JPWO2022010749A5

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Publication number: JPWO2022010749A5
Application number: JP2023501176A
Authority: JP
Publication date: 2024-06-11
Anticipated expiration: 2041-07-01

Description

描写された通り、冷凍システム８００は、高圧冷媒（例えば二酸化炭素）を循環させるための第１の流体ループ（例えば高圧分岐）８０４、および高圧分岐８０４よりも低い圧力で低圧冷媒（例えば二酸化炭素）を循環させるための第２の流体ループ（例えば低圧分岐）８０６を含む。第１の流体ループ８０４は、熱交換器８０８（例えばガス冷却器／凝縮器）および回転圧力交換器８０２を含む。熱交換器８０８は、高圧冷媒から周囲環境へ熱を放出する。ガス冷却器は以下では、超臨界高圧冷媒（例えば二酸化炭素）での使用について説明されているものの、いくつかの実施形態では、凝縮器を亜臨界高圧冷媒（例えば二酸化炭素）で使用することができる。冷媒についての亜臨界状態は、臨界点未満（詳細には臨界点と三重点の間）である。第２の流体ループ８０６は、熱交換器８１０（例えば蒸発器などの冷却または熱負荷）および回転圧力交換器８０２を含む。熱交換器８１０は、周囲環境から低圧冷媒中に熱を吸収する。低圧分岐８０６内の低圧冷媒は、液体状態、蒸気状態にあるかまたは液体と蒸気の２相混合物であってよい。流体ループ８０４、８０６は両方共、圧縮機８１２（例えばバルクフロー圧縮機）に対して流体結合されている。圧縮機８１２は（温度および圧力を上昇させることによって）、蒸発器８１０から受け入れた過熱された気体の二酸化炭素を、ガス冷却器８０８に供給される超臨界状態の二酸化炭素へと変換する。一部の実施形態においては、以下でさらに詳述するように、圧縮機８１２は、システム８００内部の小さい圧力損失を克服し流体流（ｆｌｕｉｄｆｌｏｗ）を維持するため、１つ以上の低ＤＰの循環圧縮機またはポンプにより置換されてよい。概して、第１の流体ループ８０４に沿って、ガス冷却器８０８は、超臨界状態の二酸化炭素を受け入れ、その後、幾分か冷却した後（例えば高圧入口８２２において）回転圧力交換器８０２に供給する。第２の流体ループ８０４に沿って、蒸発器８１０は、回転圧力交換器８０２の低圧入口８１３に対して、過熱された気体の二酸化炭素の第１の部分を供給し、圧縮機８１２に対して、過熱された気体の二酸化炭素の第２の部分を供給する。回転圧力交換器８０２は、超臨界状態にある二酸化炭素と過熱された気体の二酸化炭素との間で、圧力を交換する。超臨界状態にある二酸化炭素は、回転圧力交換器８０２の内部で、２相液体／蒸気混合物へと変換され、低圧出口８２４から退出して、蒸発器８１０へと供給される。回転圧力交換器８０２は同様に、過熱された気体の二酸化炭素の圧力および温度を上昇させて、それを超臨界状態の二酸化炭素に変換し、この二酸化炭素は、それがガス冷却器８０８へと供給される高圧出口８１５を介して、回転圧力交換器８０２から退出する。図２に例示されているように、回転圧力交換器８０２から退出する超臨界状態にある二酸化炭素は、圧縮機８１２からガス冷却器８０８に供給された二酸化炭素と組合わされてよい。

（例えば、ジュールトムソン膨張弁を使用する冷凍システムとの関係における）冷凍システム８００内で発生する熱力学的プロセスは、図３および４を参照してより詳細に説明される。図３および４は、ジュールトムソン膨張弁を含む冷凍システムに比べた冷凍システム８００の４つの主要構成要素で発生する熱力学的プロセスを示すために、それぞれ温度－エントロピ（Ｔ－Ｓ）線図８１４および圧力－エントロピ（Ｐ－Ｈ）線図８１６を例示する。点１は、圧縮機の入口８１８を表わす（図２参照）。点２は、圧縮機の出口８１９およびガス冷却器の入口８２０を表わす。点３は、ガス冷却器の出口８３０および膨張弁の入口（ジュールトムソン膨張弁を有する冷凍システム内）または回転液体圧縮機８０２の高圧入口８２２を表す。点４は、膨張弁の出口または回転液体圧縮機８０２の低圧出口８２４（図３および図４にＰＸとして標示）および蒸発器の入口８２６を表わす。図３および４に例示されているように、圧縮機８１２は、圧力を上昇させ、こうして、冷媒作動流体（例えば二酸化炭素）の温度を、環境よりも高い温度まで上昇させ、そこで外部のより高温の環境へと熱を放出することができる。これは、ガス冷却器８０８の内部で発生する。二酸化炭素が超臨界状態にあることから、温度が、超臨界二酸化炭素システムのガス冷却器８０８内でＴ－Ｓ線図上の２相ドームの内側における熱交換プロセスの大部分を通して恒常であり続けている従来の凝縮器とは異なり、相境界は存在せず、二酸化炭素は、２相ドーム８２８の上方にある。したがって、温度は、二酸化炭素が熱を環境へと放出するときに下降する。環境温度が高くなればなるほど、圧縮機８１２を横切る圧力比は大きくなり、システムの圧力も大きくなる。点３において、ガス冷却器出口８３０を離れる二酸化炭素はこのとき、（ジュールトムソン膨張弁を有する冷凍システム内で）膨張弁を通って進み、曲線８３２によって示されているように、バルブ内の恒常なエンタルピプロセス（３→４ｈ）をたどる。Ｐ－Ｈ線図８１６上で、曲線８３２は、（それが等エンタルピプロセスであるため）真直ぐな垂直ラインである。結果として、二酸化炭素は２相ドーム８２８に入り、液体と気体の平衡混合物になる。液体の正確な質量分率は、４ｈ（すなわち曲線８３２）が蒸発器圧力を表わす恒常圧力水平ライン８３４と交差する点によって決定される。２相混合物は、このとき蒸発器８１０を通って続き、ここで、液体二酸化炭素がさらに多くの熱を吸収し、蒸発器８１０の出口８３６において飽和蒸気となる。したがって、圧縮機８１２内に入る流体は、純粋な蒸気相（気相）にある。

低圧ループ９０６内の多相流ポンプ９１１は、冷媒のこのバルク低圧流量を、蒸発器９１０を通って循環させて圧力変換器９０２の低圧入口９１８に送る。多相流ポンプ９１１は同様に、それを横切る差圧（すなわち、システム内のあらゆる圧力損失を克服するのに充分なだけのもの）が極めてわずかにしか有さず、したがって、ポンプ９１１は、従来のバルクフロー高圧圧縮機と比べて極わずかなエネルギしか消費しない。低圧多相流ポンプ９１１は、蒸発器９１０を通って流量を循環させ、蒸発器９１０内で熱を獲得し、それ自体を純粋な蒸気状態またはより高い蒸気含有率の２相液体－蒸気混合物に変換する。この高蒸気含有率の流量は次に、圧力変換器９０２の低圧入口９１８に入り、高圧に加圧される。これによって、今度は、熱力学の標準的法則によって流体の温度も同様に上昇する。この高圧でより高温の流体は、その後、圧力変換器９０２の高圧出口９２２から退出する。高圧出口９２２から退出する流体は、超臨界状態にあり得るか、または、システムがどのように最適化されているかに応じて亜臨界状態でまたは、高い蒸気含有量を有する液体と蒸気の混合物として存在し得ると考えられる。この高圧、高温の冷媒は次に、高圧ループ９０４のガス冷却器／凝縮器９０８に入り、熱を周囲環境に放出する。熱を放出することによって、冷媒は、冷却する（超臨界状態にある場合）か、または液体状態に相を変化させる。高圧ループ９０４内の多相流ポンプ９０９は、このとき、この液体冷媒を受け入れ、それを先に説明した通り、高圧ループ９０４を通して循環させる。

図２２Ｂは、バルク流圧縮機無しの冷凍システム９２３の別の実施形態を実証している。それは、圧力変換器９０２の低圧出口９２０から退出する（圧力変換器９０２の内部リークに起因するかまたは、先に説明した通り圧力変換器９０２に入るおよびこれから退出する４つの流れの圧縮可能性および密度差に起因する）あらゆる余剰流量が、バルブ低圧流量と共に蒸発器９１０を通って圧送され、高圧ループ９０４内に圧縮し戻される前に蒸気へと変換される、という点を除いて、図２２Ａに示されたシステム９００と類似している。したがって、図２２Ａの高ＤＰの低流量の多相流リークポンプ９１３は、図２２Ｂに示されている通りの高ＤＰの低流量のリーク圧縮機９２５によって置換される。リーク圧縮機（ｌｅａｋａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）９２５は、余剰流量を低圧蒸気状態から高圧蒸気状態へ、または超臨界状態へと圧縮した後で、高圧ループ９０４内に注入する。余剰流量のこの再注入の場所も同様に、図２２Ａ中のものに比べて異なっている。リーク圧縮機９２５から退出する蒸気状態または超臨界状態の冷媒は、（リーク圧縮機の出口圧力と同じ圧力にある）圧力変換器９０２の高圧出口９２２の下流側で注入される。図２２Ｂに示されているように、低圧ループ９０６内のバルク流量からの余剰流量を、リーク圧縮機９２５を通って送る前に分割することを可能にするために、蒸発器９１０の下流側に三方弁９２７が配置される。同様にして、リーク圧縮機９２５から退出する高圧のリーク流量と圧力変換器９０２から退出する高圧のバルク流量との再組合せを可能にするため、圧力変換器９０２の下流側に三方弁９２９が配置される。この組合わされた高圧流量は、次に、先に説明した通り、ガス冷却器／凝縮器９０８へと進む。図２２Ａ中のものに比べたこの構成の利点は、それが、蒸発器９１０を通過する追加の流量（低圧出口９２０から来る余剰流量）に起因してサイクルに追加の熱吸収能力を提供するという点にある。一方で、このサイクルのエネルギ消費量は、リーク圧縮機９２５によって消費されるエネルギが多相流リークポンプ９１３によって消費されるエネルギよりもわずかに高くなるため、図２２Ａで示されたシステム９００のものに比べてわずかに大きいものであると思われる。これは、冷媒が、多相流循環ポンプ９１３では部分的なまたは完全な液体状態で圧送されるのとは異なり、リーク圧縮機９２５においては完全に蒸気状態で高圧に圧縮されるからである。

冷凍システム９２３内で発生する熱力学的プロセスは、図２３および２４を参照してさらに詳細に説明される。図２３および２４は、冷凍システム９００の４つの主要構成要素において発生する熱力学的プロセスを示すため、それぞれ温度－エントロピ（Ｔ－Ｓ）線図９２６および圧力－エンタルピ（Ｐ－Ｈ）線図９２８を例示している。点１は、リーク圧縮機入口９３０を表わす（図２２Ｂ参照）。点２は、リーク圧縮機出口９３２およびガス冷却器入口９３４を表わす。点３は、ガス冷却器出口９３６および回転圧力交換器９０２の高圧入口９１４を表わす。点４は、回転圧力交換器９０２の低圧出口９２０および蒸発器入口９３８を表わす。図２３および２４で例示されているように、リーク圧縮機９２５は、冷媒作動流体（例えば二酸化炭素）の圧力ひいては温度を環境よりも高い温度まで上昇させ、そこで、より高温の外部環境へと熱を放出することができる。これは、ガス冷却器９０８の内部で発生する。超臨界二酸化炭素システムのガス冷却器９０８においては、二酸化炭素が超臨界状態にあることから、相境界は存在せず、二酸化炭素は２相ドーム９４０の上方にある。したがって、二酸化炭素が熱を環境へと放出した時点で、温度は降下する。図２３および２４に例示されているように、ガス冷却器出口９３６における超臨界状態にある二酸化炭素は、高圧入口ポート９１４において回転圧力交換器９０２に入り、等エントロピまたは等エントロピに近い（およそ８５パーセントの等エントロピ効率）膨張を受け、２相の気体－液体二酸化炭素混合物として回転圧力交換器９０２の低圧出口ポート９２０において退出する。点４にある２相の二酸化炭素は次に、蒸発器９１０内で熱を吸収する（プロセス４→１、恒常エンタルピプロセス）。全体として、線図９２６、９２８は、冷却能力の増大および圧縮機仕事負荷の低下に起因するサイクル効率のメリットを例示している。回転圧力交換器９０２内部の膨張は、等エントロピで発生することから、それは、蒸発器９１０から来る流体をシステム９００内の全圧まで圧縮するために利用可能であるエンタルピ変化を創出する。これにより、バルクフロー圧縮機によって行なわれたはずのあらゆる仕事が著しく削減され、こうして、（著しく少ないエネルギしか消費しない）リーク圧縮機９２５によるその置換が可能となる。

図２５は、循環ポンプの代りに低ＤＰの循環圧縮機を使用する冷凍システム９３１の概略図である。循環圧縮機は、システム９００全体を通して流体流量を維持することによって、システム９３１内の最小圧力損失を克服する。このシステムと図２２Ａおよび図２２Ｂに示されたシステム９００、９２３の間の差異は、低圧ループ９０６および高圧ループ９０４内のバルク流量の循環が、低ＤＰの多相流循環ポンプを使用する代りに低ＤＰの循環圧縮機を使用して達成されることにある。同様に、これらの循環圧縮機の場所も異なっている。例えば、低圧ループ９０６内の循環圧縮機９４１（圧縮機１）は、蒸発器９１０が蒸気状態で冷媒を循環させるこの蒸発器の下流側に位置付けされている。同様にして、高圧ループ９０４内の循環圧縮機９４４（圧縮機２）は、圧力変換器９０２が超臨界状態または高圧蒸気状態で冷媒を循環させる圧力変換器の高圧出口９２２の下流側に位置付けされている。圧縮機３は、圧縮機９２５が蒸気状態で圧力変換器９０２から低圧ループ９０６に入る余剰流量（例えば圧力変換器９０２からのリーク流量）を取り上げ、それを高圧蒸気状態としてかまたは超臨界状態で高圧ループ９０４内へと圧縮し戻す、図２２Ｂに関連して説明された高ＤＰで低流量のリーク圧縮機９２５に類似している。この余剰流量は次に、ガス冷却器／凝縮器９０８へと進む前に、圧縮機９４４から来た高圧のバルク流量と組合わされる。第２の流体ループ９０６（例えば低圧流体ループ）に沿って配置された低ＤＰの循環圧縮機９４１は、（例えば回転圧力交換器９０２とガス冷却器９０８の間で）ループ９０６に沿って流体流量を維持する。さらに、第１の流体ループ９０４（例えば高圧流体ループ）に沿って配置された低ＤＰの循環圧縮機９４４は、（例えば蒸発器９１０と回転圧力交換器９０２の間で）ループ９０４に沿って流体流（ｆｌｕｉｄｆｌｏｗ）を維持する。一部の実施形態において、冷凍システム９３１は、圧縮機９２５および９４１のみを含み得る。一部の実施形態において、冷凍システム９００は、圧縮機９４４および９４１のみを含み得る。一部の実施形態において、圧縮機９４１、９４４は各々、以下でさらに詳細に指摘するように、それらを横切って、リーク圧縮機９２５よりも著しく低い差圧を有する。

Claims

複数のチャネルを形成する回転子であって、前記回転子は、
気体冷却器または凝縮器から第１の流体を、回転圧力交換器の第１の入口から前記複数のチャネルのうちの１つ以上の中に受け入れ；
蒸発器から第２の流体を、回転圧力交換器の第２の入口から前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つの中に受け入れ；
前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成された、回転子と；
液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記第１の流体を出力するように構成された第１の出口と；
超臨界状態または亜臨界状態で前記第２の流体を出力するように構成されている第２の出口と；
を含む回転圧力交換器；
を含む冷凍システム。
前記回転圧力交換器がさらに、ハウジングを含み、前記回転子及び１つ以上のセンサが、前記ハウジング内に配置されている、請求項１に記載の冷凍システム。
前記第１の入口が、前記１つ以上のセンサからのセンサデータに基づいて、第１の流量率で前記第１の流体を受け入れるためのものである、請求項２に記載の冷凍システム。
前記第２の入口が、前記１つ以上のセンサからのセンサデータに基づいて、第２の流量率で前記第２の流体を受け入れるためのものである、請求項２に記載の冷凍システム。
前記１つ以上のセンサが、温度センサまたは圧力センサを１つ以上含む、請求項２に記載の冷凍システム。
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項１に記載の冷凍システム。
前記第２の入口がさらに、フラッシュガス制御弁を介してフラッシュタンクから前記第２の流体を受け入れるように構成されており、前記第１の入口が第１の圧力で前記第１の流体を受け入れるように構成されており、前記第２の入口が、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記第２の流体を受け入れるように構成されている、請求項１に記載の冷凍システム。
メモリと；
前記メモリに結合されたプロセッサであって：
複数のセンサからセンサデータを受信し；
前記センサデータの少なくとも第１の部分に基づいて、気体冷却器または凝縮器から回転圧力交換器への第１の流体の第１の流量率を制御し；
前記センサデータの少なくとも第２の部分に基づいて、蒸発器から前記回転圧力交換器への第２の流体の第２の流量率を制御する；
プロセッサと；
を含むシステムであって、前記回転圧力交換器が複数のチャネルを形成する回転子を含み、前記回転子は、
前記気体冷却器または前記凝縮器から前記第１の流体を、前記回転圧力交換器の第１の入口から前記複数のチャネルのうちの１つ以上の中に受け入れ；
前記蒸発器から前記第２の流体を、前記回転圧力交換器の第２の入口から前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つの中に受け入れ；
前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成されており、前記第１の流体が、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっており、前記第２の流体が、超臨界状態または亜臨界状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっている、システム。
前記複数のセンサが、温度センサまたは圧力センサのうちの１つ以上を含む、請求項８に記載のシステム。
前記複数のセンサのうちの少なくとも１つが、前記回転圧力交換器のハウジング内に配置されている、請求項８に記載のシステム。
前記プロセッサが、１つ以上の弁を介して、前記第１の流量率および前記第２の流量率を制御する、請求項８に記載のシステム。
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項８に記載のシステム。
前記プロセッサがさらに、フラッシュガス制御弁を介して、フラッシュタンクから前記回転圧力交換器への前記第２の流体の第３の流量率を制御する、請求項８に記載のシステム。
前記第１の流量率にある前記第１の流体が、第１の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっており、前記第２の流量率および前記第３の流量率からの前記第２の流体は、組合わさって、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっている、請求項１３に記載のシステム。
複数のセンサからセンサデータを受信することと；
前記センサデータの少なくとも第１の部分に基づいて、気体冷却器または凝縮器から回転圧力交換器への第１の流体の第１の流量率を制御することと；
前記センサデータの少なくとも第２の部分に基づいて、蒸発器から前記回転圧力交換器への第２の流体の第２の流量率を制御することと；
を含む方法であって、前記回転圧力交換器が複数のチャネルを形成する回転子を含み、前記回転子は、
前記気体冷却器または前記凝縮器から前記第１の流体を、前記回転圧力交換器の第１の入口から前記複数のチャネルのうちの１つ以上の中に受け入れ；
前記蒸発器から前記第２の流体を、前記回転圧力交換器の第２の入口から前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つの中に受け入れ；
前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換するように構成されており、前記第１の流体が、液体状態でまたは液体と蒸気の２相混合物の状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっており、前記第２の流体が、超臨界状態または亜臨界状態で前記回転圧力交換器から退出するようになっている、方法。
前記複数のセンサが、温度センサまたは圧力センサのうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
前記複数のセンサのうちの少なくとも１つが、前記回転圧力交換器のハウジング内に配置されている、請求項１５に記載の方法。
前記第１の流量率および前記第２の流量率の制御が１つ以上の弁を介したものである、請求項１５に記載の方法。
前記第１の流体および前記第２の流体が二酸化炭素である、請求項１５に記載の方法。
フラッシュガス制御弁を介して、フラッシュタンクから前記回転圧力交換器への前記第２の流体の第３の流量率を制御することをさらに含み、前記第１の流量率にある前記第１の流体が、第１の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっており、前記第２の流量率および前記第３の流量率からの前記第２の流体は、組合わさって、前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力で前記回転圧力交換器に入るようになっている、請求項１５に記載の方法。