(57)【要約】圧縮器（２２）とガス冷却器（２４）と主膨張装置（２６）とエコノマイザ熱交換器（３０）と蒸発器（２８）とを含むエコノマイザ冷凍システム内に、冷媒が循環する。冷却後に冷媒は、エコノマイザ流路（３４）と主流路（３２）とに分かれる。エコノマイザ流路（３４）の冷媒は、膨張して低圧となり、エコノマイザ熱交換器（３０）において主流路の冷媒と熱交換する。次に主流路（３２）の冷媒は、膨張して蒸発器（２８）で加熱され、圧縮器（２２）へ流入して、サイクルを終える。エコノマイザ熱交換器（３０）と圧縮器（２２）との間に配置されたアキュムレータ（４４）は、システム内の余分な冷媒を貯蔵して、システム内の冷媒の量とシステムの高圧状態とを調整する。アキュムレータ（４４）の冷媒の量は、エコノマイザ膨張装置（３６）を調整することによって制御される。アキュムレータ（４４）の冷媒の量を調節することにより、システムの冷媒の量、ひいてはシステムの高圧状態を調整できる。
2007503571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を高圧状態まで圧縮するための圧縮器と、
前記冷媒を冷却するための排熱用熱交換器と、
エコノマイザ熱交換器であって、前記冷媒が、エコノマイザ膨張装置で低圧まで減圧される主通路と、エコノマイザ通路とに分割され、該主通路の該冷媒と該エコノマイザ通路の該冷媒とが該エコノマイザ熱交換器において相互間で熱交換し、該エコノマイザ通路が前記圧縮器へ戻るとともに該主通路が主膨張装置へ流入する、エコノマイザ熱交換器と、
前記エコノマイザ熱交換器と前記圧縮器との間に配置され、ある量を貯蔵するアキュムレータと、
前記主通路の前記冷媒を低圧まで減圧するための前記主膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させるための吸熱用熱交換器と、
を含む冷凍システム。
【請求項２】
前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記アキュムレータの貯蔵量が減少すると前記高圧状態が上昇することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記アキュムレータの前記貯蔵量が増加すると前記高圧状態が低下することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記主膨張装置が開くと前記吸熱用熱交換器を流れる前記冷媒の量が増大することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記主膨張装置が閉じると前記吸熱用熱交換器を流れる前記冷媒の量が減少することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記エコノマイザ流路の前記冷媒が加熱される程度により前記アキュムレータの前記貯蔵量が制御されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項８】
前記エコノマイザ膨張装置により前記アキュムレータの前記貯蔵量が制御されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項９】
前記エコノマイザ流路の前記冷媒がスーパーヒート状態でない時に、前記アキュムレータの前記貯蔵量の増加は前記高圧状態を低下させることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項１０】
前記アキュムレータの前記冷媒が液体であることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の冷凍システム。
【請求項１１】
前記エコノマイザ流路の前記冷媒がスーパーヒート状態である時に、前記アキュムレータの前記貯蔵量の低下は前記高圧状態を上昇させることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
前記システムの前記高圧状態が制御装置により監視されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
前記システムの前記高圧状態が所望の高圧状態を上回ることを前記制御装置が検出すると、該制御装置が前記エコノマイザ膨張装置を開いて該高圧状態を低下させることを特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
前記システムの前記高圧状態が所望の高圧状態を下回ることを前記制御装置が検出すると、該制御装置が前記エコノマイザ膨張装置を閉じて該高圧状態を上昇させることを特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載の冷凍システム。
【請求項１５】
冷凍システムの高圧状態を調整する方法であって、
冷媒を前記高圧状態まで圧縮する段階と、
前記冷媒を冷却する段階と、
前記冷媒を主通路とエコノマイザ通路とに分割する段階と、
前記エコノマイザ通路の前記冷媒を膨張させる段階と、
前記主通路の前記冷媒と前記エコノマイザ通路の前記冷媒との間で熱交換させる段階と、
前記エコノマイザ通路の前記冷媒を復路で前記圧縮段階へ戻し、前記主通路の前記冷媒を膨張段階へ流入させる段階と、
前記復路からある量を貯蔵する段階と、
前記冷媒を膨張させて低圧とする段階と、
前記冷媒を蒸発させる段階と、
前記システムの前記高圧状態を調整するため前記貯蔵量を前記貯蔵段階から調節する段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね、エコノマイザ熱交換器と圧縮器との間に配置された段間アキュムレータでエコノマイザ冷凍システムの高圧部品内の冷媒量を調整することにより、同システムの高圧部品を調整するためのシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
塩素を含有した冷媒は、オゾン破壊の可能性があるとして世界の大半で廃止されつつある。代替の冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣｓ）が使用されているが、これらの冷媒もやはり、地球温暖化の可能性が高い。二酸化炭素やプロパンなどの「天然の」冷媒が代替流体として提案されている。残念なことに、これらの流体の多くの使用に当たってもやはり問題が見られる。二酸化炭素は臨界点が低いため、二酸化炭素を利用する空調システムの多くは、たいていの条件下で、部分的に臨界点以上で作動し、つまりトランス臨界状態で作動する。臨界前流体の圧力は、飽和状態（液体と蒸気の両方が存在）における温度と相関関係にある。しかし、流体の温度が臨界温度より高い（超臨界）時には、圧力は流体の密度と相関関係にある。
【０００３】
冷凍システムがトランス臨界状態で作動する時には、システムの高圧部品を調整すると好都合である。システムの高圧状態を調整することにより、システムの容量および／または効率の制御および最適化が可能である。
【０００４】
従来技術では、ガス冷却器の出口に設けられた膨張弁を調節することにより冷凍システムの高圧部品が調整されて、システムの容量および効率の制御が可能であった。システムの容量と効率を向上させるために、吸入ライン熱交換器と収容タンクも採用されてきた。
【０００５】
排熱用熱交換器から出る液体冷媒を過冷するためのエコノマイザ熱交換器を採用することによっても、システムの容量は増大できる。排熱用熱交換器を出た後で、冷媒は２本の流路に分かれる。エコノマイザ流路は膨張して低圧となり、エコノマイザ熱交換器において主流路と熱交換する。エコノマイザ流路からの冷媒は圧縮器へ投入される。主流路の冷媒は主膨張装置によって膨張する。エコノマイザ流路の冷媒で主流路をさらに冷却することにより、蒸発器への流入エンタルピーが低下して冷却容量を増大させる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
エコノマイザ冷凍システムは、圧縮器と、ガス冷却器と、主膨張装置と、蒸発器と、エコノマイザ熱交換器とを含む。ガス冷却器で冷却された後、冷媒はエコノマイザ流路と主流路とに分割される。エコノマイザ流路の冷媒は、エコノマイザ膨張装置で膨張して低圧となり、エコノマイザ熱交換器において主流路の冷媒と熱交換する。エコノマイザ流路の冷媒は、圧縮器、または多段圧縮プロセスの段と段との間へ戻る。エコノマイザ熱交換器と圧縮器との間に配置されたアキュムレータは、エコノマイザ熱交換器からのある量の冷媒を貯蔵して、システム内の冷媒の量、したがってシステムの高圧を調節する。二酸化炭素が冷媒であることが望ましい。主流路の冷媒は、主膨張装置によって膨張し、蒸発器で加熱され、サイクルを終える。システムの高圧を調整することにより、システムの効率および容量を最適化できる。
【０００７】
アキュムレータに貯蔵される冷媒の量、したがってシステム内の冷媒の量を調整することにより、システムの高圧状態を調整できる。アキュムレータに貯蔵される冷媒の量は、エコノマイザ膨張装置を作動させることによって調整される。制御装置によりガス冷却器の高圧が監視され、この制御装置はシステムの高圧状態に応じてエコノマイザ膨張装置を作動させる。
【０００８】
エコノマイザ膨張装置が若干開くと、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒が多くなって主流路の冷媒を冷却する。エコノマイザ流路の冷媒はスーパーヒートされないので、エコノマイザ熱交換器からの液体冷媒がアキュムレータに蓄積し、システムの冷媒の量とシステムの高圧状態との両方を低下させる。エコノマイザ膨張装置が若干閉じると、エコノマイザ熱交換器を流れる冷媒が少なくなってエコノマイザ流路内の冷媒のスーパーヒート状態を高める。冷媒がスーパーヒートされるので、アキュムレータに蓄積される冷媒は少なくなり、システム内の冷媒量とシステムの高圧状態とを上昇させる。蒸発器の後つまり第１圧縮段の前の吸入スーパーヒートを制御するには、主膨張装置を使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、従来のエコノマイザ冷凍システム２０を概略的に示す。システム２０は、圧縮器２２と、排熱用熱交換器２４（トランス臨界サイクルではガス冷却器）と、主膨張装置２６と、吸熱用熱交換器２８（蒸発器）と、エコノマイザ熱交換器３０とを含む。冷媒は閉回路システム２０を循環する。冷媒は、高圧・高エンタルピーで排出ポート４２を介して圧縮器２２から出る。冷媒はガス冷却器２４を流れて熱を失い、低エンタルピー・高圧で出る。次に冷媒は、２本の流路３２，３４に分かれる。エコノマイザ流路３４の冷媒は、エコノマイザ膨張装置３６で膨張して低圧となり、エコノマイザ熱交換器３０において主流路３２の冷媒と熱交換し、主流路３２の冷媒を冷却する。エコノマイザ流路３４の冷媒は、エコノマイザ復路５６を通って、吸入圧力と排出圧力の間の圧力でエコノマイザポート３８から圧縮器２２へ戻る。主流路３２の冷媒は主膨張装置２６によって膨張してから蒸発器２８で加熱される。それから冷媒は吸入ポート４０から圧縮器２２へ入り、復路５６からの冷媒と混合される。
【００１０】
二酸化炭素が冷媒として使用されることが望ましい。二酸化炭素を例として挙げたが、他の冷媒を使用してもよいことは理解すべきである。二酸化炭素は臨界点が低いため、冷媒として二酸化炭素を利用するシステムは通常、システム２０をトランス臨界状態で作動させる必要がある。システム２０がトランス臨界状態で作動している時には、システム２０の高圧部品を調整すると好都合である。システム２０の高圧状態を調整することにより、システム２０の容量および／または効率の制御および最適化が可能となる。
【００１１】
エコノマイザ式サイクルと非エコノマイザ式サイクルの両方の熱力学的な図が、図２に描かれている。非エコノマイザ式システムでは、点Ａで示されているように冷媒が高圧・高エンタルピーで圧縮器２２から出る。冷媒は、高圧状態でガス冷却器２４から流出する際に熱とエンタルピーとを失い、点Ｂに示されているように低エンタルピー・高圧でガス冷却器２４から出る。冷媒が膨張装置２６を通過する際に、点Ｃに見られるように圧力が低下する。膨張後、冷媒は蒸発器２８を通過して、点Ｄで見られるように高エンタルピー・低圧で出る。冷媒は圧縮器２２を通過した後、再び高圧・高エンタルピーとなってサイクルを終える。
【００１２】
エコノマイザ式サイクルでは、点Ｂで排熱用熱交換器２４を出た流れは、二つの部分に分割される。流れ３４の一部分は膨張して、点Ｅで示されるように低圧・低温となる。この流れは次に、エコノマイザ熱交換器３０において主流３２と熱交換する。主流３２は点Ｂ’でエコノマイザ熱交換器３０を出ていくのに対して、エコノマイザ流は点Ｆで出ていく。主流は次に、点Ｃ’で示されているように膨張して低温・低圧となる。この流れは、蒸発器２８通して点Ｄに案内される。主流は次に圧縮器２２で圧縮される。圧縮プロセス中つまり多段圧縮プロセスの段と段との間に、点Ｆからのエコノマイザ流が追加され、主流の温度を点Ｇまで低下させ、圧縮プロセスを出るのが点Ａでなく点Ａ’となって、サイクルを終える。
【００１３】
システム２０の高圧状態は、ガス冷却器２４の冷媒の温度および密度と相関関係にある。密度は質量と体積の両方と相関関係にあり、ガス冷却器２４内の体積は一般的に変化しないので、ガス冷却器２４の高圧状態はガス冷却器２４内における冷媒の質量および温度のみと相関関係にある。そのため、ガス冷却器２４内の冷媒の質量を制御することにより、システム２０の高圧状態を調整できる。
【００１４】
図３は、本発明のシステム２０を示す。システム２０はさらに、冷媒を貯蔵するため、エコノマイザ熱交換器３０と圧縮器２２のエコノマイザポート３８との間に配置された段間アキュムレータ４４を含む。システム２０における冷媒の正味の流れがアキュムレータ４４へ流れ込む場合には、システムを循環する冷媒は低下し、吸入スーパーヒートが一定に維持されていればガス冷却器２４の圧力は低下するだろう。あるいは、システム２０における冷媒の正味の流れがアキュムレータ４４から流れ出ていく場合には、システム２０を循環する冷媒は増大し、さらに吸入スーパーヒートが一定に維持されるならばガス冷却器２４の圧力が増大するだろう。
【００１５】
主膨張装置２６は、蒸発器２８へ流れる主流路３２、したがって圧縮器２２の吸入スーパーヒートを調整する。主膨張装置２６が若干開くと、蒸発器２８を流れる冷媒が多くなり、圧縮器２２吸入部におけるスーパーヒートが低下する。主膨張装置２６が若干閉じると、蒸発器２８を流れる冷媒が少なくなり、圧縮器２２の吸入ポート４０におけるスーパーヒートが上昇する。
【００１６】
エコノマイザ膨張装置３６は、エコノマイザ流路３４、ひいてはシステム２０の高圧状態を調整する。エコノマイザ流路５６におけるスーパーヒートの量は、エコノマイザ熱交換器３０の元々の寸法と、エコノマイザ膨張装置３６により調整されるエコノマイザ流路３４内の冷媒の流れと、の両方によって調整される。エコノマイザ流路５６のスーパーヒート状態が確実である場合には、アキュムレータ４４から出ていく冷媒の正味の流れが見られて高圧状態を上昇させる。エコノマイザ膨張装置３６を調節することにより、アキュムレータ４４の冷媒の量、ひいてはシステム２０の高圧状態を調整できる。
【００１７】
エコノマイザ膨張装置３６が若干開くと、エコノマイザ熱交換器３０を流れる冷媒が多くなって主流路３２の冷媒を冷却し、エコノマイザポート３８におけるスーパーヒートを低下させる。システム２０の冷媒の量が減少すると、システム２０の高圧状態が低下する。
【００１８】
液体冷媒がアキュムレータ４４に蓄積しても、圧縮器２２はアキュムレータ４４から冷媒を吸引し続けるだろう。そのため、エコノマイザ熱交換器３０を出るエコノマイザ流路５６は、アキュムレータ４４へ入る流れとアキュムレータ４４から出る流れの間の平衡を保つために飽和されていなければならない。流れが飽和すると、エコノマイザ熱交換器３０の流れの質が低下して冷媒をアキュムレータ４４へ流入させるとともに高圧を低下させる。流れが飽和状態でない場合には、ガス冷却器２４の冷媒が最終的にアキュムレータ４４からシステム２０へ流れて、高圧状態を上昇させる。
【００１９】
エコノマイザ膨張装置３６が若干閉じると、エコノマイザ熱交換器３０を流れる冷媒が少なくなってエコノマイザ流路５６の冷媒のスーパーヒート状態を高める。エコノマイザ流路５６の冷媒がスーパーヒートされると、アキュムレータ４４に蓄積する冷媒が少なくなって、システム２０の冷媒の量とシステム２０の高圧状態とを上昇させる。
【００２０】
ガス冷却器２４の高圧状態は、制御装置４６によって監視される。制御装置４６がガス冷却器２４の高圧状態が高すぎることを検出すると、制御装置４６がエコノマイザ膨張装置３６を開いて、ガス冷却器２４からの冷媒をエコノマイザ熱交換機３０に流すとともにアキュムレータ４４へ流入させて高圧状態を低下させる。あるいは、ガス冷却器２４の高圧状態が低すぎることを制御装置４６が検出すると、制御装置４６はエコノマイザ膨張装置３６を閉じて、ガス冷却器２４からの冷媒がエコノマイザ熱交換器３０へ流入してアキュムレータ４４へ入るのを防止し、高圧状態を上昇させる。
【００２１】
蒸発器２８の出口におけるスーパーヒートはまた、ＴＸＶ弁などの熱機械的手段を介して、あるいはセンサの調整により、主膨張装置２６の制御装置によって調整される。主流路３２とエコノマイザ流路３４とはエコノマイザ熱交換器３０を通過する前に分割されると図示および説明したが、ガス冷却器２４から出る流れ全体が、主流路３２とエコノマイザ流路３４とに分割される前にエコノマイザ熱交換器３０を通過できることを理解すべきである。
【００２２】
単一の圧縮器２２が図示および説明されたが、多数の圧縮器が利用される多段圧縮システムも採用できることを理解すべきである。
【００２３】
上記の説明は本発明の原理を例示したものに過ぎない。上の教示に照らし合わせて、本発明の多くの変形および変更が可能である。しかし、本発明の好適な実施例を開示しているため、ある変形が本発明の範囲に包含されることを当該技術の熟練者ならば認めるであろう。そのため、添付された請求項の範囲内において、明記されたもの以外の形で本発明が実施されることを理解すべきである。そのため、本発明の真の範囲と内容を判断するには添付の請求項を検討すべきである。
【００２４】
現時点で好適な実施例についての以下の詳細な説明から、本発明の様々な特徴と長所が当該技術の熟練者に明らかとなるだろう。詳細な説明に付随する図面について、以下、簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】エコノマイザ熱交換器を採用する従来の冷却システムの概略図を示す。
【図２】エコノマイザ式サイクルと非エコノマイザ式サイクルの場合の圧力とエンタルピーに関するグラフを示す。
【図３】アキュムレータを採用する本発明のエコノマイザ式システムを示す。
【図１】
2007503571.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007503571.tif 000005
【国際調査報告】
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2007503571.tif 000007
2007503571.tif 000008