JP6327088B2 - エジェクタ式冷凍サイクル - Google Patents

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Description

本発明は、内部熱交換器を備えるエジェクタ式冷凍サイクルに関する。
従来、冷媒減圧手段としてエジェクタを備える蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であるエジェクタ式冷凍サイクルが知られている。
この種のエジェクタ式冷凍サイクルでは、エジェクタの昇圧作用によって、蒸発器における冷媒蒸発圧力と圧縮機へ吸入される吸入冷媒の圧力が略同等となる通常の冷凍サイクル装置よりも、吸入冷媒の圧力を上昇させることができる。これにより、エジェクタ式冷凍サイクルでは、圧縮機の消費動力を低減させて、サイクルの成績係数(COP)の向上を狙うことができる。
また、冷凍サイクル装置のCOPを向上させる手段として、内部熱交換器を追加する手段が知られている。内部熱交換器は、サイクルの高圧側冷媒と低圧側冷媒とを熱交換させて、蒸発器の入口側冷媒のエンタルピを低下させる。従って、内部熱交換器を備える冷凍サイクル装置では、蒸発器の出口側冷媒のエンタルピと入口側冷媒のエンタルピとのエンタルピ差(冷凍能力)を拡大させて、COPを向上させることができる。
さらに、内部熱交換器は、特許文献1に開示されているように、エジェクタ式冷凍サイクルに適用することもできる。
特開2002−349977号公報
ところで、内部熱交換器を備えるエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、高圧側冷媒の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すると、エジェクタのノズル部に内部熱交換器で冷却された過冷却液相冷媒が流入する。
ところが、エジェクタ式冷凍サイクルに適用される一般的なエジェクタでは、ノズル部に過冷却液相冷媒を流入させると、ノズル部における冷媒の沸騰遅れが生じやすくなり、エジェクタ効率が低下してしまいやすい。その結果、エジェクタの昇圧能力が低下してしまい、エジェクタ式冷凍サイクルを構成したことによるCOP向上効果を充分に得られなくなってしまう。なお、エジェクタ効率とは、エジェクタ全体としてのエネルギ変換効率である。
本発明は、上記点に鑑み、内部熱交換器を備えるエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、サイクルの成績係数(COP)を充分に向上させることを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、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)から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(12)と、放熱器(12)から流出した高圧側冷媒を、高圧側冷媒よりも低い圧力の低圧側冷媒と熱交換させて過冷却液相冷媒となるまで冷却する内部熱交換器(15)と、内部熱交換器(15)から流出した過冷却液相冷媒を減圧して噴射するノズル部(13a、20a)を有し、ノズル部(13a、20a)から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口(31b、20e)から冷媒を吸引し、噴射冷媒と冷媒吸引口(31b、20e)から吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させるエジェクタ(13、20)と、放熱器(12)下流側冷媒を減圧させる減圧手段(31i、22)と、減圧手段(22)にて減圧された冷媒を蒸発させて冷媒吸引口(31b、20e)側へ流出させる蒸発器(14)と、エジェクタ(13、20)から流出した冷媒の気液を分離する気液分離手段(30f、21)と、を備え、
気液分離手段(30f、21)の液相冷媒流出口には、減圧手段(31i、22)の入口側が接続されており、気液分離手段(30f、21)の気相冷媒流出口には、圧縮機(11)の吸入口側が接続されており、減圧手段(31i、22)は、気液分離手段(30f、21)の液相冷媒流出口と蒸発器(14)との間に設けられており、
さらに、ノズル部(13a、20a)へ流入する過冷却液相冷媒をノズル部(13a、20a)の軸周りに旋回させる旋回流発生手段(30a、20d)と、蒸発器(14)の上流側の冷媒を、蒸発器(14)を迂回させて、蒸発器(14)の下流側へ導くバイパス通路(24)と、を備え
低圧側冷媒は、バイパス通路(24)を流通する冷媒であるエジェクタ式冷凍サイクルを特徴とする。
これによれば、旋回流発生手段(30a、20d)を備えているので、ノズル部(13a、20a)へ流入する過冷却液相冷媒の中心側の冷媒圧力を、飽和液相冷媒となる圧力、あるいは、冷媒が減圧沸騰する(キャビテーションを生じる)圧力まで低下させることができる。従って、冷媒と旋回流発生手段(30a、20d)の壁面との摩擦による壁面沸騰、および気相冷媒と液相冷媒との気液界面における界面沸騰を促進することができる。
つまり、ノズル部(13a、20a)にて減圧される液相冷媒の沸騰を促進することができ、エジェクタ効率の低下を抑制することができる。その結果、本請求項に記載の発明によれば、内部熱交換器(15)を備えていても、エジェクタ(13、20)に充分な昇圧作用を発揮させて、サイクルの成績係数(COP)を充分に向上させることができる。
また、請求項2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)から吐出された冷媒を放熱させる放熱器(12)と、放熱器(12)から流出した高圧側冷媒を、高圧側冷媒よりも低い圧力の低圧側冷媒と熱交換させて過冷却液相冷媒となるまで冷却する内部熱交換器(15)と、内部熱交換器(15)から流出した過冷却液相冷媒の流れを分岐する分岐部(25)と、分岐部(25)の一方の冷媒流出口から流出した過冷却液相冷媒を減圧して噴射するノズル部(13a、20a)を有し、ノズル部(13a、20a)から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口(31b、20e)から冷媒を吸引し、噴射冷媒と冷媒吸引口(31b、20e)から吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させるエジェクタ(13、20)と、放熱器(12)下流側冷媒を減圧させる減圧手段(22)と、減圧手段(22)にて減圧された冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(31b、20e)側へ流出させる蒸発器(14)と、を備え、
減圧手段(22)は、分岐部(25)の他方の冷媒流出口と蒸発器(14)との間に設けられており、
さらに、ノズル部(13a、20a)へ流入する過冷却液相冷媒をノズル部(13a、20a)の軸周りに旋回させる旋回流発生手段(30a、20d)と、蒸発器(14)の上流側の冷媒を、蒸発器(14)を迂回させて、蒸発器(14)の下流側へ導くバイパス通路(24)と、を備え、
低圧側冷媒は、バイパス通路(24)を流通する冷媒であるエジェクタ式冷凍サイクルを特徴とする。
これによれば、請求項1に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
さらに、ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段(35、37、23)を備え、冷媒流量調整手段(35、37、23)が、蒸発器(14)出口側冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整してもよい。
このようなサイクル構成として、蒸発器(14)出口側冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整すれば、圧縮機(11)へ吸入される冷媒の温度等に影響を及ぼすことなく、蒸発器(14)にて充分な冷凍能力を発揮させることができる。
なお、この欄および特許請求の範囲で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実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 第2実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第3実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第4実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第5実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第5実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 冷媒の乾き度Xの変化に対する蒸発器の熱交換領域の熱伝達率λの変化を示すグラフである。 第6実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第6実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 第7実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第8実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第8実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。 第9実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第10実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。 第11実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの模式的な全体構成図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態のうち、を説明する。以下に説明する実施形態のうち、第7、第11実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第1〜第6実施形態および第8〜第10実施形態は、本発明の全体となる形態あるいは参考としての形態である。
(第1実施形態)
以下、図1、図2を用いて、本発明の第1実施形態を説明する。図1の全体構成図に示す本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10は、車両用空調装置に適用されており、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。従って、このエジェクタ式冷凍サイクル10の冷却対象流体は、送風空気である。
また、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HFC系冷媒(具体的には、R134a)を採用しており、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。もちろん、冷媒としてHFO系冷媒(具体的には、R1234yf)等を採用してもよい。さらに、冷媒には圧縮機11を潤滑するための冷凍機油が混入されており、冷凍機油の一部は冷媒とともにサイクルを循環している。
圧縮機11は、エジェクタ式冷凍サイクル10において、冷媒を吸入して高圧冷媒となるまで昇圧して吐出するものである。具体的には、本実施形態の圧縮機11は、1つのハウジング内に固定容量型の圧縮機構、および圧縮機構を駆動する電動モータを収容して構成された電動圧縮機である。
この圧縮機構としては、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。また、電動モータは、後述する制御装置50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のものを採用してもよい。
圧縮機11の吐出口には、放熱器12の凝縮部12aの冷媒入口側が接続されている。放熱器12は、圧縮機11から吐出された高圧側冷媒と冷却ファン12cにより送風される車室外空気(外気)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。
より具体的には、放熱器12は、圧縮機11から吐出された高圧気相冷媒と冷却ファン12cから送風された外気とを熱交換させ、高圧気相冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮部12aと、凝縮部12aから流出した冷媒の気液を分離して余剰液相冷媒を蓄えるレシーバ部12bとを有して構成される、いわゆるレシーバ一体型の凝縮器である。
冷却ファン12cは、制御装置50から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動送風機である。放熱器12の冷媒出口側には、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの入口側が接続されている。
内部熱交換器15は、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒と低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒とを熱交換させて、高圧側冷媒を過冷却液相冷媒となるまで冷却するものである。従って、本実施形態では、低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒の温度および圧力が、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒の温度および圧力よりも低くなっている。
より具体的には、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、エジェクタ13の気相冷媒流出口31dから流出して圧縮機11へ吸入される吸入冷媒である。
このような内部熱交換器15としては、高圧側冷媒通路15aを形成する外側管の内側に、低圧側冷媒通路15bを形成する内側管を配置した二重管方式の熱交換器等を採用することができる。内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの出口側には、エジェクタ13の冷媒流入口31a側が接続されている。
エジェクタ13は、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aから流出した過冷却液相冷媒を減圧させる冷媒減圧手段としての機能を果たすとともに、高速度で噴射される冷媒流の吸引作用によって後述する蒸発器14から流出した冷媒を吸引(輸送)して循環させる冷媒循環手段(冷媒輸送手段)としての機能も果たす。
さらに、本実施形態のエジェクタ13は、減圧させた冷媒の気液を分離する気液分離手段としての機能も果たす。つまり、本実施形態のエジェクタ13は、エジェクタと気液分離手段とを一体化(モジュール化)させた気液分離手段一体型エジェクタ(エジェクタモジュール)として構成されている。
なお、図1における上下の各矢印は、エジェクタ13を車両に搭載した状態における上下の各方向を示すものである。従って、他のサイクル構成機器を車両に搭載した状態における上下の各方向はこれに限定されない。
より具体的には、本実施形態のエジェクタ13は、図1に示すように、複数の構成部材を組み合わせることによって構成されたボデー30を備えている。ボデー30は、角柱状あるいは円柱状の金属もしくは樹脂にて形成されている。このボデー30には、複数の冷媒流入出口、および複数の内部空間等が形成されている。
ボデー30に形成された複数の冷媒流入出口としては、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aから流出した冷媒を内部へ流入させる冷媒流入口31a、蒸発器14から流出した冷媒を吸引する冷媒吸引口31b、ボデー30の内部に形成された気液分離空間30fにて分離された液相冷媒を蒸発器14の冷媒入口側へ流出させる液相冷媒流出口31c、および気液分離空間30fにて分離された気相冷媒を内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの入口側へ流出させる気相冷媒流出口31dが形成されている。
また、ボデー30の内部に形成された内部空間としては、冷媒流入口31aから流入した冷媒を旋回させる旋回空間30a、旋回空間30aから流出した冷媒を減圧させる減圧用空間30b、減圧用空間30bから流出した冷媒を流入させる昇圧用空間30e、昇圧用空間30eから流出した冷媒の気液を分離する気液分離空間30f等が形成されている。
旋回空間30aは、略円柱状の回転体形状に形成されている。なお、回転体形状とは、平面図形を同一平面上の1つの直線(中心軸)の周りに回転させた際に形成される立体形状である。
さらに、冷媒流入口31aと旋回空間30aとを接続する冷媒流入通路31fは、旋回空間30aの中心軸方向から見たときに旋回空間30aの内壁面の接線方向に延びている。これにより、冷媒流入通路31fから旋回空間30aへ流入した冷媒は、旋回空間30aの内壁面に沿って流れ、旋回空間30aの中心軸周りに旋回する。
ここで、旋回空間30a内で旋回する冷媒には遠心力が作用するので、旋回空間30a内では中心軸側の冷媒圧力が外周側の冷媒圧力よりも低下する。そこで、本実施形態では、エジェクタ式冷凍サイクル10の通常運転時に、旋回空間30a内の中心軸側の冷媒圧力を、飽和液相冷媒となる圧力、あるいは、冷媒が減圧沸騰する(キャビテーションを生じる)圧力まで低下させるようにしている。
このような旋回空間30a内の中心軸側の冷媒圧力の調整は、旋回空間30a内で旋回する冷媒の旋回流速を調整することによって実現することができる。さらに、旋回流速の調整は、例えば、冷媒流入通路31fの通路断面積と旋回空間30aの軸方向垂直断面積との面積比を調整すること等によって行うことができる。なお、本実施形態の旋回流速とは、旋回空間30aの最外周部近傍における冷媒の旋回方向の流速を意味している。
減圧用空間30bおよび昇圧用空間30eは、旋回空間30a側から気液分離空間30f側へ向かって徐々に拡大する略円錐台状の回転体形状に形成されている。気液分離空間30fは、昇圧用空間30eの下方側に配置されて、略円柱状の回転体形状に形成されている。これらの空間の中心軸はいずれも同軸上に配置されている。
さらに、ボデー30には、冷媒吸引口31bから吸引された冷媒を、減圧用空間30bの冷媒流れ下流側であって昇圧用空間30eの冷媒流れ上流側へ導く吸引用通路13bが形成されている。
また、減圧用空間30bおよび昇圧用空間30eの内部には、通路形成部材35が配置されている。通路形成部材35は、減圧用空間30bから離れるに伴って外周側に広がる略円錐形状に形成されており、通路形成部材35の中心軸も減圧用空間30b等の中心軸と同軸上に配置されている。
そして、ボデー30の減圧用空間30bおよび昇圧用空間30eを形成する部位の内周面と通路形成部材35の円錐状側面との間には、軸方向垂直断面の形状が円環状(円形状から同軸上に配置された小径の円形状を除いたドーナツ形状)の冷媒通路が形成されている。
この冷媒通路のうち、ボデー30の減圧用空間30bを形成する部位と通路形成部材35の円錐状側面の頂部側の部位との間に形成される冷媒通路は、冷媒流れ下流側に向かって通路断面積を小さく絞る形状に形成されている。この形状により、この冷媒通路は、冷媒を等エントロピ的に減圧させて噴射するノズル部として機能するノズル通路13aを構成している。
より具体的には、本実施形態のノズル通路13aは、ノズル通路13aの入口側から最小通路面積部へ向かって通路断面積を徐々に縮小させ、最小通路面積部からノズル通路13aの出口側に向かって通路断面積を徐々に拡大させる形状に形成されている。つまり、本実施形態のノズル通路13aでは、いわゆるラバールノズルと同様に冷媒通路断面積が変化する。
ここで、前述の旋回空間30aは、ノズル通路13aの上方側であって冷媒流れ上流側に配置されている。このため、本実施形態の旋回空間30aは、ノズル通路13aへ流入する過冷却液相冷媒をノズル通路13aの軸周りに旋回させている。従って、本実施形態では、ボデー30のうち旋回空間30aを形成する部位、および旋回空間30aが、特許請求の範囲に記載された旋回流発生手段を構成している。つまり、本実施形態では、エジェクタ13と旋回流発生手段が一体的に構成されている。
一方、ボデー30の昇圧用空間30eを形成する部位と通路形成部材35の円錐状側面の下流側の部位との間に形成される冷媒通路は、冷媒流れ下流側に向かって通路断面積を徐々に拡大させる形状に形成されている。この形状により、この冷媒通路は、ノズル通路13aから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口31bから吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させるディフューザ部(昇圧部)として機能するディフューザ通路13cを構成している。
また、ボデー30の内部には、通路形成部材35を変位させてノズル通路13aの最小通路面積部の通路断面積を変化させるエレメント37が配置されている。従って、本実施形態の通路形成部材35およびエレメント37は、ノズル通路13aの最小通路面積部の通路断面積を変化させることによって、ノズル通路13aへ流入する冷媒流量を調整する冷媒流量調整手段を構成している。つまり、本実施形態では、エジェクタ13と冷媒流量調整手段が一体的に構成されている。
より具体的には、エレメント37は、吸引用通路13bを流通する冷媒(すなわち、蒸発器14流出冷媒)の温度および圧力に応じて変位するダイヤフラムを有している。そして、このダイヤフラムの変位を作動棒37aを介して、通路形成部材35へ伝達することによって、通路形成部材35を上下方向に変位させる。
さらに、このエレメント37は、蒸発器14出口側冷媒の温度(過熱度)が上昇するに伴って、最小通路面積部の通路断面積を拡大させる方向(鉛直方向下方側)に通路形成部材35を変位させる。また、エレメント37は、蒸発器14出口側冷媒の温度(過熱度)が低下するに伴って、最小通路面積部の通路断面積を縮小させる方向(鉛直方向上方側)に通路形成部材35を変位させる。
本実施形態では、このように蒸発器14出口側冷媒の過熱度に応じてエレメント37が通路形成部材35を変位させることによって、蒸発器14出口側冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、ノズル通路13aの最小通路面積部の通路断面積が調整される。
気液分離空間30fは、通路形成部材35の下方側に配置されている。この気液分離空間30fは、ディフューザ通路13cから流出した冷媒を中心軸周りに旋回させて、遠心力の作用によって冷媒の気液を分離する遠心分離方式の気液分離手段を構成している。従って、本実施形態の気液分離空間30fでは、ノズル通路13aで減圧されて圧縮機11吐出冷媒よりも低い圧力となった冷媒の気液を分離している。
さらに、この気液分離空間30fの内容積は、サイクルに負荷変動が生じてサイクルを循環する冷媒循環流量が変動しても、実質的に余剰冷媒を溜めることができない程度の容積になっている。
また、ボデー30のうち気液分離空間30fの底面を形成する部位には、分離された液相冷媒中の冷凍機油を、気液分離空間30fと液相冷媒流出口31cとを接続する気相冷媒通路側へ戻すオイル戻し穴31eが形成されている。気液分離空間30fと液相冷媒流出口31cとを接続する液相冷媒通路には、蒸発器14へ流入させる冷媒を減圧させる減圧手段としてのオリフィス31iが配置されている。
エジェクタ13の液相冷媒流出口31cには、蒸発器14の冷媒入口側が接続されている。蒸発器14は、エジェクタ13にて減圧された低圧冷媒と送風ファン14aから車室内へ送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧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。蒸発器14の冷媒出口側には、エジェクタ13の冷媒吸引口31bが接続されている。
送風ファン14aは、制御装置50から出力される制御電圧によって回転数(送風空気量)が制御される電動送風機である。エジェクタ13の気相冷媒流出口31dには、前述した内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを介して、圧縮機11の吸入側が接続されている。
なお、図1の全体構成図に示す太実線矢印は、エジェクタ式冷凍サイクル10を作動させた際の冷媒の流れ方向を示すものである。このことは、以下の実施形態の全体構成図においても同様である。
次に、図示しない制御装置50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。この制御装置50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11、12c、14a等の作動を制御する。
また、制御装置50には、車室内温度を検出する内気温センサ、外気温を検出する外気温センサ、車室内の日射量を検出する日射センサ、蒸発器14の吹出空気温度(蒸発器温度)を検出する蒸発器温度センサ、放熱器12出口側冷媒の温度を検出する出口側温度センサおよび放熱器12出口側冷媒の圧力を検出する出口側圧力センサ等の空調制御用のセンサ群が接続され、これらのセンサ群の検出値が入力される。
さらに、制御装置50の入力側には、車室内前部の計器盤付近に配置された図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が制御装置50へ入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、車室内空調を行うことを要求する空調作動スイッチ、車室内温度を設定する車室内温度設定スイッチ等が設けられている。
なお、本実施形態の制御装置50は、その出力側に接続された各種の制御対象機器の作動を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、制御装置50のうち、各制御対象機器の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)が各制御対象機器の制御手段を構成している。例えば、本実施形態では、制御装置50のうち、圧縮機11の電動モータの作動を制御する構成が吐出能力制御手段を構成している。
次に、図2のモリエル線図を用いて、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10の作動を説明する。本実施形態では、操作パネルの作動スイッチが投入(ON)されると、制御装置50が圧縮機11の電動モータ、冷却ファン12c、送風ファン14a等を作動させる。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冷媒(図2のa2点)は、放熱器12の凝縮部12aへ流入する。凝縮部12aへ流入した冷媒は、冷却ファン12cから送風された外気と熱交換し、放熱して凝縮する。凝縮部12aにて凝縮した冷媒は、レシーバ部12bにて気液分離される(図2のa2点→b2点)。
レシーバ部12bにて気液分離された液相冷媒は、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aへ流入する。内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aへ流入した高圧液相冷媒は、低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒と熱交換して、さらにエンタルピを低下させて過冷却液相冷媒となる(図2のb2点→c2点)。
高圧側冷媒通路15aから流出した過冷却液相冷媒は、エジェクタ13のノズル通路13aにて等エントロピ的に減圧されて噴射される(図2のc2点→d2点)。この際、減圧用空間30bの最小通路面積部30mにおける冷媒通路面積は、蒸発器14出口側冷媒(図2では、j2点)の過熱度が基準過熱度に近づくように調整される。
そして、ノズル通路13aから噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器14から流出した冷媒が、冷媒吸引口31bからエジェクタ13の内部へ吸引される。ノズル通路13aから噴射された噴射冷媒および吸引用通路13bを介して吸引された吸引冷媒は、ディフューザ通路13cへ流入して合流する(図2のd2点→e2点、j2点→e2点)。
ディフューザ通路13cでは冷媒通路面積の拡大により、冷媒の運動エネルギが圧力エネルギに変換される。これにより、噴射冷媒と吸引冷媒が混合されながら混合冷媒の圧力が上昇する(図2のe2点→f2点)。
ディフューザ通路13cから流出した冷媒は、気液分離空間30fにて気液分離される(図2のf2点→g2点、f2点→h2点)。気液分離空間30fにて分離された液相冷媒は、オリフィス31iにて減圧されて(図2のh2点→i2点)、蒸発器14へ流入する。蒸発器14へ流入した冷媒は、送風ファン14aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図2のi2点→j2点)。これにより、送風空気が冷却される。
一方、気液分離空間30fにて分離された気相冷媒は、気相冷媒流出口31dから流出して、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入する。この際、低圧側冷媒通路15bへ流入する低圧側冷媒は、飽和気相冷媒よりも僅かにエンタルピの低い冷媒(比較的乾き度の高い気液二相冷媒)となる(図2のg2点)。
その理由は、低圧側冷媒通路15bへ流入する低圧側冷媒は、気液分離空間30fにて分離された飽和気相冷媒に、オイル戻し穴31eを介して気相冷媒流出口31d側へ流出した冷凍機油の溶け込んだ液相冷媒を混入させた冷媒となるからである。
低圧側冷媒通路15bへ流入した比較的乾き度の高い気液二相状態の低圧側冷媒は、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒と熱交換してエンタルピを上昇させる(図2のg2点→k2点)。低圧側冷媒通路15bから流出した低圧側冷媒は、圧縮機11へ吸入され再び圧縮される(図2のk2点→a2点)。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10は、以上の如く作動して、車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10では、エジェクタ13の昇圧作用によって昇圧された冷媒を、圧縮機11に吸入させるので、圧縮機11の駆動動力を低減させて、サイクルの成績係数(COP)の向上を狙うことができる。
さらに、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10は、内部熱交換器15を備えているので、エジェクタ13のノズル通路13aへ流入する冷媒およびノズル通路13aから噴射される冷媒のエンタルピを低下させることができる。このため、内部熱交換器15を備えていないサイクルよりも蒸発器14出口側冷媒の過熱度が低下しやすい。
従って、内部熱交換器15を備えていないサイクルと比較すると、蒸発器14出口側冷媒の過熱度を基準過熱度に近づけるために、冷媒流量調整手段であるエレメント37が最小通路面積部の通路断面積を縮小させる。このため、気液分離空間30f内の冷媒圧力が低下し、オリフィス31iを介して蒸発器14へ流入する冷媒のエンタルピが低下する。
その結果、蒸発器14の出口側冷媒のエンタルピと入口側冷媒のエンタルピとのエンタルピ差(冷凍能力)を拡大させて、COPを向上させることができる。
ここで、本実施形態のように、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10において、亜臨界冷凍サイクルを構成すると、エジェクタ13のノズル通路13aに内部熱交換器15にて冷却された過冷却液相冷媒が流入する。
ところが、エジェクタ式冷凍サイクルに適用される一般的なエジェクタでは、ノズル部に過冷却液相冷媒を流入させると、ノズル部における冷媒の沸騰遅れが生じやすく、エジェクタ効率が低下してしまいやすい。その結果、上述したエジェクタ13の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができなくなってしまうおそれがある。
さらに、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒を圧縮機11へ吸入させるサイクル構成では、低圧側冷媒通路15bへ流入する冷媒の温度を上昇させてしまうと、圧縮機11が吸入する冷媒の温度も上昇してしまう。その結果、圧縮機11にて圧縮過程の冷媒の温度が不必要に上昇してしまい、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を与えてしまうおそれがある。
従って、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10では、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を与えることなく、COPを充分に向上させることが必要となる。
これに対して、本実施形態では、エジェクタ13に旋回空間30aが形成されているので、ノズル通路13aへ流入する過冷却液相冷媒の中心側の冷媒圧力を、飽和液相冷媒となる圧力、あるいは、冷媒が減圧沸騰する(キャビテーションを生じる)圧力まで低下させることができる。
これにより、旋回中心軸の外周側よりも内周側に気相冷媒が多く存在するようにして、旋回空間30a内の旋回中心線近傍はガス単相、その周りは液単相の二相分離状態とすることができる。このような二相分離状態の冷媒では、旋回空間30aと冷媒との摩擦による沸騰(壁面沸騰)および気液界面における沸騰(界面沸騰)が促進される。
従って、ノズル通路13aにて減圧される液相冷媒の沸騰を促進することができ、エジェクタ効率の低下を抑制することができる。その結果、本実施形態のように、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10であっても、エジェクタ13の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。
さらに、本実施形態のエジェクタ13では、冷媒流量調整手段としての通路形成部材35およびエレメント37を備え、蒸発器14出口側冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、ノズル通路13aへ流入する冷媒流量を調整している。従って、蒸発器14にて発揮される冷凍能力を拡大させて、より一層、エジェクタ式冷凍サイクル10のCOPを向上させることができる。
また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10のサイクル構成では、蒸発器14の冷媒流出口にエジェクタ13の冷媒吸引口31bが接続されている。従って、基準過熱度として比較的高い温度を設定しても、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出して圧縮機11に吸入される冷媒の温度等を上昇させてしまうことがない。
すなわち、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10によれば、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を与えることなく、COPを充分に向上させることができる。
(第2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、互いに別の構成部材として構成されたエジェクタ20および気液分離器21を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10aについて説明する。なお、図3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、以下の図面でも同様である。
本実施形態のエジェクタ20は、ノズル部20aおよびボデー部20bを有して構成されている。ノズル部20aは、冷媒の流れ方向に向かって徐々に先細る略円筒状の金属(例えば、ステンレス合金)で形成されており、その内部に形成された冷媒通路(絞り通路)にて冷媒を等エントロピ的に減圧させて噴射するものである。
より詳細には、本実施形態では、ノズル部20aとして、エジェクタ式冷凍サイクル10aの通常運転時に、冷媒噴射口から噴射される噴射冷媒の流速が音速以上となるように設定されたラバールノズルが採用されている。もちろん、ノズル部20aとして、冷媒通路断面積が徐々に縮小する先細ノズルを採用してもよい。
また、ノズル部20aの冷媒流れ上流側には、ノズル部20aの軸線方向と同軸上に延びる筒状部20cが設けられている。この筒状部20cの内部には、ノズル部20aの内部へ流入した冷媒を旋回させる旋回空間20dが形成されている。旋回空間20dは、ノズル部20aの軸線方向と同軸上に延びる略円柱状の空間である。
さらに、エジェクタ20の外部から旋回空間20dへ冷媒を流入させる冷媒流入通路は、旋回空間20dの中心軸方向から見たときに旋回空間20dの内壁面の接線方向に延びている。これにより、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aから流出して旋回空間20dへ流入した過冷却液相冷媒は、旋回空間20dの内壁面に沿って流れ、旋回空間20dの中心軸周りに旋回する。
従って、本実施形態では、筒状部20cおよび旋回空間20dが、ノズル部20aへ流入する過冷却液相冷媒をノズル部20aの軸周りに旋回させる旋回流発生手段を構成している。つまり、本実施形態では、エジェクタ20(具体的には、ノズル部20a)と旋回流発生手段が一体的に構成されている。
ボデー部20bは、略円筒状の金属(例えば、アルミニウム)あるいは樹脂で形成されており、内部にノズル部20aを支持固定する固定部材として機能するとともに、エジェクタ20の外殻を形成するものである。より具体的には、ノズル部20aは、ボデー部20bの長手方向一端側の内部に収容されるように圧入にて固定されている。従って、ノズル部20aとボデー部20bとの固定部(圧入部)から冷媒が漏れることはない。
また、ボデー部20bの外周面のうち、ノズル部20aの外周側に対応する部位には、その内外を貫通してノズル部20aの冷媒噴射口と連通するように設けられた冷媒吸引口20eが形成されている。この冷媒吸引口20eは、ノズル部20aから噴射される噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器14から流出した冷媒をエジェクタ20の外部から内部へ吸引する貫通穴である。
さらに、ボデー部20bの内部には、冷媒吸引口20eから吸引された吸引冷媒をノズル部20aの冷媒噴射口側へ導く吸引通路、および冷媒吸引口20eからエジェクタ20の内部へ流入した吸引冷媒と噴射冷媒とを混合させて昇圧させる昇圧部としてのディフューザ部20fが形成されている。
ディフューザ部20fは、吸引通路の出口に連続するように配置されて、冷媒通路面積を徐々に拡大させる空間によって形成されている。これにより、噴射冷媒と吸引冷媒とを混合させながら、その流速を減速させて噴射冷媒と吸引冷媒との混合冷媒の圧力を上昇させる機能、すなわち、混合冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換する機能を果たす。
ディフューザ部20fの冷媒出口には、気液分離器21の冷媒入口側が接続されている。気液分離器21は、エジェクタ20のディフューザ部20fから流出した冷媒の気液を分離する気液分離手段である。気液分離器21は、第1実施形態で説明した気液分離空間30fと同様の機能を果たすものである。
さらに、本実施形態では、気液分離器21として、分離された液相冷媒を殆ど蓄えることなく液相冷媒流出口から流出させるように比較的内容積の小さいものを採用している。もちろん、サイクル内の余剰液相冷媒を蓄える貯液手段としての機能を有するものを採用してもよい。
気液分離器21の気相冷媒流出口には、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを介して圧縮機11の吸入口側が接続されている。
一方、気液分離器21の液相冷媒流出口には、固定絞り22を介して、蒸発器14の冷媒入口側が接続されている。固定絞り22は、第1実施形態で説明したオリフィス31iと同様の機能を果たすものである。この固定絞り22としては、具体的には、オリフィス、キャピラリチューブ等を採用することができる。
さらに、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aには、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの出口側からエジェクタ20の入口側へ至る冷媒通路に、冷媒流量調整手段としての電気式の流量調整弁23が配置されている。流量調整弁23は、冷媒通路面積を変更可能に構成された弁体、およびこの弁体を変位させて冷媒通路面積を変化させる電動アクチュエータを有して構成されている。
この流量調整弁23の冷媒通路面積は、エジェクタ20のノズル部20aの冷媒通路(絞り通路)の通路断面積に対して充分に大きい。従って、本実施形態の流量調整弁23では、冷媒減圧作用を殆ど発揮することなく、ノズル部20aへ流入する冷媒の流量を調整することができる。さらに、流量調整弁23は、制御装置50から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
また、本実施形態の制御装置50の入力側には、空調制御用のセンサ群として、蒸発器14出口側冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段としての過熱度センサ51が接続されている。より具体的には、本実施形態の過熱度センサ51は、蒸発器14の冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出する。
なお、過熱度検出手段として、過熱度センサ51に代えて、蒸発器14出口側冷媒の温度を検出する蒸発器出口側温度センサ、および蒸発器14出口側冷媒の圧力を検出する蒸発器出口側圧力センサを採用してもよい。そして、制御装置50が、蒸発器出口側温度センサおよび蒸発器出口側圧力センサの検出値に基づいて、過熱度を算定するようになっていてもよい。
さらに、本実施形態の制御装置50は、過熱度センサ51の検出値が基準過熱度に近づくように、流量調整弁23の作動を制御する。また、本実施形態では、制御装置50のうち、流量調整弁23の作動を制御する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)が過熱度制御手段を構成している。
その他のエジェクタ式冷凍サイクル10aの構成および作動については、第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10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10aは、第1実施形態で説明したエジェクタ式冷凍サイクル10と実質的に同等のサイクル構成になっており、第1実施形態と同様に作動する。
従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aによれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
つまり、本実施形態のエジェクタ20には、旋回空間20dが形成されているので、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10aであっても、エジェクタ20のディフューザ部20fの昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。そして、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を与えることなく、COPを充分に向上させることができる。
(第3実施形態)
本実施形態では、第2実施形態の変形例を説明する。本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、図4に示すように、過熱度センサ51にて、圧縮機11へ吸入され吸入冷媒の過熱度を検出する。より具体的には、本実施形態の過熱度センサ51は、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの冷媒出口から圧縮機11の吸入口へ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出する。その他のエジェクタ式冷凍サイクル10aの構成および作動は、第2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10aによれば、第2実施形態と同様の効果を得ることができ、エジェクタ20の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。さらに、圧縮機11吸入冷媒の過熱度を適切に調整することで、圧縮機11が吸入する冷媒の温度が不必要に上昇してしまうことを抑制することができる。
(第4実施形態)
本実施形態では、第2実施形態の変形例を説明する。本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、図5に示すように、過熱度センサ51にて、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入する冷媒の過熱度を検出する。より具体的には、本実施形態の過熱度センサ51は、気液分離器21の気相冷媒流出口から内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの冷媒入口へ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出する。その他のエジェクタ式冷凍サイクル10aの構成および作動は、第2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10aによれば、第2実施形態と同様の効果を得ることができ、エジェクタ20の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。さらに、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入する冷媒の過熱度を適切に調整することで、圧縮機11が吸入する冷媒の温度が不必要に上昇してしまうことを抑制することができる。
(第5実施形態)
本実施形態では、第2実施形態で説明したエジェクタ式冷凍サイクル10aに対して、図6の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、本実施形態の低圧側冷媒通路15bは、蒸発器14の冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路に配置されている。つまり、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、蒸発器14から流出してエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ流入する吸入冷媒である。
また、本実施形態の過熱度センサ51は、低圧側冷媒通路15bの冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出している。その他の構成は、第2実施形態と同様である。
次に、図7のモリエル線図を用いて、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aの作動を説明する。なお、図7のモリエル線図にて冷媒の状態を示す各符号は、第1実施形態で説明した図2のモリエル線図に対してサイクル構成上同等の箇所の冷媒の状態を示すものは同一のアルファベットを用いて示し、添字(数字)のみ変更している。このことは、以下のモリエル線図においても同様である。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aを作動させると、第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10と同様に、圧縮機11から吐出された冷媒が、放熱器12→内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの順に流れて、過冷却液相冷媒となる(図7のa7点→b7点→c7点)。
高圧側冷媒通路15aから流出した過冷却液相冷媒は、流量調整弁23を介して、エジェクタ20のノズル部20aの上流側(具体的には、筒状部20c)へ流入する。この際、流量調整弁23の弁開度は、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒(図7では、j’7点)の過熱度が、基準過熱度に近づくように調整される。
エジェクタ20のノズル部20aへ流入した冷媒は、等エントロピ的に減圧されて噴射される(図7のc7点→d7点)。そして、ノズル部20aから噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒が、冷媒吸引口20eからエジェクタ20の内部へ吸引される。
ノズル部20aから噴射された噴射冷媒、および冷媒吸引口20eから吸引された吸引冷媒は、ディフューザ部20fにて合流して昇圧される(図7のd7点→e7点→f7点、j’7点→e7点→f7点)。ディフューザ部20fから流出した冷媒は、気液分離器21にて気液分離される(図7のf7点→g7点、f7点→h7点)。
気液分離器21の気相冷媒流出口から流出した気相冷媒は、圧縮機11へ吸入されて再び圧縮される(図7のg7点→a7点)。一方、気液分離器21の液相冷媒流出口から流出した液相冷媒は、固定絞り22にて減圧されて蒸発器14へ流入する(図7のh7点→i7点)。蒸発器14へ流入した冷媒は、送風ファン14aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図7のi7点→j7点)。これにより、送風空気が冷却される。
蒸発器14から流出した冷媒は、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入して、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒と熱交換する。そして、基準過熱度の気相冷媒となるまでエンタルピを上昇させる(図7のj7点→j’7点)。内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒は、前述の如く、エジェクタ20の冷媒吸引口20eから吸引される。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aは、以上の如く作動して、車室内へ送風される送風空気を冷却することができる。また、第2実施形態と同様に、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10aであっても、エジェクタ20の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。
また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bに蒸発器14から流出した低温の低圧側冷媒を流入させるので、気液分離器21から流出した低圧側冷媒を流入させる場合に対して、内部熱交換器15にて効果的に高圧側冷媒を冷却することができる。
また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、気液分離器21の気相冷媒流出口に、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを介することなく、圧縮機11の吸入口が接続されている。従って、低圧側冷媒通路15bから流出する低圧側冷媒の温度が上昇しても、圧縮機11が吸入する冷媒の温度が上昇してしまうことがない。
その結果、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10によれば、圧縮機11の耐久寿命に悪影響を与えることなく、COPを充分に向上させることができる。
ここで、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aのように、蒸発器14の冷媒出口側に内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを配置するサイクル構成では、蒸発器14にて発揮される冷凍能力(図7では、i7点とj7点とのエンタルピ差)が低下して、蒸発器14における送風空気の冷却能力が低下してしまうおそれがある。
これに対して、一般的な蒸発器では、図8に示すように、冷媒の乾き度Xの変化に伴って、熱交換領域の熱伝達率λが変化することが知られている。
より詳細には、蒸発器の熱交換領域にて、比較的乾き度の低い冷媒を蒸発させると、沸騰核の存在が少なくなっているために熱交換領域の熱伝達率λが低下してしまう。また、蒸発器の熱交換領域にて、比較的乾き度の高い冷媒を蒸発させると、伝熱面に蒸発可能な液相冷媒が存在しなくなるポスト・ドライアウトが生じてしまうために熱交換領域の熱伝達率λが低下してしまう。
つまり、一般的な蒸発器では、熱交換領域の熱伝達率λの低下を生じさせない範囲の乾き度Xの冷媒(図8の中間領域の冷媒)と冷却対象流体(本実施形態では、送風空気)とを熱交換させることで、効率的かつ効果的に冷却対象流体を冷却することができる。
従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aのように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを蒸発器14の冷媒出口側に配置することで、蒸発器14にて中間領域の冷媒を蒸発させやすくなる。その結果、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、蒸発器14における送風空気の冷却能力が低下してしまうことを抑制できる。
(第6実施形態)
本実施形態では、第2実施形態で説明したエジェクタ式冷凍サイクル10aに対して、図9の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、本実施形態の低圧側冷媒通路15bは、固定絞り22の冷媒出口から蒸発器14の冷媒入口へ至る冷媒通路に配置されている。つまり、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、固定絞り22から流出して蒸発器14へ流入する冷媒である。その他の構成は、第2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10aを作動させると、図10のモリエル線図に示すように、冷媒の状態が変化する。本実施形態では、固定絞り22から流出した冷媒が、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入し、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒と熱交換して、エンタルピを上昇させる(図10のi10点→j10点)。
低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒は、蒸発器14へ流入し、送風ファン14aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図10のj10点→j’10点)。これにより、送風空気が冷却される。その他の作動は第5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10aによれば、第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aのように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを蒸発器14の冷媒入口側に配置することで、蒸発器14にて図8で説明した中間領域の冷媒を蒸発させやすくなる。その結果、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aでは、第5実施形態と同様に、蒸発器14における送風空気の冷却能力が低下してしまうことを抑制できる。
(第7実施形態)
本実施形態では、第2実施形態で説明したエジェクタ式冷凍サイクル10aに対して、図11の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aには、固定絞り22から流出した冷媒を、蒸発器14を迂回させて、エジェクタ20の冷媒吸引口20e側へ導くバイパス通路24が設けられている。つまり、このバイパス通路24は、蒸発器14の上流側の冷媒を、蒸発器14を迂回させて、蒸発器14の下流側へ導く冷媒通路である。
このバイパス通路24の通路面積は、固定絞り22から流出した冷媒を蒸発器14へ導く冷媒通路の通路面積よりも充分に小さく形成されている。これにより、固定絞り22から流出した冷媒が、不必要にバイパス通路24側へ流入してしまうことを抑制し、蒸発器14へ流入する冷媒の流量が不足してしまうことを抑制している。
さらに、本実施形態の低圧側冷媒通路15bは、バイパス通路24に配置されている。従って、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、バイパス通路24を流通する冷媒である。また、本実施形態の過熱度センサ51は、蒸発器14出口側冷媒であって、バイパス通路24から流出した冷媒と合流する前の冷媒の過熱度を検出している。その他の構成および作動は、第5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10aによれば、第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第8実施形態)
本実施形態では、図12の全体構成図に示すように、第2実施形態に対して、サイクル構成を変更したエジェクタ式冷凍サイクル10bについて説明する。より具体的には、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bでは、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの出口側に、分岐部25の冷媒流入口側が接続されている。
分岐部25は、内部熱交換器15から流出した過冷却液相冷媒の流れを分岐する三方継手構造のものである。分岐部25の一方の冷媒流出口には、流量調整弁23を介してエジェクタ20のノズル部20aの入口側が接続されている。分岐部25の他方の冷媒流出口には、固定絞り22を介して蒸発器14の冷媒入口側が接続されている。
また、本実施形態では、エジェクタ20のディフューザ部20fの出口側に、第2蒸発器26の冷媒入口側が接続されている。第2蒸発器26の基本的構成は、蒸発器14と同様である。第2蒸発器26は、エジェクタ20のディフューザ部20fから流出した低圧冷媒と送風ファン26aから車室内へ送風される送風空気とを熱交換させることによって、低圧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。
より詳細には、本実施形態の車両用空調装置は、蒸発器14にて車両前席側へ送風される送風空気を冷却し、第2蒸発器26にて車両後席側へ送風される送風空気を冷却する、いわゆるデュアルエアコンとして構成されている。なお、以下の説明では、説明の明確化のため、蒸発器14を第1蒸発器14と記載する。
第2蒸発器26の冷媒出口側には、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの入口側が接続されている。また、本実施形態の過熱度センサ51は、第3実施形態と同様に、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの冷媒出口から圧縮機11の吸入口へ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出する。その他のエジェクタ式冷凍サイクル10bの構成は、第2実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10aと同様である。
次に、図13のモリエル線図を用いて、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bの作動を説明する。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bを作動させると、第1実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10と同様に、圧縮機11から吐出された冷媒が、放熱器12→内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aの順に流れて、過冷却液相冷媒となる(図13のa13点→b13点→c13点)。高圧側冷媒通路15aから流出した過冷却液相冷媒の流れは、分岐部25にて分岐される。
分岐された一方の冷媒は、流量調整弁23を介して、エジェクタ20のノズル部20aの上流側(具体的には、筒状部20c)へ流入する。この際、流量調整弁23の弁開度は、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bから流出した冷媒(図13では、k13点)の過熱度が、基準過熱度に近づくように調整される。
エジェクタ20のノズル部20aへ流入した冷媒は、等エントロピ的に減圧されて噴射される(図13のc13点→d13点)。そして、ノズル部20aから噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、第1蒸発器14から流出した冷媒(図13のj13点)が、冷媒吸引口20eからエジェクタ20の内部へ吸引される。
ノズル部20aから噴射された噴射冷媒および冷媒吸引口20eから吸引された吸引冷媒は、ディフューザ部20fにて合流して昇圧される(図13のd13点→e13点→f13点、j13点→e13点→f13点)。
ディフューザ部20fから流出した冷媒は、第2蒸発器26へ流入する。第2蒸発器26へ流入した冷媒は、送風ファン26aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図13のf13点→m13点)。これにより、車両後席側へ送風される送風空気が冷却される。
第2蒸発器26から流出した冷媒は、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bへ流入する。低圧側冷媒通路15bへ流入した低圧側冷媒は、高圧側冷媒通路15aを流通する高圧側冷媒と熱交換してエンタルピを上昇させる(図13のm13点→k13点)。低圧側冷媒通路15bから流出した低圧側冷媒は、圧縮機11へ吸入され再び圧縮される(図13のk13点→a13点)。
一方、分岐部25にて分岐された他方の冷媒は、固定絞り22にて減圧されて(図13のc13点→n13点)、第1蒸発器14へ流入する。第1蒸発器14へ流入した冷媒は、送風ファン14aによって送風された送風空気から吸熱して蒸発する(図13のn13点→j13点)。これにより、車両前席側へ送風される送風空気が冷却される。第1蒸発器14から流出した冷媒は、前述の如く、冷媒吸引口20eから吸引される。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bは、以上の如く作動して、車両前席側へ送風される送風空気および車両後席側へ送風される送風空気を冷却することができる。この際、エジェクタ20の昇圧作用によって、第1蒸発器14における冷媒蒸発圧力を第2蒸発器26における冷媒蒸発圧力よりも低くすることができる。従って、運転席が設けられる車両前席側へ送風される送風空気を効果的に冷却することができる。
さらに、エジェクタ20にて昇圧された冷媒を圧縮機11へ吸入させるので、圧縮機11の駆動動力を低減させて、COPの向上を狙うことができる。この際、本実施形態では、エジェクタ20に旋回空間20dが形成されているので、第2実施形態と同様に、内部熱交換器15を備えるエジェクタ式冷凍サイクル10bであっても、エジェクタ20の昇圧作用によるCOP向上効果を充分に得ることができる。
また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bでは、内部熱交換器15を備えているので、固定絞り22へ流入する冷媒、およびディフューザ部20fから流出する冷媒のエンタルピを低下させることができる。そして、第1、第2蒸発器14、26へ流入する冷媒のエンタルピを低下させることができる。
その結果、第1、第2蒸発器14、26の出口側冷媒のエンタルピと入口側冷媒のエンタルピとのエンタルピ差(冷凍能力)を拡大させて、COPを向上させることができる。
また、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル10bでは、圧縮機11へ吸入される冷媒の過熱度が基準過熱度に近づくように、流量調整弁23の作動を制御するので、第3実施形態と同様に、圧縮機11吸入冷媒の過熱度を適切に調整することができ、圧縮機11が吸入する冷媒の温度が不必要に上昇してしまうことを抑制することができる。
ここで、本実施形態では、過熱度センサ51にて圧縮機11吸入冷媒の過熱度を検出した例を説明したが、過熱度センサ51にて別の冷媒の過熱度を検出し、検出された値が基準過熱度に近づくように、制御装置50が流量調整弁23の作動を制御してもよい。
例えば、過熱度センサ51を図12のP1に示すように配置し、過熱度センサ51にて第1蒸発器14の冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出してもよい。また、過熱度センサ51を図12のP2に示すように配置し、第2蒸発器26の冷媒出口から内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの入口へ至る冷媒通路を流通する冷媒の過熱度を検出してもよい。
(第9〜第11実施形態)
第9実施形態では、第8実施形態に対して、図14の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、第9実施形態の低圧側冷媒通路15bは、第1蒸発器14の冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路に配置されている。つまり、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、蒸発器14から流出してエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ流入する吸入冷媒である。その他の構成および作動は、第8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10bを作動させると、第8実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第5実施形態と同様に、第1蒸発器14における送風空気の冷却能力を低下させてしまうことなく、内部熱交換器15にて高圧側冷媒を冷却することができる。
第10実施形態では、第8実施形態に対して、図15の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、第10実施形態の低圧側冷媒通路15bは、第1蒸発器14の冷媒出口からエジェクタ20の冷媒吸引口20eへ至る冷媒通路に配置されている。つまり、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、固定絞り22から流出して蒸発器14へ流入する冷媒である。その他の構成および作動は、第8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10bを作動させると、第8実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第6実施形態と同様に、第1蒸発器14における送風空気の冷却能力を低下させてしまうことなく、内部熱交換器15にて高圧側冷媒を冷却することができる。
第11実施形態では、第8実施形態に対して、図16の全体構成図に示すように、内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bの配置を変更した例を説明する。
より具体的には、第11実施形態の低圧側冷媒通路15bは、第7実施形態と同様に、バイパス通路24に配置されている。つまり、本実施形態の低圧側冷媒通路15bを流通する低圧側冷媒は、バイパス通路24を流通する冷媒である。その他の構成および作動は、第8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10bを作動させると、第8実施形態と同様の効果を得ることができる。
(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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(1)エジェクタ式冷凍サイクル10、10a、10bを構成する各構成機器は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。
例えば、上述の実施形態では、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として、プーリ、ベルト等を介して車両走行用エンジンから伝達される回転駆動力によって駆動されるエンジン駆動式の圧縮機を採用してもよい。さらに、エンジン駆動式の圧縮機としては、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整可能な可変容量型圧縮機、あるいは電磁クラッチの断続により圧縮機の稼働率を変化させて冷媒吐出能力を調整可能な固定容量型圧縮機を採用することができる。
また、上述の実施形態では、放熱器12として、レシーバ一体型の凝縮器を採用した例を説明したが、さらに、レシーバ部12bから流出した液相冷媒を過冷却する過冷却部を有して構成される、いわゆるサブクール型の凝縮器を採用してもよい。この他にも、凝縮部12aのみからなる放熱器12、および放熱器12から流出した冷媒の気液を分離して、分離された液相冷媒を下流側へ流出させる受液器(レシーバ)を採用してもよい。
また、上述の実施形態では、内部熱交換器15として、二重管方式の熱交換器を採用できることを説明したが、内部熱交換器15はこれに限定されない。例えば、複数の略平板状の伝熱プレートを間隔を空けて平行に積層配置し、各伝熱プレート間に高圧側冷媒通路と低圧側冷媒通路とを交互に形成する積層型の熱交換器等を採用してもよい。
また、上述の実施形態では、通路形成部材35およびエレメント37、あるいは、流量調整弁23によって冷媒流量調整手段を構成した例を説明したが、冷媒流量調整手段はこれに限定されない。
例えば、冷媒流量調整手段として、温度式膨張弁を採用してもよい。温度式膨張弁としては、所定の冷媒通路を流通する冷媒の温度と圧力に応じて変位する変位部材(ダイヤフラム)を有する感温部、およびこの変位部材の変位に応じて冷媒通路面積を変化させる弁体部を備えるものを採用することができる。
これによれば、機械的機構によって、ノズル部20aへ流入する冷媒の流量を調整することができるので、過熱度センサ51を廃止することができる。
さらに、エジェクタ20のノズル部20aを冷媒通路面積を変更可能な可変ノズル部として構成し、ノズル部20aの冷媒通路面積を変化させるニードル弁、およびこのニードル弁を変位させる電動アクチュエータ等によって冷媒流量調整手段を構成してもよい。この場合は、旋回空間20dにおける冷媒の旋回が阻害されないように、ニードル弁を配置することが望ましい。
(2)内部熱交換器15の低圧側冷媒通路15bを流通させる低圧側冷媒は、上述の各実施形態に開示された冷媒に限定されない。すなわち、放熱器12から流出した冷媒を過冷却液相冷媒となるまで冷却可能な冷媒であれば、サイクル内のいずれの冷媒通路を流通する冷媒であってもよい。
(3)上述の実施形態では、冷媒としてR134aあるいはR1234yf等を採用可能であることを説明したが、冷媒はこれに限定されない。他にも、HC冷媒のように、亜臨界冷凍サイクルを構成することができ、内部熱交換器15の高圧側冷媒通路15aから流出した冷媒が過冷却液相状態となるものであればよい。
従って、例えば、R600a、R410A、R404A、R32、R1234yfxf、R407C等を採用することができる。または、これらの冷媒のうち複数種を混合させた混合冷媒等を採用してもよい。
(4)上述の実施形態では、本発明に係るエジェクタ式冷凍サイクル10、10a、10bを、車両用空調装置に適用した例を説明したが、エジェクタ式冷凍サイクル10の適用はこれに限定されない。例えば、据置型空調装置、冷温保存庫、自動販売機用冷却加熱装置等に適用してもよい。
10、10a、10b エジェクタ式冷凍サイクル
11 圧縮機
12 放熱器
13、20 エジェクタ
13a、20a ノズル通路、ノズル部
30a、20d 旋回空間(旋回流発生手段)
15 内部熱交換器

Claims (6)

  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)から流出した高圧側冷媒を、前記高圧側冷媒よりも低い圧力の低圧側冷媒と熱交換させて過冷却液相冷媒となるまで冷却する内部熱交換器(15)と、
    前記内部熱交換器(15)から流出した前記過冷却液相冷媒を減圧して噴射するノズル部(13a、20a)を有し、前記ノズル部(13a、20a)から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口(31b、20e)から冷媒を吸引し、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口(31b、20e)から吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させるエジェクタ(13、20)と、
    前記放熱器(12)下流側冷媒を減圧させる減圧手段(31i、22)と、
    前記減圧手段(22)にて減圧された冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(31b、20e)側へ流出させる蒸発器(14)と、
    前記エジェクタ(13、20)から流出した冷媒の気液を分離する気液分離手段(30f、21)と、を備え、
    前記気液分離手段(30f、21)の液相冷媒流出口には、前記減圧手段(31i、22)の入口側が接続されており、
    前記気液分離手段(30f、21)の気相冷媒流出口には、前記圧縮機(11)の吸入口側が接続されており、
    前記減圧手段(31i、22)は、前記気液分離手段(30f、21)の液相冷媒流出口と前記蒸発器(14)との間に設けられており、
    さらに、前記ノズル部(13a、20a)へ流入する前記過冷却液相冷媒を前記ノズル部(13a、20a)の軸周りに旋回させる旋回流発生手段(30a、20d)と、
    前記蒸発器(14)の上流側の冷媒を、前記蒸発器(14)を迂回させて、前記蒸発器(14)の下流側へ導くバイパス通路(24)と、を備え
    前記低圧側冷媒は、前記バイパス通路(24)を流通する冷媒であることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
  2. 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)から流出した高圧側冷媒を、前記高圧側冷媒よりも低い圧力の低圧側冷媒と熱交換させて過冷却液相冷媒となるまで冷却する内部熱交換器(15)と、
    前記内部熱交換器(15)から流出した過冷却液相冷媒の流れを分岐する分岐部(25)と、
    前記分岐部(25)の一方の冷媒流出口から流出した前記過冷却液相冷媒を減圧して噴射するノズル部(13a、20a)を有し、前記ノズル部(13a、20a)から噴射された噴射冷媒の吸引作用によって冷媒吸引口(31b、20e)から冷媒を吸引し、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口(31b、20e)から吸引された吸引冷媒とを混合させて昇圧させるエジェクタ(13、20)と、
    前記放熱器(12)下流側冷媒を減圧させる減圧手段(22)と、
    前記減圧手段(22)にて減圧された冷媒を蒸発させて前記冷媒吸引口(31b、20e)側へ流出させる蒸発器(14)と、を備え、
    前記減圧手段(22)は、前記分岐部(25)の他方の冷媒流出口と前記蒸発器(14)との間に設けられており、
    さらに、前記ノズル部(13a、20a)へ流入する前記過冷却液相冷媒を前記ノズル部(13a、20a)の軸周りに旋回させる旋回流発生手段(30a、20d)と、
    前記蒸発器(14)の上流側の冷媒を、前記蒸発器(14)を迂回させて、前記蒸発器(14)の下流側へ導くバイパス通路(24)と、を備え
    前記低圧側冷媒は、前記バイパス通路(24)を流通する冷媒であることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
  3. 前記エジェクタ(13、20)から流出した冷媒の気液を分離する気液分離手段(30f、21)を備え、
    前記気液分離手段(30f、21)の液相冷媒流出口には、前記減圧手段(22)の入口側が接続されており、
    前記気液分離手段(30f、21)の気相冷媒流出口には、前記圧縮機(11)の吸入口側が接続されていることを特徴とする請求項に記載にエジェクタ式冷凍サイクル。
  4. 前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段(35、37、23)を備え、
    前記冷媒流量調整手段(35、37、23)は、前記気液分離手段(30f、21)から流出した気相冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整することを特徴とする請求項1または3に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  5. 前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段(35、37、23)を備え、
    前記冷媒流量調整手段(35、37、23)は、前記蒸発器(14)出口側冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整することを特徴とする請求項1ないしいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
  6. 前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整手段(35、37、23)を備え、
    前記冷媒流量調整手段(35、37、23)は、前記圧縮機(11)へ吸入される冷媒の過熱度が予め定めた基準過熱度に近づくように、前記ノズル部(13a、20a)へ流入する冷媒の流量を調整することを特徴とする請求項1ないしいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
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