JP2007526437A - 遷臨界冷媒サイクルにおける圧力調節 - Google Patents

Abstract

冷媒サイクルは、所望の圧縮器吐出圧を実現するために膨張装置用のコントロールを備える。このシステムは、遷臨界で動作し、そのため、圧縮器吐出圧に対する自由度がより大きい。このシステムの効率は、最適吐出圧を選択することによって最適化される。この最適吐出圧は、感知された環境条件に基づいて選択され、膨張装置は、所望の圧縮器吐出圧が実現するように調整される。実際の圧縮器吐出圧を感知して、膨張装置をさらに微調整することによって実際の圧縮器吐出圧を調整するために、フィードバックループを設けることができる。開示では、システムは、特定の温水温度の要求に基づいて加熱された水を提供する。さらに、最適吐出圧は、実験により求めることができ、この実験により求められた値にオフセットを加えることによって、実際の圧力が、特定の冷媒サイクルについての所望または最適な圧力よりも高くなるようにする。一実施形態では、最適吐出圧を求めるように、式が用いられる。

Description

本願は、遷臨界（トランスクリティカル）モードで動作し、吐出圧の選択に自由度があるような冷媒サイクルに関する。最適な吐出圧は、効率が最大になるようにシステムの条件に基づいて特定される。

冷媒サイクルは、様々な用途において加熱または冷却を行うのに利用される。一般に、圧縮器は、冷媒を圧縮し、この冷媒を第１の熱交換器に搬送し、そこで熱が別の流体に放出される。この冷媒は、第１の熱交換器から、冷媒を膨張させる膨張装置に送られる。次いで、この冷媒は、第２の熱交換器に送られ、そこで冷媒は、別の流体から熱を取り込む。これら２つの熱交換器は、一方は内部に、他方は外部に備えられることが多い。冷媒サイクルは、これらの熱交換器の一方において流体の加熱または冷却を行うように用いられる。

冷媒サイクルは、暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）を提供するために用いられることが多いが、他の用途にも用いられる。非ＨＶＡＣの一つの用途としては、冷媒サイクルを用いて、蛇口、シャワーなどの洗面水用の温水を加熱することである。本発明は、ＨＶＡＣおよび非ＨＶＡＣの両用途に及ぶものである。

１つの最新冷媒システムでは、冷媒は、圧力エンタルピ曲線の臨界点よりも上で移動する。この点を超えると、冷媒サイクル設計者が冷媒動作圧を制御できる程度が大きくなる。標準サイクルでは、圧力を制御できる程度はより小さく、一般に、システム設計により動作圧が左右される。

様々な冷媒サイクルにより、遷臨界システムでの圧力が制御される。しかし、これらの制御は一般に、過圧を防ぐなどの安全を目的とするものである。従来技術では、この制御に基づいて最も効率的な動作が実現されていない。

本発明で開示する実施形態では、いくつかの環境条件が最適な圧縮器吐出圧に関連している。そのため、いくつかのセンサが環境条件を感知し、これらの条件に基づいて、コントロールが最適な圧縮器吐出圧を決定する。次いで、最適吐出圧を得るように膨張バルブを調節することによって最適圧力が得られる。

好ましい実施形態では、これらの環境条件には、冷媒サイクルに対する要求および周囲温度が含まれる。さらに、冷媒サイクルにおける装填量は、既知であるが、所望の吐出圧に影響を及ぼす別の変量になり得る。

最も好ましい環境では、本発明は、温水を提供するのに用いられる。ユーザは特定の水温を要求する。この実施形態で感知される環境条件には、冷水温度、要求される温水温度、および周囲温度が含まれる。

最適な圧縮器吐出圧は、環境条件の組合せに基づいて構築される。これらの最適吐出圧は、最も効率的な動作または最高の成績係数（ＣＯＰ）を提供するように、最初に実験的に決められたものである。

コントロールは、最適吐出圧を決定するために単にルックアップテーブルから動作させることができ、最適圧力を特定するための式が開示される。好ましくはマイクロプロセッサであるコントロールは、いくつかの環境条件に基づいて所望の圧縮器吐出圧を決定する。このマイクロプロセッサは、所望の圧縮器吐出圧を実現するために冷媒サイクル内の膨張装置を制御する。この圧縮器吐出圧が感知され、膨張装置を調整して、所望の圧縮器吐出圧に適合するように実際の圧縮器吐出圧を調整する。すなわち、好ましくは、フィードバックループがコントロールに組み込まれる。

好ましくは、最終的に要求される、または設定点の圧力を得るために、所望または計算された吐出圧に、少量のオフセットが加えられる。この少量のオフセットは、特定の冷媒システムにおける熱変動により、予め計算された圧力よりも実際の圧力が低くならないようにするために、吐出圧の計算値に加えられる。実際の圧力を、特定のシステムについて計算された最適圧力よりも低くするのではなく、高くすることがより望ましい。そのため、本発明では、この少量のオフセットを利用することによって、実際の動作圧が、常に、特定の冷媒サイクルについて計算された最適な設計圧力と等しいか、またはそれよりも高くなるようにする。

本発明の上記の特徴および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解され得る。

図１に、第１の熱交換器２４に圧縮冷媒を搬送する圧縮器２２を組み込んだ冷媒サイクル２０を示す。好ましくは、熱交換器２４は、温水供給システム２１の一部であり、この冷媒サイクルは、入力２８で示す要求信号に基づいて水を加熱するように指示される。混合式蛇口を調整する使用者など、何らかの要求信号により、所望の温水出口温度が提供される。他のセンサは、冷水の供給に関連するものであり、２６において流入する水の温度を感知する。この水の供給部により、加熱される冷水が熱交換器２４に供給される。センサ３０は、周囲温度信号２７を提供する。センサ２６，２８，および３０からの信号はすべて、膨張装置３２用のコントロール３６に供給される。膨張装置３２は、調整可能な膨張装置であり、冷媒サイクル内の冷媒条件を変化するように開閉するオリフィスを有する。特に、このような調整可能膨張装置は、システム内で所望の吐出圧を実現することで知られている。熱交換器２４からの冷媒は、膨張装置３２に送られ、他の熱交換器３４に至る。次いで、冷媒は、熱交換器３４から圧縮器２２に戻る。

図２の流れ図を参照して本発明を説明する。センサ２６、２８、および３０からの１組のシステム変量または環境条件を識別した後で、かつ、おそらくは、サイクル２０内での冷媒の装填量（通常は所与の量）を把握することによって、コントロールは、所望の圧縮器の出口圧力を特定することができる。この圧縮器出口圧力は、最適な効率を実現するために、所与のシステム設計に関して実験的に求めることができる。効率以外の他の目標は、所望の吐出圧を選択することである。当業者であれば、何が「最適な」圧力であるかを定義する様々な要因を理解されるであろう。

コントロールにより、様々な環境条件が感知され、最適な吐出圧が選択されるように、最適な吐出圧は、実験的に求められるとともに、ルックアップテーブルに記憶される。本出願人は、最適な圧力を選択するための式も開発した。以下に、その式を開示する。

ただし、Ｐ^*は、最適動作圧である。Ｐ^*は、ポンプに入る冷水の温度であるＥＷＴ、ユーザが要求する所望の温水の温度であるＬＷＴ、および周囲の気温であるＯＡＴに基づいて求められる。定数「ｃ」は、実験により構築される。実験は、最適な圧力を求めるように利用され、開示する実施形態では、実験は、全システムのエネルギー効率（ＣＯＰ）を最大にするために構築されたものである。そのため、これらの定数は、サイクルの特定のサイズ容量などで変化する。

冷媒サイクル２０は、最も好ましくは、遷臨界（トランスクリティカル）で、または気−液ドームの上で動作するものである。このような条件下では、最適条件が実現されるように吐出圧を変化させることができる。最も好ましくは、遷臨界冷媒サイクルは、特定のタイプの冷媒を使用することによって得られる。１つの一般的な例として、冷媒はＣＯ₂であってもよい。

図２に示すように、いくつかの変量が感知され、コントロール３６は、１組の変量に基づいて所望の冷媒吐出圧を求める。好ましくは、最適吐出圧は、上記の式に基づいて計算される。

また、本発明では、最初に求めた最適吐出圧にオフセットを加える。このオフセットは、冷媒サイクルにおける変動によって、実際の圧力が、特定の冷媒サイクルの所望または計算された圧力より低くならないようにするものである。実際の圧力が、決定される最適設計圧力よりも低くなるのではなく、高くなることがより望ましい。したがって、所望の圧力にオフセットを加えることによって、より確実に、得られる実際の圧力が、最適吐出圧になるようにコントロール３６が求めたものと等しいか、またはそれよりも低くなる。

実際の圧力を変化させる要因には、特定の冷媒サイクルで使用するすべての実際のコンポーネントの製造公差、環境条件の変動、または経時的な冷媒サイクルの経年変化がある。オフセットの目的は、これらの要因に対処することである。

オフセットの大きさは、所望の吐出圧の１％〜１０％（または、１０〜２００ｐｓｉｇ程度）とし得る。

次いで、圧縮器２２からの吐出圧を制御するために、膨張バルブ３２が制御される。センサ３７は、この吐出圧を感知し、コントロール３６にフィードバックを提供する。したがって、コントロール３６は、所望の吐出圧（およびオフセットを加えたもの）を実現するために膨張バルブ３２を継続して調整する。当然のことながら、オフセットを加えることが別のステップでないように、オフセットをルックアップテーブルに組み込むことができる。

本発明の調節法を多変数制御に組み込む特定の方法が、本願と同日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称で同時係属中の米国特許出願第１０／７９３，５４２号に開示されている。さらに、ここで開示した実施形態で用いる特定の非線形制御アルゴリズムが、本願と同日に出願された「Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ Ｖａｐｏｒ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称で同時係属中の米国特許出願第１０／７９３，４８６号に開示されている。

本発明の好ましい実施形態を開示してきたが、ある種の改変形態が本発明の範囲に含まれることが当業者には理解されよう。そのため、添付の特許請求の範囲を検討して、本発明の真の範囲および内容を判断されたい。

本発明を組み込んだ冷媒サイクルの概略図である。 本発明に関与するステップの流れ図である。

Claims (20)

1. 第１の熱交換器に圧縮された冷媒を搬送する圧縮器を有する冷媒サイクルであって、前記第１の熱交換器からの冷媒は、膨張装置に送られ、前記膨張装置から第２の熱交換器に送られ、前記第２の熱交換器から前記圧縮器に戻される冷媒サイクルと、
   前記膨張装置用のコントロールであって、少なくとも１つの環境条件を感知するとともに、前記環境条件に基づいて所望の冷媒条件を識別し、かつ前記所望の冷媒条件を実現するために前記膨張装置を駆動するように動作可能であるコントロールと、
   を備えるシステム。
2. 実際の冷媒条件は、感知されるとともに、識別された所望の条件と比較するためにフィードバックとして前記コントロールに提供されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つの環境条件は、要求温度および周囲温度を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１の熱交換器は、水を加熱するために使用され、前記要求温度は、所望の温水温度であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つの環境条件は、前記第１の熱交換器に供給される冷水温度をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 要求される冷媒条件に到達するために前記所望の冷媒条件にオフセットを加えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記オフセットは、前記所望の冷媒条件の１％〜１０％であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記冷媒条件は、冷媒吐出圧であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記所望の吐出圧は、式に基づいて選択されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記式は、
    

    

    であり、式中、Ｐ^*は最適動作圧であり、ＥＷＴは、ポンプに入る冷水の温度であり、ＬＷＴは、ユーザが要求する所望の温水の温度であり、ＯＡＴは、周囲の気温であり、「ｃ」は、実験により得られる定数であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記冷媒サイクルは、遷臨界で動作することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 冷媒サイクルを動作させる方法において、
    （１）冷媒を圧縮し、前記冷媒を第１の熱交換器に供給する圧縮器を備える冷媒サイクルを提供するステップであって、前記第１の熱交換器からの冷媒は、膨張装置に送られ、前記膨張装置から第２の熱交換器に送られる冷媒サイクル提供ステップと、
    （２）少なくとも１つの環境条件を感知し、かつ感知した変量に基づいて所望の冷媒条件を求めるステップと、
    （３）前記所望の冷媒条件に近づけるために実際の冷媒条件を動かすように前記膨張装置を制御するステップと、
    を含む冷媒サイクル動作方法。
13. 前記第１の熱交換器は、水を加熱するために使用され、前記少なくとも１つの環境条件は、所望の温水温度の要求を含むことを特徴とする請求項１２に記載の冷媒サイクル動作方法。
14. 前記コントロールに供給される他の環境条件変量は、加熱される水の冷水温度であることを特徴とする請求項１３に記載の冷媒サイクル動作方法。
15. 前記所望の冷媒条件は、実験により求められ、次いで、要求される最終的な所望の冷媒条件に到達するために、実験的な所望の冷媒条件にオフセットを加えることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒サイクル動作方法。
16. 前記冷媒条件は、前記圧縮器の下流の吐出圧であることを特徴とする請求項１２に記載の冷媒サイクル動作方法。
17. 流体を調節するシステムにおいて、
    第１の熱交換器に圧縮された冷媒を搬送する圧縮器を有する冷媒サイクルであって、前記第１の熱交換器からの冷媒は、膨張装置に送られ、前記膨張装置から第２の熱交換器に送られ、前記第２の熱交換器から前記圧縮器に戻される冷媒サイクルと、
    前記第１および第２の熱交換器の一方に、処理される第２流体を供給する供給部と、
    前記第２流体の温度を要求する入力と、
    を備え、
    前記第２流体の前記要求温度のための前記入力は、前記冷媒サイクル内の１つの構成要素用のコントロールに供給され、前記コントロールは、少なくとも１つの環境条件を感知するとともに、前記環境条件および前記要求温度に基づいて所望の冷媒条件を識別し、前記コントロールは、前記所望の冷媒条件を実現するために、前記システム構成要素を駆動するように動作可能であることを特徴とする流体調節システム。
18. 前記冷媒条件は、吐出圧であることを特徴とする請求項１７に記載の流体調節システム。
19. 前記システム構成要素は、前記膨張装置であることを特徴とする請求項１７に記載の流体調節システム。
20. 処理される前記流体は、加熱される水であることを特徴とする請求項１７に記載の流体調節システム。

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