JP2008530501A - 断続的に超臨界で動作する冷却回路内の高圧を制御する方法 - Google Patents

Abstract

圧縮機（４）と、放熱用熱交換器（１０）と、制御弁（１２）と、制御部（１６）と、を備える、断続的に超臨界で動作する冷却回路（２）を制御する方法が、以下のステップを含む。すなわち、（ａ）放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で液体冷媒の所定の過冷却を得る所定の「超臨界圧力」が維持されるように制御弁（１２）を制御する、亜臨界モード、（ｂ）放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で超臨界冷媒の、最適効率のために最適化される所定の「超臨界圧力」が維持されるように制御弁（１２）を制御する、超臨界モード、および、（ｃ）臨界点に隣接する領域において、ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）の所定の「亜臨界圧力」および「超臨界圧力」に基づいて決定される「連続圧力」に応じて制御弁（１２）を制御する、境界モード。

Description

本発明は、使用時に、所定の流れ方向で冷媒を循環させる冷却回路であって、流れ方向において、圧縮機と、放熱用熱交換器と、放熱用熱交換器の出口に接続された制御弁と、この制御弁を制御する制御部と、を備える断続的に超臨界で動作する冷却回路内の冷媒の高圧の制御方法に関する。

放熱用熱交換器、すなわちガス冷却器および／または凝縮器の後の冷媒内の高圧を、亜臨界ならびに超臨界の動作条件で制御する様々な方法が知られている。たとえば、フロート調節弁は、亜臨界で動作する冷却回路内で高圧調節用の周知のデバイスである。フロート調節弁内の液位に応じて、フロート調節弁が出口開口を開閉し、液体冷媒を冷却回路内に、典型的にはレシーバに引き込み、該レシーバ内に、冷媒が収集および貯蔵されてから、冷却部に送達される。一方、気体冷媒はフロート調節弁を持ち上げず、その結果、出口開口は閉じたままとなる。したがって、放熱用熱交換器内の液化圧力が上昇して、確実に液体冷媒がフロート調節弁に送達される。

超臨界動作モードでは、放熱用熱交換器の後に液体冷媒が存在しないことになり、フロート調節弁は、高圧調節を行うことができない。しかし、超臨界モードでは、ＣＯＰ（成績係数）が最大にある、ガス冷却器出口温度と冷媒の高圧との相関が存在する。超臨界モードにおけるそのような最適な高圧を計算するための公式は当業者に周知であり、放熱用熱交換器およびガス冷却器の各々の出口に接続された制御弁により、冷媒圧力は、この公式に基づいて制御される。

たとえば冷媒としてＣＯ₂を用いる、断続的に超臨界で動作する冷却回路は、超臨界モードで断続的に動作し、ガス冷却器を出る冷媒が気体状態にある。これらの回路はまた、亜臨界、すなわち「通常」モードで断続的に動作し、この場合、凝縮器を出る冷媒は、液体状態にある。冷却回路の動作が、超臨界モードであるか、亜臨界モードであるかは、冷媒が放熱用熱交換器内でそれぞれ冷却され凝縮される媒体の温度によって決まる。このような媒体は一般に周囲空気であるため、亜臨界動作モードは、「冬モード」とも呼ばれ、一方、超臨界動作モードは、「夏モード」とも呼ばれる。代替の媒体は、水またはブラインであってもよい。

超臨界動作モードが亜臨界動作モードに移行するか、または逆に亜臨界動作モードが超臨界モードに移行する臨界点に隣接する境界領域内における冷媒の高圧の制御は、このような冷却回路の課題である。

したがって、本発明の目的は、臨界点に隣接する境界領域内で、断続的に超臨界で動作する冷却回路を制御する方法を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、この目的は、
（ａ）亜臨界モードでは、放熱用熱交換器の出口で液体冷媒の所定の過冷却を得るために所定の「亜臨界圧力」が維持されるように制御弁を制御するステップと、
（ｂ）超臨界モードでは、放熱用熱交換器の出口で超臨界冷媒の、最適効率に最適化される所定の「超臨界圧力」が維持されるように制御弁を制御するステップと、
（ｃ）境界モードでは、臨界点に隣接する境界領域において、ステップ（ａ）の所定の「亜臨界圧力」およびステップ（ｂ）の所定の「超臨界圧力」に基づいて決定される「連続圧力」に応じて制御弁を制御するステップと、によって解決される。

本発明によれば、制御弁が、亜臨界モード、超臨界モード、ならびに境界モードについて高圧を制御する。超臨界モードでは、制御部は、実質的に従来技術の場合と同様に、すなわち、特定のタイプの放熱用熱交換器を考慮した係数によって調整されるであろう最適効率のための既知の相関に基づいて、制御弁を制御し、その結果、冷却回路にとっての最適効率、またはほぼ最適な効率が達成される。亜臨界モードでは、制御部は、液体冷媒だけが制御弁の通過を許されるように、フロート調節弁と同様に制御弁を制御する。放熱用熱交換器の出口における液体冷媒の所定の過冷却は、液体冷媒が確実に制御弁の通過できるように提供される。

超臨界モードおよび亜臨界モードでの制御は従来からあるものだが、問題は主に、臨界点付近の境界領域、すなわち亜臨界動作と超臨界動作との間の移行部（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）内にある。臨界点についての亜臨界圧力および超臨界圧力のそれぞれの計算は、実質的に変わる可能性がある。実際には、パラメータ、たとえば冷媒の温度などのわずかなシフトは、実質的な圧力段差（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｅｐ）を引き起こす可能性があり、制御弁の制御において不規則および不連続となる。これに対処するために、臨界点付近の、または臨界点に隣接する境界領域が、制御する目的で画定され、「連続圧力」が、所定の「亜臨界圧力」および所定の「超臨界圧力」に基づいて計算および／または規定される。したがって、こうして決定された「連続圧力」は、亜臨界圧力を超臨界圧力に連続的に接続するように働く。したがって、制御弁および冷媒圧力それぞれの連続的な制御を、臨界点付近でも行うことができる。

本発明の一実施形態によれば、連続的な圧力は、ステップ（ｃ）において、ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）に従って特定の動作条件について「亜臨界圧力」および「超臨界圧力」を決定し、「亜臨界圧力」および「超臨界圧力」の高い方の圧力を選択することによって決定される。この解決策は、「亜臨界圧力」および／または「超臨界圧力」を、臨界点を越えて、それぞれ超臨界領域および亜臨界領域として計算することを必要とする。それぞれの計算は、物理的な解釈の元では意味をなさないが、それぞれの値は、制御弁を制御するため、したがって、放熱用熱交換器の出口での高圧を制御するために使用することができる。それぞれの値は、「リアルタイム」で計算することもできるが、たとえばルックアップテーブルとしてメモリ内に格納された計算を基準とすることもできる。この方法は、臨界圧力範囲付近で、すなわち本発明において画定される境界領域内で、超臨界圧力についての圧力曲線と亜臨界圧力についての圧力曲線との間に交点がある場合が特に好ましい。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、連続圧力は、ステップ（ｃ）において、画定された境界領域の下限にある「亜臨界圧力」と境界領域の上限にある「超臨界圧力」との間での、境界領域内の圧力に関する補間法に基づいて決定される。この補間法は、適用可能な場合、この境界領域内の超臨界圧力および亜臨界圧力の曲線に、それぞれ可能な限り一致しようと試みる最適なものである。また、境界領域の下限にある「亜臨界圧力」と境界領域の上限にある「超臨界圧力」とを、直線によって単に接続することも可能である。境界領域は、臨界点付近で必ずしも対称である必要はない。また、境界領域は、完全に臨界点の片側にあることもできる。

本発明の一実施形態によれば、ステップ（ａ）は、冷媒の温度および特性に基づいて、また、飽和圧力に比較した冷媒の過冷却を考慮することによって、「亜臨界圧力」を決定するステップを含む。

本発明の一実施形態によれば、飽和圧力に比較した冷媒の過冷却は、最大１０Ｋ、好ましくは２Ｋと６Ｋとの間の過冷却である。

本発明の一実施形態によれば、「超臨界圧力」は、ステップ（ｂ）において、冷却回路の成績係数が実質的に最適条件にあるように、冷媒の温度に基づいて決定される。上述のように、放熱用熱交換器の出口での各温度について、最適なＣＯＰになる特定の圧力を決定することができる。それぞれの公式は、特定の分野で周知であり、そのような公式に基づいて超臨界領域内の高圧を計算することが好ましい。放熱用熱交換器の出口での温度は、たとえば熱電対などの周知のデバイスや他の温度センサを用いて測定することができる。正確な温度を測定する必要はなく、圧力を計算または決定する場合は、適正な温度と、温度を示す値と、の関係を考慮した値を測定することで十分である。

本発明の一実施形態によれば、制御弁は、圧力調節弁であり、動作モードに応じて、「亜臨界圧力」、「連続圧力」、「超臨界圧力」のうちのそれぞれの１つにより、圧力調節弁の動作が制御される。

本発明はまた、所定の流れ方向で冷媒を循環させる冷却回路であって、流れ方向で、圧縮機と、放熱用熱交換器と、放熱用熱交換器の出口に接続された制御弁と、制御弁を制御するように構成される制御部と、を備え、
（ａ）亜臨界モードでは、その結果、放熱用熱交換器の出口で液体冷媒の所定の過冷却を得る所定の「亜臨界圧力」が維持され、
（ｂ）超臨界モードでは、その結果、放熱用熱交換器の出口で超臨界冷媒の、最適効率のために最適化される所定の「超臨界圧力」が維持され、
（ｃ）境界モードでは、臨界点に隣接する境界領域において、（ａ）の所定の「亜臨界圧力」および（ｂ）の所定の「超臨界圧力」を基準にして決定される「連続圧力」に基づく冷却回路に関する。

制御部は、実際に基づいて、冷媒特性、温度などのような関連する値に基づいて、それぞれの圧力を共に計算することができる。別法として、それぞれの圧力は、ルックアップテーブルなどのような、制御部のメモリ内に格納された値に基づいて決定することができる。また、実際の計算と格納された値とを組合せて使用することも可能である。

制御部は、制御弁と一体化することができる。また、制御弁の制御部を冷却回路の主制御部に一体化することもできる。

さらに本発明は、本発明の一実施形態による冷却回路を備え、かつ／または本発明の一実施形態の方法を用いて動作する冷却装置に関する。この冷却装置は、陳列棚などを冷却するためのスーパーマーケット用冷却システム、または産業用冷却システムなどであってもよい。

本発明の実施形態について、図面を参照して、以下により詳細に述べる。

図１は、ＣＯ₂のような冷媒を所定の流れ方向で循環させる冷媒回路２を示す。この冷却回路２は、亜臨界モードすなわち「冬モード」、また超臨界モードすなわち「夏モード」で動作可能である。この冷却回路は、流れ方向で、圧縮機４、すなわち、特定の実施形態では１組の各々の圧縮機６，８と、放熱用熱交換器１０と、放熱用熱交換器１０の出口１４に接続された制御弁１２と、制御弁１２および冷却回路２全体を制御するための制御部１６と、を備える。

冷却回路２は、レシーバ１８と、１つまたは複数の冷却部２０と、をさらに含み、各冷却部２０は、冷却部膨張デバイス２２ならびに冷却部蒸発器２４を備える。冷却部２０は、いわゆる「中温」冷却部であり、スーパーマーケットの冷却システムの用途においては、凝固点より高い、または凝固点付近の冷却温度を必要とする乳製品、食肉、野菜、果物などの陳列棚である。別法として、または付加的に、「低温」冷却回路２６が低温用冷却部２８を備えることができ、各低温冷却部２８は、低温膨張デバイス３０と、低温蒸発器３２と、を備える。１組の低温ループ圧縮機３４が、冷媒の圧力を、複数の圧縮機からなる圧縮機セット４の吸入圧力に上昇させる。吸入ライン３６は、中温用冷却部２０を圧縮機セット４と接続する。高圧ライン３８は、この１組の圧縮機４の出力を放熱用熱交換器１０の入力と接続し、熱交換器出口ライン４０は、熱交換器１０の出口をレシーバ１８に接続している。液体ライン４２は、レシーバ１８の液体部分を冷却部２０と接続し、液体分岐ライン４４は、低温用冷却部２８に接続している。戻りライン４６は、低温圧縮機セット３４の出力を吸入ライン３６に接続している。フラッシュガスライン４８は、レシーバ１８のガス部分を、フラッシュガス膨張デバイス５０を介して戻りライン４６に接続し、かつ／またはフラッシュガス戻りライン５２を介して圧縮機セット４の圧縮機８に接続している。

本実施形態に示されている冷却回路２では、制御弁１２は、冷却された高圧冷媒を、レシーバ１８内の中間圧力レベルに膨張させるための中間膨張デバイスとして働く。通常、動作時には、高圧ライン３８内の吐出された冷媒は、比較的高圧かつ高温のものである。夏モードでは、典型的なＣＯ₂冷却回路内の高圧レベルは、最大１２０バールまで達する可能性があり、典型的には約４０バールと１００バールの間、好ましくは７５バールより高く、冬モードでは、４０バールと７０バールの間、好ましくは約４５バールである。中間圧力レベルは、通常、夏モードおよび冬モードから独立しており、約３０バールと４０バールの間、好ましくは３６バールである。また、吸入ライン３６内の圧力も、通常、夏モードおよび冬モードから独立しており、典型的には２５バールと３５バールの間、好ましくは２８バールである。

制御部１６は、入力情報をライン５４および／または５６から受ける。たとえば、ライン５４は、放熱用熱交換器１０の出口１４での冷媒の温度情報を送ることができ、信号ライン５６は、圧力情報を送ることができる。他の制御ライン５８は、制御信号を制御弁１２に送る。制御信号は、圧力調節弁の場合、制御弁１２によって維持される所望の圧力レベルであってもよい。別法として、制御信号は、制御弁１２の開条件、すなわち、ｘ％を示し、ｘ％は、０％（弁が閉じている）と１００％（弁が完全に開いている）の間である。制御部１６は、冷媒の温度、特性などの各情報に基づいて、動作モードに応じてそれぞれの制御圧力を計算し、熱交換器出口ライン４０内で適正な圧力レベルが維持されるように、各情報を制御弁１２に送る。

図２は、それぞれ放熱用熱交換器の出力１４および制御弁１２でのＣＯ₂冷媒についてのｐ−Ｔ線図を示す。具体的には、図２では、破線６０は、ＣＯ₂冷媒の７３．８バールにある臨界圧力を示し、また破線６２は、その３１．１℃の臨界温度を示す。破線６０と破線６２の交点は、一般に「臨界点」と呼ばれる。曲線６４、６６、６８、７０、７２、７４、７６は、温度に応じた冷媒の所望の圧力を示す。具体的には、曲線６６は、ＣＯ₂冷媒の飽和圧力線であり、飽和圧力曲線６６と比較して、曲線６８、７０、７２、７４、７６は、２Ｋ（ケルビン）（＝曲線６８）、４Ｋ（＝曲線７０）、６Ｋ（＝曲線７２）、８Ｋ（＝曲線７４）、１０Ｋ（＝曲線７６）の過冷却を伴う対応する曲線である。一方、曲線６４は、冷媒の温度に応じた、最適なＣＯＰ（成績係数）のための冷媒の超臨界状態における理論圧力値を示す。

超臨界圧力についての曲線６４は、超臨界領域から左側の亜臨界領域内に外挿され、一方、亜臨界圧力についての曲線６６〜７６は、超臨界領域に対して外挿されることに留意されたい。具体的には、亜臨界圧力曲線６６〜７６は、臨界点を越え、特に臨界圧力の上方で物理的な意味を有さない。このことは、超臨界圧力曲線６４の、亜臨界領域内への外挿についても同様である。

超臨界圧力についての曲線６４および亜臨界領域内の飽和圧力についての曲線６６は、臨界点で、または臨界点付近で交差しないことを理解されたい。したがって、亜臨界圧力の制御が臨界点近くでの曲線６６に基づいて行われ、超臨界圧力の制御が、超臨界領域内の、臨界点近くでの曲線６４に基づいて行われる場合、ほぼ１０バールの実質的な圧力ギャップがあり、その結果、冷媒の温度が３１．１℃の臨界温度付近で変動する場合、圧力は、亜臨界圧力と超臨界圧力との間において上下に急激に変化し、不連続な制御となる。他の過冷却温度について、たとえば２Ｋの過冷却について、または４Ｋの過冷却については、亜臨界圧力曲線７０、７２と、超臨界圧力曲線６４と、の間の交点（ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ）は、亜臨界領域から超臨界領域への移行部に移動するが、このような不連続は存在する。

この不連続な制御に関する問題を解決するために、亜臨界領域と超臨界領域との間の移行部に隣接する境界領域が、本発明の一実施形態に従って画定されることになる。境界領域は、特定の温度を示す値と値の間の領域として画定することができる。また、境界領域を、特定の圧力を示す値と値の間の領域として画定することも可能である。そのような境界領域の幅は、特定の曲線、冷媒、過冷却の量などによって決まり、また、連続圧力を決定する特定の方法、すなわち補間や、より高い圧力を示す値の選択、などによって決定することができる。通常、境界領域の幅は、２Ｋと１０Ｋとの間となる。特に、臨界圧力に隣接する、亜臨界圧力曲線と超臨界圧力曲線との間にある交点の場合、境界モードを制限するように規定する必要はない。このような場合には、温度がこの交点の下方の温度範囲内にあるときは亜臨界圧力曲線を使用することができ、温度が交点の上方にあるときは超臨界圧力曲線を使用することができる。

たとえば、亜臨界圧力曲線７２（４Ｋの過冷却）および超臨界圧力曲線６４が、放熱用熱交換器の出口１４で高圧を制御するために使用される場合、これらの曲線間の交点は、臨界温度よりわずかに下方、すなわち約３０．７℃にあり、制御弁１２の制御は、亜臨界圧力および超臨界圧力についての高い方の値に基づいて、すなわち、３０．７℃未満の温度については亜臨界圧力曲線７２に基づいて、また、上記の値より大きな温度については超臨界圧力曲線６４に基づいて実行されることになる。

代替例において、亜臨界エリア内の亜臨界圧力曲線７６（１０Ｋの過冷却）、および超臨界エリア内の超臨界圧力曲線６４に基づいて圧力調節を行うべきである場合、図２に示されている限り、そのような曲線間で交点がないように見える。交点は、臨界温度より高い可能性がある。そのような場合には、「高い値の曲線を基準にする方法」に基づく「連続圧力」の規定が機能しない可能性がある。その代わりに、代替の補間法を使用することができる。これにより、境界領域を、たとえば２８℃と３３℃の間で画定することができ、境界領域の下限との曲線７６の交点８０と、曲線６４と境界領域の上限との間の交点８２と、の間において連続圧力曲線７８を確立することができる（図３）。図３の例では、境界領域上限および境界領域下限が、ランダムに選択されることに留意されたい。他の境界領域の限度を使用することもできる。図３に示されている例では、連続圧力曲線７８は、交点８０と交点８２との間の直線である。

したがって、本明細書で提示されている本発明の実施形態によれば、放熱用熱交換器１０の出口での、冷媒の高圧を連続的に調節することができる。

本発明の一実施形態を示す冷却回路の図。 本発明の一実施形態について示すｐ−Ｔ線図。 図２のｐ−Ｔ線図と同様のｐ−Ｔ線図。

Claims (11)

1. 所定の流れ方向で冷媒を循環させ断続的に超臨界で動作する冷却回路（２）の制御方法であって、
   流れ方向において、圧縮機（４）と、放熱用熱交換器（１０）と、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）に接続された制御弁（１２）と、前記制御弁（１２）を制御する制御部（１６）と、を備え、
   （ａ）亜臨界モードでは、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で前記液体冷媒の所定の過冷却を得る所定の「亜臨界圧力」が維持されるように前記制御弁（１２）を制御するステップと、
   （ｂ）超臨界モードでは、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で前記超臨界冷媒の、最適効率のために最適化される所定の「超臨界圧力」が維持されるように前記制御弁（１２）を制御するステップと、
   （ｃ）境界モードでは、臨界点に隣接する境界領域において、ステップ（ａ）の前記所定の「亜臨界圧力」およびステップ（ｂ）の前記所定の「超臨界圧力」を基準にして決定される「連続圧力」に基づいて前記制御弁（１２）を制御するステップと、
   を含むことを特徴とする冷却回路（２）の制御方法。
2. 前記連続圧力が、ステップ（ｃ）において、ステップ（ａ）およびステップ（ｂ）に従って特定の動作条件について前記「亜臨界圧力」および前記「超臨界圧力」を決定し、前記「亜臨界圧力」および前記「超臨界圧力」の高い方の圧力を選択することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却回路（２）の制御方法。
3. 前記連続圧力が、ステップ（ｃ）において、前記境界領域の下限にある前記「亜臨界圧力」と、前記境界領域の上限にある前記「超臨界圧力」と、の間での、前記境界領域内の圧力に関する補間に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却回路（２）の制御方法。
4. ステップ（ａ）が、前記冷媒の温度および特性に基づいて、また、飽和圧力に比較した前記冷媒の過冷却を考慮することによって、前記「亜臨界圧力」を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却回路（２）の制御方法。
5. 飽和圧力に比較した前記冷媒の前記過冷却が、最大１０Ｋ、好ましくは２Ｋと６Ｋとの間の過冷却であることを特徴とする請求項４に記載の冷却回路（２）の制御方法。
6. ステップ（ｂ）が、前記冷却回路（２）の成績係数が実質的に最適条件にあるように、前記冷媒の温度に基づいて前記「超臨界圧力」を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却回路（２）の制御方法。
7. 前記制御弁（１２）が、圧力調節弁であり、動作モードに応じて、前記「亜臨界圧力」、前記「連続圧力」、前記「超臨界圧力」のうちのそれぞれの１つにより、前記圧力調節弁の動作が制御されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却回路（２）の制御方法。
8. 所定の流れ方向で冷媒を循環させる冷却回路（２）であって、流れ方向において、圧縮機（４）と、放熱用熱交換器（１０）と、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）に接続された制御弁（１２）と、前記制御弁（１２）を制御するように構成される制御部（１６）と、を備え、
   （ａ）亜臨界モードでは、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で前記液体冷媒の所定の過冷却を得る所定の「亜臨界圧力」が維持され、
   （ｂ）超臨界モードでは、前記放熱用熱交換器（１０）の出口（１４）で前記超臨界冷媒の、最適効率のために最適化される所定の「超臨界圧力」が維持され、
   （ｃ）境界モードでは、臨界点に隣接する境界領域において、（ａ）の前記所定の「亜臨界圧力」および（ｂ）の前記所定の「超臨界圧力」を基準にして決定される「連続圧力」に基づくことを特徴とする冷却回路（２）。
9. 前記制御弁（１２）が、圧力調節弁であることを特徴とする請求項８に記載の冷却回路（２）。
10. 前記制御部（１６）が、前記制御弁（１２）と一体化されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の冷却回路（２）。
11. 請求項８〜１０のいずれかに記載の冷却回路（２）を備えることを特徴とする冷却装置。

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