JP2006017444A - エジェクタサイクルおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストおよび搭載空間の増加を軽減でき、さらにサイクルの効率を向上できるエジェクタサイクルの提供を目的とする
【解決手段】 冷媒通路面積が最も縮小する１つの喉部を有するノズルが配置されたエジェクタ１３を、冷凍サイクルにおける冷媒減圧手段および冷媒循環手段として使用したエジェクタサイクルにおいて、放熱器１２とエジェクタ１３との間の部位にヒータ１７を配置し、冷媒のエンタルピを所定量増加させて気液２相状態でノズルに流入させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタを、冷凍サイクルにおける冷媒減圧手段および冷媒循環手段として使用したエジェクタサイクルに関するとともに、そのエジェクタサイクルの制御方法に関するものである。

従来、車両用空調装置（冷凍サイクル装置）において、凝縮後の冷媒を減圧する手段としてエジェクタを備える冷凍サイクル（以下エジェクタサイクルと称す）が広く知られている。エジェクタは、冷媒凝縮器の下流に配置されており、冷媒凝縮器から導かれる冷媒を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を拡散させるディフューザ等で構成されている。ここで、ノズル入口に導かれる冷媒が過冷却液相冷媒の場合には、ノズル効率が低下してしまう。

この問題を解決するために、ノズルに２つの喉部を形成したエジェクタを備えるエジェクタサイクルが特許文献１にて知られている（以下従来例と称す）。この図１３の従来例のエジェクタ１３内に配置されるノズル１３ａには、冷媒流れ上流側から上流喉部１３ｊ、下流喉部１３ｋの２つの喉部１３ｊ、１３ｋが形成されている。

これによると、まず上流喉部１３ｊがノズル内部に流入する液相冷媒を気液二相流状態にする。さらに、２つの喉部１３ｊ、１３ｋの間で冷媒通路の断面積を拡大して、冷媒を細かい気泡を含んだ状態で再凝縮させているため、下流喉部１３ｋで冷媒が沸騰しやすくなる。したがって、下流喉部１３ｋから噴出口１３ｈまでの冷媒流れの液滴が微粒化されて、より気液の速度差が低減した均質流に近づくため、ノズル効率を向上することができる。
特許第３３３１６０４号

しかし、特許文献１のエジェクタでは、ノズル１３ａに２つの喉部１３ｊ、１３ｋが形成されるためエジェクタの構造が複雑になる、言い換えると加工が難しくコストが高くなるという問題がある。さらに、冷媒流れ方向に直列的に２つの喉部１３ｊ、１３ｋが配置されるため、エジェクタ本体の体格が大きくなるという問題もある。

本発明は、上記点に鑑み、簡単な構造のエジェクタを冷媒減圧手段および冷媒循環手段として使用したエジェクタサイクルにおいて、エジェクタサイクルの効率を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エジェクタサイクルにおいて、冷媒を高圧状態にする圧縮機（１１）と、圧縮機（１１）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（１２）と、液相冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（１６）と、冷媒通路
面積が最も縮小する１つの喉部（１３ｅ）を有し、放熱器（１２）から流出した高圧冷媒が

喉部（１３ｅ）を通過して等エントロピ的に減圧膨張するノズル（１３ａ）と、ノズル（１３ａ）から噴出する高い速度の冷媒流により蒸発器（１６）にて蒸発した気相冷媒が内部に吸引される気相冷媒流入口（１３ｂ）と、冷媒通路断面積を拡大して冷媒の圧力を昇圧するディフューザ（１３ｄ）とを有するエジェクタ（１３）とを備え、エジェクタ（１３）から流出した気相冷媒は圧縮機（１１）に吸引され、エジェクタ（１３）から流出した液相冷媒は蒸発器（１６）へ流入するようになっており、放熱器（１２）から流出した高圧冷媒が気液２相状態でノズル（１３ａ）に流入するようになっていることを特徴としている。

これによると、放熱器（１２）から流出した高圧冷媒が気液２相状態でノズル（１３ａ）に流入するようになっているため、従来例（図１３）と同様の理由によりノズル（１３ａ）の喉部（１３ｅ）で冷媒が沸騰しやすくなる。これにより、ノズル（１３ａ）から噴出する冷媒流れの液滴が微粒化されて気液の速度差が低減した均質流に近づくため、ノズル効率を向上することができる。

本発明では、上述の効果を１つの喉部（１３ｅ）を有するノズル（１３ａ）を備えるエジェクタ（１３）、つまり従来例（図１３）に比べて簡単な構造のエジェクタ（１３）で発揮させることができるため、エジェクタ（１３）の加工がしやすい。したがって、エジェクタ（１３）のコストを低減することができる。また、喉部（１３ｅ）が１つであるため、従来例（図１３）に比べて、特にエジェクタ本体の冷媒流れ方向の体格を小さくすることができる。つまり、従来例に比べてエジェクタサイクルの搭載空間が減少するため、搭載性能を向上することができる。

ところで、ノズル（１３ａ）の入口圧力と出口圧力を一定として考えると、ノズル（１３ａ）入口でのエンタルピが大きい時の方が断熱熱落差（冷媒のノズル（１３ａ）入口でのエンタルビからノズル（１３ａ）出口でのエンタルピを引いたもの）が大きくなる。これは、等エントロピ線はエンタルピが大きくなるほど傾きが大きくなり、ノズル（１３ａ）での冷媒の減圧膨張は等エントロピ的に行われるからである。

したがって、ノズル（１３ａ）入口において冷媒が液相の時よりも、本発明のように液相よりもエンタルピが大きい気液２相状態の時の方が断熱熱落差は大きくなる。断熱熱落差は、エジェクタ（１３）の入力エネルギとしてノズル（１３ａ）で速度エネルギに変換され、この速度エネルギがディフューザ（１３ｄ）で圧力エネルギに変換される。したがって、断熱熱落差が増加することにより、ディフューザ（１３ｄ）での冷媒圧力の昇圧量が増加、つまり圧縮機（１１）の吸引側圧力が増加するため、エジェクタサイクルの効率を高めることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のエジェクタサイクルにおいて、エジェクタ（１３）にノズル（１３ａ）の開度を増減する弁手段（１３ｆ）を配置し、弁手段（１３ｆ）にノズル（１３ａ）の開度を増減してサイクルを循環する冷媒流量を調節すれば、具体的に放熱器（１２）から流出する高圧冷媒を気液２相状態にすることができる。そして、この２相冷媒をノズル（１３ａ）に流入させれば請求項１で述べた効果を有するエジェクタサイクルを具体的に構成することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載のエジェクタサイクルにおいて、放熱器（１２）へ高圧冷媒と熱交換する空気を送風する送風機（１２ａ）を備え、送風機（１２ａ）が送風量を増減すれば、放熱器（１２）で冷媒が受ける熱負荷が変化し、具体的に放熱器（１２）から流出する高圧冷媒を気液２相状態にすることができる。そして、この２相冷媒をノズル（１３ａ）に流入させれば請求項１で述べた効果を有するエジェクタサイクルを具体的に構成することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１に記載のエジェクタサイクルにおいて、圧縮機（１１）から吐出した高圧冷媒を放熱器（１２）にて過冷却して過冷却液相冷媒とし、この過冷却液相冷媒のエンタルピを所定量増加させて高圧冷媒を気液２相状態にし、この２相冷媒をノズル（１３ａ）に流入させれば請求項１で述べた効果を有するエジェクタサイクルを構成することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載のエジェクタサイクルにおいて、放熱器（１２）とエジェクタ（１３）との間の部位に配置される加熱手段（１７）を備え、加熱手段（１７）が過冷却液相冷媒を加熱することにより、過冷却液相冷媒のエンタルピを所定量増加させれば、具体的に請求項４で述べた効果を有するエジェクタサイクルを構成できる。

また、請求項６に記載の発明のように、請求項５に記載のエジェクタサイクルにおいて、加熱手段を作動により発熱する発熱体（１１、１３ｇ）の熱を過冷却液相冷媒に放熱させる発熱体放熱部（２０）としてもよい。

また、請求項７に記載の発明のように、請求項５に記載のエジェクタサイクルにおいて、加熱手段を圧縮機（１１）から吐出された高温冷媒の熱を過冷却冷媒に放熱させる吐出冷媒放熱部（２１）としてもよい。

また、請求項８に記載の発明では、請求項４ないし７のいずれか１つに記載のエジェクタサイクルにおいて、放熱器（１２）とエジェクタ（１３）との間の部位に冷媒圧力を減圧する減圧手段（２２）を備えることを特徴としている。

過冷却液相冷媒は、同一のエンタルピの場合には、圧力が低い方が気液２相状態になりやすい傾向がある。したがって、減圧手段（２２）による減圧でエジェクタ（１３）に流入する冷媒を確実に気液二相化することができる。また、過冷却液相冷媒に与えるエンタルピを少なくすることができる。

また、請求項９に記載の発明のように、請求項１ないし８のいずれか１つに記載のエジェクタサイクルにおいて、冷媒としてフロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒のいずれか１つを使用してもよい。

なお、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。

また、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。

二酸化炭素冷媒を冷媒として使用する場合には、二酸化炭素が高圧側で臨界点を超えない場合に請求項１ないし８の請求項で述べた効果を発揮させることができる。

請求項１０に記載の発明のように、請求項１に記載のエジェクタサイクルの制御方法において、ノズル（１３ａ）に流入する際の高圧冷媒の乾き度をノズル入口乾き度としたとき、ノズル入口乾き度を目標値に制御することを特徴とする。

これによると、請求項１の発明の効果、すなわちノズル効率の向上効果やエジェクタサイクルの効率向上効果を確実に発揮させることができる。

請求項１１に記載の発明のように、喉部（１３ｅ）の冷媒通路面積、喉部（１３ｅ）を通過する高圧冷媒の流量、および前記ノズル（１３ａ）における冷媒出入口間の圧力差に基づいて前記ノズル入口乾き度を算出し、ノズル入口乾き度の算出結果に基づいてノズル入口乾き度に影響を及ぼす因子のうち１つ以上の因子を調整することにより、請求項１０に記載の発明を実行することができる。

なお、喉部（１３ｅ）の冷媒通路面積、喉部（１３ｅ）を通過する高圧冷媒の流量、および前記ノズル（１３ａ）における冷媒出入口間の圧力差の各物理量については、それらを直接的に検出したものであってもよいし、或いはそれらの物理量を推定可能な代替物理量から求めたものでもよい。

請求項１２に記載の発明のように、冷媒が非共沸性冷媒または擬似共沸性冷媒の場合、ノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒圧力、およびノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒温度に基づいてノズル入口乾き度を算出し、ノズル入口乾き度の算出結果に基づいてノズル入口乾き度に影響を及ぼす因子のうち１つ以上の因子を調整することにより、請求項１０に記載の発明を実行することができる。

なお、ノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒圧力、およびノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒温度の各物理量については、それらを直接的に検出したものであってもよいし、或いはそれらの物理量を推定可能な代替物理量から求めたものでもよい。

なお、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ものである。

（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車両用空調装置の冷凍サイクルに適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。図１中、１１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１である。この圧縮機１１で高圧状態となった冷媒は放熱器１２に流入する。放熱器１２では高圧冷媒が室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が室外空気により冷却され、凝縮して液相となる。

液相状態となった高圧冷媒は、エジェクタ１３に流入する。エジェクタ１３は放熱器１２から流出する冷媒を減圧膨張させて後述する蒸発器１６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１１の吸入圧を上昇させている。このエジェクタ１３についての詳細は後述する。

エジェクタ１３から流出した冷媒は、気液分離器１４に流入する。気液分離器１４では、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ており、分離された気相冷媒は圧縮機１１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１６側に吸引される。

蒸発器１６は、液相冷媒が室内に吹き出す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１４と蒸発器１６との間に配置される第１減圧器１５は、気液分離器１４から蒸発器１６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、この第１減圧器１５により蒸発器１６内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させている。また、本実施形態では放熱器１２とエジェクタ１３との間の部位に冷媒を加熱するヒータ１７が配置されている。

エジェクタ１３は、図２に示すように、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１３ａと、ノズル１３ａから噴出する高い速度の冷媒流により蒸発器１６にて蒸発した気相冷媒が吸引される気相冷媒流入口１３ｂと、吸引された気相冷媒とノズル１３ａから噴射する冷媒流とを混合する混合部１３ｃと、ノズル１３ａから噴出する冷媒と蒸発器１６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１３ｄ等からなるものである。

なお、本実施形態では、ノズル１３ａとして冷媒通路途中に冷媒通路面積が最も縮小した１つの喉部１３ｅを有する末広ノズルを使用している。また、図２中の左右方向に変位することにより喉部１３ｅの開度を増減する弁手段としてニードル弁１３ｆが配置されている。このニードル弁１３ｆの変位は変位手段が行っており、本実施形態では変位手段としてソレノイドコイル１３ｇ（図１参照）への通電による磁力でニードル弁１３ｆを変位させるソレノイドを使用している。

また、混合部１３ｃにおいては、ノズル１３ａから噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器１６からエジェクタ１３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１３ｃにおいても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ１３ｄ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。

なお、本実施形態の圧縮機１１、ヒータ１７、ソレノイド１３ｇ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。

次に、上記構成において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。ここで、図１中の点Ａ１〜Ａ９は、図３中の点Ａ１〜Ａ９に対応している。圧縮機１１が起動すると、気液分離器１４から気相冷媒が圧縮機１１に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器１２に吐出される（Ａ７Ｇ→Ａ１）。そして、放熱器１２に流入した冷媒は空気へ放熱する、つまり空気により冷却される。本実施形態では冷媒が飽和液線を超えて過冷却される（Ａ１→Ａ２）。

放熱器１２から流出した冷媒は、ヒータ１７により加熱される。つまりヒータ１７によりエンタルピが増加して気液２相状態となる（Ａ２→Ａ３）。２相状態の冷媒は、エジェクタ１３のノズル１３ａに流入し、喉部１３ｅを通過して噴出口１３ｈから噴出して等エントロピ的に減圧膨張する（Ａ３→Ａ４）。この時、高速度で噴出する冷媒流の巻き込み作用により、蒸発器１６で蒸発した気相冷媒が気相冷媒流入口１３ｂから吸引される。

次に、蒸発器１６から吸引された冷媒とノズル１３ａから噴出冷媒とが混合部１３ｃで混合し（Ａ４→Ａ５、Ａ９→Ａ５）、ディフィーザ１３ｄにてその動圧が静圧に変換されて気液分離器１４に流入する。気液分離器１４の気相冷媒は圧縮機１１に吸引されて再びサイクルを循環する（Ａ７Ｇ→Ａ１）。なお、点Ａ７Ｇが飽和蒸気線上に位置しないのは気液分離器１４から圧縮機１１までの配管で吸熱するからである。

一方、エジェクタ１３にて蒸発器１６内の冷媒が吸引されるため、蒸発器１６には気液分離器１４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（Ａ７Ｌ→Ａ９）。

また、ソレノイド１３ｇによるニードル弁１３ｆの変位、つまりノズル１３ａ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１１が高回転、つまりエジェクタ１３に流入する冷媒が多い時にはノズル１３ａの開度を大きくして、ノズル１３ａ（エジェクタ１３）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１３の冷媒流れ下流側の蒸発器１６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。

次に、第１実施形態による作用効果を述べると、（１）気液２相状態の冷媒をノズル１３ａに流入させるため、ノズル効率が向上し、エジェクタサイクルのサイクル効率を向上できる。

より詳細に述べると、本実施形態では放熱器１２から流出した高圧冷媒がヒータ１７で加熱され、つまりエンタルピが増加されて気液２相状態でノズル１３ａに流入する。したがって、ノズル１３ａの喉部１３ｅで冷媒が沸騰しやすくなる。これにより、喉部１３ｅ通過後の冷媒流れの液滴が微粒化されて気液の速度差が低減した均質流に近づく。つまり、ノズル１３ａ入口での冷媒のエネルギ（入力ネルギ）を速度エネルギへ変換するノズル効率が高くなる。これにより、エジェクタサイクルのサイクル効率を向上できる。

（２）上述の作用効果（１）を１つの喉部１３ｅを有するノズル１３ａを搭載したエジェクタ１３を使用したため、エジェクタ１３のコストを低減でき、さらにエジェクタ１３の体格を小さくすることができる。

本実施形態では、１つの喉部１３ｅを有するノズル１３ａを備えるエジェクタ１３、つまり従来例（図１３）に比べて簡単な構造のエジェクタ１３で作用効果（１）を発揮させることができる。当然に、エジェクタ１３の加工が容易となるため、エジェクタ１３のコストを低減することができる。また、喉部１３ｅが１つであるため、従来例（図１３）のように喉部１３ｊ、１３ｋが直列的に並んでいる場合に比べて、特にエジェクタ本体の冷媒流れ方向の体格を小さくすることができる。つまり、従来例に比べてエジェクタサイクルの搭載空間が減少するため、搭載性能を向上することができる。

（３）より断熱熱落差が大きい気液２相状態の冷媒をエジェクタ１３（ノズル１３ａ）に流入させるため、エジェクタ１３から流出する冷媒圧力、つまり圧縮機１１の吸入圧力を高くすることができる。

ここで、図１４に示すような過冷却度を有するエジェクタサイクル（以下比較例と称す）と本実施形態のｐ−ｈ線図（図３）を使用してサイクル効率を考える。ノズル１３ａの入口圧力と出口圧力を一定として考えると、ノズル１３ａ入口でのエンタルピが大きい時の方が断熱熱落差（冷媒のノズル１３ａ入口でのエンタルビからノズル１３ａ出口でのエンタルピを引いたもの）が大きくなる。これは、等エントロピ線はエンタルピが大きくなるほど傾きが大きくなり、ノズル１３ａでの冷媒の減圧膨張は等エントロピ的に行われるからである。

したがって、ノズル１３ａ入口において冷媒が液相の時よりも、本発明のように液相よりもエンタルピが大きい気液２相状態の時の方が断熱熱落差は大きくなる。本実施形態の断熱熱落差Δｈは、従来例の断熱熱落差Δｈ’よりも大きくなっている。

断熱熱落差Δｈ、Δｈ’は、エジェクタ１３の入力エネルギとしてノズル１３ａで速度エネルギに変換され、この速度エネルギがディフューザ１３ｄで圧力エネルギに変換される。したがって、断熱熱落差が大きいほどディフューザ１３ｄでの冷媒圧力の昇圧量が増加、つまり圧縮機１１の吸引側圧力が増加するため、エジェクタサイクルの効率を高めることができる。

したがって、断熱熱落差が大きい本実施形態のエジェクタ１３での昇圧量ΔＰの方が従来例のエジェクタ１３での昇圧量ΔＰ’よりも大きくなるため、エジェクタサイクルの効率が高くなる。図４は、ノズル１３ａ入口の冷媒状態以外（例えば冷媒循環量など）を同一とした場合のサイクル効率の変化を示したものである。上述したように気液２相状態でノズル１３ａに流入させた場合の方がサイクル効率が高くなることが確認されている。

（第２実施形態）
図５の本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが、第１実施形態におけるヒータ１７に換えて発熱体である変位手段（ソレノイドコイル１３ｇ）の熱で放熱器１２から流出した冷媒を加熱する発熱体放熱部２０を備えている。

これによると、ヒータ１７を備えなくてもよいため、より簡単な構成で第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（３）を有するエジェクタサイクルを構成できる。

（第３実施形態）
図６の本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが、第１実施形態におけるヒータ１７に換えて圧縮機１１から吐出される高温高圧冷媒の熱で放熱器１２から流出した冷媒を加熱する吐出冷媒放熱部２１を備えている。

これによっても、ヒータ１７を備えなくてもよいため、より簡単な構成で第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（３）を有するエジェクタサイクルを構成できる。

（第４実施形態）
図７の本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが、ヒータ１７の冷媒流れ下流側部位に冷媒の圧力を減圧する減圧手段である第２減圧器２２が配置されている。図８のｐ−ｈ線図を使用して説明すると、ヒータ１７で加熱された冷媒は、第２減圧器２２での減圧により気液２相状態となる（Ａ３→Ａ３１）。

これにより、エジェクタ１３に流入する冷媒を確実に気液二相化することができる。さらに、ヒータ１７が冷媒に与える熱量を少なくすることができる。

なお、本実施形態においても第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（３）を発揮することができる。

（第５実施形態）
図９の本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが、第１実施形態におけるヒータ１７を廃止したものである。そして、本実施形態の圧縮機１１、エジェクタ１３の開度を増減するニードル弁１３ｆを変位させるソレノイドコイル１３ｇ、および放熱器１２へ空気を送風する送風機１２ａは、電子制御装置（ＥＣＵ図示せず）からの制御信号で制御されている。さらに、この電子制御装置には、放熱器１２下流側の冷媒圧力、温度などがセンサ等から入力されている。

そして、電子制御装置は放熱器１２下流側の冷媒圧力、温度などが予め与えられている冷媒が気液２相となる領域の圧力、温度となるように、圧縮機１１の作動、送風機１２ａの送風量（放熱器１２への熱負荷）、エジェクタ１３の開度（エジェクタ１３を通過する冷媒流量）を制御している。

これにより、第１実施形態に比べて、より簡単な構成で第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（３）を有するエジェクタサイクルを構成できる。

（第６実施形態）
図１１に示す第６実施形態は、第１実施形態におけるヒータ１７を廃止し、圧縮機１１の吸入側と放熱器１２の出口側との間に内部熱交換器２３を設けている。この内部熱交換器２３により、放熱器１２出口側の高圧液冷媒を低温の低圧冷媒で冷却して、放熱器１２出口側の高圧液冷媒の過冷却度を増大させるようにしている。

そして、圧縮機１１の作動やエジェクタ１３の開度（エジェクタ１３を通過する冷媒流量）を制御して、エジェクタ１３に流入する冷媒を気液２相化する。

（第７実施形態）
図１２に示す第７実施形態は、気液分離器１４を廃止したエジェクタサイクルに本発明を適用した例を示すものである。

本実施形態は、図１２に示すように、放熱器１２の出口側の冷媒通路は２つに分岐されており、一方の冷媒通路は第１減圧器１５および蒸発器１６を介してエジェクタ１３における気相冷媒流入口１３ｂに接続され、他方の冷媒通路はエジェクタ１３におけるノズル１３ａに直接接続されている。

また、エジェクタ１３の出口側には、気液分離器１４に代えて第２蒸発器２４が設けられている。この第２蒸発器２４は、冷媒と室内に吹き出す空気とを熱交換させて冷媒を蒸発（吸熱）させることにより冷房能力を発揮するものである。そして、第２蒸発器２４から流出した冷媒は圧縮機１１に吸引され、圧縮される。

因みに、本実施形態によると、２つの蒸発器１６、２４の冷凍能力を異ならせて、車室内の任意の２ヶ所の冷却、または別々の２つの車室をそれぞれ最適な温度で冷却することができる。

（第８実施形態）
本実施形態は、ノズル１３ａに流入する際の高圧冷媒の乾き度（以下、ノズル入口乾き度という）の制御方法を示すものである。

まず、ノズル１３ａにおける喉部１３ｅの冷媒通路面積、喉部１３ｅを通過する高圧冷媒の流量、およびノズル１３ａにおける冷媒出入口間の圧力差を検出し、それらの物理量に基づいてノズル入口乾き度をエネルギ保存則から演算する。

次に、ノズル入口乾き度の演算結果とノズル入口乾き度の目標値とを比較し、ノズル入口乾き度に影響を及ぼす制御因子（すなわち、喉部１３ｅの冷媒通路面積、喉部１３ｅを通過する高圧冷媒の流量、ノズル１３ａにおける冷媒出入口間の圧力差）のうちどれかひとつ以上の因子を調節して、ノズル入口乾き度を目標値に制御する。

このように、ノズル入口乾き度を目標値に制御することにより、ノズル効率の向上効果やエジェクタサイクルの効率向上効果を確実に発揮させることができる。

なお、ノズル入口乾き度を演算する際の、喉部１３ｅの冷媒通路面積、喉部１３ｅを通過する高圧冷媒の流量、ノズル１３ａにおける冷媒出入口間の圧力差の各物理量については、それらを直接的に検出したものであってもよいし、或いは以下詳述するように、それらの物理量を推定可能な代替物理量から求めたものでもよい。

例えば図２に示すような、喉部１３ｅの開度をニードル弁１３ｆにて増減する可変ノズルの場合は、ニードル弁１３ｆの位置情報から喉部１３ｅの冷媒通路面積を推定してもよい。

喉部１３ｅを通過する高圧冷媒の流量は、圧縮機１１の回転数、圧縮機１１の１回転当たりの吐出容量、圧縮機１１に吸入される冷媒の密度、圧縮機１１の体積効率から演算してもよい。また、圧縮機１１に吸入される冷媒の密度は、圧縮機１１の吸入圧力或いはそれに準ずる低圧系圧力、および低圧系圧力を推定可能な温度（低圧２相域温度）で代用してもよい。

ノズル１３ａにおける冷媒出入口間の圧力差は、ノズル１３ａにおける冷媒入口圧力或いはそれに準ずる高圧系圧力、および高圧系圧力を推定可能な温度（高圧２相域温度）で代用したもののいずれか１つ以上の因子と、ノズル１３ａにおける冷媒出口圧力或いはそれに準ずる低圧系圧力、および低圧系圧力を推定可能な温度（低圧２相域温度）で代用したもののいずれか１つ以上の因子の差分として検出してよい。

また、ノズル入口乾き度を目標値に制御するための調整方法としては、以下詳述するように、上記制御因子を直接調整してもよいし、或いは間接的に調節する方法でもよい。

例えば図２に示すような、喉部１３ｅの開度をニードル弁１３ｆにて増減する可変ノズルの場合は、ニードル弁１３ｆの位置を調節して喉部１３ｅの冷媒通路面積を制御する。

喉部１３ｅを通過する高圧冷媒の流量は、圧縮機１１の回転数、可変容量圧縮機１１の場合の吐出容量、サイクル中（例えばノズル１３ａの上流側）に設けた流量調節弁の開度を調整してもよい。

ノズル１３ａにおける冷媒出入口間の圧力差は、冷凍サイクルの圧力バランスを変動させる因子を調節する。具体的には、例えば放熱器１２の冷却風量、放熱器１２の冷媒流量、蒸発器１６の冷却風量、蒸発器１６の冷媒流量、内部熱交換器２３の冷媒流量等を調節する。

因みに、放熱器１２、蒸発器１６、および内部熱交換器２３に対してバイパス回路を設け、そのバイパス回路を開閉することにより、放熱器１２の冷媒流量、蒸発器１６の冷媒流量、内部熱交換器２３の冷媒流量を調節することができる。

なお、上気したノズル入口乾き度の算出に必要な因子および目標値への調整因子は一例であり、各制御因子を変動させるはたらきをもつ検出因子および調整因子であればよい。

また、ノズル入口乾き度の目標値に関しては、各冷媒およびシステム毎に異なるが、物理的には乾き度０（飽和液状態）から乾き度１（飽和ガス状態）まで制御可能である。

また、具体的な制御方法として、検出した物理量の信号を入力して演算してノズル入口乾き度を算出する方法でもよいが、予めそのシステムにおける検出信号に対する出力値をマップ化しておく方法でもよい。また、別の方法であっても検出因子および調整因子が含有されれば本発明の意図しているところと等価である。

他の実施形態
上述の実施形態では、ノズル１３ａに末広ノズルを使用した例を示したが、ノズル１３ａは１つの喉部１３ｅを有するものであれば、先細ノズル、ラバールノズルなど種々適用可能である。

また、上述の第２実施形態では、発熱体放熱部２０において、発熱体であるソレノイドコイル１３ｇが放熱器１２から流出した過冷却冷媒に放熱した例を示したが、発熱体はエジェクタサイクル中の圧縮機であってもよいし、サイクル外の発熱体、例えばエンジンなどであってもよい。

また、上述の第４実施形態では、第２減圧器２２がヒータ１７で加熱された後の冷媒を減圧した例を示したが、第２減圧器２２をヒータ１７の上流に配置して加熱前の冷媒を減圧してもよいし、加熱中の冷媒を減圧してもよい。

また、上述の第５実施形態では、電子制御装置が圧縮機１１の作動、送風機１２ａの送風量、エジェクタ１３の開度を同時に制御した例を示したが、これらの制御は独立して行うことが可能であるため、いずれか１つの制御のみを行ってもよい。また、例えは送風量とエジェクタ開度のように、任意の２つの制御を行うものであってもよい。

また、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例を示したが、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のは当然である。

また、上述の実施形態では冷媒の種類を限定していないが冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒などが適用可能である。なお、二酸化炭素冷媒を冷媒として使用する場合には、二酸化炭素が高圧側で臨界点を超えない場合に上述した作用効果を発揮させることができる。

また、冷媒として非共沸性冷媒（Ｒ４０４Ａ等）または擬似共沸冷媒（Ｒ４１０Ａ等）を用いる場合は、２相域においても圧力と温度の間に１対１の関係が成立することから、ノズル１３ａの冷媒入口側の冷媒圧力とノズル１３ａの冷媒入口側の冷媒温度とに基づいてノズル入口乾き度を算出してもよい。そして、そのノズル入口乾き度の算出結果に基づいてノズル入口乾き度に影響を及ぼす因子のうち１つ以上の因子を調整することにより、ノズル入口乾き度を目標値に制御するようにしてもよい。

なお、ノズル１３ａの冷媒入口側の冷媒圧力、およびノズル１３ａの冷媒入口側の冷媒温度の各物理量については、それらを直接的に検出したものであってもよいし、或いはそれらの物理量を推定可能な代替物理量から求めたものでもよい。

また、上述の第１〜第６実施形態では、気液分離器１４で分離された液相冷媒を、１つの蒸発器１６にて蒸発させてエジェクタ１３における気相冷媒流入口１３ｂに供給させる例を示したが、気液分離器１４で分離された液相冷媒を、複数の蒸発器１６にて蒸発させてエジェクタ１３における気相冷媒流入口１３ｂに供給させるようにしたエジェクタサイクルにも、本発明は適用することができる。

本発明を車両用空調装置の冷凍サイクルに適用した第１実施形態を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るエジェクタの断面図である。 第１実施形態および比較例のｐ−ｈ線図である。 エジェクタ入口の冷媒状態とサイクル性能との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 発明の第３実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 本発明の第４実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 第４実施形態のｐ−ｈ線図である。 本発明の第５実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 第５実施形態のｐ−ｈ線図である。 本発明の第６実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 本発明の第７実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。 特許文献１に係るエジェクタの断面図である。 比較例のエジェクタサイクルを示す模式図である。

符号の説明

１１…圧縮機発熱体、１２…放熱器、１２ａ…送風機、１３…エジェクタ、１３ａ…ノズル、１３ｂ…気相冷媒流入口、１３ｄ…ディフューザ、１３ｅ…喉部、１３ｆ…ニードル弁弁手段、１３ｇ…ソレノイドコイル発熱体、１４…気液分離器、１６…蒸発器、１７…ヒータ加熱手段、２０…発熱体放熱部、２１…吐出冷媒放熱部、２２…第２減圧器減圧手段。

Claims (13)

1. 冷媒を高圧状態にする圧縮機（１１）と、
   前記圧縮機（１１）から吐出した前記高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（１２）と、
   液相冷媒を蒸発させて吸熱する蒸発器（１６）と、
   冷媒通路面積が最も縮小する１つの喉部（１３ｅ）を有し、前記放熱器（１２）から流出した前記高圧冷媒が前記喉部（１３ｅ）を通過して等エントロピ的に減圧膨張するノズル（１３ａ）と、前記ノズル（１３ａ）から噴出する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（１６）にて蒸発した気相冷媒が内部に吸引される気相冷媒流入口（１３ｂ）と、冷媒通路断面積を拡大して冷媒の圧力を昇圧するディフューザ（１３ｄ）とを有するエジェクタ（１３）とを備え、
   前記エジェクタ（１３）から流出した気相冷媒は前記圧縮機（１１）に吸引され、前記エジェクタ（１３）から流出した液相冷媒は前記蒸発器（１６）へ流入するようになっており、
   前記放熱器（１２）から流出した前記高圧冷媒は、気液２相状態で前記ノズル（１３ａ）に流入するようになっていることを特徴とするエジェクタサイクル。
2. 前記エジェクタ（１３）において、前記ノズル（１３ａ）の開度を増減する弁手段（１３ｆ）を備え、
   前記弁手段（１３ｆ）が前記ノズル（１３ａ）の開度を増減することにより、前記放熱器（１２）から流出した前記高圧冷媒が気液２相状態で前記ノズル（１３ａ）に流入するようになっ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。
3. 前記放熱器（１２）へ前記高圧冷媒と熱交換する空気を送風する送風機（１２ａ）を備え、
   前記送風機（１２ａ）が送風量を増減することにより、前記放熱器（１２）から流出した前記高圧冷媒が気液２相状態で前記ノズル（１３ａ）に流入するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載のエジェクタサイクル。
4. 前記圧縮機（１１）から吐出した前記高圧冷媒は、前記放熱器（１２）にて過冷却されて過冷却液相冷媒となり、前記過冷却液相冷媒はエンタルピが所定量増加されることにより気液２相状態となって前記ノズル（１３ａ）に流入するようになっ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。
5. 前記放熱器（１２）と前記エジェクタ（１３）との間の部位に配置される加熱手段（１７）を備え、
   前記加熱手段（１７）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を所定量増加させることを特徴とする請求項４に記載のエジェクタサイクル。
6. 前記加熱手段は、作動により発熱する発熱体（１１、１３ｇ）の熱を前記過冷却液相冷媒に放熱させる発熱体放熱部（２０）であることを特徴とする請求項５に記載のエジェクタサイクル。
7. 前記加熱手段は、前記圧縮機（１１）から吐出された高温冷媒の熱を前記過冷却冷媒に放熱させる吐出冷媒放熱部（２１）であることを特徴とする請求項５に記載のエジェクタサイクル。
8. 前記放熱器（１２）と前記エジェクタ（１３）との間の部位に冷媒圧力を減圧する減圧手段（２２）を備えることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載のエジェクタサイクル。
9. 前記冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒のいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のエジェクタサイクル。
10. 前記ノズル（１３ａ）に流入する際の前記高圧冷媒の乾き度をノズル入口乾き度としたとき、前記ノズル入口乾き度を目標値に制御す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の制御方法。
11. 前記喉部（１３ｅ）の冷媒通路面積、前記喉部（１３ｅ）を通過する前記高圧冷媒の流量、および前記ノズル（１３ａ）における冷媒出入口間の圧力差に基づいて前記ノズル入口乾き度を算出し、
    前記ノズル入口乾き度の算出結果に基づいて前記ノズル入口乾き度に影響を及ぼす因子のうち１つ以上の因子を調整することを特徴とする請求項１０に記載のエジェクタサイクルの制御方法。
12. 前記冷媒は、非共沸性冷媒または擬似共沸性冷媒であり、
    前記ノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒圧力、および前記ノズル（１３ａ）の冷媒入口側の冷媒温度に基づいて前記ノズル入口乾き度を算出し、
    前記ノズル入口乾き度の算出結果に基づいて前記ノズル入口乾き度に影響を及ぼす因子のうち１つ以上の因子を調整することを特徴とする請求項１０に記載のエジェクタサイクルの制御方法。
13. 前記冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒のいずれか１つであることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載のエジェクタサイクルの制御方法。
    

Images