(57)【要約】圧縮機（２２）とガス冷却器（２４）と膨張装置（２６）と蒸発器（２８）とを含む蒸気圧縮システム（２０）を通って冷媒が循環する。蒸発器（２８）に氷結水滴が形成されたことをセンサ（６６）が検出すると、圧縮の吐出部（６２）と膨張装置（２６）の入口（６４）との間に配置されたバルブ（６０）が開く。圧縮機（２２）の吐出部からの冷媒は、ガス冷却器（２４）を迂回して膨張装置（２６）の入口へ入る。高温の冷媒が、蒸発器（２８）の霜を溶解させる。霜が溶解すると、蒸発器の通路が広がって空気が蒸発器を流れる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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とともに該冷媒からの熱が流体によって吸収されるようにする熱放出熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで減圧するための膨張装置と、
前記圧縮装置の吐出部と前記膨張装置の入口との間における冷媒の流れを制御するバルブと、
前記冷媒を蒸発させるための熱受容熱交換器と、
を含むことを特徴とする蒸気圧縮システム。
【請求項２】
前記流体が水である、ことを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮システム。
【請求項３】
さらに、前記熱受容熱交換器の除霜状態を検出するセンサと、制御装置とを含み、前記センサが前記除霜状態を検出すると前記制御装置が前記バルブを開く、ことを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮システム。
【請求項４】
前記圧縮機からの冷媒が、前記バルブと前記膨張装置と前記熱受容熱交換器とを流れて、該熱受容熱交換器上の霜を溶解させる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項５】
前記センサが前記除霜状態を検出しないと前記制御装置が前記バルブを閉じる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項６】
さらに、前記熱放出熱交換器を通って前記流体を引き込むポンプを含む、ことを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮システム。
【請求項７】
前記制御装置が前記バルブを開くときに該制御装置が前記ポンプを閉じる、ことを特徴とする請求項６記載の蒸気圧縮システム。
【請求項８】
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記載の蒸気圧縮システム。
【請求項９】
さらに、前記圧縮装置の吐出部と前記ガス冷却器との間に配置された第２バルブを含み、前記センサが前記除霜状態を検出すると前記制御装置が第２バルブを閉じる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１０】
さらに、前記ガス冷却器と前記膨張装置の入口との間に配置された第２バルブを含み、前記センサが前記除霜状態を検出すると前記制御装置が第２バルブを閉じる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１１】
前記バルブが、前記圧縮装置の吐出部と流体的に連通する第１ポートと、前記熱放出熱交換器と流体的に連通する第２ポートと、前記膨張装置の入口と流体的に連通する第３ポートとを含み、前記センサが前記除霜状態を検出すると前記制御装置が第２ポートを閉じて第３ポートを開き、前記センサが前記除霜状態を検出しないと前記制御装置が第２ポートを開いて第３ポートを閉じる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１２】
前記バルブが、前記膨張装置の入口と流体的に連通する第１ポートと、前記熱放出熱交換器と流体的に連通する第２ポートと、前記圧縮装置の吐出部と流体的に連通する第３ポートとを含み、前記センサが前記除霜状態を検出すると前記制御装置が第２ポートを閉じて第３ポートを開き、前記センサが前記除霜状態を検出しないと前記制御装置が第２ポートを開いて第３ポートを閉じる、ことを特徴とする請求項３記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１３】
前記膨張装置は、前記熱放出熱交換器における冷媒の流入温度と、前記圧縮機の出力と、前記高圧のうち一つを制御するように調整される、ことを特徴とする請求項１記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１４】
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とともに該冷媒からの熱が流体によって吸収されるようにする熱放出熱交換器と、
前記熱放出熱交換器を通って前記流体を引き込むポンプと、
前記冷媒を低圧まで減圧するための膨張装置と、
前記圧縮装置の吐出部と前記膨張装置の入口との間における冷媒の流れを制御するバルブと、
前記冷媒を蒸発させるための熱受容熱交換器と、
前記熱受容熱交換器の除霜状態を検出するセンサと、
前記センサが前記除霜状態を検出すると前記バルブを開いて、前記圧縮機からの高温冷媒が前記バルブと前記膨張装置と前記熱受容熱交換器とを流れるようにし、該熱受容熱交換器の霜を溶解させる、制御装置と、
を含むことを特徴とする蒸気圧縮システム。
【請求項１５】
前記センサが前記熱受容熱交換器の霜を全く検出しないと前記制御装置が前記バルブを閉じる、ことを特徴とする請求項１４記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１６】
前記制御装置が前記バルブを開くときに該制御装置が前記ポンプを閉じる、ことを特徴とする請求項１４記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
前記冷媒が二酸化炭素である、ことを特徴とする請求項１４記載の蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
熱受容熱交換器を用意するステップと、
冷媒を高圧まで圧縮するステップと、
流体と熱を交換することにより前記冷媒を冷却し、該流体は該冷媒から熱を吸収するステップと、
前記冷媒を低圧まで減圧するステップと、
前記熱受容熱交換器において冷媒を蒸発させるステップと、
前記熱受容熱交換器の除霜状態を検知するステップと、
前記圧縮ステップから前記膨張ステップまで冷媒を流すステップと、
前記除霜状態を検知する前記ステップが該除霜状態が必要であると示すと、前記熱受容熱交換器の霜を溶解させるステップと、
を含む、ことを特徴とする超臨界蒸気圧縮システムの高圧を調整する方法。
【請求項１９】
さらに、前記熱受容熱交換器の霜が検知されないステップと、前記圧縮ステップから前記膨張ステップへの冷媒の流れを阻止するステップとを含む、ことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記冷媒が二酸化炭素である、ことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね、蒸発器の通路を除霜するのに利用される、圧縮機出口と膨張装置入口との間に設けられたバルブを含む温水システムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
塩素含有冷媒は、そのオゾン破壊性のため世界の大部分で段階的に廃止されている。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が代替冷媒として使用されているが、これらの冷媒もやはり高い地球温暖化係数を持つ。二酸化炭素やプロパンなどの「天然」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も問題が見られる。二酸化炭素は臨界点が低く、二酸化炭素を利用する空調システムはたいてい、部分的に臨界点を上回るか、大部分の条件下では超臨界状態で作動する。亜臨界流体の圧力は、（液体と蒸気の両方が存在する）飽和状態では、温度の関数である。しかし、流体の温度が臨界温度より高い（超臨界）時には、圧力は流体の密度の関数になる。
【０００３】
超臨界蒸気圧縮システムでは、圧縮機で冷媒が高圧まで圧縮される。冷媒がガス冷却器へ入ると、高圧の冷媒から熱が除去される。熱は、ヒートシンクで水などの流体媒体に伝達される。流体媒体は、水ポンプによってガス冷却器内を送られる。次に、膨張装置を通過した後、冷媒は膨張して低圧となる。それから冷媒は蒸発器を通過して外気から熱を吸収する。次に冷媒は圧縮機に再び入って、サイクルを終える。
【０００４】
蒸発器の表面温度が、湿った外気の露点温度を下回ると蒸発器のフィンに水滴が凝結する。蒸発器の表面温度が凍結温度を下回ると、水滴は凍結する。凍結水滴から霜の結晶が成長して、蒸発器における空気の通過を阻止する。このように阻止されると蒸発器における圧力低下が著しくなり、蒸発器の気流を減少させ、ヒートポンプ性能を低下させ、加熱能力を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先行技術においては、ガス冷却器の水ポンプを停止させることにより蒸発器の除霜が行われていた。圧縮機からの高温冷媒は、ガス冷却器の流体の熱を排出せずにガス冷却器を流れる。高温冷媒は膨張し、蒸発器を流れて蒸発器の除霜を行う。この先行技術システムの欠点は、水ポンプが停止した直後には、流体のためにガス冷却器がまだ低温であるということである。そのため、ガス冷却器を暖めるために水ポンプが停止した状態で冷媒がガス冷却器を流れなければならない。ガス冷却器が暖められると、膨張装置の開口部が拡大されて暖められた冷媒を蒸発器へ提供する。冷媒はガス冷却器を通る長い経路を流れなければならないので、このシステムはまた、圧縮機の出口から膨張装置の入口までの間で著しい圧力低下を招く。これによっても、膨張装置の開度を大きくする必要が生じる。
【０００６】
ゆえに、先行技術のこのような問題を克服する改良された除霜方法の必要性が当該技術では存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
超臨界蒸気圧縮システムは、圧縮機とガス冷却器と膨張装置と蒸発器とを含む。閉回路システム内を冷媒が循環する。冷媒としては二酸化炭素が使用されることが好ましい。二酸化炭素は臨界点が低いので、冷媒として二酸化炭素を利用するシステムでは、通常、蒸気圧縮システムを超臨界状態で作動させる必要がある。
【０００８】
圧縮機で冷媒が圧縮された後、ガス冷却器で冷媒が冷却される。水ポンプが、ガス冷却器のヒートシンクを通って水を送る。低温の水は冷媒から熱を吸収して、ヒートシンクから出る。次に冷媒は膨張装置を通過し、膨張して低圧となる。膨張の後、冷媒は蒸発器を流れ、外気によって加熱され、高エンタルピー・低圧で蒸発器から出る。
【０００９】
圧縮機の吐出部と膨張バルブの入口との間にはバルブが配置されている。蒸発器の通路に凍結液滴が形成され始めたことをセンサが検出すると、制御装置がバルブを開いて除霜サイクルを実施する。圧縮機の吐出部からの高温冷媒は、第１熱交換器を迂回して膨張装置の入口へ入る。除霜サイクルが開始されると、制御装置は水ポンプを止めて、ガス冷却器のヒートシンクへの水の流れを停止させる。
【００１０】
ガス冷却器を迂回した高温冷媒は蒸発器へ入り、蒸発器通路に形成された霜を溶解させる。霜が溶解すると、蒸発器通路が広がり、蒸発器通路を空気が流れるようになる。
【００１１】
本発明の以上および他の特徴は、以下の実施形態と図面から最もよく理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、圧縮機２２と熱放出熱交換器（超臨界サイクルのガス冷却器）２４と膨張装置２６と熱受容熱交換器（蒸発器）２８とを含む蒸気圧縮システム２０を示す。
【００１３】
閉回路サイクル２０内を冷媒が循環する。冷媒としては二酸化炭素が使用されることが好ましい。二酸化炭素を挙げたが、他の冷媒を使用してもよい。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では、通常、蒸気圧縮システム２０を超臨界状態で作動させる必要がある。
【００１４】
温水モードで作動する時には、冷媒が高圧・高エンタルピーで圧縮機２２から出る。冷媒は次にガス冷却器２４を流れて熱を失い、低エンタルピー・高圧でガス冷却器２４から出る。水などの流体媒体がヒートシンク３０を流れて、ガス冷却器２４を通過する冷媒と熱を交換する。ガス冷却器２４では、冷媒が流体媒体へ熱を排出して流体媒体が熱を吸収する。水ポンプ３２は、ヒートシンク３０を通して流体媒体を送る。冷却流体３４はヒートシンク入口または戻り管３６でヒートシンク３０へ入り、冷媒の流れ方向と反対の方向に流れる。冷媒との熱交換の後、温水３８はヒートシンク出口または供給管４０から出る。
【００１５】
次に冷媒は膨張装置２６を通過して、圧力が低下する。膨張装置２６は電子膨張バルブ（ＥＸＶ）または他のタイプの膨張装置２６でよい。
【００１６】
膨張の後、冷媒は蒸発器２８の通路４２を流れて、高エンタルピー・低圧で出る。蒸発器２８では、外気が冷媒に熱を排出して、冷媒が熱を吸収する。外気４４はヒートシンク４６を流れて、第２熱交換器２８を通過する冷媒と熱を交換する。外気は、ヒートシンク入口または戻り管４８からヒートシンク４６へ入り、冷媒の流れ方向と反対の、またはこれを横切る方向に流れる。冷媒と熱を交換した後、冷却された外気５０は、ヒートシンク出口または供給管５２からヒートシンク４６を出る。このシステム２０は、低温のエネルギーリザーバ（大気）から高温のエネルギーシンク（加熱された温水）へ熱を伝達する。エネルギーの伝達は、圧縮機２２での電気エネルギー入力の助けを借りて達成される。冷媒が蒸発器２８を通過すると、外気と蒸発器２８の冷媒との間の温度差によって、外気から冷媒への熱エネルギー伝達が行われる。ファン５４が蒸発器２８を横切るように外気を移動させて温度差を維持し、冷媒を蒸発させる。
【００１７】
システム２０は、アキュムレータ５８を含むことが可能である。アキュムレータ５８はシステム２０からの余剰冷媒を保管して、システム２０の高圧、ひいては成績係数を制御する。
【００１８】
圧縮機２２の吐出部６２と膨張バルブ２６の入口６４との間には、バルブ６０が配置されている。除霜を必要とする状態をセンサ６６が検出すると、制御装置６８がバルブ６０を開いて除霜サイクルを実施する。圧縮機２２の吐出部６２からの冷媒はガス冷却器２４を迂回して膨張装置２６の入口６４へ入る。制御装置６８はまた、水ポンプ３２を止めて、ガス冷却器２４への低温の水３４の流れを停止させる。一例では、蒸発器２８のコイルに霜が蓄積した時に除霜が必要である。
【００１９】
除霜がもはや必要でないことをセンサ６６が検出すると、制御装置６８がバルブ６０を閉じてシステム２０は通常動作へ戻る。
【００２０】
バルブ６０は、バルブ６０における圧力低下が、ガス冷却器２４における圧力低下よりもはるかに低くなるような寸法である。そのため、圧縮機２２からの冷媒の大部分はバルブ６０を通って膨張装置２６へ流れる。膨張装置２６によって膨張した高温冷媒は蒸発器２８へ送られる。高温の冷媒は蒸発器２８の通路４２を流れて蒸発器２８を加熱し、蒸発器２８の霜を溶解させる。圧縮機２２の出力を最大にするとともに除霜プロセスを促進させるように、除霜サイクル中に膨張バルブ２６が制御される。
【００２１】
図２は、通常動作中の蒸気圧縮システム２０の熱力学図を概略的に示す。点Ａに見られるように、冷媒は高圧・高エンタルピーで圧縮機２２から出る。冷媒は、ガス冷却器２４を高圧で流れる際に、流体媒体へ熱とエンタルピーを渡して、点Ｂとして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。冷媒が膨張バルブ２６を通過すると、点Ｃで示されているように圧力が低下する。膨張後に冷媒は蒸発器２８を通過し、外気と熱を交換し、点Ｄで示されたように高エンタルピー・低圧で出る。冷媒が圧縮機２２を通過した後、冷媒は再び高圧・高エンタルピーとなってサイクルを終える。
【００２２】
図３は、除霜モードにおける蒸気圧縮システム２０の熱力学図を概略的に示す。冷媒は圧縮機２２を流れて、点Ｅとして示されているように高エンタルピー・高圧で出る。バルブ６０が開くと、冷媒はガス冷却器を迂回してバルブ６０を流れる。次に冷媒は膨張装置２６へ送られる。点Ｆとして示されているように、高温の冷媒は膨張装置２６によって膨張して低圧となる。高温の冷媒は次に蒸発器２８を流れる。蒸発器２８の高温冷媒は蒸発器２８へ熱を排出して、蒸発器２８の通路４２の霜を溶解させる。蒸発器２８を通過した後、冷媒は、点Ｇで示されているように低エンタルピー・低圧となる。次に冷媒は圧縮機２２へ再び入り、サイクル２０を終える。
【００２３】
図４は、本発明のシステム２０の代替例を概略的に示す。システム２０はさらに、圧縮機２２の吐出部６２とガス冷却器２４との間に配置されたバルブ７０を含む。一例では、バルブ７０はソレノイドバルブである。バルブ７０の開閉度は可変である。除霜を必要とする状態をセンサ６６が検出すると、制御装置６８がバルブ６０を開いてバルブ７０を閉じ、圧縮機２２からの冷媒がガス冷却器２４へ入るのを防止する。除霜がもはや必要でないことをセンサ６６が検出すると、制御装置６８がバルブ６０を閉じてバルブ７０を開き、圧縮機２２からの冷媒がガス冷却器２４へ入るのを許容する。
【００２４】
図５は、本発明のシステム２０の代替例を概略的に示す。システム２０はさらに、ガス冷却器２４と膨張装置２６の入口６４との間に配置されたバルブ７１を含む。除霜を必要とする状態をセンサ６６が検出すると、制御装置６８はバルブ６０を開いてバルブ７１を閉じ、ガス冷却器２４からの冷媒が膨張装置２８へ入るのを防止する。除霜がもはや必要でないことをセンサ６６が検出すると、制御装置６８がバルブ６０を閉じてバルブ７１を開き、ガス冷却器２４からの冷媒が膨張装置２８へ入るのを許容する。
【００２５】
図６は、本発明のシステム２０の代替例を概略的に示す。システム２０はさらに、圧縮機２２の吐出部６２とガス冷却器２４と膨張装置２６との間に配置された三方バルブ７２を含む。バルブ７２は、圧縮機２２の吐出部６２へ通じるポート７６と、ガス冷却器２４へ通じるポート７４と、膨張装置２６の入口６４へ通じるポート７８とを含む。除霜を必要とする状態をセンサ６６が検出すると、制御装置６８がポート７６と７８を開いてポート７４を閉じ、圧縮機２２からの冷媒がガス冷却器２４へ入るのを防止する。除霜がもはや必要でないことをセンサ６６が検出すると、制御装置６８はポート７８を閉じてポート７４を開き、圧縮機２２からの冷媒がガス冷却器２４へ入るのを許容する。
【００２６】
図７は、本発明のシステム２０の代替例を概略的に示す。システム２０はさらに、ガス冷却器２４と膨張装置２６と圧縮機２２の吐出部６２との間に配置された三方バルブ８０を含む。バルブ８０は、ガス冷却器２４へ通じるポート８２と、膨張装置２６の入口６４へ通じるポート８４と、圧縮機２２の吐出部６２へ通じるポート８６とを含む。除霜を必要とする状態をセンサ６６が検出すると、制御装置６８がポート８６を開いてポート８２を閉じ、ガス冷却器２４からの冷媒が膨張装置２６へ入るのを防止する。除霜がもはや必要でないことをセンサ６６が検出すると、制御装置６８はポート８６を閉じてポート８２を開き、ガス冷却器２４からの冷媒が膨張装置２６へ入るのを許容する。
【００２７】
図８に見られるように、蒸気圧縮システム２０の様々な特性を制御するように、膨張装置２６のオリフィスサイズを調整できる。一例では、入口８８からガス冷却器２４へ入る冷媒の温度をセンサ９０が検知する。ガス冷却器２４の入口８８における冷媒温度が閾値を超える場合には、制御装置６８が膨張装置２６のオリフィスサイズを調整する。一例では、閾値は２１２°Ｆである。あるいは、圧縮機２２の出力をセンサ９２が検知する。圧縮機２２出力が閾値を超える場合には、制御装置６８は膨張装置２６のオリフィスサイズを調整する。最後に、蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力をセンサ９４が検知する。高圧側の圧力が閾値を超える場合に、制御装置６８は膨張装置２６のオリフィスサイズを調整する。
【００２８】
以上の説明は、本発明の原理を例示したものに過ぎない。以上の教示を参考にして、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が開示されているため、ある種の変形が本発明の範囲に包含されることを当業者であれば認識できるだろう。そのため、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を実施してもよいことを理解すべきである。この理由から、本発明の真の範囲と内容を判断するには、請求項を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のバルブを採用した蒸気圧縮システムの概略図である。
【図２】通常動作中の超臨界蒸気圧縮システムの熱力学図である。
【図３】バルブが開いた時の超臨界蒸気圧縮システムの熱力学図である。
【図４】本発明の第二例の蒸気圧縮システムの概略図である。
【図５】本発明の第三例の蒸気圧縮システムの概略図である。
【図６】本発明の第四例の蒸気圧縮システムの概略図である。
【図７】本発明の第五例の蒸気圧縮システムの概略図である。
【図８】システムで採用できる付加的センサを示す概略図である。
【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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【図７】
2007503565.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2007503565.tif 000011
2007503565.tif 000012
2007503565.tif 000013