特許ウォッチ

公開番号2025061748
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-11
出願番号2025009604,2021178482
出願日2025-01-23,2017-01-06
発明の名称高効率空調システム及び方法
出願人ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド,Honeywell International Inc.
代理人個人,個人,個人,個人
主分類F25B 1/00 20060101AFI20250403BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】高効率の遠心圧縮機及び高効率の蒸発器を用いる低能力の空調システムを提供する。
【解決手段】冷却システムは、冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを含み、システムは、約2～約30トンの能力を有し、少なくとも約95重量%のトランス-1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン(トランス-1233zd)、又は少なくとも約80重量%のトランス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペン(トランス-HFO-1234ze)を含む冷媒を含む熱伝達組成物を含む。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを有するタイプの冷却システムであって、
約２～約３０トンの能力を有し、
（ａ）少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）、又は少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む冷媒を含む熱伝達組成物；
（ｂ）約４５～約７５ｋＰａの圧力の低圧冷媒蒸気を受容するための冷媒吸入口、及び約１００～約５２０ｋＰａの圧力の高圧冷媒蒸気を吐出するための吐出口を有し、少なくとも約０．６５の効率を有する遠心圧縮機；
（ｃ）高圧冷媒蒸気を受容し、ヒートシンクによる熱伝達によって冷媒蒸気の少なくとも相当部分を凝縮させて、約１０℃～約６０℃の範囲の温度の高圧冷媒液を生成させるための、圧縮機の冷媒吐出口に流体接続されている凝縮器；
（ｄ）高圧冷媒液の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の低圧冷媒液を生成させるための、凝縮器に流体接続されている膨張器；
（ｅ）低圧冷媒液を受容し、冷却される熱源から熱を吸収することによって低圧冷媒液を蒸発させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の低圧冷媒蒸気を生成させるための、膨張器に流体接続されていている蒸発器；及び
（ｆ）蒸発器と圧縮機の冷媒吸入口の間で流体接続されていて、蒸発器からの低圧冷媒蒸気の少なくとも一部を受容し、低圧冷媒蒸気を加熱して、少なくとも１つの熱交換器に導入される蒸気の温度よりも少なくとも約５℃高い温度を有する低圧冷媒蒸気を生成させる少なくとも１つの熱交換器（少なくとも１つの熱交換器からの高温冷媒蒸気は、低圧冷媒蒸気を圧縮機に供給するための圧縮機吸入口と流体接続されている）；
を含む冷却システム。
続きを表示（約 3,200 文字）【請求項２】
冷媒が少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
冷媒が少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）を含む、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを有するタイプの冷却システムであって、
約２～約３０トンの能力を有し、
（ａ）少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）、又は少なくとも約７０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む冷媒を含む熱伝達組成物；
（ｂ）第１段及び少なくとも第２段を有し、かかる段のそれぞれは、約４５～約７５ｋＰａの圧力の相対的に低圧の冷媒蒸気を受容するための冷媒吸入口、及び約１００～約５２０ｋＰａの圧力の相対的により高圧の冷媒蒸気を吐出するための冷媒吐出口を有し、少なくとも約０．６５の効率を有する遠心圧縮機；
（ｃ）少なくとも第２段からの高圧冷媒蒸気を受容し、ヒートシンクによる熱伝達によって冷媒蒸気の少なくとも相当部分を凝縮させて、約１０℃～約６０℃の範囲の温度の高圧冷媒液を生成させるための、圧縮機の少なくとも第２段の冷媒吐出口に流体接続されている凝縮器；
（ｄ）高圧冷媒液の少なくとも第１の部分の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の第１の低圧冷媒液を生成させるための、凝縮器に流体接
続されている少なくとも第１の膨張器；
（ｅ）高圧冷媒液の少なくとも第２の部分の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約１００～約５２０ｋＰａの圧力の第２の低圧冷媒液を生成させるための、凝縮器に流体接続されている少なくとも第２の膨張器；
（ｆ）第１の低圧冷媒液を受容し、冷却される熱源から熱を吸収することによって低圧冷媒液を蒸発させて、約１００～約５２０ｋＰａの圧力の低圧冷媒蒸気を生成させるための、少なくとも第１の膨張器に流体接続されていている蒸発器（蒸発器からの冷媒蒸気の少なくとも一部は第１段圧縮機吸入口に流体接続されている）；及び
（ｇ）第２の低圧冷媒液の少なくとも一部を受容し、それからほぼ第２の低圧冷媒液の圧力の冷媒蒸気を吐出するための、第２の膨張器と少なくとも第２段の吸入口の間で流体接続されている少なくとも１つ熱交換器及び／又は少なくとも１つのフラッシュタンク（ほぼ第２の低圧冷媒液の圧力の冷媒蒸気は第２段圧縮機吸入口に流体接続されている）；を含む冷却システム。
【請求項５】
冷媒が少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項６】
冷媒が少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）を含む、請求項４に記載の冷却システム。
【請求項７】
冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを有するタイプの冷却システムであって、
約２～約５トンの能力を有し、
（ａ）少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）、又は少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む冷媒を含む熱伝達組成物；
（ｂ）約４５～約７５ｋＰａの圧力の相対的に低圧の冷媒蒸気を受容するための冷媒吸入口、及び約１００～約５２０ｋＰａの圧力の相対的により高圧の冷媒蒸気を吐出するための冷媒吐出口を有し、少なくとも約０．６５の効率を有する遠心圧縮機；
（ｃ）圧縮機からの高圧冷媒蒸気を受容し、ヒートシンクによる熱伝達によって冷媒蒸気の少なくとも相当部分を凝縮させて、約４５～約７５ｋＰａの範囲の温度の高圧冷媒液を生成させるための、圧縮機の冷媒吐出口に流体接続されている凝縮器；
（ｄ）高圧冷媒液の少なくとも第１の部分の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の第１の低圧冷媒液を生成させるための、凝縮器に流体接続されている少なくとも第１の膨張器；
（ｅ）低圧冷媒液を受容し、冷却される熱源から熱を吸収することによって低圧冷媒液の少なくとも一部を蒸発させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の低圧冷媒蒸気を生成させるための、少なくとも第１の膨張器に流体接続されていている蒸発器（蒸発器からの冷媒蒸気の少なくとも一部は圧縮機吸入口に流体接続されており、凝縮器及び蒸発器の少なくとも１つは本質的な部分がアルミニウムで形成されている）；
を含む冷却システム。
【請求項８】
冷媒が少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む、請求項７に記載の冷却システム。
【請求項９】
冷媒が少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）を含む、請求項７に記載の冷却システム。
【請求項１０】
冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを有するタイプ
の冷却システムであって、
約２～約３０トンの能力を有し、
（ａ）少なくとも約９５重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（トランス－１２３３ｚｄ）、又は少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（トランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）を含む冷媒を含む熱伝達組成物；
（ｂ）約４５～約７５ｋＰａの圧力の相対的に低圧の冷媒蒸気を受容するための冷媒吸入口、及び約１００ｋＰａ～約５２０ｋＰａの圧力の相対的により高圧の冷媒蒸気を吐出するための冷媒吐出口を有し、少なくとも約０．６５の効率を有する遠心圧縮機；
（ｃ）圧縮機からの高圧冷媒蒸気を受容し、ヒートシンクによる熱伝達によって冷媒蒸気の少なくとも相当部分を凝縮させて、約１０℃～約６０℃の範囲の温度の高圧冷媒液を生成させるための、圧縮機の冷媒吐出口に流体接続されている凝縮器；
（ｄ）高圧冷媒液の少なくとも第１の部分の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の冷媒液と冷媒蒸気の組合せを含む低圧流を生成させるための、凝縮器に流体接続されている少なくとも第１の膨張器；
（ｅ）少なくとも、かかる少なくとも第１の膨張器からの冷媒蒸気と冷媒液の組合せを受容し、ほぼかかる低圧の液体冷媒を含み、実質的に蒸気の冷媒を含まない少なくとも１つの液体流出流、及びほぼかかる低圧の冷媒蒸気を含み、実質的に液体の冷媒を含まない低圧蒸気流を生成させるための分離器；及び
（ｆ）分離器からの少なくとも１つの液体流出流の少なくとも一部に流体接続されていて、冷却される熱源から熱を吸収することによってかかる流れの少なくとも一部を蒸発させて、約４５～約７５ｋＰａの圧力の低圧冷媒蒸気を生成させるための蒸発器（蒸発器からの冷媒蒸気の少なくとも一部は圧縮機吸入口に流体接続されている）；
を含む冷却システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年１月６日出願の米国仮出願６２／２７５，３８２（その全部を参照として本明細書中に包含する）に関連し、その優先権の利益を主張する。
本発明は、概して空調システムに関し、より詳しくは、遠心圧縮機を用い、約３０トンまでの範囲の冷却能力を有するかかるシステムに関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
化合物の１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（ＨＦＣＯ－１２３３ｚｄ）及び１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ－１２３４ｚｅ）などの幾つかのハロゲン化オレフィンは、蒸気圧縮冷却システムにおいて用いることが提案されている。ＵＳ－７，８３３，４３３を参照。‘４３３特許においては、標準的な蒸気圧縮システムが、冷媒蒸気を圧縮して相対的に上昇した圧力及び温度の蒸気を生成させるための圧縮機を含むものとして記載されている。かかるシステムの例を本明細書において図Ｐとして示す。かかるシステムにおいては、導管１９Ａを通して冷媒を相対的に低い圧力で圧縮機１１の吸入側の中に導入し、高圧の冷媒を吐出して、導管１９Ｂを通して凝縮器１２に送る。凝縮器１２内において冷媒蒸気を凝縮させることによってこの高温の冷媒蒸気から熱を除去して、相対的に高い圧力の液体冷媒を生成させて、これを導管１５Ａに導入する。次に、相対的に高い圧力の液体を、膨張装置１４内でみかけの等エンタルピー圧力低下にかけて、相対的に低い温度で低い圧力の液体を生成させ、これを次に蒸発器２４内において冷却される物体又は流体から移動される熱によって気化させる。かくして生成する低圧の蒸気は、導管１９Ａを通して圧縮機の吸入側に戻して、これによってサイクルが完結する。
【０００３】
‘４３３特許においては、概して、そこに開示する冷媒組成物は、遠心圧縮機を用いるチラーシステムを含む蒸気圧縮システムを用いる種々の異なる冷却運転において用いることができることが示唆されている。通常は、遠心式チラーは、大能力のシステム、即ち５０トンよりも高い能力を有するシステムである。最も通常的には、かかるシステムは５０～１５０トンの範囲の冷却能力のものであり、幾つかのシステムは８５００トンの高さに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
ＵＳ－７，８３３，４３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人らは、高効率の遠心圧縮機を用いる小能力空調システムにおいてトランス－ＨＦＣＯ－１２３３ｚｄ及び／又はトランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅを用いる試みに関して幾つかの予期しなかった問題が存在することを認識するに至った。下記において詳細に記載するように、本出願人らは、予期しなかったことに、高効率の圧縮機及び蒸発器を含む高効率の装置を用いることを可能にする１以上の特別な構成を空調システムにおいて用いることによって、かかるシステムにおいてトランス－ＨＦＣＯ－１２３３ｚｄ及び／又はトランス－ＨＦＯ－１２３４ｚｅを用いることに関して本出願人らが認識している問題を同時に克服しながら、これらの問題を克服することができることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願人らは、高効率の遠心圧縮機及び高効率の蒸発器を用いる低能力の空調システム
を提供することが多くの用途において非常に望ましいことを認識するに至った。しかしながら、本出願人らはまた、高い割合（例えば約８０重量％超）のＨＣＦＯ－１２３３ｚｄ（Ｅ）又は高い割合（例えば約８０重量％超）のＨＦＯ－１２３４ｚｅ（Ｅ）を含む冷媒組成物を用いると、かかるシステムの信頼性及び／又は有効性及び／又は効率に関して重大な問題をもたらす可能性があることも認識するに至った。
【０００７】
例えば、幾つかの空調システムにおいては満液式蒸発器を用いることが非常に望ましい。これは、かかる熱交換装置は液体冷媒への高効率の熱移動が可能であるからである。この高効率の運転は、少なくとも部分的には、かかる装置においては伝熱面が液体冷媒によって実質的に十分に覆われているという事実のためである。しかしながら、かかる高効率の装置を用いる結果として、かかる蒸発器から排出される蒸気は実質的に飽和状態であり、即ち過熱を少ししか有しないか又は全く有しない。これは効率の観点からは有利であるが、かかる状況においては飽和又は飽和付近の状態で圧縮機に導入される蒸気が凝縮しないことを確実にすることが特に重要になる。これは、圧縮機内にかかる液体冷媒が存在することは圧縮機運転の効率及び／又は信頼性に対してマイナスの結果を与えるからである。高効率の圧縮機内で起こるみかけの等エントロピー膨張中においては、熱が冷媒蒸気に加えられて、圧縮機からの吐出の際に少なくとも約５℃の過熱が生成するので、他の冷媒を用いる通常の運転条件下においては、圧縮機吸入口において飽和又は飽和付近の冷媒蒸気を用いることは問題を示さない。
【０００８】
しかしながら、本出願人らは、本発明において好ましいタイプの条件下で高効率の遠心圧縮機を用いるシステムにおいて本発明の好ましい冷媒組成物を用いる場合には問題が生じることを認識するに至った。より具体的には、本出願人らは、本発明の好ましい冷媒組成物は、通常の条件下において、高効率の圧縮中に通常の量又は予期される量の過熱を生成しないことを見出した。実際には、本出願人らは、高効率の遠心圧縮機の運転に関して、本発明において与える１つ又は複数の解決策が存在しない場合には、圧縮機から「湿潤蒸気」が吐出されることを見出した。本明細書において用いる「湿潤蒸気」という用語は、凝縮液がその中に同伴している蒸気を指す。当業者に周知なように、圧縮機内にかかる蒸気が存在することは、遠心圧縮機の効率的及び／又は信頼できる運転にとって非常に有害である可能性がある。したがって、本出願人らは、本発明の好ましい形態による冷媒を用いると、本解決手段が存在しない場合には、特に高効率の低過熱又は無過熱の蒸発器も用いる用途においては、高効率の遠心圧縮機の運転において予期しなかった問題が生成する可能性があることを見出した。しかしながら、本出願人らはまた、本発明の好ましい熱伝達組成物を用いてかかるシステムを運転することは、有利で環境に優しい運転を与えることができるので非常に望ましいことも認識するに至った。
【０００９】
本出願人らが認識するに至った問題及び困難性を克服するために、本発明の一形態は、冷却される熱源、及びその中に熱を遮断することができるヒートシンクを有するタイプの冷却システムであって、
好ましくは約２～約３０トンの能力を有し、
（ａ）少なくとも約８０重量％のトランス－１－クロロ－３，３，３－トリフルオロプロペン（ＨＣＦＯ－１２３３ｚｄ（Ｅ））、又は少なくとも約８０重量％のトランス－１，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ－１２３４ｚｅ（Ｅ））を含む冷媒を含む熱伝達組成物；
（ｂ）（ｉ）約４０～約３５０ｋＰａの圧力の相対的に低圧の冷媒蒸気を受容するための冷媒吸入口(refrigerant suction)、及び（ｉｉ）所定圧力の相対的に高圧の冷媒蒸気
を吐出するための吐出口(discharge)を有し、吐出口：吸入口の圧力比が少なくとも約２
：１である遠心圧縮機；
（ｃ）圧縮機吐出冷媒蒸気の少なくとも一部を受容し、ヒートシンクによる熱伝達によって冷媒蒸気の少なくとも相当部分、好ましくは冷媒蒸気の実質的に全部を凝縮させて、
約１０℃～約６０℃の範囲の温度の相対的に高圧の冷媒液を生成させるための、圧縮機の冷媒吐出口に流体接続されている凝縮器；
（ｄ）高圧冷媒液の圧力を実質的に等エンタルピー低下させて、約４０～約３５０ｋＰａの圧力の低圧冷媒液を生成させるための、凝縮器に流体接続されている膨張器；
（ｅ）膨張器からの低圧冷媒液を受容し、冷却される熱源から熱を吸収することによって低圧冷媒液を蒸発させて、約４０～約３５０ｋＰａの圧力の相対的に低圧の冷媒蒸気を生成させるための、膨張器に流体接続されていている高効率蒸発器、好ましくは満液式蒸発器（蒸発器から排出される冷媒蒸気は好ましくは実質的に過熱を有しない）；
（ｆ）蒸発器と圧縮機の冷媒吸入口の間で流体接続されていて、蒸発器からの低圧冷媒蒸気の少なくとも一部を受容し、低圧冷媒蒸気を加熱して、少なくとも１つの熱交換器に導入される蒸気の温度よりも少なくとも約５℃高い温度を有する低圧冷媒蒸気を生成させる少なくとも１つの熱交換器（少なくとも１つの熱交換器からの高温冷媒蒸気は、低圧冷媒蒸気を圧縮機に供給するための圧縮機吸入口と流体接続されている）；
を含む上記冷却システムを提供する。
【００１０】
本明細書において用いる、「トン」の数値の単位で規定される「能力」という用語は、１トン（２０００ポンド；９０７ｋｇ）の０℃（３２°Ｆ）の氷を２４時間で融解させるために必要な熱の量に等しい熱伝達率を指し、一般に約１２，０００ＢＴＵ／時に等しい。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許