(57)【要約】【課題】  可変エジェクタを用いた冷凍サイクルの冷凍能力の低下を防止でき、圧縮機への液バック防止及び吸入配管の結露防止が可能な蒸気圧縮式冷凍機を提供する。【解決手段】  蒸気圧縮式冷凍機が、放熱器２から流出した高圧冷媒を減圧膨張させるノズル３２、ノズルから噴射する高速度の冷媒流により蒸発器６で蒸発した気相冷媒を吸引し、この噴射冷媒と吸引冷媒とを混合させながら冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ３５、ノズルの開度を増減するための弁３６及び弁を駆動する駆動部３７とを有する可変エジェクタ３を備えていて、駆動部が熱を発生する発熱部であって、この発熱部と圧縮機１の吸入上流部の冷媒とを熱交換させて、吸入冷媒の温度を上げるようにしている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮し、吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出される高圧冷媒の熱を放熱する放熱器と、
低圧冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器と、
前記凝縮器から流出した高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を減圧膨張させるノズルと、前記ノズルから噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズルから噴射する冷媒と前記蒸発器から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギを圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザとを有するエジェクタと、
を具備している蒸気圧縮式冷凍機において、
前記エジェクタが、前記ノズルの開度を増減するための弁と、前記弁を駆動する駆動部とを更に有していて、前記駆動部が熱を発生する発熱部であって、前記発熱部と前記圧縮機の吸入上流部の冷媒とを熱交換させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項２】
前記発熱部の熱の発生が、電気エネルギ、磁気エネルギ又は熱エネルギによってもたらされることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項３】
前記圧縮機が１台で前記蒸発器あるいは放熱器が１又は２台以上であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【請求項４】
冷媒が、フロン系冷媒、ＣＯ2冷媒又はＨＣ系冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍機のうち、高速で噴出する冷媒の巻き込み作用によって低圧側の冷媒を循環させるポンプ手段としてエジェクタを用いた冷凍機、いわゆるエジェクタサイクルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エジェクタサイクルは、周知のごとく、冷媒を減圧膨張させて蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、通常の蒸気圧縮式冷凍機では膨張弁等の減圧装置で捨てられていた運動エネルギである膨張エネルギをエジェクタにて圧力エネルギに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させて圧縮機の消費動力低減を図った蒸気圧縮式冷凍機の一種である。
【０００３】
ここで、通常の蒸気圧縮式冷凍機とは、冷媒を等エンタルピ的に減圧する冷凍機であり、冷媒を循環させるポンプ手段は圧縮機のみであるのに対して、エジェクタサイクルでは、エジェクタのノズルにて冷媒を等エントロピ的に減圧するとともに、低圧側の冷媒はエジェクタのポンプ作用により循環させられ、高圧側の冷媒は圧縮機により循環させられる。
【０００４】
このようなエジェクタを用いた冷凍サイクルにおいて、エジェクタのノズル喉部径、出口径、流量等を負荷によって調整することで、温度条件等の負荷変動によらずエジェクタ効果を得ることがすでにわかっている。このため、本出願人は、先に可変エジェクタを使用することを提案している。
この可変エジェクタの制御方法として、機械式（温度式膨張弁等）および電気エネルギを利用した電気式（ステッピングモータ等）に大別することができる。
【０００５】
しかしながら、例えば、ステッピングモータを代表例とすると、負荷に応じてエジェクタを制御する際に、コイルに電流を流すためコイルが発熱してしまうという問題がある。このコイルで発生した熱はエジェクタ本体に熱伝導し、ノズルで減圧した低温冷媒から吸熱するために、発熱がない場合に対してエジェクタ出口部での冷媒の乾き度が増加し、蒸発器に流入する液冷媒量を減少させることから、冷凍サイクルの冷凍能力を低下させる。
【０００６】
また、発熱源（コイル等）を有した可変エジェクタが車室内、冷凍室内等の低温側に搭載される場合には、前記問題に加えて室内（庫内）の熱負荷が増大することから、所定の温度条件を達成するために必要な冷凍能力が増大するという課題も発生する。
これは、ステッピングモータに限られた問題ではなく、可変部等の発熱部をもつエジェクタサイクル共通の課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、可変エジェクタを用いた冷凍サイクルの冷凍能力の低下を防止でき、また可変エジェクタが室内に搭載される場合でも、室内の熱負荷の増大を防止できると共に、圧縮機への液バックの防止及び圧縮機の吸入配管の結露防止を図ることができ、かつエジェクタサイクルの高効率化が可能な蒸気圧縮式冷凍機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決する手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の蒸気圧縮式冷凍機を提供する。
請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機は、放熱器から流出した高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を減圧膨張させるノズルと、ノズルから噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズルから噴射する冷媒と蒸発器から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギを圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザと、ノズルの開度を増減するための弁と、弁を駆動する駆動部とを有する可変エジェクタを備えていて、駆動部が熱を発生する発熱部であって、この発熱部と圧縮機の吸入上流部の冷媒とを熱交換させるようにしたものである。これにより、圧縮機の入口の冷媒温度を上昇させることができ、圧縮機への液バックが防止でき、かつ圧縮機の吸入配管の結露防止を図ることができる。また発熱部の発熱量が低減することになり、エジェクタの断熱向上による冷凍能力の改善を図れる。
【０００９】
請求項２の蒸気圧縮式冷凍機は、駆動部である発熱部の熱源が電気エネルギ、磁気エネルギ又は熱エネルギのいずれかであるかを規定したものである。
請求項３の蒸気圧縮式冷凍機は、圧縮機が１台で蒸発器あるいは放熱器が１又は２台以上であるシステムに適用されることを規定したものである。
【００１０】
請求項４の蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒としてフロン系冷媒、ＣＯ2冷媒又はＨＣ系冷媒が用いられることを規定したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の蒸気圧縮式冷凍機について説明する。図１は、本発明の実施の形態の蒸気圧縮式冷凍機の全体のシステム構成を説明する図である。図２は、エジェクタの詳細図である。
【００１２】
符号１は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機１で高圧状態になった冷媒は凝縮器２に流入する。放熱器２では高圧冷媒が室外空気へ放熱する。即ち、高圧冷媒が室外空気により冷却される。放熱器２を出た低温高圧冷媒は、エジェクタ３に流入する。エジェクタ３は、放熱器２から流出する冷媒を減圧膨張させて後述する蒸発器６にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機１の吸入圧を上昇させている。このエジェクタ３についての詳細は後述する。
【００１３】
エジェクタ３から流出した冷媒は、気液分離器４に流入する。気液分離器４では、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒として分離して冷媒を蓄えており、分離された気相冷媒は圧縮機１に吸引されて再び圧縮され、一方、分離された液相冷媒は蒸発器６側に吸引される。
蒸発器６は、液相冷媒が空気と熱交換して蒸発することにより冷房能力を発揮するものである。なお、気液分離器４と蒸発器６との間に配置される減圧器５は、気液分離器４から蒸発器６側に吸引される液相冷媒を減圧する絞り（減圧）手段であり、この減圧器５により蒸発器６内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させている。なお、この減圧器５は構成されなくてもよい。
【００１４】
エジェクタ３は、図２に示すように、高圧冷媒流入口３１と、流入する高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル３２と、このノズル３２から噴出する高い速度の冷媒流により蒸発器６にて蒸発した気相冷媒が吸引される気相冷媒流入口３３と、吸引された気相冷媒とノズル３２から噴射する冷媒流とを混合する混合部３４と、ノズル３２から噴出する冷媒と蒸発器６から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギを圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ３５と、ノズル３２の開度を増減する弁手段としてのニードル弁３６と、ニードル弁３６を変位させる駆動部３７等よりなるものである。なお、本実施形態では、ニードル弁３６を変位させる駆動部３７としてソレノイドコイルを使用し、その通電によって発生する磁力によってニードル弁３６を変位させているが、この弁手段の駆動部３７としては、磁気エネルギ以外の電気エネルギ又は熱エネルギ等を使用することもできる。
【００１５】
また、混合部３４においては、ノズル３２から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器６からエジェクタ３に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部３４においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ３５において、冷媒通路断面積が徐々に拡大するため、冷媒の動圧が静圧に変換される。
このように構成されるディフューザ３５においては、高圧冷媒流入口３１、ニードル弁３６の大部分及び駆動部３７が高温部であり、ノズル３２、気相冷媒流入口３３、混合部３４、ディフューザ３５及びニードル弁３６の先端部が低温部に相当する。
【００１６】
本実施形態では、このエジェクタ３の高温部の熱がその低温部に熱伝導して、悪影響を与えないように、エジェクタ３の駆動部３７が熱を発生する発熱部であることから、この発熱部と、気液分離器４から圧縮機１へと吸入される冷媒とが熱交換することができる熱交換部７を通る配管系８を採用している。これによって、圧縮機１に吸入される冷媒の温度を上げることができると共に、駆動部３７の温度を下げる（発熱量を削減する）ことができ、エジェクタ３の高温部から低温部への熱伝導を低減できる。
【００１７】
なお、本実施形態の圧縮機１及び弁手段の駆動部３７の作動は図示しない制御装置からの制御信号で制御されている。
【００１８】
次に、上記構成よりなる本実施形態の作動を図３のｐ−ｈ線図に基づいて説明する。図１中の点Ａ〜Ｊは、図３中の点Ａ〜Ｊに対応している。圧縮機１が起動すると、気液分離器４から気相冷媒が圧縮機１に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２に吐出される（Ａ→Ｂ）。放熱器２に流入した冷媒は空気に放熱する。即ち、冷媒は空気により冷却される。本実施形態では、冷媒は等圧状態で飽和液線近辺まで冷却される（Ｂ→Ｃ）。放熱器２から流出した冷媒は、エジェクタ３の冷媒流入口３１から流入し、ノズル３２から噴出して等エントロピ的に減圧膨張する（Ｃ→Ｄ）。このとき、高速度で噴出する冷媒流の巻き込み作用により、蒸発器６で蒸発した気相冷媒がエジェクタ３の気相冷媒流入口３３から吸引される。
【００１９】
次に蒸発器６から吸引された冷媒とノズル３２から噴出した冷媒とが混合部３４で混合し（Ｄ→Ｅ，Ｉ→Ｅ）、ディフューザ３５でその動圧が静圧に変換されて（Ｅ→Ｆ）気液分離器４に流入する。気液分離器４の気相冷媒は、熱交換部７を通ってエジェクタ３の発熱部（駆動部）３７と熱交換した後（Ｊ→Ａ）、圧縮機１に吸引されて再びサイクルを循環する。このように、気液分離器４から圧縮機１までの配管系８で気相冷媒は、発熱部からの熱を吸熱するため、点Ａが飽和蒸気線上より離れた場合に位置するようになる。
【００２０】
一方、エジェクタ３で蒸発器６内の冷媒が吸引されるため、蒸発器６には気液分離器４から液相冷媒が、減圧器５を介して流入し、その流入した冷媒は室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する（Ｇ→Ｈ→Ｉ）。
【００２１】
また、駆動部３７によるニードル弁３６の変位、即ちノズル３２の開度は制御装置（図示せず）からの制御信号で制御される。これによると、例えば圧縮機１が高回転し、エジェクタ３に流入する冷媒が多いときにはノズル３２の開度を大きくして、ノズル３２（エジェクタ３）を通過する冷媒量を増やすことができる。したがって、エジェクタ３の冷媒流れ下流側の蒸発器６を流れる冷媒量が増えるため、冷凍（冷房）能力を向上することができる。
【００２２】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態では、気液分離器４から圧縮機１に吸引される気相冷媒を、熱交換部７を通すことでエジェクタ３の駆動部（発熱部）３７から吸熱し、その冷媒温度を上げて、圧縮機１に吸入させることができる。それにより、圧縮機１の入口温度を上げることができ、圧縮機１への液バックを防止することができる。また、圧縮機１の吸入配管の結露を防止することもできる。
【００２３】
更に、エジェクタ３の駆動部３７の熱を奪うということは、駆動部を含めたエジェクタ全体を断熱することが可能となることであり、ノズル３２で減圧した低温冷媒がエジェクタ３の出口部で乾き度が増加することもなく、従って蒸発器６に流入する液冷媒量を減少させることも防止できるので、その冷凍能力が改善される。
また、エジェクタ３の高温部を庫内に搭載しても、庫内の熱負荷が増大することもなく、所定の温度を達成するために必要な冷凍能力が増大するという不具合も解消される。
【００２４】
なお、本実施形態では、圧縮機が１台、放熱器が１台で蒸発器が１台のシステムで説明しているが、図４（ａ）〜（ｇ）に示すように、圧縮機が１台で放熱器および蒸発器が２台以上の様々のシステムにおいても、本発明は適用可能である。更には、図４（ａ），（ｂ）及び（ｆ）に示すように気液分離器を有しないサイクル構成においても適用可能である。
また、本実施形態では、本発明を車両用空調装置に適用した例を示しているが、本発明を車両用空調装置に限らず、給湯器用のヒートポンプサイクルなどの蒸気圧縮式サイクルに適用してもよい。また、設置場所は車両のような移動体に限られるものではなく定置固定されていてもよい。
【００２５】
また、本実施形態では、冷媒の種類は限定していないが冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ2冷媒等が適用可能である。ここでフロンとは炭素、フッ素、塩素、水素からなる有機化合物の総称であり、冷媒として広く使用されているものである。フロン系冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロ・クロロ・フルオロ・カーボン）系冷媒、ＨＦＣ（ハイドロ・フルオロ・カーボン）系冷媒等が含まれており、これらはオゾン層を破壊しないため代替フロンと呼ばれる冷媒である。ＨＣ（炭化水素）系冷媒とは、水素、炭素を含み、自然界に存在する冷媒物質のことである。このＨＣ系冷媒には、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）などがある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態の蒸気圧縮式冷凍機の全体のシステム構成を説明する図である。
【図２】エジェクタの詳細図である。
【図３】本発明の実施の形態の蒸気圧縮式冷凍機の作用を説明するｐ−ｈ線図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、本発明が適用可能な様々なシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    圧縮機
２    放熱器
３    エジェクタ
３１    高圧冷媒流入口
３２    ノズル
３３    気相冷媒流入口
３４    混合部
３５    ディフューザ
３６    ニードル弁
３７    駆動部（発熱部）
４    気液分離器
５    減圧器
６    蒸発器
７    熱交換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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