JP4704167B2

JP4704167B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP4704167B2
Application number: JP2005270366A
Authority: JP
Inventors: 武望月; 賢三浦
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007078318A

Description

本発明は冷凍サイクル装置に係り、特に膨張損失を低減するエゼクタを組み込んだ冷凍サイクル装置に関する。

近年、大気中の二酸化炭素量の増加による地球温暖化問題への対応が重要となっている。空気調和機や冷凍機などにおいても、効率の向上による消費エネルギーの低減化に対する要求が増加しつつあり、従来、それらに対する施策の一つとして、図９および図１０に示すように、エゼクタを組み込むことによる冷凍サイクルの効率向上が検討されていた。

図９に示す冷凍サイクル５１は、第一の気液分離器５２と圧縮機５３のインジェクションポート間の圧力差を利用してエゼクタ５４を駆動し、第一の気液分離器５２より圧力の低い第二の気液分離器５５から抽出された冷媒蒸気を吸入し昇圧させた後に圧縮機５３に注入する。これにより、蒸発器５６に流入する冷媒循環量が減少し、蒸発器５６経路の圧力損失に伴う効率低下を防止しつつ、圧縮機５３の入力を低減し、効率の向上を図っている。しかしながら、本方式では冷凍サイクルの効率低下の一因である膨張行程での膨張損失の大半は利用できず、結果的に効率向上への効果に限界があった。

また図１０に示す冷凍サイクル６１は凝縮圧力と圧縮機吸込圧力の差を利用してエゼクタ６４を駆動し、蒸発器６６出口冷媒を吸引、昇圧することで膨張仕事量の回収と冷媒蒸気の圧縮を同時に行い圧縮機６３の入力の低減を図っている。しかしながら、本方式では外気温度や空調温度等の使用条件の変化による膨張仕事量が低下した時や、蒸発器経路の圧力損失が増加した時などに冷媒の吸引量が低下し、効率の低下をきたすことがあった。

なお、特許文献１及び特許文献２には、効率向上のために、エゼクタを組み込んだ冷凍サイクル装置の改良に関する提案がなされている。
特開２００３−８３６２０号公報特開２００４−１０８６１５号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、運転条件や設置条件によらず、冷凍サイクルにおける膨張損失を低減して、効率向上を図ることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、膨張装置、蒸発器、エゼクタを順次連結するとともに、一端が前記凝縮器と前記膨張装置間に接続されるとともに、他端が前記エゼクタのエゼクタ駆動ノズルの入口側に接続されるバイパス通路を設け、前記蒸発器の出口側を前記エゼクタの吸引部に接続しかつ、エゼクタのデフューザの出口側を前記圧縮機の吸込み側に接続しかつ、前記バイパス通路に第二の膨張装置を設けるとともに、この第二の膨張装置出口側の冷媒を前記過冷却熱交換器の冷媒と熱交換した後、エゼクタの入口側に導くようにして、前記バイパス通路の冷媒により前記過冷却熱交換器の冷媒を冷却するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、運転条件や設置条件によらず、冷凍サイクルにおける膨張損失を低減して、効率向上を図ることができる冷凍サイクル装置を提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。

図１に示すように、本第１実施形態の冷凍サイクル装置１は、圧縮機２、凝縮器３、過冷却熱交換器４、膨張装置５、蒸発器６、エゼクタ７、過冷却熱交換器４、圧縮機２を冷媒通路８により順次サークル状に連結して構成される。

また、冷凍サイクル装置１には、バイパス通路９を設け、このバイパス通路９により、凝縮器３と膨張装置５間と、エゼクタ７のエゼクタ駆動ノズル７ａの入口側を接続する。さらに、蒸発器６の出口側をエゼクタ７の吸引部７ｂに接続し、エゼクタ７のデフューザ７ｃの出口側を、過冷却熱交換器４を伝熱的に介して圧縮機２の吸込み側に接続する。なお、図中矢印は冷媒の流れを示す。

図２は本第１実施形態の冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを説明するためのモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）であり、この図２に示された（１）から（１０）の各点は図１に記載された冷凍空調装置の（１）から（１０）の各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わす。

すなわち、（１）は圧縮機２の出口部、（２）は凝縮器３の出口部、（３）は過冷却熱交換器４の出口部、（４）は蒸発器６の入口部、（５）は蒸発器６の出口部、（６）はエゼクタ７の吸引部７ｂ、（７）はエゼクタ７の混合部、（８）はエゼクタ７のデフューザ７ｃの出口部、（９）は過冷却熱交換器４の冷却側の出口部、（１０）はエゼクタ駆動ノズル７ａの出口部である。

図１及び図２に示すように、上記のような構成を有する本第１実施形態の冷凍サイクル装置によれば、図中矢印で示すように、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒例えばＲ４１０Ａの蒸気は最も高い圧力とエンタルピを有し（図中点（１））、凝縮器３で凝縮されて液冷媒となり（図中点（２））、さらに過冷却熱交換器４にて冷却された後（図中点（３））、膨張装置５で減圧し（図中点（４））、蒸発器６に流入し（図中点（４））、蒸発器６で蒸発し蒸発器６の出口部に導出される（図中点（５））。

一方、凝縮器３の出口側（図中点（２））の冷媒の一部はエゼクタ駆動ノズル７ａに流入し、速度を得、減圧され（図中点（１０）、蒸発器６から流出しエゼクタ７の吸引部７ｂに導かれた冷媒（図中点（６））を吸引する。エゼクタ駆動ノズル７ａから流出した冷媒とエゼクタ７の吸引部７ｂから吸引された冷媒は、エゼクタ７の混合部７ｄで混合され（図中点（７））、エゼクタ７のデフューザ７ｃでΔｐ１だけ昇圧される。エゼクタ７のデフューザ７ｃで昇圧された冷媒（図中点（８））は、過冷却熱交換器４の冷却側で加熱、気化された後（図中点（９））、圧縮機２に戻る。

一方、残りの冷媒は、このように低圧冷媒がエゼクタ７により昇圧された後、圧縮機２に吸引されるため、圧縮機２における圧縮仕事量が低減する。なお、冷凍サイクルに分離形空気調和機を想定して蒸発器出口からエゼクタ７の吸引部７ｂまでの間に相応する圧力損失を繰り込んでいる。

上記のように、本実施形態によれば、運転条件や設置条件によらず、冷凍サイクルの膨張仕事量を効率良く回収し、圧縮仕事量の低減を図ることが可能な冷凍サイクルが実現される。

次に本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置について説明する。

第１実施形態は過冷却熱交換器がエゼクタ出口側の冷媒と熱交換するのに対して、本第２実施形態は過冷却熱交換器が第二の膨張装置を備えたバイパス通路の冷媒と熱交換する。

例えば、図３に示すように、第２実施形態の冷凍サイクル装置１１では、バイパス通路１９を設け、このバイパス通路１９により、凝縮器３と第一の膨張装置５Ａ間と、エゼクタ７のエゼクタ駆動ノズル７ａの入口側を接続する。バイパス通路１９には、第二の膨張装置５Ｂが設けられ、さらに、バイパス通路１９の冷媒により過冷却熱交換器４の冷媒と熱交換するようになっている。なお、他の構成は図１に示す冷凍サイクル装置と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

従って、圧縮機２から吐出された冷媒蒸気を凝縮器３で凝縮させ、一部の冷媒は第二の膨張装置５Ｂで減圧され過冷却熱交換器４の冷媒を冷却した後、エゼクタ駆動ノズル７ａに流入し、蒸発器６から流出した冷媒を吸引しつつ圧縮し、残りの冷媒は過冷却熱交換器４にて冷却された後、第一の膨張装置５Ａで減圧され蒸発器６に流入する。これにより、中間圧力で過冷却熱交換器を冷却した冷媒が、低圧圧力に減圧する膨張仕事量を回収し、蒸発器出口冷媒を昇圧することで圧縮機入力を低減することができる。

なお、本実施例では過冷却熱交換器に流入する冷媒を凝縮器出口から分岐させているが、過冷却熱交換器の出口側から分岐させてもよい。

また、本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置について説明する。

本第３実施形態は、第２実施形態に第１実施形態を付加したもの、すなわち、第２実施形態と同様に第一の過冷却熱交換器が第二の膨張装置を備えたバイパス通路の冷媒と熱交換しかつ、第１実施形態と同様に第二の過冷却熱交換器がエゼクタの出口側と圧縮機の吸込み側に接続する冷媒通路の冷媒と熱交換する。

例えば、図４に示すように、第３実施形態の冷凍サイクル装置２１では、一端が凝縮器３と第一の膨張装置５Ａ間に接続され、他端がエゼクタ７のエゼクタ駆動ノズル７ａの入口側に接続されたバイパス通路１９には、第二の膨張装置５Ｂが設けられ、さらに、バイパス通路１９の冷媒と第一の過冷却熱交換器４Ａの冷媒とを熱交換するようになっており、また、冷媒通路８により、エゼクタ７のデフューザ７ｃの出口側と圧縮機２の吸込み側に接続され、デフューザ７ｃの出口側の冷媒は第二の過冷却熱交換器４Ｂの冷媒と熱交換し、さらに、エゼクタ７の吸引部７ｂは蒸発器６に接続される。

従って、第二の過冷却熱交換器を付加し、エゼクタ出口側の冷媒で冷却する。これにより、エゼクタ出口の冷媒の状態が気液二相の状態となり、圧縮機への液戻りが生じることを防止すると同時に過冷却量の増加を図ることで、蒸発器の冷媒循環量を低減し、圧力損失によるロスを低下させ効率の向上を図ることができる。また、本第３実施形態では、過冷却熱交換器の冷却温度を複数とし、それぞれの過冷却熱交換器で加熱された中間圧力の冷媒で対応するエゼクタを駆動することで、膨張仕事量を効率良く回収することができる。

また、本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置について説明する。

本第４実施形態は、第３実施形態のエゼクタの吸込口と蒸発器６間に第二のエゼクタを設ける。

例えば、図５に示すように、第４実施形態の冷凍サイクル装置３１では、第３実施形態と同様に接続された第一のエゼクタ７Ａの吸引部７Ａｂには、一端が凝縮器３と第一の膨張装置５Ａ間に接続された第二のバイパス通路１９Ｂにエゼクタ駆動ノズル７Ｂａが接続された第二のエゼクタ７Ｂが接続され、この第二のエゼクタ７Ｂ吸引部７Ｂｂには、蒸発器６の出口側が接続されている。

図６は本第４実施形態の冷凍サイクル装置の冷凍サイクルを説明するためのモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）であり、この図６に示された（１１）から（２４）の各点は図５に記載された冷凍空調装置の（１１）から（２４）の各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わす。

すなわち、（１１）は圧縮機２の出口部、（１２）は凝縮器３の出口部、（１３）は第一の過冷却熱交換器４Ａの出口部、（１４）は第二の過冷却熱交換器４Ｂの出口部、（１５）は蒸発器６の入口部、（１６）は蒸発器６の出口部、（１７）は第二のエゼクタ７Ｂの吸引部７Ｂｂ、（１８）は第二のエゼクタ７Ｂのデフューザ７Ｂｃの出口部、（１９）は第一のエゼクタ７Ａのデフューザ７Ａｃの出口部、（２０）は第二の過冷却熱交換器４Ｂの冷却側の出口部、（２１）は第二のエゼクタ７Ｂのエゼクタ駆動ノズル７Ｂａの出口部、（２２）は第二の膨張装置５Ｂの出口部、（２３）は第一の過冷却熱交換器４Ａの冷却側の出口部、（２４）は第一のエゼクタ７Ａのエゼクタ駆動ノズル７Ａａの出口部である。

従って、図６に示す本第４実施形態による冷凍サイクルの状態図からもわかるように、第一のエゼクタ７Ａによる昇圧Δｐ２と第二のエゼクタ７Ｂによる昇圧Δｐ３の両方の昇圧が得られ、図２示す第１実施形態の冷凍サイクルの状態図と比較すると、エゼクタによる昇圧量が増加し圧縮仕事量のさらなる低減が図られ、膨張仕事量の回収量がさらに増加し効率の向上が図られる。また、図７に、本第４実施形態、エゼクタを搭載した冷凍サイクルの従来例、エゼクタを搭載しない冷凍サイクルのガス圧力損失−ＣＯＰ比較結果を示す。図７からもわかるように、図１０に示す従来のエゼクタサイクルでは、蒸発器出口配管の圧力損失が増加すると効率が著しく低下し、通常の冷凍サイクルより悪化する領域が存在するが、本第４実施形態のエゼクタサイクルでは、全領域に渡り通常の冷凍サイクルより効率が上昇する。なお、図７に示す比較は、特定の運転条件での効率比較結果であり、凝縮温度の低下や蒸発温度の上昇などにより、エゼクタでの回収可能仕事量が低減した場合には、より低い圧力損失で従来のエゼクタサイクルの効率が低下することとなる。

また、本発明の第５実施形態に係る冷凍サイクル装置について説明する。

本第５実施形態は、第４実施形態に第三の過冷却熱交換器を付加するとともに、一端が凝縮器と膨張装置間に接続され、他端が圧縮機の吸込み側に接続されかつ、第三の膨張装置を備えた第二のバイパス通路を設け、第三の過冷却熱交換器と熱交換させる。

例えば、図８に示すように、第５実施形態の冷凍サイクル装置４１では、一端が凝縮器３と第一の膨張装置５Ａ間に接続され、他端が圧縮機２の吸込み側に接続されかつ、第三の膨張装置５Ｃを備えた第三のバイパス通路１９Ｃを設け、第三の過冷却熱交換器５Ｃと熱交換させる。

これにより、過冷却量をさらに増加させ、冷凍サイクルの効率を高めることができる。

なお、上記各実施形態において、冷凍サイクル構成では、冷却若しくは加熱の一方のみの構成を示しているが、四方弁などを適宜組込み可逆サイクルとして構成することが可能である。また、エゼクタや過冷却熱交換器などの各構成要素は便宜上個別に図示しているが、冷凍サイクル機能が同一であれば、一体化などにより構成の簡素化を図ることも可能である。

本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図。本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。本発明の第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置のモリエル線図。本発明の第４実施形態に係る冷凍サイクル装置のガス圧力損失−ＣＯＰ線図。本発明の第５実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図。従来の冷凍サイクル装置の構成図。従来の冷凍サイクル装置の構成図。

符号の説明

１…冷凍サイクル装置、２…圧縮機、３…凝縮器、４…過冷却熱交換器、５…膨張装置、６…蒸発器、７…エゼクタ、７ａ…エゼクタ駆動ノズル、７ｂ…吸込口、７ｃ…デフューザ、８…冷媒通路、９…バイパス通路。

Claims

圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、膨張装置、蒸発器、エゼクタを順次連結するとともに、一端が前記凝縮器と前記膨張装置間に接続されるとともに、他端が前記エゼクタのエゼクタ駆動ノズルの入口側に接続されるバイパス通路を設け、前記蒸発器の出口側を前記エゼクタの吸引部に接続しかつ、エゼクタのデフューザの出口側を前記圧縮機の吸込み側に接続しかつ、前記バイパス通路に第二の膨張装置を設けるとともに、この第二の膨張装置出口側の冷媒を前記過冷却熱交換器の冷媒と熱交換した後、エゼクタの入口側に導くようにして、前記バイパス通路の冷媒により前記過冷却熱交換器の冷媒を冷却するようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記過冷却熱交換器と膨張装置間に第二の過冷却熱交換器を設け、エゼクタ出口側の冷媒を前記第二の過冷却熱交換器の冷媒と熱交換した後、圧縮機の吸込み側に導くようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。