JP2011522208A - 冷媒組成調整機能を備えた多冷媒冷却システム - Google Patents

冷媒組成調整機能を備えた多冷媒冷却システム Download PDF

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Abstract

冷媒混合物を循環させるための冷却回路（１００）を備える多冷媒冷却システムを提供する。冷却回路は、特に、冷媒混合物のそれぞれの冷媒画分を分離及び回収する１つ又は複数のセパレータ（１０２，１０３）を備えている。各セパレータは、それぞれの保持タンク（２０１，２０２）に接続されており、各保持タンクはさらに供給管（２０７）を介して冷却回路に接続されており、供給管は冷却回路に１つ又は複数の冷媒画分を供給するよう構成されている。また、多冷媒冷却システムにおける冷媒混合物組成の調整方法を提供する。該方法は、多冷媒冷却システムの動作中に冷媒混合物組成の調整を可能にする。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００８年６月５日に出願された米国仮特許出願第６１/０５８,９４７号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、多冷媒冷却システム、及び、多冷媒冷却システムにおける冷媒混合物組成の調整方法に関するものである。
多冷媒冷却システムは従来から知られており、異なる凝縮温度を有する２つ以上の冷媒からなる冷媒混合物により動作する。従って、冷媒の混合物は多冷媒冷却システムの冷却回路を循環することになる。多冷媒冷却システムは、特に、非常に低い温度を必要とする工業用途に用いられる。その代表的な用途の１つとして、二酸化炭素（ＣＯ２）を氷に凍結することによる排ガスからのＣＯ２捕捉が挙げられる。
多冷媒冷却システムは、例えば、米国特許第７,０７３,３４８号及び米国特許第２００６/０２７７９４２号に開示されている。開示されているシステムは、統合カスケードと呼ばれる冷却原理に基づいて動作する。
冷媒混合物の組成を変更するには、多冷媒冷却システムを停止し、システム内の冷媒混合物を取り除き、所望の組成を有する冷媒混合物を補充する。
本発明の目的は、多冷媒冷却システムにおいて冷媒混合物組成の調整を行った場合の冷媒の再利用を可能にすること、多冷媒冷却システムにおける冷媒混合物組成の調整時に浪費される冷媒量を最小限に抑えることを可能にすること、多冷媒冷却システムの維持動作中に冷媒混合物組成の調整を実行することを可能にすることを含む。
経済的及び環境的観点から、冷媒混合物組成の調整に関連した多冷媒冷却システムからの冷媒の排出を回避又は低減することが重要である。また、運用上及び経済的観点から、多冷媒冷却システムの動作中に冷媒混合物組成の調整を可能にすることが重要である。
以下の説明を考察することにより当業者に明らかとなる上述の目的及びその他の目的は、第１の態様において、２つ以上の冷媒からなる冷媒混合物を循環させるための冷却回路を備えた多冷媒冷却システムであって、冷却回路が、入口及び出口を有するコンプレッサと、冷媒混合物のそれぞれの冷媒画分を分離及び回収するように構成された１つ又は複数のセパレータと、クライアントとを含み、コンプレッサの出口が１つ又は複数のセパレータを介してクライアントに接続される多冷媒冷却システムにおいて、各セパレータがそれぞれの回収管を介してそれぞれの保持タンクに接続され、各保持タンクがそれぞれのセパレータからの冷媒画分を収容するよう配置され、さらに各保持タンクが供給管を介して冷却回路に接続され、供給管が冷却回路に１つ又は複数の冷媒画分を供給するよう構成されている、多冷媒冷却システムによって達成される。
このように、冷媒混合物組成の調整を好条件下で行うことができる多冷媒冷却システムが提供される。特に、クライアントの温度要求の変更及び／又は環境温度の変化を考慮した調整については、該冷却システムの動作中に冷媒混合物の組成を変更することによって対処することが可能である。
本明細書において、「クライアント」という用語は、冷却回路に沿って多冷媒冷却システムにより冷却される物に関連するものである。本明細書において説明するものは別として、冷却回路の細部構成やその動作原理は、本発明にとって枢要なものではない。
上記システムは、１つ又は複数のセパレータとクライアントとの間の位置に、更なる回収管を介して冷却回路に接続される更なる保持タンクを備えていてもよく、更なる保持タンクは冷却回路からの冷媒画分を収容するよう配置され、更なる保持タンクはさらに供給管を介して冷却回路に接続されている。こうして、１つ又は複数のセパレータによって１つ又は複数の他の冷媒画分の分離、それに続く１つ又は複数の保持タンクへの回収が行われた後に冷却回路に残っている冷媒画分は、冷媒混合物組成の調整時に利用されてもよい。
上記供給管は、クライアントとコンプレッサの入口との間の位置で冷却回路に接続されていてもよい。冷媒画分は、一般的に、それぞれのセパレータの圧力又はそれよりわずかに低い圧力で保持タンク内に保持されている。上記１つ又は複数のセパレータは、通常、冷却回路の高圧側に属しているので、そのような冷媒画分をクライアントとコンプレッサの入口との間の位置で、すなわち、冷却回路の低圧側で、保持タンクから冷却回路へと供給管を介して供給することは有効である。これにより、ポンプやその他の圧力調整手段がなくても、あるいは、それらをあまり必要としないで、上記冷媒画分を冷却回路に供給することが可能である。従って、上記システムは、各冷媒画分が分離される冷却回路内の圧力と、供給管が接続される冷却回路内の圧力との間の圧力に維持されている１つ又は複数の保持タンクを備えていてもよい。
各回収管は、さらにフレアに接続されていてもよい。回収された画分が望ましい純度のものではない場合、その画分は貯蔵及び／又は再利用されずに冷却回路から取り除かれる。このように、分離及び回収された冷媒混合物の冷媒画分は廃棄されてもよい。これは分離及び回収された冷媒画分を出口フレアに送ることで手軽になし得る。
例として、クライアントは、二酸化炭素凍結容器、すなわち、ガス状の二酸化炭素が低温で二酸化炭素氷として捕捉される容器であってもよい。従って、本発明は、さらに、上述の多冷媒冷却システムを二酸化炭素凍結容器の冷却のために利用することに関する。
上記システムは、制御システムによって制御されるよう構成されていてもよい。関連する制御シグナリング・インフラストラクチャを有する制御装置は、例えば圧力センサを介して各保持タンク内の量を把握する。また、制御装置は、多成分検出器を介してシステム内の各冷媒の割合を把握してもよい。さらに、制御装置は、冷媒混合物に対してどのような調整が必要かによって、さまざまな制御弁の開放率及び時間を決定してもよい。
第２の態様において、本発明の特定の目的は、多冷媒冷却システムにおける冷媒混合物組成の調整方法であって、
異なる冷媒組成を有する、冷媒混合物の１つ又は複数の冷媒画分を多冷媒冷却システムから回収するステップ（ａ）と、
多冷媒冷却システムに冷媒流を供給することで、多冷媒冷却システムの冷媒混合物組成を冷媒流とは異なる新しい組成に調整できるようにするステップ（ｂ）と、
ステップ（ａ）及び（ｂ）中に、多冷媒冷却システムの冷媒混合物を、多冷媒冷却システムの動作を可能とする量に維持するステップ（ｃ）と、
を備え、これにより、多冷媒冷却システムの動作中に冷媒混合物の組成を調整することを可能にする、方法によって達成される。
経済的及び環境的観点から、冷媒混合物組成の調整に関連した多冷媒冷却システムからの冷媒の排出を回避又は低減することは有効である。そのため、ステップ（ａ）で回収された１つ又は複数の冷媒画分のうち、１つ以上の、好ましくはすべての画分が個別に保存されてもよい。回収された画分を個別に保存することで、その回収や再利用などのさらなる処理が容易になる。保存されなかった画分は廃棄、例えば、焼却されてもよい。回収された画分が望ましい純度のものではない場合、その画分は、通常、保存されずに廃棄されてもよい。
冷媒の排出を回避又は低減するだけでなく、多冷媒冷却処理動作を望ましい形で終了するために、ステップ（ｂ）で供給された冷媒流は、保存された１つ又は複数の画分のうち、１つ以上の画分を含んでいてもよく、好ましくはそれらから構成される。多冷媒冷却システムから回収された１つ又は複数の画分は、多冷媒冷却システムの冷媒混合物の組成を変化させる量及び／又は割合であっても、該システムに戻されてもよい。多冷媒冷却システムから回収されたものではなく、通常は実質的に純粋に又は設定組成の混合物で供給される構成冷媒は、便宜上、ステップ（ｂ）の冷媒流の一部として多冷媒冷却システムに供給されてもよい。
一般的に、多冷媒冷却システムの動作には、本来、冷媒混合物を概して冷媒混合物のそれぞれの冷媒に対応する画分に分離することが含まれる。そのため、ステップ（ａ）において回収された画分の数は、便宜上、多冷媒冷却システムの冷媒混合物中の冷媒の数以下、好ましくはその冷媒の数に等しくてもよい。
時として、冷媒混合物の回収された画分を保存することが有用ではなく、ステップ（ａ）で回収された１つ又は複数の画分が廃棄されることもある。上述したように、そのような１つ又は複数の画分は焼却されてもよい。そのような場合、ステップ（ａ）で回収された画分の数が１であるのが好適な場合がある。しかし、多冷媒冷却システムから回収されたものではなく、通常は実質的に純粋に又は設定組成の混合物で供給される構成冷媒は、ステップ（ｂ）の冷媒流の一部として多冷媒冷却システムに供給されてもよい。
１つ又は複数の保存された画分は、それぞれ、ステップ（ａ）で各画分が回収される多冷媒冷却システムの位置における冷媒混合物の圧力と、ステップ（ｂ）が実行される多冷媒冷却システムの位置における冷媒混合物の圧力との間の圧力に維持されていてもよい。その代わりに、又は、それに加えて、ステップ（ａ）で回収された１つ又は複数の画分は、ステップ（ｂ）が実行される多冷媒冷却システムの位置よりも高い圧力で冷媒混合物が存在する多冷媒冷却システムの位置においてそれぞれ回収されてもよい。ここで提案されているような圧力の要素を考慮した場合の好ましい結果として、冷媒混合物の１つ又は複数の画分の回収、そのような画分の保存、及び／又は、冷媒流の供給を、ポンプやその他の圧力調整手段がなくても、又は、それらをあまり必要としないで行うことが可能である。
例として、多冷媒冷却システムは、二酸化炭素凍結容器、すなわち、ガス状の二酸化炭素が低温で二酸化炭素氷として捕捉される容器を冷却してもよい。
本発明の実施形態に係る多冷媒冷却システムの概略図である。 本発明の実施形態に係る別の多冷媒冷却システムの概略図である。
図１に、冷媒混合物を循環させるための冷却回路１００と、冷媒混合物の組成を調整するための装置２００とを備えた多冷媒冷却システムを示す。
冷却回路１００は、コンプレッサ１０１、冷媒セパレータ１０２，１０３、及び、多冷媒冷却システムにより冷却されるクライアント１０４を含む。コンプレッサ１０１の出口は、セパレータ１０２，１０３を介してクライアント１０４に接続される。冷却回路１００は、さらに、冷媒混合物のそれぞれの画分のための膨張手段１０５，１０６，１０７と、熱交換器（凝縮器／蒸発器）１０８，１０９とを含み、これらすべては、冷却回路が統合カスケードと呼ばれる冷却原理に基づいて動作を行うために設置されている。図示の冷却回路は、３つの成分からなる冷媒混合物用に設計されている。冷却回路の細部構成やその動作原理は、本発明にとって枢要なものではないことが強調される。
冷媒混合物の組成を調整するための装置２００は、冷却回路１００内で循環される冷媒混合物を構成する各冷媒用の保持タンク２０１，２０２，２０３を備えている。それらの保持タンクは、それぞれの弁２０４，２０５，２０６及び供給管２０７を介して冷却回路１００に接続される。供給管２０７は、クライアント１０４とコンプレッサ１０１の入口との間の位置で、すなわち、冷却回路の低圧側で、冷却回路１００に接続される。フレア２０８は、弁２０９を介して冷却回路１００に接続される。
図１には図示されていないが、関連する制御シグナリング・インフラストラクチャを有する制御装置は、圧力センサを介して各保持タンク２０１，２０２，２０３内の量を把握し、多成分検出器を介して冷却回路１００の冷媒混合物中の各冷媒の割合を把握し、弁２０４，２０５，２０６，２０９を制御する。
冷却回路１００の冷媒混合物の組成を調整するには、冷却回路から冷媒混合物の一部を取り除き、混合物の組成に影響を与えるのに十分な量の１つ以上の冷媒を補充する。そのため、弁２０９が一時的に開放されて冷媒混合物の一部を冷却回路１００からフレア２０８へと放出させる。弁２０４，２０５，２０６のうちの１つ以上の弁が一時的に開放されて、保持タンク２０１，２０２及び／又は２０３からの１つ又は複数の冷媒を、供給管２０７を介して冷却回路１００に供給する。制御装置（不図示）は、どのような調整を行うかによって、弁の開放率及び時間を決定し、必要に応じて１つ以上の弁２０４，２０５，２０６，２０９に対応する信号を出力する。
図２に、冷媒混合物を循環させるための冷却回路１００と、冷媒混合物の組成を調整するための装置２００とを備えた別の多冷媒冷却システムを示す。
図２の冷却回路１００は図１の冷却回路１００と同様であるが、ここでも冷却回路の細部構成やその動作原理は、本発明にとって枢要なものではないことが強調される。
冷媒混合物の組成を調整するための装置２００は、それぞれの回収管２１０，２１１及び弁２１２，２１３を介して各セパレータ１０２又は１０３にそれぞれ接続される保持タンク２０１，２０２を備えている。更なる保持タンク２０３が、セパレータ１０３とクライアント１０４との間の位置で、回収管２１４及び弁２１５を介して、冷却回路１００に接続される。このように、各保持タンク２０１，２０２，２０３は、冷却回路１００からの各冷媒画分を収容するよう配置されている。それらの保持タンクは、それぞれの弁２０４，２０５，２０６及び供給管２０７を介して冷却回路１００に接続される。供給管２０７は、クライアント１０４とコンプレッサ１０１の入口との間の位置で、すなわち、冷却回路の低圧側で、冷却回路１００に接続される。フレア２０８は、弁２１６，２１７，２１８を介して回収管２１０，２１１，２１４に接続される。
図２には図示されていないが、関連する制御シグナリング・インフラストラクチャを有する制御装置は、圧力センサを介して各保持タンク２０１，２０２，２０３内の量を把握し、冷却回路１００の冷媒混合物中の各冷媒の割合を把握し、多成分検出器を介して各保持タンク２０１，２０２，２０３内の冷媒画分の各冷媒の割合を把握し、弁２０４，２０５，２０６，２１２，２１３，２１５，２１６，２１７，２１８を制御する。制御装置は、例えば、上記システムパラメータを示す入力信号を受信し、格納された指示によってその入力信号を処理し、上記個々の制御弁に出力信号を提供して本明細書で述べたように上記システムを運用する汎用コンピュータ、特定用途向け計算装置又はその他のプログラマブルコントローラを含んでいてもよい。
冷却回路１００の冷媒混合物の組成を調整するには、冷却回路から冷媒混合物の一部を取り除き、混合物の組成に影響を与えるのに十分な量の１つ以上の冷媒画分を補充する。そのため、弁２１２，２１３，２１５のうちの１つ又は複数の弁が一時的に開放されて、各冷媒画分の一部を保持タンク２０１，２０２又は２０３に送る。あるいは、弁２１６，２１７，２１８のうちの１つ又は複数の弁が一時的に開放されて、各冷媒画分の一部を冷却回路１００からフレア２０８へと放出させる。弁２０４，２０５，２０６のうちの１つ又は複数の弁が一時的に開放されて、保持タンク２０１，２０２及び／又は２０３のうちの１つ又は複数の冷媒画分を、供給管２０７を介して冷却回路１００に供給する。制御装置（不図示）は、どのような調整を行うかによって、弁の開放率及び時間を決定し、必要に応じて１つ以上の弁２０４，２０５，２０６，２１２，２１３，２１５，２１６，２１７，２１８に対応する信号を出力する。
代りに、図２の多冷媒冷却システムは、次のように説明することもできる。
多冷媒冷却システム（ＭＲＣ）は、２つ以上の冷媒画分からなる冷媒混合物を循環させるための冷却回路１００を備えている。ＭＲＣは、一工程で異なる凝縮温度を有する２つ以上の冷媒を混合することによって動作する。冷却回路１００は、コンプレッサ１０１、クライアント１０４、回路１００内でコンプレッサ１０１とクライアント１０４との間に位置する１つ又は複数の冷媒セパレータ１０２，１０３を含む。各セパレータ１０２，１０３は、冷媒混合物から特定の冷媒画分を分離可能なだけではなく、特定の冷媒画分が１つ又は複数の配管コネクタ２１０，２１１を通じて各セパレータの下部から回収可能となるよう構成されている。１つ又は複数の配管コネクタ２１０，２１１は特定の冷媒を保持する特定の保持タンク２０１，２０２に接続される。１つ又は複数の保持タンク２０１，２０２は、各セパレータ１０２，１０３からの画分を収容するよう配置されている。各配管コネクタ２１０，２１１は、１組の制御弁２１２，２１６；２１３，２１７を備えており、そのうちの一方２１２，２１３は保持タンクへの流入を制御し、他方２１６，２１７は出口フレア２０８への流れを制御する。また、各保持タンク２０１，２０２は、それぞれ共通のヘッダー管２０７を介して冷却回路に連結される管で個別に接続される。各管には、１つ又は複数の保持タンク２０１，２０２から冷却回路１００への１つ又は複数の特定の冷媒画分の供給を制御するよう構成されている制御弁２０４，２０５が取り付けられている。凝縮温度が最も低い冷媒は、それ用のセパレータが存在せず、最後のセパレータ１０３の後では純粋な状態で存在し、配管連結部２１４を介してそれ用の保持タンク２０３に接続される。この配管連結部２１４は、１組の制御弁２１５，２１８を備えており、そのうちの一方２１５は保持タンク２０３への流入を制御し、他方２１８は出口フレア２０８への流れを制御する。また、保持タンク２０３は、管を通じて共通のヘッダー管２０７を介して冷却回路に個別に接続される。この管にもまた、保持タンク２０３から冷却回路１００への特定の冷媒画分の供給を制御するよう構成されている制御弁２０６が取り付けられている。
ＭＲＣシステム内の特定冷媒量を低減するには、各制御弁２１２，２１３，２１５が開放されて所望の冷媒をＭＲＣ外に出し、各保持タンク２０１，２０２，２０３に流入させる、あるいは、１つ又は複数の制御弁２１６，２１７，２１８が開放されてフレアへと放出させる。一方、ＭＲＣシステム内の特定冷媒量を増大させるには、各制御弁２０４，２０５，２０６が開放されて各冷媒を各保持タンク２０１，２０２，２０３外に出し、好ましくは低圧側の処理フローに進入させる。このような冷媒の移動は、ポンプを必要とせずに、差圧だけを用いても達成可能である。
現時点で好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明の精神を逸脱することなく様々な他の変更がなされ得ることが当業者には明らかであろう。上記実施形態の説明は、本発明の範囲に関して包括的又は限定的なものであることを意図するものではない。また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の完全な意味及び範囲内において解釈されるべきものであることは言うまでもない。

Claims (14)

  1. ２つ以上の冷媒からなる冷媒混合物を循環させるための冷却回路（１００）を備えた多冷媒冷却システムであって、前記冷却回路が、入口及び出口を有するコンプレッサ（１０１）と、冷媒混合物のそれぞれの冷媒画分を分離及び回収するように構成された１つ又は複数のセパレータ（１０２，１０３）と、クライアント（１０４）とを含み、コンプレッサ（１０１）の出口が前記１つ又は複数のセパレータ（１０２，１０３）を介してクライアント（１０４）に接続される多冷媒冷却システムにおいて、各セパレータ（１０２，１０３）がそれぞれの回収管（２１０，２１１）を介してそれぞれの保持タンク（２０１，２０２）に接続され、各保持タンク（２０１，２０２）がそれぞれのセパレータ（１０２，１０３）からの前記冷媒画分を収容するよう配置され、さらに各保持タンク（２０１，２０２）が供給管（２０７）を介して冷却回路（１００）に接続され、前記供給管（２０７）が冷却回路（１００）に１つ又は複数の冷媒画分を供給するよう構成されている、多冷媒冷却システム。
  2. 前記１つ又は複数のセパレータ（１０２，１０３）と前記クライアント（１０４）との間の位置に、更なる回収管（２１４）を介して前記冷却回路（１００）に接続される更なる保持タンク（２０３）を備えており、前記更なる保持タンク（２０３）が前記冷却回路（１００）からの冷媒画分を収容するよう配置され、前記更なる保持タンク（２０３）がさらに供給管（２０７）を介して前記冷却回路（１００）に接続されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記供給管（２０７）が、前記クライアント（１０４）と前記コンプレッサ（１０１）の入口との間の位置で前記冷却回路（１００）に接続されている、請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 各回収管（２１０，２１１，２１４）がさらにフレア（２０８）に接続されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシステム。
  5. 前記クライアントが、二酸化炭素凍結容器である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシステム。
  6. 多冷媒冷却システムにおける冷媒混合物組成の調整方法であって、
    異なる冷媒組成を有する、冷媒混合物の１つ又は複数の冷媒画分を前記多冷媒冷却システムから回収するステップ（ａ）と、
    前記多冷媒冷却システムに冷媒流を供給することで、前記多冷媒冷却システムの冷媒混合物組成を前記冷媒流とは異なる新しい組成に調整できるようにするステップ（ｂ）と、
    前記ステップ（ａ）及び（ｂ）中に、前記多冷媒冷却システムの前記冷媒混合物を、該多冷媒冷却システムの動作を可能とする量に維持するステップ（ｃ）と、
    を備え、これにより、前記多冷媒冷却システムの動作中に前記冷媒混合物の組成を調整することを可能にする、方法。
  7. 前記ステップ（ａ）で回収された前記１つ又は複数の冷媒画分のうち、１つ以上の、好ましくはすべての画分が個別に保存される、請求項６に記載の方法。
  8. 前記ステップ（ｂ）で供給された冷媒流が、前記保存された１つ又は複数の画分のうち、１つ以上の画分を含んでいる、好ましくはそれらから構成されている、請求項７に記載の方法。
  9. 前記ステップ（ａ）において回収された画分の数が、前記多冷媒冷却システムの前記冷媒混合物中の冷媒の数以下、好ましくはその冷媒の数に等しい、請求項７又は８に記載の方法。
  10. 前記ステップ（ａ）で回収された１つ又は複数の画分が廃棄される、請求項６に記載の方法。
  11. 前記ステップ（ａ）で回収された画分の数が１である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記１つ又は複数の保存された画分が、それぞれ、前記ステップ（ａ）で各画分が回収された前記多冷媒冷却システムの位置における冷媒混合物の圧力と、前記ステップ（ｂ）が実行される多冷媒冷却システムの位置における冷媒混合物の圧力との間の圧力に維持されている、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記ステップ（ａ）で回収された前記１つ又は複数の画分は、前記ステップ（ｂ）が実行される前記多冷媒冷却システムの位置よりも高い圧力で前記冷媒混合物が存在する前記多冷媒冷却システムの位置においてそれぞれ回収される、請求項６ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記多冷媒冷却システムが二酸化炭素凍結容器を冷却する、請求項６ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
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