JP4577365B2 - エジェクタを用いたサイクル - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギー（通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは膨張弁等の減圧手段で捨てられていた運動エネルギー）を圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジェクタを用いたエジェクタを用いたサイクルに関するものであり、特にエジェクタから流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第１蒸発器と、エジェクタに流入する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第２蒸発器とを備えるエジェクタを用いたサイクルに関するものである。

従来技術として、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機・凝縮器・エジェクタ・エジェクタ下流の第１蒸発器・エジェクタ上流の第２蒸発器および気液分離器を備えた冷媒循環回路が提案されている。
特開昭５２−３０９５１号公報

しかしながら、上記従来技術で示すようなエジェクタを用いたサイクルでは、エジェクタでの圧力上昇が小さく蒸発器の圧力損失が大きいことより第２蒸発器に冷媒が流れにくく、冷凍サイクルが成立しにくいという問題があった。また、冷凍サイクルとして成立したうえでも、第１蒸発器と第２蒸発器との間に圧力差がほとんど無いため異なる温度帯を作り出すことが難しいという問題があった。

本発明の目的は、エジェクタのディフューザ部の周りでも熱交換するエジェクタを用いたサイクルを提供することにある。
本発明の目的は、エジェクタと蒸発器とが一体となり、省スペースが図れるエジェクタを用いたサイクルを提供することにある。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、エジェクタでの圧力上昇を増加させて第２蒸発器に冷媒が流れ易くすると共に、第１・第２蒸発器にそれぞれ異なる温度帯を作ることが容易なエジェクタを用いたサイクルを提供することにある。

また、請求項１に記載の発明では、エジェクタから流出する冷媒を蒸発させて熱交換用空気と熱交換する第１蒸発器と、エジェクタに流入する冷媒を蒸発させて熱交換用空気と熱交換する第２蒸発器とを備えるエジェクタを用いたサイクルにおいて、エジェクタ（３）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、エジェクタから流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第１蒸発器と、エジェクタに流入する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第２蒸発器とを備えるエジェクタを用いたサイクルにおいて、エジェクタ（３）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明では、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）が吐出する冷媒を冷却して凝縮する凝縮器（２）と、凝縮器（２）から流出する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（３１）、ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒を吸引し、ノズル（３１）から噴射する冷媒と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（３ｃ、３ｄ）を有するエジェクタ（３）と、エジェクタ（３）から流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第１蒸発器（４）と、冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮し、蒸発した気相冷媒がエジェクタに吸引される第２蒸発器（７）と、第１蒸発器（４）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を蓄えると共に、液相冷媒を第２蒸発器（７）に供給し、気相冷媒を圧縮機（１）に供給する気液分離器（５）とを備え、エジェクタ（３）の昇圧部（３ｃ、３ｄ）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴としている。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する参考例と実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（参考例）
以下、本発明の参考例について図面を用いて説明する。本参考例は、エジェクタを用いたサイクルを家庭用などの冷凍冷蔵庫に適用したものであり、図１は参考例に係るエジェクタを用いたサイクルの模式図である。１は冷媒を吸入して圧縮する圧縮機であり、駆動源として図示しない電動モータが一体となっている。そして電動モータは、後述する制御装置（制御手段）８により運転が制御される。２は圧縮機１が吐出した冷媒と、図示しない送風手段から送られる庫外空気とを熱交換して冷媒を冷却して凝縮するコンデンサ（凝縮器）である。

７は冷凍庫内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する第２蒸発器である。この第２蒸発器７には熱交換用空気を通風させるための第２送風ファン（第２送風手段）７１と、吹出空気温度を検出する第２温度センサ（第２吹出空気温度検出手段）７２とを備えている。そして、この第２温度センサ７２での検出温度は制御装置８に入力され、第２送風ファン７１は制御装置８により運転が制御される。また３は、コンデンサ２から流出する高圧冷媒を減圧膨張させて第２蒸発器７にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１の吸入圧を上昇させるエジェクタである。

ここで、エジェクタ３は、コンデンサ２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッド）に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル３１、ノズル３１から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により第２蒸発器７にて蒸発した気相冷媒を低圧流入部３ａから吸引する吸引部３ｂ、及びノズル３１から噴射する冷媒と第２蒸発器７から吸引した冷媒とを混合させる混合部３ｃ、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ部３ｄ等からなるものである。

この時、混合部３ｃにおいては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部３ｃにおいても冷媒の圧力（静圧）が上昇する。一方、ディフューザ部３ｄにおいては、通路断面積を徐々に拡大することにより冷媒の速度エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換するので、エジェクタ３においては、混合部３ｃおよびディフューザ部３ｄの両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部３ｃとディフューザ部３ｄとを合わせて昇圧部と呼ぶ。

ちなみに、本参考例では、ノズル５１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した図示しない喉部を有するラハールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細りノズルを採用しても良いことは言うまでもない。そして、本参考例では、ノズル３１の出口相当直径に対する混合部３ｃの相当直径の比である相当直径比を１．０５以上となるようにノズル３１及び混合部３ｃの穴径が選定されている。

尚、相当直径とは、冷媒通路の断面積を円に換算したときの直径を言うもので、本参考例では、ノズル３１の出口及び混合部３ｃは円形であるので、相当直径はノズル３１の出口及び混合部３ｃとなる。ちなみに、本参考例では、混合部３ｃの相当直径はディフューザ部３ｄまで一定であるが、混合部３ｃの断面積をディフューザ部３ｄに向かうほど大きくなるようにテーパ状としても良い。但し、この場合は、混合部３ｃの相当直径を混合部３ｃの入口で規定する。

また本エジェクタ３は、負荷変動に応じて絞り径、つまりノズル出口部径を冷媒の循環流量に応じて最適に制御する可変絞り機構３２を有しており、図示しないニードル弁によりノズル出口部径（絞り径）を可変できる可変ノズルを有したエジェクタ３となっている。そしてこの可変絞り機構３２は、制御装置８により絞り開度が制御される。

４はエジェクタ３から流出する冷媒と冷蔵庫内に吹き出す空気とを熱交換させて冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する第１蒸発器である。この第１蒸発器４には熱交換用空気を通風させるための第１送風ファン（第１送風手段）４１と、吹出空気温度を検出する第１温度センサ（第１吹出空気温度検出手段）４２とを備えている。そして、この第１温度センサ４２での検出温度は制御装置８に入力され、第１送風ファン４１は制御装置８により運転が制御される。

また、図１中の５は、第１蒸発器４から流出する冷媒が流入し、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は圧縮機１に吸引され、分離された液相冷媒は第２蒸発器７側に吸引される。尚、気液分離器５と第２蒸発器７とを結ぶ冷媒通路には第２蒸発器７に吸引される冷媒を減圧して第２蒸発器７内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させるため絞り弁６が設けられている。尚、この絞り弁６は例えば電磁式であり、流通する冷媒の圧力損失が可変できるよう、また必要に応じて流通を閉塞できるようになっており、制御装置８により絞り開度が制御される。

そして上述した各機器を制御する制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等の機能を含んで構成され、それ自体は周知の構造を持つマイクロコンピュータを内蔵している。尚、第１・第２蒸発器４・７からの吹出空気温度を検出する第１・第２温度センサ４２・７２からのセンサ信号は、図示しない入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）によってＡ／Ｄ変換された後に、マイクロコンピュータに入力されるように構成されている。

次に、本エジェクタを用いたサイクルの概略作動を述べる。圧縮機１が起動すると気液分離器５から気相冷媒が圧縮機１に吸入され、圧縮された冷媒がコンデンサ２に吐出される。そして、コンデンサ２にて冷却された冷媒は、エジェクタ３のノズル３１にて略等エントロピ（断熱）的に減圧膨張して第２蒸発器７内の冷媒を吸引する。次に、第２蒸発器７から吸引された冷媒とノズル３１から吹き出す冷媒とは、混合部３ｃにて混合しながらディフューザ部３ｄにてその動圧が静圧に変換されてエジェクタ３から吐出される。

つまり、ノズル３１から流出したジェット流（駆動流冷媒）は、第２蒸発器７から冷媒を吸引加速させながら、自らはその流速を低下させていく。このとき、混合部３ｃの冷媒出口部（ディフューザ部３ｄの冷媒入口部）において、第２蒸発器７から吸引した吸引ガス（吸引流冷媒）の流速と駆動流冷媒の流速とが略等しくなるように混合し、その混合した冷媒は、ディフューザ部３ｄ内に流入してその流速を低下させながら、圧力を上昇させる。

エジェクタ３から吐出された冷媒は第１蒸発器４に流入し、冷蔵室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発しながら気液分離器５に戻る。一方、エジェクタ３にて第２蒸発器７内の冷媒が吸引されるため、第２蒸発器７には絞り弁６を介して気液分離器５から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、冷凍室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。

図３は、本発明の参考例に係るエジェクタを用いたサイクルのｐ−ｈ線図である。図３に示すｐ−ｈ線図から明らかなように、エジェクタを用いたサイクルにおいては、エジェクタ３（ノズル３１）にて等エントロピ変化するので、高圧冷媒を等エンタルピ膨張（減圧）させる通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて、減圧直後の冷媒の乾き度が小さくなる。したがって、気液分離器５に乾き度の小さい気液二相冷媒（液相冷媒が多い気液二相冷媒）を気液分離器５に供給することができる。

また、気液分離器５により第２蒸発器７に液相冷媒が供給されるが、気液分離器５に気液分離器５に乾き度の小さい気液二相冷媒（液相冷媒が多い気液二相冷媒）供給されるので、気液分離器５から第２蒸発器７に供給される冷媒中に含まれる気相冷媒の割合が極めて小さくなり、気液分離器５から第２蒸発器７に冷媒が供給される際に発生する圧力損失の変動幅が小さくなる。したがって、第２蒸発器７内の圧力変動が小さくなるので、第２蒸発器７内の冷媒温度（蒸発温度）の変化を小さくすることができる。ひいては、第２蒸発器７での冷凍能力（吸熱能力）を向上させることができる。

次に、本参考例の特徴（作用効果）を述べる。まず、冷媒としてハイドロカーボンのイソブタン、もしくはアンモニア、もしくは二酸化炭素を用いている。これによれば、従来と同様のエジェクタを用いたサイクルにおいて、膨張損失の大きいハイドロカーボンのイソブタン、もしくはアンモニア、もしくは二酸化炭素を冷媒として用いている。図２は、各冷媒のエンタルピ差Δｉｅの比較（周囲温度２５℃、庫内温度−１８℃での比較）を示す表である。

表に示すように、従来冷蔵庫などに用いられているＲ１３４ａ冷媒と比べて上記の冷媒（イソブタン・アンモニア・二酸化炭素）はエジェクタ３の入力であるエンタルピ差Δｉｅが高い。このようにエジェクタ３の入力が大きい冷媒を用いるため、エジェクタ３の圧力上昇を大きくすることができ、第２蒸発器７に冷媒が流れ易くなる。またこれにより、第１・第２蒸発器４・７にそれぞれ異なる温度帯を作ることが容易となり、より効率的な運転が可能となる。

図３は、本発明の参考例に係るエジェクタを用いたサイクルのｐ−ｈ線図である。エジェクタを用いたサイクルが成立するためには，エジェクタ３の圧力上昇（ａ→ｂ）をΔＰｅｊｅ、第１蒸発器の圧力損失（ｂ→ｃ）ΔＰｅｖａ１、第２蒸発器の圧力損失（ｄ→ｅ）をΔＰｅｖａ２とすると、ΔＰｅｊｅ＞ΔＰｅｖａ１＋ΔＰｅｖａ２を常に満足する必要がある。特に，第１蒸発器４では駆動流量・吸引流量が共に流れるため圧力損失（ΔＰｅｖａ１）が大きく、従来ではサイクルの成立が困難であった。

そこで第２蒸発器７を冷凍域で用いている。これによれば、第２蒸発器７を空調域ではなく、冷凍域で用いることで、低圧側の圧力が下がる（図３中のＰＬ１→ＰＬ２）。これにより、エジェクタ３の入力にあたる等エンタルピ線（図３中の太点線）との差が、空調域で用いる場合のエンタルピ差Δｉｅ１に比べて冷凍域で用いる場合のエンタルピ差Δｉｅ２が大きくなり、エジェクタ３の効率を向上させることができる。

尚、エジェクタ３の効率とは、コンデンサ（高圧側熱交換器）２を流通する冷媒流量とノズル３１の出入口のエンタルピ差Δｉｅとの積を分母とし、分子には、圧縮機１の仕事としてエネルギーがどの程度回収されたかを示す前記冷媒流量と第２蒸発器（低圧側熱交換器）７を流通する冷媒流量との和とエジェクタ３での圧力回復を置いて定義するものである。

また、第２蒸発器７を冷凍域として−１８℃以下で用いると共に、第１蒸発器４を冷蔵域として５℃以下で用いている。これによれば、圧力が低くなる第２蒸発器７を冷凍用とし、やや高圧の第１蒸発器４を異なる温度帯として冷蔵用に用いることで、例えば冷凍冷蔵庫などに適用容易である。

また、気液分離器５と第２蒸発器７との間に絞り弁６を備えると共に、絞り弁６を全閉とすることにより第１蒸発器４による冷蔵単独運転を行っている。また、第１蒸発器４へ熱交換用空気を送風する第１送風ファン４１を備えると共に、第１送風ファン４１による送風を停止することにより第２蒸発器７による冷凍単独運転を行っている。これらによれば、圧縮機の数を増やして２つのサイクルとすることなく、従来と同様のエジェクタを用いたサイクルにおいて、冷凍単独運転もしくは冷蔵単独運転が可能となる。
（第１実施形態）
図４は、本発明の第１実施形態におけるエジェクタ３と第１蒸発器４との一体構造を示す断面模式図である。図４の例ではエジェクタ３の昇圧部であるディフューザ部３ｄを第１蒸発器４内部の冷媒通路４３と熱交換的に合体、もしくは一体としている。ちなみに４４は熱交換フィンであり、ディフューザ部３ｄの周りにも設けて第１送風ファン４１から送られる熱交換用空気と熱交換するようにしている。これによれば、エジェクタ３と第１蒸発器４とが一体となるので、省スペースが図れる。
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本エジェクタを用いたサイクルを冷凍冷蔵庫に適用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷凍装置、冷蔵装置、冷房装置およびこれらを組み合わせた装置などに適用しても良い。また、ハイドロカーボンもイソブタンに限らずプロパンであっても良い。

本発明の参考例に係るエジェクタを用いたサイクルの模式図である。 各冷媒のエンタルピ差Δｉｅの比較を示す表である。 本発明の参考例に係るエジェクタを用いたサイクルのｐ−ｈ線図である。 本発明の第１実施形態におけるエジェクタ３と第１蒸発器４との一体構造を 示す断面模式図である。

１・・・圧縮機
２・・・コンデンサ（凝縮器）
３・・・エジェクタ
３ｃ・・・混合部（昇圧部）
３ｄ・・・ディフューザ部（昇圧部）
４・・・第１蒸発器
５・・・気液分離器
６・・・絞り弁
７・・・第２蒸発器
３１・・・ノズル
４１・・・第１送風ファン（第１送風手段）

Claims (3)

1. エジェクタから流出する冷媒を蒸発させて熱交換用空気と熱交換する第１蒸発器と、エジェクタに流入する冷媒を蒸発させて熱交換用空気と熱交換する第２蒸発器とを備えるエジェクタを用いたサイクルにおいて、
   前記エジェクタ（３）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴とするエジェクタを用いたサイクル。
2. エジェクタから流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第１蒸発器と、エジェクタに流入する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第２蒸発器とを備えるエジェクタを用いたサイクルにおいて、
   前記エジェクタ（３）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴とするエジェクタを用いたサイクル。
3. 冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、 前記圧縮機（１）が吐出する冷媒を冷却して凝縮する凝縮器（２）と、 前記凝縮器（２）から流出する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（３１）、前記ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒を吸引し、前記ノズル（３１）から噴射する冷媒と吸引した前記冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（３ｃ、３ｄ）を有するエジェクタ（３）と、前記エジェクタ（３）から流出する冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する第１蒸発器（４）と、冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮し、蒸発した気相冷媒が前記エジェクタに吸引される第２蒸発器（７）と、前記第１蒸発器（４）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して前記液相冷媒を蓄えると共に、前記液相冷媒を前記第２蒸発器（７）に供給し、前記気相冷媒を前記圧縮機（１）に供給する気液分離器（５）とを備え、
   前記エジェクタ（３）の前記昇圧部（３ｃ、３ｄ）のディフューザ部（３ｄ）の周りにも熱交換用空気と熱交換する熱交換フィン（４４）を設けたことを特徴とするエジェクタを用いたサイクル。

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