JP4522962B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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り、特にエジェクタと通常の絞り装置を運転範囲に応じて切換える冷媒回路構成や制御に関するものである。

以下、従来のエジェクタを利用した冷凍サイクル装置の制御法を示す。従来のエジェクタを用いた冷凍サイクル装置は、気液分離器に液面を検出する手段を備えることで、適切に冷媒量を制御するとともに、蒸発器出口側の冷媒過熱度に基づき適正な冷媒流量を制御するものである。以下、従来例の詳細について説明する。

従来のエジェクタを用いる冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、第一流量調節弁、エジェクタ、第一蒸発器、気液分離器が順次環状に配管で接続され、気液分離器の液冷媒出口側とエジェクタ吸引側の間に第二流量調節弁、第二蒸発器が接続されている。また、気液分離器には、液面の高さを検出する液面検出手段として、液面センサを備えている。

次に、従来のエジェクタを利用した冷凍サイクル装置の運転方法について説明する。たとえば、第一流量調節弁、第二流量調節弁には，それぞれ電子膨張弁を採用している。気液分離器には液面センサを備え、液面センサが気液分離器での液面高さが所定量にないことを検出したとき、第１の第一流量調節制御手段が第一流量調節弁を流れる冷媒流量を調節することにより、冷媒量の制御を行う。具体的には、気液分離器で液面が低下すると、第一流量調節弁の開度を大きくし、液面が高くなるように冷媒量を制御する。逆に、液面が高いときは第一流量調節弁の開度を小さくして、液面高さが低下するように冷媒量を制御する。その結果、冷媒量を適正に制御することができる。

また、第二蒸発器の冷媒流量制御は、圧力を検出する圧力検出手段として、たとえば、圧力センサと、前記第二蒸発器の温度を検出する温度検出手段として、たとえば、温度センサを用いて、第二蒸発器出口側の圧力Ｐ、温度Ｔを検出して、蒸発器出口側の過熱度が一定になるように、第１の第二流量調節弁制御手段が第二流量調節弁の開度を調節することで冷媒流量を制御する。

なお、起動時等、気液分離器に液冷媒が存在しない時や不足時は、液面センサの検出により第２の第二流量調節弁制御手段が第二流量調節弁を全閉にして、第一蒸発器のみの運転とする。

以上のように、従来の発明においては、気液分離器に液面を検出する手段を備えることで、適切に冷媒量を制御するとともに、蒸発器出口側の冷媒過熱度に基づき適正に冷媒流量を制御するものであった（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３１８１６９号公報（第５頁〜１０頁，図１）

従来のエジェクタを用いる冷凍サイクル装置は、エジェクタの上流側に流量調節弁が設けられているため、気液分離器の液面は調節できるが、弁部での圧力損失がエジェクタの駆動力となる断熱熱落差を低下させるという課題があった。また、エジェクタの性能が低下した場合に冷凍サイクルが運転不能になるという課題があった。

本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、気液分離器を用いることなくエジェクタを利用する冷凍サイクル装置において、エジェクタの性能が低下した場合にも運転可能であり、かつ２つの蒸発器を有効に利用する冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、エジェクタと、このエジェクタから出た冷媒を気液二相冷媒と液冷媒に分ける分配器と、この分配器から出た気液二相冷媒を蒸発させる第１蒸発器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、さらに前記分配器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部とが、前記分配器から出た液冷媒を減圧する第１絞り装置と、この第１絞り装置から出た冷媒を蒸発させる第２蒸発器とを介して配管で接続されて構成された第２の回路とを備え、
前記冷媒が前記第１の回路と前記第２の回路を循環し、
前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部とを接続する配管に設けられた第２絞り装置と、前記第１蒸発器の出入口温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段が測定した前記第１蒸発器の出入口温度から過熱度を算出し、前記算出された過熱度を予め設定した値と比較して前記過熱度が前記設定された値よりも大きいときに前記第１絞り装置を閉塞し、前記第２絞り装置を開放する制御手段とを備えたものである。

この発明では、エジェクタが閉塞して性能が低下した場合にも２つの蒸発器を有効に利用して所定の冷却能力を得る冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の冷凍サイクル装置は、回転数が変更可能な圧縮機１、凝縮器２、開度固定のエジェクタ３、第１絞り装置である電子膨張弁４、蒸発器５、第２絞り装置である電子膨張弁６、気液二相流から液を分離する分配器７およびそれらを接続するための配管で構成され、内部には冷媒として、例えばＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４０４Aが封入されている。冷媒はＲ４０４Ａに限るものではなく、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）や炭化水素系（ＨＣ）でも同様の効果を発揮する。二酸化炭素を用いる場合は、高圧側で冷媒が凝縮しないため、凝縮器は放熱器と言い換えられる。凝縮器または放熱器を統一して放熱器とすることもある。本冷凍サイクル装置は、例えば冷凍機内蔵型ショーケース等に適用されるものである。

凝縮器２は、プレートフィンとパイプで構成されるプレートフィンチューブ型の熱交換器であり、熱交換器の外表面へ空気を送風する送風機（図示せず）を備えている。蒸発器５も同様に、プレートフィンチューブ型の熱交換器であり、熱交換器の外表面へ空気を送風する送風機（図示せず）を備えている。蒸発器５は、内部で第１蒸発器５１と第２蒸発器５２に分割されている。また、凝縮器２の出口部と電子膨張弁４の出口部は電子膨張弁６を介して接続されている。

第１蒸発器５１と第２蒸発器５２の出口部にそれぞれ第１温度検出手段１１および第２温度検出手段１２が設置され、第１蒸発器５１と第２蒸発器５２の入口部にそれぞれ第３温度検出手段１３および第４温度検出手段１４が設置されている。また、これらの温度検出手段の検出値に基づいて蒸発器出口の過熱度を演算によって求め、電子膨張弁４および６に指示を送る制御手段１０を備えている。この制御手段１０は、例えばマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）で実現することが可能である。制御手段１０をマイコンで実現した場合の構成を図１１に示す。図１１に示すように、制御手段１０は、プログラムを格納するＲＯＭ（リードオンリメモリ）と、このプログラムを実行して所定の処理を行い所定の指令をするＣＰＵと、初期値や演算処理の中間データなどを格納するメモリと、第１〜第４の温度検出手段からの温度計測値を受け取る入出力制御部などから構成される。

エジェクタ３は、放熱器２から出た高温高圧の冷媒を減圧膨張し、蒸発器５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、圧縮機１の吸入圧力を上昇させるものである。つぎに、エジェクタ３の構造図を図２（ａ）に、圧力分布を図２（ｂ）に示す。エジェクタ３は、ノズル部４３、混合部４４、ディフューザ部４５から構成され、ノズル部４３はさらに減圧部４３ａと末広部４３ｂから構成されている。エジェクタ３は駆動流である圧力Ｐ１の液冷媒Ｅ１を減圧部４３ａで減圧膨張させてノズル喉部４３ｃで圧力Ｐ２の音速とし、更に末広部４３ｂで超音速として圧力Ｐ３まで減圧させる。このとき、周囲からガス冷媒Ｅ４を吸引し、混合された気液二相冷媒Ｅ２は、混合部４４で圧力回復して圧力Ｐ４の状態となり、更にディフューザ部４５で圧力Ｐ５まで圧力上昇してエジェクタを流出する。

上記のように構成された冷凍サイクル装置について、つぎに運転動作を図１および図３に基づいて説明する。本実施の形態における冷凍サイクル装置の通常運転では、電子膨張弁６は全閉され、電子膨張弁４は第２蒸発器５２の出口状態を制御する。

このとき、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒（状態Ｒ１）は、凝縮器２で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、中温・高圧の液冷媒Ｅ１（状態Ｒ２）となってエジェクタ３に流入する。エジェクタ３へ流入した液冷媒Ｅ１は、ノズル部４３出口Ｘ２で状態Ｒ３の気液二相冷媒Ｅ２になり、混合部４４へ流入する。そして、混合部４４で第２蒸発器５２から吸引部３ａに流入する状態Ｒ４の冷媒ガスＥ４と混合する。その後、混合によりＲ５の状態となった気液二相冷媒はディフューザ部４５によりＰｅ２（＝Ｐ４）からＰｅ１（＝Ｐ５）に圧力が回復し、状態Ｒ６の気液二相冷媒Ｅ３となる。エジェクタ３で減圧された状態Ｒ６の気液二相冷媒Ｅ３は、分配器７に流入する。分配器７は、状態R６の気液二相冷媒Ｅ３を、状態R９の液冷媒と乾き度が高められた状態R７の気液二相冷媒へ分離する。状態R９の液冷媒は電子膨張弁４で減圧された後、第２蒸発器５２で被冷却媒体から熱を奪って蒸発し状態R4となり、エジェクタ３の吸引部３ａに吸引される。一方、状態Ｒ７の気液二相冷媒は、第１蒸発器５１で被冷却媒体から熱を奪って蒸発し状態R８のガス冷媒となり、圧縮機１へ吸引される。以上から、エジェクタ３を用いることで、圧縮機の吸入圧力をＰｅ２からＰｅ１へ高めることができ、圧縮機の消費電力が小さくなって高効率な運転が可能となる。

環境温度が変化して（例えば、周囲温度が上昇し）エジェクタ３の開度が過度に不足する場合や、ノズル喉部４３ｃのゴミ詰りでエジェクタ３が閉塞した場合、電子膨張弁６が開放され、電子膨張弁４が閉止されてバイパス回路が利用される。図４（ａ）は周囲温度Ｔｏに対する冷媒流量Ｇｒの変化（Ａ）を示す図であり、図４（ｂ）は周囲温度Ｔｏに対する過熱度ＳＨ１の変化（Ａ）を示す図である。領域Ｂでは第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が許容範囲にあるが、領域ＣではＳＨ１が過大となり電子膨張弁６を利用する運転が行われる。同様に、エジェクタ３の動作不良は、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が予め設定された目標値（不揮発性メモリに記憶させておく）よりも過度に大きくなることで判断される。ここで、「過度に大きい」とは、目標値に環境条件に応じて予め決定された許容値（不揮発性メモリに記憶させておく）を加算した値よりも大きいという意味である。この場合、電子膨張弁６は第１蒸発器５１の出口状態を制御する。

このとき、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器５で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、高圧の液冷媒となって電子膨張弁６に流入する。電子膨張弁６で減圧された冷媒は、第２蒸発器５２の入口部に流入し、第２蒸発器５２で蒸発して乾き度が高くなる。第２蒸発器５２を流出した高乾き度の冷媒はエジェクタ３の吸引部３ａからエジェクタ内に流入し、エジェクタ３のディフューザ部４５を通って分配器７に流入する。分配器７に流入した冷媒は、電子膨張弁４が閉止されているため第１蒸発器５１に流入する。第１蒸発器５１で蒸発した冷媒は圧縮機１に吸入され、第１蒸発器５１と第２蒸発器５２を利用した通常の冷凍サイクルが成立する。

つぎに、圧縮機１、電子膨張弁４の制御方法について説明する。まず、第１温度検出手段１１、第２温度検出手段１２、第３温度検出手段１３、第４温度検出手段１４、によって検出される温度検出値が制御手段１０に取り込まれる。制御手段１０は、第１温度検出手段１１の温度検出値Ｔ１と第３温度検出手段１３の温度検出値（ＥＴ１）との偏差として求められる過熱度１（ＳＨ１＝Ｔ１−ＥＴ１）が、予め与えられた目標値（ＳＨ１ｍ）に対して所定範囲内にあるかどうかを確認する（エジェクタ３の正常動作確認）。次に、制御手段１０は、第２温度検出手段１２の温度検出値Ｔ２と第４温度検出手段１４の温度検出値（ＥＴ２）との偏差として求められる過熱度２（ＳＨ２＝Ｔ２−ＥＴ２）が予め与えられた目標値（ＳＨ２ｍ）と一致するように電子膨張弁４の絞り開度を制御し、前記第４温度検出手段１４の温度検出値（ＥＴ２）が予め与えられた目標値（ＥＴ２ｍ）と一致するように圧縮機１の回転数を制御する。
なお、上記過熱度１（ＳＨ１）は、第１温度検出手段１１の温度検出値Ｔ１と第３温度検出手段１３の温度検出値（ＥＴ１）との偏差として求めたが、第３温度検出手段１３の代わりに圧力検出手段を設け、第３温度検出手段１３の温度検出値（ＥＴ１）の代わりに圧力検出手段による圧力検出値からの飽和温度を用いるようにしても良い。すなわち、第１蒸発器５１の入口部に圧力検出手段（例えば、圧力センサー）を設け、制御手段１０は、圧力検出手段の圧力検出値から飽和温度を求め、これを温度検出値（ＥＴ１）とした上で、過熱度１（ＳＨ１＝Ｔ１−ＥＴ１）を求めるようにしても良い。

つぎに、制御手段１０による制御の具体的なフローの一例を図５に示す。圧縮機１の回転数は、冷凍サイクル装置を循環する冷媒流量、すなわち冷凍能力を決定するものであるから全体に及ぼす影響が大きく優先的に制御される。電子膨張弁４の絞り開度は、第２蒸発器５２の冷媒出口状態を決定するものであるからつぎに優先される。

ＳＴＥＰ４あるいはＳＴＥＰ１０で電子膨張弁４または６の絞り開度が、ＳＴＥＰ５あるいはＳＴＥＰ１１で圧縮機１の回転数がそれぞれ制御手段１０によって初期設定される。ＳＴＥＰ２では、制御手段１０は、図示しない周囲温度検知手段により検知された周囲温度を予め設定された設定温度（ε４）と比較するとともに、第１蒸発器５１の出口過熱度ＳＨ１を予め設定された許容幅（ε５）と比較し、周囲温度が設定温度（ε４）より高い場合、あるいは第１蒸発器５１の出口過熱度ＳＨ１が設定温度（ε４）より大きくて過大であると判断した場合は、電子膨張弁４の開度を全閉しバイパスとなる電子膨張弁６の開度を調節する。また、上記を満たさない場合は、制御手段１０は、電子膨張弁６を全閉しエジェクタ３を利用した運転を行う。

まず、エジェクタ３を利用する場合の冷媒制御について説明する。この場合、制御手段１０は、ＳＴＥＰ３でエジェクタ３のバイパスとなる電子膨張弁６の開度を全閉し、ＳＴＥＰ４で電子膨張弁４の絞り開度を設定する。ＳＴＥＰ５、ＳＴＥＰ６で、制御手段１０は圧縮機１の回転数を第２蒸発器５２の蒸発温度（ＥＴ２）が予め設定された目標蒸発温度（ＥＴ２ｍ）となるように制御する。具体的には、制御手段１０は、ＥＴ２−ＥＴ２ｍ＞ε３（ε３は正の数）の場合には、圧縮機１の回転数を増加させ、ＥＴ２ｍ−ＥＴ２＞ε３の場合には、圧縮機１の回転数を減少させる。その結果、ＥＴ２−ＥＴ２ｍの絶対値が｜ＥＴ２−ＥＴ２ｍ｜＜ε３を満足し、圧縮機１の回転数が決定される。同様に、ＳＴＥＰ７で、制御手段１０は、ＳＴＥＰ４へのフィードバック制御を用いて第２蒸発器５２の出口過熱度（ＳＨ２）が予め設定された目標出口過熱度（ＳＨ２ｍ）となるように電子膨張弁４の絞り開度を制御する。具体的には、制御手段１０は、ＳＨ２−ＳＨ２ｍ＞ε２（ε２は正の数）の場合には、電子膨張弁４の開度を大きくし、ＳＨ２ｍ−ＳＨ２＞ε２の場合には、電子膨張弁４の開度を小さくする。その結果、ＳＨ２−ＳＨ２ｍの絶対値が｜ＳＨ２−ＳＨ２ｍ｜＜ε２を満足するように電子膨張弁４の絞り開度が決定される。さらに、ＳＴＥＰ８で、制御手段１０は第１蒸発器５１の過熱度（ＳＨ１）が予め設定された目標過熱度（ＳＨ１ｍ）に対し許容範囲かを確認する。具体的には、ＳＨ１−ＳＨ１ｍの絶対値が｜ＳＨ１−ＳＨ１ｍ｜＜ε１を満足していることを確認し、｜ＳＨ１−ＳＨ１ｍ｜＞ε５となる場合はＳＴＥＰ１０へ進み電子膨張弁６を開く。

つぎに、エジェクタ３をバイパスする場合の制御を説明する。この場合、制御手段１０は、ＳＴＥＰ９で電子膨張弁４を全閉し、ＳＴＥＰ１０でエジェクタ３のバイパスとなる電子膨張弁６の開度を設定する。ＳＴＥＰ１１、ＳＴＥＰ１２では、制御手段１０は、前述のＳＴＥＰ５、６と同様に、圧縮機１の回転数を第２蒸発器５２の蒸発温度（ＥＴ２）が予め設定された目標蒸発温度（ＥＴ２ｍ）となるように制御する。具体的には、制御手段１０は、ＥＴ２−ＥＴ２ｍ＞ε３（ε３は正の数）の場合には、圧縮機１の回転数を増加させ、ＥＴ２ｍ−ＥＴ２＞ε３の場合には、圧縮機１の回転数を減少させる。その結果、ＥＴ２−ＥＴ２ｍの絶対値が｜ＥＴ２−ＥＴ２ｍ｜＜ε３を満足するように、圧縮機１の回転数が決定される。ここで、電子膨張弁６は、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）を制御する。電子膨張弁４が閉止状態であるため、第２蒸発器５２の冷媒出口状態を制御できないが、第２蒸発器５２、第１蒸発器５１と直列に冷媒が流れるため、第１蒸発器５１の出口状態を制御すれば十分である。従って、ＳＴＥＰ１３では、制御手段１０は、ＳＴＥＰ１０へのフィードバック制御を用いて電子膨張弁６の絞り開度を第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が予め設定された目標出口過熱度（ＳＨ１ｍ）となるように制御する。具体的には、制御手段１０は、ＳＨ１−ＳＨ１ｍ＞ε２（ε２は正の数）の場合には、電子膨張弁６の開度を大きくし、ＳＨ１ｍ−ＳＨ１＞ε２の場合には、電子膨張弁６の開度を小さくする。その結果、ＳＨ１−ＳＨ１ｍの絶対値が｜ＳＨ１−ＳＨ１ｍ｜＜ε２を満足し、電子膨張弁６の絞り開度が決定される。

上記の温度検出値や演算値と、目標値との偏差から圧縮機１の回転数、電子膨張弁４および６の絞り開度を決定する際には、例えばＰＩＤ制御法などが使用される。
なお、上記の制御フローでは、回転数が変更可能なインバーター圧縮機の例を示したが、これに限るものではなく、回転数が固定された一定速圧縮機で、例えば圧縮機１の吸入部と吐出部に開閉弁を介したバイパス手段が設けられ、開閉弁の開閉操作により機械的容量制御が可能な構成、あるいは複数台の圧縮機が設けられる構成としても良い。一定速圧縮機の場合には、制御手段１０から開閉弁の開閉出力が、複数台圧縮機の場合には制御手段１０から運転台数あるいは停止台数の出力が送信される。
さらに、上述した制御フローは一例であり、圧縮機１、電子膨張弁４および６の優先順位を入れ換えた場合や同時に制御する場合にも同様の効果を発揮する。

つぎに、目標値の設定方法について説明する。第２蒸発器５２の目標蒸発温度（ＥＴ２ｍ）は、第２蒸発器５２での必要能力から図６の関係に基づいて決定される。図６は第２蒸発器５２を流れる被冷却媒体（例えば、空気）の入口温度をパラメータとし、横軸に第２蒸発器５２での蒸発能力（Ｑ２）、縦軸に目標蒸発温度（ＥＴ２ｍ）を示したものである。図６において、Ｔａｉｎ１，Ｔａｉｎ２，Ｔａｉｎ３は、第２蒸発器５２を流れる被冷却媒体の入口温度を示すパラメータであり、Ｔａｉｎ１＞Ｔａｉｎ２＞Ｔａｉｎ３なる関係が成立する。冷却対象空間を一定温度に維持する場合を考える。同一の被冷却媒体入口温度（例えば、Ｔａｉｎ１）で比較すると、必要な蒸発能力が大きいほど目標とする蒸発温度（ＥＴ２ｍ）は低くなり、同一蒸発能力で比較すると、被冷却媒体の入口温度が高いほど目標とする蒸発温度（ＥＴ２ｍ）は高くなる。なお、目標出口過熱度（ＳＨ１ｍおよびＳＨ２ｍ）は外部情報に無関係に定められ、例えば５〜１５ｄｅｇ程度の値に固定される。

ここで、エジェクタ３の駆動力は、等エントロピー膨張時のエンタルピーI3と等エンタルピー膨張時のエンタルピーI2とのエンタルピー差、すなわち断熱熱落差ΔH（＝I2−I3）である。この断熱熱落差ΔHが大きいほどエジェクタ３導入効果は大きく、一般にこの断熱熱落差ΔHは高圧圧力Ｐｃ１と低圧圧力Ｐｅ２との圧力差ΔＰｃ（＝Ｐｃ１−Ｐｅ２）が大きいほど大きくなる。従来例では、エジェクタの上流側に第一流量調節弁が設けられており、第一流量調節弁の弁部での圧力損失が圧力差ΔＰｃを低下させるため、エジェクタ３の駆動力である断熱熱落差ΔＨが低下する。すなわち、第一流量調節弁の存在により、気液分離器内の液面は調節可能であるが、圧力差ΔＰｃが（Ｐｃ１−Ｐｅ２）から（Ｐｃ２−Ｐｅ２）まで低下し、断熱熱落差ΔＨが（I2−I3）から（I４−I3）へと低下する。本実施の形態１では、第一流量調節弁を用いないため、従来例のようにエジェクタの駆動力を低下させることなく、効率の高い運転が可能となる。

以上より、本実施の形態１では、圧縮機１の回転数、電子膨張弁４の絞り開度を制御することで、第２蒸発器５２の蒸発温度（ＥＴ２）および過熱度（ＳＨ２）、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）を適切に制御することができ、２つの蒸発器を適正に利用することができる。また、電子膨張弁６の絞り開度を制御することで、エジェクタ３の開度が過度に不足した場合や動作不良となった場合にも、２つの蒸発器を有効に利用した冷却運転が可能となり、所定の冷却能力を発揮することができる。エジェクタ３の上流側に膨張弁を用いないため、必要な場合のみ高い効率でエジェクタを使用し、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置について図７に基づいて説明する。本実施の形態２は、実施の形態１と異なり、凝縮器出口部と第２蒸発器５２の入口部とを電子膨張弁６を介して接続する代わりに、凝縮器出口部と分配器の液側出口部とを第１開閉弁３１（例えば、電磁弁）を介して接続するとともに、分配器７の液側出口部と第１開閉弁３１との間に第２開閉弁３２（例えば、電磁弁）を設けている。このような構成とすることで、周囲温度の変化時やエジェクタ３の動作不良時にも２つの蒸発器５１、５２が有効に利用できるとともに、電子膨張弁６を新たに設けることなく電子膨張弁４を有効に利用することができる。

また、本実施の形態２では、凝縮器２の出口部と圧縮機１の吸入部とを熱交換する内部熱交換器６３を設けるとともに、蒸発器５１、５２で発生するドレン水６１を凝縮器２に散水し、凝縮器２を冷却している。また、凝縮器２で蒸発しきれないドレン水６１を凝縮器への供給空気を利用して蒸発させる構成としている。さらに、未蒸発のドレン水６１はドレンパン６２で受ける。このように内部熱交換器を用いることにより、圧縮機へ吸入される冷媒は凝縮器２から出た高温の冷媒と熱交換されるので、蒸発器内のエンタルピー差を大きくできる。また、上記のようにドレン水を用いて凝縮器２を冷却しているので、冷却効率がよい。また、凝縮器２の排熱を利用してドレン水を蒸発するので、ドレン水の処理が不要となる。
図７に示した冷媒回路構成は、実施の形態１とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略して異なる点のみ下記に説明する。

環境温度が変化して（例えば、周囲温度が上昇し）エジェクタ３の開度が過度に不足する場合や、ノズル喉部４３ｃのゴミ詰りでエジェクタが閉塞した場合、第１開閉弁３１が開放され、第２開閉弁３２が閉止されてバイパス回路が利用される。この場合、電子膨張弁４は第１蒸発器５１の出口状態を制御する。

このとき、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器３で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、高圧の液冷媒となって第１開閉弁３１を通過して電子膨張弁４の入口部に流入する。第１開閉弁３１を通過した冷媒は、第２開閉弁３２が閉止しているため、電子膨張弁４で減圧され、第２蒸発器５２に流入し、空気から吸熱して自身は蒸発し乾き度が高くなる。第２蒸発器５２を流出した高乾き度の冷媒はエジェクタ３の吸引部３ａからエジェクタ３内に流入し、エジェクタ３のディフューザ部４５を通って分配器７に流入する。分配器７に流入した冷媒は、第２開閉弁が閉止されているため第１蒸発器５１に流入する。第１蒸発器５１で蒸発した冷媒は、圧縮機１に吸入され、２つの蒸発器を利用した通常の冷凍サイクルが成立する。

制御手段１０は、第１〜第４の温度検出手段１１、１２、１３、１４の温度検出値を取り込み、第２温度検出手段１２の温度検出値と第４温度検出手段１４の温度検出値から第２蒸発器５２の出口過熱度（ＳＨ２）を演算によって求めるとともに、第１温度検出手段１１の温度検出値と第３温度検出手段１３の温度検出値から第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）を演算によって求め、目標値と比較して圧縮機１の回転数、電子膨張弁４の絞り開度の出力値を演算によって求め、圧縮機１、電子膨張弁４へ出力する。この動作により、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が目標値と一致することになる。

エジェクタ３を利用する運転では、第２蒸発器５２の蒸発温度（ＥＴ２）、出口過熱度（ＳＨ２）、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が予め設定されてある目標値となるように、圧縮機１の回転数、電子膨張弁４の絞り開度が制御手段１０によって制御される。一方、環境温度が変化して（例えば、周囲温度が上昇し）エジェクタ３の開度が過度に不足する場合や、ノズル喉部４３ｃのゴミ詰りでエジェクタが閉塞した場合、第２蒸発器５２の出口過熱度（ＳＨ２）を目標とせず、第２蒸発器５２の蒸発温度（ＥＴ２）、第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）が目標値となるように、圧縮機１の回転数、電子膨張弁４の絞り開度を制御する。このようにする理由は、第２蒸発器５２と第１蒸発器５１は直列接続され、第２蒸発器５２の出口側は気液二相状態となり制御できないからである。

以上より、本実施の形態２では、凝縮器出口部と分配器の液側出口部とを第１開閉弁３１を介して接続するとともに、分配器７の液側出口部と第１開閉弁３１との間に第２開閉弁３２を設けたので、周囲温度が変化した場合にも新たな電子膨張弁を設けることなく所定の冷却能力を発揮する低コストな冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置について図8に基づいて説明する。本実施の形態３は、実施の形態１と異なり、凝縮器２の出口部と第２蒸発器５２の入口部とを電子膨張弁６を介して接続する代わりに、凝縮器２の出口部とエジェクタ３の吸引部とを絞り装置６（例えば、電子膨張弁）を介して接続するとともに、電子膨張弁６の出口側接続部とエジェクタ３の吸引部との間に第１開閉弁３３（例えば、電磁弁）を設ける構成としている。このような構成とすることで、環境温度が変化して（例えば、周囲温度が上昇し）エジェクタ３の開度が過度に不足する場合にも２つの蒸発器を有効に利用できる冷凍サイクル装置を構成することができる。図８に示した冷媒回路構成は、実施の形態１とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略し、他の実施形態と異なる点のみ下記に説明する。

周囲温度が変化してエジェクタ３の開度が過度に不足する場合、電子膨張弁６が開放され、第１開閉弁３３が閉止されてエジェクタ３のノズル部をバイパスする回路が構成される。この場合、電子膨張弁４は全開とし、電子膨張弁６は第１蒸発器５１の出口状態を制御する。

このとき、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、高圧の液冷媒となって電子膨張弁６に流入する。電子膨張弁６で減圧された冷媒は、第１開閉弁３３が閉止しているため、第２蒸発器５２を通常運転時とは逆方向に流れ、空気から吸熱して自身は蒸発し、乾き度が高くなる。第２蒸発器５２を流出した高乾き度冷媒は、全開状態とされた電子膨張弁４に流入する。電子膨張弁４、分配器７を経由した冷媒は、第１蒸発器５１に流入する。第１蒸発器５１で蒸発した冷媒は、圧縮機１に吸入されて通常の冷凍サイクルが成立する。

制御手段１０は、第１〜第４の温度検出手段１１、１２、１３、１４の温度検出値を取り込み、第２温度検出手段１２の温度検出値と第４温度検出手段１４の温度検出値から第２蒸発器５２の出口過熱度（ＳＨ２）を演算によって求めるとともに、第１温度検出手段１１の温度検出値と第３温度検出手段１３の温度検出値から第１蒸発器５１の出口過熱度（ＳＨ１）を演算によって求め、目標値と比較して圧縮機１の回転数、電子膨張弁４の絞り開度の出力値を演算によって求め、圧縮機１、電子膨張弁４へ出力する。

エジェクタ３を利用する運転では、電子膨張弁６が全閉されるとともに、第１開閉弁３３が開放される。他の動作は実施の形態２と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態では、電子膨張弁４を全開する例を示したが、電子膨張弁４での流動抵抗が多い場合は、電子膨張弁４をバイパスする開閉弁（例えば、逆止弁）を用いる構成としても良い。この場合、第２蒸発器５２と第１蒸発器５１の間の圧力損失を低減することができる。また、開閉弁の代わりにエジェクタ３の気液二相側出口部と分配器７入口部との間に開閉弁を設け、エジェクタ３からの流れを完全に閉止するようにしても良い。

以上のように、本実施の形態３では、凝縮器の出口部とエジェクタの吸引部とを絞り装置（例えば、電子膨張弁）を介して接続するとともに、電子膨張弁の出口側接続部とエジェクタの吸引部との間に開閉弁（例えば、電磁弁）を設けたので、エジェクタの開度が過度に不足する場合にも２つの蒸発器を有効に利用して所定の冷却能力を発揮する冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４による冷凍サイクル装置について図９および図１０に基づいて説明する。本実施の形態４は、実施の形態３と異なり、凝縮器２の出口部とエジェクタ３の吸引部とを電子膨張弁６を介して接続するとともに、電子膨張弁６の出口側接続部とエジェクタ３の吸引部との間に第１開閉弁３３を設ける代わりに、凝縮器２の出口部とエジェクタ３の吸引部とを第１開閉弁３４（例えば、電磁弁）を介して接続するとともに、第１開閉弁３４の出口側接続部とエジェクタ３の吸引部との間に第２開閉弁３３（例えば、電磁弁）を設けている。また、電子膨張弁４、第２蒸発器５２の順に冷媒が整流されるように、４つの開閉弁３５、３６、３７、３８（例えば、逆止弁）から構成される整流回路（ブリッジ回路）を構成している。このような構成とすることにより、エジェクタ３の開度が過度に不足する時にも２つの蒸発器を有効に利用でき、電子膨張弁６を新たに設けることなく、電子膨張弁４を用いることができる。図9に示した冷媒回路構成は、実施の形態１とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略して異なる点のみ下記に説明する。

初めに、エジェクタ３を用いる場合の運転動作を説明する。この場合、第１開閉弁３４は閉止され、第２開閉弁３３は開放される。圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、高圧の液冷媒となってエジェクタ３を通過する。エジェクタ３で減圧された冷媒は、分配器７に流入し、分配された液冷媒がブリッジ回路を経由して第２蒸発器５２に流入し、分配された気液二相冷媒が第１蒸発器５１に流入する。すなわち、分配器７で分配された液冷媒は、逆止弁３５、電子膨張弁４を経由して、第２蒸発器５２に流入する。第２蒸発器５２で蒸発した冷媒は、逆止弁３８、第２開閉弁３３を経由して、エジェクタ３に吸引される。

一方、周囲温度が変化してエジェクタ３の開度が過度に不足する場合、第１開閉弁３４が開放され、第２開閉弁３３が閉止されてエジェクタ３のノズル部をバイパスする冷媒回路が構築される。この場合、電子膨張弁４は第１蒸発器５１の出口状態を制御する。

このとき、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、高圧の液冷媒となって第１開閉弁３４を通過する。第１開閉弁３４を通過した冷媒は、第２開閉弁３３が閉止しているため、４つの逆止弁で構成されたブリッジ回路へ流入する。すなわち、逆止弁３６を通過し、電子膨張弁４で減圧された冷媒は、第２蒸発器５２に流入し、空気から吸熱するとともに、自身は蒸発して乾き度が高くなる。第２蒸発器５２を流出した高乾き度の冷媒は、逆止弁３７、分配器７を経由して第１蒸発器５１に流入する。第１蒸発器５１で蒸発した冷媒は、圧縮機１に吸入されて通常の冷凍サイクルが成立する。制御方法は、他の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

図１０は、本発明の冷凍サイクル装置を適用した冷凍機内蔵ショーケース７０の断面図であり、７１ａおよび７１ｂは商品を陳列する商品棚、７２ａ、７２ｂは仕切り底板、７３ａ、７３ｂは冷気吹き出し口である。本発明の冷凍サイクル装置の大部分は、冷凍機内蔵ショーケース７０の下部に位置する機械室８１に配置され、蒸発器５のみ商品棚の背面に設置される。機械室８１へは空気入口孔７６から導入された空気が放熱器用送風機７５により放熱器２に供給され、圧縮機１を冷却しながら空気出口孔７７から周囲空間へ放出される。蒸発器５へは商品棚７１ｂの前面と機械室８１の間から導入された空気が蒸発器用送風機７４により蒸発器５に供給され、冷気吹出し口７３ａ、７３ｂから商品棚７１ａ、７１ｂへ放出される。また、蒸発器５の周囲には風路を形成する仕切り板８０が設置され、蒸発器５で生成したドレン水６１は、機械室８１と仕切り板７２ｂとの間を流下して放熱器２へ流下されている。このようにドレン水６１を用いて放熱器２を冷却しているので、冷却効率がよい。また、放熱器の排熱を利用してドレン水を蒸発するので、ドレン水の処理が不要となる。

以上より、本実施の形態４では、凝縮器の出口部とエジェクタの吸引部とを第１開閉弁（例えば、電磁弁）を介して接続するとともに、第１開閉弁の出口側接続部とエジェクタの吸引部との間に第２開閉弁（例えば、電磁弁）を設け、さらに電子膨張弁４、第２蒸発器５２の順に冷媒が整流するように４つの開閉弁で構成されるブリッジ回路を用いたので、エジェクタ開度が過度に不足する場合にも新たな電子膨張弁６を用いることなく、２つの蒸発器を有効に利用でき、所定の冷却能力を発揮する冷凍サイクル装置を構成することができる。

本実施の形態４では、ＨＦＣ系冷媒としてＲ４０４Ａを用いる例を示したが、Ｒ４０７ＣやＲ４１０Ａを用いても同様の効果を発揮する。また、炭化水素系冷媒であるプロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）、二酸化炭素を用いた場合も有効であり、特に二酸化炭素（ＣＯ２）では断熱熱落差（等エントロピー膨張時のエンタルピーと等エンタルピー膨張時のエンタルピーとの差）が大きく、エジェクタ利用時の効果が大きくなる。

また、冷却運転のみの冷媒回路構成を示したが、これに限るものではなく、四方弁を用いて冷却運転、加熱運転の両方に対応可能な冷媒回路を構成することもできる。

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内部構造およびエジェクタ内部の圧力変化を示す図である。 実施の形態１に係る圧力−エンタルピー線図上での本冷凍サイクル装置の動作を示す図である。 実施の形態１に係る周囲温度Ｔｏに対する冷媒流量Ｇｒの変化および周囲温度Ｔｏに対する出口過熱度ＳＨ１の変化を示す図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の制御フローを示す図である。 実施の形態１に係る第２蒸発器５２の蒸発能力と蒸発温度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３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４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４に係る冷凍サイクル装置が搭載される冷凍機内蔵ショーケースの断面図である。 制御手段１０をマイクロコンピュータで実現した場合の構成を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ エジェクタ、４、６ 電子膨張弁、５ 蒸発器、７ 分配器、１０ 制御手段、１１、１２、１３、１４ 温度検出手段、３１、３２、３３、３４ 電磁弁、３５ 逆止弁、３６ 逆止弁、３７ 逆止弁、３８ 逆止弁、４１ 電磁コイル部、４２ ニードル部、４３ ノズル部、４３ａ 減圧部、４３ｂ 末広部、４４ 混合部、４５ ディフューザ部、５１ 第１蒸発器、５２ 第２蒸発器、６１ ドレン水、６２ ドレンパン、６３ 内部熱交換器、７０ 冷凍機内蔵ショーケース、７１ａ 商品棚、７１ｂ 商品棚、７２ａ 仕切り底板、７２ｂ 仕切り底板、７３ａ 冷気吹き出し口、７３ｂ 冷気吹き出し口、７４ 蒸発器用送風機、７５ 放熱器用送風機、７６ 空気入口孔、７７ 空気出口孔、８０ 仕切り底板、８１ 機械室、１０１ ＣＰＵ、１０２ ＲＯＭ、１０３ メモリ、１０４ａ 入出力制御部、１０４ｂ 入出力制御部、１０４ｃ 入出力制御部、１０４ｄ 入出力制御部。

Claims (14)

1. 圧縮機と、この圧縮機から吐出した冷媒を放熱して冷却する放熱器と、この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前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、このエジェクタから出た冷媒を気液二相冷媒と液冷媒に分ける分配器と、この分配器から出た気液二相冷媒を蒸発させる第１蒸発器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、
   さらに前記分配器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部とが、前記分配器から出た液冷媒を減圧する第１絞り装置と、この第１絞り装置から出た冷媒を蒸発させる第２蒸発器とを介して配管で接続されて構成された第２の回路とを備え、
   前記冷媒が前記第１の回路と前記第２の回路を循環する冷凍サイクル装置において、
   前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部とを接続する配管に設けられた第２絞り装置と、
   前記第１蒸発器の出入口温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段が測定した前記第１蒸発器の出入口温度から過熱度を算出し、前記算出された過熱度を予め設定した値と比較して前記過熱度が前記設定された値よりも大きいときに前記第１絞り装置を閉塞し、前記第２絞り装置を開放する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記温度測定手段は、前記第１蒸発器の入口側温度を検出する第１の温度検出手段と出口側温度を検出する第２の温度検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記温度測定手段は、前記第２の温度検出手段の代わりに、前記第１蒸発器の出口側圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段が検出した前記第１蒸発器の出口側圧力から飽和温度を算出し、この算出された飽和温度を前記第１蒸発器の出口側温度として出力することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記温度測定手段の代わりに、周囲温度を検出する周囲温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記周囲温度検出手段が検出した周囲温度を予め設定した値と比較して前記周囲温度が前記設定された値よりも大きいときに前記第１絞り装置を閉塞し、前記第２絞り装置を開放することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
5. 圧縮機と、この圧縮機から吐出した冷媒を放熱して冷却する放熱器と、この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前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、このエジェクタから出た冷媒を気液二相冷媒と液冷媒に分ける分配器と、この分配器から出た気液二相冷媒を蒸発させる第１蒸発器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、
   さらに前記分配器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部とが、前記分配器から出た液冷媒の流れを遮断または開放する第１開閉弁と、この第１開閉弁から出た冷媒を蒸発させる第２蒸発器とを介して配管で接続されて構成された第２の回路とを備え、
   前記冷媒が前記第１の回路と前記第２の回路を循環する冷凍サイクル装置において、
   前記放熱器の出口部と前記第１開閉弁の出口部とを接続する配管に設けられ、冷媒の流れを遮断または開放する第２開閉弁と、
   前記第１蒸発器の出入口温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段が測定した前記第１蒸発器の出入口温度から過熱度を算出し、前記算出された過熱度を予め設定した値と比較して前記過熱度が前記設定された値よりも大きいときに前記前記第１開閉弁を閉止し、前記第２開閉弁を開放する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 前記温度測定手段は、前記第１蒸発器の入口側温度を検出する第１の温度検出手段と出口側温度を検出する第２の温度検出手段とを備えたことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記温度測定手段は、前記第２の温度検出手段の代わりに、
   前記第１蒸発器の出口側圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段が検出した前記第１蒸発器の出口側圧力から飽和温度を算出し、この算出された飽和温度を前記第１蒸発器の出口側温度として出力することを特徴とする請求項６記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記温度測定手段の代わりに、周囲温度を検出する周囲温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記周囲温度検出手段が検出した周囲温度を予め設定した値と比較して前記周囲温度が前記設定された値よりも大きいときに前記第１開閉弁を閉止し、前記第２開閉弁を開放することを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部とを接続する配管に第２絞り装置を設ける代わりに、
   前記放熱器の出口部と、前記エジェクタの吸引部とを接続する配管に設けられた第２絞り装置と、
   この第２絞り装置の出口部と前記エジェクタの吸引部との間の配管に設けられた第１開閉弁とを備え、
   前記制御手段は、前記過熱度が予め設定した値よりも大きいときに前記第１開閉弁を閉止し、前記第２絞り装置を開放することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部とを接続する配管に第２絞り装置を設ける代わりに、
    前記放熱器の出口部と、前記エジェクタの吸引部とを接続する配管に設けられた第１開閉弁と、
    この第１開閉弁の出口部と前記エジェクタ吸引部との間の配管に設けられた第２開閉弁と、
    前記第１絞り装置、前記第２蒸発器の順に冷媒を流す整流回路とを備え、
    前記制御手段は、前記過熱度が予め設定した値よりも大きいときに前記第１開閉弁を開放し、前記第２開閉弁を閉止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記整流回路は、４つの開閉弁から成る開閉弁ブロックであることを特徴とする請求項１０記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記放熱器の出口側配管と前記圧縮機吸入側配管とを熱交換する内部熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記第１蒸発器および第２蒸発器で発生するドレン水を用いて前記放熱器の出口部を冷却したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記ドレン水を前記放熱器の排熱を利用して蒸発させることを特徴とする請求項１３記載の冷凍サイクル装置。
    

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