JP5196452B2 - 充填量管理を備えた遷臨界冷媒蒸気圧縮システム - Google Patents

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Description

この発明は、冷媒蒸気圧縮システムに関し、特に、遷臨界サイクルで運転される冷媒蒸気圧縮システムの冷媒充填量管理に関する。
冷媒蒸気圧縮システムは当技術分野においては周知であり、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のために一般に用いられている。また、冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮/冷凍製品貯蔵エリアに冷却空気を供給するためにも広く用いられている。
冷媒蒸気圧縮システムは、さらに、輸送冷凍システムにおいても、トラック、鉄道、船、あるいは複合輸送により生鮮/冷凍製品を輸送するために、トラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御貨物スペースへ供給する空気の冷却に広く用いられている。輸送冷凍システムと組み合わせて用いられる冷媒蒸気圧縮システムでは、広範囲な動作負荷条件や広範囲な外部周囲条件に亘って貨物スペース内の製品を所望の温度に維持するように冷媒蒸気圧縮システムが動作しなければならないことから、一般に、その運転条件はより過酷なものとなる。貨物を制御することが必要な所望の温度は、保存する貨物の性質に応じて、広範囲に亘って異なるものとなる。冷媒蒸気圧縮システムは、外気温の下で貨物スペースに入れられた製品の温度を素早く引き下げるだけの十分な容量および冷媒充填量を有するだけでなく、輸送中に安定した製品温度を維持する際に、過剰な冷媒充填量でもって低い負荷で効率よく運転できなければならない。さらに、輸送用冷媒蒸気圧縮システムは、固定式の冷媒蒸気圧縮システムでは経験することがない振動や動きに晒される。従って、過剰な液体冷媒を蓄えるようにコンプレッサ吸入口の上流側の吸入ラインに設けられる一般的な冷媒アキュムレータにあっては、上記の動きに伴って液体が揺動し、その結果、吸入ラインを通して上記吸入口からコンプレッサ内へ不必要に液体冷媒が持ち出されてしまう。
伝統的に、この冷媒蒸気圧縮システムの殆どは、亜臨界冷媒圧力で動作し、一般に、コンプレッサと、コンデンサと、エバポレータと、冷媒の流れとして上記エバポレータの上流でかつコンデンサの下流に配置された膨張装置(通常は膨張弁)と、を含んでいる。これらの基本的な冷媒システム構成要素は、冷媒閉回路となるように冷媒ラインで接続されるとともに、公知の冷媒蒸気圧縮サイクルに沿って配置され、かつ特定の冷媒を用いて亜臨界圧力範囲で運転される。亜臨界範囲で動作する冷媒蒸気圧縮システムには、一般に、フロン冷媒、例えば、これに限定するものではないが、R22のようなヒドロクロロフルオロカーボン(HCFC)が充填され、R134a、R410A、R404A、R407Cのようなヒドロフルオロカーボン(HFC)がさらに一般的である。
現在の市場では、HFC冷媒に代えて空調装置や輸送冷凍システムに使用するために、二酸化炭素のような「自然」冷媒に注目が集まっている。しかしながら、二酸化炭素は臨界温度が低いので、冷媒として二酸化炭素を充填した冷媒蒸気圧縮システムの多くは、遷臨界圧力方式で動作するように設計されている。亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、コンデンサおよびエバポレータとなる熱交換器の双方は、冷媒の臨界点未満の冷媒温度および圧力で動作する。しかしながら、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、エバポレータは、亜臨界範囲の冷媒温度および圧力で動作するが、放熱用熱交換器(これはコンデンサではなく、むしろガスクーラとなる)は、冷媒の臨界点を超える冷媒温度および圧力で動作する。従って、遷臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおいては、ガスクーラ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差が、亜臨界サイクルで動作する冷媒蒸気圧縮システムにおけるコンデンサ内の冷媒圧力とエバポレータ内の冷媒圧力との圧力差に比べて、かなり大きいことが特徴的である。
また、冷媒蒸気圧縮システムの容量の増加のために、エコノマイザを冷媒回路に組み込むことも広く実施されている。例えば、あるシステムにおいては、冷媒対冷媒の熱交換器がエコノマイザとして冷媒回路に組み込まれる。コンデンサを出た冷媒の第1の部分が熱交換器の第1の流路を通過して、該熱交換器の第2の流路を通る冷媒の第2の部分と熱交換する。この冷媒の第2の部分は、一般に、コンデンサを出た冷媒の一部を構成するものであって、膨張装置を通して分岐され、エコノマイザの冷媒対冷媒の熱交換器の第2の流路を通過する前に、該膨張装置において膨張し、低圧かつ低温の冷媒蒸気ないし蒸気/液体混合物となっている。この冷媒の第2の部分は、上記エコノマイザ熱交換器の第2の流路を横切り、その後、圧縮プロセスの中間圧力変化点へ導入される。主冷媒回路の冷媒は、上記の冷媒対冷媒のエコノマイザ熱交換器の第1の流路を通過して、さらに冷却され、かつシステムの主膨張装置を横切り、その後、エバポレータへ流入する。特許文献1は、エコノマイザとして冷媒対冷媒の熱交換器を冷媒回路に組み込んでなる輸送冷凍ユニット用の亜臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。特許文献2は、第1の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザと、第2の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザとが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に直列に配置された亜臨界冷凍システムを開示している。
あるシステムにおいては、フラッシュタンクエコノマイザが、冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込まれている。このような場合、コンデンサを出た冷媒が、感温式膨張弁あるいは電子膨張弁などからなる膨張装置を通して膨張した後に、フラッシュタンクに流入し、ここで、上記の膨張した冷媒が、液体冷媒成分と蒸気冷媒成分とに分離する。そして、冷媒の蒸気成分は、フラッシュタンクから圧縮プロセスの中間圧力段へと導かれる。冷媒の液体成分は、フラッシュタンクからシステムの主膨張弁を通してエバポレータへと導かれる。特許文献3は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のコンデンサとエバポレータとの間に組み込んでなる亜臨界蒸気圧縮システムを開示している。特許文献4は、フラッシュタンクエコノマイザを冷媒回路のガスクーラとエバポレータとの間に組み込んでなる遷臨界冷媒蒸気圧縮システムを開示している。
米国特許第6058729号明細書 米国特許第6694750号明細書 米国特許第5174123号明細書 米国特許第6385980号明細書
改良した冷媒充填量管理を有する遷臨界冷媒蒸気圧縮システムは、圧縮装置と、冷媒放熱用熱交換器と、冷媒吸熱用熱交換器と、主冷媒回路の上記冷媒放熱用熱交換器と上記冷媒吸熱用熱交換器との間に、冷媒の流れとして直列の関係となるように配置された冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザおよびフラッシュタンクと、を備えている。冷媒回路の冷媒吸熱用熱交換器の上流に該冷媒吸熱用熱交換器に関連して動作する1次膨張弁が介装され、冷媒回路のフラッシュタンクの上流に該フラッシュタンクに関連して動作する2次膨張弁が介装されている。冷媒蒸気バイパスラインによって、フラッシュタンクと、冷媒吸熱用熱交換器下流側における主冷媒回路の吸入圧力部分との間で、冷媒蒸気の連通が確保されている。この冷媒蒸気バイパスラインには、該冷媒蒸気バイパスラインを通る冷媒蒸気の流れを制御するために、開位置と閉位置とを有するバイパス流制御弁が介装されている。
上記冷媒対冷媒熱交換器は、第1の冷媒流路と第2のバイパス流路とを有し、上記第1の冷媒流路は、主冷媒回路の冷媒放熱用熱交換器の下流側でかつ1次膨張弁の上流側に位置し、上記第2のバイパス流路は、主冷媒回路を圧縮装置の中間圧力段へと連通するように延びたエコノマイザ回路冷媒ラインに位置している。このエコノマイザ回路冷媒ラインには、エコノマイザ回路膨張弁が介装されており、このエコノマイザ回路膨張弁は、冷媒の流れとして、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの上記の第2の冷媒流路の上流側に位置する。このエコノマイザ回路膨張装置は、電子膨張弁もしくは感温式膨張弁から構成し得る。
一実施例では、上記バイパス流制御弁は、2位置電磁弁、パルス幅変調電磁弁、あるいは電子膨張弁、からなる。一実施例では、上記1次膨張弁は、電子膨張弁もしくは感温式膨張弁からなる。一実施例では、上記2次膨張弁は、電子膨張弁もしくは固定オリフィス式膨張装置からなる。
一実施例では、上記圧縮装置は、少なくとも第1の圧縮段と第2の圧縮段とを有する単一のコンプレッサからなる。一実施例では、上記圧縮装置は、冷媒回路中に冷媒の流れとして直列の関係に配置された第1のコンプレッサおよび第2のコンプレッサからなり、第1のコンプレッサの吐出ポートが第2のコンプレッサの吸入ポートに連通している。単一のコンプレッサの配置および二つのコンプレッサの配置のいずれの場合も、各コンプレッサとしては、スクロールコンプレッサや往復動型コンプレッサあるいはスクリューコンプレッサとし得る。
本発明に係る冷媒蒸気圧縮システムの一実施例を示す説明図。 遷臨界サイクルで動作する図1の冷媒蒸気圧縮システムの実施例における圧力−エンタルピの関係を示す特性図。 単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。 単一のフラッシュタンクエコノマイザを備え遷臨界サイクルで動作する従来の冷媒蒸気圧縮システムにおける圧力−エンタルピの関係を示す特性図。
図1には、生鮮品や冷凍品を輸送するトラック、トレーラ、コンテナ等の温度制御される貨物スペースへ供給する空気を冷却する輸送冷凍システムでの使用に適した遷臨界冷媒蒸気圧縮システム10の一実施例が図示されている。この冷媒蒸気圧縮システム10は、住宅、オフィスビル、病院、学校、レストラン、あるいは他の施設、における温度調整される快適領域へ供給する空気の調和のための利用にも適している。また、この冷媒蒸気圧縮システムは、商業施設における、ショーケース、陳列棚、冷凍キャビネット、低温室、あるいは他の生鮮/冷凍製品貯蔵エリアへ供給される空気の冷却にも用いることができる。
上記遷臨界冷媒蒸気圧縮システム10は、多段圧縮装置20と、冷媒放熱用熱交換器(ここではガスクーラとも呼ぶ)40と、冷媒吸熱用熱交換器(ここではエバポレータとも呼ぶ)50と、例えば電子膨張弁や感温式膨張弁などからなるエバポレータ50に関連して動作する1次膨張装置55と、これらの構成要素を主冷媒回路として接続する種々の冷媒ライン2,4,6と、を備えている。
上記圧縮装置20は、冷媒を圧縮し、かつ後述するように主冷媒回路を通して冷媒を循環させるように、機能する。圧縮装置20は、単一の多段冷媒コンプレッサ、例えば、第1圧縮段20aおよび第2圧縮段20bを有する往復動型コンプレッサとすることができ、あるいは、一般的な形(例えばインジェクションポートを介して)で冷媒を圧縮チャンバの中間圧力点に噴射することができる単一のコンプレッサ、例えばスクロールコンプレッサあるいはスクリューコンプレッサとすることができ、この場合は、第1圧縮段20aは中間圧力点の上流側となり、第2圧力段20bは中間圧力点の下流側となる。上記第1圧縮段20aおよび上記第2圧縮段20bは、冷媒の流れとして直列の関係となっており、第1圧縮段を出た冷媒が、さらに圧縮すべく第2圧縮段に直接に流れる。また圧縮装置20は、主冷媒回路において冷媒ラインにより冷媒の流れとして直列の関係に接続された一対のコンプレッサ20a,20bから構成することもでき、上記冷媒ラインが、第1のコンプレッサ20aの吐出ポートを第2のコンプレッサ20bの吸入ポートに連通させている。これらのコンプレッサ20a,20bとしては、スクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、ロータリコンプレッサ、あるいは他の形式のコンプレッサとすることができ、あるいはこれらのコンプレッサの組み合わせとすることもできる。
冷媒放熱用熱交換器40は、例えばフィン・チューブ型熱交換器42を備え、ここを通る高温高圧の冷媒が、冷却媒体、最も一般的にはコンデンサ用ファン44によって熱交換器42を通して引き込まれる周囲空気、と熱交換する。フィン・チューブ型熱交換器42は、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。
本発明の冷媒蒸気圧縮システム10は、さらに、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60およびフラッシュタンク70を備えており、これらは、冷媒が直列に流れる関係でもって、主冷媒回路の冷媒ライン4において、冷媒の流れとしてガスクーラ40の下流側でかつエバポレータ50の上流側に介装されている。上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60は、主冷媒回路の冷媒ライン4において、冷媒の流れとしてガスクーラ40の下流側でかつフラッシュタンク70の上流側に配置されている。さらに、2次膨張装置75、例えば電子膨張弁もしくは固定オリフィス装置、が主冷媒回路の上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60と上記フラッシュタンク70との間に介装されている。
上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60は、熱交換関係となるように配置された第1の冷媒流路62と第2の冷媒流路64とを備えている。第1の冷媒流路62は、冷媒ライン4中に介在しており、主冷媒回路の一部を構成している。第2の冷媒流路64は、冷媒ライン12に介在し、エコノマイザ回路の一部を構成している。このエコノマイザ回路冷媒ライン12は、冷媒の流れとして連通するように圧縮プロセスの中間圧縮段に接続されている。図1の実施例では、このエコノマイザ回路冷媒ライン12は、主冷媒回路の冷媒ライン4に対し、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第1の流路62の冷媒流の上流側で接続され、冷媒を導いている。これに代えて、エコノマイザ回路冷媒ラインが、主冷媒回路の冷媒ライン4に対し、上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第1の流路62の下流側で接続するようにしてもよい。上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第1の冷媒流路62と第2の冷媒流路64は、所望により、平行流の熱交換関係として配置してもよく、カウンタフローの熱交換関係として配置してもよい。この冷媒対冷媒熱交換器60は、ロー付けプレート型熱交換器、チューブ・イン・チューブ型熱交換器、シェル・チューブ型熱交換器、とし得る。
上記エコノマイザ回路冷媒ライン12における冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第2の流路64の冷媒流の上流側には、エコノマイザ膨張装置65が配設されている。このエコノマイザ膨張装置65は、冷媒ライン12を通過する冷媒流、つまり熱交換器エコノマイザ60の第1の流路の冷媒と熱交換関係となる熱交換器エコノマイザ60の第2の流路64を通過する冷媒流を計量し、該熱交換器エコノマイザ60の第2の流路64から出る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持して、確実に冷媒蒸気中に液体が存在しないようにしている。上記膨張弁65は、例えば図1〜図3に示すように、電子膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁65は、冷媒ライン12で所望の冷媒温度ないし圧力を維持するように、コントローラ100からの信号に応答して冷媒流を計量する。上記膨張装置65は、また、感温式膨張弁とすることもでき、この場合には、膨張弁65は、検出装置(図示せず)により検出される冷媒温度ないし圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置は、熱交換器エコノマイザ60の第2の流路の下流の冷媒ライン12に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。上記エコノマイザ回路冷媒ライン12を通る冷媒蒸気は、上記圧縮装置20内に、圧縮プロセスの中間圧力点において噴射される。例えば、圧縮装置20が多段の往復動型コンプレッサであれば、この往復動型コンプレッサの第1圧縮段20aと第2圧力段20bとの間の中間圧力段内に冷媒ライン12から直接に冷媒蒸気が噴射される。圧縮装置20が単一のスクロールコンプレッサあるいは単一のスクリューコンプレッサであれば、圧縮プロセスの中間圧力にある圧縮チャンバへ向かって開口している圧縮装置20のインジェクションポート内に、冷媒ライン12から冷媒蒸気が噴射される。圧縮装置20が一対のコンプレッサ20a,20b、例えば直列に接続されてなる一対のスクロールコンプレッサ、スクリューコンプレッサ、往復動型コンプレッサ、あるいはシリンダの第1バンクと第2バンクとを具備する単一の往復動型コンプレッサ、からなる場合には、第1のコンプレッサ20aの吐出ポートと第2のコンプレッサ20bの吸入ポートとを接続する冷媒ラインに、上記エコノマイザ回路冷媒ライン12から冷媒蒸気が導かれる。
上記フラッシュタンク70は、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第1の流路62の冷媒流の下流側となりかつエバポレータ50の冷媒流の上流側となる主冷媒回路の冷媒ライン4に、該冷媒ライン4を通して流れる冷媒を受けるように配置されている。上記主冷媒回路の冷媒ライン4には、冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ60の第1の流路62の冷媒流の下流側でかつ上記フラッシュタンク70の入口の上流側において、2次膨張装置75が介装されている。上記冷媒ライン4を通る高圧冷媒蒸気は、上記2次膨張装置75を通過する際に膨張し、フラッシュタンク70内に入る前に、亜臨界の圧力および温度となる。上記2次膨張装置75は、図1に示すように、電子膨張弁とすることができ、この場合には、2次膨張弁75は、該2次膨張装置75上流側での冷媒ライン4における所望の冷媒圧力を維持するように、コントローラ100からの信号に応答して冷媒流を計量する。また、2次膨張装置75は単純な固定オリフィス式膨張装置とすることもでき、この場合には、該2次膨張装置75上流側の冷媒ライン4における圧力は、周囲の条件に依存して変動し、冷媒流は、本質的には固定オリフィス前後の圧力差の大きさに応じて計量される。
上記フラッシュタンク70は、亜臨界圧力にある膨張した冷媒が流れ込む分離室72を画成するものであって、冷媒は、液体冷媒部分と蒸気部分とに分離し、液体冷媒部分がフラッシュタンク70の低部に集まり、蒸気部分がフラッシュタンク70の液面レベルより上方の部分に集まる。従って、上記フラッシュタンク70は、冷媒蒸気圧縮システムがシステムの冷媒充填量全量を必要としない容量でもって運転されている場合に液体冷媒を貯蔵しておくためのレシーバとして機能する。
さらに、この冷媒蒸気圧縮システムは、フラッシュタンク70と主冷媒回路の冷媒ライン6とを、冷媒の流れとしてエバポレータ50の出口より下流側でかつ圧縮装置20の吸入口より上流側となる点において連通させる冷媒ライン14を備えている。フラッシュタンク70の液面レベル上方の部分に集まった蒸気冷媒は、フラッシュタンク70から冷媒ライン14を通して圧縮装置20に戻るように主冷媒回路へと流れる。フラッシュタンク70の分離室72を吸入圧力よりも高い冷媒圧力に維持するために、必要に応じて、冷媒ライン14を通過する冷媒蒸気の流れを制限する流れ制御弁85が該冷媒ライン14に介装されている。一実施例では、上記流れ制御弁85は、第1の開位置と第2の閉位置とを有する電磁弁、例えばこれに限定されるものではないが、パルス幅変調電磁弁、などからなる。一実施例では、上記流れ制御弁85を電子膨張弁とすることもできる。
フラッシュタンクエコノマイザ70の低部に集まった液体冷媒は、ここから冷媒ライン4を通して流れ、主冷媒回路膨張弁55を通過する。この膨張弁55は、電子膨張弁あるいは一般的な感温式膨張弁からなり、かつ冷媒ライン4のエバポレータ50の上流側に配置されている。この1次膨張弁55を液体冷媒が通過することにより、エバポレータ50へ流入する前に、冷媒は膨張して低圧低温となる。液体冷媒がエバポレータ50を通過する際に、この液体冷媒が加熱媒体と熱交換関係でもって通流するので、これにより冷媒は気化し、かつ一般に過熱状態となり、加熱媒体は冷却される。一実施例では、上記エバポレータ50は、フィン・チューブ型熱交換器52、例えば、フィン・ラウンドチューブ型熱交換コイルあるいはフィン・フラットミニチャンネルチューブ型熱交換器からなる。エバポレータ50において冷媒と熱交換するように流される上記加熱流体としては、付随のファン54によって空調環境、例えば、輸送冷凍ユニットに関連した生鮮/冷凍貨物貯蔵ゾーン、商業施設での食品の展示ないし貯蔵エリア、空調システムに関連したビル快適ゾーンなど、から引き込まれる空気とすることができ、この空気は、冷却ならびに一般に除湿され、再びその空調環境に戻される。エバポレータ50を出た低圧冷媒蒸気は、冷媒ライン6を通して、圧縮装置20の吸入口に戻る。
一般的なものと同じく、1次膨張弁55は、エバポレータ50から出る冷媒中に液体が残存しないことを確実にすべくエバポレータ50から出て冷媒ライン6を通る冷媒蒸気の過熱度を所望のレベルに維持するように、冷媒ライン4を通る冷媒流を計量する。前述したように、上記1次膨張弁55は、電子膨張弁とすることができ、この場合には、膨張弁55は、圧縮装置20の吸入側における冷媒ライン6での所望の吸入温度ないし吸入圧力を維持するように、コントローラ100からの信号に応答して冷媒流を計量する。また1次膨張弁55を感温式膨張弁とすることもでき、この場合には、膨張弁55は、検出装置により検出される冷媒温度ないし圧力を示す信号に応答して冷媒流を計量する。上記検出装置は、エバポレータ出口付近で冷媒ライン6に取り付けられた通常の温度検出素子、例えばバルブや熱電対、とすることができる。
図1に示した冷媒蒸気圧縮システム10の例示的な実施例では、冷媒ライン14に介装された流れ制御弁85および冷媒ライン12に介装されたエコノマイザ回路膨張装置75に機能的に関連したコントローラ100を含む制御システムによって、冷媒蒸気圧縮システムの運転が制御される。コントローラ100は、さらに、電子膨張弁55,65、圧縮装置20、ファン44,54の動作も制御し得る。一般的なように、周囲条件のモニタリングに加えて、コントローラ100は、コントローラ100に機能的に関連しかつシステムの選択された場所に配置された種々のセンサ手段を介して、種々の運転パラメータをモニタする。例えば、図1に示す実施例では、フラッシュタンク70内の圧力を検出するためにフラッシュタンク70に機能的に関連して配置された圧力センサ102と、冷媒の吸入温度および吸入圧力をそれぞれ検出するように配置された温度センサ103および圧力センサ104と、冷媒の吐出温度および吐出圧力をそれぞれ検出するように配置された温度センサ105および圧力センサ106と、を備える。圧力センサ102,104,106は、一般的な圧力センサ、例えば圧力トランスデューサからなり、温度センサ103,105は、一般的な温度センサ、例えば熱電対やサーミスタからなる。
本発明の冷媒蒸気圧縮システムは、二酸化炭素のような臨界点の低い冷媒による遷臨界サイクルでの運転に特に適合しているが、従来からの臨界点の高い冷媒による亜臨界サイクルでの運転も可能である。冷媒蒸気圧縮システム10がエコノマイザモードで運転されているときには、コントローラ100は、システムの運転条件および容量要求に応答して、冷媒ライン4からエコノマイザ回路冷媒ライン12を通る冷媒蒸気の流れを計量するように、エコノマイザ回路膨張装置65を制御する。システムが非エコノマイザモードで運転されているときには、コントローラ100は、エコノマイザ回路膨張弁65を閉じ、ガスクーラ40から冷媒ライン4を通る冷媒の全量が2次膨張装置75を通過してフラッシュタンク70に流入するようにする。エコノマイザモードあるいは非エコノマイザモードのいずれでも、コントローラ100は、検出したシステムの運転パラメータ、例えばコンプレッサ吐出温度、に応答して、フラッシュタンク70から流出する液体冷媒の量を適正な量に計量し、システムの冷媒充填量の需要に適合するようにしている。
さらに、コントローラ100は、フラッシュタンク70からの冷媒蒸気の流れを制限するように冷媒ライン14に介装された流れ制御弁85の位置を、所望のフラッシュタンク亜臨界圧力を維持するように、フラッシュタンク70の分離室の検出圧力に応答して制御する。フラッシュタンクにおける冷媒液体の冷媒蒸気に対する比率は、分離室内の亜臨界圧力レベルに依存するので、膨張時に選択された冷媒の質が生成されるように、フラッシュタンク圧力が流れ制御弁85の位置によって制御される。もし流れ制御弁85を連続的に閉じていくと、フラッシュタンク内の圧力は、ガスクーラ圧力の上限まで上昇する。もし流れ制御弁85を連続的に開いていくと、フラッシュタンク70内の圧力はより低い圧力へと低下するが、吸入圧力よりは高い圧力となる。流れ制御弁85が全開となったときのフラッシュタンク内の圧力と吸入圧力との間の実際の圧力差は、用いられた特定の流れ制御弁におけるオリフィス寸法によって決定される。フラッシュタンク70から冷媒ライン14を通して吸入圧力へと向かう冷媒蒸気の吐出量の制御は、フラッシュタンク70内の低い圧力を維持する上で、重要である。従って、コントローラ100は、フラッシュタンク圧力を選択的に制御するために、継続的に、流れ制御弁85をその開位置と閉位置とに繰り返し動かす。このような1次膨張弁55および流れ制御弁85の操作によって、コントローラ100は、冷媒蒸気圧縮システム10が遷臨界モードで運転される場合であっても、運転条件の広い範囲に亘って冷媒充填量を効果的に管理することができる。さらに、冷媒をフラッシュタンク70内で液相と気相とに分離し、蒸気冷媒はエバポレータ下流の点へ分流させて、液体冷媒のみをエバポレータを通して送ることにより、エバポレータにおける熱交換の効率が改善される。
図2は、図1の冷媒蒸気圧縮システム10の圧力−エンタルピの関係の特性を示し、図3および図4は一般的な冷媒蒸気圧縮システムの圧力−エンタルピの関係を示しているが、両者を対比することで、本発明の冷媒蒸気圧縮システムにおける容量の改善が示されている。図3は、単一の冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザを用いた一般的な従来技術の遷臨界冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図4は、単一のフラッシュタンクエコノマイザを用いた一般的な従来技術の遷臨界冷媒蒸気圧縮における圧力−エンタルピの関係の特性である。図2〜図4の各々において、ABはガスクーラ40でのガス放熱プロセスを表し、DEはエバポレータ50でのガス吸熱プロセスを表している。図2において、KGは冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ回路でのプロセスを表し、MNはフラッシュタンクから吸入側へのエバポレータバイパス回路でのプロセスを表している。図3において、KGは冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザ回路でのプロセスを表している。図4において、JLはフラッシュタンクエコノマイザ回路でのプロセスを表している。図1の場合のエバポレータの線DEは、単一のエコノマイザシステムを用いた各々の従来技術の場合のエバポレータの線に比べて長くなり、このことは、本発明の冷媒蒸気圧縮システムにおけるエバポレータの効率の向上を示している。
当業者であれば、ここに記載した特定の例示的実施例に種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。本発明を図示した例示的実施例に沿って示しかつ説明したが、当業者には、請求項による本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく細部における種々の変更をなし得ることが理解できるであろう。

Claims (20)

  1. 冷媒圧縮装置と、この圧縮装置から受ける冷媒が冷却媒体と熱交換関係となるように高圧で通流する冷媒冷却熱交換器と、加熱媒体と熱交換関係となるように冷媒が低圧で通流する冷媒加熱熱交換器と、上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記冷媒加熱熱交換器の上流側に配置された1次膨張装置と、を含んでなる主冷媒回路と、
    上記主冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の下流側でかつ上記1次膨張装置の上流側に配置された第1の冷媒流路と、エコノマイザ回路冷媒ラインに配置された第2の冷媒流路と、を備えてなる冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザと、
    上記冷媒回路において上記冷媒冷却熱交換器の上記第1の冷媒流路の下流側でかつ上記1次膨張装置の上流側に配置され、かつ分離室を画成して、この分離室の低部に液体状態の冷媒が集まるとともに該分離室の液面レベルより上方に蒸気状態の冷媒が集まるフラッシュタンクと、
    上記冷媒回路の上記フラッシュタンクの上流側に、該フラッシュタンクに関連して動作するように設けられた2次膨張装置と、
    上記フラッシュタンクの上記分離室の上部と、上記主冷媒回路における上記冷媒冷却熱交換器下流側の吸入圧力部分と、の間を連通する冷媒蒸気バイパスラインと、
    上記冷媒蒸気バイパスラインに介装され、冷媒蒸気が該バイパスラインを通流する第1の開位置と該バイパスラインの冷媒蒸気の通流が阻止される第2の閉位置とを有するバイパス流制御弁と、
    を備えてなる冷媒蒸気圧縮システム。
  2. 上記バイパス流制御弁が、第1の開位置と第2の閉位置とを有する電磁弁からな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. 上記バイパス流制御弁がパルス幅変調電磁弁からな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。
  4. 上記バイパス流制御弁が電子膨張弁からな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。
  5. 上記1次膨張装置が電子膨張弁からな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。
  6. 上記1次膨張装置が感温式膨張弁からな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. 上記2次膨張装置が電子膨張弁からな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. 上記2次膨張装置が固定オリフィス式膨張装置からな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. 上記エコノマイザ回路冷媒ラインは、上記主冷媒回路から上記圧縮装置の中間圧力段に連通するように延びてい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. 上記エコノマイザ回路冷媒ラインの上記冷媒対冷媒熱交換器エコノマイザの上記第2の冷媒流路より上流側に、さらにエコノマイザ回路膨張装置が介装されていることを特徴とする請求項9に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
  11. 上記エコノマイザ回路膨張装置が電子膨張弁からなることを特徴とする請求項10に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
  12. 上記エコノマイザ回路膨張装置が感温式膨張弁からなることを特徴とする請求項10に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
  13. 上記圧縮装置は、少なくとも2つの圧縮段を有する単一のコンプレッサからな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。
  14. 上記圧縮装置は、上記冷媒回路において冷媒の流れとして直列の関係に配置された少なくとも2つのコンプレッサからな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。
  15. 上記圧縮装置がスクロールコンプレッサからな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。
  16. 上記圧縮装置が往復動型コンプレッサからな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。
  17. 上記圧縮装置がスクリューコンプレッサからな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。
  18. 貨物貯蔵領域の温度調整のために輸送冷凍システムに適用され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。
  19. 遷臨界サイクルで動作することを特徴とする請求項18に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
  20. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項19に記載の冷媒蒸気圧縮システム。
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