JP2011512509A - 冷媒蒸気圧縮システム - Google Patents

Abstract

冷媒蒸気圧縮システムは、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、第１の冷媒流路、第２の冷媒流路および第３の冷媒流路を有した冷媒対冷媒熱交換器とを備えており、第２の冷媒流路は、第１の冷媒流路および第３の冷媒流路の各々と熱交換するように配置されている。第２の冷媒流路は、エコノマイザ回路に配置されている。第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とが互いに熱交換することによって、冷媒吸熱用熱交換器へと通流する冷媒のためのサブクーラとして機能し、第２の冷媒流路と第３の冷媒流路とが互いに熱交換することによって、第２の圧縮装置の吐出口から第１の圧縮装置の吸入口へと通流する冷媒のためのインタクーラとして機能する。

Description

本発明は、一般に、冷媒蒸気圧縮システムに関し、特に、冷媒蒸気圧縮システムの性能を向上させることに関する。

冷媒蒸気圧縮システムは、輸送冷凍の用途においても、生鮮製品や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内の空気の冷却に広く用いられている。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一般に用いられ、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も一般に用いられている。

一般に、上記の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、膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、を備えており、これらの構成要素は、冷媒閉回路として、種々の冷媒ラインによって互いに直列に接続されるとともに、周知の冷媒蒸気圧縮サイクルに応じて配置されている。一般に、膨張装置は、固定オリフィス、キャピラリチューブ、感温式膨張弁（ＴＸＶ）または電子膨張弁（ＥＸＶ）であり、冷媒回路において、冷媒の流れとして冷媒吸熱用熱交換器の上流側でかつ冷媒放熱用熱交換器の下流側に配置されている。

冷媒蒸気圧縮システムが亜臨界サイクルで動作する場合には、冷媒放熱用熱交換器は、冷媒蒸気のためのコンデンサとして機能する。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。しかし、ＨＦＣ冷媒に代えて輸送冷凍システムを含む空調・冷凍装置に使用するために、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、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、少なくとも一部の時間、遷臨界サイクルで動作するように設計されている。

冷媒蒸気圧縮システムが遷臨界サイクルで動作する場合には、圧縮装置から吐出し冷媒放熱用熱交換器を通過する冷媒蒸気の圧力および温度は、超臨界圧力および超臨界温度、即ち、システムに充填される特定の冷媒の臨界点を超過する圧力および温度である。したがって、冷媒放熱用熱交換器は、コンデンサとしてではなく、冷媒のためのガスクーラとして機能する。冷媒放熱用熱交換器を通過した超臨界圧力の冷媒蒸気は、膨張装置を通過するときに、膨張し低い亜臨界圧力および温度となる。したがって、冷媒は、液体冷媒として、より一般には、液体／蒸気の冷媒混合物として、冷媒吸熱用熱交換器へ流入し、冷媒吸熱用熱交換器は、亜臨界冷媒圧力で動作するエバポレータとして機能する。

冷媒蒸気圧縮システムの性能を向上させるとともに、広範囲の動作条件にわたってコンプレッサの最終段から吐出した冷媒蒸気の温度を制御するために、冷媒対冷媒エコノマイザ熱交換器を組み込んだエコノマイザサイクルをこのシステムに搭載することが知られている。エコノマイザ熱交換器は、一般に、冷媒回路において冷媒の流れとして冷媒放熱用熱交換器と冷媒吸熱用熱交換器との間に配置されている。エコノマイザモードでの動作では、冷媒放熱用熱交換器を出た冷媒の少なくとも一部が、主冷媒回路から分岐し、膨張して中間圧力となり、その後、エコノマイザ熱交換器を通流し、冷媒放熱用熱交換器を出た冷媒の主要部分と熱交換する。これにより、膨張したエコノマイザ冷媒流中のあらゆる液体が、一般に気化し、過熱状態となり、冷媒放熱用熱交換器から主冷媒回路を通して冷媒吸熱用熱交換器へと通流する冷媒は、さらに冷却される。一般に、膨張した冷媒蒸気は、単一のコンプレッサの場合は、１つの（または複数の）圧縮チャンバの中間圧力段と連通した１つまたは複数の噴射ポートを通して、圧縮プロセスの中間段へ噴射され、多段コンプレッサシステムの場合は、上流側のコンプレッサの吐出口と下流側のコンプレッサの吸入口との間に延びる冷媒ラインへ噴射される。

特許文献１は、冷媒対冷媒熱交換器を有した冷媒蒸気圧縮システムを開示しており、この冷媒対冷媒熱交換器は、第１の冷媒流路、第２の冷媒流路および第３の冷媒流路を備えている。第１の冷媒流路は、主冷媒回路において冷媒の流れとしてコンデンサの下流側でかつエバポレータの上流側に配置されている。第２の冷媒流路は、エコノマイザ回路の冷媒ラインにおいて冷媒の流れとしてエコノマイザ膨張装置の下流側に配置されている。第３の冷媒流路は、主冷媒回路において冷媒の流れとしてエバポレータの下流側でかつコンプレッサの吸入口の上流側に配置されている。第１の冷媒流路は、第２の冷媒流路および第３の冷媒流路の各々と熱交換するように配置されている。第１の冷媒流路と第３の冷媒流路とが互いに熱交換することによって、高温高圧側対低温低圧側の熱交換器として機能し、この熱交換器において、第１の冷媒流路を通流する高温高圧の冷媒が冷却され、第３の冷媒流路を通流する低温低圧の冷媒蒸気が加熱される。さらに、冷媒蒸気圧縮システムがエコノマイザモードで動作する場合は、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とが互いに熱交換することによって、エコノマイザ熱交換器として機能し、該エコノマイザ熱交換器において、第１の冷媒流路を通流する高温高圧の冷媒がさらに冷却され、第２の冷媒流路を通流する膨張した低温低圧の冷媒蒸気または蒸気／液体の混合物が加熱される。冷媒対冷媒熱交換器の第２の冷媒流路を通過した後に、この膨張した冷媒は、コンプレッサの中間圧力段へ噴射されるか、もしくは主冷媒回路において冷媒の流れとしてエバポレータの下流側でかつコンプレッサの吸入口の上流側の場所へ戻される。

米国特許第７１１４３４９号明細書

本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、第２の圧縮装置の冷媒吐出口と第１の圧縮装置の冷媒吸入口とが連通するように冷媒の流れとして直列に接続される、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、を備えた主冷媒回路を有し、エコノマイザ機能およびインタクーラ機能を有した共有型熱交換器を備えて構成されている。エコノマイザ機能は、冷媒放熱用熱交換器から主冷媒回路を通して主膨張装置へ通流する冷媒を冷却するように作用する。また、インタクーラ機能は、第２の圧縮装置の冷媒吐出口から主冷媒回路を通して第１の圧縮装置の冷媒吸入口へ通流する冷媒を冷却するように作用する。

１つの実施例では、冷媒蒸気圧縮システムは、第２の圧縮装置の冷媒吐出口と第１の圧縮装置の冷媒吸入口とが連通するように冷媒の流れとして直列に接続される、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、を備えた主冷媒回路を有し、冷媒対冷媒熱交換器およびエコノマイザ回路を備えて構成されている。冷媒対冷媒熱交換器は、第１の冷媒流路、第２の冷媒流路および第３の冷媒流路を備えている。第１の冷媒流路は、第１の冷媒流路および第３の冷媒流路の各々と熱交換するように配置されている。第１の冷媒流路は、主冷媒回路において冷媒の流れとして冷媒放熱用熱交換器の下流側でかつ膨張装置の上流側に位置している。第３の冷媒流路は、主冷媒回路において第２の圧縮装置の冷媒吐出口と第１の圧縮装置の冷媒吸入口との間に位置している。エコノマイザ冷媒回路は、エコノマイザ冷媒ラインを備え、該エコノマイザ冷媒ラインは、主冷媒回路において冷媒の流れとして冷媒放熱用熱交換器の冷媒出口の下流側でかつ冷媒吸熱用熱交換器の冷媒入口の上流側の位置と連通した入口を有している。第２の冷媒流路は、エコノマイザ冷媒ライン上に位置している。エコノマイザ膨張装置は、冷媒ラインにおいて冷媒の流れとして第２の冷媒流路の上流側に配置されている。

１つの実施例では、第２の圧縮装置は、単一の多段コンプレッサであり、エコノマイザ冷媒ラインの出口は、多段からなる第２のコンプレッサの中間圧力段と連通している。１つの実施例では、第２の圧縮装置は、冷媒が直列に流れる関係で配置された第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサを備えている。ここで、第２のコンプレッサの冷媒吐出口と第１のコンプレッサの冷媒吸入口とが互いに連通しており、エコノマイザ冷媒ラインは、第２の圧縮装置の第２のコンプレッサの冷媒入口と連通している。他の実施例では、冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒が並列に流れる関係でもって、第１の圧縮装置と並列に配置された第３の圧縮装置をさらに備えている。ここで、第３の圧縮装置の吐出口は、冷媒放熱用熱交換器の冷媒入口と連通しており、エコノマイザ冷媒ラインは、第３の圧縮装置の冷媒吸入口と連通している。

別の実施例では、冷媒蒸気圧縮システムは、予冷用熱交換器を備えており、該予冷用熱交換器は、主冷媒回路において冷媒の流れとして第２の圧縮装置の冷媒吐出口の下流側でかつ冷媒対冷媒熱交換器の第３の冷媒流路の上流側に配置されている。また、予冷用熱交換器を、二次流体、例えば、周囲空気と熱交換するように配置することもでき、この二次流体は、冷媒放熱用熱交換器を通流する冷媒と熱交換する。

本発明の１つの特徴は、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、主膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、を主冷媒回路において冷媒の流れとして直列に接続してなり、第１の圧縮装置および第２の圧縮装置の各々が冷媒吐出口および冷媒吸入口を有する冷媒蒸気圧縮システムを動作する方法が提供されていることである。この方法は、冷媒放熱用熱交換器を出た冷媒の第１の部分を、主冷媒回路の主膨張装置を通して冷媒吸熱用熱交換器へ通流させるステップと、冷媒放熱用熱交換器の下流側において、エコノマイザ膨張装置内の冷媒の第２の部分を中間圧力および中間温度へ膨張させるステップと、冷媒の流れとして主膨張装置の上流側の位置で冷媒の第１の部分と熱交換するように、冷媒の第２の部分を通流させるステップと、第２の圧縮装置の冷媒吐出口から主冷媒回路を通して第１の圧縮装置の冷媒吸入口へ通流する冷媒と熱交換するように、冷媒の第２の部分を通流させるステップと、を含む。

１つの実施例では、上記の方法は、冷媒の第１の部分と、第２の圧縮装置から主冷媒回路を通して第１の圧縮装置へ通流する冷媒と、の双方と逆流熱交換関係をとるように、冷媒の第２の部分を通流させるステップを含む。１つの実施例では、この方法は、第２の圧縮装置から主冷媒回路を通して第１の圧縮装置へ通流する冷媒と熱交換するように冷媒の第２の部分を通流させる前に、第２の圧縮装置から主冷媒回路を通して第１の圧縮装置へ通流する冷媒を予冷するステップをさらに含む。

本発明の蒸気圧縮システムの例示的な第１の実施例を概略的に示した図である。 本発明の蒸気圧縮システムの例示的な第２の実施例を概略的に示した図である。 本発明の蒸気圧縮システムの例示的な第３の実施例を概略的に示した図である。 本発明の蒸気圧縮システムの例示的な第４の実施例を概略的に示した図である。

図１〜４を参照すると、冷媒蒸気圧縮システム１００のいくつかの例示的な実施例が示されており、冷媒蒸気圧縮システム１００は、生鮮製品や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のための輸送冷凍の用途や、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の商業用冷凍の用途や、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設のための空気調和の用途での使用に適している。

冷媒蒸気圧縮システム１００は、第１の圧縮装置２０と、冷媒放熱用熱交換器４０と、冷媒吸熱用熱交換器５０と、第２の圧縮装置３０と、を備えており、これらの構成要素は、主冷媒回路において、冷媒ライン２，４，６，８によって冷媒の流れとして直列に接続されている。第１の圧縮装置２０および第２の圧縮装置３０の各々は、冷媒吐出口および冷媒吸入口を備えている。冷媒ライン２は、第１の圧縮装置２０の吐出口２３と冷媒放熱用熱交換器４０のチューブ列４２の入口とを連通させている。冷媒ライン４は、冷媒放熱用熱交換器４０のチューブ列４２の出口と冷媒吸熱用熱交換器５０のチューブ列５２の入口とを連通させている。冷媒ライン６は、冷媒吸熱用熱交換器５０のチューブ列５２の出口と第２の圧縮装置３０の冷媒吸入口３１とを連通させている。冷媒ライン８は、第２の圧縮装置３０の吐出口３３と第１の圧縮装置２０の吸入口２１とを連通させており、これにより、主冷媒回路が完成する。

冷媒蒸気圧縮システム１００が遷臨界蒸気圧縮サイクルで動作する場合には、第１の圧縮装置２０からその吐出口２３を通して冷媒ライン２へと吐出した冷媒蒸気は、超臨界圧力および超臨界温度である。したがって、冷媒放熱用熱交換器４０は、ガスクーラとして機能する。冷媒放熱用熱交換器４０のチューブ列４２としては、例えば、プレートフィン・ラウンドチューブ型熱交換器のフィン・ラウンドチューブ型熱交換器チューブ列や、ミニチャネルまたはマイクロチャネル熱交換器の波形フィン・マルチチャネルフラットチューブ熱交換器チューブ列を備えることができる。冷媒放熱用熱交換器４０を通過するときに、冷媒は、チューブ列４２の熱交換器チューブを通流し、第２の流体、一般には外気である周囲空気と熱交換し、この第２の流体は、冷媒放熱用熱交換器４０のチューブ列４２と関連して動作する空気移動装置４４、例えば、１つまたは複数のファンによってチューブ列４２を通して引き込まれる。エバポレータとして機能する冷媒吸熱用熱交換器５０と関連して動作する膨張弁５５が、冷媒ライン４において、冷媒の流れとして冷媒吸熱用熱交換器５０の上流側でかつ冷媒放熱用熱交換器４０の下流側に配置されている。

冷媒は、超臨界圧力かつより低温で冷媒放熱用熱交換器４０を出て、冷媒吸熱用熱交換器５０の入口と連通した冷媒ライン４を通過する。冷媒ライン４を通過するときに、冷媒は、冷媒ライン４において冷媒放熱用熱交換器４０と冷媒吸熱用熱交換器５０との間に配置された膨張装置５５を通過する。膨張装置５５は、制限型膨張装置、例えば、キャピラリチューブや固定プレートオリフィス、感温式膨張弁や電子膨張弁とすることができる。膨張装置５５を通過するときには、高圧冷媒は、膨張し低温低圧となり、超臨界の液体冷媒、もしくは、より一般には超臨界の液体／蒸気の冷媒混合物となる。

冷媒が冷媒吸熱用熱交換器５０を通過するときには、冷媒は、チューブ列５２の熱交換器チューブを通流し、調和すべき空気、一般に、温度制御環境から少なくとも部分的に引き込まれ該環境に戻される空気と熱交換し、この空気は、冷媒吸熱用熱交換器５０のチューブ列５２と関連して動作する空気移動装置５４、例えば、１つまたは複数のファンによってチューブ列５２を通して引き込まれる。これにより、空気は、冷却、一般に除湿もされ、冷媒は、気化し、一般に過熱状態となる。冷媒吸熱用熱交換器５０のチューブ列５２としては、例えば、プレートフィン・ラウンドチューブ型熱交換器のフィン・ラウンドチューブ型熱交換器チューブ列や、ミニチャネルまたはマイクロチャネル熱交換器の波形フィン・マルチチャネルフラットチューブ型熱交換器チューブ列を備えることができる。冷媒吸熱用熱交換器５０を出た超臨界圧力の冷媒蒸気は、冷媒ライン６を通して第２の圧縮装置３０の冷媒入口３１へと通流する。

冷媒蒸気圧縮システム１００は、さらに、エコノマイザ熱交換器および冷媒用インタクーラの双方として機能する冷媒対冷媒熱交換器６０を備えている。冷媒対冷媒熱交換器６０は、第１の冷媒流路６２、第２の冷媒流路６４および第３の冷媒流路６６を備えている。第１の冷媒流路６２は、主冷媒回路の冷媒ライン４において、冷媒の流れとして冷媒放熱用熱交換器４０の冷媒出口の下流側でかつ膨張装置５５の上流側に位置しており、該膨張装置５５は、冷媒吸熱用熱交換器５０の冷媒入口の上流側に配置されている。第３の冷媒流路６６は、主冷媒回路の冷媒ライン８において、第２の圧縮装置３０の冷媒吐出口３３と第１の圧縮装置２０の冷媒吸入口２１との間に位置している。

第２の冷媒流路６４は、冷媒蒸気圧縮システム１００のエコノマイザ冷媒回路のエコノマイザ冷媒ライン１０上に位置している。エコノマイザ冷媒ライン１０は、主冷媒回路の冷媒ライン４と圧縮プロセスの中間圧力段とを連通させている。エコノマイザ回路用膨張装置６５は、エコノマイザ冷媒ライン１０において、冷媒の流れとして冷媒対冷媒熱交換器６０の第２の冷媒流路６４の上流側に配置されている。エコノマイザ冷媒ライン１０は、図１に示したように、冷媒ライン４において冷媒の流れとして冷媒対冷媒熱交換器６０の第１の冷媒流路６２の上流側の位置から冷媒の一部を分岐させることができ、もしくは、図２に示したように、冷媒の流れとして冷媒対冷媒熱交換器６０の第１の冷媒流路６２の下流側でかつ主膨張弁５５の上流側の位置から冷媒の一部を分岐させることができる。エコノマイザ冷媒ライン１０は、該エコノマイザ冷媒ライン１０を通して圧縮プロセスの中間圧力段、即ち、圧力が第２のコンプレッサ３０の吸入口の吸入圧力よりも高くかつ第１のコンプレッサ２０の吐出口の吐出圧力よりも低い圧縮プロセスの位置へ冷媒を輸送する。図１および図２に示した実施例では、エコノマイザ冷媒ライン１０の出口は、第２のコンプレッサ３０の中間圧力ポート３５と連通しており、これにより、エコノマイザからの冷媒流が、冷媒の流れとしてインタクーラ回路８の上流側の圧縮プロセスへ噴射される。しかし、所望であれば、第１のコンプレッサ２０の中間圧力ポートと連通するように代替的にエコノマイザ冷媒ライン１０を配置することもでき、これにより、インタクーラ回路８の下流側の圧縮プロセスへエコノマイザからの冷媒流を噴射することができる。

主冷媒回路の冷媒ライン４から分岐した高温高圧の冷媒がエコノマイザ冷媒ライン１０を通して冷媒対冷媒熱交換器６０の第２の冷媒流路６４へと通流するときに、この高温高圧の冷媒は、エコノマイザ膨張装置６５を通過する。エコノマイザ膨張装置６５を通過するときに、高温高圧の冷媒は、膨張し中間圧力および中間温度、即ち、冷媒の吐出温度および吐出圧力よりは低いが、冷媒の吸入圧力および吸入温度よりは高い圧力および温度となる。第２の冷媒流路６４は、第１の冷媒流路６２および第３の冷媒流路６６の各々と熱交換するように配置されている。冷媒蒸気圧縮システム１００が遷臨界蒸気圧縮サイクルで動作する場合は、冷媒ライン４から分岐した冷媒は、超臨界圧力の１つの相からなる冷媒であり、エコノマイザ膨張装置６５の下流側のエコノマイザ冷媒ライン１０を通流する膨張した冷媒は、一般に、超臨界圧力の液体／蒸気の冷媒混合物である。エコノマイザ膨張装置６５は、制限型膨張装置、例えば、キャピラリチューブや固定プレートオリフィス、温度検出バルブと関連して動作する感温式膨張弁や、電子膨張弁とすることができる。

上述したように、第２の冷媒流路６４は、第１の冷媒流路６２および第３の冷媒流路６６の各々と熱交換するように配置されている。冷媒蒸気圧縮システム１００が亜臨界蒸気圧縮サイクルで動作する場合は、冷媒ライン４から分岐した冷媒は、超臨界圧力の液体であり、エコノマイザ膨張装置６５の下流側のエコノマイザ冷媒ライン１０を通流する膨張した冷媒は、一般に、より低い超臨界圧力の液体／蒸気の冷媒混合物である。したがって、第２の冷媒流路６４を通流する冷媒は、第１の冷媒流路６２を通流する冷媒および第３の冷媒流路６６を通流する冷媒に対し、常に、冷却媒体となる。ここで、図１および図２に示したように、第１の冷媒流路６２および第３の冷媒流路６６を通過する冷媒流とは反対の方向に、即ち、これらの流路６２，６６を通過する冷媒流に対し逆流の構成でもって、冷媒対冷媒熱交換器を通して冷媒を通流させるように、第２の冷媒流路６４を配置することができ、もしくは、図３および図４に示したように、第１の冷媒流路６２および第３の冷媒流路６６を通過する冷媒流と同じ方向に、即ち、これらの流路６２，６６を通過する冷媒流に対し並流の構成でもって、冷媒対冷媒熱交換器を通して冷媒を通流させるように第２の冷媒流路６４を配置することができることを理解されたい。しかし、伝熱効率の観点から、第１の冷媒流路６２および第３の冷媒流路６６に対し逆流の構成をとるように第２の冷媒流路６４を配置することがより望ましいことを理解されたい。

この結果、システム１００がエコノマイザモードで動作する場合は、冷媒対冷媒熱交換器６０は、冷媒用インタクーラおよびエコノマイザ熱交換器の双方として機能する。第２の冷媒流路６４を通過する膨張した冷媒が、冷媒ライン８を介して第２の圧縮装置３０の吐出口から第３の冷媒流路６６を通して第１の圧縮装置２０の吸入口へと通流する冷媒を冷却するときに、第２の冷媒流路６４と第３の冷媒流路６６とが互いに熱交換することによって、インタクーラとして機能する。また、第２の冷媒流路６４を通過する膨張した冷媒が、冷媒ライン４を介して冷媒放熱用熱交換器４０から第１の冷媒流路６２を通して冷媒吸熱用熱交換器５０へと通流する冷媒を冷却するときに、第２の冷媒流路６４と第１の冷媒流路６２とが互いに熱交換することによって、エコノマイザとして機能する。

図１および図２に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、第１の圧縮装置２０および第２の圧縮装置３０は、冷媒が直列に流れる関係でもって、第２の圧縮装置３０の冷媒吐出口３３と第１の圧縮装置２０の冷媒吸入口２１とを互いに接続してなる単一のコンプレッサから構成されており、第１のコンプレッサ２０は、第２のコンプレッサ３０よりも高圧で動作する。図１および図２に示したように、上記の実施例では、エコノマイザ冷媒ライン１０は、第２のコンプレッサ３０即ち低圧コンプレッサの中間圧力段と連通しているが、上述したように、所望でかつ実行可能であれば、エコノマイザ冷媒ライン１０は、第１のコンプレッサ２０即ち高圧コンプレッサの中間圧力段と連通するように構成することもできる。上記の実施例では、第１のコンプレッサ２０および第２のコンプレッサ３０の各々は、一般に、冷媒用の単段コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、ロータリコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサおよび遠心コンプレッサ等である。

図２に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、第２のコンプレッサ３０の吐出口３３を出た冷媒は、熱交換器チューブ列４６を通過し周囲空気と熱交換した後に、冷媒対冷媒熱交換器６０の第３の冷媒流路６６へ流入し、第１のコンプレッサ２０の吸入口２１へと戻される。上記の構成において、周囲空気が、第２のコンプレッサ３０の吐出口３３を出た冷媒を予冷し、この予冷された冷媒は、冷媒対冷媒熱交換器６０の第３の冷媒流路６６へと流入し、該第３の冷媒流路６６において、第２の冷媒流路６４を通過するエコノマイザ冷媒流によってさらに冷却される。ここで、冷媒放熱用熱交換器チューブ列４２に関して直列の構成または並列の構成となるように、予冷用熱交換器チューブ列４６を周囲空気流に対し配置することができることを理解されたい。さらに、予冷用熱交換器チューブ列４６は、熱交換器コアおよび／またはハウジング構造体を、冷媒放熱用熱交換器チューブ列４２と共有することができ、もしくは、１つの独立型の熱交換器として構成することもできる。また、予冷用熱交換器チューブ列４６には、図２〜４に示したように、同じ空気移動装置４４を使用することができ、もしくは、個別の専用空気移動装置を使用することもできる。冷媒放熱用熱交換器のチューブ列４２と同様に、熱交換器チューブ列４６は、例えば、プレートフィン・ラウンドチューブ型または波形フィン・フラットチューブ型とすることができる。

図３に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、第２の圧縮装置３０は、少なくとも低圧圧縮段３０ａおよび高圧圧縮段３０ｂを有した多段圧縮装置からなり、冷媒流は、低圧圧縮段３０ａから高圧圧縮段３０ｂへ直接に通流する。本実施例では、エコノマイザ冷媒ライン１０は、圧縮プロセスの中間圧力点と連通しており、例えば、第２の圧縮装置３０の低圧圧縮段３０ａから高圧圧縮段３０ｂへ通流する冷媒へと合流する。本実施例では、第２の圧縮装置３０は、少なくとも第１の圧縮段３０ａおよび第２の圧縮段３０ｂを有した単一の多段コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、あるいは段状圧縮ポケットを有したスクリューコンプレッサ、あるいは少なくとも第１のシリンダ列および第２のシリンダ列を有した往復動型コンプレッサ、あるいは、上流側のコンプレッサの吐出口と下流側のコンプレッサの吸入口とが冷媒の流れとして直列に接続された一対の単段コンプレッサ３０ａ，３０ｂ、例えば、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、遠心コンプレッサ、往復動型コンプレッサ（もしくは単一の往復動型コンプレッサの個別のシリンダ）またはロータリコンプレッサとすることができる。本実施例では、第１の圧縮装置２０は、一般に、冷媒用の単段コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、ロータリコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、遠心コンプレッサ等である。

図４に示した冷媒蒸気圧縮システム１００の例示的な実施例では、エコノマイザ冷媒ライン１０は、第２の圧縮装置３０の中間圧力段ではなく、第３の圧縮装置７０と連通している。第３の圧縮装置７０は、冷媒が並列に流れる関係でもって、第１の圧縮装置２０と並列に配置された単一のコンプレッサであり、即ち、第１の圧縮装置２０および第３の圧縮装置７０の双方は、同じ圧力で、主冷媒回路の冷媒ライン２へ冷媒を吐出する。しかし、第３の圧縮装置７０および第１の圧縮装置２０は、例えば、往復動型コンプレッサの個別のシリンダ列の場合、コンプレッサハウジングを共有することができる。さらに、第３の圧縮装置７０および第２の圧縮装置３０は、同じコンプレッサの別々の部分とすることもできる。本実施例では、第３の圧縮装置７０は、実質的にエコノマイザ回路の一部である。エコノマイザ膨張装置６５において膨張し、冷却媒体としてエコノマイザ熱交換器６０の第２の冷媒流路６４を通過した冷媒は、エコノマイザ冷媒ライン１０を通して第３のコンプレッサ７０の吸入口７１へと通流する。本実施例では、第１の圧縮装置２０、第２の圧縮装置３０および第３の圧縮装置７０は、一般に、冷媒用の単段コンプレッサ、例えば、スクロールコンプレッサ、ロータリコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、遠心コンプレッサ等である。しかし、圧縮装置２０，３０，７０の各々は、所望であれば、多段コンプレッサとすることもできる。

上述したように、図２〜４では、冷媒蒸気圧縮システム１００は、主冷媒回路の冷媒ライン８において、冷媒の流れとしてインタクーラ即ち冷媒対冷媒熱交換器６０の第３の冷媒流路６６の上流に位置した予冷用熱交換器チューブ列４６を備えることができる。動作時には、第２の圧縮装置３０の冷媒吐出口３３から主冷媒回路の冷媒ライン８を通して通流する冷媒蒸気は、予冷用熱交換器チューブ列４６（冷媒放熱用熱交換器４０）を通過して一般に周囲空気である空気によって最初に冷却された後に、冷媒対冷媒熱交換器６０の第３の冷媒流路６６を通過しさらに冷却され、第１の圧縮装置２０の冷媒吸入口２１へと通流する。

図１〜４に概略的に示したいくつかの実施例について、本発明を説明してきた。上記の実施例は、本発明の教示を含む冷媒蒸気圧縮システムの例示的なものであって限定的なものではない。当業者であれば、特許請求の範囲によって画定された本発明の真意および範囲から逸脱することなく、本発明の教示を含む上記の実施例の変更および修正をすることができ、これらの変更および修正は、これに限定されないが、本明細書で説明した冷媒蒸気圧縮システムの種々の構成要素の再配置や冷媒蒸気圧縮システムの付加的な同等の実施例を含むものであることを理解するであろう。

Claims (17)

1. 第２の圧縮装置の冷媒吐出口と第１の圧縮装置の冷媒吸入口とが互いに連通するように、主冷媒回路において冷媒の流れとして直列に接続される、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、主膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、
   前記冷媒放熱用熱交換器から前記主冷媒回路を通して前記主膨張装置へ通流する冷媒を冷却するためのエコノマイザ機能と、前記第２の圧縮装置の冷媒吐出口から前記主冷媒回路を通して前記第１の圧縮装置の冷媒吸入口へ通流する冷媒を冷却するためのインタクーラ機能と、を有した共有型熱交換器と、
   を備えた冷媒蒸気圧縮システム。
2. 第１の圧縮装置および第２の圧縮装置の各々が冷媒吐出口および冷媒吸入口を有し、主冷媒回路において冷媒の流れとして直列に接続される、第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、主膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、
   第１の冷媒流路、第２の冷媒流路および第３の冷媒流路を有した冷媒対冷媒熱交換器であって、前記第１の冷媒流路が、前記主冷媒回路において前記冷媒放熱用熱交換器の冷媒出口と前記冷媒吸熱用熱交換器の冷媒入口との間に位置し、前記第３の冷媒流路が、前記主冷媒回路において前記第２の圧縮装置の冷媒吐出口と前記第１の圧縮装置の冷媒吸入口との間に位置し、前記第２の冷媒流路が、少なくとも前記第１の冷媒流路および前記第３の冷媒流路と熱交換するように配置される、冷媒対冷媒熱交換器と、
   エコノマイザ冷媒ラインを備え、該エコノマイザ冷媒ラインが、前記主冷媒回路において前記冷媒放熱用熱交換器の冷媒出口の下流側でかつ前記冷媒吸熱用熱交換器の冷媒入口の上流側の位置と連通した入口を有し、前記第２の冷媒流路を配置してなるエコノマイザ冷媒回路と、
   を備えた冷媒蒸気圧縮システム。
3. 前記エコノマイザ冷媒回路のエコノマイザ冷媒ラインは、前記第２の圧縮装置の中間圧力段と連通していることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
4. 前記第２の圧縮装置は、単一の多段コンプレッサであり、前記エコノマイザ冷媒回路のエコノマイザ冷媒ラインは、前記多段コンプレッサの中間圧力段と連通していることを特徴とする請求項３に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
5. 前記エコノマイザ冷媒回路のエコノマイザ冷媒ラインは、前記第１の圧縮装置の中間圧力段と連通していることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
6. 前記第１の圧縮装置は、単一の多段コンプレッサであり、前記エコノマイザ冷媒回路のエコノマイザ冷媒ラインは、前記多段コンプレッサの中間圧力段と連通していることを特徴とする請求項５に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
7. 前記第２の圧縮装置は、冷媒が直列に流れる関係で配置された第１の圧縮段および第２の圧縮段を有した多段コンプレッサであり、前記第１の圧縮段の冷媒吐出口は、前記第２の圧縮段の冷媒吸入口と連通し、前記冷媒対冷媒熱交換器の第２の冷媒流路は、前記第２の圧縮段の冷媒吸入口と連通し、前記冷媒対冷媒熱交換器の第３の冷媒流路は、前記第１の圧縮装置の冷媒吸入口と連通していることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
8. 前記第１の圧縮装置は、冷媒が直列に流れる関係で配置された第１の圧縮段および第２の圧縮段を有した多段コンプレッサであり、前記第１の圧縮段の冷媒吐出口は、前記第２の圧縮段の冷媒吸入口と連通し、前記冷媒対冷媒熱交換器の第２の冷媒流路は、前記第２の圧縮段の冷媒吸入口と連通し、前記冷媒対冷媒熱交換器の第３の冷媒流路は、前記第１の圧縮段の冷媒吸入口と連通していることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
9. 第３の圧縮装置をさらに備え、該第３の圧縮装置は、前記冷媒放熱用熱交換器の冷媒入口と連通した冷媒出口と、前記冷媒対冷媒熱交換器の第２の冷媒流路と連通した冷媒入口と、を有することを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
10. 予冷用熱交換器をさらに備え、該予冷用熱交換器は、前記主冷媒回路において冷媒の流れとして前記第２の圧縮装置の冷媒吐出口の下流側でかつ前記冷媒対冷媒熱交換器の第３の冷媒流路の上流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
11. 前記予冷用熱交換器は、二次流体と熱交換するように配置され、該二次流体は、前記冷媒放熱用熱交換器を通流する冷媒と熱交換す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. 前記二次流体は、周囲空気であることを特徴とする請求項１１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
13. 前記予冷用熱交換器は、前記冷媒放熱用熱交換器と熱交換器構造体を共有してい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。
14. 前記予冷用熱交換器は、前記冷媒放熱用熱交換器と熱交換器コアを共有してい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。
15. 第１の圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、主膨張装置と、冷媒吸熱用熱交換器と、第２の圧縮装置と、を主冷媒回路において冷媒の流れとして直列に接続してなり、前記第１の圧縮装置および前記第２の圧縮装置の各々が冷媒吐出口および冷媒吸入口を有する冷媒蒸気圧縮システムを動作する方法であって、
    前記冷媒放熱用熱交換器を出た冷媒の第１の部分を、前記主冷媒回路を通して前記冷媒吸熱用熱交換器へ通流させるステップと、
    前記冷媒放熱用熱交換器の下流側において、前記冷媒の第２の部分を中間圧力へ膨張させるステップと、
    前記主冷媒回路において冷媒の流れとして前記主膨張装置の上流側の位置で、前記冷媒の第１の部分と熱交換するように、前記冷媒の第２の部分を通流させるステップと、
    前記第２の圧縮装置の冷媒吐出口から前記主冷媒回路を通して前記第１の圧縮装置の冷媒吸入口へ通流する冷媒と熱交換するように、前記冷媒の第２の部分を通流させるステップと、
    を含む方法。
16. 前記冷媒の第１の部分と、前記第２の圧縮装置から前記主冷媒回路を通して前記第１の圧縮装置へ通流する冷媒と、の双方と逆流熱交換関係をとるように、前記冷媒の第２の部分を通流させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２の圧縮装置から前記主冷媒回路を通して前記第１の圧縮装置へ通流する冷媒と熱交換するように前記冷媒の第２の部分を通流させる前に、前記第２の圧縮装置から前記主冷媒回路を通して前記第１の圧縮装置へ通流する冷媒を予冷するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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