JP2005009757A - エジェクタサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】可変絞り装置のダイヤフラムが破損してしまうことを防止する。
【解決手段】ノズル４１の冷媒流れ上流側に気液二相域まで減圧膨脹させる可変絞り装置６０を設け、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲になるように可変絞り装置６０の絞り開度を制御するとともに、可変絞り装置６０を外部均圧式温度膨張弁と同様な構成とする。これにより、ノズル効率及びエジェクタ効率を高めながら、広範囲の負荷変動に対応することができる。さらに、可変絞り装置６０を外部均圧式温度膨張弁と同様な構成ととしたので、背圧室に封入するガスの圧力変化特性を最適にすることが容易になるとともに、ダイヤフラムが圧力差により破損してしまうことを未然に防止できる。
【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、周知のごとく、エジェクタ内のノズル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。
【０００３】
ところで、ノズルは圧力エネルギーを速度エネルギーに変換するものであるが、ノズルを通過する冷媒は、飽和液線を跨ぐようにして減圧されるため、ノズルの途中で冷媒が気液二相状態となり、ノズルの喉部（ノズル内において最も断面積が小さくなる部位）の壁面近傍において冷媒が沸騰する。一方、ノズルの内壁から離れた中央部においては、冷媒が沸騰し難いため、冷媒の液滴を微粒化することが難しく、ノズル効率及びエジェクタ効率の低下をもたらす要因となっている。
【０００４】
この問題に対して、従来は、ノズルの上流側に開度が固定された固定絞りを配置することより、固定絞りとノズル（エジェクタ）との２段にて冷媒を減圧している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
つまり、初段のノズル（この例では、固定絞り）にて冷媒を一度沸騰させ、二段目のノズル（この例では、エジェクタのノズル）の入口部にて冷媒を拡大させて圧力を回復させることにより、沸騰核を生成させたまま二段目のノズルにて沸騰させるものである。
【０００６】
このため、この二段絞り方式では、二段目のノズルにおける冷媒の沸騰を促進することができるので、ノズルの内壁から離れた中央部においても冷媒を沸騰させることができ、冷媒の液滴を微粒化してノズル効率及びエジェクタ効率を向上させることができる。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の発明では、一段目の絞りが固定絞りであるため、流量調整ができず、負荷変動対応範囲が非常に小さくなってしまうという問題点がる。
【０００８】
また、他の従来技術では、圧縮機の回転数に基づいてノズルの上流側に設けた可変絞り装置の開度を制御している（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
しかし、冷媒流量は、圧縮機の回転数のみで決定するものではなく、外気温度や内気温度等の熱負荷によっても大きく変化するため、圧縮機の回転数に基づいて可変絞り装置の開度を制御すると、精度良くエジェクタサイクルを制御することが難しい。
【００１０】
また、圧縮機の回転数に基づいて可変絞り装置の開度を制御する場合には、高圧側圧力が異常に上昇することを防止するために、圧縮機の回転数のみで冷媒流量が決定しないことから圧縮機の回転数から推定される流量に対して比較的に大きな余裕を見込んで絞り開度を決定する必要がある。
【００１１】
このため、特許文献２に記載の発明では、熱負荷が低く流量が小さいときには、り開度が大きなりすぎるため、低圧側冷媒圧力、つまり蒸発圧力が下がらず、十分な冷凍能力が発生しないという問題がある。
【００１２】
そこで、出願人は、図５に示すように、ノズル４１の冷媒流れ上流側に気液二相域まで減圧膨脹させる可変絞り装置６０を設け、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲になるように可変絞り装置６０の絞り開度を制御することにより、ノズル効率及びエジェクタ効率を高めながら、広範囲の負荷変動に対応することができるようにした発明（特願２００２−２０２７２４号）を既に出願している。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平５−０２６５２２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６は、上記出願に基づいて、発明者等が試作検討した可変絞り装置６０の構造を示す模式図であり、この可変絞り装置６０は、絞り開度を変化させる弁体６１、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度を感知して内圧が変化する背圧室６２を構成する薄膜状のダイヤフラム６３、弁体６１とダイヤフラム６３とを連結してダイヤフラム６３の変位を弁体６１に伝える連接棒６４、及び背圧室６２の体積を縮小させる向きのバネ圧を作用させるバネ６５等からなるものである。
【００１６】
そして、背圧室６２には、循環する冷媒と同じ冷媒が所定の液密度に封入されているため、背圧室６２内の圧力は、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度における飽和ガス圧となるように変化する。
【００１７】
したがって、ダイヤフラム６３は、背圧室６２内の圧力、つまり蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度における飽和ガス圧とダイヤフラム６３を挟んで背圧室６２と反対側に作用する冷媒圧及びバネ圧とが釣り合うように変位する。
【００１８】
このため、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲になるようなバネ圧を選定すれば、冷媒過熱度が所定範囲になるように可変絞り装置６０の絞り開度を制御することができる。
【００１９】
しかし、図３に示すように、１段目の絞り、つまり可変絞り装置６０にて減圧された冷媒の圧力は、背圧室６２内の圧力に比べて非常に高いため、背圧室６２に封入するガスの圧力変化特性を最適にすることが難しいばかりか、ダイヤフラム６３が圧力差により破損してしまうおそれがある。
【００２０】
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、可変絞り装置のダイヤフラムが破損してしまうことを防止することを目的とする。
【００２１】
【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、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２０）と、冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する蒸発器（３０）と、放熱器（２０）の冷媒出口側に設けられ、蒸発器（３０）の冷媒出口側における冷媒の過熱度に応じて絞り開度を変化させる可変絞り装置（６０）と、可変絞り装置（６０）から流出した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により蒸発器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、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昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（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するとともに、気相冷媒の流出口が圧縮機（１０）の吸入側に接続され、液相冷媒の流出口が蒸発器（３０）側に接続された気液分離器（５０）とを備え、可変絞り装置（６０）は、変位することにより絞り開度を変化させる弁体（６１）、弁体（６１）を変位させるとともに、蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒温度を感知して内圧が変化する背圧室（６２）を構成する薄膜状のダイヤフラム（６３）、及び、ダイヤフラム（６３）を挟んで背圧室（６２）と反対側に、蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒圧力を導く圧力導入手段（６７）を有して構成されていることを特徴とする。
【００２２】
これにより、ダイヤフラム（６３）を挟んで背圧室（６２）と反対側の圧力、つまり蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒圧力は、可変絞り装置（６０）にて減圧された冷媒の圧力より低いので、ダイヤフラム（６３）に作用する圧力差が試作検討品に係る可変絞り装置（６０）に比べて小さくなる。
【００２３】
したがって、背圧室（６２）に封入するガスの圧力変化特性を最適にすることが容易になるとともに、ダイヤフラム（６３）が圧力差により破損してしまうことを未然に防止できる。
【００２４】
請求項２に記載の発明では、背圧室（６２）に蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒温度を伝達する温度伝達手段（６４）を有すことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項３に記載の発明では、冷媒として、フロンが用いられていることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項４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。
【００２７】
請求項５に記載の発明では、冷媒として、炭化水素が用いられていることを特徴とするものである。
【００２８】
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。
【００２９】
【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、食品や飲料等を冷蔵・冷凍保存するショーケース又は食品や飲料等を冷蔵・冷凍保存して輸送する冷凍車用の蒸気圧縮式冷凍機に適用したものであって、図１はエジェクタサイクルの模式図である。
【００３０】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮する電動式の圧縮機であり、凝縮器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却凝縮する放熱器をなす高圧側熱交換器である。
【００３１】
また、蒸発器３０は、ショーケース内に吹き出す空気と低圧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、エジェクタ４０は凝縮器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エジェクタである。
【００３２】
そして、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、駆動流の運動量と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、以下、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】
可変絞り装置６０は、凝縮器２０とエジェクタ４０との間の冷媒通路、つまりノズル４１の冷媒流れ上流側に設けられて凝縮器２０から流出した高圧冷媒を気液二相域まで減圧膨脹させる膨脹弁であり、この可変絞り装置６０は、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲（例えば、０．１ｄｅｇ〜１０ｄｅｇ）になるように絞り開度を制御するものである。
【００３８】
具体的には、図２に示すように、絞り開度を変化させる弁体６１、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度を感知して内圧が変化する背圧室６２を構成する薄膜状のダイヤフラム６３、弁体６１とダイヤフラム６３とを連結してダイヤフラム６３の変位を弁体６１に伝える連接棒６４、背圧室６２の体積を縮小させる向きのバネ圧を作用させるバネ６５、及びダイヤフラム６３を挟んで背圧室６２と反対側の圧力室６６に蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒圧力を導く圧力導入手段をなす外均管６７等からなるものである。
【００３９】
なお、背圧室６２は、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度を感知する感温筒６２ａと連通しており、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度は感温筒６２ａを介して背圧室６２に伝達される。
【００４０】
因みに、弁体６１、ダイヤフラム６３及び連接棒６４等はステンレス等の金属製であり、背圧室６２や冷媒通路を構成するバルブボディ６９はアルミニウム等の金属製である。
【００４１】
また、連接棒６４は圧力室６６を貫通して弁体６１まで延びているので、圧力室６６とノズル４１に至る冷媒通路とは、Ｏリング６４ａ等のシール材により気密に密閉されている。
【００４２】
また、調整ねじ６８は、可変絞り装置６０の製造バラツキを吸収しながら、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲となるようになバネ圧をダイヤフラム６３に作用させる調節手段である。
【００４３】
因みに、本実施形態では、可変絞り装置６０のバルブボディ６９をエジェクタ４０と一体化して、可変絞り装置６０及びエジェクタ４０等からなる減圧部の小型化を図っている。
【００４４】
次に、可変絞り装置６０の作動を述べる。
【００４５】
背圧室６２には、循環する冷媒と同じ冷媒が所定の液密度に封入されているため、背圧室６２内の圧力は、蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度における飽和ガス圧となるように変化する。
【００４６】
したがって、ダイヤフラム６３は、背圧室６２内の圧力Ｐｆ、つまり蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度における飽和ガス圧と圧力室６６内の圧力Ｐｏ及びバネ圧Ｆｐとが釣り合うように変位する。このとき、蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲になるようなバネ圧を選定されているので、冷媒過熱度が所定範囲になるように可変絞り装置６０の絞り開度を制御される。
【００４７】
つまり、蒸発器３０内の圧力、つまり蒸発器３０での熱負荷が高くなって蒸発器３０出口側における冷媒過熱度が大きくなったときには、可変絞り装置６０の絞り開度を小さくしてノズル４１から噴射される駆動流の流速を大きくすることにより、吸引流、つまり蒸発器３０を循環する冷媒量を増大させ、逆に、蒸発器３０内の圧力が低下して蒸発器３０出口側における冷媒過熱度が小さくなったときには、可変絞り装置６０の開度を大きくしてノズル４１から噴射される駆動流の流速を小さくして、吸引流、つまり蒸発器３０を循環する冷媒量を減少させる。
【００４８】
次に、本実施形態に係るエジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００４９】
圧縮機１０を作動させて、圧縮機１０から吐出した冷媒を凝縮器２０側に循環させる。これにより、凝縮器２０にて冷却された高圧冷媒は、可変絞り装置６０にて等エンタルピ的に気液二相域まで減圧された後、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。
【００５０】
このとき、本実施形態では、可変絞り装置６０にて冷媒を一度沸騰させ、ノズル４１の入口部にて冷媒を拡大させて圧力を回復させることにより、沸騰核を生成させたまま二段目のノズルにて沸騰させることができるので、ノズル４１における冷媒の沸騰を促進することができ、冷媒の液滴を微粒化してエジェクタ効率ηｅを向上させることができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側冷媒圧力、つまりノズル４１に流入する冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以下としている。
【００５２】
一方、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（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）により、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→逆止弁５１→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００５３】
そして、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気液分離器５０に戻る。
【００５４】
したがって、本実施形態では、十分な冷凍能力を発揮させながらノズル効率及びエジェクタ効率を高め、かつ、広範囲の負荷変動に対応することができる。
【００５５】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５６】
本実施形態では、前述のごとく、背圧室６２内の圧力Ｐｆ、つまり蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒温度における飽和ガス圧と、圧力室６６内の圧力Ｐｏとバネ圧Ｆｐとの和とが釣り合うようにダイヤフラム６３が変位する。
【００５７】
このとき、圧力室６６内の圧力、つまり蒸発器３０の冷媒出口側の冷媒圧力は、図３に示すように、可変絞り装置６０にて減圧された冷媒の圧力より低いので、ダイヤフラム６３に作用する圧力差が試作検討品に係る可変絞り装置６０に比べて小さくなる。
【００５８】
したがって、背圧室６２に封入するガスの圧力変化特性を最適にすることが容易になるとともに、ダイヤフラム６３が圧力差により破損してしまうことを未然に防止できる。
【００５９】
（第２実施形態）
第１実施形態では、感温筒６２ａを介して蒸発器出口側の冷媒温度を背圧室６２まで導いたが、本実施形態は、図４に示すように、連接棒６４の一部が吸引流が流れる冷媒通路、つまり蒸発器３０の冷媒出口とエジェクタ４０の蒸発器３０側流入口とを繋ぐ冷媒通路中に晒すことにより、蒸発器出口側の冷媒温度を感知するもである。
【００６０】
つまり、連接棒６４のうち、少なくとも冷媒通路中に晒される部分を銅等の熱伝導率の高い材質として温度伝達部（温度伝達手段）を構成するとともに、連接棒６４及びダイヤフラム６３を介して蒸発器出口側の冷媒温度を背圧室６２に伝達する。
【００６１】
また、連接棒６４のうち温度伝達部をなす部分周りは、蒸発器３０の出口側冷媒が満たされた圧力室６６となることから、本実施形態では、外均管６７を廃止している。
【００６２】
なお、封入管６２ａは冷媒封入用の管である。
【００６３】
以上に述べたように、本実施形態では、可変絞り装置６０の構成を簡素な構成とすることができるので、エジェクタサイクルの製造原価を低減することができる。
【００６４】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明を食品や飲料等を冷蔵・冷凍保存するショーケースに適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば空調装置等に適用してもよい。
【００６５】
また、上述の実施形態では、冷媒をフロンとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば炭化水素（ＨＣ）としてもよい。
【００６６】
また、上述の実施形態では、高圧側冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以下としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側冷媒圧力を冷媒の臨界圧力より高くしてもよい。なお、この場合の冷媒としては、二酸化炭素等の自然冷媒が望ましい。
【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実施形態に係る可変絞り装置の説明図である。
【図３】ｐ−ｈ線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る可変絞り装置の説明図である。
【図５】従来の技術に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図６】従来の技術に係る可変絞り装置の説明図である。
【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、６０…可変絞り装置。

Claims (5)

1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２０）と、
   冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する蒸発器（３０）と、
   前記放熱器（２０）の冷媒出口側に設けられ、前記蒸発器（３０）の冷媒出口側における冷媒の過熱度に応じて絞り開度を変化させる可変絞り装置（６０）と、
   前記可変絞り装置（６０）から流出した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）、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蒸発器（３０）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（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昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（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するとともに、気相冷媒の流出口が前記圧縮機（１０）の吸入側に接続され、液相冷媒の流出口が前記蒸発器（３０）側に接続された気液分離器（５０）とを備え、
   前記可変絞り装置（６０）は、
   変位することにより絞り開度を変化させる弁体（６１）、
   前記弁体（６１）を変位させるとともに、前記蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒温度を感知して内圧が変化する背圧室（６２）を構成する薄膜状のダイヤフラム（６３）、
   及び、前記ダイヤフラム（６３）を挟んで前記背圧室（６２）と反対側に、前記蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒圧力を導く圧力導入手段（６７）を有して構成されていることを特徴とするエジェクタサイクル。
2. 前記背圧室（６２）に前記蒸発器（３０）の冷媒出口側の冷媒温度を伝達する温度伝達手段（６４）を有す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. 冷媒として、フロンが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエジェクタサイクル。
4. 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又は２に記載のエジェクタサイクル。
5. 冷媒として、炭化水素が用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエジェクタサイクル。

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