JP4352327B2 - エジェクタサイクル - Google Patents

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Description

本発明は、内部熱交換器を有するエジェクタサイクルに関する。
冷凍サイクルの一種に、放熱器の下流側に内部熱交換器を含む冷媒サイクルがある。内部熱交換器は放熱器の出口側の冷媒と圧縮機の吸入側の冷媒との間で熱交換し、これにより冷媒は過冷却又はこれに近い状態になる。過冷却又はこれに近い状態において冷媒を膨張弁で減圧すれば、蒸発器の入口の液量を増やす(乾き度を小さくする)ことができ、冷凍能力を増大につながる。
上記内部熱交換器を含むエジェクタサイクルが知られている。例えば図11及び図12に示すエジェクタ(特許文献1参照)は圧縮機300、放熱器302,内部熱交換器304、エジェクタ306及び蒸発器308を含む。エジェクタ306で膨張エネルギを回収して圧縮機300の入口の圧力を上げることにより、放熱器302の放熱能力が向上し、圧縮機300の駆動流量が低減され、システム性能(冷凍能力、圧縮機の消費動力及びCOP)の向上に役立つ。
特開2002−349977号公報
上記内部熱交換器304を含むエジェクタサイクルでは、内部熱交換器304の放熱量が過大にならないように注意が必要である。詳述すると、図12において破線で示すように、冷凍負荷が大きく冷媒の流通量が多いときは、放熱器302及び内部熱交換器304による冷却後、エジェクタ306での減圧前の冷媒の過冷却度は小さい。
これに対して冷凍負荷が小さく冷媒の流通量が少ないとき(例えば外気温度の低下等により発生する)は、内部熱交換器304での放熱量が過大となり、実線で示すように冷媒の過冷却度が大きくなる。つまり、内部熱交換器304の最適放熱量は冷凍負荷毎に存在するので、高負荷時に最適でも低負荷時は放熱量が多すぎる。しかも、内部熱交換器304の熱交換量は制御不可能である。
過冷却状態では等エントロピ線の傾きが垂直に近づき、冷媒の種類によってはほぼ垂直状態となってしまうため、エジェクタ306で冷媒を所定量減圧しても所定の膨張エネルギが得られ難く、エジェクタ306のポンプとしての能力が低下する。その結果、システム性能が低下し易くなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、内部熱交換器を有するエジェクタサイクルにおいて、エジェクタの入口で冷媒が過冷却状態又は極低温域になり難く、それによってシステム性能を向上させることを目的とする。
本願の発明者は、圧縮機の吐出口からエジェクタの入口までの間に放熱器及び内部熱交換器を配置するに際し、最下流即ちエジェクタの直上流には放熱器を配置することを着想して、本発明を完成した。
(1)本願の第1発明によるエジェクタサイクルは、請求項1に記載したように、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、圧縮機の吐出側の冷媒と吸入側の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器と、内部熱交換器から流出した冷媒を冷却する放熱器と、放熱器から流出した冷媒を減圧させるとともに膨張エネルギを回収するエジェクタと、エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器と、から成る。このエジェクタサイクルにおいて、先に内部熱交換器で熱交換し、後に放熱器で放熱することにより、亜臨界の場合はエジェクタの入口における冷媒の過冷却度を小さくし、超臨界の場合は冷媒が極低温域になり難くする。
(2)第2発明によるエジェクタサイクルは、請求項7に記載したように、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を冷却する上流側放熱器と、上流側放熱器の流出側の冷媒と圧縮機の吸入側の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器と、内部熱交換器から流出した冷媒を冷却する下流側放熱器と、下流側放熱器から流出した冷媒を減圧させるとともに膨張エネルギを回収するエジェクタと、エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器と、から成る。
このエジェクタサイクルにおいて、まず上流側放熱器で放熱し、次に内部熱交換器で熱交換し、最後に下流側放熱器で放熱する。これにより、亜臨界の場合はエジェクタの入口における冷媒の過冷却度を小さくし、超臨界の場合は冷媒が極低温域になり難くする。
(1)第1発明にかかるエジェクタサイクルによれば、圧縮機の吐出口とエジェクタの入口との間に、上流側の内部熱交換器と下流側の放熱器とが配置されている。下流側に放熱器が位置するので、例え冷凍負荷が小さくなっても、その内部の冷媒は周囲温度以下には下がらず、亜臨界では過冷却度が小さい冷媒が、又は超臨界では極低温域になっていない冷媒がエジェクタに流入する。その結果、エジェクタで所定の膨張エネルギが回収され、サイクル性能が向上する。
また、放熱器の入口温度が低下及び内部熱交換器の熱交換量の増加により放熱器の放熱量が少なくなるので、放熱器が小型化できる。さらに、内部熱交換器は放熱器よりも先に冷媒を冷却するので、その入口と出口との温度差が大きくなり、内部熱交換器が小型化できる。
(2)第2発明にかかるエジェクタサイクルによれば、圧縮機の吐出口とエジェクタの入口との間に、上流側放熱器、内部熱交換器及び下流側放熱器がこの順序で配置されている。最下流に下流側放熱器が位置するので、例え冷凍負荷が小さくなっても、その内部の冷媒は周囲温度以下には下がらず、亜臨界では過冷却度が小さい冷媒が、又は超臨界では極低温域になっていない冷媒がエジェクタに流入する。その結果、エジェクタで所定の膨張エネルギが回収され、サイクル性能が向上する。
また、放熱器の入口温度が低下及び内部熱交換器の熱交換量の増加により放熱器の放熱量が少なくなるので、放熱器が小型化できる。さらに、内部熱交換器は放熱器よりも先に冷媒を冷却するので、その入口と出口との温度差が大きくなり、内部熱交換器が小型化できる。
(3)請求項4及び9のエジェクタサイクルによれば、複数の蒸発器を含むので、一つのエジェクタで複数の温度領域を形成できる。請求項5及び10のエジェクタサイクルによれば、圧縮機の吸入側管路を内部熱交換器により露点温度以上に加温することで、着霜及び結露が防止される。吸入側管路の加温はまた、冷蔵庫及び冷凍ショーケース等に代表される、圧縮機の吸入側管路が室内に構成される冷凍空調装置に適用する際、エジェクタによるシステム性能の効率化を図る上でも有効である。請求項6及び11のエジェクタサイクルによれば、フロン系冷媒、HC系冷媒及びCO2等、種々の冷媒を使用できる。
<全体>
内部熱交換器を含むエジェクタサイクルにおいて、冷媒としてはフロン系冷媒、HC冷媒又はCO2冷媒を使用できる(請求項6及び11参照)。冷媒がCO2の場合、内部熱交換及び放熱は亜臨界領域で行っても良いし、超臨界領域で行っても良い。本発明の内部熱交換器は、圧縮機の吐出口からエジェクタの入口までの間において最下流に位置しないように配置され、最下流には放熱器が位置する。放熱器に対する内部熱交換器の配置場所に応じて以下の二つのタイプに分類できる。
<第1タイプ>
独立請求項1の発明に対応する第1タイプでは、ループ状の第1冷媒通路上に圧縮機、内部熱交換器、放熱器及びエジェクタが、冷媒の流れ方向においてこの順序で配置されている。つまり、上流側に内部熱交換器が、下流側に放熱器が位置している。放熱器は一つでも二つ以上の複数でも良い。一つの放熱器の途中に内部熱交換器を配置しても良い。複数の放熱器の放熱能力は同じでも異なっても良いが、何れも内部熱交換器よりも下流側に配置される。
エジェクタの下流側に気液分離器を含む場合(請求項2参照)と、含まない場合(請求項3参照)とがある。エジェクタの出口側から分岐しエジェクタのノズル部に合流する第2冷媒通路上に蒸発器が配置されている。内部熱交換器の熱交換能力及び放熱器の冷却能力は、放熱器の出口即ちエジェクタの入口での冷媒の過冷却度が小さくなるように、又は冷媒が極低温域にならないように、選定する。
<第2タイプ>
独立請求項7の発明に対応する第2タイプでは、第1冷媒循環通路上に圧縮機、上流側放熱器、内部熱交換器、下流側放熱器及びエジェクタが、冷媒の流れ方向においてこの順序で配置されている。つまり、内部熱交換器は上流側放熱器と下流側放熱器との間に配置されている。上流側放熱器及び下流側放熱器の個数は一つでも二つ以上の複数でも良い。
例えば放熱器が三つの場合、内部熱交換器は第1(上流側)放熱器と第2(中間)放熱器との間、又は第2放熱器と第3(下流側)放熱器との間に配置すれば良い。複数の放熱器の冷却能力は互いに等しくても良いし、異なっても良い。異なる場合、上流側放熱器の冷却能力が下流側放熱器のそれよりも大きくても良いし、その反対でも良い。放熱器が複数の場合、内部熱交換器は一つのみ配置しても良いし、複数個配置しても良い。
上流側放熱器及び下流側放熱器の冷却能力、並びに内部熱交換器の熱交換能力は、下流側放熱器の出口即ちエジェクタの入口で冷媒の過冷却度が小さくなり、又は冷媒が極低温域になるように、選定する。
<エジェクタ、蒸発器>
エジェクタとしては、固定形状エジェクタ及び可変エジェクタの何れでも使用できる。気液分離器は含んでも良いし、含まなくても良い。
蒸発器の個数、配置は種々の態様が採用できる。蒸発器は圧縮機、放熱器、内部熱交換器、エジェクタ等が配置された第1冷媒通路上に配置しても良いし、第1冷媒通路から分岐した第2冷媒通路に配置しても良い。第1冷媒通路又は第2冷媒通路に別の蒸発器を配置することもできる(請求項4及び9参照)。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
<第1実施例>
(構成)
図1に示す第1実施例のエジェクタサイクルは第1冷媒通路10上に配置された圧縮機12、内部熱交換器15、一つの放熱器20、エジェクタ25及び気液分離器30と、第2冷媒通路35上に配置された蒸発器37とを含む。ここで、放熱器20での放熱は亜臨界域で行なっているが、超臨界域で行っても良い。圧縮機12はガス冷媒を吸入し圧縮した後吐出するものであり、放熱器20は高温高圧のガス冷媒を放熱させる高圧側の外部熱交換器である。
圧縮機12と放熱器20との間に配置された内部熱交換器15は、圧縮機12の吸入側の冷媒と吐出側の冷媒との間で熱交換し、吐出側の熱を吸入側の熱に伝達するために設けられている。放熱器20からの高温高圧の冷媒はエジェクタ25で減圧され、低温低圧の霧状冷媒になる。気液分離器30は霧状冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、液冷媒を蒸発器37に送り出すと共に、ガス冷媒を圧縮機12に送り出すものである。蒸発器37は低温低圧の液冷媒を蒸発させ、熱を奪うものである。また、エジェクタ25は蒸発器37からのガス冷媒を吸引し、膨張エネルギを回収して圧力エネルギに変換するものであるが、そのようなエジェクタ25は公知であるので、ここでは詳しい説明は割愛する。
(作用)
次に、エジェクタサイクルの作用を説明する。モリエル線図を示す図2において、飽和曲線がxで示され、各工程がa、b、c、d及びeと、h、i及びjとで示されている。aは圧縮機12による圧縮工程を示し、bは内部熱交換器15による放熱工程を示す。工程a及びbはスーパヒート(SH)領域で行われる。cは放熱器20による放熱工程を示し、図2では放熱は亜臨界域で行われる。dはエジェクタ25による低圧膨張工程を示し、亜臨界域では過度な過冷却(サブクール(SC))状態で、超臨界域では極低温域に至らない状態で行われる。エジェクタ25による昇圧工程がeで示されている。
一方、hは気液分離器30での気液分離点を示し、iは蒸発器37での圧力損失工程を示し、jはエジェクタ25での気液合流点を示す。
(効果)
第1実施例のエジェクタサイクルによれば、以下の効果が得られる。
第1に、冷凍負荷が変動しても、内部熱交換器15及び放熱器20の放熱量が過剰となる心配はない。例えば外気温度が30℃で、室内温度(内部熱交換器の低圧側入口温度にほぼ等しい)が−20℃程度の状態を考える。上流に内部熱交換器15を、下流に放熱器20を配置したので、この状態から外気温度が10℃程度になった場合、放熱器20の出口の冷媒温度は10℃程度にしかならず、放熱器20の放熱量が過剰となる心配はない。
エジェクタ25入口の冷媒が過冷却状態にならないので、dで示すように、エジェクタ25による減圧工程は、飽和曲線xの内側(気液二相領域)、又は小さい過冷却度を持った状態で領域で行われる。気液二相領域では、等エンタルピ線が右斜め上から左斜め下にある程度傾斜しており、エジェクタ25での減圧により所定の膨張エネルギが得られ、圧縮機12の吸入圧が上昇する。
これに対して、上記図11に示した従来例では、内部熱交換器304を放熱器302の下流側、換言すればエジェクタ306の直上流に配置している。従って、図2に一点鎖線で示すように、冷凍負荷が小さいとき、冷媒は放熱器302で10℃程度に冷却された後、内部熱交換器304に流入する。ここで、例えば内部熱交換器304が対向流方式である場合、エジェクタ入口の冷媒の温度を最大で内部熱交換器の低圧側入口温度(約−20℃)まで低下させる。その結果、内部熱交換器304から流出した冷媒が過冷却状態になり易く、この状態ではエジェクタ306で冷媒を減圧しても膨張エネルギは殆んど得られなかった。
第2に、内部熱交換器15及び放熱器20が小型化できる。放熱器20の上流側に内部熱交換器15を配置したので放熱器20の入口温度が従来例よりも低下し、内部熱交換器15の熱交換量が増加するので、放熱器20の放熱量が少なくて済む。その結果、放熱器20の小型化が可能になる。また、従来の内部熱交換器に比べて、実施例の内部熱交換器15の高圧側と低圧側との冷媒温度差が大きくなり、その結果内部熱交換器15の小型化が可能になる。更に、放熱器20及び内部熱交換器15の小型化により、エジェクタサイクル全体における高密度の液冷媒が存在する部位の容積を減少することが可能となり、その結果冷媒封入量が少なくでき、省冷媒化は地球環境の保護につながる。
第3に、内部熱交換器15の熱交換により、従来例と同様に圧縮機12の吸入側の温度が上昇するので、吸入側配管の着霜及び結露が防止できる(b、m参照)。圧縮機12の吸入側の温度が上昇しなくても問題ない冷媒及びシステムもあるが、加温しないと吸入側配管が着霜及び結露する場合もある。この第1実施例によれば、そのような冷媒及びシステムも使用できる。
<第2実施例>
図3に示す第2実施例は、上記第1実施例と比べて、第1冷媒通路10上に二つの放熱器50及び53が直列に配置され、両者間に内部熱交換器56が配置されていることが異なる。その他の構成は第1実施例と同じである。
詳しくは、圧縮機12の吐出側に第1放熱器50が配置され、その出口側に内部熱交換器56が配置され、その出口側に第2放熱器53が配置されている。ここでは、第1放熱器50と第2放熱器53とは放熱能力が等しいが、異なっても良い。二つの放熱器50及び53の放熱能力の合計が上記第1実施例の放熱器20の放熱能力に対応している。作動時、圧縮機12から吐出した冷媒は、まず第1放熱器50で放熱され、次に内部熱交換器56で熱交換され、最後に第2放熱器53で放熱される。
第2実施例においても、基本的に上記第1実施例と同じ効果が得られ、それに加えて、
エジェクタ25の入口で最も過冷却が発生し難いように、第1放熱器50の放熱能力と第2放熱器53の放熱能力とをバランスさせることができる。
<変形例>
以下、第1実施例の変形例を示す。
これらの変形例は主に、第1冷媒通路10又は第2冷媒通路35に配置する蒸発器の構成(個数、配置)や個数が異なり、気液分離器の有無により二つのタイプに分類される。
(イ)第1タイプ
気液分離器30を含む第1タイプは4つの態様がある。図4に示す第1態様では、第2冷媒通路37上に固定絞り74及び75を介して、二つの蒸発器71及び72が直列に配置されている。第1蒸発器71と第2蒸発器72とは同じ蒸発温度となるように構成されている。 図5に示す第2態様では、第1冷媒通路10上でエジェクタ25の下流側に第1蒸発器81が配置され、第2冷媒通路35上に固定絞り84を介して第2蒸発器82が配置されている。第1蒸発器81と第2蒸発器82とは同じ蒸発温度となるように構成されている。
図6に示す第3態様では、第1冷媒通路10上でエジェクタ25の下流側に第1蒸発器91が配置され、固定絞り97を介して第3蒸発器93が第1蒸発器91と並列に配置されている。第2冷媒通路35上に固定絞り96を介して第2蒸発器92が配置されている。第1蒸発器91と第3蒸発器93とは同じ蒸発温度となるように構成され、第2蒸発器92はこれらよりも低温が要求されるように構成されている。
図7に示す第4態様では、第1冷媒通路10上でエジェクタ25の下流側に第1蒸発器101が、第2冷媒通路35上に固定絞り106を介して第2蒸発器102が配置されている。また、放熱器20の出口から分岐し気液分離器35に合流する分岐通路107上に第3蒸発器103が配置されている。第1蒸発器101と第3蒸発器103とは同じ蒸発温度となるように構成され、第2蒸発器102はこれらよりも低温が要求されるように構成されている。
これら四つの態様によれば、内部熱交換器15が圧縮機12と放熱器20との間に配置されているので、上記第1実施例と同様の効果が得られる。これに加えて、固定絞り弁74及び75等により、二つ又は三つの蒸発器71及び72等における冷媒の蒸発量を調整している。その結果、一つのエジェクタ25で複数の温度領域を形成できる効果が得られる。
(ロ)第2タイプ
気液分離器を含まない第2タイプには4つの態様がある。なお、気液分離器を含まない代わりに、例えば蒸発器の出口側のスーパーヒート(SH)を検出して、エジェクタに流れる流量を制御する等により、圧縮機での液圧縮を防止すれば良い。
図8に示した第1態様は圧縮機12、内部熱交換器15、放熱器20及びエジェクタ25を含む第1冷媒通路126上において、エジェクタ25の下流側に第1蒸発器121が配置されている。エジェクタ25の入口側で分岐しエジェクタ25のノズル部に合流する第2冷媒通路127上に電磁弁128及び固定絞り129を介して第2蒸発器122が配置されている。第1蒸発器121及び第2蒸発器122は同じ蒸発温度となるように構成されている。
図9に示した第2態様では、第1冷媒通路126上のエジェクタ25の下流側に第1蒸発器131が配置されている。第2冷媒通路127上に固定絞り138を介して第2蒸発器132が配置されている。エジェクタ25の出口と第1蒸発器131の出口とを接続する接続通路134に固定絞り139を介して第3蒸発器133が配置されている。第1蒸発器131と第3蒸発器133とは同じ蒸発温度となるように構成され、第2蒸発器132はこれらよりも低温が要求されるように構成されている。
図10に示す第3態様では、第1冷媒通路126上でエジェクタ25の下流側に第1蒸発器141が配置されている。放熱器20の出口から分岐しエジェクタ25のノズル部に合流する第2冷媒通路127上に固定絞り147を介して第2蒸発器142が配置されている。第2冷媒通路127から分岐し第1蒸発器141の出口側に合流する分岐通路146上に電磁弁148及び固定絞り149を介して第3蒸発器143が配置されている。第1蒸発器141と第2蒸発器142とは同じ蒸発温度となるように構成され、第3蒸発器143はこれらよりも低温が要求されるように構成されている。
これら三つの態様によれば、内部熱交換器15が圧縮機12と放熱器20との間に配置されているので、上記第1実施例と同様の効果が得られる。これに加えて、固定絞り弁128及び電磁弁129等により、二つ又は三つの蒸発器121及び122等における冷媒の蒸発量を調整している。その結果、一つのエジェクタ25で複数の温度領域を形成できる効果が得られる。
本発明の第1実施例を示す構成説明図である。 第1実施例の作動を説明するモリエル線図である。 本発明の第2実施例を示す構成説明図である。 第1実施例の第1変形例の第1態様を示す構成説明図である。 同じく第2態様を示す構成説明図である。 同じく第3態様を示す構成説明図である。 同じく第4態様を示す構成説明図である。 第1実施例の第2変形例の第1態様を示す構成説明図である。 同じく第2態様を示す構成説明図である。 同じく第3態様を示す構成説明図である。 従来例を示す構成説明図である。 従来例の作用を説明するモリエル線図である。
符号の説明
10:第1冷媒通路 12:圧縮機
15:内部熱交換器 20:放熱器
25:エジェクタ 30:気液分離器
35:第2冷媒通路 37:蒸発器

Claims (11)

  1. 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、
    前記圧縮機の吐出側の冷媒と吸入側の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器(15)と、前記内部熱交換器から流出した冷媒を冷却する放熱器(20)と、
    前記放熱器から流出した冷媒を減圧するとともに膨張エネルギを回収するエジェクタ(25)と、
    前記エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器(37)と、から成り、
    前記内部熱交換器及び前記放熱器により前記エジェクタの入口における冷媒の過冷却度を小さくし、又は冷媒が極低温域になり難くすることを特徴とするエジェクタサイクル。
  2. 前記圧縮機、前記内部熱交換器、前記放熱器、前記エジェクタ及び気液分離器(30)が第1冷媒通路(10)上に配置され、前記蒸発器は該気液分離器から分岐し、該エジェクタのノズル部に合流する第2冷媒通路(35)上に配置されている請求項1に記載のエジェクタサイクル。
  3. 前記圧縮機、前記内部熱交換器、前記放熱器及び前記エジェクタが第1冷媒通路(126)上に配置され、前記蒸発器は前記放熱器の出口から分岐し前記エジェクタのノズル部に合流する第2冷媒通路(127)上に配置されている請求項1に記載のエジェクタサイクル。
  4. 前記第1冷媒通路又は前記第2冷媒通路に別の蒸発器が配置されている請求項2又は3に記載のエジェクタサイクル。
  5. 前記内部熱交換器の熱交換より前記圧縮機の吸入側の配管を加温する請求項2又は3に記載のエジェクタサイクル。
  6. 前記冷媒はフロン系、HC系又はCO2である請求項2又は3に記載のエジェクタサイクル。
  7. 吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、
    前記圧縮機から吐出した冷媒を冷却する上流側放熱器(50)と、
    前記上流側放熱器の出口側と前記圧縮機の吸入側との間で熱交換する内部熱交換器(56)と、
    前記内部熱交換器から流出した冷媒を冷却する下流側放熱器(53)と、
    前記下流側放熱器から流出した冷媒を減圧させるとともに膨張エネルギを回収するエジェクタ(25)と、
    前記エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器(37)と、から成り、
    前記上流側放熱器、前記内部熱交換器及び前記下流側放熱器により前記エジェクタの入口における冷媒の過冷却度を小さくし、又は冷媒が極低温域になり難くすることを特徴とするエジェクタサイクル。
  8. 前記圧縮機、前記上流側放熱器、前記内部熱交換器、前記下流側放熱器、前記エジェクタ及び気液分離器が第1冷媒通路上に配置され、前記蒸発器は該気液分離器から分岐し該エジェクタのノズル部に合流する第2冷媒通路上に配置されている請求項7に記載のエジェクタサイクル。
  9. 前記第1冷媒通路又は前記第2冷媒通路に別の蒸発器を含む請求項8に記載のエジェクタサイクル。
  10. 前記内部熱交換器により前記圧縮機の吸入側の配管を加温する請求項8に記載のエジェクタサイクル。
  11. 前記冷媒はフロン系、HC系又はCO2である請求項8に記載のエジェクタサイクル。
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