JP3941602B2 - エジェクタ方式の減圧装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機にて圧縮された高温・高圧の冷媒を放冷する放熱器、及び減圧された低温・低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置、いわゆる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は、周知のごとく、エジェクタ内のノズルにて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させて圧縮機の消費動力を低減するとともに、エジェクタのポンプ作用により蒸発器に冷媒を循環させるものであるが、エジェクタにおけるエネルギ変換効率、すなわちジェクタ効率ηｅが低下すると、エジェクタにて吸入圧を十分に上昇させることができなくなるので、圧縮機の消費動力を十分に低減するできない。
【０００３】
一方、エジェクタ内のノズルは一種の固定絞りであるので、ノズルに流入する冷媒流量が変動すると、これに呼応してエジェクタ効率ηｅも変動してしまう。このため、理想的には、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することが望ましい。
【０００４】
そこで、発明者等は、先端側が円錐テーパ状となったニードル弁をノズル内で変位させることによりノズルの絞り開度を調節するエジェクタを検討したが、この検討品では、以下のような問題が発生する可能性が高いことが解った。
【０００５】
すなわち、ニードル弁の外壁とノズル内壁との間の隙間を流れる冷媒のうち、ニードル弁の表面及びその近傍を流れる冷媒は、図８に示すように、ニードル弁４４の先端側形状に沿って流れるので、ニードル弁４４の先端以降において流線が衝突してしまい、ニードル弁４４以降において、冷媒流れ及び速度境界層に乱れに伴う渦損失が発生するおそれが高い。
【０００６】
このため、ノズル４１の末広部４１ｂ内において、本来、最も速度が大きくなるはずの中心軸線上の冷媒速度が低くなり、ノズルにて冷媒を十分に加速することができず、エジェクタ効率ηｅが低下してしまう。
【０００７】
また、ニードル弁４４を単純に変位させるだけでは、図９に示すように、通路断面積が最小となる喉部４１ａにおいて通路断面積が可変制御されることとなるため、喉部４１ａ以降において冷媒の沸騰により気泡が発生し易い。
【０００８】
そして、喉部４１ａ以降において気泡が発生すると、気泡により実質的な通路断面積が縮小し、必要以上に冷媒通路が絞られることとなるので、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまう。
【０００９】
このとき、気泡が発生しないように飽和ガス圧より高い圧力まで減圧すればよいが、この程度の減圧では、断熱熱落差（エンタルピの変化量）が小さいため、十分なエネルギー量を回収することが難しいばかりか、エジェクタのポンプ作用が小さくなり、蒸発器に十分な量の冷媒を循環させることができなくなる。
【００１０】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を提供し、第２には、エジェクタ効率ηｅを大きく低下させることなく、ノズルの絞り開度を可変制御することを目的とする。
【００１１】
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（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）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（４２、４３）と、ノズル（４１）内でノズル（４１）の軸線方向に変位し、ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、ニードル弁（４４）の先端側形状は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成され、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成され、ノズル（４１）に流入した冷媒が、前記喉部（４１ａ）より上流側で気液二相域まで減圧されるようになっていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、本発明では、喉部（４１ａ）の通路断面積を変化させることで、冷媒流量を調整するのではなく、喉部（４１ａ）より上流で、二相域まで減圧し泡を発生させることで、冷媒の密度を減少させ、相対的な断面積を減少させることで、冷媒流量を調整するので、必要以上に冷媒通路が絞られることを防止でき、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまうことを防止できるとともに、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を得ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、ニードル弁（４４）は、その先端部が喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）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（４２、４３）と、ノズル（４１）内でノズル（４１）の軸線方向に変位し、ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、ニードル弁（４４）は、その先端部が喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されており、さらに、ニードル弁（４４）とノズル（４１）とによって決定される冷媒の通路断面積が最小となる部位が、喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側で発生するように、ニードル弁（４４）の先端側形状及びノズル（４１）の内壁形状が設定されていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、喉部（４１ａ）に乱れの少ない整流された冷媒を通過させることが可能となるので、末広部（４１ｂ）に流入した冷媒は、末広部（４１ｂ）にて乱れによる渦損失の影響を受けることなく、拡大沸騰して音速以上まで加速される。
【００１６】
したがって、ノズル（４１）にて冷媒を確実、かつ、十分に加速することができるので、エジェクタ効率ηｅを向上させることができる。延いては、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができるとともに、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を得ることができる。
【００１７】
なお、請求項４に記載の発明では、ニードル弁（４４）の先端側は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成されていることを特徴としたものである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、ニードル弁（４４）の先端側は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、喉部（４１ａ）に向かうほどテーパ角度が小さくなるように内径（ｄ１）が縮小し、かつ、喉部（４１ａ）以降は内径（ｄ２）が拡大するような鼓型形状に形成されていることを特徴としたものである。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明では、ニードル弁（４４）は、電気式のアクチュエータ（４５）によりを変位させられることを特徴としたものである。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明では、冷媒圧力に関する物理量を検出し、この検出した物理量に基づいてアクチュエータ（４５）の作動を制御することを特徴としたものである。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明では、アクチュエータ（４５）は、ステッピングモータであることを特徴としたものである。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明では、アクチュエータ（４５）は、リニアソレノイドであることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明では、放熱器（２０）内の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍機に、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のエジェクタ方式の減圧装置（４０）を用いたことを特徴とする。
【００２４】
これにより、請求項１〜３に記載の発明について述べたように、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができる。
【００２５】
また、請求項１１に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴としたものである。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタ方式の減圧装置、すなわちエジェクタサイクル用のエジェクタを給湯器用のヒートポンプサイクルに適用したもので、図１は本実施形態に係る給湯器用のヒートポンプサイクルの模式図である。
【００２８】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２９】
なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、放熱器２０での加熱能力を大きくするときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機１０の回転数を低下させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【００３０】
因みに、本実施形態では、冷媒としてフロンを用いているので、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以下であり、放熱器２０にて冷媒が凝縮するが、勿論、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。なお、冷媒として二酸化炭素を用いた場合は、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、放熱器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。
【００３１】
また、蒸発器３０は室外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外空気から吸熱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、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ４０の詳細は、後述する。
【００３２】
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のうち気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００３３】
なお、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動は、周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。
【００３４】
次に、図２、３に基づいてエジェクタ４０の構造について述べる。
【００３５】
エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する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４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０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４３等からなるものである。
【００３６】
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、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３７】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することがのぞましい。
【００３８】
また、ノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａ、及び喉部４１ａ以降は内径ｄ２（図３参照）が徐々に拡大する末広部４１ｂを有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）であり、ノズル４１の絞り開度の調整は、ニードル弁４４をアクチュエータ４５によりノズル４１内でノズル４１の軸線方向に変位させることによって行う。
【００３９】
なお、本実施形態では、アクチュエータ４５として、ねじ機構を用いたステッピングモータやリニアソレノイド等の電気式のアクチュエータを採用するとともに、圧力センサ（図示せず。）により高圧側の冷媒圧力を検出し、この検出した圧力が所定圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御している。
【００４０】
このとき、ニードル弁４４は、その先端部が喉部４１ａより冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されているとともに、図３に示すように、ニードル弁４４とノズル４１とによって決定される冷媒の通路断面積が最小となる部位、つまり図３（ａ）の絞り部４１ｃが、喉部４１ａより冷媒流れ上流側で発生し、かつ、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、ニードル弁４４の先端側形状及びノズル４１の内壁形状が設定されている。
【００４１】
具体的には、ノズル４１の内壁形状を、図３（ｂ）に示すように、少なくとも２種類のテーパ角度α１、α２（ＪＩＳ Ｂ ０６１２参照）を有して喉部４１ａに向かうほど内径ｄ１が縮小するような２段円錐テーパ形状とするとともに、ニードル弁４４の先端側を先端側に向かうほど断面積が縮小するように円錐テーパ状としたものである。
【００４２】
次に、本実施形態に係るエジェクタ４０の作用効果を述べる。
【００４３】
図３に示すように、絞り部４１ｃに向かうほどニードル弁４４とノズル４１とよって決定される通路断面積が縮小するので、ノズル４１に流入した冷媒は、その流量が絞り開度で決定される所定流量となりながら、流速を増大させていく。
【００４４】
このとき、絞り部４１ｃからニードル弁４４の先端までの範囲においては、下流側に向かうほど通路断面積が僅かに拡大していくものの、その拡大率は末広部４１ｂに比べて十分に小さいので、拡大沸騰による加速が発生してらず、ニードル弁４４の表面及びその近傍を流れる冷媒の速度境界面において大きな乱れが発生しない。
【００４５】
そして、ニードル弁４４の先端以降から喉部４１ａにかけての間は、再び冷媒通路断面積が縮小していくので、絞り部４１ｃからニードル弁４４の先端までの範囲において発生した僅かな乱れを整流しながら、冷媒流れを絞って加速する。
【００４６】
また、喉部４１ａには、乱れの少ない整流された冷媒が通過するので、末広部４１ｂに流入した冷媒は、末広部４１ｂにて拡大沸騰して音速以上までさらに加速される。このとき、喉部４１ａを通過する冷媒に乱れが少ないので、末広部４１ｂにて乱れによる渦損失が発生することを抑制することができる。
【００４７】
また、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるので、図４に示すように、喉部４１ａより上流側に発生した気泡は、喉部４１ａに向かうほど圧縮されてその数が減少して沸騰核を生成する。
【００４８】
そして、喉部４１ａを超えて末広部４１ｂに流入したときに、その沸騰核が再沸騰することにより末広部４１ｂにおける冷媒の沸騰が促進され、冷媒が音速以上まで加速される。
【００４９】
つまり、本実施形態では、喉部４１ａの通路断面積を変化させることで、冷媒流量を調整するのではなく、喉部４１ａより上流で、二相域まで減圧し泡を発生させることで、冷媒の密度を減少させ、相対的な断面積を減少させることで、冷媒流量を調整するので、必要以上に冷媒通路が絞られることを防止でき、図５に示すように、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまうことを防止できる。
【００５０】
なお、図５の最適形状とは、流量に対して最適形状となる固定形状のノズルを意味し、可変制御とは、ニードル弁４４にて通路断面積を絞った場合を意味する。
【００５１】
したがって、ノズル４１にて冷媒を確実、かつ、十分に加速することができるので、エジェクタ効率ηｅを向上させることができる。延いては、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ノズル４１の内壁形状を２種類のテーパ角度α１、α２を有して喉部４１ａに向かうほど内径ｄ１が縮小するような２段円錐テーパ形状としたが、本実施形態は、図６に示すように、喉部４１ａに向かうほどテーパ角度が無段階的に小さくなるように内径ｄ１が縮小させることにより、ノズル４１の冷媒通路を鼓型形状としたものである。
【００５３】
これにより、冷媒通路断面積が滑らかに連続的に変化するので、冷媒流れに乱れが発生することを更に抑制できる。
【００５４】
（第３実施形態）
本実施形態は、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、図７に示すように、ノズル４１の内壁形状を滑らかな曲面にて構成したものである。
【００５５】
なお、図７（ａ）は本実施形態に係るノズル４１の断面図であり、図７（ｂ）は断面積変化を示すものである。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、絞り部４１ｃが喉部４１ａより冷媒流れ上流側で発生し、かつ、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、ニードル弁４４の先端側形状及びノズル４１の内壁形状が設定されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるようにのみ構成してもよい。
【００５７】
また、上述の実施形態では、冷媒圧力に関する物理量として、高圧側の冷媒圧力を検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒温度、給湯水の温度又はノズル４１に流入する冷媒流量等のその他の冷媒圧力に関する物理量に基づいてアクチュエータ４５を制御してもよい。
【００５８】
また、上述の実施形態では、高圧側の冷媒圧力が所定圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば圧縮機１０の消費動力に対する放熱器２０での加熱能力の比、つまり成績係数が所定値以上となるようにノズル４１の絞り開度を制御してもよい。
【００５９】
上述の実施形態では、給湯器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、冷蔵庫、冷凍庫及び空調装置等のその他のエジェクタサイクルにも適用することができる。
【００６０】
また、アクチュエータ４５は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではなく、例えば不活性ガスのガス圧を用いた機械的なものやピエゾ素子を用いた非電磁力的な電気式のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るエジェクタのエジェクタ効率を示す棒グラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図７】 本発明の第３実施形態に係るノズル部分の説明図である。
【図８】試作検討に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図９】試作検討に係るノズルの問題点説明するための図である。
【符号の説明】
４１…ノズル、４１ａ…喉部、４１ｂ…末広部、４４…ニードル弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機にて圧縮された高温・高圧の冷媒を放冷する放熱器、及び減圧された低温・低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置、いわゆる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は、周知のごとく、エジェクタ内のノズルにて膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機の吸入圧を上昇させて圧縮機の消費動力を低減するとともに、エジェクタのポンプ作用により蒸発器に冷媒を循環させるものであるが、エジェクタにおけるエネルギ変換効率、すなわちジェクタ効率ηｅが低下すると、エジェクタにて吸入圧を十分に上昇させることができなくなるので、圧縮機の消費動力を十分に低減するできない。
【０００３】
一方、エジェクタ内のノズルは一種の固定絞りであるので、ノズルに流入する冷媒流量が変動すると、これに呼応してエジェクタ効率ηｅも変動してしまう。このため、理想的には、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することが望ましい。
【０００４】
そこで、発明者等は、先端側が円錐テーパ状となったニードル弁をノズル内で変位させることによりノズルの絞り開度を調節するエジェクタを検討したが、この検討品では、以下のような問題が発生する可能性が高いことが解った。
【０００５】
すなわち、ニードル弁の外壁とノズル内壁との間の隙間を流れる冷媒のうち、ニードル弁の表面及びその近傍を流れる冷媒は、図８に示すように、ニードル弁４４の先端側形状に沿って流れるので、ニードル弁４４の先端以降において流線が衝突してしまい、ニードル弁４４以降において、冷媒流れ及び速度境界層に乱れに伴う渦損失が発生するおそれが高い。
【０００６】
このため、ノズル４１の末広部４１ｂ内において、本来、最も速度が大きくなるはずの中心軸線上の冷媒速度が低くなり、ノズルにて冷媒を十分に加速することができず、エジェクタ効率ηｅが低下してしまう。
【０００７】
また、ニードル弁４４を単純に変位させるだけでは、図９に示すように、通路断面積が最小となる喉部４１ａにおいて通路断面積が可変制御されることとなるため、喉部４１ａ以降において冷媒の沸騰により気泡が発生し易い。
【０００８】
そして、喉部４１ａ以降において気泡が発生すると、気泡により実質的な通路断面積が縮小し、必要以上に冷媒通路が絞られることとなるので、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまう。
【０００９】
このとき、気泡が発生しないように飽和ガス圧より高い圧力まで減圧すればよいが、この程度の減圧では、断熱熱落差（エンタルピの変化量）が小さいため、十分なエネルギー量を回収することが難しいばかりか、エジェクタのポンプ作用が小さくなり、蒸発器に十分な量の冷媒を循環させることができなくなる。
【００１０】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を提供し、第２には、エジェクタ効率ηｅを大きく低下させることなく、ノズルの絞り開度を可変制御することを目的とする。
【００１１】
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（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）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（４２、４３）と、ノズル（４１）内でノズル（４１）の軸線方向に変位し、ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、ニードル弁（４４）の先端側形状は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成され、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成され、ノズル（４１）に流入した冷媒が、前記喉部（４１ａ）より上流側で気液二相域まで減圧されるようになっていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、本発明では、喉部（４１ａ）の通路断面積を変化させることで、冷媒流量を調整するのではなく、喉部（４１ａ）より上流で、二相域まで減圧し泡を発生させることで、冷媒の密度を減少させ、相対的な断面積を減少させることで、冷媒流量を調整するので、必要以上に冷媒通路が絞られることを防止でき、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまうことを防止できるとともに、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を得ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、ニードル弁（４４）は、その先端部が喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）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（４２、４３）と、ノズル（４１）内でノズル（４１）の軸線方向に変位し、ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、ニードル弁（４４）は、その先端部が喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されており、さらに、ニードル弁（４４）とノズル（４１）とによって決定される冷媒の通路断面積が最小となる部位が、喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側で発生するように、ニードル弁（４４）の先端側形状及びノズル（４１）の内壁形状が設定されていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、喉部（４１ａ）に乱れの少ない整流された冷媒を通過させることが可能となるので、末広部（４１ｂ）に流入した冷媒は、末広部（４１ｂ）にて乱れによる渦損失の影響を受けることなく、拡大沸騰して音速以上まで加速される。
【００１６】
したがって、ノズル（４１）にて冷媒を確実、かつ、十分に加速することができるので、エジェクタ効率ηｅを向上させることができる。延いては、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができるとともに、従来と異なる新規なエジェクタ方式の減圧装置を得ることができる。
【００１７】
なお、請求項４に記載の発明では、ニードル弁（４４）の先端側は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成されていることを特徴としたものである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、ニードル弁（４４）の先端側は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、さらに、ノズル（４１）の内壁形状は、喉部（４１ａ）に向かうほどテーパ角度が小さくなるように内径（ｄ１）が縮小し、かつ、喉部（４１ａ）以降は内径（ｄ２）が拡大するような鼓型形状に形成されていることを特徴としたものである。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明では、ニードル弁（４４）は、電気式のアクチュエータ（４５）によりを変位させられることを特徴としたものである。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明では、冷媒圧力に関する物理量を検出し、この検出した物理量に基づいてアクチュエータ（４５）の作動を制御することを特徴としたものである。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明では、アクチュエータ（４５）は、ステッピングモータであることを特徴としたものである。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明では、アクチュエータ（４５）は、リニアソレノイドであることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明では、放熱器（２０）内の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍機に、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のエジェクタ方式の減圧装置（４０）を用いたことを特徴とする。
【００２４】
これにより、請求項１〜３に記載の発明について述べたように、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができる。
【００２５】
また、請求項１１に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴としたものである。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタ方式の減圧装置、すなわちエジェクタサイクル用のエジェクタを給湯器用のヒートポンプサイクルに適用したもので、図１は本実施形態に係る給湯器用のヒートポンプサイクルの模式図である。
【００２８】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２９】
なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、放熱器２０での加熱能力を大きくするときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機１０の回転数を低下させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【００３０】
因みに、本実施形態では、冷媒としてフロンを用いているので、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以下であり、放熱器２０にて冷媒が凝縮するが、勿論、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。なお、冷媒として二酸化炭素を用いた場合は、放熱器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、放熱器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。
【００３１】
また、蒸発器３０は室外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外空気から吸熱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、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ４０の詳細は、後述する。
【００３２】
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のうち気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００３３】
なお、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動は、周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。
【００３４】
次に、図２、３に基づいてエジェクタ４０の構造について述べる。
【００３５】
エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する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４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０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４３等からなるものである。
【００３６】
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、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３７】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することがのぞましい。
【００３８】
また、ノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部４１ａ、及び喉部４１ａ以降は内径ｄ２（図３参照）が徐々に拡大する末広部４１ｂを有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）であり、ノズル４１の絞り開度の調整は、ニードル弁４４をアクチュエータ４５によりノズル４１内でノズル４１の軸線方向に変位させることによって行う。
【００３９】
なお、本実施形態では、アクチュエータ４５として、ねじ機構を用いたステッピングモータやリニアソレノイド等の電気式のアクチュエータを採用するとともに、圧力センサ（図示せず。）により高圧側の冷媒圧力を検出し、この検出した圧力が所定圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御している。
【００４０】
このとき、ニードル弁４４は、その先端部が喉部４１ａより冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されているとともに、図３に示すように、ニードル弁４４とノズル４１とによって決定される冷媒の通路断面積が最小となる部位、つまり図３（ａ）の絞り部４１ｃが、喉部４１ａより冷媒流れ上流側で発生し、かつ、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、ニードル弁４４の先端側形状及びノズル４１の内壁形状が設定されている。
【００４１】
具体的には、ノズル４１の内壁形状を、図３（ｂ）に示すように、少なくとも２種類のテーパ角度α１、α２（ＪＩＳ Ｂ ０６１２参照）を有して喉部４１ａに向かうほど内径ｄ１が縮小するような２段円錐テーパ形状とするとともに、ニードル弁４４の先端側を先端側に向かうほど断面積が縮小するように円錐テーパ状としたものである。
【００４２】
次に、本実施形態に係るエジェクタ４０の作用効果を述べる。
【００４３】
図３に示すように、絞り部４１ｃに向かうほどニードル弁４４とノズル４１とよって決定される通路断面積が縮小するので、ノズル４１に流入した冷媒は、その流量が絞り開度で決定される所定流量となりながら、流速を増大させていく。
【００４４】
このとき、絞り部４１ｃからニードル弁４４の先端までの範囲においては、下流側に向かうほど通路断面積が僅かに拡大していくものの、その拡大率は末広部４１ｂに比べて十分に小さいので、拡大沸騰による加速が発生してらず、ニードル弁４４の表面及びその近傍を流れる冷媒の速度境界面において大きな乱れが発生しない。
【００４５】
そして、ニードル弁４４の先端以降から喉部４１ａにかけての間は、再び冷媒通路断面積が縮小していくので、絞り部４１ｃからニードル弁４４の先端までの範囲において発生した僅かな乱れを整流しながら、冷媒流れを絞って加速する。
【００４６】
また、喉部４１ａには、乱れの少ない整流された冷媒が通過するので、末広部４１ｂに流入した冷媒は、末広部４１ｂにて拡大沸騰して音速以上までさらに加速される。このとき、喉部４１ａを通過する冷媒に乱れが少ないので、末広部４１ｂにて乱れによる渦損失が発生することを抑制することができる。
【００４７】
また、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるので、図４に示すように、喉部４１ａより上流側に発生した気泡は、喉部４１ａに向かうほど圧縮されてその数が減少して沸騰核を生成する。
【００４８】
そして、喉部４１ａを超えて末広部４１ｂに流入したときに、その沸騰核が再沸騰することにより末広部４１ｂにおける冷媒の沸騰が促進され、冷媒が音速以上まで加速される。
【００４９】
つまり、本実施形態では、喉部４１ａの通路断面積を変化させることで、冷媒流量を調整するのではなく、喉部４１ａより上流で、二相域まで減圧し泡を発生させることで、冷媒の密度を減少させ、相対的な断面積を減少させることで、冷媒流量を調整するので、必要以上に冷媒通路が絞られることを防止でき、図５に示すように、エジェクタ効率ηｅが大きく低下してしまうことを防止できる。
【００５０】
なお、図５の最適形状とは、流量に対して最適形状となる固定形状のノズルを意味し、可変制御とは、ニードル弁４４にて通路断面積を絞った場合を意味する。
【００５１】
したがって、ノズル４１にて冷媒を確実、かつ、十分に加速することができるので、エジェクタ効率ηｅを向上させることができる。延いては、高いエジェクタ効率ηｅを維持しつつ、冷媒流量に応じてノズルの絞り開度を可変制御することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ノズル４１の内壁形状を２種類のテーパ角度α１、α２を有して喉部４１ａに向かうほど内径ｄ１が縮小するような２段円錐テーパ形状としたが、本実施形態は、図６に示すように、喉部４１ａに向かうほどテーパ角度が無段階的に小さくなるように内径ｄ１が縮小させることにより、ノズル４１の冷媒通路を鼓型形状としたものである。
【００５３】
これにより、冷媒通路断面積が滑らかに連続的に変化するので、冷媒流れに乱れが発生することを更に抑制できる。
【００５４】
（第３実施形態）
本実施形態は、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、図７に示すように、ノズル４１の内壁形状を滑らかな曲面にて構成したものである。
【００５５】
なお、図７（ａ）は本実施形態に係るノズル４１の断面図であり、図７（ｂ）は断面積変化を示すものである。
【００５６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、絞り部４１ｃが喉部４１ａより冷媒流れ上流側で発生し、かつ、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるように、ニードル弁４４の先端側形状及びノズル４１の内壁形状が設定されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズル４１に流入した冷媒が、喉部４１ａより上流側で気液二相域まで減圧されるようにのみ構成してもよい。
【００５７】
また、上述の実施形態では、冷媒圧力に関する物理量として、高圧側の冷媒圧力を検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側の冷媒温度、給湯水の温度又はノズル４１に流入する冷媒流量等のその他の冷媒圧力に関する物理量に基づいてアクチュエータ４５を制御してもよい。
【００５８】
また、上述の実施形態では、高圧側の冷媒圧力が所定圧力となるようにノズル４１の絞り開度を制御したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば圧縮機１０の消費動力に対する放熱器２０での加熱能力の比、つまり成績係数が所定値以上となるようにノズル４１の絞り開度を制御してもよい。
【００５９】
上述の実施形態では、給湯器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、冷蔵庫、冷凍庫及び空調装置等のその他のエジェクタサイクルにも適用することができる。
【００６０】
また、アクチュエータ４５は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではなく、例えば不活性ガスのガス圧を用いた機械的なものやピエゾ素子を用いた非電磁力的な電気式のものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るエジェクタのエジェクタ効率を示す棒グラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図７】 本発明の第３実施形態に係るノズル部分の説明図である。
【図８】試作検討に係るノズル部分の拡大模式図である。
【図９】試作検討に係るノズルの問題点説明するための図である。
【符号の説明】
４１…ノズル、４１ａ…喉部、４１ｂ…末広部、４４…ニードル弁。
Claims (11)
- 圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、
前記放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３０）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（４２、４３）と、
前記ノズル（４１）内で前記ノズル（４１）の軸線方向に変位し、前記ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、
前記ニードル弁（４４）の先端側形状は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成され、
さらに、前記ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して前記喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成され、
前記ノズル（４１）に流入した冷媒が、前記喉部（４１ａ）より上流側で気液二相域まで減圧されるようになっていることを特徴とするエジェクタ方式の減圧装置。 - 前記ニードル弁（４４）は、その先端部が前記喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように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方式の減圧装置。
- 圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置であって、
前記放熱器（２０）から流出した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とともに、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部（４１ａ）、及び下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（４１ｂ）を有する末広型のノズル（４１）と、
前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３０）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（４２、４３）と、
前記ノズル（４１）内で前記ノズル（４１）の軸線方向に変位し、前記ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４４）とを備え、
前記ニードル弁（４４）は、その先端部が前記喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側に位置する範囲内で変位するように構成されており、
さらに、前記ニードル弁（４４）と前記ノズル（４１）とによって決定される冷媒の通路断面積が最小となる部位が、前記喉部（４１ａ）より冷媒流れ上流側で発生するように、前記ニードル弁（４４）の先端側形状及び前記ノズル（４１）の内壁形状が設定されていることを特徴とするエジェクタ方式の減圧装置。 - 前記ニードル弁（４４）の先端側形状は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、
さらに、前記ノズル（４１）の内壁形状は、少なくとも２種類のテーパ角度（α１、α２）を有して前記喉部（４１ａ）に向かうほど内径（ｄ１）が縮小するような円錐形状に形成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方式の減圧装置。 - 前記ニードル弁（４４）の先端側は、先端側に向かうほど断面積が縮小するようにテーパ状に形成されており、
さらに、前記ノズル（４１）の内壁形状は、前記喉部（４１ａ）に向かうほどテーパ角度が小さくなるように内径（ｄ１）が縮小し、かつ、前記喉部（４１ａ）以降は内径（ｄ２）が拡大するような鼓型形状に形成されてい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方式の減圧装置。 - 前記ニードル弁（４４）は、電気式のアクチュエータ（４５）によりを変位させられ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方式の減圧装置。
- 冷媒圧力に関する物理量を検出し、この検出した物理量に基づいて前記アクチュエータ（４５）の作動を制御することを特徴とする請求項６に記載のエジェクタ方式の減圧装置。
- 前記アクチュエータ（４５）は、ステッピングモータであることを特徴とする請求項６又は７に記載のエジェクタ方式の減圧装置。
- 前記アクチュエータ（４５）は、リニアソレノイドであることを特徴とする請求項６又は７に記載のエジェクタ方式の減圧装置。
- 放熱器（２０）内の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍機に、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のエジェクタ方式の減圧装置（４０）を用いたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
- 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１０に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
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