(57)【要約】冷凍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。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。炭酸ガスは低臨界点を有するので、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは通常は冷凍システムが超臨界で稼動することを必要とする。システムが非効率的に動作しているときは、システムが効率的に動作するようにシステムは修正される。先ず、システムが非効率的に動作しているかどうかを判定するために、システムのパラメータがセンサによりモニタされ、次いで記憶された値と比較される。システムが非効率的に動作していたら、システムは効率的システムに修正される。
2007524060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍システムの成績係数を最適化する方法であって、
圧縮装置において冷媒を高圧まで圧縮するステップと、
熱放出熱交換器において前記冷媒と流体媒体の間で熱を交換することにより前記冷媒を冷却するステップと、
膨張装置において前記冷媒を低圧まで膨張するステップと、
熱受容熱交換器において前記冷媒と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、
前記冷凍システムのパラメータを感知するステップと、
前記パラメータを、効率的冷凍システムを表す効率パラメータと比較するステップと、
前記冷凍システムが効率的状態で動作しているか、非効率的状態で動作しているかを判定するステップと、
判定するステップが、前記冷凍システムが非効率的状態で動作していると判定したら前記冷凍システムを調節するステップと、を含む方法。
【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に記載の方法。
【請求項３】
前記パラメータが前記熱放出熱交換器を出る前記冷媒の出口温度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パラメータが前記熱放出熱交換器を出る前記冷媒の出口エンタルピーであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パラメータが前記熱放出熱交換器にわたる前記冷媒の圧力降下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パラメータが前記熱放出熱交換器において前記冷媒と熱を交換する前記流体の流量であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パラメータが前記熱放出熱交換器を出る前記冷媒の冷媒温度と前記熱放出熱交換器に入る前記流体の流体温度との差であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記パラメータが前記圧縮装置に入る前記冷媒の吸入圧力であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パラメータが前記圧縮装置を出る前記冷媒の温度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記パラメータが前記膨張装置の開口であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記パラメータが前記熱受容熱交換器に入る前記冷媒の特性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記パラメータが前記冷凍システムの成績係数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パラメータが前記冷凍システムの冷媒質量流量であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記冷凍システムを調節するステップが前記熱放出熱交換器を通る前記流体媒体の流量を増加することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷凍システムを調節するステップが前記膨張装置の開口を大きくすることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
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であって、前記冷媒と熱を交換するために流体が内部を流れ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、内部で空気流が前記冷媒と熱を交換する熱受容熱交換器と、
前記冷凍システムのパラメータを感知するセンサと、
前記冷凍システムの効率的な状態を表す前記パラメータの効率値を記憶し、前記冷凍システムが効率的な状態にあるか、非効率的な状態にあるかを判定するために前記効率値を前記パラメータと比較し、前記冷凍システムが非効率的な状態にあると判定されたら前記冷凍システムを調節する制御装置と、を備える超臨界冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概ね、冷凍システムのためのシステム制御方法であって、システムパラメータをモニタし、システムが非効率的に稼動していることをシステムパラメータが示したら、システムを効率的なシステムに変換するために、ガス冷却器を通る水流量、あるいは膨張装置の開口を調節することにより最適な成績係数を達成する方法に関する。
【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」の冷媒が代替流体として提案されてきた。炭酸ガスは低臨界点を有するので、炭酸ガスを利用するほとんどの空調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。
【０００３】
超臨界冷凍システムにおいて、冷媒は圧縮機内で高圧かつ高温まで圧縮される。冷媒がガス冷却器に入る際に、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。次いで冷媒は膨張装置内で膨張される。膨張装置の開口は最適成績係数を達成するために高圧側圧力を調節するように制御できる。次いで冷媒は蒸発器を通過し、空気から熱を受ける。次いで過熱された冷媒は圧縮機に再度入りサイクルを完了する。システムの環境的稼動条件は蒸発器入口における大気温度、ガス冷却器への給水温度、及び貯蔵タンクへの配水温度により定められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
システムの成績係数が減少したら、システムの効率が低下する。システムが非効率的に動作しているときを判定するためにシステムがモニタされ、次いで成績係数を増加するために調節されることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
超臨界冷凍システムは圧縮機、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するので、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは通常冷凍システムが超臨界で稼動することを必要とする。
【０００６】
システムが非効率的に動作しているかどうかを判定するために、センサがシステムのパラメータをモニタし、次いで感知された値を制御装置に記憶された閾値と比較する。システムが非効率的に動作していたら、システムはシステムを効率的なシステムに変更するように修正される。
【０００７】
パラメータはガス冷却器の冷媒出口における冷媒温度又は冷媒エンタルピーでも、ガス冷却器にわたる冷媒圧力降下でも、ガス冷却器のヒートシンクを通る水流量でもよい。代案として、システムの接近温度が検出される。圧縮機の吸入圧力又は圧縮機の吐出口における冷媒温度がモニタされてもよい。パラメータはまた膨張装置の開口でも、蒸発器入口における冷媒特性でもよい。システムが非効率的に動作しているかどうかを判定するために、システムの成績係数及び質量流量が検出されてもよい。
【０００８】
システムが非効率的に動作していると判定されたら、システムはガス冷却器のヒートシンクを通る水流量を調節するか、膨張装置の開口を調節することにより効率的サイクルに変換される。
【０００９】
本発明のこれら又は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。
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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凍システム２０が超臨界で稼動することを必要とする。
【００１２】
水加熱モードで動作しているときは、冷媒は高圧かつ高エンタルピーで圧縮機吐出口４６を通って圧縮機２２を出る。次いで冷媒はガス冷却器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。ガス冷却器２４において、冷媒は水等の流体媒体に熱を放出し、流体媒体を加熱する。可変速度水ポンプ３２が流体媒体をヒートシンク３０の中を流し、ガス冷却器２４を通る水流量を変更するように制御される。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。冷媒と熱を交換した後、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。冷媒はガス冷却器冷媒入口４２を通ってガス冷却器２４に入り、ガス冷却器冷媒出口４４を通って出る。
【００１３】
次いで冷媒は膨張装置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。冷媒は膨張入口４８を通って膨張装置２６に入り、膨張出口５０を通って出る。最適成績係数を達成するために膨張装置２６の開口は高圧側を調節するように制御することができる。
【００１４】
膨張後、冷媒は蒸発器入口５２を通って蒸発器２８に入る。蒸発器２８において、屋外空気は熱を冷媒に放出する。屋外空気５６はヒートシンク５８を流れ、蒸発器２８を流れる冷媒と熱を交換する。屋外空気はヒートシンク入口又は戻り口６０を通ってヒートシンク５８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６２はヒートシンク出口又は供給口６４を通ってヒートシンク５８を出る。冷媒は蒸発器出口５４を高エンタルピーかつ低圧で出る。ファン６６が屋外空気を蒸発器２８を横切って移動させる。次いで冷媒は圧縮機２２の圧縮機吸入口６８に再び入り、サイクルを完了する。
【００１５】
図２は冷凍システム２０を模式的に図解する。効率的動作の間、冷媒蒸気は点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、それは水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まで圧力が降下する。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。次いで冷媒は圧縮機２２において高圧かつ高エンタルピーまで圧縮され、サイクルを完了する。
【００１６】
図２はまた、より効率の低い好ましくないサイクルで動作するシステム２０を図解する。より効率の低いシステム２０は上記の効率的なシステム２０と同じ環境的稼動条件、同じ圧縮機２２吐出圧力、及びガス冷却器２４のヒートシンク入口又は戻り口３６及びヒートシンク出口又は供給口４０における同じ水温で動作する。しかしながら、非効率的システム２０は、ガス冷却器２４を通るより小さい水流量、より高い圧縮機２２吸入圧力、より低い圧縮機２２吐出温度、及びシステム２０を通るより高い全体冷媒流量を有する。
【００１７】
非効率的なシステム２０において、膨張装置２６にわたるより小さい圧力降下とより大きい冷媒流量のために、膨張装置２６の開口は効率的なシステム２０における膨張装置２６より大きい。冷媒流量の増加はガス冷却器２４における熱伝達を低下させるのでガス冷却器２４の出口４４における冷媒温度も高くなる。蒸発器の入口５２における冷媒は既に飽和又は過熱されているので、蒸発器２８内の冷媒の大気からの熱吸収も小さくなる。
【００１８】
システム２０が非効率的に動作しているときは、システム２０は効率的に動作するように修正する必要がある。システム２０が非効率的に動作しているかどうかを判定するために、システム２０のパラメータがセンサ７０によりモニタされる。システム２０が非効率的に動作していたら、ガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量を調節することにより、あるいは膨張装置２６の開口を調節することにより、システム２０は修正される。
【００１９】
システム２０が非効率的に動作しているかどうかを判定するためにシステム２０のいくつかのパラメータがモニタできる。センサ７０は、システム２０の効率の状態を表すシステム２０の種々のパラメータを感知する。効率的システム２０を表すパラメータの閾値が制御装置７２に記憶される。センサ７０により感知された値と制御装置７２に記憶された閾値が比較され、システムの効率の状態が判定される。
【００２０】
第１の例において、センサ７０はガス冷却器２４の冷媒出口４４における冷媒温度を感知する。温度センサ８２がガス冷却器２４を出る冷媒の温度を検知し、この値をセンサ７０に供給する。システム２０が効率的に動作しているときのガス冷却器２４の冷媒出口４４における冷媒温度の値が制御装置７２に記憶される。ガス冷却器２４の出口４４における冷媒温度が制御装置７２に記憶された値より著しく高いことをセンサ７０が感知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２１】
もう一つの例において、ガス冷却器２４の冷媒出口４４における冷媒エンタルピーが計算される。冷媒エンタルピーはガス冷却器２４を出る冷媒の温度と圧力に基づいて計算される。ガス冷却器２４を出る冷媒の温度は温度センサ８２により検知され、ガス冷却器２４を出る冷媒の圧力は圧力センサ７８により検知される。これらの検知された値はセンサ７０に供給される。効率的サイクルの間の膨張装置２６の出口５０における冷媒圧力、あるいは蒸発器２８の入口５２又は出口５４における冷媒圧力に対応する飽和エンタルピーが制御装置７２に記憶される。ガス冷却器２４の冷媒出口４４における冷媒エンタルピーが、制御装置７２に記憶された値に近い、あるいはそれより大きいことが感知されるときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２２】
あるいはセンサ７０はガス冷却器２４にわたる冷媒圧力降下を感知する。圧力センサ７６がガス冷却器２４に入る冷媒の圧力を感知し、圧力センサ７８がガス冷却器２４を出る冷媒の圧力を感知する。センサ７０はセンサ７６と７８により感知された値を検知し、ガス冷却器２４にわたる冷媒圧力降下を決定する。システム２０が効率的に動作しているときのガス冷却器２４にわたる冷媒圧力降下の値が制御装置７２に記憶される。非効率的サイクルの間、冷媒質量流量が大きいためにガス冷却器２４にわたる冷媒圧力降下は効率的サイクルより大きい。ガス冷却器２４にわたる冷媒圧力降下が制御装置７２に記憶された値より著しく大きいことをセンサ７０が検知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２３】
センサ７０はまたガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量を検知することもできる。水流量センサ８４がガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量を検知し、この値をセンサ７０に供給する。水流量センサ８４はガス冷却器２４の前に配置しても、後に配置してもよい。システム２０が効率的に動作しているときのガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量の値は制御装置７２に記憶される。ガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量が制御装置７２に記憶された値より著しく小さいことをセンサ７０が検知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２４】
もう一つの例において、センサ７０はシステム２０の接近温度（ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を検知する。接近温度はガス冷却器２４のヒートシンク３０の冷媒出口４４における冷媒とガス冷却器２４のヒートシンク３０の入口３６における水の間の差である。温度センサ８０はヒートシンク３０に入る水の温度を検知し、温度センサ８２はヒートシンク３０を出る冷媒の温度を検知する。センサ７０はセンサ８０及び８２により感知された値を検知し、接近温度を決定する。効率的サイクルの接近温度が制御装置７２に記憶される。センサ７０により検知された接近温度が制御装置７２に記憶された値より著しく高いときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２５】
センサ７０は圧縮機２２の圧縮器吸入口６８における吸入圧力を検知することもできる。圧縮機２２の圧縮機吸入口６８における吸入圧力は圧力センサ８６により感知され、この値はセンサ７０に供給される。システム２０が効率的に動作しているときの圧縮機２２の吸入圧力の値は制御装置７２に記憶される。圧縮機２２の吸入圧力が制御装置７２に記憶された値より著しく大きいことをセンサ７０が検知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２６】
もう一つの例において、圧縮機２２の吐出口４６における冷媒の温度がセンサ７０により検知される。圧縮機２２の吐出口４６における冷媒の温度が温度センサ８８により検知され、センサ７０に供給される。システム２０が効率的に動作しているときの圧縮機２２の吐出口４６における冷媒温度の値が制御装置７２に記憶される。冷媒温度が、制御装置７２に記憶された値より著しく低いときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２７】
センサ７０は膨張装置２６の開口を検知することもできる。センサ９０が膨張装置２６の開口の大きさを感知し、この情報をセンサ７０に供給する。システム２０が効率的に動作しているときの膨張装置２６の開口の値は制御装置７２に記憶される。膨張装置２６の開口が、制御装置７２に記憶された効率的サイクルの値より著しく大きいことをセンサ７０が検知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００２８】
システム２０が非効率的に動作しているかどうかを判定するために蒸発器２８の入口５２における冷媒特性（蒸気質量分率）を検出することもできる。センサ９２が蒸発器２８の入口５２における冷媒特性を検知し、この値をセンサ７０に供給する。システム２０が効率的に動作しているときの蒸発器２８の入口５２における冷媒特性の値は制御装置７２に記憶される。蒸発器２８の入口５２における冷媒特性が制御装置７２に記憶された値より著しく高いことをセンサ７０が検知するときは、システム２０は非効率的に稼動している。
【００２９】
センサ７０は成績係数を感知することもできる。成績係数は加熱能力を電力入力で割ったものとして定義される。システム２０が効率的に動作しているときの成績係数の値が制御装置７２に記憶される。成績係数が、制御装置７２に記憶された効率的サイクルの値より著しく小さいことをセンサ７０が検知するときは、システム２０が非効率的に動作している。
【００３０】
最後に、センサ７０はシステム２０の冷媒質量流量を感知することもできる。センサ９４はシステム２０の何れかの点における冷媒質量流量を検知し、この値をセンサ７０に供給する。システム２０が効率的に動作しているときの冷媒質量流量の値が制御装置７２に記憶される。システム２０の冷媒質量流量が制御装置７２に記憶された値より著しく大きいとセンサ７０が感知するときは、システム２０は非効率的に動作している。
【００３１】
システム２０が非効率的に動作していると判定されたら、システム２０は効率的サイクルに変換される。しかしながら、効率的に動作していても、非効率的に動作していても、冷凍システム２０が安定状態にあるときは、システム２０は安定している。従って、安定状態を破り、非効率的システムを効率的システム２０に変換するように制御アルゴリズムが適用される必要がある。
【００３２】
一つの例において、システム２０は、ガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量を増加することにより効率的サイクルに変換される。水ポンプ３２に連結された駆動装置８８がガス冷却器２４を通る水流量を制御する。システム２０が非効率的に動作していることをセンサ７０が検知したら、制御装置７２は信号を駆動装置８８に送ってガス冷却器２４のヒートシンク３０を通る水流量を増加し、ガス冷却器２４における熱伝達を改善する。ガス冷却器２４の冷媒出口４４における冷媒温度が低下することで、蒸発器２８の入口における冷媒の液体質量分率が増加し、これにより蒸発器２８負荷が増加するとともに蒸発圧力が低下する。圧縮機２２の吸入圧力と圧縮機２２の吐出圧力が共に低下する。膨張装置２６の開口が、高圧を維持するように自動的に制御（縮小）される場合、圧力比は増加し、質量流量を低下させる。圧縮機２２の吐出が増加し、システム２０を効率的システム２０に変換する。
【００３３】
システム２０はまた、膨張装置２６の開口を小さくすることにより効率的システム２０に変換することもできる。膨張装置２６の開口を小さくすることにより、圧縮機２２の吐出圧力は増加し、圧縮機２２の吐出温度を上昇させる。水ポンプ３２速度が自動的に制御（増加）される場合、ヒートシンク３０を通る水流量が増加する。従って、膨張装置２６の開口を小さくすることにより、システム２０は効率的システム２０に変換される。
【００３４】
両変換方法はシステム２０を効率的システム２０に変換するために別個に採用することも、同時に採用することもできる。
【００３５】
非効率的システム２０を防止するために、システム２０の立ち上げの間の膨張装置２６の開口は、最新の安定状態の効率的動作の間の膨張装置２６の開口の１．２５倍より小さくすべきである。
【００３６】
更に、配水温度設定点は立ち上げ及び準備段階の間、下げられてもよい。システム２０が効率的かつ安定して稼動した後、水を望ましい温度まで加熱し、安定状態を達成するために配水温度を徐々に上昇してもよい。従って、立ち上げ及び準備状態の間、非効率的システム２０を回避することができる。
【００３７】
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】
【００３８】
【図１】本発明の冷凍システムの模式図である。
【図２】効率的サイクル及び非効率的サイクルの間の超臨界冷凍システムの熱力学図である。
【図１】
2007524060.tif 000003
【図２】
2007524060.tif 000004
【国際調査報告】
2007524060.tif 000005
2007524060.tif 000006
2007524060.tif 000007
2007524060.tif 000008
2007524060.tif 000009