JP3951840B2

JP3951840B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP3951840B2
Application number: JP2002206552A
Authority: JP
Inventors: 雅之竹内; 義貴戸松
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: US20040011065A1; US6837069B2; DE10332104B4; JP2004053028A; DE10332104A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の膨張動力を利用して冷媒の昇圧を行うエジェクタを用いた冷凍サイクル（エジェクタサイクル）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷凍サイクルではエジェクタを用いる方法が知られており、例えば、特開平６−２９６４号公報には、エジェクタにより冷媒の膨張エネルギを利用して蒸発器を通過する低圧冷媒の循環・昇圧を行なうことにより、サイクル効率を通常のエジェクタを用いないサイクルより向上させるものが示されている。
【０００３】
図１３は従来のエジェクタサイクルの模式図である。１は冷媒を圧縮して昇圧する冷媒圧縮機、２は高圧冷媒を冷却させる冷媒放熱器、３はエジェクタ、４は気液分離器、５は流量調整弁、６は冷媒蒸発器である。また、図１４はエジェクタ３の断面構造図である。ノズル３１、低圧流入部３２、混合部３３、ディフューザ３４から構成されており、３１ａは高圧流入部、３５は流出部である。
【０００４】
エジェクタ３の作動について、図１４を用いて説明する。高圧冷媒は高圧流入部３１ａからノズル３１に流入し、ノズル３１により減圧されると共に、冷媒の膨張エネルギを冷媒の運動エネルギに変換することで冷媒の流速は増加し、ノズル先端３１ｃから気液二相状態の高速の噴流となって噴出する。一方、冷媒蒸発器６を出た低圧冷媒は、低圧流入部３２から、ノズル噴流回りの圧力低下を利用してエジェクタ３内に吸引される。
【０００５】
吸引された低圧冷媒とノズル噴流はエジェクタ３の混合部３３で混合する。この時、高速のノズル噴流と低速の低圧冷媒が混合しながら運動量の授受を行う。そして、混合した冷媒を減速し、運動エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ３４を経て、冷媒はエジェクタ流出部３５から流出する。この過程を通して低圧冷媒は高圧冷媒の膨張エネルギにより低圧流入部３２側より昇圧される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このエジェクタ３において、ノズル３１の最も流路断面積の小さくなる喉部３１ｂの面積が一定のため、冷媒流量を冷凍サイクルの運転条件に応じて調整することができない。負荷変動の小さな冷凍サイクルでは、喉部３１ｂの面積を運転頻度の高い定常条件に合わせて設計して冷凍サイクルを運転することも可能である。
【０００７】
しかし、車両用空調装置等に用いる場合には、冷媒圧縮機１が図示しないエンジンで駆動されるため、冷媒圧縮機１の回転数が大きく変動し、冷媒流量も大きく変化する。それを上記と同様な設計で喉部３１ｂの面積を決めてしまうと、冷媒流量増加時には冷媒圧力が高くなり、冷媒圧縮機１の動力が増加して冷凍サイクルの効率が悪くなるか、又は冷媒圧力が上昇し過ぎて運転の継続が困難になってしまう。
【０００８】
特に、脱フロンで二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒に用いた冷凍サイクルでは、高圧側が従来のフロンと比べて約１０倍の圧力で運転しており、高圧でも冷媒が凝縮しない超臨界サイクルであるため、同じ冷媒流量変化率に対して圧力の変化量がフロンよりも大きく、また、圧力が急激に変動し易いため冷凍サイクルを安定して運転し難いという課題がある。
【０００９】
また、電動の冷媒圧縮機を用いた電気自動車用の空調装置や家庭用の空調装置においても、クールダウン時のように大きな冷房能力が必要で大きな冷媒流量を必要とする場合があり、車両用空調装置と同様な課題が生じる場合がある。本発明は、上記従来の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、冷媒流量の増加による冷媒圧力の上昇を回避しつつ、冷媒流量の増加に対応して冷房能力を向上できる冷凍サイクル装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では請求項１ないし請求項７に記載の技術的手段を採用する。請求項１記載の発明では、冷媒圧縮機（１）、冷媒放熱器（２）、エジェクタ（３）及び気液分離器（４）を冷媒流路（Ａ）で環状に連結すると共に、気液分離器（４）の液相冷媒側とエジェクタ（３）の吸引部（３２）とを冷媒流路（Ｃ）で連結し、その冷媒流路（Ｃ）の途中に冷媒蒸発器（６）を備えた冷凍サイクル装置において、
冷媒放熱器（２）を出た冷媒の一部を、エジェクタ（３）の高圧流入部（３１ａ）の上流部から、冷媒蒸発器（６）と吸引部（３２）との間の冷媒流路（Ｃ）に流入させるバイパス流路（Ｂ）を設けると共に、そのバイパス流路（Ｂ）の途中に制御弁（７、９、７０）を設け、冷媒放熱器（２）を出た冷媒が所定の圧力条件となった場合に制御弁（７、９、７０）が開いてバイパス流路（Ｂ）に冷媒が流れるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
これは、冷媒流量が増加して高圧側の冷媒圧力が必要以上に高くなってしまう場合に、高圧冷媒の一部を分岐・バイパスさせてエジェクタ（３）の吸引側に流すことで、高圧側の圧力上昇を回避するものである。これにより、冷媒圧力が上昇し過ぎるのを確実に防止できて冷凍サイクルを安定して運転できるうえ、冷媒流量増加時も冷媒圧縮機（１）の動力の増加が抑制されてサイクル効率が向上する。
【００１２】
また、バイパス流路（Ｂ）を通ってきた液冷媒は、エジェクタ（３）に吸引されてノズル（３１）を通ってきた液冷媒と混合し、気液分離器（４）から冷媒蒸発器（６）へと流れて冷房の効果を発揮する。そのため、クールダウン時のように大きな冷房能力が必要なときには、バイパス流路（Ｂ）に冷媒を流すことで、従来サイクルより冷媒蒸発器（６）を流れる流量を大きくできるので、より大きな冷房能力を得ることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、制御弁（７）は、冷媒放熱器（２）からエジェクタ（３）に至る冷媒流路（Ａ）の一部を形成すると共に、その冷媒流路（Ａ）からバイパス流路（Ｂ）へ連通する弁口（７６）を持ち、冷媒流路（Ａ）内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間（７９）を形成し、その密閉空間（７９）内外の圧力差に応じて変位する変位部材（７２）と、その変位部材（７２）と連動して弁口（７６）を開閉する弁体（７１）とを備え、冷媒流路（Ａ）内圧力が密閉空間（７９）内圧力を越えた場合に変位部材（７２）が変位して弁口（７６）が開くようにしたことを特徴とする。
【００１４】
これは、高圧側である冷媒流路（Ａ）内圧力が、所定圧力となる密閉空間（７９）内圧力以下の時は、放熱器（２）を出た冷媒の全部がエジェクタ（３）を通過するが、高圧側である冷媒流路（Ａ）内圧力が、所定圧力となる密閉空間（７９）内圧力を越えた場合にバイパス流路（Ｂ）に高圧冷媒の一部が流れるので、冷媒流量の増加による高圧上昇を回避することができる。
【００１５】
また、本制御弁（７）は放熱器（２）を出た高圧冷媒温度に応じて密閉空間（７９）内圧力が変化するので、制御弁（７）の開弁圧も高圧冷媒温度に応じて変化し、開弁圧はＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）を極大にする最適制御線とほぼ一致するので、サイクルの運転をＣＯＰの高い条件に制御することができる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、制御弁（９）は、弁の上流側である冷媒放熱器（２）を出た冷媒の圧力が、弁の下流側である冷媒蒸発器（６）の出口側冷媒圧力に対して所定の圧力差を越えた場合に弁が開くようにしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の制御弁（９）は、弁前後の差圧が所定値を越えたときに開弁する差圧弁（９）である。この差圧弁（９）を用いることにより、冷房の負荷が大きく冷媒蒸発器（６）内圧力が高くなる場合にはエジェクタ（３）をバイパスする冷媒圧力が高くなり、冷房の負荷が小さく冷媒蒸発器（６）内圧力が低くなる場合にはエジェクタ（３）をバイパスする冷媒圧力を低く制御することができる。
【００１８】
冷媒にＣＯ_２を用いたＣＯ_２サイクルの場合、冷媒放熱器（２）の出口冷媒温度が同じ場合、冷媒圧力が高いほど冷房に寄与するエンタルピ差が大きくなるため、冷房の負荷の大きい時には差圧弁（９）を開弁する圧力が高くなって冷房能力も大きくなり、冷房の負荷が小さい時には差圧弁（９）を開弁する圧力が低くなって冷房能力も小さくなり、圧縮機（１）の動力の増加が抑制されて、ＣＯＰの低下も抑制される。
【００１９】
請求項４記載の発明では、冷凍サイクル装置において、冷媒圧縮機（１）に吸入する冷媒と冷媒放熱器（２）を出た冷媒とで熱交換を行なう内部熱交換器（８）を備えると共に、制御弁（７０）は、冷媒放熱器（２）からエジェクタ（３）に至る冷媒流路（Ａ）の一部を形成し、その冷媒流路（Ａ）からバイパス流路（Ｂ）へ連通する弁口（７６）を持ち、冷媒流路（Ａ）内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間（７９）を形成し、その密閉空間（７９）内外の圧力差に応じて変位する変位部材（７２）と、その変位部材（７２）と連動して弁口（７６）を開閉する弁体（７１）とを備え、冷媒流路（Ａ）のうち内部熱交換器（８）へ冷媒を供給する流路（Ａ１）の圧力が密閉空間（７９）内圧力を越えた場合に変位部材（７２）が変位し、冷媒流路（Ａ）のうち内部熱交換器（８）から冷媒を排出する流路（Ａ２）内で弁口（７６）が開くようにしたことを特徴とする。
【００２０】
このように、内部熱交換器（８）を持ったサイクルに適用して更に冷房能力を向上させることができる。本発明の効果は請求項２記載の発明と同様で、高圧側である冷媒流路（Ａ１）内圧力が、所定圧力となる密閉空間（７９）内圧力以下の時は、放熱器（２）を出た冷媒の全部がエジェクタ（３）を通過するが、高圧側である冷媒流路（Ａ１）内圧力が、所定圧力となる密閉空間（７９）内圧力を越えた場合にバイパス流路（Ｂ）に高圧冷媒の一部が流れるので、冷媒流量の増加による高圧上昇を回避することができる。
【００２１】
また、本制御弁（７０）は放熱器（２）を出た高圧冷媒温度に応じて密閉空間（７９）内圧力が変化するので、制御弁（７０）の開弁圧も高圧冷媒温度に応じて変化し、開弁圧はＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）を極大にする最適制御線とほぼ一致するので、サイクルの運転をＣＯＰの高い条件に制御することができる。
【００２２】
請求項５記載の発明では、エジェクタ（３）と制御弁（７、９、７０）とを一体としたことを特徴とする。これにより、全体での部品点数が減って加工・組立が容易となる。また、装置がコンパクトとなるうえ、バイパス流路（Ｂ）の配管等各機器の間を結んでいた管路が削減できるため、車両等への搭載性や組み付け性が向上する。
【００２３】
請求項６記載の発明では、冷凍サイクル装置において、気液分離器（４）の液冷媒出口からバイパス流路（Ｂ）の下流側接続点（Ｇ）との間の冷媒流路（Ｃ）の任意の位置に、冷媒の逆流を防止する逆止弁（１０）を設けたことを特徴とする。これにより、バイパス流路（Ｂ）を通ってきた冷媒が冷媒蒸発器（６）側へ逆流して冷媒循環が滞ることを防止することができる。
【００２４】
請求項７記載の発明では、冷凍サイクル装置において、エジェクタ（３）と気液分離器（４）との間に冷媒の流れを遮断することのできる開閉弁（１１）を設けたことを特徴とする。請求項６までに記載の発明では気液分離器（４）→冷媒蒸発器（６）→エジェクタ（３）へと冷媒を流すことを前提としてきたが、本発明ではエジェクタ（３）の流出側に開閉弁（１１）を設け、その開閉弁（１１）を閉じると同時に上記制御弁（７、９、７０）を開弁することにより、バイパス流路（Ｂ）を流れた冷媒は冷媒蒸発器（６）→気液分離器（４）へと流れる。
【００２５】
これにより、冷媒循環が周知の膨張弁サイクルと同様となり、バイパス流路（Ｂ）を流れた冷媒を冷媒蒸発器（６）に直接供給することができるため、エジェクタ（３）による異常高圧を防止できると共に冷房能力を向上させることができる。ちなみに、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一例である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。図１は本発明の第１実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。冷媒には二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。
【００２７】
１は冷媒を低圧から高圧に圧縮する冷媒圧縮機、２は高圧冷媒から放熱するための冷媒放熱器、３は冷媒が膨張するエネルギを利用して低圧冷媒の循環・昇圧を行うエジェクタ、４はエジェクタ３から出た気液二相冷媒を気相と液相に分離し、気相を冷媒圧縮機１へ、液相を冷媒蒸発器６側に送る気液分離器、５は冷媒流量を調整する流量調整弁、６は冷媒を蒸発させて吸熱する冷媒蒸発器である。尚、流量制御弁５は、過熱度制御弁でも良いし、固定絞りのものであっても良い。
【００２８】
冷媒放熱器２と冷媒蒸発器６には、それぞれに送風する図示しないファンが設けられている。また、冷媒放熱器２とエジェクタ３とを結ぶ冷媒流路Ａの途中に分岐を設け、そこでの冷媒の分岐を制御する制御弁７と、その制御弁７から冷媒蒸発器６とエジェクタ３の吸引部３２との間の冷媒流路Ｃに連通するバイパス流路Ｂを設けている。
【００２９】
図２は、このエジェクタサイクルに適用される制御弁７の断面構造図である。尚、本構造は本出願人が先に出願した特開平９−２６４６２２号公報に記載の制御弁と類似のものである。弁体７１を接合したダイヤフラム（変位部材）７２と、ダイヤフラム７２を挟んで上側ケース７３と下側ケース７４があり、これらは外周部７５で溶接されている。７６はバイパス流路Ｂに連通する弁口で、ダイヤフラム７２の変位に応じて弁体７１が上下することで弁体７１と弁口７６の間でバイパス流路Ｂが開閉される。
【００３０】
上側ケース７３とダイヤフラム７２とにより密閉空間７９が形成されており、この密閉空間７９内には弁体７１を閉じた状態の密閉空間７９内体積に対し、ＣＯ_２を約６００ｋｇ／ｍ^３の密度で封入している。８０はＣＯ_２を封入する封入口で、溶接またはロウ付けにより封止部８１で封止してある。上側ケース７３及び下側ケース７４周りには冷媒放熱器２からエジェクタ３へ行く高圧冷媒が流れており、密閉空間７９内の温度は周りの高圧冷媒温度とほぼ等しくなっている。
【００３１】
尚、上側ケース７３、ダイヤフラム７２、下側ケース７４を溶接した部品は、流路ハウジング８２に設けたステイ８３に固定金具８４により螺子止め・溶接等により固定されている。８５は下側ケース７４側への冷媒流路である。ロッド７７は弁体７１に接合してあり、圧縮コイルばね７８により弁が閉じる方向に力を作用させている。
【００３２】
これは、冷媒圧力が臨界圧以下となり高圧側冷媒が気液二相状態で流れている場合、密閉空間７９内温度と周囲の高圧側冷媒温度とは等しくなり、密閉空間７９内圧力（その温度での飽和圧力）と高圧側冷媒圧力が同じとなってしまい、弁を閉じる力が作用しなくなり、バイパス流路Ｂに冷媒が流れるのを防止すると共に、冷媒の過冷却度が所定値になったところで制御弁が開くようにするものである。ばね力はダイヤフラム７２での圧力換算で約０．６ＭＰa（高圧側冷媒圧力が臨界圧力以下の時の開弁時の過冷却度約５℃相当の圧力）である。
【００３３】
制御弁７の作動について説明する。密閉空間７９内には約６００ｋｇ／ｍ^３のＣＯ_２が封入されているので、密閉空間７９内圧と温度は図３のＣＯ_２のモリエル線図に示される６００ｋｇ／ｍ^３の等密度線に沿って変化する。
【００３４】
従って、例えば密閉空間７９内温度が４０℃の場合は約９．７ＭＰaであり、高圧側冷媒圧力が密閉空間７９内圧力＋ばねによる圧力が１０．３ＭＰa以下の場合は、密閉空間７９内圧＋ばねによる圧力の方が大きいのでダイヤフラム７２は図の下方に押され、弁体７１と弁口７６が当たって弁が閉じ、冷媒はバイパス流路Ｂを流れない。逆に、高圧側冷媒圧力が１０．３ＭＰaを越えると弁が開き、冷媒はバイパス流路Ｂを流れる。
【００３５】
次に、冷凍サイクルの作動を説明する。冷媒流量が少なく、高圧側冷媒圧力が制御弁７の開弁圧より低い場合、制御弁７は閉じているので、冷媒は全てエジェクタ３を通過し、従来のエジェクタサイクルと同様の作動をする。
【００３６】
しかし、冷媒流量が増加し、高圧側冷媒圧力が高くなり、制御弁７の開弁圧を越えると、制御弁７が開いて、冷媒放熱器２を出た冷媒の一部が制御弁７で減圧された後、バイパス流路Ｂを通って冷媒蒸発器６とエジェクタ３の吸引部３２との間の冷媒流路Ｃに流れる。冷媒流路Ｃに入った冷媒は冷媒蒸発器６から来た冷媒と混合してエジェクタ３に吸引される。
【００３７】
次に、本実施形態での特徴を述べる。上記のように、冷媒放熱器２を出た冷媒の一部を、エジェクタ３の高圧流入部３１ａの上流部から、冷媒蒸発器６と吸引部３２との間の冷媒流路Ｃに流入させるバイパス流路Ｂを設けると共に、そのバイパス流路Ｂの途中に制御弁７を設け、冷媒放熱器２を出た冷媒が所定の圧力条件となった場合に制御弁７が開いてバイパス流路Ｂに冷媒が流れるようにしている。
【００３８】
これは、冷媒流量が増加して高圧側の冷媒圧力が必要以上に高くなってしまう場合に、高圧冷媒の一部を分岐・バイパスさせてエジェクタ３の吸引側に流すことで、高圧側の圧力上昇を回避するものである。これにより、冷媒圧力が上昇し過ぎるのを確実に防止できて冷凍サイクルを安定して運転できるうえ、冷媒流量増加時も冷媒圧縮機１の動力の増加が抑制されてサイクル効率が向上する。
【００３９】
また、バイパス流路Ｂを通ってきた液冷媒は、エジェクタ３に吸引されてノズル３１を通ってきた液冷媒と混合し、気液分離器４から冷媒蒸発器６へと流れて冷房の効果を発揮する。そのため、クールダウン時のように大きな冷房能力が必要なときには、バイパス流路Ｂに冷媒を流すことで、従来サイクルより冷媒蒸発器６を流れる流量を大きくできるので、より大きな冷房能力を得ることができる。
【００４０】
また、制御弁７は、冷媒放熱器２からエジェクタ３に至る冷媒流路Ａの一部を形成すると共に、その冷媒流路Ａからバイパス流路Ｂへ連通する弁口７６を持ち、冷媒流路Ａ内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間７９を形成し、その密閉空間７９内外の圧力差に応じて変位する変位部材７２と、その変位部材７２と連動して弁口７６を開閉する弁体７１とを備え、冷媒流路Ａ内圧力が密閉空間７９内圧力を越えた場合に変位部材７２が変位して弁口７６が開くようにしている。
【００４１】
これは、高圧側である冷媒流路Ａ内圧力が、所定圧力となる密閉空間７９内圧力以下の時は、放熱器２を出た冷媒の全部がエジェクタ３を通過するが、高圧側である冷媒流路Ａ内圧力が、所定圧力となる密閉空間７９内圧力を越えた場合にバイパス流路Ｂに高圧冷媒の一部が流れるので、冷媒流量の増加による高圧上昇を回避することができる。
【００４２】
また、本制御弁７は放熱器２を出た高圧冷媒温度に応じて密閉空間７９内圧力が変化するので、制御弁７の開弁圧も高圧冷媒温度に応じて変化し、開弁圧はＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）を極大にする最適制御線とほぼ一致するので、サイクルの運転をＣＯＰの高い条件に制御することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。第１実施形態とは制御弁９の構造のみ異なる。図５は、本エジェクタサイクルに適用される制御弁（以下、差圧弁）９の断面構造図である。９１はステンレスや真鍮等の金属製のハウジングであり、流入口９２は冷媒放熱器２とエジェクタ３とを結ぶ冷媒流路Ａに設けた分岐点Ｆに連通し、流出口９５は冷媒蒸発器６とエジェクタ３の吸引部３２との間の冷媒流路Ｃに連通し、バイパス流路Ｂの一部を形成している。
【００４４】
ハウジング９１内には、流入口９２側の空間と流出口９５側の空間とを連通させる弁口９３が形成されている。また、流出口９５側空間内には、弁口９３の開度を調節する弁体９６が配設されており、この弁体９６は、金属製のコイルばね（弾性部材）９７によって弁口９３に向けて押圧されている。
【００４５】
尚ハウジング９１は、流入口９２が形成されている底部と、円筒状の本体部と、流出口９５が形成されている蓋部材９４との３つの部位から構成されており、底部と本体部は一体成形され、蓋部材９４は、弁体９６及びコイルばね９７をハウジング９１内に収納したあと、溶接や螺子結合等の結合手段によってハウジング９１に結合されている。
【００４６】
また、９８はハウジング９１内での弁体９６の移動を案内（ガイド）するガイドスカートであり、このガイドスカート９８の円筒外周面がハウジング９１の内壁に接触することにより、弁体９６の移動が案内されている。更に、ガイドスカート９８のうち弁体９６の近傍には、CO₂の流路をなす複数個の穴９９が形成されている。
【００４７】
次に、差圧弁９の作動を説明する。図５から明らかなように、弁体９６のうち流入口９２側には冷媒放熱器２の出口側圧力による作用力Ｆ１が作用するので、弁体９６は流出口９５側に押圧される。一方、流出口９５側には、冷媒蒸発器６の出口側圧力およびコイルばね９７の弾性力による力Ｆ２が作用するので、弁体９６は流入口９２側に押圧される。
【００４８】
つまり、作用力Ｆ２が作用力Ｆ１より大きい場合には弁体９６により弁口９３が閉じられてバイパス流路Ｂに冷媒は流れず、作用力Ｆ２が作用Ｆ１以下の場合は弁体９６が作用力Ｆ１により押されて移動し弁口９３が開きバイパス流路Ｂに冷媒が流れる。従って、差圧弁９の開弁差圧ΔPはコイルばね９７が弁体９６に及ぼす弾性力に対応する。
【００４９】
例えば、図６は差圧弁９の作動特性の一例を示すグラフであり、冷房の負荷が大きく冷媒蒸発器６の出口側圧力が高い時には差圧弁９の開弁圧も高くなり、冷房の負荷が小さく冷媒蒸発器６の出口側圧力が低い時には差圧弁９の開弁圧も低くなる関係となる。
【００５０】
次に、本実施形態での特徴を述べる。本発明の制御弁９は、弁の上流側である冷媒放熱器２を出た冷媒の圧力が、弁の下流側である冷媒蒸発器６の出口側冷媒圧力に対して所定の圧力差を越えた場合に弁が開くようにしている。このように、制御弁９は、弁前後の差圧が所定値を越えたときに開弁する差圧弁９である。この差圧弁９を用いることにより、冷房の負荷が大きく冷媒蒸発器６内圧力が高くなる場合にはエジェクタ３をバイパスする冷媒圧力が高くなり、冷房の負荷が小さく冷媒蒸発器６内圧力が低くなる場合にはエジェクタ３をバイパスする冷媒圧力を低く制御することができる。
【００５１】
冷媒にＣＯ_２を用いたＣＯ_２サイクルの場合、冷媒放熱器２の出口冷媒温度が同じ場合、冷媒圧力が高いほど冷房に寄与するエンタルピ差が大きくなるため、冷房の負荷の大きい時には差圧弁９を開弁する圧力が高くなって冷房能力も大きくなり、冷房の負荷が小さい時には差圧弁９を開弁する圧力が低くなって冷房能力も小さくなり、圧縮機１の動力の増加が抑制されて、ＣＯＰの低下も抑制される。
【００５２】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。本実施形態は第１実施形態のサイクルに、冷媒圧縮機１に吸入する冷媒と冷媒放熱器２を出た冷媒との熱交換を行なわせる内部熱交換器８を追加したものである。
【００５３】
内部熱交換器８は、プレスしたアルミニウムのプレートをロウ付けで接合し、冷媒圧縮機１に吸入する冷媒が流通する流路８aと、冷媒放熱器２を出た冷媒が流通する流路８bとが対向して流れるように構成したもので、冷房能力やＣＯＰの向上手段として用いられる。
【００５４】
図８は、本エジェクタサイクルに適用される制御弁７０の断面構造図である。制御弁７０の感温部（ダイヤフラム７２と上側ケース７３に囲まれた密閉空間７９）に冷媒放熱器２を出た冷媒の温度を感知させるために、上側ケース７３表面上を流れる冷媒流路Ａ１と、弁体７１側の流路Ａ２→Ａ３を仕切り部８６により仕切ると共に、下側カバー７４の外表面に樹脂の断熱層８７を設け、内部熱交換器７を通った後の冷媒Ａ２の熱がダイヤフラム７２側に伝わりにくくした。
【００５５】
次に、冷凍サイクルの作動について説明する。冷媒放熱器２を出た冷媒は制御弁７０の流路Ａ１を通過し、内部熱交換器８で冷媒圧縮機１に吸入される低温冷媒により冷却され温度が下がる。その後、制御弁７０内の流路Ａ２→Ａ３を通過してエジェクタ３に流入する。制御弁７０の作動は第１実施形態と同じであり、高圧側冷媒圧力が制御弁７０の開弁圧を越えた時は弁が開いてバイパス流路Ｂに冷媒が流れ、開弁圧以下の時には弁が閉じている。
【００５６】
次に、本実施形態での特徴を述べる。冷凍サイクル装置において、冷媒圧縮機１に吸入する冷媒と冷媒放熱器２を出た冷媒とで熱交換を行なう内部熱交換器８を備えると共に、制御弁７０は、冷媒放熱器２からエジェクタ３に至る冷媒流路Ａの一部を形成し、その冷媒流路Ａからバイパス流路Ｂへ連通する弁口７６を持ち、冷媒流路Ａ内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間７９を形成し、その密閉空間７９内外の圧力差に応じて変位するダイヤフラム７２と、そのダイヤフラム７２と連動して弁口７６を開閉する弁体７１とを備えている。
【００５７】
そして、冷媒流路Ａのうち内部熱交換器８へ冷媒を供給する流路Ａ１の圧力が密閉空間７９内圧力を越えた場合にダイヤフラム７２が変位し、冷媒流路Ａのうち内部熱交換器８から冷媒を排出する流路Ａ２内で弁口７６が開くようにしている。
【００５８】
このように、内部熱交換器８を持ったサイクルに適用して更に冷房能力を向上させることができる。本実施形態の効果は第１実施形態と同様で、高圧側である冷媒流路Ａ１内圧力が、所定圧力となる密閉空間７９内圧力以下の時は、放熱器２を出た冷媒の全部がエジェクタ３を通過するが、高圧側である冷媒流路Ａ１内圧力が、所定圧力となる密閉空間７９内圧力を越えた場合にバイパス流路Ｂに高圧冷媒の一部が流れるので、冷媒流量の増加による高圧上昇を回避することができる。
【００５９】
また、本制御弁７０は放熱器２を出た高圧冷媒温度に応じて密閉空間７９内圧力が変化するので、制御弁７０の開弁圧も高圧冷媒温度に応じて変化し、開弁圧はＣＯＰ（冷凍サイクルの成績係数）を極大にする最適制御線とほぼ一致するので、サイクルの運転をＣＯＰの高い条件に制御することができる。
【００６０】
（第４実施形態）
図９は制御弁７を一体としたエジェクタ３の断面構造図であり、図１０は差圧弁９を一体としたエジェクタ３の断面構造図である。本実施形態ではエジェクタ３に制御弁７や差圧弁９を一体化しており、これによりバイパス流路Ｂを不要としている。尚、図９の制御弁７は、図８で示した制御弁７０であっても良い。制御弁７・７０や差圧弁９は、上述した実施形態と同じ構造で、作動も同じである。
【００６１】
これにより、全体での部品点数が減って加工・組立が容易となる。また、装置がコンパクトとなるうえ、バイパス流路Ｂの配管等各機器の間を結んでいた管路が削減できるため、車両等への搭載性や組み付け性が向上する。
【００６２】
（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。上述の実施形態での冷凍サイクル装置に対して、気液分離器４の液冷媒出口からバイパス流路Ｂの下流側接続点Ｇとの間の冷媒流路Ｃにおいて、任意の位置に冷媒の逆流を防止する逆止弁１０を設けたものである。これにより、バイパス流路Ｂを通ってきた冷媒が冷媒蒸発器６側へ逆流して冷媒循環が滞ることを防止することができる。
【００６３】
（第６実施形態）
図１２は、本発明の第６実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。上述の実施形態での冷凍サイクル装置に対して、エジェクタ３と気液分離器４との間に冷媒の流れを遮断することのできる開閉弁１１を設けている。
【００６４】
上述した実施形態の冷凍サイクルでは気液分離器４→冷媒蒸発器６→エジェクタ３へと冷媒を流すことを前提としてきたが、本実施形態ではエジェクタ３の流出側に開閉弁１１を設け、その開閉弁１１を閉じると同時に上記制御弁７、９、７０を開弁することにより、バイパス流路Ｂを流れた冷媒は冷媒蒸発器６→気液分離器４へと流れる。
【００６５】
これにより、冷媒循環が周知の膨張弁サイクルと同様となり、バイパス流路Ｂを流した冷媒を冷媒蒸発器６に直接供給することができるため、エジェクタ３による異常高圧を防止できると共に冷房能力を向上させることができる。
【００６６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では冷媒に二酸化炭素を用いた冷凍サイクルについて説明したが、冷媒にフロンを用いた冷凍サイクルに本発明を適用しても良い。また、制御弁として、本実施形態にあるような機械的に作動するものの他に、従来から知られているような電気式膨張弁等の電気的に作動するもので全閉機能を持ったものを使っても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】図１のエジェクタサイクルに適用される制御弁の断面構造図である。
【図３】ＣＯ_２のモリエル線図である。
【図４】本発明の第２実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。
【図５】図４のエジェクタサイクルに適用される差圧弁の断面構造図である。
【図６】差圧弁の作動特性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第３実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。
【図８】図７のエジェクタサイクルに適用される制御弁の断面構造図である。
【図９】制御弁一体エジェクタの断面構造図である。
【図１０】差圧弁一体エジェクタの断面構造図である。
【図１１】本発明の第４実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。
【図１２】本発明の第５実施形態におけるエジェクタサイクルの模式図である。
【図１３】従来のエジェクタサイクルの模式図である。
【図１４】エジェクタの断面構造図である。
【符号の説明】
１冷媒圧縮機
２冷媒放熱器
３エジェクタ
４気液分離器
６冷媒蒸発器
７制御弁
８内部熱交換器
９差圧弁（制御弁）
１０逆止弁
１１開閉弁
３１ａ高圧流入部
３２吸引部
７０制御弁
７１弁体
７２ダイヤフラム（変位部材）
７６弁口
７９密閉空間
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ｃ冷媒流路
Ｂバイパス流路
Ｇ下流側接続点

Claims

冷媒圧縮機（１）、冷媒放熱器（２）、エジェクタ（３）及び気液分離器（４）を冷媒流路（Ａ）で環状に連結すると共に、前記気液分離器（４）の液相冷媒側と前記エジェクタ（３）の吸引部（３２）とを冷媒流路（Ｃ）で連結し、その冷媒流路（Ｃ）の途中に冷媒蒸発器（６）を備えた冷凍サイクル装置において、
前記冷媒放熱器（２）を出た冷媒の一部を、前記エジェクタ（３）の高圧流入部（３１ａ）の上流部から、前記冷媒蒸発器（６）と前記吸引部（３２）との間の前記冷媒流路（Ｃ）に流入させるバイパス流路（Ｂ）を設けると共に、そのバイパス流路（Ｂ）の途中に制御弁（７、９、７０）を設け、前記冷媒放熱器（２）を出た冷媒が所定の圧力条件となった場合に前記制御弁（７、９、７０）が開いて前記バイパス流路（Ｂ）に冷媒が流れるようにしたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記制御弁（７）は、前記冷媒放熱器（２）から前記エジェクタ（３）に至る冷媒流路（Ａ）の一部を形成すると共に、その冷媒流路（Ａ）から前記バイパス流路（Ｂ）へ連通する弁口（７６）を持ち、前記冷媒流路（Ａ）内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間（７９）を形成し、その密閉空間（７９）内外の圧力差に応じて変位する変位部材（７２）と、その変位部材（７２）と連動して前記弁口（７６）を開閉する弁体（７１）とを備え、前記冷媒流路（Ａ）内圧力が前記密閉空間（７９）内圧力を越えた場合に前記変位部材（７２）が変位して前記弁口（７６）が開くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記制御弁（９）は、弁の上流側である前記冷媒放熱器（２）を出た冷媒の圧力が、弁の下流側である前記冷媒蒸発器（６）の出口側冷媒圧力に対して所定の圧力差を越えた場合に弁が開くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクル装置において、前記冷媒圧縮機（１）に吸入する冷媒と前記冷媒放熱器（２）を出た冷媒とで熱交換を行なう内部熱交換器（８）を備えると共に、
前記制御弁（７０）は、前記冷媒放熱器（２）から前記エジェクタ（３）に至る冷媒流路（Ａ）の一部を形成し、その冷媒流路（Ａ）から前記バイパス流路（Ｂ）へ連通する弁口（７６）を持ち、前記冷媒流路（Ａ）内に所定密度で冷媒ガスを封入した密閉空間（７９）を形成し、その密閉空間（７９）内外の圧力差に応じて変位する変位部材（７２）と、その変位部材（７２）と連動して前記弁口（７６）を開閉する弁体（７１）とを備え、前記冷媒流路（Ａ）のうち前記内部熱交換器（８）へ冷媒を供給する流路（Ａ１）の圧力が前記密閉空間（７９）内圧力を越えた場合に前記変位部材（７２）が変位し、前記冷媒流路（Ａ）のうち前記内部熱交換器（８）から冷媒を排出する流路（Ａ２）内で前記弁口（７６）が開くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記エジェクタ（３）と前記制御弁（７、９、７０）とを一体としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクル装置において、前記気液分離器（４）の液冷媒出口から前記バイパス流路（Ｂ）の下流側接続点（Ｇ）との間の前記冷媒流路（Ｃ）にて、任意の位置に冷媒の逆流を防止する逆止弁（１０）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクル装置において、前記エジェクタ（３）と前記気液分離器（４）との間に冷媒の流れを遮断することのできる開閉弁（１１）を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。