JP4849133B2 - エジェクタ式冷凍サイクル - Google Patents

Description

本発明は、エジェクタを有するエジェクタ式冷凍サイクルに関する。

従来、冷媒減圧手段の機能および冷媒循環手段の機能を果たすエジェクタを有するエジェクタ式冷凍サイクルが知られている。例えば、特許文献１、２には、圧縮機吐出冷媒を放熱器にて室外空気と熱交換させることで放熱させ、放熱した高圧冷媒をエジェクタのノズル部にて減圧するエジェクタ式冷凍サイクルが開示されている。

例えば、特許文献１のエジェクタ式冷凍サイクルでは、エジェクタのディフューザ部下流側に低圧冷媒の気液を分離する気液分離器を配置し、気液分離器の気相冷媒出口を圧縮機吸入口側へ接続するとともに液相冷媒出口を吸引側蒸発器の入口へ接続し、吸引側蒸発器の出口をエジェクタの冷媒吸引口に接続している。

この種のエジェクタ式冷凍サイクルに適用されるエジェクタでは、エジェクタのノズル部にて高圧冷媒を減圧膨張させて噴射し、この噴射冷媒の圧力低下によって冷媒吸引口から蒸発器下流側の冷媒を吸引することで、ノズル部における減圧膨張時の運動エネルギの損失を回収している。

そして、回収した運動エネルギ（以下、回収エネルギという。）を、エジェクタのディフューザ部にて圧力エネルギに変換して、圧縮機吸入冷媒の圧力を上昇させている。これにより、圧縮機の駆動動力を低減させてエジェクタ式冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させている。

また、特許文献２には、熱交換対象流体である室内送風空気を冷却する冷却運転モードの冷媒流路と、室内送風空気を加熱する加熱運転モードの冷媒流路とを切替可能に構成されたエジェクタ式冷凍サイクルが開示されている。

特許第３３２２２６３号公報 特開２００２−３２７９６７号公報

しかしながら、この種のエジェクタ式冷凍サイクルでは、ノズル部を通過する冷媒（以下、駆動流という。）の流量低下に伴って、エジェクタの吸引能力が低下してしまうので、回収エネルギ量も減少してしまう。このため、駆動流の流量低下に伴って、上述のＣＯＰ向上効果が低減してしまう。

例えば、特許文献１のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、外気温の低下に伴って高圧冷媒の圧力が低下すると、高圧冷媒と低圧冷媒との圧力差が縮小して、エジェクタの駆動流の流量が低下してしまう。

このような駆動流の流量低下が生じると、エジェクタの吸引能力が低下して、回収エネルギ量が減少するだけでなく、気液分離器から蒸発器へ液相冷媒が供給されにくくなり、サイクルが発揮できる冷凍能力も低下してしまう。その結果、駆動流の流量低下に伴って、ＣＯＰが大幅に低減してしまう。

さらに、エジェクタの吸引能力が低下して、蒸発器へ冷媒が供給されなくなってしまうと、低圧冷媒が蒸発器にて吸熱作用を発揮できなくなり、サイクルが破綻してしまうという問題を引き起こす。

このことを図５により詳細に説明する。図５は、特許文献１のエジェクタ式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である（特許文献１の第２図参照）。なお、図５の実線は、通常運転時の冷媒の状態を示し、破線は、上述のサイクル破綻が生じた際の冷媒の状態を示している。

図５から明らかなように、外気温の低下等によって高圧冷媒と低圧冷媒との圧力差が縮小すると（図５の白抜矢印Ｘ₅）、エジェクタの吸引能力が低下する。これにより、蒸発器に冷媒が供給されなくなると、低圧冷媒が蒸発器にて吸熱作用を発揮できなくなる（図５の白抜矢印Ｙ₅）。

このため、図５の破線に示すように、放熱器にて冷媒が放熱できる熱量は、圧縮機の圧縮仕事量相当になってしまう。その結果、実質的に、冷媒を介して低圧側から高圧側へ熱量を移動させることができなくなり、サイクルが破綻してしまう。

また、特許文献２のように、冷却運転モードと加熱運転モードを切替可能に構成されたエジェクタ式冷凍サイクルでは、少なくともエジェクタを冷媒減圧手段として用いる冷媒流路に切り替えた際に、同様の問題が生じる。

本発明は、上記点に鑑み、エジェクタの駆動流の流量変動が生じても、エジェクタ式冷凍サイクルを安定して作動させることを目的とする。

上記の目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）と、冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器（４１）と、冷媒と熱交換対象流体とを熱交換させる利用側熱交換器（５１）と、冷媒を減圧膨張させるノズル部（１３ａ）から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒吸引口（１３ｂ）から冷媒を吸引して、噴射冷媒と冷媒吸引口（１３ｂ）から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部（１３ｄ）にて昇圧するエジェクタ（１３）と、冷媒を減圧膨張させる高圧側減圧手段（１２）と、ディフューザ部（１３ｄ）から流出した冷媒あるいは高圧側減圧手段（１２）から流出した冷媒の気液を分離して、分離された気相冷媒を第１圧縮機構（１１ａ）吸入口側へ流出させる気液分離器（１４）と、気液分離器（１４）にて分離された液相冷媒を減圧膨張させる低圧側減圧手段（１５）と、熱交換対象流体を冷却する冷却運転モードの冷媒流路、および、熱交換対象流体を加熱する加熱運転モードの冷媒流路を切り替える冷媒流路切替手段（３１、３２、３３、３４）とを備え、
冷媒流路切替手段（３１〜３４）は、冷却運転モードおよび加熱運転モードのうち一方の運転モード時に、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を放熱させる熱交換器から流出した冷媒を、ノズル部（１３ａ）へ流入させるとともに、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を蒸発させる熱交換器から流出した冷媒を、第２圧縮機構（２１ａ）に吸入させて冷媒吸引口（１３ｂ）側へ吐出させる冷媒流路に切り替え、
冷却運転モードおよび加熱運転モードのうち他方の運転モード時に、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を放熱させる熱交換器から流出した冷媒を、高圧側減圧手段（１２）へ流入させるとともに、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を蒸発させる熱交換器から流出した冷媒を、第２圧縮機構（２１ａ）に吸入させて第１圧縮機構（１１ａ）吸入口側へ吐出させる冷媒流路に切り替えるエジェクタ式冷凍サイクルを特徴とする。

これによれば、一方の運転モード時に、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち放熱器として機能する熱交換器から流出した冷媒をエジェクタ（１３）のノズル部（１３ａ）にて減圧させ、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち蒸発器として機能する熱交換器から流出した冷媒をエジェクタ（１３）の冷媒吸引口（１３ｂ）から吸引するエジェクタ式冷凍サイクルが構成される。

そして、この一方の運転モード時には、第２圧縮機構（２１ａ）が、室外熱交換器（４１）および利用側熱交換器（５１）のうち蒸発器として機能する熱交換器からエジェクタ（１３）の冷媒吸引口（１３ｂ）側へ冷媒を吐出するので、エジェクタ（１３）の駆動流の流量低下に伴ってエジェクタ（１３）の吸引能力が低下するような運転条件であっても、エジェクタ（１３）の吸引能力を補助することができる。

従って、エジェクタ式冷凍サイクルが構成される一方の運転モード時には、駆動流の流量変動が生じてエジェクタ（１３）の吸引能力が低下するような運転条件であっても、サイクルを安定して作動させることができる。

しかも、２つの第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）およびエジェクタ（１３）のディフューザ部（１３ｄ）の昇圧作用によって冷媒を昇圧できるので、１つの圧縮機にて冷媒を昇圧する場合に対して、第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）の駆動動力を低減させてＣＯＰを向上できる。

つまり、ディフューザ部（１３ｄ）の昇圧作用によって、第１圧縮機構（１１ａ）の吸入圧力を上昇させることで、第１圧縮機構（１１ａ）の圧縮機駆動動力を低減させることができるのみならず、それぞれの第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）の吸入圧力と吐出圧力との圧力差を縮小できるので、第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）の圧縮効率を向上できる。

一方、他方の運転モード時には、放熱器として機能する熱交換器から流出した冷媒を高圧側減圧手段（１２）にて減圧して気液分離器（１４）へ流入させ、気液分離器（１４）にて分離された気相冷媒と第２圧縮機構（２１ａ）吐出冷媒とを混合して第１圧縮機構（１１ａ）へ吸入させるサイクルを構成できる。

この他方の運転モードでは、冷媒を多段階に昇圧させることができるので、単一の圧縮手段にて冷媒を昇圧する場合よりも、第１、第２圧縮機構（１１ａ、１２ａ）のそれぞれにおける吸入冷媒圧力と吐出冷媒圧力との圧力差を縮小させて、それぞれの圧縮機構の圧縮効率を向上させることができる。

さらに、第１圧縮機構（１１ａ）に、気液分離器（１４）にて分離された気相冷媒および第２圧縮機構（２１ａ）吐出冷媒を合流させた冷媒を吸入させることができるので、第２圧縮機構（２１ａ）吐出冷媒のみを吸入させる場合に対して、第１圧縮機構（１１ａ）にて冷媒を等エントロピ的に圧縮する際の圧縮仕事量を低減させて、ＣＯＰを向上できる。

従って、他方の運転モード時には、エジェクタ（１３）を冷媒減圧手段として用いるサイクルは構成されないものの、高いＣＯＰを発揮させながら、サイクルを安定して作動させることができる。

このように、高いＣＯＰを発揮させながら、エジェクタ式冷凍サイクルを安定して作動できることは、高圧冷媒と低圧冷媒との圧力差が大きい冷凍サイクル装置、例えば、冷却運転モード時に庫内温度を極低温（例えば、−３０℃〜−１０程度）まで低下させ、加熱運転モード時に吸熱源としての外気が極低温となる環境で使用される冷温保存庫等に適用した際に、極めて有効である。

さらに、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、冷媒流路切替手段（３１〜３４）は、冷却運転モード時に、第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を室外熱交換器（４１）へ流入させて放熱させるとともに、低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を利用側熱交換器（５１）へ流入させて蒸発させる冷媒流路に切り替え、加熱運転モード時に、第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を利用側熱交換器（５１）へ流入させて放熱させるとともに、低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を室外熱交換器（４１）へ流入させて蒸発させる冷媒流路に切り替えるようになっていればよい。

これにより、具体的に、冷却運転モード時に、利用側熱交換器（５１）にて熱交換対象流体を冷却することができ、加熱運転モード時に、利用側熱交換器（５１）にて熱交換対象流体を加熱することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、第１圧縮機構（１１ａ）の冷媒吐出能力を変更する第１吐出能力変更手段（１１ｂ）と、第２圧縮機構（２１ａ）の冷媒吐出能力を変更する第２吐出能力変更手段（２１ｂ）とを備え、第１吐出能力変更手段（１１ｂ）および第２吐出能力変更手段（２１ｂ）は、それぞれ独立して第１圧縮機構（１１ａ）および第２圧縮機構（２１ａ）の冷媒吐出能力を変更可能に構成されていることを特徴とする。

これによれば、第１圧縮機構（１１ａ）の冷媒吐出能力と第２圧縮機構（２１ａ）の冷媒吐出能力とを独立に調整して、第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）のいずれも高い圧縮効率を発揮させながら作動させることができる。従って、エジェクタ式冷凍サイクル全体としてのＣＯＰを、より一層、向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、第１圧縮機構（１１ａ）および第２圧縮機構（２１ａ）は、同一のハウジング内に収容されて、一体的に構成されていることを特徴とする。これによれば、第１圧縮機構（１１ａ）および第２圧縮機構（２１ａ）の小型化が可能となり、エジェクタ式冷凍サイクル全体としての小型化を図ることもできる。

請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエジェクタ式冷凍サイクルにおいて、第１圧縮機構（１１ａ）は、冷媒を臨界圧力以上となるまで昇圧させるようになっていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

一実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 （ａ）は、一実施形態の冷却運転モードの冷媒の状態を示すモリエル線図であり、（ｂ）は、一実施形態の加熱運転モードの冷媒の状態を示すモリエル線図である。 （ａ）は、他の実施形態における冷媒流路切替手段の構成図であり、（ｂ）は、他の実施形態における別の冷媒流路切替手段の構成図である。 他の実施形態における更に別の冷媒流路切替手段の構成図である。 従来技術のエジェクタ式冷凍サイクルの冷媒の状態を示すモリエル線図である。

図１、２により、本発明のエジェクタ式冷凍サイクル１００を、庫内温度を低温または高温に保つ冷温保存庫に適用した一実施形態を説明する。図１は、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１００の全体構成図である。

このエジェクタ式冷凍サイクル１００は、熱交換対象流体である庫内空気を冷却する冷却運転モードと、庫内空気を加熱する加熱運転モードを切替可能に構成されている。なお、図１における実線矢印は、冷却運転モード時における冷媒の流れを示し、破線矢印は、加熱運転モードにおける冷媒の流れを示している。

エジェクタ式冷凍サイクル１００において、第１圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、吐出容量が固定された第１圧縮機構１１ａを第１電動モータ１１ｂにて駆動する電動圧縮機である。第１圧縮機構１１ａとしては、具体的に、スクロール型圧縮機構、ベーン型圧縮機構等の各種圧縮機構を採用できる。

第１電動モータ１１ｂは、後述する制御装置から出力される制御信号によって、その作動（回転数）が制御されるもので、交流モータ、直流モータのいずれの形式を採用してもよい。そして、この回転数制御によって、第１圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力が変更される。従って、本実施形態の第１電動モータ１１ｂは、第１圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力を変更する第１吐出能力変更手段を構成している。

第１圧縮機１１（第１圧縮機構１１ａ）の吐出口側には、電気式四方弁３１が接続されている。電気式四方弁３１は、上述の冷却運転モードにおける冷媒流路と加熱運転モードにおける冷媒流路とを切り替えるもので、制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される冷媒流路切替手段である。

より具体的には、電気式四方弁３１は、第１圧縮機１１吐出口側と室外熱交換器４１入口側との間および後述する低圧側固定絞り１５出口側と後述する利用側熱交換器５１入口側との間を同時に接続する冷媒流路（図１の実線矢印で示す回路）と、第１圧縮機１１吐出口側と利用側熱交換器５１入口側との間および低圧側固定絞り１５出口側と室外熱交換器４１入口側との間を同時に接続する冷媒流路（図１の破線矢印で示す回路）とを切り替える。

図１の実線矢印で示す冷媒流路のように、冷却運転モードにおける第１圧縮機１１吐出口側には、電気式四方弁３１を介して、室外熱交換器４１が接続されている。室外熱交換器４１は、その内部を通過する冷媒と送風ファン４１ａにより送風される室外空気とを熱交換させる熱交換器である。送風ファン４１ａは、制御装置から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

従って、室外熱交換器４１は、室外熱交換器４１内に外気温よりも高温の第１圧縮機１１吐出冷媒が流通する場合には、冷媒を放熱させる放熱器として機能する。また、室外熱交換器４１内に外気温よりも低温の低圧側固定絞り１５流出冷媒が流通する場合には、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。

なお、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１００では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用し、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。このため、本実施形態において放熱器として機能する熱交換器は、冷媒を凝縮させる凝縮器として作用する。

また、この冷媒には第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａを潤滑するための液相冷媒に対して溶解性を有する冷凍機油が混入されており、冷凍機油は冷媒とともにサイクルを循環している。

さらに、冷却運転モードにおける室外熱交換器４１の出口側には、第１電気式三方弁３２の冷媒入口側が接続されている。第１電気式三方弁３２は、上述の冷却運転モードにおける冷媒流路と加熱運転モードにおける冷媒流路とを切り替えるもので、電気式四方弁３１とともに本実施形態における冷媒流路切替手段を構成している。また、第１電気式三方弁３２は、制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。

具体的には、第１電気式三方弁３２は、室外熱交換器４１出口側とエジェクタ１３のノズル部１３ａ入口側との間を接続する冷媒流路（図１の実線矢印で示す回路）、および、室外熱交換器４１出口側と後述する第２圧縮機２１（第２圧縮機構２１ａ）吸入口側との間を接続する冷媒流路（図１の破線矢印で示す回路）とを切り替える。

また、第１電気式三方弁３２と第２圧縮機２１吸入口側との間には、第１三方継手１７ａが配置されている。この第１三方継手１７ａは、互いに連通する３つの冷媒流入出口を有する冷媒配管継手部材である。さらに、第１三方継手１７ａの別の冷媒流入出口には、後述する第２電気式三方弁３３の一方の冷媒流出口が接続されている。

エジェクタ１３は、冷媒を減圧膨張させる冷媒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によって冷媒の循環を行う冷媒循環手段でもある。

より具体的には、エジェクタ１３は、冷却運転モード時に室外熱交換器４１から流出した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、ノズル部１３ａの冷媒噴射口と連通するように配置されて第２圧縮機２１から吐出された冷媒を吸引する冷媒吸引口１３ｂ等を有して構成される。

さらに、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は、ノズル部１３ａから噴射する高速度の冷媒流と冷媒吸引口１３ｂからの吸引冷媒とを混合する混合部１３ｃが設けられ、混合部１３ｃの冷媒流れ下流側には昇圧部をなすディフューザ部１３ｄが設けられている。

ディフューザ部１３ｄは冷媒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を圧力エネルギに変換する作用を果たす。さらに、ディフューザ部１３ｄの出口側には、第２三方継手１７ｂを介して、アキュムレータ１４が接続されている。

アキュムレータ１４は、ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒の気液を分離して、サイクル内の余剰液相冷媒を溜める気液分離器である。アキュムレータ１４の気相冷媒流出口には、第３三方継手１７ｃを介して、第１圧縮機１１の吸入口が接続され、液相冷媒流出口には、低圧側固定絞り１５を介して、電気式四方弁３１が接続されている。

第２、３三方継手１７ｂ、１７ｃは、第１三方継手１７ａと同様の構成の冷媒配管継手部材である。さらに、第２三方継手１７ｂの別の冷媒流入出口には、後述する高圧側固定絞り１２の冷媒出口側が接続され、第３三方継手１７ｃの別の冷媒流入出口には、後述する第３電気式三方弁３４の一方の冷媒流出口が接続されている。

低圧側固定絞り１５は、アキュムレータ１４から流出した冷媒をさらに減圧膨張させる低圧側減圧手段である。この低圧側固定絞り１５としては、具体的に、オリフィスやキャピラリチューブを採用できる。

利用側熱交換器５１は、その内部を通過する冷媒と送風ファン５１ａにより循環送風される熱交換対象流体である庫内空気とを熱交換させる熱交換器である。送風ファン５１ａは、制御装置から出力される制御電圧によって回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

従って、利用側熱交換器５１は、利用側熱交換器５１内に庫内空気よりも低温のアキュムレータ１４流出冷媒が流通する場合には、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、利用側熱交換器５１内に庫内空気よりも高温の第１圧縮機１１吐出冷媒が流通する場合には、冷媒を放熱させる放熱器として機能する。

利用側熱交換器５１の冷媒出口側には、第２電気式三方弁３３の冷媒流入口が接続されている。第２電気式三方弁３３の基本的構成は、第１電気式三方弁３２と同様である。さらに、この第２電気式三方弁３３も、電気式四方弁３１等とともに本実施形態の冷媒流路切替手段を構成している。

具体的には、第２電気式三方弁３３は、利用側熱交換器５１出口側と第１三方継手１７ａとの間を接続する冷媒流路（図１の実線矢印で示す回路）、および、利用側熱交換器５１出口側と高圧側固定絞り１２入口側との間を接続する冷媒流路（図１の破線矢印で示す回路）とを切り替える。

前述の如く、第２電気式三方弁３３の一方の冷媒流出口には、第１三方継手１７ａの１つの冷媒流入出口が接続され、さらに、他方の冷媒流出口には、高圧側固定絞り１２冷媒入口側が接続されている。高圧側固定絞り１２は、加熱運転モード時に利用側熱交換器５１から流出した高圧冷媒を中間圧となるまで減圧膨張させる高圧側減圧手段である。この高圧側固定絞り１２としては、具体的に、オリフィスやキャピラリチューブを採用できる。

第２圧縮機２１は、冷媒を吸入して圧縮して、第３電気式三方弁３４の冷媒流入口側へ吐出するもので、その基本的構成は第１圧縮機１１と同様である。従って、第２圧縮機２１は、固定容量型の第２圧縮機構２１ａを第２電動モータ２１ｂにて駆動する電動圧縮機である。さらに、本実施形態の第２電動モータ２１ｂは、第２圧縮機構２１ａの冷媒吐出能力を変更する第２吐出能力変更手段を構成している。

第３電気式三方弁３４の基本的構成は、第１、第２電気式三方弁３２、３３と同様である。さらに、この第３電気式三方弁３４も、電気式四方弁３１等とともに本実施形態の冷媒流路切替手段を構成している。

具体的には、第３電気式三方弁３４は、第２圧縮機２１吐出口側とエジェクタ１３の冷媒吸引口側との間を接続する冷媒流路（図１の実線矢印で示す回路）、および、第２圧縮機２１吐出口側と第１圧縮機１１吸入口側との間を接続する冷媒流路（図１の破線矢印で示す回路）とを切り替える。

なお、上述した第１〜第３電気式三方弁３２〜３４では、一方の冷媒流路に切り替えられると他方の冷媒流路は閉塞された状態となる。従って、冷媒が他方の冷媒流路を流通することも、冷媒がサイクル内部から外部へ漏れ出ることもない。

図示しない制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む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。この制御装置は、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って、上述の各種電気式のアクチュエータ１１ｂ、２１ｂ、３１、３２、３３、３４、４１ａ、５１ａ等の作動を制御する。

従って、この制御装置は、第１吐出能力変更手段である第１電動モータ１１ｂの作動を制御する第１吐出能力制御手段としての機能、第２吐出能力変更手段である第２電動モータ２１ｂの作動を制御する第２吐出能力制御手段としての機能、および、流路切替手段である電気式四方弁３１、第１〜第３電気式三方弁３２〜３４の作動を制御する冷媒流路切替制御手段を兼ね備えている。もちろん、第１吐出能力制御手段、第２吐出能力制御手段、および、媒冷媒流路切替制御手段を異なる制御装置で構成してもよい。

また、制御装置には、外気温を検出する外気センサ、庫内温度を検出する庫内温度センサ等の図示しないセンサ群の検出値や、冷温保存庫を作動させる作動スイッチ、庫内空気を冷却する冷却運転モードと庫内空気を加熱する加熱運転モードとのモード切替スイッチ等が設けられた図示しない操作パネルの各種操作信号が入力される。

次に、上記構成における本実施形態の作動を図２のモリエル線図に基づいて説明する。なお、図２（ａ）は、冷却運転モードにおける冷媒の状態を示すモリエル線図であり、図２（ｂ）は、加熱運転モードにおける冷媒の状態を示すモリエル線図である。

まず、冷却運転モードについて説明する。冷却運転モードは、操作パネルの作動スイッチが投入された状態で、モード切替スイッチにより冷却運転モードが選択されると実行される。冷却運転モードでは、制御装置が、第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂ、送風ファン４１ａ、５１ａを作動させるとともに、電気式四方弁３１、第１〜第３電気式三方弁３２〜３４を実線矢印で示す回路に切り替える。

従って、第１圧縮機１１（第１圧縮機構１１ａ）にて圧縮された冷媒（図２（ａ）のａ_2a点）は、電気式四方弁３１を介して、室外熱交換器４１へ流入し、送風ファン４１ａから送風された送風空気（外気）と熱交換して放熱して凝縮する（ａ_2a点→ｂ_2a点）。つまり、本実施形態の冷却運転モードでは、室外熱交換器４１が放熱器として機能する。

室外熱交換器４１にて放熱した冷媒は、第１電気式三方弁３２を介して、エジェクタ１３のノズル部１３ａへ流入して等エントロピ的に減圧膨張する（ｂ_2a点→ｃ_2a点）。そして、この減圧膨張時に冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されて、冷媒がノズル部１３ａの冷媒噴射口から高速度となって噴射される。

この噴射冷媒の冷媒吸引作用により、冷媒吸引口１３ｂから第２圧縮機２１（第２圧縮機構２１ａ）から吐出された冷媒（ｊ_2a点）が、第３電気式三方弁３４を介して、吸引される。

さらに、ノズル部１３ａから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口１３ｂから吸引された吸引冷媒がエジェクタ１３の混合部１３ｃにて混合され、ディフューザ部１３ｄに流入する（ｃ_2a点→ｄ_2a点およびｊ_2a点→ｄ_2a点）。ディフューザ部１３ｄでは通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されるため、冷媒の圧力が上昇する（ｄ_2a点→ｅ_2a点）。

ディフューザ部１３ｄから流出した冷媒は、第２三方継手１７ｂを介して、アキュムレータ１４へ流入して気相冷媒および液相冷媒に分離される（ｅ_2a点→ｆ_2a点およびｅ_2a点→ｇ_2a点）。そして、アキュムレータ１４の気相冷媒出口から流出した気相冷媒は、第３三方継手１７ｃを介して、第１圧縮機１１に吸入されて圧縮される（ｆ_2a点→ａ_2a点）。

一方、アキュムレータ１４の液相冷媒出口から流出した液相冷媒は、低圧側固定絞り１５にてさらに等エンタルピ的に減圧膨張されて、その圧力を低下させる（ｇ_2a点→ｈ_2a点）。低圧側固定絞り１５にて減圧膨張された冷媒は、電気式四方弁３１を介して、利用側熱交換器５１へ流入し、送風ファン５１ａにより循環送風された庫内空気から吸熱して蒸発する（ｈ_2a点→ｉ_2a点）。

これにより、熱交換対象流体である庫内空気が冷却される。つまり、本実施形態の冷却運転モードでは、利用側熱交換器５１が蒸発器として機能する。そして、利用側熱交換器５１から流出した冷媒は、第２電気式三方弁３３および第１三方継手１７ａを介して、第２圧縮機２１に吸入されて圧縮される（ｉ_2a点→ｊ_2a点）。

この際、制御装置は、エジェクタ式冷凍サイクル全体としてのＣＯＰが略最大に近づくように、第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂの作動を制御する。具体的には、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの機械効率を向上させるために、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの昇圧量が略同等となるように制御する。

なお、圧縮効率とは、第１、第２圧縮機１１、２１にて冷媒が等エントロピ圧縮された際の冷媒のエンタルピの増加量をΔＨ１としたときに、この増加量ΔＨ１を、実際に第１、第２圧縮機１１、２１にて冷媒が昇圧された際の冷媒のエンタルピ増加分ΔＨ２で除した値である。

例えば、第１、第２圧縮機１１、２１の回転数や昇圧量（吐出圧力と吸入圧力との圧力差）が増加すると、その摩擦熱によって冷媒の温度が上昇して実際のエンタルピ増加分ΔＨ２が増加するため、圧縮効率も低下することになる。

さらに、第２圧縮機２１から吐出された冷媒は、前述の如く、第３電気式三方弁３４を介して、冷媒吸引口１３ｂからエジェクタ１３内へ吸引される（ｊ_2a点→ｄ_2a点）。

次に、加熱運転モードについて説明する。加熱運転モードは、操作パネルの作動スイッチが投入された状態で、モード切替スイッチにより加熱運転モードが選択されると実行される。加熱運転モードでは、制御装置が、第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂ、送風ファン４１ａ、５１ａを作動させるとともに、電気式四方弁３１、第１〜第３電気式三方弁３２〜３４を破線矢印で示す回路に切り替える。

従って、第１圧縮機１１にて圧縮された冷媒（図２（ｂ）のａ_2b点）は、電気式四方弁３１を介して、利用側熱交換器５１へ流入し、送風ファン５１ａから循環送風された庫内空気と熱交換して放熱して凝縮する（ａ_2b点→ｂ_2b点）。つまり、本実施形態の加熱運転モードでは、利用側熱交換器５１が放熱器として機能して、庫内空気が加熱される。

利用側熱交換器５１にて放熱した冷媒は、第２電気式三方弁３３を介して、高圧側固定絞り１２へ流入して中間圧となるまで等エンタルピ的に減圧膨張する（ｂ_2b点→ｃ_2b点）。高圧側固定絞り１２にて減圧膨張した冷媒は、第２三方継手１７ｂを介して、アキュムレータ１４へ流入して気相冷媒および液相冷媒に分離される（ｃ_2b点→ｆ_2b点およびｃ_2b点→ｇ_2b点）。

アキュムレータ１４の液相冷媒出口から流出した液相冷媒は、低圧側固定絞り１５にてさらに等エンタルピ的に減圧膨張されて、低圧冷媒となる（ｇ_2b点→ｈ_2b点）。そして、低圧側固定絞り１５にて減圧膨張された冷媒は、電気式四方弁３１を介して、室外熱交換器４１へ流入し、送風ファン４１ａにより送風された送風空気（外気）から吸熱して蒸発する（ｈ_2a点→ｉ_2a点）。

つまり、本実施形態の加熱運転モードでは、室外熱交換器４１が蒸発器として機能する。そして、室外熱交換器４１から流出した冷媒は、第１電気式三方弁３２および第１三方継手１７ａを介して、第２圧縮機２１に吸入されて中間圧となるまで圧縮される（ｉ_2b点→ｊ_2b点）。

第２圧縮機２１吐出冷媒は、第３電気式三方弁３４を介して、第３三方継手１７ｃへ流入して、アキュムレータ１４から流出した気相冷媒と合流する（ｊ_2b点→ｆ’_2b点およびｆ_2b点→ｆ’_2b点）。第３三方継手１７ｃにて合流した冷媒は、第１圧縮機１１へ吸入されて圧縮される（ｆ’_2b点→ａ_2b点）。

その他の作動は、冷却運転モードと同様である。従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１００を作動させると以下のような優れた効果を得ることができる。

まず、冷却運転モードでは、室外熱交換器４１を放熱器として機能させ、室外熱交換器４１にて放熱した冷媒をエジェクタ１３のノズル部１３ａへ流入させるととともに、利用側熱交換器５１を蒸発器として機能させ、利用側熱交換器５１にて蒸発した冷媒をエジェクタ１３の冷媒吸引口１３ｂから吸引するエジェクタ式冷凍サイクルが構成される。これにより、冷温保存庫内の庫内空気を冷却できる。

そして、この冷却運転モードでは、第２圧縮機構２１ａを備えているので、例えば、低外気温時等のように、高圧冷媒と低圧冷媒との圧力差が低下して、エジェクタ１３の駆動流が流量低下するような運転条件、すなわち、エジェクタ１３の吸引能力が低下するような運転条件となっても、エジェクタ１３の吸引能力を、第２圧縮機構２１ａの吸入吐出作用によって補助することができる。

さらに、本実施形態の冷却運転モードでは、第２圧縮機構２１ａの吸引作用によって、アキュムレータ１４から利用側熱交換器５１へ確実に液相冷媒を供給することができる。その結果、エジェクタ式冷凍サイクルが構成される冷却運転モードでは、エジェクタ１３の駆動流の流量低下を抑制して、エジェクタ式冷凍サイクル１００を安定して作動させることができる。

さらに、２つの第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａおよびエジェクタ１３のディフューザ部１３ｄの昇圧作用によって冷媒を昇圧できるので、１つの圧縮機構にて冷媒を昇圧する場合に対して、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの駆動動力を低減させてＣＯＰを向上できる。

つまり、ディフューザ部１３ｄの昇圧作用によって、第１圧縮機構１１ａの吸入圧力を上昇させることで、第１圧縮機構１１ａの駆動動力を低減できる。さらに、それぞれの第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａにおける吸入圧力と吐出圧力との圧力差を縮小できるので、それぞれの第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの圧縮効率を向上できる。

この際、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの冷媒吐出能力を第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂが独立に変化させることができるので、エジェクタ式冷凍サイクル１００全体としてのＣＯＰを効果的に向上させることができる。

また、加熱運転モードでは、利用側熱交換器５１を放熱器として機能させ、利用側熱交換器にて放熱した冷媒を高圧側固定絞り１２にて減圧してアキュムレータ１４に流入させるとともに、アキュムレータ１４にて分離された気相冷媒と第２圧縮機構２１ａ吐出冷媒とを合流させて第１圧縮機構１１ａへ吸入させている。

つまり、この加熱運転モードでは、冷媒を多段階に昇圧させる、いわゆるエコノマイザ式冷凍サイクルが構成され、冷温保存庫内の庫内空気を加熱できる。さらに、エコノマイザ式冷凍サイクルを構成することで、単一の圧縮手段にて冷媒を昇圧する場合よりも、第１、第２圧縮機構１１ａ、１２ａのそれぞれにおける吸入冷媒圧力と吐出冷媒圧力との圧力差を縮小させて、それぞれの圧縮機構の圧縮効率を向上させることができる。

さらに、第１圧縮機構１１ａに、アキュムレータ１４にて分離された気相冷媒および第２圧縮機構２１ａ吐出冷媒を合流させた冷媒を吸入させることができるので、第２圧縮機構２１ａ吐出冷媒のみを吸入させる場合に対して、第１圧縮機構１１ａ吸入冷媒のエンタルピを低下させることができる。従って、第１圧縮機構１１ａにて冷媒を等エントロピ的に圧縮する際の圧縮仕事量を低減させてＣＯＰを向上できる。

従って、加熱運転モードにおいても、高いＣＯＰを発揮させながら、サイクルを安定して作動させることができる。

このように、高いＣＯＰを発揮させながら、エジェクタ式冷凍サイクルを安定して作動できることは、高圧冷媒と低圧冷媒との圧力差が大きい冷凍サイクル装置、例えば、冷却運転モード時に庫内温度を極低温（例えば、−３０℃〜−１０程度）まで低下させ、加熱運転モード時に吸熱源としての外気が極低温となる環境で使用される冷温保存庫等に適用した際に、極めて有効である。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、冷却運転モード時に、エジェクタ式冷凍サイクルを構成する冷媒流路に切り替え、加熱運転モード時に、エコノマイザ式冷凍サイクルを構成する冷媒流路に切り替える例、すなわち、冷却運転モードが特許請求の範囲に記載した一方の運転モードに対応し、加熱運転モードが特許請求の範囲に記載した他方の運転モードに対応する例を説明したが、逆のサイクル構成に切り替えるようにしてもよい。

つまり、冷却運転モード時に、エコノマイザ式冷凍サイクルを構成する冷媒流路に切り替え、加熱運転モード時に、エジェクタ式冷凍サイクルを構成する冷媒流路に切り替える、すなわち、加熱運転モードが特許請求の範囲に記載した一方の運転モードに対応し、冷却運転モードが特許請求の範囲に記載した他方の運転モードに対応する構成にしてもよい。

（２）上述の実施形態では、第１、第２圧縮機１１、２１として、それぞれ別体で構成された圧縮機を採用した例を説明したが、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａおよび第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂを一体的に構成してもよい。

例えば、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａおよび第１、第２電動モータ１１ｂ、２１ｂを同一のハウジング内に収容して一体的に構成してもよい。この場合には、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａの回転軸を共通化して、共通する駆動源から供給される駆動力によって双方の圧縮機構を駆動するようにしてもよい。

これにより、第１、第２圧縮機構１１ａ、２１ａを小型化して、エジェクタ式冷凍サイクル全体としての小型化を図ることができる。

（３）上述の実施形態では、第１、第２圧縮機１１、２１として、電動圧縮機を採用した例を説明したが、第１、第２圧縮機１１、２１の形式はこれに限定されない。

例えば、エンジン等を駆動源として、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採用してもよい。この場合は、吐出容量変更手段が、吐出能力変更手段となる。また、電磁クラッチの断続により駆動源との接続を断続的に変化させて冷媒吐出能力を調整する固定容量型圧縮機を使用してもよい。この場合は、電磁クラッチが、吐出能力変更手段となる。

さらに、第１、第２圧縮機１１、２１に、同一の形式の圧縮機構を採用してもよいし、異なる形式の圧縮機構を採用してもよい。

（４）上述の実施形態では、エジェクタ１３としてノズル部１３ａの絞り通路面積が固定された固定式のエジェクタ１３を採用しているが、ノズル部の絞り通路面積を変更可能に構成された可変エジェクタを採用してもよい。また、上述の各実施形態では、高圧側減圧手段として、高圧側固定絞り１２を採用しているが、もちろん、可変絞り機構を採用してもよい。

（５）上述の実施形態では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用した例を説明したが、冷媒の種類はこれに限定されない。例えば、炭化水素系冷媒、二酸化炭素等を用いてもよい。さらに、本発明のエジェクタ式冷凍サイクルを、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える超臨界冷凍サイクルとして構成してもよい。

さらに、超臨界冷凍サイクルを構成する場合、高圧側減圧手段として、放熱器として機能する熱交換器の出口側冷媒温度に基づいてＣＯＰが略最大となるように決定される目標高圧に調整する圧力制御弁を採用してもよい。

このような圧力制御弁としては、具体的に、放熱器として機能する熱交換器出口側に設けられた感温部を有し、この感温部の内部に放熱器として機能する熱交換器出口側冷媒の温度に対応した圧力を発生させ、感温部の内圧と放熱器として機能する熱交換器出口側の冷媒圧力とのバランスで弁開度を機械的機構により調整する構成を採用できる。

（６）上述の各実施形態では、冷媒流路切替手段として、電気式四方弁３１、第１〜第３電気式三方弁３２〜３４を採用した例を説明したが、冷媒流路切替手段は、これに限定されない。

例えば、図３（ａ）に示すように、電気式四方弁３１の代わりに、２つの電気式三方弁３１ａを組み合わせて構成してもよいし、図３（ｂ）に示すように、４つの開閉弁（電磁弁）３１ｂを組み合わせて構成してもよい。また、図４（ａ）に示すように、第１〜第３電気式三方弁３２〜３４の代わりに、３つの開閉弁（電磁弁）３２ｂを組み合わせて構成してもよい。

（７）上述の実施形態では、高圧側減圧手段および低圧側減圧手段として、固定絞りを採用しているが、高圧側減圧手段および低圧側減圧手段として、冷媒を体積膨張させて減圧させるとともに、冷媒の圧力エネルギを機械的エネルギに変換して出力する膨張機を採用してもよい。

このような膨張機としては、具体的に、スクロール型、ベーン型、ローリングピストン型といった容積型圧縮手段を採用できる。そして、容積型圧縮手段を圧縮手段として用いる場合の冷媒流れに対して逆流させるように冷媒を流すことで、冷媒を体積膨張させて減圧させながら、機械的エネルギを出力させることができる。

（８）上述の各実施形態では、本発明のエジェクタ式冷凍サイクル１００を冷温保存庫に適用した例を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、エジェクタ式冷凍サイクルを、空調装置、その他の定置型の冷凍サイクル装置、車両用冷凍サイクル装置等に適用してもよい。

１１、２１ 第１、第２圧縮機
１１ａ、２１ａ 第１、第２圧縮機構
１１ｂ、２１ｂ 第１、第２電動モータ
１２ 高圧側固定絞り
１３ エジェクタ
１３ａ ノズル部
１３ｂ 冷媒吸引口
１３ｄ ディフューザ部
１４ アキュムレータ
１５ 低圧側固定絞り
３１ 電気式四方弁
３２〜３４ 第１〜第３電気式三方弁
４１ 室外熱交換器
５１ 利用側熱交換器

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮して吐出する第１、第２圧縮機構（１１ａ、２１ａ）と、
   冷媒と外気とを熱交換させる室外熱交換器（４１）と、
   冷媒と熱交換対象流体とを熱交換させる利用側熱交換器（５１）と、
   冷媒を減圧膨張させるノズル部（１３ａ）から噴射する高速度の噴射冷媒の流れによって冷媒吸引口（１３ｂ）から冷媒を吸引して、前記噴射冷媒と前記冷媒吸引口（１３ｂ）から吸引された吸引冷媒との混合冷媒をディフューザ部（１３ｄ）にて昇圧するエジェクタ（１３）と、
   冷媒を減圧膨張させる高圧側減圧手段（１２）と、
   前記ディフューザ部（１３ｄ）から流出した冷媒あるいは前記高圧側減圧手段（１２）から流出した冷媒の気液を分離して、分離された気相冷媒を前記第１圧縮機構（１１ａ）吸入口側へ流出させる気液分離器（１４）と、
   前記気液分離器（１４）にて分離された液相冷媒を減圧膨張させる低圧側減圧手段（１５）と、
   前記熱交換対象流体を冷却する冷却運転モードの冷媒流路、および、前記熱交換対象流体を加熱する加熱運転モードの冷媒流路を切り替える冷媒流路切替手段（３１、３２、３３、３４）とを備え、
   前記冷媒流路切替手段（３１〜３４）は、
   前記冷却運転モードおよび前記加熱運転モードのうち一方の運転モード時に、前記室外熱交換器（４１）および前記利用側熱交換器（５１）のうち前記第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を放熱させる熱交換器から流出した冷媒を、前記ノズル部（１３ａ）へ流入させるとともに、前記室外熱交換器（４１）および前記利用側熱交換器（５１）のうち前記低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を蒸発させる熱交換器から流出した冷媒を、前記第２圧縮機構（２１ａ）に吸入させて前記冷媒吸引口（１３ｂ）側へ吐出させる冷媒流路に切り替え、
   前記冷却運転モードおよび前記加熱運転モードのうち他方の運転モード時に、前記室外熱交換器（４１）および前記利用側熱交換器（５１）のうち前記第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を放熱させる熱交換器から流出した冷媒を、前記高圧側減圧手段（１２）へ流入させるとともに、前記室外熱交換器（４１）および前記利用側熱交換器（５１）のうち前記低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を蒸発させる熱交換器から流出した冷媒を、前記第２圧縮機構（２１ａ）に吸入させて前記第１圧縮機構（１１ａ）吸入口側へ吐出させる冷媒流路に切り替えることを特徴とするエジェクタ式冷凍サイクル。
2. さらに、前記冷媒流路切替手段（３１〜３４）は、
   前記冷却運転モード時に、前記第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を前記室外熱交換器（４１）へ流入させて放熱させるとともに、前記低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を前記利用側熱交換器（５１）へ流入させて蒸発させる冷媒流路に切り替え、
   前記加熱運転モード時に、前記第１圧縮機構（１１ａ）吐出冷媒を前記利用側熱交換器（５１）へ流入させて放熱させるとともに、前記低圧側減圧手段（１５）流出冷媒を前記室外熱交換器（４１）へ流入させて蒸発させる冷媒流路に切り替え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。
3. 前記第１圧縮機構（１１ａ）の冷媒吐出能力を変更する第１吐出能力変更手段（１１ｂ）と、
   前記第２圧縮機構（２１ａ）の冷媒吐出能力を変更する第２吐出能力変更手段（２１ｂ）とを備え、
   前記第１吐出能力変更手段（１１ｂ）および前記第２吐出能力変更手段（２１ｂ）は、それぞれ独立して前記第１圧縮機構（１１ａ）および前記第２圧縮機構（２１ａ）の冷媒吐出能力を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
4. 前記第１圧縮機構（１１ａ）および前記第２圧縮機構（２１ａ）は、同一のハウジング内に収容されて、一体的に構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエジェクタ式冷凍サイクル。
5. 前記第１圧縮機構（１１ａ）は、冷媒を臨界圧力以上となるまで昇圧させることを特徴とする請求項１ないし４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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