JP2019513966A - 低gwpカスケード冷却システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願はまた、2017年3月24日出願の米国出願15/468,292(その全部を参照として本明細書中に包含する)の継続出願でもあり、それに対する優先権の利益を主張する。
本明細書に記載する好ましい態様のそれぞれにおいて、本システムは、
(a)ループ内で流体連絡している圧縮機、膨張器、及び蒸発器、並びに第1の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第1の熱伝達組成物を含む相対的に低い温度の蒸気圧縮ループ(蒸発器は冷却する空気を含むエンクロージャ内に配置されて、ほぼかかる相対的に低い温度において空気から熱を吸収することができる);
(b)ループ内で流体連絡している圧縮機、凝縮器、膨張器、及び吸入ライン熱交換器、並びに第2の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第2の熱伝達組成物を含む相対的に高い温度の蒸気圧縮ループ(凝縮器はエンクロージャの外側に配置されているヒートシンクに熱を移動させることができる);並びに
(c)第1と第2の冷媒の間の熱交換によって第1の冷媒を凝縮させて第2の冷媒を蒸発させるためのカスケード熱交換器;
を含み;
吸入ライン熱交換器は、カスケード熱交換器から排出される第2の熱伝達組成物の少なくとも一部を受容するためにカスケード熱交換器と流体連絡していて、凝縮器から排出される第1の熱伝達組成物から熱を吸収することによってその温度を上昇させ、それによって第1の熱伝達組成物が第1ループ膨張器に導入される前に第1の熱伝達組成物の温度を低下させる。
一般に、本システム及び方法において用いる運転条件は、本明細書に含まれる開示事項を考慮して具体的な用途に応じて広く変化させることができると意図される。しかしながら、多くの好ましい用途においては下表に示す範囲内の運転パラメーターが有利に用いられる。これらの量は全て「約」によって修飾されていると理解される。
1つの好ましい冷却システムを図1に示す。この冷却システムは概して10として示されている。概して100として示される境界は、エンクロージャを図式的に示す。低温ループは、圧縮機11、カスケード熱交換器12の凝縮側12A、膨張弁14、及び蒸発器15を含む。示されているように、蒸発器15は、第1の熱伝達組成物をエンクロージャ境界に、及びそれから移送する任意の関連する導管及び他の接続装置並びに関連する装置と共にエンクロージャ100内に配置される。蒸発器14は好ましくはエンクロージャの内側に配置され、示されている図面においてはエンクロージャ100の内側に配置されているように開示されているが、幾つかの態様においてはエンクロージャの外側に膨張器14を与えることが望ましく及び/又は必要である可能性があることが認識される。高温ループは、圧縮機21、カスケード熱交換器12の蒸発側12B、膨張弁24、及び凝縮器25を含み、これらは全て、任意の関連する導管及び他の接続装置並びに関連する装置と共にエンクロージャ100の外側に配置される。高温回路はまた、凝縮器25から排出される第2の熱伝達組成物流30と、カスケード熱交換器12の蒸発側12Bから排出される第2の熱伝達組成物流31の間での熱の交換を可能にする吸入ライン熱交換器50も含む。
A.第1の冷媒がCO2で、第2の冷媒がR−1234ze(E):
例として、本出願人らは、第1の冷媒がCO2から構成され、第2の冷媒がR01234ze(E)から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第1の冷媒と第2の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物(蒸気及び液体を含む)の燃焼性を以下のように求めた。
更なる例として、本出願人らは、第1の冷媒がCO2から構成され、第2の冷媒がSR26(R−1234ze(E):R−32の重量比80:20の組合せ)から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第1の冷媒と第2の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物(蒸気及び液体を含む)の燃焼性を以下のように求めた。
更なる例として、本出願人らは、第1の冷媒がCO2から構成され、第2の冷媒がR−32から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第1の冷媒と第2の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物(蒸気及び液体を含む)の燃焼性を以下のように求めた。
更なる例として、本出願人らは、第1の冷媒がCO2から構成され、第2の冷媒がエタンから構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第1の冷媒と第2の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物(蒸気及び液体を含む)の燃焼性を以下のように求めた。
更なる例として、本出願人らは、第1の冷媒がCO2から構成され、第2の冷媒がプロパンから構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第1の冷媒と第2の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物(蒸気及び液体を含む)の燃焼性を以下のように求めた。
下記に記載する比較例C1は、以下の図面に示す通常のウォークインクーラー冷却システムに基づく。
・蒸発器15の蒸発温度=−35℃;
・凝縮器200の凝縮温度=45℃;
・膨張器14の等エントロピー効率=63%;
・蒸発器過熱=5℃;
・圧縮機吸入ラインにおける温度上昇=20℃;
・膨張装置過冷却=0℃。
複合実施例H1A〜H1D:
実施例1に示した通常の冷却システムに基づくが、吸入ライン熱交換器を挿入して、蒸発器から排出されるR−404A中に熱を吸収させ、それによって流れが膨張器に導入される前に凝縮器から排出されるR−404Aから熱を吸収することによって、圧縮機に導入されるR−404Aの温度を上昇させる複合システムを形成した。35%〜85%で変化する効率(Effectiveness)の値を有する吸入ライン熱交換器を用いた運転を評価した。結果を、比較のために比較例C1の結果と一緒に下表H1に報告する。
低温ループにおいて次の冷媒:HFO−1234ze(E);HFO−1234yf;SR21(80重量%のHFO−1234yf及び20重量%のR−32);SR26(80重量%のHFO−1234ze(E)及び20重量%のR−32);並びにSR31(88重量%のHFO−1234ze(E)及び12重量%のR−32)のそれぞれ(第2の冷媒)を用いて、図1に示す吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。高温ループにおける冷媒はCO2であった。これらの冷媒を用いて、以下のパラメータにしたがって本発明のカスケードシステムを運転した。
・低温段階の凝縮温度=(カスケード凝縮器12A)=0℃;
・高温段階の蒸発温度(蒸発器25)=−5℃;
・高温段階の凝縮温度(カスケード凝縮器12B)=45℃;
・低温段階膨張器(膨張器14)の等エントロピー効率=65%;
・高温段階膨張器(膨張器24)の等エントロピー効率=63%;
・蒸発器過熱(両方の蒸発器)=5℃;
・低温段階の吸入ラインにおける温度上昇=15℃;
・高温段階の吸入ラインにおける温度上昇=5℃;
・高温及び低温段階の両方の膨張装置における過冷却=0℃;
・吸入ライン液体ライン熱交換器効率=0%〜85%で変動。
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ(第2の冷媒)及び高温ループにおいてCO2を用いて、図1に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した(それぞれの冷媒のGWPを示す)。
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ(第2の冷媒)及び高温ループにおいてCO2を用いて、図1に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。
・55%の効率においては:50%より多いR1234ze(E)が必要であった。
・75%の効率においては:60%より多いR1234ze(E)が必要であった。
・少なくとも約78%のR−1234ze(E)を含む組成物は、吸入ライン熱交換器の全ての効率の値に関して許容することができ、約150以下のGWP値を生成した。
高温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ(第2の冷媒)及び低温ループにおいてCO2を用いて、図1に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した(それぞれの冷媒のGWPを示す)。
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ(第2の冷媒)及び高温ループにおいてCO2を用いて、図1に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。
・55%の効率においては:40%より多いR1234yfが必要であった。
・75%及び85%の効率においては:60%より多いR1234yfが必要であった。
Claims (10)
- (a)ループ内で流体連絡している圧縮機、膨張器、及び蒸発器、並びに第1の冷媒及び圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第1の熱伝達組成物を含む相対的に低い温度の蒸気圧縮ループ(蒸発器はエンクロージャ内に配置されて、ほぼかかる相対的に低い温度においてエンクロージャ内の流体から熱を吸収することができる);
(b)ループ内で流体連絡している圧縮機、凝縮器、膨張器、及び吸入ライン熱交換器、並びに第2の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第2の熱伝達組成物を含む相対的に高い温度の蒸気圧縮ループ(凝縮器はエンクロージャの外側に配置されているヒートシンクに熱を移動させることができる);並びに
(c)第1と第2の冷媒の間の熱交換によって第1の冷媒を凝縮させて第2の冷媒を蒸発させるためのカスケード熱交換器;
を含み;
吸入ライン熱交換器は、カスケード熱交換器から排出される第2の熱伝達組成物の少なくとも一部を受容するためにカスケード熱交換器と流体連絡していて、凝縮器から排出される第1の熱伝達組成物から熱を吸収することによってその温度を上昇させ、それによって第1の熱伝達組成物が第1ループ膨張器に導入される前に第1の熱伝達組成物の温度を低下させる、エンクロージャの内容物を冷却するための熱伝達システム。 - 第1の冷媒がASHRAE−34下で(ASTM−E681によって測定して)A1と分類される燃焼性を有し、第2の冷媒がASHRAE−34下で(ASTM−E681によって測定して)A2Lと分類される燃焼性、又はA2Lよりも高い燃焼性を有する、請求項1に記載のシステム。
- 圧縮機及び膨張器並びに凝縮器のそれぞれがエンクロージャ内に配置されていない、請求項1に記載のシステム。
- 吸入ライン熱交換器がエンクロージャ内に配置されていない、請求項5に記載のシステム。
- 第2の冷媒が、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze(E))、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)、R−227ea、R−32、及びこれらの2以上の組合せの1以上を含む、請求項1に記載のシステム。
- 第2の冷媒が少なくとも約80重量%の2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−12304yf)を含む、請求項1に記載のシステム。
- 第2の冷媒が、HFO−1234ze(E)、HFO−1234yf、又はこれらの組合せから実質的に構成される、請求項1に記載のシステム。
- 第2の冷媒が、約70重量%〜約90重量%のHFO−1234yf、及び約10重量%〜約30重量%のR32を含む、請求項1に記載のシステム。
- 第2の冷媒が、約70重量%〜約90重量%のHFO−1234yze(E)、及び約10重量%〜約30重量%のR32を含む、請求項1に記載のシステム。
- 第2の冷媒が、約85重量%〜約90重量%のトランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze(E))、及び約10重量%〜約15重量%の1,1,1,2,3,3,3−ヘプタフルオロプロパン(HFC−227ea)を含む、請求項1に記載のシステム。
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