JP2005249315A - エジェクタサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 エジェクタサイクルにおいて、複数の蒸発器５・６で複数の冷却対象空間を同時に異なる温度帯で冷却する。
【解決手段】 気液分離器４と複数の蒸発器５・６との間に圧力損失発生手段７を設けた。
これは、蒸発温度を低く制御したい蒸発器の上流側に圧力損失発生手段７を設けたものである。これによれば、複数の蒸発器５・６に常時冷媒を流すことができるため、複数の蒸発器５・６で同時に冷却作用を発揮することができる。これにより、複数の蒸発器５・６が同時に、同一または別々の冷却対象空間を冷却することができる。また、各々の蒸発器５・６にてエジェクタ３による省動力効果を活用可能であり、冷凍サイクルの効率を良くできると共に、各々の蒸発器５・６での蒸発温度が調節可能であり、複数の蒸発器５・６で複数の冷却対象空間を同時に異なる温度帯で冷却することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体を減圧する減圧手段を成すと共に、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタ（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３など参照）を有するエジェクタサイクルに関するものであり、複数の冷媒蒸発器（以下、蒸発器）で異なる温度帯を実現するような冷凍サイクル適用して有効である。

従来、複数の蒸発器を持つ冷凍サイクルとして、以下に示すようなものが知られている。まず、図４に示すように蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、放熱器２下流側の冷媒流路を２つに分岐して、一方の蒸発器５は冷房用として車室内の冷房を行い、他方の蒸発器６は冷蔵用として冷蔵庫内の冷却を行うように配置したものが知られている。

このクールボックス付きカーエアコンのような複数の蒸発器を用いた冷凍サイクルでは、冷房用の冷媒流路と冷蔵用の冷媒流路とを切替弁や電磁弁１１・１２の組み合わせなどで切り替えると共に、室内冷房を行う蒸発器５と庫内冷蔵を行う蒸発器６とが所望蒸発温度となるよう、膨張弁などの減圧手段１３・１４を設けて両立させている。

また、図５に示すように冷媒減圧手段および冷媒循環手段としてエジェクタ３を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（エジェクタサイクル）において、気液分離器４の下流側に蒸発器５・６を並列に配置して同時運転するものが知られている。このエジェクタサイクルによると、エジェクタ３を使用しているため、冷媒を膨張させる時のエネルギー損失を低減できる。

また、膨張時の冷媒の高速な流れにより生じる負圧を利用して、蒸発器６から排出される冷媒を吸引することにより、圧縮機１の負荷を軽減できる。このため、サイクルの冷凍能力が向上すると共に、圧縮機１の動力を低減することができる。また、蒸発器を２つ配置したため、２つの蒸発器５・６が別々の空間、または２つの蒸発器５・６で同一の空間を冷却することができる。

また、図６に示すように冷媒減圧手段および冷媒循環手段としてエジェクタ３を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（エジェクタサイクル）において、エジェクタ３と気液分離器４との間に第２の蒸発器６を配置したものが知られている。これによれば、両蒸発器５・６間にエジェクタ３での昇圧分の蒸発温度差が生じる。

しかしながら、図４の冷凍サイクルでは、タイマーで冷房用の冷媒流路と冷蔵用の冷媒流路とを切り替えて運転するため、冷媒が流れていない流路にある蒸発器の温度が上昇し、切り替え直後の吹出温度が高温となってしまうという問題がある。また、エジェクタサイクルでの構成も提案されているが、図５の冷凍サイクルでは、気液分離器４から単純に分岐する構成のため、各々の蒸発器５・６ともエジェクタ３による昇圧効果が期待できるが、蒸発温度を別々に制御することはできない。

また、図６のエジェクタサイクルでは、エジェクタ３の吐出側に配置される蒸発器６には、エジェクタ３の昇圧効果（省動力効果）が適用されない。また、エジェクタ３の冷媒循環（気相冷媒の吸引）作用を維持しつつ、エジェクタ３よりも冷媒流れ下流の第１蒸発器５で冷媒を完全に蒸発させなければならないため、冷媒の流量を最適に調整することが難しいという問題もある。また、これらのエジェクタサイクルでは冷凍能力が必要な蒸発器にのみ冷媒を流すことができない点も大きな課題である。

本発明は、上記従来の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、エジェクタを使用した高効率の冷凍サイクルにおいて、複数の蒸発器で複数の冷却対象空間を同時に異なる温度帯で冷却することのできるエジェクタサイクルを提供することにある。更に、冷凍能力が必要な蒸発器でのみ冷却が行えるエジェクタサイクルを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）が吐出する高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２）と、放熱器（２）から流出する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部（３ａ）、ノズル部（３ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により吸引部（３ｂ）から気相冷媒を吸引し、ノズル部（３ａ）から噴射する冷媒と吸引部（３ｂ）から吸引した気相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（３ｃ、３ｄ）を有するエジェクタ（３）と、エジェクタ（３）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を蓄えると共に、液相冷媒を複数の蒸発器（５、６）に供給し、気相冷媒を圧縮機（１）に供給する気液分離器（４）と、気液分離器（４）の液冷媒出口下流側に並列接続され、気液分離器（４）から供給される液相冷媒を蒸発させ、その蒸発した冷媒を吸引部（３ｂ）に供給する複数の蒸発器（５、６）とを備えたエジェクタサイクルにおいて、気液分離器（４）と複数の蒸発器（５、６）との間に圧力損失発生手段（７）を設けたことを特徴としている。

これは、図５の構成に加えて、蒸発温度を低く制御したい蒸発器（図１の例では蒸発器６）の上流側に圧力損失発生手段（７）を設けたものである。この請求項１に記載の発明によれば、複数の蒸発器（５、６）に常時冷媒を流すことができるため、複数の蒸発器（５、６）が同時に吸熱作用を発揮することができる。これにより、複数の蒸発器（５、６）が同時に、同一または別々の冷却対象空間を冷却することができる。

尚、図４に示した従来の冷凍サイクルのように、冷媒が通過する蒸発器の切り替えが無いため、当然に切り替え後の蒸発器の熱負荷に起因する不具合は解消される。また、各々の蒸発器（５、６）にてエジェクタ（３）による省動力効果を活用可能であり、冷凍サイクルの効率を良くできると共に、各々の蒸発器（５、６）での蒸発温度が調節可能であり、複数の蒸発器（５、６）で複数の冷却対象空間を同時に異なる温度帯で冷却することができる。

また、請求項２に記載の発明では、圧力損失発生手段（７）として液相冷媒を減圧する減圧手段（７）を用いたことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、圧力損失発生手段（７）としては、従来から用いているキャピラリチューブなどの固定絞りや膨張弁などの可変絞り、または、曲げやヘッド差などの配管レイアウトによる圧力損失発生手段などであっても良い。

また、請求項３に記載の発明では、冷媒流路選択手段（８〜１０）を設け、気液分離器（４）から複数の蒸発器（５、６）へ液相冷媒を供給する複数の冷媒流路の中から流通させる流路を選択可能としたことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、例えば一方の蒸発器（５）のみや、他方の蒸発器（６）のみなどと、必要な蒸発器のみで冷却対象空間を冷却することができる。

また、請求項４に記載の発明では、冷媒流路選択手段（８〜１０）として切替弁（８）を用いたことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、冷媒流路選択手段（８〜１０）として、気液分離器（４）から複数の蒸発器（５、６）に分岐させる部位に、例えば三方弁などの切替弁（８）を構成して冷媒流路を切り替えるようにしても良い。

また、請求項５に記載の発明では、冷媒流路選択手段（８〜１０）として開閉弁（９、１０）を組み合せて用いたことを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、冷媒流路選択手段（８〜１０）として、気液分離器（４）から複数の蒸発器（５、６）に分岐させたそれぞれの冷媒流路に、例えば電磁開閉弁などの開閉弁（９、１０）を組み合せて構成して冷媒流路を切り替えるようにしても良い。これにより、例えば一方の蒸発器（５）のみや、他方の蒸発器（６）のみや、両方の蒸発器（５、６）などと、必要な蒸発器にて冷却対象空間を冷却することができる。

また、請求項６に記載の発明では、冷媒は、フロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つであることを特徴としている。尚、ここでフロン系とは炭素・フッ素・塩素・水素からなる有機化合物の総称であり、冷媒として広く使用されているものである。フロン系冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロ・クロロ・フルオロ・カーボン）系冷媒、ＨＦＣ（ハイドロ・フルオロ・カーボン）系冷媒などが含まれており、これらはオゾン層を破壊しないため代替フロンと呼ばれる冷媒である。

また、ＨＣ（炭化水素）系冷媒とは、水素・炭素を含み、自然界に存在する冷媒物質のことである。このＨＣ系冷媒には、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）などがある。この請求項６に記載の発明によれば、これらフロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つを使用しても良い。ちなみに、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。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図であり、車両用空調装置の冷凍サイクルに適用した例で説明する。エジェクタサイクルには、冷媒が循環する冷媒循環経路が構成されており、冷媒循環経路には冷媒を吸入圧縮する圧縮機１が配置されている。この圧縮機１の冷媒流れ下流側には、圧縮機１が吐出する高圧冷媒の熱を放熱する放熱器２が配置されており、放熱器２よりも更に冷媒流れ下流側部位には、エジェクタ３が配置されている。

エジェクタ３は、圧縮機１で加圧され放熱器２を経由して流入する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３ａと、そのノズル３ａから噴射する高い速度の冷媒流により低圧側に接続した複数のエバポレータ（蒸発器）５・６で蒸発した気相冷媒を吸引する吸引部３ｂと、その吸引した冷媒とノズル３ａから噴射する冷媒とを混合させる混合部３ｃと、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部３ｄとを有する。

尚、エジェクタ３から噴出する冷媒は、必ずしもディフィーザ部３ｄのみで昇圧されるものではなく、混合部３ｃにおいても、低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引する際に冷媒圧力を上昇させるので、混台部３ｃとディフィーザ部３ｄとを総称して昇圧部と呼ぶ。また、本実施形態では、混合部３ｃの断面積はディフューザ部３ｄまで一定であるが、混合部３ｃの断面積をディフューザ部３ｄに向かうほど大きくなるようにテーパ状としても良い。

エジェクタ３から流出した冷媒は気液分離器４に流入される。気液分離器４は、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を蓄えると共に、その液相冷媒を複数のエバポレータ５・６に供給し、気相冷媒は圧縮機１に供給するものである。そして、気液分離器４の液相冷媒出口下流側には、複数のエバポレータ５・６が並列接続されている。

第１エバポレータ５は、冷媒と車室内に吹き出す空気とを熱交換させて、冷媒を蒸発（吸熱）させることにより冷房能力を発揮するものである。また、第２エバポレータ６は、冷媒と冷蔵庫内の空気とを熱交換させて、冷媒を蒸発（吸熱）させることにより冷蔵能力を発揮するものである。これらの複数のエバポレータ５・６は、気液分離器４から供給される液相冷媒を蒸発させ、その蒸発した冷媒をエジェクタ３の吸引部３ｂに供給するようになっている。

また、本実施形態のエジェクタサイクルには、蒸発温度を低く制御したいエバポレータ（本実施形態では第２エバポレータ６とする）の上流側に圧力損失発生手段として減圧手段７を設けている。この減圧手段７は、従来から用いているキャピラリチューブなどの固定絞りや膨張弁などの可変絞り、または、曲げやヘッド差などの配管レイアウトによる圧力損失発生手段などであっても良い。

次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。圧縮機１が駆動すると、圧縮機１で圧縮されて高温高圧状態となった冷媒は吐出され、放熱器２に流入する。放熱器２では高温の冷媒が車室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が車室外空気により冷却されて液化凝縮する。

放熱器２から流出した液相冷媒は、エジェクタ３に流入してノズル部３ａで減圧される。つまり、ノズル部３ａで冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されている。このノズル部３ａで高速度となって噴出口から噴出する冷媒は、この際に生じる断熱熱落差により、吸入部３ｂから第１・第２エバポレータ５・６にて蒸発した気相冷媒を吸引する。

そして、ノズル部３ａから噴出した冷媒と吸引された冷媒とは、混合してディフューザ部３ｄに流入する。この時、冷媒の膨張エネルギーが圧力エネルギーに変換されるため、冷媒の圧力が上昇する。エジェクタ３から流出した冷媒は、気液分離器４に流入する。

気液分離器４では、冷媒が気相冷媒と液相冷媒とに分離され、液相冷媒は蓄えられると共に、その液相冷媒は複数のエバポレータ５・６に供給され、気相冷媒は圧縮機１に供給される。尚、第２エバポレータ６へ流れる冷媒は、減圧手段７によって減圧されてから供給される。

第１エバポレータ５では、冷媒が車室内へ流れる空気から吸熱する、言い換えると冷媒が車室内空気で加熱されて気化蒸発する。また、第２エバポレータ６では、冷蔵庫内の空気から吸熱する、言い換えると冷媒が冷蔵庫内空気で加熱されて気化蒸発する。そして、第１・第２エバポレータ５・６から流出した気相冷媒は、エジェクタ３の吸引部３ｂへ流れる。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、気液分離器４と複数のエバポレータ５・６との間に減圧手段７を設けている。これは、従来（図５）の構成に加えて、蒸発温度を低く制御したい蒸発器（本実施形態ではエバポレータ６）の上流側に減圧手段７を設けたものである。これによれば、複数のエバポレータ５・６に常時冷媒を流すことができるため、複数のエバポレータ５・６が同時に吸熱作用を発揮することができる。これにより、複数のエバポレータ５・６が同時に、同一または別々の冷却対象空間を冷却することができる。

尚、図４に示した従来の冷凍サイクルのように、冷媒が通過するエバポレータの切り替えが無いため、当然に切り替え後のエバポレータの熱負荷に起因する不具合は解消される。また、各々のエバポレータ５・６にてエジェクタ３による省動力効果を活用可能であり、冷凍サイクルの効率を良くできると共に、各々のエバポレータ５・６での蒸発温度が調節可能であり、複数のエバポレータ５・６で複数の冷却対象空間を同時に異なる温度帯で冷却することができる。

また、圧力損失発生手段７として液相冷媒を減圧する減圧手段７を用いている。これによれば、減圧手段７としては、従来から用いているキャピラリチューブなどの固定絞りや膨張弁などの可変絞り、または、曲げやヘッド差などの配管レイアウトによる圧力損失発生手段などであっても良い。

また、冷媒は、フロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つであるとしている。尚、ここでフロン系とは炭素・フッ素・塩素・水素からなる有機化合物の総称であり、冷媒として広く使用されているものである。フロン系冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロ・クロロ・フルオロ・カーボン）系冷媒、ＨＦＣ（ハイドロ・フルオロ・カーボン）系冷媒などが含まれており、これらはオゾン層を破壊しないため代替フロンと呼ばれる冷媒である。

また、ＨＣ（炭化水素）系冷媒とは、水素・炭素を含み、自然界に存在する冷媒物質のことである。このＨＣ系冷媒には、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）などがある。これによれば、これらフロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つを使用しても良い。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図である。上述した第１実施形態と異なるのは、冷媒流路選択手段８を設け、気液分離器４から複数のエバポレータ５・６へ液相冷媒を供給する複数の冷媒流路の中から流通させる流路を選択可能としている。これによれば、例えば一方のエバポレータ５のみや、他方のエバポレータ６のみなどと、必要なエバポレータのみで冷却対象空間を冷却することができる。

また、冷媒流路選択手段として切替弁８を用いている。これによれば、本実施形態のように冷媒流路選択手段として、気液分離器４から複数のエバポレータ５・６に分岐させる部位に、例えば三方弁などの切替弁８を構成して冷媒流路を切り替えるようにしても良い。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図である。上述した第１・第２実施形態と異なるのは、冷媒流路選択手段として第１・第２電磁開閉弁（開閉弁）９・１０を組み合せて用いている。これによれば、冷媒流路選択手段として、気液分離器４から複数のエバポレータ５・６に分岐させたそれぞれの冷媒流路に、例えば電磁開閉弁などの開閉弁９・１０を組み合せて構成して冷媒流路を切り替えるようにしても良い。これにより、例えば一方のエバポレータ５のみや、他方のエバポレータ６のみや、両方のエバポレータ５・６などと、必要なエバポレータにて冷却対象空間を冷却することができる。

（その他の実施形態）
上述の第１〜第３実施形態では本発明を車両用空調装置に適用した例を示したが、本発明は車両用空調装置に限らず、給湯器用のヒートポンプサイクルなどの蒸気圧縮式サイクルに適用しても良い。また、上述の第１〜第３実施形態では、冷媒の種類を特定しなかったが、冷媒はフロン系・ＨＣ系の代替フロン・二酸化炭素など、蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用できるものであれば良い。

また、上述の第１〜第３実施形態では、エバポレータ５・６が２つの異なる冷凍能力を持つ冷凍サイクルであるが、３つ以上のエバポレータが異なる冷凍能力を発揮するものであっても良い。また、放熱器２の下流側にレシーバが配置されていても良い。また、上述の第１〜第３実施形態のエジェクタ３として、第１エバポレータ５の過熱度などを検知して流量調整機能を有する可変エジェクタを使用しても良いし、ノズル３ａでの絞りが一定の固定エジェクタであっても良い。また、上述の第１〜第３実施形態では、２つの冷凍能力を発揮するエバポレータ５・６を別体で構成しているが、これらのエバポレータ５・６が一体となっていても良い。

本発明の第１実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図である。 本発明の第３実施形態におけるエジェクタサイクルを示す模式図である。 従来の複数の蒸発器を持つ冷凍サイクルを示す模式図である。 従来の複数の蒸発器を持つエジェクタサイクルを示す模式図である。 従来の複数の蒸発器を持つエジェクタサイクルを示す模式図である。

符号の説明

１…圧縮機
２…放熱器
３…エジェクタ
３ａ…ノズル部
３ｂ…吸引部
３ｃ…混合部（昇圧部）
３ｄ…ディフューザ部（昇圧部）
４…気液分離器
５…第１エバポレータ（複数の蒸発器）
６…第２エバポレータ（複数の蒸発器）
７…減圧弁（減圧手段、圧力損失発生手段）
８…三方弁（切替弁、冷媒流路選択手段）
９…第１電磁開閉弁（開閉弁、冷媒流路選択手段）
１０…第２電磁開閉弁（開閉弁、冷媒流路選択手段）

Claims (6)

1. 冷媒を吸入して圧縮する圧縮機（１）と、
   前記圧縮機（１）が吐出する高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２）と、
   前記放熱器（２）から流出する前記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部（３ａ）、前記ノズル部（３ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により吸引部（３ｂ）から気相冷媒を吸引し、前記ノズル部（３ａ）から噴射する冷媒と前記吸引部（３ｂ）から吸引した前記気相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（３ｃ、３ｄ）を有するエジェクタ（３）と、
   前記エジェクタ（３）から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して前記液相冷媒を蓄えると共に、前記液相冷媒を複数の蒸発器（５、６）に供給し、前記気相冷媒を前記圧縮機（１）に供給する気液分離器（４）と、
   前記気液分離器（４）の液相冷媒出口下流側に並列接続され、前記気液分離器（４）から供給される前記液相冷媒を蒸発させ、その蒸発した冷媒を前記吸引部（３ｂ）に供給する前記複数の蒸発器（５、６）とを備えたエジェクタサイクルにおいて、
   前記気液分離器（４）と前記複数の蒸発器（５、６）との間に圧力損失発生手段（７）を設けたことを特徴とするエジェクタサイクル。
2. 前記圧力損失発生手段（７）として前記液相冷媒を減圧する減圧手段（７）を用いた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。
3. 冷媒流路選択手段（８〜１０）を設け、前記気液分離器（４）から前記複数の蒸発器（５、６）へ前記液相冷媒を供給する複数の冷媒流路の中から流通させる流路を選択可能としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエジェクタサイクル。
4. 前記冷媒流路選択手段（８〜１０）として切替弁（８）を用いたことを特徴とする請求項３に記載のエジェクタサイクル。
5. 前記冷媒流路選択手段（８〜１０）として開閉弁（９、１０）を組み合せて用いたことを特徴とする請求項３に記載のエジェクタサイクル。
6. 前記冷媒は、フロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載のエジェクタサイクル。

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