(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、
前記圧縮機（１００）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２００）と、
冷媒を蒸発させる蒸発器（３００）と、
前記放熱器（２００）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（４１０）、前記ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１０）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３００）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（４２０、４３０）を有するエジェクタ（４００）と、
前記ノズル（４１０）の冷媒流れ上流側に設けられ、冷媒を減圧する減圧手段（４５０）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（５００）とを備え、
前記ノズル部（４１０）の絞り開度は、前記減圧手段（４５０）が全開となったときのサイクル効率が最大値となる開度に固定されており、
前記減圧手段（４５０）の絞り開度は、前記減圧手段（４５０）に流入する前の冷媒圧力が冷媒の略臨界圧力以上のときに全開となり、さらに、前記減圧手段（４５０）に流入する前の冷媒圧力が冷媒の略臨界圧力未満のときに全開時よりも小さくなるように構成されていることを特徴とするエジェクタサイクル。
【請求項２】
前記蒸発器（３００）の入口側には、可変絞り（６００）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタサイクル。
【請求項３】
前記可変絞り（６００）は、前記蒸発器（３００）出口側の冷媒加熱度が所定値となるようにその開度を制御する膨張弁であることを特徴とする請求項２に記載のエジェクタサイクル。
【請求項４】
前記可変絞り（６００）は、冷媒入口側と出口側とが所定圧力差となるようにその開度を制御する差圧弁であることを特徴とする請求項２に記載のエジェクタサイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エジェクタサイクルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクルとは、例えば特開平６−１１１９７号公報に記載のごとく、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、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させるエジェクタを有する蒸気圧縮式冷凍サイクルである。
【０００３】
ところで、エジェクタ内のノズルは、一種の固定絞りであるので、エジェクタサイクルの熱負荷（例えば、冷凍機としてエジェクタサイクルを使用する場合には、放熱器が設置された室外の気温等）が変動すると、エジェクタ（ノズル）に流入する冷媒流量が変動し、これに呼応してノズルでの減圧度合い（絞り度合い）が変動する。
【０００４】
具体的には、冷凍機（クーラ）において、外気温度が低下して熱負荷が小さくなると、蒸発器で蒸発する冷媒量が減少してサイクル内を循環する冷媒流量を減少するが、ノズルの径が一定であるので、エジェクタ（ノズル）での減圧度合いが、必要以上に小さくなる（通常、固定絞りで発生する圧力損失は流速の２乗に略比例する）。
【０００５】
このため、高熱負荷に合わせて最適化されたノズルを採用すると、低熱負荷時においては、圧縮機での吐出容量をサイクルを維持する最小容量にしてもノズル４１０によって必要とされる絞り量が得られず、放熱器内を流れる冷媒の流量が必要以上に大きくなる。その結果、放熱器内の冷媒流速が必要以上に大きくなり、図６の実線に示されるように、放熱器に流入した冷媒は、放熱器にて十分に放熱することなく、エジェクタ（ノズル）に流入して減圧されてしまうので、サイクルのバランスが悪くなりＣＯＰ（成績係数）が悪化してしまう。
【０００６】
これに対しては、ノズルの径を小さくしてノズルでの減圧度合い（絞り度合い）を大きくすればよいが、低熱負荷時に合わせてノズルの径を設定すると、熱負荷が増大して冷媒流量が増大したとき、ノズルでの減圧度合い（絞り度合い）が大きくなり過ぎて圧縮機の負荷が必要以上に増大してしまうので、高熱負荷時にＣＯＰの悪化を招く。
【０００７】
そして、このような問題は、二酸化炭素を冷媒とするエジェクタサイクルのごとく、高熱負荷時には高圧側圧力（圧縮機の吐出圧）を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させ、低熱負荷時には高圧側圧力が臨界圧力未満となる超臨界サイクルにおいて顕著となる。
【０００８】
因みに、図７は、空調装置にエジェクタサイクルを適用した場合における、外気温度とＣＯＰが最大となるノズル径との関係を示す数値シミレーション結果であり、図７からも明らかなように、超臨界域における最適ノズル径と二相域（未臨界域）における最適ノズル径とは、大きく相違することが解る。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、エジェクタサイクルのＣＯＰを高く維持することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１００）と、圧縮機（１００）から吐出した冷媒を冷却する放熱器（２００）と、冷媒を蒸発させる蒸発器（３００）と、放熱器（２００）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（４１０）、ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸発器（３００）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（４２０、４３０）を有するエジェクタ（４００）と、ノズル（４１０）の冷媒流れ上流側に設けられ、冷媒を減圧する減圧手段（４５０）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（５００）とを備え、ノズル部（４１０）の絞り開度は、減圧手段（４５０）が全開となったときのサイクル効率が最大値となる開度に固定されており、減圧手段（４５０）の絞り開度は、減圧手段（４５０）に流入する前の冷媒圧力が冷媒の略臨界圧力以上のときに全開となり、さらに、減圧手段（４５０）に流入する前の冷媒圧力が冷媒の略臨界圧力未満のときに全開時よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、ノズル径を超臨界域において最適となるように設定しても、熱負荷が小さくなる未臨界域において減圧度合い（絞り度合い）が必要以上に小さくなってしまうことを防止できるので、高熱負荷時及び低熱負荷時のいずれの場合においても、エジェクタサイクルのＣＯＰを高く維持することができる。
【００１４】
ところで、仮に高圧側冷媒圧力が略臨界圧力以上のときに減圧手段（４５０）にて能力制御を行うと、僅かな開度の変化に対してエジェクタサイクルの圧力が大きく変動するので、精度良くサイクルの能力を制御することが難しい。
【００１５】
これに対して、請求項２に記載の発明では、蒸発器（３００）の入口側に可変絞り（６００）を設けているので、高圧側で絞り開度を調節する場合に比べて精度良くサイクルの能力を制御することができる。
【００１６】
なお、可変絞り（６００）は、請求項３に記載の発明のごとく、蒸発器（３００）出口側の冷媒加熱度が所定値となるようにその開度を制御する膨張弁としてもよい。
【００１７】
また、可変絞り（６００）は、請求項４に記載の発明のごとく、冷媒入口側と出口側とが所定圧力差となるようにその開度を制御する差圧弁としてもよい。
【００１８】
因みに、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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクルを二酸化炭素を冷媒とする車両用空調装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【００２０】
圧縮機１００は走行用エンジン等の駆動源（図示せず。）から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２００は圧縮機１００から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。なお、本実施形態に係る圧縮機１００は、圧縮機１００に吸入される冷媒の温度が所定温度となるように、その吐出流量（吐出容量）が制御される可変容量型圧縮機を採用している。
【００２１】
蒸発器３００は室内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４００は放熱器２００から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器３００にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１００の吸入圧を上昇させるものであり、このエジェクタ４００（後述するノズル４１０）の冷媒流れ上流側には、冷媒を減圧する減圧手段として絞り開度を可変制御することができる電気式の可変絞り４５０が設けられている。
【００２２】
なお、可変絞り４５０の開度は、高圧側冷媒圧力（本実施形態では、圧縮機１００の吐出圧）を検出する圧力センサ（図示せず。）の検出圧力に基づいて電子制御装置（図示せず。）に基づいて制御される。
【００２３】
ここで、エジェクタ４００は、図２に示すように、放熱器２００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）に変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１０、蒸発器３００にて蒸発した気相冷媒が流入する冷媒流入部４２０、ノズル４１０から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により冷媒流入部４２０に流入した冷媒を吸引しながら、ノズル４１０から噴射する冷媒と蒸発器３００から吸引した冷媒とを混合させる混合部４３０、及び混合部４３０から流出する冷媒の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４４０等からなるものである。
【００２４】
このとき、冷媒流入部４２０は、混合部４３０に近づくほど通路断面積が縮小するように円錐テーパ状に形成され、ディフィーザ４４０は、冷媒出口側に向かうほど通路断面積が拡大するように円錐テーパ状に形成されている。
【００２５】
また、図１中、気液分離器５００はエジェクタ４００から流出した冷媒が流入するとともに、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アキュムレータであり、分離された気相冷媒は圧縮機１００に吸引され、分離された液相冷媒は蒸発器３００側に吸引される。
【００２６】
なお、気液分離器５００と蒸発器３００とを結ぶ冷媒通路には、蒸発器３００に吸引される冷媒を減圧して蒸発器３００内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させるとともに、蒸発器３００に流入する冷媒流量（蒸発器３００で発生する冷凍能力）を調節する流量制御弁（本実施形態では、固定絞り）６００が設けられている。
【００２７】
また、内部熱交換器７００は放熱器２００から流出する冷媒と気液分離器５００から流出して圧縮機１００に吸入される冷媒とを熱交換する熱交換器である。
【００２８】
次に、エジェクタサイクルの作動を述べる。
【００２９】
圧縮機１００が起動すると、気液分離器５００から気相冷媒が圧縮機１００に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２００に吐出される。このとき、高圧側冷媒圧力（可変絞り４５０に流入する前の冷媒圧力）が略臨界圧力以上のときは、可変絞り４５０を全開とし、高圧側冷媒圧力が臨界圧力未満のときには、全開時より絞り開度を小さくして可変絞り４５０とノズル４１０との２段で冷媒を減圧させる。これにより、放熱器２００にて冷却された冷媒は、エジェクタ４００のノズル４１０にて減圧膨張して蒸発器３００内の冷媒を吸引する。
【００３０】
次に、蒸発器３００から吸引された冷媒（以下、吸引流と呼ぶ。）とノズル４１０から吹き出す冷媒（以下、駆動流と呼ぶ。）とは、混合部４３０にて混合しながらディフューザ４４０にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５００に戻る。
【００３１】
一方、エジェクタ４００にて蒸発器３００内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３００には気液分離器５００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。
【００３２】
このとき、混合部４３０においては、図３に示すように、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４３０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４４０においては、前述のごとく、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４００においては、混合部４３０及びディフューザ４４０の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、以下、混合部４３０とディフューザ４４０とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３３】
つまり、理想的なエジェクタ４００においては、混合部４３０で駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４４０でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大する。
【００３４】
なお、図３において、ガス速度はノズル４１０から噴射する冷媒の速度を１としたときの大きさであり、軸方向寸法はノズル４１０の冷媒出口を基準とした寸法であり、半径寸法はエジェクタ４００を回転対称体としてその中心線からの寸法を表している。
【００３５】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３６】
本実施形態では、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上のときは、可変絞り４５０を全開とし、高圧側冷媒圧力が臨界圧力未満のときには、全開時より絞り開度を小さくして可変絞り４５０とノズル４１０との２段で冷媒を減圧させるので、ノズル径を超臨界域において最適となるように設定しても、図４に示すように、熱負荷が小さくなる未臨界域において減圧度合い（絞り度合い）が必要以上に小さくなってしまうことを防止でき、放熱器２００で十分な放熱量がとれずにサイクルバランスが悪化することを防ぐことができる。したがって、高熱負荷時及び低熱負荷時のいずれの場合においても、簡便な手段にてエジェクタサイクルのＣＯＰを高く維持することができる。
【００３７】
すなわち、ノズル４１０の径は高負荷運転時に最適の絞りが得られるように設定されているので、高負荷運転時に圧縮機が最大容量で冷媒を圧縮吐出した際に、放熱器２００で外気との熱交換が良好に行える温度が得られる圧力までサイクルの高圧が上昇するよう、ノズル４１０により冷媒流れが絞られる。
【００３８】
換言すれば、高負荷運転時においては、サイクルを循環する冷媒流量及びサイクルの高低圧が最適に設定されるようエジェクタ４００の固定ノズル４１０の径が設定されているので、放熱器２００を流れる冷媒は放熱器２００で外気と十分の熱交換が行えることとなる。
【００３９】
しかし、本実施形態のエジェクタ４００は固定ノズル４１０であるため、外気温の低くなる低負荷時にあっては、サイクルの運転を最適に保つことができない。低負荷運転時では、圧縮機の吐出容量は低下し、サイクルを循環する冷媒の流量も低下するものの、ノズル４１０によって必要な程度の冷媒循環量の絞り込みができない。
【００４０】
そのため、図４に示すように、低負荷時にあって放熱器２００を流れる冷媒の流量が、放熱器２００の放熱性能に比して相対的に大きくなりすぎ、放熱器２００の性能を十分に発揮できないこととなる。
【００４１】
これにに対して、本実施形態では、固定ノズル４１０の上流に可変絞りを配置しているので、低負荷時には可変絞りの絞り量を制御することでサイクルを流れる循環冷媒量を抑えることができる。すなわち、ノズル４１０の絞りに加えて可変絞りで循環冷媒量を制御することにより、低負荷時の外気温でも放熱器２００で十分外気と熱交換できる量に循環冷媒流量を抑制することができ、エジェクタサイクルのＣＯＰを向上させることができる。
【００４２】
因みに、図５は本実施形態とノズル４１０のみにて減圧する場合の消費動力の大きさを示すもので、図５から明らかなように、本実施形態では、消費動力がノズル４１０のみにて減圧する場合に比べて低下している。
【００４３】
なお、本実施形態では、可変絞り４５０として電気式の可変絞りを採用したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば高圧側冷媒圧力が臨界圧力未満のときは冷媒通路を閉じ、一方、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となったときに冷媒通路を開く機械式又は電気式のバルブと、このバルブを迂回して冷媒を常に流すことができるブリード孔とから可変絞り４５０を構成してもよい。
【００４４】
また、上述の実施形態では、可変絞り４５０の開度を二値的（高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上のときと超臨界未満のときの２つ場合で）制御したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、高圧側冷媒圧力が上昇するほど、可変絞り４５０の開度を大きくし、一方、高圧側冷媒圧力が低下するほど、可変絞り４５０の開度を小さくするように連続可変制御してもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、可変容量型の圧縮機１００を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機の回転数を容易に制御することができる電動式の圧縮機を採用してもよい。
【００４６】
（第２実施形態）
第１実施形態では、流量制御弁６００を固定絞りとしたが、本実施形態は、流量制御弁６００を膨張弁又は差圧弁のごとく、絞り開度を可変制御することができる可変絞りとしたものである。
【００４７】
なお、流量制御弁６００を膨張弁としたときは、蒸発器３００出口側の冷媒加熱度が所定値となるようにその開度を制御し、流量制御弁６００を差圧弁としたときは、差圧弁の冷媒入口側と出口側とが所定圧力差となるようにその開度を制御する。
【００４８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４９】
第１実施形態では、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となったときには、可変絞り４５０が全開となるので、エジェクタサイクルの能力制御を行うことが難しい。また仮に、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上のときに可変絞り４５０にて能力制御を行うと、僅かな開度の変化に対してサイクルの圧力が大きく変動するので、精度良く能力を制御することが難しい。
【００５０】
これに対して、本実施形態では、低圧側である蒸発器３００の入口側で冷媒流量を調節して能力を制御するので、高圧側で絞り開度を調節する場合に比べて精度良く能力を制御することができる。
【００５１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明を車両用空調装置に適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、給湯器や冷蔵庫等のその他のものにも適用することができる。
【００５２】
また、上述の実施形態では、内部熱交換器７００を設けたが、これを廃止しても良い。
【００５３】
また、上述の実施形態では、電気式の可変絞り４５０を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力を機械的に感知して開度を調節する機械式の可変絞り４５０を採用してもよい。
【００５４】
また、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば窒素等の自然冷媒又はフロンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】ノズルの冷媒出口からディフィーザの冷媒出口までにおける、エジェクタの冷媒通路断面の中央部を基準とした半径方向の位置と冷媒流速との関係を示す三次元特性図である。
【図４】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルのｐ−ｈ線図である。
【図５】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルとノズルのみにて減圧する場合の消費動力の大きさを示すグラフである。
【図６】従来の技術に係るエジェクタサイクルのｐ−ｈ線図である。
【図７】最適ノズル径と外気温（熱負荷）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…圧縮機、２００…放熱器、３００…蒸発器、４００…エジェクタ、
４５０…可変絞り、５００…気液分離器、６００…絞り、
７００…内部熱交換器。
【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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