沿って貯留タンク２２内部に配置されている。
【００２０】
制御装置５０によって、気体冷却器１４内部の圧力が検知され、第１バルブ２８および第２バルブ３０が制御される。制御装置５０として、蒸気圧縮サイクル１０のメインコントローラを利用することが可能である。制御装置５０は、サイクル１０の状態を評価して、気体冷却器１４内部の好適な圧力を決定するものとしてプログラムされている。好適な圧力が決定されると、第１バルブ２８および第２バルブ３０が制御されることにより圧力が調整される。好適な圧力を決定する上で考慮すべき要素は、当業者であればわかるだろう。
【００２１】
気体冷却器１４内部の圧力が好適な圧力よりも高い場合は、蒸気圧縮システムを運転するのに過剰なエネルギを要する。気体冷却器１４内部の圧力が好適な圧力よりも高いことが制御装置５０により検出されると、第１バルブ２８が開かれ、これによって、気体冷却器１４から流出した冷媒が貯留タンク２２に流入する。これによって、気体冷却器１４内部の圧力がＡからＡ’’に低下し（図３参照）、蒸気圧縮システムを運転するのに必要なエネルギが減少する。冷媒は、続いて、図３の点Ｃ’’により示される高エンタルピー状態で蒸発器１８に流入する。
【００２２】
逆に、気体冷却器１４内部の圧力が好適な圧力よりも低い場合は、蒸気圧縮システム１０が最大容量で運転されていない。気体冷却器１４内部の圧力が好適な圧力よりも低いことが制御装置５０により検出されると、第２バルブ３０が開かれる。これによって、冷媒が貯留タンク２２から蒸気圧縮システム１０に戻り、容量が増大する。気体冷却器１４の圧力は、ＡからＡ’に増大し、冷媒は、図３の点Ｃ’により示される低エンタルピー状態で蒸発器１８に再び流入する。蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を好適な圧力に調整することにより、エンタルピを制御して容量を最適化することができる。
【００２３】
好ましくは、制御装置５０は、マイクロプロセッサ主体の制御装置もしくは他の周知の制御装置（例えば、冷凍サイクルの分野で周知の制御装置）である。第１バルブ２８および第２バルブ３０は、制御装置により能動的に作動させることが可能であるが、例えば圧力調整弁を第１バルブ２８および第２バルブ３０として用いることにより受動的に作動させることも可能である。第１バルブ２８および第２バルブ３０の動作を制御することにより、気体冷却器１４内部の高圧力が最適化および制御され、これによって、蒸気圧縮システム１０の冷却容量が増大する。
【００２４】
好適な実施例では、貯留タンク２２は、長さが大きく直径が小さいものとする。貯留タンク２２の壁厚は直径と相関があるため、貯留タンク２２の直径３６を小さくして重量を抑えることが必要である。
【００２５】
蒸気圧縮システム１０の余剰な冷媒を結合型の吸入ライン熱交換器２０内部に貯留することによって、幾つかの利点が得られる。気体冷却器１４から放出された冷媒および蒸発器１８から放出された冷媒が、１つの貯留タンク２２内部に導かれるため、部材の数が少なくなり、これによって、製造コストを抑え、かつ信頼性を向上させることができる。
【００２６】
従って、本発明によって、超臨界蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を制御する手段を構成する吸入ライン熱交換器２０が得られる。
【００２７】
以上の記載は、本発明の原理を例示するものである。以上の教示に照らして、多くの変更を本発明に加えることも可能である。本発明の好適な実施例が開示されたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなくある変更を加えることが可能なことは、理解できるだろう。従って、請求項の範囲内で、本発明を記載された形態以外の形態で実行することも可能である。このような理由により、請求項は、本発明の真の範囲および主旨を決定するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の蒸気圧縮システムの概略図。
【図２】周知の吸入ライン熱交換器を備えた蒸気圧縮システムの概略図。
【図３】超臨界蒸気圧縮システムの熱力学的特性を示す図
【図４】超臨界蒸気圧縮システムに備えられた吸入ライン熱交換器の貯留タンクの概略図。
【符号の説明】
１０…蒸気圧縮システム
１２…圧縮機
１４…気体冷却器
１６…膨張装置
１８…蒸発器
２０…吸入ライン熱交換器
２２…貯留タンク
２４，２６…バルブ

Claims (10)

1. 超臨界蒸気圧縮システムを循環する冷媒の高圧成分の圧力を調整する吸入ライン熱交換器であって、
   前記冷媒を貯留するための貯留タンクと、
   前記貯留タンク内部に延びているとともに熱放出型熱交換器と膨脹装置とを連通させており、かつ前記冷媒が高圧力の状態で流れる第１導管と、
   前記貯留タンク内部に延びているとともに熱吸収型熱交換器と圧縮装置とを連通させており、かつ前記冷媒が低圧力の状態で流れる第２導管と、
   前記貯留タンクに流入する前記冷媒の流量を調整するために前記第１導管上に配置され、かつ前記高圧力を監視する制御装置により作動される第１バルブと、
   前記貯留タンクから流出する前記冷媒の流量を調整するために前記第２導管上に配置され、かつ前記高圧力を監視する制御装置により作動される第２バルブと、
   を備えていることを特徴とする吸入ライン熱交換器。
2. 前記第１バルブが作動されて前記蒸気圧縮システムから前記貯留タンクへと流れる前記冷媒の流量が調節されることにより、前記高圧力が低下することを特徴とする請求項１記載の吸入ライン熱交換器。
3. 前記第２バルブが作動されて前記貯留タンクから前記蒸気圧縮システムへと流れる前記冷媒の流量が調節されることにより、前記高圧力が上昇することを特徴とする請求項１記載の吸入ライン熱交換器。
4. 前記熱放出型熱交換器からのフィードバック機構を備えた能動型制御装置によって、前記熱放出型熱交換器における好適な圧力が決定され、前記の好適な圧力が得られるように前記第１バルブおよび前記第２バルブが制御されることを特徴とする請求項１記載の吸入ライン熱交換器。
5. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の吸入ライン熱交換器。
6. 超臨界蒸気圧縮システムであって、
   冷媒を圧縮して高圧力の状態にする圧縮装置と、
   前記冷媒を冷却するための熱放出型熱交換器と、
   前記冷媒の圧力を低下させて低圧力の状態にする膨脹装置と、
   前記冷媒を蒸発させる熱吸収型熱交換器と、
   前記冷媒の前記高圧力を調整する吸入ライン熱交換器と、を備えており、前記吸入ライン熱交換器は、前記冷媒を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンク内部に延びているとともに前記熱放出型熱交換器と前記膨脹装置とを連通させる第１導管と、前記貯留タンク内部に延びているとともに前記熱吸収型熱交換器と前記圧縮装置とを連通させる第２導管と、前記貯留タンクに流入する前記冷媒の流量を調節するために前記第１導管に配置された第１バルブと、前記貯留タンクから流出する前記冷媒の流量を調節するために前記第２導管に配置された第２バルブと、
   を備えていることを特徴とする超臨界蒸気圧縮システム。
7. 前記第１バルブが作動されて前記蒸気圧縮システムから前記貯留タンクへと流れる前記冷媒の流量が調節されることにより、前記高圧力が低下することを特徴とする請求項６記載の超臨界蒸気圧縮システム。
8. 前記第２バルブが作動されて前記貯留タンクから前記蒸気圧縮システムへと流れる前記冷媒の流量が調節されることにより、前記高圧力が上昇することを特徴とする請求項６記載の超臨界蒸気圧縮システム。
9. 前記熱放出型熱交換器からのフィードバック機構を備えた能動型制御装置によって、前記熱放出型熱交換器における好適な圧力が決定され、前記の好適な圧力が得られるように前記第１バルブおよび前記第２バルブが制御されることを特徴とする請求項６記載の超臨界蒸気圧縮システム。
10. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の超臨界蒸気圧縮システム。

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