JP4604909B2 - エジェクタ式サイクル - Google Patents

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Description

本発明は、エジェクタを有するエジェクタ式サイクルに係り、より特別には、エジェクタ上流で冷媒が分岐するエジェクタ式サイクルに関するものであり、例えば、車両用空調冷蔵装置の冷凍サイクルに適用して有効である。
車両用空調装置において、冷媒を圧縮機により圧縮し、凝縮器、膨張弁、蒸発器を通して、蒸発器において冷媒の蒸発を利用して空調空気を冷却する冷凍サイクルが一般的に利用されている。この様な冷凍サイクルにおいて、蒸発器の前にエジェクタを設けるエジェクタ式サイクルが知られている。エジェクタ式サイクルは例えば、空調と冷蔵との2種類の温度帯における冷却が要求される場合に適用されて、エジェクタの吸引力を利用して一方の蒸発器に、より乾き度の低い冷媒を供給して冷却することにより、より低温の冷却を行っている。
この様なエジェクタを用いた蒸気圧縮式冷凍機の従来技術のサイクル構成、即ちエジェクタ式サイクルの従来例を、図6を参照して説明する。従来のエジェクタ式サイクルの冷凍サイクル100は、車両用の空調装置において空調空気の冷却に使用されている。冷凍サイクル100は、冷媒を圧縮する圧縮機1と、圧縮された冷媒を冷却する凝縮器2と、冷媒を流通させて高速で噴出させると共にこの噴出による巻き込み作用により吸引口64から吸引可能なエジェクタ6と、エジェクタ6の吐出口63に連結されていて且つ冷媒の蒸発により空調空気を冷却する第2の蒸発器8と、第2の蒸発器8の冷媒出口側に接続される気液分離器4と、気液分離器4からエジェクタ6の吸引口64の間でそれらに接続される第1の蒸発器7とを具備する。第1の蒸発器7においては、冷媒はエジェクタ6により吸引されるので、液冷媒は、気液分離器5から第1の蒸発器7へ、絞り機構5を介して減圧されて気液二相状態となって供給されており、乾き度が低いことから冷却効率が高く、より低温の冷却、例えば冷凍に使用される。このように、エジェクタ式サイクルを利用したシステム又は装置においては、それぞれ異なる温度帯域で使用することができる2基の蒸発器を備えて、例えば、空調と冷蔵という2つの用途にも対応できる。
エジェクタ式サイクルの内、図6に示す構成、即ち圧縮機(コンプレッサ)吸入部において気液分離器を持つ構成については、従来技術(例えば、特許文献1参照)が知られている。しかし、この従来技術の場合、第1の蒸発器7は、第2の蒸発器8を通過して暖められたより高温で且つ低圧力の冷媒を使用しているため、非効率な面があると考えられている。この様なエジェクタ式サイクルにおいて、上記第1の蒸発器に関してもエジェクタ上流、即ち凝縮器出口側の冷媒を利用することが、より効率的であると考えられ、この様なより効率的なエジェクタ式サイクルが求められている。
また、エジェクタ式サイクルにおいて、エジェクタに凝縮器(コンデンサ)で凝縮される前の高圧ガス冷媒を動力源として導入している別の従来技術がある(例えば、特許文献2参照)が、本発明の提案を開示するものではない。
特開平5−312421号公報 特開2004−257694号公報
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、蒸発器を効率よく利用できることで冷凍能力を向上できる、エジェクタ上流で分岐するエジェクタ式サイクルを提供することを目的とする。
本発明のその他の目的は、エジェクタ式サイクルのコストダウンを図ることである。
本発明の請求項1に記載の形態では、上述した目的を達成するために、冷媒を使用して熱交換するエジェクタ式サイクル(50,60)は、冷媒を圧縮するための圧縮機(1)と、圧縮された冷媒を凝縮するための凝縮器(2)と、前記凝縮器(2)の下流に設けられる第1の絞り(3)と、前記第1の絞り(3)の下流に設けられていて、その吸引口(64)において吸引力を発揮可能なエジェクタ(6)と、冷媒を通過させて外部流体との熱交換を実施可能な第1の蒸発器(7)であって、前記エジェクタ(6)の前記吸引口(64)にその冷媒出口が接続する、第1の蒸発器(7)と、前記第1の絞り(3)と前記エジェクタ(6)との間に設置されていて且つ前記エジェクタ(6)及び前記第1の蒸発器(7)に冷媒を供給するように接続する、乾き度調節機構(4)と、前記乾き度調節機構(4)の下流に設置されて接続する第2の絞り(5)とを具備する。前記乾き度調節機構(4)は、前記第1の絞り(3)で減圧した気液二相冷媒を気液分離して乾き度を調節した後、液冷媒を前記第2の絞り(5)へ導き、所定の気液二相の高乾き度の冷媒を前記ノズルの入口へ導くことを特徴とする。
この様に構成することにより、エジェクタ上流側に乾き度調節機構を持たせることで、第1の蒸発器の入口及びエジェクタノズル入口の冷媒の乾き度を調節することができる。これにより、第1の蒸発器入口冷媒を低乾き度に保つことができ、第1の蒸発器を効率よく利用できることで冷凍能力を向上できる。更に、エジェクタノズル入口の冷媒を高乾き度に保つこともできる(冷媒の比容積を大きく保つことができる)ため、エジェクタノズル径を大径化でき、エジェクタノズルの製造が容易となるためエジェクタ単体、更にはエジェクタ式サイクルのコストダウンが可能である。更に、第1の蒸発器入口冷媒を低乾き度に保持して、第1の蒸発器を効率よく利用し冷凍能力を向上できることをより明確に示す。更に、エジェクタのノズルの入口の冷媒を高乾き度に保つことにより、エジェクタノズル径を大径化可能として、エジェクタ単体のコストダウンが可能であることをより明確に示す。
本発明の請求項2に記載の形態では、上記請求項1に記載の形態において、第2の蒸発器(8)を具備する。第2の蒸発器(8)は、前記エジェクタ(6)に接続して、それから冷媒が供給されるので、空調空気等の外部流体と熱交換可能である。
本形態によれば、2基の蒸発器を備えることにより、例えば、冷房と冷蔵等の異なる温度帯域における熱交換に対応可能である。
本発明の請求項3及び4に記載の形態では、上記請求項1又は2に記載の形態において、前記乾き度調節機構(4)は遠心式又は重力方式であることを特徴とする。
本形態によれば、本発明のエジェクタ式サイクルにおいて使用される乾き度調節機構をより具体化する。
また、本発明に記載の請求項の形態では、上記請求項1からに記載の形態いずれか一項において、車両に適用されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明のエジェクタ式サイクルの用途をより具体化する。
以下、図面に基づいて本発明のエジェクタ式サイクルの実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係るエジェクタ式サイクルの第1の実施の形態の図式的説明図である。本発明の本実施の形態において、エジェクタ式サイクルは車両の空調装置に適用されている。図1を参照すると、図6に開示される従来例のエジェクタ式サイクルの要素部分と同じ又は同様である図1の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
図1に示す本発明の第1の実施の形態のエジェクタ式サイクル50は、冷媒を圧縮する圧縮機(コンプレッサ)1と、高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器(コンデンサ)2と、前記凝縮器(コンデンサ)出口の高温高圧の冷媒を減圧させる絞りとしての第1の絞り機構3と、第1の絞り機構3で減圧された冷媒を気液分離し乾き度を調節する乾き度調節機構4と、乾き度調節機構4から導かれた飽和液冷媒を減圧する絞りとしての第2の絞り機構5と、第2の絞り機構5で減圧された気液2相冷媒を蒸発させて空調空気(外部流体)と熱交換させる第1の蒸発器7と、乾き度調節機構4から導かれた気液2相冷媒を減圧させ更に第1蒸発器7で蒸発した冷媒を吸引するエジェクタ6と、エジェクタ6から供給された気液2相冷媒を蒸発させて空調空気(外部流体)と熱交換させる第2の蒸発器8と、を具備する。これらの構成要素は図1に示すように、配管により接続される。
以下、車両用空調装置に適用されたエジェクタ式サイクルが冷房用に使用される場合に関して、本実施の形態の作動を説明する。
圧縮機1により圧縮された冷媒は、高温高圧となり凝縮器2において外気(又は外部流体)により冷却されて凝縮され、更に第1の絞り機構3において膨張されて、一部が液体となって乾き度調節機構4に流入する。乾き度調節機構4において気液2相の冷媒は気液分離される。乾き度調節機構4は、図3に示されており、図3(a)はその概略図であり、本体41と、冷媒入口42と、飽和液冷媒出口43と、気液2相冷媒出口44とを具備する。気液2相冷媒は冷媒入口42から流入し、気液2相に分離されるが、一般的に液冷媒は本体41の下部に溜まり、ガス(気体)冷媒は本体41上部に集まる。エジェクタ6の冷媒(又はノズル)入口62は、乾き度調節機構4の気液2相冷媒出口44に接続し、飽和液冷媒出口43は第1の蒸発器7の冷媒入口に接続する。
エジェクタ6に流入する冷媒は、後述のごとく乾き度調節機構4において液冷媒が混入して気液2相になっている。エジェクタ6のノズルを冷媒が高速で流れることにより、エジェクタ6は吸引力を発揮し、吸引口64から第1の蒸発器7を流れる冷媒を吸引する。エジェクタ6の冷媒出口63は第2の蒸発器8の冷媒入口に接続しており、第2の蒸発器8には高乾き度の気液2相冷媒が流入する。本実施の形態においては、第1と第2の蒸発器7,8は共に空調装置のダクト内に設置されて空調空気(外部流体)と熱交換するが、本説明においては空調空気を冷却する。第2の蒸発器8では、冷媒が空調空気(外部流体)により加熱されて蒸発することにより空調空気を冷却する。第2の蒸発器8を通過した冷媒は圧縮機1に戻る。
前述のごとく、乾き度調節機構4の飽和液冷媒出口43から流出した液冷媒は、第2の絞り機構5において膨張され気液2相冷媒(一般的に低乾き度)となって第1の蒸発器7に供給されて、ここで空調空気(外部流体)により加熱されて蒸発し、その気化熱により空調空気を冷却する。第1の蒸発器7を通過した冷媒はエジェクタ6の吸引力により吸引口64からエジェクタ6に流入し、冷媒入口62から流入した冷媒と混合して冷媒出口63から吐出される。
空調装置ダクト内において、図1に示すように、第2の蒸発器8が第1の蒸発器7の上流側に設置される配置が、熱利用効率上好ましいが、逆の配置あるいは並列配置であっても良い。
図1と図6を比較して分かるように、従来例のエジェクタ式サイクルと本実施の形態のエジェクタ式サイクルとでは、気液分離器(又は乾き度調節機構)の設置位置が異なる。
図2にモリエル線図に対応させた、第1の実施の形態のエジェクタ式サイクルの説明図を示す(図2(a))。図2(b)にモリエル線図を示しており、等乾き度線を示している。図2(b)において、飽和液線を越えて左側は液状態であり、飽和蒸気線を越えて右側はガス(気体)状態である。図2(c)は図2(b)と同様のモリエル線図において、等比体積線を示して表している。図2(c)の右に進むほど体積が大きくなることを説明しており、本実施の形態において、エジェクタ6を流れる冷媒の比体積が大きい状態で使用すれば、エジェクタ6のノズル径を大きくできることを説明するためのものである。図2(a)において第1の蒸発器7は、横軸方向に第2の絞り機構5付近から第1の蒸発器8付近まで幅広いエンタルピ値を取り得ること、即ち幅広い範囲において乾き度を調節可能なことが分かる。これに対して、図6の従来例では、第1の蒸発器7は第2の蒸発器8の下流にあるため、第2の蒸発器付近の乾き度でしか調節できないことが分かる。
図3は、乾き度調節機構4の方式(タイプ)について種々の方式(タイプ)が考えられること示している。図3(a)は概略図であるが、図3(b)及び(c)は、遠心式及び重力式をそれぞれ示す。図3(b)の遠心式において、下は側面図、上は横断面平面図を示す。第1の絞り機構3から冷媒入口42を通り冷媒は流入するが、冷媒入口42は図3(b)に示されるように、好適には円筒状の本体41の上部で外周側において、円筒状本体41の接線方向から冷媒が流入するように設けられることが好ましい。これにより、流入冷媒は円筒状本体41の壁に沿うように流れて、冷媒に遠心力が作用する。この遠心力により比重の大きい液冷媒は外側に、ガス(気体)冷媒は中心側に集まる。液冷媒は重いため本体41の下部に溜まるように集まる。従って、飽和液冷媒出口43は本体下部外周側に円筒状本体の接線方向に設けられることが好ましい。第1の実施の形態において第2の蒸発器8に接続する飽和ガス冷媒(又は気液2相に冷媒)出口44は図3(b)に示すように、本体41内の上部中心にその上流先端が上向きで位置するように設けられるので、実質的にほとんどガス冷媒が流入する。また、飽和ガス冷媒出口44に連結する配管は、本体41の下部を通るように配置されることが好ましく、この配置によりその配管の本体下部付近に液戻し穴45を設けることができる。この液戻し穴45から飽和ガス冷媒出口44に連結する配管に液冷媒が混入するため、飽和ガス冷媒出口44から流出する冷媒は気液2相となり、第2の蒸発器8に気液2相冷媒が供給され、その内液冷媒が蒸発可能になる。本体41の形状は円錐形等別の形状であっても良い。
図3(c)には、重力方式の乾き度調節機構4の図解的側面図を示す。このタイプでは、冷媒入口42は頂部に設けられることが好ましい。図3(c)に示されるように、本体41内において、冷媒入口42に対向するようにその直下に、好適には傘又はキャップ状の傘46が設けられて、流入する気液2相冷媒が傘46に衝突することにより気液が分離される。液状冷媒は傘46に付着し更に落ちて本体41の下部に溜まる。飽和液冷媒出口42は本体41下部に設けられ、飽和ガス冷媒(又は気液2相冷媒)出口44の上流端は本体上部中心で傘46の下に上向に設けられることが好ましい。液戻し穴45は上記の遠心式と同様に、飽和ガス冷媒出口44に連結する配管の本体下部付近に設けられることが好ましく、飽和ガス冷媒出口44から流出するガス冷媒に液冷媒を混入させる。本体41の形状は、円筒形あるいは矩形又はその他の多角形断面の角筒形等、種々の形状であっても良い。
図4は本発明に係るエジェクタ式サイクルの第2の実施の形態の図式的説明図を示し、図5は図2(a)と同様な、モリエル線図に対応させた第2の実施の形態のエジェクタ式サイクルの説明図を示す。図4及び5を参照すると、図1に開示される第1の実施の形態のエジェクタ式サイクルの要素部分と同じ又は同様である図4及び5の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。本実施の形態のエジェクタ式サイクル60は、第1の実施の形態における第2の蒸発器8を具備しない構成である。従って、エジェクタ6を出た冷媒はそのまま圧縮機1の吸入側に接続する配管に導入される。
第1の蒸発器7の冷媒入口及び冷媒出口はそれぞれ、第2の絞り機構5及びエジェクタ6の吸引口64に接続することは、第1の実施の形態の構成と同様であり、第1の蒸発器に導入される冷媒の乾き度が広い範囲で調節可能であることは、図5により分かり易く示されており、このことは第1の実施の形態と同様である。本実施の形態の上記以外の構成は、第1の実施の形態の構成と同様であるので説明は省略する。また、本実施の形態においても乾き度調節機構4は遠心式又は重力方式のいずれであっても良い。
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第1の実施の形態のエジェクタ式サイクルにより以下の作用及び効果が期待できる。
・本発明は、エジェクタ上流で分岐するエジェクタ式サイクルのうち、第1の絞り機構3で減圧した気液2相冷媒を乾き度調節機構4により気液分離し、乾き度調節した後、飽和液冷媒を第2の絞り機構5へ導き、所定の高乾き度冷媒をエジェクタノズル入口へ導くことを特徴とする。
・上記の特徴により、第1の蒸発器7の入口及びエジェクタノズル入口の冷媒の乾き度を調節することができる。
・これにより、第1の蒸発器入口冷媒を低乾き度に保つことができ、第1の蒸発器7を効率よく利用できることで冷凍能力を向上できる。
・さらに、エジェクタノズル入口の冷媒を高乾き度に保つこともできる(冷媒の比容積を大きく保つことができる)ため(図2(c)参照)、エジェクタノズル径を大径化でき(大径でも高速で冷媒が流れる)、エジェクタノズルの製造が容易となるためエジェクタ単体、従ってエジェクタ式サイクルのコストダウンが可能である。
本発明の第2の実施の形態のエジェクタ式サイクルにより、第1の実施の形態と同様の作用及び効果が期待できる。
(その他の実施の形態)
上記の実施の形態の説明において、本発明のエジェクタ式サイクルは、空調装置において空調空気の冷却に使用されるものとして記載されたが、該サイクルが空調および冷蔵又は冷凍のための装置用として使用されても良く、この場合2基の蒸発器の一方(通常は、第2の蒸発器8)が空調用として使用され、もう一方の蒸発器(通常は、第1の蒸発器7)が冷蔵(冷凍)用として使用されても良く、あるいはこれら以外の別の冷房又は冷凍装置に適用されても良い。
また、本発明のエジェクタ式サイクルは上記の実施の形態の説明に限定されず、エジェクタで減圧される熱交換器(第1の実施の形態における第1の蒸発器7)を利用側である室内熱交換器などとする冷却サイクルだけではなく、非利用側である熱源として室外熱交換器などとする加熱サイクル(例えば、暖房用熱源熱交換器)、あるいは冷却サイクル又は加熱サイクルとして可逆的に運転可能なヒートポンプサイクルに適用しても良い。
また、上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、乾き度調節機構は、遠心式、重力方式に限定されず、これ以外の当業者に既知な気液分離構造を有するものであっても良い。更に、冷媒入口41、飽和液冷媒出口43、飽和ガス冷媒出口44、液戻し穴45等の位置は、気液分離機能等の乾き度調節機構の必要な機能を発揮できるものであれば、上記の実施の形態に記載した以外の位置であっても良い。
また、本実施例では本発明が車両用空調装置に適用された例を示したが、冷凍運搬車あるいは冷凍コンテナなどの冷凍機等に適用されても良く、更に本発明の適用対象は車両や空調装置に限定するものではない。
これとは別に上記の実施の形態の説明及び図面においては、本発明において必要最小限の構成要素のみが記載又は説明されており、追加的に必要な機能又は作動に応じて、記載以外の構成要素が追加されても良い。
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
図1は、本発明に係るエジェクタ式サイクルの第1の実施の形態の図式的説明図である。 図2は、モリエル線図に対応させた、第1の実施の形態のエジェクタ式サイクルの説明図(a)を示しており、等乾き度線を示したモリエル線図(b)、等比体積線を示したモリエル線図(c)を共に示す。 図3は、種々の方式の乾き度調節機構を示しており、概略図(a)、遠心式(b)及び重力式(c)をそれぞれ示す。 図4は、本発明に係るエジェクタ式サイクルの第2の実施の形態の図式的説明図である。 図5は、図2(a)と同様の、モリエル線図に対応させた第2の実施の形態のエジェクタ式サイクルの説明図を示す。 図6は、エジェクタ式サイクルの従来例の図式的説明図である。
符号の説明
1 圧縮機
2 凝縮器
3 第1の絞り機構
4 乾き度調節機構
5 第2の絞り機構
6 エジェクタ
7 第1の蒸発器
8 第2の蒸発器
50、60 エジェクタ式サイクル

Claims (5)

  1. 冷媒を使用して熱交換するエジェクタ式サイクル(50,60)であって、
    冷媒を圧縮するための圧縮機(1)と、
    前記圧縮機(1)において圧縮された冷媒を凝縮するための凝縮器(2)と、
    前記凝縮器(2)の下流に設けられていて前記冷媒を膨張させるための第1の絞り(3)と、
    前記第1の絞り(3)の下流に設けられていて冷媒がそのノズルを通過することにより、その吸引口(64)において吸引力を発揮可能なエジェクタ(6)と、
    冷媒を通過させて外部流体との熱交換を実施可能な第1の蒸発器(7)であって、前記エジェクタ(6)の前記吸引口(64)にその冷媒出口が接続する、第1の蒸発器(7)と、
    前記第1の絞り(3)と前記エジェクタ(6)との間に設置されていて且つ前記エジェクタ(6)及び前記第1の蒸発器(7)に冷媒を供給するように接続する、乾き度調節機構(4)と、
    前記乾き度調節機構(4)の下流で、前記第1の蒸発器(7)の上流に設置されて、それらに接続する第2の絞り(5)と、
    を具備するエジェクタ式サイクルにおいて、
    前記乾き度調節機構(4)は、前記第1の絞り(3)で減圧した気液二相冷媒を気液分離して乾き度を調節した後、液冷媒を前記第2の絞り(5)へ導き、所定の高乾き度の気液二相の冷媒を前記ノズルの入口(62)へ導くことを特徴とするエジェクタ式サイクル。
  2. 前記エジェクタ(6)に接続して前記エジェクタ(6)から冷媒が供給されていて且つ外部流体と熱交換可能な第2の蒸発器(8)を具備することを特徴とする請求項1に記載のエジェクタ式サイクル。
  3. 前記乾き度調節機構(4)は遠心式であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエジェクタ式サイクル。
  4. 前記乾き度調節機構(4)は重力方式であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエジェクタ式サイクル。
  5. 車両に適用されることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載のエジェクタ式サイクル。
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