日本冷凍空調学会賞

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技術賞

ECS STEP2 システム
ECS STEP2 System

1. はじめに

近年，地球環境保護の観点から CO2 排出量の削減，省エネルギー化のニーズは益々高まっており，自動車に関しても国内外を問わず燃費規制が強化されている．
2020 年に向けては，カーエアコンなどを加味した実用燃

尾形豪太＊

費低減の取り組みが全世界で検討されており，“カーエア

Gota OGATA

西嶋春幸＊

山田悦久＊

中川勝文＊＊

Haruyuki NISHIJIMA Etsuhisa YAMADA Masafumi NAKAGAWA

コンの省動力化”は将来の CO2 排出量を削減するうえで重要な課題である．

ジェクタ一体型エバポレータに置き換えた形となる．ここのような状況に対し，当社では独自の省動力技術のシステムでは，中間圧まで減圧した膨張弁後流の冷媒であるエジェクタとエバポレータを一体化した，ECSを分岐し，一方をエジェクタ側に流し（駆動流 Gn），他STEP1（E jector Cycle System STEP1）を 2009 年に製品方を風下側エバポレータに流す（吸引流 Ge）．空気と熱化している．今回開発した ECS STEP2 は，ECS STEP1交換した吸引流は，エジェクタに吸引され駆動流と合流からさらなる省動力化を実現したものである．

する．合流した冷媒は，風上側エバポレータで空気と熱交換しコンプレッサへと流れる（図 1（b））．p-h 線図上

2. ECS の概要
2.1の挙動は図 1（c）のようになる．冷凍サイクルの効率をシステム概要表す指標として COP があるが，このシステムにおけるECS システムの概要を図１に示す．

従来サイクルに対する COP の向上効果は，図 1（d）の当社の従来型エバポレータは，風上側と風下側に 2 枚ように表すことができる．さらにシステム全体では，エのエバポレータが重なった構造をしていたが，これにエジェクタの昇圧により圧縮比が低減することによるコンジェクタを一体化したものが ECS エバポレータである

プレッサ自体の効率向上，エバポレータとしても風下側（図 1（a））．機器構成は通常のエバポレータを，このエの冷媒流量の減少により低圧損化することによるエバポレータ自体の効率向上効果も含めて COP が向上する．

ECS STEP2用エジェクタ
Ｐｴｼﾞｪｸﾀ
ｴｼﾞｪｸﾀ駆動ﾉｽﾞﾙ ﾃﾞｨﾌｭｰｻﾞ

2.2

従来ｻｲｸﾙカーエアコン用ECS（エバポレータ内に一体化）

Ge

エジェクタの概要

次にエジェクタの概要を示す．ECS ではエジェクタは放熱器

図 1 で示したように使われる．エジェクタは，駆動ノズ

G n +G e

風上蒸発器

圧縮機

Gn

駆動ノズルGn

Ge

風下蒸発器

Δi e
Ｐ(a) ECS エバポレータ

Δi c

カーエアコン用
ECSGeGn

従来ｻｲｸﾙ
エジェクタ

コンプレッサGn

固定絞りPm媒 Gn は，ノズル内で風下側エバレータ

駆動流

出口圧力以下まで減Ps

昇圧

吸引流Δi rh(b) 機器構成

図１

駆動流（ガス）(d) 向上効果

ECS システムの概要

駆動流（液）

Velocity

エジェクタ一体化
エバポレータ合部，ディフューザ
ズルを流れる駆動冷

吸引流G e（圧力Ps = 風下エバポレータ出口圧力）

Ge

COP向上効果
1
COPECS  ∆ir  = 1 + 1 −COP従来  ∆ie   1 − ∆ir + ∆ic 

∆L 


ル，吸引ノズル，混部より構成され，ノΔL

Pressure

コンデンサ

ディフューザ部

駆動流G n（圧力Pm ）G n +G e
膨張弁混合部

h(ｃ) ECS p-h線図上の挙動

ECS STEP2用
エバポレータｴｼﾞｪｸﾀ吸引ﾉｽﾞﾙ

吸引ノズル

吸引流

図２

エジェクタの構成と流体挙動＊㈱デンソー
Denso Corp.
＊＊国立大学法人豊橋技術科学大学
Toyohashi University ofTechnology
原稿受理 2015 年 1 月 22 日

冷凍 2015 年 6 月号第 90 巻第 1052 号

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日本冷凍空調学会賞

圧・加速する．これにより吸引流 Ge が発生する．ノズを流し，ノズルには残った二相冷媒を分配するものであルで超音速まで加速した駆動流と吸引流が混合し，混合る（図３）．

部にて減速し圧力が上昇，ディフューザでは面積拡大す

A.R.C. の採用によるサイクル状態の変化を p-h 線図上ることでさらに減速し圧力が上昇する（図２）．このエで示す（図４）．風下側エバポレータの冷房能力は，Q 風下ジェクタの昇圧作用により，コンプレッサの圧縮仕事が＝ Ge ×Δh 風下と表せる．A.R.C. により，風下側エバポ低減し COP が向上する．

レータの入口のエンタルピーが減少するため，Δh 風下を増やすことができ，Ge を低減できる．その結果，流体3. 省動力効果向上に向けた新技術

ポンプであるエジェクタの流量比（Ge /Gn）を小さくする

今回 ECS STEP2 で開発した新技術について説明する．

ことができ，効率向上につながる．またノズルは，ガス3.1

割合が大きく膨張エネルギーの大きい領域で作動するよ新技術 1

A.R.C.

A.R.C.（Active Flow Ratio Control）は，中間圧まで減うになる．エジェクタは，ノズルで回収する膨張エネル

圧された膨張弁出口の気液二相冷媒をエジェクタ流入時ギーが昇圧の原資となるため，従来より昇圧が大きくなに旋回させ気液分離し，エジェクタ内に設けた風下エバり，省動力効果向上につながる．

3.2

ポレータへとつながるオリフィス（絞り）に液冷媒のみ

新技術 2

エジェクタ高効率化
エジェクタの高効率化にむけて，

ARC部

冷媒旋回

ノズル入口

ディフューザノズル

旋回分離によって形成された液膜

ノズル出口

ノズル喉部

り，気液の相変化，および圧縮性計算値Pressure (MPa)

エジェクタ

豊橋技術科学大学との共同研究によ（二相流衝撃波の影響）を考慮でき

実験値
ノズル
背圧変化

二相流特有の緩慢な衝撃波

無次元距離 =（末広長さ－ﾉｽﾞﾙ出口部からの距離）/径（－）

オリフィス

図３p

A.R.C. の具体的構造

図５

形状

A 数値計算形状

この解析技術を活用し，エジェク

B 数値計算タの効率向上アイテムとして 3 つの形状 A 実験値 形状 B 実験値

エジェクタ高効率化を行った．概要を図６に示す．

数値解析の制度検証結果

4. 効

等エントロピー線

STEP1

膨張弁

従来品

ﾉｽﾞﾙﾃｰﾊﾟ拡大 吸引加速
ｶﾞｽ

Ge：風下側蒸発器へ

STEP2 のシステムとしての省動力曲面化

h

従来品（ｽﾄﾚｰﾄ＋ﾃｰﾊﾟ)

衝撃波を考慮した最適化⇒ﾉｽﾞﾙ効率向上

図６

STEP1
風下ｴﾊﾞﾎﾟﾚｰﾀ Δh 風下p

STEP2

A.R.C.
Gn：ノズルへ

Ge ：風下側蒸発器へ

h16ｽﾄﾚｰﾄ形状＝損失大曲面化で損失低減

エジェクタ高効率化

1.1
1.020％ Down10 ％の向上を実現している（図７）．

5. おわりに当社独自の技術であるエジェクタによりカーエアコンの消費動力低減を実現した．これにより，実用燃費10％ Downの向上，ひいては地球温暖化抑制に貢献している．

0.9

今後も新技術の開発をすすめ，低0.8

炭素化社会の実現に貢献していき
たい．

0.7
0.6

STEP2 膨張エネルギー

図４

G n, G e 合流時の混合損失低減※条件：自動車工業会TEWI 検討時の出現頻度データをベースに設定した
当社規定年間動力算定条件（４条件×稼働時間重み付け）

年間消費動力量（従来カーエアコンシステムを１として）STEP2
風下エバポレータ Δh 風下

効果は，年間で従来カーエアコンに対し 20 ％，ECS STEP1 に対しても二相流特有緩慢な衝撃波
背圧Δh風下 増開発品
（曲面形状）

ミスト

液

STEP1 膨張エネルギー果以上のアイテムを織り込んだ ECS

開発品

Gn ：
ノズルへ

液二相流特有の緩慢な衝撃波を捉えい精度で計算できている．

無次元距離（ﾉｽﾞﾙ出口からﾃﾞｨﾌｭｰｻﾞ出口距離）/ﾃﾞｨﾌｭｰｻﾞ入口径 （-）

風下側ｴﾊﾞﾎﾟﾚｰﾀへ

結果を図５に示す．ノズルでは，気ており，混合・ディフューザ部も高ディフューザ入口からの昇圧量 （kPa）

膨張弁からの二相冷媒る数値解析を構築した．精度検証のA.R.C. の挙動

ECS STEP2（応募技術）図７

ECS STEP1（当社従来技術）

従来カーエアコン（エジェクタなし）

システム省動力効果

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