JP2002349500A - エジェクタおよび冷凍システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非定常らせん流のエジェクタ軸方向以外の速
度成分を低減させるとともに、一次流体のらせん流形成
前の二次流体の混合を低減することにより、有効エネル
ギーの損失を低減し、エジェクタの効率を向上すること
ができるエジェクタおよびこれを用いた冷凍システムを
提供する。 【解決手段】 一次流体の噴流によって二次流体の吸引
および／または昇圧を行うエジェクタにおいて、ディフ
ューザ２と、一次流体をエジェクタ中心軸にほぼ平行に
噴出するノズル３を円環状に配したノズル群４またはリ
ング状ノズル２４と、ノズル群またはリング状ノズルに
対向して下流側に配設され、自由回転する円筒状の羽根
５付きロータ６とを含み、一次流体のらせん型押出し流
を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空生成、圧縮、
昇圧などに供されるエジェクタに関し、特に一次流体の
流れをらせん型押出し流とするようにしたエジェクタ、
およびこれを用いた冷凍システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のエジェクタは、図１０に示すよう
に、ノズル１００とディフューザ１０２を備え、ノズル
１００から一次流体を高速度で噴射することによって低
圧の二次流体を吸引し、一次流体と二次流体の間で圧力
変換（エネルギー交換）を伴ってディフューザ１０２か
ら流出させることにしている。エジェクタを用いて冷凍
サイクルを構成する場合には、上記二次流体が液相の状
態で入っている蒸発器をエジェクタに接続し、上記二次
流体が蒸発・吸引される際に発生する気化熱（蒸発潜
熱）により発生する冷熱を利用する。従来のエジェクタ
では、一次流体と二次流体が接する界面１０４におい
て、一次流体の噴流によりせん断的に二次流体を巻き込
みつつ混合させるものであるため、つまり吸引過程が一
次流体と二次流体の速度差などに起因する両流体間境界
領域での乱れや渦による巻き込みに基づいているため、
エントロピの増大すなわち有効エネルギーの損失は避け
られないものとなっていた。また、高エネルギー状態の
一次流体と低エネルギー状態の二次流体が直接混合する
ため、ここでも有効エネルギーの損失は避けられないも
のとなっていた。これらの要因により、従来のエジェク
タは効率が非常に低いものであった。

【０００３】有効エネルギーの損失を抑制し、エジェク
タの効率を向上させるためには、高エネルギー流体と低
エネルギー流体が直接接触する際、両流体の界面が、そ
れらの流れ方向に対して鉛直になっていることが望まし
い。言い換えれば、両流体界面の法線方向に流体が流れ
ていることが望ましい。この状態では、両流体が極力交
じり合わないような状態で流体間の界面を介してエネル
ギー（圧力）の授受が可逆的に行われる。さらに、高エ
ネルギー流体と低エネルギー流体は界面を介してエネル
ギーを交換し、概略同一エネルギー状態となった後に混
合する。このため、吸引・混合時の有効エネルギー損失
は、せん断による場合に比較して大幅に低減される。こ
のような、高エネルギー流体と低エネルギー流体の界面
がそれらの流れ方向に対して鉛直になっている状態は、
従来のエジェクタの如く一次流体噴流が定常的に流れて
いる場合には実現不可能である。

【０００４】ＵＳＰ6,138,456公報に開示されているエ
ジェクタは、上記の状態を実現する一つの方策を提供し
ている。図１１は同公報に示されたエジェクタの断面図
である。図１１において、１１０は一次流体供給配管、
１１１は二次流体供給配管、１１２は一次流体供給配管
１１０の先端部に取り付けられたノズル、１１３はディ
フューザ、１１４はノズル１１２に対向して回転自在に
設けられた円錐体状のロータで、その円錐表面には複数
の羽根１１５が取り付けられている。１１６はロータ１
１４を支持する軸、１１７はディフューザ１１３内に同
心に固定されたスピンドルで、ロータ１１４を同心軸上
に支持する紡錘形状の部材である。

【０００５】このエジェクタは、ノズル１１２の噴射口
に対向して極低摩擦で自由回転する円錐体状のロータ１
１４を配設し、このロータ１１４の円錐面上に複数の傾
斜した羽根１１５を設け、この羽根１１５付きロータ１
１４をディフューザ１１３内に同軸に支持する構成とな
っている。かかるエジェクタの構成によると、ノズル１
１２からの一次流体の噴流がロータ１１４に取り付けら
れた羽根１１５に作用し、ロータ１１４が自由回転す
る。回転しているロータ１１４の羽根１１５が横切る下
流側には、一次流体のらせん流が形成される。このらせ
ん流の速度成分は、エジェクタ軸方向に大きな速度成分
を持つ。二次流体はこの一次流体らせん流のらせんとら
せんの間に保持され、あたかもらせん形状のピストンで
押されるようにして運搬される。この際、一次流体と二
次流体の界面が、流体の速度方向に対して平行ではな
く、らせんの強さに応じた角度を有するため、容積ポン
プ的な現象に近くなり、せん断により巻き込む従来法式
に比較してエントロピの増大、すなわち有効エネルギー
の損失を低減することができる。さらに、一次流体と二
次流体が、その界面を介してエネルギー（圧力）を交換
して概略等エネルギー状態となった後に混合するため、
エネルギー状態の異なる流体が直接混合する場合に比較
して有効エネルギー損失を抑制することができる。これ
らの効果により、エジェクタの効率が向上する。この一
次流体および二次流体のらせん流は「非定常流(non-ste
ady flow）」と呼ばれている。ここに、非定常流とは、
流量、速度、圧力、温度などの状態が時間的、空間的に
変化する流れをいう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにＵＳＰ6,
138,456公報によるエジェクタは、一次流体の非定常ら
せん流を生成し、これによりエジェクタの効率を向上さ
せている。しかしながら、このエジェクタでは、単一ノ
ズルから噴出させる一次流体を、ノズルと対向する円錐
体形状の羽根付きロータで半径方向に広げつつらせん流
を生成しているため、半径方向の速度成分を必然的に有
する。このため、完全なエジェクタ軸方向の押出し流れ
とは、若干異なる流れとなり、効率の低下の要因とな
る。また、二次流体の導入部開口がロータより上流側に
あるため、一次流体と二次流体が混合しつつ羽根付きロ
ータを通過する。このため、らせん流は一次流体に二次
流体が若干混合した流体で形成される。このロータ上流
側での一次流体と二次流体の混合は、従来のエジェクタ
における流体の混合と同様、せん断に基づいているた
め、有効エネルギーの損失が発生してしまう。ＵＳＰ6,
138,456公報のらせん流は、羽根付きロータの羽根取付
角度によりらせんの強さを調整可能であり、羽根取付角
度を一次流体噴流速度方向に対して鉛直に近づけること
により、一次流体／二次流体界面の速度方向に対する角
度を鉛直に近づけることは可能であるが、真の鉛直には
なり得ない。また、界面が速度方向に対して鉛直でない
場合には、界面と平行方向の速度成分に起因するせん断
による巻き込みが発生し、効率が低下してしまう。さら
に、前述したように、生成されたらせん流は半径方向成
分などエジェクタの軸方向以外の速度成分も含んでお
り、この速度成分に起因するせん断巻き込みも効率低下
の原因となる。

【０００７】本発明は、かかる課題を解決するためにな
されたもので、非定常らせん流の軸方向以外の速度成分
を低減させるとともに、一次流体のらせん流形成前の二
次流体の混合を低減することにより、有効エネルギーの
損失を低減し、エジェクタの効率を向上することができ
るエジェクタおよびこれを用いた冷凍システムを提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るエジェクタ
は、一次流体の噴流によって二次流体の吸引および／ま
たは昇圧を行うエジェクタにおいて、ディフューザと、
一次流体をエジェクタ中心軸にほぼ平行に噴出するノズ
ルを円環状に配したノズル群またはリング状ノズルと、
前記ノズル群またはリング状ノズルに対向して下流側に
配設され、自由回転する羽根付きロータとを含み、一次
流体のらせん型押出し流を生成してなることを特徴とす
るものである。

【０００９】本発明のエジェクタにおいては、ノズルを
円環状に配したノズル群または円環状の噴出口を有する
リング状ノズルから一次流体をエジェクタ中心軸にほぼ
平行に噴出することにより、一次流体噴流がロータの羽
根に作用してロータを自由回転させる。回転している羽
根がノズル正面を横切るたびに、らせん状の一次流体塊
が生成される。さらに、ロータは円筒状に形成されてい
るため、らせん状の一次流体は、エジェクタ軸方向以外
の速度成分が抑制された非定常らせん流（以下、「らせ
ん型押出し流」という）となる。二次流体はらせん状の
一次流体同士の狭間にはさまれ保持される状態となり、
その界面を介して両流体がエネルギー（圧力）交換して
概略等エネルギー状態となった後に混合する。この際、
流れ方向である軸方向以外の速度成分を低減したため、
エネルギー（圧力）交換の効率を高めることができる。
したがって、本発明によれば、有効エネルギーの損失が
低減され、エジェクタの効率を向上させることができ
る。

【００１０】本発明のエジェクタにおいては、前記ノズ
ル群またはリング状ノズルは、一次流体供給配管の先端
部に設けたヘッダー部に設けられていることを特徴とす
る。

【００１１】この構成によって、ノズル群の配置または
リング状ノズルの設置、並びに羽根付きロータの取付が
容易になる。

【００１２】本発明のエジェクタにおいては、前記羽根
付きロータは、前記ヘッダー部の中心に片持ち式に取り
付けられた軸に回転自在に支持されていることを特徴と
する。

【００１３】この構成によって、羽根付きロータの取付
が容易になるとともに、ロータをディフューザに取り付
けるための支持部材を必要としなくなるので、ディフュ
ーザ内でのらせん状の一次流体、二次流体の流れを乱す
ようなことがなくなる。

【００１４】本発明のエジェクタにおいては、前記羽根
付きロータの後部に前記ディフューザとの間で環状流路
を形成する流線形状のテール部を前記軸に設けたことを
特徴とする。

【００１５】流線形状のテール部を設けることにより、
環状流路内での一次・二次流体の流れに渦等の乱れが生
じない。

【００１６】本発明のエジェクタにおいては、一次流体
と二次流体を仕切る筒状仕切り部材を備えたことを特徴
とする。

【００１７】筒状の仕切り部材により一次流体と二次流
体を仕切ることによって、一次流体のらせん型押出し流
を形成した後に二次流体が導入され混合するので、一次
流体のらせん型押出し流形成前の二次流体の混合を低減
することができる。

【００１８】本発明のエジェクタにおいては、前記ディ
フューザと前記テール部との間の環状流路に整流格子部
材を設けたことを特徴とする。

【００１９】整流格子部材によって環状流路を格子状に
区切ることにより、一次・二次流体の流れ方向を主流方
向に制限するので、両流体のエジェクタ軸方向以外の速
度成分をさらに抑制することができる。

【００２０】本発明の冷凍システムは、請求項１〜６の
いずれかに記載のエジェクタを用いて冷凍サイクルを構
成したことを特徴とする。

【００２１】本発明のエジェクタは、一次流体をらせん
型押出し流としたことにより、二次流体の吸引・混合時
の有効エネルギー損失が低減し、エジェクタの効率が向
上する。このエジェクタを用いることにより、一次流体
に対する二次流体の流量比（＝［二次流体流量］／［一
次流体流量］）が増大し、冷凍機としての効率（ＣＯ
Ｐ）が向上する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。 実施の形態１．図１は本発明の実施の形態１によるエジ
ェクタの概要を示す図、図２はこのエジェクタの構成お
よび作用を示す説明図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、
図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。このエジェクタ１
は、主として、ディフューザ２と、一次流体をエジェク
タ中心軸にほぼ平行に噴出する複数のノズル３を円環状
に配設してなるノズル群４と、ノズル群４と対向してそ
の中心に同軸上に支持され、円筒状の外周上に複数の羽
根５を取り付けてなるロータ６とから構成されている。
ロータ６の羽根５は、ノズル群４の各ノズル３から噴出
される一次流体噴流に相対する位置に所定の角度で設置
されている。ディフューザ２は上流側に導入部７を有
し、ノズル群４はこの導入部７を貫く一次流体供給配管
８の先端部に設けたヘッダー部９に円環状に取り付けら
れている。

【００２３】ロータ６は、円筒形状に形成され、図４に
示すように、ヘッダー部９の中心に片持ち式に取り付け
られた軸１０に、上流側の円筒形状のスペーサ１１と下
流側の流線形状をしたテール部１２との間で、軸受１３
を介して極低摩擦で自由に回転するように支持されてい
る。なお、図４において、１４はフリクションリングで
ある。ヘッダー部９に取り付けられたノズル群４は、一
次流体供給配管８により、一次流体加熱装置１５を介し
てポンプなどからなる一次流体供給装置１６に接続され
ており、また、ディフューザ２の導入部７には、二次流
体供給配管１７を介して二次流体の供給元である二次流
体供給部１８が接続されている。ディフューザ２は流出
配管１９を介して他のプロセス、凝縮器、あるいは大気
などへ接続されている。また、ヘッダー部９は、一次流
体の流れを乱さないように円錐形状の環状流路を形成す
るようにすることが好ましい。

【００２４】この実施の形態においては、一次流体を円
環状のノズル群４の各ノズル３からエジェクタ１の中心
軸にほぼ平行に噴出させる。ノズル群４に対向して下流
側に設けられたロータ６にはその円筒面に複数の羽根５
が取り付けてあり、各羽根５は、ノズル群４の各ノズル
３からの一次流体噴流に対して所定の迎え角をもって設
置されているため、噴流が羽根５に作用する力によって
ロータ６は回転する。回転している羽根５が各ノズル３
の噴出口正面を横切るたびに、噴流が若干その流れ方向
を変えるが、図２に示すように、一次流体噴流はらせん
型押出し流となり、らせん型の一次流体塊２０が生成さ
れる。そして、このらせん型の一次流体塊２０の狭間に
二次流体塊２１が吸引・保持される状態となり、さらに
一次流体塊２０と二次流体塊２１は、ロータ６の下流側
において、テール部１２とディフューザ２の間の環状流
路２２を流れる間に、両流体の界面を介してエネルギー
（圧力）の授受を行い、概略等エネルギー状態となった
後に混合し、ディフューザ２で速度エネルギーを圧力エ
ネルギーに回復し、流出配管１９から流出する。

【００２５】このように、ノズル群４を構成する各ノズ
ル３はエジェクタ中心軸とほぼ平行に円環状に配設され
ており、このノズル群４に対向して設置されたロータ６
は、ノズル群４の円環の内側に、スペーサ１１およびテ
ール部１２とほぼ同一外径の円筒状に形成されているの
で、一次流体の主速度成分をエジェクタ１の中心軸と平
行に近づけることができ、そのため軸方向以外の速度成
分を低減できるので、ＵＳＰ6,138,456公報のエジェク
タと比べて、より有効エネルギーの損失を低減しエジェ
クタの効率を向上させることができる。また、このよう
な円環状の多管式ノズルのうち、必要に応じてその一部
のノズル３を閉じて使用しないことにすることもでき、
これによりノズル数を任意に選定し、容量制御を細かく
段階的に行うことも可能である。

【００２６】ノズル群４を構成するノズル３の数は任意
の数をとることができるが、できるだけ円環状配置を密
に構成することが望ましい。また、ノズル群４の代わり
に、図５に示すように、円環形状の噴出口を有するリン
グ状ノズル２４を使用してもよい。ただし、この場合に
は使用ノズル本数の増減による容量制御は行えない。さ
らに、ロータ６表面の羽根５の枚数、迎え角、形状は、
特に限定されるものではなく任意に選ぶことができる。
なお、図５において、２５はヘッダー部９を構成するセ
ンターコーンで、複数の支持脚２６により固着されてい
る。

【００２７】実施の形態２．図６は、本発明の実施の形
態２によるエジェクタの概略図である。この実施の形態
では、一次流体と二次流体を仕切る円筒状の仕切り部材
２７の先端部２８がロータ６の羽根５を覆う程度まで延
ばして設置し、一次流体のらせん型押出し流が形成され
た後に、二次流体を導入するようにしたものである。な
お、仕切り部材２７の先端部２８は、丸みをつけるなど
流れを乱さないような形状とする。このような円筒状の
仕切り部材２７を設けることにより一次流体と二次流体
を仕切ることができるので、一次流体のらせん型押出し
流が形成された後に、二次流体を導入し混合することが
できる。そのため、一次流体らせん型押出し流の形成前
の二次流体の混合を極力低減することが可能となる。

【００２８】実施の形態３．図７は、本発明の実施の形
態３によるエジェクタの概略図、図８は図７のＣ−Ｃ線
断面図である。この実施の形態では、ロータ６下流側の
テール部１２とディフューザ２の間の環状流路２２に、
複数の貫通口２９をもつ整流格子部材３０を設置したも
のである。この整流格子部材３０によって環状流路２２
を区切ることにより、流れ方向が主流方向に制限される
ので、一次流体と二次流体の速度成分を、よりエジェク
タ軸方向に平行にすることができ、エジェクタ軸方向以
外の速度成分を極力低減することになる。そのため、こ
の速度成分に起因するせん断巻き込みが低減されるの
で、エジェクタの効率が向上する。なお、貫通口２９の
形状は、図示したものに限定されるものではなく、例え
ば円形状などでも構わない。さらに、図６に示した円筒
状の仕切り部材２７を設置してもよい。

【００２９】実施の形態４．図９は、本発明のエジェク
タを用いて冷凍サイクルを構成した実施の形態を示す概
要図である。エジェクタ１は、ここでは実施の形態１で
示した構造のものを使用している。ノズル群４は、一次
流体供給配管８を介して、一次流体加熱装置１５、一次
流体供給装置１６に接続されている。また、エジェクタ
１は二次流体供給配管１７を介して蒸発器５１に接続さ
れている。エジェクタ１の流出側には流出配管１９を介
して凝縮器５２が接続されている。凝縮器５２に流入す
る一次流体と二次流体の混合気は凝縮器５２に接続され
ている冷却水配管５４により冷却され、凝縮する。凝縮
した液は、配管５８を流れ、一次流体供給装置１６によ
り一次流体加熱装置１５に戻されると同時に、二次流体
戻り配管５９、減圧弁５７を介して蒸発器５１に戻る。
蒸発器５１内の二次流体がエジェクタ１により吸引され
る際に発生する二次流体の気化熱（蒸発潜熱）により温
度低下、すなわち冷凍が発生し、蒸発器５１に接続され
ている冷熱負荷５６を冷却する。

【００３０】このエジェクタ１を用いることにより、上
述したようにエジェクタの効率が向上するため、一次流
体に対する二次流体の流量比（＝［二次流体流量］／
［一次流体流量］）が増大し、冷凍機としての効率（Ｃ
ＯＰ）が向上する。

【００３１】なお、一次流体加熱装置１５に接続されて
いる熱交換器５３の熱源としては、電力や燃料の燃焼に
よるもののほか、工場排熱や排ガス熱なども利用され
る。また、一次、二次流体の冷媒としては、水、フロ
ン、アルコール、アンモニア、あるいはこれらの混合物
などが利用される。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明のエジェクタは、
円環状のノズル群の各ノズルまたは円環状の噴出口を有
するリング状ノズルから一次流体をエジェクタ中心軸に
ほぼ平行に噴出し、ノズル群またはリング状ノズルに対
向して下流側に円筒状の羽根付きロータを配設すること
により、一次流体の流れをらせん型押出し流としたもの
であり、有効エネルギーの損失が低減され、エジェクタ
の効率を大幅に向上させる効果がある。また、本発明の
エジェクタを用いた冷凍システムでは、一次流体に対す
る二次流体の流量比が増大することから、単位量の二次
流体を吸引するに必要な一次流体の流量を低減でき、冷
凍機の効率が向上する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるエジェクタの概要
図である。

【図２】図１のエジェクタの構成および作用を示す説明
図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面である。

【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】リング状ノズルを有するエジェクタの断面図で
ある。

【図６】本発明の実施の形態２によるエジェクタの概要
図である。

【図７】本発明の実施の形態３によるエジェクタの概要
図である。

【図８】図７のＣ−Ｃ線断面図である。

【図９】本発明の実施の形態４による冷凍システムの概
要図である。

【図１０】従来のエジェクタの概要図である。

【図１１】ＵＳＰ6,138,456公報に示されたエジェクタ
の断面図である。

【符号の説明】

１ エジェクタ ２ ディフューザ ３ ノズル ４ ノズル群 ５ 羽根 ６ ロータ ７ 導入部 ８ 一次流体供給配管 ９ ヘッダー部 １０ 軸 １１ スペーサ １２ テール部 １７ 二次流体供給配管 １９ 流出配管 ２０ 一次流体塊 ２１ 二次流体塊 ２２ 環状流路 ２４ リング状ノズル ２７ 仕切り部材 ３０ 整流格子部材 ５１ 蒸発器 ５２ 凝縮器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次流体の噴流によって二次流体の吸引
   および／または昇圧を行うエジェクタにおいて、 ディフューザと、一次流体をエジェクタ中心軸にほぼ平
   行に噴出するノズルを円環状に配したノズル群またはリ
   ング状ノズルと、前記ノズル群またはリング状ノズルに
   対向して下流側に配設され、自由回転する羽根付きロー
   タとを含み、一次流体のらせん型押出し流を生成してな
   ることを特徴とするエジェクタ。
2. 【請求項２】 前記ノズル群またはリング状ノズルは、
   一次流体供給配管の先端部に設けたヘッダー部に設けら
   れていることを特徴とする請求項１記載のエジェクタ。
3. 【請求項３】 前記羽根付きロータは、前記ヘッダー部
   の中心に片持ち式に取り付けられた軸に回転自在に支持
   されていることを特徴とする請求項１または２記載のエ
   ジェクタ。
4. 【請求項４】 前記羽根付きロータの後部に前記ディフ
   ューザとの間で環状流路を形成する流線形状のテール部
   を前記軸に設けたことを特徴とする請求項３記載のエジ
   ェクタ。
5. 【請求項５】 一次流体と二次流体を仕切る筒状仕切り
   部材を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   に記載のエジェクタ。
6. 【請求項６】 前記ディフューザと前記テール部との間
   の環状流路に整流格子部材を設けたことを特徴とする請
   求項１〜５のいずれかに記載のエジェクタ。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載のエジェ
   クタを用いて冷凍サイクルを構成したことを特徴とする
   冷凍システム。