(57)【要約】冷媒は、圧縮機、膨張装置及び蒸発器を備える蒸気圧縮システムを通って循環される。好ましくは、冷媒として二酸化炭素が使用される。膨張装置は、膨張プロセスからエネルギーを取り出す仕事回復装置であり、かつガス冷却器を通って流れる冷媒を冷却する流体汲み上げ装置に連結される。流体汲み上げ装置は、膨張装置から取り出されるエネルギーに比例した流量で、ガス冷却器を介して流体を汲み上げる。システムは、ガス冷却器内の圧力を調整する、自己制御機構を提供する。ガス冷却器内の圧力が増大した場合、より多くのエネルギーが膨張プロセスから取り出されると、流体汲み上げ装置の流量が増大し、かつガス冷却器内の冷媒の圧力が増大する。ガス冷却機内の圧力が低下すると、膨張プロセスから取り出されるエネルギー量が少ないと、流体汲み上げ装置の流量は低減し、かつガス冷却器内の冷媒の圧力が増大する。
2006517643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界蒸気圧縮システムであって、
冷媒を高圧まで圧縮する圧縮機と、
その冷媒を冷却するための熱を排出する熱交換器と、
汲み上げ流量で流体を汲み上げる流体汲み上げ装置であって、その流体は、前記熱を排出する熱交換器において冷媒と熱交換し、かつ、流体の汲み上げ流量の調節によってシステム内の高圧を調整する、流体汲み上げ装置と、
冷媒を低圧まで減圧するための膨張装置と、
システムの高圧を検知するセンサと、
センサによって検知される高圧に基づいて、流体汲み上げ装置の汲み上げ流量を調節するモータと、
冷媒を蒸発させるための熱を吸収する熱交換器、
を含んでなることを特徴とする、超臨界蒸気圧縮システム。
【請求項２】
超臨界蒸気圧縮システムであって、
冷媒を高圧まで圧縮する圧縮機と、
その冷媒を冷却するための熱を排出する熱交換器と、
汲み上げ流量で流体を汲み上げる流体汲み上げ装置であって、その流体は、熱を排出する熱交換器において冷媒と熱交換し、かつ、流体の汲み上げ流量の調節によってシステム内の高圧を調整する、流体汲み上げ装置と、
冷媒を低圧まで減圧するための膨張装置であって、流体汲み上げ装置に連結される膨張装置と、
冷媒を蒸発させるための熱を吸収する熱交換器、
を含んでなることを特徴とする、超臨界蒸気圧縮システム。
【請求項３】
前記流体汲み上げ装置が前記膨張装置に機械的に連結されることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記流体汲み上げ装置が前記膨張装置に電気的に連結されることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記膨張装置が、エネルギー量を取り出し、かつ前記流体汲み上げ装置の汲み上げ流量は、エネルギー量に関連することを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記取り出されるエネルギー量が、前記システムの高圧と低圧の間の差に概ね関連することを特徴とする、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記膨張装置が、高圧が増大するときにエネルギー量を増大して取り出すことにより、流体汲み上げ装置の汲み上げ流量を増大させ、前記熱を排出する熱交換器内の冷媒の温度を低下させ、かつシステムの高圧を低減させることができることを特徴とする、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記膨張装置が、高圧が低減するときにエネルギー量を低減して取り出すことにより、前記流体汲み上げ装置の汲み上げ流量を低減させ、前記熱を排出する熱交換器内の冷媒の温度を上昇させ、かつシステムの高圧を増加させることができることを特徴とする、請求項３記載のシステム。
【請求項９】
前記膨張装置及び前記流体汲み上げ装置がシャフトによって連結されることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体汲み上げ装置は、流体が蒸気のとき、ファンとブロワのいずれか一方であることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項１２】
前記流体汲み上げ装置は、流体が液体のときポンプであることを特徴とする、請求項２記載のシステム。
【請求項１３】
前記汲み上げ装置の汲み上げ流量が、システムの高圧と低圧の間の圧力差に関連することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記膨張装置が膨張弁であることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
前記センサが高圧における増大を検知する際に、前記モータは、システムの高圧を所望の高圧まで低減させるために汲み上げ流量を増大させることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
前記センサが高圧における減少を検知する際に、前記モータは、システムの高圧を所望の高圧まで増大させるために汲み上げ流量を低減させることを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項１７】
冷媒を高圧まで圧縮することと、
冷媒を流体との熱交換によって冷却することと、
流体を汲み上げ流量で汲み上げることと、
高圧を調整するために、流体の汲み上げ流量を調節することと、
冷媒を低圧まで膨張させることと、
膨張することと汲み上げることを結びつけることと、
冷媒を蒸発させること
を含んでなることを特徴とする、超臨界蒸気圧縮システムの高圧を調整する方法。
【請求項１８】
冷媒を高圧まで圧縮することと、
システムの前記高圧を検知すること、
冷媒を流体との熱交換によって冷却することと、
流体を汲み上げ流量で汲み上げることと、
高圧を調整するために、検知することに基づいて流体の汲み上げ流量を調節することと、
冷媒を低圧まで膨張させることと、
冷媒を蒸発させること
を含んでなることを特徴とする、超臨界蒸気圧縮システムの高圧を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ファンやポンプなどの流体汲み上げ装置に連結される膨張装置を採用することにより超臨界蒸気（気体）圧縮システムの高圧成分を調整するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
塩素含有の冷媒は、オゾン破壊の可能性を有することから、世界のほとんどで段階的に廃止されている。冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が使用されているが、これらの冷媒は、依然として地球温暖化を引き起こす高い潜在能力を有する。「天然」の冷媒、例えば二酸化炭素やプロパンなどが、代替の流体として提案されている。残念なことに、これら流体のほとんどにも使用に際しての問題が存在する。二酸化炭素は、臨界点が低く、そのため二酸化炭素を利用した多くの空気調整システムは、ほとんどの条件下において、部分的にその臨界点以上、あるいは超臨界で運転される（ｒｕｎ  ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ）。亜臨界の流体圧力は、（液体と気体の両方が存在する）飽和条件下の温度の関数である。しかしながら、流体の温度が臨界温度よりも高い超臨界の場合、圧力が流体密度の関数となる。
【０００３】
蒸気圧縮システムが超臨界で運転される際、システムの高圧成分を調整することが好ましい。システムの高圧成分を調整することにより、システムの能力及び／又は効率を制御かつ最適化することが可能となる。
【０００４】
従来技術においては、蒸気圧縮システムの高圧成分を、ガス冷却器の出口に配置される膨張弁を調節することによって調整することにより、システム能力と効率の制御を可能にしている。吸込み管の熱交換器及び貯蔵容器もまた、システムの能力と効率を増大させるのに採用されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
超臨界蒸気圧縮システムは、圧縮機、ガス冷却器、膨張装置及び蒸発器を備える。冷媒は、閉回路システムを通って循環する。好ましくは、二酸化炭素を冷媒として使用する。二酸化炭素は低い臨界点を有するため、二酸化炭素を冷媒として利用したシステムは、通常、超臨界で運転するために蒸気圧縮システムを必要とする。システムが超臨界で運転されるとき、システムの能力及び／又は効率を制御しかつ最適化するために、システムの高圧成分を調整することが好ましい。
【０００６】
膨張装置は、膨張プロセスからエネルギーを取り出す仕事回復装置（ｗｏｒｋ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｄｅｖｉｃｅ）である。膨張装置によって取り出し可能なエネルギー量は、概してガス冷却器と蒸発器の間における冷媒圧の差に比例する。
【０００７】
膨張装置は、ガス冷却器を介して、熱交換流体（通常、空気又は水）を汲み上げる流体汲み上げ装置に連結される。熱交換流体は、ガス冷却器内の冷媒を冷却するのに使用される。流体汲み上げ装置は、膨張プロセスから取り出されたエネルギー量に比例した速度でガス冷却器を介して流体を汲み上げる。
【０００８】
本発明のシステムにより、ガス冷却器内の冷媒圧を管理するための自己制御機構が提供される。ガス冷却器内の冷媒圧が増大するとき、ガス冷却器と蒸発器の間の冷媒圧の差が増大し、膨張装置は膨張プロセスからより多くのエネルギーを取り出す。エネルギーが増大すると、流体汲み上げ装置の流量が増大するため、ガス冷却器の効率が増大し、かつガス冷却器内の冷媒圧が低減する。ガス冷却器内の冷媒圧が低下するとき、ガス冷却器と蒸発器の間の冷媒圧の差は減少し、かつ膨張装置が膨張プロセスから取り出すエネルギーは少なくなる。エネルギーが減少すると、流体汲み上げ装置の流量は低減するため、ガス冷却器の効率が減少し、かつガス冷却器内の冷媒圧は増大することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の様々な特徴並びに利点は、以下における現時点で最も好ましい実施態様の詳細な説明から、当業者等には明らかとなろう。以下に詳細な説明に付随する図面を簡単に説明する。
【００１０】
図１は、圧縮機２２、熱を排出する熱交換器２４（超臨界サイクル内のガス冷却器）、膨張装置２６及び熱を受容する熱交換器２８（蒸発器）を備える、従来の蒸気圧縮システム２０ａを示す。
【００１１】
冷媒は、閉回路サイクル２０ａを通って循環する。好ましくは、冷媒として二酸化炭素が使用される。二酸化炭素を例示するが、他の冷媒を用いることも可能である。二酸化炭素は低い臨界点を有するため、冷媒として二酸化炭素を利用したシステムは、通常、超臨界で運転するために蒸気圧縮システム２０ａを必要とする。システム２０ａが超臨界で運転されるとき、システム２０ａの高圧成分を調整するのが好ましい。システム２０ａの高圧成分を調整することにより、システム２０ａの能力及び／又は効率を制御し、かつ最適化することができる。
【００１２】
冷媒は、図２の点Ａで示すように、高い圧力かつエンタルピーで圧縮機２２を出る。冷媒がガス冷却器２４を高圧で流れると、冷媒は熱とエンタルピーを失って熱交換流体となり、点Ｂで示すように、低いエンタルピーかつ高圧でガス冷却器２４から出る。冷媒が膨張弁２６を通ると、点Ｃで示すように、圧力は低下する。膨張後、冷媒は蒸発器２８を通り、点Ｄで示すように、高いエンタルピーと低い圧力でそこを出る。冷媒は圧縮機２２を通った後、再び高い圧力かつエンタルピーとなり、そのサイクルは完了する。
【００１３】
図３は、膨張装置２７を備える、本発明の超臨界蒸気圧縮システム２０ｂを概略的に示している。膨張装置２７は、仕事回復装置であり、より一定のエントロピーを有する膨張プロセス並びに取り出されたエネルギーの効率的な使用によって、膨張プロセスからエネルギーを取り出してシステム２０ｂをより効率的にする。膨張装置２７によって取り出すことのできるエネルギー量は、概して、膨張装置２７にわたる圧力差、あるいはガス冷却器２４と蒸発器２８の間の圧力差に比例する。
【００１４】
図３に示すように、膨張装置２７は、流体汲み上げ装置３０に連結される。膨張装置２７は、流体汲み上げ装置３０に対し、機械的又は電気的のいずれかによって連結させることができる。一例において、膨張装置２７と流体汲み上げ装置３０は、シャフト２６で連結される。流体汲み上げ装置３０は、ガス冷却器２４を通って流れる冷媒を冷却するために熱交換する流体を汲み上げる。ガス冷却器２４内の冷媒の熱を交換する流体が空気である場合、流体汲み上げ装置３０は、一般的にファン又はブロワである。ガス冷却器２４内の冷媒の熱を交換する流体が液体である場合、流体汲み上げ装置３０は、通常ポンプである。
【００１５】
流体汲み上げ装置３０は、ガス冷却器２４を介して、膨張プロセス中に膨張装置２７から取り出されるエネルギーに比例した速度で流体を汲み上げる。より多くのエネルギーが取り出されると、流体汲み上げ装置３０を通って流れる流体の流量は増す。反対に、膨張プロセス中に取り出されるエネルギーが少ないと、流体汲み上げ装置３０を通って流れる流体の流量は下がる。
【００１６】
システム２０ｂは、ガス冷却器２４内の冷媒の高圧を調整するための自己制御機構を提供する。ガス冷却器２４内の高圧が増大すると、膨張装置２７は、膨張プロセスからより多くのエネルギーを取り出す。ガス冷却器２４内の高圧と蒸発器２８内の低圧の圧力差が大きいと、より多くのエネルギーが膨張プロセスから取り出され、膨張装置２７にわたる圧力差が大きくなる結果となる。取り出されたエネルギーにおけるこの増大により、流体汲み上げ装置３０の流量が増大して、ガス冷却器２４にわたってより多くの流体が汲み上げられる。ガス冷却器２４にわたって汲み上げられる流体がより多くなると、流体と冷媒の間の熱伝達が増大し、ガス冷却器２４内の冷媒の温度が低下する。ガス冷却器２４内の冷媒の温度が低下すると、ガス冷却器２４内の冷媒の圧力も低下する。
【００１７】
逆に、ガス冷却器２４内の高圧が低減すると、膨張装置２７が膨張プロセスから取り出すエネルギーは減少する。ガス冷却器２４の高圧と蒸発器２８の低圧の間の圧力差が小さいと、膨張プロセスから取り出されるエネルギーは少なくなるため、結果として膨張装置２７にわたる圧力差が小さくなる。取り出されたエネルギーにおけるこのような低下により、流体汲み上げ装置３０の流量が下がり、かつ、ガス冷却器２４にわたって汲み上げられる流体が少なくなる。ガス冷却器２４にわたって汲み上げられる流体が少ないと、流体と冷媒の間の熱伝達が減少してガス冷却器２４内の冷媒温度が上昇する。冷媒の温度が上昇すると、ガス冷却器２４内の冷媒圧力が上がる。
【００１８】
システム２０ｂは、ガス冷却器２４の冷媒の高圧のための自動的な自己制御を提供する。高圧が変化すると、流体汲み上げ装置３０の流量が変化し、冷媒と流体の間の熱伝導が変わり、そのため、ガス冷却器２４内の冷媒の高圧が変化する。
【００１９】
膨張装置２７と流体汲み上げ装置３０は、シャフト３６で直接連結する必要はない。膨張装置２７からの電力は、発電機とモータを介して流体汲み上げ装置３０に伝達することができる。
【００２０】
図４に図示するように、流体汲み上げ装置３０を通って流れる流体の流量も又、モータ３４によって直接制御することができるため、ガス冷却器２４内の高圧を調整することが可能となる。制御装置３２は、ガス冷却器２４の高圧を監視する。この例においては、膨張装置２５は、図1における場合と同様の膨張弁であるか、あるいは図３における場合の膨張装置のいずれかであってよい。
【００２１】
制御装置３２が、ガス冷却器２４内の高圧における増大を検知した場合、制御装置３２は、流量、即ち、ガス冷却器２４を通って流れる冷媒と熱交換するガス冷却器２４にわたって流れる流体の流量が増加するよう流体汲み上げ装置３０を作動させる。ガス冷却器２４にわたって汲み上げられる流体が多くなると、流体と冷媒の間の熱伝達が増大し、ガス冷却器２４内の冷媒の温度が低下する。冷媒の温度が低下すると、ガス冷却器２４内の冷媒の圧力が減少する。
【００２２】
反対に、制御装置３２が、ガス冷却器２４内の高圧における減少を検知した場合、制御装置３２は、流量、即ち、ガス冷却器２４を通って流れる冷媒と熱交換する、ガス冷却器２４にわたって流れる流体の流量が低減するよう流体汲み上げ装置３０を作動させる。ガス冷却器２４にわたって汲み上げられる流体が少なくなると、流体と冷媒の間の熱伝達が減少し、ガス冷却器２４内の冷媒の温度が上昇する。冷媒の温度が上昇すると、ガス冷却器２４内の冷媒の圧力が増大する。
【００２３】
前出の説明は、単に本発明の原理を代表するものである。上述の技術に照らして、本発明の様々な修正並びに変更が可能である。本発明の好ましい実施態様を開示してきたが、本発明の範囲内において、一定の修正をなし得ることは当業者には明らかであろう。従って、特許請求の範囲の範囲内において、具体的に説明した以外に本発明を実施することができることは理解されたい。その理由のため、本発明の真の範囲と内容を決定するべく、特許請求の範囲を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の蒸気圧縮システムの概略図を示す図。
【図２】超臨界蒸気圧縮システムの熱力学的な流れを示す図。
【図３】ガス冷却器を介して冷媒を汲み上げる流体汲み上げ装置に連結される膨張装置を含む、本発明の超臨界蒸気圧縮システムを概略的に示す図。
【図４】モータに連結された流体汲み上げ装置を含む、本発明の超臨界蒸気圧縮システムを概略的に示す図。
【図１】
2006517643.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2006517643.tif 000008
2006517643.tif 000009
2006517643.tif 000010
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