蒸気圧縮冷凍サイクル
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。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。
図8.エジェクタサイクル冷凍機の構成
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(図8、9の番号に対応)。
(6g → 1) :圧縮機(Compressor)で冷媒蒸気を圧縮する。
(1 → 2) :油分離器(Oil Separator)で混入潤滑油を分離し、凝縮器(Condenser)で放熱・冷却して、受液器(図略)で一旦液を溜めておく。
(2 → 3) :エジェクタ(Ejector)のノズル(Nozzle, ラバール・ノズル)で断熱膨張させて、エンタルピー(圧力)を速度エネルギーに変換する(図9)。
(3, 9 → 4) :ノズルで生じた低圧で、蒸発器(Evaporator)を出た冷媒蒸気を吸込み部(Suction Flow)から吸引する。
(4 → 5) :混合部(Mixing Section)で両方の冷媒を混合する。
(5 → 6) :ディフュザ(Diffuser)でさらに減速・昇圧する。
(6 → 6g, 6_l) :気液分離器(Accumulator, 蓄圧器)で気体と液体を分離する。
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(理想的には等エントロピー膨張)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(CO2で7.38 MPa, 31.1 °C)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。
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。
蒸発器出口では飽和蒸気を越えて、冷凍庫内温度(ヒートポンプでは外界温度)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(ヒートポンプでは加熱温度)に引きずられて、少しサブクール液となる(過冷却)。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(入熱)を除けば、前項の計算式はそのまま使うことができる。