JP2004101141A

JP2004101141A - 蒸気圧縮式冷凍機

Info

Publication number: JP2004101141A
Application number: JP2002266944A
Authority: JP
Inventors: Mika Saito; 齋藤　美歌; Hirotsugu Takeuchi; 武内　裕嗣
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: US6799435B2; US20040052656A1; JP4000966B2

Abstract

【課題】エジェクタサイクルにおいて、低圧側での熱損失を低減する。
【解決手段】少なくとも蒸発器３０及び気液分離器５０を同一のケーシング８０内に収納配置されているので、気液分離器５０と蒸発器３０とが近接した状態となり、気液分離器５０を流出した液相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制でき、熱損失を低減できるとともに、気液分離器５０から蒸発器３０に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
したがって、エジェクタサイクル全体で発生する熱損失及び圧力損失を低減することができるので、エジェクタサイクルの成績係数を向上することがきるとともに、エジェクタサイクルの小型化を図ることができる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機のうち減圧手段としてエジェクタを用いたエジェクタサイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エジェクタサイクルとは、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させる蒸気圧縮式冷凍機である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクルでは、特許文献１に記載されているように、気液分離器にて分離された液相冷媒をエジェクタのポンプ作用（ＪＩＳ　Ｚ　８１２６　番号２．１．２．３等参照）にて低圧側熱交換器である蒸発器に循環させるが、気液分離器を流出した液相冷媒の一部が、蒸発器に流入する前に冷媒配管が設置された雰囲気から吸熱して蒸発してしまう可能性がある。
【０００５】
そして、蒸発器に気液二相状態の冷媒が流入すると、液相冷媒のみが蒸発器内に流入する場合に比べて蒸発する冷媒量が減少するため、蒸発器で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまう等の熱損失が発生してしまう。
【０００６】
また、液相冷媒と気相冷媒とでは密度が大きく相違するため、蒸発器内における気相冷媒の流通経路と液相冷媒の流通経路が相違してしまい、蒸発器内において、気相冷媒の割合が大きい部位と液相冷媒の割合が大きい部位とが発生してしまうおそれが高い。
【０００７】
このため、蒸発器の部位によって発生する冷凍能力が相違してしまうため、蒸発器の部位によって表面温度が相違してしまい、いわゆる「温度分布が悪化する」といった問題が発生してしまう。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を提供し、第２には、低圧側での熱損失を低減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、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）、及びノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（４２、４３）を有し、圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が低圧側熱交換器（３０）に接続された気液分離手段（５０）と備え、少なくとも気液分離器（５０）及び低圧側熱交換器（３０）は、同一のケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、気液分離器（５０）と低圧側熱交換器（３０）とが近接した状態となり、気液分離器（５０）を流出した液相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制でき、熱損失を低減できるとともに、気液分離器（５０）から低圧側熱交換器（３０）に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
【００１１】
したがって、蒸気圧縮式冷凍機全体で発生する熱損失及び圧力損失を低減することができるので、蒸気圧縮式冷凍機の成績係数を向上することがきるとともに、蒸気圧縮式冷凍機の小型化を図ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、エジェクタ（４０）の少なくとも一部は、ケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、エジェクタ（４０）と低圧側熱交換器（３０）とが近接した状態となり、低圧側熱交換器（３０）を流出した気相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制できる。
【００１４】
このため、低圧側熱交換器（３０）からエジェクタ（４０）に至る冷媒通路における熱損失を低減できるので、気液分離器（５０）に流入する冷媒の温度が上昇することを抑制できるとともに、低圧側熱交換器（３０）からエジェクタ（４０）に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、エジェクタ（４０）のうち少なくとも昇圧部（４２、４３）は、ケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、エジェクタ（４０）と低圧側熱交換器（３０）とが近接した状態となり、低圧側熱交換器（３０）を流出した気相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制できる。
【００１７】
このため、低圧側熱交換器（３０）からエジェクタ（４０）に至る冷媒通路における熱損失を低減できるので、気液分離器（５０）に流入する冷媒の温度が上昇することを抑制できるとともに、低圧側熱交換器（３０）からエジェクタ（４０）に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）に空気を送風する送風機（２）を備え、気液分離器（５０）は、送風機（２）により誘起された空気流れ中に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、低圧側熱交換器（３０）のみならず、気液分離器（５０）によって冷却効果を得ることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）に空気を送風する送風機（２）を備え、エジェクタ（４０）のうちケーシング（８０）内に位置する部位は、送風機（２）により誘起された空気流れ中に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、低圧側熱交換器（３０）のみならず、エジェクタ（４０）によって冷却効果を得ることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、エジェクタ（４０）の冷媒出口から気液分離器（５０）及び低圧側熱交換器（３０）を経てエジェクタ（４０）に至る冷媒通路で発生する圧力損失が、昇圧部（４２、４３）での昇圧量より小さくなるように設定されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項７に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）、エジェクタ（４０）及び気液分離器（５０）は一体化されていることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）内の温度が０℃以下となるように運転されることを特徴とするものである。
【００２５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を、図１（ａ）に示す食品を冷凍保存するショーケース１用のエジェクタサイクルに適用したものであって、図２はエジェクタサイクルの模式図であり、図３はクーリングユニットの模式図である。
【００２７】
なお、ショーケース１の下方側には、後述する蒸発器３０及び送風機２が配設されており、送風機２は紙面手前側からショーケース１内の空気を吸引し、紙面上方、つまりショーケース１の下方奥側に配置された蒸発器３０に吸引した空気を吹き出す遠心型送風機である。
【００２８】
図２中、圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮する電動式の圧縮機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２９】
なお、本実施形態では、冷媒としてフロンを採用しているので、高圧側の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力未満であり、放熱器２０内で冷媒は凝縮する。
【００３０】
また、蒸発器３０は、ショーケース１内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する低圧側熱交換器であり、蒸発器３０にて冷却された空気は、ショーケース１の背面側に形成されたダクト部内を流れて上方側からショーケース１内に吹き出される。
【００３１】
エジェクタ４０は放熱器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。
【００３２】
なお、エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００３３】
このとき、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する駆動流の運動量と蒸発器３０から吸引される吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００３４】
一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３５】
因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。
【００３６】
また、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側に接続されている。
【００３７】
なお、気液分離器５０内に設けられた気相冷媒抽出用のＪ型配管５１の最下部には、気液分離器５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すためのオイル戻し穴５２が設けられている。
【００３８】
絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段であり、内部熱交換器７０は圧縮機１０に吸引される低圧側冷媒と放熱器２０から流出した高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。
【００３９】
因みに、本実施形態では、絞り６０としてオリフィスやキャピラリーチューブ等の開度が固定された固定絞りを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を可変制御する温度式膨脹弁等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４０】
そして、本実施形態では、一点鎖線で囲まれた機器、つまり蒸発器３０、エジェクタ４０、気液分離器５０及び送風機２は、図３に示すように、同一のケーシング８０内に収納配置されてクーリングユニットを構成している。
【００４１】
なお、ケーシング８０は、蒸発器３０、エジェクタ４０及び気液分離器５０を雰囲気（特に、ショーケース１外空気）から熱的に隔離することができる断熱構造又は断熱性に優れた材質にて構成することが望ましい。
【００４２】
また、エジェクタ４０及び気液分離器５０は、送風機２により誘起された空気流れ中に位置し、かつ、蒸発器３０より空気流れ下流側に配置されている。
【００４３】
なお、エジェクタサイクルを設計するに当たっては、エジェクタ４０の冷媒出口から気液分離器５０及び蒸発器３０を経てエジェクタ４０に至る冷媒通路で発生する圧力損失が、昇圧部（エジェクタ４０）での昇圧量より小さくなるように設定しなければならないことは言うまでもない。
【００４４】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００４５】
圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて減圧膨張して蒸発器３０内の冷媒を吸引する。
【００４６】
そして、蒸発器３０から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００４７】
一方、エジェクタ４０にて蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には気液分離器５０から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、ショーケース１内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。なお、本実施形態では、蒸発器３０内の温度が０℃以下となるように運転される。
【００４８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４９】
本実施形態では、蒸発器３０及び気液分離器５０が同一のケーシング８０内に収納配置されているので、気液分離器５０と蒸発器３０とが近接した状態となり、気液分離器５０を流出した液相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制でき、熱損失を低減できるとともに、気液分離器５０から蒸発器３０に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
【００５０】
同様に、蒸発器３０及びエジェクタ４０の少なくとも一部が同一のケーシング８０内に収納配置されているので、エジェクタ４０と蒸発器３０とが近接した状態となり、蒸発器３０を流出した気相冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制できる。
【００５１】
このため、蒸発器３０からエジェクタ４０に至る冷媒通路における熱損失を低減できるので、気液分離器５０に流入する冷媒の温度が上昇することを抑制できるとともに、蒸発器３０からエジェクタ４０に至る冷媒通路で発生する圧力損失を低減することができる。
【００５２】
したがって、エジェクタサイクル全体で発生する熱損失及び圧力損失を低減することができるので、エジェクタサイクルの成績係数を向上することがきるとともに、エジェクタサイクルの小型化を図ることができる。
【００５３】
ところで、エジェクタ４０及び気液分離器５０（特に、気液分離器５０）は、雰囲気より温度が低い。したがって、本実施形態のごとく、エジェクタ４０及び気液分離器５０を送風機２により誘起された空気流れ中に位置させれば、蒸発器３０のみならず、エジェクタ４０及び気液分離器５０によってもショーケース１内に吹き出す空気を冷却することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、エジェクタ４０及び気液分離器５０を蒸発器３０より空気流れ下流側に配置して、空気との熱交換効率の高い蒸発器３０になるべく多くの空気が流れ込むようにしている。
【００５５】
（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、蒸発器３０、エジェクタ４０及び気液分離器５０を一体化したものである。
【００５６】
ここで、蒸発器３０、エジェクタ４０及び気液分離器５０の一体化とは、メーカでの製造工程において、例えばろう付け、一体プレス、ネジ止め等の手段により一体化し、エンドユーザが現地にて容易に分解取り外しができないことを言う。
【００５７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では絞りを設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、絞り６０を廃止してもよい。
【００５８】
また、上述の実施形態では、エジェクタ４０及び気液分離器５０は、蒸発器３０より空気流れ下流側に配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図５に示すように、エジェクタ４０及び気液分離器５０のうち少なくとも一方を蒸発器３０より空気流れ上流側に配置してもよい。
【００５９】
また、上述の実施形態では、エジェクタ４０全体がケーシング８０内に配置されていたが、ノズル４１に入口部は冷媒温度が高いので、エジェクタ４０のうち昇圧部のみをケーシング８０内に配置するように構成してもよい。
【００６０】
また、上述の実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側の冷媒圧力を臨界圧力未満としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば冷媒を二酸化炭素として高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上としてもよい。
【００６１】
また、上述の実施形態では、エジェクタ４０及び気液分離器５０を送風機２により誘起された空気流れ中に位置させたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６２】
また、上述の実施形態では、本発明を食品の冷凍保存するショーケースに適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る気液分離器を用いたショーケースの正面図であり、（ｂ）はショーケースの底部を上方側から見た図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るクーリングユニットの模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るクーリングユニットの模式図である。
【図５】本発明のその他の実施形態に係るクーリングユニットの模式図である。
【符号の説明】
２…送風機、３０…蒸発器、４０…エジェクタ、５０…気液分離器、
８０…ケーシング。

Claims

低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、
高圧冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）、及び前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（４２、４３）を有し、前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒用出口が前記圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が前記低圧側熱交換器（３０）に接続された気液分離手段（５０）と備え、
少なくとも前記気液分離器（５０）及び前記低圧側熱交換器（３０）は、同一のケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
前記エジェクタ（４０）の少なくとも一部は、前記ケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記エジェクタ（４０）のうち少なくとも前記昇圧部（４２、４３）は、前記ケーシング（８０）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記低圧側熱交換器（３０）に空気を送風する送風機（２）を備え、
前記気液分離器（５０）は、前記送風機（２）により誘起された空気流れ中に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記低圧側熱交換器（３０）に空気を送風する送風機（２）を備え、
前記エジェクタ（４０）のうち前記ケーシング（８０）内に位置する部位は、前記送風機（２）により誘起された空気流れ中に位置するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記エジェクタ（４０）の冷媒出口から前記気液分離器（５０）及び前記低圧側熱交換器（３０）を経て前記エジェクタ（４０）に至る冷媒通路で発生する圧力損失が、前記昇圧部（４２、４３）での昇圧量より小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記低圧側熱交換器（３０）、前記エジェクタ（４０）及び前記気液分離器（５０）は一体化されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記低圧側熱交換器（３０）内の温度が０℃以下となるように運転されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。