JP2007514918A - ヒータ容量の最大化による超臨界蒸気圧縮最適化 - Google Patents

Abstract

蒸気圧縮システムは、圧縮機と、ガスクーラと、膨張装置と、蒸発器と、を備える。冷媒は、このシステムを通して循環する。蒸気圧縮システムの高圧側の圧力が、ヒータ容量を最適化するように選択される。一実施例においては、最適な高圧側の圧力が、ウォータポンプを作動させるのに必要な最大限の電流に対応する高圧側の圧力を決定することによって得られる。別の実施例においては、ガスクーラに入る水の実際の温度、上記ガスクーラを出る水の温度、及び外気温度が、最適な高圧側の圧力を決定するように測定されるとともに、所定の数値と比較される。

Description

本発明は、一般的に、蒸気圧縮システムのヒータ容量を最大化することによって超臨界蒸気圧縮システムを最適化する装置及び方法に関する。

塩素を含む冷媒は、オゾンに有害な影響を及ぼす可能性があるので、世界中の多くの国で段階的に廃止されている。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が代替冷媒として使用されているが、これらの冷媒は、依然として地球温暖化を引き起こす高いポテンシャルを有する。

二酸化炭素やプロパンなどの“天然”の冷媒が、代替冷媒として挙げられている。二酸化炭素は、自動車の空調システムや他の冷暖房への応用に用いることができる。二酸化炭素は臨界点が低く、冷媒として二酸化炭素を用いるほとんどの空調システムは、大抵の状況下で超臨界で、或いは部分的に臨界点を超えて運転する。

蒸気圧縮システムは、外気温度が一番低い冬季の間に、要求される負荷に対応し得る十分なヒータ容量を提供することができる必要がある。所定の作動条件において、性能係数を最大化する高圧側の圧力値が存在する。同一の作動条件において、異なる高圧側の圧力値によって、ヒータ容量が最大化される。高圧側の圧力は、通常、性能係数を最適化するために選択される。蒸気圧縮システムの高圧側の圧力が、性能係数を最適化する高圧側の圧力以下に設定されると、性能係数は、高圧側の圧力に極めて影響されやすい。しかしながら、蒸気圧縮システムの高圧側の圧力が、最適な高圧側の圧力以上に設定されると、性能係数は、高圧側の圧力に影響されにくい。

従来の蒸気圧縮システムにおいては、このシステムは、外気温度が低い状態で十分なヒータ容量を得るためには、過度に大きなサイズになっている。過大なサイズの蒸気圧縮システムの欠点は、高価であるとともに、さらなる場所を確保する必要がある点である。

従って、蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化し、かつ従来技術における短所を解消する装置及び方法が必要である。

超臨界蒸気圧縮システムは、圧縮機と、ガスクーラと、膨張装置と、蒸発器と、を備える。冷媒は、この閉循環サイクルを通って循環する。一実施例においては、冷媒は、二酸化炭素である。二酸化炭素は臨界点が低く、二酸化炭素を冷媒として用いるシステムは、通常、超臨界で作動する。本発明では、蒸気圧縮システムの高圧が、このシステムのヒータ容量を最適化するために調節される。

一実施例のシステムにおいては、蒸気圧縮システムの最適なヒータ容量が、冷媒から熱を吸収するガスクーラを通る水を圧送するウォータポンプを作動させるのに必要な電流を測定することによって決定される。ウォータポンプを作動させるのに必要な電流が高いほど、ガスクーラを通る水の流量が大きくなり、またガスクーラ内の水と冷媒との間の熱交換も大きくなる。つまり、ウォータポンプを作動させる電流が高いほど、蒸気圧縮システムのヒータ容量が大きくなる。所定の高圧側の圧力の下で、ヒータ容量が、ヒートポンプを作動させるのに必要な測定電流を基準にして算出される。蒸気圧縮システムの高圧側の圧力は、継続的に調節され、またヒートポンプの電流の読取値は、この電流が最大値になるまで得られる。これによって、最適なヒータ容量が得られる。

別の実施例のシステムにおいては、蒸気圧縮システムのヒータ容量が、いくつかの測定された蒸気圧縮システムの特性に基づき、高圧側の圧力を調節することによって最大化される。外気温度、ガスクーラのヒートシンクの入口温度、ならびにガスクーラのヒートシンクの出口温度が測定される。その後、制御装置によって、測定温度が、所定の作動条件において最適なヒータ容量を得るように装置内にプログラムされた所定の高圧側の圧力に関連付けられる。この分析に基づき、制御装置が、所定の最適なヒータ容量を得るために、蒸気圧縮システム内の高圧側の圧力を調節するように膨張装置のオリフィスを調整する。

本発明における上記及び他の特徴は、以下の説明ならびに図から最もよく理解されるであろう。

本発明の種々の特徴ならびに利点は、以下における現時点で最も好ましい実施例の詳細な説明から、当業者に明らかとなろう。

図１は、圧縮機２２と、放熱熱交換器（超臨界サイクルでのガスクーラ）２４と、膨張装置２６と、吸熱熱交換器（蒸発器）２８と、を備える実施例である蒸気圧縮システム２０を示している。冷媒は、この閉循環路システム２０を通って循環する。

冷媒は、圧縮機２２を高圧かつ高エンタルピで出る。それから冷媒は、ガスクーラ２４を通って高圧で流れる。水や空気などの流動媒体３０が、ガスクーラ２４のヒートシンク３２を通って流れ、ガスクーラ２４を通って流れる冷媒と熱交換する。ガスクーラ２４において、冷媒は流動媒体３０に熱を放出し、また冷媒はガスクーラ２４を低エンタルピかつ高圧で出る。ウォータポンプ３４は、流動媒体３０をヒートシンク３２を介して圧送する。冷却された流動媒体３０は、ヒートシンク入口つまりリターン部３６でヒートシンク３２に入り、冷媒の流れの方向と反対側に流れる。冷媒と熱交換後、温水３８は、ヒートシンク出口つまりサプライ部４０でヒートシンク３２を出る。

その後、冷媒は膨張装置２６を通過し、冷媒の圧力を調節する。膨張装置２６は、電子膨張バルブ（ＥＸＶ）や他の周知の形式の膨張装置でもよい。

冷媒が膨張バルブを通過した後、冷媒は蒸発器２８の通路７０を通って流れ、高エンタルピかつ低圧で出る。蒸発器２８では、冷媒が、この冷媒を加熱する加熱流動媒体４４から熱を吸収する。一実施例においては、加熱流動媒体４４は、外気である。加熱流動媒体４４は、ヒートシンク４６を通って流れるとともに、既知の方法で蒸発器２８を通過する冷媒と熱交換する。加熱流動媒体４４は、ヒートシンク入口つまりリターン部４８を通ってヒートシンク４６に入り、冷媒の流れの方向と反対側もしくは横方向に流れる。冷媒と熱交換後、冷却された流動媒体５０が、ヒートシンク出口つまりサプライ部５２を通ってヒートシンク４６を出る。冷媒が蒸発器２８を通って流れるに従い、蒸発器２８内の冷媒と加熱流動媒体４４との間の温度差によって、加熱流動媒体４４から冷媒に熱エネルギが伝達される。ファン５４によって、加熱流動媒体４４が蒸発器２８を横切って移動し、温度差を維持しつつ冷媒を蒸発させる。その後、冷媒は再度、圧縮機２２に入り、サイクルが完了する。

蒸気圧縮システム２０によって、熱が低温エネルギ貯蔵部（外気）から高温エネルギシンク（温水）に伝達される。エネルギの移動も、圧縮機２２における電気エネルギの入力を用いて達成される。

蒸気圧縮システム２０は、アキュムレータ５６を備えてもよい。アキュムレータ５６は、蒸気圧縮システム２０からの過剰な冷媒を蓄える。

一実施例においては、二酸化炭素が冷媒として用いられる。二酸化炭素が述べられているが、別の冷媒を用いてもよい。二酸化炭素は臨界点が低いので、二酸化炭素を冷媒として用いるシステムは、通常、超臨界で作動する。

蒸気圧縮システム２０のヒータ容量は、ガスクーラ２４を通って流れ、かつこのクーラ２４を通って流れる冷媒からの熱を吸収する水３０を加熱するこのシステム２０の容量として定義される。蒸気圧縮システム２０は、通常、幅広い作動条件下で作動する。例えば、外気４４の温度が、冬季の−１０Ｆ°から夏季の１２０Ｆ゜の間で変動し、これにより蒸発器２８を出る冷媒の温度が、おおよそ−２０Ｆ゜から９０Ｆ゜の間で変動する。故に、夏季の蒸気圧縮システム２０のヒータ容量は、一般的に、冬季の蒸気圧縮システム２０のヒータ容量より４倍から５倍大きく、また夏季のこのシステム２０の冷媒の質量流量は、通常、冬季のこのシステム２０の冷媒の質量流量より８倍から１０倍大きくなる。蒸気圧縮システム２０のヒータ容量は、作動条件が変化することで変化をするものの、このシステム２０の要求されるヒータ負荷は、外気温度が変化しても変化しない。

図２は、蒸気圧縮システム２０の性能係数及びヒータ容量に関するこのシステム２０の高圧側の圧力を図示している。横軸は、蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力を示しており、また縦軸は、このシステム２０の性能係数とヒータ容量の双方を示している。高圧側の圧力とヒータ容量の関係が図示されており、高圧側の圧力と性能係数の関係も図示されている。蒸気圧縮システム２０の性能係数を最大化する高圧側の圧力が、Ｐ₁として示され、このシステム２０のヒータ容量を最大化する高圧側の圧力が、Ｐ₂として示される。

高圧側の圧力がＰ₁へと増加すると、ヒータ容量と性能係数の双方が著しく増加する。Ｐ₁において、性能係数が最大となる。高圧側の圧力がＰ₁からＰ₂に増加すると、性能係数は若干低下するが、ヒータ容量が著しく増加し続ける。Ｐ₂において、ヒータ容量が最適となるが、性能係数は、極僅かに減少する。

本発明では、センサ６０（図３、４に図示）が閾値を下回る流動媒体４４の温度を検知したときに、蒸気圧縮システム２０は、ヒータ容量を最適化するモードで作動する。一実施例においては、閾値は３２Ｆ゜である。

センサ６０が閾値を上回る流動媒体４４の温度を検知したときには、蒸気圧縮システム２０は、通常モードで作動する。つまり、蒸気圧縮システム２０は、性能係数を最適化するように作動する。センサ６０が閾値を下回る流動媒体４４の温度を検知したときに、蒸気圧縮システム２０は、ヒータ容量モードで作動する。蒸気圧縮システム２０が、ヒータ容量モードで作動するときに、このヒータ容量は、最適なシステムヒータ容量となる圧力Ｐ₂を決定し、実際のシステムの高圧側の圧力Ｐ_Hを測定し、かつ最適なシステムヒータ容量圧力Ｐ₂へと実際のシステムの高圧側圧力Ｐ_Hを調節することによって最適化される。

図３は、本発明の第１の実施例を示している。蒸気圧縮システム２０の最適なヒータ容量は、ウォータポンプ３４を作動させるのに必要な電流を測定することによって決定される。ウォータポンプ３４は、ある流量でガスクーラ２４を通して冷却水３０を圧送する。ガスクーラ２４においては、冷却水３０が、圧縮機２２を出る冷媒から熱を吸収する。ウォータポンプ３４を作動させるのに必要な電流が高くなるほど、このポンプ３４による冷却水３０の流量が多くなり、ガスクーラ２４内の冷却水３０と冷媒との間の熱交換が多くなり、蒸気圧縮システム２０のヒータ容量が大きくなる。つまり、ウォータポンプ３４を作動させる電流が増加すると、蒸気圧縮システム２０のヒータ容量が増大する。

制御装置２９によって、蒸気圧縮システム２０が調整される。所定の高圧側の圧力におけるヒータ容量は、ウォータポンプ３４を作動させる測定された電流に基づいて算出できる。制御装置２９によって、所定の高圧側の圧力における算出されたヒータ容量の値が保存される。算出されたヒータ容量は、保存された蒸気圧縮システム２０のヒータ容量の値と比較される。蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力は、ヒートポンプ３４を作動させる電流が最大になるまで継続して変化する。電流の最大値が測定されたときに、対応する高圧側の圧力が、蒸気圧縮システム２０のヒータ容量を最適化する圧力となる。蒸気圧縮システム２０は、ヒータ容量を最大化するようにこの高圧側の圧力で作動する。

例えば、高圧側の圧力を、１５００ｐｓｉに設定することができる。この高圧側の圧力において、制御装置２９は、ヒートポンプ３４が１０ミリアンペアの電流を用いているのを検出する。それから、高圧側の圧力が１５５０ｐｓｉに調整される。その後、制御装置２９は、ヒートポンプ３４が１０．５ミリアンペアの電流を用いているのを検出する。そして、高圧側の圧力が、１６００ｐｓｉに調整される。その後、制御装置２９は、ヒートポンプ３４が１０．２ミリアンペアの電流を用いているのを検出する。この例においては、蒸気圧縮システム２０が、１５５０ｐｓｉの高圧側の圧力で作動しているときに、ヒートポンプ３４が、最大量の電流を用いる。従って、この高圧側の圧力において、蒸気圧縮システム２０のヒータ容量が最適化される。

図４は、本発明の第２の実施例を示している。蒸気圧縮システム２０の３つの特性が、このシステム２０の最適なヒータ容量圧力Ｐ₂を決定するために測定される。水入口温度センサ６２によって、ガスクーラ２４に入る水３０の入口温度が検出され、水出口温度センサ６４によって、ガスクーラ２４を出る水３８の出口温度が検出され、外気温度センサ６０によって、外気４４の温度が検出される。センサ６０、６２、６４によって検出された３つの温度は、制御装置２９に伝達され、かつこの装置２９によって収集される。

種々の温度における最適な高圧側の圧力値が、制御装置２９内にプログラムされ、かつ保存される。検出した温度を基準にして、最適な高圧側の圧力が決定される。或いは、膨張装置２６のオリフィスの最適な大きさや比率が、検出した温度を基準にして決定される。或いは、膨張バルブ２６に対する制御電流が、検出した温度を基準にして決定される。

その後、実際の蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力Ｐ_Hが、最適なこのシステム２０のヒータ容量圧力Ｐ₂を得るために調節される。実際の蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力Ｐ_Hを、膨張装置２６のオリフィス５８を調整することによって調節することができる。オリフィス５８を開放することによって、膨張装置２６を通る冷媒の流量が増加し、より多くの冷媒が蒸気圧縮システム２０の高圧部分を出て、このシステム２０の高圧部分内における瞬時の冷媒の質量が減少して、このシステム２０の高圧側の圧力Ｐ_Hが減少する。オリフィス５８を閉鎖することによって、膨張装置２６を通る冷媒の流量が減少し、より少ない冷媒が蒸気圧縮システム２０の高圧部分を出て、このシステム２０内の高圧部分内における瞬時の冷媒の質量が増加して、このシステム２０の高圧側の圧力Ｐ_Hが増加する。蒸気圧縮システム２０の高圧側の圧力Ｐ_Hを、別の方法で調節することもでき、当業者によって高圧側の圧力を調節する方法が明らかになろう。

前記の記述は、本発明の原理の説明にすぎない。多くの改良及び変更が上記の教示を踏まえて考案されうる。本発明における好ましい実施例を説明したが、当業者には特定の改良が本発明の範囲内であることが理解できるであろう。故に、本発明は、特定の形式としてではなく、実例となるものとして本発明における添付の特許請求の範囲内に含まれることを理解されたい。従って、請求の範囲が本発明の真の範囲を画定するために検討されるべきである。

従来技術の蒸気圧縮システムの線図。 高圧側の圧力が蒸気圧縮システムの性能ならびにヒータ容量に関連するグラフ。 蒸気圧縮システムの第１の実施例の線図。 蒸気圧縮システムの第２の実施例の線図。

Claims (15)

1. ａ）外部の流動媒体の温度を感知するステップと、
   ｂ）ステップ（ａ）で閾値を下回る温度を測定したときに、ヒータ容量を最適化するステップと、からなる蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
2. 最適なヒータ容量の圧力を決定するステップと、
   最適な上記ヒータ容量圧力へと蒸気圧縮システムの高圧側の圧力を調節するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
3. 高圧側の圧力を測定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
4. 最適な性能係数の圧力を決定するステップをさらに備え、最適な上記ヒータ容量圧力は、最適な上記性能係数圧力より大きく、
   上記の高圧側の圧力を調節するステップは、さらに、高圧側の圧力を最適な上記性能係数圧力より大きく、かつ最適な上記ヒータ容量圧力より小さい値に調整することを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
5. 冷媒を高圧に圧縮するステップと、
   上記冷媒を冷却するステップと、
   膨張装置内で上記冷媒を低圧に膨張させるステップと、
   上記冷媒を蒸発させ、この蒸発によって、外部の上記流動媒体から熱を吸収するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
6. 最適なヒータ容量圧力を決定するステップと、
   最適な上記ヒータ容量圧力へと蒸気圧縮システムの高圧側の圧力を調節するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
7. 上記の冷媒を冷却するステップは、さらに、上記冷媒とポンプ装置によって圧送された流体との間で熱交換を行うことを含み、
   この方法は、上記ポンプ装置に供給される電流を検出するステップと、上記ポンプ装置に供給される最大電流を決定するステップと、をさらに備え、上記の最適なヒータ容量圧力を決定するステップは、上記ポンプ装置に供給される最大電流に最適なヒータ容量圧力を対応させることを特徴とする請求項６に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
8. 最適なヒータ容量圧力は、少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性に基づくことを特徴とする請求項６に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
9. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性は、外部温度、放熱熱交換器に入る流体の入口温度、及び上記放熱熱交換器を出る流体の出口温度のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項８に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
10. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性と、最適なヒータ容量とは、制御装置内で相互に関連付けられることを特徴とする請求項９に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
11. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性に基づき、膨張装置のオリフィスの最適な大きさを決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
12. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性は、外部温度、放熱熱交換器に入る流体の入口温度、及び上記放熱熱交換器を出る流体の出口温度のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１１に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
13. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性に基づき、膨張装置の最適な制御電流を決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
14. 上記の少なくとも１つの測定された蒸気圧縮システムの特性は、外部温度、放熱熱交換器に入る流体の入口温度、及び上記放熱熱交換器を出る流体の出口温度のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１３に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。
15. 冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システムのヒータ容量を最適化する方法。

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