JP3690030B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エジェクタを組み込んだ冷凍サイクルを備えた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、特開平５−３１２４２１号公報には、冷媒圧縮機、冷媒凝縮器、エジェクタ、第１冷媒蒸発器および気液分離器を冷媒配管により環状に連結すると共に、気液分離器で気相冷媒と分離された液相冷媒を減圧装置、第２冷媒蒸発器を設置したバイパス配管を介してエジェクタの吸引部に吸引させるようにした冷凍サイクルを備えた冷凍装置が提案されている。
【０００３】
そして、上記の従来の冷凍装置の冷凍サイクルは、図５に示したように、エジェクタ１０１のノズル１０２を通過する冷媒流量を調整して冷媒圧縮機の低速運転時の冷凍能力を増大させるか、あるいは高速運転時に余裕のある冷凍能力を適正化するために、エジェクタ１０１内のノズル１０２に、ノズル径を増減するための可変絞り弁１０３を設けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術においては、エジェクタ１０１のノズル１０２内に可変絞り弁１０３を設置して、ノズル１０２の入口乾き度（またはサブクール度）を調整することにより冷媒流量を制御しているので、ノズル出口径が冷媒流量に対して常に最適な出口径になるとは限らず、ノズル効率の低下を招き（図６参照）、充分な冷凍能力が得られないという問題が生じる。
【０００５】
そこで、図７に示したように、ニードル弁１０４によりノズル出口径を可変できるノズル１０５も提案されているが、そのニードル弁１０４もノズル１０５内を流れる冷媒の抵抗部材となるため、上記と同様に、ノズル出口径が冷媒流量に対して常に最適な出口径になるとは限らず、ノズル効率の低下を招く（図８参照）。また、ノズル効率が低下した場合に、第２冷媒蒸発器に供給される冷媒流量が充分得られないので、エジェクタ１０１内の昇圧が低下してしまう（図９参照）。これにより、冷媒圧縮機の吸入圧力が低下するため、冷凍サイクル内を循環する冷媒の循環量が低下し、冷凍サイクルの冷凍能力が低下するという問題が生じている。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、エジェクタのノズル効率に影響を与えないエジェクタの吸引側に冷媒圧送手段（冷媒ポンプ）を設置することにより、エジェクタのノズル効率が低下した時でも充分な冷凍能力を確保することのできる冷凍装置を提供することにある。また、冷凍サイクルの蒸発圧力やエジェクタのノズル効率を最適値で使用して冷凍サイクルの冷凍能力の低下を防止することのできる冷凍装置を提供することにある。さらに、冷媒圧縮機の回転速度の増減に拘らず冷凍サイクルの冷凍能力を略一定値に保つことのできる冷凍装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、エジェクタのノズルに冷媒流量調整手段を設けるのではなく、冷凍サイクルの気液分離器の液相冷媒側とエジェクタの吸引部とを連結するバイパス配管の途中に、冷媒圧縮機の回転速度の増減に拘らず、気液分離器内の液相冷媒を冷媒蒸発器に強制的に圧送する冷媒圧送手段を設置している。これによって、エジェクタのノズル効率にあまり影響を与えない。また、前記冷媒圧縮機の回転速度の変動によって生じる前記冷媒蒸発器に流入する冷媒流量の変動分を吸収するように前記冷媒圧送手段を制御することにより、冷媒圧縮機の回転速度の増減に拘らず、冷媒圧縮機に吸引される冷媒流量および冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を所定値に保って、気液分離器内の液相冷媒を冷媒蒸発器に強制的に循環させることにより、昇圧性能が向上し、冷凍サイクルの蒸発圧力やエジェクタのノズル効率が最適値で使用できる。これにより、冷凍サイクルの冷凍能力の低下を抑えることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、過熱度検出手段で検出した冷媒蒸発器の出口側の過熱度が設定値となるように冷媒ポンプの回転速度を増速または減速して冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を調節することにより、冷媒蒸発器に供給される冷媒流量の変化が抑えられるので、冷媒蒸発器での熱伝達率が大幅に低下することはない。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、回転速度検出手段で検出した冷媒圧縮機の回転速度が増加すればする程、冷媒ポンプの回転速度を遅くして冷媒圧縮機に吸引される冷媒流量および冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を調節することにより、冷媒圧縮機の回転速度の変動によって生じる、冷媒蒸発器に流入する冷媒の変動分を吸収できる。それによって、冷媒圧縮機の吸入圧力を制御することにより、冷媒圧縮機の吸入比容積を変化させて、冷媒圧縮機に吸引される冷媒流量を略一定値に保つこともできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔実施例の構成〕
図１ないし図４は本発明の実施例を示したもので、図１（ａ）は車両用空気調和装置の冷凍サイクルを示した図で、図１（ｂ）は車両用空気調和装置の通風系を示した図で、図２は車両用空気調和装置の制御系を示した図である。
【００１１】
本実施例の車両用空気調和装置は、車両走行用の動力エンジンを搭載する車両の車室内を空調する空調ユニット１の各空調手段を、後記する空調制御装置１０によって制御するようにしたエアコンである。空調ユニット１は、車室内に空調空気を導く空気通路を形成する空調ケース２と、この空調ケース２の上流端に結合された送風機３とを備えている。
【００１２】
空調ケース２内には、後記する冷凍サイクル９の一構成を成すエバポレータ、およびこのエバポレータを通過した冷風を再加熱するヒータコア４が設けられている。そして、ヒータコア４の上流側と下流側とには、ヒータコア４を通過する空気量とヒータコア４を迂回する空気量とを調節する２個のエアミックスドア５が取り付けられている。
【００１３】
送風機３は、空調ケース２の空気通路内において車室内に向かう空気流を発生させる遠心式ファン６、この遠心式ファン６を回転駆動するブロワモータ７、および遠心式ファン６を回転自在に収容するスクロールケーシング８等から構成されている。なお、スクロールケーシング８は、例えば空調ケース２の上流端に一体的に結合されている。
【００１４】
次に、本実施例の冷凍サイクル９の構成を図１（ａ）に基づいて説明する。
冷凍サイクル９は、所謂エジェクタサイクルであって、車両に搭載された動力エンジンの駆動力によって気相冷媒（以下ガス冷媒と呼ぶ）を圧縮するコンプレッサ（冷媒圧縮機）１１と、圧縮されたガス冷媒を凝縮液化させるコンデンサ（冷媒凝縮器）１２と、凝縮液化された液相冷媒（以下液冷媒と呼ぶ）を減圧膨張させるエジェクタ１３と、減圧膨張された気液二相冷媒を気液分離する気液分離器１４と、液冷媒を吸引する冷媒ポンプ１５と、流入した冷媒を蒸発気化させるエバポレータ（冷媒蒸発器）１６とから構成されている。
【００１５】
コンプレッサ１１は、コンデンサ１２、エジェクタ１３および気液分離器１４と共に、冷媒配管（冷媒流路）１７によって環状に連結されている。このコンプレッサ１１には、動力エンジンからコンプレッサ１１への回転動力の伝達を断続する電磁クラッチ（図２参照）１８が連結されている。この電磁クラッチ１８が通電された時に、動力エンジンの回転動力がコンプレッサ１１に伝達されてエバポレータ１６による空気冷却作用が行われる。コンデンサ１２の近傍には、このコンデンサ１２内を流れる冷媒を冷却する冷却風を送る冷却ファン１９が設置されている。
【００１６】
エジェクタ１３は、コンデンサ１２から流入した液冷媒をノズル２１より噴出することによって減圧霧化すると共に、吸引部２２よりガス冷媒を吸引して、ディフューザ２３内で液冷媒とガス冷媒とを混合すると共に昇圧した後に気液分離器１４へ気液二相状態の冷媒を送る減圧手段である。気液分離器１４は、冷媒入口部２４とガス冷媒出口部２５と液冷媒出口部（液相冷媒側）２６とを有している。
【００１７】
冷媒ポンプ１５は、本発明の冷媒圧送手段に相当する部品で、気液分離器１４の液冷媒出口部２６とエジェクタ１３の吸引部２２とを連結するバイパス配管（バイパス流路）２７のうちエバポレータ１６よりも上流側（の入口側）に設置されている。この冷媒ポンプ１５は、ＯＮ／ＯＦＦの間隔を変更することによって、エバポレータ１６に流入する冷媒流量を調節する部品である。例えば冷媒ポンプ１５のＯＮ時間を長くとれば長くとる程、エバポレータ１６に流入する冷媒流量が多くなる。エバポレータ１６は、上記のバイパス配管２７の途中に設置され、内部を流れる冷媒と空調ケース２内を通過する空気とを熱交換して空気を冷却する空気冷却手段である。
【００１８】
空調制御装置１０は、本発明の空調制御手段に相当する部品で、イグニッションスイッチがオンされたときにバッテリ３０から電源が供給されて、車室内前面に設けられた操作パネル上の各スイッチからのスイッチ信号を入力し、各種の制御処理を行う。なお、空調制御装置１０内には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータが設けられ、リレーコイル３４を通電することによりリレースイッチ３５が閉じて冷媒ポンプ１５を通電し、リレーコイル３６を通電することによりリレースイッチ３７が閉じて電磁クラッチ１８が通電される。
【００１９】
また、空調制御装置１０は、エバポレータ１６の出口側の温度を検出する出口温度センサ３１、エバポレータ１６の出口側の圧力（冷凍サイクル９の低圧圧力、蒸発圧力）を検出する出口圧力センサ３２、およびコンプレッサ１１の回転速度を検出する回転速度センサ３３等の各センサからセンサ信号を入力する。出口温度センサ３１と出口圧力センサ３２は、本発明の過熱度検出手段に相当する部品であり、回転速度センサ３３は、本発明の回転速度検出手段に相当する部品である。
【００２０】
そして、空調制御装置１０は、出口温度センサ３１で検出したエバポレータ１６の出口側の温度とエバポレータ１６の出口側の圧力とからエバポレータ１６の出口側の過熱度を算出し、この過熱度が設定値（例えば１℃〜２℃）となるように冷媒ポンプ１５の回転速度を制御してエバポレータ１６に流入する冷媒流量を調節するようにしている。また、空調制御装置１０は、回転速度センサ３３で検出したコンプレッサ１１の回転速度を入力し、このコンプレッサ１１の回転速度の変動によって生じる、エバポレータ１６に流入する冷媒流量の変動分を吸収するために冷媒ポンプ１５の回転速度を制御してコンプレッサ１１に吸引される冷媒流量およびエバポレータ１６に流入する冷媒流量を調節するようにしている。
【００２１】
〔実施例の作用〕
次に、本実施例の空調ユニット１の作用を図１ないし図４に基づいて簡単に説明する。ここで、図３は図１（ａ）における冷凍サイクル９の冷媒回路の冷媒の状態点をモリエル線図上に描いたもので、図１（ａ）の冷凍サイクル９の冷媒回路上のａ〜ｆの冷媒の状態が図３のモリエル線図上のａ〜ｆに対応する。
【００２２】
また、図３中のＰＨは冷凍サイクル９の高圧圧力（凝縮圧力）で、ＰＤはコンプレッサ１１の吸入圧力で、ＰＬは冷凍サイクル９の低圧圧力（蒸発圧力）で、ＰＳはノズル２１の出口圧力である。そして、図３中のＧｅは冷媒ポンプ１５の吸引力によるエバポレータ１６に流入する冷媒流量で、Ｇｎはコンプレッサ１１の吸引力による冷媒流量である。ΔＰはエジェクタ１３の昇圧圧力で、Δｉｅはノズル２１での断熱熱落差で、Δｉｒはエジェクタ１３によるコンプレッサ１１の圧縮仕事回収分である。
【００２３】
コンプレッサ１１で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒（状態点ｂ）は、コンデンサ１２で凝縮液化されて高温高圧の液冷媒になって（状態点ｃ）、エジェクタ１３内に流入する。エジェクタ１３内に流入した液冷媒は、ノズル２１を通過する際に減圧されて状態点ｄ2 に至り、さらにディフューザ２３を通過する際に昇圧されて状態点ｄとなる。
【００２４】
このとき、ノズル２１を液冷媒が通過する際にノズル２１から高速で噴出する冷媒回りの圧力低下を利用して、エジェクタ１３の吸引部２２にバイパス配管２７から状態点ｄ1 のガス冷媒が吸引される。このため、コンデンサ１２から流入した液冷媒とバイパス配管２７から吸引されたガス冷媒とがディフューザ２３内で混合する。これにより、エジェクタ１３より流出する気液二相状態の冷媒は、状態点ｄ1 、ｄ2 およびコンデンサ１２からの冷媒流量とエバポレータ１６からの冷媒流量とにより決まる状態点ｄとなる。
【００２５】
その後に、気液二相状態の冷媒は、冷媒配管１７を通って冷媒入口部２４から気液分離器１４内に流入してガス冷媒と液冷媒とに分離する。このうちガス冷媒（状態点ａ）は、コンプレッサ１１の吸引力によって気液分離器１４のガス冷媒出口部２５から流出して冷媒配管１７を通ってコンプレッサ１１に吸入される。
【００２６】
一方の気液分離器１４内の液冷媒（状態点ｅ）は、冷媒ポンプ１５に吸引されて気液分離器１４の液冷媒出口部２６から流出してバイパス配管２７内に流入する。そして、バイパス配管２７内に流入した液冷媒は、冷媒ポンプ１５の吸引効果により昇圧した（状態点ｆ）後に、エバポレータ１６内に流入する。エバポレータ１６内に流入した液冷媒は、エバポレータ１６を通過する蒸発気化した（状態点ｄ1 ）後に、エジェクタ１３の吸引部２２に吸引される。
【００２７】
ここで、エジェクタ１３のノズル効率を最適値で使用するためには、エバポレータ１６に流入する冷媒流量を一定値に保つ必要があるが、コンプレッサ１１を動力エンジンで回転駆動しているため、コンプレッサ１１の回転速度は、図４のグラフに示したように、アイドル回転速度（例えば８００ｒｐｍ）から通常の走行速度に見合う回転速度（例えば２００ｒｐｍ）まで変動する。
【００２８】
そこで、本実施例では、コンプレッサ１１の回転速度の変動によって生じる、エバポレータ１６に流入する冷媒流量の変動分（図４（ｃ）の従来例の項参照）を吸収するために、コンプレッサ１１の回転速度に応じて冷媒ポンプ１５の回転速度を制御してコンプレッサ１１に吸引される冷媒流量およびエバポレータ１６に流入する冷媒流量を調節することにより、コンプレッサ１１の吸入圧力を下げるようにしている（図４（ｂ）の実施例の項参照）。それによって、コンプレッサ１１の吸入比容積が大きくなるので、コンプレッサ１１の回転速度の増減に拘らず、コンプレッサ１１に吸引される冷媒流量が一定値（図４（ｃ）の実施例の項参照）に保たれる。
【００２９】
〔実施例の効果〕
車両走行用の動力エンジンにより回転駆動されるコンプレッサ１１を用いる空調ユニット１は、全てアイドリング（アイドル回転速度）の時の冷房能力が少ないという問題点がある。この対応策として、エジェクタ１３により、膨張弁でのエネルギーロスを回収し、コンプレッサ１１の仕事の軽減と冷媒流量の増大による冷房能力の向上が図れる。
【００３０】
但し、このエジェクタ１３を備えた冷凍サイクル９は、エジェクタ１３のノズル効率に大きく依存しているため、上述のように、エジェクタ１３のノズル効率や冷凍サイクル９の蒸発圧力を最適値で使用しないと、冷房能力が逆に低下する心配がある。本実施例では、この問題点を解決する目的でなされたもので、動力エンジン（コンプレッサ１１）の回転速度の増減に拘らず、冷媒ポンプ１５の回転速度を制御してエバポレータ１６に流入する冷媒流量を調節することにより気液分離器１４内の液冷媒をエバポレータ１６に強制的に循環させることで、エジェクタ１３のノズル効率や冷凍サイクル９の蒸発圧力を最適値で使用している（図４（ａ）参照）。これにより、図４（ｄ）に示したように、冷房能力の低下を抑えることができる。特に、本実施例は、従来例と比較してコンプレッサ１１の低速度領域での冷房能力の向上を図れる。
【００３１】
冷媒ポンプ１５の作動は、出口温度センサ３１と出口圧力センサ３２とから計算されるエバポレータ１６の出口側の過熱度（スーパーヒート量）に対し、通常のスーパーヒート量（設定値：例えば１０℃）を中心に±１℃で、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行えば良い。なお、スーパーヒート量は、１０℃に限るものではなく、小さければ小さい程、空気への熱伝達率が向上する。
【００３２】
〔変形例〕
本実施例では、本発明を車両用空気調和装置（エアコン）に適用したが、本発明を車両用冷房装置、車両用冷蔵装置または車両用冷凍装置に適用しても良い。また、本発明を定置式の冷凍装置に適用しても良い。
【００３３】
本実施例では、コンプレッサ１１を車両走行用の動力エンジンにより回転駆動したが、コンプレッサ１１を車両走行用の動力エンジンとは別の補助エンジン（サブエンジン）により回転駆動しても良い。また、コンプレッサ１１を電動モータ等の他の駆動手段により回転駆動しても良い。
【００３４】
本実施例では、エジェクタ１３と気液分離器１４との間を冷媒配管１７により連結したが、その冷媒配管１７の途中に第１冷媒蒸発器を設置しても良い。この場合には、エバポレータ１６は第２冷媒蒸発器となる。また、気液分離器１４と冷媒ポンプ１５との間に、必要であれば減圧装置（固定絞り）を設置しても良い。
【００３５】
本実施例では、冷媒ポンプ１５をエバポレータ１６よりも上流側のバイパス配管２７に設置したが、電動式コンプレッサ等の冷媒圧送手段をエバポレータ１６よりも下流側のバイパス配管２７に設置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は冷凍サイクルの冷媒回路を示した回路図で、（ｂ）は車両用空気調和装置の通風系を示した概略図である（実施例）。
【図２】車両用空気調和装置の制御系を示した電気回路図である（実施例）。
【図３】冷凍サイクルのモリエル線図である（実施例）。
【図４】コンプレッサの回転速度に対する蒸発圧力、コンプレッサの吸入圧力、冷媒吸引流量、冷房能力の関係を示したグラフである（実施例）。
【図５】従来のエジェクタを示した断面図である（従来例）。
【図６】ノズル入口乾き度とノズル効率との関係を示したグラフである（従来例）。
【図７】従来のエジェクタを示した断面図である（従来例）。
【図８】ノズル出口径とノズル効率との関係を示したグラフである（従来例）。
【図９】エバポレータの冷媒流量とエジェクタでの昇圧性能との関係を示したグラフである（従来例）。
【符号の説明】
１ 空調ユニット
９ 冷凍サイクル
１０ 空調制御装置（空調制御手段）
１１ コンプレッサ（冷媒圧縮機）
１２ コンデンサ（冷媒凝縮器）
１３ エジェクタ
１４ 気液分離器
１５ 冷媒ポンプ（冷媒圧送手段）
１６ エバポレータ（冷媒蒸発器）
１７ 冷媒配管（冷媒流路）
２１ ノズル
２２ 吸引部
２６ 液冷媒出口部（液相冷媒側）
２７ バイパス配管（バイパス流路）
３１ 出口温度センサ（過熱度検出手段）
３２ 出口圧力センサ（過熱度検出手段）
３３ 回転速度センサ（回転速度検出手段）

Claims (3)

1. 冷媒圧縮機、冷媒凝縮器、エジェクタおよび気液分離器を冷媒流路で環状に連結すると共に、前記気液分離器の液相冷媒側と前記エジェクタの吸引部とをバイパス配管で連結し、そのバイパス配管の途中に冷媒蒸発器を設置した冷凍サイクルを備えた冷凍装置において、
   前記バイパス配管の途中に設置されて、前記気液分離器内の液相冷媒を前記冷媒蒸発器に強制的に圧送する冷媒圧送手段と、
   前記エジェクタのノズル効率や前記冷凍サイクルの蒸発圧力を最適値で使用するために、前記冷媒圧縮機の回転速度の変動によって生じる前記冷媒蒸発器に流入する冷媒流量の変動分を吸収するように前記冷媒圧送手段を制御することにより、前記冷媒圧縮機の回転速度の増減に拘らず、前記冷媒圧縮機に吸引される冷媒流量および前記冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を所定値に保つ空調制御手段と
   を備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、
   前記冷媒圧送手段は、前記バイパス配管のうち前記冷媒蒸発器よりも上流側に設置された冷媒ポンプであり、
   前記空調制御手段は、前記冷媒蒸発器の出口側の過熱度を検出する過熱度検出手段を有し、この過熱度検出手段で検出した検出値が設定値となるように前記冷媒ポンプの回転速度を増減して前記冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を調節することを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項２に記載の冷凍装置において、
   前記空調制御手段は、前記冷媒圧縮機の回転速度を検出する回転速度検出手段を有し、この回転速度検出手段で検出した検出値が増加すればする程、前記冷媒ポンプの回転速度を遅くして前記冷媒圧縮機に吸引される冷媒流量および前記冷媒蒸発器に流入する冷媒流量を調節することを特徴とする冷凍装置。

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