JP4120610B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、高速で噴出する作動流体の巻き込み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（ＪＩＳ Ｚ ８１２６ 番号２．１．２．３等参照）に関するもので、冷媒を循環させるポンプ手段としてエジェクタを採用した冷凍機（以下、エジェクタサイクルという。）に適用して有効である。

エジェクタサイクルは、エジェクタのポンプ作用により低圧側の冷媒、つまり蒸発器内の冷媒を循環させるとともに、エジェクタ内のノズルにて膨張エネルギを圧力エネルギ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ものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２０５８９８号公報

このため、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って圧縮機の消費動力を十分に低減することができなくなるとともに、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。

そして、特許文献１に記載のエジェクタでは、エジェクタの吸引口から流入した冷媒の一部が、エジェクタ内において、吸引口よりノズルの冷媒入口側、つまりノズルの冷媒出口側と反対側に流れてしまうので、エジェクタに吸引されて、一旦、吸引口よりノズルの冷媒入口側に流れた後、壁等に衝突してその流通方向を略１８０°転向させてノズルの冷媒出口側に流れる流れと、エジェクタに吸引されてそのままノズルの冷媒出口側に流れる流れとが発生する。

このため、特許文献１に記載のエジェクタでは、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生するため、エジェクタ効率を十分に高めることができない可能性が高い。

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を提供し、第２には、吸引される流体に発生する圧力損失を低減してエジェクタ効率を向上させることを目的とする。

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、蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、ノズル（４１）を収納してノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であることを特徴とする。
これにより、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生することを防止して、エジェクタ効率を十分に高めることができる。

請求項２に記載の発明では、蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、ノズル（４１）を収納してノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であり、さらに、吸引口（４６）は、ノズル（４１）の中心軸と平行な方向から見て、中心軸に対して略直交する方向と略平行な方向に開口し、かつ、吸引口（４６）の中心軸が、ノズル（４１）の中心軸に対してずれていることを特徴とする。
これにより、吸入口（４６）から通路（４５）内に流入した流体が、ノズル（４１）の外周面に衝突してしまうことを防止できるので、吸引された流体に大きな圧力損失が発生することを確実に防止できる。

請求項３に記載の発明では、蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、ノズル（４１）を収納してノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であり、ハウジング（４４）内には、吸引口（４６）から流入した流体が、通路（４５）内において、吸引口（４６）よりノズル（４１）の流体入口側に流れることを禁止する壁部（４４ａ）が設けられていることを特徴とする。
これにより、吸引口（４６）から流入した流体の全ては、吸引口（４６）よりノズル（４１）の流体入口側に流れることなくノズル（４１）の流体出口側に流れるので、吸引された流体に大きな圧力損失が発生することを防止でき、エジェクタ効率を十分に高めることができる。

請求項４に記載の発明では、吸引口（４６）は、ノズル（４１）の軸方向に対して交差する方向に向けて開口しており、さらに、壁部（４４ａ）は、吸引口（４６）から通路（４５）内に流入した流体をノズル（４１）の流体出口側に転向させるように、ノズル（４１）の軸方向に対して傾斜していることを特徴とするものである。
これにより、吸引口（４６）から通路（４５）内に流入した流体をノズル（４１）の流体出口側に滑らかに転向させることが可能となるので、吸引された流体に大きな圧力損失が発生することを確実に防止できる。

なお、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ものである。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を車両用空調装置に適用したものであって、図１は蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。

図１中、圧縮機１０は走行用エンジンから動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器２０は圧縮機１０から吐出した高温・高圧の冷媒と室外空気とを熱交換して冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。

なお、本実施形態では、冷媒をフロンとして高圧側の冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力未満としているが、例えば冷媒を二酸化炭素等の自然冷媒として高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上としてもよいことは言うまでもない。

蒸発器３０は、室内に吹き出す空気と低圧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、エジェクタ４０は放熱器２０から流出する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、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるエジェクタである。なお、エジェクタ４０の詳細は、後述する。

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の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側に接続されている。

絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段であり、オイル戻し通路７０は気液分離器５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０の吸入側に戻すものであり、内部熱交換器８０は圧縮機１０に吸引される低圧側冷媒と放熱器２０から流出した高圧冷媒とを熱交換する熱交換器である。

なお、本実施形態では、絞り６０としてオリフィスやキャピラリーチューブ等の開度が固定された固定絞りを採用しているが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、例えば蒸発器３０の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を可変制御する温度式膨脹弁等を用いてもよいことは言うまでもない。

次に、図２に基づいて、エジェクタ４０について述べる。エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒を絞って高圧冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して冷媒を等エントロピ的に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の巻き込み作用により蒸発器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を圧力エネルギ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。

このとき、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する駆動流の運動量と蒸発器３０から吸引される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４２においても冷媒の圧力が（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、冷媒の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（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。

因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、勿論、先細ノズルを採用してもよいことは言うまでもない。

また、ハウジング４４は、ノズル４１を収納してノズル４１周りに吸引された冷媒の通路４５を構成するとともに、吸引される冷媒の吸引口４６が設けられたもので、通路４５は、図３に示すように、ノズル４１周りに同心状に形成されている。

因みに、本実施形態では、ノズル４１はハウジング４４に圧入固定され、かつ、吸入口４６は、ノズル４１の中心軸と平行な方向から見て、中心軸に対して略直交する方向に開口している。

そして、ハウジング４４内には、図２に示すように、通路４５内において、吸引口４６から流入した冷媒が吸引口４６よりノズル４１の冷媒入口側（紙面左側）に流れることを禁止すべく、吸入口４６の内壁と連続的に繋がる壁部４４ａが設けられている。

次に、本実施形態に係るエジェクタサイクル（蒸気圧縮式冷凍機）の概略作動を述べる。

圧縮機１０が起動すると、気液分離器５０から気相冷媒が圧縮機１０に吸入され、圧縮された冷媒が放熱器２０に吐出される。そして、放熱器２０にて冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて減圧膨張して蒸発器３０内の冷媒を吸引する。

そして、蒸発器３０から吸引された冷媒とノズル４１から吹き出す冷媒とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。

一方、エジェクタ４０にて蒸発器３０内の冷媒が吸引されるため、蒸発器３０には絞り６０にて減圧された液相冷媒が気液分離器５０から供給され、その供給された冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する。

次に、本実施形態に係るエジェクタ４０の特徴を述べる。

図４は吸入口４６から吸引された冷媒の理想的な圧力変化、及び大きな圧量損失が発生する場合の圧力変化を示すグラフであり、このグラフからも明らかなように、吸入口４６から吸引された冷媒流れに大きな圧力損失が発生すると、全昇圧量が低下するので、エジェクタ効率が低下し（図５参照）、これに連動するように、エジェクタサイクルの冷凍能力が低下する（図６参照）。

なお、本実施形態では、エジェクタ効率をηｅとして、放熱器２０を流通する冷媒の質量流量Ｇｎとノズル４１の出入口のエンタルピ差Δｉｅとの積を分母とし、分子には、圧縮機１０の仕事としてエネルギがどの程度回収されたかを示す冷媒流量Ｇｎと蒸発器３０を流通する冷媒の質量流量Ｇｅとの和とエジェクタ４０での圧力回復ΔＰを置いて定義したものである。具体的には、エジェクタ４０に吸引される前の吸引冷媒の速度エネルギを考慮して、以下の数式１で定義した。

これに対して、本実施形態では、図７に示すように、吸引口４６から流入した冷媒の全ては、壁部４４ａにより吸引口４６よりノズル４１の冷媒入口側に流れることなくノズル４１の冷媒出口側に流れるので、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生することを防止できる。延いては、エジェクタ効率を十分に高めることができるので、エジェクタサイクルの冷凍能力及び成績係数を高めることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、壁部４４ａは、ノズル４１の中心軸と直交するような平板状であったが、本実施形態は、図８に示すように、吸引口４６から通路４５内に流入した冷媒をノズル４１の冷媒出口側に滑らかに転向させるように、壁部４４ａをノズル４１の中心軸方向に対して傾斜させたものである。

これにより、吸引口４６から通路４５内に流入した冷媒をノズル４１の冷媒出口側に滑らかに転向させることが可能となるので、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生することを確実に防止できる。

なお、図８では、壁部４４ａは平板状に記載されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば凹状の曲面としてもよい。

（第３実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、ノズル４１の中心軸と平行な方向から見て、吸引口４６をノズル４１の中心軸に対して略直交する方向と略平行な方向に開口させ、かつ、吸引口４６の中心軸がノズル４１の中心軸に対してずれるようにしたものである。

これにより、吸入口４６から通路４５内に流入した冷媒が、ノズル４１の外周面に衝突してしまうことを防止できるので、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生することを確実に防止できる。

因みに、本実施形態では、通路４５がノズル４１周りにパイプ状に形成されているので、吸入口４６から通路４５内に流入した冷媒は、ノズル４１周りを旋回するようにしてその流通方向をノズル４１の出口側に転向する。

なお、本実施形態では、壁部４４ａを第１実施形態又は第２実施形態と同様な形状としているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば特許文献１と同様な形状としてもよい。

（第４実施形態）
本実施形態は、吸引口４６の通路断面積Ａ（図１０参照）に対する通路４５の通路断面積Ｂ（図１０参照）の比（＝Ｂ／Ａ）を最適にすることにより、吸引された冷媒に大きな圧力損失が発生することを防止するものである。なお、エジェクタ４０の構造は、第１実施形態又は第２実施形態に係るエジェクタ４０と同一構造であるが、第３実施形態に係るエジェクタ４０と同一構造としてもよい。

図１１は、吸引口４６の通路断面積Ａに対する通路４５の断面積Ｂの比（断面積比）の変化による吸引口４６での圧損および圧縮機１０へのオイル戻り量の変化を示している。まず、吸引口４６での圧損について説明すると、断面積比（Ｂ／Ａ）が１より小さい場合には、冷媒が通路４５に流入する時に縮流（絞り）となることから圧損が急激に増大する。また、断面積比が４より大きい場合に冷媒が通路４５に流入すると、冷媒が急拡大するため、渦が発生して圧力損失が増大するが、その増加傾向は縮流時（断面積比１以下の場合）に比べると緩やかである（図１１中吸引圧損曲線）。

また、断面積比が１より小さい場合には、通路４５においてオイルの流れもせき止められる方向となるため吸引口４６側に滞留する。このオイルとは、圧縮機１０内部の摺動部の抵抗を下げるために冷媒中に混入されるオイルである。断面積比が４．０以上となるとオイルが通路４５において流速を失うために吸引口４６近傍に滞留する（オイル戻り量が減少する）傾向がある（図１１中オイル戻り量曲線）。

図１２は、Ｒ４０４Ａを冷媒に使用した場合の断面積比Ｂ／Ａに対する冷凍機のシステム性能（代表的には冷凍能力）の変化を示したものである。断面積比が１．０以下の場合には、冷媒の圧損が大きくなる。この時、エジェクタ４０を通過する冷媒量が減少、つまりエジェクタ４０の冷媒流れ下流側部位の蒸発器３０に流入する冷媒量も減少する。これにより、蒸発器３０が発揮できる冷凍能力が低下する。断面積比が４以上の時に冷媒の圧損が大きくなる場合も同様である。

次に、これらの特性を踏まえた上で最適な断面積比Ｂ／Ａの決定について説明する。まず、エジェクタサイクルを安定して運転させるのに不可欠な要素である、圧縮機１０へのオイル戻り量に着目すると、圧縮機１０が圧縮能力の低下や焼き付きを起こさないようなオイル量は、評価等により事前に決定できる（図１１中サイクル破綻域の直線）。また、オイル戻り量が減少する時には、オイルが吸引口４６近傍で滞留しているため、吸引流（気相冷媒）の圧損の要因にもなる。これにより、最低限必要な断面積比（１．０〜４．０）が決定する。

さらに、吸引口４６の通路断面積Ａに対する通路４５の通路断面積Ｂの比（以下、断面積比Ｂ／Ａと表記する。）に対して、図１１に示す圧力損失が最も大きくなる断面積比Ｂ／Ａ、および図１２に示すエジェクタサイクルの性能（例えば、冷凍能力等）が最大となる断面積比Ｂ／Ａが存在する。

最適な断面積比Ｂ／Ａは、使用する冷媒、冷凍機油、冷媒通路等の条件により変動するが、一例として、冷媒としてＲ４０４Ａを用いたエジェクタサイクルの場合、上述のような特性を考慮して、断面積比Ｂ／Ａを１．０以上、４．０以下としている。当初１．０〜２．０の範囲が有効と思われていたが、さらに発明者が知見を重ねた結果、Ｒ４０４Ａ冷媒の冷凍サイクルシステムにおいてはさらにその範囲が広がることがわかった。さらに、断面積比Ｂ／Ａは、望ましくは１．０以上、１．８以下、更に望ましくは１．２以上、１．５以下とすべきである。

（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、冷蔵庫、冷凍庫及び給湯器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。

また、上述の実施形態では、ノズル４１の絞り開度が固定されたものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、エジェクタサイクルに内部熱交換器８０が設けられていたが、内部熱交換器８０を廃止してもよい。

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。 本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 エジェクタの特性を説明するための説明図である。 エジェクタの特性を説明するためのグラフである。 エジェクタの特性を説明するためのグラフである。 本発明の第１実施形態に係るエジェクタの効果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るエジェクタの特徴を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るエジェクタの特徴を示す図である。 断面積比を説明するための図である。 断面積比と吸引圧損及びオイル戻り量との関係を示すグラフである。 断面積比とシステム性能との関係を示すグラフである。

符号の説明

４０…エジェクタ、４１…ノズル、４２…混合部、４３…ディフューザ、
４４…ハウジング、４４ａ…壁部、４５…通路、４６…吸引口。

Claims (4)

1. 蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、
   流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、
   前記ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、
   前記ノズル（４１）を収納して前記ノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、
   前記吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する前記通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であることを特徴とするエジェクタ。
2. 蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、
   流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、
   前記ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、
   前記ノズル（４１）を収納して前記ノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、
   前記吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する前記通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であり、
   さらに、前記吸引口（４６）は、前記ノズル（４１）の中心軸と平行な方向から見て、前記中心軸に対して略直交する方向と略平行な方向に開口し、かつ、前記吸引口（４６）の中心軸が、前記ノズル（４１）の中心軸に対してずれていることを特徴とするエジェクタ。
3. 蒸気圧縮式冷凍機用のエジェクタであって、
   流体流れを絞って圧力エネルギを速度エネルギに変換することにより流体を加速するノズル（４１）と、
   前記ノズル（４１）から噴出する高速の作動流体の巻き込み作用によって流体を吸引しながら、流体の速度エネルギを圧力エネルギに変換して流体圧を上昇させる昇圧部（４２、４３）と、
   前記ノズル（４１）を収納して前記ノズル（４１）周りに吸引された流体の通路（４５）を構成するとともに、吸引される流体の吸引口（４６）が設けられたハウジング（４４）とを有し、
   前記吸引口（４６）の通路断面積（Ａ）に対する前記通路（４５）の通路断面積（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、１．０以上、４．０以下であり、
   前記ハウジング（４４）内には、前記吸引口（４６）から流入した流体が、前記通路（４５）内において、前記吸引口（４６）より前記ノズル（４１）の流体入口側に流れることを禁止する壁部（４４ａ）が設けられていることを特徴とするエジェクタ。
4. 前記吸引口（４６）は、前記ノズル（４１）の軸方向に対して交差する方向に向けて開口しており、
   さらに、前記壁部（４４ａ）は、前記吸引口（４６）から前記通路（４５）内に流入した流体を前記ノズル（４１）の流体出口側に転向させるように、前記ノズル（４１）の軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項３に記載のエジェクタ。

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