JP2002195673A - 超臨界蒸気圧縮システムおよび超臨界蒸気圧縮システムを循環する冷媒の高圧成分の圧力を調整する装置 - Google Patents

超臨界蒸気圧縮システムおよび超臨界蒸気圧縮システムを循環する冷媒の高圧成分の圧力を調整する装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超臨界蒸気圧縮システムの高圧成分を調整す
る。 【解決手段】 エコノマイザ回路を備えた２段式蒸気圧
縮システムにおいて、気体冷却器１４内部の圧力が低す
ぎる場合は、フラッシュタンク２０から蒸気圧縮システ
ムへと冷媒が放出されるよう膨脹弁２６，２８が調整さ
れ、これによって、気体冷却器１４の圧力が増大し、蒸
気圧縮システムの高圧成分の圧力が増大し、このシステ
ムの容量が増大する。気体冷却器１４内部の圧力が高す
ぎる場合は、フラッシュタンク２０内部に冷媒が貯留さ
れるよう膨脹弁２６，２８が調整され、これによって、
気体冷却器１４の圧力が低下し、蒸気圧縮システムの高
圧成分の圧力が低下し、圧縮機により消費されるエネル
ギが減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に、超臨界蒸気
圧縮システムの高圧成分を調整する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】塩素を含有する冷媒は、オゾン破壊を発
生させる可能性があることから、世の中の大部分の分野
から徐々に除外されている。ハイドロフルオロカーボン
（ＨＦＣ）が代わりの冷媒として利用されてきている
が、このような冷媒によっても、地球温暖化の問題が生
じる可能性は高い。従って、二酸化炭素やプロパンとい
った「天然」冷媒を代わりの冷媒として利用すること
が、提案されている。しかし、残念ながら、このような
冷媒の多くは、利用の際に問題が生じる。二酸化炭素の
臨界点は低いため、二酸化炭素を利用した空調システム
の大部分は、殆どの状態で超臨界領域で運転される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】蒸気圧縮システムを超
臨界領域で運転する場合、蒸気圧縮システムの高圧成分
の圧力を調整することが効果的である。蒸気圧縮システ
ムの高圧成分の圧力を調整することによって、蒸気圧縮
システムの容量および／または効率を制御して、最適化
することができる。蒸気圧縮システムの高圧成分（気体
冷却器の圧力）を増大させることによって、蒸発器の吸
入口における冷媒の比エンタルピが減少し、容量が増大
する。しかし、圧縮機の仕事量を増大させることが必要
となるためにより多くのエネルギを要する。蒸気圧縮シ
ステムの高圧成分の最適圧力（運転状態の変化とともに
変化する）を見つけることが望ましい。蒸気圧縮システ
ム１０の高圧成分を調整することによって、高圧成分の
圧力を最適化することができる。
【０００４】従って、超臨界蒸気圧縮システムの高圧成
分を調整する手段が、当該技術分野で必要とされてい
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、超臨界蒸気圧
縮システムの高圧成分を調整する手段に関する。
【０００６】蒸気圧縮システムは、圧縮機、気体冷却
器、膨脹装置、および蒸発器から構成される。蒸気圧縮
システムの効率および／または容量を増大させるため
に、エコノマイザ回路が用いられる場合がある。エコノ
マイザ回路は、熱放出型熱交換器から放出される冷媒を
その圧力が中間圧力となるまで膨脹させ、この冷媒流を
分割して２つの冷媒流にする。一方の冷媒流は、熱吸収
型熱交換器に供給され、他方の冷媒流は、２つの圧縮装
置の間で冷媒流を冷却するために供給される。エコノマ
イザ回路の一形態では、このように冷媒を分割するのに
フラッシュタンクが用いられる。本発明は、フラッシュ
タンク内部の冷媒の量を制御することにより蒸気圧縮シ
ステムの高圧成分（気体冷却器内部の圧力）を調整する
ものである。本発明の好適な実施例では、冷媒として二
酸化炭素が用いられる。
【０００７】フラッシュタンクが用いられる場合、気体
冷却器から放出された冷媒は、第１膨脹装置を通過し、
これによって、冷媒の圧力が低下する。冷媒は、液状部
分およびガス状部分を有する状態でフラッシュタンクに
収集される。ガス状冷媒は、第１圧縮装置から流出する
冷媒を冷却するのに利用され、液状冷媒は、第２膨張装
置においてさらに膨張した後で、蒸発器に流入する。
【０００８】フラッシュタンクへの流路およびフラッシ
ュタンクからの流路に配置されている膨脹弁は、冷媒を
膨脹させて高圧力状態から低圧力状態にするために用い
られる。本発明は、膨脹弁の動作を制御してフラッシュ
タンクへと流入する冷媒の流量およびフラッシュタンク
から流出する冷媒の流量を制御し、これによって、フラ
ッシュタンク内部に貯留される冷媒の量を調節するもの
である。フラッシュタンク内部に貯留される冷媒の量を
調整することによって、気体冷却器内部の冷媒の量およ
び蒸気圧縮システムの高圧成分を制御することができ
る。
【０００９】蒸気圧縮システムの圧力は、バルブの動作
を制御することにより最適化することができる。気体冷
却器内部の圧力が低すぎる場合、フラッシュタンクから
蒸気圧縮システムへと冷媒が放出されるよう膨脹弁が調
整され、これによって、気体冷却器の圧力が増大し、蒸
気圧縮システムの容量が増大する。気体冷却器内部の圧
力が高すぎる場合、フラッシュタンク内部に冷媒が貯留
されるよう膨脹弁が調整され、これによって、気体冷却
器の圧力が低下し、圧縮機により消費されるエネルギが
減少する。
【００１０】従って、本発明は、超臨界蒸気圧縮システ
ムの高圧成分を調整するための方法およびシステムを提
供する。
【００１１】本発明の上述した目的および他の目的は、
以下の詳細な説明および付随の図面によってより明確と
なるだろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】特定の実施例が図面および発明の
詳細な説明に記載されているが、本発明は、他の形態の
実施例で実施することも可能である。従って、本発明に
開示された実施例は、例示的なものにすぎず、本発明を
制限するものではない。
【００１３】図１には、従来技術の蒸気圧縮システム１
０が示されている。基本的な蒸気圧縮システム１０は、
圧縮機１２、熱放出型熱交換器（蒸気圧縮サイクルにお
ける気体冷却器）１４、膨張装置１６、および熱吸収型
熱交換器（蒸発器）１８からなる。
【００１４】冷媒は、閉回路サイクル１０を流れる。本
発明の好適な実施例では、二酸化炭素を冷媒として用い
る。二酸化炭素が例として記載したが、他の冷媒を利用
することも可能である。二酸化炭素の臨界点は低いた
め、二酸化炭素を冷媒として利用した蒸気圧縮システム
１０は、超臨界領域（transcritical）で運転しなけれ
ばならない。
【００１５】蒸気圧縮システム１０を超臨界領域で運転
する際には、蒸気圧縮システム１０の高圧成分を調整す
ることが効果的である。蒸気圧縮システム１０の高圧成
分の圧力を調整することによって、蒸気圧縮システム１
０の容量および／または効率を制御して、最適化するこ
とができる。気体冷却器１４の圧力を増大させることに
よって、蒸発器１８に入る冷媒のエンタルピが減少して
容量が増大するが、圧縮機１６の仕事量をより大きくす
る必要があるため、より多くのエネルギが必要となる。
蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力を調整すること
によって、蒸気圧縮システム１０の圧力を最適圧力（運
転状態の変化とともに変化する）にすることができる。
【００１６】図１に示された従来技術の蒸気圧縮システ
ム１０のサイクルにおいては、冷媒が、図２の点Ａによ
り示される高圧力高エンタルピー状態で圧縮機１２から
放出される。冷媒は、高圧力状態で気体冷却器１４を流
れて熱およびエンタルピを失い、点Ｂで示される高圧力
低エンタルピー状態で気体冷却器１４から流出される。
冷媒は、膨張装置１６を通過し、これによって、その圧
力が点Ｃに示されるように低下する。冷媒は、膨張した
後で、蒸発器１８に流入し、点Ｄにより示される低圧力
高エンタルピー状態で蒸発器１８から流出する。冷媒
は、圧縮機１２を通過した後、再び高圧力高エンタルピ
ー状態になり、サイクルが完了する。
【００１７】図３には、二段式エコノマイズドサイクル
内にフラッシュタンク２０を備えた蒸気圧縮システム１
０が示されている。気体冷却器１４から流出する冷媒は
第１膨張装置１６ａを通り、その圧力が低下する。冷媒
は、液体部分２４および気体部分２２を有する状態で、
フラッシュタンク２０に収集される。フラッシュタンク
２０の構造は、周知であるため、本発明には無関係であ
る。フラッシュタンク２０は、本発明の斬新な方法によ
り制御される。冷媒ガス２２は、フラッシュタンク２０
の頂部から排出され、第１圧縮装置１２ａから流出する
冷媒を冷却するのに利用される。液状冷媒２４は、フラ
ッシュタンク２０の底部に収集され、第２膨張装置１６
ｂにおいてさらに膨張した後で、蒸発器１８に流入す
る。冷媒は、蒸発器１８を通過した後で、第１圧縮装置
１２ａにより圧縮され、第１圧縮装置１２ａから放出さ
れた後で、フラッシュタンク２０から流出する低温の冷
媒ガス２２により冷却される。続いて、冷媒は、第２圧
縮装置１２ｂによりさらに圧縮された後に、気体冷却器
１４に流入する。フラッシュタンク２０を用いることに
よって、蒸気圧縮システム１０の比エンタルピーが減少
し、これによって、蒸気圧縮システム１０の容量が増大
する。しかし、フラッシュタンク２０によっては、気体
冷却器１４内部の高圧成分に対して効果が得られないた
め、蒸気圧縮システム１０の高圧成分の圧力の制御をさ
らに行うことが可能である。
【００１８】複数段階の圧縮を行うことにより、蒸気圧
縮システム１０の高圧成分の圧力と低圧成分の圧力との
差が大きくなり、エコノマイズされた蒸気圧縮システム
１０の効率を増大させることができる。周知のように、
ライン２３によって、冷媒ガス２２が圧縮装置１２ｂの
吸入部分に供給され、これによって、冷却が行われる。
これは、エコノマイズド運転として周知である。エコノ
マイズドサイクルおよび非エコノマイズドサイクルの熱
力学的特性が、図４に示されている。エコノマイズド運
転によって、気体冷却器１４を通過する質量流量を増大
させるとともに、蒸発器１８に流入する冷媒の比エンタ
ルピを減少させることができ、これによって、サイクル
の冷却容量を増大させることができる。
【００１９】図５には、超臨界蒸気圧縮サイクルの高圧
成分の圧力を調整するためのフラッシュタンク２０およ
び膨張弁２６，２８が示されている。第１膨張弁２６
は、フラッシュタンク２０に流入する冷媒の流量を調整
するものであり、第２膨張弁２８は、フラッシュタンク
２０から流出する冷媒の流量を調整するものである。
【００２０】周知のように、第１膨張弁２６および第２
膨張弁２８を通過する冷媒の流量は、蒸気圧縮システム
１０の圧力および膨張弁２６，２８の開口部の直径に相
関する。膨張弁２６，２８は、前記開口部の寸法を増大
もしくは減少させることにより作動される。膨張弁２
６，２８の開口部の寸法を拡大つまり増大させることに
よって、膨張弁２６，２８を通過する冷媒の流量を増大
させることができる。逆に、膨張弁２６，２８の開口部
の寸法を縮小つまり減少させることにより、膨脹弁２
６，２８を通過する冷媒の流量を減少させることができ
る。膨脹弁２６，２８を通過する冷媒の流量を制御する
ことによって、フラッシュタンク２０および気体冷却器
１４内部の冷媒の量を調節することができ、これによっ
て、気体冷却器１４内部の圧力を制御することができ
る。
【００２１】制御装置２９によって、気体冷却器１４内
部の圧力が監視され、第１膨脹弁２６および第２膨脹弁
２８が制御される。制御装置２９として、蒸気圧縮サイ
クル１０のメインコントローラを利用することが可能で
ある。制御装置２９は、蒸気圧縮サイクル１０の状態を
評価し、気体冷却器１４内部の好適な圧力を決定するも
のとしてプログラムされている。好適な圧力が決定され
ると、膨脹弁２６，２８が制御されることにより圧力が
調整される。好適な圧力を決定する上で考慮すべき要素
は、当業者であればわかるだろう。
【００２２】気体冷却器１４内部の圧力が好適な圧力よ
りも高い場合は、冷媒を圧縮するのに多くのエネルギが
利用される。制御装置２９は、第２膨脹弁２８を締めて
フラッシュタンク２０から流出する冷媒の体積流量を減
少させ、これによって、フラッシュタンク２０内部の冷
媒の量を増大させ、気体冷却器１４内部の冷媒の量およ
びの圧力を減少させる。逆に、気体冷却器１４内部の圧
力が好適な圧力よりも低い場合は、蒸気圧縮システム１
０の効率を増大させることが可能である。制御装置２９
は、第１膨張弁２６を締めてフラッシュタンク２０に流
入する冷媒の体積流量を減少させ、気体冷却機１４内部
の冷媒の量および圧力を増大させる。
【００２３】気体冷却器１４内部の圧力は、制御装置２
９により監視される。気体冷却器１４内部の圧力が変化
すると、制御装置２９により第１膨張弁２６および第２
膨脹弁２８の動作が調整され、これによって、圧力が最
適化される。
【００２４】第１膨張弁２６および第２膨脹弁２８の動
作を選択的に制御することによって、フラッシュタンク
２０に貯留される冷媒の量を変化させることができ、こ
れによって、蒸気圧縮システム１０の高圧成分が変化す
ることによって、容量および／または効率が最適化され
る。膨張前に気体冷却器１４の高圧力を調整することに
よって、蒸発器の吸入口における冷媒のエンタルピが調
整され、蒸気圧縮システム１０の容量および／または効
率が調節される。
【００２５】膨脹弁２６を締めてフラッシュタンク２０
内部の冷媒の量を減少させ、膨脹弁２８を締めてフラッ
シュタンク２０内部の冷媒の量を増大させるものとして
本発明の制御装置２９の動作を説明することが最も簡単
であるが、膨脹弁２６を開いてフラッシュタンク２０に
流入する冷媒の流量を増大させ、膨脹弁２８を開いてフ
ラッシュタンク２０内部の冷媒の量を減少させることも
可能である。
【００２６】図６に示されているように、第３バルブ３
０および第４バルブ３２をさらに用いてフラッシュタン
ク２０内部の冷媒の量を変化させ、これによって、蒸気
圧縮システム１０の効率および／または容量を最適化す
ることも可能である。第４のバルブ３２によって、フラ
ッシュタンク２０から圧縮装置１２へと流れる冷媒の流
量が制御される。第４バルブ３２が閉じられることによ
って、エコノマイザ回路がオフになり、フラッシュタン
ク２０から流出する冷媒ガス２２が圧縮機１２に流入す
ることが阻止される。第４バルブ３２が閉じられている
状態では、冷媒ガス２０がフラッシュタンク２０内部に
貯留される。第３バルブ３０は開放手段として機能し、
第３バルブが開かれている状態では、フラッシュタンク
２０から流出した冷媒が蒸発器１８に流れ込む。第３バ
ルブ３０が開かれることによって、フラッシュタンク２
０から流出した冷媒ガス２２が蒸発器１８に流入し、冷
媒ガス２２が放出される。逆に、第４バルブ３２を開い
てエコノマイザ回路をオンにすることも可能である。第
３バルブ３０および第４バルブ３２を制御することによ
り、エコノマイザ回路をオン・オフして、蒸気圧縮シス
テム１０の効率を最適化することができる。第３バルブ
３０および第４バルブ３２の動作もまた、気体冷却器１
４内部の圧力を監視する制御装置２９によって制御され
る。
【００２７】従って、本発明は、超臨界蒸気圧縮システ
ムの高圧成分の圧力を制御するための膨脹弁２６，２８
を備えたフラッシュタンク２０を提供するものである。
【００２８】以上の記載は、本発明の原理を例示するも
のである。以上の教示に照らして、多くの変更を本発明
に加えることも可能である。本発明の好適な実施例が開
示されたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱す
ることなくある変更を加えることが可能なことは、理解
できるだろう。従って、請求項の範囲内で、本発明を記
載された形態以外の形態で実行することも可能である。
このような理由により、請求項は、本発明の真の範囲お
よび主旨を決定するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の蒸気圧縮システムの概略図。
【図２】超臨界蒸気圧縮システムの熱力学的特性を示す
図。
【図３】フラッシュタンクを備えた従来技術の２段式蒸
気圧縮システムを示す概略図。
【図４】超臨界蒸気圧縮システムの２段式のエコノマイ
ズドサイクルおよび非エコノマイズドサイクルの熱力学
的特性を示す図。
【図５】蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を制御する
膨脹弁を備えた２段式蒸気圧縮システムのフラッシュタ
ンクの概略図。
【図６】蒸気圧縮システムの高圧成分の圧力を制御する
付加的な膨脹弁を備えた２段式蒸気圧縮システムのフラ
ッシュタンクの概略図。
【符号の説明】
１２ａ…第１圧縮装置 １２ｂ…第２圧縮装置 １４…気体冷却器 １６ａ…第１膨脹装置 １６ｂ…第２膨脹装置 １８…蒸発器 ２０…フラッシュタンク ２６，２８…膨脹弁 ２９…制御装置 ３０，３２…バルブ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超臨界蒸気圧縮システムを循環する冷媒
    の高圧成分の圧力を調整する装置であって、 第１膨脹弁と第２膨脹弁との間に配置されて、ある量の
    冷媒を貯留するフラッシュタンクを備えており、 前記第１膨脹弁によって、前記フラッシュタンクに流入
    する冷媒の流量が調整され、これによって、前記フラッ
    シュタンク内部の冷媒の量が調整され、前記第１膨脹弁
    は、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置によって
    作動されるようになっており、 前記第２膨脹弁によって、前記フラッシュタンクから流
    出する冷媒の流量が調整され、これによって、前記フラ
    ッシュタンク内部の冷媒の量が調整され、前記第２膨脹
    弁は、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置によっ
    て作動されるようになっていることを特徴とする請求項
    １記載の装置。
  2. 【請求項２】 前記の高圧成分の圧力が、前記第１膨脹
    弁および前記第２膨脹弁が作動されて前記フラッシュタ
    ンク内部の冷媒の量が制御されることによって、調整さ
    れることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が
    制御されることによって、前記フラッシュタンク内部の
    冷媒の量が減少して、冷媒の前記の高圧成分の圧力が上
    昇することを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁が
    制御されることによって、前記フラッシュタンク内部の
    冷媒の量が増大して、冷媒の前記の高圧成分の圧力が低
    下することを特徴とする請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記フラッシュタンクから熱吸収型熱交
    換器に流入する前記冷媒の流量を調整するよう配置され
    た第３バルブと、前記フラッシュタンクから圧縮装置に
    流入する冷媒の流量を調整するよう配置された第４バル
    ブと、を備えており、前記第３バルブおよび前記第４バ
    ルブが、前記の高圧成分の圧力を監視する制御装置によ
    り作動されることを特徴とする請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴
    とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
  7. 【請求項７】 超臨界蒸気圧縮システムであって、 第１圧縮装置、第２圧縮装置、および前記第１圧縮装置
    と前記第２圧縮装置との間における内部圧縮段を備え、
    冷媒を圧縮して高圧力の状態にする二段式圧縮装置と、 前記冷媒を冷却する熱放出型熱交換器と、 第１膨脹弁および第２膨脹弁を備え、前記冷媒の圧力を
    低下させて低圧力の状態にする二段式膨脹装置と、 前記冷媒を蒸発させる熱吸収型熱交換器と、 前記超臨界蒸気圧縮システムの前記の高圧成分の圧力を
    調整するフラッシュタンクと、を備えており、前記フラ
    ッシュタンクは、前記第１膨脹弁と前記第２膨脹弁との
    間に配置されているとともに、前記内部圧縮段と連通し
    た流路を備えており、前記第１膨脹弁により前記フラッ
    シュタンクに流入する冷媒の流量が調整され、前記第２
    膨脹弁により前記フラッシュタンクから流出する冷媒の
    流量が調整され、前記第１膨脹弁および前記第２膨脹弁
    が作動されることによって、前記フラッシュタンク内部
    の冷媒の量が調整され、これによって、前記の高圧成分
    の圧力が調整されることを特徴とする超臨界蒸気圧縮シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 前記の高圧成分の圧力が、前記第１膨脹
    弁および前記第２膨脹弁が作動されて前記フラッシュタ
    ンク内部の冷媒の量が制御されることによって、調整さ
    れることを特徴とする請求項７記載の超臨界蒸気圧縮シ
    ステム。
  9. 【請求項９】 前記冷媒が前記フラッシュタンクに貯留
    されることによって、前記冷媒の前記の高圧成分の圧力
    が低下し、前記冷媒が前記フラッシュタンクから排出さ
    れることによって、前記冷媒の前記の高圧成分の圧力が
    増大することを特徴とする請求項７記載の超臨界蒸気圧
    縮システム。
  10. 【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７〜９のいずれかに記載の超臨界蒸気圧
    縮システム。
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