JP2007051812A - エジェクタ式冷凍サイクル - Google Patents
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Abstract
【課題】 冷媒蒸発圧力の相違する複数の蒸発器において冷媒が適切に蒸発できるようにすると同時に、サイクルの運転効率を向上させる。
【解決手段】 圧縮機12吐出冷媒と室内空気を室内熱交換器33a、33bで熱交換させて室内空気を加熱する。室内熱交換器33a、33bで凝縮した冷媒の流れを分岐して、一方を室外熱交換器31へ導入させて蒸発させ、他方をエジェクタ27に導入させて室外熱交換器31流出冷媒と混合昇圧して冷媒加熱器19に導入させて蒸発させ、さらに圧縮機12に吸引させる。これにより、冷媒蒸発温度の異なる複数の蒸発器で適切に冷媒を蒸発させると同時に、圧縮機12吸入圧力を上昇させてサイクルの運転効率の向上を図る。
【選択図】 図1
【解決手段】 圧縮機12吐出冷媒と室内空気を室内熱交換器33a、33bで熱交換させて室内空気を加熱する。室内熱交換器33a、33bで凝縮した冷媒の流れを分岐して、一方を室外熱交換器31へ導入させて蒸発させ、他方をエジェクタ27に導入させて室外熱交換器31流出冷媒と混合昇圧して冷媒加熱器19に導入させて蒸発させ、さらに圧縮機12に吸引させる。これにより、冷媒蒸発温度の異なる複数の蒸発器で適切に冷媒を蒸発させると同時に、圧縮機12吸入圧力を上昇させてサイクルの運転効率の向上を図る。
【選択図】 図1
Description
本発明は、エジェクタを有するエジェクタ式冷凍サイクルに関するもので、例えば、エンジン駆動式のヒートポンプ空調装置に適用して有効である。
従来、エジェクタ式冷凍サイクルを有するエンジン駆動式のヒートポンプ空調装置が、特許文献1にて知られている。
この特許文献1の空調装置は、図11に示すように、エンジン13より駆動力を得て冷媒を圧縮する圧縮機12、冷媒流路を切替える電気式四方弁21、冷媒と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器33、冷媒を減圧膨張させる減圧弁32、88、冷媒と室外空気との熱交換を行う室外熱交換器31、冷媒とエンジン冷却水との熱交換を行って冷媒を加熱する冷媒加熱器19、および、冷媒加熱器19下流側冷媒を減圧膨張させ、この減圧膨張時に生じる圧力低下を利用して室外熱交換器31下流側冷媒を吸引するエジェクタ27などを備えている。
そして、室内空気を暖房する暖房運転モード(加熱運転モード)では、電気式四方弁21を図11の実線のように切り替えて、冷媒が圧縮機12→室内熱交換器33→減圧弁25→室外熱交換器31→エジェクタ27の冷媒吸引口側→圧縮機12の順、および、冷媒を室内熱交換器33下流側で分岐して減圧弁88→冷媒加熱器19→エジェクタ27のノズル部側→圧縮機12の順(図11の実線矢印方向)に循環させている。
これにより、室内熱交換器33で冷媒が凝縮する際に室内空気へ放熱し、室外熱交換器31で冷媒が蒸発する際に室外空気から吸熱し、さらに冷媒加熱器19で冷媒が蒸発する際にエンジン冷却水から吸熱するサイクルを構成している。
ところで、この暖房運転モードでは、室外空気温度と冷却水温度とが異なるため、室外熱交換器31と冷媒加熱器19における冷媒蒸発温度が相違する。このため、室外熱交換器31と冷媒加熱器19における冷媒蒸発圧力も相違する。具体的には、高温(60℃以上)の冷却水と熱交換を行った冷媒加熱器19側の冷媒蒸発圧力が、室外熱交換器31側の冷媒蒸発圧力よりも高くなる。
従って、室外熱交換器31出口側と冷媒加熱器19出口側を直接接続すると、冷媒蒸発圧力の高い冷媒加熱器19側の冷媒のみが流出し、室外熱交換器31側の冷媒は流出できなくなる。その結果、室外熱交換器31において冷媒が蒸発できず吸熱作用を発揮することができなくなってしまう。
そこで、特許文献1の空調装置では、冷媒加熱器19から流出した冷媒をエジェクタ27のノズル部で減圧膨張させて、減圧膨張時の圧力低下を利用して室外熱交換器31から流出した冷媒を吸引して、ノズル部で減圧膨張させた冷媒と室外熱交換器31から吸引させた冷媒とを混合させ、混合冷媒の速度エネルギをエジェクタのディフューザ部にて圧力エネルギに変換して冷媒圧力を上昇させた後に圧縮機12に吸入させている。
これにより蒸発温度(蒸発圧力)の異なる冷媒加熱器19出口側冷媒と室外熱交換器31出口側冷媒とを同時に蒸発させながら圧縮機12に吸入させるとともに、圧縮機12吸入圧力を上昇させて、圧縮機12の駆動動力を低減してサイクルの運転効率を向上させている。
また、特許文献1の空調装置では、冷媒加熱器19からエジェクタ27のノズル部へ冷媒が流れることのみを許容する逆止弁89、室外熱交換器31からエジェクタ27の冷媒吸引口へ冷媒が流れることのみを許容する逆止弁90、および電気式四方弁21から室外熱交換器31へ冷媒が流れることのみを許容する逆止弁91を有しており、電気式四方弁21を切り替えることで室内空気を冷却する冷房運転モード(冷却運転モード)で運転を行うことができる。
具体的には、この冷房運転モードでは、電気式四方弁21を図11の破線のように切り替えて、冷媒が圧縮機12→室外熱交換器31→減圧弁25→室内熱交換器33→圧縮機12の順(図11の破線矢印方向)で循環させ、室内熱交換器33で冷媒が蒸発する際に室内空気から吸熱し、室外熱交換器31で冷媒が凝縮する際に室外空気へ放熱するサイクルを構成している。
特開平6−18121号公報
ところで、エジェクタ27のディフューザ部は冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換して冷媒圧力を上昇させるので、エジェクタ27のノズル部に液相冷媒よりも密度の小さい気相冷媒のみが供給されると、速度エネルギが小さくなりディフューザ部での昇圧量も小さくなる。
しかし、特許文献1の空調装置では、暖房運転モードにおいてエジェクタ27のノズル部に供給される冷媒は、冷媒加熱器19で高温の冷却水と熱交換した冷媒なので、ほぼ気相状態になっている。このため、ノズル部に液相冷媒を供給する場合に対して、ディフューザ部の冷媒昇圧量が小さくなるので、圧縮機12吸入圧力を上昇させにくく、サイクルの運転効率を上昇させにくい。
また、特許文献1の空調装置では、冷房運転モードにおいて室外熱交換器31で冷媒を凝縮させるために、エジェクタ27側から冷媒加熱器19側へ冷媒が流れないようにする逆止弁89、90、91などを設ける必要があり、サイクル構成が複雑になる。
さらに、特許文献1の空調装置では、冷房運転モードおいて冷媒がエジェクタ27を通過しないサイクル構成になっており、エジェクタ27が昇圧作用を発揮しないので、冷房運転モードのサイクルの運転効率を向上させることができない。
本発明は上記点に鑑み、冷媒蒸発圧力の相違する複数の蒸発器において冷媒が適切に蒸発できるようにすると同時に、サイクルの運転効率を向上させることを第1の目的とする。
また、加熱運転モードと冷却運転モードとを切替え可能なサイクルにおいて、サイクル構成を簡素化することを第2の目的とする。
さらに、冷房運転モードにおいてもサイクルの運転効率を向上させることを第3の目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、冷媒と熱交換対象とを熱交換させる利用側熱交換器(33a、33b、64、65)と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器(31)と、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)流出冷媒を減圧膨張させるノズル部(27a)から噴射する高速度の冷媒流により室外熱交換器(31)流出冷媒を内部に吸引するエジェクタ(27)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルであって、エジェクタ(27)流出冷媒と室外空気より高い温度の熱源とを熱交換させる冷媒加熱用熱交換器(19)とを備え、熱交換対象を加熱する加熱運転モードでは、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)は、圧縮機(12)吐出冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用し、室外熱交換器(31)は、冷媒を蒸発させる蒸発器として作用し、冷媒加熱用熱交換器(19)は、エジェクタ(27)流出冷媒を蒸発させる蒸発器として作用し、さらに、冷媒加熱用熱交換器(19)下流側冷媒を圧縮機(12)に吸入させるようになっているエジェクタ式冷凍サイクルを第1の特徴とする。
これによれば、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)が凝縮器として作用するので、圧縮機(12)から吐出された高温高圧の気相冷媒が放熱して熱交換対象を加熱できるとともに、冷媒を凝縮させることができる。そして、凝縮した液相冷媒をノズル部(27a)に流入させることができるので、エジェクタ(27)の昇圧作用を効率的に発揮させることができる。
その結果、エジェクタ(27)内部に吸引される室外熱交換器(31)の冷媒蒸発圧力よりもエジェクタ(27)流出側の冷媒加熱用熱交換器(19)の冷媒蒸発圧力を高くすることができ、冷媒蒸発温度の異なる室外熱交換器(31)と冷媒加熱用熱交換器(19)の双方において適切に蒸発させることができる。同時に、圧縮機(12)吸入圧力も上昇するので、サイクルの運転効率を向上させることができる。
また、第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)下流側とノズル部(27a)上流側との間の冷媒の流れを分岐して室外熱交換器(31)に接続する分岐通路(30)と、分岐通路(30)に配置されて、室外熱交換器(31)流入冷媒を減圧膨張させる室外側絞り手段(32)を備えていてもよい。
これによれば、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)下流側とノズル部(27a)上流側との間の冷媒の流れを分岐して、室外熱交換器(31)に供給できるので、室外熱交換器(31)へ流入する冷媒流量がエジェクタ(27)の冷媒吸引圧のみに依存せず、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)流出冷媒圧力をも利用して効率的に供給できる。
また、第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、冷媒加熱用熱交換器(19)流出冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するアキュムレータ(28)と、液相冷媒を室外熱交換器(19)に流入させる液相冷媒通路(60)とを備えていてもよい。
これによれば、アキュムレータ(28)において分離された液相冷媒を確実に室外熱交換器(31)に供給できるので、室外熱交換器(31)に蒸発器としての機能を発揮させやすい。
また、第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、冷媒流路を切替えて、加熱運転モードと熱交換対象を冷却する冷却運転モードとを切替える冷媒流路切替手段(21)と、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)流入冷媒を減圧膨張させる利用側絞り手段(34a、34b、66)とを備え、冷却運転モードでは、室外熱交換器(31)は、圧縮機(12)吐出冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用し、さらに、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)は、利用側絞り手段(34a、34b、66)流出側冷媒を蒸発させる蒸発器として作用するようにしてもよい。
これによれば、利用側熱交換器(33a、33b、64、65)を蒸発器として作用させるので、熱交換対象を冷却することができる。
さらに、加熱運転モードと冷却運転モードとを切替えることができる第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、ノズル部(27a)に流入する冷媒を遮断するノズル部開閉手段(27e)を備え、冷却運転モードでは、ノズル部開閉手段(27e)は、ノズル部(27a)流入冷媒を遮断するようになっていてもよい。
これによれば、ノズル部開閉手段(27e)がノズル部(27a)に流入する冷媒を遮断するので、高圧冷媒がノズル部(27a)を通過して低圧側に流出してしまうことを容易に防止できる。その結果、複雑な回路構成を設けなくても、室外熱交換器(31)で凝縮された液相冷媒を利用側熱交換器(33a、33b、64、65)に導入させることができるので、サイクル構成を簡素化することができる。
さらに、前記ノズル部開閉手段(27e)は、前記エジェクタ(27)自体に一体に構成してもよい。
また、加熱運転モードと冷却運転モードとを切替えることができる第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルであって、冷却運転モードにおいて、利用側絞り手段(66)上流側で冷媒の流れを分岐する利用側分岐通路(70)と、利用側分岐通路(70)から流入した冷媒を減圧膨張させる利用側用ノズル部(69a)から噴射する高速度の冷媒流により利用側熱交換器(65)流出冷媒を内部に吸引する利用側用エジェクタ(69)とを備えてもよい。
これによれば、冷却運転モードにおいても、利用側用エジェクタ(69)の昇圧作用によって圧縮機(12)吸入圧力を上昇させることができるのでサイクルの運転効率を向上させることができる。
さらに、加熱運転モードにおいて、利用側用ノズル部(69a)流入冷媒を遮断する利用側用ノズル部開閉手段(69e)を備えてもよい。
これによれば、加熱運転モードでは、利用側用ノズル部開閉手段(69e)が利用側用ノズル部(69a)流入冷媒を遮断するので、圧縮機(12)吐出冷媒を利用側エジェクタ内部の昇圧部→冷媒吸引部の順で通過させて利用側熱交換器(65)に容易に流入させることができる。
また、第1の特徴のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、圧縮機(12)を駆動させるエンジン(13)を備え、室外空気より高い温度の熱源は、エンジン(13)の冷却水としてもよい。
また、本発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、冷媒と熱交換対象とを熱交換させる利用側熱交換器(65)と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器(82)と、利用側熱交換器(65)を凝縮器として作用させ、室外熱交換器(82)を蒸発器として作用させて熱交換対象を加熱する加熱運転モードの冷媒流路と、利用側熱交換器(65)を蒸発器として作用させ、室外熱交換器(82)を凝縮器として作用させて熱交換対象を冷却する冷却運転モードの冷媒流路とを切替える冷媒流路切替手段(21)と、冷却運転モードにおいて、利用側熱交換器(65)に流入する冷媒を減圧膨張させる第1絞り手段(66)と、冷却運転モードにおいて、室外熱交換器(82)下流側冷媒を減圧膨張させる第1ノズル部(69a)から噴射する高速度の冷媒流によって利用側熱交換器(65)流出冷媒を内部に吸引する第1エジェクタ(69)と、加熱運転モードにおいて、室外熱交換器(82)に流入する冷媒を減圧膨張させる第2絞り手段(83)と、加熱運転モードにおいて、利用側熱交換器(65)下流側冷媒を減圧膨張させる第2ノズル部(86a)から噴射する高速度の冷媒流によって室外側熱交換器(82)流出冷媒を内部に吸引する第2エジェクタ(86)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルを第2の特徴とする。
これによれば、加熱運転モードでは、利用側熱交換器(65)で凝縮器として作用させるので、冷媒を放熱させて熱交換対象を加熱することができるとともに、凝縮させた冷媒を第2ノズル部(86a)に流入させて第2エジェクタ(86)に昇圧作用を発揮させることができる。その結果、圧縮機(12)吸入圧力を上昇させることができ、サイクルの運転効率を向上させることができる。
さらに、冷却運転モードでは、利用側熱交換器(65)を蒸発器として作用させるので、冷媒に吸熱させて熱交換対象を冷却することができるとともに、室外熱交換器(82)で凝縮した冷媒を第1ノズル部(69a)に流入させて第1エジェクタ(69)に昇圧作用を発揮させることができる。その結果、圧縮機(12)吸入圧力を上昇させることができ、暖房運転モードのみならず冷却運転モードにおいてもサイクルの運転効率を向上させることができる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを、エンジン駆動式のヒートポンプ空調装置に適用した例の全体構成図であり、このヒートポンプ空調装置は暖房運転モード(加熱運転モード)と冷房運転モード(冷却運転モード)とが切替え可能に構成されている。従って、本実施形態における熱交換対象は室内に吹出される空気である。
図1は、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを、エンジン駆動式のヒートポンプ空調装置に適用した例の全体構成図であり、このヒートポンプ空調装置は暖房運転モード(加熱運転モード)と冷房運転モード(冷却運転モード)とが切替え可能に構成されている。従って、本実施形態における熱交換対象は室内に吹出される空気である。
本実施形態のヒートポンプ空調装置は、室外機10と室内機11とに大別される。室外機10は、圧縮機12および圧縮機12の駆動源である水冷式のエンジン13などを備えている。
圧縮機12は外部からの制御信号によって吐出容量を連続的に可変制御できる周知の斜板式可変容量型圧縮機を採用している。具体的には、吐出冷媒圧力Pdと吸入冷媒圧力Psを利用して斜板室(図示せず。)の圧力Pcを制御することにより、斜板の傾斜角度を可変してピストンのストロークを変化させ、これにより、吐出容量を略0%〜100%の範囲で連続的に変化させて、この吐出容量の変化により吐出能力を調整するものである。
ここで、吐出容量は冷媒の吸入圧縮を行う作動空間の幾何学的な容積であり、具体的には、ピストンストロークの上死点と下死点との間のシリンダ容積である。
また、本実施形態では、斜板式の可変容量型圧縮機の中でも吐出容量の変更により圧縮機12の吸入冷媒圧力Psを制御する低圧制御タイプの斜板式可変容量型圧縮機を用いている。
ここで、低圧制御タイプの斜板式可変容量型圧縮機における斜板室の圧力Pcの制御について説明すると、圧縮機12は電磁式容量制御弁12aを備えており、この電磁式容量制御弁12aは、圧縮機12の吸入冷媒圧力Psによる力を発生する圧力応動機構(図示せず。)と、この吸入冷媒圧力Psによる力と対向する電磁力を発生する電磁機構(図示せず。)とを内蔵している。
この電磁機構の電磁力は、後述する空調制御装置40から出力される制御電流Inによって決定される。そして、この吸入冷媒圧力Psに応じた力と電磁力によって変位する弁体(図示せず。)により吐出冷媒圧力Pdを斜板室に導入する割合を変化させることで、斜板室の圧力Pcを変化させている。
そして、斜板式可変容量型圧縮機においては、周知のように制御室の圧力Pcの低下→斜板の傾斜角度の増加→ピストンストロークの増加→吐出容量の増加となり、逆に、制御圧Pcの上昇→斜板の傾斜角度の減少→ピストンストロークの減少→吐出容量の減少となるように吐出容量変更機構が構成されている。
また、圧縮機12はエンジン13のクランクプーリ(図示せず。)にベルト等を介して連結されて、エンジン13の作動時には常時回転駆動される。従って、圧縮機12として固定容量式圧縮機を用いて、エンジン13の回転数制御によって冷媒吐出流量を変更するようにしてもよい。
エンジン13は本実施形態では、灯油を燃料とするディーゼルエンジンを採用しており、スタータ13aにより始動する。また、エンジン13は燃料噴射量を制御する燃料噴射弁(図示せず。)と燃料噴射弁駆動装置(図示せず。)とを有しており、燃料噴射弁駆動装置によって燃料噴射弁の弁開度を変化させることでエンジン13への燃料噴射量を制御して、エンジン回転数を制御できるようになっている。なお、燃料噴射弁駆動装置は後述する空調制御装置40の出力信号によって制御される。
また、エンジン13は水冷式のエンジンであり、室外機10はエンジン13の冷却水を循環させる冷却水回路14を備えている。冷却水は電動水ポンプ15によって冷却水回路14を循環するようになっており、ラジエータ16において冷却される。ラジエータ16は冷却水と外気と熱交換させる放熱器である。
さらに、冷却水回路14はサーモ弁17を有しており、サーモ弁17によってラジエータ16に冷却水を導入させる回路とラジエータ16をバイパスさせる回路とが切替えられる。このサーモ弁17はワックスの体積変化を利用して弁体を変位させる周知の温度応答弁であり、冷却水温度が所定の温度以上になるとラジエータ16導入回路に切替え、所定の温度より低くなるとバイパス回路に切替える。
また、冷却水回路14には、電気式三方弁18が設けられている。この電気式三方弁18はラジエータ16に冷却水を導入させる回路と、冷媒を加熱する冷媒加熱器19に冷却水を導入させる回路とを切替えるものである。
冷媒加熱器19は、エンジン13の冷却水と冷媒とを熱交換させて冷媒を加熱する熱交換器であり、具体的には、低圧損のプレート式熱交換器である。本実施形態における冷媒加熱器19は冷媒加熱用熱交換器であり、冷却水は室外空気より高い温度の熱源である。
次に、圧縮機12吐出側は、冷媒中の潤滑オイルを分離するオイルセパレータ20を介して電気式四方弁21に接続される。オイルセパレータ20は、冷媒中のオイルを分離して、減圧機構22を介して圧縮機12の冷媒吸入側にオイルを戻すために配置されているものである。また、本実施形態では減圧機構22としてキャピラリチューブを採用している。
電気式四方弁21は、圧縮機12吐出口側と室内機11との間および後述する室外熱交換器31とエジェクタ27の冷媒吸引口27bとの間を同時に接続する回路(図1の実線で示す回路)と、圧縮機12吐出側と室外熱交換器31との間および室内機11と圧縮機12吸入口側との間を同時に接続する回路(図1の破線で示す回路)とを切替えるものである。
さらに、電気式四方弁21は、後述する暖房運転モードと冷房運転モードにおける冷媒流路を切替える機能を果し、本実施形態における冷媒流路切替手段である。
室外機10と室内機11との電気式四方弁21側の接続部にはガス管ストップバルブ23が配置されている。このガス管ストップバルブ23は室外機10と室内機11とを分離する際に冷媒がもれないようにするコネクタとしての機能を有する。よって室外機10と室内機11の接続時には単なる冷媒通路として機能する。
一方、室外機10と室内機11との他方の接続部には、液管ストップバルブ24が配置されている。この液管ストップバルブ24も室外機10と室内機11とを分離する際に冷媒がもれないようにするコネクタとしての機能を有するもので、室外機10と室内機11の接続時には単なる冷媒通路として機能する。
また、液管ストップバルブ24にはドライヤ25が接続されている。このドライヤ25は、冷媒中の水分を除去する乾燥剤が内蔵されている。乾燥剤としてはゼオライト、シリカゲルを用いることができる。さらに、ドライヤ25には、高圧冷媒用の気液分離器であるレシーバ26が接続されている。このレシーバ26は、気相冷媒と液相冷媒を分離して液相冷媒を貯めておくことができる。
さらに、レシーバ26の液相冷媒貯留部側には、冷媒を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する冷媒流の吸引作用(巻き込み作用)によって冷媒の循環を行う冷媒循環手段でもあるエジェクタ27が接続されている。
この、エジェクタ27は、図2に示すように、レシーバ26から流入する液相冷媒の通路面積を小さく絞って冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部27a、ノズル部27aの冷媒噴出口と連通するように配置されて冷媒を吸引する冷媒吸引口27b、ノズル部27aおよび冷媒吸引口27bの下流側に配置されてノズル部27aからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口27bからの吸引冷媒とを混合する混合部27c、および、混合部27cの下流側に配置されて冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる昇圧部をなすディフューザ部27dを有している。
さらに、エジェクタ27には、ノズル部27aの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構27eが設けられている。具体的には、通路面積調整機構27eはノズル部27aの通路内には通路長手方向に移動可能に配置されたニードル27fと、ニードル27fを移動させる駆動部27gを有している。
このニードル27fの先端形状は細長く尖った形状になっており、ニードル27fの根本部は駆動部27gに連結され、この駆動部27gの操作力にてニードル27fがノズル部27aの通路に沿って移動する。
そして、ニードル27fの外周面とノズル部27aの最小通路部との間に形成される冷媒通路面積を変更するようになっている。さらに、ニードル27fの外周面がノズル部27aの最小通路部の内壁面に圧接することによりノズル部27aの通路を全閉することもできる。
なお、駆動部27gとしては、ステッピングモータのようなモータアクチュエータ、あるいは電磁ソレノイド機構等を使用でき、電気的に制御可能な駆動手段であれば種々なものを使用できる。また、通路面積調整機構27eの駆動部27gは後述する空調制御装置40の制御信号によって制御される。
さらに、ディフューザ部27dの下流側には前述の冷媒加熱器19が接続されており、ディフューザ下流側冷媒と冷却水とが熱交換できるようになっている。さらに、冷媒加熱器19下流側はアキュムレータ28に接続されている。アキュムレータ28は気相冷媒と液相冷媒を分離する気液分離器であり、アキュムレータ28の気相冷媒出口側と圧縮機12冷媒吸入側が接続されている。
また、ディフューザ部27d下流側と前述のガス管ストップバルブ23側との間も接続されており、この接続配管には開閉弁29が配置されている。この開閉弁29は冷房運転モードと暖房運転モードにおける冷媒通路の開閉を行う電磁弁である。
さらに、レシーバ26液相冷媒出口とエジェクタ27冷媒入口側との間には冷媒の流れを分岐する分岐通路30が設けられており、分岐通路30は室外熱交換器31に接続されている。
室外熱交換器31は冷媒と室外ファン31aによって送風された室外空気とを熱交換させる熱交換器であり、室外ファン31aはモータ31bによって駆動される電動ファンである。なお、モータ31bは後述する空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転駆動される。
室外側可変絞り弁32は、後述する空調制御装置40から出力される制御信号によって冷媒通路面積を変化させて冷媒を減圧するもので、分岐通路30に配置されている。なお、室外側可変絞り弁32は、本実施形態における室外側絞り手段である。また、この室外側可変絞り弁32は、全開時(冷媒通路面積最大時)には減圧作用を発揮することなく、単に冷媒通路として機能できるようになっている。
次に、室内機11について説明する。本実施形態では、室内機11は二台の室内機ユニット11a、11bを備えている。また、室内機ユニット11aは室内熱交換器33a、室内側可変絞り弁34a、室内ファン35aおよびモータ36aを有している。
室内熱交換器33aは室内ファン35aによって送風された室内空気と冷媒を熱交換させる熱交換器であり、本実施形態における利用側熱交換器である。室内ファン35aはモータ36aによって駆動される電動ファンである。なお、モータ36aは後述する空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転数制御される。
室内側可変絞り弁34aは、後述する空調制御装置40から出力される制御信号によって冷媒通路面積を変化させて冷媒を減圧するものである。なお、室内側可変絞り弁34aは、本実施形態における利用側絞り手段である。また、この室内側可変絞り弁34aは、全開時(冷媒通路面積最大時)には減圧作用を発揮することなく、単に冷媒通路として機能できるようになっている。
また、室内機ユニット11bは、室内熱交換器33b、室内側可変絞り弁34b、室内ファン35bおよびモータ36bを有し、室内機ユニット11aと全く同様の構成になっており、室内機ユニット11aに対して並列に接続されている。よって、室内熱交換器33bも本実施形態における利用側熱交換器である。
なお、本実施形態では、室内機ユニット11a、11bの2台を接続しているが、3台以上の複数の室内機ユニットを並列接続してもよい。より具体的に述べると、室内機ユニットは20台程度まで増設可能になっている。
次に、空調制御装置40は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って空調機器群41の作動を制御する。
本実施形態における空調制御装置40の具体的な電気制御ブロック図を図3に示す。空調制御装置40には、センサ群42の検出信号およびリモコン操作器43の操作信号が入力される。空調制御装置40はこれら入力信号に基づく所定の演算処理を行って、空調機器群41への駆動信号を出力する。
センサ群42として、具体的には、室内機液管温度センサ44a、44b、室内機ガス管温度センサ45a、45b、室外熱交換器入口温度センサ46、室外熱交換器出口温度センサ47、冷媒加熱器入口温度センサ48、冷媒加熱器出口温度センサ49、圧縮機吸入温度センサ50、圧縮機吐出温度センサ51、圧縮機吸入圧力センサ52、圧縮機吐出温度センサ53、外気温度センサ54、室内機吸込空気温度センサ55a、55bおよび室内機吹出空気温度センサ56a、56bが備えられている。
センサ群41のうち室内機11側のセンサ44、45、55、56は図1に図示するように各室内機ユニット毎に設けられている。
空調機器群41として、具体的には、電磁式容量制御弁12a、スタータ13a、電動水ポンプ15、電気式三方弁18、電気式四方弁21、通路面積調整機構27e、開閉弁29、室外ファン用のモータ31b、室外側可変絞り弁32、室内側可変絞り弁34a、34b、室内ファン用のモータ36a、36bが空調制御装置40の制御信号によって制御される。
リモコン操作器43には、各室内機11の空調対象の室内の設定温度信号を出す温度設定スイッチ43a、室内ファン35a、35bの風量切替信号を出す風量切替スイッチ43b、室内吹出空気の吹出方向切替信号を出す風向切替スイッチ43c、冷凍サイクルの冷房暖房切替信号を出す冷房暖房切替スイッチ43d等の複数の操作スイッチ、および作動表示部(図示せず)が設けられる。
次に、上述の構成において本実施形態の作動について説明する。先ず、暖房運転モードの作動について説明する。暖房運転モードはリモコン操作器43の冷房暖房切替スイッチ43dが暖房側に切り替えられると開始される。
冷房暖房切替スイッチ43dの操作信号は空調制御装置40に入力され、空調制御装置40は、空調機器群41が図4の図表の暖房運転モード欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
さらに、リモコン操作器43の温度設定スイッチ43aと室内機吸込空気温度センサ55a、55bの検出値との差を比較してエンジン回転数を変更する。温度設定スイッチ43aと室内機吸込空気温度センサ55a、55bの検出値との差が大きければ、エンジン13回転数を高くし、小さければエンジン13回転数が低くなるように燃料噴射弁駆動装置を制御する。
ここで、圧縮機吐出温度センサ51または圧縮機吐出温度センサ53の検出値が予め定めた所定の値より大きくなった場合は、サイクル内の高圧冷媒が異常な状態であるものとして、エンジン13回転数を低くして、または、エンジン13を停止させてシステムの安全性を確保している。
暖房運転モードの冷却水回路14では、電気式三方弁18が、冷却水を冷媒加熱器19側に導入させる回路に切替えるので、冷媒加熱器19で冷媒を加熱できるようになっている。
また、電気式四方弁21は、図1の実線で示すように、圧縮機12吐出側と室内機11との間および室外熱交換器31とエジェクタ27の冷媒吸引口27bとの間を同時に接続するように切替える。さらに、開閉弁29は閉弁しているので、圧縮機12から吐出した高温高圧の気相冷媒はオイルセパレータ20を通過し、さらに電気式四方弁21を通過して室内機11側へ流出する。
室内機11側に流入した冷媒は並列に接続された室内機ユニット11aおよび室内機ユニット11bへ流入する。室内機ユニット11aに流入した冷媒は、室内熱交換器33aにおいて室内ファン35aより送風された室内空気と熱交換して凝縮する。
従って、室内熱交換器33aは冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。そして、室内ファン35aより送風された空気は、室内熱交換器33aにおいて加熱されて室内へ吹き出し、室内の暖房が行われる。
また、暖房運転モードでは室内側可変絞り弁34aは全開状態となっており、単なる冷媒通路として機能するので、冷媒は減圧されることなく室内機ユニット11aから流出する。なお、室内機ユニット11aと並列に接続された室内機ユニット11bにおいても冷媒は全く同様に放熱して流出する。
室内機11から流出して室外機10へ流入した冷媒はドライヤ27で水分を除去され、レシーバ26へ流入する。レシーバ26から流出した液相冷媒は、レシーバ26の冷媒流れ下流側で分岐されて、エジェクタ27のノズル部27a側と室外側可変絞り弁32へ流出する。
まず、エジェクタ27のノズル部27a側へ流入した冷媒は、ノズル部27aで減圧され膨張する。ここで、通路面積調整機構27eは冷媒加熱器出口温度センサ49の検出値と冷媒加熱器入口温度センサ48の検出値との差が所定の値になるようにノズル部27aの冷媒通路面積を制御している。
具体的には冷媒加熱器出口温度センサ49の検出値から冷媒加熱器入口温度センサ48の検出値を引いた値が所定の値(例えば、1〜10℃程度)以上の場合は冷媒通路面積を拡大して、所定の値より小さい場合は冷媒通路面積を縮小するようになっている。
そして、ノズル部27aで冷媒が減圧膨張する際に、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されるので、冷媒はノズル部27aの噴出口から高速度となって噴出する。そして、この冷媒噴出流の冷媒吸引作用により、冷媒吸引口27bから室外熱交換器31の下流側の冷媒を吸引する。
ノズル部27aから噴出した冷媒と冷媒吸引口27bから吸引された冷媒は、ノズル部27a下流側の混合部27cで混合してディフューザ部27dに流入する。このディフューザ部27dでは通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されて冷媒の圧力が上昇する。
一方、レシーバ26の冷媒流れ下流側で分岐されて室外側可変絞り弁32側へ流出した液相冷媒は、室外側可変絞り弁32において減圧される。ここで、室外側可変絞り弁32は室外熱交換器出口温度センサ47の検出値と室外熱交換器入口温度センサ46の検出値との差が所定の値になるように冷媒通路面積を制御している。
具体的には室外熱交換器出口温度センサ47の検出値から室外熱交換器入口温度センサ46の検出値を引いた値が所定の値以上の場合は冷媒通路面積を拡大して、所定の値より小さい場合は冷媒通路面積を縮小するようになっている。
室外側可変絞り弁32において減圧された冷媒は、室外熱交換器31に流入し、室外ファン31aにより送風された室外空気と熱交換して蒸発する。従って、室外熱交換器31は冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。
さらに、室外熱交換器31から流出した冷媒は、電気式四方弁21が切替えられているので、エジェクタ27の冷媒吸引口27bへ吸入され、ノズル部27aから噴出した冷媒と混合してディフューザ部27dで昇圧される。
ディフューザ部27dから流出した冷媒は、開閉弁29が閉弁しているので、冷媒加熱器19へ流入する。前述の如く、冷媒加熱器19には室外空気よりも高い温度の冷却水が導入されており、ディフューザ部27dから流出した冷媒は冷却水と熱交換することで、さらに吸熱して蒸発する。冷媒加熱器19で蒸発した気相冷媒はアキュムレータ28に流入して、再び圧縮機に吸入される。
このように、暖房運転モードでは、図1の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室内熱交換器33a、33bを放熱器として作用させ、室外熱交換器31と冷媒加熱器19を蒸発器として作用させて、室内空気の暖房を行っている。
ここで、図5は、この暖房運転モードのサイクルをモリエル線図上に模式的に示したものである。この暖房運転モードのサイクルでは、エジェクタ27のノズル部27a側にはレシーバ26の液相冷媒が流入するようになっているので、気相冷媒のみが流入するよりも速度エネルギが高くなり、ディフューザ部27dが昇圧能力を発揮しやすく、昇圧量dPが大きくすることができる。
これにより、室外熱交換器31の冷媒蒸発圧力に対して、冷媒加熱器19の冷媒蒸発圧力を高くすることができる。その結果、室外空気よりも高い温度の熱源であるエンジン13冷却水と冷媒とを熱交換させる冷媒加熱器19の冷媒蒸発温度を室外熱交換器31の冷媒蒸発温度よりも高くすることができる。
その結果、冷媒蒸発圧力の異なる蒸発器において冷媒を適切に蒸発させることができるとともに、圧縮機12の吸入圧力を高くすることができ、サイクルの運転効率を向上させることができる。
また、冷媒蒸発圧力の複数の異なる蒸発器において冷媒を適切に蒸発させて圧縮機12に吸入させるので、単一の蒸発器において冷媒を蒸発させて圧縮機12に吸入させるよりも圧縮機12の冷媒循環流量を増加させることできる。その結果、圧縮機12必要動力が増大して駆動用のエンジン13負荷も増大するので、冷却水温度を上昇させて冷媒加熱器19における吸熱量を増加させることもできる。
次に、冷房運転モードの作動について説明する。冷房運転モードはリモコン操作器43の冷房暖房切替スイッチ43dが冷房側に切替えられると開始される。空調制御装置40は、暖房運転モードと同様に空調機器群41が図4の図表の冷房運転モード欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
冷房運転モードの冷却水回路14では、電気式三方弁18が冷却水をラジエータ16側に導入するように切替えられており、冷媒加熱器19では冷媒を加熱できないようになっている。
また、電気式四方弁21は、図1の破線で示すように、圧縮機12吐出側と室外熱交換器31との間および室内機11と圧縮機12吸入側との間を同時に接続するように切替えられている。よって、圧縮機12から吐出された高温高圧の気相冷媒は、オイルセパレータ20を通過し、さらに電気式四方弁21を通過し室外熱交換器31へ流出する。
室外熱交換器31に流入した冷媒は、室外熱交換器31において室外ファン31aより送風された室外空気と熱交換して凝縮する。従って、室外熱交換器31は冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。
また、冷房運転モードでは室外側可変絞り弁32が全開状態となっているので、室外側可変絞り弁32は単なる冷媒通路として機能する。そのため、室外熱交換器31から流出した冷媒は減圧されることなくレシーバ26へ流入する。
さらに、冷房運転モードではエジェクタ27の通路面積調整機構27eがノズル部27aを全閉状態とするので、室外熱交換器31から流出した冷媒がエジェクタ27のノズル部27aを通過することはない。
レシーバ26から流出した液相冷媒はドライヤ27で水分を除去され、室内機11へ流出する。室内機11へ流入した液相冷媒は、並列に接続された室内機ユニット11aおよび室内機ユニット11bへ流入する。室内機ユニット11aに流入した冷媒は、室内側可変絞り弁34aにおいて減圧される。
ここで、室内側可変絞り弁34aは室内機ガス管温度センサ45aの検出値と室内機液管温度センサ44aの検出値との差が所定の値になるように冷媒通路面積を制御している。具体的には、室内機ガス管温度センサ45aの検出値から室内機液管温度センサ44aの検出値を引いた値が所定の値以上の場合は冷媒通路面積を拡大して、所定の値より小さい場合は冷媒通路面積を縮小するようになっている。
室内側可変絞り弁34aにおいて減圧された冷媒は、室内熱交換器33aに流入し室内ファン35aにより送風された室内空気と熱交換して蒸発する。従って、室内熱交換器33aは冷媒に吸熱させて蒸発させる蒸発器として作用する。そして、室内ファン35aより送風された空気が室内熱交換器33aにおいて冷却されて室内へ吹き出し、室内の冷房が行われる。
そして、室内熱交換器33aから流出した冷媒は、室外機10へ流入する。なお、室内機ユニット11aと並列に接続された室内機ユニット11bにおいても冷媒は同様に蒸発して流出する。
室内機11から流出した室外機10へ流入した冷媒は、開閉弁29が開弁され、通路面積調整機構27eによってノズル部27aが全閉状態となっているので、冷媒加熱器19へ流入する。前述の如く、冷媒加熱器19には冷却水が導入されていないので、冷媒は加熱されることなく、アキュムレータ28へ流入し、再び圧縮機12に吸入される。
本実施形態では、低圧冷媒の十分な通路面積を確保するために、室内機11から流出して室外機10へ流入した冷媒は、開閉弁29→冷媒加熱器19の順で流れる第1ルートと電気式四方弁21→冷媒吸引口27b→ディフューザ部27d→冷媒加熱器19の順で流れる第2ルートの二つのルートでアキュムレータ28へ流入するが、第2ルートのみで十分な通路面積が確保できれば、第1ルートを廃止してもよい。
このように、冷房運転モードでは、図1の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室外熱交換器31を凝縮器として作用させ、室内熱交換器33a、33bを蒸発器として作用させて、室内空気の冷房を行っている。
この際、通路面積調整機構27eがノズル部27aを閉弁することで、エジェクタ27のノズル部29から高圧冷媒が低圧側に流れることを防止できるので、逆止弁などを新設することなく、容易に暖房運転モードから冷房運転モードへ切替えることができる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、室外側可変絞り弁32を配置しているが、本実施形態では、図6に示すように、室外側可変絞り弁32を廃止して、アキュムレータ28液相冷媒出口と暖房運転モードにおける室外熱交換器31上流側とを接続する液相冷媒通路60、液相冷媒通路60を開閉する開閉弁61および分岐通路30に配置されレシーバ26と液相冷媒通路60接続部との間を開閉する開閉弁62を設けている。
第1実施形態では、室外側可変絞り弁32を配置しているが、本実施形態では、図6に示すように、室外側可変絞り弁32を廃止して、アキュムレータ28液相冷媒出口と暖房運転モードにおける室外熱交換器31上流側とを接続する液相冷媒通路60、液相冷媒通路60を開閉する開閉弁61および分岐通路30に配置されレシーバ26と液相冷媒通路60接続部との間を開閉する開閉弁62を設けている。
開閉弁61、62は冷房運転モードと暖房運転モードにおける冷媒通路の開閉を行う電磁弁であり、本実施形態では空調制御装置40の制御信号によって制御される空調機器群41に含まれる。その他の構成は第1実施形態と同様である。
上述の構成において本実施形態の作動について説明する。先ず、暖房運転モードの作動について説明する。暖房運転モードは第1実施形態と同様に開始され、空調制御装置40は、空調機器群41が図7の図表の暖房運転モードの欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
そして、第1実施形態と同様に、圧縮機12吐出冷媒は室内機11において室内空気へ放熱して凝縮し、レシーバ26に流入する。ここで、暖房運転モードでは、開閉弁62は閉弁しているのでレシーバ26から流出した液相冷媒は、エジェクタ27のノズル部27a側のみへ流出する。
エジェクタ27では第1実施形態と同様に、ノズル部27aに流入した冷媒が減圧膨張されて、冷媒吸引口27bから室外熱交換器31下流側冷媒が吸引される。
一方、開閉弁61は開弁しているので、室外熱交換器31へは、アキュムレータ28の液相冷媒が液相冷媒配管60を介して流入する。そして、室外熱交換器31へ流入した液相冷媒が室外空気から吸熱して蒸発する。
室外熱交換器31下流側の冷媒はエジェクタ27の冷媒吸引口29から吸引され、ノズル部27aから噴出した冷媒と混合してディフューザ部27dで昇圧される。そして、冷媒加熱器19にてさらに冷却水から吸熱して蒸発して、アキュムレータ28へ流入し、再び圧縮機12に吸引される。
よって、暖房運転モードでは、図6の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、室内熱交換器33a、33bを放熱器として作用させ、室外熱交換器31と冷媒加熱器19を蒸発器として作用させて、室内空気の暖房を行い、さらに、第1実施形態と同様にサイクルの運転効率を向上させることができる。
次に、冷房運転モードの作動について説明する。冷房運転モードも第1実施形態と同様に開始され、空調制御装置40は、空調機器群41が図7の図表の冷房運転モードの欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
そして、第1実施形態と同様に、圧縮機12吐出冷媒は室外熱交換器31において室外空気へ放熱して凝縮する。ここで、冷房運転モードでは開閉弁61が閉弁し、開閉弁62が開弁し、さらに、通路面積調整機構27eがノズル部27aを閉弁しているので、室外熱交換器31流出冷媒は、分岐通路30を介してレシーバ26に流入する。
さらに、レシーバ26から流出した冷媒は、第1実施形態と全く同様に、室内熱交換器33a、33bにおいて冷却作用を発揮して、再び圧縮機12に吸入される。よって冷房運転モードでは、図6の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
第1実施形態では室内機11を設けているが、本実施形態では、図8に示すように室内機11を廃止して、室内機63を設けている。
第1実施形態では室内機11を設けているが、本実施形態では、図8に示すように室内機11を廃止して、室内機63を設けている。
この室内機63は、第1室内熱交換器64、第2室内熱交換器65、室内側可変絞り弁66、室内ファン67、モータ68、および室内機用エジェクタ69を有している。
第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65は室内ファン67によって送風された室内空気と冷媒を熱交換させる熱交換器であり、本実施形態における利用側熱交換器である。
さらに、第1室内熱交換器64と第2室内熱交換器65はろう付けなどで一体に接合されており、室内ファン67によって送風された室内空気は、図7の矢印Aに示すように、第1室内熱交換器64で冷媒と熱交換を行って、さらに第2室内熱交換器65で冷媒と熱交換を行うように送風される。
室内ファン67はモータ68によって駆動される電動ファンであり、モータ68は空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転駆動される。
室内側可変絞り弁66は、後述する空調制御装置40から出力される制御信号によって冷媒通路面積を変化させて冷媒を減圧するものである。なお、室内側可変絞り弁66は、本実施形態における利用側絞り手段である。また、この室内側可変絞り弁66は、全開時(冷媒通路面積最大時)には減圧作用を発揮することなく、単に冷媒通路として機能できるようになっている。
室内機用エジェクタ69は、第1実施形態のエジェクタ27と同様の構成で、ノズル部69a、冷媒吸引口69b、混合部69c、ディフューザ部69dおよびノズル部69aの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構69eが設けられている。室内機用エジェクタ69は本実施形態における利用側用エジェクタである。
室内機63の室内側可変絞り弁66側は室外機10の液管ストップバルブ24側に接続される。さらに室内側可変絞り弁66の他端側は第2室内熱交換器65に接続される。そして第2室内熱交換器65の他端側は冷媒吸引口69bに接続される。
また、室内機63内部で、室内側可変絞り弁66と液管ストップバルブ24との間で冷媒の流れを分岐する分岐通路70が設けられており、分岐通路70はノズル部69a側に接続されている。さらに、ディフューザ部69d側には第1室内熱交換器64が接続され、第1室内熱交換器64の他端側は室外機10のガス管ストップバルブ23側に接続される。
ここで、本実施形態の室内機63は1つの室内機ユニットで構成されているが、第1実施形態と同様に複数の室内機ユニット並列に接続してもよい。また、本実施形態では、室内側可変絞り弁66、モータ68および通路面積調整機構69eは空調制御装置40の制御信号によって制御される空調機器群41に含まれる。その他の構成は第1実施形態と同様である。
上述の構成において本実施形態の作動について説明する。先ず、暖房運転モードの作動について説明する。暖房運転モードは第1実施形態と同様に開始され、空調制御装置40は、空調機器群41が図9の図表の暖房運転モードの欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
圧縮機12吐出冷媒はオイルセパレータ20を通過し、さらに電気式四方弁21を通過して室内機63へ流入する。室内機63に流入した冷媒は、まず第1室内熱交換器64に流入し、第1室内熱交換器64において室内ファン67により送風された室内空気と熱交換して凝縮する。第1室内熱交換器64から流出した冷媒はディフューザ部69dへ流入する。
ここで、暖房運転モードでは、室内機用エジェクタ69の通路面積調整機構69eがノズル部69aを全閉状態とするので、ディフューザ部69dへ流入した冷媒は、ディフューザ部69d→混合部69c→冷媒吸引口69bの順で室内機用エジェクタ69内部を通過して第2室内熱交換器65へ流入する。
第2室内熱交換器65へ流入した冷媒は、室内ファン67により送風され第1室内熱交換器64と熱交換した室内空気とさらに熱交換して凝縮する。
従って、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65は直列に接続されて、冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。そして、室内ファン67より送風された空気は、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65において加熱されて室内へ吹き出し、室内の暖房が行われる。
また、暖房運転モードでは室内側可変絞り弁66は全開状態となっており、単なる冷媒通路として機能するので、冷媒は減圧されることなく室内機63から流出して室外機10へ流入する。
室外機10へ流入した冷媒は、第1実施形態と同様に、エジェクタ27の吸引作用および昇圧作用を発揮させて、室外熱交換器31で吸熱して蒸発し、さらに冷媒加熱器19で吸熱して蒸発して、再び圧縮機12に吸引される。このように、本実施形態の暖房運転モードにおいても、図8の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
次に、冷房運転モードの作動について説明する。冷房運転モードも第1実施形態と同様に開始され、空調制御装置40は、空調機器群41が図9の図表の冷房運転モードの欄に示す作動状態になるように制御信号を出力する。
圧縮機12吐出冷媒は、第1実施形態と同様に、室外熱交換器31で凝縮して室内機63へ流出する。室内機63へ流入した液相冷媒は、室内側可変絞り弁66上流側で分岐されて、室内機用エジェクタ69のノズル部69a側と室内側可変絞り弁66側へ流出する。
まず、ノズル部69a側へ流入した冷媒は、ノズル部69aで減圧され膨張する。ここで、第1実施形態と同様に、通路面積調整機構69eは室内機ガス管温度センサ45の検出値と室内機液管温度センサ44の検出値との差が所定の値になるようにノズル部69aの冷媒通路面積を制御している。
そして、ノズル部69aで冷媒が減圧膨張する際に、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されるので、冷媒はノズル部69aの噴出口から高速度となって噴出する。そして、この冷媒噴出流の冷媒吸引作用により、冷媒吸引口69bから第2室内熱交換器65の冷媒を吸引する。
ノズル部69aから噴出した冷媒と冷媒吸引口69bから吸引された冷媒は、ノズル部69a下流側の混合部69cで混合してディフューザ部69dに流入する。このディフューザ部69dでは通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されて冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部69dから流出した冷媒は第1室内熱交換器64に流入して、室内ファン67により送風された室内空気と熱交換して蒸発する。
一方、室内側可変絞り弁66側へ流出した液相冷媒は、室内側可変絞り弁66において減圧される。ここで、室内側可変絞り弁66の開度は、通路面積調整機構69eが調整したノズル部69aの通路面積に基づいて、第1室内熱交換器64の冷媒流量と第2室内熱交換器65の冷媒流量の流量比が予め定めた所定の値になるように決定される。
室内側可変絞り弁66において減圧された冷媒は、第2室内熱交換器65に流入して、室内ファン67により送風され第1室内熱交換器64を通過した室内空気と熱交換して蒸発する。第2室内熱交換器65から流出した冷媒は、冷媒吸引口69bへ吸入され、ノズル部69aから噴出した冷媒と混合して、再び圧縮機に吸入される。従って、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65は冷媒を蒸発させる蒸発器として作用する。
ここで、室内機用エジェクタ69のノズル部69a側にはレシーバ26より液相冷媒が流入するようになっているので、気相冷媒のみが流入するよりも冷媒の速度エネルギが高くなっている。このため、ディフューザ部69dが昇圧能力を発揮しやすく、ディフューザ部69d下流側に高い圧力の冷媒を流出させることができる。
従って、冷房運転モードでは、図8の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65は蒸発器として作用して室内空気の冷却を行うことができ、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、ディフューザ部69dの昇圧作用によって圧縮機12の吸入圧力を高くすることができるので、暖房運転モードのみならず冷房運転モードにおいてもサイクルの運転効率を向上させることができる。
(第4実施形態)
図10は、請求項10の発明のエジェクタ式冷凍サイクルを、エンジン駆動式のヒートポンプ空調装置に適用した例の全体構成図である。このヒートポンプ空調装置も暖房運転モード(加熱運転モード)と冷房運転モード(冷却運転モード)とが切替え可能に構成されている。
図10は、請求項10の発明のエジェクタ式冷凍サイクルを、エンジン駆動式のヒートポンプ空調装置に適用した例の全体構成図である。このヒートポンプ空調装置も暖房運転モード(加熱運転モード)と冷房運転モード(冷却運転モード)とが切替え可能に構成されている。
本実施形態のヒートポンプ空調装置は、室外機80と室内機63とに大別される。室内機63は第2実施形態と全く同様の構成である。従って本実施形態では、第2室内熱交換器65が利用側熱交換器であり、室内側可変絞り弁66が第1絞り手段であり、室内機用エジェクタ69が第1エジェクタ69である。
室外機80は、第1実施形態と同様の圧縮機12、エンジン(図示せず。)、電気式四方弁21およびアキュムレータ28を備えている。さらに、第1室外熱交換器81、第2室外熱交換器82、室外側可変絞り弁83、室外ファン84、モータ85、および室外機用エジェクタ86を有している。
本実施形態における電気式四方弁21は、圧縮機12吐出口側と室内機11との間および第1室外熱交換器81と圧縮機12吸入口側との間を同時に接続する回路(図1の実線で示す回路)と、圧縮機12吐出側と第1室外熱交換器81との間および室内機11と圧縮機12吸入口側との間を同時に接続する回路(図1の破線で示す回路)とを切替える冷媒流路切替手段である。
また、第1室外熱交換器81および第2室外熱交換器82は室外ファン84によって送風された室内空気と冷媒を熱交換させる熱交換器である。第2室外熱交換器82は本実施形態における室外熱交換器である。
さらに、第1室外熱交換器81と第2室外熱交換器82はろう付けなどで一体に接合されており、室外ファン84によって送風された室外空気は、図9の矢印Bに示すように、第1室外熱交換器81で冷媒と熱交換を行って、さらに第2室外熱交換器82で冷媒と熱交換を行うように送風される。
室外ファン84はモータ85によって駆動される電動ファンであり、モータ85は空調制御装置40から出力される制御電圧によって回転数制御される。
室外側可変絞り弁83は、後述する空調制御装置40から出力される制御信号によって冷媒通路面積を変化させて冷媒を減圧するものであり、本実施形態における第2絞り手段である。また、この室内側可変絞り弁83は、全開時(冷媒通路面積最大時)には減圧作用を発揮することなく、単に冷媒通路として機能できるようになっている。
室外機用エジェクタ86は、第1実施形態のエジェクタ27と同様の構成で、ノズル部86a、冷媒吸引口86b、混合部86c、ディフューザ部86dおよびノズル部86aの冷媒通路面積を可変制御する通路面積調整機構86eが設けられており、本実施形態における第2エジェクタである。
室外機80の室外側可変絞り弁83側は室内機63の室内側可変絞り弁66側と接続される。さらに、室外側可変絞り弁83は第2室外熱交換器82に接続される。そして第2室外熱交換器82の他端側は冷媒吸引口86bに接続される。
また、室外機80の内部で、室外側可変絞り弁83と室内側可変絞り弁66との間に冷媒の流れを分岐する分岐通路87が設けられており、分岐通路87はノズル部86a側と接続されている。さらに、ディフューザ部86d側には第1室外熱交換器81が接続され、第1室内熱交換器81の他端側は電気式四方弁21に接続される。
上述の構成において本実施形態の作動について説明する。先ず、暖房運転モードの作動について説明する。暖房運転モードは第1実施形態と同様に開始され、空調制御装置40が空調機器群に制御信号を出力する。
ここで、電気式四方弁21は、図10の実線で示すように、圧縮機12吐出側と室内機63との間および第1室外熱交換器81とアキュムレータ28との間を同時に接続するように切替えられている。
よって、圧縮機12吐出冷媒は室内機63に流入し、第3実施形態と同様に第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65において放熱して凝縮する。この際、室内ファン67より送風された空気は、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65において加熱されて室内へ吹き出し、室内の暖房が行われる。
室内機63から流出した冷媒は室外機80に流入する。室外機80に流入した冷媒は分岐点Yで分岐されて、室外機用エジェクタ86のノズル部86a側と室外側可変絞り弁83側へ流出する。
まず、ノズル部86a側へ流入した冷媒は、ノズル部86aで減圧され膨張する。ここで、通路面積調整機構86eは室外熱交換器出口温度センサ47の検出値と室外熱交換器入口温度センサ46の検出値との差が所定の値になるようにノズル部86aの冷媒通路面積を制御している。
そして、ノズル部86aで冷媒が減圧膨張する際に、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されるので、冷媒はノズル部86aの噴出口から高速度となって噴出する。そして、この冷媒噴出流の冷媒吸引作用により、冷媒吸引口86bから第2室外熱交換器82の冷媒を吸引する。
ノズル部86aから噴出した冷媒と冷媒吸引口86bから吸引された冷媒は、ノズル部86a下流側の混合部86cで混合してディフューザ部86dに流入する。このディフューザ部86dでは通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されて冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部86dから流出した冷媒は第1室外熱交換器81に流入して、室外ファン84により送風された室外空気と熱交換して蒸発する。
一方、室外側可変絞り弁83側へ流出した液相冷媒は、室外側可変絞り弁83において減圧される。ここで、室外側可変絞り弁83の開度は、通路面積調整機構86eが調整したノズル部86aの通路面積に基づいて、第1室外熱交換器81の冷媒流量と第2室外熱交換器82の冷媒流量の流量比が予め定めた所定の値になるように決定される。
室外側可変絞り弁83において減圧された冷媒は、第2室外熱交換器82に流入して、室外ファン84により送風されて1室外熱交換器81を通過した室外空気と熱交換して蒸発する。第2室外熱交換器82から流出した冷媒は、冷媒吸引口86bに吸引され、ノズル部86aから噴出した冷媒と混合して、再び圧縮機に吸入される。従って、第1室外熱交換器81および第2室外熱交換器82は冷媒を蒸発させる蒸発器として作用する。
このように、暖房運転モードでは、図10の実線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65を放熱器として作用させて室内空気の暖房ができる。そして、ディフューザ部86dの昇圧作用によって圧縮機12の吸入圧力を高くすることができるので、サイクルの運転効率を向上させることができる。
次に、冷房運転モードの作動について説明する。冷房運転モードも第1実施形態と同様に開始され、冷房運転モードでは、電気式四方弁21は、図9の破線で示すように、圧縮機12吐出側と第1室外熱交換器81との間および室内機63とアキュムレータ28との間を同時に接続するように切替えられている。
よって、圧縮機12吐出冷媒は第1室外熱交換器81に流入する。第1室外熱交換器81に流入した冷媒は第1室外熱交換器81において、室外ファン84により送風された室外空気と熱交換して凝縮する。第1室外熱交換器81から流出した冷媒はディフューザ部86dへ流入する。
ここで、冷房運転モードでは、室外機用エジェクタ86の通路面積調整機構86eがノズル部86aを全閉状態とするので、ディフューザ部86dへ流入した冷媒は、ディフューザ部86d→混合部86c→冷媒吸引口86bの順で室外機用エジェクタ86内部を通過して第2室外熱交換器82へ流入する。
第2室外熱交換器82へ流入した冷媒は、室外ファン84により送風され第1室外熱交換器81と熱交換した室内空気とさらに熱交換して凝縮する。従って、第1室外熱交換器81および第2室外熱交換器82は直列に接続されて、冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用する。
また、冷房運転モードでは室外側可変絞り弁83は全開状態となっており、単なる冷媒通路として機能するので、冷媒は減圧されることなく室外機80から流出して室内機63へ流入する。
室内機63に流入した冷媒は、第3実施形態と同様に、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65において室内ファン67によって送風された空気より吸熱して蒸発する。この際、室内ファン67より送風された空気が冷却されて室内へ吹出し、室内の冷房が行われる。そして、ディフューザ部69dで昇圧された冷媒は、室内機63から流出し再び圧縮機12に吸入される。
従って、冷房運転モードでは、図10の破線矢印方向に冷媒が流れるサイクルを構成し、第1室内熱交換器64および第2室内熱交換器65を蒸発器として作用させて室内空気の冷房できる。そして、ディフューザ部69dの昇圧作用によって圧縮機12の吸入圧力を高くすることができるので、暖房運転モードのみならず冷房運転モードにおいてもサイクルの運転効率を向上させることができる。
(その他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の実施形態では、利用側絞り手段をなす室内側可変絞り弁34a、34b、66、室外側絞り手段をなす室外側可変絞り弁32、83として電気的制御信号によって冷媒通路面積を変化させる電気式の可変絞り機構を採用しているが、固定絞り手段を採用してもよい。
上述の実施形態のように冷媒流れ方向によって、冷媒を減圧させる機能と単に冷媒通路としての機能を切替える場合は、固定絞り機構(例えば、キャピラリチューブ)と直列に第1逆止弁を設け、さらに固定絞り機構と第1逆止弁と並列に接続されるバイパス通路を設けて、バイパス通路に第1逆止弁の流れ方向と逆方向の流れを許容する第2逆止弁を設ければよい。
(2)上述の実施形態では、暖房運転モードにおいて室外側可変絞り弁32、83の冷媒通路面積を、室外熱交換器出口温度センサ47の検出値と室外熱交換器入口温度センサ46の検出値に基づいて変更しているが、その他の方法を用いても良い。例えば、第1実施形態の暖房運転モードにおいて室外熱交換器31下流側冷媒の過熱度を検出して、この過熱度が所定の値になるように室外側可変絞り弁32の冷媒通路面積を変更してもよい。
また、冷房運転モードにおける室内側可変絞り弁34a、34b、66の冷媒通路面積の制御についても同様であり、例えば、第1実施形態の冷房運転モードにおいて室内熱交換器33a下流側冷媒の過熱度を検出して、この過熱度が所定の値になるように室外側可変絞り弁33aの冷媒通路面積を変更してもよい。
(3)上述の実施形態では、エジェクタ27、利用側用エジェクタをなす室内機用エジェクタ69および室外機用エジェクタ86に通路面積調整機構27e、69e、86eを設けて可変流量型エジェクタを用いているが、固定流量型エジェクタと可変絞り機構を組み合わせてもよい。この場合は、ノズル部上流側に全閉機能を有する可変絞り機構を配置すればよい。
(4)上述の実施形態では、斜板式可変容量型圧縮機を採用しているが、圧縮機の形式はこれに限定されるものではない。例えば、固定容量式のスクロール型圧縮機を採用してもよい。
また、上述の実施形態では、灯油を燃料とするディーゼルエンジンを採用しているが、ガソリン、灯油、水素等を燃料とする他の形式のエンジンを採用してもよい。
さらに、上述の実施形態では、冷媒加熱器19の熱源としてエンジン13の冷却水を採用しているが、地熱、太陽熱、電気ヒータ等を熱源としてもよい。このような熱源を採用した場合は圧縮機12をエンジン駆動とせず、電動駆動や風力駆動としてもよい。
(5)上述の第3〜4実施形態の室内機63および室外機80では、2つの熱交換器をエジェクタのディフューザ部側と冷媒吸引口側に接続しているが、ディフューザ部側の第1室内熱交換器64および第1室外熱交換器81を廃止してもよい。
冷媒吸引口側のみに熱交換器を配置しても、冷媒吸引口の低い圧力を第2室内熱交換器65および第2室外熱交換器82に作用させて冷媒蒸発温度を低くできるとともに、ディフューザ部が昇圧作用を発揮し、圧縮機12吸入圧力を上昇させて、サイクル効率の向上が図れる。
(6)上記実施形態では、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを熱交換対象が室内空気であるヒートポンプ空調装置に適用したが、熱交換対象が水である給湯装置等に適用してもよい。
12…圧縮機、13…エンジン、19…冷媒加熱器、21…電気式四方弁、
27…エジェクタ、27a、69a、86a…ノズル部、
27e、69e…通路面積調整機構、28…アキュムレータ、31…室外熱交換器、
32、83…室外側可変絞り弁、33a、33b…室内熱交換器、
34a、34b、66…室内側可変絞り弁、64…第1室内熱交換器、
65…第2室内熱交換器、69…室内機用エジェクタ、70、87…分岐通路
81…第1室外熱交換器、82…第2室外熱交換器、86…室外機用エジェクタ。
27…エジェクタ、27a、69a、86a…ノズル部、
27e、69e…通路面積調整機構、28…アキュムレータ、31…室外熱交換器、
32、83…室外側可変絞り弁、33a、33b…室内熱交換器、
34a、34b、66…室内側可変絞り弁、64…第1室内熱交換器、
65…第2室内熱交換器、69…室内機用エジェクタ、70、87…分岐通路
81…第1室外熱交換器、82…第2室外熱交換器、86…室外機用エジェクタ。
Claims (10)
- 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、
冷媒と熱交換対象とを熱交換させる利用側熱交換器(33a、33b、64、65)と、
冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器(31)と、
前記利用側熱交換器(33a、33b、64、65)流出冷媒を減圧膨張させるノズル部(27a)から噴射する高速度の冷媒流により前記室外熱交換器(31)流出冷媒を内部に吸引するエジェクタ(27)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルであって、
前記エジェクタ(27)流出冷媒と前記室外空気より高い温度の熱源とを熱交換させる冷媒加熱用熱交換器(19)とを備え、
前記熱交換対象を加熱する加熱運転モードでは、前記利用側熱交換器(33a、33b、64、65)は、前記圧縮機(12)吐出冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用し、前記室外熱交換器(31)は、前記冷媒を蒸発させる蒸発器として作用し、前記冷媒加熱用熱交換器(19)は、前記エジェクタ(27)流出冷媒を蒸発させる蒸発器として作用し、さらに、前記冷媒加熱用熱交換器(19)下流側冷媒を前記圧縮機(12)に吸入させるようになっていることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記利用側熱交換器(33a、33b、64、65)下流側と前記ノズル部(27a)上流側との間の冷媒の流れを分岐して前記室外熱交換器(31)に接続する分岐通路(30)と、
前記分岐通路(30)に配置されて、前記室外熱交換器(31)流入冷媒を減圧膨張させる室外側絞り手段(32)を備えることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記冷媒加熱用熱交換器(19)流出冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するアキュムレータ(28)と、
前記液相冷媒を前記室外熱交換器(19)に流入させる液相冷媒通路(60)とを備えることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 冷媒流路を切替えて、前記加熱運転モードと前記熱交換対象を冷却する冷却運転モードとを切替える冷媒流路切替手段(21)と、
前記利用側熱交換器(33a、33b、64、65)流入冷媒を減圧膨張させる利用側絞り手段(34a、34b、66)とを備え、
前記冷却運転モードでは、前記室外熱交換器(31)は、前記圧縮機(12)吐出冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器として作用し、さらに、前記利用側熱交換器(33a、33b、64、65)は、前記利用側絞り手段(34a、34b、66)流出側冷媒を蒸発させる蒸発器として作用することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記ノズル部(27a)に流入する冷媒を遮断するノズル部開閉手段(27e)を備え、
前記冷却運転モードでは、前記ノズル部開閉手段(27e)は、前記ノズル部(27a)流入冷媒を遮断するようになっていることを特徴とする請求項4に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記ノズル部開閉手段(27e)は、前記エジェクタ(27)自体に一体に構成されていることを特徴とする請求項5に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
- 前記冷却運転モードにおいて、前記利用側絞り手段(66)上流側で冷媒の流れを分岐する利用側分岐通路(70)と、前記利用側分岐通路(70)から流入した冷媒を減圧膨張させる利用側用ノズル部(69a)から噴射する高速度の冷媒流により前記利用側熱交換器(65)流出冷媒を内部に吸引する利用側用エジェクタ(69)とを備えることを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
- 前記加熱運転モードにおいて、前記利用側用ノズル部(69a)流入冷媒を遮断する利用側用ノズル部開閉手段(69e)を備えることを特徴とする請求項7に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
- 前記圧縮機(12)を駆動させるエンジン(13)を備え、
前記室外空気より高い温度の熱源は、前記エンジン(13)の冷却水であることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(12)と、
冷媒と熱交換対象とを熱交換させる利用側熱交換器(65)と、
冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器(82)と、
前記利用側熱交換器(65)を凝縮器として作用させ、前記室外熱交換器(82)を蒸発器として作用させて前記熱交換対象を加熱する加熱運転モードの冷媒流路と、前記利用側熱交換器(65)を蒸発器として作用させ、前記室外熱交換器(82)を凝縮器として作用させて前記熱交換対象を冷却する冷却運転モードの冷媒流路とを切替える冷媒流路切替手段(21)と、
前記冷却運転モードにおいて、前記利用側熱交換器(65)に流入する冷媒を減圧膨張させる第1絞り手段(66)と、
前記冷却運転モードにおいて、前記室外熱交換器(82)下流側冷媒を減圧膨張させる第1ノズル部(69a)から噴射する高速度の冷媒流によって前記利用側熱交換器(65)流出冷媒を内部に吸引する第1エジェクタ(69)と、
前記加熱運転モードにおいて、前記室外熱交換器(82)に流入する冷媒を減圧膨張させる第2絞り手段(83)と、
前記加熱運転モードにおいて、前記利用側熱交換器(65)下流側冷媒を減圧膨張させる第2ノズル部(86a)から噴射する高速度の冷媒流によって前記室外側熱交換器(82)流出冷媒を内部に吸引する第2エジェクタ(86)とを備えることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
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