JP5340271B2 - 冷却デバイス、および冷却流体を循環させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却デバイスに関し、特に、工業用冷凍設備さらには家庭用空調システムにおける流体を循環させるのに適した冷却デバイスに関し、また、当該冷却デバイスに関連する冷却流体を循環させるための方法に関する。

一般に、冷却流体を循環させるためのデバイスは、高温・高圧を与えて気体状態に冷却材を圧縮するように設計されたコンプレッサーと、圧縮された冷却ガスを冷却して液体状態にし、外部環境に熱を放出可能なコンデンサーと、例えば、毛細管または等エンタルピー絞り弁等の冷却材の温度および圧力を下げることを目的とする膨張ユニットと、外部環境から熱を吸収し、冷却して、膨張ユニットから受け取った熱を低い温度および圧力で冷却流体に伝え、当該流体を液体状態から気体状態に変える蒸発器と、を備える。

近年、冷却デバイスの性能を高める試みが多数なされている。実現性を損なう技術的な性質の障害に直面するものもある一方で、効率の向上に有利なものもあったが、設備を著しく複雑にするものであった。これに関する例は、二段階圧縮設備であり、この場合、２つの独立したコンプレッサーの存在により、負荷のバランスの問題や、設備全体の管理の複雑化の問題を引き起こしている。

本発明の目的は、効率に関して改善された冷却デバイスおよび冷却流体を循環させるための方法を提供することにより、上述の欠点をなくすか、または少なくとも軽減することである。

本発明の第１の態様によれば、冷却デバイスは、主コンプレッサー、前記主コンプレッサーの下流にあり、前記主コンプレッサーと流体で連絡するコンデンサー、前記コンデンサーの下流にある主膨張手段、および前記主膨張手段の下流にあり、前記主膨張手段と流体で連絡する蒸発器を備え、前記蒸発器と前記主コンプレッサーとの間に接続されているターボコンプレッサーユニットならびに入口管路を介して前記コンデンサーに上流で、また出口管路を介して前記主膨張手段に下流で接続されている高温の分岐管および前記入口管路の分岐管上に取り付けられた膨張手段に上流で、また前記ターボコンプレッサーユニットのタービン部分に下流で接続されている低温の分岐管を有する少なくとも１つの熱交換器を備えることを特徴とする。

本発明の他の態様によれば、本発明によりデバイスの内部で冷却流体を循環させるための方法が提供され、前記方法は、
−主コンプレッサー内の冷却流体を圧縮する段階と、
−前記主コンプレッサーの下流にあり、前記主コンプレッサーと流体で連絡するコンデンサー内で流体を凝縮する段階と、
−前記コンデンサーの下流にある主膨張手段内で流体を膨張させる段階と、
−前記主膨張手段の下流にあり、前記主膨張手段と流体で連絡する蒸発器内で流体を蒸発させる段階とを含む方法であって、
−前記凝縮段階と前記膨張段階との間にある、少なくとも１つの熱交換器の高温の分岐管内を流れる圧縮された冷却流体と熱交換器の上流で引き出され、膨張手段内で冷却され、熱交換器の低温の分岐管内を流れる圧縮された関連する量の冷却流体との間の、熱交換器の内部における、熱交換段階を伴う少なくとも１つの段階と、
−前記主膨張段階と前記主圧縮段階との間にある、ターボコンプレッサーユニット内の冷却流体の予圧縮を伴う段階とを含み、前記予圧縮段階は、熱交換器の低温の分岐管を出る流出冷却流体の、ターボコンプレッサーユニットの少なくとも１つのタービン部分の内部における膨張を伴う少なくとも１つの段階を含むことを特徴とする。

本発明の特徴および効果は、付属の図面を参照しつつ、限定的でない実施例が単に示される、好適な実施形態についての以下の詳細な説明から明白になるであろう。

従来技術による冷却デバイスを示す略図である。 図１のデバイス内で循環する冷却流体に関する圧力−エンタルピー図である。 本発明による冷却デバイスの略図である。 図３のデバイス内で循環する冷却流体に関する圧力−エンタルピー図である。

付属の図面において、同一の、または類似のパーツおよびコンポーネントは、同じ参照番号で示されている。

図１および２は、それぞれ、栄養補給製品の冷凍に特に適している従来型の冷却デバイス１０、および内部で循環している流体のｐ−ｈ（圧力−エンタルピー）図を示している。図示のように、デバイス１０は、コンプレッサー１２、コンプレッサー１２と流体で連絡するコンデンサー１４、コンデンサー１４と流体で連絡する等エンタルピー絞り弁１６、ならびに上流の絞り弁１６および下流のコンプレッサー１２と流体で連絡する蒸発器によって形成される。

冷却流体、例えばフレオンは、低い温度および圧力、例えば、−３５℃および１．３３ｂａｒ（ｐ−ｈ図中の点１^＊）において過熱気体状でコンプレッサー１２内に入り、圧縮され、高い圧力および温度、例えば、＋６５℃および１６ｂａｒ（ｐ−ｈ図中の点２^＊）でコンデンサー１４内に入る。コンデンサー１４の内部では、冷却流体が冷却され、過熱気体状態（点２^＊）から液体状態（ｐ−ｈ図中の点３^＊）に移り変わり、熱量ｑ_outを外部環境に放出する。液体状態の冷却流体は、コンデンサー１４から出ると膨張し、等エンタルピー絞り弁１６を通り、外部環境と熱交換をすることなく圧力の低下を受ける（等エンタルピー変換）。絞り部材（ｐ−ｈ図中の点４^＊）を出た流体は、蒸発器内に入り、そこで、外部環境から一定量の熱ｑ_inを吸収して液体状態から過熱気体状態に変わる（ｐ−ｈ図中の点１^＊）。

本発明の好ましい一実施形態を示す図３を参照すると、全体で参照番号１００として示される冷却流体を循環させるためのデバイスは、従来の冷却デバイスのコンポーネントにより形成されており、つまり、主コンデンサー１４０、主等エンタルピー絞り弁１７０などの主膨張手段、蒸発器１８０、および主コンプレッサー１９０によって形成されている。

前述の従来のデバイスは、コンデンサー１４０と主絞り弁１７０との間に直列に配置される第１および第２の熱交換器１５０、１５２のそれぞれ、例えば、冷却セクターで一般に使用されるプレート型または管束型の熱交換器、および主コンプレッサー１９０と蒸発器１８０との間に挿入され、それぞれの熱交換器１５０、１５２の出口にそれぞれ備えられるコンプレッサー部分１６６ならびに第１および第２のタービン部分１６２、１６４を備えるターボンプレッサーユニット１６０を備える１つのブロック−図３において破線で定められている−内に理想的には封入されている、いくつかのコンポーネントで補われる。

より具体的には、コンデンサー１４０は、入口管路１４５を介して、第１の熱交換器１５０の、以下で「高温の分岐管」１５０ｃと称する、より高い温度で流体を冷却するための回路に接続される。入口管路１４５は、この管路から分岐した、第１の熱交換器１５０の、以下で「低温の分岐管」１５０ｆと称する、より低い温度で流体を冷却するための回路に至る第１の膨張手段、例えば第１の絞り弁１４２を組み込んだ管路１４６を有する。第１の熱交換器１５０の高温の分岐管１５０ｃの出口は、接続管路１４７を介して、第２の熱交換器１５２の、以下で「高温の分岐管」１５２ｃと称する、より高い温度で流体を冷却するための回路の入口に連結され、第１の熱交換器１５０の低温の分岐管１５０ｆの出口は、ターボコンプレッサーユニット１６０の第１のタービン部分１６２の入口に接続される。

第１の熱交換器１５０と第２の熱交換器１５２とをつなぎ合わせる管路１４７は、第２の熱交換器１５２の、以下で「低温の分岐管」１５２ｆと称する、より低い温度で流体を冷却するための回路に至る第２の膨張手段、例えば第２の絞り弁１４４を備える分岐管１４８を有する。第２の熱交換器の高温の分岐管１５２ｃの出口は、出口管路１４９を介して、主絞り弁１７０に接続され、低温の分岐管１５２ｆの出口は、ターボコンプレッサーユニット１６０の第２のタービン部分１６４の入口に接続される。

蒸発器１８０の出口は、ターボコンプレッサーユニット１６０のコンプレッサー部１６６の入口に接続され、その出口は主コンプレッサー１９０と流体で連絡している。

以下では、図３に係るデバイスの動作原理について、図４に示されている、デバイス内を循環する冷却流体に関係するｐ−ｈ図を参照しつつ説明する。特定の実施例において、冷却デバイスは、栄養補給製品の急速冷凍に使用される。この目的のために、デバイス内を循環する流体の温度は、値Ｔ_min＝−４０℃から値Ｔ_max＝６３．７℃まで変化し、選択された冷却流体は、フレオンである。本発明による冷却デバイスは、多くの用途、例えば、家屋の空調に適しており、したがって、目的の用途に応じて、物理状態１〜１４の圧力および温度の値だけでなく、デバイス内で循環する冷却流体の種類もまたそれに応じて変わることを理解されたい。

冷却流体、典型的にはフレオンは、温度Ｔ₅＝３５℃および圧力ｐ₅＝１６．１バール（ｐ−ｈ図の点５）で、つまり、気液平衡状態のときに、コンデンサー１４０から流出する。以下で第１のブリードオフ（ｂｌｅｅｄ−ｏｆｆ）ｓ１と称される、コンデンサー１４０から流出する冷却流体の一部は、管路１４５の分岐管１４６を介して第１の等エンタルピー絞り弁１４２に運ばれ、サイクルの最高温度（Ｔ_max＝３５℃）から最低温度（Ｔ_min＝−３５℃）までの範囲内の温度まで冷却され、好ましくは温度Ｔ₉＝７℃（ｐ−ｈ図の点９、ｐ₉＝７．４８バール）まで下げられ、次いで第１の熱交換器１５０の低温の分岐管１５０ｆ内に送られ、その一方で、冷却流体の残りの部分１−ｓ１は、温度Ｔ₅および圧力ｐ₅で熱交換器１５０の低温の分岐管１５０ｃ内に直接入る。

第１の熱交換器１５０の内部では、高温の分岐管１５０ｃに入っている冷却流体の一部は、低温の分岐管１５０ｆに入っている冷却流体の一部に熱を伝えてＴ₅＝３５℃から温度Ｔ₆＝１２℃まで冷やされ、ｐ−ｈ図のサブクール液体ゾーンに入り（点６、ｐ₆＝１６．１バール）、その一方で、低温の分岐管１５０ｆに入っている冷却流体の一部は、高温の分岐管１５０ｃに入っている冷却流体の一部から熱を吸収し、Ｔ₉＝７℃から温度Ｔ₁₀＝１２℃に熱せられ、ｐ−ｈ図の過熱気相ゾーンに入る（点１０、ｐ₁₀＝７．４８バール）。

第１の熱交換器１５０の下流において、第２の量の冷却流体が流出し、高温の分岐管１５０ｃから出るサブクール液体の一部ｓ２は、第２の等エンタルピー絞り弁１４４を通過し、そこで、さらに温度Ｔ₆＝１２℃から温度Ｔ₁₂＝−１７℃まで冷却されて（ｐ−ｈ図の点１２、ｐ₁₂＝３．３８バール）、次に、第２の熱交換器１５２の低温の分岐管１５２ｆ 内に送られ、その一方で、熱交換器１５０から出る冷却流体の残り部分１−ｓ１−ｓ２は、温度Ｔ₆および圧力ｐ₆で第２の熱交換器１５２の高温の分岐管１５２ｃに入る。

第２の熱交換器１５２の内部では、高温の分岐管１５２ｃ内の冷却流体の一部は、低温の分岐管１５２ｆ内の冷却流体の一部に熱を放出してＴ₆＝１２℃から温度Ｔ₇＝−１２℃まで冷却し、そして図４の図において左にさらに移動して、サブクール液体ゾーンに入り（ｐ−ｈ図中の点７、ｐ₇＝１６．１バール）、その一方で、低温の分岐管１５２ｆ内の冷却流体の一部は、高温の分岐管１５２ｃ内の冷却流体の一部から熱を吸収し、Ｔ₁₂＝−１７℃から温度Ｔ₁₃＝−１２℃まで熱せられ、ｐ−ｈ図の過熱気相ゾーンに入る（点１３、ｐ₁₃＝３．３８バール）。

冷却流体の状態が過熱気体状態のときに、それぞれの熱交換器１５０、１５２を出る冷却流体ｓ１、ｓ２の第１および第２のブリードオフは、それぞれ、ターボコンプレッサーユニット１６０の第１および第２のタービン部分１６２、１６４内に導入される。第１のタービン部分１６２の内部では、冷却流体が膨張し、圧力ｐ₁₀＝７．４８バール（Ｔ₁₀＝１２℃）から圧力ｐ₁₁＝２．０３バール（Ｔ₁₁＝−２５℃）に変わり、同様に、第２のタービン部分１６４の内部では、冷却流体が膨張し、圧力ｐ₁₃＝３．３８バール（Ｔ₁₃＝−１２℃）から圧力ｐ₁₄＝２．３バール（Ｔ₁₄＝−２５．６℃）に変わる。

第２の熱交換器１５２の高温の分岐管１５２ｃから出る冷却流体１−ｓ１−ｓ２の部分が（ｐ−ｈ図中の点７）主絞り弁１７０に入り、Ｔ₇＝−１２℃から温度Ｔ₈＝−４０℃に冷却して（ｐ−ｈ図中の点８、ｐ₈＝１．３３バール）、そして、次に、蒸発器１８０内に入り、そこで、気液状態から過熱気体状態に移り（ｐ−ｈ図中の点１）、外部環境から熱量Ｑ_inを吸収する。蒸発器１８０を出た過熱気体状態の冷却流体は、ターボコンプレッサーユニット１６０のコンプレッサー部分１６６内に入る。

第１および第２の熱交換器１５０、１５２によって供給される過熱気体状態の冷却流体ｓ１およびｓ２に含まれる運動エネルギーを力学的エネルギーに変える変換を内部で行うタービン１６２、１６４によって動作するコンプレッサー１６６は、蒸発器１８０によって供給される冷却流体の予圧縮を、主コンプレッサー１９０内に入る前に実行する（ｐ−ｈ図中の点３、Ｔ₃＝−２２．１℃、ｐ₃＝２．０３バール）。

この予圧縮の段階では、顕著な効果をもたらす。第１に、力学的エネルギーは、タービン１６２、１６４内で膨張するブリードオフｓ１、ｓ２によって供給されるので、外部エネルギー源を使用する必要はない。第２に、ターボコンプレッサーユニット１６０は、最大比容積状態にあるときに、冷却流体を圧縮して、仕事Ｌ_TC（図４）を行い、これにより、主コンプレッサー１９０は、構造特性上、その効率、および特に処理可能な流量に不利益となる仕事の一部を実行せず、コンプレッサーそれ自体に供給する電気エネルギーの減少を生じることになる。さらに、ターボコンプレッサーユニット１６０は、主コンプレッサー１９０との流体／動的接続を有し、外部制御装置の支援が無くても異なる負荷条件に対して独立に適合することができる。最後に、ブリードオフｓ１、ｓ２に続いて、それと同時に、冷却流体が蒸発器１８０内に入る流量の同時減少があるという事実があるとしても、熱交換器１５０、１５２内で発生した冷却流体の冷却が、蒸発器１８０の性能の増大をもたらすという事実に言及することは重要である。

ターボコンプレッサー１６０内で予圧縮された冷却流体は、主コンプレッサー１９０内に入り、そこで、圧力ｐ₄＝１６．１バール（ｐ−ｈ図中の点４、Ｔ₄＝６３．７）まで圧縮され、次いで、コンデンサー１４０の入口へ運ばれる。

本発明による冷却流体を循環させるためのデバイスを使用すると、つまり、ターボコンプレッサーユニットによって実行される予圧縮の段階を備えることにより、発生する「冷熱量」を示す、低い温度の発生源から引き出される熱Ｑと、冷却流体を循環させるデバイスの動作を行わせるために費やされる仕事Ｌと、の間の比として定義される性能係数（ＣＯＰ）が、図１および２に例示されている種類の従来のデバイスのものと比べて大きなものが達成されることがわかった。

特に、ブリードオフｓ１およびｓ２の圧力が、それぞれ、ｐ₉＝７．４８バールおよびｐ₁₂＝３．３８バールであり、熱交換器１５０、１５２の最低温度勾配はΔＴ_min＝５℃であり、第１および第２のタービン部分１６２、１６４の効率はη_T＝０．８５であり、コンプレッサー部分１６６の効率はη_C＝０．８０であり、主コンプレッサー１９０の効率はη_CP＝０．７５であると仮定すると、圧力値（ｐ）、温度値（Ｔ）、およびエンタルピー値（ｈ）は、以下の表１に示されているように、図４のｐ−ｈ図の物理状態１〜１４について得られる。

性能係数ＣＯＰは、一般に、発生する「冷熱量」を示す、温度の発生源から差し引かれた熱Ｑと冷却流体循環デバイスの動作を引き起こすために費やされる仕事Ｌとの間の比として定義される。特に、ＣＯＰは、蒸発器１８０によって外部環境から差し引かれる熱Ｑ_inと主コンプレッサー１９０によって行われる仕事Ｌ_CPとの間の比で定義される。つまり、以下のようになる。

Ｑ_in＝（１−ｓ１−ｓ２）×（ｈ１−ｈ７）
Ｌ_CP＝ｈ４−ｈ２
これから、表１に示されている値に基づき、以下の式が得られる。

以下の表２は、図１および２に例示されている種類の従来の冷却デバイス内を循環する冷却流体の標準的な圧力、温度、およびエンタルピー値をまとめたものである。

これから以下の式が得られる。

ｑ_in＝（ｈ１−ｈ４）
Ｌ_CP＝ｈ２−ｈ１
これから、表２に示されている値に基づき、以下の式が得られる。

従来の種類の冷却デバイスと比較した新規の冷却デバイスの利益比率Δは、以下のとおりである。

これまでの説明から、本発明による冷却デバイスは、ターボコンプレッサーユニット１６０の存在と、および主コンプレッサー１９０の上流にあるデバイス内を循環する冷却流体の予圧縮とにより、約３０％に相当する性能の向上が得られ、これはすべて外部から電力の供給を必要とすることなく、ただし有利にはターボコンプレッサーユニット１６０の１つまたは複数のタービン部分１６２、１６４によって供給される力学的エネルギーを使用して、コンデンサー１４０の下流で流出する１つまたは複数の量ｓ１、ｓ２の冷却流体の膨張を引き起こすことによって得られると主張することが可能である。

本発明は、好ましい一実施例を参照しつつ説明されているけれども、当業者であれば、多数の修正および変更をそれに加えることが可能であり、すべて付属の請求項によって定義された保護範囲内に収まることを理解するであろう。例えば、２つの熱交換器および２つのタービンを備えるターボコンプレッサーユニットの代わりに、単一の熱交換器および単一のタービンを備えるターボコンプレッサーユニットを使用することが可能である。この特定の場合において、単一の熱交換器は、コンデンサーと主絞り弁との間に接続された高温の分岐管とターボコンプレッサーの単一のタービン部分の入口と流体で連絡する低温の分岐管を有する。さらに、複数のタービン部分を有するターボコンプレッサーユニットの代わりに、それぞれ単一のタービン部分を備える複数のターボコンプレッサーを想定することも可能である。

Claims (5)

1. 主コンプレッサー（１９０）と、前記主コンプレッサー（１９０）の下流にあり、前記主コンプレッサー（１９０）と流体で連絡するコンデンサー（１４０）と、前記コンデンサー（１４０）の下流にある主膨張手段（１７０）と、および前記主膨張手段（１７０）の下流にあり、前記主膨張手段（１７０）と流体で連絡する蒸発器（１８０）と、を備える冷却デバイスであって、
   前記蒸発器（１８０）および前記主コンプレッサー（１９０）の間を流体で連絡しているターボコンプレッサーユニット（１６０）と、
   入口管路（１４５）を介して前記コンデンサー（１４０）に上流で接続され出口管路（１４９）を介して前記主膨張手段（１７０）に下流で接続されている高温の分岐管（１５０ｃ）と、前記入口管路（１４５）の分岐管（１４６）上に取り付けられた膨張手段（１４２）に上流で接続され、前記ターボコンプレッサーユニット（１６０）の第１のタービン部分（１６２）に下流で接続されている低温の分岐管（１５０ｆ）と、を有する少なくとも１つの第１の熱交換器（１５０）と、
   前記コンデンサー（１４０）と前記主膨張手段（１７０）との間で前記第１の熱交換器（１５０）に直列に配置された第２の熱交換器（１５２）と、
   を備え、
   前記ターボコンプレッサーユニット（１６０）は、第２のタービン部分（１６４）を備え、
   前記第２の熱交換器（１５２）は、接続管路（１４７）を介して前記第１の熱交換器の前記高温の分岐管（１５０ｃ）と流体で連絡する高温の分岐管（１５２ｃ）と、前記接続管路（１４７）の分岐管（１４８）上に取り付けられている膨張手段（１４４）に上流で接続され、かつ前記ターボコンプレッサーユニット（１６０）の前記第２のタービン部分（１６４）に下流で接続される低温の分岐管（１５２ｆ）と、を備える
   ことを特徴とする冷却デバイス。
2. 前記少なくとも１つの第１又は第２の熱交換器（１５０、１５２）は、多管式熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記少なくとも１つの第１又は第２の熱交換器（１５０、１５２）は、プレート式熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記膨張手段（１４２、１４４）のうちの少なくとも１つは、等エンタルピー絞り弁であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
5. 冷却流体を循環させるための方法であって、
   主コンプレッサー（１９０）内の前記冷却流体を圧縮する段階と、
   前記主コンプレッサー（１９０）の下流にあり、前記主コンプレッサー（１９０）と流体で連絡するコンデンサー（１４０）内の前記冷却流体を凝縮する段階と、
   前記コンデンサー（１４０）の下流にある主膨張手段（１７０）内で前記冷却流体を膨張する段階と、
   前記主膨張手段（１７０）の下流にあり、前記主膨張手段（１７０）と流体で連絡する蒸発器（１８０）内で前記流体を蒸発させる段階と、
   を含み、
   前記凝縮する段階と前記膨張する段階との間において、少なくとも１つの第１の熱交換器（１５０）の内部で、前記第１の熱交換器（１５０）の高温の分岐管（１５０ｃ）内を循環する前記圧縮された冷却流体と、前記第１の熱交換器（１５０）の上流で流出し、膨張手段（１４２）内で冷却され、前記第１の熱交換器（１５０）の低温の分岐管（１５０ｆ）内を流れる前記圧縮された関連する量（ｓ１）の冷却流体と、の間で熱交換をする少なくとも１つの段階と、
   前記主膨張する段階と前記主圧縮する段階との間において、ターボコンプレッサーユニットの少なくとも１つの第１のタービン部分（１６２）の内部で、前記第１の熱交換器（１５０）の前記低温の分岐管（１５０ｆ）を出る前記流出する量（ｓ１）の冷却流体を膨張する少なくとも１つの段階を含む予圧縮について、前記ターボコンプレッサーユニット（１６０）内で前記冷却流体の前記予圧縮をする段階と、
   前記凝縮する段階と前記膨張する段階との間の前記少なくとも１つの第１の熱交換する段階の下流で、前記少なくとも１つの第１の熱交換器（１５０）と直列に配置される第２の熱交換器（１５２）において、前記少なくとも１つの第１の熱交換器（１５０）の前記高温の分岐管（１５０ｃ）を出て、前記第２の交換器（１５２）の高温の分岐管（１５２ｃ）内を循環する前記冷却流体と、前記第２の熱交換器（１５２）の上流で流出し、膨張手段（１４４）内で冷却され、前記低温の分岐管内を循環する関連する量（ｓ２）の前記冷却流体と、の間で熱交換する第２の段階を含み、
   前記主膨張する段階と主圧縮する段階との間の前記予圧縮する段階は、前記ターボコンプレッサーユニット（１６０）の第１および第２のタービン部分（１６２、１６４）において、各熱交換器（１５０、１５２）からのブリードオフの膨張を動力とすること
   を特徴とする方法。

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