JP2014190562A - 冷凍サイクル及び冷却機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 エジェクタを備える冷凍サイクルにおいて、エジェクタの吸引圧＜出口圧の条件、及び、吸引圧＞出口圧の条件で、それぞれ最適な動作を得る。
【解決手段】 冷媒は、圧縮機１から、凝縮器２、熱交換器３（一次側通路３ａ）、第１の減圧手段４を経て、蒸発器５に至る。冷媒の一部は、熱交換器３の一次側通路３ａの下流側から分岐し、第２の減圧手段６、熱交換器３の二次側通路３ｂを経て、エジェクタ７の駆動流となる。エジェクタ７は、前記駆動流により、蒸発器５からの冷媒を吸引し、圧縮機１へ送る。ここで、蒸発器５からエジェクタ７をバイパスして圧縮機１へ冷媒を供給するバイパス通路８と、エジェクタ７の吸引圧及び出口圧に応じてバイパス通路８を開閉する開閉手段（逆止弁）９と、が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、省エネ（動力回収）用に蒸発器と圧縮機との間にエジェクタを備える冷凍サイクル、並びに、この冷凍サイクルを備える冷蔵ショーケース、自動販売機等の冷却機器に関する。

従来の冷凍サイクルとして、特許文献１に示されるものがある。
特許文献１（その図１）に示される冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、互いに熱交換可能な一次側及び二次側通路を有し、前記凝縮器で凝縮された冷媒を一次側通路に流して冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された冷媒を減圧する第１の減圧手段と、前記第１の減圧手段を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記熱交換器の一次側通路の上流側から分岐した分岐通路に設けられて冷媒を減圧し前記熱交換器の二次側通路に供給する第２の減圧手段と、前記第２の減圧手段から前記熱交換器の二次側通路を通過した冷媒を駆動流、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流として、これらの冷媒を混合し、前記圧縮機に供給するエジェクタと、を含んで構成される。

特許文献１（その図５）に示される冷凍サイクルは、更に、前記蒸発器から前記エジェクタをバイパスして前記圧縮機へ冷媒を供給するバイパス通路と、前記蒸発器からの冷媒を前記エジェクタ側又は前記バイパス通路側のいずれか一方へ選択的に流す切換手段と、を含んで構成される。

特開２００８−８２６９３号公報

ところで、エジェクタを備える冷凍サイクルは、本来、エジェクタの高圧の駆動流を用いて、低圧の吸引流を牽引することで、エジェクタの吸引圧（蒸発器の出口圧）に比べてエジェクタの出口圧（圧縮機の入口圧）を高め、これにより圧縮機の効率向上を図っている。

しかし、エジェクタの形状とシステムの運転条件の変化とによって、エジェクタの吸引圧より、出口圧の方が高くなる場合と、低くなる場合とがある。特にエジェクタの駆動流として用いるのは冷媒の一部であり、吸引流の流量に比べて駆動流の流量が小さいため、昇圧できる条件は限られてしまう。

吸引圧＜出口圧の場合は、エジェクタが正常に動作している本来の狙いの状態であり、蒸発器からエジェクタをバイパスして圧縮機へ冷媒を供給するバイパス通路が無い方が省エネ効果が高い。

吸引圧＞出口圧の場合は、エジェクタ形状と運転条件とのマッチングが悪い状態である。かかる場合は、バイパス通路が有効で、バイパス通路が無い場合は著しく省エネ性能が低下する。

尚、特許文献１には、バイパス通路とその切換手段とが開示されているが、エジェクタの吸引圧及び出口圧に応じて切換えることは開示されていない。また、冷媒をバイパス通路側へ流す場合であっても、一部の冷媒はエジェクタ内部を流れるため、エジェクタ側への流れを完全に停止させてしまうのは、圧力損失低減のうえでデメリットとなる。

本発明は、このような実状に鑑み、エジェクタの吸引圧＜出口圧の条件、及び、吸引圧＞出口圧の条件で、それぞれ最適な動作が得られる冷凍サイクルを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、互いに熱交換可能な一次側及び二次側通路を有し、前記凝縮器で凝縮された冷媒を一次側通路に流して冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された冷媒を減圧する第１の減圧手段と、前記第１の減圧手段を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記熱交換器の一次側通路の下流側若しくは上流側から分岐した分岐通路に設けられて冷媒を減圧し前記熱交換器の二次側通路に供給する第２の減圧手段と、前記第２の減圧手段から前記熱交換器の二次側通路を通過した冷媒を駆動流、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流として、これらの冷媒を混合し、前記圧縮機に供給するエジェクタと、前記蒸発器から前記エジェクタをバイパスして前記圧縮機へ冷媒を供給するバイパス通路と、前記エジェクタの吸引圧及び出口圧に応じて前記バイパス通路を開閉する開閉手段と、を含んで構成される。

本発明によれば、前記エジェクタの吸引圧及び出口圧に応じて前記バイパス通路を開閉することにより、吸引圧＜出口圧のときは前記バイパス通路を閉じ、吸引圧＞出口圧のときに前記バイパス通路を開くことが可能となる。

従って、吸引圧＜出口圧で、前記エジェクタが本来の機能を発揮しているときは、前記バイパス通路を閉じ、前記バイパス通路に逆流が生じるのを防止することができる。

また、吸引圧＞出口圧で、前記エジェクタが本来の機能を発揮していないときは、前記バイパス通路を開くことで、前記圧縮機への必要最低限の冷媒供給を可能とすることができる。また、このとき、前記蒸発器側から前記エジェクタ側への流れについては規制しないので、圧力損失の低減につなげることができる。

本発明の一実施形態を示す冷凍サイクルの概略構成図 同上実施形態での冷媒の状態を示すモリエル線図 同上実施形態でのエジェクタの断面図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す冷凍サイクルの概略構成図である。

この冷凍サイクルは、圧縮機（コンプレッサ）１と、凝縮器（コンデンサ）２と、熱交換器３と、第１の減圧手段４と、蒸発器（エバポレータ）５と、第２の減圧手段６と、エジェクタ７と、バイパス通路８と、開閉手段としての逆止弁９と、を含んで構成される。

圧縮機１は、気体冷媒を圧縮して高温高圧となった冷媒を吐出する。この圧縮機１は、モータやエンジンなどの駆動源（図示せず）により駆動される。
この圧縮機１により気体冷媒が断熱圧縮されて昇圧されると、冷媒の状態は、図２のモリエル線図において、等エントロピー線Ａに沿ってｈからａまで移動する。

凝縮器２は、圧縮機１の吐出側に設けられる。凝縮器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒を外気との熱交換により冷却し、液化する。凝縮器２は、ファンを備えており、ファンにより送風することで冷媒と外気との熱交換を促進させることができる。尚、凝縮器２は、冷媒を冷却可能であればよく、外気との熱交換に限らず、熱交換流体やその他の方法によるものでもよい。
この凝縮器２により冷媒が冷却されると、冷媒の状態は、図２において、等圧力線Ｂに沿ってａからｂまで移動する。凝縮器２が正常に動作している場合、冷媒は過冷却液となり、前記ｂは、飽和液線αより左側の領域にプロットされる。

熱交換器３は、凝縮器２の下流側に設けられる。熱交換器３は、凝縮器２を通過した冷媒をさらに冷却するためのカスケード熱交換器（内部熱交換器）である。熱交換器３は、互いに熱交換可能な一次側通路３ａと二次側通路３ｂとを有し、凝縮器２で凝縮された冷媒を一次側通路３ａに流して冷却する。
この熱交換器３により冷媒が冷却されると、冷媒の状態は、図２において、等圧力線Ｂに沿ってｂからｃまで移動する。したがって、凝縮器２周辺の外気が高温となったり、凝縮器２の性能が低下することにより、凝縮器２を通過した冷媒が十分に冷却されなかった場合であっても、冷媒を確実に過冷却液にすることができる。

熱交換器３の一次側通路３ａの下流側は冷媒配管１１と冷媒配管１２とに分岐している。言い換えれば、熱交換器３の一次側通路３ａの出口と後述する第１の減圧手段４との間（冷媒配管１１）から分岐通路（冷媒配管１２）が分岐している。

第１の減圧手段４は、熱交換器３の一次側通路３ａの下流側の冷媒配管１１に設けられる。第１の減圧手段４は、熱交換器３で冷却されて冷媒配管１１を流れる冷媒を、例えば流量を調整することにより、減圧する。この第１の減圧手段４は、冷媒を減圧可能であればよく、例えば、減圧弁、膨張弁又はキャピラリチューブ等を使用してもよい。
第１の減圧手段４により冷媒が減圧されると、冷媒の状態は、等比エンタルピー線Ｃに沿ってｃからｄまで移動する。尚、ｄ点での気体冷媒と液冷媒との比は、図２中のｒ１：ｒ２であり、熱交換器３による冷却（ｂ→ｃ）で、液冷媒の比率を大きくできていて、後述する蒸発器５での効率向上を実現できることがわかる。

蒸発器５は、第１の減圧手段４の下流側に設けられている。蒸発器５は、第１の減圧手段４を通過した冷媒を蒸発させる。蒸発器５は、このときに蒸発熱を奪うことで、冷蔵ショーケースや自動販売機等の冷却機器において、必要各部を冷却することができる。
蒸発器５により冷媒が気化すると、冷媒の状態は、図２において、等圧力線Ｄに沿ってｄからｅまで移動する。冷媒は過熱蒸気となり、ｅは飽和蒸気線βより右側の領域にプロットされる。

第２の減圧手段６は、熱交換器３の一次側通路３ａの下流側の冷媒配管１２、すなわち熱交換器３の一次側通路３ａの下流側から分岐した分岐通路（冷媒配管１２）に設けられる。第２の減圧手段６は、熱交換器３で冷却されて冷媒配管１２へ分岐した一部の冷媒を、例えば流量を調整することにより、減圧する。この第２の減圧手段６も、冷媒を減圧可能であればよく、例えば、減圧弁、膨張弁又はキャピラリチューブ等を使用してもよい。
第２の減圧手段６により冷媒が減圧されると、冷媒の状態は、等比エンタルピー線Ｃに沿ってｃからｆまで移動する。

第２の減圧手段６の出口側は熱交換器３の二次側通路３ｂに接続されている。従って、第２の減圧手段は、熱交換器３にて冷却された冷媒の一部を減圧し、熱交換器３の一次側通路３ａを流れる冷媒を冷却するために、熱交換器３の二次側通路３ｂに供給する。これにより、二次側通路３ｂの冷媒は熱を得て気化し、一次側通路３ａの冷媒は熱を奪われて冷却される。
熱交換器３の二次側通路３ｂで冷媒が気化すると、冷媒の状態は、図２において、等圧力線Ｅに沿ってｆからｇまで移動する。冷媒は過熱蒸気となり、ｇは飽和蒸気線βより右側の領域にプロットされる。

エジェクタ７は、蒸発器５の下流側で、かつ熱交換器３の二次側通路３ｂの下流側に設けられている。エジェクタ７は、第２の減圧手段６から熱交換器３の二次側通路３ｂを通過した冷媒（気体）を駆動流、蒸発器５を通過した冷媒（気体）を吸引流として、これらの冷媒を混合し、圧縮機１に供給する。

エジェクタ７は、具体的には、図３に示すように、ノズル７１と、吸引部７２と、混合部７３と、ディフューザ７４と、を含んで構成される。

ノズル７１は、差圧を発生させるための駆動流の導入口であり、熱交換器３の二次側通路３ｂからの配管が接続されている。熱交換器３を通過した気体冷媒は、ノズル７１から駆動流として導入される。この駆動流は、ノズル７１により加速され、減圧される。
この減圧により生じた差圧により、吸引部７２から吸引流が導入される。この吸引部７２は、吸引流を導入するための導入口であり、蒸発器５からの配管が接続されている。蒸発器５を通過した気体冷媒は、吸引部７２から吸引流として導入される。

上記駆動流及び吸引流は、混合部７３で混合される。混合部７３で混合された駆動流と吸引流とは、昇圧されてディフューザ７４に送られる。
上記混合された冷媒は、混合部７３から下流側に向けて径が拡大するように形成されたディフューザ７４で減速され、さらに昇圧される。このディフューザ７４は、圧縮機１への配管と接続されており、昇圧された冷媒は、圧縮機１に供給される。このように、エジェクタ７を使用することにより、成績係数（ＣＯＰ；coefficient of performance）を向上させることができる。

エジェクタ７から冷媒が吐出されると、冷媒の状態は、図２において、ｈの状態となる。冷媒はその後、再び圧縮機１に供給され、上記の冷凍サイクルを繰り返す。

バイパス通路８は、蒸発器５の出口側と圧縮機１の吸入側との間にエジェクタ７をバイパスして設けられる。従って、バイパス通路８は、蒸発器５からの冷媒をエジェクタ７をバイパスして圧縮機１に供給可能である。

開閉手段９は、バイパス通路８に設けられて、エジェクタ７の吸引圧Ｐ１及び出口圧Ｐ２に応じて開閉する。より詳しくは、開閉手段９は、エジェクタ７の吸引圧Ｐ１＞出口圧Ｐ２のときにのみバイパス通路８を開放する。従って、吸引圧Ｐ１＜出口圧Ｐ２のときはバイパス通路８を閉じる。

より具体的には、開閉手段９としては、逆止弁（一方向弁）を用いる。開閉手段としての逆止弁９は、バイパス通路８に設けられて、蒸発器５側から圧縮機１側への流れのみを許容し、圧縮機１側（エジェクタ７の出口側）から蒸発器５側への逆流を阻止する。

ここにおいて、エジェクタ７が正常に動作して、エジェクタ７の吸引圧Ｐ１＜出口圧Ｐ２となっている場合は、バイパス通路８を通さない方が省エネ効果が向上する。従って、この場合は開閉手段９がバイパス通路８を閉止する。
開閉手段として逆止弁９を用いる場合は、吸引圧Ｐ１＜出口圧Ｐ２ゆえ、バイパス通路８において圧縮機１側から蒸発器５側への逆流が生じようとするが、この逆流は逆止弁９により阻止される。従って、逆止弁９は自動的にバイパス通路８を閉止する。尚、本発明者らの実験によれば、吸引圧＜出口圧のときにバイパス通路を閉止することで、２〜３％の省エネ性能向上を確認している。

エジェクタ７が本来の機能を発揮せず、エジェクタ７の吸引圧Ｐ１＞出口圧Ｐ２の場合は、バイパス通路８を通さないと著しい性能低下が起こってしまう。エジェクタシステムとしては、バイパス無しで常に最高性能を出すのが理想であるが、季節などの影響を受け、変化する運転条件の全てにおいて、吸引圧＜出口圧となる状態を維持するのは困難であり、バイパス通路を用いて、システムの頑健性を確保することは避けられない。従って、エジェクタ７の吸引圧Ｐ１＞出口圧Ｐ２の場合は、開閉手段９がバイパス通路８を開放する。
開閉手段として逆止弁９を用いる場合は、吸引圧Ｐ１＞出口圧Ｐ２ゆえ、バイパス通路８において蒸発器５側から圧縮機１側への流れを生じ、この流れは逆止弁９にて許可される。従って、逆止弁９は自動的にバイパス通路８を開放する。
また、冷媒がバイパス通路８を流れたときであっても、一部の冷媒はエジェクタ７の内部を通るため、エジェクタ７がない回路よりも蒸発器５の出口から圧縮機１の入口までの圧力損失が低減される。このことも本発明者らの実験により確認されている。

本実施形態では、開閉手段として、特に逆止弁９を用いることで、エジェクタ７の吸引圧＞出口圧となるときにだけ、自動的にバイパス通路８を開いて冷媒が流れるようになるため、特別な制御を必要とせずに、様々な条件で最適な回路を構成でき、システムの総合的な性能向上と頑強性の確保とを期待できる。
但し、開閉手段として、電磁弁など、一般的な開閉弁を用い、エジェクタの吸引圧Ｐ１及び出口圧Ｐ２をそれぞれ検出する圧力センサを設けて、検出した圧力がＰ１＞Ｐ２のときに開閉弁を開き、Ｐ１＜Ｐ２のときに開閉弁を閉じるようにしてもよい。

また、本実施形態では、熱交換器３の一次側通路３ａの下流側から分岐した分岐通路（冷媒通路１２）に第２の減圧手段６を設けて、この第２の減圧手段６の出口側を熱交換器３の二次側通路３ｂに接続したが、特許文献１と同様に、熱交換器３の一次側通路３ａの上流側から分岐した分岐通路に第２の減圧手段を設けて、この第２の減圧手段の出口側を熱交換器３の二次側通路３ｂに接続してもよい。但し、本実施形態のように構成することで、熱交換器３で冷却した冷媒を減圧して熱交換器３での冷却に用いるため、熱交換器３での冷却性能をより向上させることができる。

本実施形態の冷凍サイクルは、冷蔵ショーケース、自動販売機などの冷却機器に好適に用いることができ、産業上の利用可能性は大である。この場合は、冷凍サイクル中の蒸発器５を冷却源として用いることは言うまでもない。

また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 熱交換器
４ 第１の減圧手段
５ 蒸発器
６ 第２の減圧手段
７ エジェクタ
８ バイパス通路
９ 開閉手段としての逆止弁
１１ 冷媒配管
１２ 冷媒配管（分岐通路）

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   互いに熱交換可能な一次側及び二次側通路を有し、前記凝縮器で凝縮された冷媒を一次側通路に流して冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器で冷却された冷媒を減圧する第１の減圧手段と、
   前記第１の減圧手段を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記熱交換器の一次側通路の下流側若しくは上流側から分岐した分岐通路に設けられて冷媒を減圧し前記熱交換器の二次側通路に供給する第２の減圧手段と、
   前記第２の減圧手段から前記熱交換器の二次側通路を通過した冷媒を駆動流、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流として、これらの冷媒を混合し、前記圧縮機に供給するエジェクタと、
   前記蒸発器から前記エジェクタをバイパスして前記圧縮機へ冷媒を供給するバイパス通路と、
   前記エジェクタの吸引圧及び出口圧に応じて前記バイパス通路を開閉する開閉手段と、
   を含んで構成される、冷凍サイクル。
2. 前記開閉手段は、前記エジェクタの吸引圧が出口圧より大きいときにのみ前記バイパス通路を開放することを特徴とする、請求項１記載の冷凍サイクル。
3. 前記開閉手段は、前記蒸発器側から前記圧縮機側への流れのみを許容する逆止弁であることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の冷凍サイクル。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の冷凍サイクルを備え、前記蒸発器を冷却源とする冷却機器。