JP2014202430A - エジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】ノズル効率の向上を図りつつ、外部の雰囲気温度の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を抑制可能なエジェクタを提供する。【解決手段】ボデー200内に収容されたノズル部材210に冷媒流入口201から流入した高圧冷媒を旋回させ、旋回する高圧冷媒を減圧膨脹させる減圧用穴部212へ導く旋回空間211を形成する。また、流路可変機構240における通路形成部材230を変位させる構成を、ダイヤフラム241および弾性部材243といった別体の部材で構成し、温度応動部材を構成する弾性部材243を、低圧冷媒を吸引する吸引空間221に配置する。【選択図】図4

Description

本発明は、流体を減圧すると共に、高速で噴出する作動流体の吸引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。
従来、エジェクタは、例えば、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの減圧装置として採用されている。この種のエジェクタは、冷凍サイクルの凝縮器から流出した高圧冷媒を減圧させるノズル部、冷凍サイクルの蒸発器から流出した低圧冷媒を吸引し、吸引した低圧冷媒とノズル部から噴出された冷媒とを混合して昇圧するディフューザ部を有している(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1では、エジェクタのノズル部を、凝縮器から流出した液相冷媒を減圧膨張させる第1ノズル、および第1ノズルで気液二層となった冷媒を減圧膨張させて噴出する第2ノズルで構成している。このように、第1ノズルによって冷媒を膨張させて気液二層とし、第2ノズルによって更に減圧膨張させる構成とすることで、第2ノズルより噴出する冷媒の出口速度を増大させ、ノズル効率の向上を図っている。なお、ノズル効率とは、ノズル部において冷媒の圧力エネルギを運動エネルギに変換する際のエネルギ変換効率である。
特許第3331604号
しかしながら、特許文献1のエジェクタでは、例えば、冷凍サイクルの低負荷時等のように高圧側と低圧側との冷媒圧力差が小さいとき、第1ノズルにて冷媒圧力差分の大半が減圧されてしまい、第2ノズルにて殆ど冷媒を減圧できなくなってしまうことがある。その結果、冷凍サイクルの低負荷時等には、ディフューザ部にて冷媒を充分に昇圧させることができないといった問題がある。つまり、特許文献1のエジェクタでは、冷凍サイクルの負荷に見合った充分なエジェクタの作動が得られないものとなっていた。
また、特許文献1のエジェクタは、各ノズルが固定絞りで構成されており、冷媒の流量調整ができず、冷凍サイクルの負荷変動に対応して作動させることができない。
これに対して、温度式膨張弁のように、蒸発器流出冷媒の温度および圧力に応じて、高圧冷媒を減圧膨張させる絞り通路(ノズル通路)の絞り開度(流路面積)を調整する調整機構を追加することが考えられる。
このような調整機構は、絞り開度を調整する弁体、蒸発器流出冷媒の温度に応じて圧力変化する感温媒体が封入された封入空間の内圧と蒸発器流出冷媒の圧力との差に応じて変位するダイヤフラム、ダイヤフラムの変位を弁体に伝える作動棒等で構成される。
ところが、一般的な温度式膨脹弁では、その外殻を構成するボデーの内部に作動棒や弁体が収容され、封入空間やダイヤフラムがボデーの外側に配設されており、感温媒体の温度が外部の雰囲気温度の影響を受け易い構造となっている。感温媒体の温度が外部の雰囲気温度の影響を受けると、弁体が蒸発器流出冷媒の温度によらず変位することとなり、冷凍サイクルの作動が不安定となってしまう。
このため、単に、温度式膨脹弁で採用されている調整機構をエジェクタに適用しても、蒸発器流出冷媒の温度および圧力に応じて、冷媒流量を調整することが難しく、冷凍サイクルの負荷変動に対応して作動させることができない。
本発明は上記点に鑑みて、ノズル効率の向上を図りつつ、外部の雰囲気温度の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を抑制可能なエジェクタを提供することを目的とする。
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル(10)に適用されるエジェクタを対象としている。上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、
冷凍サイクルの高圧側から高圧冷媒を流入させる冷媒流入口(201)、および冷凍サイクルの蒸発器(13)から流出した低圧冷媒を吸引するための冷媒吸引口(202)が形成されたボデー(200)と、
ボデーの内部に収容され、冷媒流入口から流入した高圧冷媒が通過する減圧用穴部(212)が形成されたノズル部材(210)と、
ボデーの内部に収容され、減圧用穴部を通過した冷媒が流入する昇圧用穴部(223)が形成されると共に、ノズル部材との間に冷媒吸引口から低圧冷媒を吸引する吸引空間(221)を形成するディフューザ部材(220)と、
ボデーの内部に収容され、減圧用穴部の内周面との間に高圧冷媒を減圧して噴出するノズル通路(231)を形成すると共に、昇圧用穴部の内周面との間にノズル通路から噴出された噴出冷媒および吸引空間に吸引された低圧冷媒との混合冷媒を昇圧させるディフューザ通路(232)を形成する通路形成部材(230)と、
通路形成部材を変位させてノズル通路およびディフューザ通路の流路面積を変更可能とする流路可変機構(240)と、を備え、
ボデーおよびノズル部材の一方には、その内部に冷媒流入口から流入した高圧冷媒を旋回させて減圧用穴部へ導く旋回空間(211)が形成されており、
流路可変機構は、低圧冷媒の圧力変化に応じて通路形成部材を変位させる圧力応動部材(241)、および圧力応動部材とは別に低圧冷媒の温度変化に応じて通路形成部材を変位させる温度応動部材(243)を有し、
温度応動部材は、吸引空間に配置されていることを特徴としている。
このように、旋回空間にて高圧冷媒を旋回させる構成とすれば、ノズル通路内における冷媒の減圧沸騰を促進し、ノズル通路内において冷媒の気液を均質に混合させることができる。これにより、ノズル通路からの噴出冷媒の流速を増加させることが可能となり、ノズル通路におけるノズル効率の向上を図ることができる。
また、本発明のエジェクタは、従来技術のような2段式のノズルではなく、単一のノズル通路によって冷媒の減圧沸騰を行う構成としている。このため、エジェクタに流入する冷媒の圧力エネルギを全て活用して、ディフューザ通路による昇圧エネルギを得ることが可能となる。
さらに、本発明では、流路可変機構における通路形成部材を変位させる構成を、圧力応動部材および温度応動部材といった別部材で構成し、温度応動部材を吸引空間に配置する構成としている。
これによれば、温度応動部材に対して低圧冷媒の温度変化が直接的に作用することから、温度応動部材への外部の雰囲気温度の影響を抑え、温度応動部材にて低圧冷媒の温度変化に応じて各通路の流路面積を適切に変更可能となる。この結果、冷凍サイクルに見合った冷媒流量を流すことが可能となり、効果的なエジェクタの作動を引き出すことが可能となる。
このように、本発明のエジェクタによれば、ノズル効率の向上を図りつつ、外部の雰囲気温度の影響による冷凍サイクルの不安定な作動を抑制することが可能となる。
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の一例を示すものである。
実施形態に係る冷凍サイクルの全体構成を示す概略図である。 実施形態に係るエジェクタの外観を示す斜視図である。 実施形態に係るエジェクタの上面図である。 図3のIV−IV断面図である。 実施形態に係る弾性部材の温度特性図である。 実施形態に係る弾性部材の模式的な断面図である。 実施形態に係る流路可変機構の物理モデルを示す模式図である。 実施形態に係る流路可変機構の作動を説明するための模式的な断面図である。 実施形態に係る流路可変機構の作動を説明するための模式的な断面図である。 実施形態に係るエジェクタの各冷媒流路の機能を説明するための模式的な断面図である。 図10のXI−XI断面図である。 図10のXII−XII断面図である。 実施形態の変形例1に係る流路可変機構の物理モデルを示す模式図である。 実施形態の変形例2に係る流路可変機構の物理モデルを示す模式図である。 実施形態の変形例2に係る流路可変機構の物理モデルを示す模式図である。 実施形態の変形例3に係る流路可変機構の物理モデルを示す模式図である。
以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態では、車両用空調装置を構成する蒸気圧縮式の冷凍サイクル10に本発明のエジェクタ100を適用した例について説明する。本実施形態の冷凍サイクル10は、図1に示すように、圧縮機11、凝縮器12、エジェクタ100、および蒸発器13が、冷媒配管により接続されて形成されている。
圧縮機11は、冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮して吐出する流体機械である。本実施形態の圧縮機11は、図示しない電磁クラッチおよびベルトを介して車両走行用のエンジンにより回転駆動されるようになっている。圧縮機11は、例えば、電磁式容量制御弁に図示しない制御装置からの制御信号が入力されることにより、吐出容量が可変される可変容量型圧縮機で構成される。なお、圧縮機11は、電動モータにより回転駆動される電動圧縮機で構成してもよい。電動圧縮機の場合、電動モータの回転数により吐出容量が可変される。
凝縮器12は、圧縮機11から吐出された高圧冷媒を、図示しない冷却ファンにより強制的に送風される車室外空気(外気)と熱交換させることで、高圧冷媒の熱を外気に放出して冷媒を凝縮液化する熱交換器である。なお、圧縮機11によって圧縮された冷媒の圧力が臨界圧力を越える場合、凝縮器12にて冷媒が凝縮液化しないことから、凝縮器12は、高圧冷媒の熱を外気に放出する放熱器として機能する。凝縮器12の冷媒流出側は、エジェクタ100の冷媒流入口201に接続されている。
エジェクタ100は、凝縮器12から流出した液相状態の高圧冷媒を減圧する減圧手段を構成すると共に、高速で噴出する冷媒流の吸引作用(巻き込み作用)によって、冷媒の循環を行う流体輸送用の冷媒循環手段を構成する。なお、エジェクタ100の具体的構成については後述する。
蒸発器13は、図示しない送風機によって空調装置の空調ケースに導入された外気、または車室内空気(内気)から吸熱して、その内部を流通する冷媒を蒸発させる熱交換器である。蒸発器13の冷媒流出側は、エジェクタ100の冷媒吸引口202に接続されている。
制御装置は、CPU、各種メモリ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ている。この制御装置には、乗員による操作パネルからの各種操作信号や各種センサ群からの検出信号等が入力され、これら入力信号を用いてメモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算・処理を実行して各種機器の作動を制御する。
次に、図2〜図9を用いて、本実施形態のエジェクタ100の具体的構成について説明する。なお、図2における上下の各矢印は、エジェクタ100を車両に搭載した状態における天地方向を示している。
本実施形態のエジェクタ100は、主な構成要素として、ボデー200、ノズル部材210、ディフューザ部材220、通路形成部材230、流路可変機構240等を備えている。
図2、図3に示すように、ボデー200は、エジェクタ100の外殻を構成する部材である。本実施形態のボデー200は、金属部材により構成されており、上下に延びる円柱状の部材、当該円柱状の部材の径方向に角柱状の部材を結合させた形状を有する。なお、ボデー200の外形状は、単に円柱形状や角柱形状に形成されていてもよい。
ボデー200の外側には、その上端側に冷媒流入口201および冷媒吸引口202が形成され、下端側に液相流出口203および気相流出口204が形成されている。冷媒流入口201は、冷凍サイクル10の高圧側(凝縮器12)から高圧冷媒を流入させるものであり、冷媒吸引口202は、蒸発器13から流出した低圧冷媒を吸引するものである。また、液相流出口203は、後述する気液分離空間250にて分離された液相冷媒を蒸発器13の冷媒入口側へ流出させるものであり、気相流出口204は、気液分離空間250にて分離された気相冷媒を圧縮機11の吸入側へ流出させるものである。
ボデー200の内部には、図4の断面図に示すように、ノズル部材210、ディフューザ部材220、通路形成部材230、流路可変機構240を収容すると共に、気液分離空間250、貯液空間260を構成する円柱状の空間が形成されている。この空間は、ボデー200の上端面に開口する円柱状の穴により構成されている。
また、ボデー200の上端面には、収容空間を構成する穴の開口を閉じる蓋部材205が設けられている。この蓋部材205とノズル部材210との間には、後述するダイヤフラム241を収容するための隙間空間が形成されている。なお、蓋部材205には、ノズル部材210との間に形成される隙間空間とボデー200外部と連通する図示しない連通穴が形成されている。
ノズル部材210は、円盤状の金属部材により構成されており、ボデー200の内部における上端側に収容されている。より具体的には、ノズル部材210は、ボデー200の軸方向(上下方向)に直交する方向から見たときに、その一部が冷媒流入口201と重合(オーバラップ)するように、ボデー200の内部に収容されている。なお、ノズル部材210は、Oリング等のシール部材を介在させた状態で、ボデー200の内部に圧入等の手段により固定されている。
本実施形態のノズル部材210は、ボデー200内部空間と適合する大きさに形成された胴部210a、および胴部210aの下端側に設けられて下方側へ向かって突出する筒状のノズル部210b等を有する。
ノズル部材210の胴部210aには、その内部に冷媒流入口201から流入した高圧冷媒を旋回させる旋回空間211等が形成されている。ノズル部材210のノズル部210bには、その内部に旋回空間211を旋回した冷媒が通過する減圧用穴部212が形成されている。
旋回空間211は、その中心軸が鉛直方向(上下方向)に延びる略円柱状に形成された空間である。本実施形態の旋回空間211は、ボデー200およびノズル部材210の胴部210aに形成された冷媒流入通路213を介して冷媒流入口201に接続されている。
冷媒流入通路213は、旋回空間211の中心軸方向から見たとき、旋回空間211の内壁面の接線方向に延びるように形成されている。これにより、冷媒流入通路213から旋回空間211に流入した冷媒は、旋回空間211の内壁面に沿って流れ、旋回空間211を旋回する。なお、冷媒流入通路213は、旋回空間211の中心軸方向から見たとき、旋回空間211の接線方向と完全に一致するように形成されている必要はない。すなわち、冷媒流入通路213は、旋回空間211に流入した冷媒が旋回空間211の内壁面に沿って流れる形状に形成されていれば、その他の方向の成分(例えば、旋回空間211の中心軸方向)を含んで構成されていてもよい。
ここで、旋回空間211内で旋回する冷媒には遠心力が作用するので、旋回空間211内では、その中心軸側の冷媒圧力が外周側の冷媒圧力よりも低下する。そこで、本実施形態では、冷凍サイクル10の作動時に、旋回空間211内の中心軸側の冷媒圧力を、飽和液相冷媒となる圧力、または、冷媒が減圧沸騰する(キャビテーションを生ずる)圧力まで低下させるようにしている。
このような旋回空間211の中心軸側における冷媒圧力の調整は、旋回空間211内で旋回する冷媒の旋回流速を調整することで実現できる。具体的には、旋回流速の調整は、冷媒流入通路213における通路断面積と旋回空間211における中心軸に直交する方向の断面積との比率の調整等により行うことができる。なお、上述の旋回流速は、旋回空間211の最外周部付近における冷媒の旋回方向の流速を意味している。
減圧用穴部212は、旋回空間211を旋回した高圧冷媒が流入するように、旋回空間211の下方側に形成されている。本実施形態の減圧用穴部212は、その中心軸が旋回空間211と同軸となるように形成されている。
減圧用穴部212は、下方側(冷媒流れ方向下流側)へ向かって流路断面積が連続的に小さくなる円錐台形状の穴(先細部212a)と、下方側へ向かって流路断面積が連続的に大きくなる円錐台形状の穴(末広部212b)とを結合させた形状に形成されている。
本実施形態では、ノズル部材210における減圧用穴部212を形成する部位が、高圧冷媒を減圧するノズルを構成している。また、減圧用穴部212における先細部212aと末広部212bとの接続箇所が、流路断面積が最も縮小されたノズル喉部212cとなっている。
ディフューザ部材220は、円盤状の金属部材により構成されており、ボデー200の内部におけるノズル部材210の下方側に収容されている。より具体的には、ディフューザ部材220は、ボデー200の軸方向(上下方向)に直交する方向から見たときに、その一部が冷媒吸引口202と重合(オーバラップ)するように、ボデー200の内部に収容されている。なお、ディフューザ部材220は、Oリング等のシール部材を介在させた状態で、ボデー200の内部に圧入等の手段により固定されている。
本実施形態のディフューザ部材220は、ボデー200内部空間と適合する大きさに形成された胴部220a、および胴部220aの中央部に設けられて上方側へ向かって突出する筒状部220b等を有する。筒状部220bは、ボデー200の軸方向(上下方向)に直交する方向から見たときに、ノズル部210bおよび冷媒吸引口202と重合(オーバラップ)するように設けられている。なお、筒状部220bは、その中心軸が旋回空間211、および減圧用穴部212と同軸となるように形成されており、その内部にノズル部210bにおける先端側の部位が位置付けられている。
ディフューザ部材220の胴部220aとノズル部材210の下方側との間には、冷媒吸引口202から低圧冷媒を吸引して滞留させる吸引空間221が形成されている。なお、ボデー200には、冷媒吸引口202から吸引空間221へ低圧冷媒を導く冷媒吸引通路206が形成されている。
本実施形態では、筒状部220bが胴部220aの中央部から突出するように設けられているため、吸引空間221は、ボデー200の軸方向(上下方向)から見たときの断面が略円環状に形成されている。
また、ディフューザ部材220の胴部220aには、減圧用穴部212を通過した冷媒が流入する昇圧用穴部223が形成されている。なお、昇圧用穴部223は、減圧用穴部212と連通するように、減圧用穴部212と同軸に形成されている。
また、昇圧用穴部223は、筒状部220b内部の筒穴222と連通しており、筒穴222の内壁面とノズル部210bの外壁面との間に形成される略円環状の隙間通路を介して吸引空間221に連通している。
本実施形態の昇圧用穴部223は、冷媒の流れ方向下流側(下方側)に向かって径方向の断面積が拡大するように形成されている。なお、昇圧用穴部223は、下方側に向かって断面積が拡大する円錐台形状(ラッパ状)の空間(昇圧用空間)を構成している。
続いて、通路形成部材230は、後述するノズル通路231およびディフューザ通路232を形成する部材である。本実施形態の通路形成部材230は、略円錐状の金属部材で構成されており、少なくとも一部が減圧用穴部212、および昇圧用穴部223の双方に位置するようにボデー200の内部に収容されている。なお、通路形成部材230は、その中心軸が減圧用穴部212、および昇圧用穴部223と同軸となるように配置されている。
通路形成部材230における減圧用穴部212の内周面と対向する部位は、減圧用穴部212の内周面との間に環状の隙間が形成されるように、減圧用穴部212の末広部212bの内周面に沿う曲面を有する。そして、通路形成部材230と減圧用穴部212の内周面との間に形成される隙間により、減圧用穴部212に流入した高圧冷媒を減圧して噴出するノズル通路231が構成されている。
また、通路形成部材230における昇圧用穴部223の内周面と対向する部位は、昇圧用穴部223の内周面との間に環状の隙間が形成されるように、昇圧用穴部223の内周面に沿う曲面を有する。そして、通路形成部材230と昇圧用穴部223の内周面との間に形成される隙間により、ノズル通路231から噴出された噴出冷媒と吸引空間221に吸引された低圧冷媒との混合冷媒を減速して昇圧させるディフューザ通路232が構成されている。
ここで、前述のように、昇圧用穴部223が円錐台形状の空間を構成するように形成され、通路形成部材230が昇圧用穴部223の内周面に沿う曲面を有する。このため、ディフューザ通路232は、昇圧用穴部223の軸線方向(中心軸方向)に対して交差する方向に拡がるように形成されている。つまり、ディフューザ通路232は、冷媒流れ上流側から下流側に向けて昇圧用穴部223の軸線から遠ざかるような冷媒通路となっている。
流路可変機構240は、通路形成部材230を各穴部212、223の軸線方向(中心軸方向)に変位させて、ノズル通路231およびディフューザ通路232の流路面積を変更可能とする機構である。
本実施形態の流路可変機構240は、蒸発器13から流出した低圧冷媒の過熱度(温度および圧力)が所望の範囲となるように、通路形成部材230の変位量を制御するように構成されている。
具体的には、流路可変機構240は、ダイヤフラム241、連結部材242、複数の弾性部材243、付勢部材244、荷重調整部材245等により構成されている。
ダイヤフラム241は、吸引空間221に存する低圧冷媒の圧力変化に応じて通路形成部材230を変位させる圧力応動部材である。本実施形態のダイヤフラム241は、円形薄板状の金属部材で構成されており、ボデー200内部においてノズル部材210と蓋部材205との間に形成された隙間空間を上下の2つの空間に仕切るように配置されている。なお、ダイヤフラム241は、蓋部材205と共にダイヤフラム241の外縁部を狭持する金属製の環状部材241cにより、ボデー200の内壁面に固定されている。
ダイヤフラム241にて仕切られた2つの空間のうち、蓋部材205側(上方側)の空間は、ボデー200外部の気圧(大気圧)が作用する外圧作用空間241aを構成している。なお、外圧作用空間241aは、蓋部材205に形成された連通穴を介して外部に連通している。
また、ダイヤフラム241にて仕切られた2つの空間のうち、ノズル部材210側(下方側)の空間は、蒸発器13から流出した低圧冷媒の圧力が作用する低圧作用空間241bを構成している。なお、低圧作用空間241bは、ノズル部材210に形成された圧力導入通路214を介して、吸引空間221に連通している。
また、ダイヤフラム241は、外圧作用空間241a内部の圧力(大気圧)と低圧作用空間241b内部の圧力(低圧冷媒の圧力)との差圧に応じて変形する。なお、ダイヤフラム241は、弾性に富み、且つ、強靭な材質にて形成することが好ましく、例えば、ステンレス(SUS304)等の金属薄板にて形成することが望ましい。
連結部材242は、ダイヤフラム241と通路形成部材230とを連結する部材であり、円盤状に形成された連結板242a、および円柱状に形成された複数の作動棒242bにて構成されている。なお、連結板242aおよび各作動棒242bは、金属部材により構成されている。
連結板242aは、低圧作用空間241bの内部に収容されており、ダイヤフラム241の変形に連動して中心軸方向(上下方向)に変位するように、ダイヤフラム241の中心部に溶接等により接合されている。
また、各作動棒242bそれぞれは、各部材210、220における各穴部212、223の径方向外側に形成された貫通穴を介して、一端側が連結板242aの外周に連結され、他端側が通路形成部材230の下方側の外周に接合されている。
本実施形態では、ダイヤフラム241の変位が通路形成部材230に正確に伝達されるように、各作動棒242bを各部材210、220の周方向に均等に配置している。なお、図4では、各作動棒242bを圧力導入通路214に配置する形態を図示しているが、これに限らず、圧力導入通路214とは別の貫通穴をノズル部材210に形成し、当該貫通穴に各作動棒242bを配置するようにしてもよい。
続いて、弾性部材243は、温度変化に応じて通路形成部材230を変位させる温度応動部材を構成する部材であり、低圧冷媒に晒されるように吸引空間221内に配置されている。
各弾性部材243は、各作動棒242bに対応して複数設けられており、それぞれ一端側がノズル部材210の吸引空間221側の底面に固定され、他端側が各作動棒242bの中央部付近に形成された鍔部242cに連結されている。
本実施形態の各弾性部材243は、通路形成部材230に対して、各通路231、232の流路面積が大きくなる方向に荷重が作用するように、ノズル部材210の底面と作動棒242bの鍔部242cとの間に圧縮された状態で配設されている。
また、各弾性部材243は、温度変化に応じて弾性力が変化する部材で構成されている。本実施形態の弾性部材243は、温度上昇に伴って各作動棒242bを介して通路形成部材230に作用させる荷重が大きくなり、温度低下に伴って通路形成部材230に作用させる荷重が小さくなる温度応答特性を有する部材で構成されている。
具体的には、本実施形態では、弾性部材243として形状記憶合金バネ243a(以下、単にバネ243aという。)を採用している。このバネ243aは、図5に示すように、温度上昇に応じて発生荷重(ばね定数)が増加する温度応答特性を有している。なお、バネ243aは、温度ヒステリシスの低減や熱サイクルでの特性劣化の低減の観点からNi−Ti系の形状記憶合金で構成することが望ましい。
本実施形態では、形状記憶合金製のバネ243aの素線表面に熱抵抗を設けることで、弾性部材243における温度変化に対する応答特性(感度)を調整している。具体的には、本実施形態では、図6に示すように、弾性部材243を構成するバネ243aの表面全体を樹脂243bにより被覆して、バネ243aの素線表面に熱抵抗を設けている。なお、バネ243aの表面全体ではなく、バネ243aの表面の一部を樹脂243bにより被覆するようにしてもよい。また、形状記憶合金と異なる材料であれば、樹脂243bに限らず、他の材料(例えば、ゴムやメッキ)をバネ243aに被覆してもよい。
ここで、吸引空間221は、冷媒の熱損失等により、冷媒吸引通路206における吸引空間側に開口する冷媒導入部206a付近で低温となり、冷媒導入部206aから遠ざかるに伴って高温となるといった温度分布が生ずることがある。
このため、各弾性部材243は、冷媒吸引通路206における冷媒導入部206aとの相対的な位置関係に応じて、温度変化に対する応答特性を設定することが望ましい。具体的には、各弾性部材243のうち、冷媒導入部206aに近い側に位置する弾性部材243は、遠い側に位置する弾性部材243よりも、熱抵抗が高くなるように、バネ243a表面を被覆する樹脂243bの厚みを大きくすればよい。
付勢部材244は、通路形成部材230における底面側に連結されたコイルバネで構成されており、通路形成部材230に対して、各通路の流路面積が縮小する方向に付勢する荷重を掛ける部材である。なお、付勢部材244は、冷媒が減圧される際の圧力脈動に起因する通路形成部材230の振動を減衰させる緩衝部材としての機能を果たしている。
荷重調整部材245は、付勢部材244により通路形成部材230に作用させる荷重を調整する部材である。本実施形態の荷重調整部材245は、付勢部材244に連結された調整棒245a、および調整棒245aを上下に変位させる調整ネジ245bで構成されている。なお、荷重調整部材245は、付勢部材244により通路形成部材230に作用させる荷重を調整することで、通路形成部材230の開弁圧を調整して、狙いの過熱度を微調整する手段として機能する。
ここで、本実施形態の通路形成部材230には、図7の物理モデルに示すように、低圧冷媒の圧力変化に応じて変形するダイヤフラム241からの荷重、低圧冷媒の温度変化に応じて変化する各弾性部材243の荷重、付勢部材244による荷重が作用する。そして、各部材241、243、244からの荷重のバランスにより、通路形成部材230が変位する。
具体的には、蒸発器13流出冷媒の圧力上昇に伴って、ダイヤフラム241が外圧作用空間241a側に隆起するように変形して、図8に示すように、各通路231、232の流路面積が小さくなるように通路形成部材230が変位することで冷媒流量が減少する。逆に、蒸発器13流出冷媒の圧力が低下すると、図9に示すように、各通路231、232の流路面積が大きくなるように通路形成部材230が変位することで冷媒流量が増加する。
また、蒸発器13流出冷媒の温度上昇に伴って、各弾性部材243が通路形成部材230に作用させる荷重が大きくなり、図9に示すように、各通路231、232の流路面積が大きくなるように通路形成部材230が変位することで冷媒流量が増加する。逆に、蒸発器13流出冷媒の温度が低下すると、図8に示すように、各通路231、232の流路面積が小さくなるように通路形成部材230が変位することで冷媒流量が減少する。
このように、流路可変機構240は、蒸発器13流出冷媒の温度および圧力に応じて、通路形成部材230を変位させることによって、蒸発器13流出冷媒の過熱度が予め定めた範囲内となるように、各通路231、232の流路面積を調整可能となっている。
図4に戻り、通路形成部材230とボデー200内部の底面との間には、ディフューザ通路232から流出した混合冷媒の気液分離する気液分離空間250が形成されている。この気液分離空間250は、略円柱状の空間であり、その中心軸が、旋回空間211、減圧用穴部212、昇圧用穴部223の中心軸と同軸となっている。
また、ボデー200の内部空間の底面には、気液分離空間250に同軸上に配置され、通路形成部材230側(上方側)に向かって延びる円筒状のパイプ251が設けられている。このパイプ251の内部には、気液分離空間250にて分離された気相冷媒をボデー200に形成された気相流出口204へ導く気相側流出通路252が形成されている。
また、気液分離空間250にて分離された液相冷媒は、パイプ251の外周側に貯留される。なお、ボデー200におけるパイプ251の外周側の空間は、液相冷媒を貯留する貯液空間260を構成している。また、ボデー200における貯液空間260に対応する部位には、貯液空間260に貯留された液相冷媒を液相流出口203へ導く液相側流出通路261が形成されている。
次に、上記構成に基づく、本実施形態の作動について説明する。乗員により空調作動スイッチ等が投入されると、制御装置からの制御信号により圧縮機11の電磁クラッチが通電され、電磁クラッチ等を介して、圧縮機11に車両走行用のエンジンから回転駆動力が伝達される。そして、制御装置から圧縮機11の電磁式容量制御弁に対して制御信号が入力され、圧縮機11の吐出容量が所望の量に調整されて、圧縮機11がエジェクタ100の気相流出口204から吸入した気相冷媒を圧縮して吐出する。
圧縮機11から吐出された高温高圧の気相冷媒は、凝縮器12に流入し、凝縮器12にて外気により冷却されて凝縮液化する。凝縮器12から流出した液相冷媒は、エジェクタ100の冷媒流入口201に流入する。
エジェクタ100の冷媒流入口201に流入した高圧冷媒は、図10に示すように、冷媒流入通路213を介してエジェクタ100内部の旋回空間211に流入する。そして、旋回空間211に流入した高圧冷媒は、旋回空間211の内壁面に沿って流れ、旋回空間211を旋回する旋回流となる。このような旋回流は、遠心力の作用によって、旋回中心付近の圧力を冷媒が減圧沸騰する圧力まで低下させることで、旋回中心側がガス単相、その周りが液単相の二層分離状態となる。
そして、旋回空間211を旋回するガス単相および液単相の冷媒は、気液混相状態の冷媒として、旋回空間211の中心軸と同軸となる減圧用穴部212に流入し、ノズル通路231にて減圧膨脹される。この減圧膨脹時に冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されることで、気液混相状態の冷媒は、ノズル通路231から高速度となって噴出される。
この点について詳述すると、ノズル通路231では、ノズル部210bの先細部212aの内壁面側から冷媒が剥離する際に生ずる壁面沸騰、およびノズル通路231中心側の冷媒のキャビテーションにより生じた沸騰核による界面沸騰により、冷媒の沸騰が促進される。これにより、ノズル通路231に流入した冷媒は、気相と液相が均質に混合した気液混相状態となる。
そして、ノズル部210bのノズル喉部212c付近で気液混相状態となった冷媒の流れに閉塞(チョーキング)が生じ、このチョーキングにより音速に到達した気液混合状態の冷媒が、ノズル部210bの末広部212bにて加速されて噴出される。
このように、壁面沸騰および界面沸騰の双方による沸騰促進によって気液混層状態の冷媒を音速となるまで効率よく加速できることで、ノズル通路231におけるエネルギ変換効率(ノズル効率に相当)の向上を図ることができる。
なお、本実施形態のノズル通路231は、旋回空間211と同軸となる略円環状に形成されていることから、ノズル通路231では、図11の太実線矢印で示すように、通路形成部材230の周囲を旋回して流れる。
また、ノズル通路231から噴出される冷媒の吸引作用により、蒸発器13流出冷媒が冷媒吸引通路206を介して吸引空間221に吸引される。そして、吸引空間221に吸引された低圧冷媒およびノズル通路231から噴出された噴出冷媒との混合冷媒が、冷媒流れ下流側に向かって流路面積が拡大するディフューザ通路232に流入し、速度エネルギが圧力エネルギに変換されることで昇圧される。
なお、本実施形態のディフューザ通路232は、ノズル通路231と同軸となる略円環状に形成されていることから、ディフューザ通路232では、図12の太実線矢印で示すように、通路形成部材230の周囲を旋回して流れる。
ディフューザ通路232から流出した冷媒は、気液分離空間250に流入して、冷媒の気液が分離される。なお、ディフューザ通路232では、冷媒が通路形成部材230の周囲を旋回して流れることから、気液分離空間250に流入する冷媒も、旋回方向の速度成分を有する。このため、気液分離空間250の内部では、遠心力の作用によって冷媒の気液が分離される。
気液分離空間250にて分離された気相冷媒は、気相側流出通路252および気相流出口204を介して、圧縮機11の吸入側に吸引され、再び圧縮される。この際、圧縮機11に吸入される冷媒の圧力は、エジェクタ100のディフューザ通路232にて昇圧されているので、圧縮機11の駆動力を低減することが可能となる。
また、気液分離空間250にて分離された液相冷媒は、貯液空間260に貯留され、エジェクタ100の冷媒吸引作用により、液相側流出通路261および液相流出口203を介して、蒸発器13に流入する。
蒸発器13では、低圧の液相冷媒が、空調ケース内を流れる空気から吸熱して蒸発気化する。そして、蒸発器13から流出した気相冷媒は、エジェクタ100の冷媒吸引口202を介して吸引空間221に吸引され、ディフューザ通路232に流入する。
以上説明した本実施形態のエジェクタ100は、その内部に冷媒流入口201から流入した高圧冷媒を旋回させてノズル通路231に導く旋回空間211を有している。
このように、旋回空間211にて高圧冷媒を旋回させる構成とすれば、ノズル通路231内における冷媒の減圧沸騰を促進し、ノズル通路231内において冷媒の気液を均質に混合させることができる。これにより、ノズル通路231からの噴出冷媒の流速を増加させることができるので、ノズル通路231におけるノズル効率の向上を図ることができる。なお、エジェクタ100のノズル通路231におけるノズル効率は、噴出される冷媒の速度に比例して向上する。
また、本実施形態のエジェクタ100では、従来技術のような2段式のノズルではなく、単一のノズル通路231によって冷媒の減圧沸騰を行う構成としている。このため、エジェクタ100に流入する冷媒の圧力エネルギを全て活用して、ディフューザ通路232による昇圧エネルギを得ることができる。
さらに、本実施形態では、流路可変機構240における通路形成部材230を変位させる構成を、ダイヤフラム241および弾性部材243といった別部材で構成し、温度応動部材を構成する各弾性部材243を吸引空間221に配置する構成としている。
これによれば、各弾性部材243に対して低圧冷媒の温度変化が直接的に作用することから、各弾性部材243への外部の雰囲気温度の影響を抑え、各弾性部材243にて低圧冷媒の温度変化に応じて各通路231、232の流路面積を適切に変更可能となる。この結果、冷凍サイクル10に見合った冷媒流量を流すことが可能となり、効果的なエジェクタの作動を引き出すことができる。
従って、本実施形態のエジェクタ100によれば、ノズル効率の向上を図りつつ、外部の雰囲気温度の影響による冷凍サイクル10の不安定な作動を抑制することが可能となる。
また、本実施形態では、温度応動部材である弾性部材243を形状記憶合金により構成されるバネ243aで構成している。このように、サーモワックスやバイメタルよりも同一の体格において温度変化に対する発生荷重が大きい形状記憶合金製のバネ243aを、弾性部材243として採用することで、弾性部材243の配置に伴う吸引空間221の拡大を抑制できる。この結果、エジェクタ100の体格の大型化を抑制できる。
さらに、本実施形態では、弾性部材243を構成するバネ243aの表面を形状記憶合金と異なる材料(樹脂243b)で被覆している。これによれば、弾性部材243を構成するバネ243aの温度変化に対する応答特性を調整することが可能となる。この結果、吸引空間221内の温度の急変等に伴う通路形成部材230の振動を抑制することができる。
ここで、吸引空間221は、冷媒吸引通路206における吸引空間221側に開口する冷媒導入部206a付近で低温となり、冷媒導入部206aから遠ざかるに伴って高温となるといった温度分布が生ずることがある。このため、温度応動部材を複数の弾性部材243で構成し、各弾性部材243の温度変化に対する応答特性を同一とすると、各弾性部材243が通路形成部材230に作用させる荷重に差が生ずる可能性がある。
これに対して、各弾性部材243の温度変化に対する応答特性を、冷媒導入部206aとの相対的な位置関係に応じて設定すれば、各弾性部材243が通路形成部材230に作用させる発生荷重の均一化を図ることができる。
本実施形態のエジェクタ100は、昇圧用穴部223が冷媒の流れ方向下流側に向かって径方向の断面積が拡大するように形成されると共に、通路形成部材230が昇圧用穴部223の内周面に沿う曲面を有する構成となっている。そして、ディフューザ通路232は、旋回空間211を旋回する冷媒と同じ方向に冷媒が旋回するように、通路形成部材230の中心軸方向に直交する方向の断面形状が環状に形成されている。
このように、ディフューザ通路232における冷媒の流れを通路形成部材230の中心軸周りを旋回する流れとすれば、冷媒を昇圧させるための流路を螺旋状に形成することができる。これにより、ディフューザ通路232を通路形成部材230の軸方向に拡大することなく、冷媒を昇圧させるための流路長さを充分に確保することができるので、エジェクタ100の通路形成部材230の中心軸方向への拡大を抑制可能となる。
また、本実施形態のエジェクタ100は、そのボデー200の内部に、ディフューザ通路232から流出した混合冷媒の気液を分離する気液分離空間250が形成されている。これによれば、気液分離手段を内蔵するコンパクトなエジェクタ100を実現することができる。なお、ディフューザ通路232から流出した混合冷媒は、旋回流れによって遠心分離の作用を受けて、密度の大きい液相冷媒が、密度の小さい気相冷媒に対して旋回流れの軸線から遠い側へ流出する。このため、気液分離空間250では、ディフューザ通路232から流出した混合冷媒の気液を効率よく分離可能となる。
さらに、本実施形態のエジェクタ100は、そのボデー200の内部に、気液分離空間250にて分離された液相冷媒を溜める貯液空間260が形成されている。これによれば、気液分離手段および貯液手段を内蔵するコンパクトなエジェクタ100を実現することができる。
(変形例1)
上述の実施形態では、通路形成部材230に対して各通路231、232の流路面積が大きくなる方向に荷重が発生するように、各弾性部材243をノズル部材210の底面と作動棒242bの鍔部242cとの間に圧縮した状態で配設する例を説明したが、これに限定されない。
例えば、各弾性部材243を、ディフューザ部材220の底面と作動棒242bの鍔部242cとの間に引張り状態で配設するようにしてもよい。この場合、通路形成部材230には、図13の物理モデルに示すように、ダイヤフラム241からの荷重、各弾性部材243の引張り荷重、付勢部材244による荷重が作用する。そして、各部材241、243、244からの荷重のバランスにより、通路形成部材230が変位する。
(変形例2)
上述の実施形態では、通路形成部材230に対して、各通路231、232の流路面積が縮小する方向に荷重がかかるように、付勢部材244を通路形成部材230における底面側に連結する例について説明したが、これに限定されない。
通路形成部材230に対して、各通路231、232の流路面積が拡大する方向に荷重がかかるように、例えば、図14、図15の物理モデルで示すように、付勢部材244を通路形成部材230における上方側に連結してもよい。
(変形例3)
また、通路形成部材230に対して、上方側および下方側の双方から荷重がかかるように、例えば、図16の物理モデルで示すように、付勢部材244を通路形成部材230における底面側、および上方側の双方に連結してもよい。
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、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、温度応動部材として形状記憶合金製のバネ243aで構成される弾性部材243を採用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、温度変化に応じて体積変化するサーモワックスやバイメタル等を温度応動部材として採用してもよい。
また、上述の実施形態では、複数の弾性部材243で温度応動部材を構成する例について説明したが、これに限らず、例えば、単一の弾性部材243で温度応動部材を構成してもよい。
なお、上述の実施形態の如く、弾性部材243を構成するバネ243aの表面を樹脂243bで被覆することが望ましいが、樹脂243bによる被覆は必須ではなく、省略されていてもよい。
(2)上述の実施形態では、圧力応動部材としてダイヤフラム241を採用する例について説明したが、これに限定されず、例えば、圧力変化に応じて変位するピストン機構やベローズ等を圧力応動部材として採用してもよい。
また、上述の実施形態では、ダイヤフラム241に対して外圧作用空間241a側から大気圧を作用させる例を説明したが、これに限定されない。例えば、温度変化により圧力が変化し難い媒体を外圧作用空間241aに封入し、当該媒体の圧力をダイヤフラム241に作用させるようにしてもよい。
(3)上述の実施形態の如く、流路可変機構240に付勢部材244や荷重調整部材245を追加することが望ましいが、付勢部材244や荷重調整部材245は必須ではなく、省略されていてもよい。
(4)上述の実施形態の如く、エジェクタ100の内部に気液分離空間250や貯液空間260を形成することが望ましいが、これに限らず、エジェクタ100の外部に気液分離器や貯液器等を設けるようにしてもよい。
(5)上述の実施形態では、エジェクタ100を構成するノズル部材210やディフューザ部材220をボデー200と別体で構成する例について説明したが、これに限定されず、ノズル部材210やディフューザ部材220をボデー200と一体に構成してもよい。また、本実施形態では、ノズル部材210に旋回空間211を形成する例について説明したが、これに限らず、例えば、ボデー200に旋回空間211を形成してもよい。
(6)上述の実施形態では、ボデー200、ノズル部材210、ディフューザ部材220、通路形成部材230、流路可変機構240等の各構成要素を金属部材で構成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、各構成要素の少なくとも一部が金属部材以外(例えば、樹脂)により構成されていてもよい。
(7)上述の実施形態では、車両用空調装置の冷凍サイクル10に本発明のエジェクタ100を適用する例について説明したが、これに限定されず、例えば、据置型空調装置等に用いられるヒートポンプサイクルに本発明のエジェクタ100を適用してもよい。
(8)上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
さらに、上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係、材質等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係、材質等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係、材質等に限定されない。
10 冷凍サイクル
200 ボデー
210 ノズル部材
220 ディフューザ部材
221 吸引空間
230 通路形成部材
240 流路可変機構
241 ダイヤフラム(圧力応動部材)
243 弾性部材(温度応動部材)

Claims (12)

  1. 蒸気圧縮式の冷凍サイクル(10)に適用されるエジェクタであって、
    前記冷凍サイクルの高圧側から高圧冷媒を流入させる冷媒流入口(201)、および前記冷凍サイクルの蒸発器(13)から流出した低圧冷媒を吸引するための冷媒吸引口(202)が形成されたボデー(200)と、
    前記ボデーの内部に収容され、前記冷媒流入口から流入した前記高圧冷媒が通過する減圧用穴部(212)が形成されたノズル部材(210)と、
    前記ボデーの内部に収容され、前記減圧用穴部を通過した冷媒が流入する昇圧用穴部(223)が形成されると共に、前記ノズル部材との間に前記冷媒吸引口から前記低圧冷媒を吸引する吸引空間(221)を形成するディフューザ部材(220)と、
    前記ボデーの内部に収容され、前記減圧用穴部の内周面との間に前記高圧冷媒を減圧して噴出するノズル通路(231)を形成すると共に、前記昇圧用穴部の内周面との間に前記ノズル通路から噴出された噴出冷媒および前記吸引空間に吸引された前記低圧冷媒との混合冷媒を昇圧させるディフューザ通路(232)を形成する通路形成部材(230)と、
    前記通路形成部材を変位させて前記ノズル通路および前記ディフューザ通路の流路面積を変更可能とする流路可変機構(240)と、を備え、
    前記ボデーおよび前記ノズル部材の一方には、その内部に前記冷媒流入口から流入した前記高圧冷媒を旋回させて前記減圧用穴部へ導く旋回空間(211)が形成されており、
    前記流路可変機構は、前記低圧冷媒の圧力変化に応じて前記通路形成部材を変位させる圧力応動部材(241)、および前記圧力応動部材とは別に前記低圧冷媒の温度変化に応じて前記通路形成部材を変位させる温度応動部材(243)を有し、
    前記温度応動部材は、前記吸引空間に配置されていることを特徴とするエジェクタ。
  2. 前記温度応動部材は、温度変化により弾性力が変化する少なくとも1つの弾性部材(243)で構成され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. 前記弾性部材は、形状記憶合金により構成されるバネ(243a)であることを特徴とする請求項2に記載のエジェクタ。
  4. 前記弾性部材を構成するバネは、その表面の少なくとも一部が前記形状記憶合金と異なる材料(243b)で被覆されていることを特徴とする請求項3に記載のエジェクタ。
  5. 前記ボデーには、前記低圧冷媒を前記冷媒吸引口から前記吸引空間へ導く冷媒吸引通路(206)が形成されており、
    前記温度応動部材は、複数の前記弾性部材で構成されており、
    前記複数の弾性部材は、前記冷媒吸引通路における前記吸引空間側に開口する冷媒導入部(206a)との相対的な位置関係に応じて、温度変化に対する応答特性が設定されていることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  6. 前記圧力応動部材は、ダイヤフラム(241)で構成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  7. 前記流路可変機構は、前記ノズル通路および前記ディフューザ通路の流路面積が拡大または縮小する方向に前記通路形成部材を付勢する付勢部材(244)を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  8. 前記流路可変機構は、前記付勢部材により前記通路形成部材へ作用させる荷重を調整する荷重調整部材(245)を有することを特徴とする請求項7に記載のエジェクタ。
  9. 前記圧力応動部材は、前記低圧冷媒の圧力上昇に伴って前記ノズル通路および前記ディフューザ通路の流路面積が縮小するように前記通路形成部材を変位させ、
    前記温度応動部材は、前記低圧冷媒の温度上昇に伴って前記ノズル通路および前記ディフューザ通路の流路面積が拡大するように前記通路形成部材を変位させることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  10. 前記昇圧用穴部は、冷媒の流れ方向下流側に向かって径方向の断面積が拡大するように形成されており、
    前記通路形成部材は、少なくとも前記昇圧用穴部の内周面に沿う曲面を有し、
    前記ディフューザ通路は、前記旋回空間を旋回する前記高圧冷媒と同じ方向に冷媒が旋回するように、前記通路形成部材の軸方向に直交する方向の断面形状が環状に形成されていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  11. 前記ボデーには、前記ディフューザ通路から流出した前記混合冷媒の気液を分離する気液分離空間(250)が形成されていることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載のエジェクタ。
  12. 前記ボデーには、前記気液分離空間にて分離された液相冷媒を溜める貯液空間(260)が形成されていることを特徴とする請求項11に記載のエジェクタ。
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