JP2005342679A - ノズルおよびエジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 最縮流部を通過した後、流体の通路面積が拡大するノズルの加工コストを低減する。
【解決手段】 後端側から先端側に向かうほど断面積が縮小するテーパ部４６ａを有するニードル４６と、ノズル４１の冷媒噴出口側通路４１ｆとをそれぞれ別個に加工し、その後、ノズル４１の最縮流部４１ｄが形成される隔壁部４１ｇにニードル４６の後端４６ｂを固定して、このニードル部材４６により、冷媒噴出口側通路４１ｆの冷媒が通過可能な通路面積を徐々に拡大する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、流体を等エントロピ的に減圧するノズルおよびノズルから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に関する。

エジェクタサイクルは、エジェクタのポンプ作用により低圧側の冷媒、つまり蒸発器内の気相冷媒を吸引、循環させるとともに、エジェクタ内のノズルにて冷媒の膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させ、圧縮機の消費動力を低減するものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２９３１５号公報

しかし、図１の特許文献１のエジェクタ４０のように、ノズル４１内の冷媒通路において、最縮流部４１ｄ下流の末広形状が非常に小さいテーパ角（例えは１°±０．０５°）を持つ場合は、ノズル穴加工に高精度な加工精度が求められるため、加工時間が掛かり、ノズル４１のコストが高くなるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、最縮流部を通過した後、流体の通路面積が拡大するノズルにおいて、ノズルのコストを低減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、ノズルにおいて、流体が流入する流体流入口（４１ｂ）から流体が噴出する流体噴出口（４１ｃ）への流体通路を形成する本体部（４１ａ）と、本体部（４１ａ）に形成され、流体通路を流体流入口側の通路（４１ｅ）と流体噴出口側の通路（４１ｆ）とに分ける隔壁部（４１ｇ）と、隔壁部（４１ｇ）に配置され、流体流入口側通路（４１ｅ）と流体噴出口側通路（４１ｆ）とを連通させるとともに、流体流入口側通路（４１ｅ）から流体噴出口側通路（４１ｆ）へ流れる流体の通路面積を最も縮小させる最縮流部（４１ｄ）と、流体流入口側通路（４１ｅ）の少なくとも一部を形成し、流体流入口（４１ｂ）から流入する流体の通路面積を徐々に縮小する絞り部（４１ｈ）と、後端側から先端側に向かうほど断面積が縮小するテーパ部（４６ａ）が形成されたニードル部材（４６）とを備え、
ニードル部材（４６）の後端（４６ｂ）は、隔壁部（４１ｇ）に固定されており、流体噴出口側通路（４６ｆ）は、ニードル部材（４６）により流体が通過可能な通路面積が徐々に拡大されることを特徴としている。

これによると、別体のニードル部材（４６）とノズル（４１）の流体噴出口側通路（４１ｆ）に加工を施すため、より高精度の加工を容易、かつ短時間で行うことができる。そして、ニードル部材（４６）をノズル（４１）の隔壁部（４１ｇ）に固定して、流体噴出口側通路（４６ｆ）とニードル部材（４６）のテーパ部（４６ａ）とで形成される流体通路の面積を徐々に拡大、つまり末広形状を形成している。

これにより、特許文献１のエジェクタに配置された末広ノズルと同様の通路断面積を有するノズル（４１）をより安価に形成することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のノズルにおいて、流体噴出口側通路（４１ｆ）をより加工が容易な流体噴出口（４１ｃ）へ向かって通路面積が一定の形状とすれば、請求項１よりも安価にノズル（４１）を形成することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載のノズルにおいて、最縮流部を流体の流れ方向から見て円形状を有する円孔（４１ｄ）としてもよい。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１または２に記載のノズルにおいて、最縮流部を流体の流れ方向から見て長穴形状を有する孔４１ｊとしてもよい。

また、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つに記載のノズルを用いたエジェクタであって、
流体流入口（４１ｂ）には、高圧側流体が流入するようになっており、低圧側流体が流入する低圧流体流入口（４４）を有する空間であって、内部に流体噴出口（４１ｃ）が配置され、流体噴出口（４１ｃ）から高速で噴出する高圧側流体の巻き込み作用によって低圧流体流入口（４４）から低圧側流体が吸引される吸入空間（４５）と、吸入空間（４５）よりも流体流れ下流側部位に配置され、高圧側流体と低圧側流体が混合する混合部（４２）と、混合部（４２）よりも流体流れ下流側部位に配置され、流体流れ下流側方向に向かって徐々に流体の通路面積が増えていくディフューザ部（４３）とを備えれば、請求項１ないし４のいずれか１つの効果を有するノズル（４１）を使用してエジェクタを構成することができる。

また、請求項５に記載のエジェクタにおいて、流体としてフロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、ＣＯ_２冷媒のいずれか１つを使用してもよい。

なお、ここでフロンとは炭素、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）系冷媒等が含まれており、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。

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おける冷媒減圧手段および冷媒輸送手段として使用したものであって、図１はこのエジェクタサイクルの模式図である。

図１中、圧縮機１０は電動モータにより駆動されて冷媒を吸入圧縮する圧縮機であり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。

なお、本実施形態では、冷媒としてフロンを採用しているので、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力未満であり、放熱器２０にて冷媒が凝縮しながらエンタルピが小さくなっていくが、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、凝縮せずに温度が低下しながらエンタルピが小さくなっていく。

また、蒸発器３０は室内に吹き出す空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。

なお、エジェクタ４０には、流入する高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギ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４１が備えられている。このノズル４１の冷媒噴出口４１ｃは、冷媒噴出口４１ｃから高速で噴出する高圧冷媒の巻き込み作用により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒が吸引される気相冷媒流入口４４を有する吸入空間４５に配置されている。

さらに、エジェクタ４０には、吸入空間４５から吸引される気相冷媒とノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、および吸入空間４５から吸引される気相冷媒とノズル４１から噴射する冷媒とを混合させながら速度エネルギを圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等が備えられている。

また、気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その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る気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。

次に、図２および図３を使用して本実施形態のノズル４１の詳細を説明すると、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した最縮流部４１ｄを有する末広型のノズルを採用している。

４１ａは、ノズル４１の本体を形成する本体部４１ａであり、本体部４１ａには、冷媒が流入する冷媒流入口４１ｂから冷媒噴出口４１ｃへ向かって冷媒が流れる冷媒通路が形成されている。また、本体部４１ａには冷媒通路を冷媒流入口側通路４１ｅと冷媒噴出口側通路４１ｆとに分ける隔壁部４１ｇが配置されている。この隔壁部４１ｇには、後端側から先端側に向かうほど断面積が縮小するテーパ部４６ａが形成されたニードル４６の後端４６ｂが圧入されている。

なお、冷媒流入口側通路４１ｅの少なくとも一部には、冷媒流入口４１ｂから流入する冷媒の通路面積を徐々に縮小する絞り部４１ｈが配置されている。

次に、本実施形態における冷凍サイクルおよびエジェクタ４０の作動を説明する。圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１の流入口４１ｂに流入する。冷媒は、絞り部４１ｈおよび最縮流部４１ｄで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、その圧力エネルギが速度エネルギに変換されている。

絞り部４１ｈおよび最縮流部４１ｄを通過した冷媒は、冷媒通路面積が拡大する冷媒噴出口側通路４１ｆにおいて膨張加速し、噴出口４１ｃから高速度で噴出する。この時、蒸発器３０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４４から吸引される。噴出口４１ｃから噴出した冷媒と気相冷媒流入口４４から吸引された気相冷媒は混合部４２で混合しながらディフューザ部４３へ流れる。そして、ディフューザ部４３で冷媒の動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。

一方、エジェクタ４０により蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には気液分離器５０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。

なお、冷凍能力を増大させるときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出される冷媒流量を増大させ、冷凍能力を減少させるときには、圧縮機１０の回転数を減少させて圧縮機１０から吐出される冷媒流量を減少させる。

次に、第１実施形態による作用効果を列挙すると、（１）ノズル４１とは別体のニードル４６にテーパ部４６ａを加工するため、より高精度の加工を容易、かつ短時間で行うことができる。

（２）ノズル４１の冷媒噴出口側通路４１ｆをより加工が容易な冷媒噴出口４１ｃへ向かって断面積が一定の円筒形状としたため、より短時間で加工を行うことができる。

そして、ニードル４６をノズル４１の隔壁部４１ｇに固定すれば、冷媒噴出口側通路４６ｆとニードル４６とで形成される冷媒通路の面積を徐々に拡大、つまり末広形状を形成することができる。

これら（１）、（２）の作用効果が相まって、特許文献１のエジェクタに配置された末広ノズルと同様の通路断面積を有するノズル４１をより安価に形成することができる。

（３）隔壁４１ｇに配置した複数の最縮流部４１ｄを冷媒が通過するため、特許文献１のノズルのように最縮流部が１つの場合に比べて、冷媒とノズル管壁（冷媒噴出口側通路４１ｆの内壁）との接触面積が増加するため、冷媒が加速、つまり噴出口４１ｃから噴出する冷媒速度が向上し、ノズル効率を向上できる。

（第２実施形態）
本実施形態のノズル４１は、第１実施形態とほぼ同構成であるが冷媒流れ方向から見た最縮流部の形状が長穴形状４１ｊとなっている。これにより、冷媒が通過可能な通路面積が多くなり、より多くの冷媒が縮流部４１ｊを通過できる。

なお、本実施形態においても、第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（３）を有するノズルおよびエジェクタを構成することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、ニードル４６を隔壁部４１ｇに圧入した例を示したが、ニードルは隔壁部に例えば溶接などにより、固定されていればよい。

また、上述の実施形態では、冷媒の種類を特定しなかったが、冷媒はフロン系冷媒、ＨＣＦＣ系、ＨＦＣ系などの代替フロン、ＨＣ系の自然冷媒、二酸化炭素など種々適用可能である。

本発明の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第１実施形態の模式図である。 第１実施形態に係るエジェクタの断面図である。 図２のエジェクタの要部拡大図であり、（ａ）図２のＡ視図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図である。 第２実施形態に係るエジェクタの要部拡大図であり、（ａ）図２のＡ視図、（ｂ）Ｃ−Ｃ断面図である。 特許文献１に係るエジェクタの模式図である。

符号の説明

４１ａ…本体部、４１ｂ…冷媒流入口（流体流入口）、
４１ｃ…冷媒噴出口（流体噴出口）、４１ｄ…最縮流部、円孔、
４１ｅ…冷媒流入口側通路（流体流入口側通路）、
４１ｆ…冷媒噴出口側通路（流体噴出口側通路）、４１ｇ…隔壁部、４１ｈ…絞り部、
４１ｊ…最縮流部、長穴孔、４２…混合部、４３…ディフューザ部、
４４…気相冷媒流入口（低圧冷媒流入口）、４５…吸入空間、
４６…ニードル（ニードル部材）、４６ａ…テーパ部、４６ｂ…後端。

Claims (6)

1. 流体が流入する流体流入口（４１ｂ）から前記流体が噴出する流体噴出口（４１ｃ）への流体通路を形成する本体部（４１ａ）と、
   前記本体部（４１ａ）に形成され、前記流体通路を前記流体流入口側の通路（４１ｅ）と前記流体噴出口側の通路（４１ｆ）とに分ける隔壁部（４１ｇ）と、
   前記隔壁部（４１ｇ）に配置され、前記流体流入口側通路（４１ｅ）と前記流体噴出口側通路（４１ｆ）とを連通させるとともに、前記流体流入口側通路（４１ｅ）から前記流体噴出口側通路（４１ｆ）へ流れる前記流体の通路面積を最も縮小させる最縮流部（４１ｄ、４１ｊ）と、
   前記流体流入口側通路（４１ｅ）の少なくとも一部を形成し、前記流体流入口（４１ｂ）から流入する流体の通路面積を徐々に縮小する絞り部（４１ｈ）と、
   後端側から先端側に向かうほど断面積が縮小するテーパ部（４６ａ）が形成されたニードル部材（４６）とを備え、
   前記ニードル部材（４６）の後端（４６ｂ）は、前記隔壁部（４１ｇ）に固定されており、
   前記流体噴出口側通路（４１ｆ）は、前記ニードル部材（４６）により前記流体が通過可能な通路面積が徐々に拡大されることを特徴とするノズル。
2. 前記流体噴出口側通路（４１ｆ）は、前記流体噴出口（４１ｃ）へ向かって断面積が一定であることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 前記最縮流部は、前記流体の流れ方向から見て円形状を有する円孔（４１ｄ）であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズル。
4. 前記最縮流部は、前記流体の流れ方向から見て長穴形状を有する孔（４１ｊ）であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズル。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載のノズルを用いたエジェクタであって、
   前記流体流入口（４１ｂ）には、高圧側流体が流入するようになっており、
   低圧側流体が流入する低圧流体流入口（４４）を有する空間であって、内部に前記流体噴出口（４１ｃ）が配置され、前記流体噴出口（４１ｃ）から高速で噴出する前記高圧側流体の巻き込み作用によって前記低圧流体流入口（４４）から前記低圧側流体が吸引される吸入空間（４５）と、
   前記吸入空間（４５）よりも流体流れ下流側部位に配置され、前記高圧側流体と前記低圧側流体が混合する混合部（４２）と、
   前記混合部（４２）よりも流体流れ下流側部位に配置され、流体流れ下流側方向に向かって徐々に流体の通路面積が増えていくディフューザ部（４３）とを備えることを特徴とするエジェクタ。
6. 前記流体は、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、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５に記載のエジェクタ。

Images