JP4992819B2 - エジェクタ式冷凍サイクル - 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冷凍サイクルに関する。
従来、特許文献1に、エジェクタのノズル部の上流側に、放熱器から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部を設け、分岐部で分岐された一方の冷媒をエジェクタのノズル部側へ流入させ、他方の冷媒をエジェクタの冷媒吸引口側へ流入させるエジェクタ式冷凍サイクルが開示されている。
この特許文献1のエジェクタ式冷凍サイクルでは、エジェクタのディフューザ部の下流側にディフューザ部から流出した冷媒を蒸発させる流出側蒸発器を配置し、さらに、分岐部とエジェクタの冷媒吸引口との間に、冷媒を減圧膨張させる固定絞りおよび吸引側蒸発器を配置して、双方の蒸発器において冷凍能力を発揮できるようにしている。
この際、ディフューザ部の昇圧作用によって、流出側蒸発器における冷媒蒸発圧力(冷媒蒸発温度)を、吸引側蒸発器における冷媒蒸発圧力(冷媒蒸発温度)よりも上昇させて、それぞれの蒸発器において異なる温度帯で冷媒を蒸発させている。さらに、流出側蒸発器の下流側を圧縮機吸入側に接続して、圧縮機吸入冷媒の圧力を上昇させることで圧縮機駆動動力を低減させ、エジェクタ式冷凍サイクルの成績係数(COP)を向上させている。
特開2005−308380号公報
ところで、特許文献1のエジェクタでは、ノズル部から噴射される噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口から吸引側蒸発器から流出した冷媒を吸引することで、ノズル部における減圧膨張時の運動エネルギの損失を回収している。そして、回収されたエネルギをディフューザ部にて圧力エネルギに変換することで、上述の昇圧作用を発揮している。
つまり、上述のエジェクタ式冷凍サイクルにおけるCOP向上効果は、冷媒減圧手段としてエジェクタを採用することで、冷媒を減圧膨張させる際に本来損失していた運動エネルギを回収し、回収されたエネルギを圧力エネルギに変換して有効に活用することによって得られる効果である。
しかしながら、特許文献1のエジェクタ式冷凍サイクルでは、エジェクタのノズル部上流側で分岐された冷媒のうち、固定絞りを介して冷媒吸引口へ流入する他方の冷媒のエネルギ損失の回収については、何ら考慮されていない。換言すると、固定絞りにて冷媒を減圧膨張させる際に損失するエネルギは、有効に活用されていない。
本発明は、上記点に鑑み、エジェクタ式冷凍サイクルにて損失していたエネルギを有効に活用することを目的とする。
上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、圧縮機(11)から吐出された高温高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、放熱器(12)から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部(13)と、分岐部(13)にて分岐された一方の冷媒を減圧膨張させるノズル部(16a)から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒を冷媒吸引口(16b)から吸引して、噴射冷媒と冷媒吸引口(16b)から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部(16d)にて昇圧するエジェクタ(16)と、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を膨張させることにより機械的エネルギを出力する膨張手段(20)と、膨張手段(20)から流出した冷媒を蒸発させて冷媒吸引口(16b)上流側に流出する吸引側蒸発器(21)とを備え、
エジェクタ(16)のエジェクタ効率(ηej)が最大となる際に圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第1冷媒流量(G1)とし、膨張手段(20)の膨張効率(ηex)が最大となる際に圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第2冷媒流量(G2)としたときに、第1冷媒流量(G1)は第2冷媒流量(G2)よりも小さくなっており、
さらに、分岐部(13)からノズル部(16a)側へ流入するノズル部側冷媒流量(Gnoz)と、分岐部(13)から膨張手段(20)側へ流入する膨張手段側冷媒流量(Ge)との流量比(Ge/Gnoz)を調整する流量比調整手段(15)を備え、
流量比調整手段(15)は、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように流量比(Ge/Gnoz)を調整することを特徴とする。
これによれば、膨張手段(20)によって、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる際に損失していたエネルギを機械的エネルギとして回収することができる。従って、エジェクタ(16)へ流入しない冷媒を減圧膨張させる際に損失していたエネルギを、機械的エネルギとして回収して有効に活用することができる。
また、請求項1におけるエジェクタ効率(ηej)および膨張効率(ηex)は後述の段落0017および段落0018の記載のように定義されるものであって、請求項1に記載の発明では、第1冷媒流量(G1)を第2冷媒流量(G2)よりも小さくしている。これによれば、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が低下する低負荷運転時にエジェクタ(16)に高い効率を発揮させ、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が増加する高負荷運転時に膨張手段(20)に高い効率を発揮させることができる。
さらに、請求項1に記載の発明では、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように流量比(Ge/Gnoz)を流量比調整手段(15)により調整する。これによれば、低負荷運転時に高い効率を発揮できるエジェクタ(16)を採用する場合、後述する実施形態に説明するように、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように流量比(Ge/Gnoz)を調整することで、エジェクタ(16)および膨張手段(20)の双方に高い効率を発揮させながら、サイクルにて損失していたエネルギを効率的に回収できる。
ところで、冷媒を膨張させることにより機械的エネルギを出力する膨張手段(20)では、出力させる機械的エネルギ量の変化に伴って、膨張させる冷媒量が変化するので、膨張手段(20)から流出する冷媒の圧力が変化する。このため、吸引側蒸発器(21)へ流入する冷媒の圧力を十分に低下させることができないことがある。
そして、吸引側蒸発器(21)へ流入する冷媒の圧力を十分に低下させることができないと、吸引側蒸発器(21)における冷媒蒸発圧力が上昇して、吸引側蒸発器(21)に十分な冷却能力を発揮させることができなくなる。
そこで、請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる減圧手段(19)を備えることを特徴とする。
これによれば、減圧手段(19)の減圧作用によって、吸引側蒸発器(21)に流入する冷媒の圧力を所望の圧力まで減圧させることができる。その結果、吸引側蒸発器(21)における冷媒蒸発圧力を十分に低下させて、吸引側蒸発器(21)にて十分な冷却能力を発揮させることができる。
請求項3に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、圧縮機(11)から吐出された高温高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、放熱器(12)から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部(13)と、分岐部(13)にて分岐された一方の冷媒を減圧膨張させるノズル部(16a)から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒を冷媒吸引口(16b)から吸引して、噴射冷媒と冷媒吸引口(16b)から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部(16d)にて昇圧するエジェクタ(16)と、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる減圧手段(19)と、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を膨張させることにより機械的エネルギを出力する膨張手段(20)と、減圧手段(19)および膨張手段(20)を通過した他方の冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(16b)上流側に流出する吸引側蒸発器(21)とを備え、
エジェクタ(16)のエジェクタ効率(ηej)が最大となる際に圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第1冷媒流量(G1)とし、膨張手段(20)の膨張効率(ηex)が最大となる際に圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第2冷媒流量(G2)としたときに、第1冷媒流量(G1)と第2冷媒流量(G2)が異なっており、
さらに、分岐部(13)からノズル部(16a)側へ流入するノズル部側冷媒流量(Gnoz)と、分岐部(13)から膨張手段(20)側へ流入する膨張手段側冷媒流量(Ge)との流量比(Ge/Gnoz)を調整する流量比調整手段(15)を備え、
流量比調整手段(15)は、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように流量比(Ge/Gnoz)を調整することを特徴とする。
これによれば、請求項1に記載の発明と同様に、エジェクタ(16)へ流入しない冷媒を減圧膨張させる際に損失していたエネルギを、機械的エネルギとして回収して有効に活用することができる。
また、請求項3に記載の発明では、第1冷媒流量(G1)と第2冷媒流量(G2)が異なっている。
これによれば、サイクルの負荷変動に応じて、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量、すなわち、サイクルを循環する循環冷媒流量が変化しても、エジェクタ(16)あるいは膨張手段(20)のいずれかによって、サイクルで損失していたエネルギを回収して、有効に活用することができる。
さらに、請求項3に記載の発明では、請求項1に記載の発明と同様に、圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように流量比(Ge/Gnoz)を流量比調整手段(15)により調整する。これによれば、低負荷運転時に高い効率を発揮できるエジェクタ(16)を採用する場合、後述する実施形態に説明するように、エジェクタ(16)および膨張手段(20)の双方に高い効率を発揮させながら、サイクルにて損失していたエネルギを効率的に回収できる。
なお、本請求項のエジェクタ効率(ηej)とは、エジェクタのエネルギ変換効率を示す値であり、以下式F1で定義される。
ηej=(1+Ge/Gnoz)×(ΔP1/ρ)/Δi…(F1)
ここで、Geは膨張手段側冷媒流量であって、冷媒吸引口(16b)から吸引される吸引冷媒の質量流量に等しい。Gnozはノズル部側冷媒流量であって、ノズル部(16a)から噴射される噴射冷媒の質量流量に等しい。ΔP1はディフューザ部(16d)における昇圧量、ρは吸引冷媒の密度、Δiはノズル部(16a)出入口間の冷媒のエンタルピ差である。
また、膨張効率(ηex)とは、膨張手段(20)におけるエネルギ変換効率を示す値であり、回転機器で構成される膨張手段(20)では、以下式F2で定義される。
ηex=(N×T)/(ΔP2×ΔQe)…(F2)
ここで、Nは膨張手段(20)の回転数、Tは膨張手段(20)の出力する回転トルク、ΔP2は膨張手段(20)出入口間の冷媒の圧力差、ΔQeは膨張手段(20)出入口間の冷媒の体積流量差である。
また、請求項4に記載の発明のように、請求項3に記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、具体的に、第1冷媒流量(G1)は、第2冷媒流量(G2)よりも、小さくなっていてもよい。これによれば、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が低下する低負荷運転時にエジェクタ(16)に高い効率を発揮させ、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が増加する高負荷運転時に膨張手段(20)に高い効率を発揮させることができる。
また、請求項に記載の発明のように、請求項3に記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、具体的に、第1冷媒流量(G1)は、第2冷媒流量(G2)よりも、大きくなっていてもよい。これによれば、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が低下する低負荷運転時に膨張手段(20)に高い効率を発揮させ、通常運転時よりもサイクルの冷媒循環流量が増加する高負荷運転時にエジェクタ(16)に高い効率を発揮させることができる。
請求項に記載の発明では、請求項1ないし5のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、エジェクタ(16)から流出した冷媒を蒸発させる流出側蒸発器(17)を備えることを特徴とする。これによれば、吸引側蒸発器(21)のみならず、流出側蒸発器(17)でも冷凍能力を発揮できる。
請求項に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、膨張手段(20)が出力した機械的エネルギを駆動源として、冷媒を圧縮して吐出する補助圧縮機構(18)を備えることを特徴とする。これによれば、圧縮機(11)の駆動動力を低減してCOPを向上させることができる。
請求項に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、膨張手段(20)が出力した機械的エネルギを、サイクルを構成するサイクル構成機器以外の外部機器(22)に供給することを特徴とする。
なお、サイクルを構成するサイクル構成機器とは、サイクル内を循環する冷媒の流量、圧力、相状態を変化させるために直接寄与する機器を意味する。従って、外部機器(22)とは、上記以外の機器を意味するものである。
請求項に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、放熱器(12)から流出した冷媒と圧縮機(11)へ吸入される冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(23)を備えることを特徴とする。これによれば、吸引側蒸発器(21)入口側冷媒のエンタルピと出口側冷媒のエンタルピとのエンタルピ差(冷凍能力)を拡大して、より一層、COPを向上させることができる。
請求項10に記載の発明では、請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を、膨張手段(20)の上流側で、さらに放熱させる補助放熱器(24)を備えることを特徴とする。
これによれば、補助放熱器(24)の作用によって、吸引側蒸発器(21)入口側冷媒のエンタルピを低下させることができる。その結果、吸引側蒸発器(21)の冷凍能力を増大させることができ、より一層、COPを向上させることができる。
なお、この欄および特許請求の範囲に記載した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ものである。
(第1実施形態)
図1により、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを室内空調を行う定置型の空調装置に適用した例を説明する。図1は、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10の全体構成図である。
エジェクタ式冷凍サイクル10において、圧縮機11は、冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、吐出容量が固定された圧縮機構11aを電動モータ11bにて駆動する電動圧縮機である。圧縮機構11aとしては、具体的に、スクロール型、ベーン型、ローリングピストン型等の各種圧縮機構を採用できる。
電動モータ11bは、後述する空調制御装置から出力される制御信号によって、その作動(回転数)が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式を採用してもよい。そして、この回転数制御によって、圧縮機構11aの冷媒吐出能力が変更される。従って、本実施形態の電動モータ11bは、圧縮機構11aの冷媒吐出能力を変更する吐出能力変更手段を構成している。
圧縮機11の吐出口側には、放熱器12が接続されている。放熱器12は圧縮機11から吐出された高圧冷媒と冷却ファン12aにより送風される室外空気とを熱交換させることによって、高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱用熱交換器である。冷却ファン12aは、空調制御装置から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動式送風機である。
なお、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用し、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。従って、放熱器12は冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。
放熱器12の出口側には、レシーバ12bが接続されている。このレシーバ12bは、放熱器12から流出した冷媒の気液を分離して余剰液相冷媒を溜めておく気液分離器である。なお、本実施形態では、放熱器12とレシーバ12bとを一体的に構成しているが、放熱器12とレシーバ12bとを別体に構成してもよい。
レシーバ12bの液相冷媒出口には、レシーバ12bから流出した液相冷媒の流れを分岐する分岐部13が接続されている。分岐部13は、3つの流入出口を有する三方継手で構成されており、流入出口のうち1つを冷媒流入口とし、2つを冷媒流出口としたものである。このような三方継手は、管径の異なる配管を接合して構成してもよいし、金属ブロックや樹脂ブロックに通路径の異なる複数の冷媒通路を設けて構成してもよい。
さらに、分岐部13の一方の冷媒流出口には、分岐部13と後述するエジェクタ16のノズル部16a側とを接続するノズル部側配管14aが接続され、他方の冷媒流出口には、分岐部13とエジェクタ16の冷媒吸引口16b側とを接続する吸引口側配管14bが接続されている。
ノズル部側配管14aには、分岐部13からノズル部側配管14aへ流入した高圧冷媒を中間圧に減圧膨張させる電気式膨張弁15が配置されている。電気式膨張弁15は、ステッピングモータからなる電動アクチュエータ機構と、この電動アクチュエータ機構によって駆動される弁機構とを有して構成される可変絞り装置である。
そして、空調制御装置から出力される制御信号によって電動アクチュエータ機構の作動角を微少量ずつ変化させることで、弁機構の開度(絞り通路面積)を変化させる。これにより、電気式膨張弁15は、ノズル部側配管14aへ流入した高圧冷媒を中間圧に減圧膨張させるとともに、電気式膨張弁15下流側へ流出させる冷媒の流量を調整する。
従って、電気式膨張弁15は、分岐部13からノズル部側配管14a側へ流入するノズル部側冷媒流量Gnozと、分岐部13から吸引口側配管14b側へ流入する膨張手段側冷媒流量Geとの流量比Ge/Gnozを調整する流量比調整手段として機能する。
電気式膨張弁15の冷媒出口側には、エジェクタ16が接続されている。このエジェクタ16は、電気式膨張弁15にて減圧膨張された中間圧冷媒を減圧する減圧手段の機能を果たすとともに、ノズル部16aから噴射される噴射冷媒の吸引作用によって冷媒の循環を行う冷媒循環手段としての機能を果たす。
具体的には、エジェクタ16は、電気式膨張弁15から流出した中間圧冷媒の通路面積を小さく絞って、中間圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部16a、ノズル部16aの冷媒噴射口と連通するように配置されて後述する吸引側蒸発器21から流出した冷媒を吸引する冷媒吸引口16b等を有して構成される。
さらに、ノズル部16aおよび冷媒吸引口16bの冷媒流れ下流側部位には、ノズル部16aから噴射された高速度の噴射冷媒と冷媒吸引口16bからの吸引冷媒とを混合する混合部16cが設けられ、混合部16cの冷媒流れ下流側には昇圧部をなすディフューザ部16dが設けられている。
ディフューザ部16dは冷媒通路面積を徐々に大きくする形状に形成されており、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換する作用を果たす。さらに、ディフューザ部16dの出口側には、流出側蒸発器17が接続されている。
なお、本実施形態のエジェクタ16では、通常運転時に対して空調負荷が低い低負荷運転時に、前述の式F1で定義されるエジェクタ効率ηejが最大となるようにノズル部16a、ディフューザ部16d等の各諸元が決定されている。以下の説明では、エジェクタ効率ηejが最大となる際に圧縮機11から吐出される冷媒流量、すなわちサイクルを循環する循環冷媒流量を第1冷媒流量G1と記載する。
ここで、通常運転とは、夏場に室内を冷房する際の平均的な空調負荷時における運転を意味し、低負荷運転とは、夏場に対して外気温が低く除湿のみを目的に行われる運転等が該当する。これに対して、高負荷運転とは、夏場の空調装置の起動時のように急速冷房を行う運転等が該当する。
流出側蒸発器17は、ディフューザ部16dから流出した冷媒と送風ファン17aより送風された室内送風空気とを熱交換させることによって、冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。送風ファン17aは、空調制御装置から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動式送風機である。
流出側蒸発器17の出口側には、後述する膨張機20から出力される機械的エネルギを駆動源とする補助圧縮機構18の冷媒吸入口が接続されている。本実施形態では、補助圧縮機構18として、スクロール型、ベーン型等の回転式の圧縮機構を採用しており、補助圧縮機構18の回転軸を後述する膨張機20の回転軸に直結している。さらに、補助圧縮機構18の冷媒吐出口には、圧縮機11の冷媒吸入口が接続されている。
次に、分岐部13にて分岐された他方の冷媒が流れる吸引口側配管14bには、固定絞り19、膨張機20および吸引側蒸発器21が、冷媒流れの上流側からこの順で配置されている。固定絞り19は、吸引口側配管14bを流れる冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。この固定絞り19としては、キャピラリチューブ、オリフィス等を採用することができる。
膨張機20は、固定絞り19から流出した冷媒を体積膨張させて減圧させるとともに、冷媒の圧力エネルギを機械的エネルギに変換して出力するものである。このような膨張機20としては、具体的に、スクロール型、ベーン型、ローリングピストン型といった容積型圧縮機構を採用できる。
そして、容積型圧縮機構を圧縮機構として用いる場合の冷媒流れに対して逆流させるように冷媒を流すことで、機械的エネルギを出力することができる。さらに、本実施形態膨張機20では、回転式の容積型圧縮機構を採用しており、機械的エネルギとして回転エネルギを出力する。
また、本実施形態の膨張機20では、通常運転時に対して空調負荷が高い高負荷運転時に前述の式F2で定義される膨張効率ηexが最大となるように、各諸元が決定されている。以下の説明では、膨張効率ηexが最大となる際に圧縮機11から吐出される冷媒流量(循環冷媒流量)を第2冷媒流量G2と記載する。従って、本実施形態の第1冷媒流量G1は、第2冷媒流量G2よりも少ない。
吸引側蒸発器21は、固定絞り19および膨張機20にて減圧膨張された冷媒と、送風ファン17aから送風された流出側蒸発器17通過後の室内送風空気とを熱交換させることによって、冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。吸引側蒸発器21の出口側には、エジェクタ16の冷媒吸引口16bが接続されている。
なお、本実施形態では、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21をフィンアンドチューブ構造の熱交換器で構成し、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21の熱交換フィンを共通化している。そして、エジェクタ16から流出した冷媒を流通させるチューブ構成と膨張機20から流出した冷媒を流通させるチューブ構成とを互いに独立に設けることで、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21を一体構造に構成している。
そのため、上述の送風ファン17aにて送風された空気は、矢印100のように流れ、まず、流出側蒸発器17にて冷却され、次に吸引側蒸発器21にて冷却されるようになっている。すなわち、流出側蒸発器17と吸引側蒸発器21にて同一の冷却対象空間(室内)に送風される室内送風空気を冷却するようになっている。
図示しない空調制御装置は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。この空調制御装置は、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って、上述の各種電気式のアクチュエータ11b、12a、15、17a等の作動を制御する。
また、空調制御装置には、外気温を検出する外気温センサ、室内温度を検出する内気温センサ等の図示しない各種センサ群の検出信号や、空調装置を作動させる作動スイッチ等が設けられた図示しない操作パネルの操作信号が入力される。
次に、上記構成における本実施形態の作動を説明する。操作パネルの作動スイッチが投入されると、空調制御装置が、上述の各種センサ群の検出信号を読み込み、各種アクチュエータ11b、12a、15、17a等の制御状態を決定し、決定した制御状態が得られるように各種アクチュエータに対して制御信号を出力する。
これにより、圧縮機11が冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。圧縮機11から吐出された高温高圧状態の気相冷媒は放熱器12へ流入し、冷却ファン12aから送風された送風空気(外気)と熱交換して冷却されて凝縮する。放熱器12から流出した高圧冷媒は、レシーバ12bに流入して気液分離される。
レシーバ12bで分離された液相冷媒は、分岐部13へ流入して、ノズル部側配管14aへ流入する冷媒流れと吸引口側配管14bへ流入する冷媒流れとに分流される。この際、ノズル部側配管14aへ流入するノズル部側冷媒流量Gnozと吸引口側配管14bへ流入する膨張手段側冷媒流量Geとの流量比Ge/Gnozは、電気式膨張弁15の弁機構の開度(絞り通路面積)によって決定される。
本実施形態では、空調制御装置が、圧縮機11の電動モータ11bの回転数の増加に伴って、すなわち、圧縮機11から吐出される冷媒流量の増加に伴って、電気式膨張弁15の弁機構の開度を減少させて、膨張手段側冷媒流量Geを増加させるように流量比Ge/Gnozを調整する。さらに、この流量比調整は、流出側蒸発器17出口側冷媒の過熱度が予め定めた過熱度帯に入る範囲で行われる。
エジェクタ16に流入した冷媒は、ノズル部16aで等エントロピ的に減圧膨張される。そして、この減圧膨張時に冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換され、ノズル部16aの冷媒噴射口から冷媒が高速度の冷媒流となって噴射される。この噴射冷媒の吸引作用により、冷媒吸引口16bから吸引側蒸発器21流出冷媒が吸引される。
ノズル部16aから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口16bより吸引された吸引冷媒は、ノズル部16a下流側の混合部16cにて混合されて、ディフューザ部16dへ流入する。ディフューザ部16dでは、冷媒通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されて冷媒の圧力が上昇する。
ディフューザ部16dから流出した冷媒は、流出側蒸発器17に流入する。流出側蒸発器17では、流入した低圧冷媒が送風ファン17aから送風された室内送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、室内送風空気が冷却される。そして、流出側蒸発器17から流出した気相冷媒は、補助圧縮機構18に吸入されて昇圧される。補助圧縮機構18から吐出された冷媒は、圧縮機11に吸入されて、さらに圧縮される。
一方、吸引口側配管14bに流入した冷媒流れは、固定絞り19で等エンタルピ的に減圧膨張されて、膨張機20へ流入する。膨張機20へ流入した冷媒は、その体積を拡大させることで膨張機20の回転軸を回転させながら圧力を低下させる。つまり、膨張機20では、冷媒の圧力エネルギが機械的エネルギ(回転エネルギ)に変換される。
膨張機20から流出した低圧冷媒は、吸引側蒸発器21へ流入し、送風ファン17aから送風された流出側蒸発器17通過後の室内送風空気から吸熱して蒸発する。これにより、室内送風空気が、さらに冷却されて室内へ送風される。そして、吸引側蒸発器21から流出した冷媒は、冷媒吸引口16bからエジェクタ16内へ吸引される。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10は、上記の如く作動するので、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21の双方で、異なる温度帯で冷凍能力を発揮させることができるだけでなく、以下のような優れた効果を発揮できる。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10では、流出側蒸発器17から流出した冷媒を、補助圧縮機構18にて昇圧させて圧縮機11へ吸入させるので、従来技術のように、ディフューザ部16dのみで冷媒を昇圧させる場合よりも、圧縮機11吸入冷媒の圧力を上昇させて、圧縮機11の駆動動力を大幅に低減できる。
この際、補助圧縮機構18は、吸引口側配管14bを流れる冷媒が減圧膨張する際に膨張機20が回収したエネルギを駆動源としているので、補助圧縮機構18に、サイクルの外部から駆動力を供給する必要がない。その結果、エジェクタ式冷凍サイクルのCOPを効果的に向上させることができる。
つまり、本実施形態では、分岐部13から吸引口側配管14bへ流入した冷媒の減圧膨張時のエネルギ損失を膨張機20で機械的エネルギとして回収し、回収した機械的エネルギによって圧縮機11の駆動動力を低減させることによって、サイクルにて損失していたエネルギを有効に活用することができる。
ここで、本実施形態のように、膨張機20として回転式の容積型圧縮機構を採用する場合、膨張機20の回転軸の回転数の変化に伴って、膨張する冷媒の量が変化するので、膨張機20から流出した冷媒の圧力も変化する。このため、吸引側蒸発器21へ流入する冷媒の圧力を十分に低下させることができないことがある。
これに対して、本実施形態では、吸引口側配管14bに固定絞り19を配置しているので、吸引側蒸発器21に流入する冷媒の圧力を所望の圧力まで減圧させることができる。その結果、吸引側蒸発器21における冷媒蒸発圧力を十分に低下させて、吸引側蒸発器21にて十分な冷却能力を発揮させることができる。
また、本実施形態では、エジェクタ16のエジェクタ効率ηejが最大となる際の第1冷媒流量G1が、膨張機20の膨張効率ηexが最大となる際の第2冷媒流量G2よりも小さくなっているので、低負荷運転時にエジェクタ16に高い効率を発揮させ、高負荷運転時に膨張手段20に高い効率を発揮させることができる。
さらに、流量比調整手段である電気式膨張弁15が、圧縮機11から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量Geを増加させるように流量比Ge/Gnozを調整するので、サイクルにて損失していたエネルギを効率的に回収することができる。
このことをより詳細に説明すると、一般的に、ノズル部側冷媒流量Gnozの変化に対するエジェクタ効率ηejの変化度合は、膨張手段側冷媒流量Geの変化に対する膨張効率ηexの変化度合よりも大きい。このため、流量比Ge/Gnozを変化させる際には、ノズル部側冷媒流量Gnozを変化させずに、膨張手段側冷媒流量Geを変化させる方が効率的なエネルギ回収ができる。
従って、本実施形態のように、低負荷運転時に高い効率を発揮できるエジェクタ16を採用する場合、圧縮機11から吐出される冷媒流量の増加に伴って、ノズル部側冷媒流量Gnozを変化させることなく、膨張手段側冷媒流量Geを増加させるように流量比Ge/Gnozを調整すれば、エジェクタ効率ηejを低下させることなく、膨張効率ηexを上昇させることができる。その結果、サイクルにて損失していたエネルギを効率的に回収することができる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、膨張機20が出力した機械的エネルギを補助圧縮機構18を駆動するために用いたが、本実施形態では、図2の全体構成図に示すように、補助圧縮機構18を廃止して、膨張機20が出力した機械的エネルギを発電機22にて電気エネルギに変換している。なお、図2では、第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。このことは、以下の図面においても同様である。
発電機22は、膨張機20が出力した機械的エネルギを電気エネルギに変換して出力するものである。具体的には、発電機22の回転軸が膨張機20の回転軸に直結されており、膨張機20が出力した機械的エネルギ(回転エネルギ)によって、発電機22の回転軸が直接回転駆動されて電気エネルギを出力する。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10を作動させると、分岐部13から吸引口側配管14bへ流入した冷媒の減圧膨張時に損失していたエネルギを膨張機20で機械的エネルギとして回収し、回収した機械的エネルギを電気エネルギに変換することによって、サイクルにて損失していたエネルギを有効に活用することができる。
さらに、本実施形態では、発電機22が出力した電気エネルギをバッテリに蓄えている。もちろん、この電気エネルギを、エジェクタ式冷凍サイクル10の電気式の各種アクチュエータ、あるいは、サイクル構成機器以外の外部の電気負荷に供給してもよい。
なお、本実施形態の発電機22は、サイクル内を循環する冷媒の流量、圧力、相状態を変化させるために直接寄与する機器ではないので、サイクル構成機器以外の外部機器に該当する。また、本実施形態の発電機22を、第1実施形態に適用して、膨張機20で回収したエネルギによって、圧縮機11の駆動動力を低減させると同時に、電気エネルギを発生させるようにしてもよい。
(第3実施形態)
本実施形態では、図3の全体構成図に示すように、第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10に対して、内部熱交換器23を追加した例を説明する。この内部熱交換器23は、高圧側冷媒流路23aを通過する放熱器12(具体的には、レシーバ12b)流出冷媒と低圧側冷媒流路23bと通過する圧縮機11吸入冷媒とを熱交換させて、放熱器12流出冷媒のエンタルピを低下させるものである。
より具体的には、高圧側冷媒流路23aには、レシーバ12bから流出した冷媒のうち分岐部13から吸引口側配管14b側へ流入した冷媒が通過し、低圧側冷媒流路23bには、圧縮機11へ吸入される冷媒のうち補助圧縮機構18上流側の冷媒が通過する。
このような内部熱交換器23の具体的構成としては、高圧側冷媒流路23aを形成する外側管の内側に低圧側冷媒流路23bを形成する内側管を配置する二重管方式の熱交換器構成や、高圧側冷媒流路23aと低圧側冷媒流路23bとを形成する冷媒配管同士をろう付け接合して熱交換させる構成等を採用できる。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10を作動させると、第1実施形態と同様の効果を得られるだけでなく、内部熱交換器23の作用によって、吸引側蒸発器21の出入口間のエンタルピ差を拡大させることができ、吸引側蒸発器21にて発揮できる冷凍能力を増大させることができる。
さらに、本実施形態では、分岐部13から吸引口側配管14b側へ流入した冷媒を高圧側冷媒流路23aに流入させるので、分岐部13からノズル部側配管14a側へ流入した冷媒のエンタルピは低下しない。
従って、エジェクタ16のノズル部16aで冷媒を等エントロピ的に膨張させる際のノズル部16a出入口間のエンタルピ差(前述の式F1のΔiに相当)を拡大して、エジェクタ16の回収エネルギ量を増大させることができる。これにより、エジェクタ16のディフューザ部16dにおける昇圧量を増大させて、より一層、エジェクタ式冷凍サイクル10のCOPを向上できる。
もちろん、高圧側冷媒流路23aに、放熱器12(具体的には、レシーバ12b)から流出した冷媒のうち分岐部13上流側の冷媒を通過させてもよい。これによれば、吸引側蒸発器21のみならず、流出側蒸発器17で発揮できる冷凍能力を増大させることもできる。
(第4実施形態)
本実施形態では、図4の全体構成図に示すように、第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10に対して、補助放熱器24を追加した例を説明する。
この補助放熱器24は、分岐部13から吸引口側配管14b側へ流入した飽和液相冷媒と冷却ファン24aにより送風される室外空気とを熱交換させることによって、冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器である。冷却ファン24aの基本的構成は、冷却ファン12aと同様である。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10を作動させると、第1実施形態と同様の効果を得られるだけでなく、補助放熱器24の作用によって、吸引側蒸発器21の入口側冷媒のエンタルピを低下させることができるので、第3実施形態と同様に、吸引側蒸発器21にて発揮できる冷凍能力を増大させることができる。
さらに、補助放熱器24では、分岐部13から吸引口側配管14b側へ流入した冷媒を過冷却するので、分岐部13からノズル部側配管14a側へ流入した冷媒のエンタルピを低下させることがない。その結果、第3実施形態と同様に、ディフューザ部16dにおける昇圧量を増大させて、より一層、エジェクタ式冷凍サイクル10のCOPを向上できる。
なお、本実施形態では、冷却ファン24aを設けているが、冷却ファン24aを廃止して、冷却ファン12aによって、放熱器12と補助放熱器24との双方へ外気を送風するようにしてもよい。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
(1)上述の各実施形態では、吸引口側配管14bのうち膨張機20の上流側に固定絞り19を設けた例を説明したが、固定絞り19の配置はこれに限定されない。例えば、膨張機20の下流側であって、吸引側蒸発器21の上流側に配置してもよい。さらに、膨張機20にて冷媒を十分に減圧させることができる場合は、固定絞り19を廃止してもよい。
(2)上述の各実施形態では、第1冷媒流量G1が、第2冷媒流量G2よりも小さくなるように、エジェクタ16および膨張機20の各諸元を決定した例を説明したが、第1冷媒流量G1が、第2冷媒流量G2よりも大きくなるように、エジェクタ16および膨張機20の各諸元を決定してもよい。これによれば、高負荷運転時にエジェクタ16に高い効率を発揮させ、低負荷運転時に膨張手段20に高い効率を発揮させることができる。
さらに、サイクルの冷媒循環流量が増加する際に、エジェクタ16に高い効率を発揮させるので、高い加工精度が要求されるノズル部16aの冷媒通路断面積を拡大することができる。その結果、ノズル部16aの加工が容易となり、エジェクタ16の製造コストを低減できる。
(3)上述の各実施形態では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用した例を説明したが、冷媒の種類はこれに限定されない。例えば、炭化水素系冷媒、二酸化炭素等を採用してもよい。さらに、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルとして構成してもよい。
(4)上述の各実施形態では、圧縮機11として、電動圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機11の形式はこれに限定されない。例えば、エンジン等を駆動源とするエンジン駆動式圧縮機を採用してもよい。また、圧縮機構として、固定容量型圧縮機構のみならず、可変容量型圧縮機構を採用してもよい。
(5)上述の各実施形態では、電気式膨張機15によって流量比調整手段を構成した例を説明したが、流量比調整手段はこれに限定されない。例えば、分岐部13を三方流量調整弁で構成して、流量比Ge/Gnozを調整してもよいし、吸引口側配管14bに流量調整弁を配置してもよい。
(6)上述の各実施形態では、膨張機20の回転軸と補助圧縮機構18の回転軸とを直結、あるいは、膨張機20の回転軸と発電機22の回転軸を直結した例を説明したが、もちろん、変速手段を介して接続してもよいし、電磁クラッチを介して断続的に接続するようにしてもよい。
(7)上述の各実施形態では、本発明のエジェクタ式冷凍サイクル10を定置型の空調装置に適用した例を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、車両用空調装置等に適用してもよい。また、熱交換対象流体である水を加熱する給湯装置等の定置用の冷凍サイクル装置に適用してもよい。
(8)上述の実施形態では、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21によって同一の空調対象空間(冷却対象空間)を冷却しているが、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21によって異なる空調対象空間(冷却対象空間)を冷却するようにしてもよい。また、流出側蒸発器17を廃止して、吸引側蒸発器21のみで冷凍能力を発揮させるようにしてもよい。
(9)上述の第2実施形態では、外部機器として発電機22を採用した例を説明したが、外部機器としてフライホイールを採用して、膨張機20から出力された機械的エネルギを運動エネルギとして蓄えてもよい。また、外部機器として発条装置(ぜんまいばね)を採用すれば、膨張機20から出力された機械的エネルギを弾性エネルギとして蓄えることもできる。
(10)上述の各実施形態では、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21を利用側熱交換器として構成し、放熱器12を大気側へ放熱する室外熱交換器として構成しているが、逆に、流出側蒸発器17および吸引側蒸発器21を大気等の熱源から吸熱する室外側熱交換器として構成し、放熱器12を空気あるいは水等の被加熱冷媒を加熱する利用側熱交換器として構成するヒートポンプサイクルとしてもよい。
第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第2実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第3実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第4実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。
符号の説明
11 圧縮機
12 放熱器
13 分岐部
15 電気式膨張弁
16 エジェクタ
16a ノズル部
16b 冷媒吸引口
16d ディフューザ部
17 流出側蒸発器
18 補助圧縮機構
19 固定絞り
20 膨張機
21 吸引側蒸発器
22 発電機
23 内部熱交換器
24 補助放熱器

Claims (10)

  1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、
    前記圧縮機(11)から吐出された高温高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、
    前記放熱器(12)から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部(13)と、
    前記分岐部(13)にて分岐された一方の冷媒を減圧膨張させるノズル部(16a)から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒を冷媒吸引口(16b)から吸引して、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口(16b)から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部(16d)にて昇圧するエジェクタ(16)と、
    前記分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を膨張させることにより機械的エネルギを出力する膨張手段(20)と、
    前記膨張手段(20)から流出した冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(16b)上流側に流出する吸引側蒸発器(21)とを備え、
    前記エジェクタ(16)のエジェクタ効率(ηej)が最大となる際に前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第1冷媒流量(G1)とし、前記膨張手段(20)の膨張効率(ηex)が最大となる際に前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第2冷媒流量(G2)としたときに、前記第1冷媒流量(G1)は前記第2冷媒流量(G2)よりも小さくなっており、
    さらに、前記分岐部(13)から前記ノズル部(16a)側へ流入するノズル部側冷媒流量(Gnoz)と、前記分岐部(13)から前記膨張手段(20)側へ流入する膨張手段側冷媒流量(Ge)との流量比(Ge/Gnoz)を調整する流量比調整手段(15)を備え、
    前記流量比調整手段(15)は、前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように前記流量比(Ge/Gnoz)を調整することを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
  2. 前記分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる減圧手段(19)を備えることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  3. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(11)と、
    前記圧縮機(11)から吐出された高温高圧冷媒を放熱させる放熱器(12)と、
    前記放熱器(12)から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部(13)と、
    前記分岐部(13)にて分岐された一方の冷媒を減圧膨張させるノズル部(16a)から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒を冷媒吸引口(16b)から吸引して、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口(16b)から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部(16d)にて昇圧するエジェクタ(16)と、
    前記分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を減圧膨張させる減圧手段(19)と、
    前記分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を膨張させることにより機械的エネルギを出力する膨張手段(20)と、
    前記減圧手段(19)および前記膨張手段(20)を通過した前記他方の冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(16b)上流側に流出する吸引側蒸発器(21)とを備え、
    前記エジェクタ(16)のエジェクタ効率(ηej)が最大となる際に前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第1冷媒流量(G1)とし、前記膨張手段(20)の膨張効率(ηex)が最大となる際に前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量を第2冷媒流量(G2)としたときに、前記第1冷媒流量(G1)と前記第2冷媒流量(G2)が異なっており、
    さらに、前記分岐部(13)から前記ノズル部(16a)側へ流入するノズル部側冷媒流量(Gnoz)と、前記分岐部(13)から前記膨張手段(20)側へ流入する膨張手段側冷媒流量(Ge)との流量比(Ge/Gnoz)を調整する流量比調整手段(15)を備え、
    前記流量比調整手段(15)は、前記圧縮機(11)から吐出される冷媒流量の増加に伴って、前記膨張手段側冷媒流量(Ge)を増加させるように前記流量比(Ge/Gnoz)を調整することを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
  4. 前記第1冷媒流量(G1)は、前記第2冷媒流量(G2)よりも、小さいことを特徴とする請求項3に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  5. 前記第1冷媒流量(G1)は、前記第2冷媒流量(G2)よりも、大きいことを特徴とする請求項3に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  6. 前記エジェクタ(16)から流出した冷媒を蒸発させる流出側蒸発器(17)を備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  7. 前記膨張手段(20)が出力した機械的エネルギを駆動源として、冷媒を圧縮して吐出する補助圧縮機構(18)を備えることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  8. 前記膨張手段(20)が出力した機械的エネルギを、サイクルを構成するサイクル構成機器以外の外部機器(22)に供給することを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  9. 前記放熱器(12)から流出した冷媒と前記圧縮機(11)へ吸入される冷媒とを熱交換させる内部熱交換器(23)を備えることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  10. 前記分岐部(13)にて分岐された他方の冷媒を、前記膨張手段(20)の上流側で、さらに放熱させる補助放熱器(24)を備えることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
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