JP3931226B2

JP3931226B2 - エジェクタ式冷凍装置及びその装置に用いるエジェクタ

Info

Publication number: JP3931226B2
Application number: JP2002066372A
Authority: JP
Inventors: 尚樹遠藤; 哲彦前田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: JP2003269399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水などの常温以下で蒸気圧力が低い物質を作動媒体とし、エジェクタを用いた冷凍装置、及びその冷凍装置に使用するエジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機としては種々のものが用いられているが、その一つとして水などを作動媒体とする空調機用冷凍機がある。このような冷凍機の基本構成は図４に示すように、圧縮機３２により吸引されることにより低圧となっている蒸発器３１内の水等の作動媒体は、空調用等の循環熱媒体としての被冷却媒体３３で熱せられて気化する。この媒体は圧縮機３２で吸引され、加圧されて凝縮器３４で凝縮する。凝縮した水は膨張弁３５で膨張して気化し、再び蒸発器３１に戻り、同作動を繰り返す。
【０００３】
水などを空調用冷凍機の作動媒体とする場合、この温度レベルでは蒸気圧が低く、大気圧以下となり、図４に示すような冷凍サイクルにおいて通常の圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を用いた冷凍サイクルでは、圧縮機は低圧になればなるほど単位時間あたりの吸入体積が小さくなるため効率が低下し、冷凍機の効率が低下せざるを得ない。
【０００４】
一方、回転エネルギーを経ないで流体のエネルギーを直接、吸引・圧縮に使用する機器としてエジェクタが存在し、上記のような基本構成をなす冷凍サイクルにおいて、蒸発器３１内を低圧にする作用をエジェクタによって行うエジェクタ式冷凍機が存在する。このようなエジェクタ式冷凍機にも種々のものが存在するが、エジェクタの駆動流として気体のみが用いられる場合においては、例えば図５に示すようなものがある。
【０００５】
即ち図５に示す例においては、エジェクタ４１のノズル４２に蒸気等の圧力気体を導きここから噴射すると、蒸発器４３の作動媒体が吸込流４４として吸引され、蒸発器４３内が低圧となる。エジェクタ４１に吸引された作動媒体はエジェクタ４１の出口部分で加圧されて凝縮器４５に入る。凝縮器４５内で凝縮した作動媒体の液体は膨張弁４６で膨張してその一部が気化し、気液全体が冷却状態で再び蒸発器４３に戻り、蒸発器４３内の加熱水４９を冷却する。また、凝縮器４５内の非凝縮性の気体は外部に抽気され、同作動を繰り返す。
【０００６】
エジェクタ式冷凍機においてエジェクタの駆動流として気体と液体の二相流が用いられる場合においては、例えば図６に示すように、前記図５に示す冷凍機の構成に対して更に圧縮機４７と凝縮器４８とを加えた構成をなし、また、図５に示した凝縮器７に替わり気液分離器５０を用いている。このエジェクタ式冷凍機においては、気液分離器５０で分離した気体成分を圧縮機４７で圧縮し、凝縮器４８で凝縮して液化する。この凝縮器の液体を内部の圧力によりノズル４２に圧送し、ノズル４２からは二相膨張の結果として、気体と液体が流出するようになっており、その他は前記図５に示す装置と同様に作動する。このような装置において、圧縮機の効率よりエジェクタの効率の方が高くなれば、エジェクタを付加したサイクルは有効となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記図４に示した冷凍機においては、装置内に外部からの空気の混入がないことを前提とし、空気が混入した分だけ効率が低下する。上記のように水を作動媒体とする場合には、空調温度レベルではシステム内の圧力が負圧になるため、空気の混入が起こりやすい。さらに上記図６に示したエジェクタ式冷凍機においては、たとえば水の蒸発圧力を１０℃、凝縮温度を４０℃とする場合、蒸発圧力と凝縮圧力の間の、気液分離器の圧力と凝縮圧力との圧力差は小さいため、エジェクタの効率は非常に低くなる。
【０００８】
したがって本発明は、従来のエジェクタ式冷凍機において、圧縮機の効率を高めることにより冷凍効率を向上し、また、その高効率を長期間にわたって維持することができるようにしたエジェクタ式冷凍機を提供すると共に、その冷凍機に用いるのに好適なエジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、被冷却媒体を冷却する蒸発器と、作動媒体循環管路内に予め供給した非凝縮性ガスを主体とする駆動流体をノズルから噴出し、該噴出流により前記蒸発器の蒸気を吸引するエジェクタと、前記エジェクタの噴出流体のうち、凝縮性成分を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器の液体を膨張させ前記蒸発器に供給する膨張弁と、前記凝縮器の気体を吸引し吐出する圧縮機と、前記圧縮機の吐出気体から液体成分を分離する気液分離器とを備え、前記気液分離器の非凝縮性ガスを主体とする気体を前記エジェクタのノズルに供給することを特徴とするエジェクタ式冷凍装置としたものである。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、前記圧縮機に前記管路内の液体を供給し、圧縮動力の低減を行うことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置としたものである。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、前記圧縮機の内部に管路内の液体を供給し、液封式圧縮機の液封を行うことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置としたものである。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、前記圧縮機の吐出側管路に、管路内圧力を調整する圧力調整弁を設けたことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置としたものである。
【００１３】
また、請求項５に係る発明は、前記エジェクタのノズルに前記空気を主体とする駆動流体と共に前記管路内の液体も供給したことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置としたのものである。
【００１４】
また、請求項６に係る発明は、前記ノズルに供給する液体の流量を調整する流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項５記載のエジェクタ式冷凍装置としたものである。
【００１５】
また、請求項７に係る発明は、非凝縮性ガスを主体とする気体を供給する主ノズルと、液体を供給する副ノズルと、副ノズルの絞り部に進退自在に設け、供給する液体の量を調節するニードルと、前記主ノズル及び副ノズルから供給される二相流体を駆動流とし、蒸発器の気体を吸引することを特徴とするエジェクタ式冷凍装置用エジェクタとしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。図１には本発明によるエジェクタ式冷凍機の第１の実施の形態を示し、同図におけるエジェクタ式冷凍機１においては、被冷却媒体２を冷却する蒸発器３と、後述するように駆動流として非凝縮性ガスとしての空気が供給されるノズル４を備え、前記蒸発器３の作動媒体を吸引するエジェクタ５と、エジェクタ５の出口部分で圧縮された空気と蒸気が供給され冷却水６により内部が冷却される凝縮器７と、凝縮器７で凝縮された凝縮水を膨張させ蒸発器３に供給する膨張弁８と、凝縮器７内における空気を主体とし水分を含む気体を吸引して圧縮する圧縮機９と、圧縮機９で圧縮した気体から水分を分離する気液分離器１０とをその主構成として備えている。
【００１７】
気液分離器１０で分離された冷却水の一部は、ノズル４に気液分離器１０からエジェクタ５の駆動流として供給される気体成分と共にノズル４に供給し、エジェクタ５の駆動流の一部として利用する。他の冷却水は液戻り弁１１を介して凝縮器７に戻される。また、凝縮器７の凝縮水の一部はポンプ１２により圧縮機９の圧縮動力低減用として圧縮機の吐出側に供給し、他は前記のように膨張弁８から蒸発器３に供給する。このとき、膨張弁８からの凝縮水は、二相膨張を行いながら蒸発器３に入る。
【００１８】
気液分離器１０からノズル４に供給される、空気を主体とした気体及び分離された水分をエジェクタの駆動流として使用するには、例えば図２に示すようなエジェクタ５によって実施することができる。図２に示すエジェクタ５においては、気体の駆動流が供給される駆動用気体供給管１５に接続したノズル４内に、更に液体の駆動流が供給される駆動用液体供給管１６を備え、その先端をノズル４の開口部近傍に配置している。液体供給管１６内には液体用ノズル１７を備え、この液体用ノズル１７に対して進退自在にニードル１８を配置し、ニードル１８を移動することにより駆動用液体の流量を調節することができるようにしている。この流量調節により二相噴霧の制御を容易に行うことができ、最適な条件での駆動流体供給を行うことができる。
【００１９】
上記のようなエジェクタ５を用いることにより、前記図１の圧縮機９で加圧した水分を含む空気は、気液分離器１０でほぼ空気のみの気体となり、図２の駆動用気体供給管１５からノズル４に供給され、液体用ノズル１７の外周からエジェクタ本体２０内に噴出する。本発明はこのような加圧空気のみによっても作動可能であるが、より効率を高めるために、必要に応じて気液分離器１０で分離された液体を、駆動用液体供給管１６から液体用ノズル１７に供給し、ノズル４内の前記駆動用気体と共にエジェクタ５内に噴出する事によって、より効率の良いエジェクタ式冷凍装置とすることができる。その際、これらの駆動流体は大気圧以上に設定する。このように、ノズルから噴出する駆動用気体、及び必要に応じて用いられる駆動用液体の混合流体によって、エジェクタ５の吸込管路１９から図１の蒸発器３内の作動媒体を吸い込む。
【００２０】
吸い込んだ作動媒体はエジェクタ５内で前記駆動用気体と駆動用液体の混合流体と更に混合し、エジェクタ５の出口から圧縮されつつ噴出する。この混合流体は凝縮器７で冷却水６により冷却され、且つこの中で気体が滞留することにより水分が分離し、下方に凝縮水が溜まる。この凝縮水は膨張弁８で膨張しながら蒸発器３に入り、内部の被冷却媒体２を冷却する。以降同様に蒸発器３内の蒸気はエジェクタ５の吸込管１９からエジェクタ５内に吸い込まれ、蒸発器３内での冷凍作用が継続する。
【００２１】
一方、凝縮器７には前記のようなエジェクタ５からの水蒸気が混合した空気が入ると共に、気液分離器１０で分離された水が液戻り弁１１の解放時に流入する。この凝縮器７内の水分を含んだ空気は圧縮機９に吸引される。また、凝縮器７内の水をポンプ１２で吸い込み、これを圧縮機９内の圧縮流体中に噴射する。このとき適正量の水を噴射することにより、圧縮動力を低減することができる。
【００２２】
また、エジェクタ５から圧縮機９の吸い込み部までの間に大気圧以下になる部分が存在するため、外部から空気が侵入することがあり、その空気は次第にこの系内に蓄積する。それにより圧縮機９の吐出圧力が高くなりすぎるとエジェクタ５が予め設定している駆動流の圧力を大きく越え、エジェクタ５の効率が低下するので、圧力調整弁１３を適宜解放することにより、高圧側管路を所定の圧力に維持する。
【００２３】
上記のような構成を採用することにより、例えば前記図６に示すような従来の圧縮機の使用態様においては水蒸気を吸引し吐出するため、その圧縮機の吸引力による真空生成に際しては高真空時に大きな吸引力を有することが要求されるのに対して、本発明に用いる圧縮機においては主として圧縮空気を駆動媒体としているため、圧縮機の能力は小さなものでよい。
【００２４】
本発明においては更に、図３に示すような態様で実施することもできる。即ち、図３に示すエジェクタ式冷凍機においては、前記図１に示すものと異なり、圧縮機として液封式圧縮機１５を用い、この液封式圧縮機においては従来圧縮機の液封として使用されている水蒸気圧より蒸気圧が低い、例えばシリコン油のような液体を用いることなく、凝縮器７の凝縮水の一部をポンプ１２によって吸い込んで吐出したもの、更には気液分離器１０で分離した水をポンプ１６により吸い込んで吐出したものを液封用に使用する。気液分離器１０からの水は、熱交換器で冷却することが好ましい。それにより高価なシリコン油を用いる必要が無くなり、またこの系内に水および空気以外の物質の混入が無くなる。
【００２５】
前記図１及び図３に示す実施例においてポンプ１２を用いて凝縮器の水を圧縮機９或いは液封式圧縮機１５に供給した実施例を示したが、凝縮器７が圧縮機９よりも充分高い位置に配置されているときには、その水頭圧により供給できるので前記ポンプは不要となる。同様に、図３に示す実施例においてポンプ１６を用いて気液分離器１０の水を液封式圧縮機１５に供給した実施例を示したが、この場合も気水分離器１０が液封式圧縮機１５よりも充分高い位置に配置されているときには、同様に不要となる。
【００２６】
また、本発明に使用するエジェクタとしては種々のものを種々の態様で使用することができ、例えば多段配置を行い、また集合ノズルをもつエジェクタを用い、また円または矩形の集合ノズルを連続した形のノズルを使用し、更にはこれらの適宜のものを組み合わせて使用しても良い。
【００２７】
更に、前記実施例において蒸発器は間接熱交換を行っている例を示しているが、直接熱交換式にすることもでき、その際には前記間接熱交換式よりも空気が混入しやすいが、この系内に空気が混入した場合でも圧縮機出口の圧力が設定値以上になると圧力調整弁１３により外部に排出することができ、容易に対応することができる。また非凝縮性ガスとして前記実施例においては空気を用いた例を示したが、そのほか、使用中の冷凍サイクル中で凝縮しない任意のガスを用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本願の請求項１に係る発明は上記のように構成したので、エジェクタ式冷凍機において圧縮機を、その効率が高い値を示す圧力範囲で使用することにより冷凍効率を向上し、また、その高効率を長期間にわたって維持することができる。
【００２９】
また、請求項２に係る発明は、前記圧縮機に管路内の液体を供給し、圧縮動力の低減を行うので、冷凍機を効率の良い状態で作動することができる。
【００３０】
また、請求項３に係る発明は、前記圧縮機の内部に管路内の液体を供給し、圧縮機内部の液封を行うので、従来のようなシリコン油等を用いる必要が無く、安価で、且つ不純物を系内に取り込まない装置とすることができる。
【００３１】
また、請求項４に係る発明は、前記圧縮機の吐出側管路に、管路内圧力を調整する圧力調整弁を設けたので、管路内の過剰な圧力を調節し、エジェクタを最も効率の良い状態で作動することができる。
【００３２】
また、請求項５に係る発明は、前記エジェクタのノズルに前記空気を主体とする駆動流体と共に管路内の液体も供給したので、確実な二相流体によるエジェクタ作用が可能となる。
【００３３】
また、請求項６に係る発明は、前記ノズルに供給する液体の流量を調整する流量調整弁を設けたので、二相流体によるエジェクタ作用を最も適正な状態で作動させることができる。
【００３４】
また、請求項７に係るエジェクタ式冷凍装置用エジェクタは、二相流体によるエジェクタ作用を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエジェクタ式冷凍装置の実施例における冷凍システム構成図である。
【図２】同冷凍システムに用いるエジェクタの実施例を示す断面図である。
【図３】本発明によるエジェクタ式冷凍装置の他の実施例における冷凍システム構成図である。
【図４】従来の基本的な冷凍サイクルを示す冷凍システム構成図である。
【図５】従来の高圧蒸気をエジェクタの駆動流とする冷凍サイクルを示す冷凍システム構成図である。
【図６】従来の圧縮機及びエジェクタを用いる冷凍サイクルの冷凍システム構成図である。

Claims

被冷却媒体を冷却する蒸発器と、
作動媒体循環管路内に予め供給した非凝縮性ガスを主体とする駆動流体をノズルから噴出し、該噴出流により前記蒸発器の蒸気を吸引するエジェクタと、
前記エジェクタの噴出流体のうち、凝縮性成分を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器の液体を膨張させ前記蒸発器に供給する膨張弁と、
前記凝縮器の気体を吸引し吐出する圧縮機と、
前記圧縮機の吐出気体から液体成分を分離する気液分離器とを備え、
前記気液分離器の非凝縮性ガスを主体とする気体を前記エジェクタのノズルに供給することを特徴とするエジェクタ式冷凍装置。
前記圧縮機に前記管路内の液体を供給し、圧縮動力の低減を行うことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置。
前記圧縮機の内部に管路内の液体を供給し、液封式圧縮機の液封を行うことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置。
前記圧縮機の吐出側管路に、管路内圧力を調整する圧力調整弁を設けたことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置。
前記エジェクタのノズルに前記空気を主体とする駆動流体と共に前記管路内の液体も供給したことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ式冷凍装置。
前記ノズルに供給する液体の流量を調整する流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項５記載のエジェクタ式冷凍装置。
非凝縮性ガスを主体とする気体を供給する主ノズルと、液体を供給する副ノズルと、副ノズルの絞り部に進退自在に設け、供給する液体の量を調節するニードルと、前記主ノズル及び副ノズルから供給される二相流体を駆動流とし、蒸発器の気体を吸引することを特徴とするエジェクタ式冷凍装置用エジェクタ。