JP4096824B2 - 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、低圧側の冷媒を蒸発させて低温側から吸熱し、高温側に放熱する蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
車両用空調装置では、周知のごとく、エンジン冷却水等の車両で発生する廃熱を熱源として室内に吹き出す空気を加熱しているので、冷間始動直後等のエンジン冷却水温度が低いときには、十分な加熱(暖房)能力を得ることができない。
【0003】
これに対して従来は、圧縮機から吐出した高圧冷媒を室内熱交換器に供給して高圧冷媒にて室内に吹き出す空気を加熱している(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
なお、圧縮機から吐出する高圧冷媒の温度は圧縮機での圧縮比に比例して上昇するので、高圧冷媒の温度はエンジン冷却水に比べて非常に短い時間で上昇する。
【0005】
【特許文献1】
特開平05−096931号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献1に記載の発明では、室内熱交換器から流出した冷媒をキャピラリーチューブ等の固定絞りにて減圧しているので、高圧側及び低圧側の熱負荷条件が変化すると、これに呼応して高圧冷媒の圧力が変動して、暖房能力、つまり室内熱交換器の加熱能力が変動してしまう。
【0007】
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、起動直後においても十分な加熱能力を得ることを目的とする。
【0008】
【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、低圧側の冷媒を蒸発させて低温側から吸熱し、高温側に放熱する蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機(10)と、室外空気と冷媒とを熱交換する室外熱交換器(20)と、室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器(32)と、高圧冷媒を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で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、室内熱交換器(32)から流出した冷媒を室外熱交換器(20)側へ供給する冷媒通路に設けられて、高圧冷媒の圧力が所定圧力以上となるように絞り開度が変化する定圧絞り機構(90)と、室内熱交換器(32)から流出した冷媒を室外熱交換器(20)側へ供給する冷媒通路に設けられて、室内熱交換器(32)から流出した冷媒が定圧絞り機構(90)側へ流入することのみを許容する逆止弁(91)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、気相冷媒を圧縮機(10)に供給し、液相冷媒を低圧側に供給する気液分離器(50)と、圧縮機(10)から流出した高圧冷媒を室外熱交換器(20)側に供給する冷媒通路と室内熱交換器(32)側に供給する冷媒通路とを切りえる第1切替手段(81、81a、81b)と、室外熱交換器(20)から流出した冷媒をノズル(41)に供給する冷媒通路と気液分離器(50)に供給する冷媒通路とを切り替える第2切替手段(82、82a)とを備え、
第1切替手段(81、81a、81b)が、圧縮機(10)から吐出する冷媒を室外熱交換器(20)側に供給する冷媒通路に切り替えるとともに、第2切替手段(82、82a)が、室外熱交換器(20)から流出した冷媒をノズル(41)に供給する冷媒通路に切り替えることによって、エジェクタ(40)にて、室外熱交換器(20)から流出した高圧冷媒を減圧し
第1切替手段(81、81a、81b)が、圧縮機(10)から吐出する冷媒を室内熱交換器(32)に供給する冷媒通路に切り替えるとともに、第2切替手段(82、82a)が、室外熱交換器(20)から流出した冷媒を気液分離器(50)に供給する冷媒通路に切り替えることによって、定圧絞り機構(90)にて、室内熱交換器(32)から流出した高圧冷媒を減圧することを特徴とする。
【0009】
これにより、高圧側及び低圧側の熱負荷条件が変化しても加熱能力が変動してしまうことを抑制できるので、起動直後においても十分な加熱能力を得ることができる。
【0014】
請求項に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とするものである。
【0015】
請求項に記載の発明では、高圧冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上とすることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明では、低圧側の冷媒を蒸発させる蒸発器(31)を備え、蒸発器(31)の冷媒入口側には、気液分離器(50)の液相冷媒出口に接続され、蒸発器(31)の冷媒出口側には、エジェクタ(40)の冷媒吸引口に接続されていることを特徴とするものである。
【0016】
請求項に記載の発明では、請求項に記載の蒸気圧縮式冷凍機を備える車両用空調装置であって、室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング(70)と、空調ケーシング(70)内のうち室内熱交換器(32)より空気流れ上流側、かつ、蒸発器(31)の下流側に設けられ、車両で発生する廃熱により室内に吹き出す空気を加熱するヒータ(60)とを備えることを特徴とする。
【0017】
これにより、ヒータ(60)にて加熱された空気を更に室内熱交換器(32)にて加熱できるので、効率良く室内に吹き出す空気を加熱できる。
【0018】
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。
【0019】
【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空調装置に適用したものであり、図1は車両空調装置(蒸気圧縮式冷凍機)の模式図である。
【0020】
圧縮機10は冷媒を吸入圧縮する圧縮機であり、本実施形態では、固定容量型の圧縮機を専用の電動モータにて駆動しているが、例えば走行用エンジンから動力を得て稼動する連続可変容量型圧縮機等を採用してもよいことは言うまでもない。
【0021】
室外熱交換器20は圧縮機10から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換する熱交換器であり、第1、2室内熱交換器31、32は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する熱交換器であり、ヒータ60はエンジン冷却水等の車両で発生する廃熱を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する加熱手段である。
【0022】
そして、第1室内熱交換器31は、室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング70内においてヒータ60より空気流れ上流側に配置され、第2室内熱交換器32は、ヒータ60より空気流れ下流側に配置されている。
【0023】
なお、図示されていないが、第1室内熱交換器31の空気流れ上流側には、空調ケーシング70内に空気を送風する送風機、及び室内空気を送風機に導入する場合と室外空気を送風機に導入する場合とを切り換える内外気切換装置が設けられている。
【0024】
エジェクタ40は冷媒を減圧膨張させて、そのポンプ作用(JIS Z 8126 番号2.1.2.3等参照)により低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引しながら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ものである。
【0025】
具体的には、エジェクタ40は、流入する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略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(駆動流)により低圧側で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吸引した吸引流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。
【0026】
このとき、混合部42においては、駆動流の運動量と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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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の気相冷媒流出口は圧縮機10の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は第1室内熱交換器31の冷媒流入側、つまり低圧側に接続されている。
【0030】
また、圧縮機10の吐出側には、圧縮機10から吐出する高圧冷媒を第2室内熱交換器32に供給する場合と室外熱交換器20に供給する場合とを切り換える切替手段をなす第1三方弁81が設けられ、室外熱交換器20の冷媒出口側には、室外熱交換器20を流出した冷媒をエジェクタ40(ノイズ41)に供給する場合と気液分離器50に供給する場合とを切り換える切替手段をなす第2三方弁82が設けられている。
【0031】
また、第2室内熱交換器32の冷媒出口側には、第2室内熱交換器32から流出した冷媒を減圧するとともに、高圧冷媒の圧力が所定圧力以上となるように絞り開度が変化する定圧絞り機構をなす定圧制御弁90が設けられており、この定圧制御弁90の冷媒流れ上流側には、冷媒が第2室内熱交換器32側から室外熱交換器20側にのみ流れることを許容する逆止弁91が設けられている。
【0032】
なお、定圧制御弁90は、バネ等の弾性手段と冷媒圧とを釣り合いを利用して高圧冷媒の圧力が所定圧力以上となるように絞り開度を調節する機械式の可変絞り装置であり、本実施形態では、圧縮機10及び第2室内熱交換器32の耐圧限界を考慮して、高圧冷媒圧力、つまり前記所定圧力が約12MPa±0.5MPaとなるようにバネ圧が調節されている。
【0033】
また、圧力センサ101は高圧冷媒圧力、つまり吐出圧を検出する圧力検出手段であり、冷媒温度センサ102は室外熱交換器20から流出した冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段であり、内気温度センサ103は室内空気温度を検出する温度検出手段であり、外気温センサ104が室外空気温度を検出する温度検出手段であり、水温センサ105はヒータ60に供給されるエンジン冷却水の温度を検出する廃熱温度検出手段である。
【0034】
そして、センサ101〜105の検出値は電子制御装置(図示せず。)に入力されており、電子制御装置は、センサ101〜105の検出値に基づいて予め記憶されたプログラムに従って圧縮機10、第1、2三方弁81、82及び送風機等を制御する。
【0035】
次に、空調装置の概略作動を述べる。
【0036】
1.冷房モード
ヒータ60にエンジン冷却水を循環させることを停止させた状態で、図2に示すように、圧縮機10から吐出した冷媒を室外熱交換器20側に供給するとともに、室外熱交換器20から流出した高圧冷媒をノズル41に供給する。
【0037】
これにより、室外熱交換器20にて冷却された冷媒は、エジェクタ40のノズル41にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部42内に流入する。
【0038】
そして、混合部42に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、第1室内熱交換器31にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した冷媒が混合部42内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器50→第1室内熱交換器31→エジェクタ40(昇圧部)→気液分離器50の順に循環する。
【0039】
一方、第1室内熱交換器31から吸引された冷媒(吸引流)とノズル41から吹き出す冷媒(駆動流)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。
【0040】
なお、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素とするとともに、第1室内熱交換器31での熱負荷(冷房負荷)が大きいときには、圧縮機10にてノズル41に流入する高圧の冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで昇圧して必要な冷凍能力(冷房能力)を確保している。
【0041】
因みに、圧縮機10の回転数、つまり圧縮機10から吐出される冷媒流量は、公知の二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式冷凍機と同様に、高圧冷媒圧力(圧力センサ101の検出圧力)が、外気温度(外気温センサ104の検出温度)、高圧冷媒の温度(冷媒温度センサ102の検出温度)、内気温度(内気温度センサ103の検出温度)等に基づいて決定される制御目標圧力となるように制御されるので、詳細は説明は省略する。
【0042】
2.暖房モード
図3に示すように、圧縮機10から吐出した冷媒を第2室外熱交換器9側に供給するとともに、室外熱交換器20から流出したエジェクタ40を迂回させて気液分離器50に供給する。
【0043】
これにより、圧縮機10から吐出した高温・高圧の冷媒(ホットガス)が第2室内熱交換器32に供給され、このホットガスにて室内に吹き出す空気を加熱する。
【0044】
そして、定圧制御弁90にて等エンタルピ的に減圧膨脹した冷媒は、室外熱交換器20にて外気から吸熱して蒸発して気液分離器50に流入する。
【0045】
なお、本実施形態では、ヒータ60にエンジン冷却水を供給しながら第2室内熱交換器32にホットガスを供給しており、ヒータ60に供給されるエンジン冷却水の温度が十分な温度(例えば、40℃以上)まで上昇したときには、第2室内熱交換器32へのホットガスの供給を停止する。
【0046】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0047】
本実施形態では、圧縮機10から吐出する高圧冷媒を第2室内熱交換器32に供給する場合には、高圧冷媒の圧力が所定圧力以上となるように蒸気圧縮式冷凍機が制御されるので、高圧側及び低圧側の熱負荷条件が変化しても暖房能力、つまり第2室内熱交換器32の加熱能力が変動してしまうことを抑制でき、暖房能力を向上させることができる。
【0048】
因みに、図4は、熱負荷を一定とした状態で高圧冷媒圧力を横軸として、起動1分後に体温以上の温風を得ることができるように定圧制御弁90を設定したときの吹出空気温度を示す試験結果である。なお、図4において吹出温度は4カ所で測定した値の平均値を採用している。
【0049】
そして、このグラフから明らかなように、絞り開度小さくなって高圧冷媒圧力が上昇するに連れて第2室内熱交換器32の冷媒が高温高圧となり、暖房能力が向上し、かつ、冷媒流量の減少よりも圧力上昇の方がより大きく暖房能力向上の向上に寄与していることが解る。
【0050】
また、本実施形態では、第2室内熱交換器32をヒータ60の空気流れ下流側に配置しているので、効率良く室内に吹き出す空気を加熱できる。
【0051】
(第2実施形態)
第1実施形態では、第1三方弁81にて圧縮機10から吐出する高圧冷媒を第2室内熱交換器32に供給する場合と室外熱交換器20に供給する場合とを切り換えたが、本実施形態では、図5に示すように、圧縮機10と第2室内熱交換器32の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路を開閉する二方弁81a、及び圧縮機10と室外熱交換器20の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路を開閉する二方弁81bとを切換開閉することにより圧縮機10から吐出する高圧冷媒を第2室内熱交換器32に供給する場合と室外熱交換器20に供給する場合とを切り換えるものである。
【0052】
また、第2三方弁82を廃止して、室外熱交換器20から気液分離器50に至る冷媒通路を開閉する二方弁82aとしたものである。
【0053】
なお、二方弁81a、81b、82aは電子制御装置により制御されている。
【0054】
参考例
上述の実施形態では、冷房モード時には、エジェクタ40(ノズル41)にて室外熱交換器20から流出した冷媒を減圧したが、本参考例は、図6に示すように、冷房モード時に室外熱交換器20から流出した冷媒を、温度式膨脹弁や固定絞り等の冷媒を当エンタルピ的に減圧膨脹させる減圧器45を用いたものである。
【0055】
因みに、逆止弁46は、暖房モード時に室外熱交換器20から流出した冷媒が第1室内熱交換器31に流れ込むことを防止するものである。
【0056】
すなわち、本参考例の冷房モードでは、圧縮機10から吐出した冷媒を室外熱交換器20に放熱させ、室外熱交換器20から流出した冷媒を減圧器45にて減圧し、第1室内熱交換器31にて室内に吹き出す空気から吸熱させて低圧冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気を冷却する。
【0057】
なお、他の運転モードは第1実施形態と同じである。
【0058】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、ヒータ60に加熱された温風と第1室内熱交換器31にて冷却された冷風とを混合させて室内に吹き出す空気の温度を調節するエアミックス方式ではないが、当然ながら本発明はエアミックス方式としてもよい。
【0059】
上述の実施形態では、ヒータ60にエンジン冷却水を循環させながらホットガスを第2室内熱交換器32に供給したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばエンジン冷却水の温度が所定温度以下のときには、ヒータ60へのエンジン冷却水の循環を停止し、エンジン冷却水の温度が所定温度より高くなったときに、ヒータ60にエンジン冷却水を循環させ始めると同時に、第2室内熱交換器32へのホットガスの供給を停止してもよい。
【0060】
また、上述の実施形態では、定圧制御弁90にて高圧側冷媒圧力が所定圧力以上となるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば定圧制御弁90の絞り開度を固定し、圧縮機10の回転数、つまり吐出流量を制御することにより高圧側冷媒圧力が所定圧力以上となるようにしてもよい。
【0061】
また、上述の実施形態では、定圧制御弁90を機械式としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば定圧制御弁90を電気式の可変絞りとし、圧力センサ101にて検出した冷媒圧力が前記所定圧力となるように電子制御装置にて電気式の可変絞りを制御してもよい。
【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作動説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の作動説明図である。
【図4】絞り径、吹出温度及び圧力との関係を示すグラフである。
【図5】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6】 参考例に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【符号の説明】
10…圧縮機、20…室外熱交換器、31…第1室内熱交換器、
32…第2室内熱交換器、40…エジェクタ、50…気液分離器、
60…ヒータ、70…空調ケーシング、81、82…三方弁、
90…定圧制御弁、91…逆止弁。

Claims (5)

  1. 低圧側の冷媒を蒸発させて低温側から吸熱し、高温側に放熱する蒸気圧縮式冷凍機であって、
    冷媒を吸入圧縮する圧縮機(10)と、
    室外空気と冷媒とを熱交換する室外熱交換器(20)と、
    室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する室内熱交換器(32)と、
    高圧冷媒を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低圧側で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、
    前記室内熱交換器(32)から流出した冷媒を前記室外熱交換器(20)側へ供給する冷媒通路に設けられて、高圧冷媒の圧力が所定圧力以上となるように絞り開度が変化する定圧絞り機構(90)と、
    前記室内熱交換器(32)から流出した冷媒を前記室外熱交換器(20)側へ供給する冷媒通路に設けられて、前記室内熱交換器(32)から流出した冷媒が前記定圧絞り機構(90)側へ流入することのみを許容する逆止弁(91)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、気相冷媒を前記圧縮機(10)に供給し、液相冷媒を低圧側に供給する気液分離器(50)と、
    前記圧縮機(10)から流出した高圧冷媒を前記室外熱交換器(20)側に供給する冷媒通路と前記室内熱交換器(32)側に供給する冷媒通路とを切りえる第1切替手段(81、81a、81b)と
    前記室外熱交換器(20)から流出した冷媒を前記ノズル(41)に供給する冷媒通路と気液分離器(50)に供給する冷媒通路とを切り替える第2切替手段(82、82a)とを備え、
    前記第1切替手段(81、81a、81b)が、前記圧縮機(10)から吐出する冷媒を前記室外熱交換器(20)側に供給する冷媒通路に切り替えるとともに、前記第2切替手段(82、82a)が、前記室外熱交換器(20)から流出した冷媒を前記ノズル(41)に供給する冷媒通路に切り替えることによって、前記エジェクタ(40)にて、前記室外熱交換器(20)から流出した高圧冷媒を減圧し
    前記第1切替手段(81、81a、81b)が、前記圧縮機(10)から吐出する冷媒を前記室内熱交換器(32)に供給する冷媒通路に切り替えるとともに、前記第2切替手段(82、82a)が、前記室外熱交換器(20)から流出した冷媒を気液分離器(50)に供給する冷媒通路に切り替えることによって、前記定圧絞り機構(90)にて、前記室内熱交換器(32)から流出した高圧冷媒を減圧することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
  2. 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  3. 前記高圧冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上とすることを特徴とする請求項1または2に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  4. さらに、低圧側の冷媒を蒸発させる蒸発器(31)を備え、
    前記蒸発器(31)の冷媒入口側には、前記気液分離器(50)の液相冷媒出口に接続され、
    前記蒸発器(31)の冷媒出口側には、前記エジェクタ(40)の冷媒吸引口に接続されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  5. 請求項に記載の蒸気圧縮式冷凍機を備える車両用空調装置であって、
    室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング(70)と、
    前記空調ケーシング(70)内のうち前記室内熱交換器(32)より空気流れ上流側、かつ、前記蒸発器(31)の下流側に設けられ、車両で発生する廃熱により室内に吹き出す空気を加熱するヒータ(60)とを備えることを特徴とする車両用空調装置。
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