JP2016153713A - エジェクタサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機を駆動するエンジンに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機を備える場合において、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力向上を図ることができるエジェクタサイクルを提供する。【解決手段】気相冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１が吐出した高圧冷媒を冷却する放熱部２と、液相冷媒を蒸発する蒸発部３と、エジェクタ４と、エジェクタ４からの気液混合冷媒を圧縮機１に流動させる気相冷媒と蒸発部３に流動させる液相冷媒とに分離する気液分離部５と、気液分離部５にて分離されて圧縮機１に流動する気相冷媒を加熱する加熱部６とが設けられ、圧縮機１を駆動するエンジンＥに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機Ｋが設けられ、過給機Ｋから供給される圧縮空気が、加熱部６を通して流動した後にエンジンＥに流動するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、気相冷媒を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱部と、液相冷媒を蒸発する蒸発部と、前記放熱部からの高圧冷媒を減圧膨張させて前記蒸発部からの冷媒を吸引しかつ減圧させた冷媒と吸引した冷媒とを混合しながら圧力を上昇させるエジェクタと、当該エジェクタからの気液混合冷媒を前記圧縮機に流動させる気相冷媒と前記蒸発部に流動させる液相冷媒とに分離する気液分離部と、当該気液分離部にて分離されて前記圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部とが設けられているエジェクタサイクルに関する。

エジェクタサイクルは、エジェクタを備えるものであるから、圧縮機の吸入圧力を増加させてエネルギー消費効率（ＣＯＰ）を向上させることができ、また、蒸発部に流動する冷媒が液相になるから、蒸発部内での圧力損失の低減及び熱伝達率の増加等により、蒸発部の性能向上を図ることができるため、この点からもエネルギー消費効率（ＣＯＰ）を向上させることができるものである。

また、気液分離部にて分離されて圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部を設けているから、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保して、圧縮機において液圧縮状態になる等のトラブルの発生を的確に防止できるものである。

このようなエジェクタサイクルの従来例として、放熱部を通過した高圧冷媒を、加熱部を通して流動させた後にエジェクタに流動させるように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
つまり、加熱部が、放熱部を通過した高圧冷媒により圧縮機に流動する気相冷媒を加熱するように構成されている。

尚、特許文献１には、加熱部の構成として、上述の構成の他、種々の形態が記載されている。
すなわち、貯湯タンクの湯水を、放熱部を経由して循環流動させて昇温させる場合において、加熱部が、貯湯タンクから放熱部に向けて流動する湯水により圧縮機に流動する気相冷媒を加熱するように構成される形態、加熱部が、浴槽の残り湯を用いて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱するように構成される形態、及び、圧縮機を電動モータに駆動する場合において、加熱部が、電動モータの熱を用いて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱するように構成される形態の夫々が記載されている。

エジェクタサイクルの別の従来例として、加熱部が、室外空気を用いて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱するように構成されたものがある（例えば、特許文献２参照）。
尚、特許文献２には、加熱部が、室外空気を用いて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部分と、放熱部を通過した高圧冷媒により圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部分とを備える形態に構成される場合も記載されている。

特許第３３２２２６３号公報 特開２００４−３８０４号公報

エジェクタサイクルにおいては、圧縮機をエンジンにて駆動する形態に構成することができ、そして、エンジンとして、燃焼用の圧縮空気を供給する過給機を備える過給機付エンジンを用いる場合がある。

過給機からの圧縮空気をエンジンに供給する際には、一般に、過給機から供給される圧縮空気を冷却するインタークーラを設けて、エンジンに供給する圧縮空気の温度を低下させることにより、混合気密度を増加させて、エンジンの出力を向上させることになる。

しかしながら、インタークーラは、一般に、外気にて冷却する外気通風形態に構成されるものであるが、このようなインタークーラは、外気の温度が高いことに起因して、圧縮空気の温度を十分に低下させることができないものであり、エンジンの出力向上のため、過給機からエンジンに供給される圧縮空気を十分に冷却することが望まれている。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、圧縮機を駆動するエンジンに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機を備える場合において、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力向上を図ることができるエジェクタサイクルを提供する点にある。

本発明のエジェクタサイクルは、気相冷媒を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱部と、液相冷媒を蒸発する蒸発部と、前記放熱部からの高圧冷媒を減圧膨張させて前記蒸発部からの冷媒を吸引しかつ減圧させた冷媒と吸引した冷媒とを混合しながら圧力を上昇させるエジェクタと、当該エジェクタからの気液混合冷媒を前記圧縮機に流動させる気相冷媒と前記蒸発部に流動させる液相冷媒とに分離する気液分離部と、当該気液分離部にて分離されて前記圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部とが設けられているものであって、その特徴構成は、
前記圧縮機を駆動するエンジンに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機が設けられ、
前記過給機から供給される圧縮空気が、前記加熱部を通して流動した後に前記エンジンに流動するように構成されている。

すなわち、圧縮機を駆動するエンジンに供給される過給機からの圧縮空気が、加熱部を通して流動した後にエンジンに流動するように構成されて、加熱部が、過給機から供給される圧縮空気が保有する熱にて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱することにより、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保することになる。

そして、圧縮機に流動する気相冷媒の温度は、外気の温度よりも十分に低いものであるから、過給機から供給される圧縮空気は、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱することにより、十分に温度が低下することになり、そのように温度が低下した圧縮空気をエンジンに供給するものとなるから、エンジンの出力を向上させることができる。

つまり、圧縮機に流動する気相冷媒を、過給機からエンジンに供給される圧縮空気にて加熱することにより、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保するようにしながら、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力を向上させることができるのである。

要するに、本発明のエジェクタサイクルの特徴構成によれば、圧縮機を駆動するエンジンに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機を備える場合において、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力向上を図ることができる。

また、本発明のエジェクタサイクルの更なる特徴構成は、
前記過給機から供給される圧縮空気を冷却するインタークーラが設けられ、
前記インタークーラを通過した後の圧縮空気が、前記加熱部を通して流動した後に前記エンジンに流動するように構成されている点にある。

すなわち、過給機から供給される圧縮空気を、インタークーラにて冷却した後、加熱部にて冷却することにより、圧縮空気の温度を大きく低下させて、エンジンの出力を的確に向上させることができる。

要するに、本発明のエジェクタサイクルの更なる特徴構成によれば、エンジンの出力を的確に向上させることができる。

本発明のエジェクタサイクルの更なる特徴構成は、
前記加熱部よりも下流側でかつ前記圧縮機の上流側に気相冷媒を加熱する補助加熱部が設けられ、
前記エンジンの排熱を回収するエンジン冷却液が、前記補助加熱部を経由して循環流動するように構成されている点にある。

すなわち、圧縮機に流動する気相冷媒を、エンジンに供給する圧縮空気が保有する熱にて加熱する加熱部にて加熱することに加えて、補助加熱部にて、エンジンの排熱を回収したエンジン冷却液が保有する熱にて、圧縮機に流動する気相冷媒を加熱することにより、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保することになる。

つまり、圧縮機に流動する気相冷媒を、加熱部にて、過給機から供給される圧縮空気が保有する熱にて加熱するだけでは、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を十分に増加させることができない場合においても、圧縮機に流動する気相冷媒を、補助加熱部にて、圧縮機を駆動するエンジンの排熱を回収するエンジン冷却液が保有する熱を用いて加熱することにより、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を適切に確保することができるのである。

要するに、本発明のエジェクタサイクルの特徴構成によれば、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を適切に確保することができる。

本発明のエジェクタサイクルの更なる特徴構成は、
前記蒸発部を通して循環流動する冷却用液が、冷却用放熱部を経由して流動するように構成されている点にある。

すなわち、蒸発部を通して循環流動する冷却用液が、冷却用放熱部を経由して流動するように構成されて、エジェクタサイクルが、いわゆる冷却運転モードとして使用されることになる。
つまり、例えば、冷却用放熱部にて空調対象空間を冷房する等、エジェクタサイクルが、冷房用等の冷却運転モードとして使用されることになる。

このように、エジェクタサイクルを冷却運転モードとして使用する場合において、圧縮機に流動する気相冷媒を、過給機からエンジンに供給される圧縮空気にて加熱することにより、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保するようにしながら、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力を向上させることができるのである。

要するに、本発明のエジェクタサイクルの特徴構成によれば、エジェクタサイクルを、冷却運転モードとして使用する場合において、圧縮機に流動する気相冷媒の過熱度を確保しながら、過給機からエンジンに供給される圧縮空気の温度を十分に低下させて、エンジンの出力を向上させることができる。

第１実施形態のエジェクタサイクルの構成を示す図 エジェクタの概略図 第２実施形態のエジェクタサイクルの構成を示す図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
（エジェクタサイクルの全体構成）
図１に示すように、エジェクタサイクルには、気相冷媒を圧縮する圧縮機１と、当該圧縮機１が吐出した高圧冷媒を冷却する放熱部２と、液相冷媒を蒸発する蒸発部３と、放熱部２からの高圧冷媒を減圧膨張させて蒸発部３からの冷媒を吸引しかつ減圧させた冷媒と吸引した冷媒とを混合しながら圧力を上昇させるエジェクタ４と、当該エジェクタ４からの気液混合冷媒を圧縮機１に流動させる気相冷媒と蒸発部３に流動させる液相冷媒とに分離する気液分離部５と、当該気液分離部５にて分離されて圧縮機１に流動する気相冷媒を加熱する加熱部６が設けられている。

本実施形態においては、加熱部６の下流側でかつ圧縮機１の上流側に、加熱部６にて加熱された気相冷媒を加熱する補助加熱部７が設けられ、また、気液分離部５と蒸発部３との間に減圧部８が配置されている。
また、本実施形態においては、圧縮機１がエンジンＥにて駆動されるように構成されている。圧縮機１を駆動するエンジンＥは、本実施形態においては、過給機Ｋを備えるガスエンジンであり、その詳細は後述する。

エジェクタ４が、図２に示すように、放熱部２からの高圧冷媒を減圧膨張させて蒸発部３からの冷媒を吸引するノズル部４ａ、減圧させた冷媒と吸引した冷媒を混合しながら圧力を上昇させる混合部４ｂ、及び、混合した冷媒の流速を低下させて圧力を上昇させるディフューザ部４ｃを備えるように構成されている。

したがって、圧縮機１と放熱部２とを接続する第１流路Ｒ１、及び、放熱部２とエジェクタ４とを接続する第２流路Ｒ２が、高圧冷媒を流動させ、エジェクタ４と気液分離部５とを接続する第３流路Ｒ３、気液分離部５と圧縮機１とを、加熱部６及び補助加熱部７を経由して接続する第４流路Ｒ４、及び、気液分離部５と減圧部８とを接続する第５流路Ｒ５が、中圧冷媒を流動させ、減圧部８と蒸発部３とを接続する第６流路Ｒ６、及び、蒸発部３とエジェクタ４とを接続する第７流路Ｒ７が、低圧冷媒を流動させるように構成されている。

尚、放熱部２は、本実施形態においては、冷却用の外気を通風させて冷却作用する外気通風式の熱交換器として構成されている。

（冷却運転モードについて）
蒸発部３と空調用の冷却用放熱部９とを接続する第１流動路Ｌ１、及び、冷却用放熱部９と蒸発部３とを接続する第２流動路Ｌ２が、冷却用液を流動させるように設けられ、冷却液を循環させる循環ポンプ１０が、第１流動路Ｌ１に設けられている。
したがって、第１流動路Ｌ１及び第２流動路Ｌ２を通して、冷却用液が循環流動されるように構成されている。

つまり、蒸発部３が、第６流路Ｒ６を通して供給される低圧冷媒と冷却用液とを熱交換して、冷却用液を低圧冷媒にて冷却するように構成され、そして、蒸発部３を通して循環流動する冷却用液が、空調用の冷却用放熱部９を経由して循環流動されて、冷却用放熱部９にて空調対象空間を冷房するように構成されている。
したがって、本実施形態においては、エジェクタサイクルが、冷房を行う冷却運転モードにて作動するように構成されている。

（エンジンについて）
圧縮機１を駆動するエンジンＥの冷却ジャケットとエンジン冷却用ラジエータ１１とを接続するエンジン冷却用循環路Ｊａ、及び、エンジン冷却用循環路Ｊａを通してエンジン冷却液を循環流動させるエンジン冷却用ポンプ１２が設けられて、エンジンＥが冷却されるように構成されている。

過給機Ｋは、エンジンＥの燃焼室から排ガス路１４を通して排出される排ガスにて駆動されるタービンＫｔを備える、いわゆるターボ式過給機として構成されている。
そして、タービンＫｔと一体回転するコンプレッサＫｃが、燃焼用の空気を圧縮した圧縮空気をエンジンＥの燃焼室に給気路１５を通して供給するように構成されている。

本実施形態においては、コンプレッサＫｃに吸引される燃焼用の空気に対して、都市ガス等のガス燃料を混合するベンチュリーミキサー等の混合器１６が設けられており、燃焼用空気にガス燃料を混合した混合ガスが、コンプレッサにて圧縮された状態で、エンジンＥの燃焼室に供給されるように構成されている。

尚、給気路１５には、混合ガスの流量を調整するスロットル弁１７が設けられて、エンジンＥの出力を調整できるように構成されている。

（加熱部について）
過給機ＫのコンプレッサＫｃとエンジンＥとを接続する給気路１５が、加熱部６を経由する形態で設けられて、コンプレッサＫｃにて圧縮された混合ガスが、加熱部６を通して流動した後にエンジンＥに流動するように構成されている。

したがって、加熱部６が、過給機ＫのコンプレッサＫｃにて圧縮された混合ガスが保有する熱にて、気液分離部５から圧縮機１に流動する気相冷媒を加熱することにより、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を確保するように構成されている。

そして、圧縮機１に流動する気相冷媒の温度は、外気の温度よりも十分に低いものであるから、過給機Ｋから供給される混合ガスは、圧縮機１に流動する気相冷媒を加熱することにより、十分に温度が低下することになり、そのように温度が低下した混合ガスをエンジンＥに供給するものとなるから、エンジンＥの出力を向上させることができる。

つまり、圧縮機１に流動する気相冷媒を、過給機ＫからエンジンＥに供給される圧縮空気（混合ガス）にて加熱することにより、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を確保するようにしながら、過給機Ｋからエンジンに供給される圧縮空気（混合ガス）の温度を十分に低下させて、エンジンＥの出力を向上させることができるのである。

（補助加熱部について）
エンジン冷却用循環路Ｊａから分岐する分流路Ｊｂが、エンジン冷却用循環路Ｊａを流動するエンジン冷却液の一部を補助加熱部７に流動させ、かつ、補助加熱部７を通過したエンジン冷却液をエンジン冷却用循環路Ｊａに戻す形態で設けられて、エンジンＥの排熱を回収するエンジン冷却液が、補助加熱部７を経由して循環流動するように構成されている。

また、エンジン冷却用循環路Ｊａから分流路Ｊｂに分岐させるエンジン冷却液の量を調節する分岐調節弁１３が設けられて、補助加熱部７を通過するエンジン冷却液の量を適正量に設定できるように構成されている。

したがって、圧縮機１に流動する気相冷媒を、加熱部６にて加熱した後に、補助加熱部７にて、圧縮機１を駆動するエンジンＥの排熱を回収するエンジン冷却液が保有する熱を用いて加熱することができるように構成さている。

つまり、圧縮機１に流動する気相冷媒を、加熱部６にて、過給機Ｋから供給される混合ガスが保有する熱にて加熱するだけでは、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を十分に増加させることができない場合においても、圧縮機１に流動する気相冷媒を、補助加熱部７にて、圧縮機１を駆動するエンジンＥの排熱を回収するエンジン冷却液が保有する熱を用いて加熱することにより、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を適切に確保することができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明するが、この第２実施形態は、加熱部６の別実施形態を示すものであって、その他の構成は第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明して、第１実施形態と同様な構成については、第１実施形態と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。

すなわち、図３に示すように、この第２実施形態は、第１実施形態と同様に、蒸発部３を通して循環流動する冷却用液が、空調用の冷却用放熱部９を経由して循環流動するように構成されて、エジェクタサイクルが、冷房を行う冷却運転モードとして作動するように構成されている。

また、この第２実施形態においては、過給機Ｋから供給される混合ガスが流動する加熱部６、及び、エンジン冷却液が流動する補助加熱部７が設けられている。

第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、給気路１５の過給機Ｋと加熱部６との間に相当する部分に、過給機Ｋにて圧縮された混合ガスを冷却するインタークーラ１８が設けられている点である。
つまり、インタークーラ１８を通過した混合ガスが、加熱部６を通して流動した後にエンジンＥに流動するように構成されている。
尚、インタークーラ１８としては、本実施形態においては、外気にて冷却する空冷式を例示するが、冷水にて冷却する水冷式を採用することもできる。

したがって、この第２実施形態においては、過給機Ｋにて圧縮された混合ガスを、インタークーラ１８にて冷却した後、加熱部６にて冷却できるため、過給機Ｋから供給される混合ガスの温度を十分に低下させて、そのように温度が十分に低下した混合ガスをエンジンＥに供給するものとなるから、エンジンＥの出力を適切に向上させることができる。

ちなみに、過給機Ｋにて圧縮された混合ガスを、インタークーラ１８及び加熱部６にて冷却することになるため、圧縮機１に流動する気相冷媒を、加熱部６にて、過給機Ｋから供給される混合ガスが保有する熱にて加熱するだけでは、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を十分に増加させることができないものとなるが、圧縮機１に流動する気相冷媒を、補助加熱部７にて、圧縮機１を駆動するエンジンＥの排熱を回収するエンジン冷却液が保有する熱を用いて加熱することにより、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を適切に確保することができる。

〔別実施形態〕
次に、別実施形態を列記する。
（１）上記第１及び第２実施形態においては、エンジンＥとして、ガスエンジンを例示したが、エンジンＥとしては、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等、各種エンジンが適用できる。

（２）上記第１及び第２実施形態においては、過給機Ｋが、燃焼用の空気とガス燃料との混合ガスを圧縮する場合を例示したが、過給機Ｋにて燃焼用の空気のみを圧縮する形態で実施してもよい。この場合、過給機ＫからエンジンＥに供給される圧縮空気中に、あるいは、エンジンＥの燃焼室に、燃料を噴射する構成を採用することができる。

（３）上記第１及び第２実施形態においては、過給機Ｋとして、エンジンＥの排ガスにて駆動される、いわゆるターボ式の過給機を例示したが、過給機Ｋとしては、エンジンＥにて回転駆動される形態の過給機を用いるようにしてもよい。

（４）上記第１及び第２実施形態においては、加熱部６に加えて、エンジン冷却液にて加熱する補助加熱部７を装備する場合を例示したが、加熱部６の加熱作用により、圧縮機１に流動する気相冷媒の過熱度を適切に確保できる場合には、補助加熱部７を省略する形態で実施してもよい。

（５）上記第１及び第２実施形態においては、冷却運転モードとして、冷房を行う場合を例示したが、例えば、冷却用放熱部９にて保冷室を冷却させるようにする等、冷却運転モードにおける冷却対象は各種変更できる。

（６）上記第１及び第２実施形態においては、エジェクタサイクルが、冷却運転モードのみを実行する場合を例示したが、エジェクタサイクルを、冷却運転モードと暖房等の加熱運転モードとに切換えるようにする場合においても、本発明は適用できるものである。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

１ 圧縮機
２ 放熱部
３ 蒸発部
４ エジェクタ
４ａ ノズル部
４ｂ 混合部
４ｃ ディフューザ部
５ 気液分離部
６ 加熱部
７ 補助加熱部
９ 冷却用放熱部
Ｅ エンジン
Ｋ 過給機

Claims (4)

1. 気相冷媒を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機から吐出した高圧冷媒を冷却する放熱部と、液相冷媒を蒸発する蒸発部と、前記放熱部からの高圧冷媒を減圧膨張させて前記蒸発部からの冷媒を吸引しかつ減圧させた冷媒と吸引した冷媒とを混合しながら圧力を上昇させるエジェクタと、当該エジェクタからの気液混合冷媒を前記圧縮機に流動させる気相冷媒と前記蒸発部に流動させる液相冷媒とに分離する気液分離部と、当該気液分離部にて分離されて前記圧縮機に流動する気相冷媒を加熱する加熱部とが設けられているエジェクタサイクルであって、
   前記圧縮機を駆動するエンジンに燃焼用の圧縮空気を供給する過給機が設けられ、
   前記過給機から供給される圧縮空気が、前記加熱部を通して流動した後に前記エンジンに流動するように構成されているエジェクタサイクル。
2. 前記過給機から供給される圧縮空気を冷却するインタークーラが設けられ、
   前記インタークーラを通過した後の圧縮空気が、前記加熱部を通して流動した後に前記エンジンに流動するように構成されている請求項１記載のエジェクタサイクル。
3. 前記加熱部よりも下流側に気相冷媒を加熱する補助加熱部が設けられ、
   前記エンジンの排熱を回収するエンジン冷却液が、前記補助加熱部を経由して循環流動するように構成されている請求項１又は２記載のエジェクタサイクル。
4. 前記蒸発部を通して循環流動する冷却用液が、冷却用放熱部を経由して流動するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のエジェクタサイクル。

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