JP5295267B2 - 高圧冷凍システムにおける圧力除去 - Google Patents

Description

本発明は、移動式冷凍システムに関し、特に高温の周囲温度に曝される二酸化炭素（ＣＯ₂）冷凍システムにおける高圧を除去する方法および装置に関する。

冷凍トラック、貨物トレーラおよび冷凍コンテナなどの移動冷凍システムにおいて、圧縮機がシステム内の冷媒を圧縮するように作動する間、かなりの圧力がシステムの吐出側（すなわち、高圧側）に集中する。そのため、蒸気圧縮回路は、圧力を安全に内包するように構成される。しかし、圧力が安全レベルを越える箇所において問題が生じる場合がある。したがって、過度の圧力が生じる前に圧力を除去する手段を設ける必要がある。

１つの確立された対策として、冷凍システムの高圧側に３つのレベルの安全策が講じられる。３つのレベルは、以下に示す優先順で連続して適用される。第１のレベルは、ソフトウエア上で実行され、圧力変換器の読み取り値に基づく。すなわち、所定の圧力レベルが検知されると、冷媒流を制限し、圧縮機やシステムを停止するか、あるいは一時的にシステムを停止して圧力が許容範囲まで降下した後に再始動する処置が講じられる。

第２のレベルは、システムを停止するか、システムを一時的に停止して一定時間後に再始動するように、検知された圧力に応じる機械的な圧力スイッチによって実行される。

第３のレベルは、所定の圧力レベルを越えた場合に、少なくとも部分的に冷媒を周囲環境に解放するように、応答可能に開く機械的な圧力除去装置によって実行される。

最近では、一般的に使用される冷媒が漏洩などにより大気へ放出されることによる環境への影響が問題となっている。この問題に対処する１つの方法として、フレオン（商標登録）などの従来の冷媒に替えて、より害の少ない冷媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）などを用いることが挙げられる。しかし、このような冷媒を用いた場合、実質的に高圧の作動が要求されるため、ＣＯ₂を圧縮するように圧縮機を特別に設計しなければならない。回路における圧力が高い場合は、連続的に圧力を検知し、過度の圧力が生じた場合に安全な方法で圧力を除去することが重要である。このため、システムの作動中、高圧側の作動圧力を有効に制御する前述の３つのレベルの安全策が見出された。

冷媒としてＣＯ₂を使用する場合、作動中に過度の圧力が生じることに加えて、移動中および貯蔵中にもシステム内の圧力が過度になることがあることが分かっている。すなわち、充填された状態でシステムが休止している間、夏に倉庫などで過度の周囲温度に曝された場合、あるいは日中の直射日光に曝された場合に、圧力が望ましくないレベルまで上昇することがある。このような状態下では、高圧側の圧力を除去する場合には上記の３つのレベルの安全策が有益であるが、従来の冷媒を用いたシステムと異なり、ＣＯ₂型のシステムは低圧側においても過度の圧力の影響を受けやすい。

したがって、シャットダウン時に高温の周囲温度に曝されるＣＯ₂システムの低温側における圧力を除去する方法および装置が要求されている。

本発明の一態様によると、システムがシャットダウンし、相対的に高い温度に曝される間、許容範囲を超えた高レベルに達する前に低圧側の圧力を除去するように、ＣＯ₂蒸気圧縮システムの低圧側に圧力除去装置が設けられる。

以下に簡単に説明する図面に本発明の一実施例を図示しているが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、種々の変更および修正が行うことができることを理解されたい。

本発明による二酸化炭素蒸気圧縮システムの概略図。 周囲温度とチャージレベルの関数として二酸化炭素システム内の圧力を示すグラフ。

図１を参照すると、二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒蒸気圧縮システム１０は、モータ１２によって駆動される圧縮装置１１と、冷媒熱放出形熱交換器１３と、冷媒熱吸収形熱交換器１４（蒸発器ともいう）と、を備え、これらは全て、冷媒ライン１６，１７，１８によって直列の冷媒流配列として接続されて閉ループの冷媒回路を構成する。さらに、冷媒蒸気圧縮システム１０は、冷媒熱放出形熱交換器１３の下流でかつ蒸発器１４の上流で冷媒回路の冷媒ライン４に設けられたフィルタドライヤー１９およびフラッシュタンクレシーバ２１を備え、さらに、フラッシュタンクレシーバ２１の下流でかつ蒸発器１４の上流で冷媒回路の冷媒ライン４に設けられた蒸発器膨張装置２２を備える。この蒸発器膨張装置２２は蒸発器１４に対応して動作可能である。

圧縮装置１１は、冷媒を圧縮し冷媒回路を通して循環させるように機能する。これについては以下に詳細に説明する。図１に示すように、圧縮装置１１は、少なくとも第１の低圧圧縮段（ステージ）１１Ａおよび第２の高圧圧縮段１１Ｂを有する単一の多段（マルチステージ）圧縮機としてよく、例として、スクロール圧縮機や往復圧縮機などがある。第１の圧縮段１１Ａからの部分的に圧縮された冷媒は、多段圧縮装置１１の圧縮機構内に位置する第２の圧縮段１１Ｂへと送られる。しかし、他の実施例では、圧縮装置１１は、例えば、一対のスクロール圧縮機や往復圧縮機などの一対の圧縮機１１Ａ，１１Ｂを備えていてもよく、該圧縮機は、第１の圧縮機１１Ａの吐出アウトレットポートと第２の圧縮機１１Ｂの吸引インレットポートとを冷媒流的に連通するように接続する冷媒ラインを備えてもよいことを理解されたい。単一の多段圧縮機からなる場合は、双方の圧縮段は、圧縮装置１１の圧縮機構と駆動関係で動作可能に対応する単一のモータ１２によって駆動される。一対の圧縮機が圧縮装置１１を構成する場合、各圧縮機は、圧縮機構と駆動関係で動作可能に対応する専用のモータによって他方の圧縮機から独立して駆動される。

冷媒蒸気圧縮システム１０は、冷媒ライン２４を有する圧縮機無負荷回路２３と、冷媒ライン２４に配設されたアンロード（無負荷）バルブ２７と、をさらに備える。冷媒ライン２４は、圧縮プロセスにおける中間圧力ポイントと、蒸発器１４の下流および圧縮装置１１の吸引インレットポート２６の上流における冷媒ライン１８のポイントとを相互に接続する。アンロードバルブ２７は、圧縮機無負荷回路２３の冷媒ライン２４を通る冷媒流を制御するように動作可能である。図１の冷媒蒸気圧縮システムの例示的な実施例では、圧縮装置１１は、少なくとも低圧圧縮段１１Ａおよび高圧圧縮段１１Ｂを有する単一の圧縮機であり、圧縮機無負荷回路２３の冷媒ライン２４は、位置２８において圧縮装置１１に接続され圧縮プロセスの中間圧力ポイントに開口しており（つまり、圧縮装置１１の吸引インレットにおける冷媒圧力よりも高く、かつ圧縮装置１１の吐出アウトレットにおける冷媒圧力よりも低い冷媒圧力で）、吸引圧力で冷媒ライン１８に接続される。

ＣＯ₂冷媒蒸気圧縮システム１０は、未臨界（臨界未満）サイクルで作動するように構成される。したがって、冷媒熱放出形熱交換器１３は、冷媒凝縮熱交換器として作用するように構成される。圧縮装置１１から排出された高温高圧の冷媒蒸気は、冷却媒体と熱交換関係で上記熱交換器を通って冷媒蒸気から冷媒液へと凝縮される。冷媒熱放出形熱交換器１３（本明細書において、気体冷却器あるいは凝縮器とも呼ぶ）は、例えば、フィンおよび円管チューブ熱交換器コイルあるいはフィンおよび平坦な小チャネルチューブ熱交換器などフィン付管式（フィンチューブ）熱交換器としてもよい。移動式冷凍システムの用途においては、通常の冷却媒体は環境空気であり、該空気は、凝縮器１３と動作可能に対応するファン３１によって冷媒と熱交換器関係で凝縮器１３を通過する。

蒸発器１４は、冷媒蒸発熱交換器を構成し、該熱交換器は、例えば、フィンおよび円管チューブ熱交換器コイルあるいはフィンおよび平坦な小チャネルチューブ熱交換器など通常のフィンチューブ熱交換器としてもよい。膨張装置２２を通って膨張した冷媒は、加熱流体と熱交換器関係で上記熱交換器を通過し、これにより、冷媒が蒸発し、通常、加熱される。冷媒と熱交換器関係で蒸発器１４を通流する加熱流体は、空気としてもよく、該空気は、蒸発器１４と動作可能に対応するファン３２によって冷媒と熱交換器関係で蒸発器１４を通過し、冷却され、除湿され、次いで、温度と湿度が制御された気候制御環境に供給される。この気候制御環境には、移動冷凍システムに対応する貯蔵庫に置かれた冷蔵または冷凍された食物などの腐敗性の積み荷が含まれる。

通常運転時では、圧縮装置１１は、モータ１２により駆動され、二酸化炭素を第１の圧縮段１１Ａにより中間圧力まで圧縮し、第２の圧縮段１１Ｂにより高圧まで圧縮する。この高圧は、通常、３００ｐｓｉ〜２２５０ｐｓｉ（２ＭＰａ〜１５．５Ｍｐａ）の範囲であり、凝縮器１３、フィルタドライヤー１９およびフラッシュタンクレシーバ２１を有し、膨張装バルブ２２（ここで、圧力は実質的に減圧される）で終端をなす高圧側全体に亘って維持される。膨張装置２２と吸引インレット２６の間のセクションは、低圧側であり、蒸発器１４と、アンロードバルブ２７の下流側と、を含む。

通常は、電子膨張バルブである膨張装置２２は、圧縮装置１１の吸引側におけるセンサ（図示せず）により検知された冷媒の吸引温度および圧力に応じて、冷媒ライン３３を通って蒸発器１４へと流れる冷媒を制御する。冷凍システムによってより高い質量流量が要求される場合に膨張装置２２を通る冷媒流を補完するように、バイパスバルブ３４が設けられる。

アンロードバルブ２７は、冷媒ライン１２を通る冷媒の流れを制御するように制御装置（図示せず）によって選択的に作動する。アンロードバルブ２７は、例えば、固定オリフィスソレノイドバルブなどの固定流量断面積型のバルブであり、吐出アウトレット２９において検知された冷媒の吐出温度および圧力に応じて選択的に作動する。したがって、圧縮装置１１は、アンロードバルブ２７の選択的な開閉により冷媒蒸気圧縮システム１０の冷凍能力の制御に必要なように、負荷が軽減される。アンロードバルブ２７が開である場合、冷媒蒸気は、高圧圧縮機ステージ１１Ｂによってさらに圧縮されるように前方へと流れず、圧縮プロセスの中間ステージから流出し、圧縮機無負荷バイパスライン２４を通って冷媒ライン１８へと進む。無負荷回路冷媒ライン２４を通る冷媒蒸気は、高圧圧縮段１１Ｂを迂回して、圧縮装置１１の吸引側に直接戻る。これにより、圧縮装置１１の負荷が軽減される。圧縮機無負荷回路２３に亘る圧縮装置１１の負荷軽減は、高圧圧縮機吐出冷媒温度に応じて、あるいは能力減少や圧縮機の電力減少のために行われる。

前述のような作動中、通常、システムの高圧側において過度の圧力が生じないように防ぐ処置がなされる。これは、通常、システムをシャットダウンするなど適切な処理を行うように、検知された高い圧力に応じたソフトウエアによるアプローチを第１に含む３段階の連続的に実行されるシステムにより行われる。仮に何らかの理由で高圧側において適切に圧力が低減されない場合、これに応答して、高圧スイッチ３６は、システムをシャットダウンするなど適切な処置を行う。高圧状態が依然として持続する場合は、圧縮機吐出ポート２９と膨張バルブ２２との間の高い圧力を除去する圧力除去装置３７により第３レベルの安全策が実行される。除去装置は、通常、高圧の冷媒蒸気の一部または全てを容易に大気に放出する圧力リリーフバルブやラプチャーデスク（破裂板）の形態をなす。

圧縮装置１１が作動している間、低圧側は相対的に低い圧力（すなわち、１００ｐｓｉから１０５５ｐｓｉ（０．７ＭＰａ〜７．３ＭＰａ）の範囲）に維持されるため、システムの作動中に実行される３つのレベルの処置は、システムの高圧側にだけに関するものである。

しかし、システム低圧側における問題は、作動中でなくシステムがシャットダウンし、相対的に高い温度に曝される間に生じる。これは、閉鎖されたＣＯ₂システムの圧力（システムが休止中に低圧側に生じる）が温度の上昇につれて過度になることを示す図２を参照することによって、より詳細に理解されるであろう。

図２のデータは、全内容積が６００ｉｎ³（約９８３２．２ｃｍ³）であるという前提に基づいている。赤線は周囲温度を示し、黒線はＣＯ₂の充填（チャージ）レベルを質量ポンド（ｌｍｂ）で示している。したがって、例えば、７０°Ｆ（約２１．１℃）でチャージレベルが２ｌｂｍ〜８ｌｂｍ（約９０７．１ｇ〜約３６２８．７ｇ）の場合は、結果生じる圧力は許容範囲にある。しかし、周囲温度が１５０°Ｆ（約６５．５℃）まで上昇すると（ユニットが暑い夏の日に曝された場合に起こり得る）、圧力レベルは許容範囲を超えてしまう。

以下、表Ｉに、温度が７０°Ｆおよび１５０°Ｆでチャージレベルが２ｌｂｍ〜８ｌｂｍの場合に生じる値を示す。

周囲温度が７０°Ｆの場合、最大圧力は８５０ｐｓｉ（約５．８６ＭＰａ）であり、この値は当該システムでは許容範囲にある。しかし、温度が１５０°Ｆまで上昇すると、圧力はチャージレベルが２ｌｂｍの場合の７００ｐｓｉ（約４．８２ＭＰａ）から、チャージレベル８ｌｂｍの場合の１７１０ｐｓｉ（約１１．７９ＭＰａ）まで上昇する。この圧力値は高すぎると考えられる。この点に関して、システムの低圧側は、通常、１００ｐｓｉから１０５５ｐｓｉ（０．７ＭＰａ〜７．３ＭＰａ）の相対的に低い範囲で作動するため、低圧側では１０５５ｐｓｉ（７．３Ｍｐａ）を越えないことが望ましい。

図１を再び参照して、種々の構成要素、特にアンロードバルブ２７および膨張装置２２の作動について説明する。

信頼性および安全性のため、アンロードバルブ２７は、システムがシャットダウンしたときにバルブ２７が閉となる常閉バルブである。同時に、作動中、第１および第２の段１１Ａ，１１Ｂは、双方とも非作動であり、したがって、閉状態である。アンロードバルブ２７の上流側を含む第１の段１１Ａと第２の段１１Ｂの間の回路の部分は、二酸化炭素冷媒が捕捉された閉鎖領域であり、図２および表１を参照して前述した高圧現象の影響を受けやすい。図示を目的として、上記部分を図１に点線３８で示す。

システムがシャットダウンしたとき、膨張装置２２およびバイパスバルブ３４は、冷媒が蒸発器コイルおよび圧縮機の吸引側へと移動すること（信頼性に影響を与え、圧縮機の寿命を減少させる）を防止するように閉位置にある。したがって、高圧現象を受けやすい閉鎖領域である別のセクションが膨張装置と吸引インレット２６の間に存在する。図示を目的として、このセクションを点線３９で示す。最後に、吐出アウトレット２９および膨張装置２２における閉鎖状態のため、点線４０で示すセクションは閉鎖領域となり、高温に曝されたときに上昇した圧力の影響を受けやすくなる。しかし、このセクションは高圧側であり、高圧スイッチ３６およびリリーフバルブ３７による高い圧力を除去する対応策が既に講じられていることを理解されたい。したがって、このセクションにはさらに特別な対応策は必要とされない。しかし、線３８，３９で示すセクションには、通常備わっていない付加的な対応手段が要求される。したがって、アンロードバルブ２７の上流のライン４３上に高圧除去装置４１が配置され、吸引インレット２６の上流のライン４４上に高圧除去装置４２が配置される。除去装置４１，４２は、過度の温度に曝されたときに破裂し、高圧のガスを大気への放出するラプチャーデスク（破裂板）や圧力除去装置の形態をなしていてもよい。このように、高圧除去装置４１は、回路における符号３８で示すセクションにおける過度の圧力を除去するように機能し、除去装置４２は、回路における符号３９で示すセクションに存在し得る過度の圧力を除去するように機能する。例えば、除去装置４１，４２が除去するように設計された適切な圧力レベルは、１３００ｐｓｉから２５００ｐｓｉ（９Ｍｐａ〜１７．２Ｍｐａ）の範囲である。

高圧除去装置４２に加えて、符号３９で示すセクションには、除去装置４２に先行する高圧スイッチ４６が含まれることが望ましく、この高圧スイッチ４６は除去装置４２が開となる前に開となる。

図示した本発明の実施例について説明してきたが、当業者であれば特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲および精神を逸脱することなく種々の変更がなされることを理解されたい。

Claims (16)

1. 蒸気圧縮システムであって、
   直列の流れ関係で配された、冷媒であるＣＯ₂蒸気を圧縮する少なくとも１つの圧縮機、熱放出形熱交換器、膨張装置および熱吸収形熱交換器を有する冷媒回路と、
   前記少なくとも１つの圧縮機の中間段と、熱吸収形熱交換器と少なくとも１つの圧縮機の吸引インレットの間の低圧ポイントとを流体的に相互接続し、かつアンロードバルブを備える圧縮機無負荷回路と、
   システムが非作動で、相対的に高い温度条件に曝されたときにアンロードバルブの上流の圧縮機無負荷回路内の圧力を除去するようにアンロードバルブと中間段との間に配設された少なくとも１つの圧力除去装置と、
   を備えることを特徴とする蒸気圧縮システム。
2. 少なくとも１つの圧縮機は、２つの段を含むことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
3. 少なくとも１つの圧縮機は、直列に接続された２つの圧縮機を含むことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
4. 吸引インレットの近傍に配設された少なくとも１つのさらなる圧力除去装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
5. 少なくとも１つの圧力除去装置は、ラプチャーデスクを含むことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
6. 少なくとも１つの圧力除去装置は、圧力リリーフバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
7. 冷媒回路の低圧側に配設された高圧スイッチを備え、該高圧スイッチは、少なくとも１つの圧力除去装置が圧力を除去する圧力より低い圧力で開となるように設計されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
8. アンロードバルブは、常閉バルブであることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮システム。
9. シャットダウン時に高い温度の周囲条件に曝されたときにＣＯ₂蒸気圧縮システムに望ましくない高い圧力が生じるのを防ぐ方法であって、蒸気圧縮システムは、
   少なくとも１つの圧縮機と、
   該少なくとも１つの圧縮機の中間段と、熱吸収形熱交換器と少なくとも１つの圧縮機の吸引インレットの間の低圧ポイントとを流体的に相互接続し、かつアンロードバルブを備える無負荷回路と、
   を備えており、該方法は、
   アンロードバルブと中間段との間に配設された少なくとも１つの圧力除去装置を設けるステップを含み、
   前記少なくとも１つの圧力除去装置は、アンロードバルブの上流の圧縮機無負荷回路内の圧力が所定のレベルに達したときに開となるように構成されることを特徴とする方法。
10. 少なくとも１つの圧縮機は、２つの段を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つの圧縮機は、直列に接続された２つの圧縮機を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 蒸気圧縮システムは、吸引インレットの近傍に配設された少なくとも１つのさらなる圧力除去装置を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 少なくとも１つの圧力除去装置は、ラプチャーデスクを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 少なくとも１つの圧力除去装置は、圧力リリーフバルブを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 冷媒回路の低圧側に高圧スイッチを配設するステップをさらに含み、
    高圧スイッチは、少なくとも１つの圧力除去装置が圧力を除去する圧力より低い圧力で開となるように設計されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. アンロードバルブは、常閉バルブであることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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