JP4200780B2

JP4200780B2 - 蒸気圧縮式冷凍機

Info

Publication number: JP4200780B2
Application number: JP2003036394A
Authority: JP
Inventors: 和久牧田; 裕嗣武内; 洋押谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: DE102004006953A1; US20040159120A1; JP2004245511A; US6862897B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷するとともに、蒸発器にて低圧の冷媒を蒸発させることにより低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機のうち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】
従来のエジェクタサイクルでは、冷媒として、少なくとも２種類の冷媒が混合された混合冷媒を用いて蒸発器での冷凍能力（吸熱能力）を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３２３２６４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は、後述するように、ノズルで高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させて冷媒を加速し、エジェクタで発生するポンプ作用（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）にて気液分離器内の液相冷媒を蒸発器に循環させるとともに、冷媒の速度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ことにより圧縮機の消費動力の低減を図るものである。
【０００５】
したがって、エジェクタで回収する膨脹（速度）エネルギ、つまり減圧膨脹時の断熱熱落差が大きいほど、圧縮機の消費動力を効率よく回収（低減）することができる。
【０００６】
また、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する際の変換効率が高いほど、圧縮機の吸入圧を上昇させることができるので、圧縮機の消費動力を効率よく回収（低減）することができる。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なエジェクタ方式の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消費動力を低減して成績係数（運転効率）を向上させ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、圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）と、高圧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昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（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、気相冷媒用出口が圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）とを備え、冷媒として、少なくとも第１、２冷媒が混合された混合冷媒が用いられているとともに、ノズル（４１）で減圧膨脹する際の第１冷媒の断熱熱落差がノズル（４１）で減圧膨脹する際の第２冷媒の断熱熱落差より大きく、かつ、ノズル（４１）出口における第１冷媒の気液密度差がノズル（４１）出口における第２冷媒の気液密度差より小さく、かつ、第２冷媒の蒸発潜熱が第１冷媒の蒸発潜熱より大きく、さらに、気液分離器（５０）内において、気相の第１冷媒が気相の第２冷媒より多くなり、かつ、液相の第２冷媒が液相の第１冷媒より多くなるようになっており、第１冷媒はプロパンであり、第２冷媒はブタンであることを特徴とする。
【０００９】
これにより、エジェクタ（４０）で回収できる膨脹エネルギを増大させて圧縮機（１０）の消費動力を効率よく回収（低減）することができるとともに、蒸発器（３０）で発生する冷凍能力を増大させることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の消費動力を低減して成績係数（運転効率）を向上させることできる。
【００１１】
さらに、ノズル（４１）から噴射される液相冷媒及び気相冷媒の両者を略同等程度まで昇圧部（４２、４３）にて減速することができ、ノズル（４１）にて回収した膨脹エネルギを効果的に圧力エネルギに変換することができるので、蒸気圧縮式冷凍機の消費動力を低減して成績係数（運転効率）を向上させることできる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、第１冷媒と第２冷媒とは、非共沸混合冷媒を組成する冷媒であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、蒸発時に蒸発温度が乾き度によらず一定となる共沸混合冷媒を用いた場合に比べて、冷媒と媒体とを熱交換させる場合に、冷媒と媒体とを効率よく熱交換させることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクル（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はエジェクタサイクルの模式図であり、図２はエジェクタ４０の模式図である。
【００１９】
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周知の可変容量型の圧縮機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２０】
蒸発器３０は室内に吹き出す空気と液相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媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器である。
【００２１】
エジェクタ４０は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ものである。
【００２２】
なお、エジェクタ４０は、図２に示すように、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ー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。
【００２３】
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、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば先細ノズルを採用してもよい。
【００２４】
なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。
【００２５】
また、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、冷媒の動圧を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。
【００２６】
また、図１中、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、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。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る。
【００２７】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００２８】
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にて略等エントロピ（断熱）的に減圧膨張して加速され、その巻き込み作用（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）により蒸発器３０内の冷媒を吸引する。
【００２９】
次に、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。
【００３０】
つまり、ノズル４１から流出したジェット流（駆動流冷媒）は、蒸発器３０から冷媒を吸引加速させながら、自らはその流速を低下させていく。このとき、混合部４２の冷媒出口部（ディフューザ４３の冷媒入口部）において、蒸発器３０から吸引した吸引ガス（吸引流冷媒）の流速と駆動流冷媒の流速とが略等しくなるように混合し、その混合した冷媒は、ディフューザ４３内に流入してその流速を低下させながら、圧力を上昇させる。
【００３１】
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には気液分離器５０から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
【００３２】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００３３】
図３はエジェクタサイクルの概略作動を示すｐ−ｈ線図であり図３に示す番号は図１に示す番号の位置における冷媒の状態を示すものである。
【００３４】
そして、図３に示すｐ−ｈ線図から明らかなように、圧縮機１０から吐出した高圧冷媒は、エジェクタ４０（ノズル４１）にて等エントロピ的に減圧膨脹し、エジェクタ４０は、このノズル４１での断熱熱落差、つまりノズル４１の冷媒入口と冷媒出口とのエンタルピ差をエネルギとして、エジェクタ４０が蒸発器３０に冷媒を循環させるポンプとして機能するとともに、昇圧部（混合部４２及びディフューザ４３）にてノズル４１で得られたエネルギ、つまり速度エネルギを圧力エネルギに変化して圧縮機の吸入圧を上昇させる。
【００３５】
したがって、エジェクタ４０で回収する膨脹（速度）エネルギ、つまり減圧膨脹時の断熱熱落差が大きいほど、圧縮機１０の消費動力を効率よく回収（低減）することができる。また、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する際の変換効率が高いほど、圧縮機の吸入圧を上昇させることができるので、圧縮機の消費動力を効率よく回収（低減）することができる。
【００３６】
また、蒸発器３０に流れ込む冷媒の蒸発潜熱が大きいほど、蒸発器３０に流れ込む冷媒の質量流量が同一であっても蒸発器３０で発生する冷凍能力、つまり吸熱能力を増大する。
【００３７】
そこで、本実施形態では、冷媒として、少なくとも第１、２冷媒が混合された混合冷媒を用いるとともに、その物性値として、ノズル４１で減圧膨脹する際の第１冷媒の断熱熱落差がノズル４１で減圧膨脹する際の第２冷媒の断熱熱落差より大きく、かつ、第２冷媒の蒸発潜熱が第１冷媒の蒸発潜熱より大きくなる冷媒を用いている。具体的には、第１冷媒をプロパンとし、第２冷媒をブタンとしている。
【００３８】
さらに、断熱熱落差が大きい第１冷媒がより多くノズル４１に流入し、かつ、蒸発潜熱が大きい第２冷媒がより多く蒸発器３０に供給されるように、気液分離器５０内において、気相の第１冷媒が気相の第２冷媒より多くなり、かつ、液相の第２冷媒が液相の前記第１冷媒より多くなるように、第１冷媒と第２冷媒との混合比等を選定している。
【００３９】
したがって、エジェクタ４０で回収できる膨脹エネルギを増大させて圧縮機１０の消費動力を効率よく回収（低減）することができるとともに、蒸発器３０で発生する冷凍能力を増大させることができるので、蒸気圧縮式冷凍機の消費動力を低減して成績係数（運転効率）を向上させることできる。
【００４０】
なお、気液分離器５０内における気相冷媒と液相冷媒との比、つまり乾き度は気液分離器５０内の圧力等に応じて変化するので、第１冷媒と第２冷媒との混合比等は、気液分離器５０内の圧力変動幅を考慮して選定する必要がある。
【００４１】
ところで、エジェクタ４０では、高圧冷媒をノズル４１にて加速した後、理想的には図４に示すように、昇圧部（混合部４２及びディフューザ４３）にてノズル４１から吹き出した冷媒を減速させながら、その速度エネルギを圧力エネルギに変換する。
【００４２】
このとき、ノズル４１では、図３に示すように、減圧途中において冷媒が気液二相状態となるので、ノズル４１から噴射する冷媒のうち、密度の大きい液相冷媒の速度が密度の小さい気相冷媒の速度より大きくなり、速度分布に大きな偏りが発生してしまう。
【００４３】
一方、昇圧部にてノズル４１から吹き出した冷媒を減速させながら、その速度エネルギを圧力エネルギに変換する際に、密度が大きく慣性量が大きい液相冷媒を十分に減速することができず、密度が小さく慣性量が小さい気相冷媒の速度エネルギは圧力エネルギに変換され、大きな速度エネルギを有する液相冷媒は、減速されることなく、エジェクタ４０から流出してしまうおそれが高く、ノズル４１にて回収した膨脹エネルギを効果的に圧力エネルギに変換することが難しい。
【００４４】
これに対して、本実施形態では、図５に示すように、ノズル４１出口における第１冷媒（プロパン）の気相冷媒と液相冷媒との密度差が、ノズル４１出口における第２冷媒（ブタン）の気相冷媒と液相冷媒との密度差より小さいので、ノズル４１から噴射される液相冷媒及び気相冷媒の両者を略同等程度まで昇圧部にて減速することができ、ノズル４１にて回収した膨脹エネルギを効果的に圧力エネルギに変換することができる。延いては、蒸気圧縮式冷凍機の消費動力を低減して成績係数（運転効率）を確実に向上させることできる。
【００４５】
（第２実施形態）
第１実施形態では、蒸発器３０にて室内に吹き出す空気を直接に冷却していたが、本実施形態は、図６に示すように、蒸発器３０にて冷却された媒体（と室内に吹き出す空気とを熱交換する熱交換器３１を設けることにより、室内に吹き出す空気を間接的に冷却するものである。
【００４６】
因みに、媒体として、本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液が混入された流体を採用するとともに、冷媒と媒体とを熱交換する蒸発器３０は、冷媒流れと媒体流れとが対向流となるように設定されている。
【００４７】
これにより、仮に蒸発器３０にて冷媒漏れが発生しても、冷媒が室内に流れ込んでしまうことを防止でき得る。
【００４８】
ところで、プロパンとブタンとの組み合わせは、蒸発時に蒸発温度が乾き度の進行に応じて上昇する非共沸混合冷媒を組成するので、蒸発器３０内において、冷媒は入口から出口に向かうほど、蒸発温度が上昇するような温度分布を有する。
【００４９】
したがって、本実施形態のごとく、蒸発時に蒸発温度が乾き度によらず一定となる共沸混合冷媒を用いた場合に比べて、冷媒と媒体とを熱交換させる場合には、冷媒と媒体とを効率よく熱交換させることができる。
【００５０】
（その他の実施形態）
【００５１】
また、上述の実施形態では、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機（エジェクタサイクル）を車両用空調装置に適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばショーケース等の冷凍庫・冷蔵庫等の冷熱を利用する蒸気圧縮式冷凍機、又は給湯器や暖房装置等の温熱を利用する蒸気圧縮式冷凍機に適用してもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態では、圧縮機１０の吐出圧が冷媒の臨界圧力未満であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機１０の吐出圧を臨界圧力以上としてもよい。
【００５３】
また、上述の実施形態では、非共沸混合冷媒を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも請求項１を満たす混合冷媒が存在するならば、共沸混合冷媒を用いてもよい。
【００５４】
また、上述の実施形態では、絞り６０及びノズル４１は絞り開度が固定されたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば絞り開度を熱負荷に応じて可変制御す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実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】ｐ−ｈ線図である。
【図４】ノズルの冷媒出口からディフィーザの冷媒出口までにおける、エジェクタの冷媒通路断面の中央部を基準とした半径方向の位置と冷媒流速との関係を示す三次元特性図である。
【図５】冷媒の物性値を示す図表である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【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

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、
圧縮機（１０）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（２０）と、
低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）と、
高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル（４１）、前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（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昇圧部（４２、４３）を有するエジェクタ（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、気相冷媒用出口が前記圧縮機（１０）の吸引側に接続され、液相冷媒用出口が前記蒸発器（３０）に接続された気液分離器（５０）とを備え、
前記冷媒として、少なくとも第１、２冷媒が混合された混合冷媒が用いられているとともに、前記ノズル（４１）で減圧膨脹する際の前記第１冷媒の断熱熱落差が前記ノズル（４１）で減圧膨脹する際の前記第２冷媒の断熱熱落差より大きく、かつ、前記ノズル（４１）出口における前記第１冷媒の気液密度差が前記ノズル（４１）出口における前記第２冷媒の気液密度差より小さく、かつ、前記第２冷媒の蒸発潜熱が前記第１冷媒の蒸発潜熱より大きく、
さらに、前記気液分離器（５０）内において、気相の第１冷媒が気相の前記第２冷媒より多くなり、かつ、液相の前記第２冷媒が液相の前記第１冷媒より多くなるようになっており、
前記第１冷媒はプロパンであり、
前記第２冷媒はブタンであることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
前記第１冷媒と前記第２冷媒とは、非共沸混合冷媒を組成する冷媒であることを特徴とするに請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。