JP2014218937A - Steam injector and heat pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置に関するものである。 The present invention relates to a steam injector and a heat pump apparatus using the same.
エジェクタを用いた冷凍サイクルが開示されている(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。この冷凍サイクルでは、膨張弁を用いた冷凍サイクルにおいては膨張弁で渦として損失していたエネルギーを、エジェクタによりコンプレッサの仕事として回収することにより、COPを向上させた高効率冷凍サイクルが実現されているとされている。
A refrigeration cycle using an ejector is disclosed (see, for example,
一方、小型の蒸気インジェクタとして、スロート部の内径が6.0mmのものが開示されている(例えば非特許文献2参照)。この蒸気インジェクタによれば、入力された蒸気の圧力と比較してより高い吐出圧が得られている。 On the other hand, a small steam injector having a throat portion with an inner diameter of 6.0 mm is disclosed (for example, see Non-Patent Document 2). According to this steam injector, a higher discharge pressure is obtained compared to the input steam pressure.
ところで、上述した冷凍サイクル等のヒートポンプ装置への応用を考慮すると、COP等で表されるエネルギー効率の向上のために、吐出圧がより高い蒸気インジェクタが求められている。 By the way, in consideration of application to a heat pump apparatus such as the above-described refrigeration cycle, a steam injector having a higher discharge pressure is required in order to improve energy efficiency represented by COP or the like.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、吐出圧がより高い蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at providing the steam injector with higher discharge pressure, and a heat pump apparatus using the same.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る蒸気インジェクタは、冷媒の液流と前記冷媒の蒸気流とを導入する導入部と、前記液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有し、内部において噴流状の前記液流と前記蒸気流とを混合して冷媒流を形成する混合部と、前記混合部の出力側に形成されたスロート部と、前記スロート部から前記冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有し、圧力が高められた前記冷媒流を吐出部から吐出するディフューザ部と、を備え、前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積を減少させたときに前記ディフューザ部の吐出部から吐出される前記冷媒流の吐出圧が非線形的に増加する臨界断面積より小さい断面積であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a steam injector according to the present invention includes an introduction portion that introduces a liquid flow of the refrigerant and the vapor flow of the refrigerant, and an internal portion toward the traveling direction of the liquid flow. A mixing portion that has a shape with a reduced cross-sectional area, and mixes the liquid flow and the vapor flow in the form of a jet to form a refrigerant flow; and a throat portion formed on the output side of the mixing portion; A diffuser portion that has a shape in which an internal cross-sectional area expands from the throat portion toward a traveling direction of the refrigerant flow, and discharges the refrigerant flow with increased pressure from a discharge portion, and includes an interior of the throat portion. The cross-sectional area is smaller than the critical cross-sectional area where the discharge pressure of the refrigerant flow discharged from the discharge portion of the diffuser portion increases nonlinearly when the internal cross-sectional area of the throat portion is decreased. Features.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積の変化に対する前記冷媒流の吐出圧の変化を表す曲線の1階微分係数が0より小さい、または2階微分係数が0より大きい内部断面積であることを特徴とする。 In the steam injector according to the present invention, in the above invention, the first-order differential coefficient of the curve representing the change in the discharge pressure of the refrigerant flow with respect to the change in the inner cross-sectional area of the throat portion is 0 The internal cross-sectional area is small or has a second-order differential coefficient greater than 0.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面積をA1、前記導入部における前記液流の質量流量、流速をそれぞれmw0、uw0、前記導入部における前記蒸気流の質量流量、流速をそれぞれms0、us0、前記スロート部における前記冷媒流の質量流量、流速をそれぞれm1、u1、前記混合部、前記スロート部、前記ディフューザ部における圧力損失係数をそれぞれζN、ζT、ζD、前記液流の密度をρw、前記冷媒流の前記吐出部における吐出圧をPDとすると、以下の式(1)が成り立つことを特徴とする。
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面は円形であり、該内部断面の直径は2mm以下であることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the throat portion has a circular internal cross section, and the internal cross section has a diameter of 2 mm or less.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記内部断面の直径は1mm以下であることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the diameter of the internal cross section is 1 mm or less.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記混合部において、前記液流が導入される領域の断面積をAW0、前記蒸気流が導入される領域の断面積をAs0とすると、As0/Aw0は、7以上30以下であることを特徴とする。 In the steam injector according to the present invention, in the above invention, in the mixing unit, when the cross-sectional area of the region where the liquid flow is introduced is A W0 and the cross-sectional area of the region where the vapor flow is introduced is A s0 , A s0 / Aw0 is 7 or more and 30 or less.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記As0/Aw0は、10以上20以下であることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the A s0 / A w0 is 10 or more and 20 or less.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記混合部の内部から外気に連通するように形成されたドレイン管をさらに備えることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the steam injector further includes a drain pipe formed so as to communicate with the outside air from the inside of the mixing section.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記ドレイン管には逆止弁が設けられていることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the drain pipe is provided with a check valve.
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記冷媒は水または代替フロンであることを特徴とする。 The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the refrigerant is water or alternative chlorofluorocarbon.
本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮器と前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記冷媒の蒸気流と、前記冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流を前記ディフューザ部の吐出部から吐出する上記発明の蒸気インジェクタと、を備えることを特徴とする。 In the heat pump device according to the present invention, a compressor that compresses a refrigerant, a condenser that condenses the refrigerant, an evaporator that evaporates the refrigerant, a vapor flow of the refrigerant, and a liquid flow of the refrigerant are introduced, The steam injector according to the invention described above, which discharges a refrigerant flow whose pressure is increased from a discharge part of the diffuser part.
本発明によれば、吐出圧がより高い蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置を実現できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to realize a steam injector having a higher discharge pressure and a heat pump device using the same.
以下に、図面を参照して本発明に係る蒸気インジェクタおよびヒートポンプ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法や寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Hereinafter, embodiments of a steam injector and a heat pump device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding component. In addition, it should be noted that the drawings are schematic, and the dimensions and ratios of elements are different from actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
本発明者らは、吐出圧がより高い蒸気インジェクタを実現するために鋭意検討したところ、スロート部の面積が所定値以下になると、吐出されるジェット液流の吐出圧が急激に増大することを初めて発見し、本発明に想到したものである。 The present inventors diligently studied to realize a steam injector having a higher discharge pressure.When the area of the throat portion becomes a predetermined value or less, the discharge pressure of the jet liquid flow to be discharged rapidly increases. It was discovered for the first time and arrived at the present invention.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る蒸気インジェクタの模式的な構成図である。図1に示すように、蒸気インジェクタ10は、導入部1と、混合部2と、スロート部3と、ディフューザ部4と、ドレイン管5と、逆止弁6とを備えている。以下、蒸気インジェクタ10の構成および動作について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a steam injector according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
導入部1は、冷媒の液流W1を導入するノズル状の液流導入部1aと、液流導入部1aの両側に形成された、冷媒の蒸気流S1を導入する蒸気流導入部1bとを有する。液流W1はノズル状の液流導入部1aによって噴流状となって導入される。なお、用いる冷媒は、水や代替フロン等、ヒートポンプ装置で使用できる冷媒であれば特に限定はされない。
The
混合部2は、図1の紙面下方である液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有している。本実施の形態1では混合部2は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。混合部2は、内部において液流と蒸気流とを混合し、気液混合状態にある冷媒流を形成する部分である。ここで、蒸気流は液流によって急激に冷却されて凝縮し、その体積が大幅に減少するため、混合部2内部では負圧が生じる。これによって導入される蒸気流の流速も高まる。
The
図2は、図1の導入部1および混合部2の要部拡大図である。図2に示すように、蒸気流導入部1bから導入された蒸気流S1は、液流導入部1aから導入された噴流状の液流W1の外周側から液流W1と合流し、混合される。なお、符号C1は、混合部2において、液流W1を導入し蒸気流S1と混合する領域を示している。この領域C1の断面積をAw0とする。また、符号C2は、蒸気流S1を導入し液流W1と混合する領域を示している。この領域C2の断面積をAs0とする。
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the
図1に戻る。スロート部3は、混合部2の出力側であってかつディフューザ部4の入力側に形成されている。本実施の形態1ではスロート部3は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。スロート部3は混合部2からディフューザ部4にわたる部分で内部断面積が最も小さい部分である。したがって、冷媒流はスロート部3を通過する際に流速が最も高くなる。
Returning to FIG. The
ディフューザ部4は、スロート部3から冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有している。本実施の形態1ではディフューザ部4は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。ディフューザ部4の内部断面積は拡大しているため、冷媒流は流速が低くなるとともに圧力が高められる。その結果、ディフューザ部4は、圧力が高められた冷媒流を、吐出部4aから冷媒流F1として吐出する。
The
ドレイン管5は、混合部2の内部から外部に連通するように形成されている。ドレイン管5には逆止弁6が設けられている。ドレイン管5は、混合部2内の余分な蒸気を排気する機能を有する。このように余分な蒸気を排気することによって蒸気インジェクタ10の動作の安定性が高くなる。なお、蒸気インジェクタ10の動作時には、上述したように混合部2内部で負圧が生じる。逆止弁6は、負圧によって混合部2内部に外気が流入しないように機能することによって、蒸気インジェクタ10の動作の安定性を高める。
The
蒸気インジェクタ10は、たとえば、2以上の構成部材(たとえば板状の構成部材)からなる一組の構成部材のそれぞれに、導入部1、混合部2、スロート部3、ディフューザ部4、およびドレイン管5を複数に分割した形状の溝または穴を形成し、溝または穴を形成した一組の構成部材を接合することによって形成しても良い。このとき、導入部1、混合部2、スロート部3、ディフューザ部4、およびドレイン管5のそれぞれは、一組の構成部材を接合したときに、各構成部材に形成された溝または穴が組み合わさることによって形成される。なお、構成部材の構成材料はたとえば樹脂材料などでもよいが、構成部材を金属製等とし、一組の構成部材の接合を拡散接合等により行うことによって、冷媒流F1の吐出圧が高くてもそれに耐えうる十分な接合強度が得られる。構成部材を構成する金属材料としては、ステンレス材料等の断熱性が高いものが好ましい。
The
ここで、本実施の形態1に係る蒸気インジェクタ10では、スロート部3の内部断面積は、所定の臨界断面積よりも小さく設定されている。これによって、ディフューザ部4の吐出部4aから吐出される冷媒流の吐出圧が高くなっている。
Here, in the
以下、冷媒流の吐出圧が高くなる原理を、蒸気インジェクタの作動特性予測モデル(非特許文献3参照)に基づいて説明する。図3は、蒸気インジェクタの作動特性予測モデルを説明する図である。図3において、符号「0」は液流W1と蒸気流S1とを混合する領域の始点を示している(図2の領域C1、C2参照)。符号「1」はスロート部3を示す。符号「D」はディフューザ部4の吐出部4aを示している。これらの符号は以下の式において適宜変数の添え字として使用する。
Hereinafter, the principle of increasing the discharge pressure of the refrigerant flow will be described based on an operational characteristic prediction model of a steam injector (see Non-Patent Document 3). FIG. 3 is a diagram for explaining an operational characteristic prediction model of a steam injector. In FIG. 3, the symbol “0” indicates the start point of the region where the liquid flow W1 and the vapor flow S1 are mixed (see the regions C1 and C2 in FIG. 2). Reference numeral “1” indicates the
このモデルでは、まず、蒸気流S1はスロート部3で全量凝縮すると仮定する。また、蒸気流S1は臨界流となって混合部2に導入されると仮定し、臨界圧力から蒸気流S1の流速を算出する。さらに、流動構造や冷媒流の界面挙動は考慮しないこととする。
In this model, first, it is assumed that the vapor flow S1 is fully condensed in the
まず、混合部2(「0」−「1」間)の液流W1、蒸気流S1、冷媒流F1に対して質量保存則の式、エネルギー保存則の式、運動量保存側の式を適用する。さらに、ディフューザ部4(「1」−「D」間)の冷媒流F1にベルヌイの式を適用する。これによって下記の式(1)が導かれる。なお、ここでは冷媒を水とした。すなわち、液流および蒸気流に関するパラメータの値としては、水流、水蒸気流の値を使用した。 First, the mass conservation law equation, the energy conservation law equation, and the momentum conservation side equation are applied to the liquid flow W1, the vapor flow S1, and the refrigerant flow F1 in the mixing unit 2 (between “0” and “1”). . Further, Bernoulli's equation is applied to the refrigerant flow F1 in the diffuser section 4 (between “1” and “D”). This leads to the following formula (1). Here, the refrigerant is water. That is, the values of the water flow and the water vapor flow were used as the parameter values relating to the liquid flow and the vapor flow.
式(1)において、ζNを0.05、ζTを0.1、ζDを0.15とし、mw0を1.27×10−2kg/sとし、導入部1における蒸気流S1の圧力Psを0.10MPa、0.13MPa、または0.15MPaとした場合に、スロート部3の内径DTを6.0mmから300μmまで変化させたときの吐出圧PDの変化を算出した。ここで、1気圧は0.1024MPaである。なお、スロート部3は断面円形とする。このとき、内部断面積A1に対して、π(DT/2)2=A1が成り立つ。
In equation (1), ζ N is 0.05, ζ T is 0.1, ζ D is 0.15, m w0 is 1.27 × 10 −2 kg / s, and the steam flow S1 in the
図4は、スロート部3の内径DTと吐出圧PDとの関係を示す図である。図5は、図4に示す曲線の1階微分係数を示す図である。図6は、図4に示す曲線の2階微分係数を示す図である。図4〜6を導出する際には、DTの値を0.01mm刻みで変化させて計算を行った。図4に示すように、いずれの圧力Psの値についても、内径DTを6.0mmから減少させても、吐出圧PDは略一定であった。しかし、いずれの圧力Psの値についても、内径DTが約1.0mmを臨界値として、内径DTが臨界値より小さい値(たとえば600μm)では吐出圧PDが非線形的に急激に増加することが式(1)の解析から確認された。また、図5に示すように、図4に示す内径DTと圧力Psとの関係を示す曲線の1階微分係数は、内径DTが1.0mmよりも大きいときはほぼ0である。しかし、約1.0mmを臨界値として、内径DTが臨界値より小さい値では0より小さくなり、その後急激に減少する。さらに、図6に示すように、図4に示す内径DTと圧力Psとの関係を示す曲線の2階微分係数は、内径DTが1.0mmよりも大きいときはほぼ0である。しかし、約1.0mmを臨界値として、内径DTが臨界値より小さい値では0より大きくなり、その後急激に増大する。
Figure 4 is a diagram showing the relationship between the inner diameter D T and the discharge pressure P D of the
そこで、本実施の形態1に係る蒸気インジェクタ10では、スロート部3の内径DT、または内部断面積A1を、吐出圧PDが増加する臨界値(内径または断面積)より小さい内径または断面積とすることによって、従来なし得なかった高い吐出圧を実現している。このような臨界値より小さい内径または断面積では、スロート部3の内径DTまたは内部断面積A1の変化に対する、吐出圧PDの変化を表す曲線(すなわち、図4に示す曲線)の1階微分係数が0より小さくなっている。また、2階微分係数は0より大きくなっている。したがって、このような1階または2階の微分係数が0から変化する内径DTまたは内部断面積A1とすることによって、高い吐出圧PDが実現される。
Therefore, the
なお、上記の図4、5、6では、内径DTが臨界値よりも大きい場合は、吐出圧PDは略一定であり、その変化を示す曲線の1階および2階の微分係数はほぼ0である。したがって、臨界値は、1階または2階の微分係数が0から変化する値として定義することができる。一方、内径DTが臨界値よりも大きい場合に、吐出圧PDが略一定ではなく、その変化を示す曲線の1階および2階微分係数が0ではない場合もある。そのような場合は、2階微分係数が、内径DTまたは内部断面積A1の減少に応じて10%以上上昇する値を、臨界値として定義してもよい。たとえば、内径DTを1.0mmから0.9mmに減少させたときに、2階微分係数が1.0から1.1に、10%上昇した場合には、内径DTの臨界値は1.0mmと定義してもよい。 In the above 4, 5 and 6, when the inner diameter D T is greater than the critical value, the discharge pressure P D is substantially constant, the first floor and second floor of the derivative of the curve showing the change almost 0. Therefore, the critical value can be defined as a value at which the first- or second-order differential coefficient changes from zero. On the other hand, when the inner diameter D T is greater than the critical value, rather than the discharge pressure P D is substantially constant, even if the first-order and second-order differential coefficient of the curve showing the change is not zero. In such a case, a value at which the second-order differential coefficient increases by 10% or more in accordance with a decrease in the inner diameter D T or the inner cross-sectional area A 1 may be defined as a critical value. For example, when the inner diameter DT is decreased from 1.0 mm to 0.9 mm and the second-order differential coefficient is increased by 10% from 1.0 to 1.1, the critical value of the inner diameter DT is 1 It may be defined as 0.0 mm.
また、吐出圧PDが増加する臨界値(内径または断面積)は、式(1)に含まれる各パラメータの値によって変化する。したがって、各パラメータの値を勘案して、スロート部3の内径DTまたは内部断面積A1を臨界値より小さくなるように設定すれば、本発明の効果としての高い吐出圧PDを得ることができる。たとえば、冷媒が水ではなく他の冷媒の場合は、水に関するパラメータを、使用する冷媒に関するパラメータに置き換えて、スロート部3の内径DTまたは内部断面積A1を設定すればよい。
The critical value of the discharge pressure P D is increased (inner diameter or cross-sectional area) is changed by the value of each parameter included in the formula (1). Therefore, in consideration of the value of each parameter, by setting the inner diameter D T or internal cross-sectional area A 1 of the
つぎに、式(1)において、スロート部3の内部断面積A1を2.83×10−7m2(内径DTとしては600μm)とし、mw0を1.27×10−2kg/s、1.43×10−2kg/s、または1.59×10−2kg/sとした場合に、導入部1における蒸気流S1の圧力Psを変化させたときの吐出圧PDの変化を算出した。
Then, in the formula (1), the internal cross-sectional area A 1 of the
図7は、導入部1における蒸気流S1の圧力Psと吐出圧PDとの関係を示す図である。図7に示すように、圧力Psを高めるほど吐出圧PDを高くすることができることを式(1)の解析から確認した。
Figure 7 is a diagram showing the relationship between the pressure P s and the discharge pressure P D of the vapor stream S1 in the
つぎに、樹脂材料を用いて蒸気インジェクタを実際に作製し、その動作を実証する実験を行った。作製した蒸気インジェクタは、7種類である。すなわち、図1に示す実施の形態1の構成のもので、As0/Aw0を36.2としたもの(サンプル1)、逆止弁を設けない以外はサンプル1と同じ構成のもの(サンプル2)、逆止弁およびドレイン管を設けない以外はサンプル1と同じ構成のもの(サンプル3)である。また、図1に示す実施の形態1の構成のもので、As0/Aw0を7.2としたもの(サンプル4)、逆止弁を設けない以外はサンプル1と同じ構成のもの(サンプル5)、逆止弁およびドレイン管を設けない以外はサンプル1と同じ構成のもの(サンプル6)である。また、図1に示す実施の形態1の構成に、さらにAs0/Aw0を可変にできる機構を設けたもの(サンプル7)である。このような可変機構は、液流導入部1aの混合部2への突出量を変更できるように構成することで実現できる。
Next, a steam injector was actually fabricated using a resin material, and an experiment was performed to verify its operation. There are seven types of produced steam injectors. That is, the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, with A s0 / A w0 set to 36.2 (sample 1), and the same configuration as
なお、サンプル1〜7の共通の構成としては、混合部2の長さを22.5mmとし、混合部2の、スロート部3の反対側の内径を3.4mmとし、液流W1を導入する断面積Aw0を1.94m2(内径としては1.57mm)とし、スロート部3の内径DTを600μmとし、ディフューザ部4の長さを14.4mmとし、ディフューザ部4の吐出部4aの内径を2.0mmとした。また、ドレイン管5については内径を0.45mmとした。
In addition, as a common structure of the samples 1-7, the length of the mixing
また、本実験においても、冷媒として水を用い、以下のように実験条件を調整可能な実験系を用いた。まず、導入部における蒸気流の圧力Psは0.11MPa〜0.15MPaの範囲で調整可能である。また、導入部において、液流の温度Tw0は11.9℃〜26℃の範囲、蒸気流の温度Ts0は101.4℃〜111.2℃の範囲で調整可能である。また、導入部における液流の流速mw0は1.59ml/s〜2.20ml/s(なお、液流の密度はたとえば958kg/m3である)の範囲で調整可能である。また、導入する液流または蒸気流の溶存酸素量DOwまたはDOsは0.8mg/l〜8.0mg/lの範囲で調整可能である。 Also in this experiment, water was used as a refrigerant, and an experimental system capable of adjusting the experimental conditions as follows was used. First, the pressure P s of the vapor flow in the introduction part can be adjusted in the range of 0.11 MPa to 0.15 MPa. In addition, the temperature T w0 of the liquid flow can be adjusted in the range of 11.9 ° C. to 26 ° C., and the temperature T s0 of the vapor flow can be adjusted in the range of 101.4 ° C. to 111.2 ° C. Moreover, the flow velocity m w0 of the liquid flow in the introduction part can be adjusted in the range of 1.59 ml / s to 2.20 ml / s (note that the density of the liquid flow is, for example, 958 kg / m 3 ). Further, the dissolved oxygen amount DO w or DO s of the liquid flow or the vapor flow to be introduced can be adjusted in the range of 0.8 mg / l to 8.0 mg / l.
(実験1)
サンプル3(As0/Aw0=36.2、ドレイン管および逆止弁無し)の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Tw0=12.6℃の液流を導入したところ、蒸気インジェクタ内の混合部およびスロート部に水の液体が静的に蓄積した。この状態で、つぎに、Ps=0.11MPa、Ts0=102.3℃の蒸気流を導入した。すると、混合部において液体の流動が生じ、ディフューザ部の吐出部から冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認された。
(Experiment 1)
Using the steam injector of sample 3 (A s0 / A w0 = 36.2, without drain pipe and check valve), when a liquid flow of T w0 = 12.6 ° C was first introduced, mixing in the steam injector The water liquid statically accumulated in the throat and throat. Next, a steam flow of P s = 0.11 MPa and T s0 = 102.3 ° C. was introduced in this state. Then, the flow of the liquid occurred in the mixing part, the refrigerant flow was discharged from the discharge part of the diffuser part, and the operation of the steam injector was confirmed.
(実験2)
サンプル4(As0/Aw0=7.2、ドレイン管および逆止弁有り)の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Tw0=24.5℃、mw0=1.59ml/s、DOw=1.64mg/lの液流を導入し、つぎに、蒸気流を導入した。すると、混合部において液体の流動が生じ、ディフューザ部の吐出部から冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認されたが、動作が不安定になる場合があった。
(Experiment 2)
Using the steam injector of sample 4 (A s0 / A w0 = 7.2, with drain pipe and check valve), first, T w0 = 24.5 ° C., m w0 = 1.59 ml / s, DO w = A liquid flow of 1.64 mg / l was introduced and then a vapor flow was introduced. Then, the flow of the liquid occurs in the mixing unit, the refrigerant flow is discharged from the discharge unit of the diffuser unit, and the operation of the steam injector is confirmed, but the operation may become unstable.
図8は、安定動作時および不安定動作時における導入される蒸気流の圧力およびドレイン管内の圧力を示す図である。横軸は測定開始時からの経過時間である。図8において、Pinはドレイン管内の圧力を示し、Psは蒸気流の圧力を示している。また、「Stable」は蒸気インジェクタが安定動作状態にあることを意味し、「Unstable」は蒸気インジェクタが不安定動作状態にあることを意味する。 FIG. 8 is a diagram showing the pressure of the steam flow introduced and the pressure in the drain pipe during the stable operation and the unstable operation. The horizontal axis is the elapsed time from the start of measurement. In FIG. 8, P in denotes the pressure in the drain pipe, P s represents the pressure of the steam flow. “Stable” means that the steam injector is in a stable operation state, and “Unstable” means that the steam injector is in an unstable operation state.
図8に示すように、安定動作時にはPinがPsよりも低く、混合部内が負圧になっていた。一方、不安定動作時にはPsがPinよりも低く、混合部内が正圧となっており、かつPsの値が不安定であり、安定した蒸気流の導入が行われない状態であることが確認された。 As shown in FIG. 8, at the time of stable operation P in is less than P s, the mixing portion had become negative pressure. On the other hand, during unstable operation lower than P s is P in, mixing portion has a positive pressure, and is unstable the values of P s, that the introduction of a stable vapor stream is in a state not performed Was confirmed.
(実験3−1、3−2、3−3)
サンプル7(As0/Aw0可変、ドレイン管および逆止弁有り)の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Tw0=21.7℃、mw0=1.91ml/s、DOw=2.4mg/lの液流を導入し、つぎに、Ps=0.13MPa、DOs=3.5mg/lの蒸気流を導入する実験を行った。なお、As0/Aw0については、4.4、15.1、または38.3に設定した。
(Experiment 3-1, 3-2, 3-3)
Using the steam injector of sample 7 (A s0 / A w0 variable, with drain pipe and check valve), first, T w0 = 21.7 ° C., m w0 = 1.91 ml / s, DO w = 2.4 mg / L liquid flow was introduced, and then an experiment was conducted in which a vapor flow of P s = 0.13 MPa and DO s = 3.5 mg / l was introduced. Note that A s0 / A w0 was set to 4.4, 15.1, or 38.3.
すると、蒸気インジェクタは、As0/Aw0=4.4およびAs0/Aw0=38.3の場合は動作せず、As0/Aw0=15.1の場合はディフューザ部の吐出部から高い吐出圧の冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認された。 Then, the steam injector does not operate in the case of A s0 / A w0 = 4.4 and A s0 / A w0 = 38.3, and in the case of A s0 / A w0 = 15.1, from the discharge unit of the diffuser unit A refrigerant flow with a high discharge pressure was discharged, and the operation of the steam injector was confirmed.
本発明者らがさらに実験を行ったところ、As0/Aw0の値としては、7以上30以下の範囲にある場合が蒸気インジェクタの動作上好ましく、10以上20以下である場合が、安定動作上さらに好ましい。 As a result of further experiments by the present inventors, the value of A s0 / A w0 is preferably in the range of 7 to 30 in terms of the operation of the steam injector, and is stable operation in the case of 10 to 20 inclusive. Even more preferable.
(実施の形態2)
図9は、本発明の実施の形態2に係るヒートポンプ装置のブロック図である。図9に示すように、ヒートポンプ装置100は、実施の形態1に係る蒸気インジェクタ10と、圧縮器20と、凝縮器30と、蒸発器40と、気液分離器50とを備えている。これらの要素は、冷媒を循環させる流路としての配管によって接続されている。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a block diagram of a heat pump apparatus according to
ヒートポンプ装置100の動作を説明する。圧縮器20は、外部からの電力Pによって、気液分離器50から供給された冷媒蒸気を圧縮する。一方、凝縮器30は圧縮された冷媒蒸気の熱を熱H1として放熱するとともに冷媒蒸気を凝縮し、冷媒液とする。蒸発器40は、気液分離器50から供給された冷媒液に外部から吸熱した熱H2を与えて冷媒を蒸発させる。
The operation of the
蒸気インジェクタ10は、蒸発器40から供給された冷媒の蒸気流と、凝縮器30から供給された冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流をディフューザ部4の吐出部4a(図1参照)から吐出する。気液分離器50は、吐出された冷媒流に含まれる冷媒の液体と蒸気とを分離し、冷媒蒸気を圧縮器20に供給するとともに、冷媒液を蒸発器40に供給する。
The
このヒートポンプ装置100では、膨張弁を用いたヒートポンプ装置においては膨張弁で渦として損失していたエネルギーを蒸気インジェクタ10により回収できる。さらに、このヒートポンプ装置100では、蒸気インジェクタ10によって圧縮器20の負担が軽減されるので、所望の動作状態を実現するために外部から与えるべき電力Pの電力量を低減することができる。これによって、このヒートポンプ装置100は、COPを向上させた高効率ヒートポンプ装置として機能する。このヒートポンプ装置100は、空気調和装置、冷凍装置、給湯装置など、ヒートポンプ装置を使用する各種装置に使用することができ、これによって高効率装置が実現される。
In the
(実施の形態3)
図10は、本発明の実施の形態3に係るヒートポンプ装置のブロック図である。図10に示すように、ヒートポンプ装置200は、実施の形態1に係る蒸気インジェクタ10と、圧縮器20と、凝縮器30と、蒸発器40と、気液分離器50と、膨張弁60と、ポンプ70とを備えている。これらの要素は、冷媒を循環させる流路としての配管によって接続されている。
(Embodiment 3)
FIG. 10 is a block diagram of a heat pump apparatus according to
このヒートポンプ装置200では、蒸気インジェクタ10は、圧縮器20から供給された冷媒の蒸気流と、気液分離器50からポンプPで圧力が高められた状態で供給された冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流をディフューザ部4の吐出部4a(図1参照)から吐出する。凝縮器30は、蒸気インジェクタ10から圧力が高められた冷媒流を供給され、その熱を熱H1として放熱するとともに冷媒流を凝縮する。気液分離器50は、凝縮器30からの冷媒流に含まれる冷媒の液体と蒸気とを分離し、冷媒蒸気を膨張弁60に供給するとともに、冷媒液をポンプPに供給する。膨張弁60は、冷媒蒸気を低温、低圧の冷媒液とする。蒸発器40は、膨張弁60によって低温、低圧にされた冷媒液に外部から吸熱した熱H2を与えて冷媒を蒸発させる。圧縮器20は、外部からの電力Pによって、蒸発器40から供給された冷媒蒸気を圧縮する。
In this
このヒートポンプ装置200では、蒸気インジェクタ10は圧縮器20による冷媒の圧縮を補助して凝縮器30に所望の圧力の冷媒を供給するようにしている。その結果、所望の動作状態を実現するために外部から与えるべき電力Pの電力量を低減することができる。これによって、このヒートポンプ装置200は、COPを向上させた高効率ヒートポンプ装置として機能する。このヒートポンプ装置200は、空気調和装置、冷凍装置、給湯装置など、ヒートポンプ装置を使用する各種装置に使用することができ、これによって高効率装置が実現される。
In this
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
1 導入部
1a 液流導入部
1b 蒸気流導入部
2 混合部
3 スロート部
4 ディフューザ部
4a 吐出部
5 ドレイン管
6 逆止弁
10 蒸気インジェクタ
20 圧縮器
30 凝縮器
40 蒸発器
50 気液分離器
60 膨張弁
70 ポンプ
100、200 ヒートポンプ装置
C1、C2 領域
F1 冷媒流
H1、H2 熱
P 電力
S1 蒸気流
W1 液流
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有し、内部において噴流状の前記液流と前記蒸気流とを混合して冷媒流を形成する混合部と、
前記混合部の出力側に形成されたスロート部と、
前記スロート部から前記冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有し、圧力が高められた前記冷媒流を吐出部から吐出するディフューザ部と、
を備え、
前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積を減少させたときに前記ディフューザ部の吐出部から吐出される前記冷媒流の吐出圧が非線形的に増加する臨界断面積より小さい断面積であることを特徴とする蒸気インジェクタ。 An introduction part for introducing a liquid flow of the refrigerant and a vapor flow of the refrigerant;
A mixing section that has a shape in which an internal cross-sectional area decreases toward the traveling direction of the liquid flow, and mixes the liquid flow in the form of a jet and the vapor flow to form a refrigerant flow;
A throat section formed on the output side of the mixing section;
A diffuser portion that discharges the refrigerant flow from the discharge portion with an increased internal cross-sectional area from the throat portion toward the traveling direction of the refrigerant flow;
With
The internal cross-sectional area of the throat portion is smaller than the critical cross-sectional area where the discharge pressure of the refrigerant flow discharged from the discharge portion of the diffuser portion increases nonlinearly when the internal cross-sectional area of the throat portion is decreased. A steam injector characterized by its area.
前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記冷媒の蒸気流と、前記冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流を前記ディフューザ部の吐出部から吐出する請求項1〜10のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタと、
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。 A compressor for compressing the refrigerant;
A condenser for condensing the refrigerant;
An evaporator for evaporating the refrigerant;
The vapor injector according to any one of claims 1 to 10, wherein the refrigerant flow and the liquid flow of the refrigerant are introduced, and the refrigerant flow having an increased pressure is discharged from a discharge portion of the diffuser portion. ,
A heat pump device comprising:
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WO2021251123A1 (en) * | 2020-06-12 | 2021-12-16 | エムケー精工株式会社 | Nozzle and cleaning apparatus |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59123700U (en) * | 1983-02-10 | 1984-08-20 | 株式会社日立製作所 | Executor |
JPH01196000A (en) * | 1988-02-01 | 1989-08-07 | Toshiba Corp | Steam injector |
JPH04347400A (en) * | 1991-05-22 | 1992-12-02 | Toshiba Corp | Steam injector system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS59123700U (en) * | 1983-02-10 | 1984-08-20 | 株式会社日立製作所 | Executor |
JPH01196000A (en) * | 1988-02-01 | 1989-08-07 | Toshiba Corp | Steam injector |
JPH04347400A (en) * | 1991-05-22 | 1992-12-02 | Toshiba Corp | Steam injector system |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021251123A1 (en) * | 2020-06-12 | 2021-12-16 | エムケー精工株式会社 | Nozzle and cleaning apparatus |
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