(57)【要約】超臨界高圧側圧力で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機（１）、除熱器（２）、膨張手段（３）、および吸熱器（４）を備える圧縮冷凍システム。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界高圧側圧力で作動することができる閉循環回路に連結された少なくとも圧縮機（１）、除熱器（２）、膨張手段（３）、および吸熱器（４）を備える圧縮冷凍システムであって、
成績係数（ＣＯＰ）または該ＣＯＰを反映するパラメータのオンラインによる評価を、該圧縮冷媒システムの最適な調節および動作についての信号として用いることができることを特徴とする、圧縮冷凍システム。
【請求項２】
二酸化炭素または二酸化炭素を含有する冷媒混合物が該圧縮冷凍システムの冷媒として適用されることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項３】
前記ＣＯＰまたは前記ＣＯＰを反映するパラメータを所与の動作条件の圧力に応じてマッピングするよう、調節システムが前記高圧側の圧力を変えることができることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項４】
低温端での前記冷媒とヒートシンクの温度差（温度アプローチ）は、該圧縮冷凍システムの最適な調節および動作についての信号として用いることができることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項５】
該システムの前記高圧側の圧力は、前記温度アプローチに限られた影響しか与えなくなるまで上げることができることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項６】
該システムの前記高圧側の圧力は、前記温度アプローチが所定レベル以下になるまで上げることができることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項７】
前記所定レベルは、動作条件の変動により変わり得ることを特徴とする、請求項６に記載の圧縮冷凍システム。
【請求項８】
除熱器出口温度をＣＯＰ反映パラメータとして用いることができることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、システムの冷媒として二酸化炭素または二酸化炭素を含有する混合物を用いて、超臨界高圧側圧力（high-side pressure）で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機、除熱器（heat rejector）、膨張手段、および吸熱器を備える圧縮冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
［従来技術および発明の背景の説明］
従来の蒸気圧縮システムは、所与の温度における飽和圧力によりもたらされる臨界未満圧力での冷媒を凝縮することにより、熱を除去する（reject）。低い臨界温度を有する冷媒、例えばＣＯ２を用いる場合、システムの効率的な動作を得るために、ヒートシンクの温度が高い、例えば冷媒の臨界温度よりも高い場合、熱除去の圧力は超臨界となる。この場合、作動サイクルは、例えばＷＯ９０／０７６８３から既知であるように、遷臨界（transcritical：超臨界）となる。温度および高圧側は、従来のシステムとは対照的に独立変数である。
【０００３】
ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７はいずれも、基本的に、閉回路に連結された圧縮機、除熱器、膨張手段、および蒸発器を備えるこのようなシステムを実現する単純な回路を記載している。これらのいずれについてもＣＯ２が好ましい冷媒である。
【０００４】
遷臨界（trans-critical）蒸気圧縮システムのシステム成績係数（coefficient of performance）（ＣＯＰ）は、高圧側圧力のレベルによって大きく影響を受ける。このことは、PettersenおよびSkaugen(1994)（最適圧力の数式も提示している）により細部にわたり説明されている。高圧側圧力が温度と独立していることに基づき、高圧側圧力を、最適エネルギー効率を達成するように制御することができる。次のステップは、所定の動作条件に対する最適圧力を確定することである。
【０００５】
最適な高圧側圧力を確定する様々な方策を示唆しているいくつかの刊行物および特許明細書が公開されている。Inokuty（1922）は、既に１９２２年にグラフィック方法を公開しているが、この方法は、現在のデジタルコントローラには適用することができない。
【０００６】
ＥＰ  ０  ６０４  ４１７  Ｂ１は、種々の信号を高圧側圧力の操舵パラメータ（steering parameter:ステアリングパラメータ）として用いることができる方法を記載している。適した信号は除熱器の冷媒出口温度である。最適な高圧側圧力と信号温度の関係が予め計算されるか、または測定される。Denso特許は、多少類似した方策を記載している。種々の信号がコントローラへの入力パラメータとして用いられ、この入力パラメータは信号に基づいて圧力を所定レベルに調節する。
【０００７】
特に、LiaoおよびJakobsen(1998)が、理論収量から最適圧力を計算する等式を提示している。この等式は、最適圧力に著しい影響を及ぼす可能性がある実用面を考慮していない。
【０００８】
上述の最適圧力を確定するほとんどの方法は、理論的アプローチを有する。このことは、これらの方法が、動作条件の変化、すなわちシステムのオイルの影響などのような実用面を補うことができないことを意味する。この場合、最適圧力は、計算された圧力とはおさらくほとんどの場合異なるであろう。制御の「ワインドアップ（wind-up）」および欠如のおそれもある。温度信号は、コントローラにフィードバックを与え、少し遅延してこのフィードバックが圧力を調整する。条件が急速に変わる場合、コントローラが一定の圧力を確立することはないため、冷却能力が変わるであろう。
【０００９】
上記で説明したように。試験を行い、かつ、最適な高圧側圧力の関係を測定する（評価する）実施可能性がある。しかしながら、これには時間がかかるとともにコストがかかる。さらに、全動作条件をカバーすることは、不可能ではないとしても困難である。また、測定はすべての新たな設計について行わねばならない。
【００１０】
［発明の概要］
本発明の主な目的は、上述の短所および欠点のない、単純で効率的なシステムを製造することである。
【００１１】
本発明は、添付の独立請求項１で規定される特徴を特徴とする。
【００１２】
本発明の有利な特徴はさらに、添付の独立請求項２ないし８に規定される。
【００１３】
本発明は、少なくとも圧縮機、除熱器、膨張手段、および吸熱器を備える上述のシステムに基づくものである。本発明は、エネルギー効率に関してかかるシステムを最適に動作させるための新規な方法である。
【００１４】
動作条件を変える場合、遷臨界蒸気圧縮システムのコントローラは、高圧側圧力の摂動（perturbation）を行うことができ、それにより、圧力とエネルギー効率の相関関係、またはエネルギー効率を反映する適したパラメータを確立することができる。この場合、高圧側圧力とエネルギー効率の関係は、容易にマッピングすることができ、最適圧力を確定し、その確定した最適圧力を動作条件が変わるまで用いることができる。これは、すべての設計の遷臨界蒸気圧縮システムに作用する単純な方法である。初期の測定を行う必要がないため、現場での実用面が考慮される。
【００１５】
以下で、ほんの例として、添付図面を参照して本発明をさらに説明する。
【００１６】
［発明の詳細な説明］
図１は、閉循環システムに連結された圧縮機１、除熱器２、膨張手段３、および吸熱器４を備える従来の蒸気圧縮システムを示す。
【００１７】
図２は、温度エントロピーグラフの遷臨界ＣＯ２サイクルを示す。圧縮プロセスは、状態ａからｂへの等エントロピーとして示される。除熱器の冷媒出口温度ｃは定数と見なされる。当該図には、特定の作用、特定の冷却能力、および成績係数が明示されている。
【００１８】
上述のように、遷臨界蒸気圧縮システムの非常に最適な高圧側圧力についての数式がある。該数式は以下の通りである：
【００１９】
【数１】
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【００２０】
能力の限定的な増大（一定温度でのｈｃの変化）が作用時の限定的な増加（一定のエントロピーでのｈｂの変化）のε倍に等しい場合、最適圧力が達成される。
【００２１】
高圧側圧力の摂動は、基本的に、上記等式を使用する実用的アプローチである。エネルギー効率または該エネルギー効率を反映するパラメータを高圧側圧力に応じてマッピングすることにより、能力の限定的な増大が作用時の限定的な増加のε倍に等しい地点を確立することが可能である。
【００２２】
各種パラメータはエネルギー効率の反映として用いることができる。
【実施例１】
【００２３】
除熱器４の低温端（cold end）での冷媒とヒートシンクの温度差は多くの場合、遷臨界サイクルの「温度アプローチ」として示される。高圧側圧力と温度アプローチには相関関係がある。高圧側圧力の上昇は、温度アプローチの減少をもたらす。高圧側圧力は、好ましくは、さらに上昇しても温度アプローチの著しい減少をもたらすことがなくなるまで上昇することができる。そうして、この地点で、最適な高圧側圧力が実際に確立され、システムは、最適条件で動作することができ、システムＣＯＰが最大限となる。この原理は図３に示す。
【００２４】
高圧側圧力の摂動は、図３に示す関係をもたらす。動作条件が変わる場合、または他の理由で、新たな摂動が行われ、新たに更新された関係が確立されることができる。このようにして、遷臨界システムは常に、最適条件近くで動作することができる。
【実施例２】
【００２５】
温度アプローチを用いる代わりに、エネルギー効率を反映するパラメータとしてガス冷却器出口温度を使用することが一選択肢である。
【実施例３】
【００２６】
システムの圧力および温度をオンラインで測定することにより、冷媒特性が属性から一ライブラリを提供されることができる場合、図２に示す地点１〜４における臨界サイクルのエンタルピーを自動的に計算することができる。エンタルピーはシステムの成績係数の計算に用いることができる。次いで、高圧側圧力の摂動により、ＣＯＰと高圧側圧力の関係が直接生じる。
【００２７】
ＣＯＰが操舵パラメータとして用いられる場合、最適高圧側圧力は直接確立される。ＣＯＰ反映パラメータが用いられる場合、パラメータへの「限定的影響（marginal effect）」についての正確な測定が定量化される必要がある。しかしながら、この測定は容易に評価されることができる。別の実施可能性は、パラメータが所定レベルに達するまで圧力を上げることである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】蒸気圧縮システムの単純な回路を示す図である。
【図２】典型的な遷臨界サイクルの一例での二酸化炭素の温度エントロピーのグラフである。
【図３】最適な高圧側圧力の確定の原理を示す概略グラフである。当該図ではＣＯＰ反映パラメータとして温度アプローチが使用される。
【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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