JP2006527836A - 蒸気圧縮システムの超臨界圧力調整 - Google Patents

Abstract

超臨界システムの高圧要素の超臨界圧力を直接に制御するため、蒸気圧縮システムの膨張装置流量が調整される。膨張装置（２７）は、膨張した流れの気相を再圧縮する再圧縮器（２２）に直接連結されている。第１弁（３６）で再圧縮器（３２）の流量を制御することにより、膨張装置（２７）を通る質量流量ひいてはシステムの高圧を制御するように膨張装置（２７）の流量を制御できる。

Description

本発明は概ね、膨張装置または膨張器によって流量を制御することにより超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を調整するためのシステムに関連する。

塩素含有冷媒は、オゾン破壊の可能性があるとして世界の大部分で廃止されつつある。代替冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣｓ）が使用されているが、これらの冷媒もやはり、高い地球温暖化係数を持っている。炭酸ガスやプロパンなどの「自然」冷媒が代替流体として提案されている。残念なことに、これらの流体の多くの使用にもやはり問題が見られる。炭酸ガスは臨界点が低いため、炭酸ガスを利用する空調システムの多くは、部分的に臨界点以上で作動し、たいていの条件下では超臨界状態で作動する。臨界亜流体の圧力は、（液体と蒸気の両方が存在する）飽和状態において温度の関数である。しかし、流体の温度が臨界温度より高い（超臨界）時には、圧力は流体の密度の関数になる。

蒸気圧縮システムが超臨界状態で作動する時には、システムの高圧要素を調整すると好都合である。システムの高圧を調整することにより、システムの容量および／または効率の制御および最適化が可能である。

従来技術では、ガス冷却器の出口に設けられた弁を調節することにより蒸気圧縮システムの高圧要素が調整されて、システムの容量および効率の制御が可能であった。システムの容量と効率を向上させるために、吸入ライン熱交換器と収容タンクも採用されてきた。

超臨界蒸気圧縮システムは、圧縮器とガス冷却器と膨張装置と蒸発器とを含む。冷媒は、閉回路サイクルを循環する。炭酸ガスが冷媒として使用されることが望ましい。炭酸ガスは臨界点が低いので、炭酸ガスを冷媒として利用するシステムは通常、蒸気圧縮システムを超臨界状態で作動させる必要がある。システムが超臨界状態で作動する時には、システムの容量および／または効率を制御および最適化するように蒸気圧縮システムの高圧要素を調整すると好都合である。

膨張装置は、膨張プロセスからエネルギーを抽出する仕事量回収装置である。膨張装置は、より等エントロピーな膨張プロセスを提供することにより、システムの効率を上昇させる。膨張装置を通る流量が増大すると、システムの高圧部を出る質量が増加し、システムの高圧部における瞬間冷媒質量を低下させ、システムの高圧を低下させる。膨張装置を通る流量を減少させると、システムの高圧部から排出される質量が減少し、システムの高圧部における瞬間冷媒質量が増大し、システムの高圧が上昇する。

一例では、膨張後に冷媒の流れは分離器タンクへ入る。膨張した流れの気相は再圧縮器で再圧縮され、システムの高圧部へ噴射される。冷媒はガス冷却器の流入部へ噴射されることが望ましい。再圧縮器は膨張装置へ直接連結されている。再圧縮器を通る流量を制御することにより、膨張装置を通る流量、ひいてはシステムの高圧要素が制御される。膨張した流れと再圧縮器との間に配置された第１弁は、再圧縮器へ送られる流れの量と再圧縮器を通る流量とを調整する。ガス冷却器の高圧は制御装置により監視される。ガス冷却器の圧力が変化すると、最適システム圧力を達成するように制御装置が第１弁を調節する。

第１弁が閉じると、再圧縮器へ送られる流れの量が減少し、再圧縮器が膨張装置へ印加する負荷が減少し、膨張装置を通る流量が増大してシステムの超臨界圧力を低下させる。第１弁が開くと、再圧縮器へ送られる流れの量が増加し、再圧縮器が膨張装置へ印加する負荷が増大し、膨張装置を通る流量が減少してシステムの超臨界圧力が上昇する。

システムはさらに、節約型サイクルとして機能するように、膨張した流れと蒸発器との間に配置された第２弁を含むことが可能である。第２弁は、蒸発器を通る質量流量を変化させるように、圧縮器の吸入部における過熱を制御する。低温の蒸気流は蒸発器を迂回して蒸気バイパスラインを通り、圧縮器の吸入部を冷却する。

別の例では、圧縮器の吸入部からの冷媒が圧縮器で再圧縮される。あるいは、ガス冷却器からの冷媒が、再圧縮器からの冷媒と熱交換器において熱を交換する。次にこの熱交換器からの冷媒が再圧縮される。これらの代替例はそれぞれ、システムの容量および／または効率を制御および最適化するように膨張装置を通る流量を制御するための手段を含む。

本発明の以上および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解されるだろう。

現時点で好適な実施例についての以下の詳細な説明から、本発明の様々な特徴と長所が当業者に明らかとなるだろう。詳細な説明に付随する図面について、以下、簡単に説明する。

図１は、モータ３０を有する圧縮器２２と排熱用（ｈｅａｔ ｒｅｊｅｃｔｉｎｇ）熱交換器（超臨界サイクルではガス冷却器）２４と膨張弁２６と吸熱用（ｈｅａｔ ａｃｃｅｐｔｉｎｇ）熱交換器（蒸発器）２８とを含む、従来技術による蒸気圧縮システム２０を示す。

冷媒は、閉回路サイクル２０を循環する。冷媒として炭酸ガスが使用されることが望ましい。炭酸ガスを例として挙げたが、他の冷媒を使用してもよい。炭酸ガスは臨界点が低いため、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは通常、蒸気圧縮システム２０を超臨界状態で作動させる必要がある。システム２０が超臨界状態で作動している時には、蒸気圧縮システム２０の高圧要素を調整すると好都合である。システム２０の高圧を調整することにより、システム２０の容量および／または効率の制御および最適化が可能である。

図２に点Ａで示されているように、冷媒は高圧・高エンタルピーで圧縮器２２から出る。冷媒は、高圧でガス冷却器２４を通って流れる際に熱とエンタルピーとを失い、点Ｂに示されているように低エンタルピー・高圧でガス冷却器２４から出る。冷媒が膨張弁２６を通過する際には、点Ｃに示されているように圧力は等エンタルピー状態で低下する。膨張後、冷媒は蒸発器２８を通過して、点Ｄで表されているように高エンタルピー・低圧で出る。冷媒は圧縮器２２を通過した後、再び高圧・高エンタルピーとなってサイクルを終える。

システム２０の高圧要素の超臨界圧力は、温度および密度の関数である。密度は、質量と容積の両方の関数である。システム２１の高圧要素の内部の容積は一般的に一定であり、システム２０の効率を最大化するため、システム２０の高圧部の温度は概して制御されない。そのため、超臨界システム２０の超臨界圧力は、システム２０の高圧要素内部の冷媒の質量を制御することによって制御される。システム２０の高圧要素における質量は、圧縮器２２から出る質量流量および膨張弁２６へ入る質量流量の関数である。そのため、膨張弁２６を通る流量を制御すると、超臨界システム２０の高圧要素における超臨界圧力を直接に制御することができる。

図３Ａは、本発明のシステム２１の第一の例を概略的に示す。システム２１は、膨張装置２７を含む。膨張装置２７は、膨張プロセスからエネルギーを抽出する仕事量回収装置である。膨張装置２７で抽出できるエネルギーの量は、膨張装置２７を通る流量と、膨張装置２７の流入圧力および流出圧力の間の等エンタルピー（定エンタルピー）膨張と等エントロピー（定エントロピー）膨張の間のエンタルピーの差と、膨張効率との積である。この積は概して、高圧と低圧との間の圧力差および膨張装置２７を通る質量流量の関数である。

膨張装置２７は、従来技術による膨張弁２６またはオリフィスの使用によって得られる等エンタルピー（定エンタルピー）膨張プロセスとは対照的に、より等エントロピー（定エントロピー）の膨張プロセスを提供することにより、システム２１の効率を上昇させる。より等エントロピーのこの膨張プロセスは、蒸発器２８に入る冷媒のエンタルピーを低下させ、より多くの熱を蒸発器２８に吸収させることでシステム２１の冷却能力を上昇させる。そのうえ膨張装置２７は、膨張のエネルギーを獲得し、このエネルギーを用いて通常のシステムエネルギー要件を補うことにより、システム２１の効率を上昇させる。

膨張装置２７を通る流量を調整することにより、システム２１の高圧を制御できる。膨張装置２７を通る冷媒の流量が増加すると、システム２１の高圧部から出る質量が増加し、システム２１の高圧部の瞬間冷媒質量とシステム２１の高圧とが低下する。膨張装置２７を通る流量が減少すると、システム２１の高圧部から出る質量が減少し、システム２１の高圧部の瞬間冷媒質量とシステム２１の高圧とが上昇する。

膨張装置２７を通る冷媒の流量は、膨張装置２７の速度と、システム２１の高圧部と低圧部との間の圧力差と、膨張装置２７がピストン、ロータリー、スクロール、スクリュタイプの膨張装置などの容積型膨張装置２７である場合には膨張装置２７の行程容積の関数である。上述の関数のいずれかを調整することにより、システム２１の高圧部を調整できる。例えば、膨張装置２７の速度を上昇させると、膨張装置２７を通過する冷媒の流れが多くなり、システム２１の高圧部の瞬間冷媒質量とシステム２１の高圧部の圧力とが低下する。膨張装置２７の速度を低下させると、膨張装置２７を通過する冷媒が少なくなり、システムの高圧部の冷媒質量を増大させるとともに、システム２１の高圧部の圧力を上昇させる。膨張装置２７の運転回数（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）も、膨張装置２７の流量を制御できる。

別の例では、膨張装置２７の行程容積を増大させると、膨張装置２７を通過する冷媒の流れが多くなり、システム２１の高圧部における瞬間冷媒質量が減少するとともに、システム２１の高圧部の圧力が低下する。膨張装置２７の行程容積を減少させると、膨張装置２７を通過する冷媒が少なくなり、システム２１の高圧部における瞬間冷媒質量が増大するとともにシステム２１の高圧部の圧力が上昇する。

冷媒の流れは、膨張装置２７で膨張した後、冷媒を蒸気と液体に分離する分離器タンク３０へ入る。蒸気冷媒は、蒸気冷媒を再圧縮する再圧縮器３２に入る。再圧縮された蒸気冷媒は、経路３５に沿ってシステム２１の高圧要素に噴射される。再圧縮器３２はライン３４によって膨張装置２７に直接連結されている。一例では、再圧縮された流れはガス冷却器２４の流入部に噴射される。

膨張プロセスにより回収されたエネルギーは、膨張した流れの気相を再圧縮器３２で再圧縮するのに使用される。膨張装置２７により回収されたエネルギーはまた、システム２１のエネルギー要件を低下させ、システム２１の効率を上昇させるのに使用される。再圧縮器３２の出力要件は、再圧縮器３２を通る冷媒の流れの量、再圧縮器３２の行程容積、再圧縮器３２の流入部と流出部との間の圧力差、再圧縮器３２の効率の関数である。

再圧縮器３２へ送られる冷媒の流れの量を制御することにより、膨張装置２７を通る冷媒の質量流量を制御できる。再圧縮器３２を通る冷媒の流れは、再圧縮器３２の流入部における冷媒密度、再圧縮器３２の行程容積、再圧縮器３２の速度の関数である。これらの関数のいずれかを調整することにより、再圧縮器３２を通る冷媒流量と、膨張装置２７への負荷と、膨張装置２７の速度と、ひいては膨張装置２７を通る流量とを調整できる。

オリフィスを有するとともに、膨張した流れと再圧縮器３２の流入部との間に配置された第１弁３６は、再圧縮器３２へ送られる流れの量を調整するように制御される。第１弁３６は、制御装置３８により制御され、オリフィスの直径を増減することにより作動する。制御装置３８はガス冷却器２４の高圧を監視して、最適圧力を達成するように第１弁３６の動作を調節する。制御装置３８は、サイクル２１の主制御装置であってもよい。所望の圧力が判断されると、制御装置３８は、高圧を調整するように第１弁３６を調節する。最適圧力を判断するのに使用される因子は、当該技術に従事する者の技量の範囲内にある。ガス冷却器２４の高圧を調整することにより、蒸発器２８の流入部における冷媒のエンタルピーを修正してシステム２０の容量および／または効率を制御できる。

ガス冷却器２４の圧力が最適圧力を下回っている場合には、システム２１の効率を上昇させることができる。制御装置３８は、第１弁３６を開く、つまりそのオリフィスのサイズを大きくし、再圧縮器３２へ送られる流れの量と膨張装置２７への負荷を増大させる。膨張装置２７を通る冷媒の流れの量が減少すると、システム２１の超臨界部の瞬間質量と超臨界圧力とが上昇する。

ガス冷却器２４の圧力が最適圧力を上回っている場合には、冷媒を圧縮するのに過剰な量のエネルギーが使用される。制御装置３８は第１弁３６を閉じる、つまりそのオリフィスのサイズを小さくし、再圧縮器３２へ送られる流れの量と膨張装置２７への負荷を減少させる。膨張装置２７を通る流れの量が増加すると、システム２１の超臨界部の瞬間質量と超臨界圧力とが低下する。

システム２１は、膨張した流れと蒸発器２８との間に配置された第２弁４０を含み、節約型サイクルとして作動することも可能である。第２弁４０は圧縮器２２の吸入部における過熱を制御して、蒸発器２８を通る質量流量を変化させる。第２弁４０を閉じることにより、分離器タンク３０の蒸気の流れは蒸発器２８を迂回して、蒸気バイパスライン４２を通って圧縮器２２の吸入部へ流れる。

図３Ｂに見られるように、再圧縮器３２へ動力を提供するモータ３３を採用してこれを調整することによって、再圧縮器３２を通る冷媒の流れの量を調整できる。モータ３３の速度は制御装置３８により制御される。制御装置３８はガス冷却器２４の高圧を監視し、最適圧力を達成するようにモータ３３の速度を調整する。膨張装置２７を通る流量を調整するのにモータ３３が採用される場合には、第１弁３６は必要ない。

ガス冷却器２４の圧力が最適圧力を下回っていることを制御装置３８が検出した場合には、制御装置３８がモータ３３の速度を低下させ、再圧縮器３２と膨張装置２７における速度および流量を低下させる。膨張装置２７の流量が減少すると、システム２１の超臨界部の瞬間質量が増大し、システム２１の超臨界圧力が上昇する。ガス冷却器２４の圧力が最適圧力を上回っていることを制御装置が検出した場合には、制御装置３８がモータ３３の速度を上昇させ、再圧縮器３２と膨張装置２７における速度および流量を増大させる。膨張装置２７の流量が増大すると、システム２１の超臨界部の瞬間質量が減少し、システム２１の超臨界圧力が低下する。

図４Ａは、システム１９の第二の例を概略的に示す。システム１９は、主圧縮装置２２と並列の第２圧縮装置３９を含む。第２圧縮装置３９への冷媒の流れは、吸入アキュムレータ２９の前後で圧縮器２２の吸入部から経路３７を通って引き出される。膨張装置２７の流量、ゆえにシステム１９の超臨界部分の圧力は、第２圧縮装置３９への流れを調整することにより調整できる。第２圧縮装置３９への流れは、膨張装置２７の速度を制御する調整弁３６を作動させることにより調整される。

あるいは図４Ｂに見られるように、第２圧縮装置３９の流れは、システム２１について述べたようにモータ３３の速度を制御することにより調整される。システム１９がモータ３３を含む場合には、調整弁３６は必要ない。システム１９内の余剰冷媒を保管する収容タンクまたはアキュムレータ２９をシステム１９が含むことも可能である。

本発明の第三の例が、システム１８として図５Ａに概略的に図示されている。この例では、膨張装置２７の排出部から引き出された流れが、膨張装置２７へ送られる流れと熱交換器２５において熱を交換して、ガス冷却器２４を出る流れに冷却効果を与えながらこの流れの液体を蒸発させる。この流れは次に再圧縮器３２へ送られる。膨張装置２７の流量、ひいてはシステム１８の超臨界部分の圧力は、再圧縮器３２への流れを調整することにより調整される。再圧縮器３２への流れは、熱交換器２５の前後に設けることのできる調整弁３６を作動させることにより調整される。

あるいは図５Ｂに見られるように、システム２１について記載されたようなモータ３３の速度を制御することにより再圧縮器３２への流れが調整される。システム１８がモータ３３を含む場合には、調整弁３６は必要ない。システム１８内の余剰冷媒を保管する収容タンクまたはアキュムレータ２９をシステム１８が含むことも可能である。

本発明のいくつかの例が開示および図示されたが、膨張装置２７の流量を他の方法で変化させられることを理解すべきである。当業者であれば、膨張装置２７を通る流量をどのように調整するかが分かるだろう。

以上の説明は、本発明の原理を例示するものに過ぎない。上の教示に照らし合わせて、本発明の多くの変形および変更が可能である。しかし当業者であればある種の変形が本発明の範囲に包含されることを認識するように本発明の好適な実施例を開示した。そのため、添付された請求項の範囲内において、明記されたもの以外の形で本発明を実施してもよいことを理解すべきである。そのため、本発明の真の範囲および内容を判断するには、請求項を検討すべきである。

従来技術による蒸気圧縮システムの概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの熱力学的な図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整する再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第一の例の概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整するモータにより調整される再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第一の例の概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整する再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第二の例の概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整するモータにより調整される再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第二の例の概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整する再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第三の例の概略図である。 超臨界蒸気圧縮システムの高圧要素を制御するように膨張装置の流量を調整するモータにより調整される再圧縮器を含む、超臨界蒸気圧縮システムの第三の例の概略図である。

Claims (24)

1. 冷媒を高圧まで圧縮する圧縮装置と、
   前記冷媒を冷却するための排熱用熱交換器と、
   前記冷媒を低圧まで減圧するとともにエネルギーを回収するための膨張装置であって、該冷媒が、該膨張装置を膨張装置流量で流れるとともに、該膨張装置流量の調節によってシステムの高圧が調整される、膨張装置と、
   前記冷媒を蒸発させるための吸熱用熱交換器と、
   を含む超臨界蒸気圧縮システム。
2. さらに、前記膨張装置から出る前記冷媒の一部分を再圧縮するため該膨張装置に連結された再圧縮装置を含み、該膨張装置を通る該冷媒の流量を制御するように該再圧縮装置を通る該冷媒の流量が調整される、請求項１に記載のシステム。
3. さらに、前記膨張装置と前記吸熱用熱交換器との間に配置された相分離器を含み、前記再圧縮装置により再圧縮された前記冷媒の前記部分が該相分離器から出る、請求項２に記載のシステム。
4. 前記再圧縮装置により再圧縮された前記冷媒の前記部分が前記システムの高圧要素に噴射される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記システムの前記高圧要素が前記排熱用熱交換器の流入部である、請求項４に記載のシステム。
6. さらに、前記膨張装置と前記再圧縮装置との間に配置された第１弁を含み、該第１弁が、該再圧縮装置への前記冷媒の前記部分の流量を制御する、請求項２に記載のシステム。
7. 前記第１弁を開くと、前記再圧縮装置への前記冷媒の前記部分の流量が増加し、かつ前記膨張装置を通る流量が減少するとともに、前記高圧が上昇する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１弁を閉じると、前記再圧縮装置への前記冷媒の前記部分の流量が減少し、かつ前記膨張装置を通る流量が増加するとともに、前記高圧が低下する、請求項６に記載のシステム。
9. さらに、前記第１弁を作動させる制御装置を含む、請求項６に記載のシステム。
10. 前記制御装置が、前記高圧を監視するとともに、該高圧を所望の高圧と比較して該高圧と該所望の高圧との比較に応じて前記第１弁を制御する、請求項９に記載のシステム。
11. さらに、前記相分離器と前記吸熱用熱交換器との間に配置された第２弁を含む、請求項３に記載のシステム。
12. 前記冷媒が炭酸ガスである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記膨張装置の速度と該膨張装置の運転回数のうち一方が前記膨張装置流量を制御する、請求項１に記載のシステム。
14. モータが前記再圧縮装置を介して前記流量を調整する、請求項２に記載のシステム。
15. さらに、前記圧縮装置と並列に第２圧縮装置を含み、該圧縮装置が前記吸熱用熱交換器からの前記冷媒の第１部分を圧縮するとともに該第２圧縮装置が該吸熱用熱交換器からの該冷媒の第２部分を圧縮し、該第２圧縮装置が、該冷媒の該第２部分を圧縮するように前記膨張装置に連結され、該第２圧縮装置を通る該冷媒の流量が、該膨張装置を通る該冷媒の流量を制御するように調整される、請求項１に記載のシステム。
16. さらに、前記吸熱用熱交換器と前記第２圧縮装置との間に配置された第１弁を含み、該第１弁が、該第２圧縮装置への前記冷媒の前記第２部分の流量を制御する、請求項１５に記載のシステム。
17. さらに、前記膨張装置に連結された再圧縮装置を含み、前記排熱用熱交換器からの前記冷媒が、該膨張装置からの該冷媒と熱交換器において熱を交換し、該再圧縮装置が該熱交換器からの該冷媒を再圧縮し、該再圧縮装置を通る該冷媒の流量が、該膨張装置を通る該冷媒の流量を制御するように調整される、請求項１に記載のシステム。
18. 前記膨張装置の速度と該膨張装置の運転回数のうち一方を調整することにより該膨張装置流量が調整される、請求項１に記載のシステム。
19. 前記膨張装置の行程容積を調整することにより前記膨張装置流量が調整される、請求項１に記載のシステム。
20. 前記再圧縮装置の速度を調整することにより該再圧縮装置を通る前記冷媒の流量が調整される、請求項２に記載のシステム。
21. 前記再圧縮装置の行程容積を調整することにより該再圧縮装置を通る前記冷媒の流量が調整される、請求項２に記載のシステム。
22. 前記再圧縮装置の吸入密度を調整することにより該再圧縮装置を通る前記冷媒の流量が調整される、請求項２に記載のシステム。
23. 超臨界蒸気圧縮システムの高圧を調整する方法であって、
    冷媒を前記高圧まで圧縮するステップと、
    前記冷媒を冷却するステップと、
    前記冷媒を低圧まで膨張するステップと、
    前記冷媒を蒸発させるステップと、
    前記冷媒の前記高圧を調整するように膨張ステップにおいて流量を制御するステップと、
    を含む方法。
24. さらに、膨張ステップから出る前記冷媒の一部分を再圧縮するステップを含み、膨張ステップの流量が、再圧縮ステップにおける流量に関連する、請求項２３に記載の方法。

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