JP2002323264A

JP2002323264A - エジェクタサイクル

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Publication number: JP2002323264A
Application number: JP2001128035A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Takeuchi; 裕嗣武内; Hiroshi Oshitani; 洋押谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-11-08
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP3433737B2

Abstract

(57)【要約】【課題】少なくとも蒸発器での冷凍能力（吸熱能力）
を向上させる。【解決手段】エジェクタサイクルにおいて、冷媒とし
て混合冷媒を採用する。これにより、ノズル４１０（エ
ジェクタ４００）にて冷媒が等エントロピ変化するの
で、高圧冷媒を等エンタルピ減圧させる場合に比べて、
減圧直後の冷媒の乾き度が小さくなる。したがって、気
液分離器５００に乾き度の小さい気液二相冷媒を気液分
離器５００に供給することができる。また、気液分離器
により蒸発器に液相冷媒が供給されるが、気液分離器に
気液分離器に乾き度の小さい気液二相冷媒供給されるの
で、気液分離器から蒸発器に供給される冷媒中に含まれ
る気相冷媒の割合が小さくなり、気液分離器から蒸発器
に冷媒が供給される際に発生する圧力損失の変動幅が小
さくなり、蒸発器内の冷媒温度（蒸発温度）の変化を小
さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒を減圧膨張さ
せて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、
膨張エネルギー（通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは膨
張弁等の減圧器で捨てられていた運動エネルギ）を圧力
エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジ
ェクタを有するエジェクタサイクルに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】Ｒ４０
４Ａ、Ｒ４０７及びＲ４１０等の２種類の冷媒が混合さ
れた混合冷媒を用いた通常の蒸気圧縮式冷凍サイクル
（膨張弁等の減圧手段により高圧冷媒を等エンタルピ膨
張（減圧）させる蒸気圧縮式冷凍サイクル）が製品化さ
れているが、この混合冷媒を用いた通常の蒸気圧縮式冷
凍サイクルでは、以下のような問題を有している。

【０００３】すなわち、通常、混合冷媒は、圧力が低く
なると、気液二相域のエンタルピ差（蒸発潜熱）が大き
くなるように調節されているため、コンデンサ等の高圧
側熱交換器の冷媒出口側（減圧器入口側）における冷媒
の過冷却度が小さい場合に、膨張弁等の減圧手段により
高圧冷媒を等エンタルピ膨張（減圧）させると、蒸発器
入口側（蒸発器に流入する）冷媒の乾き度が大きくなっ
てしまう。このため、通常の蒸気圧縮式冷凍サイクルで
は、蒸発器で蒸発させることができる液相冷媒量が少な
いため、十分な冷凍能力を蒸発器で発揮させることが難
しい。

【０００４】本発明は、上記点に鑑み、少なくとも蒸発
器での冷凍能力（吸熱能力）を向上させることを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入
圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）から吐
出した冷媒を冷却するコンデンサ（２００）と、冷媒を
蒸発させて冷凍能力を発揮する蒸発器（３００）と、コ
ンデンサ（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネル
ギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させる
ノズル（４１０）、ノズル（４１０）から噴射する高い
速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相
冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸
発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速
度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を
昇圧させる昇圧部（４２０、４３０）を有するエジェク
タ（４００）と、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し
て冷媒を蓄えるとともに、液相冷媒を蒸発器（３００）
を供給し、気相冷媒を圧縮機（１００）に供給する気液
分離器（５００）とを備え、冷媒として、少なくとも２
種類の冷媒が混合された混合冷媒が用いられていること
を特徴とする。

【０００６】これにより、エジェクタ（４００）（ノズ
ル（４１０））にて冷媒が等エントロピ的に変化するの
で、高圧冷媒を等エンタルピ膨張（減圧）させる通常の
蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて、減圧直後の冷媒の乾
き度が小さくなる。したがって、気液分離器（５００）
に乾き度の小さい気液二相冷媒（液相冷媒が多い気液二
相冷媒）を気液分離器（５００）に供給することができ
る。

【０００７】また、気液分離器（５００）により蒸発器
（３００）に液相冷媒が供給されるが、気液分離器（５
００）に気液分離器（５００）に乾き度の小さい気液二
相冷媒（液相冷媒が多い気液二相冷媒）供給されるの
で、気液分離器（５００）から蒸発器（３００）に供給
される冷媒中に含まれる気相冷媒の割合が小さくなり、
気液分離器（５００）から蒸発器（３００）に冷媒が供
給される際に発生する圧力損失の変動幅が小さくなる。

【０００８】したがって、蒸発器（３００）内の圧力変
動が小さくなるので、蒸発器（３００）内の冷媒温度
（蒸発温度）の変化を小さくすることができる。延いて
は、蒸発器（３００）での冷凍能力（吸熱能力）を向上
させることができる。

【０００９】なお、混合冷媒では、沸点の異なる複数種
類の冷媒が混合されているので、蒸発器（３００）内圧
力が一定であっても、単一の冷媒に比べて、蒸発器（３
００）内温度が高くなる傾向があるが、本発明では、前
述のごとく、蒸発器（３００）内の圧力変動が小さくす
ることができるので、混合冷媒を用いても、蒸発器（３
００）内温度が高くなることを十分に抑制することがで
きる。

【００１０】なお、混合冷媒としては、請求項３に記載
の発明のごとく、Ｒ４０４Ａを用いてもよい。

【００１１】また、混合冷媒としては、請求項４に記載
の発明のごとく、Ｒ４０７を用いてもよい。

【００１２】また、混合冷媒としては、請求項４に記載
の発明のごとく、Ｒ４１０を用いてもよい。

【００１３】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係るエジ
ェクタサイクルを二酸化炭素を冷媒とする車両用空調装
置に適用したものであり、図１は本実施形態に係るエジ
ェクタサイクルの模式図である。

【００１５】１００は走行用エンジン等の駆動源（図示
せず。）から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機で
あり、２００は圧縮機１００から吐出した冷媒と室外空
気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサである。

【００１６】３００は室内に吹き出す空気と液相冷媒と
を熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能
力を発揮する蒸発器であり、４００はコンデンサ２００
から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３００にて蒸
発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを
圧力エネルギーに変換して圧縮機１００の吸入圧を上昇
させるエジェクタである。

【００１７】ここで、エジェクタ４００は、図２に示す
ように、コンデンサ２００から流出した高圧冷媒の圧力
エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッ
ド）に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１０、ノ
ズル４１０から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット
流）により蒸発器３００にて蒸発した気相冷媒を吸引す
る混合部４２０、及びノズル４１０から噴射する冷媒と
蒸発器３００から吸引した冷媒とを混合させながら速度
エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇
圧させるディフューザ４３０等からなるものである。

【００１８】因みに、本実施形態に係るノズル４１０
は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１０ａを
有し、かつ、喉部４１０ａからノズル４１０の出口まで
の寸法Ｂが通路断面積が縮小し始める部位から喉部４１
０ａまでの寸法Ａより大きい末広ノズル（ｄｉｖｅｒｇ
ｅｎｔＮｏｚｚｌｅ、ｄｅＬａｖａｌＮｏｚｚｌ
ｅ）である。

【００１９】そして、本実施形態では、ノズル４１０の
出口相当直径Ｄｎに対する混合部４２０の相当直径の比
（＝Ｄｍ／Ｄｎ）である相当直径比Ｄｍ／Ｄｎを１．０
５以上となるようにノズル４１０及び混合部４２０の穴
径が選定されている。

【００２０】なお、相当直径とは、冷媒通路の断面積を
円に換算したときの直径を言うもので、本実施形態で
は、ノズル４１０の出口及び混合部４２０は円形である
ので、相当直径Ｄはノズル４１０の出口及び混合部４２
０となる。

【００２１】因みに、本実施形態では、混合部４２０の
相当直径Ｄｍはディフューザ４３０まで一定であるが、
混合部４２０の断面積をディフューザ４３０に向かうほ
ど大きくなるようにテーパ状としてもよい。但し、この
場合は、混合部４２０の相当直径を混合部４２０の入口
で規定する。

【００２２】また、図１中、５００はエジェクタ４００
から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷
媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液
分離器であり、分離された気相冷媒は圧縮機１００に吸
引され、分離された液相冷媒は蒸発器３００側に吸引さ
れる。

【００２３】なお、気液分離器５００と蒸発器３００と
を結ぶ冷媒通路３０１は蒸発器３００に吸引される冷媒
を減圧して蒸発器３００内の圧力（蒸発圧力）を確実に
低下させるために、キャピラリチューブや固定絞りのご
とく、冷媒が流通することにより所定の圧力損失が発生
するように設定されている。

【００２４】次に、エジェクタサイクルの概略作動を述
べる。

【００２５】圧縮機１００が起動すると、気液分離器５
００から気相冷媒が圧縮機１００に吸入され、圧縮され
た冷媒がコンデンサ２００に吐出される。そして、コン
デンサ２００にて冷却された冷媒は、エジェクタ４００
のノズル４１０にて略等エントロピ（断熱）的に減圧膨
張して蒸発器３００内の冷媒を吸引する。

【００２６】次に、蒸発器３００から吸引された冷媒と
ノズル４１０から吹き出す冷媒とは、混合部４２０にて
混合しながらディフィーザ４３０にてその動圧が静圧に
変換されて気液分離器５００に戻る。

【００２７】つまり、ノズル４１０から流出したジェッ
ト流（駆動流冷媒）は、蒸発器３００から冷媒を吸引加
速させながら、自らはその流速を低下させていく。この
とき、混合部４２０の冷媒出口部（ディフィーザ４３０
の冷媒入口部）において、蒸発器３００から吸引した吸
引ガス（吸引流冷媒）の流速と駆動流冷媒の流速とが略
等しくなるように混合し、その混合した冷媒は、ディフ
ィーザ４３０内に流入してその流速を低下させながら、
圧力を上昇させる。

【００２８】一方、エジェクタ４００にて蒸発器３００
内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３００には気液分離
器５００から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、
室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。

【００２９】次に、本実施形態の特徴（作用効果）を述
べる。

【００３０】図３は冷媒を混合冷媒（本実施形態では、
Ｒ４０４Ａ）とした場合のエジェクタサイクルの作動を
示すｐ−ｈ線図であり図３に示す番号は図１に示す番号
の位置における冷媒の状態を示すものである。

【００３１】図３に示すｐ−ｈ線図から明らかなよう
に、エジェクタサイクルにおいては、エジェクタ４００
（ノズル４１０）にて等エントロピ変化するので、高圧
冷媒を等エンタルピ膨張（減圧）させる通常の蒸気圧縮
式冷凍サイクルに比べて、減圧直後の冷媒の乾き度が小
さくなる。したがって、気液分離器５００に乾き度の小
さい気液二相冷媒（液相冷媒が多い気液二相冷媒）を気
液分離器５００に供給することができる。

【００３２】また、気液分離器５００により蒸発器３０
０に液相冷媒が供給されるが、気液分離器５００に気液
分離器５００に乾き度の小さい気液二相冷媒（液相冷媒
が多い気液二相冷媒）供給されるので、気液分離器５０
０から蒸発器３００に供給される冷媒中に含まれる気相
冷媒の割合が極めて小さくなり、気液分離器５００から
蒸発器３００に冷媒が供給される際に発生する圧力損失
の変動幅が小さくなる。

【００３３】したがって、蒸発器３００内の圧力変動が
小さくなるので、蒸発器３００内の冷媒温度（蒸発温
度）の変化を小さくすることができる。延いては、蒸発
器３００での冷凍能力（吸熱能力）を向上させることが
できる。

【００３４】因みに、単一冷媒（例えばＲ１３４ａ）を
エジェクタサイクルに用いた場合には、混合冷媒をエジ
ェクタサイクルに用いた場合に比べて、ノズル４１０前
後での断熱熱落差（ノズル効率）が小さくなる。

【００３５】なお、混合冷媒では、沸点の異なる複数種
類の冷媒が混合されているので、蒸発器３００内圧力が
一定であっても、単一の冷媒に比べて、蒸発器３００内
温度が高くなる傾向があるが、本実施形態では、前述の
ごとく、蒸発器３００内の圧力変動が小さくすることが
できるので、混合冷媒（Ｒ４０４Ａ）を用いても、蒸発
器３００内温度が高くなることを十分に抑制することが
できる。

【００３６】ところで、図４は流量比α（＝Ｇｅ／Ｇ
ｎ）をパラメータとしたときの混合形状比Ｌｍ／Ｄｍと
エジェクタ効率ηｅとの関係を示す数値シミレーション
結果であり、図４からも明らかなように、混合形状比Ｌ
ｍ／Ｄｍを２以上、１５２以下とし、かつ、ディフィー
ザ４３０の拡がり角度θｄ（図２参照）を０．２度以
上、７０度以下とすれば、１０％以上のエジェクタ効率
ηｅを確保することができる。

【００３７】なお、混合形状比Ｌｍ／Ｄｍとは、混合部
４２０の相当直径Ｄｍに対する混合部４２０の長さＬｍ
の比を言うもであり、混合部４２０の長さＬｍとは、図
２に示すように、ノズル４１０の冷媒出口からディフィ
ーザ４３０の冷媒入口までの寸法を言い、混合部４２０
の相当直径Ｄｍとは、混合部４２０の断面積を円に換算
したときの直径を言うもので、本実施形態では、混合部
４２０は円形であるので、相当直径Ｄｍは混合部４２０
の直径となる。

【００３８】なお、エジェクタ効率ηｅとは、コンデン
サ２００（高圧側熱交換器）を流通する冷媒流量Ｇｎと
ノズル４１０の出入口のエンタルピ差Δｉｅとの積を分
母とし、分子には、圧縮機１００の仕事としてエネルギ
がどの程度回収されたかを示す冷媒流量Ｇｎと蒸発器３
００（低圧側熱交換器）を流通する冷媒流量Ｇｅとの和
とエジェクタ４００での圧力回復ΔＰを置いて定義した
ものである。具体的には、エジェクタ４００に吸引され
る前の吸引冷媒の速度エネルギを考慮して、以下の数式
１で定義した。

【００３９】

【数１】

【００４０】但し、ｉ２、ｉ３、ｉ８、ｉ８’は、図３
の２、３、８、８’で示す点での比エンタルピを示し、
特に、符号３はノズル４１０出口（混合部４２０前）を
示し、符号４は混合部４２０入口を示す。

【００４１】なお、ノズル４１０にて等エンタルピ的に
減圧膨張させる（本発明の効果を十分に得る）には、ノ
ズル４１０前後の断熱熱落差の少なくとも６０％以上を
運動エネルギーに変換することができるノズル形状を採
用することが望ましい。

【００４２】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、混合冷媒として、Ｒ４０４Ａを用いたが、本発明は
これに限定されるものではなく、Ｒ４０７及びＲ４１０
等の混合冷媒を用いてもよい。

【００４３】また、図５に示すように、コンデンサ２０
０から流出した冷媒と圧縮機１００に吸入される冷媒と
を熱交換する熱交換器（内部熱交換器）６００を設けて
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの
模式図である。

【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルに
おけるエジェクタの模式図である。

【図３】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの
ｐ−ｈ線図である。

【図４】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルに
おけるエジェク効率と混合形状比（Ｌｍ／Ｄｍ）との関
係を示すグラフである。

【図５】本発明のその他の実施形態に係るエジェクタサ
イクルの模式図である。

【符号の説明】

１００…圧縮機、２００…コンデンサ、３００…蒸発
器、４００…エジェクタ、５００…気液分離器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）
と、前記圧縮機（１００）から吐出した冷媒を冷却するコン
デンサ（２００）と、前記冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮する蒸発器（３０
０）と、前記コンデンサ（２００）から流出した高圧冷媒の圧力
エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張
させるノズル（４１０）、前記ノズル（４１０）から噴
射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（３００）に
て蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１０）か
ら噴射する冷媒と前記蒸発器（３００）から吸引した前
記冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネル
ギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２
０、４３０）を有するエジェクタ（４００）と、前記冷媒を気相前記冷媒と液相前記冷媒とに分離して前
記冷媒を蓄えるとともに、液相冷媒を前記蒸発器（３０
０）を供給し、気相冷媒を前記圧縮機（１００）に供給
する気液分離器（５００）とを備え、前記冷媒として、少なくとも２種類の冷媒が混合された
混合冷媒が用いられていることを特徴とするエジェクタ
サイクル。
【請求項２】前記混合冷媒として、Ｒ４０４Ａが用い
られていることを特徴とする請求項１に記載のエジェク
タサイクル。
【請求項３】前記混合冷媒として、Ｒ４０７が用いら
れていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ
サイクル。
【請求項４】前記混合冷媒として、Ｒ４１０が用いら
れていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ
サイクル。