JP2010019133A - エジェクタおよびヒートポンプサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全閉から全開までのニードル変位量を小さくする。
【解決手段】減圧対象流体を減圧させて噴射する円筒状のノズル１５１と、ノズル１５１から噴射された噴射流体の流れによって吸引対象流体を吸引する流体吸引口１５２ｂ、および流体吸引口１５２ｂから吸引された吸引流体と噴射流体とを混合して昇圧させる昇圧部１５２ｅ、１５３ａが形成されたハウジング１５２、１５３と、ノズル１５１と同軸状に延びる針状部材であって、ノズル１５１の軸方向に変位するニードル１５４とを備え、ニードル１５４のうち噴射流体の噴射方向側の端部には噴射方向に向かって先細るテーパ形状を有するテーパ先端部が形成され、テーパ先端部の少なくとも一部はテーパ角度が噴射方向に向かうにつれて徐々に拡大変化している徐変テーパ部１５４ｂを構成し、ニードル１５４は少なくとも徐変テーパ部１５４ｂでノズル１５１の開口面積を変化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ニードルが変位することでノズルの開口面積を変化させるエジェクタ、およびこのエジェクタを備えるヒートポンプサイクル装置に関する。

従来、この種のエジェクタが特許文献１に記載されている。この従来技術では、ニードルの先端部に先細るテーパ形状を形成し、このテーパ形状の先端部のうち最先端部を除く主テーパ部でノズルの開口面積を変化させるようになっている。

そして、テーパ形状の先端部のうちノズル開口面積の変化に寄与しない最先端部のテーパ角度を主テーパ部のテーパ角度よりも大きくすることで、ニードルの全長の短縮化を図っている。

なお、この従来技術では、主テーパ部および最先端部のテーパ角度がいずれも一様な角度になっているので、主テーパ部と最先端部との境目においてテーパ角度が不連続的に変化している。
特開２００５−２６４９１１号公報

ところで、上記従来技術では、主テーパ部のテーパ角度が小さいほど、ノズルを全閉から全開まで変化させるために必要なニードルの変位量が大きくなる。そして、全閉から全開までのニードル変位量が大きい場合には、ノズルを全閉から全開まで変化させる時間が長くなってしまうので問題となる。

具体的には、例えば、エジェクタの品質検査においては、ノズルが全閉の状態と全開の状態の両方の状態で検査するのが望ましいのであるが、ノズルを全閉から全開まで変化させる時間が長いと、その分、全閉状態と全開状態の両方の状態で検査するために要する時間が長くなってしまい、品質検査時間が長くなってしまうので問題となる。

また、例えば、この種のエジェクタを備えるヒートポンプサイクル装置では、通常運転時にノズルを中間開度にし、蒸発器の除霜を行う除霜運転時にはノズルを全開にするものが製品化されているところ、ノズルを全閉から全開まで変化させる時間が長いと、その分、通常運転と除霜運転とを切り替える時間が長くなってしまい、通常運転時間が短くなってしまうので問題となる（後述の図４を参照）。

そこで、本発明者は、この対策として、主テーパ部のテーパ角度を大きくすることで、全閉から全開までのニードル変位量を小さくすることを検討した。しかしながら、本発明者の詳細な検討によると、主テーパ部のテーパ角度を単純に大きくすると、ニードルの変位によってノズル開口面積が急激に変化して流量が急激に変化してしまい、ひいてはヒートポンプサイクル装置の挙動を不安定にしてしまうという問題があることがわかった（後述の図６を参照）。

本発明は上記点に鑑みて、全閉から全開までのニードル変位量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、減圧対象流体を減圧させて噴射する流体通路（１５１ｃ）が形成された円筒状のノズル（１５１）と、
ノズル（１５１）から噴射された噴射流体の流れによって吸引対象流体を吸引する流体吸引口（１５２ｂ）、および流体吸引口（１５２ｂ）から吸引された吸引流体と噴射流体とを混合して昇圧させる昇圧部（１５２ｅ、１５３ａ）が形成されたハウジング（１５２、１５３）と、
ノズル（１５１）と同軸状に延びる針状部材であって、ノズル（１５１）の軸方向に変位するニードル（１５４）とを備え、
ニードル（１５４）のうち噴射流体の噴射方向側の端部には、噴射方向に向かって先細るテーパ形状を有するテーパ先端部が形成され、
テーパ先端部の少なくとも一部は、テーパ角度が噴射方向に向かうにつれて徐々に拡大するように変化している徐変テーパ部（１５４ｂ）を構成し、
ニードル（１５４）は、少なくとも徐変テーパ部（１５４ｂ）でノズル（１５１）の開口面積を変化させることを特徴とする。

これによると、テーパ角度が徐々に拡大するように変化している徐変テーパ部（１５４ｂ）でノズル（１５１）の開口面積を変化させるので、テーパ角度が一様になっている上記従来技術に比べて、全閉から全開までのニードル（１５４）の変位量を小さくできる。

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、テーパ先端部は、ノズル（１５１）の冷媒噴射口（１５１ｅ）よりも下流側まで延びており、
テーパ先端部のうち冷媒噴射口（１５１ｅ）よりも下流側の部位は、テーパ角度が一様な一様テーパ部（１５４ｃ）を構成し、
一様テーパ部（１５４ｃ）は、徐変テーパ部（１５４ｂ）と滑らかに繋がっていることを特徴とする。

これによると、一様テーパ部（１５４ｃ）がノズル（１５１）下流側における流れの乱れを防止する効果を発揮するので、エジェクタの性能向上に寄与することができる。

請求項３に記載の発明では、冷媒を吸入し圧縮する圧縮機（１２）と、
圧縮機（１２）から吐出された高圧冷媒の有する熱量を加熱対象流体に放熱させる放熱器（１２）と、
放熱器（１２）から流出した冷媒の流れを２方向に分岐する分岐部（１３）と、
分岐部（１３）で２方向に分岐された冷媒の流れのうち一方の流れ側の冷媒を減圧対象流体として減圧膨張させる請求項１または２に記載のエジェクタと、
エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮するとともに、冷媒流出側が圧縮機（１２）の吸入側に接続される流出側蒸発器（１６）と、
分岐部（１３）で２方向に分岐された冷媒の流れのうち他方の流れ側の冷媒を減圧する絞り手段（１７）と、
絞り手段（１７）で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮するとともに、冷媒流出側が流体吸引口（１５２ｂ）に接続される吸引側蒸発器（１８）とを備え、
吸引側蒸発器（１８）から流出した冷媒が吸引対象流体として流体吸引口（１５２ｂ）に吸引され、
加熱対象流体を加熱する通常運転時には、循環冷媒流量が所定範囲の流量となるように、徐変テーパ部（１５４ｂ）でノズル（１５１）の開口面積を変化させることを特徴とする。

これにより、エジェクタを備えるヒートポンプサイクル装置において、上述の効果を発揮することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のヒートポンプサイクル装置において、冷媒として二酸化炭素が用いられ、
ニードル（１５４）をノズル（１５１）の軸方向に変位させるステッピングモータ（１５５）を備え、
ステッピングモータ（１５５）の任意のステップＳ１におけるノズル（１５１）の開口面積をＡ１とし、任意のステップＳ１よりも１ステップ小さいステップＳ０におけるノズル（１５１）の開口面積をＡ０とし、ノズル（１５１）の開口面積変化率ＸをＸ＝（Ａ１−Ａ０）／Ａ１で定義したとき、
循環冷媒流量が所定範囲の最小流量になるときの開口面積変化率Ｘが０．０２以下になり、かつ循環冷媒流量が所定範囲の最大流量になるときの開口面積変化率Ｘが０．００３以上になるように、徐変テーパ部（１５４ｂ）が形成されていることを特徴とする。

これにより、冷媒として二酸化炭素を用いるヒートポンプサイクル装置において、上述した効果を効果的に発揮することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項３に記載のヒートポンプサイクル装置において、冷媒として二酸化炭素が用いられ、
ニードル（１５４）をノズル（１５１）の軸方向に変位させるステッピングモータ（１５５）を備え、
ステッピングモータ（１５５）の任意のステップにおけるノズル（１５１）の開口面積をＡ１とし、任意のステップよりも１ステップ小さいステップＳ０におけるノズル（１５１）の開口面積をＡ０とし、ノズル（１５１）の開口面積変化率ＸをＸ＝（Ａ１−Ａ０）／Ａ１で定義したとき、
循環冷媒流量が所定範囲の最小流量になるときの開口面積変化率Ｘと循環冷媒流量が所定範囲の最大流量になるときの開口面積変化率Ｘとの比が４以下になるように、徐変テーパ部（１５４ｂ）が形成されていることを特徴とする。

これにより、冷媒として二酸化炭素を用いるヒートポンプサイクル装置において、上述した効果を効果的に発揮することができる。

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。

（第１実施形態）
図１〜図６により、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明のエジェクタおよびヒートポンプサイクル装置を、水道水を加熱して台所や風呂等に給湯するヒートポンプ式給湯機１に適用している。図１は、本実施形態のヒートポンプ式給湯機１の全体構成図である。

ヒートポンプ式給湯機１は、貯湯タンク２１内の給湯水を循環させる水循環回路２０と、給湯水を加熱するためのヒートポンプサイクル装置１０とを備えている。ヒートポンプサイクル装置１０は、エジェクタ式冷凍サイクルで構成されている。

本実施形態では、ヒートポンプサイクル装置１０を循環する冷媒（本発明における流体に相当）として二酸化炭素を採用しており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。

まず、水循環回路２０について説明する。貯湯タンク２１は、断熱構造を有して高温の給湯水を長時間保温するための温水タンクであり、耐食性に優れた金属（例えば、ステンレス）で形成されている。

貯湯タンク２１に貯留された給湯水は、貯湯タンク２１の上部に設けられた出湯口から出湯され、図示しない温調弁において水道からの冷水と混合されて温度調節された後、台所や風呂等に給湯される。また、貯湯タンク２１内の下部に設けられた給水口から水道水が給水されるようになっている。

水循環回路２０には、給湯水を循環させる電動ポンプ２２が配置されている。この電動ポンプ２２は、図示しない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。そして、制御装置が電動ポンプ２２を作動させると、給湯水は、電動ポンプ２２→後述する水−冷媒熱交換器１２の水側通路１２ａ→貯湯タンク２１→電動ポンプ２２の順に循環する。

次に、ヒートポンプサイクル装置１０について説明する。ヒートポンプサイクル装置１０において、圧縮機１１は、冷媒を吸入し、圧縮して吐出するもので、本実施形態では、吐出容量が固定された圧縮機構１１ａを電動モータ１１ｂにて駆動する電動圧縮機を採用している。この圧縮機構１１ａ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等の各種圧縮機構を採用できる。

電動モータ１１ｂは、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、圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力が変更される。従って、本実施形態の電動モータ１１ｂは、圧縮機構１１ａの冷媒吐出能力を変更する吐出能力変更手段を構成している。

圧縮機１１の吐出側には、水−冷媒熱交換器１２の冷媒側通路１２ｂが接続されている。水−冷媒熱交換器１２は、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒が通過する冷媒側通路１２ｂと給湯水が通過する水側通路１２ａとを有して構成される熱交換器であって、圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒の有する熱量を給湯水に放熱させる放熱器である。

なお、前述の如く、本実施形態のヒートポンプサイクル装置１０では、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、水−冷媒熱交換器１２の冷媒側通路１２ｂでは、冷媒（二酸化炭素）は凝縮することなく超臨界状態のまま放熱する。

水−冷媒熱交換器１２の冷媒側通路１２ｂ出口側には、冷媒側通路１２ｂから流出した高圧冷媒の流れを分岐する分岐部１３が接続されている。分岐部１３は、３つの流入出口を有する三方継手構造のもので、流入出口のうち１つを冷媒流入口とし、２つを冷媒流出口としている。このような三方継手は、管径の異なる配管を接合して構成してもよいし、金属ブロックや樹脂ブロックに通路径の異なる複数の冷媒通路を設けて構成してもよい。

分岐部１３の一方の冷媒流出口には第１冷媒配管１４ａが接続され、分岐部１３の他方の冷媒流出口には第２冷媒配管１４ｂが接続されている。第１冷媒配管１４ａは、分岐部１３とエジェクタ１５のノズル１５１入口側とを接続する。

エジェクタ１５は、冷媒減圧手段の機能を果たすとともに、ノズル１５１から噴射される噴射冷媒の吸引作用によって冷媒の循環を行う運動量輸送式ポンプとしての機能を果たすものである。

エジェクタ１５の出口側には、流出側蒸発器１６が接続されている。流出側蒸発器１６は、エジェクタ１５から流出した冷媒と送風ファン１６ａに吸い込まれる室外空気とを熱交換させることによって、冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。

送風ファン１６ａ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。流出側蒸発器１６の出口側には、圧縮機１１の冷媒吸入口が接続されている。

第２冷媒配管１４ｂは、分岐部１３と電気式膨張弁１７とを接続する。電気式膨張弁１７は、第２冷媒配管１４ｂへ流入した冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。電気式膨張弁１７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。

電気式膨張弁１７の下流側には、吸引側蒸発器１８が接続されている。吸引側蒸発器１８は、電気式膨張弁１７にて減圧膨張された冷媒と、送風ファン１６ａに吸い込まれる流出側蒸発器１６通過後の室外空気とを熱交換させることによって、冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。吸引側蒸発器１８の出口側には、第３冷媒配管１４ｃを介して、エジェクタ１５の冷媒吸引口１５２ｂが接続されている。

なお、本実施形態では、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８をフィンアンドチューブ構造の熱交換器で構成し、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８の熱交換フィンを共通化している。そして、エジェクタ１５から流出した冷媒を流通させるチューブ構成と、電気式膨張弁１７から流出した冷媒を流通させるチューブ構成とを互いに独立に設けることで、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８を一体構造に構成している。

そのため、上述の送風ファン１６ａに吸い込まれる室外空気は、矢印Ａ１に示す方向に流れ、まず、流出側蒸発器１６にて吸熱され、次に吸引側蒸発器１８にて吸熱されるようになっている。

つまり、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８は、それぞれの内部を通過する冷媒と熱交換する室外空気の流れ方向（矢印Ａ１方向）に対して直列に配置されている。もちろん、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８を２つの別体の蒸発器で構成し、空気流れ方向（矢印Ａ１方向）に直列に配置してもよい。

次に、エジェクタ１５の詳細構成を図２に基づいて説明する。図２は、エジェクタ１５の軸方向断面図である。図２に示すように、本実施形態のエジェクタ１５は、ノズル１５１、ボデー部１５２、管状部材１５３、ニードル１５４、駆動部１５５等を有して構成されている。まず、ノズル１５１は、第１冷媒配管１４ａを介して内部へ流入した冷媒を、等エントロピ的に減圧させて噴射するもので、略円柱状の金属（例えば、ステンレス鋼）に研削加工を施すことによって形成されている。

具体的には、ノズル１５１は、径の異なる２つの円筒部材を同軸状に結合した形状に形成されており、径の大きい側の大径部１５１ａの外周面が、ボデー部１５２に圧入固定されている。さらに、大径部１５１ａには、第１冷媒配管１４ａを介して流入する冷媒を、ノズル１５１内に形成された冷媒通路１５１ｃへ流入させるノズル流入口１５１ｄが設けられている。

この冷媒通路１５１ｃは、大径部１５１ａ側から小径部１５１ｂ側へ冷媒を流すように形成されている。冷媒通路１５１ｃのうち下流側（小径部１５１ｂ側）の部位は、ノズル１５１の軸方向に延びて、その冷媒通路面積が冷媒流れ方向に向かって徐々に縮小するように形成されている。これにより、冷媒通路１５１ｃを流通する冷媒が減圧されて、冷媒通路１５１ｃの最下流部に形成された冷媒噴射口１５１ｅから矢印Ｒ１方向へ噴射される。

また、冷媒通路１５１ｃの内部には、ノズル１５１の軸方向に変位して冷媒通路１５１ｃの冷媒通路面積を変化させるニードル１５４が配置されている。このニードル１５４は、ノズル１５１と同軸状に延びる針状部材であって、本例では、円柱状の金属（例えば、ステンレス鋼）に切削加工を施すことによって形成されている。

ニードル１５４の冷媒噴射口１５１ｅ側の端部には、冷媒の噴射方向Ｒ１に向かって先細るテーパ形状を有するテーパ先端部が形成されている。ヒートポンプサイクル装置１０が給湯水を加熱する通常運転時（ノズル１５１に対してニードル１５４がリフトした状態の時）において、このテーパ先端部は冷媒噴射口１５１ｅよりも下流側まで延びている。

図３は、通常運転時におけるノズル１５１に対するニードル１５４の位置を示している。この図３に示すように、本例では、ニードル１５４のテーパ先端部を、テーパ形状の異なる２つのテーパー部１５４ａ、１５４ｂで構成している。この２つのテーパー部１５４ａ、１５４ｂのうち冷媒の噴射方向Ｒ１と反対方向側に位置する第１テーパー部１５４ａはテーパ角度が一様になっている。

２つのテーパー部１５４ａ、１５４ｂのうち冷媒の噴射方向Ｒ１側に位置する第２テーパー部１５４ｂは、冷媒の噴射方向Ｒ１に向かうにつれてテーパ角度が徐々に拡大するように変化している。なお、第２テーパー部１５４ｂは、本発明における徐変テーパ部に相当するものである。本例では、第１テーパー部１５４ａと第２テーパー部１５４ｂとが滑らかに繋がっている。

図３において、ノズル１５１の実線は、通常運転における最大流量時のノズル１５１のニードル１５４に対する相対位置を示し、ノズル１５１の二点鎖線は、ニードル１５４がノズル１５１を全閉した状態におけるノズル１５１のニードル１５４に対する相対位置を示している。

駆動部１５５がニードル１５４を変位させると、図３に示す断面においてニードル１５４の外周面からノズル１５１の内周面までの距離が変化するので、冷媒通路１５１ｃおよび冷媒噴射口１５１ｅの冷媒通路面積（以下、ノズル１５１の開口面積と言う。）が変化してノズル１５１の開度が変化する。

すなわち、ニードル１５４を冷媒の噴射方向Ｒ１に変位させると、ニードル１５４の外周面からノズル１５１の内周面までの距離が小さくなってノズル１５１の開度が小さくなる。これとは逆に、ニードル１５４を冷媒の噴射方向Ｒ１と反対方向に変位させると、ニードル１５４の外周面からノズル１５１の内周面までの距離が大きくなってノズル１５１の開度が大きくなる。

図２に示すように、ニードル１５４のうちテーパ先端部と反対側の端部は駆動部１５５に連結されている。駆動部１５５は、ニードル１５４を駆動変位させるモータアクチュエータであって、本例では、１駆動パルスあたりの回転角度（＝１ステップ）が決まっているステッピングモータが採用されている。

駆動部１５５は、コイル１５５ａ、ロータ１５５ｂ、キャン１５５ｃ、ガイド１５５ｄおよびワッシャ１５５ｅを有して構成されている。コイル１５５ａは、制御装置より出力される制御信号によって、ロータ１５５ｂをニードル１５４の軸周りに回転させる回転磁力を発生させるものである。

ガイド１５５ｄはノズル１５１に圧入固定され、ガイド１５５ｄの内径部にはニードル１５４が摺動可能な状態で挿入されている。ニードル１５４の駆動部側の端部は、ワッシャ１５５ｅを介してロータ１５５ｂに結合されている。

また、ロータ１５５ｂの円筒部内側にはニードル１５４の駆動機構の一部としての雌ネジが形成されており、この雌ネジがガイド１５５ｄの外周に形成された雄ネジに螺合されている。これにより、ロータ１５５ｂが回転するとロータ１５５ｂおよびニードル１５４が軸方向に移動するようになっている。ボデー部１５２の一端側には、ロータ１５５ｂを覆う非磁性体金属製のカップ状のキャン１５５ｃが溶接されている。

ボデー部１５２は、ノズル１５１、駆動部１５５等が固定されるとともに、その内部に冷媒を流入出させる各種開口穴、およびこれらの開口穴から流入した冷媒を流通させる各種冷媒通路等が形成されたものである。

ボデー部１５２は、加工性、耐食性に優れ、かつ、溶接性、ろう付け性に適した円柱状の金属（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５等のステンレス鋼）にプレス加工、切削加工および穴あけ加工を施すことによって形成されている。

ボデー部１５２の各種開口穴としては、第１冷媒配管１４ａとノズル１５１のノズル流入口１５１ｄとを連通させる冷媒流入口１５２ａ、吸引側蒸発器１８下流側冷媒を吸引する冷媒吸引口１５２ｂ、および冷媒吸引口１５２ｂから吸引された吸引冷媒とノズル１５１ｅの冷媒噴射口１５１ｅから噴射された噴射冷媒との混合冷媒を流出させる冷媒流出口１５２ｃが形成されている。

冷媒流入口１５２ａは、ノズル１５１の大径部１５１ａの外周側に配置され、ノズル１５１の軸方向に対して垂直方向に開口している。そして、この冷媒流入口１５２ａには、第１冷媒配管１４ａが接続されている。

冷媒吸引口１５２ｂは、ノズル１５１の小径部１５１ｂの外周側に配置され、ノズル１５１の軸方向に対して垂直方向に開口している。従って、冷媒吸引口１５２ｂから吸引される吸引流体の流れ方向と噴射冷媒の噴射方向Ｒ１は、垂直に交わることになる。さらに、この冷媒吸引口１５２ｂには、吸引側蒸発器１８出口側に接続された吸引流側配管である第３冷媒配管１４ｃが接続されている。

冷媒流出口１５２ｃは、ノズル１５１に対して同軸上に配置され、ノズル１５１の軸方向に開口している。そして、冷媒流出口１５２ｃには、管状部材１５３が接続されている。なお、第１冷媒配管１４ａ、第３冷媒配管１４ｃ、管状部材１５３は、金属（例えば、銅）製の配管で構成されており、ボデー部１５２に対して、ろう付け等の手段により接合されている。

また、各種冷媒通路としては、冷媒吸引口１５２ｂから吸引された吸引冷媒をノズル１５１の冷媒噴射口１５１ｅ側へ導く吸引通路１５２ｄ、およびこの吸引通路１５２ｄと連続的に設けられて混合冷媒を冷媒流出口１５２ｃへ導く第１冷媒通路１５２ｅが形成されている。

さらに、この第１冷媒通路１５２ｅは、冷媒通路面積が一定に形成された第１ストレート通路部１５２ｆ、第１ストレート通路部１５２ｆの下流側であって、流体通路面積が冷媒の流れ方向に向かって徐々に拡大されるように形成された第１テーパ通路部１５２ｇを有して構成されている。

第１ストレート通路部１５２ｆは、混合冷媒を混合させる混合部としての機能を果たす。さらに、第１ストレート通路部１５２ｆの冷媒通路面積は、本実施形態のヒートポンプサイクル装置１０においてサイクルを循環する冷媒の流量（以下、循環冷媒流量と言う。）に対して、エジェクタ１５が高いエジェクタ昇圧性能を発揮できるように設定されている。

また、第１テーパ通路部１５２ｇは、混合部にて混合された混合冷媒の流速を減速して冷媒圧力を上昇させる、すなわち速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ部として機能する。

管状部材１５３は、その内部に、ボデー１５２の第１冷媒通路１５２ｅを延長させるように形成された第２冷媒通路１５３ａが形成されたもので、金属配管（銅配管）にスウェージング加工、縮管あるいは拡管といった塑性加工を施すことによって形成されたものである。

具体的には、第２冷媒通路１５３ａは、第１冷媒通路１５２ｅの第１テーパ通路部１５２ｇの最下流側と同等の冷媒通路面積を有する第２ストレート通路部１５３ｂ、この第２ストレート通路部１５３ｂの下流側に配置されて冷媒通路面積を徐々に拡大させる第２テーパ通路部１５３ｃ、さらに、第２テーパ通路部１５３ｃの最下流側と同等の冷媒通路面積を有する第３ストレート通路部１５３ｄを有して構成されている。

第２、第３ストレート通路部１５３ｂ、１５３ｅは、それぞれ下流側に混合冷媒を導く冷媒通路としての機能を果たし、第２テーパ通路部１５３ｄは、第１テーパ通路部１５２ｇと同様に、混合冷媒の速度エネルギを圧力エネルギに変換するディフューザ部として機能する。

従って、ボデー部１５２および管状部材１５３によって構成されたハウジング内に、第１ストレート通路部１５２ｆ→第１テーパ通路部１５２ｇ→第２ストレート通路部１５３ｂ→第２テーパ通路部１５３ｃ→第３ストレート通路部１５３ｄの順に冷媒が流れる冷媒通路が形成される。

このような冷媒通路によって、吸引流体と噴射流体とを混合して昇圧させる昇圧部が形成されている。そして、昇圧部の出口側（具体的には、管状部材１５３の出口側）に流出側蒸発器１６が接続されている。

次に、本実施形態の電気制御部の概要を説明する。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およびその周辺回路等により構成され、その出力側には、圧縮機１１の電動モータ１１ｂ、エジェクタ１５の駆動部１５５、送風ファン１６ａ、電気式膨張弁１７、電動ポンプ２２等の各種アクチュエータが接続され、これらの機器の作動を制御する。

また、制御装置の入力側には、水−冷媒熱交換器１２の水側通路１２ａ出口側の給湯水温度を検出する給湯水温度センサ、送風ファン１６ａにより送風される室外空気温度（外気温）を検出する室外空気温度センサ等の各種制御用のセンサ群が接続される。さらに、制御装置の入力側には、図示しない操作パネルが接続され、給湯機作動・停止の操作信号、給湯機の給湯温度設定信号等が制御装置へ入力される。

次に、上記の構成における本実施形態のヒートポンプ式給湯機１の作動を説明する。ヒートポンプ式給湯機１に外部から電源が供給された状態で、操作パネルの給湯機作動信号が制御装置に入力されると、制御装置が予めそのＲＯＭ内に記憶されたプログラムを実行する。これにより、上述の各種アクチュエータ１１ｂ、１５５、１６ａ、１７、２２が作動する。

制御装置は、給湯水を加熱する通常運転と、蒸発器１６、１８に付着した霜の除霜を行う除霜運転とを適宜切り替える。まず、通常運転の作動を説明すると、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒は、水−冷媒熱交換器１２の冷媒側通路１２ｂに流入して、電動ポンプ２２によって貯湯タンク２１の下方側から水側通路１２ａに流入した給湯水と熱交換する。これにより、給湯水が加熱され、加熱された給湯水は貯湯タンク２１の上方側に貯留される。

水−冷媒熱交換器１２から流出した高圧冷媒は分岐部１３へ流入し、分岐部１３にて分岐された一方の冷媒は、第１冷媒配管１４ａを介して、エジェクタ１５のノズル１５１に流入する。ノズル１５１に流入した冷媒は、等エントロピ的に減圧されて冷媒噴射口１５１ｅから高速度の噴射冷媒となって噴射される。

この際、エジェクタ１５の駆動部１５５は、制御装置から出力される制御信号によってニードル１５４を変位させる。これにより、圧縮機１１吸入冷媒の過熱度が予め定めた値となるように、ノズル１５１の開度、つまりノズル１５１の開口面積を変化させて循環冷媒流量を調整して、圧縮機１１への液バックを防止する。

そして、噴射冷媒の吸引作用により、冷媒吸引口１５２ｂから吸引側蒸発器１８流出冷媒が吸引される。そして、第１冷媒通路１５２ｅの第１ストレート通路部１５２ｆにおいて、冷媒噴射口１５１ｅから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口１５２ｂから吸引された吸引冷媒が混合されて、第１テーパ通路部１５２ｇへ流入する。

第１テーパ通路部１５２ｇ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。第１テーパ通路部１５２ｇから流出した冷媒は、管状部材１５３へ流入し、第２ストレート通路部１５３ｂを通過して、第２テーパ通路部１５３ｃへ流入する。第２テーパ通路部１５３ｃでは、第１テーパ通路部１５２ｇと同様に、冷媒の圧力が上昇する。

以上のような通常運転に対し、除霜運転では、エジェクタ１５の弁開度、つまりノズル１５１の開度を通常運転時より大きくして、減圧による温度低下を減少することにより、蒸発器１６、１８に流入する冷媒の温度を上昇させて蒸発器１６、１８の除霜を行う。

図４は、上記作動における駆動部（ステッピングモータ）１５５のステップ（ニードル１５４の変位量）と循環冷媒流量との関係を示すグラフである。図４中、通常運転最小流量および通常運転最大流量は、通常運転時における循環冷媒流量の最小流量および最大流量を示し、除霜運転流量は、除霜運転時における循環冷媒流量を示している。

図４の例では、０〜約５０ステップの範囲においてはニードル１５４がノズル１５１を全閉し、約５０ステップ以上の範囲ではステップが大きくなるにつれてニードル１５４がノズル１５１の開口面積を大きくするようになっている。

また、図４の例では、ステップが０以上、約１００以下の領域では、ニードル１５４の第１テーパ部１５４ａがノズル１５１の開口面積を実質的に変化させ、ステップが約１００以上の領域では、ニードル１５４の第２テーパ部１５４ｂがノズル１５１の開口面積を実質的に変化させるようになっている。

図４からわかるように、通常運転時にはノズル１５１を中間開度で制御して循環冷媒流量を所定範囲の流量に調整し、除霜運転時にはノズル１５１を全開にして循環冷媒流量を通常運転時の最大流量よりも多くする。

ここで、図４中に示す比較例は上記従来技術に対応するものであって、この比較例におけるニードル５５４を図５に示す。この比較例では、ニードル５５４のテーパ先端部のうちノズル１５１の開度を変化させる主テーパ部５５４ａのテーパ角度を一様にしている。なお、主テーパ部５５４ａのテーパ角度は、本実施形態の第１テーパ部１５４ａのテーパ角度と同じである。

また、この比較例では、テーパ先端部のうちノズル１５１の開度の変化に寄与しない最先端部５５４ｂのテーパ角度を主テーパ部５５４ａのテーパ角度よりも大きくしている。

図６は、本実施形態および比較例における駆動部１５５のステップとノズル１５１の開口面積変化率Ｘとの関係を示すグラフである。ここで、開口面積変化率Ｘは、次の数式（１）で定義されるものである。

Ｘ＝（Ａ１−Ａ０）／Ａ１
但し、Ａ１は任意のステップＳ１におけるノズル１５１の開口面積であり、Ａ０は任意のステップＳ１よりも１ステップ小さいステップＳ０（Ｓ０＝Ｓ１−１）におけるノズル１５１の開口面積である。

本実施形態および比較例では、ステップ＝０のときはノズル１５１を全閉するので上記数式（１）の分母Ａ１が０になり、開口面積変化率Ｘが無限大になる。一方、ステップが大きくなるにつれてノズル１５１の開度が大きくなるので上記数式（１）の分母Ａ１が大きくなり、開口面積変化率Ｘが小さくなる。

このように、開口面積変化率Ｘは、ステップが０に近いときには著しく大きく、ステップが大きくなるにつれて開口面積変化率Ｘが小さくなるという特性を有することとなる。この開口面積変化率Ｘが大きいステップ領域においては、１ステップ分の変位による循環冷媒流量の変化が大きくなってヒートポンプサイクル１０の挙動が不安定になりやすい。

例えば、図１に示すヒートポンプサイクル１０では、開口面積変化率Ｘが０．０２を超えるとヒートポンプサイクル１０の挙動が不安定になることが本発明者の詳細な検討により判明している。

そこで、比較例では、通常運転最小流量に対応するステップ＝約１００における開口面積変化率Ｘを０．０２以下にすることで、通常運転時の循環冷媒流量の変化を抑制してヒートポンプサイクル１０の挙動を安定化している。

この点、本実施形態では、第１テーパ部１５４ａのテーパ角度を比較例の主テーパ部５５４ａのテーパ角度と同じにしているので、ステップが０以上、約１００以下の領域における開口面積変化率Ｘが比較例と同じになり、ステップ＝約１００における開口面積変化率Ｘが０．０２以下になる。このため、本実施形態においても、比較例と同様に、通常運転時のヒートポンプサイクル１０の挙動を安定化することができる。

そして、本実施形態では、第２テーパ部１５４ｂのテーパ角度を冷媒の噴射方向Ｒ１に向かうにつれて徐々に拡大するように変化させているので、主テーパ部５５４ａのテーパ角度が一様になっている比較例に比べて、全閉から全開までのニードル１５４の変位量を小さくでき、ひいてはノズルを全閉から全開まで変化させる時間を短縮できる。

このため、例えば、エジェクタ１５の品質検査においてノズル１５１が全閉の状態と全開の状態の両方の状態で検査する場合に、品質検査時間を短縮できる。

また、ノズルを全閉から全開まで変化させる時間を短縮できるので、ヒートポンプサイクル１０において通常運転と除霜運転とを切り替える切り替え時間を短縮できる。例えば、図４の例では、比較例では最小流量での通常運転から除霜運転に切り替えようとすると、約１００ステップから約７００ステップまで約６００ステップ程度変化させる必要があるのに対し、本実施形態では約１００ステップから約４５０ステップまで約３５０ステップ程度変化させれば通常運転から除霜運転に切り替えることができる。

特に、冬季においては、通常運転から除霜運転に切り替わる際にほぼ最小流量の開度から全開まで変化するので、切り替え時間の短縮による効果が大である。

次に、本実施形態の一設計例を説明する。図４に示すように、比較例では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘが０．０２であり、除霜運転時の開口面積変化率Ｘが０．００２５になっている。

したがって、本実施形態では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘが０．０２以下になり、除霜運転時の開口面積変化率Ｘが０．００３以上になるようにテーパ先端部の第２テーパ部１５４ｂのテーパ角度を設定すれば（０．００３≦Ｘ≦０．０２）、ノズル１５１の開度を全閉から全開まで変化させるのに必要なニードル１５４の変位量を比較例に比べて小さくできるので好ましい。

なお、図４の例では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘを０．０２にし、除霜運転時の開口面積変化率Ｘを０．０１にしている。

また、比較例では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘ＝０．０２と通常運転最大流量時の開口面積変化率Ｘ＝０．００２５との比（０．０２／０．００２５）が８になっている。

したがって、本実施形態では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘと通常運転最大流量時の開口面積変化率Ｘとの比が８未満になるようにテーパ先端部の第２テーパ部１５４ｂのテーパ角度を設定すれば、ノズル１５１の開度を全閉から全開まで変化させるのに必要なニードル１５４の変位量を比較例に比べて小さくできるので好ましい。

より好ましくは、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘと通常運転最大流量時の開口面積変化率Ｘとの比を４以下にするのがよい。なお、図４の例では、通常運転最小流量時の開口面積変化率Ｘと通常運転最大流量時の開口面積変化率Ｘとの比を２にしている。

以上の説明からわかるように、これらの設計例によれば、冷媒として二酸化炭素を用いるヒートポンプサイクル装置において、上述した効果を効果的に発揮することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ニードル１５４のテーパ先端部を２つのテーパ部１５４ａ、１５４ｂで構成しているが、本第２実施形態では、図７に示すように、ニードル１５４のテーパ先端部を３つのテーパ部１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃで構成している。

より具体的には、テーパ先端部のうちノズル１５１の開度変化に寄与しない最先端部を、一様なテーパ角度を有する第３テーパ部１５４ｃとし、第３テーパ部１５４ｃを第２テーパ部１５４ｂと滑らかに繋げている。なお、第３テーパ部１５４ｃは、本発明における一様テーパ部に相当するものである。

これによると、第３テーパ部１５４ｃのテーパ角度を一様にしているので、上記第１実施形態に比べてニードル１５４の長さが冷媒の噴射方向Ｒ１側に長くなってしまうものの、第３テーパ部１５４ｃがノズル１５１の下流側における流れの乱れを防止する効果を発揮するので、エジェクタ１５の性能向上に寄与することができる。

（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）上述の実施形態は、エジェクタ１５の基本構成の一例を示したものに過ぎず、これに限定されることなく、エジェクタ１５の基本構成を種々変更可能であることはもちろんである。

例えば、ボデー部１５２および管状部材１５３のテーパ通路部１５３ｃの数を適宜増減してもよい。また、ボデー部１５２と管状部材１５３を一部材で構成してもよい。

（２）上述の実施形態では、通常運転時に、流出側蒸発器１６の出口側冷媒の過熱度が予め定めた目標過熱度となるようにノズル１５１の冷媒通路面積が変更され、サイクルの高圧側冷媒圧力が目標高圧となるように電気式膨張弁１７の絞り通路面積が変更される例を説明したが、もちろんこの逆であってもよい。

つまり、流出側蒸発器１６の出口側冷媒の過熱度が予め定めた目標過熱度となるように電気式膨張弁１７の絞り通路面積が変更され、サイクルの高圧側冷媒圧力が目標高圧となるようにノズル１５１の絞り通路面積が変更されるようになっていてもよい。

（３）上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素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、通常のフロン系冷媒等を採用してもよい。また、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ない亜臨界冷凍サイクルとして構成してもよい。

（４）上述の実施形態では、圧縮機１１として、電動圧縮機を採用した例を説明したが、圧縮機１１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するエンジン駆動式圧縮機を採用してもよい。また、圧縮機構として、固定容量型圧縮機構のみならず、可変容量型圧縮機構を採用してもよい。

（５）上述の実施形態では、本発明のエジェクタ１５をエジェクタ式冷凍サイクルで構成されるヒートポンプサイクル装置１０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で構成される定置型の空調装置、車両用空調装置等に適用してもよい。この場合、流出側蒸発器１６および吸引側蒸発器１８を室内送風空気を冷却する室内側熱交換器とし、放熱器を高圧冷媒と大気とを熱交換させる室外側熱交換器としてもよい。

第１実施形態におけるエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 図１のエジェクタを示す断面図である。 図２のニードルおよびノズルを示す拡大断面図である。 第１実施形態におけるステップと循環冷媒流量との関係を示すグラフである。 比較例のエジェクタの要部を示す断面図である。 第１実施形態におけるステップと面積変化率との関係を示すグラフである。 第２実施形態のエジェクタの要部を示す断面図である。

符号の説明

１５１ ノズル
１５４ ニードル
１５４ｂ 徐変テーパ部

Claims (5)

1. 減圧対象流体を減圧させて噴射する流体通路（１５１ｃ）が形成された円筒状のノズル（１５１）と、
   前記ノズル（１５１）から噴射された噴射流体の流れによって吸引対象流体を吸引する流体吸引口（１５２ｂ）、および前記流体吸引口（１５２ｂ）から吸引された吸引流体と前記噴射流体とを混合して昇圧させる昇圧部（１５２ｅ、１５３ａ）が形成されたハウジング（１５２、１５３）と、
   前記ノズル（１５１）と同軸状に延びる針状部材であって、前記ノズル（１５１）の軸方向に変位するニードル（１５４）とを備え、
   前記ニードル（１５４）のうち前記噴射流体の噴射方向側の端部には、前記噴射方向に向かって先細るテーパ形状を有するテーパ先端部が形成され、
   前記テーパ先端部の少なくとも一部は、テーパ角度が前記噴射方向に向かうにつれて徐々に拡大するように変化している徐変テーパ部（１５４ｂ）を構成し、
   前記ニードル（１５４）は、少なくとも前記徐変テーパ部（１５４ｂ）で前記ノズル（１５１）の開口面積を変化させることを特徴とするエジェクタ。
2. 前記テーパ先端部は、前記ノズル（１５１）の冷媒噴射口（１５１ｅ）よりも下流側まで延びており、
   前記テーパ先端部のうち前記冷媒噴射口（１５１ｅ）よりも下流側の部位は、テーパ角度が一様な一様テーパ部（１５４ｃ）を構成し、
   前記一様テーパ部（１５４ｃ）は、前記徐変テーパ部（１５４ｂ）と滑らかに繋がっ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. 冷媒を吸入し圧縮する圧縮機（１２）と、
   前記圧縮機（１２）から吐出された高圧冷媒の有する熱量を加熱対象流体に放熱させる放熱器（１２）と、
   前記放熱器（１２）から流出した冷媒の流れを２方向に分岐する分岐部（１３）と、
   前記分岐部（１３）で２方向に分岐された冷媒の流れのうち一方の流れ側の冷媒を前記減圧対象流体として減圧膨張させる請求項１または２に記載のエジェクタと、
   前記エジェクタから流出した冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮するとともに、冷媒流出側が前記圧縮機（１２）の吸入側に接続される流出側蒸発器（１６）と、
   前記分岐部（１３）で２方向に分岐された冷媒の流れのうち他方の流れ側の冷媒を減圧する絞り手段（１７）と、
   前記絞り手段（１７）で減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮するとともに、冷媒流出側が前記流体吸引口（１５２ｂ）に接続される吸引側蒸発器（１８）とを備え、
   前記吸引側蒸発器（１８）から流出した冷媒が前記吸引対象流体として前記流体吸引口（１５２ｂ）に吸引され、
   前記加熱対象流体を加熱する通常運転時には、循環冷媒流量が所定範囲の流量となるように、前記徐変テーパ部（１５４ｂ）で前記ノズル（１５１）の開口面積を変化させることを特徴とするヒートポンプサイクル装置。
4. 前記冷媒として二酸化炭素が用いられ、
   前記ニードル（１５４）を前記ノズル（１５１）の軸方向に変位させるステッピングモータ（１５５）を備え、
   前記ステッピングモータ（１５５）の任意のステップＳ１における前記ノズル（１５１）の開口面積をＡ１とし、前記任意のステップＳ１よりも１ステップ小さいステップＳ０における前記ノズル（１５１）の開口面積をＡ０とし、前記ノズル（１５１）の開口面積変化率ＸをＸ＝（Ａ１−Ａ０）／Ａ１で定義したとき、
   前記循環冷媒流量が前記所定範囲の最小流量になるときの前記開口面積変化率Ｘが０．０２以下になり、かつ前記循環冷媒流量が前記所定範囲の最大流量になるときの前記開口面積変化率Ｘが０．００３以上になるように、前記徐変テーパ部（１５４ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプサイクル装置。
5. 前記冷媒として二酸化炭素が用いられ、
   前記ニードル（１５４）を前記ノズル（１５１）の軸方向に変位させるステッピングモータ（１５５）を備え、
   前記ステッピングモータ（１５５）の任意のステップにおける前記ノズル（１５１）の開口面積をＡ１とし、前記任意のステップよりも１ステップ小さいステップＳ０における前記ノズル（１５１）の開口面積をＡ０とし、前記ノズル（１５１）の開口面積変化率ＸをＸ＝（Ａ１−Ａ０）／Ａ１で定義したとき、
   前記循環冷媒流量が前記所定範囲の最小流量になるときの前記開口面積変化率Ｘと前記循環冷媒流量が前記所定範囲の最大流量になるときの前記開口面積変化率Ｘとの比が４以下になるように、前記徐変テーパ部（１５４ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプサイクル装置。

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