JP2004116938A - エジェクタサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器内における液相冷媒と冷凍機油との分離性を高める。
【解決手段】冷凍機油として、低圧側における冷凍機油の相溶性が高圧側における冷凍機油の相溶性に比べて低いものを採用する。これにより、気液分離器５０内で液相冷媒と冷凍機油が対流しても、液相冷媒と冷凍機油とは分離した状態で気液分離器５０内に溜まる。したがって、液相冷媒と冷凍機油との密度差が僅かであっても、液相冷媒と冷凍機油とをそれぞれ容易に分離抽出することができるので、蒸発器３０の吸熱能力の低下及び圧縮機１０の潤滑不足を未然に防止できる。延いては、エジェクタサイクルの成績係数及び信頼性を向上させることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、エジェクタ内のノズルにて冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させて冷媒を加速し、エジェクタのポンプ作用（ＪＩＳ　Ｚ　８１２６番号２．１．２．３等参照）にて気液分離器にて分離された液相冷媒を蒸発器に循環させるととともに、蒸発器から吸引した気相冷媒とノズルから噴射した冷媒を混合させながら、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。
【０００３】
そして、エジェクタから流出した冷媒を気液分離器にて気相冷媒と液相冷媒とを分離して、液相冷媒を蒸発器側に供給し、気相冷媒を圧縮機の吸入側に供給する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、冷媒を等エンタルピ（ジュール・トムソン）膨脹させる膨脹弁を用いた蒸気圧縮式冷凍機では、臨界圧力以下のときの二酸化炭素冷媒に対する相溶性が、臨界より高いときの相溶性に比べて低くなる冷凍機油を用いている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−９４３８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的な蒸気圧縮式冷凍機では、冷媒に冷凍機油を混合してサイクル内を循環させることにより圧縮機内の摺動部を潤滑するが、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、エジェクタから流出した冷媒を気液分離器にて気相冷媒と液相冷媒とを分離して、液相冷媒を蒸発器側に供給し、気相冷媒を圧縮機の吸入側に供給するので、気液分離器では、気相冷媒と液相冷媒との分離作業に加えて、冷媒と冷凍機油とを分離し、理想的には冷凍機油及び気相冷媒のみを圧縮機の吸入側に供給し、液相冷媒のみを蒸発器に供給することが望ましい。
【０００８】
このため、仮に、圧縮機に液相冷媒が多量に供給されてしまうと、圧縮機内の圧力が過度に高まり圧縮機の損傷を招くおそれがあり、また仮に、蒸発器に多量の冷凍機油が供給されてしまうと、蒸発器の内表面に付着した冷凍機油により冷媒と蒸発器との間の熱伝達率が低下してしまうとともに、圧縮機に戻る冷凍機油量が低下し、圧縮機内の摺動部が焼き付く等の不具合を招くおそれがある。
【０００９】
しかし、気液分離器内では、流入する冷媒の動圧等により液相冷媒と冷凍機油が対流して混濁状態となり易いので、特に、液相冷媒と冷凍機油とを分離することが難しい。
【００１０】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なエジェクタサイクルを提供し、第２には、上記不具合の発生を抑制することを目的とする。
【００１１】
【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のエジェクタサイクルであって、二酸化炭素の冷媒と共に冷凍機油を吸引して、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、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、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、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して圧縮機（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器（５０）とを備え、気液分離器（５０）には、気液分離器（５０）内のうち気相成分領域で開口し、圧縮機（１０）の吸入側に連通する気相冷媒流出口（５１）と、気液分離器（５０）内のうち液相成分領域で開口し、低圧側熱交換器（３０）の冷媒入口側に連通する液相冷媒流出口（５２）と、気液分離器（５０）内のうち冷凍機油の液相成分領域で開口し、圧縮機（１０）の吸入側に連通するオイル流出口（５３）とが設けられ、さらに、冷凍機油として、低圧側における冷媒に対する相溶性が、高圧側における冷媒に対する相溶性に比べて低くなるものが使用されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、気液分離器（５０）内で液相冷媒と冷凍機油が対流しても、液相冷媒と冷凍機油とは分離した状態で気液分離器（５０）内に溜まり得る。したがって、液相冷媒と冷凍機油との密度差が僅かであっても、液相冷媒と冷凍機油とをそれぞれ容易に分離抽出することができる得るので、低圧側熱交換器（３０）の吸熱能力の低下及び圧縮機（１０）の潤滑不足を未然に防止できる。延いては、エジェクタサイクルの成績係数及び信頼性を向上させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、冷凍機油は、ポリアルキル基グリコール系オイルであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、冷凍機油は、アルキル基ベンゼン系オイルであることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、冷凍機油は、鉱油であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、高圧側熱交換器（２０）側の圧力が、冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６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のエジェクタサイクルであって、冷媒と共に冷凍機油を吸引して、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、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、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、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して圧縮機（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器（５０）とを備え、冷凍機油として、低圧側における冷媒に対する相溶性が、高圧側における冷媒に対する相溶性に比べて低くなるものが使用されていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、気液分離器（５０）内で液相冷媒と冷凍機油が対流しても、液相冷媒と冷凍機油とは分離した状態で気液分離器５０内に溜まり得る。したがって、液相冷媒と冷凍機油との密度差が僅かであっても、液相冷媒と冷凍機油とをそれぞれ容易に分離抽出することができる得るので、低圧側熱交換器（３０）の吸熱能力の低下及び圧縮機（１０）の潤滑不足を未然に防止できる。
【００１９】
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。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクルを給湯器装置に適用したもので、図１は本実施形態に係る給湯器装置の模式図である。
【００２１】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２２】
ここで、圧縮機１０は電動モータにより駆動されており、放熱器２０での加熱能力を大きくするときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機１０の回転数を低下させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【００２３】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いており、圧縮機１０は放熱器２０の冷媒入口での冷媒温度が８０℃〜９０℃以上となるように、冷媒を臨界圧力以上まで加圧している。このため、冷媒は、放熱器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度を低下させながらエンタルピを低下させていく。
【００２４】
また、蒸発器３０は室外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室外空気から吸熱する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は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。
【００２５】
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。
【００２６】
ここで、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。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、冷媒の動圧を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。
【００２７】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大するようにして、減圧膨脹時に低下したエンタルピを圧力エネルギとして回収することが望ましい。
【００２８】
因みに、本実施形態のノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部、及び喉部以降は内径が徐々に拡大する末広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）であるが、末広部が無い先細ノズルを用いてよいことは言うまでもない。
【００２９】
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のうち気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相流出口は蒸発器３０側の流入側に接続され、オイル流出口は圧縮機１０の吸引側に接続される。
【００３０】
具体的には、図２に示すように、気相冷媒流出口５１は気液分離器５０内のうち気相成分領域で開口し、液相冷媒流出口５２は気液分離器５０内のうち液相成分領域で開口し、オイル流出口５３は気液分離器５０内のうち冷凍機油の液相成分領域で開口している。
【００３１】
なお、本実施形態では、液相冷媒の密度が冷凍機油の密度より小さいため、液相冷媒流出口５２をオイル流出口５３より上方側に位置させ、かつ、気相冷媒流出口５１を液相冷媒流出口５２より上方側に位置させている。因みに、各出口５１〜５３は、冷媒配管の圧量損失、液面高さ及び冷凍機油の粘度等を考慮して適宜選定されるものである。
【００３２】
また、気相冷媒流出口５１及びオイル流出口５３は、圧縮機１０の吸入側に接続されることから、本実施形態では、ガス冷媒配管５４を気液分離器５０の下方側から挿入し、その上端側の気相冷媒流出口５１とし、下方側にオイル流出口５３を設けている。
【００３３】
さらに、液面より上方側、つまり気液分離器５０の最上流側に冷媒流入口５５を設けるとともに、液面と冷媒流入口５５との間に冷媒流入口５５から気液分離器５０内に流入した冷媒を衝突させて流入冷媒の動圧を低下させるバッフル板５６を設けている。
【００３４】
また、本実施形態では、気液分離器５０内で液相冷媒と冷凍機油とが容易に分離するように、冷凍機油として、低圧側、つまり気液分離器５０内の冷媒状態における冷媒に対する相溶性が、高圧側の冷媒状態における冷媒に対する相溶性に比べて低くなるもの、例えばポリアルキル基グリコール（ＰＧＫ）系オイルを採用している。
【００３５】
因みに、相溶性とは、異種の高分子が均一に混和する性質であって、互いに分離をする限界量を言い、冷媒状態とは、冷媒の温度、圧力及び油分率（＝潤滑油量／（潤滑油量＋冷媒量））等を言う。
【００３６】
また、図３は圧力及び油分率と相溶・分離状態との関係を示す特性図であり、図４は圧力と密度との関係を示す特性図である。そして、気液分離器５０内の圧力は約３〜４ＭＰａであり、その油分率は約１０〜２０％であることから、図３、４から明らかなように、気液分離器５０内では冷媒と冷凍機油とは分離状態となって冷凍機油が下方側に溜まる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る給湯装置（エジェクタサイクル）の概略作動を述べる。
【００３８】
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にて給湯水を加熱し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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、外気から吸熱して蒸発する。
【００４１】
因みに、図５は本実施形態に係るエジェクタサイクルの作動を示すｐ−ｈ線図であり、図５に示す番号は図１に示す番号の位置における冷媒の状態を示すものである。
【００４２】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４３】
本実施形態では、冷凍機油として、低圧側における冷凍機油の相溶性が高圧側における冷凍機油の相溶性に比べて低いものを採用しているので、気液分離器５０内で液相冷媒と冷凍機油が対流しても、液相冷媒と冷凍機油とは分離した状態で気液分離器５０内に溜まる。
【００４４】
したがって、液相冷媒と冷凍機油との密度差が僅かであっても、液相冷媒と冷凍機油とをそれぞれ容易に分離抽出することができるので、蒸発器３０の吸熱能力の低下及び圧縮機１０の潤滑不足を未然に防止できる。延いては、エジェクタサイクルの成績係数及び信頼性を向上させることができる。
【００４５】
（第２実施形態）
第１実施形態に係る気液分離器５０では、ガス冷媒配管５４を気液分離器５０の下方側から挿入したが、本実施形態では、図６に示すように、ガス冷媒配管５４を略Ｕ字状とするとともにその屈曲部にオイル流出口５３を設けて、ガス冷媒配管５４を気液分離器５０の上方側から挿入したものである。
【００４６】
（第３実施形態）
本実施形態に係る気液分離器５０では、図７に示すように、バッフル板５６を廃止するとともに、冷媒流入口５５から気液分離器５０内に流入する冷媒の流入方向が気液分離器５０の上方側内壁の接線方向と一致するようにして、気液分離器５０内に流入した冷媒を気液分離器５０の上方側で旋回させて冷媒と冷凍機油とを遠心分離させるようにしたものである。
【００４７】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷凍機油として、ポリアルキル基グリコール（ＰＡＧ）系オイルを採用したが本発明はこれに限定されるものではなく、例えばアルキル基ベンゼン系（ＡＢ）オイル、ポリビニールエーテル（ＰＶＥ）系オイル又は鉱油等を採用してもよい。なお、低圧側における冷凍機油の相溶性が高圧側における冷凍機油の相溶性に比べて低いとは、低圧側で相溶性が無い場合も含む意味である。
【００４８】
また、上述の実施形態では給湯装置に本発明は適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば空調装置や冷蔵・冷凍庫にも適用することができる。
【００４９】
また、上述の実施形態では、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たが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、高圧側の冷媒圧力を臨界圧力未満としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】本発明の第１実施形態に係る気液分離器の模式図である。
【図３】圧力及び油分率と相溶・分離状態との関係を示す特性図である。
【図４】圧力と密度との関係を示す特性図である。
【図５】ｐ−ｈ線図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る気液分離器の模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る気液分離器の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…放熱器、３０…蒸発器、
４０…エジェクタ、５０…気液分離器。

Claims (6)

1. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のエジェクタサイクルであって、
   二酸化炭素の冷媒と共に冷凍機油を吸引して、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（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、
   高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、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して前記圧縮機（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器（５０）とを備え、
   前記気液分離器（５０）には、
   前記気液分離器（５０）内のうち気相成分領域で開口し、前記圧縮機（１０）の吸入側に連通する気相冷媒流出口（５１）と、
   前記気液分離器（５０）内のうち液相成分領域で開口し、低圧側熱交換器（３０）の冷媒入口側に連通する液相冷媒流出口（５２）と、
   前記気液分離器（５０）内のうち前記冷凍機油の液相成分領域で開口し、前記圧縮機（１０）の吸入側に連通するオイル流出口（５３）とが設けられ、
   さらに、前記冷凍機油として、低圧側における前記冷媒に対する相溶性が、高圧側における前記冷媒に対する相溶性に比べて低くなるものが使用されていることを特徴とするエジェクタサイクル。
2. 前記冷凍機油は、ポリアルキル基グリコール系オイルであることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタサイクル。
3. 前記冷凍機油は、アルキル基ベンゼン系オイルであることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタサイクル。
4. 前記冷凍機油は、鉱油であることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタサイクル。
5. 前記高圧側熱交換器（２０）側の圧力が、冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエジェクタサイクル。
6. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式のエジェクタサイクルであって、
   冷媒と共に冷凍機油を吸引して、冷媒を圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（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、
   高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、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して前記圧縮機（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器（５０）とを備え、
   前記冷凍機油として、低圧側における前記冷媒に対する相溶性が、高圧側における前記冷媒に対する相溶性に比べて低くなるものが使用されていることを特徴とするエジェクタサイクル。

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