JP2005233025A - エジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ニードル弁の変位により通過する冷媒の流量を調節するエジェクタにおいて、ニードル弁の変位に要する力を小さくできるエジェクタの提供を目的とする。
【解決手段】 流入口１７ａから高圧冷媒が流入する高圧空間１８と、高圧空間１８から噴出口１７ｂへ向かって高圧冷媒の通路面積を縮小する絞り部１７ｃを有するノズル１７と、絞り部１７ｃの軸線方向Ｒに変位することにより、絞り部１７ｃの開度を変化させるニードル弁１９と、噴出口１７ｂおよび気相冷媒流入口２２ａが配置される吸入空間２２とを備えたエジェクタにおいて、ニードル弁１９の噴出口と反対側端部１９ｃを高圧空間１８とは別の空間である反対側端部空間２１に配置し、この反対側端部空間２１と吸入空間２２とを連通する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流体を減圧する減圧手段であるとともに、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（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）に関するもので、冷媒を減圧する減圧手段および冷媒を循環させるポンプ手段としてエジェクタを採用した冷凍機、車両用空調装置等に適用して有効である。
従来、冷凍サイクルで冷媒減圧手段および冷媒循環手段として用いられるエジェクタにおいて、エジェクタを通過する冷媒の流量を調節するものが特許文献１にて知られている。
この図４の特許文献１に記載の従来例のエジェクタ５０では、圧縮機で高圧となった冷媒が流入口５１を通って高圧空間１８に流入する。その後、高圧冷媒はノズル１７の絞り部１７ｃで通路面積を絞られることにより、圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されて加速し、噴出口１７ｂから噴出する。この噴出した高い速度の冷媒流の巻き込み作用により、蒸発器で蒸発した気相冷媒が気相冷媒流入口２２ａから吸引される。
さらに、冷媒は混合部２３を通過してディフューザ部２４へ流れる。エジェクタは、このディフューザ部２４で冷媒の膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入側の冷媒圧力を上昇させることにより、冷媒流れ下流側の圧縮機の消費動力を低減している。ディフューザ部２４通過後、冷媒は気液分離器で液相冷媒と気相冷媒に分離され、気相冷媒は圧縮機に吸入され、液相冷媒は蒸発器で蒸発して気相冷媒となり、気相冷媒流入口２２ａに到達する。
また、従来例ではニードル弁１９を変位手段５２により、ノズルの軸線方向（図３中左右方向）Ｒに変位させて、絞り部１７ｃ、つまりノズル１７の開度（冷媒が通過可能な流路面積）を変化させ、ノズル１７を通過する冷媒の流量を増減させることができる。従来例では、ニードル弁１９が噴出口方向（図３中右方向）Ｒ１に変位するとノズル１７の開度が小さくなり、噴出口とは反対方向（図３中左方向）Ｒ２に変位するとノズル１７の開度が大きくなる。
これによると、圧縮機が高回転、つまりエジェクタ５０に流入する冷媒が多い時にはノズル１７の開度を大きくして、ノズル１７（エジェクタ５０）を通過する冷媒量を増やすことができる。したがって、エジェクタ５０の冷媒流れ下流側の蒸発器を流れる冷媒量が増えるため、エジェクタ５０を通過する冷媒流量を増減できない場合に比べて、特にサイクルを流れる冷媒量が多い時の冷凍（冷房）能力を向上することができる。
ところで、本発明者らはニードル弁１９を変位させる一般的な方法として、図４のようにソレノイド２０を使用した比較例のエジェクタ５３を検討した。この比較例ではニードル弁１９をノズルの軸線方向Ｒに摺動可能に支持する隔壁５４が配置されている。この隔壁５４は高圧空間１８と、ニードル弁１９の噴出口とは反対側端部１９ｃが位置する反対側端部空間２１とを隔てる位置に配置されるため、連通路５４ａにより両空間１８、２１を連通して両空間１８、２１内の圧力がほぼ同一となるようにしている。これにより、具体的にニードル弁１９をノズルの軸線方向Ｒに変位させることができる。
特開２００３−１８５２７５号公報
しかし、比較例のエジェクタではニードル弁１９において、噴出口と反対側端部１９ｃ（高圧）と噴出口側端部１９ｂ（低圧）との圧力差が大きいため、ニードル弁１９が噴出口方向（図４中右方向）Ｒ１に力（抗力）を受けてしまい、変位に大きな力が要るという問題がある。これにより、ソレノイド２０の体格の大型化や、特に流量が小さいときのノズルの軸線方向Ｒへの微小な変位が困難といった問題が発生してしまう。
本発明は、上記点に鑑み、ニードル弁の変位により通過する流体の流量を調節するエジェクタにおいて、ニードル弁の変位に要する力を小さくすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エジェクタにおいて、流入口（１７ａ）から高圧流体が流入する高圧空間（１８）と、高圧空間（１８）から流体噴出口（１７ｂ）へ向かって高圧流体の通路面積を縮小する絞り部（１７ｃ）を有する絞り手段（１７）と、絞り部（１７ｃ）の軸線方向（Ｒ）に変位することにより、絞り部（１７ｃ）の開度を変化させるニードル弁（１９）と、流体が流入する第２流入口（２２ａ）を有する空間であって、内部に噴出口（１７ｂ）が配置され、流体噴出口（１７ｂ）から高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって第２流入口（２２ａ）から流体が吸引される吸入空間（２２）とを備え、
ニードル弁（１９）の噴出口側の端部（１９ｂ）が位置する空間と、噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）が位置する空間が連通していることを特徴としている。
これによると、ニードル弁（１９）の噴出口側の端部（１９ｂ）が位置する空間と、噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）が位置する空間が連通しているため、両端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力差が小さくなっている。このため、図４の比較例のようにどちらか一方の端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力が高いなど両端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力差が大きい場合に比べて、ニードル弁（１９）に圧力差が原因で加わる抗力が小さくなり、ニードル弁（１９）を小さい力で変位させることができる。
したがって、変位力を発生させる変位手段が大型化することを防止できる。また、特に絞り部（１７ｃ）を通過する流量が小さい時にニードル弁（１９）の微小な変位調節をすることができる。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタにおいて、ニードル弁（１９）の噴出口側とは反対側の端部（１９ｃ）は、高圧空間（１８）とは別の空間である反対側端部空間（２１）に配置されており、反対側端部空間（２１）は吸入空間（２２）と連通していることを特徴としている。
ところで、エジェクタ内において流体が最も高圧なのは高圧流体が流入する高圧空間（１８）である。一方、流体が最も低圧なのは流体噴出口（１７ｂ）から噴出した直後、つまり吸入空間（２２）である。つまり、ニードル弁（１９）の流体噴出口側の端部（１９ｂ）と噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）のうち、一端部が高圧空間（１８）、他端部が吸入空間（２２）に位置する時が両端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力差が最も大きくなる。
一般的にニードル弁（１９）の噴出口側端部（１９ｂ）は、流体噴出口（１７ｂ）近傍かそれよりも流体流れ下流側部位、つまり吸入空間（２２）に位置する場合が多い。したがって、比較例のようにニードル弁（１９）の流体噴出口と反対側端部（１９ｃ）が、高圧空間（１８）に位置するとニードル弁両端（１９ｂ、１９ｃ）の圧力差が最大となってしまう。
しかし、請求項２では、ニードル弁（１９）の流体噴出口と反対側の端部（１９ｃ）を、高圧空間（１８）とは別の空間である反対側端部空間（２１）に配置し、さらに反対側端部空間（２１）と吸入空間は吸入空間（２２）と連通している。
これにより、ニードル弁（１９）の両端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力をほぼ同一として両端部（１９ｂ、１９ｃ）の圧力差を小さくでき、請求項１で述べた効果を具体的に発揮することができる。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタにおいて、ニードル弁（１９）の噴出口側とは反対側の端部（１９ｃ）は、高圧空間（１８）とは別の空間である反対側端部空間（２１）に配置されており、
吸入空間（２２）の流体流れ下流側部位には略一定の通路面積を有し、流体噴出口（１７ｂ）から噴出する流体と、第２流入口（２２ａ）から吸引される流体が混合される混合部（２３）が形成されており、反対側端部空間（２１）を混合部（２３）と連通したことを特徴としている。
ところで、混合部（２３）における流体の圧力は、高圧空間（１８）の圧力よりも大幅に低く、吸入空間（２２）よりはわずかに高い値となっている。したがって、請求項３のようにニードル弁（１９）の流体噴出口と反対側端部（１９ｃ）が配置されている反対側端部空間（２１）と混合空間（２３）とを連通しても、ニードル弁（１９）の両端部（１９ｂ、１９ｃ）周辺の圧力差を小さくすることができ、請求項１で述べた効果を具体的に発揮することができる。
また、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエジェクタにおいて、流体を冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）としてもよい。
なお、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ものである。
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタを車両用空調装置の冷凍サイクルに適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。本実施形態では冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を使用しており、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界サイクルである。図１中、１１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１である。この圧縮機１１で高圧状態となった冷媒は放熱器１２に流入する。放熱器１２では冷媒が室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が室外空気により冷却される。
冷却された冷媒は、エジェクタ１３に流入する。エジェクタ１３は放熱器１２から流出する冷媒を減圧膨張させて後述する蒸発器１６にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１の吸入圧を上昇させている。このエジェクタ１３についての詳細は後述する。
エジェクタ１３から流出した冷媒は、気液分離器１４に流入する。気液分離器１４では、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄えており、分離された気相冷媒は圧縮機１１に吸引されて再び圧縮され、一方、分離された液相冷媒は蒸発器１６側に吸引される。
蒸発器１６は、液相冷媒が室内に吹き出す空気と熱交換して蒸発することにより冷房能力を発揮するものである。なお、気液分離器１４と蒸発器１６との間に配置される第１減圧器１５は、気液分離器１４から蒸発器１６側に吸引される液相冷媒を減圧する絞り（減圧）手段であり、この第１減圧器１５により蒸発器１６内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させている。
次に、図２を使用して本発明に係るエジェクタ１３について説明すると、エジェクタ１３は主として冷媒を減圧するノズル１７と、ノズル１７の冷媒流れ下流側に配置され、主として蒸発器１６からの気相冷媒が吸引（循環）される吸入空間２２と、混合部２３と、ディフューザ部２４とに大別できる。
ノズル１７には、前述した放熱器１２通過後の高圧冷媒が流入する流入口１７ａ、ノズル内部に形成された高圧空間１８および冷媒がノズルから噴出する噴出口１７ｂが備えられている。また、高圧空間１８と噴出口１７ｂとの間の部位には、高圧空間１８から噴出口１７ｂに向かって高圧冷媒の通路面積が縮小するテーパ形状の絞り部１７ｃが形成されている。
また、ノズル１７内にはノズル１７の軸線方向Ｒに変位することにより、絞り部１７ｂの開度を変化させてノズル１７を通過する冷媒の流量を調整するニードル弁１９が配置されている。このニードル弁１９は、略針形状の棒状部材であり、断面が噴出口側方向Ｒ１の端部１９ｂに向かって小さくなるテーパ部１９ａが形成されている。一方、噴出口と反対側方向Ｒ２の端部１９ｃには、ソレノイドのコイル２０に電流が流れた時に発生する磁力を受けて、軸線方向Ｒに変位する受動部（プランジャ）１９ｄが形成されている。
なお、受動部１９ｄおよびコイル２０は、噴出口１７ｂと反対側の端部空間２１内に位置しており、この反対側端部空間２１と高圧空間１８との間には圧力隔壁１７ｄが配置されている。この圧力隔壁１７ｄには孔１７ｅが配置されており、ニードル弁１９を軸線方向Ｒに摺動可能に変位できるよう支持している。
ところで、噴出口１７ｂは蒸発器１６で蒸発した気相冷媒が流入する気相冷媒流入口２２ａを有する吸入空間２２に配置されている。そして、吸入空間２２の冷媒流れ下流側には略一定断面の通路断面を有する混合部２３が形成されており、さらに混合部２３の冷媒流れ下流側には冷媒流れ下流側方向に向かって徐々に断面積が増えていくディフューザ部２４が形成されている。なお、吸入空間２２と前述の反対側端部空間２１との間には、両空間２１、２２を連通させる通路２５が配置されている。
次に、冷凍サイクルおよびエジェクタ１３の作動を図１および図２を使用して述べる。圧縮機１１が起動すると、気液分離器１４から気相冷媒が圧縮機１１に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器１２に吐出される。そして、放熱器１２にて冷却された冷媒は、エジェクタ１３のノズル１７の流入口１７ａから噴出口側空間１８ａに流入する。その後、冷媒は噴出口１７ｂへ向かって流れる（図２中矢印Ａ）。この時、冷媒は絞り部１７ｃにより通路面積を絞られることにより減圧膨張される。言い換えると、その圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されている。
また、絞り部１７ｃを通過する冷媒量は、ニードル弁１９がソレノイド２０により、ノズル１７の軸線方向Ｒに変位することにより調整される。ニードル弁１９が噴出口側方向Ｒ１に変位するとテーパ部１９ａが絞り部１７ｃに徐々にはまる状態となって冷媒の通路面積を小さく（冷媒流量を少なく）し、一方ニードル弁１９が噴出口と反対方向Ｒ２に変位するとテーパ部１９ａが絞り部１７ｃから離れて冷媒の通路面積を大きく（冷媒流量を多く）する。
なお、ニードル弁１９の噴出口と反対側端部１９ｃおよび受動部１９ｄは、連通路２５により吸入空間２２とほぼ同一圧力となった反対側端部空間２１に位置している。そして、同じく反対側端部空間２１内に配置されたソレノイド２０の磁力により、受動部１９ｄ、つまりニードル弁１９がノズル１７の軸線方向Ｒに変位する。
ところで、絞り部１７ｃを通過した冷媒は噴出口１７ｂから吸引空間２２へ高速度で噴出する。この時、蒸発器１６で気相となった冷媒が、高速度の噴出流により気相冷媒流入口２２ａから吸引される。噴出口１７ｂから噴出した冷媒と気相冷媒流入口２３から吸引された気相冷媒は混合部２１で混合しながらディフューザ部２２へ流れる。そして、ディフューザ部２２で冷媒の動圧が静圧に変換されて気液分離器１４に戻る。一方、エジェクタ１３により蒸発器１６内の冷媒が吸引されるため、蒸発器１６には気液分離器１４から液相冷媒が流入し、その流入した冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。
次に、第１実施形態による作用効果を述べると、ニードル弁１９の両端部１９ｂ、１９ｃの圧力差を小さくしたため、ニードル弁１９を小さい力で変位させることができる。
ところで、エジェクタ内において冷媒が最も高圧なのは高圧冷媒が流入する高圧空間１８である。一方、冷媒が最も低圧なのは噴出口１７ｂから噴出した直後、つまり吸入空間２２である。つまり、図４の比較例のようにニードル弁１９の噴出口側の端部１９ｂと噴出口とは反対側の端部１９ｃのうち、一端部が高圧空間１８、他端部が吸入空間２２に位置する時が両端部１９ｂ、１９ｃの圧力差が最も大きくなる。なお、一般的にニードル弁１９の噴出口側端部１９ｂは、噴出口１７ｂ近傍かそれよりも冷媒流れ下流側部位、つまり吸入空間２２に位置する場合が多い。
しかし、本実施形態ではニードル弁１９の噴出口側の端部１９ｂが噴出口１７ｂ近傍（つまり、吸入空間２２）に位置し、一方、噴出口と反対側端部１９ｃが反対側端部空間２１に位置している。そして、通路２５により、この両空間２１、２２を連通しているため、両空間２１、２２（つまり、両端部１９ｂ、１９ｃ）の圧力差が小さくなっている。
これにより、比較例のようにどちらか一方の端部１９ｂ、１９ｃの圧力が高いなど両端部１９ｂ、１９ｃの圧力差が大きい場合に比べて、ニードル弁１９の両端部１９ｂ、１９ｃの圧力をほぼ同一として両端部１９ｂ、１９ｃの圧力差を小さくできる。
このため、比較例よりもニードル弁１９に圧力差が原因で加わる抗力が小さくなり、ニードル弁１９を小さい力で変位させることができる。したがって、大きな変位力を発生させるためにソレノイド２０等の変位手段が大型化することを防止できる。また、特に絞り部１７ｃを通過する冷媒量が小さい時にニードル弁１９の微小な変位調節をすることができる。
なお、本発明は冷媒に二酸化炭素（ＣＯ２）などを使用した超臨界サイクルの場合に特に有効である。超臨界サイクルでは高圧空間１８と噴出口１７近傍（吸入空間２２）との圧力差が１０ＭＰａ程度になる場合がありニードル弁１９を変位させる力が大きくなければニードル弁１９の変位が困難な場面が多いからである。
（他の実施形態）
上述の第１実施形態では、ニードル弁１９の噴出口と反対側端部１９ｃが位置する反対側端部空間２１と吸入空間２２が連通している例を示したが、反対側端部空間２１が連通する空間は吸入空間２２に限られるものではなく、ニードル弁１９の両端部１９ｂ、１９ｃの圧力がほぼ同一となる空間であればよい。例えば、混合部２３と連通していても同様の効果を発揮することができる。
また、上述の第１実施形態では、ニードル弁１９の噴出口側端部１９ｂがノズル１７の噴出口１７ｂ近傍に位置する例を示したが、噴出口側端部１９ｃの位置は例えば吸入空間２２、混合部２３であってもよい。この時、反対側端部空間２１が噴出口側端部１９ｃの位置する空間に連通していれば、より両端部１９ｂ、１９ｃの圧力差を小さくすることができるのは当然である。
また、上述の第１実施形態では、ノズル１７内に高圧空間１８が形成されている例を示したが高圧空間１８は、図３の従来例のようにエジェクタ１３本体の内部に形成されていてもよい。この時、流入口は当然にノズル１７にではなくエジェクタ１３本体部に形成される。
また、上述の第１実施形態では、ニードル弁１９をソレノイドにより変位させる例を示したが、ニードル弁１９を絞り部１７ｃの軸線方向Ｒに変位できるものであればよく、例えばステッピングモータのように回転力を軸線方向Ｒの直線的変位に変換するものであってもよい。
本発明のエジェクタを適用した第１実施形態に係る車両用空調装置の冷凍サイクルを示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るエジェクタの断面図である。 特許文献１（従来例）に係るエジェクタを示す断面図である。 比較例のエジェクタを示した断面図である。
符号の説明
１７…絞り手段（ノズル）、１７ａ…流入口、１７ｂ…流体噴出口（噴出口）、
１７ｃ…絞り部、１８…高圧空間、１９…ニードル弁、１９ｂ…噴出口側の端部、
１９ｃ噴出口とは反対側端部、２１…反対側端部空間、２２…吸入空間、
２２ａ…第２流入口、２３…混合部、Ｒ…絞り部の軸線方向、
Ｒ１…流体噴出口側方向、Ｒ２…流体噴出口とは反対側方向。

Claims (4)

  1. 流入口（１７ａ）から高圧流体が流入する高圧空間（１８）と、
    前記高圧空間（１８）から流体噴出口（１７ｂ）へ向かって前記高圧流体の通路面積を縮小する絞り部（１７ｃ）を有する絞り手段（１７）と、
    前記絞り部（１７ｃ）の軸線方向（Ｒ）に変位することにより、前記絞り部（１７ｃ）の開度を変化させるニードル弁（１９）と、
    流体が流入する第２流入口（２２ａ）を有する空間であって、内部に前記噴出口（１７ｂ）が配置され、前記流体噴出口（１７ｂ）から高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって前記第２流入口（２２ａ）から前記流体が吸引される吸入空間（２２）とを備え、
    前記ニードル弁（１９）の前記噴出口側の端部（１９ｂ）が位置する空間と、前記噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）が位置する空間が連通していることを特徴とするエジェクタ。
  2. 前記ニードル弁（１９）の前記噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）は、前記高圧空間（１８）とは別の空間である反対側端部空間（２１）に配置されており、
    前記反対側端部空間（２１）は、前記吸入空間（２２）と連通していることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
  3. 前記ニードル弁（１９）の前記噴出口とは反対側の端部（１９ｃ）は、前記高圧空間（１８）とは別の空間である反対側端部空間（２１）に配置されており、
    前記吸入空間（２２）の流体流れ下流側部位には略一定の通路面積を有し、前記噴出口（１７ｂ）から噴出する流体と、前記第２流入口（２２ａ）から吸引される流体とが混合される混合部（２３）が形成されており、
    前記反対側端部空間（２１）は、前記混合部（２３）と連通していることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
  4. 前記流体は、冷媒である二酸化炭素（ＣＯ２）であ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。
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