JP2014190580A - 直膨式冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機における無駄な仕事をなくして、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる直膨式冷却装置を提供すること。
【解決手段】直膨式冷却装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４及び蒸発器５の他に、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２を気液分離する気液分離器３１、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプ６１、昇圧ポンプ６１によって昇圧された冷媒Ｃ２を昇温する昇温手段６２、及び昇温手段６２から凝縮器３の入口へ冷媒Ｃ１を供給するエジェクタ７を備えている。エジェクタ７は、昇温手段６２によって昇温された冷媒Ｃ０が駆動流として流入する際に、気液分離器３１によって分離された気相冷媒Ｃ１を取り出し、これを吸引流として吸引し、この吸引流と駆動流との混合によって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる冷媒配管８Ａに合流させるよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を膨張させる際に熱を奪う直膨式冷却装置に関する。

種々の建物においては、冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器に循環させて、蒸発器において蒸発潜熱を利用して室内を冷却する直膨式のヒートポンプが多用されている。
例えば、特許文献１の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置においては、冷房運転をする際に、凝縮器から膨張弁へ送られる冷媒を分流してエジェクタの駆動流とし、蒸発器からの戻り冷媒をエジェクタの吸引流としている。そして、エジェクタにおいて合流する駆動流と吸引流との混合流を気液分離装置に導入し、気液分離装置において分離された気相冷媒をコンプレッサに導入するとともに、気液分離装置において分離された液相冷媒を蒸発器に導入している。これにより、エジェクタによるヒートポンプのサイクル効率の向上を図っている。

特開２００６−３０８１８１号公報

しかしながら、上記特許文献１の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置においては、コンプレッサによって圧縮された後の冷媒の一部を、エジェクタ及び気液分離装置を経由して再びコンプレッサに導入している。そのため、コンプレッサにおいて重複して冷媒が圧縮されることになり、冷媒の循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生する。
また、エジェクタへの駆動流は、凝縮器から直接導入されるため、この駆動流の増速幅が小さい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、圧縮機における無駄な仕事をなくして、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる直膨式冷却装置を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を気液分離する気液分離器と、
該気液分離器によって分離された液相冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
上記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプと、
該昇圧ポンプによって昇圧された冷媒を昇温する昇温手段と、
該昇温手段によって昇温された冷媒が駆動流として流入する際に、上記気液分離器によって分離された気相冷媒を取り出して吸引流として吸引し、該吸引によって生じる混合冷媒を、上記圧縮機から上記凝縮器に繋がる経路に合流させるエジェクタと、を備えていることを特徴とする直膨式冷却装置にある（請求項１）。

上記直膨式冷却装置においては、凝縮器によって凝縮された後の冷媒であって気液分離器によって分離された気相冷媒をエジェクタの吸引流とし、この吸引流と駆動流とによって生じる混合冷媒を、圧縮機から凝縮器に繋がる経路に合流させている。そのため、エジェクタから流出される混合冷媒が再び圧縮機を通過することがなく、冷媒の循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生しない。

また、昇圧ポンプは、凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して、圧縮機の圧縮圧力よりも高い適切な圧力に昇圧している。そして、この昇圧された冷媒を昇温手段によって昇温して、エジェクタの駆動流としている。そのため、高圧の冷媒をエジェクタの駆動流とすることができ、エジェクタの駆動流の流速を大幅に高めることができる。また、昇圧ポンプによる仕事は、凝縮器によって凝縮された液体状態の冷媒を昇圧する仕事となる。そのため、気体状態の冷媒を昇圧する場合に比べて、昇圧ポンプの仕事量を少なくすることができる。

さらに、直膨式冷却装置においては、気液分離器において分離された液相冷媒が膨張弁及び蒸発器に用いられる。そのため、気体状態の冷媒が蒸発器に供給される割合を減らすことができ、直膨式冷却装置の冷却能力を向上させることができる。
それ故、上記直膨式冷却装置によれば、圧縮機における無駄な仕事をなくして、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。

実施例にかかる、直膨式冷却装置の構成を示す説明図。 実施例にかかる、エジェクタの構造を模式的に示す説明図。 実施例にかかる、横軸に比エンタルピーをとり、縦軸に圧力をとって、直膨式冷却装置の動作をｐ−ｈ線図によって示すグラフ。

上述した直膨式冷却装置における好ましい実施の形態につき説明する。
上記直膨式冷却装置において、上記昇圧ポンプとしては、液体状態の冷媒を昇圧（加圧）する種々のポンプを用いることができる。また、上記昇圧手段は、昇圧ポンプによって昇圧された冷媒の圧力をほとんど維持しつつ、この冷媒を昇温する種々の機器とすることができる。

上記直膨式冷却装置においては、上記凝縮器から上記気液分離器に繋がる経路には、該凝縮器から該気液分離器に流れる冷媒を減圧する減圧弁が設けられていてもよい（請求項２）。
この場合には、凝縮器から気液分離器に流れる冷媒の圧力を減圧弁によって適切に減圧して、この冷媒を気液分離器において気液分離させることができる。

また、上記圧縮機は、エンジンに駆動されて作動するよう構成されており、上記昇温手段は、上記エンジンの排熱を用いて冷媒を昇温するエンジン排熱回収器であってもよい（請求項３）。
この場合には、エンジンによって圧縮機を作動させる際に、エンジン排熱回収器によってエンジンの排熱を回収することができ、直膨式冷却装置の全体のエネルギー効率をより向上させることができる。
なお、エンジンの排熱は、エンジンから排気される排気ガス、エンジンによって加温された冷却水等の熱エネルギーとすることができる。

以下に、直膨式冷却装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の直膨式冷却装置１は、図１に示すごとく、冷媒Ｃ１を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された冷媒Ｃ１を凝縮する凝縮器３と、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２を気液分離する気液分離器３１と、気液分離器３１によって分離された液相冷媒Ｃ２を膨張させる膨張弁４と、膨張弁４によって膨張された冷媒Ｃ２を蒸発させる蒸発器５と、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプ６１と、昇圧ポンプ６１によって昇圧された冷媒Ｃ２を昇温する昇温手段６２と、昇温手段６２から凝縮器３の入口へ冷媒Ｃ１を導くエジェクタ７とを備えている。

エジェクタ７は、昇温手段６２によって昇温された冷媒Ｃ０が駆動流として流入する際に、気液分離器３１によって分離された気相冷媒Ｃ１を取り出し、これを吸引流として吸引し、この吸引流と駆動流との混合によって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる経路としての冷媒配管８Ａに合流させるよう構成されている。
なお、本例においては、気体状態の冷媒をＣ１で示し、液体状態の冷媒をＣ２で示し、気液混合状態の冷媒をＣ０で示す。

以下に、本例の直膨式冷却装置１につき、図１〜図３を参照して詳説する。
図１に示すごとく、本例の直膨式冷却装置１は、ガスを燃料として稼動するガスエンジン１１によって圧縮機２を作動させるよう構成されたガスヒートポンプ（ＧＨＰ）による冷房空調装置を構成する。
圧縮機２は、渦巻き状の気体通路を形成する静翼に対して、渦巻き状の動翼を回転させて気体を圧縮するスクロール式コンプレッサである。凝縮器３は、圧縮機２から流入する気体状態の冷媒Ｃ１を液体状態に凝縮させる熱交換器によって構成されている。

気液分離器３１は、冷媒Ｃ２を気体と液体に分離して貯留するものであり、上層部に気相３１１を形成し、下層部に液相３１２を形成する。そして、気液分離器３１は、気相３１１を構成する気相冷媒Ｃ１をエジェクタ７の吸引流に、液相３１２を構成する液相冷媒Ｃ２を膨張弁４に送るように構成されている。
膨張弁４は、気液分離器３１の液相３１２から流入する液体状態の冷媒Ｃ２を噴出させて蒸発（気化）しやすい状態にするものである。蒸発器５は、膨張弁４によって蒸発しやすい状態になった冷媒Ｃ２を気体状態に蒸発させる熱交換器によって形成されている。圧縮機２、凝縮器３、気液分離器３１、昇圧ポンプ６１、昇温手段６２及びエジェクタ７は室外機として設置され、膨張弁４及び蒸発器５は室内機として設置されている。そして、直膨式冷却装置１は、蒸発器５における蒸発潜熱によって冷房運転を行い、室内を冷却するよう構成されている。

昇圧ポンプ６１は、液体状態の冷媒Ｃ２を高圧に昇圧する液ポンプによって構成されている。昇圧ポンプ６１は、凝縮器３の出口から取り出す冷媒Ｃ２を、圧縮機２によって圧縮される冷媒Ｃ１の出口圧力よりも高い圧力に昇圧するよう構成されている。
昇温手段６２は、ガスエンジン１１から排気される排気ガスを用いて冷媒Ｃ２を昇温するエンジン排熱回収器である。このエンジン排熱回収器によって、ガスエンジン１１から排気される排気ガスの排熱を回収することができる。なお、昇温手段６２によって昇温される冷媒Ｃ２は、完全に蒸発していることがあれば、ミスト状態になっていることもある。

図２に示すごとく、エジェクタ７は、駆動流を流入させる入口７０１側の通路に設けられたノズル７１と、吸引流を流入させる吸引入口７０２側の通路に設けられた拡散混合部７２と、拡散混合部７２によって混合される混合流（混合冷媒）Ｃ３を流出させる出口７０３に設けられたディフューザ７３とを有している。エジェクタ７においては、駆動流として入口７０１に流入する気体がノズル７１によって噴射されるときに、拡散混合部７２の圧力が低下し、この圧力低下によって吸引入口７０２から吸引流として気体が吸引される。そして、入口７０１から流入した気体と吸引入口７０２から流入した気体とが拡散混合部７２において混合され、ディフューザ７３を通って出口７０３へ流出される。

図１に示すごとく、圧縮機２と凝縮器３との間、凝縮器３と気液分離器３１との間、気液分離器３１の液相３１２と膨張弁４との間、膨張弁４と蒸発器５との間、蒸発器５と圧縮機２との間は、それぞれ冷媒配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅによって繋がれており、直膨式冷却装置１においては、冷媒Ｃ１，Ｃ２が循環する循環経路が形成されている。
また、凝縮器３の出口側の冷媒配管８Ｂにおいては、気液分離器３１に繋がる冷媒配管８Ｂから昇圧ポンプ６１に繋がる冷媒配管８Ｆが分岐している。昇圧ポンプ６１と昇温手段６２との間、昇温手段６２とエジェクタ７の入口７０１との間がそれぞれ冷媒配管８Ｇ，８Ｈによって繋がれており、エジェクタ７の出口７０３から引き出された冷媒配管８Ｉは、圧縮機２と凝縮器３との間の冷媒配管８Ａに合流している。また、気液分離器３１の気相３１１とエジェクタ７の吸引入口７０２とは、冷媒配管８Ｊによって繋がれている。

本例においては、凝縮器３から気液分離器３１に繋がる冷媒配管８Ｂにおいて、昇圧ポンプ６１の冷媒配管８Ｆが分岐する位置よりも下流側の位置には、凝縮器３から気液分離器３１に流れる冷媒Ｃ２を減圧する減圧弁３２が設けられている。この減圧弁３２により、凝縮器３から気液分離器３１へ流れる冷媒Ｃ２の圧力を適切に減圧して、この冷媒Ｃ２を気液分離器３１において気液分離させることができる。

次に、本例の直膨式冷却装置１の動作を、図３のｐ−ｈ線図（圧力と比エンタルピーとの関係を表す線図）を参照して説明する。
図３は、横軸に比エンタルピーｈ（冷媒の単位質量当たりの全熱量として表される。）をとり、縦軸に圧力ｐをとって、直膨式冷却装置１における冷凍サイクル（冷媒の循環サイクル）を示す。図中の曲線は、右側部分が飽和蒸気線Ｌ１、左側部分が飽和液線Ｌ２を示し、これらの中間位置は臨界点Ｋを示す。そして、飽和蒸気線Ｌ１よりも右側が気体状態を示し、飽和液線Ｌ２よりも左側が液体状態を示し、飽和蒸気線Ｌ１及び飽和液線Ｌ２に囲まれた内側部分が気液混合状態を示す。
同図においては、本例の気液分離器３１、昇圧ポンプ６１、昇温手段６２及びエジェクタ７を利用した直膨式冷却装置１についてｐ−ｈ線図を示すとともに、気液分離器３１、昇圧ポンプ６１、昇温手段６２及びエジェクタ７を利用していない従来の直膨式冷却装置１についてもｐ−ｈ線図を示す。

従来の直膨式冷却装置においては、圧縮機９２において、気体状態の冷媒Ｃ１が圧縮される際には、比エンタルピーｈが等エントロピー曲線に沿って上昇しながら圧力ｐが増加する（図中ａ点〜ｂ点）。次いで、凝縮器９３において、気体状態の冷媒Ｃ１は、比エンタルピーｈを減少させながら、圧力ｐが一定のまま液体状態まで変化される（図中ｂ点〜ｃ点）。次いで、膨張弁９４において、液体状態の冷媒Ｃ２は、比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが減少し、気液混合状態になる（図中ｃ点〜ｄ’点）。そして、蒸発器９５において、気液混合状態の冷媒Ｃ０は、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気体状態に変化され、圧縮機９２に供給される（図中ｄ’点〜ａ点）。こうして、冷媒Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２が循環する冷凍サイクルが形成される。

このような従来の直膨式冷却装置における状態変化に対し、本例の直膨式冷却装置１における状態変化は次のようになる。
圧縮機２において、気体状態の冷媒Ｃ１が圧縮される際には、比エンタルピーｈが等エントロピー曲線に沿って上昇しながら圧力ｐが増加する（図中ａ点〜ｂ点）。次いで、凝縮器３において、気体状態の冷媒Ｃ１は、比エンタルピーｈを減少させながら、圧力ｐが一定のまま液体状態まで変化される（図中ｂ点〜ｃ点）。

次いで、凝縮器３の出口からは、凝縮器３から気液分離器３１に送られる冷媒Ｃ２と、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に送られる冷媒Ｃ２とに分岐される。凝縮器３から気液分離器３１に送られる冷媒Ｃ２は、減圧弁３２によって減圧されて比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが減少して、気液分離器３１に流入する（図中ｃ点〜ｄ点）。そして、気液分離器３１に流入する冷媒Ｃ２は、圧力ｐが一定のまま気相冷媒Ｃ１と液相冷媒Ｃ２に分離され、気相冷媒Ｃ１は、エジェクタ７の吸引流となり（図中ｇ点）、液相冷媒Ｃ２は、膨張弁４に供給される（図中ｅ点）。

気液分離器３１から膨張弁４に送られる液体状態の冷媒Ｃ２は、比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが減少し、気液混合状態になる（図中ｅ点〜ｆ点）。この気液混合状態の冷媒Ｃ０は、蒸発器５において、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気体状態に変化され、圧縮機２に吸引される（図中ｆ点〜ａ点）。ここで、気液分離器３１によって比エンタルピーｈが減少された分（図中ｄ’点〜ｆ点）は、蒸発器５による冷却能力の増加となる。

一方、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に送られる液体状態の冷媒Ｃ２は、昇圧ポンプ６１によって昇圧されて、液体状態が維持され、かつ比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが増加する（図中ｃ点〜ｈ点）。次いで、この液体状態の冷媒Ｃ２は、昇圧ポンプ６１から送られる昇温手段６２において、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気液混合状態まで変化される（図中ｈ点〜ｉ点）。

次いで、この気液混合状態の冷媒Ｃ０は、エジェクタ７に駆動流として流入し、ノズル７１から噴射される際に、等エントロピー曲線に沿って、気液混合状態のまま圧力ｐが減少する（図中ｉ点〜ｊ点）。次いで、この気液混合状態の冷媒Ｃ０は、拡散混合部７２において、気液分離機３１から吸引流として吸引される気体冷媒Ｃ１と混合される（図中ｋ点）。そして、ディフューザ７３から流出される際に、この混合冷媒Ｃ３の圧力が増加する（図中ｋ点〜ｍ点）。そして、この混合冷媒Ｃ３は、圧縮機２の出口から流出する冷媒Ｃ１に混合される（図中ｍ点）。

本例の直膨式冷却装置１においては、凝縮器３によって凝縮された後の冷媒Ｃ２であって気液分離器３１によって分離された気相冷媒Ｃ１をエジェクタ７の吸引流とし、この吸引流と駆動流とによって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる冷媒配管８Ａに合流させている。そのため、エジェクタ７から流出される混合冷媒Ｃ３が再び圧縮機２を通過することがなく、冷媒Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生しない。

また、昇圧ポンプ６１は、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して、圧縮機２の圧縮圧力よりも高い適切な圧力に昇圧している。そして、この昇圧された冷媒Ｃ２を昇温手段６２によって昇温して、エジェクタ７の駆動流としている。そのため、高圧の冷媒Ｃ０をエジェクタ７の駆動流とすることができ、エジェクタ７の駆動流の流速を大幅に高めることができる。また、昇圧ポンプ６１による仕事は、凝縮器３によって凝縮された液体状態の冷媒Ｃ２を昇圧する仕事となる。そのため、気体状態の冷媒Ｃ１を昇圧する場合に比べて、昇圧ポンプ６１の仕事量を少なくすることができる。

さらに、直膨式冷却装置１においては、気液分離器３１において分離された液相冷媒Ｃ２が膨張弁４及び蒸発器５に用いられる。そのため、気体状態の冷媒Ｃ１が蒸発器５に供給される割合を減らすことができ、直膨式冷却装置１の冷却能力を向上させることができる。図３において、ｄ’点からｆ点までの比エンタルピーｈの減少分が冷却能力の増加となる。
それ故、本例の直膨式冷却装置１によれば、圧縮機２における無駄な仕事をなくして、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。

１ 直膨式冷却装置
１１ ガスエンジン
２ 圧縮機
３ 凝縮器
３１ 気液分離器
３２ 減圧弁
４ 膨張弁
５ 蒸発器
６１ 昇圧ポンプ
６２ 昇温手段
７ エジェクタ

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器によって凝縮された冷媒を気液分離する気液分離器と、
   該気液分離器によって分離された液相冷媒を膨張させる膨張弁と、
   該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   上記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプと、
   該昇圧ポンプによって昇圧された冷媒を昇温する昇温手段と、
   該昇温手段によって昇温された冷媒が駆動流として流入する際に、上記気液分離器によって分離された気相冷媒を取り出して吸引流として吸引し、該吸引によって生じる混合冷媒を、上記圧縮機から上記凝縮器に繋がる経路に合流させるエジェクタと、を備えていることを特徴とする直膨式冷却装置。
2. 請求項１に記載の直膨式冷却装置において、上記凝縮器から上記気液分離器に繋がる経路には、該凝縮器から該気液分離器に流れる冷媒を減圧する減圧弁が設けられていることを特徴とする直膨式冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の直膨式冷却装置において、上記圧縮機は、エンジンに駆動されて作動するよう構成されており、
   上記昇温手段は、上記エンジンの排熱を用いて冷媒を昇温するエンジン排熱回収器であることを特徴とする直膨式冷却装置。

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