JPH0718602B2 - 超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法およびその装置 - Google Patents
超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法およびその装置Info
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Description
界条件下で作動される冷媒を利用する冷凍機、空調ユニ
ット及びヒートポンプのような蒸気圧縮サイクルの運転
方法およびその装置に関し、特に、その種の装置の能力
を調整及び制御する方法に関するものである。
縮サイクル装置は、第1図に原理的に示される。この装
置は、圧縮機(1)、凝縮熱交換器(2)、絞り弁
(3)、及び蒸発熱交換器(4)から構成される。それ
らの要素は流動閉回路に連結され、そこに冷媒が循環さ
れている。蒸気圧縮サイクル装置の運転原理は次のとお
りである:冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機(1)によ
り増大され、次いで、その冷凍剤蒸気が凝縮器(2)に
入り、そこで冷却及び凝縮され、熱が二次冷却材に与え
られる。この後、高圧液状冷媒は膨張弁(3)により蒸
発圧力及び温度に絞られる。蒸発器(4)において、冷
媒は沸騰し、その周囲から熱を吸収する。蒸発器流出口
における蒸気は圧縮機に吸い込まれ、サイクルが完了す
る。
で運転作動される冷媒(たとえば、R−12、CF2Cl2)を
利用する。多数の色々な物質又は物質の混合物が、冷媒
として利用される。流体の臨界温度は、凝縮が発生する
ための上限を設定することから、冷媒の選択は他の要素
と共に凝縮温度による影響を受ける。合理的な効率を維
持するため、凝縮温度より少なくとも20〜30K高い臨界
温度を有する冷媒を利用することが、通常は望ましい。
臨界近似温度は通常のシステムの設計及び運転におい
て、通常は避けられる。
者協会ハンドブック、基礎1989および冷凍1986(Handbo
oks of American Society of Heating, Refrigerating
and Air Conditioning Engineers Inc., Fundamentals
1989 and Refrigeration 1986)、において詳細に記載
されている。
より、これらの冷媒の利用の禁止及び縮少について強力
な国際的活動がなされている。その結果、現行技術の代
替技術を見出すことが緊急な要求事項となっている。
発器を通過する冷媒の質量流量を調整することにより達
成される。これはたとえば、圧縮機容量、絞り制御又は
バイパス操作により行われる。これらの方法には、より
複雑な流れ回路や構成要素、付加装置や付属品の必要
性、部分負荷効率の低下、及び他の複雑性、という問題
が包含される。
であり、これは蒸発器流出口における過熱により制御さ
れる。変動する運転条件における適切なバルブ作動は、
かなりの部分の蒸発器を冷媒を過熱するために利用する
ことにより達成され、その結果、熱伝達係数が低下する
こととなる。
熱排除は、主として一定温度において生ずる。したがっ
て、熱力学的損失が、ヒートポンプ適用時におけるよう
に、大きな温度増加により2次冷却材に熱を付与する
時、あるいは有効2次冷却材流量が小さい時に発生す
る。
ある程度は実施されていた。ハロカーボンが利用される
ようになった時(40〜50年前)までは、CO2が食料及び
積荷のための船舶冷凍において、冷媒として一般的に利
用されていた。そのシステムは蒸発及び凝縮により、通
常は臨界未満圧力において運転されるように設計されて
いた。一般的には船舶が熱帯地域を通過する場合、冷却
用海水温度は高すぎ、通常の凝縮をもたらすことができ
ず、装置は高サイドにおいて、超臨界条件において運転
されることがある。(CO2についての臨界温度は−31
℃)。この場合において、高サイドにおける冷媒の充填
量を、圧縮機の流出部における圧力が90〜100バールに
上昇されて、冷却能力を合理的レベルに維持する点まで
増大することが行われていた。CO2による冷凍技術は古
典的文献、たとえば、ピー・オスタータグ著、「冷凍処
理(Kalteprogesse)」スプリンガー1933年発行、又は
エイチ・ジェー・マクインタイア「冷凍工学」ワイリー
1937年発行、に記載されている。
の貯蔵シリンダから必要な特別の充填量を追加するとい
うものであった。通常の方法において凝縮器の後に装着
されるレシーバないし受液部は、この発明が意図してい
る機能を提供することはできない。
縮サイクル装置の能力及び効率を増大する別の方法は、
西独特許第278095号(1912年)明細書に示されている通
り、周知である。この方法は、超臨界領域における中間
冷却を行う2段階圧縮を包含する。標準的システムに比
較して、これは付加的な圧縮機又はポンプ、及び熱交換
器の装着を必要とする。
ples of Refrigeration)」(ケンブリッジ大学1982年
発行)は、臨界近似圧力運転の特性のいくつかを指摘し
ている。そこでは、高圧サイドにおける冷媒充填量の増
大は、膨張弁を一時的に遮断し、蒸発器からある程度の
充填量を移転することにより達成され得ること、が示唆
されている。しかし、これは蒸発器を液体不足にし、最
も望まれる時点での能力低下の原因になる。
は超臨界圧力とすることも考えられたが、その冷却能力
の調整に何等の解決を見いだすことができず、具体化さ
れることはなかった。
の問題点及び不利を回避すると共に、超臨界蒸気圧縮サ
イクル装置の能力を調整及び制御することのできる新規
で、改良され、かつ単純で効率的な装置を提供すること
である。
に、安全、環境危機及び価格に関していくつかの魅力的
な冷媒を適用することのできる、蒸気圧縮サイクルを提
供することである。
量流量における運転、及びバルブ操作による単純な能力
調整を包含する、新規な能力制御方法を提供することで
ある。
グライディング温度(gliding temperature)において
熱を排除(rejecting)するサイクルを提供し、2次冷
却材流量が小さい場合、あるいは2次冷却材が比較的高
温まで加熱される時、熱交換損失を低減することであ
る。
力を制御するにあたり、超臨界状態における熱力学的特
性が利用されるようにした、超臨界条件(すなわち、超
臨界高サイド圧力、臨界未満低サイド圧力)において通
常的に運転される方法を提供することにより達成され
る。
又は温度の慎重利用による、蒸発器流入口における比エ
ンタルピの調整を包含する。能力は、蒸発器における冷
媒のエンタルピ差を変動させることにより、かつ絞り操
作前の冷媒の比エンタルピを変化させることにより制御
される。これは超臨界状態においては、圧力及び温度を
独立して変化させることにより実施され得る。好ましい
実施例において、この比エンタルピの調整は、絞り操作
前の圧力を変化させることにより実施される。冷媒は、
有効な冷却媒体により、可能な限り冷却され、また圧力
が必要なエンタルピを与えるように調整される。
詳細に説明する。
略図である。
臨界蒸気圧縮サイクル装置の概略図である。この実施例
は蒸発器システムの一体部分として、冷媒を液体状態に
保持する容積を包含している。
蒸気圧縮サイクル装置の概略図である。この実施例は、
2つのバルブの間で流れ回路に直接連結される中間圧力
レシーバを包含している。
蒸気圧縮サイクル装置の概略図である。この実施例は、
冷媒を液体状態に、あるいは超臨界状態に保持する特別
のレシーバを包含している。
4図の超臨界蒸気圧縮サイクル装置における圧力及びエ
ンタルピの関係を示すグラフである。
制御を示すグラフ群である。図示される結果は、この発
明の好ましい実施例に従って組立てられた研究室実験シ
ステムにおいて測定された。
の制御を示すグラフ群である。図示される結果は、この
発明の好ましい実施例に従って組立てられた研究室実験
システムにおいて測定された。
る高サイド圧力において運転される第2図の超臨界蒸気
圧縮サイクル装置における温度及びエントロピの関係を
示すテスト結果である。
縮サイクル装置は、臨界温度が熱流入口温度と熱流出口
の平均温度との間にある冷媒、及び冷媒が循環される作
動流体閉回路とを包含する。
ボラン(B2H6)、、2酸化炭素(CO2)、エタン(C
2H6)及び酸化窒素(N2O)、とすることができる。
れループから構成されている。第2図はこの発明の好ま
しい実施例を示し、ここでは貯蔵セグメントが蒸発器シ
ステムの一体部分となっている。流れ回路は、熱交換器
11に直列連結される圧縮機10と、向流型熱交換器12と、
絞り弁13とを包含する。絞り弁は任意の膨張装置に置換
され得る。蒸発熱交換器14と、液体分離器/レシーバ16
と、向流型熱交換器12の低圧側とが、絞り弁13と圧縮機
10の流入口19の中間に、流通可能に連結されている。液
体レシーバ16は蒸発器流出口15に連結され、またレシー
バ16のガス相流出口は向流型熱交換器12に連結されてい
る。
対に必要であるというものではないが、その効率、特に
能力増大要件に対する応答速度を改善する。これはま
た、油を圧縮機に戻す作用も有する。そのため、レシー
バ16からの液相ライン(第2図に破線で示される)が、
向流型熱交換器12の前で点17において、あるいはその後
で点18において、あるいはこれらの点の間の任意の位置
において、吸引ラインに連結される。液体流量、すなわ
ち冷媒および油は、適切な通常の液体流量制限装置(図
示されない)により制御される。ある程度過剰の液体冷
媒を蒸気ラインに流入させることにより、蒸発器流出口
における液体過剰状態が達成される。
流体回路の貯蔵セグメントは、弁21及び絞り弁13間で、
流れ回路に組み込まれたレシーバ22を包含する。流動回
路の他の構成要素10〜14は前記実施例における要素と同
一であるが、熱交換器12は重大な結果をもたらすことな
く、省略することができる。レシーバ22内の圧力は流れ
回路の高サイド圧力及び低サイド圧力の中間に保持され
る。
体回路の貯蔵セグメントは特別のレシーバ25を包含し、
そこでは圧力が流体回路の高サイド圧力及び低サイド圧
力間に保持される。貯蔵セグメントはさらに、流体回路
の高圧部及び低圧部にそれぞれ連結される弁23及び弁24
を備える。
超臨界圧力まで圧縮され、圧縮機流出口20は、第5図に
おいて状態「a」として示される。冷媒は熱交換器11を
通って循環され、そこで状態「b」まで冷却されて、熱
を適切な冷却材、たとえば冷却空気又は水に放出する。
所望により、冷媒は、状態「d」まで絞り操作される前
に、向流型熱交換器12において状態「c」まで、さらに
冷却されても良い。絞り弁13での圧力低下により、第3
図に状態「d」として示されるように、ガス/液体の2
相混合体が形成される。冷媒は蒸発器14において、液相
の蒸発により熱を吸収する。蒸発器流出口における状態
「e」から冷媒の蒸気は、向流型熱交換器12において、
圧縮機流入口19に流入する前に、状態「f」まで加熱さ
れても良く、圧縮機流入口19の流入によりサイクルが完
成される。この発明の好ましい実施例においては第2図
に示されるように、蒸発器流出口の状態「e」は、蒸発
器流出口における液体過剰状態により、2相領域状態に
ある。
わち第5図の点「d」における冷媒の状態を変動させる
ことにより達成される。冷媒の単位質量流量当たりの冷
却能力、すなわち、所定の冷却能力は、状態「d」およ
び状態「e」間のエンタルピ差に対応する。このエンタ
ルピ差は、第5図において、エンタルピ・圧力線図の水
平長さとして示されている。
おけるエンタルピは、点「c」におけるエンタルピに等
しい。その結果、定冷媒質量流量における冷凍能力(k
W)は、点「c」におけるエンタルピを変動させること
により制御され得る。
れないが、熱交換器11において温度が低下されることに
注目すべきである。熱交換器(点「b」)における冷媒
の最終温度は、向流が利用される場合、流入冷却空気又
は水温より数度高い。そして、高圧蒸気は向流型熱交換
器において、数度低い点「c」まで冷却されることがで
きる。しかし、その結果、定冷却空気又は水流入温度に
おいて、点「c」における温度は、高サイドにおける圧
力レベルとは無関係に、主として一定になる。
をほぼ一定の状態として、高サイドにおける圧力を変動
することにより達成される。臨界点付近での等温線のカ
ーブは、第5図に示されるように、圧力によるエンタル
ピの変動をもたらす。図は基準サイクル(a−b−c−
d−e−f)、高サイド圧力が低下されたことによる低
能力のサイクル(a′−b′−c′−d′−e−f)、
及び高サイドにおける高圧による高能力のサイクル
(a″−b″−c″−d″−e−f)を示している。蒸
発器圧力は一定であると仮定される。
とから、温度とは無関係である。
変動させること、すなわち、高サイドにおける瞬間的冷
媒充填量の所定量を、付加又は除去することが必要であ
る。これらの変動は液体のオーバーフロー又は蒸発器の
乾燥化を避けるため、緩衝装置ないしバッファにより処
理されなければならない。
高サイドの冷媒質量は絞り弁13の開度を一時的に低減す
ることにより、増大され得る。蒸発器に対する付随して
低減される冷媒流量により、蒸発器流出口15における余
剰液体量は低減される。しかし、レシーバ16から吸引ラ
インへの液体冷媒流量は一定である。その結果、レシー
バに流入及びそこから流出する液体流量間のバランスは
シフトされ、その結果、レシーバの液体残量は減少し、
対応して流れ回路の高圧サイドに冷媒が蓄積される。
凍能力の増大を伴う。この回路の低圧サイドから高圧サ
イドへの質量移転は、冷凍能力と負荷と間のバランスが
見出されるまで継続される。
ことから、蒸発器流出口15における余剰液体量が増大さ
れる。このレシーバへ流入する液体流量と、レシーバか
ら吸引ラインへの液体流量との差の流量が、蓄積され
る。その結果、冷媒充填量が流れ回路の高サイドから低
サイドへ移送され、レシーバにおいて液体状態で貯蔵さ
れ、高サイド充填量は低減される。高サイド充填量、し
たがって圧力を低減することにより、装置の能力は、バ
ランスが見出されるまで減少される。
が、レシーバの液相における潤滑剤の蓄積を避けるため
に必要になる。
イドにおける冷媒質量は、蒸発器への十分な液体流量を
提供するために弁21の遮断及び絞り弁13の調整を同時に
行うことにより、増大され得る。これは高サイドから弁
21を介してレシーバへの冷媒の流量を減少させ、その場
合、冷媒質量が圧縮機により低サイドから高サイドへ移
転される。
定に保持しながら弁21を開放することにより、達成され
る。これは質量を流れ回路の高サイドからレシーバ22へ
移す。
イドの冷媒質量は、弁24を開放し、同時に絞り弁13を通
る流量を低減することにより増大され得る。これによ
り、冷媒充填量は絞り弁13を通る流量の低減により、高
圧サイドに蓄積される。蒸発器に対する十分な液体流量
が、弁24を開放することにより得られる。
いくらかを高サイドからレシーバへ移送することによ
り、達成され得る。したがって、装置の能力制御は、弁
23及び弁24を調整すると同時に、絞り弁13を操作するこ
とにより達成される。
は、能力制御が単一弁のみの操作により行われる単純性
という利点を有している。さらに、この実施例により組
立てられた超臨界蒸気圧縮サイクル装置は、高サイド充
填量、したがって冷却能力の変化を伴うレシーバ16の液
体内容量の変化によって冷却負荷の変動に適応できるよ
うにすることにより、ある程度の自己調整能力を有す
る。さらに、蒸発器流出口において余剰液体を有する運
転により、好ましい伝熱特性が与えられる。
という利点を有する。弁21のみが装置の高サイドの圧力
を調整し、絞り弁13だけで蒸発器の十分な供給が確保さ
れる。したがって、通常のサーモスタット式弁が絞り操
作のために利用される。圧縮機に対する油の還流は、冷
媒をレシーバに流動させることにより容易に達成され
る。しかし、この実施例は、臨界圧力より低い高サイド
圧力においては、能力制御機能を与えない。レシーバ22
の容積は、流出圧力及び液体ライン圧力間で運転される
だけであることから、比較的大きくされなければならな
い。
態で運転されている時、通常の蒸気圧縮サイクル装置と
して運転されるという利点を有する。レシーバ25を流動
回路に連結する弁23及び弁24は、能力制御中のみ作動さ
れる。この実施例は、能力変化中、3つの異なる弁の使
用を必要とする。
較して、レシーバの圧力が高いという欠点を有する。し
かし、設計及び運転特性に関する個々のシステム間の差
は、それ程重大なものではない。
圧縮サイクル装置は、色々な分野において適用される。
その技術は、小型及び中型の固定空調ユニットや可動空
調ユニット、小型及び中型冷凍機/冷蔵装置、小型ヒー
トポンプ・ユニットにおいて極めて適している。最も有
望な適用例の一つは自動車用空調装置におけるものであ
り、そこでは新規な非CFC性の軽量かつ効率的な、R12シ
ステムの代替物の必要性が緊急事項となっている。
のであり、限定するものではない。なお、参考として述
べるならば、高サイド圧力を主として一定に保持すると
共に、絞り操作(状態「c」)する前の冷媒温度を、冷
却空気又は水の循環速度を変動させることによって調整
することにより、超臨界サイクル装置の能力の調整が可
能であることも明らかであろう。冷却流体、すなわち空
気又は水の流量を低減することにより、絞り操作前の温
度は増大し、能力は低下する。冷却流体の流量が増大す
ると、絞り操作前の温度が低下し、したがって装置の能
力が増大する。圧力及び温度制御を組合せることも可能
である。
が以下の実例により示されており、この実例では、第2
図に示されるこの発明の実施例に従って組立てられた超
臨界蒸気圧縮サイクル装置からのテスト結果が与えら
れ、かつ冷媒として二酸化炭素(CO2)を利用してい
る。
わち水が、蒸発器14における沸騰CO2による熱交換によ
り冷凍される。水は冷却材としても利用され、熱交換器
11においてCO2により加熱される。テスト装置は61ccmの
往復圧縮機10及び4lの総容積を有するレシーバ16を包含
する。このシステムは第2図に示されるように、向流型
熱交換器12及びレシーバから点17への液体ライン連結部
を包含する。絞り弁13は手動操作される。
したがって流れ回路の高サイドにおける圧力を変動する
ことにより、冷凍能力の制御が達成される方法を示して
いる。高サイド圧力を変動することにより、蒸発器流入
口における冷媒の比エンタルピが制御され、定質量流量
における冷凍能力の調整が行われる。
れ、また熱交換器11に対する水流入口温度は、35℃で一
定に保持される。水の循環は蒸発器14及び熱交換器11の
両者において、一定である。圧縮機は一定速度で運転さ
れている。
れる時に、冷凍能力(Q)の変動、圧縮機シャフト仕事
量(W)、高サイド圧力(PH)、CO2質量流量(m)、
蒸発器流出口におけるCO2温度(Te)、熱交換器11の流
出口におけるCO2温度(Tb)、及びレシーバ内の液体レ
ベル(h)を示している。絞り弁の位置の調整のみが操
作されるものである。
とにより、容易に制御される。さらに、図から、安定状
態において、循環CO2質量流量(m)はほぼ一定であ
り、かつ冷却能力から独立していることが明らかであろ
う。また、熱交換器11の出口でのCO2温度(Tb)もほぼ
一定である。グラフは、能力の変動が高サイド圧力(P
H)のみの変動の結果であることを示している。
圧サイドへのCO2充填量の移転により、レシーバ液体レ
ベル(h)の低減を伴っていることも分かるであろう。
重大な過熱を包含することはなく、すなわち、蒸発器流
出口のCO2温度Teはほんの小さな変動にすぎないことが
示されている。
囲温度が高い)場合は、一定の冷凍能力を維持するため
に、高サイド圧力を増大することが必要になる。表1
は、熱交換器11に対する水流入口温度(tw)が異なる状
態で運転されるテストからの結果を示している。
また圧縮機は一定速度で運転される。
サイド圧力を増大することにより、ほぼ一定に保持され
得る。冷媒質量流量は表示されるように、ほぼ一定であ
る。増大された高サイド圧力は、液体レベルの読みによ
り示されるように、レシーバの液体内容量の低減を伴
う。
イド圧力を一定に維持し、熱交換器11を通って循環する
冷却材(たとえば、空気又は水)の流量を調整すること
により、装置の能力を調整及び制御する可能性を示して
いる。
する冷却材としての水の循環速度(mw)が調整される時
の、冷凍能力の変動(Q)を示している。CO2の質量流
量(m)、高サイド圧力(PH)及び熱交換器11に対する
水流入口温度(ti)は、一定に保持される。圧縮機は一
定速度で運転され、また蒸発器に流入する水の温度及び
流量率は一定に保持される。
に制御される。CO2の質量流量はほぼ一定である。
ルのグラフである。図示されるサイクルは異なる5つの
高サイド圧力における運転中の、研究室テスト装置にお
ける測定値に基づくものである。蒸発器の圧力は一定に
保持される。冷媒はCO2である。
入口における比エンタルピ(h)の変化を示し、能力制
御理論が良く分かるであろう。
Claims (8)
- 【請求項1】蒸気圧縮サイクルの高サイドにおいては超
臨界圧力で運転される一体的閉回路を形成するように、
直列連結された圧縮機(10)、冷却装置(11)、絞り手
段(13)及び蒸発器(14)を備えた超臨界蒸気圧縮サイ
クルの運転方法において、 前記閉回路に配設された緩衝用冷媒レシーバの液体残量
を変更することによって、前記閉回路の高サイド内の冷
媒充填量を変動させてその高サイドの圧力を調整し、前
記蒸気圧縮サイクルの所定の冷却能力をもたらすことを
特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法。 - 【請求項2】上記閉回路の高サイドにおける冷媒充填量
の変動を、冷却能力操作手段としての絞り手段のみを用
いて、蒸発器(14)と圧縮機(10)の中間に配置された
低圧冷媒レシーバ(16)の液体残量を変動させることに
より達成することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】上記閉回路の高サイドにおける冷媒充填量
の変動を、弁(21)及び絞り手段(13)を調整し、弁
(21)と絞り手段(13)との間で閉回路に配設された冷
媒レシーバ(22)の超臨界圧力で加圧されている冷媒充
填量を変動させることにより達成することを特徴とする
請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】上記閉回路の高サイドにおける冷媒充填量
の変動を、弁(23,24)を備える管路により閉回路の高
サイド及び低サイドに連結される貯蔵手段(25)に対す
る冷媒の充填量又はそこからの除去量を継続的に調整す
ると共に、貯蔵手段(25)における圧力を高サイド圧力
及び低サイド圧力の中間値に保持することにより達成す
ることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項5】蒸発器流出口条件が蒸気及び液体の2相混
合体として維持され、圧縮機に吸入される前に、高圧冷
媒により低圧冷媒が蒸発及び過熱を受けるようになって
いる付加的熱交換器(12)の低圧流入口に低圧冷媒レシ
ーバ(16)の液体をもたらすことを特徴とする請求項1
記載の方法。 - 【請求項6】上記冷媒が二酸化炭素であることを特徴と
する請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項7】蒸気圧縮サイクルの高サイドにおいては超
臨界圧力で運転される一体的閉回路を形成するように、
直列連結された圧縮機(10)、冷却装置(11)、絞り手
段(13)及び蒸発器(14)を備えた超臨界蒸気圧縮サイ
クル装置において、 前記蒸発器(14)と前記圧縮機(10)との中間に配置さ
れた低圧冷媒レシーバ(16)と、 前記蒸気圧縮サイクル内で、前記低圧冷媒レシーバ(1
6)と前記圧縮機(10)との中間に配置された、前記低
圧冷媒レシーバ(16)の頂部と底部に連通する低圧流入
口(17)と、前記冷却装置(11)の流出口に連通する高
圧流入口とを有する熱交換器(12)とを備え、 前記低圧冷媒レシーバ(16)の液体残量を変更して前記
高サイド圧力を調整する前記絞り手段(13)を、前記冷
却装置(11)と前記蒸発器(14)との間に配設したこと
を特徴とする超臨界蒸気圧縮サイクル装置。 - 【請求項8】使用される冷媒が二酸化炭素であることを
特徴とする請求項7記載の装置。
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