JP2931668B2 - 超臨界蒸気圧縮回路における高サイド圧力調節方法 - Google Patents
超臨界蒸気圧縮回路における高サイド圧力調節方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は、超臨界条件で操作される冷凍、空調およ
びヒートポンプのような蒸気圧縮回路に関し、より詳し
くは、エネルギ消費に関して最適の操作を維持する高サ
イド圧力調節方法に関するものである。
びヒートポンプのような蒸気圧縮回路に関し、より詳し
くは、エネルギ消費に関して最適の操作を維持する高サ
イド圧力調節方法に関するものである。
発明の背景技術 出願中であるPCT出願の刊行物WO 90/07683号には、
超臨界蒸気圧縮回路と超臨界高サイド圧力の調整に基づ
いてその回路の冷凍能力を調節する方法が開示されてい
る。この回路は、コンプレッサと、気体クーラ（凝縮
器）と、内部熱交換器と、蒸発器と、そしてレシーバ
（受液器）とからなっている。能力管理は、蒸発器とコ
ンプレッサの中間に置かれた低圧冷媒レシーバの液体残
量を変化させることによって達成され、ここでは内部熱
交換器の高圧出口と蒸発器入口との間の絞り弁が操作手
段として使用されている。
超臨界蒸気圧縮回路と超臨界高サイド圧力の調整に基づ
いてその回路の冷凍能力を調節する方法が開示されてい
る。この回路は、コンプレッサと、気体クーラ（凝縮
器）と、内部熱交換器と、蒸発器と、そしてレシーバ
（受液器）とからなっている。能力管理は、蒸発器とコ
ンプレッサの中間に置かれた低圧冷媒レシーバの液体残
量を変化させることによって達成され、ここでは内部熱
交換器の高圧出口と蒸発器入口との間の絞り弁が操作手
段として使用されている。
超蒸気圧縮回路の生産用原型で最近行われている多く
のテストから、この発明の特殊な適用、例えば、変動す
る荷重と条件で働く乗用車の空調ユニットにおいては、
所定の能力要求において最小のエネルギ消費とするため
に、全能力より少ない能力で、高サイド圧力はユニット
の実際の操作条件（荷重）に従って調節されねばならな
いことが判明している。実際の操作条件は、冷却温度や
圧力、外部温度あるいは必要な冷凍能力によって決定さ
れる。如何なる利用可能な技術状態の能力管理装置、例
えば、オン／オフ式、可変容量コンプレッサあるいは可
変速度制御などが、別々にあるいは独立に、冷却能力や
加熱能力の調節のために開示されている回路の絞り弁の
操作に使用することができる。したがって、既に開示さ
れている蒸気圧縮回路のエネルギ消費に関する最適の操
作を得るためには、新しい絞り弁制御方法を開発するこ
とが必要であった。
のテストから、この発明の特殊な適用、例えば、変動す
る荷重と条件で働く乗用車の空調ユニットにおいては、
所定の能力要求において最小のエネルギ消費とするため
に、全能力より少ない能力で、高サイド圧力はユニット
の実際の操作条件（荷重）に従って調節されねばならな
いことが判明している。実際の操作条件は、冷却温度や
圧力、外部温度あるいは必要な冷凍能力によって決定さ
れる。如何なる利用可能な技術状態の能力管理装置、例
えば、オン／オフ式、可変容量コンプレッサあるいは可
変速度制御などが、別々にあるいは独立に、冷却能力や
加熱能力の調節のために開示されている回路の絞り弁の
操作に使用することができる。したがって、既に開示さ
れている蒸気圧縮回路のエネルギ消費に関する最適の操
作を得るためには、新しい絞り弁制御方法を開発するこ
とが必要であった。
発明の目的 したがって、この発明の目的は、超臨界蒸気圧縮回路
において、システムの最適操作とエネルギ消費を最小と
するするために高サイド圧力を調節する新しい簡単な方
法と装置とを提供することである。
において、システムの最適操作とエネルギ消費を最小と
するするために高サイド圧力を調節する新しい簡単な方
法と装置とを提供することである。
発明の要約 この発明の上述の目的およびその他の目的は、超臨界
蒸気圧縮回路において、検出される実際の回路の操作条
件と対応する最適の高サイド圧力の予定数値の適用に基
づく、絞り弁の操作方法を提供することによって達成さ
れる。この発明の好適な実施例において、操作状態の検
出は気体クーラ（凝縮器）の出口またはその近くにおけ
る温度の測定によってなされ、絞り弁の開度は予定され
た設定圧力に対して調整される。
蒸気圧縮回路において、検出される実際の回路の操作条
件と対応する最適の高サイド圧力の予定数値の適用に基
づく、絞り弁の操作方法を提供することによって達成さ
れる。この発明の好適な実施例において、操作状態の検
出は気体クーラ（凝縮器）の出口またはその近くにおけ
る温度の測定によってなされ、絞り弁の開度は予定され
た設定圧力に対して調整される。
図面の簡単な説明 この発明は、好適な実施例と図面を参照してより詳細
に説明される。
に説明される。
図１は、一定の蒸発温度と気体クーラ（凝縮器）出口
の冷媒温度において、超臨界蒸気圧縮回路の高サイド圧
力を変化させる際の、冷却能力（Q0）と、コンプレッサ
の出力（Ｐ）と、そしてそれらの比（COP）との間の論
理的な関係を示すグラフである。
の冷媒温度において、超臨界蒸気圧縮回路の高サイド圧
力を変化させる際の、冷却能力（Q0）と、コンプレッサ
の出力（Ｐ）と、そしてそれらの比（COP）との間の論
理的な関係を示すグラフである。
図２は、冷却能力とコンプレッサの出力との間の最大
割合を提供する最適高サイド圧力と、３つの異なる蒸発
温度における気体クーラ（凝縮器）の出口の冷媒温度と
の間の論理的な関係を示すグラフである。
割合を提供する最適高サイド圧力と、３つの異なる蒸発
温度における気体クーラ（凝縮器）の出口の冷媒温度と
の間の論理的な関係を示すグラフである。
図３は、この発明の好適な実施例に従って構成された
超臨界蒸気圧縮回路を概略的に表したものである。
超臨界蒸気圧縮回路を概略的に表したものである。
発明の詳細な説明 超臨界回路（高サイドで臨界圧力にまで圧縮された冷
媒で操作される。）のよく知られた特性は、冷凍能力と
使用されるコンプレッサの出力との比として定義される
性能係数COPを、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒温度
が大体一定に保たれる時に、高サイド圧力を増加させる
ことによって上昇させられることである。しかしなが
ら、COPは、ある水準にまでだけ高サイド圧力の増加に
対して上昇させられるが、特別の冷凍効果が特別の圧縮
作用をもはや充分に補償しなくなると、衰退し始めるも
のである。
媒で操作される。）のよく知られた特性は、冷凍能力と
使用されるコンプレッサの出力との比として定義される
性能係数COPを、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒温度
が大体一定に保たれる時に、高サイド圧力を増加させる
ことによって上昇させられることである。しかしなが
ら、COPは、ある水準にまでだけ高サイド圧力の増加に
対して上昇させられるが、特別の冷凍効果が特別の圧縮
作用をもはや充分に補償しなくなると、衰退し始めるも
のである。
かくして、例えば、蒸発温度や気体クーラ（凝縮器）
の出口における冷媒温度よって特定される実際の操作状
態のそれぞれのセットに対し、高サイド圧力の関数とし
ての冷却能力（Q0）、コンプレッサ出力（Ｐ）およびそ
れらの比（COP）を示すグラフを提供することができ
る。図１には、論理的な回路計算に基づく、一定の蒸発
温度および気体クーラ（凝縮器）の出口温度において、
CO2冷媒に生じるような線図が示されている。図１の
ｐ′に相当するある高サイド圧力において、比（COP）
は示されるように最大に達する。
の出口における冷媒温度よって特定される実際の操作状
態のそれぞれのセットに対し、高サイド圧力の関数とし
ての冷却能力（Q0）、コンプレッサ出力（Ｐ）およびそ
れらの比（COP）を示すグラフを提供することができ
る。図１には、論理的な回路計算に基づく、一定の蒸発
温度および気体クーラ（凝縮器）の出口温度において、
CO2冷媒に生じるような線図が示されている。図１の
ｐ′に相当するある高サイド圧力において、比（COP）
は示されるように最大に達する。
このような結果を組み合わせることによって、すなわ
ち、操作状態が変化する際に、最大のCOP（ｐ′）を提
供する、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒温度、蒸発温
度および高サイド圧力の新しいデータのセットが、図２
に示されるように提供され、これらは絞り弁の操作方法
に適用されることができる。この線図にしたがって高サ
イド圧力を調節することによって、冷凍能力とコンプレ
ッサ出力との間の最大比が常に維持されるであろう。
ち、操作状態が変化する際に、最大のCOP（ｐ′）を提
供する、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒温度、蒸発温
度および高サイド圧力の新しいデータのセットが、図２
に示されるように提供され、これらは絞り弁の操作方法
に適用されることができる。この線図にしたがって高サ
イド圧力を調節することによって、冷凍能力とコンプレ
ッサ出力との間の最大比が常に維持されるであろう。
最大の荷重状態の下で、必要とされるコンプレッサ容
積を制限し、それによって資本コスト全体のエネルギ消
費を制限するために、ある短い時間最大COPに相当する
レベル以上の排出圧力でシステムを操作することが便宜
的に行われる。しかしながら、低い荷重状態において
は、所定の最適水準に対する高サイド圧力の減少と分離
制御システムによって行われる能力調整は最小のエネル
ギ消費を提供するだろう。
積を制限し、それによって資本コスト全体のエネルギ消
費を制限するために、ある短い時間最大COPに相当する
レベル以上の排出圧力でシステムを操作することが便宜
的に行われる。しかしながら、低い荷重状態において
は、所定の最適水準に対する高サイド圧力の減少と分離
制御システムによって行われる能力調整は最小のエネル
ギ消費を提供するだろう。
変化する蒸発温度は気体クーラ（凝縮器）の出口の冷
媒温度においてのみお顕著な影響を有するので、この影
響は実行上では無視することができる。かくして、気体
クーラ（凝縮器）の出口で検出される冷媒温度や、ある
他の温度やこれに相当するパラメータ（例えば、冷却用
水入口温度、周囲の空気温度、冷却用または加熱用荷
重）は、絞り弁の入力としてのたった一つの顕著な操作
パラメータである。
媒温度においてのみお顕著な影響を有するので、この影
響は実行上では無視することができる。かくして、気体
クーラ（凝縮器）の出口で検出される冷媒温度や、ある
他の温度やこれに相当するパラメータ（例えば、冷却用
水入口温度、周囲の空気温度、冷却用または加熱用荷
重）は、絞り弁の入力としてのたった一つの顕著な操作
パラメータである。
絞り弁としての背圧制御器の使用は、冷媒質量流れや
密度の変化に対する内部補償においてある利益を与える
だろう。背圧制御を有する絞り弁は、冷媒質量の流れや
入口冷媒温度にかかわらず、入口圧力、すなわち設定点
における高サイド圧力に保たれるだろう。背圧制御器の
設定点は、上記に示した所定の制御計画に従ってアクチ
ュエータの操作によって調節される。
密度の変化に対する内部補償においてある利益を与える
だろう。背圧制御を有する絞り弁は、冷媒質量の流れや
入口冷媒温度にかかわらず、入口圧力、すなわち設定点
における高サイド圧力に保たれるだろう。背圧制御器の
設定点は、上記に示した所定の制御計画に従ってアクチ
ュエータの操作によって調節される。
例１ 図３は超臨界冷凍回路の好適な実施例を示しており、
気体クーラ（凝縮器）11に直列に接続されているコンプ
レッサ10と、内部向流熱交換器12および絞り弁13からな
っている。蒸発器14および低圧液体レシーバ16は絞り弁
とコンプレッサの中間に接続されている。気体クーラ
（凝縮器）の出口の温度センサ５は、回路の操作状態に
関する情報を制御システム７すなわちマイクロプロセッ
サに提供する。絞り弁13はアクチュエータ９に備えら
れ、その弁の位置は制御システムによって特徴とされる
所定の設定点圧力に従って自動的に調節される。
気体クーラ（凝縮器）11に直列に接続されているコンプ
レッサ10と、内部向流熱交換器12および絞り弁13からな
っている。蒸発器14および低圧液体レシーバ16は絞り弁
とコンプレッサの中間に接続されている。気体クーラ
（凝縮器）の出口の温度センサ５は、回路の操作状態に
関する情報を制御システム７すなわちマイクロプロセッ
サに提供する。絞り弁13はアクチュエータ９に備えら
れ、その弁の位置は制御システムによって特徴とされる
所定の設定点圧力に従って自動的に調節される。
例２ 図３を参照するに、回路には、例１に示されるような
絞り弁に対するマイククロプロセッサや電子的制御機器
の使用を排除した、簡単な機械的背圧力制御器による絞
り弁13が設けられている。調節器には、気体クーラの冷
媒出口またはその近くの位置に温度センサ５としてのバ
ルブが備えられている。
絞り弁に対するマイククロプロセッサや電子的制御機器
の使用を排除した、簡単な機械的背圧力制御器による絞
り弁13が設けられている。調節器には、気体クーラの冷
媒出口またはその近くの位置に温度センサ５としてのバ
ルブが備えられている。
薄膜の装置を通して、温度センサであるバルブからの
もたらされる圧力は、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒
温度に従って背圧制御器の設定点を機械的に調節する。
スプリング力と温度センサ５の出力を調整することによ
って、実際の調節範囲における温度と圧力の間の適切な
関係を得ることができる。
もたらされる圧力は、気体クーラ（凝縮器）出口の冷媒
温度に従って背圧制御器の設定点を機械的に調節する。
スプリング力と温度センサ５の出力を調整することによ
って、実際の調節範囲における温度と圧力の間の適切な
関係を得ることができる。
例３ 回路は例１または例２に記載された絞り弁制御の概念
の一つに基づくが、温度センサや温度センサ用バルブを
気体クーラ（凝縮器）の冷媒出口に配置する代わりに、
センサや温度センサ用バルブは熱が排除されている冷却
剤の入口温度を測定するものである。向流熱交換器によ
って気体クーラ（凝縮器）の冷媒出口温度と冷却剤の入
口温度との間には関係があり、冷媒出口の温度は冷却剤
入口温度に密接に従っている。
の一つに基づくが、温度センサや温度センサ用バルブを
気体クーラ（凝縮器）の冷媒出口に配置する代わりに、
センサや温度センサ用バルブは熱が排除されている冷却
剤の入口温度を測定するものである。向流熱交換器によ
って気体クーラ（凝縮器）の冷媒出口温度と冷却剤の入
口温度との間には関係があり、冷媒出口の温度は冷却剤
入口温度に密接に従っている。
この発明は、図面による例示や説明そして好適な実施
例の条件での前述の説明でなされてきたが、交換や変更
は添付の請求の範囲に記載されるような発明の精神ある
いは範囲を離れることなくその中でなし得ることが明ら
かである。かくして、例えば、例１および２で説明され
た概念において、温度センサあるいはバルブはシステム
の所望の冷却容量や加熱容量の信号表示によって置き換
えられることができる。周囲の温度と荷重との間の対応
によって、この信号は調節用絞り弁の設定圧力のための
基礎として役立てることができる。
例の条件での前述の説明でなされてきたが、交換や変更
は添付の請求の範囲に記載されるような発明の精神ある
いは範囲を離れることなくその中でなし得ることが明ら
かである。かくして、例えば、例１および２で説明され
た概念において、温度センサあるいはバルブはシステム
の所望の冷却容量や加熱容量の信号表示によって置き換
えられることができる。周囲の温度と荷重との間の対応
によって、この信号は調節用絞り弁の設定圧力のための
基礎として役立てることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−120056（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−503206（ＪＰ，Ａ) 米国特許3638446（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 1/00
Claims (9)
- 【請求項１】回路を構成するように直列に接続された、
コンプレッサと、ガスクーラと、内部熱交換器と、膨張
手段と、蒸発器および低圧冷媒レシーバとからなり、超
臨界高サイド圧力で操作する超臨界蒸気圧縮回路におけ
る高サイド圧力調節方法において、回路の実際の操作状
態の少なくとも一つを検出し、所定の能力要求において
装置のエネルギ消費を最小とするために、予定の設定値
に従って超臨界高サイド圧力を調整する段階からなる高
サイド圧力調節方法。 - 【請求項２】前記超臨界高サイド圧力の調整が絞り弁の
開度の調整によって行われることを特徴とする請求項１
記載の方法。 - 【請求項３】回路を構成するように直列に接続された、
コンプレッサと、ガスクーラと、内部熱交換器と、膨張
手段と、蒸発器および低圧冷媒レシーバとからなり、超
臨界高サイド圧力で操作する超臨界蒸気圧縮回路におけ
る高サイド圧力調節方法において、回路の実際の操作状
態の少なくとも一つを検出し、所定の能力要求において
装置のエネルギ消費を最小とするために、予定の設定値
に従って絞り弁の開度を調整する段階からなる高サイド
圧力調節方法。 - 【請求項４】前記操作状態の検出が、ガスクーラの出口
の近くの冷媒温度の測定によって行われることを特徴と
する請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項５】冷媒として二酸化炭素を使用することを特
徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項６】回路を構成するように直列に接続された、
コンプレッサ（10）と、ガスクーラ（11）と、内部熱交
換器（12）と、絞り弁（13）と、蒸発器（14）および低
圧冷媒レシーバ（16）とからなり、高サイドにおいて超
臨界圧力で操作される蒸気圧縮回路において、さらに、
回路の少なくとも一つの操作状態を検出する検出手段
（５）と、予定の高圧の設定値に従って、検出される操
作条件の関数として絞り弁の開度を制御することによっ
て超臨界高サイドの圧力を調節するために、前記検出手
段（５）と絞り弁とに接続された制御手段（９）とから
なることを特徴とする蒸気圧縮回路。 - 【請求項７】前記検出手段（５）がガスクーラの出口近
くの冷媒温度を表すパラメータを測定する測定手段から
なることを特徴とする請求項６記載の蒸気圧縮回路。 - 【請求項８】前記絞り弁（13）が、マイクロプロセッサ
（７）によって電気的に制御された可変設定値を有する
背圧制御装置であるところの請求項６または７のいずれ
かに記載の蒸気圧縮回路。 - 【請求項９】前記絞り弁（13）が、ガスクーラの冷媒出
口またはその近くに置かれるか、または、回路の操作状
態を表す温度を有する別の場所に置かれた温度検出用バ
ルブと、その温度検出用バルブの温度に対して所望の関
係にある背圧制御装置の設定値を調節する薄膜装置とか
らなる可変設定値を有する背圧制御装置であるところの
請求項６記載の蒸気圧縮回路。
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