JP5537573B2 - 冷凍システム - Google Patents
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Description
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、さらに高効率の冷凍システムを提供することにある。
この発明では、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段を備えるため、摩擦熱の発生を伴う減圧装置を用いることなく、高効率の冷凍システムを実現できると共に、冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段を備えたから、冷媒の速度エネルギが位置エネルギ又は仕事エネルギに変換され、流速が低下し、下流の冷媒配管内で摩擦熱を生じさせることが少なくなり、冷媒の乾き度が維持され、吸熱部での吸熱量が増加し、その分だけ効率を向上させることができる。
前記管体内の抵抗体が当該管体の入口側に向けてばね付勢されていてもよい。
前記エネルギ変換手段が回転体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内の回転体を回転させる際の仕事エネルギに変換してもよい。
前記冷媒液化手段が下から上に冷媒を流すように鉛直に設けられ、前記エネルギ変換手段が冷媒の速度エネルギを位置エネルギに変換してもよい。
図1において、冷凍システムは圧縮機1とミニ熱交換装置(等圧冷却部)3と螺旋状管(減圧液化部)6と螺旋状細管(減圧冷却部)8と管体10と蒸発器11とを要素機器として備え、それらの機器を冷媒配管2、4、13、サクション管12、大短管(膨張部)5、分岐管(膨張部)7、集合管(膨張部)9によって接続し、冷媒を矢印21の方向に循環させる事によって冷凍機能が具現されている。なお、ミニ熱交換装置3、或いは後述するミニファン3−1の「ミニ」は「小型」の意味であり、従来に比べて凝縮器が小さくできる本発明の特徴を明確にするために用いている。また、この明細書では、以下において、ミニ熱交換装置3から管体10に至るまでの各機器群3,6,7,8,9,10を纏めて凝縮用熱変換装置30と呼称する。
図1ではミニ熱交換装置3は冷媒の通るパイプに放熱ファンを設けた通常の空冷タイプを示したが、ミニ熱交換装置3はこのタイプに限らず、水冷タイプその他でもよいことは言うまでもない。従来の冷凍システムの凝縮器では圧縮機から吐出される高温・高圧ガスをほぼ全部液化するが、それに比べてミニ熱交換装置3は高温・高圧ガスの一部を液化すればよいので、非常に小型が可能である。同じタイプの熱交換装置(凝縮器)を有する同じ冷却能力の冷凍システムと比較した場合、本実施の形態のミニ熱交換装置は従来の凝縮器の1/10程度にすることが可能である。なお、ミニ熱交換装置3には、ミニファン3−1が備えられており、後述するように、所定の運転状態になった場合に稼働して、熱交換能力を高めることができる。
大短管5の寸法は図3(a)に示すように中央の太い部分の長さL1が10〜50mm、内径D1が8〜20mmの円筒状である。その両端は冷媒配管4と螺旋状管6に接続されるので、その形状はそれぞれ冷媒配管4と螺旋状管6を挿入して、接続できる寸法の円筒状になっている。中央の太い部分の内径D1は冷媒配管4と螺旋状管6のいずれの内径よりも大きく設定されるのが好ましい。
螺旋状管6は図3(b)に示すように細管を螺旋伏に巻いた形態である。その内径や巻き数は、冷凍システムの冷凍能力等、様々な仕様から決定されるが、内径で2〜150mmまで許容し、望ましくは内径2〜50mm、実質的に最も望ましくは内径3〜8mmである。例えば、フロン冷媒R134aを用いた2000cal/h程度の冷凍機の揚合、細管の内径5mm、巻き数は23巻き、螺旋の径30mmで、細管の長さは2.3mである。なお、冷媒配管2、4の内径は7.7mm、冷媒配管13およびサクション管12の内径は10.7mmである。
上記螺旋状管6内の冷媒の流速は、本冷凍システムの設計において、ミニ熱交換装置3内の流速の2倍以上の設定が望ましい。
例えば、2000cal/h程度の冷凍機の場合、細管の内径2.5mm、巻き数は19巻き、螺旋の径は15mmで、細管の長さは0.72mのものを2本で並列に接続して構成される。
例えば、内径D2は螺旋状管6と螺旋状細管8のいずれの内径よりも大きく設定されるのが好ましい。
この螺旋状細管8内での温度低下の主因も、螺旋状管6内での温度低下と同様に、熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、エンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものと判断される。
すなわち、螺旋状細管8も、螺旋状管6同様に、冷媒のエンタルピを速度エネルギに変換するエネルギ変換デバイスを構成している。
上記螺旋状細管8内の冷媒の流速は、本冷凍システムの設計において、ミニ熱交換装置3内の流速の2倍以上で、螺旋状管6内の流速以上であることが望ましい。
この管体10は、拡径した略円筒状の管本体10Aを有し、管本体10Aには、夫々冷媒配管が接続される入口10B及び出口10Cが形成され、管本体10Aの内部には、冷媒の流れに抵抗となる抵抗体10Dが収容されている。この抵抗体10Dは、ばね10Eで支持され、冷媒が流れると抵抗体10Dは、ばね10Eのばね力に抗して、出口10C側に押圧される。この管体10では、抵抗体10Dが冷媒の流れに対し抵抗となり、出口10Cでは冷媒の流速がほぼゼロとなるように、ばね10Eのばね力や抵抗体10Dの重量などが設定されている。
本構成では、上述したように、螺旋状細管8の出口で冷媒が大きな速度エネルギを有しており、仮にこの大きな速度エネルギを維持したまま、冷媒が、下流の冷媒配管13内に流入すると、冷媒配管13内で摩擦熱を生じさせ、その分、冷媒の乾き度を大きくすることとなる。すなわち、螺旋状細管8内の冷媒は、図2に示す点kの状態から点lの状態に至るが、冷媒配管13内で摩擦熱を生じさせると、冷媒の乾き度を大きくして、点lを経たのちに点mの状態に移動し、蒸発器(吸熱部)11での吸熱量をQ1からQ2に低下させ、その差分だけ効率を低下させる。
すなわち、速度エネルギを仕事エネルギ(又は位置エネルギ)として放出し、管体10の出口10Cでは、流速がほぼゼロとなる。
この構成によれば、管体10の出口10Cで、冷媒の流速がほぼゼロとなるため、冷媒配管13内で摩擦熱を生じさせることがなく、従って、冷媒の乾き度は維持されるため、点lを経たのち点mの状態に移動はせず、蒸発器(吸熱部)11での吸熱量をQ1に維持でき、効率を維持することができる。
また、管本体10A内に液冷媒が存在すると、この液冷媒は管本体10A内を自重により落下する。この落下する液冷媒に、管本体10A内を上昇する冷媒が衝突すると、この衝突によっても、上昇する冷媒の速度エネルギが仕事エネルギに変換される。従って、実証試験を通じ、この衝突により消費するエネルギ分を求め、このエネルギ分を加味して、出口10Cで冷媒の流速がほぼゼロとなるように、ばね10Eのばね力や抵抗体10Dの重量などを設定することが望ましい。
上記実施の形態では、螺旋状管6、及び螺旋状細管8を直列に接続しているが、ミニ熱交換装置3の容量を大型化し、該熱交換装置3の出口に螺旋状管6を省略して螺旋状細管8を直接接続することは可能である。この場合も螺旋状細管8の出口に管体10を接続することで効率向上が図られる。
例えば、抵抗体10Dの形態は、球体、平板、多角形体、多角錐体など何れの形態でもよく、ばね10Eの省略も可能である。また、管体10は鉛直上下に配列したが、水平配列、斜め配列などの配列であってもよい。冷媒の速度エネルギを仕事エネルギに変換せず、位置エネルギだけに変換する場合、抵抗体10D及びばね10Eを省略して、この管体10を鉛直上下に配列するだけでよい。この場合、速度を持った冷媒が管体10内を上昇する過程で速度エネルギが位置エネルギに変換される。
図6A(従来の冷凍サイクル)では、点3〜点4の変化が、等エントロピ変化であり、管摩擦により流速が小さいので、エネルギ式は、次のように表される。
dh(エンタルピ変化)=dq(外部からの熱量)−dwt(外部への仕事量)
従って、点3〜点4の変化は次のようになる。
h4−h3=q34(摩擦熱)−wt34(圧力損失)
摩擦による発熱と圧力損失は等しいので、次式のように等エンタルピ変化で表される。
h4−h3=0
dh(エンタルピ変化)+wdw(運動エネルギ)=dq(外部からの熱量)−dwt(外部への仕事量)
従って、点3〜点3’の変化は次のようになる。
h3'−h3+{(w3')2−(w3)2}/2=q33'(摩擦熱)−wt33'(圧力損失)
ここで、点3〜点3’の変化は断熱変化(q33'=0)で、速度は音速(w3'=wC)とすると、
h3'−h3+{(wC)2−(w3)2}/2=0−wt33'
次に、点3’〜点4では速度は変化しないので、次式のように表される。
h4−h3'+{(wC)2−(wC)2}/2=0−wt3'4
最後に、点4〜点4’の変化では摩擦により流速がゼロ、断熱変化、圧力変化がないので、次式のように表される。
h4'−h4+{0−(wc)2}/2=q4'4−wt4'4=0+v(P4'−P4)=0
また、摩擦による運動エネルギは熱エネルギに変化するので、
qf=(wc)2/2(摩擦熱)
従って、h4'=h4+qf
となり、摩擦熱qfにより冷凍効果が減少することが分かる。
h3'−h3+{(w3')2−(w3)2}/2=q33'−wt33'
ここで、点3〜点3’の変化は断熱変化(q33'=0)で、速度は音速(w3'=wC)とすると、
h3'−h3+{(wC)2−(w3)2}/2=0−wt33'
次に、点3’〜点4では、管体10で外部仕事を行い、速度がゼロとなるので、次式のように表される。
h4−h3'+{0−(wC)2}/2=0−wt3'4−wtout
ここで、外部への仕事は運動エネルギと等価であると考えると、
wtout=(wC)2/2
従って、エネルギ式は次のようになり、摩擦熱により冷凍能力が低下することはない。
h4=h3'−wt3'4=h3+v(P4−P3')
wtout=(wC)2/2=gz
ここで、zは鉛直方向の高さである。
また、次式のようにばね仕事に変換する方法がある。
wtout=(wC)2/2=k(l2/2)
ここで、lはばねの変位、kはばね定数とする。
また、次式のように位置エネルギとばね仕事に変換する方法がある。
wtout=(wC)2/2=k(l2/2)+gz
また、次式のように回転仕事に変換する方法がある。
wtout=(wC)2/2=I(ω2/2)
ここで、Iは回転体の慣性モーメント、ωは回転体の角速度とする。
本実施の形態では、凝縮用熱変換装置30を、等圧冷却部(ミニ熱交換装置3)、減圧液化部(螺旋状管6)、及び減圧冷却部(螺旋状細管8)で構成したが、減圧液化部(螺旋状管6)は、複数の螺旋状の管を直列接続して構成してもよく、この場合、図2の点j〜点kでは、複数屈曲点を持つサイクル線となる。減圧冷却部(螺旋状細管8)も、複数の螺旋状の管を直列接続して構成してもよく、この場合、図2の点k〜点lでは、複数屈曲点を持つサイクル線となる。
61は圧縮機を示し、圧縮機61には放熱器62が接続され、放熱器62にはレシーバタンク63が接続されている。レシーバタンク63にはエジェクタ64が接続され、エジェクタ64は、放熱器62から流出する冷媒を減圧膨張させ、後述する蒸発器65にて蒸発した気相冷媒を吸引部64Aから吸引するとともに、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機61の吸入圧を上昇させる。
エジェクタ64から流出する冷媒は圧縮機61に吸入され、これによって冷媒循環路を形成している。レシーバタンク63とエジェクタ64の後述するノズル64Bとの間には、分岐させた冷媒流れを先の吸引部64Aに導く分岐流路66を設けるとともに、この分岐流路66には蒸発器65を設けている。
ディフューザ部64Cの出口には管体10が接続され、管体10にはアキュムレータ68を介して圧縮機61が接続される。管体10は、上記実施の形態とほぼ同様構造であり、その説明は省略する。なお、ディフューザ部64C、及び管体10は、鉛直線に沿って上下に配列することが望ましい。
ディフューザ部64Cの出口では、冷媒が大きな速度エネルギを有し、仮にこの大きな速度エネルギを維持したまま、下流の冷媒配管69内に流入すると、冷媒配管69内で摩擦熱を生じさせ、その分、冷媒の乾き度を大きくし、蒸発器65での吸熱量を低下させ、その分だけ効率を低下させる。
すなわち、速度エネルギを仕事エネルギ(又は位置エネルギ)として放出し、管体10の出口10Cでは、流速がほぼゼロとなる。
この構成によれば、管体10の出口10Cで、冷媒の流速がほぼゼロとなるため、冷媒配管69内で摩擦熱を生じさせることがなく、冷媒の乾き度は維持されるため、蒸発器65での吸熱量を維持し、効率を維持できる。
管体10の構成は、上記の構成に限定されず、冷媒の速度エネルギを仕事エネルギ(又は位置エネルギ)に変換できればよい。
2、4、10 冷媒配管
3 ミニ熱交換装置
3−1 ミニファン
6 螺旋状管
8 螺旋状細管
10 管体
11、65 蒸発器
13、62 凝縮器
64 エジェクタ
Claims (5)
- 圧縮機と、
放熱器と、
冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段と、
前記冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段と、
吸熱器とを順に環状に冷媒配管で接続し、
前記冷媒液化手段が冷媒の加速によるチョーク現象を利用して冷媒を減圧、及びエンタルピ減少を伴って液化する螺旋管である
ことを特徴とする冷凍システム。 - 請求項1に記載の冷凍システムにおいて、
前記エネルギ変換手段が抵抗体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内で抵抗体を越える際の仕事エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。 - 請求項2に記載の冷凍システムにおいて、
前記管体内の抵抗体が当該管体の入口側に向けてばね付勢されていることを特徴とする冷凍システム。 - 請求項1に記載の冷凍システムにおいて、
前記エネルギ変換手段が回転体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内の回転体を回転させる際の仕事エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。 - 請求項1に記載の冷凍システムにおいて、
前記冷媒液化手段が下から上に冷媒を流すように鉛直に設けられ、
前記エネルギ変換手段が冷媒の速度エネルギを位置エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。
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