JP5539996B2 - 遷臨界冷媒サイクルにおける液体および蒸気の分離 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒蒸気圧縮システムに関し、特に、フラッシュタンクエコノマイザを有するとともに、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいて、二相冷媒流れの液体部分および蒸気部分への分離を向上させることに関する。

冷媒蒸気圧縮システムは周知であり、輸送冷凍システムにおいても、トラック、鉄道、船や複合輸送によって生鮮製品および冷凍製品を輸送するために、トラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御貨物スペースへ供給する空気や他の気体流体の冷却に広く用いられている。輸送冷凍システムと組み合わせて用いられる冷媒蒸気圧縮システムでは、広範囲な動作負荷条件や広範囲な外部周囲条件にわたって貨物スペース内の製品を所望の温度に維持するように冷媒蒸気圧縮システムが動作しなければならないことから、一般に、その運転条件はより苛酷なものとなる。貨物を制御することが必要な所望の温度は、保存する貨物の性質に応じて、広範囲にわたって異なるものとなる。冷媒蒸気圧縮システムは、外気温の下で貨物スペースに入れられた製品の温度を素早く引き下げるだけの十分な容量を有するだけでなく、輸送中に安定した製品温度を維持する際に、低い負荷で効率よく運転できなければならない。さらに、輸送用冷媒蒸気圧縮システムは、固定式の冷媒蒸気圧縮システムでは経験することがない振動や動きに晒される。また、冷媒蒸気圧縮システムは、固定式の冷媒蒸気圧縮システムと一般に関連しない利用可能な空間、例えば、空調装置やヒートポンプの空間に制約があることから、大きさが制限される。

伝統的に、輸送冷凍用途において用いられる一般の冷媒蒸気圧縮システムは、通常では亜臨界冷媒圧力で動作し、一般に、コンプレッサと、コンデンサと、エバポレータと、冷媒の流れとしてエバポレータの上流側でかつコンデンサの下流側に配置された膨張装置（通常は膨張弁）と、を含んでいる。これらの基本的な冷媒システム構成要素は、冷媒閉回路となるように冷媒ラインで接続されるとともに、公知の冷媒蒸気圧縮サイクルに沿って配置され、かつ特定の冷媒を用いて亜臨界圧力範囲で運転される。亜臨界範囲で動作する冷媒蒸気圧縮システムには、一般に、フロン冷媒、例えば、これに限定するものではないが、Ｒ２２のようなヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が充填され、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃのようなヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）がさらに一般的である。

現在の市場では、ＨＦＣ冷媒に代えて空調装置や輸送冷凍システムに使用するために、二酸化炭素のような「自然」冷媒に注目が集まっている。しかし、二酸化炭素は臨界温度が低く、蒸気相の密度に対する液体相の密度の割合も小さいので、冷媒として二酸化炭素を充填した冷媒蒸気圧縮システムの多くは、遷臨界圧力方式で動作するように設計されている。亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、コンデンサおよびエバポレータとなる熱交換器の双方は、冷媒の臨界点未満の冷媒温度および冷媒圧力で動作する。しかし、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、放熱用熱交換器（これはコンデンサではなく、むしろガスクーラとなる）は、冷媒の臨界点を超える冷媒温度および冷媒圧力で動作するが、エバポレータは、亜臨界範囲の冷媒温度および冷媒圧力で動作する。したがって、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、ガスクーラ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差が、亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおけるコンデンサ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差に比べて、かなり大きいことが特徴的である。

また、冷媒回路にエコノマイザを組み込むことも広く実施されている。これにより、冷媒蒸気圧縮システムは、該システムの容量を増加させるように、エコノマイザモードで選択的に動作することができる。遷臨界モードで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、フラッシュタンクエコノマイザが、冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間に組み込まれているものがある。このような場合、ガスクーラを出た冷媒が、感温式膨張弁あるいは電子膨張弁などからなる膨張装置を通して膨張した後に、フラッシュタンクに流入し、ここで、膨張した冷媒は、液体冷媒成分と蒸気冷媒成分とに分離する。そして、冷媒の蒸気成分は、フラッシュタンクから圧縮プロセスの中間圧力段へと導かれる。冷媒の液体成分は、フラッシュタンクからシステムの主膨張弁を通してエバポレータへと導かれる。特許文献１は、冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間にフラッシュタンクエコノマイザを組み込んだ遷臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。

米国特許第６，３８５，９８０号明細書

遷臨界冷媒サイクルで動作する輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システムが、冷媒回路において連通するように接続される、超臨界圧力へ冷媒蒸気を圧縮する圧縮装置と、超臨界冷媒圧力で動作するガスクーラと、亜臨界冷媒圧力で動作するエバポレータとを有しており、さらに、冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間に配置された１次膨張装置と、冷媒回路のガスクーラと１次膨張装置との間に配置された２次膨張装置と、冷媒回路において冷媒の流れとして１次膨張装置の上流側でかつ２次膨張装置の下流側に配置されたフラッシュタンクとを備えている。

フラッシュタンクは、上部チャンバ、下部チャンバおよび中間チャンバを有した内側容積部を画定するシェルと、中間チャンバと上部チャンバとを連通させる第１の流体通路と、中間チャンバと下部チャンバとを連通させる第２の流体通路と、２次膨張装置を通過した冷媒流を受けるように中間チャンバと連通した入口ポートと、フラッシュタンク分離器から気体相の冷媒流を吐出するように上部チャンバと連通した第１の出口ポートと、フラッシュタンクから冷媒回路へ液体相の冷媒流を吐出するように下部チャンバと連通した第２の出口ポートとを備えている。

１つの実施例では、フラッシュタンクは、内側容積部を上部チャンバ、中間チャンバおよび下部チャンバに分割するように、シェルによって画定された内側容積部内に互いに離間して延びる下部プレートおよび上部プレートと、中間チャンバと上部チャンバとを連通させる第１の流体通路を形成するように、上部プレートを貫通して延びる第１の開口部と、中間チャンバと下部チャンバとを連通させる第２の流体通路を形成するように、下部プレートを貫通して延びる第２の開口部と、をさらに備えている。

１つの実施例では、フラッシュタンクは、下部チャンバと上部チャンバとを連通させる導管を画定するように、シェルの垂直中心軸に沿って延びる細長い支持チューブと、連続的な螺旋流体流通路を画定するように、支持チューブを中心に延びる螺旋部材とを備えている。連続的な螺旋流体流通路の第１の部分が、中間チャンバと上部チャンバとを連通させる第１の流路を形成している。連続的な螺旋流体流通路の第２の部分が、中間チャンバと下部チャンバとを連通させる第２の流路を形成している。支持チューブの上端部付近に該支持チューブを貫通して延びる上部平衡穴は、支持チューブによって画定された導管の上部領域と上部チャンバとを連通させるように設けられており、支持チューブの下端部付近に該支持チューブを貫通して延びる下部平衡穴は、支持チューブによって画定された導管の下部領域と下部チャンバとを連通させるように設けられている。

遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムの例示的な第１の実施例を概略的に示した図である。 遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムの例示的な第２の実施例を概略的に示した図である。 図１に示した冷媒蒸気圧縮システムのフラッシュタンクの例示的な第１の実施例の断面斜視図である。 図２に示した冷媒蒸気圧縮システムのフラッシュタンクの例示的な第１の実施例の断面斜視図である。

図１および図２には、生鮮製品や冷凍製品を輸送するトラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御される貨物スペース２００内の空気や他のガス雰囲気を冷却する輸送冷凍システムでの使用に適した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例が図示されている。冷媒蒸気圧縮システム１００は、臨界温度が低い冷媒、例えば、これに限定するものではないが、二酸化炭素を用いた遷臨界サイクルでの動作に特に適している。冷媒蒸気圧縮システム１００は、多段圧縮装置２０と、冷媒放熱用熱交換器４０と、冷媒吸熱用熱交換器（ここではエバポレータとも呼ぶ）５０とを備えており、これらの構成要素は、冷媒回路において連通するように、冷媒回路２，４，６によって接続されている。エバポレータ５０と関連して動作する１次膨張装置５５、例えば、電子膨張弁は、冷媒回路の冷媒ライン４において冷媒放熱用熱交換器４０とエバポレータ５０との間に配置されている。また、２次膨張装置６５、例えば、電子膨張弁は、冷媒回路の冷媒ライン４において冷媒放熱用熱交換器４０と１次膨張装置５５との間に配置されている。さらに、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂが、主冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとして２次膨張装置６５の下流側でかつ１次膨張装置５５の上流側に配置されている。したがって、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、冷媒回路において、冷媒の流れとして冷媒放熱用熱交換器４０の下流側でかつエバポレータ５０の上流側に配置されている。

遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムでは、冷媒放熱用熱交換器４０は、冷媒の臨界圧力よりも高い圧力で動作し、したがって、超臨界状態の冷媒蒸気を冷却するように機能し、この超臨界の冷媒蒸気は、冷却媒体、例えば、これに限定するものではないが、周囲空気や水と熱交換する。本明細書では、冷媒放熱用熱交換器４０をガスクーラと呼ぶことがある。図示した実施例では、冷媒放熱用熱交換器４０は、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルやフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなるフィン・チューブ型熱交換器４２を備えており、ここを通る冷媒が、ガスクーラ４０に付随したファン４４によってフィン・チューブ型熱交換器４２を通して引き込まれる周囲空気と熱交換する。

冷媒吸熱用熱交換器５０は、エバポレータとして機能し、該エバポレータにおいて、ここを通る液体冷媒が、冷却すべき流体、最も一般的には、空気、または空気と不活性ガスとの混合物と熱交換する。この空気は、例えば、輸送冷凍用のトラック、トレーラあるいはコンテナの貨物ボックスである温度制御環境２００から引き込まれるとともに温度制御環境２００へ戻される。図示した実施例では、冷媒吸熱用熱交換器５０は、フィン・チューブ型熱交換器５２を備えており、この熱交換器５２を通して、冷媒が、エバポレータ５０に付随したエバポレータファン５４によって冷凍貨物ボックス２００から引き込まれるとともに冷凍貨物ボックス２００に戻される空気と熱交換する。フィン・チューブ型熱交換器５２は、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。

圧縮装置２０は、冷媒を超臨界圧力へ圧縮し、かつ後述するように主冷媒回路に冷媒を循環させるように機能する。圧縮装置２０は、主冷媒回路に配置された単一の多段冷媒コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサあるいは往復動型コンプレッサからなり、図１に示したように、第１の圧縮段２０ａおよび第２の圧縮段２０ｂを備えている。第１の圧縮段および第２の圧縮段は、冷媒の流れとして直列の関係となっており、第１の圧縮段を出た冷媒が、さらに圧縮すべく第２の圧縮段に直接に流れる。代替的に、圧縮装置２０は、主冷媒回路において冷媒が直列に流れる関係でもって互いに接続された一対の独立したコンプレッサ２０ａ，２０ｂを備えることができ、該コンプレッサ２０ａ，２０ｂは、図２に示したように、第１のコンプレッサ２０ａの吐出ポートと第２のコンプレッサ２０ｂの吸入ポートとを冷媒ライン８によって互いに連通させるように接続されている。独立したコンプレッサの実施例では、コンプレッサ２０ａ，２０ｂは、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、ロータリコンプレッサ、または他の形式のコンプレッサ、あるいはこれらのコンプレッサの組み合わせとすることができる。

動作時には、圧縮装置の第２の圧縮段または第２のコンプレッサ２０ｂから吐出された高温かつ超臨界圧力の冷媒蒸気が、ガスクーラ４０の熱交換器４２を通過するときに低温に冷却され、第２の膨張装置６５を通過する。第２の膨張装置６５を通過する際に、超臨界圧力の冷媒蒸気は、冷媒蒸気と液体冷媒とからなる二相混合物を形成するのに十分な低温の亜臨界圧力へ膨張し、フラッシュタンク１０へと流入する。

特に、図３および図４を参照すると、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、シェル１２０を備えており、該シェル１２０は、上部チャンバ１２２、中間チャンバ１２４および下部チャンバ１２６を有した内側容積部を取り囲んでいる。２次膨張装置６５を通過した二相冷媒流が、中間チャンバ１２４と連通した入口１２５を通して中間チャンバ１２４へと流入する。中間チャンバ１２４内に受けられた二相冷媒流は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂのシェル１２０の上部チャンバ１２２へと上方に移動する蒸気相と、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂのシェル１２０の下部チャンバ１２６へと下方に移動する液体相とに分離する。また、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、下部チャンバ１２６と連通した第１の出口１２７と、上部チャンバ１２２と連通した第２の出口１２９とを備えている。

一般に飽和した液体である液体相の冷媒は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの下部チャンバ１２６から、該下部チャンバ１２６と連通した第１の出口１２７を通して冷媒回路の冷媒ライン４へと流入する。１つの動作モードでは、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの下部チャンバ１２６から通流する液体相の冷媒の全てが、冷媒ライン４において冷媒の流れとしてエバポレータ５０の上流側に配置された冷媒回路の１次膨張装置５５を通過する。この液体冷媒が１次膨張装置５５を通過するときに、液体冷媒は、低温低圧に膨張し、エバポレータ５０へ流入する。エバポレータ５０は、冷媒蒸発用熱交換器であり、内部を通して流れる膨張した冷媒が冷却すべき空気と熱交換することで、冷媒は気化し、一般に過熱状態となる。一般的なものと同じく、１次膨張装置５５は、エバポレータ５０から出る冷媒蒸気中に液体が残存しないことを確実にすべくエバポレータ５０から出る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持するように、冷媒ライン４を通る冷媒流を計量する。エバポレータ５０を出た低圧冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して圧縮装置２０の第１の圧縮段または第１のコンプレッサ２０ａの吸入ポートへ戻る。

１つの実施例では、フラッシュタンクの下部チャンバ１２６から冷媒ライン４を通して通流する液体相の冷媒の全てまたは一部を、１次膨張装置５５の周囲にバイパスさせるように、冷媒バイパスライン５を設けることができる。冷媒バイパスライン５は、冷媒の流れとして１次膨張装置５５の上流側でかつフラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの下流側にある第１の位置と、冷媒の流れとして１次膨張装置５５の下流側でかつエバポレータ５０の上流側にある第２の位置において、冷媒ライン４から分岐している。冷媒バイパスライン５を通流する冷媒流に対してバイパス流れ通路を選択的に開閉するように、流れ制御装置５７、例えば、開位置および閉位置を有したソレノイドバルブを冷媒バイパスライン５に配置することができる。

また、冷媒蒸気圧縮システム１００は、冷媒蒸気噴射ライン１４を備えており、該冷媒蒸気噴射ライン１４は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの第２の出口１２９を通して、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂのシェル１２０内に画定された内側容積部の上部チャンバ１２２と、圧縮プロセスの中間段とを連通させている。さらに、冷媒蒸気圧縮システム１００は、液体冷媒噴射ライン１８も備えることができ、該液体冷媒噴射ライン１８は、一般に、冷媒の流れとしてフラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの下流側でかつ１次膨張装置５５の上流側にある位置において冷媒ライン４から分岐させることにより、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂのシェル１２０内に画定された内側容積部の下部チャンバ１２６と、圧縮プロセスの中間段とを連通させている。図１に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、圧縮プロセスの中間圧力段への冷媒蒸気または液体冷媒の噴射は、１つのコンプレッサの第１の圧縮段２０ａから第２の圧縮段２０ｂへと通流する冷媒へ冷媒蒸気または液体冷媒を噴射することにより達成され得る。図２に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、圧縮プロセスの中間圧力段への冷媒蒸気または液体冷媒の噴射は、第１のコンプレッサ２０ａの吐出口から第２のコンプレッサ２０ｂの吸入口へと延びる冷媒ライン８を通して通流する冷媒へ冷媒蒸気または液体冷媒を噴射することにより達成され得る。

また、冷媒蒸気圧縮システム１００は、コンプレッサアンローダ冷媒ライン１６も備えることができ、コンプレッサアンローダ冷媒ライン１６は、圧縮装置の中間圧力段と、冷媒回路の吸入圧力部、つまり冷媒ライン６とを連通させている。ここで、冷媒ライン６は、エバポレータ５０の出口と、図１の実施例で示した圧縮装置２０の第１の圧縮段２０ａの吸入口または図２の実施例で示した第１のコンプレッサ２０ａの吸入口との間に延びている。冷媒蒸気噴射ライン１４および液体冷媒噴射ライン１８の各々は、コンプレッサアンローダ冷媒ライン１６と連通することができ、これにより、コンプレッサアンローダ冷媒ライン１６は、冷媒蒸気噴射ライン１４および液体冷媒噴射ライン１８の双方の下流側部分を形成する。したがって、冷媒蒸気は、圧縮プロセスの中間段または冷媒回路の吸入圧力部へ選択的に噴射するように冷媒蒸気噴射ライン１４を通して通流することができる。同様に、液体冷媒は、圧縮プロセスの中間段または冷媒回路の吸入圧力部へ選択的に噴射するように液体冷媒噴射ライン１８を通して選択的に通流することができる。さらに、圧縮装置をアンロード状態にするために、コンプレッサアンローダ冷媒ライン１６を通して冷媒回路の吸入圧力部へ、第１の圧縮段２０ａまたは第１のコンプレッサ２０ａから吐出した冷媒の全てまたは一部を通流させることができる。

冷媒蒸気圧縮システム１００は、コントローラ７０を有した制御システムをさらに備えることができる。１つの実施例では、コントローラ７０は、マイクロプロセッサ・コントローラを備えることができ、このコントローラは、例えば、米国、ニューヨーク州シラキュースに所在のキャリア・コーポレーションによって提供されている、ＭｉｃｒｏＬｉｎｋ^TM・コントローラであるが、これに限定されない。コントローラ７０は、輸送される製品を貯蔵するための取り囲まれた内側容積部２００、つまり貨物ボックス内の所定の熱環境を維持すべく冷凍ユニットを動作させるように制御される。コントローラ７０は、コンプレッサ２０と、コンデンサ用熱交換コイル３２と関連したコンデンサ用ファン３４と、エバポレータ用熱交換コイル４２と関連したエバポレータ用ファン４４と、コントローラ７０と関連して動作する複数の冷媒流制御装置との動作を選択的に制御することにより、所定の熱環境を維持する。コントローラ７０と関連して動作する複数の冷媒流制御装置は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの下部チャンバ１２６から冷媒ライン１８を通して通流する液体冷媒流を制御するように冷媒ライン１８に配置された流れ制御装置５３と、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂの上部チャンバ１２２から冷媒ライン１４を通して蒸気相の冷媒流を制御するように冷媒ライン１４に配置された流れ制御装置７３とを備えることができる。また、コントローラ７０と関連して動作する複数の冷媒流制御装置は、冷媒ライン１６を通して冷媒回路の吸入部へと通流する冷媒流を制御するように冷媒ライン１６に配置された流れ制御装置９３も備えることができる。上記の流れ制御装置５３，７３，９３の各々は、流れ制御弁を配置した冷媒ラインを通して冷媒が通流することができる開位置と、流れ制御弁を配置した冷媒ラインを通して冷媒が通流することができない閉位置との間で選択的に位置決め可能な流れ制御弁を備えることができる。１つの例では、流れ制御装置５３，７３，９３の各々は、第１の開位置と第２の閉位置との間で選択的に位置決め可能な２つの位置を有したソレノイド弁を備えることができる。また、コントローラ７０と関連して動作する複数の冷媒流制御装置は、１次膨張弁５５、２次膨張弁６５および流れ制御装置５７を備えることができる。動作時には、コントローラ７０は、主冷媒回路および冷媒ライン５，１４，１６，１８を通して、望ましいように選択的に冷媒流を案内するように、コントローラ７０と関連して動作する上記の種々の流れ制御装置を選択的に開閉することができる。

冷媒システム１００の制御を容易にするために、コントローラ７０は、システム１００全体の選択した位置に配置された複数のセンサによって、冷媒システムの様々な点における動作パラメータを監視する。設けることができるセンサとしては、特に詳細に示していないが、コンデンサ３０の前部の周囲空気温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力する周囲空気温度センサ９０と、エバポレータ５０を出て貨物ボックス２００へ戻る空気の温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力する戻り空気温度センサ９２と、貨物ボックス２００内の空気の温度つまり製品貯蔵温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力するボックス空気温度センサ９４と、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂに流入する冷媒の温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力するフラッシュタンク温度センサ１０１と、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂに流入する冷媒の圧力を示す可変電圧を入力するフラッシュタンク圧力センサ１０２と、冷媒の吸入温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力するコンプレッサ吸入温度センサ１０３と、冷媒の吸入圧力を示す可変電圧をコントローラ７０に入力するコンプレッサ吸入圧力センサ１０４と、コンプレッサの吐出冷媒温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力するコンプレッサ吐出温度センサ１０５と、コンプレッサの吐出冷媒圧力を示す可変電圧をコントローラ７０に入力するコンプレッサ吐出圧力センサ１０６と、ガスクーラ４０を通過した冷媒の温度を示す可変抵抗値をコントローラ７０に入力するガスクーラ温度センサ１０７と、ガスクーラ４０を通過した冷媒の圧力を示す可変電圧を入力するガスクーラ圧力センサ１０８とが挙げられる。圧力センサ１０２，１０４，１０６，１０８は、一般的な圧力センサ、例えば、圧力変換器とすることができ、温度センサ９０，９２，９４，１０１，１０３，１０５，１０７は、一般的な温度センサ、例えば、熱電対やサーミスタとすることができる。上記のセンサは、システム１００と関連し得る種々のセンサのいくつかを単に例示するものであり、設けることができるセンサや変換器の形式を限定するものではない。

冷媒蒸気圧縮システム１００は、負荷要求や周囲条件に基づいて選択された動作モード、例えば、これらに限定されないが、ボックス温度プルダウンモード、過度冷凍ボックス温度管理モードおよび冷凍製品ボックス温度管理モードで動作することができる。冷媒蒸気圧縮システム１００は、周囲条件、ボックス条件および種々の検出システム制御に基づいて望ましい動作モードを画定し、種々の流れ制御弁を位置決めする。

上述したように、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとして１次膨張装置５５の上流側でかつ２次膨張装置６５の下流側に配置されている。特に、図３および図４を参照すると、上述したように、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、上部チャンバ１２２、下部チャンバ１２６および中間チャンバ１２４を有した内側容積部を画定するシェル１２０を備えている。シェル１２０は、上端キャップ１２０−２と下端キャップ１２０−３との間に延びる概ね円筒形の中間部１２０−１を備えている。上端キャップ１２０−２および下端キャップ１２０−３は、フラッシュタンクの内側容積部を画定するシールされたエンクロージャを形成するように、例えば、溶接、蝋付け等によって取り付けられている。

フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、入口ポート１２５、第１の出口ポート１２７および第２の出口ポート１２９をさらに備えている。入口ポート１２５は、２次膨張装置を通過した冷媒流を受けるように中間チャンバ１２４と連通している。入口ポート１２５は、シェル１２０を貫通したチューブ１６０の出口開口部によって画定することができ、チューブ１６０の入口端部において、（冷媒の流れとして）フラッシュタンクの上流側に位置する冷媒ライン４と連通している。第２の出口ポート１２９は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂからの気体相の冷媒流を吐出するように上部チャンバ１２２と連通している。第２の出口ポート１２９は、シェル１２０を貫通したチューブ１６２の入口開口部によって画定することができ、チューブ１６２の出口端部において冷媒ライン１４と連通している。第１の出口ポート１２７は、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂから冷媒回路へ液体相の冷媒流を吐出するように下部チャンバ１２６と連通している。第１の出口ポート１２７は、シェル１２０を貫通したチューブ１６４の入口開口部によって画定することができ、チューブ１６４の出口端部において、（冷媒の流れとして）フラッシュタンクの下流側に位置した冷媒ライン４と連通している。

図３の実施例では、フラッシュタンク１０Ａは、シェル１２０によって画定された内側容積部内に互いに離間して配置された下部プレート１３０および上部プレート１４０を備えている。プレート１３０，１４０の各々は、内側容積部を横切って延びるとともに、シェル１２０の概ね円筒形の中間部１２０−１の内周壁と気密に当接し、これにより、シェル１２０の内側容積部を３つの個別のチャンバに分割する。ここで、３つの個別のチャンバは、互いに離間した２つのプレート１３０，１４０の間に位置した中間チャンバ１２４と、上部プレート１４０と上端キャップ１２０−２との間に位置した上部チャンバ１２２と、下部プレート１３０と下端キャップ１２０−３との間に位置した下部チャンバ１２６とである。本実施例では、第１の流体通路１４２が、上部プレート１４０に設けられるとともにこれを貫通して延びており、これにより、中間チャンバ１２４と上部チャンバ１２２とを連通させている。また、第２の流体通路１３２は、下部プレート１３０に設けられるとともにこれを貫通して延びており、これにより、中間チャンバ１２４と下部チャンバ１２６とを連通させている。

動作時には、入口チューブ１６０を通してフラッシュタンク１０Ａへと流入した二相冷媒流は、入口ポート１２５を通して中間チャンバ１２４へと通流する。中間チャンバ１２４において、二相冷媒流は、液体相と蒸気相との間の密度差によって分離する。蒸気相の冷媒は、第１の流体通路１４２を通して上方の上部チャンバ１２２へと移動する。液体相の冷媒は、第２の流体通路１３２を通して下方の下部チャンバ１２６へと移動する。入口チューブ１６０の出口部は、末広がりのフルート部とすることができ、これにより、入口ポート１２５を通過する二相冷媒流が中間チャンバ１２４へ流入するときに、二相冷媒流は減速する。結果的に生じた二相冷媒流の減速によって、蒸気相と液体相との分離が向上し、これにより、第１の流体通路１４２を通して上方へ移動する蒸気相冷媒流中の液体冷媒のキャリオーバ（ｃａｒｒｙ ｏｖｅｒ）と、第２の流体通路１３２を通して下方に移動する液体相冷媒流中の蒸気相冷媒のキャリアンダ（ｃａｒｒｙ ｕｎｄｅｒ）とが減少する。さらに、キャリオーバの可能性を減少させるために、直径方向に沿って互いに反対の位置となるように第１の流体通路１４２および第２の流体通路１３２を配置することができる。また、入口チューブ１６０の出口端部は、入口ポート１２５が下部プレート１３０の上面と向かい合って配置されるのに十分な程度に、中間チャンバ１２４へと延びることができ、上部プレート１４０の第１の流体通路１４２は、図３に示したように、入口チューブ１６０のフルート部の上方に垂直に配置され得る。この配置によって、蒸気相冷媒の一部が、入口チューブ１６０の出口端部におけるフルート部の外径に沿って上方の第１の流体通路１４２へと通流し、流入する冷媒流の液体相のほぼ全てが、下部プレート１３０の上面に沿って水平方向に広がり得る。この構成では、第２のプレート１３０の第２の流体通路１３２は、直径方向に沿って第１の流体通路１４２の反対側となるように配置され、したがって、入口ポート１２５の下方に位置する乱流領域から離間し得る。

図４の例示的な実施例を参照すると、フラッシュタンク１０Ｂは、螺旋部材１５０を備えており、螺旋部材１５０は、シェル１２０の中心軸に沿って配置された垂直支持チューブ１５２の周囲に延びている。螺旋部材１５０の半径方向外周端部が、シェル１２０の概ね円筒形の中間部１２０−１の内周壁に気密に当接している。これにより、螺旋部材１５０は、下部チャンバ１２６と上部チャンバ１２２との間に延びる連続的な螺旋通路を画定している。入口チューブ１６０は、上部チャンバ１２２と下部チャンバ１２６との間の位置に配置された連続的な螺旋通路と連通しており、本実施例では、該螺旋通路は、中間チャンバ１２４と呼ばれている。１つの実施例では、入口ポート１２５を通して中間チャンバ１２４へと流入する二相冷媒流が、シェル１２０の概ね円筒形の中間部材１２０−１の内周壁に沿って接線方向へ流入するように、入口チューブ１６０を配置することができる。蒸気相と液体相との間の密度差によって、一般に、流入する二相冷媒流中の蒸気相冷媒は、螺旋部材１５０によって画定された連続的な螺旋通路を通して上方へ通流し、二相冷媒流中の液体相冷媒は、螺旋部材１５０によって画定された連続的な螺旋通路を通して下方に通流する。また、螺旋部材１５０を支持する中間の支持チューブ１５２は、シェル１２０の垂直中心軸に沿って延びる細長い導管１５５も画定し、これにより、上部チャンバ１２２と下部チャンバ１２６とが連通する。

上部平衡穴１５４および下部平衡穴１５６が、チューブ１５２の上端部および下端部の各々の付近において、チューブ１５２の壁を貫通している。上部平衡穴１５４は、上部チャンバ１２２と導管１５５とを連通させており、下部平衡穴１５６は、下部チャンバ１２６と導管１５５とを連通させている。導管１５５を介して上部平衡穴１５４と下部平衡穴１５６との間に画定された流路により、支持チューブ１５２内に画定された導管１５５内の液体レベルが、シェル１２０の中央の支持チューブ１５２の外周壁と中間部１２０−１の内周壁との間に画定された連続的な螺旋通路内の液体レベルに等しくなる。また、この流体通路は、導管１５５内に比較的停滞した冷媒流を提供し、これにより、相分離を向上させる機会が増加する。

固定式冷凍システムにおいて用いられているフラッシュタンクと異なり、輸送冷凍の用途においては、冷媒蒸気圧縮システムは、道路、レールおよび海に沿って移動することにより生じる振動や動きに晒される。結果として、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂ内の冷媒は跳ねて、これにより、フラッシュタンク内の冷媒の蒸気相と液体相とがさらに混合し得る。プレート１３０，１４０または螺旋部材１５０により、輸送冷凍システムの振動や動きから生じる跳ねの程度が減少する。さらに、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂは、内部に導入される液体相と蒸気相との分離を実質的に向上させる内部構成要素を備えており、これにより、エバポレータを横切る冷媒のエンタルピの差を最大化して、システムの構成要素の大きさを制限し、システムの性能係数ＣＯＰおよび定格エネルギ効率ＥＥＲを最適化する。さらに、フラッシュタンク１０Ａ，１０Ｂから引き込まれるとともに圧縮プロセスの中間段へと噴射される冷媒の質が高いことにより、冷凍システムの容量が増加する。フラッシュタンク１０Ａの実施例またはフラッシュタンク１０Ｂの実施例を、冷媒蒸気圧縮システム１００の図１の実施例または図２の実施例に用いることができることを理解されたい。

当業者であれば、本発明の特定の例示的な実施例に多くの変更がなされ得ることを理解するであろう。例えば、冷媒蒸気圧縮システムは、上述した遷臨界サイクルではなく、亜臨界サイクルにおいても動作することができる。図示した例示的な実施例について本発明を特に示して説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲によって画定される本発明の真意および範囲を逸脱することなく、種々の変更が細部になされ得ることを理解するであろう。

Claims (14)

1. 冷媒回路において連通するように接続される、超臨界圧力へ冷媒蒸気を圧縮する圧縮装置と、超臨界冷媒圧力で動作するガスクーラと、亜臨界冷媒圧力で動作するエバポレータと、
   前記冷媒回路の前記ガスクーラと前記エバポレータとの間に配置された１次膨張装置と、
   前記冷媒回路の前記ガスクーラと前記１次膨張装置との間に配置された２次膨張装置と、
   前記冷媒回路において冷媒の流れとして前記１次膨張装置の上流側でかつ前記２次膨張装置の下流側に配置されたフラッシュタンクと、
   を備えてなる、遷臨界冷凍サイクルで動作する輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システムであって、
   前記フラッシュタンクは、
   上部チャンバ、下部チャンバおよび中間チャンバへ分割された内側容積部を画定するシェルと、
   前記シェルによって画定された前記内側容積部内に互いに離間して配置され、前記シェルの内周壁に当接するように前記内側容積部を横切って延びる下部プレートおよび上部プレートと、
   前記中間チャンバと前記上部チャンバとを連通させる第１の流体通路と、
   前記中間チャンバと前記下部チャンバとを連通させる第２の流体通路と、
   前記２次膨張装置を通過した冷媒流を受けるように前記中間チャンバと連通した入口ポートと、
   前記フラッシュタンクから蒸気相の冷媒流を吐出するように前記上部チャンバと連通した第１の出口ポートと、
   前記フラッシュタンクから前記冷媒回路へ液体相の冷媒流を吐出するように前記下部チャンバと連通した第２の出口ポートと、
   を備えることを特徴とする輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
2. 前記フラッシュタンクの前記上部チャンバと連通した前記第１の出口ポートと、前記圧縮装置の中間圧力段とを連通させる冷媒蒸気噴射ラインをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
3. 前記フラッシュタンクの前記下部チャンバと連通した前記第２の出口ポートと、前記圧縮装置の中間圧力段とを連通させる液体冷媒噴射ラインをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
4. 前記フラッシュタンクは、
   前記中間チャンバと前記上部チャンバとを連通させる前記第１の流体通路を形成するように、前記上部プレートを貫通して延びる第１の開口部と、
   前記中間チャンバと前記下部チャンバとを連通させる前記第２の流体通路を形成するように、前記下部プレートを貫通して延びる第２の開口部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
5. 前記フラッシュタンクは、
   前記下部チャンバと前記上部チャンバとを連通させる導管を画定するように、前記シェルの垂直中心軸に沿って延びる細長い支持チューブと、
   連続的な螺旋流体流通路を画定するように前記支持チューブを中心に延びる螺旋部材であって、前記連続的な螺旋流体流通路の第１の部分が、前記中間チャンバと前記上部チャンバとを連通させる前記第１の流体流路を形成し、前記連続的な螺旋流体流通路の第２の部分が、前記中間チャンバと前記下部チャンバとを連通させる前記第２の流体流路を形成する、螺旋部材と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
6. 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
7. 前記圧縮装置は、少なくとも、第１の比較的低圧の圧縮段と第２の比較的高圧の圧縮段とを有した単一のコンプレッサであることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
8. 前記圧縮装置は、第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサであり、前記第１のコンプレッサおよび前記第２のコンプレッサは、前記冷媒回路において、冷媒が直列に流れる関係でもって、前記第１のコンプレッサの吐出口と第２のコンプレッサの吸入口とが連通するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
9. 前記導管の上部領域と前記連続的な螺旋流体流通路の上部領域とを連通させるように、前記支持チューブの上端部付近に該支持チューブを貫通して延びる上部平衡穴と、
   前記導管の下部領域と前記連続的な螺旋流体流通路の下部領域とを連通させるように、前記支持チューブの下端部付近に該支持チューブを貫通して延びる下部平衡穴と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の輸送冷凍冷媒蒸気圧縮システム。
10. 内側容積部を画定するシェルと、
    前記シェルによって画定された前記内側容積部内に互いに離間して配置され、前記シェルの内周壁に当接するように前記内側容積部を横切って延び、前記内側容積部を上部チャンバ、中間チャンバおよび下部チャンバに分割する、下部プレートおよび上部プレートと、
    前記中間チャンバと前記上部チャンバとを連通させるように、前記上部プレートを貫通して延びる第１の開口部と、
    前記中間チャンバと前記下部チャンバとを連通させるように、前記下部プレートを貫通して延びる第２の開口部と、
    液体相と蒸気相とを混合してなる流体流を受けるように前記中間チャンバと連通した入口ポートと、
    前記上部チャンバから蒸気相の冷媒流を吐出するように前記上部チャンバと連通した第１の出口ポートと、
    前記下部チャンバから液体相の冷媒流を吐出するように前記下部チャンバと連通した第２の出口ポートと、
    を備えたフラッシュタンク分離器。
11. 前記上部プレートの前記第１の開口部および前記下部プレートの前記第２の開口部は、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のフラッシュタンク分離器。
12. 前記シェルを貫通し、前記入口ポートを画定するフルート状出口を有する入口チューブをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のフラッシュタンク分離器。
13. 上部チャンバ、中間チャンバおよび下部チャンバを有した内側容積部を画定するシェルと、
    前記シェルの垂直中心軸に沿って前記下部チャンバと前記上部チャンバとの間に延びる細長い支持チューブと、
    連続的な螺旋流体流通路を画定するように、前記支持チューブを中心に延びる螺旋部材であって、前記連続的な螺旋流体流通路の第１の部分が、前記中間チャンバと前記上部チャンバとを連通させ、前記連続的な螺旋流体流通路の第２の部分が、前記中間チャンバと前記下部チャンバとを連通させる、螺旋部材と、
    前記導管の上部領域と前記連続的な螺旋流体流通路の上部領域とを連通させるように、前記支持チューブの上端部付近に該支持チューブを貫通して延びる上部平衡穴と、
    前記導管の下部領域と前記連続的な螺旋流体流通路の下部領域とを連通させるように、前記支持チューブの下端部付近に該支持チューブを貫通して延びる下部平衡穴と、
    前記２次膨張装置を通過した冷媒流を受けるように前記中間チャンバと連通した入口ポートと、
    フラッシュタンク分離器から気体相の冷媒流を吐出するように前記上部チャンバと連通した第１の出口ポートと、
    前記フラッシュタンク分離器から前記冷媒回路へ液体相の冷媒流を吐出するように前記下部チャンバと連通した第２の出口ポートと、
    を備えたフラッシュタンク分離器。
14. 前記シェルを貫通し、前記入口ポートを画定する出口を有した入口チューブをさらに備え、前記入口チューブの出口は、前記シェルの内周壁に周方向に沿って通流するように、液体相と蒸気相とを混合してなる流体の流入流れを導くことを特徴とする請求項１３に記載のフラッシュタンク分離器。

Images