(57)【要約】超臨界冷凍システムは圧縮機（２２）と、ガス冷却器（２４）と、膨張装置（２６）と、蒸発器（２８）とを含む。冷媒が閉回路システムを循環される。好ましくは冷媒として炭酸ガスが使用される。ファン（５４）が冷媒と熱を交換する屋外空気を、蒸発器（２８）を横切って移動させる。最適成績係数を達成するために、蒸発器圧力を調節しかつ異なる環境条件に蒸発器（２８）を適応させるようにファン（５４）の速度が調節される。高温大気条件の間、ファン速度が減少され、システム内の冷媒の質量流量を減少する。ガス冷却器（２４）内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換が増加し、ファン（５４）の仕事は減少し、システムの成績係数を増加する。低温大気条件の間、システムの質量流量は小さく、蒸発器（２８）において冷媒側により大きい熱伝達熱抵抗がある。ファン（５４）の速度は低下されてファン（５４）の仕事を減少する。従って、成績係数が増加する。
2007524059.tif 000002
【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熱放出熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで低下させる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる熱受容熱交換器であって、空気流が前記熱受容熱交換器内の前記冷媒と熱を交換する熱受容熱交換器と、
前記熱受容熱交換器を通って前記空気流を可変空気流速度で移動させる可変速度装置と
を備える超臨界冷凍システム。
【請求項２】
前記冷媒が炭酸ガスであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記可変速度装置がファンであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記可変速度装置の装置速度を制御する駆動装置を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記空気流の温度を感知する温度センサをさらに含み、前記駆動装置は、前記温度センサにより感知された前記温度に基づいて前記可変速度装置と前記空気流の前記可変空気流速度を調節することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら、前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記駆動装置が前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記閾値温度が８０°Ｆであることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら前記圧縮装置を作動する前に前記可変速度装置が停止されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記閾値温度が１００°Ｆであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧縮装置の吸入口における圧力を感知する圧力センサをさらに含み、前記可変速度装置は、前記圧縮機の前記吸入口における前記圧力が閾値圧力を超えることを感知したら作動されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記駆動装置は、前記空気流温度が閾値温度を下回ることを前記センサが検知したら前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記閾値温度が２０°Ｆであることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記可変速度装置の前記装置速度を変えることがシステム性能を最適化することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【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熱放出熱交換器と、
前記冷媒を低圧まで低下させる膨張装置と、
前記冷媒を蒸発させる熱受容熱交換器であって、空気流が前記熱受容熱交換器内の前記冷媒と熱を交換する熱受容熱交換器と、
前記熱受容熱交換器を通って前記空気流を可変空気流速度で移動させる可変速度装置と、
前記空気流の温度を感知する温度センサであって、前記温度センサにより感知された温度に基づいて前記可変速度装置が前記空気流の前記可変空気流速度を変更する温度センサと
を備える超臨界冷凍システム。
【請求項１５】
前記冷媒が炭酸ガスであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記可変速度装置の装置速度を制御する駆動装置を更に含む請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら、前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記駆動装置が前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記閾値温度が８０°Ｆであることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら前記圧縮装置を作動する前に前記可変速度装置が停止されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記閾値温度が１００°Ｆであることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記圧縮装置の吸入口における圧力を感知する圧力センサをさらに含み、前記可変速度装置は、前記圧縮機の前記吸入口における前記圧力が閾値圧力を超えることを感知したら作動されることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記駆動装置は、前記空気流温度が閾値温度を下回ることを前記センサが検知したら前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
前記閾値温度が２０°Ｆであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記可変速度装置の前記装置速度を変えることがシステム性能を最適化することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
冷媒を高圧まで圧縮するステップと、
前記冷媒を冷却するステップと、
前記冷媒を低圧まで膨張するステップと、
可変空気流速度で空気流を供給するステップと、
前記冷媒と前記空気流の間で熱を交換することにより前記冷媒を蒸発させるステップと、
前記空気流の温度を感知するステップと、
前記空気流の前記温度に基づいて前記可変空気流速度を調節するステップと
を含む超臨界冷凍システムの成績係数を調節する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね、環境条件が変化する際に蒸発器を通る空気流速度を変更する可変速度ファンを含む冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
塩素含有冷媒はそれらがオゾンを破壊する恐れがあるために世界のほとんどにおいて漸次廃止されてきた。代替冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が使用されてきたが、これらの冷媒はなお高地球温暖化係数を有する。炭酸ガス及びプロパン等の「天然」の冷媒が代替冷媒として提案されてきた。炭酸ガスは低臨界点を有し、冷媒として炭酸ガスを利用するほとんどの冷凍システムは部分的に臨界点以上で稼動し、即ちほとんどの条件の下で超臨界で稼動する。如何なる亜臨界流体の圧力も飽和状態の下では（液体と蒸気が共に存在する場合）温度の関数である。しかしながら、流体の温度が臨界温度より高い場合（超臨界）、圧力は流体の密度の関数となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
冷凍システムにおいて、冷媒は圧縮機内で高圧まで圧縮される。ガス冷却器内で熱が高圧冷媒から放出され、水等の流体媒体に伝達される。冷媒は膨張装置内で低圧まで膨張される。次いで冷媒は蒸発器を通過し、大気から熱を受ける。次いで低圧冷媒は圧縮機に再度入りサイクルを完了する。
【０００４】
冷凍システムは広い動作条件範囲を持ち得る。例えば、蒸発器入口における大気の温度は冬のおよそ−１０°Ｆから夏のおよそ１２０°Ｆまで変化し得る。従って、冷媒の蒸発温度はおよそ−２０°Ｆからおよそ１００°Ｆまで変化し得る。従って、夏における冷媒の質量流量は冬における冷媒の質量流量の８〜１０倍大きく、夏におけるシステムの加熱能力は冬における加熱能力の４〜５倍大きい。ガス冷却器と蒸発器は最大及び最小の冷媒流と加熱能力を処理可能である。しかしながら、それらは常に、季節平均条件の下で動作しているときに（例えば周辺大気温度が５０°Ｆのときに）最適化される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
超臨界冷媒システムは圧縮機、ガス冷却器、膨張装置、及び蒸発器を含む。冷媒は閉回路システムを循環される。好ましくは、炭酸ガスが冷媒に使用される。炭酸ガスは低臨界点を有し、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは通常超臨界的に稼動する。
【０００６】
冷媒は圧縮機内で圧縮され、次いでガス冷却器内で冷却される。ガス冷却器の冷媒は、水に熱を放出しその水を加熱する。次いで冷媒は膨張装置を通過し、低圧まで膨張される。膨張後、冷媒は蒸発器を流れ、屋外大気により加熱され、高エンタルピーかつ低圧で蒸発器を出る。次いで冷媒は圧縮され、サイクルを完了する。
【０００７】
ファンは、冷媒と熱を交換する屋外空気を、蒸発器を横切って移動させる。可変速度駆動装置がファンの速度を制御する。可変速度駆動装置を用いてファンの速度と蒸発器圧力を調節することにより、蒸発器を通る屋外空気の速度が調節でき、蒸発器は異なる環境条件に適応して最適成績係数を達成する。
【０００８】
温度センサが大気の温度を検知する。高温大気条件の間、蒸発器に入る大気の温度は高く、冷媒質量流量を増加する。大きい質量流量はガス冷却器内の冷媒の接近温度を上昇させ、システム性能を低下させる。高温大気条件の間、可変速度駆動装置はファン速度を低下し、蒸発器を通る空気流量とシステム内の冷媒質量流量を減少する。質量流量を減少することにより、ガス冷却器内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換が増加する。ファンの仕事も減少する。従って、システムの成績係数が増加する。
【０００９】
低温大気条件の間、システムの質量流量は小さく、蒸発器内には熱伝達に対する熱抵抗がある。ファンの速度が低下されて蒸発器内の空気流量を減少し、ファンの仕事を減少する。従って、成績係数は増加する。
【００１０】
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よく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の種々の特徴と利点は、今のところ好ましい実施例の以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。
【００１２】
図１は圧縮機２２、熱放出熱交換器（超臨界サイクルのガス冷却器）２４、膨張装置２６、及び蒸発器２８を含む冷凍システム２０を図解する。冷媒は閉回路サイクル２０を循環する。好ましくは、冷媒として炭酸ガスが使用される。炭酸ガスが述べられたが、他の冷媒を使用してもよい。炭酸ガスは低臨界点をもつので、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは冷媒システム２０が超臨界で稼動することを必要とする。
【００１３】
水加熱モードで動作するときは、冷媒は高圧かつ高エンタルピーで圧縮機２２を出る。冷媒はガス冷却器２４を流れ、熱を失い、ガス冷却器２４を低エンタルピーかつ高圧で出る。水等の流体媒体がガス冷却器２４のヒートシンク３０を流れ、冷媒と熱を交換する。水ポンプ３２は流体媒体をヒートシンク３０の中を流す。冷却された流体３４はヒートシンク３０のヒートシンク入口又は戻り口３６に入り、冷媒の流れの方向と反対の方向に流れる。冷媒から熱を受けた後、加熱された水３８はヒートシンク出口又は供給口４０を出る。冷媒はガス冷却器２４の冷媒入口６２を入り、冷媒出口６４を出る。
【００１４】
冷媒は膨張装置２６内で低圧まで膨張される。膨張装置２６は電子膨張弁（ＥＸＶ）でも、他のタイプの膨張装置２６でもよい。
【００１５】
膨張後、冷媒は蒸発器２８を流れ、屋外大気から熱を受ける。屋外空気４４はヒートシンク４６を流れ、蒸発器２８を通過する冷媒に熱を放出する。屋外空気はヒートシンク入口又は戻り口４８を通ってヒートシンク４６に入り、冷媒の流れと反対又は交わる方向に流れる。冷媒と熱を交換した後、冷却された屋外空気５０はヒートシンク出口又は供給口５２を通ってヒートシンク４６を出る。冷媒は蒸発器２８を高エンタルピーかつ低圧で出る。システム２０は更に大気の温度を感知する温度センサ６０を含む。
【００１６】
ファン５４は大気を蒸発器２８を横切って移動させ、蒸発器２８を横切って移動する空気の速度を制御する。可変速度駆動装置５６がファン５４の速度を制御する。可変速度駆動装置５６を用いてファン５４の速度、従って蒸発器２８を通る空気流量を調節することにより、蒸発器２８は異なる環境条件に適応して最適成績係数を達成することができる。成績係数はガス冷却器２４内の熱伝達をシステム２０の電力消費で割ったものとして定義される。システムの電力消費は圧縮機２２の仕事にファン５４の仕事とポンプ３２の仕事を足したものである。
【００１７】
システム２０はまたアキュムレータ５８を含んでもよい。アキュムレータ５８はシステム２０からの過剰冷媒を蓄積してシステム２０の高圧、従って成績係数を制御する。
【００１８】
図２は通常動作中の冷凍システム２０の熱力学図を模式的に図解する。冷媒は点Ａで示される高圧かつ高エンタルピーで圧縮機２２を出る。冷媒がガス冷却器２４を高圧で流れる際に、それは流体媒体に対して熱とエンタルピーを失い、点Ｂで示される低エンタルピーかつ高圧でガス冷却器２４を出る。冷媒が膨張弁２６を通過する際に、点Ｃで示されるように圧力が降下する。膨張後、冷媒は蒸発器２８を通過し、屋外空気と熱を交換し、点Ｄで表される高エンタルピーかつ低圧で出る。冷媒が圧縮機２２を通過した後、冷媒は再び高圧かつ高エンタルピーになり、サイクルを完了する。
【００１９】
夏の高温大気条件の間、蒸発器２８に入る大気の温度は季節平均条件、例えば８０°Ｆより高く、蒸発器２８内の冷媒の温度を上昇させ、一定のファン５４速度では蒸発圧力が増加する。冷媒質量流量が増加し、ガス冷却器２４における接近温度（ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）とガス冷却器２４を出る冷媒の温度が上昇する。接近温度はガス冷却器２４の冷媒出口６４における冷媒の温度とガス冷却器２４のヒートシンク入口３６における水の温度の温度差である。ガス冷却器２４を出る冷媒の温度とガス冷却器２４の効率は超臨界システム２０の効率に影響する。従って、高温大気条件の間、冷媒出口６４を通ってガス冷却器２４を出る冷媒の温度は上昇し、ガス冷却器２４の性能を低下し、システム２０の性能を低下する。
【００２０】
温度センサ６０は大気の温度が季節平均条件、例えば８０°Ｆより高いことを検知したら、センサ６０は信号を可変速度駆動装置５６に送ってファン５４の速度を低下し、蒸発器２８を通る空気流量を減少する。蒸発器２８を通る空気流量の減少は蒸発器の温度と圧力を低下させ、圧縮機吸入口６８における冷媒の密度を減少し、システム２０内の冷媒質量流量を減少する。冷媒はガス冷却器２４を比較的ゆっくりと通過し、ガス冷却器２４内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換を増加し、ガス冷却器２４の性能を向上する。
【００２１】
高温大気条件の間のファン５４速度の低下はガス冷却器２４における熱伝達を増加する。単位冷媒質量流量当たりの圧縮機２２の仕事は圧縮機２２にわたるより高い圧力比により増加する。しかしながら、可変速度駆動装置５６がファン５４速度を低下させるので、ファン５４の仕事は低下する。従って、高温大気温度の間、ファン５４速度を減少したら、システム２０の成績係数は増加する。
【００２２】
非常な高温大気条件（１００°Ｆ〜１２０°Ｆ）に長く曝されている間、システム２０が作動されないときは、炭酸ガス冷媒の臨界温度が８７．８°Ｆであるので圧縮機吸入口６８における冷媒の圧力は臨界圧力以上に上昇し得る。超臨界炭酸ガス冷媒は液体の性質を有する。圧縮機吸入口６８における冷媒の圧力が臨界圧力以上に上昇したら、圧縮機２２内の潤滑剤は冷媒内で完全に溶解し、システム２０を流れ得る。潤滑剤が冷媒内で溶解したら、潤滑剤はシステム２０を循環し、圧縮機２２を出て行く。従って、潤滑剤が圧縮機２２を潤滑できない。
【００２３】
圧縮機２２の吸入圧力は潤滑剤が冷媒内で溶解しないように亜臨界圧力にする必要がある。圧縮機吸入口６８における冷媒の圧力を亜臨界圧力まで下げるために、圧縮機２２を始動するときにファン５４が切られる。ファン５４の速度の低下は蒸発器２８を通る空気流量を減少し、蒸発器の温度と圧力を低下させる。結果として、圧縮機吸入口６８における冷媒の密度は減少し、圧縮機吸入口６８における圧力が低下する。
【００２４】
圧力センサ６６が圧縮機２２の吸入圧力が臨界圧力以下に降下したことを検知したら、圧力センサ６６は可変速度駆動装置５６に信号を送ってファン５４を作動する。次いで、ファン５４は、システム２０の性能を最適化し、亜臨界の圧縮機２２吸入圧力を維持するために蒸発圧力を変更するように駆動装置５６より制御及び調節される。
【００２５】
蒸発器２８に入る空気流の大気温度が低い（２０°Ｆより低い）ときは、システム２０の質量流量は高温大気条件で動作するシステム２０における質量流量よりかなり低い。低質量流量で一定量の空気流が蒸発器２８を通る場合、空気と、蒸発器２８の冷媒側の冷媒の間により大きい熱伝達熱抵抗がある。即ち、熱伝達熱抵抗は主として蒸発配管から冷媒への抵抗である。空気流量を減らすために、ファン５４の速度は下げられる。全体の熱伝達熱抵抗の増加が小さいので、ファン５４の速度の低下は、蒸発器２８における熱伝達にあまり大きく影響しないであろう。しかしながら、ファン５４の速度の低下は必要電力消費を少なくする。システム２０の電力消費が減少するので、システム２０の性能が向上する。
【００２６】
以上の説明は発明の原理の例示に過ぎない。本発明の多くの変形と変更が上記の教示に照らして可能である。しかしながら、当業者なら一定の変形が本発明の範囲内に入ることを認識するように、本発明の好ましい実施例を開示した。従って、添付された請求項の範囲内で、発明を詳細に述べられたのとは違って実施してもよいことは言うまでもない。その理由により、本発明の真の範囲と内容を決定するためには請求項を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】可変速度ファンを採用した冷凍システムの概略図である。
【図２】通常動作中の超臨界冷凍システムの熱力学図である。
【図１】
2007524059.tif 000003
【図２】
2007524059.tif 000004
【国際調査報告】
2007524059.tif 000005
2007524059.tif 000006
2007524059.tif 000007