JP6072899B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
本発明は、エジェクタを有する冷凍サイクル装置に関する。
特許文献1に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、気泡発生手段、エジェクタ、及び蒸発器を備え、圧縮機から吐出したガス冷媒の一部を気泡発生手段にバイパスする。そして、気泡発生手段によって、凝縮器から流出した液冷媒に圧縮機から吐出したガス冷媒を流入させて気泡を発生させている。これによって、エジェクタ内での駆動流体と吸引流体との混合が促進されエジェクタの効率が向上する、とされている。
しかしながら、上記特許文献1の技術では、圧縮機から吐出されたガス冷媒を分岐して、気泡発生手段に流入させている。このため、蒸発器での冷凍能力が低下するとともに、冷凍効果も減少する。この結果、冷凍サイクル装置の冷凍能力及びエネルギー効率が低下する、という課題があった。
さらに、蒸発器における冷凍能力の低下を補うため、圧縮機の駆動周波数を上昇させ冷媒の循環量を増やす必要があり、冷凍サイクル装置のエネルギー効率が低下する、という課題があった。
さらに、蒸発器における冷凍能力の低下を補うため、圧縮機の駆動周波数を上昇させ冷媒の循環量を増やす必要があり、冷凍サイクル装置のエネルギー効率が低下する、という課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、エジェクタの効率を向上することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
また本発明は、冷凍能力及びエネルギー効率を向上することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
また本発明は、冷凍能力及びエネルギー効率を向上することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第1膨張弁、第1蒸発器、及びエジェクタの冷媒吸引口が、冷媒配管で接続された第1冷媒流路と、前記凝縮器と前記第1膨張弁との間を分岐し、前記エジェクタの冷媒流入口、前記エジェクタの冷媒流出口、第2蒸発器、及び前記圧縮機が、冷媒配管で接続された第2冷媒流路と、を備え、前記第2冷媒流路の、前記凝縮器と前記エジェクタの冷媒流入口との間に、第2膨張弁、及び、前記第2膨張弁から流出した冷媒に含まれる気泡を微細化する気泡微細化手段を、順次接続し、前記気泡微細化手段に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく、0.1より小さくなるように、前記第2膨張弁の開度を制御するものであり、前記気泡微細化手段は、流入口及び流出口が形成され、前記流出口に向かって冷媒通路面積が減少する旋回室によって構成され、前記流入口から流入した前記冷媒を、旋回流にして、前記流出口から流出させるものであり、複数の前記旋回室が隣接して直列に設けられ、前記旋回室の前記流出口から流出した前記冷媒が、隣接する前記旋回室に流入するものであり、前記第2膨張弁から流出した冷媒を分岐させて複数の前記旋回室のそれぞれに流入させる複数の分岐管が設けられている。
本発明は、第2冷媒流路の、凝縮器とエジェクタの冷媒流入口との間に、第2膨張弁、及び気泡微細化手段を順次接続した。
このため、本発明は、エジェクタの効率を向上することができる。また本発明は、冷凍能力及びエネルギー効率を向上することができる。
このため、本発明は、エジェクタの効率を向上することができる。また本発明は、冷凍能力及びエネルギー効率を向上することができる。
実施の形態1.
(冷媒回路)
図1は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図1に示す冷凍サイクル装置は、圧縮機101、凝縮器102、第1膨張弁103、第1蒸発器104、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、エジェクタ107、及び、第2蒸発器108を備える。
これらの要素部品、及び要素部品を接続するための冷媒配管は、室外ユニット100の筐体内に収納されている。
(冷媒回路)
図1は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図1に示す冷凍サイクル装置は、圧縮機101、凝縮器102、第1膨張弁103、第1蒸発器104、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、エジェクタ107、及び、第2蒸発器108を備える。
これらの要素部品、及び要素部品を接続するための冷媒配管は、室外ユニット100の筐体内に収納されている。
圧縮機101、凝縮器102、第1膨張弁103、第1蒸発器104、及びエジェクタ107の冷媒吸引口が、冷媒配管で順次接続され、第1冷媒流路を構成している。
また、凝縮器102と第1膨張弁103との間を分岐し、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、エジェクタ107の冷媒流入口、エジェクタ107の冷媒流出口、第2蒸発器108、及び圧縮機101が、冷媒配管で順次接続され、第2冷媒流路を構成している。
つまり、第2冷媒流路には、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、及びエジェクタ107が直列に接続されている。
第2膨張弁105は、凝縮器102と第1膨張弁103との間から分岐した冷媒を、減圧して気液二相状態の冷媒にする。
気泡微細化手段106は、第2膨張弁105から流出した気液二相状態の冷媒に含まれる気泡を微細化する。
また、凝縮器102と第1膨張弁103との間を分岐し、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、エジェクタ107の冷媒流入口、エジェクタ107の冷媒流出口、第2蒸発器108、及び圧縮機101が、冷媒配管で順次接続され、第2冷媒流路を構成している。
つまり、第2冷媒流路には、第2膨張弁105、気泡微細化手段106、及びエジェクタ107が直列に接続されている。
第2膨張弁105は、凝縮器102と第1膨張弁103との間から分岐した冷媒を、減圧して気液二相状態の冷媒にする。
気泡微細化手段106は、第2膨張弁105から流出した気液二相状態の冷媒に含まれる気泡を微細化する。
第1蒸発器104と第2蒸発器108は、冷媒と熱媒体(例えば水)との流れ方向が対向するように配管が接続されている。第1蒸発器104と第2蒸発器108は、熱負荷側となる室内ユニット110の室内熱交換器111と接続され、熱媒体を搬送するための送水機109が接続されている。
図1の構成をさらに詳しく説明する。
(エジェクタ107)
図2は、実施の形態1における冷凍サイクル装置のエジェクタ107の構成と内部の圧力分布とを示す図である。
エジェクタ107は、冷媒流入口204、冷媒吸引口205、及び冷媒流出口206を有する。
冷媒流入口204は、気泡微細化手段106と冷媒配管で接続されている。冷媒流入口204には、駆動冷媒が流入する。
冷媒吸引口205は、第1蒸発器104と冷媒配管で接続されている。冷媒吸引口205には、駆動冷媒によって吸引される吸引冷媒が流入する。
冷媒流出口206は、第2蒸発器108と冷媒配管で接続されている。冷媒流出口206は、駆動冷媒と吸引冷媒との混合された混合冷媒を流出する。
図2は、実施の形態1における冷凍サイクル装置のエジェクタ107の構成と内部の圧力分布とを示す図である。
エジェクタ107は、冷媒流入口204、冷媒吸引口205、及び冷媒流出口206を有する。
冷媒流入口204は、気泡微細化手段106と冷媒配管で接続されている。冷媒流入口204には、駆動冷媒が流入する。
冷媒吸引口205は、第1蒸発器104と冷媒配管で接続されている。冷媒吸引口205には、駆動冷媒によって吸引される吸引冷媒が流入する。
冷媒流出口206は、第2蒸発器108と冷媒配管で接続されている。冷媒流出口206は、駆動冷媒と吸引冷媒との混合された混合冷媒を流出する。
エジェクタ107は、ノズル部201、混合部202、ディフューザー部203で構成される。ノズル部201は、減圧部201a、ノズル喉部201b、末広部201cで構成される。図2における、「d、e、f、g、h」等のアルファベットは、後述するモリエル線図の各点を表している。
気泡微細化手段106を流出した高圧の冷媒(駆動冷媒)は、冷媒流入口204から流入し、減圧部201aで流路面積の低下に伴い減圧膨張する。減圧により速度が上昇し、ノズル喉部201bで音速となる。音速となった駆動冷媒は、末広部201cで更に速度を上昇させながら減圧する。これにより、超高速で気液二相の冷媒がノズル部201から流出する。
一方、エジェクタ107の冷媒吸引口205から吸引される冷媒は、冷媒吸引口205とノズル部201の出口との圧力差(ΔPsuc)により、超高速の冷媒に引き込まれる(吸引冷媒)。ノズル部201の出口、つまり、混合部202の入口から超高速の駆動冷媒と低速の吸引冷媒とが混合し始める(混合冷媒)。混合冷媒では、駆動冷媒と吸引冷媒との運動量交換により、圧力が回復(上昇)する。さらに、ディフューザー部203においても流路拡大による減速により、動圧が静圧に変換されて圧力が上昇する(ΔP)。混合冷媒は、ディフューザー部203(冷媒流出口206)から流出する。
(第1蒸発器104、第2蒸発器108)
図3は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の第1蒸発器104及び第2蒸発器108の構成の概要を示す図である。
図3(a)は側面図を示し、図3(b)は正面図(積層方向から見た図)を示す。
第1蒸発器104及び第2蒸発器108は、例えばプレート式の熱交換器によって構成される。第1蒸発器104及び第2蒸発器108は、冷媒と熱媒体(例えば水)とを熱交換する。
図3(a)に示すように、プレート式の熱交換器は、伝熱プレート302と伝熱プレート303とが交互に積層される。また、プレート式の熱交換器は、最前面に補強用サイドプレート301が積層され、最背面に補強用サイドプレート304が積層される。
図3は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の第1蒸発器104及び第2蒸発器108の構成の概要を示す図である。
図3(a)は側面図を示し、図3(b)は正面図(積層方向から見た図)を示す。
第1蒸発器104及び第2蒸発器108は、例えばプレート式の熱交換器によって構成される。第1蒸発器104及び第2蒸発器108は、冷媒と熱媒体(例えば水)とを熱交換する。
図3(a)に示すように、プレート式の熱交換器は、伝熱プレート302と伝熱プレート303とが交互に積層される。また、プレート式の熱交換器は、最前面に補強用サイドプレート301が積層され、最背面に補強用サイドプレート304が積層される。
図3(b)に示すように、補強用サイドプレート301は、略矩形の板状に形成される。補強用サイドプレート301は、略矩形の四隅に、第1流入管305、第1流出管306、第2流入管307、第2流出管308が設けられる。
各伝熱プレート302、303は、補強用サイドプレート301と同様に、略矩形の板状に形成され、四隅に第1流入口、第1流出口、第2流入口、第2流出口が設けられる。
補強用サイドプレート304は、補強用サイドプレート301等と同様に、略矩形の板状に形成される。なお、補強用サイドプレート304には、第1流入管305、第1流出管306、第2流入管307、第2流出管308が設けられない。
各伝熱プレート302、303は、補強用サイドプレート301と同様に、略矩形の板状に形成され、四隅に第1流入口、第1流出口、第2流入口、第2流出口が設けられる。
補強用サイドプレート304は、補強用サイドプレート301等と同様に、略矩形の板状に形成される。なお、補強用サイドプレート304には、第1流入管305、第1流出管306、第2流入管307、第2流出管308が設けられない。
これにより、第1流入管305から流入した熱媒体(例えば、水)を、第1流出管306から流出する第1流路が、伝熱プレート303の背面と伝熱プレート302の前面との間に形成される。
同様に、第2流入管307から流入した冷媒を、第2流出管308から流出する第2流路が、伝熱プレート302の背面と伝熱プレート303の前面との間に形成される。
伝熱プレート302と伝熱プレート303との間に、熱媒体が流れる流路と冷媒が流れる流路とが交互に形成される。そして、熱媒体の流れ方向と冷媒の流れ方向とが対向する(対抗流)。
同様に、第2流入管307から流入した冷媒を、第2流出管308から流出する第2流路が、伝熱プレート302の背面と伝熱プレート303の前面との間に形成される。
伝熱プレート302と伝熱プレート303との間に、熱媒体が流れる流路と冷媒が流れる流路とが交互に形成される。そして、熱媒体の流れ方向と冷媒の流れ方向とが対向する(対抗流)。
なお、第1蒸発器104及び第2蒸発器108は、冷媒と熱媒体とを熱交換するプレート式の熱交換器に限定されない。例えば、冷媒と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ熱交換器でも良い。この場合、第2蒸発器108から第1蒸発器104に向かうように空気を流す。また、室内熱交換器111及び送水機109を省略して、第1蒸発器104及び第2蒸発器108の少なくとも一方を、室内ユニット110に配置して、熱負荷となる室内空気と熱交換しても良い。
(凝縮器102)
図4は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の凝縮器102の構成の概要を示す図である。
図4に示すように、凝縮器102は、室外ユニット100に設けた送風機室415に配置されている。凝縮器102は、冷媒と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ型の熱交換器で構成する。
送風機室415内には、送風機406と、これに隣接する凝縮器102とが組み込まれている。送風機室415内は、風路確保のため大きな空間を有している。送風機406は、3枚の翼型のプロペラと、このプロペラを回転駆動させるモータとが組み合わされており、外部から供給される電力によりモータとプロペラが所定の回転数で回転するようになっている。
凝縮器102は、例えば、アルミ薄板のフィンが多数密着した長い冷媒配管が略L字平板状に曲げ成形されており、冷媒配管内の冷媒とフィン周辺の空気とで熱交換が行われる。凝縮器102は、送風機406によって各フィン間を流れて通過する空気の風量が調節され、熱交換の量が調節される。
図4は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の凝縮器102の構成の概要を示す図である。
図4に示すように、凝縮器102は、室外ユニット100に設けた送風機室415に配置されている。凝縮器102は、冷媒と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ型の熱交換器で構成する。
送風機室415内には、送風機406と、これに隣接する凝縮器102とが組み込まれている。送風機室415内は、風路確保のため大きな空間を有している。送風機406は、3枚の翼型のプロペラと、このプロペラを回転駆動させるモータとが組み合わされており、外部から供給される電力によりモータとプロペラが所定の回転数で回転するようになっている。
凝縮器102は、例えば、アルミ薄板のフィンが多数密着した長い冷媒配管が略L字平板状に曲げ成形されており、冷媒配管内の冷媒とフィン周辺の空気とで熱交換が行われる。凝縮器102は、送風機406によって各フィン間を流れて通過する空気の風量が調節され、熱交換の量が調節される。
なお、凝縮器102は、冷媒と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ型の熱交換器に限定されない。例えば、冷媒と熱媒体(例えば水)とを熱交換するプレート式の熱交換器でも良い。
(室内ユニット110)
室内ユニット110内には、室内熱交換器111が設けられている。
室内熱交換器111は、例えば、熱媒体と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ型の熱交換器で構成する。室内熱交換器111、第2蒸発器108、第1蒸発器104、及び送水機109は、順次接続され、熱媒体が循環する流路を形成する。
室内ユニット110内には、室内熱交換器111が設けられている。
室内熱交換器111は、例えば、熱媒体と空気とを熱交換するフィンアンドチューブ型の熱交換器で構成する。室内熱交換器111、第2蒸発器108、第1蒸発器104、及び送水機109は、順次接続され、熱媒体が循環する流路を形成する。
なお、室内熱交換器111は、フィンアンドチューブ型の熱交換器に限定されない。例えば、第2蒸発器108及び第1蒸発器104を循環する熱媒体と、熱負荷となる熱媒体(例えば水)とを熱交換するプレート式の熱交換器でも良い。
(冷凍サイクルの動作)
次に、冷凍サイクル装置の動作を説明する。
図5は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の動作状態を示すモリエル線図である。
図5のモリエル線図の横軸は冷媒の比エンタルピを示し、縦軸は圧力を示す。また、モリエル線図内の点a〜点iは、図1及び図2に示す位置における冷媒状態を示す。
次に、冷凍サイクル装置の動作を説明する。
図5は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の動作状態を示すモリエル線図である。
図5のモリエル線図の横軸は冷媒の比エンタルピを示し、縦軸は圧力を示す。また、モリエル線図内の点a〜点iは、図1及び図2に示す位置における冷媒状態を示す。
圧縮機101から吐出された高温高圧のガス冷媒(状態a)は、凝縮器102へ流入する。凝縮器102へ流入したガス冷媒は、凝縮器102による空気との熱交換により凝縮され高温高圧の液冷媒となる(状態b)。凝縮器102から流出した液冷媒は、第1膨張弁103へ流れる液冷媒と、第2膨張弁105へ流れる液冷媒とに分流される。
凝縮器102の出口から分流され第1膨張弁103へ流入した液冷媒(状態b)は、第1膨張弁103で等エンタルピ膨張されて気液二相状態の冷媒となり(状態c)、第1蒸発器104へ流入する。第1蒸発器104へ流入した冷媒は、第1蒸発器104による熱媒体との熱交換により加熱されガス冷媒となる(状態d)。第1蒸発器104から流出したガス冷媒(状態d)は、エジェクタ107の冷媒吸引口205へ吸引される。
一方、凝縮器102の出口から分流され第2膨張弁105へ流入した液冷媒(状態b)は、第2膨張弁105で等エンタルピ膨張されて気液二相状態の冷媒となり(状態e)、気泡微細化手段106へ流入する。つまり、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度は0より大きい。例えば、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度は、0より大きく、0.1より小さい。
ここで、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度を0.1以上にすると、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が低下する。このため、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく0.1より小さくなるように、第2膨張弁105の開度を制御する。
ここで、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度を0.1以上にすると、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が低下する。このため、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく0.1より小さくなるように、第2膨張弁105の開度を制御する。
なお、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度が、0より大きくなるように、第2膨張弁105の開度を制御しても良い。
例えば、第2膨張弁105の入口側及び出口側に、冷媒の温度を計測する温度センサーを取り付ける。そして、出口側の冷媒温度が入口側の冷媒温度よりも低くなるように第2膨張弁105の開度を調整する。これにより、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度を、0より大きくすることができる。
なお、本発明は、第2膨張弁105の開度を制御する構成に限定されない。本発明は、気泡微細化手段106に気液二相状態の冷媒が流入する構成であれば良い。例えば、第2膨張弁105の開度が固定でも良い。
例えば、第2膨張弁105の入口側及び出口側に、冷媒の温度を計測する温度センサーを取り付ける。そして、出口側の冷媒温度が入口側の冷媒温度よりも低くなるように第2膨張弁105の開度を調整する。これにより、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度を、0より大きくすることができる。
なお、本発明は、第2膨張弁105の開度を制御する構成に限定されない。本発明は、気泡微細化手段106に気液二相状態の冷媒が流入する構成であれば良い。例えば、第2膨張弁105の開度が固定でも良い。
気泡微細化手段106は、第2膨張弁105から流入した気液二相状態の冷媒に含まれる気泡を微細化する。これにより、気液二相状態の冷媒に含まれる液冷媒とガス冷媒とが均質に混合される。気泡微細化手段106から流出した気液二相状態の冷媒(状態e)は、エジェクタ107の冷媒流入口204へ流入する。
エジェクタ107の冷媒流入口204へ流入した気液二相状態の冷媒(状態e)は、エジェクタ107のノズル部201で断熱膨張(等エントロピ膨張)され、超高速で気液二相の冷媒となる(状態f)。超高速で気液二相状態の冷媒は、第1蒸発器104で気化された冷媒(状態d)を吸引し、混合部202で超高速の冷媒(状態f)と低速の冷媒(状態d)とが混合して混合冷媒となる(状態g)。この混合冷媒は、ディフューザー部203で圧力が上昇し(状態h)、エジェクタ107の冷媒流出口206から流出する。
エジェクタ107の冷媒流出口206を流出した冷媒(状態h)は、第2蒸発器108へ流入する。第2蒸発器108へ流入したガス冷媒は、第2蒸発器108による熱媒体との熱交換により加熱されガス冷媒となる(状態i)。このガス冷媒は、圧縮機101に吸入される。
以上のように本実施の形態1においては、第2冷媒流路の、凝縮器102とエジェクタ107の冷媒流入口204との間に、第2膨張弁105、及び、第2膨張弁105から流出した冷媒に含まれる気泡を微細化する気泡微細化手段106を、順次接続した。
このため、第1蒸発器104及び第2蒸発器108での冷凍能力の低下を抑制し、冷凍効果を低下させることなく、エジェクタ107の冷媒流入口204に流入する冷媒に含まれる気泡を微細化することができる。この結果、エジェクタ107の、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率(効率)を向上することができ、冷凍サイクル装置の冷凍能力及びエネルギー効率(COP:Coefficient Of Performance)を向上することができる。
このため、第1蒸発器104及び第2蒸発器108での冷凍能力の低下を抑制し、冷凍効果を低下させることなく、エジェクタ107の冷媒流入口204に流入する冷媒に含まれる気泡を微細化することができる。この結果、エジェクタ107の、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率(効率)を向上することができ、冷凍サイクル装置の冷凍能力及びエネルギー効率(COP:Coefficient Of Performance)を向上することができる。
ここで、エジェクタ107の動力回収率(効率η)は、次式で表せる。
Vは、エジェクタ107の冷媒流出口206での冷媒速度である。
Gは、冷媒循環量である。
Δhは、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の比エンタルピと、ノズル部201で断熱膨張したあとの冷媒(状態f)の比エンタルピとの差(断熱熱落差)である。
Gは、冷媒循環量である。
Δhは、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の比エンタルピと、ノズル部201で断熱膨張したあとの冷媒(状態f)の比エンタルピとの差(断熱熱落差)である。
上記式の関係から、冷媒速度Vが上昇することで、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が向上する。
本実施の形態1においては、エジェクタ107の冷媒流入口204に流入する冷媒に含まれる気泡を微細化するので、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
本実施の形態1においては、エジェクタ107の冷媒流入口204に流入する冷媒に含まれる気泡を微細化するので、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
また、本実施の形態1においては、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく0.1より小さい。つまり、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度が、0より大きく0.1より小さい。このため、エジェクタ107の動力回収率(効率η)を向上することができる。その理由は、次の通りである。
冷媒の乾き度が0、即ち液冷媒の場合、液冷媒は非圧縮性流体であるため、状態bから状態fへの膨張行程のうち液相状態での等エンタルピ変化は、断熱熱落差Δhの変化に寄与しない。このため、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度を0より大きくし、気液二相状態の冷媒にしている。また、冷媒の乾き度が0.1より小さければ、膨張行程の全体から見れば乾き度の変化量は僅かな量であるため、エネルギーロスは微小である。
冷媒の乾き度が0、即ち液冷媒の場合、液冷媒は非圧縮性流体であるため、状態bから状態fへの膨張行程のうち液相状態での等エンタルピ変化は、断熱熱落差Δhの変化に寄与しない。このため、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度を0より大きくし、気液二相状態の冷媒にしている。また、冷媒の乾き度が0.1より小さければ、膨張行程の全体から見れば乾き度の変化量は僅かな量であるため、エネルギーロスは微小である。
また、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度が、0より大きく0.1より小さいことで、冷媒速度Vを大きくすることでき、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が向上する。
ここで、エジェクタ107の冷媒流出口206での冷媒速度Vは、ノズル動力に比例する。つまり、ノズル動力を大きくすることで、冷媒速度Vが大きくなり、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が向上する。
このノズル動力は、エジェクタ107のノズル部201内における運動エネルギーへの変換効率(ノズル効率ηn)と、断熱熱落差Δhとの積である。
ここで、エジェクタ107の冷媒流出口206での冷媒速度Vは、ノズル動力に比例する。つまり、ノズル動力を大きくすることで、冷媒速度Vが大きくなり、エジェクタ107の動力回収率(効率η)が向上する。
このノズル動力は、エジェクタ107のノズル部201内における運動エネルギーへの変換効率(ノズル効率ηn)と、断熱熱落差Δhとの積である。
ノズル効率ηnと、断熱熱落差Δhと、乾き度とには、図10に示すような関係がある。
ノズル効率ηnは、ノズル部201内における圧力変化量(ΔP/ΔZ)が小さくなるほど大きくなる。なお、ΔZは距離である。
圧力変化量(ΔP/ΔZ)は、冷媒の乾き度が大きいほど小さくなる。例えば、乾き度が0の液状態の冷媒がエジェクタ107へ流入した場合、液状態の冷媒がガス状態の冷媒へ急激に体積膨張して圧力が急降下し、圧力変化量(ΔP/ΔZ)が大きくなる。 一方、乾き度が0より大きい場合、冷媒中に気泡が含まれているため、液相状態と比較して体積が膨張している。このため、乾き度が大きいほど、体積膨張はより緩やかになり、圧力変化量がより小さくなる。このようなことから、乾き度が大きいほどノズル効率ηnが大きくなる。
また、断熱熱落差Δhは、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の比エンタルピと、ノズル部201で断熱膨張したあとの冷媒(状態f)の比エンタルピとの差であるから、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度が大きくなるほど、小さくなる。例えば、乾き度が0.2のとき断熱熱落差Δhは0になる。
ノズル効率ηnは、ノズル部201内における圧力変化量(ΔP/ΔZ)が小さくなるほど大きくなる。なお、ΔZは距離である。
圧力変化量(ΔP/ΔZ)は、冷媒の乾き度が大きいほど小さくなる。例えば、乾き度が0の液状態の冷媒がエジェクタ107へ流入した場合、液状態の冷媒がガス状態の冷媒へ急激に体積膨張して圧力が急降下し、圧力変化量(ΔP/ΔZ)が大きくなる。 一方、乾き度が0より大きい場合、冷媒中に気泡が含まれているため、液相状態と比較して体積が膨張している。このため、乾き度が大きいほど、体積膨張はより緩やかになり、圧力変化量がより小さくなる。このようなことから、乾き度が大きいほどノズル効率ηnが大きくなる。
また、断熱熱落差Δhは、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の比エンタルピと、ノズル部201で断熱膨張したあとの冷媒(状態f)の比エンタルピとの差であるから、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度が大きくなるほど、小さくなる。例えば、乾き度が0.2のとき断熱熱落差Δhは0になる。
以上のことから、ノズル動力は、乾き度がある値のときピークとなり、その値よりも大きくなると減少する。例えば、図10に示すように、断熱熱落差Δhが0となる乾き度が0.2の場合、ノズル動力がピークとなる乾き度は約0.075となる。つまり、乾き度がこの値よりも大きくなると、ノズル動力は減少する。
本実施の形態では、乾き度の制御動作における余裕を持たすため、乾き度を0.1より小さくしている。
本実施の形態では、乾き度の制御動作における余裕を持たすため、乾き度を0.1より小さくしている。
このように本実施の形態では、気泡微細化手段106に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく0.1より小さい。つまり、エジェクタ107の冷媒流入口204の冷媒(状態e)の乾き度が、0より大きく0.1より小さい。
このため、ノズル動力が大きくなり、エジェクタ107の冷媒流出口206での冷媒速度を速くすることができる。よって、エジェクタ107の動力回収率(効率η)を向上することができる。
このため、ノズル動力が大きくなり、エジェクタ107の冷媒流出口206での冷媒速度を速くすることができる。よって、エジェクタ107の動力回収率(効率η)を向上することができる。
実施の形態2.
本実施の形態2では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
本実施の形態2では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
図6は、実施の形態2における冷凍サイクル装置の気泡微細化手段106の構成を模式的に示す図である。
図6(a)は、冷媒配管の冷媒流れ方向が水平方向である場合を示し、図6(b)は、冷媒配管の冷媒流れ方向が垂直方向である場合を示している。
図6(a)、図6(b)に示すように、本実施の形態2における気泡微細化手段106は、冷媒が通過する多孔質体601によって構成されている。
多孔質体601は、冷媒配管内の流路に設けられている。多孔質体601は、例えば、全体が多孔質透過材で形成され、通気孔(流体が透過できる多孔体表面及び内部の気孔)の平均直径が約500μmであり、空隙率が92±6%である。この多孔質体601は、例えば、ウレタンフォームに金属粉末を塗布後、熱処理してウレタンフォームを焼失させ、金属を3次元の格子状に成形したものである。多孔質体601の材料は、例えばNi(ニッケル)である。
図6(a)は、冷媒配管の冷媒流れ方向が水平方向である場合を示し、図6(b)は、冷媒配管の冷媒流れ方向が垂直方向である場合を示している。
図6(a)、図6(b)に示すように、本実施の形態2における気泡微細化手段106は、冷媒が通過する多孔質体601によって構成されている。
多孔質体601は、冷媒配管内の流路に設けられている。多孔質体601は、例えば、全体が多孔質透過材で形成され、通気孔(流体が透過できる多孔体表面及び内部の気孔)の平均直径が約500μmであり、空隙率が92±6%である。この多孔質体601は、例えば、ウレタンフォームに金属粉末を塗布後、熱処理してウレタンフォームを焼失させ、金属を3次元の格子状に成形したものである。多孔質体601の材料は、例えばNi(ニッケル)である。
多孔質体601を通過する前の気液二相状態の冷媒、即ち第2膨張弁105から流出した冷媒は、乾き度が低いため、液冷媒内に気泡の塊(気泡スラグ602、603)を含んだ様相となる。この気泡スラグ602、603が、多孔質体601を通過すると、多孔質体601内で微細化され、微細気泡604として流出する。
このため、微細化した気泡と液冷媒とを均質化した気液二相状態の冷媒を、エジェクタ107の冷媒流入口204へ流入させることができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
実施の形態3.
本実施の形態3では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
本実施の形態3では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
図7は、実施の形態3における冷凍サイクル装置の気泡微細化手段106の構成を模式的に示す図である。
図7(a)は、旋回軸に直交する方向の断面図を示し、図7(b)は旋回軸方向の断面図を示す。
図7(a)、図7(b)に示すように、気泡微細化手段106は、気泡微細化手段106は、導入管701、分岐管702a、702b、旋回室703a、703b、流出管704を備えている。
本実施の形態3における気泡微細化手段106は、導入管701から流入した冷媒を、旋回流にして、流出管704から流出させる、二段階旋回機構によって構成されている。
図7(a)は、旋回軸に直交する方向の断面図を示し、図7(b)は旋回軸方向の断面図を示す。
図7(a)、図7(b)に示すように、気泡微細化手段106は、気泡微細化手段106は、導入管701、分岐管702a、702b、旋回室703a、703b、流出管704を備えている。
本実施の形態3における気泡微細化手段106は、導入管701から流入した冷媒を、旋回流にして、流出管704から流出させる、二段階旋回機構によって構成されている。
旋回室703a、703bは、流出管704に向かって冷媒通路面積が減少する形状を有している。例えば旋回室703a、703bは、円錐形状を有している。
また、旋回室703a、703bは、隣接して設けられ、旋回室703aから流出した冷媒が、隣接する旋回室703bに流入する。なお、旋回室の数は2つに限定されない。
また、旋回室703a、703bは、隣接して設けられ、旋回室703aから流出した冷媒が、隣接する旋回室703bに流入する。なお、旋回室の数は2つに限定されない。
なお、旋回室703aと分岐管702aとの接続部分が、本発明の「流入口」に相当する。また、旋回室703bと分岐管702bとの接続部分が、本発明の「流入口」に相当する。また、旋回室703aから旋回室703bへ冷媒が流出する開口が、本発明の「流出口」に相当する。また、旋回室703bと流出管704との接続部分が、本発明の「流出口」に相当する。
第2膨張弁105から流出した気液二相状態の冷媒は、導入管701を通って、分岐管702aと分岐管702bとに二分岐され、それぞれ旋回室703aと旋回室703bとに流入する。
図7(a)に示すように、分岐管702a、702bは、円錐形状を有する旋回室703a、703bに、円形断面の接線方向に向かって接続されている。これにより、旋回室703a、703bに流入した冷媒は、旋回室703a、703bの内壁面に沿って流れ、旋回流となる。
図7(a)に示すように、分岐管702a、702bは、円錐形状を有する旋回室703a、703bに、円形断面の接線方向に向かって接続されている。これにより、旋回室703a、703bに流入した冷媒は、旋回室703a、703bの内壁面に沿って流れ、旋回流となる。
分岐管702aから旋回室703aへ流入した気液二相状態の冷媒は、旋回流となることで、密度の大きい液冷媒が遠心力により旋回室703aの外側に、密度の小さいガス冷媒が向心力により中心部に分離される。
さらに、流出管704に向かって、旋回室703aの流路断面積(冷媒通路面積)が小さくなるため、流速が増しながら旋回室703aから旋回室703bへ流入する。
さらに、流出管704に向かって、旋回室703aの流路断面積(冷媒通路面積)が小さくなるため、流速が増しながら旋回室703aから旋回室703bへ流入する。
一方、分岐管702bから旋回室703bへ流入した気液二相状態の冷媒は、旋回室703aから流出した旋回流と混合しながら、旋回流となる。旋回室703bでは、旋回室703aで形成された旋回流により、旋回流の形成が促進される。
旋回室703b内の気液二相状態の冷媒は、旋回流となることで、密度の大きい液冷媒が遠心力により旋回室703bの外側に、密度の小さいガス冷媒が向心力により中心部に分離される。
さらに、流出管704に向かって、旋回室703bの流路断面積(冷媒通路面積)が小さくなるため、流速が増しながら流出管704から流出する。
旋回室703b内の気液二相状態の冷媒は、旋回流となることで、密度の大きい液冷媒が遠心力により旋回室703bの外側に、密度の小さいガス冷媒が向心力により中心部に分離される。
さらに、流出管704に向かって、旋回室703bの流路断面積(冷媒通路面積)が小さくなるため、流速が増しながら流出管704から流出する。
旋回室703bから流出管704へ流出した気液二相状態の冷媒は、流出開始後、旋回成分が弱まり始める。この結果、流出管704の流れ方向に沿って旋回速度の速度差が生じる。
この速度差が、液冷媒とガス冷媒とにせん断力を発生させ、ガス冷媒が分断されることで、気泡が微細化される。
この速度差が、液冷媒とガス冷媒とにせん断力を発生させ、ガス冷媒が分断されることで、気泡が微細化される。
このため、微細化した気泡と液冷媒とを均質化した気液二相状態の冷媒を、エジェクタ107の冷媒流入口204へ流入させることができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
なお、分岐管702a及び分岐管702bの少なくとも一方に、流量を調節する流量調節手段を取り付け、旋回室703aと旋回室703bへ流入する冷媒量を、気泡の微細化に適した流入量に調整するようにしても良い。
また、旋回室703a及び旋回室703bの形状は円錐状に限定されない。旋回室703a、703bの出口方向に沿って断面積が減少する形状であればよい。例えば、断面U字形状でも良い。
また、旋回室703a及び旋回室703bの形状は円錐状に限定されない。旋回室703a、703bの出口方向に沿って断面積が減少する形状であればよい。例えば、断面U字形状でも良い。
実施の形態4.
本実施の形態4では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
本実施の形態4では、気泡微細化手段106の構成の一例を説明する。
図8は、実施の形態4における冷凍サイクル装置の気泡微細化手段106の構成を模式的に示す図である。
図8に示すように、本実施の形態4における気泡微細化手段106は、冷媒を気相(ガス冷媒)と液相(液冷媒)とに分離する気液分離器802と、気液分離器802によって分離された液相の冷媒と気相の冷媒とを混合する混合器805と、によって構成されている。
図8に示すように、本実施の形態4における気泡微細化手段106は、冷媒を気相(ガス冷媒)と液相(液冷媒)とに分離する気液分離器802と、気液分離器802によって分離された液相の冷媒と気相の冷媒とを混合する混合器805と、によって構成されている。
気液分離器802は、例えば、重力の作用によって液冷媒とガス冷媒とを分離する重力落下式の気液分離器である。気液分離器802は、流入管801、ガス冷媒流出口803、液冷媒流出口804を備えている。
流入管801は、外殻を形成するタンクの上方から冷媒を流入させる。
液冷媒流出口804は、タンクの下方から液冷媒を流出させる。
ガス冷媒流出口803は、配管の端部が液冷媒流出口804より上方に挿入され、タンク内のガス冷媒を流出させる。ガス冷媒流出口803は、例えば、液冷媒流出口804より外周側に複数取り付けられている。
流入管801は、外殻を形成するタンクの上方から冷媒を流入させる。
液冷媒流出口804は、タンクの下方から液冷媒を流出させる。
ガス冷媒流出口803は、配管の端部が液冷媒流出口804より上方に挿入され、タンク内のガス冷媒を流出させる。ガス冷媒流出口803は、例えば、液冷媒流出口804より外周側に複数取り付けられている。
第2膨張弁105から流出した気液二相状態の冷媒は、流入管801を通って気液分離器802の内部へ流入する。気液分離器802の内部では、密度の大きい液冷媒が下側へ、密度の小さいガス冷媒が上側に分離する。
ガス冷媒流出口803から流出したガス冷媒、及び、液冷媒流出口804から流出した液冷媒は、それぞれ混合器805へ流入する。
ガス冷媒流出口803から流出したガス冷媒、及び、液冷媒流出口804から流出した液冷媒は、それぞれ混合器805へ流入する。
図9は、実施の形態4における冷凍サイクル装置の混合器805の構成を模式的に示す図である。
図9に示すように、混合器805は、液冷媒流出口804からの液相の冷媒が流通する液相冷媒流路901と、ガス冷媒流出口803からの気相の冷媒を、液相冷媒流路901に噴出させる気相冷媒流路902と、を備えている。混合器805は、液相の冷媒と気相の冷媒とを混合して、流出管806へ流出させる。
図9に示すように、混合器805は、液冷媒流出口804からの液相の冷媒が流通する液相冷媒流路901と、ガス冷媒流出口803からの気相の冷媒を、液相冷媒流路901に噴出させる気相冷媒流路902と、を備えている。混合器805は、液相の冷媒と気相の冷媒とを混合して、流出管806へ流出させる。
混合器805においては、ガス冷媒流出口803から気相冷媒流路902へ流入したガス冷媒と、液冷媒流出口804から液相冷媒流路901へ流入した液冷媒との界面に速度差が生じる。この速度差が、液冷媒とガス冷媒とにせん断力を発生させ、ガス冷媒が分断されることで、気泡が微細化される。
ガス冷媒流出口803から流出するガス冷媒の速度、及び、液冷媒流出口804から流出する液冷媒の速度は、流出管806の流路断面積と、ガス冷媒及び液冷媒の各質量流量で決定される。
乾き度が比較的小さい場合、液冷媒の占める割合がガス冷媒より多いため、液冷媒流出口804の流路面積を小さく、ガス冷媒流出口803の流路断面積を小さくすることで、液冷媒とガス冷媒との速度差がより大きくなる。なお、ここでの流路断面積とは、各相の総流路断面積である。
乾き度が比較的小さい場合、液冷媒の占める割合がガス冷媒より多いため、液冷媒流出口804の流路面積を小さく、ガス冷媒流出口803の流路断面積を小さくすることで、液冷媒とガス冷媒との速度差がより大きくなる。なお、ここでの流路断面積とは、各相の総流路断面積である。
以上のような構成によって、微細化した気泡と液冷媒とを均質化した気液二相状態の冷媒を、エジェクタ107の冷媒流入口204へ流入させることができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
よって、エジェクタ107内で、液冷媒とガス冷媒との接触面積が増え、液冷媒の減圧沸騰が促進される。この結果、エジェクタ107から流出する冷媒の速度が上昇する。つまり、圧力エネルギーを速度エネルギーへ変換する動力回収率が上昇する。よって、冷凍サイクル装置のエネルギー効率を向上することができる。
なお、図8及び図9の例では、ガス冷媒流出口803を、液冷媒流出口804の外周側に複数取り付けた場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガス冷媒流出口803を中心部に設け、液冷媒流出口804を外周側に取り付けてもよい。
100 室外ユニット、101 圧縮機、102 凝縮器、103 第1膨張弁、104 第1蒸発器、105 第2膨張弁、106 気泡微細化手段、107 エジェクタ、108 第2蒸発器、109 送水機、110 室内ユニット、111 室内熱交換器、201 ノズル部、201a 減圧部、201b ノズル喉部、201c 末広部、202 混合部、203 ディフューザー部、204 冷媒流入口、205 冷媒吸引口、206 冷媒流出口、301 補強用サイドプレート、302 伝熱プレート、303 伝熱プレート、304 補強用サイドプレート、305 第1流入管、306 第1流出管、307 第2流入管、308 第2流出管、406 送風機、415 送風機室、601 多孔質体、602 気泡スラグ、603 気泡スラグ、604 微細気泡、701 導入管、702a 分岐管、702b 分岐管、703a 旋回室、703b 旋回室、704 流出管、801 流入管、802 気液分離器、803 ガス冷媒流出口、804 液冷媒流出口、805 混合器、806 流出管、901 液相冷媒流路、902 気相冷媒流路。
Claims (1)
- 圧縮機、凝縮器、第1膨張弁、第1蒸発器、及びエジェクタの冷媒吸引口が、冷媒配管で接続された第1冷媒流路と、
前記凝縮器と前記第1膨張弁との間を分岐し、前記エジェクタの冷媒流入口、前記エジェクタの冷媒流出口、第2蒸発器、及び前記圧縮機が、冷媒配管で接続された第2冷媒流路と、
を備え、
前記第2冷媒流路の、前記凝縮器と前記エジェクタの冷媒流入口との間に、
第2膨張弁、及び、前記第2膨張弁から流出した冷媒に含まれる気泡を微細化する気泡微細化手段を、順次接続し、
前記気泡微細化手段に流入する冷媒の乾き度が、0より大きく、0.1より小さくなるように、前記第2膨張弁の開度を制御するものであり、
前記気泡微細化手段は、
流入口及び流出口が形成され、前記流出口に向かって冷媒通路面積が減少する旋回室によって構成され、
前記流入口から流入した前記冷媒を、旋回流にして、前記流出口から流出させるものであり、
複数の前記旋回室が隣接して直列に設けられ、
前記旋回室の前記流出口から流出した前記冷媒が、隣接する前記旋回室に流入するものであり、
前記第2膨張弁から流出した冷媒を分岐させて複数の前記旋回室のそれぞれに流入させる複数の分岐管が設けられている
冷凍サイクル装置。
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