JP2004198045A

JP2004198045A - 蒸気圧縮式冷凍機

Info

Publication number: JP2004198045A
Application number: JP2002368083A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kawamura; 進川村; Takeshi Sakai; 猛酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】エジェクタサイクルを用いた給湯器の運転効率を向上させる。
【解決手段】エジェクタ４０と気液分離器５０とを繋ぐ冷媒回路にエジェクタ４０から流出した液相冷媒を蒸発させる第２蒸発器６０を備える。これにより、エジェクタ４０から流出する冷媒の圧力は第２蒸発器６０を有していないエジェクタサイクルに比べて高い圧力にて安定する。したがって、圧縮機１０の吸入圧力が第２蒸発器６０を有していないエジェクタサイクルに比べて上昇するので、圧縮機１０から吐出する冷媒の温度を低下させることなく、圧縮機（１０）の圧縮仕事量を小さくすることができ、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率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、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機のうち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、給湯器に適用して有効である。
【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】
ところで、給湯器等の温熱を利用する蒸気圧縮式冷凍機では、蒸発器で吸熱した熱量と圧縮機の圧縮仕事相当の熱量との和を利用するので、放熱器で放熱される熱量のうち圧縮仕事相当の熱量が占める割合が小さくなるほど、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率、つまり成績係数が向上する。
【０００５】
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、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【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放熱器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる第１蒸発器（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第１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）の吸入側圧力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、液相冷媒用出口が第１蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）と、エジェクタ（４０）と気液分離器（５０）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、エジェクタ（４０）から流出した液相冷媒を蒸発させる第２蒸発器（６０）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、エジェクタ（４０）から流出する冷媒の圧力は、第２蒸発器（６０）を有していないエジェクタサイクルに比べて高い圧力にて安定する。
【０００８】
したがって、圧縮機（１０）の吸入圧力が第２蒸発器（６０）を有していないエジェクタサイクルに比べて上昇するので、圧縮機（１０）から吐出する冷媒の温度を低下させることなく、圧縮機（１０）の圧縮仕事量を小さくすることができ、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、気液分離器（５０）と圧縮機（１０）とを繋ぐ冷媒回路に、冷媒を加熱する加熱器（７０）が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、圧縮機１０の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【００１１】
したがって、圧縮機（１０）の圧縮仕事、つまり圧縮機（１０）の消費動力を増大させることなく、確実に圧縮機（１０）から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができるので、圧縮機（１０）の圧縮仕事量を小さくすることができ、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、加熱器（７０）は、雰囲気と冷媒とを熱交換することにより冷媒を加熱することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、圧縮機（１０）に吸引される冷媒と放熱器（２０）から流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器（８０）を備えることを特徴とする。
【００１４】
これにより、放熱器（２０）から流出した高圧冷媒の余熱を圧縮機（１０）に吸引される冷媒に与えることができるので、確実に圧縮機（１０）から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができ、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、圧縮機（１０）の吐出圧は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、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にて給湯水を加熱することを特徴とするものである。
【００１８】
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。
【００１９】
【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給湯器に適用したものであって、図１は給湯器（蒸気圧縮式冷凍機）の模式図である。
【００２０】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で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。
【００２１】
なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、本実施形態では、吐出冷媒温度又は吐出冷媒圧力が所定値となるように圧縮機１０の回転数、つまり圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を制御している。
【００２２】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒としてフロン（Ｒ４０４ａ)を用いてもよいことは言うまでもない。
【００２３】
なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、水冷媒熱交換器２０にて冷媒が凝縮するが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器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が低下するような温度分布を有するので、水冷媒熱交換器２０は放熱器として機能する。
【００２４】
また、第１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熱を回収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第１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、図２に示すように、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第１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第１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】
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、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば先細ノズルを用いてもよい。
【００２７】
なお、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、第１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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、図１中、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、液相冷媒流出口は第１蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００３０】
なお、気液分離器５０と第１蒸発器３０とを繋ぐ冷媒回路には、第１蒸発器３０に流入する冷媒を減圧する減圧器（図示せず。）が設けられており、本実施形態では、キャピラリーチューブ等の固定絞りを採用している。
【００３１】
第２蒸発器６０は、エジェクタ４０と気液分離器５０とを繋ぐ冷媒回路に設けられてエジェクタ４０から流出した冷媒と室外空気とを熱交換してエジェクタ４０から流出した液相冷媒を蒸発させる熱交換器である。
【００３２】
なお、本実施形態では、第１蒸発器３０と第２蒸発器６０とは、吸熱用室外空気の流れに対して並列に配置されているが、両蒸発器３０、６０を吸熱用室外空気の流れに対して直列に配置してもよい。
【００３３】
因みに、吸熱用室外空気の流れに対して直列に配置する場合には、蒸発圧力、つまり蒸発温度が高くなる第２蒸発器６０を第１蒸発器３０より空気流れ上流側に配置することが望ましい。
【００３４】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３５】
図４はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すｐ−ｈ線図であり、図４の●で示される符号は、図１に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【００３６】
圧縮機１０から吐出した高圧冷媒は、水冷媒熱交換器２０にて冷却されてエジェクタ４０のノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入する。
【００３７】
そして、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）により、第１蒸発器３０内で蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→絞り６０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→第２蒸発器６０→気液分離器５０の順に循環する。
【００３８】
一方、第１蒸発器３０から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）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第２蒸発器３０を経由して気液分離器５０に戻る。
【００３９】
このとき、エジェクタ４０から流出する冷媒は、気液二相状態の湿り冷媒であるので、第２蒸発器６０では液相冷媒が外気から吸熱して気化するため、エジェクタ４０から流出する冷媒の圧力は、第２蒸発器６０を有していないエジェクタサイクルに比べて高い圧力にて安定する。
【００４０】
したがって、圧縮機１０の吸入圧力が第２蒸発器６０を有していないエジェクタサイクルに比べて上昇するので、圧縮機１０から吐出する冷媒の温度、つまり給水温度を低下させることなく、圧縮機１０の圧縮仕事量を小さくすることができ、蒸気圧縮式冷凍機（給湯器）の運転効率を向上させることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、第１実施形態に係るエジェクタサイクルに対して、冷媒を加熱する加熱器７０を気液分離器５０と圧縮機１０とを繋ぐ冷媒回路に設けたものである。
【００４２】
なお、本実施形態に係る加熱器７０は、雰囲気と気液分離器５０から流出する飽和気相冷媒とを熱交換することにより冷媒を加熱するものであるが、圧縮機１０を駆動する電動モータやインバータ回路等の電動モータの駆動回路等で発生した廃熱にて圧縮機１０に吸入される冷媒を加熱してもよい。
【００４３】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４４】
本実施形態によれば、加熱器７０にて圧縮機１０に吸入される冷媒を加熱するので、図５に示すように、圧縮機１０の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【００４５】
したがって、圧縮機１０の圧縮仕事、つまり圧縮機１０の消費動力を増大させることなく、確実に圧縮機１０から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができるので、十分な温度の給湯水を供給することができる。
【００４６】
因みに、図５はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すｐ−ｈ線図であり、図５の●で示される符号は、図４に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【００４７】
なお、加熱器７０を第１蒸発器３０の上方側に配置すれば、第１蒸発器３０で発生した凝縮水が加熱器７０に流れ、加熱器７０の温度が低下してしまうことを未然に防止できる。
【００４８】
（第３実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、圧縮機１０に吸引される冷媒と水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器８０を設けたものである。
【００４９】
これにより、水冷媒熱交換器２０から流出した高圧冷媒の余熱を圧縮機１０に吸引される冷媒に与えることができるので、確実に圧縮機１０から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができ、蒸気圧縮式冷凍機の運転効率を向上させることができる。
【００５０】
なお、図６は第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機に内部熱交換器８０を追加したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機に内部熱交換器８０を追加してもよい。
【００５１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯器に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空調装置や冷蔵装置等のその他の装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】ｐ−ｈ線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図５】ｐ−ｈ線図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る給湯器の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…水冷媒熱交換器、３０…第１蒸発器、
４０…エジェクタ、５０…気液分離器、６０…第２蒸発器。

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放熱器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させる第１蒸発器（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第１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前記圧縮機（１０）の吸入側圧力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第１蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）と、
前記エジェクタ（４０）と前記気液分離器（５０）とを繋ぐ冷媒回路に設けられ、前記エジェクタ（４０）から流出した液相冷媒を蒸発させる第２蒸発器（６０）とを備えることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
前記気液分離器（５０）と前記圧縮機（１０）とを繋ぐ冷媒回路に、冷媒を加熱する加熱器（７０）が設けら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。
前記加熱器（７０）は、雰囲気と冷媒とを熱交換することにより冷媒を加熱す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。
前記圧縮機（１０）に吸引される冷媒と前記放熱器（２０）から流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器（８０）を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記圧縮機（１０）の吐出圧は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒として、二酸化炭素が用いら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。
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にて給湯水を加熱することを特徴とする給湯器。