WO2019159638A1

WO2019159638A1 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2019159638A1
Application number: PCT/JP2019/002299
Authority: WO
Inventors: 昌宏高津
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-08-22
Also published as: JP2019138577A

Abstract

冷凍サイクル装置（１０）は、圧縮装置（１２）と、放熱器（１４）と、エジェクタ（１６）と、気液分離器（１８）と、第１減圧機器（２０）と、蒸発器（２２）と、を備える。冷凍サイクル装置は、気液分離器に存在するガスリッチな冷媒を圧縮装置の高段側圧縮部の冷媒吸入側に導く第１中間圧通路（２６）と、気液分離器に存在する液リッチな冷媒を第１減圧機器に導く第２中間圧通路（３０）と、を備える。冷凍サイクル装置は、放熱器を通過した冷媒をエジェクタのノズル部の冷媒入口側に導く高圧通路（２４）と、高圧通路を流れる冷媒の一部をエジェクタの冷媒吸引口に導く吸引通路（３４）を備える。冷凍サイクル装置は、吸引通路を流れる冷媒を減圧させる第２減圧機器（３８）と、吸引通路における第２減圧機器の下流側の冷媒と第２中間圧通路を流れる冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（３６）と、を備える。

Description

冷凍サイクル装置

関連出願への相互参照

　本出願は、２０１８年２月３日に出願された日本出願番号２０１８－２３１１０号に基づくものであって、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置に関する。

　従来、冷凍サイクル装置として、圧縮機、放熱器、エジェクタ、気液分離器、蒸発器がこの順序で環状に接続された冷媒回路を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の冷凍サイクル装置は、気液分離器によってエジェクタからの冷媒の気液を分離し、分離した液冷媒を蒸発器として機能する室内熱交換器に送ると共に、ガス冷媒を圧縮機の中間圧部に送る構成になっている。加えて、上記の冷凍サイクル装置は、エジェクタにより吸引される液冷媒を利用して室内熱交換器に流れる液冷媒を冷却する構成になっている。

特開２０１２－２２０１６６号公報

　特許文献１記載の冷凍サイクル装置では、気液分離器で分離された液冷媒の一部をエジェクタの冷媒吸引口に導くバイパス通路に減圧機器が設けられている。当該バイパス通路を介してエジェクタに吸引される冷媒の流量は、室外熱交換器や室内熱交換器を流れる冷媒流量に比べて小さい。また、バイパス通路における減圧機器の前後の圧力差は、エジェクタや他の減圧機器に比べて小さい。

　このため、バイパス通路に設置する減圧機器は、例えば、流量制御の分解能をエジェクや他の減圧機器と同等にしようとした場合、エジェクタや他の減圧機器に比べて、減圧作用を発揮させる絞り部の絞り口径が小さいものを用いる必要がある。このことは、冷凍サイクル装置の製造性を悪化させる要因となる。例えば、上記の冷凍サイクル装置を一般家庭向けの空調装置や冷蔵庫等の小型な機器に適用する場合、バイパス通路に設置する減圧機器の絞り部の絞り口径を極微細な大きさにする必要があり、冷凍サイクル装置の製造性が悪化してしまう。

　本開示は、装置の製造性を確保しつつ、蒸発器の冷却性能の向上および圧縮装置の圧縮動力の低減を図ることが可能な冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

　本開示の１つの観点によれば、冷凍サイクル装置は、
　サイクル内の冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮部、および低段側圧縮部から吐出された冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮部を含んで構成される圧縮装置と、
　高段側圧縮部から吐出された冷媒を放熱させる放熱器と、
　放熱器を通過した冷媒を減圧膨張させるノズル部、ノズル部から噴射する冷媒流により冷媒を内部に吸引するための冷媒吸引口、ノズル部から噴射された冷媒流と冷媒吸引口から吸引された冷媒とを混合して昇圧させる昇圧部を含んで構成されるエジェクタと、
　昇圧部で昇圧された冷媒の気液を分離する気液分離器と、
　気液分離器から流出した冷媒を減圧させる第１減圧機器と、
　第１減圧機器を通過した冷媒を蒸発させるとともに蒸発した冷媒を低段側圧縮部の冷媒吸入側に流出させる蒸発器と、
　気液分離器に存在するガスリッチな冷媒を高段側圧縮部の冷媒吸入側に導く第１中間圧通路と、
　気液分離器に存在する液リッチな冷媒を第１減圧機器に導く第２中間圧通路と、
　放熱器を通過した冷媒をノズル部の冷媒入口側に導く高圧通路と、
　高圧通路のうち放熱器とノズル部との間に設けられた冷媒分岐部に接続され、高圧通路を流れる冷媒の一部を冷媒吸引口に導く吸引通路と、
　吸引通路を流れる冷媒を減圧させる第２減圧機器と、
　吸引通路における第２減圧機器の下流側の冷媒と第２中間圧通路を流れる冷媒とを熱交換させることで第２中間圧通路を流れる冷媒を冷却する内部熱交換器と、
　を備える。

　このように構成される冷凍サイクル装置では、内部熱交換器において、吸引通路を流れる冷媒との熱交換によって第２中間圧通路を流れる冷媒が冷却される。これによると、蒸発器の冷媒入口側のエンタルピが減少するので、蒸発器前後のエンタルピ差を拡大させて、蒸発器における冷却性能を向上させることができる。

　また、冷凍サイクル装置は、気液分離器で分離されたガスリッチな冷媒が第１中間圧通路を介して高段側圧縮部に吸入される。これによると、圧縮装置における圧縮仕事が減少し、圧縮装置に必要とされる動力を低減させることができる。

　さらに、第２減圧機器が高圧通路から分岐した吸引通路に設けられている。本構成では、第２減圧機器にて放熱器を通過した後の高圧冷媒を減圧することになるので、第２減圧機器の前後の圧力差が、気液分離器の下流側の冷媒をエジェクタの冷媒吸引口に導く冷媒通路に設置される従来技術の減圧機器に比べて充分に大きくなる。

　このため、第２減圧機器は、従来技術の減圧機器のように絞り部の絞り口径を極微細な大きさにする必要がなく、従来技術の減圧機器よりも製造し易い減圧機器を採用することができる。

　したがって、本開示の冷凍サイクル装置では、装置の製造性を確保しつつ、蒸発器における冷却能力の向上を図ることが可能となる。

　ここで、「ガスリッチな冷媒」とは、ガスリッチな気液二相冷媒（例えば、乾き度：０．８～１．０）だけではなく、ガス単相の気相冷媒を含む意味である。また、「液リッチな冷媒」とは、液リッチな気液二相冷媒（例えば、乾き度：０～０．２）だけではなく、液単相の液相冷媒を含む意味である。このことは、以降においても同様である。

実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。実施形態に係る冷凍サイクル装置のエジェクタを示す模式図である。実施形態に係る冷凍サイクル装置の第１減圧機器を示す模式図である。実施形態に係る冷凍サイクル装置の第２減圧機器を示す模式図である。実施形態に係る冷凍サイクル装置の制御装置を示すブロック図である。実施形態に係る冷凍サイクル装置が実行する第２減圧機器の制御処理の流れを示すフローチャートである。実施形態の比較例となる冷凍サイクル装置の概略構成図である。エジェクタ内部における圧力状態を説明するための説明図である。

　以下、本開示の実施形態について図１～図８を参照して説明する。本実施形態では、本開示の冷凍サイクル装置１０を定置式冷蔵庫に適用した例について説明する。冷凍サイクル装置１０は、冷蔵庫の庫内温度を所望の温度に調整する装置として機能する。

　図１に示すように、冷凍サイクル装置１０は、圧縮装置１２、放熱器１４、エジェクタ１６、気液分離器１８、第１減圧機器２０、蒸発器２２等を順次配管で接続した蒸気圧縮式の冷凍サイクルとして構成されている。冷凍サイクル装置１０を循環する冷媒としては、超臨界流体である二酸化炭素が採用されている。これにより、冷凍サイクル装置１０は、圧縮装置１２から吐出される冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成する。また、冷媒には、圧縮装置１２の内部の各摺動部位を潤滑するための冷凍機油が混合されている。冷凍機油は、冷媒とともにサイクルを循環する。

　圧縮装置１２は、低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４を有する二段昇圧式の圧縮機で構成されている。低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４は単一のハウジング１２０の内部に収容されている。

　ハウジング１２０は、耐圧性に優れた金属製の密閉容器で構成されている。ハウジング１２０には、冷媒を吸入する吸入ポート１２０ａ、冷媒を吐出する吐出ポート１２０ｂ、サイクル内において中間圧となる中間圧冷媒を吸入するインジェクションポート１２０ｃが設けられている。

　低段側圧縮部１２２は、吸入ポート１２０ａからサイクル内の冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機構である。高段側圧縮部１２４は、低段側圧縮部１２２から吐出された冷媒、およびインジェクションポート１２０ｃから吸入される中間圧冷媒それぞれを圧縮し、吐出ポート１２０ｂから吐出する圧縮機構である。低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４は、電動機によって駆動される電動圧縮機で構成されている。なお、低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４は、内燃機関等によって駆動される構成になっていてもよい。

　圧縮装置１２の冷媒吐出側には、高段側圧縮部１２４から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器１４が接続されている。放熱器１４は、高段側圧縮部１２４から吐出された高圧冷媒を図示しない冷却ファンにより送風される外気と熱交換させて、高圧冷媒を冷却する。

　放熱器１４の冷媒出口側には、高圧通路２４を介して、エジェクタ１６が接続されている。この高圧通路２４は、放熱器１４を通過した後の冷媒をエジェクタ１６のノズル部１６１の冷媒入口側に導く冷媒通路である。

　エジェクタ１６は、冷媒を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴射する冷媒流の巻き込み作用によって冷媒を吸引するポンプ手段としての役割を兼ねるものである。図２に示すように、エジェクタ１６は、放熱器１４を通過した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部１６１を有している。エジェクタ１６には、ノズル部１６１から噴射される冷媒流により外部の冷媒を内部に吸引するための冷媒吸引口１６２が設けられている。この冷媒吸引口１６２は、後述する吸引通路３４が接続されている。

　また、エジェクタ１６には、ノズル部１６１の冷媒流れ下流側に、ノズル部１６１からの噴射された冷媒流と冷媒吸引口１６２から吸引された冷媒とを混合させる混合部１６３が設けられている。そして、エジェクタ１６には、混合部１６３の冷媒流れ下流側に、混合部１６３で混合された冷媒を昇圧させる昇圧部としてディフューザ部１６４が設けられている。

　さらに、エジェクタ１６には、ノズル部１６１の絞り開度を調整するための可変ニードル部１６５が設けられている。可変ニードル部１６５は、駆動部１６６によってその位置が制御される。駆動部１６６は、後述する制御装置１００からの制御信号に応じてその作動が制御されるアクチュエータで構成されている。エジェクタ１６は、可変ニードル部１６５の位置制御によって、ノズル部１６１の絞り開度を電気的に制御できるようになっている。

　図１に戻り、エジェクタ１６のディフューザ部１６４の冷媒流れ下流側には、気液分離器１８が接続されている。気液分離器１８は、エジェクタ１６のディフューザ部１６４で昇圧された冷媒の気液を分離するものである。

　気液分離器１８には、ディフューザ部１６４からの冷媒を導入する冷媒導入部１８１、および気液分離器１８で分離された液単相の液相冷媒または液リッチな気液二相冷媒を後述する第１減圧機器２０に導出する冷媒導出部１８２が設けられている。

　また、気液分離器１８には、その内部に存在するガス単相の気相冷媒またはガスリッチな気液二相冷媒を外部に導出する中間圧ポート１８３が設けられている。この中間圧ポート１８３には、第１中間圧通路２６が接続されている。

　第１中間圧通路２６は、気液分離器１８に存在するガスリッチな冷媒を高段側圧縮部１２４の冷媒吸入側に導く冷媒通路である。第１中間圧通路２６は、一端側が気液分離器１８の中間圧ポート１８３に接続され、他端側が圧縮装置１２のインジェクションポート１２０ｃに接続されている。

　第１中間圧通路２６には、流量調整機器２８が設けられている。この流量調整機器２８は、第１中間圧通路２６を流れる冷媒の流量、すなわち、高段側圧縮部１２４への冷媒のインジェクション量を調整する流量調整弁である。流量調整機器２８は、インジェクション量を変更可能な電気式の流量調整弁で構成されている。

　ここで、冷凍サイクル装置１０では、放熱器１４の冷媒出口側の冷媒のエンタルピが小さい場合、気液分離器１８で分離される気相冷媒の冷媒量が少なくなる。一方、放熱器１４の冷媒出口側の冷媒のエンタルピが大きい場合、気液分離器１８で分離される気相冷媒の冷媒量が多くなる。

　このような特性を踏まえて、流量調整機器２８は、放熱器１４の冷媒出口側の冷媒のエンタルピが小さい場合、エンタルピが大きい場合に比べて、第１中間圧通路２６を流れる冷媒の流量を減少させる構成となっている。すなわち、流量調整機器２８は、放熱器１４の冷媒出口側の冷媒のガス量が少ない程、制御装置１００によって冷媒の流量が減少するように制御される構成になっている。

　気液分離器１８の冷媒導出部１８２には、第２中間圧通路３０が接続されている。この第２中間圧通路３０は、気液分離器１８に存在する液リッチな冷媒を第１減圧機器２０の冷媒入口側に導く冷媒通路である。第２中間圧通路３０には、後述する内部熱交換器３６の第２熱交換部３６４が設けられている。また、第２中間圧通路３０には、第２熱交換部３６４の下流側に第１減圧機器２０が設けられている。

　第１減圧機器２０は、気液分離器１８で分離された液リッチな冷媒を低圧冷媒となるまで減圧する減圧機器である。第１減圧機器２０は、減圧作用を発揮する絞り部の絞り開度を調整可能な可変式絞り機構２００を含んで構成されている。

　具体的には、第１減圧機器２０は、図３に示すように、第２中間圧通路３０を流れる冷媒を減圧膨張させる低段側絞り部２０１、低段側絞り部２０１の絞り開度を調整するための低段側ニードル部２０２を有している。本実施形態では、低段側絞り部２０１および低段側ニードル部２０２が第１減圧機器２０の可変式絞り機構２００を構成する。

　また、第１減圧機器２０は、低段側ニードル部２０２を変位させる低段側駆動部２０３を有している。この低段側駆動部２０３は、後述する制御装置１００からの制御信号に応じてその作動が制御されるアクチュエータで構成されている。

　このように、第１減圧機器２０は、低段側駆動部２０３によって低段側ニードル部２０２を変位させることで、低段側絞り部２０１の絞り開度を制御する電気式減圧機器として構成されている。第１減圧機器２０は、蒸発器２２の冷媒出口側における冷媒の状態が所望の状態（例えば、過熱度を有する状態）となるように制御装置１００によって絞り開度が制御される構成になっている。

　図１に戻り、第１減圧機器２０の冷媒出口側には、第１減圧機器２０を通過した冷媒を蒸発させて低段側圧縮部１２２の冷媒吸入側に流出させる蒸発器２２が接続されている。蒸発器２２は、第１減圧機器２０で減圧された低圧冷媒を図示しない庫内ファンにより循環送風される冷蔵庫内の空気（すなわち、庫内空気）と熱交換させて、低圧冷媒を蒸発させる熱交換器である。庫内ファンにより送風される空気は、蒸発器２２における冷媒の蒸発潜熱によって所望の温度まで冷却される。

　ここで、冷凍サイクル装置１０の高圧通路２４の途中には、放熱器１４からエジェクタ１６のノズル部１６１に向かって流れる冷媒の一部を分岐させるための冷媒分岐部３２が設定されている。この冷媒分岐部３２には、吸引通路３４が接続されている。

　吸引通路３４は、放熱器１４を通過した冷媒の一部をエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に導くための冷媒通路である。吸引通路３４は、一端側が冷媒分岐部３２に接続され、他端側がエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に接続されている。

　吸引通路３４には、内部熱交換器３６の第１熱交換部３６２が設けられている。また、吸引通路３４には、第１熱交換部３６２の冷媒流れ上流側に第２減圧機器３８が設けられている。

　内部熱交換器３６は、第２中間圧通路３０を流れる冷媒と吸引通路３４を流れる冷媒とを熱交換させて第２中間圧通路３０を流れる冷媒を冷却する熱交換器である。内部熱交換器３６は、吸引通路３４を流れる冷媒が流通する第１熱交換部３６２、および第２中間圧通路３０を流れる冷媒が流通する第２熱交換部３６４を有している。内部熱交換器３６としては、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器等を採用することができる。

　吸引通路３４には、第１熱交換部３６２の冷媒流れ上流側に、冷媒を減圧する第２減圧機器３８が設けられている。第２減圧機器３８は、吸引通路３４を流れる冷媒をエジェクタ１６の冷媒出口側の冷媒圧力よりも低い圧力となるまで減圧する減圧機器である。第１熱交換部３６２に流入する冷媒は、第２減圧機器３８で減圧されることで、その温度が第２熱交換部３６４に流入する冷媒の温度よりも低くなる。

　第２減圧機器３８は、減圧作用を発揮する絞り部の絞り開度を調整可能な可変式絞り機構３８０を含んで構成されている。具体的には、第２減圧機器３８は、図４に示すように、吸引通路３４を流れる冷媒を減圧膨張させる吸引側絞り部３８１、吸引側絞り部３８１の絞り開度を調整するための吸引側ニードル部３８２を有している。本実施形態では、吸引側絞り部３８１および吸引側ニードル部３８２が第２減圧機器３８の可変式絞り機構３８０を構成する。

　また、第２減圧機器３８は、吸引側ニードル部３８２を変位させる吸引側駆動部３８３を有している。この吸引側駆動部３８３は、後述する制御装置１００からの制御信号に応じてその作動が制御されるアクチュエータで構成されている。

　このように、第２減圧機器３８は、吸引側駆動部３８３によって吸引側ニードル部３８２を変位させることで、吸引側絞り部３８１の絞り開度を制御する電気式減圧機器として構成されている。

　ところで、第２減圧機器３８は、サイクルにおける高圧冷媒が中間圧冷媒付近まで減圧する。また、第１減圧機器２０は、中間圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧する。このため、中間圧冷媒の圧力が高圧冷媒の圧力と低圧冷媒の圧力との平均圧力付近となる場合、第２減圧機器３８の前後の圧力差と第１減圧機器２０の前後の圧力差とが同程度となる。

　そこで、本実施形態では、第２減圧機器３８の吸引側絞り部３８１が、第１減圧機器２０の低段側絞り部２０１と共用可能なように、第１減圧機器２０の低段側絞り部２０１と実質的に同じ構造を有している。具体的には、吸引側絞り部３８１の絞り口径Φβは、低段側絞り部２０１の絞り口径Φαと同じ寸法値に設定されている。

　ここで、「同じ寸法値」とは、完全に寸法が一致している同じ値になっていることのみを意味するものではない。「同じ寸法値」には、製造時に生ずる製造誤差によって微少に異なるもの、例えば、設計寸法に対する誤差が±５％以内のものも含むと解釈することができる。

　次に、冷凍サイクル装置１０の電気制御部を構成する制御装置１００について図５を参照して説明する。制御装置１００は、プロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ１００ａを含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路で構成される。なお、メモリ１００ａは、非遷移的実体的記憶媒体で構成される。

　制御装置１００には、その入力側に吸引側温度センサ１０２、中間圧側温度センサ１０４等の各種センサ、ユーザが操作する操作パネル１１０に設定された運転スイッチ１１０ａ等の各種スイッチが接続されている。

　吸引側温度センサ１０２は、第２減圧機器３８で減圧された後、内部熱交換器３６の第１熱交換部３６２に流入する冷媒の温度を検出する。吸引側温度センサ１０２は、例えば、第１熱交換部３６２の冷媒入口側に設けられている。

　中間圧側温度センサ１０４は、内部熱交換器３６の第２熱交換部３６４に流入する冷媒の温度を検出する温度センサである。中間圧側温度センサ１０４は、例えば、第２熱交換部３６４の冷媒入口側に設けられている。

　制御装置１００には、その出力側に圧縮装置１２、エジェクタ１６、流量調整機器２８、第１減圧機器２０、第２減圧機器３８等の各種制御対象機器が接続されている。制御装置１００は、メモリ１００ａに記憶された制御プログラム等に基づいて各種演算、処理を行って、出力側に接続された各種制御対象機器の作動を制御する。

　ここで、制御装置１００には、各種演算処理を実行するハードウェアおよびソフトフェアで構成される処理実行部、各種制御対象機器を制御するハードウェアおよびソフトフェアで構成される制御部等が集約されている。制御装置１００には、例えば、第２減圧機器３８の吸引側駆動部３８３を制御する構成が第２減圧機器３８の絞り開度を制御する絞り開度制御部１００ｂとして集約されている。

　次に、本実施形態の冷凍サイクル装置１０の作動について説明する。冷凍サイクル装置１０は、操作パネル１１０の運転スイッチ１１０ａがオンされると、制御装置１００が冷凍サイクル装置１０の各種制御対象機器を作動させる。これにより、圧縮装置１２が冷媒を吸引し、吸引した冷媒を高圧冷媒となるまで圧縮して吐出する。図１に示すように、圧縮装置１２の高段側圧縮部１２４から吐出された高圧冷媒は、放熱器１４に流入して外気との熱交換によって放熱する。そして、放熱器１４を通過した冷媒は、その一部が高圧通路２４に流れ、残りが吸引通路３４に流れる。

　高圧通路２４を流れる冷媒は、エジェクタ１６のノズル部１６１に流入し、等エントロピ的に減圧膨張する。そして、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て、冷媒がノズル部１６１の冷媒噴射口から高速度になって噴射される。

　一方、吸引通路３４に流れる冷媒は、第２減圧機器３８に流入し、エジェクタ１６のディフューザ部１６４から吐出された冷媒の圧力よりも低い冷媒となるまで減圧膨張する。そして、第２減圧機器３８で減圧された冷媒は、内部熱交換器３６の第１熱交換部３６２に流入した後、エジェクタ１６のノズル部１６１の噴射冷媒の冷媒吸引作用によって、冷媒吸引口１６２に吸引される。

　冷媒吸引口１６２から吸引された冷媒は、エジェクタ１６の混合部１６３でノズル部１６１から噴射された冷媒と混合された後、ディフューザ部１６４で中間圧冷媒となるまで昇圧される。なお、ディフューザ部１６４では、冷媒の通路面積の拡大によって冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されるため、冷媒の圧力が中間圧冷媒となるまで上昇する。

　ディフューザ部１６４から吐出された冷媒は、気液分離器１８に流入して気液が分離される。気液分離器１８の冷媒導出部１８２から流出した液相冷媒は、内部熱交換器３６の第２熱交換部３６４に流入する。そして、内部熱交換器３６では、気液分離器１８から流出した液相冷媒と第２減圧機器３８で減圧された冷媒と熱交換する。

　気液分離器１８から流出した液相冷媒の圧力は、エジェクタ１６のディフューザ部１６４から吐出された冷媒の圧力と同程度である。このため、気液分離器１８から流出した液相冷媒の圧力は、第２減圧機器３８で減圧された冷媒の圧力よりも高くなる。そして、気液分離器１８から流出した液相冷媒は、その温度が第２減圧機器３８で減圧された冷媒の温度よりも高くなる。このため、内部熱交換器３６では、気液分離器１８から流出した液相冷媒が第２減圧機器３８で減圧された冷媒によって冷却される。

　ここで、内部熱交換器３６での熱交換量が安定して確保されるように、制御装置１００は、図６に示すように、第２減圧機器３８を制御する。図６は、制御装置１００が実行する第２減圧機器３８の制御処理の流れを示している。

　図６に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１０にて各種センサからの検出信号を読み込む。具体的には、制御装置１００は、吸引側温度センサ１０２から第１熱交換部３６２に流入する冷媒の温度Ｔ１を読み込むとともに、中間圧側温度センサ１０４から第２熱交換部３６４に流入する冷媒の温度Ｔ２を読み込む。

　続いて、制御装置１００は、ステップＳ２０にて第１熱交換部３６２に流入する冷媒と第２熱交換部３６４に流入する冷媒との温度差ΔＴを算出する。具体的には、制御装置１００は、第２熱交換部３６４に流入する冷媒の温度Ｔ２から第１熱交換部３６２に流入する冷媒の温度Ｔ１を減算した値を温度差ΔＴとして算出する。

　続いて、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、ステップＳ２０で算出した温度差ΔＴが所定の目標温度差ΔＴｔｒに近づくように、第２減圧機器３８の絞り開度を制御する。具体的には、制御装置１００は、温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔｒよりも小さい場合、絞り開度が減少するように第２減圧機器３８を制御する。一方、制御装置１００は、温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔｒよりも大きい場合、絞り開度が増加するように第２減圧機器３８を制御する。これによれば、サイクルの負荷変動が生じたとしても、内部熱交換器３６での熱交換量を安定して確保することが可能となる。

　図１に戻り、内部熱交換器３６の第２熱交換部３６４で冷却された冷媒は、第１減圧機器２０に流入し、第１減圧機器２０で等エントロピ的に減圧膨張して気液二相状態となる。すなわち、気液分離器１８から流出した液相冷媒は、第１減圧機器２０にて低圧冷媒となるまで減圧される。

　第１減圧機器２０から流出した冷媒は、蒸発器２２に流入して、庫内ファンにより循環送風される庫内空気から吸熱して蒸発する。この際、庫内空気は、冷媒の吸熱作用によって所望の温度まで冷却される。

　蒸発器２２から流出した低圧冷媒は、圧縮装置１２の低段側圧縮部１２２に吸入された後に圧縮される。そして、圧縮装置１２では、低段側圧縮部１２２から吐出された冷媒とインジェクションポート１２０ｃから吸入された冷媒とが合流する。圧縮装置１２の内部で合流した冷媒は、その圧力が高圧冷媒となるまで高段側圧縮部１２４にて圧縮される。

　以上説明した本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、内部熱交換器３６で第２中間圧通路３０を流れる冷媒と吸引通路３４を流れる冷媒との熱交換によって、第２中間圧通路３０を流れる冷媒が冷却される。これによると、蒸発器２２の冷媒入口側のエンタルピが減少し、蒸発器２２の前後のエンタルピ差が拡大するので、蒸発器２２における冷却能力が向上する。

　また、冷凍サイクル装置１０は、気液分離器１８で分離されたガスリッチな冷媒が第１中間圧通路２６を介して圧縮装置１２のインジェクションポート１２０ｃに吸入される。これによると、圧縮装置１２における圧縮仕事が減少し、圧縮装置１２に必要とされる動力を低減させることができる。この結果、サイクルのＣＯＰが向上する。

　ここで、本実施形態の比較例となる冷凍サイクル装置ＣＥの構成について図７を参照して説明する。なお、図７では、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥのうち本実施形態の冷凍サイクル装置１０と同様に構成される機器等に対して同じ符号を付している。また、以下では、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥのうち、本実施形態の冷凍サイクル装置１０と同様に構成される機器についての説明を省略する。

　比較例の冷凍サイクル装置ＣＥは、気液分離器１８と第１減圧機器２０との間に分岐部ＢＰが設けられている。この分岐部ＢＰに、気液分離器１８で分離された液相冷媒の一部をエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に導く吸引通路ＳＰが接続されている。そして、吸引通路ＳＰには、吸引通路ＳＰを流れる冷媒によって第１減圧機器２０に流入する冷媒を冷却する内部熱交換器ＨＥ、および内部熱交換器ＨＥに流入する冷媒を減圧する減圧機器ＲＶが設けられている。

　このように構成される比較例の冷凍サイクル装置ＣＥでは、蒸発器２２に流れる冷媒の流量が確保されるように、吸引通路ＳＰを介してエジェクタ１６に吸引される冷媒の流量を蒸発器２２に流れる冷媒の流量よりも小さくする必要がある。例えば、吸引通路ＳＰを介してエジェクタ１６に吸引される冷媒の流量を蒸発器２２に流れる冷媒の流量の１０％以下となるように調整する必要がある。

　また、吸引通路ＳＰにおける減圧機器ＲＶの前後の圧力差は、エジェクタ１６や第１減圧機器２０に比べて極めて小さい。具体的には、減圧機器ＲＶの上流側の冷媒の圧力は、図８に示すエジェクタ１６のディフューザ部１６４で昇圧された圧力Ｐｄ程度となる。また、減圧機器ＲＶの下流側の冷媒の圧力は、エジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に流入する冷媒の圧力Ｐｍ程度となる。このため、吸引通路ＳＰにおける減圧機器ＲＶの前後の圧力差ΔＰｄｍは、実質的にディフューザ部１６４の昇圧量程度（例えば、エジェクタ１６の前後の圧力差の１０％程度）となる。

　このため、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥに用いる減圧機器ＲＶは、流量制御の分解能をエジェクタ１６や第１減圧機器２０と同等にしようとする場合、エジェクタ１６や第１減圧機器２０に比べて、減圧作用を発揮させる絞り部の口径を小さくする必要がある。このことは、冷凍サイクル装置ＣＥの製造性を悪化させる要因となる。

　これに対して、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、第２減圧機器３８が高圧通路２４から分岐した吸引通路３４に設けられている。このため、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥのように、蒸発器２２に流れる冷媒の流量を考慮して、第２減圧機器３８の絞り部の絞り口径を小さくする必要がない。

　また、第２減圧機器３８の前後の圧力差は、比較例の減圧機器ＲＶの前後の圧力差よりも大きくなる。具体的には、第２減圧機器３８の上流側の冷媒の圧力は、図８に示すようにエジェクタ１６のノズル部１６１に流入する冷媒の圧力Ｐｈ程度となる。また、第２減圧機器３８の下流側の冷媒の圧力は、エジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に流入する冷媒の圧力Ｐｍ程度となる。このため、第２減圧機器３８の前後の圧力差ΔＰｈｍは、比較例の減圧機器ＲＶの前後の圧力差ΔＰｄｍよりも大きくなる。

　このため、本実施形態の第２減圧機器３８は、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥの減圧機器ＲＶのように絞り部の絞り口径を極微細な大きさにする必要がなく、第２減圧機器３８として製造し易いものを採用することができる。

　したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置１０によれば、装置の製造性を確保しつつ、蒸発器２２における冷却能力の向上および圧縮装置１２の圧縮動力の低減を図ることができる。

　また、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥは、吸引通路ＳＰを介して気液分離器１８の下流側の液冷媒の一部を気液分離器１８の上流側のエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に戻す構造になっている。すなわち、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥでは、吸引通路ＳＰが冷媒を下流側から上流側に戻すための冷媒通路として機能する。このような構造になっていると、内部熱交換器ＨＥの内部に冷凍機油を含む冷媒の滞留が生じ易くなる。このことは、内部熱交換器ＨＥにおける熱交換を阻害する要因や圧縮装置１２の摺動部位等の潤滑性の悪化を招く要因となることから好ましくない。

　これに対して、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、吸引通路３４を介して放熱器１４の下流側の冷媒の一部を放熱器１４の下流側のエジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に流す構造になっている。このような構造では、吸引通路３４が冷媒を上流側から下流側に流すための冷媒通路として機能する。このため、吸引通路３４に設置された内部熱交換器３６の内部に冷凍機油を含む冷媒の滞留が生じ難い。

　したがって、本実施形態の冷凍サイクル装置１０は、比較例の冷凍サイクル装置ＣＥに比べて、内部熱交換器３６の熱交換性能を確保しつつ、圧縮装置１２の摺動部位等の潤滑性を確保することが可能になる。

　さらに、本実施形態の第２減圧機器３８は、冷媒を減圧する絞り部の絞り開度が変更可能な可変式絞り機構３８０を含んで構成されている。これによると、吸引通路３４を介して内部熱交換器３６に流入する冷媒の流量を調整することができるので、吸引通路３４を流れる冷媒の状態をサイクルに適した状態となるように調整することが可能となる。

　また、本実施形態の制御装置１００は、第２減圧機器３８の絞り開度を制御する絞り開度制御部１００ｂを含んで構成されている。そして、制御装置１００は、内部熱交換器３６の第１熱交換部３６２を流通する冷媒と第２熱交換部３６４を流通する冷媒との温度差ΔＴが所定の目標温度差ΔＴｔｒに近づくように、第２減圧機器３８の絞り開度を制御する。

　これによると、内部熱交換器３６における熱交換量を調整して蒸発器２２の冷媒入口側のエンタルピをサイクルに適した状態に制御することができる。このことは、蒸発器２２における冷却能力の向上に大きく寄与する。

　さらに、本実施形態では、第２減圧機器３８の吸引側絞り部３８１が第１減圧機器２０で用いられる低段側絞り部２０１と少なくとも絞り口径が同じ寸法値となる構造を有している。これによると、第２減圧機器３８と第１減圧機器２０とで共通の絞り部を採用することが可能となる。このことは、部品の管理工数や品質検査工数の削減に大きく寄与するので、装置の製造性の向上を充分に図ることができる。

　ところで、冷媒として放熱器１４を通過した冷媒の状態が臨界点未満となる亜臨界流体（例えば、フロン系冷媒）を採用する場合、液単相または気液二相となる冷媒がエジェクタ１６および第２減圧機器３８に流入する。液単相の冷媒を減圧する場合と気液二相状態の冷媒を減圧する場合とでエジェクタ１６や第２減圧機器３８における減圧作用が異なることがある。このため、冷媒として亜臨界流体を採用する場合、エジェクタ１６および第２減圧機器３８での減圧作用が不安定になることが懸念される。

　これに対して、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒として超臨界流体である二酸化炭素を採用しているので、放熱器１４を通過した冷媒の状態が臨界点以上となる超臨界状態となる。そして、エジェクタ１６および第２減圧機器３８には超臨界状態となる冷媒が流入する。このため、本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、フロン系冷媒等の亜臨界流体を冷媒として採用する場合に比べて、エジェクタ１６および第２減圧機器３８で安定した減圧作用を発揮させることができる。

　（他の実施形態）
　以上、本開示の１つの実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

　上述の実施形態の如く、第１中間圧通路２６に流量調整機器２８が設けられていることが望ましいが、これに限定されない。冷凍サイクル装置１０は、例えば、第１中間圧通路２６に流量調整機器２８が設けられていない構成になっていてもよい。

　上述の実施形態では、第１減圧機器２０は、その絞り開度を制御装置１００で制御可能な電気式減圧機器として構成されていることが望ましいが、これに限定されない。第１減圧機器２０は、感温部を有する温度式膨張弁のような機械式減圧機器で構成されていてもよい。また、第１減圧機器２０は、可変式絞り機構２００を含んで構成されていることが望ましいが、これに限定されない。第２減圧機器３８は、例えば、減圧機能を発揮する固定絞り機構で構成されていてもよい。

　上述の実施形態の如く、第２減圧機器３８は、その絞り開度を制御装置１００で制御可能な電気式減圧機器として構成されていることが望ましいが、これに限定されない。第２減圧機器３８は、感温部を有する温度式膨張弁のような機械式減圧機器で構成されていてもよい。また、第２減圧機器３８は、可変式絞り機構３８０を含んで構成されていることが望ましいが、これに限定されない。第２減圧機器３８は、例えば、減圧機能を発揮する固定絞り機構で構成されていてもよい。

　上述の実施形態では、制御装置１００が、内部熱交換器３６の第１熱交換部３６２を流通する冷媒と第２熱交換部３６４を流通する冷媒との温度差ΔＴに応じて、第２減圧機器３８の絞り開度を制御する例について説明したが、これに限定されない。制御装置１００は、例えば、エジェクタ１６の冷媒吸引口１６２に流入する冷媒が所定の過熱度を有する状態となるように、第２減圧機器３８の絞り開度を制御する構成になっていてもよい。

　上述の実施形態では、吸引側温度センサ１０２および中間圧側温度センサ１０４の検出値に基づいて、第１熱交換部３６２を流通する冷媒と第２熱交換部３６４を流通する冷媒との温度差ΔＴを算出する例について説明したが、これに限定されない。制御装置１００は、例えば、第１熱交換部３６２を流通する冷媒および第２熱交換部３６４を流通する冷媒それぞれの圧力を検出する圧力センサを設け、当該圧力センサの検出値に基づいて、前述の温度差ΔＴを算出する構成になっていてもよい。

　上述の実施形態の如く、第２減圧機器３８の吸引側絞り部３８１を低段側絞り部２０１と絞り口径が同じ寸法値となる構造にすることが望ましいが、これに限定されない。第２減圧機器３８の吸引側絞り部３８１は、例えば、低段側絞り部２０１と絞り口径が異なる寸法値となる構造になっていてもよい。

　上述の実施形態では、第２減圧機器３８の吸引側絞り部３８１を低段側絞り部２０１と絞り口径が同じ寸法値となる構造にする例について説明したが、これに限定されない。第２減圧機器３８は、吸引側絞り部３８１の絞り口径以外の要素についても低段側絞り部２０１と同じ構造になっていてもよい。第２減圧機器３８は、例えば、吸引側駆動部３８３が低段側駆動部２０３と同じ構造を有する構成になっていてもよい。

　上述の実施形態では、圧縮装置１２として低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４が単一のハウジング１２０に収容されるものを採用する例について説明したが、これに限定されない。圧縮装置１２は、例えば、低段側圧縮部１２２および高段側圧縮部１２４が独立した圧縮機として構成され、各圧縮部１２２、１２４の間に中間圧冷媒を合流させる合流部が設けられたものが採用されていてもよい。

　上述の実施形態では、本開示の冷凍サイクル装置１０を定置式冷蔵庫に適用した例について説明したが、これに限定されない。本開示の冷凍サイクル装置１０は、例えば、車両に搭載された冷凍庫、車両の空調装置、家庭用の空調装置等の様々な装置に適用可能である。

　上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

　上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

　上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

　（まとめ）
　上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、冷凍サイクル装置は、圧縮装置、放熱器、エジェクタ、気液分離器、第１減圧機器、蒸発器を備える。冷凍サイクル装置は、気液分離器に存在するガスリッチな冷媒を圧縮装置の高段側圧縮部の冷媒吸入側に導く第１中間圧通路、気液分離器に存在する液リッチな冷媒を第１減圧機器に導く第２中間圧通路を備える。冷凍サイクル装置は、放熱器を通過した冷媒をエジェクタのノズル部の冷媒入口側に導く高圧通路、高圧通路のうち放熱器とノズル部との間に設けられた冷媒分岐部に接続され、高圧通路を流れる冷媒の一部をエジェクタの冷媒吸引口に導く吸引通路を備える。冷凍サイクル装置は、吸引通路を流れる冷媒を減圧させる第２減圧機器、吸引通路における第２減圧機器の下流側の冷媒と第２中間圧通路を流れる冷媒とを熱交換させることで第２中間圧通路を流れる冷媒を冷却する内部熱交換器を備える。

　第２の観点によれば、冷凍サイクル装置の第２減圧機器は、冷媒を減圧する絞り部の絞り開度が変更可能な可変式絞り機構を含んで構成されている。これによると、第２減圧機器の絞り開度を変更可能な構成とすれば、吸引通路を介して内部熱交換器に流入する冷媒の流量を調整することができる。これにより、吸引通路を流れる冷媒の状態をサイクルに適した状態となるように調整することが可能となる。

　第３の観点によれば、冷凍サイクル装置は、第２減圧機器の絞り開度を制御する絞り開度制御部を含んで構成される制御装置を備える。内部熱交換器は、吸引側冷媒通路を流れる冷媒が流通する第１熱交換部、第２中間圧通路を流れる冷媒が流通する第２熱交換部を含んで構成されている。制御装置は、第１熱交換部を流通する冷媒と第２熱交換部を流通する冷媒との温度差が所定の目標温度差に近づくように、第２減圧機器の絞り開度を制御する。

　これによると、内部熱交換器における熱交換量を調整して蒸発器の冷媒入口側のエンタルピをサイクルに適した状態に制御することができる。このことは、蒸発器における冷却能力の向上に大きく寄与する。

　第４の観点によれば、冷凍サイクル装置の第２減圧機器は、冷媒を減圧する絞り部が第１減圧機器で用いられる絞り部と少なくとも絞り口径が同じ寸法値となる構造を有している。これによると、第２減圧機器と第１減圧機器とで共通の絞り部を採用することが可能になる。このことは、部品の管理工数や品質検査工数の削減に大きく寄与するので、装置の製造性の向上を図ることができる。

Claims

　蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、
　サイクル内の冷媒を圧縮して吐出する低段側圧縮部（１２２）、および前記低段側圧縮部から吐出された冷媒を圧縮して吐出する高段側圧縮部（１２４）を含んで構成される圧縮装置（１２）と、
　前記高段側圧縮部から吐出された冷媒を放熱させる放熱器（１４）と、
　前記放熱器を通過した冷媒を減圧膨張させるノズル部（１６１）、前記ノズル部から噴射する冷媒流により冷媒を内部に吸引するための冷媒吸引口（１６２）、前記ノズル部から噴射された冷媒流と前記冷媒吸引口から吸引された冷媒とを混合して昇圧させる昇圧部（１６４）を含んで構成されるエジェクタ（１６）と、
　前記昇圧部で昇圧された冷媒の気液を分離する気液分離器（１８）と、
　前記気液分離器から流出した冷媒を減圧させる第１減圧機器（２０）と、
　前記第１減圧機器を通過した冷媒を蒸発させるとともに蒸発した冷媒を前記低段側圧縮部の冷媒吸入側に流出させる蒸発器（２２）と、
　前記気液分離器に存在するガスリッチな冷媒を前記高段側圧縮部の冷媒吸入側に導く第１中間圧通路（２６）と、
　前記気液分離器に存在する液リッチな冷媒を前記第１減圧機器に導く第２中間圧通路（３０）と、
　前記放熱器を通過した冷媒を前記ノズル部の冷媒入口側に導く高圧通路（２４）と、
　前記高圧通路のうち前記放熱器と前記ノズル部との間に設けられた冷媒分岐部（３２）に接続され、前記高圧通路を流れる冷媒の一部を前記冷媒吸引口に導く吸引通路（３４）と、
　前記吸引通路を流れる冷媒を減圧させる第２減圧機器（３８）と、
　前記吸引通路における前記第２減圧機器の下流側の冷媒と前記第２中間圧通路を流れる冷媒とを熱交換させることで前記第２中間圧通路を流れる冷媒を冷却する内部熱交換器（３６）と、
　を備える冷凍サイクル装置。
　前記第２減圧機器は、冷媒を減圧する絞り部（３８１）の絞り開度が変更可能な可変式絞り機構（３８０）を含んで構成される請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
　前記第２減圧機器の絞り開度を制御する絞り開度制御部（１００ｂ）を含んで構成される制御装置（１００）を備え、
　前記内部熱交換器は、前記吸引通路を流れる冷媒が流通する第１熱交換部（３６２）、前記第２中間圧通路を流れる冷媒が流通する第２熱交換部（３６４）を含んで構成されており、
　前記制御装置は、前記第１熱交換部を流通する冷媒と前記第２熱交換部を流通する冷媒との温度差が所定の目標温度差に近づくように、前記第２減圧機器の絞り開度を制御する請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
　前記第２減圧機器は、冷媒を減圧する絞り部（３８１）が前記第１減圧機器で用いられる絞り部（２０１）と少なくとも絞り口径が同じ寸法値となる構造を有する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷凍サイクル装置。