JP2023156789A - エジェクタ冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、装置起動時におけるポンプのキャビテーションを防止することができるエジェクタ冷凍装置を提供すること。【解決手段】冷媒を昇圧するポンプ３と、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器４と、冷媒を減圧する膨張弁５と、膨張弁５によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器６と、蒸気生成器４からの冷媒の駆動流によって蒸発器６により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタ１と、エジェクタ１内への吸引後に駆動流と混合した冷媒を冷却する凝縮器２とを有するエジェクタ冷凍装置であって、ポンプ３を介して蒸発器６と凝縮器２との間を連通する連通機構を設け、装置起動時前に、連通機構を連通させ、蒸発器６に滞留した冷媒を凝縮器２に移送させ、その後、連通機構を閉じて装置起動を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、簡易な構成で、装置起動時におけるポンプのキャビテーションを防止することができるエジェクタ冷凍装置に関する。

エジェクタ冷凍装置は、工場の排温水などの熱源水を加熱源とし冷媒ポンプによって昇圧された高圧冷媒を蒸発させ、エジェクタの駆動流を生成する。駆動流はエジェクタに送られ、エジェクタの作用により蒸発器からの吸引流を昇圧する。昇圧された冷媒は凝縮器へと送られ、冷却水により冷却・液化する。液化された冷媒は膨張弁を通ることにより低温二相冷媒へと減圧され、蒸発器へと送られる。蒸発器においては、蒸発に伴い外部から熱を吸収し、冷水等の冷熱を生成することが可能である。

なお、特許文献１には、凝縮器側から送液ポンプを用いて蒸発器に液体の熱媒体を補充しながら圧縮機等の余熱を行うことで短時間に起動を完了するヒートポンプにおいて、ヒートポンプの起動時に、先に蒸発器に熱媒体を蒸発させ、後に送液ポンプを駆動することにより、送液ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止するものが開示されている。

特開２０１３－２２４７７２号公報

ところで、エジェクタ冷凍装置の停止時には、最も低温な箇所にて凝縮が起こるため、蒸発器に多くの冷媒が滞留する。一方で、起動時にはポンプ入口には十分な液ヘッドを確保することが必要となるが、蒸発器に多くの冷媒が滞留することにより、凝縮器内に保持すべき十分な冷媒を確保することができず、起動時にポンプ吸い込み口の必要吸込みヘッドが不足し、ポンプの故障にもつながるキャビテーションが発生し、安定した起動を達成することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、装置起動時におけるポンプのキャビテーションを防止することができるエジェクタ冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、冷媒を昇圧するポンプと、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器と、冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器と、前記蒸気生成器からの冷媒の駆動流によって前記蒸発器により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、前記エジェクタ内への吸引後に前記駆動流と混合した冷媒を冷却する凝縮器とを有するエジェクタ冷凍装置であって、前記ポンプを介して前記蒸発器と前記凝縮器との間を連通する連通機構を設け、装置起動時前に、連通機構を連通させ、前記蒸発器に滞留した冷媒を前記凝縮器に移送させ、その後、前記連通機構を閉じて装置起動を行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記連通機構は、前記ポンプを介して前記蒸発器及び前記蒸気生成器と、前記凝縮器との間を連通することを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、前記連通機構は、前記装置起動時前から前記装置起動時までの間、前記蒸発器の下側と前記蒸気生成器の下側と前記ポンプの第１入口とを接続する、前記ポンプの上流側の第１接続流路と、前記ポンプの出口と、前記ポンプの第１入口より上流側の前記ポンプの第２入口または前記凝縮器の出口または前記凝縮器の入口とを接続する、前記ポンプの下流側の第２接続流路と、を形成することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、装置起動時におけるポンプのキャビテーションを防止することができる。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタ冷凍装置の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の実施の形態における装置起動時前の状態を示す図である。 図３は、従来の停止時の状態を示す図である。 図４は、制御部による装置起動時前の起動時処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタ冷凍装置の構成を示す回路図である。ここで例示するエジェクタ冷凍装置は、工場排水や使用済み冷却水等の排温水から排熱を熱源として回収し、被冷却媒体を冷却するものであり、循環経路Ｌ１上に順次接続されたエジェクタ１、凝縮器２、ポンプ３、蒸気生成器４を有する。また、エジェクタ冷凍装置には、分岐経路Ｌ２が設けてある。分岐経路Ｌ２は、循環経路Ｌ１の凝縮器２と蒸気生成器４との間の分岐点ＬＳにおいてポンプ３よりも上流となる部分から分岐し、循環経路Ｌ１を流通する冷媒の一部を吸引流体としてエジェクタ１に供給するものである。なお、被冷却媒体としては、水や油、あるいはその他の冷媒を対象とすることができる。本実施の形態１では、特に、排温水から回収した排熱により、被冷却水から冷水を生成するエジェクタ冷凍装置を例示している。

ポンプ３は、循環経路Ｌ１において冷媒の循環供給を行う。より詳細に説明すると、ポンプ３は、例えば液相の可変容量ポンプであり、冷媒を昇圧してエジェクタ１に供給する。本実施の形態１のポンプ３は、後述する制御部Ｃから与えられる駆動信号に従った回転数で駆動される。蒸気生成器４は、蒸気生成器４に供給される排温水などの熱源との間で熱交換を行うことにより、ポンプ３から供給された冷媒を蒸発させる。

分岐経路Ｌ２には、膨張弁５及び蒸発器６が設けてある。膨張弁５は、凝縮器２を通過して分岐点ＬＳを介して分岐供給された冷媒を膨張させて減圧する。蒸発器６は、膨張弁５を通過した後の液相の冷媒と、蒸発器６に供給される被冷却水との間で熱交換を行うことにより、冷媒を蒸発させる。なお、膨張弁５としては電子膨張弁が好適であるが、用途や構成に応じて手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁等やその他の形式の絞り機構を適宜選択しても良い。

ここで、本実施の形態１では、ポンプ３を介して少なくとも蒸発器６と凝縮器２との間を連通する連通機構を設け、装置起動時前に、この連通機構を連通させ、蒸発器６に滞留した冷媒を凝縮器２に移送させ、その後、この連通機構を閉じて装置起動を行う。なお、本実施の形態の連通機構は、ポンプ３を介して蒸発器６および蒸気生成器４と、凝縮器２との間を連通するようにしている。装置停止時の温度は蒸発器６が一番低く、最も冷媒が滞留しやすいため、連通機構は、少なくとも蒸発器６を連通させた方がよい。

この連通機構は、装置起動時前から装置起動時までの間、蒸発器６の下側と蒸気生成器４の下側とポンプの第１入口とを接続する、ポンプ３の上流側の第１接続流路と、ポンプ３の出口と、ポンプ３の第１入口より上流側のポンプ３の第２入口または凝縮器２の出口または凝縮器２の入口とを接続する、ポンプ３の下流側の第２接続流路と、を形成する。

第１接続流路は、蒸気生成器４の下側の接続点ＬＳ１と蒸発器６の下側の接続点ＬＳ３とを接続する接続配管Ｌ１１と、接続配管Ｌ１１の途中に形成された接続点ＬＳ２とポンプ３の入口側の接続点ＬＳ４とを接続する接続配管Ｌ１２とによって形成される。そして、接続点ＬＳ２と接続点ＬＳ３との間に開閉弁Ｖ３が設けられ、接続点ＬＳ２と接続点ＬＳ４との間に開閉弁Ｖ２が設けられる。

また、第２接続流路は、ポンプ３の出口の接続点ＬＳ５と、凝縮器２の入口と凝縮器２の下流側との接続点ＬＳ６とを接続する接続配管Ｌ１３により形成される。接続配管Ｌ１３には、開閉弁Ｖ４が設けられる。

なお、第１接続流路と第２接続流路とを形成するために、接続点ＬＳ１と接続点ＬＳ５との間には、開閉弁Ｖ１が設けられ、接続点ＬＳ６と分岐点ＬＳとの間には、開閉弁Ｖ５が設けられる。

図１および図２に示すように、装置起動後の装置運転中は、開閉弁Ｖ１，Ｖ５が開、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が閉となり、膨張弁５は可変絞り状態となっている。一方、装置起動時前から装置起動時までは、開閉弁Ｖ１，Ｖ５が閉、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が開となり、膨張弁５が全閉となって、第１接続流路及び第２接続流路を形成する。この状態で、ポンプ３を始動することにより、蒸発器６及び蒸気生成器４に滞留した冷媒は凝縮器２に移送される。

制御部Ｃは、駆動流の圧力や温度、熱源温度などを検出して、ポンプ３及び膨張弁５などを制御する。制御部Ｃは、特に、装置起動時前に、膨張弁５を全閉、開閉弁Ｖ１，Ｖ５を閉、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を開にし、ポンプ３を始動して、蒸発器６及び蒸気生成器４に滞留した冷媒を凝縮器２に移送させ、その後、開閉弁Ｖ１，Ｖ５を開、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を閉にして装置起動を行う

これにより、図２に示すように、装置起動時前に、蒸発器６及び蒸気生成器４に滞留していた冷媒は、ポンプ３の始動により、凝縮器２に移送される。この結果、凝縮器２の液ヘッドｈが上昇し、装置起動時に、ポンプ３におけるキャビテーションの発生を防止することができる。

なお、図３に示すように、従来は装置停止時に主として蒸発器６に冷媒が滞留する。具体的には、装置停止時の各熱交換器の温度は、蒸気生成器４が６０℃～８０℃、蒸発器６が５℃～２０℃、凝縮器２が１５℃～３５℃であり、蒸発器６の温度が最も低く、冷媒が凝縮、滞留しやすい。なお、蒸気生成器４にも冷媒は滞留する。これにより、凝縮器２に保持しておくべき冷媒量が減少すると、ポンプ３の装置起動時に必要吸込みヘッドＮＰＳＨＲが不足し、ポンプ３の故障につながるキャビテーションが発生する。詳細には、液ヘッドｈ（有効吸込みヘッドＮＰＳＨＡ）に相当する圧力がポンプ３の吸込み口に加わる。そして、一般にポンプ３は、必要吸込みヘッドＮＰＳＨＲよりも有効吸込みヘッドＮＰＳＨＡが大きくなる条件で動かすことにより、キャビテーションを防止することができるが、液ヘッドｈが液ヘッドｈ´に下がって、液ヘッドｈ´＜必要吸込みヘッドＮＰＳＨＲになると、装置起動時にキャビテーションが発生してしまう。

＜起動時処理手順＞
図４は、制御部Ｃによる装置起動時前の起動時処理手順を示すフローチャートである。図４に示すように、まず装置起動時前に、制御部Ｃは、膨張弁５を全閉にする（ステップＳ１０１）。さらに、開閉弁Ｖ１、Ｖ５を閉、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を開にする切替を行う（ステップＳ１０２）。これにより、ポンプ３を介した蒸発器６及び蒸気生成器４から凝縮器２までの流路が形成される。

その後、制御部Ｃは、ポンプ３を始動して（ステップＳ１０３）、蒸発器６及び蒸気生成器４の冷媒を凝縮器２に移送する。その後、制御部Ｃは、一定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。一定時間経過しない場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、本判定処理を繰り返す。一方、一定時間経過した場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、ポンプ３を停止し（ステップＳ１０５）、冷媒の移送を終了する。

その後、装置起動の準備として、開閉弁Ｖ１、Ｖ５を開、開閉弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を閉にし（ステップＳ１０６）、装置を起動し（ステップＳ１０７）、本処理を終了する。

なお、一定時間は、液ヘッドｈが必要吸込みヘッドＮＰＳＨＲを超える十分な時間であり、事前に取得した液ヘッドｈのデータに基づいた時間である。また、一定時間に替えて、液位計による液位検知やポンプ３のトルク検知であってもよい。

上記の実施の形態によれば、装置起動時前に、ポンプ３を用いて蒸発器６及び蒸気生成器４に滞留した冷媒を凝縮器２に移送させることができるため、装置起動時におけるポンプ３のキャビテーションを防止することができる。

また、上記の実施の形態では、重い凝縮器２を高く配置する必要がないので、簡易な構成で、装置がコンパクトになるともに、重心位置が安定した装置とすることができる。さらに、装置起動時に十分な液ヘッドｈを確保するために設けられる、凝縮器２の下流に配置されるバッファ用の液タンクを小さくすることができるので、この点からも装置を簡易かつコンパクトな構成とすることができる。

さらに、上記の開閉弁Ｖ１～Ｖ５は、三方弁や多ポート方向制御弁を適宜採用して置き換えて弁数を減らすことができる。

なお、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ エジェクタ
２ 凝縮器
３ ポンプ
４ 蒸気生成器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
Ｃ 制御部
ｈ，ｈ´ 液ヘッド
Ｌ１ 循環経路
Ｌ２ 分岐経路
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３ 接続配管
ＬＳ 分岐点
ＬＳ１～ＬＳ６ 接続点
Ｖ１～Ｖ５ 開閉弁

Claims (3)

1. 冷媒を昇圧するポンプと、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器と、冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器と、前記蒸気生成器からの冷媒の駆動流によって前記蒸発器により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、前記エジェクタ内への吸引後に前記駆動流と混合した冷媒を冷却する凝縮器とを有するエジェクタ冷凍装置であって、
   前記ポンプを介して前記蒸発器と前記凝縮器との間を連通する連通機構を設け、
   装置起動時前に、連通機構を連通させ、前記蒸発器に滞留した冷媒を前記凝縮器に移送させ、その後、前記連通機構を閉じて装置起動を行うことを特徴とするエジェクタ冷凍装置。
2. 前記連通機構は、前記ポンプを介して前記蒸発器及び前記蒸気生成器と、前記凝縮器との間を連通することを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ冷凍装置。
3. 前記連通機構は、
   前記装置起動時前から前記装置起動時までの間、
   前記蒸発器の下側と前記蒸気生成器の下側と前記ポンプの第１入口とを接続する、前記ポンプの上流側の第１接続流路と、
   前記ポンプの出口と、前記ポンプの第１入口より上流側の前記ポンプの第２入口または前記凝縮器の出口または前記凝縮器の入口とを接続する、前記ポンプの下流側の第２接続流路と、
   を形成することを特徴とする請求項２に記載のエジェクタ冷凍装置。

Images