JP3903766B2 - エジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルから吹き出す高速のジェット流により流体を吸引して循環させるエジェクタを用いたエジェクタサイクル用のエジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクル用のエジェクタは、例えば図９（実開昭５７−７６３００号公報）に示すように、放熱器や凝縮器等の高圧側熱交換器から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１０、ノズル４１０から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引する混合部４２０、及びノズル４１０から噴射する冷媒と蒸発器から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３０等からなるものである。
【０００３】
このとき、ノズル４１０の冷媒入口側及びディフューザ４３０は、その内壁が円錐テーパ状に形成されているが、円錐テーパ状の穴加工は、ドリルによる単純な切削穴開け加工が困難であるので、通常、放電加工やワイヤーカッター加工にて行う必要がある。このため、エジェクタの製造工数を低減することが難しく、エジェクタの製造原価低減を図ることが難しいという第１の問題点を有している。
【０００４】
ところで、ノズル４１０に流入する冷媒は、ノズル４１０の冷媒入口に形成された先細テーパ部４１１にて、冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されてその流速を上昇させるが、通常、冷媒流れが大きく乱れて損失が発生しないように、先細テーパ部４１１のテーパ角度（ＪＩＳ Ｂ ０１５４参照）を比較的に小さな一定角度としているので、ノズル４１０の軸方向寸法が必然的に長くなる傾向があるという第２の問題点を有している。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、第２の問題点を解決することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を蒸発器（３００）に供給するとともに、気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）から連なる出口側通路部（４１３）を有して構成されており、さらに、先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）は、段階的に変化しており、テーパ角度（α）のうち冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とする。
【００１３】
ところで、ノズルに流入した冷媒は、後述する図６に示すように、先細テーパ部の入口近傍において流速が急激に増速し、その後、喉部までは比較的穏やかに流速が上昇する。そして、喉部を過ぎた後の速度上昇は、微増である。
【００１４】
したがって、本発明のごとく、先細テーパ部（４１１）の冷媒入口側にけるテーパ角度（α１）を喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きくすれば、通常の末広ノズルに比べて、先細テーパ部（４１１）の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明では、先細テーパ部（４１１）は、テーパ角度（α）が２段階的に変化する２段テーパ形状となっていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明では、先細テーパ部（４１１）は、テーパ角度（α）が３段階的に変化する３段テーパ形状となっていることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明のごとく、出口側通路部（４１３）を通路直径が一定な円筒状としてもよい。
また、請求項５に記載の発明では、圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を蒸発器（３００）に供給するとともに、気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）を有して構成されており、さらに、先細テーパ部（４１１）は、先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）が段階的に変化する２段テーパ形状になっており、冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とする。
これによれば、請求項１に記載の発明と同様に、通常の末広ノズルに比べて、先細テーパ部（４１１）の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００１７】
因みに、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一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（参考例）
本参考例は、車両用空調装置にエジェクタサイクルを適用したものであり、図１は本参考例に係るエジェクタサイクルの模式図である。なお、本参考例は、上記第１の問題を解決するための参考例を示すものである。
【００１９】
圧縮機１００は走行用エンジン等の駆動源（図示せず。）から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２００は圧縮機１００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ものである。
【００２０】
蒸発器３００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凍能力を発揮する低圧側熱交換器であり、蒸発器３００内の冷媒はエジェクタ４００で発生する吸引力により循環させられる。なお、エジェクタ４００の詳細は後述する。
【００２１】
また、気液分離器５００はエジェクタ４００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、分離された気相冷媒は圧縮機１００に吸引され、分離された液相冷媒は蒸発器３００側に吸引される。
【００２２】
次に、エジェクタ４００について述べる。
【００２３】
エジェクタ４００は、図２に示すように、放熱器２００から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧させながら膨張加速させるノズル４１０、ノズル４１０から噴射する高い速度の冷媒ジェット流により蒸発器３００にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル４１０から噴射する冷媒と蒸発器３００から吸引した冷媒とを混合させる混合部４２０等からなるものである。
【００２４】
このとき、ノズル４１０は、冷媒入口側から順に、第１冷媒通路部４１１、第２冷媒通路部４１２及び第３冷媒通路部４１３を有して構成されているとともに、これら第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３それぞれは、通路直径が一定な円筒状に形成されている。
【００２５】
そして、第１冷媒通路部４１１の通路直径Ｄ１は、第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より大きく、かつ、第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２は、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３より小さく、かつ、第１冷媒通路部４１１の通路直径Ｄ１は、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３より大きくなっている。
【００２６】
なお、エジェクタ４００は、ステンレス、黄銅、又はアルミニウム等の金属材料にてダイカスト成型した後、ノズル４１０、すなわち第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３及び混合部４２０をドリル加工等の切削加工を施すことにより製作される。
【００２７】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００２８】
圧縮機１００が起動すると、気液分離器５００から気相冷媒が圧縮機１００に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２００に吐出される。そして、放熱器２００にて冷却された冷媒は、エジェクタ４００のノズル４１０にて減圧膨張して蒸発器３００内の冷媒を吸引する。つまり、本参考例においてエジェクタ４００は、気液分離器５００と蒸発器３００との間で冷媒を循環させるポンプとして機能する。
【００２９】
次に、蒸発器３００から吸引された冷媒（以下、吸引流と呼ぶ。）とノズル４１０から吹き出す冷媒（以下、駆動流と呼ぶ。）とは、混合部４２０にて混合しして気液分離器５００に戻る。このとき、混合部４２０においては、図３に示すように、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２０では冷媒の圧力、つまり静圧が上昇するので、混合部４２０は冷媒圧力を昇圧させる昇圧部としても機能する。
【００３０】
一方、エジェクタ４００にて蒸発器３００内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３００には気液分離器５００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。
【００３１】
なお、図３において、ガス速度はノズル４１０から噴射する冷媒の速度を１としたときの大きさであり、軸方向寸法はノズル４１０の冷媒出口を基準とした寸法であり、半径寸法はエジェクタ４００を回転対称体としてその中心線からの寸法を表している。
【００３２】
因みに、図４は本参考例に係るエジェクタサイクルの作動を示すｐ−ｈ線図であり、図４に示す番号は図１に示す番号の位置における冷媒の状態を示すものである。また、圧縮機１００、放熱器２００、蒸発器３００、エジェクタ４００及び気液分離器５００を繋ぐ冷媒配管、特に、気液分離器５００と蒸発器３００とを繋ぐ冷媒配管は、冷媒が流通する際に発生する圧力損失がなるべく小さくなるようにすることが望ましく、図４に示すｐ−ｈ線図では、冷媒配管で発生する圧力損失を無視した理想的なサイクル挙動を示している。
【００３３】
次に、本参考例の作用効果を述べる。
【００３４】
本参考例によれば、通路直径が一定とした円筒状の第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３によりノズル４１０を構成しているので、第１冷媒通路部４１１を先細テーパ状とした上記公報に記載のノズルに比べて単純な形状となる。したがって、前述のごとく、ドリル加工等の切削加工にて容易にノズル４１０を製造することができるので、エジェクタの製造原価低減を図ることができる。
【００３５】
またさらに、上記公報に記載の発明と異なり、混合部４２０から連なる末広テーパ状のディフューザ４３０（図９参照）を有していないので、ドリル加工等の切削加工のみで容易にエジェクタ４００を製造することができ、エジェクタの製造原価低減を図ることができる。
【００３６】
ところで、通路直径が一定とした円筒状の第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３によりノズル４１０を構成しているので、ノズル４１０の冷媒通路には、通路面積が急激に変化する段付き部が形成されてしまう。このため、段付き部において冷媒流れに乱れが発生してしまうので、ノズル４１０における、冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する際の変換効率が低下してしまう。
【００３７】
したがって、混合部４２０も含めたエジェクタ４００内にて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換する際のエネルギ変換効率が低下してしまうので、圧縮機１００の吸入圧を十分に上昇させることができず、圧縮機１００の消費動力を十分に低減することが難しくなる。
【００３８】
しかし、蒸発器３００には、気液分離器５００から液相（乾き度Ｘ＝０）の冷媒が蒸発器３００に供給されるので、蒸発器３００内における冷媒のぬれ面積が、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて大きくなり、冷媒と蒸発器３００との間における熱伝達率が、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて大きくなる。
【００３９】
したがって、本参考例によれば、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて、実成績係数、つまり実際に発生した蒸発器３００での吸熱量を実際の圧縮機の消費動力で除した値を向上させながらエジェクタ４００の製造原価低減を図ることができる。
【００４０】
なお、エジェクタ４００内で冷媒圧力は、前述のごとく、ディフューザが無くても上昇するので、本参考例に係るエジェクタサイクルは、理想的なエジェクタに比べれば、圧縮機１００の消費動力が大きくなるものの、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べれば、圧縮機１００の消費動力を十分に低減するこができる。因みに、本参考例では、第１〜３冷媒通路４１１〜４１３の通路直径比（Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３）は、２０：２：３である。
【００４１】
また、本参考例では、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より大きくしたが、本参考例はこれに限定されるものではなく、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２と同じにする、又は第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より小さくしてもよい。
【００４２】
なお、本参考例では、冷媒をフロンとしていたので、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力未満であったが、本参考例はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力が臨界圧以上となる冷媒（例えば、二酸化炭素）を用いてもよい。
【００４３】
（実施形態）
本実施形態は、上記第２の問題を解決するための一実施形態を示すものであり、参考例と本実施形態とは、ノズル４１０の構造が相違する。以下、本実施形態に係るノズル４１０について述べる。
【００４４】
図５は本実施形態に係るノズル４１０の断面図であり、本実施形態では、第１冷媒通路部４１１を冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する先細テーパ状とし、最も通路断面積が縮小した第２冷媒通路部４１２から連なる第３冷媒通路部４１３を出口側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ状とすることにより、ノズル４１０として末広ノズル（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ Ｎｏｚｚｌｅ、ｄｅ Ｌａｖａｌ Ｎｏｚｚｌｅ）を採用している。
【００４５】
そこで、本実施形態では、第１冷媒通路部４１１を先細テーパ部４１１と呼び、第２冷媒通路部４１２を喉部４１２と呼ぶ。なお、末広ノズルでは、喉部４１２の長さは明確に規定できるものではなく、喉部４１２とは、前述のごとく、ノズル４１０内の冷媒通路中、通路断面積が最も小さい部位を言う。
【００４６】
そしてさらに、先細テーパ部４１１は、先細テーパ部４１１の冷媒入口側にけるテーパ角度α１が、喉部４１２側におけるテーパ角度α２より大きくなるように、第１、２先細テーパ部４１１ａ、４１１ｂからなる２段テーパ形状となっている。
【００４７】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４８】
図６は、通常の末広ノズル、つまり先細テーパ部のテーパ角度が一定のノズルにおけるノズル内冷媒速度を示す図であり、ノズルに流入した冷媒は、先細テーパ部の入口近傍において流速が急激に増速し、その後、喉部までは比較的穏やかに流速が上昇する。そして、喉部を過ぎた後の速度上昇は、微増である。
【００４９】
したがって、本実施形態のごとく、先細テーパ部４１１の冷媒入口側にけるテーパ角度α１を喉部４１２側におけるテーパ角度α２より大きくすれば、先細テーパ部４１１の冷媒入口断面積と喉部４１２の断面積とを通常の末広ノズルと同等にしたとき、図７に示すように、先細テーパ部４１１の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、先細テーパ部４１１のテーパ角度αは、２段階的に変化させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば３段テーパにしてもよい。
【００５１】
また、図５では、喉部４１２以降の第３冷媒通路部４１３が末広テーパ状となっていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、喉部４１２を過ぎた後の速度上昇は微増であることから、図８に示すように、ノズル４１０の出口側通路部である第３冷媒通路部４１３を通路直径が一定な円筒状としてもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、冷媒として高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を採用したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力未満となる冷媒（例えば、フロン）を採用してもよい。
【００５３】
また、気液分離器５００と蒸発器３００とを繋ぐ冷媒配管中に絞り手段等を設けてもよい。
【００５４】
また、混合部４２０の後に速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる末広テーパ状のディフューザを設けてもよい。
【００５５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用空調装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の蒸気圧縮式冷凍機（ヒートポンプも含む。）にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】 参考例に係るエジェクタの模式図である。
【図３】 ノズルの冷媒出口からディフューザの冷媒出口までにおける、エジェクタの冷媒通路断面の中央部を基準とした半径方向の位置と冷媒流速との関係を示す三次元特性図である。
【図４】 参考例に係るエジェクタサイクルのｐ−ｈ線図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【図６】 ノズル内冷媒速度の変化を示す説明図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係るエジェクタのノズルの効果を示す説明図である。
【図８】 本発明の一実施形態の変形例に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【図９】 従来の技術に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【符号の説明】
４１０…ノズル、４１１…第１冷媒通路部、４１２…第２冷媒通路部、
４１３…第３冷媒通路部、４２０…混合部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルから吹き出す高速のジェット流により流体を吸引して循環させるエジェクタを用いたエジェクタサイクル用のエジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタサイクル用のエジェクタは、例えば図９（実開昭５７−７６３００号公報）に示すように、放熱器や凝縮器等の高圧側熱交換器から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１０、ノズル４１０から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引する混合部４２０、及びノズル４１０から噴射する冷媒と蒸発器から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３０等からなるものである。
【０００３】
このとき、ノズル４１０の冷媒入口側及びディフューザ４３０は、その内壁が円錐テーパ状に形成されているが、円錐テーパ状の穴加工は、ドリルによる単純な切削穴開け加工が困難であるので、通常、放電加工やワイヤーカッター加工にて行う必要がある。このため、エジェクタの製造工数を低減することが難しく、エジェクタの製造原価低減を図ることが難しいという第１の問題点を有している。
【０００４】
ところで、ノズル４１０に流入する冷媒は、ノズル４１０の冷媒入口に形成された先細テーパ部４１１にて、冷媒の圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されてその流速を上昇させるが、通常、冷媒流れが大きく乱れて損失が発生しないように、先細テーパ部４１１のテーパ角度（ＪＩＳ Ｂ ０１５４参照）を比較的に小さな一定角度としているので、ノズル４１０の軸方向寸法が必然的に長くなる傾向があるという第２の問題点を有している。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、第２の問題点を解決することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を蒸発器（３００）に供給するとともに、気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）から連なる出口側通路部（４１３）を有して構成されており、さらに、先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）は、段階的に変化しており、テーパ角度（α）のうち冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とする。
【００１３】
ところで、ノズルに流入した冷媒は、後述する図６に示すように、先細テーパ部の入口近傍において流速が急激に増速し、その後、喉部までは比較的穏やかに流速が上昇する。そして、喉部を過ぎた後の速度上昇は、微増である。
【００１４】
したがって、本発明のごとく、先細テーパ部（４１１）の冷媒入口側にけるテーパ角度（α１）を喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きくすれば、通常の末広ノズルに比べて、先細テーパ部（４１１）の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明では、先細テーパ部（４１１）は、テーパ角度（α）が２段階的に変化する２段テーパ形状となっていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明では、先細テーパ部（４１１）は、テーパ角度（α）が３段階的に変化する３段テーパ形状となっていることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明のごとく、出口側通路部（４１３）を通路直径が一定な円筒状としてもよい。
また、請求項５に記載の発明では、圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を蒸発器（３００）に供給するとともに、気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル（４１０）から噴射する冷媒と蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）を有して構成されており、さらに、先細テーパ部（４１１）は、先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）が段階的に変化する２段テーパ形状になっており、冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とする。
これによれば、請求項１に記載の発明と同様に、通常の末広ノズルに比べて、先細テーパ部（４１１）の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００１７】
因みに、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一例である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（参考例）
本参考例は、車両用空調装置にエジェクタサイクルを適用したものであり、図１は本参考例に係るエジェクタサイクルの模式図である。なお、本参考例は、上記第１の問題を解決するための参考例を示すものである。
【００１９】
圧縮機１００は走行用エンジン等の駆動源（図示せず。）から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２００は圧縮機１００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ものである。
【００２０】
蒸発器３００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凍能力を発揮する低圧側熱交換器であり、蒸発器３００内の冷媒はエジェクタ４００で発生する吸引力により循環させられる。なお、エジェクタ４００の詳細は後述する。
【００２１】
また、気液分離器５００はエジェクタ４００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、分離された気相冷媒は圧縮機１００に吸引され、分離された液相冷媒は蒸発器３００側に吸引される。
【００２２】
次に、エジェクタ４００について述べる。
【００２３】
エジェクタ４００は、図２に示すように、放熱器２００から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧させながら膨張加速させるノズル４１０、ノズル４１０から噴射する高い速度の冷媒ジェット流により蒸発器３００にて蒸発した気相冷媒を吸引し、ノズル４１０から噴射する冷媒と蒸発器３００から吸引した冷媒とを混合させる混合部４２０等からなるものである。
【００２４】
このとき、ノズル４１０は、冷媒入口側から順に、第１冷媒通路部４１１、第２冷媒通路部４１２及び第３冷媒通路部４１３を有して構成されているとともに、これら第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３それぞれは、通路直径が一定な円筒状に形成されている。
【００２５】
そして、第１冷媒通路部４１１の通路直径Ｄ１は、第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より大きく、かつ、第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２は、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３より小さく、かつ、第１冷媒通路部４１１の通路直径Ｄ１は、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３より大きくなっている。
【００２６】
なお、エジェクタ４００は、ステンレス、黄銅、又はアルミニウム等の金属材料にてダイカスト成型した後、ノズル４１０、すなわち第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３及び混合部４２０をドリル加工等の切削加工を施すことにより製作される。
【００２７】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００２８】
圧縮機１００が起動すると、気液分離器５００から気相冷媒が圧縮機１００に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２００に吐出される。そして、放熱器２００にて冷却された冷媒は、エジェクタ４００のノズル４１０にて減圧膨張して蒸発器３００内の冷媒を吸引する。つまり、本参考例においてエジェクタ４００は、気液分離器５００と蒸発器３００との間で冷媒を循環させるポンプとして機能する。
【００２９】
次に、蒸発器３００から吸引された冷媒（以下、吸引流と呼ぶ。）とノズル４１０から吹き出す冷媒（以下、駆動流と呼ぶ。）とは、混合部４２０にて混合しして気液分離器５００に戻る。このとき、混合部４２０においては、図３に示すように、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部４２０では冷媒の圧力、つまり静圧が上昇するので、混合部４２０は冷媒圧力を昇圧させる昇圧部としても機能する。
【００３０】
一方、エジェクタ４００にて蒸発器３００内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３００には気液分離器５００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。
【００３１】
なお、図３において、ガス速度はノズル４１０から噴射する冷媒の速度を１としたときの大きさであり、軸方向寸法はノズル４１０の冷媒出口を基準とした寸法であり、半径寸法はエジェクタ４００を回転対称体としてその中心線からの寸法を表している。
【００３２】
因みに、図４は本参考例に係るエジェクタサイクルの作動を示すｐ−ｈ線図であり、図４に示す番号は図１に示す番号の位置における冷媒の状態を示すものである。また、圧縮機１００、放熱器２００、蒸発器３００、エジェクタ４００及び気液分離器５００を繋ぐ冷媒配管、特に、気液分離器５００と蒸発器３００とを繋ぐ冷媒配管は、冷媒が流通する際に発生する圧力損失がなるべく小さくなるようにすることが望ましく、図４に示すｐ−ｈ線図では、冷媒配管で発生する圧力損失を無視した理想的なサイクル挙動を示している。
【００３３】
次に、本参考例の作用効果を述べる。
【００３４】
本参考例によれば、通路直径が一定とした円筒状の第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３によりノズル４１０を構成しているので、第１冷媒通路部４１１を先細テーパ状とした上記公報に記載のノズルに比べて単純な形状となる。したがって、前述のごとく、ドリル加工等の切削加工にて容易にノズル４１０を製造することができるので、エジェクタの製造原価低減を図ることができる。
【００３５】
またさらに、上記公報に記載の発明と異なり、混合部４２０から連なる末広テーパ状のディフューザ４３０（図９参照）を有していないので、ドリル加工等の切削加工のみで容易にエジェクタ４００を製造することができ、エジェクタの製造原価低減を図ることができる。
【００３６】
ところで、通路直径が一定とした円筒状の第１〜３冷媒通路部４１１〜４１３によりノズル４１０を構成しているので、ノズル４１０の冷媒通路には、通路面積が急激に変化する段付き部が形成されてしまう。このため、段付き部において冷媒流れに乱れが発生してしまうので、ノズル４１０における、冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する際の変換効率が低下してしまう。
【００３７】
したがって、混合部４２０も含めたエジェクタ４００内にて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換する際のエネルギ変換効率が低下してしまうので、圧縮機１００の吸入圧を十分に上昇させることができず、圧縮機１００の消費動力を十分に低減することが難しくなる。
【００３８】
しかし、蒸発器３００には、気液分離器５００から液相（乾き度Ｘ＝０）の冷媒が蒸発器３００に供給されるので、蒸発器３００内における冷媒のぬれ面積が、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて大きくなり、冷媒と蒸発器３００との間における熱伝達率が、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて大きくなる。
【００３９】
したがって、本参考例によれば、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べて、実成績係数、つまり実際に発生した蒸発器３００での吸熱量を実際の圧縮機の消費動力で除した値を向上させながらエジェクタ４００の製造原価低減を図ることができる。
【００４０】
なお、エジェクタ４００内で冷媒圧力は、前述のごとく、ディフューザが無くても上昇するので、本参考例に係るエジェクタサイクルは、理想的なエジェクタに比べれば、圧縮機１００の消費動力が大きくなるものの、膨張弁を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルに比べれば、圧縮機１００の消費動力を十分に低減するこができる。因みに、本参考例では、第１〜３冷媒通路４１１〜４１３の通路直径比（Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３）は、２０：２：３である。
【００４１】
また、本参考例では、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より大きくしたが、本参考例はこれに限定されるものではなく、第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２と同じにする、又は第３冷媒通路部４１３の通路直径Ｄ３を第２冷媒通路部４１２の通路直径Ｄ２より小さくしてもよい。
【００４２】
なお、本参考例では、冷媒をフロンとしていたので、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力未満であったが、本参考例はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力が臨界圧以上となる冷媒（例えば、二酸化炭素）を用いてもよい。
【００４３】
（実施形態）
本実施形態は、上記第２の問題を解決するための一実施形態を示すものであり、参考例と本実施形態とは、ノズル４１０の構造が相違する。以下、本実施形態に係るノズル４１０について述べる。
【００４４】
図５は本実施形態に係るノズル４１０の断面図であり、本実施形態では、第１冷媒通路部４１１を冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する先細テーパ状とし、最も通路断面積が縮小した第２冷媒通路部４１２から連なる第３冷媒通路部４１３を出口側に向かうほど通路断面積が拡大する末広テーパ状とすることにより、ノズル４１０として末広ノズル（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ Ｎｏｚｚｌｅ、ｄｅ Ｌａｖａｌ Ｎｏｚｚｌｅ）を採用している。
【００４５】
そこで、本実施形態では、第１冷媒通路部４１１を先細テーパ部４１１と呼び、第２冷媒通路部４１２を喉部４１２と呼ぶ。なお、末広ノズルでは、喉部４１２の長さは明確に規定できるものではなく、喉部４１２とは、前述のごとく、ノズル４１０内の冷媒通路中、通路断面積が最も小さい部位を言う。
【００４６】
そしてさらに、先細テーパ部４１１は、先細テーパ部４１１の冷媒入口側にけるテーパ角度α１が、喉部４１２側におけるテーパ角度α２より大きくなるように、第１、２先細テーパ部４１１ａ、４１１ｂからなる２段テーパ形状となっている。
【００４７】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４８】
図６は、通常の末広ノズル、つまり先細テーパ部のテーパ角度が一定のノズルにおけるノズル内冷媒速度を示す図であり、ノズルに流入した冷媒は、先細テーパ部の入口近傍において流速が急激に増速し、その後、喉部までは比較的穏やかに流速が上昇する。そして、喉部を過ぎた後の速度上昇は、微増である。
【００４９】
したがって、本実施形態のごとく、先細テーパ部４１１の冷媒入口側にけるテーパ角度α１を喉部４１２側におけるテーパ角度α２より大きくすれば、先細テーパ部４１１の冷媒入口断面積と喉部４１２の断面積とを通常の末広ノズルと同等にしたとき、図７に示すように、先細テーパ部４１１の軸方向寸法を通常の末広ノズルに比べて小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、先細テーパ部４１１のテーパ角度αは、２段階的に変化させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば３段テーパにしてもよい。
【００５１】
また、図５では、喉部４１２以降の第３冷媒通路部４１３が末広テーパ状となっていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、喉部４１２を過ぎた後の速度上昇は微増であることから、図８に示すように、ノズル４１０の出口側通路部である第３冷媒通路部４１３を通路直径が一定な円筒状としてもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、冷媒として高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を採用したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力未満となる冷媒（例えば、フロン）を採用してもよい。
【００５３】
また、気液分離器５００と蒸発器３００とを繋ぐ冷媒配管中に絞り手段等を設けてもよい。
【００５４】
また、混合部４２０の後に速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる末広テーパ状のディフューザを設けてもよい。
【００５５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用空調装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の蒸気圧縮式冷凍機（ヒートポンプも含む。）にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】 参考例に係るエジェクタの模式図である。
【図３】 ノズルの冷媒出口からディフューザの冷媒出口までにおける、エジェクタの冷媒通路断面の中央部を基準とした半径方向の位置と冷媒流速との関係を示す三次元特性図である。
【図４】 参考例に係るエジェクタサイクルのｐ−ｈ線図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【図６】 ノズル内冷媒速度の変化を示す説明図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係るエジェクタのノズルの効果を示す説明図である。
【図８】 本発明の一実施形態の変形例に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【図９】 従来の技術に係るエジェクタのノズルの断面図である。
【符号の説明】
４１０…ノズル、４１１…第１冷媒通路部、４１２…第２冷媒通路部、
４１３…第３冷媒通路部、４２０…混合部。
Claims (5)
- 圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、
前記気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を前記蒸発器（３００）に供給するとともに、前記気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を前記圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、
前記放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、
前記ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１０）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、
前記ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）から連なる出口側通路部（４１３）を有して構成されており、
さらに、前記先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）は、段階的に変化しており、
前記テーパ角度（α）のうち冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、前記喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とするエジェクタ。 - 前記先細テーパ部（４１１）は、前記テーパ角度（α）が２段階的に変化する２段テーパ形状とな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。
- 前記先細テーパ部（４１１）は、前記テーパ角度（α）が３段階的に変化する３段テーパ形状とな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。
- 前記出口側通路部（４１３）は、通路直径が一定な円筒状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。
- 圧縮機（１００）、放熱器（２００）、蒸発器（３００）及び気液分離器（５００）を有し、
前記気液分離器（５００）で分離された液相冷媒を前記蒸発器（３００）に供給するとともに、前記気液分離器（５００）で分離された気相冷媒を前記圧縮機（１００）の吸入側に供給して、低温側の熱を高温側に移動させるエジェクタサイクルに適用されるエジェクタであって、
前記放熱器（２００）から流出した高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１０）と、
前記ノズル（４１０）から噴射する高い速度の冷媒流により前記蒸発器（３００）にて蒸発した気相冷媒を吸引し、前記ノズル（４１０）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３００）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２０）とを備え、
前記ノズル（４１０）は、冷媒流れ下流側に向かうほど通路面積が縮小する冷媒通路部を形成する先細テーパ部（４１１）を有して構成されており、
さらに、前記先細テーパ部（４１１）は、前記先細テーパ部（４１１）のテーパ角度（α）が段階的に変化する２段テーパ形状になっており、冷媒入口側におけるテーパ角度（α１）は、最も通路断面積が縮小した喉部（４１２）側におけるテーパ角度（α２）より大きいことを特徴とするエジェクタ。
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