JP4096674B2 - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機のうち減圧手段としてエジェクタを用いたエジェクタサイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エジェクタサイクルとは、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相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圧縮機の吸入圧を上昇させる蒸気圧縮式冷凍機である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エジェクタサイクルでは、特許文献１に記載されているように、気液分離器にて分離された液相冷媒をエジェクタのポンプ作用（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）にて低圧側熱交換器である蒸発器に循環させるが、蒸発器に流入する冷媒の圧力及び温度を確実に低下させるために、蒸発器と気液分離器との間にオリフィスやキャピラリーチューブ等の絞り手段を設ける場合がある。
【０００５】
しかし、絞り手段と蒸発器とを繋ぐ冷媒配管が比較的に長い場合には、絞り手段にて減圧された低温液相冷媒の一部が、蒸発器に流入する前に冷媒配管が設置された雰囲気から吸熱して蒸発してしまうので、蒸発器に気液二相状態の冷媒が流入してしまう。
【０００６】
そして、蒸発器に気液二相状態の冷媒が流入すると、略液相冷媒のみが蒸発器内に流入する場合に比べて蒸発する冷媒量が減少するため、蒸発器で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまう。
【０００７】
また、液相冷媒と気相冷媒とでは密度が大きく相違するため、蒸発器内における気相冷媒の流通経路と液相冷媒の流通経路が相違してしまい、蒸発器内において、気相冷媒の割合が大きい部位と液相冷媒の割合が大きい部位とが発生してしまうおそれが高い。
【０００８】
このため、蒸発器の部位によって発生する冷凍能力が相違してしまうため、蒸発器の部位によって表面温度が相違してしまい、いわゆる「温度分布が悪化する」といった問題が発生してしまう。
【０００９】
ところで、膨張弁等の等エンタルピ的に冷媒を減圧する減圧手段を有する蒸気圧縮式冷凍機（以下、膨張弁サイクルと呼ぶ。）では、圧縮機の吸入側の蒸発器の冷媒出口側に接続して圧縮機のポンプ作用を直接的に蒸発器に作用させて冷媒を循環させるのに対して、エジェクタサイクルでは、前述のごとく、エジェクタのポンプ作用にて蒸発器に冷媒を循環させることに加えて、膨脹弁サイクルに比べて蒸発器に流入する液相冷媒量が多いので、蒸発器に流入する冷媒の流速が膨脹弁サイクルに比べて小さくなってしまう。
【００１０】
そして、蒸発器に流速の小さい冷媒が蒸発器の上方側から流入すると、以下のような問題が発生する。
【００１１】
すなわち、蒸発器は、通常、上下方向に延びる複数本のチューブ、及び水平方向に延びて複数本のチューブと連通するヘッダタンクを有して構成されており、上方側のヘッダタンク側から蒸発器に流入した冷媒は、上方側のヘッダタンクにて各チューブに分配供給される。
【００１２】
このとき、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合には、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブに流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブに流入してしまう可能性が高い。
【００１３】
そして、液相冷媒が入口近傍のチューブに流入し、気相冷媒が液相冷媒より奥側のチューブに流入してしまうと、蒸発器の部位によって発生する冷凍能力が相違してしまうため、蒸発器の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が発生してしまう。
【００１４】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を提供し、第２には、蒸気圧縮式冷凍機の吸熱能力の低下を防止し、第３には、温度分布が悪化するといった問題を改善することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、車両用空調装置に適用され、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、車両のエンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、高圧側熱交換器（２０）から流出した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相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圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒流出口（５０ａ）が圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒流出口（５０ｂ）が低圧側熱交換器（３０）に接続された気液分離手段（５０）とを備え、圧縮機（１０）および高圧側熱交換器（２０）が車両のエンジンルーム内に配置され、エジェクタ（４０）および気液分離手段（５０）が、エンジンルーム内において、長手方向が互いに平行になるように並んで隣接配置され、低圧側熱交換器（３０）が車室内に配置され、液相冷媒流出口（５０ｂ）と低圧側熱交換器（３０）の入口側とを繋ぐ第１冷媒経路（ａ）、および、低圧側熱交換器（３０）の出口側とエジェクタ（４０）の気相冷媒吸引側とを繋ぐ第２冷媒経路（ｂ）は、エンジンルーム内から車室内に延びて配置され、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位に、低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒を減圧させる絞り手段（６０）が配置されていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、絞り手段（６０）から低圧側熱交換器（３０）に至る冷媒経路を短くすることができるので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前に雰囲気から吸熱して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒が蒸発してしまうといったことを十分に抑制できる。
【００１７】
したがって、低圧側熱交換器（３０）に気液二相状態の冷媒が流入してしまうことを抑制できるので、低圧側熱交換器（３０）で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）と、第１冷媒経路（ａ）のうちエンジンルーム内に位置する部位を構成する室外冷媒配管（９４）とを有し、絞り手段（６０）は、室内冷媒配管（９０）と室外冷媒配管（９４）との接続部に配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）を有し、絞り手段（６０）は、室内冷媒配管（９０）と低圧側熱交換器（３０）との接続部に配置されていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、絞り手段は、接続部に設けられたオリフィス（９１ａ）により構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数を増大させることなく、蒸発器３０表面温度を均一化することができ得る。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、絞り手段（６０）は、第１冷媒経路（ａ）のうち、中間点より低圧側熱交換器（３０）側に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、絞り手段（６０）から低圧側熱交換器（３０）に至る冷媒経路を短くすることができ得るので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前に雰囲気から吸熱して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒が蒸発してしまうといったことを十分に抑制でき得る。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）を流れる冷媒と第２冷媒経路（ｂ）を流れる冷媒とを熱交換する熱交換器（８１）を備え、絞り手段（６０）は、第１冷媒経路（ａ）のうち熱交換器（８１）の冷媒流出側の部位に配置されていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、気液分離器（５０）を流出して低圧側熱交換器（３０）に向けて流れる冷媒を低圧側熱交換器（３０）を流出してエジェクタ（４０）に吸引される低温の冷媒にて冷却することができるので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前の冷媒が気液二相状態となることを抑制して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒を単相に近づけることができる。したがって、低圧側熱交換器（３０）で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）は、上下方向に延びる複数本のチューブ（３１）、及び複数本のチューブ（３１）の上下両側において水平方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３３）を有して構成されており、複数本のチューブ（３１）の上下両側に配置されたヘッダタンク（３３）のうち、複数本のチューブ（３１）の下方側に配置されたヘッダタンク（３３）に、低圧側熱交換器（３０）の冷媒入口部（３３ａ）が設けられていることを特徴とする。
【００２７】
これにより、上方側のヘッダタンク（３３）から冷媒を低圧側熱交換器（３０）内に流入させる場合に比べて重量の影響が小さくなり、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合であっても、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブ（３１）に流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブ（３１）に流入してしまうといったことを抑制できる。したがって、低圧側熱交換器（３０）の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が顕著に発生することを抑制できる。
【００２８】
因みに、上記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。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を車両用空調装置に適用したものであって、図１は蒸気圧縮式冷凍機の模式図であり、図２は蒸気圧縮式冷凍機の車両への搭載状態を示す模式図である。
【００３０】
図１中、圧縮機１０は走行用エンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００３１】
なお、本実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側の冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力未満としているが、例えば冷媒を二酸化炭素等の自然冷媒として高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上としてもよいことは言うまでもない。
【００３２】
また、蒸発器３０は、室内に吹き出す空気と低圧冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する低圧側熱交換器である。この蒸発器３０は、図３に示すように、上下方向に延びる複数本のチューブ３１、及びチューブ３１の外表面に接合されて空気と冷媒との熱交換を促進するフィン３２等からなるコア部、並びに水平方向に延びて複数本のチューブ３１と連通するヘッダタンク３３等から構成されており、冷媒入口部３３ａは、下方側に配置されたヘッダタンク３３に設けられている。
【００３３】
なお、本実施形態では、冷媒入口部３３ａから蒸発器３０に流入した冷媒は、空気流れ下流側に位置するコア部から空気流れ上流側のコア部に流入した後、下方側に設けられた冷媒出口部３３ｂから蒸発器３０外に流出するように設定されている。
【００３４】
また、図１中、エジェクタ４０は放熱器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相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圧縮機１０の吸入圧を上昇させるエジェクタである。
【００３５】
なお、エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００３６】
このとき、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する駆動流の運動量と蒸発器３０から吸引される吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００３７】
一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３８】
因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。
【００３９】
また、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口５０ａは圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口５０ｂは蒸発器３０側に接続されている。液相冷媒流出口５０ｂと蒸発器３０の入口側とを繋ぐ第１冷媒経路ａ、および、蒸発器３０の出口側とエジェクタ４０の気相冷媒吸引側とを繋ぐ第２冷媒経路ｂは、車両のエンジンルーム内から車室内に延びて配置されている。
【００４０】
絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段であり、この絞り６０は、図４に示すように、室内冷媒配管９０と蒸発器３０とを接続する接続部のうち室内冷媒配管９０に接合されたジョイントブロック９１に設けられたオリフィス９１ａにより構成されている。なお、本実施形態では、オリフィス９１ａの穴径は約１．５ｍｍで有り、配管内径の約１／４程度である。
【００４１】
つまり、本実施形態に係る絞り６０は、蒸発器３０と気液分離器５０とを繋ぐ第１冷媒経路ａのうち中間点より蒸発器３０側であって、車室内側に位置することとなる。
【００４２】
なお、蒸発器３０側のジョイントブロック９２は、蒸発器３０にろう付けされているとともに、Ｏリング９３等シール手段により密閉された状態でボルト等の機械的締結手段により室内冷媒配管９０側のジョイントブロック９１に固定されている。
【００４３】
また、図１中、オイル戻し通路７０は気液分離器５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すものであり、内部熱交換器８０は圧縮機１０に吸引される低圧側冷媒と放熱器２０から流出した高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。
【００４４】
なお、本実施形態では、絞り６０としてオリフィスやキャピラリーチューブ等の開度が固定された固定絞りを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を可変制御する温度式膨脹弁等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
次に、本実施形態に係るエジェクタサイクル（蒸気圧縮式冷凍機）の概略作動を述べる。
【００４６】
圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて減圧膨張して蒸発器３０内の冷媒を吸引する。
【００４７】
そして、蒸発器３０から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００４８】
一方、エジェクタ４０にて蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には絞り６０にて減圧された液相冷媒が気液分離器５０から供給され、その供給された冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
【００４９】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５０】
本実施形態では、下方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させるので、上方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させる場合に比べて重量の影響が小さくなり、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合であっても、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブ３１に流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブ３１に流入してしまうといったことを抑制できる。したがって、蒸発器３０の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が顕著に発生することを抑制できる。
【００５１】
なお、図５は冷媒を蒸発器３０の下方側から流入させた場合と上方側から流入させた場合とを比較した試験結果であり、この試験結果から明らかなように、下方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させれば、蒸発器３０表面温度を均一化することが可能となる。
【００５２】
また、絞り６０を車室内に配置して絞り６０から蒸発器３０に至る冷媒経路を短くしているので、蒸発器３０に流入する前に冷媒配管が設置された雰囲気から吸熱して蒸発してしまうといったことを十分に抑制できる。
【００５３】
したがって、蒸発器３０に気液二相状態の冷媒が流入してしまうことを抑制できるので、蒸発器３０で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００５４】
因みに、図６は本実施形態に係る蒸発器３０において、絞り６０の位置を変化させた場合の試験結果をまとめた図表であり、この図表からも明らかなように、絞り６０を蒸発器３０に近づければ、蒸発器３０表面温度を均一化することが可能となることが解る。
【００５５】
なお、図６に示す図表では、双方とも下方側から冷媒を蒸発器３０内に流入させる蒸発器にて試験したものであったが、双方とも上方側から冷媒を蒸発器３０内に流入させても蒸発器３０表面温度を均一化することができることは、確認済みである。
【００５６】
また、室内冷媒配管９０と蒸発器３０との接続部に設けられたオリフィス９１ａにて絞り６０を構成しているので、エジェクタサイクルの部品点数を増大させることなく、蒸発器３０表面温度を均一化することができ得る。
【００５７】
（第２実施形態）
本実施形態は、図７に示すように、気液分離器５０を流出して蒸発器３０に向けて流れ冷媒と蒸発器３０を流出してエジェクタ４０に吸引される冷媒とを熱交換する熱交換器８１を設けるとともに、絞り６０を熱交換器８１の冷媒流出側に配置したものである。
【００５８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５９】
気液分離器５０を流出して蒸発器３０に向けて流れる冷媒を蒸発器３０を流出してエジェクタ４０に吸引される低温の冷媒にて冷却することができるので、蒸発器３０に流入する前の冷媒が気液二相状態となることを抑制して蒸発器３０に流入する冷媒を単相に近づけることができる。したがって、蒸発器３０で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００６０】
（第３実施形態）
本実施形態は、図８に示すように、室内冷媒配管９０と室外冷媒配管９４との接続部に絞り６０を配置したものである。因みに、図８は本実施形態の一例を示すもので、本実施形態は図８に示された形状に限定されるものではない。
【００６１】
なお、絞り６０の位置、つまり接続部の位置は、室内と室外とを仕切る区画壁と同一の位置、又は室内側に配置することが望ましいが、室外側に配置してもよい。
【００６２】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、２つのコア部が空気流れに対して直列に並び、かつ、冷媒出口３３ｂが下方側に在るものであったが、本発明はこのような蒸発器３０にその適用が限定されるものではなく、例えばコア部が１つで、冷媒出口３３ｂが上方側に在るものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の車両への搭載状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る蒸発器の模式図である。
【図４】図３のＡ矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の効果を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の効果を示す図表である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の特徴を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…放熱器、３０…蒸発器、４０…エジェクタ、
５０…気液分離器、６０…絞り。
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機のうち減圧手段としてエジェクタを用いたエジェクタサイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エジェクタサイクルとは、エジェクタにて冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相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圧縮機の吸入圧を上昇させる蒸気圧縮式冷凍機である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４９６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エジェクタサイクルでは、特許文献１に記載されているように、気液分離器にて分離された液相冷媒をエジェクタのポンプ作用（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）にて低圧側熱交換器である蒸発器に循環させるが、蒸発器に流入する冷媒の圧力及び温度を確実に低下させるために、蒸発器と気液分離器との間にオリフィスやキャピラリーチューブ等の絞り手段を設ける場合がある。
【０００５】
しかし、絞り手段と蒸発器とを繋ぐ冷媒配管が比較的に長い場合には、絞り手段にて減圧された低温液相冷媒の一部が、蒸発器に流入する前に冷媒配管が設置された雰囲気から吸熱して蒸発してしまうので、蒸発器に気液二相状態の冷媒が流入してしまう。
【０００６】
そして、蒸発器に気液二相状態の冷媒が流入すると、略液相冷媒のみが蒸発器内に流入する場合に比べて蒸発する冷媒量が減少するため、蒸発器で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまう。
【０００７】
また、液相冷媒と気相冷媒とでは密度が大きく相違するため、蒸発器内における気相冷媒の流通経路と液相冷媒の流通経路が相違してしまい、蒸発器内において、気相冷媒の割合が大きい部位と液相冷媒の割合が大きい部位とが発生してしまうおそれが高い。
【０００８】
このため、蒸発器の部位によって発生する冷凍能力が相違してしまうため、蒸発器の部位によって表面温度が相違してしまい、いわゆる「温度分布が悪化する」といった問題が発生してしまう。
【０００９】
ところで、膨張弁等の等エンタルピ的に冷媒を減圧する減圧手段を有する蒸気圧縮式冷凍機（以下、膨張弁サイクルと呼ぶ。）では、圧縮機の吸入側の蒸発器の冷媒出口側に接続して圧縮機のポンプ作用を直接的に蒸発器に作用させて冷媒を循環させるのに対して、エジェクタサイクルでは、前述のごとく、エジェクタのポンプ作用にて蒸発器に冷媒を循環させることに加えて、膨脹弁サイクルに比べて蒸発器に流入する液相冷媒量が多いので、蒸発器に流入する冷媒の流速が膨脹弁サイクルに比べて小さくなってしまう。
【００１０】
そして、蒸発器に流速の小さい冷媒が蒸発器の上方側から流入すると、以下のような問題が発生する。
【００１１】
すなわち、蒸発器は、通常、上下方向に延びる複数本のチューブ、及び水平方向に延びて複数本のチューブと連通するヘッダタンクを有して構成されており、上方側のヘッダタンク側から蒸発器に流入した冷媒は、上方側のヘッダタンクにて各チューブに分配供給される。
【００１２】
このとき、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合には、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブに流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブに流入してしまう可能性が高い。
【００１３】
そして、液相冷媒が入口近傍のチューブに流入し、気相冷媒が液相冷媒より奥側のチューブに流入してしまうと、蒸発器の部位によって発生する冷凍能力が相違してしまうため、蒸発器の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が発生してしまう。
【００１４】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を提供し、第２には、蒸気圧縮式冷凍機の吸熱能力の低下を防止し、第３には、温度分布が悪化するといった問題を改善することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、車両用空調装置に適用され、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、車両のエンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、高圧側熱交換器（２０）から流出した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相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圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒流出口（５０ａ）が圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒流出口（５０ｂ）が低圧側熱交換器（３０）に接続された気液分離手段（５０）とを備え、圧縮機（１０）および高圧側熱交換器（２０）が車両のエンジンルーム内に配置され、エジェクタ（４０）および気液分離手段（５０）が、エンジンルーム内において、長手方向が互いに平行になるように並んで隣接配置され、低圧側熱交換器（３０）が車室内に配置され、液相冷媒流出口（５０ｂ）と低圧側熱交換器（３０）の入口側とを繋ぐ第１冷媒経路（ａ）、および、低圧側熱交換器（３０）の出口側とエジェクタ（４０）の気相冷媒吸引側とを繋ぐ第２冷媒経路（ｂ）は、エンジンルーム内から車室内に延びて配置され、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位に、低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒を減圧させる絞り手段（６０）が配置されていることを特徴とする。
【００１６】
これにより、絞り手段（６０）から低圧側熱交換器（３０）に至る冷媒経路を短くすることができるので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前に雰囲気から吸熱して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒が蒸発してしまうといったことを十分に抑制できる。
【００１７】
したがって、低圧側熱交換器（３０）に気液二相状態の冷媒が流入してしまうことを抑制できるので、低圧側熱交換器（３０）で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）と、第１冷媒経路（ａ）のうちエンジンルーム内に位置する部位を構成する室外冷媒配管（９４）とを有し、絞り手段（６０）は、室内冷媒配管（９０）と室外冷媒配管（９４）との接続部に配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）を有し、絞り手段（６０）は、室内冷媒配管（９０）と低圧側熱交換器（３０）との接続部に配置されていることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、絞り手段は、接続部に設けられたオリフィス（９１ａ）により構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機の部品点数を増大させることなく、蒸発器３０表面温度を均一化することができ得る。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、絞り手段（６０）は、第１冷媒経路（ａ）のうち、中間点より低圧側熱交換器（３０）側に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、絞り手段（６０）から低圧側熱交換器（３０）に至る冷媒経路を短くすることができ得るので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前に雰囲気から吸熱して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒が蒸発してしまうといったことを十分に抑制でき得る。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、第１冷媒経路（ａ）を流れる冷媒と第２冷媒経路（ｂ）を流れる冷媒とを熱交換する熱交換器（８１）を備え、絞り手段（６０）は、第１冷媒経路（ａ）のうち熱交換器（８１）の冷媒流出側の部位に配置されていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、気液分離器（５０）を流出して低圧側熱交換器（３０）に向けて流れる冷媒を低圧側熱交換器（３０）を流出してエジェクタ（４０）に吸引される低温の冷媒にて冷却することができるので、低圧側熱交換器（３０）に流入する前の冷媒が気液二相状態となることを抑制して低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒を単相に近づけることができる。したがって、低圧側熱交換器（３０）で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、低圧側熱交換器（３０）は、上下方向に延びる複数本のチューブ（３１）、及び複数本のチューブ（３１）の上下両側において水平方向に延びて複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３３）を有して構成されており、複数本のチューブ（３１）の上下両側に配置されたヘッダタンク（３３）のうち、複数本のチューブ（３１）の下方側に配置されたヘッダタンク（３３）に、低圧側熱交換器（３０）の冷媒入口部（３３ａ）が設けられていることを特徴とする。
【００２７】
これにより、上方側のヘッダタンク（３３）から冷媒を低圧側熱交換器（３０）内に流入させる場合に比べて重量の影響が小さくなり、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合であっても、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブ（３１）に流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブ（３１）に流入してしまうといったことを抑制できる。したがって、低圧側熱交換器（３０）の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が顕著に発生することを抑制できる。
【００２８】
因みに、上記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。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を車両用空調装置に適用したものであって、図１は蒸気圧縮式冷凍機の模式図であり、図２は蒸気圧縮式冷凍機の車両への搭載状態を示す模式図である。
【００３０】
図１中、圧縮機１０は走行用エンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００３１】
なお、本実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側の冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力未満としているが、例えば冷媒を二酸化炭素等の自然冷媒として高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上としてもよいことは言うまでもない。
【００３２】
また、蒸発器３０は、室内に吹き出す空気と低圧冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する低圧側熱交換器である。この蒸発器３０は、図３に示すように、上下方向に延びる複数本のチューブ３１、及びチューブ３１の外表面に接合されて空気と冷媒との熱交換を促進するフィン３２等からなるコア部、並びに水平方向に延びて複数本のチューブ３１と連通するヘッダタンク３３等から構成されており、冷媒入口部３３ａは、下方側に配置されたヘッダタンク３３に設けられている。
【００３３】
なお、本実施形態では、冷媒入口部３３ａから蒸発器３０に流入した冷媒は、空気流れ下流側に位置するコア部から空気流れ上流側のコア部に流入した後、下方側に設けられた冷媒出口部３３ｂから蒸発器３０外に流出するように設定されている。
【００３４】
また、図１中、エジェクタ４０は放熱器２０から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相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圧縮機１０の吸入圧を上昇させるエジェクタである。
【００３５】
なお、エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００３６】
このとき、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する駆動流の運動量と蒸発器３０から吸引される吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。
【００３７】
一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３８】
因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。
【００３９】
また、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口５０ａは圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口５０ｂは蒸発器３０側に接続されている。液相冷媒流出口５０ｂと蒸発器３０の入口側とを繋ぐ第１冷媒経路ａ、および、蒸発器３０の出口側とエジェクタ４０の気相冷媒吸引側とを繋ぐ第２冷媒経路ｂは、車両のエンジンルーム内から車室内に延びて配置されている。
【００４０】
絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段であり、この絞り６０は、図４に示すように、室内冷媒配管９０と蒸発器３０とを接続する接続部のうち室内冷媒配管９０に接合されたジョイントブロック９１に設けられたオリフィス９１ａにより構成されている。なお、本実施形態では、オリフィス９１ａの穴径は約１．５ｍｍで有り、配管内径の約１／４程度である。
【００４１】
つまり、本実施形態に係る絞り６０は、蒸発器３０と気液分離器５０とを繋ぐ第１冷媒経路ａのうち中間点より蒸発器３０側であって、車室内側に位置することとなる。
【００４２】
なお、蒸発器３０側のジョイントブロック９２は、蒸発器３０にろう付けされているとともに、Ｏリング９３等シール手段により密閉された状態でボルト等の機械的締結手段により室内冷媒配管９０側のジョイントブロック９１に固定されている。
【００４３】
また、図１中、オイル戻し通路７０は気液分離器５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すものであり、内部熱交換器８０は圧縮機１０に吸引される低圧側冷媒と放熱器２０から流出した高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。
【００４４】
なお、本実施形態では、絞り６０としてオリフィスやキャピラリーチューブ等の開度が固定された固定絞りを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を可変制御する温度式膨脹弁等を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
次に、本実施形態に係るエジェクタサイクル（蒸気圧縮式冷凍機）の概略作動を述べる。
【００４６】
圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて減圧膨張して蒸発器３０内の冷媒を吸引する。
【００４７】
そして、蒸発器３０から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。
【００４８】
一方、エジェクタ４０にて蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には絞り６０にて減圧された液相冷媒が気液分離器５０から供給され、その供給された冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
【００４９】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５０】
本実施形態では、下方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させるので、上方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させる場合に比べて重量の影響が小さくなり、流速が低く冷媒の動圧が小さい場合であっても、重力の影響により密度の大きい液相冷媒は入口近傍のチューブ３１に流入し、密度の小さい気相冷媒は液相冷媒より奥側のチューブ３１に流入してしまうといったことを抑制できる。したがって、蒸発器３０の部位によって表面温度が相違してしまい、温度分布が悪化するといった問題が顕著に発生することを抑制できる。
【００５１】
なお、図５は冷媒を蒸発器３０の下方側から流入させた場合と上方側から流入させた場合とを比較した試験結果であり、この試験結果から明らかなように、下方側のヘッダタンク３３から冷媒を蒸発器３０内に流入させれば、蒸発器３０表面温度を均一化することが可能となる。
【００５２】
また、絞り６０を車室内に配置して絞り６０から蒸発器３０に至る冷媒経路を短くしているので、蒸発器３０に流入する前に冷媒配管が設置された雰囲気から吸熱して蒸発してしまうといったことを十分に抑制できる。
【００５３】
したがって、蒸発器３０に気液二相状態の冷媒が流入してしまうことを抑制できるので、蒸発器３０で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００５４】
因みに、図６は本実施形態に係る蒸発器３０において、絞り６０の位置を変化させた場合の試験結果をまとめた図表であり、この図表からも明らかなように、絞り６０を蒸発器３０に近づければ、蒸発器３０表面温度を均一化することが可能となることが解る。
【００５５】
なお、図６に示す図表では、双方とも下方側から冷媒を蒸発器３０内に流入させる蒸発器にて試験したものであったが、双方とも上方側から冷媒を蒸発器３０内に流入させても蒸発器３０表面温度を均一化することができることは、確認済みである。
【００５６】
また、室内冷媒配管９０と蒸発器３０との接続部に設けられたオリフィス９１ａにて絞り６０を構成しているので、エジェクタサイクルの部品点数を増大させることなく、蒸発器３０表面温度を均一化することができ得る。
【００５７】
（第２実施形態）
本実施形態は、図７に示すように、気液分離器５０を流出して蒸発器３０に向けて流れ冷媒と蒸発器３０を流出してエジェクタ４０に吸引される冷媒とを熱交換する熱交換器８１を設けるとともに、絞り６０を熱交換器８１の冷媒流出側に配置したものである。
【００５８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５９】
気液分離器５０を流出して蒸発器３０に向けて流れる冷媒を蒸発器３０を流出してエジェクタ４０に吸引される低温の冷媒にて冷却することができるので、蒸発器３０に流入する前の冷媒が気液二相状態となることを抑制して蒸発器３０に流入する冷媒を単相に近づけることができる。したがって、蒸発器３０で発生する冷凍能力（吸熱能力）が減少してしまうこと防止しつつ、温度分布が悪化することを抑制できる。
【００６０】
（第３実施形態）
本実施形態は、図８に示すように、室内冷媒配管９０と室外冷媒配管９４との接続部に絞り６０を配置したものである。因みに、図８は本実施形態の一例を示すもので、本実施形態は図８に示された形状に限定されるものではない。
【００６１】
なお、絞り６０の位置、つまり接続部の位置は、室内と室外とを仕切る区画壁と同一の位置、又は室内側に配置することが望ましいが、室外側に配置してもよい。
【００６２】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、２つのコア部が空気流れに対して直列に並び、かつ、冷媒出口３３ｂが下方側に在るものであったが、本発明はこのような蒸発器３０にその適用が限定されるものではなく、例えばコア部が１つで、冷媒出口３３ｂが上方側に在るものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の車両への搭載状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る蒸発器の模式図である。
【図４】図３のＡ矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の効果を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の効果を示す図表である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の特徴を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、２０…放熱器、３０…蒸発器、４０…エジェクタ、
５０…気液分離器、６０…絞り。
Claims (7)
- 車両用空調装置に適用され、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
車両のエンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
前記圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（３０）と、
前記高圧側熱交換器（２０）から流出した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）を有し、前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記低圧側熱交換器（３０）にて蒸発した気相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前記圧縮機（１０）の吸入圧を上昇させるエジェクタ（４０）と、
前記エジェクタ（４０）から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒流出口（５０ａ）が前記圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒流出口（５０ｂ）が前記低圧側熱交換器（３０）に接続された気液分離手段（５０）とを備え、
前記圧縮機（１０）および前記高圧側熱交換器（２０）が車両のエンジンルーム内に配置され、
前記エジェクタ（４０）および前記気液分離手段（５０）が、前記エンジンルーム内において、長手方向が互いに平行になるように並んで隣接配置され、
前記低圧側熱交換器（３０）が車室内に配置され、
前記液相冷媒流出口（５０ｂ）と前記低圧側熱交換器（３０）の入口側とを繋ぐ第１冷媒経路（ａ）、および、前記低圧側熱交換器（３０）の出口側と前記エジェクタ（４０）の気相冷媒吸引側とを繋ぐ第２冷媒経路（ｂ）は、前記エンジンルーム内から前記車室内に延びて配置され、
前記第１冷媒経路（ａ）のうち前記車室内に位置する部位に、前記低圧側熱交換器（３０）に流入する冷媒を減圧させる絞り手段（６０）が配置されていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）と、
前記第１冷媒経路（ａ）のうち前記エンジンルーム内に位置する部位を構成する室外冷媒配管（９４）とを有し、
前記絞り手段（６０）は、前記室内冷媒配管（９０）と前記室外冷媒配管（９４）との接続部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記第１冷媒経路（ａ）のうち車室内に位置する部位を構成する室内冷媒配管（９０）を有し、
前記絞り手段（６０）は、前記室内冷媒配管（９０）と前記低圧側熱交換器（３０）との接続部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記絞り手段は、前記接続部に設けられたオリフィス（９１ａ）により構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 前記絞り手段（６０）は、前記第１冷媒経路（ａ）のうち、中間点より前記低圧側熱交換器（３０）側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 前記第１冷媒経路（ａ）を流れる冷媒と前記第２冷媒経路（ｂ）を流れる冷媒とを熱交換する熱交換器（８１）を備え、
前記絞り手段（６０）は、前記第１冷媒経路（ａ）のうち前記熱交換器（８１）の冷媒流出側の部位に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記低圧側熱交換器（３０）は、上下方向に延びる複数本のチューブ（３１）、及び前記複数本のチューブ（３１）の上下両側において水平方向に延びて前記複数本のチューブ（３１）と連通するヘッダタンク（３３）を有して構成されており、
前記複数本のチューブ（３１）の上下両側に配置された前記ヘッダタンク（３３）のうち、前記複数本のチューブ（３１）の下方側に配置された前記ヘッダタンク（３３）に、前記低圧側熱交換器（３０）の冷媒入口部（３３ａ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
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