WO2011099052A1

WO2011099052A1 - 冷凍システム

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Publication number: WO2011099052A1
Application number: PCT/JP2010/000795
Authority: WO
Inventors: 鈴木隆; 篠崎　隆; 杉山　直樹
Original assignee: 株式会社Ｅ・Ｔ・Ｌ
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-08-18
Also published as: JPWO2011099052A1; JP5537573B2

Abstract

　高効率の冷凍システムを提供する。　圧縮機と、放熱器と、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段と、前記冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段と、吸熱器とを順に環状に冷媒配管で接続したものである。

Description

冷凍システム

　本発明は、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段を備えた冷凍システムに関する。

　従来、冷凍システムの圧縮機から吐出する高温・高圧冷媒ガスを低温冷媒液とする凝縮用熱変換装置であって、高温・高圧冷媒ガスを等圧変化により冷却する等圧冷却部と、等圧冷却部で一部液化した残りのガス冷媒を冷媒の加速現象によって減圧、及びエンタルピ減少を伴って液化する螺旋管と、減圧液化部を経た冷媒を冷媒の加速現象によって減圧、及びエンタルピ減少を伴って冷却する螺旋管と、を含んで構成される凝縮用熱変換装置が提案されている（特許文献１）。また、冷媒を吸入し圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高圧冷媒の放熱を行う放熱器と、放熱器下流側の高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を減圧膨張させるとともに、冷媒を吸引するエジェクタと、圧縮機と放熱器とエジェクタとを含み冷媒が循環する冷媒循環路の放熱器とエジェクタとの間から分岐させた冷媒流れをエジェクタに導き吸引させる分岐流路と、分岐流路に配置されて冷媒流れを減圧する絞り手段と、分岐流路において絞り手段の冷媒流れ下流側に配置され、冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えるエジェクタを用いた冷凍サイクルが提案されている（特許文献２）。これら技術は、いずれも冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する機能を有し、したがって、摩擦熱の発生を伴う減圧装置を用いることなく、高効率の冷凍システムを実現できる。

特許第４，４１１，３４９号公報特開２００８－８５７２号公報

　しかし、上述した従来の螺旋管やエジェクタを使用した場合、冷媒が大きな速度エネルギを有するため、下流の冷媒配管内で摩擦熱を生じさせ、冷媒の乾き度が大きくなり、吸熱部での吸熱量が低下し、その分だけ効率が低下する問題があった。
　そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、さらに高効率の冷凍システムを提供することにある。

　本発明は、圧縮機と、放熱器と、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段と、前記冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段と、吸熱器とを順に環状に冷媒配管で接続したことを特徴とする。
　この発明では、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段を備えるため、摩擦熱の発生を伴う減圧装置を用いることなく、高効率の冷凍システムを実現できると共に、冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段を備えたから、冷媒の速度エネルギが位置エネルギ又は仕事エネルギに変換され、流速が低下し、下流の冷媒配管内で摩擦熱を生じさせることが少なくなり、冷媒の乾き度が維持され、吸熱部での吸熱量が増加し、その分だけ効率を向上させることができる。

　この場合において、前記冷媒液化手段が冷媒の加速によるチョーク現象を利用して冷媒を減圧、及びエンタルピ減少を伴って液化する螺旋管であってもよい。
　前記エネルギ変換手段が抵抗体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内で抵抗体を越える際の仕事エネルギに変換してもよい。
　前記管体内の抵抗体が当該管体の入口側に向けてばね付勢されていてもよい。
　前記エネルギ変換手段が回転体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内の回転体を回転させる際の仕事エネルギに変換してもよい。
　前記冷媒液化手段が下から上に冷媒を流すように鉛直に設けられ、前記エネルギ変換手段が冷媒の速度エネルギを位置エネルギに変換してもよい。
　この場合において、前記冷媒液化手段が冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換するためのエジェクタであってもよい。

　本発明では、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段を備えるため、摩擦熱の発生を伴う減圧装置を用いることなく、高効率の冷凍システムを実現できると共に、冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段を備えたから、冷媒の速度エネルギが位置エネルギ又は仕事エネルギに変換され、流速が低下し、下流の冷媒配管内で摩擦熱を生じさせることがなく、冷媒の乾き度が維持されて、吸熱部での吸熱量が増加し、その分だけ効率を向上させることができる。

本発明の一実施の形態を示す構成図である。本発明の一実施の形態による冷凍システムのＰ－ｈ線図である。ａ～ｅは凝縮用熱変換装置を構成する主要構成要素の平面図である。管体を示す構成図である。別の管体を示す構成図である。Ａ～Ｃは、夫々Ｐｈ線図である。別の実施の形態を示す構成図である。

　以下、本発明の一実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
　図１において、冷凍システムは圧縮機１とミニ熱交換装置（等圧冷却部）３と螺旋状管（減圧液化部）６と螺旋状細管（減圧冷却部）８と管体１０と蒸発器１１とを要素機器として備え、それらの機器を冷媒配管２、４、１３、サクション管１２、大短管（膨張部）５、分岐管（膨張部）７、集合管（膨張部）９によって接続し、冷媒を矢印２１の方向に循環させる事によって冷凍機能が具現されている。なお、ミニ熱交換装置３、或いは後述するミニファン３－１の「ミニ」は「小型」の意味であり、従来に比べて凝縮器が小さくできる本発明の特徴を明確にするために用いている。また、この明細書では、以下において、ミニ熱交換装置３から管体１０に至るまでの各機器群３，６，７，８，９，１０を纏めて凝縮用熱変換装置３０と呼称する。

　圧縮機１、蒸発器１１は、現行の冷凍システムに使用される物と構造・機能が基本的に変わらないので、ここでは詳細な説明を省略し、本実施の形態の特徴である凝縮用熱変換装置３０について詳細に説明する。

　図２は、本実施の形態に係る凝縮用熱変換装置３０を用いた冷凍システムの冷凍サイクルのＰ－ｈ線図である。破線は、従来のサイクルを示し、実線は、本実施の形態のサイクルを示している。従来のサイクルでは、圧縮機による断熱圧縮（点ａ～点ｂ）、凝縮器による等圧変化の放熱による凝縮（点ｂ～点ｃ）、膨張弁の絞り現象による等エンタルピ変化（点ｃ～点ｄ）、蒸発器による等圧、等温膨張の吸熱による蒸発（点ｄ～点ａ）によりサイクルが完了している。

　本実施の形態では、圧縮機１から高温（４０℃以上）・高圧（０．６ＭＰａ以上）ガス状の冷媒が吐出され（点ｈ～点ｉ）、凝縮用熱変換装置３０を構成するミニ熱交換装置３で冷媒の一部（５～５０重量％）が液化する（点ｉ～点ｊ）。
　図１ではミニ熱交換装置３は冷媒の通るパイプに放熱ファンを設けた通常の空冷タイプを示したが、ミニ熱交換装置３はこのタイプに限らず、水冷タイプその他でもよいことは言うまでもない。従来の冷凍システムの凝縮器では圧縮機から吐出される高温・高圧ガスをほぼ全部液化するが、それに比べてミニ熱交換装置３は高温・高圧ガスの一部を液化すればよいので、非常に小型が可能である。同じタイプの熱交換装置（凝縮器）を有する同じ冷却能力の冷凍システムと比較した場合、本実施の形態のミニ熱交換装置は従来の凝縮器の１／１０程度にすることが可能である。なお、ミニ熱交換装置３には、ミニファン３－１が備えられており、後述するように、所定の運転状態になった場合に稼働して、熱交換能力を高めることができる。

　ミニ熱交換装置３で一部液化された冷媒は、冷媒配管４、大短管５を経て螺旋状管６に入る。冷媒流路の断面積で見ると、ミニ熱交換装置３を基準にして、一旦、大短管５で大きくなり、螺旋状管６では、ミニ熱交換装置３の断面積よりも小さくなる。

　図３は大短管５、螺旋状管６、分岐管７、螺旋状細管８、及び、集合管９の形状を示す平面図である。
　大短管５の寸法は図３（ａ）に示すように中央の太い部分の長さＬ１が１０～５０ｍｍ、内径Ｄ１が８～２０ｍｍの円筒状である。その両端は冷媒配管４と螺旋状管６に接続されるので、その形状はそれぞれ冷媒配管４と螺旋状管６を挿入して、接続できる寸法の円筒状になっている。中央の太い部分の内径Ｄ１は冷媒配管４と螺旋状管６のいずれの内径よりも大きく設定されるのが好ましい。
　螺旋状管６は図３（ｂ）に示すように細管を螺旋伏に巻いた形態である。その内径や巻き数は、冷凍システムの冷凍能力等、様々な仕様から決定されるが、内径で２～１５０ｍｍまで許容し、望ましくは内径２～５０ｍｍ、実質的に最も望ましくは内径３～８ｍｍである。例えば、フロン冷媒Ｒ１３４ａを用いた２０００ｃａｌ／ｈ程度の冷凍機の揚合、細管の内径５ｍｍ、巻き数は２３巻き、螺旋の径３０ｍｍで、細管の長さは２．３ｍである。なお、冷媒配管２、４の内径は７．７ｍｍ、冷媒配管１３およびサクション管１２の内径は１０．７ｍｍである。

　一部液化した冷媒が螺旋状管６に入ると、圧縮機１の吸引作用等により、冷媒が加速されて（冷媒の加速現象という）、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液化量を増してほぼ液化し、螺旋状管６の出口では中圧(０．４～０．６ＭＰａ)液冷媒となる（図２の点ｊ～点ｋ）。従来の一般的なキュピラリチューブはかなり細管であり、高圧の液体冷媒を絞ることにより発生する縮流・渦により冷媒の運動エネルギを損失し、圧力低下を生じさせるが、これと比較した場合に、螺旋状管６は縮流・渦による絞り損失が極めて小さく、冷媒の運動エネルギの損失が小さい。また、螺旋管内の遠心力により冷媒の気液分離が促進されて、具体的には管内壁に液相部が集約されて付着し、気相部が管中央部を流れ、この気相部では冷媒の加速によるチョーク現象が出現し、減圧及びエンタルピ減少を伴って冷媒が液化される。螺旋状管６内での温度低下の主因は、螺旋状管６内において熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、冷媒のエンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものと判断される。すなわち螺旋状管６はエンタルピを速度エネルギに変換するエネルギ変換デバイスを構成する。
　上記螺旋状管６内の冷媒の流速は、本冷凍システムの設計において、ミニ熱交換装置３内の流速の２倍以上の設定が望ましい。

　本構成では、上記減圧液化部を、螺旋状に巻いた螺旋状管６としたが、図２に示すように、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、ガス冷媒をほぼ液化できる構成であれば、螺旋状管に限定されず、蛇行管や直管等でもよい。この場合には、蛇行管や直管の入口、或いは管の途中の複数箇所等に適宜の絞り手段を介装することが望ましい。いずれも減圧液化部では、放熱以外の手段によって、すなわちエンタルピの速度エネルギへの変換により、ガス冷媒がほぼ液化される。

　螺旋状管６で中圧液冷媒となった冷媒は、分岐管７を経て螺旋状細管８に入る。螺旋状細管８は、図３（ｄ）に示すように、螺旋状管６と同様に細管を螺旋状に巻いた形態である。螺旋状細管８の内径は螺旋状管６の内径よりも細く設定される。例えば、螺旋状管６の内径が、３～８ｍｍに設定された場合、螺旋状細管８の内径は、１．２～３ｍｍが望ましい。本実施の形態では、螺旋状に巻いたものを２本並列に接続しているが、３本以上を並列に接続してもよいし、１本でも可能である。また、巻き方向が異なる螺旋状細管の２本の直列に接続したもの、あるいは、それを更に並列に接続した形態でもよい。螺旋状細管８の冷媒の通る部分の断面積（複数本が並列に接続されている揚合は、複数本の断面積の合計）が螺施状管６の断面積より小さいことが好ましい。断面積を小さくすることによって、後述のように、冷媒は螺旋状細管８中をスピン回転し加速され、圧力が下がるため、冷却効果が高くなる。
　例えば、２０００ｃａｌ／ｈ程度の冷凍機の場合、細管の内径２．５ｍｍ、巻き数は１９巻き、螺旋の径は１５ｍｍで、細管の長さは０．７２ｍのものを２本で並列に接続して構成される。

　図３（ｃ）に示すように、分岐管７は１本の螺旋状管６から出る冷媒を２本の螺旋状細管８に分岐させる。分岐管７の主要部（太い部分）の長さＬ２は１０～５０ｍｍ、内径Ｄ２は１０～２０ｍｍのほぼ円筒状である。螺旋状管６、螺旋状細管８に接続される両端はそれぞれ螺旋状管６、螺旋状細管８を挿入して、接続できる寸法の円筒状になっている。本実施の形態では、螺旋状細管８は２本の細管から形成されているので、分岐管７の螺旋状細管８接続側は２本の接続孔を有しているが、接続孔の数は螺旋状細管８を構成する細管の本数と一致させる。
　例えば、内径Ｄ２は螺旋状管６と螺旋状細管８のいずれの内径よりも大きく設定されるのが好ましい。

　ほぼ液化した冷媒が螺旋状細管８に入ると、圧縮機１の吸引作用等により、冷媒が加速されて（冷媒の加速現象という）、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液化冷媒が冷却される。螺旋状細管８出口では、減圧され、冷却されて低温の液体となり、圧力も下がり低圧（０．４ＭＰａ以下）液となる（図２の点ｋ～点ｌ）。螺旋状細管８内の冷媒は、図２に示すように、飽和液線Ｌにほぼ沿った状態で変化する。従来のキュピラリチューブと比較すると、螺旋状細管８も縮流・渦による絞り損失が極めて小さく、冷媒の運動エネルギの損失が小さい。また、螺旋状細管８内の遠心力により冷媒の気液分離が促進されて、具体的には管内壁に液相部が集約されて付着し、気相部が管中央部を流れ、この気相部では同様に冷媒の加速によるチョーク現象が出現し、減圧及びエンタルピ減少を伴って冷媒が液化される。なお、各機器の構成、或いは冷媒の流量、流速などの変化により、チョーク現象が出現する位置は異なる。たとえば螺旋状管６内では出現せず、螺旋状細管８内に至って初めて出現することも考えられる。
　この螺旋状細管８内での温度低下の主因も、螺旋状管６内での温度低下と同様に、熱エネルギである冷媒のエンタルピが速度エネルギへ変換し、エンタルピが減少し、静温度低下の現象の生起に至ったものと判断される。
　すなわち、螺旋状細管８も、螺旋状管６同様に、冷媒のエンタルピを速度エネルギに変換するエネルギ変換デバイスを構成している。
　上記螺旋状細管８内の冷媒の流速は、本冷凍システムの設計において、ミニ熱交換装置３内の流速の２倍以上で、螺旋状管６内の流速以上であることが望ましい。

　本構成では、螺旋状細管８としたが、減圧、及びエンタルピ減少を伴って、液冷媒を冷却できる構成であれば、螺旋状に限定されず、蛇行管や直管等でもよい。この場合、蛇行管や直管の入口、或いは管の途中の複数箇所等に適宜の絞り手段を介装することが望ましい。いずれも本構成では、放熱以外の手段によって、すなわちエンタルピの速度エネルギへの変換により、液冷媒が冷却される。

　本実施の形態では、図４に示すように、螺旋状細管８、集合管９及び管体１０が鉛直線に沿って上下に配列され、集合管９の出口に管体１０が接続されている。
　この管体１０は、拡径した略円筒状の管本体１０Ａを有し、管本体１０Ａには、夫々冷媒配管が接続される入口１０Ｂ及び出口１０Ｃが形成され、管本体１０Ａの内部には、冷媒の流れに抵抗となる抵抗体１０Ｄが収容されている。この抵抗体１０Ｄは、ばね１０Ｅで支持され、冷媒が流れると抵抗体１０Ｄは、ばね１０Ｅのばね力に抗して、出口１０Ｃ側に押圧される。この管体１０では、抵抗体１０Ｄが冷媒の流れに対し抵抗となり、出口１０Ｃでは冷媒の流速がほぼゼロとなるように、ばね１０Ｅのばね力や抵抗体１０Ｄの重量などが設定されている。
　本構成では、上述したように、螺旋状細管８の出口で冷媒が大きな速度エネルギを有しており、仮にこの大きな速度エネルギを維持したまま、冷媒が、下流の冷媒配管１３内に流入すると、冷媒配管１３内で摩擦熱を生じさせ、その分、冷媒の乾き度を大きくすることとなる。すなわち、螺旋状細管８内の冷媒は、図２に示す点ｋの状態から点ｌの状態に至るが、冷媒配管１３内で摩擦熱を生じさせると、冷媒の乾き度を大きくして、点ｌを経たのちに点ｍの状態に移動し、蒸発器（吸熱部）１１での吸熱量をＱ１からＱ２に低下させ、その差分だけ効率を低下させる。

　本実施の形態では、螺旋状細管８により低温液体となった冷媒は、鉛直線に沿って上下に配列された管体（エネルギ変換手段）１０内に下方から流入し、この管体１０内で、ばね１０Ｅのばね力に抗して、抵抗体１０Ｄを押し退けて上方から流出し、この間、冷媒の速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）に変換する。
　すなわち、速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）として放出し、管体１０の出口１０Ｃでは、流速がほぼゼロとなる。
　この構成によれば、管体１０の出口１０Ｃで、冷媒の流速がほぼゼロとなるため、冷媒配管１３内で摩擦熱を生じさせることがなく、従って、冷媒の乾き度は維持されるため、点ｌを経たのち点ｍの状態に移動はせず、蒸発器（吸熱部）１１での吸熱量をＱ１に維持でき、効率を維持することができる。
　また、管本体１０Ａ内に液冷媒が存在すると、この液冷媒は管本体１０Ａ内を自重により落下する。この落下する液冷媒に、管本体１０Ａ内を上昇する冷媒が衝突すると、この衝突によっても、上昇する冷媒の速度エネルギが仕事エネルギに変換される。従って、実証試験を通じ、この衝突により消費するエネルギ分を求め、このエネルギ分を加味して、出口１０Ｃで冷媒の流速がほぼゼロとなるように、ばね１０Ｅのばね力や抵抗体１０Ｄの重量などを設定することが望ましい。

　蒸発器１１では、等圧、等温膨張の吸熱により、冷媒が蒸発し（図２の点ｌ～点ｈ）、これにより図２のサイクルが完了する。
　上記実施の形態では、螺旋状管６、及び螺旋状細管８を直列に接続しているが、ミニ熱交換装置３の容量を大型化し、該熱交換装置３の出口に螺旋状管６を省略して螺旋状細管８を直接接続することは可能である。この場合も螺旋状細管８の出口に管体１０を接続することで効率向上が図られる。

　管体１０の構成は、上記の構成に限定されず、冷媒の速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）に変換できる構成であれば、任意の構成が採用される。
　例えば、抵抗体１０Ｄの形態は、球体、平板、多角形体、多角錐体など何れの形態でもよく、ばね１０Ｅの省略も可能である。また、管体１０は鉛直上下に配列したが、水平配列、斜め配列などの配列であってもよい。冷媒の速度エネルギを仕事エネルギに変換せず、位置エネルギだけに変換する場合、抵抗体１０Ｄ及びばね１０Ｅを省略して、この管体１０を鉛直上下に配列するだけでよい。この場合、速度を持った冷媒が管体１０内を上昇する過程で速度エネルギが位置エネルギに変換される。

　図５は、別の形態を示す。管体１０内には羽根車２５が配置され、羽根車２５の回転軸２６には発電機２７が接続され、発電機２７は、例えば図１に示す圧縮機１の駆動用モータの電源回路（不図示）に結線される。この構成では、冷媒の速度エネルギで羽根車２５を回転し、該エネルギを仕事エネルギに変換し、発電機２７の電力を電源回路に回収することで、エネルギ効率がさらに向上する。

　図６Ａ～図６Ｃは、夫々Ｐｈ線図である。
　図６Ａ（従来の冷凍サイクル）では、点３～点４の変化が、等エントロピ変化であり、管摩擦により流速が小さいので、エネルギ式は、次のように表される。
　ｄｈ（エンタルピ変化）＝ｄｑ（外部からの熱量）－ｄｗｔ（外部への仕事量）
　従って、点３～点４の変化は次のようになる。
　ｈ₄－ｈ₃＝ｑ₃₄（摩擦熱）－ｗｔ₃₄（圧力損失）
　摩擦による発熱と圧力損失は等しいので、次式のように等エンタルピ変化で表される。
　ｈ₄－ｈ₃＝０

　図６Ｂ（螺旋状細管６，８を使用。）では、管摩擦の影響が小さく運動エネルギの変化が無視できないので、エネルギ式は、次のように表される。
　ｄｈ（エンタルピ変化）＋ｗｄｗ（運動エネルギ）＝ｄｑ（外部からの熱量）－ｄｗｔ（外部への仕事量）
　従って、点３～点３’の変化は次のようになる。
　ｈ_3'－ｈ₃＋｛（ｗ_3'）²－（ｗ₃）²｝／２＝ｑ_33'（摩擦熱）－ｗｔ_33'（圧力損失）
　ここで、点３～点３’の変化は断熱変化（ｑ_33'＝０）で、速度は音速（ｗ_3'＝ｗ_C）とすると、
　ｈ_3'－ｈ₃＋｛（ｗ_C）²－（ｗ₃）²｝／２＝０－ｗｔ_33'
　次に、点３’～点４では速度は変化しないので、次式のように表される。
　ｈ₄－ｈ_3'＋｛（ｗ_C）²－（ｗ_C）²｝／２＝０－ｗｔ_3'4
　最後に、点４～点４’の変化では摩擦により流速がゼロ、断熱変化、圧力変化がないので、次式のように表される。
　ｈ_4'－ｈ₄＋｛０－（ｗｃ）²｝／２＝ｑ_4'4－ｗｔ_4'4＝０＋ｖ（Ｐ_4'－Ｐ₄）＝０
　また、摩擦による運動エネルギは熱エネルギに変化するので、
　ｑｆ＝（ｗｃ）²／２（摩擦熱）
　従って、ｈ_4'＝ｈ₄＋ｑｆ
　となり、摩擦熱ｑｆにより冷凍効果が減少することが分かる。

　これに対し、図６Ｃ（螺旋状細管６，８と管体１０の組み合わせ。）では、点３～点３’の変化は、次のように表される。
　ｈ_3'－ｈ₃＋｛（ｗ_3'）²－（ｗ₃）²｝／２＝ｑ_33'－ｗｔ_33'
　ここで、点３～点３’の変化は断熱変化（ｑ_33'＝０）で、速度は音速（ｗ_3'＝ｗ_C）とすると、
　ｈ_3'－ｈ₃＋｛（ｗ_C）²－（ｗ₃）²｝／２＝０－ｗｔ_33'
　次に、点３’～点４では、管体１０で外部仕事を行い、速度がゼロとなるので、次式のように表される。
　ｈ₄－ｈ_3'＋｛０－（ｗ_C）²｝／２＝０－ｗｔ_3'4－ｗｔ_out
　ここで、外部への仕事は運動エネルギと等価であると考えると、
　ｗｔ_out＝（ｗ_C）²／２
　従って、エネルギ式は次のようになり、摩擦熱により冷凍能力が低下することはない。
　ｈ₄＝ｈ_3'－ｗｔ_3'4＝ｈ₃＋ｖ（Ｐ₄－Ｐ_3'）

　外部への仕事は、次式のように位置エネルギに変換する方法がある。
　ｗｔ_out＝（ｗ_C）²／２＝ｇｚ
　ここで、ｚは鉛直方向の高さである。
　また、次式のようにばね仕事に変換する方法がある。
　ｗｔ_out＝（ｗ_C）²／２＝ｋ（ｌ²／２）
　ここで、ｌはばねの変位、ｋはばね定数とする。
　また、次式のように位置エネルギとばね仕事に変換する方法がある。
　ｗｔ_out＝（ｗ_C）²／２＝ｋ（ｌ²／２）＋ｇｚ
　また、次式のように回転仕事に変換する方法がある。
　ｗｔ_out＝（ｗ_C）²／２＝Ｉ（ω²／２）
　ここで、Ｉは回転体の慣性モーメント、ωは回転体の角速度とする。

　本サイクル中の凝縮用熱変換装置３０では、等圧冷却部（ミニ熱交換装置３）で、冷媒の一部（５～５０重量％）を液化し（点ｉ～点ｊ）、減圧液化部（螺旋状管６）で、冷媒が加速されて、減圧、及び冷媒エンタルピ減少を伴って、一部液化した残りのガス冷媒がほぼ液化し（点ｊ～点ｋ）、減圧冷却部（螺旋状細管８）で、冷媒が加速されて、減圧、及び冷媒エンタルピ減少を伴って、ほぼ液化した冷媒が過冷却（点ｋ～点ｌ）するため、冷凍サイクルのＣＯＰが向上する。また、凝縮用熱変換装置３０で冷媒を減圧するため、従来のように、細管（一般的には、内径０．８ｍｍ程度のキャピラリーチューブ）や、膨張弁等の減圧機構が不要になり、冷凍サイクルを簡素化できる。さらに、減圧液化部（螺旋状管６）、及び減圧冷却部（螺旋状細管８）では、熱エネルギである冷媒エンタルピを速度エネルギへ変換し、冷媒エンタルピを減少し、静温度低下の現象の生起に至らせるため、放熱による場合に比べ、熱交換装置の小型化が図られる。
　本実施の形態では、凝縮用熱変換装置３０を、等圧冷却部（ミニ熱交換装置３）、減圧液化部（螺旋状管６）、及び減圧冷却部（螺旋状細管８）で構成したが、減圧液化部（螺旋状管６）は、複数の螺旋状の管を直列接続して構成してもよく、この場合、図２の点ｊ～点ｋでは、複数屈曲点を持つサイクル線となる。減圧冷却部（螺旋状細管８）も、複数の螺旋状の管を直列接続して構成してもよく、この場合、図２の点ｋ～点ｌでは、複数屈曲点を持つサイクル線となる。

　図７は、別の実施の形態を示す。このサイクルは、冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換するいわゆるエジェクタを利用した冷凍サイクルである。
　６１は圧縮機を示し、圧縮機６１には放熱器６２が接続され、放熱器６２にはレシーバタンク６３が接続されている。レシーバタンク６３にはエジェクタ６４が接続され、エジェクタ６４は、放熱器６２から流出する冷媒を減圧膨張させ、後述する蒸発器６５にて蒸発した気相冷媒を吸引部６４Ａから吸引するとともに、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機６１の吸入圧を上昇させる。
　エジェクタ６４から流出する冷媒は圧縮機６１に吸入され、これによって冷媒循環路を形成している。レシーバタンク６３とエジェクタ６４の後述するノズル６４Ｂとの間には、分岐させた冷媒流れを先の吸引部６４Ａに導く分岐流路６６を設けるとともに、この分岐流路６６には蒸発器６５を設けている。

　また、この蒸発器６５の冷媒流れ上流側には、蒸発器６５に吸引される冷媒を減圧して蒸発器６５内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させるとともに、蒸発器６５に流入する冷媒流量（蒸発器６５で発生する冷却能力）を調節する絞り手段として、キャピラリーチューブなどの固定絞り６７を設けている。

　エジェクタ６４は、放熱器６２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギ（圧力ヘッド）を速度エネルギ（速度ヘッド）に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル６４Ｂ、蒸発器６５にて蒸発した気相冷媒を吸引する吸引部６４Ａ、ノズル６４Ｂから噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により吸引部６４Ａから冷媒を吸引しながら、ノズル６４Ｂから噴射する冷媒と蒸発器６５から吸引した冷媒とを混合させる混合部、及び混合部から流出する冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換して、この冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ部６４Ｃなどからなる。
　ディフューザ部６４Ｃの出口には管体１０が接続され、管体１０にはアキュムレータ６８を介して圧縮機６１が接続される。管体１０は、上記実施の形態とほぼ同様構造であり、その説明は省略する。なお、ディフューザ部６４Ｃ、及び管体１０は、鉛直線に沿って上下に配列することが望ましい。
　ディフューザ部６４Ｃの出口では、冷媒が大きな速度エネルギを有し、仮にこの大きな速度エネルギを維持したまま、下流の冷媒配管６９内に流入すると、冷媒配管６９内で摩擦熱を生じさせ、その分、冷媒の乾き度を大きくし、蒸発器６５での吸熱量を低下させ、その分だけ効率を低下させる。

　本実施の形態では、ディフューザ部６４Ｃの出口冷媒は、鉛直線に沿って上下に配列された管体（エネルギ変換手段）１０内に下方から流入し、この管体１０内で、ばね１０Ｅのばね力に抗して、抵抗体１０Ｄを押し退けて上方から流出し、この間、冷媒の速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）に変換する。
　すなわち、速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）として放出し、管体１０の出口１０Ｃでは、流速がほぼゼロとなる。
　この構成によれば、管体１０の出口１０Ｃで、冷媒の流速がほぼゼロとなるため、冷媒配管６９内で摩擦熱を生じさせることがなく、冷媒の乾き度は維持されるため、蒸発器６５での吸熱量を維持し、効率を維持できる。
　管体１０の構成は、上記の構成に限定されず、冷媒の速度エネルギを仕事エネルギ（又は位置エネルギ）に変換できればよい。

　１、６１　圧縮機
　２、４、１０　冷媒配管
　３　ミニ熱交換装置
　３－１　ミニファン
　６　螺旋状管
　８　螺旋状細管
　１０　管体
　１１、６５　蒸発器
　１３、６２　凝縮器
　６４　エジェクタ

Claims

　圧縮機と、
　放熱器と、
　冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を液化する冷媒液化手段と、
　前記冷媒液化手段からの冷媒の速度エネルギを乾き度を維持したまま位置エネルギ又は仕事エネルギに変換するエネルギ変換手段と、
　吸熱器とを順に環状に冷媒配管で接続した
　ことを特徴とする冷凍システム。
　請求項１に記載の冷凍システムにおいて、
　前記冷媒液化手段が冷媒の加速によるチョーク現象を利用して冷媒を減圧、及びエンタルピ減少を伴って液化する螺旋管である
　ことを特徴とする冷凍システム。
　請求項１又は２に記載の冷凍システムにおいて、
　前記エネルギ変換手段が抵抗体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内で抵抗体を越える際の仕事エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。
　請求項３に記載の冷凍システムにおいて、
　前記管体内の抵抗体が当該管体の入口側に向けてばね付勢されていることを特徴とする冷凍システム。
　請求項１又は２に記載の冷凍システムにおいて、
　前記エネルギ変換手段が回転体を収容した管体を備え、冷媒の速度エネルギを冷媒が管体内の回転体を回転させる際の仕事エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。
　請求項１に記載の冷凍システムにおいて、
　前記冷媒液化手段が下から上に冷媒を流すように鉛直に設けられ、
　前記エネルギ変換手段が冷媒の速度エネルギを位置エネルギに変換することを特徴とする冷凍システム。
　請求項１に記載の冷凍システムにおいて、
　前記冷媒液化手段が冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換するエジェクタであることを特徴とする冷凍システム。