JP2006118727A

JP2006118727A - エジェクタサイクル

Info

Publication number: JP2006118727A
Application number: JP2004304003A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ikegami; 真池上; Hirotsugu Takeuchi; 裕嗣武内; Haruyuki Nishijima; 春幸西嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】蒸発温度帯が異なる複数の蒸発器を備えるエジェクタサイクルにおけるＣＯＰを向上させる。
【解決手段】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とエジェクタ１２の冷媒吸引口１２ｃとの間を結合する分岐通路１４を形成し、分岐通路１４の上流側に第１蒸発器１６を配置するとともに、分岐通路１４のうち、第１蒸発器１６の下流側に、第１蒸発器１６よりも冷媒蒸発圧力が低い第２蒸発器１８を配置する。
【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サイクルに関するものであり、例えば、車両用冷凍冷蔵装置等の冷凍サイクルに適用して有効である。

本出願人は、特許文献１において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）を提案している。この特許文献１では、エジェクタと、エジェクタ下流側に配置される気液分離器との間に第１蒸発器を配置するとともに、気液分離器の液相冷媒出口側とエジェクタの冷媒吸引口側との間の分岐通路に第２蒸発器を設けるものが実施形態の１つとして記載されている。

この従来技術では、エジェクタの昇圧部で昇圧した後の冷媒が第１蒸発器を通過して気液分離器内に流入し、ここで冷媒の気液が分離され、液相冷媒が第２蒸発器を通過してエジェクタの冷媒吸引口に吸引される。この冷媒吸引作用は、エジェクタのノズル部からで高速で噴出する冷媒流の減圧作用（エジェクタ効果）によって行われる。
特許第３３２２２６３号公報

ところで、上記従来技術では、分岐通路に設けられた第２蒸発器の通過冷媒は、エジェクタに吸引され、昇圧されるので、エジェクタによる昇圧効果を利用している。しかし、第１蒸発器側は、エジェクタの昇圧部で昇圧した後の冷媒が通過するので、エジェクタによる昇圧効果を利用していない。

このことがエジェクタサイクルによるＣＯＰ（成績係数）の向上効果が不十分となる原因になっている。

本発明は、上記点に鑑み、蒸発温度帯が異なる複数の蒸発器を備えるエジェクタサイクルにおけるＣＯＰの向上を図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）から噴射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）と、
エジェクタ（１２）の冷媒流出側と圧縮機（１０）の吸入側との間に配置された気液分離器（１３）と、
気液分離器（１３）の液相冷媒出口部（１３ｂ）とエジェクタ（１２）の冷媒吸引口（１２ｃ）との間を結合する分岐通路（１４）とを備え、
分岐通路（１４）の上流側に第１蒸発器（１６）を配置するとともに、分岐通路（１４）のうち、第１蒸発器（１６）の下流側に、第１蒸発器（１６）よりも冷媒蒸発圧力が低い第２蒸発器（１８）を配置することを特徴としている。

これによると、第１、第２蒸発器（１６、１８）を通過して蒸発した気相冷媒の全部をエジェクタ（１２）により吸引し、昇圧できる。これにより、両蒸発器（１６、１８）の冷媒蒸発圧力よりも圧縮機（１０）の吸入圧の方を高くすることができるので、圧縮機（１０）の動力低減効果が、第２蒸発器側の通過冷媒のみをエジェクタにより吸引し、昇圧する従来技術に比較して大きくなり、サイクルのＣＯＰを向上できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタサイクルにおいて、気液分離器（１３）の液相冷媒出口部（１３ｂ）と第１蒸発器（１６）との間に第１絞り機構（１５）を配置し、第１蒸発器（１６）と第２蒸発器（１８）との間に第２絞り機構（１７）を配置したことを特徴とする。

これによると、第１絞り機構（１５）および第２絞り機構（１７）の減圧作用により第１蒸発器（１６）および第２蒸発器（１８）の冷却作用にそれぞれ適合した冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）を容易に設定できる。

請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載のエジェクタサイクルにおいて、第１蒸発器（１６）により冷蔵室を冷却し、第２蒸発器（１８）により冷凍室を冷却すれば、冷蔵、冷凍の２温度帯の冷却機能を良好に発揮できる。

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。

以下本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は本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冷凍冷蔵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。また、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。

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（ＪＩＳＺ８１２６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、後述する第２蒸発器１８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には冷媒流れの上流側から下流側へ向かって、第１絞り機構１５、第１蒸発器１６、第２絞り機構１７および第２蒸発器１８が順次直列に接続されている。ここで、第１絞り機構１５は気液分離器１３からの液相冷媒を減圧して第１蒸発器１６での冷媒蒸発圧力を調節するものである。

同様に、第２絞り機構１７も第１蒸発器１６出口の冷媒（気液２相冷媒）を減圧して第２蒸発器１８での冷媒蒸発圧力を調節するものである。この第１、第２絞り機構１５、１７は、具体的には、キャピラリチューブやオリフィス等からなる固定絞り、あるいは絞り開度を調節できる可変絞りのいずれで構成してもよい。

ここで、第１絞り機構１５を可変絞りで構成する場合は第１蒸発器１６での冷媒蒸発圧力や冷媒蒸発温度を可変絞りの絞り開度により調節することが好ましい。また、第２絞り機構１７を可変絞りで構成する場合は、第２蒸発器１８での冷媒蒸発圧力や冷媒蒸発温度、あるいは第２蒸発器１８出口での冷媒過熱度を可変絞りの絞り開度の調節により調節することが好ましい。

分岐通路１４の上流側に位置する第１蒸発器１６の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）に比較して、下流側に位置する第２蒸発器１８の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）が低くなる。そこで、本実施形態では、車両用冷凍冷蔵装置における冷蔵庫の冷却手段として第１蒸発器１６を用い、車両用冷凍冷蔵装置における冷凍庫の冷却手段として第２蒸発器１８を用いている。

第１蒸発器１６および第２蒸発器１８には、それぞれ第１、第２送風機１９、２０により庫内空気が送風されるようになっている。この第１、第２送風機１９、２０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。

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凝縮する。

放熱器１１から流出した液相冷媒は、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から第２蒸発器１８にて蒸発した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。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。この液相冷媒は先ず第１絞り機構１５で減圧されて第１蒸発器１６に流入し、ここで第１送風機１９の送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、第１送風機１９の送風空気を冷却して冷蔵室内を冷却できる。

第１蒸発器１６を通過した冷媒（気液２相冷媒）は第２絞り機構１７で再度減圧されて第２蒸発器１８に流入し、ここで第２送風機２０の送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、第２送風機２０の送風空気を冷却して冷凍室内を冷却できる。第２蒸発器１８を通過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。

前述のごとく第１蒸発器１６の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）よりも第２蒸発器１８の冷媒蒸発圧力（冷媒蒸発温度）が低くなるので、第１蒸発器１６により冷却される冷蔵庫の冷却温度よりも第２蒸発器１８により冷却される冷凍庫の冷却温度を低くすることができる。従って、冷凍冷蔵装置の冷蔵庫と冷凍庫とを所定の温度差を付けた２つの温度帯で良好に冷却できる。

ところで、本実施形態では、気液分離器１３の液相冷媒出口部１３ｂとエジェクタ１２の吸引口１２ｃとの間を結合する分岐通路１４に第１、第２の２つの蒸発器１６、１８を直列接続しているから、この両蒸発器１６、１８を通過して蒸発した気相冷媒の全部をエジェクタ１２により吸引し、昇圧できる。

これにより、両蒸発器１６、１８の冷媒蒸発圧力よりも圧縮機１０の吸入圧の方を高くすることができるので、圧縮機１０の動力低減効果が、第２蒸発器側の通過冷媒のみをエジェクタにより吸引し、昇圧する従来技術に比較して大きくなり、その結果、サイクルのＣＯＰを向上できる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上述の一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、分岐通路１４に第１、第２の２つの蒸発器１６、１８を直列接続しているが、例えば、第１蒸発器１６に別の蒸発器を並列接続するとか、あるいは第２蒸発器１８に別の蒸発器を並列接続するようにしてもよい。

また、分岐通路１４に３つ以上の蒸発器を直列接続してもよい。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。

（２）第１、第２の２つの蒸発器１６、１８は構造的には１つの蒸発器であってもよい。すなわち、１つの蒸発器の冷媒流路の途中に第２絞り機構１７を配置し、１つの蒸発器の冷媒流路のうち第２絞り機構１７の上流側部分を第１蒸発器１６として構成し、１つの蒸発器の冷媒流路のうち第２絞り機構１７の下流側部分を第２蒸発器１８として構成してもよい。

（３）第１、第２の２つの蒸発器１６、１８間の冷媒蒸発圧力の差は第２絞り機構１７により設定できるので、第１絞り機構１５を廃止してもよい。

（４）上述の実施形態では、第１絞り機構１５および第２絞り機構１７を固定絞りあるいは可変絞りにより構成しているが、第１絞り機構１５および第２絞り機構１７として特別の絞り手段を設定せずに、例えば、第１蒸発器１６の入口側冷媒配管の流路長さによる圧損を利用して、第１蒸発器１６の入口側冷媒配管自体により第１絞り機構１５を構成してもよい。

同様に、第２蒸発器１８の入口側冷媒配管の流路長さによる圧損を利用して、第２蒸発器１８の入口側冷媒配管自体により第２絞り機構１７を構成してもよい。

また、第１、第２蒸発器１６、１８の実際の搭載位置に基づく重力方向の高さ位置の差（ヘッド差）による圧損を利用して、第１、第２蒸発器１６、１８の入口側冷媒配管自体により第１、第２絞り機構１５、１７を構成してもよい。

（５）上述の実施形態では、車両用冷凍冷蔵装置における冷蔵庫内を第１蒸発器１６で冷却し、冷凍庫内を第２蒸発器１８で冷却する例を説明したが、例えば、第１蒸発器１６で車室内を冷房し、第２蒸発器１８で冷蔵庫内を冷却する用途に本発明を適用してもよい。また、熱負荷の異なる複数部位の冷房のために本発明を適用してもよい。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。このように、本発明は複数の温度帯で冷却が必要な種々な用途に適用できる。

（６）上述の実施形態では、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（ＣＯ₂）など蒸気圧縮式の超臨界サイクルおよび亜臨界サイクルのいずれに適用できるものであってもよい。

なお、ここでフロンとは炭素、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）系冷媒等が含まれており、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。

（７）上述の実施形態において、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。

本発明の一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。

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…第１絞り機構、１６…第１蒸発器、１７…第２絞り機構、
１８…第２蒸発器。

Claims

冷媒を吸入し圧縮する圧縮機（１０）と、
前記圧縮機（１２）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）から噴射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）とを備え、
前記分岐通路（１４）の上流側に第１蒸発器（１６）を配置するとともに、
前記分岐通路（１４）のうち、前記第１蒸発器（１６）の下流側に、前記第１蒸発器（１６）よりも冷媒蒸発圧力が低い第２蒸発器（１８）を配置することを特徴とするエジェクタサイクル。
前記気液分離器（１３）の液相冷媒出口部（１３ｂ）と前記第１蒸発器（１６）との間に第１絞り機構（１５）を配置し、前記第１蒸発器（１６）と前記第２蒸発器（１８）との間に第２絞り機構（１７）を配置し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。
前記第１蒸発器（１６）により冷蔵室を冷却し、前記第２蒸発器（１８）により冷凍室を冷却するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のエジェクタサイクル。