JP4971877B2

JP4971877B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4971877B2
Application number: JP2007151639A
Authority: JP
Inventors: 敏雄矢島
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008082693A

Description

本発明は、冷凍サイクルに関する。

従来、エジェクタを配置することで膨張エネルギを回収して成績係数の向上を図った冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献１）。

この冷凍サイクルは、臨界圧のガス冷媒を放熱器からエジェクタに導入し、エジェクタの後段に設けた気液分離器で気液分離した後、ガス冷媒を圧縮機に送り、液冷媒を蒸発器に戻すように構成されている。
特許第３３２２２６３号公報

しかしながら、上記従来の冷凍サイクルでは、エジェクタ後段の気液分離器で冷凍サイクル内を循環していて圧縮機に戻るオイルも分離されてしまうため、このオイルを圧縮機へ戻すオイル戻し機構が必要になるという問題があった。

また、エジェクタには二相（気相および液相）の冷媒が導入されるため、エジェクタの後流では冷媒の一部が凝縮し、この凝縮による体積減少に伴う減圧によって、エジェクタによる圧縮効果が減殺されてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、エジェクタを設けることで成績係数の向上を図った冷凍サイクルにおいて、オイル戻し機構が不要で、かつエジェクタによる圧縮効果をより向上することができる冷凍サイクルを得ることを目的とする。

請求項１にかかる発明にあっては、冷媒を昇圧する圧縮機（１１）と、前記圧縮機（１１）で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器（１２）と、前記放熱器（１２）を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段（１３）および第２減圧手段（１５）と、前記第１減圧手段（１３）によって減圧された冷媒と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（１４）と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧された冷媒を熱交換により蒸発させる蒸発器（１６）と、前記第１減圧手段（１３）および内部熱交換器（１４）を通過した冷媒を高圧の一次流体とし、前記内部熱交換器（１４）および第２減圧手段（１５）を通過した冷媒を低圧の二次流体として、これら一次流体と二次流体とを混合して圧縮機（１１）に導入するエジェクタ（１７）と、を備え、前記内部熱交換器（１４）を通過して第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒と、蒸発器（１６）を通過してエジェクタ（１７）に導入される前の冷媒とを熱交換する第２内部熱交換器（１８）を備えることを特徴とする。

請求項２にかかる発明にあっては、冷媒を昇圧する圧縮機（１１）と、前記圧縮機（１１）で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器（１２）と、前記放熱器（１２）を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段（１３）および第２減圧手段（１５）と、前記第１減圧手段（１３）によって減圧された冷媒と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（１４）と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧された冷媒を熱交換により蒸発させる蒸発器（１６）と、前記第１減圧手段（１３）および内部熱交換器（１４）を通過した冷媒を高圧の一次流体とし、前記内部熱交換器（１４）および第２減圧手段（１５）を通過した冷媒を低圧の二次流体として、これら一次流体と二次流体とを混合して圧縮機（１１）に導入するエジェクタ（１７）と、を備え、前記蒸発器（１６）の後流側（ｇ）は、前記エジェクタ（１７）の二次流体導入口（１７ｂ）に連通する第１冷媒経路（２０）の他に、エジェクタ（１７）をバイパスして圧縮機（１１）の吸入口（１１ａ）に連通する第２冷媒経路（２１）を備え、前記蒸発器（１６）と前記第１冷媒経路（２０）および第２冷媒経路（２１）のうちいずれか一方とを選択的に連通させる切換手段（１９）を設けたことを特徴とする。

請求項３にかかる発明にあっては、前記エジェクタ（１７）の後段でありかつ圧縮機（１１）の前段に、余剰な液冷媒を蓄えるアキュムレータ（２２）を設けたことを特徴とする。

請求項１にかかる発明によれば、上記従来の冷凍サイクルで設けられていたエジェクタの後段の気液分離器が不要となるため、当該気液分離器によって分離されたオイルを圧縮機へ戻すオイル戻し機構が不要となる。また、内部熱交換器を設けたことで、エジェクタの駆動流をガス化させることができ、ガス化している吸引流とでエジェクタ内をガス単相で使用ができるため２相エジェクタに比べ効率の低下が生じにくい。また、第２内部熱交換器によって蒸発器入口における冷媒の温度が下がり、蒸発器入口の乾き度を下げることができるため冷媒蒸発量が増え、成績係数をより一層向上することが可能となる。

請求項２にかかる発明によれば、エジェクタサイクルと通常の冷凍サイクルを切り替え使用することが可能となり、エジェクタ利用することで不具合が生じる場合に切り替えて回避することが可能となる。

請求項３にかかる発明によれば、アキュムレータに余剰な液冷媒を蓄えておくことで、
冷媒が不足する状態を回避することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、特に明示する場合（第５実施形態）を除き、本発明にかかる冷凍サイクルを、超臨界流体としての炭酸ガスを冷媒とする車両用空調装置の冷凍サイクルとして実施した場合について例示するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）図１は、本実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図、図２は、本実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図である。本例は超臨界圧サイクルを想定例として説明する。

本実施形態にかかる冷凍サイクル１０は、圧縮機１１、放熱器１２、第１減圧手段としての膨張器１３、内部熱交換器１４、第２減圧手段としての膨張器１５、蒸発器１６、およびエジェクタ１７を備え、それぞれが冷媒経路ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを介して接続されている。

圧縮機１１は、モータあるいはエンジン等の駆動手段（図示せず）によって駆動され、
気相状態の冷媒を昇圧（臨界圧以上）および昇温して、高温高圧の冷媒を吐出する。この圧縮機１１により、冷媒の状態は、図２中でｈからａまで移動する。

放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒を外気あるいは熱交換流体等と熱交換させることで冷却する。また、電動ファン（図示せず）等によって放熱器１２に風を当て、冷媒の冷却を促進するようにしてもよい。この放熱器１２により、冷媒の状態は、図２中でａからｂまで移動する。

膨張器１３は、放熱器１２を通過した冷媒を断熱膨張させる。この膨張器１３により、
冷媒の状態は、図２中でｂからｃまで移動する。そして、この膨張器１３によって中間圧（図２中ｃの圧力）が設定される。

そして、本実施形態では、この膨張器１３を通過して減圧された冷媒を内部熱交換器１４に導入する一方、放熱器１２を通過した冷媒を分岐して、別途、内部熱交換器１４内に導入し、これら冷媒間で熱交換を行わせ、後者の冷媒を膨張器１５によって断熱膨張させるようにしている。

すなわち、内部熱交換器１４は、放熱器１２を通過して膨張器１３によって減圧された冷媒と、放熱器１２を通過して膨張器１５によって減圧される前の冷媒とで熱交換を行わせる。この内部熱交換器１４により、前者の冷媒の状態は、図２中でｃからｄまで移動し、後者の冷媒の状態は、同図中でｂからｅまで移動する。そして、膨張器１５により、冷媒の状態は、図２中でｅからｆまで移動する。

なお、膨張器１３、１５は、例えば、膨張弁、オリフィス、キャピラリチューブ等、公知技術によって構築することができる。

蒸発器１６は、膨張器１５で断熱膨張した低温低圧の液冷媒を空調風との間で熱交換するものであり、ここで、液冷媒は空調風から吸熱して蒸発（気化）する。そして、蒸発器１６内を流通する冷媒に吸熱された空調風は冷却および除湿されて、車室内に供給される。

エジェクタ１７は、膨張器１３の下流側で内部熱交換器１４と、圧縮機１１と、を接続する冷媒経路（ｄ、ｈ）の途中に設けられるエジェクタ本体１７ｍを備える。エジェクタ本体１７ｍは、一次流体を導入する高圧側入口となる一次流体導入口１７ａと、二次流体を導入する低圧側入口となる二次流体導入口１７ｂと、エジェクタ吐出口１７ｄを備えている。一次流体導入口１７ａから導入された一次流体は、径が狭く絞り込まれたオリフィス部１７ｃで減圧かつ加速することで二次流体導入口１７ｂとの間に差圧を生じさせ、この差圧によって二次流体を吸引するようになっている。エジェクタ本体１７ｍは、オリフィス部１７ｃから下流側に向けて径が拡大されており、混合された両冷媒は、減速し圧力が回復した状態でエジェクタ吐出口１７ｄへと排出される。かかるエジェクタ１７を用いることで、成績係数の増大、ならびに省動力化を図ることができる。

以上の本実施形態にかかる冷凍サイクル１０は、放熱器１２の出口の冷媒からエジェクタ１７の駆動流を分流し、二つの経路に分流された冷媒を減圧手段としての膨張器１３、１５によって断熱膨張させるとともに、一方の冷媒を内部熱交換器１４を用いて冷却するようにしたものである。すなわち、上記従来技術のような気液分離器を前提とするサイクルではないため、気液分離器から圧縮機へのオイル戻し機構が不要となる分、冷凍サイクルをより簡素化されたシステムとして構築することが可能となる。

また、エジェクタ１７に、内部熱交換器１４によってガス化が促進された冷媒が一次流体として導入されるとともに、蒸発器１６によってガス化された冷媒が二次流体として導入されることになるため、エジェクタ１７内の冷媒におけるガス冷媒の割合を高めることができて、当該エジェクタ１７内の冷媒中に液冷媒が含まれることによる圧縮効果の減殺を抑制することができる。また、エジェクタ１７（特に一次流体側）において液冷媒の存在を考慮する必要が無くなる分、エジェクタ１７をより簡素な構成として得ることができる。

また、減圧手段としての膨張器１３、１５によって、エジェクタ１７における一次流体および二次流体の設定、ひいては冷凍サイクルの調整をより容易に行うことができるという利点もある。なお、内部熱交換器１４では、一方の冷媒経路の入口側と他方の冷媒経路の出口側とを隣接させる所謂対向流方式とすることで、より一層の効率化を図ることができる。

（第２実施形態）図３は、本実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図、図４は、本実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図である。なお、本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ａは、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０と同様の構成要素を備えている。よって、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ａは、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０に対して、内部熱交換器１４を通過して第２減圧手段としての膨張器１５によって減圧される前の冷媒と、蒸発器１６を通過してエジェクタ１７の二次流体導入口１７ｂに導入される前の冷媒とを熱交換する第２内部熱交換器１８を追加したものである。

かかる第２内部熱交換器１８を追加したことで、蒸発器１６の入口における冷媒の乾き度が低下、すなわち、図４の絞り膨張（ｅ→ｆ）におけるエンタルピーが低下することになる上（図２中のｅ（＝図４中のｊ）から図４中のｅへシフト）、エジェクタ１７の二次流体導入口１７ｂに導入される冷媒中のガス冷媒の割合をより一層増大させることができるため（図４中のｇからｉへシフト）、成績係数をより一層向上することが可能となる。

また、エジェクタ１７内の冷媒中に液冷媒が含まれることによる圧縮効果の減殺をより一層抑制することができ、エジェクタ１７において液冷媒の存在を考慮する必要が無くなる分、エジェクタ１７をより簡素な構成として得ることができるというメリットもある。

（第３実施形態）図５は、本実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図である。なお、本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｂは、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０と同様の構成要素を備えている。よって、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｂは、蒸発器１６の後流側（ｇ）に、エジェクタ１７の二次流体導入口１７ｂに連通する第１冷媒経路２０と、エジェクタ１７をバイパスして圧縮機１１の吸入口１１ａに連通する第２冷媒経路２１と、を備え、蒸発器１６の後流側（ｇ）と第１冷媒経路２０および第２冷媒経路２１のうちいずれか一方とを選択的に連通させる切換手段としての分流弁１９を設けた点以外、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０と同様の構成を備えている。

かかる構成としたことで、放熱器１２内で冷媒の凝縮効率が高く超臨界圧力以下となる場合にエジェクタ１７出口で液冷媒が生じるのを抑制し、ひいてはこの液冷媒が圧縮機１１内に吸入されることによる圧縮機１１の故障を抑制することができる。特に第一膨張器を外部アンプで制御できる場合は冷媒流れを閉じる方向で制御すると切り替えが完全となる。

また、膨張器１３を有する回路と膨張器１５を有する回路との分岐点から膨張器１３を通ってエジェクタ１７に至るまでの回路の途中に開閉弁を設けるようにすれば、切り替えをより確実に行うことができるようになる。

（第４実施形態）図６は、本実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図である。なお、本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｃは、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０と同様の構成要素を備えている。よって、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｃは、上記第１実施形態にかかる冷凍サイクル１０に対して、エジェクタ１７の後段でありかつ圧縮機１１の前段に、余剰な液冷媒を蓄えるアキュムレータ２２を追加したものである。

かかる構成としたことで、アキュムレータ２２に余剰な液冷媒を蓄えておくことができ、冷媒が不足する状態を回避することができる。すなわち、本発明にかかる冷凍サイクルは、上記従来技術のように気液分離器を前提とするシステムでは無いが、アキュムレータ２２が存在することができないシステムでは無いのである。

（第５実施形態）図７は、本実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図である。

本実施形態にかかる冷凍サイクルでは、上記第１実施形態に示す冷凍サイクル１０において、炭酸ガス冷媒に替えて、臨界圧以下の冷媒（例えば、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ４１０、ＨＦＣ４０７等のフロン、代替フロンなど）を用いている。この場合のモリエル線図が図７であり、同図から明らかとなるように、上記第１実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）図８は、本実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図である。なお、本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｄは、上記第２および第３実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ａ、１０Ｂと同様の構成要素を備えている。よって、以下では、それら同様の構成要素については共通の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｄ（図８）は、図３および図５と比較参照すれば明らかとなるように、第２実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ａに、第３実施形態にかかる冷凍サイクル１０Ｂで設けた第２冷媒経路２１および分流弁１９を追加したものである。したがって、かかる構成によれば、上記第１〜第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

（エジェクタの変形例）図９および図１０は、本実施形態にかかるエジェクタ１７の変形例である。第１〜第６実施形態にかかるエジェクタ１７は、径が狭く絞り込まれたオリフィス部１７ｃをエジェクタ本体１７ｍに備えて構成されていたが、本発明では、図９、図１０に示すエジェクタ１７Ａ、エジェクタ１７Ｂのように、オリフィス部１７ｃを備えたエジェクタ本体１７ｍを不要とした形態でも良い。図９に示す変形例１のエジェクタ１７Ａは、冷媒経路ｇと冷媒経路ｈとを直接接続させ、そこに冷媒経路ｄをＬ字状に屈曲させ導入させた形態である。逆に変形例２であるエジェクタ１７Ｂは、冷媒経路ｇ、冷媒経路ｈとをＬ字状に屈曲させた状態で直接接続し、そこに冷媒経路ｄを導入させた形態である。変形例１、２のエジェクタ１７Ａ、１７Ｂによれば、第１〜第６実施形態のエジェクタ１７のように、冷媒経路としての配管とは別に、エジェクタ本体１７ｍを設ける必要が無く、部品点数が少なくなり、構造が簡素化する。また、エジェクタ１７Ａ、１７Ｂは、圧力が高い一次流体を噴霧させるだけでオリフィス部がないため、二次流体を一旦狭めることなく管路抵抗が少ない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図。本発明の第１実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図。本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図。本発明の第２実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図。本発明の第３実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図。本発明の第４実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図。本発明の第５実施形態にかかる冷凍サイクルのモリエル線図。本発明の第６実施形態にかかる冷凍サイクルの概略構成図。本実施形態にかかるエジェクタの第１変形例を模式的に示した断面図。本実施形態にかかるエジェクタの第２変形例を模式的に示した断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ〜１０Ｄ冷凍サイクル
１１圧縮機
１１ａ吸入口
１２放熱器
１３膨張器（第１減圧手段）
１４内部熱交換器
１５膨張器（第２減圧手段）
１６蒸発器
１７エジェクタ
１７ａ一次流体導入口
１７ｂ二次流体導入口
１７ｃオリフィス部
１７ｄエジェクタ吐出口
１７ｍエジェクタ本体
１８第２内部熱交換器
１９分流弁（切換手段）
２０第１冷媒経路
２１第２冷媒経路
２２アキュムレータ

Claims

冷媒を昇圧する圧縮機（１１）と、
前記圧縮機（１１）で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器（１２）と、
前記放熱器（１２）を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段（１３）および第２減圧手段（１５）と、
前記第１減圧手段（１３）によって減圧された冷媒と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（１４）と、
前記第２減圧手段（１５）によって減圧された冷媒を熱交換により蒸発させる蒸発器（１６）と、
前記第１減圧手段（１３）および内部熱交換器（１４）を通過した冷媒を高圧の一次流体とし、前記内部熱交換器（１４）および第２減圧手段（１５）を通過した冷媒を低圧の二次流体として、これら一次流体と二次流体とを混合して圧縮機（１１）に導入するエジェクタ（１７）と、を備え、
前記内部熱交換器（１４）を通過して第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒と、蒸発器（１６）を通過してエジェクタ（１７）に導入される前の冷媒とを熱交換する第２内部熱交換器（１８）を備えることを特徴とする冷凍サイクル。
冷媒を昇圧する圧縮機（１１）と、
前記圧縮機（１１）で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる放熱器（１２）と、
前記放熱器（１２）を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段（１３）および第２減圧手段（１５）と、
前記第１減圧手段（１３）によって減圧された冷媒と、前記第２減圧手段（１５）によって減圧される前の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器（１４）と、
前記第２減圧手段（１５）によって減圧された冷媒を熱交換により蒸発させる蒸発器（１６）と、
前記第１減圧手段（１３）および内部熱交換器（１４）を通過した冷媒を高圧の一次流体とし、前記内部熱交換器（１４）および第２減圧手段（１５）を通過した冷媒を低圧の二次流体として、これら一次流体と二次流体とを混合して圧縮機（１１）に導入するエジェクタ（１７）と、を備え、
前記蒸発器（１６）の後流側（ｇ）は、前記エジェクタ（１７）の二次流体導入口（１７ｂ）に連通する第１冷媒経路（２０）の他に、エジェクタ（１７）をバイパスして圧縮機（１１）の吸入口（１１ａ）に連通する第２冷媒経路（２１）を備え、
前記蒸発器（１６）と前記第１冷媒経路（２０）および第２冷媒経路（２１）のうちいずれか一方とを選択的に連通させる切換手段（１９）を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
前記エジェクタ（１７）の後段でありかつ圧縮機（１１）の前段に、余剰な液冷媒を蓄えるアキュムレータ（２２）を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル。