JP2007514919A - 過圧防止アキュムレータを用いる蒸気圧縮システム - Google Patents

Abstract

アキュムレータは、非作動時の蒸気圧縮システムの過圧を防止するために、バッファとして機能する。非作動時の最高保存温度ならびに最大保存圧力を決定することによって、蒸気圧縮システム全体の冷媒密度を算出することができる。冷媒の質量で密度を除算することによって、最適なシステム全体の容量が決定される。最適なアキュムレータの容量を算出するために、蒸気圧縮システムの構成要素の容量が、このシステム全体の容量から減算される。最適なアキュムレータの容量は、このアキュムレータを所定の大きさに設定するために用いられ、このアキュムレータは、非作動時の蒸気圧縮システムの過圧を防止するように十分な容量を備える。

Description

本発明は一般的に、蒸気圧縮システムに関し、特に、上記システムが非作動のときの過熱に抗して上記システムを保護するように所定の大きさに設定されたアキュムレータを備える蒸気圧縮システムに関する。

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。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、非作動時を含む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。超臨界で作動している状況下では、空調システム内の圧力が、温度、密度双方の関数となる。

蒸気圧縮システムは、一般的に幅広い作動条件下で作動する。蒸気圧縮システムが非作動であるときに、温度を含む外部の大気の状態が、このシステムの圧力に影響を及ぼす。蒸気圧縮システムの構成要素（圧縮機、コンデンサ／ガスクーラ、膨張装置、蒸発器ならびに冷媒通路）は、最大圧力に耐えるように設計されているが、高圧を受けることによって、これらの構成要素を損なう要因になり得る。ほとんどの蒸気圧縮システムにおいては、非作動時のこのシステム内の圧力は、このシステムが晒されている温度の１次関数である。しかしながら、この温度が冷媒の臨界点に近いか、或いは超臨界のときには、更なる要因を考慮する必要がある。超臨界流体においては、蒸気圧縮システム内の圧力が、流体の温度、密度双方の関数となる。通常、ほとんどの冷媒においては、その臨界点が、通常の保存温度に近いか、もしくはこの温度を超えるので、この点については重要な問題ではない。しかしながら、二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いるシステムにおいては、臨界点が極めて低い（８８Ｆ゜）ので、この点が検討すべき問題になる。

通常、過圧に抗して蒸気圧縮システムならびにこのシステムの構成要素を保護するために、システム内にリリーフバルブが取り付けられる。蒸気圧縮システム内の圧力が過圧点に近づくと、このシステムから冷媒を放出するために、リリーフバルブが自動的に開いて、損傷からこのシステムの構成要素を保護するように、圧力を安全な範囲に低下させる。

蒸気圧縮システムは、通常、ある最高温度で保存されるように設計されており、このシステムの構成要素は、この温度に関連した最大圧力に耐えられるように設計されている。保存温度が高いほど、より高い設計圧力が、通常、必要である。保存温度が冷媒の臨界温度に近いか、或いは超えているときには、冷媒の嵩密度が、蒸気圧縮システムの圧力及び設計圧力を決定するのに重要になる。これは、蒸気圧縮システムの圧力が、温度、嵩密度双方の関数として、どのようにして二酸化炭素の臨界点を超えて変化するか、図１に概略的に示されている。

従来の蒸気圧縮システムは、蒸発器と圧縮機との間に配置された余剰の冷媒を蓄えるアキュムレータを含む。アキュムレータは、単に作動中に、余剰の冷媒が圧縮機に入るのを防止するために、余剰の冷媒を蓄える十分な容量を備えるように、所定の大きさに設定されている。また、アキュムレータは、蒸気圧縮システムが超臨界で作動している間、このシステムの高圧ひいては性能係数を制御するために用いることができる。しかしながら、蒸気圧縮システムが非作動または保管されているときの最大圧力を考慮してアキュムレータの大きさが設定されていない。

従って、非作動時におけるシステムの過圧を防止するために所定の大きさに設定されたアキュムレータを備える蒸気圧縮システム及び、これらのアキュムレータの大きさを設定する方法が必要である。

本発明は、非作動時におけるシステムの過圧を防止するために、バッファとして機能するアキュムレータを備える蒸気圧縮システムを提供する。

ある流体が臨界点の近く、もしくは臨界点を超えるときに、圧力は、温度、密度双方の関数となる。最高保存温度ならびに最大保存圧力を認識することによって、蒸気圧縮システム全体の冷媒密度を算出することができ、またこのシステムの理想的な容量を決定するためにこの密度を用いることができる。

蒸気圧縮システムの嵩密度は、このシステムの容量によって除算されたこのシステム内の冷媒の質量である。従って、冷媒の質量で望ましい最大保存密度を除算することによって、望ましいシステム全体の容量を決定することができる。

最適なアキュムレータの容量を算出するために、アキュムレータのない蒸気圧縮システム全体の容量が、望ましいシステム全体の容量から減算される。最適なアキュムレータの容量は、このアキュムレータを所定の大きさに設定するために用いられ、このアキュムレータは、蒸気圧縮システム内の冷媒の臨界点の近く、或いは臨界点を超える保存温度で保存されるときに、このシステムの過圧を防止することができる。

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２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、冷媒通路を通ってこの閉循環路システム２０を循環する。

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。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。

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、放熱熱交換器２４を通って高圧で流れる。水や空気などの流動媒体３０が、放熱熱交換器２４のヒートシンク３２を通って流れ、放熱熱交換器２４を通って流れる冷媒と熱交換する。ガスクーラ２４においては、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。二酸化炭素の臨界温度が８７．８Ｆ゜であるので、放熱が超臨界域で発生し、また放熱流体温度は多くの場合、この温度より高くなる。蒸気圧縮システム２０が超臨界で作動するときに、このシステム２０の高圧域内の冷媒は超臨界域に位置する。ここでは、圧力は、温度、密度双方の関数となる。

ポンプまたはファン３４は、熱源流動媒体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、加熱された流体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、冷媒は膨張バルブ２６を通過し、膨張して冷媒の圧力を減少させる。膨張後、冷媒は蒸発器２８の通路４２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熱源流体４４からの熱を吸収する。熱源流体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。熱源流体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に入る。冷媒と熱交換後、冷却された熱源流体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、熱源流体４４と蒸発器２８内の冷媒との間の温度差によって、熱源流体４４から冷媒に熱エネルギが伝達される。ファンまたはポンプ５４によって、熱源流体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から高温エネルギシンクに伝達される。

蒸気圧縮システム２０は、蒸発器２８と圧縮機２２との間に配置されたアキュムレータ５６をさらに備える。アキュムレータ５６は、蒸気圧縮システム２０内の過剰な冷媒を蓄え、また、このシステムが超臨界で作動しているときに、このシステム２０の高圧ひいては性能係数を制御することができる。蒸気圧縮システム２０が作動している間、アキュムレータ５６は、過剰な冷媒が圧縮機２２に入ることを防止する。

蒸気圧縮システム２０が、砂漠などの温暖な地域に保管または輸送されるときには、高温の環境により、冷媒温度が上昇する。温度上昇によって、蒸気圧縮システム２０内の圧力が上昇して過圧を引き起こし、プレッシャリリーフバルブの作動や、冷媒通路もしくは蒸気圧縮システム２０の構成要素の破裂の原因となる。

嵩密度は、蒸気圧縮システム２０の容量によって除算されたこのシステム２０内の冷媒の質量として定義される。蒸気圧縮システム２０が冷媒の臨界点、或いは超臨界で保管されるときに、冷媒の温度、密度双方が、このシステム２０の圧力に影響するので、このシステム２０の容量も、このシステム２０が冷媒の臨界点、或いは超臨界で保管されるときに、このシステム２０内の圧力に影響する。蒸気圧縮システム２０の容量が、所定の温度もしくは冷媒の臨界点を超える温度で増加すると、このシステム２０の圧力が減少する。

蒸気圧縮システム２０が非作動のときには、アキュムレータ５６が、過剰な圧力上昇を低減し、かつこのシステム２０の過圧を防止するためのバッファとして機能し得る。アキュムレータ５６の大きさは、蒸気圧縮システム２０全体の容量に影響し、ひいては、このシステム２０の最大保存圧力に影響する。アキュムレータ５６の容量が増加することによって、蒸気圧縮システム２０内の冷媒の嵩密度が減少し、これによりこのシステム２０内の冷媒圧が減少する。アキュムレータ５６の容量が減少すると、蒸気圧縮システム２０内の冷媒圧が上昇する。図１は、冷媒として二酸化炭素を用いるシステムに対するこの作用を示している。本発明では、アキュムレータ５６の好ましい大きさは、蒸気圧縮システム２０が非作動または輸送されているときに、このシステム２０の過圧を防止するように算出されている。つまり、アキュムレータ５６は、このシステム２０の過圧を防止するのに十分な大きさに設計されているが、過度に高価になるような大きさにはなっていない。

アキュムレータ５６の容量は、冷媒の最高設計保存温度ならびに最大保存圧力を基準にして決定される。保存温度が上昇すると、蒸気圧縮システム２０内の冷媒温度が上昇する。冷媒温度が上昇することにより、蒸気圧縮システム２０内の冷媒圧が上昇する。冷媒温度が低下すると、蒸気圧縮システム２０内の冷媒圧が低下する。蒸気圧縮システム２０内の冷媒の最高保存温度は、気候によって決まる。温暖な地域では、気温の上昇により最高保存温度が上昇する。寒冷な地域では、気温の低下により最高保存温度が低くなる。世界的な要求に応じて製造されたシステムにおいては、最も高い保存温度が、通常、選択される。

蒸気圧縮システム２０の最高保存温度に近接していない比較的高い臨界温度を有する冷媒を備えるシステム２０においては、最高保存温度によって、最大保存圧力が冷媒の飽和特性を通じて単独で決定される。これは、図１の温度が約６０Ｆ゜より低い部分で見ることができる。比較的低い臨界温度（二酸化炭素など）を有する冷媒を使用する蒸気圧縮システム２０においては、最高保存温度ならびにこのシステム２０の嵩密度の双方によって、このシステム２０の最大保存圧力が決定される。これは、図１の温度が約６０Ｆ゜より高い部分で見ることができる。つまり、蒸気圧縮システム２０が非作動のときに、冷媒が到達する最高保存温度及び最大設計保存圧力を認識することによって、最適な嵩密度を算出することができるとともに、この密度は、上記システム２０内のアキュムレータ５６を所定の大きさに設定するために用いることができる。

蒸気圧縮システム２０の最大設計保存圧力は、一般的にこのシステム２０の低圧側によって制限される。蒸気圧縮システム２０が作動している間、このシステム２０の低圧側は、一般的にこのシステム２０が非作動のとき或いは保管時と比較して低い圧力を受ける。比較的高い臨界点を有する冷媒においては、最大設計圧力の選択が、通常、最高設計温度のみを基準にしてなされる。比較的低い臨界点を有する冷媒においては、構成要素の厚肉化に必要な製造コストなどのさらなる問題点を考慮する必要がある。一般的に、冷媒として二酸化炭素を用いるシステムにおける最大保存圧力は、１０００〜２５００ｐｓｉの間である。

飽和域の外側に位置するときの密度は、温度及び圧力の関数となる。従って、最高保存温度ならびに最大保存圧力が公知であると、最大保存嵩密度を決定することができる。質量で密度を除算することによって、システムの容量が計算できる。冷媒の質量で最大保存密度を除算することによって、システム全体の最適な容量が決定される。下記の計算式を、理想的なシステム全体の容量を得るために用いることができる。

Ｖ_system＝Ｍａｓｓ_Refrigerant／Ｄｅｎｓｉｔｙ_Refrigerant
（但し、Ｖ_system：システム全体の容量、Ｍａｓｓ_Refrigerant：冷媒の質量、Ｄｅｎｓｉｔｙ_Refrigerant：冷媒の密度）

アキュムレータ５６を除く蒸気圧縮システム２０内の構成要素は、周知の構成要素の容量を有する。これらの構成要素は、圧縮機２２と、放熱熱交換器２４と、膨張装置２６と、蒸発器２８と、これらの構成要素に接続している冷媒通路と、を備える。アキュムレータ５６は、蒸気圧縮システム２０内唯一の、未知の容量を有する構成要素である。蒸気圧縮システム２０全体の容量からこのシステム２０の構成要素全体の容量を減算することによって、最適なアキュムレータ５６の容量を決定することができる。蒸気圧縮システム２０の構成要素全体の容量は、アキュムレータ５６を除くこのシステム２０内の全ての構成要素全体の容量を含むことを理解されたい。下記の計算式を用いることによって、アキュムレータ５６の最適な容量を計算することができる。

Ｖ_{AccumulatorOptimal}＝（Ｍａｓｓ_Refrigerant／Ｄｅｎｓｉｔｙ_Refrigerant）−Ｖ_Components
（但し、Ｖ_{AccumulatorOptimal}：アキュムレータの最適な容量、Ｖ_Components：構成要素全体の容量）

上述の計算式により、冷媒の最大保存圧力と、冷媒の最高保存温度と、冷媒の質量と、蒸気圧縮システム２０の構成要素の容量と、を基準にしてアキュムレータ５６の最適な容量が決定される。好ましくは、アキュムレータ５６の容量は、算出された最適な大きさの８０〜１２０パーセント以内に選択され、その結果、蒸気圧縮システム２０が非作動または輸送中のときに、過圧に抗してこのシステム２０を保護するアキュムレータ５６の望ましい大きさが設定される。

二酸化炭素を用いる１段式システムを示した実施例は、単なる例であることを理解されたい。また、アキュムレータ５６の最適な大きさを、多段圧縮機システム、内部熱交換器を用いるシステム、及びオイルセパレータやフィルタドライヤなどの別の追加のシステム構成要素を備える蒸気圧縮システムについて決定することができる。アキュムレータ５６の最適な大きさを、多数の放熱熱交換器２４や膨張装置２６、及び吸熱熱交換器２８を備える蒸気圧縮システムについて決定することもできる。さらに、この実施例におけるアキュムレータ５６は、蒸発器２８と圧縮機２２との間に配置されているように図示されている。しかしながら、アキュムレータ５６は、別の位置に位置してもよいことを理解されたい。本発明は、蒸発器２８の入口やコンデンサ（またはガスクーラ）と蒸発器２８との間など、このシステム２０の別の部分に位置した充填物蓄積構成要素を使用するシステムにも同様に適用される。加えて、アキュムレータ５６を、蒸気圧縮システム２０の異なる部分に位置した２つ或いは複数の充填物蓄積構成要素に分割してもよく、アキュムレータ５６の最適な大きさの事例が、充填物蓄積構成要素の各々の容量の和に該当する。

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。

二酸化炭素の圧力が、温度、嵩密度双方の関数として、どのようにして臨界点を超えて変化するかを概略的に示すグラフ。 アキュムレータを用いる本発明における蒸気圧縮システムを概略的に示す線図。

Claims (19)

1. ａ）蒸気圧縮システムの冷媒の最高保存温度を決定するステップと、
   ｂ）上記システムの冷媒の最大保存圧力を決定するステップと、
   ｃ）アキュムレータの最適な容量を決定するために、上記最高保存温度ならびに上記最大保存圧力を用いるステップと、からなる蒸気圧縮システム用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
2. 最適な容量を備えるアキュムレータを加えるステップと、
   上記最高保存温度ならびに上記最大保存圧力を用いて望ましい蒸気圧縮システムの容量を算出するステップと、
   最適な上記アキュムレータの容量を加算するステップの前に、上記システムの構成要素の容量を算出するステップと、
   望ましい上記システムの容量から上記システムの構成要素の容量を減算することによって、最適な上記アキュムレータの容量を算出するステップと、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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
3. 最適なアキュムレータの容量を算出するステップによって、上記アキュムレータの容量が、最適な容量の８０〜１２０パーセント以内に選択され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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
4. 最適なアキュムレータの容量を算出するステップによって、最高保存温度及び最大保存圧力における冷媒密度が決定されるとともに、上記冷媒密度によって上記冷媒の質量が除算され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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
5. 蒸気圧縮システムの構成要素の容量を算出するステップによって、少なくとも１つの圧縮機全体の容量と、少なくとも１つの放熱熱交換器全体の容量と、少なくとも１つの膨張装置全体の容量と、少なくとも１つの吸熱熱交換器全体の容量と、冷媒通路全体の容量と、が加算され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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
6. 蒸気圧縮システムの構成要素の容量を算出するステップによって、少なくとも１つの内部熱交換器全体の容量と、少なくとも１つのオイルセパレータ全体の容量と、少なくとも１つのフィルタドライヤ全体の容量と、がさらに加算され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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
7. 蒸気圧縮システムの構成要素の容量を算出するステップによって、追加の構成要素全体の容量がさらに加算され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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
8. 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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
9. 最大保存圧力は１０００〜２５００ｐｓｉの間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用のアキュムレータの大きさを設定する方法。
10. 冷媒を高圧に圧縮する少なくとも１つの圧縮機と、
    上記冷媒を冷却する少なくとも１つの放熱熱交換器と、
    上記冷媒を低圧に下げる少なくとも１つの膨張装置と、
    上記冷媒を蒸発させる少なくとも１つの吸熱熱交換器と、
    最適な大きさを有するアキュムレータと、
    を備える蒸気圧縮システムであって、上記アキュムレータは、上記冷媒が最高冷媒温度ならびに最大冷媒圧力であるときに、上記システムの過圧を防止するように所定の大きさに設定されていることを特徴とする蒸気圧縮システム。
11. 望ましい蒸気圧縮システムの容量は、上記最高冷媒温度ならびに上記最大冷媒圧力を用いることによって決定され、上記アキュムレータの最適な大きさは、望ましい上記システムの容量と、上記アキュムレータの容量を加算する前の上記システムの構成要素全体の容量との間の差に等しいことを特徴とする請求項１０に記載の蒸気圧縮システム。
12. 上記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１０に記載の蒸気圧縮システム。
13. 上記アキュムレータの大きさは、最適な大きさの８０〜１２０パーセントの間であることを特徴とする蒸気圧縮システム。
14. 上記最大保存圧力は１０００〜２５００ｐｓｉの間であることを特徴とする請求項１０に記載の蒸気圧縮システム。
15. 上記アキュムレータの最適な大きさは、上記最高保存温度、上記最大保存圧力、上記冷媒の質量、及び蒸気圧縮システムの構成要素全体の容量を用いることによって決定されることを特徴とする請求項１０に記載の蒸気圧縮システム。
16. 蒸気圧縮システムの構成要素全体の容量は、少なくとも１つの圧縮機全体の容量と、少なくとも１つの放熱熱交換器全体の容量と、少なくとも１つの膨張装置全体の容量と、少なくとも１つの吸熱熱交換器全体の容量と、冷媒通路全体の容量と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の蒸気圧縮システム。
17. 少なくとも１つの内部熱交換器と、
    オイルセパレータと、
    フィルタドライヤと、をさらに備え、
    蒸気圧縮システムの構成要素全体の容量は、上記内部熱交換器全体の容量と、少なくとも１つの上記オイルセパレータの容量と、上記フィルタドライヤ全体の容量と、をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の蒸気圧縮システム。
18. 蒸気圧縮システムの構成要素の容量は、上記システムの追加の構成要素全体の容量をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の蒸気圧縮システム。
19. 最適なアキュムレータの容量は、蒸気圧縮システム内の全ての充填物蓄積構成要素の和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。
    
    

Images