JP2003269399A - エジェクタ式二元冷凍装置及びその装置に用いるエジェクタ - Google Patents

エジェクタ式二元冷凍装置及びその装置に用いるエジェクタ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エジェクタ式冷凍装置は蒸気を駆動流体とし
ていたので、圧縮機は大きな掃気能力を必要とし、また
系内に入る空気の除去手段が必要であった。 【解決手段】 エジェクタ5のノズル4からは主駆動流
体として圧縮機9からの加圧空気を供給し、副駆動流体
として気液分離器10で分離した加圧液体を供給する。
ノズル4から噴出する二相流体により蒸発器3内の媒体
が吸い込まれ、加圧されて凝縮器7内に入り、凝縮した
液体は膨張弁8から蒸発器3内に入って被冷却媒体2を
冷却し、内部の媒体をエジェクタ5により吸引する。凝
縮器7内の空気を主とする気体は圧縮機9で吸引され、
その吸引側は所定の真空状態となる。また圧縮機9から
の出口流体は気液分離器10で気体分と液体を分離す
る。凝縮器7で凝縮した液体及び気液分離器10の液体
の一部は圧縮機9の吐出側に噴射して駆動流体の圧縮動
力を低下させ、また圧縮機の液封手段として用いること
もできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水などの常温以下
で蒸気圧力が低い物質を作動媒体とし、エジェクタを用
いた冷凍装置、及びその冷凍装置に使用するエジェクタ
に関する。
【0002】
【従来の技術】冷凍機としては種々のものが用いられて
いるが、その一つとして水などを作動媒体とする空調機
用冷凍機がある。このような冷凍機の基本構成は図4に
示すように、圧縮機32により吸引されることにより低
圧となっている蒸発器31内の水等の作動媒体は、空調
用等の循環熱媒体としての被冷却媒体33で熱せられて
気化する。この媒体は圧縮機32で吸引され、加圧され
て凝縮器34で凝縮する。凝縮した水は膨張弁35で膨
張して気化し、再び蒸発器31に戻り、同作動を繰り返
す。
【0003】水などを空調用冷凍機の作動媒体とする場
合、この温度レベルでは蒸気圧が低く、大気圧以下とな
り、図4に示すような冷凍サイクルにおいて通常の圧縮
機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を用いた冷凍サイクルで
は、圧縮機は低圧になればなるほど単位時間あたりの吸
入体積が小さくなるため効率が低下し、冷凍機の効率が
低下せざるを得ない。
【0004】一方、回転エネルギーを経ないで流体のエ
ネルギーを直接、吸引・圧縮に使用する機器としてエジ
ェクタが存在し、上記のような基本構成をなす冷凍サイ
クルにおいて、蒸発器31内を低圧にする作用をエジェ
クタによって行うエジェクタ式冷凍機が存在する。この
ようなエジェクタ式冷凍機にも種々のものが存在する
が、エジェクタの駆動流として気体のみが用いられる場
合においては、例えば図5に示すようなものがある。
【0005】即ち図5に示す例においては、エジェクタ
41のノズル42に蒸気等の圧力気体を導きここから噴
射すると、蒸発器43の作動媒体が吸込流44として吸
引され、蒸発器43内が低圧となる。エジェクタ41に
吸引された作動媒体はエジェクタ41の出口部分で加圧
されて凝縮器45に入る。凝縮器45内で凝縮した作動
媒体の液体は膨張弁46で膨張してその一部が気化し、
気液全体が冷却状態で再び蒸発器43に戻り、蒸発器4
3内の加熱水49を冷却する。また、凝縮器45内の非
凝縮性の気体は外部に抽気され、同作動を繰り返す。
【0006】エジェクタ式冷凍機においてエジェクタの
駆動流として気体と液体の二相流が用いられる場合にお
いては、例えば図6に示すように、前記図5に示す冷凍
機の構成に対して更に圧縮機47と凝縮器48とを加え
た構成をなし、また、図5に示した凝縮器7に替わり気
液分離器50を用いている。このエジェクタ式冷凍機に
おいては、気液分離器50で分離した気体成分を圧縮機
47で圧縮し、凝縮器48で凝縮して液化する。この凝
縮器の液体を内部の圧力によりノズル42に圧送し、ノ
ズル42からは二相膨張の結果として、気体と液体が流
出するようになっており、その他は前記図5に示す装置
と同様に作動する。このような装置において、圧縮機の
効率よりエジェクタの効率の方が高くなれば、エジェク
タを付加したサイクルは有効となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記図4に示した冷凍
機においては、装置内に外部からの空気の混入がないこ
とを前提とし、空気が混入した分だけ効率が低下する。
上記のように水を作動媒体とする場合には、空調温度レ
ベルではシステム内の圧力が負圧になるため、空気の混
入が起こりやすい。さらに上記図6に示したエジェクタ
式冷凍機においては、たとえば水の蒸発圧力を10℃、
凝縮温度を40℃とする場合、蒸発圧力と凝縮圧力の間
の、気液分離器の圧力と凝縮圧力との圧力差は小さいた
め、エジェクタの効率は非常に低くなる。
【0008】したがって本発明は、従来のエジェクタ式
冷凍機において、圧縮機の効率を高めることにより冷凍
効率を向上し、また、その高効率を長期間にわたって維
持することができるようにしたエジェクタ式冷凍機を提
供すると共に、その冷凍機に用いるのに好適なエジェク
タを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、請求項1に係る発明は、被冷却媒体を冷却す
る蒸発器と、作動媒体循環管路内に予め供給した非凝縮
性ガスを主体とする駆動流体をノズルから噴出し、該噴
出流により前記蒸発器の蒸気を吸引するエジェクタと、
前記エジェクタの噴出流体のうち、凝縮性成分を凝縮す
る凝縮器と、前記凝縮器の液体を膨張させ前記蒸発器に
供給する膨張弁と、前記凝縮器の気体を吸引し吐出する
圧縮機と、前記圧縮機の吐出気体から液体成分を分離す
る気液分離器と、前記気液分離器の非凝縮性ガスを主体
とする気体を前記エジェクタのノズルに供給することを
特徴とするエジェクタ式二元冷凍装置としたものであ
る。
【0010】また、請求項2に係る発明は、前記圧縮機
に前記管路内の液体を供給し、圧縮動力の低減を行うこ
とを特徴とする請求項1記載のエジェクタ式二元冷凍装
置としたものである。
【0011】また、請求項3に係る発明は、前記圧縮機
の内部に管路内の液体を供給し、液封式圧縮機の液封を
行うことを特徴とする請求項1記載のエジェクタ式二元
冷凍装置としたものである。
【0012】また、請求項4に係る発明は、前記圧縮機
の吐出側管路に、管路内圧力を調整する圧力調整弁を設
けたことを特徴とする請求項1記載のエジェクタ式二元
冷凍装置としたものである。
【0013】また、請求項5に係る発明は、前記エジェ
クタのノズルに前記空気を主体とする駆動流体と共に前
記管路内の液体も供給したことを特徴とする請求項1記
載のエジェクタ式二元冷凍装置としたのものである。
【0014】また、請求項6に係る発明は、前記ノズル
に供給する液体の流量を調整する流量調整弁を設けたこ
とを特徴とする請求項5記載のエジェクタ式二元冷凍装
置としたものである。
【0015】また、請求項7に係る発明は、非凝縮性ガ
スを主体とする気体を供給する主ノズルと、液体を供給
する副ノズルと、副ノズルの絞り部に進退自在に設け、
供給する液体の量を調節するニードルと、前記主ノズル
及び副ノズルから供給される二相流体を駆動流とし、蒸
発器の気体を吸引することを特徴とするエジェクタ式二
元冷凍装置用エジェクタとしたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に沿っ
て説明する。図1には本発明によるエジェクタ式冷凍機
の第1の実施の形態を示し、同図におけるエジェクタ式
冷凍機1においては、被冷却媒体2を冷却する蒸発器3
と、後述するように駆動流として非凝縮性ガスとしての
空気が供給されるノズル4を備え、前記蒸発器3の作動
媒体を吸引するエジェクタ5と、エジェクタ5の出口部
分で圧縮された空気と蒸気が供給され冷却水6により内
部が冷却される凝縮器7と、凝縮器7で凝縮された凝縮
水を膨張させ蒸発器3に供給する膨張弁8と、凝縮器7
内における空気を主体とし水分を含む気体を吸引して圧
縮する圧縮機9と、圧縮機9で圧縮した気体から水分を
分離する気液分離器10とをその主構成として備えてい
る。
【0017】気液分離器10で分離された冷却水の一部
は、ノズル4に気液分離器10からエジェクタ5の駆動
流として供給される気体成分と共にノズル4に供給し、
エジェクタ5の駆動流の一部として利用する。他の冷却
水は液戻り弁11を介して凝縮器7に戻される。また、
凝縮器7の凝縮水の一部はポンプ12により圧縮機9の
圧縮動力低減用として圧縮機の吐出側に供給し、他は前
記のように膨張弁8から蒸発器3に供給する。このと
き、膨張弁8からの凝縮水は、二相膨張を行いながら蒸
発器3に入る。
【0018】気液分離器10からノズル4に供給され
る、空気を主体とした気体及び分離された水分をエジェ
クタの駆動流として使用するには、例えば図2に示すよ
うなエジェクタ5によって実施することができる。図2
に示すエジェクタ5においては、気体の駆動流が供給さ
れる駆動用気体供給管15に接続したノズル4内に、更
に液体の駆動流が供給される駆動用液体供給管16を備
え、その先端をノズル4の開口部近傍に配置している。
液体供給管16内には液体用ノズル17を備え、この液
体用ノズル17に対して進退自在にニードル18を配置
し、ニードル18を移動することにより駆動用液体の流
量を調節することができるようにしている。この流量調
節により二相噴霧の制御を容易に行うことができ、最適
な条件での駆動流体供給を行うことができる。
【0019】上記のようなエジェクタ5を用いることに
より、前記図1の圧縮機9で加圧した水分を含む空気
は、気液分離器10でほぼ空気のみの気体となり、図2
の駆動用気体供給管15からノズル4に供給され、液体
用ノズル17の外周からエジェクタ本体20内に噴出す
る。本発明はこのような加圧空気のみによっても作動可
能であるが、より効率を高めるために、必要に応じて気
液分離器10で分離された液体を、駆動用液体供給管1
6から液体用ノズル17に供給し、ノズル4内の前記駆
動用気体と共にエジェクタ5内に噴出する事によって、
より効率の良いエジェクタ式冷凍装置とすることができ
る。その際、これらの駆動流体は大気圧以上に設定す
る。このように、ノズルから噴出する駆動用気体、及び
必要に応じて用いられる駆動用液体の混合流体によっ
て、エジェクタ5の吸込管路19から図1の蒸発器3内
の作動媒体を吸い込む。
【0020】吸い込んだ作動媒体はエジェクタ5内で前
記駆動用気体と駆動用液体の混合流体と更に混合し、エ
ジェクタ5の出口から圧縮されつつ噴出する。この混合
流体は凝縮器7で冷却水6により冷却され、且つこの中
で気体が滞留することにより水分が分離し、下方に凝縮
水が溜まる。この凝縮水は膨張弁8で膨張しながら蒸発
器3に入り、内部の被冷却媒体2を冷却する。以降同様
に蒸発器3内の蒸気はエジェクタ5の吸込管19からエ
ジェクタ5内に吸い込まれ、蒸発器3内での冷凍作用が
継続する。
【0021】一方、凝縮器7には前記のようなエジェク
タ5からの水蒸気が混合した空気が入ると共に、気液分
離器10で分離された水が液戻り弁11の解放時に流入
する。この凝縮器7内の水分を含んだ空気は圧縮機9に
吸引される。また、凝縮器7内の水をポンプ12で吸い
込み、これを圧縮機9内の圧縮流体中に噴射する。この
とき適正量の水を噴射することにより、圧縮動力を低減
することができる。
【0022】また、エジェクタ5から圧縮機9の吸い込
み部までの間に大気圧以下になる部分が存在するため、
外部から空気が侵入することがあり、その空気は次第に
この系内に蓄積する。それにより圧縮機9の吐出圧力が
高くなりすぎるとエジェクタ5が予め設定している駆動
流の圧力を大きく越え、エジェクタ5の効率が低下する
ので、圧力調整弁13を適宜解放することにより、高圧
側管路を所定の圧力に維持する。
【0023】上記のような構成を採用することにより、
例えば前記図6に示すような従来の圧縮機の使用態様に
おいては水蒸気を吸引し吐出するため、その圧縮機の吸
引力による真空生成に際しては高真空時に大きな吸引力
を有することが要求されるのに対して、本発明に用いる
圧縮機においては主として圧縮空気を駆動媒体としてい
るため、圧縮機の能力は小さなものでよい。
【0024】本発明においては更に、図3に示すような
態様で実施することもできる。即ち、図3に示すエジェ
クタ式冷凍機においては、前記図1に示すものと異な
り、圧縮機として液封式圧縮機15を用い、この液封式
圧縮機においては従来圧縮機の液封として使用されてい
る水蒸気圧より蒸気圧が低い、例えばシリコン油のよう
な液体を用いることなく、凝縮器7の凝縮水の一部をポ
ンプ12によって吸い込んで吐出したもの、更には気液
分離器10で分離した水をポンプ16により吸い込んで
吐出したものを液封用に使用する。気液分離器10から
の水は、熱交換器で冷却することが好ましい。それによ
り高価なシリコン油を用いる必要が無くなり、またこの
系内に水および空気以外の物質の混入が無くなる。
【0025】前記図1及び図3に示す実施例においてポ
ンプ12を用いて凝縮器の水を圧縮機9或いは液封式圧
縮機15に供給した実施例を示したが、凝縮器7が圧縮
機9よりも充分高い位置に配置されているときには、そ
の水頭圧により供給できるので前記ポンプは不要とな
る。同様に、図3に示す実施例においてポンプ16を用
いて気液分離器10の水を液封式圧縮機15に供給した
実施例を示したが、この場合も気水分離器10が液封式
圧縮機15よりも充分高い位置に配置されているときに
は、同様に不要となる。
【0026】また、本発明に使用するエジェクタとして
は種々のものを種々の態様で使用することができ、例え
ば多段配置を行い、また集合ノズルをもつエジェクタを
用い、また円または矩形の集合ノズルを連続した形のノ
ズルを使用し、更にはこれらの適宜のものを組み合わせ
て使用しても良い。
【0027】更に、前記実施例において蒸発器は間接熱
交換を行っている例を示しているが、直接熱交換式にす
ることもでき、その際には前記間接熱交換式よりも空気
が混入しやすいが、この系内に空気が混入した場合でも
圧縮機出口の圧力が設定値以上になると圧力調整弁13
により外部に排出することができ、容易に対応すること
ができる。また非凝縮性ガスとして前記実施例において
は空気を用いた例を示したが、そのほか、使用中の冷凍
サイクル中で凝縮しない任意のガスを用いることができ
る。
【0028】
【発明の効果】本願の請求項1に係る発明は上記のよう
に構成したので、エジェクタ式冷凍機において圧縮機
を、その効率が高い値を示す圧力範囲で使用することに
より冷凍効率を向上し、また、その高効率を長期間にわ
たって維持することができる。
【0029】また、請求項2に係る発明は、前記圧縮機
に管路内の液体を供給し、圧縮動力の低減を行うので、
冷凍機を効率の良い状態で作動することができる。
【0030】また、請求項3に係る発明は、前記圧縮機
の内部に管路内の液体を供給し、圧縮機内部の液封を行
うので、従来のようなシリコン油等を用いる必要が無
く、安価で、且つ不純物を系内に取り込まない装置とす
ることができる。
【0031】また、請求項4に係る発明は、前記圧縮機
の吐出側管路に、管路内圧力を調整する圧力調整弁を設
けたので、管路内の過剰な圧力を調節し、エジェクタを
最も効率の良い状態で作動することができる。
【0032】また、請求項5に係る発明は、前記エジェ
クタのノズルに前記空気を主体とする駆動流体と共に管
路内の液体も供給したので、確実な二相流体によるエジ
ェクタ作用が可能となる。
【0033】また、請求項6に係る発明は、前記ノズル
に供給する液体の流量を調整する流量調整弁を設けたの
で、二相流体によるエジェクタ作用を最も適正な状態で
作動させることができる。
【0034】また、請求項7に係るエジェクタ式二元冷
凍装置用エジェクタは、二相流体によるエジェクタ作用
を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるエジェクタ式二元冷凍装置の実施
例における冷凍システム構成図である。
【図2】同冷凍システムに用いるエジェクタの実施例を
示す断面図である。
【図3】本発明によるエジェクタ式二元冷凍装置の他の
実施例における冷凍システム構成図である。
【図4】従来の基本的な冷凍サイクルを示す冷凍システ
ム構成図である。
【図5】従来の高圧蒸気をエジェクタの駆動流とする冷
凍サイクルを示す冷凍システム構成図である。
【図6】従来の圧縮機及びエジェクタを用いる冷凍サイ
クルの冷凍システム構成図である。
【符号の説明】
1 エジェクタ式冷凍機 2 被冷却媒体 3 蒸発器 4 ノズル 5 エジェクタ 6 冷却水 7 凝縮器 8 膨張弁 9 圧縮機 10 気液分離器 11 液戻り弁 12 ポンプ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被冷却媒体を冷却する蒸発器と、 作動媒体循環管路内に予め供給した非凝縮性ガスを主体
    とする駆動流体をノズルから噴出し、該噴出流により前
    記蒸発器の蒸気を吸引するエジェクタと、 前記エジェクタの噴出流体のうち、凝縮性成分を凝縮す
    る凝縮器と、 前記凝縮器の液体を膨張させ前記蒸発器に供給する膨張
    弁と、 前記凝縮器の気体を吸引し吐出する圧縮機と、 前記圧縮機の吐出気体から液体成分を分離する気液分離
    器と、 前記気液分離器の非凝縮性ガスを主体とする気体を前記
    エジェクタのノズルに供給することを特徴とするエジェ
    クタ式二元冷凍装置。
  2. 【請求項2】 前記圧縮機に前記管路内の液体を供給
    し、圧縮動力の低減を行うことを特徴とする請求項1記
    載のエジェクタ式二元冷凍装置。
  3. 【請求項3】 前記圧縮機の内部に管路内の液体を供給
    し、液封式圧縮機の液封を行うことを特徴とする請求項
    1記載のエジェクタ式二元冷凍装置。
  4. 【請求項4】 前記圧縮機の吐出側管路に、管路内圧力
    を調整する圧力調整弁を設けたことを特徴とする請求項
    1記載のエジェクタ式二元冷凍装置。
  5. 【請求項5】 前記エジェクタのノズルに前記空気を主
    体とする駆動流体と共に前記管路内の液体も供給したこ
    とを特徴とする請求項1記載のエジェクタ式二元冷凍装
    置。
  6. 【請求項6】 前記ノズルに供給する液体の流量を調整
    する流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項5記載
    のエジェクタ式二元冷凍装置。
  7. 【請求項7】 非凝縮性ガスを主体とする気体を供給す
    る主ノズルと、 液体を供給する副ノズルと、 副ノズルの絞り部に進退自在に設け、供給する液体の量
    を調節するニードルと、 前記主ノズル及び副ノズルから供給される二相流体を駆
    動流とし、蒸発器の気体を吸引することを特徴とするエ
    ジェクタ式二元冷凍装置用エジェクタ。
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