(57)【要約】【課題】  電気的な制御を用いずに内部熱交換量を可変して、空気温度が変化しても常に高い成績係数を維持する。【解決手段】  容器７ａの、側面側には気液分離器連通路７ｂ、天側には圧縮機連通路７ｃ、地側には内部熱交換器連通路７ｄを設けると共に、容器７ａ内に所定密度のフロート７１を設け、気液分離器連通路７ｂから流入する冷媒の密度によってフロート７１が上下することにより圧縮機連通路７ｃと内部熱交換器連通路７ｄとに流れる冷媒流路を可変する流路可変手段７を配置して、内部熱交換器６における熱交換量を調節するようにした。  これにより、電気的な制御を用いずに、冷媒密度によって上下するフロート７１によって内部熱交換器６へ流通する冷媒量を可変して、冷媒圧力（冷媒の蒸発温度）に応じた内部熱交換量に調整することにより、空気温度が変化しても常に高い成績係数を維持することができる。【選択図】    図１
2005098554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
前記圧縮機（１）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２）と、
冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器（３）と、
前記放熱器（２）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）、前記ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（３）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４ａ、４ｂ）を有するエジェクタ（４）と、
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（５）と、
前記放熱器（２）から流出した高圧冷媒と前記圧縮機（１）に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器（６）とを備え、
前記蒸発器（３）における吸熱が凝縮域にある冷媒を用いて低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプサイクルにおいて、
容器（７ａ）の側面側には前記気液分離器（５）からの冷媒が流入する気液分離器連通路（７ｂ）、前記容器（７ａ）の天側には前記圧縮機（１）へ冷媒を供給する圧縮機連通路（７ｃ）、前記容器（７ａ）の地側には前記内部熱交換器（６）を経由して前記圧縮機（１）へ冷媒を供給する内部熱交換器連通路（７ｄ）を設けると共に、前記容器（７ａ）内に所定密度のフロート（７１）を設け、前記気液分離器連通路（７ｂ）から流入する冷媒の密度によって前記フロート（７１）が上下することにより前記圧縮機連通路（７ｃ）と前記内部熱交換器連通路（７ｄ）とに流れる冷媒流路を可変する流路可変手段（７）を前記気液分離器（５）と前記圧縮機（１）と前記内部熱交換器（６）との間に配置して、前記内部熱交換器（６）における熱交換量を調節するようにしたことを特徴とするヒートポンプサイクル。
【請求項２】
前記流路可変手段（７）を、蒸発器出口部の冷媒が常に飽和蒸気状態であるヒートポンプサイクルに適用ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプサイクル。
【請求項３】
前記流路可変手段（７）を、圧縮機吸入部の冷媒が常に飽和蒸気状態であるヒートポンプサイクルに適用ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプサイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプサイクルに関するものであり、空調装置や給湯装置に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の能力を向上させる手段として、減圧される前の高圧冷媒と圧縮機に吸入される低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設ける手段が知られている。内部熱交換器は、膨張弁等の減圧手段に流入する高温・高圧冷媒を圧縮機に吸入される低温・低圧冷媒により冷却することにより、蒸発器入口における冷媒の比エンタルピを減少させて蒸発器での比エンタルピ変化量（吸熱能力）を向上させ、また、ガスクーラーの入口における冷媒の比エンタルピを増加させてガスクーラーでの比エンタルピ変化量（放熱量）を向上させるものである。
【０００３】
しかしながら内部熱交換器は、圧縮機に吸入される冷媒を加熱するため、圧縮機に吸入される冷媒の密度が低下してしまい、サイクル内を循環する質量流量が低下し、かえってヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の能力を低下させてしまうおそれがある。そこで本出願人は、この内部熱交換器を設けたヒートポンプサイクルに関して、特許文献１に示すものを先に出願している。これは、空気温度の高い高負荷時と空気温度の低い低負荷時とで、ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の能力が向上する（高い成績係数を維持する）ように内部熱交換器での熱交換量を可変制御するものである。
【特許文献１】特開２００２−３４９９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１では、熱交換量を可変制御するための流量調節に電気的な弁手段を用いており、可変制御用のセンサ・モータ（もしくはソレノイド）・制御回路などによるコストアップが問題となる。本発明は、この問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、電気的な制御を用いずに内部熱交換量を可変して、空気温度が変化しても常に高い成績係数を維持することのできるヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項３に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、圧縮機（１）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２）と、冷媒を蒸発させて熱を吸収する蒸発器（３）と、放熱器（２）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）、ノズル（４１）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４ａ、４ｂ）を有するエジェクタ（４）と、
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（５）と、放熱器（２）から流出した高圧冷媒と圧縮機（１）に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器（６）とを備え、蒸発器（３）における吸熱が凝縮域にある冷媒を用いて低温側の熱を高温側に移動させるヒートポンプサイクルにおいて、
容器（７ａ）の側面側には気液分離器（５）からの冷媒が流入する気液分離器連通路（７ｂ）、容器（７ａ）の天側には圧縮機（１）へ冷媒を供給する圧縮機連通路（７ｃ）、容器（７ａ）の地側には内部熱交換器（６）を経由して圧縮機（１）へ冷媒を供給する内部熱交換器連通路（７ｄ）を設けると共に、容器（７ａ）内に所定密度のフロート（７１）を設け、気液分離器連通路（７ｂ）から流入する冷媒の密度によってフロート（７１）が上下することにより圧縮機連通路（７ｃ）と内部熱交換器連通路（７ｄ）とに流れる冷媒流路を可変する流路可変手段（７）を、気液分離器（５）と圧縮機（１）と内部熱交換器（６）との間に配置して、内部熱交換器（６）における熱交換量を調節するようにしたことを特徴としている。
【０００６】
図１は本発明の一実施形態におけるヒートポンプサイクルの模式図であり、図４は図1のヒートポンプサイクルにおけるモリエル線図である。本発明ではフロン・代替フロン・自然冷媒などを冷媒に用いており、蒸発器（３）における吸熱が凝縮域にある。このようなヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）では気液分離器（５）出口の冷媒状態は飽和蒸気線上にあり、冷媒圧力（冷媒の蒸発温度）によって冷媒の密度が一義的に決まるため、その冷媒密度を利用して所定密度のフロート（７１）を容器（７ａ）中で上下させ、内部熱交換器（６）を通る流路と通らない流路とを可変するようにしたものである。
【０００７】
より具体的には、気液分離器（５）の出口圧力が低い（空気温度が低い）時はフロート（７１）は冷媒より重くなり、容器（７ａ）内で沈むことより内部熱交換器連通路（７ｄ）が塞がれて、冷媒は圧縮機連通路（７ｃ）から直接圧縮機（１）へ導入される。また、気液分離器（５）出口の圧力が高い（空気温度が高い）時はフロート（７１）は冷媒より軽くなり、容器（７ａ）内で浮かぶことより圧縮機連通路（７ｃ）が塞がれて、冷媒は内部熱交換器連通路（７ｄ）から内部熱交換器（６）へ導入する事ができる。
【０００８】
図５は、放熱器２の空気流れ上流側（放熱器２前面）での空気温度Ｔａｍとサイクルの成績係数（ＣＯＰ＝蒸発器で発生する冷凍能力／圧縮機の仕事量）との関係を示す数値シミュレーション結果であり、一点鎖線は常に高圧冷媒と低圧冷媒を熱交換させた場合を示し、破線は内部熱交換器を有していない場合を示し、実線は本実施形態を示している。そして、図５から明らかなように、本実施形態によれば、高圧冷媒に関する物理量である放熱器２の空気流れ上流側（放熱器２前面）での空気温度Ｔａｍに基づいて、高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を可変しているので、サイクルの成績係数を常に高く維持することが可能である。
【０００９】
この請求項１に記載の発明によれば、電気的な制御を用いずに、冷媒密度によって上下するフロート（７１）によって内部熱交換器（６）へ流通する冷媒量を可変して、冷媒圧力（冷媒の蒸発温度）に応じた内部熱交換量に調整することにより、空気温度（Ｔａｍ）が変化しても常に高い成績係数（ＣＯＰ）を維持することのできるヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）とすることができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、流路可変手段（７）を、蒸発器出口部の冷媒が常に飽和蒸気状態であるヒートポンプサイクルに適用ことを特徴としており、請求項３に記載の発明では、流路可変手段（７）を、圧縮機吸入部の冷媒が常に飽和蒸気状態であるヒートポンプサイクルに適用ことを特徴としている。
【００１１】
本発明は、蒸発器出口部、または圧縮機吸入部の冷媒が常に飽和蒸気状態であれば、エジェクタサイクル以外のヒートポンプサイクルにも適用することができる。この請求項２または請求項３に記載の発明によれば、エジェクタサイクル以外のヒートポンプサイクルにおいても、空気温度（Ｔａｍ）が変化しても、より確実に高い成績係数（ＣＯＰ）を維持することができる。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態におけるエジェクタ４を用いたヒートポンプサイクルの模式図であり、本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクル（ヒートポンプサイクル）を、フロン・代替フロン・自然冷媒などを冷媒とする空調装置に適用したものである。図１中の１は、図示しない駆動用のモータやエンジンなどの駆動源から駆動力を得て、冷媒を吸入圧縮する可変容量型の圧縮機である。また２は、圧縮機１から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換させて冷媒を冷却する放熱器（高圧側熱交換器、コンデンサ）である。
【００１３】
３は、室内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させ、液相冷媒を蒸発させることにより室内に吹き出す空気から吸熱して冷凍能力を発揮する蒸発器（低圧側熱交換器、エバポレータ）である。また４は、放熱器２から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３にて蒸発した気相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して圧縮機１の吸入圧を上昇させるエジェクタ（減圧手段）である。
【００１４】
ここで、エジェクタ４は、図２に示すように、放熱器２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッド）に変換して、冷媒を略等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１と、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により蒸発器３にて蒸発した気相冷媒を吸引する混合部４ａ、およびノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ部４ｂ等の昇圧部からなるものである。
【００１５】
ちなみに、本実施形態に係るノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａを有し、且つ、喉部４１ａからノズル４１の出口までの寸法が、通路断面積が縮小し始める部位から喉部４１ａまでの寸法より大きい末広ノズル（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ  Ｎｏｚｚｌｅ、ｄｅ  Ｌａｖａｌ  Ｎｏｚｚｌｅ）である。尚、本実施形態では、混合部４ａの直径はディフューザ部４ｂまで一定であるが、混合部４ａの断面積をディフューザ部４ｂに向かうほど大きくなるようにテーパ状としても良い。
【００１６】
また、ノズル４１から吹き出す駆動流冷媒の運動量と、蒸発器３からエジェクタ４に吸引される吸引流冷媒の運動量との和が保存されるように駆動流冷媒と吸引流冷媒とが混合されるので、混合部４ａにおいても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。一方、ディフューザ部４ｂにおいては、前述の如く、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換するので、エジェクタ４においては、混合部４ａ及びディフューザ部４ｂの両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４ａとディフューザ部４ｂとを合わせて昇圧部と呼ぶ。
【００１７】
また、図１中５は、エジェクタ４から流出した冷媒が流入すると共に、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器であり、分離された気相冷媒は圧縮機１に吸引され、分離された液相冷媒は蒸発器３側に吸引される。尚、気液分離器５と蒸発器３とを結ぶ冷媒通路３ａは、蒸発器３に吸引される冷媒を減圧して蒸発器３内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させるために、キャピラリチューブや固定絞りの如く、冷媒が流通することにより所定の圧力損失が発生するように設定されている。
【００１８】
また６は、放熱器２から流出した高圧冷媒（エジェクタ４にて減圧される前の冷媒）と気液分離器５から流出して圧縮機１に吸入される低圧冷媒とを熱交換する内部熱交換器である。尚、本発明の要部として、気液分離器５と圧縮機１と内部熱交換器６との間には、気液分離器５から流出して圧縮機１に吸入される低圧冷媒の流路を、内部熱交換器６を通る流路と通らない流路とに可変するようにした可変器（流路可変手段）７を配置している。
【００１９】
図３は、本発明の一実施形態における可変器７の構造を示す断面模式図である。可変器７は、容器７ａの側面側に気液分離器５からの冷媒が流入する気液分離器連通路７ｂを設け、容器７ａの天側には圧縮機１へ冷媒を供給する圧縮機連通路７ｃと、容器７ａの地側には内部熱交換器６を経由して圧縮機１へ冷媒を供給する内部熱交換器連通路７ｄとを設けている。
【００２０】
また、容器７ａ内には所定密度に調節したフロート７１を設けており、気液分離器連通路７ｂから流入する冷媒の密度によってこのフロート７１が上下することにより、圧縮機１に直接流れる圧縮機連通路７ｃと、内部熱交換器６を経由してから圧縮機１へ流れる内部熱交換器連通路７ｄとに流れる冷媒流路を可変するようになっている。フロート７１は中実の樹脂体であり、適当な密度の樹脂材に調整材を混入して所定密度となるよう調整して成型したものである。
【００２１】
この可変器７により、気液分離器５から流入する冷媒の密度（温度）に応じて内部熱交換器６に流れる冷媒量が自動的に調節され、内部熱交換器６における熱交換量を成績係数ＣＯＰが高く維持するように自動調節されるようにしたものである。
【００２２】
次に、上記構成のエジェクタサイクル（ヒートポンプサイクル）の概略作動について述べる。圧縮機１が起動すると、気液分離器５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。そして、放熱器２にて冷却された冷媒は、エジェクタ４のノズル４１にて略等エントロピ（断熱）的に減圧膨張して蒸発器３内の冷媒を吸引する。次に、蒸発器３から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４ａにて混合しながらディフューザ部４ｂにてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５に戻る。
【００２３】
つまり、ノズル４１から流出したジェット流（駆動流冷媒）は、蒸発器３から冷媒を吸引加速させながら、自らはその流速を低下させて行く。このとき、混合部４ａの冷媒出口部（ディフューザ部４ｂの冷媒入口部）において、蒸発器３から吸引した吸引ガス（吸引流冷媒）の流速と駆動流冷媒の流速とが略等しくなるように混合し、その混合した冷媒は、ディフューザ部４ｂ内に流入してその流速を低下させながら、圧力を上昇させる。一方、エジェクタ４にて蒸発器３内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３には気液分離器５から液相冷媒が流入し、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。
【００２４】
次に、本実施形態の特徴と作用効果について述べる。まず、容器７ａの側面側には気液分離器５からの冷媒が流入する気液分離器連通路７ｂ、容器７ａの天側には圧縮機１へ冷媒を供給する圧縮機連通路７ｃ、容器７ａの地側には内部熱交換器６を経由して圧縮機１へ冷媒を供給する内部熱交換器連通路７ｄを設けると共に、容器７ａ内に所定密度のフロート７１を設け、気液分離器連通路７ｂから流入する冷媒の密度によってフロート７１が上下することにより圧縮機連通路７ｃと内部熱交換器連通路７ｄとに流れる冷媒流路を可変する可変器７を、気液分離器５と圧縮機１と内部熱交換器６との間に配置して、内部熱交換器６における熱交換量を調節するようにしている。
【００２５】
図４は図1のヒートポンプサイクルにおけるモリエル線図である。本発明ではフロン・代替フロン・自然冷媒などを冷媒に用いており、蒸発器３における吸熱が凝縮域にある。このようなヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）では気液分離器５出口の冷媒状態は飽和蒸気線上にあり、冷媒圧力（冷媒の蒸発温度）によって冷媒の密度が一義的に決まるため、その冷媒密度を利用して所定密度のフロート７１を容器７ａ中で上下させ、内部熱交換器６を通る流路と通らない流路とを可変するようにしたものである。
【００２６】
より具体的には、気液分離器５の出口圧力が低い（空気温度が低い）時はフロート７１は冷媒より重くなり、容器７ａ内で沈むことより内部熱交換器連通路７ｄが塞がれて、冷媒は圧縮機連通路７ｃから直接圧縮機１へ導入される。また、気液分離器５出口の圧力が高い（空気温度が高い）時はフロート７１は冷媒より軽くなり、容器７ａ内で浮かぶことより圧縮機連通路７ｃが塞がれて、冷媒は内部熱交換器連通路７ｄから内部熱交換器６へ導入する事ができる。
【００２７】
図５は、放熱器２の空気流れ上流側（放熱器２前面）での空気温度Ｔａｍとサイクルの成績係数（ＣＯＰ＝蒸発器で発生する冷凍能力／圧縮機の仕事量）との関係を示す数値シミュレーション結果であり、一点鎖線は常に高圧冷媒と低圧冷媒を熱交換させた場合を示し、破線は内部熱交換器を有していない場合を示し、実線は本実施形態を示している。そして、図５から明らかなように、本実施形態によれば、高圧冷媒に関する物理量である放熱器２の空気流れ上流側（放熱器２前面）での空気温度Ｔａｍに基づいて、高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換量を可変しているので、サイクルの成績係数を常に高く維持することが可能である。
【００２８】
これにより、電気的な制御を用いずに、冷媒密度によって上下するフロート７１によって内部熱交換器６へ流通する冷媒量を可変して、冷媒圧力（冷媒の蒸発温度）に応じた内部熱交換量に調整することにより、空気温度Ｔａｍが変化しても常に高い成績係数ＣＯＰを維持することのできるヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）とすることができる。
【００２９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態は、エジェクタサイクルに本発明の可変器（流路可変手段）７を適用したものであるが、本発明の可変器７は蒸発器出口部、または圧縮機吸入部の冷媒が常に飽和蒸気状態であれば、エジェクタサイクル以外のヒートポンプサイクルにも適用することができ、これにより、エジェクタサイクル以外のヒートポンプサイクルにおいても、空気温度Ｔａｍが変化しても、より確実に高い成績係数ＣＯＰを維持することができる。また、上述の実施形態では、冷房専用の空調装置であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷暖房切替可能な空調装置やヒートポンプ運転により給湯水を加熱する給湯装置などにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態におけるエジェクタを用いたヒートポンプサイクルの模式図である。
【図２】図1のヒートポンプサイクルに適用されるエジェクタ4の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態における可変器７の構造を示す断面模式図である。
【図４】図1のヒートポンプサイクルにおけるモリエル線図である。
【図５】本発明の効果を示す空気温度Ｔａｍと成績係数ＣＯＰとの関係グラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１…圧縮機
２…放熱器
３…蒸発器
４…エジェクタ
４ａ…混合部（昇圧部）
４ｂ…ディフューザ部（昇圧部）
５…気液分離器
６…内部熱交換器
７…可変器（流路可変手段）
７ａ…容器
７ｂ…気液分離器連通路
７ｃ…圧縮機連通路
７ｄ…内部熱交換器連通路
４１…ノズル
７１…フロート
【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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