JP2010520985A - 冷媒チャージ貯蔵 - Google Patents

Abstract

冷凍システムは、圧縮機と、第１、第２の熱交換器と、膨張装置とを含む。冷媒再循環流路が、順次、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、および第２の熱交換器を通って下流へと延びている。システムは、チャージ貯蔵システムを含む。チャージ貯蔵システムは、第１、第２の冷媒貯蔵室を含む。貯蔵室がそれぞれ個別に膨張装置の上流および下流で流路と二者択一的に連通されるように少なくとも１つの弁が貯蔵室に接続される。

Description

本発明は冷凍に関する。より詳細には本発明は輸送用または商業用の冷凍に使用される遷臨界冷凍システムに関する。

天然でかつ環境にやさしい冷媒としてＣＯ₂（Ｒ−７４４）は大きな注目を集めている。ＣＯ₂の臨界温度は８７．８°Ｆである。大抵の空調や冷凍の作動条件では、この温度を超える温度で熱除去が生じるためＣＯ₂システムは遷臨界モードで作動する。

異なる用途では、異なる作動範囲（例えば、ガス冷却器や蒸発器の条件範囲）が必要とされる。例えば、飲料用冷却器では、実質的に一定の所望の内部条件（例えば、凍結のリスクを回避しながらなお冷却を行うように３４〜３８°Ｆのごく近く）になることがある。この温度で圧縮機の吸気圧力は実質的に定常状態に固定される。オペレータが別の温度で飲料用冷却器を作動させようとすることはありそうもない。輸送用冷凍ユニット（例えばトラック用ボックス、トレーラ、貨物用コンテナなど）のような他の用途ではより幅広い能力が要求される。所定のユニット構成を、様々な要求を持った多様なオペレータのために製造することができる。多数のオペレータが、所定のユニットを異なった時間に冷凍品や非冷凍生鮮食品の輸送用に使用する必要がある。例示的な冷凍品の温度は約−１０°Ｆ以下であり、例示的な非冷凍生鮮食品の温度は３４〜３８°Ｆである。オペレータは、２つのモードのうちのそれぞれについて適切な温度を予め決定する。輸送または一連の輸送の前に、技術者や運転手が二つの温度のうちの適切な温度を設定する。他のオペレータのなかにはより広い要求（例えば、例示的な範囲全体として−４０〜５７°Ｆ）をするものもいる。

一般に作動条件に変動があると、冷媒の質量流量や密度は大幅に変化する。そのため、活動中の（循環）チャージ量が固定されているシステムでは、冷媒の圧力や温度の制御が不均一となり、システムの性能が害される可能性がある。また、作動条件に対するＣＯ₂の敏感さや比較的高い作動圧力によって、さらには典型的なチャージ貯蔵点での二相状態の欠如によってより多くの問題が生じ得る。従って、循環している冷媒から選択的に冷媒を抜き出すことを可能とし、システムをより有利に作動させる様々なチャージ貯蔵システムが提案されている。作動上の問題に加えて、貯蔵容器は、システムから切り離されると、非常に高温の周囲温度に曝されることになる。チャージが貯蔵されていると、高温の周囲温度によって圧力が大幅に増加することがある。この圧力増加によって、容器が破壊される可能性もある。

米国特許第７，０９６，６７９号には、貯蔵器を加熱／冷却して冷媒の戻り量を調節することが開示されている。加熱によってシステムの熱負荷が増加するので、システムの効率は低下する。加熱や冷却によってシステムの消費電力が増加する可能性がある。米国特許第６，３８５，９８０号には、フラッシュタンクエコノマイザが開示されている。フラッシュタンクエコノマイザの蒸気ラインが何らかの作動条件で閉じられると、上述したようにフラッシュタンク内の圧力は増加する可能性がある。他のシステムには、チャージ貯蔵装置として蒸発器の下流端部にアキュムレータを備えるものがある。このようなシステムでは、アキュムレータの底部に油が過剰に蓄積して、システム始動時に油が飛び跳ねて圧縮機内に入り込む可能性がある。

従って、本開示によって、上述した全ての問題に取り組むことができるとともに、これらの問題を克服して通常の輸送用途や商業用途の作動範囲全体に亘ってシステムのチャージ量を調節する手段を提供可能である。

従って、本発明の一態様には、圧縮機と、第１、第２の熱交換器と、膨張装置とを含む冷凍システムが含まれる。冷媒再循環流路が、順次、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、および第２の熱交換器を通って下流へと延びている。システムは、チャージ貯蔵システムを含む。チャージ貯蔵システムは、第１、第２の冷媒貯蔵室を含む。貯蔵室がそれぞれ個別に膨張装置の上流および下流で流路と二者択一的に連通されるように少なくとも１つの弁が貯蔵室に接続される。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面と以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点は説明、図面から、また、特許請求の範囲から明らかであろう。

第１の冷凍システムの部分概略図。 第２の冷凍システムの部分概略図。 冷凍輸送ユニットの図。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の構成要素を示す。

図１は、作動流体（冷媒）としてＣＯ₂を利用する遷臨界蒸気圧縮システム２０を概略的に示している。このシステムは、再循環主流路に沿って順次、圧縮機２２（例えば、モータを有する往復動、スクロール、またはスクリュー圧縮機）、熱除去用熱交換器（ガス冷却器）２４、膨張装置２６、および熱吸収用熱交換器（蒸発器）２８を有する。例示的なガス冷却器および蒸発器はそれぞれ、冷媒−空気熱交換器の形態をとることができる。

これらの熱交換器の一方または両方を横切る空気流を強制送風することができる。例えば、１つまたは複数のファン３０、３２が、２つの熱交換器を横断する各空気流３４、３６を送風することができる。主冷媒流路４０に沿う導管には、蒸発器２８の出口４４から圧縮機２２の入口４６に延びる吸入ライン４２が含まれる。吐出ライン４８が圧縮機の出口５０からガス冷却器の入口５２に延びる。さらなるライン５４、５６によってそれぞれ、ガス冷却器出口５８が膨張装置入口６０に接続され、膨張装置出口６２が蒸発器入口６４に接続される。

例示的な膨張装置２６は、電子式膨張弁（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ）（通常、ＥＥＶまたはＥＸＶと呼ばれる）である。電子式膨張弁は通常、有効弁開口すなわち流れの容量を変えるために、ニードル弁に取り付けられたステッピングモータを有する。弁の開口は、コントローラ６６によって電子的に制御でき、また、コントローラ６６は、圧縮機や他のシステム構成要素の作動を制御できる。コントローラは、１つまたは複数のユーザ入力装置６８（例えば、スイッチ、電子制御器など）および１つまたは複数のセンサ（例えば、蒸発器出口温度および／または圧力、吐出圧力および／または温度、周囲および制御された空間の温度）からの入力に応答して作動可能である。

システムの所望の作動条件で、また、システムの個々の構成要素の性能に応じて、システムが最大効率で作動する特定の吐出圧力があり、また、システムが最大容量で作動する特定の吐出圧力がある。システムは、プルダウン過程を経る間、最大容量を与える吐出圧力をたどるのが有利であろう。定常状態に到達すると、システムは最適効率を与える吐出圧力をたどる（または、効率と容量の組み合わせが最適となる、２つの圧力の間のどこかにある）のが有利であろう。与えられた条件でのサイクルの実行について、また、この条件における所望の吐出圧力でのシステムの維持について、流路４０に沿った関連する最適な冷媒循環量がある。システムのチャージ量全体は一定なので、流路４０からの冷媒を貯蔵しかつ流路４０に冷媒を戻すためにチャージ貯蔵システム８０が使用され、それによって、所望のシステム性能を維持するのに適切となるような最適なチャージ量に循環チャージがぴったりと一致することになる。

一般に、蒸発器の温度が低下するにつれ、蒸発器内の液体冷媒の密度が増加し、蒸発器内に貯蔵される冷媒の質量が増加する。調節されなければ、循環チャージの質量流量は低下する。この条件では、システム８０に最小量の冷媒を貯蔵するのが望ましい。同様に、熱交換器がその最高温度になると、蒸発器は、比較的小量の冷媒を貯蔵することになる。システム２０の加圧を避けるためには、大部分の冷媒を貯蔵システム８０に貯蔵するのが望ましい。このように、システムの始動およびプルダウンの際は、最大量のチャージを貯蔵システム８０に持たせるのが望ましい。蒸発器の温度が低下するにつれ、貯蔵システム８０は、活動的なサイクルに徐々により多くのチャージを貯蔵から戻すように制御可能である。

例示的なシステムは複数の貯蔵器８２、８３、８４を含み、これらの貯蔵器の室８５、８６、８７は、互いにかつ膨張装置に並列に流体的に接続されている。貯蔵器はそれぞれ、その高圧端部および低圧端部で弁によって主流路４０に開閉される。例示のために、貯蔵器はそれぞれ、その入口９３、９４、９５と膨張装置の入口位置／条件６０との間に関連する第１の（高圧）弁９０、９１、９２を有するように示されている。貯蔵器はそれぞれさらに、その第２のポート９９、１００、１０１と膨張装置の出口位置／条件６２との間に関連する第２の（低圧）弁９６、９７、９８を有する。以下にさらに説明するように、第１の弁のいくつかは、互いに一体化されることが可能であり、第１、第２の弁は互いにまたは他の組み合わせと一体化されることが可能である（例えば、四方弁またはそれ以上の弁構造を用いる）。

例示的な作動方法では、第１、第２の弁の開閉は、測定／検出された条件および／またはユーザが入力したパラメータ（例えば設定温度）に応答するコントローラによって制御される。例示的な方法では、通常の作動条件下で、各貯蔵器はその２つの弁うちのちょうど一方の弁が開にされている間、他方の弁は閉にされる。開にされる弁と閉にされる弁の適切な組み合わせを選択することによって、システム８０の効果的なチャージ貯蔵が決定されることになる。

各貯蔵器について、そこに貯蔵されるチャージ量は、各貯蔵器の第１、第２の弁（または関連するポート）のどちらかが開にされるシステム条件によって決定されることになる。第１の弁が開にされると、貯蔵器は相対的に高圧の膨張装置入口条件に曝されることになる。従って貯蔵器は、相対的に大きなチャージ量を保持することなる。しかしながら、第２の弁が開にされると、貯蔵器は相対的に低圧の吸入条件に曝されることになり、相対的に小さなチャージ量が貯蔵されることなる。

従って、最大の貯蔵チャージおよび最小の循環チャージの条件は、全ての第１の弁が開にされかつ全ての第２の弁が閉にされるのに付随する。同様に、最小の貯蔵チャージおよび最大の循環チャージの条件は、全ての第１の弁が閉にされかつ全ての第２の弁が開にされるのに付随する。開にされる弁および閉にされる弁の他の組み合わせによって１つまたは複数の中間条件が与えられる。これらの中間条件の性質は、貯蔵器の相対的かつ絶対的な大きさに依存することになる。

例示的な貯蔵器の大きさでは、第１、第２の貯蔵器の相対的な大きさは、第２の貯蔵器の有効容量が第１の貯蔵器の有効容量の２倍になる（すなわち、第２の貯蔵器がその２つの条件の間に保持するチャージ量の差が第１の貯蔵器のチャージ量の差の２倍になる）ように選択される。同様に、第３の貯蔵器は、第２の貯蔵器の有効容量の２倍の有効容量を有するように選択される。貯蔵器の絶対的な大きさは、有効容量の合計が所望の全体のチャージ貯蔵／緩衝容量を与えるように選択される。この貯蔵器の大きさの例示的な組み合わせによって、最小貯蔵チャージ条件と最大貯蔵チャージ条件との間に６つの均等に分けられた中間条件が得られる。

図２は、全体で４つのチャージ貯蔵条件が達成されるように第１、第２の貯蔵器だけを有するより基本的なシステムを示す。

図３は、冷凍トレーラの形態の冷凍輸送ユニット（システム）２２０を示す。トレーラは、牽引用トラック２２２によって牽引可能である。例示的なトレーラは、内部／コンパートメント２２６を画定するコンテナ／ボックス２２４を含む。ボックス２２４の前面には装置ハウジング２２８が取り付けられており、装置ハウジング２２８は、エンジン２３０（例えばディーゼルエンジン）と、このエンジンに機械的に結合されてエンジンによって駆動される発電機２３２とを含む発電機システムを備えることができる。冷凍システム２０は、電力の供給を受けるように発電機２３２に電気的に接続可能である。蒸発器とそれに関連するファンとは、内部にまたはそうでなければコンパートメント２２６と熱的に連通して配置可能である。

各貯蔵器の一方のポートが常に開になるように（機械的にまたはコントローラのプログラムや配線によって）システムを構成することで、貯蔵器が過圧される可能性が実質的に排除される。そのため、過圧を防止する特別な手段（例えば貯蔵器を冷却する別のシステム）を省くことができる。

基本的なシステムを例示したが、貯蔵器や基本的冷凍回路のさらなる特徴を有するより複雑な実施も可能である。追加の構成要素、流路などが存在してもよい。

本発明の１つまたは複数の実施形態を説明した。それでも、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができるのは理解されるであろう。例えば、既存のシステムの改造／再製造または既存のシステム構成の再設計として実施する場合に、既存の構成の細部は、特定の実施の細部に影響を与えることがあり得る。したがって、他の実施形態は添付の特許請求の範囲内にある。

Claims (17)

1. 圧縮機（２２）と、
   第１の熱交換器（２４）と、
   膨張装置（２６）と、
   第２の熱交換器（２８）と、順次、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、および第２の熱交換器を通って下流へと延びている冷媒再循環流路（４０）と、
   を備える冷凍システム（２０）であって、
   第１の冷媒貯蔵室（８５）と、
   第２の冷媒貯蔵室（８６）と、
   第１の冷媒貯蔵室および第２の冷媒貯蔵室がそれぞれ個別に膨張装置の上流および下流で前記流路と二者択一的に連通されるように第１の冷媒貯蔵室および第２の冷媒貯蔵室に接続された少なくとも１つの弁（９０、９１、９６、９７）と、
   を備えることを特徴とする冷凍システム。
2. 第２の冷媒貯蔵室は第１の冷媒貯蔵室より大きいことを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
3. 第２の冷媒貯蔵室より大きい第３の冷媒貯蔵室（８７）をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の冷凍システム。
4. 第３の冷媒貯蔵室（８７）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
5. 追加の冷媒貯蔵室は含まれていないことを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
6. 冷凍システムは、前記少なくとも１つの弁に接続された制御システム（６６）をさらに備えており、この制御システム（６６）は、
   複数の予め決定された条件からチャージ貯蔵条件を選択し、
   選択されたチャージ貯蔵条件に冷凍システムが置かれるように前記少なくとも１つの弁を作動させる、
   ように構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
7. 第２の熱交換器と熱的に連通して配置されたコンパートメント（２２６）を有する輸送コンテナ（２２４）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
8. 圧縮機に電力を供給するように圧縮機に接続された、内燃機関を動力とする発電機（２３０、２３２）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の冷凍システム。
9. 冷凍システムの冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の冷凍システム。
10. 圧縮機（２２）と、
    第１の熱交換器（２４）と、
    膨張装置（２６）と、
    第２の熱交換器（２８）と、順次、圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置、および第２の熱交換器を通って下流へと延びている冷媒再循環流路（４０）と、
    複数の室（８５、８６、８７）を前記流路の最高圧力より低い圧力に維持しながら、選択的に前記流路からの冷媒を複数の室（８５、８６、８７）に分流させかつ前記流路に冷媒を戻す手段（９０、９１、９２、９６、９７、９８）と、
    を備えることを特徴とする冷凍システム（２０）。
11. 冷凍システムの冷媒チャージは、重量で少なくとも５０％が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１０記載の冷凍システム。
12. 第２の熱交換器と熱的に連通して配置されたコンパートメント（２２６）を有する輸送コンテナ（２２４）をさらに備えることを特徴とする請求項１０記載の冷凍システム。
13. 冷媒を圧縮し、
    圧縮された冷媒を冷媒流路（４０）に沿って圧縮機（２２）の下流にある第１の熱交換器（２４）を通して流し、
    冷媒流路に沿って第１の熱交換器の下流で冷媒を膨張させ、
    膨張した冷媒を第２の熱交換器（２６）を通して流し、
    冷媒を圧縮機に戻し、
    冷媒を貯蔵ユニット（８０）に分流させかつ貯蔵システムから冷媒を戻す、
    ことを含む、冷凍システムを作動させる方法であって、
    貯蔵ユニットは、複数の室（８５、８６、８７）を有し、
    貯蔵ユニットは、選択的に各室を前記流路と連通させるように配置された少なくとも１つの弁（９０、９１、９２、９６、９７、９８）を含み、
    前記の分流させかつ戻すことは、前記膨張装置の上流または下流で各室を前記流路と連通させるように前記少なくとも１つの弁を作動させることを含む、
    ことを特徴とする、冷凍システムを作動させる方法。
14. 前記の分流させかつ戻すことは、
    複数の予め決定された条件から所望のチャージ貯蔵条件を決定し、
    所望のチャージ貯蔵条件を達成するように前記少なくとも１つの弁を作動させる、
    ことを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 圧縮された冷媒は、超臨界条件で第１の熱交換器を通って流れることを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 前記の分流させかつ戻すことは、８つの異なる公称チャージ貯蔵形態で作動することを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
17. 前記の分流させかつ戻すことは、４つから８つの異なる公称チャージ貯蔵形態で作動することを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。

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