(57)【要約】  冷凍システムは、圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）に接続される蒸気出口（５３）および蒸発器（９０）に接続される液体出口（５４）を有する分離手段（５０）の第１の入口（５１）に接続される凝縮器（３０）と、蒸発器（９０）に接続される第１の蒸気入口（１０１）、分離手段（５０）に接続される第２の蒸気入口（１０２）、および圧縮機（１０）に接続される蒸気出口（１０３）を有し、圧縮機（１０）が分離手段（５０）からおよび蒸発器（９０）から蒸気を吸い込むことができるようにその第１および第２の蒸気入口（１０１、１０２）をその蒸気出口（１０３）と選択的にかつ交互に連通するように作動される選択弁（１００）と、選択弁（１００）の動作を制御するための制御ユニット（１１０）とを備える。
2011524511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
霧状の冷媒流体の入口（１１）および出口（１２）を有する圧縮機（１０）と、
圧縮機（１０）の出口（１２）に接続される蒸気入口（３１）、および液体出口（３２）を有する凝縮器（３０）と、
凝縮器（３０）の液体出口（３２）に接続される入口、および出口を有する高膨張装置（１２１）と、
凝縮器（３０）の液体出口（３２）に接続される第１の入口（５１）、および圧縮機（１０）の入口に接続される蒸気出口（５３）、および液体出口（５４）を有する分離手段（５０）と、
分離手段（５０）の液体出口（５４）に接続される入口、および出口を有する低膨張装置（１２２）と、
分離手段（５０）から低膨張装置（１２２）の出口を通して冷媒流体を受け入れる気液混合入口（９１）、および気液混合出口（９２）を有する蒸発器（９０）とを備える冷凍システムであって、
蒸発器（９０）の気液混合出口（９２）と接続される第１の蒸気入口（１０１）、分離手段（５０）の蒸気出口（５３）に接続される第２の蒸気入口（１０２）、および圧縮機（１０）の入口（１１）に接続される蒸気出口（１０３）を有する選択弁（１００）であり、選択弁（１００）の第２の蒸気入口（１０２）において、および選択弁（１００）の第１の蒸気入口（１０１）でかつ蒸発器（９０）の蒸気出口（９２）で支配的である第２の吸入圧力より優勢な第１の吸入圧力で分離手段（５０）の内部において冷媒流体を維持し、圧縮機（１０）が前記第１の吸入圧力で分離手段（５０）から冷媒蒸気を、および前記第２の吸入圧力で蒸発器（９０）から冷媒蒸気を吸い込むことができるように、その第１および第２の蒸気入口（１０１、１０２）をその蒸気出口（１０３）と選択的にかつ交互に連通するように作動される選択弁（１００）と、所定の値の範囲内で分離手段（５０）の内部において液体冷媒流体のレベルを維持するために選択弁を作動させるように、動作可能に選択弁（１００）と関連する制御ユニット（１１０）とを備えることを特徴とする、冷凍システム。
【請求項２】
制御ユニット（１１０）が、選択弁（１００）の第１および第２の蒸気入口（１０１、１０２）のそれぞれと、選択弁（１００）の蒸気出口（１０３）との間の連通時間を決定するタイマを備え、前記連通時間が、前記所定の値の範囲内で分離手段（５０）の内部において液体冷媒流体のレベルを維持するように設計され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】
制御ユニット（１１０）が、第１および第２の蒸気入口と選択弁（１００）の蒸気出口との間で切り換えられる可変の連通時間によって選択弁（１００）の動作を命令し、前記連通時間が、冷凍システムの構成要素と、および／または冷凍システムの外側の環境と関連する少なくとも１つの動作条件から規定されることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
制御ユニット（１１０）が、分離手段（５０）の内部における液体冷媒流体のレベルの所定の最大および最小値を検出できるレベルセンサ（１１１）から選択弁（１００）の動作を命令することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
高膨張装置（１２１）および低膨張装置（１２２）が、冷媒流体流れの拘束度、ならびに分離手段（５０）および蒸発器（９０）の内部において支配的である圧力を変えるために制御ユニット（１１０）によって命令されるように、動作可能に制御ユニット（１１０）と関連することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気の機械的圧縮による冷凍システムに関し、このシステムでは圧縮機が少なくとも２つの吸入圧力段を有する回路を通して冷媒流体を吸い込む。本冷凍システムは、例えば、その構成に炭素を含むような任意のタイプの冷媒流体に適用され得る。
【背景技術】
【０００２】
蒸気の機械的圧縮による冷凍システムは、減圧に供されるときの揮発性流体の蒸発作用によって得られる冷凍の原理に基づくものであり、熱電気、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）、電気熱量等のようなたとえいくつかの他の冷凍の原理が存在する場合でも、これらの概念（Ｇｏｓｎｅｙ；Ｗ．Ｂ．、１９８２、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ）以後今までの間に大多数の新応用分野で使用されている。冷凍システムの初期の開発の狙いは、安全な（非毒性かつ不燃性の）冷媒流体を得ることであり、１９３０年ごろの初期に入手可能な家庭用密閉型冷凍システムの場合のようにそれらの信頼性および動作特性を一般用途に適応させることであった（Ｎａｇｅｎｇａｓｔ；Ｂ．Ａ．、１９９６、Ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ｓｅａｌｅｄ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、ＡＳＨＲＡＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ３８（１）：Ｓ３７、Ｓ３８、Ｓ４２−Ｓ４６、およびＳ４８、Ｊａｎｕａｒｙ）。
【０００３】
安全な冷媒流体の採用およびこれらのシステムのエネルギー効率の改善に関しては、冷媒流体としての二酸化炭素（ＣＯ２）の使用が指摘されるべきである。
【０００４】
従来の冷凍システムでは、圧縮機の動作中、冷媒流体は、蒸発器の入口において質量が小さいが体積が大きい蒸気部分と、体積が小さくかつ質量が大きい液体部分とを含んでいる。圧縮機は、熱交換を行う霧状の前記冷媒流体なしに、蒸発器全体に沿ってこの冷媒流体を移動してその後これを圧縮するのにエネルギーを消費するので、膨張過程中に蒸発器入口に存在するこの蒸気は、前記蒸発器を通過するとき熱交換を行わず、熱伝達効率を低下させ、したがって冷凍システムのある一定の非効率性を生じる。したがって、圧縮機は、低圧から吐出圧力までこの蒸気を圧縮するのにエネルギーを消費する。
【０００５】
蒸発器入口の霧状の冷媒流体は、冷凍能力を生じることなく、連続的に吸い込まれかつ圧送される蒸気留分の形で作動するが、その結果圧縮機のエネルギー消費が生じる。いくつかの知られている先行技術の解決法では、このエネルギー損失は、回路に対して各段によって冷媒流体のより効果的な膨張過程を形成するように、この蒸気の抽出を行う冷凍回路に蒸気分離器を用いた冷凍システムによって最小にされる。
【０００６】
Ｗｉｎｄｈａｕｓｅｎの冷凍システム（Ｗｉｎｄｈａｕｓｅｎ；Ｆ．、１９０１、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｃａｒｂｏｎｉｃ  ａｎｈｙｄｒｉｄｅ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ」英国特許  Ｇ９０８４  ｏｆ  １９０１）と初期に呼ばれている複式の圧縮段の使用は、特に二酸化炭素およびアンモニアのようないくつかの冷媒流体の場合に、主として高温と低温環境の間の大きな温度差（６０℃よりも高い）を有する用途について冷凍サイクルのエネルギー効率をかなり改善している（Ｋｉｍ；Ｍ．Ｈ．、Ｐｅｔｔｅｒｓｅｎ；Ｊ．、Ｂｕｌｌａｒｄ；Ｃ．Ｗ．、２００４、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｄｅｓｉｇｎ  ｉｓｓｕｅｓ  ｉｎ  ＣＯ２  ｖａｐｏｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３０（２００４）１１９〜１７４頁）。
【０００７】
複式の圧縮段の、かつ冷媒流体としてアンモニアを有するサイクルは、産業用冷凍設備に広く使用されており（Ｓｔｏｅｃｋｅｒ；Ｗ．Ｆ．、２００１、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、Ｂｕｓｉｎｅｓｓ  Ｎｅｗｓ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ．）、添付の図面の図１に概略的に示されるように、これは、冷凍回路に２つの圧縮機１０、１０’の存在を必要とする。
【０００８】
このような冷凍システムでは、霧状の冷媒流体の入口１１．出口１２を有する第１の圧縮機１０は、第１の蒸気配管２０によって凝縮器３０（ガスクーラ）に接続されるその出口１２を有する。
【０００９】
凝縮器３０は、圧縮機１０の出口１２に接続される蒸気入口３１、および復水配管６０によって、膨張装置１２０、特に弁の形の高膨張装置１２１を通して分離手段５０（膨張またはフラッシュ蒸気分離器）の第１の入口５１に接続される液体出口３２を有している。
【００１０】
分離手段５０は、第２の圧縮機１０’が取り付けられる配管７０によって、冷却される媒体Ｍと動作可能に関連する蒸発器９０に接続される第２の蒸気入口５２、第２の蒸気配管４０を通して圧縮機１０の入口１１に接続される蒸気出口５３、および液体配管８０によって、膨張装置１２０、特に蒸発器９０に接続される弁の形の低膨張装置１２２の入口に接続される液体出口５４をさらに有している。
【００１１】
蒸発器９０は、液体配管８０を通して高膨張装置１２１に接続される気液混合入口９１、および第２の圧縮機１０’を通して、分離手段５０の第２の入口５２に配管７０を通して接続される気液混合出口９２を有している。  
低膨張装置１２２および高膨張装置１２１は、分離手段５０において決定された圧力状態を生じるように、冷凍システムの適切な動作のために予め規定された差別化した圧力レベルを確立する冷凍システム回路に配置される。低膨張装置１２２であれ高膨張装置１２１であれ、このような膨張装置１２０は、冷凍回路において冷媒流体流れの拘束度を変えるように、制御ユニットによって命令される電子制御弁のような可変または可変でない流れからなる毛細管や絞り弁などの固定絞りオリフィスの形態を有することができる。
【００１２】
２段階圧力を用いる別の知られている冷凍解決法（Ｖｏｏｒｈｅｅｓ；Ｇ．、１９０５、Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ  ｒｅｌａｔｉｎｇ  ｔｏ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｏｆ  ｆｌｕｉｄ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ  ｔｈｅｒｅｏｆ、英国特許  ＧＢ４４４８  ｏｆ  １９０５およびＬａｖｒｅｃｈｅｎｋｏ：Ｇ．Ｋ．、Ｚｍｉｔｒｏｃｈｅｎｋｏ；Ｊ．Ｖ．、Ｎｅｓｔｅｒｅｎｋｏ；Ｓ．Ｍ．およびＫｈｍｅｌｎｕｋ；Ｇ．Ｍ．、１９９７、Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｖｏｏｒｈｅｓｓ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｗｉｔｈ  ｈｅｒｍｅｔｉｃ  ｐｉｓｔｏｎ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ｏｎｅ  ｏｒ  ｔｗｏ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｅｖｅｌｓ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、２０−７（１９９７）５１７−５２７）では、冷凍回路は、その中で追加の吸入オリフィスが圧縮機の吸入行程中に開かれる、両吸込み圧縮機を有し、それにより、冷媒が２つの吸入圧力レベルになって吸い込まれ得る。
【００１３】
この構成では、圧縮機は、蒸発器から吸入を開始し、吸入行程の決定された段階で、ピストンの運動が、圧縮機に設けられたオリフィスを開き、それにより、圧縮過程の開始が蒸発圧力よりも高い圧力で起こるように、蒸気は、吸入圧力と吐出圧力との間の中間圧力でシリンダの中に注入され得る。
【００１４】
２段階圧力サイクルを用いる別の知られている冷凍解決法（Ｐｌａｎｋ；Ｒ．、１９１２、Ａｒｂｅｉｔｓｖｅｒｆａｈｒｅｎ  ａｎ  Ｋｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｋａｌｔｅｍａｓｃｈｉｎｅｎ、ｉｎｓｂｅｓｏｎｄｅｒｅ  ｆｕｒ  Ｋａｌｔｅｔｒａｇｅｒ  ｍｉｔ  ｔｉｅｆｅｒ  ｋｒｉｔｉｓｃｈｅｒ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、Ｇｅｒｍａｎ  独国特許  ＤＥ２７８０９５）は、膨張弁の近くでポンピングステージを用いる。圧縮された流体を冷却する最後のステップは、膨張の前に実質的にエンタルピを低下させ、したがって冷凍能力を増大する。圧縮の第２の段階の高い冷媒密度のために（ポンピング）、必要とされる動力は小さく、ほとんど液体ポンプの動力と比較できる。
【００１５】
また、蒸発器に低圧段の吸入を行うようにエジェクタを用いる２段方式システム（最初は１９３１年に提案された）も知られている（Ｄｉｓａｗａｓ；Ｓ．、Ｗｏｎｇｗｉｓｅｓ；Ｓ．、２００４、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｃｙｃｌｅ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｅｊｅｃｔｏｒ  ａｓ  ａｎ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、２７（２００４）５８７−５９４；、およびＢｕｔｒｉｍｏｗｉｃｚ；Ｄ．、Ｋａｒｗａｃｋｉ；Ｊ．、Ｔｒｅｌａ；Ｍ．、２００５、Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｅｊｅｃｔｏｒ  ｉｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、ＩＩＲ（Ｉｎｔ．Ｉｎｓｔ．ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｖｉｃｅｎｚａ−Ｉｔａｌｙ、Ｐｒｅ−ｐｒｉｎｔｓ、６９５〜７０２頁）。
【００１６】
複式の吸入圧力段を有する冷凍システムは、ＣＯ２およびアンモニアなどの冷媒流体で作動する場合に特に興味深い。複式の吸入圧力段を有するシステムの使用は、これが蒸発器の中に膨張蒸気を導入することを排除するので、これらの冷媒流体の場合の冷凍システムの効率を鋭敏に改善する。この場合、膨張蒸気は、分離され、中間圧力で圧縮機によって吸い込まれる。
【００１７】
また、冷凍回路に存在する蒸気状態の冷媒流体は、圧縮機の吸い込みまで導かれるが、吸入圧力と吐出圧力との間の中間圧力において、霧状の冷媒流体と一緒になって、かつ低圧で圧縮機によって吸い込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】英国特許第９０８４号明細書
【特許文献２】英国特許第４４４８号明細書
【特許文献３】独国特許第２７８０９５号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｇｏｓｎｅｙ；Ｗ．Ｂ．、１９８２、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ
【非特許文献２】Ｎａｇｅｎｇａｓｔ；Ｂ．Ａ．、１９９６、Ｈｉｓｔｏｒｙ  ｏｆ  ｓｅａｌｅｄ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、ＡＳＨＲＡＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ３８（１）：Ｓ３７、Ｓ３８、Ｓ４２−Ｓ４６、およびＳ４８、Ｊａｎｕａｒｙ
【非特許文献３】Ｋｉｍ；Ｍ．Ｈ．、Ｐｅｔｔｅｒｓｅｎ；Ｊ．、Ｂｕｌｌａｒｄ；Ｃ．Ｗ．、２００４、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｄｅｓｉｇｎ  ｉｓｓｕｅｓ  ｉｎ  ＣＯ２  ｖａｐｏｒ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３０（２００４）１１９〜１７４頁
【非特許文献４】Ｓｔｏｅｃｋｅｒ；Ｗ．Ｆ．、２００１、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、Ｂｕｓｉｎｅｓｓ  Ｎｅｗｓ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ．
【非特許文献５】Ｌａｖｒｅｃｈｅｎｋｏ：Ｇ．Ｋ．、Ｚｍｉｔｒｏｃｈｅｎｋｏ；Ｊ．Ｖ．、Ｎｅｓｔｅｒｅｎｋｏ；Ｓ．Ｍ．およびＫｈｍｅｌｎｕｋ；Ｇ．Ｍ．、１９９７、Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｖｏｏｒｈｅｓｓ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｗｉｔｈ  ｈｅｒｍｅｔｉｃ  ｐｉｓｔｏｎ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ｏｎｅ  ｏｒ  ｔｗｏ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｅｖｅｌｓ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、２０−７（１９９７）５１７−５２７
【非特許文献６】Ｄｉｓａｗａｓ；Ｓ．、Ｗｏｎｇｗｉｓｅｓ；Ｓ．、２００４、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｃｙｃｌｅ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｅｊｅｃｔｏｒ  ａｓ  ａｎ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ、２７（２００４）５８７−５９４
【非特許文献７】Ｂｕｔｒｉｍｏｗｉｃｚ；Ｄ．、Ｋａｒｗａｃｋｉ；Ｊ．、Ｔｒｅｌａ；Ｍ．、２００５、Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ  ｅｊｅｃｔｏｒ  ｉｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ、ＩＩＲ（Ｉｎｔ．Ｉｎｓｔ．ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｖｉｃｅｎｚａ−Ｉｔａｌｙ、Ｐｒｅ−ｐｒｉｎｔｓ、６９５〜７０２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
複式の圧力段のこれらの知られている冷凍システムは、従来の冷凍システムに対してエネルギー損失を低減するが、低圧蒸気に対してかつより高圧の蒸気に対して差別化した圧縮を必要とし、その結果、単一体もしくは単一体でない圧縮機の数量を２倍にすること、または、回路に存在しかつ低圧蒸気と一緒になって圧送される蒸気の圧力を変化することができる冷凍回路の要素を用意することが必要であるために、これらは、複雑でしばしば高価な構成を必要とする。
【００２１】
本発明の目的は、複式の圧力段の冷凍システムに対して比較的低コストで、複式の圧縮機の必要を排除する、簡単な構成の冷凍システムを提供することである。したがって、膨張蒸気（またはフラッシュ蒸気）の形の冷媒流体の量が低減され、その圧力は、圧縮機が蒸発器出口の蒸発圧力レベルから圧縮機の吐出圧力までこれを圧送するときに上昇され、したがって圧縮機のより高いエネルギー効率に達する。
【００２２】
本発明の別の目的は、上で引用されたような、かつ冷凍システムの圧縮機についても蒸発器についても特性を変える必要がないシステムを提供することである。
【００２３】
本発明の付加的な目的は、上で引用されたタイプの、ならびに特にＣＯ２のような冷媒流体の場合に冷凍システムの熱収量のかなりの改善、およびコスト低減を得ることができるシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の上で引用された、他の目的は、霧状の冷媒流体の入口および出口を有する圧縮機と、圧縮機の出口に接続される蒸気入口、および液体出口を有する凝縮器（または「ガスクーラ」）と、凝縮器の液体出口に接続される入口、および出口を有する高膨張装置と、凝縮器の液体出口に接続される第１の入口、および圧縮機の入口に接続される蒸気出口、および液体出口を有する分離手段と、分離手段の液体出口に接続される入口、および出口を有する低膨張装置と、分離手段から低膨張装置の出口を通して冷媒流体を受け入れる気液混合入口、および気液混合出口を有する蒸発器と、蒸発器の気液混合出口と接続される第１の蒸気入口、分離手段の蒸気出口に接続される第２の蒸気入口、および圧縮機の入口に接続される蒸気出口を有する選択弁であり、選択弁の第２の蒸気入口において、および選択弁の第１の蒸気入口でかつ蒸発器の蒸気出口で支配的である第２の吸入圧力より優勢な第１の吸入圧力で分離手段の内部において冷媒流体を維持し、圧縮機が前記第１の吸入圧力で分離手段から冷媒蒸気を、および前記第２の吸入圧力で蒸発器から冷媒蒸気を吸い込むことができるように、その第１および第２の蒸気入口をその蒸気出口と選択的にかつ交互に連通するように作動される選択弁と、所定の値の範囲内で分離手段の内部において液体冷媒流体のレベルを維持するために選択弁を作動させるように、動作可能に選択弁と関連する制御ユニットとを備える冷凍システムを用意することによって達成される。
【００２５】
本発明によって提案された構成により、分離手段の内部において蒸気を分離し、液体冷媒流体だけを蒸発器に向けさせることができるばかりでなく、分離手段の内部に含まれる蒸気が、選択弁のそれぞれの動作条件において、かつ蒸発器出口で支配的である圧力より高く圧縮機の吐出圧力の圧力よりも低い中間圧力で、圧縮機によって選択的に吸い込まれルこともでき、その結果、冷凍回路の高圧側に冷媒流体のガス状部分を戻すのにそれほどエネルギー消費を必要としない。
【００２６】
本発明は、本発明の実施形態の例示として与えられる添付の図面を参照して、下記で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】２つの圧縮機を有する２段階吸入を有する先行技術の冷凍システムを概略的に示す図である。
【図２】本発明により構成される冷凍システムを概略的に示す図である。
【図３】より高いレベルの制御を有する、本発明の冷凍システムの別の構成を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、蒸気の２段階機械的圧縮によって作動するタイプの冷凍システムについて説明され、前記冷凍システムは、図２および図３に示されるように、霧状の冷媒流体の入口１１および出口１２を有する単一の圧縮機１０を備え、前記出口１２は、図１に示される冷凍システムについて既に予め説明されたように凝縮器３０に接続される。図１に示される冷凍システムのものと同じである図２および図３に示される冷凍システムの構成要素およびこれらの接続は、同じ参照符号になっており、本明細書において再び説明されることはない。
【００２９】
図２および図３に示される構成では、凝縮器３０の液体出口３２が、復水配管６０を通して高膨張装置１２１の入口に接続され、この高膨張装置１２１は、分離手段５０の第１の入口５１に接続される出口を有する。
【００３０】
図２および図３に示される本発明の構成の分離手段５０は、以下で説明されるように、先行技術の場合には蒸発器９０を前記分離手段５０に接続する第２の入口５２を有していない。
【００３１】
本発明によれば、冷凍システムは、蒸発器９０の気液混合出口９２と接続される第１の蒸気入口１０１、分離手段５０の蒸気出口５３に接続される第２の蒸気入口１０２、および第２の蒸気配管４０を通して圧縮機１０の蒸気入口１１に接続される蒸気出口１０３を有する選択弁１００（またはシーケンスずれ弁）であり、選択弁１００の第２の蒸気入口１０２において、および選択弁１００の第１の蒸気入口１０１でかつ蒸発器９０の気液混合出口９２で支配的である第２の吸入圧力より優勢な第１の吸入圧力で分離手段５０の内部において冷媒流体を維持し、圧縮機１０が前記第１の吸入圧力で分離手段５０から冷媒蒸気を、および前記第２の吸入圧力で蒸発器９０から冷媒蒸気を吸い込むことができるように、その第１および第２の蒸気入口１０１、１０２をその蒸気出口１０３と選択的にかつ交互に連通するように作動される選択弁１００と、分離手段５０の液体出口５４を通して蒸発器９０内の蒸気の導入を減らし、分離手段５０から出てくる蒸気を、分離手段５０の蒸気出口５３を通して、これが蒸発器９０において支配的である圧力に供された場合の圧縮比よりも低い圧縮比で圧縮させるために選択弁を作動させるように、動作可能に選択弁１００と関連する制御ユニット１１０とをさらに備える。図示されていないが、制御ユニットは、例えば駆動手段を通して選択弁１００および膨張装置１２０を作動させる場合がある。
【００３２】
分離手段５０および選択弁１００（およびまた、これらの要素を互いに、かつその中に動作可能に関連する冷凍回路の他の部分と接続する配管）によって形成される組立体は、２段階エミュレータを規定する（前記組立体は、図２および図３において破線で示される）。
【００３３】
圧縮機１０の吸い込みに対してその第１および第２の蒸気入口の接続を交互する選択弁１００の動作は、より小さな冷凍システムがより高速のスイッチングを有するがより大きな冷凍システムではこのスイッチングがより低速であるように、それぞれの前記接続について、冷凍システムの能力やサイズに比例する連通または転流時間の間に行われる。
【００３４】
選択弁１００は、分離手段５０の液体出口５４を通して蒸発器９０の蒸気の供給を減らし、かつ、圧縮機１０によって吸い込まれかつ分離手段５０から出てくる蒸気を、ある圧縮比で、すなわち圧縮機１０の入口１１で支配的である圧力と前記圧縮機１０の出口１２で支配的である圧力との間の比で、すなわち蒸気が蒸発器９０から吸い込まれるときの圧縮比よりもはるかに小さい圧縮比で圧縮され得るようにする機能をさらに有し、その結果、ほとんどエネルギーを費やさない。
【００３５】
動作条件が大きく変化しない冷凍システムでは、選択弁１００を通して圧縮機１０の蒸気入口１１への、蒸発器９０からの吸い込みと分離手段５０からの吸い込みとの間の連通のスイッチングは、所定のおよび一定の形態で、例えば予め確立された連通（またはスイッチング）時間間隔に応じて制御ユニット１１０の命令によって実行されることができ、その結果、制御が低コストで実施されることを容易にする。これらのシステムの例は、図２に示されている。
【００３６】
この場合、制御ユニット１１０は、第１および第２の蒸気入口１０１、１０２のうちのそれぞれの１つと、選択弁１００の蒸気出口１０３との間の固定した連通時間間隔によって選択弁１００の動作を命令し、蒸気出口１０３との第１の蒸気入口１０１の連通時間は、選択弁１００の前記蒸気出口１０３との第２の蒸気入口１０２の連通時間より下位にある。
【００３７】
固定した連通時間を有するこのスイッチング動作の場合、制御ユニット１１０は、選択弁１００の蒸気出口１０３に対する、選択弁１００の第１および第２の蒸気入口１０１、１０２の間の各々の連通時間を決定するタイマを備えている。
【００３８】
この構成では、選択弁１００の蒸気出口１０３に対する、選択弁１００の第１および第２の蒸気入口１０１、１０２の間の連通時間は、一定であり、冷凍能力および熱負荷などの冷凍システムの構成特性から予め規定され、その結果、命令回路を簡単化し、構成要素のコストを低減する。
【００３９】
可変の動作条件を有する冷凍システムの場合、制御ユニット１１０は、冷凍システムに存在する少なくとも１つの可変パラメータ、および／または冷却されるかつ前記冷凍システムがつながれる媒体の冷凍条件も考慮する。
【００４０】
この場合、制御ユニット１１０は、第１および第２の蒸気入口１０１、１０２のうちのそれぞれと、前記選択弁１００の蒸気出口１０３との間で交互される可変連通時間によって選択弁１００の動作を命令し、前記連通時間は、冷凍システムの構成要素、および／または冷凍システムの外部の環境と関連する少なくとも１つの動作条件から規定される。
【００４１】
液面レベルが選択弁１００の蒸気出口１０３の方への第１および第２の蒸気入口１０１、１０２の接続を選択するための決定要因である構成（図３）では、本冷凍システムは、分離手段５０の内部の液面レベルに関して制御ユニット１１０に絶えずまたは周期的に知らせるように、動作可能に制御ユニット１１０と関連するレベルセンサ１１１を備え、前記レベルセンサ１１１は、分離手段５０の内部の液体冷媒流体のレベルの所定の最大および最小値を検出することができる。レベルセンサ１１１の用意は、強制的なものではなく、選択弁１００の動作が、図３の構成の場合ように制御ユニット１１０によって制御される可変パラメータに応じて発生するという場合に備えて、このような用意は、構成オプションであることに気づかれたい。
【００４２】
連通時間が固定される構成では、制御ユニット１１０は、前記レベルセンサ１１１から受信される情報に基づく選択弁１００の動作を命令することができ、これは、冷凍システムの安全手段として動作する。本発明は、制御ユニット１１０に対する複雑化について異なるレベルを与えることができ、これは、連通時間が固定され得る図２によって示されるように、または分離手段５０の液面レベル、および、冷凍システムについてのもしくは、また図３に示されるようにそれに関連する環境についての他のパラメータ（分離手段５０の圧力、蒸気および／または液体量、冷却される媒体Ｍの温度、凝縮器３０および圧縮機１０が物理的に配置される環境の温度、それについての温度、圧縮機モータの動作周波数等）を監視することによって与えられる。
【００４３】
制御ユニット１１０は、考慮される制御パラメータの参照として、予め確立された決定された値に応じて、選択弁１００の第１および第２の蒸気入口１０１、１０２の選択的スイッチングを命令する。
【００４４】
選択弁１００の蒸気出口１０３の方への選択弁１００の蒸気入口１０１、１０２の連通時間を決定するために、制御ユニット１１０が２つ以上の変数で動作する状況においては、変数のうちの１つまたはこれ以外のものと関連する決定された異常事態の際に冷凍システムの動作が損なわれないように、選択弁１００の動作制御に関して、それの優位性というこれらの変数および条件の優先順位について事前の判定がある。これらの場合、支配的でない変数は、安全変数として見なされ、冷凍システムのリスク状況および誤作動の最小化を保証する。
【００４５】
この説明は、選択弁１００の蒸気出口１０３の方への蒸気入口１０１、１０２の間の連通を交互する制御ユニット１１０の可能な動作を例示するものであることを理解すべきである。したがって、センサ手段、および選択弁１００の動作を決定する他の手段の存在、またはこれらが存在しないことを考慮する前記動作は、本発明の概念を限定するものとして考えられるべきではない。本明細書において与えられる概念では、制御ユニット１１０は、ただ１つの圧縮機１０が分離手段５０からおよび蒸発器９０から交互に蒸気を吸い込むことができるように、選択弁１００を作動させる。制御ユニット１１０は、選択弁１００の蒸気出口１０３の方への蒸気入口１０１、１０２のそれぞれの連通の選択的スイッチングを可能にし、異なる圧力で分離手段５０から、および蒸発器９０から吸い込みを維持する。センサ手段によって検出される決定された特定の状況の際に冷凍システムのよりよい信頼性に関係する制御変数に加えて、制御変数のよりよい安定性を与えるために、このスイッチングは、固定した、または可変の連通時間で行われ得る。
【００４６】
図１で既に説明されたように、本発明の冷凍システムの低膨張装置１２２および高膨張装置１２１は、制御ユニット１１０によって命令される電子制御弁のような可変または可変でない流れからなる毛細管や絞り弁などの固定絞りオリフィスの形態を有することができ、前記低膨張装置１２２および高膨張装置１２１は、冷凍回路において冷媒流体流れの拘束度を変えるために制御ユニット１１０によって命令されるように、制御ユニット１１０と動作可能に関連される。前記拘束度は、冷凍システムにおいて圧力を制御する必要性に応じて規定され、この拘束は、選択弁１００が分離手段５０を前記圧縮機１０に連通するときに圧縮機１０により要求される吸入圧力によって決定される。
【００４７】
本発明の利点のあるものは、蒸発器入口９０のフラッシュ蒸気をかなり低減することであり、蒸気は蒸発器を通過するときに熱交換をもたらさないことにより害を引き起こすので、これがその中に導入される前に蒸発器から除去されなければならない「パラサイト（ｐａｒａｓｉｔｅ）」であるとき、前記蒸気は、排除または少なくとも最小化されなければならない。分離手段５０を使用することによって、フラッシュ蒸気の発生は、分離手段５０と蒸発器９０との間の第２の膨張装置で最小化され、この蒸気は、蒸発器９０を通過することが阻止される。さらに、分離手段５０のフラッシュ蒸気は、選択弁１００の第２の蒸気入口１０２が蒸発器９０の圧力より優勢であり圧縮機吐き出しの圧力より下位である中間圧力でそれの蒸気出口１０３に接続されると、圧縮機１０よって圧縮され、ほとんど仕事を必要とせず、かつほとんど前記圧縮機のエネルギーを消費せずに冷凍システムの凝縮器３０まで戻すように蒸気を圧送することができ、このポンプ動作は、選択弁１００がその第２の蒸気入口１０２とその蒸気出口１０３との間の流体連通を導くように命令されるまで生じる。
【００４８】
また、本発明は、利点としてシステムに確立される異なるレベルで存在する圧力、すなわち凝縮器３０（または「ガスクーラ」）の圧力、分離手段５０の圧力、および蒸発器９０の圧力を制御する可能性を提供する。圧力レベルの制御、およびより小さな圧縮比で分離手段５０から蒸気を圧縮する可能性は、本方法を実施するためのエネルギーの消費について経済性を実現し、これは、圧縮機の数を減らすことによって先行技術の方法とは異なる。
【００４９】
本発明の可能な構成オプションは、圧縮機１０に選択弁１００（またはシーケンスずれ弁）の一体化を提供する。この一体化の狙いは、回路の第２の蒸気配管４０の存在に関するデッドボリュームの低減により、システムの熱収量についてかなりの利益を得ることである。また、この一体化の可能性は、構成、駆動、制御、および提案される装置のコストの点からも興味深い。
【００５０】
本明細書において与えられる概念は、図示された回路および蒸発器の構成を主に考慮して説明されたが、これらの特定の構成は、本発明の適用可能性についていかなる限定も意味するものではなく、保護することが意図されるものは、原理であり、特定の用途や特定の構成形態だけではないことを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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