JP2022034000A - 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。
/又は毒性の問題のために好ましくない可能性がある。本出願人らは、かかる燃焼性及び/又は毒性の流体が、冷却する居住空間、ウォークインクーラー、保冷容器、チラー、フリーザー、又は輸送用冷却容器中に不注意に放出されて、それによってその占有者を危険な状態に曝すか又は曝す可能性があるので、かかる特性を有する流体を用いることは、通常の空調システム及び多くの冷却システムにおいて特に望ましくないことを認識するに至った。本出願人らはまた、この問題は更に、比較的小さなシステム、例えば30kW未満の能力を有するシステムに関してより重大な問題であることも認識するに至った。これは、かかるシステムに関しては、防火システムのような有効な安全保護システムのコストがしばしば経済的に実現可能でないからである。
、しかしながら好ましくは直接的に冷却を与えるためのカスケード冷媒システムが提供される。本明細書において用いる「エンクロージャ」という用語は、少なくとも部分的に限定されており(例えば、エンクロージャは1以上の側部が開放されていてよく、或いは閉止されていてよい)、冷却する空気を含む空間を意味する。
りも相当に低い燃焼性を有することである。好ましくは、高温ループ内で循環する第2の熱伝達流体も、約500以下、より好ましくは約400以下、更により好ましくは約150以下のGWPを有する冷媒を含むが、通常運転においてはこの熱伝達流体は決してエンクロージャに導入されないので、本出願人らは、エンクロージャ内で循環させた場合に不利であると考えられる1つ又は複数の特性、例えば燃焼性、毒性などを有する流体をこの高温ループ内で用いることが有利であることを見出した。このように、下記に詳細に説明するように、本システムによって、第1の熱伝達組成物のみ又は第2の熱伝達組成物のみに依拠するシステムを凌ぐ更なる可能な予期しなかった有利性が可能になる。
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。
、ASHRAE標準規格34にしたがって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が、第2の冷媒に関してはA2Lの分類が好ましい。また、第1及び第2の冷媒はそれぞれ約150未満の地球温暖化係数(GWP)を有することも好ましい。
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。
の中に含まれる熱伝達組成物は決して混合又は混ざり合わないと意図され且つ理解される。しかしながら、本出願人らは、例えばカスケード熱交換器における漏出の場合に、第1及び第2の冷媒のかかる混ざり合いの可能性が生じる可能性があることを認識するに至った。この混合された冷媒流は次に、冷却されるエンクロージャ内における漏出の場合には、エンクロージャ内又はその付近にいる人間又は他の動物に曝露されるようになる可能性がある。したがって、かかる漏出の場合においても継続した安全な運転を確保するために、本出願人らは、相対的な冷却ループの寸法を注意深く且つ慎重に選択することによって、かかる漏出の場合においても安全なシステムを得ることができることを認識するに至った。
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。
ループ内の第1の冷媒(例えばCO2)の第2の冷媒(例えばR-1234ze(E))に対する装填量の重量比は、約1.2以上であることが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第1及び第2の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
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。
%のR-134a)である。
・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
。
本発明は以下の実施態様を含む。
(1)(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。
(2)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、(1)に記載のシステム。
(3)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、(1)に記載のシステム。
(4)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、(5)に記載のシステム。
(5)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、(1)に記載のシステム。
(6)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、(1)に記載のシステム。
(7)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、(1)に記載のシステム。
(8)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、(1)に記載のシステム。
(9)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、(1)に記載のシステム。
(10)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、(1)に記載のシステム。
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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