(57)【要約】圧縮冷凍システムは、超臨界高圧圧力で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機（１）、熱除去器（２）、膨張手段（３）、および吸熱器（４）を含む。このシステムの冷媒充填量および構成要素設計は、システム全体の温度が６０℃に均一化されている場合、冷媒の臨界圧力の１．２６倍未満のシステム内部静止圧力に対応する。二酸化炭素または二酸化炭素を含有する冷媒の混合物を、このシステムの冷媒として適用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界高圧圧力で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機（１）、熱除去器（２）、膨張手段（３）、および吸熱器（４）を含む圧縮冷凍システムであって、
該システムの冷媒充填量および構成要素設計は、システム全体の温度が６０℃に均一化されている場合、冷媒の臨界圧力の１．２６倍未満のシステム内部静止圧力に対応し、
二酸化炭素または二酸化炭素を含有する冷媒混合物が、該システムの冷媒として適用されることを特徴とする、圧縮冷凍システム。
【請求項２】
多段または可変容量圧縮機が用いられることを特徴とする請求項１に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項３】
前記圧縮機は、半密閉型または密閉型の構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項４】
内部熱交換器も備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項５】
超臨界作動に合わせて設計されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項６】
レシーバまたは付加的な構成要素が、該システムの付加的な容積を提供することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項７】
二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として使用して、
該システムの充填量は、該システムの総内部容積の１リットルあたり１８〜２５０グラムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項８】
限定はされないが、中間圧力への減圧などのサイクル変更が行われて、効率および／または作動条件を改善するようにすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項９】
逆転させてもよいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムの冷媒として二酸化炭素または二酸化炭素を含有する混合物を用いて、超臨界高圧圧力で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機、熱除去器、膨張手段、および吸熱器を含む圧縮冷凍システムに関する。
【０００２】
［従来技術および本発明の背景の説明］
従来の蒸気圧縮システムは、所与の温度における飽和圧力によりもたらされる臨界未満圧力での冷媒を凝縮することにより、熱を除去する。これらの冷媒は、ほとんどの場合、システム内で生じる最大圧力が冷媒の臨界圧力を十分に下回り、通常は所与の限界、例えば２．５ＭＰａ（２５バール）、を超えないように選択される。
【０００３】
低い臨界温度を有する冷媒を、例えばＣＯ２を用いる場合、システムの効率的な作動を得るために、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い場合、熱除去の圧力は超臨界でなければならない。この場合、作動のサイクルは、例えばＷＯ９０／０７６８３から既知であるように、超臨界（transcritical）となる。
【０００４】
ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７はいずれも、基本的に、閉回路に連結された圧縮機、熱除去器、膨張手段、および蒸発器を備えるこのようなシステムを実現するための単純な回路を記載している。環境問題のため、これらいずれについてもＣＯ２が好ましい冷媒である。
【０００５】
ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７の両方の主な難点は、周囲温度が高い場合、静止中のシステムにおいて非常に高い圧力が生じることである。ＷＯ９７／２７４３７で説明されているように、その圧力は通常、６０℃で１０ＭＰａ（１００バール）を上回る。これにより、全ての構成要素について非常に高い設計圧力が必要となり、構成要素は重く高価なものとなってしまう。特に、シェルのサイズが電気モータのサイズに応じて決まる密閉型圧縮機の設計では、これが難点となる。
【０００６】
ＷＯ９４／１４０１６は、回路の低圧側にバルブを介して連結された別個の圧力逃がし膨張容器を連結することにより、どのように上記の難点を改善できるかを記載している。この欠点は、システムのコストおよび複雑性が増すということである。
【０００７】
ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７のさらに別の難点は、それぞれシステムの内部容積の０．５５〜０．７ｋｇ／ｌおよび０．２５〜０．４５ｋｇ／ｌという充填量の仕様は、充填量が多すぎるため、例えばより低温で熱吸収動作を行い、かつ／または密閉型圧縮機を用いる、システムの低圧側に大きいガス容積を有するシステムには最適とはならないであろうことである。
【０００８】
ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７の別の難点は、システムの最適充填量が、潤滑式圧縮機を備えるシステムでの潤滑剤への冷媒の溶解性によって、またシステムの構成要素によっても、強い影響を受けるということを考慮に入れていないことである。
【０００９】
［発明の概要］
本発明の主な目的は、上述の短所および欠点のない、単純で効率的なシステムを製造することである。
【００１０】
本発明は、添付の独立請求項１で規定される特徴を特徴とする。本発明の有利な特徴はさらに、添付の独立請求項２ないし９に規定される。
【００１１】
上述のように、本発明は、少なくとも圧縮機、熱除去器、膨張手段、および吸熱器を備える単純な回路に基づく。上記で解説した従来技術の参考文献が冷媒充填量の多い冷却回路を扱っているということに基づき、本発明者等は、試験およびシミュレーションを通して、通常作動中に冷媒蒸気／ガスを含む構成要素の内部容積をシステムの低圧側で改造することにより、システムの所与の内部容積に対して少ない充填量で、最適な作動条件を得ることができることを、意外にも見出した。したがって、システムの構成要素の設計圧力を最低限に抑えることができる。
【００１２】
このように、高温の静止状態での過剰な圧力を避けるために、別個の圧力逃がし膨張容器は必要なく、システムの低圧側の構成要素または構成要素の部品全てを、より低い圧力に合わせて設計することができる。計算および実験により、冷媒としてＣＯ２を用いる場合、温度６０℃での最大静止圧力が８ＭＰａ（８０バール）未満に容易に保たれ得ることがわかる。本発明は、システムの重量およびコストを著しく低減し、さらにシステムを単純な設計にするために用いることができる。
【００１３】
以下で、ほんの一例として、添付図面を参照して本発明をさらに説明する。
【００１４】
図１は、閉循環システムに連結された圧縮機１、熱除去器２、膨張手段３、および吸熱器４を備える、従来の蒸気圧縮システムを示す。
【００１５】
例えばＣＯ２を冷媒として用いる場合、高圧圧力は臨界未満であることがあるが、このようなシステムは、システムの最適な効率を得るために、より高いヒートシンク温度で、超臨界高圧圧力で作動することができねばならない。したがって、システムの高圧側は、それに応じて高い作動圧力に合わせて設計せねばならないが、それは、ヒートシンクとして空気が用いられる場合、ＣＯ２は通常１１ＭＰａ（１１０バール）を超える範囲にあり得るからである。しかしながら、システムの低圧側は、約２２℃の蒸発温度に対応して、例えば６ＭＰａ（６０バール）を超える作動圧力を必要とすることがほとんどない。この場合、システムは６０℃以上までの静止温度に耐えることができねばならない場合が多いため、静止圧力は、低圧側の設計圧力に影響を与えることが多い。これらの条件では、システムがこの種の温度に曝される可能性がある場合、圧力レベルは、システムの高圧側の最大作動圧力と同程度であることが多い。
【００１６】
構成要素の設計に対する最大圧力の重要性は、既存の規定、基準、および慣例のいくつかにより実証される。一般に、最小破裂圧力としては最大圧力の５倍が必要である。したがって、１２ＭＰａ（１２０バール）の圧力を受ける可能性がある構成要素は６０ＭＰａ（６００バール）の圧力に耐える必要があるが、７ＭＰａ（７０バール）の圧力を受ける可能性がある構成要素は３５ＭＰａ（３５０バール）の圧力に耐えるだけでよい。これにより、製造上のコスト、サイズ、および重量の著しい差が生じ得る。これは、シェルサイズが電気モータの寸法に応じて極めて大きい、（半）密閉型圧縮機としての構成要素にとって特に重要であろう。
【００１７】
本発明によると、最大静止圧力を低下させるために、種々の構成要素の冷媒充填量および容積に関してシステムを設計することが可能である。したがって、システムの低圧側に必要な設計圧力は、システムの作動中の最適な高圧圧力から逸脱せずに、単純な方法で低下させることができる。これは、最適な効率を有する低コストシステムに役立つ。
【００１８】
本発明の意図は、通常の作動中に冷媒蒸気／ガスを含む構成要素の内部容積をシステムの低圧側で改造することにより達成することができ、最適な作動条件は、システムの所与の内部容積の充填量が少ないことにより得ることができる。したがって、システムの構成要素の設計圧力を最低限に抑えることができる。密閉型圧縮機の必要なシェル設計圧力を減らすために、容積は、例えば、より高い圧力定格でも比較的安価な、より大型の管として適合させることができる。
【００１９】
図２は、静止時の温度が均一化されたシステムについて、本発明によるシステムの圧力が温度とともにどのように変化し得るかを示す。１０で示す曲線を参照されたい。図からわかるように、システムの圧力は、非常に高い周囲温度でも冷媒の臨界圧力を下回る。ＷＯ９７／２７４３７によるシステムを表す典型的な曲線１１も、比較のために図示してある。図からわかるように、これらの差は大きい。
【００２０】
図３は、本発明による、システムの設計の点で最適な効率を与えるように充填された選択されたシステムの種々の部分において、蓄積充填量／容積の関係がどのように変化するかを示す。図から明らかにわかるように、このシステムの内部容積あたりの総最終充填量は、約０．１４ｋｇ／ｌ（２０）となり、これはＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７に記載される、網掛け領域２１および２２それぞれで示される限界を大きく下回る。
【００２１】
図４は、上記の最適充填量３０が本発明によるシステムの最大効率ＣＯＰをどのようにもたらすかを示す。ＣＯＰは、冷凍システムの冷却能力と当該システムの電力（power input）との関係として規定される。充填量が最適充填量よりも多いかまたは少ない場合、ＣＯＰは、最適充填量がもたらす値よりも大幅に低い値へと急速に低下する。
【００２２】
図２ないし図４は、密閉型圧縮機、内部熱交換器、蒸発器、およびガス冷却器を備える、本発明によるシステムの詳細なシミュレーションに基づく。図４は、熱除去の周囲温度が＋４０℃で、蒸発温度がシステムの充填量および能力に応じて−７℃〜−２℃の範囲で作動する場合の、システムの値に対応する。作動高圧は、充填量および周囲温度に応じて７ＭＰａ（７０バール）〜１２ＭＰａ（１２０バール）で変動し得る。冷却容量は、約７００ワットであった。
【００２３】
最適充填量は、作動条件、システムの構成要素、および潤滑剤への冷媒の溶解性のような要因によって決まるため、システムのユニットの内部容積あたりの所与の充填量の仕様は、実際にはそれほど関係がなく、有用でもない。本発明によると、充填量は、静止中の所与の温度のシステムにおいて得られる最大圧力に関係し、静止（standstill）は、システムがシステム全体で同じ均一な温度を有することを意味する。本発明によると、この圧力は、システムの温度が最高６０℃の温度に均一化される場合、冷媒の臨界圧力の１．２６倍未満であるべきである。この温度で、または最大静止温度として規定される任意の他の温度で生じる圧力は、その値が低圧側の最大作動圧力を超える限りは、システムの低圧側の設計圧力を規定するために重要であろう。純粋なＣＯ２に関しては、この圧力限界は、所与の温度で約９．３ＭＰａ（９３バール）の圧力に対応する。
【００２４】
本発明では圧力の下限は指定しないが、それは、生じる圧力が低いほど、本発明の意図、すなわち設計静止圧力を低下させるという意図を満たすからである。しかしながら、この温度、つまり６０℃での静止圧力は、約１ＭＰａ（１０バール）に対応する純粋なＣＯ２に関しては、臨界圧力の０．１４倍未満であり得る。
【００２５】
種々のタイプの構成要素を用いて、システムの効率または作動条件のいくつかの改良点、例えば可変容量圧縮機、膨張機、種々の絞り手段、内部熱交換器、中間圧力への減圧（throttling）、またはサイクルに関する他の改良点を得ることができる。さらに、本発明の請求項１に規定される保護範囲内で、システムのいくつかの部品の設計圧力を減らし、それによりシステムのコストを最小にすることが可能であろう。何らかの理由で、レシーバ（receiver）を、ＷＯ９４／１４０１６に記載されるように膨張容器としての役割を果たすように意図された別個の容器としてではなく、システムの循環ループの一体部分としてシステム内に含むことが好ましい場合、上記の可能性は、システムの低圧側に含まれるレシーバにも有効であろう。
【００２６】
図５は、改良されたサイクルを有する１つの可能なシステム構成を示す。この例のシステムは、２段圧縮機４１、熱除去器４２、膨張手段４３、吸熱器４４、内部熱交換器４５、別の膨張手段４６、および内部サブ冷却器４７を備える。中間圧力への減圧は、サブ冷却器４７での減圧前に高圧冷媒を補助的に冷却するため、および圧縮中にまたは２段圧縮機４１の２つの段間に中間圧力ガスを注入することにより最終圧縮温度を低下させるために、行われる。本発明によると、中間圧力にある構成要素、例えば、熱交換器４７の中間圧力側および中間圧力を受ける圧縮機４１の各部、の設計圧力も減らすことができる。
【００２７】
例えば図６に示すようにシステムの作動を逆にしてもよいことを特徴とするシステムも、本発明の利益を受け得る。この例は、圧縮機５１、熱交換器５２、膨張手段５３、熱交換器５４、内部熱交換器５５、別の膨張手段５６、四方向弁５７、一方向弁５８、および別の一方向弁５９を備える可逆ヒートポンプシステムを示す。圧縮機の吸引側は、常にシステムにおいて低圧であるため、上述の低い設計圧力の利益を受けることができる。システムの低圧側の熱交換器５２は、冷却モードでは蒸発器／吸熱器であり、加熱モードではシステムの高圧側となる。しかしながら、加熱モードの最高圧力は、おそらく７〜８ＭＰａ（７０〜８０バール）もの低さであることが多いため、本発明によるより低い最大静止圧力も、この構成要素には有益である。
【００２８】
本発明による好ましい冷媒は二酸化炭素であるが、本発明は、ある特定の作動条件において超臨界サイクルで作動する、二酸化炭素と同じ特徴を示し得る他の流体との混合物についても用いることができる。
【００２９】
本発明の使用は、先に説明された例および図に限定されず、本発明は、特許請求の範囲内で、本発明の意図を利用することができる全てのシステムに適用可能であることを強調すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】蒸気圧縮システムの単純な回路を示す。
【図２】本発明に従って設計し、ＷＯ９７／２７４３７と比較した場合の、温度変化に対して静止状態のシステムの圧力がどのように変化するかの例を示す。
【図３】ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７による容積対充填量の範囲（図では網掛け領域で示す）と比較したシステムの最適充填量に関して、本発明による典型的なシステムの種々の構成要素の容積および充填量がシステムの充填量にどのように寄与するかを示す。
【図４】システムの最適充填量によりもたらされる最大成績係数（ＣＯＰ）、および充填が最適なものよりも多いかまたは少ない場合にどのように成績係数が低下するかを示す。
【図５】システム作動を改善するために改良されたサイクルの例である。
【図６】可逆方式の空調およびヒートポンプシステムの例である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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