JP2006105526A - 混合冷媒冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 地球温暖化防止の効果が高いとともに、火災発生リスクを低下でき、かつ、高効率運転が可能な冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】 ノズル部１２ａ、媒吸引口１２ｃおよび昇圧部１２ｂを有するエジェクタ１２を備え、エジェクタ１２の冷媒流出側に配置される気液分離器１３内の気相冷媒を圧縮機１０に吸入させ、気液分離器１３の液相冷媒出口部１３ｂと冷媒吸引口１２ｃとの間を結合する分岐通路１４に、気液分離器１３からの液相冷媒を蒸発させて冷却能力を発揮する蒸発器１５を設け、サイクル内循環冷媒としてＣＯ２と、ＣＯ２に比較して高沸点で、蒸発潜熱が大きい可燃性冷媒とを混合した混合冷媒を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒減圧手段および冷媒循環手段をなすエジェクタを有するエジェクタ式冷凍サイクルにおいて混合冷媒を用いるものであり、例えば、車両用空調装置等の冷凍サイクルに適用して有効である。

冷媒減圧手段および冷媒循環手段をなすエジェクタ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、冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）を用いて高圧圧力が冷媒の臨界圧力を越える超臨界サイクルを構成することが特許文献１に提案されている。

このエジェクタサイクルによると、エジェクタの昇圧部で昇圧した後の冷媒の気液を気液分離器で分離し、その気相冷媒を圧縮機に吸入させるとともに、気液分離器の液相冷媒をエジェクタの冷媒吸引口側に導く分岐通路に蒸発器を設け、この蒸発器で気液分離器の液相冷媒を蒸発させて、冷却能力を発揮するようになっている。

ここで、圧縮機の吸入圧をエジェクタの昇圧作用（ポンプ作用）によって蒸発器の冷媒蒸発圧力よりも高くすることができるので、蒸発器の冷媒蒸発圧力と圧縮機の吸入圧とが一致する通常の冷凍サイクルに比較してエジェクタサイクルでは圧縮機動力を低減でき、サイクルのＣＯＰ（成績係数）を向上できる。
特許第３３２２２６３号公報

ところで、ＣＯ２冷媒は後述の図２に示すように地球温暖化係数ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が従来のフロン系冷媒であるＲ１３４ａに比較して極めて小さいので、地球温暖化防止の観点からフロンＲ１３４ａの代替冷媒として使うことが推奨されている。

しかし、ＣＯ２の物性はフロンＲ１３４ａに比較して、臨界温度が非常に低温度（３１．１℃）であるにもかかわらず、臨界圧力が非常に高い（７３７２ｋＰａ）という特徴を持っている。

このため、夏期の高外気温時には外気を冷却流体として高圧冷媒の放熱を行うために、高圧冷媒の圧力（圧縮機吐出圧）を上記臨界圧力を越える高い圧力まで上昇させる必要が生じ、圧縮機動力の増加を招く。

一方、フロンＲ１５２ａは、図２に示すように地球温暖化係数ＧＷＰがフロンＲ１３４ａに比較して大幅に小さいので、地球温暖化防止に有利である。しかも、フロンＲ１５２ａはＣＯ２の臨界温度以上の温度域でも飽和圧力がＣＯ２の臨界圧力に比較して大幅に低い物性になっている。

このため、フロンＲ１５２ａを用いた冷凍サイクルの高圧側圧力はＣＯ２冷凍サイクルに比較して大幅に引き下げることができる。従って、フロンＲ１５２ａを用いた冷凍サイクルでは、ＣＯ２冷凍サイクルに比較して圧縮機動力を低減できる。

しかし、フロンＲ１５２ａ冷媒は図２に示す化学式の組成からなり、可燃性を有しているので、フロンＲ１５２ａを単体で用いると、室内へ漏れ出た場合に火災発生のリスクが高くなる。

本発明は、上記点に鑑み、地球温暖化防止の効果が高いとともに、火災発生リスクを低下でき、かつ、高効率運転が可能な冷凍サイクルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、高圧冷媒の放熱を行う放熱器（１１）下流側の冷媒を減圧膨張させるノズル部（１２ａ）、このノズル部（１２ａ）から噴出する高い速度の冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口（１２ｃ）、および高い速度の冷媒流と冷媒吸引口（１２ｃ）からの吸引冷媒とを混合した冷媒流の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（１２ｂ）を有するエジェクタ（１２）を備えるエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、
エジェクタ（１２）の冷媒流出側と圧縮機（１０）の吸入側との間に、エジェクタ（１２）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機（１０）に吸入させる気液分離器（１３）を配置し、
気液分離器（１３）の液相冷媒出口部（１３ｂ）と冷媒吸引口（１２ｃ）との間を結合する分岐通路（１４）に、気液分離器（１３）からの液相冷媒を蒸発させて冷却能力を発揮する蒸発器（１５）を設け、
サイクル内循環冷媒として、ＣＯ２と、ＣＯ２に比較して高沸点で、かつ、蒸発潜熱が大きい可燃性冷媒とを混合した混合冷媒を用いることを特徴としている。

これによると、混合冷媒を構成するＣＯ２および可燃性冷媒の地球温暖化係数ＧＷＰがフロンＲ１３４ａに比較して大幅に小さいので、地球温暖化防止の効果を高めることができる。

そして、可燃性冷媒はＣＯ２に比較して高沸点であるため、ＣＯ２よりも高い圧力条件まで液相を維持する。その結果、気液分離器（１３）で分離される液相冷媒は可燃性冷媒の比率が高くなり、一方、気液分離器（１３）で分離される気相冷媒はＣＯ２の比率が高くなる。

ここで、可燃性冷媒の蒸発潜熱はＣＯ２よりも十分大きいため、可燃性冷媒の比率が高い液相冷媒を分岐通路（１４）の蒸発器（１５）に導くことにより、ＣＯ２単体の冷媒を用いる場合に比較して、蒸発器（１５）の冷却能力を向上できる。

更に、可燃性冷媒はＣＯ２の臨界温度以上の温度域でも飽和圧力がＣＯ２の臨界圧力に比較して大幅に低い物性になっているので、圧縮機（１０）に吸入される気相冷媒中に可燃性冷媒が混じっていることにより、圧縮機（１０）の吐出圧（高圧側圧力）をＣＯ２単体の冷媒を用いる場合に比較して低下できる。これにより、圧縮機（１０）の駆動動力を低減できる。

しかも、可燃性冷媒と不燃性のＣＯ２とを混合することにより、可燃性冷媒を単体で用いる場合に比較して可燃性を大幅に低減できるので、火災発生のリスクを低下できる。

なお、本発明における可燃性冷媒は、具体的には、請求項２に記載のフロンＲ１５２ａや請求項３に記載の炭化水素系冷媒を用いればよい。この炭化水素系冷媒としては、プロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）等を使用できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の混合冷媒冷凍サイクルにおいて、気液分離器（１３）内の気相冷媒を冷却する冷却手段（１８）を有することを特徴とする。

これによると、気液分離器（１３）内の気相冷媒中に含まれる可燃性冷媒の液化を冷却手段（１８）により促進できるので、気液分離器（１３）内における液相冷媒のうち可燃性冷媒の比率をより一層高めて、蒸発器（１５）の冷却能力を一層向上できる。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の混合冷媒冷凍サイクルにおいて、冷却手段は、気液分離器（１３）内の液相冷媒の一部が減圧されて流入し、蒸発する補助蒸発器（１８）であることを特徴とする。

これによると、気液分離器（１３）内の液相冷媒自体を利用して、簡単な構成で気相冷媒を冷却できる。

なお、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
係を示すものである。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態によるエジェクタサイクルを示しており、本実施形態は車両用空調装置の冷凍サイクルに適用した例を示す。

圧縮機１０は冷媒を吸入し、圧縮するもので、本実施形態では、この圧縮機１０を図示しない車両走行用エンジンにより電磁クラッチ１０ａ、ベルト等を介して回転駆動するようになっている。なお、圧縮機１０として固定容量型圧縮機を使用する場合は、電磁クラッチにより圧縮機作動のオンオフ制御を行ってオンオフ作動の比率を制御することにより冷媒吐出能力を制御できる。また、圧縮機１０として吐出容量を変化できる可変容量型圧縮機を使用すれば、吐出容量の制御により冷媒吐出能力を制御できる。

この圧縮機１０の冷媒流れ下流側には放熱器１１が配置されている。放熱器１１は圧縮機１０から吐出された高圧冷媒と図示しない冷却ファンにより送風される外気（車室外空気）との間で熱交換を行って高圧冷媒を冷却する。

放熱器１１の冷媒流れ下流側部位にはエジェクタ１２が配置されている。このエジェクタ１２は流体を減圧する減圧手段であるとともに、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（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）。

エジェクタ１２には、放熱器１１から流入する高圧冷媒の通路面積を小さく絞って、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部１２ａと、ノズル部１２ａの冷媒噴出口と同一空間に配置され、後述する蒸発器１５からの気相冷媒を吸引する吸引口１２ｃが備えられている。

さらに、ノズル部１２ａおよび吸引口１２ｃの冷媒流れ下流側部位には、昇圧部をなすディフューザ部１２ｂが配置されている。このディフューザ部１２ｂは冷媒の通路面積を徐々に大きくする形状に形成されており、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する作用を果たす。

エジェクタ１２のディフューザ部１２ｂの冷媒流出側は気液分離器１３に接続される。この気液分離器１３はタンク形状からなり、エジェクタ１２から流出した冷媒の気液を密度差により分離して、気液分離器１３のタンク形状内部の上方側に気相冷媒が溜まり、下方側に液相冷媒が溜まる。

そこで、気液分離器１３のタンク形状の上方部に気相冷媒の出口１３ａを設けて圧縮機１０の吸入側に接続している。一方、気液分離器１３のタンク形状の下方部に液相冷媒の出口１３ｂを設けて、この液相冷媒の出口１３ｂとエジェクタ１２の冷媒吸引口１２ｃとの間を分岐通路１４により結合している。

この分岐通路１４には蒸発器１５が設けられている。この蒸発器１５は車両用空調装置の室内空調ユニット部の通風路内に設置されて、空調用送風機１６の送風空気を冷却する。空調用送風機１６はモータ回転数制御により風量が制御可能な電動送風機である。

そして、本実施形態では、サイクル内循環冷媒として、ＣＯ２と、可燃性冷媒の一種であるフロンＲ１５２ａとを混合した混合冷媒を用いている。フロンＲ１５２ａはフロンＲ１３４ａと同様にフロン系冷媒であるが、フロンＲ１５２ａは図２に示す化学式の組成からなり、可燃性を有している。

なお、図２において、燃焼範囲は空気に対する各冷媒の体積比率（ｖｏｌ％）で示しており、フロンＲ１５２ａの燃焼範囲は、４．８％（下限値）〜１７．３％（上限値）の範囲である。

ところで、フロンＲ１５２ａの大気圧における沸点は−２５℃で、ＣＯ２の大気圧における沸点は−７８．４℃であるから、フロンＲ１５２ａの方がＣＯ２よりも高沸点である。

ＣＯ２とフロンＲ１５２ａとでは、沸点の差が１０℃を上回る大きな差になっているため、ＣＯ２とフロンＲ１５２ａとを混合した混合冷媒は非共沸混合冷媒となる。従って、ＣＯ２とフロンＲ１５２ａとを混合した状態でもＣＯ２とフロンＲ１５２ａがそれぞれの物性を維持する。

次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。最初に、エジェクタサイクルとしての基本作動を説明する。圧縮機１０を車両エンジンにより駆動すると、圧縮機１０は気液分離器１３内の気相冷媒を吸入して圧縮し、吐出する。この吐出冷媒（高温高圧状態の冷媒）は放熱器１１に流入して外気により冷却され放熱する。

放熱器１１から流出した高圧冷媒は、エジェクタ１２に流入しノズル部１２ａで減圧され、膨張する。これにより、冷媒は低温低圧の気液２相状態となる。このノズル部１２ａで高圧冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、冷媒は高速度となってノズル噴出口から噴出する。この際に生じるノズル噴出口付近の圧力低下により、吸引口１２ｃから蒸発器１５通過後の気相冷媒を吸引する。

ノズル部１２ａから噴出した冷媒と吸引口１２ｃに吸引された冷媒は、ノズル部１２ａ下流側で混合してディフューザ部１２ｂに流入する。このディフューザ部１２ｂでは通路面積の拡大により、冷媒の速度（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。

そして、エジェクタ１２のディフューザ部１２ｂから流出した冷媒は気液分離器１３内に流入して、気相冷媒と液相冷媒とに分離される。よって、気液分離器１３は、気相冷媒と液相冷媒とを分離する１段の蒸留器としての作用を果たすことになる。

気液分離器１３内の気相冷媒は圧縮機１０に吸入され、圧縮される。一方、気液分離器１３内の液相冷媒は分岐通路１４側へ流れる。この液相冷媒は蒸発器１５に流入し、ここで送風機１６の送風空気から吸熱して蒸発する。

これにより、送風機１６の送風空気を冷却でき、車室内の冷房を行うことができる。蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は吸引口１２ｃに吸引され、ノズル部１２ａからの高速噴出流（駆動流）と混合する。

なお、蒸発器１５における冷媒蒸発圧力は、気液分離器１３の液相冷媒出口１３ｂと蒸発器１５との間の冷媒通路圧損により気液分離器１３内の冷媒圧力よりも一段と低い圧力となる。気液分離器１３の液相冷媒出口１３ｂと蒸発器１５との間にキャピラリチューブやオリフィス等からなる固定絞り、あるいは絞り開度を調節できる可変絞りからなる絞り機構（減圧手段）を設けてもよい。

次に、サイクル内循環冷媒として、ＣＯ２と、可燃性冷媒の一種であるフロンＲ１５２ａとを混合した混合冷媒を用いることに基づく特有の作用効果を説明する。フロンＲ１５２ａはＣＯ２に比較して高沸点冷媒であるから、エジェクタ１２通過後の液相冷媒は、ＣＯ２よりもフロンＲ１５２ａの比率が高いフロンＲ１５２ａリッチの液となる。

このため、気液分離器１３内で気液分離され、下方部に溜まる液相冷媒もフロンＲ１５２ａリッチとなる。これに伴って、気液分離器１３内の上方部に溜まる気相冷媒はＣＯ２リッチとなる。

フロンＲ１５２ａの潜熱（ここでは蒸発潜熱）は図２に示すようにＣＯ２よりも十分大きいから、蒸発器１５にＣＯ２単体の冷媒が蒸発器１５に流入する場合に比較して、フロンＲ１５２ａリッチの混合冷媒が蒸発器１５に流入することにより、蒸発器１５の冷却能力を向上できる。

なお、蒸発器１５で蒸発した気相状態のフロンＲ１５２ａ冷媒の一部は、エジェクタ１２のノズル部１２ａからの低温低圧の高速噴出流（駆動流）と混合することにより液化することができる。

一方、圧縮機１０は、気液分離器１３内の上方部に溜まるＣＯ２リッチの気相冷媒を吸入し、圧縮して吐出するが、このＣＯ２リッチの気相冷媒の中にはフロンＲ１５２ａが混合されており、このフロンＲ１５２ａはＣＯ２の臨界温度以上の温度域でも飽和圧力がＣＯ２の臨界圧力に比較して大幅に低い物性になっているので、ＣＯ２単体の冷媒を用いる場合に比較して圧縮機１０の冷媒吐出圧、すなわち、サイクル高圧側圧力を下げることができる。

これにより、圧縮機１０の駆動動力をＣＯ２単体の冷媒を用いる場合に比較して低減できる。よって、蒸発器１５の冷却能力の向上と圧縮機１０の駆動動力低減とを同時に達成でき、サイクルの高効率運転（ＣＯＰ向上）を実現できる。

また、ＣＯ２とフロンＲ１５２ａとの混合冷媒を用いることにより、ＣＯ２単体の冷媒を用いる場合に比較してサイクル高圧側圧力および低圧側圧力（蒸発器１５の冷媒蒸発圧力）をともに下げることができる。そのため、放熱器１１等の高圧側機器および蒸発器１５等の低圧側機器の耐圧強度をともに下げることができ、これらの機器のコスト低減にも貢献できる。

ところで、蒸発器１５は室内側機器であるから、蒸発器１５付近で冷媒洩れが発生すると、その洩れ冷媒は直接車室内へ流入することになるが、フロンＲ１５２ａとＣＯ２の混合冷媒は、フロンＲ１５２ａ単体の冷媒を用いる場合に比較してＣＯ２の不燃性により冷媒の可燃性を引き下げることができ、火災発生のリスクを低下できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、エジェクタ１２の下流側に気液分離器１３を配置し、この気液分離器１３のみで冷媒の気液を分離しているので、気液分離器１３により１段の蒸留器を構成しているが、第２実施形態は複数段の蒸留器を構成する。

図３は第２実施形態を示すもので、気液分離器１３の下方部に、蒸発器１５の入口側に接続される液相冷媒出口１３ｂの他に補助液相冷媒出口１３ｃを設け、この補助液相冷媒出口１３ｃに、絞り機構１７および補助蒸発器１８を有する補助分岐通路１９を接続し、この補助分岐通路１９の出口部を圧縮機１０の吸入側通路に合流させている。

補助蒸発器１８は、気液分離器１３内部の上方側の気相冷媒領域に配置される。絞り機構１７はキャピラリチューブやオリフィス等からなる固定絞りで構成すればよいが、必要に応じて、絞り開度を調節できる可変絞りで絞り機構１７を構成してもよい。

第２実施形態によると、絞り機構１７による減圧相当分だけ補助蒸発器１８での冷媒蒸発温度が気液分離器１３内の冷媒温度よりも低くなるので、補助蒸発器１８により気液分離器１３内の気相冷媒を冷却できる。この冷却作用によって気液分離器１３内の気相冷媒の液化を促進できる。

その結果、気液分離器１３内の気相冷媒中に含まれるフロンＲ１５２ａの液化を一層促進できるので、気液分離器１３内の下方部に溜まる液相冷媒におけるフロンＲ１５２ａの比率を高めることができる。これにより、蒸発器１５の冷却能力を一層向上できる。

第２実施形態によると、気液分離器１３による冷媒の気液の密度差を利用した気液分離作用と、補助蒸発器１８の冷却作用による気相冷媒の液化促進作用とにより２段の蒸留作用を発揮できる。

なお、図３では補助液相冷媒出口１３ｃを独立に設けているが、補助液相冷媒出口１３ｃを廃止して液相冷媒出口１３ｂに補助分岐通路１９の入口部を接続してもよい。

（他の実施形態）
なお、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下述べるごとく種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、ＣＯ２とフロンＲ１５２ａとを混合した混合冷媒を用いているが、フロンＲ１５２ａの代わりにプロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）等の炭化水素系の冷媒を用いてよい。すなわち、これらの炭化水素系の冷媒（可燃性冷媒）の物性は図２に示すようにフロンＲ１５２ａと同様に、ＣＯ２よりも高沸点で、蒸発潜熱が大であり、かつ、炭化水素系の冷媒はＣＯ２の臨界温度以上の温度域でも飽和圧力がＣＯ２の臨界圧力に比較して大幅に低い物性になっている。

このように炭化水素系の冷媒はフロンＲ１５２ａと共通の特徴を持っているので、フロンＲ１５２ａの代わりに炭化水素系の冷媒を用いても同様の作用効果を発揮できる。

（２）上述の実施形態では、分岐通路１４に１個の蒸発器１５のみを設けているが、分岐通路１４に複数の蒸発器を直列接続、あるいは並列接続してもよい。また、エジェクタ１２のディフューザ部１２ｂと気液分離器１３の冷媒入口部との間に別の蒸発器を追加設置してもよい。

（３）上述の実施形態では、蒸発器１５を車両用空調装置の室内空調ユニットに設置して、蒸発器１５により車室内の冷房機能を発揮するようにしているが、車両用冷凍冷蔵装置における冷凍冷蔵機能発揮のために蒸発器１５を使用してもよい。また、本発明は車両用に限らず、定置用等の用途の冷凍サイクルにも適用できる。

（４）上述の実施形態では、エジェクタ１２として、ノズル１４ａの冷媒流路面積が一定の固定ノズル式のものを使用しているが、エジェクタ１２として、ノズル１４ａの冷媒流路面積つまり流量を調節する可変流量型のエジェクタを使用してもよい。

本発明の第１実施形態によるエジェクタサイクルを示す模式図である。 各種冷媒の物性を比較して示す図表である。 本発明の第２実施形態による気液分離器１３部分を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…圧縮機、１１…放熱器、１２…エジェクタ、１２ａ…ノズル部、
１２ｂ…ディフューザ部（昇圧部）、１２ｃ…冷媒吸引口、１３…気液分離器、
１４…分岐通路、１５…蒸発器。

Claims (5)

1. 冷媒を吸入し圧縮する圧縮機（１０）と、
   前記圧縮機（１０）から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器（１１）と、
   前記放熱器（１１）下流側の冷媒を減圧膨張させるノズル部（１２ａ）、前記ノズル部（１２ａ）から噴出する高い速度の冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口（１２ｃ）、および前記高い速度の冷媒流と前記冷媒吸引口（１２ｃ）からの吸引冷媒とを混合した冷媒流の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（１２ｂ）を有するエジェクタ（１２）と、
   前記エジェクタ（１２）の冷媒流出側と前記圧縮機（１０）の吸入側との間に配置され、前記エジェクタ（１２）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して前記気相冷媒を前記圧縮機（１０）に吸入させる気液分離器（１３）と、
   前記気液分離器（１３）の液相冷媒出口部（１３ｂ）と前記冷媒吸引口（１２ｃ）との間を結合する分岐通路（１４）と、
   前記分岐通路（１４）に設けられ、前記気液分離器（１３）からの液相冷媒を蒸発させて冷却能力を発揮する蒸発器（１５）とを備え、
   サイクル内循環冷媒として、ＣＯ２と、ＣＯ２に比較して高沸点で、かつ、蒸発潜熱が大きい可燃性冷媒とを混合した混合冷媒を用いることを特徴とする混合冷媒冷凍サイクル。
2. 前記可燃性冷媒は、フロンＲ１５２ａであることを特徴とする請求項１に記載の混合冷媒冷凍サイクル。
3. 前記可燃性冷媒は、炭化水素系冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の混合冷媒冷凍サイクル。
4. 前記気液分離器（１３）内の気相冷媒を冷却する冷却手段（１８）を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の混合冷媒冷凍サイクル。
5. 前記冷却手段は、前記気液分離器（１３）内の液相冷媒の一部が減圧されて流入し、蒸発する補助蒸発器（１８）であることを特徴とする請求項４に記載の混合冷媒冷凍サイクル。
   

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