JP2014149138A - 直膨式冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機における仕事量を低減して、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる直膨式冷却装置を提供すること。
【解決手段】直膨式冷却装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４及び蒸発器５の他に、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプ６１と、昇圧ポンプ６１によって昇圧された冷媒Ｃ２を昇温する昇温手段６２と、昇温手段６２から凝縮器３の入口へ冷媒Ｃ１を供給するエジェクタ７とを備えている。エジェクタ７は、昇温手段６２によって昇温された冷媒Ｃ１が駆動流として流入する際に、圧縮機２の入口２０１から出口２０２までの間に設けられた中間ポート２０３から冷媒Ｃ１の一部を抜き出して吸引流として吸引し、この吸引によって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる冷媒配管８Ａに合流させるよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を膨張させる際に熱を奪う直膨式冷却装置に関する。

種々の建物においては、冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器に循環させて、膨張弁及び蒸発器において蒸発潜熱を利用して室内を冷却する直膨式のヒートポンプが多用されている。
例えば、特許文献１のヒートポンプにおいては、冷媒循環回路において、蒸発器と圧縮機との配管内にエジェクタを設けている。凝縮器の液冷媒の一部を分岐してポンプによって熱交換器へ送り、熱交換器によって高温高圧にされた蒸気をエジェクタの駆動流とする際に、蒸発器から低圧冷媒蒸気を吸引流として吸引する。そして、高温高圧の蒸気と低圧冷媒蒸気との混合気を、エジェクタから圧縮機へ排出している。これにより、圧縮機自体の能力を高めることなく、蒸発器における蒸発能力を高めることができる。

特開昭６１−２１１６６７号公報

しかしながら、上記特許文献１のヒートポンプにおいては、圧縮機によって全体が圧縮された後の冷媒の一部を、エジェクタを経由して再び圧縮機へ流入させている。そのため、圧縮機において重複して冷媒が圧縮されることになり、冷媒の循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生する。
また、圧縮機によって全体が圧縮された後の冷媒の一部をポンプによって熱交換器へ送っている。そのため、ポンプは、冷媒を昇圧する働きをほとんどしておらず、エジェクタの駆動流の流速は、エンジン排熱ボイラ等の熱交換器のみによって増速されることとなり、この増速幅が小さい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、圧縮機における仕事量を低減して、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる直膨式冷却装置を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
上記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプと、
該昇圧ポンプによって昇圧された冷媒を昇温する昇温手段と、
該昇温手段によって昇温された冷媒が駆動流として流入する際に、上記圧縮機の入口から出口までの間に設けられた中間ポートから冷媒の一部を抜き出して吸引流として吸引し、該吸引によって生じる混合冷媒を、上記圧縮機から上記凝縮器に繋がる経路に合流させるエジェクタと、を備えていることを特徴とする直膨式冷却装置にある（請求項１）。

上記直膨式冷却装置においては、圧縮機の入口から出口までの間に設けられた中間ポートから圧縮機によって圧縮される途中の冷媒の一部を、エジェクタの吸引流とし、この吸引流と駆動流とによって生じる混合冷媒を、圧縮機から凝縮器に繋がる経路に合流させている。そのため、エジェクタから流出される混合冷媒が再び圧縮機を通過することがなく、冷媒の循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生しない。そして、圧縮機においては、中間ポートよりも下流側の仕事量が低減され、圧縮機におけるエネルギー効率を向上させることができる。

また、昇圧ポンプは、凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して、圧縮機の圧縮圧力よりも高い適切な圧力に昇圧している。そして、この昇圧された冷媒を昇温手段によって昇温して、エジェクタの駆動流としている。そのため、高圧の冷媒をエジェクタの駆動流とすることができ、エジェクタの駆動流の流速を大幅に高めることができる。また、昇圧ポンプによる仕事は、凝縮器によって凝縮された液体状態の冷媒を昇圧する仕事となるため、圧縮機において気体状態の冷媒を圧縮する場合に比べて、仕事量を少なくすることができる。

それ故、上記直膨式冷却装置によれば、圧縮機における仕事量を低減して、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。

実施例にかかる、直膨式冷却装置の構成を示す説明図。 実施例にかかる、圧縮機の構造を模式的に示す説明図。 実施例にかかる、エジェクタの構造を模式的に示す説明図。 実施例にかかる、横軸に比エンタルピーをとり、縦軸に圧力をとって、直膨式冷却装置の動作をｐ−ｈ線図によって示すグラフ。

上述した直膨式冷却装置における好ましい実施の形態につき説明する。
上記直膨式冷却装置において、上記昇圧ポンプとしては、液体状態の冷媒を昇圧（加圧）する種々のポンプを用いることができる。また、上記昇圧手段は、昇圧ポンプによって昇圧された冷媒の圧力をほとんど維持しつつ、この冷媒を昇温する種々の機器とすることができる。また、上記圧縮機の中間ポートは、圧縮機の入口から出口までの間の適宜箇所に設けられ、圧縮機内から外部への開口を可能にしたポートとすることができる。

上記直膨式冷却装置においては、上記中間ポートから上記エジェクタに繋がる経路には、該中間ポートから該エジェクタに流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられていてもよい（請求項２）。
この場合には、圧縮機の中間ポートからエジェクタに吸引する冷媒の流量を流量調整弁によって調整して、エジェクタにおける冷媒の混合割合を適切に調整することができる。

また、上記凝縮器から上記昇圧ポンプに繋がる経路には、該凝縮器から該昇圧ポンプに流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられていてもよい（請求項３）。
この場合には、凝縮器から昇圧ポンプに取り出す冷媒の流量を流量調整弁によって調整して、エジェクタにおける冷媒の混合割合を適切に調整することができる。

また、上記圧縮機は、エンジンに駆動されて作動するよう構成されており、上記昇温手段は、上記エンジンの排熱を用いて冷媒を昇温するエンジン排熱回収器であってもよい（請求項４）。
この場合には、エンジンによって圧縮機を作動させる際に、エンジン排熱回収器によってエンジンの排熱を回収することができ、直膨式冷却装置の全体のエネルギー効率をより向上させることができる。
なお、エンジンの排熱は、エンジンから排気される排気ガス、エンジンによって加温された冷却水等の熱エネルギーとすることができる。

以下に、直膨式冷却装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の直膨式冷却装置１は、図１に示すごとく、冷媒Ｃ１を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された冷媒Ｃ１を凝縮する凝縮器３と、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２を膨張させる膨張弁４と、膨張弁４によって膨張された冷媒Ｃ２を蒸発させる蒸発器５と、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプ６１と、昇圧ポンプ６１によって昇圧された冷媒Ｃ２を昇温する昇温手段６２と、昇温手段６２から凝縮器３の入口へ冷媒Ｃ１を導くエジェクタ７とを備えている。

エジェクタ７は、昇温手段６２によって昇温された冷媒Ｃ１が駆動流として流入する際に、圧縮機２の入口２０１から出口２０２までの間に設けられた中間ポート２０３から圧縮機２によって圧縮される途中の冷媒Ｃ１の一部を抜き出し、これを吸引流として吸引し、この吸引流と駆動流との混合によって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる経路としての冷媒配管８Ａに合流させるよう構成されている。
なお、本例においては、気体状態の冷媒ＣをＣ１で示し、液体状態の冷媒ＣをＣ２で示す。

以下に、本例の直膨式冷却装置１につき、図１〜図４を参照して詳説する。
本例の直膨式冷却装置１は、ガスを燃料として稼動するガスエンジン１１によって圧縮機２を作動させるよう構成されたガスヒートポンプ（ＧＨＰ）による冷房空調装置を構成する。
図２に示すごとく、圧縮機２は、渦巻き状の気体通路２１１を形成する静翼２１と、渦巻き状に形成された動翼２２とを有し、動翼２２を静翼２１の気体通路２１１内に配置して構成されたスクロール式コンプレッサーである。静翼２１の気体通路２１１の外周部に気体（冷媒Ｃ）の入口２０１が形成されており、静翼２１の渦巻き状の気体通路２１１の中心部に気体の出口２０２が形成されている。そして、スクロール式コンプレッサーは、静翼２１の気体通路２１１に対して動翼２２が動く際に、入口２０１に流入する気体を出口２０２へと圧縮しながら導くよう構成されている。また、静翼２１の気体通路２１１において、入口２０１が形成された外周部と出口２０２が形成された中心部との中間位置には、外部への開口を可能にし、気体を外部へ抜き出すことができる中間ポート２０３が形成されている。

図１に示すごとく、凝縮器３は、圧縮機２から流入する気体状態の冷媒Ｃ１を液体状態に凝縮させる熱交換器によって構成されている。膨張弁４は、凝縮器３から流入する液体状態の冷媒Ｃ２を噴出させて蒸発（気化）しやすい状態にするものである。蒸発器５は、膨張弁４によって蒸発しやすい状態になった冷媒Ｃ２を気体状態に蒸発させる熱交換器によって形成されている。圧縮機２及び凝縮器３は室外機として設置され、膨張弁４及び蒸発器５は室内機として設置されている。そして、直膨式冷却装置１は、蒸発器５における蒸発潜熱によって、室内を冷却するよう構成されている。

昇圧ポンプ６１は、液体状態の冷媒Ｃ２を高圧に昇圧する液ポンプによって構成されている。昇圧ポンプ６１は、凝縮器３から取り出す冷媒Ｃ２を、圧縮機２によって圧縮される冷媒Ｃ１の出口圧力よりも高い圧力に昇圧するよう構成されている。
昇温手段６２は、ガスエンジン１１から排気される排気ガスを用いて冷媒Ｃ２を昇温して蒸発させるエンジン排熱回収器である。このエンジン排熱回収器によって、ガスエンジン１１から排気される排気ガスの排熱を回収することができる。

図３に示すごとく、エジェクタ７は、駆動流を流入させる入口７０１側の通路に設けられたノズル７１と、吸引流を流入させる吸引入口７０２側の通路に設けられた拡散混合部７２と、拡散混合部７２によって混合される混合流（混合冷媒）Ｃ３を流出させる出口７０３に設けられたディフューザ７３とを有している。エジェクタ７においては、駆動流として入口７０１に流入する気体がノズル７１によって噴射されるときに、拡散混合部７２の圧力が低下し、この圧力低下によって吸引入口７０２から吸引流として気体が吸引される。そして、入口７０１から流入した気体と吸引入口７０２から流入した気体とが拡散混合部７２において混合され、ディフーザを通って出口７０３へ流出される。

図１に示すごとく、圧縮機２と凝縮器３との間、凝縮器３と膨張弁４との間、膨張弁４と蒸発器５との間、蒸発器５と圧縮機２との間は、それぞれ冷媒配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄによって繋がれており、直膨式冷却装置１においては、冷媒Ｃ１，Ｃ２が循環する循環経路が形成されている。
また、凝縮器３の出口側の冷媒配管８Ｂは、膨張弁４に繋がる冷媒配管８Ｂから昇圧ポンプ６１に繋がる冷媒配管８Ｅに分岐している。昇圧ポンプ６１と昇温手段６２との間、昇温手段６２とエジェクタ７の入口７０１との間がそれぞれ冷媒配管８Ｆ，８Ｇによって繋がれており、エジェクタ７の出口７０３から引き出された冷媒配管８Ｈは、圧縮機２と凝縮器３との間の冷媒配管８Ａに合流している。また、エジェクタ７の吸引入口７０２と圧縮機２の中間ポート２０３とは、冷媒配管８Ｉによって繋がれている。

本例においては、エジェクタ７の吸引入口７０２と圧縮機２の中間ポート２０３とを繋ぐ冷媒配管８Ｉには、中間ポート２０３からエジェクタ７の吸引入口７０２に流れる冷媒Ｃ１の流量を調整する流量調整弁８１Ａが設けられている。また、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に繋がる冷媒配管８Ｅには、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に流れる冷媒Ｃ２の流量を調整する流量調整弁８１Ｂが設けられている。これらの流量調整弁８１Ａ，８１Ｂにより、エジェクタ７においては、昇温手段６２から送られる冷媒Ｃ１と、圧縮機２の中間ポート２０３から送られる冷媒Ｃ１との混合割合を適切に調整することができる。

次に、本例の直膨式冷却装置１の動作を、図４のｐ−ｈ線図（圧力と比エンタルピーとの関係を表す線図）を参照して説明する。
図４は、横軸に比エンタルピーｈ（冷媒Ｃの単位質量当たりの全熱量として表される。）をとり、縦軸に圧力ｐをとって、直膨式冷却装置１における冷凍サイクル（冷媒Ｃの循環サイクル）を示す。図中の曲線は、右側部分が飽和蒸気線Ｌ１、左側部分が飽和液線Ｌ２を示し、これらの中間位置は臨界点Ｋを示す。そして、飽和蒸気線Ｌ１よりも右側が気体状態を示し、飽和液線Ｌ２よりも左側が液体状態を示し、飽和蒸気線Ｌ１及び飽和液線Ｌ２に囲まれた内側部分が気液混合状態を示す。
同図においては、本例の昇圧ポンプ６１、昇温手段６２及びエジェクタ７を利用した直膨式冷却装置１についてｐ−ｈ線図を示すとともに、昇圧ポンプ６１、昇温手段６２及びエジェクタ７を利用していない従来の直膨式冷却装置についてもｐ−ｈ線図を示す。

従来の直膨式冷却装置においては、圧縮機９２において、気体状態の冷媒Ｃ１が圧縮される際には、比エンタルピーｈが等エントロピー曲線に沿って上昇しながら圧力ｐが増加する（図中ａ点〜ｂ点）。次いで、凝縮器９３において、気体状態の冷媒Ｃ１は、比エンタルピーｈを減少させながら、圧力ｐが一定のまま液体状態まで変化される（図中ｂ点〜ｃ点）。次いで、膨張弁９４において、液体状態の冷媒Ｃ２は、比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが減少し、気液混合状態になる（図中ｃ点〜ｄ点）。そして、蒸発器９５において、気液混合状態の冷媒Ｃは、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気体状態に変化され、圧縮機９２に供給される（図中ｄ点〜ａ点）。こうして、冷媒Ｃが循環する冷凍サイクルが形成される。

このような従来の直膨式冷却装置における状態変化に対し、本例の直膨式冷却装置１における状態変化は次のようになる。
圧縮機２において、気体状態の冷媒Ｃ１が圧縮される際に、中間ポート２０３がある中間位置に対応した中間圧力まで増加し（図中ａ点〜ｅ点）、この冷媒Ｃ１に、エジェクタ７のディフューザ７３から流出される冷媒Ｃ１が混合されて、所定の圧力ｐまで増圧される（図中ｅ点，ｆ点，ｇ点）。次いで、凝縮器３において、気体状態の冷媒Ｃ１は、比エンタルピーｈを減少させながら、圧力ｐが一定のまま液体状態まで変化される（図中ｇ点〜ｃ点）。

次いで、凝縮器３の出口からは、凝縮器３から膨張弁４に送られる冷媒Ｃ２と、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に送られる冷媒Ｃ２とに分岐される。凝縮器３から膨張弁４に送られる液体状態の冷媒Ｃ２は、比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが減少し、気液混合状態になる（図中ｃ点〜ｄ点）。この気液混合状態の冷媒Ｃは、蒸発器５において、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気体状態に変化され、圧縮機２に供給される（図中ｄ点〜ａ点）。

一方、凝縮器３から昇圧ポンプ６１に送られる液体状態の冷媒Ｃ２は、昇圧ポンプ６１によって昇圧されて、液体状態が維持され、かつ比エンタルピーｈが一定のまま圧力ｐが増加する（図中ｃ点〜ｈ点）。次いで、この液体状態の冷媒Ｃ２は、昇圧ポンプ６１から送られる昇温手段６２において、比エンタルピーｈを増加させながら、圧力ｐが一定のまま気体状態まで変化される（図中ｈ点〜ｉ点）。そして、この気体状態の冷媒Ｃ１は、エジェクタ７に駆動流として流入し、ノズル７１から噴射される際に、等エントロピー曲線に沿って、気体状態のまま圧力ｐが減少する（図中ｉ点〜ｊ点）。そして、この気体状態の冷媒Ｃ１は、ディフューザ７３から流出される際に、圧縮機２から流出された気体状態の冷媒Ｃ１と混合され（図中ｆ点）、この混合冷媒Ｃ３の圧力が増加する（図中ｆ点〜ｇ点）。

本例の直膨式冷却装置１においては、圧縮機２の入口２０１から出口２０２までの間に設けられた中間ポート２０３から圧縮機２によって圧縮される途中の冷媒Ｃ１の一部を、エジェクタ７の吸引流とし、この吸引流と駆動流とによって生じる混合冷媒Ｃ３を、圧縮機２から凝縮器３に繋がる冷媒配管８Ａに合流させている。そのため、エジェクタ７から流出される混合冷媒Ｃ３が再び圧縮機２を通過することがなく、冷媒Ｃの循環サイクルにおいて無駄な仕事が発生しない。そして、圧縮機２においては、中間ポート２０３よりも下流側の仕事量が低減され、圧縮機２におけるエネルギー効率を向上させることができる。

また、昇圧ポンプ６１は、凝縮器３によって凝縮された冷媒Ｃ２の一部を取り出して、圧縮機２の圧縮圧力よりも高い適切な圧力に昇圧している。そして、この昇圧された冷媒Ｃ２を昇温手段６２によって昇温して、エジェクタ７の駆動流としている。そのため、高圧の冷媒Ｃ１をエジェクタ７の駆動流とすることができ、エジェクタ７の駆動流の流速を大幅に高めることができる。なお、昇温手段６２によって昇温される冷媒Ｃ１は、比エンタルピーの増加に伴って蒸発する。ただし、このときの冷媒Ｃ１は、完全に蒸発していることがあれば、ミスト状態になっていることもある。

また、昇圧ポンプ６１による仕事は、凝縮器３によって凝縮された液体状態の冷媒Ｃ２を昇圧する仕事となるため、圧縮機２において気体状態の冷媒Ｃ１を圧縮する場合に比べて、仕事量を少なくすることができる。さらに、昇温手段６２によって昇圧ポンプ６１から送られる高圧の冷媒Ｃ２を加熱し、内部エネルギーを増加させることにより、エジェクタ７の出口７０３での圧力を高めることもできる。

それ故、本例の直膨式冷却装置１によれば、圧縮機２における仕事量を低減して、装置全体のエネルギー効率を向上させることができる。

１ 直膨式冷却装置
１１ ガスエンジン
２ 圧縮機
２０３ 中間ポート
３ 凝縮器
４ 膨張弁
５ 蒸発器
６１ 昇圧ポンプ
６２ 昇温手段
７ エジェクタ
８Ａ，８Ｂ 流量調整弁

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
   該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   上記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を取り出して昇圧する昇圧ポンプと、
   該昇圧ポンプによって昇圧された冷媒を昇温する昇温手段と、
   該昇温手段によって昇温された冷媒が駆動流として流入する際に、上記圧縮機の入口から出口までの間に設けられた中間ポートから冷媒の一部を抜き出して吸引流として吸引し、該吸引によって生じる混合冷媒を、上記圧縮機から上記凝縮器に繋がる経路に合流させるエジェクタと、を備えていることを特徴とする直膨式冷却装置。
2. 請求項１に記載の直膨式冷却装置において、上記中間ポートから上記エジェクタに繋がる経路には、該中間ポートから該エジェクタに流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴とする直膨式冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の直膨式冷却装置において、上記凝縮器から上記昇圧ポンプに繋がる経路には、該凝縮器から該昇圧ポンプに流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴とする直膨式冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の直膨式冷却装置において、上記圧縮機は、エンジンに駆動されて作動するよう構成されており、
   上記昇温手段は、上記エンジンの排熱を用いて冷媒を昇温するエンジン排熱回収器であることを特徴とする直膨式冷却装置。

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