(57)【要約】冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路の冷媒放熱用熱交換器と冷媒吸熱用熱交換器との間に、冷媒の流れとして直列の関係に配置されたフラッシュタンクエコノマイザと冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとを備える。１次膨張弁が冷媒回路の冷媒吸熱用熱交換器の上流側に該冷媒吸熱用熱交換器と関連して動作するように配置されるとともに、エコノマイザ膨張弁が冷媒回路のフラッシュタンクエコノマイザ上流側に該フラッシュタンクエコノマイザに関連して動作するように配置されており、冷媒放熱用熱交換器から冷媒吸熱用熱交換器へと冷媒回路を通る冷媒の膨張が、これらの膨張弁により２ステップ型膨張プロセスとなる。
2010525294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒圧縮装置と、この圧縮装置から受ける冷媒が冷却媒体と熱交換関係となるように高圧で通流する冷媒冷却熱交換器と、加熱媒体と熱交換関係となるように冷媒が低圧で通流する冷媒加熱熱交換器と、上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記冷媒加熱熱交換器の上流側に配置された１次膨張装置と、を含んでなる冷媒回路と、
上記冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記１次膨張装置の上流側に配置された第１の冷媒流路を備える冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを含む第１のエコノマイザ回路と、
上記冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記１次膨張装置の上流側に配置されたフラッシュタンクエコノマイザを含み、このフラッシュタンクエコノマイザと上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとが上記冷媒回路において冷媒の流れとして直列の関係に配置されてなる第２のエコノマイザ回路と、
上記冷媒回路の上記フラッシュタンクエコノマイザの上流側に設けられ、該フラッシュタンクエコノマイザに関連して動作する２次膨張装置と、
を備えてなる冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２】
上記フラッシュタンクエコノマイザが、上記冷媒対冷媒熱交換器の第１の冷媒流路の冷媒流に対し下流側となるように上記冷媒回路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項３】
上記フラッシュタンクエコノマイザが、上記冷媒対冷媒熱交換器の第１の冷媒流路の冷媒流に対し上流側となるように上記冷媒回路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項４】
上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザは、熱交換関係にある第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とを有し、冷媒の流れとして上記第１の冷媒流路は上記冷媒回路に接続されており、上記第２の冷媒流路は上記第１のエコノマイザ回路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項５】
上記第１のエコノマイザ回路は、さらに、
上記冷媒回路から上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの第２の冷媒流路を通って上記冷媒回路に再び接続した第１エコノマイザ回路冷媒ラインと、
上記第１エコノマイザ回路冷媒ラインにおける上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの第２の冷媒流路の上流側に介装されたエコノマイザ回路膨張装置と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項６】
上記第１エコノマイザ回路冷媒ラインを通る冷媒蒸気を再圧縮するように上記第１エコノマイザ回路に関連して動作するエコノマイザコンプレッサを備えることを特徴とする請求項５に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項７】
上記エコノマイザコンプレッサは独立したコンプレッサであることを特徴とする請求項６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項８】
上記冷媒圧縮装置が、少なくとも３つの圧縮段を有する単一のコンプレッサからなり、上記エコノマイザコンプレッサが、この圧縮装置の一つの圧縮段からなることを特徴とする請求項６に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項９】
上記第２のエコノマイザ回路は、さらに、上記フラッシュタンクエコノマイザと上記圧縮装置の中間圧力段との間での冷媒蒸気の連通を行う第２エコノマイザ回路冷媒ラインを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１０】
上記第１のエコノマイザ回路は、さらに、上記冷媒回路から上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの第２の冷媒流路を通って上記冷媒回路に上記圧縮装置の中間圧縮段において再び接続した第１エコノマイザ回路冷媒ラインを備え、
上記第２のエコノマイザ回路は、さらに、上記フラッシュタンクエコノマイザと上記圧縮装置の中間圧力段との間での冷媒蒸気の連通を行う第２エコノマイザ回路冷媒ラインを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１１】
上記圧縮装置は、少なくとも２つの圧縮段を有する単一のコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１２】
上記圧縮装置は、上記冷媒回路において冷媒の流れとして直列の関係に配置された少なくとも２つのコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１３】
亜臨界サイクルで動作することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１４】
遷臨界サイクルで動作することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１５】
上記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１６】
上記１次膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１７】
上記１次膨張装置が感温式膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１８】
上記２次膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項１９】
上記２次膨張装置が固定オリフィス式膨張装置からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２０】
上記エコノマイザ回路膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項５に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２１】
上記エコノマイザ回路膨張装置が感温式膨張弁からなることを特徴とする請求項５に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２２】
上記圧縮装置がスクロールコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２３】
上記圧縮装置が往復動型コンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２４】
上記圧縮装置がスクリューコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２５】
貨物貯蔵領域の温度調整のために輸送冷凍システムに適用されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２６】
遷臨界サイクルで動作することを特徴とする請求項２３に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【請求項２７】
冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項２４に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒蒸気圧縮システムに関し、特に、亜臨界サイクルおよび遷臨界サイクルのいずれにおいても冷媒蒸気圧縮システムの効率および容量の双方を同時に改善することに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒蒸気圧縮システムは当技術分野においては周知であり、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のために一般に用いられている。また、冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮／冷凍製品貯蔵エリアに冷却空気を供給するためにも広く用いられている。
【０００３】
冷媒蒸気圧縮システムは、さらに、輸送冷凍システムにおいても、トラック、鉄道、船、あるいは複合輸送により生鮮／冷凍製品を輸送するために、トラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御貨物スペースへ供給する空気の冷却に広く用いられている。輸送冷凍システムと組み合わせて用いられる冷媒蒸気圧縮システムでは、広範囲な動作負荷条件や広範囲な外部周囲条件に亘って貨物スペース内の製品を所望の温度に維持するように冷媒蒸気圧縮システムが動作しなければならないことから、一般に、その運転条件はより過酷なものとなる。貨物を制御することが必要な所望の温度は、保存する貨物の性質に応じて、広範囲に亘って異なるものとなる。冷媒蒸気圧縮システムは、外気温の下で貨物スペースに入れられた製品の温度を素早く引き下げるだけの十分な容量を有するだけでなく、輸送中に安定した製品温度を維持する際に、低い負荷で効率よく運転できなければならない。さらに、輸送用冷媒蒸気圧縮システムは、固定式の冷媒蒸気圧縮システムでは経験することがない振動や動きに晒される。
【０００４】
伝統的に、この冷媒蒸気圧縮システムの殆どは、亜臨界冷媒圧力で動作し、一般に、コンプレッサと、コンデンサと、エバポレータと、冷媒の流れとして上記エバポレータの上流でかつコンデンサの下流に配置された膨張装置（通常は膨張弁）と、を含んでいる。これらの基本的な冷媒システム構成要素は、冷媒閉回路となるように冷媒ラインで接続されるとともに、公知の冷媒蒸気圧縮サイクルに沿って配置され、かつ特定の冷媒を用いて亜臨界圧力範囲で運転される。亜臨界範囲で動作する冷媒蒸気圧縮システムには、一般に、フロン冷媒、例えば、これに限定するものではないが、Ｒ２２のようなヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が充填され、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃのようなヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）がさらに一般的である。
【０００５】
現在の市場では、ＨＦＣ冷媒に代えて空調装置や輸送冷凍システムに使用するために、二酸化炭素のような「自然」冷媒に注目が集まっている。しかしながら、二酸化炭素は臨界温度が低いので、冷媒として二酸化炭素を充填した冷媒蒸気圧縮システムの多くは、遷臨界圧力方式で動作するように設計されている。亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、コンデンサおよびエバポレータとなる熱交換器の双方は、冷媒の臨界点未満の冷媒温度および圧力で動作する。しかしながら、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、エバポレータは、亜臨界範囲の冷媒温度および圧力で動作するが、放熱用熱交換器（これはコンデンサではなく、むしろガスクーラとなる）は、冷媒の臨界点を超える冷媒温度および圧力で動作する。従って、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、ガスクーラ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差が、亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおけるコンデンサ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差に比べて、かなり大きいことが特徴的である。
【０００６】
また、冷媒蒸気圧縮システムの容量の増加のために、エコノマイザを冷媒回路に組み込むことも広く実施されている。例えば、あるシステムにおいては、冷媒対冷媒の熱交換器がエコノマイザとして冷媒回路に組み込まれる。コンデンサを出た冷媒の第１の部分が熱交換器の第１の流路を通過して、該熱交換器の第２の流路を通る冷媒の第２の部分と熱交換する。この冷媒の第２の部分は、一般に、コンデンサを出た冷媒の一部を構成するものであって、膨張装置を通して分岐され、エコノマイザの冷媒対冷媒の熱交換器の第２の流路を通過する前に、該膨張装置において膨張し、低圧かつ低温の冷媒蒸気ないし蒸気／液体混合物となっている。この冷媒の第２の部分は、上記エコノマイザ熱交換器の第２の流路を横切り、その後、圧縮プロセスの中間圧力変化点へ導入される。主冷媒回路の冷媒は、上記の冷媒対冷媒のエコノマイザ熱交換器の第１の流路を通過して、さらに冷却され、かつシステムの主膨張装置を横切り、その後、エバポレータへ流入する。特許文献１は、エコノマイザとして冷媒対冷媒の熱交換器を冷媒回路に組み込んでなる輸送冷凍ユニット用の亜臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。
【０００７】
あるシステムにおいては、フラッシュタンクエコノマイザが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込まれている。このような場合、コンデンサを出た冷媒が、感温式膨張弁あるいは電子膨張弁などからなる膨張装置を通して膨張した後に、フラッシュタンクに流入し、ここで、上記の膨張した冷媒が、液体冷媒成分と蒸気冷媒成分とに分離する。そして、冷媒の蒸気成分は、フラッシュタンクから圧縮プロセスの中間圧力段へと導かれる。冷媒の液体成分は、フラッシュタンクからシステムの主膨張弁を通してエバポレータへと導かれる。特許文献２は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込んでなる亜臨界蒸気圧縮システムを開示している。
【０００８】
従前の亜臨界冷媒蒸気圧縮システムにおいては、コンデンサからエバポレータへと向かう冷媒の膨張は、通常、一つのステップからなるプロセスであり、コンデンサからエバポレータへ向かう冷媒が、単一の膨張装置、一般には感温式膨張弁や電子膨張弁あるいは固定オリフィス、を通り、その後、エバポレータへと流入する。特許文献３は、第１の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザと、第２の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に直列に配置された亜臨界冷凍システムを開示している。コンデンサからエバポレータへと主冷媒回路を流れる冷媒は、第１の冷媒対冷媒熱交換器の第１の流路と第２の冷媒対冷媒熱交換器の第１の流路とを直列に流れてから、主冷媒回路における単一のエバポレータ膨張弁を横切り、その後、エバポレータへ流入する。コンデンサから流れる冷媒の第２の部分は、主冷媒回路から分岐し、補助膨張弁を通り、かつ第１の冷媒対冷媒熱交換器の第２の流路を通った後に、圧縮プロセスの高圧段に噴射される。コンデンサから流れる冷媒の第３の部分は、主冷媒回路から分岐し、別の補助膨張弁を通り、かつ第２の冷媒対冷媒熱交換器の第２の流路を通った後に、圧縮プロセスの低圧段に噴射される。
【０００９】
特許文献４は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間に組み込んでなる遷臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。しかしながら、遷臨界冷媒蒸気圧縮システムにおいては、ガスクーラが動作する超臨界圧力からエバポレータが動作する亜臨界圧力への冷媒の膨張によって、システム効率が低いものとなったり、ガスクーラ圧力とエバポレータ圧力との間の大きな圧力差によるコンプレッサの過熱が生じたりすることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６０５８７２９号明細書
【特許文献２】米国特許第５１７４１２３号明細書
【特許文献３】米国特許第６６９４７５０号明細書
【特許文献４】米国特許第６３８５９８０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒放熱用熱交換器と冷媒吸熱用熱交換器との中間に、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとフラッシュタンクエコノマイザとが、直列に冷媒が通流する関係でもって配置されている。冷媒吸熱用熱交換器の上流にあって該冷媒吸熱用熱交換器に関連して動作するように冷媒回路に配置された１次膨張弁と、フラッシュタンクエコノマイザの上流にあって該フラッシュタンクエコノマイザに関連して動作するように冷媒回路に配置された２次膨張弁と、によって、冷媒回路を通して冷媒放熱用熱交換器から冷媒吸熱用熱交換器へと流れる冷媒の膨張として、二つのステップからなる膨張プロセスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの第１実施例を示す説明図。
【図２】本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの第２実施例を示す説明図。
【図３】本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの第３実施例を示す説明図。
【図４】本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの第４実施例を示す説明図。
【図５】遷臨界サイクルで動作する図１の冷媒蒸気圧縮システムの実施例における圧力−エンタルピの関係を示す特性図。
【図６】単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。
【図７】単一のフラッシュタンクエコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図４には、生鮮品や冷凍品を輸送するトラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御される貨物スペースへ供給する空気を冷却する輸送冷凍システムでの使用に適した冷媒蒸気圧縮システム１０の実施例が図示されている。この冷媒蒸気圧縮システム１０は、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のための利用にも適している。また、この冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮／冷凍製品貯蔵エリアへ供給される空気の冷却にも用いることができる。
【００１４】
冷媒蒸気圧縮システム１０は、マルチステップ型圧縮装置２０と、冷媒放熱用熱交換器４０と、冷媒吸熱用熱交換器（ここではエバポレータとも呼ぶ）５０と、例えば電子膨張弁や感温式膨張弁などからなるエバポレータ５０に関連して動作するエバポレータ膨張弁５５と、これらの構成要素を主冷媒回路として接続する種々の冷媒ライン２，４，６と、を備えている。亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、上記冷媒放熱用熱交換器４０は、冷媒凝縮熱交換器を構成し、該熱交換器を通して、高温高圧の冷媒が、冷却媒体、最も一般的には周囲空気、と熱交換する。遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、上記冷媒放熱用熱交換器４０は、ガスクーラ熱交換器を構成し、該熱交換器を通して、超臨界の冷媒が、冷却媒体、やはり最も一般的には周囲空気、と熱交換する。本明細書では、上記冷媒放熱用熱交換器４０を、コンデンサ／ガスクーラとも呼ぶことがある。冷媒放熱用熱交換器４０は、例えばフィン・チューブ型熱交換器４２を備え、ここを通る高温高圧の冷媒が、冷却媒体、最も一般的にはコンデンサ用ファン４４によって熱交換器４２を通して引き込まれる周囲空気、と熱交換する。フィン・チューブ型熱交換器４２は、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。
【００１５】
本発明の冷媒蒸気圧縮システム１０は、さらに、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０およびフラッシュタンクエコノマイザ７０を備えており、これらは、冷媒が直列に流れる関係でもって、主冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとしてコンデンサ／ガスクーラ４０の下流側でかつエバポレータ５０の上流側に配置されている。第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２が、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０を介して、冷媒が通流するように、冷媒ライン４を冷媒ライン２に接続している。第２エコノマイザ回路冷媒ライン１４が、冷媒が通流するようにフラッシュタンクエコノマイザ７０を圧縮プロセスの中間圧力段に接続している。冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０および関連する冷媒ライン１２からなるエコノマイザ回路と、フラッシュタンクエコノマイザ７０および関連する冷媒ライン１４からなるエコノマイザ回路と、のそれぞれの作用については後述する。
【００１６】
上記圧縮装置２０は、冷媒を圧縮し、かつ後述するように主冷媒回路および２つのエコノマイザに冷媒を循環させるように、機能する。図１に示した実施例では、圧縮装置２０は、主冷媒回路に配置された単一の多段冷媒コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサあるいは往復動型コンプレッサ、からなり、第１圧縮段２０ａ、第２圧縮段２０ｂおよび第３圧縮段２０ｃを備えている。第１圧縮段２０ａと第２圧縮段２０ｂは、冷媒の流れとして直列の関係となっており、第１圧縮段２０ａを出た冷媒が、さらに圧縮すべく第２圧縮段２０ｂに直接に流れる。第３圧縮段２０ｃは、冷媒の流れとして第２圧縮段２０ｂとは並列の関係となるように冷媒ライン１２に配置されている。
【００１７】
図２に示した実施例では、圧縮装置２０は、主冷媒回路に配置されるとともに第１圧縮段２０ａと第２圧縮段２０ｂとを有する第１の２段式コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサあるいは往復動型コンプレッサ、を備える。第１圧縮段２０ａと第２圧縮段２０ｂは、冷媒の流れとして直列の関係となっており、第１圧縮段２０ａを出た冷媒が、さらに圧縮すべく第２圧縮段２０ｂに直接に流れる。そして、冷媒の流れとしてこの第１の２段式コンプレッサの圧縮段２０ａ，２０ｂとは並列の関係となるように、別の独立した第２のコンプレッサ３０が冷媒ライン１２に配置されている。この第２のコンプレッサ３０は、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、ロータリコンプレッサ、あるいは他の形式のコンプレッサとすることができ、あるいはこれらのコンプレッサを複数個備えていてもよい。
【００１８】
図３あるいは図４に示した実施例においては、圧縮装置２０は、主冷媒回路において冷媒ライン８により冷媒の流れとして直列の関係に接続された一対のコンプレッサ２０Ａ，２０Ｂからなり、上記冷媒ライン８が、第１のコンプレッサ２０Ａの吐出ポートを第２のコンプレッサ２０Ｂの吸入ポートに連通させている。図３の実施例では、冷媒の流れとして第１のコンプレッサ２０Ａと並列の関係となるように、第３のコンプレッサ３０が冷媒ライン１２に配置されている。これらのコンプレッサ２０Ａ，２０Ｂ，３０としては、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、ロータリコンプレッサ、あるいは他の形式のコンプレッサとすることができ、あるいはこれらのコンプレッサの組み合わせとすることもできる。
【００１９】
前述したように、本発明の冷媒蒸気圧縮システム１０は、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０を備えており、該エコノマイザ６０が、主冷媒回路において、コンデンサ／ガスクーラ４０の冷媒流の下流側となりかつエバポレータ５０の冷媒流の上流側となる冷媒ライン４に配置されている。この冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０は、熱交換関係となるように配置された第１の冷媒流路６２と第２の冷媒流路６４とを備えている。第１の冷媒流路６２は、冷媒ライン４中に介在しており、主冷媒回路の一部を構成している。第２の冷媒流路６４は、第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２に介在し、かつこのライン１２の一部を構成している。この第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２は、主冷媒回路の冷媒ライン４に対し、図１，図２に示すように、上記冷媒対冷媒熱交換器の第１の流路６２の冷媒流の上流側、あるいは、図３，図４に示すように、上記冷媒対冷媒熱交換器の第１の流路６２の下流側、のいずれかに接続し得る。
【００２０】
上記第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２における冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４の冷媒流の上流側には、第１エコノマイザ膨張弁６５が配設されている。この第１エコノマイザ膨張弁６５は、冷媒ライン１２を通過する冷媒流、つまり熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路の冷媒と熱交換関係となる熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路を通過する冷媒流を計量し、該熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路から出る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持して、確実に冷媒蒸気中に液体が存在しないようにしている。前述したように、上記膨張弁６５は、例えば図４に示すように、感温式膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁６５は、検出装置６７により検出される冷媒温度つまりは圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置６７は、熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路の下流の冷媒ライン１２に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。上記膨張弁６５は、例えば図１〜図３に示すように、電子膨張弁であってもよく、この場合には、膨張弁６５は、コンプレッサ３０（図２および図３）あるいは圧縮装置２０の圧縮段２０ｃ（図１）の吸入側における冷媒ライン１２での所望の吸入温度ないし吸入圧力を維持するように、コントローラ（図示せず）からの信号に応答して冷媒流を計量する。
【００２１】
本発明の冷媒蒸気圧縮システム１０は、さらに、フラッシュタンクエコノマイザ７０を備えており、該フラッシュタンクエコノマイザ７０は、主冷媒回路において、コンデンサ／ガスクーラ４０の冷媒流の下流側となりかつエバポレータ５０の冷媒流の上流側となる冷媒ライン４に、該冷媒ライン４を通して流れる冷媒を受けるように配置されている。上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０と上記フラッシュタンクエコノマイザ７０とは、主冷媒回路の冷媒ライン４において冷媒の流れとして直列の関係となるように配置されている。フラッシュタンクエコノマイザ７０は、図１，図２，図４の実施例に示すように、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の下流側に設けることができる。あるいは、フラッシュタンクエコノマイザ７０は、図３の実施例に示すように、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の上流側に配置してもよい。
【００２２】
いずれの場合においても、主冷媒回路の冷媒ライン４における上記フラッシュタンクの入口の上流側に、２次膨張装置７５が配置されており、冷媒がフラッシュタンクエコノマイザ７０内に入る前に、冷媒ライン４を通る冷媒を膨張させて低圧かつ低温にしている。この２次膨張装置７５は、電子膨張弁あるいは単純な固定オリフィス式膨張装置から構成し得る。システム１０が亜臨界サイクルあるいは遷臨界サイクルのいずれで運転される場合でも、膨張した冷媒がフラッシュタンクエコノマイザ７０内で液体冷媒部分と蒸気部分とに分離し、液体冷媒部分はフラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まり、蒸気部分はフラッシュタンクエコノマイザ７０の上部つまり液面レベルより上方に集まる。
【００２３】
フラッシュタンクエコノマイザ７０の液面レベル上方の部分に集まった蒸気冷媒は、フラッシュタンクエコノマイザ７０から第２エコノマイザ冷媒ライン１４を通して、圧縮装置２０における圧縮プロセスの中間圧力段に戻るように流れる。図１，図２に示す実施例のように圧縮装置２０が単一の多段コンプレッサである場合には、第２エコノマイザ回路冷媒ライン１４は、圧縮プロセスの中間圧力段に接続される。例えば、圧縮装置２０が多段の往復動型コンプレッサであれば、この往復動型コンプレッサの中間圧力段内に冷媒ライン１４から直接に冷媒が噴射される。圧縮装置２０が単一のスクロールコンプレッサあるいは単一のスクリューコンプレッサであれば、第１圧力段２０ａと第２圧力段２０ｂとの間の中間圧力にある圧縮チャンバへ向かって開口している圧縮装置２０のインジェクションポート内に、冷媒ライン１４から冷媒が噴射される。図３，図４に示す実施例のように圧縮装置２０が一対のコンプレッサ２０Ａ，２０Ｂ、例えば直列に接続されてなる一対のスクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、あるいはシリンダの第１バンクと第２バンクとを具備する単一の往復動型コンプレッサ、からなる場合には、第１のコンプレッサ２０Ａの吐出ポートと第２のコンプレッサ２０Ｂの吸入ポートとを接続する冷媒ライン８に、上記第２エコノマイザ回路冷媒ライン１４が連通している。
【００２４】
フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まった液体冷媒は、ここから冷媒ライン４を通して流れ、主冷媒回路膨張弁５５を通過する。この膨張弁５５は、電子膨張弁あるいは一般的な感温式膨張弁からなり、かつ冷媒ライン４のエバポレータ５０の上流側に配置されている。この１次膨張弁５５を液体冷媒が通過することにより、エバポレータ５０へ流入する前に、冷媒は膨張して低圧低温となる。エバポレータ５０は、一般的なフィン・チューブ型熱交換器５２のような冷媒蒸発用熱交換器であり、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなり、内部を通して流れる膨張した冷媒が加熱流体と熱交換することで、冷媒は気化し、かつ一般に過熱状態となる。エバポレータ５０において冷媒と熱交換するように流される上記加熱流体は、付随のファン５４によりフィン・チューブ型熱交換器５２を横切って流れる空気とすることができ、この空気は、冷却ならびに一般に除湿されるものであって、空調環境、例えば、輸送冷凍ユニットに関連した生鮮／冷凍貨物貯蔵ゾーン、商業施設での食品の展示ないし貯蔵エリア、空調システムに関連したビル快適ゾーン、などに供給される。エバポレータ５０を出た低圧冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して、図１，図２の実施例では圧縮装置２０の第１圧縮段２０ａの吸入ポートへと戻り、図３，図４の実施例ではコンプレッサ２０Ａへと戻る。
【００２５】
一般的なものと同じく、エバポレータ膨張弁５５は、エバポレータ５０から出る冷媒蒸気中に液体が残存しないことを確実にすべくエバポレータ５０から出る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持するように、冷媒ライン６を通る冷媒流を計量する。前述したように、上記エバポレータ膨張弁５５は、例えば図４に示すように、感温式膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁５５は、検出装置５７により検出される冷媒温度つまりは圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置５７は、エバポレータ出口付近で冷媒ライン６に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。上記エバポレータ膨張弁５５は、電子膨張弁であってもよく、この場合には、膨張弁５５は、圧縮装置２０の吸入側における冷媒ライン６での所望の吸入温度ないし吸入圧力を維持するように、コントローラ（図示せず）からの信号に応答して冷媒流を計量する。
【００２６】
次に、上記冷媒蒸気圧縮システム１０の動作を、遷臨界モードでの運転に関して説明する。つまり、システムの高圧側では超臨界状態となり、システムの低圧側では亜臨界状態となる冷媒、例えば二酸化炭素のような冷媒を備える。初めに、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０がフラッシュタンクエコノマイザ７０の冷媒流の上流側に配置された実施例に関して、システム１０の動作を説明する。図１，図２，図４において、冷媒は圧縮装置２０から高温高圧蒸気となって吐出され、冷媒ライン２を通して、ガスクーラ４０の熱交換器４２を通過する。冷媒蒸気が熱交換器４２を通過するに従い、冷媒蒸気は、冷却媒体と熱交換することで冷却される。冷却媒体としては、最も一般的には、熱交換器４２を通るようにファン４４により引き込まれる外気である。冷却された冷媒蒸気は、熱交換器４２から出て冷媒ライン４を通り、かつ冷媒対冷媒熱交換器６０の第１の流路６２を通り、さらに、フラッシュタンクエコノマイザ７０に流入する前に、２次膨張装置７５を通過する。
【００２７】
冷媒ライン４を通る温度低下した冷媒蒸気の一部は、該冷媒ライン４から第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２へと分流するが、図１，図２に示すように熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の上流側の点、あるいは、図４に示すように熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の下流側でかつ２次膨張装置７５の上流側となる点、のいずれかで分岐する。冷媒ライン１２を通る冷媒は、まず第１エコノマイザ膨張弁６５を通過し、ここで、低圧かつ低温の蒸気へと膨張する。膨張した冷媒蒸気は、次に熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４を通り、該熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２を通る冷媒蒸気と熱交換して、これをさらに冷却する。熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４を通過した後、この冷媒の分流部分は、冷媒ライン１２を通して主冷媒回路に再度導入される。
【００２８】
図１，図２に示す実施例では、圧縮装置２０の第３圧縮段２０ｃもしく別のコンプレッサ３０のいずれかによって、この分流部分がシステムの高圧側の圧力まで再圧縮され、ガスクーラ４０上流の冷媒ライン２内に再導入される。図１に示す実施例では、第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２を通過した冷媒が、圧縮装置２０において圧縮段２０ａ，２０ｂと並列に作動する第３圧縮段２０ｃを流れる。図２に示す実施例では、第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２を通過した冷媒が、１次圧縮装置２０と並列に作動する２次コンプレッサ３０を流れる。
【００２９】
図４に示す実施例では、冷媒ライン１２を通して分流した冷媒は、圧縮プロセスの中間圧力段において主冷媒回路に再導入される。つまり、吸入圧力とも呼ばれるシステムの低圧側圧力と、吐出圧力とも呼ばれるシステムの高圧側圧力と、の中間の圧力において再導入される。第１エコノマイザ膨張弁６５を通過した冷媒が、中間噴射圧力よりも若干高い圧力まで膨張する場合には、図４に示すように、冷媒ライン１２を通過した冷媒は、さらなる圧縮をすることなく、圧縮装置２０の中間圧縮段に直接に噴射され得る。しかし、第１エコノマイザ膨張弁６５を通過した冷媒が、中間噴射圧力よりも低い圧力まで膨張する場合には、図３に示すように、冷媒を所望の中間圧力まで圧縮するために補助コンプレッサ３０が冷媒ライン１２に配置される。
【００３０】
冷媒対冷媒熱交換器６０の第１の流路６２を横切った冷媒は、２次膨張装置７５を通過するに従って膨張し、フラッシュタンクエコノマイザ７０に入る前に、低圧かつ低温の気液混合物となる。フラッシュタンクエコノマイザ７０内部で、この冷媒の混合物は、フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まる液体冷媒と、フラッシュタンクエコノマイザ７０の液面レベルより上方の部分に集まる冷媒蒸気と、に分離する。フラッシュタンクエコノマイザ７０の液面レベルよりも上方の部分に集まった冷媒蒸気は、このフラッシュタンクエコノマイザ７０から冷媒ライン１４を通して圧縮装置２０の圧縮プロセスの中間圧力段に戻る。フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まった液体冷媒は、ここから冷媒ライン４を通して主冷媒回路膨張弁５５を通り、かつ、エバポレータ５０へと流れる。エバポレータ５０を出た冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して、圧縮装置２０の吸入口つまり第１圧力段２０ａの吸入口もしくは第１コンプレッサ２０Ａの吸入口へと流れる。
【００３１】
図３に示した例示的な冷媒蒸気圧縮システム１０の実施例においては、蒸気タンクエコノマイザ７０が冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０に対し、冷媒の流れとして、図１，図２，図４に示す実施例のような下流側ではなく、上流側に配置されている。図３を参照すると、冷媒は、圧縮装置２０から高圧高温蒸気として吐出され、冷媒ライン２を通り、かつガスクーラ４０の熱交換器４２を通る。冷媒蒸気が熱交換器４２を通過するに伴い、冷却媒体、最も一般的にはファン４４により熱交換器４２に亘って引き込まれる外気、との熱交換によって、この冷媒蒸気は冷却される。熱交換器４２を出る冷却された冷媒蒸気は、次に冷媒ライン４を通り、フラッシュタンクエコノマイザ７０に流入する前にエコノマイザ膨張弁７５を通過する。冷媒はこの２次膨張装置７５を通過するに従って膨張し、フラッシュタンクエコノマイザ７０に入る前に、低圧かつ低温の気液混合物となる。
【００３２】
フラッシュタンクエコノマイザ７０内部で、この冷媒の混合物は、フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まる液体冷媒と、フラッシュタンクエコノマイザ７０の液面レベルより上方の部分に集まる冷媒蒸気と、に分離する。フラッシュタンクエコノマイザ７０の液面レベルよりも上方の部分に集まった冷媒蒸気は、このフラッシュタンクエコノマイザ７０から冷媒ライン１４を通して圧縮装置２０の圧縮プロセスの中間圧力段に戻る。フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まった液体冷媒は、ここから冷媒ライン４を通り、かつ冷媒対冷媒熱交換器６０の第１の流路６２を通過して、さらに、エバポレータ５０へ流入する前に、主冷媒回路膨張弁５５を通過する。エバポレータ５０を出た冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して、圧縮装置２０の吸入口つまり第１圧力段２０ａの吸入口もしくは第１コンプレッサ２０Ａの吸入口へと流れる。
【００３３】
冷媒ライン４を通る温度低下した冷媒蒸気の一部は、フラッシュタンクエコノマイザ７０の下流側において該冷媒ライン４から第１エコノマイザ回路冷媒ライン１２へと分流するが、熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の上流側、あるいは、熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の下流側でかつ主膨張弁５５の上流側となる点、のいずれかで分岐する。冷媒ライン１２を通る冷媒は、まず第１エコノマイザ膨張弁６５を通過し、ここで、低圧かつ低温の蒸気へと膨張する。膨張した冷媒蒸気は、次に熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４を通り、該熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２を通る冷媒蒸気と熱交換して、これをさらに冷却する。熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４を通過した後、この冷媒の分流部分は、冷媒ライン１２を通して主冷媒回路に再度導入される。図３に示す実施例では、冷媒ライン１２を通して分流した冷媒は、コンプレッサ３０の吸入口に導入され、圧縮プロセスの所望の中間圧力段、つまり、吸入圧力とも呼ばれるシステムの低圧側圧力と吐出圧力とも呼ばれるシステムの高圧側圧力との中間の圧力に、再圧縮される。
【００３４】
エバポレータ５０に関連する１次膨張弁５５とフラッシュタンクエコノマイザ７０に関連する２次膨張装置７５との組み合わせにより、冷媒ライン４を通してコンデンサ／ガスクーラ４０からエバポレータ５０へと流れる冷媒の膨張として、２ステップ型膨張プロセスが得られる。本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、従来の単一ステップ膨張プロセスのシステムや冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザもしくはフラッシュタンクエコノマイザのいずれかを有するシステムに比較して、効率および容量を改善したシステムを提供するために、２ステップ型膨張プロセスと２系統エコノマイザ回路とを統合したものである。
【００３５】
図５は、図１の冷媒蒸気圧縮システム１０の圧力−エンタルピの関係の特性を示し、図６および図７は一般的な冷媒蒸気圧縮システムの圧力−エンタルピの関係を示しているが、両者を対比することで、本発明の冷媒蒸気圧縮システムにおける容量の改善が示されている。図６は、単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを用いた一般的な従来技術の冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図７は、単一のフラッシュタンクエコノマイザを用いた一般的な従来技術の冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図５〜図７の各々において、ＡＢはガスクーラ４０でのガス放熱プロセスを表し、ＫＧは冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ回路でのプロセスを表し、ＪＫはフラッシュタンクエコノマイザ回路でのプロセスを表し、ＤＥはエバポレータ５０でのガス吸熱プロセスを表している。図１の場合のエバポレータの線ＤＥは、単一のエコノマイザシステムを用いた従来技術の場合のエバポレータの線に比べて長くなり、このことは、本発明の２ステップ型膨張・２系統エコノマイザの冷媒蒸気圧縮システムにおける容量の向上を示している。
【００３６】
当業者であれば、ここに記載した特定の例示的実施例に種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。例えば、図示した実施例は、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとフラッシュタンクエコノマイザの上流／下流の関係を入れ替えることによって、あるいは、一対のコンプレッサを単一の２段式コンプレッサと（あるいはその逆に）置き換えることによって、改変することができる。冷媒対冷媒熱交換器は、ロー付けプレート型熱交換器、チューブ・イン・チューブ型熱交換器、シェル・チューブ型熱交換器、あるいは、冷媒対冷媒の間で効率良く熱交換できるものであれば他のいかなる形式の熱交換器であってもよい。
【００３７】
本発明を図示した好ましい形態として示しかつ説明したが、当業者には、請求項による本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく細部における種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。
【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】
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【国際調査報告】
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