JP2804844B2 - 超臨界蒸気圧縮装置 - Google Patents

超臨界蒸気圧縮装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、臨界未満および臨界超過の両高サイド圧
力において作動する蒸気圧縮システムに関するものであ
る。
従来の蒸気圧縮システムにおいて、高サイド圧力は、
冷媒の飽和圧力特性による凝縮温度によって決定され
る。このようなシステムの高サイド圧力は、常に、臨界
圧力より充分に低い。
臨界超過高サイド圧力で作動する蒸気圧縮システム、
すなわち、超臨界サイクルにおいて、作動圧力は、高済
度の一時的冷媒充填量、要素容積そして熱除去温度のよ
うな幾つかの要因に依存している。
従来型の、例えばサーモスタット型の膨張器を備えた
単純な蒸気圧縮システムは、熱除去温度が冷媒の臨界温
度を越えた時に、超臨界サイクル作動を提供することも
できる。このようなシステムは、二酸化炭素CO2のよう
な環境に優しい冷媒を使用した超臨界蒸気圧縮サイクル
のための簡単且つ低コストの実例を供給する。この単純
な回路は、高サイド圧力調節用のいかなる機構も備えて
おらず、従って、圧力は、作動条件のシステム設計によ
り決定される。
従来の臨界未満の装置と共通の論理にしたがって設計
された蒸気圧縮システムの超臨界作動における重大な欠
点としては、作動中に最適な高サイド圧力から掛け離れ
るため、おそらく相対的に低い冷凍能力且つ低効率にな
ってしまうことであろう。これは、臨界超過条件が回路
の高サイドに形成される際の、容積の相当量の減少の結
果であろう。冷凍能力の損失は、圧縮器の容積の増加に
より補うことが可能であるが、それにはかなりの電力消
費と投資がかかってしまう。
従来型システムの超臨界作動における他の大きな欠点
としては、高サイド充填量が減少するために、冷媒の漏
れが直ちに高サイド圧力に悪影響を及ぼすことである。
臨界超過高サイドの状況において、圧力は、気体充填圧
力容器の状況と同様に、一時的冷媒充填量と要素容積間
の関係により決定される。
さらに他の欠点としては、過度の圧力が、高い周囲温
度を受ける、十分に充填された非作動システムで容易に
蓄積されるということである。この影響は、破損を生じ
させる、すなわち設計を考慮しなくてはならず、過度
の、大きすぎるそして高価なコストの構成要素と配管を
必要とする。
従って、この発明の主要な目的は、これらと他の欠点
を解決するための単純で、効率的なそして信頼のある蒸
気圧縮システムを提供するものである。
この発明のこのような目的と他の目的は、添付した特
許請求の範囲１〜５から明らかにするような、蒸気圧縮
システムの提供により達成される。この発明は、添付の
図１〜３を参照して好適な実施例により詳細に説明され
る。
図１は、従来の蒸気圧縮回路を例示したものである。
図２は、気体冷却器の冷媒出口温度と臨界超過条件に
おける回路の高サイド圧力との関係を例示したグラフで
ある。
図３はこの発明に従って構成された超臨界蒸気圧縮サ
イクル装置の好適な実施例の概要を例示したものであ
る。
図１を参照すると、従来の蒸気圧縮回路は、直列に連
結した圧縮器１と、熱除去用熱交換器２と、膨張器３
と、熱発熱交換器４とを備えている。
この回路の超臨界サイクル作動中に、冷凍能力と圧縮
器の軸動力との最大比を提供する高サイド圧力が提供さ
れるべきである。この「最適」圧力レベルの大きさを決
定する主要因は、熱除去用熱交換器、すなわち気体冷却
器の出口における冷媒温度である。回路の最大エネルギ
効率を維持するために、気体冷却器出口の冷媒温度と高
サイド圧力間の最も望ましい関係は、冷媒のための熱力
学データから、あるいは実験測定から、計算することが
できる。
温度と圧力間のこの関係は、定容積（定密度）曲線
に、すなわち冷媒の密度（単位体積当たりの質量）を一
定と仮定した温度と圧力の関数関係に非常に近似してい
る。平均流体密度は、構成要素の内部容積により分けら
れた一時的冷媒充填量により与えられる。
実際の冷媒に関する例として、二酸化炭素CO2の条件
を図２に示す。0.50−0.66キログラム／リッター（kg/
l）の定容積曲線は、破線Ｃにより指し示されており、
気体冷却器の冷媒出口温度と高サイド圧力間の最適な関
係を与える定容積曲線は、曲線Ｂで示されており、一
方、曲線Ａは、臨界未満状態の飽和圧力曲線を描いてい
る。二酸化炭素CO2用に、約0.60kg/lの高サイド充填量
に対応する定容積曲線は、最適圧力曲線にほとんど近似
している、もしシステムの高サイドが内部容積にリッタ
ー当たり0.60キログラムの二酸化炭素CO2を充填した場
合には、ほぼ最大効率が、熱除去温度にかかわらず維持
される。
内部容積と望ましい密度を与える一時的冷媒充填量と
を有する回路の高サイドを提供すれば、熱除去温度の変
化は、望ましい「最適」曲線と全く正確に一致する高サ
イド圧力変化を生じる。気体冷却器の冷媒出口あるいは
その近傍の温度が、この圧力適合の主要因であることを
確実にするために、冷媒容積は、この位置において比較
的大きくなるべきである。実際問題としては、これは、
気体冷却器の冷媒出口あるいはその近傍において回路に
例えば受容器のような、余分容積を取り付けたり連結し
たりすることにより、あるいは冷媒出口あるいはその近
傍に熱交換器容量の大部分を提供することにより得るこ
とができる。
回路の低サイドの容積は、高サイドの容積に対して相
対的に小さいので、色々な作動条件における低サイド充
填量変動に起因する高サイド充填量の外乱は、取るに足
らないものである。回路の低サイドは、主に、蒸発器、
低圧ラインそして圧縮器のクランク室からなっている。
要するに、高サイドの容積は、低サイドの容積に比べ
て相対的に大きくなるべきであり、高サイドの容積の大
部分は、気体冷却器の出口あるいはその近傍に位置する
べきである。温度変化における所望の温度−圧力関係を
与える高サイドの充填量−容積比（密度）ρＨは、二酸
化炭素CO2の例１に示したように見つけ出せる。関係は
以下のようである。
ρＨ＝mH/VH ここで、mHは高サイドの一時的冷媒充填量（質量）で
あり、VHは回路の高圧サイドの全内部容積である。同じ
長さにおける低サイドの体積VLとそれによる低サイド充
填量mLは、夫々VHとmHに関して小さく、ρＨは全システ
ムの充填量−容積比ρ全体に亘って全く近似するだろ
う。換言すれば、 VL＜＜VH mL＜＜mH ｍ＝mH＋mL Ｖ＝VH＋VL ｍ∝mH Ｖ∝VH ρ∝ρＨ ここで、ｍ、Ｖそしてρは、全体に亘った一時的冷媒
充填量、内部容積そして全回路の結果として生じた平均
密度を表している。もし従来の蒸気圧縮システムがこれ
らの原理に従って設計されたら、十分な能力を伴う能率
的な作動が、臨界超過高サイド圧力においても維持する
ことができる。計算と実施のテストは、高圧サイドの内
部容積が回路の全内部容積の少なくとも70％であるべき
であることを示している。
高い周囲温度における操業停止中に、システムの過度
の圧力を回避するため、分離膨張容器５が、図３に示し
たように、バルブ６を介して低サイドに接続されてい
る。回路の圧力が予めセットした最大限界を越える時
に、それ自体よく知られた方法でバルブは開けられる。
低サイド圧力がシステムの始動時に減少している時、
バルブ６は開けられ、高サイドの所望の充填量−容積比
を再度形成するために、必要な充填量が回路に戻され
る。高サイド圧力が気体冷却器出口において測定した冷
媒温度に対応する所望のレベルまで到達した時に、バル
ブ６は閉じられる。気体冷却器の冷媒出口温度以外の他
の要因は、バルブの締め切り圧力を決定することに適応
することもできる。
さらに膨張容器に標準の作動時に必要な量より僅かに
多い在庫充填量を提供することにより、一定の予備冷媒
が回路からの漏れを補うように維持できる。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】閉回路を形成するように直列に接続した圧
    縮器（１）と、熱除去用熱交換器（２）と、膨張手段
    （３）と、蒸発器（４）とから成り、回路の高サイドで
    臨界超過圧力において作動する蒸気圧縮システムに於い
    て、回路の高サイドの内部容積が全内部容積の70％以上
    に相当することを特徴とする蒸気圧縮システム。
  2. 【請求項２】炭酸ガスが冷媒として適用された場合に、
    回路の冷媒充填量が回路の全内部容積のリッター当たり
    0.55から0.70キログラムの量になることを特徴とする請
    求項１に記載された蒸気圧縮システム。
  3. 【請求項３】熱除去用熱交換器（２）が、冷媒出口ある
    いはその近傍においてその内部容積の大部分を有するよ
    うに設計されたことを特徴とする請求項１あるいは２に
    記載された蒸気圧縮システム。
  4. 【請求項４】余分の容積が熱交換器（２）の冷媒出口あ
    るいはその近傍における閉回路に組み入れられあるいは
    結合されたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載
    された蒸気圧縮システム。
  5. 【請求項５】さらに、回路の低サイドにバルブ（６）を
    介して圧力救済用および漏れ補償用膨張容器（５）を分
    離して備えたことを特徴とする請求項１に記載された蒸
    気圧縮システム。
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