JP2001221517A - 超臨界冷凍サイクル - Google Patents

超臨界冷凍サイクル

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JP2001221517A JP2000034117A JP2000034117A JP2001221517A JP 2001221517 A JP2001221517 A JP 2001221517A JP 2000034117 A JP2000034117 A JP 2000034117A JP 2000034117 A JP2000034117 A JP 2000034117A JP 2001221517 A JP2001221517 A JP 2001221517A
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Tsuneyoshi Cho
張　　恒良
Masaaki Masuda
雅昭 増田
Masakazu Miyamoto
政和 宮本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】超臨界冷凍サイクルの成績係数を格段に向上さ
せる。 【解決手段】 圧縮機１、高圧放熱器２、第１の膨張装
置３、第１の気液分離器４、第２の膨張装置５、第２の
気液分離器６および蒸発器７を配管接続し、第１の気液
分離器４から分離した気体冷媒をガスインジェクション
配管１０により圧縮機１に導き、また、第１と第２の膨
張装置３，５として、摺動部が無くかつ低圧側圧力から
高圧側圧力に至るまでの冷媒膨張の際のエネルギーを有
効利用できるエジェクタを用い、第１のエジェクタ３に
より、第２の気液分離器６のガス冷媒の一部を上流の第
１の気液分離器４に吸引させて圧縮機の圧縮仕事を軽減
し、第２のエジェクタ５により、第２の気液分離器６の
下流に配置した蒸発器７で蒸発したガス冷媒を第２の気
液分離器６に吸引させ、蒸発器７における圧力損失を補
い、成績係数を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍サイクル、特
に超臨界冷凍サイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】今世紀３０、４０年代にフロン冷媒が開
発される前に、二酸化炭素（ＣＯ2）はすでに冷媒とし
て特に船舶の冷凍装置に使われていた。周知のように、
特定フロン（ＣＦＣ、ＨＣＦＣ）は、オゾン層破壊や地
球温暖化などの問題があり、規制されている。新しく開
発された代替冷媒（ＨＦＣ）は、オゾン層を破壊しない
が、地球温暖化係数が二酸化炭素の数百から数千倍とな
る。このような背景より、古い冷媒でもある二酸化炭素
は蘇りつつあり、地球環境にやさしい冷媒として再び注
目されている。
【０００３】しかし、二酸化炭素は、臨界温度が約３１
℃で、よく使われいている冷媒Ｒ２２（臨界温度が約９
６℃）と比べると、臨界温度がかなり低いことが分か
る。このような物性により、二酸化炭素を空調・冷凍機
器の作動流体として使った場合、通常の温度範囲におい
て圧縮された冷媒の温度と圧力がともにそれぞれ二酸化
炭素の臨界温度と臨界圧力を超えるようになり、いわゆ
る超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルが形成されて作動す
る。
【０００４】超臨界蒸気圧縮式冷凍サイクルの放熱過程
（従来冷凍サイクルの凝縮器における冷媒の熱力学過程
に相当）においては、冷媒が超臨界圧力状態となってい
るため、従来冷媒のような潜熱ではなく顕熱の形で放熱
が行われる。このように、従来の冷凍サイクルと比べる
と、サイクルの効率が低下してしまう。
【０００５】二酸化炭素のような冷媒を用いた超臨界冷
凍サイクルの効率を向上させるために、種々の提案が報
告されてきていた。例えば、ガスインジェクションと内
部熱交換器等の利用（例えば、特開平１１−６３６９４
号公報）、膨張機の利用（例えば、特開平１０−１９４
０１号公報）、二段圧縮・中間冷却の利用等の提案が報
告されている。
【０００６】また、従来の冷凍サイクル（非超臨界冷凍
サイクル）の効率を改善する目的で、エジェクタを用い
た冷凍サイクルが第２８３８９１７号特許公報に開示さ
れている。このサイクルは図５に示すように、圧縮機と
凝縮器と蒸発器と減圧手段をもつ冷凍サイクルにおい
て、凝縮器の下流に減圧手段のエジェクタを設け、この
エジェクタの下流に気液分離器を設けるとともに、この
気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機に導き、さら
に気液分離器の上流側と蒸発器の下流側とを連通する配
管を介して蒸発器で気化されたガス冷媒の一部を気液分
離器の上流に導くような構成である。このような構成に
よれば、冷房能力を図るとともに、圧縮機の動力増加を
防止することができ、成績係数（ＣＯＰ：coefficient
of performance）を向上させることができることが記載
されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第２８
３８９１７号特許公報に記載した方法では、エジェクタ
により冷媒が膨張する際の有効エネルギーを十分に回収
できない。すなわち、上記公報の方法では、図５に示す
ように、凝縮器と気液分離器との間に設けたエジェクタ
により、高圧側圧力から中間圧力まで有効エネルギーを
回収しようとしているが、中間圧力から低圧側圧力まで
の有効エネルギーの回収を考慮していない。
【０００８】特に超臨界冷凍サイクルの場合、膨張装置
にかかる圧力差が従来サイクルの３〜４倍もあり、中間
圧力から低圧側圧力までの有効エネルギーをも回収しな
いと、エジェクタにより超臨界冷凍サイクルの成績係数
を向上させる効果が少なくなる。
【０００９】また、冷媒が膨張する際の有効エネルギー
を利用するには、往復式やロータリー式等の摺動部を有
する膨張機を用いる方法もあるが、二相域における膨張
であるため、コストや耐久性等の観点から課題が数多く
残っているのが現状である。
【００１０】本発明は、上記問題点に鑑み、摺動部無し
で高圧側圧力から低圧側圧力まで冷媒が膨張する際の有
効エネルギーを利用することにより、冷凍サイクルの成
績係数を格段に向上できる超臨界冷凍サイクルの提供を
目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明者らは超臨界冷凍サイクルにおいて、摺動部
のない膨張装置により高圧側圧力から低圧側圧力までの
膨張仕事利用を図る一方、ガスインジェクションを加え
ることにより、冷凍能力の増大と圧縮動力の低減を実現
し、超臨界冷凍サイクルの成績係数を向上させることが
できる技術的手段を講じた。
【００１２】具体的には、超臨界冷凍サイクルにおい
て、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮され超臨界状態とな
った冷媒を冷却する高圧放熱器と、この高圧放熱器から
流出した冷媒を減圧する第１の膨張装置と、第１の膨張
装置で減圧され気液共存状態となった冷媒を気液分離す
る第１の気液分離器と、第１の気液分離器で分離された
気体の冷媒を前記圧縮機に導入するガスインジェクショ
ン配管と、第１の気液分離器で分離された液体の冷媒を
再減圧する第２の膨張装置と、第２の膨張装置で減圧さ
れ気液共存状態となった冷媒を気液分離する第２の気液
分離器と、第２の膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させ
る蒸発器とを備え、第１と第２の膨張装置は、摺動部が
無くかつ低圧側圧力から高圧側圧力に至るまでの冷媒膨
張の際のエネルギーを有効利用可能な膨張装置をともに
用いる技術的手段を講じたものである。
【００１３】この第１及び第２の膨張装置としてエジェ
クタが好適であり、この第１のエジェクタを介して上流
の第１の気液分離器に第２の気液分離器のガス冷媒の一
部を吸引する第１の吸引配管を設ければ、第１のエジェ
クタに吸引された冷媒が圧縮機無しで中間圧力まで昇圧
できるため、圧縮機の圧縮仕事を省くことができる。
【００１４】一方、第２のエジェクタの下流に第２の気
液分離器を配置し、第２の気液分離器の下流に蒸発器を
配置し、第２のエジェクタを介して第２の気液分離器に
蒸発器で蒸発したガス冷媒を吸引する第２の吸引配管を
設ければ、蒸発器で気化された冷媒を上流側の第２の気
液分離器に導くことになり、冷媒が蒸発器を通過する際
の摩擦などによる圧力損失を補うことができる。
【００１５】従って、第１のエジェクタ及び第２のエジ
ェクタを用いることにより、摺動部なしで冷媒が高圧側
圧力から低圧側圧力まで膨張する際の有効エネルギーを
効果的に利用することができる。
【００１６】この超臨界冷凍サイクルを循環する作動流
体としては、比較的臨界点が低い二酸化炭素、エタン等
の冷媒が好適に用いられる。また、上記超臨界冷凍サイ
クルは、従来例から利用されている種々の装置に適用可
能であるが、特に、ヒートポンプ又は空気調和機に適用
すれば成績係数（ＣＯＰ）の向上に多いに寄与すること
ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明に係わる超臨界圧
縮式冷凍サイクルの構成要素および冷媒の流れを示す概
念図である。
【００１８】この超臨界圧縮式冷凍サイクルは、図１に
示すように、圧縮機１、高圧放熱器２、第１のエジェク
タ（膨張装置）３、第１の気液分離器４、第２のエジェ
クタ（膨張装置）５、第２の気液分離器６、蒸発器７、
第１の吸引配管８、第２の吸引配管９、ガスインジェク
ション配管１０、及び逆止弁１１から構成されている。
【００１９】この冷凍サイクルにおいては、作動流体と
して二酸化炭素等のような低い臨界温度をもつ冷媒が用
いられている。また、圧縮機１はガスインジェクション
機能付きの圧縮機とする。
【００２０】図１に示すように、圧縮機１によつて圧縮
された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の流体として圧縮
機１の吐出口から高圧放熱器２に入り、ここで放熱して
冷却される。冷房に使う場合、冷媒が高圧放熱器（室外
熱交換器）で室外の空気と熱変換器を行い、冷却される
ことになる。高圧放熱器２から流出した冷媒は、第１の
エジェクタ３を通過し、減圧されて気液共存状態（湿り
蒸気）で気液分離器４に入り、ガス冷媒と液冷媒に分離
される。
【００２１】第１の気液分離器４において分離された液
冷媒は、第２のエジェクタ５を通過し、再減圧されて低
温低圧の気液共存状態の冷媒となる。この低温低圧の気
液共存状態となつた冷媒は、下流の第２の気液分離器６
で気液分離される。第２の気液分離器６で分離された低
温液冷媒は、さらに蒸発器７に入り、そこで吸熱してほ
とんどがガス冷媒となる。冷房に使う場合、冷媒が蒸発
器７（室内熱交換器）で室内の空気と熱交換器を行い、
室内の空気を冷却することになる。
【００２２】蒸発器７で気化された冷媒は、第２のエジ
ェクタ５に吸引され、第２の吸引配管９を介して第２の
エジェクタ５の吸引口に入り、第２のエジェクタ入口か
らの冷媒とともに、第２の気液分離器６に送られる。
【００２３】また、同様に、第２の気液分離器６で分離
されたガス冷媒の一部は、第１のエジェクタ３に吸引さ
れ、第１の吸引配管８を介して第１のエジェクタ３の吸
引口に入り、第１のエジェクタ入口の冷媒とともに、気
液分離器４に送られる。 第１のエジェクタ３に吸引さ
れなかったガス冷媒は、圧縮機１に吸込まれて圧縮され
ることになる。なお、第１の吸引配管８に設置された逆
止弁１１は、冷凍サイクルが起動する際、冷媒の逆流を
防ぐためのものである。
【００２４】また、第１の気液分離器４で分離された中
間圧力のガス冷媒はガスインジェクション配管１０を通
過し、圧縮機１に導かれて圧縮されることになる。
【００２５】図２はエジェクタの作用を説明するための
概念図である。図２に示すように、エジェクタ３，５
は、入口３１から入った高圧の冷媒を高速で噴出させる
ノズル３２と、このノズル３２から噴出した冷媒を拡散
させて速度エネルギーを圧力に変換させるディフューザ
３３と、ノズル３２の出口に付近に設けられたガス冷媒
の吸引口３４とを備え、ノズルから流出する高速ガス冷
媒の周囲の圧力低下を利用して吸引口３４からガス冷媒
を吸引するようになっている。
【００２６】すなわち、より高圧の冷媒がエジェクタ
３，５の入口３１からまずエジェクタの内部に設置した
ノズル３２に入り、このノズル３２において低圧まで膨
張し、高流速をもつ冷媒となる。ノズル出口の圧力がエ
ジェクタ３，５に吸引しようとする冷媒の圧力より低く
なった時に、その生じた圧力差で吸引しようとする冷媒
がエジェクタの吸引口３４からエジェクタ内に流入する
ようになる。さらに、エジェクタの吸引口３４から吸入
された冷媒がノズル３２から高流速冷媒と混合した後、
ディフューザ３３により昇圧されるようになっている。
【００２７】このエジェクタの作用をより図１に示す第
１のエジェクタ３を例により具体的に説明すると、第１
のエジェクタ３のノズル３２で高圧放熱器２からの高圧
冷媒が下流の第２気液分離器６の内部圧力よりも低い圧
力まで膨張し、一部のガス冷媒が第１のエジェクタ３に
吸引されることになる（その他のガス冷媒は圧縮機１に
吸込まれる。）。吸引されて第２の気液分離器６から第
１のエジェクタ３に流入した冷媒は、ノズル３２で膨張
した冷媒と混合して、ともにエジェクタのディフューザ
３３により中間圧力まで昇圧される。
【００２８】冷媒の膨張の際（高圧側圧力から中間圧力
まで）の有効エネルギーを利用して、第１のエジェクタ
３に吸引された冷媒が、圧縮機の圧縮無しで中間圧力ま
で昇圧できるため、圧縮機の圧縮仕事を省くことができ
る。
【００２９】第２のエジェクタ５も同じ原理で、冷媒の
膨張の際（中間圧力から低圧側圧力まで）の有効エネル
ギーを利用して、蒸発器７で気化された冷媒を上流の第
２の気液分離器６まで導くことにより、蒸発器の圧力損
失を補うことができる。
【００３０】従って、二つのエジェクタ３，５を用いる
ことで、摺動部無しで冷媒が高圧側圧力から低圧側圧力
まで膨張する際の有効エネルギーを利用することができ
る。
【００３１】次に、本実施形態の超臨界冷凍サイクルに
おける冷媒の状態変化を図３のモリエール線図に示す。
図３の縦軸と横軸がそれぞれ圧力Ｐとエンタルピーｈを
表わしている。図３の水平の点線が冷媒の臨界圧力Ｐｃ
を示し、細い曲線が冷媒の飽和蒸気曲線と飽和液体曲線
を示す。また、より分かりやすくするために、冷凍サイ
クルの各要素における冷媒状態の変化過程を示す図３の
太い実線にそれぞれ番号を付けており、その番号は図１
に示した冷凍サイクルの各要素の番号と一致するように
している。
【００３２】図３において、線ＡＢと線ＣＤは圧縮機１
における断熱圧縮過程を示しているが、線ＡＢは第２気
液分離器６からの冷媒をほぼ中間圧力まで圧縮する過程
であり、線ＣＤは、第１の気液分離器４からの気相冷媒
と過程ＡＢにおいて圧縮された冷媒とを混合したものを
圧縮する過程である。その混合過程は線ＢＣと線ＨＣで
表されると考えてよい。
【００３３】高圧放熱器２において、冷媒は等圧でＤ点
からＥ点まで冷却されるが、圧力が臨界圧力Ｐｃを超え
ているので気液二相の変化を生じない。高圧放熱器２か
らの冷媒は第１のエジェクタ３を通過して最終的に高圧
側圧力（Ｅ点）から中間圧力（Ｆ点）まで膨張する。同
時に、第１のエジェクタ３において、エジェクタ３に吸
引された第２気液分離器６のガス冷媒の状態変化は点線
３（点線ＡＨ）に表わされており、低圧側圧力から中間
圧力まで圧縮されることがわかる。すなわち、エジェク
タ３に吸引された分のガス冷媒を低圧側圧力から中間圧
力まで圧縮するのに要する圧縮仕事を省くことができる
ようになっている。
【００３４】同様に第２のエジェクタ５においては、そ
の入口から入った冷媒が最終的に中間圧力（Ｇ点）から
低圧側圧力（Ｉ点）まで膨張することが分かる。同時
に、第２のエジェクタ５において、これに吸引された蒸
発器７からのガス冷媒の状態変化は点線５（点線ＫＡ）
に表わされており、蒸発器出口の圧力から低圧側圧力ま
で圧縮されることがわかる。すなわち、第２のエジェク
タ５の吸引と圧縮により、蒸発器における圧力損失を補
うことができるようになっている。
【００３５】Ｊ点とＡ点とは、夫々第２の気液分離器６
によって分離された飽和液体と飽和気体の状態を表して
いる。また、線ＪＫは、蒸発器７における冷媒の蒸発過
程を表しており、冷媒が蒸発器７を通過する際に摩擦な
どにより圧力低下することを示しており、これを上述の
ように、第２のエジェクタ５の吸引と圧縮により、蒸発
器７における圧力損失を補うようになっている。
【００３６】また、第１の気液分離器４で分離されたガ
ス冷媒は、図３に示すように、ガスインジェクション配
管１０を介して中間圧力のまま直接に圧縮機１に導入さ
れている。ガス冷媒を蒸発器７に送っても殆ど冷凍能力
に寄与しないことから、冷凍能力に影響せずに圧縮機１
の圧縮仕事が省けることが分かる。
【００３７】さらに、膨張装置による違いを説明する。
図４に膨張装置の違いによるエントロピー変化、すなわ
ちｈ−Ｓ線図を示す。縦軸がエンタルピーを、横軸がエ
ントロピーを示す。冷媒圧力がＰ１からＰ２に変化する
場合、通常の絞り弁やキャピラリチュープを用いた膨張
装置では等エンタルピー変化（矢印Ｘ）をし、エントロ
ピーが増大して有効エネルギーを捨ててしまうことにな
る。
【００３８】一方、膨張装置にエジェクタ３，５を用い
ることで理論的に等エントロピー変化（失印Ｙ）が可能
となり、エントロピーの増大による有効エネルギー損失
をなくすことができる。従って、通常、膨張装置による
有効エネルギーの損失を回収することが可能になる。
【００３９】このように、エジェクタを用いて冷媒の高
圧側圧力から低圧側圧力までの有効エネルギーを回収
し、かつガスインジェクションを加えることにより、圧
縮機１の吸込口の冷媒循環量を減少させるとともに圧縮
機１の圧縮仕事を低減することができ、高い成績係数の
超臨界冷凍サイクルを実現することができる。一方、摺
動部のないエジェクタによる膨張装置はその構成が簡単
であり、コストや耐久性などの面において有利となって
いる。
【００４０】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の範囲内で多くの修正・変更を加
えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形
態では、第２のエジェクタ５の下流の気液分離装置に第
２の気液分離器６を使って説明を行ったが、この第２の
気液分離器として、圧縮機１のアキュムレータにこの機
能を兼用させても同様の効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よれば、冷凍能力の向上を図るとともに、エジェクタに
より超臨界圧力冷媒のもつ有効エネルギーを回収するこ
とに加えて、ガスインジェクションによる冷媒圧縮機の
圧縮仕事を低減させることができ、超臨界冷凍サイクル
をもちいた冷凍・空調機器の成績係数を向上させること
ができる。また、膨張装置は構造が簡単で、かつ摺動部
のないエジェクタであるため、コストの低減や耐久性の
向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超臨界冷凍サイクルの概念図
【図２】エジェクタによる膨張・吸引・圧縮原理を示す
概念図
【図３】本発明による超臨界冷凍サイクルに係るモリエ
ール線図
【図４】本発明に用いた膨張装置のｈ−Ｓ線図での説明
図
【図５】従来のエジェクタを用いた冷凍サイクルの概念
図
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ 高圧放熱器 ３ 第１のエジェクタ ４ 第１の気液分離器 ５ 第２のエジェクタ ６ 第２の気液分離器（アキュムレータ） ７ 蒸発器 ８ 第１の吸引配管 ９ 第２の吸引配管 １０ ガスインジェクション配管 １１ 逆止弁 １２ 凝縮器 １３ エジェクタ １４ 膨張弁 １５ 流調弁

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮され超臨
    界状態となった冷媒を冷却する高圧放熱器と、前記高圧
    放熱器から流出した冷媒を減圧する第１の膨張装置と、
    前記第１の膨張装置で減圧され気液共存状態となった冷
    媒を気液分離する第１の気液分離器と、前記第１の気液
    分離器で分離された気体の冷媒を前記圧縮機に導入する
    ガスインジェクション配管と、前記第１の気液分離器で
    分離された液体の冷媒を再減圧する第２の膨張装置と、
    前記第２の膨張装置で減圧され気液共存状態となった冷
    媒を気液分離する第２の気液分離器と、前記第２の膨張
    装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、
    前記第１と第２の膨張装置は、摺動部が無くかつ低圧側
    圧力から高圧側圧力に至るまでの冷媒膨張の際のエネル
    ギーを有効利用可能な膨張装置をともに用いていること
    を特徴とする超臨界冷凍サイクル。
  2. 【請求項２】 前記第１の膨張装置に第１のエジェクタ
    を用い、前記第２の膨張装置に第２のエジェクタを用い
    るとともに、前記第１のエジェクタを介して上流の前記
    第１の気液分離器に第２の気液分離器のガス冷媒の一部
    を吸引する第１の吸引配管を設け、前記第２のエジェク
    タの下流に前記第２の気液分離器を配置し、前記第２の
    気液分離器の下流に前記蒸発器を配置し、前記第２のエ
    ジェクタを介して前記第２の気液分離器に前記蒸発器で
    蒸発したガス冷媒を吸引する第２の吸引配管を設けたこ
    とを特徴とする請求項１記載の超臨界冷凍サイクル。
  3. 【請求項３】 前記超臨界冷凍サイクルにおいて、比較
    的臨界点が低い二酸化炭素、エタン等の冷媒を作動流体
    とした請求項１又は２記載の超臨界冷凍サイクル。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の超臨界
    冷凍サイクルを用いたヒートポンプ又は空気調和機。
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