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

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５の形態では、上記請求項１から４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４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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