蒸気圧縮冷凍サイクル

蒸気圧縮冷凍サイクルは、一般に用いられている冷凍機のサイクルであり、液体が蒸発気化する際に周囲から熱を奪う現象を利用した冷凍機の熱力学サイクルのひとつである。逆ランキンサイクルと称されることもある。圧縮は通常1段であるが、圧力比が高くなる場合などでは多段圧縮とする。

気体の冷媒を圧縮機で圧縮して昇温し、凝縮器で放熱凝縮して液体とし、膨張弁で減圧膨張させて一部の液を蒸発させ、蒸発器で残りの液を蒸発気化させて、周りから熱を奪い取る。気化した冷媒は圧縮機で再度圧縮されて、サイクルを繰り返す。

膨張弁に代えて容積式またはタービン式の膨張機を用いて、一部の動力を回収するサイクルも可能であるが、液を多量に含む冷媒の膨張機は破損しやすく、効率も低いため、膨張弁を用いるのがほとんどである。

冷凍機では蒸発器での吸熱を利用するが、同じサイクルで凝縮器での放熱を加熱用途に利用すれば、ヒートポンプとして動作する。

蒸気圧縮冷凍サイクルは、多くの商工業用冷凍設備として用いられるほか、家庭用のほとんどの冷蔵庫、冷暖房機で用いられている山田}}。

1. サイクルの基本動作
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File:Refrigerator_Schema1.svg|図1.蒸気圧縮冷凍機の構成 File:RefrigerationCycle_P-v_Chart1.svg|図2.蒸気圧縮冷凍サイクルの P-v 線図 このサイクルを用いる冷凍機は、図1のように圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器で構成され、この順に循環する。圧縮機-凝縮器の間に油分離器、凝縮器-膨張弁間に受液器などの補助機器が入る場合もある。

この間の冷媒の状態変化を単純化して下表および P-v 線図上に示す。

圧縮機入口1は飽和蒸気であり、圧縮機出口2は過熱蒸気となる。凝縮器では、飽和液3まで冷却される。膨張弁はニードル弁形の自動膨張弁か、簡単なものでは毛細管であり、不可逆の絞り変化を行い、減圧により一部の液が蒸発して温度が低下し、湿り蒸気となる。蒸発器で残りの液が蒸発して周りから吸熱し、圧縮機入口へ戻る。

以上のサイクルを T-s 線図および P-h 線図に描きなおしたものを下図に示す。 File:RefrigerationCycle_T-s_Chart1.svg|図3.蒸気圧縮冷凍サイクルの T-s 線図 File:RefrigerationCycle_P-h_Chart1.svg|図4.蒸気圧縮冷凍サイクルの P-h 線図

圧力比が7程度以下であれば、上記のような1段圧縮のサイクルが用いられるが、それ以上の圧力比では多段圧縮サイクルとする。多段の場合は、所要動力を節約するために圧縮機中間冷却、多段絞り等の種々の工夫したサイクルが用いられる谷下}}。

1.1. 冷凍効果、冷凍能力、所要動力および成績係数
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冷媒単位質量あたりの熱および仕事の出入りは、各状態の比エンタルピー h を用いて下表のように求まる。膨張弁ではエンタルピー変化がないため、hsub であることに注意。

冷凍機では qc}} が冷凍効果であり、冷媒循環量を G  とすると、冷凍能力 Q および所要動力 W は

となる。

成績係数COP は両者の比として次式となる。

加熱用途のヒートポンプとして用いた場合には、加熱能力 Q および成績係数は

となる。

1.2. 実際の蒸気圧縮冷凍サイクル
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前記のサイクルでは流路まさつその他の影響を無視し、絞り変化以外は可逆変化と考えているが、実際のサイクルの P-h 線図は右図のようになる山田}}。

蒸発器出口では飽和蒸気を越えて、冷凍庫内温度に引きずられて、少し過熱蒸気となる。これは冷凍効果の増加につながるので、好都合である。
凝縮器出口では飽和液を越えて、外界温度に引きずられて、少しサブクール液となる。これも冷凍効果の増加につながる。
蒸発器、凝縮器や途中の配管で管まさつ等の抵抗により圧力降下が生じる。これは所要動力の増加と運転費の増加につながるが、配管径を太くすれば設備費の増加につながる。
圧縮機では等エントロピーとはならず、粘性まさつの影響で低温域でエントロピーが増加し、出口付近で放熱が生じてエントロピーが減少する。なお、これらの変更を伴っても、外部への放熱を除けば、前項の計算式はそのまま使うことができる。

2. 液－ガス熱交換器付きサイクル
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File:Refrigerator_Schema1_with_Exchanger.svg|図6.液－ガス熱交換器付きサイクルの構成 File:RefrigerationCycle_P-h_Chart1b.svg|図7.液－ガス熱交換器付きサイクルの P-h 線図

主に冷凍機の運転円滑化を目的として、図6のように凝縮器出口の冷媒液と蒸発器出口の冷媒ガスを熱交換器を介して熱交換する場合がある。これにより図7のように、膨張弁に入る冷媒液は3からさらに過冷却されて3'となり、圧縮機に入る冷媒ガスは1からさらに過熱されて1'となる。熱交換器での放熱が無視できれば、hsub となっている。

この場合、冷媒単位体積あたりの冷凍能力、所要動力、成績係数等は次式となる。

液-ガス熱交換器を用いることにより、以下のメリットが生じる協会}}。

圧縮機に送られる冷媒を過熱度が大きくなることにより、運転条件が変わっても湿り圧縮や液圧縮となるのを防止することができる。
蒸発器に送られる冷媒液の過冷却度が大きくなることにより、途中の液配管内のフラッシュガス発生を防止できる。これにより、前項と合わせて、冷凍機の運転がより円滑になる。
前記過冷却の増加に伴い冷凍効果 qc}} が増加することにより、成績係数が向上することが期待できる。一般に、過冷却の増加は成績係数の向上につながる。しかし、この場合は同時に圧縮機に入る冷媒ガスの比体積が増加することにより、圧縮機の所要動力も増加するため、メリットが相殺される場合も多い。また アンモニア、R22 等の冷媒では、圧縮機出口の冷媒温度が高くなり過ぎる場合があるので、注意を要する協会}}。

3. 膨張機サイクル
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絞り変化を行う膨張弁の代わりに容積式またはタービン式の膨張機を用いれば、原理的には減圧に合わせて動力の回収を行うことができる。膨張機で回収された動力分だけ成績係数が向上する。しかし、フロン類等の通常の冷媒を用いる場合、回収できる動力の割合が小さく、効率も低いため、実際にはほとんど用いられていない。

一方近年、地球温暖化への影響の点で、フロン類に代わる自然冷媒として二酸化炭素が注目され、これを用いた冷凍サイクルも使用され始めている。この場合は臨界点を超えた超臨界圧サイクルとなるため、膨張機による動力回収を行えば、成績係数を大幅に向上させることも可能とされている福田}}。

4. 圧縮機吐き出しガスバイパス
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容量制御機構を持たない圧縮機において、圧縮機吐出しガスをホットガスバイパス弁で膨張弁出口にバイパスさせ容量制御を行うことがある。バイパスガスを余分に圧縮しなければならないので成績係数は低下する。

5. 液噴射で圧縮機吸込み蒸気を冷却するサイクル
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圧縮機流入蒸気の過熱度が大きすぎ吐出しガスの温度が高すぎる場合、受液器から調節弁での液噴射で、圧縮機吸込み蒸気の過熱度を低下させることがある。噴射液の割合分だけ成績係数は低下する。

6. エジェクタサイクル
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エジェクタサイクルは、凝縮器出口の冷媒液を絞り弁で減圧する代わりにエジェクタに導き、エジェクタで生じた負圧で蒸発器を出た蒸気を吸引し、圧力回収と気液分離とを行って圧縮機に送り込むサイクルである。このサイクルの概念は以前から存在していたが、低かわき度湿り蒸気のエジェクタが非効率的であったため、実用にはなっていなかった。

2003年6月に日本のデンソーが世界ではじめて、高効率のエジェクタサイクル冷凍機の開発に成功した武内1。エジェクタサイクル冷凍機の構成とエジェクタ部の詳細を下図に示す。 File:Ejector-Cycle_Refrigerator_Schema.svg|図8.エジェクタサイクル冷凍機の構成 File:Ejector_for_Refrigeration_Cycle.svg|図9.エジェクタ部の詳細

サイクルの動作は以下のようになる。

 :圧縮機で冷媒蒸気を圧縮する。  :油分離器で混入潤滑油を分離し、凝縮器で放熱・冷却して、受液器で一旦液を溜めておく。  :エジェクタのノズルで断熱膨張させて、エンタルピーを速度エネルギーに変換する