JP2007524059A - 可変速度ファンを有する冷凍システム - Google Patents

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Abstract

超臨界冷凍システムは圧縮機(22)と、ガス冷却器(24)と、膨張装置(26)と、蒸発器(28)とを含む。冷媒が閉回路システムを循環される。好ましくは冷媒として炭酸ガスが使用される。ファン(54)が冷媒と熱を交換する屋外空気を、蒸発器(28)を横切って移動させる。最適成績係数を達成するために、蒸発器圧力を調節しかつ異なる環境条件に蒸発器(28)を適応させるようにファン(54)の速度が調節される。高温大気条件の間、ファン速度が減少され、システム内の冷媒の質量流量を減少する。ガス冷却器(24)内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換が増加し、ファン(54)の仕事は減少し、システムの成績係数を増加する。低温大気条件の間、システムの質量流量は小さく、蒸発器(28)において冷媒側により大きい熱伝達熱抵抗がある。ファン(54)の速度は低下されてファン(54)の仕事を減少する。従って、成績係数が増加する。

Description

本発明は概ね、環境条件が変化する際に蒸発器を通る空気流速度を変更する可変速度ファンを含む冷凍システムに関する。
塩素含有冷媒はそれらがオゾンを破壊する恐れがあるために世界のほとんどにおいて漸次廃止されてきた。代替冷媒としてハイドロフルオロカーボン(HFC)が使用されてきたが、これらの冷媒はなお高地球温暖化係数を有する。炭酸ガス及びプロパン等の「天然」の冷媒が代替冷媒として提案されてきた。炭酸ガスは低臨界点を有し、冷媒として炭酸ガスを利用するほとんどの冷凍システムは部分的に臨界点以上で稼動し、即ちほとんどの条件の下で超臨界で稼動する。如何なる亜臨界流体の圧力も飽和状態の下では(液体と蒸気が共に存在する場合)温度の関数である。しかしながら、流体の温度が臨界温度より高い場合(超臨界)、圧力は流体の密度の関数となる。
冷凍システムにおいて、冷媒は圧縮機内で高圧まで圧縮される。ガス冷却器内で熱が高圧冷媒から放出され、水等の流体媒体に伝達される。冷媒は膨張装置内で低圧まで膨張される。次いで冷媒は蒸発器を通過し、大気から熱を受ける。次いで低圧冷媒は圧縮機に再度入りサイクルを完了する。
冷凍システムは広い動作条件範囲を持ち得る。例えば、蒸発器入口における大気の温度は冬のおよそ−10°Fから夏のおよそ120°Fまで変化し得る。従って、冷媒の蒸発温度はおよそ−20°Fからおよそ100°Fまで変化し得る。従って、夏における冷媒の質量流量は冬における冷媒の質量流量の8〜10倍大きく、夏におけるシステムの加熱能力は冬における加熱能力の4〜5倍大きい。ガス冷却器と蒸発器は最大及び最小の冷媒流と加熱能力を処理可能である。しかしながら、それらは常に、季節平均条件の下で動作しているときに(例えば周辺大気温度が50°Fのときに)最適化される。
超臨界冷媒システムは圧縮機、ガス冷却器、膨張装置、及び蒸発器を含む。冷媒は閉回路システムを循環される。好ましくは、炭酸ガスが冷媒に使用される。炭酸ガスは低臨界点を有し、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは通常超臨界的に稼動する。
冷媒は圧縮機内で圧縮され、次いでガス冷却器内で冷却される。ガス冷却器の冷媒は、水に熱を放出しその水を加熱する。次いで冷媒は膨張装置を通過し、低圧まで膨張される。膨張後、冷媒は蒸発器を流れ、屋外大気により加熱され、高エンタルピーかつ低圧で蒸発器を出る。次いで冷媒は圧縮され、サイクルを完了する。
ファンは、冷媒と熱を交換する屋外空気を、蒸発器を横切って移動させる。可変速度駆動装置がファンの速度を制御する。可変速度駆動装置を用いてファンの速度と蒸発器圧力を調節することにより、蒸発器を通る屋外空気の速度が調節でき、蒸発器は異なる環境条件に適応して最適成績係数を達成する。
温度センサが大気の温度を検知する。高温大気条件の間、蒸発器に入る大気の温度は高く、冷媒質量流量を増加する。大きい質量流量はガス冷却器内の冷媒の接近温度を上昇させ、システム性能を低下させる。高温大気条件の間、可変速度駆動装置はファン速度を低下し、蒸発器を通る空気流量とシステム内の冷媒質量流量を減少する。質量流量を減少することにより、ガス冷却器内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換が増加する。ファンの仕事も減少する。従って、システムの成績係数が増加する。
低温大気条件の間、システムの質量流量は小さく、蒸発器内には熱伝達に対する熱抵抗がある。ファンの速度が低下されて蒸発器内の空気流量を減少し、ファンの仕事を減少する。従って、成績係数は増加する。
本発明のこれら及び他の特徴は以下の明細書及び図面から最もよく理解されるであろう。
発明の種々の特徴と利点は、今のところ好ましい実施例の以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。
図1は圧縮機22、熱放出熱交換器(超臨界サイクルのガス冷却器)24、膨張装置26、及び蒸発器28を含む冷凍システム20を図解する。冷媒は閉回路サイクル20を循環する。好ましくは、冷媒として炭酸ガスが使用される。炭酸ガスが述べられたが、他の冷媒を使用してもよい。炭酸ガスは低臨界点をもつので、冷媒として炭酸ガスを利用するシステムは冷媒システム20が超臨界で稼動することを必要とする。
水加熱モードで動作するときは、冷媒は高圧かつ高エンタルピーで圧縮機22を出る。冷媒はガス冷却器24を流れ、熱を失い、ガス冷却器24を低エンタルピーかつ高圧で出る。水等の流体媒体がガス冷却器24のヒートシンク30を流れ、冷媒と熱を交換する。水ポンプ32は流体媒体をヒートシンク30の中を流す。冷却された流体34はヒートシンク30のヒートシンク入口又は戻り口36に入り、冷媒の流れの方向と反対の方向に流れる。冷媒から熱を受けた後、加熱された水38はヒートシンク出口又は供給口40を出る。冷媒はガス冷却器24の冷媒入口62を入り、冷媒出口64を出る。
冷媒は膨張装置26内で低圧まで膨張される。膨張装置26は電子膨張弁(EXV)でも、他のタイプの膨張装置26でもよい。
膨張後、冷媒は蒸発器28を流れ、屋外大気から熱を受ける。屋外空気44はヒートシンク46を流れ、蒸発器28を通過する冷媒に熱を放出する。屋外空気はヒートシンク入口又は戻り口48を通ってヒートシンク46に入り、冷媒の流れと反対又は交わる方向に流れる。冷媒と熱を交換した後、冷却された屋外空気50はヒートシンク出口又は供給口52を通ってヒートシンク46を出る。冷媒は蒸発器28を高エンタルピーかつ低圧で出る。システム20は更に大気の温度を感知する温度センサ60を含む。
ファン54は大気を蒸発器28を横切って移動させ、蒸発器28を横切って移動する空気の速度を制御する。可変速度駆動装置56がファン54の速度を制御する。可変速度駆動装置56を用いてファン54の速度、従って蒸発器28を通る空気流量を調節することにより、蒸発器28は異なる環境条件に適応して最適成績係数を達成することができる。成績係数はガス冷却器24内の熱伝達をシステム20の電力消費で割ったものとして定義される。システムの電力消費は圧縮機22の仕事にファン54の仕事とポンプ32の仕事を足したものである。
システム20はまたアキュムレータ58を含んでもよい。アキュムレータ58はシステム20からの過剰冷媒を蓄積してシステム20の高圧、従って成績係数を制御する。
図2は通常動作中の冷凍システム20の熱力学図を模式的に図解する。冷媒は点Aで示される高圧かつ高エンタルピーで圧縮機22を出る。冷媒がガス冷却器24を高圧で流れる際に、それは流体媒体に対して熱とエンタルピーを失い、点Bで示される低エンタルピーかつ高圧でガス冷却器24を出る。冷媒が膨張弁26を通過する際に、点Cで示されるように圧力が降下する。膨張後、冷媒は蒸発器28を通過し、屋外空気と熱を交換し、点Dで表される高エンタルピーかつ低圧で出る。冷媒が圧縮機22を通過した後、冷媒は再び高圧かつ高エンタルピーになり、サイクルを完了する。
夏の高温大気条件の間、蒸発器28に入る大気の温度は季節平均条件、例えば80°Fより高く、蒸発器28内の冷媒の温度を上昇させ、一定のファン54速度では蒸発圧力が増加する。冷媒質量流量が増加し、ガス冷却器24における接近温度(approach temperature)とガス冷却器24を出る冷媒の温度が上昇する。接近温度はガス冷却器24の冷媒出口64における冷媒の温度とガス冷却器24のヒートシンク入口36における水の温度の温度差である。ガス冷却器24を出る冷媒の温度とガス冷却器24の効率は超臨界システム20の効率に影響する。従って、高温大気条件の間、冷媒出口64を通ってガス冷却器24を出る冷媒の温度は上昇し、ガス冷却器24の性能を低下し、システム20の性能を低下する。
温度センサ60は大気の温度が季節平均条件、例えば80°Fより高いことを検知したら、センサ60は信号を可変速度駆動装置56に送ってファン54の速度を低下し、蒸発器28を通る空気流量を減少する。蒸発器28を通る空気流量の減少は蒸発器の温度と圧力を低下させ、圧縮機吸入口68における冷媒の密度を減少し、システム20内の冷媒質量流量を減少する。冷媒はガス冷却器24を比較的ゆっくりと通過し、ガス冷却器24内の冷媒の単位質量当たりのエネルギー交換を増加し、ガス冷却器24の性能を向上する。
高温大気条件の間のファン54速度の低下はガス冷却器24における熱伝達を増加する。単位冷媒質量流量当たりの圧縮機22の仕事は圧縮機22にわたるより高い圧力比により増加する。しかしながら、可変速度駆動装置56がファン54速度を低下させるので、ファン54の仕事は低下する。従って、高温大気温度の間、ファン54速度を減少したら、システム20の成績係数は増加する。
非常な高温大気条件(100°F〜120°F)に長く曝されている間、システム20が作動されないときは、炭酸ガス冷媒の臨界温度が87.8°Fであるので圧縮機吸入口68における冷媒の圧力は臨界圧力以上に上昇し得る。超臨界炭酸ガス冷媒は液体の性質を有する。圧縮機吸入口68における冷媒の圧力が臨界圧力以上に上昇したら、圧縮機22内の潤滑剤は冷媒内で完全に溶解し、システム20を流れ得る。潤滑剤が冷媒内で溶解したら、潤滑剤はシステム20を循環し、圧縮機22を出て行く。従って、潤滑剤が圧縮機22を潤滑できない。
圧縮機22の吸入圧力は潤滑剤が冷媒内で溶解しないように亜臨界圧力にする必要がある。圧縮機吸入口68における冷媒の圧力を亜臨界圧力まで下げるために、圧縮機22を始動するときにファン54が切られる。ファン54の速度の低下は蒸発器28を通る空気流量を減少し、蒸発器の温度と圧力を低下させる。結果として、圧縮機吸入口68における冷媒の密度は減少し、圧縮機吸入口68における圧力が低下する。
圧力センサ66が圧縮機22の吸入圧力が臨界圧力以下に降下したことを検知したら、圧力センサ66は可変速度駆動装置56に信号を送ってファン54を作動する。次いで、ファン54は、システム20の性能を最適化し、亜臨界の圧縮機22吸入圧力を維持するために蒸発圧力を変更するように駆動装置56より制御及び調節される。
蒸発器28に入る空気流の大気温度が低い(20°Fより低い)ときは、システム20の質量流量は高温大気条件で動作するシステム20における質量流量よりかなり低い。低質量流量で一定量の空気流が蒸発器28を通る場合、空気と、蒸発器28の冷媒側の冷媒の間により大きい熱伝達熱抵抗がある。即ち、熱伝達熱抵抗は主として蒸発配管から冷媒への抵抗である。空気流量を減らすために、ファン54の速度は下げられる。全体の熱伝達熱抵抗の増加が小さいので、ファン54の速度の低下は、蒸発器28における熱伝達にあまり大きく影響しないであろう。しかしながら、ファン54の速度の低下は必要電力消費を少なくする。システム20の電力消費が減少するので、システム20の性能が向上する。
以上の説明は発明の原理の例示に過ぎない。本発明の多くの変形と変更が上記の教示に照らして可能である。しかしながら、当業者なら一定の変形が本発明の範囲内に入ることを認識するように、本発明の好ましい実施例を開示した。従って、添付された請求項の範囲内で、発明を詳細に述べられたのとは違って実施してもよいことは言うまでもない。その理由により、本発明の真の範囲と内容を決定するためには請求項を検討すべきである。
可変速度ファンを採用した冷凍システムの概略図である。 通常動作中の超臨界冷凍システムの熱力学図である。

Claims (25)

  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熱放出熱交換器と、
    前記冷媒を低圧まで低下させる膨張装置と、
    前記冷媒を蒸発させる熱受容熱交換器であって、空気流が前記熱受容熱交換器内の前記冷媒と熱を交換する熱受容熱交換器と、
    前記熱受容熱交換器を通って前記空気流を可変空気流速度で移動させる可変速度装置と
    を備える超臨界冷凍システム。
  2. 前記冷媒が炭酸ガスであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  3. 前記可変速度装置がファンであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  4. 前記可変速度装置の装置速度を制御する駆動装置を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  5. 前記空気流の温度を感知する温度センサをさらに含み、前記駆動装置は、前記温度センサにより感知された前記温度に基づいて前記可変速度装置と前記空気流の前記可変空気流速度を調節することを特徴とする請求項4に記載のシステム。
  6. 前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら、前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記駆動装置が前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項5に記載のシステム。
  7. 前記閾値温度が80°Fであることを特徴とする請求項6に記載のシステム。
  8. 前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら前記圧縮装置を作動する前に前記可変速度装置が停止されることを特徴とする請求項5に記載のシステム。
  9. 前記閾値温度が100°Fであることを特徴とする請求項8に記載のシステム。
  10. 前記圧縮装置の吸入口における圧力を感知する圧力センサをさらに含み、前記可変速度装置は、前記圧縮機の前記吸入口における前記圧力が閾値圧力を超えることを感知したら作動されることを特徴とする請求項8に記載のシステム。
  11. 前記駆動装置は、前記空気流温度が閾値温度を下回ることを前記センサが検知したら前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項5に記載のシステム。
  12. 前記閾値温度が20°Fであることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
  13. 前記可変速度装置の前記装置速度を変えることがシステム性能を最適化することを特徴とする請求項4に記載のシステム。
  14. 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熱放出熱交換器と、
    前記冷媒を低圧まで低下させる膨張装置と、
    前記冷媒を蒸発させる熱受容熱交換器であって、空気流が前記熱受容熱交換器内の前記冷媒と熱を交換する熱受容熱交換器と、
    前記熱受容熱交換器を通って前記空気流を可変空気流速度で移動させる可変速度装置と、
    前記空気流の温度を感知する温度センサであって、前記温度センサにより感知された温度に基づいて前記可変速度装置が前記空気流の前記可変空気流速度を変更する温度センサと
    を備える超臨界冷凍システム。
  15. 前記冷媒が炭酸ガスであることを特徴とする請求項14に記載のシステム。
  16. 前記可変速度装置の装置速度を制御する駆動装置を更に含む請求項14に記載のシステム。
  17. 前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら、前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記駆動装置が前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項16に記載のシステム。
  18. 前記閾値温度が80°Fであることを特徴とする請求項17に記載のシステム。
  19. 前記空気流温度が閾値温度を超えることを前記温度センサが検知したら前記圧縮装置を作動する前に前記可変速度装置が停止されることを特徴とする請求項16に記載のシステム。
  20. 前記閾値温度が100°Fであることを特徴とする請求項19に記載のシステム。
  21. 前記圧縮装置の吸入口における圧力を感知する圧力センサをさらに含み、前記可変速度装置は、前記圧縮機の前記吸入口における前記圧力が閾値圧力を超えることを感知したら作動されることを特徴とする請求項20に記載のシステム。
  22. 前記駆動装置は、前記空気流温度が閾値温度を下回ることを前記センサが検知したら前記空気流の前記可変空気流速度を減少するために前記可変速度装置の前記装置速度を減少させることを特徴とする請求項16に記載のシステム。
  23. 前記閾値温度が20°Fであることを特徴とする請求項22に記載のシステム。
  24. 前記可変速度装置の前記装置速度を変えることがシステム性能を最適化することを特徴とする請求項17に記載のシステム。
  25. 冷媒を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、
    可変空気流速度で空気流を供給するステップと、
    前記冷媒と前記空気流の間で熱を交換することにより前記冷媒を蒸発させるステップと、
    前記空気流の温度を感知するステップと、
    前記空気流の前記温度に基づいて前記可変空気流速度を調節するステップと
    を含む超臨界冷凍システムの成績係数を調節する方法。
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