(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側において超臨界圧力で作動する、少なくとも２段の圧力レベルを有する膨張プロセスにおいて或る充填量の冷媒を含む閉回路蒸気圧縮式冷凍システムを運転する方法であって、該システムは、少なくとも１個の圧縮器（１）、少なくとも１個の放熱器（２）、少なくとも２個の並列に接続された吸熱器（４）、各吸熱器（４）の上流側に設けられた少なくとも１個の可変膨張手段（３）、少なくとも１個の可変膨張手段（３）の上流側に設けられた、中間圧力における冷媒分配のための少なくとも１個の更なる膨張手段（１１、１９'、１９"）、及び１組のセンサ（９’、１５）に接続された、可変膨張手段（３）を制御するための少なくとも１個の制御ユニット（８”）を有し、該方法は、制御パラメータを設定範囲内に維持すると共に制御の結果生じる過剰な充填をシステムの低圧側で緩和するために、可変膨張手段（３）の各々を通る冷媒の流量を制御ユニット（８”）によって協調制御するステップを含み、該制御パラメータが中間圧力容器（１２）内の液レベル検出器（１３）によって測定される液レベルであり、システムの高圧側の圧力が少なくとも１個の更なる膨張手段（１１）によって制御されるものである方法。
【請求項２】
二酸化炭素又は二酸化炭素を含む冷媒混合物がシステムにおける冷媒として適用されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
吸熱器（４）からの過剰な充填が、システムの質量バランスのためのバッファとしても使用される、低圧受液器（５）又は低圧側の容積内に集められる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
吸熱器（４）は、冷媒の一部が出口において液体となるように動作させることができる、請求項１〜３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
コントローラ（８”）は、各吸熱器（４）の出口側の状態をセンサ（１５）から集め、各吸熱器（４）について、定義された範囲内の出口信号設定点に達するまで膨張手段（３）を調節する、請求項１〜４の何れかに記載の方法。
【請求項６】
液レベル検出器（１３）からの信号を使用して、膨張手段（１１）を介して中間圧力受液器（１２）からシステムの低圧側への冷媒の流れを制御して、中間圧力受液器（１２）における液レベルを一定にする、請求項１〜５の何れかに記載の方法。
【請求項７】
中間圧力容器（１２）から冷媒蒸気を抽出して、別個の流路を介して主圧縮器（１）、別個の圧縮器、又はシステムの低圧側に流すことで吸熱器供給路の圧力を低下させる、請求項１〜６の何れかに記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１個の可変膨張手段（３）の上流側に設けられた、中間圧力における冷媒分配のための少なくとも１個の更なる膨張手段（１１、１９'、１９"）が、吸熱器（４）のための膨張手段（３）と直列に設けられた受動的膨張装置（１９）である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
受動的膨張装置（１９）は、動作状態によって変化する圧力差を有することができる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
高圧側において超臨界圧力で作動する、少なくとも２段の圧力レベルを有する膨張プロセスにおいて或る充填量の冷媒を含む閉じた蒸気圧縮回路に基づく冷凍システムであって、更に、少なくとも１個の圧縮器（１）、少なくとも１個の放熱器（２）、少なくとも２個の並列に接続された吸熱器（４）、各吸熱器（４）の上流側に設けられた少なくとも１個の可変膨張手段（３）、少なくとも１個の可変膨張手段（３）の上流側に設けられた、中間圧力における冷媒分配のための少なくとも１個の更なる膨張手段（１１、１９'、１９"）、及び１組のセンサ（９’、１５）に接続された少なくとも１個の制御ユニット（８"）を有し、制御パラメータを設定範囲内に維持するために可変膨張手段（３）の各々を通る冷媒の流量を協調制御するために制御ユニット（８”）が設けられると共に、制御の結果生じる過剰な充填を緩和するためにシステムの低圧側に容積が設けられ、該制御パラメータが中間圧力容器（１２）内の液レベル検出器（１３）によって測定される液レベルであり、システムの高圧側の圧力が少なくとも１個の更なる膨張手段（１１）によって制御されるものである冷凍システム。
【請求項１１】
低圧受液器（５）を有している、請求項１０に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
低圧受液器（５）は、高圧流体の全て又は一部が流れるコイル（７）を有している、請求項１１に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
低圧受液器（５）は、潤滑剤と混じった液体冷媒の一部を受液器（５）から流出させる流路（１７）を有している、請求項１１又は１２に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
内部熱交換器（６）を有している、請求項１０〜１３の何れかに記載の冷凍システム。
【請求項１５】
レベルインジケータ（１３）を備えた中間圧力容器（１２）を有し、少なくとも１個の更なる膨張手段が高圧側の圧力を制御する別個の膨張手段（１１）である、請求項１０〜１４の何れかに記載の冷凍システム。
【請求項１６】
液体の冷媒又は液体と気体の冷媒の混合物を移送できる、膨張手段（１６）を備えた中間圧力受液器（１２）からシステムの低圧側に至る流路を有している、請求項１０〜１５の何れかに記載の冷凍システム。
【請求項１７】
蒸気の冷媒を中間圧力受液器（１２）から流出させることができる、中間圧力受液器（１２）から、主圧縮器（１）、別個の圧縮器、又はシステムの低圧側に至る流路を有している、請求項１０〜１６の何れかに記載の冷凍システム。
【請求項１８】
少なくとも１個の更なる膨張手段が、吸熱器（４）のための膨張手段（３）と直列に設けられた受動的膨張装置（１９）である、請求項１０に記載の冷凍システム。
【請求項１９】
受動的膨張装置（１９）が、動作状態によって調節される可変圧力差特性を有する、請求項１８に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉じた循環回路を構成するように接続された単一又は複数の圧縮器、単一又は複数の放熱器、膨張手段及び２個以上の吸熱器を含む圧縮冷凍システムであって、高圧側において超臨界圧力で動作でき、二酸化炭素又は二酸化炭素を含む混合物がシステム内の好ましい冷媒である圧縮冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蒸気圧縮システムは、ある温度での飽和圧力で決まる臨界前圧力での冷媒の凝縮によって高圧側で熱を放出する。臨界温度が低い冷媒、例えばＣＯ2を使用する場合、もしシステムの高効率運転を達成するためにヒートシンクの温度が高い、例えば、冷媒の臨界温度よりも高くされていると、放熱時圧力は臨界圧となる。従って、運転サイクルは、例えば、特許文献１から知られているように遷移臨界となる。高圧側の温度と圧力は従来のシステムと異なり独立変数となる。
【０００３】
特許文献２及び特許文献３は、何れもその様なシステムを実現するための単純な回路を開示しており、このシステムは、基本的に、閉回路を形成するように接続された圧縮器、放熱器、膨張手段及び吸熱器（エバポレータ）を有する。環境に対する懸念から、何れのシステムにおいてもＣＯ2が好ましい冷媒である。
【０００４】
上記の遷移臨界サイクルも、典型的には複数のエバポレータと圧縮器を並列に接続したマルチクーリングシステム（例えば、スーパーマーケットシステム、工業的システム又は自動販売機）において使用できる。従来のシステムと異なり、これも前述したように、高圧側の圧力を高圧側の温度と独立して制御できる。特許文献４に記載されているように、ある運転状況に対して最適即ち理想的な高圧側圧力が存在し、これに対応する最適即ち最大のシステム効率が存在する。
【０００５】
マルチクーリングシステム内の各エバポレータに対する冷却要求は異なると共に変化するため、冷媒の供給を個別に制御することが必要となる。各エバポレータは、変化する冷却要求に応じるために冷媒の供給を制御する膨張手段に接続されている。問題となるのは、システム全体において、高圧側で最適圧力を維持すると同時にエバポレータの要求を全て満たすことである。その様なシステムを最適に運転するためには、特別な制御戦略が必要となる。
【０００６】
通常、個々の冷媒の供給は、エバポレータ冷媒の過熱を入力信号又は制御パラメータとして使用する別個の弁によって制御される。しかし、過熱はエバポレータの効率を低下させてしまう。過熱を低減するとエバポレータの液体脈動が発生し、温度信号が不安定となって、弁制御の繰り返しを引き起こす可能性がある。例えば、この制御戦略を使って最適高圧制御を維持すること及び中間圧力レベルでの受液器の液体レベルを制御することの何れもが不可能となる。この制御戦略によって導入される活性冷媒の充填変動（charge variations）は、中間圧力レベル又は最適高圧制御を達成すべき場合は高圧側で緩和して解放しなければならない。しかし、この場合、高圧側圧力の最適な制御が困難になる。何故なら、必要となる部品についての設計圧力が非常に高くなるためである。従って、より頑丈で効率の高い設計が望ましい。
【０００７】
例えば、スーパーマーケット設置用のより大型の冷凍プラントについての更なる問題は、エバポレータの供給ラインが非常に長くなることである。コストを低減するために、高圧冷媒（例えば、ＣＯ2）の場合、供給冷媒圧力を低下させることによって供給ラインの圧力分類をより低いものに切り替えることが有利である。最適化されたシステム設計は、供給圧力を低下させる。
【０００８】
特許文献５は、例えば、二酸化炭素を冷媒として使用する、遷移臨界モードで動作する冷凍システムの単純な制御方法を記載している。また、臨界前モードで運転する場合、単純でエネルギー効率の高い制御戦略が必要となる。従来のシステムと異なり、臨界温度が低い冷媒（例えば、二酸化炭素）を使用する場合、放熱器の限られた部分のみが凝縮のために使用される。臨界前状態で最適な制御を行うための新規で単純な方法が必要とされている。
【０００９】
冷凍用途（貯蔵温度が０℃以下）のためのエバポレータコイルは霜取りを必要とする。霜取りを行う従来の方法は、エバポレータコイルに取り付けた電気抵抗式加熱ロッドによって熱を供給することである。この電気加熱システムは、エバポレータの生産コストを高くし、運転コストを増大させ、コイルの寸法を大きくする。適切なシステム設計を使用することにより、利用可能なプロセス熱を霜取りに用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＷＯ９０／０７６８３
【特許文献２】ＷＯ９４／１４０１６
【特許文献３】ＷＯ９７／２７４３７
【特許文献４】ＷＯ９０／０７６８３
【特許文献５】ＷＯ２００４／０５７２４６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、上に述べた欠点や不都合を減少する、単純で、費用効果が高く、エネルギー効率が高く、そして実際的なシステムを作ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、添付の独立請求項において定義された特徴を有する。本発明の有利な特徴が添付の従属請求項において更に定義されている。
【００１３】
従って、本発明は、高圧側において超臨界圧力で作動する或る充填量の冷媒を含む閉回路蒸気圧縮式冷凍システムを運転する方法に関する。このシステムは、更に、少なくとも１個の圧縮器、少なくとも１個の放熱器、少なくとも２個の並列に接続された吸熱器、各吸熱器の上流側に設けられた少なくとも１個の可変膨張手段、及び１組のセンサに接続された、可変膨張手段を制御するための少なくとも１個の制御ユニットを有する。本方法は、制御パラメータを設定範囲内に維持すると共に制御の結果生じる過剰な充填（charge）をシステムの低圧側で緩和するために、可変膨張手段の各々を通る冷媒の流量を制御ユニットによって協調制御するステップを含む。
【００１４】
制御パラメータは、システムの高圧側の圧力とすることができる。
【００１５】
制御パラメータは、中間圧力での液レベルとすることができ、高圧は別個の膨張手段によって制御してもよい。
【００１６】
二酸化炭素又は二酸化炭素を含む冷媒混合物をシステムにおける冷媒として適用してもよい。
【００１７】
吸熱器からの過剰な充填又は液体を、システムの質量バランスのためのバッファとしても使用される、低圧受液器又は低圧側の容積内に集めてもよい。
【００１８】
吸熱器は、冷媒の一部が出口において液体となるように動作させてもよい。
【００１９】
コントローラは、各吸熱器の出口側の状態をセンサから集め、各吸熱器について、定義された範囲内の出口信号設定点に達するまで膨張手段を調節してもよい。
【００２０】
液レベルインジケータからの制御信号を使用して、膨張手段を介しての中間圧力受液器からシステムの低圧側への冷媒の流れを制御して中間圧力受液器における液レベルを一定にしてもよい。
【００２１】
吸熱器供給路の圧力は、中間圧力容器から冷媒蒸気を抽出して、別個の流路を介して主圧縮器、別個の圧縮器へ流すことによって低下させてもよい。吸熱器供給路の圧力は、中間圧力容器から冷媒蒸気を抽出して、圧縮器、即ちシステムの低圧側に流すことで低下させてもよい。
【００２２】
吸熱器のための膨張手段と直列に設けられた受動的膨張装置によって２段膨張プロセスを行ってもよい。
【００２３】
受動的膨張装置は、動作状態によって変化する圧力差を有していてもよい。
【００２４】
システムは２以上の低圧レベルを有していてもよい。
【００２５】
更に、本発明は、高圧側において超臨界圧力で作動する或る充填量の冷媒を含む閉じた蒸気圧縮回路に基づく冷凍システムに関する。このシステムは、更に、少なくとも１個の圧縮器、少なくとも１個の放熱器、少なくとも２個の並列に接続された吸熱器、各吸熱器の上流側に設けられた少なくとも１個の可変膨張手段、及び１組のセンサに接続された、可変膨張手段を制御するための少なくとも１個の制御ユニットを有する。制御パラメータを設定範囲内に維持するために可変膨張手段の各々を通る冷媒の流量を協調制御するために制御ユニットが設けられると共に、制御の結果生じる過剰な充填を緩和するためにシステムの低圧側に容積が設けられている。
【００２６】
システムは、低圧受液器を有してもよい。
【００２７】
低圧受液器は、高圧流体の全て又は一部が流れるコイルを有していてもよい。
【００２８】
低圧受液器は、潤滑剤と混じった液体冷媒の一部を受液器から流出させる流路を有していてもよい。
【００２９】
システムは、内部熱交換器を有していてもよい。
【００３０】
システムは、レベルインジケータを備えた中間圧力容器と、高圧側の圧力を制御する別個の膨張手段とを有していてもよい。
【００３１】
システムは、液体の冷媒又は液体と気体の冷媒の混合物を移送できる、膨張手段を備えた中間圧力受液器からシステムの低圧側に至る流路を有していてもよい。
【００３２】
システムは、蒸気の冷媒を中間圧力受液器から流出させることができる、中間圧力受液器から主圧縮器、別個の圧縮器、又はシステムの低圧側に至る流路を有していてもよい。
【００３３】
システムは、吸熱器のための膨張手段と直列に設けられた受動的膨張装置を有していてもよい。
【００３４】
システムは、動作状態によって調節される可変圧力差特性を有する受動的膨張装置を有していてもよい。
【００３５】
システムは、２以上の低圧レベルを有していてもよい。
【００３６】
本発明は、例えば、二酸化炭素を冷媒と使用して、高圧側において超臨界圧力で動作する閉じた循環回路を構成するように接続された、圧縮器、放熱器、膨張手段及び２個以上の吸熱器（エバポレータ）を少なくとも有する圧縮冷凍システムに関する。
【００３７】
本発明は、高圧側において最適又は理想の圧力を達成するか、別の被制御パラメータ（例えば、上記のシステムにおける中間圧力レベルでの液レベル）と組み合わせて最適な圧力を達成するための新規な制御方法を提供する。中間圧力での液レベルは、システムの高圧側で圧力レベルを制御する主膨張手段の下流側に置かれた比較的小さい受液器内のレベルである。それと同時に、エバポレータの個別の冷媒供給要求が満たされる。マルチクーリングシステム内の各エバポレータに対する要求が異なると共に変化する場合には、高圧側で最適な圧力を維持する結果として生じる、活性冷媒の充填変動を、システムの低圧側で緩和し、解放する。
【００３８】
好適な実施形態においては、冷却ユニット、即ちエバポレータの各々は、変化する冷却要求に応えるために冷媒の供給を制御する膨張手段を有している。冷却ユニットの異なるエバポレータに対する冷媒供給を制御する全ての膨張手段を協調制御することによって、例えば、プロセスの高圧側において最適又は理想的な圧力を達成できる。各膨張手段は、エバポレータの出口で測定された状態に基づく制御信号によって制御される。制限は、エバポレータの何れもが供給不足であってはならないこと、即ち、冷媒の供給が十分でなければならないことだけである。高圧側の圧力を変化させる必要がある場合、冷却ユニットからの制御信号を比較して、圧力の変化が得られるように、全ての膨張手段が協調動作で一斉に制御される。センサの内の１個からの制御信号が許容範囲から外れている場合、対応する膨張手段の必要な調節は、他の膨張手段の内の一以上を調節するために必要となる同時補正によって満足するものとしなければならない。これは、主被制御パラメータ（例えば、システムの高圧側圧力）が最適に制御された状態から逸脱しないように行われる。このように、マルチクーリング用のシステムのために最適な運転が確立される。
【００３９】
他の実施形態は、高圧側で圧力を制御する別個の弁を有する。そして、別のパラメータ（例えば、中間圧力の受液器の液レベル）を制御するために膨張手段の協調制御が使用される。
【００４０】
一実施形態では、エバポレータの内の一以上からの余分な液体が、低圧側において、受液器、又はエバポレータと圧縮器との間の容積に一時的に蓄えられる。
【００４１】
別の実施形態では、中間圧力容器と低圧側との間に設けたバイパスにより、液体の冷媒  又は、液体の冷媒と蒸気の冷媒の混合物を低圧側に移送することができ、これにより、異なるエバポレータへの冷媒の供給を制御する個々の膨張手段の制御を単純にできる。
【００４２】
制御原理は、幾つかのシステム設計及び幾つかの用途に対して開発された。用途の例は、スーパーマーケットの冷蔵、工業的システム及び自動販売機である。
【００４３】
以下、本発明を例示のみによって図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】蒸気圧縮システムのための単純な回路を示す。
【図２】マルチ吸熱器システムのためのシステムソルーションと制御システムを示す。
【図３】中間圧力での冷媒分配を可能にする２段絞りプロセスのための中間圧力受液器を備えたマルチ吸熱器システムのためのシステムソルーションと制御システムを示す。
【図４】中間圧力での冷媒分配を可能にする２段絞りプロセスのための中間圧力受液器を備えたマルチ吸熱器システムのためのシステムソルーションと制御システムであって、中間圧力受液器からシステムの低圧部への個別の冷媒バイバスを可能にしたものを示す。
【図５】中間圧力受液器を使用することなく、中間圧力での冷媒分配を可能にする２段絞りプロセスを備えたマルチ吸熱器システムのためのシステムソルーションと制御システムを示す。
【図６】吸熱のための２種の異なる圧力レベルを備えたマルチ吸熱器システムのためのシステムソルーションと制御システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、閉じた循環システムを構成するように接続された圧縮器１、放熱器２、膨張手段３及び吸熱器４を含む従来の蒸気圧縮システムを示す。
【００４６】
図２は、２個以上の並列に接続された吸熱器（エバポレータ）４’、４”を備えた１段蒸気圧縮システムを示す。また、このシステムは、低圧受液器５、内部熱交換器６、圧縮器１、ガス冷却器２、温度センサ１４、圧力センサ９’、９”、及び吸熱器（エバポレータ）の出力状態を検出するセンサ１５’、１５”を含む。センサ１４、１５’、１５”、９’、９”から送られてきたシステムの運転状態を反映する信号は制御システム８’、８”に送られる。制御システム８’、８”は、圧縮器の能力を制御すると共に、膨張手段３’、３”を制御し、吸熱器に送られる冷媒を制御する。
【００４７】
制御システム８’、８”は、温度センサ１４からの入力信号、吸熱器の出口に設けられたセンサ１５’、１５”からの入力信号、及び圧縮器１の高圧側と低圧側にそれぞれ設けられた圧力センサ９’、９”からの入力信号を受けとる。圧力センサ９’からの入力信号はシステムの高圧側の圧力を反映し、圧力センサ９”は低圧側の圧力を監視する。また、制御システム８’、８”は、記載されたパラメータを制御するものであれば、単一の制御システムであってもよく、２個以上の別個の制御システム（例えば、各膨張手段又は被制御部品のための制御システム）であってもよい。
【００４８】
制御システム８”への信号を発生する温度センサ１４は、周囲情況を反映する温度を測定してもよい。また、このセンサは、例えば、理想的又は最適な圧力を特定するために重要な、ガス冷却器の出口温度や別のパラメータを測定してもよい。
【００４９】
制御ユニット８”は、受け取った信号に基づき、膨張手段３’、３”での圧力低下及び流量を制御するために膨張手段３’、３”に制御入力を供給できる。
【００５０】
制御システムは、制御を行うために様々な戦略又はアルゴリズムを使用できる。その様なアルゴリズムの一例が曲線１０によって概略的に表されている。或いは又はそれに加えて、制御システムは適応オンラインシステムを含むことができる。
【００５１】
制御システム８”は、上記に基づき、膨張手段３’、３”を個々に制御することによって、最適な運転状態を確保する。異なる冷却ユニットの冷媒供給を制御する膨張手段３’、３”の協調制御により、制御システム８”を用いて、例えば、プロセスの最適な高圧を制御できると同時に、個々のエバポレータ４への十分な供給を確保できる。
【００５２】
図２のシステムは、以下に述べるように１段膨張のために使用できる。高圧側の圧力は、エバポレータ４’、４”への冷媒供給の制御と共に制御しなければならない。エバポレータ４’、４”（即ち、複数のエバポレータ）の各々について、冷媒の給送又は供給が膨張手段３’、３”によって制御される。
【００５３】
例えば周囲の情況が変化したこと等により、定義された値１０の内の１個からずれ、高圧側圧力を変化させる必要がある場合、これが温度センサ１４によって記録され、変更された信号が制御システム８”に送られる。その結果、制御システム８”は膨張手段３’、３”に信号を送り、これにより、高圧側圧力の変化が得られるようにこれらの手段３’、３”が協調動作により同時に制御される。膨張手段３’、３”の内の一方への制御信号の結果、センサ１５’、１５”によって測定された出口状態が所定の範囲から外れた場合には、主被制御パラメータ（例えば、高圧）が最適に制御されている状態から逸脱しないように、該膨張手段の調節を他の一以上の膨張手段を同時に調節することによって補正しなければならない。この様にして、マルチクーリング用システムのために最適な動作が確立され、同時に、エバポレータ４’、４”を異なった出口状態（例えば、過熱、ウェット、飽和）となるように動作できる。
【００５４】
上記の制御概念、即ちアルゴリズムの結果生じる、エバポレータ４’、４”の内の一以上からの過剰な液体は低圧側で受液器５、又はエバポレータと圧縮器との間の容積によって一時的に貯蔵される。容積５は流路と一体の部分であってもよい。この様にして、システムは、本制御概念の結果生じる冷却ユニット４’、４”の内の一以上からのウェット出力を受け入れることができる。これは、全てのエバポレータからの過熱された出力を必要とする一般的なシステムとは対照的である。また、これにより広範囲の信号をセンサ１５’、１５”から受け入れることができる。制御ユニット８”がすべきことは、エバポレータ４’、４”の内の何れかからの許容できない程の過熱出力をセンサ１５’、１５”が検出した場合に、異なる膨張手段３’、３”の間で補正を行うことだけである。低すぎる冷媒の質量流量に起因するエバポレータの供給不足の結果、過熱の程度が高くなりすぎると、冷却ユニットの能力を低下させると共にシステムのエネルギー効率が容認できない程低下する。
【００５５】
高圧側の圧力が高くなり過ぎた場合、質量流量が増加するように膨張手段３’、３”の内の一以上が調節され、該圧力が低下する。システム内の圧力差が変化したため、エバポレータ４’、４”を流れる液体の質量流量が影響を受ける。そして、膨張手段３’、３”が制御システム８”によって調節され、センサＺ’（１５’）、Ｚ”（１５”）によって測定されたエバポレータ出口における状態又は特性が受け入れられる設定値になるようにする。これは、システム内の圧力差にも影響を与える。この圧力と、エバポレータからの流体特性の両方を受け入れ可能な設定値に到達させるために、制御システム８”は、制御ループによって調節プロセスを繰り返えさなければならないであろう。全てが設定点に達した時点で、質量は高圧側から低圧側に移送されており、余分な冷媒は受液器５内に蓄積されている。
【００５６】
高圧側の圧力が低くなり過ぎた場合、質量流量を減らすように膨張手段３’、３”の内の一以上が制御される。これにより高圧側の圧力が増加する。これと同時に、エバポレータの出口状態が、蒸気の量が増えるか又は過熱の程度が高まることによって変化する。システムの低圧側の圧力も低下するであろう。上記の効果は何れも、低圧受液器５内の液体の気化に寄与する。質量が高圧側に移送されて、高圧側の圧力を更に増加させる。システム内の圧力差がこの様にして変化したため、エバポレータ４’、４”を流れる液体の質量流量が影響を受ける。そして、膨張手段３’、３”が制御システム８”によって調節され、センサ１５’、１５”によって測定されたエバポレータ４’、４”の出口状態が受け入れ可能な設定値になるようする。これは、システム内の圧力差に影響を与えるであろう。高圧側の圧力とエバポレータの出口における状態の両方が設定値に到達するように、制御システム８”は、制御ループによって調節プロセスを繰り返さなければならないであろう。圧力センサ９”によって測定されるであろうシステム内の低圧は、通常、制御ユニット８’によって圧縮器を制御することにより別個に制御される。
【００５７】
図２に示す内部熱交換器６は、システムが動作する上で絶対に必要なものではないが、多くの場合、システムの効率と全体的な動作を改善する。また、熱交換器の低圧入り口に導かれた液体の一部又は全てを圧縮器１に入る前に気化させる。それと同時に、内部熱交換器は、膨張手段３’、３”での膨張の前の高圧側で流体を過冷却（sub-cool）するのに寄与する。圧縮器１の前の吸込みライン内の液体を扱う別の方法は、液体を吸込める圧縮器を使用することである。
【００５８】
内部熱交換器６と関連して、潤滑剤、液体冷媒又はこれらの混合物を吸出す管１７を設けることができる。低圧受液器５から送出される冷媒液体は、エバポレータ４’、４”の平均蒸気クオリティ（mean vapour quality）を決定する。
【００５９】
低圧受液器５内にコイル７を導入することによって、高圧流体を更に過冷却することができ、低圧受液器５においてより多くの液体を気化できる。コイル７は、高圧流が全て流れるか又は図２に示すように分流が流れるように設計できる。低圧受液器５において気化される液体が多い程、エバポレータ４’、４”から流出する冷媒の平均蒸気クオリティが低くなる。ここで、蒸気クオリティが低いことは、定常状態運転での質量バランスに従う液体の含有率が高いことを意味する。
【００６０】
２段絞り
上述の制御原理は、エバポレータに対して供給を行うパイプは、エバポレータ４’、４”に至るまでの径路全体において高圧に耐えなければならないことを暗示している。これは、例えば、スーパーマーケットへの設置の場合のようにパイプが長い場合に欠点となる。また、高圧に耐えるエバポレータ絞り弁を必要とする。特別に設計された高圧弁は恐らくより高価となる。
【００６１】
図３は、上記したものと類似しているが２段絞りシステムを備えたものの原理を示す。追加の部品は、高圧膨張手段１１、受液器１２、及び受液器１２内の液体のレベルを検出する液レベル検出器１３である。コントローラ８”は、センサ１５’、１５”とレベル検出器１３からの信号に基づいて膨張手段３’、３”を制御している。
【００６２】
システム内における高圧を調節するために１個の主膨張手段１１が制御ユニット８”によって制御される。上に示したように、最適な高圧側圧力は種々の制御戦略によって達成できる。一制御戦略は、例えば、計算又は実験に基づく所定の曲線１０、或いは適応オンラインシステムに関連付けることができる。
【００６３】
膨張手段１１の出力流は中間圧力受液器１２に導かれる。その後、中間圧力の液体は膨張手段３’、３”を介してエバポレータ４’、４”に分配される。中間圧力の小容量の冷媒だけを収容するため、受液器１２は、充填の変化に対処するようには設計されていない。その代わり、膨張手段３’、３”が、受液器１２内の液体のレベルを一定に保つためにコントローラ８”によって同時に協調動作で制御される。
【００６４】
膨張手段３’、３”の内の一方への制御信号の結果、センサ１５’、１５”によって測定された出力状態が所定の範囲から外れると、主被制御パラメータ（この場合、液レベル検出器１３によって検出される受液器１２の液レベル）が最適に制御されている状態から逸脱しないように、該膨張手段の調節を他の膨張手段３’、３”の内の一以上を同時に調節することによって補正しなければならない。
【００６５】
各種パラメータの変動は、中間圧力受液器１２の液レベルの変化、例えば、膨張手段１１による高圧の制御につながる。これは、コントローラ８”によって、エバポレータ４’、４”への流れを制御する膨張手段３’、３”の内の一以上を同時に調節することにより補正しなければならない。
【００６６】
エバポレータの各々の能力制御は、原則として上で述べた制御と同じである。拡張手段３’、３”は、センサ１５’、１５”によって検出されたエバポレータ出口の状態が許容値の範囲に入るように制御される。また、これらの調節は、中間圧力受液器１２内における液レベルにも影響を及ぼし、コントローラ８”は、制御ループによって受液器１２内における液レベルの調節を繰り返さなければならないであろう。
【００６７】
中間圧力受液器１２内における液レベルが高過ぎることが液レベル検出器１３によって検出された場合、流速が増加するように膨張手段３’、３”の内の一以上が調節される。これにより液レベルは低下する。液レベルが設定点に達した時点で、膨張手段３’、３”は、エバポレータ４の出口状態が設定値になるように制御システムによって調節される。冷媒質量は中間圧力容器１２から、過剰な液体が蓄積されるであろう低圧受液器５に移送されてしまっている。
【００６８】
液レベルが低下した場合には、膨張手段３’、３”の内の一以上が質量流量を減少させるために調節される。これにより、液レベルは上昇する。
【００６９】
これと同時に、センサ１５’、１５”によって検出されたエバポレータの出口状態は、（より）過熱した状態となり、システム内の低圧側圧力も減少する。両方の影響が、低圧受液器５内の液体の気化に寄与する。冷媒質量は高圧側に移送され、高圧側圧力を高める。そして、主膨張手段１１は、最適曲線１０によって与えられる設定点圧力を維持するために開度を増加させる。膨張プロセスにおいてより多くの液体が発生して中間圧力容器１２に入り、液レベルが更に高くなる。液レベルが設定点の値になると、流量を増加させるために膨張手段３’、３”の内の一以上が調節される。１５’、１５”によって検出される全てのエバポレータ４’、４”の出口状態、高圧側圧力及び中間圧力受液器１２内における液レベルを設定点の値に到達させるために、制御システムは制御ループの形で調節プロセスを繰り返さなければならないであろう。
【００７０】
中間圧力容器１２は、比較的小さい容積で作ることができ、コストを低減できる。変化する量の冷媒を一時的に蓄える必要はない。
【００７１】
上記の２段絞りプロセスにおいては、中間圧力容器１２から蒸気が吸い出されない。当然、中間圧力受液器１２内の状態は常に液飽和ライン上にある。従って、この受液器内の圧力は主膨張手段１１の入力状態によって決まる。中間圧力受液器１２内の圧力を低下させることが必要な場合、蒸気を受液器１２から移送する必要がる。これは、圧縮器によって直接行うか（恐らく、より大型のシステムにおいて便利）、或いは、膨張手段によって制御される流路（図３には示されていない）を通して蒸気を膨張させて低圧側に送ることで行うことができる。
【００７２】
中間圧力は蒸気出口流を変化させることで制御できる。従って、システムの高圧とは無関係に、例えば、４０バールに制御できる。これは、エバポレータシステムにおいて標準的な部品の使用を可能にする。
【００７３】
蒸気は容器１２内で飽和しているため、低圧側への蒸気の膨張プロセスは液体を生成し、この液体は、圧縮器に入る前に流れから除去するのが好ましい。一選択肢は、蒸気流を膨張させて、高圧流体との熱交換によって液体を気化する内部熱交換器６の前の吸引ラインに流すことである。別の選択肢は、蒸気流を膨張させて低圧受液器５に流すことである。
【００７４】
図４は、２段絞りシステムを有する上述したものと類似の原理を示すが、追加の膨張手段１６が設けられている。追加の膨張手段１６は、中間圧力受液器１２からシステムの低圧側（例えば、低圧受液器５）への冷媒（液体、又は液体と蒸気の混合物）の流れを制御している。コントローラ８”は、中間圧力受液器１２におけるレベルを一定に維持するために、レベルインジケータ１３によって与えられる信号によって膨張手段１６を制御している。レベル検出器１３による膨張手段１６の直接的な機械的又は電気的な制御も可能である。この場合、膨張手段３’、３”は、エバポレータ４に冷媒を供給するためにセンサ１５’、１５”からの信号に基づきコントローラ８”によって制御できる。この場合、センサ１５’、１５”の信号設定点を、例えば、定義された過熱信号とできる。何故なら、中間圧力受液器１２にたまり始める可能性のある液体は膨張手段１６を介して低圧側にバイパスできるからである。また、これにより、センサ１５’、１５”による膨張手段３’、３”の直接的な機械的又は電気的な制御も可能になる（例えば、サーモスタット型膨張弁で一般的に使用されているような冷媒が満たされたバルブ（bulb））。
【００７５】
この解決策においても、中間圧力受液器１２から蒸気を流出させることによって中間圧力受液器１２内の圧力を低下させることが好ましい。これは、圧縮器によって直接行われるか（恐らく、より大型のシステムで便利である）、或いは、膨張手段によって制御される流路（図４には示されていない）を通して蒸気を膨張させて低圧側に送ることで行うことができる。
【００７６】
中間圧力受液器を有しない２段絞り：
上記の２段絞りプロセスは、図２に示すものよりもより進んだ制御システムを必要とし、中間圧力受液器も必要とされる。より単純なシステムは、中間圧力受液器を有しない２段絞りシステムを使用する。図５は主要な図面を示す。図２に関連して述べた部品に加え、システムは、一以上の膨張手段１９’、１９”を有している。膨張手段１９’、１９”と膨張手段３’、３”によって行われる２段の膨張ステップの間にはバッファ容積がないため、膨張ステップの内の一方は受動的でなければならい。エバポレータ４’、４”の能力を制御するため、受動的膨張手段は、膨張手段１９’、１９”によって行われる第１の膨張ステップであるのが好ましい。例えば、これは一定差圧（ＤＰ）弁である。エバポレータ４’、４”への流量を制御するための図２に示すシステムについて述べた制御原理を使用することにより、高圧はエバポレータ４’、４”のエバポレータ膨張手段３’、３”によって間接的に制御される。
【００７７】
本システムでは、膨張手段３’、３”の上流側における中間圧力での液体と気体の分離は起きない。従って、中間圧力を制御するために蒸気を吸い出すことはできない。中間圧力は膨張手段１９’、１９”の圧力差で制御される。中間圧力レベルについての要求（例えば、絶対に４５バールを越えないこと）がある場合には、より高度な膨張手段構成が必要となるであろう。図５に１９’、１９”で示すように、バイパス付きの直列に接続した異なる差圧値の２以上の膨張手段を設けることが可能である。能動的なＤＰ膨張手段を変更することにより、適正な中間圧力が得られる。
【００７８】
２段の低圧レベルを有するシステム
上記の制御原理は、単一の低圧レベルを有するシステムに適用できる。要求される低圧レベルは用途（例えば、冷却用途と冷凍用途）に依存して変化する。
【００７９】
図６は図２で述べたものと同じ制御原理を示すが、共通のガス冷却器２を用いて２段の異なる低圧レベルで動作するシステムのためのものである。図示された他の部品には、図２における参照番号に対応する参照番号が付けられている。図６は、圧縮器とガス冷却器を備えた構成の一例を示す。他の幾つかの構成が可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１  圧縮器
２  放熱器
３'、３”  膨張手段
４'、４”  エバポレータ
８'、８”  制御ユニット
９'、１４、１５'、１５”  センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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