JP2008051499A - 冷凍サイクル装置および冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、可変エジェクタおよびエジェクタサイクルを構成する。
【解決手段】ボックス型膨張弁５の絞り部Ｓ１の下流側に、エジェクタ３の冷媒流入口３ａ部分を気密に接続する。
従来の冷凍サイクルに対し、本発明のエジェクタサイクルは、ノズル３１や昇圧部３２・３３などで構成されるエジェクタ３を、ボックス型膨張弁５と第１蒸発器４間で且つボックス型膨張弁５に接続させて設置することで構成し、第２蒸発器６より流出する冷媒を吸引して昇圧し、複数の第１・第２蒸発器４・６を異なる温度帯で運転するものである。これによれば、この際、エジェクタ３をボックス型膨張弁５に簡単に脱着できる構成とすることで、簡単な構成で可変エジェクタおよびエジェクタサイクルを構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を減圧する減圧手段を成すと共に、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用いる冷凍サイクルに関するものであり、複数の冷媒蒸発器（以下、蒸発器）で異なる温度帯を実現するような冷凍サイクルに適用して有効である。

従来、複数の蒸発器を持つ冷凍サイクルとして、図６に示すようなものが知られている。図６は、従来の温度式膨張弁５を用いた冷凍サイクルの模式図である。これは蒸気圧縮式冷凍サイクルＲにおいて、放熱器２下流側の冷媒流路を２つに分岐して、一方の蒸発器４は例えば冷房用として車室内の冷房を行い、他方の蒸発器６は例えば冷蔵用として冷蔵庫内の冷却を行うように配置したものである。

このクールボックス（冷蔵庫）付きカーエアコンのような複数の蒸発器を用いた冷凍サイクルでは、室内冷房を行う蒸発器４と庫内冷蔵を行う蒸発器６とが所望蒸発温度となるよう、冷房用の冷媒流路Ｒ１に対して、冷蔵用の冷媒流路Ｒ２を電磁弁７などで間欠的に流通させると共に、減圧手段として温度式膨張弁５や固定絞り８などを設けて両立させている。ちなみに、図６中の符号１は冷媒圧縮機（以下、圧縮機）であり、符号９は逆止弁である。また、図７は、図６の冷凍サイクルを温度式箱型膨張弁５で構成した場合の模式図である。

また、図８に示すように、冷媒減圧手段および冷媒循環手段としてエジェクタ３を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル（エジェクタサイクル）が知られている。このエジェクタサイクルによると、エジェクタ３を使用しているため、冷媒を膨張させる時のエネルギー損失を低減できる。また、膨張時の冷媒の高速な流れにより生じる負圧を利用して、蒸発器６から排出される冷媒を吸引することにより、圧縮機１の負荷を軽減できる。

このため、サイクルの冷凍能力が向上すると共に、圧縮機１の動力を低減することができる。また、蒸発器を２つ配置したため、２つの蒸発器４・６が別々の空間、または２つの蒸発器４・６で同一の空間を冷却することができる。ちなみに図８は、発明者らが出願中（出願２００４−４１１６３）のエジェクタ３と温度式膨張弁５とを用いたエジェクタサイクルの模式図である。

また、上記のように冷凍サイクルにエジェクタを適用する場合、負荷変動への対応（流量調整）や圧縮機の急激な回転数変動への対応性が要求される。そこで本出願人は、全負荷領域で高い効率と応答性の良いエジェクタを出願中（出願２００２−２０２７２４）である。図３はその、本発明の実施形態に係るエジェクタ３の構造を示す断面図である。

しかしながら、図７の温度式箱型膨張弁５を用いた冷凍サイクルに対し、エジェクタ３を用いた冷凍サイクルでは、配管構成などが変更となるが、その搭載性やコストまで考慮したエジェクタは未だ提案されていない。本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的は、簡単な構成で、高い効率と応答性の良い冷凍サイクル装置および冷凍サイクルを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、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。すなわち、請求項１に記載の発明では、第１絞り部（Ｓ１）となって高圧冷媒の減圧手段を成すと共に、第２冷媒通路（１２）を流通する冷媒の過熱度に応じて第１冷媒通路（１１）を通過する冷媒量を調節する温度式箱型膨張弁（５）と、第２絞り部（Ｓ２）となって冷媒流入口（３ａ）から流入する高圧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ノズル（３１）、ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒吸入口（３ｂ）から気相冷媒を吸引し、ノズル（３１）から噴射する冷媒と冷媒吸入口（３ｂ）から吸引した気相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（３２、３３）を有するエジェクタ（３）とからなり、温度式箱型膨張弁（５）の絞り部（Ｓ１）の下流側に、エジェクタ（３）の冷媒流入口（３ａ）部分を気密に接続して成ることを特徴としている。

図１は、本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置を用いて構成したエジェクタサイクルの模式図である。従来の冷凍サイクルに対し、本発明のエジェクタサイクルは、ノズル（３１）や昇圧部（３２、３３）などで構成されるエジェクタ（３）を、温度式箱型膨張弁（５）と第１蒸発器（４）間で且つ温度式箱型膨張弁（５）に接続させて設置することで構成し、第２蒸発器（６）より流出する冷媒を吸引して昇圧し、複数の第１・第２蒸発器（４、６）を異なる温度帯で運転するものである。この請求項１に記載の発明によれば、この際、エジェクタ（３）を温度式箱型膨張弁（５）に簡単に脱着できる構成とすることで、簡単な構成で可変エジェクタを構成することができる。

また、負荷変動への対応としては、第１蒸発器（４）出口のスーパーヒート（過熱度）を感知し、高負荷時はスーパーヒートが過大となり温度式箱型膨張弁（５）が開き、低負荷時には逆に閉じることで流量調整を行うことができる。また、ノズル（３１）は圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する装置であるが、気液二相流に用いる場合はノズル喉部（Ｓ２）での沸騰遅れによりノズル効率が低下する。そこで、温度式箱型膨張弁（５）により一旦減圧して沸騰核を生成することでエジェクタ効率（ノズル効率）を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、第１絞り部（Ｓ１）と第２絞り部（Ｓ２）とを所定の間隔にて配置したことを特徴としている。これは、上記した温度式箱型膨張弁（５）により一旦減圧して沸騰核を生成することでノズル効率を向上させる際、温度式箱型膨張弁（５）による第１絞り部（Ｓ１）とノズル喉部である第２絞り部（Ｓ２）の間隔が性能に寄与する。そこで、この請求項２に記載の発明によれば、温度式箱型膨張弁（５）とエジェクタ（３）とを簡単に装着したうえ、第１絞り部（Ｓ１）と第２絞り部（Ｓ２）とを所定の間隔となるように構成することで高いエジェクタ効率を確保することができる。

また、請求項３に記載の発明では、温度式箱型膨張弁（５）の中心軸とエジェクタ（３）の中心軸とが直交する姿勢に接続したことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、エジェクタ（３）の冷媒吸入口（３ｂ）の方向が３６０度自由となって搭載自由度が高くなる。

また、請求項４に記載の発明では、温度式箱型膨張弁（５）の中心軸とエジェクタ（３）の中心軸とが並行する姿勢に接続したことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、エジェクタ（３）の冷媒吐出口（３ｃ）の方向が３６０度自由となって搭載自由度が高くなる。

また、請求項５に記載の発明では、温度式箱型膨張弁（５）は、第１冷媒蒸発器（４）の入口に通じる第１冷媒通路（１１）と、冷媒蒸発器（４）の出口に通じる第２冷媒通路（１２）と、第１冷媒通路（１１）を流れる冷媒流量を可変する弁体（１０）と、ダイヤフラム（１３）を受け部（１４）と蓋部（１５）とで挟持し、ダイヤフラム（１３）と蓋部（１５）との間に飽和ガスを封入してダイヤフラム室（１７）を形成すると共に、これらダイヤフラム（１３）、受け部（１４）、蓋部（１５）を同一材質にて構成し、第１冷媒通路（１１）と第２冷媒通路（１２）とを有する弁本体（Ｂ）に対して着脱可能に組み付けられたエレメント部（Ｅ）と、エレメント部（Ｅ）とは異なりエレメント部（Ｅ）よりも熱伝導率の良い材質で形成され、第２冷媒通路（１２）を流れる冷媒の温度変化をダイヤフラム（１３）に伝達すると共に、ダイヤフラム（１３）の変位を仲介して弁体（１０）に伝達する伝熱部（２０）とを備え、弁体（１０）の変位量に応じて第１冷媒通路（１１）を流れる冷媒流量が調節されるものであることを特徴としている。

これは、従来既存の温度式箱型膨張弁（５）の構成である。この請求項５に記載の発明によれば、既存機器の組み合せ利用により低コスト化を図れるうえ、バリエーション展開についても、既存機器を共通化して組み合せを変えることで低コスト化を図ることができる。

また、請求項６に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルであって、冷媒を高圧状態にする冷媒圧縮機（１）と、冷媒圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２）と、高圧側熱交換器（２）から流出する冷媒を第１冷媒通路（１１）に流入させる請求項１ないし請求項５に記載の冷凍サイクル装置と、冷媒流出側が第２冷媒通路（１２）を介して冷媒圧縮機（１）の吸入側に接続され、冷凍サイクル装置の冷媒流出口（３ｃ）から吐出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器（４）と、冷媒の流れを高圧側熱交換器（２）と冷凍サイクル装置との間で分岐し、冷媒吸入口（３ｂ）へ導く分岐流路（Ｒ２）と、分岐流路（Ｒ２）に配置されて冷媒を蒸発させる第２蒸発器（６）とを備えることを特徴としている。

この請求項６に記載の発明によれば、エジェクタ（３）を温度式箱型膨張弁（５）に簡単に脱着できる構成とすることで、簡単な構成でエジェクタサイクルを構成することができるうえ、第２蒸発器（６）を使用しない場合は、エジェクタ（３）と第２蒸発器（６）とを取り外すだけで簡単に通常の膨張弁サイクルを構成することができる。

また、請求項７に記載の発明では、冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒のいずれか１つであることを特徴としている。尚、ここでフロン系とは炭素・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）系冷媒などが含まれており、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。この請求項７に記載の発明によれば、これらフロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つを使用しても良い。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。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置を用いて構成したエジェクタサイクルの模式図であり、車両用空調装置の冷凍サイクルに適用した例で説明する。エジェクタサイクルには、冷媒が循環する冷媒循環経路Ｒが構成されており、冷媒循環経路Ｒには冷媒を吸入圧縮する圧縮機１が配置されている。この圧縮機１の冷媒流れ下流側には、圧縮機１が吐出する高圧冷媒の熱を放熱する放熱器（高圧側熱交換器）２が配置されている。

放熱器２から流出する冷媒は、本発明の冷凍サイクル装置の第１冷媒通路１１に流入する。尚、本発明の冷凍サイクル装置とは、一般的な既存の温度式箱型膨張弁５とエジェクタ３とを簡単に組み合せたものであり、より具体的には温度式箱型膨張弁５の絞り部Ｓ１の下流側に、エジェクタ３の冷媒流入口３ａ部分を気密に接続したものである。温度式箱型膨張弁５とエジェクタ３とは本発明の要部であるため、詳細な構成・構造を後述する。

本冷凍サイクル装置の下流側には、冷媒吐出口３ｃから吐出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器４が接続され、その冷媒流出側は本冷凍サイクル装置の第２冷媒通路１２を介して圧縮機１の吸入側に接続されている。また、冷媒の流れは放熱器２と本冷凍サイクル装置との間で分岐されており、一方は上記した本冷凍サイクル装置の第１冷媒通路１１に流入する冷媒流路Ｒ１となっており、他方は第２蒸発器６に流入する分岐流路Ｒ２となっており、その第２蒸発器６にて蒸発した冷媒は本冷凍サイクル装置（エジェクタ３）の冷媒吸入口３ｂから吸入されるように接続されている。

次に、温度式箱型膨張弁５とエジェクタ３との詳細な構成・構造について説明する。まず、図２は本発明の実施形態に係る温度式箱型膨張弁５の構造を示す断面図である。本実施形態の温度式箱型膨張弁５は、放熱器２とエジェクタ３との間の冷媒通路、つまりノズル３１の冷媒流れ上流側に設けられて放熱器２から流出した高圧冷媒を気液二相域まで減圧膨脹させる膨脹弁であり、この温度式箱型膨張弁５は、第１蒸発器４の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定範囲（例えば、０．１ｄｅｇ〜１０ｄｅｇ）になるように絞り開度を制御するもので、いわゆる周知のボックス型（以下、ボックス型膨張弁）と呼ばれるタイプ膨脹弁と同様な構造のものである。

ボックス型膨張弁５は、弁ブロックＢ、エレメント部Ｅ、伝熱部２０、伝達ロッド２５、およびボール弁（弁体）１０などより構成されている。弁ブロックＢは、例えばアルミニウム製で略直方体形状に設けられ、第１の冷媒通路１１と第２の冷媒通路１２とを有している。

第１の冷媒通路１１は、放熱器２の出口側に接続される流入ポート１１ａ、エジェクタ３の冷媒流入口３ａが接続される流出ポート１１ｂ、および流入ポート１１ａ側と流出ポート１１ｂ側とを連通する連通孔１１ｃを有し、この連通孔１１ｃの入口側（流入ポート１１ａ側）に円錐状のシート面１１ｄが設けられている。第２の冷媒通路１２は、蒸発器４の出口側に接続される流入ポート１２ａ、圧縮機１の吸入側に接続される流出ポート１２ｂ、および流入ポート１２ａと流出ポート１２ｂとを連通し、伝熱部２０へも連通する連通路１２ｃを有している。

エレメント部Ｅは、可撓性のある薄い金属板から成るダイヤフラム１３と、このダイヤフラム１３を挟持する受け部１４と蓋部１５とを具備し、弁ブロックＢの上部にパッキン１６を介して螺子結合される。受け部１４と蓋部１５は、例えばＴＩＧ溶接により接合され、ダイヤフラム１３と蓋部１５とでダイヤフラム室１７を形成している。

このダイヤフラム室１７には、冷凍サイクルに使用される冷媒ガスと同じ種類の飽和ガスが封入されている。尚、蓋部１５には、ダイヤフラム室１７に飽和ガスを入れるための孔が開けられており、飽和ガスを入れた後、プラグ１８によって気密に閉塞されている。また、このエレメント部Ｅを構成する各部品（ダイヤフラム１３、受け部１４、蓋部１５およびプラグ１８）は、全て同一の金属材料（例えばステンレス）を使用して形成されている。

伝熱部２０は、熱伝導率の高い金属材料（例えばアルミニウムまたは黄銅など）を使用して円柱状に形成されている。そして、円柱状の上面は下方からの後述する付勢力を受けてダイヤフラム１３の下面に密着しており、第２の冷媒通路１２を流れる冷媒（蒸発器４で蒸発した気相冷媒）の温度変化をダイヤフラム１３に伝達すると共に、円柱状の下面には伝達ロッド２５が当接しており、ダイヤフラム１３の変位を伝達ロッド２５と協同してボール弁１０に伝達するものである。

伝達ロッド２５は、伝熱部２０の下部に配されて、弁ブロックＢに摺動自在に保持されている。その上端部は伝熱部２０の下面に当接すると共に、第２の冷媒通路１２（連通路１２ｃ）を上下方向に貫通し、第１の冷媒通路１１の連通孔１１ｃ内部に挿通され、下端部は円錐状のシート面１１ｄに押し当たるボール弁１０の上面に当接している。また、上下方向に摺動自在に嵌挿されている伝達ロッド２５に対して、第１の冷媒通路１１と第２の冷媒通路１２との間の弁ブロックＢ部にはＯリング１９によるシール部が設けられている。

ボール弁１０は、図２に示すように、連通孔１１ｃの入口側に配されて、伝達ロッド２５と弁受け部材２１との間に保持され、シート面１１ｄに着座することで連通孔１１ｃを閉じ、シート面１１ｄから離脱（リフト）することで連通孔１１ｃを開くことができる。このボール弁１０は、図２において、ダイヤフラム１３を下方へ押し下げる力（ダイヤフラム室１７の圧力−ダイヤフラム１３の下側に作用する冷媒蒸気の圧力）と弁受け部材２１を介してボール弁１０を図２の上方へ付勢するスプリング２２の荷重とが釣り合った位置に静止している。

スプリング２２は、弁ブロックＢの下端部に取り付けられた調節螺子２３と弁受け部材２１との間に配され、弁受け部材２１を介してボール弁１０を図２の上方（弁開度が小さくなる方向）へ付勢している。調節螺子２３は、ボール弁１０の開弁圧（ボール弁１０を付勢するスプリング２２の荷重）を調節するもので、Ｏリング２４を介して弁ブロックＢの下端部に螺子結合されている。

次に、ボックス型膨張弁５の作動を説明する。連通孔１１ｃを通過する冷媒流量は、ボール弁１０の開度、即ちシート面１１ｄに対するボール弁１０の位置（リフト量）によって決定される。そのボール弁１０は、ダイヤフラム１３を図２の下方へ付勢するダイヤフラム室１７の圧力と、ダイヤフラム１３を図２の上方へ付勢するスプリング２２の荷重およびサイクル内の低圧圧力（ダイヤフラム１３の下側に作用する冷媒蒸気の圧力）とが釣り合った位置に移動する。

そこで、蒸発圧力が安定している状態から車室内の温度が上昇し、蒸発器４で急速に冷媒が蒸発すると、蒸発器４出口部の冷媒蒸気の温度（過熱度）が高くなる。これにより、第２の冷媒通路１２を流れる冷媒蒸気の温度変化が伝熱部２０およびダイヤフラム１３を介してダイヤフラム室１７に封入されているガスに伝達され、そのガスの温度上昇に伴ってダイヤフラム室１７の圧力が上昇する。

その結果、ダイヤフラム１３が図２の下方へ押し下げられ、伝熱部２０および伝達ロッド２５を介してボール弁１０が図２の下方へ移動することにより、弁開度が大きくなって蒸発器４へ供給される冷媒流量が増加する。一方、車室内の温度が低下して蒸発器４の出口部の過熱度が低くなると、第２の冷媒通路１２を流れる冷媒蒸気の温度変化がダイヤフラム室１７のガスに伝達され、そのガスの温度低下に伴ってダイヤフラム室１７の圧力が低下する。

その結果、ダイヤフラム１３が図２の上方へ押し上げられてボール弁１０が図２の上方へ移動することにより、弁開度が小さくなって蒸発器４へ供給される冷媒流量が減少する。以上の動作により、通常のサイクル運転時には、蒸発器４で蒸発した冷媒蒸気の温度（過熱度）が例えば略５℃になるように弁開度を調節して、連通孔１１ｃを流れる冷媒流量をコントロールしている。

次に、図３は本発明の実施形態に係るエジェクタ３の構造を示す断面図であり、図４は図３のエジェクタ３の効果を説明する説明図である。エジェクタ３は、放熱器２からボックス型膨張弁５の第１冷媒通路１１（第１絞り部Ｓ１、図１参照）を介して冷媒流入口３ａから供給される冷媒を減圧膨張させて、冷媒吸入口３ｂから第２蒸発器６にて蒸発した気相冷媒を吸引すると共に、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒吐出口３ｃから吐出して圧縮機１の吸入圧を上昇させるエジェクタである。

そして、エジェクタ３は、冷媒流入口３ａから流入する高圧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等エントロピ的に減圧膨張させるノズル３１、ノズル３１から噴射する高い速度の冷媒流の巻き込み作用により冷媒吸入口３ｂから第２蒸発器６にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル３１から噴射する冷媒流と混合する混合部３２、およびノズル３１から噴射する冷媒と第２蒸発器６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ディフューザ部３３などからなるものである。

このとき、混合部３２においては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部３２においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。一方、ディフューザ部３３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換するので、エジェクタ３においては、混合部３２およびディフューザ部３３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、以下、混合部３２とディフューザ部３３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

ちなみに、本実施形態では、ノズル３１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（第１絞り部）Ｓ１を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用しても良いことは言うまでもない。また、本実施形態では、混合部３２の断面積はディフューザ部３３まで一定であるが、混合部３２の断面積をディフューザ部３３に向かうほど大きくなるようにテーパ状としても良い。

放熱器２にて冷却された高圧冷媒は、ボックス型膨張弁５にて等エンタルピ的に気液二相域まで減圧された後、エジェクタ３のノズル３１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部３２内に流入する。従って、ボックス型膨張弁５にて冷媒を一度沸騰させ、ノズル３１の入口部にて冷媒を拡大させて圧力を回復させることにより、沸騰核を生成させたまま二段目のノズル３１にて沸騰させることができるので、ノズル３１における冷媒の沸騰を促進することができ、冷媒の液滴を微粒化してエジェクタ効率ηｅを向上させることができる（図４参照）。

尚、本実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側冷媒圧力、つまりノズル３１に流入する冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以下としている。一方、混合部３２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、第２蒸発器６内で蒸発した冷媒が混合部３２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が第２蒸発器６からエジェクタ３の昇圧部３２・３３の順に循環する。

一方、第２蒸発器６から吸引された冷媒（吸引流）とノズル３１から吹き出す冷媒（駆動流）とは、混合部３２にて混合しながらディフューザ部３３にてその動圧が静圧に変換されて吐出される。従って、本実施形態では、充分な冷凍能力を発揮させながらノズル効率およびエジェクタ効率を高め、且つ、広範囲の負荷変動に対応することができる。

第１蒸発器４は、冷媒と車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。また、第２蒸発器６は、冷媒と冷蔵庫内の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蔵能力を発揮するものである。

次に、上記構成において本実施形態の作動を説明する。圧縮機１が駆動すると、圧縮機１で圧縮されて高温高圧状態となった冷媒は吐出され、放熱器２に流入する。放熱器２では高温の冷媒が車室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が車室外空気により冷却されて液化凝縮する。

放熱器２から流出した液相冷媒は、冷媒流路Ｒ１と分岐流路Ｒ２とに分岐され、冷媒流路Ｒ１では本冷凍サイクル装置の第１冷媒通路１１からエジェクタ３に流入してノズル３１で減圧される。つまり、ノズル３１で冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されている。このノズル３１で高速度となって噴出口から噴出する冷媒は、この際に生じる断熱熱落差により、冷媒吸入部３ｂから第２蒸発器６にて蒸発した気相冷媒を吸引する。

そして、ノズル３１から噴出した冷媒と吸引された冷媒とは、混合してディフューザ部３３に流入する。この時、冷媒の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。エジェクタ３から流出した冷媒は、第１蒸発器４に流入する。第１蒸発器４では、冷媒が車室内へ流れる空気から吸熱する、言い換えると冷媒が車室内空気で加熱されて気化蒸発する。

そして蒸発した気相冷媒は本冷凍サイクル装置の第２冷媒通路１２を通って圧縮機１に供給される。一方、分岐流路Ｒ２で第２蒸発器６へ冷媒が供給される。第２蒸発器６では、冷蔵庫内の空気から吸熱する、言い換えると冷媒が冷蔵庫内空気で加熱されて気化蒸発する。そして蒸発した冷媒はエジェクタ３の冷媒吸入部３ｂから吸引される。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、第１絞り部Ｓ１となって高圧冷媒の減圧手段を成すと共に、第２冷媒通路１２を流通する冷媒の過熱度に応じて第１冷媒通路１１を通過する冷媒量を調節するボックス型膨張弁５と、第２絞り部Ｓ２となって冷媒流入口３ａから流入する高圧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ノズル３１、ノズル３１から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒吸入口３ｂから気相冷媒を吸引し、ノズル３１から噴射する冷媒と冷媒吸入口３ｂから吸引した気相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３２・３３を有するエジェクタ３とからなり、ボックス型膨張弁５の絞り部Ｓ１の下流側に、エジェクタ３の冷媒流入口３ａ部分を気密に接続して成っている。

図１は、本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置を用いて構成したエジェクタサイクルの模式図である。従来の冷凍サイクルに対し、本発明のエジェクタサイクルは、ノズル３１や昇圧部３２・３３などで構成されるエジェクタ３を、ボックス型膨張弁５と第１蒸発器４間で且つボックス型膨張弁５に接続させて設置することで構成し、第２蒸発器６より流出する冷媒を吸引して昇圧し、複数の第１・第２蒸発器４・６を異なる温度帯で運転するものである。これによれば、この際、エジェクタ３をボックス型膨張弁５に簡単に脱着できる構成とすることで、簡単な構成で可変エジェクタを構成することができる。

また、負荷変動への対応としては、第１蒸発器４出口のスーパーヒート（過熱度）を感知し、高負荷時はスーパーヒートが過大となりボックス型膨張弁５が開き、低負荷時には逆に閉じることで流量調整を行うことができる。また、ノズル３１は圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する装置であるが、気液二相流に用いる場合はノズル喉部Ｓ２での沸騰遅れによりノズル効率が低下する。そこで、ボックス型膨張弁５により一旦減圧して沸騰核を生成することでエジェクタ効率（ノズル効率）を向上させることができる。

また、第１絞り部Ｓ１と第２絞り部Ｓ２とを所定の間隔にて配置している。これは、上記したボックス型膨張弁５により一旦減圧して沸騰核を生成することでノズル効率を向上させる際、ボックス型膨張弁５による第１絞り部Ｓ１とノズル喉部である第２絞り部Ｓ２の間隔が性能に寄与する。そこで、これによれば、ボックス型膨張弁５とエジェクタ３とを簡単に装着したうえ、第１絞り部Ｓ１と第２絞り部Ｓ２とを所定の間隔となるように構成することで高いエジェクタ効率を確保することができる。

また、ボックス型膨張弁５の中心軸とエジェクタ３の中心軸とが直交する姿勢に接続している。これによれば、エジェクタ３の冷媒吸入口３ｂの方向が３６０度自由となって搭載自由度が高くなる。

また、ボックス型膨張弁５は、第１冷媒蒸発器４の入口に通じる第１冷媒通路１１と、冷媒蒸発器４の出口に通じる第２冷媒通路１２と、第１冷媒通路１１を流れる冷媒流量を可変するボール弁１０と、ダイヤフラム１３を受け部１４と蓋部１５とで挟持し、ダイヤフラム１３と蓋部１５との間に飽和ガスを封入してダイヤフラム室１７を形成すると共に、これらダイヤフラム１３・受け部１４・蓋部１５を同一材質にて構成し、第１冷媒通路１１と第２冷媒通路１２とを有する弁ブロックＢに対して着脱可能に組み付けられたエレメント部Ｅと、エレメント部Ｅとは異なりエレメント部Ｅよりも熱伝導率の良い材質で形成され、第２冷媒通路１２を流れる冷媒の温度変化をダイヤフラム１３に伝達すると共に、ダイヤフラム１３の変位を仲介してボール弁１０に伝達する伝熱部２０とを備え、ボール弁１０）の変位量に応じて第１冷媒通路１１を流れる冷媒流量が調節されるものとしている。

これは、従来既存のボックス型膨張弁５の構成である。これによれば、既存機器の組み合せ利用により低コスト化を図れるうえ、バリエーション展開についても、既存機器を共通化して組み合せを変えることで低コスト化を図ることができる。

また、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルであって、冷媒を高圧状態にする圧縮機１と、圧縮機１から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する放熱器２と、放熱器２から流出する冷媒を第１冷媒通路１１に流入させる上述に記載の本冷凍サイクル装置と、冷媒流出側が第２冷媒通路１２を介して圧縮機１の吸入側に接続され、本冷凍サイクル装置の冷媒流出口３ｃから吐出される冷媒を蒸発させる第１蒸発器４と、冷媒の流れを放熱器２と本冷凍サイクル装置との間で分岐し、冷媒吸入口３ｂへ導く分岐流路Ｒ２と、分岐流路Ｒ２に配置されて冷媒を蒸発させる第２蒸発器６とを備えている。

これによれば、エジェクタ３をボックス型膨張弁５に簡単に脱着できる構成とすることで、簡単な構成でエジェクタサイクルを構成することができるうえ、第２蒸発器６を使用しない場合は、エジェクタ３と第２蒸発器６とを取り外すだけで簡単に通常の膨張弁サイクルを構成することができる。

また、冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒のいずれか１つである。尚、ここでフロン系とは炭素・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）系冷媒などが含まれており、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。これによれば、これらフロン系冷媒・ハイドロカーボン系冷媒・二酸化炭素冷媒のいずれか１つを使用しても良い。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における冷凍サイクル装置を示す部分断面側面図、およびＡ視図である。上述した第１実施形態では、ボックス型膨張弁５の中心軸とエジェクタ３の中心軸とが直交する姿勢に接続したが、本実施形態ではボックス型膨張弁５の中心軸とエジェクタ３の中心軸とが並行する姿勢に接続した点が異なる。これによれば、エジェクタ３の冷媒吐出口３ｃの方向が３６０度自由となって搭載自由度が高くなる。

（その他の実施形態）
上述の第１・第２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、本発明は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良い。また、上述の第１・第２実施形態では、第１・第２蒸発器４・６が２つの異なる冷凍能力を持つ冷凍サイクルであるが、３つ以上の蒸発器が異なる冷凍能力を発揮するものであっても良い。

また、放熱器２の下流側にレシーバが配置されていても良い。また、上述の第１・第２実施形態のエジェクタ３として、ノズル３１での第２絞り部Ｓ２が一定の固定エジェクタであっても良い。また、上述の第１・第２実施形態では、２つの冷凍能力を発揮する蒸発器４・６を別体で構成しているが、これらのエバポレータ４・６が一体となっていても良い。

本発明の第１実施形態における冷凍サイクル装置を用いて構成したエジェクタサイクルの模式図である。 本発明の実施形態に係る温度式箱型膨張弁５の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るエジェクタ３の構造を示す断面図である。 図３のエジェクタ３の効果を説明する説明図である。 本発明の第２実施形態における冷凍サイクル装置を示す部分断面側面図、およびＡ視図である。 従来の温度式膨張弁５を用いた冷凍サイクルの模式図である。 図６の冷凍サイクルを温度式箱型膨張弁で構成した場合の模式図である。 出願中のエジェクタ３と温度式膨張弁５とを用いたエジェクタサイクルの模式図である。

符号の説明

１…冷媒圧縮機
２…放熱器（高圧側熱交換器）
３…エジェクタ
３ａ…冷媒流入口
３ｂ…冷媒吸入口
３ｃ…冷媒吐出口
４…第１冷媒蒸発器
５…ボックス型膨張弁（温度式箱型膨張弁）
６…第２冷媒蒸発器
１０…ボール弁（弁体）
１１…第１冷媒通路
１２…第２冷媒通路
１３…ダイヤフラム
１４…受け部
１５…蓋部
１７…ダイヤフラム室
２０…伝熱部
３１…ノズル
３２…混合部（昇圧部）
３３…ディフューザ部（昇圧部）
Ｂ…弁ブロック（弁本体）
ＣＯ_２…二酸化炭素
Ｅ…エレメント部
Ｒ２…分岐流路
Ｓ１…第１絞り部
Ｓ２…喉部（第２絞り部）

Claims (7)

1. 第１絞り部（Ｓ１）となって高圧冷媒の減圧手段を成すと共に、第２冷媒通路（１２）を流通する冷媒の過熱度に応じて第１冷媒通路（１１）を通過する冷媒量を調節する温度式箱型膨張弁（５）と、
   第２絞り部（Ｓ２）となって冷媒流入口（３ａ）から流入する高圧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ノズル（３１）、前記ノズル（３１）から噴射する高い速度の冷媒流により冷媒吸入口（３ｂ）から気相冷媒を吸引し、前記ノズル（３１）から噴射する冷媒と前記冷媒吸入口（３ｂ）から吸引した気相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（３２、３３）を有するエジェクタ（３）とからなり、
   前記温度式箱型膨張弁（５）の前記絞り部（Ｓ１）の下流側に、前記エジェクタ（３）の前記冷媒流入口（３ａ）部分を気密に接続して成ることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記第１絞り部（Ｓ１）と前記第２絞り部（Ｓ２）とを所定の間隔にて配置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。
3. 前記温度式箱型膨張弁（５）の中心軸と前記エジェクタ（３）の中心軸とが直交する姿勢に接続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。
4. 前記温度式箱型膨張弁（５）の中心軸と前記エジェクタ（３）の中心軸とが並行する姿勢に接続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。
5. 前記温度式箱型膨張弁（５）は、第１冷媒蒸発器（４）の入口に通じる前記第１冷媒通路（１１）と、前記冷媒蒸発器（４）の出口に通じる前記第２冷媒通路（１２）と、前記第１冷媒通路（１１）を流れる冷媒流量を可変する弁体（１０）と、ダイヤフラム（１３）を受け部（１４）と蓋部（１５）とで挟持し、前記ダイヤフラム（１３）と前記蓋部（１５）との間に飽和ガスを封入してダイヤフラム室（１７）を形成すると共に、これら前記ダイヤフラム（１３）、前記受け部（１４）、前記蓋部（１５）を同一材質にて構成し、前記第１冷媒通路（１１）と前記第２冷媒通路（１２）とを有する弁本体（Ｂ）に対して着脱可能に組み付けられたエレメント部（Ｅ）と、前記エレメント部（Ｅ）とは異なり前記エレメント部（Ｅ）よりも熱伝導率の良い材質で形成され、前記第２冷媒通路（１２）を流れる冷媒の温度変化を前記ダイヤフラム（１３）に伝達すると共に、前記ダイヤフラム（１３）の変位を仲介して前記弁体（１０）に伝達する伝熱部（２０）とを備え、前記弁体（１０）の変位量に応じて前記第１冷媒通路（１１）を流れる冷媒流量が調節されるものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式の冷凍サイクルであって、
   冷媒を高圧状態にする冷媒圧縮機（１）と、
   前記冷媒圧縮機（１）から吐出した高圧冷媒の熱を放熱する高圧側熱交換器（２）と、
   前記高圧側熱交換器（２）から流出する冷媒を前記第１冷媒通路（１１）に流入させる請求項１ないし請求項５に記載の前記冷凍サイクル装置と、
   冷媒流出側が前記第２冷媒通路（１２）を介して前記冷媒圧縮機（１）の吸入側に接続され、前記冷凍サイクル装置の冷媒流出口（３ｃ）から吐出される冷媒を蒸発させる前記第１蒸発器（４）と、
   冷媒の流れを前記高圧側熱交換器（２）と前記冷凍サイクル装置との間で分岐し、前記冷媒吸入口（３ｂ）へ導く分岐流路（Ｒ２）と、
   前記分岐流路（Ｒ２）に配置されて冷媒を蒸発させる第２蒸発器（６）とを備えることを特徴とする冷凍サイクル。
7. 前記冷媒は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、二酸化炭素（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６に記載の冷凍サイクル。

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