JP2008530511A - 改善された液体／蒸気レシーバを備えた冷凍回路 - Google Patents

Abstract

冷凍回路が冷却を行うために、コンプレッサと、熱除去熱交換器と、膨張弁と、レシーバ（３）と、別の膨張弁／蒸発器と、を備えている。レシーバの上側のガス部分には第２の熱交換器（２４）が配置され、および／またはレシーバの下側の液体部分には第３の熱交換器（３４）が配置される。冷媒のより適切な液体／蒸気の分離、および／または液体冷媒の過冷却が得られる。

Description

本発明は、第１のコンプレッサ装置と、熱除去熱交換器と、第１の膨張装置と、上側部分および下側部分を有するレシーバと、第２の膨張装置と、第１の蒸発器と、を備えた冷凍回路に関する。冷凍回路はさらに、レシーバの上側部分とコンプレッサとの間に流路を備え、コンプレッサの圧力側は熱除去熱交換器の入口と流体連通する。

冷凍回路は、ＣＯ₂を冷媒として設計されたタイプのものであることが好ましいが、それに限定されるわけではない。

冷凍回路は２段膨張型のものであり、まず第１段階の膨張において冷媒を膨張させる。第１段階の膨張は、レシーバ内の冷媒の凝縮を完了させるように冷却する。さらに、レシーバからコンプレッサ装置へ延びる冷凍回路の区間は、コンプレッサ装置から第１の膨張装置へ延びる冷凍回路の残りの区間より実質的に低い圧力レベルにある。

本発明の目的は、改善されたレシーバを備えた冷凍回路を提供することである。

本発明の他の目的は、実質的に液滴を含まないフラッシュガスをその上側部分から出力するレシーバを備えた冷凍回路を提供することである。

本発明の他の目的は、過冷却された液体冷媒を出力するレシーバを備えた冷凍回路を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、冷媒を所定の流れ方向に循環させる冷凍回路であって、流れ方向に、第１のコンプレッサ装置と、熱除去熱交換器と、第１の膨張装置と、第１の膨張装置と流体連通する上側部分および下側部分をその内部に有するレシーバと、レシーバの下側部分と流体連通する第２の膨張装置と、第１の蒸発器と、を備え、レシーバの上側部分とコンプレッサの吸引側との間に別の流路を備え、コンプレッサの圧力側が熱除去熱交換器の入口と流体連通し、以下の要素（ａ）および要素（ｂ）からなる群の少なくとも一方の要素が与えられる、すなわち、（ａ）第２の熱交換器がレシーバの上側部分に配置され、第２の熱交換器の入口がこの熱除去熱交換器の出口と流体連通し、第２の熱交換器の出口が第１の膨張装置の入口と流体連通することと、（ｂ）別の流路が第３の膨張装置を備え、その下流には、レシーバの下側部分に第３の熱交換器が配置される冷凍回路が提供される。

レシーバの上側部分に配置された第２の熱交換器は、レシーバの上側部分に含まれる蒸気に対して熱を交換する。レシーバの上側部分に存在する可能性のある液滴はすべて蒸発され、別の流路内に伴出される。

第３の膨張装置およびレシーバの下側部分に配置された第３の熱交換器は、レシーバの下側部分の液体を過冷却する。このような過冷却された液体冷媒によって、第１の蒸発器による、より効率的な冷却効果が得られ、レシーバから第２の膨張装置へ延びる回路の区間内における冷媒蒸気の生成が低減される。

概して、改善されたレシーバにより、実質的に液滴を含有していない冷媒の気相と、過冷却され、蒸気を生成する傾向がより小さい液相とに、より完全に分離することが可能になる。

第１のコンプレッサ装置は、単一のコンプレッサまたは複数のコンプレッサの並列群とすることができる。コンプレッサ装置は、例えば達成しようとする圧縮気体冷媒の圧力レベルに応じてその回転速度を制御することにより、その性能を制御する制御部を備えたタイプのものとすることができる。

レシーバの上側部分から始まる別の流路に対応したコンプレッサは、別のコンプレッサでもよい。このような別のコンプレッサの吸引側は、最初に言及したコンプレッサ装置の吸引側より高い圧力レベルとする、あるいは最初に言及したコンプレッサ装置と実質的に同じ圧力レベルとすることができる。第２の膨張装置から来る気体冷媒、ならびにレシーバの上側部分から来る気体冷媒を圧縮するために同一のコンプレッサを用いることによって、あるいは別の流路と対応した別のコンプレッサを組み合わせて第１のコンプレッサ装置を形成するコンプレッサの並列群にすることによって、別の流路に対応したコンプレッサを最初に言及したコンプレッサ装置と組み合わせることが可能である。

本発明の実施形態によれば、冷凍回路は、レシーバの下側部分から第２の膨張装置の入口へ延びる回路の区間内に位置する場所から分岐する分岐回路をさらに備え、分岐回路は流れ方向に、第４の膨張装置と、第２の蒸発器と、第２のコンプレッサ装置と、を備え、分岐回路はその下流端で第１のコンプレッサ装置の吸引側と流体連通する。

このような実施形態では、分岐回路が、例えば急速冷凍のために低温冷却をもたらす。このような低温冷却に比べて、第２の膨張装置および第１の蒸発器は、例えば食品および飲料を０〜１０℃の温度レベルに保つために、中温冷却を可能にする。

冷凍回路は、並列に配置された１つまたは複数の第２の膨張装置／第１の蒸発器、ならびに、並列に配置された１つまたは複数の第４の膨張装置／第２の蒸発器があればそれらを備えることができる。

冷凍回路内の冷媒は、一成分の冷媒でも多成分の冷媒でもよい。

先の記述では、様々な膨張装置について言及してきた。様々な構造および設計の膨張装置が提供され得ることが強調されるべきである。きわめて一般的な膨張装置の形は膨張弁である。膨張装置は、絞り装置または絞り弁でもよい。膨張装置は、その位置、温度レベル、および圧力レベルに応じて、液体冷媒を気体冷媒に膨張させるように働く、または気体冷媒をより高い圧力レベルからより低い圧力レベルへ膨張させることができる。

本発明はさらに、本願において開示される冷凍回路を備えた冷凍装置に関する。

本発明の冷凍装置は、ヒートポンプとして提供されてもよい。冷却装置およびヒートポンプの技術的要素は同じである。冷却装置の場合、冷却することが主要な目的であり、関連する熱の発生は、通常、副作用である。ヒートポンプの場合、熱の発生は望ましい効果であるが、（１つまたは複数の）蒸発器の関連する冷却効果は、通常、より有用性の低い副作用であると考えられる。本発明は、本願に開示される回路を有するヒートポンプも開示する。このような回路は、凝縮および蒸発を受ける冷媒を含むため、冷凍回路と呼ばれることがある。ヒートポンプについて述べるときには、冷媒という用語を用いるより作動流体という用語を用いることが好まれることがある。

冷媒としてＣＯ₂を含む冷凍回路は、遷臨界サイクルで動作される回路、または亜臨界サイクルで動作される回路、あるいはコンプレッサ装置の後の環境温度や圧力レベルなどのパラメータに応じて遷臨界サイクルまたは亜臨界サイクルで動作可能な回路とすることができる。温度に敏感な製品の冷却、急速冷凍、建造物の冷却などの典型的な用途では、少なくとも夏期に、冷凍回路が熱除去熱交換器で亜臨界の温度レベルに達することはなく、回路は遷臨界サイクルで動作される。このような状況では、熱除去熱交換器はガスクーラとして動作する。亜臨界サイクルの場合には、熱除去熱交換器はガスクーラと凝縮器とを組み合わせたものとして動作する。

レシーバの主な機能は、十分な量の液体冷媒を恒久的に利用可能な状態に保ち、液体冷媒と気体冷媒（蒸気）との間の分離を実現することである。遷臨界サイクルの場合、第１の膨張装置によってもたらされるフラッシュ冷却を用いた冷媒の凝縮は、さらなる機能である。

本発明の冷凍装置／ヒートポンプは、いくつかの好ましい適用分野を有している。最も重要なものは、店舗、飲食店または他の貯蔵場所における食品および飲料の冷却、医薬品など他の温度に敏感な製品の冷却、急速冷凍、任意の種類の建造物の冷却、自動車、および航空機、船舶、鉄道車両など広い意味での他の任意のタイプの車両の冷却である。

本発明はさらに冷凍方法に関する。本発明の実施形態では、冷凍方法は、（ｉ）レシーバの上側部分で熱源を動作させるステップと、（ｉｉ）レシーバの下側部分でヒートシンクを動作させるステップと、からなるステップの群の少なくとも一方のステップを含んでいる。

以下では、本発明の例示的な実施形態が記述される。このような実施形態の特徴は、本発明の冷凍回路の好ましい特徴である。

図１に示される全体的な冷凍回路は、最初に述べた（基本的な）回路、２番目に述べた別の流路、および３番目に述べた分岐回路、ならびにいくつかの追加の要素を備えている。

コンプレッサ装置６から始めてＣＯ₂冷媒の流れ方向に進むと、基本回路は以下の要素、
コンプレッサ装置６、またはコンプレッサ装置６，６’と、
管路７と、
熱除去熱交換器１（ガスクーラおよび／または凝縮器）と、
管路２と、
第１の膨張弁ａと、
レシーバ３と、
管路４と、
２つの並列な第２の膨張弁ｂ，ｃと、
２つの並列な蒸発器Ｅ２，Ｅ３と、
コンプレッサ装置６へ戻る管路５と、
を備えている。

コンプレッサ装置６は、３つの並列なコンプレッサ、およびさらに以下でより詳しく述べられる別のコンプレッサ６’を備えている。３つのコンプレッサの吸引側は、共通の供給空間２０によって供給を受ける。通常、コンプレッサ装置６は、供給された気体ＣＯ₂を５０〜１２０バールの範囲の圧力まで圧縮し、これによって圧縮された気体ＣＯ₂の温度が、約５０〜１５０℃まで高められる。亜臨界の動作では、圧縮された気体ＣＯ₂の圧力は通常、４０〜７０バールの範囲である。

熱除去熱交換器は、ＣＯ₂から熱を除去する。亜臨界の動作では、ＣＯ₂は通常、熱除去熱交換器１において１０〜３０℃まで冷却および凝縮され、この場合、熱交換器１はガスクーラと凝縮器を組み合わせたものとして働く。遷臨界の動作では通常、ＣＯ₂は熱除去熱交換器において２５〜４５℃の温度まで冷却され、かなりの部分のＣＯ₂が凝縮せず、この場合、熱除去熱交換器１はガスクーラとして働く。ＣＯ₂から熱を除去するために、熱交換器１はガス冷却または液体（水）冷却される。

亜臨界の動作における蒸気、または液体／蒸気の混合物、または液体ＣＯ₂は、レシーバ３の隣に設けられた膨張弁ａによって膨張され、これによってレシーバ３の上側部分にフラッシュガスが供給される。通常、レシーバ３の内部での圧力レベルは３０〜４０バールである。レシーバ３の下側部分は、液体ＣＯ₂を含んでいる。レシーバ３は、液体ＣＯ₂とＣＯ₂蒸気の分離器としても働く。

膨張弁ｂ，ｃによって液体ＣＯ₂が、典型的には−１５〜０℃の温度まで膨張されると、典型的には２０〜３５バールの圧力レベルになる。膨張弁ｂ，ｃの隣の蒸発器Ｅ２，Ｅ３は、ＣＯ₂の完全な蒸発を可能にするように働き、大きい低温の面を与え、そこから、通常は「低温の空気は暖かい空気より重い」という原理によって移動する、あるいは強制的な換気によって移動する空気によって冷却特性（ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ）が生じる。

コンプレッサ装置６およびレシーバ３は通常、冷凍装置の制御装置も支持する共通の金属フレームに取付けられる。熱除去熱交換器である（第１の）熱交換器１は通常、例えば建造物の外部に、コンプレッサ装置６，レシーバ３および膨張弁ａからある距離だけ離れたところに位置しており、その場合、最も適切に冷却が行われる。コンプレッサ装置６の圧力側から膨張弁ａの出口側へ延びる基本回路の区間のみが、典型的には５０〜１２０バールの高い圧力レベルになることに留意することが重要である。膨張弁ａの出口側からコンプレッサ装置６の吸引側に延びる基本回路の残りの区間は、実質的により低い２つの圧力レベル、すなわち、膨張弁ｂ，ｃの前では、典型的には３０〜４０バール、コンプレッサ装置６の前では、典型的には２５〜３０バールになる。結果として、２番目に言及した基本回路は、このようなより低い圧力レベルに合わせて、すなわち、より薄い壁を有する管を用いること、ＣＯ₂が流れる接続部にあまり複雑ではないものを用いること、ならびに比較的低い圧力レベルに適合させた蒸発器を用いることによって設計することができる。

管路１２を備えたレシーバ３の上側部分（蒸気部分）の出口側で始まり、膨張弁ｅまたは絞り弁を含み、最終的には管路１１を介してコンプレッサ装置６の入口側に通じる別の流路が存在している。膨張弁ｅは、気体ＣＯ₂の圧力をコンプレッサ装置６の吸引側に存在するレベルまで低下させるように働く。

別法として膨張弁ｅが省かれてもよく、レシーバ３の上側部分から別のコンプレッサ６’までには管路１２，１５が存在するだけになる。このような別のコンプレッサ６’の吸引側は、コンプレッサ装置６の吸引側２０より高い圧力レベルにある。すべてのコンプレッサ６，６’の圧力側は、同じ圧力レベルを有する。別のコンプレッサ６’を設ける代わりに、ライン１５からコンプレッサ装置６のコンプレッサの１つまたは複数に、しかし最初の圧縮段階の後の段階で供給することも可能であり、この結果、フラッシュガスが、コンプレッサの適正な圧力レベルでコンプレッサ装置６に供給される。

さらに図１は、膨張弁ｂ，ｃの上流で管路４から分岐した管路８、（第４の）膨張弁ｄと、第２の蒸発器Ｅ４と、管路９と、第２のコンプレッサ装置１０と、第１のコンプレッサ装置６の吸引側との流体流の接続をもたらす管路１１と、を備えた分岐回路を示している。膨張弁ｄおよび第２の蒸発器Ｅ４は、液体ＣＯ₂をコンプレッサ装置６の吸引側２０に存在する圧力レベルより低い圧力レベルまで膨張させるように設計される。蒸発器Ｅ４で得られる温度レベルは、蒸発器Ｅ２，Ｅ３で得られる温度レベルより低く、これによって急速冷凍する、または急速冷凍の温度で保管する手段が提供される。典型的な値は、蒸発器Ｅ４において７〜１５バール、および−５０〜−２５℃である。

最後に、図１は（第１の熱交換器１から第１の膨張弁ａに通じる）管路２から分岐し、熱交換器Ｅ１へ向かう管路１３を示しており、このような管路１３には膨張弁ｆが設けられている。管路１４は、熱交換器Ｅ１から別のコンプレッサ６’の吸引側に通じている。熱交換器Ｅ１は、管路２を通って流れるＣＯ₂に対する熱交換を行う。膨張弁ｆは低温の気体ＣＯ₂を供給するため、管路２を通って流れるＣＯ₂が冷却され、これによってＣＯ₂の凝縮の際に、または液体ＣＯ₂の過冷却の際に助けとなる。

図２は、レシーバ３の断面図を図１より大きいスケールで概略的に示している。レシーバ３は、その内部に上側部分３ａおよび下側部分３ｂを有している。レシーバ３にはある量の液体ＣＯ₂が含まれ、レシーバ３の内部を高さ２２まで満たしている。冷凍回路の動作条件に応じて、高さ２２は図２に示されたものより高くても低くてもよい。

管路２（熱交換器１の出口と膨張弁ａとの間の流体流の接続を与える、図１参照）はレシーバ３の中へ延び、レシーバ３の上側部分３ａに配置された第２の熱交換器２４に接続されている。レシーバ３の外部に延び、第２の熱交換器２４の下流端をレシーバ３の上側部分３ａの内部に接続する別の管路２６が存在し、このような管路２６には膨張弁２８が設けられている。膨張弁２８は、上側部分３ａにフラッシュガスを発生させ、その結果として、上側部分３ａは第２の熱交換器２４を通って流れるＣＯ₂より低い温度レベルになる。上側部分３ａに存在する可能性のある液体ＣＯ₂の液滴はすべて蒸発される。これによって、以下のパラグラフに記載される膨張弁３４の腐食の可能性が最小限に抑えられる。

膨張弁２８は、図１に示された膨張弁と同じ機能を有している。違いは、管路２が膨張弁２８に直接通じていないことであるが、膨張弁２８の上流に第２の熱交換器２４がある。第２の熱交換器２４によって、上側部分３ａを出る気体ＣＯ₂を含む凝縮されたＣＯ₂は、第２の熱交換器２４を設けていない場合より少なくなる。

レシーバ３の外部でレシーバ３の上側部分３ａから下側部分３ｂに配置された第３の熱交換器３２へ通じる別の管路３０が存在し、このような管路３０には膨張弁３４が設けられている。第３の熱交換器３２の下流端は、管路３６によってコンプレッサ装置６の吸引側２０に接続される。すなわち、膨張弁３４が図１に示された膨張弁ｅに取って代わり、さらに第３の熱交換器３２が設けられている。

膨張弁３４を通過することによって、ＣＯ₂はより低温になり、第３の熱交換器３２は、レシーバ３の下側部分３ｂに蓄積された液体ＣＯ₂の過冷却を実現する。液体、すなわち過冷却されたＣＯ₂は、図１に示されるように管路４を介して下側部分３ｂを出る。

第３の熱交換器３２を通って流れる気体ＣＯ₂は、ある一定の過熱を受け、これがコンプレッサ装置６内への液体ＣＯ₂の伴出の危険を低減させる。

本発明の回路の基本的な構成を説明するための冷凍回路の図である。 図１の冷凍回路に組み込むことができるレシーバ／分離器をより大きいスケールで示す図である。

Claims (9)

1. 冷媒を所定の流れ方向に循環させる冷凍回路であって、
   流れ方向に、第１のコンプレッサ装置と、熱除去熱交換器と、第１の膨張装置と、該第１の膨張装置と流体連通する上側部分および下側部分をその内部に有するレシーバと、前記レシーバの前記下側部分と流体連通する第２の膨張装置と、第１の蒸発器と、を備え、
   前記レシーバの前記上側部分とコンプレッサの吸引側との間に別の流路を備え、前記コンプレッサの圧力側が前記熱除去熱交換器の入口と流体連通しており、
   （ａ）第２の熱交換器が前記レシーバの前記上側部分に配置され、該第２の熱交換器の入口が前記熱除去熱交換器の出口と流体連通し、前記第２の熱交換器の出口が前記第１の膨張装置の入口と流体連通することと、
   （ｂ）前記別の流路が第３の膨張装置を備え、その下流には、前記レシーバの前記下側部分に第３の熱交換器が配置されることと、
   の要素（ａ）および要素（ｂ）の群の少なくとも一方を備える冷凍回路。
2. 前記別の流路に接続された前記コンプレッサが、前記第１のコンプレッサ装置の一部であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍回路。
3. 前記冷媒がＣＯ₂であることを特徴とする請求項１と請求項２のいずれかに記載の冷凍回路。
4. 前記第１のコンプレッサ装置が、複数のコンプレッサの並列群を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍回路。
5. 前記レシーバの前記下側部分から前記第２の膨張装置の入口へ延びる回路の区間内に位置する場所から分岐する分岐回路をさらに備え、該分岐回路が流れ方向に、第４の膨張装置と、第２の蒸発器と、第２のコンプレッサ装置と、を備え、前記分岐回路がその下流端で前記第１のコンプレッサ装置の吸引側と流体連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍回路。
6. 複数の並列な第１の蒸発器が提供されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍回路。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の冷凍回路を備える冷凍装置。
8. （ａ）流れ方向に、第１のコンプレッサ装置と、熱除去熱交換器と、第１の膨張装置と、前記第１の膨張装置と流体連通する上側部分および下側部分をその内部に有するレシーバと、前記レシーバの前記下側部分と流体連通する第２の膨張装置と、第１の蒸発器と、を備える冷凍回路内で冷媒を循環させるステップと、
   （ｂ）前記冷凍回路が、前記レシーバの前記上側部分とコンプレッサの吸引側との間に設けられた別の流路をさらに備え、前記コンプレッサの圧力側が前記熱除去熱交換器の入口と流体連通するステップと、
   （ｃ）
   （ｉ）前記レシーバの前記上側部分で熱源を動作させることと、
   （ｉｉ）前記レシーバの前記下側部分でヒートシンクを動作させることと、
   からなる群の少なくとも一方のステップと、
   を含む冷凍方法。
9. 前記冷媒がＣＯ₂であることを特徴とする請求項８に記載の冷凍方法。

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