JP7413726B2

JP7413726B2 - エジェクタ式冷凍装置

Info

Publication number: JP7413726B2
Application number: JP2019201401A
Authority: JP
Inventors: 時空吉田; 健松原; 賢哲安嶋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: JP2021076275A

Description

本発明は、エジェクタを適用した冷凍装置に関するものである。

この種の冷凍装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが既に提供されている。この冷凍装置は、冷媒が循環される循環経路において冷媒加熱手段と凝縮器との間にエジェクタが設けられ、冷媒加熱手段から吐出された冷媒が駆動流体としてエジェクタに供給される一方、エジェクタから吐出された冷媒が凝縮器に供給されるものである。循環経路において凝縮器からポンプまでの間に位置する部分には、分岐経路が設けられている。分岐経路は、膨張弁及び蒸発器を備え、蒸発器を通過した後の冷媒を吸引流体としてエジェクタに供給するものである。この冷凍装置では、冷媒加熱手段に排温水等の熱源を供給するとともに、蒸発器に被冷却水を供給すれば、蒸発器において冷却された冷水を得ることが可能となる。

特開２０１４－１９０５８７号公報

ところで、外気温度が高い条件下では、凝縮器において高い凝縮温度で放熱しなければならず、エジェクタから吐出される冷媒の圧力についても高い状態でシステムを運転する必要がある。図６に示すように、分岐経路からエジェクタに供給される冷媒の流量は、エジェクタと凝縮器との間の圧力（エジェクタの背圧＝Ｐｄ）が、臨界点の圧力（＝Ｐｃ）を超えない範囲であれば一定となるが、臨界点の圧力以上となると、エジェクタの背圧が増加するに従って急激に減少する傾向となる。このため、外気温度が高い条件下では、蒸発器を通過する冷媒の流量が減少し、被冷却水の冷却能力が低下する事態を招来するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みて、外気温度が高い条件下においても冷却能力が低下する事態を抑えることのできるエジェクタ式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、本発明に係るエジェクタ式冷凍装置は、ポンプ、冷媒加熱手段、エジェクタ及び凝縮器が設けられ、これらの間に順次冷媒が循環される循環経路と、前記循環経路において前記凝縮器及び前記ポンプの間に位置する分岐点から分岐し、膨張機構及び蒸発器を介して前記エジェクタに連通する分岐経路とを備えたエジェクタ式冷凍装置であって、前記冷媒加熱手段の出口側冷媒圧力を測定する第１圧力測定手段と、前記蒸発器の出口側圧力を測定する第２圧力測定手段と、前記エジェクタの出口側圧力を測定する第３圧力測定手段と、前記第１圧力測定手段で測定された圧力、前記第２圧力測定手段で測定された圧力及び前記第３圧力測定手段で測定された圧力に基づいてポンプの回転数を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１圧力測定手段で測定された圧力及び前記第２圧力測定手段で測定された圧力から臨界点の圧力を算出し、前記第３圧力測定手段で測定された圧力が、前記臨界点の圧力に基づいて設定される参照圧力以上となった場合に前記ポンプの回転数を増加させることを特徴とする。

また本発明は、上述したエジェクタ式冷凍装置において、前記制御部は、前記第３圧力測定手段で測定された圧力が、予め設定した閾値以下となった場合に前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする。

また本発明は、上述したエジェクタ式冷凍装置において、前記制御部は、前記分岐経路を通過する流体の流量が予め設定した値となるように前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする。

本発明によれば、外気温度の上昇に起因してエジェクタと凝縮器との間の循環経路の圧力が臨界点の圧力以上となった場合にポンプの回転数が増加されるため、循環経路からエジェクタに供給される冷媒の圧力が高くなる。これにより、分岐経路からエジェクタに供給される冷媒の流量が急激に減少する事態が防止され、分岐経路に設けられた蒸発器の冷却能力が大きく低下する事態を招来するおそれがなくなる。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタ式冷凍装置の回路図である。図２は、図１に示した制御部において実施されるポンプ回転数制御の処理内容を示すフローチャートである。図３は、循環経路からエジェクタに供給される冷媒の圧力及び分岐経路からエジェクタに供給される冷媒の圧力と、臨界点の圧力との関係を示すグラフである。図４は、式１を算出する際に基準としたエジェクタの模式図である。図５は、図１に示すエジェクタ式冷凍装置におけるエジェクタの背圧と吸引流体の流量との関係を示すグラフである。図６は、従来のエジェクタ式冷凍装置におけるエジェクタの背圧と吸引流体の流量との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係るエジェクタ式冷凍装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタを適用した冷凍装置を示したものである。ここで例示する冷凍装置は、工場排水や使用済み冷却水等の排温水から排熱を回収して被冷却媒体を冷却するもので、循環経路１によって順次接続されたポンプ２、加熱熱交換器（冷媒加熱手段）３、エジェクタ４、凝縮器５を備えている。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冷凍装置を例示している。

ポンプ２は、循環経路１において冷媒の循環供給を行うものである。より詳細に説明すると、ポンプ２は、例えば液相の可変容量ポンプ２であり、冷媒を昇圧してエジェクタ４に供給するものである。本実施の形態のポンプ２は、後述する制御部２０から与えられる駆動信号に従った回転数で駆動されるもので、回転数に応じた流量の冷媒を吐出することが可能である。加熱熱交換器３は、温水経路６に供給される排温水との間で熱交換を行うことにより、ポンプ２から供給された循環経路１の冷媒を蒸発させるものである。エジェクタ４は、加熱熱交換器３を通過した気相の冷媒と、後述の分岐経路７から供給される気相の冷媒とを混合し、昇圧して下流に吐出するものである。凝縮器５は、エジェクタ４から吐出された気相の冷媒と、冷却水経路８に供給される冷却水との間で熱交換を行うことにより、循環経路１の冷媒を凝縮させるものである。

この冷凍装置には、分岐経路７が設けてある。分岐経路７は、循環経路１において凝縮器５とポンプ２との間に位置する分岐点から分岐し、循環経路１を流通する冷媒の一部を吸引流体としてエジェクタ４に供給するものである。この分岐経路７には、膨張機構９及び蒸発器１０が設けてある。膨張機構９は、凝縮器５を通過して分岐供給された冷媒を膨張させて減圧するものである。蒸発器１０は、膨張機構９を通過した後の液相の冷媒と、被冷却水経路１１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、冷媒を蒸発させるものである。なお、膨張機構９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、オリフィス、キャピラリー等のその他のものを適宜選択しても良い。

制御部２０は、圧力計Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を通じて冷媒の圧力を取得した場合に予め設定したプログラムやメモリに格納したデータに基づいてポンプ２に駆動信号を出力するものである。この制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現しても良いし、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現しても良いし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現しても良い。第１の圧力計（第１圧力測定手段）Ｐ１は、循環経路１において加熱熱交換器３とエジェクタ４の間に設けられたものである。第２の圧力計（第２圧力測定手段）Ｐ２は、分岐経路７において蒸発器１０とエジェクタ４との間に設けられたものである。第３の圧力計（第３圧力測定手段）Ｐ３は、循環経路１においてエジェクタ４と凝縮器５との間に設けられたものである。

上記のように構成した冷凍装置では、運転が開始されると、制御部２０から出力された駆動信号に従ってポンプ２が駆動され、循環経路１に冷媒が循環供給される。このとき、温水経路６を通じて加熱熱交換器３に排温水を供給し、かつ冷却水経路８を通じて凝縮器５に冷却水を供給すると、エジェクタ４に対しては加熱熱交換器３を通過して気相となった冷媒が駆動流体として供給される。駆動流体が供給されたエジェクタ４では、図示せぬ内部のノズルから冷媒が噴射されることで内部の圧力が低下し、循環経路１から分岐経路７へ分岐した冷媒が吸引流体として供給される。循環経路１から駆動流体としてエジェクタ４に供給された冷媒及び分岐経路７から吸引流体としてエジェクタ４に供給された冷媒は、内部で混合された後に図示せぬディフューザ部において昇圧されて凝縮器５に吐出される。この結果、上述の冷凍装置では、コンプレッサーを用いることなく、より低動力で冷媒を循環供給することができ、凝縮器５において冷却水経路８に供給される冷却水を加熱する一方、分岐経路７の蒸発器１０において被冷却水経路１１に供給される被冷却水から吸熱することができるようになる。従って、ランニングコストを抑えた上で、冷水を得ることが可能となる。

図２は、上述した制御部２０において実施されるポンプ回転数制御の処理内容を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを適宜参照しながらポンプ回転数制御の内容について詳述し、併せて本願発明の特徴部分について説明する。

冷凍装置の運転が開始されると、制御部２０から予め設定した初期駆動信号が出力され（ステップＳ１０１）、この初期駆動信号に応じた定常の回転数でポンプ２が駆動される。ポンプ２の駆動によって循環経路１及び分岐経路７に冷媒が供給されると、制御部２０は、圧力計Ｐ１を通じて加熱熱交換器３の出口側冷媒圧力（＝Ｐｇ）、圧力計Ｐ２を通じて１０の出口側冷媒圧力（＝Ｐｓ）及び圧力計Ｐ３を通じてエジェクタ４の背圧（＝Ｐｄ）を取得し（ステップＳ１０２）、これら取得した圧力に基づいて臨界点の圧力（＝Ｐｃ）を算出する処理を実施する（ステップＳ１０３）。エジェクタ４の背圧Ｐｄとは、循環経路１においてエジェクタ４と凝縮器５との間に位置するエジェクタ４の出口側冷媒圧力である。臨界点の圧力Ｐｃとは、エジェクタ４に対する吸引流量の減少が開始される背圧Ｐｄの最小値である。この臨界点の圧力Ｐｃは、図３に示すように、循環経路１からエジェクタ４に供給される冷媒の圧力Ｐｇが増大するに従って増大し、かつ分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒の圧力Ｐｓが増大するに従って増大する傾向を示すものである。臨界点の圧力Ｐｃとしては、例えば図４に示すように、ノズルＮの断面積がＡｔ、内径が一定となる混合部Ｍの断面積がＡ３のエジェクタ４の場合、下式１から求めることが可能である。

Ａ３／Ａｔ＝Ｃ０＋Ｃ１・ｒｃ＋Ｃ２・ｒｃ^２＋Ｃ３・ｒｇ＋Ｃ４・ｒｃ・ｒｇ＋Ｃ５・ｒｃ^２・ｒｇ＋Ｃ６・ｒｇ^２＋Ｃ７・ｒｃ・ｒｇ^２＋Ｃ８・ｒｃ^２・ｒｇ^２・・・（１）

但しｒｃ＝Ｐｃ／Ｐｓ、ｒｇ＝Ｐｇ／Ｐｓである。Ｃ０～Ｃ８はエジェクタ４の形状に起因した定数であり、実験を行うことによって求めることができる。なお、この種の値は、圧力及び温度をパラメータとした関数となるのが通常であるが、超音速の特性を有するエジェクタ４においては圧力がもっとも支配的なパラメータとなるため、圧力とエジェクタ４の形状に起因した特性のみで臨界点の圧力Ｐｃを算出することが可能である。

図２のステップＳ１０３において臨界点の圧力Ｐｃを算出した制御部２０は、予め設定された第１参照設定値αに従って参照圧力（＝Ｐｒ）を設定し（ステップＳ１０４）、設定した参照圧力Ｐｒとエジェクタ４の背圧Ｐｄとの比較を行う（ステップＳ１０５）。第１参照設定値αとは、エジェクタ４の背圧Ｐｄが臨界点の圧力Ｐｃ以上となった後のいつの時点でポンプ２の回転数を変更するかを予め定めた圧力値である。例えば、エジェクタ４の背圧Ｐｄが臨界点の圧力Ｐｃとなった時点で直ちにポンプ２の回転数を変更するのであれば、第１参照設定値αを「０」に設定すれば良い。第１参照設定値α＞０に設定した場合には、算出した臨界点の圧力Ｐｃに対して第１参照設定値αを加算した圧力が参照圧力Ｐｒとして設定され、エジェクタ４の背圧Ｐｄと比較されることになる。以下の説明では、参照圧力Ｐｒ＝Ｐｃ＋αとする。

ステップＳ１０２において取得したエジェクタ４の背圧Ｐｄが参照圧力Ｐｒ未満の場合、制御部２０は、次いでエジェクタ４の背圧Ｐｄと、予め設定された第２参照設定値βに従って下限圧力（＝Ｐｕ）を設定し（ステップＳ１０５：Ｎｏ→ステップＳ１０７）、設定した下限圧力Ｐｕとエジェクタ４の背圧Ｐｄとの比較を行う（ステップＳ１０８）。以下の説明では、下限圧力Ｐｕ＝Ｐｃ－βとする。

ステップＳ１０８においてエジェクタ４の背圧Ｐｄが下限圧力Ｐｕよりも大きい場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、換言すれば、エジェクタ４の背圧Ｐｄが下限圧力Ｐｕに対して過小となっていない場合、制御部２０は、手順をステップＳ１０２にリターンさせる。これにより、エジェクタ４の背圧Ｐｄが参照圧力Ｐｒを下回り、かつ参照圧力Ｐｒに対して過小となっていない場合には、ポンプ２が初期駆動信号に応じた定常回転数で継続的に駆動されることになる。図５に示すように、分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒の流量（＝Ｇｓ）は、エジェクタ４の背圧Ｐｄが、臨界点の圧力Ｐｃを超えない範囲であれば一定となる。従って、エジェクタ４の背圧Ｐｄが臨界点の圧力Ｐｃ未満の状況で運転が続く限り、分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒が所望の一定流量となり、蒸発器１０において被冷却水を冷却する能力を十分に確保することができるようになる。また、エジェクタ４の背圧Ｐｄが臨界点の圧力Ｐｃを超えた状況下であっても、ポンプ２が定常回転数で駆動されるのは参照圧力Ｐｒに達する直前の状態までであり、蒸発器１０において被冷却水を冷却する能力が著しく低下する事態が招来されるおそれはない。

これに対して、外気温度が上昇する等の要因により、図２のステップＳ１０５においてエジェクタ４の背圧Ｐｄが参照圧力Ｐｒ以上となった場合、制御部２０は、ポンプ２に対して回転数を増加するための信号を出力する（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ→ステップＳ１０６）。これにより、ポンプ２の回転数が定常回転数よりも高い回転数で駆動することになり、循環経路１からエジェクタ４に供給される冷媒の圧力Ｐｇが高くなる。図５に示すように、循環経路１からエジェクタ４に供給される冷媒の圧力Ｐｇが高くなると、定常回転数で駆動している場合に比べて臨界点の圧力Ｐｃ′も高くなり、この高くなった臨界点の圧力Ｐｃ′を超えない範囲であれば、分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒の流量が一定となる。これにより、分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒の流量が急激に減少する事態が防止され、分岐経路７に設けられた蒸発器１０の冷却能力が大きく低下する事態を招来するおそれがなくなる。ポンプ２の回転数を増加させる場合には、予め設定した回転数だけ段階的に増加させるようにしても良いし、分岐経路７からエジェクタ４に供給される冷媒の流量が予め設定した目標流量となるようにポンプ２の回転数を増加させるようにしても良い。

一方、図２のステップＳ１０８においてエジェクタ４の背圧Ｐｄが下限圧力Ｐｕ以下となると、換言すればエジェクタ４の背圧Ｐｄが参照圧力Ｐｒに対して過小となった場合、制御部２０は、ポンプ２に対して回転数を減少するための信号を出力する（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ→ステップＳ１０９）。これにより、冷凍能力が低下する事態を招来することなく冷凍装置の消費電力を低減することができるようになる。以下、上述の動作が繰り返し実行されることになる。

なお、上述した実施の形態では、参照圧力Ｐｒを設定し、この参照圧力Ｐｒとエジェクタ４の背圧Ｐｄとを比較するようにしているが、算出した臨界点の圧力Ｐｃとエジェクタ４の背圧Ｐｄとを直接比較してポンプ２の回転数を増加するか否かを判断するようにしても構わない。また、臨界点の圧力Ｐｃは必ずしも都度算出する必要はなく、予め実験によって背圧Ｐｄ等の条件ごとに臨界点の圧力を複数取得し、これを比較対象として用いるようにしても良い。

１循環経路
２ポンプ
３加熱熱交換器
４エジェクタ
５凝縮器
７分岐経路
９膨張機構
１０蒸発器
２０制御部
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３圧力計

Claims

ポンプ、冷媒加熱手段、エジェクタ及び凝縮器が設けられ、これらの間に順次冷媒が循環される循環経路と、前記循環経路において前記凝縮器及び前記ポンプの間に位置する分岐点から分岐し、膨張機構及び蒸発器を介して前記エジェクタに連通する分岐経路とを備えたエジェクタ式冷凍装置であって、
前記冷媒加熱手段の出口側冷媒圧力を測定する第１圧力測定手段と、
前記蒸発器の出口側圧力を測定する第２圧力測定手段と、
前記エジェクタの出口側圧力を測定する第３圧力測定手段と、
前記第１圧力測定手段で測定された圧力、前記第２圧力測定手段で測定された圧力及び前記第３圧力測定手段で測定された圧力に基づいてポンプの回転数を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記第１圧力測定手段で測定された圧力及び前記第２圧力測定手段で測定された圧力から、前記エジェクタに対する吸引流量の減少が開始される背圧の最小値を臨界点の圧力として算出し、
前記第３圧力測定手段で測定された圧力が、前記臨界点の圧力に基づいて設定される参照圧力以上となった場合に前記ポンプの回転数を増加させることを特徴とするエジェクタ式冷凍装置。
前記制御部は、前記第３圧力測定手段で測定された圧力が、予め設定した閾値以下となった場合に前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ式冷凍装置。
前記制御部は、前記分岐経路を通過する流体の流量が予め設定した値となるように前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ式冷凍装置。