(57)【要約】  本発明は、その吐出圧が、冷媒、例えばＣＯ２の臨界範囲ある、冷却装置で使用するための圧縮機における装置に関する。先行技術によれば、超臨界高圧側を有する冷却プロセスによる冷却発生の際のフラッシュガスの割合は、膨張機における膨張の際も絞り装置における膨張の際も極めて大きい。圧縮機電気入力に対する冷却能力の比、ＣＯＰは相応に小さくなる。冷却発生のための所要エネルギは許容できないほど大きい。従って、別の構成では２段階式の膨張が行われ、この場合、第１のフラッシュガス部分と第１の液体部分とが比較的高い圧力のもとで生じる。第１のフラッシュガス部分は再び第２の圧縮機で高圧側の圧力にまで圧縮され、第１の液体部分は液体分離器における圧力にまで膨張される。この場合、液体部分とフラッシュガス部分との比は著しく大きくなる。この場合、固有の駆動装置を備えた第２の圧縮機が必要であることが欠点である。
2008531969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷臨界運転のための冷却装置であって、少なくとも１つのガスクーラと、内部熱交換器と、中間圧力容器と、エバポレータと、ジオメトリック制御された入口開口及び出口開口とを有した圧縮機、例えばスクリュー圧縮機またはスクロール圧縮機と、絞り装置と、これら構成部分間の接続管路とを有しており、運転状態で吸入圧が圧縮機の吸入側に、吐出圧が圧縮機の吐出側にかけられており、吐出側の圧力が、冷媒の臨界点における圧力よりも大きくて、圧縮機のケーシングにエコノマイザ接続開口が設けられていて、エコノマイザ接続開口が冷却装置またはエアコンディショナの中間圧力容器への流れ接続部を有しており、前記中間圧力容器の圧力は吐出圧と吸入圧の間である形式のものにおいて、
２つの流路を備えた内部熱交換器が配置されており、前記流路に熱交換面が配置されており、一方の流路が下流側でガスクーラ出口と液体分離器の手前の絞り個所との間に配置されており、他方の流路が下流側でエバポレータ出口と圧縮機の吸入側との間に配置されていることを特徴とする、遷臨界運転のための冷却装置。
【請求項２】
遷臨界運転のための冷却装置であって、少なくとも１つのガスクーラと、エバポレータと、ジオメトリック制御された入口開口及び出口開口とを有した圧縮機、例えばスクリュー圧縮機またはスクロール圧縮機と、絞り装置と、これら構成部分間の接続管路とを有しており、圧縮機がケーシングにエコノマイザ接続開口を有している形式のものにおいて、
上記構成部分に加えて付加的に、熱交換面を備えた第１の内部熱交換器と第２の内部熱交換器とが設けられていて、これらの内部熱交換器が、冷却装置またはエアコンディショナの第１の内部熱交換器への、２つの流路を持った流れ接続が形成されるように配置されており、一方の流路がガスクーラからの高圧下にある冷媒流を第２の内部熱交換器を通してエバポレータへと供給し、他方の流路が高圧下にある冷媒の部分流を供給し、高圧下にある冷媒を中間圧力レベルに膨張させるための絞り装置を介して接続されており、圧縮機のエコノマイザ接続部に接続されており、下流側で他方の流路の高圧下にある冷媒蒸気を冷却し、圧縮機の吸入側の手前に、熱交換面が配置された２つの流路を備えた第２の内部熱交換器が配置されており、一方の流路が下流側で冷却装置の最も低い圧力レベルを有した液体分離器と圧縮機の吸入側との間に配置されていて、他方の流路が下流側でガスクーラ流出部と第１の内部熱交換器の手前の絞り個所との間に配置されていることを特徴とする、遷臨界運転のための冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遷臨界運転のための冷却装置であって、ジオメトリック制御された入口開口および出口開口を有する圧縮機、例えばスクリュー圧縮機またはスクロール圧縮機を有しており、少なくとも３つの圧力レベルで作動する形式のものに関する。圧力レベルは、圧縮機の吸入側にあり、エバポレータの圧力に近い吸入圧と、エコノマイザ接続部にかけられる中間圧と、圧縮機の吐出側に作用し、ガスクーラの圧力に近い吐出圧（圧縮最終圧）である。圧縮機のこれらの圧力に所属の面は、低圧側または吸気側または吸入側および高圧側または吐出側と言われる。高圧側の圧力は、冷媒の臨界点における圧力よりも大きい。従ってこのプロセスは、遷臨界的または超臨界的な冷却プロセスと言われる。
【０００２】
このような形式の冷却装置では、圧縮機は、エバポレータで蒸発する吸入圧力下にある作動媒体を吸入し、これを高圧側の圧力である吐出圧にまで圧縮する。作動媒体（冷媒）はガスクーラで冷却され、次いで膨張機で機械的な作業のもと膨張されるか、または絞り装置で液体分離器における圧力にまで膨張される。圧力は作動媒体の臨界点における圧力よりも低いので、液体分離器において分離された液体および蒸気（フラッシュガス）が生じる。圧力低下により作動媒体の温度が下がる。液体は熱供給により気化される。このために必要な熱量は、冷却技術およびエアコンディショニング技術では冷却能力と言われる。
【０００３】
液体の割合が多ければ、冷却能力も大きい。
【０００４】
本発明は、その圧縮圧が、冷媒、例えばＣＯ２の臨界範囲を超えている、冷却装置で使用するための圧縮機における装置に関する。
【０００５】
先行技術によれば、超臨界高圧側を有する冷却プロセスによる冷却発生の際には、フラッシュガスの割合が、膨張機における膨張の際も絞り装置においても極めて大きい。残留液体量は、圧縮機から圧送される質量流量よりも少ない。圧縮機電気入力に対する冷却能力の比、即ちＣＯＰは相応に低下する。冷却発生のための所要エネルギは許容できないほど大きい。従って別の構成では２段階式の膨張機が使用されている。このような膨張では、比較的高い圧力で第１のフラッシュガス部分と第１の液体部分が生じる。第１のフラッシュガス部分は第２の圧縮機で再び高圧側の圧力にまで圧縮され、第１の液体は液体分離器における圧力にまで膨張される。この場合、液体部分とフラッシュガス部分との比は著しく大きくなる。欠点は固有の駆動装置を備えた第２の圧縮機が必要であることにある。このような装置のためのコストは高く、このような装置の運転は、単段装置の場合よりも複雑である。何故ならば、圧縮機の始動および停止のための時間的経過と両圧縮機の圧送流が互いに適合されなければならず、従って制御されなければならないからである。圧縮機の高圧側の圧力が臨界点の圧力の下側にある臨界未満の冷却回路で使用される、スクリュー圧縮機を備えたいわゆるエコノマイザ連結部のような別の公知の技術的手段は、公知のスクリュー圧縮機によっては実現されない。何故ならば遷臨界冷却回路では、臨界点の圧力よりも高い中間圧力が調節されるからである。従って、高圧から中間圧への第１段階の膨張ではさらに膨張される液体は生じない。エコノマイザ接続開口を備えた公知の圧縮機では、この開口への供給、チャージは、早くてもスクリュー溝間が最大のジオメトリックな室体積に達し、ロータの進行性の回転により、圧縮機ケーシングに配置された入口窓へもはや接続しなくなった後に行われる。使用可能な室体積は、冷媒の臨界点における圧力よりも小さい圧力でフラッシュガス部分を収容するのに十分な大きさではない。
【０００６】
本発明の課題は、２段階の膨張装置とエコノマイザとともに稼動される唯１つの圧縮機のみを必要とする技術的手段を提供することにある。この場合、エコノマイザ接続部における中間圧のもとでのフラッシュガス部分の割合は、冷媒の臨界点における圧力よりも小さいのが望ましい。
【０００７】
本発明の特徴によれば、ガスクーラから生じた冷媒蒸気は、高圧レベルから中間圧レベルへと膨張する前に、従って圧縮機におけるエコノマイザ接続部に進入する前に内部熱交換器を通過する。この場合、高圧下にある冷媒蒸気は熱交換器の熱交換面の一方の側で冷却され、エバポレータから出た後の冷媒蒸気は内部熱交換器の熱交換面の他方の側で過熱せられた後、圧縮機によって吸入され圧縮される。
【０００８】
ガスクーラを出た後の冷媒蒸気のさらなる冷却により、中間圧力レベルへの膨張の際に僅かなフラッシュガスが生じる。これにより、公知の構造のスクリュー圧縮機によってエコノマイザ接続部において、冷媒の臨界圧よりも低い中間圧力が実現され、冷却回路の経済性は公知の方法に対して著しく改善される。スクリューロータの考慮されるスクリュー溝、即ち作業室への流入過程は、圧縮機の吸入側へのこのスクリュー溝の流れ接続がなくなる瞬間に終了する。考慮されるスクリュー溝のジオメトリックなスクリュー溝体積はこの位相ではほぼ最大値に達する。有利には、この時点の直前または幾分遅れて、ロータのさらなる回転により考慮されるスクリュー溝の、ロータの周囲ケーシングに配置されたエコノマイザ接続開口への流れ接続が行われる。考慮されるスクリュー溝のジオメトリックなスクリュー溝体積は、主ロータにおけるロータプロフィールの巻き掛け角度と、両ロータの歯数に応じて一定である（搬送位相）かまたはロータ回転の結果小さくなる。
【０００９】
本発明の特徴によれば、遷臨界運転のための冷却装置は少なくとも次の構成部分を有している。即ち、ガスクーラ、内部熱交換器、中間圧力容器、エバポレータ、ジオメトリック制御された流入開口及び流出開口を備えた圧縮機、例えばスクリュー圧縮機またはスクロール圧縮機、絞り装置、これらの構成部分間を接続する管路を有している。圧縮機には運転状態において、圧縮機の吸入側で吸入圧が、吐出側で吐出圧がかかっている。この場合、吐出側の圧力は、冷媒の臨界点における圧力よりも大きい。圧縮機はケーシングにおいてエコノマイザ接続開口を有しており、エコノマイザ接続開口は、吐出圧と吸入圧との間の圧力を有する中間圧力容器への流れ接続部を有している。圧縮機のエコノマイザ接続部の手前には２つの流路を備えた内部熱交換器が配置されており、前記流路には熱交換面が配置されている。この場合、一方の流路は下流側でガスクーラ出口と、液体分離器として形成されている中間圧力容器の手前の絞り個所との間に配置されていて、他方の流路は下流側でエバポレータ出口と圧縮機の吸入側との間に配置されている。温度レベルが異なることにより、エバポレータから生じる冷媒蒸気が内部熱交換器で加熱され、ガスクーラから出る冷媒蒸気は引き続き冷却される。このような冷却により、中間圧力容器における中間圧力レベルに引き続き膨張させる間、フラッシュガス部分の割合は減じられる。膨張した冷媒の相対湿度は大きくなる。フラッシュガスが僅かであることにより、圧縮機のエコノマイザ接続部における中間圧力は、冷媒の臨界点における圧力よりも著しく低くなるので、既存の構成部分の圧縮機をこのような形式の冷却装置に使用することができ、冷却装置は改善された経済性で運転される。
【００１０】
本発明の別の特徴によれば、遷臨界運転のための冷却装置は少なくとも以下の構成部分を有している。即ち、ガスクーラと、第１と第２の内部熱交換器と、エバポレータと、ジオメトリック制御された入口開口と出口開口とを備えた圧縮機、例えばスクリュー圧縮機またはスクロール圧縮機と、絞り装置と、これらの構成部分間の接続管路とを有している。冷却装置の運転時には圧縮機の吸入側には吸入圧が、吐出側には吐出圧がかけられている。この場合、吐出側の圧力は、冷媒の臨界点における圧力よりも大きい。圧縮機はケーシングにエコノマイザ接続開口を有していて、エコノマイザ接続開口は、熱交換面が配置されている２つの流路を備えた、冷却装置またはエアコンディショナの第１の内部熱交換器への流れ接続部を有しており、この場合、一方の流路はガスクーラからの高圧下にある冷媒流を第２の熱交換器を通してエバポレータへと供給し、他方の流路は高圧下にある冷媒の部分流を供給し、この部分流は、高圧下にある冷媒を中間圧レベルに膨張させるための絞りを通過し、第１の内部熱交換器へ進入し、下流側で他方の流路の高圧下にある冷媒蒸気を冷却する。圧縮機の吸入側の手前に、熱交換面が配置された２つの流路を有した第２の内部熱交換器が配置されている。この場合、一方の流路は下流側で、冷却装置の最も低い圧力レベルを有した液体分離器と圧縮機の吸入側との間に配置されていて、他方の流路は下流側でガスクーラ出口と第１の内部熱交換器の手前の絞り個所との間に配置されている。
【００１１】
有利には同じ技術的特徴を、ジオメトリック制御された入口開口と出口開口とを有した別の圧縮機構成形式および圧縮機に適用することができる。
【００１２】
本発明による技術的特徴により、循環質量流がエバポレータにより減じられる。何故ならば、吸入側における過熱が増加し、中間圧への膨張後のフラッシュガス部分の割合が減じ、これにより２段階式の膨張の第１の膨張段階の中間圧が、中間圧が著しく冷媒の臨界点における圧力よりも低くなるまで低下される。
【００１３】
図１のlog p-h 線図では、点１がエバポレータ出口における状態を示している。点２における圧縮機手前の冷媒の流入状態は、内部熱交換器通過後の冷媒の流出状態である。冷媒は比較的高く過熱されていて、圧縮機によって吸入される質量流量は減じられる。室体積、例えばスクリュー圧縮機の考慮されるスクリュー溝容積はこの点で最大の値を有している。この最大の室サイズでは吸入過程は終了され、エコノマイザ接続開口による作業室への流れ接続が開始される。圧力は作業室において、流入するフラッシュガス部分によって中間圧力Ｐｚにまで上昇する。比較的冷たいフラッシュガスと点２で既に吸入された冷媒との混合（点３）により、冷媒は圧縮され、冷却される。混合過程は点４で終了する。点４ではエコノマイザ接続開口も閉じ、点５で吸入ガスとフラッシュガス部分との吐出圧への圧縮が開始される。冷媒は、冷却剤、例えば冷却水によって冷媒蒸気を冷却するために負荷されるガスクーラを通過する。このガスクーラを出る際には、冷媒は点６の状態にある。内部熱交換器が冷却装置の２つの冷媒流を通って通じている第２の熱交換器では、冷媒が点６から点７へと冷却される。この場合、点６から点７への冷却のために内部熱交換器を通って案内される別の冷媒流が点１から点２へと加熱される。ここまで冷却された冷媒流は点７から点８へと膨張され中間圧力となる。この場合、冷媒蒸気は、点３の比較的小さいフラッシュガス部分と、点９の比較的大きい液体部分へと分かれる。フラッシュガス部分の割合は本発明による付加的な冷却により、エコノマイザ接続部の中間圧力が十分に臨界点から離れるまで減じられている。これにより２つの利点が得られる。
・冷却能力の増大による冷却装置の高い経済性。
・液体とフラッシュガスの間の密度差の拡大（中間圧力分離器における両相の分離）。
【００１４】
図２に示した遷臨界運転のための冷却装置は、ガスクーラ１３と、内部熱交換器１４と、フラッシュガスと液体の分離のための液体分離器として形成された中間圧力容器１２と、熱交換器１８と液体分離器１７とを備えたエバポレータシステムと、ジオメトリック制御された入口開口および出口開口を有するスクリュー圧縮機１１と、絞り装置１５，１６と、これらの構成部分間の接続管路とを有している。スクリュー圧縮機１１には運転状態で、スクリュー圧縮機１１の吸入側２４では吸入圧が、吐出側２５では吐出圧がかけられており、この場合、吐出側２５の圧力は、冷媒の臨界点における圧力よりも大きい。スクリュー圧縮機１１はケーシングにエコノマイザ接続開口２１を有しており、このエコノマイザ接続開口２１は、吐出圧と吸入圧の間の圧力を有する中間圧力容器１２への流れ接続部を有する。スクリュー圧縮機１１における吸入側２４の手前には、２つの流路を備えた内部熱交換器１４が配置されていて、その２つの流路には熱交換面が配置されている。この場合、一方の流路１０は下流側でガスクーラ１３の出口と、液体分離器として形成されている中間圧力容器１２の手前の絞り装置１５との間に配置されていて、他方の流路２３は下流側でエバポレータ出口とスクリュー圧縮機１１の吸入側２４との間に配置されている。温度レベルが異なることに基づき、内部熱交換器１４において、液体分離器１７から出た冷媒蒸気が加熱され、ガスクーラ１３から出る冷媒蒸気はさらに冷却される。このような冷却により、中間圧力容器１２における中間圧力レベルへの引き続き行われる膨張の間、フラッシュガスの割合は減少する。膨張された冷媒の相対的な湿度も増大する。フラッシュガスが僅かであることにより、圧縮機のエコノマイザ接続開口２１における中間圧力は著しく減じられ、これにより既にある構造の圧縮機をこのような形式の冷却装置のために使用することができ、冷却装置は改善された経済性で運転できる。
【００１５】
図３のlog p-h線図では、点１がエバポレータ出口における状態を示している。点２におけるスクリュー圧縮機１１の手前の冷媒の流入状態は、内部熱交換器１４（図４）通過後の冷媒の流出状態である。冷媒は比較的高く過熱されていて、圧縮機によって吸い込まれる質量流量は減じられる。室容積、例えばスクリュー圧縮機の考慮されるスクリュー溝容積はこの点で最大の値を有している。この最大の室サイズでは吸入過程は終了され、エコノマイザ接続開口による作業室への流れ接続が開始される。冷媒流と点２で既に吸入された冷媒との混合（点２６）により、冷媒は中間圧力Ｐｚにまで圧縮され、冷却される。混合過程は点４で終了する。点４ではエコノマイザ接続開口も閉じ、点２７で吸入ガスと内部熱交換器１９からの冷媒との吐出圧への圧縮が開始される。冷媒は、冷却剤、例えば冷却水によって冷媒蒸気を冷却するために負荷されるガスクーラ１３を通過する。このガスクーラ１３を出る際には、冷媒は点２８の状態にある。冷却装置の２つの冷媒流が貫流する内部熱交換器１４では、冷媒が２８から点２９へと冷却される。この場合、点２８から点２９への冷却のために内部熱交換器１４によって案内される別の冷媒流が点１から点２へと加熱される。ここまで冷却された冷媒流は、２つの部分流へと膨張し、一方は絞り装置２０によって中間圧力へと膨張し（点３３）、絞り装置３４によって点３０から点３１へと膨張する。絞り装置２０では冷却効果が生じ、これにより流路３５の冷媒流の点２９から点３０への冷却が行われる。点３２の飽和温度と内部熱交換器１９における点３０の流出温度との間の温度差は、内部熱交換器１９のサイズに依存していてほぼ５Ｋである。内部熱交換器１９における点２９から点３０への冷媒の冷却により、高圧から吸入圧への冷媒の膨張の際にフラッシュガス部分が減じられる。点２８から点２９への内部熱交換器１４における冷媒質量流の冷却により、点２９から点３３へ膨張する冷媒流の体積的な冷却効率が増大し、これにより点２９から点３０への高圧ガスの冷却のために僅かな冷媒蒸気が生じ、ひいてはエコノマイザ接続開口における中間圧力が臨界点から十分に離される。これにより２つの利点が得られる。
・冷却能力の増大による冷却装置の高い経済性。
・エコノマイザ接続部を有した公知のスクリュー圧縮機の使用。
【００１６】
図４に示した遷臨界運転のための冷却装置は、ガスクーラ１３と、熱交換器１８と液体分離器１７とを備えたエバポレータシステムと、スクリュー圧縮機１１と、絞り装置２０と３４と、構成部分間の接続管路とを有していて、圧縮機はケーシングにエコノマイザ接続開口２１を有している。第１の内部熱交換器１９と第２の内部熱交換器１４とは、熱交換面における２つの流路２２，３５を持った、冷却装置またはエアコンディショナの第１の内部熱交換器１９への流れ接続部が形成されるように配置されている。この場合、一方の流路３５はガスクーラ１３からの高圧下にある冷媒流を第２の内部熱交換器１４を通ってエバポレータシステムへと供給し、他方の流路２２は高圧下にある冷媒の部分流を供給する。この流路２２は、高圧下にある冷媒を中間圧力レベルに膨張させるための絞り装置２０を介して、第１の内部熱交換器１９に流れ的に接続されていて、下流側で他方の流路３５の高圧下にある冷媒蒸気を冷却し、熱交換面が配置されている２つの流路を備えた第２の内部熱交換器１４が圧縮機の吸入側の手前に配置されている。この場合、その一方の流路２３は下流側で、冷却装置の最も低い圧力レベルを有した液体分離器１７とスクリュー圧縮機１１の吸入側との間に配置されていて、他方の流路２２は下流側でガスクーラ流出部と、第１の内部熱交換器１９の手前の絞り装置２０及び流路３５との間に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による冷却装置またはエアコンディショナのlog p-h線図である。
【図２】圧縮機と熱交換器の配置をこれらに所属の管接続部と制御装置と共に示した概略図である。
【図３】本発明による冷却装置またはエアコンディショナのlog p-h線図である。
【図４】本発明による別の冷却装置のための圧縮機と熱交換器の配置をこれらに所属の管接続部と制御装置と共に示した概略図である。
【図１】
2008531969.tif 000003
【図２】
2008531969.tif 000004
【図３】
2008531969.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2008531969.tif 000007
2008531969.tif 000008
2008531969.tif 000009
2008531969.tif 000010
2008531969.tif 000011
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