JP2010085042A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタをバイパスする通常運転時の圧力損失を低減し、冷凍サイクルの性能を向上させた冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】放熱器である凝縮器２の出口部と、第１絞り装置１１の出口部との間の配管経路上に第２絞り装置１２を設置し、エジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂと、エジェクタ３の出口部との間の配管経路上に逆止弁１３を設置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、エジェクタを利用する冷凍サイクル装置に関するものであり、特にエジェクタと通常の絞り装置を運転状態に応じて切換える冷媒回路構成に関するものである。

従来のエジェクタを利用する冷凍サイクル装置として、エジェクタの性能が低下した場合にもエジェクタをバイパスすることによって運転を可能とし、かつ２つの蒸発器を有効に利用するものがある（例えば、特許文献１参照）。
圧縮機１、放熱器２、エジェクタ３、分配器７、分配器７の気液二相出口と接続する第１蒸発器５１が順次環状に接続されて第１の回路を構成し、さらに分配器７の液冷媒出口とエジェクタ３の吸引部が、第１絞り装置４及び第２蒸発器５２を介して接続されて第２の回路を構成し、冷媒が第１の回路と第２の回路を循環する冷凍サイクル装置において、第２絞り装置６は、放熱器２の出口部と第１絞り装置４の出口部とを接続する配管に設けられ、第１蒸発器５１の過熱度を予め設定した値と比較して設定値よりも大きいときには第１絞り装置４を閉止し、第２絞り装置６を開放する、というものである。

このような構成によって、エジェクタ３が閉塞して性能が低下した場合にも２つの蒸発器を有効に利用して所定の冷却能力を得る冷凍サイクル装置を提供できる、というものであった。

特開２００７−２５５８１７号公報（第５頁、図１）

しかしながら、従来のエジェクタを利用する冷凍サイクル装置は、エジェクタをバイパスする通常運転において、エジェクタの吸引部を通過する際に発生する圧力損失によって、その性能が低下するという課題があった。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、エジェクタをバイパスする通常運転時の圧力損失を低減し、冷凍サイクルの性能を向上させた冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を放熱させて冷却する放熱器と、該放熱器から出た前記冷媒を減圧及び膨張させて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、該エジェクタから出た前記冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とが順次配管によって環状に接続されて構成された第１の回路と、前記気液分離器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部との間が、前記液冷媒出口部から出た前記液冷媒を減圧する第１絞り装置、及び該第１絞り装置から出た前記液冷媒を蒸発させる蒸発器を介して配管によって接続されて構成された第２の回路と、前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部との間の配管経路上に設けられた第２絞り装置と、前記エジェクタの吸引部と前記エジェクタの出口部との間の配管経路上に設けられた開閉弁と、を備え、前記第２絞り装置を使用するバイパスサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧縮回復動作が実施されず、前記第１絞り装置を使用するエジェクタサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧縮回復動作が実施されることを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置において、エジェクタをバイパスしてエジェクタによる冷媒の圧力回復動作を実施しない運転において、エジェクタの吸引部を通過することによって生じる圧力損失を低減し、高効率な冷却性能を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
冷媒を圧縮する圧縮機１、放熱器である凝縮器２、冷媒を減圧するエジェクタ３、気液二相流となった冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する気液分離器４が、順に配管で接続され、第１の冷媒回路が構成されている。そして、気液分離器４の液冷媒出口部とエジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂ（後述の図２参照）が、液冷媒を減圧する電子膨張弁である第１絞り装置１１、及び液冷媒を蒸発させる蒸発器５を介して配管で接続されて第２の冷媒回路が構成されている。これらの冷媒回路には冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい冷媒、例えば、ＧＷＰが１０未満であるＨＦＯ１２３４ｙｆが封入されている。また、凝縮器２の出口部と、第１絞り装置１１の出口部との間の配管経路上には、電子膨張弁である第２絞り装置１２が設置されている。そして、エジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂと、エジェクタ３の出口部との間の配管経路上には、開閉弁として、例えば逆止弁１３が設置されている。

図２は、実施の形態１に係る冷媒サイクル装置のエジェクタ３の構造図である。
エジェクタ３は、ノズル部４３、混合部４４及びディフューザ部４５から構成された固定絞り式の構造となっており、そのノズル部４３は、さらに減圧部４３ａ、喉部４３ｃ、末広部４３ｂから構成されている。エジェクタ３は、液冷媒流入部４１ａから流入した駆動流である高圧の液体の冷媒Ｅ１を、減圧部４３ａにおいて減圧・膨張させて気液二相冷媒とし、喉部４３ｃにおいて気液二相の冷媒Ｅ１の流通速度を音速とし、さらに末広部４３ｂにおいてその流通速度を超音速として、最終的に気液二相の冷媒Ｅ１を減圧及び加速させる。また、ガス冷媒吸引部４１ｂを通してガス冷媒Ｅ２が吸引される。このとき、気液二相の冷媒Ｅ１とガス冷媒Ｅ２は、混合部４４において混合され、乾き度の高い気液二相冷媒となって、ある程度圧力が回復し、そして、ディフューザ部４５においてさらに圧力が回復してエジェクタ３から流出する。

上記のように構成された冷凍サイクル装置において、図１及び図２を参照しながら、その運転動作を説明する。
まず、エジェクタ３を利用して冷媒の圧力を回復させる運転（以下、エジェクタサイクル運転という）について説明する。エジェクタサイクル運転においては、第２絞り装置１２は全閉に設定され、逆止弁１３はエジェクタ３内部での昇圧作用によって閉止状態となる。圧縮機１において圧縮され吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２に送られ、凝縮器２において空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、中温・高圧の液冷媒となってエジェクタ３に流入する。エジェクタ３へ流入した液冷媒は、ノズル部４３で減圧・加速されて気液二相冷媒となり、混合部４４へ流入する。その気液二相冷媒は、混合部４４において、ガス冷媒吸引部４１ｂから流入するガス冷媒と混合し乾き度の高い気液二相冷媒となって、駆動流としての運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて圧力回復する。その後、この気液二相冷媒は、ディフューザ部４５でさらに圧力が回復し、エジェクタ３から流出する。エジェクタ３から流出した時点で、気液二相冷媒は、エジェクタ３に流入する液冷媒の圧力と比較して最終的には減圧されており、その後、気液分離器４に流入する。その気液分離器４では、流入した気液二相冷媒が液冷媒とガス冷媒に分離され、その内ガス冷媒は圧縮機１へ流入する。ガス冷媒が戻るＵ字管には油戻し穴（図示せず）が設けられており、気液分離器４内に滞留した油が圧縮機１へ返される。一方、気液分離器４から分離された液冷媒は、第１絞り装置１１で減圧された後、蒸発器５に流入し、蒸発器５において被冷却媒体である空気から吸熱して蒸発し、ガス冷媒となって、エジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂに吸引される。以上の動作から、エジェクタ３が用いられることで、圧縮機１の吸入されるガス冷媒の圧力を高めることができ、圧縮機１の消費電力が小さくなって高効率な運転が可能となる。

次に、エジェクタ３を利用して昇圧作用を実施せずバイパスさせる運転（以下、バイパスサイクル運転という）について説明する。環境温度の変化に伴い蒸発温度が上昇又は低下し、エジェクタ３での絞り量が不足又は過剰となる場合や、喉部４３ｃのゴミ詰りでエジェクタ３が閉塞した場合には、第２絞り装置１２が開放され、エジェクタ３をバイパスする回路を利用したバイパスサイクル運転が実施される。エジェクタ３の絞り量が不足又は過剰であることの判定については、例えば外気温度若しくは室内温度、又は冷媒回路各部の温度若しくは圧力情報から判断し、エジェクタ３の閉塞については、例えば蒸発器５の出口部の過熱度が目標値よりも過大となることで判断すれば良い。バイパスサイクル運転においては、第１絞り装置１１は全閉に設定され、逆止弁１３はエジェクタ３の内部で昇圧作用を生じないことから開放状態となる。このとき、圧縮機１において圧縮され吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２に送られ、凝縮器２において空気へ放熱して自身は凝縮・液化し、中温・高圧の液冷媒となって第２絞り装置１２に流入する。第２絞り装置１２へ流入した液冷媒は、減圧され、蒸発器５に流入し、蒸発器５において被冷却媒体である空気から吸熱して蒸発し、ガス冷媒となった後、その主流は逆止弁１３を通って、エジェクタ３を回避し、副流はエジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂから流入し、混合部４４及びディフューザ部４５を通りエジェクタ３から流出し、主流と合流して、気液分離器４に流入する。その気液分離器４に流入したガス冷媒は、第１絞り装置１１が閉止されているため、圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。以上の動作が繰り返され、蒸発器５を利用した通常の冷凍サイクルが成立する。このとき、逆止弁１３の内部流動抵抗は、エジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂからディフューザ部４５に至る内部流動抵抗に比べて十分に小さいので、圧力損失を低減させることができる。

以上のような動作により、実施の形態１では、バイパスサイクル運転において、エジェクタ３を回避する開閉弁（逆止弁１３）を設けたので、圧力損失を低減し、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の圧力が低下するのを防ぎ、冷凍サイクルの性能が向上し、ＣＯＰ（成績係数）が向上する。
また、冷媒として、低圧でのガス密度が小さい（圧力損失が大きい）ＨＦＯ１２３４ｙｆが用いられているので、圧縮機１の吸入部に到達した時点で冷媒の圧力が低減してしまうのを防ぐ効果が他の冷媒に比べて大きく、高効率の冷凍サイクル装置を提供することができる。

なお、本実施の形態における逆止弁は、エジェクタ３の昇圧量（例えば、１０ｋＰａ）で閉止されるように内部の流動抵抗が設計されていることは言うまでもない。
また、冷媒として使用されるＨＦＯ１２３４ｙｆは、低圧でのガス密度が小さいため、圧力損失が大きいという特徴を有しているが、ＨＦＯ１２３４ｙｆの例に限らず、Ｒ３２等を加え、ＧＷＰが５００未満に調整した非共沸混合冷媒を用いても良く、この場合も同様の効果を発揮する。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図であり、図４は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置のエジェクタ３の構造図である。図３及び図４で示される実施の形態２に係る冷凍サイクル装置において、前述の実施の形態１のものと相違する構成を中心に説明する。
図３で示されるように、実施の形態２においては、実施の形態１における逆止弁１３のようなエジェクタ３を回避するような開閉弁は設けられていない。また、エジェクタ３のノズル部４３は、電磁コイル４０に接続されており、可動式となっていて、そのノズル部４３への冷媒の入口である液冷媒流入部４１ａは左右２箇所となっている。また、図４で示されるように、エジェクタ３は、電磁コイル４０、フレキシブルチューブ４２、ノズル部４３、混合部４４及びディフューザ部４５から構成されている。ノズル部４３は、電磁コイル４０の通電時に混合部４４の入口部からの距離が大きくなる方向へ移動し、非通電時に混合部４４の入口部からの距離が小さくなる方向へ移動する。なお、各部の構成や作用は実施の形態１と同様である。

上記のように構成された冷凍サイクル装置において、図３及び図４を参照しながら、その運転動作を説明する。運転動作についても実施の形態１と相違する動作を中心に説明する。
まず、エジェクタサイクル運転では、電磁コイル４０は通電されず、ノズル部４３は、混合部４４の入口部と適切な距離が保持され、固定状態となる。その他の動作については、実施の形態１におけるエジェクタサイクル運転と同様である。
次に、バイパスサイクル運転について説明する。エジェクタ３での絞り量が不足又は過剰となる場合や、喉部４３ｃのゴミ詰りでエジェクタ３が閉塞した場合には、第２絞り装置１２が開放され、エジェクタ３をバイパスする回路を利用したバイパスサイクル運転が実施される。バイパスサイクル運転においては、電磁コイル４０が通電され、ノズル部４３が電磁コイル４０側に引き寄せられることによって、ノズル部４３の外壁と吸引流路壁４７の内壁で形成される環状流路４６の断面積が増加する。そして、第２絞り装置１２で減圧された液冷媒は、蒸発器５に流入し、蒸発器５において被冷却媒体である空気から吸熱して蒸発し、ガス冷媒となった後、全ガス冷媒がエジェクタ３のガス冷媒吸引部４１ｂから流入し、混合部４４及びディフューザ部４５を通り、エジェクタ３から流出し、気液分離器４に流入する。このとき、電磁コイル４０が導通されてノズル部４３が電磁コイル４０側に引き寄せられることによって、ノズル部４３の外壁と吸引流路壁４７の内壁で形成される環状流路４６の断面積が、ノズル部４３が引き寄せられる前の状態の断面積よりも増加することによって、エジェクタ３内の内部流動抵抗が小さくなり、圧力損失を低減させることができる。

以上のような動作により、実施の形態２では、エジェクタ３内のノズル部４３を電磁コイル４０によって可動とし、バイパスサイクル運転において、ノズル部４３の外壁と吸引流路壁４７の内壁で形成される環状流路４６の断面積が増加する方向にノズル部４３を移動させることによって、エジェクタ３内での圧力損失を低減し、圧縮機１に吸入されるガス冷媒の圧力が低下するのを防ぎ、冷凍サイクルの性能が向上し、ＣＯＰ（成績係数）が向上する。

なお、実施の形態２では、ノズル部４３への冷媒の入口である液冷媒流入部４１ａが２箇所設けられ、フレキシブルチューブ４２によってノズル部４３の移動時の変位を吸収する例が示されているが、これに限るものではなく、ノズル部４３を移動できる機能があればどのような構造を用いても良い。
また、実施の形態２では、ノズル部４３は、電磁コイル４０の通電時に混合部４４の入口部から距離が大きくなる方向へ移動し、非通電時に混合部４４の入口部からの距離が小さくなる方向へ移動する動作となっているが、これに限らず、電磁コイル４０の通電時及び非通電時におけるノズル部４３の移動方向を逆とするものとしてもよい。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のエジェクタの構造図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置のエジェクタの構造図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ エジェクタ、４ 気液分離器、５ 蒸発器、１１ 第１絞り装置、１２ 第２絞り装置、１３ 逆止弁、４０ 電磁コイル、４１ａ 液冷媒流入部、４１ｂ ガス冷媒吸引部、４２ フレキシブルチューブ、４３ ノズル部、４３ａ 減圧部、４３ｂ 末広部、４３ｃ 喉部、４４ 混合部、４５ ディフューザ部、４６ 環状流路、４７ 吸引流路壁。

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を放熱させて冷却する放熱器と、該放熱器から出た前記冷媒を減圧及び膨張させて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、該エジェクタから出た前記冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とが順次配管によって環状に接続されて構成された第１の回路と、
   前記気液分離器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部との間が、前記液冷媒出口部から出た前記液冷媒を減圧する第１絞り装置、及び該第１絞り装置から出た前記液冷媒を蒸発させる蒸発器を介して配管によって接続されて構成された第２の回路と、
   前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部との間の配管経路上に設けられた第２絞り装置と、
   前記エジェクタの吸引部と前記エジェクタの出口部との間の配管経路上に設けられた開閉弁と、
   を備え、
   前記第２絞り装置を使用するバイパスサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧力回復動作が実施されず、
   前記第１絞り装置を使用するエジェクタサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧力回復動作が実施される
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記開閉弁は、
   前記バイパスサイクル運転時には、開状態となり、
   前記エジェクタサイクル運転時には、閉状態となる
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記開閉弁として、逆止弁を備え、
   該逆止弁は、前記冷媒を、前記エジェクタの吸引部からその出口部へ向かう方向にのみ通過させる
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記バイパスサイクル運転時には、前記冷媒の一部は、前記開閉弁を通過し、その残りは、前記エジェクタの吸引部から流入しその出口部から流出する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の冷凍サイクル装置。
5. 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出された前記冷媒を放熱させて冷却する放熱器と、該放熱器から出た前記冷媒を減圧及び膨張させて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して前記圧縮機の吸入圧力を高めるエジェクタと、該エジェクタから出た前記冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する気液分離器とが順次配管によって環状に接続されて構成された第１の回路と、
   前記気液分離器の液冷媒出口部と前記エジェクタの吸引部との間が、前記液冷媒出口部から出た前記液冷媒を減圧する第１絞り装置、及び該第１絞り装置から出た前記液冷媒を蒸発させる蒸発器を介して配管によって接続されて構成された第２の回路と、
   前記放熱器の出口部と前記第１絞り装置の出口部との間の配管経路上に設けられた第２絞り装置と、
   を備え、
   前記エジェクタの構成部品であるノズル部は、可動式であり、
   前記第２絞り装置を使用するバイパスサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧力回復動作が実施されず、
   前記第１絞り装置を使用するエジェクタサイクル運転においては、前記エジェクタによって前記冷媒の圧力回復動作が実施される
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 前記ノズル部は、
   前記バイパスサイクル運転時には、前記ノズル部の外壁と前記エジェクタの吸引部の内壁で構成される冷媒流路の断面積を拡大する方向に移動し、
   前記エジェクタサイクル運転時には、前記冷媒流路の断面積を縮小する方向に移動する
   ことを特徴とする請求項５記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記エジェクタは、電磁コイルを有し、
   前記ノズル部は、前記電磁コイルが通電されることによって移動する
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１０未満の冷媒を使用する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記冷媒として、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５００未満の非共沸混合冷媒を使用する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。

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