JP2007057156A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の前段にエジェクタを設けた炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルにおいて、オイル戻し機構を不要とし、且つエジェクタの圧縮効果の減少を抑える。
【解決手段】気液分離器とアキュームレータとを一体化したセパレータ１４をエジェクタ１７の前段に設け、セパレータ１４で分離されたガス冷媒を一次流体としてエジェクタ１７の高圧側に導入するとともに、蒸発器１６から吐出されたガス冷媒を二次流体としてエジェクタ１７の低圧側に導入し、エジェクタ１７内で両ガス冷媒を混合して圧縮機１１に導入するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、炭酸ガスなどの超臨界流体を冷媒として用いた冷凍サイクルに関する。

近年、車両用空調装置の冷凍サイクルには、温暖化係数が低い冷媒で炭酸ガスなどの気液臨界温度・圧力以上で利用される冷媒が用いられており、冷媒が外部に漏れた場合にも環境への影響を少なくする対策が採られている。

このような炭酸ガスを冷媒とする冷凍サイクルの基本技術として、放熱器の出口側冷媒と蒸発器の出口側冷媒との間で熱交換させる内部熱交換器を設けたシステムが特許文献１に提案されている。ここには、気液分離器／レシーバの容量を変更することによりシステムの高圧側の冷媒圧力を調整する技術についても提案されている（特許文献１参照）。

また、冷凍サイクル中の断熱膨張させる部分にエジェクタを配置して膨張エネルギーを回収することにより成績係数を向上させるようにしたシステムが提案されている（特許文献２参照）。
特公平７−１８６０２号公報 特許第３３２２２６３号公報

上記特許第３３２２２６３号公報に提案されたシステムでは、エジェクタで膨張エネルギーを回収することにより成績係数を向上させている。このために、臨界圧のガス冷媒を放熱器からエジェクタに導入し、このエジェクタの後段にある気液分離器で分離した後、ガス冷媒を圧縮機に送り、液冷媒を蒸発器に戻すようにしている。

しかしながら、上記構成では、圧縮機に戻るオイルがエジェクタ後段の気液分離器で分離されるため、圧縮機へ改めてオイルを戻す機構が必要になる。また、エジェクタには二相（液／ガス）の冷媒が導入されるため、エジェクタの後流では冷媒の一部が凝縮し、この凝縮による体積減少の減圧によりエジェクタの圧縮効果が減少してしまうという問題点がある。

この発明の目的は、オイル戻し機構を不要とし、且つエジェクタの圧縮効果が減少することのない冷凍サイクルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係わる冷凍サイクルは、少なくとも、冷媒を臨界圧以上に昇圧する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器と、この放熱器を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段と、この第１減圧手段を通過した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するとともに液冷媒を貯留するセパレータと、このセパレータで分離された液冷媒を断熱膨張させる第２減圧手段と、この第２減圧手段を通過した液冷媒を熱交換により蒸発させてガス冷媒とする蒸発器と、高圧側から導入した一次流体と低圧側から導入した二次流体とを混合して吐出するエジェクタとを備えて構成された冷凍サイクルであって、前記セパレータを前記エジェクタの前段に設け、前記セパレータで分離されたガス冷媒を一次流体として前記エジェクタの高圧側に導入するとともに、前記蒸発器から吐出されたガス冷媒を二次流体として前記エジェクタの低圧側に導入し、前記エジェクタ内で両ガス冷媒を混合して前記圧縮機の入口側に導入することを特徴とする。

本発明によれば、エジェクタにはセパレータで気液分離されたガス冷媒と蒸発器で気化されたガス冷媒とが導入され、液冷媒の成分は極めて少なくなるため、エジェクタの後段での気液分離が不要となる。このように、圧縮機の循環のためにサイクル内を循環するオイルが圧縮機の直前で気液分離により分離されないので、圧縮機のオイル切れを生じることがなく、また圧縮機へオイルを戻す機構を不要とすることができる。

また、エジェクタにはガス冷媒のみが導入されるため、エジェクタの後流で冷媒の一部が凝縮することがなく、ガスの凝縮による体積減少の減圧を生じないので、エジェクタにおける圧縮効果の減少を抑えることができる。

以下、本発明に係わる冷凍サイクルを実施するための最良の形態となる実施例について説明する。

図１は、本実施例に係わる冷凍サイクルの回路図であり、超臨界流体である炭酸ガスを冷媒とする車両用空調装置の冷凍サイクルを示している。

本実施例の冷凍サイクル１０は、冷媒を臨界圧以上に昇圧する圧縮機１１と、この圧縮機１１で昇圧された冷媒を放熱させる放熱器１２と、この放熱器１２を通過した冷媒を断熱膨張させる第１膨張器（第１減圧手段）１３と、この第１膨張器１３を通過した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するセパレータ１４と、このセパレータ１４で分離された液冷媒を断熱膨張させる第２膨張器（第２減圧手段）１５と、この第２膨張器１５を通過した液冷媒を蒸発させてガス冷媒とする蒸発器１６と、高圧側から導入した一次流体と低圧側から導入した二次流体とを混合して吐出するエジェクタ１７とを備え、蒸発器１６を通過した冷媒をエジェクタ１７を介して圧縮機１１へ戻し、圧縮機１１で運動エネルギー（圧力）を与えてサイクル内を循環させるように構成したものである。

圧縮機１１は、図示しないモータまたはエンジンからの駆動力を得て気相状態の炭酸ガスを昇圧、昇温して高圧高温の冷媒として吐出している。

放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒を外気（または熱交換媒体）に放熱させることにより、冷媒の温度を外気温近くまで冷却する。この放熱器１２には、例えば電動ファンなどが駆動されることにより外気が吹き付けられる。そして、この放熱器１２内を通過する高温高圧の冷媒と、吹き付けられる外気との間で熱交換を行わせることで、高温高圧の冷媒を中温まで冷却している。

第１膨張器１３は、放熱器１２を通過した冷媒を断熱膨張させ、中間圧力の液冷媒とガス冷媒とする。この第１膨張器１３もしくは圧縮機１１により冷凍サイクル１０の冷媒循環量を制御している。

セパレータ１４は、気液分離器とアキュームレータとを一体化したもので、第１膨張器１３を通過した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離して、ガス冷媒をエジェクタ１７へ送り出し、液冷媒を内部に一時的に貯留している。

第２膨張器１５は、セパレータ１４で分離された液冷媒を断熱膨張させて蒸発器１６に送り出している。この第２膨張器１５により蒸発温度、中間圧を制御している。

なお、第１膨張器１３、第２膨張器１５としては、例えば膨張弁、オリフィス、キャピラリーチューブなどのほか、これらと同等の機能を備えたものを用いることができる。

蒸発器１６は、第２膨張器１５で断熱膨張した低温低圧の液冷媒をブロアファンから供給される空調風との間で熱交換させている。液冷媒は蒸発器１６を通過する際に空調風から吸熱して蒸発（気化）する。そして、蒸発器１６内を流通する冷媒に吸熱された空調風は冷却、除湿されて冷房風となり車室内などに供給される。

エジェクタ１７は、一次流体を導入する高圧側入口となる一次入口１７ａと、二次流体を導入する低圧側入口となる二次入口１７ｂとを備え、一次入口１７ａから導入された一次流体がエジェクタ内部に流れる間に減圧、加速することで二次入口１７ｂとの間に差圧を発生させ、この差圧により二次流体を吸引するように構成されている。エジェクタ出口は先広がりになっていて、混合された両流体はここで減速し、圧力が回復して吐出される。

本実施例では、セパレータ１４をエジェクタ１７の前段に設け、ガス冷媒をエジェクタ１７へ、また液冷媒を第２膨張器１５へ吐出している。これにより、セパレータ１４で分離されたガス冷媒は一次流体としてエジェクタ１７の一次入口１７ａに導入され、同じくセパレータ１４で分離された液冷媒は第２膨張器１５へ導入される。そして、この第２膨張器１５へ導入された液冷媒は断熱膨張して蒸発器１６へ送られ、ここで蒸発してガス冷媒となりエジェクタ１７の二次入口１７ｂに導入される。

次に、図２に示すモリエル線図を参照しながら、本実施例の冷凍サイクルの作用を説明する。なお図２において、符号ａ，ｄの位置は一例として示したものであり、実際の冷凍サイクルを運転した際に示される位置とは必ずしも一致していない。

まず、圧縮機１１によりガス状態の冷媒を加圧し（ａ−ｂ）、圧縮され高温高圧になった冷媒を放熱器１２で冷却する（ｂ−ｃ）。そして、第１膨張器１３で断熱膨張した後（ｃ−ｄ）、二相状態の冷媒はセパレータ１４で気液分離される。ここで、液冷媒はセパレータ１４から第２膨張器１５へ送られ（ｄ−ｅ）、第２膨張器１５で断熱圧縮された後（ｅ−ｆ）、さらに蒸発器１６で空調風から吸熱して蒸発する。そして、蒸発器１６を通過したガス冷媒はエジェクタ１７の二次入口１７ｂに導入される（ｆ−ｇ）。一方、セパレータ１４で気液分離されたガス冷媒は、エジェクタ１７の一次入口１７ａに導入される。そして、エジェクタ１７の内部では一次入口１７ａから導入された比較的高圧のガス冷媒と、二次入口１７ｂから導入された低圧のガス冷媒とが混合され（ｇ−ａ、ｄ−ａ）、中圧の冷媒となって圧縮機１１へ吸入される。

このように、本実施例の冷凍サイクルによれば、エジェクタ１７にはセパレータ１４で気液分離されたガス冷媒と蒸発器１６で気化されたガス冷媒とが導入されるため、液冷媒の成分は極めて少なくなり、エジェクタ１７の後段での気液分離が不要となる。したがって、圧縮機１１の循環のためにサイクル内を循環するオイルが圧縮機１１の直前で気液分離により分離されないため、圧縮機１１のオイル切れを生じることがなく、圧縮機１１へオイルを戻す機構が不要となる。

また、エジェクタ１７にはガス冷媒のみが導入されるため、エジェクタ１７の後流で冷媒の一部が凝縮することが少なく、ガスの凝縮による体積減少の減圧を生じにくいので、エジェクタ１７における圧縮効果の減少を抑えることができる。加えて、エジェクタ１７には単相のガス冷媒のみが導入されるため、設計が容易なものとなる。

さらに、気液分離器とアキュームレータとを一体化したことにより、セパレータ１４を小型化することができる。

なお、本実施例では、気液分離器とアキュームレータとを一体化したセパレータ１４をエジェクタ１７の前段に設けた例について示したが、気液分離器とアキュームレータとをそれぞれ独立して設置してもよい。図３は、他の実施例に係わる冷凍サイクルの回路図である（図１と同等部分を同一符号で示す）。

図３に示す冷凍サイクル２０では、気液分離器１８をエジェクタ１７の前段に設け、またアキュームレータ１９を圧縮機１１の前段に設けている。このように、アキュームレータ１９を独立させて圧縮機１１の前段に設けた場合には、アキュームレータ１９の耐圧設計を小さくすることができる。

実施例１に係わる冷凍サイクルの回路図。 実施例１に係わる冷凍サイクルを説明するためのモリエル線図。 他の実施例に係わる冷凍サイクルの回路図。

符号の説明

１０、２０…冷凍サイクル
１１…圧縮機
１２…放熱器
１３…第１膨張器
１４…セパレータ
１５…第２膨張器
１６…蒸発器
１７…エジェクタ
１７ａ…一次入口
１７ｂ…二次入口
１８…気液分離器
１９…アキュームレータ

Claims (1)

1. 少なくとも、冷媒を臨界圧以上に昇圧する圧縮機（１１）と、この圧縮機で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器（１２）と、この放熱器を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段（１３）と、この第１減圧手段を通過した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するとともに液冷媒を貯留するセパレータ（１４）と、このセパレータで分離された液冷媒を断熱膨張させる第２減圧手段（１５）と、この第２減圧手段を通過した液冷媒を熱交換により蒸発させてガス冷媒とする蒸発器（１６）と、高圧側から導入した一次流体と低圧側から導入した二次流体とを混合して吐出するエジェクタ（１７）とを備え、
   前記セパレータ（１４）を前記エジェクタ（１７）の前段に設け、前記セパレータ（１４）で分離されたガス冷媒を一次流体として前記エジェクタ（１７）の高圧側に導入するとともに、前記蒸発器（１６）から吐出されたガス冷媒を二次流体として前記エジェクタ（１７）の低圧側に導入し、前記エジェクタ（１７）内で両ガス冷媒を混合して前記圧縮機（１１）に導入することを特徴とする冷凍サイクル。
   

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