JP2010525293A - 充填量管理を備えた遷臨界冷媒蒸気圧縮システム - Google Patents

Abstract

冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路の冷媒放熱用熱交換器と冷媒吸熱用熱交換器との間に、冷媒の流れとして直列の関係に配置された冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとフラッシュタンクとを備える。１次膨張弁が冷媒回路の冷媒吸熱用熱交換器の上流側に介装されているとともに、２次膨張弁が冷媒回路のフラッシュタンク上流側に介装されている。フラッシュタンクは、充填冷媒の貯蔵リザーバとして機能するもので、ここで冷媒が、超臨界圧力から亜臨界圧力に膨張して液相と気相とに分離する。冷媒蒸気をフラッシュタンクから冷媒回路の冷媒吸熱用熱交換器下流側に戻す冷媒蒸気バイパスラインを備えている。１次膨張弁と、冷媒蒸気バイパスラインに介装された流れ制御弁と、によって、冷媒充填量の管理がなされる。

Description

この発明は、冷媒蒸気圧縮システムに関し、特に、遷臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムの冷媒充填量管理に関する。

冷媒蒸気圧縮システムは当技術分野においては周知であり、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のために一般に用いられている。また、冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮／冷凍製品貯蔵エリアに冷却空気を供給するためにも広く用いられている。

冷媒蒸気圧縮システムは、さらに、輸送冷凍システムにおいても、トラック、鉄道、船、あるいは複合輸送により生鮮／冷凍製品を輸送するために、トラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御貨物スペースへ供給する空気の冷却に広く用いられている。輸送冷凍システムと組み合わせて用いられる冷媒蒸気圧縮システムでは、広範囲な動作負荷条件や広範囲な外部周囲条件に亘って貨物スペース内の製品を所望の温度に維持するように冷媒蒸気圧縮システムが動作しなければならないことから、一般に、その運転条件はより過酷なものとなる。貨物を制御することが必要な所望の温度は、保存する貨物の性質に応じて、広範囲に亘って異なるものとなる。冷媒蒸気圧縮システムは、外気温の下で貨物スペースに入れられた製品の温度を素早く引き下げるだけの十分な容量および冷媒充填量を有するだけでなく、輸送中に安定した製品温度を維持する際に、過剰な冷媒充填量でもって低い負荷で効率よく運転できなければならない。さらに、輸送用冷媒蒸気圧縮システムは、固定式の冷媒蒸気圧縮システムでは経験することがない振動や動きに晒される。従って、過剰な液体冷媒を蓄えるようにコンプレッサ吸入口の上流側の吸入ラインに設けられる一般的な冷媒アキュムレータにあっては、上記の動きに伴って液体が揺動し、その結果、吸入ラインを通して上記吸入口からコンプレッサ内へ不必要に液体冷媒が持ち出されてしまう。

伝統的に、この冷媒蒸気圧縮システムの殆どは、亜臨界冷媒圧力で動作し、一般に、コンプレッサと、コンデンサと、エバポレータと、冷媒の流れとして上記エバポレータの上流でかつコンデンサの下流に配置された膨張装置（通常は膨張弁）と、を含んでいる。これらの基本的な冷媒システム構成要素は、冷媒閉回路となるように冷媒ラインで接続されるとともに、公知の冷媒蒸気圧縮サイクルに沿って配置され、かつ特定の冷媒を用いて亜臨界圧力範囲で運転される。亜臨界範囲で動作する冷媒蒸気圧縮システムには、一般に、フロン冷媒、例えば、これに限定するものではないが、Ｒ２２のようなヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が充填され、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃのようなヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）がさらに一般的である。

現在の市場では、ＨＦＣ冷媒に代えて空調装置や輸送冷凍システムに使用するために、二酸化炭素のような「自然」冷媒に注目が集まっている。しかしながら、二酸化炭素は臨界温度が低いので、冷媒として二酸化炭素を充填した冷媒蒸気圧縮システムの多くは、遷臨界圧力方式で動作するように設計されている。亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、コンデンサおよびエバポレータとなる熱交換器の双方は、冷媒の臨界点未満の冷媒温度および圧力で動作する。しかしながら、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、エバポレータは、亜臨界範囲の冷媒温度および圧力で動作するが、放熱用熱交換器（これはコンデンサではなく、むしろガスクーラとなる）は、冷媒の臨界点を超える冷媒温度および圧力で動作する。従って、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、ガスクーラ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差が、亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおけるコンデンサ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差に比べて、かなり大きいことが特徴的である。

また、冷媒蒸気圧縮システムの容量の増加のために、エコノマイザを冷媒回路に組み込むことも広く実施されている。例えば、あるシステムにおいては、冷媒対冷媒の熱交換器がエコノマイザとして冷媒回路に組み込まれる。コンデンサを出た冷媒の第１の部分が熱交換器の第１の流路を通過して、該熱交換器の第２の流路を通る冷媒の第２の部分と熱交換する。この冷媒の第２の部分は、一般に、コンデンサを出た冷媒の一部を構成するものであって、膨張装置を通して分岐され、エコノマイザの冷媒対冷媒の熱交換器の第２の流路を通過する前に、該膨張装置において膨張し、低圧かつ低温の冷媒蒸気ないし蒸気／液体混合物となっている。この冷媒の第２の部分は、上記エコノマイザ熱交換器の第２の流路を横切り、その後、圧縮プロセスの中間圧力変化点へ導入される。主冷媒回路の冷媒は、上記の冷媒対冷媒のエコノマイザ熱交換器の第１の流路を通過して、さらに冷却され、かつシステムの主膨張装置を横切り、その後、エバポレータへ流入する。特許文献１は、エコノマイザとして冷媒対冷媒の熱交換器を冷媒回路に組み込んでなる輸送冷凍ユニット用の亜臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。特許文献２は、第１の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザと、第２の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に直列に配置された亜臨界冷凍システムを開示している。

あるシステムにおいては、フラッシュタンクエコノマイザが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込まれている。このような場合、コンデンサを出た冷媒が、感温式膨張弁あるいは電子膨張弁などからなる膨張装置を通して膨張した後に、フラッシュタンクに流入し、ここで、上記の膨張した冷媒が、液体冷媒成分と蒸気冷媒成分とに分離する。そして、冷媒の蒸気成分は、フラッシュタンクから圧縮プロセスの中間圧力段へと導かれる。冷媒の液体成分は、フラッシュタンクからシステムの主膨張弁を通してエバポレータへと導かれる。特許文献３は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込んでなる亜臨界蒸気圧縮システムを開示している。特許文献４は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間に組み込んでなる遷臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。

米国特許第６０５８７２９号明細書 米国特許第６６９４７５０号明細書 米国特許第５１７４１２３号明細書 米国特許第６３８５９８０号明細書

改良した冷媒充填量管理を有する遷臨界冷媒蒸気圧縮システムは、圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、冷媒吸熱用熱交換器と、主冷媒回路の上記冷媒放熱用熱交換器と上記冷媒吸熱用熱交換器との間に、冷媒の流れとして直列の関係となるように配置された冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザおよびフラッシュタンクと、を備えている。冷媒回路の冷媒吸熱用熱交換器の上流に該冷媒吸熱用熱交換器に関連して動作する１次膨張弁が介装され、冷媒回路のフラッシュタンクの上流に該フラッシュタンクに関連して動作する２次膨張弁が介装されている。冷媒蒸気バイパスラインによって、フラッシュタンクと、冷媒吸熱用熱交換器下流側における主冷媒回路の吸入圧力部分との間で、冷媒蒸気の連通が確保されている。この冷媒蒸気バイパスラインには、該冷媒蒸気バイパスラインを通る冷媒蒸気の流れを制御するために、開位置と閉位置とを有するバイパス流制御弁が介装されている。

上記冷媒対冷媒熱交換器は、第１の冷媒流路と第２のバイパス流路とを有し、上記第１の冷媒流路は、主冷媒回路の冷媒放熱用熱交換器の下流側でかつ１次膨張弁の上流側に位置し、上記第２のバイパス流路は、主冷媒回路を圧縮装置の中間圧力段へと連通するように延びたエコノマイザ回路冷媒ラインに位置している。このエコノマイザ回路冷媒ラインには、エコノマイザ回路膨張弁が介装されており、このエコノマイザ回路膨張弁は、冷媒の流れとして、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの上記の第２の冷媒流路の上流側に位置する。このエコノマイザ回路膨張装置は、電子膨張弁もしくは感温式膨張弁から構成し得る。

一実施例では、上記バイパス流制御弁は、２位置電磁弁、パルス幅変調電磁弁、あるいは電子膨張弁、からなる。一実施例では、上記１次膨張弁は、電子膨張弁もしくは感温式膨張弁からなる。一実施例では、上記２次膨張弁は、電子膨張弁もしくは固定オリフィス式膨張装置からなる。

一実施例では、上記圧縮装置は、少なくとも第１の圧縮段と第２の圧縮段とを有する単一のコンプレッサからなる。一実施例では、上記圧縮装置は、冷媒回路中に冷媒の流れとして直列の関係に配置された第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサからなり、第１のコンプレッサの吐出ポートが第２のコンプレッサの吸入ポートに連通している。単一のコンプレッサの配置および二つのコンプレッサの配置のいずれの場合も、各コンプレッサとしては、スクロールコンプレッサや往復動型コンプレッサあるいはスクリューコンプレッサとし得る。

本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの一実施例を示す説明図。 遷臨界サイクルで動作する図１の冷媒蒸気圧縮システムの実施例における圧力−エンタルピの関係を示す特性図。 単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。 単一のフラッシュタンクエコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。

図１には、生鮮品や冷凍品を輸送するトラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御される貨物スペースへ供給する空気を冷却する輸送冷凍システムでの使用に適した遷臨界冷媒蒸気圧縮システム１０の一実施例が図示されている。この冷媒蒸気圧縮システム１０は、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のための利用にも適している。また、この冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮／冷凍製品貯蔵エリアへ供給される空気の冷却にも用いることができる。

上記遷臨界冷媒蒸気圧縮システム１０は、多段圧縮装置２０と、冷媒放熱用熱交換器（ここではガスクーラとも呼ぶ）４０と、冷媒吸熱用熱交換器（ここではエバポレータとも呼ぶ）５０と、例えば電子膨張弁や感温式膨張弁などからなるエバポレータ５０に関連して動作する１次膨張装置５５と、これらの構成要素を主冷媒回路として接続する種々の冷媒ライン２，４，６と、を備えている。

上記圧縮装置２０は、冷媒を圧縮し、かつ後述するように主冷媒回路を通して冷媒を循環させるように、機能する。圧縮装置２０は、単一の多段冷媒コンプレッサ、例えば、第１圧縮段２０ａおよび第２圧縮段２０ｂを有する往復動型コンプレッサとすることができ、あるいは、一般的な形（例えばインジェクションポートを介して）で冷媒を圧縮チャンバの中間圧力点に噴射することができる単一のコンプレッサ、例えばスクロールコンプレッサあるいはスクリューコンプレッサとすることができ、この場合は、第１圧縮段２０ａは中間圧力点の上流側となり、第２圧力段２０ｂは中間圧力点の下流側となる。上記第１圧縮段２０ａおよび上記第２圧縮段２０ｂは、冷媒の流れとして直列の関係となっており、第１圧縮段を出た冷媒が、さらに圧縮すべく第２圧縮段に直接に流れる。また圧縮装置２０は、主冷媒回路において冷媒ラインにより冷媒の流れとして直列の関係に接続された一対のコンプレッサ２０ａ，２０ｂから構成することもでき、上記冷媒ラインが、第１のコンプレッサ２０ａの吐出ポートを第２のコンプレッサ２０ｂの吸入ポートに連通させている。これらのコンプレッサ２０ａ，２０ｂとしては、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、ロータリコンプレッサ、あるいは他の形式のコンプレッサとすることができ、あるいはこれらのコンプレッサの組み合わせとすることもできる。

冷媒放熱用熱交換器４０は、例えばフィン・チューブ型熱交換器４２を備え、ここを通る高温高圧の冷媒が、冷却媒体、最も一般的にはコンデンサ用ファン４４によって熱交換器４２を通して引き込まれる周囲空気、と熱交換する。フィン・チューブ型熱交換器４２は、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。

本発明の冷媒蒸気圧縮システム１０は、さらに、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０およびフラッシュタンク７０を備えており、これらは、冷媒が直列に流れる関係でもって、主冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとしてガスクーラ４０の下流側でかつエバポレータ５０の上流側に介装されている。上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０は、主冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとしてガスクーラ４０の下流側でかつフラッシュタンク７０の上流側に配置されている。さらに、２次膨張装置７５、例えば電子膨張弁もしくは固定オリフィス装置、が主冷媒回路の上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０と上記フラッシュタンク７０との間に介装されている。

上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０は、熱交換関係となるように配置された第１の冷媒流路６２と第２の冷媒流路６４とを備えている。第１の冷媒流路６２は、冷媒ライン４中に介在しており、主冷媒回路の一部を構成している。第２の冷媒流路６４は、冷媒ライン１２に介在し、エコノマイザ回路の一部を構成している。このエコノマイザ回路冷媒ライン１２は、冷媒の流れとして連通するように圧縮プロセスの中間圧縮段に接続されている。図１の実施例では、このエコノマイザ回路冷媒ライン１２は、主冷媒回路の冷媒ライン４に対し、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の冷媒流の上流側で接続され、冷媒を導いている。これに代えて、エコノマイザ回路冷媒ラインが、主冷媒回路の冷媒ライン４に対し、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の下流側で接続するようにしてもよい。上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第１の冷媒流路６２と第２の冷媒流路６４は、所望により、平行流の熱交換関係として配置してもよく、カウンタフローの熱交換関係として配置してもよい。この冷媒対冷媒熱交換器６０は、ロー付けプレート型熱交換器、チューブ・イン・チューブ型熱交換器、シェル・チューブ型熱交換器、とし得る。

上記エコノマイザ回路冷媒ライン１２における冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４の冷媒流の上流側には、エコノマイザ膨張装置６５が配設されている。このエコノマイザ膨張装置６５は、冷媒ライン１２を通過する冷媒流、つまり熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路の冷媒と熱交換関係となる熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４を通過する冷媒流を計量し、該熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路６４から出る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持して、確実に冷媒蒸気中に液体が存在しないようにしている。上記膨張弁６５は、例えば図１〜図３に示すように、電子膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁６５は、冷媒ライン１２で所望の冷媒温度ないし圧力を維持するように、コントローラ１００からの信号に応答して冷媒流を計量する。上記膨張装置６５は、また、感温式膨張弁とすることもでき、この場合には、膨張弁６５は、検出装置（図示せず）により検出される冷媒温度ないし圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置は、熱交換器エコノマイザ６０の第２の流路の下流の冷媒ライン１２に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。上記エコノマイザ回路冷媒ライン１２を通る冷媒蒸気は、上記圧縮装置２０内に、圧縮プロセスの中間圧力点において噴射される。例えば、圧縮装置２０が多段の往復動型コンプレッサであれば、この往復動型コンプレッサの第１圧縮段２０ａと第２圧力段２０ｂとの間の中間圧力段内に冷媒ライン１２から直接に冷媒蒸気が噴射される。圧縮装置２０が単一のスクロールコンプレッサあるいは単一のスクリューコンプレッサであれば、圧縮プロセスの中間圧力にある圧縮チャンバへ向かって開口している圧縮装置２０のインジェクションポート内に、冷媒ライン１２から冷媒蒸気が噴射される。圧縮装置２０が一対のコンプレッサ２０ａ，２０ｂ、例えば直列に接続されてなる一対のスクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、あるいはシリンダの第１バンクと第２バンクとを具備する単一の往復動型コンプレッサ、からなる場合には、第１のコンプレッサ２０ａの吐出ポートと第２のコンプレッサ２０ｂの吸入ポートとを接続する冷媒ラインに、上記エコノマイザ回路冷媒ライン１２から冷媒蒸気が導かれる。

上記フラッシュタンク７０は、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の冷媒流の下流側となりかつエバポレータ５０の冷媒流の上流側となる主冷媒回路の冷媒ライン４に、該冷媒ライン４を通して流れる冷媒を受けるように配置されている。上記主冷媒回路の冷媒ライン４には、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ６０の第１の流路６２の冷媒流の下流側でかつ上記フラッシュタンク７０の入口の上流側において、２次膨張装置７５が介装されている。上記冷媒ライン４を通る高圧冷媒蒸気は、上記２次膨張装置７５を通過する際に膨張し、フラッシュタンク７０内に入る前に、亜臨界の圧力および温度となる。上記２次膨張装置７５は、図１に示すように、電子膨張弁とすることができ、この場合には、２次膨張弁７５は、該２次膨張装置７５上流側での冷媒ライン４における所望の冷媒圧力を維持するように、コントローラ１００からの信号に応答して冷媒流を計量する。また、２次膨張装置７５は単純な固定オリフィス式膨張装置とすることもでき、この場合には、該２次膨張装置７５上流側の冷媒ライン４における圧力は、周囲の条件に依存して変動し、冷媒流は、本質的には固定オリフィス前後の圧力差の大きさに応じて計量される。

上記フラッシュタンク７０は、亜臨界圧力にある膨張した冷媒が流れ込む分離室７２を画成するものであって、冷媒は、液体冷媒部分と蒸気部分とに分離し、液体冷媒部分がフラッシュタンク７０の低部に集まり、蒸気部分がフラッシュタンク７０の液面レベルより上方の部分に集まる。従って、上記フラッシュタンク７０は、冷媒蒸気圧縮システムがシステムの冷媒充填量全量を必要としない容量でもって運転されている場合に液体冷媒を貯蔵しておくためのレシーバとして機能する。

さらに、この冷媒蒸気圧縮システムは、フラッシュタンク７０と主冷媒回路の冷媒ライン６とを、冷媒の流れとしてエバポレータ５０の出口より下流側でかつ圧縮装置２０の吸入口より上流側となる点において連通させる冷媒ライン１４を備えている。フラッシュタンク７０の液面レベル上方の部分に集まった蒸気冷媒は、フラッシュタンク７０から冷媒ライン１４を通して圧縮装置２０に戻るように主冷媒回路へと流れる。フラッシュタンク７０の分離室７２を吸入圧力よりも高い冷媒圧力に維持するために、必要に応じて、冷媒ライン１４を通過する冷媒蒸気の流れを制限する流れ制御弁８５が該冷媒ライン１４に介装されている。一実施例では、上記流れ制御弁８５は、第１の開位置と第２の閉位置とを有する電磁弁、例えばこれに限定されるものではないが、パルス幅変調電磁弁、などからなる。一実施例では、上記流れ制御弁８５を電子膨張弁とすることもできる。

フラッシュタンクエコノマイザ７０の低部に集まった液体冷媒は、ここから冷媒ライン４を通して流れ、主冷媒回路膨張弁５５を通過する。この膨張弁５５は、電子膨張弁あるいは一般的な感温式膨張弁からなり、かつ冷媒ライン４のエバポレータ５０の上流側に配置されている。この１次膨張弁５５を液体冷媒が通過することにより、エバポレータ５０へ流入する前に、冷媒は膨張して低圧低温となる。液体冷媒がエバポレータ５０を通過する際に、この液体冷媒が加熱媒体と熱交換関係でもって通流するので、これにより冷媒は気化し、かつ一般に過熱状態となり、加熱媒体は冷却される。一実施例では、上記エバポレータ５０は、フィン・チューブ型熱交換器５２、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。エバポレータ５０において冷媒と熱交換するように流される上記加熱流体としては、付随のファン５４によって空調環境、例えば、輸送冷凍ユニットに関連した生鮮／冷凍貨物貯蔵ゾーン、商業施設での食品の展示ないし貯蔵エリア、空調システムに関連したビル快適ゾーンなど、から引き込まれる空気とすることができ、この空気は、冷却ならびに一般に除湿され、再びその空調環境に戻される。エバポレータ５０を出た低圧冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して、圧縮装置２０の吸入口に戻る。

一般的なものと同じく、１次膨張弁５５は、エバポレータ５０から出る冷媒中に液体が残存しないことを確実にすべくエバポレータ５０から出て冷媒ライン６を通る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持するように、冷媒ライン４を通る冷媒流を計量する。前述したように、上記１次膨張弁５５は、電子膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁５５は、圧縮装置２０の吸入側における冷媒ライン６での所望の吸入温度ないし吸入圧力を維持するように、コントローラ１００からの信号に応答して冷媒流を計量する。また１次膨張弁５５を感温式膨張弁とすることもでき、この場合には、膨張弁５５は、検出装置により検出される冷媒温度ないし圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置は、エバポレータ出口付近で冷媒ライン６に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。

図１に示した冷媒蒸気圧縮システム１０の例示的な実施例では、冷媒ライン１４に介装された流れ制御弁８５および冷媒ライン１２に介装されたエコノマイザ回路膨張装置７５に機能的に関連したコントローラ１００を含む制御システムによって、冷媒蒸気圧縮システムの運転が制御される。コントローラ１００は、さらに、電子膨張弁５５，６５、圧縮装置２０、ファン４４，５４の動作も制御し得る。一般的なように、周囲条件のモニタリングに加えて、コントローラ１００は、コントローラ１００に機能的に関連しかつシステムの選択された場所に配置された種々のセンサ手段を介して、種々の運転パラメータをモニタする。例えば、図１に示す実施例では、フラッシュタンク７０内の圧力を検出するためにフラッシュタンク７０に機能的に関連して配置された圧力センサ１０２と、冷媒の吸入温度および吸入圧力をそれぞれ検出するように配置された温度センサ１０３および圧力センサ１０４と、冷媒の吐出温度および吐出圧力をそれぞれ検出するように配置された温度センサ１０５および圧力センサ１０６と、を備える。圧力センサ１０２，１０４，１０６は、一般的な圧力センサ、例えば圧力トランスデューサからなり、温度センサ１０３，１０５は、一般的な温度センサ、例えば熱電対やサーミスタからなる。

本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、二酸化炭素のような臨界点の低い冷媒による遷臨界サイクルでの運転に特に適合しているが、従来からの臨界点の高い冷媒による亜臨界サイクルでの運転も可能である。冷媒蒸気圧縮システム１０がエコノマイザモードで運転されているときには、コントローラ１００は、システムの運転条件および容量要求に応答して、冷媒ライン４からエコノマイザ回路冷媒ライン１２を通る冷媒蒸気の流れを計量するように、エコノマイザ回路膨張装置６５を制御する。システムが非エコノマイザモードで運転されているときには、コントローラ１００は、エコノマイザ回路膨張弁６５を閉じ、ガスクーラ４０から冷媒ライン４を通る冷媒の全量が２次膨張装置７５を通過してフラッシュタンク７０に流入するようにする。エコノマイザモードあるいは非エコノマイザモードのいずれでも、コントローラ１００は、検出したシステムの運転パラメータ、例えばコンプレッサ吐出温度、に応答して、フラッシュタンク７０から流出する液体冷媒の量を適正な量に計量し、システムの冷媒充填量の需要に適合するようにしている。

さらに、コントローラ１００は、フラッシュタンク７０からの冷媒蒸気の流れを制限するように冷媒ライン１４に介装された流れ制御弁８５の位置を、所望のフラッシュタンク亜臨界圧力を維持するように、フラッシュタンク７０の分離室の検出圧力に応答して制御する。フラッシュタンクにおける冷媒液体の冷媒蒸気に対する比率は、分離室内の亜臨界圧力レベルに依存するので、膨張時に選択された冷媒の質が生成されるように、フラッシュタンク圧力が流れ制御弁８５の位置によって制御される。もし流れ制御弁８５を連続的に閉じていくと、フラッシュタンク内の圧力は、ガスクーラ圧力の上限まで上昇する。もし流れ制御弁８５を連続的に開いていくと、フラッシュタンク７０内の圧力はより低い圧力へと低下するが、吸入圧力よりは高い圧力となる。流れ制御弁８５が全開となったときのフラッシュタンク内の圧力と吸入圧力との間の実際の圧力差は、用いられた特定の流れ制御弁におけるオリフィス寸法によって決定される。フラッシュタンク７０から冷媒ライン１４を通して吸入圧力へと向かう冷媒蒸気の吐出量の制御は、フラッシュタンク７０内の低い圧力を維持する上で、重要である。従って、コントローラ１００は、フラッシュタンク圧力を選択的に制御するために、継続的に、流れ制御弁８５をその開位置と閉位置とに繰り返し動かす。このような１次膨張弁５５および流れ制御弁８５の操作によって、コントローラ１００は、冷媒蒸気圧縮システム１０が遷臨界モードで運転される場合であっても、運転条件の広い範囲に亘って冷媒充填量を効果的に管理することができる。さらに、冷媒をフラッシュタンク７０内で液相と気相とに分離し、蒸気冷媒はエバポレータ下流の点へ分流させて、液体冷媒のみをエバポレータを通して送ることにより、エバポレータにおける熱交換の効率が改善される。

図２は、図１の冷媒蒸気圧縮システム１０の圧力−エンタルピの関係の特性を示し、図３および図４は一般的な冷媒蒸気圧縮システムの圧力−エンタルピの関係を示しているが、両者を対比することで、本発明の冷媒蒸気圧縮システムにおける容量の改善が示されている。図３は、単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを用いた一般的な従来技術の遷臨界冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図４は、単一のフラッシュタンクエコノマイザを用いた一般的な従来技術の遷臨界冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図２〜図４の各々において、ＡＢはガスクーラ４０でのガス放熱プロセスを表し、ＤＥはエバポレータ５０でのガス吸熱プロセスを表している。図２において、ＫＧは冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ回路でのプロセスを表し、ＭＮはフラッシュタンクから吸入側へのエバポレータバイパス回路でのプロセスを表している。図３において、ＫＧは冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ回路でのプロセスを表している。図４において、ＪＬはフラッシュタンクエコノマイザ回路でのプロセスを表している。図１の場合のエバポレータの線ＤＥは、単一のエコノマイザシステムを用いた各々の従来技術の場合のエバポレータの線に比べて長くなり、このことは、本発明の冷媒蒸気圧縮システムにおけるエバポレータの効率の向上を示している。

当業者であれば、ここに記載した特定の例示的実施例に種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。本発明を図示した例示的実施例に沿って示しかつ説明したが、当業者には、請求項による本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく細部における種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。

Claims (20)

1. 冷媒圧縮装置と、この圧縮装置から受ける冷媒が冷却媒体と熱交換関係となるように高圧で通流する冷媒冷却熱交換器と、加熱媒体と熱交換関係となるように冷媒が低圧で通流する冷媒加熱熱交換器と、上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記冷媒加熱熱交換器の上流側に配置された１次膨張装置と、を含んでなる主冷媒回路と、
   上記主冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記１次膨張装置の上流側に配置された第１の冷媒流路と、エコノマイザ回路冷媒ラインに配置された第２のバイパス流路と、を備えてなる冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザと、
   上記冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の上記第１の冷媒流路の下流側でかつ上記１次膨張装置の上流側に配置され、かつ分離室を画成して、この分離室の低部に液体状態の冷媒が集まるとともに該分離室の液面レベルより上方に蒸気状態の冷媒が集まるフラッシュタンクと、
   上記冷媒回路の上記フラッシュタンクの上流側に、該フラッシュタンクに関連して動作するように設けられた２次膨張装置と、
   上記フラッシュタンクの上記分離室の上部と、上記主冷媒回路における上記冷媒冷却熱交換器下流側の吸入圧力部分と、の間を連通する冷媒蒸気バイパスラインと、
   上記冷媒蒸気バイパスラインに介装され、冷媒蒸気が該バイパスラインを通流する第１の開位置と該バイパスラインの冷媒蒸気の通流が阻止される第２の閉位置とを有するバイパス流制御弁と、
   を備えてなる冷媒蒸気圧縮システム。
2. 上記バイパス流制御弁が、第１の開位置と第２の閉位置とを有する電磁弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
3. 上記バイパス流制御弁がパルス幅変調電磁弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
4. 上記バイパス流制御弁が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
5. 上記１次膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
6. 上記１次膨張装置が感温式膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
7. 上記２次膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
8. 上記２次膨張装置が固定オリフィス式膨張装置からなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
9. 上記エコノマイザ回路冷媒ラインは、上記主冷媒回路から上記圧縮装置の中間圧力段に連通するように延びていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
10. 上記エコノマイザ回路冷媒ラインの上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの上記第２の冷媒流路より上流側に、さらにエコノマイザ回路膨張装置が介装されていることを特徴とする請求項９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
11. 上記エコノマイザ回路膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項１０に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
12. 上記エコノマイザ回路膨張装置が感温式膨張弁からなることを特徴とする請求項１０に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
13. 上記圧縮装置は、少なくとも２つの圧縮段を有する単一のコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
14. 上記圧縮装置は、上記冷媒回路において冷媒の流れとして直列の関係に配置された少なくとも２つのコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
15. 上記圧縮装置がスクロールコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
16. 上記圧縮装置が往復動型コンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
17. 上記圧縮装置がスクリューコンプレッサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
18. 貨物貯蔵領域の温度調整のために輸送冷凍システムに適用されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
19. 遷臨界サイクルで動作することを特徴とする請求項１８に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
20. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１９に記載の冷媒蒸気圧縮システム。

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