JP6102701B2

JP6102701B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP6102701B2
Application number: JP2013247339A
Authority: JP
Inventors: 松原　恵子; 恵子松原
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015105772A

Description

本発明は、冷媒減圧手段の役割および冷媒循環手段の役割を果たすエジェクタと、複数の蒸発器とを有する冷凍サイクル装置に関するものである。

エジェクタと複数の蒸発器を有する冷凍サイクル装置は、特許文献１などで知られている。特許文献１の冷凍サイクル装置は、車内用と冷蔵庫用に２つの蒸発器を備えており、圧縮機、ガスクーラー、エジェクタ、車内用蒸発器を順に繋いで冷媒が循環する冷媒循環経路と、エジェクタと車内用蒸発器の間から分岐させた冷媒が冷蔵庫用蒸発器を介してエジェクタの吸引部に導かれ吸引される分岐流路が設けられている。車内用蒸発器では、エジェクタから吐出される冷媒と車室内の空気とが熱交換されている。また、冷蔵庫用蒸発器では、エジェクタの吸引部に吸込まれる冷媒と冷蔵庫内の空気とが熱交換されている。

また、近年の冷蔵庫では、冷蔵庫内の温度が設定温度に達すると、冷蔵庫内の物の出し入れを行なわない限り、冷蔵庫内の温度が設定温度から大きく離れることはないため、冷蔵庫用蒸発器での熱交換量は少なくて済む。

特開２００７−１４７１９８号公報

しかし、特許文献１に係る冷凍サイクル装置では、冷蔵庫内の温度が設定温度に達した場合、冷蔵庫用蒸発器で冷媒が十分に熱交換されず、２相状態でエジェクタの吸引部に吸引され、エジェクタの混合部で噴射流体と均質な状態で混合できなくなり、エジェクタの効率が十分に発揮できなくなる問題があった。

また、この問題を回避するために、分岐流路内に設けられている膨張弁を絞ることで、冷蔵庫用蒸発器を流れる冷媒流量を減らして、冷蔵庫用蒸発器での熱交換量を減らす方法も考えられるが、この方法を用いるとエジェクタの吸引部に吸引される冷媒量が減るため、エジェクタから吐出される冷媒量も減少することになり、車内用蒸発器が必要とする冷媒流量を確保できないおそれがあった。また、エジェクタの吸引部に吸引される冷媒量が減ることで、エジェクタの効率が悪くなり、冷凍サイクル装置のＣＯＰも悪くなる問題もあった。これは、エジェクタの効率が悪くなり圧縮機に吸入される冷媒の圧力を上昇させることが出来なくなるため、圧縮機が吸入する冷媒を圧縮するための負荷が増える。よって、圧縮機の消費電力が増えて、冷凍サイクル装置のＣＯＰが悪くなる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、冷蔵庫内の温度が設定温度で安定している場合でも、エジェクタに吸引される冷媒を気相冷媒に変化させることを目的とする。

そこで、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、ノズル部と吸引部と混合部とディフューザ部を備えるエジェクタと、第１蒸発器と、第２蒸発器と、放熱器に近接して配置された補助熱交換器と、第１開閉弁と、第２開閉弁とを有する冷凍サイクル装置であって、圧縮機と放熱器とエジェクタのノズル部とエジェクタのディフューザ部と第１蒸発器とを冷媒配管で順次接続した第１冷媒流路と、第１冷媒流路上に設けられ、放熱器とエジェクタのノズル部との間に流れる冷媒の一部を分岐させる第１分岐部と、第１分岐部と第１開閉弁と第２蒸発器とエジェクタの吸引部とを冷媒配管で順次接続した第１分岐流路と、第１分岐流路上に設けられ、第１分岐部と第１開閉弁との間に流れる冷媒の一部を分岐させる第２分岐部と、第２分岐部と補助熱交換器とを冷媒配管で順次接続させ、第１開閉弁と第２蒸発器との間にある冷媒流路に合流させる第２分岐流路とを有する。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、冷蔵庫内の温度が設定温度で安定している場合でも、エジェクタの吸引部から吸引される冷媒を気相冷媒にすることができる。

本発明に係る第１実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。本発明に係る第２実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態の冷凍サイクル装置１００を示す図である。なお、本実施形態は、本発明におけるエジェクタ１３０を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を、二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒とする車両用空調装置に適用したものとして説明する。

圧縮機１１０は冷媒を吸入し圧縮するものである。また、放熱器である第１ガスクーラー１２０と第２ガスクーラー１２１は、圧縮機１１０から吐出した冷媒と、送風機１２０ａ、１２１ａから送風される車室外の空気とを熱交換させて、冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。

エジェクタ１３０は、第２ガスクーラー１２１から流出する冷媒を減圧膨張させ、後述する第２蒸発器１４０で蒸発した気相冷媒を吸引部１３２から吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、第２蒸発器１４０は、エジェクタ１３０に吸引される冷媒と冷蔵庫内の空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させて冷蔵庫内を冷却する低圧側熱交換器である。

このエジェクタ１３０の冷媒流れの下流側には気液分離器１５０が接続され、エジェクタ１３０から吐出された冷媒を液相冷媒と、気相冷媒とに分離する。分離された液相冷媒は、第１蒸発器１６０に流通され、蒸発して冷蔵庫内を冷却した後に気相冷媒となり、圧縮機１１０へ吸入される。以上の構成から第１冷媒流路５０３を形成している。また、気液分離器１５０で分離された気相冷媒は第１蒸発器１６０をバイパスして第４分岐部４０４で第１冷媒流路と合流させ圧縮機１１０へ吸入させる第２冷媒流路５０４を形成している。なお、第１蒸発器１６０は、エジェクタ１３０から吐出される冷媒と車室内に吹き出す空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。

また、第１冷媒流路５０３において、第２ガスクーラー１２１とエジェクタ１３０の後述するノズル部１３１の入口１３１ａとの間にある第１分岐部４０１で分岐させた冷媒流れをエジェクタ１３０の吸引部１３２に導く第１分岐流路５０１を設けるとともに、この第１分岐流路５０１には、冷蔵庫内の空気と液相冷媒とを熱交換させ、液相冷媒を蒸発させて冷蔵庫内を冷却する低圧側熱交換器としての第２蒸発器１４０を設けている。

また、この第２蒸発器１４０の冷媒流れの上流側には、第２蒸発器１４０に供給される冷媒を減圧すると共に、第２蒸発器１４０に流入する冷媒流量を調節する第１絞り手段１７１を設けている。

さらに、第１分岐流路５０１において、第１絞り手段１７１と第２蒸発器１４０との間にある第２分岐部４０２で分岐された冷媒流れを第１ガスクーラー１２０に隣接する補助熱交換器２００に導く第２分岐流路５０２を設けるとともに、補助熱交換器２００で第１ガスクーラー１２０から放熱される熱と液相冷媒とを熱交換させて、液相冷媒を蒸発させている。補助熱交換器２００を通過した冷媒は第３分岐部４０３で合流させて第１分岐流路５０１に戻される。また、第２分岐流路５０２に冷媒を流すか否かを切り替えるための第１開閉弁３０１、第２開閉弁３０２が、第２分岐流路へ分岐する第２分岐部４０２と下流側で接続される二つの冷媒配管それぞれに設けられている。

エジェクタ１３０は、ノズル部１３１とノズル部１３１の入口１３１ａと吸引部１３２と混合部１３３とディフューザ部１３４とディフューザ部１３４の出口１３４ａから構成され、第２ガスクーラー１２１から流出する冷媒を減圧膨張させ、第２蒸発器１４０から流出する気相冷媒を吸引部１３２から吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１０の吸入圧を上昇させるものである。本実施形態におけるエジェクタ１３０は、ノズル部１３１が第２絞り手段１７２を介して第２ガスクーラー１２１と接続され、吸引部１３２が第２蒸発器１４０と接続され、ディフューザ部１３４が後述する気液分離器１５０を介して第１蒸発器１６０と接続されている。なお、第１分岐部４０１と第２分岐部４０２と第３分岐部４０３と第４分岐部４０４は冷媒配管に接続された分流器を用いれば良い。

エジェクタ１３０の各構成について説明する。ノズル部１３１は、第２ガスクーラー１２１から流出した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減圧膨張させるものである。吸引部１３２は、後述する第２蒸発器１４０で蒸発した気相冷媒をエジェクタ１３０内に吸引するものである。混合部１３３は、ノズル部１３１から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により吸引部１３２から冷媒を吸引しながらノズル部１３１から噴射する冷媒と第２蒸発器１４０から吸引した冷媒とを混合させるものである。ディフューザ部１３４は、冷媒出口側に向かうほど通路断面積が拡大するように円錐テーパ状に形成され、混合部１３３から流出する冷媒の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。

次に、上記構成のエジェクタ１３０を用いた冷凍サイクル装置の動作について説明する。
まず初めに、第１蒸発器１６０のある車室内と第２蒸発器１４０のある冷蔵庫がともに設定温度に向けて、温度調整している場合について説明する。この場合、第２分岐流路５０２に冷媒が流れないように、第１開閉弁３０１を開き、第２開閉弁３０２を閉じる。

圧縮機１１０が起動すると、圧縮機１１０は吸入側から気相冷媒を吸入し、圧縮した後第１ガスクーラー１２０に吐出する。圧縮機１１０から吐出された冷媒は第１ガスクーラー１２０、第２ガスクーラー１２１を順に通過することで冷却され、第２絞り手段１７２で減圧される。減圧された冷媒は、第１分岐部４０１で、エジェクタ１３０のノズル部１３１の入口１３１ａに流入する駆動流と、第１絞り手段１７１を経由して第２蒸発器１４０を経由する吸引流とに分岐される。

吸引流側の冷媒は、第１絞り手段１７１で減圧された後に第２蒸発器１４０に流入し、冷蔵庫内の空気から吸熱して蒸発した後、エジェクタ１３０の吸引部１３２から吸引される。一方、ノズル部１３１の入口１３１ａに流入する駆動流側の冷媒は、ノズル部１３１により減圧膨張して吸引部１３２から第２蒸発器１４０で蒸発した冷媒を吸引する。

そして、吸引部１３２から吸引された吸引流側の冷媒と、ノズル部１３１の出口１３１ｂから吹き出される駆動流側の冷媒とを混合部１３３で混合しながらディフューザ部１３４でその動圧が静圧に変換されて気液分離器１５０側に吐出される。このとき、混合部１３３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されるので、混合部１３３においても冷媒の圧力が上昇する。

ディフューザ部１３４で、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ーを圧力エネルギーに変換するので、冷媒の圧力はさらに昇圧される。

気液分離器１５０内に流入した冷媒は液相冷媒と気相冷媒とに分離されるとともに、液相冷媒は第１蒸発器１６０に供給され、車室内に吹き出す空気から吸熱することで蒸発して気相冷媒となり、圧縮機１１０に吸引される。一方、気液分離器１５０で分離された気相冷媒は、膨張弁１７０によって減圧された後、圧縮機１１０に吸引される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

この動作により、車室内と冷蔵庫の両方を温度調整することが出来る。

次に、第２蒸発器１４０のある冷蔵庫が設定温度に達し、第２蒸発器１４０のある冷蔵庫内の温度を維持する場合について説明する。この場合、第２分岐流路５０２に冷媒が流れるように、第２開閉弁３０２を開き、第１開閉弁３０１を閉じる。

圧縮機１１０は吸入側から気相冷媒を吸入し、圧縮した後第１ガスクーラー１２０、第２ガスクーラー１２１に吐出する。第１ガスクーラー１２０、第２ガスクーラー１２１で冷却された冷媒は、第１分岐部４０１で、エジェクタ１３０のノズル部１３１の入口１３１ａに流入する駆動流と、第１絞り手段１７１を通過して補助熱交換器２００および第２蒸発器１４０を経由して吸引部１３２に吸引される吸引流とに分岐される。

吸引流側の冷媒は、第１絞り手段１７１と第２絞り手段１７２で減圧された後に第２分岐流路５０２に流入し、補助熱交換器２００に流入し第１ガスクーラー１２０から放熱される熱を吸熱して加熱された後、第１分岐流路５０１に戻され、第２蒸発器１４０に流入し、冷蔵庫内の空気から吸熱して蒸発した後、エジェクタ１３０の吸引部１３２から吸引される。一方、ノズル部１３１に流入した駆動流側の冷媒は、ノズル部１３１により減圧膨張して吸引部１３２から第２蒸発器１４０で蒸発した冷媒を吸引する。

ディフューザ部１３４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ーを圧力エネルギーに変換するので、冷媒の圧力はさらに昇圧される。

気液分離器１５０内に流入した冷媒は液相冷媒と気相冷媒とに分離されるとともに、液相冷媒は第１蒸発器１６０に供給され、車室内の空気から吸熱して蒸発して気相冷媒となり、圧縮機１１０に吸引される。一方、気液分離器１５０で分離された気相冷媒は、膨張弁１７０によって減圧された後、圧縮機１１０に吸引される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

冷蔵庫の庫内温度が設定温度に達すると、冷蔵庫はその温度を維持する。この時、第２蒸発器１４０を流れる冷媒の熱交換量が低下するため、庫内温度を下げるときと同じ流量の冷媒を第２蒸発器１４０に流すと熱交換量が不足し、第２蒸発器１４０で冷媒が蒸発しきれなくなる。この結果、エジェクタ１３０の吸引部１３２から吸引される冷媒が２相状態となり、エジェクタ１３０の効率が低下する。これに対して本実施例の動作により、補助熱交換器２００で第２蒸発器１４０に流入する前の冷媒を予め加熱して、第１分岐流路５０１の第２蒸発器１４０の流入口１４０ａ前に戻すことにより、第２蒸発器１４０での熱交換量の不足を補うことが出来る。これにより、エジェクタ１３０の吸引部１３２に２相冷媒が吸引されることを防ぐことができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明に係る第２実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。なお、第１実施形態と共通する箇所の説明は省略する。

第１分岐流路５０１にある第１絞り手段１７１の冷媒流れの下流側に第２気液分離器６１０が接続され、第２気液分離器６１０で分離された気相冷媒はエジェクタ１３０の吸引部１３２に吸引され、第２気液分離器６１０で分離された液相冷媒は第１分岐流路５０１を通過して、第２蒸発器１４０または補助熱交換器２００を通過して蒸発し、蒸発した気相冷媒がエジェクタ１３０の吸引部１３２に吸引される。また、第２分岐流路５０２に冷媒を流すか否かを切り替えるための第１開閉弁６０１、第２開閉弁６０２が、第２分岐部４０２と下流側で接続される二つの冷媒配管それぞれに設けられている。

上記構成のエジェクタ１３０を用いた冷凍サイクル装置の動作について説明する。初めに、第１蒸発器１６０のある車室と第２蒸発器１４０のある冷蔵庫がともに設定温度に向けて、温度調整している場合について説明する。この場合、第１開閉弁６０１を開けて、第２開閉弁６０２を閉じることで、第２気液分離器６１０によって分離された液相冷媒だけが第２蒸発器１４０に流れるため、液相冷媒が気相冷媒に変化し易くなり、第２蒸発器１４０の熱交換効率が良くなる。

次に、第２蒸発器１４０のある冷蔵庫が設定温度に達し、第２蒸発器１４０のある冷蔵庫内の温度を維持する場合について説明する。この場合、第２開閉弁６０２を開き、第１開閉弁６０１を閉じることで、第２気液分離器６１０によって分離された液相冷媒が補助熱交換器２００で加熱した後、第１分岐流路５０１の第２蒸発器１４０の流入口１４０ａ前に戻されることにより、第２蒸発器１４０での熱交換量の不足を補うことが出来る。これにより、エジェクタ１３０の吸引部１３２に２相冷媒が吸引されることを防ぐことができる。

１００冷凍サイクル装置
１１０圧縮機
１２０第１ガスクーラー
１２１第２ガスクーラー
１３０エジェクタ
１４０第２蒸発器
１５０気液分離器
１６０第１蒸発器
１７０膨張弁
１７１第１絞り手段
１７２第２絞り手段
２００補助熱交換器
３０１第１開閉弁
３０２第２開閉弁
４０１第１分岐部
４０２第２分岐部
５０１第１分岐流路
５０２第２分岐流路
５０３第１冷媒流路
５０４第２冷媒流路
６０１第１開閉弁
６０２第２開閉弁
６１０第２気液分離器

Claims

圧縮機と、放熱器と、ノズル部と吸引部と混合部とディフューザ部を備えるエジェクタと、第１蒸発器と、第２蒸発器と、前記放熱器に近接して配置された補助熱交換器と、第１開閉弁と、第２開閉弁とを有する冷凍サイクル装置であって、
前記圧縮機と前記放熱器と前記エジェクタのノズル部と前記エジェクタのディフューザ部と前記第１蒸発器とを冷媒配管で順次接続した第１冷媒流路と、
前記第１冷媒流路上に設けられ、前記放熱器と前記エジェクタのノズル部との間に流れる冷媒の一部を分岐させる第１分岐部と、
前記第１分岐部と前記第１開閉弁と前記第２蒸発器と前記エジェクタの吸引部とを冷媒配管で順次接続した第１分岐流路と、
前記第１分岐流路上に設けられ、前記第１分岐部と前記第１開閉弁との間に流れる冷媒の一部を分岐させる第２分岐部と、
前記第２分岐部と前記補助熱交換器とを冷媒配管で順次接続させ、前記第１開閉弁と前記第２蒸発器との間にある冷媒流路に合流させる第２分岐流路とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。