JP3945252B2 - エジェクタサイクル用の気液分離器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エジェクタサイクル用の気液分離器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクルは、周知のごとく、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ともに、通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは膨張弁等の減圧器で捨てられていた運動エネルギである膨張エネルギーをエジェクタにて圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させて圧縮機の消費動力を低減を図った蒸気圧縮式冷凍サイクルの一種である。
【０００３】
ところで、気液分離器のタンク本体内では、エジェクタを流出してタンク本体内に流入した気液二相状態の冷媒が存在する混合領域と、気相冷媒と液相冷媒とに完全に分離した分離領域とが存在する。
【０００４】
このとき、気液分離器は、タンク本体内に流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒との密度差、つまり液相冷媒に作用する重力と気相冷媒に作用する重力との差を利用して両者を分離するので、混合領域はタンク本体内の上方側に位置し、分離領域はタンク本体内の下方側に位置する。
【０００５】
したがって、混合領域から分離領域に至る冷媒の移動距離をなるべく大きくすることが望ましいので、通常、鉛直方向寸法が水平方向寸法より大きい縦型のタンク本体を採用して、混合領域から分離領域に至る冷媒の移動距離がなるべく大きくなるようにしている。
【０００６】
なお、「混合領域から分離領域に至る冷媒の移動距離」とは、混合領域から分離領域に至る最短距離を意味するものではなく、「混合領域から分離領域に至る冷媒の移動道筋に沿った道のり」を言うものであり、以下、「混合領域から分離領域に至る冷媒の移動距離」のことを気液分離距離と呼ぶ。
【０００７】
しかし、気液分離距離を大きくすべく、タンク本体を縦型とすると、例えば、ショーケース用の冷凍機においては、必要な鉛直方向寸法を確保することが難しい場合がある。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、タンク本体の鉛直方向寸法を小さくしつつ、十分な気液分離距離を確保することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、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ともに、膨張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（４０）を有するエジェクタサイクルに適用され、エジェクタ（４０）を流出した冷媒を密度差を利用して気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に流出させる気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒を蒸発器側に流出させる液相冷媒流出口（５４）を有する気液分離器であって、エジェクタ（４０）を流出した冷媒が流入する冷媒流入口（５２）、気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒流出口（５４）が設けられた、水平方向寸法（Ｗ）が鉛直方向寸法（Ｈ）以上であるタンク本体（５１）を備え、エジェクタ（４０）の冷媒出口側は、タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）に接続されており、冷媒流入口（５２）は、タンク本体（５１）の中心から偏心した位置にて開口するとともに、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて開口しており、タンク本体（５１）の内壁面は、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と内壁面との交差角が鈍角となるように湾曲しており、タンク本体（５１）は、冷媒流入口（５２）からタンク本体（５１）内に流入した冷媒が、エジェクタ（４０）の冷媒出口側が接続された側と反対側の側面部（５１ａ）に衝突し、さらに、タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、タンク本体（５１）内で旋回しながら水平方向に進む旋回流を形成するように構成されており、タンク本体（５１）内の液面より上方側には、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切るとともに、旋回流の軸方向に平行に広がってタンク本体（５１）内を上下に仕切る仕切板（５６）が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、実質的な気液分離距離を長くすることができるので、タンク本体（５１）を横型としても、気相冷媒と液相冷媒とを十分に分離することができる。
【００１３】
請求項１に記載の発明では、冷媒流入口（５２）は、タンク本体（５１）の中心から偏心した位置にて開口している。
【００１４】
これにより、冷媒流入口（５２）からタンク本体（５１）内に流入した冷媒の多くは、冷媒流入口（５２）から見て大きな空間を占めるタンク本体（５１）の中心側に流れようとする。
【００１５】
このとき、このタンク本体（５１）の中心側に流れる冷媒流れによって、冷媒流入口（５２）からタンク本体（５１）内に流入する冷媒に旋回成分が与えられるため、タンク本体（５１）内に流入した冷媒を確実に旋回させることができる。
【００２０】
さらに、請求項１に記載の発明では、タンク本体（５１）内の液面より上方側には、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切るとともに、旋回流の軸方向に平行に広がってタンク本体（５１）内を上下に仕切る仕切板（５６）が設けられている。
【００２１】
これにより、分離した気相冷媒と液相冷媒とが再び混合してしまうことを防止できる。
【００２２】
さらに、請求項１に記載の発明では、さらに、冷媒流入口（５２）は、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線とタンク本体（５１）の内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて開口している。
【００２３】
これにより、冷媒流入口（５２）から噴出した冷媒がタンク本体（５１）の内壁に衝突した際に、冷媒に対して旋回成分の力を与えることができるので、タンク本体（５１）内に流入した冷媒を確実に旋回させることができる。
【００２４】
さらに、請求項１に記載の発明では、タンク本体（５１）の内壁面は、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線とタンク本体（５１）の内壁面との交差角が鈍角となるように湾曲している。
【００２５】
これにより、冷媒流入口（５２）から噴出した冷媒がタンク本体（５１）の内壁に衝突した際に、冷媒に対して旋回成分の力を与えることができるので、タンク本体（５１）内に流入した冷媒を確実に旋回させることができる。
さらに、請求項１に記載の発明では、エジェクタ（４０）の冷媒出口側は、タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）に接続されているので、比較的に軸方向寸法の大きいエジェクタ（４０）を容易に、上下方向寸法の制約が厳しいものにも取り付けることができる。 また、請求項２に記載の発明では、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ともに、膨張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（４０）を有するエジェクタサイクルに適用され、エジェクタ（４０）を流出した冷媒を密度差を利用して気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に流出させる気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒を蒸発器側に流出させる液相冷媒流出口（５４）を有する気液分離器であって、エジェクタ（４０）を流出した冷媒が流入する冷媒流入口（５２）、気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒流出口（５４）が設けられた、水平方向寸法（Ｗ）が鉛直方向寸法（Ｈ）以上であるタンク本体（５１）を備え、エジェクタ（４０）の冷媒出口側は、タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）から、タンク本体（５１）内に内蔵されており、冷媒流入口（５２）は、タンク本体（５１）の中心から偏心した位置にて開口するとともに、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて開口しており、タンク本体（５１）の内壁面は、冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と内壁面との交差角が鈍角となるように湾曲しており、タンク本体（５１）は、冷媒流入口（５２）からタンク本体（５１）内に流入した冷媒が、エジェクタ（４０）が内蔵された側と反対側の側面部（５１ａ）に衝突し、さらに、タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、タンク本体（５１）内で旋回しながら水平方向に進む旋回流を形成するように構成されており、タンク本体（５１）内の液面より上方側には、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切るとともに、旋回流の軸方向に平行に広がってタンク本体（５１）内を上下に仕切る仕切板（５６）が設けられていることを特徴とする。
これによれば、請求項１に記載の発明と同様に、タンク本体（５１）内に流入した冷媒を確実に旋回させて、実質的な気液分離距離を長くすることができる。さらに、仕切板（５６）が設けられているので、分離した気相冷媒と液相冷媒とが再び混合してしまうことを防止できる。その結果、タンク本体（５１）を横型としても、気相冷媒と液相冷媒とを十分に分離することができる。
さらに、請求項２に記載の発明では、エジェクタ（４０）の冷媒出口側が、タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）から、タンク本体（５１）内に内蔵されているので、エジェクタ（４０）の設置スペースを節約することができる。
【００２６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る気液分離器を、図１（ａ）に示す食品を冷蔵保存するショーケース１用のエジェクタサイクルに適用したものであって、図２はエジェクタサイクルの模式図である。なお、ショーケース１の下方側には、後述する蒸発器３０及び送風機２が配設されている。
【００２８】
図２中、圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮する電動式の圧縮機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２９】
なお、本実施形態では、冷媒としてフロンを採用しているので、高圧側の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力未満であり、放熱器２０内で冷媒は凝縮する。
【００３０】
また、蒸発器３０は、ショーケース１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低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は放熱器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるエジェクタである。
【００３１】
ここで、エジェクタ４０は、図３に示すように、放熱器２０から流出した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４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から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ディフューザ４３等からなるものである。
【００３２】
因みに、本実施形態に係るノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａを有する末広ノズルを採用している。
【００３３】
なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する駆動流の運動量と混合部４２に吸引された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４２においても冷媒の圧力が上昇する。一方、ディフューザ４３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を圧力エネルギーに変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３４】
また、図２中、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄えるものであり、分離された気相冷媒を圧縮機１０の吸入側に流出し、分離された液相冷媒を蒸発器３０側に流出させる。
【００３５】
ここで、気液分離器５０は、図４に示すように、円筒状の両端側が球面にて閉塞されたタンク本体５１に、エジェクタ４０を流出した冷媒が流入する冷媒流入口５２、気相冷媒を圧縮機１０の吸入側に流出させる気相冷媒流出口５３、液相冷媒を前記蒸発器側に流出させる液相冷媒流出口５４、及び冷凍機油を多く含んだ液相冷媒を圧縮機１０に戻すオイル戻し口５５を設けたものである。
【００３６】
そして、タンク本体５１は、水平方向寸法Ｗが鉛直方向寸法Ｈ以上となるような横型に形成されたステンレス等の耐食性に優れた金属製の圧力容器であり、タンク本体５１の内壁形状や冷媒流入口５２の向き及び位置等を考慮することにより、タンク本体５１内に流入した冷媒が、タンク本体５１内で旋回するように構成されている。
【００３７】
具体的には、タンク本体５１内空間の中心から偏心した位置にて冷媒流入口５２を開口させることにより、冷媒流入口５２から噴出した冷媒が、タンク本体５１内空間の中心側に流れるようにして冷媒流入口５２から噴出した冷媒に旋回成分を与えるとともに、冷媒流入口５２から噴出する冷媒の噴出方向の軸線とタンク本体５１の内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて冷媒流入口５２を開口させている。
【００３８】
そしてさらに、タンク本体５１のうち側面部５１ａ側の内壁を、外方側が凸となるようなドーム状に湾曲させることにより、冷媒流入口５２から噴出する冷媒の噴出方向の軸線とタンク本体５１の内壁面との交差角が確実に鈍角となるようするとともに、タンク本体５１の耐圧強度を高めている。
【００３９】
また、タンク本体５１内の液面より上方側に、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切る仕切板５６を配置して、分離した気相冷媒と液相冷媒とが再び混合してしまうことを防止している。
【００４０】
なお、仕切板５６は、タンク本体５１内空間を完全に仕切るものではなく、気相冷媒側と液相冷媒側とを連通させる連通口５６ａが仕切板５６と内壁との間に設けられている。
【００４１】
このとき、本実施形態では、冷媒流入口５２及び気相冷媒流出口５３を仕切板５６より上方側に配置させ、一方、液相冷媒流出口５４及びオイル戻し口５５を仕切板５６より下方側に配置させることで、冷媒流入口５２から噴出した冷媒により液面が大きく乱されることを防止している。
【００４２】
また、冷媒流入口５２とエジェクタ４０の冷媒出口側とを繋ぐ流入パイプ５２ａ、及び気相冷媒流出口５３と圧縮機１０の吸入側とを繋ぐ流出パイプ５３ａは、タンク本体５１の側面部５１ａ側からタンク本体５１内に挿入装着されている。
【００４３】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００４４】
圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて減圧膨張して蒸発器３０内の冷媒を吸引する。
【００４５】
そして、蒸発器３０から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００４６】
一方、エジェクタ４０にて蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には気液分離器５０から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、ショーケース１内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
【００４７】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４８】
本実施形態では、タンク本体５１内に流入した冷媒が、タンク本体５１内で旋回するように構成されているので、実質的な気液分離距離を長くすることができる。したがって、タンク本体５１を横型としても、気相冷媒と液相冷媒とを十分に分離することができるので、ショーケース１のような上下方向寸法の制約が厳しいものにも適用することができる。
【００４９】
また、冷媒流入口５２からタンク本体５１内に流入した冷媒は、全方位に拡がろうとするが、冷媒流入口５２はタンク本体５１内空間の中心から偏心した位置にて開口しているので、冷媒流入口５２からタンク本体５１内に流入した冷媒の多くは、冷媒流入口５２から見て大きな空間を占めるタンク本体５１の中心側に流れようとする。
【００５０】
このとき、このタンク本体５１の中心側に流れる冷媒流れによって、冷媒流入口５２からタンク本体５１内に流入する冷媒に旋回成分が与えられるため、タンク本体５１内に流入した冷媒を確実に旋回させることができる。
【００５１】
また、冷媒流入口５２から噴出する冷媒の噴出方向の軸線とタンク本体５１の内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて冷媒流入口５２を開口させているとともに、タンク本体５１のうち側面部５１ａ側の内壁を湾曲させているので、冷媒流入口５２から噴出した冷媒がタンク本体５１の内壁に衝突した際に、冷媒に対して旋回成分の力を与えることができる。したがって、タンク本体５１内に流入した冷媒を確実に旋回させることができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、冷媒流入口５２から噴出する冷媒は、水平方向に噴出するので、本実施形態では、水平方向に進むねじのような旋回流が発生する。
【００５３】
また、エジェクタ４０の冷媒出口側をタンク本体５１の側面部５１ａに接続しているので、比較的に軸方向寸法の大きいエジェクタ４０を容易に、ショーケース１のような上下方向寸法の制約が厳しいものにも取り付けることができる。
【００５４】
また、仕切板５６を設けているので、分離した気相冷媒と液相冷媒とが再び混合してしまうことを防止できる。
【００５５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、液相冷媒流出口５４が下方側に向けて開口していたが、本実施形態は、図５に示すように、タンク本体５１の側面側に向けて開口させたものである。
【００５６】
（第３実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、エジェクタ４０をタンク本体５１内に内蔵したものである。
【００５７】
なお、図６では、エジェクタ４０のほぼ全体をタンク本体５１内に内蔵したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、少なくともエジェクタ４０の一部がタンク本体５１内に内蔵されていればよい。
【００５９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明をショーケースに適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６０】
また、上述の実施形態では、仕切板５６より上方側に冷媒流入口５２を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、仕切板５６より下方側に冷媒流入口５２を設けてもよい。
【００６１】
また、上述の実施形態では、冷媒としてフロンを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、二酸化炭素や炭化水素等のその他の物質を冷媒としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る気液分離器を用いたショーケースの正面図であり、（ｂ）はショーケースの底部を上方側から見た図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る気液分離器の模式三面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る気液分離器の断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る気液分離器の断面図である。
【符号の説明】
５０…気液分離器、５１…タンク本体、５２…冷媒流入口、
５３…気相冷媒流出口、５４…液相冷媒流出口、５５…オイル戻し口、
５６…仕切板。

Claims (2)

1. 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ともに、膨張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（４０）を有するエジェクタサイクルに適用され、
   前記エジェクタ（４０）を流出した冷媒を密度差を利用して気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に流出させる気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒を前記蒸発器側に流出させる液相冷媒流出口（５４）を有する気液分離器であって、
   前記エジェクタ（４０）を流出した冷媒が流入する冷媒流入口（５２）、前記気相冷媒流出口（５３）及び前記液相冷媒流出口（５４）が設けられた、水平方向寸法（Ｗ）が鉛直方向寸法（Ｈ）以上であるタンク本体（５１）を備え、
   前記エジェクタ（４０）の冷媒出口側は、前記タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）に接続されており、
   前記冷媒流入口（５２）は、前記タンク本体（５１）の中心から偏心した位置にて開口するとともに、前記冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と前記内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて開口しており、
   前記タンク本体（５１）の内壁面は、前記冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と前記内壁面との交差角が鈍角となるように湾曲しており、
   前記タンク本体（５１）は、前記冷媒流入口（５２）から前記タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、前記エジェクタ（４０）の冷媒出口側が接続された側と反対側の側面部（５１ａ）に衝突し、さらに、前記タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、前記タンク本体（５１）内で旋回しながら水平方向に進む旋回流を形成するように構成されており、
   前記タンク本体（５１）内の液面より上方側には、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切るとともに、前記旋回流の軸方向に平行に広がって前記タンク本体（５１）内を上下に仕切る仕切板（５６）が設けられていることを特徴とする気液分離器。
2. 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ともに、膨張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（４０）を有するエジェクタサイクルに適用され、
   前記エジェクタ（４０）を流出した冷媒を密度差を利用して気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機（１０）の吸入側に流出させる気相冷媒流出口（５３）及び液相冷媒を前記蒸発器側に流出させる液相冷媒流出口（５４）を有する気液分離器であって、
   前記エジェクタ（４０）を流出した冷媒が流入する冷媒流入口（５２）、前記気相冷媒流出口（５３）及び前記液相冷媒流出口（５４）が設けられた、水平方向寸法（Ｗ）が鉛直方向寸法（Ｈ）以上であるタンク本体（５１）を備え、
   前記エジェクタ（４０）の冷媒出口側は、前記タンク本体（５１）の側面部（５１ａ）から、前記タンク本体（５１）内に内蔵されており、
   前記冷媒流入口（５２）は、前記タンク本体（５１）の中心から偏心した位置にて開口するとともに、前記冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と前記内壁面との交差角が鈍角となるような向きに向けて開口しており、
   前記タンク本体（５１）の内壁面は、前記冷媒流入口（５２）から噴出する冷媒の噴出方向の軸線と前記内壁面との交差角が鈍角となるように湾曲しており、
   前記タンク本体（５１）は、前記冷媒流入口（５２）から前記タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、前記エジェクタ（４０）が内蔵された側と反対側の側面部（５１ａ）に衝突し、さらに、前記タンク本体（５１）内に流入した冷媒が、前記タンク本体（５１）内で旋回しながら水平方向に進む旋回流を形成するように構成されており、
   前記タンク本体（５１）内の液面より上方側には、気相冷媒側と液相冷媒側とを仕切るとともに、前記旋回流の軸方向に平行に広がって前記タンク本体（５１）内を上下に仕切る仕切板（５６）が設けられていることを特徴とする気液分離器。

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