JP2004108617A

JP2004108617A - 超臨界蒸気圧縮サイクル

Info

Publication number: JP2004108617A
Application number: JP2002268702A
Authority: JP
Inventors: Tomoiku Yoshikawa; 吉川　朝郁; Katsumi Fujima; 藤間　克己
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP4106685B2

Abstract

【課題】高サイドでは凝縮しない高圧冷媒に対し、液溜めを設けるとともに内部熱交換器を介して行う低圧冷媒の還流による高圧冷媒の冷凍能力調整を行うことなく、吸着性のあるＣＯ_２等の冷媒に対し高圧側のＣＯ_２冷媒の吸着により冷媒充填量を変えることにより可能とした超臨界蒸気圧縮サイクルを提供する。
【構成】本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルは、冷媒にＣＯ_２等の吸着性冷媒を超臨界状態まで加圧する圧縮機１０と、圧縮された高圧冷媒を冷却するガスクーラ１１と、冷却された超臨界高圧冷媒を減圧して低圧冷媒を得る膨張弁１２と、低圧冷媒を蒸発して外部へ冷熱を送出する蒸発器１３と、圧縮機１０とガスクーラ１１との間に設けた冷媒吸着部１４とより構成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧側では凝縮しないＣＯ_２等の吸着性のある冷媒を使用する超臨界蒸気圧縮サイクルにおける、能力調整機構、特に高圧側冷媒の吸着により冷媒充填量を加減する吸着調整機能を備えた超臨界蒸気圧縮サイクルに関する。
【０００２】
近年地球環境汚染防止の観点により、特にオゾン層の破壊防止と地球温暖化防止のため、従来から使用されてきたフロンに代わる自然冷媒の一つであり毒性が無く、自然界に多く存在するＣＯ_２の使用が見直され、ＣＯ_２を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルの使用が暫時拡大の傾向にある。
ところで、ＣＯ_２は３１．０６℃の低い温度で臨界点に達するので、これを冷媒とする蒸気圧縮サイクルは前記臨界点を越える臨界域を含むサイクルとなり、また凝縮過程が高温で顕熱変化となり、冷却サイクルには前記顕熱変化に対応するため相変化をする凝縮過程は無く、それとは異なるガス冷却過程を持つ。
【０００３】
【従来の技術】
通常の蒸気圧縮冷凍サイクル装置の冷凍能力制御は蒸発器を通過する冷媒の質量流量の制御により行なわれている。
しかし、超臨界蒸気圧縮サイクルにおいては、圧縮機より下流の膨張弁までは液化されることなく送られ、その間の高サイド（ガスクーラの出口）側には液溜めタンクが設けられず、通常の蒸気圧縮冷凍サイクルに見られる過熱度制御を用いることが出来ないため、何らかの高圧圧力や冷凍能力を制御する機構が必要となっている。
【０００４】
上記した高サイドにおいて超臨界条件下で作動される超臨界蒸気圧縮サイクルにおける冷凍能力の調整手段としては、循環冷媒を調整することにより高サイド圧力を制御する技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
上記文献に開示されているサイクル構成は、図３に示すように、冷媒を超臨界状態に圧縮する圧縮機１０１と、圧縮した冷媒を放熱冷却するガスクーラ１０２と、高圧ラインと低圧ラインを流れる冷媒を熱交換させる内部熱交換器１０３と、冷媒を減圧する膨張弁１０４と、減圧により気液二相混合体になりその液相が蒸発する蒸発器１０５と、蒸発器から流出された冷媒の気液分離を行う気液分離器１０６とより構成する。
なお、前記内部熱交換器１０３の熱交換により、高サイドの冷媒温度は一層下降され冷却能力を向上させるとともに、冷却された冷媒は膨張弁１０４によって減圧され蒸発器１０５で蒸発したのち、気液分離器１０６で気液分離され、その後前記内部熱交換器１０３で高サイドの冷媒と熱交換をしてさらに加熱され、圧縮機１０２へ過熱蒸気となり還流する。
【０００６】
則ち、図４に示すモリエル線図も参照して、圧縮機１０１は点Ａより点Ｂへ温度とともに圧力を上げ、ガスクーラ１０２では冷媒の圧力を維持したまま、点Ｂから点Ｃへ温度を下げる。
若し、ここで点Ｃから膨張弁１０４へ高圧蒸気を送って断熱膨張させると、圧力は下がって点Ｃの真下の点Ｅ’へ移動する。ついで、蒸発器１０５では点Ｅ’から飽和蒸気圧線Ｓとの交点Ｆまでの吸熱が行なわれる。
内部熱交換器１０３は、その高圧側熱交換通路１０３ａを通過する高圧冷媒を点Ｃから点Ｄまで降温させ、点Ｅ’を点Ｅに移動することにより、蒸発器１０５での吸熱量をより多くして冷凍効果を増加させ、効率を向上している。
【０００７】
一方、蒸発器１０５と気液分離器１０６を通過して点Ｆにある冷媒は、内部熱交換器１０３の低圧側熱交換通路１０３ｂを経由し高圧側熱交換通路１０３ａ側への放熱分だけ加熱されて昇温し点Ａに還流する。
ところが、上記低圧側熱交換通路１０３ｂにおける温度上昇Ｆ−Ａにより圧縮機１０１の吐出温度は略それに比例して昇温する。特に熱負荷が大きいと、圧力上昇に伴い吐出温度が上昇し、それに加えて内部熱交換器１０３の熱交換量が増加（Ｃ−Ｄ、Ｆ−Ａ）すると、吐出温度は更に大になる逆効果を持っている。
【０００８】
一般に高サイド（ガスクーラ出口側）の圧力を上げると、冷凍能力は向上するが、圧縮機にかかる動力は大となり、冷凍能力／動力の比である成績係数ＣＯＰと前記ガスクーラ（放熱器）出口圧力との関係は図５に示す線図となりガスクーラ出口圧力の上昇につれＣＯＰも上昇変化するがその変化にはピーク値が存在する。
【０００９】
従って、ガスクーラ出口の温度に応じてガスクーラ出口の圧力を変え、ＣＯＰがピーク値になるように超臨界蒸気圧縮サイクルを運転することが要求される。
【００１０】
そのため、特許文献２に開示された提案では、
圧縮機から吐出された超臨界高圧冷媒と蒸発器で気化した低圧冷媒とを適度に内部熱交換器で熱交換して冷房効率を向上するとともに、過度の熱交換による圧縮機吐出温度の上昇、ガスクーラ出口圧力の上昇を防ぐ超臨界蒸気圧縮サイクルを提供している。
【００１１】
また、特許文献３に開示された提案では、図６に示すように、圧縮機５１と、ガスクーラ５２と、熱交換器５７とポンプ６３と水素取り出し装置５８とそれらを結ぶ往復管路６１、６２とよりなる水素取り出し熱交換部６８と、膨張弁５４と、蒸発器５５と、気液分離器５６とより構成し、
前記熱交換器５７は、前記ガスクーラ５２と膨張弁５４との間を結びガスクーラ５２を経由した圧縮機５１より吐出された超臨界高圧冷媒を第１の熱交換通路５７ａに導入し、第２の熱交換通路５７ｂとの間で熱交換する構成にしてある。水素取り出し装置５８は、水素吸蔵合金水素取り出し装置で、この装置内には、Ｌａ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｍｇ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の水素吸蔵合金５９が充填され、その中に２次冷媒が熱交換を受ける熱交換路６０が配設されている。
上記第２の熱交換通路５７ｂには、水素取り出し装置５８の熱交換路６０から往復管路６１、６２が接続され、水素吸蔵合金の吸蔵反応により冷却された前記２次冷媒（エチレングリコール等の不凍液）が、配管６１に設けられたポンプ６３により導入する構成にしてある。
【００１２】
上記構成よりなる本提案の超臨界蒸気圧縮サイクルは下記に示すように作動する。則ち、圧縮機５１が冷媒を臨界状態に圧縮し、吐出された超臨界高圧冷媒をガスクーラ５２に導入して放熱冷却される。
ガスクーラ５２を通過した超臨界高圧冷媒はを熱交換器５７の第１の熱交換通路５７ａに導入して、第２の熱交換通路５７ｂの２次冷媒と熱交換し、さらに温度を下げ、冷却効率を向上する。
上記第２の熱交換通路５７ｂで熱交換され、温度上昇した２次冷媒は、配管６２を経由し水素取り出し装置５８に戻り熱交換路６０で再び冷却される。
【００１３】
上記提案の場合は、従来の内部熱交換器に代えて、水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応を利用して超臨界高圧冷媒を冷却するようにしたから、冷却効率が高く、超臨界蒸気圧縮サイクルの効率を向上し、また圧縮機の冷媒吐出温度の過度上昇が抑えられ圧縮機の信頼性を向上する。
【００１４】
上記した従来の提案を見るに、冷却効率の向上には相応の効果が見受けられるが、超臨界蒸気圧縮サイクルの能力調整に際して、高サイドにおける冷媒充填量の加減により行う根本的調整手段は見られない。
【００１５】
【特許文献１】
特公平７−１８６０２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３５２３９公報
【特許文献３】
特開２００１−２３５２４０公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、高サイドでは凝縮しない高圧冷媒に対し、液溜めを設け内部熱交換器を介して行う低圧冷媒の還流による高圧冷媒の冷凍能力調整を行う従来手段とは構想を異にした独自の見地に立って、吸着性のあるＣＯ_２等の冷媒に対して冷凍能力制御可能の超臨界蒸気圧縮サイクルの提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルは、
ＣＯ_２等の吸着性冷媒を超臨界状態に圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高圧高温冷媒を冷却するガスクーラと、前記冷却された超臨界高圧低温冷媒を減圧する膨張弁と、減圧した気液二相の低圧冷媒が蒸発して冷熱源を形成する蒸発器とよりなる超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、
前記圧縮機とガスクーラとの間に吸着器を設け、該吸着器による冷媒吸着量により高圧サイドの冷媒充填量を調整することを特徴とする。
【００１８】
上記発明は、超臨界域でサイクルを形成する超臨界蒸気圧縮サイクルを対象とし、吸着性のあるＣＯ_２等の冷媒に対して行うもので、サイクル閉鎖系において液溜めを設けることなく、冷媒の吸着性を利用した吸脱着によるサイクル系の高サイドの冷媒充填量を加減して、能力調整を可能としたもので、
圧縮機とガスクーラとの間で冷媒の吸脱着を行う吸着器を設ける構成にしてある。
【００１９】
斯かる本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルにおける、
前記吸着器は、吸着温度の加減により吸着量を可変とする構成が好ましく、例えば吸水量の加減により冷媒吸着量を加減する。
【００２０】
また、本発明における前記吸着器は、該吸着器の熱交換回路の二次側を、前記ガスクーラ出口より圧縮機中間ポートへ絞り弁を介しての還流管路に設け、前記絞り弁の絞り度の加減により発生する蒸発温度の変化を前記熱交換回路の一次側に出力させ、吸着器の吸着温度を加減する構成が好ましい。
【００２１】
上記発明は、吸着器の吸着量を調整する熱交換回路を吸着器内に設け、その二次側を、ガスクーラ出口側より分岐して減圧用の絞り弁を経由して圧縮機のエコノマイザポートを形成する中間ポートに至る管路内に設け、ガスクーラ出口より送出された高圧冷媒を前記絞り弁を介しての減圧蒸発により前記管路内に低温雰囲気を形成させ、該低温雰囲気温度を前記熱交換回路の二次側を経由して一次側回路に導出させ、吸着器温度の低温維持ないし低温の度合いを加減して、吸着器によるＣＯ_２冷媒の吸着を行なわせ、高圧側の冷媒充填量を変化させ、負荷に対応する構成にしてある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルの一実施例の概略構成を示す図で、図２は図１の別の実施例を示す図である。
【００２３】
図１に見るように本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルは、冷媒にＣＯ_２等の吸着性冷媒を使用して超臨界状態まで加圧する圧縮機１０と、圧縮された高圧冷媒を顕熱冷却するガスクーラ１１と、該クーラにより冷却された超臨界高圧冷媒を減圧する膨張弁１２と、該膨張弁により膨張して減圧され気液二相化した低圧冷媒の液相を蒸発して外部へ冷熱を送出する蒸発器１３と、前記圧縮機１０とガスクーラ１１との間に設けた前記吸着器を形成する冷媒吸着部１４とより構成し、前記冷媒吸着部１４を圧縮機１０とガスクーラ１１との間に介在させ、通過する高圧冷媒の吸着により高圧側の冷媒充填量を変化させ冷凍能力制御を可能としたものである。
【００２４】
上記冷媒吸着部１４は、吸着収納部１４ａと該収納部に充填されたゼオライト等の吸着剤とよりなり、該吸着剤は吸着収納部１４ａを介して圧縮機１０よりガスクーラ１１に通ずる高圧冷媒の管路に介在させ、外部よりの冷熱２０の供給により所要量の冷媒の吸着を行なわせる構成にしてある。
【００２５】
図２には、本発明の別の実施例を示してあるが、本実施例の超臨界蒸気圧縮サイクルは、ＣＯ_２等の吸着性冷媒を超臨界状態まで加圧する圧縮機１０と、圧縮された高圧冷媒を顕熱冷却するガスクーラ１１と、該クーラにより冷却された超臨界高圧冷媒を減圧する膨張弁１２と、該膨張弁により膨張して減圧され気液二相化した低圧冷媒の液相を蒸発して外部へ冷熱を送出する蒸発器１３と、前記吸着器を形成する冷媒吸着部２１とより構成し、前記圧縮機１０とガスクーラ１１との間に介在させた吸着収納部１７を通過する高圧冷媒よりＣＯ_２冷媒を吸着して高圧側の冷媒充填量を変化させ冷凍能力制御を可能としたものである。
【００２６】
上記冷媒吸着部２１は、前記ガスクーラ１１と圧縮機１０との間を結ぶ高圧冷媒の管路に介在させた吸着収納部１７と、該収納部に充填内蔵されたゼオライト等の吸着剤と、該収納部に設けられた熱交換回路１８と、前記ガスクーラ１１の出口より分岐して絞り弁１６を経由して圧縮機１０の中間ポート１０ａに通ずる帰還管路１９とよりなり、
前記熱交換回路１８は、吸着収納部１７に設けた一次側熱交換回路１８ａと帰還管路１９に設けた二次側熱交換回路１８ｂとよりなり、二次側熱交換回路１８ｂより一次側熱交換回路１８ａへ前記帰還管路１９内に形成された低温雰囲気温度を導出して、吸着収納部１７に内蔵した吸着剤に吸着用冷熱を与え、通過する高圧冷媒より所要のＣＯ_２冷媒を吸着させる構成としたもので、前記絞り弁１６の開度により蒸発量を変えて吸着剤の温度を変え吸着量の変化により高圧側冷媒充填量を変化させ負荷に対応する構成にしてある。
【００２７】
なお、ＣＯ_２冷媒の吸着の加減は吸着剤周囲への冷熱の供給量を加減し、冷熱の供給を停止することにより雰囲気温度の低下を停止させ、吸着を低減ないし停止する構成にしてある。
【００２８】
上記構成により負荷の変動に対応して高圧側の最適冷媒充填量を設定できるので高効率のサイクル運転を可能にしている。
【００２９】
【発明の効果】
上記構成により、本発明は下記効果を奏する。
本発明は、超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、高サイドでは凝縮しない高圧冷媒に対し、液溜めを設け内部熱交換器を介して行う低圧冷媒の還流による高圧冷媒の冷却を行うことなく可能とした冷凍能力調整手段であって、該手段を形成する冷媒の吸着による高圧側の冷媒充填量を変化させて冷凍能力制御を行うようにしたため、従来例に見られた随伴事項に対するサイクルバランスを考慮に入れた煩雑な処理等は不必要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超臨界蒸気圧縮サイクルの一実施例の概略構成を示す図である。
【図２】図１の別の実施例を示す図である。
【図３】従来の超臨界冷凍サイクルの冷凍能力調整装置の概要を示す図である。
【図４】図３の冷凍サイクルのモリエル線図である。
【図５】図３における放熱器出口圧力に対する、出口温度を変えた場合のＣＯＰのピーク値の変化状況を示す図である。
【図６】図３に示す従来例の別の実施例の概要を示す図である。
【符号の説明】
１０　　　圧縮機
１０ａ　　中間ポート
１１　　　ガスクーラ
１２　　　膨張弁
１３　　　蒸発器
１４、２１　　　　冷媒吸着部
１４ａ、１７　　吸着収納部
１６　　　絞り弁
１８ａ　　一次側熱交換回路
１８ｂ　　二次側熱交換回路
１９　　　帰還管路
２０　　　冷熱

Claims

ＣＯ_２等の吸着性冷媒を超臨界状態に圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高圧高温冷媒を冷却するガスクーラと、前記冷却された超臨界高圧低温冷媒を減圧する膨張弁と、減圧した気液二相の低圧冷媒が蒸発して冷熱源を形成する蒸発器とよりなる超臨界蒸気圧縮サイクルにおいて、
前記圧縮機とガスクーラとの間に吸着器を設け、該吸着器による冷媒吸着量により高圧側の冷媒充填量を調整することを特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル。
前記吸着器は、吸着温度の加減により吸着量を可変としたことを特徴とする請求項１記載の超臨界蒸気圧縮サイクル。
前記吸着器は、該吸着器の熱交換回路の二次側を、前記ガスクーラ出口より圧縮機中間ポートへ絞り弁を介しての還流管路に設け、前記絞り弁の絞り度の加減により発生する蒸発温度の変化を前記熱交換回路の一次側に導出させ、吸着器の吸着温度を加減する構成としたことを特徴とする請求項１記載の超臨界蒸気圧縮サイクル。