JP4420225B2 - 圧縮冷凍システムの作動方法 - Google Patents

Description

［発明の分野］
本発明は、システムの冷媒として二酸化炭素または二酸化炭素を含有する混合物を用いて、超臨界高圧側圧力（high-side pressure）で作動することができる閉循環回路に連結された圧縮機、除熱器（heat rejector）、膨張手段、および吸熱器を備える圧縮冷凍システムの作動方法に関する。

［従来技術および発明の背景の説明］
従来の蒸気圧縮システムは、所与の温度における飽和圧力によりもたらされる臨界未満圧力での冷媒を凝縮することにより、熱を除去する。低い臨界温度を有する冷媒、例えばＣＯ_２を用いる場合、システムの効率的な作動を得るために、ヒートシンクの温度が高い、例えば冷媒の臨界温度よりも高い場合、熱除去の圧力は超臨界となる。この場合、作動サイクルは、例えばＷＯ９０／０７６８３から既知であるように、超臨界となる。

ＷＯ９４／１４０１６およびＷＯ９７／２７４３７はいずれも、基本的に、閉回路に連結された圧縮機、除熱器、膨張手段、および蒸発器を備えるこのようなシステムを実現する単純な回路を記載している。これらのいずれについてもＣＯ_２が好ましい冷媒である。

超臨界圧での熱除去は、冷媒の温度グライドをもたらす。これは、例えばＵＳ６，３７０，８９６Ｂ１から既知である効率的な給湯システムに適用することができる。

周囲空気は、ほぼどこでも利用可能な安価な熱源である。周囲空気を熱源として使用すれば、蒸気圧縮システムは多くの場合、費用効率的な単純な設計となる。しかしながら、高い周囲温度では、圧縮機の出口温度は、遷臨界ＣＯ_２サイクルでは例えば約７０°Ｃと低くなる。所望の水道水温度は多くの場合、６０〜９０°Ｃである。出口温度は、出口圧力を上げることにより上昇させることができるが、圧力を上げることはシステム性能の低下につながる。圧力を上げることに伴う別の欠点は、設計圧力がより高くなることにより、構成要素がさらにコストが高くなることである。

高い周囲温度で生じる別の欠点は、蒸気温度が除熱器の冷媒出口温度よりも高い限り、圧縮機吸入ガス（通常は内部熱交換器（ＩＨＸ）により供給される）の過熱が可能ではないことである。したがって、圧縮機に液体が入り込む危険がある。

これらの問題を解決するための方策は、蒸気温度を常に除熱器の冷媒出口温度未満に調節することである。これにより、吸入ガスの過熱が可能となり、また、圧縮機吐出温度が上昇して良好な温水製造が得られるが、吸入圧力が必要以上に下がるため、システムのエネルギー効率が悪くなる。

ＵＳ６，３７０，８９６Ｂ１は、これらの問題に対する一解決法を提示している。この着想は、圧縮機吸入ガスを加熱するのに除熱器の一部を使用するというものである。高圧側での全流（full flow）が低圧側の全流と熱交換される。これにより、圧縮機吸入ガスの過熱が確実になることで、安全な圧縮機作動が保証されるが、飽和ガスを圧縮する（可能であれば）とともにより高い出口圧力で作動して十分な圧縮機吐出温度を達成するシステムに比して、システム効率が低下する。よって、示唆されているこの解決法には、動作上の問題以外のものがある。

［発明の概要］
本発明の主な目的は、上述の短所および欠点のない、単純で効率的なシステムを製造することである。

本発明は、添付の独立請求項１で規定される特徴を特徴とする。

本発明の有利な特徴はさらに、添付の独立請求項２ないし６に規定される。

本発明は、少なくとも圧縮機、除熱器、膨張手段、および吸熱器を備える上述のシステムに基づくものである。圧縮機吸入ガス温度を過熱することにより、出口圧力を上げずに圧縮機出口温度を上昇させることができ、所望温度で温水を製造することができる。適正温度で除熱器から分流を用いることにより、例えば向流熱交換器を使用して、圧縮機吸入ガスを過熱することが可能である。圧縮機吸入ガスの加熱後、分流はシステムの低圧側に直接膨張する。このようにして、除熱器の２つの部分では、後半部分の流れがより低いことにより、１キログラムの水流あたりの加熱能力が異なる。そのため、給湯温度プロファイル（water heating temperature profile）を冷媒冷却温度プロファイルにさらに近くなるように適合させることが可能である。高圧側圧力がより低い、したがってシステム効率がより高い状態で温水を製造することができる。

以下で、ほんの例として、添付図面を参照して本発明をさらに説明する。

［発明の詳細な説明］
図１は、閉循環システムに連結された圧縮機１、除熱器２、膨張手段３、および吸熱器４を備える従来の蒸気圧縮システムを示す。例えばＣＯ_２を冷媒として用いる場合、除熱器内で効率的な温水生成を達成するために、高圧側圧力は通常、給湯システムでは超臨界である（図２に回路Ａで示す）。所望の水道水温度は多くの場合、６０〜９０°Ｃであり、除熱器２に対する冷媒入口温度（圧縮機吐出温度以下である）は、所望の温水温度を超えなければならない。

周囲空気は多くの場合、ヒートポンプ用の熱源として好ましい代替である。空気はほぼどこでも利用可能であるとともに安価であるため、吸熱器システムを単純に費用効率的に製造することができる。しかしながら、周囲温度の上昇時、圧縮機吐出圧が一定の場合は蒸気温度が上昇し、圧縮機吐出温度が下がることになる（図２の回路Ｂを参照）。圧縮機吐出温度は、所望の水道水温度よりも下がる場合がある。この場合、所望温度での水道水の製造は、他の熱源を用いずには不可能である。

吐出温度を上昇させる１つの方法は、高圧側圧力を上げることである（図２の回路Ｃを参照）。しかしながら、これによりシステム効率が下がることになる。

吸入ガスを過熱する従来の方法は、内部熱交換器（ＩＨＸ）５を使用することである（図３を参照）。しかしながら、例えば水道水を加熱する際、除熱器（２）において冷媒が正味の水温近く（通常は約１０°Ｃ）に下がるまで冷却される。蒸気温度がこの温度を超える場合、吸入ガスは過熱される代わりに冷却される（図２を参照）。液体が圧縮機１に入り込めば、深刻な問題が生じるであろう。蒸気温度が正味の水温以上である場合、ＩＨＸ５の使用は避けることが重要である。

本発明は、周囲温度とは無関係に吸入ガスの過熱を保証する。蒸気温度、または他の適当な温度が所定レベルに達すると、除熱器２からの分流が適した温度で熱交換器に、例えば圧縮機吸引ガスの加熱の場合では向流熱交換器に搬送される。圧縮機吐出温度が上昇するため、高いシステム効率で温水を製造することができる（図２の回路Ｄを参照）。圧縮機吸引ガスを加熱した後、分流が低圧側に下方に直接膨張する。

本発明の１つの可能な構成は、既存のＩＨＸ５内に分流を導くことである。よって、ＩＨＸ５の外側に主流を迂回させ、ＩＨＸ５内に分流を導く構成を実施する必要がある。このような構成のための様々な解決法がある。１つの代替法は、図３に示すように２つの三方弁６’および６’’を用いることである。これらの三方弁の一方または双方を例えば２つのストップバルブに代えることができる。分流は、ＩＨＸ５の下流のオリフィス７を介して低圧側に直接膨張する。オリフィス７は、他の膨張手段に代えることができ、弁は、膨張手段７を介してのより厳密な流量制御のために膨張手段の上流および／または下流に設けることができる。

別の実施可能性は、吸入ガスを加熱するために、別個の熱交換器８、例えば向流熱交換器を設置することである。これを図４に示す。蒸気温度または用いることが可能な他の温度が所定レベルに達すると、弁１０を開くことにより分流が吸入ガスヒータ８内に搬送される。この弁は、分流ライン上のどこにでも設置することができる。分流は、膨張手段、図４に示すように例えばオリフィス７を介して低圧側に直接膨張する。三方弁９’として示した高圧側の構成、または図５に点線で示す低圧側の同様な構成により、ＩＨＸ５を省くことができる。

吸入ガスの過熱は、分流の流れを調節することにより制御することができる。この調節は、例えば分流ラインでの絞り弁により行うことができる。別の選択肢は、温度膨張弁を用いることである。

上記で説明したように、本発明は、図２に回路Ｄで示すように高い熱源温度にてエネルギー効率を高める。この理由は、本発明を用いることにより、高圧側圧力が、通常は最適圧力でしかないであろう圧力に比してさらに低下し得るためである。これを図５に示す。除熱器２’の第１の部分は、除熱器２’’の後半部分に比して水流に対し高い加熱能力を有する。給湯の場合の温度プロファイルは、冷媒の冷却プロファイルにさらに良好に適合される（図５における給湯プロファイルｂも参照）。従来のシステムを用いれば、給湯プロファイルａとなる。図５から分かるように、除熱器２では温度制限（pinch：ピンチ）が生じる。この場合、高圧側圧力を上げる必要がある。本発明を用いれば、高圧側圧力が低い状態で所望温度で温水を製造することができ、さらに高いエネルギー効率のシステムが得られる。

蒸気圧縮システムの単純な回路を示す図である。 温水製造のための作動サイクルの例での二酸化炭素の温度エントロピーのグラフである。 システム性能および作動範囲を改善するよう変更されたサイクルの一例を示す概略図である。 システム性能および作動範囲を改善するよう変更されたサイクルの別の例を示す概略図である。 除熱器の温度プロファイルの例での二酸化炭素の温度エントロピーのグラフである。

Claims (6)

1. 超臨界高圧側圧力で作動することができる閉循環回路に連結された少なくとも圧縮機（１）、除熱器（２）、膨張手段（３）、および吸熱器（４）を備え、二酸化炭素または二酸化炭素を含有する冷媒混合物を冷媒として適用した圧縮冷凍システムの作動方法であって、
   該圧縮冷凍システムのヒートポンプ効率を、前記除熱器（２）からの分流を利用して圧縮機吸入ガスを過熱することにより高めることと、
   前記高圧側からの分流を、前記圧縮機吸入ガスの加熱後、吸熱器圧力側に下方に直接膨張することと
   を有することを特徴とする、圧縮冷凍システムの作動方法。
2. 前記過熱は、熱源の温度が所定レベルを超える場合に増すことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮冷凍システムの作動方法。
3. 前記過熱の限度は、所定レベルを超えない圧縮機吐出温度であることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧縮冷凍システムの作動方法。
4. 前記分流の流れは、前記圧縮機吸入ガスの過熱を制御するよう調節されることができることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システムの作動方法。
5. 向流熱交換器を用いて前記圧縮機吸入ガスを加熱することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システムの作動方法。
6. 前記向流熱交換器は、別個のユニット、または既に設置されている場合は内部熱交換器であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧縮冷凍システムの作動方法。

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