JP2007057177A - 蒸気圧縮式冷凍サイクル装置 - Google Patents

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祥孝 藤澤
Masataku Imazu
正▲琢▼ 今津
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Abstract

【課題】 共通の冷却対象空間を冷却するエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置における良好なフロスト制御を得るとともに、2つの蒸発器による冷却性能の向上が図れる蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を実現する。
【解決手段】 第1蒸発器15、第2蒸発器18は、一連の構成として接続され、共通の冷却対象空間21に向かって送風される空気流れを冷却するように構成されるとともに、第2蒸発器18の出口冷媒圧力に基づいて、圧縮機11の吐出容量、もしくは冷媒吐出能力のいずれかを変化させてフロスト制御する制御装置40を有する。これにより、良好なフロスト制御を得ることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、冷媒減圧手段の機能および冷媒循環手段の機能を果たすエジェクタと、複数の蒸発器とを有するエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置に関するものであり、例えば、自動車用、業務用、または家庭用の空調装置、あるいは車載の荷物を冷凍、冷蔵する車両用冷凍装置等に適用して有効である。
従来、この種のエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置は特許文献1等にて知られている。この特許文献1では、図9に示すように冷媒減圧手段および冷媒循環手段の機能を果たすエジェクタ14の冷媒下流側と気液分離器30との間に第1蒸発器15を配置するともに、気液分離器30の液冷媒出口側とエジェクタ14の冷媒吸引口14bとの間に第2蒸発器18を配置した蒸気圧縮式冷凍サイクル装置が開示されている。
上記特許文献1の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置によると、膨張時の冷媒の高速な流れにより生じる圧力低下を利用して、第2蒸発器18から排出される気相冷媒を吸引するとともに、膨張時の冷媒の速度エネルギーをディフューザ部(昇圧部)14dにて圧力エネルギーに変換して冷媒圧力を上昇させるので、圧縮機12の駆動動力を低減できる。このため、サイクルの運転効率を向上することができる。
また、2つの蒸発器15、18により別々の空間、または2つの蒸発器15、18で同一の空間から吸熱(冷却)作用を発揮することができる。そして、2つの蒸発器15、18にて室内の冷房を行ってもよい旨の記載もある。
特許第3322263号公報
しかしながら、上記特許文献1では、2つの蒸発器15、18にて室内の冷房を行う際における具体的な2つの蒸発器15、18の構成、およびエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置におけるフロスト制御に関する構成が何ら開示されていない。
そこで、本発明は、上記点に鑑みたものであり、エジェクタ下流側蒸発器とエジェクタ吸引側蒸発器とを組み合わせて、共通の冷却対象空間を冷却する蒸気圧縮式冷凍サイクル装置における良好なフロスト制御を得ることを目的とする。
また、本発明は、他の目的として、2つの蒸発器による冷却性能の向上が図れる蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1ないし請求項8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、冷媒を吸入し圧縮する圧縮機(11)と、この圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器(13)と、この放熱器(13)下流側の冷媒を減圧膨張させるノズル部(14a)、このノズル部(14a)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(14b)、高い速度の冷媒流と冷媒吸引口(14b)の吸引冷媒とを混合する混合部(14c)、およびその混合部(14c)で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(14d)を有するエジェクタ(14)と、このエジェクタ(14)の下流側に接続される第1蒸発器(15)と、冷媒吸引口(14b)に接続される第2蒸発器(18)とを備え、
第1蒸発器(15)および第2蒸発器(18)は、一連の構成として接続され、共通の冷却対象空間(21)に向かって送風される空気流れを冷却するように構成されるとともに、第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力に基づいて、圧縮機(11)の吐出容量、もしくは冷媒吐出能力のいずれかを変化させてフロスト制御する制御手段(40)を有することを特徴としている。
この発明によれば、蒸発器を第1蒸発器(15)と第2蒸発器(18)との二つに分割したときは、第2蒸発器(18)側のほうが第1蒸発器(15)よりも低圧となるため冷媒吸引口(14b)側に吸引される冷媒圧力に基づいてフロスト制御することで、簡素なセンサを用いることで容易にフロストを防止することができる。
しかも、特に、低負荷状態のときには、第2蒸発器(18)側がより低圧となるため冷媒吸引口(14b)側に吸引される冷媒圧力に基づくことでいち早く容易にフロストを防止することができる。
請求項2に記載の発明では、圧縮機(11)は、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機であり、制御手段(40)は、第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力が所定値以下のときに、圧縮機(11)の吐出容量を低下させる制御を行うことを特徴としている。
この発明によれば、第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力が所定値以下のときに、例えば、電動機の回転数を低下させることで圧縮機(11)の吐出容量を低下できる。これにより、良好なフロスト制御を行うことができる。
請求項3に記載の発明では、圧縮機(11)は、電磁クラッチ(12)の断続により圧縮機作動の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整する固定容量型圧縮機であり、制御手段(40)は、第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力が所定値以下のときに、圧縮機(11)の冷媒吐出能力を低下させる制御を行うことを特徴としている。
この発明によれば、上述した請求項1の圧縮機(11)は可変容量型圧縮機であったが、これに限らず、電磁クラッチ(12)の断続運転で作動される固定容量型圧縮機であっても、圧縮機作動の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を低下させることが可能である。これにより、良好なフロスト制御を行うことができる。
請求項4に記載の発明では、第2蒸発器(18)と冷媒吸引口(14b)との間には、第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力を検出する圧力検出手段(41)が設けられていることを特徴としている。
この発明によれば、より具体的には、例えば、圧力センサなどの圧力検出手段(41)を設けることで容易にかつ的確な第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力を検出することが容易である。また、簡素な構造で良いため製造コストの低減および搭載スペースの小型化が図れる。
請求項5に記載の発明では、圧力検出手段(41)は、冷媒吸引口(14b)内を通過する冷媒圧力を検出できるようにエジェクタ(14)に一体に構成していることを特徴としている。この発明によれば、圧力検出手段(41)がエジェクタ(14)に一体構成できることで製造コストの低減が図れる。
請求項6に記載の発明では、第1蒸発器(15)の冷媒蒸発温度に比較して第2蒸発器(18)の冷媒蒸発温度が低くなるようになっており、空気流れの上流側に第1蒸発器(15)が配置され、空気流れの下流側に第2蒸発器(18)が配置されることを特徴としている。
この発明によれば、冷媒蒸発温度が高い第1蒸発器(15)が空気流れ上流側に位置し、冷媒蒸発温度が低い第2蒸発器(18)が空気流れ下流側に位置しているので、被冷却空気の温度が空気流れ方向(A)の上流側から下流側へ向かって次第に低下しても、第1、第2蒸発器(15、18)の双方で、冷媒蒸発温度と空気温度との温度差を確保できる。これにより、共通の冷却対象空間(21)に対する冷却性能を2つの蒸発器(15、18)の組み合わせで効果的に発揮できる。
請求項7に記載の発明では、エジェクタ(14)の上流部から分岐され冷媒吸引口(14b)に至る冷媒分岐通路(16)を有し、この冷媒分岐通路(16)に絞り機構(17)が設けられ、この絞り機構(17)の下流側に第2蒸発器(18)が設けられていることを特徴としている。
この発明によれば、エジェクタ(14)の上流部から分岐した冷媒を絞り機構(17)で減圧して第2蒸発器(18)に供給できるから、第1蒸発器(15)の冷媒流れ下流側に気液分離器(30)を設定する必要がない。また、第2蒸発器(18)への冷媒流量を絞り機構(17)で独立に調整できる。
請求項8に記載の発明では、第1蒸発器(15)の冷媒流れ下流側に冷媒の気液を分離する気液分離器(30)が設けられ、この気液分離器(30)の気相冷媒出口側は圧縮機(11)の吸入側に接続され、気液分離器(30)の液相冷媒出口側は冷媒分岐通路(31)により冷媒吸引口(14b)に接続され、冷媒分岐通路(31)に絞り機構(17)が設けられ、この絞り機構(17)の下流側に第2蒸発器(18)が設けられていることを特徴としている。
この発明によれば、第1蒸発器(15)の冷媒流れ下流側に冷媒の気液を分離する気液分離器(30)を設けたときは、気液分離器(30)の液相冷媒出口側は冷媒分岐通路(31)により冷媒吸引口(14b)に接続されている。従って、気液分離器(30)を用いる場合であっても、冷媒吸引口(14b)側が低圧となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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)
以下、本発明の第1実施形態におけるエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を図1ないし図4に基づいて説明する。図1は本発明を車両用冷凍サイクル装置に適用した車両用エジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置のサイクル構成図である。図2は第1、第2蒸発器15、18の一体化構成を示す概略斜視図である。また、図3は第1、第2蒸発器15、18と、これらの冷媒通路および冷媒の流れを示す概略図である。さらに、図4は制御装置40のフロスト制御手段の制御処理を示すフローチャートである。
本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10は、図1に示すように、圧縮機11、放熱器13、エジェクタ14、第1、第2蒸発器15、18などから構成されている。冷媒を吸入圧縮する圧縮機11は、電磁クラッチ12、ベルト等を介して図示しない車両走行用エンジンにより回転駆動される。
この圧縮機11としては、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機、あるいは電磁クラッチ12の断続により圧縮機作動の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整する固定容量型圧縮機のいずれを使用してもよい。
また、圧縮機11として電動圧縮機を使用すれば、電動モータの回転数調整により冷媒吐出能力を調整できる。なお、電磁クラッチ12は後述する制御装置40に電気的に接続され、この制御装置40により制御される。
この圧縮機11の冷媒吐出側には放熱器13が配置されている。放熱器13は圧縮機12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。
ここで、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10の冷媒として、通常のフロン系冷媒を用いる場合は、高圧圧力が臨界圧力を超えない亜臨界サイクルとなるので、放熱器13は冷媒を凝縮する凝縮器として作用する。一方、冷媒として二酸化炭素(CO2)のように高圧圧力が臨界圧力を超える冷媒を用いる場合は蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10が超臨界サイクルとなるので、冷媒は超臨界状態のまま放熱するだけで、凝縮しない。
そして、放熱器13よりもさらに冷媒流れ下流側部位には、エジェクタ14が配置されている。このエジェクタ14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流体輸送を冷媒循環手段(運動量輸送式ポンプ)でもある(JIS Z 8126 番号2.1.2.3等参照)。
エジェクタ14には、放熱器13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14aと、ノズル部14a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冷媒吸引口14bが備えられている。
さらに、ノズル部14aおよび冷媒吸引口14bの冷媒流れ下流側部位には、ノズル部14aからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口14bの吸引冷媒とを混合する混合部14cが設けられている。
そして、混合部14cの冷媒流れ下流側に昇圧部をなすディフューザ部14dが配置されている。このディフューザ部14d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14のディフューザ部14dの下流側に第1蒸発器15が接続され、この第1蒸発器15の冷媒流れ下流側は圧縮機11の吸入側に接続される。
一方、エジェクタ14の上流部(放熱器13とエジェクタ14との間の中間部位)から冷媒分岐通路16が分岐され、この冷媒分岐通路16の下流側はエジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続される。図中に示す符号Zは冷媒分岐通路16の分岐点を示す。
この冷媒分岐通路16には絞り機構17が配置され、この絞り機構17よりも冷媒流れ下流側部位には第2蒸発器18が配置されている。絞り機構17は第2蒸発器18への冷媒流量の調節作用をなす減圧手段であって、具体的にはオリフィスのような固定絞りで構成できる。また、電動アクチュエータにより弁開度(通路絞り開度)が調整可能になっている電気制御弁を絞り機構17として用いてもよい。
ところで、本実施形態では、2つの蒸発器15、18を後述のごとく一体構造に組み付けて、2つの蒸発器15、18を1つのケース19内に収納するようになっている。そして、ケース19内に構成される空気通路に共通の電動送風機20により空気(被冷却空気)を矢印Aのごとく送風し、この送風空気を2つの蒸発器15、18で冷却するようになっている。
つまり、2つの蒸発器15、18で冷却された冷風を共通の冷却対象空間21に送り込み、これにより、2つの蒸発器15、18にて共通の冷却対象空間21を冷却するようになっている。ここで、2つの蒸発器15、18のうち、エジェクタ14下流側の主流路に接続される第1蒸発器15を空気流れAの上流側に配置し、エジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続される第2蒸発器18を空気流れAの下流側に配置している。
なお、本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10を車両空調用冷凍サイクル装置に適用する場合は車室内空間が冷却対象空間21となる。また、本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10を冷凍車用冷凍サイクル装置に適用する場合は冷凍車の冷凍冷蔵庫内空間が冷却対象空間21となる。さらに、本蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10を家庭用空調装置に適用する場合は室内空間が冷却対象空間21となる。
そして、エジェクタ14の冷媒吸引口14bと第2蒸発器18との間には、第2蒸発器18の出口冷媒圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサ41が設けられている。圧力センサ41は後述する制御手段である制御装置40に電気的に接続され、検出された圧力情報を制御装置40に出力する。
制御装置40は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のROM(図示せず)には、予め設定された制御プログラムが設けられている。そして、圧力センサ41を含め、図示しない各温度、各圧力センサからの温度、圧力情報、および図示しない操作パネルからの操作情報を入力するように電気的に接続し、これらの温度、圧力情報、操作情報に基づいて、電磁クラッチ12を含む蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10内の電気部品を制御している。
なお、本実施形態では、圧力センサ41により検出された圧力情報に基づいて電磁クラッチ12を制御するフロスト制御(後述する)を行っている。
次に、2つの蒸発器15、18の一体化構造の具体例を図2に基づいて説明する。この図2の実施例では、2つの蒸発器15、18が完全に1つの蒸発器構造として一体化されるようになっている。そのため、第1蒸発器15は1つの蒸発器構造のうち空気流れAの上流側領域を構成し、そして、第2蒸発器18は1つの蒸発器構造のうち空気流れAの下流側領域を構成するようになっている。
第1蒸発器15および第2蒸発器18の基本的構成は同一であり、それぞれ熱交換コア部15a、18aと、この熱交換コア部15a、18aの上下両側に位置するタンク部15b、15c、18b、18cとを備えている。
ここで、熱交換コア部15a、18aは、それぞれ上下方向に延びる複数のチューブ22とこの複数のチューブ22相互間に接合されるフィン23との積層構造からなる。なお、図2では、空気流れ上流側に位置する第1蒸発器15の熱交換コア部15aにおけるチューブ22とフィン23のみ図示して、空気流れ下流側に位置する第2蒸発器18の熱交換コア部18aにおけるチューブ22とフィン23を図示していないが、両熱交換コア部15a、18aの構成は同一である。
チューブ22は冷媒通路を構成するもので、断面形状が空気流れ方向Aに沿って扁平な扁平チューブよりなる。フィン23は薄板材を波状に曲げ成形したコルゲートフィンであり、チューブ22の平坦な外面側に接合され空気側伝熱面積を拡大する。
チューブ22とフィン23は熱交換コア部15a、18aの左右方向に交互に積層配置され、このチューブ、フィン積層方向(コア部左右方向)の両端部には熱交換コア部15a、18aを補強するサイドプレート15d、15e、18d、18eが配置されている。このサイドプレート15d、15e、18d、18eは、コア部左右方向の最も外側に位置するコルゲートフィン23および上下両側のタンク部15b、15c、18b、18cに接合される。
第1蒸発器15の上下両側のタンク部15b、15cと、第2蒸発器18の上下両側のタンク部18b、18cは互いに独立した冷媒通路空間を構成する。第1蒸発器15の上下両側のタンク部15b、15cは熱交換コア部15aのチューブ22の上下両端部が挿入され、接合されるチューブ嵌合穴部(図示せず)を有し、チューブ22の上下両端部がタンク部15b、15cの内部空間に連通するようになっている。
同様に、第2蒸発器18の上下両側のタンク部18b、18cは熱交換コア部18aのチューブ22の上下両端部が挿入され、接合されるチューブ嵌合穴部(図示せず)を有し、チューブ22の上下両端部がタンク部15b、15cの内部空間に連通するようになっている。
これにより、上下両側のタンク部15b、15c、18b、18cは、それぞれ対応する熱交換コア部15a、18aの複数のチューブ22へ冷媒流れを分配したり、複数のチューブ22からの冷媒流れを集合する役割を果たす。
このタンク部15b、15c、18b、18cによる冷媒流れの分配・集合機能を図2により具体的に説明すると、エジェクタ14下流側の低圧冷媒が流入する入口部24が第1蒸発器15の下側タンク部15cの左端部に配置され、この下側タンク部15cの右端部に出口部25が配置されている。そして、この下側タンク部15cの内部空間の長手方向(コア部のチューブ・フィン積層方向)の中間部には仕切板26が配置され、この仕切板26により下側タンク部15cの内部空間を図示左側領域と右側領域とに仕切っている。
これにより、入口部24から下側タンク部15c内部の左側領域に流入した低圧冷媒は、熱交換コア部15aの左側領域のチューブ22群を矢印aのごとく上昇して上側タンク部15bの内部空間に流入し、この内部空間を矢印bのごとく左側から右側へと流れる。
次に、上側タンク部15bの内部空間の右側領域の冷媒が熱交換コア部15aの右側領域のチューブ22群を矢印cのごとく下降して下側タンク部15c内部の右側領域に流入する。そして、下側タンク部15cの右端部の出口部25から冷媒が矢印dのごとく流出して圧縮機11の吸入側へ向かう。
これに対し、第2蒸発器18においては、その上側タンク部18bの右端部に冷媒分岐通路16の絞り機構17を通過した低圧冷媒が流入する入口部27が配置され、この上側タンク部18bの左端部に出口部28が配置されている。そして、この上側タンク部18bの内部空間の長手方向(コア部のチューブ・フィン積層方向)の中間部には仕切板29が配置され、この仕切板29により上側タンク部18bの内部空間を図示右側領域と左側領域とに仕切っている。
これにより、入口部27から上側タンク部18b内部の右側領域に流入した低圧冷媒は、熱交換コア部18aの右側領域のチューブ22群を矢印eのごとく下降して下側タンク部18cの内部空間に流入し、この内部空間を矢印fのごとく右側から左側へと流れる。
次に、下側タンク部18cの内部空間の左側領域の冷媒が熱交換コア部18aの左側領域のチューブ22群を矢印gのごとく上昇して上側タンク部18b内部の左側領域に流入する。そして、上側タンク部18bの左端部の出口部25から冷媒が矢印hのごとく流出してエジェクタ14の冷媒吸引口14bへ向かう。
なお、矢印hに相当する出口部25と冷媒吸引口14bとの間に圧力センサ41を設けることになるため、簡素な構成で第1、第2蒸発器15、18に配設することが容易にできる。
次に、2つの蒸発器15、18におけるチューブ22、フィン23、およびタンク部15b、15c、18b、18cの具体的な一体化構造例について述べる。まず、フィン23として、空気流れ前後の2つの熱交換コア部15a、18aごとにそれぞれ別のフィンを設定してもよいが、空気流れ前後の2つの熱交換コア部15a、18aの両方に共通の一体フィンを設定してもよい。
同様に、チューブ22として、空気流れ前後の2つの熱交換コア部15a、18aごとにそれぞれ別のチューブを設定してもよいが、空気流れ前後の2つの熱交換コア部15a、18aの両方に共通の一体チューブを設定してもよい。
ただし、第1蒸発器15側のチューブ22と、第2蒸発器18側のチューブ22は完全に独立した冷媒通路を構成する必要があるので、一体チューブの場合は、一体チューブ内部に第1蒸発器15側の冷媒通路と、第2蒸発器18側の冷媒通路とを仕切壁により区分して独立に形成し、第1蒸発器15側のチューブ内冷媒通路を第1蒸発器15側のタンク部15b、15cの内部空間に独立に接続し、第2蒸発器18側のチューブ内冷媒通路を第2蒸発器18側のタンク部18b、18cの内部空間に独立に接続する必要がある。
また、タンク部15b、15c、18b、18cについてもそれぞれ独立に形成してもよいが、2つの上側タンク部15b、18bを一体構造で構成し、2つの下側タンク部15c、18cを一体構造で構成してもよい。但し、この場合も、2つの上側タンク部15bと18bの互いの内部空間を互いに独立に形成し、2つの下側タンク部15c、18cの互いの内部空間を互いに独立に形成する必要がある。
また、左右両側のサイドプレート15d、15e、18d、18eについてもそれぞれ独立に形成してもよいが、2つの左側サイドプレート15d、18dを1枚のプレートで一体に構成し、2つの右側サイドプレート15e、18eを1枚のプレートで一体に構成してもよい。
上記のごとく、第1、第2蒸発器15、18におけるチューブ22、フィン23、タンク部15b、15c、18b、18cおよびサイドプレート15d、15e、18d、18eとして一体構造のものを用いれば、2つの蒸発器15、18を少ない部品点数にて簡潔に低コストにて製造できる。
なお、チューブ22、フィン23、タンク部15b、15c、18b、18cおよびサイドプレート15d、15e、18d、18eの具体的材質としては、熱伝導性やろう付け性に優れた金属であるアルミニウムが好適であり、このアルミニウム材にて各部品を成形することにより、第1、第2蒸発器15、18の全体構成を一体ろう付けにて組み付けることができる。
そして、本実施形態では、第1、第2蒸発器15、18の一体ろう付けによる組み付け後に、エジェクタ14を第1、第2蒸発器15、18側に組み付けて、エジェクタ14を第1、第2蒸発器15、18と一体化している。
エジェクタ14は、図2に示すように、ノズル部14a、混合部14cおよびディフューザ部14dが一直線上に並んだ細長の円柱形状になっている。そこで、本実施形態では、エジェクタ14の長手方向を熱交換コア部15a、18aの側面と平行にして、エジェクタ14を熱交換コア部15a、18aの側面に一体構造に組み付けるようにしている。
より具体的には、エジェクタ14の長手方向を熱交換コア部左側のサイドプレート15d、18dと平行に配置して、この左側のサイドプレート15d、18dにエジェクタ14を組み付けるようにしている。ここで、エジェクタ14はサイドプレート15d、18dに図示しない固定手段、例えば、ねじ止め、金属ばねクリップ、ろう付け等の手段を用いて固定される。
このようなエジェクタ組み付け構造によると、エジェクタ14のディフューザ部14dの出口部を下側タンク部15cの入口部24に、また、エジェクタ14の冷媒吸引口14bを上側タンク部18bの出口部28にそれぞれ近接配置できる。従って、エジェクタ14と第1蒸発器15との冷媒通路接続およびエジェクタ14と第2蒸発器18との冷媒通路接続をともに簡単に行うことができる。
しかも、細長の円柱形状からなるエジェクタ14の長手方向を第1、第2蒸発器15、18の熱交換コア部側面部に沿って配置しているから、エジェクタ14が第1、第2蒸発器15、18の外形状から大きく突き出すことがない。その結果、エジェクタ14を含めた第1、第2蒸発器15、18全体の体格をコンパクトにまとめることができる。
次に、二つの蒸発器15、18内の冷媒の流れについて図3に基づいて説明する。第1蒸発器15および第2蒸発器18に流れる流れは、空気流れ方向(矢印A)に対して横断するように交差する流れを形成している。この冷媒の流れを構成する冷媒通路は、第1蒸発器15および第2蒸発器18において複数本のチューブ22が備えられており、複数本の冷媒通路33、34は積層して配置されている。
また、第1蒸発器15および第2蒸発器18の冷媒通路のうち、少なくとも一方の冷媒通路33、34は、その外部を流れる空気の流れ方向Aに複数列を形成するように並んで配置されている。さらに、複数列を形成している冷媒通路33、34は冷媒が流れる向きが蒸発器15、18内で変わるように、折り返された形状で構成され、言い換えれば、U字状、またはW字状に構成されてもよい。
なお、ここでは、少なくとも一方の冷媒通路33、34は、その外部を流れる空気の流れ方向Aに複数列を形成するように形成したが、これに限らず、複数列でなくても良い。また、冷媒の流れる向きを蒸発器15、18内で変わるように形成したが、これに限らず、折り返された形状でなくても良い。

ここで、図中に示す符号37、38はともに分配器であり、一方の分配器37は、エジェクタ14で昇圧された冷媒を分配させて入口部24から第1蒸発器15内に構成された冷媒通路33内に流入するようにしている。他方の分配器38は、絞り機構17で減圧された冷媒を分配させて入口部27から第2蒸発器18内に構成された冷媒通路34内に流入するようにしている。
また、符号35、36はともにタンクであって、一方のタンク35は、第1蒸発器15の出口部25から流出する冷媒を集合させるタンクである。他方のタンク36は、第1蒸発器15の出口部28から流出する冷媒を集合させるタンクである。
これにより、エジェクタ14で昇圧された冷媒が分配器37、入口部24を介して第1蒸発器15内の冷媒通路33内に流入する。そして、冷媒通路33内に流入した冷媒は、外部を流れる空気流れの方向Aを横切るように進み、第1蒸発器15の他端側で折り返すようにUターンし、冷媒通路の入口部24よりも空気流れ方向の上流側に配置されている冷媒通路の出口部25に達し外部を流れる空気を冷却する。
このように、第1蒸発器15をU字状に横断する冷媒の流れを形成する冷媒通路33は、空気流れ方向Aに沿うように並んだ往きと帰りの2本の通路を形成し、さらに、この通路は、全体として、空気流れ方向Aと反対向きに移動する冷媒の流れを形成している。そして、冷媒通路の出口部25から流出した冷媒はタンク35を経由して圧縮機11の吸入部から吸入される。
一方、冷媒分岐通路16の分岐路Z地点から絞り機構17に流入し、流量が調整された冷媒は、分配器38によって、第2蒸発器18に複数個配管された冷媒配管内に分配され、冷媒通路の入口部27から第2蒸発器18内に構成された冷媒通路34内に流入する。
この冷媒通路34内に流入した冷媒は、外部を流れる空気流れの方向Aを横切るように進み、第2蒸発器18の他端側で折り返すようにUターンし、冷媒通路の入口部27よりも空気流れ方向Aの下流側に配置されている冷媒通路の出口部28に達し、外部を流れる空気を冷却する。
このように、第2蒸発器18をU字状に横断する冷媒の流れを形成する冷媒通路34は、空気流れ方向Aに沿うように並んだ往きと帰りの2本の通路を形成し、さらに、この通路は、全体として、空気流れ方向Aと同じ向きに移動する冷媒の流れを形成している。そして、この冷媒通路の出口部28から流出した冷媒は、タンク36を経由してエジェクタ14の冷媒吸引口14bから吸引される。
次に、以上の構成による蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10の作動を説明する。圧縮機11を車両エンジンにより駆動すると、圧縮機11で圧縮され吐出された高温高圧状態の冷媒は放熱器13に流入する。放熱器13では高温の冷媒が外気により冷却されて凝縮する。放熱器13から流出した高圧液相冷媒は、分岐点Zにてエジェクタ14に向かう冷媒流れと、冷媒分岐通路16に向かう冷媒流れとに分流する。
エジェクタ14に流入した冷媒流れはノズル部14aで減圧され膨張する。従って、ノズル部14aで冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、このノズル部14aの噴出口から冷媒は高速度となって噴出する。この際の冷媒圧力低下により、冷媒吸引口14bから冷媒分岐通路16の第2蒸発器18通過後の冷媒(気相冷媒)を吸引する。
ノズル部14aから噴出した冷媒と冷媒吸引口14bに吸引された冷媒は、ノズル部14a下流側の混合部14cで混合してディフューザ部14dに流入する。このディフューザ部14d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14のディフューザ部14dから流出した冷媒は第1蒸発器15に流入する。第1蒸発器15では、図2に示す矢印a〜dの冷媒経路にて冷媒が流れる間に、低温の低圧冷媒が熱交換コア部15aにて矢印A方向の送風空気から吸熱して蒸発する。この蒸発後の気相冷媒は、圧縮機11に吸入され、再び圧縮される。
一方、冷媒分岐通路16に流入した冷媒流れは絞り機構17で減圧されて低圧冷媒となり、この低圧冷媒が第2蒸発器18に流入する。第2蒸発器18では、図2に示す矢印e〜hの冷媒経路にて冷媒が流れる間に、矢印A方向の送風空気から冷媒が吸熱して蒸発する。この蒸発後の気相冷媒は冷媒吸引口14bからエジェクタ14内に吸引される。
以上のように、本実施形態によると、エジェクタ14のディフューザ部14dの下流側冷媒を第1蒸発器15に供給するととともに、冷媒分岐通路16側の冷媒を絞り機構17を通して第2蒸発器18にも供給できるので、第1、第2蒸発器15、18で同時に冷却作用を発揮できる。そのため、第1、第2蒸発器15、18の両方で冷却された冷風を冷却対象空間21に吹き出して、冷却対象空間21を冷房(冷却)できる。
その際に、第1蒸発器15の冷媒蒸発圧力はディフューザ部14dで昇圧した後の圧力であり、一方、第2蒸発器18の出口側はエジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続されているから、ノズル部14aでの減圧直後の最も低い圧力を第2蒸発器18に作用させることができる。
これにより、第1蒸発器15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)を低くすることができる。そして、送風空気の流れ方向Aに対して冷媒蒸発温度が高い第1蒸発器15を上流側に配置し、冷媒蒸発温度が低い第2蒸発器18を下流側に配置しているから、第1蒸発器15における冷媒蒸発温度と送風空気との温度差および第2蒸発器18における冷媒蒸発温度と送風空気との温度差を両方とも確保できる。
このため、第1、第2蒸発器15、18の冷却性能を両方とも有効に発揮できる。従って、共通の冷却対象空間21に対する冷却性能を第1、第2蒸発器15、18の組み合わせにて効果的に向上できる。また、ディフューザ部14dでの昇圧作用により圧縮機11の吸入圧を上昇して、圧縮機11の駆動動力を低減できる。
また、本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10では、エジェクタ14の上流部の分岐点Zから分岐した冷媒分岐通路16をエジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続し、この冷媒分岐通路16に絞り機構17および第2蒸発器18を設けているから、第2蒸発器18には冷媒分岐通路16を通して低圧の気液2相冷媒を独立して供給できる。このため、第1蒸発器15の冷媒流れ下流側に特許文献1のような気液分離器を設定する必要がない。
なお、特許文献1のように気液分離器を設定し、冷媒としてCO2冷媒のようにサイクル高圧圧力が臨界圧力を超える冷媒を用いる超臨界サイクルの場合には、高外気温時にサイクル運転を停止すると、高圧側のみならず、低圧側も超臨界状態となる。
この結果、サイクル運転の再起動時に気液分離器による冷媒の気液分離ができないので、気液分離器内の超臨界状態の高温冷媒がそのまま冷媒吸引側の第2蒸発器18に流入して第2蒸発器18の冷却性能が大幅に低下する。
これに対し、本実施形態によると、エジェクタ14の上流部で高圧冷媒を分岐し、この分岐冷媒を絞り機構17で減圧して低温冷媒を冷媒吸引側の第2蒸発器18に流入できるので、サイクル運転の再起動時にも第2蒸発器18の冷却性能を素早く発揮できる。
また、通常のフロン系の冷媒を用いる亜臨界サイクル(高圧圧力が臨界圧力を超えないサイクル)においても、サイクル熱負荷が小さい条件では、サイクルの高低圧差が小さくなって、エジェクタ14の入力が小さくなる。
この場合に、特許文献1のサイクルでは、第2蒸発器18を通過する冷媒流量がエジェクタ14の冷媒吸引能力のみに依存するので、エジェクタ14の入力低下→エジェクタ14の冷媒吸引能力の低下→第2蒸発器18の冷媒流量の減少が発生して、第2蒸発器18の冷却性能を確保しにくい。
これに対し、本実施形態によると、エジェクタ14の上流部で高圧冷媒を分岐し、この分岐冷媒を冷媒分岐通路16を通して冷媒吸引口14bに吸引させるから、冷媒分岐通路16がエジェクタ14に対して並列的な接続関係となる。
このため、冷媒分岐通路16にエジェクタ14の冷媒吸引能力だけでなく、圧縮機11の冷媒吸入、吐出能力をも利用して冷媒を供給できる。これにより、エジェクタ14の入力低下→エジェクタ14の冷媒吸引能力の低下という現象が発生しても、第2蒸発器18側の冷媒流量の減少度合いを特許文献1のサイクルよりも小さくできる。よって、低熱負荷条件でも、第2蒸発器18の冷却性能を確保しやすい。
また、第2蒸発器18側の冷媒流量をエジェクタ14の機能に依存することなく、絞り機構17にて独立に調整でき、第1蒸発器15への冷媒流量は圧縮機11の冷媒吐出能力の制御とエジェクタ14の絞り特性とにより調整できる。このため、第1、第2蒸発器15、18への冷媒流量をそれぞれの熱負荷に対応して容易に調整できる。
以上のように、エジェクタ14を用いて最も低い圧力を第2蒸発器18に作用させることで、第2蒸発器18側の冷媒蒸発圧力(冷媒蒸発温度)を低くすることができる。ただし、特に、低熱負荷条件のときには、第2蒸発器18側でフロストが起こりやすくなる。そこで、本実施形態では、第2蒸発器18と冷媒吸引口14bとの間の冷媒出口圧力に基づいてフロスト制御を行うようにしているので、以下その作動を図4に基づいて説明する。
まず、図4に示すように、ステップ410にて、圧力センサ41で検出された低圧圧力が第1所定値以下か否かを判定する。ここで、低圧圧力が第1所定値以下であればフロスト制御が開始される。ここで、低圧圧力が第1所定値以下になっていなければ待機状態を維持する。
そして、ステップ420にて、電磁クラッチ12を停止する。これにより、圧縮機11の駆動が停止するとともに、サイクル内の冷媒循環も停止することになることで低圧圧力のより低下を防止することができる。
そして、ステップ440にて、低圧圧力が第2所定値以上か否かを判定する。なお、第2所定値は第1所定値よりも大である。ここで、低圧圧力が第2所定値以上であればステップ440に移行する。ここで、低圧圧力が第2所定値以上なければそのまま停止状態を維持する。
そして、ステップ440にて、電磁クラッチ12をONさせて圧縮機11を駆動させる。なお、第1所定値は、第2蒸発器18の熱交換器コア部18aがフロストを起こすことのない低圧圧力に予め設定されている。
このため、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10においては、第2蒸発器18と冷媒吸引口14bとの間を流通する冷媒圧力が最も低くなるため、この低圧圧力に基づいてフロスト制御を行うことが最適な方法であるとともに正確に検出することができる。
また、固定容量型圧縮機タイプの圧縮機11においては、電磁クラッチ12を制御させることで、圧縮機作動の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を低下させることが可能である。
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、冷凍サイクル内に固定容量型圧縮機タイプの圧縮機11を用いて電磁クラッチ12を制御させてフロスト制御を行うように構成したが、これに限らず、可変容量型圧縮機タイプの圧縮機11では、吐出容量を変化させてフロスト制御を行うように構成しても良い。なお、このときには、圧縮機11として電動圧縮機を使用すれば、電動モータの回転数調整により冷媒吐出能力を調整できる。
具体的には、図5に示すフローチャートに基づいてフロスト制御を行っている。つまり、図5に示すように、ステップ410にて、低圧圧力が第1所定値以下であれば、フロスト制御が開始され、ステップ420aにて、電動モータの回転数を低下させる制御を行う。これにより圧縮機11の吐出容量が低下することになることで低圧圧力の低下を防止することができる。
そして、ステップ430にて、低圧圧力が第2所定値以上であればステップ440に移行し、ここで、通常の回転数に上昇させる制御を行う。これにより、良好なフロスト制御を行うことができる。
(第3実施形態)
以上の実施形態では、エジェクタ14の上流部から分岐され、エジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続される冷媒分岐通路16を設け、この冷媒分岐通路16に第2蒸発器18を設けているが、本実施形態では、この冷媒分岐通路16を設けない構成にしている。
具体的には、図6に示すように、第1蒸発器15の冷媒流れ下流側に冷媒の気液を分離する気液分離器30を設け、この気液分離器30の気相冷媒の出口部を圧縮機11の吸入側に接続するとともに、この気液分離器30の液相冷媒の出口部を冷媒分岐通路31によりエジェクタ14の冷媒吸引口14bに接続する。そして、この冷媒分岐通路31に絞り機構17と第2蒸発器18を設けている。
そして、第1蒸発器15と第2蒸発器18の空気流れ方向Aに対する配置は第1、第2実施形態と同じであり、冷媒蒸発温度が高い第1蒸発器15を空気流れ方向Aの上流側に配置し、冷媒蒸発温度が低い第2蒸発器18を空気流れ方向Aの下流側に配置している。そして、第2蒸発器18と冷媒吸引口14bとの間に圧力センサ41を設けている。
これによれば、以上の実施形態と同じように第2蒸発器18と冷媒吸引口14bとの間の冷媒圧力が最も低い圧力となることでこの低圧圧力に基づいてフロスト制御を行うことが最適な方法であるとともに正確に検出することができる。
また、冷媒蒸発温度が異なる第1、第2蒸発器15、18の組み合わせにて冷却対象空間21の冷却性能を効果的に向上できる。
(第4実施形態)
以上の実施形態では、第2蒸発器18と冷媒吸引口14bとの間に圧力センサ41を設けていたが、これに限らず、具体的には、図7に示すように、圧力センサ41をエジェクタ14の冷媒吸引口14bに取り付けるように構成しても良い。これによれば、圧力センサ41がエジェクタ14に一体構成できることで製造コストの低減および搭載スペースの小型化が図れる。
(第5実施形態)
以上の実施形態では、第1、第2蒸発器15、18の一体ろう付けによる組み付け後に、エジェクタ14を第1、第2蒸発器15、18側に組み付けて、エジェクタ14を第1、第2蒸発器15、18と一体化する構成としたが、これに限らず、図8に示すように、第1、第2蒸発器15、18が密着せず、所定の空隙を介して一体化される構造であっても良い。
具体的には、第1、第2蒸発器15、18が冷媒配管140により分解不能な状態に一体結合されている。これにより、二つの蒸発器が一体に構成されている。
(他の実施形態)
以上の第1、第2実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10では、冷媒の気液を分離して余剰冷媒を液として蓄える気液分離器30を設けていないが、例えば、放熱器13の出口側に高圧冷媒の気液を分離して液冷媒を蓄える気液分離器(レシーバ)を設け、この気液分離器から液冷媒をエジェクタ14側へ導出するようにしても良い。
また、冷媒の気液を分離して余剰冷媒を液として蓄える気液分離器(アキュムレータ)30を圧縮機11の吸入側に設け、この気液分離器30から気相冷媒を圧縮機11の吸入側へ導出するようにしても良い。また、エジェクタ14の上流側に第1蒸発器15の冷媒出口側における冷媒過熱度に基づいて、開度を変化させる制御弁を配設しても良い。
また、以上の実施形態では、車両用の冷凍サイクルについて説明したが、車両用に限らず、定置用等の冷凍サイクルに対しても本発明を同様に適用できることは勿論である。また、以上の実施形態では、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。
また、以上の実施形態において、エジェクタ14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実施形態における車両用の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10を示すサイクル構成図である。 本発明の第1実施形態における第1、第2蒸発器15、18の一体化構成を示す概略斜視図である。 本発明の第1実施形態における第1、第2蒸発器15、18と、これらの冷媒通路および冷媒の流れを示す概略図である。 本発明の第1実施形態における制御装置40のフロスト制御手段の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態における制御装置40のフロスト制御手段の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第3実施形態における車両用の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10を示すサイクル構成図である。 本発明の第4実施形態における車両用の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置10の一部を示すサイクル構成図である。 本発明の第5実施形態における第1、第2蒸発器15、18の一体化構成を示す概略斜視図である。 従来技術(特許文献1)における蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を示すサイクル構成図である。
符号の説明
11…圧縮機
12…電磁クラッチ
13…放熱器
14…エジェクタ
14a…ノズル部
14b…冷媒吸引口
14c…混合部
14d…昇圧部
15…第1蒸発器
16…冷媒分岐通路
17…絞り機構
18…第2蒸発器
21…冷却対象空間
30…気液分離器
31…冷媒分岐通路
40…制御装置(制御手段)
41…圧力センサ(圧力検出手段)

Claims (8)

  1. 冷媒を吸入し圧縮する圧縮機(11)と、
    前記圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う放熱器(13)と、
    前記放熱器(13)下流側の冷媒を減圧膨張させるノズル部(14a)、前記ノズル部(14a)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(14b)、前記高い速度の冷媒流と前記冷媒吸引口(14b)の吸引冷媒とを混合する混合部(14c)、および前記混合部(14c)で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(14d)を有するエジェクタ(14)と、
    前記エジェクタ(14)の下流側に接続される第1蒸発器(15)と、
    前記冷媒吸引口(14b)に接続される第2蒸発器(18)とを備え、
    前記第1蒸発器(15)および前記第2蒸発器(18)は、一連の構成として接続され、共通の冷却対象空間(21)に向かって送風される空気流れを冷却するように構成されるとともに、
    前記第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力に基づいて、前記圧縮機(11)の吐出容量、もしくは冷媒吐出能力のいずれかを変化させてフロストを制御する制御手段(40)を有することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  2. 前記圧縮機(11)は、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機であり、
    前記制御手段(40)は、前記第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力が所定値以下のときに、前記圧縮機(11)の吐出容量を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  3. 前記圧縮機(11)は、電磁クラッチ(12)の断続により圧縮機作動の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整する固定容量型圧縮機であり、
    前記制御手段(40)は、前記第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力が所定値以下のときに、前記圧縮機(11)の冷媒吐出能力を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  4. 前記第2蒸発器(18)と前記冷媒吸引口(14b)との間には、前記第2蒸発器(18)の出口冷媒圧力を検出する圧力検出手段(41)が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  5. 前記圧力検出手段(41)は、前記冷媒吸引口(14b)内を通過する冷媒圧力を検出できるように前記エジェクタ(14)に一体に構成していることを特徴とする請求項4に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  6. 前記第1蒸発器(15)の冷媒蒸発温度に比較して前記第2蒸発器(18)の冷媒蒸発温度が低くなるようになっており、
    前記空気流れの上流側に前記第1蒸発器(15)が配置され、前記空気流れの下流側に前記第2蒸発器(18)が配置されることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  7. 前記エジェクタ(14)の上流部から分岐され前記冷媒吸引口(14b)に至る冷媒分岐通路(16)を有し、
    前記冷媒分岐通路(16)に絞り機構(17)が設けられ、この絞り機構(17)の下流側に前記第2蒸発器(18)が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
  8. 前記第1蒸発器(15)の冷媒流れ下流側に冷媒の気液を分離する気液分離器(30)が設けられ、
    前記気液分離器(30)の気相冷媒出口側は前記圧縮機(11)の吸入側に接続され、
    前記気液分離器(30)の液相冷媒出口側は冷媒分岐通路(31)により前記冷媒吸引口(14b)に接続され、
    前記冷媒分岐通路(31)に絞り機構(17)が設けられ、この絞り機構(17)の下流側に前記第2蒸発器(18)が設けられていることを特徴とする特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル装置。
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