特開 2024-138755 エジェクタ冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024138755

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】エジェクタ冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20241002BHJP

   F25B 41/31 20210101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 389A

F25B41/31

F25B1/00 304Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023049422

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松原 健

(72)【発明者】

【氏名】吉田 時空

(72)【発明者】

【氏名】安嶋 賢哲

(57)【要約】

【課題】凝縮器の冷却水温度が大きく変化する環境であっても広い運転範囲で高い効率を得ることができるエジェクタ冷却装置を提供する。
【解決手段】液冷媒を昇圧するポンプ３と、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器４と、液冷媒を減圧する膨張弁５と、膨張弁５によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器６と、蒸気生成器４からの冷媒の駆動流によって蒸発器６により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタ１ａ～１ｃと、エジェクタ１ａ～１ｃ内への吸引後に駆動流と混合した冷媒を液化冷却する凝縮器２とを有するエジェクタ冷却装置において、エジェクタ１ａ～１ｃは、臨界背圧の設計点が異なる複数のエジェクタであり、各エジェクタ１ａ～１ｃの駆動流入口、吸引流入口及び吐出流出口が共通接続されて並列配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液冷媒を昇圧するポンプと、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器と、液冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器と、前記蒸気生成器からの冷媒の駆動流によって前記蒸発器により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、前記エジェクタ内への吸引後に前記駆動流と混合した冷媒を液化冷却する凝縮器とを有するエジェクタ冷却装置において、
前記エジェクタは、臨界背圧の設計点が異なる複数のエジェクタであり、各エジェクタの駆動流入口、吸引流入口及び吐出流出口が共通接続されて並列配置されることを特徴とするエジェクタ冷却装置。

【請求項2】

前記蒸発器及び前記膨張弁の対は、前記複数のエジェクタに対応して並列に複数配置され、前記蒸発器及び前記膨張弁の各対の蒸発器は、各エジェクタの吸引流入口にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ冷却装置。

【請求項3】

前記複数のエジェクタの各駆動流入口側にそれぞれ流量調整弁を設け、各流量調整弁の開度調整により、各エジェクタに対する駆動流の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ冷却装置。

【請求項4】

前記複数のエジェクタの各ノズル孔内に配置される各ニードルの進退を駆動するアクチュエータをそれぞれ設け、各アクチュエータの駆動制御による各ニードルの進退制御により、各エジェクタに対する駆動流の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、凝縮器の冷却水温度が大きく変化する環境であっても広い運転範囲で高い効率を得ることができるエジェクタ冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エジェクタ冷却装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが既に提供されている。このエジェクタ冷却装置は、冷媒が循環される循環経路において冷媒加熱手段としての蒸気生成器と凝縮器との間にエジェクタが設けられ、蒸気生成器から吐出された冷媒が駆動流体としてエジェクタに供給される一方、エジェクタから吐出された冷媒が凝縮器に供給されるものである。循環経路において凝縮器からポンプまでの間に位置する部分には、分岐経路が設けられている。分岐経路は、膨張弁及び蒸発器を備え、蒸発器を通過した後の冷媒を吸引流体としてエジェクタに供給するものである。このエジェクタ冷却装置では、蒸気生成器に排温水等の熱源を供給するとともに、蒸発器に被冷却水を供給すれば、蒸発器において冷却された冷水を得ることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１９０５８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、エジェクタ冷却装置の凝縮器における冷却水温度が高くなると、冷媒の凝縮温度も高くして排熱する必要があり、エジェクタはこの凝縮温度に対応してエジェクタ出口圧力（背圧）を高くした設計にする。しかし、高い凝縮温度で設計したエジェクタは低い凝縮温度で設計した場合に比べて効率が低下するため、凝縮器の冷却水温度が変化する環境に適用する場合、設計点より低い凝縮温度条件では低い効率のまま使わなければならないという課題があった。

【0005】

すなわち、図２に示すように、単一設計点の各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃは、エジェクタ出口圧力（エジェクタ背圧）が、ある値（臨界背圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）よりも高くなると、性能、例えば流量比ｒ（＝吸引流量／駆動流量）が大幅に低下するという特性があり、凝縮器を流れる冷却水温度が高くなってエジェクタ背圧が上昇すると、エジェクタの性能低下に伴い、エジェクタ冷却装置としての能力が低下してしまうため、運転条件が制約されるという課題があった。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、凝縮器の冷却水温度が大きく変化する環境であっても広い運転範囲で高い効率を得ることができるエジェクタ冷却装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明は、液冷媒を昇圧するポンプと、熱源により冷媒を加熱し駆動流を発生させる蒸気生成器と、液冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒により被冷却媒体を冷却する蒸発器と、前記蒸気生成器からの冷媒の駆動流によって前記蒸発器により蒸発した冷媒を吸引するエジェクタと、前記エジェクタ内への吸引後に前記駆動流と混合した冷媒を液化冷却する凝縮器とを有するエジェクタ冷却装置において、前記エジェクタは、臨界背圧の設計点が異なる複数のエジェクタであり、各エジェクタの駆動流入口、吸引流入口及び吐出流出口が共通接続されて並列配置されることを特徴とする。

【0008】

また、本発明は、上記発明において、前記蒸発器及び前記膨張弁の対は、前記複数のエジェクタに対応して並列に複数配置され、前記蒸発器及び前記膨張弁の各対の蒸発器は、各エジェクタの吸引流入口にそれぞれ接続されることを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、上記発明において、前記複数のエジェクタの各駆動流入口側にそれぞれ流量調整弁を設け、各流量調整弁の開度調整により、各エジェクタに対する駆動流の流量を調整することを特徴とする。

【0010】

また、本発明は、上記発明において、前記複数のエジェクタの各ノズル孔内に配置される各ニードルの進退を駆動するアクチュエータをそれぞれ設け、各アクチュエータの駆動制御による各ニードルの進退制御により、各エジェクタに対する駆動流の流量を調整することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、凝縮器の冷却水温度が大きく変化する環境であっても広い運転範囲で高い効率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。

【図2】図２は、エジェクタ背圧に対する各エジェクタの流量比の変化を示す図である。

【図3】図３は、エジェクタ群のエジェクタ特性を示す図である。

【図4】図４は、本変形例１であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。

【図5】図５は、本変形例２であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。

【図6】図６は、エジェクタの内部構造の一例を模式的に示した断面側面図である。

【図7】図７は、本変形例３であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

【0014】

＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。ここで例示するエジェクタ冷却装置は、工場排水や使用済み冷却水等の排温水から排熱を回収して被冷却媒体を冷却するものであり、エジェクタ群１、凝縮器２、ポンプ３、蒸気生成器４が順次接続されるとともに、凝縮器２と蒸気生成器４との間においてポンプ３よりも上流となる部分から分岐し、冷媒の一部を吸引流体としてエジェクタ群１に供給する膨張弁５と蒸発器６がエジェクタ群１側に順次接続される。

【0015】

エジェクタ群１は、臨界背圧の設計点が異なる複数のエジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃであり、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの駆動流入口、吸引流入口及び吐出流出口が共通接続されて並列配置される。したがって、蒸気生成器４からの冷媒は、分岐して各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの駆動流として各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの駆動流入口に流れる。また、蒸発器６からの冷媒は、分岐して各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの吸引流として各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの吸引流入口に吸引される。さらに、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃからの吐出流は、合流して凝縮器２に吐出される。

【0016】

なお、蒸発器６に供給される被冷却媒体としては、水や油、あるいはその他の冷媒を対象とすることができる。本実施の形態では、特に、排温水から回収した排熱により、蒸発器６において被冷却水から冷水を生成するエジェクタ冷却装置を例示している。なお、凝縮器２には、凝縮器２の冷媒を冷却する冷却水が供給され、冷却水により排熱される。

【0017】

ポンプ３は、凝縮器２を流れる冷媒の一部を循環供給するものである。ポンプ３は、例えば液相の可変容量ポンプであり、冷媒を昇圧してエジェクタ群１に供給するものである。本実施の形態のポンプ３は、図示しない制御部から与えられる駆動信号に従った回転数で駆動されるものである。蒸気生成器４は、蒸気生成器４に供給される排温水などの熱源水との間で熱交換を行うことにより、ポンプ３から供給された冷媒を蒸発させるものである。各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃは、蒸気生成器４を通過した気相の冷媒である駆動流によって、蒸発器６から供給される気相の冷媒を吸引流として吸引し、混合し、昇圧して下流に吐出流として吐出するものである。凝縮器２は、エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃから吐出された気相の冷媒と、凝縮器２に供給される冷却水との間で熱交換し放熱を行うことにより、冷媒を凝縮させるものである。

【0018】

膨張弁５は、凝縮器２を通過して分岐供給された冷媒を膨張させて減圧するものである。蒸発器６は、膨張弁５を通過した後の液相または気液二相の低温冷媒と、蒸発器６に供給される被冷却水との間で熱交換を行うことにより、冷媒を蒸発させるものである。そして、蒸発器６からの冷媒は、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの吸引流入口に接続される。なお、膨張弁５としては電子膨張弁が好適であるが、用途や構成に応じて手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁等のその他の形式の膨張弁を適宜選択しても良い。

【0019】

＜エジェクタ群＞
各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃには、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃ内部に設けられたノズルの各設計点により決定される内径に応じた流路抵抗により分配された流量の駆動流が流入する。そして、加速・減圧された駆動流により各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃのエジェクタ特性に応じた吸引流が蒸発器６から吸引流として流入し、吸引流が駆動流と混合された後、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃ内部に設けられたディフューザより昇圧された吐出流としてそれぞれ吐出され、合流して凝縮器２に流入する。

【0020】

図２は、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの設計点を説明する図である。図２は、エジェクタ背圧Ｐに対する各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの流量比ｒ（＝吸引流量／駆動流量の変化を示す図である。図２に示すように、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの流量比ｒは、臨界背圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を超えると急激に小さくなり、臨界背圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）を超えない動作範囲ＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３では、高い流量比ｒ１，ｒ２，ｒ３（ｒ１＞ｒ２＞ｒ３）を維持するが、臨界背圧Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を超える動作範囲ＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３では、流量比が小さくなり、効率が悪くなる。なお、図２では、エジェクタ背圧Ｐに対する各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの流量比ｒの変化を示すエジェクタ特性を、それぞれエジェクタ特性Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３として示している。設計点は、臨界背圧Ｐ１～Ｐ３の値であり、エジェクタ特性Ｌ１～Ｌ３では、設計点であるエジェクタ背圧Ｐを高くして運転範囲を広げると、臨界背圧以下の流量比ｒが小さくなり、エジェクタ背圧Ｐを低くして運転範囲を狭めると、臨界背圧以下の流量比ｒを大きくすることができる。したがって、１つのエジェクタにより、凝縮器の冷却水温度が大きく変化する環境であっても広い運転範囲とするために、エジェクタ特性Ｌ３のように設計点を設けると、全体的な効率である流量比ｒが低くなってしまう。

【0021】

そこで、本実施の形態では、図１に示すように、臨界背圧の設計点が異なる複数のエジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃを並列配置し、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの駆動流入口、吸引流入口及び吐出流出口が共通接続している。図３は、エジェクタ群１のエジェクタ特性Ｌを示す図である。ここで、エジェクタ群１のエジェクタ特性Ｌは、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの合成特性である。図３では、比較のため、エジェクタ特性Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を合わせて示している。エジェクタ特性Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、それぞれエジェクタ１ａの３本分、エジェクタ１ｂの３本分、エジェクタ１ｃの３本に対する特性であり、エジェクタ特性Ｌとの比較のため、容量を合わせている。なお、エジェクタ特性Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、それぞれ同一エジェクタ３本分の容量がある１つのエジェクタであっても同じである。

【0022】

エジェクタ群１の合成性能（流量比）を示すエジェクタ特性Ｌとエジェクタ特性Ｌ１１とを比較すると、低エジェクタ背圧では、低い臨界背圧に設計したエジェクタのエジェクタ特性Ｌ１１に比して約２／３程度に小さくなるが、エジェクタ特性Ｌ１１のエジェクタでは運転できなかった臨界背圧Ｐ３近傍の高エジェクタ背圧まで運転可能で、運転範囲を広げることができる。

【0023】

また、エジェクタ特性Ｌとエジェクタ特性Ｌ１３とを比較すると、高いエジェクタ背圧では、ほぼ同じ性能を有し、しかも低エジェクタ背圧では、エジェクタ特性Ｌ１３よりも２倍程度、高い性能が得られる。

【0024】

これにより、本実施の形態では、設計点が異なるエジェクタを複数組み合わせることにより、単一設計点のエジェクタに対して高いエジェクタ背圧までの運転範囲を拡大することができるとともに、低いエジェクタ背圧での性能低下を抑制することができる。

【0025】

このことは、夏季等で冷却水温度（空冷の場合は風温）が高くなる条件での運転を可能にするとともに、中間期や冬季の低い冷却水温度（空冷の場合は風温）では単独のエジェクタよりも高い性能で運転ができることになる。

【0026】

＜変形例１＞
図４は、本変形例１であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。図４に示すように、上記の実施の形態では、１対の蒸発器６と膨張弁５の蒸発器６に対し、３つのエジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの各吸引流入口を共通接続していたが、本変形例１では、蒸発器６と膨張弁５との対を３対（蒸発器６ａと膨張弁５ａ、蒸発器６ｂと膨張弁５ｂ、蒸発器６ｃと膨張弁５ｃ）を設け、各対を、エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに対応して並列に複数配置し、各対の蒸発器を、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの吸引流入口にそれぞれ接続している。

【0027】

蒸発器６と膨張弁５との対が１対のみの場合、エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの吸引性能の違いにより、エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃへの吸引流が互いに影響を及ぼす可能性があるが、本変形例１では、各蒸発器６ａ，６ｂ，６ｃが独立して各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに接続されているため、吸引流が交わることがなく、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの性能に合わせた蒸発器６ａ～６ｃの合成蒸発機能（冷却機能）を安定かつ効率よく得ることができる。

【0028】

＜変形例２＞
図５は、本変形例２であるエジェクタ冷却装置の構成を示す回路図である。図５に示すように、本変形例２では、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの各駆動流入口側にそれぞれ流量調整弁７ａ，７ｂ，７ｃを設け、制御部Ｃによる各流量調整弁７ａ，７ｂ，７ｃの開度調整により、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに対する駆動流の流量を調整するようにしている。

【0029】

これにより、変形例１と同様に、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに対する駆動流が互いに影響を及ぼすことなく、安定した流量の駆動流を各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに供給することができる。

【0030】

また、この各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃに対する駆動流の流量調整を積極的に行うことにより、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの性能に応じた最適な駆動流量に設定することができる。例えば、冬季の低エジェクタ背圧の場合、エジェクタ１ａへの駆動流量を大きくし、エジェクタ１ｃへの駆動流量を小さくする。また、夏季の高エジェクタ背圧の場合、エジェクタ１ｃへの駆動流量を大きくし、エジェクタ１ａに対する駆動流量を小さくする。また、中間期（春季や秋季）の中エジェクタ背圧の場合、エジェクタ１ｂの駆動流量を大きくし、他のエジェクタ１ａ，１ｃに対する駆動流量を小さくする。

【0031】

＜変形例３＞
ここで、図６は、エジェクタ１ａの内部構造の一例を模式的に示した断面側面図である。図６に示したエジェクタ１ａは、ノズル１０により駆動流を噴出し、この噴出した駆動流により吸引流を吸引し、混合部２３により駆動流と吸引流とを混合させ、ディフューザ２４より昇圧された吐出流を吐出する。このエジェクタ１ａでは、ノズル１０のノズル孔１１内にニードル２０が中心軸ＬＬ方向に進退し、ニードル２０の外周面とノズル孔１１の内周面との間隙で決まる駆動流の通過断面積を変化させることにより、駆動流の流量を調整している。このニードル２０の進退はアクチュエータ８ａにより駆動される。したがって、ニードル２０の進退駆動制御を行うことにより、変形例２の流量調整弁７ａと同様に駆動流の流量制御を行うことができる。そこで、変形例３では、図７に示すように、図５の流量調整弁７ａ～７ｃに替えて、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの各ニードル４０を進退駆動する各アクチュエータ８ａ～８ｃを駆動制御することにより、各エジェクタ１ａ，１ｂ，１ｃの駆動流の流量調整を行うようにしている。

【0032】

なお、変形例２，３において、蒸発器６及び膨張弁５は、変形例１と同様に複数対を並列配置してもよい。ここで、蒸発器６及び膨張弁５を複数対、設ける場合、各蒸発器６ａ～６ｃに供給する被冷却水の水量は、各蒸発器６ａ～６ｃに対して同じであってもよいし、蒸発器６ａ～６ｃごとに異なる供給量、例えば各エジェクタ１ａ～１ｃの流量比ｒに合わせた流量に調整してもよい。また、各蒸発器６ａ～６ｃから得られる冷水は合流させて出力する。

【0033】

また、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

【符号の説明】

【0034】

１ エジェクタ群
１ａ～１ｃ エジェクタ
２ 凝縮器
３ ポンプ
４ 蒸気生成器
５，５ａ～５ｃ 膨張弁
６，６ａ～６ｃ 蒸発器
７ａ～７ｃ 流量調整弁
８ａ～８ｃ アクチュエータ
１０ ノズル
１１ ノズル孔
２０ ニードル
Ｃ 制御部
Ｌ，Ｌ１～Ｌ３，Ｌ１１～Ｌ１３ エジェクタ特性
ＬＬ 中心軸
Ｐ エジェクタ背圧
ｒ 流量比

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】