JP2017198406A - 減圧装置および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置の負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制可能な減圧装置を提供する。【解決手段】減圧装置１４の絞り通路１４２に、冷媒通路の通路断面積が最も縮小した喉部１４ｂ、喉部１４ｂよりも冷媒流れ上流側の冷媒通路の通路断面積を下流側に向かって縮小させる先細テーパ部１４ｃ、喉部１４ｂよりも冷媒流れ下流側の冷媒通路の通路断面積を下流側に向かって拡大させる末広テーパ部１４ｄを形成する。さらに、減圧装置１４に、圧縮機吐出冷媒から分離された冷凍機油を先細テーパ部１４ｃ内の中心軸側へ導く冷凍機油導入管１４３を設ける。これにより、冷凍機油の有する熱エネルギによって喉部１４ｂの下流側にポテンシャルコアの発生を抑制し、冷媒流量の変動を抑制できる。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置に適用される減圧装置、およびこれを備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、特許文献１に、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置に適用される減圧装置が開示されている。この特許文献１の減圧装置は、放熱器から流出した過冷却液相冷媒を流入させる本体部を備えている。本体部の内部には、冷媒に旋回流れを生じさせる旋回空間が形成されている。さらに、本体部には、旋回中心側の冷媒を減圧させて流出させる絞り通路としての機能を果たす冷媒流出口が形成されている。

そして、特許文献１の減圧装置では、旋回空間にて液相冷媒を旋回させることによって、旋回中心側の冷媒圧力を、冷媒が減圧沸騰する圧力（すなわち、キャビテーションを生じる圧力）まで低下させている。これにより、旋回空間へ流入する冷媒の状態によらず、気液二相状態となった冷媒を確実に冷媒流出口へ流入させて、冷媒流出口から蒸発器側へ流出する冷媒流量の変動を抑制しようとしている。

特許第５６４０８５７号公報

ところが、特許文献１の減圧装置では、適用された冷凍サイクル装置の負荷変動によって、サイクルを循環する循環冷媒流量が変化すると、旋回空間内に生じるキャビテーションの量や、旋回中心軸側に柱状に形成される気相冷媒（以下、気柱と記載する。）の形状が変化してしまう。さらに、低負荷運転時には、循環冷媒流量が減少して旋回空間内の冷媒の旋回速度が低下してしまうので、気柱の形状が不安定となってしまう。

このため、特許文献１の減圧装置では、低負荷運転時に、冷媒流出口に流入する冷媒の状態が不安定となってしまい、冷媒流出口から流出する冷媒流量が変動してしまうおそれがある。換言すると、特許文献１の減圧装置では、低負荷運転時等に、冷媒流出口から流出する冷媒流量が、冷凍サイクル装置の熱負荷に応じた適切な冷媒流量に対して大きく変動してしまうおそれがある。

本発明は、上記点に鑑み、適用された冷凍サイクル装置の負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制可能な減圧装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制可能な減圧装置を備える冷凍サイクル装置を提供することを第２の目的とする。

本発明は、以下に説明する解析的な知見に基づいて案出されたものである。本発明は、冷凍サイクル装置に適用される減圧装置において、冷媒の沸騰を促進することによって、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制するという新たな着眼に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明者らは、図４に示す減圧装置において、冷媒を減圧して流出させる絞り通路（３４２）に、高圧液相冷媒を流入させた際の冷媒の状態を可視化解析により確認した。この絞り通路（３４２）には、冷媒通路断面積が最も縮小した喉部（３４ｂ）、および喉部よりも下流側の冷媒通路の通路断面積を下流側に向かって拡大させる末広テーパ部（３４ｄ）が設けられている。

この可視化解析により、本発明者らは、喉部（３４ｂ）を通過した直後の冷媒のうち、絞り通路（３４２）の外周側の冷媒は、喉部（３４ｂ）の直後で沸騰を開始するものの、内周側の冷媒は液相状態のまま、棒状に絞り通路内を進行していくことを確認した。この棒状の液相冷媒は、いわゆるポテンシャルコアと呼ばれる冷媒流である。

ポテンシャルコアを形成する冷媒は、飽和液冷媒を液相のまま圧力低下させた状態になっているので、極めて気化しやすい不安定な状態になっている。従って、ポテンシャルコアの長さや径といった形状は、サイクルの負荷変動によって変化しやすい。

ところが、ポテンシャルコアの形状が変化すると、末広テーパ部（３４ｄ）の実質的な通路断面積が変化してしまうので、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を招きやすい。このことから、ポテンシャルコアの形状の変化を抑制することで、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制できることが理解される。

しかしながら、前述の如く、ポテンシャルコアを形成する冷媒は、極めて不安定な状態になっているので、ポテンシャルコアの形状の変化を抑制することは難しい。

そこで、請求項１に記載の発明は、冷凍機油が混入された冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置（１０、１０ａ）に適用される減圧装置であって、
液相冷媒を流入させる流入空間（１４ａ、２４ａ）、および流入空間へ流入した冷媒を減圧して流出させる絞り通路（１４２、２４２）が形成された本体部（１４０、２４０）と、冷凍機油を本体部内へ導入させる冷凍機油導入部（１４３、２４３）と、を備え、
絞り通路には、冷媒通路の通路断面積が最も縮小した喉部（１４ｂ、２４ｂ）、および喉部よりも冷媒流れ下流側に配置されて下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ部（１４ｄ、２４ｄ）が設けられている。

これによれば、冷凍機油導入部（１４３、２４３）を備えているので、絞り通路（１４２、２４２）へ流入する冷媒に対して冷凍機油の有する熱エネルギを与えることができる。この熱エネルギによって、喉部（１４ｂ、２４ｂ）を通過した直後の冷媒の沸騰を促進して、ポテンシャルコアの発生を抑制することができる。

従って、冷凍サイクル装置（１０、１０ａ）の負荷変動によって、末広テーパ部（１４ｄ、２４ｄ）の実質的な通路断面積が変化してしまうことが無くなり、下流側へ流出させる冷媒流量を喉部（１４ｂ、２４ｂ）における冷媒通路断面積で決定することができる。つまり、本発明では、喉部（１４ｂ、２４ｂ）を通過した直後の冷媒の沸騰を促進し、ポテンシャルコア自体の発生を抑制することによって、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制することができる。

その結果、請求項１に記載の発明によれば、適用された冷凍サイクル装置（１０、１０ａ）の負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制可能な減圧装置を提供することができる。さらに、ポテンシャルコアの発生を抑制することで、冷媒の流れ形態を安定化させることができるので、冷媒が減圧装置（１４、２４）を通過する際に生じる騒音を抑制することもできる。

また、請求項７に記載の発明は、冷凍機油が混入された冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、圧縮機の吐出冷媒から冷凍機油を分離する油分離器（１２）と、吐出冷媒を放熱させる放熱器（１３）と、放熱器から流出した冷媒を減圧させる減圧装置（１４、２４）と、減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１５）と、を備え、
減圧装置は、放熱器から流出した冷媒を流入させる流入空間（１４ａ、２４ａ）、および流入空間内の冷媒を減圧して流出させる絞り通路（１４２、２４２）が形成された本体部（１４０、２４０）、並びに、油分離器にて分離された冷凍機油を流入空間内へ導入させる冷凍機油導入部（１４３、２４３）を有し、絞り通路には、冷媒通路の通路断面積が最も縮小した喉部（１４ｂ、２４ｂ）、および喉部よりも冷媒流れ下流側に配置されて下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ部（１４ｄ、２４ｄ）が設けられている冷凍サイクル装置である。

これによれば、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制可能な減圧装置（１４、２４）を備える冷凍サイクル装置を提供することができる。

また、冷凍機油導入部（１４３、２４３）が、吐出冷媒から分離された比較的高温の冷凍機油を導入させるので、絞り通路（１４２、２４２）へ流入する冷媒に対して冷凍機油の有する熱エネルギを効果的に与えることができる。さらに、放熱器（１３）内に流入する冷凍機油の量を減少させることができるので、冷凍機油が放熱器（１３）の冷媒流路に付着して放熱器（１３）の熱交換性能を低下させてしまうことを抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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一例である。

第１実施形態の冷凍サイクル装置の全体構成図である。 第１実施形態の減圧装置の軸方向断面図である。 第１実施形態の冷凍サイクル装置における冷媒の状態の変化を示すモリエル線図である。 比較例の絞り通路における冷媒の沸騰の状態を説明するための説明図である。 第１実施形態の減圧装置の絞り通路における冷媒の沸騰の状態を説明するための説明図である。 第２実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第２実施形態の減圧装置の軸方向断面図である。 第２実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルにおける冷媒の状態の変化を示すモリエル線図である。

（第１実施形態）
図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る減圧装置１４を備える蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置１０を、車両用空調装置に適用している。冷凍サイクル装置１０は、車両用空調装置において、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。従って、本実施形態の冷却対象流体は送風空気である。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてＨＦＯ系冷媒（具体的には、Ｒ１２３４ｙｆ）を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。さらに、冷媒には圧縮機１１を潤滑するための冷凍機油が混入されている。この冷凍機油としては、液相冷媒に相溶性を有するＰＡＧオイル（ポリアルキレングリコールオイル）が採用されている。また、冷凍機油の一部は、冷媒とともにサイクルを循環している。

冷凍サイクル装置１０の構成機器のうち、圧縮機１１は、冷媒を吸入して高圧となるまで圧縮して吐出するものである。圧縮機１１は、車両走行用の駆動力を出力するエンジン（内燃機関）とともにエンジンルーム内に配置されている。さらに、圧縮機１１は、プーリ、ベルト等を介してエンジンから出力される回転駆動力によって駆動されるエンジン駆動式の圧縮機である。

より具体的には、本実施形態では、圧縮機１１として、吐出容量を変化させることによって冷媒吐出能力を調整可能に構成された斜板式の可変容量型圧縮機を採用している。この圧縮機１１では、吐出容量を変化させるための図示しない吐出容量制御弁を有している。吐出容量制御弁は、後述する空調制御装置から出力される制御電流によって、その作動が制御される。

圧縮機１１の吐出口には、オイルセパレータ１２の入口側が接続されている。オイルセパレータ１２は、圧縮機１１にて圧縮された高圧冷媒から冷凍機油を分離する油分離器である。本実施形態では、オイルセパレータ１２として、上下方向に延びる筒状部材を有し、内部に形成された円柱状空間内で圧縮機１１から吐出された冷媒を旋回させ、遠心力の作用によって気相冷媒と冷凍機油とを分離する遠心分離方式のものを採用している。

オイルセパレータ１２の上方側には、冷凍機油が分離された気相冷媒を流出させる気相冷媒流出口が設けられている。気相冷媒流出口には、放熱器１３の凝縮部１３ａの冷媒入口側が接続されている。

オイルセパレータ１２の下方側には、分離された冷凍機油を貯める貯油部、および貯油部に貯められた冷凍機油を流出させる２つの冷凍機油流出口が設けられている。２つの流出口のうちの一方には、オイル戻し通路１２ａが接続されており、他方には、バイパス通路１２ｂが接続されている。

オイル戻し通路１２ａは、貯油部に貯められた冷凍機油を圧縮機１１の吸入口側へ戻す冷凍機油通路である。オイル戻し通路１２ａは、固定絞りであるキャピラリチューブで形成されている。バイパス通路１２ｂは、貯油部に貯められた冷凍機油を後述する減圧装置１４の冷凍機油導入管１４３の入口側へ導く冷凍機油通路である。

放熱器１３は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒（具体的には、オイルセパレータ１２にて冷凍機油が分離された高圧気相冷媒）と冷却ファン１３ｄによって送風される車室外空気（すなわち、外気）とを熱交換させることによって、高圧冷媒を放熱させて冷却する熱交換器である。放熱器１３は、エンジンルーム内の車両前方側に配置されている。

より具体的には、本実施形態の放熱器１３は、凝縮部１３ａ、レシーバ部１３ｂ、および過冷却部１３ｃを有する、いわゆるサブクール型の凝縮器として構成されている。

凝縮部１３ａは、圧縮機１１から吐出された高圧気相冷媒と冷却ファン１３ｄから送風された外気とを熱交換させ、高圧気相冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮用の熱交換部である。レシーバ部１３ｂは、凝縮部１３ａから流出した冷媒の気液を分離する気液分離器である。過冷却部１３ｃは、レシーバ部１３ｂにて分離された液相冷媒と冷却ファン１３ｄから送風される外気とを熱交換させ、液相冷媒を過冷却する過冷却用の熱交換部である。

冷却ファン１３ｄは、空調制御装置から出力される制御電圧によって回転数（すなわち、送風空気量）が制御される電動式送風機である。

放熱器１３の過冷却部１３ｃの冷媒出口には、減圧装置１４の冷媒流入口１４１側が接続されている。減圧装置１４は、放熱器１３から流出した高圧冷媒を減圧させて、下流側へ流出させるものである。減圧装置１４の具体的構成については、図２の断面図を用いて説明する。なお、図２における上下の各矢印は、減圧装置１４を車両に搭載した状態における上下の各方向を示している。

減圧装置１４は、内部に冷媒を流入させる流入空間１４ａを形成する本体部１４０を備えている。本体部１４０は、金属製（本実施形態では、アルミニウム合金製）の中空容器によって形成されている。流入空間１４ａは、略円柱状の回転体形状に形成されている。なお、回転体形状とは、平面図形を同一平面上の１つの直線（中心軸）の周りに回転させた際に形成される立体形状である。

さらに、本体部１４０には、冷媒流入口１４１、絞り通路１４２が形成されている。冷媒流入口１４１は、放熱器１３から流出した冷媒を流入空間１４ａ内へ流入させる流入口である。冷媒流入口１４１は、流入空間１４ａの中心軸方向からみたときに、冷媒を流入空間１４ａの外周側壁面の接線方向に流入させる。このため、流入空間１４ａへ流入した冷媒は、流入空間１４ａ内で中心軸周りに旋回する。

本実施形態では、流入空間１４ａ内の冷媒の旋回流速が、流入空間１４ａの旋回中心側の冷媒が減圧沸騰しない程度（すなわち、キャビテーションを生じない程度）の流速となるように、流入空間１４ａの外径、および冷媒流入口１４１の開口径を設定している。従って、冷凍サイクル装置１０の通常運転時には、流入空間１４ａ内の冷媒は、過冷却液相状態となっている。

絞り通路１４２は、流入空間１４ａ内の冷媒を減圧して下流側へ流出させる冷媒通路である。絞り通路１４２は、２つの円錐台形状の頂部側同士を結合させた形状に形成されており、流入空間１４ａと同軸上に配置されている。さらに、絞り通路１４２には、喉部１４ｂ、先細テーパ部１４ｃ、末広テーパ部１４ｄが設けられている。喉部１４ｂは、絞り通路１４２のうち冷媒通路の通路断面積が最も縮小した部位である。

先細テーパ部１４ｃは、喉部１４ｂの冷媒流れ上流側に配置されて、冷媒流れ下流側に向かうほど通路断面積が縮小する冷媒通路である。つまり、先細テーパ部１４ｃでは、流入空間１４ａから喉部１４ｂへ至る冷媒通路の通路断面積を冷媒流れ下流側に向かって徐々に縮小させている。

末広テーパ部１４ｄは、喉部１４ｂの冷媒流れ下流側に配置されて、冷媒流れ下流側に向かうほど通路断面積が拡大する部位である。つまり、末広テーパ部１４ｄでは、喉部１４ｂから減圧装置１４から冷媒を流出させる冷媒流出口１４４へ至る冷媒通路の通路断面積を冷媒流れ下流側に向かって徐々に拡大させている。

従って、本実施形態の絞り通路１４２では、いわゆるラバールノズルと同様に冷媒通路の通路断面積が変化する。さらに、本実施形態では、冷凍サイクル装置１０の通常運転時に、冷媒流出口１４４から流出する冷媒の流速が音速以上となるように、絞り通路１４２の通路断面積を変化させている。

また、本実施形態の減圧装置１４は、冷凍機油導入管１４３を備えている。冷凍機油導入管１４３は、前述したバイパス通路１２ｂに接続されて、オイルセパレータ１２にて分離された冷凍機油を、減圧装置１４の本体部１４０内へ導入させる冷凍機油導入部である。

冷凍機油導入管１４３は、流入空間１４ａの中心軸と同軸上に配置されて、中心軸方向に延びる管状部材で形成されている。冷凍機油導入管１４３の冷凍機油出口は、先細テーパ部１４ｃ内で開口している。このため、冷凍機油導入管１４３から本体部１４０内へ流入する冷凍機油は、先細テーパ部１４ｃ内の中心軸側に導かれる。

減圧装置１４の絞り通路１４２の冷媒流出口１４４には、図１に示すように、蒸発器１５の冷媒入口側が接続されている。蒸発器１５は、減圧装置１４にて減圧された低圧冷媒と送風ファン１５ａから車室内へ送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。

送風ファン１５ａは、空調制御装置から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。蒸発器１５の出口側には、圧縮機１１の吸入側が接続されている。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置１０の電気制御部について説明する。図示しない空調制御装置は、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る。空調制御装置は、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、処理を行い、その出力側に接続された各種制御対象機器１１、１３ｄ、１５ａ等の作動を制御する。

空調制御装置の入力側には、内気温センサ、外気温センサ、日射センサ、蒸発器温度センサといった空調制御用のセンサ群が接続されている。そして、空調制御装置には、これらの空調制御用のセンサ群の検出値が入力される。

内気センサは、車室内温度を検出する車室内温度検出部である。外気温センサは外気温を検出する外気温検出部である。日射センサは車室内の日射量を検出する日射量検出部である。蒸発器温度センサは蒸発器ユニット３０から吹き出される吹出空気温度（蒸発器温度）を検出する蒸発温度検出部である。

さらに、空調制御装置の入力側には、図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が空調制御装置へ入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、空調を行うことを要求する空調作動スイッチ、車室内温度を設定する車室内温度設定スイッチ等が設けられている。

なお、本実施形態の空調制御装置は、その出力側に接続された各種の制御対象機器の作動を制御する制御部が一体に構成されたものであるが、空調制御装置のうち、各制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が各制御対象機器の制御部を構成している。例えば、本実施形態では、圧縮機１１の作動を制御する構成が、吐出能力制御部を構成している。

次に、上記構成における本実施形態の冷凍サイクル装置１０の作動を、図３のモリエル線図を用いて説明する。まず、操作パネルの空調作動スイッチが投入（ＯＮ）されると、空調制御装置が、予め記憶している空調制御プログラムを実行する。この空調制御プログラムにおける各制御ステップは、空調制御装置が有する機能実現部を構成している。

空調制御プログラムでは、上述した空調制御用のセンサ群の検出信号および操作パネルからの操作信号に基づいて、車室内へ送風される送風空気の目標温度を決定する。この目標温度は、冷凍サイクル装置１０の熱負荷に相関を有する値である。そして、目標温度（すなわち、熱負荷）に応じて、圧縮機１１、冷却ファン１３ｄ、送風ファン１５ａ等の作動を制御する。これにより、圧縮機１１が冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。

圧縮機１１から吐出された冷媒（図３のａ３点）は、オイルセパレータ１２へ流入する。オイルセパレータ１２へ流入した冷媒は、冷凍機油が分離されて、放熱器１３の凝縮部１３ａへ流入する。

放熱器１３の凝縮部１３ａへ流入した冷媒は、冷却ファン１３ｄから送風された送風空気（外気）と熱交換し、放熱して凝縮する。凝縮部１３ａにて放熱した冷媒は、レシーバ部１３ｂにて気液分離される。レシーバ部１３ｂにて気液分離された液相冷媒は、過冷却部１３ｃにて冷却ファン１３ｄから送風された送風空気と熱交換し、さらに放熱して過冷却液相状態となる（図３のａ３点→ｂ３点）。

過冷却液相状態となった冷媒は、減圧装置１４の冷媒流入口１４１から流入空間１４ａ内へ流入する。流入空間１４ａ内へ流入した冷媒は、流入空間１４ａ内を中心軸周りに旋回しながら絞り通路１４２へ流入する。さらに、絞り通路１４２内へ流入した冷媒は、冷凍機油導入管１４３を介して、減圧装置１４内へ流入した冷凍機油と合流して減圧される（図３のｂ３点→ｃ３点）。

この際、本実施形態の減圧装置１４では、喉部１４ｂにて冷媒にチョーキング（閉塞）を生じさせて冷媒を音速に到達させる。そして、末広テーパ部１４ｄにて、冷媒を加速して冷媒流出口１４４から流出する冷媒の流速を音速以上となるようにしている。このため、絞り通路１４２の末広テーパ部１４ｄでは、等エントロピ的に冷媒を減圧させることができる。

減圧装置１４の絞り通路１４２にて減圧された冷媒は、冷媒流出口１４４から流出して、蒸発器１５へ流入する。蒸発器１５へ流入した冷媒は、送風ファン１５ａによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する（図３のｃ３点→ｄ３点）。これにより、車室内へ送風される送風空気が冷却される。蒸発器１５から流出した冷媒は、圧縮機１１に吸入されて、再び圧縮される（図３のｄ３点→ａ３点）。

本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、上述の如く作動するので、蒸発器１５にて冷媒に吸熱作用を発揮させて車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。

さらに、本実施形態の減圧装置１４では、冷凍機油導入管１４３を備えているので、冷凍サイクル装置１０の負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制することができる。その結果、冷凍サイクル装置１０に安定した冷却能力を発揮させることができる。

このことをより詳細に説明する。本発明者らは、減圧装置１４から流出する冷媒流量が、冷凍サイクル装置の熱負荷に応じた適切な冷媒流量に対して変動してしまう原因を確認するため、絞り通路に流入させた冷媒の可視化解析を行った。

この可視化解析に用いた比較用の減圧装置３４は、図４に示すように、本実施形態の減圧装置１４と同様の絞り通路３４２を有している。従って、絞り通路３４２にも、減圧装置１４と同様に、先細テーパ部３４ｃ、喉部３４ｂ、末広テーパ部３４ｄが形成されている。その一方で、比較用の減圧装置３４は、冷凍機油導入管１４３に対応する構成を備えていない。

本発明者らの可視化解析によれば、比較例の減圧装置３４では、図４の説明図に示すように、冷媒が沸騰することが確認された。

すなわち、絞り通路３４２の外周側の冷媒については、喉部３４ｂが外周側の冷媒流れに剥離渦を生じさせるエッジとして機能するので、喉部３４ｂを通過した直後に沸騰が開始することが確認された。一方、内周側（軸中心側）の冷媒は、沸騰を促進するきっかけとなる沸騰核等が存在しないため、液相状態のまま棒状に絞り通路３４２内を進行していくことが確認された。

この棒状の液相冷媒は、いわゆるポテンシャルコアと呼ばれる冷媒流である。ポテンシャルコアを形成する冷媒は、飽和液冷媒（図３のモリエル線図では、飽和点で表される冷媒）を、液相状態のまま圧力低下させた状態となっている。このため、ポテンシャルコアを形成する冷媒は、極めて気化しやすい不安定な状態となっている。

より詳細には、ポテンシャルコアでは、先端部の冷媒（図３のモリエル線図では、臨界点で表される冷媒）から沸騰を開始する。このため、ポテンシャルコアの先端部の冷媒は、飽和点における飽和冷媒温度から臨界点における飽和冷媒温度を減算した過熱度を有する不安定な状態になっている。従って、ポテンシャルコアの長さや径といった形状は、サイクルの負荷変動によって変化しやすい。

ところが、ポテンシャルコアの形状が変化すると、末広テーパ部３４ｄの実質的な通路断面積が変化してしまうので、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を招きやすい。このことから、ポテンシャルコアの形状の変化を抑制することで、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制できることが理解される。

しかしながら、前述の如く、ポテンシャルコアを形成する冷媒は、極めて不安定な状態になっているので、ポテンシャルコアの形状の変化を抑制することは難しい。

これに対して、本実施形態の減圧装置１４では、冷凍機油導入管１４３を備えているので、絞り通路１４２へ流入する冷媒に対して冷凍機油の有する熱エネルギを与えることができる。この熱エネルギによって、図５の説明図に示すように、喉部１４ｂを通過した直後の軸中心側の冷媒の沸騰を促進して、ポテンシャルコアの発生を抑制することができる。

従って、冷凍サイクル装置１０の負荷変動によって、末広テーパ部１４ｄの実質的な通路断面積が変化してしまうことが無くなり、下流側へ流出させる冷媒流量を喉部１４ｂにおける冷媒通路断面積で決定することができる。

つまり、本実施形態の減圧装置１４では、ポテンシャルコアの形状の変化を抑制するのではなく、喉部１４ｂを通過した直後の冷媒の沸騰を促進し、ポテンシャルコア自体の発生を抑制することができるので、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制することができる。

その結果、本実施形態の減圧装置１４によれば、冷凍サイクル装置１０の負荷変動によらず、下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制することができる。さらに、ポテンシャルコアの発生を抑制することで、冷媒の流れ形態を安定化させることができる。従って、冷媒が減圧装置１４を通過する際に生じる騒音を抑制することができる。

また、本実施形態の減圧装置１４では、冷凍機油導入管１４３が先細テーパ部１４ｃ内の中心軸側に冷凍機油を導入させるので、喉部１４ｂの直後の中心軸側に生じるポテンシャルコアの発生を効果的に抑制することができる。より好ましくは、冷凍機油導入管１４３が喉部１４ｂの直上の中心軸側に冷凍機油を導入させるようにすることで、より一層効果的にポテンシャルコアの発生を抑制することができる。

また、本実施形態の減圧装置１４では、圧縮機１１の吐出冷媒から分離された冷凍機油を減圧装置１４の本体部１４０内へ導入させるので、圧縮機１１から吐出された高温の冷凍機油を減圧装置１４内へ導入させることができる。従って、高い熱エネルギによって、ポテンシャルコアの発生をより一層効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の減圧装置１４では、流入空間１４ａにて冷媒を旋回させるので、旋回中心軸側の冷媒圧力が外周側の冷媒圧力よりも低下する。これにより、冷媒よりも比重の小さい冷凍機油が中心軸側に分布しやすい。従って、喉部１４ｂの直後の中心軸側に生じるポテンシャルコアの発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の冷凍サイクル装置１０によれば、オイルセパレータ１２にて分離された冷凍機油を減圧装置１４の流入空間１４ａ内へ導入させるので、放熱器１３内に流入する冷凍機油の量を減少させることができる。これによれば、冷凍機油が放熱器１３の冷媒流路に付着して放熱器１３の熱交換性能を低下させてしまうことを抑制することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態に対して、減圧装置の構成を変更することによって、図６の全体構成図に示すように、減圧装置２４をエジェクタとして機能させている。さらに、この減圧装置２４によって、エジェクタを備える冷凍サイクル装置であるエジェクタ式冷凍サイクル１０ａを構成した例を説明する。なお、図６では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。このことは、以下の図面でも同様である。

まず、図７を用いて、本実施形態の減圧装置２４の詳細構成を説明する。図７に示すように、本実施形態の減圧装置２４は、第１実施形態の減圧装置１４と同様の本体部２４０、絞り通路２４２等を備えている。本体部２４０には、内部に冷媒を流入させる流入空間２４ａが形成されている。

また、絞り通路２４２には、第１実施形態の減圧装置１４と同様に、喉部２４ｂ、先細テーパ部２４ｃ、末広テーパ部２４ｄが設けられている。従って、本実施形態の絞り通路２４２の通路断面積も、ラバールノズルの通路断面積と同様に変化している。本実施形態では、エジェクタ式冷凍サイクル１０ａの通常運転時に、冷媒流出口２４４から流出する冷媒の流速が音速以上となるように、絞り通路２４２の通路断面積を変化させている。

さらに、本実施形態の減圧装置２４は、冷媒吸引口２４ｅおよびディフューザ部２４ｆが形成されたボデー部２４５を備えている。

冷媒吸引口２４ｅは、絞り通路２４２の冷媒流出口２４４から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器１５から流出した冷媒を吸引して、ボデー部２４５の内部へ流入させる吸引口である。ディフューザ部２４ｆは、噴射冷媒と冷媒吸引口２４ｅから吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させる昇圧部である。

より具体的には、ボデー部２４５は、略円筒状の形状に形成され、その一端側に本体部２４０の外周側が圧入によって固定されている。冷媒吸引口２４ｅは、本体部２４０および絞り通路２４２の外周側に配置されて、冷媒流出口２４４およびディフューザ部２４ｆと連通するように設けられている。

このため、ボデー部２４５の内周面と本体部２４０の外周面との間およびボデー部２４５の内周面と絞り通路２４２の外周面との間に形成される空間は、冷媒吸引口２４ｅからボデー部２４５の内部へ吸引された吸引冷媒をディフューザ部２４ｆ側へ導く吸引通路として機能する。

ディフューザ部２４ｆは、絞り通路２４２の冷媒流出口２４４および冷媒吸引口２４ｅの冷媒流れ下流側に配置されて、冷媒流れ下流側に向かって冷媒通路面積を拡大させる形状に形成されている。これにより、噴射冷媒と吸引冷媒とを混合させながら混合冷媒の流速を減速させて昇圧させる作用、すなわち、混合冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換する作用を果たす。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の減圧装置２４は、ボデー部２４５を備えているので、冷媒減圧作用および冷媒循環作用の双方を発揮するエジェクタとして機能する。

次に、図６へ戻り、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０ａの全体構成について説明する。本実施形態の放熱器１３の冷媒出口には、減圧装置２４の本体部２４０の冷媒流入口２４１側が接続されている。オイルセパレータ１２のバイパス通路１２ｂには、減圧装置２４の冷凍機油導入管２４３の入口側が接続されている。減圧装置２４のディフューザ部２４ｆの出口には、アキュムレータ１６の入口側が接続されている。

アキュムレータ１６は、減圧装置２４のディフューザ部２４ｆから流出した冷媒の気液を分離する気液分離器である。アキュムレータ１６の液相冷媒出口には、固定絞り１７を介して、蒸発器１５の冷媒入口側が接続されている。固定絞り１７は、アキュムレータ１６から流出した液相冷媒を減圧させる減圧機構であり、具体的には、オリフィス、キャピラリチューブ等を採用できる。

蒸発器１５の冷媒出口には、前述の如く、減圧装置２４のボデー部２４５に形成された冷媒吸引口２４ｅ側が接続されている。一方、アキュムレータ１６の気相冷媒出口には、圧縮機１１の吸入口側が接続されている。その他のエジェクタ式冷凍サイクル１０ａの各構成機器は、第１実施形態と同様である。

次に、上記構成における本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０ａの作動を、図８のモリエル線図を用いて説明する。なお、図８のモリエル線図では、図３のモリエル線図に対して、サイクル構成上同等あるいは対応する箇所の冷媒の状態を示すものについては、同一のアルファベットを用い、添字（数字）を変更して示している。

空調制御装置が空調制御プログラムを実行することによって圧縮機１１が作動すると、圧縮機１１から吐出された冷媒（図８のａ８点）は、第１実施形態と同様に、オイルセパレータ１２を介して、放熱器１３へ流入して過冷却液相冷媒となる（図８のａ８点→ｂ８点）。放熱器１３から流出した過冷却液相冷媒は、減圧装置２４の絞り通路２４２にて等エントロピ的に減圧されて噴射される（図８のｂ８点→ｃ８点）。

そして、絞り通路２４２から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器１５から流出した冷媒（図８のｄ８点）が、ボデー部２４５の冷媒吸引口２４ｅから吸引される。絞り通路２４２から噴射された噴射冷媒および冷媒吸引口２４ｅから吸引された吸引冷媒は、ディフューザ部２４ｆへ流入して合流する（図８のｃ８点→ｅ８点、ｄ８点→ｅ８点）。

ディフューザ部２４ｆでは、冷媒通路断面積の拡大により、冷媒の運動エネルギが圧力エネルギに変換される。これにより、噴射冷媒と吸引冷媒が混合されながら混合冷媒の圧力が上昇する（図８のｅ８点→ｆ８点）。ディフューザ部２４ｆから流出した冷媒はアキュムレータ１６へ流入して気液分離される（図８のｆ８点→ｇ８点、ｆ８点→ｈ８点）。

気液分離空間３０ｆにて分離された液相冷媒は、固定絞り１７にて減圧されて（図８のｈ８→ｉ８点）、蒸発器１５へ流入する。蒸発器１５へ流入した冷媒は、送風ファン１５ａによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する（図８のｉ８点→ｄ８点）。これにより、送風空気が冷却される。一方、アキュムレータ１６にて分離された気相冷媒は、圧縮機１１へ吸入され再び圧縮される（図８のｇ８点→ａ８点）。

本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０ａは、以上の如く作動して、車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。

この際、エジェクタ式冷凍サイクル１０ａでは、減圧装置２４のディフューザ部２４ｆにて昇圧された冷媒を圧縮機１１へ吸入させる。従って、エジェクタ式冷凍サイクル１０ａによれば、第１実施形態の冷凍サイクル装置１０のように、蒸発器１５における冷媒蒸発圧力と圧縮機１１の吸入冷媒圧力が同等となる冷凍サイクル装置よりも、圧縮機１１の消費動力を低減させて、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

さらに、本実施形態の減圧装置２４によれば、冷凍機油導入管２４３を備えているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。従って、絞り通路２４２の冷媒流出口２４４から噴射される冷媒流量の変動を抑制することができ、上述したＣＯＰ向上効果を確実かつ安定的に得ることができる。

また、本実施形態の減圧装置２４では、第１実施形態と同様に、絞り通路２４２内のポテンシャルコアの発生を抑制することができるので、末広テーパ部２４ｄの全域で、超音速となった冷媒を加速することができる。

これにより、絞り通路２４２にて冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換する際のエネルギ変換効率（一般的なノズルにおけるノズル効率）を向上させることができる。従って、ディフューザ部２４ｆにおける昇圧量を増大させて、より一層、ＣＯＰの向上を図ることができる。

（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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、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、減圧装置１４の流入空間１４ａの中心軸および絞り通路１４２の中心軸を鉛直方向に配置した例を説明したが、中心軸の方向は鉛直方向に限定されない。

（２）冷凍サイクル装置１０およびエジェクタ式冷凍サイクル１０ａの各構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。

例えば、上述の実施形態では、圧縮機１１として、エンジン駆動式の可変容量型圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機１１はこれに限定されない。圧縮機１１として、電磁クラッチの断続により圧縮機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を採用してもよい。さらに、固定容量型圧縮機構と電動モータとを備え、電力を供給されることによって作動する電動圧縮機を採用してもよい。電動圧縮機では、電動モータの回転数を調整することによって、冷媒吐出能力を制御することができる。

また、上述の実施形態では、オイルセパレータ１２として、遠心分離方式のものを採用した例を説明したが、オイルセパレータ１２はこれに限定されない。オイルセパレータ１２として、衝突方式のものを採用してもよい。より具体的には、圧縮機吐出冷媒を衝突部に衝突させることによって速度低下させ、気相冷媒よりも比重の大きい冷凍機油を重力の作用によって下方側に落下させる方式のものを採用してもよい。

さらに、上述の実施形態では、オイルセパレータ１２にて分離された冷凍機油をオイル戻し通路１２ａを介して圧縮機１１の吸入口側へ戻すようにした例を説明したが、減圧装置１４、２４から下流側へ流出させる冷媒流量の変動を抑制するために必須の構成ではない。

また、上述の実施形態では、放熱器１３として、サブクール型凝縮器を採用した例を説明したが、放熱器１３はこれに限定されない。例えば、放熱器１３として、凝縮部１３ａとレシーバ部１３ｂとを一体化させたレシーバ一体型の凝縮器を採用してもよい。さらに、放熱器１３出口側から減圧装置１４、２４の冷媒流入口１４１、２４１へ至る高圧冷媒と圧縮機１１吸入側の低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を追加してもよい。

また、上述の実施形態で説明した冷凍サイクル装置１０およびエジェクタ式冷凍サイクル１０ａに対して、減圧装置１４、２４の冷媒流入口１４１、２４１へ流入する冷媒流量を調整する流量調整機構を追加してもよい。この場合は、圧縮機１１吸入冷媒あるいは蒸発器１５出口側冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、流量調整機構の作動を制御してもよい。

また、上述の実施形態では、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを採用した例を説明したが、冷媒はこれに限定されない。例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ６００ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０７Ｃ、等を採用してもよい。または、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。

（３）減圧装置２４を用いて構成可能な冷凍サイクル装置は、第２実施形態で説明したエジェクタ式冷凍サイクル１０ａに限定されない。

例えば、放熱器１３から流出した過冷却液相冷媒の流れを分岐する分岐部を追加し、分岐部にて分岐された一方の冷媒を減圧装置２４の冷媒流入口２４１へ流入させ、分岐部にて分岐された他方の冷媒を固定絞りを介して蒸発器１５へ流入させる。さらに、減圧装置２４のディフューザ部２４ｆの冷媒出口を圧縮機１１の吸入口側を接続し、蒸発器１５の冷媒出口を減圧装置２４の冷媒吸引口２４ｅ側を接続するサイクル構成としてもよい。

（４）上述の第２実施形態では、減圧装置２４の本体部２４０および絞り通路２４２として、第１実施形態で説明した減圧装置１４と同様の形状のものを採用しているが、減圧装置２４の本体部２４０および絞り通路２４２の形状はこれに限定されない。例えば、本体部２４０および絞り通路２４２の外観形状が略円錐台状に形成されていてもよい。

これにより、吸引通路の形状を、冷媒流れ下流側へ向かうほど通路断面積が縮小する形状とすることができる。従って、吸引通路からディフューザ部２４ｆへ流入する吸引冷媒の流速を増速させて、ディフューザ部２４ｆにて吸引冷媒と噴射冷媒が混合する際のエネルギ損失（混合損失）を低減させることができる。

（５）上述の実施形態では、本発明に係る冷凍サイクル装置１０およびエジェクタ式冷凍サイクル１０ａを、車両用空調装置に適用した例を説明したが、冷凍サイクル装置１０の適用はこれに限定されない。例えば、据置型空調装置や冷凍冷蔵装置に適用してもよい。

（６）上述の実施形態では、放熱器１３を冷媒と外気とを熱交換させる室外側熱交換器とし、蒸発器１５を室内送風空気を冷却する利用側熱交換器として用いた例について説明したが、蒸発器１５を外気等の熱源から吸熱する室外側熱交換器とし、放熱器１３空気あるいは水等の加熱対象流体を加熱する室内側熱交換器として用いるヒートポンプサイクルを構成してもよい。

１０、１０ａ 冷凍サイクル装置、エジェクタ式冷凍サイクル
１１ 圧縮機
１２ オイルセパレータ（油分離器）
１３ 放熱器
１４、２４ 減圧装置
１５ 蒸発器
１４２、２４２ 絞り通路
１４ｂ、２４ｂ 喉部
１４ｃ、２４ｃ 先細テーパ部
１４ｄ、２４ｄ 末広テーパ部
１４３、２４３ 冷凍機油導入管

Claims (7)

1. 冷凍機油が混入された冷媒を循環させる蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置（１０、１０ａ）に適用される減圧装置であって、
   液相冷媒を流入させる流入空間（１４ａ、２４ａ）、および前記流入空間へ流入した冷媒を減圧して流出させる絞り通路（１４２、２４２）が形成された本体部（１４０、２４０）と、
   前記冷凍機油を前記本体部内へ導入させる冷凍機油導入部（１４３、２４３）と、を備え、
   前記絞り通路には、冷媒通路の通路断面積が最も縮小した喉部（１４ｂ、２４ｂ）、および前記喉部よりも冷媒流れ下流側に配置されて下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ部（１４ｄ、２４ｄ）が設けられている減圧装置。
2. 前記絞り通路には、前記喉部よりも冷媒流れ上流側に配置されて下流側に向かうほど通路断面積が縮小する先細テーパ部（１４ｃ、２４ｃ）が設けられており、
   前記冷凍機油導入部は、前記冷凍機油を前記先細テーパ部内に導くものである請求項１に記載の減圧装置。
3. 前記流入空間は、回転体形状に形成されており、
   前記冷凍機油導入部は、前記冷凍機油を前記流入空間の中心軸側に導くものである請求項１または２に記載の減圧装置。
4. さらに、前記末広テーパ部から噴射される噴射冷媒によって冷媒を吸引する冷媒吸引口（２４ｅ）、および前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口から吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させる昇圧部（２４ｆ）が形成されたボデー部（２４５）を備える請求項１ないし３のいずれか１つに記載の減圧装置。
5. 前記冷凍サイクル装置（１０、１０ａ）は、前記冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）、および前記圧縮機の吐出冷媒から前記冷凍機油を分離する油分離器（１２）を有し、
   前記冷凍機油導入部は、前記油分離器にて分離された冷凍機油を前記流入空間内へ導入するものである請求項１ないし４のいずれか１つに記載の減圧装置。
6. 前記流入空間は、回転体形状に形成されており、内部へ流入した冷媒を中心軸周りに旋回させる空間である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の減圧装置。
7. 冷凍機油が混入された冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（１１）と、
   前記圧縮機の吐出冷媒から前記冷凍機油を分離する油分離器（１２）と、
   前記吐出冷媒を放熱させる放熱器（１３）と、
   前記放熱器から流出した冷媒を減圧させる減圧装置（１４、２４）と、
   前記減圧装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１５）と、を備え、
   前記減圧装置は、前記放熱器から流出した冷媒を流入させる流入空間（１４ａ、２４ａ）、および前記流入空間内の冷媒を減圧して流出させる絞り通路（１４２、２４２）が形成された本体部（１４０、２４０）、並びに、前記油分離器にて分離された冷凍機油を前記流入空間内へ導入させる冷凍機油導入部（１４３、２４３）を有し、
   前記絞り通路には、冷媒通路の通路断面積が最も縮小した喉部（１４ｂ、２４ｂ）、および前記喉部よりも冷媒流れ下流側に配置されて下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ部（１４ｄ、２４ｄ）が設けられている冷凍サイクル装置。

Images