JP4053283B2 - 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装置 - 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、気体冷却器、膨脹装置、および蒸発器から構成される。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ために、エコノマイザ回路が用いられる場合がある。エコノマイザ回路は、熱放出型熱交換器から放出される冷媒をその圧力が中間圧力となるまで膨脹させ、この冷媒流を分割して２つの冷媒流にする。一方の冷媒流は、熱吸収型熱交換器に供給され、他方の冷媒流は、２つの圧縮装置の間で冷媒流を冷却するために供給される。エコノマイザ回路の一形態では、このように冷媒を分割するのにフラッシュタンクが用いられる。本発明は、フラッシュタンク内部の冷媒の量を制御することにより蒸気圧縮システムの高圧成分（気体冷却器内部の圧力）を調整するものである。本発明の好適な実施例では、冷媒として二酸化炭素が用いられる。
【０００７】
フラッシュタンクが用いられる場合、気体冷却器から放出された冷媒は、第１膨脹装置を通過し、これによって、冷媒の圧力が低下する。冷媒は、液状部分およびガス状部分を有する状態でフラッシュタンクに収集される。ガス状冷媒は、第１圧縮装置から流出する冷媒を冷却するのに利用され、液状冷媒は、第２膨張装置においてさらに膨張した後で、蒸発器に流入する。
【０００８】
フラッシュタンクへの流路およびフラッシュタンクからの流路に配置されている膨脹弁は、冷媒を膨脹させて高圧力状態から低圧力状態にするために用いられる。本発明は、膨脹弁の動作を制御してフラッシュタンクへと流入する冷媒の流量およびフラッシュタンクから流出する冷媒の流量を制御し、これによって、フラッシュタンク内部に貯留される冷媒の量を調節するものである。フラッシュタンク内部に貯留される冷媒の量を調整することによって、気体冷却器内部の冷媒の量および蒸気圧縮システムの高圧成分を制御することができる。
【０００９】
蒸気圧縮システムの圧力は、バルブの動作を制御することにより最適化することができる。気体冷却器内部の圧力が低すぎる場合、フラッシュタンクから蒸気圧縮システムへと冷媒が放出されるよう膨脹弁が調整され、これによって、気体冷却器の圧力が増大し、蒸気圧縮システムの容量が増大する。気体冷却器内部の圧力が高すぎる場合、フラッシュタンク内部に冷媒が貯留されるよう膨脹弁が調整され、これによって、気体冷却器の圧力が低下し、圧縮機により消費されるエネルギが減少する。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の上述した目的および他の目的は、以下の詳細な説明および付随の図面によってより明確となるだろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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、本発明は、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。
【００１３】
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。基本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。
【００１４】
冷媒は、閉回路サイクル１０を流れる。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したが、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利用した蒸気圧縮システム１０は、超臨界領域（transcritical）で運転しなければならない。
【００１５】
蒸気圧縮システム１０を超臨界領域で運転する際には、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に入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の仕事量をより大きくする必要があるため、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。
【００１６】
図１に示された従来技術の蒸気圧縮システム１０のサイクルにおいては、冷媒が、図２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。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。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。
【００１７】
図３には、二段式エコノマイズドサイクル内にフラッシュタンク２０を備えた蒸気圧縮システム１０が示されている。気体冷却器１４から流出する冷媒は第１膨張装置１６ａを通り、その圧力が低下する。冷媒は、液体部分２４および気体部分２２を有する状態で、フラッシュタンク２０に収集される。フラッシュタンク２０の構造は、周知であるため、本発明には無関係である。フラッシュタンク２０は、本発明の斬新な方法により制御される。冷媒ガス２２は、フラッシュタンク２０の頂部から排出され、第１圧縮装置１２ａから流出する冷媒を冷却するのに利用される。液状冷媒２４は、フラッシュタンク２０の底部に収集され、第２膨張装置１６ｂにおいてさらに膨張した後で、蒸発器１８に流入する。冷媒は、蒸発器１８を通過した後で、第１圧縮装置１２ａにより圧縮され、第１圧縮装置１２ａから放出された後で、フラッシュタンク２０から流出する低温の冷媒ガス２２により冷却される。続いて、冷媒は、第２圧縮装置１２ｂによりさらに圧縮された後に、気体冷却器１４に流入する。フラッシュタンク２０を用いることによって、蒸気圧縮システム１０の比エンタルピーが減少し、これによって、蒸気圧縮システム１０の容量が増大する。しかし、フラッシュタンク２０によっては、気体冷却器１４内部の高圧成分に対して効果が得られないため、蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力の制御をさらに行うことが可能である。
【００１８】
複数段階の圧縮を行うことにより、蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力と低圧成分の圧力との差が大きくなり、エコノマイズされた蒸気圧縮システム１０の効率を増大させることができる。周知のように、ライン２３によって、冷媒ガス２２が圧縮装置１２ｂの吸入部分に供給され、これによって、冷却が行われる。これは、エコノマイズド運転として周知である。エコノマイズドサイクルおよび非エコノマイズドサイクルの熱力学的特性が、図４に示されている。エコノマイズド運転によって、気体冷却器１４を通過する質量流量を増大させるとともに、蒸発器１８に流入する冷媒の比エンタルピを減少させることができ、これによって、サイクルの冷却容量を増大させることができる。
【００１９】
図５には、超臨界蒸気圧縮サイクルの高圧成分の圧力を調整するためのフラッシュタンク２０および膨張弁２６，２８が示されている。第１膨張弁２６は、フラッシュタンク２０に流入する冷媒の流量を調整するものであり、第２膨張弁２８は、フラッシュタンク２０から流出する冷媒の流量を調整するものである。
【００２０】
周知のように、第１膨張弁２６および第２膨張弁２８を通過する冷媒の流量は、蒸気圧縮システム１０の圧力および膨張弁２６，２８の開口部の直径に相関する。膨張弁２６，２８は、前記開口部の寸法を増大もしくは減少させることにより作動される。膨張弁２６，２８の開口部の寸法を拡大つまり増大させることによって、膨張弁２６，２８を通過する冷媒の流量を増大させることができる。逆に、膨張弁２６，２８の開口部の寸法を縮小つまり減少させることにより、膨脹弁２６，２８を通過する冷媒の流量を減少させることができる。膨脹弁２６，２８を通過する冷媒の流量を制御することによって、フラッシュタンク２０および気体冷却器１４内部の冷媒の量を調節することができ、これによって、気体冷却器１４内部の圧力を制御することができる。
【００２１】
制御装置２９によって、気体冷却器１４内部の圧力が監視され、第１膨脹弁２６および第２膨脹弁２８が制御される。制御装置２９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２９は、蒸気圧縮サイクル１０の状態を評価し、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、膨脹弁２６，２８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。
【００２２】
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、冷媒を圧縮するのに多くのエネルギが利用される。制御装置２９は、第２膨脹弁２８を締めてフラッシュタンク２０から流出する冷媒の体積流量を減少させ、これによって、フラッシュタンク２０内部の冷媒の量を増大させ、気体冷却器１４内部の冷媒の量およびの圧力を減少させる。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の効率を増大させることが可能である。制御装置２９は、第１膨張弁２６を締めてフラッシュタンク２０に流入する冷媒の体積流量を減少させ、気体冷却機１４内部の冷媒の量および圧力を増大させる。
【００２３】
気体冷却器１４内部の圧力は、制御装置２９により監視される。気体冷却器１４内部の圧力が変化すると、制御装置２９により第１膨張弁２６および第２膨脹弁２８の動作が調整され、これによって、圧力が最適化される。
【００２４】
第１膨張弁２６および第２膨脹弁２８の動作を選択的に制御することによって、フラッシュタンク２０に貯留される冷媒の量を変化させることができ、これによって、蒸気圧縮システム１０の高圧成分が変化することによって、容量および／または効率が最適化される。膨張前に気体冷却器１４の高圧力を調整することによって、蒸発器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の容量および／または効率が調節される。
【００２５】
膨脹弁２６を締めてフラッシュタンク２０内部の冷媒の量を減少させ、膨脹弁２８を締めてフラッシュタンク２０内部の冷媒の量を増大させるものとして本発明の制御装置２９の動作を説明することが最も簡単であるが、膨脹弁２６を開いてフラッシュタンク２０に流入する冷媒の流量を増大させ、膨脹弁２８を開いてフラッシュタンク２０内部の冷媒の量を減少させることも可能である。
【００２６】
図６に示されているように、第３バルブ３０および第４バルブ３２をさらに用いてフラッシュタンク２０内部の冷媒の量を変化させ、これによって、蒸気圧縮システム１０の効率および／または容量を最適化することも可能である。第４のバルブ３２によって、フラッシュタンク２０から圧縮装置１２へと流れる冷媒の流量が制御される。第４バルブ３２が閉じられることによって、エコノマイザ回路がオフになり、フラッシュタンク２０から流出する冷媒ガス２２が圧縮機１２に流入することが阻止される。第４バルブ３２が閉じられている状態では、冷媒ガス２０がフラッシュタンク２０内部に貯留される。第３バルブ３０は開放手段として機能し、第３バルブが開かれている状態では、フラッシュタンク２０から流出した冷媒が蒸発器１８に流れ込む。第３バルブ３０が開かれることによって、フラッシュタンク２０から流出した冷媒ガス２２が蒸発器１８に流入し、冷媒ガス２２が放出される。逆に、第４バルブ３２を開いてエコノマイザ回路をオンにすることも可能である。第３バルブ３０および第４バルブ３２を制御することにより、エコノマイザ回路をオン・オフして、蒸気圧縮システム１０の効率を最適化することができる。第３バルブ３０および第４バルブ３２の動作もまた、気体冷却器１４内部の圧力を監視する制御装置２９によって制御される。
【００２７】
従って、本発明は、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を制御するための膨脹弁２６，２８を備えたフラッシュタンク２０を提供するものである。
【００２８】
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】超臨界蒸気圧縮システムの熱力学的特性を示す図。
【図３】フラッシュタンクを備えた従来技術の２段式蒸気圧縮システムを示す概略図。
【図４】超臨界蒸気圧縮システムの２段式のエコノマイズドサイクルおよび非エコノマイズドサイクルの熱力学的特性を示す図。
【図５】蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を制御する膨脹弁を備えた２段式蒸気圧縮システムのフラッシュタンクの概略図。
【図６】蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を制御する付加的な膨脹弁を備えた２段式蒸気圧縮システムのフラッシュタンクの概略図。
【符号の説明】
１２ａ…第１圧縮装置
１２ｂ…第２圧縮装置
１４…気体冷却器
１６ａ…第１膨脹装置
１６ｂ…第２膨脹装置
１８…蒸発器
２０…フラッシュタンク
２６，２８…膨脹弁
２９…制御装置
３０，３２…バルブ

Claims (9)

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装置であって、
   第１膨脹弁と第２膨脹弁との間に配置されて、ある量の冷媒を貯留するフラッシュタンクを備えており、前記フラッシュタンクから第１の圧縮装置と第２の圧縮装置との間における内部圧縮段まで流路が延びており、
   前記第１膨脹弁によって、前記フラッシュタンクに流入する冷媒の流量が調整され、これによって、前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が調整され、前記第１膨脹弁は、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置によって作動されるようになっており、
   前記第２膨脹弁によって、前記フラッシュタンクから流出する冷媒の流量が調整され、これによって、前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が調整され、前記第２膨脹弁は、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置によって作動されるようになっており、
   前記フラッシュタンクから熱吸収型熱交換器に流入する前記冷媒の流量を調整するよう配置された第３バルブと、前記フラッシュタンクから圧縮装置に流入する冷媒の流量を調整するよう配置された第４バルブと、を備えており、前記第３バルブおよび前記第４バルブが、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置により作動されることを特徴とする装置。
2. 前記の高圧成分の圧力が、前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が作動されて前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が制御されることによって、調整されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が制御されることによって、前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が減少して、冷媒の前記の高圧成分の圧力が上昇することを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が制御されることによって、前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が増大して、冷媒の前記の高圧成分の圧力が低下することを特徴とする請求項１記載の装置。
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装置。
6. 超臨界蒸気圧縮システムであって、
   第１圧縮装置、第２圧縮装置、および前記第１圧縮装置と前記第２圧縮装置との間における内部圧縮段を備え、冷媒を圧縮して高圧力の状態にする二段式圧縮装置と、
   前記冷媒を冷却する熱放出型熱交換器と、
   第１膨脹弁および第２膨脹弁を備え、前記冷媒の圧力を低下させて低圧力の状態にする二段式膨脹装置と、
   前記冷媒を蒸発させる熱吸収型熱交換器と、
   前記超臨界蒸気圧縮システムの前記の高圧成分の圧力を調整するフラッシュタンクと、を備えており、前記フラッシュタンクは、前記第１膨脹弁と前記第２膨脹弁との間に配置されているとともに、前記内部圧縮段と連通した流路を備えており、前記第１膨脹弁により前記フラッシュタンクに流入する冷媒の流量が調整され、前記第２膨脹弁により前記フラッシュタンクから流出する冷媒の流量が調整され、前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が作動されることによって、前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が調整され、これによって、前記の高圧成分の圧力が調整され、
   前記フラッシュタンクから熱吸収型熱交換器に流入する前記冷媒の流量を調整するよう配置された第３バルブと、前記フラッシュタンクから圧縮装置に流入する冷媒の流量を調整するよう配置された第４バルブと、を備えており、前記第３バルブおよび前記第４バルブが、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置により作動されることを特徴とする超臨界蒸気圧縮システム。
7. 前記の高圧成分の圧力が、前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が作動されて前記フラッシュタンク内部の冷媒の量が制御されることによって、調整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。
8. 前記冷媒が前記フラッシュタンクに貯留されることによって、前記冷媒の前記の高圧成分の圧力が低下し、前記冷媒が前記フラッシュタンクから排出されることによって、前記冷媒の前記の高圧成分の圧力が増大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. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の超臨界蒸気圧縮システム。

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