JP6082059B2

JP6082059B2 - 遷臨界蒸気圧縮システム

Info

Publication number: JP6082059B2
Application number: JP2015134026A
Authority: JP
Inventors: チャオ，ホンタオ; ハフ，ハンス−ヨアキム
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2012504746A; DK2340404T3; WO2010039630A3; EP2340404A2; CN102171520A; WO2010039630A2; US20110239668A1; HK1161909A1; CN102171520B; US8745996B2; JP2015178954A; EP2340404A4; EP2340404B1

Description

本発明は、移動式冷凍システムに関し、特に、幅広い蒸発圧力を有するＣＯ₂蒸気圧縮システムにおける高圧側の圧力を最適化する方法および装置に関する。

冷媒としてＣＯ₂を用いる蒸気圧縮システムの作動は、ＣＯ₂の低い臨界温度（約３１℃）によって特徴付けられる。多くの作動条件では、ＣＯ₂の臨界温度は、ヒートシンクの温度よりも低く、よって、蒸気圧縮システムは遷臨界運転となる。遷臨界運転では、臨界圧力よりも高い圧力で放熱（heat rejection）が生じ、臨界圧力よりも低い圧力で熱吸収が生じる。この運転モードの最も重要なことは、放熱プロセス中における圧力と温度が相変化プロセスによって結合されないことである。これは、凝縮圧力と凝縮温度（ヒートシンクの温度によって判断される）とをリンクさせる従来の蒸気圧縮システムとは異なる。遷臨界蒸気圧縮システムでは、ヒートシンクの温度に関わらず、放熱中の冷媒圧力は自由に選択され得る。しかし、一連の境界条件（ヒートシンクおよび供給源の温度、圧縮機の能力、熱交換器のサイズ、ラインの圧力低下）を与えることで、第１の「最適な」放熱圧が得られ、この圧力では、システムのエネルギー効率は上記一連の境界条件に関して最大値に達する。また、第２の「最適な」放熱圧が存在し、この圧力では、システムの冷却能力は上記一連の境界条件に関して最大値に達する。上記最適な圧力は周知であり、例えば、最大エネルギー効率は特許文献１，２に開示されており、最大加熱能力は特許文献３に開示されている。当該特許文献に記載の発明は全て本発明の譲受人に譲渡されている。

米国特許第６５６８１９９号明細書米国特許第７０００４１３号明細書米国特許第７０５１５４２号明細書

一連の境界条件（熱供給の温度、圧縮機の能力、熱交換器のサイズ、ラインの圧力低下）を与えると、最適な放熱圧は、主にヒートシンクの温度に依存する。ＣＯ₂システムの従来の制御方法は、冷媒放熱型熱交換器出口における冷媒温度、またはヒートシンクの温度、あるいは制御入力としての上記温度の任意の表示を利用して、放熱圧を制御していた。しかし、移動冷凍ユニットなどの幅広い範囲の熱供給温度（例えば、−２０°Ｆ（約−２８．８℃）から５７°Ｆ（約１３．８℃））に亘る運転エンベロープに対して設計されたシステムでは、最適な高圧側圧力をヒートシンクの温度に関連づけることだけでは十分でない。

本発明の一態様によると、相対的に幅広い範囲に亘る熱供給温度を有するシステムでは、ＣＯ₂蒸気圧縮システムにおける高温側圧力の制御は、高圧側（すなわち、冷却器において）の冷媒条件だけでなく、低圧側（すなわち、エバポレータにおいて）の冷媒条件にも依存する。

本発明の他の態様によると、冷却器において検知された温度条件に加えて、種々の検知されたエバポレータにおける圧力条件や温度条件を種々の組み合せによって用いて、最適な高温側圧力を判断する。

遷臨界冷凍システムに組み込まれた本発明の一実施例を示す概略図。本発明の他の実施例を示す概略図。本発明のさらに別の実施例を示す概略図。本発明のプロセスを示すブロック図。

図１〜３は、冷媒蒸気圧縮システム１０を示しており、該システム１０は、生鮮製品を輸送する冷凍コンテナ、トレーラ又はトラックの温度制御されたカーゴスペース１１の冷却に関連する。しかし、この冷媒蒸気圧縮システムは、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、レストラン、あるいは他の商業施設に関連した冷却展示用陳列棚または低温室への冷却空気の供給、もしくは、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に供給する空気の調和と組み合わせて用いてもよい。冷媒蒸気圧縮システム１０は、圧縮装置１２と、通常コンデンサ又はガス冷却器と呼ばれる冷媒放熱型熱交換器１３と、膨張装置１４と、冷媒吸熱型熱交換器つまりエバポレータ１６と、を備えており、これらの構成要素は、冷媒の流れにおいて直列に接続された冷媒閉回路を構成する。

主に環境のため、冷媒として「天然の」冷媒である二酸化炭素が蒸気圧縮システム１０に用いられる。二酸化炭素は臨界温度が低いため、蒸気圧縮システム１０は、遷臨界（トランスクリティカル）圧縮領域で作動するように設計される。つまり、輸送式冷媒蒸気圧縮システムは、二酸化炭素の臨界点（３１．１℃（８８°Ｆ））を越える環境空気温度を有する環境下で作動し空気冷却される冷媒放熱型熱交換器を有しており、該システムは、二酸化炭素の臨界圧力（７．３８ＭＰａ（１０７０ｐｓｉａ））を越える圧縮機吐出圧で作動する必要があり、したがって、遷臨界サイクルで作動する。このため、放熱型熱交換器１３は、コンデンサとしてよりも、むしろガス冷却器として作動し、冷媒の臨界点を越える冷媒温度および圧力で作動する。他方、エバポレータ１６は、亜臨界領域で冷媒温度および圧力で作動する。

高圧力はシステムの能力および効率に多大な影響を与えるため、遷臨界蒸気圧縮システムの高圧側の圧力を調節することが重要である。したがって、本発明は、蒸気圧縮システム１０内に種々のセンサを備え、該センサは、種々の点における冷媒の状態を検知し、高圧側圧力を最適化してシステムの能力および効率を向上させるようにシステムを制御する。

図１の実施例に示すように、センサＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃は、蒸気圧縮システム１０内の種々の位置において冷媒の状態を検知するように配設される。検知された値は、理想の高温側の空気圧を判断するためコントローラ１７に送られ、実際に検知された理想の高温側空気圧と理想的な高温側空気圧とが比較されて、圧力差を減少または排除するために適切な処置が施される。センサＳ₁は、コンデンサ１３の出口温度Ｔ_COを検知し、対応する信号をコントローラ１７に送る。センサＳ₂は、エバポレータの出口圧Ｐ_EOを検知し、対応する信号をコントローラ１７に送る。上記２つの値から、コントローラは、ルックアップテーブル又は式／方程式Ｐ_I＝ｆ（Ｔ_S1，Ｐ_s2）から理想の高圧側圧力を得る。他方、センサＳ₃は、実際の吐出圧つまり高圧側圧力ＰＳを検知し、この値をコントローラ１７に送る。次いで、コントローラ１７は、理想の圧力Ｐ_Iと検知された圧力Ｐ_Sとを比較し、この圧力差を減少するように膨張装置１４を調節する。検知された圧力Ｐ_Sが理想の圧力Ｐ_Iより低い場合、膨張装置１４は閉位置へと移動し、検知された圧力Ｐ_Sが理想の圧力Ｐ_Iより高い場合、膨張装置１４は開位置へと移動する。

図２に本発明の他の実施例を示す。本実施例では、Ｓ₁およびＳ₃からの値は図１の実施例と同様の方法によって得られる。エバポレータの入口にセンサＳ₄が配設され、このセンサによってエバポレータの入口圧力Ｐ_EI又はエバポレータの入口温度Ｔ_EIの一方の値が得られる。エバポレータの入口圧力Ｐ_EIが検知されると、この検知された値は、コントローラ１７に送られ、図１の実施例と異なるルックアップテーブルから理想の高圧側圧力が得られる。次いで、図１について説明したステップと同様のステップが行われる。

センサＳ₄がエバポレータの入口温度Ｔ_EIを検知すると、この検知された値は、コントローラ１７に送られて、対応するエバポレータの入口圧力Ｐ_EIを得るためにルックアップテーブルに入力される。次いで、上記と同様のステップが行われる。

図３に本発明のさらに別の実施例を示す。本実施例では、コンデンサ出口温度Ｔ_COでなく、センサＳ₅，Ｓ₆を配して、コンデンサに流入する冷却空気の温度（すなわち、環境空気の温度）Ｔ_ETおよびコンデンサ１３から流出する空気の温度Ｔ_LTを検知する。コントローラ１７は、エバポレータ出口圧Ｐ_EOおよびコンデンサ流入空気温度Ｔ_ETに基づき、あるいはエバポレータ出口圧Ｐ_EOおよびコンデンサ流出空気温度Ｔ_LTに基づき理想の高温側圧力Ｐ_Iを判断する。次いで、上記と同様のステップが行われる。

図４に種々のセンサおよびコントローラ１７の機能を説明するダイヤグラムを示す。ブロック１８において、コンデンサ１３の出口温度Ｔ_CO、コンデンサ流入空気温度Ｔ_ET又はコンデンサ流出空気温度Ｔ_LTが検知され、コントローラ１７に送られる。ブロック１９において、エバポレータの出口圧Ｐ_EO、エバポレータの入口圧力Ｐ_EI又はエバポレータの入口温度Ｔ_EIが検知され、コントローラ１７に送られる。ブロック２１において、上記２つの値を用いて、前述のように、コントローラ１７は理想の高圧側圧力ＰＩを判断する。ブロック２２において、圧縮機吐出圧つまり高圧側圧力Ｐ_Sが検知され、コントローラ１７に送られる。ブロック２３において、検知された圧力Ｐ_Sと理想の高圧側圧力Ｐ_Iとを比較して、この圧力差がブロック２４に送られ、これに応じて、前述のように膨張装置１４が調節される。

図示した本発明の例示的な実施例について説明してきたが、上記説明は例示的なものであり、限定的なものではない。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が加えられることを理解されるであろう。

Claims

冷媒を高圧力に圧縮する圧縮装置と、
入口温度で冷媒を受け、より低い出口温度で冷媒を吐出し、かつ流入温度で冷却流体を受け、より高い流出温度で前記冷却流体を吐出する放熱型熱交換器と、
前記冷媒をより低い圧力へと減少させる膨張装置と、
入口圧及び入口温度で流入し、出口圧で流出する冷媒を加熱しかつ蒸発させる吸熱型熱交換器と、
前記放熱型熱交換器の出口温度を検知する温度センサと、
前記吸熱型熱交換器の出口圧を検知する第１の圧力センサと、
前記圧縮装置の吐出圧である高圧側圧力を検知する第２の圧力センサと、
前記温度センサによって検知された前記放熱型熱交換器の出口温度と、前記第１の圧力センサによって検知された前記吸熱型熱交換器の出口圧と、に基づき前記冷媒の理想の高圧側圧力を判断するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記理想の高圧側圧力と、前記第２の圧力センサによって検知された前記高圧側圧力と、を比較し、この比較結果に応じて、前記膨張装置を調節することを特徴とする遷臨界蒸気圧縮システム。
冷媒を高圧力に圧縮する圧縮装置と、
入口温度で冷媒を受け、より低い出口温度で冷媒を吐出し、かつ流入温度で冷却流体を受け、より高い流出温度で前記冷却流体を吐出する放熱型熱交換器と、
前記冷媒をより低い圧力へと減少させる膨張装置と、
入口圧及び入口温度で流入し、出口圧で流出する冷媒を加熱しかつ蒸発させる吸熱型熱交換器と、
前記放熱型熱交換器の出口温度を検知する温度センサと、
前記吸熱型熱交換器の入口圧を検知する第１の圧力センサと、
前記圧縮装置の吐出圧である高圧側圧力を検知する第２の圧力センサと、
前記温度センサによって検知された前記放熱型熱交換器の出口温度と、前記第１の圧力センサによって検知された前記吸熱型熱交換器の入口圧と、に基づき前記冷媒の理想の高圧側圧力を判断するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記理想の高圧側圧力と、前記第２の圧力センサによって検知された前記高圧側圧力と、を比較し、この比較結果に応じて、前記膨張装置を調節することを特徴とする遷臨界蒸気圧縮システム。
冷媒を高圧力に圧縮する圧縮装置と、
入口温度で冷媒を受け、より低い出口温度で冷媒を吐出し、かつ流入温度で冷却流体を受け、より高い流出温度で前記冷却流体を吐出する放熱型熱交換器と、
前記冷媒をより低い圧力へと減少させる膨張装置と、
入口圧及び入口温度で流入し、出口圧で流出する冷媒を加熱しかつ蒸発させる吸熱型熱交換器と、
前記放熱型熱交換器の出口温度を検知する第１の温度センサと、
前記吸熱型熱交換器の入口温度を検知する第２の温度センサと、
前記圧縮装置の吐出圧である高圧側圧力を検知する圧力センサと、
前記第１の温度センサによって検知された前記放熱型熱交換器の出口温度と、前記第２の温度センサによって検知された前記吸熱型熱交換器の入口温度と、に基づき前記冷媒の理想の高圧側圧力を判断するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記理想の高圧側圧力と、前記圧力センサによって検知された前記高圧側圧力と、を比較し、この比較結果に応じて、前記膨張装置を調節することを特徴とする遷臨界蒸気圧縮システム。
冷媒を高圧力に圧縮する圧縮装置と、
入口温度で冷媒を受け、より低い出口温度で冷媒を吐出し、かつ流入温度で冷却流体を受け、より高い流出温度で前記冷却流体を吐出する放熱型熱交換器と、
前記冷媒をより低い圧力へと減少させる膨張装置と、
入口圧及び入口温度で流入し、出口圧で流出する冷媒を加熱しかつ蒸発させる吸熱型熱交換器と、
前記放熱型熱交換器に流入する前記冷却流体の流入温度を検知する温度センサと、
前記吸熱型熱交換器の出口圧を検知する第１の圧力センサと、
前記圧縮装置の吐出圧である高圧側圧力を検知する第２の圧力センサと、
前記温度センサによって検知された前記放熱型熱交換器に流入する前記冷却流体の流入温度と、前記第１の圧力センサによって検知された前記吸熱型熱交換器の出口圧と、に基づき前記冷媒の理想の高圧側圧力を判断するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記理想の高圧側圧力と、前記第２の圧力センサによって検知された前記高圧側圧力と、を比較し、この比較結果に応じて、前記膨張装置を調節することを特徴とする遷臨界蒸気圧縮システム。
冷媒を高圧力に圧縮する圧縮装置と、
入口温度で冷媒を受け、より低い出口温度で冷媒を吐出し、かつ流入温度で冷却流体を受け、より高い流出温度で前記冷却流体を吐出する放熱型熱交換器と、
前記冷媒をより低い圧力へと減少させる膨張装置と、
入口圧及び入口温度で流入し、出口圧で流出する冷媒を加熱しかつ蒸発させる吸熱型熱交換器と、
前記放熱型熱交換器から流出する前記冷却流体の流出温度を検知する温度センサと、
前記吸熱型熱交換器の出口圧を検知する第１の圧力センサと、
前記圧縮装置の吐出圧である高圧側圧力を検知する第２の圧力センサと、
前記温度センサによって検知された前記放熱型熱交換器から流出する前記冷却流体の流出温度と、前記第１の圧力センサによって検知された前記吸熱型熱交換器の出口圧と、に基づき前記冷媒の理想の高圧側圧力を判断するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記理想の高圧側圧力と、前記第２の圧力センサによって検知された前記高圧側圧力と、を比較し、この比較結果に応じて、前記膨張装置を調節することを特徴とする遷臨界蒸気圧縮システム。