JP3603552B2

JP3603552B2 - ノズル装置

Info

Publication number: JP3603552B2
Application number: JP19578097A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣武内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1137577A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば冷凍サイクルのエジェクタとして利用されるノズル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば車両用空気調和装置の冷凍サイクルの高効率化手段として、冷媒蒸発器を還流する冷媒の循環流量を増加させるために冷凍サイクルの冷媒凝縮器と気液分離器との間にエジェクタを連結している。そして、更なる冷凍サイクルの性能向上のためには、エジェクタの高効率化が不可欠である。
ここで、エジェクタを高効率化するためにノズル効率を向上した技術として、特開平５−１４９６５２号公報に記載の技術がある。
【０００３】
この従来の技術は、図３（ａ）に示したように、エジェクタ本体内に組み込まれるノズル本体１００の噴出口１０１の上流側に２個の絞り部１０２、１０３を設けて内部に流入する冷媒を気液二相流状態にし、さらに絞り部１０２、１０３の間の流体通路の内径を拡大し、二相流を細かい気泡を残して再凝縮させることにより、次の流体通路で沸騰し易い状態にしている。それによって、絞り部１０３から噴出口１０１までの流体通路内の冷媒の循環流を、液滴の微粒化により均質流に近づけて気液の速度差を低減することにより、ノズル効率を向上させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術においては、ノズル効率は８０％程度であり、実用に供する９０％程度の効率には、及ばないという問題が生じている。この主要因は、流体通路の内壁面の拡がり角度が絞り部１０３から噴出口１０１まで一定の角度θ０であると、図３（ｂ）に破線で示した均質流モデルに対し、従来モデルの途中での圧力が急激に低下していることから分かるように、絞り部１０３から噴出口１０１までの流体通路の途中で大きく剥離が生じ、流体通路の内壁面にて渦流が発生していると推測される。ここで、図３（ｂ）中の△印は第１従来例Ａを表し、エジェクタの吸引部に吸引される吸引流量（Ｇｅ）が０の場合を示す。また、図３（ｂ）中の□印は第２従来例Ｂを表し、エジェクタの吸引部に吸引され吸引流量（Ｇｅ）が最大値の場合を示す。
【０００５】
このため、従来の技術においては、流体通路内での冷媒の圧力低下が、速度エネルギーにうまく変換されず、実用に供する９０％程度のノズル効率には及ばないという問題が生じている。この問題に対し、流体通路の拡がり角度を全領域で小さくすることを考えられるが、流体通路において絞り部１０３から冷媒の剥離が生じる剥離部分までの通路長が長くなる。これにより、ノズル本体１００の筒方向の寸法が長くなるので、エジェクタ本体の大型化を招くという問題が生じる。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、ノズル本体の筒方向の寸法の増大を最小限にしながらも、ノズル効率を更に向上することにより、実用に供するノズル効率を得ることのできるノズル装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、冷凍サイクル用ノズル装置において、ノズル本体に、第１の絞り部と第２の絞り部とを設け、第１の絞り部から第２の絞り部まで内径が一旦漸増した後に再度内径が漸減する第１冷媒通路と、第２の絞り部から噴出口まで内径が漸増する第２冷媒通路が形成されると共に、第２冷媒通路において、第２の絞り部から微粒化した液滴を含む気液二相状態の冷媒の剥離現象が発生する流体剥離部分までの通路壁面の第１拡がり一定角度よりも、流体剥離部分から噴出口までの通路壁面の第２拡がり一定角度を小さくしたことにより、第２冷媒通路内での通路壁面からの気液二相状態の冷媒の剥離および渦流の発生を抑えて均質流に対する圧力低下を抑えることができる。それによって、第２冷媒通路内での気液二相状態の冷媒の圧力低下を略全部速度エネルギーに変換することができる。そして、第２の絞り部から噴出口までの第２冷媒通路の全領域の拡がり角度を小さくすることなく、ノズル効率を更に向上することができる。したがって、ノズル本体の筒方向の寸法の増大を最小限にしながらも、実用に供するノズル効率を得ることができる。
【０００８】
そして、請求項２に記載の発明によれば、第２拡がり一定角度を、均質流がノズル本体内での気液二相状態の冷媒の圧力低下を略全部速度エネルギーに変換できる角度とすることにより、必要最小限のノズル本体の筒方向の寸法でノズル効率を更に向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔実施形態の構成〕
図１および図２は本発明の実施形態を示したもので、図１は車両用空気調和装置の冷凍サイクルを示した図である。
【００１０】
本実施形態の車両用空気調和装置の冷凍サイクル１は、例えばエンジン搭載車、電気自動車またはハイブリッド自動車等の車両に搭載され、冷媒圧縮機２、冷媒凝縮器３、エジェクタ９および気液分離器４が冷媒流路５によって環状に連結したエジェクタサイクルである。そして、冷凍サイクル１は、気液分離器４の液相冷媒側とエジェクタ９の吸引部とがバイパス流路６によって連結されている。そして、そのバイパス流路６の途中には、減圧装置７および冷媒蒸発器８が設置されている。
【００１１】
冷媒圧縮機２は、車両のエンジンルーム内に搭載されたエンジンまたは電動モータ等の駆動源により回転駆動されて、内部に吸入した気相冷媒を圧縮して高温高圧の気相冷媒を冷媒凝縮器３側に吐出するコンプレッサである。冷媒凝縮器３は、車両のエンジンルーム内の走行風を受け易い場所に設置されて、冷媒圧縮機２の吐出口から吐出された気相冷媒と冷却ファン（図示せず）等により送られた室外空気とを熱交換して気相冷媒を凝縮液化させるコンデンサである。
【００１２】
気液分離器４は、エジェクタ９により減圧膨張された気液二相冷媒を気液分離するアキュームレータである。減圧装置７は、気液分離器４の液相冷媒側から流入した液相冷媒を減圧して気液二相冷媒にするキャピラリチューブやオリフィス等の固定絞りである。冷媒蒸発器８は、図示しない空調ダクト内に設置されて、減圧装置７から流入した気液二相冷媒と送風機（図示せず）等により送られた空気とを熱交換して気液二相冷媒を蒸発気化させるエバポレータである。
【００１３】
次に、エジェクタ９の構造を図１および図２に基づいて説明する。ここで、図２（ａ）はエジェクタのノズル本体を示した図で、図２（ｂ）は冷媒圧力と断面積比との関係を示したグラフである。
【００１４】
エジェクタ９は、本発明のノズル装置に相当するもので、エジェクタ本体１１と、このエジェクタ本体１１内に設けられたノズル本体１２とを備えている。エジェクタ本体１１は、金属材料により略筒形状に形成され、ディフューザ１４内で吸引部１３より吸引した気相冷媒とノズル本体１２から噴出された気液二相冷媒とを混合すると共に昇圧する。
【００１５】
ノズル本体１２は、金属材料により略筒形状に形成され、冷媒凝縮器３から流入した液相冷媒を気液二相冷媒にしてディフューザ１４内に噴出するものである。そのノズル本体１２の内部には、冷媒が流れる冷媒通路１５が形成されている。その冷媒通路１５の途中には、１段目の絞り部（第１の絞り部）１７および２段目の絞り部（第２の絞り部）１８が形成されている。１段目の絞り部１７および２段目の絞り部１８は、冷媒通路１５の通路断面積を絞ることにより液相冷媒を減圧して気液二相冷媒にする部分である。なお、ノズル本体１２の上流側の外形形状は、外径が変化しない円筒形状であるが、下流側の外形形状は、先端に向けて徐々に外径が小さくなる円錐台形状である。
【００１６】
そして、冷媒通路１５は、流体通路に相当する部分で、上流側には、ノズル本体１２の入口１６から１段目の絞り部１７まで内径が漸減する第１通路２１と、１段目の絞り部１７から２段目の絞り部１８まで内径が一旦漸増した後に再度内径が漸減する第２通路（第１冷媒通路）２２とが設けられている。そして、冷媒通路１５の下流側には、２段目の絞り部１８から冷媒の剥離現象が発生する流体剥離部分１９まで内径が漸増する第３通路（第２冷媒通路）２３と、流体剥離部分１９から噴出口２０まで内径が漸増する第４通路（第２冷媒通路）２４とが設けられている。すなわち、冷媒通路１５は、第３通路２３の通路壁面の第１拡がり一定角度（θ1 ）よりも、第４通路２４の通路壁面の第２拡がり一定角度（θ2 ）を小さくなるように形成されている。なお、第１拡がり一定角度（θ1 ）は４°〜５°程度の一定角度で、第２拡がり一定角度（θ2 ）は１°程度の一定角度である。
【００１７】
〔実施形態の作用〕
次に、本実施形態の冷凍サイクル１の作用を図１および図２に基づいて簡単に説明する。ここで、図１中のＧｎは駆動流量を示し、図１中のＧｅは吸引流量を示す。
【００１８】
冷媒圧縮機２で圧縮されて高温高圧となった気相冷媒は、冷媒凝縮器３で凝縮液化されて高温高圧の液相冷媒になる。その後に、エジェクタ９内に流入する。エジェクタ９のノズル本体１２内に流入した液相冷媒は、ノズル本体１２の２個の絞り部１７、１８を通過する際に減圧されて気液二相冷媒となってノズル本体１２の噴出口２０からディフューザ１４内に噴出される。そして、ディフューザ１４を通過する際に昇圧される。
【００１９】
このとき、ノズル本体１２から高速で噴出する冷媒回りの圧力低下を利用して、エジェクタ９の吸引部１３にバイパス流路６から気相冷媒が吸引される。このため、ノズル本体１２の噴出口２０から噴出した気液二相冷媒と吸引部１３から吸引された気相冷媒とがディフューザ１４内で混合する。これにより、エジェクタ９より流出した気液二相冷媒は、気液分離器４内に流入して気液分離する。その後に、気液分離器４内の気相冷媒は、冷媒圧縮機２の吸入力によって冷媒圧縮機２に吸入される。
【００２０】
また、気液分離器４の底部に溜まっている液相冷媒は、エジェクタ９の吸引部１３の吸引作用により減圧装置７に流入し、その減圧装置７を通過する際に減圧膨張されて気液二相冷媒となって冷媒蒸発器８内に流入する。冷媒蒸発器８内に流入した冷媒は、ダクト内を流れる空気と熱交換して蒸発気化された後に、エジェクタ９の吸引部１３に吸引されて、前述したように、ディフューザ１４内でノズル本体１２の噴出口２０から噴出した気液二相冷媒と混合する。
【００２１】
〔実施形態の効果〕
以上のように、本実施形態のディフューザ１４のノズル本体１２は、図２（ａ）に示したように、２段目の絞り部１８から流体剥離部分１９までの第３通路２３の通路壁面の第１拡がり一定角度（θ1 ）よりも、流体剥離部分１９から噴出口２０までの第４通路２４の通路壁面の第２拡がり一定角度（θ2 ）を小さくすることにより、図２（ｂ）に示したように、第４通路２４内での通路壁面からの気液二相冷媒の剥離および渦流の発生を抑えることができるので、均質流モデル（図示破線）に対する圧力低下を第１、第２従来例Ａ、Ｂよりも抑えることができる。それによって、ノズル本体１２内での気液二相冷媒の圧力低下を略全部速度エネルギーに変換することができる。
【００２２】
したがって、実用に供する９０％以上のノズル効率（本実施形態では９５％）を得ることができるので、エジェクタ９の吸引部１３に吸引される冷媒の吸引流量（Ｇｅ）が増加するので、冷媒蒸発器８を還流する冷媒の循環流量が増加する。これにより、冷媒蒸発器８の吸熱性能が更に向上するので、冷凍サイクル１の冷房性能（冷却性能）を更に向上することができる。
【００２３】
そして、２段目の絞り部１８から噴出口２０までの冷媒通路１５（第３通路２３および第４通路２４）の全領域で拡がり角度を小さくしていないので、全領域で拡がり角度を小さくしたノズル本体と比較して、ノズル本体１２の全長を必要最小限にすることができる。それによって、エジェクタ９のエジェクタ本体１１の全長を短縮することができるので、コンパクトなエジェクタ９を提供できる。
【００２５】
〔他の実施形態〕
本実施形態では、ノズル本体１２内の冷媒通路１５の第４通路２４の第２拡がり一定角度（θ2 ）を一定の角度（例えば１°）に設定した。但し、第２拡がり一定角度（θ2 ）は、第１拡がり一定角度（θ1 ）よりも小さい角度とする。
【００２６】
本実施形態では、第１拡がり一定角度（θ1 ）を４°〜５°に設定し、第２拡がり一定角度（θ2 ）を１°に設定したが、第１拡がり一定角度（θ1 ）を２°以上６°以下角度に設定し、第２拡がり一定角度（θ2 ）を０°よりも大きく２°よりも小さい角度に設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用空気調和装置の冷凍サイクルを示した構成図である（実施形態）。
【図２】（ａ）はエジェクタのノズル本体を示した断面図で、（ｂ）は冷媒圧力と断面積比との関係を示したグラフである（実施形態）。
【図３】（ａ）はエジェクタのノズル本体を示した断面図で、（ｂ）は冷媒圧力と噴出口の面積／２段目の絞り部の面積との関係を示したグラフである（従来の技術）。
【符号の説明】
１冷凍サイクル
９エジェクタ（冷凍サイクル用ノズル装置）
１１エジェクタ本体
１２ノズル本体
１３吸引部
１４ディフューザ
１５冷媒通路
１６入口
１７１段目の絞り部（第１の絞り部）
１８２段目の絞り部（第２の絞り部）
１９流体剥離部分
２０噴出口
２１第１通路
２２第２通路（第１冷媒通路）
２３第３通路（第２冷媒通路）
２４第４通路（第２冷媒通路）

Claims

冷媒を圧縮する冷媒圧縮機と、
この冷媒圧縮機から吐出された冷媒を凝縮液化させる冷媒凝縮器と、
この冷媒凝縮器から液相冷媒が流入し、先端に設けられた噴出口から気液二相状態の冷媒を噴出する筒状のノズル本体とを備えた冷凍サイクル用ノズル装置であって、
前記ノズル本体は、第１の絞り部と第２の絞り部とを有し、前記第１の絞り部から前記第２の絞り部まで内径が一旦漸増した後に再度内径が漸減する第１冷媒通路と、前記第２の絞り部から前記噴出口まで内径が漸増する第２冷媒通路が形成されると共に、
前記第２冷媒通路において、前記第２の絞り部から微粒化した液滴を含む気液二相状態の冷媒の剥離現象が発生する流体剥離部分までの通路壁面の第１拡がり一定角度よりも、前記流体剥離部分から前記噴出口までの通路壁面の第２拡がり一定角度を小さくしたことを特徴とするノズル装置。
請求項１に記載のノズル装置において、
前記第２拡がり一定角度は、均質流が前記ノズル本体内での気液二相状態の冷媒の圧力低下を略全部速度エネルギーに変換できる角度であることを特徴とするノズル装置。