(57)【要約】【課題】  エジェクタ内で駆動流体と吸引流体との混合を促進し、エジェクタ効率を向上させて効率の良い冷凍サイクル装置を得る。【解決手段】  冷媒を高圧状態にする圧縮機１と、圧縮機１からの高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器２と、放熱側熱交換器２からの放熱後の前記冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段３と、気泡発生手段３で発生した微細な気泡を含む冷媒を減圧して高速度でノズル部から流出する駆動流体により吸引部から吸引流体を吸引し、混合部で前記駆動流体と前記吸引流体とを混合した後、ディフューザ部で膨張させて低圧状態で流出するエジェクタ４と、低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器７と、を備え、気泡発生手段３で発生した微細な気泡をエジェクタ４に供給して駆動流体とし、吸引流体との混合を促進する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を高圧状態にする圧縮機と、前記圧縮機からの前記高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器と、前記放熱側熱交換器からの放熱後の冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段と、前記気泡発生手段によって発生した前記微細な気泡を含む冷媒を減圧して高速度でノズル部から流出する駆動流体により吸引部から吸引流体を吸引し、混合部で前記駆動流体と前記吸引流体とを混合した後、ディフューザ部で膨張させて低圧状態で流出するエジェクタと、前記エジェクタからの低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記気泡発生手段は、前記圧縮機または前記放熱側熱交換器から流出する冷媒のうちのガス冷媒の少なくとも一部を流入するガス冷媒流入部と前記放熱側熱交換器から流出する冷媒のうちの液を多く含む状態の冷媒を流入する液冷媒流入部とを有し、前記液冷媒流入部から流入する液冷媒に前記ガス冷媒流入部からガス冷媒を流入させて気泡を発生するように構成したことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
一端側を前記圧縮機の吐出部と前記放熱側熱交換器の入口部との間の配管に接続し、他端側を前記気泡発生手段の前記ガス冷媒流入部に接続するバイパス配管を備え、前記圧縮機から吐出するガス冷媒の一部を前記バイパス配管を通って前記ガス冷媒流入部に流入させ、前記放熱側熱交換器から流出する冷媒を前記液冷媒流入部に流入させることを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記放熱側熱交換器の出口部と前記気泡発生手段の入口部との間に接続される気液分離器を備え、前記気液分離器の気相部と前記気泡発生手段の前記ガス冷媒流入部を接続し、前記気液分離器の液相部と前記気泡発生手段の前記液冷媒流入部を接続することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記気泡発生手段は、前記液冷媒流入部から流入する液冷媒流路に対して前記ガス冷媒流入部から流入するガス冷媒流路が交差するように構成され、前記液冷媒流入部から流入する液冷媒流を前記ガス冷媒流入部から流入するガス冷媒流に交差させて気泡を発生させることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記気泡発生手段の液冷媒流路は、前記液冷媒流入口部から喉部に向かって流路断面積が縮小し、前記喉部から前記気泡発生手段の出口に向かって流路断面積が増加するように構成され、前記喉部付近に前記ガス冷媒流入部を設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記気泡発生手段は、前記液冷媒流路と前記ガス冷媒流路の冷媒流のうちの少なくとも一方の冷媒流を旋回流とする旋回手段を有することを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記気泡発生手段または前記エジェクタは、冷媒の流動抵抗を調整し得る抵抗調整手段を有することを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記抵抗調整手段によって、前記気泡発生手段の液冷媒入口部の冷媒の過冷却度が、予め設定した目標過冷却度になるように制御することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記エジェクタの前記ノズル部内に前記気泡発生手段を設け、前記ノズル部で微細な気泡を含む冷媒を発生させ、前記エジェクタの前記混合部に微細な液滴を噴出させることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記エジェクタに駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上且つ０．２以下になるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１２】
少なくとも２台の前記蒸発側熱交換器と、前記蒸発側熱交換器のそれぞれから流出する冷媒を前記吸引部で吸引する前記エジェクタと、前記蒸発側熱交換器に流入する冷媒流量をそれぞれ調整する複数の冷媒流量調整手段と、前記蒸発側熱交換器と前記エジェクタとの間の配管の少なくとも１つの配管に設けられ、複数の前記蒸発側熱交換器から前記エジェクタに吸引される前記冷媒の圧力を均等化する減圧手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１３】
少なくとも２台の前記蒸発側熱交換器から流出する冷媒をそれぞれ吸引する少なくとも２台のエジェクタを備え、前記気泡発生手段で発生した微細な気泡を含む冷媒を分岐して複数の前記エジェクタに流入させる分岐部を設けたことを特徴とする請求項１２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１４】
前記圧縮機の吸入側に接続する補助熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エジェクタを有する冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来のエジェクタを有する冷凍サイクル装置について説明する。冷凍サイクル装置において、エジェクタは放熱器の下流に配置されており、放熱器から導かれる冷媒を駆動流体として高速で噴出させるノズルや、このノズルから噴出した冷媒と吸引流体とを混合する混合部や、混合した冷媒を拡散させるディフューザ等で構成されている。このエジェクタの昇圧作用によって圧縮機の吸入圧力が上昇することで圧縮機の回転数を低減したり装置を小型化したりできる。また、今まで用いていた膨張弁と比べ、膨張弁で無駄にされていた有効なエネルギーの一部を回収することができ、冷凍サイクルの効率を高めることができるなどの利点がある。ところが、ノズル入口に導かれる冷媒が過冷却状態の液冷媒の場合には、ノズルから大きな液滴、もしくは液膜状に流出し、混合部で吸引流体とうまく混合できず、昇圧作用を有効に得ることができなかった。
【０００３】
これに対し、気液二相状態でノズルに流入するように構成された冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。これは、放熱器とエジェクタとの間の部位に配置される加熱手段を備え、前記加熱手段が前記過冷却液相冷媒を加熱することにより、前記過冷却液相冷媒のエンタルピーを所定量増加させる構成としている。また、放熱器から流出した高圧冷媒が気液二相状態でノズルに流入するように、ノズルの開度や送風量を制御する構成であった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６―１７４４４号公報（第７−８頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えばヒータ等によって過冷却液相冷媒のエンタルピーを所定量増加して得られる気液二相状態の冷媒をエジェクタに流入させてノズル喉部で沸騰しやすくする構成では、喉部通過後の液滴が微粒化されるのであるが、沸騰した冷媒の気泡の大きさは、直径が数ｍｍ程度のレベルであった。この大きさでは、まだ微細化が充分ではなく、気泡同士がくっついて大きな気泡になりやすかった。このため、ノズルから大きな液滴の駆動流体となって噴出するので吸引流体との混合性が悪く、エジェクタ性能をそれほど向上できないという課題があった。
また、気液二相状態でノズルに流入させるためにヒータ等の他熱源を備える構成では、他熱源を使用するために消費電力が増加するという課題があった。
また、放熱器での熱交換量を制御して気液二相状態でノズルに流入させる構成では、適当な気液二相状態になるように制御するのは容易ではないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、エジェクタ内で駆動流体と吸引流体の混合を促進でき、エジェクタ効率を向上して効率のよい冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を高圧状態にする圧縮機と、前記圧縮機からの前記高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器と、前記放熱側熱交換器からの放熱後の冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段と、前記気泡発生手段によって発生した前記微細な気泡を含む冷媒を減圧して高速度でノズル部から流出する駆動流体により吸引部から吸引流体を吸引し、混合部で前記駆動流体と前記吸引流体とを混合した後、ディフューザ部で膨張させて低圧状態で流出するエジェクタと、前記エジェクタからの低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、直径が数１００μｍ程度以下の微細な気泡を有する冷媒をエジェクタの駆動流体とすることで、エジェクタのノズル部から微細な液滴を噴出して吸引流体と混合するので、気体と液体の接触面積が多くなり混合が促進される。このため、エジェクタ効率を向上でき、全体として効率のよい冷凍サイクル装置を提供することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置について説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置であり、例えば室内を冷房する空気調和装置の回路構成を示す構成図である。図に示すように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置は、室外ユニット１００、室内ユニット１０１、室外ユニット１００と室内ユニット１０１を接続する二相延長配管７１、ガス延長配管７２から構成されている。室外ユニット１００内の冷媒回路は、冷媒を高圧状態にする圧縮機１、圧縮機１からの高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器２、放熱側熱交換器２からの放熱後の冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段、例えば数１００μｍ程度以下の気泡を発生する微細気泡発生装置３、及びこれらを接続するための配管で構成される。また、圧縮機１と放熱側熱交換器２との間の配管と微細気泡発生装置３がバイパス配管９で接続され、バイパス配管９の一端側は圧縮機１の吐出部と放熱側熱交換器２の入口部との間の配管に接続され、他端側は微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部に接続されている。
【００１０】
室内ユニット１０１内の冷媒回路は、駆動流体によって吸引部から吸引流体を吸引し混合して低圧状態で流出するエジェクタ４、気液分離器５、冷媒流量調整手段として例えば絞り装置６、低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器７、圧縮機１の吸入側に設けられ、吸入される冷媒を適当な過熱度のガス冷媒状態とする補助熱交換器１３及びそれらを接続するための配管で構成されている。気液分離器５の液相部を絞り装置６と接続し、さらに蒸発側熱交換器７を介してエジェクタ４の吸引部と接続する。一方、気液分離器５の気相部を補助熱交換器１３を介して圧縮機１の吸入側に接続しており、気液分離器５のガス分離効率が低くなった時でも補助熱交換器１３で吸熱してガス化することで、確実に圧縮機１にガス冷媒が吸入されるように構成している。配管内部には冷媒として、例えばＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４０４Ａを封入している。
【００１１】
放熱側熱交換器２、蒸発側熱交換器７、補助熱交換器１３は、例えばプレートフィンとパイプで構成されるプレートフィンチューブ型の熱交換器であり、熱交換器の外表面へ空気を送風する室外送風機１１、室内送風機１２、補助熱交換器用送風機１４をそれぞれ備えている。
【００１２】
また、絞り装置６と蒸発側熱交換器７の間に第１温度検出手段２１を設け、蒸発側熱交換器７とエジェクタ４の間に第２温度検出手段２２を設け、放熱側熱交換器２と微細気泡発生装置３の間に第３温度検出手段２３を設け、圧縮機１と放熱側熱交換器２の間に圧力センサー２４を設けており、これらの検出値が制御手段、例えば制御装置３１に取り込まれる。
図中、細点線矢印は各検出手段２１、２２、２３、２４で検出された情報を制御装置３１に送る入力信号の方向を示し、太点線矢印は制御装置３１が各機器１、３、６に送る制御信号の方向を示す。また、実線矢印は回路内の冷媒の流れ方向を示している。
【００１３】
次に、気泡発生手段である微細気泡発生装置３とエジェクタ４の構成について詳しく説明する。
【００１４】
図２は微細気泡発生装置３の構造の一例を示す説明図である。本実施の形態に係る微細気泡発生装置３はベンチュリ管の構造を持ち、さらに流動抵抗を調整するための抵抗調整手段として、例えばニードル部５１を有する構成である。図に示すように、微細気泡発生装置３は、ニードル部５１、ガス冷媒流入部５２、減圧部５３、末広部５４、喉部５５で構成され、液冷媒流入部３ａを放熱側熱交換器２の出口側と接続し、ガス冷媒流入部５２をバイパス配管９と接続し、冷媒出口部３ｃをエジェクタ４のノズル入口部と接続している。そして、内部の液冷媒流路は、液冷媒流入口部３ａから喉部５５に向かって流路断面積が縮小し、喉部５５から微細気泡発生装置３の出口部３ｃに向かって流路断面積が増加するように構成され、喉部５５付近にガス冷媒流入部５２を設けている。ニードル部５１をモータ５６によって図に向かって左右に変位させることで、微細気泡発生装置３内の流路断面積を増減させることができる。即ち、制御手段３１によってモータ５６に制御信号を送って流動抵抗を調整することで、冷媒状態を制御できる。例えば微細気泡発生装置３で圧縮機１の吸入部の冷媒状態を制御する場合には、圧縮機１として運転中に回転数が変更可能なインバータ圧縮機を用いたときなど、運転状況の変化に対応して最適な運転ができるので、幅広い流量範囲で使用される冷凍サイクル装置にも応用することができる。また、ニードル部５１によって微細気泡発生装置３の入口部の冷媒状態を制御すれば、直径が数１００μｍ以下の微細な気泡を均一に発生させることができる。
図中の○内に詳しく図示したように、液冷媒流路に対してガス冷媒流路が交差するように構成され、ガス冷媒の挿入方向と液冷媒の流れ方向の成す角θは、交差するように、例えば９０度以上１８０度以下となるように設けられている。
【００１５】
微細気泡発生装置３では、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒流とガス冷媒流入部５２から挿入されるガス冷媒流が交差するように流れるので、液冷媒流によってガス冷媒流がせん断されて微細な気泡となり、均質な微細気泡流となって冷媒出口部３ｃから流出する。ここでは、θが例えば９０度以上１８０度以下となるように設けられているので、液冷媒の流れに対してガス冷媒が衝突する方向に挿入されることになり、挿入されたガス冷媒が液冷媒によってせん断されやすくなり、気泡がさらに微細な気泡になる。
【００１６】
図３は筒状のエジェクタ４を示す説明図であり、図３（ａ）はエジェクタ３の軸に沿った断面構成を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の位置Ｘ１〜Ｘ６の各位置に対応する圧力Ｐを示すグラフである。図３（ｂ）の横軸はエジェクタ３の位置、縦軸は圧力Ｐを示す。
本実施の形態で用いるエジェクタ４は、吸引部４２、ノズル部４３、混合部４４、ディフューザ部４５から構成され、ノズル部４３はさらに減圧部４３ａと末広部４３ｂと喉部４３ｃから構成されている。喉部４３ｃはノズル部４３内で最も開口面積の小さい部分である。ノズル部４３の入口部を微細気泡発生装置３の冷媒出口部３ｃと接続し、吸引部４２を蒸発側熱交換器７の出口部と接続し、ディフューザ部４５の出口部を気液分離器５の入口部と接続する。
【００１７】
矢印Ａから流入する駆動流体は、減圧部４３ａで減圧されて、喉部４３ｃ、末広部４３ｂを通って、ノズル出口部４３ｄに続く流路を流れる。このエジェクタ３は例えばノズルの喉部４３ｃとノズル出口部４３ｄの面積比（以下、膨張比という）が一定の固定絞り構成であり、矢印Ａ方向から流入する圧力Ｐ１（位置Ｘ１）の液冷媒Ｒ３を駆動流体とし、減圧部４３ａで減圧させて喉部４３ｃ（位置Ｘ２）で音速程度の高速になる。更に末広部４３ｂで膨張し超音速となって圧力Ｐ３（位置Ｘ３）まで減圧され、駆動流体としてノズル出口部４３ｄから噴出する。このとき、矢印Ｂ方向から流入する気液二相状態またはガス状態の冷媒Ｒ９を吸引し、混合された気液二相冷媒Ｒ５は、混合部４４（位置Ｘ４−位置Ｘ５）で圧力回復し、更にディフューザ部４５で圧力Ｐ２（位置Ｘ６）まで圧力上昇して冷媒Ｒ６となって流出する。
【００１８】
次に、冷凍サイクル装置の運転動作を図１及び図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態による冷凍サイクル装置に係る圧力−エンタルピー線図であり、横軸にエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸に圧力（パスカル）を示す。
圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒Ｒ１は、主に放熱側熱交換器２で空気へ放熱して冷媒自身は凝縮・液化し、液冷媒Ｒ２１となる。ガス冷媒Ｒ１の他の一部はバイパス配管９に流れ、配管抵抗により減圧されてＲ２２の状態となり、微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部５２へバイパスされる。
【００１９】
放熱側熱交換器２で放熱した液冷媒Ｒ２１は微細気泡発生装置３の液冷媒流入部３ａに流入し、圧縮機１と放熱側熱交換器２入口との間からバイパス配管９を通ってガス冷媒流入部５２から挿入されるガス冷媒Ｒ２２と混合して状態Ｒ３となる。このとき、挿入されたガス冷媒Ｒ２２は液冷媒Ｒ２１とのせん断力で直径が数１００μｍ程度の気泡に分断されて均質微細気泡流となる。そして状態Ｒ３の冷媒となって、室外ユニット１００から流出し、二相延長配管７１を通って室内ユニット１０１内のエジェクタ４へ流入する。微細気泡発生装置３での作用については後に詳しく記載する。
【００２０】
エジェクタ４へ流入した状態Ｒ３の冷媒は、ノズル部４３で減圧されて状態Ｒ４となり、吸引流体を吸引して混合部４４で混合し（状態Ｒ５）、ディフューザ部４５を通過し図３（ｂ）、図４で示されるように圧力がＰ２まで昇圧した状態Ｒ６となる。
【００２１】
ディフューザ部４５を通過した状態Ｒ６の冷媒は、気液分離器５に流入し、状態Ｒ７の液冷媒と状態Ｒ１０のガス冷媒に分離される。状態Ｒ１０のガス冷媒は補助熱交換器１３で吸熱し、確実にガス冷媒となって圧縮機１の吸入側に流入する。一方、状態Ｒ７の液冷媒は絞り装置６で減圧され（状態Ｒ８）、蒸発側熱交換器７で空気から吸熱し自身は蒸発・気化し状態Ｒ９のガス冷媒となり、エジェクタ３により吸引される。この蒸発側熱交換器７で室内空気から吸熱することで、室内の冷房を行っている。
【００２２】
以下、微細気泡発生装置３及びエジェクタ４付近の動作を更に詳しく記載する。一般に、エジェクタ４は、高圧冷媒を減圧膨張させ、低圧のガス冷媒を吸引すると共に膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換する工程を有し、膨張弁で減圧する工程に比べ、圧縮機１の吸引圧力を上昇すること、及び膨張弁では高圧の冷媒を減圧する過程で無駄にされていた熱エネルギーの一部を回収できるということで、冷凍サイクル装置に有効な機器である。
図５は微細気泡発生装置３とエジェクタ４の動作を説明する説明図である。本実施の形態に係る微細気泡発生装置３は、ベンチュリ管、即ち急縮小−急拡大の形状をしたノズルで構成し、流路断面積が最小となる喉部５５の周辺にガス冷媒流入部５２を設けている。例えば喉部５５の直径を３ｍｍ程度、冷媒出口部３ｃの直径を８ｍｍ程度、末広部５４の傾斜角を４〜８度程度の傾斜とし、喉部５５に対する冷媒出口部３ｃとの面積比を７〜８程度で構成した。
なお、微細気泡発生装置３の各部の寸法は一例であり、上記の数値に限定されるものではない。但し、微細気泡発生装置３の喉部５５の断面積は、エジェクタ４の喉部４３ｃの断面積よりも大きく構成し、冷凍サイクルにおける減圧作用は主にエジェクタ４によって動作させている。
【００２３】
微細気泡発生装置３において、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒は、減圧部５３で減圧されて加速度され、ガス冷媒流入部５２から交差する方向に挿入されるガス冷媒を引きちぎるようにせん断し、数１００μｍの気泡を発生させる。これに加えてベンチュリ管によって流路路断面積が急縮小ー急拡大するので、発生した気泡に対し、末広部５４で急激な圧力上昇が加えられ、末広部５４を移動するにつれて気泡は急激に崩壊し更に微細でかつ略均一の大きさに微細化される。また、急激な崩壊によって発生した微細な気泡は、末広部５４の空間にほぼ均質に存在して冷媒出口部３ｃから流出する。
【００２４】
図６は、冷媒出口部３ｃでの気泡の大きさを説明する説明図であり、均一均質微細気泡流（ａ）、即ち本実施の形態に係る微細気泡発生装置３で冷媒を微細に気泡化してエジェクタ４に流入させる場合の状態と、通常の気泡流（ｂ）、例えば放熱側熱交換器２から流出する冷媒を加熱するなどして気液二相冷媒をエジェクタ４に流入させる場合の状態とで、図５の微細気泡発生装置３の冷媒出口部３ｃのＡーＡ断面、及びエジェクタ４のノズル末広部４３ｂのＢ−Ｂ断面における配管内を模式的に示す説明図である。なお、通常の気泡流の場合には微細気泡発生装置３を有していないので、図６（ｂ）Ａ−Ａ断面は、エジェクタ４のノズル入口部における冷媒の状態である。図６（ｂ）Ａ−Ａ断面に示すように、通常の気液ニ相冷媒では数ｍｍ程度の気泡流となるが、微細気泡発生装置３によって気泡化した場合には、図６（ａ）のＡ−Ａ断面に示すように均一な数１００μｍ以下の微細な気泡が、配管内の空間に偏ることなくほぼ均質になって流れる。即ち均一均質微細気泡流となってエジェクタ４へ流入する。
【００２５】
図５で示すように、ノズル部４３に流入する冷媒は、均一均質微細気泡流であり、エジェクタ減圧部４３ａから喉部４３ｃにおいて、冷媒液中に気泡が分散した状態で減圧されるので、各気泡が成長する際に液膜の生成を防止し、液滴核を生成する。その後図６（ａ）のＢ−Ｂ断面に示すように、末広部４３ｂにおいて液滴核は微細液滴状態となり、ノズル出口部４３ｄから噴出される。ノズル出口部４３ｄから微細液滴が噴出されることにより、エジェクタ混合部４４で冷媒は気液の速度差が低減した均質状態となること、駆動流体と吸引流体であるガス冷媒との接触面積が増加すること、から駆動流体と吸引流体とは良好に混合される。
【００２６】
一方、比較例として図６（ｂ）の通常の気泡流を示す。通常の気泡流では、図６（ｂ）のＡ−Ａ断面に示すような数ｍｍ程度の気泡がエジェクタ４の駆動流体として流入するため、エジェクタ減圧部４３ａで減圧される際に気泡が破壊されて気泡同士がくっつき、図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面に示すように配管壁面に液膜ができる。即ち、ノズル部４３からほぼノズル径と同等の径で広がった冷媒液が噴出される。このため、この噴出流の周囲からガス冷媒を吸引しても、接触面積はそれほど大きくないので、良好に混合されない。
【００２７】
本実施の形態では、均質微細気泡流をエジェクタ４に流入させることで、冷媒が減圧部４３ａで減圧する際に液膜が分裂されやすくなり、ノズル部出口４３ｄから微細液滴が噴出するので、混合部４４で気液混合が促進され、エジェクタ効率が向上する。また、ヒータなどの他の熱源を必要とせず、効率の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。
さらに、ノズル部４３から微細液滴状態で噴出することで、駆動流体の液滴と吸引流体のガス冷媒とを良好に混合するので、蒸発側熱交換器７からのガス冷媒Ｒ９を吸引しやすくなり、吸引流量が増加する。吸引流体の流量の増加によって、エジェクタ昇圧量（図３におけるＰ３−Ｐ１）は増加する。
【００２８】
ノズル部４３から噴出される液滴径に対するエジェクタ混合効率の計算結果を図７に示す。図７における横軸はノズル部４３から噴出される液滴径であり、縦軸はエジェクタ混合効率（％）である。エジェクタ混合効率（％）はノズルから噴出される速度エネルギ−を昇圧エネルギ−に変換する時のエネルギ−変換効率と定義しているので、エジェクタ混合効率（％）＝（昇圧エネルギ−／速度エネルギ−）ｘ１００である。図に示したように、ノズル部４３から噴出する液滴径を１００μｍから１０μｍに小さくすれば、同様の速度エネルギ−でも２倍の昇圧エネルギ−が得られ、エジェクタ混合効率が２倍に向上する。
ただし、この横軸に示した液滴径はノズル部４３から噴出するものであり、微細気泡発生装置３で発生する気泡径とは異なる。本実施の形態による微細気泡発生装置３を備えてエジェクタ４の駆動流体として数１００μｍ程度に気泡化された冷媒を流入させることで、減圧部４３ａでさらに減圧して膨張させた後、急激な圧力上昇を加えて更に激しく破壊させるので、ノズル部４３から噴出する液滴径は１００μｍ以下になると考えられる。微細気泡発生装置３で発生する気泡径が小さければ小さいほど、ノズル部４３から噴出する液滴は小さくなるので、微細気泡発生装置３で極力小さな径の気泡を発生させるのが好ましい。
【００２９】
本実施の形態の構成の微細気泡発生装置３を備えて数１００μｍ以下の気泡を発生させた場合のシミュレーション結果によれば、高圧Ｐｄが２.０ＭＰａ、低圧Ｐｓが０.４ＭＰａとする冷凍サイクル装置において、ノズル部４３から噴出される液滴径を微細化することにより、昇圧量が０.０３ＭＰａから０.０５ＭＰａへ向上し、エジェクタ混合効率は従来の約２倍に向上し、冷凍サイクル装置のＣＯＰ効率が従来に比べ５％向上するという結果が得られている。ここで従来装置とは、通常の気液二相状態の気泡流とした。
例えば図１の構成の冷凍サイクル装置では、微細気泡発生装置３とエジェクタ４を用いることで、圧縮機１の吸入圧力を０.４ＭＰａ程度から０.４５ＭＰａ程度に高めることができた。微細気泡発生装置３を備えていない冷凍サイクル装置の場合には、０.４３ＭＰａ程度であり、微細気泡発生装置３を備えることで吸入圧力が高くなり高効率な運転が可能となる。
【００３０】
本実施の形態に係る微細気泡発生装置３で数１００μｍ径以下の気泡を生成するには、ボイド率α（液冷媒に対するガス冷媒の体積流量比）を、最大でも４０%程度とするのが好ましい。ボイド率αを４０％以下とした時のエジェクタ４の入口の乾き度は０以上且つ０．２以下となる。このため、言い換えれば、エジェクタ４の入口の乾き度が０以上且つ０．２以下となるようにバイパス配管９の配管径または配管長さを設定しておけば、ボイド率αは４０％以下となり、微細気泡発生装置３で数１００μｍ径以下の気泡を生成できる。
【００３１】
図８は、比較例として、放熱側熱交換器２から流出する冷媒をエジェクタ４の駆動流体とする構成の冷凍サイクル装置において、エジェクタ４のノズル入口の冷媒状態のみ異なるように運転し、冷媒循環量などの他の条件は同一として運転した時のサイクル効率（ＣＯＰ）の変化を示している。過冷却度が大きい、即ち液状態で流入した場合にサイクル効率（ＣＯＰ）が高く、乾き度が大きくなるにつれて徐々に効率は低下している。過冷却度及び乾き度に対して、過冷却度が高ければ高いサイクル効率（ＣＯＰ）が得られるという、単調な変化になっている。
【００３２】
図９は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置に係るエジェクタ単体の効率（以下、エジェクタ単体効率と記す）を示すグラフであり、横軸にエジェクタ４の入口における駆動流体の乾き度、縦軸にエジェクタ単体効率を示す。エジェクタ単体効率μｅは、回収動力とエジェクタ昇圧仕事との釣り合いから、以下の式１で表される。
μｅ＝（Ｇｅｘ△Ｐ）／（Ｇｎｘ△Ｈｘρｅ）        ・・・・式１
ここで、
Ｇｅ：吸入流体の流量（吸入流量）
△Ｐ：圧力の昇圧量で、図４のＰ２−Ｐ３
Ｇｎ：エジェクタ４から流出する冷媒流量
△Ｈ：エジェクタ４の入口と出口間のエンタルピー差で、
図４では状態Ｒ３と状態Ｒ４間のエンタルピー差
ρｅ：ガス密度で、エジェクタ吸引部の温度及び圧力から求められる
である。
【００３３】
図９は図１に示した構成で、微細気泡発生装置３に接続するバイパス配管９の配管径を適当に変化させてエジェクタ４のノズル入口の冷媒状態が異なるように運転し、冷媒循環量などの他の条件は同一として運転した時のエジェクタ単体効率の変化を示している。横軸に乾き度、縦軸にエジェクタ単体効率を示す。
図１に示すように、微細気泡発生装置３を備え、微細気泡をエジェクタ４の駆動流体とした構成では、過冷却度が０から大きくなるにつれてエジェクタ単体効率は低下する。一方、乾き度が０．１程度でエジェクタ単体効率が最も高くなり、０．１よりも大きくなると若干低減しているが、それほど変化はない。
図９から、エジェクタ４に流入する駆動流体の乾き度は０以上であることが好ましいということがわかる。乾き度が０よりも小さい（過冷却度がよりも大きい）場合には、冷媒はノズル部４３で液膜流となって混合部４４に流出すると考えられる。このため、混合部４４で吸引流体とうまく混合されることなく昇圧量が小さく、さらに吸引流体の吸引量も少ないので、式１のＧｅ、△Ｐが小さくなってエジェクタ単体効率μｅは低減する。
【００３４】
図１０は図１に示した構成で、微細気泡発生装置３に接続するバイパス配管９の配管径を適当に変化させ、エジェクタ４のノズル入口の冷媒状態が異なるように運転し、冷媒循環量などの他の条件は同一として運転した時のサイクル効率（ＣＯＰ）の変化を示している。横軸に乾き度、縦軸にサイクル効率を示す。
微細気泡発生装置３を備え、微細気泡をエジェクタ４の駆動流体とした構成では、図に示すように、過冷却度が０から大きくなるにつれてサイクル効率は低下する。一方、乾き度は０．１程度で最もサイクル効率が最も高くなり、０．２よりも大きくなると低減している。即ち、エジェクタ４の駆動流体の乾き度は、０以上で、且つ０．２以下であることが好ましい。乾き度が０よりも小さい場合即ち過冷却度が０よりも大きい場合には、図９に示したようにエジェクタ単体効率が低下することで、システム効率も低下すると考えられる。また、乾き度が０．２よりも大きい場合には、図４に示した圧力ーエンタルピー線図で、状態Ｒ３がもっとエンタルピーが大きい状態に移動することになり、システム効率は低下する。
【００３５】
このように、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上で且つ０．２以下になるようにバイパス配管９の配管径の大きさや配管長さを設定することで、冷凍サイクル装置のシステム効率（ＣＯＰ）が良好になる。ここで、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上で且つ０．２以下になるように構成するのであるが、これは予備運転をすることで予め確認される。エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度は、冷凍サイクルの高圧側の圧力値（圧力センサ２４の検出値）、及び圧縮機１から流出した冷媒のバイパス配管９と放熱側熱交換器２との流量比を求めて計算すれば求められる。
【００３６】
ところで、微細気泡発生装置３を設けない場合には、配管内を流れる気液二相状態の冷媒は大きさが大きい気泡となっている。このため、エジェクタ上流側の二相延長配管７１で圧力損失と騒音が発生するが、本発明では微細気泡発生装置３によって微細気泡発生装置３よりも下流の流動状態が微小気泡流となるため、圧力損失が少なく、騒音が低減できるという効果がある。
上記では、微細気泡発生装置３の液冷媒流入部３ａから液冷媒を流入させるとしたが、運転状況によってはある程度ガス冷媒を含む液冷媒が液冷媒流入部３ａから流入することもある。放熱側熱交換器２から流出する冷媒のうちの液を多く含む状態の冷媒を液冷媒流入部３ａから流入させることで、ガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒に交差して微細な気泡を発生させることができるので、上記と同様の効果を奏する。
【００３７】
図１１は、本実施の形態に係る制御手段３１による制御過程の一例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに基づいて制御手段３１の動作について説明する。制御手段３１は具体的にはマイクロコンピュータで構成され、各検出手段２１、２２、２３、２４で計測した各部分の検出値に基づいて、圧縮機１の回転数、微細気泡発生装置３のニードル部５１の絞り開度、減圧手段６例えば電子式膨張弁の絞り開度を決定して、各アクチュエータに制御信号を送信する。
【００３８】
第１温度検出手段２１の温度をＴＨ１とすると、ＴＨ１が目標蒸発温度ＥＴｍとなるように圧縮機１の回転数を制御する。また、第２温度検出手段２２の温度をＴＨ２、ＴＨ２とＴＨ１の差ＴＨ２−ＴＨ１を蒸発側熱交換器７の出口過熱度ＳＨとすると、ＳＨが目標過熱度ＳＨｍとなるように絞り装置６の絞り開度を制御する。また、第３温度検出手段２３の温度をＴＨ３、圧力センサー２４の圧力をＰ２４とし、Ｐ２４から求められる飽和液温度Ｔｓ、ＴｓとＴＨ３の差Ｔｓ−ＴＨ３を放熱側熱交換器２の出口過冷却度ＳＣとして演算する。そして、過冷却度ＳＣが目標過冷却度ＳＣｍとなるように微細気泡発生装置３のニードル部５１の絞り開度を制御する。
【００３９】
具体的には、まず最初に、ＳＴＥＰ１で微細気泡発生装置３のニードル部５１の絞り開度、ＳＴＥＰ２で絞り装置６の絞り開度、ＳＴＥＰ３で圧縮機１の回転数を初期設定する。ＳＴＥＰ４では｜ＴＨ１ーＥＴｍ｜＞ε３であればＳＴＥＰ３へ戻り、圧縮機１の回転数を変更する。即ち、ＴＨ１＞ＥＴｍの時は圧縮機１の回転数を増加させ、ＴＨ１＜ＥＴｍの時は圧縮機１の回転数を減少させる。圧縮機１の回転数を変更した結果、蒸発温度ＴＨ１を計測してＳＴＥＰ４で判断し、｜ＴＨ１−ＥＴｍ｜＜ε３であればＳＴＥＰ５へ進み、圧縮機１の回転数が決定される。
【００４０】
ＳＴＥＰ６では｜ＳＨ−ＳＨｍ｜＞ε２であればＳＴＥＰ２へ戻り、絞り装置６の開度を変更する。即ち、ＳＨ＞ＳＨｍの時は絞り装置６を開き、ＳＨ＜ＳＨｍの時は絞り装置６を閉める。絞り装置６の開度を変更した結果、過熱度ＳＨを計測してＳＴＥＰ６で判断し、｜ＳＨ−ＳＨｍ｜＜ε２であればＳＴＥＰ７で絞り装置６の絞り開度が決定される。
【００４１】
ＳＴＥＰ８では｜ＳＣ−ＳＣｍ｜＞ε１であればＳＴＥＰ１へ戻り、微細気泡発生装置３のニードル部５１の絞り開度を変更する。即ち、ＳＣ＞ＳＣｍでは微細気泡発生装置３のニードル部５１を開き、ＳＣ＜ＳＣｍでは微細気泡発生装置３のニードル部５１を閉める。ニードル部５１の絞り開度を変更した結果、過冷却度ＳＣを計測してＳＴＥＰ８で判断し、｜ＳＣ−ＳＣｍ｜＜ε１であればＳＴＥＰ９で微細気泡発生装置３のニードル部５１の絞り開度が決定し制御は終了する。各目標値の一例として、例えば冷凍サイクル装置が室内の冷房を行う場合には、目標蒸発度ＥＴｍは−３０℃〜１０℃、目標過熱度ＳＨｍは５℃〜１５℃、目標過冷却度ＳＣｍは５〜２０℃の範囲で設定される。
【００４２】
圧縮機１の回転数は、冷凍サイクル装置を循環する冷媒流量、即ち冷凍能力を決定するものであるから冷凍サイクル装置の機能を確保する目的から最優先で制御される。減圧手段６の絞り開度は、蒸発側熱交換器７の出口過熱度を制御することで蒸発側熱交換器７の効率、即ち冷凍サイクル装置の効率を決定するものであるから次に優先される。微細気泡発生装置３の絞り開度は、放熱側熱交換器２の出口過冷却度を制御し、運転効率を最大化するものであるから最も優先順位を低くしている。ここで、ε１、ε２、ε３は、運転制御における許容誤差である。
【００４３】
図１１で記載したように制御手段３１によって蒸発温度、蒸発側熱交換器７の出口過熱度、放熱側熱交換器２の出口過冷却度を最適な目標値になるように運転することで、冷凍サイクル装置を使用状況に合わせて効率良く運転することができる。即ち、蒸発側熱交換器７の蒸発温度を制御することで、被冷却体の負荷にあわせて無駄のない運転ができる。また、蒸発側熱交換器７の出口過熱度を制御することで、圧縮機１に液バックするのを防止でき、圧縮機１の信頼性を高めることができる。また、微細気泡発生装置３の液冷媒入口部３ａの過冷却度を制御することで、微細気泡発生装置３内で微細な気泡を均一に発生することができ、冷凍サイクル装置のサイクル効率（ＣＯＰ）を上げることかできる。
ただし、図１１に示した制御過程に限るものではない。例えば、微細気泡発生装置３またはエジェクタ４に備えた抵抗調整手段、例えばニードル部によって圧縮機１の吸入側過熱度を制御してもよい。この場合には、微細気泡発生装置３の流入側の過冷却度を制御しなくてもよいし、放熱側熱交換器２の送風機の回転数によって熱交換量を制御することで、この部分の過冷却度を制御するように構成してもよい。
【００４４】
ここで、微細気泡発生装置３で、ガス冷媒を微細気泡にせん断して気泡化するため、θを例えば９０度以上１８０度以下となるように設けたことにより、ガス冷媒が液冷媒にせん断されやすい構成になるが、これに限るものではない。発生する気泡の大きさは、ガス冷媒を挿入する配管、ここではバイパス配管９の径や液冷媒の流速、ガス冷媒の体積流量比などによっても影響される。これらの条件が適当に設定されている場合、角度θとしては、液冷媒の流れ方向に対してガス冷媒が交差するように挿入されれば、挿入されたガス冷媒が液冷媒によって切断されやすいので、ある程度微細な気泡が発生する。
【００４５】
また、微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部５２の位置を図１２に示す。微細気泡発生装置３は主流路の構成を、減圧部５３、喉部５５、末広部５４を有するベンチュリ管とし、最も断面積の小さい喉部５５にガス冷媒が挿入される構成（図１２（ａ））、喉部５５よりも上流側にガス冷媒が挿入される構成（図１２（ｂ））、喉部５５よりも下流側にガス冷媒が挿入される構成（図１２（ｃ））である。いずれの場合にも、液冷媒がガス冷媒を数１００μｍの微細な気泡にせん断する。さらに、喉部５５から出口部３ｃまでの間の末広部５４において、急激な圧力上昇が加えられて気泡がさらに微細に崩壊される。ガス冷媒流入部５２を設ける位置は、少なくとも喉部５５付近にガス冷媒流入部５２を設けてガス冷媒を流入させれば、微細な気泡を発生できる。
【００４６】
また、図２では微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部５２は１箇所としているが、これに限るものではない。２箇所以上設けてもよい。ガス冷媒流入部５２の径を小さくして複数設ければ、より効率よくガス冷媒をせん断でき、微細な気泡を発生できる。複数のガス冷媒流入部５２を設ける場合には、微細気泡発生装置３の断面における円周上にバランスよく設けるとよい。
【００４７】
本実施の形態に係る微細気泡発生装置３は、せん断流を利用して気泡を発生させることと、気泡の崩壊現象を利用して微細化することの両方の機構を兼ね備える構成として、マイクロレベルの微細な気泡を発生させるものを示した。
これに対し、どちらか一方の機構を備えた構成でもよい。例えば、せん断流を利用するものとしては、液冷媒を加速する部分と加速された液冷媒にガス冷媒を交差する方向から流入するような構成であればよい。ガス冷媒を液冷媒でせん断して発生する気泡の大きさは、ガス冷媒の配管径やガス冷媒の流入速度や液冷媒の速度などに影響される。ガス冷媒の配管径を、例えば数１００μｍとすると発生する気泡は数１００μｍ以下となることが期待できる。せん断によって微細な気泡を発生させるには、液冷媒の速度は速いほうが好ましい。また、ガス冷媒の速度は遅いほうが好ましく、ガス冷媒の配管径は小さいほうが好ましい。また、単に断面積が一律な筒状の構成でも、液冷媒流路とガス冷媒流路の断面積を適当に構成することによって、液冷媒のせん断力でガス冷媒を気泡化できる。
【００４８】
また、逆にベンチュリ管の構成、即ち、急縮小−急拡大によって液冷媒中に含まれるガス冷媒の気泡の崩壊現象で微細気泡を発生させる構成とし、せん断によって気泡を発生させる機構がなくてもよい。例えば、液冷媒の流れ方向に対してガス冷媒を挿入させる場合、交差する方向でなくても、同様の方向に挿入するものでもよい。即ち、微細気泡発生装置３がニードル部５１を有しない構成の場合には、液冷媒の流路に沿ってガス冷媒流入部を設けてもよい。実際にはガス冷媒流入部の流入口が、喉部５５の上流側で、且つ液冷媒の流路の中心付近に開口するように構成してもよい。このガス冷媒流入部の流入口から挿入されるガス冷媒と、その周囲を流れる液冷媒とである程度せん断力が働き、数１０ｍｍ程度の微細な気泡を含む冷媒となる。そして、気泡を含む冷媒を減圧部５３で減圧膨張させた後、末広部５４で急激に加圧して気泡を崩壊させることで、数１００μｍ程度の微細な気泡を発生させることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、膨張比が一定の固定エジェクタを使用しているので、ニードル部などを用いて喉部の断面積を可変する膨張比変化型の可変絞りエジェクタに比べ、運転状態によって過膨張や不足膨張が生じることがない。例えば過膨張になると衝撃波の発生によって損失が生じたりするが、これを防止できるので、ノズルから噴射される液滴をできるだけ微細化することができ、混合を促進してエジェクタ効率を高く維持することができる。
【００５０】
また、エジェクタ３として可変絞りエジェクタを用いる場合には、微細気泡発生装置３としてはニ−ドル部５１を有しないものを用いてもよい。この場合には図１１に示した制御過程において、エジェクタ３の絞り手段によって、放熱側熱交換器２の出口過冷却度を制御すればよい。
また、ニードル部５１は流路断面積を増減して流路抵抗を調整しうる抵抗調整手段の一例として設けているが、ニードル部に限るものではない。例えば冷媒流路を開閉し得る扉のようなものを冷媒流路に設け、例えばその扉を垂直に立てた時に流路抵抗が最大になり、扉を冷媒流路に平行になるように寝かせた時に流路抵抗が最小になるようにするなどの抵抗調整手段でもよい。
【００５１】
また、室内ユニット１０１の構成は図１に限定されるものではなく、どのような構成になっていてもよい。例えば、エジェクタ４の出口側に蒸発側熱交換器、その下流側に気液分離器を設け、気液分離器の液相部をエジェクタ４の吸引部に接続し、気液分離器の気相部を圧縮機の吸入側に接続するような構成でもよい。また、蒸発側熱交換器を複数備えていてもよい。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によれば、冷媒を高圧状態にする圧縮機１と、圧縮機１からの高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器２と、放熱側熱交換器２からの放熱後の冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段３と、気泡発生手段３によって発生した微細な気泡を含む冷媒を減圧して高速度でノズル部４３から流出する駆動流体により吸引部４２から吸引流体を吸引し、混合部４４で駆動流体と吸引流体とを混合した後、ディフューザ部４５で膨張させて低圧状態で流出するエジェクタ４と、エジェクタ４からの低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器７と、を備えたことにより、気泡発生手段３で発生した数μｍ〜数１００μｍの微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００５３】
また、気泡発生手段３は、圧縮機１または放熱側熱交換器２から流出する冷媒のうちのガス冷媒の少なくとも一部を流入するガス冷媒流入部５２と放熱側熱交換器２から流出する冷媒のうちの液を多く含む状態の冷媒を流入する液冷媒流入部３ａとを有し、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒にガス冷媒流入部５２からガス冷媒を流入させて気泡を発生するように構成したことにより、高圧側の液冷媒とガス冷媒を用いて気泡発生手段３で微細な気泡を発生させることができ、この微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００５４】
また、一端側を圧縮機１の吐出部と放熱側熱交換器２の入口部との間の配管に接続し、他端側を気泡発生手段３のガス冷媒流入部５２に接続するバイパス配管９を備え、圧縮機１から吐出するガス冷媒の一部をバイパス配管９を通ってガス冷媒流入部５２に流入させ、放熱側熱交換器２から流出する冷媒を液冷媒流入部３ａに流入させることにより、バイパス配管９を設けるという比較的簡単な構成で高圧側の液冷媒とガス冷媒を用いて気泡発生手段３で微細な気泡を発生させることができ、この微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００５５】
また、気泡発生手段３は、液冷媒流入部５２から流入する液冷媒流路に対してガス冷媒流入部３ａから流入するガス冷媒流路が交差するように構成され、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒流をガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒流に交差させて気泡を発生させることにより、高圧側の液冷媒とガス冷媒を用いて気泡発生手段３で微細な気泡を発生させ、この微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００５６】
また、気泡発生手段３の液冷媒流路は、液冷媒流入口部３ａから喉部５５に向かって流路断面積が縮小し、喉部５５から気泡発生手段３の出口３ｃに向かって流路断面積が増加するように構成され、喉部５５付近にガス冷媒流入部５２を設けたことにより、高圧側の液冷媒とガス冷媒を用いて気泡発生手段３で微細な気泡を発生させ、この微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００５７】
また、気泡発生手段３またはエジェクタ４は、冷媒の流動抵抗を調整し得る抵抗調整手段５１を有することにより、気泡発生手段３に流入する液冷媒の状態や、圧縮機１に吸入する冷媒状態を調整でき、冷凍サイクル装置の効率を向上できる効果がある。
【００５８】
また、抵抗調整手段５１によって、気泡発生手段３の液冷媒入口部３ａの冷媒の過冷却度が、予め設定した目標過冷却度になるように制御することにより、安定して微細な気泡を発生させることができ、冷凍サイクル装置の効率を向上できる効果がある。
【００５９】
また、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上且つ０．２以下になるように構成したことにより、エジェクタ４のノズル部４３から微細な液滴を噴出させることができ、エジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
特に、本実施の形態では、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上且つ０．２以下になるように、予めガス冷媒流入部５２に接続する配管の長さまたは直径を構成することで、エジェクタ効率及び冷凍サイクル効率を向上できる効果がある。
【００６０】
また、圧縮機１の吸入側に接続する補助熱交換器１３を備えたことにより、圧縮機１に吸入される冷媒状態を確実にガス冷媒とすることができ、圧縮機１に液冷媒が吸入されるのを防止して信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００６１】
冷凍サイクル装置として高性能化が進み、さらなる高性能化の余地はほとんど残されていない。特に、蒸発側熱交換器における冷媒と空気の温度差が小さい機器、例えばルームエアコンや冷蔵庫等々において、さらなる性能向上は困難である。このような状況で、エジェクタ４は、蒸発側熱交換器７の温度差の制約を受けずに圧縮機１の吸引圧力をあげることができ、高性能な冷凍サイクル装置を実現できる有用な機器である。本実施の形態では、このエジェクタ４を用い、更に数μｍ〜数１００μｍの微細な気泡を含む冷媒をエジェクタ４の駆動流体としてエジェクタ４単体の効率を向上することで、冷凍サイクル装置の効率を向上できる。
【００６２】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置について説明する。図１３は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置であり、例えば室内を冷房する空気調和装置の回路構成を示す構成図である。図１の各部と同一符号は同様又は相当部分を示し、ここでは説明を省略する。また、微細気泡発生装置３の構成は図２と同様であり、エジェクタ４の構成は図３と同様である。
【００６３】
エジェクタ本実施の形態に係る冷凍サイクル装置における室外ユニット１００内の冷媒回路は、圧縮機１、放熱側熱交換器２、気液分離器８、流動抵抗を調整する機能を持った微細気泡発生装置３、およびそれらを接続するための配管で構成され、気液分離器８の液相部を微細気泡発生装置３の液冷媒流入部３ａに接続し、気相部を配管１０によって微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部５２に接続する。
実施の形態１では放熱側熱交換器２の上流側のガス冷媒をガス冷媒流入部５２に流入させているが、本実施の形態では放熱側熱交換器２の出口部と微細気泡発生装置３の入口部との間に接続される気液分離器を備える。そして、放熱側熱交換器２から気液二相状態で冷媒を流出させて気液分離器８でガス冷媒と液冷媒に分離し、その気相部のガス冷媒をガス冷媒流入部５２に流入させている。
【００６４】
以下、冷凍サイクル装置の運転動作を図１３及び図１４に基づいて説明する。図１４は本実施の形態による冷凍サイクル装置に係る圧力−エンタルピー線図であり、横軸にエンタルピー（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸に圧力（パスカル）を示す。
圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒Ｒ１は放熱側熱交換器２で空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、気液二相冷媒Ｒ２となり気液分離器８へ流入する。気液分離器８では気液二相冷媒が、ガス冷媒Ｒ２Ｇと液冷媒Ｒ２Ｌに分離され、ガス冷媒Ｒ２Ｇは配管抵抗により減圧してガス冷媒Ｒ３Ｇとなり、液冷媒Ｒ２Ｌは微細気泡発生装置３の減圧部５３で減圧され液冷媒Ｒ３Ｌとなる。微細気泡発生装置３の液冷媒流入部３ａから液冷媒を流入し、減圧部５３で流路断面積を縮小することで液冷媒の速度が増加する。そして喉部５５付近でガス冷媒流入部５２から液冷媒の冷媒流に交差するようにガス冷媒Ｒ３Ｇを流入すると、液冷媒によってガス冷媒がせん断される。即ち、微細気泡発生装置３においてガス冷媒Ｒ３Ｇと液冷媒Ｒ３Ｌが再び混合する際に、挿入されたガス冷媒Ｒ２Ｇは液冷媒Ｒ２Ｌとのせん断力で微細な気泡になる。さらに末広部５４で圧力が上昇する際に気泡が崩壊し、数１００μｍ程度の大きさがほぼ均一で、流路内に偏ることなくほぼ均質に存在する微細気泡流となる。このほぼ均一な微細気泡をほぼ均質に含む冷媒Ｒ３がエジェクタ４に流入する。エジェクタ４に流入した後の運転動作は、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００６５】
微細気泡発生装置３とエジェクタ４の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明はここでは省略する。本実施の形態でも、エジェクタ４の上流側に微細気泡発生装置３を備え、冷凍サイクル装置を循環する冷媒で、高圧側を流れる冷媒のガス冷媒と液冷媒を微細気泡発生装置３に流入させ、液冷媒流とガス冷媒流とを交差させた時のせん断力や、減圧膨張後に急激な圧力上昇を加えた時の気泡の崩壊現象によって、数１００μｍ以下の微細な気泡を含んだ冷媒とする。エジェクタ４の駆動流体の液滴が微細になるので、ガス状態の吸引流体と接触する面積が増大し、混合部で駆動流体と吸引流体との混合が促進されて昇圧量が増加できる。また、蒸発側熱交換器７からのガス冷媒Ｒ４を吸引しやすく、吸引流体の流量が増加する。このため、エジェクタ効率及び冷凍サイクル効率を向上できる。
【００６６】
また、本実施の形態でも液冷媒流とガス冷媒流とを交差させた時のせん断力と、減圧膨張後に急激な圧力上昇を加えた時の気泡の崩壊現象の両方を利用して微細な気泡を発生させているが、少なくともどちらか一方の機構によって微細な気泡を発生させてもよい。
【００６７】
制御手段３１による制御過程は、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明はここでは省略する。但し、実施の形態１では放熱側熱交換器２の出口側過冷却度の目標値ＳＣｍを５〜２０℃に設定していたが、本実施の形態では気液分離器８内で二相状態の冷媒とするために、過冷却度目標値ＳＣｍは０〜５℃に設定する。ここで、ＳＣｍ＝５℃とするのは、５℃の過冷却度でも二相状態となる非平衡が生じるためである。
【００６８】
ここで、気液分離器８の気相部と微細気泡発生装置３のガス冷媒流入部５２を接続する配管１０の配管径や配管長さは、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上且つ０．２以下になるように設定している。このため、実施の形態１と同様、エジェクタ４のノズル部４３から微細な液滴を噴出させることができ、エジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらにサイクル効率（ＣＯＰ）のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。実際には適当な配管１０を用い、エジェクタ４に駆動流体として流入する冷媒の乾き度が０以上で且つ０．２以下になることを、予め予備運転で確認すればよい。
【００６９】
また、図１５は本実施の形態の他の冷凍サイクル装置の回路構成を示す構成図である。図に示すように気液分離器８の上流側に加熱手段１５を設け、放熱側熱交換器２と気液分離器８の間を流れる冷媒を加熱する構成としている。例えば冷媒が放熱側熱交換器２の出口部で液単相状態となっていても、ヒータ等の加熱手段１５によって加熱してエンタルピーが増加し、気液分離器８の入口部で確実に冷媒を気液二相状態とすることができる。その後気液分離器８で気液を分離し、微細気泡発生装置３で均質な微細気泡流を生成してエジェクタの駆動流体とすることは図１３の構成と同様である。
【００７０】
このように、放熱側熱交換器２と気液分離器８との間の冷媒を加熱する加熱手段１５を設けることで、気液分離器８に流入する冷媒を確実に二相冷媒とすることができる。これにより、微細気泡発生装置３で微細気泡を確実に発生させることができ、エジェクタ効率を向上でき、サイクル効率も向上できる冷凍サイクル装置が得られる。
【００７１】
また、本実施の形態における気液分離器８は、通常、余分な冷媒を一時的に貯留する液だめとして冷凍サイクル装置に備えられているものを利用することができる。
本実施の形態において、実施の形態１と同様、室内ユニット１０１の構成などは、図１３、図１５に限定させるものではなく、どのように構成されていてもよい。
【００７２】
以上のように、本実施の形態によれば、放熱側熱交換器２の出口部と気泡発生手段３の入口部との間に接続される気液分離器８を備え、気液分離器８の気相部と気泡発生手段３のガス冷媒流入部５２を接続し、気液分離器８の液相部と気泡発生手段３の液冷媒流入部３ａを接続することにより、高圧側の液冷媒とガス冷媒を用いて気泡発生手段３で微細な気泡を発生させることができ、この微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００７３】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、室内ユニット１０１における蒸発側熱交換器７を１台備えた構成としたが、これに限らなくてもよい。本発明の実施の形態３では、複数、例えば２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを設けた冷凍サイクル装置について説明する。なお、室内ユニット１００に関しては、実施の形態１または実施の形態２と構成及び効果において同様であり、ここでは説明を省略する。
図１６は本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の室内ユニット１０１の回路構成を示す構成図である。図において、２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂはそれぞれ室内送風機１２ａ、１２ｂで送風される室内空気と熱交換する。蒸発側熱交換器７ａ、７ｂの上流側にはそれぞれ冷媒流量調整手段、例えば絞り装置６ａ、６ｂを設け、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂに流入する液冷媒の流量を調整する。蒸発側熱交換器７ａ、７ｂは例えば別の室内に設置され、それぞれの室内を冷房する。絞り装置６ａ、６ｂの一例としては電子式膨張弁であり、例えば一方の蒸発側熱交換器７ａ又は７ｂを動作させなくてもよい場合には、絞り装置６ａ又は６ｂを閉じればよい。図中、制御手段からの絞り装置６ａ、６ｂへの制御信号線や、各蒸発側熱交換器７ａ、７ｂ周辺に設置している温度検出手段、及び検出手段からの入力信号線は省いて示した。
【００７４】
冷凍サイクル装置がショーケースや冷凍冷蔵庫である場合など、蒸発温度を複数の異なる温度に設定して動作させたい場合がある。例えば、−２０℃程度の蒸発温度の低い冷凍用蒸発側熱交換器７ａ、５℃程度の蒸発温度の高い冷蔵用蒸発側熱交換器７ｂというように、複数の異なる温度に冷却する場合、複数の蒸発温度の異なる蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを並列に接続する。減圧手段として、例えばキャピラリチューブ１６を、エジェクタ４の吸引部と蒸発側熱交換器７ｂの間に接続する。
【００７５】
即ち、室内ユニット１０１内の冷媒回路は、エジェクタ４、気液分離器５、絞り装置６ａ、絞り装置６ｂ、蒸発側熱交換器７ａ、蒸発側熱交換器７ｂ、キャピラリチューブ１６、補助熱交換器１３およびそれらを接続するための配管で構成され、気液分離器５の液相部に接続される配管を２つに分岐し、一方は絞り装置６ａ、蒸発側熱交換器７ａを介してエジェクタ４の吸引部４２と接続し、他方は絞り装置６ｂ、蒸発側熱交換器７ｂ、キャピラリチューブ１６を介してエジェクタ４の吸引部４２と接続し、気液分離器５の気相部は補助熱交換器１３を介し圧縮機１の吸入側に接続する。
【００７６】
エジェクタ４を通過した冷媒は、気液分離器５に流入し、液冷媒とガス冷媒に分離される。ガス冷媒は補助熱交換器１３によって確実にガス冷媒となって圧縮機１の吸入側に流入する。気液分離器５の液冷媒のうちの一部は、絞り装置６ａで減圧され、蒸発側熱交換器７ａで空気から吸熱し自身は蒸発・気化してガス冷媒となり、エジェクタ４により吸引される。また、気液分離器５の液冷媒のうちの他部も同様に、絞り装置６ｂで減圧され、蒸発側熱交換器７ｂで空気から吸熱し自身は蒸発・気化してガス冷媒となり、キャピラリチューブ１６で減圧されてエジェクタ４により吸引される。この蒸発側熱交換器７ａ、７ｂで室内空気から吸熱することで、室内の冷房を行っており、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂで２つの異なる温度を設定することができる。
【００７７】
ここで、キャピラリチューブ１６は、エジェクタ４の吸引部４２にガス冷媒を流入させる際、複数の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂから流出する冷媒の圧力を均等化してエジェクタ４に吸引させるものである。蒸発温度が高く設定される側の冷媒圧力が蒸発温度が低く設定される側の冷媒圧力よりも高くなるので、蒸発温度が高く設定される蒸発側熱交換器７ｂの出口部にキャピラリチューブ１６を備え、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂの出口部における冷媒圧力が均等になるように減圧する。このキャピラリチューブ１６は他の減圧手段、例えば開閉式膨張弁や電子式膨張弁などでもよい。
【００７８】
エジェクタ４に吸引される冷媒の配管が複数ある場合、各配管の冷媒の圧力が均等でない場合には、圧力差によっては冷媒の逆流が起こる可能性がある。これに対しこの実施の形態では、エジェクタ４に吸引される複数の冷媒の圧力を均等化するように減圧手段１６を有するので、エジェクタ４内で逆流が起こったり１つの吸引部から他の吸引部へ流れたりするのを防止でき、信頼性の高い冷凍サイクル装置が得られる。
【００７９】
また、複数台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを有する構成の室内ユニット１０１の他の構成例を図１７に示す。図１７は本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の室内ユニット１０１の回路構成を示す構成図である。図において、２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂに対応してそれぞれエジェクタ４ａ、４ｂが接続されている。
【００８０】
即ち、室内ユニット１０１内の冷媒回路は、エジェクタ４ａ、 エジェクタ４ｂ、気液分離器５、絞り装置６ａ、絞り装置６ｂ、蒸発側熱交換器７ａ、蒸発側熱交換器７ｂ、キャピラリチューブ１６、補助熱交換器１３及びそれらを接続するための配管で構成される。そして、室外ユニット１００からの接続配管は分岐部１８で２つに分岐され、一方はエジェクタ４ａ、気液分離器５、絞り装置６ａ、蒸発側熱交換器７ａを介してエジェクタ４ａの吸引部４２に接続される。また、他方はエジェクタ４ｂ、気液分離器５、絞り装置６ｂ、蒸発側熱交換器７ｂ、キャピラリチューブ１６を介してエジェクタ４ｂの吸引部４２に接続され、気液分離器５の気相部は補助熱交換器１３を介し圧縮機１の吸入側に接続する。
【００８１】
室外ユニット１００内の微細気泡発生装置３で均一で均質な微細気泡冷媒とし、二相延長配管７１で室内ユニット１０１に循環する。そして、室内ユニット１０１で冷媒を分岐部１８で２つに分岐してエジェクタ４ａ、４ｂの駆動流体としてノズル部４３に流入させる。エジェクタ４ａ、４ｂを通過した冷媒は気液分離器５に流入し、液冷媒とガス冷媒に分離される。ガス冷媒は補助熱交換器１３によって確実にガス冷媒となって圧縮機１の吸入側に流入する。気液分離器５の液冷媒のうちの一部は、絞り装置６ａで減圧され、蒸発側熱交換器７ａで空気から吸熱し自身は蒸発・気化してガス冷媒となり、エジェクタ３により吸引される。また、気液分離器５の液冷媒のうちの他部も同様に、絞り装置６ｂで減圧され、蒸発側熱交換器７ｂで空気から吸熱し自身は蒸発・気化してガス冷媒となり、エジェクタ３により吸引される。この蒸発側熱交換器７ａ、７ｂで室内空気から吸熱することで、室内の冷房を行っており、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂで２つの異なる温度を設定することができる。
【００８２】
図１６の構成では、１つのエジェクタ４に２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂからガス冷媒が吸引される構成である。この場合にはエジェクタ４が１台であり、装置全体を小型にできるといういう効果はあるが、２つの吸引流体の冷媒状態、例えば圧力値や流量などのバランスによって、うまく吸引されない可能性がある。これに対し、図１７の構成では、一方のエジェクタ４ａに１台の蒸発側熱交換器７ａ、他方のエジェクタ４ｂに１台の蒸発側熱交換器７ｂを流出したガス冷媒が吸引される構成である。この場合にはエジェクタ４が２台であり、装置全体が若干大きくなるが、２つの吸引流体の冷媒状態、例えば圧力値や流量などのバランスに変化があっても、うまく吸引され、安定した運転が可能であるという効果がある。
【００８３】
図１６、図１７では２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを有する構成としたが、２台でなくてもよい。３台以上の複数でもよく、複数の異なる温度に冷却する場合に有効である。また、異なる蒸発温度に設定しなくてもよく、複数の蒸発側熱交換器で同一の蒸発温度で運転してもよい。複数の部屋または場所を冷却する場合に有効である。同一の蒸発温度で運転する場合には冷媒圧力は同様になり、エジェクタ４の吸引部４２と蒸発側熱交換器７の間に減圧手段としてキャピラリー１６を設ける必要はなくなる。
【００８４】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様、冷媒を高圧状態にする圧縮機１と、圧縮機１からの高圧状態の冷媒の熱を放熱させる放熱側熱交換器２と、放熱側熱交換器２からの放熱後の冷媒を微細な気泡を含む冷媒とする気泡発生手段３と、気泡発生手段３によって発生した微細な気泡を含む冷媒を減圧して高速度でノズル部４３から流出する駆動流体により吸引部４２から吸引流体を吸引し、混合部４４で駆動流体と吸引流体とを混合した後、ディフューザ部４５で膨張させて低圧状態で流出するエジェクタ４と、エジェクタ４からの低圧状態の冷媒を蒸発させる蒸発側熱交換器７と、を備えたことにより、気泡発生手段３で発生した数μｍ〜数１００μｍの微細な気泡を含んだ冷媒をエジェクタ４の駆動流体とすることでエジェクタ４での気液混合を促進してエジェクタ効率を向上でき、さらに効率のよい冷凍サイクル装置を得ることができる効果がある。
【００８５】
また、少なくとも２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂと、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂのそれぞれから流出する冷媒を吸引部４２で吸引するエジェクタ４と、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂに流入する冷媒流量をそれぞれ調整する複数の冷媒流量調整手段６ａ、６ｂと、蒸発側熱交換器７ａ、７ｂとエジェクタ４との間の配管の少なくとも１つの配管に設けられ、複数の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂからエジェクタ４に吸引される冷媒の圧力を均等化する減圧手段１６と、を備えたことにより、効率のよいエジェクタを用い、複数の異なる蒸発温度で運転できる蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを備え、サイクル効率のよい冷凍サイクル装置が得られる効果がある。
【００８６】
また、少なくとも２台の蒸発側熱交換器７ａ、７ｂから流出する冷媒をそれぞれ吸引する少なくとも２台のエジェクタ４ａ、４ｂを備え、気泡発生手段３で発生した微細な気泡を含む冷媒を分岐して複数のエジェクタ４ａ、４ｂに流入させる分岐部を設けたことにより、効率のよいエジェクタを用い、安定して運転でき信頼性が高く、複数の異なる蒸発温度で運転できる蒸発側熱交換器７ａ、７ｂを備えたサイクル効率のよい冷凍サイクル装置が得られる効果がある。
【００８７】
実施の形態１〜実施の形態３の図１、図１３、図１５、図１６、図１７において、いずれも補助熱交換器１３を圧縮機１の吸入側に設け、圧縮機１に確実にガス冷媒を吸入する構成とし、液バックを防止して冷凍サイクル装置の信頼性を高めている。この補助熱交換器１３は、例えば気液分離器５に必ず気相部が存在する状態で運転する場合には、必ずしも設けなくてもよい。気液分離器５の気相部を圧縮機１の吸入側に接続する構成でもよい。
【００８８】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、微細気泡発生装置３の他の実施の形態について説明する。図１８は、本発明の実施の形態４に係る微細気泡発生装置３の構成を示す説明図であり、図１８（ａ）は液冷媒の流路に垂直な断面における液冷媒流入部３ａの位置を示す説明図、図１８（ｂ）は微細気泡発生装置３の断面構成を示す説明図である。図中、実線矢印は液冷媒の流れ、白抜き矢印は微細気泡を含む冷媒の流れ方向を示している。
微細気泡発生装置３の減圧部５３の内壁面の形状は円錐形状の一部をなす。この円錐形状の軸に対して、偏った位置に液冷媒流入部３ａを設け、円錐形状の軸から外れた位置に液冷媒を流入させる。ここでは、液冷媒流入部３ａを偏心した位置に設けたことで、微細気泡発生装置３に流入する液冷媒を旋回流とする旋回手段を構成している。
【００８９】
液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒は、減圧部５３に流入するのであるが、円錐形状の内壁面に沿って減圧されながら旋回流となり、速度が増加して流れる。この速度の速い液冷媒の旋回流にガス冷媒流入部５２からガス冷媒を流入させることによって、気液の速度差によるせん断力で、ガス冷媒は引きちぎられる。ガス冷媒流入部５２の入口の径を例えば数ｍｍとし、これに対して高速の旋回流となっている液冷媒でせん断することで、直径が数１００μ以下の大きさの均一な微細気泡を発生させることができる。ガス冷媒流入部５２は、喉部５５付近の例えば管側壁に設けており、液冷媒流路とは交差する方向からガス冷媒が流入する。
【００９０】
液冷媒を旋回流とすることで、減圧部５３の内壁面でスムーズに加速され、ガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒に対してせん断力が効果的に作用する。また、喉部５５を通過して末広部５４を流れる際には、急激な圧力上昇が加えられ流路壁面と接触したりすることで気泡が崩壊して更に微細化させる。図１８に示した構成では、喉部５５及び末広部５４でもある程度旋回流となり、流路壁面と衝突しやすくなって微細化が促進されると共に、発生した微細な気泡が撹乱されるので、空間内に均質に微細な気泡を存在させることができる。ほぼ均一な大きさの微細な気泡を、空間内に平均して均質に発生させ、これをエジェクタ４の駆動流体とすることで、エジェクタ４で駆動流体と吸引流体の混合効率を高め、エジェクタ効率及び冷凍サイクル装置のサイクル効率を向上できる。
【００９１】
図１９は本実施の形態に係る微細気泡発生装置３の他の構成例を示す説明図であり、減圧部５３の一部を切り欠いて示す。この構成は、ガス冷媒流入部５２を管側壁ではなく、減圧部５３の内壁面を構成する円錐形状の中心軸方向に流入するように設けている。液冷媒流入部３ａは中心軸に対して偏った位置で、複数、例えば２箇所に設けている。ここでは、液冷媒流入部３ａを偏心した位置に設けると共に、ガス冷媒流入部５２の配管外壁と減圧部５３の内壁との間で流路が旋回流に導くガイドとなって、微細気泡発生装置３に流入する液冷媒を旋回流とする旋回手段を構成している。
【００９２】
図１８と同様、液冷媒を旋回流とすることで、減圧部５３の内壁面でスムーズに加速され、ガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒に対してせん断力が効果的に作用する。このため、安定して微細な気泡を発生させ、旋回流によって微細気泡を撹乱する。このほぼ均一な大きさで、空間内に平均して均質に存在する微細な気泡を安定して発生させ、エジェクタ４の駆動流体とすることで、エジェクタ４で駆動流体と吸引流体との混合効率を高め、エジェクタ効率及び冷凍サイクル装置のサイクル効率を向上できる。
【００９３】
図１９の構成では、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒の旋回流を引き起こす構成であり、軸の中央部は液冷媒がそれほど流れない部分となる。この部分を利用してガス冷媒流入部５２を設け、さらにガス冷媒流入部５２を構成する配管外壁によって、液冷媒流入部３ａから流入する液冷媒をスムーズに旋回流とすることができる。
なおこのような構成では、微細気泡発生装置３内にニードル部５１を設けることができない。この場合にはエジェクタ４にニードル部などの流動抵抗を調整することのできる抵抗調整手段を設けた構成とすれば、冷媒の循環量や圧縮機１の吸引側冷媒の過熱度を制御することができる。
【００９４】
図１８、図１９では液冷媒を旋回させ、ガス冷媒は旋回させずに流入させる構成であるが、これに限らずガス冷媒と液冷媒の両方を旋回させる構成でもよい。ガス冷媒と液冷媒の両方を旋回させる場合は、ガス冷媒と液冷媒との旋回方向が逆になるような対向流とすれば、ガス冷媒がせん断されやすく、確実に微細な気泡を生成できる。
【００９５】
以上のように、本実施の形態における気泡発生手段３は、液冷媒流路とガス冷媒流路の冷媒流のうちの少なくとも一方の冷媒流を旋回流とする旋回手段を有するので、微細な気泡を発生しやすく、且つ、より微細な気泡を発生させることができる。ここで、旋回手段とは、例えば、液冷媒流入部３ａを冷媒流路に対して偏心した位置としている。上記では気泡発生手段３をベンチュリ管で構成しているで、液冷媒の流路内壁面は円錐形であるが、これを円筒形として液冷媒流入部３ａを円筒形状の中央から偏心した位置に設けても旋回流を形成できる。また、液冷媒が旋回して流れるように例えばガイドなどで流路を形成してもよい。
【００９６】
実施の形態１〜実施の形態４において、微細気泡発生装置３に流動抵抗を調整する抵抗調整手段としてニードル部５１を設け、エジェクタ４を固定絞りとする構成を示したが、これに限らず微細気泡発生装置３またはエジェクタ４の少なくとも一方に抵抗調整手段を設けた構成や微細気泡発生装置３とエジェクタ４がともに固定絞りであり更に膨張弁などの抵抗調整手段を冷媒回路に追加した構成でもよい。
ただし、実施の形態１で示したように、微細気泡発生装置３に抵抗調整手段としてニードル部を設ければ、図１１のＳＴＥＰ８、９のように微細気泡発生装置３の入口側の過冷却度を予め設定した目標過熱度に制御でき、微細な気泡を良好に発生させることができる。
また、前述のように、エジェクタ４を固定絞りとすることで、エジェクタ４内での膨張比を一定とすることができ、安定して良好なエジェクタ効率が得られるという効果がある。
【００９７】
実施の形態１〜実施の形態４において、気泡発生手段として液冷媒とガス冷媒のせん断力を利用して気泡を発生させる構成のものや、ベンチュリ管の構成で急縮小−急拡大の形状を利用して気泡の崩壊現象により気泡を微細化する構成のものについて、詳しく記述した。微細気泡発生装置３の他の構成例として、せん断力や気泡崩壊現象を利用する以外の構成でも可能である。
例えば、放熱側熱交換器２から流出する高圧二相状態の冷媒を、多孔質体、例えば多孔を有する金属焼結体に通過させ、多孔質体を構成する孔を通過する際に数１００μｍ程度の径の気泡を発生させる構成でもよい。
また、放熱側熱交換器２から流出する高圧二相状態の冷媒を、所定の容器に一度貯留し、この貯留部に超音波振動を付与して、振動によって直径が数１００μｍ程度のいわゆるマイクロバブルを発生させてもよい。このときの振動の周波数は、数１０ｋｈｚ程度よりも大きい周波数で、充分に微細な気泡を発生することができる。
また、せん断力や、気泡崩壊現象や、多孔質体や、振動などで気泡を発生させることができるが、これらのいずれか複数を組み合わせた構成としてもよい。例えば多孔質体を備えた構成に振動を加えたりしてもよい。
【００９８】
実施の形態５．
図２０は本発明の実施の形態５に係るエジェクタ及び気泡発生手段の断面を示す説明図であり、図２１はこのエジェクタを冷凍サイクル装置に組み込んだときの回路構成の一例を示す構成図である。図中、図１または図１３と同一符号は同一、または相当部分を示し、ここでは説明を省略する。この実施の形態では、微細気泡発生装置とエジェクタとを一体化し、エジェクタ１７が気泡発生手段を備えていることを特徴としている。このエジェクタ１７も図３と同様、吸引部６２、ノズル部６３、混合部６４、ディフューザ部（図示せず）で構成されている。即ち、エジェクタ１７では、微細な気泡を含む冷媒を減圧し高速度でノズル部６３から流出する駆動流体によって吸引部６２から吸引流体を吸引し、混合部６４で駆動流体と吸引流体とを混合した後、ディフューザ部で膨張させて若干昇圧し低圧状態で流出する。吸引部６２は蒸発側熱交換器７の出口に接続され、ノズル部６３から流出する駆動流体によって蒸発側熱交換器７から流出される乾き度の高い低圧の冷媒を吸引する。このエジェクタ１７は、ノズル部６３で微細気泡を発生させる構成である。
【００９９】
ノズル入口部６３ｄは気液分離器８の液相部に接続され高圧の液冷媒が流入する。また、ノズル部６３は減圧部６３ａ、末広部６３ｂ、喉部６３ｃを有し、減圧部６３ａに気液分離器８の気相部に接続されるガス冷媒流入部５２を備え、高圧のガス冷媒が流入する。ノズル入口部６３ｄから流入する液冷媒は減圧部６３ａで流速が増加し、ガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒は高速の液冷媒とのせん断力で径が数１００μｍ程度の微細な気泡になる。そして喉部６３ｃ近傍では減圧によって気泡が膨張し、末広部６３ｂ内を移動するにつれて急激に気泡が崩壊し、一挙に気泡の微細化が起こってノズル部６３から微細な液滴となって流出する。これがエジェクタ１７の駆動流体となるため、混合部６４で吸引流体との接触面積が多くなり、均質に混合される。混合部６４で駆動流体と吸引流体とが効率よく均質に混合されることで、吸引流体の吸引量が増加すると共に、エジェクタ１７の昇圧量が増加する。また、エジェクタ４の減圧部６３ａでの圧力エネルギーから速度エネルギーへの変化がさらに等温変化に近づき、熱エネルギーを回収できる。このため、冷凍サイクル装置のサイクル効率を向上できる。
【０１００】
本実施の形態の構成では、実施の形態１、２における微細気泡発生装置３の減圧部５３と喉部５５を、エジェクタ４における減圧部４３ａと喉部４３ｃに一体化した構成となっている。例えば、この構成では図２と図３で示した微細気泡発生装置３とエジェクタ４とを一体化することで、小型にでき、冷凍サイクル装置全体を小型化できる。
【０１０１】
このエジェクタ１７を搭載した冷凍サイクル装置の構成は、図２１に限るものではなく、例えばエジェクタ１７及び気液分離器８を室外ユニット１００内に配置してもよい。この場合には、室内ユニット１００と室外ユニット１０１間の接続配管は増えるが、室内ユニット１０１を小型化できる。また、図１に示すように、圧縮機１の出口側のガス冷媒の一部をガス冷媒流入部５２に流入させ、放熱側熱交換器２の出口の冷媒をノズル入口部６３ｄに流入するような構成にしてもよい。
【０１０２】
図２０ではニードル部を備えていないものとしたが、ノズル部６３に断面積を増減できる手段として例えば図２に示したニードル部を抵抗調整手段として備え、この抵抗調整手段によって液冷媒の流動抵抗を調整するように構成してもよい。なお、図２１の冷凍サイクル装置の構成では、エジェクタ１７としてニードル部を有するものとし、制御手段３１でニードル部の位置を前後に移動することで、流路断面積を制御するものを示している。
【０１０３】
また、実施の形態４に示したように、ノズル入口部６３ｄから流入する液冷媒を旋回流としたり、ガス冷媒流入部５２から流入するガス冷媒を旋回流として、液冷媒のガス冷媒に対するせん断力が作用しやすくしてもよい。
【０１０４】
また、微細気泡発生装置として、冷媒に超音波などで振動を与える構成のものや、多孔質の焼結金属を通過させる構成のものを、エジェクタと一体に構成してもよい。エジェクタ１７のノズル部６３の喉部６３ｃよりも上流側で微細な気泡が発生していればよい。具体的には、例えば微細気泡発生装置として超音波振動を与える構成とした場合、エジェクタの構成部分であるニードル部やノズル部に超音波振動を与えるように構成すると、一体にでき小型化できる。また、多孔質体によって微細気泡発生させるものでは、エジェクタのノズル入口部６３ｄに例えば多孔を有する焼結金属を設け、ノズル入口部６３ｄから流入する高圧の二相冷媒が焼結金属を通過してノズルの減圧部６３ａを流れるように構成すると、一体にでき小型化できる。
また、せん断力や、気泡崩壊現象や、多孔質体や、振動などで気泡を発生させることができるが、これらのいずれか複数を組み合わせた構成としてもよい。例えば多孔質体を備えた構成に振動を加えたりしてもよい。
【０１０５】
以上のように、本実施の形態では、エジェクタ１７のノズル部６３内に気泡発生手段を設け、ノズル部６３で微細な気泡を含む冷媒を発生させ、エジェクタ１７の混合部６４に微細な液滴を噴出させるので、混合部６４での混合を促進でき、効率のよいエジェクタが得られ、さらに冷凍サイクル装置全体を小型化できる。
特に、気泡発生手段の液冷媒流入部６３ｄとガス冷媒流入部５２をエジェクタ１７のノズル部６３に設け、気泡発生手段とエジェクタとを一体としてノズル部６３でガス冷媒の気泡を発生させて混合部６４に噴出させるという簡単な構造で実現できる。
【０１０６】
実施の形態１〜実施の形態５において、放熱側熱交換器２や蒸発側熱交換器７は上記に限るのもではなく、二重管やプレート熱交換器などの水やブラインを加熱源あるいは冷却源とする液−液熱交換器でもよい。
【０１０７】
また、実施の形態１〜実施の形態５において、冷凍サイクル装置の一例として回路構成を図１、図１３などとして説明したが、これに限るものではない。冷凍サイクル装置の減圧手段としてエジェクタ４を用いたものであれば、上記実施の形態と同様の効果を奏する。エジェクタ４の上流側やノズル部に気泡発生手段３を設け気泡発生手段３で発生させた微細な気泡をエジェクタ４の駆動流体として流入させるように構成すればどのような冷凍サイクル装置にでも適用でき、冷凍サイクル装置のシステム効率を向上できる。
【０１０８】
また、実施の形態１〜実施の形態５において、冷媒はＲ４０４Ａに限るものではない。高圧が高い冷凍サイクル装置や低圧が低い冷凍サイクル装置においては回収できるエンタルピーが大きいため、実施の形態１〜実施の形態５で記載したエジェクタを用いる効果が大きい。よって冷媒は上記に限るものではなく、例えばチラーや冷凍機、ユニットクーラ等の低温に用いられているフロン系（ＨＦＣ系及びＨＣＦＣ系）のＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２や、低圧が低いＲ６００ａやＲ２９０などのＨＣ冷媒にも適用可能である。また、二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒でもよいが、この場合には高圧側で臨界点を超えない運転をする場合に本発明の各実施の形態の効果が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路構成を示す構成図である。
【図２】実施の形態１に係る微細気泡発生装置の構造の一例を示す説明図である。
【図３】実施の形態１に係るエジェクタを示す説明図であり、図３（ａ）はエジェクタの軸に沿った断面構成を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の位置Ｘ１〜Ｘ６の各位置に対応する圧力Ｐを示すグラフである。
【図４】実施の形態１による冷凍サイクル装置に係る圧力−エンタルピー線図であり、横軸にエンタルピー、縦軸に圧力を示す。
【図５】実施の形態１に係る微細気泡発生装置とエジェクタの動作を説明する説明図である。
【図６】実施の形態１に係り、気泡の大きさを説明する説明図である。
【図７】実施の形態１に係り、ノズル部から噴出される液滴径とエジェクタ混合効率の関係を示すグラフである。
【図８】実施の形態１に係る比較例として、乾き度に対するサイクル効率を示すグラフである。
【図９】実施の形態１に係り、乾き度に対するエジェクタ単体効率を示すグラフである。
【図１０】実施の形態１に係り、乾き度に対するエジェクタサイクル効率を示すグラフである。
【図１１】実施の形態１に係る制御手段による制御過程の一例を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態１に係り、微細気泡発生装置のガス冷媒流入部の変形例を示す説明図である。
【図１３】実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の回路構成を示す構成図である。
【図１４】実施の形態２による冷凍サイクル装置に係る圧力−エンタルピー線図であり、横軸にエンタルピー、縦軸に圧力を示す。
【図１５】実施の形態２に係る他の冷凍サイクル装置の回路構成を示す構成図である。
【図１６】実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の室内ユニットの回路構成を示す構成図である。
【図１７】実施の形態３に係る他の冷凍サイクル装置の室内ユニット１０１の回路構成を示す構成図である。
【図１８】実施の形態４に係る微細気泡発生装置の構成を示す説明図であり、図１８（ａ）は液冷媒流入部の位置を示す説明図、図１８（ｂ）は微細気泡発生装置の断面構成を示す説明図である。
【図１９】実施の形態４に係る微細気泡発生装置の他の構成例を示す説明図である。
【図２０】実施の形態５に係るエジェクタの断面を示す説明図である。
【図２１】実施の形態５に係るエジェクタを冷凍サイクル装置に組み込んだときの回路構成の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  圧縮機
２  放熱側熱交換器
３  気泡発生手段
３ａ  液冷媒流入部
４、４ａ、４ｂ  エジェクタ
５  気液分離器
６、６ａ、６ｂ  冷媒流量調整手段
７、７ａ、７ｂ  蒸発側熱交換器
８  気液分離器
９  バイパス配管
１３  補助熱交換器
１５  ヒータ
１７  エジェクタ
２１、２２、２３  温度検出手段
２４  圧力検出手段
３１  制御手段
４２  吸引部
４３  ノズル部
４３ａ  減圧部
４３ｂ  末広部
４３ｃ  喉部
４４  混合部
４５  ディフューザ部
５１  抵抗調整手段
５２  ガス冷媒流入部
５３  減圧部
５４  末広部
５５  喉部
６２  吸引部
６３  ノズル部
６３ａ  減圧部
６３ｂ  末広部
６３ｃ  喉部
６３ｄ  ノズル入口部
６４  混合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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