JP2008082614A - エジェクタ式冷凍サイクル - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の冷媒圧縮機を設けて冷却性能をさらに向上することが可能なエジェクタ式冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】エジェクタ式冷凍サイクルの構成を、冷媒循環経路10に配置された第1圧縮機11、第1放熱器12、エジェクタ13および第1蒸発器14を備え、冷媒循環経路10の分岐点Zからエジェクタ13の冷媒吸引口13bまでの冷媒分岐経路20に配置された第2圧縮機21、第2放熱器22、固定絞り手段23および第2蒸発器24を備え、第1、第2放熱器12、22間の伝熱面積比と、第1、第2蒸発器14、24間の伝熱面積比とが一致した構成とする。そして、エアコンECUによる空調制御において、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差が所定値以内となるように、第1、第2圧縮機の回転数比を設定する。
【選択図】図1
【解決手段】エジェクタ式冷凍サイクルの構成を、冷媒循環経路10に配置された第1圧縮機11、第1放熱器12、エジェクタ13および第1蒸発器14を備え、冷媒循環経路10の分岐点Zからエジェクタ13の冷媒吸引口13bまでの冷媒分岐経路20に配置された第2圧縮機21、第2放熱器22、固定絞り手段23および第2蒸発器24を備え、第1、第2放熱器12、22間の伝熱面積比と、第1、第2蒸発器14、24間の伝熱面積比とが一致した構成とする。そして、エアコンECUによる空調制御において、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差が所定値以内となるように、第1、第2圧縮機の回転数比を設定する。
【選択図】図1
Description
本発明は、冷媒の減圧膨張手段としてエジェクタを用いたエジェクタ式冷凍サイクルに関するものである。
従来のエジェクタ式冷凍サイクルとして、冷媒減圧手段および冷媒循環手段の役割を果たすエジェクタの冷媒流れ下流側に第1蒸発器を配置するともに、エジェクタの冷媒吸引口の冷媒流れ上流側に第2蒸発器を配置したものがある(例えば、特許文献1参照)。
特許第3322263号公報
本発明者らは、一層の性能向上を目指して鋭意検討を行った結果、上記した冷凍サイクルに対して、エジェクタの冷媒吸引口から吸引される冷媒(吸引流)の流量制御を担う圧縮機をさらに設けた場合に、更なる冷却性能の向上が可能であることを見出した。
本発明は、上記点に鑑み、冷却性能をさらに向上することが可能なエジェクタ式冷凍サイクルを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、第1圧縮機(11)と、第1放熱器(12)と、エジェクタ(13)と、第1蒸発器(14)と、第2圧縮機(21)と、第2放熱器(22)と、固定絞り手段(23)と、第2蒸発器(24)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルであって、第1、第2放熱器および第1、第2蒸発器は、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)の伝熱面積比率(AR1:AR2)が、第1蒸発器(14)と第2蒸発器(24)の伝熱面積比率(AE1:AE2)と一致するように構成されており、第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第1圧力検出手段(17)と、第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第2圧力検出手段(27)と、第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が、所定値以内となるように、第1圧縮機(11)の冷媒吐出能力と第2圧縮機(21)の冷媒吐出能力との比を制御する制御手段(50)とを備えることを第1の特徴としている。
また、本発明では、第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第2圧力検出手段(27)と、第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が、所定値以内となるように、第1放熱器(12)での高圧冷媒の放熱量と、第2放熱器(22)での高圧冷媒の放熱量の比を制御する制御手段(50)とを備えることを第2の特徴としている。
本発明者は、上記した構成のエジェクタ式冷凍サイクルの場合、第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の圧力と、第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力との差が小さいほど、成績係数COPが大きいことを見出した。
したがって、本発明の第1、第2の特徴のように、第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒と、第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力差を所定値以内にするという容易な制御により、圧力差が大きくなるような制御を行う場合と比較して、成績係数COPを大きくすることができる。
第1の特徴に関しては、例えば、第1、第2圧縮機(11、21)として、回転数の変化により吐出能力を調整できる電動圧縮機を用いた場合では、制御手段(50)に対して、差が所定値以内となるように、第1圧縮機(11)と第2圧縮機(22)の回転数比を制御させることができる。
また、第1の特徴に関しては、例えば、第1、第2圧縮機(11、21)として、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機を用いた場合では、制御手段(50)に対して、差が所定値以内となるように、第1圧縮機(11)と第2圧縮機(22)の容量比を制御させることができる。
また、第2の特徴に関しては、例えば、第1放熱器(12)に対応して配置され、第1放熱器(12)に送風する第1送風機(34)と、第2放熱器(22)に対応して配置され、第2放熱器(22)に送風する第2送風機(35)とを備えた構成として、制御手段(50)に対して、差が所定値以内となるように、第1送風機(34)と第2送風機(35)の送風量比を制御させることができる。
また、第2の特徴に関しては、例えば、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)は、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)に流入する風の方向に対して並列方向に配置されている場合に、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)よりも風流れの上流側であって、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)との間に配置され、第1放熱器(12)と第2放熱器(22)とに流入する風を仕切る仕切り部(65)を備える構成として、制御手段(50)に対して、差が所定値以内となるように、仕切り部(65)の位置を変更して、記第1放熱器(12)に流入する風量と、第2放熱器(22)に流入する風量との比を制御させることができる。
なお、第1、第2の特徴に関して、制御手段(50)が、第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が無くなるように、制御するようになっていることがより好ましい。圧力差が無いとき、最も成績係数COPが高くなるからである。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。
(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態におけるエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成を示す。本実施形態の冷凍サイクルは、例えば、バス用空調装置に適用されるものである。
図1に、本発明の第1実施形態におけるエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成を示す。本実施形態の冷凍サイクルは、例えば、バス用空調装置に適用されるものである。
本実施形態の冷凍サイクルでは、冷媒が循環して流れる冷媒循環経路10に、第1圧縮機11と、第1放熱器12と、エジェクタ13と、第1蒸発器14とが配置されている。また、冷媒循環経路10のうち、第1蒸発器14の下流側であって、第1圧縮機11の上流側の位置(分岐点Z)で、冷媒流れが分岐しており、分岐点Zからエジェクタ13の冷媒吸引口13bまでの冷媒分岐経路20に、第2圧縮機21と、第2放熱器22と、固定絞り手段23と、第2蒸発器24とが配置されている。
本実施形態では、このように冷媒を吸入圧縮する圧縮機を2個(第1圧縮機11および第2圧縮機21)備えている。第1圧縮機11および第2圧縮機21は、電動モータの回転数調整により冷媒吐出能力を調整できる電動圧縮機であり、それぞれ、電動モータの回転数を制御する第1インバータ回路11a、第2インバータ21aを備えている。
そして、第1圧縮機11の冷媒吐出側には第1放熱器12が配置されている。第1放熱器12は、第1圧縮機11から吐出された高圧冷媒と、放熱機器用送風機としての冷却ファン31により送風される外気(車室外空気)との間で熱交換を行って高圧冷媒の放熱を行う。冷却ファン31は、電動送風機であり、電動モータ31aにより駆動する。
ここで、本実施形態では、エジェクタ式冷凍サイクルの冷媒として、フロン系、HC系等の冷媒のように高圧圧力が臨界圧力を超えない冷媒を用いて、蒸気圧縮式の亜臨界サイクルを構成している。このため、第1放熱器12は冷媒を凝縮する凝縮器として作用する。
第1放熱器12よりもさらに冷媒流れ下流側部位には、液相冷媒と気相冷媒とを分離するレシーバ15が配されており、このうち液相冷媒のみが、このレシーバ15の下流側部位に配置されたエジェクタ13に向けて流出する。
冷媒循環経路10のレシーバ15とエジェクタ13との間には、温度式膨張弁16が配置されている。この温度式膨張弁16は、レシーバ15からの液冷媒を減圧する減圧手段であって、第1蒸発器14の出口側、かつ、第1圧縮機11の吸入側に配置された感温部16aを有している。温度式膨張弁16は、周知のように、感温部16aを介して、第1蒸発器14の出口側冷媒(第1圧縮機11の吸入側冷媒)の温度と圧力とに基づいて、第1蒸発器14の出口側冷媒の過熱度を検出し、第1蒸発器14の出口側冷媒の過熱度があらかじめ設定された所定値となるように弁開度(冷媒流量)を調整するものである。
エジェクタ13は、冷媒を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する冷媒流の吸引作用(巻き込み作用)によって、冷媒の循環を行う冷媒循環手段でもある。
エジェクタ13は、第1放熱器12から流入する高圧冷媒の通路面積を小さく絞って、高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部13aと、ノズル部13aの冷媒噴出口と同一空間に配置され、第2蒸発器24からの気相冷媒を吸引する冷媒吸引口13bを備えている。ノズル部13aは、ノズル開度を固定された固定ノズルである。
また、エジェクタ13は、ノズル部13aおよび冷媒吸引口13bの冷媒流れ下流側部位において、ノズル部13aからの高速度の冷媒流と冷媒吸引口13bの吸引冷媒とを混合する混合部13cを備えており、さらに、混合部13cの冷媒流れ下流側にディフューザ部13dを備えている。このディフューザ部13dは冷媒の通路面積を徐々に大きくする形状に形成されており、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する作用を果たす。
なお、本実施形態のエジェクタ13では、混合部13cも冷媒の通路面積を徐々に大きくする形状に形成されており、混合部13cとディフューザ部13dとからなる構成が本実施形態のエジェクタ13における昇圧部である。
エジェクタ13のディフューザ部13dの下流側に第1蒸発器14が接続されており、この第1蒸発器14の冷媒流れ下流側は、分岐点Zを介して、第1圧縮機11および第2圧縮機21の吸入側に接続される。第1蒸発器14は、エジェクタ13から流出した液冷媒を蒸発させる熱交換器である。
冷媒分岐通路20において、第2圧縮機21の冷媒吐出側には第2放熱器22が配置されている。第2放熱器22は第1放熱器12に並設されており、第2圧縮機21から吐出された高圧冷媒と、第1放熱器12と共通の冷却ファン31により送風される外気(車室外空気)との間で熱交換を行って高圧冷媒の放熱を行う。なお、第1放熱器12および第2放熱器22は、風流れ方向に対して略垂直な方向(並列方向)に並んで配置されている
本実施形態の第1放熱器12および第2放熱器22は、図示しないが、1つの放熱器を、第1放熱器12として機能する領域と、第2放熱器22として機能する領域とに区画して構成される。
本実施形態の第1放熱器12および第2放熱器22は、図示しないが、1つの放熱器を、第1放熱器12として機能する領域と、第2放熱器22として機能する領域とに区画して構成される。
第2放熱器22よりも冷媒流れ下流側部位には、液相冷媒と気相冷媒とを分離するレシーバ25が配置されており、このうち液相冷媒のみが、このレシーバ25の下流側部位に配置された固定絞り手段23に向けて流出する。固定絞り手段23は、例えば、キャピラリチューブ、オリフィス等によって構成される。
第2蒸発器24は、固定絞り手段23から流入した冷媒を蒸発させる熱交換器である。第2蒸発器24の冷媒流れ下流側がエジェクタ13の冷媒吸引口13bに接続されており、第2蒸発器24で蒸発した冷媒が冷媒吸引口13bに流入するようになっている。
本実施形態では、第1蒸発器14と第2蒸発器24を組み合わせて、1つの冷却ユニットを構成し、この1つの冷却ユニットで、共通の1つの冷却対象空間、すなわち、車室内空間40を冷却するようにしている。
この1つの冷却ユニットは、例えば、第1、第2蒸発器14、24を一体構造とし、1つのケース32内に収納した構成となっている。そして、ケース32内に構成される空気通路に共通のブロワ(蒸発器用送風機)33により空気(被冷却空気)を矢印Aのように送風し、この送風空気を第1、第2蒸発器14、24で冷却し、冷却された冷風を車室内空間40に送り込むようになっている。ブロワ33は、電動送風機であり、電動モータ33aによって駆動する。
なお、蒸発器14、24のうち、エジェクタ13下流側の冷媒循環通路10に配設される第1蒸発器14を空気流れAの上流側に配置し、エジェクタ13の冷媒吸引口13bに接続される第2蒸発器24を空気流れAの下流側に配置している。すなわち、第1、第2蒸発器14、24は風流れ方向に対して直列方向に並んで配置されている。
ここで、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比と、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比との関係について説明する。
図2に、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比(AR1:AR2)と、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比(AE1:AE2)との関係を示す。図2に示すように、第1、第2放熱器12、22は、風流れ方向(紙面垂直方向)に対して並列に配置され、第1、第2蒸発器14、24は風流れ方向に対して直列に配置されている。そして、第1放熱器12の伝熱面積(AR1)と第2放熱器22の伝熱面積(AR2)との比率が、第1蒸発器14の伝熱面積(AE1)と第2蒸発器24の伝熱面積(AE2)との比率と一致している(AR1:AR2=AE1:AE2)。
第1、第2放熱器12、22としては、例えば、両端のタンクの間に平行に配置された複数のチューブ内を冷媒が同時に流れるマルチフロータイプの熱交換器を採用できる。この場合、例えば、チューブの本数比率によって、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比(AR1:AR2)を設定できる。
また、第1、第2蒸発器14、24としては、例えば、プレートフィンチューブの熱交換器を採用できる。この場合、例えば、同形状の熱交換器においては、風方向でのフィン長さの比率によって、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比(AE1:AE2)を設定できる。
なお、第1、第2放熱器12、22および第1、第2蒸発器14、24としては、他の構造の熱交換器を採用しても良く、また、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比の設定方法として他の方法を採用しても良い。
本実施形態では、このように、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比(AR1:AR2)と、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比(AE1:AE2)とを一致させているので、第1、第2放熱器12、22における放熱能力が、第1、第2蒸発器14、24の冷凍能力に制限されないので、第1、第2放熱器12、22の放熱能力を最大限に発揮させることができる。
また、図1に示すように、本実施形態のバス用空調装置は、車室内空間40内の温度(内気Tr)を検出する内気温検出手段である内気温センサ41や、車室外の温度(外気温Tam)を検出する外気温センサ42や、日射量Tsを検出する日射センサ43等を備えている。また、本実施形態のバス用空調装置は、冷媒循環経路10の第1圧縮機11よりも下流側かつ第1放熱器12の上流側に配置され、冷媒循環経路10の高圧側冷媒の圧力を検出する第1圧力検出手段としての第1高圧センサ(圧力センサ)17や、冷媒分岐経路20の第2圧縮機21よりも下流側かつ第2放熱器22の上流側に配置され、冷媒分岐経路20の高圧側冷媒の圧力を検出する第2圧力検出手段としての第2高圧センサ(圧力センサ)27を備えている。これらの各種センサは、その検出結果を制御手段としてのエアコンECU50に向けて出力するようになっている。
ここで、図3に、エアコンECU50のブロック図を示す。図3に示すように、エアコンECU50は、内気温センサ41、外気温センサ42および日射センサ43等から、内気温、外気温、日射量等の車両環境状況に関する情報が入力され、空調操作パネル51からの操作に関する情報が入力されるようになっている。
空調操作パネル51は、乗員により操作される以下の操作スイッチ52、53、54等を有している。この操作スイッチは、例えば、第1、第2圧縮機11、21の作動指令信号を出力するエアコンスイッチ52、空調自動制御の指令信号を出力するオートスイッチ53、車室内の設定温度Tsetの信号を出力する温度設定スイッチ54等である。
また、エアコンECU50は、冷却ファン31の電動モータ31a、ブロワ33の電動モータ33a、第1インバータ回路11aおよび第2インバータ21a(図1参照)に対して制御信号を出力するようになっている。
エアコンECU50は、内気温センサ41等から入力される車両環境状況に関する情報と、空調操作パネル51から入力される操作情報に基づいて、第1圧縮機11、第2圧縮機21、冷却ファン31、ブロワ33等を作動制御するようになっている。
なお、エアコンECU50は、CPU、ROMおよびRAM等を含んで構成される周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されるもので、ROM内に空調制御のための制御プログラムを記憶しており、その制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。
次に、エアコンECU50が実行する空調制御について説明する。
まず、図4に、この空調制御全体のフローチャートを示す。なお、この空調制御は、図示しない車両走行用エンジンのイグニッションスイッチがオンの状態で、オートスイッチ53がオンされるとスタートし、イグニッションスイッチがオフもしくはエアコンスイッチ52がオフされると終了する。
図4に示すように、ステップS1で、フラグ、タイマー等の初期化がなされ、次のステップS2で、空調操作パネル51の操作スイッチ52〜54等の操作信号を読み込み、次のステップS3で、内気温センサ41等から車両環境状態の検出信号を読み込む。
続いて、ステップS4で、ステップS3で読み込んだ操作情報と車両環境状態とに基づいて、第1、第2圧縮機11、21の目標平均回転数(第1圧縮機11の回転数と第2圧縮機21の回転数の平均値)を算出し、ステップS5で、同様に、操作情報と車両環境状態とに基づいて、冷却ファン31の目標回転数を算出し、ステップS6で、同様に、操作情報と車両環境状態とに基づいて、ブロワ33の目標回転数を算出する。ステップS4〜ステップS6では、空調操作パネル51での設定温度等の操作情報や、内気温、外気温、日射量等の車両環境状態から、要求される冷房能力を算出し、算出した冷房能力に応じて、第1、第2圧縮機11、21、冷却ファン31、ブロワ33の作動目標値が算出される。なお、この算出方法としては、周知の算出方法を採用できる。
続いて、ステップS7で、第1、第2圧縮機11、21の回転数比の補正がなされる。初期設定において、第1、第2圧縮機11、21の回転数比は、例えば、エジェクタ13のノズル部13aから噴射される冷媒流量(駆動流の流量)Gnと、冷媒吸引口13bから吸入される冷媒流量(吸引流の流量)Geとの比(Gn:Ge)が、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比(AR1:AR2)、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比(AE1:AE2)と同一となるように、設定される。そして、ステップS7では、以下に説明するように、この初期の回転数比が、第1高圧センサ17、第2高圧センサ27の検出結果より適切か否か判断し、不適切であれば、適切な回転数比に補正する。
ここで、図5に、ステップS7における第1、第2圧縮機11、21の回転数比の補正についての詳細なフローチャートを示す。以下、ステップS7の詳細を説明する。
図5に示すように、ステップS71で、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2を読み込む。
続いて、ステップ72で、第1、第2高圧センサ17、27のセンサ値Pd1、Pd2の差を算出し、この差があらかじめ決定した所定値以内であるか判定する。この所定値は、後述するように、成績係数COPが高くなるように、設定されるものであり、例えば、0.2kgf/cm2に設定される。判定した結果、差が所定値内であれば、ステップS73に進み、第1、第2圧縮機11、21の回転数比は初期設定値に維持され、差が所定値内でなければ、ステップS74に進み、差を所定値内とするために、第1、第2圧縮機11、21の回転数比を補正する。
例えば、ステップS74では、第1、第2高圧センサ17、27のセンサ値Pd1、Pd2のどちらか高いかを判定し、その結果、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1の方が高い場合、第1圧縮機11から吐出される冷媒流量(駆動流の流量)Gnを減らすために、第1圧縮機11の回転数を減少させ、第2圧縮機21から吐出される冷媒流量(吸引流の流量)Geを増やすために、第2圧縮機21の回転数を増加させるように、回転数比を補正する。同様に、第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の方が高い場合、第1圧縮機11の回転数を増加させ、第2圧縮機21の回転数を減少させるように、回転数比を補正する。なお、ここでは、第1、第2圧縮機11、21に回転数を同時に調整していたが、どちらか一方のみを調整するようにしても良い。
その後、図4に示すように、ステップS8に進み、上記したステップS4〜S7で決定された制御状態となるように、冷却ファン31の電動モータ31a、ブロワ33の電動モータ33a、第1インバータ回路11aおよび第2インバータ21aに対して制御信号を出力する。これにより、第1、第2圧縮機11、21、冷却ファン31、ブロワ33が作動する。その後、ステップS2に戻り、ステップS2〜S8が繰り返される。なお、2巡目以降において、ステップS7で補正の対象となるのは、前回のステップS7で補正されていれば、補正後の回転数比であり、補正されていなければ、初期設定値である。
上記したエアコンECU50の制御動作により、図1に示す第1圧縮機11および第2圧縮機21が作動すると、第1蒸発器14から流出したガス状冷媒が分岐点Zにおいて分配されて両圧縮機11、21に吸入圧縮される。
第1圧縮機11で圧縮され吐出された高温高圧状態の冷媒は第1放熱器12に流入する。第1放熱器12では高温の冷媒が外気により冷却されて凝縮する。第1放熱器12から流出した高圧液相冷媒は、レシーバ15、温度式膨張弁16を介してエジェクタ13に向かって流れる。
一方、第2圧縮機21で圧縮され吐出された高温高圧状態の冷媒は、第2放熱器22に流入する。第2放熱器22では高温の冷媒が外気により冷却されて凝縮する。第2放熱器22から流出した高圧液相冷媒は、レシーバ25を介して、固定絞り手段23に流入し、この固定絞り手段23で減圧されて低圧冷媒となり、この低圧冷媒が第2蒸発器24に流入する。第2蒸発器24内では、矢印A方向に外部を流れる送風空気から冷媒が吸熱して蒸発する。
第1放熱器12から流出してエジェクタ13に流入した冷媒流れはノズル部13aで減圧され膨張する。したがって、ノズル部13aで冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、このノズル部13aの噴出口から冷媒は高速度の流れとなって噴出する。この際の冷媒圧力低下により、冷媒吸引口13bから分岐冷媒通路20の第2蒸発器24通過後の冷媒(気相冷媒)を吸引する。
ノズル部13aから噴出した冷媒と冷媒吸引口13bから吸引された冷媒は、ノズル部13a下流側の混合部13cで混合してディフューザ部13dに流入する。このディフューザ部13dでは通路面積の拡大により、冷媒の速度(膨張)エネルギーが圧力エネルギーに変換されるため、冷媒の圧力が上昇する。
そして、エジェクタ13のディフューザ部13dから流出した冷媒は第1蒸発器14に流入する。第1蒸発器14内を流れる低温の低圧冷媒は、矢印A方向に外部を流れる送風空気から吸熱して蒸発する。この蒸発後の気相冷媒は、前述の分岐点Zで分流され第1圧縮機11および第2圧縮機21に再び吸入圧縮される。
次に、本実施形態の主な特徴について説明する。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルは、上記の通り、冷媒循環経路10に配置された第1圧縮機11、第1放熱器12、エジェクタ13および第1蒸発器14を備えており、冷媒循環経路10の分岐点Zからエジェクタ13の冷媒吸引口13bまでの冷媒分岐経路20に配置された第2圧縮機21、第2放熱器22、固定絞り手段23および第2蒸発器24を備えている。そして、第1、第2放熱器12、22および第1、第2蒸発器14、24は、第1、第2放熱器12、22間の伝熱面積比と、第1、第2蒸発器14、24間の伝熱面積比とが一致(AR1:AR2=AE1:AE2)する構成となっている。
さらに、エアコンECU50の空調制御において、ステップS7で、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の差があらかじめ決定した所定値以内であるか判定し、この差が所定値内でなければ、この差を所定値内となるように、第1、第2圧縮機11、21の回転数比を補正するようにしている。すなわち、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差が所定値以内となるように、駆動流と吸引流の流量比(G1:G2)を設定している。
ここで、図6(a)に、上記したエジェクタ式冷凍サイクルにおける駆動流および吸引流の流量比と高圧側冷媒の圧力との関係を示し、図6(b)に駆動流および吸引流の流量比と第2蒸発器24の出口乾き度との関係を示し、図6(c)に駆動流および吸引流の流量比と冷凍サイクルの効率を表す指標である成績係数COPとの関係を示す。なお、図6(a)〜(c)中の横軸は、駆動流流量Gnに対する吸引流流量Geの流量比(Ge/Gn)である。
本発明者が実験により、上記した構成のエジェクタ式冷凍サイクルにおける駆動流および吸引流の流量比と第2蒸発器24の出口乾き度との関係について調べたところ、図6(a)、(b)に示すように、駆動流および吸引流の流量比が、駆動流と吸引流の高圧側冷媒の圧力が一致する流量比のとき、第2蒸発器24の出口乾き度が1、すなわち、第2蒸発器24出口の冷媒加熱度SHが0℃となる事実が明らかになった。一般に、冷媒加熱度SHが0℃のとき、第2蒸発器24の冷房能力が最大となることから、図6(c)に示すように、駆動流および吸引流の流量比が、駆動流と吸引流の高圧側冷媒の圧力が一致する流量比(図6中の最適値)のとき、成績係数COPが最高値(MAX)となり、駆動流と吸引流の高圧側冷媒の圧力が一致していなくても、それらの差が小さい範囲(所定値C以内、図6中の最適範囲)であれば、それらの差が大きい場合と比較して、成績係数COPは高いと言える。
なお、この結果は、エジェクタ13のノズル部13aと固定絞り手段23の圧力損失比に関わらず得られる。これは、この圧力損失比によって、COP値は異なるが、図6(c)に示すようなCOPの最高値の位置は変動しないからである。
したがって、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルでは、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差が所定値以内となるように、駆動流と吸引流の流量比(Gn:Ge)を制御するという容易(シンプル)な方法により、効率の良い運転が可能となる。なお、上記の通り、成績係数COPをMAXにするという観点では、駆動流の高圧側冷媒 と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差を0となるように制御することが好ましい。
また、本実施形態では、冷媒分岐経路20のうち、第2放熱器22と第2蒸発器24との間に配置する減圧手段として、固定絞り手段24を用いており、高価な電子膨張弁を用いる必要が無い。また、本実施形態では、少なくとも、駆動流の高圧側冷媒の圧力を検出する第1高圧センサ17と、吸引流の高圧側冷媒の圧力を検出する第2高圧センサ27とを備えていれば、成績係数COPを高くするための制御が可能であることから、制御に必要なセンサの数を抑えることができる。
(第2実施形態)
本実施形態では、第1、第2圧縮機11、21の回転数比を制御する代わりに、第1放熱器12および第2放熱器22での放熱量を制御することにより、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差を所定値以内とする場合を説明する。図7に、本実施形態におけるエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成を示す。なお、図7では、図1と同様の構成部に図1と同一の符号を付している。以下では、第1実施形態と異なる点を説明する。
本実施形態では、第1、第2圧縮機11、21の回転数比を制御する代わりに、第1放熱器12および第2放熱器22での放熱量を制御することにより、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差を所定値以内とする場合を説明する。図7に、本実施形態におけるエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成を示す。なお、図7では、図1と同様の構成部に図1と同一の符号を付している。以下では、第1実施形態と異なる点を説明する。
本実施形態のバス用空調装置では、図1中の第1、第2放熱器12、22用の冷却ファン31の代わりに、図7に示すように、第1、第2放熱器12、22のうち、第1放熱器12のみに冷却風を送風する第1送風機としての第1冷却ファン34と、第2放熱器22のみに冷却風を送風する第2送風機としての第2冷却ファン35とを備えている。
第1冷却ファン34は、第1放熱器12に対応する位置に配置されており、電動モータ34aによって駆動する。同様に、第2冷却ファン35は、第2放熱器12に対応する位置に配置されており、電動モータ35aによって駆動する。両冷却ファン34、35の電動モータ34a、35aは、エアコンECU50によって、回転数が制御されるようになっている。
また、エアコンECU50による空調制御においては、あらかじめ理想的な駆動流と吸引流の流量比(Gn:Ge)が分かっている場合、第1、第2圧縮機11、21の回転数比を、その流量比に応じた回転数比に設定(固定)しておく。例えば、駆動流と吸引流の流量比(Gn:Ge)が、第1、第2放熱器12、22の伝熱面積比(AR1:AR2)、第1、第2蒸発器14、24の伝熱面積比(AE1:AE2)と同一となるような回転数比とする。
そして、本実施形態では、第1実施形態で説明した空調制御を、以下のように変更する。すなわち、ステップS5を、第1、第2冷却ファン34、35の目標回転数を算出するように変更する。このとき、あらかじめ第1、第2冷却ファン34、35の回転数比を設定(初期設定)しておく。また、ステップS7およびステップS74を、第1、第2冷却ファン34、35の回転数比を補正するように変更する。
例えば、ステップS74では、第1、第2高圧センサ17、27のセンサ値Pd1、Pd2のどちらか高いかを判定し、その結果、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1の方が高い場合、駆動流の高圧側冷媒の圧力を下げるために、第1冷却ファン34の回転数を増加させて、第1冷却ファン34の風量を増加させ、その反対に、吸引流の高圧側冷媒の圧力を上げるために、第2冷却ファン35の回転数を減少させて、第2冷却ファン35の風量を減少させる。同様に、第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の方が高い場合、駆動流の高圧側冷媒の圧力を上げるために、第1冷却ファン34の回転数を増加させ、吸引流の高圧側冷媒の圧力を上げるために、第2冷却ファン35の回転数を減少させる。なお、ここでは、第1冷却ファン34と第2冷却ファン35の両方の回転数を同時に調整しているが、どちらか一方のみを変更させるようにしても良い。
本実施形態のように、第1、第2冷却ファン34、35それぞれの風量を調整することによって、第1、第2放熱器12、22それぞれの放熱量を調整して、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差を所定値以内とする制御を行うことでも、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、このようにすることで、コンデンサへの風当たりが均一でない条件下でも、駆動流の高圧側冷媒と、吸引流の高圧側冷媒との圧力差を所定値以内とする制御が可能となる。
(第3実施形態)
第2実施形態では、2つの冷却ファン(第1、第2冷却ファン34、35)を用いることで、第1、第2放熱器12、22それぞれに流れる冷却風の風量比を調整できるようにしていたが、本実施形態の方法によって、第1、第2放熱器12、22それぞれに流れる冷却風の風量比を調整することも可能である。
第2実施形態では、2つの冷却ファン(第1、第2冷却ファン34、35)を用いることで、第1、第2放熱器12、22それぞれに流れる冷却風の風量比を調整できるようにしていたが、本実施形態の方法によって、第1、第2放熱器12、22それぞれに流れる冷却風の風量比を調整することも可能である。
本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルは、第1実施形態で説明した図1に示す冷凍サイクルと同様に、第1、第2放熱器12、22は一体構造(1つの放熱器を第1、第2放熱器12、22に分割した構造)であって、第1、第2放熱器12、22共通の冷却ファン31を備えている。そして、第1、第2放熱器12、22は、第1、第2放熱器12、22に当たる風の風量比を調整するための仕切り部を備えている。
ここで、図8に、本実施形態における第1、第2放熱器12、22の斜視図を示す。図8に示すように、本実施形態の第1、第2放熱器12、22は、両端のタンク61、62の間に平行に配置された複数のチューブ63内を冷媒が同時に流れるマルチフロータイプの熱交換器64を、その内部で第1、第2放熱器12、22の領域(図8では上下2つの領域)に分割した構造のものである。そして、第1、第2放熱器12、22は、風流れの上流側の面であって、第1、第2放熱器12、22の間に配置されており、平板等によって構成される仕切り部65を備えている。
この仕切り部65は、図8に示すように、基本的には、第1、第2放熱器12、22における風流れの上流側の面に対して略垂直となるように配置され、電動モータにより、第1、第2放熱器12、22における風流れの上流側の面に対する角度が変動するように構成されている。すなわち、仕切り部65は、風を第1、第2放熱器12、22に分配するものであり、その傾きを変更することで、風の分配比を変更できるようになっている。
ここで、図9(a)、(b)に、第1、第2放熱器12、22の側面図を示す。
第1放熱器12に流入する風量を増加させたい場合では、例えば、図9(a)に示すように、仕切り部65を第2放熱器22側に傾けて、仕切り部65によって、第2放熱器22への風流れを妨げることで、第2放熱器22に流入する風量を減少させ、第1放熱器12の風量を増加させることができる。
一方、第2放熱器22に流入する風量を増加させたい場合では、例えば、図9(b)に示すように、仕切り部65を第1放熱器12側に傾けて、仕切り部65によって、第1放熱器12への風流れを妨げることで、第1放熱器12に流入する風量を減少させ、第2放熱器22の風量を増加させることができる。
このように、エアコンECU50によって、仕切り部65の電動モータのステップ数を変更する等により、仕切り部65の傾きの制御を行うことで、第1、第2放熱器12、22のそれぞれに流れる冷却風の風量比を調整するようにしても良い。
(他の実施形態)
(1)第1実施形態では、第1、第2圧縮機11、21として、電動圧縮機を用いていたが、電動圧縮機の代わりに、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機を用いてもよい。この場合、エアコンECU50による空調制御では、ステップS7で、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の差があらかじめ決定した所定値以内であるか判定し、この差が所定値内でなければ、この差を所定値内となるように、第1、第2圧縮機11、21の回転数比の代わりに、容量比を補正する。このように、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の差があらかじめ決定した所定値以内となるように、第1、第2圧縮機11、21の冷媒吐出能力比を設定すれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(1)第1実施形態では、第1、第2圧縮機11、21として、電動圧縮機を用いていたが、電動圧縮機の代わりに、吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機を用いてもよい。この場合、エアコンECU50による空調制御では、ステップS7で、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の差があらかじめ決定した所定値以内であるか判定し、この差が所定値内でなければ、この差を所定値内となるように、第1、第2圧縮機11、21の回転数比の代わりに、容量比を補正する。このように、第1高圧センサ17のセンサ値Pd1および第2高圧センサ27のセンサ値Pd2の差があらかじめ決定した所定値以内となるように、第1、第2圧縮機11、21の冷媒吐出能力比を設定すれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(2)上記した各実施形態では、第1、第2放熱器12、22として、1つの放熱器を内部で第1、第2放熱器12、22に分割した構造(第1、第2放熱器12、22が一体構造)のものを用いていたが、第1、第2放熱器12、22が別体構造のものを用いても良い。
同様に、上記した各実施形態では、第1、第2蒸発器14、24として、一体構造のものを用いていたが、別体構造のものを用いても良い。
(3)上記した各実施形態では、2つの圧縮機11、21を用いる場合を例として説明したが、さらに、冷媒循環経路10、冷媒分岐経路20のそれぞれに配置する圧縮機を増やしても良い。
(4)上記した各実施形態では、冷媒として高圧圧力が臨界圧力を超えないフロン系、HC系等の冷媒を用いる蒸気圧縮式の亜臨界サイクルについて説明したが、冷媒として二酸化炭素(CO2)のように高圧圧力が臨界圧力を超える冷媒を用いる蒸気圧縮式の超臨界サイクルに本発明を適用してもよい。
ただし、超臨界サイクルでは、第1、第2圧縮機11、21の吐出冷媒が第1、第2放熱器12、22で超臨界状態のまま放熱するのみであり、凝縮しないので、高圧側に配置されるレシーバ15、25では冷媒の気液分離作用および余剰液冷媒の貯留作用を発揮できない。そこで、超臨界サイクルでは、第1蒸発器14の出口側に低圧側気液分離器をなすアキュムレータを配置する構成を採用すればよい。
(5)上記した各実施形態では、バス等の車両用空調装置に適用される冷凍サイクルについて説明したが、定置用等の他の用途の冷凍サイクルにおいても、本発明を適用できる。
11…第1圧縮機、11a…第1インバータ回路、
12…第1放熱器、13…エジェクタ、
13a…ノズル部、13b…冷媒吸引口、13c…混合部、
13d…ディフューザ部、14…第1蒸発器、17…第1高圧センサ、
21…第2圧縮機、21a…第2インバータ回路、
22…第2放熱器、23…固定絞り、24…第2蒸発器、
27…第2高圧センサ、31…冷却ファン、33…ブロワ、
34…第1冷却ファン、35…第2冷却ファン、50…エアコンECU。
12…第1放熱器、13…エジェクタ、
13a…ノズル部、13b…冷媒吸引口、13c…混合部、
13d…ディフューザ部、14…第1蒸発器、17…第1高圧センサ、
21…第2圧縮機、21a…第2インバータ回路、
22…第2放熱器、23…固定絞り、24…第2蒸発器、
27…第2高圧センサ、31…冷却ファン、33…ブロワ、
34…第1冷却ファン、35…第2冷却ファン、50…エアコンECU。
Claims (7)
- 冷媒を吸入圧縮して吐出する第1圧縮機(11)と、
前記第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う第1放熱器(12)と、
前記第1放熱器(12)から流出した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とともに、ノズル開度が固定されているノズル部(13a)、前記ノズル部(13a)から噴射する冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口(13b)および前記ノズル部(13a)から噴射する冷媒と前記冷媒吸引口(13b)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(13c、13d)を有するエジェクタ(13)と、
前記エジェクタ(13)から流出した冷媒を蒸発させるとともに、蒸発した冷媒を前記第1圧縮機(11)に吸入させる第1蒸発器(14)と、
前記第1蒸発器(14)と前記第1圧縮機(11)との間の冷媒流れを分岐して、この冷媒流れを前記冷媒吸引口(13b)に導く冷媒分岐経路(20)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、冷媒を吸入圧縮して吐出する第2圧縮機(21)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う第2放熱器(22)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記第2放熱器(22)から流出した冷媒を減圧膨張させる固定絞り手段(23)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記固定絞り手段(23)で減圧された冷媒を蒸発させる第2蒸発器(24)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルであって、
前記第1、第2放熱器および前記第1、第2蒸発器は、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)の伝熱面積比率(AR1:AR2)が、前記第1蒸発器(14)と前記第2蒸発器(24)の伝熱面積比率(AE1:AE2)と一致するように構成されており、
前記第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第1圧力検出手段(17)と、
前記第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第2圧力検出手段(27)と、
前記第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と前記第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が、所定値以内となるように、前記第1圧縮機(11)の冷媒吐出能力と前記第2圧縮機(21)の冷媒吐出能力との比を制御する制御手段(50)とを備えることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記第1、第2圧縮機(11、21)は回転数の変化により吐出能力を調整できる電動圧縮機であり、
前記制御手段(50)は、前記差が所定値以内となるように、前記第1圧縮機(11)と前記第2圧縮機(22)の回転数比を制御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式冷凍サイクル。 - 前記第1、第2圧縮機(11、21)は吐出容量の変化により冷媒吐出能力を調整できる可変容量型圧縮機であり、
前記制御手段(50)は、前記差が所定値以内となるように、前記第1圧縮機(11)と前記第2圧縮機(22)の容量比を制御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式冷凍サイクル。 - 冷媒を吸入圧縮して吐出する第1圧縮機(11)と、
前記第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う第1放熱器(12)と、
前記第1放熱器(12)から流出した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とともに、ノズル開度が固定されているノズル部(13a)、前記ノズル部(13a)から噴射する冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口(13b)および前記ノズル部(13a)から噴射する冷媒と前記冷媒吸引口(13b)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(13c、13d)を有するエジェクタ(13)と、
前記エジェクタ(13)から流出した冷媒を蒸発させるとともに、蒸発した冷媒を前記第1圧縮機(11)に吸入させる第1蒸発器(14)と、
前記第1蒸発器(14)と前記第1圧縮機(11)との間の冷媒流れを分岐して、この冷媒流れを前記冷媒吸引口(13b)に導く冷媒分岐経路(20)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、冷媒を吸入圧縮して吐出する第2圧縮機(21)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の放熱を行う第2放熱器(22)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記第2放熱器(22)から流出した冷媒を減圧膨張させる固定絞り手段(23)と、
前記冷媒分岐経路(20)に配置され、前記固定絞り手段(23)で減圧された冷媒を蒸発させる第2蒸発器(24)とを備えるエジェクタ式冷凍サイクルであって、
前記第1、第2放熱器および前記第1、第2蒸発器は、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)の伝熱面積比率(AR1:AR2)が、前記第1蒸発器(14)と前記第2蒸発器(24)の伝熱面積比率(AE1:AE2)と一致するように構成されており、
前記第1圧縮機(11)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第1圧力検出手段(17)と、
前記第2圧縮機(21)から吐出された高圧冷媒の圧力を検出する第2圧力検出手段(27)と、
前記第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と前記第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が、所定値以内となるように、前記第1放熱器(12)での高圧冷媒の放熱量と、前記第2放熱器(22)での高圧冷媒の放熱量の比を制御する制御手段(50)とを備えることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記第1放熱器(12)に対応して配置され、前記第1放熱器(12)に送風する第1送風機(34)と、
前記第2放熱器(22)に対応して配置され、前記第2放熱器(22)に送風する第2送風機(35)とを備えており、
前記制御手段(50)は、前記差が所定値以内となるように、前記第1送風機(34)と前記第2送風機(35)の送風量比を制御するようになっていることを特徴とする請求項4に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)は、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)に流入する風の方向に対して並列方向に配置されており、
前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)よりも風流れの上流側であって、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)との間に配置され、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)とに流入する風を仕切る平板状の仕切り部(65)を備え、
前記仕切り部(65)は、その傾きを変えることで、前記第1放熱器(12)と前記第2放熱器(22)とに流入する風の風量比を変更できるようになっており、
前記制御手段(50)は、前記差が所定値以内となるように、前記仕切り部(65)の傾きを調整することにより、記第1放熱器(12)に流入する風量と、前記第2放熱器(22)に流入する風量との比を制御するようになっていることを特徴とする請求項4に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。 - 前記制御手段(50)は、前記第1圧力検出手段(17)が検出した冷媒圧力と前記第2圧力検出手段(27)が検出した冷媒圧力の差が無くなるように、制御するようになっていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
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-
2006
- 2006-09-27 JP JP2006262559A patent/JP2008082614A/ja not_active Withdrawn
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