JP5027160B2 - フラッシュタンク受器を有する冷媒蒸気圧縮システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、冷媒蒸気圧縮システムに関し、さらに詳細には、効率の改良および冷媒チャージの調整が同時に達成される、亜臨界サイクルまたは遷移臨界サイクルのいずれでも運転される冷媒蒸気圧縮システムに関する。

冷媒蒸気圧縮システムは、当技術分野においてよく知られ、一般的に、住居、オフィスビル、病院、学校、レストラン、または他の施設内における温度が制御された快適な区域に供給される空気を調節するのに用いられている。また、冷媒圧縮システムは、一般的に、腐敗しやすい物品を輸送するトラック、トレーラ、コンテナ、などの温度が制御された荷物空間に供給される空気を冷却する輸送冷凍システムにも用いられている。伝統的に、これらの冷媒蒸気圧縮システムの殆どは、亜臨界冷媒圧力下で運転され、典型的には、圧縮機、凝縮器、蒸発器、および膨張装置を備える。膨張装置は、一般的に、冷媒流の方向を基準として、蒸発器の上流側で、かつ凝縮器の下流側に配置される膨張弁である。これらの基本的な冷媒システム構成部品は、周知の冷媒蒸気圧縮サイクルに従って閉冷媒回路を構成するよう冷媒ラインによって相互接続され、使用時に、個々の冷媒に適した亜臨界圧力範囲内で運転される。亜臨界範囲内で運転される冷媒蒸気圧縮システムには、一般的に、フルオロカーボン冷媒、例えば、制限されないが、Ｒ２２のようなハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣｓ）、さらに一般的に、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃのようなハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣｓ）が充填される。

今日の市場では、空調システムおよび輸送冷凍システム用の冷媒として、ＨＦＣ冷媒に代わって、二酸化炭素のような「天然」冷媒に、大きな関心が寄せられている。しかし、二酸化炭素は、低い臨界温度を有するので、冷媒として二酸化炭素が充填される殆どの冷媒蒸気圧縮システムは、遷移圧力領域で運転されるように設計されている。亜臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムでは、凝縮器および蒸発器のいずれの熱交換器も、冷媒の臨界点未満の冷媒温度および冷媒圧力で運転される。しかし、遷移臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムでは、凝縮器というよりもむしろガス冷却器である熱放出熱交換器は、冷媒の臨界点を超える冷媒温度および冷媒圧力で運転される一方、蒸発器は、亜臨界範囲内の冷媒温度および冷媒圧力で運転される。

亜臨界冷媒蒸気圧縮システムにおける冷媒チャージの制御は、比較的簡単である。従来の亜臨界冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路内において、凝縮器の下流側で、かつ膨張装置の上流側に配置された受器を備えることがある。凝縮器からの液体冷媒は、この受けタンクに入り、タンクの底に溜まる。この液体が飽和温度に達していると、冷媒蒸気が、液体冷媒によって満たされていないタンク内の空間を満たす。液体冷媒は、蒸発器への冷媒流を制御する膨張弁によって、受けタンクから外に計量送給される。亜臨界冷媒蒸気圧縮システムの運転条件が変化すると、システムのチャージ要件が変化し、受けタンク内の液体レベルが相応して上下動し、これによって、新しい均衡液体レベルが定まる。

もし運転中の任意の時点において、システム内を循環する冷媒チャージが多くなりすぎた場合、受けタンクに入る液体冷媒の割合が、受けタンクから出る冷媒の割合を超えるので、受けタンクに入る液体の割合と受けタンクから出る液体の割合とが均衡に達するまで、過剰の液体が受けタンク内に蓄えられ、受けタンク内の液体レベルが上昇する。もし運転中の任意の時点において、システム内を循環する冷媒チャージが少なくなりすぎた場合、受けタンクに入る液体冷媒の割合が、受けタンクから出る液体の割合よりも少なくなるので、受けタンク内の液体レベルは、液体が、受けタンクから冷媒回路に戻って、冷媒回路を循環するにつれて、降下する。受けタンク内の液体レベルは、受けタンクに入る液体の割合と受けタンクを出る液体の割合との間に新しい均衡が得られるまで、継続的に降下する。

しかし、遷移臨界冷媒蒸気圧縮システムでは、システムの冷媒チャージを制御することは、より困難である。何故なら、ガス冷却器を出る圧縮機高圧側冷媒は、冷媒の臨界点を超え、区別できる液相または気相が存在しないので、受器内のチャージは、システムのチャージ要件にとって望ましいようには対応しない温度および圧力の関数になる。遷移臨界蒸気圧縮システムのチャージ調整と関連して用いられる、一般的に提案されている１つのシステムは、冷媒流の方向を基準として、ガス冷却器の下流側で、かつ膨張装置の上流側に配置されたフラッシュタンクを備える。流量調節スロットル弁が、冷媒ラインにおいてフラッシュタンクの入口に配置されている。流量調節スロットル弁を通流する超臨界圧冷媒ガスは、圧力が亜臨界圧力に降下し、その結果、亜臨界圧の液体冷媒／蒸気冷媒の混合物が生じる。この混合物は、フラッシュタンク内に収集され、液体冷媒は、タンクの下部に溜まり、蒸気冷媒は、フラッシュタンク内の液体冷媒の上方の部分に収集される。フロート弁がフラッシュタンク内に設けられている。このフロート弁は、機械的な連結機構によって動作可能に接続され、フラッシュタンク内の所定の液体レベルを維持するように、流量調節スロットル弁の作動を制御する。もしフラッシュタンク内の液体レベルが上昇した場合、フロートが、この液体レベルと共に上昇し、スロットル弁を追加的に閉鎖し、フラッシュタンク内への冷媒流を制限する。逆に、もしフラッシュタンク内の液体レベルが降下した場合、フロートが、この液体レベルと共に降下し、スロットル弁をより大きく開口し、フラッシュタンク内への冷媒流を増大させる。従って、フラッシュタンクの液体レベルは、所定の液体レベルに維持される。この所定の液体レベルは、液相の冷媒のみがフラッシュタンクの下側領域から冷媒回路に戻って、蒸発器の上流側の膨張装置を通流すると共に、気相冷媒のみがフラッシュタンクの上側領域から冷媒回路に戻って、再圧縮されるために、エコノマイザラインを通って圧縮機に戻ることを確実にするように、選択される。

米国特許第５，１７４，１２３号明細書は、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を備え、フロートを有しないフラッシュタンクが圧縮機と蒸発器との間に配置された、亜臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。冷媒は、飽和状態で、凝縮器からフラッシュタンク内に流れる。フラッシュタンク内への冷媒流は、所望の過冷却度を維持するように、過冷却弁を選択的に開閉することによって制御される。フラッシュタンクから蒸発器に流れる液体冷媒流は、吸込過熱サーモスタット式膨張弁によって制御される。フラッシュタンク内の液体冷媒の上方に収集される冷媒蒸気は、圧縮機に戻され、圧縮機の中間圧力段に注入される。フラッシュタンクがフロートを有していないので、開示される冷媒蒸気圧縮システムは、輸送冷凍の用途に特に適している、と述べられている。

米国特許第６，３８５，９８０号明細書は、ガス冷却器と蒸発器との間に配置されたフロートを有しないフラッシュタンク、およびガス冷却器内の検出された冷媒圧力に応じて弁を調節し、フラッシュタンク内のチャージの量を制御し、ガス冷却器内の冷媒圧力を調節する制御器を備える、遷移臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。制御器は、ガス冷却器からフラッシュタンクへの超臨界冷媒流をフラッシュタンクの入口側のインライン膨張弁の調節によって制御し、フラッシュタンクから蒸発器への液体冷媒流をフラッシュタンクの出口側のインライン膨張弁の調節によって制御する。フラッシュタンク内の液体冷媒の上方に収集される冷媒蒸気は、圧縮装置の中間圧力段に戻される。一実施形態では、圧縮装置は、直列に配置された１対の圧縮機であり、冷媒蒸気は、第１の圧縮機から吐出された冷媒蒸気を、その冷媒蒸気が第２の圧縮機内に入る前に、冷却するのに用いられる。

本発明のある態様では、本発明の目的は、フラッシュタンク受器、および冷媒の所望の運転特性と一致する循環冷媒チャージを維持する制御器を備える冷媒蒸気圧縮システムを提供することにある。

本発明のある態様では、本発明の目的は、フラッシュタンク受器、およびフラッシュタンク内の液体冷媒のレベルを監視および制御する制御器を備える冷媒蒸気圧縮システムを提供することにある。

本発明のある態様では、本発明の目的は、フラッシュタンク受器を備える冷媒蒸気圧縮システム内の冷媒チャージを制御する方法を提供することにある。

一実施形態では、冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路内に直列に連通して配置された、冷媒圧縮装置、冷媒冷却熱交換器、フラッシュタンク受器、および冷媒加熱熱交換器を備える。主膨張装置が、冷媒回路において、フラッシュタンク受器の下流側で、かつ冷媒加熱熱交換器の上流側に配置され、二次膨張装置が、冷媒回路において、冷媒冷却熱交換器の下流側で、かつフラッシュタンク受器の上流側に配置される。冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路と動作可能に関連付けられた、冷媒回路内を循環する冷媒の運転特性を検出する少なくとも１つのセンサ、および前記二次膨張装置と動作可能に関連付けられた制御器を備える冷媒チャージ制御装置をさらに備える。制御器は、少なくとも１つのセンサによって検出された少なくとも１つのシステム運転特性に応じて、冷媒の所望の運転特性と一致する循環冷媒チャージを維持するように、二次膨張装置を、二次膨張装置を通流する冷媒流を増減するように、選択的に調整するように、作動する。冷媒蒸気圧縮システムは、蒸気冷媒流をフラッシュタンク受器から圧縮装置内に移行させるために、フラッシュタンク受器の上側領域から圧縮装置の中間圧力領域に至る冷媒流経路を定めるエコノマイザ冷媒ラインを備えてもよい。冷媒の検出される運転特性は、冷媒温度または冷媒圧力であるとよい。一実施形態では、冷媒蒸気圧縮システムは、温度が制御された積み荷空間に供給される空気を冷却する輸送冷凍システムである。

冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路内に直列に連通して配置された、冷媒圧縮装置、冷媒冷却熱交換器、フラッシュタンク受器、および冷媒加熱熱交換器を備える。主膨張装置が、冷媒回路において、フラッシュタンク受器の下流側で、かつ冷媒加熱熱交換器の上流側に配置され、二次膨張装置が、冷媒回路において、冷媒冷却熱交換器の下流側で、かつフラッシュタンク受器の上流側に配置される。冷媒蒸気圧縮システムは、フラッシュタンク受器と動作可能に関連して配置された、フラッシュタンク受器内の液体冷媒のレベルを検出する液体レベル検出装置、冷媒回路と動作可能に関連付けられた、冷媒回路内を循環する冷媒の運転特性を検出する少なくとも１つのセンサ、および前記二次膨張装置と動作可能に関連付けられた制御器を備える冷媒チャージ制御装置をさらに備える。制御器は、少なくとも１つのセンサによって検出された少なくとも１つの運転特性に応じて、所望の運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク受器内の所望の液体冷媒レベルを決定し、次いで、液体冷媒のレベルを決定された所望の液体冷媒レベルに制御するために、液体レベル検出装置から受信したフラッシュタンク受器内の液体冷媒の実際のレベルを示す信号に応じて、二次膨張装置を、二次膨張装置を通流する冷媒流を増減するように、選択的に調整するように、作動する。冷媒蒸気圧縮システムは、蒸気冷媒流をフラッシュタンク受器から圧縮装置内に移行させるために、フラッシュタンク受器の上側領域から圧縮装置の中間圧力領域に至る冷媒流経路を定めるエコノマイザ冷媒ラインを備えてもよい。

冷媒の検出された運転特性は、圧縮装置の吐出側の冷媒の温度または圧力、圧縮装置の吸込側の冷媒の温度または圧力、または冷媒ラインを通ってフラッシュタンク受器の上側領域から圧縮装置の中間圧力段に移行する冷媒の温度または圧力であるとよい。一実施形態では、制御器は、少なくとも検出された冷媒運転特性および周囲温度測定値に応じて、フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動する。一実施形態では、制御器は、少なくとも検出された冷媒運転特性および冷媒蒸気圧縮システムと動作可能に関連付けられた調和された環境の空気温度に応じて、フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動する。

本発明の他の態様では、冷媒回路内に直列に連通して配置された、冷媒圧縮装置、冷媒冷却熱交換器、二次膨張装置、フラッシュタンク、主膨張装置、および冷媒加熱熱交換器を備える冷媒蒸気圧縮システムにおける冷媒チャージを制御する方法が提供される。この方法は、冷媒回路の少なくとも一箇所において冷媒の少なくとも１つの運転特性を検出するステップと、検出された少なくとも１つの冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定するステップと、フラッシュタンク内の実際の液体冷媒レベルを検出するステップと、フラッシュタンク内の液体冷媒のレベルを所望の液体冷媒レベルに制御するために、検出された液体冷媒レベルに応じて、二次膨張装置を、二次膨張装置を通る冷媒流を増減するように、調整するステップと、を含む。

検出された少なくとも１つの冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定するステップは、検出された少なくとも１つの運転特性に応じて、所望の圧縮装置吐出圧力または圧縮装置吐出温度、所望の圧縮装置吸込圧力または圧縮装置吸込温度、またはフラッシュタンクから冷媒ラインを通って圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する冷媒蒸気の所望の冷媒温度または冷媒圧力と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含んでもよい。検出された少なくとも１つの冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定するステップは、検出された少なくとも１つの冷媒運転特性、および周囲温度測定値または前記冷媒蒸気圧縮装置と動作可能に関連付けられ調和された環境の空気温度のいずれかに応じて、フラッシュタンク内の所望の冷媒レベルを決定することを含んでもよい。

本発明の上記の目的および他の目的をさらに理解するには、添付の図面と関連して読まれるべき以下の本発明の詳細な説明を参照されたい。

図１，２を参照すると、従来システムにおけるように、冷媒蒸気圧縮システム１０は、圧縮装置３０、冷媒熱放出熱交換器４０、ここでは蒸発器とも呼ばれる冷媒熱吸収熱交換器５０、蒸発器５０と動作可能に関連する弁として示される蒸発器膨張装置５５、および冷媒回路６０における前述の構成部品を接続する種々の冷媒ライン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ，６０Ｅを備える。圧縮装置３０は、以下にさらに詳細に説明するように、冷媒を圧縮し、冷媒回路内に循環させるように機能する。圧縮装置３０は、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、往復圧縮機、回転圧縮機、または他のいかなる形式の圧縮機でもよいし、または複数のいかなるこのような圧縮機でもよい。図１に示される実施形態では、圧縮装置３０は、単一の冷媒圧縮機、例えば、単一のスクロール圧縮機またはスクリュー圧縮機である。図２に示される実施形態では、圧縮装置３０は、１対の圧縮機、例えば、直列に接続された１対の往復圧縮機、またはシリンダからなる第１のバンクおよび第２のバンクを有する単一の往復圧縮機である。この圧縮装置３０は、第１の圧縮機３０Ａの吐出口ポートを第２の圧縮機３０Ｂの吸込口ポートに冷媒連通させて接続するか、またはシリンダからなる第１のバンクと第２のバンクの間を冷媒連通させて接続する冷媒ラインを有する。

加えて、本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、冷媒回路６０において、冷媒熱放出熱交換器４０と冷媒熱吸収熱交換器５０との間に配置されたフラッシュタンク受器２０を備える。第１の膨張装置、すなわち、蒸発器膨張装置５５は、冷媒ライン６０Ｃにおいて、フラッシュタンク受器２０の液体冷媒流に対して下流側、かつ熱交換器５０の冷媒流に対して上流側に配置されている。加えて、膨張弁として示される第２の膨張装置７５が、冷媒ライン６０Ｂにおいて、熱交換器４０の冷媒流に対して下流側、かつフラッシュタンク受器２０の冷媒流に対して上流側に配置されている。従って、フラッシュタンク受器２０は、冷媒回路６０において、第１の膨張装置５５と第２の膨張装置７５との間に配置されている。

亜臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムでは、冷媒熱放出熱交換器４０は、冷媒凝縮熱交換器として構成され、この冷媒凝縮熱交換器内を、高温高圧冷媒が、冷却媒体、最も一般的には、空調システムまたは輸送冷凍システムにおける周囲空気と熱交換しながら通流する。遷移臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムでは、冷媒熱放出熱交換器４０は、ガス冷却器型熱交換器として構成され、このガス冷却器型熱交換器内を、超臨界冷媒が、冷却媒体、ここでも最も一般的には、空調システムまたは輸送冷凍システムにおける周囲空気と熱交換しながら通流する。

システム１０が亜臨界サイクルまたは遷移臨界サイクルのいずれで運転されても、冷媒熱放出熱交換器４０を出る冷媒は、冷媒ライン６０Ｂを通って、フラッシュタンク受器２０に入る。以下、さらに詳細に説明するように、冷媒熱放出熱交換器４０からフラッシュ容器２０に入る場合、冷媒は、第２の膨張装置７５を横断し、膨張して圧力が低下し、これによって、冷媒は、液体冷媒と蒸気冷媒との混合物として、フラッシュタンク受器２０に入る。液体冷媒は、フラッシュタンク２０の下部に溜まり、冷媒蒸気は、液体よりも上方のフラッシュタンク受器２０の上部に収集される。

フラッシュタンク受器２０から冷媒ライン６０Ｃ内を通流する液体冷媒は、冷媒ライン６０Ｃにおいて蒸発器５０の冷媒流に対して上流側に配置された第1の膨張装置５５を横断する。この液体冷媒は、第１の膨張装置５５を横断すると、膨張して圧力および温度が低下し、この後、蒸発器５０に入る。蒸発器５０は、冷媒蒸発熱交換器として構成され、この冷媒蒸発熱交換器を、膨張した冷媒が、加熱流体と熱交換しながら通流し、これによって、冷媒は、蒸発し、典型的には、過熱される。蒸発器５０内を冷媒と熱交換しながら通流する加熱流体は、温度が制御された環境、例えば、空調システムと関連する快適な区域または輸送冷凍ユニットと関連する腐敗しやすい積み荷の貯蔵区域に供給される空気であればよい。蒸発器５０から出る低圧冷媒蒸気は、冷媒ライン６０Ｄを通って、図１の圧縮装置３０または図２の圧縮装置３０Ａの吸込ポートに戻る。従来のサーモスタット式膨張弁または電子式膨張装置であればよい第１の膨張装置５５は、検出装置５２によって検出された冷媒温度または冷媒圧力を表す信号を受信する。検出装置５２は、従来の温度検出要素、例えば、ＴＸＶ（サーモスタット式膨張弁）用の水銀球（ｂｕｌｂ）または熱電対、またはＥＸＶ（電子式膨張弁）用のサーミスタおよび／または圧力変換器であればよい。次いで、第１の膨張装置５５は、吸込温度または吸込圧力とも呼ばれる蒸発器５０から出る冷媒蒸気の所望レベルの過熱または圧力を維持するように、冷媒ライン６０Ｃを通流する冷媒流を計量供給する。従来の冷媒蒸気圧縮システムにおけるように、冷媒ライン６０Ｄを通流するいかなる液体冷媒をも取り出し、かつ蓄え、これによって、液体冷媒が圧縮装置３０（図１）または圧縮装置３０Ａ（図２）の吸込ポートに入らないことを確実にするために、吸込アキュムレータ（図示せず）が、冷媒ライン６０Ｄにおいて、蒸発器５０の冷媒流に対して下流側、かつ圧縮装置３０（図１）または圧縮装置３０Ａ（図２）の冷媒流に対して上流側に配置されてもよい。

本発明の冷媒蒸気圧縮システム１０は、フラッシュタンク受器２０と関連して作動する液体レベルセンサ２５、および制御器７０を備える。液体レベルセンサ２５は、フラッシュタンク受器２０内の液体冷媒のレベルを検出し、フラッシュタンク受器２０内の液体冷媒レベルを表す信号を生成する。制御器７０は、フラッシュタンク受器２０の液体冷媒レベルを表す信号を受信し、検出された液体レベルを所望の液体レベル設定値と比較し、冷媒回路６０内を循環する所望の冷媒チャージと一致するフラッシュタンク受器２０内の所望の液体レベルを維持するために、必要に応じて、第２の膨張装置７５を通る冷媒流を選択的に制御し、液体冷媒レベルを調整するのに適するようにされている。冷媒ライン６０Ｂを通ってフラッシュタンク受器２０内に流れる膨張した液体冷媒／蒸気冷媒の混合物の内、フラッシュタンク受器２０に入った液体冷媒の量が、フラッシュタンク２０から冷媒ライン６０Ｃを通って蒸発器に入る液体冷媒の量と均衡状態にあるとき、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルは、一定に保たれている。

本発明の冷媒蒸気圧縮システムでは、フラッシュタンク受器２０は、チャージ制御タンクとして機能するのみならず、フラッシュタンクエコノマイザとしても機能する。フラッシュタンク受器２０内の液体レベルよりも上方の部分に収集される蒸気冷媒は、フラッシュタンク受器２０から、冷媒ライン６０Ｅを通って圧縮装置３０に戻る。もし、図１に示されるように、圧縮装置３０が、単一の冷媒圧縮機、例えば、単一のスクロール圧縮機またはスクリュー圧縮機の場合、エコノマイザからの冷媒は、中間圧力状態で注入ポート開口を通って圧縮機に入り、圧縮機の圧縮室内に至る。もし、図２に示されるように、圧縮装置３０が、１対の圧縮機、例えば、直列に接続された１対の往復圧縮機、またはシリンダからなる第１のバンクおよび第２のバンクを有する単一の往復圧縮機の場合、エコノマイザからの冷媒は、第１の圧縮機３０Ａの吐出口ポートを第２の圧縮機３０Ｂの吸込口ポートに冷媒連通させて接続するかまたはシリンダからなる第１のバンクと第２のバンクとの間を冷媒連通させて接続する冷媒ライン内に注入される。

一実施形態では、制御器７０は、予め選択された所望の液体レベル設定値を備え、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルをこの予め選択された液体レベルの特定の許容値内に保持するようにプログラム化されている。他の実施形態では、制御器７０は、以後吐出圧力とも呼ばれる圧縮装置３０から吐出される冷媒の圧力を表す信号７３を、センサ７２から受信する。センサ７２は、冷媒ライン６０Ａにおける圧縮装置３０の吐出流の下流側、または冷媒ライン６０Ｂにおける熱交換器４０の下流側に取り付けられるとよい。図２に示される二重圧縮機の実施形態では、センサ７２は、冷媒ライン６０Ａにおける第２の圧縮機３０Ｂの吐出側に取り付けられる。さらに他の実施形態では、制御器７０は、冷媒ライン６０Ｅにおける検出圧力または検出温度のいずれかであるとよい信号７３を、センサ７２から受信する。

センサ７２は、圧力検出装置、例えば、冷媒圧力を直接検出することができる圧力変換器であるとよい。代替的に、センサ７２は、温度検出装置、例えば、熱電対、サーミスタなどでもよい。この温度検出器は、冷媒ライン６０Ａにおける圧縮装置３０の吐出流の下流側、冷媒ライン６０Ｂにおける熱交換器４０の下流側、またはライン６０Ｅにおけるフラッシュタンク受器２０の下流側に配置される、温度検出装置、例えば、熱電対、サーミスタなどであってもよい。もしセンサ７２が温度検出装置で、ライン６０Ｅに配置されているなら、このセンサ７２は、冷媒吐出温度またはエコノマイザ蒸気ライン温度を表す信号７３を制御器７０に直接伝達する。このような場合、制御器７０は、受信した温度信号を、システムに内蔵された個々の冷媒用の圧力―温度特性曲線を参照して、吐出圧力に変換するとよい。制御パラメータが吐出圧力である一実施形態では、制御器７０は、検出された吐出圧力を運転状態に基づいて予めプログラム化された吐出圧力設定値と比較し、所望の吐出圧力と関連付けられて冷媒回路６０内を循環する冷媒チャージと一致するフラッシュタンク受器２０内の所望の液体レベルを維持するために、必要に応じて、第２の膨張装置７５を通る冷媒流を選択的に制御し、液体冷媒レベルを調整する。制御パラメータが吐出温度である他の実施形態では、制御器７０は、検出された温度をシステムの過熱を防ぐように予めプログラム化された温度設定値と比較し、所望の温度と関連付けられて冷媒回路６０内を循環する冷媒チャージと一致するフラッシュタンク受器２０内の所望の液体レベルを維持するために、必要に応じて、第２の膨張装置７５を通る冷媒流を選択的に制御し、液体冷媒レベルを調整する。制御パラメータがエコノマイザ圧力であるさらに他の実施形態では、制御器７０は、フラッシュタンク受器２０の入口圧力をわずかに高い圧力に維持し、エコノマイザ圧力と関連付けられて冷媒回路６０内を循環する冷媒チャージと一致するフラッシュタンク受器２０内の所望の液体レベルを維持するために、必要に応じて、第２の膨張装置７５を通る冷媒流を選択的に制御し、液体冷媒レベルを調整するようにする。検出されたパラメータがエコノマイザ温度の場合、制御器は、検出したエコノマイザ温度をその温度に対応する飽和圧力に変換し、前述の制御を行う。これらの実施形態のいずれかまたは全てにおいて、制御器７０は、システム（図示せず）内に取り付けられた他のセンサからの信号、例えば、制限されないが、冷凍空間の温度、周囲環境の温度、または他のパラメータ、例えば、所定の運転条件を特徴付けると共に冷媒回路内を循環する所望の冷媒チャージを決定するのに役立つのに加え、制御器７０によっても用いられる他のパラメータを受信してもよい。これらの態様のいずれかまたは全ての組合せが、単一システム内に含まれ、このシステムにおいて、使える状態の態様、すなわち、任意の時間において、膨張弁７５の作動を制御し、その任意の時間において、システムに存在する運転状態に最適な運転特性または望ましい運転特性をもたらすように機能し得る態様が、制御器７０によって選択されるとよい。

さらに具体的には、検出された圧力が吐出圧力の場合、もしこの吐出圧力が吐出圧力設定値よりも小さい場合、制御器７０は、フラッシュタンク受器２０内の液体が、（冷媒回路６０内を循環するチャージが十分に減少し、検出された吐出圧力が吐出圧力設定値まで増大する）レベルに上昇するまで、フラッシュタンク受器２０内への冷媒流を制限するように、第２の膨張弁７５を調整する。逆に、もし検出された吐出圧力が吐出圧力設定値よりも大きい場合、制御器７０は、フラッシュタンク受器２０内の液体が、（冷媒回路６０内を循環するチャージが十分に増大し、検出した吐出圧力が吐出圧力設定値まで減少する）レベルに降下するまで、フラッシュタンク受器２０内への冷媒流を増大させるように、第２の膨張弁７５を調整する。検出された吐出圧力が、吐出圧力設定値と等しくなった時点で、制御器７０は、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルをその液体レベルに維持するために、第２の膨張弁７５を、第２の膨張弁７５を通る冷媒流を制御するように、継続的に調整する。

図３を参照すると、本発明の冷媒蒸気圧縮システムと関連して用いられるフラッシュタンク受器の液体レベルを制御する方法の例示的実施形態が示されている。フラッシュタンク受器２０と動作可能に関連付けられた液体レベルセンサ２５は、従来の水平フロート式液体レベルセンサである。この液体レベルセンサ２５は、基部１２８に枢支されたアーム１２６の遠位端に配置されたフロート１２５を有する。磁石（図示せず）が、アーム１２６の反対側の端に配置されている。この磁石は、フラッシュタンク受器２０内の液体冷媒レベルの変化に応じて、フロート１２５が枢動する結果として、上下動し、これによって、磁石リードスイッチ（図示せず）に対して移動し、信号７１を生成する。この信号７１は、制御器７０に伝達される。冷媒をフラッシュタンク受器２０内に送る冷媒ライン６０Ｂは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルの上方の上側領域に開口し、液体冷媒をフラッシュタンク受器２０から取り出す冷媒ライン６０Ｃは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルの下方の下側領域に開口している。冷媒蒸気をフラッシュタンク受器２０から外に導く冷媒ライン６０Ｅも、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルよりも十分に高い上側領域に開口している。システム運転状態において冷媒回路６０内を循環する適切な冷媒チャージと一致する所望の液体レベルに対する信号７１によって示される検出された液体レベルに基づいて、制御器７０は、制御信号７７を第２の膨張弁７５に送り、フラッシュタンク受器２０内への冷媒流を増減するように、第２の膨張弁７５の位置を調整し、これによって、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルを調節する。

図４を参照すると、本発明の冷媒蒸気圧縮システムと関連して用いられるフラッシュタンク受器の液体レベルの制御方法の他の例示的実施形態が示されている。フラッシュタンク受器２０と動作可能に関連付けられた液体レベルセンサ２５は、従来の垂直フロート式液体レベルセンサである。この液体レベルセンサは、フラッシュタンク受器２０の屋根に取り付けられた基部１３８から懸垂された垂直ガイド部材１３６に取り付けられたフロート１３５を有する。作動時に、フロート１３５は、フラッシュタンク受器２０内の液体冷媒レベルの変化に応じて、上下動する。フロート１３５は、磁石（図示せず）を含んでいる。この磁石は、ガイド部材１３６上またはガイド部材１３６内に設けられた関連する磁石リードスイッチ（図示せず）の担体に対して平行移動し、信号７１を生成する。この信号７１は、制御器７０に伝達される。冷媒をフラッシュタンク受器２０内に送る冷媒ライン６０Ｂは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルの上方の上側領域に開口し、液体冷媒をフラッシュタンク受器２０から取り出す冷媒ライン６０Ｃは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルの下方の下側領域内に開口している。冷媒蒸気をフラッシュタンク受器２０の外に導く冷媒ライン６０Ｅも、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルよりも十分に高い上側領域内に開口している。ここでも、システム運転状態において冷媒回路６０内を循環する適切な冷媒チャージと一致する所望の液体レベルに対する信号７１によって示される検出された液体レベルに基づいて、制御器７０は、制御信号７７を第２の膨張弁７５に送り、フラッシュタンク受器２０内への冷媒流を増減するように、第２の膨張弁７５の位置を調整し、これによって、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルを調節する。

図５を参照すると、本発明の冷媒蒸気圧縮システムと関連して用いられるフラッシュタンク受器の液体レベル制御方法の他の例示的実施形態が示されている。この実施形態では、フロート１４５が、フラッシュタンク受器２０内に設けられた垂直方向に細長く延びる通路２２内に配置されている。このフロート１４５は、フラッシュタンク受器２０内の液体レベルに応じて、通路２２内で上下動する。通路２２は、フラッシュタンク受器２０の容器の下部に開口する開口下端、およびフラッシュタンク受器２０の容器の上部に開口する開口上端を有し、これによって、通路内の液体レベルおよびフラッシュタンク受器の容器の残部内の液体レベルは、常に同じである。加えて、複数の膨張弁９１，９２，９３，９４が、それぞれ、冷媒ライン６０Ｂから分かれた分岐６１，６２，６３，６４内に設けられている。これらの膨張弁９１，９２，９３，９４は、それぞれ、垂直方向における異なる高さの位置で、フラッシュタンク受器２０の容器内に直接開口している。制御器７０は、複数の弁９１，９２，９３，９４の１つを選択的に開口し、任意の時間に選択されたこの１つの弁のみを通して、冷媒流をガス冷却器からフラッシュタンク受器２０内に導く。フロート１４５は、分岐６１，６２，６３，６４がフラッシュタンク受器２０に入る位置において、分岐６１，６２，６３，６４の各々と相互作用し、フラッシュタンク受器内の液体レベルを、任意の時間において開口した分岐６１，６２，６３，６４と均衡を保つレベルに調整する。ガス冷却器４０からの冷媒が複数の膨張弁９１，９２，９３，９４の選択された１つを通流すると、冷媒は膨張して、その圧力および温度が低下し、液体冷媒／冷媒蒸気の混合物としてフラッシュタンク受器２０に入る。他の実施形態におけるように、液体冷媒をフラッシュタンク受器２０から取り出す冷媒ライン６０Ｃは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルの下方の下側領域に開口し、冷媒蒸気をフラッシュタンク受器２０から外に導く冷媒ライン６０Ｅは、フラッシュタンク受器２０内の通常の液体レベルよりも十分に高い上側領域に開口している。

液体冷媒は、フラッシュタンク受器によって画定された容器の下部に収集され、蒸気冷媒は、容器の上部に収集される。容器内の液体レベルが変動すると、これに対応して、通路２２のフロート１４５が上下動し、それぞれの冷媒分岐ライン６１，６２，６３，６４の入口に対して移動する。

当業者であれば、ここに説明した例示的実施形態に対して、多くの変更がなされ得ることを認めるだろう。例えば、液体レベルセンサ２５は、フロート式液体レベルセンサに制限されない。むしろ、当業者であれば、フロートのない形式の液体レベルセンサ、例えば、従来の圧力トランスミッタ式液体レベルセンサまたは超音波トランスミッタ式液体レベルセンサが、本発明のシステムに用いられてもよいことを認めるだろう。加えて、本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、亜臨界サイクルまたは遷移臨界サイクルのいずれで運転されてもよい。

図面に示される好ましい態様を参照して、本発明を具体的に説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の細部の変更がなされ得ることを理解するだろう。

本発明による冷媒蒸気圧縮システムの第１の例示的実施形態を示す略線図である。 本発明による冷媒蒸気圧縮システムの第２の例示的実施形態を示す略線図である。 本発明の冷媒蒸気圧縮システムのフラッシュタンク受器の例示的実施形態を示す略線図である。 本発明の冷媒蒸気圧縮システムのフラッシュタンク受器の他の例示的実施形態を示す略線図である。 本発明の冷媒蒸気圧縮システムのフラッシュタンク受器のさらに他の例示的実施形態を示す略線図である。

Claims (20)

1. 冷媒回路であって、冷媒圧縮装置、前記圧縮装置から受けた高圧冷媒を冷却媒体と熱交換させる冷媒冷却熱交換器、低圧冷媒を加熱媒体と熱交換させる冷媒加熱熱交換器、および前記冷媒回路において、前記冷媒冷却熱交換器の下流側で、かつ前記冷媒加熱熱交換器の上流側に配置された主膨張装置を備える、冷媒回路と、
   前記冷媒回路において、前記冷媒冷却熱交換器の下流側で、かつ前記主膨張装置の上流側に配置されたフラッシュタンク受器と、
   前記冷媒回路において、前記冷媒冷却熱交換器の下流側で、かつ前記フラッシュタンク受器の上流側に配置された二次膨張装置であって、前記二次膨張装置内を流れる前記高圧冷媒を膨張させ、前記高圧および前記低圧の中間の比較的低圧の液体冷媒／蒸気冷媒の混合物を生成すると共に、前記フラッシュタンク受器内への冷媒流を制御するように作動する、二次膨張装置と、
   前記フラッシュタンク受器と動作可能に関連して配置された、前記フラッシュタンク受器内の液体冷媒のレベルを検出する液体レベル検出装置、前記冷媒圧縮装置と動作可能に関連付けられた、前記冷媒圧縮装置内を循環する冷媒の運転特性を検出するセンサ、および前記二次膨張装置および前記センサと動作可能に関連付けられた制御器を備える冷媒チャージ制御装置であって、前記制御器が、前記センサによって検出された運転特性に少なくとも応じて、冷媒の所望の運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内の所望の液体冷媒レベルを決定し、次いで、液体冷媒のレベルを前記決定された所望の液体冷媒レベルに制御するために、前記液体レベル検出装置から受信した前記フラッシュタンク受器内の検出された液体冷媒のレベルを表す信号に応じて、前記二次膨張装置を選択的に調整して前記二次膨張装置を通流する冷媒流を増減するように作動し、前記冷媒圧縮装置内を循環する冷媒の運転特性が、前記フラッシュタンク受器から前記圧縮装置の中間圧力段へと延びる冷媒ラインを通流する蒸気冷媒の運転特性である、冷媒チャージ制御装置と、
   を備えた冷媒蒸気圧縮システム。
2. 前記センサが、前記フラッシュタンク受器から冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する蒸気冷媒の運転特性を検出し、前記制御器が、前記フラッシュタンク受器から冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する前記蒸気冷媒の所望の運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる液体冷媒のレベルを決定し、前記制御器が、前記フラッシュタンク受器内の液体冷媒のレベルを前記決定された液体冷媒のレベルに維持するために、前記フラッシュタンク受器内の検出された液体冷媒のレベルを表す信号に応じて、前記二次膨張弁を調整することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
3. 前記検出された運転特性が、冷媒温度であることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
4. 前記検出された冷媒運転特性が、冷媒圧力であることを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
5. 前記運転特性が冷媒温度であり、前記制御器が、前記検出された温度に対応する一定の飽和圧力を保つ循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる液体冷媒のレベルを決定し、前記制御器が、前記フラッシュタンク受器内の液体冷媒のレベルを前記決定された液体冷媒のレベルに維持するために、前記フラッシュタンク受器内の検出された液体冷媒のレベルを表す信号に応じて、前記二次膨張弁を調整することを特徴とする請求項２に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
6. 前記制御器が、所望の圧縮装置吸込圧力を維持する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
7. 前記制御器が、所望の圧縮装置吸込温度を維持する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
8. 前記制御器が、前記フラッシュタンク受器から冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する冷媒蒸気の所望の冷媒圧力を維持する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
9. 前記制御器が、前記フラッシュタンク受器から冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する冷媒蒸気の所望の冷媒温度を維持する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
10. 前記制御器が、前記センサによって検出された検出冷媒運転特性および周囲温度測定値に少なくとも応じて、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
11. 前記制御器が、前記センサによって検出された検出冷媒運転特性および前記冷媒蒸気圧縮システムと動作可能に関連付けられた調和された環境の空気温度に少なくとも応じて、前記フラッシュタンク受器内に蓄えられる所望の液体冷媒レベルを決定するように、作動することを特徴とする請求項１に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
12. 冷媒回路内に直列に連通して配置された、冷媒圧縮装置、冷媒冷却熱交換器、二次膨張装置、フラッシュタンク受器、主膨張装置、および冷媒加熱熱交換器を備える冷媒蒸気圧縮システム内の冷媒チャージを制御する方法であって、
    前記フラッシュタンク受器から前記圧縮装置の中間圧力段へと延びる冷媒ラインにおいて冷媒の運転特性を検出するステップと、
    前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定するステップと、
    前記フラッシュタンク内の実際の液体冷媒レベルを検出するステップと、
    前記フラッシュタンク内の液体冷媒のレベルを前記所望の液体冷媒レベルに制御するために、前記検出された液体冷媒レベルに応じて、前記二次膨張装置を、前記二次膨張装置を通流する冷媒流を増減するように、調整するステップと、
    を含む方法。
13. 前記検出された運転特性が、冷媒温度であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記検出された運転特性が、冷媒圧力であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の圧縮装置吸込圧力と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の圧縮装置吸込温度と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性に応じて、
    前記フラッシュタンクから冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する冷媒蒸気の所望の冷媒圧力と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性に応じて、
    前記フラッシュタンクから冷媒ラインを通って前記圧縮装置の中間圧縮圧力段に移行する冷媒蒸気の所望の冷媒温度と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
19. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性および周囲温度測定値に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
20. 前記検出された冷媒運転特性に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定する前記ステップが、前記検出された冷媒運転特性および前記冷媒蒸気圧縮システムと動作可能に関連付けられた調和された環境の空気温度に応じて、所望の冷媒運転特性と一致する循環冷媒チャージをもたらすように、前記フラッシュタンク内の所望の液体冷媒レベルを決定することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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