JP2010243095A - 冷凍サイクル装置及び気液分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタと液冷媒圧送部とを接続した冷媒回路の小型化及び信頼性向上を目的とする。
【解決手段】冷凍サイクル装置１０において、圧縮機１１は、冷媒を吸入して圧縮する。凝縮器１２は、圧縮機１１により圧縮された冷媒を放熱させて冷却する。エジェクタ１４は、凝縮器１２で放熱した冷媒を膨張させて蒸発器１５で蒸発した冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を回復させ、冷媒を吐出する。気液分離器１６は、エジェクタ１４から吐出された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒を圧縮機１１に吸入させるとともに、液冷媒を貯留する。液ポンプ１８は、液冷媒に浸漬するように気液分離器１６に内蔵され、液冷媒を蒸発器１５へ圧送する。蒸発器１５は、液ポンプ１８により圧送された冷媒を蒸発させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エジェクタを利用する冷凍サイクル装置に関するものである。本発明は、特に、エジェクタと液冷媒圧送部とを組み合わせた冷媒回路構成、及び、液冷媒圧送部の吸入部でのキャビテーションを防止するための制御方式に関するものである。

従来の冷凍サイクルとして、エジェクタにより減圧膨張された冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器の液相冷媒側とエジェクタの吸引部とを連結するバイパス流路の途中に、蒸発器に気液分離器内の液相冷媒を圧送する冷媒圧送手段を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

他の従来の冷凍サイクルとして、膨張機から流出した冷媒と蒸発器から流入した冷媒とを液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器と蒸発器との間に、気液分離器から流出した液相冷媒を蒸発器側へ圧送するポンプ手段を設けるとともに、気液分離器とポンプ手段とを一体に構成したものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２０５８９８号公報 特開２００７−３０３７０９号公報

従来の冷凍サイクルでは、少なくとも冷媒圧送手段又はポンプ手段の体積だけ装置が大型化するという課題があった。気液分離器への液流入量以上に液冷媒を圧送した場合、気液分離器の液面が低下し、冷媒圧送手段又はポンプ手段の入口部にガス冷媒が混入するキャビテーションが発生するという課題があった。地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さく（例えば、１０未満）、可燃性を有する低圧冷媒を用いる場合の危険防止効果が不十分であるという課題があった。地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さい（例えば、５００未満）非共沸冷媒を用いる場合に冷媒の特性を活かすことについて検討されていないという課題があった。

本発明は、例えば、エジェクタと液冷媒圧送部とを接続した冷媒回路の小型化及び信頼性向上を目的とする。

本発明の一の態様に係る冷凍サイクル装置は、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させて前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒を吐出するエジェクタと、
前記エジェクタから吐出された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒を前記圧縮機に吸入させるとともに、液冷媒を貯留する気液分離器と、
前記液冷媒に浸漬するように前記気液分離器に内蔵され、液冷媒を前記蒸発器へ圧送する液冷媒圧送部とを備えることを特徴とする。

本発明の一の態様によれば、液冷媒圧送部が、液冷媒に浸漬するように気液分離器に内蔵されているため、冷媒回路が小型化するとともに、液冷媒圧送部の吸入部でのキャビテーションの発生が抑制され、冷媒回路の信頼性が向上する。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係るエジェクタの構造を示す図である。 実施の形態１に係る液ポンプの断面構造と気液分離器内での配置構造との例を示す図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作を示すＰ−ｈ線図である。 実施の形態１に係る断熱熱落差に対する吸引回路の圧力損失と液ポンプの必要排除容積との関係を示す図である。 実施の形態１に係る気液分離器内の冷媒量と凝縮器の出口過冷却度との関係を示す図である。 実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 実施の形態２に係る液ポンプの断面構造と気液分離器内での配置構造との例を示す図である。 実施の形態２に係る第３温度検出部の周囲の熱抵抗を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の構成を示す図である。

図１において、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器の例である凝縮器１２、第２絞り装置の例である電子膨張弁１３、エジェクタ１４、蒸発器１５、気液二相流をガスと液とに分離する気液分離器１６、第１絞り装置の例である電子膨張弁１７、液冷媒圧送部の例である液ポンプ１８（例えば、浸漬型渦流液ポンプ）、及び、それらを接続するための配管を備えている。言い換えれば、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、凝縮器１２、電子膨張弁１３、エジェクタ１４、蒸発器１５、気液分離器１６、電子膨張弁１７、液ポンプ１８が接続された冷媒回路を備えている。ここでは、冷媒回路を冷凍サイクルとして説明するが、言うまでもなく、この冷媒回路はヒートポンプサイクルとしても機能できる。本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０の内部には、冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい（例えば、１０未満）冷媒が封入されている。具体的には、冷凍サイクル装置１０は、冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆを用いる。冷凍サイクル装置１０は、冷凍機油としては、冷媒と相溶性を有するもの（例えば、鉱油）を用いる。

図中の矢印は、エジェクタ１４利用時の冷媒の流れを示している。圧縮機１１は、冷媒を吸入して圧縮する。凝縮器１２は、圧縮機１１により圧縮された冷媒を放熱させて冷却する。エジェクタ１４は、凝縮器１２で放熱した冷媒を膨張させて蒸発器１５で蒸発した冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を回復させ、冷媒を吐出する。電子膨張弁１３は、凝縮器１２の出口部とエジェクタ１４の入口部との間に設置され、冷媒の流量を調節する。電子膨張弁１３は、省略しても構わない。気液分離器１６は、エジェクタ１４から吐出された冷媒をガス冷媒（即ち、気相冷媒）と液冷媒（即ち、液相冷媒）とに分離し、ガス冷媒を圧縮機１１に吸入させるとともに、液冷媒を貯留する。液ポンプ１８は、液冷媒に浸漬するように気液分離器１６に内蔵され、液冷媒を蒸発器１５へ圧送する。蒸発器１５は、液ポンプ１８により圧送された冷媒を蒸発させる。電子膨張弁１７は、気液分離器１６と蒸発器１５との間に設置され、冷媒の流量を調節する。電子膨張弁１７を省略し、例えば、液ポンプ１８に冷媒の流量を調節する機構を設けても構わない。

凝縮器１２の中間部及び出口部には、冷媒温度を検出する第１温度検出部１９及び第２温度検出部２０がそれぞれ設けられている。凝縮器１２の中間部に設置された第１温度検出部１９は、凝縮器１２を通る気液二相冷媒の温度を検出する。凝縮器１２の出口部に設置された第２温度検出部２０は、凝縮器１２から出る冷媒の温度を検出する。

蒸発器１５の中間部及び出口部には、冷媒温度を検出する第４温度検出部２１及び第５温度検出部２２がそれぞれ設けられている。蒸発器１５の中間部に設置された第４温度検出部２１は、蒸発器１５を通る冷媒の温度を検出する。蒸発器１５の出口部に設置された第５温度検出部２２は、蒸発器１５から出る気液二相冷媒の温度を検出する。

冷凍サイクル装置１０は、制御部２３（例えば、マイクロコンピュータ）を備えている。制御部２３は、気液分離器１６に貯留された液冷媒の液面低下を検出し、検出結果に応じて、気液分離器１６への液冷媒の流入量と気液分離器１６からの液冷媒の流出量との少なくともいずれかを制御する。例えば、制御部２３は、第１温度検出部１９により検出された温度と第２温度検出部２０により検出された温度とに基づき、凝縮器１２の出口過冷却度を算出する。制御部２３は、算出した凝縮器１２の出口過冷却度に基づき、気液分離器１６に貯留された液冷媒の液面低下を推定する。電子膨張弁１３がある場合、制御部２３は、電子膨張弁１３の絞り量を調節することで、気液分離器１６への液冷媒の流入量を制御する。電子膨張弁１７がある場合、制御部２３は、電子膨張弁１７の絞り量を調節することで、気液分離器１６からの液冷媒の流出量を制御する。制御部２３は、液ポンプ１８の回転数を調節することで、気液分離器１６からの液冷媒の流出量を制御してもよい。

図２は、エジェクタ１４の構造を示す図である。

図２において、エジェクタ１４は、固定絞りのノズル部２４、吸引部２５、混合部２６、ディフューザ部２７を備える。ノズル部２４は、先細部２４ａ、喉部２４ｂ、末広部２４ｃを有する。図中の矢印は、冷媒の流れを示している。エジェクタ１４は、駆動流である高圧の液冷媒Ｅ１を先細部２４ａで減圧膨張させて喉部２４ｂで音速とし、さらに末広部２４ｃで減圧して超音速まで加速させる。このとき、エジェクタ１４は、周囲から吸引部２５を通してガス冷媒Ｅ２を吸引する。液冷媒Ｅ１は、凝縮器１２で放熱した液冷媒である。ガス冷媒Ｅ２は、蒸発器１５で蒸発したガス冷媒である。ノズル部２４により霧状になった液冷媒Ｅ１と、吸引部２５により吸引されたガス冷媒Ｅ２とが混合した気液二相冷媒Ｅ３は、混合部２６である程度圧力回復し、さらにディフューザ部２７で出口圧力まで圧力上昇してエジェクタ１４から流出する。

図３は、液ポンプ１８の断面構造と気液分離器１６内での配置構造との例を示す図である。

図３において、液ポンプ１８は、前述したように、気液分離器１６内に配設された浸漬型ポンプである。図中の矢印は、冷媒の流れを示している。気液二相冷媒Ｅ３が流入する気液分離器１６の入口配管１６ａは、気液分離器１６の上面壁の外周近傍を貫通して、上部で下向きに開口している。気液二相冷媒Ｅ３は、気液分離器１６により液冷媒Ｅ４とガス冷媒Ｅ５とに分離される。液冷媒Ｅ４は、気液分離器１６に貯留される。液冷媒Ｅ４は、液ポンプ１８によって吸入され、液冷媒Ｅ６として蒸発器１５へ圧送される。液冷媒Ｅ６が流出する液ポンプ１８の出口配管１８ａは、気液分離器１６の上面壁の中央寄りを貫通して、上部で上向きまたは横向きに開口している。液冷媒Ｅ６は、蒸発器１５の入口部へと搬送される。気液分離器１６に貯留されている液冷媒Ｅ４の液面変動に伴うガス吸引を避けるため、入口配管１６ａと対角にＵ字型のガス配管１６ｂが設置されている。ガス配管１６ｂの途中（Ｕ部）には、油戻し穴１６ｃが設けられている。

液ポンプ１８は、下から、吸入部の例である渦流式ポンプ部１８ｂ、直流モータ部１８ｃ、ブラシ２８及び整流子２９からなる電極部１８ｄの順に縦方向に直列接続され、省スペース構造を形成している。液ポンプ１８は、渦流式ポンプ部１８ｂで昇圧された液冷媒Ｅ４が直流モータ部１８ｃ、電極部１８ｄを通過し、液冷媒Ｅ６として上部の出口配管１８ａへ抜ける構造となっている。前述したように、上部の出口配管１８ａは蒸発器１５の入口側に接続される。液ポンプ１８に駆動用の電力を供給するための電源線は、電極部１８ｄからガラス端子１８ｅを通って外部電源へ接続される。液ポンプ１８の渦流式ポンプ部１８ｂが気液分離器１６の下方に位置するので、気液分離器１６内に液冷媒Ｅ４が一定量存在すれば、液ポンプ１８の出口配管１８ａから吐出される液冷媒Ｅ６の流量は、液冷媒Ｅ４の液面の上下変動による影響を受けにくい。

液ポンプ１８の電極部１８ｄを構成するブラシ２８と整流子２９とを双方とも黒鉛系カーボン材料とすることにより、電極部１８ｄの磨耗を低減できて磨耗粉による不具合も回避される。これにより、液ポンプ１８の長寿命化が図れる。

次に、上記のように構成された冷凍サイクル装置１０の動作について説明する。

図４は、冷凍サイクル装置１０の動作を示すＰ−ｈ線図である。図中、縦軸は圧力（Ｐ）、横軸は比エンタルピー（ｈ）を示す。

図４において、圧縮機１１から吐出された（Ｂ）高温高圧のガス冷媒は、凝縮器１２で空気へ放熱して自身は凝縮及び液化する（Ｃ）。その冷媒は、電子膨張弁１３で僅かに減圧された（Ｄ）後、中温高圧の液冷媒となってエジェクタ１４に流入する。エジェクタ１４へ流入した冷媒は、ノズル部２４で減圧されて加速し、混合部２６へ流入する。混合部２６では、ノズル部２４から噴出した霧状の冷媒が吸引部２５から流入するガス冷媒と混合する。駆動流の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて、混合した冷媒が圧力回復する。その後、冷媒はディフューザ部２７でさらに圧力回復し、エジェクタ１４から流出して気液分離器１６に流入する（Ｅ）。気液分離器１６では、流入した気液二相冷媒が冷凍機油を含む液冷媒とガス冷媒とに分離される。ガス冷媒は、ガス配管１６ｂから圧縮機１１へ、冷凍機油を含む液冷媒の一部は油戻し穴１６ｃから圧縮機１１へそれぞれ返される。一方、気液分離器１６でガス冷媒と分離された液冷媒は、液ポンプ１８で昇圧され（Ｆ）、電子膨張弁１７で流量を調節される（Ｇ）。その後、この液冷媒は、蒸発器１５で被冷却媒体である空気から熱を奪って蒸発し（Ｈ）、エジェクタ１４に吸引される。

次に、液ポンプ１８の押しのけ容積（以下、排除容積）について説明する。液ポンプ１８の必要排除容積は、冷媒の断熱熱落差と圧力損失とにより決定される。

図５は、断熱熱落差に対する吸引回路の圧力損失と液ポンプ１８の必要排除容積との関係を示す図である。図中、吸引冷媒が通過する吸引回路の圧力損失を断熱熱落差で除した値を横軸に、冷房標準条件で冷房定格能力を得るために必要な液ポンプ１８の排除容積を縦軸に示している。

本実施の形態で用いるＨＦＯ１２３４ｙｆは、冷媒物性がＲ１３４ａに類似しており、動作圧力の絶対値が低く、断熱熱落差が小さい。このような冷媒では、エジェクタ１４による吸引流量が不足し、液ポンプ１８に必要な排除容積が大きくなるため、液ポンプ１８の導入効果が他の冷媒に比べて特に大きくなる。図５からわかるように、吸引回路の圧力損失を断熱熱落差で除した値（図５の横軸）、環境条件、必要冷房能力を与えることで液ポンプ１８の排除容積が決定される。

次に、冷凍サイクル装置１０の定常運転時における制御部２３の冷媒制御方法について説明する。

制御部２３は、圧縮機１１の周波数を、蒸発器１５で所定の冷却（あるいは加熱）能力が得られるように調整する。即ち、制御部２３は、冷却能力が不足する場合は圧縮機１１の周波数を増加させ、冷却能力が過剰となる場合は圧縮機１１の周波数を低減させる。

電子膨張弁１３は、固定絞りのエジェクタ１４だけでは絞り量が不足する場合に補助的に利用される。制御部２３は、凝縮器１２の出口過冷却度（ＳＣ）を制御するために電子膨張弁１３を利用する。具体的には、凝縮器１２の出口過冷却度が目標値よりも小さい場合、制御部２３は、電子膨張弁１３の開度を小さくする。凝縮器１２の出口過冷却度が目標値より大きい場合、制御部２３は、電子膨張弁１３の開度を大きくする。これにより、過冷却度を所望の値に調整することができる。制御部２３は、凝縮器１２の出口過冷却度の演算に、凝縮器１２の中間部に設けた第１温度検出部１９の検出値（Ｔ１）と凝縮器１２の出口部に設けた第２温度検出部２０の検出値（Ｔ２）とを用いる。制御部２３は、凝縮器１２の中間部の温度（Ｔ１）を凝縮温度とみなして、凝縮器１２の出口過冷却度（ＳＣ）をＳＣ＝Ｔ１−Ｔ２の式により求める。

制御部２３は、蒸発器１５の出口過熱度（ＳＨ）を調整するために電子膨張弁１７を利用する。具体的には、蒸発器１５の出口過熱度が目標値よりも小さい場合、制御部２３は、電子膨張弁１７の開度を小さくする。蒸発器１５の出口過熱度が目標値より大きい場合、制御部２３は、電子膨張弁１７の開度を大きくする。これにより、過熱度を所望の値に調整することができる。制御部２３は、蒸発器１５の出口過熱度の演算に、蒸発器１５の中間部に設けた第４温度検出部２１の検出値（Ｔ４）と蒸発器１５の出口部に設けた第５温度検出部２２の検出値（Ｔ５）とを用いる。制御部２３は、蒸発器１５の中間部の温度（Ｔ４）を蒸発温度とみなして、蒸発器１５の出口過熱度（ＳＨ）をＳＨ＝Ｔ５−Ｔ４の式により求める。

気液分離器１６内の冷媒量が、液面が底部近くまで低下するほど減少した場合、液ポンプ１８の吸入部にガスが混入し、流量低下や焼き付きが生じる危険性がある。そのため、制御部２３は、冷媒量の減少（液面の低下）量を間接的に検出し、液面を回復させる制御を実施する。この制御は液ポンプ１８の信頼性に直接関わるため、前述した過熱度や過冷却度の制御より優先して行われる。

図６は、気液分離器１６内の冷媒量と凝縮器１２の出口過冷却度との関係を示す図である。

本実施の形態では、制御部２３は、図６に示した、気液分離器１６内の冷媒量に対するＳＣの関係に基づいて冷媒量を制御する。気液分離器１６内の冷媒量の減少は、凝縮器１２の出口状態（ＳＣ）に現れる。そのため、制御部２３は、ＳＣの絶対値あるいはＳＣの経時変化に基づき、気液分離器１６内の冷媒量を制御する。具体的には、ＳＣが大きい場合（図６ではＳＣ１）あるいはＳＣの増加率が大きい場合（図示せず）、制御部２３は、電子膨張弁１７の開度を小さく（あるいは電子膨張弁１３の開度を大きく）する。電子膨張弁１７の開度を小さく（あるいは電子膨張弁１３の開度を大きく）することにより、気液分離器１６から吸引される液冷媒の流量を低減させ、気液分離器１６の液面が所望の値（図６ではＬ１）以下に低下するのを防止できる。この制御はＳＣがある値（図６ではＳＣ２）まで低下した時点で終了し、その後は通常の過熱度及び過冷却度の制御へと移行する。このような制御により、気液分離器１６内の液面レベルを常に所望の値以上に維持することができる。

次に、冷凍サイクル装置１０の起動時における制御部２３の制御方法について説明する。

冬季等、圧縮機１１、あるいは、蒸発器１５や凝縮器１２の内部に冷媒が貯留されている場合、制御部２３は、起動時には液ポンプ１８を停止した状態で圧縮機１１を起動し、エジェクタ１４を含む冷媒回路を一定時間運転させる。これにより、制御部２３は、気液分離器１６内の底部に一定量の液冷媒を確保する。その後、制御部２３は、気液分離器１６内に一定量の液冷媒が確保されたことを、凝縮器１２の出口状態（ＳＣ）で確認し、液ポンプ１８の運転を開始する。

冷媒として、圧力が低くガス密度の小さいＨＦＯ１２３４ｙｆを用いた場合、蒸発器１５の圧力損失が他の冷媒に比べて大きくなるため、エジェクタ１４での吸引流量が不足するおそれがある。しかしながら、本実施の形態では、冷媒回路が液ポンプ１８を備えているため、所望の吸引流量を得ることができる。ＨＦＯ１２３４ｙｆは可燃性を有する冷媒であるが、本実施の形態では、液ポンプ１８は冷媒漏洩の原因となる継手接続を有しておらず、気液分離器１６の内部に設置されているので、冷媒漏洩の危険性が少ない。

本実施の形態では、制御部２３は、第１温度検出部１９の検出値（Ｔ１）及び第２温度検出部２０の検出値（Ｔ２）から凝縮器１２の出口過冷却度（ＳＣ）を算出するが、過冷却度の算出方法は、これに限るものではない。本実施の形態の変形例として、凝縮器１２の入口部又は出口部に圧力検出部を設け、制御部２３が、圧力検出部の検出値から求められる飽和温度（凝縮温度）と凝縮器１２の出口部に設けた第２温度検出部２０の検出値から過冷却度を算出してもよい。つまり、制御部２３は、凝縮器１２の入口部又は出口部に設置された圧力検出部により検出された圧力と第２温度検出部２０により検出された温度とに基づき、凝縮器１２の出口過冷却度を算出してもよい。この場合、温度の検出値のみからの算出方法に比べ、過冷却度を正確に算出できる。

本実施の形態では、制御部２３は、液ポンプ１８から蒸発器１５への冷媒流量を、電子膨張弁１７（即ち、第１絞り装置）の開度で制御するが、液ポンプ１８の冷媒流量の制御方法は、これに限るものではない。例えば、前述したように、制御部２３は、液ポンプ１８から蒸発器１５への冷媒流量を、液ポンプ１８の回転数で制御してもよい。

本実施の形態では、放熱器として、冷媒が高圧側で二相状態となる凝縮器１２を用いているが、二酸化炭素のように高圧側が超臨界状態となる放熱器を用いてもよい。この場合、圧力に対する比熱が極大となる点の軌跡を飽和温度曲線と仮定し、その温度からの偏差を仮想過冷却度とすれば、前述した制御が可能となる。ただし、前述した圧力検出部が必要となる。

本実施の形態によれば、液ポンプ１８を気液分離器１６に内蔵したので、冷凍サイクル装置１０を小型化できる。本実施の形態によれば、凝縮器１２の出口過冷却度を検出し、検出値に応じて液ポンプ１８の冷媒流量を電子膨張弁１７で調整したので、気液分離器１６の液面低下を抑制でき、信頼性の高い冷凍サイクル装置１０を提供できる。本実施の形態によれば、凝縮器１２の出口過冷却度を凝縮器１２の中間部と出口部とに設けた第１温度検出部１９と第２温度検出部２０との検出値から算出するので、低コストで過冷却度が検出できる。本実施の形態によれば、凝縮器１２の出口部とエジェクタ１４の入口部との間に電子膨張弁１３を設けたので、運転条件による絞り不足に対応することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１と放熱器（例えば、凝縮器１２）とエジェクタ１４と気液分離器１６と液冷媒搬送手段（例えば、液ポンプ１８）とが順次配管で環状に接続されて構成された第１の回路と、気液分離器１６の液冷媒出口部とエジェクタ１４の吸引部とが第１絞り装置（例えば、電子膨張弁１７）と蒸発器１５とを介して配管で接続された第２の回路とを備え、液冷媒搬送手段が気液分離器１６に内蔵されていることを特徴とする。放熱器は、圧縮機１１から吐出された冷媒を放熱して冷却する。エジェクタ１４は、放熱器から出た冷媒を減圧膨張し膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１の吸入圧力を高める。気液分離器１６は、エジェクタ１４からの冷媒をガス冷媒と液冷媒に分ける。液冷媒搬送手段は、気液分離器１６からの液冷媒を搬送する。蒸発器１５は、第１絞り装置からの冷媒を蒸発させる。

冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１６の液面低下を検出し、検出値に応じて気液分離器１６への液冷媒の流入量を増加させるか、又は、液冷媒の流出量を低減させることを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１６の液面低下の検出手段として、放熱器の出口過冷却度を用いることを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、放熱器の出口過冷却度を放熱器の中間部に設けた第１温度検出部１９及び出口部に設けた第２温度検出部２０により算出することを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、放熱器の出口過冷却度を放熱器の入口部又は出口部に設けた圧力検出部及び出口部に設けた第２温度検出部２０により算出することを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１６への液冷媒の流出量を低減させる手段として、第１絞り装置、又は、液冷媒搬送手段の回転数を用いることを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、放熱器の出口部とエジェクタ１４の入口部との間に第２絞り装置（例えば、電子膨張弁１３）を設けたことを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１０未満の冷媒を用いることを特徴とする。

上記のように、本実施の形態では、エジェクタ１４の吸引流量不足に対し補助的に液冷媒搬送手段を用いる冷凍サイクル装置１０において、液冷媒搬送手段を気液分離器１６に内蔵し、液面低下を防止した。

従来、冷媒圧送手段又はポンプ手段を設置した冷凍サイクルでは、装置が大型化するとともに、冷媒圧送手段又はポンプ手段の吸引部にガスが混入するキャビテーションが発生し、所定流量が得られないという課題があった。これに対し、本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０において、液冷媒搬送手段を気液分離器１６に内蔵し、気液分離器１６内の液面を検知して液冷媒搬送手段の流量を調整するようにした。このため、冷凍サイクル装置１０の小型化及び信頼性向上が達成された。

実施の形態２．
本実施の形態について、主に実施の形態１との差異を説明する。

図７は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の構成を示す図である。

図７において、冷凍サイクル装置１０は、実施の形態１と同様の構成要素（図１参照）のほか、凝縮器１２の出口部から気液分離器１６の入口部に至るバイパス管を備えている。言い換えれば、冷凍サイクル装置１０は、凝縮器１２の出口部と気液分離器１６の入口部とを接続するバイパス回路を備えている。バイパス管の途中には開閉弁３０及び毛細管３１が直列に設けられている。本実施の形態では、冷凍サイクル装置１０の内部には、冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい（例えば、５００未満）非共沸混合冷媒が封入されている。具体的には、冷凍サイクル装置１０は、冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆとＨＦＣ３２（Ｒ３２）との混合冷媒を用いる。

制御部２３は、バイパス回路における冷媒の流量を開閉弁３０により調節することで、気液分離器１６への液冷媒の流入量を制御する。

エジェクタ１４の構造については、実施の形態１と同様である（図２参照）。

図８は、液ポンプ１８の断面構造と気液分離器内での配置構造との例を示す図である。

図８において、液ポンプ１８は、実施の形態１と同様に、気液分離器１６内に配設された浸漬型ポンプである（図３参照）。本実施の形態では、液ポンプ１８の表面に第３温度検出部３２が貼り付けられている。第３温度検出部３２は、液ポンプ１８の表面の温度を検出する。制御部２３は、第３温度検出部３２により検出された温度に基づき、気液分離器１６に貯留された液冷媒の液面低下を検出する。

冷凍サイクル装置１０の動作については、実施の形態１と同様である（図４参照）。冷凍サイクル装置１０の定常運転時における制御部２３の冷媒制御方法や冷凍サイクル装置１０の起動時における制御部２３の制御方法についても、実施の形態１と同様である。

以下、本実施の形態において、制御部２３が、気液分離器１６内の冷媒量の減少（液面の低下）量を検出し、液面を回復させる制御について説明する。

図９は、第３温度検出部３２の周囲の熱抵抗を示す図である。

図９において、気液分離器１６内の冷媒量が減少すると、第３温度検出部３２の周囲雰囲気が液冷媒からガス冷媒へと状態変化するため、液ポンプ１８の発熱が周囲の液冷媒へ逃げず、液ポンプ１８の表面温度が上昇する。図９に示すように、液面が低下しても液ポンプ１８の表面温度が変化しないことは、第３温度検出部３２を境界として液冷媒側（又はガス冷媒側）の熱抵抗（図９ではＲ１）が液ポンプ１８内部（液ポンプ１８の筐体壁１８ｆや図示しないモータを含む内部構造物）の熱抵抗（図９ではＲ３）よりも十分に大きいことを意味する。このような場合、第３温度検出部３２と液ポンプ１８の筐体壁１８ｆとの間に断熱壁３３（例えば、熱伝導率の低い樹脂材）を設け、第３温度検出部３２の両側の熱抵抗をほぼ等しくすれば、液ポンプ１８周囲の冷媒の状態変化を精度よく検出できる。このようにして、制御部２３は、液ポンプ１８の表面温度の絶対値あるいは表面温度の経時変化を検出することができ、第３温度検出部３２により液面が上にあるか下にあるかを判定できる。本実施の形態では、制御部２３は、気液分離器１６内の冷媒量の減少を液ポンプ１８の表面温度で検出する。検出した表面温度が所定の閾値まで上昇した場合、制御部２３は、開閉弁３０を開放させる。制御部２３は、開閉弁３０を開放することにより、気液分離器１６への液量を増加させ、気液分離器１６の液面低下を抑制することができる。この制御は液ポンプ１８の表面温度がある値まで低下した時点で終了し、その後は開閉弁３０が閉止される。

本実施の形態では、ＨＦＯ１２３４ｙｆを構成要素とする非共沸混合冷媒（例えば、ＨＦＣ３２＋ＨＦＯ１２３４ｙｆ）が冷媒回路中に封入されており、冷媒回路の運転中に各部を循環する冷媒の組成が変化する。具体的には、気液分離器１６のガス出口からエジェクタ１４のノズル部２４の出口まではＨＦＣ３２リッチな冷媒が循環する（即ち、ＨＦＣ３２の比率が高くなる）。気液分離器１６の液出口からエジェクタ１４の吸引部２５まではＨＦＯ１２３４ｙｆリッチな冷媒が循環する（即ち、ＨＦＯ１２３４ｙｆの比率が高くなる）。低圧冷媒であるＨＦＯ１２３４ｙｆは密度が低く圧力損失が大きいため、エジェクタ１４だけでは吸引流量が不足する。しかしながら、本実施の形態では、冷媒回路が液ポンプ１８を備えているため、所望の吸引流量を得ることができる。ＨＦＯ１２３４ｙｆは可燃性を有しているが、本実施の形態では、液ポンプ１８は冷媒漏洩の原因となる継手接続を有しておらず、気液分離器１６の内部に設置されているので、冷媒漏洩の危険性が少ない。

エジェクタ１４のノズル部２４の出口から気液分離器１６の入口部までは、ＨＦＣ３２リッチなガスとＨＦＯ１２３４ｙｆリッチなガスとの混合ガスが流れる。気液分離器１６のガス出口からエジェクタ１４のノズル部２４の出口までの区間では、伝熱性能が高く圧力損失の小さいＨＦＣ３２リッチな冷媒が循環する。そのため、凝縮圧力が低減され、冷凍サイクル装置１０の高性能化が実現できる。

本実施の形態によれば、液ポンプ１８の筐体表面の温度を検出する第３温度検出部３２を設け、さらに液ポンプ１８の筐体表面と第３温度検出部３２との間に断熱壁３３を設けることで、気液分離器１６の液面検出の精度が向上する。制御部２３は、液面の検出値に応じて液ポンプ１８からの冷媒流量を調整するので、気液分離器１６の液面低下を確実に抑制できる。本実施の形態によれば、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５００未満の非共沸混合冷媒を用いたので、他の冷媒を用いる場合に比べ、特に大きな性能改善効果が得られる。

以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１６の液面低下の検出手段として、液冷媒搬送手段（例えば、液ポンプ１８）の筐体表面に設けられた第３温度検出部３２を用いることを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、液冷媒搬送手段の筐体表面と、第３温度検出部３２との間に断熱壁３３を設け、第３温度検出部３２での液面検出精度を高めたことを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１６への液冷媒の流入量を増加させる手段として、放熱器（例えば、凝縮器１２）の出口部から気液分離器１６の入口部へのバイパス回路を用いることを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、バイパス回路中に開閉弁３０を設けたことを特徴とする。

冷凍サイクル装置１０は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５００未満の非共沸混合冷媒を用いることを特徴とする。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、これらのうち、２つ以上の実施の形態を組み合わせて実施しても構わない。あるいは、これらのうち、１つの実施の形態を部分的に実施しても構わない。あるいは、これらのうち、２つ以上の実施の形態を部分的に組み合わせて実施しても構わない。

１０ 冷凍サイクル装置、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１３ 電子膨張弁、１４ エジェクタ、１５ 蒸発器、１６ 気液分離器、１６ａ 入口配管、１６ｂ ガス配管、１６ｃ 油戻し穴、１７ 電子膨張弁、１８ 液ポンプ、１８ａ 出口配管、１８ｂ 渦流式ポンプ部、１８ｃ 直流モータ部、１８ｄ 電極部、１８ｅ ガラス端子、１８ｆ 筐体壁、１９ 第１温度検出部、２０ 第２温度検出部、２１ 第４温度検出部、２２ 第５温度検出部、２３ 制御部、２４ ノズル部、２４ａ 先細部、２４ｂ 喉部、２４ｃ 末広部、２５ 吸引部、２６ 混合部、２７ ディフューザ部、２８ ブラシ、２９ 整流子、３０ 開閉弁、３１ 毛細管、３２ 第３温度検出部、３３ 断熱壁。

Claims (14)

1. 冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、
   前記放熱器で放熱した冷媒を膨張させて前記蒸発器で蒸発した冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒を吐出するエジェクタと、
   前記エジェクタから吐出された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒を前記圧縮機に吸入させるとともに、液冷媒を貯留する気液分離器と、
   前記液冷媒に浸漬するように前記気液分離器に内蔵され、液冷媒を前記蒸発器へ圧送する液冷媒圧送部とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記気液分離器に貯留された液冷媒の液面低下を検出し、検出結果に応じて、前記気液分離器への液冷媒の流入量と前記気液分離器からの液冷媒の流出量との少なくともいずれかを制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御部は、前記放熱器の出口過冷却度に基づき、前記気液分離器に貯留された液冷媒の液面低下を検出することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記放熱器の中間部に設置され、気液二相冷媒の温度を検出する第１温度検出部と、
   前記放熱器の出口部に設置され、冷媒の温度を検出する第２温度検出部とを備え、
   前記制御部は、前記第１温度検出部により検出された温度と前記第２温度検出部により検出された温度とに基づき、前記放熱器の出口過冷却度を算出することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記放熱器の入口部又は出口部に設置され、冷媒の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記放熱器の出口部に設置され、冷媒の温度を検出する第２温度検出部とを備え、
   前記制御部は、前記圧力検出部により検出された圧力と前記第２温度検出部により検出された温度とに基づき、前記放熱器の出口過冷却度を算出することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記液冷媒圧送部の表面の温度を検出する第３温度検出部を備え、
   前記制御部は、前記第３温度検出部により検出された温度に基づき、前記気液分離器に貯留された液冷媒の液面低下を検出することを特徴とする請求項２から５までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記液冷媒圧送部の表面と前記第３温度検出部との間に設置される断熱壁を備えることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記制御部は、前記液冷媒圧送部の回転数を調節することで、前記気液分離器からの液冷媒の流出量を制御することを特徴とする請求項２から７までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
   前記気液分離器と前記蒸発器との間に設置され、冷媒の流量を調節する第１絞り装置を備え、
   前記制御部は、前記第１絞り装置の絞り量を調節することで、前記気液分離器からの液冷媒の流出量を制御することを特徴とする請求項２から８までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
    前記放熱器の出口部と前記エジェクタの入口部との間に設置され、冷媒の流量を調節する第２絞り装置を備え、
    前記制御部は、前記第２絞り装置の絞り量を調節することで、前記気液分離器への液冷媒の流入量を制御することを特徴とする請求項２から９までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記冷凍サイクル装置は、さらに、
    前記放熱器の出口部と前記気液分離器の入口部とを接続するバイパス回路を備え、
    前記制御部は、前記バイパス回路における冷媒の流量を調節することで、前記気液分離器への液冷媒の流入量を制御することを特徴とする請求項２から１０までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記冷凍サイクル装置は、冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１０未満の冷媒を用いることを特徴とする請求項１から１１までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記冷凍サイクル装置は、冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５００未満の非共沸混合冷媒を用いることを特徴とする請求項１から１１までのいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
14. エジェクタを接続した冷媒回路に接続され、前記エジェクタから吐出される冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、液冷媒を貯留する気液分離器において、
    前記液冷媒に浸漬するように前記気液分離器に内蔵され、液冷媒を前記気液分離器の外へ圧送する液冷媒圧送部を備えることを特徴とする気液分離器。

Images