JP2014218937A - Steam injector and heat pump device - Google Patents

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    • F25B43/00Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steam injector at a higher discharge pressure and a heat pump device using the same.SOLUTION: A steam injector comprises: an introduction part introducing a liquid flow of refrigerant and a steam flow of the refrigerant; a mixture part having a shape in which an internal cross-sectional area is reduced toward a forward direction of the liquid flow, mixing up the liquid flow in a jet state and the steam flow inside, and forming a refrigerant flow; a throat part formed on an output side of the mixture part; and a diffuser part having a shape in which an internal cross-sectional area is reduced from the throat part toward a forward direction of the refrigerant flow. The internal cross-sectional area of the throat part is smaller than a critical cross-sectional area in a case in which a discharge pressure of the refrigerant flow discharged from a discharge portion of the diffuser part linearly increases when the internal cross-sectional area of the throat part is reduced.

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, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In this refrigeration cycle, the energy that was lost as a vortex in the expansion valve in the refrigeration cycle is recovered as work of the compressor by the ejector, thereby realizing a high-efficiency refrigeration cycle with improved COP. It is said that there is.

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.

特許第3219108号公報Japanese Patent No. 3219108

武内他、「世界初エジェクタサイクル冷凍機の開発」、デンソーテクニカルレビュー、vol.14(2009年12月)、第65〜75頁Takeuchi et al., "Development of the world's first ejector cycle refrigerator", Denso Technical Review, vol. 14 (December 2009), 65-75 Y.Abe et al.,” Model development of turbulent dispersion force for advanced two-fluid model in consideration of bubble-liquid phase interactions”, Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) ICONE18-29517, 2010.Y. Abe et al., “Model development of turbulent dispersion force for advanced two-fluid model in consideration of bubble-liquid phase interactions”, Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) ICONE18-29517, 2010. 奈良林他、「蒸気インジェクタの高性能化に関する研究(第1報、作動メカニズムの定式化と特性解析)」、日本機械学会論文集B編、第62巻 第597号、1996年(平成8年)5月、第1833頁Narabayashi et al., "Study on High Performance Steam Injector (1st Report, Formulation and Characteristic Analysis of Operating Mechanism)", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Volume B, Vol. 62, No. 597, 1996 (1996) ) May, page 1833

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A、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m、u、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ζ、ζ、ζ、前記液流の密度をρ、前記冷媒流の前記吐出部における吐出圧をPとすると、以下の式(1)が成り立つことを特徴とする。

Figure 2014218937
The steam injector according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the internal cross-sectional area of the throat portion is A 1 , the mass flow rate and the flow velocity of the liquid flow in the introduction portion are m w0 , u w0 , and the steam flow in the introduction portion, respectively. Mass flow rate and flow velocity of m s0 and u s0 , respectively, and mass flow rate and flow velocity of the refrigerant flow in the throat portion respectively m 1 and u 1 , and pressure loss coefficients in the mixing portion, throat portion, and diffuser portion, respectively. ζ N, ζ T, ζ D , density [rho w of the liquid flow, a discharge pressure at the discharge portion of the refrigerant flow when the P D, wherein the following formula is valid (1).
Figure 2014218937

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.

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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a steam injector according to the first embodiment. 図2は、図1の導入部および混合部の要部拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the introduction part and the mixing part of FIG. 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。FIG. 3 is a diagram for explaining an operational characteristic prediction model of a steam injector. 図4は、スロート部の内径と吐出圧との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the inner diameter of the throat portion and the discharge pressure. 図5は、図4に示す曲線の1階微分係数を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing first-order differential coefficients of the curve shown in FIG. 図6は、図4に示す曲線の2階微分係数を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the second derivative of the curve shown in FIG. 図7は、導入部における蒸気流の圧力と吐出圧との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the pressure of the steam flow and the discharge pressure in the introduction section. 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。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. 図9は、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。FIG. 9 is a block diagram of the heat pump device according to the second embodiment. 図10は、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。FIG. 10 is a block diagram of the heat pump device according to the third embodiment.

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 steam injector 10 includes an introduction part 1, a mixing part 2, a throat part 3, a diffuser part 4, a drain pipe 5, and a check valve 6. Hereinafter, the configuration and operation of the steam injector 10 will be described.

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 introduction unit 1 includes a nozzle-like liquid flow introduction unit 1a that introduces the refrigerant liquid flow W1, and a vapor flow introduction unit 1b that is formed on both sides of the liquid flow introduction unit 1a and introduces the refrigerant vapor flow S1. Have. The liquid flow W1 is introduced in the form of a jet by the nozzle-shaped liquid flow introducing portion 1a. In addition, if the refrigerant | coolant to be used is a refrigerant | coolant which can be used with a heat pump apparatus, such as water and a substitute Freon, it will not specifically limit.

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 mixing unit 2 has a shape in which the internal cross-sectional area decreases toward the traveling direction of the liquid flow, which is the lower side of the sheet of FIG. In the first embodiment, the mixing unit 2 has a circular cross section, but may have another shape such as a rectangular cross section. The mixing unit 2 is a part that mixes the liquid flow and the vapor flow inside to form a refrigerant flow in a gas-liquid mixed state. Here, the vapor flow is rapidly cooled and condensed by the liquid flow, and its volume is greatly reduced, so that a negative pressure is generated inside the mixing unit 2. This also increases the flow rate of the steam flow introduced.

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 introduction unit 1 and the mixing unit 2 of FIG. As shown in FIG. 2, the vapor flow S1 introduced from the vapor flow introduction portion 1b joins and mixes with the liquid flow W1 from the outer peripheral side of the jet-like liquid flow W1 introduced from the liquid flow introduction portion 1a. . In addition, the code | symbol C1 has shown the area | region which introduce | transduces the liquid flow W1 and mixes with the vapor flow S1 in the mixing part 2. FIG. The cross-sectional area of this region C1 is Aw0 . Reference C2 indicates a region where the steam flow S1 is introduced and mixed with the liquid flow W1. The cross-sectional area of this region C2 is assumed to be As0 .

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 throat section 3 is formed on the output side of the mixing section 2 and on the input side of the diffuser section 4. In the first embodiment, the throat portion 3 has a circular cross section, but may have another shape such as a rectangular cross section. The throat portion 3 is a portion extending from the mixing portion 2 to the diffuser portion 4 and having the smallest internal cross-sectional area. Therefore, the refrigerant flow has the highest flow velocity when passing through the throat portion 3.

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 diffuser part 4 has a shape in which the internal cross-sectional area increases from the throat part 3 toward the traveling direction of the refrigerant flow. In the first embodiment, the diffuser portion 4 has a circular cross section, but may have another shape such as a rectangular cross section. Since the internal cross-sectional area of the diffuser portion 4 is enlarged, the flow rate of the refrigerant flow is reduced and the pressure is increased. As a result, the diffuser unit 4 discharges the refrigerant flow whose pressure is increased from the discharge unit 4a as the refrigerant flow F1.

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 drain pipe 5 is formed so as to communicate from the inside of the mixing unit 2 to the outside. The drain pipe 5 is provided with a check valve 6. The drain pipe 5 has a function of exhausting excess steam in the mixing unit 2. By exhausting excess steam in this way, the operation stability of the steam injector 10 is enhanced. During the operation of the steam injector 10, a negative pressure is generated inside the mixing unit 2 as described above. The check valve 6 functions to prevent outside air from flowing into the mixing unit 2 due to negative pressure, thereby increasing the stability of the operation of the steam injector 10.

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 steam injector 10 includes, for example, an introduction unit 1, a mixing unit 2, a throat unit 3, a diffuser unit 4, and a drain pipe in each of a set of two or more structural members (for example, plate-shaped structural members). A groove or hole having a shape obtained by dividing 5 into a plurality of parts may be formed, and a set of constituent members formed with the groove or hole may be joined. At this time, each of the introduction portion 1, the mixing portion 2, the throat portion 3, the diffuser portion 4, and the drain pipe 5 is formed by combining grooves or holes formed in the respective constituent members when a set of constituent members are joined. Formed by. The constituent material of the constituent member may be, for example, a resin material, but the constituent member is made of metal or the like, and the pair of constituent members are joined by diffusion joining or the like, so that the discharge pressure of the refrigerant flow F1 is high. Sufficient bonding strength that can withstand it can be obtained. As a metal material which comprises a structural member, what has high heat insulation, such as stainless steel material, is preferable.

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 steam injector 10 according to the first embodiment, the internal cross-sectional area of the throat portion 3 is set smaller than a predetermined critical cross-sectional area. Thereby, the discharge pressure of the refrigerant flow discharged from the discharge part 4a of the diffuser part 4 is increased.

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 throat portion 3. Reference sign “D” indicates the discharge section 4 a of the diffuser section 4. These symbols are used as subscripts of variables as appropriate in the following equations.

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 throat section 3. Further, assuming that the vapor flow S1 becomes a critical flow and is introduced into the mixing unit 2, the flow velocity of the vapor flow S1 is calculated from the critical pressure. Furthermore, the flow structure and the interfacial behavior of the refrigerant flow are not considered.

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.

Figure 2014218937
ここで、式(1)では、スロート部3の内部断面積をA、導入部1における液流W1の質量流量、流速をそれぞれmw0、uw0、導入部1における蒸気流S1の質量流量、流速をそれぞれms0、us0、スロート部3における冷媒流F1の質量流量、流速をそれぞれm、u、混合部2、スロート部3、ディフューザ部4における圧力損失係数をそれぞれζ、ζ、ζ、液流W1の密度をρ、冷媒流F1の吐出部4aにおける吐出圧をPとしている。また、式(1)を導出する際には、Aw0を7.54×10−7とし、As0を5.42×10−6とした。このとき、As0/Aw0は約7.2である。また、導入部1における液流W1の温度Tw0を20℃とし、ζを0.37とした。
Figure 2014218937
Here, in Equation (1), the internal cross-sectional area of the throat portion 3 is A 1 , the mass flow rate of the liquid flow W1 in the introduction portion 1 and the flow velocity are m w0 and u w0 , respectively, and the mass flow rate of the vapor flow S1 in the introduction portion 1 , M s0 , u s0 , respectively, the mass flow rate of the refrigerant flow F1 in the throat part 3, the flow speeds m 1 , u 1 , the mixing part 2, the throat part 3, and the pressure loss coefficients in the diffuser part 4 respectively ζ N , ζ T, ζ D, density [rho w liquid flow W1, the discharge pressure in the discharge section 4a of the refrigerant flow F1 is set to P D. Moreover, when deriving Formula (1), Aw0 was set to 7.54 × 10 −7 m 2 and A s0 was set to 5.42 × 10 −6 m 2 . At this time, A s0 / A w0 is about 7.2. Moreover, the temperature Tw0 of the liquid flow W1 in the introduction part 1 was set to 20 ° C., and ζ s was set to 0.37.

式(1)において、ζを0.05、ζを0.1、ζ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P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Dを6.0mmから300μmまで変化させたときの吐出圧P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Aに対して、π(D/2)=A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 introduction portion 1 0.10MPa pressure P s of, when a 0.13MPa or 0.15 MPa,, was calculated change in the discharge pressure P D when the inner diameter D T of the throat portion 3 is varied from 6.0mm to 300μm . Here, 1 atmosphere is 0.1024 MPa. The throat portion 3 has a circular cross section. At this time, π (D T / 2) 2 = A 1 holds for the internal cross-sectional area A 1 .

図4は、スロート部3の内径Dと吐出圧P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、D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Pの値についても、内径Dを6.0mmから減少させても、吐出圧Pは略一定であった。しかし、いずれの圧力Pの値についても、内径Dが約1.0mmを臨界値として、内径Dが臨界値より小さい値(たとえば600μm)では吐出圧P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Dと圧力Pとの関係を示す曲線の1階微分係数は、内径D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D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Dと圧力Pとの関係を示す曲線の2階微分係数は、内径D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D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 throat portion 3. FIG. 5 is a diagram showing first-order differential coefficients of the curve shown in FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating the second derivative of the curve shown in FIG. When deriving FIGS. 4 to 6, the calculation was performed by changing the value of DT in steps of 0.01 mm. As shown in FIG. 4, for the value of any of the pressure P s, also to reduce the inner diameter D T of 6.0 mm, the discharge pressure P D was substantially constant. However, for the value of any of the pressure P s, the inner diameter D T of about 1.0mm as the critical value, the critical value less than the inner diameter D T is (for example 600 .mu.m) in the discharge pressure P D is nonlinearly rapidly increased It was confirmed from the analysis of the formula (1). Further, as shown in FIG. 5, first-order differential coefficient of a curve showing the relationship between the inner diameter D T and the pressure P s shown in FIG. 4 is substantially zero when the inner diameter D T is greater than 1.0 mm. However, when the critical value is about 1.0 mm and the inner diameter DT is smaller than the critical value, it becomes smaller than 0 and then decreases rapidly. Furthermore, as shown in FIG. 6, second order derivative of the curve showing the relationship between the inner diameter D T and the pressure P s shown in FIG. 4 is substantially zero when the inner diameter D T is greater than 1.0 mm. However, when the critical value is about 1.0 mm and the inner diameter DT is smaller than the critical value, it becomes larger than 0 and then increases rapidly.

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D、または内部断面積Aを、吐出圧P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Dまたは内部断面積Aの変化に対する、吐出圧P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Dまたは内部断面積Aとすることによって、高い吐出圧Pが実現される。 Therefore, the steam injector 10 according to the first embodiment, the inner diameter D T of the throat portion 3 or the internal cross-sectional area A 1,, threshold discharge pressure P D is increased (inner diameter or cross-sectional area) smaller than the inner diameter or cross-sectional By setting the area, a high discharge pressure, which could not be achieved conventionally, is realized. In such small inner diameter or cross-sectional area than the critical value, the first curve representing relative changes in the internal diameter D T or internal cross-sectional area A 1 of the throat portion 3, a change in the discharge pressure P D (i.e., the curve shown in FIG. 4) The rank differential coefficient is smaller than 0. Further, the second order differential coefficient is larger than zero. Therefore, a high discharge pressure P D is realized by setting the inner diameter D T or the inner sectional area A 1 where the differential coefficient of the first or second floor changes from 0.

なお、上記の図4、5、6では、内径Dが臨界値よりも大きい場合は、吐出圧P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Dが臨界値よりも大きい場合に、吐出圧P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Dまたは内部断面積A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D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D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P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Dまたは内部断面積A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P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Dまたは内部断面積A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 throat portion 3 to be less than the critical value, to obtain a high discharge pressure P D as the effect of the present invention Can do. For example, when the refrigerant is not water but another refrigerant, the parameter relating to water may be replaced with the parameter relating to the refrigerant to be used to set the inner diameter D T or the internal sectional area A 1 of the throat portion 3.

つぎに、式(1)において、スロート部3の内部断面積Aを2.83×10−7(内径D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Pを変化させたときの吐出圧Pの変化を算出した。 Then, in the formula (1), the internal cross-sectional area A 1 of the throat portion 3 and 2.83 × 10 -7 m 2 (600μm as the inner diameter D T), the m w0 1.27 × 10 -2 kg / s, 1.43 × 10 −2 kg / s, or 1.59 × 10 −2 kg / s, the discharge pressure P D when the pressure P s of the steam flow S1 in the introduction unit 1 is changed The change of was calculated.

図7は、導入部1における蒸気流S1の圧力Pと吐出圧Pとの関係を示す図である。図7に示すように、圧力Pを高めるほど吐出圧P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 introductory part 1. As shown in FIG. 7, it was confirmed from the analysis of equation (1) that it is possible to increase the discharge pressure P D as increasing the pressure P s.

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 sample 1 except that no check valve is provided (sample) 2) The sample has the same configuration as sample 1 (sample 3) except that the check valve and drain pipe are not provided. Also, the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 with A s0 / A w0 set to 7.2 (sample 4), the same configuration as sample 1 except that no check valve is provided (sample) 5) The same configuration as that of sample 1 (sample 6) except that the check valve and the drain pipe are not provided. Further, the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is further provided with a mechanism capable of making A s0 / A w0 variable (sample 7). Such a variable mechanism is realizable by comprising so that the protrusion amount to the mixing part 2 of the liquid flow introduction part 1a can be changed.

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1.94m(内径としては1.57mm)とし、スロート部3の内径D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 part 2 is 22.5 mm, the inner diameter of the mixing part 2 opposite to the throat part 3 is 3.4 mm, and the liquid flow W1 is introduced. the cross-sectional area a w0 and 1.94 M 2 (as the inner diameter of 1.57 mm), and an inner diameter D T of the throat portion 3 and 600 .mu.m, the diffuser section 4 a length and 14.4 mm, the discharge portion 4a of the diffuser portion 4 The inner diameter was 2.0 mm. The drain tube 5 has an inner diameter of 0.45 mm.

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P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/m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DOまたはDO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、P=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、DO=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、P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P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PがPinよりも低く、混合部内が正圧となっており、かつP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、DO=2.4mg/lの液流を導入し、つぎに、P=0.13MPa、DO=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 Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 9, the heat pump apparatus 100 includes a steam injector 10 according to the first embodiment, a compressor 20, a condenser 30, an evaporator 40, and a gas-liquid separator 50. These elements are connected by piping as a flow path for circulating the refrigerant.

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 heat pump apparatus 100 will be described. The compressor 20 compresses the refrigerant vapor supplied from the gas-liquid separator 50 with the electric power P from the outside. On the other hand, the condenser 30 radiates the heat of the compressed refrigerant vapor as heat H1 and condenses the refrigerant vapor to obtain a refrigerant liquid. The evaporator 40 evaporates the refrigerant by applying heat H2 absorbed from the outside to the refrigerant liquid supplied from the gas-liquid separator 50.

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 steam injector 10 introduces the refrigerant vapor flow supplied from the evaporator 40 and the refrigerant liquid flow supplied from the condenser 30, and converts the refrigerant flow whose pressure is increased into the discharge unit 4 a ( (See FIG. 1). The gas-liquid separator 50 separates the liquid and vapor of the refrigerant contained in the discharged refrigerant flow, supplies the refrigerant vapor to the compressor 20, and supplies the refrigerant liquid to the evaporator 40.

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 heat pump device 100, energy lost as a vortex in the expansion valve in the heat pump device using the expansion valve can be recovered by the steam injector 10. Further, in this heat pump device 100, the burden on the compressor 20 is reduced by the steam injector 10, so that it is possible to reduce the amount of power P to be applied from the outside in order to realize a desired operation state. Thus, the heat pump device 100 functions as a high-efficiency heat pump device with improved COP. The heat pump device 100 can be used for various devices using the heat pump device such as an air conditioner, a refrigeration device, and a hot water supply device, thereby realizing a high efficiency device.

(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 Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 10, the heat pump device 200 includes a steam injector 10 according to the first embodiment, a compressor 20, a condenser 30, an evaporator 40, a gas-liquid separator 50, an expansion valve 60, And a pump 70. These elements are connected by piping as a flow path for circulating the refrigerant.

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 heat pump device 200, the vapor injector 10 introduces the refrigerant vapor flow supplied from the compressor 20 and the refrigerant liquid flow supplied from the gas-liquid separator 50 with the pressure increased by the pump P. Then, the refrigerant flow whose pressure has been increased is discharged from the discharge part 4a (see FIG. 1) of the diffuser part 4. The condenser 30 is supplied with the refrigerant flow whose pressure is increased from the vapor injector 10, dissipates the heat as heat H <b> 1, and condenses the refrigerant flow. The gas-liquid separator 50 separates the liquid and vapor of the refrigerant contained in the refrigerant flow from the condenser 30, supplies the refrigerant vapor to the expansion valve 60, and supplies the refrigerant liquid to the pump P. The expansion valve 60 uses the refrigerant vapor as a low-temperature and low-pressure refrigerant liquid. The evaporator 40 evaporates the refrigerant by applying heat H2 absorbed from the outside to the refrigerant liquid that has been reduced in temperature and pressure by the expansion valve 60. The compressor 20 compresses the refrigerant vapor supplied from the evaporator 40 with electric power P from the outside.

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 heat pump device 200, the vapor injector 10 assists the compression of the refrigerant by the compressor 20 and supplies the refrigerant with a desired pressure to the condenser 30. As a result, it is possible to reduce the amount of power P to be applied from the outside in order to realize a desired operation state. As a result, the heat pump device 200 functions as a high-efficiency heat pump device with improved COP. The heat pump device 200 can be used for various devices using the heat pump device such as an air conditioner, a refrigeration device, and a hot water supply device, thereby realizing a high efficiency device.

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 SYMBOLS 1 Introduction part 1a Liquid flow introduction part 1b Steam flow introduction part 2 Mixing part 3 Throat part 4 Diffuser part 4a Discharge part 5 Drain pipe 6 Check valve 10 Steam injector 20 Compressor 30 Condenser 40 Evaporator 50 Gas-liquid separator 60 Expansion valve 70 Pump 100, 200 Heat pump device C1, C2 region F1 Refrigerant flow H1, H2 Heat P Electric power S1 Steam flow W1 Liquid flow

Claims (11)

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請求項1に記載の蒸気インジェクタ。   The internal cross-sectional area of the throat portion is an interior in which a first-order differential coefficient of a curve representing a change in the discharge pressure of the refrigerant flow with respect to a change in the internal cross-sectional area of the throat portion is less than 0 or a second-order differential coefficient is greater than 0. The steam injector according to claim 1, which has a cross-sectional area. 前記スロート部の内部断面積をA、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m、u、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ζ、ζ、ζ、前記液流の密度をρ、前記冷媒流の前記吐出部における吐出圧をPとすると、以下の式(1)が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の蒸気インジェクタ。
Figure 2014218937
The internal cross-sectional area of the throat portion is A 1 , the mass flow rate and flow velocity of the liquid flow in the introduction portion are m w0 and u w0 , respectively, and the mass flow rate and flow velocity of the vapor flow in the introduction portion are m s0 and u s0 , respectively. , Mass flow rate and flow velocity of the refrigerant flow in the throat portion are m 1 and u 1 , respectively, and pressure loss coefficients in the mixing portion, the throat portion, and the diffuser portion are ζ N , ζ T , ζ D , and the liquid flow, respectively. density [rho w of, when the discharge pressure in the discharge portion of the refrigerant flow to P D, the steam injector according to claim 1 or 2, characterized in that the following equation holds (1).
Figure 2014218937
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請求項1〜3のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。   The steam injector according to any one of claims 1 to 3, wherein an inner section of the throat portion is circular, and a diameter of the inner section is 2 mm or less. 前記内部断面の直径は1mm以下であることを特徴とする請求項4に記載の蒸気インジェクタ。   The steam injector according to claim 4, wherein a diameter of the inner cross section is 1 mm or less. 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請求項1〜5のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。 In the mixing unit, A s0 / A w0 is 7 or more and 30 or less, where A W0 is a cross-sectional area of the region where the liquid flow is introduced and A s0 is a cross-sectional area of the region where the vapor flow is introduced. The steam injector according to any one of claims 1 to 5. 前記As0/Aw0は、10以上20以下であることを特徴とする請求項6に記載の蒸気インジェクタ。 The steam injector according to claim 6, wherein the A s0 / A w0 is 10 or more and 20 or less. 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請求項1〜7のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。   The steam injector according to any one of claims 1 to 7, further comprising a drain pipe formed to communicate with the outside air from the inside of the mixing unit. 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請求項8に記載の蒸気インジェクタ。   The steam injector according to claim 8, wherein the drain pipe is provided with a check valve. 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請求項1〜9のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。   The steam injector according to any one of claims 1 to 9, wherein the refrigerant is water or alternative chlorofluorocarbon. 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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