JP2004077119A

JP2004077119A - 超臨界冷却システム

Info

Publication number: JP2004077119A
Application number: JP2003291248A
Authority: JP
Inventors: Henry E Howard; ヘンリー・エドワード・ハワード; Arun Acharya; アラン・アチャルヤ; Bayram Arman; バイラム・アルマン; James Bragdon Wulf; ジェイムズ・ブラグドン・ウルフ
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP4041036B2; KR20040014914A; EP1389720A1; KR100773630B1; US6591618B1

Abstract

【課題】冷却を発生させるために環境フレンドリーな冷媒流体を一段と有効に使用することのできる冷却を提供するための方法を提供することである。
【解決手段】暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０がガス冷却器１００内で空気と間接熱交換して冷却される。冷却された高超臨界圧冷却流体流れ１０がガス冷却器１００から内部熱交換器１１０に入り、暖温化用の冷却流体と間接熱交換して冷却される。冷却された高超臨界圧冷却流体流れ１０は内部熱交換器１１０からの流れ２０として、図示される実施例では稠密相型のターボエキスパンダ１２０である膨張装置に送られ、冷却流体のエネルギーの臨界圧力よりも尚高い低圧側圧力のものとなる。膨張装置を通して膨張した流れ２０は冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０として膨張装置を出る。冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０は前記暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０を冷却することで暖温化され、かくして冷却負荷に冷却を提供する。これら２つの熱交換ステップは単一の熱交換器内で実施され得る。
【選択図】図１

Description

　本発明は、一般に冷凍に関し、詳しくは、従来の冷却流体におけるそれよりも環境への影響が少ない冷却流体を使用しての冷却の発生に関する。

　クロロフルオロカーボンのような従来からの冷媒は、環境への影響が大きいことから段階的に廃止されつつあり、別のもっと環境フレンドリーな冷却流体に代替されるようになっている。しかしながら、一般に、そうした代替冷却流体を用いる冷却サイクルあるいは冷却回路で消費される電力は、従来の冷媒を用いる同等の冷却サイクルあるいは冷却回路で消費される電力よりも著しく大きい。これは、そうした代替冷却流体を使用する場合の利益を著しく低下させる。

　解決しようとする課題は、冷却を発生させるために環境フレンドリーな冷却流体を一段と有効に使用することのできる冷却を提供するための方法を提供することである。

　本発明によれば、冷却負荷に冷却を提供するための方法であって、
　（Ａ）暖温且つ超臨界圧の冷却流体を提供し、該冷却流体を高い超臨界圧に圧縮すること、

　（Ｂ）前記高い超臨界圧に圧縮した冷却流体を冷却し、冷却した該冷却流体を膨張させて冷温の超臨界圧冷却流体とすること、
　（Ｃ）該冷温の超臨界冷却流体を、前記冷却され膨張されるところの高い超臨界圧に圧縮した冷却流体と間接熱交換させ、また冷却負荷と間接熱交換させることにより暖温化することにより、前記暖温且つ超臨界圧の冷却流体を提供すること、
　を含む方法が提供される。

　ここで、“臨界圧”とは液相及び蒸気相での流体の圧力がもはや分化されない圧力を意味するものとする。超臨界圧の流体とは、流体の圧力が流体自身の臨界圧を越えている流体を意味するものとする。

　ここで“臨界温度”とは、圧力に関わらず、それ以上の温度では明確な液相がもはや形成されない温度を意味するものとする。

　ここで、“膨張”とは、圧力低下が生じる事を意味するものとする。

　ここで、“膨張装置”とは、流体を膨張させるための装置を意味するものとする。

　ここで、“コンプレッサ”とは、流体を圧縮させるための装置を意味するものとする。

　ここで、“冷却”とは、亜大気圧から熱を排出させることができる事を意味するものとする。

　ここで、“冷却流体”とは、温度、圧力そして恐らくは相変化を受けて低温下に熱を吸収し、吸収した熱を高温下に排出する流体を意味するものとする。

　ここで、“間接熱交換”とは、流体を流体相互を物理的に接触あるいは内部混合させることなく熱交換関係に持ち来す事を意味するものとする。

　ここで、“冷却負荷”とは、その温度を低下させるあるいは温度が上昇しないようにするためにエネルギーを低下させる、あるいは除去する、あるいは加熱する必要のある流体あるいは物体を意味するものとする。

　冷却を発生させるために環境フレンドリーな冷却流体を一段と有効に使用することのできる冷却を提供するための方法が提供される。

　一般に、本発明は二酸化炭素あるいは窒素のような、従来とは異なる冷却流体を使用して、サイクルを通して超臨界圧力下に運転される冷却サイクル下に冷却を発生させる事を含んでいる。

　以下に本発明を図面を参照して詳しく説明する。図面を参照するに、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０がコンプレッサ１３０のような圧縮装置に提供される。コンプレッサ１３０に代えて圧縮装置のようなポンプを用いることができる。二酸化炭素の臨界圧力は絶対値での約７．３５２１４Ｅ６Ｐａ（１０６６．３ｐｓｉａ）である。冷却流体が二酸化炭素を含む場合、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０の、低圧側圧力とも称する圧力は、一般に絶対値での７．５８４５Ｅ６〜１．０３４２５Ｅ７Ｐａ（１１００〜１５００ｐｓｉａ）の範囲内である。窒素の臨界圧は３３．５気圧である。冷却流体が窒素を含む場合、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０の圧力は一般に３５〜７０気圧の範囲内である。

　暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０はコンプレッサ１３０を通過し、このコンプレッサを出るに際して暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０となる。圧縮のための電力はエネルギー入力Ｑ−１３０により表される。そうしたエネルギー入力は直接的な電気的入力あるいは、内燃機関から得られる軸作用によって入手され得る。冷却流体が二酸化炭素を含む場合、暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０の圧力は、一般に絶対値での１．０３４２５Ｅ７〜２．０６８５Ｅ７Ｐａ（１５００〜３０００ｐｓｉａ）の範囲内のものとなる。冷却流体が窒素を含む場合、暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０の、高圧側圧力とも称する圧力は、一般に５０〜１００気圧の範囲内である。この暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０の高圧側圧力は、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０の低圧側圧力の、代表的には１．５〜３．０倍の範囲内において高圧である。

　暖温の高超臨界圧冷却流体流れ５０はガス冷却器１００内で空気と間接熱交換することにより、あるいは別のユーティリティ、即ち伝熱流体により冷却される。ガス冷却器１００内に取り出されたエネルギーはＱ−１００として表される。かくして冷却された高超臨界圧冷却流体流れ１０はガス冷却器１００から内部熱交換器１１０に入り、以下にもっと詳しく説明する暖温化用の冷却流体と間接熱交換して冷却される。

　冷却された高超臨界圧冷却流体流れ１０は内部熱交換器１１０からの流れ２０として、図示される実施例では稠密相型のターボエキスパンダ１２０である膨張装置に送られ、冷却流体のエネルギーの臨界圧力よりも尚高い低圧側圧力のものとなる。膨張により得られるエネルギーはＱ−１２０として示される。あるいは、膨張装置は等エンタルピー膨張弁であり得る。膨張装置を通して膨張した流れ２０は冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０として膨張装置を出る。

　二酸化炭素の臨界温度は約３１．１℃（８８°Ｆ）である。冷却流体が二酸化炭素を含む場合、冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０の温度はこの臨界温度未満であり、且つ一般に、−１７．７〜１０．５℃（０〜６０°Ｆ）である。窒素の臨界温度は−１４５．５℃（−２３０°Ｆ）である。冷却流体が窒素を含む場合、冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０の温度は臨界温度以上であり、且つ一般には−５６．６〜−１２８．８℃（−７０〜−２００°Ｆ）の範囲内である。

　冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０は前記超臨界圧の更に高い冷却流体流れを冷却することで暖温化され、かくして冷却負荷に冷却を提供する。これら２つの熱交換ステップは単一の熱交換器内で実施され得る。図示された本発明の実施例では２つの熱交換器を使用してこれら２つの熱交換ステップの夫々が実施される。

　図を参照するに、冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０は流れ３１及び流れ３２に分割される。冷温の超臨界の冷却流体流れ３１は内部熱交換器１１０に送られ、この内部熱交換器内で前記超臨界圧の更に高い冷却流体と間接熱交換することにより暖温化され、暖温の超臨界圧冷却流体流れ３３として内部熱交換器１１０を出る。

　冷温の超臨界圧冷却流体流れ３２は負荷熱交換器１４０に送られ、この負荷熱交換器１４０内で冷却負荷と間接熱交換することにより暖温化され、かくして冷却負荷に冷却を提供する。図示された本発明の実施例では、冷却負荷は空気、水その他のプロセス流体であり得るところの流体流れ６０であり得、冷却流体流れ７０として負荷熱交換器１４０を出る。冷却流体が二酸化炭素を含む場合の本発明の特に有益な用途は、自動車の空調システム用の冷却を提供するものである。この場合、流体流れ６０及び冷却流体流れ７０における流体は空気である。

　負荷熱交換器１４０を出る暖温の超臨界圧冷却流体流れ３４は、暖温の超臨界圧冷却流体流れ３３と合流して暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０を形成する。先に議論したように、内部熱交換器１１０及び負荷熱交換器１４０は単一の熱交換器として組み合わせることができる。この場合、冷温の超臨界圧冷却流体流れ３０を流れ３１及び３２に分割する必要はなく、単一化された熱交換器から暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０として排出させ得る。あるいは、単一化した熱交換器にこれら２つの流れを通し、図示されると類似の様式下に合流させることもできる。

　冷却流体が二酸化炭素を含む場合、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０の温度は臨界温度を上回り、且つ一般には３２．２〜４８．８℃（９０〜１２０°Ｆ）の範囲内である。冷却流体が窒素を含む場合、暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０の温度は臨界温度以上であり且つ一般には−５６．６〜４８．８℃（−７０〜１２０°Ｆ）の範囲内である。暖温の超臨界圧冷却流体流れ４０はコンプレッサ１３０に送られ、かくして冷却回路が完成する。

　本発明及び本発明により達成し得る利益を例示するべく、図示される実施例のコンピューターシミュレーションが二酸化炭素を冷却流体として実施され、ランキンサイクルを用い、冷却流体がＲ１３４ａ（テトラフルオロエチレン）である従来からの冷却システムと比較された。この例及び比較例での冷却負荷は、３７．７℃から７．２℃（１００°Ｆから４５°Ｆ）に冷却される空気である。本例は例示目的のみのために提供されるものであり、これに限定されるものではない。

　本例及び比較例の結果が表１に示され、Ａ欄には本発明が、またＢ欄には従来の冷却システムが参照されている。

　表１から、本例における本発明は従来の冷却システムにおけるそれの約１／３少ない電力消費量で運転されることが分かる。

　本発明の方法で使用する冷却流体は、二酸化炭素のみあるいは窒素のみを含むことが好ましい。以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。例えば、Ｃ₂Ｈ₆、Ｎ₂Ｏ、Ｂ₂Ｈ₆、Ｃ₂Ｈ₄のようなその他の冷却流体及びそれら混合物を冷却流体として用いることができる。

本発明を実施する上で使用することのできる好ましい１配列構成における本発明の概略図である。

符号の説明

　１０　冷却された高超臨界圧冷却流体流れ
　３０　冷温の超臨界圧冷却流体流れ
　３３　暖温の超臨界圧冷却流体流れ
　３４　暖温の超臨界圧冷却流体流れ
　４０　暖温の超臨界圧冷却流体流れ
　５０　暖温の高超臨界圧冷却流体流れ
　６０　流体流れ
　７０　冷却流体流れ
　１００　ガス冷却器
　１１０　内部熱交換器
　１２０　稠密相型のターボエキスパンダ
　１３０　コンプレッサ
　１４０　負荷熱交換器

Claims

　冷却負荷に冷却を提供するための方法であって、
　（Ａ）暖温且つ超臨界圧の冷却流体を提供し、該冷却流体を高い超臨界圧に圧縮すること、
　（Ｂ）前記高い超臨界圧に圧縮した冷却流体を冷却し、冷却した該冷却流体を膨張させて冷温の超臨界圧冷却流体とすること、
　（Ｃ）該冷温の超臨界冷却流体を、前記冷却され膨張されるところの高い超臨界圧に圧縮した冷却流体と間接熱交換させ、また冷却負荷と間接熱交換させることにより暖温化することにより、前記暖温且つ超臨界圧の冷却流体を提供すること、
　を含む方法。
　冷却流体が二酸化炭素を含むようにした請求項１の方法。
　暖温が冷却流体の臨界温度を上回るようにした請求項２の方法。
　冷温が冷却流体の臨界温度を下回るようにした請求項２の方法。
　冷却流体が窒素を含むようにした請求項１の方法。
　暖温が冷却流体の臨界温度を上回るようにした請求項５の方法。
　冷温が冷却流体の臨界温度を下回るようにした請求項５の方法。
　該冷温の超臨界冷却流体を、前記冷却して膨張されるところの更に高い超臨界圧に圧縮した冷却流体と間接熱交換させ、また冷却負荷と間接熱交換させることにより暖温化することが、別個の熱交換器において実施されるようにした請求項１の方法。