(57)【要約】臨界遷移蒸気圧縮システムの膨張装置における高圧又は中圧冷媒の膨張は位置エネルギーを使用可能な運動エネルギーに変換する。運動エネルギーは、回転補助器に連結された膨張モータユニットを完全に又は部分的に回転させるのに用いられる仕事を与える。回転補助機に仕事を与えることによって、システム効率は改善される。補助回転機は、蒸発器と冷却塔によって冷媒を引く蒸発器ファン又は冷却塔ファンとし得る。あるいは、補助回転機を水ポンプまたは油ポンプとし得る。
2005527778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮システムであって、
冷媒を高圧まで圧縮する圧縮装置と、
前記冷媒を冷却する、熱を受け入れない熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで減じる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる、熱を受け入れる熱交換器と、
前記膨張装置に連結され、かつ前記高圧から前記低圧まで前記冷媒を膨張させることによって動力が供給される補助機械と、
を備える蒸気圧縮システム。
【請求項２】
前記冷媒を逆流させる熱ポンプを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
膨張モータを更に含み、前記冷媒の膨張が前記膨張モータを動力で駆動して前記補助機械を駆動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムは、追加の圧縮装置、追加の熱を受け入れない熱交換器、追加の膨張装置、及び追加の熱を受け入れる熱交換器を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
蒸気圧縮システムであって、
冷媒を圧縮する圧縮装置と、
前記冷媒を冷却する、熱を受け入れない熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで減じる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる、熱を受け入れる熱交換器と、
前記冷媒を逆流させる熱ポンプと、
前記高圧から前記低圧まで前記冷媒を膨張させることによって動力が供給される膨張モータと、
前記膨張モータによって動力が供給される補助機械と、を備える蒸気圧縮システム。
【請求項６】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換器ファンである、請求項１または請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換器ファンである、請求項１または請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記補助機械は水ポンプである、請求項１または請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記補助機械は油ポンプである、請求項１または請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１または請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
蒸気圧縮システムの補助機械に動力を供給する方法であって、
１）冷媒を高圧まで圧縮する段階と、
２）前記冷媒を冷却する段階と、
３）前記冷媒を低圧まで膨張させる段階と、
４）前記段階３）によって供されたエネルギーを前記補助機械に供給する段階と、
５）前記補助機械を動力で駆動する段階と、
６）前記冷媒を蒸発させる段階と、
を備える方法。
【請求項１２】
前記補助機械は熱を受け入れない熱交換器ファンである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換ファンである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記補助機械は水ポンプである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記補助機械は油ポンプである、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、補助回転機に連結された膨張モータを駆動するために高圧又は中間圧冷媒を膨張させることによって作り出される仕事を使用して蒸気圧縮システムのサイクル性能を向上させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
塩素含有冷媒は、これらの冷媒のオゾン破壊可能性により世界中から徐々に削減されてきた。炭化弗素（ＨＦＣｓ）は代替冷媒として使用されてきたが、これらの冷媒は世界的規模の温暖化の可能性を依然として秘めている。二酸化炭素及びプロパンのような”自然”冷媒が代替流体として提案されてきた。不運にも、これらの流体の多くには使用時に問題がある。二酸化炭素は、二酸化炭素を利用するほとんどの空調装置を大抵の条件下で臨界遷移状態にせしめる低臨界点を有する。
【０００３】
通常の蒸気圧縮システムが臨界遷移状態になる時、冷媒の高い側の圧力は、冷媒が熱を受け入れない熱交換器を通過する間に蒸気から液体まで相変化しないほど十分に高い。従って、熱を受け入れない熱交換器は、コンデンサーとしてよりはむしろ臨界遷移サイクルの冷却塔として作動する。冷媒の高い側圧力亜臨界流体の圧力は（液体及び蒸気の両方が存在する）飽和状態下では温度の関数である。
【０００４】
臨界遷移蒸気圧縮システムでは、冷媒は圧縮機内で高圧まで圧縮される。冷媒が冷却塔に入る時、熱は高圧冷媒から除去される。次に、膨張装置を通過後、冷媒は低圧まで膨張される。その後、冷媒は蒸発器を通過し、熱を受け入れ、完全に蒸発し、そして再び圧縮機に入ってサイクルを終える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷凍システムでは、膨張装置は通常はオリフィスである。高圧流体からエネルギーを取り出すために膨張ユニットを使用することは可能である。この場合、冷却塔又はコンデンサーから流出し蒸発器内に流入する冷媒の膨張は、高圧冷媒の位置エネルギーを運動エネルギーに変換して仕事を作り出す。エネルギーがシステムの別の構成要素を駆動するために使用されないと、このエネルギーは失われる。従来システムでは、冷媒の膨張によって変換されたエネルギーは、圧縮機に連結された膨張モータユニットを駆動して完全に又は部分的に圧縮機に動力を供給する。加圧冷寒剤の膨張は、冷媒ユニットの機械装置を駆動するために従来システムでも使用されてきたが、蒸気圧縮システムでは使用されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
可逆蒸気圧縮システムは、圧縮機、第１熱交換器、膨張装置、補助回転機に連結された膨張モータユニット、第２熱交換器、および冷媒流の方向を逆にする装置である弁を含む。熱ポンプによって冷媒の流れを逆にすることによって、蒸気圧縮システムは、加熱モードと冷却モードを交互に起こすことができる。好ましくは、二酸化炭素は冷媒として使用される。二酸化炭素は低臨界点を有するため、冷媒として二酸化炭素を利用するシステムは、通常、臨界遷移状態になる蒸気圧縮システムに要する。
【０００７】
冷却塔を出る高圧又は中間圧冷媒は位置エネルギーが高い。膨張装置における高圧冷媒の膨張は、膨張モータユニットを完全に又は部分的に駆動するために用いられる使用可能な運動エネルギーに変換する。膨張モータユニットは補助機を駆動するために連結される。完全に又は部分的に補助機に連結された膨張モータユニットを駆動するために高圧又は中間圧冷媒の膨張によって変換された運動エネルギーを用いることによって、システム効率は改善される。補助機は、蒸発器と冷却塔によって大気を引く蒸発器ファン又は冷却塔ファンとし得る。あるいは、補助機は、冷媒によって熱を交換する蒸発器又は冷却塔によって水又は他の流体を汲む水ポンプとし得る。補助機は圧縮機に注油するために使用される油ポンプとし得る。
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴は以下の明細書及び図面から最も良く理解される。
【０００９】
本発明の種々の特徴及び利点は、一般に好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明白になる。詳細な説明に伴う図面は以下のように簡略に説明し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、従来技術による可逆蒸気圧縮システム１０の概略図である。このシステム１０は圧縮機１２、第１熱交換器１４、膨張装置１６、第２熱交換器１８、および可逆熱ポンプ２０を含む。冷媒は閉回路システム１０を通じて循環する。熱ポンプ２０は冷媒の流れの方向を変えて、冷却モードと加熱モードとの間でシステムを切り替える。
【００１１】
図１に示すように、冷却モードで作動する時、冷媒が高圧で圧縮機１２を出る時、熱を受け入れない熱交換器又は冷却塔として作用する、熱ポンプ２０は第１熱交換器１４内に冷媒を導く。冷媒は第１熱交換器１４を流過し、低エンタルピー及び高圧で第１熱交換器１４を出て熱を失う。冷媒が膨張装置１６を通過する時、圧力は下降する。膨張後、熱を受け入れる熱交換器又は蒸発器として働き、かつ高エンタルピー及び低圧で出て行く冷媒は第２熱交換器１８を流過する。冷媒は、その後、熱ポンプ２０を流過して圧縮機１２に再入して通過し、システム１０を終える。熱ポンプ２０によって冷媒の流れの方向を逆にすることによって、システム１０は加熱モードで作動し得る。蒸気圧縮システム１０の熱力学的線図を図２に示す。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、二酸化炭素を冷媒として使用し得る。二酸化炭素を例として説明したが、他の冷媒も本発明から利益を得ることができる。二酸化炭素は低臨界点を有するため、冷媒としての二酸化炭素を利用するシステムは、通常、臨界遷移で運転するために蒸気圧縮システム１０を必要とする。臨界遷移蒸気圧縮システム１０が開示されているが、従来亜臨界蒸気圧縮サイクルも同様に使用し得ることを理解すべきである。さらに、本発明は、１つ以上の圧縮機、冷却塔、膨張モータ、あるいは蒸発器を具備するシステムのような多数の圧力レベルで作動する冷凍サイクルにも適用し得る。
【００１３】
冷却塔１４を出る高圧又は中圧冷媒は位置エネルギーが高い。膨張装置１６で高圧冷媒を膨張させるプロセスは、位置エネルギーを使用可能な運動エネルギーに変換する。図３に示すように、運動エネルギーは膨張モータユニット２４を完全又は部分的に運転するために使用される仕事を与える。膨張モータユニット２４は補助機２６ａ−２６ｅに連結される。また、仕事は補助機に必要な電力を減じる。膨張装置１６の構造、制御及び動作と、補助機への駆動連結と、はおそらくは当業者のレベル内にある。進歩性のある補助機を駆動するためには膨張装置１６を使用する。補助回転機２６を動作させる膨張モータユニット２４を駆動させるために高圧又は中圧冷媒を膨張させることによって変換された運動エネルギーを用いることにで、システム効率が改善される。
【００１４】
膨張モータユニット２４に連結された補助回転機は、蒸発器ファン２６ａ又は冷却塔ファン２６ｂとし得る。熱交換器ファン２６ａ及び２６ｂは、システム１０の動作中に蒸発器１８及び凝縮器１４のそれぞれを通じて冷媒を引く。補助機２６は水ポンプ２６ｃ又は２６ｄともし得る。水ポンプ２６ｃ及び２６ｄは、冷却塔１４及び蒸発器１８のそれぞれを通じて水を汲む。水は、冷却塔１４及び蒸発器１８を通じて引かれた冷媒と熱を交換する。蒸発器水ポンプ２６ｃによって汲まれた水は、冷媒が受け入れた熱を受け入れない。冷却塔水ポンプ２６ｄによって汲まれた水は、冷媒によって受け入られない熱を受け入れる。冷媒の膨張によって作り出された仕事は、圧縮器１２を通じて油を汲んで潤滑を与える、油ポンプ２６ｅに動力を供給するために利用することができる。
【００１５】
上述の記載は、本発明の原理を例示するのみである。本発明の多くの変更及び変形は上記教示に照らして可能である。本発明の好ましい実施形態が開示されてきたが、その結果、当業者は、或る変更が本発明の範囲内に該当することを認識するであろう。従って、添付の特許請求の範囲内で、本発明を特に記載した以外のもので実行し得ることも理解すべきである。このため、本発明の真の範囲及び内容を決めるために以下の特許請求の範囲の請求項を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】蒸気圧縮システムの概略線図である。
【図２】蒸気圧縮システムの熱力学的線図である。
【図３】膨張モータに連結された補助機の概略線図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  可逆蒸気圧縮システム
１２  圧縮機
１４  第１熱交換器
１６  膨張装置
１８  蒸発器
２０  熱ポンプ
２４  膨張モータユニット
２６ａ、２６ｂ  熱交換器ファン
２６ｃ、２６ｄ  水ポンプ
２６ｅ  油ポンプ
【図１】
2005527778.tif 000003
【図２】
2005527778.tif 000004
【図３】
2005527778.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月26日(2004.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮システムであって、
冷媒を高圧まで圧縮する圧縮装置と、
前記冷媒を冷却する、熱を受け入れない熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで減じる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる、熱を受け入れる熱交換器と、
前記膨張装置に連結され、かつ前記高圧から前記低圧まで前記冷媒を膨張させることによって動力が供給される補助機械と、
前記冷媒の逆流させる、逆流弁と、
を備える蒸気圧縮システム。
【請求項２】
膨張モータを更に含み、前記冷媒の膨張が前記膨張モータを動力で駆動して前記補助機械を駆動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、追加の圧縮装置、追加の熱を受け入れない熱交換器、追加の膨張装置、及び追加の熱を受け入れる熱交換器を更に含む、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
蒸気圧縮システムであって、
冷媒を圧縮する圧縮装置と、
前記冷媒を冷却する、熱を受け入れない熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで減じる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる、熱を受け入れる熱交換器と、
前記冷媒を逆流させる、逆流弁と、
前記高圧から前記低圧まで前記冷媒を膨張させることによって動力が供給される膨張モータと、
前記膨張モータによって動力が供給される補助機械と、を備える蒸気圧縮システム。
【請求項５】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換器ファンである、請求項１または請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換器ファンである、請求項１または請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記補助機械は、前記熱を受け入れない熱交換器と前記熱を受け入れる熱交換器とによって水を汲む、水ポンプである、請求項１または請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記補助機械は、前記圧縮機によって油を汲む、油ポンプである、請求項１または請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１または請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
蒸気圧縮システムの補助機械に動力を供給する方法であって、
１）冷媒を高圧まで圧縮する段階と、
２）前記冷媒を冷却する段階と、
３）前記冷媒を低圧まで膨張させる段階と、
４）前記段階３）によって供されたエネルギーを前記補助機械に供給する段階と、
５）前記補助機械を動力で駆動する段階と、
６）前記冷媒を蒸発させる段階と、
７）前記蒸気圧縮システムを冷却モードから加熱モードに変えるために、前記冷媒を逆流させる段階と、
を備える方法。
【請求項１１】
前記補助機械は熱を受け入れない熱交換器ファンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記補助機械は熱を受け入れる熱交換ファンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記補助機械は、前記熱を受け入れない熱交換器及び前記熱を受け入れる熱交換器の少なくとも１つによって水を汲む、水ポンプである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記補助機械は、前記圧縮機によって油を汲む、油ポンプである、請求項１０に記載の方法。
【国際調査報告】
2005527778.tif 000006
2005527778.tif 000007
2005527778.tif 000008
2005527778.tif 000009